2017 Fiscal Year Annual Research Report
１０００万画素の高精細イメージングを実現する半導体化学センサプラットフォーム
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17H03074
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
吉信 達夫 東北大学, 医工学研究科, 教授 (30243265)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 浩一郎 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70447142)
WERNER Frederik 東北大学, 工学研究科, 助教 (90791434)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 化学センサ / LAPS / 化学イメージセンサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、1000万画素の解像度と10ミクロンの空間分解能でイオン・分子の濃度分布を画像化できる化学イメージセンサシステムの開発を目的としている。高画素数の化学イメージを実用的な時間内に取得するため、本研究では、複数光源を用いた周波数多重化による多点同時測定と機械的なスキャンを併用する。すなわち、各々異なる周波数で変調された複数の光ビームでセンサの複数点を同時に照射し、このとき得られる電流信号を周波数分離することによって各点でのイオン・分子濃度を求める。照射位置を変えながら測定を繰り返すことにより、高画素数の化学イメージを得る。初年度はレーザーダイオードをアレイ状に配列してコリメート・集光する各種方式ついて比較検討し、4×4＝16本のプローブ光でセンサから信号を読み出すシステムを試作した。また、各チャネルの変調信号の生成と各周波数成分の振幅および位相の抽出を同時並列に行うため、FPGAを用いた信号処理システムを作製した。
また空間分解能を向上させるための各種方式について詳細な検討を行った。すなわち、双眼鏡筒を用いてプローブ光の周囲に定常光を照射して半導体中のキャリア密度を増加させることによりキャリアの拡散を制限する方法、TMAHを用いたエッチングによりセンサ基板を薄層化する方法、光パルスに対する時間応答の解析から空間分解能の向上を図る方法についてそれぞれ検討を行い、複数光源と機械的なスキャンを組み合わせたシステムにおいて、10ミクロンレベルの分解能を実現するための指針を得ることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画通り、機械的なスキャン機構に組み込むことが可能な、4×4=16本のプローブ光からなる光源を開発することができた。また、リング状照明による空間分解能の向上を実証することができた。今後、各プローブ光の集光、複数光源とリング状照明の組み合わせを進め、さらにプローブ光の本数を増やしていくことにより、高画素数・高分解能のイメージングを目指すことが必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目以降は、初年度の成果をもとに以下の研究を実施する。
光源についてさらに検討を進め、8×8＝64本のプローブ光を独立に変調し、それぞれ数10ミクロンレベルに集光できる光学系を設計・試作する。必要に応じて、光ファイバを用いた光学系についても検討する。また、機械的スキャンについていくつかの方式を比較・検討する。10ミクロンレベルの空間分解能を実現するための各方式についてさらに検討し、シミュレーションおよび実験によって実証する。具体的には、センサの物性パラメータや構造の最適化、集光光学系の最適化、定常光照射によるキャリア拡散の抑制、パルス光を用いた時間分解測定による空間分解能の向上などについてそれぞれ検討し、必要に応じて併用する。
高精細化学イメージングの測定対象を選定し、イメージングの有用性について実証する。具体的には、材料表面の腐食反応のイメージングや、生物学的試料のイメージングを行う。
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