2018 Fiscal Year Annual Research Report
THz周波数ΔΣ変調方式を用いた高性能センサ技術の開拓
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18H01495
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
前澤 宏一 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 教授 (90301217)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安藤 浩哉 豊田工業高等専門学校, 情報工学科, 教授 (30212674)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ΔΣ変調 / 共鳴トンネル / THz / センサ / 周波数ΔΣ変調 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、THz に達する超高周波発振器を用いた周波数ΔΣ変調方式に基づく新しいセンサ技術を開拓することにある。周波数ΔΣ変調方式は、高分解能・高ダイナミックレンジを特徴とするΔΣアナログ－デジタル変換器(ADC) のコアであるΔΣ変調器を、電圧制御発振器(VCO) を用いて実現する方法である。通常必要なフィードバックデジタル－アナログ変換器(DAC) を必要とせず、高速動作、高帯域化に適している。このVCO を何らかの物理量で周波数が変化する発振器に置き換えれば、シンプルな構成で高性能なセンサが可能となる。このセンサの性能は、発振周波数に強く依存する。我々は、これに共鳴トンネル素子を基盤としたTHz 領域の発振器を用いることにより、超高性能なセンサ技術を開拓する。
本年度は、周波数ΔΣ方式センサの基本となる幾つかのセンサについて、試作とその評価を行った。まず、RTDを用いた周波数ΔΣ歪センサに関して、その特性に関する検討を進めた。その結果、信号強度に対する十分な線形性があることを示した。次に、RTDを周波数ΔΣセンサの発振器に用いる際に問題となる安定性について検討を進めた。RTDは二端子素子であるため、バイアス端子にも負性抵抗が存在し、これがスプリアス発振を引き起こす。通常、これをマスクするため、バイアス端子を小さな抵抗で接地するが、これは非常に大きな電力消費を招く。ここでは、硬い発振器というアイデアを用いてスプリアス発振の抑制を検討した。シミュレーションにより、硬い発振器構成の採用により、安定した発振と低消費電力を両立できることを確認した。その他、サスペンデッドマイクロストリップ共振器を用いた新しいセンサの提案や、FPGA（Field Programmable Gate Array）を用いた高周波サンプリング/デジタル信号処理回路の高性能化についての検討も行った。
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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
FPGAによる測定系に関しては、ほぼリアルタイムでノイズシェーピング、ノイズフロア、信号波形の確認が可能となり、今後の研究進捗に対する効果は大きい。また、新しいセンサ構造の提案や、RTD発振器の安定化においていくつかの成果を挙げることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、周波数ΔΣ方式センサの基本となる幾つかのセンサについて、設計、試作を行い、性能向上指針の明確化を行う。また、共鳴トンネル素子を周波数ΔΣ方式センサに使用するための基本回路について検討を進める。
まず、これまでに構築した、FPGA（Field Programmable Gate Array）を用いた高周波サンプリング/デジタル信号処理回路を用いて、空洞共振器変位（音響）センサのダイナミックレンジ、帯域幅など、重要な性能指数と、発振器特性の関係を明らかにする。次に、より微細化が容易で集積化に適したセンサとしてサスペンデッドマイクロストリップ共振器を用いた方式を検討する。これは、マイクロストリップ線路の裏面のGND面を金属薄膜として、空気を挟んで対抗させるものである。金属薄膜と基板裏面との距離によって伝搬速度が変化することを利用する。昨年度にシミュレーションにより予測したこのセンサの可能性を試作により実証していく。そのためのデバイス構造、作製プロセス、デバイスパタメータの検討を行う。本センサにおいて性能を左右する重要な特性である共鳴トンネル発振器については、その安定性と、位相ノイズ特性とともに、周波数変換技術、センサへの実装方法について検討を進める。
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