2020 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, 学術研究部工学系, 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、これまで周波数ΔΣ方式センサにおいて問題となっていたノイズフロアについて検討を進めた。ノイズフロアの原因は発振器の位相ノイズでとされてきたが、これまで両者の関係は不明確であった。我々は、多数の独立した振動子からなるノイズ源を用いた位相ノイズモデルにより両者の定量的関係を明らかにした。これにより、必要とされる位相ノイズの上限を示すことも可能となった。 さらに、この結果を踏まえて、空洞共振器を用いたマイクロフォンセンサの高性能化を目指して研究を進めた。発振器の位相ノイズ低減のため、空洞共振器の材質・表面状態を改善し、これまでの2倍以上のQ値を得た。また、重要なパラメータの最適化に有利なループフィードバック型の発振回路を採用し、HEMTアンプチップをFR-4基板上へ実装することにより、発振器の位相ノイズ化を実現した。その結果、ノイズフロアは大幅に改善され、マイクロフォンセンサとしても、96kHz帯域幅で90dB近いダイナミックレンジを得た。
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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
本研究の重要な提案の一つである、マイクロフォンセンサにおいてこれまで大きな問題となっていたノイズフロアを大幅に低減することができた。現在、すでにSN比は量子化ノイズで決まるところに来ている。これはサンプリングレートの向上、あるいは、並列サンプリングの導入により、大幅な性能向上が得られることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
ノイズフロアの減少が実証された空洞共振器を用いたマイクロフォンセンサについてさらなる高性能化を進める。まず、サンプリングレートの増大による高SN比、高ダイナミックレンジを実証する。そのため、より高速なFPGAへの回路のインプリメンテーションを進める。また、さらに並列入力の可能性についても検討を進める。次に、これまでのマイクロフォンセンサの性能を制限していたダイアフラムの厚さを縮小する。ダイアフラムの厚さの下限はマイクロ波の表皮効果で決まるため、現在の12umを1/10にすることも可能と考えられる。これにより、感度が20dB向上し、大きな高性能化が図れる。
サスペンデッドマイクロストリップセンサについては、材料の変更、発振周波数の向上による感度向上を目指す。具体的には、基板誘電率の向上、裏面GNDプレーンと基板間のギャップの縮小を図る。より誘電率の高いGaAs基板を用いるとともに、裏面金属メンブレンのプロセス技術、構造設計を行い、デバイスを試作する。
さらに、走査型プローブ顕微鏡への応用についてもその可能性を検討する。まずは、空洞共振器マイクロフォンをダイナミックレンジの大きな位置センサとして用いて表面形状測定器としての可能性を調べる。
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