2022 Fiscal Year Research-status Report
Study on sensor integrated circuits using terahertz evanescent waves
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21K04183
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
高野 恭弥 東京理科大学, 理工学部電気電子情報工学科, 准教授 (10822801)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | SiGe BiCMOS / 共振器 / 位相検出器 / 集積回路 / センサ / テラヘルツ波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、テラヘルツエバネッセント波を発生し、その電力強度と位相の両方を検出可能とした集積回路を実現し、生体関連物質のリアルタイム計測の可能性を示すことを目的とする。原理検証のために、生体関連物質であるシスチンの吸収スペクトルのピークが存在する712.2 GHzをターゲット周波数とする。
集積回路を用いたテラヘルツ信号源は信号電力が小さく、検出器の感度も低いため、低損失でかつ高感度なテラヘルツセンサ回路の実現が課題である。それを解決するために、集積回路半導体チップを実装する低誘電体基板上に誘電体共振器を形成したテラヘルツセンサ回路を提案した。提案する共振器は、低誘電体基板を用いてマイクロストリップラインを形成し、信号線の両脇に高誘電体を用いた四角柱を配置することにより、誘電体共振器を構成している。誘電体共振器の共振周波数を700 GHzとするために、基板の厚さを700 GHzで実効波長の4分の1となる厚さにしている。低誘電体基板には、シリコン部分を削って厚さ16 μmとしたSiGe BiCMOSチップをフリップして貼り付け、テラヘルツ波の生成と検出を行う。測定試料はSiGe BiCMOSチップのシリコン側に接するように配置する。測定試料によって誘電体共振器の実効誘電率が変化するため、共振周波数、及び透過特性が変化する。その変化量を測定することにより、測定試料の物質の特定が可能となる。この方式はテラヘルツ波を直接測定試料に透過させるわけではないため、信号減衰量を小さくすることが可能である。
さらに、測定試料による712.2 GHzの信号の位相変化を検出するために、712.2 GHz位相検出器を提案し、0.13 μm SiGe BiCMOSプロセスを用いて設計、試作を実施した。
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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
提案する共振器をKeysight EMProを用いて電磁界解析を行うことにより設計した。測定試料の比誘電率を変化させた時の2段共振器の透過利得の変化を求めたところ、比誘電率を1から15に変化させると700 GHzで透過利得が-4.8 dB変化し、位相は75°変化することが分かる。また、測定試料の誘電正接を変化させたときの透過利得と位相の変化をもとめたところ、誘電正接と透過利得、位相には線形性がみられ、透過利得の傾きは-0.828 dBとなり、位相の傾きは4.29°となった。さらに、共振器の段数を2から3に変化させた時の共振周波数の変化をもとめたところ、共振器の段数を2から3に増やすと共振周波数の傾きは-7.6 GHzから-9.0 GHzとなり、段数を増やすことによって感度が増加することが分かった。
また、712.2 GHz位相検出器はシングルバランスドミキサの構成をしており、0.13 μm SiGe BiCMOSプロセスを用いて設計した結果、0 dBmの入力電力のとき、1 - 2 mV/°の位相感度が得られた。設計した位相検出器の試作を行い、現在測定に向けて準備を行っている。
今年度の成果は国内学会2件であり、研究の進捗状況はおおむね順調であると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は2022年度に試作した712.2 GHz位相検出器の評価を行い、それを用いてシスチンによる特性変化を求める予定である。また、提案手法によってシスチンが特定可能であることを示し、そのためのプログラムを作成する。また、今年度は共振器や発振器の試作を行い、性能を評価する。試作した回路の評価はベアチップにプロービングすることにより行う。実験は国立研究開発法人情報通信研究機構の設備を利用することにより実施する。得られた成果は国内学会と国際学会で発表する。
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| Causes of Carryover |
当初の計画では2022年度だけ試作を行う予定であったが、より完成度を高めるためには2023年度にも試作を行う必要があり、そのために2022年度は研究室の予算により試作を行い、当初試作に使用する予定であった2022年度の助成金と2023年度の助成金を合わせて2023年度にも試作を実施する。
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