2022 Fiscal Year Research-status Report
Silicon p-n diode resonant sensors consisting of depletion layers in a whole structure
Project/Area Number |
21K04857
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Research Institution | Ritsumeikan University |
Principal Investigator |
鈴木 健一郎 立命館大学, 理工学部, 教授 (70388122)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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Keywords | MEMS / 振動子センサ / pnダイオード / ビルトイン電圧 / 温度変動 / 分析センサ / 高周波特性 |
Outline of Annual Research Achievements |
近年,水晶振動子マイクロバランス(QCM)が化学・バイオセンサ応用で注目されている.水晶は機械振動数の温度依存性が小さいために広く用いられているが,振動子センサの薄型化が限界に近付いているため,さらなる高感度化が困難になりつつある.一方,シリコン振動子センサにおいては,真空を利用できない環境下を考慮すると同時に,振動子自身の機械的温度特性を抑える新たな原理を導入することが必須である.我々は空乏層が機械特性の温度変動を抑えることができる特長をもつことを以前の研究で確認したが,これを利用して,ほぼ全体が空乏層からなる(2 um程度)小型のシリコン振動子を(MEMS技術を利用した)流路の中に形成した構造をもつセンサを研究開発することに挑戦することにした. 特に本研究では,振動子センサの外部入出力を無線で行うことを目指して,空乏層からなるシリコンpnダイオード振動子の高周波特性を定量的に明らかにすることを主な目的とする.シリコン振動子の検出方法として,a)ピエゾ抵抗,b)ピエゾ接合,c) pnダイオード静電容量の三種類の異なる原理を利用することができ,特にpnダイオード静電容量検出センサは,ビルトインポテンシャルを利用できるために振動子の逆バイアス電圧が不要になることから,低電圧駆動および小電力デバイスとして利用できるという大変興味深い特徴をもつことを我々の研究により明らかにすることができた. 前年度はこのデバイスの高周波特性を詳細に検討したが,静電容量方式であることから周波数が高くなると信号の遺漏が増大するという欠点が深刻化することを定量的に明らかにした.この欠点を補うために微小な信号電流を検出するためのセンサ回路のいくつかについて検討を行い,試作した検出回路によりその高周波特性の評価を行った.
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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
過去に我々の研究室で実施した研究成果の多大な蓄積を利用することができたため,デバイス設計および試作が非常に順調に進行した.以前に作製した評価装置を改良して評価装置の立ち上げ改良をおこなったが,試作したデバイスの測定評価がかなり大変な作業であることがわかった.これは試作デバイスの出力信号が小さいために,測定装置の電気評価系ノイズを十分に除去することが大変重要となったからである.この課題を解決する過程で高周波回路検出方式およびその検出回路技術の改善を順調に積み上げることができた.この結果,必要なデータが相当に蓄積できる水準となり,これらデータを詳細に分析してデバイスの高周波特性を理解するのに利用できるようになった.
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Strategy for Future Research Activity |
本年度は本プロジェクトの最終の年になるために,pnダイオード静電容量センサの全体的な特徴を明らかにするとともに,他方式のピエゾ接合センサと定量的比較した研究成果をまとめることを目標にする. まず,試作評価したデバイスの評価測定を継続して行い,実験データの蓄積を進める.この方式をもつデバイスの高周波特性の研究は世界で初めての研究である.次に,他方式のピエゾ接合センサ,ピエゾ抵抗型センサの高周波特性の予測値を他者研究機関の既発表のデータをもとに計算により求めて,本センサの特性と比較検討することを行う. 最終的に,pnダイオード静電容量センサの特徴をピエゾ接合センサと定量的に比較した研究成果をまとめるとともに,論文発表を準備する.
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Causes of Carryover |
本年度は本研究の第2年度であり,本研究は3年間を予定している. さて,前年度の3月に最新研究成果調査のために旅費が発生したが,この旅費に不足分が生じた.この不足分を次年度予算から支払うことにしたため,当該年度の予算を全額執行しないで,次年度使用として予算に計上することにした.
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