Silicon p-n diode resonant sensors consisting of depletion layers in a whole structure

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K04857
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 鈴木 健一郎 立命館大学, 理工学部, 教授 (70388122)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 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の利用においては，真空を利用できない環境下を考慮すること，振動子自身の機械的温度特性を抑えることが課題であり，これらを解決するための新たな原理を導入することが必須となっている．我々はpnダイオード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，本研究において，この特徴を利用して，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の開発に挑戦することにした．
本研究では，振動子センサの外部入出力を無線で行うために，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した．シリコン振動子の電気検出方法としてpnダイオード静電容量の原理を利用することができるが，この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の利用により振動子の逆バイアス電圧が不要になるため，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っている．今回この特性を定量的にかつ詳細に解析することができた．また，温度変動が大変小さいことも確認することができた．これらの特徴は実際の利用に大変役立つものである．
このデバイスの高周波特性が，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比較検討を行い，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．