1 差替え版 新技術説明会 01 東京大平川20170314...研究の背景 microwave thz...
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MEMS技術によりテラヘルツ電磁波検出が大きく変わる！
東京大学 生産技術研究所 情報・エレクトロニクス系部門教授 平川一彦
688 688.4
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Am
plitu
de (µ
V)
Freq. (kHz)
Vin = 10 - 60 mV Q ≈ 10,000
687.6 0
P0
T0+ΔT
共同研究者： Ya Zhang、細野 優、長井奈緒美、渡辺康行
講演の内容
１．はじめに
■テラヘルツ検出器
■従来の検出器の問題点
２．MEMSボロメータの原理と特徴■室温動作、高速、高感度、アレー化容易
３．素子の試作と評価
４．まとめ
研究の背景
THz radiationmicrowave Infrared visible
0.01THz 0.1THz 1THz 10THz 100THz
3mm 30μm3μm
テラヘルツ・赤外技術
■基礎研究や産業応用、安全・安心分野など、
様々な分野で期待されている。
■社会の様々な場面で展開していくためには、
簡便な光源と検出器の開発が不可欠
■THzカメラに応用できるような低温への冷却を必要としない高感度・高速で、アレー化可能な
非同期型検出器のニーズ大
NICT福永氏より
光源
検出器
Thruvision, Ltd.
TNO Defense Security & Safety
THz body scanner
■近距離〜遠距離（10~30 m)、リアルタイム性、高分解能ーー＞室温動作でコンパクト、高速性、高感度、集積化が求められている
テラヘルツカメラの必要性
Riken NEC VOxテラヘルツカメラ
従来のテラヘルツ検出器の問題点
■ボロメータ
・入射電磁波を一旦熱に変換し、温度上昇による物理量の変化を信号として
読み出すため、原理的には室温動作が可能で広い範囲の周波数に対応
・従来は、信号として極低温における半導体や超伝導体の抵抗変化を用い
ることが多い
■急峻な抵抗変化は低温で得られることが多い抵抗変化を信号読み出しに用いる限り、
低温からの束縛を逃れられない！（非常にbulkyで､面倒）
■熟練職人の技で一つ一つの素子がクライオスタットにマウントされているカメラになるような集積化は困難
注）例外は、室温付近の相転移を用いたVOxボロメータただし、動作速度が遅いQMS Instruments
液体ヘリウム冷却ボロメータ
約50
cm
MEMS構造の特徴
室温動作には、抵抗変化以外の物理量を計測するボロメータの開発が必須
・室温で高いQ値を持つ共振特性 高感度
・小さな熱容量 高速性
・μmサイズの機械振動子 アレー化
MEMS共振器構造
MEMS共振器構造を用いて、室温動作でコンパクト・高速・高感度テラヘルツボロメータを開発する
MEMS両持ち梁構造R. B. Karabalin,et al., PRL, 108, 236101 (2012).
MEMSテラヘルツボロメータの原理
THz ΔT 信号
固有振動数ω0で振動
梁部分がTHz光を吸収し、温度上昇
温度変化によりω0が変化
周波数シフトまたは
振動振幅を検出
MEMSによるTHz光検出のコンセプト
ΔT Δω
吸収層
一様な温度分布
線形に温度低下
線形に温度低下
入射光パワーP0
梁への伝達パワーPin
T0 T0
T0 + ΔT
梁の長さL
l1
c, κ
ω0
P0
T0+ΔT
w0 =t
L2
E12r
mn2
両持ち梁構造の固有振動数と熱膨張の効果
x
yz
両持ち梁構造の固有振動数E：ヤング率ρ：密度
μn：モードに応じた定数
L: 梁の長さ、t： 梁の厚み
w0 (s ) »w0 (0) 1+ 6mn
2
1E
Lt
æèç
öø÷
2
sìíï
îï
üýï
þï
梁部に応力が加わると共振周波数がシフト（弦の張りやたるみに対応）
電磁波入射により梁部の温度が上がると
１．弾性定数の温度依存性による周波数シフト
２．熱膨張の応力による周波数シフト（支配的）
αT：熱膨張係数
t：梁の厚み1w0
¶w0
¶T» 3mn
2 1+ lL
æèç
öø÷
Lt
æèç
öø÷
2
aT
σ：長手方向の応力
MEMS両持ち梁の電気的駆動と振幅検出
GaAs 1 μm
GaAs sub.
GaAs 200 nm
Al0.7Ga0.3As 3 μm
GaAs 100 nm
GaAs/Al0.3Ga0.7As (10nm:10nm×20)
Al0.3Ga0.7As 20 nm
n+ Al0.3Ga0.7As 55 nm
GaAs 10nm
sacrificiallayer
2DEG
688 688.4
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Am
plitu
de (µ
V)
Freq. (kHz)
Vin = 10 - 60 mV Q ≈ 10,000
687.6 0
室温で数千〜10,000程度のQ値が得られる
VNiCr C1 C2
GaAs sub.
2DEG
E
ε ε
E
III-V族化合物半導体の圧電効果を用いてMEMS共振器の電気的駆動と信号検出が可能
（NTTグループの報告）
I. Mahboob, et al., Nat. Nanotech., 3, 275(2008).
NiCr
C1 C2
V
drive detect
355 360 365 370 375 380 385 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
f (kHz)
V out
/gai
n (m
V)
0.8 mW 0 mW 0.5 mW 0.1mW
熱入力に対する共振周波数シフト
感度 ~ 100 W-1
■両持ち梁への熱入力に対して敏感に
共振周波数が低下する
■入力に対するよい線形性と広いダイ
ナミックレンジ （~107）T = 300 K
入力パワー
吸収層
一様な温度分布
線形に温度低下
線形に温度低下
入射光パワーP0
梁への伝達パワーPin
T0 T0
T0 + DT
梁の長さL
l1
c, k
MEMSボロメータの熱的な時定数
C =12
crAL■MEMS梁の熱容量
■梁と熱浴間の熱コンダクタンス G =4kA
L
A：梁の断面積Wtρ：密度κ：熱伝導率c：比熱
■梁の熱的時定数 tT = C / G =crL2
8k
典型的には、L = 100 μmで τT ~ 50 μs
他の室温熱型センサーとの比較
■高速性において他の室温動作熱型センサーと比べて優位性がある
PE （焦電検出器）
VOx（酸化バナジウム）
MEMS
感度
動作速度
FTIRを用いた光検出テスト
D t0
Voltage MEMS Bolometer
Dt
MovingMirror
Fixed Mirror
beam splitter
blackbodyradiation
FilterWindow
Si lens
DTGS
MEMS
NiCr absorber
0 100 200 3000
10
20
Wave number (cm-1)
Δf(
arb.
uni
ts)
Inte
nsity
(arb
. uni
ts)
0 100 200 3000
10
20
Wave number (cm-1)
■現段階では、特別な集光をしていないが
、市販の焦電検出器と同等、あるいはそれ以
上のS/N比が得られている。■MEMS検出器の1000倍程度の高速性を考えれば、十分意義がある。
想定される用途
【すぐにもできそうなこと ー単体での応用ー】
■FTIR等に標準装備されている焦電検出素子の置き換え■基礎科学研究で用いられている単体極低温ボロメータの
置き換え
【近い将来できること】
■MEMSボロメータを集積化したテラヘルツカメラと、それを用いたリアルタイムイメージング
ーセキュリティ分野、異物検査、非破壊検査など
実用化に向けた課題
１．感度の改善
■素子形状やひずみの導入などにより素子構造の最適化
を行う必要がある （集光高率などを考えると、感度を約１
桁程度上昇させたい）
２．集積化に向けた取り組み
■素子ごとの共振周波数の揺らぎの問題の検討
■集積化が可能な簡易な読み出し回路の設計と作製
企業への期待
■単体の素子に関しては実用化が近いと思われ、実装技術
を持った企業との共同研究を希望
■MEMSボロメータのイメージングアレー化に向けて、簡易なFM検出読み出し回路の設計とその集積化ができるような企業との共同研究を希望
お問い合わせ先
株式会社東京大学ＴＬＯ
木村圭花 / KIMURA KEIKA 〒113-0033 東京都文京区本郷７−３−１産学連携プラザ3F
TEL: 03-4330-2048 FAX: 03-5805-7699 e-mail: [email protected]
まとめ
■GaAs系ヘテロ構造を用いてMEMS両持ち梁構造ボロメータを提案・試作した
・非冷却で高感度
・高速性
・アレー化に適する
■圧電効果を用いて電気的な読み出しができる
■性能の初期的な評価
・NEP < 100 pW/Hz0.5
・熱時定数 ~ 100 μsのオーダー・107程度のダイナミックレンジ
VNiCr C1 C2
GaAs sub.
2DEG
355 360 365 370 375 380 385 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
f (kHz) V
out/g
ain
(mV
)
0.8 mW 0 mW 0.5 mW 0.1mW
謝辞：本研究はJST 産学共創プログラムの支援を得て行われた