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

整体结构中包含耗尽层的硅 p-n 二极管谐振传感器

• 批准号: 21K04857
• 负责人: 鈴木 健一郎
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Ritsumeikan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04857/
• 关键词: 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

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．

近年来，石英晶体微平衡（QCM）引起了其化学和生物传感器应用的关注。石英被广泛使用，因为机械振动频率的温度依赖性很小，但是由于传感器传感器的厚度正在接近其极限，因此进一步提高灵敏度变得困难。另一方面，在硅换能器传感器中，必须考虑无效的环境，并引入一种抑制传感器本身的机械温度特性的新原理。我们在先前的研究中已经证实，耗竭层的优势是它可以抑制机械性能中的温度波动，并且我们决定利用它来研究和开发具有一个结构的传感器，在该结构中，在流程路径（使用MEMS技术）中形成了小型硅传感器（约2 UM）。特别是，本研究旨在无线执行传感器传感器的外部输入/输出，其主要目的是定量阐明由耗尽层组成的硅PN二极管传感器的高频特性。可以将三种不同的原理用作硅换能器的检测方法：a）压电，b）压电结和c）pn二极管电容。我们的研究表明，PN二极管电容检测传感器尤其具有非常有趣的功能，可以用作低压驱动器和低功率设备，因为它们可以利用内置电位，并消除了透射器反向偏置电压的需求。上一年，我们详细检查了该设备的高频特性，并定量地揭示了由于它是电容系统，因此当频率增加时信号泄漏增加的缺点。为了弥补这一缺点，我们研究了一些传感器电路检测小信号电流，并使用原型检测电路评估了它们的高频特性。