研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者
張亜

東京農工大学 大学院工学研究院准教授（テニュアトラック）

MEMS共振器の熱伝導と振動モードの制御による高感度テラヘルツ検出
マイクロ構造の機械的な自由度から未開拓のテラヘルツ領域を拓く

研究の背景

タは、極低温における半導体や超伝導体な微小電気機械システム（MEMS）
共振器とどの抵抗の温度依存性を信号として用いるは、半導体微細加工技術を用いて作製さテラヘルツ領域の分光・検出技術は、基ため、大がかりな冷却が必要となり、実用的れる機械的な自由度を持ったマイクロ構造

礎科学、医学・薬学、製造業、安全・安心分

ではありません。従って、テラヘルツ光を、半です（図１a）。我々はMEMS共振器の機械野など様々な分野への応用が注目されてい導体などの抵抗変化として読み出す原理を的共振周波数という新しい物理量を用います。
また、近年では、装置の小型化・高性用いる限り、室温動作かつ高感度の検出て、コンパクトで高感度・高速なテラヘルツ能化が進み、実験室における計測器という器を実現するのは極めて困難です。
この問検出用ボロメータ（以下、MEMSボロメータ

使われ方から、生産現場や医用応用などオ題を克服するためには、発想を全く変えて、という）を実現しました。テラヘルツ電磁波

ンサイトで用いられる小型ポータブルな測定

抵抗変化ではない物理量をテラヘルツ光の入射による両持ち梁の温度上昇を、その器という展開も急速に進んでいます。
このよ検出に用いることが有効です。

共振周波数の変化で読み取るという検出原理を用いて、高感度かつ高速なテラヘルうなテラヘルツ領域の計測技術を、社会の様々な場面で広く応用展開していくために研究の成果は、極低温への冷却を必要としない高感度・高速のテラヘルツ検出器の開発は必要不可欠です。光子エネルギーが非常に本研究によって得られた主な成果を、以下の４項目にまとめました。

MEMSボロメータは、従来用いられてきた抵抗や静電容量の変化を利用したセンサに比べて、同等の感度を有しつつも、検出小さいテラヘルツ領域では、光を一旦熱に変換し、温度上昇による抵抗の変化などをツボロメータを実 現しました【 1 , 2 】。当 該

速度が100〜1,000倍も速いことが明らか
1. 微小電気機械システム共振器を信号として用いるボロメータ技術が有効で用いたテラヘルツ光検出

す。一般に、基礎研究に用いられるボロメー

近年盛んに研究がなされるようになった

図1 室温動作する高感度・高速MEMSテラヘルツボロメータ【3】。になってきました（図1b）

図2 多孔性フォノニック構造によるMEMS梁の熱伝導の制御

図3 振動モードの結合による超高感度の実現

図4 熱効果によるMEMSの機械的非線形性の制御

モード 1モード 27000

結合なし

6000

熱感度 (W-1 )振動結合あり

5000
4000
3000
2000
1000
00200

400
600
800
変調周波数 (Hz)1000

ンシング用途や、フォノンによる量子情報転MEMS素子の信号対雑音比を大幅に向上

MEMSボロメータの感度向上

送などの幅広い分野にも可能性を秘めるたさせることができるため、超高感度センシング

一般に、ボロメータの熱感度は構造の熱め、応用的に重要であるだけでなく、学術的への応用展開が期待できます。

2. 多孔性フォノニック構造による伝導に反比例します。従来のボロメータでにも重要な知見をもたらすものです。

は、高い感度を得るために、熱伝導度を低将来の展望下させていましたが、一方で熱時定数が長く4. 機械的非線形の制御によるなり、検出速度は感度とトレードオフの関係MEMS出力信号の改善にありました。この問題を解決するために、一般的なMEMS両持ち梁構造は、振動振周波数という新しい物理量を用いて、コ

これまでの研究で、MEMSの機械的共我々は、多孔性フォノニック構造をMEMS

振幅が増大するにつれ、梁がより伸張され、ンパクトで高感度・高速なテラヘルツ検出【4】。
ボロメータに導入しました（図２）
多孔性材料が硬くなる性質があります。従って、振用ボロメータを開発するとともに、熱伝導やフォノニック構造はMEMS梁の体積を大き動振幅の増大とともに共振周波数は上昇

振動モードの制御により素子の性能を大幅く減らすことができるため、MEMS梁の熱伝し、非線形性を示します。そのため、線形振に向上させることに成功しました。上記の一導だけではなく、熱容量も減少させます。そ動領域を保つためには、振動振幅は数十連の研究成果は、生産や医療現場など、社のために、光の検出速度を維持するとともナノメートル程度の非常に小さい値にする

会の様々な場面で使用できる次世代のテに熱感度を大幅に向上することができま必要がありました。我々は、MEMS梁に薄ラヘルツ・赤外計測装置の開発に貢献することが期待されます。

す。我々は、多孔率（気孔の体積の割合）膜抵抗を作製し、それを利用してMEMS梁が0.7のMEMS梁を作製し、梁の熱伝導をを電気的に加熱することによって、MEMS90%低減させるとともに、MEMSボロメータ梁の非線形性を強く低減できることを発見の熱感度を10倍以上向上させることに成しました。非線形性が制御されたMEMS素本研究は多くの方々のご協力のもとに功しました【5】。

子においては、線形領域の振動振幅を、非行われたものです。東京大学生産技術研

線形性を制御していないMEMS素子のそ究所の平川一彦先生、東京農工大学のれに比べて、１0倍以上に増大できることを越田信義先生をはじめ、国内外の共同研【7】。
確認しました（図４）
この成果を用いて、究者の皆様に深くお礼申し上げます。

3. 振動モードの制御による理論限界までの感度実現

謝辞

我々は、MEMS梁に内在する力学的な非線形性により生じる梁の振動モード間の相互作用が、非常に大きな熱感度増大をもたらすことを発見しました。MEMS両持ち梁には様々な振動モードが存在しますが、系に非線形性が存在すると、モード間の結合が生じ、入力する熱を特別な周波数で変調
すると、数十倍も大きな熱感度が得られるこ【6】。とが確認できました（図３）
このことは、テラヘルツ検出への応用に限らず、他のセReferences（参考文献 ）【1】Y. Zhang, Y. Watanabe, S. Hosono, N. Nagai, and K. Hirakawa, Appl. Phys. Lett. 108, 163503（2016）.
【2】Y. Zhang, S. Hosono, N. Nagai, S.-H. Song, and K. Hirakawa, J. Appl. Phys. 125, 151602（2019）.
【3】I. Morohashi, Y. Zhang, B. Qiu, Y. Irimajiri, N. Sekine, K. Hirakawa, and I. Hosako, Journal ofInfrared, Millimeter, and Terahertz Waves 41, 675（2020）.
【4】Y. Zhang, B. Qiu, N. Nagai, M. Nomura, S. Volz, and K. Hirakawa, AIP Advances 9, 085102（2019）.
【5】R. Yamamoto, A. Kojima, N. Koshida, I. Morohashi, K. Hirakawa, and Y. Zhang, Sensors 22,5109（2022）.
【6】Y. Zhang, R. Kondo, B. Qiu, X. Liu, and K. Hirakawa, Phys. Rev. Appl. 14, 014019（2020）.
【7】Y. Zhang, Y. Yoshioka, M. Iimori, B. Qiu, X. Liu, and K. Hirakawa, Appl. Phys. Lett. 119,163503（2021）.