令和５年６月15日(木)フィルタフリー波長検出センサ

豊橋技術科学大学 工学部
電気・電子情報工学系
准教授 崔 容俊https://int.ee.tut.ac.jp/bio/

研究の背景▪光の波長と強度の検出と応用分野▪可視光領域の波長
gamma
rays

10-14

X-rays10-12

ultraviolet
rays

10-10

10-8

infraredrays

10-610-4

▪光の性質

radar

FM TV shortwaveAM

10-2

1102

104

Wavelength [meters]

透過反射

屈折

分散

吸収

散乱

可視光・近赤外線領域
400

500

600
波長 [nm]700

光検出技術の進化により、私達の生活が変わって行く
生命科学

環境

生化学

農業
生活家電

宇宙科学

バイオ

医療

化学
脳科学

電子機器
食品

医薬

Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology2

従来技術とその問題点▪光波長の検出システム[1]▪蛍光顕微鏡(光学フィルター)Detector▪分光光度計 (モノクロメーター)
MirrorEmission Filter
Filter Cube
Excitation Filter

Light Source

LightDiffraction
Grating

Dichroic mirror
ObjectiveDetector

MirrorSlitSample
Olympus BX53

Spectrum〇 高感度・波長選択性・イメージング〇 高い波長選択性

× 高価・大型・波長によりフィルター交換

× 高価・大型・ポイント計測[1] Yong-Joon Choi, and Kazuaki Sawada, “Reference Module in Biomedical Sciences - Fluorescence Sensors”, Elsevier BV, ISBN: 9780128012383, 2023.

Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

3新技術の特徴・従来技術との比較▪小型された光波長の検出システム▪CMOSイメージセンサ▪フィルタフリー波長検出センサ[2]In-well

VPG

IPG

Color filters
p+n+W

IPG

ΔVPG

Photo Detector

p+n+p-well

RedGreenBlue〇 高い空間分解能
× 空間情報のずれ、RGBのみ検出▪蛍光CMOSイメージセンサ
Excitation light
Fluorescence

SampleAbsorption or Interference filter
CMOS Image Sensor

In-wellz

Deep n-well

xp-substrate(断面模式図)(顕微鏡画像)・光学フィルターが不要
・同一空間で波長情報を計測
・可視光~近赤外領域までの波長情報を検出
・CMOSプロセスにより周辺回路の集積化〇 高い空間分解能
× フィルターにより検出波長が依存

小型デバイスで波長情報の検出が可能[2] Yong-Joon Choi, et al., “Demonstrating a Filter-Free Wavelength Sensor with Double-Well Structure and Its Application”, Biosensors, 12(11), p.1033, 2023

Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology4新技術の内容▪波長検出の原理▪シリコンの光波長の吸収深さ
1000

1.E+05100

1.E+0410

1.E+031

1.E+020.1

1.E+01

0.01
1000

400

500

600

700

800

900

Wavelength [nm]1.0Light Intensity [Arb.u.]

1.E+06

Absorption Depth [µm]Absorption Coeffcient [cm-1]▪シリコンの吸収係数[3]

1 µm

0.8

36%

0.654%

0.4490 nm
530 nm
590 nm72%
0.20.0012345Depth [µm]シリコンの吸収係数により光波長の吸収深さが異なる[3] M. A. Green, “Self-consistent optical parameters of intrinsic silicon at 300 K including temperature coefficients”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 92, p.1305, 2008

Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

5新技術の内容▪フィルタフリー波長検出センサ▪センサの断面模式図[3]
VPG

IPG

-1
Potential [V]p+n+p+

W

In-wellz

Deep n-wellxp-substrate

Depth [µm]p-well

PG -1V

WPG3V

0n+

ΔVPG

W

IPG

WPG1V

0

Potential [V]In-well▪PG電圧によるポテンシャル分布

1

PG 1V
PG 3V

WPG5VPG 5V23456012345Silicon Depth [µm]

Photogate(PG)の電圧印加によりポテンシャルピークWが形成

光照射による光電子を表面側電流(IPG)と基板側電流(In-well)を分離[3] M. A. Green, “Self-consistent optical parameters of intrinsic silicon at 300 K including temperature coefficients”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 92, p.1305, 2008

Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

6新技術の内容▪フィルタフリー波長検出センサ
1214Non filter (100 %)Ratio [In-well/IPG]

1012ND filter 1.0 (≃10 %)8ND filter 2.0 (≃1 %)10Absorption depth in Silicon (1/e)

866442200460500

540580620660

700740Light Absorption depth [µm]▪光の波長と強度の依存性[2]780Wavelength [nm]

ポテンシャルピークWを光を分岐する ⇒ 電流比率から波長の識別が可能

シリコンの吸収係数により ⇒ 光強度は電流比率に依存しない
Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

7新技術の内容▪フィルタフリー波長検出センサ▪単一波長の分解能[2](λ：550~551 nm)(λ：650~651 nm)

0.808

2.35
y = 0.0083x, r² = 0.9997

y = 0.0167x, r² = 0.9993

2.346

Ratio [In-well/IPG]

Ratio [In-well/IPG]

0.806
0.804
0.802
0.8

2.342
2.338
2.334

0.798

2.330.796
549.8 550 550.2 550.4 550.6 550.8 551 551.2

2.326
649.8 650 650.2 650.4 650.6 650.8 651 651.2

Wavelength [nm]Wavelength [nm]光波長を物理的な光学フィルターを使用せず，電気的な信号で計測
波長変化を0.1 nm以上の分解能で計測可能
Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology8

新技術の内容▪フィルタフリー波長検出センサ▪複数波長による電流比率Light Intensity [Arb.u.]

60,00040,00020,0000.9

Current Ratio [In-well/IPG]① 490 nm
② 490 nm + 530 nm (100%)③ 490 nm + 530 nm (50%)④ 490 nm + 530 nm (10%)⑤ 490 nm + 590 nm (100%)⑥ 490 nm + 590 nm (50%)⑦ 490 nm + 590 nm (10%)

80,0000.7① 497.7 nm② 502.3 nm③ 503.6 nm④ 511.5 nm⑤ 514.3 nm⑥ 520.7 nm⑦ 535.2 nm

0.5

⑦

①

y = 0.0111x, R² = 0.9997
00.3

450

500

550

Wavelength [nm]600490500

510

520

530540Centroid wavelength [nm]センサの電流比率は重心波長に依存することが確認
Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology9新技術の内容▪未知の光波長の特定方法１．ポテンシャルピークWを推定@Exampleⅰ. 任意の基準波長を照射する

ⅰ. λ： 600 nm

ⅱ. 電流を測定 (IPG, In-well)ⅱ. IPG= 354.092 nA, In-well= 514.519 nA

ⅲ. 電流比を計算する (IPG : IPG)

ⅲ. IPG : In-well ≒ 0.41 : 0.59

ⅳ. 式(１)により波長によるポテンシャルピークWを検出

ⅳ. W=1.2746

fW＝f0 exp(－aw)……………（１）２．未知の光波長の検出
ⅰ. 未知の波長による電流計測

ⅰ. IPG= 414.74 nA, In-well= 1490.93 nA

ⅱ. 電流比率を計算する (Ipg : In-well)ⅱ. Ipg:In-well≒0.217:0.783

ⅲ. (1-ⅳ)で求められた深さWを基に波長λを求める[3]ⅲ. λ=697.9 (未知の波長は700 nm)

W: 1.2746
0.590.5875

1.2725 1.275 1.2775

Absoption Depth [µm]1.28(未知の光波長の検出)
710 nm
700 nm

0.783
0.780.76
1.274

690 nm1.275

Absoption Depth [µm]1.276Calculated Wavelength [nm]0.59250.585
1.270.8

W: 1.2746(ポテンシャルピークWを推定)

Light Intensity [Arb.u.]Light Intensity [Arb.u.]

0.595

800

(各波長照射による計算結果)
y = 1.007 x - 2.957750(各波長照射による計算結果)
照射波長
計算波長(nm)(nm)
500492.67

520518.32

540541.85

560562.11

580580.03600

基準波長620621.29

640641.28660660.60

700680679.39

650

700697.91

720

717.54600

740

737.29550760756.97

780

776.19800796.41

500
500

600

700800

Irradiated Wavelength [nm]Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

10想定される用途▪応用に向けた研究のアプローチ▪波長の検出[2] ▪波長変化の識別▪吸光度測定蛍光の検出[2]フローサイトメトリー[4]レジオネラ菌の検出[5]クロロフィルの検出[7]COVID-19の検出[6]小型化された波長検出システムを開発して様々な応用分野へ展開[4] T. Ide, et al.,“Development of an on-chip microfluidic system with filter-free multiple-wavelength sensor for microflow cytometry”, Sensors and Actuators B, 350(1), p. 130896 (2022)[5] Y. Honda, et al.,“Detection system for Legionella bacteria using photogate-type optical sensor ”, JJAP, 61, p.SD1010 (2022)[6] Y.J. Choi, et al.,“Proposal of compact LSPR sensor system by filter-free wavelength sensor”, Applied Physics Express, 16(1), p.1305 (2023)[7] Y.J. Choi, et al.,“Proposal of leaf chlorophyll content and its a/b ratio measurement method using a filter-free multiple wavelength sensor ”, JJAP, 61, p.SD1041 (2022)Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

11実用化に向けた課題▪小型化された光波長検出システム▪規格化されたシステムの開発：LED光源との一体化、精密測定が可能な計測ケースの製作など▪応用分野に対するセンサ構造の最適化：センシング領域のサイズの最適化、センサのアレイ化など▪産業現場での評価と補正：温度、湿度などの環境要因をフィードバックする回路設計など▪信号処理回路(PCB)の開発：電流計測回路、無線通信など▪プログラミング言語作成：機械学習、波長の計算など

Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

12企業への期待
▪共同研究を希望
フィルタフリー波長検出センサの開発についてはシミュレーション・設計・CMOSプロセス・評価まで 、すべてのプロセスを本学の施設(LSI施設，IRES2)で行っている。開発されたシステムと本デバイスの融合により、新たな価値を創出することが期待され 、他の分野との共同研究を希望している。
光学計測法による精密計測・医療機器・水質検査・生物定量・食品評価・農業環境の計測など様々な分野への展開を考えている企業には、フィルタフリー波長検出技術の導入が有効と思われる。

(シミュレーション)(設計)(CMOSプロセス)(特性評価)(信号処理回路の製作)

Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology13

本技術に関する知的財産権▪知的財産権▪発明の名称 半導体光センサを用いた光波長の特定方法▪出願番号

特願2023-077131▪出願人

豊橋技術科学大学▪発明者

崔 容俊、澤田 和明▪お問合せ先 ⇒ 研究推進アドミニストレーションセンター▪Tel0532 - 44 - 6975

▪FAX

0532 - 44 – 6980

▪E-mailtut-sangaku@rac.tut.ac.jp

▪担当

白川 正知
Integrated Biosensor・MEMS Group, Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology

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