マテリアル先端リサーチインフラ利用報告書
ARIM User's Report【Release：2024.08.20】【Update：2024.06.07】

課題データ / Project Data
課題番号Project Issue Number
利用課題名
Title

22KT1158
表面プラズモン共鳴を利用した高周波超音波センサの開発利用した実施機関
Support Institute京都大学 / Kyoto Univ.

機関外・機関内の利用
External or Internal Use

外部利用/External Use

横断技術領域
Cross-Technology Area

加工・デバイスプロセス/Nanofabrication

重要技術領域
Important Technology
Area

量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using
quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード
Keywords

表面プラズモン共鳴,超音波センサ,高周波,蒸着・成膜/Evaporation andDeposition,EB

利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）
User Name (ProjectApplicant)所属名Affiliation

松川 真美

同志社大学 大学院理工学研究科

共同利用者氏名Names of Collaborators
仲辻衆登,出竿康太
in Other Institutes Than
Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者
Names of Collaboratorsin The Hub and SpokeInstitutes
利用形態
Support Type赤松孝義

機器利用/Equipment Utilization,技術代行/Technology Substitution

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
利用した主な設備
Equipment ID & Name

KT-203：電子線蒸着装置

報告書データ / Report概要（目的・用途・実施内容）
Abstract (Aim, Use
Applications andContents)

生体組織を非破壊かつ高分解能でイメージングする技術である光音響顕微法(PAM)が期待されている。PAM では、特定のレーザパルスを生体へ照射し、発生した超音波を超音波センサで計測し、解析することでイメージングを行う。PAMの面内方向の分解能はレーザのスポット径、 深さ方向の分解能は超音波センサの周波数帯域に依存する。 PAMでは組織により発生する超音波の周波数も変化する。このため、共振型の一般的な超音波センサでは組織の特徴がうまく計測されない可能性がある。
この問題を解決するためには、広い周波数帯域を持った超音波センサが必要である。
近年、表面プラズモン共鳴(SPR)を利用した超音波センサが注目されている。SPR型
超音波センサは理論的 には広帯域でフラットな周波数特性を持つことが報告されている。 そのため、 我々はSPR型センサのPAM利用を目的に、 正確に超音波音圧の計測ができるセンサの開発を進めている。本研究では、異なる径を持ったレーザを照射した時の観測波形への影響を検討した。

実験
Experimental【センサ構造】KT-203：電子線蒸着装置を用いて、BK7ガラスプリズムの上に銀薄膜を厚さ48 nmで蒸着して製作した。SPR型センサでは照射レーザと金属薄膜が重なる部分がセンシング面となる。そのため、レーザ径を変化させることでセンシングサイズを変えることができると考えた。
【超音波の観測】図1に実験形を示す。レーザビームは73.07°の角度でSPRセンサに照射した. 収束型超音波トランスデューサ(B5K20I PF40，ジャパンプローブ)にパルス信号を一波入力し, SPRセンサに超音波を照射した. レーザビームの直径は0.41 mm（条件A）または1.26 mm（条件B）とし, それぞれで超音波を観測した.
観測波形の比較用としてニードル型超音波トランスデューサ(UT) (HNR-1000,Onda, 有効径1.00 mm)を使用した.

結果と考察
Results and Discussion

図2に, 2つの異なる径のレーザ照射時とUTの観測波形を示す. 2 MHzと5 MHzも同様に3つの観測波形は互いによく一致していた.
しかし, 条件Bで観測された波の最大振幅の観測時点は, 条件AとUTに比べて若干の遅れがあった. SPRセンサでは照射レーザと金属薄膜が重なる部分でSPRが発生するため, その部分がセンシング部分となる. つまり, 照射レーザ径が大きいと, それに伴いセンシング径も大きくなる. 今回照射した超音波は収束波のため, 平面波と違ってセンサ面に到達する波面に時間差が生じる. この時, センシング径が大きいと波面の到達時間差(例えば, センシング径中央部と端部の波面到達時間の差)が大きくなる.
SPRセンサの出力はセンシング面内の音圧の総和に比例する. そのため, センシング径が大きい条件Bが条件AとUTに比べ, 波面到達時間差の影響を受けて, 最大振幅の観測時点が遅れたと考えられる.
条件Aではレーザ径が0.41 mmでUTの有効径1.00 mmより小さいため, 波面到達時間差の影響を受けにくいはずだったが, レーザ径が小さい条件Aも同様に, UTより最大振幅が条件Bと比べれば僅かであるが遅れていた. SPRセンサではレーザを斜め入射するため, センシング径は図3のように面内方向に伸びて楕円形となる. そのため,条件Aのセンサ表面のセンシング径は, 楕円形（短径：0.41 mm, 長径：1.42 mm）となる. 短径の軸方向では波面到達時間差はほとんど生じないが, 長径の軸方向では長径がUTの有効形よりも大きいため, UTと比べて波面到達時間差の影響を大きく受けて, 最大振幅の観測時点が遅れたと考えられる. また, UTの値で規格化したそれぞれの観測波形の周波数スペクトルを図4に示す.
条件Aの周波数特性は, 高周波帯においてもフラットであった. しかし, 条件Bでは高周波になるにつれて周波数特性が劣化した. SPRセンサは光学現象を利用しているため, 理論的にはフラットな周波数特性を持つはずである. 条件Bの周波数特性の劣化は上記で述べた波面到達時間差の影響で見かけ的に応答が悪くなったことが起因していると考えられる. 条件Aに関しても, さらなる高周波帯になってくると波面到達時間差の影響を受けて周波数帯域が劣化すると思われるが, 所望であればレーザ径をさらに小さくして改善することができると予想できる. しかし, センシング径と感度の間にはトレードオフである. センシング径は, 測定周波数を考慮し, 慎重に選択する必要がある.

図・表・数式 1Figures, Tables andEquations 1

図1 超音波計測の実験システム概略図.

図・表・数式 2Figures, Tables andEquations 2

図2 SPRセンサとUTで観測した波形の比較.

図・表・数式 3
Figures, Tables andEquations 3

図3 センシング径サイズ.

図・表・数式 4Figures, Tables andEquations 4

図4 SPRセンサで観測した波形のスペクトル
その他・特記事項（参考文献・謝辞等）
Remarks(References andAcknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents
DOI（論文・プロシーディング）
DOI (Publication andProceedings)
口頭発表、ポスター発表
および、その他の論文[1]Oral Presentations etc.

仲辻衆登, 出竿康太, 市橋隼人, 松川真美, “SPR型超音波センサにおけるセンシング
径と周波数特性の関係”, 日本音響学会 2022年秋季研究発表会, 2022年9月14日.

特許出願件数
Number of Patent
Applications

1件

特許登録件数
Number of Registered
Patents

0件