新潟大学学術リポジトリ

津波観測に利用可能な高耐圧・高感度

光集積回路圧力センサの開発

(課題 番号

J5360 L86)

平成

J

5

年度∼平成

1

6

年度科学研 究費補助金 (基盤研 究

(

B

)

(

2

)

)

研 究成果報告書

平成

1

7

年

5

月 研 究 代 表 者 大 河 正 志 (新潟 大学工学部教授)

は

し

が

き

日本 列 島お よび その周辺 では, た びた び中規模 ,大規 模地 震 に見舞 われ, 多 くの人 命 が失われ てい る｡ また,世 界 に 目を向 ける と,毎年 の よ うに数首 あるい は数 千 人 も の人的被 害 が報 道 され てい る｡地 震 に よる被 害 は,地 面 の直接 的 な揺 れ に よる ものだ けでな く.,津 波 に よる もの も甚大 で,その被 害 は震源 か ら遠 く離 れ た ところ に も及 ぶ. 震源 が極 めて近 い場 合 を除 くと,津波 の正確 な観測 がで きれ ば,信頼性 の 高い津 波警 報 を出 して, 多 くの尊 い人命 を救 うこ とがで きる｡津波 の観 測 をす る場 合,海 水圧 力 の変化 を高感 度 に検 出で きる こと,さ らに海 中 に設 置 され るため高圧 に耐 え られ る こ とが重要 とな る｡通 常, ダイヤ フラム式 の圧 力セ ンサ で は,感度 と耐圧 には相 反 す る 関係 が あ り,一 方 を高 くす る と他 方 が低 くな って しま う｡本研 究 で は, 高感 度 と高耐 圧 の両方 を満 足 し,津波痩測 に利 用可能 な ダイヤ フラム式光 集積 回路圧 力セ ンサ を開 発 す るしこ とを 目的 と した｡セ ンサ の基 本構 造 は, これ まで我 々の グルー プが 開発 して きた光集積 回路 圧 力セ ンサ と同 じで あ るが,ダイヤ フラム下部 に小孔付 きの半 密 閉空 間 を作 りつ け る ところが異 な る｡半密 閉空間 は小 孔 を介 してタト界 とつ なが ってい るた め,セ ンサ周 囲 め圧 力 に変化 がない場 合 は ダイヤ フラムの上下 面 の差圧 が

opa

とな り, 深 海 におい て も水圧 で ダイヤ フラムが壊 れ る こ とはない.一 方,圧 力変化 が生 じた と き,す なわ ち津波 が通過 した ときは,小孔 に よ り圧 力変化 が半密 閉空間 に伝 わ るのが 遅 れ, ダイヤ フ ラ ムの上下 面の間 に圧 力差 が生 じる｡ この圧 力差 を検 出す る こ とに よ り, セ ンサ周 囲 の圧 力変化 を知 る こ とがで きる｡ ところで,本 セ ンサ の よ うな ダイヤ フラム式 セ ンサ で は,高感度 と高耐圧 の両立 が 難 しい ため,高圧 環 境 で使 用 で きる高感度 セ ンサ を実現 す る こ とは困難 と考 え られ て きた｡ しか し, こ こで提案 す るダイヤ フラム式光 集積 回路圧 力 セ ンサ は,圧 力遅 延構 造 を導入 す る こ とで 高感度及 び高耐圧 を同時 に実現 で きるため,海 底 に設 置す る こ と に よ り津波 の観 測 が可能 とな る｡た だ し, このセ ンサ は絶対圧 や ゲー ジ圧 を測 定 す る ので は な く,圧 力 の時 間変化分 を測 定 す る もので,通 常 の圧 力 セ ンサ とは異 な る｡ こ の ア イデ アは,市販 されてい るダイヤ フラム式圧 力セ ンサ に も適 用可能 で あ るが,光 を使 うこ とで,信 号伝送路 に光 フ ァイバ を使 用す る こ とがで きる上,漏 電対 策 も不要 とな り,利 点 は大 きい と考 える｡ また,本 セ ンサ は ダイヤ フ ラムサ イズ,小 孔 の断 面 積 ,半 密 閉空 間 の体 積 な どの設計 自由度 が大 き く,それ ぞれ の仕様 に あわせ ′た設 計 が 可 舵 で,､このセ ンサ の大 きな利 点 とい える｡ この よ うなセ ンサ が実現 され,津 波 観測 シス テ ム と して海 底 に設 置 されれ ば,津波 を直接 かつ 常時観 測 で きるよ うにな り, 多 くの尊 い人命 を救 うことがで きる｡ 申請期 間 内 に予 定 した主 な研 究課題 は, 大 き く分 け る と, 以 下 の

2

点で あ る｡ (a)圧 力遅延 構 造 の遅延特性 に関す る考察 ･遅延 部 の断 面積 ,長 さ と遅延特性 に関す る理 論解 析 ･実験 に よる遅延特性 の確認 (b)津 波観 測 用 セ ンサ の試作 お よび その特 性評価 ･(a)の結 果 に基づ くセ ンサ の設計 及 び試 作 ･圧 力変化 検 出特 性 の評価 ･感度 及 び耐圧 の評 価 平成 15年 度 は, セ ンサ を試作 して, その基 本 的特 性 の評価 を行 った｡ セ ンサ の ダ イヤ フ ラムサ イズ は

1

4

mm X

1

4

mm X

0.

2

2

mm で, ダイヤ フ ラム下部 の半 密 閉空 間 の

体 積 は

1

4mmX1

4m Xl

.

8m

m と した｡ また,小孔 の形状 は長 方形 で,その大 きさを

93pmX25L

L

m

と した｡測 定 では,試 作 セ ンサ を

3

0c

mX28c

mX30c

m

の密周 容器 の 中 に設 置 し, 密 閉容器 内の圧 力 をス テ ップ状 に

0.

78

k

Pa

だ け上昇 させ た｡ その結 果, 圧 力変化後

1

.

4

秒 間, セ ンサ 出力 の変化 が観測 され, その後 再 び定常値 に戻 った｡ 変 化 が観 測 され た 1.4秒 の間, セ ンサ 出力 は最 大 で定常値 の約

20%

だ け減 少 した｡ 平成 16年 度 は, 前年 度 に行 った理 論 解 析 の不十分 な点 を改喜 し, 出力持 続 時 間が 半 密 閉空 間 の体 積 Vと小孔 の断 面積Aの 比 に比例 す る こ とを明 らか に した｡さ らに, 出力持 続 時 間 が瞬 時圧 力変化 量 の平 方根 に比例 す る こ と も見 出 した｡この よ うな理論 的知 見 を検証 す るため,半密閉空 間 の体 積 を一 定 と し,小 孔 の断 面積 と出力持 続 時 間 の 関係 につ い て実験 的 考察 を行 った｡小 孔 の形状 は円形 と し, その直径 を

20

L

L

m

,

25

t

pm

,

40pm

の

3

種 類 と した｡測 定 の結 果, 直径

20pm

の場 合,持 続 時 間 が 1

.

8

秒 (理 論 値

:0

.

3

4

秒 ) とな り,直径

25L

L

m

,

40pm

の もの につ い て は, それ ぞれ 1

.

8

秒

(

0.

2

2

秒 ),

1

｡

9

秒

(

0.

08

秒 ) で あ った｡理 論 で は直径 が大 き くな るにつれ て,持 続 時 間 が短 くな るが, 実験 で は

3

種類 とも約 1

.

8

秒 と違 い が見 られ なか った｡ これ は密 閉容器 の 漏 れ が原 因 で,約 2秒 しかステ ップ状 の圧 力変化 を維持 す る ことで きな か った｡す な わ ち,約 2秒 後 には,密閉用器 内の圧 力 が大 気圧 に戻 って しまった｡ よ り正確 な測 定 の ため, ス テ ップ状 の圧 が P加 の実現 と漏 れ をな くす こ とが不可欠 で あ 号｡ 2年 間の研 究 に よ り,提 案 した圧 力 セ ンサ が圧 力 の急 変 に反応 し, 出力 が現れ る こ とが分 か った｡高耐圧 性 について は まだ検証 で させい ない が,試 作 セ ンサ は現 在 の津 波 計 と同程 度 の感 度 を有 してお り, 津 波検 出の可能性 を示 す ことがで きた｡

キー ワー ド

(

l)-圧 力 セ ンサ (4)ダイヤ フラ ム (2)光 集積 回路 (3)ガ ラス導波 路

研 究組織

研 究代表者 : 大河 正志 (新潟 大学工 学部 教授 ) 研 究分担 者 : 佐 藤 孝 (新潟 大学工 学部 教授 )

交付決定額 (

配分額)

(金額単位 :千 円) 直接経 費 間接 経 費 合 計 ` 平成 [5年 度

4

,500 0

4

,_500 平成 J6年 度 l,500 0 l,500

研 究発表

(I)学会 誌 等

l

.

YoshisumiEndo,MasashiOhkawa,SeishiSekine,andTakashiSato:"Guided-wave opticalpressuresensorrespondingonlytochanglngpressure

,

"

ProceedingsofSPIE

,

Ⅵ)1.5728(2005).

2

･

HiroyukiNikkuni,ShuuichiDokko,MasashiOhkawa,SeishiSekine,andTakashi Sato:"An opticalmicrophoneusingaSilicon-basedguided-waveopticalpressure sens?r

,

"

ProceedingsofSPIE,W l･5728(2005)･ (2) 口頭発表 J｡濁 音修 一,時 田亨,大河正志,関根征 士,佐 藤 孝 :㍍シ リコン基板 光集積 回路圧 力セ ンサ を用 い たカ テー テル先端 型圧 セ ンサ プ ロ トタイプの作 成,"2003年 度 電子情報 通 信 学会 信越 支部大会,講演 番号J2,pp.20ト202(2003).

2

.

岡本裕 美 ,大 河正 志,関根征 士,佐 藤 孝 :山リモー トセ ンシ ング用光集積 回路圧 力セ ンサ に関す る基礎研 究,"2003年 度 電子情報 通信 学会信 越 支部 大会,講 演 番号J3,pp.203-204(2003).

3.YoshrsumiEndo,MasashiOhkawa,SeishiSekine,andTakashiSato:"Guided-wave -opticalpressuresensorywithsensitivityforstlddenpressurechangeonly,門2004

IntemationalSymposiuh onOrganicandInorganicElectronicMaterialsandRelated NanotechnOlogies,p-140(2004).

4

.

遠 藤義絶 ,大 河正 志,関根征士,佐 藤 孝 :㍍瞬 時圧 力変化 に感度 を有 す る光 等波 型圧 力セ ンサ,-2004年度電子情報 通 信 学会 イ吉越 女部 大会,講演 番号3D-2,pp. 113-114(2004).

5

.

新 圃広 幸 ,濁 音修 T,大河正志,●関根 征 士,佐 藤 孝:"シ リコン基板 光 導波 型 圧 力セ ンサ を用 い た光 マ イクロホ ン,"2004年 度 電子情報通信 学会信 越 支部 大会 , 講 演 番号4C-1,pp.139-140(2004). ＼ヽ

目

次

第

l

章 序論 ) 第

2

章 セ ンサ の構成 および動作原理 1-立

2-J

従来型 光集積回路圧 力セ ンサ の構成 お よび動 作原理 ･

-2-2

高耐圧 ･高感度光集積 回路圧 力セ ンサ の構 成 および動作原理 ≠ 第

3

章 光集積回路圧 力セ ンサ の理論特性 i-,

3-1

従来型 光集積回路 圧 力セ ンサ 3-卜 t 動作解析法

3-

卜 2

理論特性

3-J-2-1

セ ンサ感度 の導波路埠 置依存性 -I-Hご･-

-3-J-2-2

セ ンサ感度 の ダイヤ フラム厚依存性 <Ib空目

3-巨 2-3

セ ンサ感度 の ダイヤ フラム面積依存性 -1だ;A

3-2

高耐圧 ･高感度光集積回路圧 力セ ンサ ---- -- 一･一

3-2-J

半密閉空間 における圧 力変化 の理論解析 1.

-3-2-2

理論特性 ･ 第4車 高耐圧 ･高感度光集積回路圧 力セ ンサの実証実験 - 舟r

-4-I

セ ンサ の設計

4-2

セ ンサ の作製

4-3

測 定光学 系 ･

4-4

測 定結 果

4-4-[

矩形小孔 の場合 -漢-I

4-412

円形小孔 の場 合 -

㌫-4-5

考察 第5章 結論 一 ･ ･ ･

つin

EiX

仙山一H

JhU

′hU

8

00

8

07

0

-4

′hU AU JhU

7

8

8

の7

2 -1

-2 24 付 録 セ ンサの作製工程 ･ ･

2

5

参考 文献 28 研 究発表論 文等 3I 関連論 文

41

第 l章

序論

日本列 島お よび その周辺 では,たびたび中規模,大規模地震 に見舞 われ, 多 くの人 命 が失われ てい る｡ また,世界 に 目を向 ける と,毎年 の ように数百 あるいは数千人 も の人的被 害 が報 道 されてい る｡地震 による被 害 は,地 面の直接 的 な揺 れ による ものだ けでな く,津波 に よる もの も甚大で,その被 害 は震源 か ら遠 く離れ た ところに も及ぶ｡ 震源 が極 めて近 い場合 を除 くと,津波 の正確 な観測 がで きれば,信頼性 の高い津波警 報 を出 して, 多 くの尊 い人命 を救 うことがで きる｡津波 の観測 をす る場合,海水圧 力 の変化 を高感度 に検 出で きること,さらに海 中 に設 置 され るため高圧 に耐 え られ るこ とが重要 とな る｡通常, ダイヤフラム式の圧 力セ ンサ では,感度 と耐圧 には相反す る 関係 があ り,一 方 を高 くす る と他 方が低 くな って しまう｡本研 究では, 高感度 と高耐 圧 の両方 を満足 し,津波観測 に利用可能 な ダイヤ フラム式光集積 回路圧 力セ ンサ を開 発す ることを 目的 と した｡ ところで,光集積 回路セ ンサ は, ミラー, ビー ムスプ リッタな どの光学素子 を同一 基板 上 に集積化 し,セ ンサ機能 を持 たせ たデバ イスで,小型 ･軽 量,光軸 合わせ不要, 高安定性, 高感度 な どの特徴 が期待 され る｡1981年 の L M.Johnsonらによる温度セ ンサ【1】の報告 以来,圧 力セ ンサ【25】, 変位 セ ンサ[6],速度セ ンサ【7】,湿度 セ ンサ【8],水 素 セ ンサ【91な ど様 々な光集積回路 セ ンサ が考案 され,実証実験 が行 われ て きた｡また, マ イクロマシ ン技術 の進歩 によ り,機械的構 造 と光集積回路 を組 み合 わせ た機械量セ ンサ (圧 力セ ンサ,加速度セ ンサ な ど) が注 目され【25,101,1989年 の M.Ohkawaらに よる光集積 回路圧 力セ ンサの報告【2】以来活発 に開発 が進 め られてい る｡我 々の研 究 グ ルー プにおいて も,これ までシ リコン基板や ガ ラス基板 を用し､たダイヤ フラム式光集 積 回路 セ ンサ の 開発 を精 力的 に行 って きた｡【1117】本研 究で対 象 とす る高耐圧 ･高感 度光集積回路圧 力セ ンサの基本構造 は,これ まで我 々のグルー プが開発 して きた光集 積 回路圧 力セ ンサ と同 じであるが,ダイヤ フ ラム を密閉 し,小孔 あるい は紬 管状 の圧 力伝播遅延部 を作 りつ けるところが異 なる[18,19】｡ダイヤ フラム密閉部 は圧 力遅延部 を 介 してセ ンサタト部 とつ ながってい るため,セ ンサ周囲の圧力変化 がない場合 は ダイヤ フラムの上下 面の差圧 が OPa とな り,深海 において も水圧 で ダイヤ フラムが壊 れ る ことはない｡一 方,圧 力変化 が生 じた とき,す なわち津波 が通過 した ときは,圧 力遅 延部 によ り圧 力変化 が ダイヤフラム密閉部 に伝 わ るのが遅れ,ダイヤ フラムの上下面 の間 に圧 力差 が生 じる｡この圧力差 を検 出す る ことによ り津波 による海水圧 の変化 を 知 る ことがで きる｡ ただ し, このセ ンサ は絶対圧や ゲー ジ圧 を測 定す るので はな く, 圧 力変化 を測 定す る もので,通常 の圧 力セ ンサ【25,11171とは特性 が異 な る｡ 本研 究では,圧 力遅延構造 として小孔 を取 り上 げ, その圧 力遅延特性 につ いて,理 論 と実験 の両面 か ら考察 を行 った｡理論 では,流体 と して空気 を仮定 し,小孔 の断面 積,圧 力嘩延構 造部 の容積 と圧 力遅延時間の関係 を調べ た｡

ところで,本セ ンサ の構 成は,市販 されてい るダイヤ フラム式圧 力セ ンサ に も適用 可能 であるが,光波 を使 うことで,信号伝送路 に光 フ ァイバ を使 用す る ことがで きる 上,漏 電対策 も不要 とな り,津波観測用セ ンサ と して有利 で ある と言 える｡ また,本 セ ンサ はダイヤ フラムや圧 力遅延部 のサ イズな どの設計 自由度 が大 き く,それ ぞれの 仕 様 にあわせ た設計 が可能 である｡ この ようなセ ンサ が実現 され,津波観測 シス テム と して海底 に設 置 されれ ば,津波 を直接 かつ常時観測 で きるよ うにな り,多 くの尊い 人命 を救 うことがで きる もの と期待 され る｡

第

2

章

セ ンサの構 成 お よび動作原理

2-1

従来型 光集積回路圧力セ ンサの構 成 および動作原理

Figure2-1は従 来型 のガ ラス基板 光集積 回路圧 力セ ンサ の概略 図で あや｡[14,17]図の よ うに,セ ンサ は感圧部 とな るダイヤ フ ラム と単 一 モー ド直線 光導波路 で構 成 され るd了 この光導波路 は ダイヤ フラム上 に設 け られ,最低 次 のTM_like,TE_likeモー ド光 のみ を伝搬 させ る｡ ダイヤ フラム に圧 力 が印加 され る と, ダイヤ フラムにたわみが起 こ り,歪 みが生 じ る｡歪 み は,光弾 性効 果 に よ り, ダイヤ フラム上 の光導波路 に屈折率 変化 を引 き起 こ す｡ この屈折率 変化 に よ り,光導波路 を伝搬 す るTM_like,TE_likeも- ド光 の位 相 が 変化 す る｡ ここで,圧 力印加 に よ りダイヤ フラム に生 じる歪 み分布 は等 方的 ではない ため,歪 み に よって生 じる屈折率変化 も等 方的 で はない｡そのため,TM-like,TE_like モー ド光 の受 け る位相 変化 量 が異 な り,両モー ド光 の間 に位相 差 が生 じる｡ この誘起 位 相差 を検 出す るため,Fig.2-2の よ うにセ ンサ を偏 光子 と検 光子 の間 に置 く｡偏 光 子 の偏 光方 向 をセ ンサ基板 面 に対 して450傾 ける ことに よ り,両モー ド光 を等強度 で 励振 させ る.励 起 され たTM-like,TE-1ikeモー ド光 は,それ ぞれ異 な る位相 変化 量AQrM,

A

Q

rEを受 け るた め,圧 が 開 口時 には両モー ド間 で位 相 差

A

拒

A

￠TM -

A

QTEが生 じる｡ この位 相 差 に応 じて, 出力端 での偏 光状 態 は直線,楕 円, 円偏 光 のいずれ か とな る｡ 検 光子 の偏 光 方 向 を入射 光 の偏 光方向 に対 し900傾 ける こ とによ り,位 相差 に応 じた 出力光強 度 変化 が得 られ る｡ この場合,出力光強 度 は印加圧 力 に対 して正弦的 に変化 す る｡ Waveguide Soda-lime Glass

Fig･2-1 (a)Schematicdrayingoftheconventionalglass-basedintegratedoptic pTessuresensoruslngintermodalinterference,and(b)itscross-sectional VleW.

Fig.2-2 Thesensorplacedbetweenapairofcrossedpolarizerstoconvertthephase differencebetweenthetwoguidedmodesintothechangein thelight intensity. 最大 出力光強度 を

1

に正規化す ると,セ ンサ の印加圧 カー出力光強度特性 は

Fi

g.

2-

3

の よ うになる｡出力光強度変化 は周期 的 で 1周期 の半分 を半波長圧 力 と呼 び,感度や 測 定可能範 囲の指標 となる｡ また,半波長圧 力 は位相差7Tradに相 当 し,7Tradを半波 長圧 力で割 った値 , す なわち圧 力lkPaにおける誘起位相差 を位相感度 と呼ぶ｡本研 究 では,位相感度 をセ ンサ感度 と してセ ンサの特性評価 に使 用す る｡ // AppiledPressure

2-2

高耐圧 ･高感度光集積回路圧力セ ンサ の構 成 お よび動作原理

Figure2-1のセ ンサ におい て, 高感度 の もの を得 るため には, ダイヤ フラ ム面積 を 大 き くす るか,厚 さを薄 くしな けれ ばな らず,いず れ に＼して も耐圧 は低 くな る.一 方, 高耐圧 の もの を得 るた めには, ダイヤ フラム面積 を小 さ くす るか,厚 さを厚 くしな け れ ばな らず, 感度 が犠 牲 となる｡ つ ま り,Fig.2-1の よ うな従 来型圧 力セ ンサ で は, 高耐圧 と高感度 を同時 に実現す る こ とは困難 と言 え る｡ そ こで,本研 究 で は, 高耐圧 と高感度 を同時 に実現 す るため,従 来型 セ ンサ の下 面 に小 孔付基板 を取 り付 け, ダイ ヤ フラムの下側 を半 密 閉空間 と した｡Fig.2-4は 高耐圧 ･高感度 光 集積 回路圧 力セ ン サ の概略 図で ある｡ セ ンサ の半 密 閉空間 は小孔 (圧 力伝播 遅 延構造 ) を通 してセ ンサ 外 部 と繋 が ってい るため,Fig.2-4のセ ンサ を静圧 下 に置い た ときは, セ ンサ 周 囲圧 力 と半 密 閉空 間 の圧 力 は等 しい｡ したが って,静圧 下 で は, ダイヤ フ ラ ムに圧 力差 は 生 じない｡ しか しな が ら,セ ンサ周 囲圧 力が急変 した ときは,小 孔 が圧 力差 に伴 う流 体 の移 動 を妨 げ るの で,半密閉空間 の圧 力 はセ ンサ周 囲圧 力 に追従 す る こ とがで きな い｡ この追従 の遅 れ が,短 時 間 で は あ るが, ダイ ヤ フ ラム上 に圧 力差 が生 じる｡つ ま り, この セ ンサ は,従 来 のセ ンサ と異 な り,圧 力 の大 きさに応 答す るので は な く,皮 力 変化 に対 して応 答 を示 す｡ な お,誘 起圧 力差 の検 出原 理 は,2-1節 で述 べ た測 定 原 理 と全 く同 じで あ るので,省略 す る｡ / waveguide ㌔/㌔ / D癖 聯 ' smaiihose / Soda-h'megiass 二二二三二三=-::--二三I.ささ /ノ ㌔ / S

i

i

主

consubs渋江e

Fig･2-4 (a)Schematicdrawingofaguided-waveopticalpressuresensorusing interm odalinterference.The sensorshowsa responseonly to sudden pressur占 change by a semi-closed space with a smallhole.(b)The cross-sectionalviewofthesensor.

第

3

章

光集積回路圧 力 セ ンサの理論特性

3-I

従来型光集積回路圧力セ ンサ

3-卜 l 動作解析法 従 来型光集積 回路圧 力セ ンサ は,高耐圧 ･高感度光集積 回路圧 力セ ンサ のベー ス と な ってお り,圧 力検 出特性 は ダイヤ フラムサ イズや導波路位 置等 に依 存す る｡そ こで, これ らの依 存性 を理論 的 に明 らか にす るため に数値解析 を行 った｡解析 で は,四辺 が 固定 され た矩形 ダイヤ フラム を仮定 し, 面積 を

axb

,厚 さをtと した｡y

`

Z

平 面 をダ イヤ フラムの上 面 と下 面の中間 に と り,x軸 をダイヤ フラム表 面 に対 して垂 直な方 向 と した｡ ここで, ダイヤ フラムの辺aはy軸 に平行 で,辺bはZ軸 に平行 で ある と し た｡ また, 光導波路 はZ軸 (辺 b) と平行 に作 りつ け られ る もの と した｡ ところで, ダイヤ フラムに圧 力 が印加 され る と, ダイヤ フラム にたわみ が生 じる｡ この たわみ

W

は次 式 で表 され る平板 の平衡 方程 式か ら求 め られ る｡[201 ∂4W . へ ∂4W ∂4w q +2 砂 4

I

-

秒2

a

z21a

z

4 D こ こで,qは ダイヤ フラムに働 く圧 力,D は曲 げ剛性 を表 し,

D=

Y

t

3

12(1-〟) + _(3-1) (3-2) と定義 され るO た だ し,Yはヤ ング率 ,pはポ アソ ン比 を表 す｡ 上述 の条件 にお け る 式(3-1)の解 ,す なわ ちたわみ

W

は次 式 の よ うな和 の形 で与 え られ る｡【181 W = Wo+Wl + W 2 それ ぞれ の たわみwo,w l, W2は, 4 q

a

4阜

(-1)(山 )/2 W0-% I 2T5Dm=ft5,.., m5 α2 ∞ W1--左 石

m

=

E5

,

.

Em b2 co w2-一房 石 m

=

55.Fm αmtanhαm+2一_cos一J__{h二二 十}mjlZ 2cosham a 2cosham (-1)(m-I)/2 (-1)(叫 /2 m2CoshPm( 竺 sinh竺竺-αmtanh αmcosh a a 竺堅 sinh竺 -

p

mtanhβmcosh b b (3-3) 竺 sinh竺空 α α mZ

Z

Z

a m2

y

b_〕COS 〕 C｡S竺竺 α (3-4) (3-5) (3-6) と表せ る. ただ し,

α

m

=m2

d

'

/

2

a

,Pm=

m a

/

2

b

で ある｡ また, 式中の

Em

と

F

m

は, 固 定端 の条件 (ダイヤ フラム面の傾 きがo)か ら,次 の2つ の境 界条件 を満 たす よ う に決 定 され る｡

(

%

)

Z

=

b

/

2

I

(

%I

(

%)

,

=

a

/

2

I

(

%･

a

w2

∂

z

a

_秒

w

2

(3-7) (3-8) この よ うに して求 め た たわみWを使 って,ダイヤ フラ ム に生 じる応 力 は以下 の よ うに 表 され る｡

J

x

-

T

1

-

-

普(

i

-

f

x

.

i

(

f

x

)

3

)

J

y

-

T

2

-

-J

z

-

T

3

-

-Y

x

1

-

p

2

Y

x

1

-

p

2

(

(

･

8

2

wa

2

W

訂'

P

訂

∂

2

W∂

2

W

訂

'

P

前

(3-9) (3-10) (3-ll) 応 力 はテ ンソル量 で,

T

l,

T

2, T3は それ ぞれ x,y,Z方 向 の垂 直応 力 を表 す. この応 力 T と歪 み

S

の間 に フ ックの法則 が成 り立つ とすれ ば, 歪 み は コ ンプ ライ ア ンス S,j を用 いて S

,

･

-s

L

j

T

j

, (

i

j

=11

6) (3-12) と表せ る. 歪 み に よって引 き起 こされ る屈 折率 変化Aniは, 光弾 性係 数ptjを用 い て, 次 の よ うに与 え られ る｡ A

n

t･-

-in

3p LjSj, (i,j- 1-6) (3-13) ところで,屈 折 率 変化 の各成分 は導波 光 に与 える効 果 が異 な る｡ Anlは TM-1ikeモー ド光 の位相 変化 を引 き起 こ し,An2はTE-1ikeモー ド光 の位 相 変化 を生 じさせ る｡これ らの屈折率 変化 に よって TM-like,TE-likeモー ド光 が受 け る位 相 変化 量AQrM,

A

QTE は, それ ぞれ 次 式 に よ り計算 で きる｡【21】 A￠TM

矢

プ

fL22

(

､ AQ

T

E

-

f

b

/

/

2

2

(

a)C

o

n

2

a

)

Con 2 fi/22i;/22

Ex

(x,y,Ant(x,y

,

Z

,

Ex

･(x,y,血

d

y

Pz

(3-14,

￡/

2

2

i

:

/

2

2

E

,

'

x

,

,'

An

2

'

x

,

,,

Z

'

E,

a

(

i

,

,,

k

dyF z (3-15' ここでOは光 の 角周波 数 ,Coは真 空 の誘 電率 で あ り, *は複 素共役 を表す｡ また,

Ex

, Eyは それ ぞれTM-1ikeモー ド光 のx方 向 の電界 成分,TE-1ikeモー ド光 のy方 向 の電界 成分 で ある｡ これ よ り, ダイヤ フラム上 で南モー ド光 に生 じる位 相 差A少は

A

￠

=

△

￠

T

M

-

A

Q

T

E

(

3116)

で与 え られ る｡ iiZI

3-卜 2

理論特性

3-]-2-[

セ ンサ感度 の導波路位 置依存性 圧 力印加時 における ダイヤ フラムのたわみ方 は場所 によって異 な るため,各部分 に 生 じる歪 みは-様 でない｡ したが って,位相感度 は ダイヤ フラム上 の導波路位 置 によ って異 な る｡ そ こで, 導波路位 置′の関数 として位相感度 を計算 した｡Figure

3

-

1

はそ の計算結 果で,ダイヤ フラムの辺 の比 をパ ラメー タ として 3種類 の結 果 を示 してい る｡ 各結 果 とも,導波路 が ダイヤ フラムの端 に位 置す る とき,他相感度 が それ ぞれ

1

1､とな る よ うに正規化 して ある｡ 図 において,導波路位 置±a/2はダイヤ フラムの端 藍 導 波 路位 置Oは ダイヤ フラム中央 に対応す る｡図 よ り,導波路 がダイヤ フラムの端 に位 置す る とき,位 相感度 が最 も高 くな ってい る｡ しか し,導波路位 置が端 か ら少 しずれ る と,位相感度 が大 き く低 下す ることも分 か る｡一 方,ダイヤ フラム中央 におい て も, 辺 の比a/bが1以上 の ときには, 比較的大 きな位相感度 とな ってい る｡ また, 導波路 位 置が中央か ら少 しずれ て も,位相感度 は大 き く変化 しない｡つ ま り,大 きなセ ンサ 感 度 を必要 とす る ときには,導波路 をダイヤ フラムの端 に設 置す るのが適 当 と言 える｡ また,導波路 の位 置ずれ の影 響 を嫌 う場合 には,ダイヤフ ラム中央 に導波路 を設 置す るのが有利 で ある｡

倉

^!

1!Sua

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2tl

d

p

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N

O

Wa

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gui

dePos

i

t

i

o

n

な

お,

数値計算 で使用 した材料力学定数 ,光学定 数 の値は 以下のとおりであ

る｡

使用した材料 力学定数 (溶融石英 ) y-7･31×

1

01

0

pa

-1,

〟

-o

･

1

7

∫ll

∫

1

2 ∫

1

2 0

0

0 ∫12

g

1

1 ∫

1

2 0

0

0

I

∫l

o

㌔

0

㌔ o 0

0

0

0

0

0 44

o

nJ

₀

₀

∫

4

4

0 0

0

0

0

0

∫44

(

3

-

1

7

)

(3-18) ∫ll- 1･37×

1

0

-

l

lpa

-

1

,

∫1

2

--2･33×10-12pが1,∫ 44-3･

2

0×10-llpが 1 使 用 した光 学 定 数 n

=

1

.

53

P

,j

=

PIT P12 P12 Pll P12 P12

0

0

0

0

0

0

4

o

o

o

o c ;

o

4

o

o

o

仇

o

o

2 2 1 A p I p1

0

0 0

0

0

0

0 0 P44 (3-19)

(

3

-

20

)

pl

l

-1

･

21×1

0-

1,p1

2-2･

7

0×1

0-

i,p 44

-7

･

45×1

0-

2 ヽ 3-卜

2-2

セ ンサ 感 度 の ダ イヤ フ ラ ム厚 依 存 性 ダ イヤ フ ラ ム の辺 の 比 と面積 を一 定 と し,位 相 感 度 を ダ イヤ フ ラ ム厚 の 関数 と して 計 算 した.計 算 で は, ダイヤ フ ラ ム の辺 の 比 をa/b

-0.

2

と し,光 導 波 路 は ダ イヤ フ ラ ム の辺

b

上

(

y-±a

/

2)

に位 置す る もの と した｡

Fi

g

ur

e3-

2

は計 算 結 果 で, ダ イヤ フ ラ ム厚 が

1

0L

L

m

の と き,位 相 感 度 が

1

とな る よ うに正 規 化 して あ る

｡Fi

g

u

r

e3-

2

よ り, ダ イヤ フ ラ ム厚 が 尊 波 層 の厚 さ (計 算 で は

1

.

0L

L

m

と仮 定 ) よ りも十 分 厚 い と き, 両 対 数 グ ラ フ に お い て傾 きが 2で あ るの で, 位 相 感 度 は ダ イヤ フ ラ ム厚 の2乗 に反 比 例 す る こ とが分 か る｡ ダ イヤ フ ラ ム厚 が

1

.

5pm

以 下 の と き に は位 相 感 度 が減 少 して い るが, これ は 式(3-14),(3-15)に示 した電 界 分 布 と屈 折 率 変化 分 布 との 間 の重 な り積 分 が小 さ くな る た め で あ る｡ ダ イヤ フ ラ ム厚 を薄 くす る と耐 圧 も減 少 す るの で,実 際 の セ ンサ で は, そ こ まで ダ イヤ フ ラ ム を薄 くす る必 要 は な い と言 え る｡ な お, この よ うな関係 は, 任 意 の辺 の 比,任 意 の 導 波 路 位 置 で成 り立 つ ｡

倉

A ! 1 ! S

ua

S a St 2q d p a Z ! lt 2

tuJ

O

N

0

0

0

日 H

H

H

1

2 -l

0

0

H

H

= リ

1

01

1

0

2

Di

a

phr

a

gm Thi

c

kne

s

sl

p

m]

Fig･3-2 Normalizedphasesensitivityasafunctionofthicknessofdiaphragm.

3

-卜

2-3

セ ンサ感度 のダイヤ フラム面積依 存性 ダイヤ フラムの辺 の比 と厚 さを一定 とし,位 相感度 をダイヤ フラムの辺 aの関数 と して計算 した｡計算 では,ダイヤ フラムの辺 の 比 を

a

/

b

-0

.

2

とし,光導波路 は ダイヤ フラムの辺 b上 (y-±

a

/

2)

に位 置す るもの と した｡Figure

3

-

3

はその計算結 果 で あ る｡ ただ し, ダイヤ フラムの辺αの長 さが 1

m

m の とき,位相感度 が 1とな る よ うに 正規化 してある｡Figure

3

-

3

よ り, 両対数 グラフにおいて傾 きが

3

で あ るので,位相 感度 は ダイヤ フラムの辺αの3乗 に比例 す ることが分 かる｡なお,この よ うな関係 は, 任 意 の辺 の比,任 意 の導波路位 置で成 り立つ｡

A l!

A

!1!

Su

a

S

aSt2

q

d p

aZ

!tt2

u

JO

N

2 1 0 0 0 0

1

1

1

1 2 l

-0

0

日H

HH

1

0

10

-

1 100

Le

ngt

hofS

hor

t

e

rSi

deofDi

a

phr

a

g

m [

mm]

1 0 1

Fig.3-3 Normalizedphasesensitivityasafunctionoflengthofshortersideof diaphragm.

3-2

高耐圧 ･高感度光集積回路圧力センサ

3-2-1

半密閉空間 における圧 力変化 の理論解析 本研究で提案す る高耐圧 ･高感度光集積 回路圧 力セ ンサ において,瞬時圧 力変化 が 与 え られ た ときの圧 力遅延時間 (ダイヤ フラムにおける圧 力差誘起時間)は,非常 に 重要 なセ ンサ特性 の lつ である｡Figure3-4はセ ンサ周囲圧 力 に瞬 時変化 が与 えられ た ときの誘起圧 力差

A

p(

t

)

を導 くための各 変数 を示 してい る｡

V

は半密閉空間の体積, Aは小孔 の面積 を表す. また, セ ンサ周囲圧 力の変化前 には, セ ンサ周囲圧 力 と半密 閉空間内圧 力共 にpoで あった とす る｡ この状 態か らセ ンサ周囲圧 力 を paに瞬時 に変 化 させ た とき,半密 閉空間の圧 力は

po

の ままで あ り,この ときの ダイヤ フラムに生 じ る圧 力差の初期値 を

A

po

とす る と,

-

p

.

-

p a -

A

p｡

が成 り立つ.瞬時圧 力変化後 は,小 孔 を通 して流体 の出入 りがあるため,半密閉空間の圧 力は徐 々に変化 し,最終的 には セ ンサ周囲圧 力 に等 し くなる｡ここで,半密閉空間の圧 力の時間変化 を表す 関数 を

p(

t

)

とす る と, ダイヤ フ ラム に生 じる圧 力差 は

A

p(

t

)

=

pa-

p(

t

)

と書 け る｡ ところで,瞬 時圧 力変化 が生 じた時 間 をt-Oとす る と,その時刻での半密閉空間の圧 力 は

p(

o

)

=

p｡ で, ダイヤ フラムに生 じる圧 力差 は

A

p(

0

)

-

A

p.

となる｡

Fig･3-4 Schematic'ーdiagram mathematicallyshowlnghow thesensorobtainsthe inducedpressuredifferenceanditsduration.Inthemodel,thevolumeofthe

semi-closedspaceisV,andthesectionalareaofthesmallholeisA.The pressureandtemperatureinthesurroundingsjusta鮎rthesuddenpressure change arepaandTa,respectively.Thepressureand density in the semi-closedspacearep(i)and

J

lt),respectively. 圧縮 性 流体 に対 す るベ ルヌー イの定理 か ら,小 孔 を通 過 す る質量流 量 は次 式 で与 え られ る｡ 三 千

三

- 千

二

A I(1-S T〕

三i

l

i

l

P

Y

こ こで,Rはガ ス 定数 で

,

ylま比熱 を表 す ｡.流 体 と して空 気 を仮 定す る と,ye)値 は 1

.

403 で あ る.誘 起 圧 力差

A

p(

t

)

がセ ンサ 周 囲圧 力

pa

に比べ て十 分 に小 さけれ ば, 式(3

-

21

)

は 近似 的 に

L

と書 け る｡ と ころで, 断熱 変化 の仮 定 の下 で は,

p(

i

) Po (3

-

2

2

)

(

3

-

2

3

)

が成 り立 つ｡ こ こで,〆t)は半密 閉空 間 に お け る流体 密度 の時 間 変化 を表 し

,i

bは時 刻

t-O

に お け るftt)の初期値 を表 す. 式

(

3

-

2

3

)

と

p(

t

)-p

.+Ap(

t

)

か ら,Ajtt)が仲 よ り 十分 に小 さけれ ば, ダイヤ フ ラム に生 じる圧 力差 は, 簡単 な近似 に よ り,

A

p(

t

)

=

A

po-

y

塾

Ap(

t

)

Po

(

3

-

2

4

)

(

3

-

21

)

十

.

,･

:

:

.

･

(

3

-

2

5

)

となる｡ところで,質量保存 の法則 か ら,微少時 間dtの間 に半密閉空間 に流 入 した流 体 の質量

d

2

dt

は,半密 閉空間内で増加 した流体 の質量

vd

p

と等 し くな けれ ばな らない. したが って,

d

Z

dt-Vi

p-Vd(

Ap)

が成 り立 たな けれ ばな らない｡ 式

(

3

-

2

5

)

を式

(

3

-

2

6

)

の左辺 に代入す る と,

払 旦dt=

RT

aV

d(

Ap)

(

3-

26

)

(

3-

27

)

となる｡式

(

3

-

2

7

)

の左辺 をtに関 して

0

か らtまで定積 分 し,右辺 を

Ap

に関 して

0

か ら Apまで定積分 す る と,

驚

言 t

-2

芸(

J

k l

廊 )

が得 られ る｡ 式(3-28)は

短

頭

一

匹

喜

a

i

-遭｣

2

R

T

a

塾

p

o

11 V (3-28)

(

3

-

2

9

)

と書 き換 える こ とがで きる｡ なお, 式(3

-

2

9

)

が成 り立つ のは,右辺 の値 が正 の間 で, この ときダイヤ フラムに圧 力差 が生 じる｡ したが って,圧 力差誘起 時間 は, J= 警

告

吉

原

(

3

-

3

0

,

で与 えられ る｡ 式

(

3

-

3

0

)

か ら,圧 力差誘起時 間 はⅤ/A比 (半密閉空間の体積 と小孔 の 断 面積 の比) に比例 し, また初期圧 力差 の平方根 に も比例 す ることが分 か る｡圧 力差 誘起時間内 において,誇起圧 力差の時間変化 は,

A

p(

i

)

-と表せ る｡

(

3

-

31

)

3-2-2

理論特 性

こ こで は, 常温 常圧 の大 気 中 にセ ンサ を設 置す る もの と仮 定 し, セ ンサ 周 由温 度

T

a-300.OK

,y

-1

.

403,ガス定数

R

-287｡

lJ

/

(

kg

･K),半密 閉空間 の初期 圧 力

p

0-101

.

3

kPa, 密度

p

0

-1.293

kg

/

m

3を式(3.30)に代人す る｡Figure3-5はその計 算結果 で,

V/A

比 (半密 閉空間体 積 と小孔 面積 の 比) と圧 力差誘 起時 間の関係 を表 す｡Figure3-5で は, 瞬時圧 力変化 量

A

po

をパ ラメー タ とし,5kPa, 1kPa,0.1kPaの場 合 の結 果 を示 してい る｡Figures-5か ら圧 力差誘 起時間 は Ⅴ/A 比に比例 す る こ とが分 か る｡ また, 同 じⅤ/A 比で あ って も, 瞬時圧 力変化 量 が大 き くなれ ば,圧 力差誘･起 時間 は長 くな る｡ 式(10)に よる と,誘起 時間 は瞬 時圧 力変化 量 の平方根 に比例 す る｡

[D

a S ]

aC)

u a

Ja

J J !

G

a J n S S a J d 1

0

uO

叫1t 2Jn G Ap0-5kPa JJ_■■ l■l J■

ノ

l

′

■

■

′

■

I

:

i

′

■

■

′ J■ ノ■ JJ/

A

po

-1k

P

a

A

p

o=0･lkPa 500

V/

A

Ra

t

i

o[

m]

1000

Fig.3-5 DurationoftheinducedpressuredifferenceasafunctionoftheV/Aratio. lntheflgure,theinitialpressuredifferenceistakenasaparameter.

次 に,小孔 の 直径 を 20pm,25pm,40pm と し,瞬時圧 力変化 量

A

po

を lkPaと し た ときの誘起 圧 力差 の時 間変化 を式(3-31)を使 って計 算 した｡ 断 面積

A

は それ ぞれ 314.2pm2,490.9Llm2,1257Llm2で ある｡ここでは半密閉空間の体積 Vを 14mmX14mrn

Xl.8mm と したので,V/A 比は それ ぞれ 1123m(直径 20pm),718.7m(直径 25pm), 280.7m (直径 40LLm) とな る.Figure3-6は計算結 果 で, 実線 はセ ンサ周囲圧 力 を表 し, ここではセ ンサ周 囲圧 力がス テ ップ状 に変化 す る もの と仮定 した｡ また,点線 は 各小孔 直径 にお け る誘 起圧 力差 の時 間変化 を衆 してい る｡なお,図で は,縦軸 の印加 圧 力及 び誘起圧 力差 は共 に瞬時圧 力変化 量

A

po

で割 って,正規化 してい る｡Figure3-6 及 び式(3-31)よ り,誘 起圧 力差Ap(t)は二次 関数 的 に減少 し,最終 的 に OkPa,す なわ ち セ ンサ周囲圧 力 と半密 閉空間圧 力 が等 し くな る｡ちなみ に,圧 力差誘起 時間 の理論値

は,小孔 直径 が 20pm の時 は約 0.38sec,25LLmの時 は約 0.25sec,40pmの時 は約 0.10 secとな る｡

aD

u

a J aJ J !G

aJn

SSa

Jd p a Z !Tt 2

tu

JO

N

aJ

n

SS aJ d p a !T d d v p a N !Tt 2

tuJO

N

2 0

00

●

l

1

0 ′ 0 4

0

0 2 0 ● 0 0 l l l l l AppiledPressure l▲ ' I'

.

ヽ

･

.

ヽ

t

.

ヽ

t

.

ヽ

l

'ヽ

l

tヽ

ヽ

l

_ヽ

l ヽ

l

ヽ

l

＼

_ヽ/

ヽ

ヽ

＼40pm '.25pmt､ヽヽ_ヽ2_ヽヽ0pm -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

0.

5

Time【sec】

Fig.3-6 NormalizedpressuredifferenceAp(t)/Apoinducedonthediaphragm asa f

unctionoftime;diameterofthesmallholeistakenasaparameter.Inthe figure,thesolidlinerepresentstheambientpressurechange･

∼/｣

第

4

車

高耐圧 ･高感度光集積回路圧 力セ ンサの実証実験

4-1

セ ンサの設計

高耐圧 ･高感度 光集積 回路圧 力セ ンサ の基 本 的動作 を確認 す るた め, セ ンサ の設 計 ･試作 を行 った｡津波検 出 を目的 としてい る ことか ら,津波 に よ り生 じる圧 力変化 をセ ンサ周囲圧 力 と して想定すべ きであるが, ここでは,動作確認 の しやす さに重点 をおき, セ ンサ周囲圧 力の変化 量 を lkPa前後 に設定 した｡ ちなみ に, この圧 力変化 は,海水 面の高 さに換算す る と,10cm 程度 の変化 に相 当す る｡ セ ンサ の設計 では,セ ンサ の感度 あるいは半波長圧 力が重要 な特性値 とな り,第

3

章 で も述 べ た よ うにダイヤ フラムサ イズ,導波路位 置等 で決 まる｡ まず,セ ンサ周囲 圧 力変化 を

lkPa

前後 と設定 した ことか ら,圧 力セ ンサ の半波長圧 力 は

l

k

Pa

以上 で 墓誌 芸貰Lf言,ら三 L;霊 芸表芸,hFR芸 雷言霊 誌 て芸 ㌍ 票 誓 禁 を Ll'崇をし1ti m x14m X0.22mm と した｡次 に,圧 力差誘起 時間の設 定で あるが,セ ンサ周 囲圧 力 を長時 間大気圧 よ り高い状 態 あるい は低 い状 態 に維持 して お くの は困難 で ある と 考 え, ここでは,1秒 以下の誘起時間 になるよ う,半密 閉空間の設計 を行 った｡ そこ で,半密閉空間の体積 を14mmX14m X1.8m とし,小孔 の断 面積 を314.5-2325 pm2とした｡ この よ うな設定 に よ り想定 され る圧 力差誘起時間は 0｡046-0

.

38秒 とな る｡ ところで,セ ンサ周囲圧 力 を変化 させ るため には,セ ンサ及 び入 出射 用対物 レンズ を密 閉容器 に設 置す る必要 がある｡ こ手では,30cmX28cmX30cm の密 閉容器 を自 作 す る こととし,密 閉容器 をシ リコー ンチ ュー ブで注射器 に接続 して,注射器 の内筒 を押 し引 きす ることで,密閉用器 内の圧 力,す なわちセ ンサ周囲圧 力 を変化 させ るこ とに した｡

4-2

セ ンサの作製

本研 究 では, ダイヤ フラムを用いた従来型光集積回路圧 力セ ンサ を作 った後,セ ン サ下部 に小孔付基板 を接 着す る ことで,高耐圧 ･高感度光集積 回路圧 力セ ンサ を作製 す ることとした｡従来型 セ ンサ の作製 には,2枚 のガ ラス基板 :(1)コ一二 ング#0211 ガ ラス (ダイヤ フラム となる等波路作製用基板),(2)穴 あきソー ダライムガ ラス (ダ イヤ フラム支持基板)を使用 した｡穴 あきガ ラスの穴 の形状 は正方形 で,大 きさは14 m x14mm で ある｡ コ一二 ングガ ラス上 にアル ミニ ウム薄膜 を真空蒸着 でつ け,さ らにアル ミニ ウム薄 膜 上 にフ ォ トレジス トをス ピンコー テ ィング した｡導波路パ ター ンが描 かれ たフォ ト マス クを使 って,フ ォ トレジス トを露光 し,フ ォ トレジス ト上 に導波路パ ター ンを転 写 した｡ さらに, このフォ トレジス トをマス ク として,アル ミニ ウム薄膜 をエ ッチ ン グ し,導波路パ ター ンをアル ミニ ウム薄膜 に転 写 した｡フ ォ トレジス トを除去 した後, 400oCの硝酸 カ リウムに浸 し,イオ ン交換法 で単一モー ド導波路 を作製 した.導波路 作 製後,作製 した導波路 が ダイヤフラム支持基板 の穴 の縁 に沿 うよ うに位 置合 わせ し, 2枚 のガ ラス基板 を重ね合わせ た｡なお,本研 究では等 間隔で 多数 の導波路を 作製 し

て お り, その内の l本 を位 置合わせ 用 に用い た｡位 置合 わせ後,紫外線硬化樹 脂 を注 入 し,紫外線 を照射 して2枚 のガ ラス を接 着 した｡以上 が,従 来型 セ ンサ の作製工程 の概略 で ある｡ 次 に,小孔付 基板 を圧 力セ ンサ に接 着 して, ダイヤ フラム下部 に半密 閉空 間 を作製 した｡本研 究 で は,小 孔 と して矩形 と円形 の2種類 の もの を使 用 した｡矩形 の小孔 に つ いては,シ リコ ンを基板 と し,シ リコンの異 方性 エ ッチ ングに よ り作製 した｡また, 円形 の小 孔 につ い て は,市販 され てい る光学用 ピンホー ル をア ク リル板 に接 着 して, 小孔付基板 を作製 した｡なお,試 作 セ ンサ の ダイヤ フラムの寸法 及 び半密 閉空間 の体 積 は,小孔 の形 状 に関係 な く, それ ぞれ 14mmX14m XO.22m ,14mmX14mmX 1.8rrm で あ った｡ また,小孔 の断 面積 につ いては,矩 形 の もの は2325pm2, 円形 の ものは314.2Llm2,490･9pm2,1257Ltm2で あ った0

4-3

測定光学系

Figure4-1はセ ンサ 周囲圧 力の変化 に よる出力光強度 を測 定す るための光学系 で あ る｡試 作 セ ンサ , 端 面結 合 用対 物 レンズ 及 び結 像 用 対 物 レンズ を体 積 30 cmX28 cmx30cmの密 閉空間 内に設 置 した｡基本的 な構 成 はFig.2-2と同 じで あるが, 図 に おける入射 用偏 光子 の代 わ りに,レーザ の偏 光方 向 をセ ンサ基板 面 に対 して450傾 け た｡ また, ピンホー ルは導波光以タトの背景光 を除去す るため に使 用 した｡ 密閉空間内 の圧 力す なわ ちセ ンサ周囲圧 力 を変化 させ るため,密 閉空間 にはシ リコ ー ンチ ュー ブ を介 して注射器 をつ な げた｡実験 では,注射器 の内筒 を押 す ことに よ り, 密 閉空間 の圧 力 (セ ンサ周 囲圧 力) を0.78kPaだけ瞬 時 に上昇 させ た｡ 光強度 の測 定 には,パ ワー メー タを使 用 し,,そのアナ ログ出力 をAD変換 ボー ドに 入 力 して コン ピュー タに記録 した.AD変換 ボー ドのサ ンプ リング時 間 は10msecと した｡ ∠ = = = : = 7 三 三 _: I_=1-i_I_:I-= 垂 一 手

Fig.4-1 Experimentalsetuptomeasureoutputintensity asafunctionofapplied

4-4

測定結果

4-4-1

矩形小孔 の場合 ㌔ Figure4-2は矩形小孔付試作 セ ンサ の上面図及 び断 面図で ある｡ ダイヤ フラムの面 積 は14m X14m で,その厚 さは 0.22mm で ある｡また,半密閉空 間の体積 は 14mm

x

14mmX1.8mm で,小孔 の断 面積 は 93LlmX25pm (2325Ltm2) で ある｡ Figure4-3に測 定結 果 を示す｡ サ ンプ リング開始後約 15secの時 点で,試作 セ ンサ が入 った密閉空間の圧 力 を0.78kPaだけ急激 に上昇 させ た｡なお, この圧 力変化 0.78

k

Paは実測値 ではな く,注射器容量 の変化 量 か ら計算 した値 である｡密 閉宅 間の圧 力, す なわちセ ンサ周囲圧 力あ変化 に伴 い,出力光強度 が,定常時 の強度 レベ ル(0

.

38pW) に 比べ て,約 20%だけ減少 した｡ ス テ ップ状 の圧 力変化後約 1.4secで, 出力光強度 は定常時の強度 レベ ルに戻 った｡したが って,圧 力差誘起時 間は約 1.4secで あること が分 か った｡ しか し,理論計算 に よる と圧 力差誘起時間 は0.046secで あ り,理論結果 と実験結 果 には大 き く食 い違いが ある｡ この よ うな大 きな相違 は,小孔 における圧 力 損 夷や流体摩擦 によって生 じた もの と考 えてい る｡ 0.22mm Fig.4-2 Top and crossISeCtionalviewsofthe fabricated sensorand actual dimensions.

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25

30

Fig･4-3 (a)Ambientpressurechangewasincreasedby0.78kPainastepwise fashionatabout15see.(b)Measuredoutputintensityasafunctionoftime･

4-4｢2

円形小孔 の場合

4-4-I

項 と同様 に, ダイヤ フラムサ イズ を

1

4m X1

4m XO.

2

2m

と し, 半密 閉空間 の体 積 を

1

4mmX1

4mm

X

1

.

8m

と した｡小 孔 に関 しては,異 方性 エ ッチ ング

験 用 の ピンホー ル を使 用す るこ とと した｡なお,小孔 (ピンホー ル)の直径 は20LLm, 25LLm,40LLmの3種 類 とした｡ ちなみ に,

小

孔 直径 を20LLm,25pm,40LLm と した ときの圧 力差誘 起 時 間 (理論値 ) は3-3-2項 で述べ た よ うに, それ ぞれ0

.

38sec, 0.25sec;0.10secで あ る｡ Figure4-4は, 圧 力計 を用い て,測 定空間 に加 えた圧 力 を測 定 した結 果 で ある｡横 軸 は経過 時 間で,縦軸 はAD変換 ボー ドでパ ソ コ ンに取 り込 んだ圧 力セ ンサ の 出力で あ る.AD変換 のサ ンプ リング間隔 は10msecで, サ ンプ リング時 間 は30革eCと した｡ サ ンプ リング を開始 してか ら約 16S｡C後 に加圧 を行 った｡その結 莱,測 定垂間 内の圧 力 が最 大 にな るの は約0.5-0.8sec後 で,その後 約 1.2-1.3sec後 に加圧 を行 う前 の圧 力 に戻 った｡ また,印加圧 力の最大値 は約 0｡75kPaで あ った｡ これ よ り,印加圧 力は 2sec程 度 しか維持 で きない こ とが分 か った｡2secと/い う維持 時 間 は非常 に短 く,漢 して十分 とは言 えない が,小孔 直径 20pm,25pm,40pmの圧 力差誘 起時 間母_㌔0.5sec 以 下 で ある と予測 され,特性評価 実験 に支障 はない もの と考 えた｡ Figures4-5,4-6,4-7はそれ ぞれ小 孔 直径 20LLm,25pm,40pmの測 定結 果 で,縦 軸 はAD変換 ボー ドを介 してパ ソ コンに取 り込 ん だ光検 出器 の出力,す なわ ちセ ンサ 出力で ある｡ な お,AD変換 のサ ンプ リング間隔 は10msecで, サ ンプ リング時 間は 30秒 と した｡測 定 の結 果,圧 力印加 に伴 うセ シサ 出力の変化 が確 認 され た｡出力光強 度 の変化 の割合 は,小 孔 直径2叫 mのセ ンサ の場 合,圧 が 閥口前 の光態 度 に対 して約 55%の減少,小 孔 直径25pm,40LLmのセ ンサ の場 合 は約 50%の減 少 で あ った. これ は,瞬時圧 力変化 に よって,一時的 な誘 起圧 力差 が生 じた ことを示 してい る｡Table4-1 は小 孔 の直径 (面積 ) と圧 力差誘起 時 間の理論値 及 び測 定値 の関係 で ある｡理論 式 か ら小 孔 の断 面積 に反 比例 して圧 力差誘 起時 間が短 くな る ことが予 想 され たが,測 定値 は小孔 直径 にかかわ らず約 1.8secで あ った｡ この原 因 については次 節 で考察す る｡ [t2 包 ] a J n S S a J

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p a ! T d d v 00 /んU 4 ● ● 0 0 0 5 10 15 20 25 30 Time【sec] Fig.4-4 Measuredpressurechangeoftheclosedboxwhenpushingtheplungerofa

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Fig.415 Measureoutputintensityinasmallholeradiusof20pm.

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25

30 Time[sec】 Fig.4-7 Measureoutputintensityinasmallholeradiusof40トLm. 了フ Table4-1 Calculated and measured durations of the induced pressure differenceonthediaphragm. Diam eter(Are-a) CalculatedDuration MeasuredDuration 20pm (314LLm2) 0

.

34sec 1.8sec 25pm (492LLm2) 0.22sec 1.8sec 40pm (1256pm2) 0.08sec 1.9sec

4-5

考察

小 孔 の形状 を矩形 及 び円形 と し,ス テ ップ状 の圧 力変化 を与 えて,経過 時 間 一出力 光強度変化 を調 べ た｡矩形小孔 の場合 は,4-4-1項 で述べ た よ うに,圧 力差誘起時 間 の測 定値 は1.4secで,理論値 の0.046secに比べ て,大 きな値 とな った｡ また, 円 形 小孔 の場 合 も,Table4-1の よ うに測 定値 が計 算値 よ り大 きな値 とな った｡ この よ う な大 きな相違 は,小 孔 における圧 力損 失や流体 摩擦 に よって生 じた もの と考 えてい る｡ また,測 定空 間の印加 圧 力が2sec程度 しか維持 で きなか ったため,測 定値 が 1.4sec ∼1.9secに制 限 され た もの と考 え られ る｡その ため,測 定空間の印加圧 力 を長 い時 間 維持 で きた と した ら, よ り長 い圧 力差誘 起 時 間 が得 られ た可能性 もある｡

一 方, 出力光強 度 (セ ンサ 出力) の変化 に関 しては, セ ンサ 周囲圧 力の変化 量 とセ ンサ感度 に よって決 まる｡セ ンサ周 囲圧 力の変化 量 は,圧 力セ ンサ に よる測 定 の結 果, 約 0.75kPaで あ った｡セ ンサ感度 につ い ては,半密閉空 間 を取 り除 い た圧 力セ ンサ を 試 作 し, その感度 を調べ た｡圧 力セ ンサ の ダイヤ フラムサ イズ は4-4-[項, 4-4-2項 のセ ンサ と同 じ14mmX14mmX0.22rrm と した｡Figure4-8は圧 力セ ンサ の印加 圧 カ ー出力光強 度特性 である｡圧 力セ ンサ の感度 は,

3-ト 2-1

項 で述べ た とお り, 導波路位 置 に依 存 す る｡ ちなみ に,Fig.4-8の結果 は ダイヤ フラム中央の導波路 にお け る結果 で ある｡ 図 よ り, 出力光強度 は印加圧 力 に対 して正 弦的 な変化 して お り,辛 波長圧 力 は35.OkPaで,位相感度 は89.7mrad/kPaと算 出 され た｡したが って,0.75kPa の圧 力変化 の場 合,67.3mradの位 相 変化 が引 き起 こされ る と推測 され, 実験 で得 ら れ た20%∼55%の光強度変化 は妥 当な変化 と言 える｡ ただ し;Figs.4-5-4-7のセ ン サ における初期位 相 の大 きさが分 か らなか ったため,残 念 なが ら光強度変化 に関す る 正確 な考察 を行 うことはで きなか った｡ 倉 s u

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-40 -20 0 20 40 60 AppliedPressure

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Pa】 Fig･4-8 Normalizedoutputintensity versus appliedpressureforthewaveguide nearesttothecenterofthedi叩hragm.

第

6

章 結論

本研 究では,津波観測 に利用可能 な高耐圧 ･高感度光集積回路 セ ンサ の開発 を行 っ た｡圧 力セ ンサ を海 底 に設 置 して津波観測 を行 う場合,水圧 に耐 え,津波 に よる微小 な圧 力変化 を検 出す ることが必要 で ある｡ しか し,従来型 のダイヤ フラム式光集積回 路圧 力セ ンサ で は,一般 に高感度 と高耐圧 を両立す ることは困難 で ある｡ そ こで,杏 研 究 では, ダイヤ フラム下部 に小孔 (圧 力遅延構 造)付 半密閉空間 を設 けたセ ンサ を 考案 し,そのセ ンサ特性 について考察 した｡本 セ ンサ は,通常の圧 力セ ンサ と異 な り, 圧 力変化 が生 じた ときにのみ,出力変化 が現れ る｡つ ま り,静圧 あるい は庄 ガ変 化 が 緩 や かな場合 は出力変化 が現れず,圧 力が変化 した場合 にのみ出力変化 が現れ る｡津 波観測 の状況 に対応 させ ると,通常 の波浪 の周期 は数

s

e

c

程度 と変化 が緩 や かで ある ためセ ンサ は応 答 しないが,津波 に よる圧力変化 は急激 に起 こるため,セ ンサ 出力 に 変化 が現れ,波 浪 と津波 の海面変化 を区別す る こ とがで きる｡なお, 出力変化 が生 じ る時 間は, 半密 閉空 間の体積及 び小孔サ イズ に よって決 まる｡ 本研 究では, まず,基本的なセ ンサ動作 を確認 す るため,圧 力遅延構造 を上述 の と お り小孔 と し,流体 を空気 とした｡ 空気 は圧縮 性流体 で,海水 とは性 質 が異 な るが, セ ンサ動作 の確 認 においては特 に問題 はない と考 えた｡実験 では,試作 セ ンサ の ダイ ヤ フラムサ イズ を

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と し,小孔 の断面積 を

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2

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L

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2(円形)とした｡この よ うな試作セ ンサ を

3

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mX2

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m

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m

の密閉空間の中に固定 し, その密閉空間 に

0

.

7-0

.

8

k

Pa

の圧 力 を加 え, 出力 光強度 の時 間変化 の特性評価 を行 った｡測定の結 果,圧 力印加 直後 に出力光強度 が

2

0

-5

5

%

程度減 少 し, また圧 力差誇起 時間は

1

.4-

1

.

9s

e

c

であった｡ 圧 力差誇起 時間の 測 定値 は理論値 に比べ て一桁程度長 く,小孔 の断 面積 との関係 はほ とん ど見 られ なか った｡誘起時 間 が長 くな った原 因 と して,小孔 での圧 力損失や摩擦 によ り,流体 に対 す る抵抗 が大 き くな ったため と考 えてい る｡ さ らに,圧 力差誘起時 間 が小才〔面積 にほ とん ど依存 しなか った原 因は,測 定空間の圧 力変化 を約

2s

e

c

程度 しか維持 で きなか ったためで あ る｡そのため,圧 力差誘起時間は今回 の測 定値 よ りもさ らに長 い可能性 が ある｡理論値 との定量的な相違 は残 ってい るが,基本的 なセ ンサ動作 を確認 す るこ とがで きた｡ 今後 引 き続 きセ ンサ 開発 を進 め,圧 力差誘･起 時 間 と小孔面積,半 密閉空間の体積 の 関係 を明 らか にす る予定である｡さ らに,海水 において も動作可能 なセ ンサ構造 につ い て検討 し,セ ンサ を水中に設 置 した状態で基 本的動作 の確認 を行 う予定 で ある｡感 度 に関 して は,津波 を検知 で きる 目PLTLは立 って お り,近 い将来,実用化 を目指 した研 究 に移行 で きる もの と考 えてい る｡

付録

セ ンサの作製 工程

光導波 路 及 びセ ンサ の作製工程 を以下 に示す｡ (I)Al真 空蒸 着 ガ ラス(Coming#0211)基 板 上 にア ル ミニ ウム薄膜 を 真 空蒸着 す る｡ (2)フ ォ トレジス ト塗布 ス ピ ンナー を用 い て フ ォ トレジ ス トを基 板 上 に塗 布 す る｡ な お, 本 研 究 で は フ ォ トレジス トに Shipley 社 sl813を使 用 した｡ ス ピンコー テ ィングの条件 は, (1)1000rpm,5秒 間,(2)4000rpm,15秒 間の2段 階 と した｡ 塗 布後,80℃で30分 間 プ リベ イクを行 った｡ (3)露光 光 導 波 路 用 マ ス ク を使 って導 波 路 パ ター ン をフ ォ トレジス ト上 に密着露 光す る｡ 露 光時 間 は 10秒 と し た｡ (4)現像 露光 した基板 を現像 液(現像液 :イオ ン交換 水-1: 1)に40秒 間浸 し, その後 イオ ン交換 水 で リンスす る｡ (5)AJエ ッチ ング パ タノー ニ ング され た フ ォ トレジス トをマス ク と し て,AJのエ ッチ ング を行 う｡本研 究 で は,AJエ ッチ ング液 (リン酸 :硝 酸 :酢 酸 :イオ ン交換 水-16:1: 2:1)を使 用 した｡ アル ミニ ウム =妻≡:三三≡ (I)Al真空蒸着 (2)フォ トレジス ト塗布 紫外線 (3)露光 (4)現 像 (5)AJエ ッチ ング

(6) フ ォ トレジス ト除去 基板 をアセ トンに浸 し, フ ォ トレジス トを除去 す る｡ (7) イオ ン交換 ガ ラス の屈 折 率 は組 成 イオ ンの単位 面積 当た りの 電子分極率 に よって決 まるので,組成 を変 える ことに よって その屈 折率 を制御 で きる｡通常,ガ ラス は

Si

0

2 やB203な どのガ ラス形成酸化物 中 にNa20,K20,CaO な どの修飾酸化物 が点在 してい る構造 を持 ってい る｡ 高温 中 で は, この修 飾 酸化物 は イオ ン化 し,例 えば

si

0

2の網 目構造 の中 を動 き回 る｡ したが って,ガ ラス をある温度以上 に熟 し,外部 か ら別 の イオ ンをガ ラス 内部-拡散 させ,内部 のNa+イオ ンな どと置 き換 える こ とがで きる｡ これ を熟 イオ ン交換 とい う｡ この方法 で簡単 に低 損 失 のガ ラス薄膜 導波 路 を得 る こ とが で きる｡す なわ ち,適 当な一価 の金属 イオ ンを含 む中性 塩 を用意 し, これ を融 点以上 に加熟 して溶 か し, この 中 に導波路用 ガ ラス基板 を一定時 間浸 す｡これ によっ て,ガ ラス表 面近 くでNa+イオ ンが一価 の金属 イオ ン に置換 され 高屈 折 率 層 が形 成 され る｡ 中性 塩 と して AgNO3(融 点 208℃)

､

KNO3(融点 339℃)

､

TINO3(融 点230℃)が よ く用い られ る｡ この とき,Tl+,Ag+イ オ ン交換 で は大 きな屈 折率 変化 が得 られ る代 わ りに 導波路 は 多モー ド化 しやすい｡一方,K+イオ ン交換 は 単一モー ド導波路 の作製 に適 してい る｡本 研 究では中 性 塩 に KN03を用 い る こ とと し,基 板 を 400℃ の KNO3溶液 に 2時 間浸 し,単一モー ド導波路 を作製 し た｡ (8) ダイヤ フラム用基枚 との接着 導波 路 とダイヤ フ ラム支持 基 板 の穴 の縁 が一 致 す るように位 置合 わせ し,2枚 のガ ラス (導波路基板 と ダ イヤ フ ラム支持 基 板 ) を紫外 線硬 化 樹 脂 で接 着 す る｡本研 究 では紫外線照射時間 を

3

時 間 とした｡ (6)フ ォ トレジス ト除去 (7)イ オ ン交換 (8)ダイヤフラム用基板との接着

(q)

Al除去

基板 を

AJ

エ ッチ ング液 に浸 し, アル ミニ ウム薄膜 を除去す る｡ (10)端 面研磨 端 面結合法 に よ り導波光 を励起す るため,セ ンサ両 端 面の垂 直研磨 を行 う｡ ここまでの工程 で,従来型光 集積回路圧 力セ ンサ がで き上 が る｡ (ll)小孔付基板 との接 着 従 来型 光 集積 回路 圧 力セ ンサ と小 孔付 基板 を紫外 線硬化樹脂 で接 着す る｡紫外線 照射時間は 3時間 と し た｡ (?)AJ除去 (10)端 面研磨 (ll)小孔付基板 との接 着

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