5.　スプリアス応答とその対策

スプリアス応答についてその理解を助ける別の説明を試みよう。仮にFBARの振動膜が空中に浮かんでいて、図4 (a)に示すように純粋に膜厚方向に伸び縮みしているだけだとする。これは理想的な状態でピストンモードと呼ぶ。その振動周波数は、縦波の音速をv、振動膜の厚さをhとするとv/2hである。この振動モードだけなら単純であるが、実際はそうはならない。まず、振動膜の周囲が固定されていると、図4 (a)の代わりに図4 (b)のような振動モードとなるだろう。また、図4 (c)、(d)に示すような振動モードも存在すると思われる。図4 (b)～(d)を見比べると、これは、振動膜の膜面に沿った方向に異なる波数k_xの波（板波）が伝搬して定在波が生じている状態だと理解できる。k_xの異なる波は周波数が異なるから、図4 (b)に相当するピーク、すなわち欲しいピークの他に、図4 (d)に相当するピークやそれよりk_xの大きいモードのピーク、すなわちスプリアス応答が現れる。これが図3の状態だ。

スプリアス応答を無くすためには、FBARの振動を図4 (a)のようなピストンモードだけにできればよい。これは振動膜の外周に図5 (a)に示すような小細工を施せば理論的に可能である。その理由はここでは省略するが、このような小細工によって、図4 (b)～(d)の振動をそれぞれ図5 (b)～(d)のように変えられる。固定端であった外周があたかも自由端のように振る舞うわけである。図5 (b)はほとんどピストンモードである。図5 (c)、(d)はスプリアスモードであるが、圧電膜上の電極で正負の電荷がキャンセルするため電気的に励振されない（実は図4 (c)も）。NHKの人気番組「ブラタモリ」でタモリは「へり」が面白いと言っているが、BAWデバイスもしかりである。

へりの工夫によってスプリアス応答は減らせるが、それだけでは不十分である。ここまでに、板波がへりで反射して定在波を作り、振動面に周波数ごとに異なる振幅分布が生じ、スプリアス応答が起こると描像してみせた。ということは、BAW共振子の形状を図6のようにすれば、反射を繰り返した板波は閉ループを描かず、定在波は起きにくくなる。BAW共振子が奇妙な形をしているのはそのためである。これはアポダイゼーションと呼ばれる。

6.　弾性波デバイスの将来

さて、MEMSのディフェンディングチャンピオンであるBAWデバイスに敵はいるのか。いる。HAL（Hetero Acoustic Layer） SAWデバイスなどと呼ばれる新型SAWデバイスである。これは、図7 (b)に示すように、波長程度以下に薄い、具体的には厚さ1 μm程度以下のLiTaO₃単結晶またはLiNbO₃単結晶を別の基板で支持した構造を有する^[5]。この構造によって、従来構造（図7 (a)）では基板に漏れる弾性波を表面の圧電単結晶に閉じ込められる。漏れが少なければ、振動エネルギーの損失が少なく、Q値を高くできる。しかも、基板を水晶にしたり、LiTaO₃単結晶の下にSiO₂膜を付けたりすることで、共振・反共振周波数の温度依存性（TCF）を小さくできる。LiTaO₃やLiNbO₃を含めておおよその物質は温度が上がると柔らかくなるので、負の温度係数を持っている。しかし、SiO₂やある結晶方向の水晶は温度が上がると硬くなる性質、すなわち正の温度係数を持っている。これらをお互いにキャンセルさせてTCFを小さくしようというわけだ。HAL SAWデバイスは、基板の層構成、結晶方向、電極構造などに設計パラメーターが多いため、BAWデバイスより様々な優れた可能性を秘めていると期待されている。

もう1つ問いを投げかけておこう。BAWデバイスはどこまで高周波化できるのか。これはFAQでもある。5Gの新バンドn77、n78、およびn79は3.5～5 GHzと高い周波数帯にあるが、BAWフィルタで対応できるのかという問いである。5Gでは28 GHz帯のミリ波も用いられる。これはどうかという問いでもある。前者は対応可能、後者は難しいというのが今のところの答えである。

既存のBAWデバイスの高周波化すると、次のような難しさが生じる。まず、材料の音響損失はおおよそ周波数の自乗に比例する。材料損失について支配的なのは電極膜である。高周波化して振動膜を薄くすれば、電極膜は圧電膜に対して相対的に厚くなる方向で、音響損失についてより一層厳しくなる。次に、高周波化するとBAW共振子のインピーダンスが下がる。振動膜が薄くなると静電容量Cが小さくなり、しかも周波数（角振動数ω）が大きくなるので、インピーダンス1/jωCは周波数の自乗に反比例して下がることになる。したがって、50 Ω整合のためには、それをキャンセルするようにBAWデバイスを小さくしなくてはならない。BAWデバイスが小さくなれば、へりの影響は相対的に大きくなり、損失とスプリアス応答が増える。耐電力性も厳しくなる。これらの理由から上述のような答えとなるわけだ。

ミリ波まで欲張らなくても、BAWフィルタの市場にはまだまだ十分な伸び代がある。有望な市場だけに新たな参入者はいるが^[6]。私は、既存のBAWデバイス、HAL SAWデバイス、そして新しいBAWデバイスが切磋琢磨して発展する未来を思い描いている。

【著者紹介】
田中　秀治（たなか　しゅうじ）
東北大学　大学院工学研究科　ロボティクス専攻　教授

■略歴
1999年3月　東京大学大学院工学系研究科産業機械工学専攻博士課程修了
1999年4月　東北大学大学院工学研究科助手
2013年8月　同教授
2004年1月～2006年3月　JST研究開発戦略センターフェロー
IEEE Fellow　日本機械学会フェロー

３．ナノポアを利用した人工細胞膜センサ

前節で述べたような脂質二重膜形成デバイスは、標的となる膜タンパク質を脂質二重膜に再構成することで、膜タンパク質＋脂質二重膜＝人工細胞膜デバイスとして研究が進められるようになった。まず着目されたのは、膜タンパク質の機能解析への利用である^7,10)。デバイスに電極を配置することで、特に膜タンパク質の中でもイオンチャネルを標的とした例は多く報告されるようになった。またイオンチャネルの機能解析によりデバイス開発が進んだことで、逆に膜タンパク質の優れた機能を活用したアプリケーションが提案されるようになり、中でもセンサ応用が注目されている¹¹⁾。
人工細胞膜デバイスのセンサ研究で最初に広く用いられるようになったのは、生体ナノポアと呼ばれる脂質二重膜にナノメートルサイズの孔を作る膜タンパク質である。生体ナノポアとして代表的なアルファヘモリシンは、水溶液に可溶であり、脂質二重膜には自発的に再構成して最狭部が約1.4 nmのポアを膜に形成する。MEMS技術でも再現良く作ることが容易ではないナノサイズの貫通孔を、再現性高く簡単な操作で得られる点に魅力がある。ナノポアを使った人工細胞膜センサは、コールターカウンターのように、標的物質がポアを通過する際のイオン電流の変化にもとづいて検出を行う。アルファヘモリシンのように、ポアサイズがちょうど1本鎖DNAが透過できる程度であるナノポアは、DNAやRNAなどの核酸のシーケンシング技術へと発展し¹¹⁾、また現在はタンパク質を構成するアミノ酸の識別へと研究が進んでいる¹²⁾。
ナノポアによる核酸検出では、生体ナノポアの閉塞に伴うイオン電流の低下によって、核酸1分子（1本）を観測する。竹内らは、ナノポアを閉塞しない小分子の計測技術として、DNAアプタマーとナノポアを利用することを提案した¹³⁾。DNAアプタマーとは、標的分子と特異的に結合する配列を持つことで、標的分子との複合体を形成するDNAのことである。標的分子がない場合、DNAアプタマーはナノポアを透過できるが、標的分子と複合体を形成するとナノポアを透過できず、閉塞が生じて電流が顕著に低下する（図5）。すなわち複合体を形成することにより、標的が小分子であってもその1分子を検出できる。このセンサは、DNAアプタマーが標的分子との特異性を保証し、ナノポアが1分子計測可能な信号増幅を担うことで、感度・選択性の両面に優れた特性を示すことができる。

マイクロRNAは18-25塩基長の短いRNA鎖からなり、体内でタンパク質の発現制御などに関わることが明らかになってきており、近年、がんの診断マーカーとして注目されている。このマイクロRNAの特異的検出法として、脂質二重膜に対するナノポアの再構成をシグナルとして利用するセンサが提案されている¹⁴⁾。図6aに示すように、標的マイクロRNAに相補的な配列をもつDNAの末端に、磁気ビーズとアルファヘモリシン再構成リポソーム（脂質二重膜小胞）をそれぞれ結合したものを検出素子としている。スイッチとして2本鎖特異的切断酵素を用いることで、標的配列のマイクロRNAがあるときにのみ、アルファヘモリシン再構成リポソームが遊離し、脂質二重膜にナノポアを形成して電流シグナルを発生させる（図6b, c）。このセンサにおいてはDNAの相補的配列が標的特異性を担保し、100万種・10倍濃度の夾雑マイクロRNAに対しても偽陽性を示さないことが確認されている。このようにナノポアを利用した人工細胞膜デバイスでは、DNAなど生体分子の特異的相互作用と組み合わせることで優れたセンサが生み出されている。

４．昆虫嗅覚受容体を利用した人工細胞膜センサ

前節のナノポアに対して、より高機能な膜タンパク質をもつ人工細胞膜センサの研究も近年行われるようになってきた。昆虫嗅覚受容体は、リガンド依存性陽イオンチャネルを形成すると考えられており、受容体にリガンド（匂い物質）が結合すると陽イオン電流を生じる。1分子の結合をピコアンペア程度に増幅することから、特異性・増幅率を併せ持つ優れた素子として匂いセンサへの活用が期待されている。
匂い物質は、その分子構造がもつ性質から親油性、水に難溶性のものが多い。液滴接触法を利用した人工細胞膜は、2つの油中水滴界面に脂質二重膜を形成しているため、このような匂い物質を水相に移行させることが難しく、匂いセンサデバイスには適さなかった。そこで、図7aに示すように2つのウェルの片側は水溶液（ゲル）のみとして脂質二重膜を形成し、匂いセンサへの適用可能性を検討した。まず、農薬の成分であるオメトエート（揮発性有機化合物）を標的分子として、前節のナノポアとDNAアプタマーの系を用いて検証したところ、100 ppbのオメトエートを気中から検出することに成功した¹⁵⁾。オメトエートが気中から自発的に水溶液中に溶解できたことで、アプタマーと複合体を形成し、ナノポアの閉塞現象によって検出できたと考えられる。
次に、このデバイスに対して蚊の嗅覚受容体を再構成した人工細胞膜センサを作製し、ヒトの汗の匂い成分の一つであるオクテノールを標的分子として検出を行った¹⁶⁾。人工細胞膜センサに再構成された嗅覚受容体は、オクテノールに対して矩形波状の電流応答を示すことが分かった。このセンサを用いて気中オクテノール10 ppbの検出を達成している。ここで用いた嗅覚受容体は、受容体自体が高い選択性をもつ。オクタノールやオクタノンなどの類似化合物と比較して、標的分子であるオクテノールに高い特異性を示すことが確認できた。この匂いセンサを搭載する無線・携帯型計測器を作製し、ロボットと連携させることで、匂い物質に応答するセンサシステムの開発も考えられる（図7b,c）。

嗅覚受容体を利用した人工細胞膜センサは、現在その原理実証ができた段階にあり、感度や応答性のようなセンサとしての基本的性能の向上が求められる。上述のように、受容体は水溶液中で活性を示すが、一方で匂い物質の気中に対する水中の分配係数は低いことが多い。性能向上には、匂い物質の自発的な溶解を待つのではなく、積極的に溶解するための要素技術の開発が必要であろう。また、生物の嗅覚と同様に、複数種の嗅覚受容体を搭載したセンサによる複雑な匂いの認識など、今後のますますの研究展開が期待される。

５．まとめ

本稿では、細胞膜を生体外で再現するために研究されてきたデバイス技術と、そうしたデバイス上で活用されるようになった人工細胞膜のセンサ応用について紹介した。これまで人工細胞膜センサの研究は、ナノポアや膜タンパク質に関わるような、センサの核となる検出原理について集中して行われてきた。今後、実用化を意識した周辺技術への研究の広がりが待たれる。特に生体分子に由来する保存・寿命や品質管理・較正といった課題への取り組みは、人工細胞膜センサに限らず、バイオと人工物のハイブリッド型デバイスの実用化においては不可欠である。こうした要素技術が集約され、人工細胞膜センサのプラットフォームが早期に確立されることが期待されている。

【著者紹介】
大崎　寿久（おおさき　としひさ）
神奈川県立産業技術総合研究所　人工細胞膜システムグループ　サブリーダー

■略歴
2002年　東京工業大学大学院理工学研究科　博士課程修了
2002年　ライプニッツ高分子研究所　博士研究員
2006年　産業技術総合研究所　特別研究員
2007年　東京大学生産技術研究所－LIMMS/IIS-CNRS　CNRS博士研究員
2009年　神奈川県立産業技術総合研究所　サブリーダー、現在に至る
専門は界面物理化学、高分子材料科学。2007年より、細胞膜をマイクロチップ中で再構成するためのプラットフォーム技術に関する研究に従事。近年は膜タンパク質機能解析やそのセンサ応用について実用化研究を進めている。

竹内　昌治（たけうち　しょうじ）
東京大学　大学院情報理工学系研究科　教授

■略歴
2000年　東京大学大学院工学系研究科　博士課程修了
2000年　日本学術振興会　特別研究員
2001年　東京大学生産技術研究所　講師
2003年　同　助教授（2007年より准教授）
2014年　同　教授（2019年より兼務）
2019年　東京大学情報理工学系研究科　教授
この間、2004-2005年　ハーバード大学化学科　客員研究員、ほか
専門はバイオハイブリッドMEMS。3次元組織構築、体内埋め込み型デバイス、人工細胞膜、培養肉などのプロジェクトに従事。

4. 疲労寿命の延長

3節でねじればねの破壊強度が設計を制限していることを述べたが、破壊限界はミラーの実用化における信頼性を確保するためには欠かせない問題である。破壊限界に近づく設計をすれば、走査角を増加させ解像度を上げるが、一方で、疲労寿命を縮める。走査角をある程度大きく取り、製品に必要な長い寿命を確保することが重要である。シリコンの破壊強度や疲労寿命はこれまでにも調べられている。疲労寿命は、真空封止されたシリコン振動子の繰返し曲げ実験から、表面酸化がほとんどない状態で封止することで、理想的な寿命が得られている⁷⁾。
一方、同様の繰返し曲げの振動子に原子層堆積(Atomic Layer Deposition)アルミナでコーティングすると、疲労寿命が2桁延びるとの報告がある⁸⁾。我々は、ALDアルミナ膜をミラーのねじればねに厚さ3nm程度コーティングして、ミラーの破壊強度と疲労寿命を測定した。 図4は疲労寿命試験の結果である⁹⁾。応力振幅はねじればねの式(4)を用いて回転角より求めた（実際の最大応力振幅はFEM解析からばねの接続部で2倍程度になっていると考えられた）。低い繰り返しでは、むしろコーティングすると応力振幅は低下している。これは同時に行った静的な破壊強度の試験とも一致している。一方で、通常設計に用いる応力（1GPa程度）では、逆にALDアルミナをコーティングした方が、疲労寿命は長いようである。
疲労寿命実験では、この程度の応力では、実験期間（約1週間）に破壊にいたるものはほとんどない。さらに実験を重ねても傾向は変わらないが、より精度の高い測定が必要である。原因については、なお研究中であるが、極めて薄い原子層堆積膜により、破壊寿命が実用応力領域で伸びるのであれば、実用的には大変有効と思われる。

5. MEMSミラーの試作例

図5は3本の曲げばねで支持したミラーで、共振周波数1185Hz、 交流電圧60V、真空中で、θ_Optが約30度の円錐状走査が得られた¹⁰⁾。比較的大きい走査角が得られたが、非線形性も見られた。慣性モーメントによる運動の非線形性および、曲げばねの非線形性も影響していると考えられる。

6. まとめ

本稿では、レーザディスプレイおよびライダーに用いられるMEMSミラーの2軸スキャナの光学条件、機械運動、破壊と寿命について、設計に必要な基本的な特性を述べた。光学系は単純なため光学特性はよく知られている。全方位走査の2軸スキャナの機械運動は、複雑な運動相互作用を含んでおり、特性はまだ十分解明されていない。破壊と寿命の問題は常に悩ましい問題であり続けてきたが、これらの問題の改善につながる提案もいくつか見出されている。本文中に述べた解析は、走査ミラーを設計するための一つの指針と考えていただきたい。今後の研究開発に期待したい。
謝辞：本報告は、佐々木敬氏、鈴木克也氏、小林丈晃氏、福田航一氏の協力を得たので、感謝します。

【著者紹介】
羽根　一博（はね　かずひろ）
東北大学　大学院工学研究科　ファインメカニクス専攻　教授

■略歴
１９７８年３月　　名古屋大学工学部電子工学科卒業
１９８０年３月　　同大修士課程修了
１９８３年３月　　同大博士課程修了
１９８３年４月　　同大助手
１９８５年２月から１３ヶ月　　カナダ国立研究所物理部門客員研究員
１９９０年８月　　名古屋大学助教授
１９９４年４月　　東北大学教授

4. 発展段階にMEMS技術が果たした役割

イメージセンサにとって画素ピッチ縮小は最も重要な課題であり、非冷却赤外線イメージセンサでもこれまで画素ピッチを縮小するための技術開発に多大なリソースが投入されてきた。画素ピッチは、1992年に発表された非冷却赤外線イメージセンサでは50 μmであったが¹⁾、2001年には25 μm、2007年には17 μm、2013年には12 μmに縮小されており²⁾、2016年には画素ピッチ10 μmの素子³⁾も発表されている。
画素ピッチを縮小すると高解像度化が可能になる。解像度は1992年のQVGA (Quarter Video Graphics Array, 320×240画素)から、1999年にはVGA (Video Graphics Array, 640×480画素)、2009年にはXGA (Extended Graphics Array, 1024×768画素)の非冷却赤外線イメージセンサが報告されており²⁾、現在ではフルハイビジョン対応の解像度を持った高解像度非冷却非冷却赤外線イメージセンサも開発されている⁴⁾。
画素ピッチを50 μmから10 μmと縮小すると、画素面積は0.04倍となり、一画素で受光することができる赤外線放射束が0.04倍に減少する。放射束減少にもかかわらず、10 μm 画素でもNETD < 50 mK（F/1光学系を用いた場合）の性能を維持しており、1992年以降熱型赤外線検出器の感度は25倍向上した。

２で説明したように、熱型赤外線検出器の性能は、温度センサの高感度化または熱コンダクタンスの低減で改善することができる。図４は、これまで報告されている非冷却赤外線イメージセンサの熱コンダクタンスと画素ピッチの関係を示す⁵⁾。この図から熱コンダクタンスは画素ピッチの2.7乗に比例（一点鎖線）していることがわかる。画素面積の減少による赤外線放射束の減少を補うには、熱コンダクタンスを画素ピッチの2乗に比例するように設計すればいいが、これを超えて熱コンダクタンスが低減されており、これまでの性能改善が熱コンダクタンス低減によって達成されてきたことがわかる。

図5にピッチの小さな画素で高い断熱性（低熱コンダクタンス）を実現するために開発された画素の構造の例を示す⁶⁾。この構造は、支持脚と受光部を別の層として形成することで、開口率を減少させることなく支持脚を長くして熱コンダクタンスを低減できるもので、2層の犠牲層を使ったマイクロマシニングプロセスで作製される。また、支持脚とボロメータ層を一つの層とし、赤外線吸収層を別の層としたものも開発されている⁷⁾。

MEMS微細加工技術を高度化すると、図３の画素構造のまま支持脚を微細化して熱コンダクタンスを低減することもできる。MEMS微細加工技術の高度化に関しては、50 μm画素では1.5 μm、25 μm画素では0.8 μm、17 μm画素では0.5 μm、12 μm画素では0.3 μm というMEMS最小設計寸法が採用されているという報告がある⁸⁾。
以上のように1990年代から現在に至るまでの発展段階においても、画素ピッチ縮小で非冷却赤外線イメージセンサの進化を支えたのはMEMS技術であった。

5. 現状と今後

技術面では、画素ピッチは回折限界に近付いており、これ以上画素ピッチ縮小を進めると理論的な限界である熱的な揺らぎが感度維持に影響を及ぼす可能性も出てきている。そのため、これまでの技術をブラッシュアップして画素ピッチの縮小を進めることはかなり難しく、技術的には踊り場を迎えつつあると思われる。技術的には飽和状況にはあるが、現状の非冷却赤外線イメージセンサはほとんどの応用分野で十分な性能を有しているので、当面、現状技術を産業に繋げることが肝要と考えられており、最近はビジネス動向に注目が集まっている。
非冷却赤外線イメージング市場では数年前から応用分野拡大に向けて低価格下が進んだ。また、カメラコアのビジネスの活性化で赤外線技術の蓄積がない企業が非冷却赤外線カメラを搭載した製品を市場投入する例も増えてきた。現在、世界全体で非冷却赤外線イメージング市場の規模は140万台、$3Bまで成長している⁹⁾。
非冷却赤外線イメージング市場を金額的に支えている応用分野は、これまでと同じセキュリティーや保守保全である。しかし、2014年にスタートしたスマートフォン用赤外線カメラの出荷数は、2018年には47万台に達しており⁹⁾、現在、スマートフォン用赤外線カメラが数量で市場をけん引役する状況になっている。多くの赤外線関係者が今後を期待している自動車搭載赤外線ナイトビジョンシステムについては、立ち上がりが遅れているものの、単なる画像表示装置からADAS用あるいは自動運転用のセンサの一つとしての注目が高まっており、今後が期待できる。すでにGM傘下のCruise Originが自動運転車に赤外線ナイトビジョンシステムの搭載を決定しているとの報道もある¹⁰⁾。

6. おわりに

以上のように、非冷却赤外線イメージセンサの発展にはMEMS技術が非常に重要な役割を果たした。非冷却赤外線イメージセンサでMEMS技術の導入が成功したのは、それ以外の技術では不可能な性能を実現できる技術であり、実用化した後の画素ピッチ縮小にも対応できる技術であったことによる。すでに10 μmの大きさの画素を200万画素以上集積化した非冷却赤外線イメージセンサが開発されていて、ビジネス面でも市場拡大の兆しが見え始めており、今後が期待される。

【著者紹介】
木股　正章（きまた　まさふみ）
立命館大学　理工学部　特別任用教授

■略歴
1976年　名古屋大学大学院工学研究科修士課程修了。同年　三菱電機株式会社入社。
2004年　三菱電機株式会社退社。同年　立命館大学理工学部教授。1980年より現在まで赤外線イメージセンサの研究開発に従事。
2009年よりJAXAのType-II超格子赤外線センサの開発に参画。電気学会、日本赤外線学会、応用物理学会、IEEE会員、SPIEフェロー。
2013～2014年　日本赤外線学会会長。
2016年　立命館大学退職。同年　立命館大学理工学部特任教授。

1988年　市村賞貢献賞、1993年　全国発明表彰内閣総理大臣発明賞、2016年　日本赤外線学会業績賞などを受賞。工学博士。