【公開日：2025.07.02】【最終更新日：2025.05.07】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23KT1160
利用課題名 / Title
表面プラズモン共鳴（SPR）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
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
表面プラズモン,超音波,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
松川 真美
所属名 / Affiliation
同志社大学 大学院理工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes
出竿康太,水口佳紀
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
KT-203：電子線蒸着装置
KT-230：UVオゾンクリーナー・キュア装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
近年，非侵襲で高解像度なイメージング技術である光音響顕微法（PAM）が注目されている[1]．PAMは光音響と呼ばれる手法で発生した超音波を超音波センサで受信し画像化する技術である．しかし，従来の圧電超音波センサは，検出できる周波数帯域が狭く，深さ分解能も低い．そこで我々は圧電を持ちないため広帯域特性が期待される表面プラズモン共鳴(SPR)を利用したSPRセンサをPAMへ応用することを目指し研究を行っている[2]．
これまで私たちが開発してきたSPRセンサは後述するようにセンシング形状が楕円形かつ大きな領域となり，検出対象の局所的な音場を正確に計測できない問題があった．そこで，今年度は，センシング領域を真円形状にしたSPRセンサを製作し(Fig. 1)，センシング径と周波数感度の検討をした．また，一つのガラスプリズムの上にアレイ型SPRセンサを製作し(Fig. 2)，各センサの特性を検討した．
実験 / Experimental
電子線蒸装置(EB1100，キヤノンアネルバ株式会社：KT-203）により，ガラスプリズム(SF11,屈折率1.795)上にAg薄膜(膜厚31 nm)，Au薄膜(膜厚5 nm)を成膜したSPRセンサを製作した．実験系をFig.3に示す.脱気水を入れた水槽にSPRセンサを設置し，p偏光のレーザ(Torus mpc-300, Laser Quantum, 波長532 nm, ビーム径1.26 mm)を入射角度56.05°で照射した．
次に集束型超音波トランスデューサ(B5K20I PF40, JAPAN PROBE)に5MHzのバースト1波を入力し，SPRセンサに超音波を照射した．SPRセンサからの反射光は差動フォトダイオード(PDB435A, THORLABS)に入力し，増幅器(NF, SA-420F5)を介して，出力の交流成分(VAC)をオシロスコープ(DPO7254C, Tektronix)で観測した．また比較用として，ニードル型超音波トランスデューサ(UT) (B2K20I PF40, JAPAN PROBE, 有効径 1.00 mm)を用いて同様に集束音波を観測した．
またアレイ型SPRセンサの各電極にも同様に，集束型超音波トランスデューサに2MHzのバースト1波を入力し，超音波受波器としての評価を行った．
結果と考察 / Results and Discussion
SPRセンサとUTによる観測超音波波形をFig. 4に示す．各波形は最大振幅値で正規化した．SPRとUTの観測波形はよく一致していたが,センサB,C,Dでは立ち上がりと負のピーク値がわずかに異なった.SPRセンサでは金属薄膜で全反射したレーザ光の総和を観測している.センサAでは,センシング径が楕円形状であるがレーザの反射面全面でSPRが励起され,超音波センシングを行っている.これに対し,センサB,C,Dでは,SPRは小さな真円の金属薄膜のみで励起しているため,センサAと比較し,相対的に出力が小さい.従って,プリズム内に侵入した音波による屈折の影響も受けやすいと考えられる.
UTの値で正規化した振幅スペクトルの周波数特性をFig. 5に示す．センサB,C,Dでは,センサAより高周波側で良好であった.つまり,センシング領域を真円形状にすることで周波数感度の広帯域化が確認された.
アレイ型SPRセンサの各電極による観測超音波波形をFig.6に示す．各波形は最大振幅値で正規化した．各電極における観測波形は概ね一致したが，電極番号5，10，15，20，25における波形は他の波形と比較し線形性を確認することができなかった．これは，電極を蒸着する位置のずれにより，超音波計測時にレーザを正確に電極へ照射できていないなどの原因が考えられる．
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig.1 The SPR sensor structure
Fig.2 Structure and electrode number of array SPR sensor
Fig.3 Experimental system
Fig.4 Observed ultrasonic waveform
Fig.5 Frequency spectrum characteristics
Fig.6 Ultrasonic waveform observed by array-type SPR sensor
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[参考文献]
[1] F.Yang et. Al, “Broadband surface plasmon resonance sensor for fast spectroscopic photoacoustic microscopy” Photoacoustic. 24, 100305, (2021).
[2] S.Nakatsuji et. al, “Precise Observation of Ultrasonic Pulses Using an SPR Sensor” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 70(6), 562-568, (2023).
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 出竿康太,仲辻衆登,市橋隼人,松川真美, "Development of a stable SPR ultrasonic receiver", 2023 IEEE International Ultrasonics Symposium
- 出竿康太,仲辻衆登,市橋隼人,松川真美, "Experimental study on sensing diameter and sensitivity of SPR ultrasonic sensors", The 44rd Symposium on UltraSonic Electronics
- 出竿康太,仲辻衆登,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感度の検討", 2023年日本音響学会秋季研究発表会
- S.Nakatsuji et. al, “Precise Observation of Ultrasonic Pulses Using an SPR Sensor” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 70(6), 562-568, (2023)
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件