線形可変光学フィルターとサーモパイル検出器アレイに基づく混合ガスCH4 / CO2 / CO検出

はじめに

ガスセンサーは、多くの産業および実際のアプリケーションで大きな需要があります。これらのアプリケーションの多くでは、最小限のメンテナンスでさまざまな場所で複数のガスを長期間にわたって同時に監視する必要があります[1]。天然ガスを例にとると、大量のメタン（CH ₄ ）の混合物が含まれています。 ）および少量のさまざまな炭化水素ガス（例：C _x H _y ）、これは主要なエネルギー源として浮上しています。しかし、天然ガスが公然と燃焼する場合、天然ガスの使用は人の健康と環境のリスクを高めることがわかっています。大量の水蒸気と、窒素酸化物（N ₂ などの化合物の混合物）を生成します。 O）、二酸化炭素（CO ₂ ）、そして天然ガスの不完全燃焼によって引き起こされる一酸化炭素（CO）や煙さえも[2]。天然ガスから放出される有毒化学物質の中には、住民に害を及ぼすだけでなく、漏れた天然ガスも爆発を引き起こす可能性があります。過去数十年にわたって、天然ガスとその燃焼生成物の安全監視の要件は継続的に増加しており、小型化された混合ガス検知器に対する大きな需要が生じています[3]。ガス検知器の小型化は、低コストで大規模な製造プロセスと低消費電力をもたらすことができます。一方、分析機能が低下したり、マルチパラメータ測定の柔軟性が低下したりする可能性もあります。

化学抵抗性ガス検知材料（金属酸化物半導体（MOS）、ポリマー、カーボンナノチューブ（CNT）、吸湿材料など）をベースにしたガス検知器は、サイズが小さく低コストであるため、広く開発され、適用されていますが、各検出器は、ガス濃度に関する定性的な情報を備えた1種類のガスのみを検出するため、満足のいくものではありません[4、5、6、7]。さらに、動作温度が高く、短時間での校正と再調整が必要なため、アプリケーションが制限され、メンテナンスコストが増加します[7]。これらの理由から、小型化された混合ガスセンサーを製造するためにいくつかのガス分析技術が開発されてきた。微小電気機械システム（MEMS）技術に基づくマイクロガスクロマトグラフィー（μGC）は、ここ数十年で大きな進歩を遂げました[8]。 μGCシステムは、いくつかのMEMSデバイス（インジェクター、分離カラム、ガス検出器、マイクロバルブ、マイクロポンプなど）のハイブリッド統合であり、複雑なガス混合物の正確な分析を提供できます[9、10]。しかし、これまでのところ、オンサイト分析用のハンドヘルドμGC機器はまだ市販されていません[8]。光学センシング技術は、ガス測定のもう1つの代替ソリューションです[11、12]。フーリエ変換赤外（FTIR）分光計は、IR領域の特定のスペクトル応答を分析することで混合ガスを測定できる機器の良い例です。ただし、FTIR分光計は通常、かさばる機器であり、コストが高く、携帯性に欠けるため、ガスモニタリングには適していません。 MEMSベースの走査ミラー（マイケルソン干渉計）は、近赤外（NIR）または中赤外（MIR）帯域で連続的に変化する波長のセットを提供できる小型FTIR分光計用の最近登場したソリューションです[13,14 、15、16]。ただし、高速応答IRレーザーと検出器（冷却されたPbSeまたはHgCdTe光伝導検出器など）を使用すると、分光計のコストとシステムサイズが増加します[15]。 IR吸収スペクトル技術に基づくもう1つの効果的な混合ガス測定方法は、非分散型赤外線（NDIR）ガス検出です。これは、複数のIRフィルターチャネルを使用するか、回転するマルチフィルターチョッパーシステムで単一のガスチャネルを使用することで実現できます[17]。 。間違いなく、両方の技術は必然的に検出器のサイズとコストの増加をもたらします。これらの理由から、MEMSベースのファブリペロー（FP）フィルター[18、19]、フォトニック結晶フィルター[20、21]、および線形可変光学フィルター（LVOF）[22、23]

この作業では、小型化された混合ガス（CH ₄ など） / CO ₂ NDIRガス検出メカニズムに基づく/ CO）検出器は、MIR線形可変光学フィルター（LVOF）とMEMSベースの非冷却サーモパイル検出器アレイを使用して製造されました。マイクロデバイスと統合ガス検知器の設計、製造、および特性評価が、それぞれ詳細に提示されました。これらのマイクロデバイスの使用により、複数のガス検知器をコンパクトに統合できます。これは、光源、ガスセル、およびデータプロセス要素を使用することにより、小型で大きな利点があり、コストと消費電力が低くなります。従来のNDIRガス検知器。

設計および実験方法

LVOFの設計と製造

図1に示すように、LVOFは、テーパーキャビティ、テーパーキャビティの両側にそれぞれ作成された2つのブラッグ反射器、および基板で構成されるF-Pタイプのフィルターとして設計されています。キャビティと上部反射板は、LVOFの長さに沿って線形の可変厚さで連続的にテーパーが付けられ、基板上に無数の狭い通過帯域フィルターが並んで配置されたF-Pタイプのフィルターアレイ構造になります。 MIR光はF-Pタイプのフィルターの線形アレイに入射するため、透過光は各F-Pキャビティの幅に応じて、したがってLVOFの長さに沿った空間位置に応じてバンドパスフィルター処理されます[18]。各F-Pキャビティの厚さは、対応するフィルター位置での透過光の波長を決定します。 2.3〜5.0μmのMIRバンドに焦点を当てて、特徴的なガス吸収ピークのほとんど（CO ₂ など）が存在するLVOF構成を設計します。 、CO、N ₂ O、およびC _x H _y ）室内空気質と一般的な産業環境に関連するものが一元化されています。材料の選択は、ターゲット波長で高い透過率を達成するための光学フィルターの設計において非常に重要です。一般に、金属層を使用した反射膜は、赤外線波長帯での吸収率が高く、フィルターのピーク透過率が約15〜30％になります。対照的に、多層誘電体を使用するリフレクターは、フィルターでより高いピーク透過率、たとえばMIR帯域で60〜70％を作成できます。この作業では、完全な誘電体多層構造がLVOFの反射体を製造すると見なされます。

LVOF構造の作業原理の概略図

テーパーキャビティの両側にあるリフレクターは、高屈折率材料と低屈折率材料の交互の層で構成されるブラッグリフレクターとして設計されています。多層構造と高屈折率コントラストにより、ブラッグ反射鏡の反射率を効果的に高めることができます。 LVOFの透過率（ T ）は[22]で計算できます：

と

および

ここで R ₁ および R ₂ は、それぞれテーパーキャビティの上側と下側のブラッグ反射器の反射率です。 φ ₁ およびφ ₂ は、それぞれ上側と下側のブラッグ反射器での反射光の位相変化です。 δ は、空洞層の厚さによって引き起こされる光の相変化です d 。入射光は基板に垂直（垂直）であるため、δ 次の方程式を満たします：

ここで n キャビティ層の屈折率です。多層ブラッグ反射鏡の場合、多層誘電体膜の反射率と位相変化は次のように計算できます。

ここで N ₀ は入射誘電体層の屈折率であり、 Y は多層誘電体膜のアドミタンスであり、 Y として表すことができます。 = C / B 。マトリックス法により、多層誘電体膜の特性マトリックスは次のように表すことができます。

ここで、η _j およびδ _j j のアドミタンスと位相変化です それぞれ、誘電体層。 η _j = N _j およびδ _j =2 πN _j d _j / λ 。ピーク波長（λ ₀ ）最大透過率は次のように計算できます：

ここで m = k +（φ ₁ + φ ₂ ）/2π。式から（10）、ピーク波長はキャビティの厚さに線形依存していることがわかります。

この研究では、SiとSiO ₂ 高屈折率材料と低屈折率材料として選択され、SiO ₂ テーパーキャビティの製造に使用されました。 Siを基板材料として使用した。これらの材料はMIR帯域で透明であり、製造プロセスでMEMS互換です。 SiとSiOの屈折率 ₂ 2.3〜5.0μmの波長範囲でそれぞれ3.43と1.42です。 LVOFの層構成はSi /（ LH として設計されました ） ⁿ （ xL ）（ HL ） ⁿ H / Air、ここで H および L それぞれ、高屈折率層と低屈折率層を表します。 n LH の数です ペア、および x キャビティの厚さの変化係数です。リフレクターの最外層がSi材料の高屈折率を使用する場合、リフレクターは最大の反射率を得ることに注意してください。

式に基づく（6、7、8）、ブラッグ反射鏡の反射率は、MATLAB®ソフトウェアを使用して計算できます。 Si / SiO ₂ の最適な設計厚さ 層は表1から参照できます。図2は、2ペアと4ペアのSi / SiO ₂ を使用したブラッグ反射鏡のシミュレートされた反射率の比較を示しています。 レイヤー。 ４対構造は、２対構造と比較してわずかに高い反射率と反射帯域のより鋭いカットオフエッジを有し、そして４対構造はまた、２対構造よりも多くの帯域外透過次数を示すことが分かる。図2から、2対のSi / SiO ₂ を使用したブラッグ反射鏡 層は、2.3〜5μmのMIRバンドのカバレッジを達成できるより広い反射バンドを持っています。

2ペアおよび4ペアのSi / SiO ₂ を使用したブラッグ反射鏡のシミュレートされた反射スペクトルの比較 レイヤー

LVOFの帯域外送信順序の影響を排除するために、帯域外ブロッキングフィルタは、一般に、LVOFの他の帯域外送信順序を拒否するために使用されます。参考文献[22]に示されているように、多層Si / SiO ₂ を使用した帯域外ブロッキングフィルター 構造はテーパーブラッグ反射鏡の上に配置されました。この作業では、反射防止と帯域外除去の両方の機能を1つで実現するために、Si基板の裏側に完全な誘電体多層構造を設計しました。高い赤外線透過性と優れた機械的強度の要件を考慮して、反射防止膜を製造するためにGe / SiO多層構造が選択されました。 Geの屈折率は4.2と高く、IR帯域の透過率は1.7〜23μmですが、SiOの屈折率は1.9と低く、IR帯域の透過率は0.4〜9μmと高くなっています。図3は、帯域外ブロッキングと反射防止の両方の機能を備えたGe / SiO多層構造のシミュレートされた透過率スペクトルを示しています。 Ge / SiO多層の各層の厚さも表1から参照されていることに注意してください。多層構造には、1.6〜2.5μmの波長範囲で明確なブロッキングバンドがあり、短波長域でのLVOFの透過次数を効果的に抑制します。同時に、入射媒体としてSiを使用すると、多層構造は2.5〜5μmの完全な反射防止バンドを示し、平均透過率は0.95以上です。

1.6〜2.5μmの帯域外除去と2.5〜5μmの反射防止の両方の機能を備えたGe / SiO多層構造のシミュレートされた透過スペクトル

対象ガスの吸収ピークによると、SiO ₂ の厚さ キャビティは843​​から1908nmまで直線的に変化するように設計されており、2.55から4.80nmまでの中心波長に対応する12のフィルターチャネルが特別に設計されています。図4は、Ge / SiO多層構造がある場合とない場合のLVOFのシミュレートされた透過スペクトルの比較を示しています。図4から、Ge / SiO多層構造のLVOFは、Ge / SiO多層構造のないLVOFよりも、各透過ピークで半値全幅（FWHM）が狭くなっていることがわかります。 λの設計されたピークの透過率の低下は別として _p =2.55μmおよびλ _p =4.8μm、Ge / SiO多層構造を使用すると、他のすべてのピークの透過率が明らかに向上します。さらに、4.60μmと4.80μmの両方のピークは、λなどの短波長領域で対応するコモンモードを持っていることがわかります。 _4.6 =2.36μmおよびλ _4.8 =2.5μm（図4（a）を参照）。これは、異なる k を使用した場合の式（10）で説明できます。 F-Pキャビティの同じ厚さの値。図4（b）に示すように、短波長領域のブロッキングバンドの設計により、2.36μmのピークは大幅に弱まりました。

（ a なしのLVOFのシミュレートされた透過率スペクトルの比較 ）およびwith（ b ）Ge / SiO多層構造

図5aは、LVOFの製造プロセスフローを示しています。 LVOFの製造パラメータは、表1に示すように、最適な設計パラメータに従います。最初に、Ge / SiO多層構造がシリコンウェーハの裏面に堆積されました（図5a-1を参照）。次に、Si / SiO ₂ 多層構造がシリコンウェーハの前面に堆積されてブラッグ反射器1を形成し、次にSiO ₂ キャビティ層はブラッグ反射鏡1に堆積されました（図5a-2を参照）。 3番目のステップは、キャビティ層にフォトレジストを均一にスピンコートすることでした。次に、LVOFの長さに沿ってUV透過強度が低（暗い）から高い（明るい）に直線的に変化する特殊なグレースケールフォトマスクを使用して、フォトレジストを露光しました。 （図5a-3を参照）。このような特殊なフォトマスクは、架橋されたレジストの厚さをLVOFの長さに沿って線形に変化させることができます。 4番目のステップは、フォトレジストを現像してくさび形の構造を形成することでした。次に、ホットリフロープロセスを使用して、くさび形の構造の表面を滑らかにしました（図5a-4を参照）。次に、テーパー状のフォトレジスト構造を下にあるSiO ₂ に転写しました。 ドライエッチングによるキャビティ層（図5a-5を参照）。最後に、Si / SiO ₂ を備えたブラッグ反射鏡2 多層がテーパーキャビティ層上に堆積されました（図5a-6を参照）。図5bは、実際のLVOFとそのパッケージ構造の写真を示しています。

a MEMSベースの製造プロセスフロー。 b実際のLVOFとそのパッケージ構造の写真

IRサーモパイル検出器の設計と製造

サーモパイル検出器には、IRガス検出のアプリケーションにいくつかの利点があります。第一に、電源を必要としないため、電源に対するノイズ電圧を排除します。第二に、サーモパイル検出器を流れる電流が非常に小さいため、駆動電流に起因する低周波ノイズ（1 / fノイズ）も無視できます。最後に、サーモパイル検出器は、チョッパーなしで赤外線DCおよびAC放射を検出するために使用できます[24]。対照的に、熱電IR検出器は、サーモパイル検出器よりも応答性と信号対雑音比（SNR）が高くなりますが、入射放射線を検出するにはチョッパーが必要です。これにより、検出器のサイズとアプリケーションのコストが増加します。したがって、サーモパイル検出器は、低コストで小型化されたガス検出器のアプリケーションに適しています。

この作業では、サーモパイル検出器は、熱電対要素の複数のペアを直列に接続してコンパクトな構造を形成することにより、増幅されたゼーベック電圧を生成するように設計されました。サーモパイルチップのサイズは1.1mm（長さ）×1.1 mm（幅）として設計されており、アクティブサイズは0.35mm×0.35mmです。図6aは、MEMSベースのサーモパイル検出器の製造プロセスフローを示しています。まず、熱酸化技術を使用してSiO ₂ を生成しました シリコンウェーハに0.6μmの厚さの層（図6a-1を参照）、次に厚さ0.5μmのポリシリコン（poly-Si）をSiO ₂ に堆積させました。 層（図6a-2を参照）。次に、ポリシリコンは、リソグラフィーおよびRIE技術によって熱電対ビームを形成するように構造化されました（図6a-3を参照）。上記の手順に続いて、ホウ素に45keVおよび5.5×10 ¹⁵ を注入しました。 cm ⁻² p を実現する タイプのポリシリコンとリンに40keVと7×10 ¹⁵ を注入しました。 cm ⁻² n を実現する タイプのポリシリコン（図6a-4および-5を参照）、次にポストアニーリング（図6a-6を参照）を1000°Cで30分間実施しました。次のステップでは、アルミニウム（Al）膜をデバイス層の上部に堆積してパターン化し、熱電対とボンディングパッドの電気的接続を定義し（図6a-7および-8を参照）、400°Cでの金属化アニーリングプロセスを行います。ドープされたポリシリコンとAlの間のオーミック接触を実現するために30分間実行されました（図6a-9を参照）。最後に、シリコンウェーハの裏側からDIREを使用したシリコンエッチングプロセスを使用して活性膜を形成しました（図6a-10、-11、および-12を参照）。図6bはソケットにパッケージされたMEMSベースのサーモパイルチップの写真を示し、図6cはサーモパイルチップの拡大図を示しています。

a MEMSベースのサーモパイル検出器の製造プロセスフロー。 b ソケットにパッケージされたMEMSベースのサーモパイルチップの写真。 c サーモパイルチップの拡大図

小型混合ガス検知器の設計と製造

図7aに混合ガス検知器の動作原理の概略図を示します。混合ガス検知器は、IR光源、コリメータ、ガスセル、および統合されたLVOFベースの分光計で構成されています。 IR光源から放射されたIR光はコリメータによって位置合わせされ、LVOFに入射しました。その結果、連続IRスペクトルは、線形変化のピーク波長を持つ各フィルターチャネルに個別に対応する複数の個別の狭帯域通過スペクトルに変換されました。サーモパイル検出器の線形アレイをLVOFの下に配置して、入射光エネルギーをさまざまなフィルターチャネルから電気信号に転送しました。 LVOFとサーモパイル検出器アレイのコンパクトな統合により、小型化されたLVOFベースの分光計が作成されます。小型化された混合ガス検知器は、従来のNDIRガスと比較して、マルチガス検知器の全体的なサイズを縮小し、光源、ガスセル、およびデータプロセス要素を使用することで製造コストと消費電力を削減するという大きな利点があります。検出器。

a 小型混合ガス検知器の動作原理の概略図。 b 小型化されたLVOFベースの分光計の写真。 c ソケットにパッケージされたサーモパイルチップアレイ

図7bとcは、それぞれ小型化されたLVOFベースの分光計とソケットにパッケージされたサーモパイルチップアレイの写真を示しています。合計12個のサーモパイルチップが線形アレイとして統合され、LVOFウィンドウの上にあるソケットに並べて取り付けられました。このような設計は、2.3〜5.0μmのIR波長で動作し、16mmで約156nm / mmの優れた線形依存性を示します。混合ガス中の各ガスの濃度は、スイッチアレイを制御して、各サーモパイルチップからのデータをスイープ読み取りおよび処理することで個別に検出できます。

結果と考察

製造されたLVOFの光学応答を測定するには、フィルターチャネルのすべての位置ポイントでLVOFをその長さ方向にスキャンする必要があります。マイクロスポット試験法を使用して、市販のFTIR分光計を使用してLVOFの透過スペクトルを取得しました。 LVOFをサンプルフィクスチャに配置し、350μmの光学アパーチャを備えたスリットプレートを通過させて移動させました。サンプリングスポットは、LVOFの長さに沿って1.25mmの開始位置から1.1mm（サーモパイル検出器の幅）の間隔で取得されました。 2.3〜5.0μmのMIR波長範囲をカバーするために、合計12のサンプリングポイントが測定されました。各スペクトルについて、SNRを上げるために50回のスキャンが平均化されました。図8は、LVOFのスペクトル応答を示しています。透過ピークの波長は、テスト位置の変化に伴う線形変化に従うことがわかります。 LVOFの平均FWHMは約400nmであり、ピークの平均透過率は約70％に近づき、カットオフ透過率は0.5％以下です。

LVOFの測定されたスペクトル応答

図9aに示すように、サーモパイル検出器のスペクトル応答は、LVOFと同じ測定方法と設定を使用して測定されました。活性膜（図9aの挿入図を参照）は、2.5〜15μmで非常に低い透過率（≤1.0％）を持っていることがわかります。これは、この波長帯のIRエネルギーが、高濃度にドープされたポリシリコンによって完全に吸収され、熱エネルギーに変換されることを意味します。サーモパイル検出器は、IRソース、電圧計、チョッパー、および恒温チャンバーで構成される測定セットアップによって特徴付けられました（図9bの挿入図を参照）。検出器を校正するためのIRソースとして標準の黒体を使用し、測定の要件に応じて黒体の温度を正確に制御できます。図9bは、さまざまな周囲温度でのサーモパイル検出器の熱電気特性を示しています。サーモパイル検出器は146μV/°C（ T ）の高い応答性を持っていることが実証されています _黒体 =100°C）室温の条件で。

a サーモパイル検出器のスペクトル応答。挿入図は、サーモパイルチップの（i）前面と（ii）背面の光学顕微鏡写真です。 b さまざまな周囲温度でのサーモパイル検出器の熱電特性。挿入図は測定セットアップの概略図です

混合ガス検知器のガス分析能力を検証するために、吸収ピークが強く広い標準ガスを測定ガスとして選択しました。実験で使用したガスの特徴的な吸収ピークはCH ₄ です。 /〜3.3μm、CO ₂ /〜4.3μm、CO /〜4.6μm、それぞれ。異なる濃度の単一ガスと異なる混合比の混合ガスをそれぞれ測定しました。ガスハウジングに出入りするガスの流れは、質量流量計によって制御され、いくつかの市販の標準ガス検知器を使用してガス濃度を校正しました。

図10は、3種類のガスとそれらの混合物のさまざまな濃度でのスペクトル応答を示しています。 IR増強吸収は、5番目（図10（a）を参照）、11番目（図10（b）を参照）、および10番目（図10（c）を参照）のフィルターチャネルに見られ、の特徴的な吸収ピークに対応します。 CH ₄ 、CO、およびCO ₂ 、 それぞれ。図10（e）は、出力電圧のガス濃度依存性を示しています。 CH ₄ の実験データに最適な線形フィッティングを使用 、CO ₂ 、およびCO、フィッティング方程式が得られました。決定係数（ R ² ）は、適合度として一般的に使用され、CH ₄ では0.968、0.991、および0.969に達します。 、CO ₂ 、およびCO、それぞれ。ガス濃度の変化に伴い、出力電圧が直線的に変化していることがわかります。 CH ₄ の感度が測定されています 、CO ₂ 、およびCOは、それぞれ-0.090μV/ ppm、-0.096μV/ ppm、および-0.123μV/ ppmです。現在の構造とデバイスパラメータによると、ガス検知の範囲は約50〜3000ppmです。次に、CH ₄ の濃度に基づく混合ガス / 800 ppm、CO ₂ / 500 ppm、CO / 800ppmを測定しました。 2.55μmの中心波長でのフィルターチャネルの基準電圧に出力電圧を正規化することにより、CH ₄ のシグネチャに対応する3つの明らかなスペクトル吸収カラム 、CO ₂ 、およびCOは、スペクトル応答のヒストグラム（図5dを参照）に含まれています。これにより、混合ガス検出のアプリケーションの実現可能性が検証されます。ガスセルの現在の設計構造では、短い光路長と低いアレイピクセルが、ガス検出の最小濃度と測定可能なガスの数を制限していることに注意してください。一方、吸収ピークに微細構造を持つ一部のガスも特定できません。

CH ₄ のスペクトル応答 （ a ）、CO（ b ）、およびCO ₂ （ c ）異なる濃度で; CH ₄ に基づく混合ガスのスペクトル応答ヒストグラム / 800 ppm、CO ₂ / 500 ppm、およびCO / 800 ppm（ d ）;出力電圧のガス濃度への線形依存性（ e ）

結論

結論として、MIR LVOFおよびMEMSベースの赤外線サーモパイル検出器の設計、製造、および特性評価がそれぞれ提示されました。 LVOFは、F-Pタイプの共振器の線形アレイとして設計され、MIR連続スペクトルを複数の狭帯域通過スペクトルに変換します。線形変化のピーク波長を持つ各フィルターチャネルに個別に対応します。 Si / SiO ₂ 多層構造を使用して、SiO ₂ の両側にブラッグ反射鏡を製造しました。 テーパーキャビティと、Si基板の裏側にあるGe / SiO多層構造を使用して、反射防止と帯域外除去の両方の機能を実現しました。 MEMSベースのサーモパイル検出器は、 p の複数のペアを接続することにより、増幅されたゼーベック電圧を生成するように設計および製造されました。 -および n -コンパクトな構造を形成するための直列のpoly-Si / Al熱電対要素。 LVOFは、MEMSベースのサーモパイル検出器の線形アレイの上に設置され、混合ガスの検出に使用できる小型のMIR分光計を形成し、CH ₄ の定量化と識別によって実験的に検証されました。 / CO ₂ / CO混合ガス。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。

略語

LVOF：

線形可変光学フィルター

NDIR：

非分散型赤外線

F-P：

ファブリペロー

NIR：

近赤外

MIR：

中期アイルランド語

FTIR：

フーリエ変換赤外

GC：

ガスクロマトグラフィー

MEMS：

微小電気機械システム

MOS：

金属酸化物半導体

CNT：

カーボンナノチューブ

N ₂ O：

窒素酸化物

CO ₂ ：

二酸化炭素

CO：

一酸化炭素

CH ₄ ：

メタン

FWHM：

半値全幅

SNR：

信号対雑音比