JP2007064700A - センシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】それぞれ複数の電磁波伝送部分に電磁波を伝播させて獲得される複数の検出信号を適当に処理することで、比較的高速、高感度に検体の物性などの情報を得ることができるセンシング装置を提供することである。
【解決手段】30GHz〜30THzの周波数領域内の周波数領域を含む電磁波を用いて検体5、6の情報を得るためのセンシング装置である。それぞれ異なる状態で電磁波を伝播するための複数の伝送部分4a、4bを有する電磁波伝送部と、伝送部分4a、4bから電磁波を受けて検出するための検出部3a、3cを備える。少なくとも一つの伝送部分4a、4bは、そこを伝播する電磁波が及ぶ部分に検体5、6を配することができるように構成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、主にミリ波からテラヘルツ波領域（30GHz〜30THz）内の周波数領域を含む電磁波を用いて対象検体について物性等の情報を得るためのセンシング装置、およびセンシング方法に関する。

近年、ミリ波からテラヘルツ(THz)波にかけた電磁波（30GHz〜30THz）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術が開発されている。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術、キヤリア濃度や移動度を評価する技術なども開発されている。

従来、THz発生手段の一例として、基板上に成膜した光伝導膜に、電極を兼ねたアンテナを備えた光伝導素子が好適に用いられている（特許文献1参照）。その構成例を図8に示す。基板130は、例えば、放射線処理したシリコン・オン・サファイア構造であり、光伝導材料であるシリコン膜がサファイア基板上に成膜されたものになっている。一般には、光伝導膜として、GaAs基板に低温で成長したLT-GaAsが用いられることも多い。基板表面に形成されたダイポールアンテナ138は、1対のダイポール給電線138aおよび138b、一対のダイポール腕部139aおよび139bからなる。光パルスは間隙133に集光され、間隙133間に電圧が印加されていればTHzパルスが発生する。間隙133間に電圧を印加せずに光電流を検出すれば、THzパルスの検出を行うことができる。ここでは、検出器132として構成されており、電流増幅器134で光電流を検出している。基板レンズ136は、基板130に閉じこまる電磁波のスラブモード（基板モード）から自由空間への放射モードに結合させる役割とともに、空間での電磁波伝播モードの放射角を制御する役割を有する。

上記構成は、光伝導素子単体を用いて電磁波を空間に伝播させる例であるが、光伝導素子として機能する半導体薄膜と、発生した電磁波を伝播させる伝送路を1つの基板上に集積化させた小型の機能デバイスも提案されている（非特許文献1参照）。図9にその平面図を示す。基板160上に形成した高周波伝送路165および163の一部に、LT-GaAsで構成した光伝導素子のエピタキシャル層だけの薄膜を転写した構造164を備える。この構成ではSi基板160上に絶縁体樹脂を挟むように形成したマイクロストリップ線路があり、線路の一部にギャップを生じさせて、そのギャップ下部にのみLT-GaAs薄膜を配置した構造164となっている。基板160表面側より、空間伝播によってレーザ光を金属ライン161および165のギャップに照射して、発生したTHz電磁波をラインに伝播させるような駆動を行っている。その伝送路上において、調べたい検体167を共鳴構造としてのフィルタ領域166に塗布した場合に、伝播状態の変化をEO結晶を用いて部分162より検出することで検体167の物性を調べることができる。
特開平10-104171号公報 AppliedPhysics Letters, vol.80, p.154,2002

しかしながら、非特許文献1に開示された方法は、検体に対するテラヘルツ波の伝播状態の変化量が小さい。従って、大量な検体が必要であり、感度を向上させるには電磁波の強度を強くする必要があった。また、リファレンス検体と対象検体を比較する場合には、ステップ毎にデータを取得して保存するか、あるいは異なる伝送路を持つセンシング装置によって別途測定する必要がある。その場合、対象検体を測定する状態と同じ条件に合わせることが難しく、リファレンス検体からの対象検体の変化量を正確に見積もることが難しかった。

上記課題に鑑み、本発明のセンシング装置は、30GHz〜30THzの周波数領域内の周波数領域を含む電磁波を用いて検体の情報を得るためのセンシング装置である。そして、それぞれ異なる状態で電磁波を伝播するための複数の伝送部分を有する電磁波伝送部と、前記伝送部分から電磁波を受けて検出するための検出部を備えることを特徴とする。ここにおいて、少なくとも一つの伝送部分は、そこを伝播する電磁波が及ぶ部分に検体を配することができるように構成されている。

また、上記課題に鑑み、本発明のセンシング方法は、上記センシング装置を用いて検体の情報を得るためのセンシングを行うセンシング方法である。そして、前記電磁波伝送部の少なくとも一つの伝送部分に検体を配して各伝送部分を伝播してくる電磁波を前記検出部で検出する検出工程を含み、前記検出工程での検出部からの信号を処理して検体の情報を得ることを特徴とする。このセンシング方法において、例えば、前記検出工程で、一つの伝送部分に検体を配するとともに他の伝送部分にリファレンス検体を配して各伝送部分を伝播してくる電磁波を前記検出部で検出するようなことができる。そして、前記検出工程での検出部からの信号に基づいて差動出力を検出することで前記検体の物性を測定するのである。

本発明によれば、測定したい検体の情報を含む電磁波と、それとは異なる情報を含む電磁波とを夫々伝播させる複数の伝送部分を備えることで、複数の検出信号の獲得を実質的に同時に行うことができる。従って、これらの検出信号を適当に処理する（例えば、その比較を演算する）ことで、比較的高速、高感度に検体の物性などの情報を得ることができる。

本発明による実施の形態について図1を用いて説明する。これは、主に電磁波としてテラヘルツ波を伝播させる伝送路を複数設けて、検体とリファレンス検体を実質的に同時に検出し、その比較を直接出力することで感度の向上を可能にしたセンシング装置である。

図1は、この装置のチップ部分の斜視図である。図1において、基板1上のチップ表面に、伝送路4a、4bが形成されている。テラヘルツ波を発生する部分は、低温成長（LT-）GaAs薄膜3bが転写された領域に形成された光伝導スイッチ素子である。ここで発生した電磁波は2つの伝送路（電磁波伝送部の伝送部分）4a、4bを互いに反対方向に伝播していく。テラヘルツ波の発生は、電界を印加したLT-GaAs薄膜3bにチタンサファイアレーザ10による超短パルスレーザ光を照射することで行う。テラヘルツ波は全方向に発生するために、伝送路4a、4bを2つ設けた場合にも、1つの場合に比べて出力が減少することはない。従って、エネルギーの利用効率は非特許文献1のような従来例に比べて向上する。また、発生源（電磁波発生部）を中心にした直線状伝送路にすると、電磁波の損失が少なく極めて効率が良くなる。本実施形態では、このような構成になっている。

それぞれの方向に伝播した電磁波の検出は、上記電磁波発生部と同様にLT-GaAs薄膜3a、3cが転写された領域に形成された2つのLT-GaAs光伝導スイッチで行う。それぞれの出力電流をアンプ8a、8bで電圧に変換したあと、比較装置9によってそれぞれの出力の差分の演算を行う。これにより同相のノイズを取り除くことができるので、伝送路4a、4b上にそれぞれ塗布した検体5と検体6の違いを高感度で検出することができる。勿論、検体は、伝送路を伝播する電磁波が及ぶ部分に配される。

検体5と検体6の一方として、リファレンス検体となる検体を置けば、リファレンス検体と測定検体の僅かな差異を取得することができる。すなわち、複数の伝送路の少なくとも1つにはリファレンス検体があり、検査したい検体と異なる検出部で信号を検出し、その後に、複数の信号を比較した出力を取得することで、僅かな変化を高感度で得ることができる。そのため、微量な検体でも精密に測定することができる。また、リファレンス検体と検体を同時に検査するために、高速に検査することができる。

以上のように、本実施形態では同一基板上に複数の伝送路とそれに対応する検出部を有している。伝送路としては、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、コプレーナストリップ線路、単一線路などの基板表面に作製できるものが好適に用いられる。伝送路の配置としては、発生源を中心に直線状に2方向に伸びている形状の他に、途中でY分岐しているタイプなどが好適に用いられる。3つ以上の場合には、発生源を中心に放射状に伸びていても良い。この場合、例えば、一つの伝送部分に検体を配し、他の伝送部分にリファレンス検体を配し、更に他の伝送部分には何も配さないで、各伝送部分からの電磁波を検出するようなことができる。本実施形態では、電磁波伝送部は、別個の複数の伝送路で構成されていたが、一部共通の複数の伝送路（図3の実施例参照）、または別個あるいは一部共通の複数の空間部分（図6、図7の実施例参照）で構成することもできる。

伝送路に結合させる電磁波の発生部は、外部にあってもよいし、同一基板上に集積されていてもよい。また、発生部は1つであって複数の伝送路に分配する方式でも、伝送路に対応して複数の発生部があってもよい。ただし、発生部から電磁波伝送部の各伝送部分に伝播される電磁波は、相関性がありコヒーレントな性質を有するのが好ましい。また、発生部としては、外部からフェムト秒レーザを照射してテラヘルツパルスを発生する光伝導スイッチ素子の他に、電流注入で発振が可能な共鳴トンネルダイオードや量子カスケードレーザなどが選択できる。また、検出器としては、それぞれに対応して、レーザ照射する場合には光伝導スイッチ素子、電流注入型の場合にはショットキーバリアダイオードなどが選択できる。

検体を配する手段については、表面にインクジェットなどによる塗布を行う簡易的なものや、伝送路近傍に流体を流すような流路を備えていてもよい。

以上のように2つ以上の伝送部分を異なる状態にして（すなわち、それぞれ異なる検体を複数の伝送部分に配するのであるが、一方に何も配さない場合もあり得る）、各伝送部分からの電磁波を検出部で実質的に同時に検出する。そして、これらの検出信号を適当に処理する（例えば、その比較を演算する）ことで、比較的高速、高感度に検体の物性などの情報を得るというテラヘルツセンシングを行うことができる。この点、従来は別々に測定せざるを得なかった。

以下に具体的な実施例について説明する。

（実施例1）
実施例1を図1を用いて説明する。図1において、Si基板1上に、グランドプレーンとなる金属導電層15、誘電体2が形成され、その上に、約2μm厚のLT-GaAs膜3a〜3c、金属配線4a、4b、7a、7bが形成されている。金属導電層15としては、例えば、Ti/Au層を用い、誘電体2としては、例えば、5μm厚のBCB（サイクロテン：商品名）を使用することができる。勿論、これらに限るものではない。

LT-GaAs膜3a〜3cは、MBE法によりGaAs基板上にAlAsの犠牲層を成長後に250℃程度の低温でGaAsを成長したもので、AlAs層より剥がすことでBCB2上に貼り付けることができる。転写したもののうち、LT-GaAs膜3bのみはグランドプレーン15と導通が得られるように貫通配線（不図示）が形成される。金属配線4aとグランドプレーン15および金属配線4bとグランドプレーン15間には、電源16により、LT-GaAs膜3bの上下に対して電界を印加できるようになっている。金属配線4a、4bは、それぞれ、幅5μm、長さ1mmのTi/Auから構成され、グランドプレーン15と共にマイクロストリップ線路を構成している。そして、LT-GaAs膜3bで発生した電磁波の伝送路として機能する。伝送路は、これ以外にも、コプレーナ線路、単一線路などでもよい。LT-GaAs膜3a、3cの表面においては、それぞれ、配線4aと配線7a間、配線4bと配線7b間に幅約5μmのギャップを形成しており、光伝導スイッチ素子を構成している。

上記センシング装置の使用に際して、上記伝送路4a、4b上には、それぞれ、ターゲットとなる検体5、6がインクジェットなどで、位置、量などがコントロールされて塗布される。検体があることで電磁波の伝播状態が変化し、LT-GaAs膜3bに形成された光伝導スイッチ素子から発生したテラヘルツパルスのピーク値の減少、遅延時間の変化、波形の変化などとして、検体の物性などを測定することができる。アンプ8a、8bは、例えば、電流-電圧変換型のアンプ（トランスインピーダンスアンプなど）を用いることができ、比較装置9としては差動アンプを用いることができる。

次に、上記センシング装置全体の動作について説明する。パルス幅が約100fsecのチタンサファイアレーザ10の出力について、一部はLT-GaAs膜3bに照射して、ここに電源16により2Vの電界を印加しておいてテラヘルツ波パルスを発生させる。一部は、遅延光学系11を通して、LT-GaAs膜3a、3cに分配される。テラヘルツ波パルスがLT-GaAs膜3a、3cに照射されるタイミングは、伝送路4a、4bの作製誤差による遅延時間も補正して、同時になるように予め光学系で調整しておくとよい。そのためには、検体5、6のない状態で遅延光学系11を走査して、差動アンプ9からの差動出力が0になるようにすればよい。これは、伝送路に接する検体およびリファレンス検体がない初期状態で伝送路を伝播してくる電磁波の遅延時間の違いを検出しておき、その検出された情報を基に電磁波が各伝送路を伝播する時間の差を補正する調整手段である。このようにセンシング装置固有の伝播状態の差、たとえば遅延時間について予め補正しておくと精度が向上する。

また、片方の伝送路にのみリファレンス検体を置いたときの差動アンプ9からの信号を記憶しておいて、検体がないときの差動アンプ9からの信号と、検体があるときの差動アンプ9からの信号の比較を行ってさらに精度を向上させることもできる。

図2は、DNAサンプルを検体として用いる場合の差動アンプ9からの波形出力の例を示す。この場合、検体5として、シングルストランド（1本鎖）のDNAを200μmΦ径となるように伝送路4a上に塗布し、ターゲットとなるDNAをさらに塗布してハイブリダイゼーションさせて2本鎖構造とする。一方、検体6としては、同じシングルストランドのDNAを伝送路4b上に塗布して、反応させずに1本鎖のリファレンス検体とする。2本鎖としたものが、より遅延時間が長くなることから、その差動出力として図2に示すような波形が得られると考えられる。従来は、この差が小さいために共振構造などを必須としていたが、差動出力とすることで簡単な構造で信号が得られる。また、前述のように片方にのみ検体がある信号を記憶しておくことで、差動出力から元の2つの波形を推定してフーリエ解析することも可能である。テラヘルツ波領域に特有の指紋スペクトルがある場合に、これを検出することもできる。非特許文献1のように共鳴構造がある場合には、波形解析をすることは難しかった。

以上の説明は、1チップで1種類の検体を測定することを中心に説明した。しかし、同一基板1上に複数の伝送路をアレイ状に並べて、チップを適宜スキャンしてチタンサファイアレーザの光を所望の発生部位置に照射させることで、1チップで複数種の検体を測定することもできる。この場合も、測定を高速化することができる。

（実施例2）
本発明による実施例2は、実施例1とほぼ同様の動作をさせるものであるが、図3に示した平面図のように金属配線22が途中で分岐して、27a、27bのY分岐伝送路を構成したところが異なる。発生部21aでは、配線22と配線23のギャップ部にレーザ光を照射させる。レーザ光としては、実施例1と同様に100fsec程度の超短パルスレーザでもよいが、830nm帯で発振する2つの半導体レーザ間でTHzオーダーでの発振周波数差を生ぜしめ、そのビート信号としての単一周波数のTHz連続波を照射するものでもよい。

発生部21aからのテラヘルツ波はY分岐の伝送路27a、27bで2分岐され、光伝導スイッチ素子が形成された検出部領域21b、21cに到達して、信号検出が行われる。その際、信号受信出力として差動アンプ26を用いてバランス受信を行う。実施例1と同様に、リファレンス検体と検体25a、25bをそれぞれ図示の位置などに塗布することで、感度を向上させることができる。実施例1に比べるとテラヘルツ波を分岐させるので信号強度が減衰するが、検出部領域21b、21cや検体25a、25bの位置を2つで近づけられるので、各部のばらつきによる誤差が小さく抑えられる。なお、図3において、20は基板を示し、24は実施例1の配線7a、7bと同等の機能を担う配線を示す。

（実施例3）
本発明による実施例3は、電流注入型のテラヘルツ発振素子を用いるものである。上記の実施例のように外部からのレーザ光の照射は必要ないため、センシング装置が大幅に小型化できる。また、光学的な調整機構は不要となるため、低コスト化が可能となる。この平面図を図4に示す。本実施例では、伝送路として、基板40表面に2本の線路を持つコプレーナストリップ線路41、42を形成している。また、この線路41、42には、特定周波数で共鳴するように分布反射(DBR)構造を構成しており、発振器43の共振器も兼ねている。発振器43は、共鳴トンネルダイオード(RTD)を利得構造とし、1THz近傍で最大利得ピークが得られるように設計している。そこで、上記DBRにおいても1THz近傍で反射強度が強くなるように回折格子を形成しており、発振器43に電流注入することで発振した電磁波は検出器44、45に到達する。利得構造としては、量子カスケードレーザなどを用いても良い。ここで、検出器44、45としてはプレーナ型のショットキーダイオードを構成している。そして、到達電磁波の強度に応じて発生したフォトカレントを電流アンプ46、47で増幅し、差動アンプ48によって差分の出力を得ている。

本実施例においては、パルスではなく連続波を用いており、検出器44、45の出力は、到達した連続波の強度を反映したものとなる。この構成において、伝送路41、42に検体を置いた場合に、誘電率の変化によってDBRの選択波長や反射率が変化し、発振器43の発振状態が変化する。それとともに、2つの検体の差によって検出器44、45に出力される電磁波の強度の比が変化することになる。これにより、高感度に検体の物性などを測定することができる。

本実施例は、すでに検体との相互作用が大きい周波数が既知であり、検体の存在の有無を検査するような場合に特に有効となる。

（実施例4）
今までの実施例においては、基板表面に検体を塗布する構成を説明してきたが、検体の供給、排出を高速に、連続的に行うことができる流路を使用してもよい。実施例4は、図5のように実施例1と基本的に同様な構造で、マイクロストリップ線路4a、4bと直交するように流路51、52が追加されていて、これに検体の供給を行うことができる。図5において、図1と同じ構成部については、一部を除いて、図番と説明は省略する。

本実施例の場合、検査時には、流路51、52を通じて検体を流し込んでから測定を行う。測定終了後には、さらに検体を押し出して流路51、52から排出させることができる。この場合に、吸引することで排出させてもよい。

レーザ照射や信号検出の動作などは実施例1と同様である。本実施例では、検体の入れ替えを高速に行えるので、1つのセンシング装置で複数の検体を変えながら測定することで、測定する時間を短縮することができる。

（実施例5）
それぞれ異なる状態で電磁波を伝播するための複数の伝送部分を有する電磁波伝送部は、空間で構成することもできる。図6は、一部共通する部分60を有する第一の空間部分61aと第二の空間部分61bで電磁波伝送部が構成された実施例を示す。電磁波を発生するための発生部62からの電磁波はビームスプリッタ63で2分され、一方は第一の空間部分61aを伝播して第1の検出部64aで検出され、他方は反射ミラー65を経て第二の空間部分61bを伝播して第2の検出部64bで検出される。この際、発生部62とビームスプリッタ63の間の共通空間部分60にレファレンス検体66aを配し、ビームスプリッタ63と反射ミラー65の間の第二の空間部分61bのところに検体66bを配する。こうした構成でも、上記実施例と同じ原理により、比較装置67によって検出部64a、64bからの出力の差分の演算を行うことで、同様な効果が得られる。

（実施例6）
図7に示すように、別個に第一の空間部分71aと第二の空間部分71bを配して電磁波伝送部を構成することもできる。図7においては、72は電磁波を発生するための発生部、73はビームスプリッタ、74aおよび74bはそれぞれ第1の検出部と第2の検出部、75は反射ミラー、76aはレファレンス検体、76bは検体、77は比較装置である。この構成でも、図6の構成例と同じ原理で、比較装置77によって検出部74a、74bからの出力の差分の演算を行うことで、同様な効果が得られる。

本発明によるセンシング装置の一実施形態および実施例1の斜視図。 図1のセンシング装置による出力波形の例を示す図。 本発明による実施例2のセンシング装置の平面図。 本発明による実施例3のセンシング装置の平面図。 本発明による実施例4のセンシング装置の斜視図。 本発明による実施例5のセンシング装置のブロック図。 本発明による実施例6のセンシング装置のブロック図。 従来のテラヘルツ発生部の例を示す図。 テラヘルツ伝送路の従来例を示す図。

符号の説明

3a、3c、21b、21c、44、45、64a、64b、74a、64b‥検出部（検出器、光伝導膜）
3b、21a、43、62、72‥発生部（光伝導膜、電磁波発生器）
4a、4b、22、27a、27b、41、42、60、61a、61b、71a、71b‥伝送部分（伝送路、空間部分）
5、6、25a、25b、66a、66b、76a、76b‥検体（レファレンス検体）
51、52‥検体を配する部分（流路）

Claims (9)

1. 30GHz〜30THzの周波数領域内の周波数領域を含む電磁波を用いて検体の情報を得るためのセンシング装置であって、それぞれ異なる状態で電磁波を伝播するための複数の伝送部分を有する電磁波伝送部と、前記伝送部分から電磁波を受けて検出するための検出部を備え、少なくとも一つの伝送部分は、そこを伝播する電磁波が及ぶ部分に検体を配することができるように構成されていることを特徴とするセンシング装置。
2. 電磁波を発生するための発生部をさらに具備し、前記発生部から発生した電磁波を前記電磁波伝送部の各伝送部分に伝播させることを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。
3. 前記電磁波伝送部は、別個あるいは一部共通の複数の伝送路または複数の空間部分で構成されていることを特徴とする請求項1または2記載のセンシング装置。
4. 前記複数の伝送路は、前記発生部を挟んでそこ通る直線に沿って配されていることを特徴とする請求項3記載のセンシング装置。
5. 前記伝送路または空間部分は途中で分岐していることを特徴とする請求項3記載のセンシング装置
6. 前記電磁波伝送部の一つの伝送部分は、検体が配されてそこを伝播する電磁波の状態が変化する伝送部分であり、他の伝送部分は、リファレンス検体が配されてそこを伝播する電磁波の状態が変化する伝送部分であり、検体を配した前記伝送部分から伝播してきた電磁波と、リファレンス検体を配した前記伝送部分から伝播してきた電磁波を検出する前記検出部からの信号を比較した出力を得て、前記検体の物性を測定することを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のセンシング装置。
7. 前記伝送部分に配する検体およびリファレンス検体がない状態で各伝送部分を伝播してくる電磁波の伝播状態の違いを検出しておき、その検出された情報を基に電磁波が前記伝送部分を伝播する状態の差を補正する調整手段を備えることを特徴とする請求項6記載のセンシング装置。
8. 請求項1記載のセンシング装置を用いて検体の情報を得るためのセンシングを行うセンシング方法であって、前記電磁波伝送部の少なくとも一つの伝送部分に検体を配して各伝送部分を伝播してくる電磁波を前記検出部で検出する検出工程を含み、前記検出工程での検出部からの信号を処理して検体の情報を得ることを特徴とするセンシング方法。
9. 前記検出工程において、一つの伝送部分に検体を配するとともに他の伝送部分にリファレンス検体を配して各伝送部分を伝播してくる電磁波を前記検出部で検出し、前記検出工程での検出部からの信号に基づいて差動出力を検出することで前記検体の物性を測定することを特徴とする請求項8記載のセンシング方法。

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