JP2006064691A

JP2006064691A - センシング装置

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Publication number: JP2006064691A
Application number: JP2005154772A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Onouchi; 敏彦尾内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: JP4546326B2; US7564034B2; EP1774288A1; US20060197021A1; EP1774288A4; WO2006011636A1

Abstract

【課題】誘電体を用いた分布定数線路に高周波電磁波を伝搬させて、伝送線路近傍で空気中に染み出している電磁界（エバネッセント波など）を用いて検査物体の物性などのセンシングを行うことである。
【解決手段】センシング装置は、基板1上に少なくとも高周波伝送線路2を形成して成るチップ20と、高周波伝送線路2に高周波電磁波10を伝搬させるための電磁波発生手段7および結合手段9と、高周波伝送線路2を伝搬する電磁波のうち伝送線路上の任意の場所の伝搬状態を検出するための検出手段5を有する。高周波伝送線路近傍に配置した物体4と伝搬電磁波との相互作用を検出手段5で検出することで、物体4の空間的な電磁波との相互作用状態をセンシングする。
【選択図】図1

Description

本発明は、ミリ波からテラヘルツ波領域の高周波電磁波を用いて物体の物性値等を検出するセンシング装置および方法に関する。

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、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が開発されている。

テラヘルツ電磁波を用いたセンシングシステムとしては、特許文献1に開示されているように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を用い、これに超短パルスレーザ光を照射して発生・検出させる方法がある。テラヘルツ領域は様々な物質の吸収線が存在するために、プラスティックおよび複合材料などの検査、水分分析、生体分子の分析などへのセンシング応用が重要になりつつある。2次元的に検査物質を移動させれば電磁波の吸収率の違いなどによる2次元イメージング像を取得することもできる。

この場合、空間結像系を用いているために光軸調整が必要であること、検査物質として粉末状あるいは液体状のものを測定する場合の感度を高くするのは難しいことなどがあった。そこで、近年THzの反射プリズム上に検査物質を置くことで、プリズム上面で全反射することで発生しているTHzエバネッセント波を利用してセンシングする方法が提案されている（非特許文献1参照）。この場合、エバネッセント波と検査物質との相互作用により吸収スペクトルなどを計測することになるので、対象物の性状が液体、粉末等でも可能となる。
特開平10-104171号公報第51回応用物理学関係連合講演会予稿集28p-YF-7

しかしながら、上記のプリズムを用いた方法では伝搬するテラヘルツ電磁波のビーム径を小さく絞るには限界があり、典型的には波長オーダーの100μm程度の空間分解能しか得られない。そのため、検査物体の2次元イメージ像を観察したり、検査物体を2次元アレイ状に並べるときなどにはさらなる高分解能な計測が必要とされている。また、プリズムを用いた場合に、THz帯での低損失な光学部品は高価であり、光学系全体の小型化にも限界が生じている。また、空気中の水分の影響を受けやすいので光学系全体を窒素雰囲気にする必要があり、低コスト化の障害になっている。

そこで、上記課題に鑑み、本発明のセンシング装置は、基板上に少なくとも高周波伝送線路を形成して成るチップと、前記高周波伝送線路に高周波電磁波を伝搬させるための電磁波発生手段および結合手段と、前記高周波伝送線路を伝搬する電磁波のうち伝送線路上の任意の場所の伝搬状態を検出するための検出手段を有し、前記高周波伝送線路近傍に配置した物体と前記伝搬させた電磁波との相互作用を前記検出手段で検出することで、前記物体の空間的な電磁波との相互作用状態をセンシングすることを特徴とする。また、基板上に少なくとも高周波伝送線路を形成して成るチップと、前記高周波伝送線路に高周波電磁波を伝搬させるための電磁波発生手段および結合手段と、前記高周波伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬状態を検出するための検出手段を有し、さらに前記高周波伝送線路近傍には物体を時間的に移動させることができる流路が配置されており、前記物体と前記伝搬させた電磁波との相互作用を前記検出手段で検出することで、前記物体の電磁波との相互作用状態をセンシングすることを特徴とする。

本発明においては、例えば、誘電体を用いた分布定数線路にTHz電磁波を伝搬させて、伝送線路近傍で空気中に染み出している電磁界（エバネッセント波など）を用いて検査物体の物性センシングを行うものである。高分解の2次元イメージ像を得るには、伝送路上に置いた検査物体近傍にTHz検出用のプローブを配し、これをスキャンすることで高い空間分解能で検査することが可能となる。この場合、波長の1/10以下の観察をTHz近接場顕微鏡として動作させて行うこともできる。プローブからのTHz電磁波は、例えば、電気光学(EO)結晶のポッケルス効果として読み出し光の偏光変動として検出することができる。

THz電磁波はこの伝送路に伝搬させるために外部から照射してもよいが、この伝送路上にTHz発生源（電磁波発生手段）を集積化させてもよい。この場合、空気中の水分の影響を受けず、また光学調整が不要、小型化ができるなどのメリットがある。THz発生源としては、光伝導素子を伝送路の一部に配置させて、外部から短パルスレーザまたは発振周波数がわずかに異なる2つのCWレーザを合波して照射する構成が可能である。THz伝送路には、THz電磁波を効率よく閉じ込めるために、分布反射器(DBR)構造などを付加したものでもよい。また、光源としては量子カスケードレーザのような小型の電流注入型デバイスを近傍にまたは同一基板上に集積して構成してもよい。

複数のTHz伝送路を2次元アレイ状に並べ、検査物体をインクジェット等で塗布すれば、高速に検査するためのチップを提供することができる。マルチプローブにして、複数の検査物体のTHz応答を高速に取得してセンシングすることもできる。

検査物体は伝送路表面に塗布する以外にも、伝送路近傍に液体が通過できる流路を形成して、液体状の検査物質を流しながらあるいは逐次交換しながら高速にセンシングすることもできる。

本発明によるセンシング装置または方法によれば、微量な検査物体でもサンプル形態に自由度を持たせながら、ミリ波からテラヘルツ波領域での分光分析等を高速に行うことができる。このような分析において、2次元状の検査物体を100μm以下の高い空間分解能でセンシングすることができる。また、小型のセンシングチップを用いているため、全体光学系も含めて比較的小型で低コストの前記センシング装置を提供することができる。

以下に、テラヘルツ電磁波を用いたセンシング装置として、光伝導素子およびこれを含む集積素子の実施形態について説明するが、材料、構造、デバイス、サイズなどはここに挙げたものに限定するものではない。また、素子の使用用途や発生電磁波の性質においても、ここで挙げたもの以外に様々のものが可能である。

（実施例1）
本発明による第1の実施例は、図1のようなTHzセンサチップおよびそのセンシングシステムを提供するものである。センサチップ部分20は、650μm厚の高抵抗（＞1kΩ・cm）Si基板1の上に、Ti/Au電極によるコプレーナストリップライン構造をした伝送線路2およびアンテナ3が形成されている。この例では、電極は20μm幅のストライプでストライプ間の距離を50μmとしたが、これに限るものではない。アンテナ3はダイポールアンテナになっており、外部から照射したTHz電磁波10を伝送線路2に効率よく伝搬させるようになっている。このTHz電磁波は、伝送線路2のある表面側から照射してもよいが、高抵抗SiはTHz電磁波に対して吸収が少ないために基板1裏側から照射してもよい。

ここで、基板としては石英やTHz領域での損失が小さい樹脂でもよい。アンテナは、より帯域の広いボータイ型、ログペリ型などでもよく、伝送線路もコプレーナ線路、マイクロストリップ線路等いずれでもよい。

伝送線路2を伝搬するTHz電磁波は、チップ表面に塗布された検査物体4と相互作用をして伝搬状態が変化したり、特有の分散特性を示すことで物性の検査ができる。これは、伝送線路2の電磁波が空気中にも染み出して伝搬しているためである。検査物体4は典型的には外形が100μm弱の大きさで、図1のように伝送線路2上に複数の（図1では4つであるが、数はこれに限らない）ドットとして形成できる。

この伝搬状態を検出するには、例えば、金属プローブ5をアンテナのように立てたものを用いる。金属プローブ5により、伝送線路2を伝搬する電磁波を乱して散乱された成分をZnTeなどの電気光学（EO）結晶6で受ける構成となっている。EO結晶6では、THz電磁波の振幅の大きさに応じるポッケルス効果による光の偏光状態変化として読み出す周知の技術を用いる。

センシング系全体の説明をすると、100fsec程度のパルス幅をもつフェムト秒レーザ7の出力を分岐器12で2つの光路に分け、励起側では、LT（低温成長）-GaAs等で作製した光伝導アンテナ8に照射してTHz電磁波パルス10を出力させる。プローブ側では、反射器18や時間遅延器11を介して前記説明したEO結晶6に入射させ、ポッケルス効果により変調された反射光をλ／4板13、ウォラストンプリズム14、2つの光受光部16a、bを持つバランス受信機15に入射させる。時間遅延器11では、金属プローブ5で読み出すTHz電磁波と電気光学結晶6に照射するレーザ光が同期して所望の検体の位置の信号を読み出せるように制御する。金属プローブ5は、観察したい検体の領域まで移動して信号を得ることで、1つのセンサチップ20上で高速に複数の検体の情報を得ることができる。通常、2次元画像データを用いて複数のセンシングを同時に行う方法もあるが、THz電磁波の空間分解能が波長オーダーの100μm程度であるため、それ以下のピッチでは観測できない。それとともに、感度の向上に限界があり検体の濃度や体積を必要以上に少なくすることができなかった。生体関連分子を検査する場合には極微量で検査することが望まれており、本発明によるプローブを用いた方法によれば、こうした制限を改善することができる。さらに、プローブ先端を10μm以下にした近接場プローブとすれば、1つの検体の中で10μm以下の空間分解能を持つ2次元分布まで求めることができ、たんぱく質、DNA等の高分子の結合状態分布を検査するような近接場精密測定が可能となる。

ここでは、プローブを金属針としたが、樹脂によるTHz伝送ファイバの先端を先鋭化したものや、微小開口を持つ金属導波管、フォトニック結晶ファイバ等でもよい。また、高い空間分解能を必要としない場合には、電気光学結晶を直接近づける方法でも勿論よい。

また、電気光学結晶を用いる方法以外にも、光伝導素子を用いる方法や、ボロメータあるいは他のTHz電磁波を検出できるデバイスでもよい。

図2は、これらをさらにアレイ化して高速に検査を行うチップ25の例である。図1の伝送線路21が2次元アレイ化され、検体22はアレイ化ノズル23によりインクジェット方式で高速に塗布できるようになっている。THz電磁波は、基板24の裏面からビームを広げて全体に一括して照射され（例えば、3cm角）、各伝送線路21に付加されているアンテナにより結合するようになっている。検査用のプローブ（不図示）も、必要に応じて2次元アレイ化されていてもよい。

このようにプローブ方式にすることにより、サイズやシステム変更にも柔軟に対応でき、より空間分解能が高く高感度なセンサチップを提供することができる。また、チップ側には複雑な加工は必要なく、使い捨て方式で洗浄等の必要のないセンサシステムを構築できる。

（実施例2）
本発明による第2の実施例は、図3のように、センサチップ35の伝送線路32に周期的な構造をもつ分布反射領域31a,bを設けたものである。このような構造を持たせることで、外部からアンテナ34に照射したTHz電磁波の特定周波数のものが効率よく閉じ込められるので、特定周波数で高感度測定する場合に有利である。

このような構造にした場合の伝送線路32内の電磁波のフーリエスペクトルのイメージを図4に示す。図4(a)は、図1の8のような光伝導素子から発生したTHz電磁波パルスのものであり、本実施例で伝送線路内に閉じ込められる電磁波のものが図4（ｂ）に示されている。DBR反射器で形成したストップバンドがWに相当し、センシング部の長さLによって共振モードmをストップバンド内に1つもしくは複数立たせることができる。

検体33によっては共振周波数が変化するので、その共振点の変化を検出する方法もある。その場合、図3のように複数の検体33がある場合には、実施例1のようなプローブを掃引して伝送線路32内の電磁波振幅の分布とフーリエスペクトルの両者を計測し、各検体33の物性を算出する方法もある。

また、図2のようにアレイ状に並べる場合に、場所によって共振周波数を変えておけば周波数依存性を同一チップ上で高速に計測することができる。このような電磁波を閉じ込める構造としては、フォトニック結晶構造、フォトニックフラクタル構造を用いてもよい。

（実施例3）
本発明による第3の実施例は、検体をセンサチップ表面に塗布するのではなく、図5のように液体状の検体を、伝送線路と一体化して作製した流路に流して検査するものである。

図5の例では、Si基板40上に、44a,bを信号線、42を絶縁体、41をグランドプレーンとして、マイクロストリップラインがTHz伝送線路として形成されている。もちろん、これは、実施例1のようなコプレーナストリップラインでも構わない。信号線44a、bはギャップ部46により隔てられており、そのギャップ下部にはLT-GaAsのエピタキシャル層のみが転写され、光パルス照射によりTHz電磁波パルスが発生する光伝導素子45が形成されている。伝送線路の端には、伝送状態を検出するためのEO結晶47も集積されていてもよい。信号線44a,bとグランドプレーン41の間に、流路43が典型的には断面10μm×20μmのサイズで形成され、矢印のように検体となる液体を流せるようになっている。この液体はマイクロポンプ、インクジェット等の方式を用いて送り出すことができる。この流路43の構造体は、樹脂として、BCB（サイクロテン）、ポリイミド、ポリシランなどで溝構造を形成したのち、石英ガラス等で蓋59をして接着する方法で作製可能である。液体を入れるだけで流体として扱わないのであれば、フタをしない構造でもよい。また、溝の位置は、作製の容易さから、図5のように信号線路の横近傍に設定したが、図6のように信号線44の直下に流路62をおいて感度向上を図っても良い。

THz電磁波を用いたセンシングシステムについて説明する。実施例1のようにフェムト秒レーザを用いたTHzパルス方式でもよいが、ここでは2台の半導体レーザ55a,bを用いてビートによるTHz連続波を用いる方式について説明する。半導体レーザ55a,bは0.1〜3THzの範囲で差周波を安定化できるもので、結合器58で2つのレーザ光を混合したあと、これを5mW程度のパワーで光伝導素子のギャップ部46に照射する。すると、信号線44a,bに10V程度の電界60を印加しておけば、ビート周波数に相当する電磁波がマイクロストリリップライン44a,bを伝搬する。伝搬する電磁波は流路43の検体と相互作用し、金属プローブ48を備えた検出用光伝導素子57で電磁波の状態を検出する。これは、光源からのレーザ光の一部を取り出して時間遅延器50で時間調整し、同期検出により電流49を計測することで行う。一方、集積化したEO結晶47では実施例1と同様の方法で検出する。

ビート周波数を変化させれば、0．1〜3THzでの分光スペクトルを観測することができる。実施例2のような共鳴構造を設けて電磁波を強く閉じ込められるようにしてもよい。

流体全体の特性を測定するには、電気光学結晶部47で検出し、流体内での分布を知るためにはプローブ48をスキャンしながら測定すればよい。

本実施例においては、溶液中での測定が可能であり、物質の反応経過に応じてリアルタイムでTHz電磁波センシングが可能になる。

（実施例4）
本発明による第4の実施例では、THz光源として、量子カスケードレーザによる連続波を用いるものである。図7において、THzレーザ61からの電磁波を、基板70上の信号線63、誘電体64、67からなる伝送線路に結合させて伝搬させる。このTHzレーザと伝送線路を一体化した集積デバイスとしてもよい。

伝送線路上に検査物体65を載せて、いままでの実施例のようにプローブ66を用いて検査を行う。この場合も、近接場プローブとして、10μm以下の空間分解能を持つTHz近接場イメージングを行っても良い。

（実施例5）
本発明による第5の実施例は、図8のように伝送線路として単一の導体を持ち、実施例3と同様にその近傍に検体を移動させる流路を配したものである。誘電体基板として、例えば、300μm厚のポリオレフィンのシート80を用い、その表面に幅10μm、厚さ5μmのAu線路82、および厚さ約100μmの上部誘電体層81が形成されている。Au線路82は導体が1つのいわゆる単一線路となっており、90の方向の高周波の伝搬特性が良いものであるが、周囲を誘電体装荷することでさらに特性を向上させている。上部のポリオレフィンシートは、Au線路82を形成後に加熱処理して貼り合わせている。これは、液状の有機材料を塗布して厚膜形成したものでもよい。

また、この誘電体層81には、検体を入れるための流路84が形成されており、88から挿入して89より検体を排出させるようになっている。これは、必ずしも流路としなくても、検体を入れる容器だけとしてもよい。この流路のサイズは一辺が数10μm程度の正方形などであるが、検出するためのプローブ85を流路84内に挿入できるように、約10μmΦの穴86が検体部（流路84）と伝送路（Au線路82）が交わる近傍に形成されている。この穴86には、今までの実施例のようなプローブ85が挿入され、電磁波の伝搬状態を検出することができる。ここで、プローブが走査できるような大きな穴にしておけば、検体の分布状態を調べることもできる。

このセンシングチップの電磁波の結合、検出方法は今までの実施例と同様である。ただし、テラヘルツ電磁波87の単一線路への結合は、線路82上に作製された回折格子83で行うことができる。これは、回折格子に限るものではなく、アンテナ等を用いる方法でもよい。また、光伝導素子をこのセンシングチップに集積化させて、外部より光を照射する方法でもよい。

さらに、検体部近傍に電磁波を閉じ込めるために、流路84と伝送線路82が交わる近傍に不図示のフォトニック結晶構造、フォトニックフラクタル構造を誘電体で形成したり、伝送線路82の終端側にも回折格子を形成して共鳴構造を形成することで感度を向上させることができる。

本発明による第1実施例のセンサチップとシステム全体の構造図。本発明による2次元アレイチップの斜視図。本発明による第2実施例の共鳴構造を持つセンサチップの平面図。 THz電磁波のフーリエスペクトルを説明する図。本発明による第3実施例のセンサチップの斜視図。本発明による第3実施例のセンサチップの変形例の断面図。本発明による第4実施例のセンサチップの断面図。本発明による第5実施例のセンサチップの斜視図。

符号の説明

1、24、30、40、70、80‥基板
2、21、32、82‥伝送線路（高周波伝送線路）
3、34‥アンテナ
4、22、33、65‥検査物体
5、48、66、85‥プローブ（検出手段）
6、47‥電気光学結晶
7、55a、55b、61‥レーザ（電磁波発生手段）
8‥光伝導素子
9、18、56‥ミラー（結合手段）
10、87‥電磁波
11、50，51‥時間遅延器
12‥分岐器
13、52‥λ／4板
14、53‥偏光プリズム
15、54‥光検出器
16ａ、16b‥受光部
20、25、35‥センサチップ
23‥ノズル
31a、31b‥分布反射部
41‥グランドプレーン
42‥絶縁体
43、62、84‥流路
44a、44b、63‥信号線
45、57‥光伝導素子
46‥ギャップ部
49‥電流計
58‥分岐結合器
59‥蓋
60‥電圧源
64、67、81‥誘電体
83‥回折格子
86‥プローブ用穴
88、89‥検体の流れ
90‥電磁波伝搬方向

Claims

基板上に少なくとも高周波伝送線路を形成して成るチップと、前記高周波伝送線路に高周波電磁波を伝搬させるための電磁波発生手段および結合手段と、前記高周波伝送線路を伝搬する電磁波のうち伝送線路上の任意の場所の伝搬状態を検出するための検出手段を有し、前記高周波伝送線路近傍に配置した物体と前記伝搬させた電磁波との相互作用を前記検出手段で検出することで、前記物体の空間的な電磁波との相互作用状態をセンシングすることを特徴とするセンシング装置。
前記高周波電磁波を発生させる電磁波発生手段は、発生した電磁波が高周波伝送線路に結合するように同一チップ上に配置した光伝導素子であり、前記光伝導素子において吸収する波長の光を外部より照射して高周波電磁波を前記基板上で発生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。
前記高周波電磁波を発生させる電磁波発生手段は、発生した電磁波が高周波伝送線路に結合するように同一チップ上に配置した電流注入型の電磁波発生素子であり、外部より電力を供給させて高周波電磁波を発生、伝搬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。
前記電磁波の伝搬状態を検出する検出手段は、高周波伝送線路上に配した細線状のプローブを少なくとも含むことを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。
前記電磁波の伝搬状態を検出する検出手段は、伝搬する電磁波の波長の1／10以下のサイズまで先端が先鋭化されたプローブを少なくとも含み、前記波長以下の領域に局在した近接場の電磁波を観察することを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。
前記電磁波の伝搬状態を検出する検出手段は、高周波伝送線路上の伝搬状態を複数箇所で検出することで前記物体の空間的な電磁波との相互作用状態の分布をセンシングすることを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。
前記電磁波の伝搬状態を複数箇所で検出する検出手段は、前記検出手段と高周波伝送線路との相対位置を走査させることで行うことを特徴とする請求項6記載のセンシング装置。
前記電磁波の伝搬状態を複数箇所で検出する検出手段は、プローブに連続して備えられた電気光学結晶において、電磁波の伝搬状態に応じて電気光学効果の大きさが変化することを前記電気光学結晶に入射したレーザ光の偏光状態の変化として読み取ることで検出することを特徴とする請求項6又は7記載のセンシング装置。
前記高周波伝送線路には伝搬する電磁波を閉じ込めるための共鳴構造が備えられていることを特徴とする請求項1記載のセンシング装置。
基板上に少なくとも高周波伝送線路を形成して成るチップと、前記高周波伝送線路に高周波電磁波を伝搬させるための電磁波発生手段および結合手段と、前記高周波伝送線路を伝搬する電磁波の伝搬状態を検出するための検出手段を有し、さらに前記高周波伝送線路近傍には物体を時間的に移動させることができる流路が配置されており、前記物体と前記伝搬させた電磁波との相互作用を前記検出手段で検出することで、前記物体の電磁波との相互作用状態をセンシングすることを特徴とするセンシング装置。
前記検出手段は複数箇所に設けられており、前記流路内における物体の空間的な電磁波との相互作用状態の分布をセンシングすることを特徴とする請求項10記載のセンシング装置。
前記高周波伝送線路が同一チップ上に互いに電磁波的な結合が小さい状態で複数並べられていることを特徴とする請求項1から11のいずれか記載のセンシング装置。