JP4726212B2

JP4726212B2 - Sensing device

Info

Publication number: JP4726212B2
Application number: JP2005270050A
Authority: JP
Inventors: 敏彦尾内; 亮太関口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007078621A

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。 The present invention relates to a sensing device and a sensing method for obtaining information such as physical properties of a target specimen using electromagnetic waves mainly including a frequency region in a millimeter wave to terahertz wave region (30 GHz to 30 THz).

近年、ミリ波からテラヘルツ波領域（30GHz〜30THz）にかけた電磁波（以下、テラヘルツ波とも言う）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を用い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などの物性を調べる分光技術、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。 In recent years, non-destructive sensing technology using electromagnetic waves (hereinafter also referred to as terahertz waves) applied from a millimeter wave to a terahertz wave region (30 GHz to 30 THz) has been developed. As an application field of electromagnetic waves in this frequency band, a technique for imaging using a safe fluoroscopic inspection apparatus replacing X-rays has been developed. In addition, a spectroscopic technique for examining physical properties such as a binding state by obtaining an absorption spectrum and a complex dielectric constant inside a substance, a biomolecule analysis technique, a technique for evaluating carrier concentration and mobility, and the like have been developed.

また、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9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に閉じ込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。この様な空間伝播のTHz波を用いて、対象物体との相互作用により物体の調査を行うことができる。 Conventionally, as an example of THz generating means, a photoconductive element provided with an antenna that also serves as an electrode for a photoconductive film formed on a substrate is suitably used (see Patent Document 1). An example of the configuration is shown in FIG. The substrate 130 has, for example, a radiation-treated silicon-on-sapphire structure, and a silicon film that is a photoconductive material is formed on a sapphire substrate. In general, LT-GaAs grown at a low temperature on a GaAs substrate is often used as the photoconductive film. The dipole antenna 138 formed on the surface of the substrate includes a pair of dipole feed lines 138a and 138b and a pair of dipole arm portions 139a and 139b. The light pulse is condensed in the gap 133, and if a voltage is applied across the gap 133, a THz pulse is generated. If a photocurrent is detected without applying a voltage between the gaps 133, a THz pulse can be detected. Here, it is configured as a detector 132, and a photocurrent is detected by a current amplifier 134. The substrate lens 136 has a role of coupling a radiation mode from a slab mode (substrate mode) of an electromagnetic wave confined to the substrate 130 to a free space, and a role of controlling a radiation angle of the electromagnetic wave propagation mode in the space. Using such a spatially transmitted THz wave, an object can be investigated by interaction with the target object.

上記構成は、空間に置かれた検体をセンシングするための例であるが、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10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様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電磁波を伝送路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。この様な伝送路を用いた方式では検体とテラヘルツ波との相互作用の割合が増えるため、上記の空間伝播の方式に比べて検体量を減らすことができる。
特開平10-104171号公報 AppliedPhysics Letters, vol.80, p.154,2002 The above configuration is an example for sensing a specimen placed in a space, but it is a small-sized semiconductor thin film that functions as a photoconductive element and a transmission path that propagates the generated electromagnetic wave integrated on a single substrate. Functional devices have also been proposed (see Non-Patent Document 1). FIG. 10 shows a plan view thereof. A structure 164 in which a thin film of only an epitaxial layer of a photoconductive element composed of LT-GaAs is transferred to a part of the high-frequency transmission lines 165 and 163 formed on the substrate 160. In this configuration, there is a microstrip line formed so as to sandwich an insulating resin on the Si substrate 160. A gap is formed in a part of the line, and an LT-GaAs thin film is disposed only under the gap. ing. From the surface side of the substrate 160, laser light is applied to the gap between the metal lines 161 and 165 by spatial propagation so that the generated THz electromagnetic wave is propagated to the transmission path. When the specimen 167 to be examined is applied to the filter region 166 as a resonance structure on the transmission path, the physical property of the specimen 167 can be examined by detecting the change in the propagation state from the portion 162 using the EO crystal. In the method using such a transmission path, the proportion of the interaction between the sample and the terahertz wave increases, so that the amount of the sample can be reduced as compared with the above-described spatial propagation method.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-104171 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、上記の空間伝播の方式に比べれば検体量を減らせるものの、まだ比較的多くの検体量を必要とする場合があり、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。 However, the method disclosed in Non-Patent Document 1 has a small amount of change in the propagation state of the terahertz wave with respect to the specimen. Therefore, although the amount of specimen can be reduced as compared with the above-described spatial propagation method, a relatively large amount of specimen may still be required, and in order to improve sensitivity, it is necessary to increase the intensity of electromagnetic waves.

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対象物である検体に関する情報（物性、存否、変化など）を取得するための装置である。そして、不純物がドープされ誘電率の実部が前記電磁波に対して負である半導体の導電体部と、前記電磁波を発生させて前記導電体部に結合させる結合手段と、前記電磁波を前記導電体部に相互作用させた後に検出する検出手段を少なくとも備えている。更に、前記導電体部の表面には、回折格子が形成されており、前記導電体部は、前記電磁波の前記回折格子への入射角と前記検体の屈折率と要求される感度を考慮して不純物ドープ量を設定して前記電磁波に対する誘電率を調整して感度を最適化した半導体であり、前記検出手段は、前記導電体部の表面における表面プラズモン共鳴の発生状態の、前記検体を前記導電体部上又はその近傍に配置したことによる変化を検出し、前記結合手段と前記検出手段とは、前記導電体部に対して同じ側に配置され、前記検出手段の検出結果に基づいて前記情報を取得する。 In view of the above problems, the sensing device of the present invention is a device for acquiring information (physical properties, presence / absence, change, etc.) relating to a specimen as a target object using electromagnetic waves including a frequency region in a frequency region of 30 GHz to 30 THz. is there. A semiconductor conductor portion doped with impurities and having a real part of dielectric constant negative with respect to the electromagnetic wave; a coupling means for generating and coupling the electromagnetic wave to the conductor portion; and And detecting means for detecting after interacting with the part. Furthermore, a diffraction grating is formed on the surface of the conductor part, and the conductor part takes into consideration the incident angle of the electromagnetic wave to the diffraction grating, the refractive index of the specimen, and the required sensitivity. A semiconductor in which sensitivity is optimized by adjusting a dielectric constant with respect to the electromagnetic wave by setting an impurity doping amount, and the detection means conducts the specimen in a state of occurrence of surface plasmon resonance on the surface of the conductor portion. A change due to the arrangement on or near the body part is detected, and the coupling means and the detection means are arranged on the same side with respect to the conductor part, and the information based on the detection result of the detection means To get.

また、上記課題に鑑み、本発明のセンシング方法は、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対象物である検体に関する情報を取得するためのセンシング方法である。そして、その一部または近傍に周期的構造が配置された導電体部の近傍に検体を保持し、導電体部に電磁波を結合させて相互作用させ、前記相互作用させた後の電磁波を検出する。更に、この検出に基づいて、検体が保持された部分の近傍に表面プラズモン共鳴が発生する条件の検体による変化を検出して、検体に関する情報を取得することを特徴とする。 Further, in view of the above problems, the sensing method of the present invention is a sensing method for acquiring information related to a specimen that is an object using an electromagnetic wave including a frequency region in a frequency region of 30 GHz to 30 THz. Then, the specimen is held in the vicinity of the conductor part in which the periodic structure is arranged in part or in the vicinity thereof, and the electromagnetic wave is coupled to and interacts with the conductor part, and the electromagnetic wave after the interaction is detected . Furthermore, on the basis of this detection, information on the specimen is obtained by detecting a change caused by the specimen in a condition where surface plasmon resonance occurs in the vicinity of the portion where the specimen is held.

本発明によれば、周期的構造を用いるので、電磁波を効率良く結合させ、また検体との相互作用も増大させることができて、比較的少量の検体でも感度を向上させられるセンシング装置及びセンシング方法を提供することができる。 According to the present invention, since a periodic structure is used, a sensing device and a sensing method that can efficiently couple electromagnetic waves, increase the interaction with the specimen, and improve the sensitivity even with a relatively small quantity of specimen. Can be provided.

以下に、本発明の原理を説明し、そして本発明の実施の形態を図を用いて説明する。 The principle of the present invention will be described below, and the embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明では、例えば、金属や半導体に形成した回折格子を用いてテラヘルツ波を所望の領域に結合、伝播させることで、結合効率を向上させるとともに、表面プラズモン共鳴を発生させて検体の物性などの情報を感度良く検出する様にしている。 In the present invention, for example, a terahertz wave is coupled and propagated to a desired region by using a diffraction grating formed on a metal or a semiconductor, thereby improving the coupling efficiency and generating surface plasmon resonance to improve the physical properties of the specimen. Information is detected with high sensitivity.

表面プラズモン共鳴とは、金属等の導電体（誘電率ε₁）とその他の媒質（誘電率ε₂）が面で接しているとき、その界面にエバネッセント波が局在する場合に起こる次の様な現象である。すなわち、例えば、x軸方向に次式（1）の関係が満たされた場合に、（1）式で示す波数K_xを持つ導電体中のキャリアの粗密波が電磁波と共鳴して伝播する現象である。
K_x=ω/c×√[ε₁ε₂／（ε₁＋ε₂）] （1）
ここで、ωは電磁波の角周波数、cは真空中の光速である。 Surface plasmon resonance is a phenomenon that occurs when an evanescent wave is localized at the interface when a conductor such as metal (dielectric constant ε ₁ ) is in contact with another medium (dielectric constant ε ₂ ). It is a phenomenon. That is, for example, when the relationship of the following equation (1) is satisfied in the x-axis direction, a phenomenon in which the dense wave of the carrier in the conductor having the wave number K _x shown in the equation (1) propagates in resonance with the electromagnetic wave. It is.
K _x = ω / c × √ [ε ₁ ε ₂ / (ε ₁ + ε ₂ )] (1)
Here, ω is the angular frequency of the electromagnetic wave, and c is the speed of light in vacuum.

この表面プラズモンが発生する場合には表面付近に電力が集中し（増強効果）、その近傍においた誘電体の状態を敏感に検知することができ、表面プラズモンセンサとして可視光から近赤外領域において化学センサとして実用化されている。 When this surface plasmon occurs, power concentrates near the surface (enhancement effect), and the state of the dielectric in the vicinity can be sensitively detected. In the near-infrared region from visible light as a surface plasmon sensor It has been put into practical use as a chemical sensor.

本発明では、これをテラヘルツ帯（30GHz〜30THz）のセンサとして利用するもので、典型的には、伝送路状に形成した導電体表面に表面プラズモンを発生させるために、導電体表面に回折格子を設けてエバネッセント波を発生させる。導電体としては、不純物がドープされたSi、GaAs、InAsなどの半導体が好適に用いられる。 In the present invention, this is used as a terahertz band (30 GHz to 30 THz) sensor. Typically, in order to generate surface plasmons on a conductor surface formed in a transmission line shape, a diffraction grating is formed on the conductor surface. To generate an evanescent wave. As the conductive, Si of not pure product doped, GaAs, a semiconductor such as InAs it is preferably used.

波数ｋ_iを持つ電磁波が、格子ピッチΛの回折格子（周期的構造）に入射角θで入射した場合、m次回折光がエバネッセント波となって表面プラズモン共鳴を起こすことが可能であり、そのとき次の関係を満たせばよい。
K_x＝k_i・sinθ＋m・2π/Λ （2） When an electromagnetic wave having a wave number k _i is incident on a diffraction grating (periodic structure) with a grating pitch Λ at an incident angle θ, the m-th order diffracted light can be an evanescent wave and cause surface plasmon resonance. The following relationship should be satisfied.
K _x = k _i · sin θ + m · 2π / Λ (2)

したがって、入射するテラヘルツ波の波長、入射角に対して、表面プラズモンを発生させる回折格子ピッチ（周期的構造のピッチ）を（2）式より決定することができる。ただし、入射するテラヘルツ波は、導電体の面に対して垂直の電界成分を含む電磁波でなければならない。すなわち、好ましくは、p偏光（テラヘルツ波の入射と反射が作る面に平行な電界成分を持つ電磁波）であることがよい。 Therefore, the diffraction grating pitch (periodic structure pitch) for generating surface plasmons can be determined from the equation (2) with respect to the wavelength and incident angle of the incident terahertz wave. However, the incident terahertz wave must be an electromagnetic wave including an electric field component perpendicular to the surface of the conductor. That is, it is preferably p-polarized light (electromagnetic wave having an electric field component parallel to a surface formed by incidence and reflection of terahertz waves).

ここで、導電体表面において、伝播光ではなくエバネッセント波が存在するためには、一般に導電体の誘電率の実部が、使用する電磁波に対して負、すなわち導電体のプラズマ周波数以下の周波数の電磁波である必要がある。テラヘルツ帯では金属の誘電率の実部は-1×10⁵〜-1×10⁶であることが知られているので、使用することができる。一方、半導体においては不純物ドープすることで可変な自由キャリアを導入することができ、ドルーデの式に基づけばその誘電率の実部は、次式で表される。 Here, in order for evanescent waves, not propagating light, to exist on the surface of the conductor, in general, the real part of the dielectric constant of the conductor is negative with respect to the electromagnetic wave used, that is, with a frequency equal to or lower than the plasma frequency of the conductor. Must be electromagnetic waves. In the terahertz band, it is known that the real part of the dielectric constant of a metal is −1 × 10 ⁵ to −1 × 10 ⁶ , so that it can be used. On the other hand, in semiconductors, variable free carriers can be introduced by doping impurities, and based on Drude's equation, the real part of the dielectric constant is expressed by the following equation.

ただし、ε_∞は背景誘電率、γ^-1は現象論的緩和時間である。プラズマ周波数ω_pは自由キャリア濃度n_e、有効質量m_eff、真空の誘電率ε₀を用いて、次式で表される。 Where ε _∞ is the background dielectric constant and γ ⁻¹ is the phenomenological relaxation time. The plasma frequency ω _p is expressed by the following equation using the free carrier concentration n _e , the effective mass m _eff , and the dielectric constant ε _{0 of} vacuum.

（3）、（4）の関係から半導体ドープ量を制御すれば、テラヘルツ領域において誘電率の実部を負にすることができることが分かる。テラヘルツ帯の場合は、ドルーデ分散から、周波数にもよるが、キャリア濃度がおよそ10¹⁷cm^-3以上の半導体の場合には誘電率の実部が負となって表面プラズモンが発生し得る。 From the relationship between (3) and (4), it can be seen that the real part of the dielectric constant can be made negative in the terahertz region by controlling the semiconductor doping amount. In the case of the terahertz band, depending on the frequency due to Drude dispersion, in the case of a semiconductor having a carrier concentration of about 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more, the real part of the dielectric constant becomes negative and surface plasmons can be generated.

ところで、表面プラズモンセンサとして用いるときに、回折格子（周期的構造）を伴う場合の入射角θにおける誘電率ε₂の媒質の屈折率をn_aとしたときの共鳴条件の角度変化の感度の式は、次式で表される。 By the way, when used as a surface plasmon sensor, an equation for the sensitivity of angular change in resonance conditions when the refractive index of a medium having a dielectric constant ε ₂ at an incident angle θ when a diffraction grating (periodic structure) is involved is n _a Is expressed by the following equation.

したがって、入射角θと導電体の誘電率ε₁との関係で感度の最適化を行えばよいことが分かる。金属を用いた場合には、ε₁が非常に大きいため、n_aだけに依存する式となる。一方、半導体であれば上記の様にε₁を制御し得るため、（5）式より最適なキャリアドープ量を設定することができる。 Therefore, it is understood that the sensitivity should be optimized based on the relationship between the incident angle θ and the dielectric constant ε ₁ of the conductor. When a metal, since epsilon ₁ is very large, the expression that depends only on n _a. On the other hand, since ε ₁ can be controlled as described above in the case of a semiconductor, the optimum carrier doping amount can be set from the equation (5).

この様に、本発明においては、伝送路などを構成する導電体の一部または近傍に周期的な構造を形成して、例えば、電磁波の特定の入射角或いは特定の周波数において表面プラズモン共鳴が発生する様に設計して構成したことを特徴とする。また、その周期的な構造の近傍に検体を配置することで、検体の誘電率等の物性定数による変化を共鳴状態の変化として検出して、従来よりも少量の検体で感度を向上させることを特徴としている。また、回折格子（周期的構造）を用いた共鳴状態の場合には外部から入射したテラヘルツ波を効率良く結合させることができるため、外部に発振源を設ける構成も可能である。こうした場合、結合効率を高くするために上記非特許文献1の様に光伝導素子を集積化させる方式にする必要が無いので、作製工程が多くコストが増大するという課題が解決される。 As described above, in the present invention, a periodic structure is formed in a part or the vicinity of a conductor constituting a transmission path or the like, for example, surface plasmon resonance occurs at a specific incident angle or a specific frequency of an electromagnetic wave. It is designed and configured as such. In addition, by arranging the specimen in the vicinity of the periodic structure, changes due to physical constants such as the dielectric constant of the specimen can be detected as changes in the resonance state, and sensitivity can be improved with a smaller quantity of specimen than before. It is a feature. Further, in the case of a resonance state using a diffraction grating (periodic structure), terahertz waves incident from the outside can be efficiently coupled, so that an oscillation source can be provided outside. In such a case, since it is not necessary to use a method of integrating photoconductive elements as in Non-Patent Document 1 in order to increase the coupling efficiency, the problem that the number of manufacturing steps is large and the cost is increased is solved.

本発明による回折格子型の表面プラズモンセンサの一実施形態を図1に示す。本実施形態では、基板1として表面に酸化層（不図示）を形成した熱酸化Siを用い、表面には幅1mmのAu線路2を形成してある。このAu線路2には、ピッチが200μmで深さが100μmの回折格子15が形成されている。テラヘルツセンシング系は時分解スペクトル(TDS)法を用いている。ここでは、チタンサファイアを用いたフェムト秒レーザ7からの光をハーフミラー9によって2つに分け、一方をポンプ光としてLT-GaAsによる光伝導スイッチ素子4に照射し、もう一方はプローブ光として同様の光伝導スイッチ素子5に照射することで構成する。光伝導スイッチ素子4からはテラヘルツパルスが発生し、レンズ6a、6bでビーム調整後にAu伝送路2に入射角θで照射され、反射角θで反射したテラヘルツ波はレンズ6c、6dで検出用光伝導スイッチ素子5に導いて検出する。プローブ光側の光については遅延光学系8で遅延量を変化させることで、テラヘルツパルス波形を計測することができる。なお、10、11、12はミラーである。 One embodiment of a diffraction grating type surface plasmon sensor according to the present invention is shown in FIG. In the present embodiment, thermally oxidized Si having an oxide layer (not shown) formed on the surface is used as the substrate 1, and an Au line 2 having a width of 1 mm is formed on the surface. A diffraction grating 15 having a pitch of 200 μm and a depth of 100 μm is formed on the Au line 2. The terahertz sensing system uses the time-resolved spectrum (TDS) method. Here, the light from the femtosecond laser 7 using titanium sapphire is divided into two by the half mirror 9, and one is irradiated to the photoconductive switch element 4 by LT-GaAs as pump light, and the other is the same as probe light This is configured by irradiating the photoconductive switch element 5. A terahertz pulse is generated from the photoconductive switch element 4, and after the beam is adjusted by the lenses 6a and 6b, the terahertz wave irradiated to the Au transmission path 2 at the incident angle θ and reflected by the reflection angle θ is detected by the lenses 6c and 6d. It is guided to the conduction switch element 5 and detected. With respect to the light on the probe light side, the delay amount is changed by the delay optical system 8, whereby the terahertz pulse waveform can be measured. Reference numerals 10, 11, and 12 are mirrors.

このとき、検体3の屈折率を1.5（通常、ここで検査しようとしている有機系の検体は、屈折率が1.5から2.0程度であるものが多い）とすれば、金属の誘電率の実部ε₁は非常に大きいため、上記（1）式の右辺はω/c√ε₂≒ωn_a/cで近似される。そして、入射角を20°とすれば上記（2）式の条件からm=−1次モードであれば、約745GHzのときに表面プラズモン共鳴が起こる。この場合、検体3の誘電率が変化すれば、おおよそ1/√（Δε）の割合で共鳴周波数がシフトすることになる。この割合については、必ずしも感度が高くないが、指紋スペクトル付近であれば、検体3のΔεが大きく変動することを利用すればよい。指紋スペクトル近傍でない場合には、半導体を用いてε₁とε₂が近い値になる様にキヤリアドープ量を制御すれば、（1）、（2）式から分かる様に共鳴周波数ωの変化を大きくして、より感度を向上させることが可能である。 At this time, if the refractive index of the specimen 3 is 1.5 (usually, many organic specimens to be examined here have a refractive index of about 1.5 to 2.0), the real part ε of the dielectric constant of the metal _{Since 1} is very large, the right side of the above equation (1) is approximated by ω / c√ε ₂ ≈ωn _a / c. If the incident angle is 20 °, surface plasmon resonance occurs at about 745 GHz in the case of m = −1 order mode from the condition of the above equation (2). In this case, if the dielectric constant of the specimen 3 changes, the resonance frequency shifts at a rate of approximately 1 / √ (Δε). This ratio is not necessarily high in sensitivity, but it can be used that Δε of the specimen 3 fluctuates greatly in the vicinity of the fingerprint spectrum. If the carrier doping amount is controlled so that ε ₁ and ε ₂ are close to each other using a semiconductor when not in the vicinity of the fingerprint spectrum, the resonance frequency ω can be changed as can be seen from equations (1) and (2). The sensitivity can be improved by increasing the sensitivity.

図2は、テラヘルツ測定系での取得時間波形をフーリエ変換したスペクトルである。テラヘルツパルスを用いたTDS系では一度に広帯域測定が可能であり、表面プラズモン共鳴で吸収されたエネルギーはスペクトル上のディップとなって現れる。この周波数は検体3の誘電率に依存する値であるため、テラヘルツTDSにより検体の誘電率を知ることができる。 FIG. 2 is a spectrum obtained by Fourier transforming an acquisition time waveform in the terahertz measurement system. In the TDS system using terahertz pulses, broadband measurement is possible at once, and the energy absorbed by surface plasmon resonance appears as a dip in the spectrum. Since this frequency depends on the dielectric constant of the specimen 3, the dielectric constant of the specimen can be known from the terahertz TDS.

この表面プラズモン共鳴周波数ついては、検体の誘電率、導電体の材料、電磁波の入射角、回折格子ピッチなどで検体の吸収スペクトル近傍に設定して、感度が最適になる様に調整することができる。センシングに用いるテラヘルツについても、フェムト秒レーザ励起のパルス形状のものを用いる以外にも、次の様なものがある。1つは、2台のレーザを同一の光伝導スイッチ素子に同時に照射して、波長の差からビートとなる単一周波数の連続波を発生させる方法である。また、非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振によるコヒーレントテラヘルツ光源を利用する方法、半導体量子井戸構造に電流注入することで発振するテラヘルツCW光源を利用する方法もある。センサとなる伝送路などについても、基板裏面から入射させたり、基板伝送路に伝播させたりと様々な形態が可能である。その具体例は、以下の実施例において説明する。 The surface plasmon resonance frequency can be adjusted to optimize the sensitivity by setting it in the vicinity of the absorption spectrum of the specimen based on the dielectric constant of the specimen, the material of the conductor, the incident angle of the electromagnetic wave, the diffraction grating pitch, and the like. As for terahertz used for sensing, there are the following ones in addition to using a pulse shape of femtosecond laser excitation. One is a method in which two lasers are simultaneously irradiated onto the same photoconductive switch element to generate a single-frequency continuous wave that becomes a beat from the difference in wavelength. There are also a method using a coherent terahertz light source by parametric oscillation using a nonlinear optical crystal and a method using a terahertz CW light source that oscillates by injecting current into a semiconductor quantum well structure. The transmission path that becomes the sensor can also take various forms such as being incident from the back surface of the substrate or propagating to the substrate transmission path. Specific examples thereof will be described in the following examples.

（実施例1）
本発明による第1の実施例は、図1の斜視図に示す様なテラヘルツTDS系において、導電体部2に回折格子15を形成した伝送路の表面からテラヘルツ波を入射し、表面からの反射波を検出して伝送路上の検体3の物性を測定するものである。 (Example 1)
In the first embodiment according to the present invention, in the terahertz TDS system as shown in the perspective view of FIG. 1, terahertz waves are incident from the surface of the transmission line in which the diffraction grating 15 is formed on the conductor portion 2, and reflected from the surface. It detects the physical properties of the specimen 3 on the transmission path by detecting the wave.

ここでは、テラヘルツの発生、検出には一般的な手法を用いている。すなわち、光伝導スイッチ素子4、5は、半絶縁性GaAs基板上に1.5μm厚のノンドープ低温成長LT-GaAs層を分子ビームエピタキシー(MBE)成長させ、その表面にAuGe/Ni/Au電極によりダイポール状のアンテナ兼バイアス供給構造を作製したものである。フェムト秒レーザ7は、パルス幅がおよそ120fsec、繰り返周波数が76MHzであり、その光を光伝導スイッチ素子4に照射することでフーリエ周波数としては0.1〜2.5THz程度までカバーする広帯域パルスを発生することができる。そのときのフーリエスペクトルを図2に示す。観測される1THz近傍のディップは、導電体部2の表面で表面プラズモン共鳴してエネルギーが奪われて検出器に観測されない周波数を示している。 Here, a general method is used for generation and detection of terahertz. That is, the photoconductive switch elements 4 and 5 are obtained by growing a non-doped low-temperature grown LT-GaAs layer having a thickness of 1.5 μm on a semi-insulating GaAs substrate by molecular beam epitaxy (MBE) and dipoles with AuGe / Ni / Au electrodes on the surface. The antenna-and-bias supply structure is manufactured. The femtosecond laser 7 has a pulse width of about 120 fsec and a repetition frequency of 76 MHz, and irradiates the light to the photoconductive switch element 4 to generate a broadband pulse covering a Fourier frequency of about 0.1 to 2.5 THz. be able to. The Fourier spectrum at that time is shown in FIG. The observed dip in the vicinity of 1 THz indicates the frequency at which the energy is lost due to surface plasmon resonance on the surface of the conductor portion 2 and is not observed by the detector.

この実施例では、上記実施形態のところで述べた様に、Auを導電体部として用い、ピッチ200μmの回折格子を熱酸化Si1上に形成して、表面プラズモンセンサチップを作製している。図1に示す様に、本実施例の回折格子15を形成した伝送路では、一定方向に或る程度の方向性があるので、テラヘルツ波をほぼその一定方向に沿って伝送路に入射させる。そして、相互作用した反射波は、入射箇所からほぼ結合長隔たった或る程度決まった所からほぼ前記入射させた方向に沿って反射されてくる。 In this example, as described in the above embodiment, a surface plasmon sensor chip is manufactured by using Au as a conductor portion and forming a diffraction grating with a pitch of 200 μm on thermally oxidized Si1. As shown in FIG. 1, in the transmission line in which the diffraction grating 15 of the present embodiment is formed, there is a certain degree of directivity in a certain direction, so a terahertz wave is incident on the transmission line almost along the certain direction. Then, the reflected wave that has interacted is reflected along the incident direction from a certain point that is substantially separated from the incident point by a coupling length.

本実施例では、検体3としては、生体関連分子として例えばDNAを用いたDNAセンサとして検討したが、これに限るものではない。DNAの場合は、1本鎖と2本鎖では誘電率が変化することが知られており、共鳴周波数の違いからハイブリダイゼーションしたかどうかが判定できるので、ラベルフリーのDNAセンサとして用いることができる。DNA以外にも、アミノ酸、たんぱく質、糖質などを持ち、特定の検出物質と特異的に結合する物質の相互反応（抗原抗体反応、レセプタとリガンド相互作用、酵素と基質の相互作用など）による結合状態や構造異性体の違いなどを検出することもできる。特に、対象となる周波数において分光スペクトルが大きく変化する所謂指紋スペクトルがある場合には、誘電率が大きく変化するために感度を向上させることができる。 In this example, the specimen 3 was examined as a DNA sensor using, for example, DNA as a biologically relevant molecule, but is not limited thereto. In the case of DNA, it is known that the dielectric constant changes between single-stranded and double-stranded, and it can be determined whether hybridization has occurred from the difference in resonance frequency, so it can be used as a label-free DNA sensor . In addition to DNA, it has amino acids, proteins, carbohydrates, etc., and binding by substances that specifically bind to specific detection substances (antigen-antibody reaction, receptor-ligand interaction, enzyme-substrate interaction, etc.) Differences in state and structural isomers can also be detected. In particular, when there is a so-called fingerprint spectrum in which the spectral spectrum changes greatly at the target frequency, the dielectric constant changes greatly, so that the sensitivity can be improved.

また、表面プラズモンを用いたセンサでは導電体表面への電場増強効果があるため、水溶液などの通常ではテラヘルツ波の減衰が大きい物質がある場合でも、感度を向上させることができる。さらに、すでに述べた様に、感度を向上させるために導電体としてキャリアドープした半導体を用いても良い。 In addition, since a sensor using surface plasmons has an electric field enhancing effect on the surface of the conductor, the sensitivity can be improved even when there is a substance such as an aqueous solution that normally has a large terahertz wave attenuation. Furthermore, as already described, a carrier-doped semiconductor may be used as a conductor in order to improve sensitivity.

上に説明した実施例1では、検体情報取得手段は、導電体部2の形成された主面に対して一定の入射角を保って電磁波を照射して導電体部2に結合させる結合手段と、導電体部2により一定の反射角で反射された電磁波を検出する検出手段とを含んで構成されている。結合手段は符号4、6a、6bなどで示される要素から成り、検出手段は符号5、6c、6dなどで示される要素から成る。また、検体保持部近傍に、導電体部2を含む電磁波を伝播させるための伝送路を備えて、前記結合手段と前記検出手段は、それぞれ、伝送路に電磁波を結合する手段と伝送路からの電磁波を検出する手段となっている。また、表面プラズモン共鳴の発生状態の変化を、電磁波の共鳴周波数の変動として検出するセンシング方法を採用している。 In the first embodiment described above, the specimen information acquisition unit includes a coupling unit that irradiates an electromagnetic wave while maintaining a constant incident angle with respect to the main surface on which the conductor unit 2 is formed and couples the conductor unit 2 to the conductor unit 2. And detecting means for detecting the electromagnetic wave reflected at a constant reflection angle by the conductor portion 2. The coupling means consists of elements indicated by reference numerals 4, 6a, 6b, etc., and the detection means consists of elements indicated by reference numerals 5, 6c, 6d, etc. Further, a transmission path for propagating electromagnetic waves including the conductor part 2 is provided in the vicinity of the specimen holding section, and the coupling means and the detection means are respectively connected to the transmission path from the means for coupling electromagnetic waves to the transmission path and the transmission path. It is a means for detecting electromagnetic waves. In addition, a sensing method is employed in which a change in the state of occurrence of surface plasmon resonance is detected as a change in the resonance frequency of the electromagnetic wave.

上記の実施例1によれば、テラヘルツ波を効率良く結合させ、また検体との相互作用も増大させて少量の検体で感度を向上させることができる。そのため、センシング装置全体を小型、低消費電力とすることができる。 According to the first embodiment, terahertz waves can be efficiently combined and the interaction with the specimen can be increased to improve sensitivity with a small amount of specimen. Therefore, the entire sensing device can be reduced in size and power consumption.

(実施例2)
本発明による第2の実施例を図3の断面図に示す。本実施例では、テラヘルツ波に対して透明な基板31の裏面からテラヘルツ波を入射（37で示す）、反射（38で示す）させて測定するものである。その基板としては高抵抗Si基板が好適に用いられるが、それ以外にも、アルミナ、AlN、ガラスセラミックなどのセラミック材料、ポリエチレン、テフロン（登録商標）、オレフィンなどの樹脂材料などでもよい。また、本実施例では、基板31の表面に回折格子36を形成しておいて、その表面に導電体32としてAuを蒸着等により形成する。さらに、その表面には、平坦化するためとレセプタ34が固着し易くするために活性材料33を形成している。回折格子については実施例1と同様である。 (Example 2)
A second embodiment according to the present invention is shown in the sectional view of FIG. In this embodiment, the measurement is performed by making a terahertz wave incident (indicated by 37) and reflected (indicated by 38) from the back surface of the substrate 31 transparent to the terahertz wave. As the substrate, a high-resistance Si substrate is preferably used, but other than that, a ceramic material such as alumina, AlN, or glass ceramic, or a resin material such as polyethylene, Teflon (registered trademark), or olefin may be used. In this embodiment, a diffraction grating 36 is formed on the surface of the substrate 31, and Au is formed on the surface as a conductor 32 by vapor deposition or the like. Further, an active material 33 is formed on the surface for flattening and for easy attachment of the receptor 34. The diffraction grating is the same as in Example 1.

測定については、単一波長テラヘルツ光源を用いて、入射角／反射角を変化させる方式を用いる。そのときの角度と反射強度の関係を示した模式図が図4である。テラヘルツ波が一定周波数の場合、（2）式を満たす入射角θのときに表面プラズモン共鳴が発生し、ディップが生じる。このディップが生じる角度の変化によって、検体の物性などについて検出することができる。検体35を供給するとき、レセプタ34と反応するリガンドがあると吸着され、表面の誘電率が変動するため、表面プラズモンが発生する条件が変化する。こうして、ディップの位置が変化するために検出ができる。 For the measurement, a method of changing the incident angle / reflection angle using a single wavelength terahertz light source is used. FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the angle and the reflection intensity at that time. When the terahertz wave has a constant frequency, surface plasmon resonance occurs at an incident angle θ satisfying the expression (2), and dip occurs. The physical property of the specimen can be detected by the change in the angle at which this dip occurs. When supplying the specimen 35, if there is a ligand that reacts with the receptor 34, it is adsorbed and the dielectric constant of the surface changes, so that the conditions for generating surface plasmons change. Thus, detection can be performed because the position of the dip changes.

上記構成は、特定のリガンドがあるか否かを判定するラベルフリーセンサチップとして機能させることができ、指紋スペクトルがこのテラヘルツ波の領域にある場合に、光領域の表面プラズモン共鳴(SPR)センサよりも高感度にすることができる。 The above configuration can function as a label-free sensor chip that determines whether or not there is a specific ligand. When the fingerprint spectrum is in this terahertz wave region, the surface plasmon resonance (SPR) sensor in the optical region Can also be made highly sensitive.

また、検出に関して反射光を観測しているが、図3に示す様に、検体側より先鋭プローブ39を近づけてプラズモン共鳴の有無をテラヘルツ近接場光の強度で調べることもできる。この場合、テラヘルツ波の波長より短い微小領域の状態を観測することもできる。 Although reflected light is observed for detection, as shown in FIG. 3, the presence of plasmon resonance can be examined by the intensity of the terahertz near-field light by bringing the sharp probe 39 closer to the specimen side. In this case, it is possible to observe a state of a minute region shorter than the wavelength of the terahertz wave.

上に説明した実施例2では、検体情報取得手段は、導電体部32の形成された主面に対して複数の入射角で電磁波を照射して導電体部32に結合させる結合手段と、入射角に対応して複数の反射角で導電体部32により反射された電磁波を検出する検出手段とを含んで構成されている。また、表面プラズモン共鳴の発生状態の変化を、導電体部の形成された主面に対する電磁波の入射角の共鳴条件の変動として検出するセンシング方法を採用している。 In the second embodiment described above, the specimen information acquisition unit includes a coupling unit that irradiates electromagnetic waves at a plurality of incident angles to the main surface on which the conductor unit 32 is formed and couples the conductor unit 32 with the incident unit. corresponding to the corner is configured to include a detecting means for detecting the electromagnetic waves reflected by the conductive portion 32 by a plurality of reflection angles. In addition, a sensing method is employed in which a change in the state of occurrence of surface plasmon resonance is detected as a change in the resonance condition of the incident angle of the electromagnetic wave with respect to the main surface on which the conductor portion is formed.

本実施例でも、テラヘルツ波を効率良く結合させ、また検体との相互作用も増大させて少量の検体で感度を向上させることができ、そのため、センシング装置全体を小型、低消費電力とすることができる。 Also in this embodiment, the terahertz wave can be efficiently combined and the interaction with the specimen can be increased to improve the sensitivity with a small amount of specimen. Therefore, the entire sensing device can be reduced in size and power consumption. it can.

（実施例3）
本発明による第3の実施例は、図5の様に光伝導スイッチ素子54a、54bが集積され、テラヘルツの単一伝送線路52上の一部に回折格子51が設けられたものである。 (Example 3)
In the third embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, photoconductive switch elements 54a and 54b are integrated, and a diffraction grating 51 is provided on a part of a single transmission line 52 of terahertz.

光伝導スイッチ素子54a、54bは、基板50の一部の領域にLT-GaAs薄膜層を転写して、電極53a、53bおよび伝送線路を兼ねた電極52を介する電界印加、電流検出によりテラヘルツ波の発生、検出を行う。テラヘルツの発生、検出を含めたセンシング系の原理は実施例1と同様で、本実施例はテラヘルツ波発生部、検出部が同一基板上に集積されたものである。 The photoconductive switch elements 54a and 54b transfer the LT-GaAs thin film layer to a partial region of the substrate 50, and apply terahertz waves by applying an electric field and current detection via the electrodes 53a and 53b and the electrode 52 that also serves as a transmission line. Generate and detect. The principle of the sensing system including generation and detection of terahertz is the same as that of the first embodiment. In this embodiment, the terahertz wave generation unit and the detection unit are integrated on the same substrate.

平面図である図5(a)と断面図である図5
(b)で示した様に、電極53ｂと電極52のギャップ部にフェムト秒レーザ光57をポンプ光として照射し、この電極間に電圧を印加しておけばテラヘルツパルスが発生する。これは、単一線路となっている伝送路52を符号59で示す様に伝播し、もう一方の光伝送素子54aに到達して、同様にフェムト秒レーザ光58をプローブ光として照射すればテラヘルツ波を検出できる。表面カバーの部材55は、光とテラヘルツ波に対して透明なオレフィン樹脂などを用いるが、その他の材料でも良い。また、部材55の光照射の部分に窓を設けても良い。本実施例では、部材55と基板50との間には、検体を供給するための流路56が形成されており、検体を必要なときに供給し、また排出することもできる。 FIG. 5 (a) which is a plan view and FIG. 5 which is a cross-sectional view.
As shown in (b), when a gap between the electrode 53b and the electrode 52 is irradiated with femtosecond laser light 57 as pump light and a voltage is applied between the electrodes, a terahertz pulse is generated. This propagates through a single transmission line 52 as indicated by reference numeral 59, reaches the other optical transmission element 54a, and similarly emits femtosecond laser light 58 as probe light. Can detect waves. The surface cover member 55 uses an olefin resin or the like that is transparent to light and terahertz waves, but other materials may be used. Further, a window may be provided in the light irradiation portion of the member 55. In this embodiment, a channel 56 for supplying a specimen is formed between the member 55 and the substrate 50, and the specimen can be supplied and discharged when necessary.

本実施例の構成は、（2）式で入射角θが90°のときに相当し、所望の周波数で表面プラズモン共鳴が発生する様に設計している。流路56で供給した検体の物性に応じて共鳴周波数が変化するために、実施例1のような抗原抗体反応等の特異的結合について検出することができる。また、液体の誘電率を評価する等の化学センサとして用いることもできる。 The configuration of this embodiment corresponds to the case where the incident angle θ is 90 ° in the equation (2), and is designed so that surface plasmon resonance occurs at a desired frequency. Since the resonance frequency changes according to the physical properties of the specimen supplied through the flow path 56, specific binding such as an antigen-antibody reaction as in Example 1 can be detected. It can also be used as a chemical sensor for evaluating the dielectric constant of a liquid.

(実施例4)
本発明による第4の実施例は、図6(a)の様に円環状に回折格子が形成されているものである。図6(a)のA-A’断面図は図6(b)の様になっている。本実施例では、実施例1の様に高抵抗Siなどの透明基板61の一方の面に回折格子62と導電体部63が形成され、中央部に符号64で示す様に検体を配置する。回折格子62とは反対側の面からテラヘルツ波を照射し、表面プラズモンが誘起されると中央部に伝播し、別の導電体部65によるスルーホールにより検出器66に導かれる。本実施例では、図6(a)の面内では複数方向に対して対応可能である。 (Example 4)
In the fourth embodiment according to the present invention, a diffraction grating is formed in an annular shape as shown in FIG. 6 (a). A sectional view taken along line AA ′ in FIG. 6 (a) is as shown in FIG. 6 (b). In the present embodiment, as in the first embodiment, a diffraction grating 62 and a conductor portion 63 are formed on one surface of a transparent substrate 61 such as high-resistance Si, and a specimen is disposed at the center portion as indicated by reference numeral 64. When terahertz waves are irradiated from the surface opposite to the diffraction grating 62 and surface plasmon is induced, the surface plasmon is propagated to the center and guided to the detector 66 by a through hole by another conductor portion 65. In the present embodiment, it is possible to deal with a plurality of directions within the plane of FIG.

本実施例では、表面プラズモンが中央部で強くなること、検出器66が集積化されていてテラヘルツ波の入射（67で示す）も垂直入射（θ＝0°）であるということで、光学系が簡易化されるとともに高感度化される。 In this embodiment, the surface plasmon becomes stronger in the center, the detector 66 is integrated, and the incidence of the terahertz wave (indicated by 67) is also perpendicular incidence (θ = 0 °). Is simplified and the sensitivity is increased.

（実施例5）
本発明による第5の実施例は、平面図である図7(a)の様に2次元アレイ状の格子71を形成したものである。この場合、図7(a)のA-A’の断面構造は図7(b)の様に実施例1と同様であるが、実施例1のような伝送線路の構造ではなく、4角形の基板70に全面的に格子71を形成してある。A-A’断面図の図7(b)の様に金属或いは半導体層72に格子71を形成し、検体を符号73で示す様に配置して測定する。本実施例は、広い面積を太いビーム径のテラヘルツ波で照射して比較的大きな検体73を測定する場合に利用することができる。 (Example 5)
In the fifth embodiment of the present invention, a two-dimensional array of lattices 71 is formed as shown in FIG. 7 (a) which is a plan view. In this case, the cross-sectional structure of AA ′ in FIG. 7 (a) is the same as that in Example 1 as shown in FIG. 7 (b), but is not a transmission line structure as in Example 1, but a quadrangular shape. A grating 71 is formed on the entire surface of the substrate 70. A lattice 71 is formed on the metal or semiconductor layer 72 as shown in FIG. 7B of the AA ′ cross-sectional view, and the specimen is arranged as indicated by reference numeral 73 for measurement. This embodiment can be used when a relatively large specimen 73 is measured by irradiating a wide area with a terahertz wave having a large beam diameter.

図7の構成では、2次元アレイ状の格子71の2方向のピッチはそれぞれ同じに設定されているが、2次元アレイ状の格子は方向によってピッチを異ならせてもよい。その場合、例えば、各方向で共鳴周波数が異なる様にできる。したがって、異なる周波数位置に吸収スペクトルを有する様な検体の測定を、各方向で異なる周波数のテラヘルツ波を入射させて、それぞれの反射波を検出することで実行できて、検体の物性などの情報をより詳しく検出できる。 In the configuration of FIG. 7, the pitches in the two directions of the two-dimensional array of lattices 71 are set to be the same, but the pitch of the two-dimensional array of lattices may be different depending on the direction. In this case, for example, the resonance frequency can be different in each direction. Therefore, measurement of specimens having absorption spectra at different frequency positions can be performed by making terahertz waves of different frequencies incident in each direction and detecting each reflected wave, and information such as the physical properties of the specimen can be obtained. More detailed detection.

(実施例6)
本発明による第6の実施例は、図8の様に基板80の裏面に回折格子81を形成し、反対側の表面に半導体層82を形成したものである。基板80としては高抵抗Si基板などを用いて、その表面にドーピング濃度n＝1×10¹⁸cm^-3のSi層82を化学気相成膜（CVD）で数μmの膜厚で成膜したものである。この場合、半導体層82を平坦にできるため膜質の向上が可能である。したがって、例えば、リガンド86と結合するレセプタ87を均一に吸着させることが容易になる。 (Example 6)
In the sixth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 8, a diffraction grating 81 is formed on the back surface of the substrate 80, and a semiconductor layer 82 is formed on the opposite surface. A high-resistance Si substrate or the like is used as the substrate 80, and a Si layer 82 with a doping concentration of n = 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ is formed on the surface thereof by chemical vapor deposition (CVD) to a thickness of several μm. Is. In this case, since the semiconductor layer 82 can be flattened, the film quality can be improved. Therefore, for example, it becomes easy to uniformly adsorb the receptor 87 that binds to the ligand 86.

本実施例では、例えば、テラヘルツ連続波を符号84で示す様に入射させ、その角度を変化させながら反射テラヘルツ波85の強度を測定することで、実施例2と同様な方法で検体の検出を行うことができる。 In this embodiment, for example, a terahertz continuous wave is incident as indicated by reference numeral 84, and the intensity of the reflected terahertz wave 85 is measured while changing its angle, thereby detecting the specimen in the same manner as in the second embodiment. It can be carried out.

本発明によるセンシング装置の実施形態と実施例1を説明する斜視図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view for explaining an embodiment and a first embodiment of a sensing device according to the present invention. 実施例1のセンシング装置における出力の例を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of output in the sensing device according to the first embodiment. 本発明によるセンシング装置の実施例2を説明する断面図。Sectional drawing explaining Example 2 of the sensing apparatus by this invention. 実施例2のセンシング装置における出力の例を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of output in the sensing device according to the second embodiment. 本発明によるセンシング装置の実施例3を説明する平面図および断面図。FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view illustrating Embodiment 3 of the sensing device according to the present invention. 本発明によるセンシング装置の実施例4を説明する平面図および断面図。FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a fourth embodiment of the sensing device according to the present invention. 本発明によるセンシング装置の実施例5を説明する平面図および断面図。FIG. 7 is a plan view and a cross-sectional view for explaining a fifth embodiment of the sensing device according to the present invention. 本発明によるセンシング装置の実施例6を説明する断面図。Sectional drawing explaining Example 6 of the sensing apparatus by this invention. 従来のテラヘルツ発生部の例を説明する斜視図。The perspective view explaining the example of the conventional terahertz generating part. テラヘルツ伝送路の従来例を説明する平面図。The top view explaining the prior art example of a terahertz transmission line.

符号の説明Explanation of symbols

2、32、52、63、72、82‥導電体部
3、34、35、64、73、86、87‥検体
4、6a、6b、54b‥結合手段
5、6c、6d、54a、66‥検出手段
4、5、54a、54b‥光伝導スイッチ素子
6a、6b、6c、6d‥レンズ
15、36、51、62、71、81‥周期的構造（回折格子）
34、87‥レセプタ
35、86‥リガンド
37、38、59、67、84、85‥電磁波（テラヘルツ波）
56‥検体保持部（流路）
66‥検出器 2, 32, 52, 63, 72, 82 ... conductor part
3, 34, 35, 64, 73, 86, 87 Specimens
4, 6a, 6b, 54b ... coupling means
5, 6c, 6d, 54a, 66 ... Detection means
4, 5, 54a, 54b ... photoconductive switch elements
6a, 6b, 6c, 6d ... Lens
15, 36, 51, 62, 71, 81 ... Periodic structure (diffraction grating)
34, 87 receptor
35, 86 Ligand
37, 38, 59, 67, 84, 85 ... electromagnetic waves (terahertz waves)
56 Specimen holding part (channel)
66 Detector

Claims

30GHz〜30THzの周波数領域の内、少なくとも該周波数領域の一部を含む電磁波を用いて対象物である検体に関する情報を取得するための装置であって、
不純物がドープされ誘電率の実部が前記電磁波に対して負である半導体の導電体部と、
前記電磁波を発生させて前記導電体部に結合させる結合手段と、
前記電磁波を前記導電体部に相互作用させた後に検出する検出手段と、
を備えており、
前記導電体部の表面には、回折格子が形成されており、
前記導電体部は、前記電磁波の前記回折格子への入射角と前記検体の屈折率と要求される感度を考慮して不純物ドープ量を設定して前記電磁波に対する誘電率を調整して感度を最適化した半導体であり、
前記検出手段は、前記導電体部の表面における表面プラズモン共鳴の発生状態の、前記検体を前記導電体部上又はその近傍に配置したことによる変化を検出し、
前記結合手段と前記検出手段とは、前記導電体部に対して同じ側に配置され、
前記検出手段の検出結果に基づいて前記情報を取得することを特徴とするセンシング装置。 An apparatus for acquiring information on a specimen that is a target using an electromagnetic wave including at least a part of the frequency region in a frequency region of 30 GHz to 30 THz,
A semiconductor conductor portion doped with impurities and having a real part of dielectric constant negative to the electromagnetic wave;
Coupling means for generating the electromagnetic wave and coupling to the conductor portion;
Detecting means for detecting the electromagnetic wave after interacting with the conductor portion;
With
A diffraction grating is formed on the surface of the conductor portion,
The conductor portion is optimally adjusted by adjusting the dielectric constant for the electromagnetic wave by setting the impurity doping amount in consideration of the incident angle of the electromagnetic wave to the diffraction grating, the refractive index of the specimen, and the required sensitivity. Semiconductor
The detection means detects a change in the state of occurrence of surface plasmon resonance on the surface of the conductor part due to the specimen being placed on or near the conductor part,
The coupling means and the detection means are arranged on the same side with respect to the conductor portion,
A sensing device characterized in that the information is acquired based on a detection result of the detection means.

前記結合手段は、前記導電体部の形成された主面に対して一定の入射角を保って前記電磁波を照射して前記導電体部に結合させ、
前記検出手段は、前記導電体部により一定の反射角で反射された電磁波を検出することを特徴とする請求項１に記載のセンシング装置。 The coupling means is configured to irradiate the electromagnetic wave while maintaining a constant incident angle with respect to a main surface on which the conductor portion is formed, and to couple the conductor portion to the conductor portion,
The sensing device according to claim 1 , wherein the detection unit detects an electromagnetic wave reflected at a predetermined reflection angle by the conductor portion.

前記結合手段は、前記導電体部の形成された主面に対して複数の入射角で前記電磁波を照射して前記導電体部に結合させ、
前記検出手段は、入射角に対応して複数の反射角で前記導電体部により反射された電磁波を検出することを特徴とする請求項１に記載のセンシング装置。 The coupling means irradiates the electromagnetic wave at a plurality of incident angles with respect to the main surface on which the conductor portion is formed and couples it to the conductor portion,
The sensing device according to claim 1 , wherein the detection unit detects an electromagnetic wave reflected by the conductor portion at a plurality of reflection angles corresponding to an incident angle.

前記回折格子は、２次元アレイ状の格子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセンシング装置。 The diffraction grating, the sensing device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a two-dimensional array of grid.

前記導電体部を含む電磁波を伝播させるための伝送路を備えて、前記結合手段と前記検出手段は、それぞれ、前記伝送路に電磁波を結合する手段と前記伝送路からの電磁波を検出する手段であることを特徴とする請求項１または４に記載のセンシング装置。 A transmission path for propagating electromagnetic waves including the conductor portion is provided, and the coupling means and the detection means are means for coupling electromagnetic waves to the transmission path and means for detecting electromagnetic waves from the transmission path, respectively. sensing apparatus according to claim 1 or 4, characterized in that.

前記検体を前記導電体部上又はその近傍に保持するための検体保持部として、検体の供給を制御できる流路が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセンシング装置。 As a specimen holder for holding the specimen on or near the conductor portion, according to any one of claims 1 to 5, characterized in that flow path can be controlled supply of the specimen is provided Sensing device.