JP6771372B2

JP6771372B2 - 誘電分光センサ

Info

Publication number: JP6771372B2
Application number: JP2016240956A
Authority: JP
Inventors: 昌人中村; 卓郎田島; 克裕味戸; 雄次郎田中
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: JP2018096806A

Description

本発明は、試料の複素誘電率を求めるためのセンサインターフェースの技術に関する。

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。血糖値などの検査は血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。

非侵襲な成分濃度測定装置としては、近赤外光などの光学的な手法と比べ生体内での散乱が少ない、１フォトンの持つエネルギーが低い、などの理由からマイクロ波−サブミリ波帯の電磁波を用いた手法が提案されている。

例えば、非特許文献１に示される共振構造を用いた手法がある。この手法では、アンテナや共振器などのＱ値の高いデバイスと測定試料を接触させ、共振周波数周辺の周波数特性を測定する。共振周波数はデバイスの周囲の複素誘電率により決定されるため、共振周波数のシフト量と成分濃度との間の相関を予め予測することにより、共振周波数のシフト量から成分濃度を推定する。

マイクロ波−ミリ波帯の電磁波を用いた他の手法としては、特許文献１に示す誘電分光法が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象である血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅及び位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。誘電緩和スペクトルは、一般的には、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量に複素誘電率は相関があり、その変化に対応した電気信号（振幅、位相）として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。また、誘電分光を用いた手法は、取得した誘電緩和スペクトルにＰＬＳ回帰分析などの多変量解析を行うことにより、多成分系からなる水溶液での濃度分析にも有利であると考えられる。

誘電分光にはマイクロストリップ線路やコプレーナ線路、同軸プローブといった広帯域な電気信号の伝送が可能な伝送線路が用いられる。図１０，１１に誘電分光に用いる従来の伝送線路の例を示す。図１０（ａ）はマイクロストリップ線路を用いた従来例であり、図１０（ｂ）はコプレーナ線路を用いた従来例である。マイクロストリップ線路やコプレーナ線路の誘電分光センサは、基板６１上に配線金属６２で線路を形成し、線路上にマイクロ流路６３を配置する。図１１は同軸プローブを接続する同軸線路の図である。内部導体７２Ａ、外部導体７２Ｂ、誘電体７３で構成された同軸ケーブルの先端に配置された高周波コネクタ７１に同軸プローブが接続される。

特開２０１３−３２９３３号公報

M. Hofmann, G. Fischer, R. Weigel, and D. Kissinger, "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol.61, No.5, pp. 2195-2203.

マイクロストリップ線路やコプレーナ線路を用いた手法では、試料と線路の接触している箇所の長さを正確に把握しておく必要がある。そのため、線路上に測定用のマイクロ流路を設けることが多い。流路を設けず線路を直接皮膚へ接触させることは可能ではあるが、接触部の長さを正確に把握することは困難である。また、生体には水分が多く含まれており、伝送損失が増加し測定時のＳ／Ｎ比が小さくなるという問題があった。

同軸プローブを用いた手法では接触部の長さを計算する必要はなく、また反射波のみを用いるため高いＳ／Ｎ比が期待できる。しかしながら、同軸プローブはマイクロストリップ線路やコプレーナ線路のようにプリント基板上では作製できない。同軸プローブの形状は棒状となり、腕や指などへ同軸プローブを立てた状態で接触させるため、同軸プローブの固定が困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、生体への取り付け、固定が容易であって、高いＳ／Ｎ比で反射係数を測定可能な誘電分光センサを提供することを目的とする。

本発明に係る誘電分光センサは、ビアによって構成した準同軸構造を同軸プローブとして反射係数を測定する誘電分光センサであって、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板を貫通して配置された第１ビアと、前記第１の誘電体基板を貫通して、前記第１ビアを中心とした円状に配置された複数の第２ビアと、前記第１の誘電体基板に重ねて配置された第２の誘電体基板と、前記第１ビアに対応する位置において前記第２の誘電体基板を貫通して配置された第３ビアと、前記第２の誘電体基板の前記第１の誘電体基板を重ねていない面に前記第３ビアと導通して配置された信号線路と、前記信号線路と導通しない位置の前記第２ビアに対応する位置において前記第２の誘電体基板を貫通して配置された複数の第４ビアと、前記信号線路のグランド部分において前記信号線路に沿って前記第２の誘電体基板を貫通して配置された第５ビアと、前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との間に、前記第２ビア、前記第４ビア、および前記第５ビアと導通するグランド板と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、生体への取り付け、固定が容易であって、高いＳ／Ｎ比で反射係数を測定可能な誘電分光センサを提供することができる。

本実施の形態の誘電分光センサの構成を示す斜視図である。本実施の形態の誘電分光センサの試料配置面を有する基板の平面図である。本実施の形態の誘電分光センサの線路を有する基板の平面図である。本実施の形態の誘電分光センサの線路を有する基板の別の構成例の平面図である。本実施の形態の誘電分光センサの製造工程の一例を示す工程図である。本実施の形態の誘電分光センサの試料を接着する部分の等価回路である。本実施の形態の誘電分光センサを用いた測定系の例を示す図である。本実施の形態の誘電分光センサを用いた別の測定系の例を示す図である。本実施の形態の誘電分光センサを用いたさらに別の測定系の例を示す図である。マイクロストリップ線路及びコプレーナ線路を用いた従来の誘電分光に用いる伝送線路の例を示す図である。同軸線路を用いた従来の誘電分光に用いる伝送線路の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における誘電分光センサの構成を示す斜視図である。図１の誘電分光センサは、誘電体基板である基板１１と基板２１を積層した構造である。図１（ａ）は、試料を配置する試料配置面を有する基板１１を上にしたときの斜視図である。図１（ｂ）は、線路を形成した線路面を有する基板１２を上にしたときの斜視図である。図１（ａ）の誘電分光センサを裏返すと図１（ｂ）の状態になる。

図２は、基板１１の平面図である。図２（ａ）は、基板１１の試料配置面の平面図である。図２（ｂ）は、基板１１の基板２１に接着する接着面の平面図である。

図３は、基板２１の平面図である。図３（ａ）は、基板２１の基板１１に接着する接着面の平面図である。図３（ｂ）は、基板２１の線路面の平面図である。

基板１１，２１の材料としては、高周波で用いられるガラスエポキシ、テフロン、アルミナ、石英、Ｓｉなどを用いる。基板１１，２１の大きさは数センチ×数センチ角、基板厚は数百μｍから数ｍｍである。基板１１，２１は、比誘電率が２〜３の低誘電率である。

基板１１の両面には円形の開口部を設けた金属パターン１２Ａ，１２Ｂが設けられる。開口部の直径は数百μｍから数ｍｍである。金属パターン１２Ａ，１２Ｂの材料としては、高周波基板で用いられる金属、例えばＣｕやＡｕなどを用いる。金属パターン１２Ａ，１２Ｂは同じ形状であるので、設計に必要なパターンを少なくできる。

基板１１の開口部の中央に基板１１を貫通するビア１３Ａが設けられる。また、開口部の円周に沿い、金属パターン１２Ａ，１２Ｂと導通するビア１３Ｂが設けられる。つまり、ビア１３Ａを中心とした円状にビア１３Ｂが設けられる。ビア１３Ａ，１３Ｂ内は導体で充填されている。ビア１３Ａ，１３Ｂの材料としては、導電性のインク、銅ペースト、銀ペースト、銅めっきなどを用いる。あるいは、ビア１３Ａ，１３Ｂ径と同じ直径を持つ金属ピンを埋め込んでもよい。ビア１３Ａを内部導体、ビア１３Ｂを外部導体とする準同軸構造により、基板１１の平面方向にＴＥＭモードの電磁波が伝搬する。ビア１３Ａ，１３Ｂと基板１１で構成された準同軸構造の基板１１表面が試料を配置する試料配置面となる。ビア１３Ａ，１３Ｂのビア径は数十μｍから数ｍｍであり、同軸構造に要求されるカットオフ周波数や電界の試料方向への侵入深さによって適宜決定する。内部導体径及び開口部の直径は、本誘電分光センサに接続される測定器の特性インピーダンスに合わせて決定する。

基板２１の線路面には、コプレーナ線路を構成する金属パターン２２Ａ，２２Ｂが設けられる。金属パターン２２Ａはコプレーナ線路のシグナル線となり、金属パターン２２Ｂはグランド線となる。金属パターン２２Ａの幅、および金属パターン２２Ａ，２２Ｂ間のギャップの幅は数十μｍから数ｍｍである。本誘電分光センサに接続される測定器の特性インピーダンスに合わせて、例えば５０Ω又は７５Ωとなるようにコプレーナ線路の各寸法を設計する。なお、金属パターン２２Ａ，２２Ｂの材料は基板１１の金属パターン１２Ａ，１２Ｂと同様である。

基板２１には、基板１１のビア１３Ａ，１３Ｂの位置に対応させて、準同軸構造を構成するビア２３Ａ，２３Ｂが設けられる。ビア２３Ａは、ビア１３Ａ及び金属パターン２２Ａと導通する。ビア２３Ｂは、ビア１３Ｂ及び金属パターン２２Ｂと導通する。この構成により、基板２１は、コプレーナ線路−準同軸変換の役割を果たす。なお、ビア２３Ｂは、シグナル線となる金属パターン２２Ａと接触しないように配置する。本実施の形態では、基板１１のビア１３Ｂに対応する位置であっても、金属パターン２２Ａに接触する位置のビア２３Ｂは形成していない。

基板１１と基板２１は接着剤などにより接着する。基板１１と基板２１の間の金属パターン１２Ｂがグランドとなり、基板２１、金属パターン１２Ｂ，２２Ａ，２２Ｂによって裏面グランド付きコプレーナ線路が構成される。裏面グランドが存在することにより、コプレーナ線路の基板方向の電界が準同軸構造へ及ぼす影響が低減される。

なお、基板２１の線路には、コプレーナ線路の代わりにマイクロストリップ線路を用いてもよい。

また、基板２１のコプレーナ線路のグランド線部分と基板１１の金属パターン１２Ｂの電位を等電位にするために、図４に示すようにグランド線部分に基板２１を貫通する追加のビア２３Ｃを設けてもよい。

次に、本実施の形態における誘電分光センサの製造について説明する。

図５は、本実施の形態における誘電分光センサの製造工程の一例を示す工程図である。

基板を所定のサイズにカットし、基板１１，２１を作製する（ステップＳ１）。基板１１，２１のビア１３Ａ，１３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂに対応する位置にスルーホールを形成し（ステップＳ２）、スルーホールにビア金属を充填してビア１３Ａ，１３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂを形成する（ステップＳ３）。ビア１３Ａ，１３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂの形成後、基板１１，２１の表面を研磨する（ステップＳ４）。基板１１，２１の表面に所定の金属パターンを形成する（ステップＳ５）。基板１１，２１を貼り合わせて誘電分光センサを得る（ステップＳ６）。

スルーホールにビア金属を充填したとき、基板１１，２１の表面の金属部分の直径はビア径よりも大きくなることがある。各基板１１，２１の接続、および試料との接触部分での不要なインダクタンス、キャパシタンスが生じるのを防ぐため、金属充填を行ったのち、各基板１１，２１の両面を研磨することにより理想的な準同軸構造を形成できる。

次に、試料の複素誘電率の測定について説明する。

図６は、誘電分光センサの試料を接着する部分の等価回路である。ここで、Ｃ_fは誘電分光センサのフランジキャパシタンス、Ｃ₀（ε_m ^*），Ｇ₀（ε_m ^*）は開口部のキャパシタンスと放射コンダクタンスであり、試料の複素誘電率の関数となっている。

所望の周波数、例えば１０ＭＨｚ−５０ＧＨｚを掃引し、その反射係数を測定することで、以下の式（１）、式（２）に基づいて試料の複素誘電率を測定できる。

ここで、ε^*は未知試料の誘電率、ε_i ^*（ｉ＝Ａ，Ｂ，Ｃ）は標準試料の誘電率である。ρ^*は複素反射係数で、測定で得られた反射係数をΓ_i、位相をφ_iとするとき、以下のように記述できる。

標準試料としては、空気、金属、液体試料を用いる。金属としては、銅、インジウム、水銀、金などを用いる。液体試料としては純水、メタノール、エタノール、ホルムアミドなどを用いる。

図７は、本実施の形態の誘電分光センサを用いた測定系の例を示す図である。

図７（ａ）に示すように、誘電分光センサのコプレーナ線路部分に高周波コネクタ３を接続する。高周波コネクタ３には、例えばＫコネクタ、Ｖコネクタ、１ｍｍコネクタ、ＧＰＰＯコネクタ、Ｇ３ＰＯコネクタを用いる。

図７（ｂ）に示すように、誘電分光センサは高周波ケーブルによって測定器４に接続される。測定器４として、ベクトルネットワークアナライザ、インピーダンスアナライザ、リフレクトメータなどを用いる。高周波ケーブルは、例えばセミリジッドケーブルやソフトリジッドケーブルを用い、伝送帯域は例えばＤＣから数十ＧＨｚのものを用いる。

あるいは、誘電分光センサに高周波コネクタ３を接続する代わりに、高周波ケーブルにＧＳＧプローブを装着し、誘電分光センサの線路部分にプローブを当てて測定してもよい。

以上のような方法で測定系を構築し、試料１００を誘電分光センサの試料配置面の準同軸構造に接触させた状態でセンサの反射係数を測定し、式（１），式（２）を用いることで、試料１００の複素誘電率を求めることができる。

別の測定系として、基板上に誘電分光センサを実装してもよい。

例えば、図８に示すように、誘電分光センサのコプレーナ線路部分をボンディングワイヤ５１によって測定ＩＣ５に電気的に接続する。あるいは、図９に示すように、フリップチップ実装により誘電分光センサと測定ＩＣ５とを電気的に接続してもよい。測定ＩＣ５は、複数のＩＣチップで構成され、上記の測定器と同様の機能を持つ。

以上説明したように、本実施の形態によれば、基板１１，２１に、ビア１３Ａ，２３Ａが内部導体となり、ビア１３Ｂ，２３Ｂが外部導体となるように準同軸構造を構成して基板１１表面に準同軸構造を同軸プローブとして用いる試料配置面を設け、基板２１表面にコプレーナ線路又はマイクロストリップ線路を設け、線路のシグナル線となる金属パターン２２Ａと内部導体となるビア２３Ａを接続することにより、平面型の準同軸型センサを形成でき、生体への取り付け、固定が容易であって、高いＳ／Ｎ比で反射係数を測定可能な誘電分光センサの提供が可能となる。

１１…基板
１２Ａ，１２Ｂ…金属パターン
１３Ａ，１３Ｂ…ビア
２１…基板
２２Ａ，２２Ｂ…金属パターン
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…ビア
３…高周波コネクタ
４…測定器
５…測定ＩＣ
５１…ボンディングワイヤ
１００…試料

Claims

ビアによって構成した準同軸構造を同軸プローブとして反射係数を測定する誘電分光センサであって、
第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板を貫通して配置された第１ビアと、
前記第１の誘電体基板を貫通して、前記第１ビアを中心とした円状に配置された複数の第２ビアと、
前記第１の誘電体基板に重ねて配置された第２の誘電体基板と、
前記第１ビアに対応する位置において前記第２の誘電体基板を貫通して配置された第３ビアと、
前記第２の誘電体基板の前記第１の誘電体基板を重ねていない面に前記第３ビアと導通して配置された信号線路と、
前記信号線路と導通しない位置の前記第２ビアに対応する位置において前記第２の誘電体基板を貫通して配置された複数の第４ビアと、
前記信号線路のグランド部分において前記信号線路に沿って前記第２の誘電体基板を貫通して配置された第５ビアと、
前記第１の誘電体基板と前記第２の誘電体基板との間に、前記第２ビア、前記第４ビア、および前記第５ビアと導通するグランド板と、
を有することを特徴とする誘電分光センサ。
前記信号線路は、コプレーナ線路であることを特徴とする請求項１に記載の誘電分光センサ。