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JP6196191B2 - measuring device - Google Patents
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Description

本発明は、誘電分光法により試料を測定する測定装置に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus for measuring a sample by dielectric spectroscopy.

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、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。   With the aging of society, dealing with adult diseases is becoming a major issue. In blood glucose level and other tests, blood collection is necessary, which places a heavy burden on the patient. Therefore, a non-invasive component concentration measurement apparatus that does not collect blood has attracted attention.

非侵襲な成分濃度測定装置として、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、測定対象とする血液成分、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。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるに至っていない。   Dielectric spectroscopy has been proposed as a noninvasive component concentration measuring apparatus. Dielectric spectroscopy irradiates the skin with electromagnetic waves, absorbs electromagnetic waves according to the interaction of blood components to be measured, for example, glucose molecules and water, and observes the amplitude and phase of the electromagnetic waves. However, the interaction between glucose and electromagnetic waves is small, and there is a limit to the intensity of electromagnetic waves that can be safely irradiated on a living body, so that it has not been sufficiently effective in measuring blood sugar levels in living bodies.

従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波帯において、ベクトルネットワークアナライザ(Vector Network Analyzer:以下VNA)に接続した同軸型プローブを用いた反射型測定による誘電分光測定がある(例えば、特許文献1参照)。   As a conventional measurement method, there is dielectric spectroscopic measurement by reflection measurement using a coaxial probe connected to a vector network analyzer (hereinafter referred to as VNA) in a microwave to millimeter wave band (for example, Patent Document 1). reference).

図12および図13は、従来の誘電分光法による成分濃度測定装置を示す構成例である。誘電測定同軸プローブは、プローブから生じる電界分布が測定試料に接触することで測定を行う。測定試料は、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液である。誘電測定同軸プローブは、GSGとなる3つの導体で形成される。非特許文献1にも記載されるように同軸型プローブを用いた複素誘電率を測定する方法として一般的であり、開放端の同軸線路は液体の測定に適している。   FIG. 12 and FIG. 13 are configuration examples showing a conventional component concentration measuring apparatus using dielectric spectroscopy. The dielectric measurement coaxial probe performs measurement by contacting an electric field distribution generated from the probe with a measurement sample. The measurement sample is a solution in which a background component and a target component are mixed. The dielectric measurement coaxial probe is formed of three conductors serving as GSG. As described in Non-Patent Document 1, it is a general method for measuring a complex dielectric constant using a coaxial probe, and an open-ended coaxial line is suitable for liquid measurement.

開放端からは無限遠境界を前提として反射信号から複素誘電率が計算される。試料に信号を印加し、反射係数と位相を周波数領域で測定する。反射係数/位相スペクトルを得るために印加する信号の周波数を掃引する。測定したスペクトルから複素誘電率は、次の式(1)で算出が可能である。   From the open end, the complex permittivity is calculated from the reflected signal on the premise of an infinite boundary. A signal is applied to the sample, and the reflection coefficient and phase are measured in the frequency domain. The frequency of the applied signal is swept to obtain the reflection coefficient / phase spectrum. From the measured spectrum, the complex dielectric constant can be calculated by the following equation (1).

Figure 0006196191
ここで、ε*は未知試料の誘電率、εi *(i=A,B,C)は標準試料の誘電率である。ρ*は、複素反射係数であって、測定で得られた反射係数をΓi、位相をφiとするとき、以下の式(2)のように記述できる。
Figure 0006196191
Here, ε * is the dielectric constant of the unknown sample, and ε i * (i = A, B, C) is the dielectric constant of the standard sample. ρ * is a complex reflection coefficient, and can be described as the following equation (2), where Γ i is the reflection coefficient obtained by measurement and φ i is the phase.

Figure 0006196191
ρiはそれぞれ標準試料の測定結果に対応し、ρ*は未知試料の測定結果を表す。キャリブレーション測定では、標準試料Aとして空気中での開放、標準試料Bとして短絡、標準試料Cとして誘電率のわかっている純水を用いる。短絡するときは終端部分で不要なインダクタンスを生じないように特殊な治具を用いて固定/終端する必要がある。
Figure 0006196191
ρ i corresponds to the measurement result of the standard sample, and ρ * represents the measurement result of the unknown sample. In the calibration measurement, the standard sample A is opened in the air, the standard sample B is short-circuited, and the standard sample C is pure water having a known dielectric constant. When short-circuiting, it is necessary to fix / terminate by using a special jig so as not to generate unnecessary inductance at the termination portion.

またマイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、THz帯において誘電分光装置がある(例えば、特許文献2参照)。図14に示す従来例では、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式電磁波分光測定システムを示す。本システムは、第1連続波光源901aおよび第2連続波光源901bと、第1スプリッタ902aおよび第2スプリッタ902bと、第1カプラ903aおよび第2カプラ903bと、光位相変調器904と、第1フォトミキサ905aおよびフォトミキサとTHzミキサとの両機能を一体化させた第3フォトミキサ905cとで主に構成されている。図14に示す従来例において第3フォトミキサ905cは、第1フォトミキサ905aから発振されたTHz波を、レンズ908を用いて試料100に透過または反射させて受信するとともに、光位相変調器904で位相変調された連続光波を受信して、これらをホモダインミキシングする。   In the frequency band from microwave to millimeter wave or more, there is a dielectric spectroscopic device in the THz band (see, for example, Patent Document 2). The conventional example shown in FIG. 14 shows a homodyne detection electromagnetic wave spectroscopic measurement system using a continuously oscillating light source. The system includes a first continuous wave light source 901a and a second continuous wave light source 901b, a first splitter 902a and a second splitter 902b, a first coupler 903a and a second coupler 903b, an optical phase modulator 904, It is mainly configured by a photomixer 905a and a third photomixer 905c in which both functions of the photomixer and the THz mixer are integrated. In the conventional example shown in FIG. 14, the third photomixer 905 c receives the THz wave oscillated from the first photomixer 905 a by transmitting or reflecting it on the sample 100 using the lens 908, and at the optical phase modulator 904. Phase-modulated continuous light waves are received and homodyne mixed.

THz帯ではレンズを用いた疑似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。なおフリースペース法は非特許文献1にも記載されるようにミリ波帯でも用いられる。   In the THz band, it is common to measure a complex dielectric constant of a measurement object by a free space method using a pseudo optical system using a lens. The free space method is also used in the millimeter wave band as described in Non-Patent Document 1.

以上のように、観測される電波の周波数に対応する信号の振幅や位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。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間があり、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間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。   As described above, the dielectric relaxation spectrum is calculated from the amplitude and phase of the signal corresponding to the frequency of the observed radio wave. Generally, it is expressed as a linear combination of relaxation curves based on the Cole-Cole equation, and the complex permittivity is calculated. In the measurement of biological components, for example, the amount of blood components such as glucose and cholesterol contained in blood has a complex dielectric constant, and is measured as an electrical signal (amplitude, phase) corresponding to the change. A calibration model is constructed by measuring in advance the phase between the complex permittivity change and the component concentration, and the component concentration is calibrated from the measured change in the dielectric relaxation spectrum.

特開2005−69779号公報JP 2005-69779 A 特開2013−32933号公報JP 2013-32933 A

Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, ”A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.13, No.4 Aug. 2006.Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.13, No.4 Aug. 2006.

しかしながら従来の測定装置において、マイクロ波からミリ波帯、THz帯などの広い周波数帯を測定することは困難である場合がある。例えば、図12および図13に示す誘電分光法による測定装置において測定しようとした際には、同軸プローブのグランドと信号線寸法(GSGの電極間隔)により測定周波数が制限されるため、THz帯までの高周波帯を1つの同軸型プローブでは帯域を取ることが困難である。また、各周波数帯を測定するために、それぞれ異なるVNAを設定する場合もある。一方、図14に示すTHz帯における誘電分光による測定システムをマイクロ波帯で使用する際には、アンテナの広帯域化が難しいため、マイクロ波の発生が困難であるという課題があった。   However, in the conventional measuring apparatus, it may be difficult to measure a wide frequency band from microwave to millimeter wave band, THz band and the like. For example, when measurement is performed in the measurement apparatus using dielectric spectroscopy shown in FIGS. 12 and 13, the measurement frequency is limited by the ground of the coaxial probe and the signal line dimension (GSG electrode interval), so that the frequency range is up to the THz band. It is difficult to obtain a high frequency band with a single coaxial probe. In addition, different VNAs may be set for measuring each frequency band. On the other hand, when the measurement system using dielectric spectroscopy in the THz band shown in FIG. 14 is used in the microwave band, there is a problem that it is difficult to generate microwaves because it is difficult to widen the antenna band.

従って、広帯域なスペクトルデータの取得には、図12および図13における測定装置において異なるプローブを付け替えたり、図14における誘電分光による測定システムに試料を装着したりして、複数回の測定が必要であった。これにより、試料測定に時間を要するので、試料の温度や圧力の変化や乾燥により、測定再現性や測定精度が得られない課題があった。   Therefore, in order to acquire broadband spectrum data, a plurality of measurements are required by changing different probes in the measurement apparatus in FIGS. 12 and 13 or mounting a sample on the measurement system using dielectric spectroscopy in FIG. there were. Accordingly, since it takes time to measure the sample, there has been a problem that measurement reproducibility and measurement accuracy cannot be obtained due to changes in temperature and pressure of the sample and drying.

従って本発明の目的は、誘電分光法により、同一試料を同時に広帯域で測定可能な測定装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a measuring apparatus capable of measuring the same sample simultaneously in a wide band by dielectric spectroscopy.

上記課題を解決するために、本発明の第1の特徴は、誘電分光法により試料を測定する測定装置に関する。即ち本発明の第1の特徴に係る測定装置は、試料を設置する開口部を設け、誘電体層で形成される誘電率測定用基板と、誘電率測定用基板の開口部の周辺部に形成される同軸型プローブ配線であって、試料の誘電分光を検出する検出部と、を備える。同軸型プローブ配線には、ベクトルネットワークアナライザが接続され、開口部において、THz波発振器から出力されたTHz波が集束またはコリメートされ、集束またはコリメートされた後のTHz波をTHz波受信器に受信させる。   In order to solve the above-mentioned problem, a first feature of the present invention relates to a measuring apparatus for measuring a sample by dielectric spectroscopy. That is, the measuring apparatus according to the first feature of the present invention is provided with an opening for installing a sample, and is formed on a dielectric constant measurement substrate formed of a dielectric layer and on the periphery of the opening of the dielectric constant measurement substrate. And a detection unit that detects dielectric spectroscopy of the sample. A vector network analyzer is connected to the coaxial probe wiring, and the THz wave output from the THz wave oscillator is focused or collimated at the opening, and the THz wave after being focused or collimated is received by the THz wave receiver. .

ここで開口部に、THz波が透過する窓板が設けられても良い。窓板は、THz波の反射を防止する反射防止部を備えても良い。   Here, a window plate through which the THz wave is transmitted may be provided in the opening. The window plate may include an antireflection portion that prevents reflection of THz waves.

また検出部は、特性インピーダンスの異なる複数の同軸型プローブ配線であって、複数の同軸型プローブ配線は、それぞれ、ベクトルネットワークアナライザに接続されても良い。同軸型プローブ配線は、当該同軸型プローブ配線の特性インピーダンスに整合するストリップ線路を介して、それぞれ、ベクトルネットワークアナライザに接続されても良い。   The detection unit may be a plurality of coaxial probe wires having different characteristic impedances, and each of the plurality of coaxial probe wires may be connected to a vector network analyzer. Each of the coaxial probe wires may be connected to the vector network analyzer via a strip line that matches the characteristic impedance of the coaxial probe wire.

本発明の第2の特徴は、誘電分光法により試料を測定する測定装置に関する。即ち本発明の第2の特徴に係る測定装置は、試料を設置する開口部を設け、誘電体層で形成される誘電率測定用基板と、誘電率測定用基板の開口部の周辺部に形成される複数の同軸型プローブ配線であって、試料のマイクロ波からミリ波帯における誘電分光を検出する検出部を備える。複数の同軸型プローブ配線は、特性インピーダンスが異なり、それぞれ、ベクトルネットワークアナライザに接続される。 The second feature of the present invention relates to a measuring apparatus for measuring a sample by dielectric spectroscopy. That is, the measuring apparatus according to the second feature of the present invention is provided with an opening for placing a sample, and is formed on a dielectric constant measurement substrate formed of a dielectric layer and on a peripheral portion of the dielectric constant measurement substrate opening. A plurality of coaxial probe wirings, including a detection unit that detects dielectric spectroscopy in the millimeter wave band from the microwave of the sample. The plurality of coaxial probe wires have different characteristic impedances and are connected to the vector network analyzer.

ここで同軸型プローブ配線は、当該同軸型プローブ配線の特性インピーダンスに整合するストリップ線路を介して、それぞれ、ベクトルネットワークアナライザに接続されても良い。   Here, the coaxial probe wiring may be connected to the vector network analyzer via a strip line that matches the characteristic impedance of the coaxial probe wiring.

本発明によれば、誘電分光法により、同一試料を同時に広帯域で測定可能な測定装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the measuring apparatus which can measure the same sample simultaneously in a wide band by dielectric spectroscopy can be provided.

本発明の実施の形態に係る測定装置の外観を説明する図である。It is a figure explaining the external appearance of the measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る測定装置の断面を説明する図である。It is a figure explaining the cross section of the measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る測定装置のマイクロ波帯ないしミリ波帯の測定システムを説明する図である。It is a figure explaining the measurement system of the microwave zone | band or millimeter wave band of the measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る測定装置の信号線を説明する図である。It is a figure explaining the signal wire | line of the measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る測定装置のTHz波帯の測定システムを説明する図である。It is a figure explaining the measurement system of the THz wave band of the measuring device concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係る測定装置のTHz波帯の測定システムの拡大図である。It is an enlarged view of the measurement system of the THz wave band of the measuring device concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係る測定装置による測定結果の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the measurement result by the measuring device concerning an embodiment of the invention. 本発明の第1の変形例に係る測定装置のTHz波帯の測定システムを説明する図である。It is a figure explaining the measurement system of the THz wave band of the measuring device concerning the 1st modification of the present invention. 本発明の第2の変形例に係る測定装置の外観を説明する図である。It is a figure explaining the external appearance of the measuring apparatus which concerns on the 2nd modification of this invention. 本発明の第2の変形例に係る測定装置の断面を説明する図である。It is a figure explaining the cross section of the measuring apparatus which concerns on the 2nd modification of this invention. 本発明の第2の変形例に係る測定装置のマイクロ波帯ないしミリ波帯の測定システムを説明する図である。It is a figure explaining the measurement system of the microwave zone | band or millimeter wave band of the measuring apparatus which concerns on the 2nd modification of this invention. 従来のマイクロ波からミリ波帯における誘電分光法による測定装置を説明する図である。It is a figure explaining the measuring apparatus by the dielectric spectroscopy in the conventional microwave to millimeter wave band. 従来のマイクロ波からミリ波帯における誘電分光法による測定装置において、プローブから生じる電界分布を説明する図である。It is a figure explaining the electric field distribution which arises from a probe in the measuring device by the dielectric spectroscopy in the conventional microwave to millimeter wave band. 従来のTHz帯における誘電分光による測定システムを説明する図である。It is a figure explaining the measurement system by the dielectric spectroscopy in the conventional THz band.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals.

(実施の形態)
図1ないし図3を参照して、本発明の実施の形態に係る測定装置1を説明する。測定装置1は、誘電分光法により試料を測定する。具体的には測定装置1は、誘電分光法を用いた対象成分の成分濃度、特に、被測定物を人間又は動物とした非侵襲な成分濃度を測定することができる。
(Embodiment)
With reference to FIG. 1 thru | or FIG. 3, the measuring apparatus 1 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. The measuring device 1 measures a sample by dielectric spectroscopy. Specifically, the measuring apparatus 1 can measure the component concentration of the target component using dielectric spectroscopy, particularly the non-invasive component concentration in which the object to be measured is a human or an animal.

図1ないし図3に示すように、測定装置1は、基板10、誘電率測定用基板11、試料用開口部12、窓板13および検出部14を備える。図2に示すように、基板10の上に、誘電率測定用基板11が設けられ、基板10の下および誘電率測定用基板11の上に、それぞれ窓板13が設けられる。また、基板10および誘電率測定用基板11の中央近辺に、基板10および誘電率測定用基板11を貫通する試料用開口部12が設けられ、窓板13は、試料用開口部12を覆うように設けられる。図3に示すように、検出部14は、誘電率測定用基板11の試料用開口部12の周辺に設けられる。   As shown in FIGS. 1 to 3, the measuring apparatus 1 includes a substrate 10, a dielectric constant measurement substrate 11, a sample opening 12, a window plate 13, and a detection unit 14. As shown in FIG. 2, a dielectric constant measurement substrate 11 is provided on the substrate 10, and a window plate 13 is provided below the substrate 10 and on the dielectric constant measurement substrate 11. Further, a sample opening 12 penetrating the substrate 10 and the dielectric constant measurement substrate 11 is provided in the vicinity of the center of the substrate 10 and the dielectric constant measurement substrate 11, and the window plate 13 covers the sample opening 12. Is provided. As shown in FIG. 3, the detection unit 14 is provided around the sample opening 12 of the dielectric constant measurement substrate 11.

図1に示す例において、基板10、誘電率測定用基板11、試料用開口部12および窓板13は、それぞれ矩形で、それぞれの部材の中心が一致するように積層される場合を説明するが、これに限られない。   In the example shown in FIG. 1, a case will be described in which the substrate 10, the dielectric constant measurement substrate 11, the sample opening 12 and the window plate 13 are each rectangular and are laminated so that the centers of the respective members coincide. Not limited to this.

基板10の各辺に、第1のコネクタC1、第2のコネクタC2、第3のコネクタC3および第4のコネクタC4が設けられ、各コネクタは、第1のケーブルK1、第2のケーブルK2、第3のケーブルK3および第4のケーブルK4に接続する。   A first connector C1, a second connector C2, a third connector C3, and a fourth connector C4 are provided on each side of the substrate 10, and each connector includes a first cable K1, a second cable K2, Connect to the third cable K3 and the fourth cable K4.

第1のコネクタC1、第2のコネクタC2、第3のコネクタC3および第4のコネクタC4は、それぞれ異なる同軸サイズに調整されており、所定の周波数を測定可能である。第1のコネクタC1、第2のコネクタC2、第3のコネクタC3および第4のコネクタC4は、SMAコネクタやKコネクタであって、図3に示すように、誘電率測定用基板11とGSG接続する。   The first connector C1, the second connector C2, the third connector C3, and the fourth connector C4 are adjusted to different coaxial sizes, respectively, and can measure a predetermined frequency. The first connector C1, the second connector C2, the third connector C3, and the fourth connector C4 are SMA connectors and K connectors, and are connected to the dielectric constant measurement substrate 11 and GSG as shown in FIG. To do.

第1のコネクタC1、第2のコネクタC2、第3のコネクタC3および第4のコネクタC4を総称して、コネクタCと称する場合がある。また、第1のケーブルK1、第2のケーブルK2、第3のケーブルK3および第4のケーブルK4を総称して、ケーブルKと称する場合がある。図1に示す例で、コネクタCおよびケーブルKが、それぞれ4つの場合を説明するが、これに限られない。   The first connector C1, the second connector C2, the third connector C3, and the fourth connector C4 may be collectively referred to as a connector C. In addition, the first cable K1, the second cable K2, the third cable K3, and the fourth cable K4 may be collectively referred to as a cable K. In the example shown in FIG. 1, the case where there are four connectors C and four cables K will be described, but the present invention is not limited to this.

誘電率測定用基板11は、試料を設置する試料用開口部12(開口部)を設け、誘電体層で形成される。誘電率測定用基板11は、数センチ×数センチ角である。誘電率測定用基板11の材料は、PCB等を用いる。誘電率測定用基板11は、例えば,セラミックス材料の一種であるLTCC(Low Temperature Confired Ceramics)材料により多層で形成する。誘電体層の材料はLTCCの他に、セラミックス、セラミックスとガラスフィラーを混入したセラミックス混合材料、ポリイミド等のポリマー材料でも良い。   The dielectric constant measurement substrate 11 is provided with a sample opening 12 (opening) for installing a sample, and is formed of a dielectric layer. The dielectric constant measurement substrate 11 is several centimeters × several centimeters square. PCB or the like is used as the material for the dielectric constant measurement substrate 11. The dielectric constant measurement substrate 11 is formed in multiple layers using, for example, LTCC (Low Temperature Confired Ceramics) material which is a kind of ceramic material. In addition to LTCC, the dielectric layer material may be ceramics, a ceramic mixed material in which ceramics and glass filler are mixed, or a polymer material such as polyimide.

誘電率測定用基板11は、図2に示すように、金属からなる信号出力部15を介して、基板およびコネクタCと接続しても良い。これにより誘電率測定用基板11は、信号出力部15を介して、コネクタCからの信号を検出部14に出力し、検出部14の信号をコネクタCに出力することができる。   As shown in FIG. 2, the dielectric constant measurement substrate 11 may be connected to the substrate and the connector C through a signal output unit 15 made of metal. Thereby, the dielectric constant measurement substrate 11 can output the signal from the connector C to the detection unit 14 and the signal of the detection unit 14 to the connector C via the signal output unit 15.

試料用開口部12は、基板10および誘電率測定用基板11の中央に貫通して設けられ、試料用開口部12内をTHz波が透過する構造である。図5に示すように、試料用開口部12において、THz波発振器21から出力されたTHz波が集束またはコリメートされ、集束またはコリメートされた後のTHz波をTHz波受信器22に受信させる構成となる。試料用開口部12は、THz波の集束ビームのサイズ以上である必要があり、その形状は正方形でも良く、長方形、多角形、円形でも良い。   The sample opening 12 is provided so as to penetrate through the center of the substrate 10 and the dielectric constant measurement substrate 11, and has a structure that allows THz waves to pass through the sample opening 12. As shown in FIG. 5, the THz wave output from the THz wave oscillator 21 is focused or collimated in the sample opening 12, and the THz wave after being focused or collimated is received by the THz wave receiver 22. Become. The sample opening 12 needs to be equal to or larger than the size of the focused beam of the THz wave, and the shape thereof may be a square, a rectangle, a polygon, or a circle.

窓板13は、入射側(図2の画面左側)で基板10に接する窓板13aと、出射側(図2の画面右側)で誘電率測定用基板11に接する窓板13bを備え、それぞれ、試料用開口部12を覆う。窓板13は、THz波が透過するとともに、試料用開口部12に液体や気体の測定試料を封入することができる。窓板13は、固体試料の場合は不要である。窓板13のサイズは、数ミリ×数ミリ角、数ミリ厚である。窓板13の材料は、高抵抗Si,Zカット水晶、HDPE、TPX、Tsurupica等、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。   The window plate 13 includes a window plate 13a in contact with the substrate 10 on the incident side (left side of the screen in FIG. 2) and a window plate 13b in contact with the dielectric constant measurement substrate 11 on the emission side (right side of the screen in FIG. 2). The sample opening 12 is covered. The window plate 13 is capable of transmitting a THz wave and enclosing a liquid or gas measurement sample in the sample opening 12. The window plate 13 is not necessary in the case of a solid sample. The size of the window plate 13 is several millimeters × several millimeters square and several millimeters thick. As the material of the window plate 13, a material having a high transmittance is selected according to the measurement frequency, such as a high resistance Si, Z cut crystal, HDPE, TPX, Tsurupica.

検出部14は、誘電率測定用基板11の試料用開口部12の周辺部に形成される同軸型プローブ配線Pであって、試料の誘電分光を検出する。検出部14は、プローブから生じる電界分布が測定試料に接触することにより測定可能な位置に設けられる。図3に示す例において検出部14は、各コネクタに対応して、GSGからなる、4つの同軸型プローブ配線Pを備える。本発明の実施の形態では4つの同軸型プローブ配線Pを備える例を示したが、4つに限定されるものではない。   The detection unit 14 is a coaxial probe wiring P formed around the sample opening 12 of the dielectric constant measurement substrate 11 and detects dielectric spectroscopy of the sample. The detection unit 14 is provided at a position where the electric field distribution generated from the probe can be measured by contacting the measurement sample. In the example shown in FIG. 3, the detection unit 14 includes four coaxial probe wires P made of GSG corresponding to each connector. In the embodiment of the present invention, an example in which four coaxial probe wires P are provided has been described, but the number is not limited to four.

検出部14は、特性インピーダンスの異なる複数の同軸型プローブ配線Pである。複数の同軸型プローブ配線Pは、それぞれ、第1のVNA(ベクトルネットワークアナライザ)V1、第2のVNA V2、第3のVNA V3、および第4のVNA V4に接続される。このとき、検出部14の同軸型プローブ配線Pは、当該同軸型プローブ配線Pの特性インピーダンスに整合するストリップ線路Rを介して、それぞれ、第1のVNA V1、第2のVNA V2、第3のVNA V3、および第4のVNA V4に接続される。   The detection unit 14 is a plurality of coaxial probe wires P having different characteristic impedances. The plurality of coaxial probe wirings P are connected to a first VNA (Vector Network Analyzer) V1, a second VNA V2, a third VNA V3, and a fourth VNA V4, respectively. At this time, the coaxial probe wiring P of the detecting unit 14 is connected to the first VNA V1, the second VNA V2, and the third VNA V2 via the strip line R that matches the characteristic impedance of the coaxial probe wiring P, respectively. Connected to VNA V3 and fourth VNA V4.

図2に示すように、本発明の実施の形態において検出部14は、誘電率測定用基板11の中に設けられる。ほかの実施例において検出部14は、誘電率測定用基板11の表面に設けられても良い。   As shown in FIG. 2, in the embodiment of the present invention, the detection unit 14 is provided in the dielectric constant measurement substrate 11. In another embodiment, the detection unit 14 may be provided on the surface of the dielectric constant measurement substrate 11.

図4を参照して、コネクタCから同軸型プローブ配線Pへの接続を説明する。基板10上に、コネクタCが設置され、コネクタCは、コネクタ接続部CCを介して、誘電率測定用基板11に接続する。誘電率測定用基板11には、ストリップ線路Rおよび同軸型プローブ配線Pが設けられ、同軸型プローブ配線Pが、同軸型プローブ配線Pから生じる電界分布が試料に接触することで検出する検出部14を形成する。   The connection from the connector C to the coaxial probe wiring P will be described with reference to FIG. A connector C is installed on the substrate 10, and the connector C is connected to the dielectric constant measurement substrate 11 via the connector connecting portion CC. The dielectric constant measurement substrate 11 is provided with a strip line R and a coaxial probe wiring P, and the coaxial probe wiring P detects the electric field distribution generated from the coaxial probe wiring P by contacting the sample. Form.

コネクタCおよびコネクタ接続部CCは、GSGを形成する。同軸型プローブ配線Pは、所与の周波数帯を測定するために、所定の電極間隔を有する。測定装置1が備える4つの同軸型プローブ配線Pのそれぞれにおいて、異なる周波数帯を測定可能なように、各同軸型プローブ配線Pは、異なる電極間隔を有する。同軸型プローブ配線P(検出部14)からの反射信号により、測定試料が無限遠まで存在するモデルを仮定して、複素誘電率が導出される。従って、測定周波数によってGSGの同軸型プローブ配線Pの周辺部の設計や試料用開口部12のサイズは、適宜変更される。   The connector C and the connector connection part CC form a GSG. The coaxial probe wiring P has a predetermined electrode interval in order to measure a given frequency band. In each of the four coaxial probe wirings P provided in the measuring apparatus 1, each coaxial probe wiring P has a different electrode interval so that different frequency bands can be measured. A complex dielectric constant is derived from a reflection signal from the coaxial probe wiring P (detection unit 14) assuming a model in which a measurement sample exists up to infinity. Accordingly, the design of the peripheral portion of the GSG coaxial probe wiring P and the size of the sample opening 12 are appropriately changed depending on the measurement frequency.

ストリップ線路Rは、コネクタ接続部CCおよび同軸型プローブ配線Pを接続し、同軸型プローブ配線Pの特性インピーダンスに整合する。ストリップ線路Rは、VNAに整合するように、インピーダンス50Ωである。ストリップ線路Rは、ストリップ線路Rが接続する同軸型プローブ配線Pの周波数帯に応じて、ロスを低減するように設計される。ストリップ線路Rは、例えば、導体幅100-300μm、間隔50μmであり、ストリップ線路Rの導体材料は、Au、Cu、Al等が用いられる。   The strip line R connects the connector connecting portion CC and the coaxial probe wiring P and matches the characteristic impedance of the coaxial probe wiring P. The strip line R has an impedance of 50Ω so as to match the VNA. The strip line R is designed so as to reduce the loss according to the frequency band of the coaxial probe wiring P to which the strip line R is connected. The strip line R has, for example, a conductor width of 100-300 μm and an interval of 50 μm, and the conductor material of the strip line R is Au, Cu, Al or the like.

本発明の実施の形態に係る測定装置1は、図3に示すように4つのVNAを接続し、それぞれに対応する周波数帯を異ならせることにより、広帯域測定が可能となる。誘電率測定用基板11上に検出部14であるGSG配線が形成されており、プローブから生じる電界分布が測定試料に接触することで検出することを可能とする。   The measurement apparatus 1 according to the embodiment of the present invention enables wideband measurement by connecting four VNAs as shown in FIG. 3 and changing the frequency band corresponding to each VNA. A GSG wiring serving as the detection unit 14 is formed on the dielectric constant measurement substrate 11, and the electric field distribution generated from the probe can be detected by contacting the measurement sample.

次に、図5および図6を参照して、本発明の実施の形態に係る測定装置1をTHz帯フリースペース分光光学系に導入する例を説明する。THz帯フリースペース分光光学系に導入する場合、測定装置1は、さらに、THz波発振器21、THz波受信器22、低雑音増幅器23およびロックインアンプ24を有する測定システムに用いられる。   Next, an example in which the measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention is introduced into a THz band free space spectroscopic optical system will be described with reference to FIGS. 5 and 6. When introduced into a THz band free space spectroscopic optical system, the measuring apparatus 1 is further used in a measuring system having a THz wave oscillator 21, a THz wave receiver 22, a low noise amplifier 23, and a lock-in amplifier 24.

THz波発振器21は、レンズL1を介して、試料用開口部12において、THz波を集束またはコリメートするように、THz波を照射する。THz波受信器22は、レンズL2を介して、集束またはコリメートされた後のTHz波を受信する。THz波発振器21は、図14に示す第1フォトミキサ905aに対応し、THz波受信器22は、第3フォトミキサ905cに対応する。低雑音増幅器23は、THz波が受信した信号を、雑音を抑えて増幅する。ロックインアンプ24は、低雑音増幅器23から出力された信号中の繰り返し信号を検出する。   The THz wave oscillator 21 irradiates the THz wave through the lens L1 so that the THz wave is focused or collimated in the sample opening 12. The THz wave receiver 22 receives the THz wave after being focused or collimated through the lens L2. The THz wave oscillator 21 corresponds to the first photomixer 905a shown in FIG. 14, and the THz wave receiver 22 corresponds to the third photomixer 905c. The low noise amplifier 23 amplifies the signal received by the THz wave while suppressing noise. The lock-in amplifier 24 detects a repetitive signal in the signal output from the low noise amplifier 23.

窓板13の表面には、図6に示すように、反射防止部Qが設けられる。反射防止部Qは、ウェッジや凹凸が形成されており、THz波の多重反射を防止する。図5に示す例において反射防止部Qは、入射側の窓板13aおよび出射側の窓板13bのそれぞれにおいて、THz波の入射側および出射側に設けられる場合を説明するが、これに限られない。例えば、入射側の窓板13aの入射側と、出射側の窓板13bの出射側に、反射防止部Qを備え、入射側の窓板13aの出射側と、出射側の窓板13bの入射側に備えない構造でも良い。   As shown in FIG. 6, an antireflection portion Q is provided on the surface of the window plate 13. The antireflection part Q is formed with wedges and irregularities and prevents multiple reflection of THz waves. In the example shown in FIG. 5, the case where the antireflection portion Q is provided on the incident side and the emission side of the THz wave in each of the incident side window plate 13a and the emission side window plate 13b will be described. Absent. For example, the antireflection part Q is provided on the incident side of the incident side window plate 13a and the emission side of the emission side window plate 13b, and the incident side of the incident side window plate 13a and the incidence side of the emission side window plate 13b are provided. A structure not provided on the side may be used.

以上のような構成により、本発明の実施の形態に係る測定装置1は、試料を試料用開口部12に設置した後、検出部14のそれぞれの同軸型プローブ配線Pが検出するとともに、THz波を試料用開口部12に集束またはコリメートさせる。これにより、同一の試料を、温度や圧力の変化や乾燥が生じる前に、短時間で、広い周波数の誘電分光を生じさせ、測定することができる。   With the configuration as described above, the measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention detects a THz wave while detecting each coaxial probe wiring P of the detection unit 14 after the sample is placed in the sample opening 12. Is focused or collimated on the sample opening 12. Thus, the same sample can be measured by generating dielectric spectroscopy of a wide frequency in a short time before temperature or pressure change or drying occurs.

図7を参照して、本発明の実施の形態に係る測定装置1の測定結果を説明する。図7は、異なるグルコース濃度における3種類のグルコース水の測定結果を示す。図7に示すように、μ波〜ミリ波帯を網羅するように、各VNAの周波数帯を設定することにより、μ波〜ミリ波帯では複数のVNAを用い、THz帯ではフリースペース系の分光系を用いて、複素誘電率を測定することが可能となる。   With reference to FIG. 7, the measurement result of the measuring apparatus 1 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 7 shows the measurement results of three types of glucose water at different glucose concentrations. As shown in FIG. 7, by setting the frequency band of each VNA so as to cover the μ wave to the millimeter wave band, a plurality of VNAs are used in the μ wave to millimeter wave band, and a free space system is used in the THz band. The complex permittivity can be measured using the spectroscopic system.

このような本発明の実施の形態に係る測定装置1は、同時刻に同一試料のマイクロ波帯からTHz帯までの誘電分光測定を行うものである。具体的には、誘電率測定用基板11の中央に、誘電率測定用基板11を貫通する試料用開口部12を備えることにより、試料用開口部12内をTHz波が透過させ、THz帯の誘電分光測定を実現する。また、誘電率測定用基板11上の試料用開口部12の周辺部に同軸型プローブ配線Pによる検出部14が形成され、この同軸型プローブ配線Pにおいて、GSGの電極間隔が異なることにより、マイクロ波帯からミリ波帯の誘電分光測定を実現する。   Such a measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention performs dielectric spectroscopy measurement from the microwave band to the THz band of the same sample at the same time. Specifically, by providing a sample opening 12 penetrating through the dielectric constant measurement substrate 11 at the center of the dielectric constant measurement substrate 11, THz waves are transmitted through the sample opening 12, and the THz band is transmitted. Realize dielectric spectroscopy measurement. In addition, a detection portion 14 is formed by a coaxial probe wiring P around the sample opening 12 on the dielectric constant measurement substrate 11. Realize dielectric spectroscopic measurement from wave band to millimeter wave band.

これにより、同一試料を同時刻で広帯域な誘電分光を行うため、試料の時間経過に伴う状態変化の少ないまま広帯域なデータ取得が行えるという効果を奏する。   Thus, since the same sample is subjected to broadband dielectric spectroscopy at the same time, it is possible to obtain broadband data with little change in the state of the sample over time.

(第1の変形例)
図8を参照して、第1の変形例に係る測定装置1aを説明する。図5に示す例では、THz波が、窓板13を介して誘電率測定用基板11を透過する場合を説明した。これに対し図8に示す測定装置1aにおいて、誘電率測定用基板11の窓板13に替えて、例えばシリコン製のATRプリズムZを接触させてTHz帯の測定をする。
(First modification)
With reference to FIG. 8, the measuring apparatus 1a which concerns on a 1st modification is demonstrated. In the example shown in FIG. 5, the case where the THz wave passes through the dielectric constant measurement substrate 11 through the window plate 13 has been described. On the other hand, in the measurement apparatus 1a shown in FIG. 8, instead of the window plate 13 of the dielectric constant measurement substrate 11, for example, a silicon ATR prism Z is brought into contact to measure the THz band.

図8に示す例では、THz波発振器21が照射したTHz波をレンズL1およびATRプリズムZを介して、試料用開口部12で集束またはコリメートさせる。さらに、収束またはコリメートされたTHz波を、ATRプリズムZおよびレンズL2を介して、THz波受信器22に受信させる。   In the example shown in FIG. 8, the THz wave irradiated by the THz wave oscillator 21 is focused or collimated at the sample opening 12 via the lens L1 and the ATR prism Z. Further, the converged or collimated THz wave is received by the THz wave receiver 22 via the ATR prism Z and the lens L2.

ATRプリズムZが設けられた反対側の試料用開口部12には、封止窓16が設けられても良い。封止窓16は、試料用開口部12に液体や気体の測定試料を封入することができる。   A sealing window 16 may be provided in the sample opening 12 on the opposite side where the ATR prism Z is provided. The sealing window 16 can enclose a liquid or gas measurement sample in the sample opening 12.

(第2の変形例)
図9および図11を参照して、第2の変形例に係る測定装置1bを説明する。第2の変形例においては、図1ないし図7を参照して説明した本発明の実施の形態に係る測定装置1が測定可能なマイクロ波からTHz波帯のうち、マイクロ波からミリ波帯における誘電分光を測定する。
(Second modification)
With reference to FIG. 9 and FIG. 11, the measuring apparatus 1b which concerns on a 2nd modification is demonstrated. In the second modification, in the microwave to THz wave band that can be measured by the measuring apparatus 1 according to the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. Measure dielectric spectroscopy.

第2の変形例はTHz波帯を測定しないので、基板10および試料用開口部12は、貫通する必要はなく、試料用開口部12は、誘電率測定用基板11の内部に設けられてもよい。本発明の実施の形態と比べて、窓板13を備えなくても良い点が異なるが、試料の設置のしやすさ等の観点から、試料用開口部12を貫通させ、封止窓(図示せず)で封入しても良い。   Since the second modification does not measure the THz wave band, the substrate 10 and the sample opening 12 do not need to penetrate, and the sample opening 12 may be provided inside the dielectric constant measurement substrate 11. Good. Compared to the embodiment of the present invention, the window plate 13 may not be provided, but from the viewpoint of ease of installation of the sample, the sample opening 12 is penetrated to form a sealing window (FIG. (Not shown).

誘電率測定用基板11は、試料を設置する試料用開口部12を設け、誘電体層で形成される。   The dielectric constant measurement substrate 11 is provided with a sample opening 12 for installing a sample, and is formed of a dielectric layer.

検出部14は、誘電率測定用基板11の試料用開口部12の周辺部に形成される複数の同軸型プローブ配線Pであって、試料の誘電分光を検出する。ここで複数の同軸型プローブ配線Pは、特性インピーダンスが異なり、それぞれ、ベクトルネットワークアナライザに接続される。また同軸型プローブ配線Pは、同軸型プローブ配線Pの特性インピーダンスに整合するストリップ線路を介して、それぞれ、ベクトルネットワークアナライザに接続される。   The detection unit 14 is a plurality of coaxial probe wires P formed in the periphery of the sample opening 12 of the dielectric constant measurement substrate 11 and detects dielectric spectroscopy of the sample. Here, the plurality of coaxial probe wires P have different characteristic impedances and are connected to the vector network analyzer. The coaxial probe wiring P is connected to a vector network analyzer via a strip line that matches the characteristic impedance of the coaxial probe wiring P, respectively.

このような第2の変形例に係る測定装置1bは、同時刻に同一試料のマイクロ波帯からミリ帯までの誘電分光測定を行うものである。具体的には、誘電率測定用基板11上の試料用開口部12の周辺部に同軸型プローブ配線Pによる検出部14が形成され、この同軸型プローブ配線Pは、GSGの電極間隔の異なることにより、マイクロ波帯からミリ波帯の誘電分光測定を実現する。   The measuring apparatus 1b according to the second modified example performs dielectric spectroscopy measurement of the same sample from the microwave band to the millimeter band at the same time. Specifically, the detection part 14 by the coaxial probe wiring P is formed in the periphery of the sample opening 12 on the dielectric constant measurement substrate 11, and this coaxial probe wiring P has different electrode intervals of GSG. This enables dielectric spectroscopy measurement from the microwave band to the millimeter wave band.

これにより、同一試料を同時刻で広帯域な誘電分光を行うため、試料の時間経過に伴う状態変化の少ないまま広帯域なデータ取得が行えるという効果を奏する。   Thus, since the same sample is subjected to broadband dielectric spectroscopy at the same time, it is possible to obtain broadband data with little change in the state of the sample over time.

(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の実施の形態とその変形例1ないし2によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなる。
(Other embodiments)
As described above, the embodiment of the present invention and the modifications 1 and 2 thereof have been described. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。   It goes without saying that the present invention includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.

1 測定装置
10 基板
11 誘電率測定用基板
12 試料用開口部
13 窓板
14 検出部
15 信号出力部
16 封止窓
21 THz波発振器
22 THz波受信器
C、C1、C2、C3、C4 コネクタ
CC コネクタ接続部
K、K1、K2、K3、K4 ケーブル
L1、L2 レンズ
P 同軸型プローブ配線
Q 反射防止部
R ストリップ線路
V1、V2、V3、V4 ベクトルネットワークアナライザ(VNA)
Z ATRプリズム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measuring apparatus 10 Board | substrate 11 Dielectric constant measurement board | substrate 12 Sample opening part 13 Window board 14 Detection part 15 Signal output part 16 Sealing window 21 THz wave oscillator 22 THz wave receiver C, C1, C2, C3, C4 Connector CC Connector connection part K, K1, K2, K3, K4 Cable L1, L2 Lens P Coaxial probe wiring Q Antireflection part R Strip line V1, V2, V3, V4 Vector network analyzer (VNA)
Z ATR prism

Claims (7)

誘電分光法により試料を測定する測定装置であって、
試料を設置する開口部を設け、誘電体層で形成される誘電率測定用基板と、
前記誘電率測定用基板の前記開口部の周辺部に形成される同軸型プローブ配線であって、試料の誘電分光を検出する検出部と、を備え、
前記同軸型プローブ配線には、ベクトルネットワークアナライザが接続され、
前記開口部において、THz波発振器から出力されたTHz波が集束またはコリメートされ、集束またはコリメートされた後のTHz波をTHz波受信器に受信させる
ことを特徴とする測定装置。
A measuring device for measuring a sample by dielectric spectroscopy,
An opening for installing the sample is provided, and a dielectric constant measurement substrate formed of a dielectric layer;
A coaxial probe wiring formed in a peripheral portion of the opening of the dielectric constant measurement substrate, comprising a detection unit for detecting dielectric spectroscopy of a sample,
A vector network analyzer is connected to the coaxial probe wiring,
A THz wave output from a THz wave oscillator is focused or collimated at the opening, and the THz wave after being focused or collimated is received by a THz wave receiver.
前記開口部に、前記THz波が透過する窓板が設けられる
ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
The measurement apparatus according to claim 1, wherein a window plate through which the THz wave is transmitted is provided in the opening.
前記窓板は、前記THz波の反射を防止する反射防止部を備える
ことを特徴とする請求項2に記載の測定装置。
The measurement apparatus according to claim 2, wherein the window plate includes an antireflection portion that prevents reflection of the THz wave.
前記検出部は、特性インピーダンスの異なる複数の同軸型プローブ配線であって、前記複数の同軸型プローブ配線は、それぞれ、前記ベクトルネットワークアナライザに接続される
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の測定装置。
The detection unit is a plurality of coaxial probe wires having different characteristic impedances, and each of the plurality of coaxial probe wires is connected to the vector network analyzer. The measuring device according to claim 1.
前記同軸型プローブ配線は、当該同軸型プローブ配線の特性インピーダンスに整合するストリップ線路を介して、それぞれ、前記ベクトルネットワークアナライザに接続される
ことを特徴とする請求項4に記載の測定装置。
The measurement apparatus according to claim 4, wherein the coaxial probe wiring is connected to the vector network analyzer via a strip line that matches a characteristic impedance of the coaxial probe wiring.
誘電分光法により試料を測定する測定装置であって、
試料を設置する開口部を設け、誘電体層で形成される誘電率測定用基板と、
前記誘電率測定用基板の前記開口部の周辺部に形成される複数の同軸型プローブ配線であって、試料のマイクロ波からミリ波帯における誘電分光を検出する検出部を備え、
前記複数の同軸型プローブ配線は、特性インピーダンスが異なり、それぞれ、ベクトルネットワークアナライザに接続される
ことを特徴とする測定装置。
A measuring device for measuring a sample by dielectric spectroscopy,
An opening for installing the sample is provided, and a dielectric constant measurement substrate formed of a dielectric layer;
A plurality of coaxial probe wirings formed in the periphery of the opening of the dielectric constant measurement substrate, comprising a detection unit for detecting dielectric spectroscopy in the millimeter wave band from the microwave of the sample,
The plurality of coaxial probe wires have different characteristic impedances, and are connected to a vector network analyzer, respectively.
前記同軸型プローブ配線は、当該同軸型プローブ配線の特性インピーダンスに整合するストリップ線路を介して、それぞれ、前記ベクトルネットワークアナライザに接続される
ことを特徴とする請求項6に記載の測定装置。
The measuring apparatus according to claim 6, wherein the coaxial probe wiring is connected to the vector network analyzer via a strip line that matches the characteristic impedance of the coaxial probe wiring.
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