JP6367753B2 - 誘電分光センサ - Google Patents

Description

本発明は、人間や動物などの血液成分の濃度を非侵襲で測定する技術に関し、特に誘電分光センサに関する。

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、誘電分光法を用いた装置が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象の血液成分、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、電磁波の周波数に対する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。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。

従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波の周波数帯では、マイクロストリップ線路（Ｍｉｃｒｏ Ｓｔｒｉｐ Ｌｉｎｅ：ＭＳＬ）を用いた誘電分光装置がある（特許文献１参照）。非特許文献１に記載されるように、ストリップ導体上に測定試料を載せたＭＳＬにインピーダンスアナライザ（Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＩＡ）あるいはベクトルネットワークアナライザ（Ｖｅｃｔｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＶＮＡ）を接続し、背景成分及び対象成分が混合されている測定試料における対象成分の濃度を測定する。ＩＡと接続される場合にはインピーダンスから、ＶＮＡと接続される場合にはＳパラメータから複素誘電率が計算される。ＭＳＬの代わりにコプレーナ導波路（Ｃｏｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＣＰＷ）も用いられる。

ミリ波より周波数が高いテラヘルツ波の周波数帯では、光電気変換（フォトミキシング）を利用した誘電分光装置がある。この誘電分光装置は、周波数の異なる２つの連続光波が合成された光信号を光電変換してテラヘルツ波を発生し、発生したテラヘルツ波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を受信するとともに、２つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合成した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。

テラヘルツ波帯では、プリズムを用いた全反射減衰法（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）が液体試料の測定に適している。試料をプリズム上に配置し、臨界角以上の角度で電磁波を試料に入射することにより、電磁波は試料−プリズム界面で全反射する。電磁波が試料−プリズム界面で全反射する際、試料−プリズム界面ではプリズムから試料方向にエバネッセント波が生じ、試料との相互作用が生じる。臨界角θ_ｃ及びエバネッセント波の試料方向への浸み込み深さｄｐは以下の式で計算できる。

ここで、ｎ_１，ｎ_２はそれぞれプリズムと試料の屈折率、λは入射する電磁波の波長を表す。非特許文献２に示されるように、リファレンス信号と測定信号のスペクトルの強度及び位相差から複素誘電率が計算される。

特開平０５−３３３０９６号公報

G. R. Facer, D. A. Notterman, and L. L. Sohn,"Dielectric spectroscopy for bio analysis: From 40Hz to 26.5GHz", Applied Physics Letters, Vol. 78, No. 7, 996 Feb. 2001 Hideki Hirori, Masaya Nagai, and Koichiro Tanaka,"Destructive interference effect on surface plasmon resonance in terahertz attenuated total reflection", Optics Express, Vol. 13, No. 26, 10801, Dec. 2005

しかしながら、マイクロ波からミリ波の周波数帯に加えてテラヘルツ波帯を測定する場合、従来のＭＳＬを用いた誘電分光装置では、誘電体基板内での損失により測定周波数が制限されるため、テラヘルツ波帯までの高周波帯の測定を行うことは困難である。一方、プリズムを用いたテラヘルツ波誘電分光システムをマイクロ波帯で使用する際には、測定対象の誘電率の上昇により、試料−プリズム界面での全反射条件を満たすことが困難である。

したがって、広帯域なスペクトルデータの取得には、試料を各帯域の測定装置にそれぞれ設置して複数回の測定が必要であった。測定装置ごとに試料の設置場所を変えるので、試料温度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、試料の設置場所を変えることなく広帯域の誘電分光測定を行うことを目的とする。

本発明に係る誘電分光センサは、プリズムと、前記プリズム上に配置されたマイクロストリップ線路又はコプレーナ導波路の金属配線と、を備え、前記金属配線の少なくとも一部をワイヤグリッド偏光子として動作するように間隔が設定された格子状としたことを特徴とする。

上記誘電分光センサにおいて、前記プリズムは、前記金属配線を配置する面の材料は他の部分よりも高い誘電率であることを特徴とする。

上記誘電分光センサにおいて、前記金属配線の格子状の部分にベゼルまたは流路を備えることを特徴とする。

本発明によれば、試料の設置場所を変えることなく広帯域の誘電分光測定を行うことができる。

図１（ａ）は本実施の形態における誘電分光センサの上面図であり、図１（ｂ）は断面図であり、図１（ｃ）は側面図である。 誘電分光センサにテラヘルツ波を入射する様子を説明する図である。 誘電分光センサの基板の形状のバリエーションを示す断面図である。 図３に示す誘電分光センサについて、試料との界面に誘電率の異なる材料を用いた例を示す断面図である。 図５（ａ）は誘電分光センサの変形例の上面図であり、図５（ｂ）は断面図である。 図６（ａ）は誘電分光センサの別の変形例の上面図であり、図６（ｂ）は断面図である。 図７（ａ）は誘電分光センサをテラヘルツ帯誘電分光光学系に導入した例を示す図であり、図７（ｂ）は同じ誘電分光センサをＶＮＡに接続した例を示す図である。 マイクロ波−ミリ波帯における伝送特性の電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。

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（ａ）は、本実施の形態における誘電分光センサの上面図であり、図１（ｂ）は、誘電分光センサの断面図であり、図１（ｃ）は、誘電分光センサの側面図である。

同図に示す誘電分光センサは、ＡＴＲプリズムとして動作する基板１１と、基板１１のそれぞれの面に形成されたストリップ配線１２とグランド配線１３と、基板１１の両端においてストリップ配線１２とグランド配線１３に接続されたコネクタ１５を有する。ストリップ配線１２の一部が格子状であり、格子の上に測定試料を配置する。

基板１１の材料として、ＡＴＲプリズムで用いられる材料、例えば、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、ＭｇＯ、Ｇｅ、プラスチックを用いる。基板１１の大きさは、数センチ×数センチ角、数百μｍ−数センチ厚であり、測定試料に応じて屈折率の高い材料を選択する。基板１１の形状は、基板１１の側面からテラヘルツ波を入射した際にＡＴＲプリズムとして動作するように設計し、誘電分光装置の測定系に応じて選択する。本誘電分光センサは、基板１１がプリズムの機能を兼ね備える構造であるため、プリズムのサイズは基板１１のサイズと同様に数センチ×数センチ角、数百μｍ−数センチ厚である。

電磁波を入射する基板１１の側面は、電磁波の入射方法に合わせて設計する。図２（ａ）に示すように、電磁波を基板１１の斜面に対し垂直に入射させる場合には以下の式（３）の条件を満たすように設計する。

また、図２（ｂ）に示すように、電磁波を水平方向から入射させる場合には以下の式（４）の条件を満たすように設計する。

基板１１の上面及び底面を用いてＭＳＬ構造の金属配線を形成する。ストリップ配線１２は基板１１の上面に形成され、コネクタ１５の信号端子と接続される。ストリップ配線１２の配線幅は数百μｍ−数ミリであり、配線材料はＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ等を用いる。ストリップ配線１２の一部が格子状であり、格子の大きさは、基板１１の側面から入射される電磁波の周波数帯（例えばテラヘルツ波帯）においてワイヤグリッド偏光子として動作するように設計する。例えば導体幅を数μｍ−数十μｍ、間隔を数十μｍとする。グランド配線１３は基板１１の底面に形成され、コネクタ１５のグランド端子と接続される。なお、ＭＳＬ構造の代わりにＣＰＷ構造の金属配線を形成してもよい。

コネクタ１５には、周波数帯に応じて同軸のサイズが調整されたコネクタを用いる。例えば、ＳＭＡコネクタ、Ｋコネクタ、Ｖコネクタ等である。ＭＳＬ構造あるいはＣＰＷ構造のコネクタとの接続箇所は特性インピーダンス５０Ωに設計する。

次に、基板１１の形状のバリエーションについて説明する。

図３は、基板１１の形状のバリエーションを示す断面図である。

図３（ａ）は、図１に示した誘電分光センサであり、基板１１の対向する側面を斜面にした誘電分光センサの断面図である。

図３（ｂ）は、基板１１の対向する側面を曲面にした誘電分光センサの断面図である。図３（ｂ）の誘電分光センサの場合は、テラヘルツ波の入射位置がずれた場合でも同一箇所にテラヘルツ波を集光することが可能である。

図３（ｃ）は、基板１１の底面に、基板１１の側面から水平方向に入射したテラヘルツ波をストリップ配線１２の方向へ反射する斜面を形成した誘電分光センサの断面図である。図３（ｃ）の誘電分光センサは、図３（ａ）の形状と比較し、テラヘルツ波を水平方向から入射する場合の光学収差を低減することが可能である。

プリズムである基板１１の形状が異なる場合も、試料−プリズム界面での反射角がθ_ｃよりも大きくなるようにする。テラヘルツ波は赤外線と比較して回折効果が大きいため、単純な光線追跡ではプリズム設計が困難であるので、電磁界シミュレーションを用いることが望ましい。

しかし、ＡＴＲプリズムに用いられる材料の屈折率は比較的高く、プリズム内での波長短縮が生じるため、電磁界シミュレーションを実行する際のメッシュ数が増えるという課題がある。そこで、図４に示すように、低誘電率の材料（例えばプラスチック等のポリマー）で作製した基板１１上に高誘電率の材料（例えばＳｉ）の基板１４を積層することで、設計時の計算時間の短縮が期待できる。異なる誘電率の基板１１，１４を積層する場合、プラスチック等を材料として射出成型等の安価な作製方法で基板１１を作製し、平らな基板１４上に通常の工程で配線を形成し、基板１１，１４を貼り合わせることで、基板１１上への配線形成が必要なく、誘電分光センサの作製を簡素化できる。

次に、誘電分光センサの変形例について説明する。

図５、図６は、誘電分光センサの変形例を示す図である。図５（ａ）、図６（ａ）は、誘電分光センサの変形例の上面図であり、図５（ｂ）、図６（ｂ）は、誘電分光センサの変形例の断面図である。

図５の変形例では、ストリップ配線１２の格子部分のうち、テラヘルツ波の入射位置にベゼル１６を配置し、図６の変形例では、流路１７を配置した。ベゼル１６や流路１７を配置することで、粉末試料や液体試料を測定することが可能である。ベゼル１６または流路１７のサイズは入射するテラヘルツ波のビーム径程度であり、例えば数百μｍ−数ｍｍ程度である。ベゼル１６や流路１７の材料は、例えばガラスやＰＤＭＳ等を用いる。

次に、本実施の形態の誘電分光センサを用いた測定系について説明する。

図７（ａ）は、誘電分光センサをテラヘルツ帯誘電分光光学系に導入した例を示す図であり、図７（ｂ）は、同じ誘電分光センサをＶＮＡに接続した例を示す図である。図示していないが、試料は誘電分光センサのストリップ配線１２の格子部分に配置される。

図７（ａ）において、ＴＨｚ波発振器２１から出射したテラヘルツ波は、レンズ２５Ａにより集束またはコリメートし、誘電分光センサの基板１１側面から入射する。ＴＨｚ波発振器２１のアンテナ方向を調整し、テラヘルツ波の電界成分がストリップ配線１２の格子部分に対して垂直となるような偏光方向でテラヘルツ波を入射することで、テラヘルツ波が格子部分を透過するため、ＡＴＲ測定が可能となる。試料−プリズム界面で反射したテラヘルツ波は、誘電分光センサから出射してレンズ２５Ｂを通過し、ＴＨｚ波受信器２２で受信され、低雑音増幅器２３、ロックインアンプ２４へと信号が伝達される。

図７（ｂ）において、ストリップ配線１２とグランド配線１３は、コネクタ１５を介してＶＮＡ３１あるいはＩＡと接続され、ストリップ配線１２上に配置された試料が測定される。

ストリップ配線１２の格子部分に試料を配置し、マイクロ波−ミリ波帯ではＶＮＡ３１による測定、ミリ波−テラヘルツ波帯ではＡＴＲ測定を行うことにより、広帯域な同時刻、同一領域の誘電分光を行うことができる。また、ストリップ配線１２の格子部分に試料を配置するので同一箇所に電磁波が照射されるため、マイクロ波による励振下でのテラヘルツ分光あるいはテラヘルツ波による励振下でのマイクロ波分光も可能である。

図８は、マイクロ波−ミリ波帯における伝送特性の電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。Ｓｉ基板に線路の一部に格子を有するＭＳＬを設け、格子と接する箇所の材料を空気（資料なし）または液体試料とした際のＳ_２１特性の変化を示す。ＭＳＬの材料にはＡｕ、液体試料には２７℃における水の誘電率を用いた。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ＡＴＲプリズムとして動作するように設計した基板１１にＭＳＬ構造を備え、ＭＳＬ構造のストリップ配線１２の一部を、ワイヤグリッド偏光子として動作するように間隔が設定された格子状とすることにより、テラヘルツ波のストリップ配線１２界面での反射を低減することができるので、プリズムを用いたテラヘルツ波帯での分光測定を可能としたうえで、ＭＳＬを用いたマイクロ波−ミリ帯での分光測定を行うことができ、試料の設置場所を変えることなく広帯域の誘電分光測定を行うことが可能となる。

１１…基板
１２…ストリップ配線
１３…グランド配線
１４…基板
１５…コネクタ
１６…ベゼル
１７…流路
２１…ＴＨｚ波発振器
２２…ＴＨｚ波受信器
２３…低雑音増幅器
２４…ロックインアンプ
２５Ａ，２５Ｂ…レンズ
３１…ＶＮＡ

Claims (3)

1. プリズムと、
   前記プリズム上に配置されたマイクロストリップ線路又はコプレーナ導波路の金属配線と、を備え、
   前記金属配線の少なくとも一部をワイヤグリッド偏光子として動作するように間隔が設定された格子状としたことを特徴とする誘電分光センサ。
2. 前記プリズムは、前記金属配線を配置する面の材料は他の部分よりも高い誘電率であることを特徴とする請求項１記載の誘電分光センサ。
3. 前記金属配線の格子状の部分にベゼルまたは流路を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の誘電分光センサ。

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