JP6938292B2 - 検出センサーおよび検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、検出センサーおよび検出装置に関する。

空隙が配置された構造体に電磁波が照射されると、当該電磁波の反射率又は透過率について空隙の特性に由来する周波数特性が認められる。この構造体に物質が付加された場合、電磁波の反射率又は透過率の周波数特性は、当該物質によって変化する。このような性質を利用して、構造体を有するセンサーを用いて被測定物の有無又は量を検出する技術が知られている。例えば、テラヘルツ帯域の電磁波を空隙を有する構造体に照射することで、構造体に付着したタンパク質などの被測定物について解析する技術が知られている。このような被測定物の解析では、より高い検出感度やより高い分解能など、より高い精度が求められている。

特開２０１２−１４５３６９号公報

精度よく被測定物を検出することができる検出センサー及び検出装置を提供する。

本実施形態によれば、検出センサーは、被測定物の付着による容量成分の変化を用いた被測定物の検出に用いられ、空気よりも大きい屈折率を有する材料で平坦な面に形成された空隙のない膜と、前記空隙のない膜の前記平坦な面に密着する導体で形成され、Ｃ型形状を成す複数の空隙がそれぞれ離間して規則的又は周期的に配置された空隙のある膜と、を備え、前記空隙のある膜に付着した前記被測定物による容量成分の変化に基づき、予め設定された共振周波数を変化させ、入射した電磁波の反射率又は透過率の周波数特性の変化から前記被測定物を検出する。

図１は、一実施形態に係る検出装置の構成の一例の概略を示す図である。 図２Ａは、一実施形態に係る検出センサーの構成の一例の概略を示す断面図である。 図２Ｂは、一実施形態に係る検出センサーの構成の一例の概略を示す平面図である。 図３は、検出装置で取得される電磁波を検出センサーに照射したときの周波数に対する反射率の一例の概略を示す図である。 図４は、空隙のない膜と空隙のある膜とを含む検出センサーに電磁波を照射したときの電場の分布を解析した結果を示す。 図５は、空隙のない膜を含まず空隙のある膜のみを含む検出センサーに電磁波を照射したときの電場の分布を解析した結果を示す。

一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、例えばサンプル中に含まれる被測定物の有無、量又は特性を検出するための検出装置に係る。一般に、空隙が配置された構造体に電磁波を照射したときの当該電磁波の反射率又は透過率は、空隙の特性に由来する周波数特性を有する。この構造体に被測定物が付着したとき、この電磁波の反射率又は透過率の周波数特性は変化する。本実施形態に係る検出装置は、このような照射した電磁波の反射率又は透過率の周波数特性の変化を利用して被測定物を検出する。ここで、被測定物の検出は、被測定物の有無、量又は特性等を特定することを含む。

［検出装置の構成］
図１は、本実施形態に係る検出装置２の構成の一例の概略を示す図である。検出装置２には、上述の構造体を有する検出センサー１が配置される。検出装置２は、駆動回路１１と、電磁波照射部１２と、電磁波検出部１４と、ＡＤ変換回路１５と、プロセッサー１６とを備える。

プロセッサー１６は、例えば、Central Processing Unit（ＣＰＵ）、Application Specific Integrated Circuit（ＡＳＩＣ）、又はField Programmable Gate Array（ＦＰＧＡ）等を含む。プロセッサー１６は、検出装置２の各部の動作を制御したり、各種の演算を行ったりする。プロセッサー１６を動作させるために、検出装置２は、図示しないRandom Access Memory（ＲＡＭ）等の記憶装置を含み得る。また、プロセッサー１６を動作させるためのプログラム、測定結果などを記録するために、検出装置２は、図示しないフラッシュメモリ等の各種記憶装置を含み得る。

電磁波照射部１２は、電磁波を放射する電磁波発生源を含む。電磁波照射部１２は、電磁波を検出センサー１に照射するように構成されている。ここで用いられる電磁波は、検出センサー１の表面に電場を発生させることのできる電磁波であれば特に限定されない。電磁波として、例えば、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波、電波等のいずれも用いられ得るし、その周波数も特に限定されない。この電磁波の周波数は、例えば１ＧＨｚ〜１ＰＨｚであることが好ましく、２０ＧＨｚ〜１２０ＴＨｚであることがさらに好ましい。電磁波の周波数は、後に詳述する検出センサー１の構造に応じて定まる検出センサー１の周波数特性に応じて決定され得る。駆動回路１１は、電磁波照射部１２を駆動する回路である。駆動回路１１は、プロセッサー１６の制御下で、電磁波照射部１２の動作を制御する。

電磁波検出部１４は、電磁波照射部１２から放射された帯域の電磁波を検出する検出器を備える。電磁波検出部１４は、電磁波照射部１２から放射され、検出センサー１で反射した電磁波を検出するように構成されている。電磁波検出部１４は、検出器に入射した電磁波に応じたアナログ電気信号を出力する。ＡＤ変換回路１５は、電磁波検出部１４から出力されたアナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換し、プロセッサー１６へと伝達する。プロセッサー１６は、この電気信号に基づいて、検出センサー１の特性を解析し、被測定物の有無又は量等を特定する。

［検出センサーの構成］
検出センサー１の構造について、図面を参照して説明する。図２Ａは、検出センサー１の一例の断面図を示し、図２Ｂは、検出センサー１の一例の平面図を示す。図２Ａは、図２Ｂに示したIIＡ−IIＡ線における断面を示す。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、検出センサー１において、空隙のない膜２１の上に空隙のある膜２２が設けられている。空隙のない膜２１は、例えばシリコンで形成されている。空隙のある膜２２は、例えば金で形成されている。図２Ｂに示すように、空隙のある膜２２には、例えばＣ型の空隙が多数並べて形成されている。多数のＣ型の空隙を有する図２Ｂに示す例は、メタマテリアル共振器の代表例で、相補型分割リング共振器と呼ばれている。相補型分割リング共振器は、所定の周波数帯の電磁波が照射されたときに、特徴的な反射特性を示す。すなわち、電磁波が照射されたとき、空隙のある膜２２のＣ型の空隙がある部分は、電気的にＬＣ回路のように振る舞う。このため、このＬＣ回路の共振周波数の近傍の周波数において、照射された電磁波は、相補型分割リング共振器と強く相互作用し、吸収される。その結果、相補型分割リング共振器は、ＬＣ回路の共振周波数の近傍で反射率が低下する反射特性を示す。例えば、Ｃ型の空隙部の大きさが数μｍ程度であるとき、共振周波数は、テラヘルツ帯域に表れる。

相補型分割リング共振器に物質が付着したとき、当該物質がＬＣ回路の主に容量成分を変化させる。その結果、当該ＬＣ回路の共振周波数が変化する。図３は、相補型分割リング共振器に電磁波を照射したときの反射率の周波数特性を示す。横軸は照射する電磁波の周波数を示し、縦軸は反射率を示す。破線３１は、相補型分割リング共振器に被測定物がないときの周波数特性を示し、実線３２は、相補型分割リング共振器に被測定物があるときの周波数特性を示す。図３に示すように、相補型分割リング共振器に被測定物があるか否かに応じて、反射率の周波数特性が変化する。

この周波数特性の変化を利用することで、相補型分割リング共振器は、検出センサー１として用いられ得る。すなわち、検出装置２の電磁波照射部１２が放射する電磁波の周波数は、ＬＣ回路の共振周波数の近傍の周波数に設定される。電磁波照射部１２から放射された電磁波は、検出センサー１に照射される。このとき、電磁波検出部１４は、検出センサー１で反射した電磁波を検出する。プロセッサー１６は、検出された電磁波の強度に基づいて、検出センサー１上の物質の有無又は量等を特定できる。

例えば、図３に示す例において、電磁波照射部１２が放射する電磁波の周波数を、一点鎖線で示した周波数Ｆ１とする。このとき、破線３１で示した被検出物が存在しない検出センサー１の反射率は、第１の反射率Ｒ１として検出される。一方、実線３２で示した被検出物が存在する検出センサー１の反射率は、第２の反射率Ｒ２として検出される。このような反射率の変化の有無に基づいて、被検出物の有無が特定され得る。また、反射率の変化量に基づいて、被検出物の量又は特性が特定され得る。

空隙のある膜２２を形成する材料は、金に限定されない。空隙のある膜２２を形成する材料は、導体であればよい。ここで、導体とは、電気を通す物質のことである。導体は、金属、半導体等を含む。金属としては、金、銀、銅、ニッケル、クロム、ゲルマニウムなどが挙げられる。また、導体は、金属インクも含む。

空隙の形状はＣ型に限定されない。空隙の形状は、例えば、四角形又は多角形など他の形状であってもよい。また、空隙の配置は、図２Ｂに示すように、マトリックス状の配置に限定されない。空隙の配置は、規則的又は周期的に配置されていればよい。

空隙のない膜２１を形成する材料は、シリコンに限定されない。空隙のない膜２１を形成する材料は、空気の屈折率（誘電率）よりも大きい屈折率（誘電率）を有する材料である。また、空隙のない膜２１を形成する材料は、使用する電磁波の周波数帯において透明性を有する材料であることが好ましい。また、空隙のない膜２１を形成する材料は、使用する電磁波の周波数帯において、屈折率の周波数依存性が小さいことが好ましい。ここで、屈折率の周波数依存性が小さいとは、検出装置２を用いた検出の目的を達成できる程度に十分に周波数依存性が小さいことを意味している。すなわち、空隙のない膜２１が周波数依存性を有しているとき、この周波数依存性は、空隙のある膜２２による被検出物の検出に対してノイズとなる。したがって、空隙のない膜２１についての周波数依存性は、被測定物、測定の目的等によって決定され得る検出装置２の測定精度が得られる程度に十分小さいことが好ましい。空隙のない膜２１を形成する材料としては、シリコンなどの無機材料、ポリエチレンなどの有機材料等が用いられ得る。シリコンは、本実施形態に係る検出センサー１のように、微細な構造を有する金属膜が形成されるプロセスにおいて、頻繁に使われる材料であり、好ましい。

空隙のある膜２２及び空隙のない膜２１の厚さは特に限定されない。ただし、空隙のある膜２２の厚さに比べて、空隙のない膜２１の厚さの方が厚いことが好ましい。例えば、空隙のない膜２１の厚さは、数μｍ乃至数百μｍ程度であり得るし、空隙のある膜２２の厚さは、数ｎｍ乃至数十μｍ程度であり得る。空隙のある膜２２は空隙のない膜２１と隙間なく密着している。

［検出装置の動作の概要］
検出装置２の動作の概要を説明する。ユーザーは、被測定物の有無、量又は特性等を明らかにしたいサンプルを反応させた検出センサー１を、検出装置２に配置する。サンプルに被測定物が含まれているとき、検出センサー１にはサンプルに応じて被測定物が付加される。検出センサー１が配置された状態で、以下の検出処理が行われる。

プロセッサー１６の制御下で、駆動回路１１は、電磁波照射部１２に電磁波を放射させる。電磁波照射部１２から放射された電磁波１３ａは、例えば図示しない各種光学素子を用いて、検出センサー１に照射される。この電磁波の少なくとも一部は、検出センサー１で反射する。

反射した電磁波１３ｂは、例えば図示しない各種光学素子を用いて、電磁波検出部１４へと導かれる。電磁波検出部１４は、電磁波１３ｂを検出し、検出結果を示すアナログ電気信号を生成する。電磁波検出部１４は、例えば電磁波１３ｂの強度を検出し、電磁波１３ｂの強度に応じた電気信号を出力する。電磁波検出部１４から出力された検出結果を示す電気信号は、ＡＤ変換回路１５でデジタル電気信号に変換され、プロセッサー１６へと伝達される。

プロセッサー１６は、電磁波検出部１４の検出結果に基づいて、検出センサー１に固定された被測定物の有無、量又は特性等を特定する。例えば、検出センサー１に被測定物が固定されていないときと固定されているときとで、検出センサー１における電磁波の反射に係る周波数特性が変化する。このため、電磁波照射部１２から所定の周波数を有する電磁波が放射され、検出センサー１で当該電磁波が反射するとき、被測定物の有無に応じて検出センサー１で反射する電磁波の強度が変化する。プロセッサー１６は、例えば予め取得しておいた被測定物が固定されていないときに検出される電磁波の強度と、サンプルで処理した検出センサー１を用いて検出された電磁波の強度とを比較して、被測定物の有無又は量等を特定する。

本実施形態に係る検出装置２が検出する対象である被測定物としては、例えば、タンパク質などの生体分子、菌などの微生物等が挙げられる。

［検出センサーにおける空隙のない膜の有無について］
図２Ａ及び図２Ｂに示した本実施形態に係る検出センサー１に電磁波を照射した際に生じる電場の分布を解析した。図４は、検出センサー１に電磁波を照射した際に生じる電場の分布の解析結果を示す。解析には、有限差分時間領域法（Finite Difference Time Domain法、ＦＤＴＤ法）を用いた。この解析において、空隙のない膜２１の材料はシリコンとし、その屈折率は３．４とした。空隙のない膜２１の厚さは２０μｍとした。一方、空隙のある膜２２の材料は金とした。空隙のある膜２２の厚さは２０ｎｍとした。空隙のない膜２１及び空隙のある膜２２以外の領域は、空気が存在するものとした。また、電磁波は、空隙のない膜２１と垂直な方向に、空隙のない膜２１の側から照射されるものとした。図４において、明るい箇所ほど強い電場が生じていることを表している。

比較例として、空隙のない膜２１が存在せず、空隙のある膜２２のみからなる検出センサーに電磁波を照射した際に生じる電場の分布を解析した。空隙のない膜２１の有無以外の条件は、図４に結果を示した解析と同条件で解析を行った。図５は、空隙のない膜２１がない場合の解析結果を示す。図４及び図５の比較に基づくと、図４に示す空隙のない膜２１が存在する場合、空隙のある膜２２の表面の近傍に電場が局在していることが明らかになった。

この結果は、以下の理由で生じたと考えられる。すなわち、シリコンで形成された空隙のない膜２１は空気と比較して電磁波を通しやすい。このため、図４に示す例では、導体である空隙のある膜２２で生じた電場は、空隙のない膜２１を介して小さく回り込み、広がらないと考えられる。これに対して、図５に示す例では、空隙のある膜２２で生じた電場は、空隙のない膜２１が存在しないため、大きく広がったと考えられる。

以上のように、検出センサー１は、導体で形成された空隙のある膜２２と、空気よりも屈折率が大きい材料で形成された空隙のない膜２１とを一体化させた構造を有する。このような構造により、発生した電場は、検出センサー１の表面付近に広がらずに引き寄せられる。その結果、空隙のない膜２１が存在する場合、図３に示したような被検出物の有無による周波数特性の変化が、空隙のない膜２１が存在しない場合より大きくなる。さらに、空隙のない膜２１が存在する場合、周波数に応じた反射率の変化（図３に示す図における谷の深さ）も、空隙のない膜２１が存在しない場合より大きくなる。したがって、検出センサー１として空隙のない膜２１が存在する構造を採用することで、被測定物の大きさが微小であったり、被測定物の量が微量であったりする場合にも、検出装置２は、被測定物を高精度に検出することが可能になる。このような効果は、空隙のある膜２２の厚さに比べて、空隙のない膜２１の厚さの方が厚いときにより得られる。

［変形例］
上述の実施形態において、検出センサー１の空隙のある膜２２は、例えば図２Ａ及び図２Ｂに示すように、例えば導体にＣ字型の空隙が設けられているようなものでなくてもよい。検出センサー１の空隙のある膜２２は、例えば導体でＣ字型が形成され、当該Ｃ字型の導体が、マトリックス状に配置されているようなものであってもよい。この場合、空隙のある膜２２において、Ｃ字型以外の領域が空隙となる。このような構造であっても、空隙のある膜２２のＣ字型の部分は、ＬＣ回路として振る舞うため、所定の周波数特性を示す。また、空隙のない膜２１は、電磁波の照射によって生じた電場を引き寄せる。したがって、上述の実施形態に係る検出センサー１と同様の特性を示す。

もちろん上述の実施形態と同様に、形成されている導体の形状であるＣ字型は一態様である。導体の形状は、四角形又は多角形など他の形状であってもよい。また、導体の配置は、マトリックス状の配置に限定されない。導体の配置は、規則的又は周期的に配置されていればよい。

また、上述の実施形態では、検出装置２は、電磁波を検出センサー１に照射して、検出センサー１で反射した電磁波を検出する構成となっているがこれに限らない。検出装置２は、電磁波を検出センサー１に照射して、検出センサー１を透過した電磁波を検出する構成であってもよい。特に、上述の変形例のように、例えば導体でＣ字型が形成されている空隙のある膜２２を有する検出センサー１を用いる場合等は、検出センサー１を透過した電磁波を検出する方が、反射波を検出する場合よりも、検出精度は向上する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
尚、上述した実施形態は、以下の発明を含んでいる。
（１） 電磁波が照射される検出センサーであり、前記検出センサーへの被測定物の付加によって変化する前記電磁波の反射率又は透過率の周波数特性に基づく前記被測定物の検出に用いられる検出センサーであって、空気よりも大きい屈折率を有する材料で形成された空隙のない膜と、前記空隙のない膜に密着して導体で形成された空隙のある膜とを備える検出センサー。
（２） 前記空気よりも大きい屈折率を有する材料はシリコンである、（１）項に記載の検出センサー。
（３） 前記空隙のない膜は、前記空隙のある膜よりも厚い、（１）項又は（２）項に記載の検出センサー。
（４） 前記空隙のない膜の前記屈折率の周波数依存性は、前記電磁波の周波数帯において小さい、（１）項乃至（３）項のうち何れか１項に記載の検出センサー。
（５） （１）項乃至（４）項のうち何れか１項に記載の検出センサーが配置され、前記検出センサーに電磁波を照射する電磁波照射部と、前記検出センサーで反射した電磁波、又は、前記検出センサーを透過した電磁波を検出する電磁波検出部とを備える検出装置。

１…検出センサー、２…検出装置、１１…駆動回路、１２…電磁波照射部、１３ａ，１３ｂ…電磁波、１４…電磁波検出部、１５…ＡＤ変換回路、１６…プロセッサー、２１…空隙のない膜、２２…空隙のある膜。

Claims (4)

1. 被測定物の付着による容量成分の変化を用いて被測定物を検出する検出センサーであって、
   空気よりも大きい屈折率を有する材料で平坦な面に形成された空隙のない膜と、
   前記空隙のない膜の前記平坦な面に密着する導体で形成され、Ｃ型形状を成す複数の空隙がそれぞれ離間して規則的又は周期的に配置された空隙のある膜と、を備え、
   前記空隙のある膜に付着した前記被測定物による容量成分の変化に基づき、予め設定された共振周波数を変化させ、入射した電磁波の反射率又は透過率の周波数特性の変化から前記被測定物を検出する検出センサー。
2. 前記空気よりも大きい屈折率を有する材料はシリコンである、請求項１に記載の検出センサー。
3. 前記空隙のない膜は、前記空隙のある膜よりも厚い、請求項１又は２に記載の検出センサー。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の検出センサーが配置され、
   前記検出センサーに電磁波を照射する電磁波照射部と、
   前記検出センサーで反射した電磁波、又は、前記検出センサーを透過した電磁波を検出する電磁波検出部と
   を備える検出装置。

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