CN107209055A - 辐射热计型THz检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明的辐射热计型THz检测器具备接收并放射波长λ的THz波的指向性天线(1)、与指向性天线(1)相对配置的收信天线(2)、及检测由流经收信天线(2)的电流引起的发热的辐射热计(4)，且指向性天线(1)在俯视时与收信天线(2)重叠，指向性天线(1)的长度方向长被设定为比收信天线(2)的长度方向长要短。

Description

辐射热计型THz检测器
技术领域
本发明涉及一种辐射热计型THz检测器。
背景技术
辐射热计为利用电阻体(或导体)的电阻值根据温度变化而变化的性质的热(红外线)检测组件，若电阻体的温度变化率大时，则被称为热敏电阻。
辐射热计型THz检测器为检测兆赫频率帯(波长λ为30μm以上1mm以下)的电磁波(THz波)的装置，其被期待应用于物质的解析技术等(参照例如专利文献1、专利文献2)。在这些文献中所记载的检测器利用吸收膜吸收THz波、或利用天线接收THz波，并将由此所产生的热输入辐射热计而间接地检测出THz波。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本特许5109169号公报
[专利文献2]日本特开2010‐261935号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
然而，期待一种与现有的辐射热计型THz检测器相比可检测出更微弱的电磁波的辐射热计型THz检测器。
本发明鉴于如此的课题而完成，其目的在于提供一种能够检测出微弱的电磁波的辐射热计型THz检测器。
[解决问题的技术手段]
为解决上述的问题，本发明的辐射热计型THz检测器的特征在于：其具备接收并放射THz波的指向性天线、与前述指向性天线相对配置的收信天线、及检测由流经前述收信天线的电流引起的发热的辐射热计，其中前述指向性天线在俯视时与前述收信天线重叠，且前述指向性天线的长度方向长比前述收信天线的长度方向长要短。
因指向性天线比收信天线短，故入射至指向性天线的THz波的相位变化后被再放射而由收信天线接收。指向性天线在俯视时与收信天线重叠，且因收信天线经由指向性天线的相位调整而能够配置于接收大的电场振幅的位置，故对应收信而大的电流流动，而由电阻体(或导体)造成发热。因发热量利用辐射热计而被检测出，故该装置作为辐射热计型THz检测器而发挥功能。在指向性天线的长度方向与收信天线的长度方向为一致时，收信天线能够接收更大的电场振幅。
另外，本发明的特征在于将前述THz波的波长设为λ，则前述指向性天线与前述收信天线的距离为λ/4(作为相位相当于π/2)以下。该情形下，因入射至收信天线的THz波与自指向性天线再放射的THz波相对于收信天线在入射侧成为同相而增强、在反入射侧则成为反相而减弱，故在入射侧具有强指向性。
另外，本发明的辐射热计型THz检测器的特征在于：其进一步具备反射天线，其配置于与前述指向性天线共同夹着前述收信天线的位置。在THz波入射至反射天线时，因再放射的THz波能够入射至收信天线，故通过适当地调整反射天线的位置，能够增大收信天线所接收的电场振幅。
另外，本发明的辐射热计型THz检测器的特征在于：其具备具有凹部的盖部件、及被前述盖部件盖住且与前述盖部件共同划分密闭空间的支撑基板，且前述指向性天线固定于前述凹部的底面，前述指向性天线、前述收信天线、及前述辐射热计配置于前述密闭空间内。
由于将上述天线群紧凑地收纳于密闭空间内，故能够构成对环境变动的耐性高、且小型的检测器。
本发明的特征在于：前述盖部件具备具有前述凹部的硅基板，且前述硅基板的前述凹部的深度d1为10μm以上400μm以下，前述硅基板的周缘部的厚度d2为200μm以上2mm以下，且前述密闭空间内设定为比大气压低的压力。较大气压低的压力，优选为真空(0.1Pa以下)，由此可高感度地进行环境耐性高的检测，但因在硅基板上设置有凹部，故存在因压力差而导致硅基板发生变形的可能性。因此，通过设定为上述数值范围的下限以上而能够防止硅基板的变形，并且通过设定为上限以下而能够抑制THz波的大幅度衰减。
本发明的特征在于：具备设置于与前述硅基板的前述凹部的相反侧的面的抗反射膜、及设置于前述硅基板的前述凹部的内面的绝缘膜，且前述抗反射膜的材料为SiO2或聚对二甲苯(Parylene(商标))，前述绝缘膜的材料为SiO2或聚对二甲苯，且前述硅基板的比电阻设定为1kΩcm以上。
该情形下，THz波的反射由抗反射膜被抑制，且，因硅基板内的杂质少，故THz波的衰减少，从而THz波能够充分地入射至指向性天线。
[发明的效果]
因利用本发明的辐射热计型THz检测器可接收大的电场振幅，故也能够检测出微弱的电磁波。
附图说明
图1为显示第1实施方式的辐射热计型THz检测器的结构的图。
图2为读出电路的电路图。
图3(A)及图3(B)为显示位置与电场振幅的关系的图。
图4(A)及图4(B)为显示位置与电场振幅的关系的图。
图5为显示辐射热计型THz检测器的剖面结构的图。
图6为分解辐射热计型THz检测器而显示的立体图。
图7为辐射热计型THz检测器的平面图(除盖以外)。
图8为辐射热计型THz检测器的天线群的平面图。
图9为显示改变x轴方向的位置的天线的放射图案的图。
图10为显示改变y轴方向的位置的天线的放射图案的图。
图11为显示辐射热计型THz检测器的动作原理的图。
图12为使用辐射热计型THz检测器的检查装置的立体图。
图13为第2实施方式的辐射热计型THz检测器的平面图。
图14为显示第2实施方式的辐射热计型THz检测器的剖面结构的图。
图15为显示变化例的辐射热计型THz检测器的剖面结构的图。
图16为第3实施方式的辐射热计型THz检测器的平面图。
图17为显示第3实施方式的辐射热计型THz检测器的剖面结构的图。
图18(A)-图18(D)为各种类型的单位传感器的平面图。
图19为显示天线长(μm)与共振频率(THz)的关系的图。
图20为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例的图。
图21为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例的图。
图22为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例的图。
图23为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例的图。
图24为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例的图。
图25为读出电路的电路图。
图26为单位传感器的电子显微镜像。
图27为配置为数组状的多个单位传感器的电子显微镜像。
图28为包含多个单位传感器的单位像素的平面图。
图29为单位像素的电路图。
图30为读出电路的电路图。
具体实施方式
以下，针对实施方式的辐射热计型THz检测器予以说明。另外，针对相同要件设定为使用相同符号，而省略其重复的说明。
图1为显示第1实施方式的辐射热计型THz检测器100的结构的图。
该辐射热计型THz检测器100具备：具有凹部D1的盖部件6、及被盖部件6盖住且与盖部件6共同划分包含凹部D1的密闭空间的支撑基板5，且指向性天线1、收信天线2、反射天线3、及辐射热计4配置于该密闭空间内。将指向性天线1如图5所示固定于凹部D1的底面时，装置变得紧凑。将天线群紧凑地收纳于密闭空间内，从而构成对环境变动的耐性高、且小型的检测器。密封材7介于盖部件6与支撑基板5之间。支撑基板5为集成电路基板，在其内部形成有读出电路5b。支撑基板5具备：半导体基板5a、形成于半导体基板5a内的读出电路5b、及被覆半导体基板5a的表面的绝缘膜5c。
半导体基板5a的材料可使用硅，绝缘膜5c的材料可使用SiO2或SiNx，密封材7的材料可使用从包含铟、铜、锡及金的金属群所选出的至少任一种，但也可使用其他的材料。在本例中，使用Au/AuSn作为密封材7。
指向性天线1接收并放射THz波，收信天线2与指向性天线1相对配置，反射天线3反射透射收信天线2的THz波，辐射热计4检测由流经收信天线2的电流引起的发热。
此处，设定xyz三维正交坐标系，以指向性天线1的长度方向为y轴方向、以指向性天线1的宽度方向为x轴方向、以指向性天线1的厚度方向为z轴方向。在自z轴方向观察存在于xy平面内的指向性天线1时，也即，在俯视时，指向性天线1与收信天线2重叠，且指向性天线1的长度方向长(y1)比收信天线2的长度方向长(y2)要短。
因指向性天线1较收信天线2短，故自图式的上方的位置经由盖部件6入射至指向性天线1的THz波其相位发生变化，而经指向性天线1再放射而被收信天线2接收。
收信天线2具备由一对直线状天线构成的偶极天线2a、及配置在构成偶极天线2a的直线状天线之间隙间的电阻体2b。该间隙yg可设定为例如10μm以下。电阻体2b电性连接一对直线状天线并因流经这些天线的电流而发热。
指向性天线1在俯视时与收信天线2重叠，另外，因收信天线2通过指向性天线1的相位调整而能够配置于接收大的电场振幅的位置，故对应于收信而大的电流流动，且因电阻体2b(或导体)而产生发热。因发热量利用接近配置于收信天线2的辐射热计4而被检测出，故该装置作为辐射热计型THz检测器而发挥功能。
另外，指向性天线1的长度方向(y轴方向)与收信天线2的长度方向(y轴方向)为一致，收信天线如图9及图10所示那样能够接收大的电场振幅。
换言之，图9为显示改变x轴方向的位置的天线的放射图案的图，图10为显示改变y轴方向的位置的天线的放射图案的图。周向的刻度表示角度，圆的中心位置为收信天线2的重心位置，自该中心位置朝向-90°的方向为+x轴方向、自中心位置朝向0°的方向为+z轴方向。径向的刻度为天线的绝对增益，其单位为dB。另外，图9中的箭头显示相对于收信天线2将指向性天线1自基准状态朝x轴方向偏移7μm时的指向性最大方向的变化。
在基准状态下，使指向性天线1的重心位置与收信天线2的重心位置一致(x＝0μm)，并使其等的长度方向、宽度方向也为一致(y＝0μm)。
若将指向性天线1自基准状态(图9的数据m1(x＝0μm))朝x轴方向偏移(m2：x＝7μm、m3：x＝15μm)，则收信效率降低(图9)。换言之，在指向性天线1相对于收信天线2朝x轴方向偏移时，这些天线的重心间的距离z1会变为z1’(z1’＝(z12+x2)1/2)。由此，入射至收信天线2的THz波与自指向性天线1经再放射的THz波的相位偏移而使共振效果减小、且因相互阻抗的变化而导致的损失会降低收信效率。
若将指向性天线1自基准状态(图10的数据m1(x＝0μm))朝y轴方向偏移(m2：y＝7μm、m3：y＝15μm)，则收信效率降低(图10)。换言之，在将指向性天线1相对于收信天线2朝y轴方向偏移时，由于因位置关系的变化引起的相互阻抗的变化所导致的损失会降低收信效率。
如上述那样，因指向性天线1与收信天线2的位置在自基准状态偏移位置时会产生收信损失，故使这些的位置关系处于基准状态为优选。另外，因朝x轴方向的偏移而导致的损失较因朝y轴方向的偏移而导致的损失更大。
另外，将THz波的波长设为λ。指向性天线1与收信天线2的距离z1为λ/4(以相位而言相当于π/2)以下。另外，距离z1为在基准状态下重心位置间的距离，而在朝x轴或y轴方向偏移时为重心位置间的z轴方向距离。该情形下，因入射至收信天线2的THz波与自指向性天线1再放射的THz波相对于收信天线2在入射侧成为同相而增强、在反入射侧则成为反相而减弱，故在入射侧具有强指向性。
反射天线3配置于与指向性天线1共同夹着收信天线2的位置。在THz波入射至反射天线3时，因经再放射的THz波能够入射至收信天线2，故通过适当地调整这些天线之间的距离z2、也即反射天线3的位置，能够增大收信天线2所接收的电场振幅。
上述的天线群可由在俯视时重叠的偶极天线构成，通过相互效果能够提高对自传感器上方入射的THz波的指向性、提高收信天线2的收信效率。此处，收信天线2具有馈电点(电阻体)，但指向性天线1与反射天线3则不具备馈电点的无源组件。
另外，若将入射THz波的波长设为λ，则收信天线2的长度y2为λ/2以下。由于对应于入射至收信天线2的THz波的光强度而发生的电动势，在设置于天线中心的馈电点的电阻体2b，电力被消耗而产生热。
指向性天线1形成于收信天线2的上方(THz波入射侧)的无源组件，因其长度y1相对于收信天线2的长度y2短(y1＜y2)，故y1较λ/2小。
收信天线2与指向性天线1之间的距离为λ/4以下，感应电流因自上方入射的THz波而在指向性天线1中流动，而再放射发生。此时，该再放射波与入射波在配置有收信天线2的膜片的上方成为同相而增强，在膜片的下方成为反相而减弱。因此，对应于自上方入射的THz波的收信天线2的指向性变强，从而能够提高收信天线的收信效率。
反射天线3为相对于收信天线2在其下方(与THz波入射侧相反)形成的无源组件。反射天线3的长度y3相对于收信天线的长度设定为更长(y2＜y3)。收信天线2与反射天线3之间的重心位置间的z轴方向的距离z2为λ/4以下。与指向性天线1的情形相同，感应电流因自上方入射的THz波而在反射天线3中流动，而再放射发生。该再放射波与入射波在膜片的上方成为同相而增强，在膜片的下方成为反相而减弱。因此，对应于自上方入射的THz波的收信天线2的指向性变强，从而能够进一步提高收信天线的收信效率。
图2为读出电路5b的电路图。另外，电路上的连接意味着电性连接。
在收信天线2的电阻体产生的热H入射至辐射热计4。辐射热计4的主要构成要件为电阻器。辐射热计4的输出经由开关SW1输入至放大器AMP1，且输出信号OUT自放大器AMP1的输出端子输出。在放大器AMP1的反相输入端子与输出端子之间，并联地连接有电容器C1与开关SW3，非反相输入端子连接于基准电位Vref。反相输入端子连接于开关SW1与开关SW2之间的连接点，该连接点经由开关SW2及电阻器Z1连接于电源电位Vcc。若闭合开关SW3则变为重设状态，电容器C1被放电。在断开开关SW3之后，若闭合开关SW1、SW2，则电流自电源电位Vcc流入辐射热计4，与该电阻值对应的值被输入至放大器AMP1的非反相输入端子，且电荷在电容器C1内蓄积，从而自输出端子可获取输出信号OUT。
其次，针对电场振幅的关系进行详细说明。首先，说明因设置指向性天线1所发生的现象。
图3为显示位置与电场振幅的关系的图。将THz波设定为自图面的右侧入射。
图3(A)为指向性天线1与收信天线2的长度相同时的图，图3(B)为指向性天线1较收信天线2短时的图。图内的横轴表示沿z轴方向的位置，纵轴表示电场振幅。另外，指向性天线1配置于图中的D的位置，且收信天线2配置于A的位置。其等的隔开距离为λ/4，但即便较其短也可获得上述的效果。
此乃显示在使收信天线2与指向性天线1处于水平放置状态下，入射至收信天线2的THz波(实线)与自指向性天线1再放射的THz波(点划线)的关系的图。此处，将收信天线2的长度y2设为λ/2、收信天线2的电抗成分设为0Ω、收信天线2与指向性天线1之间的距离z1设为λ/4。
此外，考虑因天线周边介质、天线配线的电阻成分、天线宽度、2个天线靠近时的相互作用等而导致变化的阻抗的整合，优选为将天线长度或天线之间的距离设定为较上述尺寸稍许小。
在图3(A)的情形下，通过入射至指向性天线1的THz波的磁场而产生遵循麦克斯韦·安培定律的电动势，且感应电流流动。此时，因指向性天线1的长度与收信天线相同而电抗成分为0，故电动势与感应电流的相位为同相，而通过该感应电流自指向性天线再放射的THz波与入射THz波成为同相。故，如图3(A)所示，入射至收信天线2的THz波与自指向性天线1再放射的THz波成为偏移π/2相位的状态。
在图3(B)的情形下，指向性天线1因长度被设定为较收信天线2短而具有电容性电抗成分，因此通过入射至指向性天线1的THz波而流动的感应电流相对于电动势，其相位前进π/2。通过该感应电流自指向性天线1再放射的THz波相对于入射THz波，其相位前进π/2。进而，通过将收信天线2与指向性天线1之间的距离z1设定为λ/4(也即以相位而言相当于π/2)，入射至收信天线2的THz波与自指向性天线1再放射的THz波，相对于收信天线2在入射侧成为同相而增强、在反入射侧则成为反相而减弱，故形成在入射侧具有强指向性的情形。
其次，说明因设置反射天线所发生的现象。
图4为显示位置与电场振幅的关系的图。将THz波设定为自图面的右侧入射。图中显示了入射至收信天线2的THz波与自反射天线3再放射的THz波的关系。图内的横轴表示沿z轴方向的位置，纵轴表示电场振幅。另外，反射天线3配置于图中的R的位置，且收信天线2配置于A的位置。这些的隔开距离为λ/4，但即便较其短也可获得上述的效果。
将收信天线2的长度设为λ/2、收信天线2的电抗成分设为0Ω、收信天线2与反射天线3之间的距离z2设为λ/4，将反射天线3的长度在图4(A)中设定为与收信天线2相同长度、而在图4(B)中则设定为较收信天线2长。此外，与指向性天线相同，因考虑2个天线靠近时的相互作用而导致变化的阻抗的整合，故优选为将天线长度或天线之间的距离设定为较上述尺寸稍许小。
在图4(A)的情形下，通过入射至反射天线3的THz波的磁场而产生电动势，感应电流流动。此时，因反射天线3的长度与收信天线2相同而电抗成分为0，故电动势与感应电流的相位为同相，从而通过该感应电流自反射天线再放射的THz波与入射THz波为同相。故，如图4(A)所示，入射至收信天线的THz波与自反射天线3再放射的THz波成为偏移π/2相位的状态。
在图4(B)的情形下，反射天线3因长度被设定为较收信天线2长从而具有感应性电抗成分，因此通过入射至反射天线3的THz波而流动的感应电流相对于电动势，其相位延迟π/2。通过该感应电流自反射天线再放射的THz波相对于入射THz波，其相位延迟π/2。进而，通过将收信天线2与反射天线3之间的距离z2设定为λ/4(也即以相位而言相当于π/2)，入射至收信天线2的THz波与自反射天线3再放射的THz波，相对于收信天线2在入射侧成为同相而增强、在反入射侧则成为反相而减弱，故形成在入射侧具有强指向性的情形。
通过将以上的原理组合，能够形成在指向性天线侧具有强指向性的天线结构。另外，因天线的厚度薄，故上述的距离z1及z2设定为各天线的重心位置间的z轴方向距离，但即便其为各天线的相对表面之间的距离，相同的关系也可成立并可获得上述的效果。
图5为显示第1实施方式的辐射热计型THz检测器100的具体的剖面结构的图，其显示沿图7的对角线A-A’的剖面结构。因基本的结构已如图1中所说明，故以下针对详细的结构予以说明。
上述的盖部件6具备具有凹部D1的硅基板6b，硅基板6b的凹部D1的深度d1为10μm以上400μm以下，优选为300μm以下，更优选为200μm以下，进而更优选为100μm以下。硅基板6b的周缘部的厚度d2为200μm以上2mm以下，优选为1mm以下。将辐射热计4的下表面与被覆膜8的露出表面之间的距离设为d3。作为一例，设定d1＝13.5μm、d2＝600μm、d3＝2μm。
将包含凹部D1的密闭空间设定为较大气压低的压力。较大气压低的压力，优选为真空(0.1Pa以下)，由此可高感度地进行高环境耐性下的检测，但因在硅基板6b上设置有凹部D1，故存在因压力差而导致硅基板6b产生变形的可能性。因此，通过将硅基板6b的凹部D1的深度d1设定在如上述的浅范围内而确保基板厚度，从而防止硅基板6b的变形，通过将周缘部的厚度d2设定在上述范围内，能够抑制凹部正下方的硅基板的薄板部的厚度过厚，从而能够抑制THz波的大幅度衰减。实际而言基板厚度在上述下限以上而凹部深度在上限以下时，基板变形得以抑制，但在范围外时存在产生基板变形的情形。为使密闭空间减压，可在减压环境下(真空)，使盖构件与支撑基板贴合。
在与硅基板6b的凹部D1相反侧的面上设置有抗反射膜6c，在硅基板6b的凹部D1的内面设置有绝缘膜6a。抗反射膜6c的材料为SiO2或聚对二甲苯(Parylene(注册商标))，绝缘膜6a的材料为SiO2或聚对二甲苯，且硅基板6b的比电阻设定为1kΩcm以上。该情形下，THz波的反射通过抗反射膜被抑制，且，因基板内的杂质少，故THz波的衰减少，从而THz波能够充分地入射至指向性天线1。
另外，上述的密封材7由Au层7a与AuSn层7b的2层构成。密封材7介于绝缘膜6a与由绝缘体构成的被覆膜8之间。被覆膜8覆盖支撑基板5的表面，反射天线3的表面也由被覆膜8被覆。另外，在构成支撑基板5的半导体基板5a的背面，设置有保护用的绝缘膜5e。
在支撑基板5的表面侧的绝缘膜5c上，连接有与辐射热计4的两端电性连接的配线10，配线10连接于读出电路5b。在读出电路5b的位置位于反射天线3的正下方时，读出电路5b可得到保护免受电磁波的妨害。配线10也可根据需要连接于位于盖部件的外侧的电路。
指向性天线1包含铝等的金属，且固定于凹部D1的底面。
收信天线2由铝等的金属构成，且固定于辐射热计4上。
反射天线3为反射板，由铝等的金属构成。
辐射热计4具备由SiO2或SiNx等的绝缘体构成的膜片4a、形成于膜片4a上的包含高熔点金属(包含W、Ti或Mo的硅化物等)的配线4b、电性连接配线4b的隔开区域且被覆膜片4a及配线4b的电阻层4c、及由被覆电阻层4c的绝缘体(SiO2或SiNx等)构成的保护层4d。收信天线2固定于保护层4d上。电阻层4c包含非晶硅。
图6为分解辐射热计型THz检测器而显示的立体图、图7为辐射热计型THz检测器的平面图(除盖以外)，图8为辐射热计型THz检测器的天线群的平面图。
反射天线3为在XYZ正交坐标系中在XY平面内延伸的长方形的反射板，其2个角部有缺口，在缺口的位置配置有电极垫E1及E2。各个电极插头P1及P2分别连接于这些电极垫E1及E2，且与形成于膜片4a的上表面的配线4b电性连接。在膜片4a上设置有圆形的接触孔，电极插头P1及P2经由该接触孔连接于配线4b的两端。
绝缘体的膜片4a在俯视时具有沿反射天线3的外周延伸的梁的部分，及呈与梁的部分连续的大致四边形且其2个角部被切取的形状的中央部。一对配线4b攀爬在膜片4a上且沿膜片4a的中央部的对角线(x轴方向)延伸，但在y轴方向上隔开。电阻层4c位于该隔开的部位之间，为便于说明未在图6中显示。配线4b的膜片中央部的长度方向(x轴方向)与收信天线2的长度方向(y轴方向)正交。收信天线2与指向性天线1的长度方向(y轴方向)为一致。
如上述那样，指向性天线1的尺寸y1、收信天线2的尺寸y2、沿具有2个角部被切有缺口的四边形形状的反射天线3的对角线的尺寸y3满足y1＜y2＜y3(参照图7)。指向性天线1与构成收信天线2的一对直线状天线的平面形状的任一者皆呈大致长方形，且其等的宽度方向的尺寸x1相同。
例如，可设定y1＝14μm、y2＝43μm、x1＝5.4μm，但能够获取良好的特性的y1、y2、x1的优选值为10μm≦y1≦100μm、20μmm≦y2≦250m、x1≦10μm。入射至辐射热计型THz检测器的能量线(光、电磁波)可具有0.5THz～3THz的频率。
另外，反射天线3在俯视时具有与辐射热计4的膜片4a相同的图案。膜片4a的中央部在俯视时与反射天线3完全地重叠。另外，反射天线3的与收信天线2在俯视时重叠的方向的对角长度相对于收信天线2的长度为长。如此，因将反射天线3设定为与膜片相同的图案，故源自天线效果的THz波的收信效率提高，自由此产生的热而被加温的膜片放射的辐射热经反射板反射，而被膜片有效地再吸收。此外，反射天线3可设为与收信天线2相同的形状，也可设为与其相比将长度加长的长方形等的形状。
另外，除上述的结构以外，可考虑下述变化：将多个天线配置于膜片上；为提高感度而多段地设置指向性天线；将收信天线设为折叠偶极天线而使阻抗调整变得容易；将收信天线设为蜿蜒型偶极天线，相对于波长采用较半波长直线型偶极天线长度可更短的构成；采用蝴蝶结型天线并使其重合的结构等。
图11为显示辐射热计型THz检测器的动作原理的图。
能量线(光、电磁波)经由指向性天线1被收信天线2接收，且其一部分由反射天线3反射而被收信天线2接收。该能量线为THz波。收信天线2具备由一对直线状天线构成的偶极天线2a、及配置于天线之间隙间的电阻体2b，与收信的能量的强度相对应，电流流经电阻体2b而产生热。
在电阻体2b处所产生的热被传递至设置于电阻体2b的附近的电阻层4c(辐射热计4)。电阻层4c的两端分别与电极垫E1、E2电性连接，流经电阻层4c的电流的大小根据电阻层4c的电阻值而变化。因电阻层4c的电阻值依存于温度，故流经电阻层4c的电流的大小为根据所接收的能量的强度而变化。流经电阻层4c的电流由读出电路5b检测出，且检测输出被输入于控制装置。
上述的指向性天线1、收信天线2、反射天线3及电阻层4c构成单一的像素PX。在上述的例中，显示在1个摄像区域内包含1个像素PX，且在1个像素内具有1个收信天线的例。然而，在1个摄像区域内也可包含多个像素，另外，在1个像素内也可包含多个收信天线。此外，也可使各天线的收信特性(频率或偏振光方位)不同，而获取来自包含这些天线的像素的输出，或进行像素输出间的差分等的演算。以下予以详细说明。
图12为使用辐射热计型THz检测器的检查装置的立体图。
在多个旋转滚子201上配置搬送皮带202，且利用马达M使旋转滚子201旋转。皮带输送机通过这些的马达M、旋转滚子201、搬送皮带202而构成，通过驱动马达M，可沿Y轴方向搬送配置于搬送皮带202上的对象物205。
在搬送皮带202的上方配置有用于朝对象物205照射作为能量线的THz波的光源203及放大透镜204。光源203并无特别的限定，只要产生THz波的能量线即可，可使用量子级联激光器(Quantum Cascade Laser；QCL)或气体激光器。量子级联激光器为利用形成于半导体量子井中的利用量子能阶(次能带)间的光学跃迁的半导体激光器，能够输出THz区域的激光。自光源203出射的激光沿Z轴方向列进，且其直径经由放大透镜204扩径而入射至对象物205。对象物205为成为非破坏检查的对象，其包含各种产品。
搬送皮带202或者由透射激光的材料构成或者具有通过激光的孔。透射对象物205且进而通过或透射搬送皮带202的激光入射至非破坏检查相机200。非破坏检查相机200具备摄像透镜206、及收纳于盒207内的辐射热计型THz检测器100。入射至非破坏检查相机200的激光利用摄像透镜206成像并入射至辐射热计型THz检测器100。
摄像透镜206使入射的激光在辐射热计型THz检测器100的收信天线2上聚光、或者使其成像。入射至辐射热计型THz检测器100的激光作为检测结果，根据入射其的激光的入射强度将电流输出至控制装置208。控制装置208可将来自辐射热计型THz检测器100的检测结果显示于显示设备209上。
另外，控制装置208也能够控制皮带输送机的马达M而使搬送皮带202移动、从而使对象物205一直移动至非破坏检查相机200的上方，并使对象物205停止在非破坏检查相机200的上方位置。控制装置208也控制光源203的发光，在对象物205停止时，可进行自光源203朝对象物205照射激光等的控制。
如上述那样，辐射热计型THz检测器100可在1个摄像区域内包含多个像素，且也可在1个像素内包含多个收信天线。以下予以详细说明。
图13为第2实施方式的辐射热计型THz检测器100的平面图。
该辐射热计型THz检测器100具备：具有凹部D1的盖部件6、被盖部件6盖住且与盖部件6共同划分包含凹部D1的密闭空间的支撑基板5。第2实施方式的辐射热计型THz检测器100除在密闭空间内具备配置为矩阵状的多个像素PX的点、及在支撑基板5上具备信号取出电极E3的点与第1实施方式的检测器不同外，其他的构成皆相同。像素PX沿X轴方向及Y轴方向排列，但像素排列方向并非限定于此，也可采用一维排列或蜂窝状排列等的各种排列。此外，配置于1个摄像区域内(密闭空间内)的像素数也并非限定于该图的数目。
另外，各像素PX具备上述的指向性天线1、收信天线2、反射天线3、及辐射热计4，且能够感应入射的THz波而将电流分别输出。自各像素PX输出的电流能够经由信号取出电极取出至外部。
图14为显示第2实施方式的辐射热计型THz检测器100的剖面结构的图。
第2实施方式的辐射热计型THz检测器100与图5所示的第1实施方式的辐射热计型THz检测器100的相异点如上述所说明那样，仅为像素数与多个信号取出电极E3的有无。因此，该辐射热计型THz检测器100具备：支撑基板5、经由密封材7贴合于支撑基板5的盖部件6、配置于在盖部件6的凹部D1与支撑基板5之间所区划成的密闭空间内的多个像素PX。
像素PX具备指向性天线1、收信天线2、反射天线3、及辐射热计4，但若将包含收信天线2与辐射热计4的结构体作为检测部DET，则辐射热计型THz检测器100具备多个检测部DET。指向性天线1、反射天线3、收信天线2及辐射热计4的结构与如图5～图8所示的指向性天线1、反射天线3、收信天线2及辐射热计4的结构相同。
辐射热计4的输出通过形成于半导体基板5a即硅基板的读出电路5b读出，经由与其连接的配线10及电极E3读出至外部。
反射天线3及配线10的表面由被覆膜8而被覆，配线10一直延伸至盖部件6的外部。被覆膜8在盖部件的外部具有多个开口，信号取出电极E3配置于这些开口内。换言之，信号取出电极E3与配线10的表面接触、且与其电性连接，配线10经由读出电路5b连接于各像素PX的输出。读出电路5b具有放大器，来自多个像素PX的输出依次输入该放大器，被其放大后取出至外部。
第2实施方式的其他的构成与作用和第1实施方式的构成与作用相同。
图15为显示变化例的辐射热计型THz检测器100的剖面结构的图。
在图14所示的辐射热计型THz检测器100中，在每个像素PX中的反射天线3成为分离，而在图15所显示的变化例中，反射天线3不分离，而是以横贯各像素PX的方式延伸。若反射天线3具有对入射的THz波的反射功能，则上述结构的情形，也能够发挥一定的效果。
图16为第3实施方式的辐射热计型THz检测器的平面图，图17为显示第3实施方式的辐射热计型THz检测器的剖面结构的图。
第3实施方式的辐射热计型THz检测器100与图13及图14所示的第2实施方式的辐射热计型THz检测器100的相异点仅为读出电路5b的位置不同，其他的结构及作用效果皆相同。第3实施方式中的读出电路5b为配置于包含多个像素PX的摄像区域与电极E3之间的区域。
读出电路5b与由硅构成的半导体基板5a分别地形成。换言之，在被覆半导体基板5a的绝缘膜5c上，配置有包含读出电路5b的集成电路芯片。另外，读出电路5b也可形成于半导体基板5a内。
图18为各种类型的单位传感器的平面图。
单位传感器具有与图6或图11所示的像素PX相同的基本结构，其具备图6或图11所示的指向性天线1(在图18中未图标)、收信天线2、反射天线3R、及辐射热计4(在图18中未图标)，各天线所满足的条件与上述的条件相同，即指向性天线1与收信天线2的长度方向(y轴方向)为一致。反射天线3R的形状单纯化为正方形，且构成正方形的邻接的2边与X轴方向及Y轴方向一致地延伸。
收信天线2的长度方向(y轴方向)与供接收的THz波的偏振光方向一致，且其长度对应于所感应的频率。因此，通过改变收信天线2(指向性天线1)的长度方向与长度，能够检测具有各种偏振光或频率的THz波。
图18(A)显示单位传感器A1、图18(B)显示单位传感器B1、图18(C)显示单位传感器A2、图18(D)显示单位传感器B2。另外，xy坐标系是将XY坐标系旋转45°的坐标系。
单位传感器A1包含收信天线2(一对偶极天线2a与电阻体2b)，且收信天线2的长度方向与y轴方向一致。单位传感器B1包含收信天线2(一对偶极天线2a与电阻体2b)，且收信天线2的长度方向与x轴方向一致。换言之，单位传感器A1的收信天线2的长度方向与单位传感器B1的收信天线2的长度方向正交，且长度方向的长度相同。因此，每个单位传感器A1及单位传感器B1能够接收彼此相同的频率且具有正交的偏振光方位的THz波。
另外，单位传感器A2包含收信天线2(一对偶极天线2a与电阻体2b)，且收信天线2的长度方向与y轴方向一致。单位传感器B2包含收信天线2(一对偶极天线2a与电阻体2b)，且收信天线2的长度方向与x轴方向一致。单位传感器A2的收信天线2的长度方向与单位传感器B2的收信天线2的长度方向正交，但长度方向的长度相同。
单位传感器A1的收信天线2的长度方向与单位传感器A2的收信天线2的长度方向虽为一致，但长度方向的长度不同。因此，每个单位传感器A1及单位传感器A2能够接收彼此不同的频率且具有相同的偏振光方位的THz波。
单位传感器A1的收信天线2的长度方向与单位传感器B2的收信天线2的长度方向正交，长度方向的长度也不同。因此，各个单位传感器A1及单位传感器B2能够接收彼此不同的频率且具有不同的偏振光方位的THz波。
通过在摄像区域内配置多个上述的单位传感器，能够检测出对应于单位传感器的收信特性的THz波。
图19为显示构成收信天线的偶极天线2a的长度方向的天线长(μm)与其共振频率(THz)的关系的图。
若天线长变长，则收信天线的共振频率(THz)减少。具体而言，若将对于天线长y2(μm)的共振频率f(THz)的变化做线形近似，则满足f＝-0.115×y2+4.9217。换言之，在天线长y2为18(μm)时，共振频率f为2.86(THz)，而在天线长y2为24(μm)时，共振频率f为2.16(THz)。
如上述那样，在实施方式的辐射热计型THz检测器中，通过变更收信天线的天线长能够选择性地接收所期望的THz波。
上述的像素PX具有单位传感器，且位于盖部件的凹部内的密闭空间内。配置有单位传感器的凹部内的区域在俯视时区划成摄像区域IMG。
图20为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例(单一频率检测型)的图。
本例为显示在上述实施方式的辐射热计型THz检测器中，将单位传感器A1沿X轴及Y轴配置为矩阵状的例。因在摄像区域IMG内仅配置有1种单位传感器A1，故该辐射热计型THz检测器能够检测出单一频率的THz波。
图21为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例(多个频率检测型)的图。
本例为显示在上述实施方式的辐射热计型THz检测器中，将单位传感器A1与单位传感器A2沿X轴交替地配置、且沿Y轴交替地配置的例。因在摄像区域IMG内配置有对不同的频率具有感度的2种单位传感器A1及单位传感器A2，故该辐射热计型THz检测器能够检测出2种频率的THz波。此外，也可配置对不同的频率具有感度的3种以上的单位传感器，在该情形下，能够检测出3种以上的频率的THz波。
图22为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例(复数种偏振光检测型)的图。
本例为显示在上述实施方式的辐射热计型THz检测器中，将单位传感器A1与单位传感器B1沿X轴交替地配置、且沿Y轴交替地配置的例。因在摄像区域IMG内配置有对具有不同的方位的偏振光具有感度的2种单位传感器A1及单位传感器B1，故该辐射热计型THz检测器能够检测出2种偏振光的THz波。此外，也可配置对不同的偏振光具有感度的3种以上的单位传感器，在该情形下，能够检测出3种以上的偏振光的THz波。
图23为显示在摄像区域IMG中单位传感器(像素)的配置例(频率、偏振光皆不同时的检测型)的图。
本例为显示在上述实施方式的辐射热计型THz检测器中，将单位传感器A1与单位传感器B2沿X轴交替地配置、且沿Y轴交替地配置的例。因在摄像区域IMG内配置有对频率、偏振光皆不同的THz波具有感度的2种单位传感器A1及单位传感器B2，故该辐射热计型THz检测器能够检测2种类型的THz波。此外，也可配置对频率与偏振光方位皆不同的THz波具有感度的3种以上的单位传感器，在该情形下，能够检测出3种以上类型的THz波。
图24为显示在摄像区域IMG中的单位传感器(像素)的配置例(多个频率、多种偏振光检测型)的图。
本例为显示在上述实施方式的辐射热计型THz检测器中，将单位传感器A1与单位传感器A2沿X轴交替地配置、将单位传感器B1与单位传感器B2沿X轴交替地配置、将单位传感器A1与单位传感器B2沿Y轴交替地配置、且将单位传感器A2与单位传感器B1沿Y轴交替地配置的例。
因在摄像区域IMG内配置有对4种THz波具有感度的单位传感器A1、A2、B1、B2，故该辐射热计型THz检测器能够检测出4种类型的THz波。换言之，自单位传感器A1、A2、B1、B2中所选择的任意的2种，作为能够检测出THz的种类，满足(1)频率不同而偏振光方位相同(A1与A2、或B1与B2的关系)、(2)频率相同而偏振光方位不同(A1与B1、或A2与B2的关系)、(3)频率不同且偏振光方位也不同(A1与B2、或A2和B1的关系)的任一者的关系，整体而言，能够分离并检测出包含多个频率与多个偏振光方位的4种THz波。此外，也可配置多个对包含3种以上的频率与3种以上的偏振光方位的THz波的各自的成分具有感度的单位传感器。
图25为在摄像区域IMG内具有多个像素PX(单位传感器)的情形的读出电路5b的电路图。另外，电路上的连接意味着电性连接。
在各像素PX的收信天线的电阻体处所产生的热被输入于具有电阻层的辐射热计4。各辐射热计4经由分别与其连接的开关SW1而连接于放大器AMP1的反相输入端子。各像素PX的辐射热计4经由开关SW1及开关SW2与电阻器Z1连接，且电阻器Z1连接于电源电位Vcc。在沿1个列方向排列的像素PX中，在开关SW2闭合(ON)时、若将所期望的行的开关SW1闭合(ON)，则来自位于该地址的像素PX的辐射热计4的输出电流被输入至放大器AMP1，且输出信号OUT自放大器AMP1的输出端子被输出。
在放大器AMP1的反相输入端子与输出端子之间，并联地连接有电容器C1与开关SW3，且非反相输入端子连接于基准电位Vref。反相输入端子连接于各像素PX的开关SW1与开关SW2之间的连接点处，该连接点经由开关SW2及电阻器Z1与电源电位Vcc连接。若闭合开关SW3，则成为重设状态，电容器C1被放电。在断开开关SW3后，若闭合位于目的位置的开关SW1与连接于该开关SW1的开关SW2，则电流自电源电位Vcc经由辐射热计4流入接地电位GND，对应于该电阻值的值被输入至放大器AMP1的非反相输入端子，且电荷在电容器C1内蓄积，自输出端子可获取输出信号OUT。
在闭合第n列的开关SW2后，若将属该列的第m行、第m+1行、第m+2行···的开关SW1依次闭合，则属第n列的像素PX的信号被依次读出(其中m、n为自然数)。在闭合第n+1列的开关SW2后，若将属该列的第m行、第m+1行、第m+2行···的开关SW1依次闭合，则属第n+1列的像素PX的信号被依次读出。通过如此重复读出，能够将摄像区域整体的像素PX的数据经由放大器AMP1朝外部输出。
像素PX的数据能够经由1个放大器AMP1串列读出，例如若就每一列配置放大器，则像素PX的数据也能够就每个像素列同时并行读出。
图26为显示单位传感器的电子显微镜相片(Scanning Electron Microscope(SEM)像)的图。另外，在该图中未显示指向性天线。单位传感器的形状为整体的形状是正方形，且一边的长度为30μm左右。单位传感器可利用光微影技术形成。
图27为显示配置为数组状的单位传感器的电子显微镜相片(SEM像)的图。在1个像素内配置有1个单位传感器，多个像素排列为矩阵状。这些单位传感器形成于构成支撑基板的半导体基板上。在本例中，在俯视时信号传递用的配线形成为格子状，在配线所包围的区域内形成构成像素的1个单位传感器。
图28为包含多个单位传感器的单位像素的平面图。
在上述的例中，在1个像素内形成有1个单位传感器，但也可在1个像素内具有多个单位传感器。这些单位传感器所感应并接收的THz波的频率及/或偏振光方位不同。作为一例，在该图中为显示THz波的偏振光方位相同、但频率不同的单位传感器A1，A2’。
单位传感器A1及单位传感器A2’具有与图6或图11所示的像素PX相同的基本结构，其具备图6或图11所示的指向性天线1(在图28中未图标)、收信天线2、反射天线3R，各天线所满足的条件与上述的条件相同，即指向性天线1与收信天线2的长度方向为一致。反射天线3R的形状单纯化显示为正方形，且构成正方形的邻接的2边与X轴方向及Y轴方向一致地延伸。
收信天线2具备包含一对直线状天线的偶极天线2a、及配置在构成偶极天线2a的直线状天线之间隙间的电阻体2b。电阻体2b电性连接一对直线状天线并通过流经这些天线的电流而发热。
另外，单位传感器A1及单位传感器A2’的收信天线2的长度方向皆与y轴方向一致，但y轴方向的尺寸不同。因此，在接收不同频率的THz波时，各个单位传感器A1，A2’的收信天线与所接收的THz波共振，从而使电流流入天线。也可使这些收信天线2的x轴方向的尺寸不同。
该图所显示的单位像素也可在摄像区域内单独地配置，也可配置为矩阵状。在任一者的情形下，摄像区域皆被设为在支撑基板与盖部件之间的密闭空间。
图29为图28所示的单位像素的电路图的一例。
在1个像素PX内配置有单位传感器A1与单位传感器A2’，将各自的辐射热计4(电阻层4c：参照图11)的电阻器设为R1及R2。电阻器R1连接于电源电位Vcc与输出线OUTPUT之间，电阻R2则连接于电阻器R1与接地电位GND之间。因此，电阻器R1与电阻R2之间的节点的电位经由开关SW4输入至输出线OUTPUT。该节点的电位，若将各个电阻器R1、R2的电阻值以与这些电阻器相同的符号表示，则节点的电位＝Vcc×R2/(R1+R2)＝Vcc×1/(R1/R2+1)，其根据单位传感器A1、A2’所检测出的THz波的强度的比例而变化。
另外，输出线OUTPUT的电位，若差分(R1－R2)大，则上述节点的电位也大幅度变化。例如，若以第1频率成分的强度为I1、以第2频率成分的强度为I2时，对应于强度I1与强度I2的比率或差分的电压会被施加于输出线OUTPUT。
另外，也可采用下述配置：将2个收信特性不同的收信天线配置在同一像素内，利用差动放大器(未图示)等检测出各自的输出电压的差分，或通过输入至控制装置(参照图12)的内存而获取差分，从而获取这些成分的差分图像。在求取与频率感度不同的天线相对应的辐射热计的输出的差分时，可获得与各频率的图像的差分相对应的图像，而在求取与偏振光方位的感度不同的天线相对应的辐射热计的输出的差分时，可获得与各偏振光方位的图像的差分相对应的图像。
图30为上述的读出电路5b的电路图的一例。
读出电路如图29所示那样，可为在1个像素内包含2个以上的单位传感器的情形，也可采用将任意的2个以上的单位传感器并联地连接，将这些的连接点连接于输出线OUTPUT LINE的构成。若2个电阻器R1与电阻R2的值根据入射至收信天线的THz波而变化，则对应于入射强度的比例的电压会通过闭合开关SW4(ON)自各像素(包围电阻器R1、R2的虚线区域)依次输入至放大器AMP1。
各像素的辐射热计4的输出(电阻器R1与电阻器R2的分压输出)经由开关SW4被输入至放大器AMP1，且输出信号OUT自放大器AMP1的输出端子被输出。在放大器AMP1的反相输入端子与输出端子之间，并联地连接有电容器C1与开关SW3，且非反相输入端子连接于基准电位Vref。
反相输入端子连接于开关SW4，开关SW4连接于电阻器R1与电阻R2的连接点。若闭合开关SW3则成为重设状态，电容器C1被放电。在断开开关SW3后，若闭合开关SW4，则电流自电源电位Vcc经由辐射热计的电阻器R1流入接地电位GND，对应于电阻器R1与电阻R2的电阻值的值被输入至放大器AMP1的非反相输入端子，且电荷在电容器C1内蓄积，自输出端子可获取输出信号OUT。输出信号可利用电压计V来计测。
另外，将配置于不同像素的收信特性不同的天线的辐射热计的电阻器分别设为R1、R2时也同样，能够进行与上述相同的动作。另外，将配置于不同像素的收信特性不同的天线的电阻器R1、R2的输出独立地输入至未图示的差动放大器时，可获取这些输出的差分。另外，在将这些输出独立地储存于控制装置(参照图12)的内存而求取差分时，可获得收信特性(频率及/或偏振光方位)不同的差分图像。所获得的图像可输出至显示设备(参照图12)。
符号说明
1 指向性天线
2 收信天线
3 反射天线
4 辐射热计

Claims (6)

1.一种辐射热计型THz检测器，其特征在于，
具备：
接收并放射THz波的指向性天线；
与所述指向性天线相对配置的收信天线；及
检测由流经所述收信天线的电流引起的发热的辐射热计，
所述指向性天线在俯视时与所述收信天线重叠，
所述指向性天线的长度方向长比所述收信天线的长度方向长短。
2.如权利要求1所述的辐射热计型THz检测器，其中，
将所述THz波的波长设为λ，
所述指向性天线与所述收信天线的距离为λ/4以下。
3.如权利要求1或2所述的辐射热计型THz检测器，其中，
进一步具备反射天线，其配置于与所述指向性天线共同夹着所述收信天线的位置。
4.如权利要求1至3中任一项所述的辐射热计型THz检测器，其中，
具备：
具有凹部的盖部件；及
被所述盖部件盖住，且与所述盖部件共同划分密闭空间的支撑基板，
所述指向性天线固定于所述凹部的底面，
所述指向性天线、所述收信天线、及所述辐射热计配置于所述密闭空间内。
5.如权利要求4所述的辐射热计型THz检测器，其中
所述盖部件具备：具有所述凹部的硅基板，
所述硅基板的所述凹部的深度d1为10μm以上且400μm以下，
所述硅基板的周缘部的厚度d2为200μm以上且2mm以下，
所述密闭空间内设定为比大气压低的压力。
6.如权利要求5所述的辐射热计型THz检测器，其中
具备：
设置于所述硅基板的所述凹部的相反侧的面的抗反射膜；及
设置于所述硅基板的所述凹部的内面的绝缘膜，
所述抗反射膜的材料为SiO2或聚对二甲苯，
所述绝缘膜的材料为SiO2或聚对二甲苯，
所述硅基板的比电阻设定为1kΩcm以上。
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