JP2008521015A

JP2008521015A - 高周波信号検出センサー

Info

Publication number: JP2008521015A
Application number: JP2007543418A
Authority: JP
Inventors: イーサルスマン，ケニス; ダブリューソー，ダニエル
Original assignee: センテラインコーポレイテッド
Priority date: 2004-11-20
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2006055961A3; US8115693B2; US20060284774A1; US7280078B2; WO2006055961A2; US20120007585A1; EP1846983A4; EP1846983A2

Abstract

入射ＲＦ信号を感知するセンサーが提供される。このセンサーは、ギガヘルツ（ＧＨｚ）領域及びテラヘルツ（ＴＨｚ）領域における信号を感知することができる。このセンサーは、１つ以上のカンチレバー、干渉計を利用することができ、又はこのセンサーは箱型構造に形成することができる。

Description

発明の分野
本発明は、ＲＦ（無線周波数）信号を感知するように設計された装置又は装置群、より詳しくは、ギガヘルツ領域及びテラヘルツ領域におけるＲＦ信号を感知するように設計された装置又は装置群である。

発明の背景
マイクロ波スペクトルのギガヘルツ（ＧＨｚ）領域及びテラヘルツ（ＴＨｚ）領域は、オリジナルの分子の破壊的なイオン化を伴わずに高分子共鳴を検出することができる領域として認識されてきた。特に興味深いのは、医療用センシングから生物兵器テロ警告センサーまでにわたる用途において、巨大分子の分子振動を測定する能力である。これらの領域を感知するための検出スキームは、主として、極めて高感度なボロメータにおける熱変化（温度変化）の誘導に依存してきた。このような装置は、ＲＦエネルギーをボロメータ素子における熱変化に変換することによって受信信号に応答し、次にこの熱変化が圧力（応力）を発生する。この圧力は、その素子が検出電極に対して移動する時の電気容量シフトにおける静的変化を検出することによって測定することができる。高度なボロメータは、天文学、及び、超電導材料における高温電子（ホットエレクトロン）を例えば装置にその機能性を与える電子が残りの電子よりも高いエネルギーを有している場合などに利用するその他の用途、において用いられる。このようなシステムは、極めて高感度である一方で、極めて高価でもあり、又それを作動させるためには大幅な設備基盤を必要とする。これらのアプローチは、素子ごとに狭い周波数応答を提供し、又わずかに異なる応答領域を有する各素子のアレイ（配列）による狭い応答（群）のアレイを必要とするか、又は、それらの受信帯域内のマグニチュード（振幅）データ（但し、周波数測定値ではない）を提供する。

従って、広帯域エミッター（放出装置）と連動することができ、又受信信号の周波数マッピングを提供することができ、これによってスペクトル分析のために必要な電子機器を簡略化することができるセンサーが必要とされている。更に、多種多様な環境及び用途において用いるための種々の感度又はゲイン（利得）を有するように設計された装置もまた必要とされている。

発明の概要
入射ＲＦ放射を感知するセンサーは、前記入射ＲＦ放射を受信するのに適したアンテナと、前記アンテナに電気的に結合され、前記受信された入射ＲＦ放射の影響を受けるカンチレバー（片持ち梁構造）と、前記カンチレバーへの前記効果を、前記受信された入射ＲＦ放射を示す測定可能な信号に変換するための変換器と、前記測定可能な信号を感知するための検出器と、を有し、前記検出器で感知された測定可能な信号は前記受信された入射ＲＦ放射を示すことを特徴とする。或いは、前記カンチレバーの代わりに、箱型構造又は干渉計を採用することができる。このセンサーは、ＧＨｚ及びＴＨｚ領域内のＲＦ信号を感知することができる。

本発明の理解は、添付の図面と共に以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を検討することにより容易となるだろう。添付の図面において、同様の参照番号は同様の要素を指す。

発明の詳細な説明
本発明に関する図面及び説明は、本発明を明確に理解するのに適切な要素を説明するために簡略化してあり、一方、明確さを期すために、典型的な検出装置に見られる他の多くの要素を省略してあることを理解されたい。当業者は、本発明を実施するためには、他の要素及び／又は工程が望ましい且つ／或いは必要であると認識するかもしれない。しかしながら、そのような要素及び工程は斯界において周知であり、又本発明のより良い理解を促進することはないので、本明細書においては、そのような要素及び工程についての議論は省略する。本明細書の開示は、当業者に知られているそのような要素及び方法に対する変形及び修飾の全てを対象とする。

本発明は、広帯域エミッター（放出装置）と連動することができ、又受信信号の周波数マッピングを提供することができ、これによってスペクトル分析に必要な電子機器を簡略化することができるセンサーを提供することができる。更に、本発明の装置は、多種多様な環境及び用途において用いるための種々の感度又はゲインを有するように設計することができる。

例えば微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：microelectromechanical system）などの機械的に制御可能な膜を用いることができる。ＭＥＭＳは、典型的には、電気的構成要素と機械的構成要素とを組み合わせた統合された微小装置又はシステムであり、集積回路加工技術を用いて作製され、又そのサイズはナノメートルからミリメートルの範囲に及ぶことがある。このようなシステムは、マイクロスケールで感知、制御及び発動することができ、そして個別に又は配列（アレイ）において機能してマクロスケールでの効果を生起することができる。ＭＥＭＳを使用することは、当業者に知られている。

概略、ＭＥＭＳは、ベース及びデフレクター（偏向器）を有していてよい。ベース及びデフレクターは、例えばＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＮ、Ｓｉ、又はＳｉＯ₂などの、当業者に知られている材料から作製することができる。ＭＥＭＳは、このＭＥＭＳにエネルギーを適用することによってベースに対するデフレクターの長手方向の偏位（たわみ）を生じさせるようにして、作動することができる。ベースからのデフレクターの長手方向の移動（変位）は、ＭＥＭＳに適用されるエネルギーに比例する。この検知技術には、多種多様なＭＥＭＳ構造を適用することができる。ほんのわずかの選ばれた種類の構造のみが本明細書において詳しく説明されるが、例えば揺動アーム及び可撓性ダイヤフラムなどの、当業者に知られているその他の構造を、受信ＲＦ信号によって導電素子に与えられる電荷差に基づいて振動を変化させるように設計することができる。ＭＥＭＳは、メカニカルアドバンテージ（機械的拡大率）を有する装置内に組み込むことができ、その結果、信号の検出を増大させることができる。更に、ＭＥＭＳ内で振動を発生させることなく、ＭＥＭＳと基準（リファレンス）比較とを利用することができる。しかしながら、このようなアプローチは、長期のスケールで見たときの熱変化（温度変化）又はその他の環境変化に対してより敏感である場合があり、正確且つ高感度の測定を提供するためには定期的に再較正を必要とする場合がある。静的構成においては、電場（電界）の代わりに磁場（磁界）を用いることができ、駆動電界発生器又は基準電界発生器の必要性をなくすことができる。

本発明の装置は、シリコンなどの種々の材料の上に作製することができる。このタイプの検出器を、特定の中心周波数を有する広い周波数範囲において使用するために作製することができるように、素子のサイズは可変であってよい。基準を組み込むことによって、又振動（発振）周波数を用いることによって、本発明は、信号を検出すること、及び、その周波数を測定することの両方を可能とすることができる。更に、本明細書に記載されるセンサーの感度は、ＭＥＭＳの位置を識別するための従来の検出技術に影響を及ぼすことがある周囲のノイズ（雑音）発生元の除去によって、高めることができる。センサー内にベースライン（基準）振動をつくり、又基準素子を利用することによって、受信機の感度に影響を及ぼすことのある温度の影響、湿度の影響、振動の影響、及びその他の環境の影響を除去することができる。更に、このＭＥＭＳのゲイン（増幅率）は、そのＭＥＭＳ構造の長さ又は共振周波数を変えることによって増大させることができる。又、ＭＥＭＳを特定のＲＦ周波数において共振するように設計することで、特にその周波数において、受信機の感度を高めることができる。このセンサーの感度は、従来のインダクタンス検出器又はキャパシタンス検出器に影響を及ぼすことのある周囲のノイズ発生元の除去によって、高めることができる。例えば２個の素子を有するセンサー内にベースライン（基準）振動をつくり、又それらの素子のうちの１つを基準として利用することによって、温度、湿度、振動、及びその他の環境の影響などの周囲の影響を除去又は低減することができる。

本発明の一態様によれば、２個の実質的に同一のＭＥＭＳを用いることができる。各ＭＥＭＳはカンチレバーとして構成することができ、これによって例えばＧＨｚ及びＴＨｚ領域などにおける受信ＲＦ信号のマグニチュード（振幅）及び周波数を感知することができる。このような構成においては、第１のＭＥＭＳは基準素子であってよく、第２のＭＥＭＳは信号受信素子であってよい。駆動された振動を、ＭＥＭＳ内に既知の周波数を発生させるために用いることができる。入射信号を受信すると、第２のＭＥＭＳは電荷の変化及び対応する振動の変化の影響を受けることができ、一方第１のＭＥＭＳはこの入射（入力）信号から分離された状態を維持する。第２のＭＥＭＳの振動の変化は、例えば、誘導、電気容量、電子トンネル、圧電応力、及び干渉などによってＭＥＭＳの位置を感知する検出電極との電界相互作用を変化させることができる。そして、第２のＭＥＭＳに対応する電極からの信号を、安定した振動の状態を維持していてよい基準ＭＥＭＳ電極からの信号と比較することができる。そのような比較器は、これらの信号を減算して、入射信号に対応する出力信号を与えることができる。

入射信号がＭＥＭＳの振動の周波数とマッチ（調和）する場合には、出力信号は受信素子のマグニチュードの変化となり得る。入射信号が振動周波数とは異なる周波数である場合には、結合信号は振動周波数と入射信号周波数との間のうなり周波数（ビート周波数）となり得る。振動周波数は既知であるので、このうなり周波数は、入射信号の周波数に変換することができる。このうなり周波数は、受信周波数から発生周波数を引いた値に等しい。振動周波数が使用されない場合には、付加的な環境の影響があっても、入射信号は直接読み取ることができる。当業者には理解されるように、信号の値を計算する場合には、計算において複数の測定値を用いることによって、計算の精度の向上をもたらすことができる。この点に関し、このような測定値の精度を高めるために、別のＭＥＭＳの組を、別のデータポイントのセットを与えるために用いることができ、そしてこの別のＭＥＭＳの組をオフセット（ずらされた）振動周波数にて駆動することができる。得られた信号は、入射信号の周波数に変換することのできる２つの異なるうなり周波数パターンを表すことができ、そして各出力信号は、入射信号の周波数への変換を精緻化するために用いることができる。又、上述の測定値を更に精緻化するために、更なるＭＥＭＳの組を用いることができる。

本発明は、生物脅威（bio-threat）センサー及び化学センサーなどの、ＧＨｚ及びＴＨｚ領域のセンサー製品において用いるために、大量に、且つ、低コストで作製することができる高感度検出器を提供することもできる。本発明は、アレイ上に入射するＲＦ信号を、例えばＣＣＤなどの光センサー又は撮像（結像）アレイ上で捕らえることのできる光学的画像へと変換（アップコンバート）する能力を提供することができる。

図１を参照すると、本発明の一態様に従うＲＦ信号を感知するためのセンサーが示されている。センサー１００は、ＭＥＭＳ１１０、アンテナ１２０、ビーム１３０の放出源、検出器１４０、及び開口（絞り）１５０を有していてよい。図１に示すように、ＭＥＭＳ１１０はアンテナ１２０に結合されていてよく、これによりアンテナ１２０上に入射する信号はＭＥＭＳ１１０に結合されて、ＭＥＭＳ１１０のカンチレバーの位置に影響を与える。ＭＥＭＳは、アンテナが共振する時にＭＥＭＳ上の電荷が変化するように、アンテナ構造に組み込むことができる。或いは、ＭＥＭＳ装置は、アンテナに接続して、アンテナ構造の下方に配置することができる（即ち、アンテナ自体の固有の部分ではない。後に説明する図１４を参照。）。この構成においては、ＭＥＭＳは、アンテナが共振する時に自身の電荷を変化させ、又電荷を回路内に送る。従って、ＭＥＭＳはアンテナシステムの容量値の一部であるが、双極子部材の一部ではない。更に別の技術は、ＭＥＭＳ装置を導波路の一部として有することである。ＭＥＭＳはＴＨｚ周波数にて振動することはない。むしろ、共振電荷は実際にはＭＥＭＳ上に蓄積された電荷であり、従って、ＭＥＭＳは時間をかけて調和する。基準信号を加えることによって、うなり周波数が得られ、これは調和を行うための別の方法である。従って、スイッチと同様に、一旦ＭＥＭＳ装置の端部上に電子が蓄積されると、それが正しい電界強度に向けて偏位（偏向）し、そしてその偏位が測定される。

ＭＥＭＳ１１０が入射信号の影響を受けた時にビーム１３０がそれに応答して偏向する（逸れる）ように、ビーム１３０をＭＥＭＳ１１０の表面上に指向させることができる。より詳細には、ＭＥＭＳ１１０が入射信号の影響を受けた時に、ＭＥＭＳ１１０の電気的特性が変化するようにすることができる。図示するように、電気的特性が変化すると、第１の端部において固定されているＭＥＭＳ１１０は、カンチレバーとして自由に移動することができる第２の端部において角度を変える。ＭＥＭＳのこの第２の端部は、ベース１１１に対して移動することができる。ＭＥＭＳ１１０の電気的特性は、ＭＥＭＳ１１０の自由端の偏位の程度又は振動の周波数に影響を及ぼす。この影響が生ずると、ＭＥＭＳ１１０の第２の端部とベース１１１との間の距離が変化する。この距離の変化は、入射ビーム１３０の入射角及び出射角に対して、それぞれのシフトを引き起こすことによって影響を及ぼす。このシフトは、結果としてビーム１３０の下流側への移動（変位）をもたらすことができる。検出器１４０を、ビーム１３０の偏向をその検出器１４０にてモニターできるように配置することができる。更に、開口１５０を、当業者には明らかなように、ビーム１３０を制限する位置において検出器１４０の近傍に配置することができる。簡単に言えば、例えばガウスビームは、ＭＥＭＳ１１０の第２の端部の角度に基づいて検出器を横切って移動するビームプロファイルを有していてよい。このビームは検出器を横切るので、検出可能なビームの利用可能な入射角を制御するために、ビームストップ（絞り）を用いることができる。入射信号がアンテナ１２０に到達すると、その信号の影響（作用）がＭＥＭＳ１１０に結合され、次にＭＥＭＳ１１０がビーム１３０の入射角及び出射角に影響を及ぼし、これが検出器１４０にて検出される。この検出器１４０における検出結果は、ＭＥＭＳ１１０の第２の端部の各位置について異なる信号が検出されるようにすることによって、入射信号に対応し、これはＭＥＭＳ１１０上での信号の電気的特性と関連している。当業者には明らかであるように、例えばビーム１３０がガウスビームである場合、開口１５０上でのビーム１３０のシフトは、公知のスリット／ガウス特性に従って検出器１４０上での信号の減少を引き起こし得る。

ＭＥＭＳ１１０の電位が変化すると、ＭＥＭＳ１１０と共通電極１１１との間の電荷差が変化して、ＭＥＭＳ１１０に自身の共通電極に対する間隔又は位置を変化させることができる。素子が既知の周波数にて振動させられる場合には、受信ＲＦ信号からの入力電荷は、ＭＥＭＳ１１０の振動周波数を変化させることができる。

本発明の一態様によれば、反射型ＭＥＭＳ１１０を移動するように設計することができ、これによりその移動が入射ビーム１３０の角度を変化させるようにすることができる。ＭＥＭＳ１１０におけるこのような変化は、適切な波長領域の電磁波の受信に起因する、適用された外部電界に対応するものであってよい。ＭＥＭＳ１１０は、静的な、即ち、既知の振動電界を素子上に供給する共通電極に対する自身の接近に起因して、偏位され得る。ＭＥＭＳの電位が変化すると、素子と共通電極との間の電荷差が変化して、それがＭＥＭＳに自身の共通電極に対する間隔又は位置を変えさせることができる。本発明の一態様によれば、ＭＥＭＳ１１０は、受信ＲＦ信号からの入力電荷がＭＥＭＳ１１０の振動周波数を変化させることができるように、既知の周波数にて振動させることができる。

ＭＥＭＳ１１０を照射するために、平行ビーム光線、ガウスビーム、又はその他の公知のビーム直径方向の可変強度エネルギーパターンなどの、レーザー又はその他の光源からの光ビーム１３０を用いることができる。ビーム１３０は角度において発散（逸れる）するように設計することができ、これにより、光センサー１４０において、より大きな直径のスポットサイズをつくることができる。センサー１４０は、明確なビーム直径を有する一点におけるビーム１３０の強度を測定するように設計することができる。静止系の場合は、入射ＲＦ信号は、ＭＥＭＳ１１０が変位された時に、測定されるビーム強度を変えることができる。振動している系の場合は、入射ＲＦ信号によって与えられる電荷がＭＥＭＳ１１０の振動パターンを変化させる時に、センサー１４０によって測定されるビーム強度の周波数は変化することができる。

当業者には明らかなように、このような構成の感度又はゲインは、光センサーにおけるビームの直径又はビームの強度パターンなどのビームのパラメータの変更、ＭＥＭＳの偏位感度の変更、ＭＥＭＳと光センサーとの間の距離を変えることなどによるシステムの構造（形状）の変更、又は、用いられる光の周波数及びその周波数に対する光センサーの感度を変えることなどによるシステムの応答特性の変更、によって操作することができる。

本発明に従うシステムの感度又はゲインの変更は、例えば、光センサーにおける干渉モードの変更、ＭＥＭＳの電気機械的偏位感度の変更、ＭＥＭＳと光センサーとの間の経路長差の変更、及び、用いられる光の周波数及びその周波数における光センサーの感度の変更、などの多くの方法で達成することができる。

この設計の変形例は、ＭＥＭＳの磁気バージョンを含んでいてよい。そして、ＭＥＭＳ上の電荷が変化すると、磁界における偏位は、上述の電界バージョンにおけるものと同じ機能を実行することができる。このような磁気バージョンが有利な場合がある。このような構成が、作動するために電力を必要としなくてよく、又電力が利用できないか又は望ましくない遠隔区域におけるＴＨｚ感知を提供することができるためである。

図２を参照すると、本発明の一実施形態が示されており、この実施形態では、図１の装置に対して、複製を形成する基準として第２の検出装置が加えられている。図２に示されるように、本発明は、２個、即ち、複数のＭＥＭＳ２１０、２１０’を使用することを含んでいてよい。このような構成においては、第１のＭＥＭＳ２１０’は基準として機能することができ、又環境ノイズの除去方法を提供するために両方のＭＥＭＳ２１０を振動させることができる。

図１に関連して述べたように、ＭＥＭＳ２１０は信号２２０と相互作用することができる。ＭＥＭＳ２１０の第２の端部は、信号２２０に応答して、ベース２１１に対して偏位することができる。更に、入射信号から分離されている第２のＭＥＭＳは、周囲の、即ち、環境の条件に反応することができる。信号に対するＭＥＭＳ２１０の反応は、そのような周囲の、即ち、環境の条件に対する反応を含んでいてよい。ＭＥＭＳ２１０’との反応を測定することによって、これらのノイズ信号を明らかにすることができる。このノイズは、ＭＥＭＳ２１０’を反応させ、そしてＭＥＭＳ２１０’の第２の端部を上述したようにしてベース２１１’に対して偏向させることができる。この検出結果は、測定することができ、又ノイズと同等と見なすことができる。ベース２１１とベース２１１’とは同等と見なされるので、各チャンネル２１０、２１０’上のノイズは同等と見なすことができる。チャンネル２１０上のノイズを明らかにすることによって、信号２２０の測定をより正確に行うことができる。

本発明は、上述の電界とは対照的に、磁界において作動するＭＥＭＳ２１０を含んでいてよい。これにより、ＭＥＭＳ２１０上の電荷が変化すると、上述したようにしてＭＥＭＳ２１０は磁界において偏位することができる。基本的には電界装置と同様に作動するが、磁気バーションは、電力を必要としなくてよく、又、電力供給が課題である区域、即ち、電力の伝送が困難なことがある区域、又は遠隔の区域にある又は電力が否定的に検出されることがあるなどの電源が望まれないことのある区域における感知を提供することができる。

本明細書に記載されるように、ＭＥＭＳ２１０上の電荷差の誘導が検出されると、次いでＭＥＭＳ２１０は共通電極２１１、２１１’に対して偏位することができる。ＭＥＭＳ２１０の運動は、ＭＥＭＳ２１０によって偏向されるビーム１３０を受光光センサー１４０に導入することによって測定することができる。ビーム１３０の偏向は、ＭＥＭＳ２１０の位置の非常に正確な測定を提供することができ、これによりＲＦ誘導信号の検出を提供することができる。この信号を識別及び定量するために、検出素子の運動を、その信号から分離されて基準として機能する別の同一の素子と比較することができる。このアプローチは、検出器の感度を大幅に高め、又周囲の発生源からのノイズの影響を減少させる。振動のうなり周波数の分析は、受信信号の周波数を識別する能力を提供する。

外部ビーム１３０を用いることによるＭＥＭＳ２１０、２１０’の偏位の測定に依存する代わりに、プローブ２６０を用いて電気的測定を行うことができる。プローブ２６０上の電気信号は、ＭＥＭＳ２１０の第２の端部の位置の影響を受け、又プローブ２６０’上の信号は、ＭＥＭＳ２１０’の第２の端部の位置の影響を受ける。

図３を参照すると、本発明の一態様に従うセンサーが示されている。センサー３００は、ソース（光源）３１０、ビームスプリッタ３２０、集束器（集光器）３３０、センサーＭＥＭＳ３４０、基準ＭＥＭＳ３５０及び検出器３６０を有していてよい。図３に示されるように、ソース３１０は、ビームスプリッタ３２０によって、複数のビーム経路に分割することができる。複数のビーム経路は、集束器３３０によって集束することができる。複数のビーム経路のうちの第１のビーム経路はセンサーＭＥＭＳ３４０上に入射させることができ、第２のビーム経路は基準ＭＥＭＳ上に入射させることができる。複数のビーム経路のそれぞれは、検出器３６０上に入射させることができ、これにより複数のビーム経路間の経路長の変化が検出器３６０上での干渉を生起することができる。

又、図４を参照すると、本発明の一態様に従うセンサー３００の原理を利用した干渉計型センサーが示されている。本発明は、ＭＥＭＳ４５０のアレイ及び共通電極４４０を利用することができる。これらは反射型であり、又、例えば、ＭＥＭＳ４５０とファブリ−ペロ型干渉スタック（積層体）４７０（もちろん、ファブリ−ペロ構造などの光学干渉計も）との間の光経路長を変化させるように設計される。適切な波長領域の電磁波の受信などにより外部電界がＭＥＭＳ４５０に適用された時に、この信号を受信するＭＥＭＳ４５０は、固定位置の電荷電界を提供する共通電極に対する自身の接近に起因して、偏位され得る。ＭＥＭＳ４５０の電位が変化すると、素子と共通電極との間の電荷差が変化して、素子に自身の共通電極に対する間隔又は位置を変えさせることができる。ソース（光源）４１０からのビームは、センサーＭＥＭＳ４５０と任意に付加的な基準ＭＥＭＳとを有するＭＥＭＳ受信アレイを一様に照射するために、拡大及びコリメート（平行化）することができる。ビームは、入射ビームをＭＥＭＳアレイから戻された反射ビームから分離するためのビームスプリッタ４２０を通過することができる。本発明の一態様によれば、ビームは、ビームスプリッタを通過し、次いで二重通過干渉計として設計されていてよいファブリ−ペロ型干渉計スタックを通過することができる。例えば、ＭＥＭＳから反射された光の位相は、増加的干渉又は減殺的干渉を引き起こすことができ、これにより反射型ＭＥＭＳ素子４５０の位置を表す戻りビームの強度変化を引き起こすことができる。ＭＥＭＳ素子４５０は受け取った電荷（電気量）の変化で移動するので、その位置の変化は干渉計における光位相に影響を及ぼすことができ、これにより戻りビームにおける光の強度を変化させることができる。一旦入射信号なしで較正されると、センサーは受信素子のその基準位置に対する偏位を示すことができる。受信信号からの強度変化情報を伴う戻りビームは、ビームスプリッタによって、光センサー又は光学的撮像アレイ４６０のいずれかに向けて偏向させることができる。各ＭＥＭＳ素子は、受信信号に基づいてその位置を変化させるので、単一光センサーバージョンは、アレイの値における平均の変化を記録することができる。ＣＣＤなどの光学的撮像アレイは、そのアレイからの出力の画像を提供することができ、又適正なＲＦ収集設計の使用を伴うことで、ＭＥＭＳアレイによって受信されたマイクロ波画像の可視画像を提供することができる。この方法において、ＭＥＭＳは、ＧＨｚ及びＴＨｚ放射のための撮像アップコンバータ（変換器）として機能することができる。

任意に設けられる基準ＭＥＭＳは、入射ＲＦ信号から遮断されていてよく、これにより基準として機能することができる。このような構成においては、撮像ＭＥＭＳ素子と、基準素子として機能するＭＥＭＳ素子との両方を駆動する付加的な駆動部を、アレイ素子に加えることができる。基準ＭＥＭＳを使用することで、温度又は湿度の変化などのセンサーの周囲の条件の変化から起きることのある感知上の障害（アーチファクト）を最小化することを可能とすることができる。基準振動を加えることで、入射信号と基準振動との間の周波数の変化を決定して、それによって受信信号の周波数を与えるために、付加的な測定を行うことができる。

図５を参照すると、本発明の一態様に従う装置において使用するための反射型電極５００が示されている。図５に示されるように、ＭＥＭＳ５１０は反射型であってよく、又、適切な波長領域の電磁波の受信によって外部電界がそれに適用された時に線形的な方法で移動するように設計することができる。ＭＥＭＳ５１０は、素子上に静的な電界を提供する共通電極に対する自身の接近に起因して、偏位され得る。ＭＥＭＳの電位が変化すると、素子と共通電極５２０との間の電荷差が変化して、素子に自身の共通電極に対する間隔又は位置を変えさせることができる。ＭＥＭＳ５１０は、反射型であってよく、例えば、光学干渉計内の能動素子となるように線形的な方法で移動することができる。又、図６を参照すると、光ファイバー型ファブリ−ペロ干渉計を利用した本発明の一実施形態が示されている。ファブリ−ペロ干渉計は、用いることのできる１つのタイプの干渉計となり得るものであり、光ファーバーの開口内にて光が通過し、次いでＭＥＭＳから反射し戻されるための線形（直線状）の経路を提供することができる。このような構造は、光ファイバーを通して進行する光源からの光がＭＥＭＳに反射されること可能とし、又それがファイバー内に戻されて通過する時に増加的干渉又は減殺的干渉のいずれかが起こることを可能とすることができる。ファイバーの反対側の端部では、戻ってくる光を分離することができ、又その強度を測定してＲＦ信号が受信されたかを決定することができる。図６は、光検出器及び集光系６６０、ビームスプリッタ６２０、光源６１０、光ファーバー６６６、及び誘電体フィルター６６７のスタック（これはファブリ−ペロ干渉計をつくるために用いられる）を示している。アンテナ６７０は、ＭＥＭＳ膜ミラー６７１に直接接続される。これにより、ミラーが前後に振動する時に、それがスタックとミラーとの間で波長を変化させることになる。従って、ミラーがどのように移動するか、又、干渉計がどのように曲げられるかによって、干渉計は明るい反射と黒色との間で変化することになる。グラウンド層（接地平面）６７２は、アンテナ及びＭＥＭＳが電荷の観点で共鳴するためのものである。

本発明の一態様によれば、百代のＧＨｚ及びＴＨｚ周波数における非常に高い周波数のパルスの検出を達成することができる。このような信号を検出するための斯界におけるその他の試みは、熱応力、又は、レーザービームにおける偏り（偏光）変化を引き起こす光学的な相互作用、のいずれかへの信号の変換を含む。本明細書に記載される技術は、受信信号を検出するためにＭＥＭＳ素子を利用する。

図７を参照すると、本発明の一態様に従うＭＥＭＳ共振ボックスセンサーが示されている。このアプローチでは、ＭＥＭＳは均衡（平衡）状態の電界中に配置することができ、この電界はＭＥＭＳの一方の側面上に与えられる受信信号によって均衡を失わされる。この不均衡化は、ＭＥＭＳを、最初の電界を供給する駆動源の振動によって引き起こされるものとは異なる方法で振動させることができる。この不均衡化された振動は、電気的手段又は光学的手段のいずれかで検出することができる。図７は、箱型（ボックスタイプ）のＭＥＭＳ共振器７１０と、電気的に接地（接地電位に接続）されたアンカー（固定部）７８０とを含む。検出電極７６０は、ＭＥＭＳ共振器７１０の位置を感知し、駆動電極７１１は、その１つがアンテナ７７０に接続されている。駆動信号発生器７７８は、ＭＥＭＳを既知の振動モードで駆動するための位相シフト遅延７７７を生成する。アンテナが信号を受信した時に、位相は変化することになり、又ＭＥＭＳ共振ボックスにトルク（回転力）を与えることになる。

より詳細には、共振ボックスは、１ＧＨｚ周波数範囲において作動し、ＴＨｚ周波数の平行信号がボックスの両側面に適用されることによってＴＨｚを感知する。これらのパルスは、所望の検出波長の近傍の周波数における単純な矩形波である。ボックスは、入射信号のための、接地への経路である。第１のアプローチでは、ボックスの両側面が同じ駆動信号を受信するので、ボックスは動かない。次いで、受信信号は、ボックスの一方の側面上の信号と相互作用することができる。この相互作用は、２つのパルスの位相が一致している場合の信号のマグニチュードの増加、２つのパルスの位相がずれている場合の信号のマグニチュードの減少、又は、２つの信号のいずれよりも低い周波数の振動をもたらすうなり周波数相互作用、のいずれかになることになる。これらいずれの場合においても、入射信号が適用される側のボックス上のポテンシャル場が、基準信号のみが適用される側と比較して変化させられる。次いで、この変化はボックスを振動させ、又次いでこの動きは例えば光学的技術又は電気的技術によって検出することができる。Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ）を最大化するために、センサーが第２のボックス共振器をも必要として、比較器として機能し、従って寄生容量、熱的問題、振動などに対処することがある。

図８は、アンテナ８７０、ＭＥＭＳ共振器８１０及び電気的に接地されたアンカー８８０を示している。検出電極８６０は、ＭＥＭＳ共振器８１０の位置を感知する。図８は、図７の装置と同様であるが、更に２個の駆動電極８１１が追加されている。この構成は、ＭＥＭＳ共振器の一端部のみ（即ち、図７の場合の一側面ではなく）にトルクを与えることによって、アンカーポイント（固定点）８８０の周りにより高い回転共振（回転共鳴）を生成する。図８〜１０の実施形態においても位相シフト遅延は含まれているが、簡略化のために図示されていない。

図９を参照すると、２個の双極子アンテナ（ダイポールアンテナ）素子９７０と、図７のセンサーのための接点（例えば、金接触パッドの形態のもの）９９０とが示されている。特に、接点９９０は、アンテナとセンサーとの間に存在している。特に、各双極子素子は、共振器の異なる部分に接続されている。一方の双極子素子は１つの駆動電極９１１に接続されおり、他方の双極子素子はＭＥＭＳ共振器９１０の中央に接続されている。従って、振動がＭＥＭＳ装置に伝達されることになる。

図１０においては、トルクを与えるポイントを変えることによって、受信信号の機械的なゲインを提供するために、図８のセンサーに対してオフセット（偏心）アンカー１０８０を任意で設けることができる。

例えば、１．６ＧＨｚまでの周波数で振動するように、共振ボックスカンチレバー構造又は共振コーム（櫛型）構造などのＭＥＭＳ構造を用いることができる。

高周波振動は、ＭＥＭＳに適用される電荷のどのような不均衡も高速に検出することを可能にする。本発明のセンサー設計は、共振構造のいずれの側にも電極を有するＭＥＭＳを組み込むことができる。更に、このセンサーは、ＭＥＭＳの両方の側に駆動信号を供給するためのＧＨｚ又はＴＨｚ信号発生器を有していてよい。両方の側に適用される位相及び出力（電力）が実質的に一定であれば、ＭＥＭＳは平衡状態、又は、安定した振動状態であることができる。駆動周波数と同様の周波数の受信信号がＭＥＭＳの一方の側に導入されると、駆動周波数との相互作用は、各信号の位相が一致している場合の一方の側の電位の増大、各信号の位相がずれている場合の一方の側の電位の減少、又は、各信号が同一の周波数のものでない場合のうなり周波数相互作用、のいずれかを引き起こすことができる。いずれにしても、ＭＥＭＳの受信側の電位が変化することができ、ＭＥＭＳの位置の変化又は検出に適した振動特性の変化をもたらすことができる。検出のために応力又は重さなど機械的性質の変化を利用する典型的なＭＥＭＳセンサーとは違って、本発明は、ＭＥＭＳを、フィールド強度（電界強度）センサーとして駆動することができる。入射信号とＭＥＭＳとの間の相互作用は、ＭＥＭＳ又は関連した電極のいずれかにおける電荷（電気量）の変化に基づいていてよい。

受信信号の機械的なゲインは、受信信号を、ボックスＭＥＭＳの１つの角（コーナー）に投入することによって、又は別の非対称的な方法で投入することによって達成することができ、これによりそのボックスの反対側の端部をより大きく動かすような動揺振動を生起することができる。このような作用は、反対側の端部により少ない駆動エネルギーを適用するか若しくは該駆動エネルギーを適用しないで達成することができるか、又は、その機械的なてこの作用が反対側の端部をより大きく動かすように設計してＭＥＭＳを形成することによって達成することができる。

ＭＥＭＳは、ＭＥＭＳ内の電荷シフトを生成するアンテナ構造又は検出材料を組み込むことができる。ＭＥＭＳ上のこの電荷の放電は、ＭＥＭＳを接地（アース）に接続する電気回路によるか、又は指示（読み取り）の合間に放電経路を提供する接点又はＭＥＭＳスイッチによることができる。

入射信号とＭＥＭＳとの間の相互作用は、ＭＥＭＳを共振器の構成要素として組み込むことによって増強することができ、その場合、受信信号の選択された周波数は、定常波共振を確立することができるか、又はその構造内で反射することができる。ＭＥＭＳ構造を用いて可変波長共振器を設計することが可能であり、その場合、ＭＥＭＳ素子は、受信信号を感知すること及びセンサーの共振周波数を変化させることの両方のために用いることができる。このような構成においては、検出素子は、選択された周波数範囲にわたって走査するために用いることができる。

電極及びＭＳＭＳの櫛形構造は、これら２つの間の相互作用を増強することができ、又容量変化による感知を提供することができる。光検出は、ＭＥＭＳの動きを感知するために用いることができ、又受信信号のゲインを提供することができる。

ヘテロダイン受信機を作製するために２個のＭＥＭＳ構造（アーキテクチャ）を組み込むことで、システムが検出結果のノイズレベルを検出すること、及び検出結果のノイズレベルを最小化することの両方を可能とすることができる。事実、このセンサーは、周囲環境中で作動でき、広帯域又はソリッドステート（固体）であってよく、又、例えばポータブルセンサー、走査アレイ及び撮像スターリングアレイなどの小型化が重要な用途において使用することを可能とすることができる。

図１１は、光学的な窓として機能するピクセル（画素）アレイ基板１１０１を有する典型的な光電子ＭＥＭＳアレイセンサー１１００を示している。光電子ピクセルアレイ１１０３は、基板１１０１に接続された複数の光電子ピクセル１１０２（即ち、電気を発生するために使用される）を有する。接点１１８０（例えば、金ビーズで作製される。図１３参照。）は、光電子素子内で発生された電荷を２個のＭＥＭＳ素子１１１０、１１１２のうちの１つに伝達する。２個のＭＥＭＳ素子１１１０、１１１２はそれぞれ、ＭＥＭＳベース１１０９の上面の上に載っている一端部を有している。検出ＭＥＭＳ素子１１１０は、ＭＥＭＳ素子を検出電極１１６０に向けて曲げる電荷を蓄積し、又基準ＭＥＭＳ素子１１１２が設けられており、これは同様にして基準電極１１６２に接続されている。図１１はまた、駆動電極１１１１と、ベース１１９９（例えば、シリコンで作製される）とを含んでいる。上述の光電子ピクセルの代わりに、圧電性ピクセル又は磁歪ピクセルを代替型検出素子として用いることができる。

図１２は、図１１において用いられる光電子ピクセルアレイ１１０３の平面図を示す。

図１３は、図１１中の選択部分１３の拡大平面図を示す（即ち、ピクセルアレイ基板及び光電子ピクセルは簡略化のため省略されている）。

図１４は、典型的なＲＦ−ＭＥＭＳアレイセンサー１４００を示している。この独特のセンサーは、上述の光電子ピクセルアレイ１１０３の代わりにＲＦピクセルアレイ１４０３が利用されている点で、図１１のセンサーとは異なっている。ＲＦアレイ１４０３は、例えば、図１４及び１５に示されるようなＨ型アンテナピクセル／双極子１４０２などの、複数のＲＦ装置を有する。図１４では、受信信号をＲＦアレイ１４０３内の個々のＲＦアンテナピクセル１４０２に指向させるために、基板１４０１内の複数の導波路開口を利用している。

図１５は、図１４において用いられるＲＦアンテナピクセルアレイ１４０３の平面図を示す。

図１６は、図１４中の選択部分１６の拡大平面図を示す（即ち、ピクセルアレイ基板及びＲＦアンテナピクセルは簡略化のため省略されている）。

スターリングＲＦアレイは、異なる周波数にて作動するように設計されたアレイの素子（群）を備える、本明細書に記載されるセンサーを伴って形成することができる。このような構成は、アレイが、対象となる帯域幅にわたって分配された周波数特異的素子（群）を備えた広帯域幅受信機の機能を実行することを可能とすることができる。このような構成においては、アレイは、撮像アレイであるように最適化されている必要はなく、その代わりに、その視野内にあるシーン（場面）のスペクトル分析を提供することができる。

上述の光電子ピクセルの実施形態を用いて、該光電子ピクセルを、放射（線）と相互作用して検出ＭＥＭＳの電荷を変化させる電子を生成するように設計することによって、種々のタイプの放射（線）を検出することができる。例えば、ＩＲ（赤外線）、可視光線、ＵＶ（紫外線）、Ｘ線、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、及び中性子などの放射（線）タイプをこの方法において検出することができる。

このセンサー構造は、外部の信号又は刺激に反応する素子と、相互作用素子（例えば、光電子ピクセル）の反応を測定するために用いられるＭＥＭＳ素子との間の設計を分離する能力を提供する。このことは、これらの構成要素のそれぞれの性能を最大化する能力を提供する。例えば、光電子ピクセルは、所望の感度及び開口（口径）を提供するように任意のサイズ又は形状にて作製することができ、一方でＭＥＭＳ素子は、光電子素子によって生成される電気信号に対する最大の感度を提供するように独立して設計することができる。もしもＭＥＭＳが光電子ピクセルと同じサイズであることが求められるのであれば、それは光電子ピクセルからの電気信号に対する高レベルの感度を提供する能力を維持できないだろう。

ＧＨｚ及びＴＨｚ撮像アレイは、例えば衣服の下又はパッケージ（包装）の内部に隠されたものなどの、隠された対象の画像を提供することを可能とすることができる。特定の周波数での撮像を用いること又はスペクトル走査を用いることで、スターリングアレイが視野内にある対象の化学分析を提供することを可能とすることができる。適切に設計された誘電体表面を用いることによって、スターリングアレイがＲＦカメラとなることを可能とし、それにより本発明によってつくられた光学的画像がそのセンサー設計のＲＦ周波数におけるシーンの真像となること可能とするように、ＲＦレンズを形成することができる。従って、アレイの各部分が異なる所望の検出領域に対して感応するように設計及び／又は最適化することにより、多帯域（マルチバンド）検出装置が提供される。例えば、連続的なスペクトルの広帯域分光計を提供するように、アレイの各素子は、前の素子からわずかにずらしてチューニングされる。その他のアレイ構造を採用してもよい。例えば、アレイの個々の素子を既知の化学物質又は化合物の特定の放射（発光）周波数に合わせてチューニングすることができ、これによりその既知の化学物質又は化合物に関連付けられたピクセルが活性化した時に、アレイがその既知の化学物質又は化合物の存在を知らせることができる。ミリメートル波及びＴＨｚアンテナなどの複数タイプのセンサー材料を、種々の周波数における光電子ピクセルと一緒に用いることで、化学物質又は化合物を識別するために、広いスペクトル域を用いることができる。このような装置は、ハイパースペクトルのものとみなすことができるだろう。

上述のいずれの実施形態に関しても、ＴＨｚ基準信号の発生はいくつかの方法で行うことができ、そのうちの２つの例を以下に説明する。

１．高速クロック回路を利用することで、周波数が１０ＧＨｚまでのパルスを発生することができる。これらのクロック信号のうちの２つを取り、それらを位相がずれるように設計し、そしてそれらの信号を取り出して、固定の又は場合により調整可能な遅延線を通過させることによって、それらの位相のわずかなシフトを達成することができる。この２つの信号が組み合わされると、遅延線によって設定された遅延に起因して、パルスが一致（調和）する部分を除いて、信号のキャンセル（取り消し）がもたらされる。このことによって、ＴＨｚ領域内に設定され得る一連のパルスが提供される。この種の複数のクロックの組み合わせ（合成，結合）によって、持続波信号を発生することができる。別法では、共振ＭＥＭＳ装置を同様の方法において利用し、パルスを発生し、そしてそれを組み合わせて、又位相シフトを介して、より高い周波数のパルスをもたらすことができる。

２．ＴＨｚパルスは、レーザーダイオードを利用して２つの異なる周波数における２つの光ビームを発生させ、次いでこの２つのビームをＺｎＴｅ、ＧａＰのような結晶又は特別に設計されたポリマースタックの内部で結合（融合，調和）させることによって、発生させることができる。２つのビーム間のうなり周波数は、ＴＨｚ領域内になるように設定することができ、そして結晶又はポリマー材料は、光信号をＴＨｚ出力に変換する。

本発明は、バイオハザード（例えば、核の放射線又は磁気放射）などの放射源を感知するために用いることができる。本発明のセンサーは、分光学的検出器（例えば、放射、吸収、又は発信などにおけるもの）の部分として機能することができる。このセンサーは、所望の波長に対する選択的な露出によって発動されるスイッチとして機能することもできる。

当業者は、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発明の多くの修飾及び変更を行うことが可能であることを認識するだろう。従って、本発明の修飾及び変更は、添付の請求項及びその均等の範囲内にある場合には、本発明の範囲内に含まれるものであることを意図する。

図１は、本発明の一態様に従うＲＦ信号を感知するためのセンサーを示す図である。図２は、図１の装置を参考とした本発明の変形例を示す図である。図３は、本発明の一態様に従うセンサーを示す図である。図４は、本発明の一態様に従うセンサーの原理を利用した干渉計型センサーを示す図である。図５は、本発明の一態様に従う装置において用いるための反射型電極を示す図である。図６は、光ファイバー型ファブリ−ペロ干渉計を利用した本発明の一実施形態を示す図である。図７は、本発明の一態様に従うボックスＭＥＭＳセンサーを示す図である。図８は、本発明の一態様に従う別のボックスＭＥＭＳセンサーを示す図である。図９は、図８のセンサーのための接点を示す、本発明の一態様に従う更に別のボックスＭＥＭＳセンサーを示す図である。図１０は、図８のセンサーのためのオフセットアンカーを示す、本発明の一態様に従う更に別のボックスＭＥＭＳセンサーを示す図である。図１１は、本発明の一態様に従う光電子ＭＥＭＳアレイセンサーを示す図である。図１２は、本発明の一態様に従う、図１１において用いられる光電子ピクセルアレイを示す平面図である。図１３は、本発明の一態様に従う、図１１中の選択部分１３を示す拡大平面図である（即ち、ピクセルアレイ基板及び光電子ピクセルは簡略化のため省略されている）。図１４は、本発明の一態様に従うＲＦ−ＭＥＭＳアレイセンサーを示す図である。図１５は、本発明の一態様に従う、図１４において用いられるＲＦアンテナピクセルアレイを示す平面図である。図１６は、本発明の一態様に従う、図１４中の選択部分１６を示す拡大平面図である（即ち、ピクセルアレイ基板及びＲＦアンテナピクセルは簡略化のため省略されている）。

Claims

入射ＲＦ放射を感知するセンサーにおいて、
前記入射ＲＦ放射を受信するのに適したアンテナと、
前記アンテナに電気的に結合され、前記受信された入射ＲＦ放射の影響を受けるカンチレバーと、
前記カンチレバーへの前記影響を、前記受信された入射ＲＦ放射を示す測定可能な信号に変換するための変換器と、
前記測定可能な信号を感知するための検出器と、
を有し、
前記検出器で感知された測定可能な信号は前記受信された入射ＲＦ放射を示すことを特徴とするセンサー。
入射ＲＦ放射を感知するセンサーにおいて、
前記入射ＲＦ放射を受信するのに適したアンテナと、
前記アンテナに電気的に結合され、前記受信された入射ＲＦ放射の影響を受ける干渉計と、
前記干渉計への前記影響を、前記受信された入射ＲＦ放射を示す測定可能な信号に変換するための変換器と、
前記測定可能な信号を感知するための検出器と、
を有し、
前記検出器で感知された測定可能な信号は前記受信された入射ＲＦ放射を示すことを特徴とするセンサー。
入射ＲＦ放射を感知するセンサーにおいて、
前記入射ＲＦ放射を受信するのに適したアンテナと、
前記アンテナに電気的に接続され、前記受信された入射ＲＦ放射の影響を受ける構造と、
前記構造への前記影響を、前記受信された入射ＲＦ放射を示す測定可能な信号に変換するための変換器と、
前記測定可能な信号を感知するための検出器と、
を有し、
前記検出器で感知された測定可能な信号は前記受信された入射ＲＦ放射を示すことを特徴とするセンサー。
入射ＲＦ放射を感知する方法において、
前記入射ＲＦ放射を受信する工程と、
前記受信された放射を変換器に結合する工程と、
前記結合された受信された放射を検出可能な信号に変換する工程と、
前記検出可能な信号を測定する工程と、
を有することを特徴とする方法。