JP6169546B2 - 誘電分光センサ、誘電分光センサを用いた測定システムおよび誘電分光センサを用いた測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘電分光センサと電磁波を用いた成分濃度測定における測定再現性と測定精度を向上させる技術に関する。

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。

非侵襲な成分濃度測定装置として、誘電分光法を用いるものが提案されている。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、赤外光等の電磁波を吸収させ、電磁波のパワー強度を観測する。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いたっていない。

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）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（非特許文献１参照）。背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する。またマイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、テラヘルツ（以下、テラヘルツを「ＴＨｚ」と略す）帯において誘電分光装置がある（特許文献１参照）。

図９は、従来例を示すものであり、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図である。

本システムは、第１連続波光源１ａ及び第２連続波光源１ｂと、第１スプリッタ２ａ及び第２スプリッタ２ｂと、第１カプラ３ａ及び第２カプラ３ｂと、光位相変調器４と、第１フォトミキサ５ａ及び第１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５ｃとで主に構成されている。符号８はレンズであり、符号１Ｂは誘電分光センサである。

図１０は、ＴＨｚ帯で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試料の複素誘電率を計測する構成を示す図である。

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試料の複素誘電率を計測することが一般的である。ＴＨｚ波発振器１０から出射したＴＨｚ波は、レンズ１１を通過し、試料保持具１２に保持された誘電分光センサ１Ｂに入射する。誘電分光センサ１Ｂは測定試料１００を保持している。測定試料１００と誘電分光センサ１Ｂを通過したＴＨｚ波は、レンズ１３を通過し、ＴＨｚ波受信器２１で受信され、低雑音増幅器２２、ロックインアンプ２３へと信号が伝達される。

そして、信号に基づき、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が算定される。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。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。

図１１は、誘電分光センサ１Ａとして用いられる従来のFanoメタマテリアル構造を示す図である。

第１の金属配線と第１の金属配線の構造的な非対称性を利用したFanoメタマテリアル構造は高いＱ値を呈することが知られており、例えば、非特許文献３にその記載がある。図において、第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２は誘電体基板１１０の一方の面に配置される。第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２はギャップｇ１とギャップｇ２の位置で最も近接する。また、その面には測定試料１００が配置される。

図１２は、信号の周波数に応じてFanoメタマテリアル構造に対する信号の透過率が変化する様子を示す図である。

第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２により２つの共振ピークＦ１、Ｆ２が生じ、ギャップｇ１の中心とギャップｇ２の中心をずらすことにより、Ｆ１、Ｆ２がＦ１’、Ｆ２’へとシフトすることが報告されている。なお、共振ピークの周波数は、誘電体基板の誘電率、金属配線の長さ、ギャップの長さ、２つの金属配線を１つの単ユニットとした時のユニット間距離に依存するものである。これらの寸法は、測定周波数によって異なるが、数ＴＨｚでは、ギャップの長さは数μｍであり、単ユニットのサイズは数十〜百μｍ、ユニット間距離は、数十μｍである。ギャップをずらした場合は、２つの共振ピークの周波数は同じように周波数軸上でシフトするため、周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜はほぼ一定となる。

図１３は、第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２を同一形状で作製した場合、の単ユニットの斜視図である。

第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２を同一形状で作製した場合、上記ギャップの中心ずれがないので、図１２に示すような２つの共振ピークは発生しない。

図１４は、第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２を同一形状で作製した場合の透過率を示す図である。

第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２を同一形状で作製した場合、２つの共振ピークは発生せず、例えば、図の線種で示すように、測定試料である水溶液の濃度に応じて波形がシフトする。

特開２０１３−３２９３３号公報

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. Jing Feng,"Nanoscale Plasmonic Interferometers for Multispectral, High-Throughput Biochemical Sensing" , Nano Letter, 2012, 12 (2), pp 602-609 Wei Cao,"Low-loss ultra-high-Q dark mode plasmonic Fano metamaterials", OPTICS LETTERS, Vol. 37, No. 16, August 15, 2012 I. Bahl and S. Stuchly, "Analysis of a microstrip covered with a lossy dielectric," Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 2, pp. 104 - 109, feb 1980.

上記のように、従来においては、誘電分光センサを用い、マイクロ波帯、ミリ波帯、ＴＨｚ帯で複素誘電率を測定することにより生体内の成分濃度を測定する。しかし、例えば、生体の血中グルコース等の成分濃度は微量であり、測定再現性や測定精度が得られない課題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、誘電分光センサと電磁波を用いた成分濃度測定における測定再現性と測定精度を向上させる技術を提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明に係る誘電分光センサは、誘電体基板の第１の面に第１の金属配線を備え、前記誘電体基板の第２の面に前記第１の金属配線に対して線対称となるように第２の金属配線を備え、前記第１の面に測定試料が配置されることを特徴とする。

第２の本発明に係る測定システムは、誘電体基板の第１の面に第１の金属配線を備え、前記誘電体基板の第２の面に前記第１の金属配線に対して線対称となるように第２の金属配線を備え、前記第１の面に測定試料が配置される誘電分光センサ、または、さらに前記第２の面に前記測定試料とは異なる参照試料が配置される誘電分光センサと、前記誘電分光センサに電磁波を入射する手段と、前記誘電分光センサを反射または透過した電磁波を受信する手段とを備えることを特徴とする。

第３の本発明に係る測定方法は、誘電体基板の第１の面に第１の金属配線を備え、前記誘電体基板の第２の面に前記第１の金属配線に対して線対称となるように第２の金属配線を備え、前記第１の面に測定試料が配置される誘電分光センサに電磁波が入射した場合、前記誘電分光センサを反射または透過した電磁波における２つの共振ピークの周波数差を前記測定試料の誘電率に応じた値として測定することを特徴とする。

第４の本発明に係る測定方法は、誘電体基板の第１の面に第１の金属配線を備え、前記誘電体基板の第２の面に前記第１の金属配線に対して線対称となるように第２の金属配線を備え、前記第１の面に測定試料が配置され、さらに前記第２の面に前記測定試料とは異なる参照試料が配置される誘電分光センサに電磁波が入射した場合、前記誘電分光センサを反射または透過した電磁波における２つの共振ピークの周波数差を前記測定試料の誘電率と前記参照試料の誘電率の差に応じた値として測定することを特徴とする。

本発明によれば、誘電分光センサと電磁波を用いた成分濃度測定における測定再現性と測定精度を向上できる。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る誘電分光センサ１の上面図であり、図１（ｂ）は、誘電分光センサ１の横断面図である。 誘電分光センサ１を構成する単ユニットの斜視図である。 誘電分光センサ１を用いた測定システムの一例を示す図である。 ＴＨｚ波の周波数に応じて誘電分光センサ１に対するＴＨｚ波の透過率が変化する様子を示す図である。 測定試料である水溶液の濃度と周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜の関係を示す図である。 誘電分光センサ１を用いた測定システムの別の一例を示す図である。 測定試料１００の別な配置方法を示す図である。 第２の実施の形態に係る誘電分光センサ１Ａの横断面図である。 従来のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムの一例を示す図である。 ＴＨｚ帯で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試料の複素誘電率を計測する構成を示す図である。 誘電分光センサ１Ａとして用いられる従来のFanoメタマテリアル構造を示す図である。 信号の周波数に応じてFanoメタマテリアル構造に対する信号の透過率が変化する様子を示す図である。 第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２を同一形状で作製した場合の単ユニットの斜視図である。 第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２を同一形状で作製した場合の透過率を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

[第１の実施の形態]
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る誘電分光センサ１の上面図であり、図１（ｂ）は、誘電分光センサ１の横断面図である。図２は、誘電分光センサ１を構成する単ユニットの斜視図である。誘電分光センサ１は、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯、例えばＴＨｚ帯までの電磁波により、測定試料の濃度を測定するためのものである。

これら図に示すように、誘電分光センサ１は、誘電体基板１１０の第１の面１１０ａに第１の金属配線１０１を備え、誘電体基板１１０の第２の面１１０ｂに第１の金属配線１０１に対して線対称となるように第２の金属配線１０２を備え、第１の面１１０ａに測定試料１００が配置される。なお、図１（ａ）、図２では、測定試料１００を図示省略する。測定試料１００は、例えば、金属配線上に垂らすことで、その表面張力により、第１の面１１０ａに留まる。

誘電分光センサ１は、第１の金属配線１０１が配置される第１の面１１０ａに配置される測定試料１００に生じる誘電率変化によって、第１の金属配線１０１と第２の金属配線１０２に非対称性を生じさせることを特徴とする。

図３は、誘電分光センサ１を用いた測定システムの一例を示す図である。

ＴＨｚ波発振器１０から出射したＴＨｚ波は、レンズ１１を通過し、試料保持具１２に保持された誘電分光センサ１に入射する。誘電分光センサ１は測定試料１００を保持している。なお、図では、第１の金属配線１０１を図示省略している。測定試料１００と誘電分光センサ１を通過したＴＨｚ波は、レンズ１３を通過し、ＴＨｚ波受信器２１で受信され、低雑音増幅器２２、ロックインアンプ２３へと信号が伝達される。

非特許文献４にも記載されるように、図３のような測定システムでは、誘電体基板１１０の誘電率と測定試料１００の誘電率、誘電体基板１１０の厚さ、測定試料１００の厚さ等のパラメータによって、線路の実効的な誘電率が求まる。実効的な誘電率との関係式は、非特許文献４に記載されている通りである。

また、誘電分光センサ１に電磁波を透過または反射させると、二つの線路の長さに依存する共振（共振ピーク）が生じる。線路の実効的な誘電率により、波長短縮効果が生じて、実効的な線路長が変わり、即ち共振周波数のシフトが生じる。第２の金属配線１０２を第２の面１１０ｂに配置する理由は、測定試料１００から距離を離すことで、実効的な誘電率の変化が低減されるからである。即ち、共振周波数のシフト量をわずかにすることが可能である。

測定試料１００は、例えば、５μｍ厚の水溶液である。

測定試料１００の誘電率変化を測定する際には、誘電体基板１１０の材料の誘電率は、測定試料１００の誘電率に近いのが好ましい。誘電体基板１１０の材料としては、例えば，セラミックス材料の一種であるＬＴＣＣ（Low Temperature Confired Ceramics）材料を用いることができる。誘電体基板１１０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よく、誘電損失が小さい材料が好ましい。なお、セラミックス材料では積層後に高温で焼成を行う。低誘電率の誘電体基板１１０には、比誘電率が４以下のポリイミド等のポリマー材料、石英、液晶ポリマーを用いる。例えば、２５μｍ厚のポリイミドを用いる。

金属配線の厚さは、例えば数〜数十μｍであり、シルクスクリーン印刷やメッキ処理により形成する。金属配線の材料は、例えば金、銀、タングステン、銅でよい。

図４は、ＴＨｚ波の周波数に応じて誘電分光センサ１に対するＴＨｚ波の透過率が変化する様子を示す図である。

線Ｃ１は、５μｍ厚の水を測定試料１００とした場合の透過率である。

線Ｃ２は、線Ｃ１の場合に加えて、測定試料１００を誘電体基板１１０と別の誘電体基板で挟んだ場合の透過率である。

線Ｃ３は、線Ｃ２の場合に対して、水の誘電率を１増加した場合の透過率である。線Ｃ４は、線Ｃ２の場合に対して、水の誘電率を２増加した場合の透過率である。線Ｃ４は、線Ｃ２の場合に対して、水の誘電率を３増加した場合の透過率である。

線Ｃ２〜Ｃ４の場合、透過率は、周波数Ｆ１、Ｆ２で極小値（共振ピーク）を呈する。周波数Ｆ２は誘電率など応じて変化し、一方、周波数Ｆ１はほぼ一定である。よって、誘電率を得たい場合は、誘電率に応じた値として周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜を測定すればよい。

図５は、測定試料である水溶液の濃度と周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜の関係を示す図である。

測定試料の濃度が高まると、周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜も大きくなる。これは、測定試料の濃度が高まるとその誘電率が変化するからであり、逆に周波数差から濃度を求めることができる。

図６は、誘電分光センサ１を用いた測定システムの別の一例を示す図である。

ＴＨｚ波発振器１０から出射したＴＨｚ波は、レンズ１１とＡＴＲプリズム１４を通過し、試料保持具１２に保持された誘電分光センサ１に入射する。誘電分光センサ１は測定試料１００を保持している。なお、図では、第２の金属配線１０２を図示省略している。誘電分光センサ１で反射したＴＨｚ波は、ＡＴＲプリズム１４とレンズ１３を通過し、ＴＨｚ波受信器２１で受信され、低雑音増幅器２２、ロックインアンプ２３へと信号が伝達される。この測定システムにおいても、周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜に基づいて、測定試料１００の濃度を求めることができる。

図７は、測定試料１００の別な配置方法を示す図である。

測定試料１００は、例えば、第１の面１１０ａに隔壁１３０を形成し、隔壁１３０を介して、別の誘電体基板１２０を配置し、誘電体基板１１０と誘電体基板１２０と隔壁１３０に囲まれた空間に測定試料１００を配置してもよい。例えば、空間に通じる流路を設け、測定試料１００を流し込めばよい。この態様であれば、向きによらず、また、表面張力が弱くても、測定試料１００を保持できる。

[第２の実施の形態]
図８は、第２の実施の形態に係る誘電分光センサ１Ａの横断面図である。

誘電分光センサ１Ａでは、第１の面１１０ａに測定試料１００が配置されている点に加え、第２の面１１０ｂに参照試料１００Ｂが配置されている。誘電分光センサ１Ａの場合、周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜は、測定試料１００と参照試料１００Ｂの誘電率の差に対応する値となるので、周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜を測定すれば、誘電率の差を知ることができる。

つまり、第２の実施の形態では、測定試料１００と参照試料１００Ｂの誘電率に応じて、２つの線路の実効的な誘電率が異なり、周波数差｜Ｆ１−Ｆ２｜は、実効的な誘電率の差を示す値となる。また、金属配線１０１、１０２は線対称なので、つまり、同じ形状なので、僅かな誘電率の差を計測することができる。なお、図６のように測定システムを構成してもよい。

また、第１、第２の実施の形態では、電磁波としてＴＨｚ波（テラヘルツ波）を例にしたが、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯に含まれる他の周波数の電磁波を用いてもよい。

１、１Ａ…誘電分光センサ
１００…測定試料
１００Ｂ…参照試料
１０１…第１の金属配線
１０２…第２の金属配線
１１０、１２０…誘電体基板
１１０ａ…第１の面
１１０ｂ…第２の面

Claims (5)

1. 誘電体基板の第１の面に第１の金属配線を備え、
   前記誘電体基板の第２の面に前記第１の金属配線に対して線対称となるように第２の金属配線を備え、
   前記第１の面に測定試料が配置される
   ことを特徴とする誘電分光センサ。
2. 前記第２の面に前記測定試料とは異なる参照試料が配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の誘電分光センサ。
3. 請求項１または２記載の誘電分光センサと、
   前記誘電分光センサに電磁波を入射する手段と、
   前記誘電分光センサを反射または透過した電磁波を受信する手段と
   を備えることを特徴とする誘電分光センサを用いた測定システム。
4. 請求項１記載の誘電分光センサに電磁波が入射した場合、前記誘電分光センサを反射または透過した電磁波における２つの共振ピークの周波数差を前記測定試料の誘電率に応じた値として測定することを特徴とする誘電分光センサを用いた測定方法。
5. 請求項２記載の誘電分光センサに電磁波が入射した場合、前記誘電分光センサを反射または透過した電磁波における２つの共振ピークの周波数差を前記測定試料の誘電率と前記参照試料の誘電率の差に応じた値として測定することを特徴とする誘電分光センサを用いた測定方法。
   

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