JP6193553B2 - Terahertz wave detection sensor - Google Patents

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Description

本発明は、超伝導トンネル接合素子(以下「STJ素子」という)を用いてテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出センサに関する。   The present invention relates to a terahertz wave detection sensor that detects a terahertz wave using a superconducting tunnel junction element (hereinafter referred to as “STJ element”).

従来、この種のテラヘルツ波検出センサとしては、例えば、特許文献1に記載されているものが知られている。このセンサは、テラヘルツ波をシリコンボロメータ等の周知の素子により検出するものであり、例えば、テラヘルツ波を光源から所定の検査対象物に向けて出射し、検査対象物を透過したテラヘルツ波を検出するものである。このセンサは、検査対象物を判別するいわゆるアクティブ型の物質判別装置のセンサとして用いられている。   Conventionally, as this type of terahertz wave detection sensor, for example, a sensor described in Patent Document 1 is known. This sensor detects a terahertz wave with a well-known element such as a silicon bolometer. For example, the sensor emits a terahertz wave from a light source toward a predetermined inspection object, and detects the terahertz wave transmitted through the inspection object. Is. This sensor is used as a sensor of a so-called active type substance discriminating apparatus that discriminates an inspection object.

特開2006−71412号公報JP 2006-71412 A

ところで、検査対象物からは、その構成物質の種類に応じた特有の周波数スペクトルを示す微量のテラヘルツ波が自然放射されている。この自然放射されるテラヘルツ波を検出することができれば、センサの性能上有利である。   By the way, a small amount of terahertz waves showing a specific frequency spectrum corresponding to the type of the constituent material are naturally emitted from the inspection object. If this naturally radiated terahertz wave can be detected, it is advantageous in terms of sensor performance.

しかしながら、特許文献1に記載のテラヘルツ波検出センサにおいては、単にシリコンボロメータ等の周知の素子によりテラヘルツ波を検出する構成であるため、例えば、検査対象物から自然放射されるような微量なテラヘルツ波の検出は、ノイズ等の影響により困難であると考えられる。   However, since the terahertz wave detection sensor described in Patent Document 1 has a configuration in which a terahertz wave is simply detected by a known element such as a silicon bolometer, for example, a very small amount of terahertz wave that is naturally radiated from an inspection object. It is considered difficult to detect this due to the influence of noise or the like.

また、特許文献1に記載されているように、テラヘルツ波の検出結果に基づいて物質を判別する物質判別装置のセンサとしてシリコンボロメータ等の素子を用いる場合、テラヘルツ波を発生する光源が必要である上、テラヘルツ波の受光用の光学系に加えて、投光用の光学系が必要とされている。   Further, as described in Patent Document 1, when an element such as a silicon bolometer is used as a sensor of a substance discriminating apparatus that discriminates a substance based on a detection result of a terahertz wave, a light source that generates a terahertz wave is required. In addition to the optical system for receiving terahertz waves, an optical system for projecting is required.

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、物質から自然放射されるような微量なテラヘルツ波を検出可能なテラヘルツ波検出センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a terahertz wave detection sensor capable of detecting a minute amount of terahertz waves that are naturally emitted from a substance.

本発明に係るテラヘルツ波検出センサは、磁場が消磁された空間内に、多層の熱シールド構造を有する冷却装置により冷却状態にある超伝導トンネル接合素子を備え、前記冷却装置の最外層のシールド壁に設けられる集光レンズを有する集光装置により集光したテラヘルツ波から生じさせたフォノンを前記超伝導トンネル接合素子によって検出して、前記テラヘルツ波に応じた電気信号を出力するように構成されている。 A terahertz wave detection sensor according to the present invention includes a superconducting tunnel junction element cooled by a cooling device having a multilayer heat shield structure in a space where a magnetic field is demagnetized, and the outermost shield wall of the cooling device A phonon generated from a terahertz wave collected by a condensing device having a condensing lens provided in is detected by the superconducting tunnel junction element, and an electric signal corresponding to the terahertz wave is output. Yes.

上記テラヘルツ波検出センサによれば、磁場が消磁された空間内に、多層の熱シールド構造を有する冷却装置により冷却状態にある超伝導トンネル接合素子を備え、前記冷却装置の最外層のシールド壁に設けられる集光レンズを有する集光装置により集光したテラヘルツ波から生じさせたフォノンを前記超伝導トンネル接合素子によって検出しテラヘルツ波に応じた電気信号を出力する構成であるため、テラヘルツ波の検出感度を向上させることができる。これにより、物質から自然放射されるような微量なテラヘルツ波を検出することができる。 According to the terahertz wave detection sensor, a superconducting tunnel junction element cooled by a cooling device having a multilayer heat shield structure is provided in a space where the magnetic field is demagnetized, and the outermost shield wall of the cooling device is provided. Detection of terahertz waves because phonons generated from terahertz waves collected by a condensing device having a condensing lens provided are detected by the superconducting tunnel junction element and an electric signal corresponding to the terahertz waves is output. Sensitivity can be improved. Thereby, a trace amount of terahertz waves that are naturally emitted from the substance can be detected.

また、検査対象物から自然放射される微量なテラヘルツ波を検出することができるため、テラヘルツ波の検出結果に基づいて物質を判別する場合、テラヘルツ波を発生する光源を別途容易する必要がない上、テラヘルツ波の投光用の光学系が不要であるため、構成が簡易になる。   In addition, since a trace amount of terahertz waves naturally radiated from the inspection object can be detected, it is not necessary to separately facilitate a light source that generates terahertz waves when determining a substance based on the detection result of terahertz waves. Since the optical system for projecting terahertz waves is unnecessary, the configuration is simplified.

本発明の実施形態によるテラヘルツ波検出センサの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the terahertz wave detection sensor by embodiment of this invention. 上記テラヘルツ波検出センサで用いる集光装置、基板吸収型STJ素子及び冷却装置の概略図を示す図である。It is a figure which shows the schematic of the condensing apparatus, board | substrate absorption type STJ element, and cooling device which are used with the said terahertz wave detection sensor. 上記テラヘルツ波検出センサで用いる基板吸収型STJ素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the board | substrate absorption STJ element used with the said terahertz wave detection sensor. 上記実施形態の変形例を説明するための部分拡大図である。It is the elements on larger scale for demonstrating the modification of the said embodiment. 上記実施形態の別の変形例を説明するための部分拡大図である。It is the elements on larger scale for explaining another modification of the above-mentioned embodiment.

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波検出センサの構成を示すブロック図である。
本実施形態によるテラヘルツ波検出センサ1は、テラヘルツ波を検出してその検出領域に存在する物質S(例えば、麻薬等の違法薬物や爆薬等の危険物など)を判別可能に構成されており、一例として、集光装置10と、テラヘルツ波を受けてフォノンを生じる吸収体基板21を備えた基板吸収型の超伝導トンネル接合(Superconducting Tunnel Junction:STJ)素子としての基板吸収型STJ素子20と、冷却装置30と、基板吸収型STJ素子20の検出信号を増幅するプリアンプ40と、プリアンプ40の出力をA/D変換してデジタルデータとして出力するA/D変換器50と、A/D変換器50の出力に基づき物質Sを判別する物質判別装置60と、を備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a terahertz wave detection sensor according to an embodiment of the present invention.
The terahertz wave detection sensor 1 according to the present embodiment is configured to be able to detect a terahertz wave and determine a substance S (for example, illegal drugs such as narcotics or dangerous substances such as explosives) existing in the detection region, As an example, a substrate absorption type STJ element 20 as a substrate absorption type superconducting tunnel junction (STJ) element including a condensing device 10 and an absorber substrate 21 that receives terahertz waves and generates phonons; A cooling device 30, a preamplifier 40 for amplifying the detection signal of the substrate absorption type STJ element 20, an A / D converter 50 for A / D converting the output of the preamplifier 40 and outputting it as digital data, and an A / D converter A substance discriminating device 60 that discriminates the substance S based on the output of 50.

図2は、集光装置10、基板吸収型STJ素子20及び冷却装置30の概略断面図を示す図である。なお、図2においては、図の簡略化のため、冷却装置30の後述する各シールド壁(36a〜36d)を線で示したが、言うまでもなく、各シールド壁は厚みを有している。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the light converging device 10, the substrate absorption type STJ element 20, and the cooling device 30. In FIG. 2, for the sake of simplification of the drawing, shield walls (36a to 36d), which will be described later, of the cooling device 30 are indicated by lines. Needless to say, each shield wall has a thickness.

前記集光装置10は、検出対象であるテラヘルツ波を基板吸収型STJ素子20の吸収体基板21(図3参照)上に集めるものであり、例えば、図2に示すように、集光レンズ2と、光学フィルタ3と、超半球レンズ4とを備えて構成されている。   The condensing device 10 collects the terahertz wave to be detected on the absorber substrate 21 (see FIG. 3) of the substrate absorption type STJ element 20. For example, as shown in FIG. And an optical filter 3 and a super hemispherical lens 4.

前記集光レンズ2は、テラヘルツ波を吸収体基板21の、例えば、後述する光集光面21a(図3参照)に向けて集光するものであり、一般的な凸レンズである。この集光レンズ2は、例えば、超半球レンズ4における所定の角度内に光を入射するように設計され、後述するローパスフィルタ3aに接着等により固定されている。   The condensing lens 2 condenses the terahertz wave toward the light condensing surface 21a (see FIG. 3), which will be described later, of the absorber substrate 21, and is a general convex lens. For example, the condenser lens 2 is designed so that light is incident within a predetermined angle in the super hemispherical lens 4, and is fixed to a low-pass filter 3 a described later by bonding or the like.

前記光学フィルタ3は、集光レンズ2と超半球レンズ4との間に設けられ、テラヘルツ波の周波数を含む光の透過帯域を有し、集光レンズ2を透過した光のうち上記透過帯域の周は通の光を通過させるものである。具体的には、光学フィルタ3は、例えば、ローパスフィルタ3aと、中間フィルタ3b及び3cと、バンドパスフィルタ3dとを備え、上記光の透過帯域は、略0.7THz〜略30THzの範囲内にある。   The optical filter 3 is provided between the condenser lens 2 and the super hemispherical lens 4, has a light transmission band including the frequency of the terahertz wave, and has the transmission band of the light transmitted through the condenser lens 2. The perimeter allows the light to pass through. Specifically, the optical filter 3 includes, for example, a low-pass filter 3a, intermediate filters 3b and 3c, and a band-pass filter 3d, and the light transmission band is within a range of approximately 0.7 THz to approximately 30 THz. is there.

前記ローパスフィルタ3aは、例えば、約100THz以下の周波数の光を通過させるフィルタである。このローパスフィルタ3aは、例えば、図2に示すように、後述する300Kシールド36aの周壁に開けられた貫通孔を塞ぐように、集光レンズ2と一体的に300Kシールド36aの外壁に取り付けられている。   The low-pass filter 3a is, for example, a filter that passes light having a frequency of about 100 THz or less. For example, as shown in FIG. 2, the low-pass filter 3a is attached to the outer wall of the 300K shield 36a integrally with the condenser lens 2 so as to block a through hole formed in a peripheral wall of the 300K shield 36a described later. Yes.

前記中間フィルタ3b、3cは、それぞれ、例えば、約50THz以下の周波数の光を通過させるフィルタであり、図2に示すように、後述する50Kシールド36b、4Kシールド36cの周壁に開けられた貫通孔を塞ぐようにそれぞれ取り付けられている。   Each of the intermediate filters 3b and 3c is, for example, a filter that allows light having a frequency of about 50 THz or less to pass through, and as shown in FIG. Each is attached to block.

前記バンドパスフィルタ3dは、例えば、約0.7THz〜約30THzの周波数範囲の光を通過させるフィルタであり、例えば、図2に示すように、後述する1Kシールド36dの周壁に開けられた貫通孔を塞ぐように、超半球レンズ3と一体的に1Kシールド36dの外壁に取り付けられている。   The band pass filter 3d is, for example, a filter that allows light in a frequency range of about 0.7 THz to about 30 THz to pass therethrough. For example, as shown in FIG. 2, a through-hole opened in a peripheral wall of a 1K shield 36d described later Is attached to the outer wall of the 1K shield 36d integrally with the super hemisphere lens 3.

前記超半球レンズ4は、吸収体基板21に密着させて設けられ、集光レンズ2及び各光学フィルタ(3a〜3d)を通過したテラヘルツ波を、吸収体基板21上の光集光面21a側の所定の受光点に集めるものであり、例えば、図2に示すように、バンドパスフィルタ3dに接着等により固定され、1Kシールド36dの周壁に開けられた貫通孔を塞ぐように、バンドパスフィルタ3dと一体的に1Kシールド36dの外壁に取り付けられている。   The super hemispherical lens 4 is provided in close contact with the absorber substrate 21, and the terahertz wave that has passed through the condenser lens 2 and the optical filters (3 a to 3 d) is converted into the light condensing surface 21 a side on the absorber substrate 21. For example, as shown in FIG. 2, the band-pass filter is fixed to the band-pass filter 3d by adhesion or the like, and closes the through-hole opened in the peripheral wall of the 1K shield 36d. It is attached to the outer wall of the 1K shield 36d integrally with 3d.

図3は、前記基板吸収型STJ素子20の構成を示しており、図3(a)は平面図、図2(b)は図3(a)のA−A断面図である。
図3に示すように、基板吸収型STJ素子20は、例えば、吸収体基板21と、該吸収体基板21の光集光面21aと反対側の面21b(以下において、上面21bと言う)上に設けられるSTJ素子22と、を有して構成されている。
3 shows the configuration of the substrate absorption type STJ element 20, FIG. 3 (a) is a plan view, and FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3 (a).
As shown in FIG. 3, the substrate absorption type STJ element 20 includes, for example, an absorber substrate 21 and a surface 21b (hereinafter referred to as an upper surface 21b) opposite to the light condensing surface 21a of the absorber substrate 21. The STJ element 22 is provided.

前記吸収体基板21は、テラヘルツ波を受けてフォノンを生じるものであり、検出対象であるテラヘルツ波を吸収しやすいLiNbO(ニオブ酸リチウム)やLiTaO(タンタル酸リチウム)などからなる単結晶基板である。なお、以下において、吸収体基板21を単に基板21と呼ぶ。 The absorber substrate 21 receives terahertz waves to generate phonons, and is a single crystal substrate made of LiNbO 3 (lithium niobate), LiTaO 3 (lithium tantalate), or the like that easily absorbs terahertz waves that are detection targets. It is. In the following, the absorber substrate 21 is simply referred to as the substrate 21.

前記STJ素子22は、テラヘルツ波から生じさせたフォノンを検出して、テラヘルツ波に応じた電気信号を出力するものであり、例えば、基板21の上面21bに、超伝導電極材料の単層、もしくは超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜からなる下部電極22a、絶縁膜からなるトンネル障壁(トンネルバリア)22b、及び、超伝導電極材料の単層、もしくは超伝導エネルギーギャップの異なる二層の膜からなる上部電極22cが順に積層された構造を有する素子である。STJ素子22は、具体的には、基板21内に生じたフォノンを検出して、テラヘルツ波に応じた電気信号を、テラヘルツ波の検出信号として出力する。前記超伝導電極材料として、例えば、Al(アルミニウム)/ニオブ(Nb)の二層膜、トンネル障壁となる絶縁膜として、例えば、AlOx(酸化アルミニウム)などが用いられる。   The STJ element 22 detects a phonon generated from a terahertz wave and outputs an electric signal corresponding to the terahertz wave. For example, a single layer of a superconducting electrode material or an upper surface 21b of the substrate 21 From a lower electrode 22a composed of two layers of films having different superconducting energy gaps, a tunnel barrier (tunnel barrier) 22b composed of an insulating film, and a single layer of superconducting electrode material, or from two layers of films having different superconducting energy gaps This is an element having a structure in which upper electrodes 22c are sequentially stacked. Specifically, the STJ element 22 detects phonons generated in the substrate 21 and outputs an electric signal corresponding to the terahertz wave as a terahertz wave detection signal. As the superconducting electrode material, for example, an Al (aluminum) / niobium (Nb) bilayer film, and as an insulating film serving as a tunnel barrier, for example, AlOx (aluminum oxide) is used.

そして、基板21の上面21bには、配線用層23を積層し、この配線用層23の上に、STJ素子22を設けてある。配線用層23の材料としては、例えば、基板21と同じ材料を用いることができる。一例として、配線用層23は、LiNbO(ニオブ酸リチウム)やサファイアなどで形成される結晶薄膜(結晶基板)であり、基板21の上面21bに対して例えば接着剤で接合される。 A wiring layer 23 is laminated on the upper surface 21 b of the substrate 21, and the STJ element 22 is provided on the wiring layer 23. As the material of the wiring layer 23, for example, the same material as that of the substrate 21 can be used. As an example, the wiring layer 23 is a crystal thin film (crystal substrate) formed of LiNbO 3 (lithium niobate), sapphire, or the like, and is bonded to the upper surface 21b of the substrate 21 with an adhesive, for example.

また、配線用層23の上には、グランド層(配線)24が形成されており、このグランド層24は下部電極22aに接続している。   A ground layer (wiring) 24 is formed on the wiring layer 23, and the ground layer 24 is connected to the lower electrode 22a.

STJ素子22及びグランド層24は、SiO2(二酸化ケイ素)などからなる層間絶縁膜25によって覆われており、これにより、STJ素子22の下部電極22aと上部電極22cとの間の電気的絶縁がとられている。   The STJ element 22 and the ground layer 24 are covered with an interlayer insulating film 25 made of SiO 2 (silicon dioxide) or the like, so that electrical insulation between the lower electrode 22a and the upper electrode 22c of the STJ element 22 is reduced. It has been.

更に、STJ素子22上には、層間絶縁膜25に形成されたコンタクトホール25aを介して上部電極22cに接続する配線26が形成されており、この配線26は、信号検出用のPAD26aに接続される。このPAD26aは、プリアンプ40と配線接続されている。   Further, a wiring 26 connected to the upper electrode 22c is formed on the STJ element 22 through a contact hole 25a formed in the interlayer insulating film 25. This wiring 26 is connected to a signal detecting PAD 26a. The The PAD 26a is connected to the preamplifier 40 by wiring.

前記冷却装置30は、基板吸収型STJ素子20を約0.3Kまで冷却可能なものである。冷却装置30は、具体的には、図2に示すように、小型機械式冷凍機31と、4Kポット32と、1Kポット33と、3Heポット34と、ガスハンドリングユニット35と、を備えた一般的な極低温冷凍機である。冷却装置30は、図2に示すように、例えば、300Kシールド36a、50Kシールド36b、4Kシールド36c及び1Kシールド36dの4層構造で形成されており、各シールド内の温度を長時間低温に保持可能に形成される。各シールド36a〜36dは、例えば、銅等により筒状に形成される。   The cooling device 30 can cool the substrate absorption STJ element 20 to about 0.3K. Specifically, as shown in FIG. 2, the cooling device 30 includes a small mechanical refrigerator 31, a 4K pot 32, a 1K pot 33, a 3He pot 34, and a gas handling unit 35. It is a typical cryogenic refrigerator. As shown in FIG. 2, the cooling device 30 has a four-layer structure of, for example, a 300K shield 36a, a 50K shield 36b, a 4K shield 36c, and a 1K shield 36d, and keeps the temperature in each shield at a low temperature for a long time. Formed possible. Each shield 36a-36d is formed in a cylindrical shape with copper etc., for example.

前記小型機械式冷凍機31は、例えば、約4.2K程度の低温を発生し得る一般的な蓄冷式冷凍機であり、第1冷却ステージ31a、第2冷却ステージ31b及び冷却ヘッド31cを備えて構成される。前記第1冷却ステージ31aは、約50K程度の高温側の冷却ステージであり、前記第2冷却ステージ31bは、第1冷却ステージ31aの下面に接続され、約4.2K程度に到達する低温側の冷却ステージである。冷却ヘッド31cは、第2冷却ステージ31bの下面に接続される。なお、図示省略したが、小型機械式冷凍機31には、冷却用のコンプレッサーが接続される。   The small mechanical refrigerator 31 is a general regenerative refrigerator that can generate a low temperature of about 4.2K, for example, and includes a first cooling stage 31a, a second cooling stage 31b, and a cooling head 31c. Composed. The first cooling stage 31a is a high temperature side cooling stage of about 50K, and the second cooling stage 31b is connected to the lower surface of the first cooling stage 31a and reaches the low temperature side of about 4.2K. It is a cooling stage. The cooling head 31c is connected to the lower surface of the second cooling stage 31b. Although not shown, the small mechanical refrigerator 31 is connected to a cooling compressor.

前記4Kポット32は、筒状に形成され、約4.2K程度まで冷却された冷却ヘッド31cに接続されている。4Kポット32の外周には、図示省略するがコイルが巻かれている。このコイルによって4Kポット32内の磁場が消磁し、STJ素子22におけるテラヘルツ波の検出感度を向上させている。前記1Kポット33は、4Kポット32の底部に低熱伝導性の連通部(図示省略)を介して接続されている、つまり、4Kポット32と内部連通状態で連結接続されている。前記3Heポット34は、1Kポット33の底部に、図示省略する接続部を介して接続されている。各ポット32〜34は、例えば、無酸素銅等の高熱伝導性材料によって形成する。そして、3Heポット34の底部には、例えば、無酸素銅等の高熱伝導性材料で板状に形成された熱伝導ジグ34aが接続されている。この熱伝導ジク34に、基板吸収型STJ素子20が取り付けられている。   The 4K pot 32 is formed in a cylindrical shape and is connected to a cooling head 31c cooled to about 4.2K. Although not shown, a coil is wound around the outer periphery of the 4K pot 32. The magnetic field in the 4K pot 32 is demagnetized by this coil, and the detection sensitivity of the terahertz wave in the STJ element 22 is improved. The 1K pot 33 is connected to the bottom of the 4K pot 32 via a low thermal conductivity communicating portion (not shown). That is, the 1K pot 33 is connected to the 4K pot 32 in an internal communication state. The 3He pot 34 is connected to the bottom of the 1K pot 33 via a connection portion (not shown). Each pot 32-34 is formed with high heat conductive materials, such as oxygen-free copper, for example. And the heat conduction jig 34a formed in plate shape with high heat conductive materials, such as oxygen-free copper, is connected to the bottom part of 3He pot 34, for example. The substrate absorption type STJ element 20 is attached to the heat conducting jig 34.

前記ガスハンドリングユニット35は、各ポット32〜34へ、液体4He、4Heガス及び3Heガスを適宜供給したり、各ポット32〜34から各ガスを強制排気したりするものである。図示省略したが、ガスハンドリングユニット35と各ポット32〜34間等には、ガスの供給排気用の配管が接続されている。ガスハンドリングユニット35によるガスの供給排気制御により3Heポット34が最終的に約0.3Kまで冷却される。   The gas handling unit 35 appropriately supplies liquid 4He, 4He gas, and 3He gas to the pots 32 to 34, and forcibly exhausts the gases from the pots 32 to 34. Although not shown, a gas supply / exhaust pipe is connected between the gas handling unit 35 and each of the pots 32 to 34. By the gas supply / exhaust control by the gas handling unit 35, the 3He pot 34 is finally cooled to about 0.3K.

前記物質判別装置60は、STJ素子22から出力される電気信号(検出信号)をもとにテラヘルツ波を放射する物質Sを判別するものであり、例えば、プリアンプ40により増幅された基板吸収型STJ素子20の検出信号を、A/D変換器50を介してデジタル変換して得たデータに基づき、物質Sの種類等を判別する。   The substance discriminating apparatus 60 discriminates a substance S that emits a terahertz wave based on an electrical signal (detection signal) output from the STJ element 22. For example, the substrate absorbing STJ amplified by the preamplifier 40 is used. Based on the data obtained by digitally converting the detection signal of the element 20 through the A / D converter 50, the type of the substance S is discriminated.

ここで、本実施形態によるテラヘルツ波検出センサ1の動作を図1及び図2に基づいて説明する。なお、以下の説明では、テラヘルツ波検出センサ1を封筒に向けて設置する場合を一例にして説明する。   Here, the operation of the terahertz wave detection sensor 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. In the following description, the case where the terahertz wave detection sensor 1 is installed facing the envelope will be described as an example.

まず、冷却装置30により、基板吸収型STJ素子20を約0.3Kまで冷却し、オペレータ等により、集光レンズ2が封筒の方向へ向くようにテラヘルツ波検出センサ1を設置し、検出準備を完了させる。   First, the substrate absorption type STJ element 20 is cooled to about 0.3K by the cooling device 30, and the terahertz wave detection sensor 1 is installed by the operator or the like so that the condenser lens 2 faces the envelope, and preparation for detection is performed. Complete.

ここで、封筒に同封された物質Sから自然放射されるテラヘルツ波は、封筒を透過して、外部へ放射されている。集光レンズ2及び超半球レンズ4は、この自然放射されているテラヘルツ波を基板21の光集光面21aにおける所定の受光点に集光させる。この際、集光レンズ2と超半球レンズ4間に設けられた光学フィルタ3は、集光レンズ2によって集光された光のうち約0.7THz〜約30THzの周波数範囲の光を透過させる。   Here, the terahertz wave naturally radiated from the substance S enclosed in the envelope is transmitted to the outside through the envelope. The condensing lens 2 and the super hemispherical lens 4 condense the naturally radiated terahertz wave at a predetermined light receiving point on the light condensing surface 21 a of the substrate 21. At this time, the optical filter 3 provided between the condenser lens 2 and the super hemispherical lens 4 transmits light in a frequency range of about 0.7 THz to about 30 THz among the light collected by the condenser lens 2.

テラヘルツ波が光集光面21aの所定の受光点に集光されると、基板21はテラヘルツ波(すなわち、フォトンのエネルギー)を吸収し、このテラヘルツ波の吸収によって基板21内にはフォノンが発生する。基板21内で発生したフォノン群は基板21内を伝播し、その一部が配線用層23を介してSTJ素子22の下部電極22aに到達する。   When the terahertz wave is condensed at a predetermined light receiving point of the light condensing surface 21a, the substrate 21 absorbs the terahertz wave (that is, photon energy), and phonons are generated in the substrate 21 by the absorption of the terahertz wave. To do. The phonon group generated in the substrate 21 propagates in the substrate 21, and part of the phonon group reaches the lower electrode 22 a of the STJ element 22 through the wiring layer 23.

フォノンが下部電極22aに到達すると、下部電極22a内のクーパー対が破壊されて準粒子が生成される。基板吸収型STJ素子20は、下部電極22a内で生成された準粒子がトンネルバリア22bをトンネルする際に流れるトンネル電流を、上部電極22c、配線26及びPAD26aを介して検出信号として出力する。   When the phonon reaches the lower electrode 22a, the Cooper pair in the lower electrode 22a is destroyed and quasiparticles are generated. The substrate absorption type STJ element 20 outputs a tunnel current that flows when the quasiparticle generated in the lower electrode 22a tunnels through the tunnel barrier 22b as a detection signal via the upper electrode 22c, the wiring 26, and the PAD 26a.

PAD26aから出力された検出信号(トンネル電流値)は、プリアンプ40で増幅される。そして、増幅された検出信号は、A/D変換器50でデジタルデータに変換されて物質判別装置60に出力される。物質判別装置60は、入力されたデジタルデータに基づき、封筒内の物質Sの種類を判別する。物質判別装置60は、例えば、物質Sが麻薬等の違法薬物や爆薬等の危険物である場合、違法薬物や爆薬の種類を別に設けるディスプレイ等に表示させるとともに、アラーム音を発生させる。なお、アラーム音は発生させず、種類と警報をディスプレイ等に表示することもできる。   The detection signal (tunnel current value) output from the PAD 26 a is amplified by the preamplifier 40. The amplified detection signal is converted into digital data by the A / D converter 50 and output to the substance determination device 60. The substance discriminating device 60 discriminates the type of the substance S in the envelope based on the input digital data. For example, when the substance S is an illegal drug such as a narcotic or a dangerous substance such as an explosive, the substance discriminating device 60 displays the alarm on the display or the like provided separately with the type of illegal drug or explosive. Note that the type and warning can be displayed on a display or the like without generating an alarm sound.

かかる本実施形態のテラヘルツ波検出センサ1によれば、テラヘルツ波から生じさせたフォノンを冷却状態にあるSTJ素子22によって検出しテラヘルツ波に応じた電気信号を出力する構成であるため、テラヘルツ波の検出効率を向上させることができる。これにより、物質から自然放射されるような微量なテラヘルツ波を検出することができる。   According to the terahertz wave detection sensor 1 of this embodiment, the phonon generated from the terahertz wave is detected by the STJ element 22 in the cooled state, and an electric signal corresponding to the terahertz wave is output. Detection efficiency can be improved. Thereby, a trace amount of terahertz waves that are naturally emitted from the substance can be detected.

また、本実施形態のテラヘルツ波検出センサ1は、物質から自然放射される微量なテラヘルツ波を検出することができるとともに、その検出信号に基づいて物質を判別する、いわゆる、パッシブ式の物質判別センサであるため、従来のアクティブ式の物質判別センサにおいて必要であった、テラヘルツ波を発生する光源及びテラヘルツ波の投光用の集光装置が不要となり、構成が簡易になる。   In addition, the terahertz wave detection sensor 1 of the present embodiment can detect a minute amount of terahertz waves naturally radiated from a substance, and distinguishes the substance based on the detection signal, so-called passive substance discrimination sensor. Therefore, the light source for generating the terahertz wave and the light collecting device for projecting the terahertz wave, which are necessary in the conventional active type material discrimination sensor, are not required, and the configuration is simplified.

また、本実施形態のように、基板21をテラヘルツ波のエネルギー吸収体とした基板吸収型STJ20素子を用いることで、テラヘルツ波の検出効率をより向上させることができる。   Further, by using a substrate absorption type STJ20 element in which the substrate 21 is a terahertz wave energy absorber as in this embodiment, the detection efficiency of terahertz waves can be further improved.

ここで、約0.7THz〜約30THzの周波数範囲のテラヘルツ波は、衣や紙等を充分に通過する。したがって、本実施形態で一例を挙げた様に、封筒に同封された物質Sを未開封の状態で、その種類を判別することができる。また、物質Sは、封筒内に限らず、衣服やダンボールの中等に存在する場合でもよく、テラヘルツ波が透過可能なものであればどのようなもので覆われていてもよい。また、言うまでもないが、物質Sが単体で置かれている場合は、より精度よくテラヘルツ波を検知することができる。   Here, the terahertz wave in the frequency range of about 0.7 THz to about 30 THz sufficiently passes through clothing, paper, and the like. Therefore, as exemplified in this embodiment, the type of the substance S enclosed in the envelope can be determined in an unopened state. Further, the substance S is not limited to being in the envelope, but may be present in clothes, cardboard, or the like, and may be covered with any material that can transmit terahertz waves. Needless to say, when the substance S is placed alone, the terahertz wave can be detected with higher accuracy.

なお、本実施形態においては、冷却装置30の小型機械式冷凍機31は、第1冷却ステージ31a、第2冷却ステージ31b、冷却ヘッド31c及びコンプレッサーを備えて構成された場合で説明したが、これに限らず、コンプレッサーが不要なクライオスタッド式のものでもよい。   In the present embodiment, the small mechanical refrigerator 31 of the cooling device 30 has been described as including the first cooling stage 31a, the second cooling stage 31b, the cooling head 31c, and the compressor. Not limited to this, a cryostud type that does not require a compressor may be used.

また、本実施形態において、冷却装置30は、基板吸収型STJ素子20を約0.3Kまで冷却する場合で説明したが、これに限らず、約4.2Kまで冷却可能であればよい。基板吸収型STJ素子20の冷却温度が低いほど、テラヘルツ波の検出感度がより向上するが、基板吸収型STJ素子20を少なくとも略4.2Kまで冷却できれば、物質Sから自然放射されるテラヘルツ波を充分に検出することができるからである。この場合、冷却装置30は、約4.2Kまで冷却可能な小型機械式冷凍機31だけでよい。   In the present embodiment, the cooling device 30 has been described in the case of cooling the substrate absorption type STJ element 20 to about 0.3K. However, the present invention is not limited to this, and it is only necessary to be able to cool to about 4.2K. The lower the cooling temperature of the substrate absorption STJ element 20, the more the terahertz wave detection sensitivity is improved. However, if the substrate absorption STJ element 20 can be cooled to at least approximately 4.2K, terahertz waves naturally radiated from the substance S can be reduced. This is because sufficient detection is possible. In this case, the cooling device 30 need only be a small mechanical refrigerator 31 capable of cooling to about 4.2K.

また、本実施形態においては、テラヘルツ波検出センサ1は、冷却装置30を備えた場合で説明したが、これに限らず、STJ素子22が冷却状態にあれば冷却装置30は備えなくてもよい。つまり、STJ素子22が充分(例えば、略4.2K)に冷やされてさえいればよく、センサ作動時に必ずしも冷却用の設備(冷凍装置)が付随していなくてもよい。   In the present embodiment, the terahertz wave detection sensor 1 has been described as including the cooling device 30. However, the present invention is not limited to this, and the cooling device 30 may not be provided as long as the STJ element 22 is in the cooling state. . That is, it is only necessary that the STJ element 22 is sufficiently cooled (for example, approximately 4.2 K), and the cooling facility (refrigeration apparatus) does not necessarily have to be accompanied when the sensor is activated.

図4は、上記実施形態の変形例を説明するための部分拡大図である。
図4に示すように、この変形例においては、センサの検査領域D(図4の点線内)を切り換える領域切換装置としての一次元ガルバノミラー70を備えて構成されている。この一次元ガルバノミラー70は、例えば、半導体製造技術を用いて形成された一般的なガルバノミラーであり、集光レンズ2の外側に設置されている。これにより、集光レンズ2へ入射するテラヘルツ波の検査領域Dの場所を一次元的に移動させて、直線状にセンシングすることができる。この場合、走査中の各検査領域Dでそれぞれ検出信号を出力し、各検出信号に基づき物質Sの種類を判別するようにしてもよい。また、一次元ガルバノミラーに限らず、二次元ガルバノミラーを用いてもよく、この場合、検査領域Dの場所を二次元的に移動させて、面状にセンシングすることができる。この場合、走査中の各検出信号に基づき、物質Sの形状をディスプレイ等に表示すると共に、物質Sの種類を判別するようにしてもよい。なお、ガルバノミラーは、集光レンズ2の外側に限らず、例えば、300Kシールド36aの内側に配置して構成することもできる。また、領域切換装置は、上記のように、ガルバノミラー等の光学的な手段ではなく、例えば、300Kシールド36aで囲まれるセンサ本体全体を意図する方向へ回転等させる機械的な手段であってもよい。
FIG. 4 is a partially enlarged view for explaining a modification of the embodiment.
As shown in FIG. 4, this modification is configured with a one-dimensional galvanometer mirror 70 as a region switching device for switching the inspection region D (inside the dotted line in FIG. 4) of the sensor. The one-dimensional galvanometer mirror 70 is, for example, a general galvanometer mirror formed by using a semiconductor manufacturing technique, and is installed outside the condenser lens 2. Thereby, the location of the inspection region D of the terahertz wave incident on the condenser lens 2 can be moved one-dimensionally and sensed linearly. In this case, a detection signal may be output in each inspection region D during scanning, and the type of the substance S may be determined based on each detection signal. Further, not only the one-dimensional galvanometer mirror but also a two-dimensional galvanometer mirror may be used. In this case, the location of the inspection region D can be moved two-dimensionally to sense in a planar shape. In this case, based on each detection signal during scanning, the shape of the substance S may be displayed on a display or the like, and the type of the substance S may be determined. Note that the galvanometer mirror is not limited to the outside of the condenser lens 2 and may be configured to be arranged inside the 300K shield 36a, for example. Further, as described above, the area switching device is not an optical means such as a galvanometer mirror, but may be a mechanical means for rotating the entire sensor body surrounded by the 300K shield 36a in an intended direction, for example. Good.

また、テラヘルツ波は、ミリ波より波長が短いので、一般的なミリ波による画像表示センサと比較して高い位置精度のセンシングを行うことが可能である。したがって、衣服や梱包物等の中に存在する比較的小さな物質Sであってもその形状及び位置を高精度に検知することができる。   In addition, since the wavelength of the terahertz wave is shorter than that of the millimeter wave, it is possible to perform sensing with higher positional accuracy than a general millimeter wave image display sensor. Therefore, the shape and position of a relatively small substance S present in clothes, packages, etc. can be detected with high accuracy.

図5は、上記実施形態の別の変形例を説明するための部分拡大図である。
図5に示すように、この別の変形例においては、伝播経路が互いに異なるテラヘルツ波のそれぞれに応じた電気信号を生成可能に設けられた複数の超伝導トンネル接合素子22を備えて構成されている。具体的には、集光装置10と基板吸収型STJ素子20とからなる受光部80を、例えば、一列のアレイ状に複数配列して構成されている。これにより、各受光部80からの検出結果に基づいて、一度に線状のセンシングができる。また、一列状に限らず、二次元マトリクス状に配置してもよい、この場合、一度に物質Sの形状を検知することができる。また、前述の図4に示すセンサの検査領域Dを切り換える領域切換装置を備える構成において、本変形例の構成を適用してもよい。
FIG. 5 is a partially enlarged view for explaining another modification of the embodiment.
As shown in FIG. 5, this another modification is configured to include a plurality of superconducting tunnel junction elements 22 provided so as to be able to generate electrical signals corresponding to terahertz waves having different propagation paths. Yes. Specifically, for example, a plurality of light receiving portions 80 each including the light collecting device 10 and the substrate absorption type STJ element 20 are arranged in a single-row array. Thereby, linear sensing can be performed at a time based on the detection result from each light receiving unit 80. In addition, the shape of the substance S can be detected at a time, not only in a single line but also in a two-dimensional matrix. In addition, the configuration of this modification may be applied to a configuration including an area switching device that switches the inspection area D of the sensor shown in FIG.

なお、以上では、テラヘルツ波の検出信号に基づき、物質Sを判別する物質判別センサとしてのテラヘルツ波検出センサ1について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、物質判別することなく、単に、テラヘルツ波を検出するセンサであってもよい。この場合、この物質判別機能を有さないテラヘルツ波検出センサ1を、従来のアクティブ型の物質判別センサのセンサ部として用いてもよい。   In the above description, the terahertz wave detection sensor 1 as the substance discrimination sensor that discriminates the substance S based on the detection signal of the terahertz wave has been described, but the present invention is not limited to this, and without substance discrimination, It may simply be a sensor that detects terahertz waves. In this case, the terahertz wave detection sensor 1 that does not have this substance discrimination function may be used as a sensor unit of a conventional active substance discrimination sensor.

1・・・・・テラヘルツ波検出センサ
2・・・・・集光レンズ
3・・・・・光学フィルタ
4・・・・・超半球レンズ
10・・・・・集光装置
21・・・・・基板(吸収体基板)
22・・・・・STJ素子(超伝導トンネル接合素子)
30・・・・・冷却装置
60・・・・・物質判別装置
70・・・・・一次元ガルバノミラー(領域切換装置)
S・・・・・・物質
D,D’・・・検査領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Terahertz wave detection sensor 2 ... Condensing lens 3 ... Optical filter 4 ... Super hemispherical lens 10 ... Condensing device 21 ...・ Substrate (absorber substrate)
22 ... STJ element (superconducting tunnel junction element)
30 ... Cooling device 60 ... Substance discrimination device 70 ... One-dimensional galvanometer mirror (region switching device)
S ・ ・ ・ Material D, D '・ ・ ・ Inspection area

Claims (10)

磁場が消磁された空間内に、多層の熱シールド構造を有する冷却装置により冷却状態にある超伝導トンネル接合素子を備え、
前記冷却装置の最外層のシールド壁に設けられる集光レンズを有する集光装置により集光したテラヘルツ波から生じさせたフォノンを前記超伝導トンネル接合素子によって検出して、前記テラヘルツ波に応じた電気信号を出力する、テラヘルツ波検出センサ。
In the space where the magnetic field is demagnetized, a superconducting tunnel junction element cooled by a cooling device having a multilayer heat shield structure is provided,
A phonon generated from a terahertz wave collected by a condensing device having a condensing lens provided on a shield wall of the outermost layer of the cooling device is detected by the superconducting tunnel junction element, and an electric power corresponding to the terahertz wave is detected. A terahertz wave detection sensor that outputs signals.
前記テラヘルツ波を受けてフォノンを生じる吸収体基板を備え、
前記超伝導トンネル接合素子は、前記基板に生じたフォノンを検出する、請求項1に記載のテラヘルツ波検出センサ。
An absorber substrate that receives the terahertz wave and generates phonons,
The terahertz wave detection sensor according to claim 1, wherein the superconducting tunnel junction element detects phonons generated in the substrate.
前記超伝導トンネル接合素子は、略4.2K以下の温度である、請求項1又は2に記載のテラヘルツ波検出センサ。   The terahertz wave detection sensor according to claim 1 or 2, wherein the superconducting tunnel junction element has a temperature of approximately 4.2K or lower. 前記冷却装置は、前記超伝導トンネル接合素子を略4.2K以下の温度に冷却する筒状ポットを備え、
前記筒状ポットの外周には、該筒状ポット内の磁場を消磁するコイルが巻かれている、請求項に記載のテラヘルツ波検出センサ。
The cooling device includes a cylindrical pot that cools the superconducting tunnel junction element to a temperature of approximately 4.2K or less,
The terahertz wave detection sensor according to claim 2 , wherein a coil for demagnetizing a magnetic field in the cylindrical pot is wound around the outer periphery of the cylindrical pot.
前記集光装置は、
前記集光レンズと、
前記基板に密着させて設けられ、前記集光レンズを通過したテラヘルツ波を前記基板上の所定の受光点に集める超半球レンズと、
前記集光レンズと前記超半球レンズとの間に設けられ、前記テラヘルツ波の周波数を含む光の透過帯域を有する光学フィルタと、
を含んで構成される、請求項2又は4に記載のテラヘルツ波検出センサ。
The light collecting device is:
The condenser lens;
A super hemispherical lens that is provided in close contact with the substrate and collects the terahertz wave that has passed through the condenser lens at a predetermined light receiving point on the substrate;
An optical filter provided between the condenser lens and the super hemisphere lens and having a light transmission band including the frequency of the terahertz wave;
The terahertz wave detection sensor according to claim 2 or 4 , comprising:
前記光の透過帯域は、略0.7THz〜略30THzの範囲内にある、請求項に記載のテラヘルツ波検出センサ。 The terahertz wave detection sensor according to claim 5 , wherein the light transmission band is in a range of approximately 0.7 THz to approximately 30 THz. 前記電気信号をもとに前記テラヘルツ波を放射する物質を判別する物質判別装置を備える、請求項1〜のいずれか1つに記載のテラヘルツ波検出センサ。 Comprising a material discrimination device for discriminating a substance that emits the terahertz wave on the basis of the electrical signal, the terahertz wave detection sensor according to any one of claims 1-6. 伝播経路が互いに異なるテラヘルツ波のそれぞれに応じた電気信号を生成可能に設けられた複数の前記超伝導トンネル接合素子を備える、請求項に記載のテラヘルツ波検出センサ。 The terahertz wave detection sensor according to claim 7 , comprising a plurality of the superconducting tunnel junction elements provided so as to be able to generate electrical signals corresponding to terahertz waves having different propagation paths. 前記複数の超伝導トンネル接合素子がアレイ状に配列された、請求項に記載のテラヘルツ波検出センサ。 The terahertz wave detection sensor according to claim 8 , wherein the plurality of superconducting tunnel junction elements are arranged in an array. 請求項8又は9に記載のテラヘルツ波検出センサであって、当該センサの検査領域を切り換える領域切換装置を備える、テラヘルツ波検出センサ。 The terahertz wave detection sensor according to claim 8 or 9 , comprising a region switching device that switches an inspection region of the sensor.
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