JP6477693B2 - 検出デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、対象物を透過したテラヘルツ波の状態を検出することで前記対象物の情報を取得するための検出デバイスおよびその製造方法に関する。

テラヘルツ波は、光波と電波との間に相当する０.０１〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。近年、対象物を透過したテラヘルツ波または対象物で反射したテラヘルツ波の状態を検出することで、対象物の情報を取得する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１には、対象物で反射したテラヘルツ波の状態を検出することで対象物の情報を取得する反射型の検出装置が開示されている。特許文献１に記載の検出装置は、テラヘルツ波発生部、プリズムおよびテラヘルツ波検出部を有する。テラヘルツ波発生部は、フェムト秒パルスレーザー光をＩｎＡｓに照射することで、テラヘルツ波を発生させる。テラヘルツ波は、２つの軸外し放物面鏡を含む光路を通ってプリズムに入射する。プリズムの平面上には、対象物が載置されている。プリズムに入射したテラヘルツ波は、対象物の下の平面で全反射した際に対象物の情報を含むテラヘルツ波となる。対象物の情報を含むテラヘルツ波は、プリズムから出射され、２つの軸外し放物面鏡を含む光路を通って、テラヘルツ波検出部に到達する。テラヘルツ波検出部は、対象物の情報を含むテラヘルツ波を検出する。

特許文献１に記載の検出装置では、テラヘルツ波発生部とプリズムとの間、およびプリズムとテラヘルツ波検出部との間に含まれる光学素子の数が多い。このため、特許文献１に記載の検出装置には、装置が大型化してしまうという問題がある。また、テラヘルツ波は空気中の水分により吸収されてしまうため、テラヘルツ波発生部とプリズムとの間の空間およびプリズムとテラヘルツ波検出部との間の空間に窒素を満たしたり、これらの空間を真空にしたりしなければならないという問題もある。これらの問題を解消する手段として、特許文献２では、テラヘルツ波発生素子およびテラヘルツ波検出素子を、プリズムと一体化することが提案されている。

特許文献２には、対象物で反射したテラヘルツ波の状態を検出することで対象物の情報を取得する反射型の検出装置、およびそれに用いられる反射型の検出デバイスが開示されている。特許文献２に記載の検出装置は、光源、検出デバイス、光検出器を有する。検出デバイスは、プリズムと、プリズムの入射面に配置されたテラヘルツ波発生素子と、プリズムの出射面に配置されたテラヘルツ波検出素子とを有する。光源は、フェムト秒パルスレーザー光を検出デバイスのテラヘルツ波発生素子に照射する。これにより、テラヘルツ波発生素子においてテラヘルツ波が発生し、テラヘルツ波はプリズム内を伝播する。プリズムの平面上には、対象物が載置されている。テラヘルツ波は、対象物の下の平面で全反射した際に対象物の情報を含むテラヘルツ波となり、テラヘルツ波検出素子に到達する。テラヘルツ波検出素子では、入力したテラヘルツ波に応じて対象物の情報を含む光を生成する。光検出器は、この対象物の情報を含む光を検出する。

また、特許文献３には、対象物を透過したテラヘルツ波の状態を検出することで対象物の情報を取得する透過型の検出デバイスが開示されている。図１は、特許文献３に記載の検出デバイスの斜視図である。図１に示されるように、特許文献３に記載の検出デバイス１０は、２枚の金属板１２ａ，１２ｂ、２枚のポリスチレン板１４ａ，１４ｂおよび２つの光伝導アンテナ１６ａ，１６ｂを有する。２枚の金属板１２ａ，１２ｂは、約１００μｍの間隔で対向するように配置されており、２枚のポリスチレン板１４ａ，１４ｂは、２枚の金属板１２ａ，１２ｂの間に配置されている。２枚の金属板１２ａ，１２ｂおよび２枚のポリスチレン板１４ａ，１４ｂからなる積層体は、平行平板導波路を構成する。２枚のポリスチレン板１４ａ，１４ｂの間には、対象物を収容するための空隙１８が形成されている。２枚のポリスチレン板１４ａ，１４ｂ間の間隔は、約５０μｍである。空隙１８に収容された対象物は、導波路の途中に存在することになる。光伝導アンテナ１６ａは、積層体の一方の端部に配置され、光伝導アンテナ１６ｂは、積層体の他方の端部に配置される。光伝導アンテナ１６ａにフェムト秒パルスレーザー光を照射すると、テラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波は、ポリスチレン板１４ａ、空隙１８（対象物）およびポリスチレン板１４ｂを伝播して光伝導アンテナ１６ｂに到達する。光伝導アンテナ１６ｂは、対象物を透過したテラヘルツ波を検出する（電気信号に変換する）。

テラヘルツ波は減衰が大きく、テラヘルツ波自体をポリスチレン板１４ａに照射することが困難であるため、特許文献３に記載の検出デバイス１０では、レーザー光を光伝導アンテナ１６ａに照射してテラヘルツ波を発生させている。また、空隙１８を大きくするとテラヘルツ波が減衰してしまうので、空隙１８はできるだけ小さい方が好ましい。

特許文献３に記載の検出デバイス１０は、小型でありながら、対象物を透過したテラヘルツ波の状態を検出することができる。

特開２００４−３５４２４６号公報 特開２００８−２２４４４９号公報 特開２００６−１８４０７８号公報

特許文献３に記載の透過型の検出デバイス１０を用いて空隙１８内の対象物を透過したテラヘルツ波を効率よく検出しようとする場合、２枚のポリスチレン板１４ａ，１４ｂ間の間隔を極端に小さくしなければならず、対象物を収容するための空隙１８が非常に小さくなってしまう。このように空隙１８が小さい場合、空隙１８内に対象物を設置すること、および空隙１８内において対象物を別の物質と反応させることは困難である。

本発明の目的は、対象物を透過したテラヘルツ波の状態を検出することで前記対象物の情報を取得するための透過型の検出デバイスであって、対象物を収容するための空間を十分に確保しつつ、小型化および高感度な検出を実現できる検出デバイスおよびその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出デバイスは、対象物を透過したテラヘルツ波の状態を検出することで前記対象物の情報を取得するための検出デバイスであって、テラヘルツ波発生素子と、前記テラヘルツ波発生素子と対向するように配置されたテラヘルツ波検出素子と、前記テラヘルツ波発生素子上に配置され、前記テラヘルツ波発生素子から前記テラヘルツ波検出素子に向かって突出する第１の伝送路と、前記テラヘルツ波検出素子上に配置され、前記テラヘルツ波検出素子から前記テラヘルツ波発生素子に向かって突出する第２の伝送路と、前記テラヘルツ波発生素子と前記テラヘルツ波検出素子との間に、前記第１の伝送路および前記第２の伝送路を取り囲むように、前記第１の伝送路および前記第２の伝送路と離間して配置された封止部と、を有し、前記第１の伝送路は、その先端に、前記テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を出射する出射面を有しており、前記第２の伝送路は、その先端に、前記出射面と離間して対向するように配置され、前記出射面から出射されたテラヘルツ波を入射する入射面を有しており、前記出射面と前記入射面との間の空間は、前記第１の伝送路と前記封止部との間の空間および前記第２の伝送路と前記封止部との間の空間と連通している。

また、上記課題を解決するため、本発明の一実施の形態に係る検出デバイスの製造方法は、上記検出デバイスの製造方法であって、第１の光伝導基板の第１の面上に、複数対の第１の電極膜を形成する工程と、第２の光伝導基板の第１の面上に、複数対の第２の電極膜を複数形成する工程と、前記第１の光伝導基板の第２の面上に、第１の伝送路を複数形成する工程と、前記第２の光伝導基板の第２の面上に、第２の伝送路を複数形成する工程と、前記第１の伝送路および前記第２の伝送路を収容するための貫通孔を複数有する封止シートを、前記第１の光伝導基板の前記第２の面と前記第２の光伝導基板の前記第２の面との間に配置し、前記第１の光伝導基板、前記封止シートおよび前記第２の光伝導基板を固定して、積層体を作製する工程と、前記貫通孔の間で前記積層体を切断して、複数の検出デバイスを得る工程と、を含む。

本発明によれば、テラヘルツ波発生素子とテラヘルツ波検出素子との間に第１の伝送路および第２の伝送路を取り囲むように封止部を設けて、封止部内に対象物を収容するための空間を十分に確保したので、第１の伝送路と第２の伝送路との間隔を小さくしても対象物が第１の伝送路と第２の伝送路との間に移動しやすくなり、小型化および高感度な検出を実現できる検出デバイスを提供することができる。本発明に係る検出デバイスを使用することで、対象物を透過したテラヘルツ波の状態を高感度に検出することができる。

図１は、特許文献３に記載の透過型の検出デバイスの斜視図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る検出デバイスの斜視図であり、図２Ｂは、封止部を省略した実施の形態１に係る検出デバイスの斜視図である。 図３は、実施の形態１に係る検出デバイスの断面図である。 図４は、実施の形態１に係る検出デバイスの変形例の断面図である。 図５は、出射面と入射面の間隔が可変である実施の形態１に係る検出デバイスの断面図である。 図６は、実施の形態１に係る検出装置の構成を示す模式図である。 図７Ａ〜Ｆは、実施の形態１に係る検出デバイスの製造方法を示す断面図である。 図８Ａは、実施の形態２に係る検出デバイスの斜視図であり、図８Ｂは、封止部を省略した実施の形態２に係る検出デバイスの斜視図である。 図９は、封止部を省略した実施の形態２に係る検出デバイスの変形例の斜視図である。 図１０Ａは、実施の形態３に係る検出デバイスの斜視図であり、図１０Ｂは、封止部を省略した実施の形態３に係る検出デバイスの斜視図である。 図１１は、封止部を省略した実施の形態３に係る検出デバイスの変形例の斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［実施の形態１］
（検出デバイスの構成）
図２および図３は、本発明の実施の形態１に係る検出デバイス１００を示す図である。図２Ａは、検出デバイス１００の斜視図であり、図２Ｂは、封止部１５０を省略した検出デバイス１００の斜視図である。図３は、検出デバイス１００の断面図である。

検出デバイス１００は、対象物を透過したテラヘルツ波の状態を検出することで、対象物の情報を取得するためのデバイス（チップ）である。ここで、「テラヘルツ波」とは、周波数が０.０１〜１００ＴＨｚの範囲内の電磁波をいう。対象物の種類は、特に限定されないが、対象物が、液体や紛体などの流動可能な状態である場合に、本実施の形態に係る検出デバイス１００は特に有効である。

図２および図３に示されるように、検出デバイス１００は、テラヘルツ波発生素子１１０、テラヘルツ波検出素子１２０、第１の導波路１３０、第２の導波路１４０および封止部１５０を有する。

テラヘルツ波発生素子１１０は、対象物を透過させるためのテラヘルツ波を発生する。本実施の形態では、テラヘルツ波発生素子１１０は、光伝導基板１１２と、光伝導基板１１２（例えば低温成長ＧａＡｓ）上に配置された１対の電極膜１１４ａ，１１４ｂとを有する光伝導アンテナである。しかしながら、テラヘルツ波発生素子１１０の種類は、所望のテラヘルツ波を発生させることができれば特に限定されない。テラヘルツ波発生素子１１０の他の例には、非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）が含まれる。

テラヘルツ波検出素子１２０は、テラヘルツ波発生素子１１０と対向するように配置されている。テラヘルツ波検出素子１２０は、テラヘルツ波発生素子１１０から放出され、対象物を透過したテラヘルツ波を検出する。本実施の形態では、テラヘルツ波検出素子１２０は、光伝導基板１２２と、光伝導基板１２２（例えば低温成長ＧａＡｓ）上に配置された１対の電極膜１２４ａ，１２４ｂとを有する光伝導アンテナである。テラヘルツ波発生素子１１０と同様に、テラヘルツ波検出素子１２０の種類も、テラヘルツ波発生素子１１０から放出されたテラヘルツ波を検出することができれば特に限定されない。テラヘルツ波検出素子１２０の他の例には、非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）が含まれる。

第１の導波路１３０は、テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）上に配置されている伝送路である。より具体的には、第１の導波路１３０は、テラヘルツ波発生素子１１０においてテラヘルツ波が発生する部分に対応する位置（本実施の形態では、１対の電極膜１１４ａ，１１４ｂのギャップの裏側）に配置されている。第１の導波路１３０は、テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）からテラヘルツ波検出素子１２０に向かって突出しており、その先端にテラヘルツ波を出射する出射面１３２を有している。第１の導波路１３０は、テラヘルツ波発生素子１１０で発生したテラヘルツ波を出射面１３２に向かって伝送し、出射面１３２から出射させる。

第２の導波路１４０は、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）上に配置されている伝送路である。より具体的には、第２の導波路１４０は、テラヘルツ波検出素子１２０においてテラヘルツ波を検出する部分に対応する位置（本実施の形態では、１対の電極膜１２４ａ，１２４ｂのギャップの裏側）に配置されている。第２の導波路１４０は、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）からテラヘルツ波発生素子１１０に向かって突出しており、その先端に第１の導波路１３０の出射面１３２から出射されたテラヘルツ波を入射する入射面１４２を有している。出射面１３２および入射面１４２は、互いに離間して対向している。本実施の形態の検出デバイス１００は、出射面１３２と入射面１４２との間に存在する対象物にテラヘルツ波を照射し、対象物を透過したテラヘルツ波を検出する。第２の導波路１４０は、対象物を透過したテラヘルツ波を入射し、テラヘルツ波検出素子１２０に伝送する。

第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の素材の種類は、テラヘルツ波に対する吸収（損失）および分散が小さいものであれば特に限定されない。第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の素材の例には、樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）、セラミックス、シリコンが含まれる。第１の導波路１３０の素材と、第２の導波路１４０の素材とは、異なっていてもよい。加工のしやすさの観点からは、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０は、樹脂からなることが好ましい。

第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の形状は、テラヘルツ波を効率よく伝送することができれば特に限定されない。本実施の形態では、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の形状は、直方体である。

第１の導波路１３０の長さ（テラヘルツ波発生素子１１０からの高さ）および第２の導波路１４０の長さ（テラヘルツ波検出素子１２０からの高さ）は、特に限定されないが、それぞれ１０μｍ以上であることが好ましい。第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の長さをそれぞれ１０μｍ以上とすることで、迷光の伝播を遅らせて多重反射の影響を低減することができる。一方、検出デバイス１００の扱いやすさの観点からは、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の長さの上限は、それぞれ数ｍｍ程度である。

第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の幅（出射面１３２および入射面１４２と平行な方向の長さ）は、特に限定されず、テラヘルツ波の波長に応じて適宜選択されうる。テラヘルツ波の波長に応じて第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の幅を設定することで、任意の波長のテラヘルツ波を増強して、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

出射面１３２と入射面１４２との間隔は、特に限定されない。対象物の動きやすさとテラヘルツ波の損失とのバランスを考慮すると、出射面１３２と入射面１４２との間隔は、１０〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。

第１の導波路１３０の側面（出射面１３２以外の面）および第２の導波路１４０の側面（入射面１４２以外の面）は、テラヘルツ波を反射するための金属膜１３４，１４４で被覆されていることが好ましい。本実施の形態では、テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）の裏面および第１の導波路１３０の側面が、テラヘルツ波を反射するための金属膜１３４で被覆されている。また、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）の裏面および第２の導波路１４０の側面が、テラヘルツ波を反射するための金属膜１４４で被覆されている。テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）と第１の導波路１３０との界面には、金属膜１３４は存在しておらず、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）と第２の導波路１４０との界面にも、金属膜１４４は存在していない。金属膜１３４，１４４を構成する金属の種類は、テラヘルツ波を反射することができれば特に限定されない。金属膜１３４，１４４を構成する金属の例には、金、銀、アルミニウム、これらの合金が含まれる。

なお、図４に示されるように、製造を容易にする観点から、第１の導波路１３０は、テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）の裏面に配置された基台１３６と一体として形成されていてもよい。同様に、第２の導波路１４０は、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）の裏面に配置された基台１４６と一体として形成されていてもよい。

封止部１５０は、テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）とテラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）との間に、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０を取り囲むように配置されている。また、封止部１５０は、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０と離間して配置されているため、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の周囲には、テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）および封止部１５０に囲まれた、対象物を収容するための空間が形成される。この空間に対象物を収容するために、テラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）には、２つの貫通孔１１６ａ，１１６ｂが形成されている。

前述のとおり、テラヘルツ波を照射される対象物は、出射面１３２と入射面１４２との間の空間に存在しなければならないが、出射面１３２と入射面１４２との間の空間は、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の周囲の空間（第１の導波路１３０と封止部１５０との間の空間および第２の導波路１４０と封止部１５０との間の空間）と連通している。したがって、対象物は、これらの空間を自由に移動することができる。

封止部１５０の素材は、対象物による影響を受けないものであれば特に限定されない。封止部１５０の素材の例には、樹脂、ゴム、金属が含まれる。出射面１３２と入射面１４２との間隔を調整可能にする観点からは、封止部１５０は、弾性体からなることが好ましい。封止部１５０に弾性を持たせることで、図５に示されるように、出射面１３２と入射面１４２との間隔を調整することが可能となり、第１の導波路１３０と第２の導波路１４０との間隔を変化させることが可能となる。また、検出デバイス１００内に収容された流体を撹拌して、反応を促進させることも可能となる。出射面１３２と入射面１４２との間隔を変えて複数回の測定を行うことで、対象物によるテラヘルツ波の吸収の違いを知ることができる。封止部１５０の素材が樹脂や金属などである場合も、封止部１５０を互いに摺動可能な複数の部材で構成したり、封止部１５０を蛇腹（アコーディオン）構造としたりすることで、封止部１５０が弾性体からなる場合と同じ効果を期待することができる。

（検出デバイスの使用方法）
次に、検出デバイス１００の使用方法について説明する。

図６は、本実施の形態に係る検出デバイス１００を用いて対象物の情報を取得するための検出装置２００の構成を示す図である。図６に示されるように、検出装置２００は、レーザー光源２１０、ビームスプリッター２２０、ミラー２３０，２４０，２６０、時間遅延器２５０、電源２７０、電流計２８０および検出デバイス１００を有する。検出デバイス１００内の空間には、対象物（サンプル）Ｓが収容されている。

レーザー光源２１０は、短パルスレーザー光（例えば、フェムト秒パルスレーザー光）を出射する。パルスレーザー光の光束は、ビームスプリッター２２０で２つの光束（ポンプ光およびプローブ光）に分割される。ポンプ光は、ミラー２３０で反射して、検出デバイス１００のテラヘルツ波発生素子１１０に到達する。テラヘルツ波発生素子１１０の電極膜１１４ａ，１１４ｂは、それぞれ電源２７０に接続されており、電極膜１１４ａ，１１４ｂ間には所定の電圧が印加されている。この状態で、ポンプ光が電極膜１１４ａ，１１４ｂ間のギャップに照射されると、パルス状のテラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波は、第１の導波路１３０内を伝播して出射面１３２から出射される。そして、出射面１３２と入射面１４２との間において、テラヘルツ波は、対象物（サンプル）Ｓを透過して、対象物Ｓの情報を含むテラヘルツ波となる。

対象物Ｓを透過したテラヘルツ波は、入射面１４２で第２の導波路１４０に入射し、第２の導波路１４０内を伝播して、テラヘルツ波検出素子１２０に到達する。一方で、プローブ光は、ミラー２４０で反射し、時間遅延器２５０を通り、ミラー２６０で反射して、検出デバイス１００のテラヘルツ波検出素子１２０に到達する。テラヘルツ波検出素子１２０の電極膜１２４ａ，１２４ｂは、それぞれ電流計２８０に接続されている。プローブ光が電極膜１２４ａ，１２４ｂ間のギャップに照射された時に、テラヘルツ波検出素子１２０にテラヘルツ波が到達すると、プローブ光のパルス時間幅および光伝導基板１２２内のキャリア寿命に応じた時間、電極膜１２４ａ，１２４ｂ間に電流が流れる。この電流の大きさは、テラヘルツ波検出素子１２０に到達したテラヘルツ波の電場の振幅の大きさに対応する。また、時間遅延器２５０を用いることで、テラヘルツ波検出素子１２０にテラヘルツ波が到達するタイミングと、テラヘルツ波検出素子１２０にプローブ光が到達するタイミングとをずらすことができる。したがって、電流計２８０を用いてこの電流を測定することで、パルス状のテラヘルツ波の波形を取得することができる。このテラヘルツ波の波形をフーリエ変換することで、対象物Ｓを透過したテラヘルツ波のスペクトルを得ることができる。たとえば、検出デバイス１００内の空間に対象物Ｓを収容した状態および収容していない状態でテラヘルツ波のスペクトルを取得し、これらの比を算出することで、対象物Ｓのテラヘルツ波に対する吸収スペクトルを得ることができる。

（検出デバイスの製造方法）
本実施の形態に係る検出デバイス１００の製造方法は、特に限定されない。たとえば、検出デバイス１００は、図７に示される手順により製造されうる。

まず、図７Ａに示されるように、ウェハー状の光伝導基板１１２’を準備する。次いで、図７Ｂに示されるように、光伝導基板１１２’の一方の面上に、複数対の電極膜１１４ａ，１１４ｂを形成する。電極膜１１４ａ，１１４ｂの形成方法は、特に限定されない。たとえば、電極膜１１４ａ，１１４ｂは、フォトリソグラフィにより形成される。次いで、図７Ｃに示されるように、光伝導基板１１２’の他方の面上に、複数の第１の導波路１３０を形成する。第１の導波路１３０の形成方法は、特に限定されない。たとえば、第１の導波路１３０は、樹脂からなり、インプリント成形により形成される。この後、必要に応じて、第１の導波路１３０の側面に、金属膜１３４を形成する。

これらの工程により、１枚の光伝導基板１１２’上に、テラヘルツ波発生素子１１０および第１の導波路１３０の組み合わせを複数形成する。また、同様の手順により、１枚の光伝導基板１２２’上に、テラヘルツ波検出素子１２０および第２の導波路１４０の組み合わせを複数形成する。この後、テラヘルツ波発生素子１１０および第１の導波路１３０の組み合わせを複数形成した光伝導基板１１２’には、テラヘルツ波発生素子１１０のそれぞれの近傍に、貫通孔１１６ａ，１１６ｂも形成する。

次いで、図７Ｄに示されるように、複数のテラヘルツ波検出素子１２０および複数の第２の導波路１４０を形成した光伝導基板１２２’（または複数のテラヘルツ波発生素子１１０および複数の第１の導波路１３０を形成した光伝導基板１１２’）上に、複数の貫通孔を有する封止シート１５０’を配置し、固定（接着）する。次いで、図７Ｅに示されるように、封止シート１５０’上に、複数のテラヘルツ波発生素子１１０および複数の第１の導波路１３０を形成した光伝導基板１１２’（または複数のテラヘルツ波検出素子１２０および複数の第２の導波路１４０を形成した光伝導基板１２２’）を配置し、固定（接着）する。これにより、複数のテラヘルツ波発生素子１１０、複数のテラヘルツ波検出素子１２０、複数の第１の導波路１３０および複数の第２の導波路１４０を含む積層体が得られる。この積層体では、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０は、封止シート１５０’の貫通孔内に収容されている。

最後に、図７Ｆに示されるように、封止シート１５０’の貫通孔の間を通るように積層体を切断することで、複数の検出デバイスを得ることができる。

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る検出デバイス１００は、第１の導波路１３０および第２の導波路１４０の周囲に、出射面１３２と入射面１４２との間の空間と連通する大きな空間を有する。このため、検出デバイス１００を大型化することなく、出射面１３２と入射面１４２との間の空間に対象物を容易に設置することができる。また、検出デバイス１００内において対象物を別の物質と反応させることも容易である。

なお、本実施の形態では、テラヘルツ波発生素子１１０およびテラヘルツ波検出素子１２０が光伝導アンテナである場合の例について説明したが、前述のとおり、テラヘルツ波発生素子１１０およびテラヘルツ波検出素子１２０の種類は光伝導アンテナに限定されない。テラヘルツ波発生素子１１０およびテラヘルツ波検出素子１２０が他の素子である場合は、テラヘルツ波を発生させる手段およびテラヘルツ波を検出する手段も適宜変更されうる。

また、本実施の形態では、２つの貫通孔１１６ａ，１１６ｂがテラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）に形成されている例について説明したが、対象物を収容するための貫通孔の数および位置は特に限定されない。たとえば、対象物を収容するための貫通孔の数は、１つであってもよいし、複数であってもよい。また、対象物を収容するための貫通孔の位置は、貫通孔がテラヘルツ波発生素子１１０（光伝導基板１１２）、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）および封止部１５０により囲まれた空間と連通していれば特に限定されない。具体的には、貫通孔は、テラヘルツ波検出素子１２０（光伝導基板１２２）または封止部１５０に形成されていてもよい。

［実施の形態２］
実施の形態２に係る検出デバイスは、テラヘルツ波発生素子およびテラヘルツ波検出素子が、それぞれ複数対の電極膜を有する点などにおいて、実施の形態１に係る検出デバイスと異なる。そこで、実施の形態１に係る検出デバイス１００と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図８Ａは、本発明の実施の形態２に係る検出デバイス３００の斜視図であり、図８Ｂは、封止部１５０を省略した検出デバイス３００の斜視図である。

図８に示されるように、検出デバイス３００は、テラヘルツ波発生素子３１０、テラヘルツ波検出素子３２０、３つの第１の導波路３３０、３つの第２の導波路３４０および封止部１５０を有する。

テラヘルツ波発生素子３１０は、光伝導基板１１２と、光伝導基板１１２上に配置された３対の電極膜１１４ａ，１１４ｂを有する光伝導アンテナである。同様に、テラヘルツ波検出素子３２０は、光伝導基板１２２と、光伝導基板１２２上に配置された３対の電極膜１２４ａ，１２４ｂを有する光伝導アンテナである。

３つの第１の導波路３３０は、それぞれ、テラヘルツ波発生素子３１０における３対の電極膜１１４ａ，１１４ｂのギャップの裏側に配置されている。同様に、３つの第２の導波路３４０は、それぞれ、テラヘルツ波検出素子３２０における３対の電極膜１２４ａ，１２４ｂのギャップの裏側に配置されている。１つの第１の導波路３３０の出射面１３２は、１つの第２の導波路３４０の入射面１４２と離間して対向している。すなわち、本実施の形態の検出デバイス３００では、１対の電極膜１１４ａ，１１４ｂ、１つの第１の導波路３３０、１つの第２の導波路３４０および１対の電極膜１２４ａ，１２４ｂの組み合わせが、３セット形成されている。

第１の導波路３３０の長さ（テラヘルツ波発生素子３１０からの高さ）および第２の導波路３４０の長さ（テラヘルツ波検出素子３２０からの高さ）は、第１の導波路３３０および第２の導波路３４０の組み合わせごとに異なる。したがって、出射面１３２と入射面１４２との間隔も、第１の導波路３３０および第２の導波路３４０の組み合わせごとに異なる。図８Ｂに示される例では、左側に図示される第１の導波路３３０および第２の導波路３４０の長さが短く（出射面１３２と入射面１４２との間隔が大きく）、右側に図示される第１の導波路３３０および第２の導波路３４０の長さが長い（出射面１３２と入射面１４２との間隔が小さい）。なお、すべての第１の導波路３３０および第２の導波路３４０の幅は、同じである。

実施の形態２に係る検出デバイス３００は、実施の形態１の検出デバイス１００の効果に加えて、ポンプ光およびプローブ光を照射する位置を変えるだけで、同一の対象物について出射面１３２と入射面１４２との間隔を変えて測定を行うことができる。

なお、本実施の形態では、３つの第１の導波路３３０をそれぞれ別個に形成し、３つの第２の導波路３４０をそれぞれ別個に形成する例について説明した。しかしながら、図９に示されるように、３つの第１の導波路３３０を一体として形成し、３つの第２の導波路３４０を一体として形成してもよい。

［実施の形態３］
実施の形態３に係る検出デバイスは、複数の第１の導波路の幅および複数の第２の導波路の幅が、それぞれ異なる点などにおいて、実施の形態２に係る検出デバイスと異なる。そこで、実施の形態１に係る検出デバイス１００または実施の形態２に係る検出デバイス３００と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１０Ａは、本発明の実施の形態３に係る検出デバイス４００の斜視図であり、図１０Ｂは、封止部１５０を省略した検出デバイス４００の斜視図である。

図１０に示されるように、検出デバイス４００は、テラヘルツ波発生素子３１０、テラヘルツ波検出素子３２０、３つの第１の導波路４３０、３つの第２の導波路４４０および封止部１５０を有する。

３つの第１の導波路４３０および３つの第２の導波路４４０は、それぞれ、一体として形成されている。第１の導波路４３０の幅および第２の導波路４４０の幅は、第１の導波路４３０および第２の導波路４４０の組み合わせごとに異なる。図１０Ｂに示される例では、左側に図示される第１の導波路４３０および第２の導波路４４０の幅が小さく、右側に図示される第１の導波路４３０および第２の導波路４４０の幅が大きい。なお、すべての第１の導波路４３０および第２の導波路４４０の間隔は、同じである。

実施の形態３に係る検出デバイス４００は、実施の形態１の検出デバイス１００の効果に加えて、ポンプ光およびプローブ光を照射する位置を変えるだけで、同一の対象物について照射するテラヘルツ波の波長を変えて測定を行うことができる。

なお、本実施の形態では、一体として形成された３つの第１の導波路４３０および一体として形成された３つの第２の導波路４４０の幅が、それぞれ不連続に変化している例について説明した。しかしながら、図１１に示されるように、一体として形成された３つの第１の導波路４３０および一体として形成された３つの第２の導波路４４０の幅は、連続的に変化していてもよい。

また、上記実施の形態２および実施の形態３では、３つの第１の導波路３３０，４３０に対して３対の電極膜１１４ａ，１１４ｂを配置し、３つの第２の導波路３４０，４４０に対して３対の電極膜１２４ａ，１２４ｂを配置している例について説明した。しかしながら、複数の第１の導波路３３０，４３０または第２の導波路３４０，４４０に対して同数対の電極膜を配置する代わりに、１対のスライド可能な電極膜を配置してもよい。

また、上記各実施の形態では、テラヘルツ波発生素子１１０の裏側に配置される伝送路（第１の伝送路）およびテラヘルツ波検出素子１２０の裏側に配置される伝送路（第２の伝送路）が、いずれも導波路である例について説明したが、第１の伝送路および第２の伝送路の種類は、これに限定されない。たとえば、第１の伝送路および第２の伝送路は、導波管または伝送線路であってもよい。

本出願は、２０１４年５月１４日出願の特願２０１４−１００３２０に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明に係る検出デバイスは、例えば食品検査などに有用である。

１０ 検出デバイス
１２ａ，１２ｂ 金属板
１４ａ，１４ｂ ポリスチレン板
１６ａ，１６ｂ 光伝導アンテナ
１８ 空隙
１００，３００，４００ 検出デバイス
１１０，３１０ テラヘルツ波発生素子
１１２，１１２’ 光伝導基板
１１４ａ，１１４ｂ 電極膜
１１６ａ，１１６ｂ 貫通孔
１２０，３２０ テラヘルツ波検出素子
１２２，１２２’ 光伝導基板
１２４ａ，１２４ｂ 電極膜
１３０，３３０，４３０ 第１の導波路
１３２ 出射面
１３４，１４４ 金属膜
１３６，１４６ 基台
１４０，３４０，４４０ 第２の導波路
１４２ 入射面
１５０ 封止部
１５０’ 封止シート
２００ 検出装置
２１０ レーザー光源
２２０ ビームスプリッター
２３０，２４０，２６０ ミラー
２５０ 時間遅延器
２７０ 電源
２８０ 電流計
Ｓ 対象物（サンプル）

Claims (12)

1. 対象物を透過したテラヘルツ波の状態を検出することで前記対象物の情報を取得するための検出デバイスであって、
   テラヘルツ波発生素子と、
   前記テラヘルツ波発生素子と対向するように配置されたテラヘルツ波検出素子と、
   前記テラヘルツ波発生素子上に配置され、前記テラヘルツ波発生素子から前記テラヘルツ波検出素子に向かって突出する第１の伝送路と、
   前記テラヘルツ波検出素子上に配置され、前記テラヘルツ波検出素子から前記テラヘルツ波発生素子に向かって突出する第２の伝送路と、
   前記テラヘルツ波発生素子と前記テラヘルツ波検出素子との間に、前記第１の伝送路および前記第２の伝送路を取り囲むように、前記第１の伝送路および前記第２の伝送路と離間して配置された封止部と、
   を有し、
   前記第１の伝送路は、その先端に、前記テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を出射する出射面を有しており、
   前記第２の伝送路は、その先端に、前記出射面と離間して対向するように配置され、前記出射面から出射されたテラヘルツ波を入射する入射面を有しており、
   前記出射面と前記入射面との間の空間は、前記第１の伝送路と前記封止部との間の空間および前記第２の伝送路と前記封止部との間の空間と連通している、
   検出デバイス。
2. 前記テラヘルツ波発生素子、前記テラヘルツ波検出素子または前記封止部には、前記テラヘルツ波発生素子、前記テラヘルツ波検出素子および前記封止部により囲まれた空間と連通している貫通孔が設けられている、請求項１に記載の検出デバイス。
3. 前記テラヘルツ波発生素子および前記テラヘルツ波検出素子は、光伝導基板と、前記光伝導基板上に配置された少なくとも１対の電極膜とを有する光伝導アンテナである、請求項１または請求項２に記載の検出デバイス。
4. 前記光伝導アンテナは、複数対の電極膜を有する、請求項３に記載の検出デバイス。
5. 前記第１の伝送路の前記出射面に平行な断面において、前記第１の伝送路の幅は、不連続に変化しており、
   前記第２の伝送路の前記入射面に平行な断面において、前記第２の伝送路の幅は、不連続に変化している、
   請求項４に記載の検出デバイス。
6. 前記第１の伝送路の前記出射面に平行な断面において、前記第１の伝送路の幅は、連続的に変化しており、
   前記第２の伝送路の前記入射面に平行な断面において、前記第２の伝送路の幅は、連続的に変化している、
   請求項４に記載の検出デバイス。
7. 前記封止部は、弾性体からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出デバイス。
8. 前記出射面と前記入射面との間隔は、１０〜１００μｍの範囲内である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の検出デバイス。
9. 前記第１の伝送路および前記第２の伝送路の長さは、それぞれ１０μｍ以上である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の検出デバイス。
10. 前記第１の伝送路および前記第２の伝送路は、それぞれ導波路、導波管または伝送線路である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の検出デバイス。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検出デバイスの製造方法であって、
    第１の光伝導基板の第１の面上に、複数対の第１の電極膜を形成する工程と、
    第２の光伝導基板の第１の面上に、複数対の第２の電極膜を複数形成する工程と、
    前記第１の光伝導基板の第２の面上に、第１の伝送路を複数形成する工程と、
    前記第２の光伝導基板の第２の面上に、第２の伝送路を複数形成する工程と、
    前記第１の伝送路および前記第２の伝送路を収容するための貫通孔を複数有する封止シートを、前記第１の光伝導基板の前記第２の面と前記第２の光伝導基板の前記第２の面との間に配置し、前記第１の光伝導基板、前記封止シートおよび前記第２の光伝導基板を固定して、積層体を作製する工程と、
    前記貫通孔の間で前記積層体を切断して、複数の検出デバイスを得る工程と、
    を含む、検出デバイスの製造方法。
12. 前記第１の伝送路および前記第２の伝送路は、インプリント成形により形成される、請求項１１に記載の検出デバイスの製造方法。

Images