JP6486695B2 - ボロメータ型ＴＨｚ検出器 - Google Patents

Description

本発明は、ボロメータ型ＴＨｚ検出器に関する。

ボロメータは、温度変化によって、抵抗体（又は導体）の抵抗値が変化する性質を利用した熱（赤外線）検出素子であり、抵抗体の温度変化率が大きい場合は、サーミスタとよばれている。

ボロメータ型ＴＨｚ検出器は、テラヘルツ周波数帯（波長λが３０μｍ以上１ｍｍ以下）の電磁波（ＴＨｚ波）を検出する装置であり、物質の解析技術等への応用が期待されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これらの文献に記載の検出器においては、吸収膜によってTHz波を吸収したり、アンテナでＴＨｚ波を受信したりして、これにより発生した熱を、ボロメータに入力し間接的にＴＨｚ波を検出している。

特許５１０９１６９号公報 特開２０１０‐２６１９３５号公報

しかしながら、従来のボロメータ型ＴＨｚ検出器よりも更に微弱な電磁波を検出可能なボロメータ型ＴＨｚ検出器が期待されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、微弱な電磁波も検出可能なボロメータ型ＴＨｚ検出器を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器は、ＴＨｚ波を受信して放射する指向性アンテナと、前記指向性アンテナに対向配置された受信アンテナと、前記受信アンテナを流れる電流による発熱を検出するボロメータと、を備え、前記指向性アンテナは、平面視において前記受信アンテナに重なっており、前記指向性アンテナの長手方向長は、前記受信アンテナの長手方向長よりも短く、前記指向性アンテナは、前記凹部の底面に固定され、前記指向性アンテナ、前記受信アンテナ、及び前記ボロメータは、前記密閉空間内に配置されていることを特徴とする。

指向性アンテナは、受信アンテナよりも短いので、指向性アンテナに入射したＴＨｚ波は、位相が変化して、再放射され、受信アンテナで受信される。指向性アンテナは、平面視において受信アンテナに重なっており、また、受信アンテナは、指向性アンテナによる位相調整によって、大きな電界振幅を受ける位置に配置することができるため、受信に応じて大きな電流が流れ、抵抗体（又は導体）によって、発熱が生じる。発熱量は、ボロメータによって検出されるため、この装置はボロメータ型ＴＨｚ検出器として機能する。指向性アンテナの長手方向と受信アンテナの長手方向は一致している場合には、受信アンテナは、更に大きな電界振幅を受けることができる。

また、前記ＴＨｚ波の波長をλとし、前記指向性アンテナと前記受信アンテナとの距離はλ／４（位相としてπ／２に相当）以下であることを特徴とする。この場合、受信アンテナに入射するＴＨｚ波と指向性アンテナから再放射されるＴＨｚ波は、受信アンテナに対して入射側では同相となり強め合い、反入射側では逆相となり弱め合うため、入射側に強い指向性を有する。

また、このボロメータ型ＴＨｚ検出器は、前記指向性アンテナと共に前記受信アンテナを挟む位置に配置された反射アンテナを更に備えることを特徴とする。反射アンテナにＴＨｚ波が入射した場合に、再放射されたＴＨｚ波は、受信アンテナに入射することができるので、反射アンテナの位置を適当に調整することにより、受信アンテナの受ける電界振幅を大きくすることができる。

また、このボロメータ型ＴＨｚ検出器は、凹部を有する蓋材と、前記蓋材が被せられ、前記蓋材と共に密閉空間を画成する支持基板と、を備え、前記指向性アンテナは、前記凹部の底面に固定され、前記指向性アンテナ、前記受信アンテナ、及び前記ボロメータは、前記密閉空間内に配置されていることを特徴とする。

密閉空間に上記アンテナ群をコンパクトに収納することで、環境変動に対する耐性が高く、且つ、小型の検出器を構成することができる。

前記蓋材は、前記凹部を有するシリコン基板を備え、前記シリコン基板の前記凹部の深さｄ１は１０μｍ以上４００μｍ以下、前記シリコン基板の周縁部の厚みｄ２は２００μｍ以上２ｍｍ以下であり、前記密閉空間内は、大気圧よりも低い圧力に設定されていることを特徴とする。大気圧よりも低い圧力は、好ましくは真空（０．１Ｐａ以下）であり、これにより高感度で環境耐性の高い検出が可能となるが、シリコン基板に凹部を設けているため、圧力差によって、シリコン基板に変形が生じる可能性がある。そこで、上記数値範囲の下限以上に設定することにより、シリコン基板の変形を防止し、上限以下に設定することにより、ＴＨｚ波の大きな減衰を抑制することができる。

前記シリコン基板の前記凹部とは反対側の面に設けられた反射防止膜と、前記シリコン基板の前記凹部の内面に設けられた絶縁膜とを備え、前記反射防止膜の材料は、ＳｉＯ_２又はポリパラキシリレン（パリレン（商標））であり、前記絶縁膜の材料は、ＳｉＯ_２又はポリパラキシリレンであり、前記シリコン基板の比抵抗は、１ｋΩｃｍ以上に設定されていることを特徴とする。

この場合、ＴＨｚ波の反射が反射防止膜により抑制され、また、シリコン基板内の不純物が少ないために、ＴＨｚ波の減衰が少ないので、ＴＨｚ波が十分に指向性アンテナに入射することができる。

本発明のボロメータ型ＴＨｚ検出器によれば、大きな電界振幅を受けるので、微弱な電磁波も検出することができる。

第１実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の構造を示す図である。 読出回路の回路図である。 位置と電界振幅の関係を示すグラフである。 位置と電界振幅の関係を示すグラフである。 ボロメータ型ＴＨｚ検出器の断面構造を示す図である。 ボロメータ型ＴＨｚ検出器を分解して示す斜視図である。 ボロメータ型ＴＨｚ検出器の平面図（蓋を除く）である。 ボロメータ型ＴＨｚ検出器のアンテナ群の平面図である。 ｘ軸方向の位置を変えたアンテナの放射パターンを示す図である。 ｙ軸方向の位置を変えたアンテナの放射パターンを示す図である。 ボロメータ型ＴＨｚ検出器の動作原理を示す図である。 ボロメータ型ＴＨｚ検出器を用いた検査装置の斜視図である。 第２実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の平面図である。 第２実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の断面構造を示す図である。 変形例に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の断面構造を示す図である。 第３実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の平面図である。 第３実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の断面構造を示す図である。 様々なタイプの単位センサの平面図である。 アンテナ長（μｍ）と共振周波数（ＴＨｚ）の関係を示すグラフである。 撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例を示す図である。 撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例を示す図である。 撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例を示す図である。 撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例を示す図である。 撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例を示す図である。 読出回路の回路図である。 単位センサの電子顕微鏡像である。 アレイ状に配置された複数の単位センサの電子顕微鏡像である。 複数の単位センサを含む単位画素の平面図である。 単位画素の回路図である。 読出回路の回路図である。

以下、実施の形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、第１実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器１００の構造を示す図である。

このボロメータ型ＴＨｚ検出器１００は、凹部Ｄ１を有する蓋材６と、蓋材６が被せられ、蓋材６と共に凹部Ｄ１を含む密閉空間を画成する支持基板５とを備えており、指向性アンテナ１、受信アンテナ２、反射アンテナ３、及びボロメータ４は、この密閉空間内に配置されている。指向性アンテナ１を、図５に示すように、凹部Ｄ１の底面に固定した場合には、装置がコンパクトになる。密閉空間にアンテナ群をコンパクトに収納されており、環境変動に対する耐性が高く、且つ、小型の検出器が構成されている。蓋材６と支持基板５との間には、シール材７が介在している。支持基板５は、集積回路基板であり、内部に読出回路５ｂが形成されている。支持基板５は、半導体基板５ａと、半導体基板５ａ内に形成された読出回路５ｂと、半導体基板５ａの表面を被覆する絶縁膜５ｃとを備えている。

半導体基板５ａの材料はシリコン、絶縁膜５ｃの材料はＳｉＯ_２或いはＳｉＮｘ、シール材７の材料はインジウム、銅、錫及び金からなる金属群から選択される少なくともいずれか一種を用いることができるが、他の材料も用いることができる。本例では、シール材７としては、Ａｕ／ＡｕＳｎを用いることとする。

指向性アンテナ１は、ＴＨｚ波を受信して放射し、受信アンテナ２は、指向性アンテナ１に対向配置されており、反射アンテナ３は受信アンテナ２を透過したＴＨｚ波を反射し、ボロメータ４は、受信アンテナ２を流れる電流による発熱を検出する。

ここで、ｘｙｚ三次元直交座標系を設定し、指向性アンテナ１の長手方向をｙ軸方向とし、指向性アンテナ１の幅方向をｘ軸方向とし、指向性アンテナ１の厚み方向をｚ軸方向とする。ｚ軸方向から、ｘｙ平面内に存在する指向性アンテナ１を観察した場合、すなわち、平面視においては、指向性アンテナ１は、受信アンテナ２に重なっており、指向性アンテナ１の長手方向長（ｙ１）は、受信アンテナ２の長手方向長（ｙ２）よりも短い。

指向性アンテナ１は、受信アンテナ２よりも短いので、指向性アンテナ１に、蓋材６を介して、図面の上方向の位置から、入射したＴＨｚ波は、位相が変化して、指向性アンテナ１によって再放射され、受信アンテナ２で受信される。

受信アンテナ２は、一対の直線状アンテナからなるダイポールアンテナ２ａと、ダイポールアンテナ２ａを構成する直線状アンテナのギャップ間に配置された抵抗体２ｂとを備えている。このギャップｙｇは、例えば、１０μｍ以下に設定することができる。抵抗体２ｂは、一対の直線状アンテナを電気的に接続しており、これらを流れる電流によって発熱する。

指向性アンテナ１は、平面視において受信アンテナ２に重なっており、また、受信アンテナ２は、指向性アンテナ１による位相調整よって、大きな電界振幅を受ける位置に配置することができるため、受信に応じて大きな電流が流れ、抵抗体２ｂ（又は導体）によって、発熱が生じる。発熱量は、受信アンテナ２に近接配置されたボロメータ４によって検出されるため、この装置はボロメータ型ＴＨｚ検出器として機能する。

なお、指向性アンテナ１の長手方向（ｙ軸方向）と受信アンテナ２の長手方向（ｙ軸方向）は一致しており、受信アンテナは、図９及び図１０に示すように、大きな電界振幅を受けることができる。

すなわち、図９は、ｘ軸方向の位置を変えたアンテナの放射パターンを示す図であり、図１０は、ｙ軸方向の位置を変えたアンテナの放射パターンを示す図である。周方向の目盛は角度を示しており、円の中心位置が受信アンテナ２の重心位置であり、この中心位置から−９０°に向かう方向が＋ｘ軸方向、中心位置から０°に向かう方向が＋ｚ軸方向である。径方向の目盛は、アンテナの絶対利得であり、単位はｄＢである。また、図９における矢印は、受信アンテナ２に対して指向性アンテナ１を基準状態からｘ軸方向に７μｍずらした時の指向性最大方向の変化を示している。

基準状態では、指向性アンテナ１の重心位置を受信アンテナ２の重心位置を一致させ（ｘ＝０μｍ）、これらの長手方向、幅方向も一致させておく（ｙ＝０μｍ）。

指向性アンテナ１を、基準状態（図９のデータｍ１（ｘ＝０μｍ））からｘ軸方向にずらす（ｍ２：ｘ＝７μｍ、ｍ３：ｘ＝１５μｍ）と、受信効率が低下する（図９）。すなわち、指向性アンテナ１が受信アンテナ２に対してｘ軸方向にずれた場合、これらのアンテナの重心間の距離ｚ１が、ｚ１’（ｚ１’＝（ｚ１^２＋ｘ^２）^１／２）に変化する。これにより、受信アンテナ２に入射するＴＨｚ波と指向性アンテナ１より再放射されるＴＨｚ波の位相がずれ共振効果が薄れること、相互インピーダンスの変化による損失により、受信効率が低下する。

指向性アンテナ１を、基準状態（図１０のデータｍ１（ｘ＝０μｍ））からｙ軸方向にずらす（ｍ２：ｙ＝７μｍ、ｍ３：ｙ＝１５μｍ）と、受信効率が低下する（図１０）。すなわち、指向性アンテナ１が受信アンテナ２に対してｙ軸方向にずれた場合、位置関係の変化による相互インピーダンスの変化による損失により、受信効率が低下する。

このように、指向性アンテナ１と受信アンテナ２の位置が、基準状態から位置ずれした場合、受信損失が発生するため、これらの位置関係は基準状態であることが好ましい。なお、ｘ軸方向のずれによる損失の方が、ｙ軸方向のずれによる損失よりも大きい。

また、ＴＨｚ波の波長をλとする。指向性アンテナ１と受信アンテナ２との距離ｚ１はλ／４（位相としてπ／２に相当）以下である。なお、距離ｚ１は基準状態では重心位置間の距離であり、ｘ軸又はｙ軸方向にずれた場合には重心位置間のｚ軸方向距離である。この場合、受信アンテナ２に入射するＴＨｚ波と指向性アンテナ１から再放射されるＴＨｚ波は、受信アンテナ２に対して入射側では同相となり強め合い、反入射側では逆相となり弱め合うため、入射側に強い指向性を有する。

反射アンテナ３は、指向性アンテナ１と共に受信アンテナ２を挟む位置に配置されている。反射アンテナ３にＴＨｚ波が入射した場合に、再放射されたＴＨｚ波は、受信アンテナ２に入射することができるので、これらの間の距離ｚ２、すなわち、反射アンテナ３の位置を適当に調整することにより、受信アンテナ２の受ける電界振幅を大きくすることができる。

上述のアンテナ群は、平面視で重なるダイポールアンテナで構成することができ、相互効果によりセンサ上方から入射するＴＨｚ波に対する指向性を高め、受信アンテナ２の受信効率を大きくすることができる。ここで、受信アンテナ２は給電点（抵抗体）を有するが、指向性アンテナ１と反射アンテナ３は給電点を持たない無給電素子である。

また、受信アンテナ２の長さｙ２は、入射するＴＨｚ波の波長をλとすると、λ／２以下である。受信アンテナ２に入射したＴＨｚ波の光強度に応じて発生する起電力により、アンテナ中心の給電点に設けた抵抗体２ｂで電力が消費され、熱が発生する。

指向性アンテナ１は、受信アンテナ２の上方（ＴＨｚ波入射側）に形成された無給電素子であり、その長さｙ１は、受信アンテナ２の長さｙ２に対して短い（ｙ１＜ｙ２）ので、ｙ１はλ／２よりも小さいことになる。

受信アンテナ２と指向性アンテナ１との間の距離はλ／４以下であり、上方から入射するＴＨｚ波により、指向性アンテナ１中に誘導電流が流れ、再放射が起こる。このとき、この再放射波と入射波は、受信アンテナ２の配置されるメンブレンの上方では同相となり強め合い、メンブレンの下方では逆相となり弱め合う。そのため、上方から入射するＴＨｚ波に対する受信アンテナ２の指向性が強くなり、受信アンテナの受信効率を高めることができる。

反射アンテナ３は、受信アンテナ２に対して下方（ＴＨｚ波入射側と反対）に形成された無給電素子である。反射アンテナ３の長さｙ３は、受信アンテナ長さに対して長く設定する（ｙ２＜ｙ３）。受信アンテナ２と反射アンテナ３間の重心位置間のｚ軸方向の距離ｚ２はλ／４以下である。指向性アンテナ１の場合と同様に、上方から入射するＴＨｚ波により、反射アンテナ３中に誘導電流が流れ、再放射が起こる。この再放射波と入射波は、メンブレンの上方では同相となり強め合い、メンブレン下方では逆相となり弱め合う。そのため、上方から入射するＴＨｚ波に対する受信アンテナ２の指向性が強くなり、受信アンテナの受信効率を更に高めることができる。

図２は、読出回路５ｂの回路図である。なお、回路上の接続は、電気的な接続を意味する。

ボロメータ４には、受信アンテナ２の抵抗体で発生した熱Ｈが入射する。ボロメータ４の主要構成要素は抵抗である。ボロメータ４の出力は、スイッチＳＷ１を介して、アンプＡＭＰ１に入力され、アンプＡＭＰ１の出力端子から出力信号ＯＵＴが出力される。アンプＡＭＰ１の反転入力端子と出力端子との間にはキャパシタＣ１とスイッチＳＷ３が並列に接続されており、非反転入力端子は基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。反転入力端子は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２との間の接続点に接続され、この接続点はスイッチＳＷ２及び抵抗Ｚ１を介して電源電位Ｖｃｃに接続されている。スイッチＳＷ３を閉じると、リセット状態となり、キャパシタＣ１が放電される。スイッチＳＷ３を開放した後に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を閉じると、電源電位Ｖｃｃからボロメータ４に電流が流れ、その抵抗値に応じた値が、アンプＡＭＰ１の非反転入力端子に入力され、キャパシタＣ１に電荷が蓄積され、出力端子から出力信号ＯＵＴが得られる。

次に、電界振幅の関係について詳説する。まず、指向性アンテナ１の設置で起こる現象を説明する。

図３は、位置と電界振幅の関係を示すグラフである。図面の右側からＴＨｚ波が入射するものとする。

図３の（Ａ）は、指向性アンテナ１と受信アンテナ２の長さが同じ場合のグラフであり、（Ｂ）は、指向性アンテナ１が受信アンテナ２よりも短い場合のグラフである。グラフ内における横軸はｚ軸方向に沿った位置を示しており、縦軸は電界振幅を示す。また、図中のＤの位置には指向性アンテナ１が配置され、Ａの位置には受信アンテナ２が配置されている。これらの離隔距離はλ／４であるが、これよりも短くても上述の効果は得られる。

受信アンテナ２と指向性アンテナ１を水平置きにした状態での受信アンテナ２に入射するＴＨｚ波（実線）と、指向性アンテナ１から再放射されるＴＨｚ波（一点鎖線）の関係を示した図である。ここで、受信アンテナ２の長さｙ２をλ／２、受信アンテナ２のリアクタンス成分を０Ω、受信アンテナ２と指向性アンテナ１との間の距離ｚ１をλ／４とする。

なお、アンテナ周辺媒質、アンテナ配線の抵抗成分、アンテナ幅、２つのアンテナを近づけたときの相互作用等により変化するインピーダンスの整合を考慮して、アンテナ長さやアンテナ間の距離を上記寸法よりもやや小さくすることが好ましい。

図３の（Ａ）の場合、指向性アンテナ１に入射するＴＨｚ波の磁場によってマクスウェル・アンペールの法則に従った起電力が発生し誘導電流が流れる。このとき、指向性アンテナ１の長さは受信アンテナと同じで、リアクタンス成分は０であるから、起電力と誘導電流の位相は同相であり、この誘導電流によって指向性アンテナから再放射されるＴＨｚ波は、入射ＴＨｚ波と同相となる。よって、図３の（Ａ）のように、受信アンテナ２に入射するＴＨｚ波と指向性アンテナ１から再放射されるＴＨｚ波は、π／２位相がずれた状態となる。

図３の（Ｂ）の場合、指向性アンテナ１は、長さを受信アンテナ２より短くしたことで容量性リアクタンス成分を有するため、指向性アンテナ１に入射するＴＨｚ波により流れる誘導電流は、起電力に対して位相がπ／２進む。この誘導電流によって指向性アンテナ１から再放射されるＴＨｚ波は、入射ＴＨｚ波に対して位相がπ／２進む。さらに、受信アンテナ２と指向性アンテナ１との間の距離ｚ１をλ／４（つまり位相としてπ／２に相当）と設定することで、受信アンテナ２に入射するＴＨｚ波と指向性アンテナ１から再放射されるＴＨｚ波は、受信アンテナ２に対して入射側では同相となり強め合い、反入射側では逆相となり弱め合うため、入射側に強い指向性を有する形となる。

次に、反射アンテナの設置で起こる現象を説明する。

図４は、位置と電界振幅の関係を示すグラフである。図面の右側からＴＨｚ波が入射するものとする。受信アンテナ２に入射するＴＨｚ波と反射アンテナ３から再放射されるＴＨｚ波の関係を示されている。グラフ内における横軸はｚ軸方向に沿った位置を示しており、縦軸は電界振幅を示す。また、図中のＲの位置には反射アンテナ３が配置され、Ａの位置には受信アンテナ２が配置されている。これらの離隔距離はλ／４であるが、これよりも短くても上述の効果は得られる。

受信アンテナ２の長さをλ／２、受信アンテナ２のリアクタンス成分を０Ω、受信アンテナ２と反射アンテナ３との間の距離ｚ２をλ／４とし、反射アンテナ３の長さを図４の（Ａ）では受信アンテナ２と同じ長さ、（Ｂ）では受信アンテナ２よりも長く設定している。なお、指向性アンテナと同様、２つのアンテナを近づけたときの相互作用により変化するインピーダンスの整合を考慮するため、アンテナ長さやアンテナ間の距離上記寸法よりもやや小さくすることが好ましい。

図４の（Ａ）の場合、反射アンテナ３に入射するＴＨｚ波の磁場によって起電力が発生して誘導電流が流れる。このとき、反射アンテナ３の長さは受信アンテナ２と同じでリアクタンス成分は０であるから、起電力と誘導電流の位相は同相であり、この誘導電流によって反射アンテナから再放射されるＴＨｚ波は、入射ＴＨｚ波と同相となる。よって、図４の（Ａ）のように、受信アンテナに入射するＴＨｚ波と反射アンテナ３から再放射されるＴＨｚ波は、π／２位相がずれた状態となる。

図４の（Ｂ）の場合、反射アンテナ３は、長さを受信アンテナ２より長くしたことで誘導性リアクタンス成分を有するため、反射アンテナ３に入射するＴＨｚ波により流れる誘導電流は、起電力に対して位相がπ／２遅れる。この誘導電流によって反射アンテナから再放射されるＴＨｚ波は、入射ＴＨｚ波に対して位相がπ／２遅れる。さらに、受信アンテナ２と反射アンテナ３との間の距離ｚ２をλ／４（つまり位相としてπ／２に相当）と設定することで、受信アンテナ２に入射するＴＨｚ波と、反射アンテナ３から再放射されるＴＨｚ波は、受信アンテナ２に対して入射側では同相となり強め合い、反入射側では逆相となり弱め合うため、入射側に強い指向性を有する形となる。

以上の原理を組み合わせることにより、指向性アンテナ側に強い指向性を有するアンテナ構造を形成することができる。なお、アンテナの厚みは薄いため、上述の距離ｚ１及びｚ２は、各アンテナの重心位置間のｚ軸方向距離としたが、これが各アンテナの対向表面間の距離であっても、同じ関係が成立して、上述の効果が得られる。

図５は、第１実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器１００の具体的な断面構造を示す図であり、図７における対角線Ａ−Ａ’の断面構造を示している。基本的な構造は、図１において説明した通りであるので、詳細な構造について説明する。

上述の蓋材６は、凹部Ｄ１を有するシリコン基板６ｂを備え、シリコン基板６ｂの凹部Ｄ１の深さｄ１は、１０μｍ以上４００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以下、更に好ましくは２００μｍ以下、更に好適には１００μｍ以下に設定する。シリコン基板６ｂの周縁部の厚みｄ２は、２００μｍ以上２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下である。ボロメータ４の下面と被覆膜８の露出表面との間の距離はｄ３とする。一例としては、ｄ１＝１３．５μｍ、ｄ２＝６００μｍ、ｄ３＝２μｍに設定される。

凹部Ｄ１を含む密閉空間内は、大気圧よりも低い圧力に設定されている。大気圧よりにも低い圧力は、好ましくは真空（０．１Ｐａ以下）であり、これにより高感度で環境耐性の高い検出が可能となるが、シリコン基板６ｂに凹部Ｄ１を設けているため、圧力差によって、シリコン基板６ｂに変形が生じる可能性がある。そこで、シリコン基板６ｂの凹部Ｄ１の深さｄ１を、上記のように浅い範囲に設定し、基板厚を確保することにより、シリコン基板６ｂの変形を防止し、周縁部の厚みｄ２を上記範囲に設定することにより、凹部直下のシリコン基板の薄板部の厚みが厚くなり過ぎることを抑制し、ＴＨｚ波の大きな減衰を抑制することができる。実際に基板厚が上記下限以上であり凹部深さが上限以下の場合には、基板変形が抑制されるが、範囲外では基板変形が生じる場合がある。密閉空間を減圧するには、減圧環境下（真空）において、蓋部材と支持基板とを貼り合わせればよい。

シリコン基板６ｂの凹部Ｄ１とは反対側の面には反射防止膜６ｃが設けられており、シリコン基板６ｂの凹部Ｄ１の内面は絶縁膜６ａが設けられている。反射防止膜６ｃの材料は、ＳｉＯ_２又はポリパラキシリレン（パリレン（登録商標））であり、絶縁膜６ａの材料は、ＳｉＯ_２又はポリパラキシリレンであり、シリコン基板６ｂの比抵抗は、１ｋΩｃｍ以上に設定されている。この場合、ＴＨｚ波の反射が反射防止膜により抑制され、また、基板内の不純物が少ないために、ＴＨｚ波の減衰が少ないので、ＴＨｚ波が十分に指向性アンテナ１に入射することができる。

また、上述のシール材７は、Ａｕ層７ａとＡｕＳｎ層７ｂの２層からなる。シール材７は、絶縁膜６ａと絶縁体からなる被覆膜８との間に介在している。被覆膜８は、支持基板５の表面を覆っており、反射アンテナ３の表面も被覆膜８により被覆されている。また、支持基板５を構成する半導体基板５ａの裏面には、保護用の絶縁膜５ｅが設けられている。

支持基板５の表面側の絶縁膜５ｃ上には、ボロメータ４の両端に電気的に接続される配線１０が接続されており、配線１０は、読出回路５ｂに接続されている。読出回路５ｂの位置が、反射アンテナ３の直下である場合には、読出回路５ｂは電磁波から保護されることになる。配線１０は、必要に応じて、蓋材の外側に位置する回路に接続することもできる。

指向性アンテナ１は、アルミニウム等の金属からなり、凹部Ｄ１の底面に固定されている。

受信アンテナ２は、アルミニウム等の金属からなり、ボロメータ４上に固定されている。

反射アンテナ３は、反射板であり、アルミニウム等の金属からなる。

ボロメータ４は、ＳｉＯ_２やＳｉＮｘ等の絶縁体からなるメンブレン４ａと、メンブレン４ａ上に形成された高融点金属（Ｗ、Ｔｉ又はＭｏを含むシリサイド等）からなる配線４ｂと、配線４ｂの離隔領域を電気的に接続し、メンブレン４ａ及び配線４ｂを被覆する抵抗層４ｃと、抵抗層４ｃを被覆する絶縁体（ＳｉＯ_２やＳｉＮｘ等）からなる保護層４ｄとを備えている。受信アンテナ２は保護層４ｄ上に固定されている。抵抗層４ｃは、アモルファスシリコンからなる。

図６は、ボロメータ型ＴＨｚ検出器を分解して示す斜視図、図７は、ボロメータ型ＴＨｚ検出器の平面図（蓋を除く）、図８は、ボロメータ型ＴＨｚ検出器のアンテナ群の平面図である。

反射アンテナ３は、ＸＹＺ直交座標系において、ＸＹ平面内に広がる長方形の反射板であり、２つの角部が欠けており、欠けた位置に電極パッドＥ１及びＥ２が配置されている。これらの電極パッドＥ１及びＥ２には、それぞれ電極プラグＰ１及びＰ２がそれぞれ接続され、メンブレン４ａの上面に形成された配線４ｂに電気的に接続されている。メンブレン４ａには円形のコンタクトホールが設けられており、このコンタクトホールを介して、電極プラグＰ１及びＰ２が配線４ｂの両端に接続される。

絶縁体のメンブレン４ａは、平面視において、反射アンテナ３の外周に沿って延びる梁の部分と、梁の部分に連続したほぼ四角形で２つの角部が切り取られた形状の中央部を有している。一対の配線４ｂは、メンブレン４ａ上を這っており、メンブレン４ａの中央部の対角線（ｘ軸方向）に沿って延びているが、ｙ軸方向に離間している。この離間した間には、抵抗層４ｃが位置しているが、説明の便宜上、図６には示していない。配線４ｂのメンブレン中央部における長手方向（ｘ軸方向）は、受信アンテナ２の長手方向（ｙ軸方向）とは直交している。受信アンテナ２と指向性アンテナ１の長手方向（ｙ軸方向）は一致している。

上述のように、指向性アンテナ１の寸法ｙ１、受信アンテナ２の寸法ｙ２、２つの角部が切り欠かかれた四角形形状を有する反射アンテナ３の対角線に沿った寸法ｙ３は、ｙ１＜ｙ２＜ｙ３を満たしている（図７参照）。指向性アンテナ１と、受信アンテナ２を構成する一対の直線状アンテナの平面形状は、いずれも概ね長方形であり、これらの幅方向の寸法ｘ１は同一である。

例えば、ｙ１＝１４μｍ、ｙ２＝４３μｍ、ｘ１＝５．４μｍとすることができるが、良好な特性が得られるｙ１、ｙ２、ｘ１の好適値は、１０μｍ≦ｙ１≦１００μｍ、２０μｍｍ≦ｙ２≦２５０ｍ、ｘ１≦１０μｍである。ボロメータ型ＴＨｚ検出器に入射するエネルギー線（光、電磁波）は、０．５ＴＨｚ〜３ＴＨｚの周波数を有することができる。

なお、反射アンテナ３は、平面視でボロメータ４のメンブレン４ａと同等のパターンを有している。メンブレン４ａの中央部は、平面視において、反射アンテナ３に完全に重なっている。また、反射アンテナ３における、受信アンテナ２と平面視で重なる方向の対角長さは、受信アンテナ２の長さに対して長い。このように、反射アンテナ３をメンブレンと同等のパターンとしているので、アンテナ効果によるＴＨｚ波の受信効率が向上し、それにより発生する熱で暖められたメンブレンから放射される輻射熱が反射板で反射され、メンブレンで効率的に再吸収される。なお、反射アンテナ３は、受信アンテナ２と同様の形状とし、これよりも長さを長くした長方形などの形状としてもよい。

なお、上述の構造の他、メンブレン上に複数のアンテナを配置したり、感度向上のため、指向性アンテナを多段に設けたり、受信アンテナを折り返しダイポールアンテナとして、インピーダンス調整を容易にしたり、受信アンテナをメアンダ型ダイポールアンテナとして、波長に対して半波長直線型ダイポールアンテナより長さを短くできる構成としたり、ボウタイアンテナを採用して、これを重ね合わせる構造などの変形が考えられる。

図１１は、ボロメータ型ＴＨｚ検出器の動作原理を示す図である。

エネルギー線（光、電磁波）は、指向性アンテナ１を介して受信アンテナ２で受信されると共に、一部は反射アンテナ３で反射され、受信アンテナ２で受信される。このエネルギー線は、ＴＨｚ波である。受信アンテナ２は、一対の直線状アンテナからなるダイポールアンテナ２ａと、アンテナのギャップ間に配置された抵抗体２ｂとからなり、受信したエネルギーの強度に応じて抵抗体２ｂに電流が流れ、熱が発生する。

抵抗体２ｂで発生した熱は、抵抗体２ｂの近傍に設けられた抵抗層４ｃ（ボロメータ４）に伝達される。抵抗層４ｃの両端は、それぞれ電極パッドＥ１，Ｅ２に電気的に接続されており、抵抗層４ｃを流れる電流の大きさは、抵抗層４ｃの抵抗値によって変化する。抵抗層４ｃの抵抗値は、温度に依存するため、抵抗層４ｃを流れる電流の大きさは、受信したエネルギーの強度に応じて変化する。抵抗層４ｃを流れる電流は、読出回路５ｂによって検出され、検出出力は制御装置に入力される。

上述の指向性アンテナ１、受信アンテナ２、反射アンテナ３及び抵抗層４ｃは、単一の画素ＰＸを構成している。上述の例では、１つの撮像領域内において、１つの画素ＰＸが含まれており、１つの画素内に、１つの受信アンテナを有する例が示されている。しかしながら、１つの撮像領域内において、複数の画素が含まれていてもよく、また、１つの画素内に複数の受信アンテナが含まれていてもよい。また、各アンテナの受信特性（周波数や偏光方位）を異ならせ、これらを含む画素からの出力を取得したり、画素出力間の差分等の演算を行ってもよい。以下、詳説する。

図１２は、ボロメータ型ＴＨｚ検出器を用いた検査装置の斜視図である。

複数の回転ローラ２０１上に搬送ベルト２０２が配置されており、回転ローラ２０１はモータＭによって回転させられる。ベルトコンベアーは、これらのモータＭ、回転ローラ２０１、搬送ベルト２０２によって構成されており、モータＭを駆動することにより、搬送ベルト２０２上に配置された対象物２０５をＹ軸方向に沿って搬送することができる。

搬送ベルト２０２の上方には、対象物２０５にエネルギー線としてのＴＨｚ波を照射するための光源２０３及び拡大レンズ２０４が配置されている。光源２０３は、ＴＨｚ波のエネルギー線を発生するものであれば、特に限定されないが、量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ； ＱＣＬ）又はガスレーザを用いることができる。量子カスケードレーザは、半導体量子井戸中に形成される量子準位（サブバンド）間の光学遷移を利用した半導体レーザであり、ＴＨｚ領域のレーザ光を出力することができる。光源２０３から出射されたレーザ光は、Ｚ軸方向に沿って進行し、拡大レンズ２０４を介して、その径が拡げられ、対象物２０５に入射する。対象物２０５は、非破壊検査の対象となるものであり、各種製品などからなる。

搬送ベルト２０２は、レーザ光が透過する材料から構成するか、又は、レーザ光が通過する孔を有している。対象物２０５を透過し、更に、搬送ベルト２０２を通過又は透過したレーザ光は、非破壊検査カメラ２００に入射する。非破壊検査カメラ２００は、撮像レンズ２０６と、ボックス２０７内に収納されたボロメータ型ＴＨｚ検出器１００とを備えている。非破壊検査カメラ２００に入射したレーザ光は、撮像レンズ２０６によって、結像され、ボロメータ型ＴＨｚ検出器１００に入射する。

撮像レンズ２０６は、入射したレーザ光を、ボロメータ型ＴＨｚ検出器１００の受信アンテナ２上に集光するか、又は結像させる。ボロメータ型ＴＨｚ検出器１００に入射したレーザは、検出結果として、これに入射したレーザ光の入射強度に応じて、制御装置２０８に電流を出力する。制御装置２０８は、ボロメータ型ＴＨｚ検出器１００による検出結果を、表示装置２０９に表示させることができる。

また、制御装置２０８は、ベルトコンベアーのモータＭを制御しており、搬送ベルト２０２を移動させて、対象物２０５を非破壊検査カメラ２００の上方まで移動させ、対象物２０５を非破壊検査カメラ２００の上方位置において停止させることもできる。制御装置２０８は、光源２０３の発光も制御しており、対象物２０５の停止時において、光源２０３から対象物２０５にレーザ光を照射するなどの制御を行うことができる。

上述のように、ボロメータ型ＴＨｚ検出器１００は、１つの撮像領域内において、複数の画素が含まれていてもよく、また、１つの画素内に複数の受信アンテナが含まれていてもよい。以下、詳説する。

図１３は、第２実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器１００の平面図である。

このボロメータ型ＴＨｚ検出器１００は、凹部Ｄ１を有する蓋材６と、蓋材６が被せられ、蓋材６と共に凹部Ｄ１を含む密閉空間を画成する支持基板５とを備えている。第２実施形態のボロメータ型ＴＨｚ検出器１００は、密閉空間内に、マトリックス状に配置された複数の画素ＰＸを備えている点と、支持基板５上に信号取り出し電極Ｅ３を備えている点が、第１実施形態のものと異なり、その他の構成は同一である。画素ＰＸは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って配列しているが、画素配列方向はこれに限定されるものではなく、一次元配列やハニカム状配列などの様々な配列が可能である。また、１つの撮像領域内（密閉空間内）に配置される画素数も同図のものに限定されない。

なお、各画素ＰＸは、上述の指向性アンテナ１、受信アンテナ２、反射アンテナ３、及びボロメータ４を備えており、入射したＴＨｚ波に感応して、電流をそれぞれ出力することができる。各画素ＰＸから出力された電流は、信号取り出し電極を介して外部に取り出すことができる。

図１４は、第２実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器１００の断面構造を示す図である。

第２実施形態のボロメータ型ＴＨｚ検出器１００と、図５に示した第１実施形態のボロメータ型ＴＨｚ検出器１００との相違点は、上述の通り、画素数と、複数の信号取り出し電極Ｅ３の有無のみである。したがって、このボロメータ型ＴＨｚ検出器１００は、支持基板５と、支持基板５にシール材７を介して貼り合わせられた蓋材６と、蓋材６の凹部Ｄ１と支持基板５との間に画成された密閉空間内に配置された複数の画素ＰＸを備えている。

画素ＰＸは、指向性アンテナ１、受信アンテナ２、反射アンテナ３、及びボロメータ４を備えているが、受信アンテナ２とボロメータ４を含む構造体を検出部ＤＥＴとすると、ボロメータ型ＴＨｚ検出器１００は複数の検出部ＤＥＴを備えている。指向性アンテナ１、反射アンテナ３、受信アンテナ２及びボロメータ４の構造は、図５〜図８に示した指向性アンテナ１、反射アンテナ３、受信アンテナ２及びボロメータ４の構造と同一である。

ボロメータ４の出力は、半導体基板５ａであるシリコン基板に形成された読出回路５ｂによって読み出され、これに接続された配線１０及び電極Ｅ３を介して外部に読み出される。

反射アンテナ３及び配線１０の表面は、被覆膜８により被覆されているが、配線１０は蓋材６の外部まで延びている。被覆膜８は、蓋材の外部において複数の開口を有しており、これらの開口内に信号取り出し電極Ｅ３が配置される。すなわち、信号取り出し電極Ｅ３は、配線１０の表面に接触して、電気的に接続されており、配線１０は、各画素ＰＸの出力に読出回路５ｂを介して接続されている。読出回路５ｂはアンプを有しており、このアンプには複数の画素ＰＸからの出力が順次入力され、増幅されて外部に取り出される。

第２実施形態におけるその他の構成と作用は、第１実施形態のものと同一である。

図１５は、変形例に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器１００の断面構造を示す図である。

図１４に示したボロメータ型ＴＨｚ検出器１００では、個々の画素ＰＸにおける反射アンテナ３は分離していたが、図１５に示す変形例では、反射アンテナ３は分離せず、各画素ＰＸを横断するように延びている。反射アンテナ３に、入射したＴＨｚ波の反射機能があれば、かかる構造の場合も、一定の効果を奏することができる。

図１６は、第３実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の平面図、図１７は、第３実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器の断面構造を示す図である。

第３実施形態のボロメータ型ＴＨｚ検出器１００と、図１３及び図１４に示した第２実施形態のボロメータ型ＴＨｚ検出器１００との相違点は、読出回路５ｂの位置のみであり、その他の構造及び作用効果は同一である。第３実施形態における読出回路５ｂは、複数の画素ＰＸからなる撮像領域と電極Ｅ３との間の領域に配置されている。

読出回路５ｂは、シリコンからなる半導体基板５ａとは別に形成されている。すなわち、半導体基板５ａを被覆する絶縁膜５ｃ上に、読出回路５ｂを含む集積回路チップが配置されている。なお、読出回路５ｂは、半導体基板５ａ内に形成してもよい。

図１８は、様々なタイプの単位センサの平面図である。

単位センサは、図６又は図１１に示した画素ＰＸと同じ基本構造を有するものであり、図６又は図１１に示した指向性アンテナ１（図１８では図示しない）、受信アンテナ２、反射アンテナ３Ｒ、ボロメータ４（図１８では図示しない）を備えており、各アンテナの満たす条件は、上述のものと同一であり、指向性アンテナ１と受信アンテナ２の長手方向（ｙ軸方向）は一致している。反射アンテナ３Ｒの形状は正方形に単純化して示すが、正方形を構成する隣接する２辺はＸ軸方向及びＹ軸方向に一致して延びている。

受信アンテナ２の長手方向（ｙ軸方向）は、受信に供するＴＨｚ波の偏光方向に一致し、その長さは感応する周波数に対応している。したがって、受信アンテナ２（指向性アンテナ１）の長手方向と、長さを変えることで、様々な偏光や周波数を有するＴＨｚ波を検出することができる。

図１８の（Ａ）は単位センサＡ１を示し、（Ｂ）は単位センサＢ１を示し、（Ｃ）は単位センサＡ２を示し、（Ｄ）は単位センサＢ２を示している。なお、ｘｙ座標系は、ＸＹ座標系を４５°回転させたものである。

単位センサＡ１は、受信アンテナ２（一対のダイポールアンテナ２ａと抵抗体２ｂ）を含んでおり、受信アンテナ２の長手方向はｙ軸方向に一致している。単位センサＢ１は、受信アンテナ２（一対のダイポールアンテナ２ａと抵抗体２ｂ）を含んでおり、受信アンテナ２の長手方向はｘ軸方向に一致している。すなわち、単位センサＡ１の受信アンテナ２の長手方向と、単位センサＢ１の受信アンテナ２の長手方向とは直交しているが、長手方向の長さは同一である。したがって、個々の単位センサＡ１及び単位センサＢ１は、互いに同一の周波数であって直交する偏光方位を有するＴＨｚ波を受信することができる。

また、単位センサＡ２は、受信アンテナ２（一対のダイポールアンテナ２ａと抵抗体２ｂ）を含んでおり、受信アンテナ２の長手方向はｙ軸方向に一致している。単位センサＢ２は、受信アンテナ２（一対のダイポールアンテナ２ａと抵抗体２ｂ）を含んでおり、受信アンテナ２の長手方向はｘ軸方向に一致している。単位センサＡ２の受信アンテナ２の長手方向と、単位センサＢ２の受信アンテナ２の長手方向とは直交しているが、長手方向の長さは同一である。

単位センサＡ１の受信アンテナ２の長手方向と、単位センサＡ２の受信アンテナ２の長手方向とは一致しているが、長手方向の長さは異なる。したがって、個々の単位センサＡ１及び単位センサＡ２は、互いに異なる周波数であって同一の偏光方位を有するＴＨｚ波を受信することができる。

単位センサＡ１の受信アンテナ２の長手方向と、単位センサＢ２の受信アンテナ２の長手方向とは直交しており、長手方向の長さも異なる。したがって、個々の単位センサＡ１及び単位センサＢ２は、互いに異なる周波数であって、且つ、異なる偏光方位を有するＴＨｚ波を受信することができる。

上述の単位センサを撮像領域内に複数配置することで、単位センサの受信特性に応じたＴＨｚ波を検出することができる。

図１９は、受信アンテナを構成するダイポールアンテナ２ａの長手方向のアンテナ長（μｍ）と、その共振周波数（ＴＨｚ）との関係を示すグラフである。

アンテナ長が、長くなると、受信アンテナにおける共振周波数（ＴＨｚ）が減少する。具体的には、アンテナ長ｙ２（μｍ）に対する共振周波数ｆ（ＴＨｚ）の変化を線形近似すると、ｆ＝−０．１１５×ｙ２＋４．９２１７を満たす。すなわち、アンテナ長ｙ２が１８（μｍ）の時には、共振周波数ｆは２．８６（ＴＨｚ）であり、アンテナ長ｙ２が２４（μｍ）の時には、共振周波数ｆは２．１６（ＴＨｚ）である。

以上のように、実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器においては、受信アンテナのアンテナ長を変更することにより、所望のＴＨｚ波を選択的に受信することができる。

上述の画素ＰＸは、単位センサを有しており、蓋材の凹部内の密閉空間内に位置している。単位センサの配置される凹部内の領域は、平面視において撮像領域ＩＭＧを画成している。

図２０は、撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例（単一周波数検出型）を示す図である。

本例は、上述の実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器において、単位センサＡ１をＸ軸及びＹ軸に沿ってマトリックス状に配置した例を示している。撮像領域ＩＭＧ内は、１種類の単位センサＡ１のみが配置されているので、このボロメータ型ＴＨｚ検出器では、単一周波数のＴＨｚ波を検出することができる。

図２１は、撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例（複数周波数検出型）を示す図である。

本例は、上述の実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器において、単位センサＡ１と単位センサＡ２をＸ軸に沿って交互に配置し、且つ、Ｙ軸に沿って交互に配置した例を示している。撮像領域ＩＭＧ内は、異なる周波数に対して感度を有する２種類の単位センサＡ１及び単位センサＡ２が配置されているので、このボロメータ型ＴＨｚ検出器では、２種類の周波数のＴＨｚ波を検出することができる。なお、異なる周波数に対して感度を有する３種類以上の単位センサを配置することもでき、この場合には、３種類以上の周波数のＴＨｚ波を検出することができる。

図２２は、撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例（複数偏光検出型）を示す図である。

本例は、上述の実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器において、単位センサＡ１と単位センサＢ１をＸ軸に沿って交互に配置し、且つ、Ｙ軸に沿って交互に配置した例を示している。撮像領域ＩＭＧ内は、異なる方位を有する偏光に対して感度を有する２種類の単位センサＡ１及び単位センサＢ１が配置されているので、このボロメータ型ＴＨｚ検出器では、２種類の偏光のＴＨｚ波を検出することができる。なお、異なる偏光に対して感度を有する３種類以上の単位センサを配置することもでき、この場合には、３種類以上の偏光のＴＨｚ波を検出することができる。

図２３は、撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例（周波数・偏光が共に異なる場合の検出型）を示す図である。

本例は、上述の実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器において、単位センサＡ１と単位センサＢ２をＸ軸に沿って交互に配置し、且つ、Ｙ軸に沿って交互に配置した例を示している。撮像領域ＩＭＧ内は、周波数・偏光が共に異なるＴＨｚ波に感度を有する２種類の単位センサＡ１及び単位センサＢ２が配置されているので、このボロメータ型ＴＨｚ検出器では、２種類のタイプのＴＨｚ波を検出することができる。なお、周波数と偏光方位が共に異なるＴＨｚ波に対して感度を有する３種類以上の単位センサを配置することもでき、この場合には、３種類以上のタイプのＴＨｚ波を検出することができる。

図２４は、撮像領域ＩＭＧにおける単位センサ（画素）の配置例（複数周波数・複数偏光検出型）を示す図である。

本例は、上述の実施形態に係るボロメータ型ＴＨｚ検出器において、単位センサＡ１と単位センサＡ２をＸ軸に沿って交互に配置し、単位センサＢ１と単位センサＢ２をＸ軸に沿って交互に配置し、単位センサＡ１と単位センサＢ２をＹ軸に沿って交互に配置し、且つ、単位センサＡ２と単位センサＢ１をＹ軸に沿って交互に配置した例を示している。

撮像領域ＩＭＧ内は、４種類のＴＨｚ波に感度を有する単位センサＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２が配置されているので、このボロメータ型ＴＨｚ検出器では、４種類のタイプのＴＨｚ波を検出することができる。すなわち、単位センサＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２から選択される任意の２つは、検出可能なＴＨｚの種類として、（１）周波数が異なり偏光方位は同一（Ａ１とＡ２、又は、Ｂ１とＢ２の関係）、（２）周波数が同一で偏光方位が異なる（Ａ１とＢ１、又は、Ａ２とＢ２の関係）、（３）周波数が異なり偏光方位も異なる（Ａ１とＢ２、又は、Ａ２とＢ１の関係）のいずれかの関係を満たしており、全体としては、複数の周波数と、複数の偏光方位が含まれる４種類のＴＨｚ波を分離して検出することができる。なお、３種類以上の周波数と、３種類以上の偏光方位を含むＴＨｚ波のそれぞれの成分に対して感度を有する単位センサを複数配置することも可能である。

図２５は、撮像領域ＩＭＧ内に複数の画素ＰＸ（単位センサ）を有する場合の読出回路５ｂの回路図である。なお、回路上の接続は、電気的な接続を意味する。

抵抗層を有するボロメータ４には、各画素ＰＸの受信アンテナの抵抗体で発生した熱が入力される。各ボロメータ４は、それぞれに接続されたスイッチＳＷ１を介して、アンプＡＭＰ１の反転入力端子に接続されている。各画素ＰＸのボロメータ４は、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２を介して、抵抗Ｚ１に接続されており、抵抗Ｚ１は電源電位Ｖｃｃに接続されている。１つの列方向に沿って整列する画素ＰＸにおいて、スイッチＳＷ２が閉じられた場合（ＯＮ）、所望の行におけるスイッチＳＷ１を閉じれば（ＯＮ）、そのアドレスに位置する画素ＰＸのボロメータ４からの出力電流が、アンプＡＭＰ１に入力され、アンプＡＭＰ１の出力端子から、出力信号ＯＵＴが出力される。

アンプＡＭＰ１の反転入力端子と出力端子との間にはキャパシタＣ１とスイッチＳＷ３が並列に接続されており、非反転入力端子は基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。反転入力端子は、各画素ＰＸのスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２との間の接続点に接続され、この接続点はスイッチＳＷ２及び抵抗Ｚ１を介して電源電位Ｖｃｃに接続されている。スイッチＳＷ３を閉じると、リセット状態となり、キャパシタＣ１が放電される。スイッチＳＷ３を開放した後に、目的のアドレスに位置するスイッチＳＷ１と、当該スイッチＳＷ１に接続されたスイッチＳＷ２を閉じると、電源電位Ｖｃｃからボロメータ４を介してグランド電位ＧＮＤに電流が流れ、その抵抗値に応じた値が、アンプＡＭＰ１の非反転入力端子に入力され、キャパシタＣ１に電荷が蓄積され、出力端子から出力信号ＯＵＴが得られる。

第ｎ列目のスイッチＳＷ２を閉じた後、この列に属するｍ行目、ｍ＋１行目、ｍ＋２行目・・・のスイッチＳＷ１を、順次、閉じていけば、第ｎ列目に属する画素ＰＸの信号が順次読み出される（但し、ｍ、ｎは自然数）。第ｎ＋１列目のスイッチＳＷ２を閉じた後、この列に属するｍ行目、ｍ＋１行目、ｍ＋２行目・・・のスイッチＳＷ１を、順次、閉じていけば、第ｎ＋１列目に属する画素ＰＸの信号が順次読み出される。このように読出しを繰り返すことで、撮像領域全体の画素ＰＸのデータを、アンプＡＭＰ１を介して外部をへ出力することができる。

画素ＰＸのデータは、１つのアンプＡＭＰ１を介して、シリアルに読み出すことができるが、例えば、アンプを各列毎に配置すれば、画素ＰＸのデータは、画素列毎に同時に、パラレル読み出しすることも可能である。

図２６は、単位センサの電子顕微鏡写真（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）像）を示す図である。なお、同図には指向性アンテナは示されていない。単位センサの形状は、全体の形状が正方形あり、一辺の長さが３０μｍ程度である。単位センサは、フォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。

図２７は、アレイ状に配置された単位センサの電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）を示す図である。１つの画素内には１つの単位センサが配置されており、複数の画素がマトリックス状に整列している。これらの単位センサは、支持基板を構成する半導体基板上に形成されたものである。本例では、平面視において格子状に信号伝達用の配線が形成されており、配線に囲まれた領域内に画素を構成する１つの単位センサが形成されている。

図２８は、複数の単位センサを含む単位画素の平面図である。

上述の例では、１つの画素内に１つの単位センサが形成されていたが、１つの画素内に複数の単位センサを有することとしてもよい。これらの単位センサは、感応して受信するＴＨｚ波の周波数及び／又は偏光方位が異なる。一例として、同図では、ＴＨｚ波の偏光方位は同一であるが、周波数が異なる単位センサＡ１，Ａ２’を示す。

単位センサＡ１及び単位センサＡ２’は、図６又は図１１に示した画素ＰＸと同じ基本構造を有するものであり、図６又は図１１に示した指向性アンテナ１（図２８では図示しない）、受信アンテナ２、反射アンテナ３Ｒを備えており、各アンテナの満たす条件は、上述のものと同一であり、指向性アンテナ１と受信アンテナ２の長手方向は一致している。反射アンテナ３Ｒの形状は正方形に単純化して示すが、正方形を構成する隣接する２辺はＸ軸方向及びＹ軸方向に一致して延びている。

受信アンテナ２は、一対の直線状アンテナからなるダイポールアンテナ２ａと、ダイポールアンテナ２ａを構成する直線状アンテナのギャップ間に配置された抵抗体２ｂとを備えている。抵抗体２ｂは、一対の直線状アンテナを電気的に接続しており、これらを流れる電流によって発熱する。

また、単位センサＡ１及び単位センサＡ２’の受信アンテナ２の長手方向は、共にｙ軸方向に一致しているが、ｙ軸方向の寸法は異なる。したがって、異なる周波数のＴＨｚ波を受信した場合に、それぞれの単位センサＡ１，Ａ２’の受信アンテナは、受信したＴＨｚ波に共振し、アンテナに電流が流れる。これらの受信アンテナ２はｘ軸方向の寸法を異ならせることもできる。

同図に示す単位画素は、撮像領域内に単独で配置することもできるが、マトリックス状に配置してもよい。いずれの場合も、撮像領域は、支持基板と蓋材との間において密閉空間とされる。

図２９は、図２８に示した単位画素の回路図の一例である。

１つの画素ＰＸ内には、単位センサＡ１と、単位センサＡ２’が配置されており、それぞれのボロメータ４（抵抗層４ｃ：図１１参照）の抵抗をＲ１及びＲ２とする。抵抗Ｒ１は、電源電位Ｖｃｃと出力ラインＯＵＴＰＵＴとの間に接続されており、抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ１とグランド電位ＧＮＤとの間に接続されている。したがって、出力ラインＯＵＴＰＵＴには、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間の節点の電位が、スイッチＳＷ４を介して入力される。この節点の電位は、それぞれの抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を、これらと同一の符号で示すとすると、節点の電位＝Ｖｃｃ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｖｃｃ×１／（Ｒ１／Ｒ２＋１）であり、単位センサＡ１、Ａ２’において検出されるＴＨｚ波の強さの比率に応じて、変化する。

また、出力ラインＯＵＴＰＵＴの電位は、差分（Ｒ１−Ｒ２）が大きければ、上記節点の電位も大きく変化する。例えば、第１周波数成分の強度がＩ１、第２周波数成分の強度がＩ２の場合、出力ラインＯＵＴＰＵＴには、強度Ｉ１と強度Ｉ２の比率又は差分に応じた電圧が与えられる。

また、２つの受信特性の異なる受信アンテナを同一画素内に配置し、それぞれの出力電圧の差分を差動アンプ（図示せず）などで検出する、又は、制御装置（図１２参照）のメモリに入力して、差分をとることで、これらの成分の差分画像を得る配置も可能である。周波数感度の異なるアンテナに対応するボロメータの出力の差分を求めた場合には、各周波数の画像の差分に対応する画像が得られ、偏光方位の感度が異なるアンテナに対応するボロメータの出力の差分を求めた場合には、各偏光方位の画像の差分に対応する画像が得られる。

図３０は、上述の読出回路５ｂの回路図の一例である。

読出回路は、図２９に示したように、１画素に２つ以上の単位センサを含む場合であってもよいし、任意の２つの以上の単位センサを並列に接続し、これらの接続点が、出力ラインＯＵＴＰＵＴＬＩＮＥに接続される構成としてもよい。２つの抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の値が、受信アンテナに入射するＴＨｚ波によって変化すると、各画素（抵抗Ｒ１，Ｒ２を囲む点線領域）からは、入射強度の比率に応じた電圧が、スイッチＳＷ４を閉じる（ＯＮ）ことによって、順次、アンプＡＭＰ１に入力される。

各画素のボロメータ４の出力（抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の分圧出力）は、スイッチＳＷ４を介して、アンプＡＭＰ１に入力され、アンプＡＭＰ１の出力端子から出力信号ＯＵＴが出力される。アンプＡＭＰ１の反転入力端子と出力端子との間にはキャパシタＣ１とスイッチＳＷ３が並列に接続されており、非反転入力端子は基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。

反転入力端子は、スイッチＳＷ４に接続され、スイッチＳＷ４は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点に接続されている。スイッチＳＷ３を閉じると、リセット状態となり、キャパシタＣ１が放電される。スイッチＳＷ３を開放した後に、スイッチＳＷ４を閉じると、電源電位Ｖｃｃからボロメータの抵抗Ｒ１からグランド電位ＧＮＤに電流が流れ、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値に応じた値が、アンプＡＭＰ１の非反転入力端子に入力され、キャパシタＣ１に電荷が蓄積され、出力端子から出力信号ＯＵＴが得られる。出力信号は、電圧計Ｖで計測することができる。

また、異なる画素に配置された受信特性の異なるアンテナのボロメータの抵抗を、それぞれＲ１，Ｒ２とした場合も、上記と同様に動作することができる。また、異なる画素に配置された受信特性の異なるアンテナの抵抗Ｒ１，Ｒ２の出力を、独立して、図示しない差動アンプに入力した場合には、これらの出力の差分が得られる。また、これらの出力を独立して、制御装置（図１２参照）のメモリに格納して差分を求めた場合、受信特性（周波数及び／又は偏光方位）の異なる差分画像が得られる。得られた画像は、表示装置（図１２参照）に出力することができる。

１…指向性アンテナ、２…受信アンテナ、３…反射アンテナ、４…ボロメータ。

Claims (5)

1. ＴＨｚ波を受信して放射する指向性アンテナと、
   前記指向性アンテナに対向配置された受信アンテナと、
   前記受信アンテナを流れる電流による発熱を検出するボロメータと、
   を備え、
   前記指向性アンテナは、平面視において前記受信アンテナに重なっており、
   前記指向性アンテナの長手方向長は、前記受信アンテナの長手方向長よりも短く、
   凹部を有する蓋材と、
   前記蓋材が被せられ、前記蓋材と共に密閉空間を画成する支持基板と、
   を備え、
   前記指向性アンテナは、前記凹部の底面に固定され、
   前記指向性アンテナ、前記受信アンテナ、及び前記ボロメータは、前記密閉空間内に配置されている、
   ことを特徴とするボロメータ型ＴＨｚ検出器。
2. 前記ＴＨｚ波の波長をλとし、
   前記指向性アンテナと前記受信アンテナとの距離はλ／４以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボロメータ型ＴＨｚ検出器。
3. 前記指向性アンテナと共に前記受信アンテナを挟む位置に配置された反射アンテナを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のボロメータ型ＴＨｚ検出器。
4. 前記蓋材は、
   前記凹部を有するシリコン基板を備え、
   前記シリコン基板の前記凹部の深さｄ１は１０μｍ以上４００μｍ以下、
   前記シリコン基板の周縁部の厚みｄ２は２００μｍ以上２ｍｍ以下であり、
   前記密閉空間内は、大気圧よりも低い圧力に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のボロメータ型ＴＨｚ検出器。
5. 前記シリコン基板の前記凹部とは反対側の面に設けられた反射防止膜と、
   前記シリコン基板の前記凹部の内面に設けられた絶縁膜と、
   を備え、
   前記反射防止膜の材料は、ＳｉＯ_２又はポリパラキシリレンであり、
   前記絶縁膜の材料は、ＳｉＯ_２又はポリパラキシリレンであり、
   前記シリコン基板の比抵抗は、１ｋΩｃｍ以上に設定されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載のボロメータ型ＴＨｚ検出器。