JP7282621B2 - 受信器、画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、受信器、画像形成装置に関する。

０．０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電波（電磁波）であるテラヘルツ波を使用した画像形成装置には、ボロメータなどの熱感知型のセンサが使われることがある。しかし、このような画像形成装置は、例えば１／ｆ雑音などの低周波雑音の影響を受けやすく、さらに動画撮像におけるフレームレート高速化が難しいため低ノイズ化が困難であった。そこで、テラヘルツ波を受信するアンテナと半導体素子などの回路とを組み合わせた画像形成装置が考えられており、このような構成によれば、画像形成装置の処理の高速化、低ノイズ化が実現できる。

具体的には、チップの基板表面に設けられた個々のアンテナと、基板裏面側に設けられた信号処理などを行う回路とを、貫通電極によって接続して１つのデバイスとして構成した画像形成装置が提案されている。特許文献１では、基板表面に作製されたパッチアンテナ（マイクロストリップアンテナ）と基板裏面に作製された回路とを、パッチアンテナの裏側に位置する箇所に設けられた貫通電極で相互に電気的に接続した裏面再配線層パッチアンテナが開示されている。特許文献２では、基板表面に作製されたパッチアンテナと基板裏面側に配置された半導体素子とが、パッチアンテナから引き出された配線パターン（マイクロストリップ線路）と貫通電極とを介して電気的に接続されている無線モジュールが開示されている。

このように、従来技術では、いずれも基板表面に作製されたパッチアンテナの裏側もしくはパッチアンテナから引き出された配線に、基板を貫通する貫通電極を接続して、基板裏面側の回路と基板を電気的な接続することによって１つのデバイスを構成している。また、テラヘルツ波の受信にパッチアンテナを使用する場合には、パッチアンテナ裏面の電界の乱れが、アンテナの放射方向に与える影響が小さいため、パッチアンテナと貫通電極との相対的な位置関係について、考察されなかった。

また、基板上に設けられたループアンテナやダイポールアンテナなどのアンテナは、パッチアンテナと比較的して設計の自由度が大きい。具体的には、アンテナ長の調整や反射板の追加、またはアンテナ周辺構造により、画像撮影を用途とする画像形成装置として使用するのに適したものにアンテナの指向性を調整することが可能である。つまり、ループアンテナやダイポールアンテナなどのアンテナをオンチップアンテナとして使用することにより、画像形成装置を好適なテラヘルツ波の受信器として利用することができる。

特許第６１２２５０８号公報 特許第５９０９７０７号公報

しかしながら、基板上に設けられたループアンテナやダイポールアンテナなどのアンテナは金属平板で構成されるパッチアンテナと異なり金属線で構成されるため、受信するテラヘルツ波が基板中を伝搬する割合がパッチアンテナと比較して大きい。このため、基板中に存在する貫通電極にもテラヘルツ波が伝搬してしまう。そして、この貫通電極への伝
搬が、テラヘルツ波の放射方向に大きな影響を与えてしまい、画像形成装置（受信器；素子）においてテラヘルツ波の受信感度が低下してしまうことがあった。

本発明は、上述の点に鑑み、アンテナと信号処理をおこなう回路とを貫通電極で接続するテラヘルツ波の受信器であって、当該テラヘルツ波の受信感度の低下を抑制する受信器の提供を目的とする。

本発明の１つの態様は、
基板の第一面側に入射するテラヘルツ波を検出する受信器であって、
前記基板の第一面に設けられる、前記テラヘルツ波を受信するアンテナと、
前記アンテナと電気的に接続されており、前記基板において前記第一面の反対の面である第二面と前記第一面とを貫通する貫通電極と、
を有し、
前記貫通電極は、共振波長の０．２５倍以上の距離、前記アンテナから離れている、
ことを特徴とする受信器である。

本発明によれば、アンテナと信号処理をおこなう回路とを貫通電極で接続するテラヘルツ波の受信器であっても、当該テラヘルツ波の受信感度の低下を抑制することができる。

実施形態１に係る駆動回路の構成図 実施形態１に係るアンテナ基板と駆動回路基板との接続を示す鳥瞰図 実施形態１に係るアンテナ基板と駆動回路基板との接続を示す側面透視図 実施形態１に係る共振アンテナおよび周辺配線を示す図 実施形態１に係る共振アンテナおよび周辺配線を示す図 実施形態１に係る共振アンテナのアンテナゲインを示すグラフ 実施形態１に係る共振アンテナの放射パターンを示す図 実施形態１に係る反射板の配置の例を示す図 実施形態１に係る反射板の配置の例を示す図 変形例１に係る共振アンテナおよび周辺配線を示す図 変形例２に係る共振アンテナおよび周辺配線を示す図

＜実施形態１＞
実施形態１において、ループアンテナから出力される信号を制御する駆動回路とループアンテナとを接続する貫通電極を有するテラヘルツ波を検出する受信器であって、当該ループアンテナと貫通電極との距離を一定以上離した構成である受信器を説明する。このような構成によれば、ループアンテナの放射方向に貫通電極が与える影響を抑制することができるため、受信器におけるテラヘルツ波の受信感度の低下を抑制することができる。

［駆動回路の構成について］
本実施形態では、レンズを介して入射されるテラヘルツ波の検出をおこなう受信器（素子）を説明する。ここで、受信器は、テラヘルツ波を受信する複数のアンテナを有しており、当該複数のアンテナそれぞれから出力される信号を駆動回路が制御することによって、テラヘルツ波の受信をおこなう。

図１は、本実施形態に係る受信器が有する駆動回路の概略構成図を示す。本実施形態に係る駆動回路は、半導体からなる駆動回路基板１１を有する。駆動回路基板１１は、例え
ばシリコン基板である。また、駆動回路は、駆動回路基板１１上に、画素制御領域１３と周辺回路（集積回路）とを有する。なお、画素制御領域１３には、別基板に設けられた画素を構成するアンテナと接続される電極パッド２９および電極パッド３５と、アンテナと駆動回路との接続を制御するＣＭＯＳスイッチ１２と、が規則的な２次元アレイ状に配列されている。なお、後述にて図２、図３を用いて説明するが、駆動回路基板１１の周辺回路を有する面は絶縁膜を有する配線構造２０で覆われている。配線構造２０の中には、駆動回路基板１１の一部である行配線２８、列配線３２、信号線３３、グランド配線３４が配置される。

なお、本実施形態では、図１における電極パッド２９の１つ１つにアンテナ１つ１つが対応しており、アンテナそれぞれが１つの画素に対応している。つまり、本実施形態における、テラヘルツ波の入射方向から受信器を透視した図である図８が示すように、受信器はアンテナ（共振アンテナ２３）を複数有する。また、画素とは、本実施形態においては、図８において破線で囲まれている領域１つ１つである。

周辺回路（集積回路）は、制御回路１４、シフトレジスタ１６、電流供給回路１７、出力回路１８から構成される。本実施形態では、複数のアンテナに対して１つの周辺回路が存在する。

制御回路１４は、受信器を駆動するクロックを入力端子１５から受け取ってシフトレジスタ１６へ受け渡す処理や、電流供給回路１７が発生するアンテナ部分を駆動するための電流レベル決定用の電圧の発生などの処理を行う。

シフトレジスタ１６は、アンテナ部分（画素）を駆動する行配線を順次選択し、ＣＭＯＳスイッチ１２のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのパルス電圧を選択した行配線２８に供給することによって、画素を行単位で駆動する。

電流供給回路１７は、制御回路１４から発せられた電流レベル決定用の電圧信号を基に、アンテナ部分を駆動する電流を発生する。具体的には、電流供給回路１７は、列配線３２、列配線３２に接続される各アンテナ、およびグランド配線３４を通じて電流を発生する。

出力回路１８は、画素を構成するアンテナ部分で受信したテラヘルツ波の強度に応じて、信号線３３を通じて供給される電気信号を増幅するなどして、出力端子１９を介して受信器の外部へと出力する。なお、出力回路１８は、画素制御領域１３の外周領域に配置してもよいし、後述するアンテナ基板に配置することも可能である。特に増幅器などの回路はアンテナ基板に近接しておくことによってノイズ低減の効果がある。

［アンテナ基板と駆動回路基板との接続について］
次に、図２および図３に、本実施形態に係る駆動回路基板１１とテラヘルツ波を受信するアンテナ基板２１との接続に関する概略構成図を示す。ここで、受信器は、テラヘルツ波を受信するループアンテナを２次元アレイ状に配置したアンテナ基板２１と、図１を使用して説明した駆動回路基板１１とが、電気的に接続される。また、物理的には、受信器において、アンテナ基板２１と駆動回路基板１１とは、絶縁膜を有する配線構造２０を挟んで接合される。なお、図２および図３では、１つの画素における２つの基板の接続を示しているが、上述のように、実際には複数の画素により受信器は構成されている。

図２が示すように、シリコンなどの半導体からなるアンテナ基板２１は、共振アンテナ２３と引出し線２４と貫通電極２５と整流素子２６と反射板２７を有する。

共振アンテナ２３は、アンテナ基板２１の第一面側に配置される、導電性を有する金属材料からなるループアンテナである。引出し線２４は、共振アンテナ２３に接続されている整流素子２６へ駆動電流もしくは駆動電圧を供給する導電性を有する金属材料である。貫通電極２５は、アンテナ基板２１を貫通しており、アンテナ基板２１の第一面と第二面とを貫通することによって、第一面と第二面とが電気的に接続する。整流素子２６は、共振アンテナ２３に接続されており非線形な電流電圧特性を有する。反射板２７は、共振アンテナ２３の指向性を調整するための金属平面である。なお、アンテナ基板２１の第一面とは、アンテナ基板２１に対してテラヘルツ波が入射される面であり、アンテナ基板２１の第二面とは、第一面の反対の面であり、駆動回路基板１１と接続される側の面である。各構成の詳細については後述において説明する。

図２における駆動回路基板１１は、図１に示した駆動回路基板１１の一部を図示しており、アンテナ基板２１における１つの画素に当該一部が対応するものである。つまり、１つの画素に対して、図２において図示されている駆動回路基板１１の部分が動作しているといえる。具体的には、図２における駆動回路基板１１では、共振アンテナ２３（画素）のＯＮ／ＯＦＦを制御するＣＭＯＳスイッチ１２と、増幅器などからなる出力回路１８と、電極パッド２９とを主に図示している。また、配線構造２０の中には、行配線２８、列配線３２、信号線３３、グランド配線３４が配置されており、これらの配線を用いることによって、貫通電極２５からの電流を出力回路１８へ送信することができる。

なお、電極パッド２９は、アンテナ基板２１の垂直方向から見た場合における位置を貫通電極２５と同じくし、貫通電極２５と電気的に接続される行配線２８に設けられている。なお、アンテナ基板２１の垂直方向とは、アンテナ基板２１に対してテラヘルツ波が入射される方向であり、アンテナ基板２１に対して駆動回路基板１１が接続される方向と反対の方向を示すものとする。

図３は、図２を用いて説明したアンテナ基板２１と駆動回路基板１１とを接合した図であり、図２中の矢印３１方向からの透視図である。また、図３では、駆動回路基板１１と配線構造２０とが一体化したものとアンテナ基板２１とが、接着剤３０を介して接合されている。ここで、接着剤３０による接合には様々な方法があり、ハンダによる接合や原子拡散接合などの方式もとることができる。これらのいずれかの接合方法によって、アンテナ基板２１に設けられた貫通電極２５と、駆動回路基板１１に設けられた電極パッド２９とが電気的に接続される。

このように受信器の各構成が配置されることによって、テラヘルツ波の検出が可能となる。具体的には、共振アンテナ２３（ループアンテナ）が、アンテナ基板２１の垂直方向（上面）から入射されるテラヘルツ波を受信する。そして、共振アンテナ２３に接続された整流素子２６の作用により、受信されたテラヘルツ波に応じた検波電流（電気信号）が発生する。発生した検波電流は、貫通電極２５を介して駆動回路基板１１に設けられた出力回路１８に流れ込む。出力回路１８は、受け取った電流を、電圧値に変換する処理や信号の増幅する処理などを行い出力端子１９へ信号として出力する。

［共振アンテナ２３と共振アンテナ２３の周辺配線について］
次に、上述した共振アンテナ２３と共振アンテナ２３の周辺配線の詳細について説明する。図４は、アンテナ基板２１の垂直方向から見た、実施形態１に係る共振アンテナ２３と共振アンテナ２３の周辺配線を示す平面図である。

共振アンテナ２３は、導電性を有するアルミニウムなどの金属薄膜から成り、不図示のアンテナ基板２１上に設けられている。ここで、共振アンテナ２３とアンテナ基板２１とは、電気的に接続しないようにＳｉＯ_２やＳｉＮなどの絶縁膜を介して接している。なお
、共振アンテナ２３には、整流素子２６を駆動するために切れ込み４２を設けており、２つの貫通電極２５および引出し線２４を介して駆動用の電圧もしくは電流を駆動回路基板１１から整流素子２６の両端に印加できる。なお、引出し線２４は、本実施形態では、共振アンテナ２３と同じ素材で形成されており、共振アンテナ２３のループ部分の接線に対して垂直に延びている線である。

また、共振器長である共振アンテナ２３の円周の長さは、共振アンテナ２３の共振周波数（設計共振周波数；受信されるテラヘルツ波の周波数）によって決定することができる。具体的には、共振周波数として選択した周波数の電波の共振アンテナ２３における波長λ（共振波長λ）に対して、共振アンテナ２３の円周の長さは０．５λ、１．５λ、２．５λの様に（ｎ＋０．５）×λ（ｎは０または自然数）程度の長さとするとよい。つまり、共振アンテナ２３の長さが、当該アンテナの共振波長λの０．５倍または１．５倍または２．５倍・・・であることによって、当該共振波長λに対応した周波数のテラヘルツ波を共振アンテナ２３は受信することができる。

なお、ある物体の共振波長とは、受信器（共振アンテナ２３）が受信するテラヘルツ波が当該物体を伝搬するときの波長を示す。具体的には、共振アンテナ２３の共振波長とは、共振アンテナ２３を伝搬する際の、共振アンテナ２３が共振するテラヘルツ波の波長を示している。従って、空気中の共振波長と、共振アンテナ２３の共振波長と、アンテナ基板２１の共振波長とは、それぞれ異なる値である。なお、共振アンテナ２３の共振波長は、共振アンテナ２３を取り囲む大気、アンテナ基板２１、共振アンテナ２３とアンテナ基板２１とを接合する絶縁膜などの比誘電率を合成した値で示すことができる。

本実施形態においては、共振アンテナ２３の円周の長さは、共振アンテナ２３の共振周波数（設計共振周波数）の波長λ（共振波長λ）に対して１．５λであるように調整されている。つまり、共振アンテナ２３の半径４１をｒとすると共振波長λとは、２πｒ＝１．５λの関係が成立する。なお、共振アンテナ２３を小型化する際には、共振アンテナ２３の円周の長さが０．５λであるように調整し、２πｒ＝０．５λの関係が成立するようにしてもよい。一方、共振アンテナ２３の受信面積を増やしたい場合には、共振アンテナ２３の円周の長さを（ｎ＋０．５）×λであるように調整して、自然数ｎの値を増加させてもよい。ただし、共振アンテナ２３の円周の長さの調整により、ループアンテナである共振アンテナ２３のインピーダンスも変化するため、整流素子２６とのインピーダンスマッチング（インピーダンス整合）の調整を行う必要がある。

整流素子２６は、本実施形態において、アンテナ基板２１上に配置されている。また、整流素子２６は、共振アンテナ２３とアンテナ基板２１とを絶縁している絶縁膜に開けられたコンタクトホールを介して、共振アンテナ２３と電気的に接続されている。また、テラヘルツ波の周波数を検波するためには、整流素子２６にはショットキーバリアダイオードのようなスイッチング特性が高速なものを使用することが望ましい。しかし、ショットキーバリアダイオードに限らず、ｐｎ接合を用いたダイオードなどの整流ダイオードを整流素子２６に使用することも可能である。

また、本実施形態において、貫通電極２５を配置するに好適な領域４３の境界を、共振アンテナ２３から所定の距離である領域距離４４の位置とする。具体的には、本実施形態では、領域距離４４は、受信器がテラヘルツ波の受信を効率的に行える条件における、共振アンテナ２３と貫通電極２５との距離４５の最小値を示している。ここで、共振アンテナ２３と貫通電極２５との距離４５は、共振アンテナ２３のループ形状部分と貫通電極２５との最短距離である。なお、本実施形態では、距離４５は、引き出し線２４の長さでもある。また、後述において詳細に説明するが、領域距離４４は、共振アンテナ２３の共振波長λに対して０．２５λ以上（０．２５倍以上）とすることが好ましい。具体的には、
距離４５が０．２５λより短くなるように貫通電極２５を配置すると、共振アンテナ２３の指向性が弱まり、さらに乱れてしまう。

なお、アンテナ基板２１の形状を変えることによって、テラヘルツ波の受信効率を向上させてもよい。図５Ａは、図４を用いて説明したアンテナ基板２１に対して、領域４３に含まれない領域をエッチングして基板除去領域４６を設けたものある。つまり、図５Ａでは、共振アンテナ２３から領域距離４４以内であるアンテナ基板２１の領域に対して、当該アンテナ基板２１の厚さを薄くする処理が施されている。また、図５Ｂは、図５Ａ中のα－α’断面を示す。

ここで、アンテナ基板２１上にアンテナを作製する場合には、アンテナ基板２１内にテラヘルツ波が伝搬してロスする（損失する）ことが知られている。具体的には、アンテナ基板２１の厚さが厚くなるとテラヘルツ波が伝搬するモードの数が増加し、受信できるテラヘルツ波のパワーロスにつながる。従って、図５Ｂが示すように、部分的にアンテナ基板２１を薄くし、テラヘルツ波の基板内伝搬モードを減少させることにより、受信パワーロスの低減を実現することができる。

［アンテナゲインと距離４５との関係について］
図６は、共振アンテナ２３におけるアンテナ基板２１の垂直方向のアンテナゲインと距離４５との関係を示すグラフである。

縦軸は、アンテナ基板２１の垂直方向に有する共振アンテナ２３のアンテナゲインを示しており、値が大きいほどアンテナ基板２１の垂直方向に対して共振アンテナ２３の指向性が強いことを示すものである。つまり、縦軸の値が大きいほど、受信器は、アンテナ基板２１の垂直方向から照射されるテラヘルツ波を感度よく受信することができる。横軸は、共振アンテナ２３の共振波長λを使用して、共振アンテナ２３と貫通電極２５との距離である距離４５を示したものである。

ここで、パッチアンテナのような金属平板で構成されるアンテナと異なり、ループアンテナである共振アンテナ２３は線状の金属であり、アンテナ基板２１を広く被覆することができないため、テラヘルツ波がアンテナ基板２１内に伝搬しやすい。従って、ループアンテナである共振アンテナ２３を使用する場合には、テラヘルツ波がアンテナ基板２１内に伝搬して、アンテナ基板２１内に存在する貫通電極２５によるテラヘルツ波の受信、再放射などによって共振アンテナ２３の指向性が乱れてしまう。これに対して、共振アンテナ２３を貫通電極２５と離すことによって、貫通電極２５のテラヘルツ波の受信や再放射の影響を抑制することができ、垂直方向における共振アンテナ２３のアンテナゲインを大きくすることができている。

また、図６が示すように、距離４５が０．２５λであるときに、距離４５が０．７５λ以上である場合における飽和値（最大値）から３ｄＢ程度、垂直方向におけるアンテナゲインが低下する。つまり、距離４５が０．２５λであるときには、アンテナゲインが最大値の１／２程度に減少する。さらに距離４５を０．２５λよりも短くすると急激にアンテナゲインが低下してしまい、パッチアンテナと比較したときの指向性のメリットが減少する。このことから、貫通電極２５を配置する位置に関して、距離４５を０．２５λ以上とすることが望ましい。なお、距離４５が０．７５λである場合に、垂直方向のアンテナゲインが飽和値であるため、距離４５を０．２５λ以上０．７５λ以下（共振アンテナ２３の共振波長λの０．２５倍以上、かつ０．７５倍以下）の数値としてもよい。また、距離４５を０．２５λとすることによれば、アンテナゲインの低下を抑制しながらも、１つ１つの画素の大きさも抑制できるため、アンテナ基板２１に多くの共振アンテナ２３を積載することができる。

図７Ａ～図７Ｃは、本実施形態の共振アンテナ２３の放射パターンと距離４５との関係を示す図である。図７Ａ～図７Ｃに示す放射パターンは、電磁界シミュレータ（ＡＮＳＹＳ社製「ＨＦＳＳ」）を使用して解析した結果である。この放射パターンからは、アンテナ基板２１の位置を基準とする、テラヘルツ波の入射方向と共振アンテナ２３のアンテナゲイン（受信感度）との関係が分かる。なお、放射パターンなどの基本的なアンテナ特性は、共振アンテナ２３を送信、受信のいずれに使用する場合でも同じであるため、共振アンテナ２３の放射パターンから、共振アンテナ２３の受信感度と方角との関係が分かる。具体的には、図７Ａ～図７ＣのそれぞれにおけるＺ軸は、共振アンテナ２３に対して垂直方向のアンテナゲインの大きさを示すものであり、Ｘ軸およびＺ軸は共振アンテナ２３に対して水平方向のアンテナゲインの大きさを示している。つまり、図７Ａ～図７Ｃにおける放射パターンがＺ軸の正方向に対して大きく伸びているほど、共振アンテナ２３の垂直方向のアンテナゲインが大きい。

図７Ａは、距離４５が０．１９λである場合の、共振アンテナ２３の放射パターンを示している。距離４５が０．１９λである場合は、アンテナ基板２１に対して水平な方向にアンテナゲインの最大値を有する。一方、Ｚ軸の正方向におけるアンテナゲインは小さいため、アンテナ基板２１の垂直方向から入射したテラヘルツ波に対しての感度は小さい。さらに、放射パターンがアンテナ基板２１の垂直方向に集中していないため、レンズから直接画素（共振アンテナ２３）に到達するテラヘルツ波以外の反射波や散乱波を共振アンテナ２３が受信してしまい、受信電波においてノイズが大きくなる。

図７Ｂは、距離４５が０．２３λである場合の、共振アンテナ２３の放射パターンを示している。この場合には、アンテナ基板２１に対して垂直な方向にアンテナゲインが最大値を有する。つまり、距離４５が０．１９λである場合と比較して、貫通電極２５が共振アンテナ２３の放射方向に及ぼす影響が低減したことを示す。

図７Ｃは、距離４５が０．２５λである場合の、共振アンテナ２３の放射パターンを示している。この場合には、放射パターンがアンテナ基板２１に対してほぼ垂直方向に集中している。つまり、当該放射パターンは、全方位に対して平均的にアンテナゲインを有するパッチアンテナの放射パターンと比較して、アンテナ基板２１に対して垂直方向の感度が高く、隣接画素の信号を拾うことによるクロストークが発生しづらいことを示している。従って、距離４５が０．２５λである本実施形態の共振アンテナ２３（ループアンテナ）を画像形成装置などに適用することによって、取得画像のボケが生じにくい、つまり解像度がパッチアンテナと比較して向上する。また、直接画素に到達するテラヘルツ波以外の反射波、散乱波も受信しにくいことから、受信電波におけるノイズが低減できる。

［反射板について］
また、図２が示すように、アンテナ基板２１の駆動回路基板１１と対向する側に、金属膜からなる反射板２７を設けることで、共振アンテナ２３の指向性をさらに向上させることができる。以下では、反射板２７についての詳細について説明する。図８は、アンテナ基板２１を垂直方向から見た透視図であり、共振アンテナ２３がアレイ配置されており、アンテナ基板２１裏面に設けた反射板２７が示されている。

上述したように、アンテナの放射パターンを調整するための１つの手段として、アンテナ基板２１の裏面、もしくは駆動回路基板１１の表面、もしくはアンテナ基板２１と駆動回路基板１１との間に、反射板２７を備えるとよい。つまり、共振アンテナ２３と駆動回路基板１１との間に反射板２７を備えるとよい。なお、反射板２７による指向性向上などの効果を得るために、共振アンテナ２３と反射板２７との距離は、アンテナ基板２１の共振波長の０．５倍程度にすることで、テラヘルツ波の受信感度を劣化させることなく放射
パターンを調整できる。

また、共振アンテナ２３の指向性を調整する役割を反射板２７にもたせるためには、図８が示すように、共振アンテナ２３より大きい範囲を反射板２７が被覆していることが望ましい。より望ましくは、共振アンテナ２３からの距離が０．２５λ以内の範囲を被覆していることがよい。これにより、アンテナ基板２１中に伝搬したテラヘルツ波の大部分が散乱などの影響を受けることなく反射板２７により反射され、大気中に再放射されるため、放射パターンをアンテナ基板２１に対して垂直方向に集中させることができる。

なお、画素間で反射板２７が電気的に接続された状態であると、導電性の金属で構成される反射板２７をテラヘルツ波が伝搬して、受信したテラヘルツ波を隣接画素間で共有してしまうことがある。そのため、画素間のクロストークを防止し、ノイズの混入を防止するために、反射板２７は他の部材および他画素の反射板２７とから電気的に絶縁されている、つまり電気的にフローティングの状態であることが望ましい。

また、反射板２７において反射されなかったテラヘルツ波は、アンテナ基板２１と張り合わされた駆動回路基板１１のグランド配線３４などを伝搬して、さらにアンテナ基板２１側に再放射されることによって、画素間のクロストーク信号になる場合がある。そのため、図９が示すように、貫通電極２５と反射板２７とが電気的に接触しないように、隣接画素間で電気的に導通しない程度まで反射板２７を被覆させてもよい。これによれば、アンテナ基板２１に入射したテラヘルツ波が、駆動回路基板１１に到達して発生するクロストークを低減することができる。

［効果］
従って、平面視において、共振アンテナ２３と貫通電極２５との距離４５を０．２５λ以上離す本実施形態によれば、撮像装置などに適した放射方向を有し、感度および解像度が高く、ノイズが少ない受信器を得ることができる。また、１つの共振アンテナ２３自体の指向性がよいため、受信器における画素面積が増大せず高精細化を図ることができる。さらには、反射板２７によって、受信器における共振アンテナ２３の放射パターンを整えることにより、テラヘルツ波の受信感度を向上させることができる。

（変形例１）
実施形態１では、共振アンテナ２３は、円形状のループアンテナであるとして説明したが、本変形例では図１０が示すように長方形状のループアンテナであるとして説明する。なお、本変形例では、共振アンテナ２３を長方形とするが、多角形形状とすることも可能である。共振アンテナ２３を円形ではなく、多角形形状にすることで設計の自由度が増え、受信器の画素として２次元アレイ配列をする際に、配列に適した形状にすることが可能である。

なお、共振アンテナ２３の共振周波数によって共振アンテナ２３の辺の長さの合計を決定することができる。具体的には、共振周波数として選択した周波数の電波としての波長λ（共振波長λ）に対して、共振アンテナ２３の辺の長さの合計を０．５λ、１．５λ、２．５λのように（ｎ＋０．５）×λ（ｎは０または自然数）程度の長さにする。ここで共振アンテナ２３の共振波長λは、共振アンテナ２３を取り囲む大気、アンテナ基板２１、絶縁膜などの比誘電率を合成した値で示すことができる。これは、共振アンテナ２３が多角形である場合にも同様である。そして、本変形例においても、実施形態１と同様に貫通電極２５と共振アンテナ２３との距離４５を０．２５λ以上にすることによって、貫通電極２５による共振アンテナ２３の放射パターンへの影響を抑制することができる。

本変形例においては、先に述べたように、共振アンテナ２３を多角形形状とすることで
、種々の設計の自由度が向上する。例えば、画素アレイ配列に適した形状にすることなどができる。なお、受信感度は共振アンテナ２３の開口面積に影響されるため、極端に細長い形状や折りたたまれた形状は、開口面積が減少し受信感度の低下につながるため好ましくない。

つまり、本変形例によれば、受信器の設定の自由度が向上するため、さらに画素アレイ配列に適し、撮像装置などに適した放射方向を有し、感度および解像度が高く、ノイズが少ない受信器にすることができる。

（変形例２）
実施形態１では、共振アンテナ２３は、円形状のループアンテナであるとして説明したが、本変形例では図１１が示すようにダイポールアンテナ５０であるとして説明する。

ここで、ダイポールアンテナ５０の共振周波数によってダイポールアンテナ５０の長さを決定することができる。具体的には、共振周波数として選択した周波数の電波としての波長λ（共振波長λ）に対して、ダイポールアンテナ５０の長さを０．５λ程度にすることが一般的である。ここでダイポールアンテナ５０の長さを決定する際に扱う電波の波長は、ダイポールアンテナ５０を取り囲む大気、アンテナ基板２１、絶縁膜などの比誘電率を合成した値で計算される。

また、図１１では、ダイポールアンテナ５０は整流素子２６を挟んだ２つの長さが対称であるが、当該２つの長さの合計を一定にしつつ、当該２つの長さのそれぞれを異なる長さにすることでダイポールアンテナ５０のインピーダンスを調整することもできる。つまり、ダイポールアンテナ５０の非対称性の調整により、整流素子２６とのインピーダンスマッチング（インピーダンス整合）を行うことが可能である。また、本変形例に係るダイポールアンテナ５０の指向性を向上させるために、アンテナ基板２１と駆動回路基板１１との間に、金属膜からなる反射板２７を設けている。

また、本変形例においても、実施形態１と同様に貫通電極２５とダイポールアンテナ５０との距離４５を０．２５λ以上にすることによって、貫通電極２５によるダイポールアンテナ５０の放射パターンへの影響を抑制することができる。

本変形例において示したダイポールアンテナ５０によって、さらにアレイ配列の自由度を向上させることができる。つまり、本変形例によれば、さらに画素アレイ配列に適し、撮像装置に適した放射方向を有し、感度および解像度が高く、ノイズが少ない受信器を得ることができる。

＜実施例１＞
本実施例では、実施形態１に係る受信器のより詳細な構成について図２、図４を用いて説明する。具体的には、以下では、実施形態１に係る受信器のアンテナ基板２１の構成を主に説明する。上述のように、シリコンなどの半導体材料から構成されるアンテナ基板２１は、共振アンテナ２３、引出し線２４、貫通電極２５、整流素子２６、反射板２７を有する。なお、本実施例において、受信器は、周波数１ＴＨｚ、空気中での波長３００μｍのテラヘルツ波を受信するものとして説明する。

共振アンテナ２３は、アンテナ基板２１上に設けられている。共振アンテナ２３は、導電性を有するアルミニウムなどの金属薄膜から構成される。なお、金属薄膜の導電率はアンテナインピーダンスに関係するため、金属薄膜の導電率を変更することによって、整流素子２６とのインピーダンスマッチングに関わる調整を行うことが可能である。本実施例では、スパッタ法によって、アルミニウムが２００ｎｍの厚さに成膜され、フォトレジス
トを使用したエッチングによって共振アンテナ２３の形状が形成される。

また、共振アンテナ２３の円周の長さは、共振アンテナ２３の共振周波数によって決定することができる。共振アンテナ２３の円周の長さ（共振器長）を決定する際に扱う電波の波長（共振波長）は、共振アンテナ２３を取り囲む大気、アンテナ基板２１、絶縁膜などの比誘電率を合成した値で計算される。本実施例では、共振アンテナ２３の共振周波数を１ＴＨｚとするために、共振アンテナ２３の共振器長は、共振アンテナ２３の共振波長１５０μｍの１．５倍であり、共振アンテナ２３の直径は７０μｍである。ここで、共振アンテナ２３の共振波長は、共振アンテナ２３がアンテナ基板２１と空気との２つの物体に接しているため、空気とアンテナ基板２１との誘電率の平均に大きく依存する。従って、本実施例では、共振アンテナ２３の共振波長は、空気中の共振波長３００μｍの約半分である１５０μｍであるとしている。

なお、共振アンテナ２３には、整流素子２６を駆動するために切れ込み４２を設けている。切れ込み４２は、引出し線２４から供給される電流もしくは電圧が整流素子２６にすべて印加できるようにするが、受信する１ＴＨｚの周波数のテラヘルツ波に対しては、容量結合によるＡＣカップリングされることが望ましい。つまり、切れ込み４２の幅は広すぎては共振アンテナ２３の機能が低下するため、本実施例では切れ込みの幅を１μｍとする。なお、引出し線２４は共振アンテナ２３と同材料で同時に形成される。

貫通電極２５は、以下の手順によって作製（生成）される。まず、アンテナ基板２１と駆動回路基板１１とが接合される。そして、ドライエッチングなどの方法によって貫通電極２５を設ける箇所に、電極パッド２９に到達するまでアンテナ基板２１に穴開けが行われる。さらに、貫通電極２５とアンテナ基板２１とが電気的に導通しないように、ＳｉＯ_２が１μｍの厚さで当該穴の側壁に成膜される。その後、当該穴に、スパッタ成膜やメッキ法で金属膜を作製することで貫通電極２５が作製される。なお、貫通電極２５は、導電率の大きい金属から形成されることが望ましく、本実施例では、銅をメッキ成長することで形成されている。このようにすることによって、２つの貫通電極２５、および引出し線２４を介して、駆動回路基板１１から発せられた駆動用の電圧もしくは電流が整流素子２６の両端に印加できる。

整流素子２６として、本実施例では、テラヘルツ波の周波数を検波するために、ショットキーバリアダイオードが作製される。詳細は省略するが、シリコンからなるアンテナ基板２１上に、ショットキー接触を作製するために、アンテナ基板２１のシリコン表面の不純物濃度が、おおよそ１×１０^１８［個／ｃｍ^３］以下にされる。表面の不純物濃度の制御には、エピタキシー成長で所望の不純物濃度を有するシリコン結晶薄膜を直接成長する方法、もしくはイオンインプランテーションなどの手法により不純物原子をシリコンに直接注入する方法がある。本実施例では、シリコン基板であるアンテナ基板２１の表面に、不純物濃度２×１０^１６［個／ｃｍ^３］を有するｎ型シリコンを２００ｎｍ程度エピタキシー成長したものが使用される。なお、ショットキーバリアダイオードの特性は、シリコンと金属の仕事関数により決定されるため、電極として使用する金属材料の種類によって特性が大きく変化する。本実施例では、ショットキーバリアダイオードにおける電極に、厚さ５０ｎｍのコバルトを使用する。なお、共振アンテナ２３とアンテナ基板２１とを絶縁している絶縁膜に開けられたコンタクトホールを介して、整流素子２６と共振アンテナ２３とが電気的に接続される。

反射板２７は、アンテナ基板２１において共振アンテナ２３と反対側の面には、設けられている。なお、この反射板２７によって共振アンテナ２３の指向性向上などの効果を効率的に得るために、アンテナ基板２１の厚さは、アンテナ基板２１の共振波長の０．５倍程度の厚さにすることが望ましい。本実施例においては、周波数１ＴＨｚ、空気中での波
長３００μｍのテラヘルツ波を受信するために、シリコンの比誘電率１１．９を鑑みて、アンテナ基板２１は（３００μｍ／１１．９）×０．５≒１３μｍ程度の厚さが望ましい。なお、テラヘルツ波の周波数が１ＴＨｚ程度である場合における、シリコンの誘電率は正確に知られてはいないため、当該厚さは、実際には生成しながら調整（整合）する作業が必要である。なお、共振アンテナ２３とアンテナ基板２１との間には、絶縁膜として厚さ１．５μｍのＳｉＯ_２が存在しており、具体的にはアンテナ基板２１上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法にて成膜されている。

また、金属薄膜から成る反射板２７がアンテナ基板２１と電気的に接触しないように、アンテナ基板２１と反射板２７とは、絶縁膜を介して接合（作製）される。本実施例では、絶縁膜としてＳｉＮを２００ｎｍ成膜した上に、アルミニウムを２００ｎｍ成膜して、反射板２７が作製されている。

そして、本実施例においては、貫通電極２５を配置するに好適な領域４３の境界を、共振アンテナ２３から、共振アンテナ２３の共振波長１５０μｍの０．２５倍である３７μｍ以上（３７．５μｍ以上）に位置するようにするとよい。また、本実施例では、貫通電極２５は、共振アンテナ２３から４３μｍ離れた位置に配置されている。これによって、センサの感度が高く、さらには、隣接画素の信号も拾うことによるクロストークが発生しづらく解像度がよく、ノイズが低減された受信器の提供を可能とした。

このように、本実施例では、１ＴＨｚのテラヘルツ波の受信を目的にして設計を行ったため距離４５を３７μｍ以上とした。しかし、０．１ＴＨｚのテラヘルツ波の受信を目的とする設計では、１ＴＨｚのテラヘルツ波を受信する場合の約１０倍の共振アンテナ２３の共振波長であるので、距離４５を３７５μｍ以上（３７０μｍ以上）とすればよい。また、１０ＴＨｚの電波の受信を目的とする設計では、１ＴＨｚのテラヘルツ波を受信する場合の約１／１０倍の共振アンテナ２３の共振波長であるので、距離４５を３．７μｍ以上とすればよい。

なお、１ＴＨｚのテラヘルツ波を受信することを目的とする場合には、距離４５が共振波長の０．７５倍である場合に、垂直方向のアンテナゲインが飽和値であるため、距離４５は、１５０μｍ×０．７５＝１１２．５≒１１２μｍ以下であってもよい。また、本実施例では、ループアンテナである共振アンテナ２３の長さは、共振アンテナ２３の共振波長１５０μｍの１．５倍であるとしている。しかし、これに限らず、共振アンテナの長さは、共振波長の０．５倍、１．５倍、２．５倍のいずれであってもよいため、７５μｍ、２２５μｍ、３７５μｍのいずれであってもよい。また、共振アンテナ２３がダイポールアンテナである場合には、ダイポールアンテナの長さは、共振波長の０．５倍である７５μｍであるとよい。

一方、０．１ＴＨｚのテラヘルツ波を受信することを目的とする場合には、共振アンテナ２３の共振波長は１５００μｍである。このため、距離４５が共振波長の０．７５倍である場合に、垂直方向のアンテナゲインが飽和値であるため、距離４５は、１５００μｍ×０．７５＝１１２５μｍ以下であってもよい。また、ループアンテナである共振アンテナ２３の長さは、共振波長の０．５倍、１．５倍、２．５倍のいずれであってもよいため、７５０μｍ、２２５０μｍ、３７５０μｍであってもよい。また、共振アンテナ２３がダイポールアンテナである場合には、ダイポールアンテナの長さは、共振波長の０．５倍である７５０μｍであるとよい。

また、例えば、０．４ＴＨｚのテラヘルツ波を受信することを目的とする場合には、共振アンテナ２３の共振波長は、３７５μｍである。このため、距離４５は、３７５μｍ×０．２５＝９３．７５≒９３μｍ以上、３７５μｍ×０．７５＝２８１．２５≒２８１μ
ｍ以下であってもよい。また、ループアンテナである共振アンテナ２３の長さは、共振波長の０．５倍、１．５倍、２．５倍のいずれであってもよいため、１８７μｍ、５６２μｍ、９３７μｍであってもよい。また、共振アンテナ２３がダイポールアンテナである場合には、ダイポールアンテナの長さは、共振波長の０．５倍である１８７μｍであるとよい。

本発明の実施形態および実施例に係る受信器は、種々の用途に対して適用可能である。例えば、本発明の実施形態および実施例に係る受信器は、画像形成装置（撮影装置；カメラ）に好適に適用することができる。具体的には、まず、画像形成装置の外部の発振器により、撮影する対象物に対してテラヘルツ波が照射される。次に、画像形成装置は、当該対象物に反射することで入射されるテラヘルツ波を受信する。そして、画像形成装置における出力回路１８から出力端子１９を介して出力される電気信号を画像処理部が取得して、当該画像処理部が電気信号に基づいて画像を形成する。ここで、当該電気信号は、上述の実施形態および実施例に係る受信器が受信（検出）したテラヘルツ波に基づいたものであるため、ノイズが少なく、感度の高い情報を有している。従って、画像形成装置は、ノイズが少なく、感度の高い画像を形成（撮影）することができる。

２１：アンテナ基板，２３：共振アンテナ，２５：貫通電極，４５：距離

Claims (19)

1. 基板の第一面側に入射するテラヘルツ波を検出する受信器であって、
   前記基板の第一面に設けられる、前記テラヘルツ波を受信するアンテナと、
   前記アンテナと電気的に接続されており、前記基板において前記第一面の反対の面である第二面と前記第一面とを貫通する貫通電極と、
   を有し、
   前記貫通電極は、共振波長の０．２５倍以上の距離、前記アンテナから離れている、
   ことを特徴とする受信器。
2. 前記貫通電極は、前記共振波長の０．２５倍以上であり、かつ前記共振波長の０．７５倍以下である距離、前記アンテナから離れている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の受信器。
3. 前記アンテナは、ループアンテナであり、
   前記ループアンテナの長さは、前記共振波長の０．５倍または１．５倍または２．５倍である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の受信器。
4. 前記アンテナは、ダイポールアンテナであり、
   前記ダイポールアンテナの長さは、前記共振波長の０．５倍である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の受信器。
5. 基板の第一面側に入射するテラヘルツ波を検出する受信器であって、
   前記基板の第一面に設けられる、前記テラヘルツ波を受信するアンテナと、
   前記アンテナと電気的に接続されており、前記基板において前記第一面の反対の面である第二面と前記第一面とを貫通する貫通電極と、
   を有し、
   前記貫通電極から前記アンテナまでの距離は、３７μｍ以上である、
   ことを特徴とする受信器。
6. 前記貫通電極から前記アンテナまでの距離は、１１２μｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の受信器。
7. 前記貫通電極から前記アンテナまでの距離は、３７５μｍ以上である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の受信器。
8. 前記貫通電極から前記アンテナまでの距離は、１１２５μｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の受信器。
9. 前記アンテナは、ループアンテナであり、
   前記ループアンテナの長さは、７５μｍ、２２５μｍ、３７５μｍ、７５０μｍ、２２５０μｍ、３７５０μｍのうちいずれかである、
   ことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の受信器。
10. 前記アンテナは、ダイポールアンテナであり、
    前記ダイポールアンテナの長さは、７５μｍまたは７５０μｍである、
    ことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の受信器。
11. 前記アンテナと電気的に接続され、前記テラヘルツ波の検波電流を発生する整流素子を
    、前記基板の前記第一面にさらに有する、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の受信器。
12. 前記整流素子は、ショットキーバリアダイオードである、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の受信器。
13. 前記貫通電極は、前記基板とは異なる第二基板が有する集積回路と電気的に接続されており、
    前記基板の前記第二面と前記第二基板とが接合されている、
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の受信器。
14. 前記アンテナと前記第二基板との間に、金属膜から構成される反射板を有する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の受信器。
15. 前記反射板は電気的にフローティングである、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の受信器。
16. 前記アンテナはループアンテナまたはダイポールアンテナである、
    ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の受信器。
17. 前記テラヘルツ波の周波数は、０．０３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下である、
    ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の受信器。
18. 前記テラヘルツ波に基づいた電気信号を外部に出力する出力回路をさらに有する、
    ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の受信器。
19. 請求項１８に記載の受信器と、
    前記電気信号に基づいて画像を形成する画像処理部と、
    を有する、
    ことを特徴とする画像形成装置。

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