JPWO2011039829A1 - 検体認証システム及び検体認証素子 - Google Patents

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Abstract

検体認証システムにおいては、発信部からＴＨｚ波が検体を収容するチャネル内に向けられる。検体を通過したＴＨｚ波は、検出部で検出される。発振制御部は、発振部をＴＨｚ波の発振周波数をある周波数帯域内で掃引させ、検出駆動部は、ＴＨｚ波の検出周波数を周波数帯域で掃引して検出信号を発生する。検体認証部は、周波数帯域内における検出信号の波形で検体を特定する。

Description

本発明は、波を検体に照射してその吸収スペクトル或いは反射スペクトルから検体を認証する検体認証素子及びこの検体認証素子を備える検体認証システムに関する。
医学の発達により、より高度な治療が行なえるようになっている。しかしながら、重大疾患の病気に関しては、高度な治療は、誰にでも行なえるような金額なものではなく、医療費の高額化が生じている。このような背景から、大規模な治療前に、誰にでも簡易的に行える未然治療、並びに、早期の病気発見の必要性が生じている。在宅時にでも行えるようなより簡易的な検査で疾患の検査が容易にできるようになることで、早期発見によって医療施術の選択肢が増し、医療費高騰の問題を避けることが可能となる。
しかしながら、現在の健康診断で行なうような比較的安価なレベルのものでは、重要疾患の発見に十分とはいえない状況にある。健康診断で行なえるような検査レベルで、重要疾患が発見できることがより望まれている。
将来的に、このような簡易検査を実現できる可能性のあるものとして、バイオセンサが研究されている。バイオセンサといっても色々な種類・定義が世の中にはあるが、本明細書におけるバイオセンサの定義として、「ポータブルなチップにおいて、生体情報をもつ物質をそのチップ上に配置し、そのチップになんらかの検知処理を行なうことで、生体情報を判別するもの」、を指すことにする。
上記のような理想的なセンサはまだ実現されておらず研究段階である。実現に向けた基礎的な研究として、以下のような従来技術１から従来技術３がある。
（従来技術１： ラベル型のバイオセンサ）
現在使われている蛍光分析技術よりも簡便に、たんぱく質、DNA等の生体物質等の検体を認証することを目的として、磁性ビーズを用いたバイオセンサ等の検体を認証する検体認証素子が研究されている。チップ上での検査で簡便にたんぱく質を同定できれば、大型装置を用いなくても、簡便に生体物質の同定を、クリニックでできる可能性がある。この検体認証素子は、これまで蛍光物質をラベルとして用いてきた替わりに、磁性ビーズを用いたことが特徴で、磁界検知にすることで従来よりも高感度に検体認証を行うことが可能となる。このように磁性ビーズをラベルとして用いる従来のバイオセンサは、非特許文献１及び特許文献１で知られている。
（従来技術２： ラベルフリーのバイオ検体手法）
最先端の工学技術と医療とを融合させた医療判断技術として、特殊な波を生態物質に照射することで、ラベルを用いることなく、生態情報を得ようという試みが、非特許文献２及び特許文献２並びに特許文献３に提案されている。
(従来技術３： スピントルク効果を用いた発振素子）
室温で高周波発信できるデバイスとして、GHz帯で発信する、スピントルク効果を用いた発振素子（STO: Spin Torque Oscillator）が提案され、理論、実験による検討が多くなされている。非特許文献３は、その基本概念を示した最初の論文として広く知られている。その後、実際の実験検証が非特許文献４や、それらに続く多くのグループよってなされ、スピントルク効果を用いることで数GHzの周波数において発振可能であることが実験検証されている。
また、スピントルク発信素子のバリエーションとして、非文献文献５に挙げるような、ナノ電流パス部を多数有する構造にすることで、局所的な電流密度を向上させて、発信をおこしやすくスピントルク発信素子（Spin-Torque Oscillator: STO）が提案されている。
米国特許出願公開番号第２００８／０２５５００６号公報 特開２００６−１５３８５２号公報 特開２００７−１０３６６号公報 特開２００７−１２４３４０号公報
D. R. Baselt, USP-5,981,297 (Nov. 9, 1999), "Biosensor using magnetically-detected label" Appl. Phys. Lett. 80, 1, 154 (2002), "Integrated THz technology for label-free genetic diagnostics" J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996) S. I. Kiselev et al, Nature 425, 308 (2003) M. A. Hoefer et al, Phys. Rev. Lett. 95, 267206 (2005), "Theory of magnetodynamics induced by spin torque in perpendicularly magnetized thin films "
大型医療機関ではなく、町にある簡易クリニック、ひいては自宅での早期判断を可能とするためには、磁性ビーズのようなラベルを用いた検知方法は非常に複雑で、在宅での診断は極めて困難である。しかしながら、ラベルフリーでかつチップ上で簡易的に検体認証を行うことができるバイオセンサは存在しない。
一方、ラベルフリーの診断方法としてTHz波を用いたものがあるが、これはTHｚ波の発振に大型の装置が必要であり、前記磁性ビーズを用いたバイオセンサ以上に在宅での判断は困難である。つまり、自宅での診断を可能とするためには、ラベルフリーの検体認証方法が必要だが、ラベルフリー認証に適しているTHz波の発振をチップ上で行うことはできない。
また、従来技術としてチップ上で実現できるGHｚオーダーの発振素子は存在したが、THｚまでの実現は困難であるとされている。
そこで、この発明の目的は、基板上で動作するTHｚ波の発振を可能とする発振素子を実現し、この発振素子を用いて簡易的に検査を行うことを可能とするラベルフリー型の検体認証素子を実現することにある。
本発明の一態様によれば、
ＴＨｚ波を発生する発振部であって、前記ＴＨｚ波の発振周波数をある周波数帯域内で掃引させて発生する発振部と、
このＴＨｚ波が照射される導波路を定め、検体を収容するチャネルと、
前記検体を通過した或いは前記検体から反射されたＴＨｚ波を検出する検出部であって、検出ＴＨｚ波の検出周波数を前記周波数帯域で掃引して検出信号を発生する検出部と、
を具備することを特徴とする検体認証素子が提供される。
また、この検体認証素子において、前記発振部及び検出部の少なくとも一方は、第一の磁性層と、この第一の磁性層上の中間層と、この中間層上の第二の磁性層とからなる積層膜構造を有する素子で構成される。
本発明の他の態様によれば、
ＴＨｚ波を発生する発振部と、及び
このＴＨｚ波が照射される導波路を定め、検体を収容するチャネルと、
前記検体を通過した或いは前記検体から反射されたＴＨｚ波を検出する検出部と、
を具備する素子部と、
前記発振部を制御する発振制御部であって、前記ＴＨｚ波の発振周波数をある周波数帯域内で掃引させる発振制御部と、
前記検出部で前記ＴＨｚ波を検出させる検出駆動部であって、前記ＴＨｚ波の検出周波数を前記周波数帯域で掃引して検出信号を発生する検出駆動部と、
前記周波数帯域内における前記検出信号の波形で前記検体を特定する検体認証部と、
を具備することを特徴とする検体認証システムが提供される。
上記態様によれば、血液、たんぱく質、ウィルス、細菌、DNA、RNA、マイクロRNA、抗体等の生体物質をラベルフリーで検体認証を行うバイオセンサを実現することが可能となる。これらの生体物質は、生体の血液、唾液、尿、便、毛髪、皮脂などから得られる。
また、従来に比べ、高感度で検体認証を行うことが可能になり、さらに従来よりもずっと簡便に認証が行えるため、個人が自宅で行うことも可能となる。
バイオセンサに限らず、環境分析センサとして、水質、雰囲気、土壌に含まれる物質の分析を特殊な研究施設まで毎回持ち込むことなく、現場に近いところで、検体認証を行うことが可能となり、環境対策のフィードバックを迅速に行うことが可能となる。
また、三つめの分類として、これまで検疫所で行う薬、麻薬、覚せい剤等の薬物検査に関しても、薬物同定のために特定の検査分析施設まで持ち込む以前に、検疫所においてその場で簡易的に薬物同定が可能となり、有害な薬、麻薬、覚せい剤の社会への拡散防止に役立つことができる。
図１は、この発明の一実施の形態に係る検体を認証する検体認証素子を備えた検体認証システムを示すブロック図である。 図２は、図１に示された透過検出タイプの検体認証素子を概略的に示す斜視図である。 図３は、図２に示される受信部或いは発振部の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図４は、図３に示す素子構造において電流狭窄を説明する為の略図である。 図５は、図１に示される検体認証システムにおける発振部で発振される波の発振周波数ｆａ １〜ｆａ Ｎに対する受信部で検出されるある物質Ａに関する検出データであって、辞書データと比較されるべき検出データの一例を示すグラフである。 図６は、図１に示される検体認証システムにおける発振部で発振される波の発振周波数ｆａ １〜ｆａ Ｎに対する受信部で検出されるある物質Ｂに関する検出データであって、辞書データと比較されるべき検出データの一例を示すグラフである。 図７は、図１に示される検体認証システムにおける認証手順(シーケンス）を示すフローチャートである。 図８Ａは、図３に示す素子構造を概略的に示す斜視図である。 図８Ｂは、図３に示す素子構造の他の構造例を概略的に示す斜視図である。 図８Ｃは、図３に示す素子構造の他の構造例を概略的に示す斜視図である。 図８Ｄは、図３に示す素子構造の他の構造例を概略的に示す斜視図である。 図８Ｅは、図３に示す素子構造の他の構造例を概略的に示す斜視図である。 図９Ａは、図８Aに示す素子構造の変形例を概略的に示す斜視図である。 図９Ｂは、図８Bに示す素子構造の変形例を概略的に示す斜視図である。 図９Ｃは、図８Cに示す素子構造の変形例を概略的に示す斜視図である。 図９Ｄは、図８Dに示す素子構造の変形例を概略的に示す斜視図である。 図９Ｅは、図８Eに示す素子構造の変形例を概略的に示す斜視図である。 図１０Ａは、図８Aに示す素子構造の他の変形例を概略的に示す斜視図である。 図１０Ｂは、図８Bに示す素子構造の他の変形例を概略的に示す斜視図である。 図１０Ｃは、図８Cに示す素子構造の他の変形例を概略的に示す斜視図である。 図１０Ｄは、図８Dに示す素子構造の他の変形例を概略的に示す斜視図である。 図１０Ｅは、図８Eに示す素子構造の他の変形例を概略的に示す斜視図である。 図１１は、図１に示された反射検出タイプの検体認証素子を概略的に示す斜視図である。 図１２は、図１に示された検体認証素子がアレイ状に配置された検体認証素子アレイを概略的に示す斜視図である。 図１３は、磁界印加機構を備えた図３に示される受信部或いは発振部の構造の変形例を概略的に示す斜視図である。 図１４は、図３に示される受信部或いは発振部の他の構造例を概略的に示す斜視図である。 図１５は、図３に示される受信部或いは発振部の更に他の構造例を概略的に示す斜視図である。 図１６Ａは、図３に示される受信部或いは発振部の他の実施の形態に係る単層構造を概略的に示す平面図である。 図１６Bは、図３に示される受信部或いは発振部の更に他の実施の形態に係る単層構造を概略的に示す平面図である。 図１６Ｃは、図１６Bに示される受信部或いは発振部の変形実施例に係る単層構造を概略的に示す平面図である。 図１７Ａは、磁界印加機構を備えた図３に示される受信部或いは発振部の他の実施の形態に係る構造を概略的に示す平面図である。 図１７Bは、磁界印加機構を備えた図３に示される受信部或いは発振部の更に他の実施の形態に係る構造を概略的に示す平面図である。 図１８は、図２に示される検体認証素子の他の実施の形態に係る構造を概略的に示す斜視図である。 図１９は、図１８に示される検体認証素子を多数配列したチップ構造を概略的に示す斜視図である。 図２０Ａは、この発明の更に他の実施の形態に係る積層構造に磁界を印加する磁石装置を備えた受信部及び発振部を基板上に配置した検体認証素子を概略的に示す斜視図である。 図２０Bは、図２０Ａに示されるよう検体認証素子における平面配置を概略的に示す平面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る検体を認証する検体認証素子及び検体認証システムを詳細に説明する。
以下の実施の形態の説明においては、検体認証素子は、すべてバイオセンサへの応用に着目してその機能とともに説明する。しかし、検体認証素子で認証対象とされる検体１２は、生体物質に限らず、環境物質或いは薬物にも同様に適用可能であり、バイオセンサに限らず、環境分析センサ及び薬物検査センサにあっても同様に適用することが可能であることは明らかである点を明記しておく。
図１は、この発明の一実施の形態に係る検体１２を認証する検体認証素子２を備えた検体認証システムの全体構成を示している。また、図２は、図１に示された検体認証素子の配置構造を示し、図３は、図２に示される受信部或いは発振部の構造を概略的に示す分解斜視図である。
図２に示されるように検体認証素子２は、非磁性材料で作られた基板６を備え、この基板６上に互いにチャネル８を介して発振部４−１及び受信部４−２が互いに対向して配置されている。ここで、チャネル８は、発振部４−１からのＴＨｚ波が向けられる導波路でもあり、この導波路を通過したＴＨｚ波が受信部に向けられている。発振部４−１及び受信部４−２は、チャネル８を定める非磁性材料で作られた枠体１０に近接して形成され、その間のチャネル８が数１０μｍ〜数ｃｍ程度の範囲で認証すべき検体１２に応じて選定されたギャップ長を有するように基板６上に形成されている。発振部４−１及び受信部４−２が対向する面には、非磁性材で作られた保護膜(図示せず）が設けられることが好ましい。保護膜を設けるに代えて、チャネル自体が外部から閉塞された空間或いは流通路に規定されるようにチューブ（図示せず）で作られ、このチューブ内のチャネル８に検体１２が浮遊或いは保持配置されても良い。図２に示されるように検体認証素子２は、好ましくは、半導体の製造工程と同様に同一基板６上に集積回路化されて製造される。
検体認証素子２は、図１に破線で示される部分がチップ化されて電気的に接続可能に且つ機械的に脱着可能に検体認証システムに設けられることが好ましい。また、チップ化された検体認証素子２は、検体が外部に漏れ出ることを防止した密閉される構造を有し、使い捨て可能に製造されることがより好ましい。
チャネル８には、固有振動数で共振する検体１２としての分子が流通或いは保持されている。この検体１２としては、既に述べたよう、たんぱく質、ウィルス、細菌、DNA、RNA、マイクロRNA、抗体等の生体物質を組成する生体分子が該当する。また、検体１２としては、水質、雰囲気、土壌に含まれる物質等の有機分子或いは無機分子が想定することができる。更に、検体１２としては、検疫所で行う薬、麻薬、覚せい剤等の薬物の分子をも想定することができる。
尚、検体１２自体は、溶液中に混入されて浮遊されても良いが、水溶液に検体１２が混入しないようにした方が、測定精度が上がるため好ましい。これは、水溶液の水分子はテラヘルツ波が透過しづらいため、受信部４−２における検体１２に関する信号検出精度が低下する為である。この観点から発振部４−１及び受信部４−２の間の空間領域には、水分が含まれないように外部環境から遮断されることが好ましい。
発振部４−１は、チャネル８内の検体１２の分子に向けてテラヘルツ（THｚ）波を発生し、検体１２の分子の固有振動数に対応するテラヘルツ（THｚ）波が検体１２に照射されると、この波が検体を透過することで変調された波が受信部４−２で検出される。この明細書では、テラヘルツ（ＴＨｚ）波は、０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚの周波数を有する波を意味するものとする。また、発振部４−１は、図１に示す可変電源１４―１で掃引されてテラヘルツ（THｚ）周波数帯域内で時間とともにTHｚ周波数が掃引される波を発生する。また、受信部４−２も同様に図１に示す可変電源１４―１で掃引されてテラヘルツ（THｚ）帯の周波数帯域内で同調する周波数が掃引されるように動作される。
発振部４−１及び受信部４−２は、夫々、図３に示すよう下部電極２６及び上部電極２８間に積層構造２７を備えている。この積層構造２７は、磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層(ピン層）としての磁化層２０、この磁化層２０上に積層された中間層２２及びこの中間層（スペーサ層）２２上に積層された磁性層２４から構成されている。磁化層２０及び中間層２２間に、第１の金属層(図示せず）が介挿され、また、磁性層２４及び中間層２２間に、第２の金属層(図示せず）が介挿されても良い。中間層２２は、絶縁層２２Iの厚み方向に沿って絶縁層を貫通する電流パス２２Pが設けられている。この電流パス（金属パス）２２Pは、ナノメートルオーダの径を有する金属で作られている。より具体的には、この電流パス（金属パス）２２Pは、ナノメートルオーダの径を有するFe、Co、Niなどの磁性材料、或いは、Cu、Au、Ag、Alなどの非磁性材料で作られている。磁化層２０は、図示しない下地層及びピニング層を介して下部電極２６に載置固定される場合もある。ここで、磁化層２０は、ピニング層に積層される下部ピン層、Ru層及び中間層２２に接触される上部ピン層の積層構造に形成されている。また、磁性層２４は、キャップ層(図示せず）を介して上部電極２８に積層されている。この磁性層２４は、発振部４−１であれば、磁性発振層と称せられるようにTHｚ帯の周波数を有する波を発振出力する。即ち、下部電極２６及び上部電極２８との間で磁化層２０、中間層２２及び磁性層２４を含む積層膜の膜面に垂直に電流が流されると、電流は、中間層２２の電流パス２２Pで狭窄された状態で、もう一方の磁性層に電子が注入される。すると、狭窄された大きな電流密度状態でのスピントランスファートルクにより、磁性発信層としての磁性層２４でスピン波励起（磁化の歳差運動）が生じ、THｚ帯の周波数を有する波が発振出力される。ここで、波の発信周波数は、下部電極２６及び上部電極２８との間に供給する直流電流（DC電流）の値で定まり、このDC電流を減少或いは増加させることによって発振部４−１から出力される波の発振周波数をTHｚ帯の周波数域で変化させることができる。電流を増加させることで、発振周波数が大きくなる。ここで、図１において、可変電源１４−１及びこの可変電源１４−１を制御する電源制御部３２は、発振部４−１を電流制御する発振制御を構成し、発振部４−１に対してＴＨｚ波の発振周波数をある周波数帯域内で掃引させるように発振させている。
発振部４−１は、電流パスをナノオーダーで絞り込んでいることから、CCP−CPP発振素子（Current-Confined-Path Current-Perpendicular-to-Plane (CPP) Oscillator）と称す。
尚、このCCP−CPP発振素子の詳細に関しては、以下の特許文献４を参照されたい。ここで、特許文献４は、この出願の明細書の一部をなすものとして、その記述内容を取り込むことができるものとする。
本発明者らは、ＣＣＰ−ＣＰＰ発振素子において、THz波での発振が生じることに当初気づかなかったが、以下のような原理的な理由から、THz波の発振を生じさせることが可能となるとの結論に至っている。即ち、ＣＣＰ−ＣＰＰ発振素子でTHｚ帯の周波数を有する波を発生することができ、DC電流を減少或いは増加させることによって発振部４−１から出力される波の発振周波数をTHｚ帯の周波数内で変化させることができることの着想に至っている。
この着想の理由を以下に説明する。
ＣＣＰ−ＣＰＰ発振素子では、電流が中間層２２の電流パスで絞られ、局所的な電流密度は非常に高い値となる。高い電流密度は、効率的に発振を生じさせることが可能となる。この局所的な電流集中の様子を図４に概念的に示している。
発振素子４−１又は受信素子４−２の素子構造においては、磁性多層膜に膜面に垂直に通電する為に上部電極２８及び下部電極２６が設けられているが、図４には、図面を簡略化する為にこれら上部電極２８及び下部電極２６を除去した素子構造及びこの素子構造における電流分布が示されている。図４においては、電流分布は、破線並びに斜線で示されている。図４に示されるように、上部電極２８及び下部電極２６の一方から磁性多層膜に膜面に垂直に供給された電流は、THz波を発生させるために中間層２２のナノ電流パス２２Ｐで狭窄されて他方の電極に向けて流出される。ここで、複数のナノ電流パス２２Ｐが設けられることによって、従来よりも高周波数領域の発振周波数でスピントルクによる高周波発振を効率的に生じさせることができる。
また、図４では、二つの磁性層の間のスペーサ層にＣＣＰを用いた場合の例を示しているが、ＣＣＰが第一の磁性層や第二の磁性層の中に挿入された場合にあっても本質的には同様である。従って、後に説明するように、図８〜図１０に示す他の実施例に係る構造にあっても同様な効果を実現することができることを意味している。
この局所的な巨大電流集中の効果については、特許文献４に記載されると同様の物理効果に起因している。本発明者らは、この現象に起因して、特許文献４に記載していない想定外の別の現象が生じる可能性があることにこの発明をするに当たって気がつくに至っている。具体的には、このような巨大電流密度を有する効率的な発振箇所がＣＣＰ−ＣＰＰのように近接して多数設けられている構造では、夫々のＣＣＰで発振する波が近接したＣＣＰ間で干渉し、この干渉で特殊なスピン波モードが誘起され、その特殊なスピン波によって発振周波数が上昇されることとなる。これは、非特許文献５で記載しているような、単純にナノ電流パスのサイズを小さくしていくことで発振周波数を上げようとする試みとは全く異なる別の効果であるため、複数のＣＣＰ近傍のスピン波の干渉効果として、１ＴＨｚ以上の発振周波数が実現できる可能性がある。もちろん、発振周波数はＣＣＰのサイズによって変化することが想定されるが、たとえＣＣＰのサイズが同じであったとしても、本概念によれば、各ＣＣＰ間の距離設計によって発振周波数が変化することを意味する。つまり、スピン波の干渉効果によって発振周波数があがる可能性がある。ＣＣＰのサイズ及び各ＣＣＰ間の距離に依存する発振周波数の値は、複雑な関係となるため詳細については、数値計算を必要とする。いずれにしても、ＣＣＰ−ＣＰＰ発振素子では、複数のナノ電流パスの相互作用によって発振周波数が変化することは、重要なポイントとなる。
また、CCP-CPP素子はさらなる別の効果として、ナノ電流パスの個数が増え、磁性層の発振領域も増えるため、発振出力の増大が見込めるという効果も期待できる。この効果については、特許文献４に記載したものと同様の効果である。一般的に通常のＳＴＯにおいては、発振出力が小さいという問題があるため、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子において発振出力が増大するということは実用上大きなメリットのある効果の一つである。
巨大な電流密度を起こすために、ＣＣＰ構造を用いないで非特許文献４のようなCuスペーサ層や、その他多くの報告がなされているMgOトンネルバリア層をスペーサ層とする構造において素子全体に巨大電流密度を流すと、素子全体が加熱し、元素拡散や素子が溶けてしまう問題がある。また、発振箇所は膜全体となってしまうため、発振箇所どうしの相互作用も生じないため、本発明のＣＣＰ−ＣＰＰ素子のような特殊なスピン波は生じず、発振周波数をTHzオーダーの帯域までにするようなことは到底実現できるものではない。ところが、ＣＣＰ−ＣＰＰ発振素子では、巨大電流密度は局所的なものであるため、ＣＣＰの周囲では放熱し、元素拡散が生じることもなければ、素子が溶けてしまうという問題も生じない。
また、非特許文献５のような、１つのナノ電流パスだけしか形成されない構造においては、ＣＣＰ間のスピン波モードは形成されず、一つのホールに起因した発振現象のみが生ずるにすぎない。このような構造にあっては、０．２THｚ以上のTHz波は発振されず、発振周波数の上限も極めて限られたものとなり、かつ発振出力も小さい。
図３に示した構造を一例として参照して、具体的な材料、膜厚などの例を以下に挙げる。第１磁性層２０、第２磁性層２４については、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどを含む磁性層で構成され、膜厚は１ｎｍ〜３０ｎｍ程度の範囲が考えられる。また、スペーサ層２２については、絶縁層２２Ｉは、Ａｌ、Ｚｒ，Ｍｇ，Ｈｆ、Ｓｉ，Ｔａ、Ｔｉ，Ｃｒ、Ｗ，Ｍｏ，Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの酸化物、窒化物などで作ることができる。また、ナノ電流パス２２Ｐの材料としては、電流を流すことのできる金属材料が考えられる。具体的には、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの従来のＭＲ効果を生じさせることできる材料や、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの磁性元素材料が挙げられる。前述のような金属材料が好ましいが、場合によってはＰｔ，Ｐｄ、Ｒｕ，Ｉｒなどの貴金属層材料なども考えられる。また、スペーサ層２２の膜厚としては、１nm〜５nm程度に定められると考えられる。
尚、上述したようにTHz光発振素子で構成される発振部４−１及び受信素子で構成される受信部４−２を同一チップ上に配置して検体認証素子を実現している。上述した以外の本発明のさらなる特長として、発振素子の構造とほぼ同様のＣＣＰ−ＣＰＰ素子を受信素子として用いて、具体的な受信手段を解決したことがある。特殊なＴＨｚ波特有の検知システムを用いなくても、発振素子と同様の構成を用いて、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子でＴＨｚ波の検知を可能としている。
受信部４−２が図３に示すような積層構造を有している場合には、発振部４−１から検体を介して到達したＴＨｚ波が受信素子４−２の積層構造体内に導かれる。また、受信部４−２には、発振部４−１に供給される電流に同期して受信部４−２の下部電極２６及び上部電極２８との間に電流が供給されて下部電極２６及び上部電極２８との間に生起される内部抵抗から電圧が測定される。ここで、検体１２の分子の固有振動数に対応するテラヘルツ（THｚ）波が検体１２に照射されると、この波が検体を透過することで変調された波が受信部４−２に導入されるとその内の内部抵抗を変化させることとなる。この抵抗変化と共振周波数との関係から検体１２の物質が特定される。
上述の原理をもう少し具体的に以下に説明する。初めに、発振素子４−１をTHz波で連続発振させるために、発振素子４−１には、ある固定電流値を有する電流が発振素子４−１に通電される。後述するように、通電する電流値に応じて発振周波数が変化される。このように電流値に応じて発振周波数が変化する特性は、磁性多層膜を用いた発振素子の共通の特徴だが、０．１ＴＨｚ以上のＴＨｚ領域でも実現できることが本発明の特徴である。発振素子４−１では、電流供給に応じてその電流値において発振され、ある振幅（A=Aa 1）及びある周波数（f=fa 1）を有する波が発振出力される。このTHz波が検体１２に照射され、その透過波若しくは反射波が受信素子４−２で検知される。図２に示す発振素子４−１及び受信素子４−２の配置では、透過波が受信素子４−２で検知される。検体１２に波が照射されると、この検体１２の固有振動周波数の影響を受けて、発振素子４−１から発せられたTHz波は、振幅及び周波数がともに変化する場合がある。検体を通過後の振幅、および周波数を（A=A0 1、f=f0 1）とする。
このようにTHz波が検体１２を透過して振幅及び周波数（A=A0 1、f=f0 1）がともに変化される状態を受信素子４−２で検知するために、受信素子４−２においては、受信素子４−２に供給される電流の通電値が掃引されて連続的或いは階段的に変化される。受信素子４−２への電流値が変更されることによって、受信素子４−２における発振周波数がf=f0 1の周波数近傍の周波数となったときに、検体１２から到達するTHz波で受信素子４−２の発振状態が最も干渉を受けることになり、受信素子４−２の特性が変化を受ける。また、この変化の程度は、検体１２を透過したTHz波の振幅によって影響の程度が変化される。従って、受信素子４−２では、振幅A=A0 1での影響も受けるため、振幅A0 1の情報も検知されることになる。一方、受信素子４−２の発振周波数を変化させても、発振周波数が周波数f=f01と全くかけ離れた周波数であれば、受信素子４−２の発振状況は、何も影響を受けず、検体１２からの透過波が受信素子４−２に入射されていない状態と全く同一となる。受信素子４−２の発振が影響を受けたときには、受信素子４−２の発振している磁性層の磁化方向が変化する。これは、発振とは、磁性層の磁化角度による変化によるものだからである。つまり、受信素子では、磁化固着層と発振している発振層の相対的な磁化角度にが変化することによって受信素子４−２の内部抵抗が異なってくる。なぜなら、磁性層１と磁性層２の相対角度によって、この素子の抵抗の値が変わるためである。発振層は図３でいうと、第１磁性層２０、第２磁性層２４のいずれの場合もあるが、第１磁性層２０が磁化固着層だとすると、第２磁性層２４が発振層ということになる。発振層の磁化方向が検体からのテラヘルツ波によって変化した場合、受信素子４−２の抵抗変化、または電圧変化として読み取ることができる。これは、GMR効果或いはTMR効果等の磁気抵抗効果を用いることで抵抗変化を検知することと同じある。この抵抗変化はセンス電流を通電しているため、電圧変化として読み取ることが可能となる。
図１において、可変電源１４−２及びこの可変電源１４−２を制御する電源制御部３２は、受信部４−２でＴＨｚ波を検出する為の受信部４−２を駆動する検出駆動部を構成している。この検出駆動部が受信部４−２を駆動してＴＨｚ波の検出周波数を周波数帯域で掃引して、検出信号を発生させるように受信部４−２を発振させることができる。
上述した検出において、発振素子４−１の通電値が連続的に変えられることによって、発振素子４−１の発振周波数の変化に基づく、検体１２の透過特性の変化を測定することが可能となる。つまり、４−１の発振部４−１の発振周波数を固定した状態で、受信部４−２の周波数をスキャンすることで、検体の情報を検知する。このデータは、予め測定されて用意され、検体１２毎の周波数特性が辞書データとして検査システムの不揮発性メモリ３８に保持されている。物質A及びB毎の検体１２から得られた図５及び図６に示すようなデータは、この辞書データに照合されて、検体１２が認証されることとなる。即ち、周波数に依存した透過特性の変化で、検体１２の特定が可能となり、検体１２を認証することが可能となる。
図５及び図６は、夫々物質A及び物質Bを検査対象とした際の受信素子４−２で検出されるデータを示している。ここで、物質Ａと物質Ｂで検出データが異なるため、これらのデータを辞書データと照合することで、物質Ａと物質Ｂとを認証することが可能となる。この図５及び図６に示されるデータの各グラフは、発振部４−１で可変される周波数ｆa １〜ｆａ Ｎの数だけ受信素子４−２で用意される。即ち、ある周波数ｆa １のＴＨｚ波が発振部４−１から出力され、その周波数ｆa １のＴＨｚ波が被検体１２に照射されている間に受信素子４−２に流れる電流が掃引されて受信素子４−２の抵抗値或いは電圧値の変化が検出される。同様に、ある周波数ｆａ ＮのＴＨｚ波が発振部４−１から出力され、その周波数ｆａ ＮのＴＨｚ波が被検体１２に照射されている間に受信素子４−２に流れる電流が掃引されて受信素子４−２の抵抗値或いは電圧値の変化が検出される。
従って、図５及び図６には、周波数ｆa １〜ｆａ ＮのＮ個に関する受信素子４−２に流れる電流（横軸）に対する受信素子４−２の抵抗値或いは電圧値の変化（縦軸）のグラフが示されている。この図５及び図６のデータについては、後に説明するより具体的な検体認証動作で参照され、より理解が深められる。
図１に示すように、検体認証システムは、上述したように発振部４−１及び受信部４−２を動作させるために、発振部４−１及び受信部４−２が夫々可変電源１４−１，１４−２に接続されている。この可変電源１４−１，１４−２は、電源制御回路３２からの制御信号に従って発振部４−１及び受信部４−２に供給される電力が同期して制御される電源制御回路３２の発信制御部からの発振制御信号が可変電源１４−１に与えられ、可変電源１４−１が発振部４−１から発振されるＴＨｚ波の発信周波数をある帯域内で掃引させて発生させるように発振部４−１を作動する。また、電源制御回路３２の検出制御部からの検出制御信号が可変電源１４−２に与えられ、可変電源１４−２が検出部４−２で検出されるＴＨｚ波の発信周波数を当該帯域内で掃引させて検出信号を発生させるように検出部４−２を作動させる。
このような演算制御部（CPU)４０の制御下である電源制御回路３２からの制御信号に従って、ある電圧が発振部４−１の下部電極２６及び上部電極２８との間に印加されて発振部４−１内に電流が注入される。この電流注入に伴い、この発振部４−１は、あるTHｚの発振周波数を有する波を出力する。演算制御部（CPU)４０の制御下で、この発振部４−１に流れる電流は、インタフェース３４で検出電流信号に変換されてメモリ３６に一時的に記憶される。演算制御部（CPU)４０において、この検出電流信号は、不揮発性メモリ３８の辞書データに参照されて検出電流に対応した発信周波数に変換されてメモリ３６に格納される。
発振部４−１に印加される電圧は、階段状に上昇或いは降下されるように変化され、この電圧変化に伴い発振部４−１から出力される波の周波数が変化される。発振部４−１を流れる電流を検出する検出信号も階段状に変化されてこの変化に従ってメモリ３６に格納される発信周波数の値も変化され、この発振周波数の値が受信部４−２から抵抗検出信号に関連付けられてメモリ３６に記憶される。
受信部４−２においても、演算制御部（CPU)４０の制御下にある電源制御回路３２からの制御信号に従って、ある電流が発振部４−１の下部電極２６から上部電極２８向けて供給されて発振部４−１が動作状態に維持される。この状態で、発振部４−１からあるTHｚの発振周波数を有する波が受信部４−２に導入されると、演算制御部（CPU)４０の制御下で、その受信部４−２の電圧がインタフェース３４で検出電圧信号に変換されてメモリ３６に一時的に記憶される。検出電圧信号は、演算制御部（CPU)４０において受信部４−２の内部抵抗に変換されてメモリ３６に格納されても良い。発振部４−１に印加される電流または電圧の変化に同期して発振部４−１内に供給される電流も階段状に上昇或いは降下されるように変化される。この発振素子に供給される電流、または電圧の値が、物理的にはTHｚの発振周波数に関連付けられているものであるため、検体の周波数スペクトルを取得する基本パラメータとしてメモリ３６に格納される。
既に述べたように、検体１２の分子の固有振動数に対応するテラヘルツ（THｚ）波が検体１２に照射されると、この波が変調されて変調された波が受信部４−２に導入されるとその内の内部抵抗或いは検出電圧信号が変化されることとなる。この内部抵抗或いは検出電圧信号の変化もTHｚの発振周波数に関連付けられてメモリ３６に格納される。
メモリ３６には、発振部４−１から発振される発振周波数と内部抵抗或いは検出電圧信号の変化が記憶される。この記憶された発振周波数と内部抵抗或いは検出電圧信号の変化は、検体１２に特有な変化を示す。従って、予め不揮発性メモリ３８の辞書データに物質毎の発振周波数と、その発振周波数ごとの受信素子の内部抵抗或いは検出電圧信号の受信素子に通電する電流に対する変化、例えば、図５及び図６に示すような取得データは、物質Ａと物質Ｂとでは異なるため、これらのデータを辞書データと照合することによって、検体１２がいずれの物質であるかを識別することができる。
上述したメモリ３６、不揮発性メモリ３８及び演算制御部（CPU)４０は、周波数帯域内における検出信号の波形で検体を特定する検体認証部を構成している。
上述したように、検体１２を一意に認証するためには、検体１２の透過もしくは反射の周波数スペクトルデータを予め取得して辞書データとして不揮発性メモリ３８に格納されることが必要とされる。そして、検出された周波数スペクトルデータとあらかじめ有しているデータベースの辞書データと照合がされて検体１２が認証される。即ち、検出された周波数スペクトルデータが辞書データに照合されることで、検体１２が何であるかを判別することが可能となる。つまり、THz光を用いて、分子レベルでの固有振動周波数がこの周波数領域であることを用いて、検体１２の指紋スペクトル認証を行い、検体１２を認証している。
尚、磁性多層膜を用いた発振素子４−１および受信素子４−２を用いることによって、検体１２が配置される同一基板６上に発振素子４−１と受信素子４−２を配置することが可能となる、飛躍的に安価にTHz波による検体認証を行うことが可能となる。発振部、受信部、検体をすべて同一基板上において配置し、コンパクトで安価なバイオセンサを実現することが可能になる。
尚、図５及び図６を参照して受信素子４−２の電流を変化させて受信素子４−２の周波数を変化させているが、簡便なシステムでは、受信素子４−２に供給される電流が一定で周波数が固定されていても良い。このようなシステムでは、発振素子４−１からの掃引周波数に対する受信素子４−２で設定された周波数での測定が可能となる。このようなシステムは、特定の物質の検出に利用される。つまり、これまでの実施例では一般的な形態として記載したため、発振素子４−１のひとつ周波数に対して、受信素子４−２の周波数をスキャンして変化させていたが、場合によっては受信素子４−２の周波数のスキャンをなくす実施例も場合によっては可能である。
図１に示される検体認証システムにおける認証手順(シーケンス）を図７に示すフローを参照して説明する。
認証手順が開始されると、初めに、検査検体１２が図２に示すセンサチップ上のチャネル８内に配置される。（ステップＳ１０）ここで、検体１２は、血液、唾液、汗のような液体、それらを人体から採取後、成分分離措置した液体の場合もある。液体の場合には、検査検体１２がチップ上の配置された後、そのまま発振信号が照射される領域のチャネルに保持されても良く、また、検査検体１２がチップ上の配置された後、移動機構によって液体としてチップ上を移動され、発振信号が照射されるチャネル上の領域に移動されても良い。また、検体は、液体だけでなく、固体であっても良い。検体が固体である場合には、当然に発振信号が照射される領域に検査検体１２が配置される。
次に、ある一つの発振条件が設定され、発振素子４−１からの波が検査検体１２に照射される。（ステップＳ１２）発振された波は、直接的に検体１２に照射されても良く、或いは、発振された波が素子内で反射されて間接的に検体１２に照射されても良い。直接照射及び間接照射のいずれの場合にあっても、発振波が検査検体１２に照射されるように発振素子４−１及び受信素子４−２の配置が調整されることが必要とされる。
検査検体１２に発振波が照射されている状態において、受信素子４−２の内部抵抗、若しくは、電圧値及び電流値等が測定され、メモリ３６に保存される。
このとき、検体を透過、もしくは反射された波の情報も最も効率的に検知するため、受信素子の電流値を変化させて、受信素子の発振条件を変化させてデータを取得する。（ステップＳ１４）
発振素子４−１の発振条件を変更させて、発振素子４−１を発振させる。（ステップＳ１６）既に検査検体１２は、チップ上に配置されているので、発振条件が異なる信号が、検査検体１２に照射されることになる。具体的に変える条件は、発振素子４−１の電流値或いは発振素子４−１に印加される印加磁界の大きさ等が変えられる。
ステップＳ１６の状態において、受信素子４−２の抵抗、若しくは、電圧、電流値等が測定され、測定データがステップＳ１４と同様にメモリ３６に保存される。このとき、ステップＳ１４と同様に、受信素子の電流値を変化させて、受信素子の発振条件を変化させてデータを取得する。（ステップＳ１８）
ステップＳ１８に続くステップＳ１９においては、このステップＳ１６及びステップＳ１８が必要な回数だけ繰り返されて必要回数のデータが取得される。ステップＳ１６及びステップＳ１８が繰り返されることで、発振素子４−１の発振周波数に対する受信特性が測定される。即ち、周波数スペクトルデータが取得される。
ステップＳ１６及びステップＳ１８の測定が必要回数だけ繰り返されると、ステップＳ２０に移行される。ステップＳ１６及びステップＳ１８の測定で得られたデータは、発振条件を変えた際の受信素子４−１に対するデータ依存性という形のスペクトルデータとして整理される。物理的には、発振素子４−１の条件依存性とは、発振素子４−１の周波数依存性であるが、実際に実験上変えているパラメータとしては、通常は発振素子４−１の電流値依存性に相当している。しかしながら、発振素子４−１に印加する磁界を変えている場合には、外部磁界依存性という場合もある。また、受信素子４−１の特性としては、通常、抵抗値、つまりはあるセンス電流値での電圧測定値というデータとして取得される。
次に、ステップＳ２０で整理したデータと、既に装置側で保有している辞書データとが照合される。（ステップＳ２１）この照合によって、物質は、物質特有の指紋スペクトルデータを有することから、物質の一意の認証が可能となる。
図２に示される認証素子と略同様な実験システムを利用して実験によって図５及び図６に示されると同様のデータが予め獲得され、図１に示される不揮発性メモリ３８に格納されている。この辞書データと測定されたデータとの照合を行うことによって、検体の認証が可能となる。
上述した種々の実施の形態で説明した発振素子４−１及び受信素子４−２の詳細について、下記に補足し、その種々の実施例について説明する。
これら発振素子４−１及び受信素子４−２としては、既に説明されるように、ＣＣＰ−ＣＰＰ構造を有するスピントルク発振素子が用いられる。
発振素子と受信素子は、基本的には同じ周波数領域で見ることになるので、ほぼ同一の構成が良いと考えられる。発振素子から検体１２に照射され、検体１２を透過することによって周波数のシフトが生じるので、受信素子で検知する周波数は、必ずしも発振素子の周波数と一致するものではないが、検体１２を通過することに伴う周波数シフトはそれほど大きいものではないと考えられるため、発振素子４−１と受信素子４−２の構造はほぼ同様の構成で用いることができる。
発振素子４−１又は受信素子４−２の素子構造は、図３に示す構造に限らず、図８Ａ〜図８Ｅに示される種々の配置構造が採用されても良い。
図８Ａ示され実施例に係る積層構造では、図３に示す構造と同様に磁化層２０に相当する第１の磁性層Ｆ１及び磁性層２４に相当する第２の磁性層Ｆ２間に中間層２２に相当するスペーサ層Ｓが設けられ、スペーサ層Ｓに電流パス２２Pに相当するナノ電流狭窄部が設けられてスペーサ層Ｓがナノ電流パス層Ｘの機能をも有している。第１及び第２の磁性層Ｆ１、Ｆ２は、無通電時においては、図８Ａに示されるように矢印で示される方向に磁化方向が向いている。また、スペーサ層（Ｓ）の電流パス２２Pで絞り込まれた電流は、第１の磁性層（F1）と第２の磁性層（F2）で高い電流密度となる。
図８Ｂに示される実施例に係る構造では、ナノ電流狭窄部２２Ｐを有するナノ電流パス層Ｘが第２の磁性層Ｆ２上に設けられ、また、第１及び第２の磁性層Ｆ１、Ｆ２間にスペーサ層Ｓが設けられている。第１及び第２の磁性層Ｆ１、Ｆ２は、無通電時においては、図８Ｂに示されるように矢印で示される方向に磁化方向が向いている。図８Ｂに示される構造では、スペーサ層Ｓ及びナノ電流パス層Ｘが分離されて設けられている。図８Ｂに示される構造では、ナノ電流パス層Ｘで電流が絞り込まれ、第２の磁性層（F2）でナノオーダーに電流が絞込まれる。
図８Ｃに示される実施例に係る構造では、ナノ電流狭窄部２２Ｐを有するナノ電流パス層Ｘが第１の磁性層Ｆ１の下に設けられ、また、第１及び第２の磁性層Ｆ１、Ｆ２間にスペーサ層Ｓが設けられている。第１及び第２の磁性層Ｆ１、Ｆ２は、無通電時においては、図８Ｃに示されるように矢印で示される方向に磁化方向が向いている。図８Ｃに示される構造では、図８（ｂ）と同様に、スペーサ層Ｓ及びナノ電流パス層Ｘが分離されて設けられている。図８Ｃに示される構造では、ナノ電流パス層Ｘで電流が絞り込まれ、第１の磁性層（F1）でナノオーダーに電流が絞込まれる。
図８Ｄに示される実施例に係る構造では、第１の磁性層Ｆ１が二つの磁性層Ｆ１−１及びＦ１−２に分離され、この二つの磁性層Ｆ１−１及びＦ１−２間にナノ電流狭窄層Ｘが配置されている。また、第１及び第２の磁性層Ｆ１―２、Ｆ２間にスペーサ層Ｓが設けられている。第１及び第２の磁性層Ｆ１―１、Ｆ１−２、Ｆ２は、無通電時においては、図８Ｄに示されるように矢印で示される方向に磁化方向が向いている。図８Ｄに示される構造では、図８Ｂ及び図８Ｃと同様に、スペーサ層Ｓ及びナノ電流パス層Ｘが分離されて設けられている。図８Ｄに示される構造では、ナノ電流パス層Ｘで電流が絞り込まれ、第１の磁性層（F1-1、F1-2）でナノオーダーに電流が絞込まれる。
図８Ｅに示される実施例に構造では、第２の磁性層Ｆ２が二つの磁性層Ｆ２−１及びＦ２−２に分離され、この二つの磁性層Ｆ２−１及びＦ２−２間にナノ電流狭窄層Ｘが配置されている。また、第１及び第２の磁性層Ｆ１、Ｆ２―１間にスペーサ層Ｓが設けられている。第１及び第２の磁性層Ｆ１、Ｆ２−１、Ｆ２―２は、無通電時においては、図８Ｅに示されるように矢印で示される方向に磁化方向が向いている。図８Ｅに示される構造では、図８Ｂ、図８Ｃ及び図８Ｄと同様に、スペーサ層Ｓ及びナノ電流パス層Ｘが分離されて設けられている。図８Ｅに示される構造では、ナノ電流パス層Ｘで電流が絞り込まれ、第１の磁性層（F２-1、F２-2）でナノオーダーに電流が絞込まれる。
上述した図８Ａ〜図８Ｅに示された構造においても、上部電極２８及び下部電極２６の一方から磁性多層膜に膜面に垂直に供給された電流は、THz波を発生させるために複数のナノ電流パス層Ｘのナノ電流パス２２Ｐで狭窄されて他方の電極に向けて流出される。従って、スピントルクによる高周波発振を効率的に生じさせることができる。
上述した図８Ａ〜図８Ｅに示された実施例に係る構造においては、第１及び第２の磁性層Ｆ１，Ｆ１―１、Ｆ１−２、Ｆ２，Ｆ２―１及びＦ２―１における磁化の方向が膜面に平行な方向に生じている。しかし、図９Ａ〜図９Ｅに示されるように第２の磁性層Ｆ２、Ｆ２―１及びＦ２―１においては、図８Ａ〜図８Ｅに示された構造と同様に、磁界の方向が膜面に平行な方向に生じるように磁化されているに対して、第１の磁性層Ｆ１，Ｆ１―１、Ｆ１−２における磁界の方向が膜面に垂直な方向に生じるように磁化されても良い。また、図１０Ａ〜図１０Ｅに示されるように第１及び第２の磁性層Ｆ１，Ｆ１―１、Ｆ１−２、Ｆ２，Ｆ２―１及びＦ２―１では、磁界の方向が膜面に垂直な方向に生じるように磁化されても良い。図９Ａ〜図９Ｅ及び図１０Ａ〜図１０Ｅに示される構造は、磁界の方向が異なるのみで図８Ａ〜図８Ｅに示される構造と同一であるので、同一箇所には同一符号を付してその説明を省略する。
図３、図８Ａ〜図８Ｅ、図９Ａ〜図９Ｅ及び図１０Ａ〜図１０Ｅに示された構造では、単一の中間層２２或いは単一のナノ電流パス層Ｘが設けられているが、複数のナノ電流パス層Ｘが設けられ、各ナノ電流パス層Ｘにナノ電流パス２２Ｐが設けられ、複数個所で電流が狭窄されても良い。
図１１に示すように検体認証素子２は、既に説明したように検体１２を透過した波の替わりに、検体１２で反射された波が検出される構成としても良い。この図１１に示す素子２では、発振部４−１から発生された波が反射部４−３で反射されて受信部４−２に向けられるように反射部４−３が発振部４−１及び受信部４−２に対向するように配置されている。この配置では、図１に示す配置とは異なり、検体１２で波が吸収されて生ずる吸収スペクトルを検出するのではなく、検体１２で波が反射されて生ずる反射スペクトルが受信部４−２で測定される。この配置では、反射部４−３は、発振部４−１及び受信部４−２とは反対側の検体１２の背面側に配置され、THz波を反射するような材質で形成されている。
図１２には、検体認証素子アレイが示されている。この図１２に示される検体認証素子アレイでは、夫々が発振部４−１及び受信部４−２のペアで構成される検出素子２−１〜２−ｎが基板６上にアレイ状、例えば、行列に配置されている。検体認証素子アレイは、図１に示されると同様に電源制御回路３２で制御される可変電源１４−１、１４−２に接続され、また、インタフェースを介して演算処理部４０及びメモリ３６に接続されている。また、各検出素子２−１〜２−ｎのチャネル８は、互いに分離されても良く、或いは、互いに連通されても良い。互いに分離されたチャネル８を有する構造では、同一の検体１２が各チャネル８に分配され、また、互いに連通されたチャネル８を有する構造では、検体１２が各チャネル８に外部から分配されるように与えられても良く、或いは、各チャネル８に分配されるように検体１２がチャネル８間を流通されても良い。
図１２に示されるアレイでは、検出素子２−１〜２−ｎの発振部４−１が夫々互いに異なる帯域のＴＨｚ周波数を有する波を発生し、この異なる帯域のＴＨｚ周波数で広帯域のＴＨｚ周波数帯域をカバーしている。また、検出素子２−１〜２−ｎの受信部４−２が夫々互いに異なる帯域のＴＨｚ周波数を検出するように動作されて検出信号を発生し、この異なる帯域のＴＨｚ周波数で広帯域のＴＨｚ周波数帯域を同時に検出することができる。従って、ある検体１２が各チャネル８に分配され、検出素子２−１〜２−ｎが作動されると、検出素子２−１〜２−ｎからの信号で広帯域のＴＨｚ周波数帯域におけるある検体１２の吸収スペクトルを検出し、検体１２を特定することができる。即ち、発振部４−１における周波数掃引或いは受信部４−２における電流掃引或いは電圧掃引を必要とせずに、図７A或いは図７Bに示すような検出データを検出することができる。
尚、発振素子４−１或いは受信素子４−２の各部のディメンション等の構造設計が変えられても良い。また、同一の検体が各チャネル８に分配されず、異なる複数の検体１２が異なるチャネル８に分配されて複数の検体１２を同一基板６上の複数の検出素子２−１〜２−ｎで同時に認証するようにしても良い。このように複数の検体１２を検出する際には、上述した実施の形態で述べたように複数の検出素子２−１〜２−ｎにおいて周波数掃引、電流掃引及び又は電圧掃引が実施されても良い。
図１３は、この発明の他の実施の形態に係る発振素子４−１の積層構造２７又は受信素子４−２の積層構造２７に外部から磁界を印加する機構を備えた素子構造を示している。この素子構造においては、下部電極２６及び上部電極２８間に積層構造２７が配置され、この積層構造２７の両側に保磁力の大きいハード磁性層膜５４―１、５４−２が配置され、ハード磁性層膜５４―１、５４−２と積層構造２７との間及びハード磁性層膜５４―１、５４−２と下部電極２６及び上部電極２８との間には、絶縁膜５２が介在されている。このようにハード磁性層膜５４―１、５４−２を備える素子構造においては、磁界を積層構造２７に向けて安定に印加することが可能なことから、安定な発振を実現することが可能となる。
図３及び図１３に示される素子構造では、積層構造２７の上下面に上部電極２８及び下部電極２６が配置されているが、図１４に示されるように積層構造２７の両側に第１及び第２電極２６、２８が配置されても良い。図３及び図１１に示される素子構造は、膜面垂直通電型と称せられ、積層構造２７の膜面に垂直に電流が注入されてスピントルクが生じているが、図１４に示される素子構造は、膜面内通電型と称せられ、積層構造２７の膜面沿って流れる電流によってスピントルクが生起される。このように膜面内通電型に発振部４−１及び又は受信部４−２が形成されても良い。
図１５は、図１２に示す膜面内通電型の素子構造の変形例を示している。図１５に示す素子構造では、積層構造２７の両側に積層構造２７に磁界を供給するハード磁性部材５６−１、５６−２が配置され、このハード磁性部材５６−１、５６−２上に第１及び第２電極２６、２８が配置されている。この構造においても、一方の第１及び第２電極２６、２８からハード磁性部材５６−１、５６−２を介して他方の第１及び第２電極２６、２８に向けて積層構造の膜面に平行に電流が供給される。外部から安定に積層構造２７に磁界が印加され、そして積層構造２７内に電流が流れることによってスピントルクが生起される。
図１６A、図１６B及び図１６Cは、この発明の更に他の実施の形態に係る発振素子４−１又は受信素子４−２の平面形状を示している。図１６Aに示される構造においては、単層膜構造６０が基板６上に形成され、単層膜構造６０の両側がこの単層膜構造６０に電流を供給する第１電極２６及び第２電極２８に接続される。単層膜構造６０は、絶縁層６２中に第１及び第２の磁性層５８−１、５８−２が埋め込まれている。そして、第１及び第２の磁性層５８−１、５８−２は、夫々第１電極２６及び第２電極２８から延出され、その先端部５８Ａ、５８Ｂが次第に幅を減少するように先鋭に形成され、その先鋭端がピンポイントで互いに連結されている。このように第１及び第２の磁性層５８−１、５８−２が形成される場合には、この第１及び第２の磁性層５８−１、５８−２を流れる電流は、先端部５８Ａ、５８Ｂの先鋭端でナノ電流に狭窄されてスピントルクが発生される。図１６Aに示される構造は、基板上に平坦構造に形成することができ、この構造を採用した発振素子４−１及び受信素子４−２を備えた検知装置を平坦な構造とすることができる。結果として、センサの小型化並びに平坦化が可能となる。
図１６Aに示される構造では、十分な強度の波の発生が望めない虞がある場合には、図１６B及び図１６Cに示すような配列構造に形成されても良い。図１６Ｂに示されるにおいては、同様に単層膜構造６０が基板６上に形成され、単層膜構造６０の両側がこの単層膜構造６０に電流を供給する第１電極２６及び第２電極２８に接続されている。単層膜構造６０では、絶縁層６２中に複数の第１の磁性層５８−１が互い略平行に埋め込まれ、同様に絶縁層６２中に複数の第２の磁性層５８−２が互い略平行に埋め込まれている。そして、第１及び第２の磁性層５８−１、５８−２は、夫々第１電極２６及び第２電極２８から延出され、その先端部５８Ａ、５８Ｂが次第に幅を減少するように先鋭に形成され、その先鋭端がピンポイントで互いに連結されている。このように多数の第１及び第２の磁性層５８−１、５８−２が並列されて形成される場合には、この第１及び第２の磁性層５８−１、５８−２を流れる電流は、多数の先端部５８Ａ、５８Ｂの先鋭端でナノ電流に狭窄されて複数の箇所でスピントルクが発生される。図１６Aに示される構造と同様にこの図１６Ｂに示される構造では、基板上に平坦構造に形成することができ、この構造を採用した発振素子４−１及び受信素子４−２を備えた検知装置を平坦な構造とすることができる。結果として、センサの小型化並びに平坦化が可能となる。
図１６Cに示す配列構造においては、図１６Ｂに示す配列構造における互いに連結される先端部５８Ａ、５８Ｂの先鋭端間が非磁性層セグメント６４を介して接続されている。この構造では、ナノ電流が通過するナノ電流パス部が非磁性層セグメント６４で形成されることとなる。ナノ電流パス部としての非磁性層セグメント６４でナノ電流に狭窄され、複数の箇所でスピントルクが発生される。図１６Ｂに示される構造と同様にこの図１６Ｃに示される構造では、基板上に平坦構造に形成することができ、この構造を採用した発振素子４−１及び受信素子４−２を備えた検知装置を平坦な構造とすることができる。結果として、センサの小型化並びに平坦化が可能となる。
図１６Ａから図１６Ｃに示された構造では、単層膜構造６０で形成される旨を説明したが、この単層膜構造６０が絶縁層を介して積層されて第１電極２６及び第２電極２８に接続されても良いことは明らかである。
図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、発振素子４−１或いは受信素子４−２に外部磁界を印加するために配線ライン７０−１、７０−２が発振素子４−１或いは受信素子４−２に設けられても良い。
図１７Ａに示す実施例に係る構造においては、積層膜構造２７の膜面に垂直な方向に沿って電流磁界印加用の配線ライン７０−１、７０−２が延出されている。この配線ライン７０−１、７０−２には、矢印の方向に電流が流れ、その周囲の円周方向に可変磁界が形成される。この可変磁界は、配線ライン７０−１、７０−２に流れる電流に依存して形成される。その結果、積層膜構造２７の側面から膜に沿って積層膜構造２７内に可変磁界が侵入され、磁性層２０，２４が磁化される。従って、積層膜構造２７内において生ずるスピントルクは、与えられる可変磁界に依存することとなる。
尚、図１７Ａにおいては、二本の配線を用い、それぞれが逆の電流方向にすることによって、素子にかかる磁界の向きを一定にしている。しかし、配線は、必ずしも二本でなくても良く、一本の配線でも良い。また、磁界を印加するための配線の周りに、図示していない磁性材料を形成し、磁界を強めるようにしても良い。
図１７Ｂに示す実施例に係る構造においては、積層膜構造２７の膜面に平行な方向に沿って電流磁界印加用の配線ライン７０−１、７０−２が延出されている。この配線ライン７０−１、７０−２には、矢印の方向に電流が流れ、その周囲の円周方向に磁界が形成される結果、同様に積層膜構造２７の側面から膜に沿って積層膜構造２７内に磁界が侵入され、磁性層２０，２４が磁化される。
図１８は、図２に示される検体認証素子2の好ましい変形例が示されている。この検体認証素子2では、発振素子４−１及び受信素子４−２の周囲の側面は、夫々チャネル８に面する側面を除いて夫々THz波を遮蔽するためのシールド７２−１，７２−２で囲堯されている。従って、発振部４−１及び受信部４−２が周囲の環境の影響を受けることなく、シールドされている。
尚、発振部４−１及び受信部４−２とシールド７２−１，７２−２との間で電流がリークされることを防止する為にその間には、絶縁層（図示せず）が介在されることが好ましい。
図１９に示されるように、多数の図１８に示される検体認証素子２が基板６上に複数列に亘って配列されて検体認証チップ９０が構成されることが好ましい。この検体認証チップでは、検体認証素子２のチャネル８が直線状に延出されて検体流出路８０を形成し、検体注入部８２、８４から注入された検体１２、例えば、溶液に混入された検体が他の検体注入部８４、８２に向けて流出されるように構成されても良い。
ここで、検体認証チップ９０の上面は、蓋部（図示せず）で覆われ、検体流出路８０が密閉されている。また、検体注入部８２、８４の一方或いはいずれにも検体１２が充填され、検査開始に当たって注入部８２、８４から検体流出路８０に流出されるように注入部８２、８４にゲートが設けられ、検体流出路８０において自然に検体１２を含む溶液が流出するように検体流出路８０に傾斜が設けられても良い。また、図示しない供給機構によって検体１２を含む溶液が検体流出路８０内を循環することができるように構成しても良い。
図１９に示される検体認証チップ９０においては、図１２に示す検体認証素子アレイと同様に動作されて検出データを得ることができる。
尚、検体認証チップ９０の上面が蓋部で覆われている構造においては、検体流出路８０が密閉されるのみでなく、その内が真空に維持され、検体注入部８２、８４も密閉されてその内が真空に維持されていても良い。このような検体認証チップ９０では、注射針を有する注射器のような注入部を有する検体注入器具（図示せず）（検体１２を入れるサンプルホルダー）で検体注入部８２、８４内に注入部を差し込み、検体１２を外気に触れさせることなく検体認証チップ９０内に供給することができるように構成しても良い。
更に、図２、図１１、図１２及び図２０Ａに示す検体認証素子にあっても、チャネル８が密閉され真空とされるカプセル構造に形成されることが好ましい。そして、検体１２が外部環境に触れないように、このカプセル構造に検体注入器具（図示せず）から検体１２がチャネル８に供給されることがより好ましい。
ここで、カプセルを真空にする構造が好ましい理由は、THz波は、大気中だと減衰することから、サンプル以外での減衰を少しでも少なくする為である。真空にしてあるため、検体１２を入れるときには注射針等から入れれば、カプセル内が陰圧のため、サンプルとしての検体１２がチャネルに入ることとなる。予め、カプセルには、注射針が指しやすいように、ゴム状の領域が設けられ、真空或いは大気圧よりも陰圧の状態を維持したままで、真空をやぶることなく、検体１２を注入できることが好ましい。
上述した種々の実施の形態では、発信素子４−１での発振周波数及び受信素子４−２で検出する周波数を変化させる為に、発信素子４−１及び受信素子４−２に通電する電流を変化させている。しかし、図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、発信素子４−１及び受信素子４−２に磁界を印加する磁界印加部が設けられ、この磁界印加部が調整されて印加磁界の大きさが変えられても良い。
図２０Ａ及び図２０Ｂは、この発明の更に他の実施の形態に係る積層構造に磁界を印加する磁石装置を備えた受信部４−１及び発振部４−２を基板上に配置した検体認証素子を示している。受信部４−１及び発振部４−２は、図２０Ａ及び図２０Ｂに示されるように、その積層構造２７の両側に磁界を積層構造２７に印加する磁界印加部としての磁石装置７４−１，７４−２が配置されている。この磁石装置７４−１，７４−２は、図１３に示すようなバイアス固定磁界を発生する永久磁石のみで構成されず、永久磁石をヨークとして駆動回路７６−１７６−２からの駆動電流で可変磁界を発生する電磁石で構成しても構わない。このような磁石装置７４−１，７４−２では、永久磁石からのバイアス固定磁界が積層構造２７に印加されるのみならず、駆動回路７６−１７６−２からの駆動電流で電磁石が作動されて可変磁界が積層構造２７に印加される。可変磁界は、駆動回路７６−１、７６−２からの駆動電流で増減されることから、積層構造では、増加或いは減少される可変磁界でスピントルクが生成されることから、発振素子で発生されるTHｚ発信周波数を可変させることができ、また、受信素子で検出されるTHｚ発信周波数を可変させることができる。この可変磁界でのTHｚ発信周波数の制御は、積層構造２７への供給電流或いは印加電圧を一定に維持した状態で実施されても良く、或いは、既に述べた実施の形態で説明したように積層構造２７への供給電流或いは印加電圧が制御される状態で実施されても良い。磁石装置７４−１，７４−２は、具体的には、図１７Ａ或いは図１７Ｂに示すような磁界用配線７０−１，７０−２であっても良く、この磁界用配線７０−１，７０−２に供給される電流値を変えることによって、磁界用配線７０−１，７０−２からの電流磁界で積層構造２７に印加される外部磁界を変えても良い。
この発明の検体認証素子によれば、チップ上で動作するTHｚ波の発振を可能とする発振素子を実現し、THｚ波で検体を特定する簡易検査の実施が可能となる。
４―１．．．発振部、４−２．．．受信部、６．．．基板、８．．．チャネル、１０．．．枠体、１２．．．検体、１４−１、１４−２．．．可変電源、２０．．．磁化層、２２．．．中間層、２２I．．．絶縁層、２２P．．．電流パス（金属パス）、２４．．．磁性層、２６．．．下部電極、２７．．．積層構造、２８．．．上部電極、３６．．．メモリ、３８．．．不揮発性メモリ、４０．．．演算制御部、５８−１、５８−２．．．磁性層、５８Ａ、５８Ｂ．．．先端部、６０．．．単層膜構造、６２．．．絶縁層、６４．．．非磁性セグメント、７０−１，７０−２．．．配線ライン、７４−１，７４−２．．．磁石装置、７６−１、７６−２．．．駆動回路、８２、８４．．．検体注入部、９０．．．検体認証チップ

Claims (10)

  1. ＴＨｚ波を発生する発振部と、
    このＴＨｚ波が照射される導波路を定め、検体を収容するチャネルと、
    前記検体を通過した或いは前記検体から反射されたＴＨｚ波を検出する検出部と、
    を具備する素子部と、
    前記発振部を制御する発振制御部であって、前記ＴＨｚ波の発振周波数をある周波数帯域内で掃引させる発振制御部と、
    前記検出部で前記ＴＨｚ波を検出させる検出駆動部であって、前記ＴＨｚ波の検出周波数を前記周波数帯域で掃引して検出信号を発生する検出駆動部と、
    前記周波数帯域内における前記検出信号の波形で前記検体を特定する検体認証部と、
    を具備することを特徴とする検体認証システム。
  2. 前記検体認証部は、
    前記検出信号を前記周波数帯域に相関させた検出相関グラフのデータを記憶する第１のメモリ部と、
    既知の複数の検体に関する検出信号と前記周波数帯域との相関を有する参照用相関グラフの辞書データを格納する第２のメモリ部と、
    前記検体認証部は、前記検出相関グラフで前記辞書データを参照して前記検出相関グラフと前記参照用相関グラフとを比較して検体を認証する比較演算回路を含むことを特徴とする請求項１の検体認証システム。
  3. 前記検出駆動部は、前記検出部に内の抵抗変化を前記検出信号から解析し、
    前記検体認証部は、前記周波数帯域内における前記抵抗変化で前記検体を特定することを特徴とする請求項１記載の検体認証システム。
  4. 前記発振制御部は、前記発振部に供給される電流を制御して前記ＴＨｚ波の発振周波数をある周波数帯域内で掃引させ、
    前記検出駆動部は、前記検出部に通電する電流値を掃引して前記ＴＨｚ波の検出周波数を前記周波数帯域で掃引することを特徴とする請求項５記載の検体認証システム。
  5. ＴＨｚ波を発生する発振部であって、前記ＴＨｚ波の発振周波数をある周波数帯域内で掃引させて発生する発振部と、
    このＴＨｚ波が照射される導波路を定め、検体を収容するチャネルと、
    前記検体を通過した或いは前記検体から反射されたＴＨｚ波を検出する検出部であって、検出ＴＨｚ波の検出周波数を前記周波数帯域で掃引して検出信号を発生する検出部と、
    を具備することを特徴とする検体認証素子。
  6. 前記発振部及び検出部の少なくとも一方は、第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に配置される中間層とからなる積層膜構造を有する素子で構成されることを特徴とする請求項５記載の検体認証素子。
  7. 前記積層膜構造は、絶縁層とこの絶縁層を貫通する複数の電流パス層とで形成された高周波シフト層を有することを特徴とする請求項６記載の検体認証素子。
  8. 請求項５記載の構造を夫々有する複数の検体認証素子が同一基板上に配置されていることを特徴とする集積型検体認証装置。
  9. 前記集積型検体認証素子において、各検体認証素子間で干渉が生じないようにテラヘルツ領域の波を吸収するシールド部が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の集積型検体認証装置。
  10. 前記複数の検体認証素子の夫々では、前記発振周波数帯域及び前記検出周波数帯域が異なり、前記検体認証部が複数の検体を特定する請求項９記載の集積型検体認証素子。
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