JPWO2017010182A1 - センサ回路 - Google Patents
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Abstract
水分を含む被検査体の変化を検知する技術を提供する。被検査体の性質を検査するためのセンサ回路（１）であって、３０〜２００ＧＨｚの共振周波数を有する発振器（２０）と、発振器の発振周波数を推定する検出回路（３）と、を備えたセンサ回路。
Description
本発明は、高周波発振器を備えており、水分を含む被検査体の変化を検知するセンサ回路に関する。
各家庭や簡易診断所等で利用される、人体の診断機器には、低価格、小型化、検査時間の短縮、操作の簡便性等が要求される。半導体集積回路上に形成されたセンサＩＣ（Integrated Circuit：半導体集積回路）は、このような要求を満たすことができる。
例えば、特許文献１には、半導体集積回路上に形成されたセンサＩＣの一例が開示されている。図７〜９は、特許文献１に係るセンサＩＣを説明するための図である。
図７（ａ）は、前記センサＩＣの回路構成を示す図である。図７（ａ）に示すように、前記センサＩＣは、半導体基板１０１に金属層（メタル層）で形成されるインダクタ１１１および１２１を有する発振器１１０、１２０を備えている。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す回路を半導体基板１０１に実装した一例を示す図である。図７（ｂ）に示すように、発振器１１０および１２０が並設されている。簡略化のため、トランジスタやキャパシタ等はその他の回路１１２、１２２として表す。
図８（ａ）は、インダクタ１１１に磁性粒子１１３および被検査体１１４を接触させた状態を示す図である。図８（ａ）に示すように、図７（ｂ）に示す半導体基板１０１上に被検査体１１４を接触させると、被検査体１１４に付着させた磁性粒子１１３の変動により透磁率が変化し、その透磁率の変化によって、インダクタ１１１および１２１のインダクタンスが影響を受ける。これにより、発振器１１０および１２０が出力する発振周波数が変化し、検出器（図示せず）は発振周波数の変化を検知する。発振周波数の変化は、被検査体１１４の性質の変動を示す。
例えば、発振器１１０および１２０のうち、一方の発振器１１０をセンサ部として使用すべく、被検査体１１４を選択的に発振器１１０に接触させる。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す状態に対して、さらにインダクタ１２１に被検査体１２４を接触させた状態を示す図である。他方の発振器１２０には、基準部として使用すべく、被検査体を接触させなくてもよいし、図８（ｂ）のように、基準となる被検査体１２４を接触させてもよい。これによって、イネーブル信号または／イネーブル信号を利用して、発振器１１０および１２０の発振周波数の差を確認することにより、被検査体１１４の性質差を評価する。
図９（ａ）は、半導体基板１０１の断面Ａ−Ａ’の位置を示す図である。図９（ｂ）は、半導体基板１０１の断面Ａ−Ａ’を示す断面図である。図９（ｂ）に示すように、金属層で形成されるインダクタ１１１は、半導体基板１０１内の最上層の金属層１３０で形成されたとしても、半導体基板１０１の表面と、インダクタ１１１との間に絶縁体などで形成された保護膜１１５があるので、最上層の金属層１３０に被検査体１１４が接触することはない。インダクタ１２１に関しても同様である。
しかしながら、特許文献１および非特許文献１に係るセンサＩＣでは、半導体基板１０１上に接触させる被検査体１１４に磁性粒子１１３の接続が必要となる。非特許文献１によると、磁性粒子１１３の変動による周波数変動は磁化率χに比例する。磁化率χは、外部磁界Ｈを印加した時に磁性体に生じる磁気分極ＰｍとＨの比である。非特許文献１の磁性粒子は、Figure 16.8.1にもあるように、２ＧＨｚよりも小さい周波数で正となり、磁気分極は外部磁界と逆になる。さらに、この図では、１０ＧＨｚを超えるようなさらに高い周波数ではほとんど変動しない。
C.Sideris, A.Hajimiri, "An Integrated magnetic Spectrometer for Multiplexed Biosensing", IEEE Solid-State Circuit Conf. Dig. Tech. papers, pp.300-302, Feb. 2013
H.Yada, M.Nagai, K.Tanaka, "Origin of the fast relaxation component of water and heavy water revealed by terahertz time-domain attenuated total reflection spectroscopy", Chemical Physics Letters, pp.166-170, 2008
水溶液中では、NaClの様な電解質の溶質の場合には溶質のイオンへの電離によって、糖の様な非電解質の溶質の場合には溶質分子中の極性の偏りによって生じる、静電気力や水素結合を介して、水分子が溶質に束縛される水和現象が起こることが知られている。タンパク質などの巨大分子の活性にも水和現象が大きく関わる。水溶液中では、水分子がタンパク質に置き換わることにより、バルク水（溶質から十分離れて束縛されない状態の水）が減少することで、バルク水の誘電率がタンパク質の誘電率に変化する。非特許文献２のFig.2に、バルク水の複素誘電率を示したグラフが示されている。バルク水の緩和現象によって、特に３０ＧＨｚ〜２００ＧＨｚの周波数領域で複素誘電率の変動が大きい。バルク水の量が変動すると、上記した周波数領域では複素誘電率も変動することが示唆される。
特許文献１および非特許文献１に開示されたセンサＩＣは、評価周波数が３．３ＧＨｚであるため、バルク水の水分子の運動を評価できず、水和状態を表すことはできない。これは、水分子の運動は約１０ＧＨｚ以上と大きいためである。そのため、磁性粒子をサンプルに付加し、磁性粒子の周波数変動に適切な３．３ＧＨｚで評価することでサンプルの動作を確認することになる。従って、磁性粒子の付加が必要になる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水分を含む被検査体の変化を検知する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るセンサ回路は、被検査体の性質を検査するためのセンサ回路であって、３０〜２００ＧＨｚの共振周波数を有する発振部と、前記発振部の発振周波数を推定する推定部と、を備えている。
本発明の一態様によれば、水分を含む被検査体の変化を、バルク水の変化に置き換えて検知することができるという効果を奏する。
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成は、特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明の実施の形態に係るセンサ回路は、半導体基板の表面に被検査体を接触させて、被検査体が持つ誘電率、透磁率、または、被検査体の性質が変化したときに変化する誘電率、透磁率を検知するセンサＩＣ（Integrated Circuit：半導体集積回路）である。
〔実施形態１〕
まず、本発明の実施形態１に係るセンサ回路１について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る発振器２０の構成を示すブロック図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ回路１の構成を示すブロック図である。
まず、本発明の実施形態１に係るセンサ回路１について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る発振器２０の構成を示すブロック図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ回路１の構成を示すブロック図である。
（発振器の構成）
図１（ａ）に示すように、発振器（発振部）２０は、差動回路４０と、差動回路４０の差動間に形成されている共振器５０と、発振器２０の駆動を制御信号（イネーブル、／イネーブル）に従って制御する電流源６０とを含む。発振器２０は、３０〜２００ＧＨｚのいずれかの共振周波数を有する。３０〜２００ＧＨｚは、水の複素誘電率の変化が大きく、誘電率の周波数特性の変化を高感度で検出できる周波数である。
図１（ａ）に示すように、発振器（発振部）２０は、差動回路４０と、差動回路４０の差動間に形成されている共振器５０と、発振器２０の駆動を制御信号（イネーブル、／イネーブル）に従って制御する電流源６０とを含む。発振器２０は、３０〜２００ＧＨｚのいずれかの共振周波数を有する。３０〜２００ＧＨｚは、水の複素誘電率の変化が大きく、誘電率の周波数特性の変化を高感度で検出できる周波数である。
差動回路４０は、互いにクロスカップルされたＮＭＯＳトランジスタＭ１およびＮＭＯＳトランジスタＭ２を含む。なお、適宜別の差動回路を用いてよい。例えば、バイポーラトランジスタを用いてもよい。
共振器５０は、差動回路４０の差動間に並列に接続されているインダクタ５２とキャパシタ５４とを含む。また、共振器５０が共振する共振周波数が、発振器２０が発振する発振周波数である。共振器５０は、電磁波の送受信をするような狭義のアンテナではないため、波長による開口径の制限を受けない。このため、共振器５０のサイズは、２００ＧＨｚの電磁波の波長約１．５ｍｍの四半波長より小さい２００μｍ四方以下（一辺２００μｍの正方形に収まるサイズ）とすることができる。
インダクタ５２は、半導体基板１０の金属層のうち、最上層（基板と被検査体との接触位置に最も近い層）に形成されている。インダクタ５２は、共振器５０の回路サイズの大部分を占める。また、共振器５０は、発振器２０の回路サイズの大部分を占める。本実施形態において、共振器５０の平面視におけるサイズが、一辺２００μｍの正方形に収まるサイズとなるように、インダクタ５２の面積が定められている。なお、キャパシタ５４は、トランジスタＭ１、Ｍ２のゲート容量や、図示しない配線の寄生容量などにより形成されてもよい。
インダクタ５２とキャパシタ５４はＬＣ回路を形成しており、インダクタ５２のインダクタンスとキャパシタ５４のキャパシタンスとにより、共振器５０の共振周波数および発振器２０の発振周波数が決まる。
この場合、発振器２０の発振周波数ｆは、下記の式１により表される。
ｆ＝１／｛２π√（ＬＣ）｝ ・・・式１
ここで、Ｌはインダクタ５２のインダクタンス（磁束鎖交数／電流）の値、Ｃはキャパシタ５４のキャパシタンス（電気容量）と基準となる被検査体７０搭載時のインダクタ５２にかかる寄生容量の和である。発振器２０が３０ＧＨｚ以上２００ＧＨｚ以下のいずれかの周波数で発振するように、インダクタンスおよびキャパシタンスが定められる。
例えば、インダクタ５２のインダクタンスが１ｎＨ付近であり、キャパシタ５４のキャパシタンスが２７ｆＦ付近である場合、共振器５０の共振周波数および発振器２０の発振周波数は約３０ＧＨｚ付近である。
（センサ回路の構成）
図１（ｂ）に示すように、センサ回路１は、発振器２０、分周器（分周部）３０、および、検出回路（推定部）３を備えている。少なくとも発振器２０、分周器３０は、同一の半導体基板１０上に形成される。検出回路３は、半導体基板１０に形成されてもよく、半導体基板１０とは別の部材に形成されてもよく、例えば、市販のマイコン等（図示せず）で代用してもよい。
図１（ｂ）に示すように、センサ回路１は、発振器２０、分周器（分周部）３０、および、検出回路（推定部）３を備えている。少なくとも発振器２０、分周器３０は、同一の半導体基板１０上に形成される。検出回路３は、半導体基板１０に形成されてもよく、半導体基板１０とは別の部材に形成されてもよく、例えば、市販のマイコン等（図示せず）で代用してもよい。
分周器３０は、発振器２０が発振する発振周波数を分周し、当該分周した周波数を有する出力信号を検出回路３に出力する周波数分周器である。分周器３０の分周比は１／Ｎ（Ｎは１以上の有理数）である。分周器３０は、検出回路３へ入力される信号を検出回路３が扱いやすいように、検出回路３へ入力される信号の周波数を、発振器２０の発振周波数の１／Ｎ倍にする。これにより、検出回路３へ入力される信号の周波数が、検出回路３が動作する周波数帯に収まる。なお、分周器３０は、本発明の課題を解決するための必須の構成ではない。
検出回路３は、分周器３０が出力する周波数と、分周器３０の分周比１／Ｎとから、発振器２０の発振周波数を算出する。すなわち、検出回路３は、分周器３０の出力信号を参照して、所定期間（例えば１００ｍｓｅｃなど）に、入力された信号をカウントし、そのカウント値に分周器３０の分周比の逆数Ｎ、および、１秒／所定期間を積算することにより、発振器２０の発振周波数を推定する。なお、検出回路３は、分周器３０から出力される信号の周波数の変化を、所定期間カウントするカウンタ回路を備えている。
（発振周波数の推定）
図２は、被検査体を半導体基板に接触させて、発振周波数を推定する方法を示す図である。図２（ａ）および（ｃ）は、それぞれ被検査体７０、７１をインダクタ５２に接触させた状態を示す。図２（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ図２（ａ）および（ｃ）が示す状態のときの発振器２０の発振周波数を示す。被検査体７０、７１は、水分を含んでいる。
図２は、被検査体を半導体基板に接触させて、発振周波数を推定する方法を示す図である。図２（ａ）および（ｃ）は、それぞれ被検査体７０、７１をインダクタ５２に接触させた状態を示す。図２（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ図２（ａ）および（ｃ）が示す状態のときの発振器２０の発振周波数を示す。被検査体７０、７１は、水分を含んでいる。
図２（ａ）に示すように、ユーザは、性質が変化する前（第１状態）の被検査体７０を、半導体基板１０上の、インダクタ５２が形成されている領域の近傍に接触させる。次に、ユーザは、電流源６０から発振器２０にイネーブル信号を出力させる。
これにより、発振器２０は、動作を開始し、図２（ｂ）に示す、第１状態のときの発振周波数で発振する。発振器２０の発振周波数は、分周器３０により１／Ｎの周波数に分周され、検出回路３により所定期間カウントされる。そして、検出回路３は、発振器２０の発振周波数を、図２（ｂ）に示す、第１状態のときの周波数であると推定し、その周波数の値を基準周波数として保持する。
その後、被検査体７０の性質が変化して、図２（ｃ）に示すように、被検査体７１の性質になり（第２状態）、その結果、被検査体７０が含む水の誘電率から被検査体７１が含む水の誘電率に変化する。ユーザは、第２状態において、電流源６０から発振器２０にイネーブル信号を出力させる。これにより、発振器２０は、動作を開始し、図２（ｄ）に示すように、第２状態のときの発振周波数で発振する。第２状態における発振器２０の発振周波数も、第１状態と同様に、分周器３０により１／Ｎの周波数に分周され、検出回路３により所定期間カウントされる。さらに、検出回路３は、発振器２０の発振周波数を、図２（ｄ）に示す、第２状態のときの周波数であると推定する。
被検査体７０から７１に性質が変化するのに伴って、被検査体が含む水の誘電率が変化する。次に、誘電率（ε）が変化すると、容量Ｃのうち、発振器２０のインダクタ５２にかかる寄生容量成分が変化する。これは、Ｃ＝ε×ｄ／Ｓの式から明らかである（ｄ：誘電体の厚さ、Ｓ：誘電体の面積）。そして、性質変化の前後における、キャパシタ５４の容量と寄生容量値の和に相当する全体の容量値Ｃの差ΔＣが発振器２０の発振周波数の差Δｆとして表れる。差Δｆと差ΔＣとの関係式を、下記の式２に示す。
Δｆ＝１／〔２π√｛Ｌ（Ｃ＋ΔＣ）｝〕―１／｛２π√（ＬＣ）｝ ・・・式２
（効果）
ユーザは、第１状態の基準発振周波数と、第２状態における発振器２０の発振周波数との差Δｆを確認することにより、被検査体７０から７１に性質が変化したことを推定することができる。なお、情報処理装置（検知部）が、検出回路３が推定した、発振器２０の発振周波数を取得し、上記の差Δｆ（発振周波数の変化）を参照して、被検査体の性質の変化を検知してもよいし、さらに、アラーム等を発信することにより、被検査体の性質の変化をユーザに通知してもよい。
ユーザは、第１状態の基準発振周波数と、第２状態における発振器２０の発振周波数との差Δｆを確認することにより、被検査体７０から７１に性質が変化したことを推定することができる。なお、情報処理装置（検知部）が、検出回路３が推定した、発振器２０の発振周波数を取得し、上記の差Δｆ（発振周波数の変化）を参照して、被検査体の性質の変化を検知してもよいし、さらに、アラーム等を発信することにより、被検査体の性質の変化をユーザに通知してもよい。
〔実施形態２〕
次に、本発明の実施形態２に係るセンサ回路１について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、本実施形態に係る発振器２０の構成を示すブロック図である。図３（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ回路１の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態１と比較すると、インダクタ５２およびキャパシタ５４の構成が異なる。
次に、本発明の実施形態２に係るセンサ回路１について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、本実施形態に係る発振器２０の構成を示すブロック図である。図３（ｂ）は、本実施形態に係るセンサ回路１の構成を示すブロック図である。本発明の実施形態１と比較すると、インダクタ５２およびキャパシタ５４の構成が異なる。
（発振器、センサ回路の構成）
発振器２０は、差動回路４０と、差動回路４０の差動間に形成されている共振器５０と、発振器２０の駆動を制御信号に従って制御する電流源６０とを含む。発振器２０は、３０〜２００ＧＨｚのいずれかの共振周波数を有する。
発振器２０は、差動回路４０と、差動回路４０の差動間に形成されている共振器５０と、発振器２０の駆動を制御信号に従って制御する電流源６０とを含む。発振器２０は、３０〜２００ＧＨｚのいずれかの共振周波数を有する。
図３（ａ）、（ｂ）に示す構成においては、キャパシタ５４が、半導体基板１０の金属層のうち、最上層である金属層に形成されている。また、平面視において、キャパシタ５４は、発振器２０が半導体基板１０で占める面積の大部分であり、櫛形に形成されている。
また、インダクタ５２は、最上層でない金属層に形成されてもよく、トランジスタで構成されるアクティブインダクタ等であってもよい。
キャパシタ５４は、最上層である金属層に形成されているため、半導体基板１０の表面に付着した水分および被検査体などにより、キャパシタ５４のキャパシタンスが変化する。そして、発振器２０が発振する発振周波数が変化する。
（発振周波数の推定）
図４は、被検査体を半導体基板に接触させて、発振周波数を推定する方法を示す図である。図４（ａ）および（ｃ）は、それぞれ被検査体７０、７１をキャパシタ５４に接触させた状態を示す。図４（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ図４（ａ）および（ｃ）が示す状態のときの発振器２０の発振周波数を示す。被検査体７０、７１は、水分を含んでいる。
図４は、被検査体を半導体基板に接触させて、発振周波数を推定する方法を示す図である。図４（ａ）および（ｃ）は、それぞれ被検査体７０、７１をキャパシタ５４に接触させた状態を示す。図４（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ図４（ａ）および（ｃ）が示す状態のときの発振器２０の発振周波数を示す。被検査体７０、７１は、水分を含んでいる。
図４（ａ）に示すように、ユーザは、性質が変化する前（第１状態）の被検査体７０を、半導体基板１０上の、キャパシタ５４が形成されている近傍に接触させる。キャパシタ５４は、櫛形容量として形成されている。また、キャパシタ５４は、最上層である金属層で形成された容量により形成されている。次に、ユーザは、電流源６０から発振器２０にイネーブル信号を出力させる。
これにより、発振器２０は、動作を開始し、図４（ｂ）に示す、第１状態のときの発振周波数で発振する。発振器２０の発振周波数は、分周器３０により１／Ｎの周波数に分周され、検出回路３により所定期間カウントされる。そして、検出回路３は、発振器２０の発振周波数を、図４（ｂ）に示す、第１状態のときの周波数であると推定し、その周波数の値を基準周波数として保持する。
その後、被検査体７０の性質が変化して、図４（ｃ）に示すように、被検査体７１の性質になり（第２状態）、その結果、被検査体７０が含む水の誘電率から被検査体７１が含む水の誘電率に変化する。ユーザは、第２状態において、電流源６０から発振器２０にイネーブル信号を出力させる。これにより、発振器２０は、動作を開始し、図４（ｄ）に示す、第２状態のときの発振周波数で発振する。第２状態における発振器２０の発振周波数は、第１状態と同様に、分周器３０により１／Ｎの周波数に分周され、検出回路３により所定期間カウントされる。さらに、検出回路３は、発振器２０の発振周波数を、図４（ｄ）に示す、第２状態のときの周波数であると推定する。
被検査体７０から７１に性質が変化するのに伴って、被検査体が含む水の誘電率が変化する。被検査体の誘電率が変化すると、発振器２０のキャパシタ５４のキャパシタンスＣが変化する。そして、性質変化の前後における、キャパシタンスＣの差ΔＣが発振器２０の発振周波数の差Δｆ’として表れる。差Δｆ’と差ΔＣとの関係式を、下記の式３に示す。
Δｆ’＝１／〔２π√｛Ｌ（Ｃ＋ΔＣ）｝〕―１／｛２π√（ＬＣ）｝ ・・・式３
（効果）
ユーザは、第１状態の基準発振周波数と、第２状態における発振器２０の発振周波数との差Δｆ’を確認することにより、被検査体７０から７１に性質が変化したことを推定することができる。なお、情報処理装置（検知部）が、検出回路３が推定した、発振器２０の発振周波数を取得し、上記の差Δｆ’（発振周波数の変化）を参照して、被検査体の性質の変化を検知してもよいし、さらに、アラーム等を発信することにより、被検査体の性質の変化をユーザに通知してもよい。
ユーザは、第１状態の基準発振周波数と、第２状態における発振器２０の発振周波数との差Δｆ’を確認することにより、被検査体７０から７１に性質が変化したことを推定することができる。なお、情報処理装置（検知部）が、検出回路３が推定した、発振器２０の発振周波数を取得し、上記の差Δｆ’（発振周波数の変化）を参照して、被検査体の性質の変化を検知してもよいし、さらに、アラーム等を発信することにより、被検査体の性質の変化をユーザに通知してもよい。
３０ＧＨｚ〜２００ＧＨｚの周波数領域は、水の２つの誘電緩和（速い緩和：ピークは６４０ＧＨｚ程度と、遅い緩和：ピークは２０ＧＨｚ程度）の影響がともに見えやすい周波数領域であることが知られている。それにより水分子の状態変化に対して複素誘電率の変化が大きい。共振器５０などの表面から現れる電磁場が、水分子の運動に影響するようなセンサ回路を実現することにより、誘電率の変化、ひいては、周波数の変化として検知することができるので、水分が含有する被検査体の変動を検知できる。この場合、磁性粒子が必要ないため、周波数測定の簡易化につながる。従って、周波数３０ＧＨｚ〜２００ＧＨｚの電波を用いて検知するセンサ回路の実現は、非常に有効である。
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について、図５、６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
本発明の実施形態３について、図５、６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
前述の実施形態１、２においては、センサ回路１の表面の一部に被検査体７０、７１が接触する場合を説明した。実施形態３においては、半導体基板１０を含むセンサ装置２の全面が水溶液（被検査体７６、７７）に浸される場合を説明する。
（センサ装置の構成）
図５（ａ）は、本実施形態に係るセンサ装置２の概略構成を示す斜視図である。
図５（ａ）は、本実施形態に係るセンサ装置２の概略構成を示す斜視図である。
センサ装置２は、センサ用の集積回路（Integrated Circuit）である。センサ装置２は、半導体基板１０、および、封止材１６を備えている。
半導体基板１０には、共振器５０を含む発振器２０が形成される。発振器２０は、２０〜２００ＧＨｚの共振周波数を有する。共振器５０は、半導体基板１０の表面に表れるように形成される。
封止材１６は、図示しないボンディングワイヤおよびボンディングパッド等が水溶液に直接に接触しないように、ボンディングワイヤおよびボンディングパッド等を封止する。一方、封止材１６は、被検査体が共振器５０の表面に接触するための窓を備えている。なお、封止材１６の材料および形状等は特に限定しない。
センサ装置２は、封止材１６にて被検査体が共振器５０の表面以外に近接、または、接触しないようにしてあれば形状を問わない。被検査体７７は、被検査体７６が変化した水溶液である。被検査体７６から被検査体７７への変化は、例えば、時間の経過に伴う溶質の変化（濃度の変化、気化、固化、化学的反応の進行等）による、水溶液の性質の変化である。
（発振周波数の推定）
図５、６は、被検査体を半導体基板に接触させて、発振周波数を推定する方法を示す図である。図５（ｂ）および図６（ａ）は、それぞれ被検査体７６、７７を共振器５０に接触させた状態を示す。図５（ｃ）および図６（ｂ）は、それぞれ図５（ｂ）および図６（ａ）が示す状態のときの発振器２０の発振周波数を示す。被検査体７６、７７は、水溶液である。
図５、６は、被検査体を半導体基板に接触させて、発振周波数を推定する方法を示す図である。図５（ｂ）および図６（ａ）は、それぞれ被検査体７６、７７を共振器５０に接触させた状態を示す。図５（ｃ）および図６（ｂ）は、それぞれ図５（ｂ）および図６（ａ）が示す状態のときの発振器２０の発振周波数を示す。被検査体７６、７７は、水溶液である。
図５（ｂ）に示すように、ユーザは、性質が変化する前（第１状態）の被検査体７６を、共振器５０が形成された半導体基板１０の表面に均一に接触させる。次に、ユーザは、電流源６０から発振器２０にイネーブル信号を出力させる。
これにより、発振器２０は、動作を開始し、図５（ｃ）に示す、第１状態のときの発振周波数で発振する。発振器２０の発振周波数は、分周器３０により１／Ｎの周波数に分周され、検出回路３により所定期間カウントされる。そして、検出回路３は、発振器２０の発振周波数を、図５（ｃ）に示す、第１状態のときの周波数であると推定し、その周波数の値を基準周波数として保持する。
その後、被検査体７６の性質が変化して、図６（ａ）に示すように、被検査体７７の性質になり（第２状態）、その結果、被検査体７６の透磁率（または、誘電率）から被検査体７７の透磁率（または、誘電率）に変化する。ユーザは、第２状態において、電流源６０から発振器２０にイネーブル信号を出力させる。これにより、発振器２０は、動作を開始し、図６（ｂ）に示す、第２状態のときの発振周波数で発振する。第２状態における発振器２０の発振周波数は、第１状態と同様に、分周器３０により１／Ｎの周波数に分周され、検出回路３により所定期間カウントされる。さらに、検出回路３は、発振器２０の発振周波数を、図６（ｂ）に示す、第２状態のときの周波数であると推定する。
被検査体７６から７７に性質が変化するのに伴って、被検査体が含む水の誘電率が変化する。被検査体が含む水の誘電率が変化すると、共振器５０のインダクタ５２にかかる寄生容量値Ｃ（または、キャパシタンス値Ｃ）が変化する。そして、性質変化の前後における、キャパシタンスＣの差ΔＣが発振器２０の発振周波数の差Δｆ”として表れる。差Δｆ”と、差ΔＣとの関係式を、下記の式４に示す。
Δｆ”＝１／｛２π√（ＬＣ）｝―１／〔２π√｛Ｌ（Ｃ＋ΔＣ）｝〕 ・・・式４
（効果）
ユーザは、第１状態の基準発振周波数と、第２状態における発振器２０の発振周波数との差Δｆ”を確認することにより、被検査体７６から７７に性質が変化したことを推定することができる。なお、情報処理装置（検知部）が、検出回路３が推定した、発振器２０の発振周波数を取得し、上記の差Δｆ”（発振周波数の変化）を参照して、被検査体の性質の変化を検知してもよいし、さらに、アラーム等を発信することにより、被検査体の性質の変化をユーザに通知してもよい。
ユーザは、第１状態の基準発振周波数と、第２状態における発振器２０の発振周波数との差Δｆ”を確認することにより、被検査体７６から７７に性質が変化したことを推定することができる。なお、情報処理装置（検知部）が、検出回路３が推定した、発振器２０の発振周波数を取得し、上記の差Δｆ”（発振周波数の変化）を参照して、被検査体の性質の変化を検知してもよいし、さらに、アラーム等を発信することにより、被検査体の性質の変化をユーザに通知してもよい。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本実施形態では、ＭＯＳトランジスタを用いて説明したが、バイポーラトランジスタで構成してもよい。また、被検査体は、バルク水を含むあらゆる細胞やタンパク質、無機・有機水溶液などを含み、本センサ回路に適用することができる。さらに、本実施形態においては、共振器の共振周波数を変えるような被検査体の性質の変化として、誘電率の変化を示しているが、３０ＧＨｚ以上２００ＧＨｚ以下において、透磁率を含む誘電率の少なくとも何れかの変化で共振器の共振周波数が変化するものであれば、透磁率または誘電率の検知に本センサ回路を適用することができる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るセンサ回路（１）は、被検査体の性質を検査するためのセンサ回路であって、２０〜２００ＧＨｚの共振周波数を有する発振部（発振器２０）と、前記発振部の発振周波数を推定する推定部（検出回路３）と、を備えている。
本発明の態様１に係るセンサ回路（１）は、被検査体の性質を検査するためのセンサ回路であって、２０〜２００ＧＨｚの共振周波数を有する発振部（発振器２０）と、前記発振部の発振周波数を推定する推定部（検出回路３）と、を備えている。
上記の構成によれば、２０〜２００ＧＨｚの共振周波数を有する発振部を用いるので、発振周波数の変化を、発振部の近傍にある、水分を含む被検査体の性質の変化として検出することができる。また、磁性粒子が必要ないので、検出のための手順を削減することができる。
本発明の態様２に係るセンサ回路は、上記態様１において、前記推定した発振周波数の変化を参照して、被検査体の性質の変化を検知する検知部（情報処理装置）をさらに備えていることとしてもよい。
上記の構成によれば、検知部は、被検査体の性質の変化を検知したときに、アラーム等を発信することができる。従って、ユーザは、検知部が発信するアラーム等により、被検査体の性質の変化を知ることができる。
本発明の態様３に係るセンサ回路は、上記態様１および２において、前記発振部の発振周波数を分周し、当該分周した周波数を有する出力信号を前記推定部に出力する分周部をさらに備えており、前記推定部が、前記分周部の出力信号を参照して前記発振部の発振周波数を推定することとしてもよい。
発振部の、３０ＧＨｚ以上２００ＧＨｚ以下の発振周波数の変化を、直接カウンタ回路で検出するには、高速なカウンタ回路が必要となる。上記の構成によれば、発振部と、推定部との間に分周部を介設することにより、カウンタ回路の動作速度を緩和することができるため、発振部から出力される信号周波数の変化を簡易な回路で検出することができる。
本発明の態様４に係るセンサ回路は、上記態様１から３において、前記発振部が、インダクタを含んでいることとしてもよい。
上記の構成によれば、センサ回路のインダクタの近傍にある、水分を含む被検査体の水の状態変動による誘電率の変化により、インダクタにかかる寄生容量が変化し、さらに発振部の発振周波数が変化する。従って、発振周波数の変化を把握することにより、被検査体の誘電率の変化を検知することができる。
本発明の態様５に係るセンサ回路は、上記態様１から４において、前記発振部が、キャパシタを含んでいることとしてもよい。
上記の構成によれば、センサ回路のキャパシタの近傍にある、水分を含む被検査体の変動による誘電率の変化により、キャパシタのキャパシタンスが変化し、さらに発振部の発振周波数が変化する。従って、発振周波数の変化を把握することにより、被検査体の誘電率の変化を検知することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１ センサ回路
３ 検出回路（推定部）
２０ 発振器（発振部）
３０ 分周器（分周部）
５２ インダクタ
５４ キャパシタ
３ 検出回路（推定部）
２０ 発振器（発振部）
３０ 分周器（分周部）
５２ インダクタ
５４ キャパシタ
Claims (5)
- 被検査体の性質を検査するためのセンサ回路であって、
３０〜２００ＧＨｚの共振周波数を有する発振部と、
前記発振部の発振周波数を推定する推定部と、
を備えている
ことを特徴とするセンサ回路。 - 前記推定した発振周波数の変化を参照して、被検査体の性質の変化を検知する検知部をさらに備えている
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ回路。 - 前記発振部の発振周波数を分周し、当該分周した周波数を有する出力信号を前記推定部に出力する分周部をさらに備えており、
前記推定部は、前記分周部の出力信号を参照して前記発振部の発振周波数を推定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ回路。 - 前記発振部は、インダクタを含んでいる
ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のセンサ回路。 - 前記発振部は、キャパシタを含んでいる
ことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のセンサ回路。
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