WO2015174463A1 - 検出デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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WO2015174463A1
WO2015174463A1 PCT/JP2015/063802 JP2015063802W WO2015174463A1 WO 2015174463 A1 WO2015174463 A1 WO 2015174463A1 JP 2015063802 W JP2015063802 W JP 2015063802W WO 2015174463 A1 WO2015174463 A1 WO 2015174463A1
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terahertz wave
transmission path
detection device
waveguide
photoconductive substrate
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PCT/JP2015/063802
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章弘 藤本
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コニカミノルタ株式会社
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    • G01N2201/066—Modifiable path; multiple paths in one sample

Definitions

  • the present invention relates to a detection device for acquiring information on an object by detecting the state of a terahertz wave that has passed through the object, and a method for manufacturing the same.
  • a terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 to 100 THz corresponding to a space between a light wave and a radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave.
  • a technique for acquiring information on an object by detecting the state of a terahertz wave transmitted through the object or a terahertz wave reflected by the object has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • Patent Document 1 discloses a reflection type detection device that acquires information on an object by detecting the state of a terahertz wave reflected by the object.
  • the detection device described in Patent Literature 1 includes a terahertz wave generation unit, a prism, and a terahertz wave detection unit.
  • the terahertz wave generation unit generates a terahertz wave by irradiating InAs with femtosecond pulse laser light.
  • the terahertz wave enters the prism through an optical path that includes two off-axis parabolic mirrors. An object is placed on the plane of the prism.
  • the terahertz wave incident on the prism becomes a terahertz wave including information on the object when totally reflected on the plane below the object.
  • a terahertz wave including information on the object is emitted from the prism, passes through an optical path including two off-axis parabolic mirrors, and reaches the terahertz wave detection unit.
  • the terahertz wave detection unit detects a terahertz wave including information on the object.
  • Patent Document 1 proposes to integrate a terahertz wave generating element and a terahertz wave detecting element with a prism.
  • Patent Document 2 discloses a reflection type detection device that acquires information on an object by detecting the state of a terahertz wave reflected by the object, and a reflection type detection device used therefor.
  • the detection apparatus described in Patent Literature 2 includes a light source, a detection device, and a photodetector.
  • the detection device includes a prism, a terahertz wave generating element disposed on the incident surface of the prism, and a terahertz wave detecting element disposed on the exit surface of the prism.
  • the light source irradiates the terahertz wave generating element of the detection device with femtosecond pulse laser light.
  • a terahertz wave is generated in the terahertz wave generating element, and the terahertz wave propagates in the prism.
  • An object is placed on the plane of the prism.
  • the terahertz wave becomes a terahertz wave including information on the object when totally reflected on a plane below the object, and reaches the terahertz wave detecting element.
  • the terahertz wave detecting element generates light including information on the object according to the input terahertz wave.
  • the photodetector detects light including information on the object.
  • Patent Document 3 discloses a transmission type detection device that acquires information on an object by detecting the state of a terahertz wave that has passed through the object.
  • FIG. 1 is a perspective view of the detection device described in Patent Document 3.
  • the detection device 10 described in Patent Document 3 includes two metal plates 12a and 12b, two polystyrene plates 14a and 14b, and two photoconductive antennas 16a and 16b.
  • the two metal plates 12a and 12b are arranged to face each other at an interval of about 100 ⁇ m, and the two polystyrene plates 14a and 14b are arranged between the two metal plates 12a and 12b.
  • a laminate composed of two metal plates 12a and 12b and two polystyrene plates 14a and 14b constitutes a parallel plate waveguide.
  • a gap 18 for accommodating an object is formed between the two polystyrene plates 14a and 14b.
  • the interval between the two polystyrene plates 14a and 14b is about 50 ⁇ m.
  • the object accommodated in the gap 18 exists in the middle of the waveguide.
  • the photoconductive antenna 16a is disposed at one end of the stacked body, and the photoconductive antenna 16b is disposed at the other end of the stacked body. When the photoconductive antenna 16a is irradiated with femtosecond pulsed laser light, a terahertz wave is generated.
  • the terahertz wave propagates through the polystyrene plate 14a, the gap 18 (object), and the polystyrene plate 14b and reaches the photoconductive antenna 16b.
  • the photoconductive antenna 16b detects the terahertz wave that has passed through the object (converts it into an electrical signal).
  • the detection device 10 described in Patent Document 3 Since the terahertz wave is greatly attenuated and it is difficult to irradiate the polystyrene plate 14a with the terahertz wave itself, the detection device 10 described in Patent Document 3 generates terahertz waves by irradiating the photoconductive antenna 16a with laser light. I am letting. Further, since the terahertz wave is attenuated when the gap 18 is enlarged, the gap 18 is preferably as small as possible.
  • the detection device 10 described in Patent Document 3 is small, it can detect the state of the terahertz wave transmitted through the object.
  • An object of the present invention is a transmission-type detection device for acquiring information on an object by detecting a state of a terahertz wave that has passed through the object, and has a sufficient space for accommodating the object. It is to provide a detection device capable of realizing downsizing and high-sensitivity detection while securing the same, and a method for manufacturing the same.
  • a detection device for acquiring information on the target object by detecting a state of a terahertz wave that has passed through the target object.
  • a terahertz wave generating element, a terahertz wave detecting element disposed so as to face the terahertz wave generating element, and disposed on the terahertz wave generating element and projecting from the terahertz wave generating element toward the terahertz wave detecting element
  • a first transmission path, a second transmission path disposed on the terahertz wave detection element and projecting from the terahertz wave detection element toward the terahertz wave generation element, the terahertz wave generation element, and the terahertz wave
  • the first transmission line and the second transmission line are surrounded by the detection element so as to surround the first transmission line and the second transmission line.
  • the second transmission path is disposed at the tip thereof so as to be opposed to and spaced from the emission surface, and has an incident surface on which a terahertz wave emitted from the emission surface is incident. And the space between the incident surface and the space between the first transmission path and the sealing portion and the space between the second transmission path and the sealing portion.
  • a method for manufacturing a detection device is a method for manufacturing the detection device, wherein a plurality of methods are provided on a first surface of a first photoconductive substrate. Forming a pair of first electrode films; forming a plurality of pairs of second electrode films on a first surface of the second photoconductive substrate; and Forming a plurality of first transmission lines on the second surface; forming a plurality of second transmission lines on the second surface of the second photoconductive substrate; and A sealing sheet having a plurality of through-holes for accommodating a transmission line and the second transmission line is formed on the second surface of the first photoconductive substrate and the second surface of the second photoconductive substrate.
  • the first photoconductive substrate, the sealing sheet, and the second photoconductive substrate are fixed to each other, and a laminate is manufactured. Degree and, by cutting the laminate between the through-hole, and a step of obtaining a plurality of detection devices, the.
  • the sealing portion is provided so as to surround the first transmission path and the second transmission path between the terahertz wave generation element and the terahertz wave detection element, and the object is accommodated in the sealing section. Since a sufficient space is secured, the object can easily move between the first transmission path and the second transmission path even if the distance between the first transmission path and the second transmission path is reduced. Therefore, it is possible to provide a detection device that can realize downsizing and highly sensitive detection. By using the detection device according to the present invention, the state of the terahertz wave transmitted through the object can be detected with high sensitivity.
  • FIG. 1 is a perspective view of a transmission type detection device described in Patent Document 3.
  • FIG. 2A is a perspective view of the detection device according to Embodiment 1
  • FIG. 2B is a perspective view of the detection device according to Embodiment 1 with the sealing portion omitted.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a modification of the detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the detection device according to Embodiment 1 in which the distance between the exit surface and the entrance surface is variable.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of the detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 7A to 7F are cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the detection device according to Embodiment 1.
  • FIG. 8A is a perspective view of the detection device according to Embodiment 2
  • FIG. 8B is a perspective view of the detection device according to Embodiment 2 with the sealing portion omitted.
  • FIG. 9 is a perspective view of a modification of the detection device according to Embodiment 2 in which the sealing portion is omitted.
  • FIG. 10A is a perspective view of the detection device according to Embodiment 3
  • FIG. 10B is a perspective view of the detection device according to Embodiment 3 with the sealing portion omitted.
  • FIG. 11 is a perspective view of a modification of the detection device according to Embodiment 3 in which the sealing portion is omitted.
  • FIG. 2A is a perspective view of the detection device 100
  • FIG. 2B is a perspective view of the detection device 100 from which the sealing portion 150 is omitted.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the detection device 100.
  • the detection device 100 is a device (chip) for acquiring information on an object by detecting the state of a terahertz wave that has passed through the object.
  • terahertz wave refers to an electromagnetic wave having a frequency in the range of 0.01 to 100 THz.
  • the type of the object is not particularly limited, but the detection device 100 according to the present embodiment is particularly effective when the object is in a flowable state such as a liquid or powder.
  • the detection device 100 includes a terahertz wave generating element 110, a terahertz wave detecting element 120, a first waveguide 130, a second waveguide 140, and a sealing portion 150.
  • the terahertz wave generating element 110 generates a terahertz wave for transmitting an object.
  • the terahertz wave generating element 110 is a photoconductive antenna having a photoconductive substrate 112 and a pair of electrode films 114a and 114b disposed on the photoconductive substrate 112 (for example, low-temperature grown GaAs).
  • the type of the terahertz wave generating element 110 is not particularly limited as long as a desired terahertz wave can be generated.
  • Another example of the terahertz wave generating element 110 includes a nonlinear optical crystal (for example, ZnTe).
  • the terahertz wave detecting element 120 is disposed so as to face the terahertz wave generating element 110.
  • the terahertz wave detecting element 120 detects the terahertz wave emitted from the terahertz wave generating element 110 and transmitted through the object.
  • the terahertz wave detecting element 120 is a photoconductive antenna having a photoconductive substrate 122 and a pair of electrode films 124a and 124b disposed on the photoconductive substrate 122 (for example, low-temperature grown GaAs). .
  • the type of the terahertz wave detecting element 120 is not particularly limited as long as the terahertz wave emitted from the terahertz wave generating element 110 can be detected.
  • Another example of the terahertz wave detection element 120 includes a nonlinear optical crystal (for example, ZnTe).
  • the first waveguide 130 is a transmission line disposed on the terahertz wave generating element 110 (the photoconductive substrate 112). More specifically, the first waveguide 130 corresponds to a portion where the terahertz wave is generated in the terahertz wave generating element 110 (in this embodiment, the back side of the gap between the pair of electrode films 114a and 114b). Is arranged.
  • the first waveguide 130 protrudes from the terahertz wave generation element 110 (photoconductive substrate 112) toward the terahertz wave detection element 120, and has an emission surface 132 that emits the terahertz wave at the tip thereof.
  • the first waveguide 130 transmits the terahertz wave generated by the terahertz wave generating element 110 toward the emission surface 132 and emits it from the emission surface 132.
  • the second waveguide 140 is a transmission line disposed on the terahertz wave detecting element 120 (photoconductive substrate 122). More specifically, the second waveguide 140 is a position corresponding to a portion that detects the terahertz wave in the terahertz wave detecting element 120 (in this embodiment, the back side of the gap between the pair of electrode films 124a and 124b). Is arranged.
  • the second waveguide 140 protrudes from the terahertz wave detecting element 120 (photoconductive substrate 122) toward the terahertz wave generating element 110, and the terahertz emitted from the emission surface 132 of the first waveguide 130 at the tip thereof. It has an incident surface 142 on which waves are incident.
  • the exit surface 132 and the entrance surface 142 are spaced apart from each other.
  • the detection device 100 irradiates an object existing between the emission surface 132 and the incident surface 142 with a terahertz wave, and detects the terahertz wave transmitted through the object.
  • the second waveguide 140 receives a terahertz wave that has passed through the object and transmits the terahertz wave to the terahertz wave detection element 120.
  • the type of the material of the first waveguide 130 and the second waveguide 140 is not particularly limited as long as absorption (loss) and dispersion with respect to terahertz waves are small.
  • Examples of the material of the first waveguide 130 and the second waveguide 140 include resin (for example, polytetrafluoroethylene), ceramics, and silicon.
  • the material of the first waveguide 130 and the material of the second waveguide 140 may be different. From the viewpoint of ease of processing, the first waveguide 130 and the second waveguide 140 are preferably made of resin.
  • the shape of the first waveguide 130 and the second waveguide 140 is not particularly limited as long as the terahertz wave can be efficiently transmitted.
  • the shapes of the first waveguide 130 and the second waveguide 140 are rectangular parallelepipeds.
  • the length of the first waveguide 130 (height from the terahertz wave generating element 110) and the length of the second waveguide 140 (height from the terahertz wave detecting element 120) are not particularly limited, but are each 10 ⁇ m. The above is preferable. By setting the lengths of the first waveguide 130 and the second waveguide 140 to 10 ⁇ m or more, it is possible to delay the propagation of stray light and reduce the influence of multiple reflection. On the other hand, from the viewpoint of ease of handling of the detection device 100, the upper limit of the length of the first waveguide 130 and the second waveguide 140 is about several millimeters.
  • the width of the first waveguide 130 and the second waveguide 140 (the length in the direction parallel to the exit surface 132 and the entrance surface 142) is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the wavelength of the terahertz wave.
  • the terahertz wave of an arbitrary wavelength can be enhanced and the S / N ratio can be improved.
  • the distance between the exit surface 132 and the entrance surface 142 is not particularly limited. Considering the balance between the ease of movement of the object and the loss of the terahertz wave, the distance between the exit surface 132 and the entrance surface 142 is preferably in the range of 10 to 100 ⁇ m.
  • the side surface of the first waveguide 130 (surface other than the exit surface 132) and the side surface of the second waveguide 140 (surface other than the entrance surface 142) are covered with metal films 134 and 144 for reflecting terahertz waves. It is preferable.
  • the back surface of the terahertz wave generating element 110 (photoconductive substrate 112) and the side surface of the first waveguide 130 are covered with a metal film 134 for reflecting terahertz waves.
  • the back surface of the terahertz wave detecting element 120 (photoconductive substrate 122) and the side surface of the second waveguide 140 are covered with a metal film 144 for reflecting terahertz waves.
  • the metal film 134 does not exist at the interface between the terahertz wave generating element 110 (photoconductive substrate 112) and the first waveguide 130, and the terahertz wave detecting element 120 (photoconductive substrate 122) and the second waveguide are not present.
  • the metal film 144 does not exist at the interface with the waveguide 140.
  • the type of metal constituting the metal films 134 and 144 is not particularly limited as long as it can reflect terahertz waves. Examples of the metal constituting the metal films 134 and 144 include gold, silver, aluminum, and alloys thereof.
  • the first waveguide 130 is formed integrally with a base 136 disposed on the back surface of the terahertz wave generating element 110 (photoconductive substrate 112). May be.
  • the second waveguide 140 may be formed integrally with a base 146 disposed on the back surface of the terahertz wave detection element 120 (photoconductive substrate 122).
  • the sealing unit 150 surrounds the first waveguide 130 and the second waveguide 140 between the terahertz wave generating element 110 (photoconductive substrate 112) and the terahertz wave detecting element 120 (photoconductive substrate 122). Is arranged. In addition, since the sealing portion 150 is disposed apart from the first waveguide 130 and the second waveguide 140, the terahertz is around the first waveguide 130 and the second waveguide 140. A space for accommodating an object surrounded by the wave generating element 110 (the photoconductive substrate 112), the terahertz wave detecting element 120 (the photoconductive substrate 122), and the sealing portion 150 is formed. In order to accommodate the object in this space, two through holes 116a and 116b are formed in the terahertz wave generating element 110 (photoconductive substrate 112).
  • the object irradiated with the terahertz wave must exist in the space between the exit surface 132 and the entrance surface 142, but the space between the exit surface 132 and the entrance surface 142 is the first.
  • the space around the first waveguide 130 and the second waveguide 140 (the space between the first waveguide 130 and the sealing portion 150 and the space between the second waveguide 140 and the sealing portion 150) Communicated with. Therefore, the object can freely move in these spaces.
  • the material of the sealing part 150 is not particularly limited as long as it is not affected by the object.
  • Examples of the material of the sealing unit 150 include resin, rubber, and metal.
  • the sealing portion 150 is preferably made of an elastic body. By giving elasticity to the sealing portion 150, as shown in FIG. 5, it is possible to adjust the distance between the exit surface 132 and the entrance surface 142, and the first waveguide 130 and the second waveguide. The interval from 140 can be changed. It is also possible to promote the reaction by stirring the fluid stored in the detection device 100.
  • the difference in the absorption of the terahertz wave by the object can be known by performing the measurement a plurality of times while changing the distance between the emission surface 132 and the incident surface 142.
  • the sealing part 150 is configured by a plurality of members that can slide with each other, or the sealing part 150 has a bellows (accordion) structure. The same effect as the case where the sealing part 150 consists of an elastic body can be expected.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a detection apparatus 200 for acquiring information on an object using the detection device 100 according to the present embodiment.
  • the detection apparatus 200 includes a laser light source 210, a beam splitter 220, mirrors 230, 240, 260, a time delay 250, a power supply 270, an ammeter 280, and the detection device 100.
  • An object (sample) S is accommodated in the space inside the detection device 100.
  • the laser light source 210 emits short pulse laser light (for example, femtosecond pulse laser light).
  • the light beam of the pulsed laser light is split into two light beams (pump light and probe light) by the beam splitter 220.
  • the pump light is reflected by the mirror 230 and reaches the terahertz wave generating element 110 of the detection device 100.
  • the electrode films 114a and 114b of the terahertz wave generating element 110 are respectively connected to a power source 270, and a predetermined voltage is applied between the electrode films 114a and 114b. In this state, when pump light is applied to the gap between the electrode films 114a and 114b, a pulsed terahertz wave is generated.
  • the terahertz wave propagates through the first waveguide 130 and is emitted from the emission surface 132.
  • the terahertz wave passes through the object (sample) S between the emission surface 132 and the incident surface 142 and becomes a terahertz wave including information on the object S.
  • the terahertz wave that has passed through the object S enters the second waveguide 140 at the incident surface 142, propagates through the second waveguide 140, and reaches the terahertz wave detection element 120.
  • the probe light is reflected by the mirror 240, passes through the time delay unit 250, is reflected by the mirror 260, and reaches the terahertz wave detection element 120 of the detection device 100.
  • the electrode films 124 a and 124 b of the terahertz wave detection element 120 are each connected to an ammeter 280.
  • the electrode When the terahertz wave reaches the terahertz wave detecting element 120 when the probe light is applied to the gap between the electrode films 124a and 124b, the electrode has a time corresponding to the pulse time width of the probe light and the carrier lifetime in the photoconductive substrate 122. A current flows between the films 124a and 124b. The magnitude of this current corresponds to the magnitude of the electric field amplitude of the terahertz wave that has reached the terahertz wave detecting element 120. Further, by using the time delay unit 250, the timing at which the terahertz wave reaches the terahertz wave detection element 120 and the timing at which the probe light reaches the terahertz wave detection element 120 can be shifted.
  • a pulsed terahertz wave waveform can be obtained.
  • a spectrum of the terahertz wave transmitted through the object S can be obtained by performing a Fourier transform on the waveform of the terahertz wave.
  • the spectrum of the terahertz wave is acquired in a state where the object S is accommodated in the space in the detection device 100 and in a state where the object S is not accommodated, and an absorption spectrum of the object S with respect to the terahertz wave is calculated Obtainable.
  • the manufacturing method of the detection device 100 according to the present embodiment is not particularly limited.
  • the detection device 100 can be manufactured by the procedure shown in FIG.
  • a wafer-like photoconductive substrate 112 ' is prepared.
  • a plurality of pairs of electrode films 114a and 114b are formed on one surface of the photoconductive substrate 112 '.
  • the formation method of the electrode films 114a and 114b is not particularly limited.
  • the electrode films 114a and 114b are formed by photolithography.
  • a plurality of first waveguides 130 are formed on the other surface of the photoconductive substrate 112 '.
  • the method for forming the first waveguide 130 is not particularly limited.
  • the first waveguide 130 is made of resin and is formed by imprint molding. Thereafter, a metal film 134 is formed on the side surface of the first waveguide 130 as necessary.
  • a plurality of combinations of the terahertz wave generating element 110 and the first waveguide 130 are formed on one photoconductive substrate 112 ′. Further, a plurality of combinations of the terahertz wave detecting element 120 and the second waveguide 140 are formed on one photoconductive substrate 122 ′ by the same procedure. Thereafter, through holes 116 a and 116 b are also formed in the vicinity of each of the terahertz wave generating elements 110 in the photoconductive substrate 112 ′ in which a plurality of combinations of the terahertz wave generating elements 110 and the first waveguides 130 are formed.
  • the photoconductive substrate 122 ′ (or the plurality of terahertz wave generating elements 110 and the plurality of first waveguides) on which the plurality of terahertz wave detecting elements 120 and the plurality of second waveguides 140 are formed.
  • a sealing sheet 150 ′ having a plurality of through holes is placed on and fixed (adhered) to the photoconductive substrate 112 ′) on which the waveguide 130 is formed.
  • a photoconductive substrate 112 ′ (or a plurality of terahertz wave detecting elements) in which a plurality of terahertz wave generating elements 110 and a plurality of first waveguides 130 are formed on a sealing sheet 150 ′.
  • a laminated body including a plurality of terahertz wave generating elements 110, a plurality of terahertz wave detecting elements 120, a plurality of first waveguides 130, and a plurality of second waveguides 140 is obtained.
  • the first waveguide 130 and the second waveguide 140 are accommodated in the through holes of the sealing sheet 150 ′.
  • a plurality of detection devices can be obtained by cutting the laminate so as to pass between the through holes of the sealing sheet 150 ′.
  • the detection device 100 has a large space communicating with the space between the exit surface 132 and the entrance surface 142 around the first waveguide 130 and the second waveguide 140. Have For this reason, an object can be easily installed in the space between the emission surface 132 and the incident surface 142 without increasing the size of the detection device 100. It is also easy to react an object with another substance in the detection device 100.
  • the terahertz wave generation element 110 and the terahertz wave detection element 120 are photoconductive antennas
  • the types of the terahertz wave generation element 110 and the terahertz wave detection element 120 are not limited to photoconductive antennas.
  • the terahertz wave generating element 110 and the terahertz wave detecting element 120 are other elements, the means for generating the terahertz wave and the means for detecting the terahertz wave can be appropriately changed.
  • the number of through holes for accommodating an object and The position is not particularly limited.
  • the number of through holes for accommodating the object may be one or plural.
  • the position of the through hole for accommodating the object is surrounded by the terahertz wave generating element 110 (photoconductive substrate 112), the terahertz wave detecting element 120 (photoconductive substrate 122), and the sealing portion 150.
  • the through hole may be formed in the terahertz wave detection element 120 (photoconductive substrate 122) or the sealing portion 150.
  • the detection device according to the second embodiment differs from the detection device according to the first embodiment in that the terahertz wave generation element and the terahertz wave detection element each have a plurality of pairs of electrode films. Therefore, the same components as those of the detection device 100 according to Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • FIG. 8A is a perspective view of the detection device 300 according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 8B is a perspective view of the detection device 300 from which the sealing portion 150 is omitted.
  • the detection device 300 includes a terahertz wave generating element 310, a terahertz wave detecting element 320, three first waveguides 330, three second waveguides 340, and a sealing unit 150.
  • the terahertz wave generating element 310 is a photoconductive antenna having a photoconductive substrate 112 and three pairs of electrode films 114 a and 114 b disposed on the photoconductive substrate 112.
  • the terahertz wave detecting element 320 is a photoconductive antenna having a photoconductive substrate 122 and three pairs of electrode films 124 a and 124 b disposed on the photoconductive substrate 122.
  • Each of the three first waveguides 330 is disposed on the back side of the gap between the three pairs of electrode films 114a and 114b in the terahertz wave generating element 310.
  • the three second waveguides 340 are respectively disposed behind the gaps of the three pairs of electrode films 124 a and 124 b in the terahertz wave detection element 320.
  • the exit surface 132 of one first waveguide 330 faces the entrance surface 142 of one second waveguide 340 while being spaced apart. That is, in the detection device 300 of the present embodiment, the combination of the pair of electrode films 114a and 114b, the one first waveguide 330, the one second waveguide 340, and the pair of electrode films 124a and 124b. Three sets are formed.
  • the length of the first waveguide 330 (height from the terahertz wave generating element 310) and the length of the second waveguide 340 (height from the terahertz wave detecting element 320) are the same as those of the first waveguide 330 and Different for each combination of the second waveguides 340. Therefore, the distance between the exit surface 132 and the entrance surface 142 is also different for each combination of the first waveguide 330 and the second waveguide 340.
  • the lengths of the first waveguide 330 and the second waveguide 340 shown on the left side are short (the distance between the exit surface 132 and the entrance surface 142 is large) and shown on the right side.
  • the first waveguide 330 and the second waveguide 340 are long (the distance between the exit surface 132 and the entrance surface 142 is small). Note that the widths of all the first waveguides 330 and the second waveguides 340 are the same.
  • the detection device 300 changes the position where the pump light and the probe light are irradiated, and the exit surface 132 and the entrance surface of the same object It is possible to perform measurement by changing the interval with 142.
  • the example in which the three first waveguides 330 are formed separately and the three second waveguides 340 are formed separately has been described.
  • the three first waveguides 330 may be integrally formed, and the three second waveguides 340 may be integrally formed.
  • the detection device according to the third embodiment is different from the detection device according to the second embodiment in that the width of the plurality of first waveguides and the width of the plurality of second waveguides are different. Therefore, the same components as those of the detection device 100 according to the first embodiment or the detection device 300 according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • FIG. 10A is a perspective view of the detection device 400 according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 10B is a perspective view of the detection device 400 from which the sealing portion 150 is omitted.
  • the detection device 400 includes a terahertz wave generation element 310, a terahertz wave detection element 320, three first waveguides 430, three second waveguides 440, and a sealing unit 150.
  • the three first waveguides 430 and the three second waveguides 440 are each integrally formed.
  • the width of the first waveguide 430 and the width of the second waveguide 440 are different for each combination of the first waveguide 430 and the second waveguide 440.
  • the widths of the first waveguide 430 and the second waveguide 440 illustrated on the left side are small, and the first waveguide 430 and the second waveguide 440 illustrated on the right side are small.
  • the width is large. Note that the intervals between all the first waveguides 430 and the second waveguides 440 are the same.
  • the detection device 400 according to the third embodiment only changes the position where the pump light and the probe light are irradiated, and the wavelength of the terahertz wave that irradiates the same object. It is possible to measure by changing.
  • the widths of the three first waveguides 430 formed integrally and the three second waveguides 440 formed integrally change discontinuously.
  • the widths of the three first waveguides 430 formed integrally and the three second waveguides 440 formed integrally may be continuously changed. .
  • three pairs of electrode films 114 a and 114 b are arranged for the three first waveguides 330 and 430, and the three second waveguides 340 and 440 are arranged.
  • an example in which three pairs of electrode films 124a and 124b are arranged has been described.
  • a pair of slidable electrode films may be arranged instead of arranging the same number of pairs of electrode films for the plurality of first waveguides 330 and 430 or the second waveguides 340 and 440.
  • the transmission path (first transmission path) disposed on the back side of the terahertz wave generation element 110 and the transmission path (second transmission path) disposed on the back side of the terahertz wave detection element 120 are waveguides.
  • the types of the first transmission path and the second transmission path are not limited thereto.
  • the first transmission path and the second transmission path may be waveguides or transmission lines.
  • the detection device according to the present invention is useful for food inspection, for example.

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Abstract

　検出デバイスは、テラヘルツ波発生素子と、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た第１の伝送路と、前記テラヘルツ波検出素子上に配置された第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、を有する。前記第１の伝送路の出射面と前記第２の伝送路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。

Description

検出デバイスおよびその製造方法
　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。
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