专利名称：感测设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用毫米波到太赫波区域中的高频电磁波检测对象的物理性质值等的感测设备和方法。
背景技术：
近年来，已经开发了利用毫米波到太赫(THz)频率(30GHz到30THz)的电磁波的无损感测技术。现在正在开发的这种频带中的电磁波应用领域里的技术例子包括利用安全的荧光设备替代X射线荧光检查仪的成像技术、获得材料的吸收光谱或复介电常数以探测(或者检查)其中的结合状态的光谱技术、分析生命分子的技术以及估计载体浓度或迁移率的技术。
作为一种利用太赫电磁波的感测系统，日本专利申请特开H10-104171号公开了一种准备光电导元件的方法，其中在基片上形成的光电导膜上设置还充当电极的天线并对该光电导元件照射超短脉冲激光以便产生和检测太赫电磁波。由于太赫范围中存在各种材料的吸收线，对于诸如塑料、复合材料等的分析、含水量分析以及生命分子分析的感测技术应用太赫电磁波变得更加重要。通过二维地移动被探测(或被检查)的材料，还可能通过例如基于电磁波吸收系数的差异的成像得到二维图像。
在这种情况下，由于采用空间成像系统迄今一直存在需要对齐光轴的问题，以及测量粉末材料或液体材料时难以提高灵敏度的问题。从而，近年已经提出把被探测的材料定位在太赫波反射棱镜上并且利用该棱镜的上表面上的全反射产生的太赫倏逝波(evanescent wave)进行感测的方法(参见Extended Abstracts of The 51stMeeting of TheJapan Society of Applied Physics and Related Societies，28p-YF-7)。在此情况下，由于基于倏逝波和被探测材料之间的相互作用测量吸收光谱等等，可以和对象呈现的任何形式例如液态、粉末态等无关地进行测量。
但是，采用棱镜的方法在减小传播太赫电磁波的光束直径上是受到限制的，从而典型地只得到和太赫电磁波的波长数量级相对应的约为100μm的最大空间分辨率。从而，当要观察被探测对象的二维图像时或者在二维阵列形式下排列要被探测的对象时，需要更高的分辨率。此外，采用棱镜还需要太赫频带中低损耗的昂贵光学器件，并且限制整个光学系统尺寸的减小。另外，由于光学系统易受到空气中的潮湿的影响，必须把整个光学系统放在氮环境中，这阻碍成本的减少。
发明内容
鉴于上述问题，依据本发明的一个方面，提供一种感测设备，其包括用于在其中传播电磁波的传输线；以及用于在该传输线的任意位置处检测该电磁波的传播状态的检测装置，其中检测设置在该传输线附近的对象和该电磁波之间的交互作用。
依据本发明的另一个方面，提供一种感测设备，其包括用于在其中传播电磁波的传输线；用于检测通过该传输线的电磁波的传播状态的检测装置；以及设置在该传输线附近的能使对象在其中移动的流径，其中检测该对象和该电磁波之间的交互作用。
在本发明中，例如，通过用介质做成的分布常数线传播太赫电磁波，并且利用漏到该传输线附近的空气中的电磁场(例如倏逝波)进行被探测对象的物理性质感测。为了得到高分辨率二维图像，通过在位于传输线上的被探测对象附近设置用于太赫检测的探子并且利用该探子进行扫描，实现高空间分辨率下的探测变成可能。在这样的情况下，通过允许该感测设备作为太赫扫描近场光学显微镜工作，还能实现波长的1/10或更小的观测。可以例如根据电光(EO)晶体上的Pockels效应通过读出光的偏振变化检测来自该探子的太赫电磁波。
通过该传输线传播的太赫电磁波可以从该传输线的外面照射。作为替代，可以在该传输线上集成太赫发生器(电磁波产生装置)。在此情况下，可以得到电磁波不受空气中有潮湿的影响、不需要光学调整以及尺寸减小变成可能的优点。对于该太赫发生器，可以采用这样的结构，其中光电导元件位于该传输线的某个部分上，并且一个短脉冲激光从外部照射，或者二个谐振频率略微不同的CW激光多路复用并且从外部照射。为了有效地把太赫电磁波限制在该太赫传输线内，还可以在该太赫传输线上设置分布式布拉格反射器(DBR)结构或类似物。此外，对于光源，可以采用这样的结构，其中在该传输线的附近或者在同一块基片上集成诸如量子级联激光器的小型电流注入器件。
当在二维阵列形式下排列多个太赫传输线并且通过喷墨等施加被探测对象时，可能提供用于高速探测的芯片。另外，当采用多探子配置时，可以为了高速感测得到多个被探测对象的太赫响应。
除了把被探测对象施加到传输线的表面上的技术之外，还可能采用在传输线的附近形成液体可以穿过的流径的技术，并且当被探测的液态材料在其中流动或者被连续替换时进行高速感测。
依据本发明的感测设备和方法，即使在被探测对象量很小情况下，也可以高速地例如进行毫米波到太赫波区间的光谱分析，同时在样本形式上保证高的自由度。在这些分析中，可以在100μm或更小的高空间分辨率下对二维形状的被探测对象进行感测。另外，由于使用小尺寸的感测芯片，可能提供尺寸小、成本低的含有完整光学系统的感测设备。
从下面的连带着附图的说明中，本发明的其它特征和优点会变得清楚，附图中类似的附图标记代表相同或类似的部分。
包含在说明书中并构成本说明书的一部分的附图示意说明本发明的各实施例，并且和说明一起用来解释本发明的原理。
图1是示意结构图，用来示出依据本发明的例1的传感器芯片以及整个系统；
图2是示出依据本发明的二维阵列芯片的示意透视图；图3是示出依据本发明的例2的带有谐振结构的传感器芯片的示意平面图；图4A和4B是各用于解释太赫电磁波的傅里叶谱的图形表示；图5是示出依据本发明的例3的传感器芯片的示意透视图；图6是示出该依据本发明的例3的传感器芯片的修改例子的示意剖面图；图7是依据本发明的例4的传感器芯片的示意剖面图；以及图8是依据本发明的例5的传感器芯片的示意透视图。
具体实施例方式
下面，尽管要参照光电导元件以及含有该光电导元件的集成元件的各实施例说明使用太赫电磁波的感测设备，其材料、结构、器件、尺寸等不受下面所说明的限制。另外，应理解，本发明不受本文所公开的各元件的特定使用应用以及产生的电磁波的特定性质的限制。
(例1)在本发明的第一例子中，如图1中所示提供太赫传感器芯片以及用于该芯片的感测系统。在传感器芯片部分20中，在厚度为650μm并具有高电阻(＞1kΩ·cm)的Si基片1上形成用Ti/Au电极做成的共平面带线结构的传输线2以及天线3。在该例中，电极由二条宽度为20μm彼此距离为50μm的带组成。但是，本发明不限于此。天线3是偶极子天线，用于有效地将从外侧照射的太赫电磁波10传播到传输线2。可以从在其上设置传输线2的表面上照射该太赫电磁波10。作为替代，可以从基片1的背面上照射该太赫电磁波，因为高电阻Si对太赫电磁波的吸收低。
这里，基片可以由在太赫波长区损耗低的石英或者树脂做成。天线也可以是作为宽带天线的蝶形天线或对数周期天线。传输线可以是共平面线、微带线等等。
通过传输线2传播的太赫电磁波会和施加在该芯片表面上的被探测对象4交互作用，以改变传播状态或者显示特定的散射特性，从而可以探测物理性质。这是因为电磁波通过传输线2传播同时漏到空气中。被探测对象4典型地具有略小于100μm的外部尺寸并且可以由传输线2上的多个点形成，如图1中所示(图1中为四个点，但点的数量是不受限制的)。
为了检测传播状态，例如使用像天线一样站立的金属探子5。该系统配置成经金属探子5通过诸如ZnTe的电光(EO)晶体6接收通过中断经由传输线2传播的太赫电磁波而被散射的分量。对EO晶体6采用周知的读出光偏振状态中的变化的技术，其中该偏振状态变化是由取决于太赫电磁波的振幅幅值的Pockels效应引起的。
为了说明整个感测系统，脉宽约为100飞秒的飞秒激光器7的输出由分束器12分成二条光径。在激励侧，该激光器向低温生长GaAs(LT-GaAs)或类似物做成的光电导天线8照射，以输出太赫电磁波脉冲10，然后通过抛物面镜9把后者聚焦到天线3上。在探子侧，通过反射器18和延时器件11使该激光进入上述EO晶体6，并且使通过Pockels效应调制的反射光经四分之一波长板13和Wollaston棱镜14进入平衡接收器15，其中该平衡接收器15具有二个光接收部分16a和16b。利用延时器件11进行控制以使金属探子5读出的太赫电磁波和对EO晶体6照射的激光彼此同步，从而允许读出来自被探测对象期望部位的信号。通过朝要观测的被探测对象所位于的区域移动金属探子5并且从其得到信号，可能高速地得到和单个传感器芯片20上的多个被探测对象相关的信息。通常，还存在利用二维图像数据同时进行多个感测的方法。但是，由于太赫电磁波的空间分辨率是波长量级的约100μm，在等于或小于该空间分辨率的间距上进行观测是不可能的。除此之外，改进灵敏度受到限制，从而被探测对象的浓度或体积不能做成小于必要值。当要探测生物相关分子时，期望使用样本量非常小的检查。根据本发明的使用探子的方法，可以减小这些限制。另外，当使用探子尖为10μm或更小的近场探子时，可以对单个被探测对象得到空间分辨率为10μm的或更小的二维分布，从而用来探测诸如蛋白质或DNA的聚合物的结合状态分布的近场精确测量变成可能。
在本例中，通过以金属针探子为例子进行了说明。但是，该探子可以是用树脂做成的太赫传输光纤的尖头、带有小开口的金属波导、光子晶体光纤等等。另外，当不要求高空间分辨率时，很显然可以使用使电光晶体直接靠近对象的方法。
除了使用电光晶体的方法之外，可以使用利用光电导元件、辐射热测量器或者其它能检测太赫电磁波的器件的方法。
图2示出用于进行高速探测的芯片25的例子，其具有多个以阵列形式排列的传输线。每条和图1中所示的结构相同的传输线21以二维阵列形式排列。可以通过喷墨方法以高速通过阵列形成喷嘴23施加各个被探测对象22。太赫电磁波束整体地散布和照射在基片24的背面(例如3平方厘米)上，并且通过设置在每条传输线21中的天线耦合。若需要也可以按二维阵列形式排列用来探测的探子(未示出)。
通过在此方式下采用探子系统，能灵活地应对尺寸或者系统的改变，并且还能提供空间分辨率更高和灵敏度更高的传感器芯片。另外，不需要在芯片侧进行复杂处理，而且可以构建不需要清洗等的一次性传感器系统。
(例2)在本发明的第二例中，如图3中所示，在传感器芯片35的基片30上的传输线32中设置带有周期结构的分布式反射区31a和31b。通过采用这样的结构，有效地限制从外侧照射到天线34的太赫电磁波中的特定频率分量，这对其中在特定频率上进行高灵敏测量的情况是有益的。
图4A和4B是图形表示，它们示出采用这种结构的情况下传输线32中电磁波的傅里叶谱图像。图4A用于例如从图1中用8示出的光电导元件发射的太赫电磁脉冲。图4B用于该例子中在传输线里限制的电磁波。DBR反射器产生的阻带对应于W，取决于该感测部分的长度L，可以在该阻带内产生一个或更多的谐振模m。
由于谐振频率取决于被探测对象33而改变，所以可以采用检测谐振点的改变的方法。在这样的情况下，当如图3中所示设置多个被探测对象33时，可以采用扫描例如例1中说明的探子的方法以测量传输线32中电磁波的振幅分布和傅里叶谱，并且根据这些测量计算被探测对象33的物理性质。
另外，在如图2中所示按阵列形式排列传输线的情况下，当把谐振频率设置成根据位置而不同时，可以在同一块芯片上高速地测量频率相关性。至于限制电磁波的结构，可以采用光子晶体结构或者光子分形结构。
(例3)在本发明的第三例中，和其中把被探测对象施加在传感器芯片的表面上的方法不同，使被探测液态对象流过如图5中所示和传输线集成形成的流径。
在图5中示出的例子里，在Si基片40上设置信号线44a、44b以及绝缘器42，从而形成充当太赫传输线的微带线，附图标记41为接地面41。当然，它可以如例1中说明那样是共平面带线。通过间隙部分46，信号线44a、44b彼此隔开，在该间隙部分46下面只转接LT-GaAs外延层以形成通过光脉冲照射而产生太赫电磁波脉冲的光电导元件45。还可以在该传输线的一端上集成用于检测传输状态的EO晶体47。在信号线44a、44b和接地面41之间形成典型剖面尺寸为10μm×20μm的流径43，以允许充当被探测对象的液体按箭头所示在其中流动。可以借助微泵、喷墨系统等等传送该液体。可以通过利用诸如苯并环丁烯(BCB或Cyclotene(商品名))、聚酰亚胺或聚硅烷的树脂形成槽结构、对该槽结构设置用石英玻璃等做成的盖59并进行粘合的方法来产生流径43的结构。当置入液体但不作为流体处理时，可以使用不带盖的简单结构。另外，在图5中示出例子里，沿信号线的横向方向在附近设置槽，如图5所示。但是，如图6中所示，流径62可以正好位于信号线44的下方以改进灵敏度。
现在说明使用太赫电磁波的感测系统。尽管可以采用应用例如例1中说明的飞秒激光器的太赫脉冲系统，这里通过以基于二个半导体激光器55a、55b产生的拍差采用太赫连续波的系统作为例子做出说明。二个半导体激光器55a、55b是可以在0.1到3太赫范围内稳定的不同频率的激光器。经反射器56通过耦合器58使二条激光束彼此混合，然后在大约5mW的功率下照射该光电导元件的间隙部分46。此刻，当对信号线44a、44b施加大约10伏的电场60时，和拍频对应的电磁波通过包含信号线44a和44b的微带线传播。该传播的电磁波和流径43中的被探测对象交互作用，并且通过带有金属探子48的光电导检测元件57检测该电磁波的状态。通过取出来自该光源的部分激光、接着利用延时器件50实现时间调整以及通过同时检测来测量电流49，执行该检测。另一方面，在集成的EO晶体47中，通过如例1中说明的相同方法利用延时器件51、四分之一波长板52、Wollaston棱镜53以及平衡接收器54进行检测。
当拍频变化时，可以观察0.1到3太赫范围内的谱。可以设置例如例2中说明的谐振结构以强化对电磁波的限制。
为了测量整个流体的特性，可以利用EO晶体47执行检测。另外，为了了解流体中的分布，可以在利用探子48进行扫描的同时进行测量。
在该例子中，溶液中的测量是可能，并且可以实时地根据材料反应的进程进行太赫电磁波感测。
(例4)在本发明的第四例中，把用于连续波的量子级联激光器用作为太赫光源。在图7中，耦合来自太赫激光器61的电磁波以便传播到由设置在基片70上的信号线63和介质64、67构成的传输线上。可以集成地形成该太赫激光器和该传输线以提供一个集成部件。
把被探测对象65放在该传输线上并且利用探子66在和上面说明的各例中相同的方式下进行探测。在此情况下还可以利用近场探子执行空间分辨率为10μm或更小的太赫近场成像。
(例5)在本发明的第五例中，如图8中所示，传输线包括单根导体，并且如例3那样在该传输线附近设置通过其移动被探测对象的流径。对于介质基片80，例如采用厚度为300μm的聚烯烃板，在其表面上形成宽10μm厚5μm的Au线82以及厚度约为100μm用聚烯烃板做成的上介质层81。Au线82是所谓的单线，它具有单根导体并且在箭头90指示的方向上具有好的高频传播特性，通过用介质包围进一步改进该传播特性。在形成Au线82后，上聚烯烃板81进行热处理以和下聚烯烃板80结合。作为替代，可以通过在基片80上施加大薄膜厚度的液态有机材料然后固化而形成上介质层81。
另外，在介质层81中形成用于在其中放入被探测对象的流径84，并且沿箭头88示出的方向注入以及沿箭头89示出的方向排出被探测对象。顺便提及，用来含有被探测对象的空间不必必须为流径形式，而是可以替代地提供只用来容纳被探测对象的容器。该流径的形状和尺寸例如为边长约为几十μm的方形，并且为了能使检测探子85插到流径84中，在被探测对象部分(流径84)和传输线(Au线82)的相交处附近形成一个直径约为10μm的孔86。可以把例如前面例子中说明的探子85插到孔86中以检测电磁波的传播状态。这里，当该孔具有能让探子在其中扫描的大尺寸时，还可以检查被探测对象的分布状态。
把电磁波耦合到该感测芯片上并进行检测的方法可以和前面例子中说明的方法相同。但是，还可以通过在线82上形成的衍射光栅83实现太赫电磁波87与该单线的耦合。另外，耦合装置不限于衍射光栅，而是还包括天线等等。此外，还可以采用把光电导元件集成到该感测芯片上并用来自外部的光照射该元件的方法。
为了把电磁波限制在被探测对象部分附近，可以利用在流径84和传输线82的相交处附近的介质形成光子晶体结构或者光子分形结构(二者皆未示出)，或者也可以在传输线82的另一端上形成衍射光栅以提供谐振结构，从而可以改进灵敏度。
由于在不背离本发明的精神和范围下可以做出许多本发明的明显广泛不同的实施例，应理解，除了由权利要求书定义之外，本发明不受这些特定实施例的限制。
本申请要求2004年7月30日申请的2004-223665号以及2005年5月27日申请的2005-154772号日本专利申请的优先权，这二份专利申请收录作为参考。
权利要求
1.一种感测设备，包括传输线，用于通过它传播电磁波；以及检测装置，用于在该传输线上的任意位置处检测该电磁波的传播状态，其中检测设置在该传输线附近的对象和该电磁波之间的交互作用。
2.依据权利要求1的感测设备，还包括电磁波生成装置。
3.依据权利要求2的感测设备，其中传输线和电磁波生成装置设置在同一基片上。
4.依据权利要求2的感测设备，其中该电磁波生成装置为电流注入式。
5.依据权利要求1的感测设备，其中该检测装置包括薄线形探子。
6.依据权利要求1的感测设备，其中该检测装置包括带尖的探子，该尖的直径不大于所传播的电磁波的波长的1/10。
7.依据权利要求1的感测设备，其中该检测装置在多个位置检测该传输线上的传播状态。
8.依据权利要求7的感测设备，其中该检测装置借助于通过扫描改变该检测装置和该传输线之间的相对位置关系，从而检测多个位置处的电磁波传播状态。
9.依据权利要求7的感测设备，其中该检测多个位置处的电磁波传播状态的检测装置包括电光晶体。
10.依据权利要求1的感测设备，其中该传输线带有用于限制所传播的电磁波的谐振结构。
11.依据权利要求1的感测设备，其中该电磁波具有30GHz到30THz范围内的频率。
12.一种感测设备，包括；传输线，用于通过它传播电磁波；检测装置，用于检测通过该传输线的电磁波的传播状态；以及设置在该传输线附近的流径，用于让对象在其中移动，其中检测该对象和该电磁波之间的交互作用。
13.依据权利要求12的感测设备，其中在多个位置处提供该检测装置。
14.依据权利要求12的感测设备，其中该电磁波具有30GHz到30THz范围内的频率。
全文摘要
本发明提供一种感测设备，其包括芯片(20)，在其中于基片(1)上形成用于传播电磁波的传输线(2)；用于产生电磁波(10)的电磁波发生器(7)；耦合装置(9)；以及检测器(5)，用于检测经该传输线(2)传播的电磁波在该传输线的任意位置上的电磁波传播状态。通过该检测器(5)检测设置在该传输线(2)附近的对象(4)和该电磁波之间的交互作用，以感测该对象(4)和该电磁波的空间交互状态。
文档编号G12B21/06GK1993613SQ20058002582
公开日2007年7月4日 申请日期2005年7月27日 优先权日2004年7月30日
发明者尾内敏彦 申请人:佳能株式会社