(57)【要約】  水分を含む被検査体の複素誘電率における虚部の変化を発振周波数の変化として検出する。センサ装置（１１）は、半導体集積回路に形成された発振部（２）と、発振部の発振周波数を検出する発振周波数検出部（３）とを備えている。発振部（２）は、被検査体（１００）と直列に接続されるキャパシタ（Ｃ１１，Ｃ１２）を有し、被検査体（１００）の複素誘電率に応じて発振周波数を変化させる。
2017130962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路に形成された発振部と、
前記発振部の発振周波数を検出する発振周波数検出部とを備え、
前記発振部は、被検査体と直列に接続されるキャパシタを有し、前記被検査体の複素誘電率に応じて前記発振周波数を変化させることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記キャパシタの容量は、前記被検査体の複素誘電率の虚部の変化に対する発振周波数の変化率が最大値またはその近傍の値となる値であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記キャパシタは前記半導体集積回路の表面保護膜によって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記キャパシタは前記半導体集積回路のキャパシタ素子であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記発振部は、前記キャパシタの容量値を切り替える容量値切替部をさらに有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分を含む被検査体の状態を検出するセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水溶液中の溶質に応じて、次のような水和現象が起こることが知られている。ＮａＣｌの様な電解質である場合には、溶質のイオンへの電離によって、水分子が溶質に束縛される水和現象が起こる。溶質が糖の様な非電解質である場合には、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和現象が起こる。また、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。【０００３】
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）が減少するので、バルク水の誘電率がタンパク質の誘電率に変化する。図１０（非特許文献３のＦｉｇ．２）に示すバルク水の複素誘電率は、バルク水の緩和現象によって、特に１００ＧＨｚ近傍の周波数領域で複素誘電率の特に虚部の変動が大きい。生体の主要成分は水であるため、１００ＧＨｚ近傍の周波数領域で複素誘電率の実部だけではなく、虚部をも調べることで、生体および生体高分子の状態を調べることができる。【０００４】
高周波数領域での誘電率の変化を検出する技術として、図１１に示すようなセンサ装置１０１が従来技術として知られている（例えば非特許文献１および２）。センサ装置１０１は、集積回路上に形成されており、発振部１０２と、発振周波数検出部１０３とを備えている。発振部１０２は、抵抗Ｒ１と、クロスカップルされたトランジスタＭ１，Ｍ２と、共振器１０４とで構成されている。共振器１０４は、インダクタＬ１，Ｌ２、被検査体１００と接触させる２つのセンシング電極１０５、およびキャパシタＣ３からなる。共振器１０４の共振周波数は６〜３０ＧＨｚである。【０００５】
２つのセンシング電極１０５は、図１２に示すように、それぞれ長方形を成す２つの板状電極１１１，１１２で構成されている。図１３に示すように、板状電極１１１，１１２は、半導体集積回路の最上位メタル配線層で形成されている。図１３には、図１２のＡ−Ａ線における矢視断面での板状電極１１１，１１２の構造を示している。また、半導体集積回路のメタル配線層の間には層間絶縁膜１１５が配置される。図１３には、便宜上、最上位のメタル配線層と、その下層の層間絶縁膜１１５のみを示している。層間絶縁膜１１５の表面は、表面保護膜１１４で覆われているが、２つの板状電極１１１，１１２が配置された領域では表面保護膜１１４が開口している。このため、板状電極１１１，１１２の露出した上面は、被検査体１００に直接接触する。【０００６】
次に、センサ装置１０１の動作を説明する。センシング電極１０５の近傍にある被検査体１００の誘電率が変化した場合、センシング電極１０５への寄生容量値が変化し、共振器１０４の共振周波数が変化する。共振周波数の変化に伴う発振部１０２の発振周波数の変化を、発振周波数検出部１０３で検出する。以上の動作により、センサ装置１０１は、センシング電極１０５の近傍にある被検査体１００に生じた誘電率の変化を発振周波数の変化として検出することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Chien Jun-Chau, M Anwar, Y Erh-Chia, LP Lee, AM Niknejad,   “6.5/11/17.5/30-GHz high throughput interferometer-based reactance sensors using injection-locked oscillators and ping-pong nested chopping”, VLSI Circuits Digest of Technical Papers, 2014 Symposium on, 1-2
【非特許文献２】Jun-Chau Chien, Anwar, M., Erh-Chia Yeh , Lee, L.P., Niknejad, A.M., “A 6.5/17.5-GHz dual-channel interferometer-based capacitive Sensor in65-nm CMOS for high-speed flow cytometry”, Microwave Symposium (IMS), 2014 IEEE MTT-S International, 1-4
【非特許文献３】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
【非特許文献４】T. Arikawa, M. Nagai, K. Tanaka, “Characterizing hydration state in solution using terahertz time-domain attenuated total reflection spectroscopy”, Chemical Physics Letters, pp.12-17, 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のセンサ装置１０１では、複素誘電率の実部の変化を検出することはできるが、複素誘電率の虚部の変化を検出することができない。また、センサ装置１０１が検出できる周波数の最大値は３０ＧＨｚである。したがって、センサ装置１０１では、水分を含む被検査体１００の１００ＧＨｚ近傍の周波数領域で複素誘電率を感度よく検出することができない。【０００９】
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検査体の複素誘電率における虚部の変化を検出することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るセンサ装置は、半導体集積回路に形成された発振部と、前記発振部の発振周波数を検出する発振周波数検出部とを備え、前記発振部は、被検査体と直列に接続されるキャパシタを有し、前記被検査体の複素誘電率に応じて前記発振周波数を変化させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様によれば、被検査体の複素誘電率における虚部の変化を発振周波数の変化として検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】上記センサ装置における共振器の等価回路を示す回路図である。
【図３】上記センサ装置において被検査体と直列に接続されるキャパシタの容量値における複素誘電率の変化に対する発振周波数の変化率を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態２に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図４に示すセンサ装置のセンシング電極を含む部分の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態３に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示すセンサ装置の上記センシング電極を含む部分の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態４に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示すセンサ装置において被検査体と直列に接続されるキャパシタの容量値における複素誘電率の変化に対する発振周波数の変化率を示すグラフである。
【図１０】従来のセンサ装置による周波数と水の複素誘電率の実部および虚部との関係を示すグラフである。
【図１１】従来のセンサ装置の構成示すブロック図である。
【図１２】図１１に示すセンサ装置におけるセンシング電極の構造を示す斜視図である。
【図１３】図１１に示すセンサ装置の上記センシング電極を含む部分の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔実施形態１〕
本発明の実施形態１について図１〜図３を用いて説明する。
【００１４】
（センサ装置１１の構成）
図１は、本発明の実施形態１に係るセンサ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、センサ装置１１は、発振部２と、発振周波数検出部３とを備える。
【００１５】
発振部２は、差動回路６と、共振器４とを備えたＬＣ発振回路であり、図示しない半導体集積回路基板上に半導体集積回路の一部として形成されている。発振部２の発振周波数は、１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚであることが好ましい。
【００１６】
共振器４は、キャパシタＣ０，Ｃ１１，Ｃ１２と、インダクタＬ０とを有している。インダクタＬ０およびキャパシタＣ０は並列に接続されている。キャパシタＣ１１の一端は、インダクタＬ０およびキャパシタＣ０の一端に接続され、キャパシタＣ１２の一端は、インダクタＬ０およびキャパシタＣ０の他端に接続されている。キャパシタＣ１１，Ｃ１２のそれぞれの他端には、被検査体１００が接触している。これにより、キャパシタＣ１１，Ｃ１２は、被検査体１００と直列に接続される。また、共振器４は、被検査体１００の複素誘電率に応じて共振周波数が変化し、複素誘電率を検出するセンサ部として機能する。キャパシタＣ０は、図示しない配線や、差動回路６の寄生容量によって形成されてもよい。
【００１７】
発振周波数検出部３は、発振部２の発振周波数を検出する部分であり、公知の周波数検出回路を利用することができる。発振周波数検出部３は、半導体集積回路基板上に形成されてもよいし、半導体集積回路基板外に形成されてもよい。
【００１８】
差動回路６は、差動トランジスタ対を含む回路であり、例えば、互いにクロスカップルされた複数のトランジスタから成る差動回路のような公知の差動回路によって適宜形成されている。
【００１９】
（発振部２の発振周波数）
次に、被検査体１００の複素誘電率と発振部の発振周波数との関係について説明する。図２は、共振器４の等価回路を示す回路図である。
【００２０】
被検査体１００が空気の場合に検出される容量をＣ＊ε０とし、被検査体１００の比複素誘電率をεｒ＋ｊωεｉとすると、式（１）の関係が得られる。
【００２１】
【数１】
2017130962.tif 000003
【００２２】
また、被検査体１００をキャパシタＣ２および抵抗Ｒ２の並列回路で表し、それぞれの容量値およびコンダクタンス値をそれぞれＣ２＝Ｃ＊ε０εｒ、１／Ｒ２＝ωＣ＊ε０εｉであるとすると、共振器４は、図２に示す等価回路で表される。
【００２３】
図２において、計算の簡易化のため、キャパシタＣ１１，Ｃ１２はキャパシタＣ１として１つにまとめている。共鳴条件を考慮することにより、発振部２の発振周波数ｆｒｅｓは、式（２）のように表すことができる。
【００２４】
【数２】
2017130962.tif 000004
【００２５】
図３に、キャパシタＣ１１，Ｃ１２（キャパシタＣ１）の容量値における複素誘電率の変化に対する発振周波数の変化率（Δｆｒｅｓ／Δε）を、式（２）を用いて算出した結果を示す。ここでは、便宜上、Ｃ１をキャパシタＣ１の容量値として扱う。図３において、横軸は、容量値の逆数の対数表示である。図３において、実線が複素誘電率における実部の変化に対する発振周波数の変化率（Δｆｒｅｓ／Δεｒ）を表しており、破線が複素誘電率における虚部の変化に対する発振周波数の変化率（Δｆｒｅｓ／Δεｉ）を表している。
【００２６】
Δｆｒｅｓ／Δεｒは、Ｃ１が小さくなる（高周波数領域では開放状態に近づく）ほど、Ｃ１が十分に大きい場合（高周波数領域では短絡状態）で得られたΔｆｒｅｓ／Δεｒより小さくなる。一方、複素誘電率の虚部に対しては、Ｃ１が十分に大きい場合においては、Δｆｒｅｓ／Δεｉ≒０であるが、Ｃ１を小さくするとΔｆｒｅｓ／Δεｉが有意な値となり、あるＣ１で発振周波数の変化率が最大値をとなる。したがって、発振周波数の変化率が最大値またはその近傍の値となるようにＣ１を設定する。
【００２７】
（センサ装置１１の動作）
次に、センサ装置１１の動作を説明する。
【００２８】
発振部１０２の近傍にある被検査体１００の複素誘電率が変化した場合、共振器４の共振周波数が変化する。発振周波数検出部３は、共振周波数の変化に伴う発振部２の発振周波数の変化を検出する。以上の動作により、センサ装置１１は、発振部２の近傍にある被検査体１００の複素誘電率の変化を発振周波数の変化として検出する。
【００２９】
（センサ装置１１の効果）
本実施形態におけるセンサ装置１１の効果を説明する。
【００３０】
水分を含む被検査体１００の複素誘電率は、主要成分である水の状態に依存する。このため、センサ装置１１は、発振部２の発振周波数に基づき、被検査体１００の中の水の状態を検出することができる。特に、共振器４において被検査体１００に直列に接続されるキャパシタＣ１１，Ｃ１２の容量値を、Δｆｒｅｓ／Δεｉが概ね最大値（最大値または最大値の近傍の値）となる値に設定する。これにより、複素誘電率の実部のみならず、複素誘電率の虚部に応じた水の状態を検出することができる。水の１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚの周波数での複素誘電率の虚部の変化を検出することで、水和状態を感度よく検出することができる。よって、生体および生体高分子の状態を知ることができる。
【００３１】
例えば、被検査体１００の中の目標成分が多く、水和した状態にある水分子が多いほど、被検査体１００の複素誘電率の虚部は小さくなる。このため、センサ装置１１は、発振部２の発振周波数に基づき、被検査体１００の目標成分の濃度を検出することができる。
【００３２】
例えば、血液中の血糖値は、健康なヒトで７０〜１３０ｍｇ／ｄｌである。血糖値は、一日の中でも、空腹時と食事後とで大きく変動する。血糖値が７０ｍｇ／ｄｌよりも小さければ低血糖症の可能性があり、血糖値が１３０ｍｇ／ｄｌよりも大きければ糖尿病の可能性がある。血糖値を表す濃度は、モル数換算で、ｍＭｏｌ／Ｌのオーダーに相当する。非特許文献４の式（４）を用いて数値計算すると、糖が溶質となる水溶液の誘電率については、ｍＭｏｌ／Ｌオーダーで濃度が変化すると、虚部のみ変わることが分かる。したがって、複素誘電率の虚部の感度が改善されたセンサ装置１１を用いれば、血液中の血糖値の変動を測定することが可能である。
【００３３】
また、例えば、被検査体１００が細胞である場合、細胞は老いるほど構造化し、複素誘電率の虚部が低下するので、発振部２の発振周波数に基づき、センサ装置１１は細胞の老若を判定することができる。
【００３４】
また、再生医療用に細胞を培養する場合に、センサ装置１１上で培養すれば、培養によって細胞が増殖している状況がモニタリングできる。増殖した細胞がその後生き続けているか、あるいは何らかの要因で死んだかもモニタリングが可能となる。細胞が死んだことが検知できた場合、被検査体１００としての細胞を破棄して、条件をリセットした状態で再度細胞培養を行うことが可能となる。この様に、センサ装置１１上で細胞培養をすることで、細胞培養の効率を大幅に改善することが可能となり、再生医療等の効率を大幅に改善することが可能となる。
【００３５】
しかも、細胞を被検査体１００としてセンサ装置１１に置くか、もしくは細胞培養のためにセンサ装置１１上一面に細胞を被検査体１００として置いて、温度、ｐＨ、薬液等の刺激を与えると、細胞が活性化する。このため、細胞内部の水の分布や水素結合の状況が変化すると、細胞の複素誘電率における虚部が主に変化する。これにより、医学・薬学における薬の効用・副作用の評価に応用可能となる。
【００３６】
さらに、集積回路基板上に形成された発振部２は、３０〜２００ＧＨｚでは、概ね０．００５〜０．０２平方ｍｍ程度の面積で形成することができる。それゆえ、センサ装置１１を小さくすることができる。また、複数の発振部２を高密度に配置することができる。したがって、一度に多数の被検査体１００の状態を検出することや、高い空間分解能で被検査体１００の状態を検出することができる。
【００３７】
これに対して、従来のセンサ装置１０１（図１１参照）においては、被検査体１００と発振部１０２とが、センシング電極１０５を用いて直接接続されている。この構成に式（２）を適用した場合、一対のセンシング電極１０５がキャパシタＣ１１，Ｃ１２（キャパシタＣ１）に相当するので、Ｃ１＝∞となる。この場合、発振周波数ｆｒｅｓは、式（３）で表されるので、複素誘電率の虚部に依存しない。したがって、複素誘電率の虚部の変化を検出することができない。
【００３８】
【数３】
2017130962.tif 000005
【００３９】
〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について図４および図５を用いて説明する。図４は実施形態２に係るセンサ装置１２の構成を示すブロック図である。図５は、センサ装置１２のセンシング電極５を含む部分の構造を示す断面図である。なお、本実施形態において、前述の実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の番号を付記して、その説明を省略する。
【００４０】
（センサ装置１２の構成）
図４に示すように、センサ装置１２は、前述のセンサ装置１１と同様、発振周波数検出部３を備え、センサ装置１１の発振部２に代えて発振部２Ａを備える。
【００４１】
発振部２Ａは、発振部２と同様、差動回路６を有しているが、発振部２の共振器４に代えて共振器４Ａを有したＬＣ発振回路であり、半導体集積回路基板上に形成されている。発振部２Ａの発振周波数は、１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚであることが好ましい。
【００４２】
共振器４Ａは、前述の発振部２における共振器４と同様、キャパシタＣ０，Ｃ１１，Ｃ１２と、インダクタＬ０とを有している。また、共振器４Ａは、２つのセンシング電極５を有している。一方のセンシング電極５は、インダクタＬ０およびキャパシタＣ０の一端に接続され、他方のセンシング電極５は、インダクタＬ０およびキャパシタＣ０の他端に接続されている。センシング電極５は、前述の従来のセンサ装置１０１におけるセンシング電極１０５（図１２参照）と同様、長方形の板状を成している。
【００４３】
半導体集積回路では、複数のメタル配線層が設けられており、隣り合うメタル配線層の間には、図５に示す層間絶縁膜７が配置される。図５では、便宜上、最上位メタル配線層と、その下層の層間絶縁膜７とについてのみ示している。２つのセンシング電極５は、それぞれ、層間絶縁膜７上に設けられた最上位メタル配線層によって形成された２つの板状電極５１，５２で構成されている。層間絶縁膜７の上面と、２つの板状電極５１，５２を含む最上位メタル配線層とは、半導体集積回路の表面保護膜８に覆われている。被検査体１００は、表面保護膜８の上面に接触する。この状態では、表面保護膜８における板状電極５１，５２と被検査体１００との間の部分は、キャパシタＣ１１，Ｃ１２として機能する。このように表面保護膜８で形成されたキャパシタＣ１１，Ｃ１２の容量値は、センシング電極５の形状と表面保護膜８の厚さとに応じて、ある程度の範囲内で制御することが可能である。
【００４４】
（発振部２Ａの発振周波数）
本実施形態のセンサ装置１２は、実施形態１のセンサ装置１１に対して、キャパシタＣ１１，Ｃ１２を半導体集積回路の表面保護膜８で形成していることが異なる。発振部２Ａの発振周波数については、実施形態１で説明した発振部２の発振周波数の変化と同様に変化する。複素誘電率の虚部については、キャパシタＣ１１，Ｃ１２の容量値が十分に大きい場合、Δｆｒｅｓ／Δεｉ≒０であるが、当該容量値を小さくすると、Δｆｒｅｓ／Δεｉが有意な値を持つようになり、ある容量値でΔｆｒｅｓ／Δεｉの最大値をもつ。
【００４５】
（センサ装置１２の動作）
センサ装置１２の動作は、実施形態１のセンサ装置１１の動作と同じであり、発振部２Ａの近傍にある被検査体１００の複素誘電率の変化を発振周波数の変化として検出する。
【００４６】
共振器４Ａにおいては、センシング電極５が、半導体の表面保護膜８で形成されたキャパシタＣ１１，Ｃ１２を介して被検査体１００と対向している（間接的に被検査体１００と接触している）。これにより、被検査体１００の複素誘電率に応じて共振周波数が変化する。
【００４７】
（センサ装置１２の効果）
本実施形態におけるセンサ装置１２の効果を説明する。
【００４８】
センサ装置１２は、実施形態１におけるセンサ装置１１と同様、複素誘電率の実部のみならず、複素誘電率の虚部に応じた水の状態を検出することができる。これにより、水の１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚの周波数での複素誘電率の虚部の変化を検出することで、水和状態を感度よく検出することができる。
【００４９】
また、センサ装置１２では、被検査体１００と直列に接続されるキャパシタＣ１１，Ｃ１２を半導体集積回路の表面保護膜８を利用することで形成している。これにより、センサ装置１２の大型化および製造コストの増大を抑えることができる。
【００５０】
〔実施形態３〕
本発明の実施形態３について図６および図７を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態３に係るセンサ装置１３の構成を示すブロック図である。図７は、センサ装置１３のセンシング電極５を含む部分の構造を示す断面図である。なお、本実施形態において、前述の実施形態１および２における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の番号を付記して、その説明を省略する。
【００５１】
（センサ装置１３の構成）
図６に示すように、センサ装置１３は、実施形態２の前述のセンサ装置１２と同様、発振周波数検出部３を備え、センサ装置１２の発振部２Ａに代えて発振部２Ｂを備える。
【００５２】
発振部２Ｂは、発振部２Ａと同様、差動回路６を有しているが、発振部２Ａの共振器４Ａに代えて共振器４Ｂを有したＬＣ発振回路であり、半導体集積回路基板上に形成されている。発振部２Ｂの発振周波数は、１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚであることが好ましい。
【００５３】
共振器４Ｂは、前述の発振部２Ａにおける共振器４Ａと同様、キャパシタＣ０と、インダクタＬ０と、２つのセンシング電極５とを有している。また、共振器４Ｂは、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２（キャパシタ素子）を有している。ＭＩＭキャパシタＭＩＭ１の一端は、インダクタＬ０およびキャパシタＣ０の一端に接続され、ＭＩＭキャパシタＭＩＭ２の一端は、インダクタＬ０およびキャパシタＣ０の他端に接続されている。一方のセンシング電極５は、ＭＩＭキャパシタＭＩＭ１の他端に接続され、他方のセンシング電極５は、ＭＩＭキャパシタＭＩＭ２の他端に接続されている。また、２つのセンシング電極５は、被検査体１００と接触している。
【００５４】
半導体集積回路では、複数のメタル配線層が設けられており、隣り合うメタル配線層の間には、図７に示す層間絶縁膜７が配置される。図７では、便宜上、最上位メタル配線層と、その下層の層間絶縁膜７とについてのみ示している。センシング電極５は、層間絶縁膜７上に設けられた最上位メタル配線層によって形成された２つの板状電極５１，５２で構成されている。層間絶縁膜７における板状電極５１，５２の下方には、それぞれＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２が配置されている。ＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２の配置位置については、板状電極５１，５２の下方に限定されない。層間絶縁膜７の上面は、２つの板状電極５１，５２を除いて、半導体集積回路の表面保護膜９に覆われている。被検査体１００は、板状電極５１，５２および表面保護膜９の上面に直接接触する。
【００５５】
（発振部２Ｂの発振周波数）
本実施形態のセンサ装置１３は、実施形態１のセンサ装置１１に対して相違点がある。その相違点は、センサ装置１３が、被検査体１００に接触するキャパシタとして、キャパシタＣ１１，Ｃ１２に代えて半導体集積回路に形成されるＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２を用いた点である。発振部２Ｂの発振周波数については、実施形態１で説明した発振部２の発振周波数の変化と同様に変化する。複素誘電率の虚部については、ＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２の容量値が十分に大きい場合、Δｆｒｅｓ／Δεｉ≒０であるが、当該容量値を小さくすると、Δｆｒｅｓ／Δεｉが有意な値を持ち、ある容量値でΔｆｒｅｓ／Δεｉの最大値をもつ。
【００５６】
（センサ装置１３の動作）
センサ装置１３の動作は、実施形態１のセンサ装置１１の動作と同じであり、発振部２Ｂの近傍にある被検査体１００の複素誘電率の変化を発振周波数の変化として検出する。
【００５７】
共振器４Ｂにおいては、ＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２と接続されたセンシング電極５が被検査体１００と接触している。これにより、被検査体１００の複素誘電率に応じて共振周波数が変化する。
【００５８】
（センサ装置１３の効果）
本実施形態におけるセンサ装置１３の効果を説明する。
【００５９】
センサ装置１３は、実施形態１におけるセンサ装置１１と同様、複素誘電率の実部のみならず、複素誘電率の虚部に応じた水の状態を検出することができる。これにより、水の１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚの周波数での複素誘電率の虚部の変化を検出することで、水和状態を感度よく検出することができる。
【００６０】
また、センサ装置１３では、被検査体１００と直列に接続される直列キャパシタを、半導体集積回路のＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２を利用することで実現している。これにより、センサ装置１３の大型化および製造コストの増大を抑えることができる。
【００６１】
さらに、ＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２は、センシング電極５とは別に、集積回路基板上に形成することができる。したがって、被検査体１００の形状に対応するセンシング電極５の形状と、所望のΔｆｒｅｓ／Δεを得るためのキャパシタの容量値とを個別に設定することができる。よって、センシング電極５の形状と検出感度とを高い次元で両立することができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、被検査体１００と直列に接続されるキャパシタ素子（直列キャパシタ）としてＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２を用いることを説明したが、キャパシタ素子はＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２に限定されない。例えば、層間絶縁膜を２つのメタル配線層で挟んだ構造のＭＯＭキャパシタやＭＯＳキャパシタなどの他の集積回路上に形成される容量素子をキャパシタ素子として用いてもよい。キャパシタ素子をこれらの容量素子で構成した場合でも、キャパシタ素子としてＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２を用い場合と同様の効果が得られる。
【００６３】
〔実施形態４〕
本発明の実施形態２について図８および図９を用いて説明する。図８は実施形態４に係るセンサ装置１４の構成を示すブロック図である。図９は、被検査体１００に直列に接続されるキャパシタの容量値における複素誘電率の変化に対する発振周波数の変化率を示すグラフである。なお、本実施形態において、前述の実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の番号を付記して、その説明を省略する。
【００６４】
（センサ装置１４の構成）
図８に示すように、センサ装置１４は、前述のセンサ装置１１と同様、発振周波数検出部３を備え、センサ装置１１の発振部２に代えて発振部２Ｃを備える。
【００６５】
発振部２Ｃは、発振部２と同様、差動回路６を有しているが、発振部２の共振器４に代えて共振器４Ｃを有したＬＣ発振回路であり、集積回路基板上に形成されている。発振部２Ｃの発振周波数は、１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚであることが好ましい。
【００６６】
共振器４Ｃは、前述の発振部２における共振器４と同様、キャパシタＣ０，Ｃ１１，Ｃ１２と、インダクタＬ０とを有している。また、共振器４Ｃは、キャパシタＣ２１，Ｃ２２と、スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２（容量値切替部）とを有している。
【００６７】
実施形態１のセンサ装置１１におけるキャパシタＣ１１，Ｃ１２と異なり、キャパシタＣ１１の一端は、スイッチＳＷ１１を介してインダクタＬ０およびキャパシタＣ０の一端に接続されている。また、キャパシタＣ１２の一端は、スイッチＳＷ１２を介してインダクタＬ０およびキャパシタＣ０の他端に接続されている。キャパシタＣ２１の一端は、スイッチＳＷ２１を介してインダクタＬ０およびキャパシタＣ０の一端に接続され、キャパシタＣ２２の一端は、スイッチＳＷ２２を介してインダクタＬ０およびキャパシタＣ０の他端に接続されている。キャパシタＣ２１，Ｃ２２のそれぞれの他端には、被検査体１００が接触している。
【００６８】
スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２は、キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２のそれぞれを、インダクタＬ０およびキャパシタＣ０に接続または切り離す開閉スイッチである。スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２の開閉は、センサ装置１４が備える制御回路（図示せず）によって制御される。スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２の開閉の組み合わせは、以下の表１に示すように７つのパターンがある。表１において「１」は閉状態（ＯＮ）を表し、「０」は開状態（ＯＦＦ）を表している。
【００６９】
【表１】
2017130962.tif 000006
【００７０】
（発振部２Ｃの発振周波数）
本実施形態のセンサ装置１４は、実施形態１のセンサ装置１１に対して相違点がある。その相違点は、被検査体１００と直列に接続される直列キャパシタの容量値をスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２によって切り替える点である。発振部２Ｃの発振周波数については、実施形態１で説明した発振部２の発振周波数の変化と同様に変化する。複素誘電率の虚部については、ある直列キャパシタの容量に対して発振周波数の変化が最大値となる。
【００７１】
ここで、図９を参照して、キャパシタ容量の設定について説明する。なお、便宜上、「Ｃ１１」および「Ｃ２１」をそれぞれキャパシタＣ１１，Ｃ２１の容量値として扱う。Ｃ１１とＣ１１＋Ｃ２１とをΔｆｒｅｓ／Δεｉが概ね最大値をとる２点に設定する（それぞれ図９の状態２と状態１）。状態１は、表１にて示すパターン（１）により得られ、状態２は、パターン（２）、（４）または（６）により得られる。Δｆｒｅｓ／Δεｉは、状態１および状態２とも概ね同じ最大値に設定されている。一方、Δｆｒｅｓ／Δεｒは、状態１ではΔｆｒｅｓ／Δεｒ１となり、状態２ではΔｆｒｅｓ／Δεｒ２となり、それぞれ異なる値が得られる。キャパシタＣ１２，Ｃ２２についても、キャパシタＣ１１，Ｃ２１と同様に容量値が設定される。
【００７２】
なお、ここでは、２通りの容量値の設定例について説明したが、設定できる容量値は２通りに限らない。また、切り替えられた容量においてΔｆｒｅｓ／Δεｉを一定に設定した例を挙げて説明したが、その設定に限らない。また、検出したい複素誘電率に応じて、適切なΔｆｒｅｓ／Δεｒ，Δｆｒｅｓ／Δεｉの複数の組み合わせを用意し、得られた複数の発振周波数変化の検出値から所望の値を算出してもよい。
【００７３】
（センサ装置１４の動作）
センサ装置１４の動作は、実施形態１のセンサ装置１１の動作と同じであり、発振部２Ｃの近傍にある被検査体１００の複素誘電率の変化を発振周波数の変化として検出する。
【００７４】
共振器４Ｃにおいては、いずれかの閉じたスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２によって、キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２のいずれかがキャパシタＣ０およびインダクタＬ０に接続される。これにより得られた直列キャパシタの容量値に基づき、被検査体１００の複素誘電率に応じて共振周波数が変化する。
【００７５】
（センサ装置１４の効果）
実施形態４におけるセンサ装置１４の効果を説明する。
【００７６】
センサ装置１４は、実施形態１におけるセンサ装置１１と同様、複素誘電率の実部のみならず、複素誘電率の虚部に応じた水の状態を検出することができる。これにより、水の１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚの周波数での複素誘電率の虚部の変化を検出することで、水和状態を感度よく検出することができる。
【００７７】
また、センサ装置１４では、被検査体１００と直列に接続される直列キャパシタの容量値をスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２によって切り替えている。これにより、複素誘電率の実部と虚部との変化に対する発振周波数変化の感度を切り替えることができる。それゆえ、被検査体１００に対して、Δｆｒｅｓ／Δεｉを一定にしながら、２つの異なるΔｆｒｅｓ／Δεｒ（Δｆｒｅｓ／Δεｒ１，Δｆｒｅｓ／Δεｒ２）での発振周波数の変化を検出することができる。両者の発振周波数変化の検出の差分をとることで、被検査体１００の複素誘電率の虚部に対する変化は相殺され、実部に対する変化のみを算出することができる。
【００７８】
なお、上述した、被検査体１００と直列に接続される直列キャパシタの容量値をスイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２によって切り替える構成については、前述の実施形態１〜３にも適用することができる。
【００７９】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るセンサ装置１１〜１４は、半導体集積回路に形成された発振部と、前記発振部の発振周波数を検出する発振周波数検出部とを備え、前記発振部は、被検査体と直列に接続されるキャパシタを有し、前記被検査体の複素誘電率に応じて前記発振周波数を変化させる。
【００８０】
上記の構成によれば、水分を含む被検査体１００の複素誘電率は、主要成分である水の状態に依存する。このため、センサ装置１１〜１４は、発振部２の発振周波数に基づき、被検査体１００の中の水の状態を検出することができる。また、被検査体１００と直列に接続されるキャパシタＣ１１，Ｃ１２の容量値に応じて、被検査体１００の複素誘電率における虚部の変化率が異なる。この特性を利用して、被検査体１００の複素誘電率における虚部の変化を発振周波数の変化として検出することができる。
【００８１】
本発明の態様２に係るセンサ装置１１〜１４は、上記態様１において、前記キャパシタの容量は、前記被検査体の複素誘電率の虚部の変化に対する発振周波数の変化率が最大値またはその近傍の値となる値であってもよい。
【００８２】
上記の構成によれば、複素誘電率の虚部に応じた水の状態を検出することができる。水の１００ＧＨｚの近傍、特に３０〜２００ＧＨｚの周波数での複素誘電率の虚部の変化を検出することで、水和状態を感度よく検出することができる。
【００８３】
本発明の態様３に係るセンサ装置１２は、上記態様１または２において、前記キャパシタは前記半導体集積回路の表面保護膜によって形成されていてもよい。
【００８４】
上記の構成によれば、センサ装置１２の大型化および製造コストの増大を抑えることができる。
【００８５】
本発明の態様４に係るセンサ装置１３は、上記態様１または２において、前記キャパシタは前記半導体集積回路のキャパシタ素子（ＭＩＭキャパシタＭＩＭ１，ＭＩＭ２）であってもよい。
【００８６】
上記の構成によれば、センサ装置１３の大型化および製造コストの増大を抑えることができる。
【００８７】
本発明の態様５に係るセンサ装置１２は、上記態様１から４において、前記発振部は、前記キャパシタの容量値を切り替える容量値切替部をさらに有していてもよい。
【００８８】
上記の構成によれば、複素誘電率の実部と虚部との変化に対する発振周波数変化の感度を切り替えることができる。
【００８９】
〔付記事項〕
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。
【符号の説明】
【００９０】
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ  発振部
３  発振周波数検出部
８  表面保護膜
１１〜１４  センサ装置
１００  被検査体
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２  キャパシタ
ＭＩＭ１，ＭＩＭ２  ＭＩＭキャパシタ（キャパシタ素子）
ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２  スイッチ（容量値切替部）
【図１】
2017130962.tif 000007
【図２】
2017130962.tif 000008
【図３】
2017130962.tif 000009
【図４】
2017130962.tif 000010
【図５】
2017130962.tif 000011
【図６】
2017130962.tif 000012
【図７】
2017130962.tif 000013
【図８】
2017130962.tif 000014
【図９】
2017130962.tif 000015
【図１０】
2017130962.tif 000016
【図１１】
2017130962.tif 000017
【図１２】
2017130962.tif 000018
【図１３】
2017130962.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月14日(2018.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路に形成された発振部と、
前記発振部の発振周波数を検出する発振周波数検出部とを備え、
前記発振部は、被検査体と直列に接続されるキャパシタを有し、前記被検査体の複素誘電率に応じて前記発振周波数を変化させ、前記キャパシタの容量は、前記被検査体の複素誘電率の虚部の変化に対する発振周波数の変化率が最大値またはその近傍の値となる値であることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記キャパシタは前記半導体集積回路の表面保護膜によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記キャパシタは前記半導体集積回路のキャパシタ素子であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記発振部は、前記キャパシタの容量値を切り替える容量値切替部をさらに有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
発振部２の近傍にある被検査体１００の複素誘電率が変化した場合、共振器４の共振周波数が変化する。発振周波数検出部３は、共振周波数の変化に伴う発振部２の発振周波数の変化を検出する。以上の動作により、センサ装置１１は、発振部２の近傍にある被検査体１００の複素誘電率の変化を発振周波数の変化として検出する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４について図８および図９を用いて説明する。図８は実施形態４に係るセンサ装置１４の構成を示すブロック図である。図９は、被検査体１００に直列に接続されるキャパシタの容量値における複素誘電率の変化に対する発振周波数の変化率を示すグラフである。なお、本実施形態において、前述の実施形態１における構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一の番号を付記して、その説明を省略する。
【国際調査報告】
2017130962.tif 000020
2017130962.tif 000021
2017130962.tif 000022
2017130962.tif 000023