(57)【要約】【課題】誘電分光において再現性よく誘電率を測定する。【解決手段】コプレーナ線路（ＣＰＷ）１２を配置した基板１１と試料を配置するマイクロ流路１４を形成した母材１３とＣＰＷ１２の両端に実装したＲＦコネクタ１５を備えた高周波基板１Ａと、ＣＰＷ１２を配置した基板１１とマイクロ流路１４を形成していない母材１３とＲＦコネクタ１５を備えた高周波基板１Ｂとを有する誘電分光センサを用いて、高周波基板１Ａ，１ＢのＳパラメータを測定し、測定したＳパラメータに基づいて伝搬定数を計算し、伝搬定数から実効誘電率を計算し、実効誘電率から試料の誘電率を計算する。【選択図】図１
2018205076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、
コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板と、
を有することを特徴とする誘電分光センサ。
【請求項２】
コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、
コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板と、
前記第２高周波基板の半分の大きさのコプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の片端に配置したコネクタとを備えた反射測定用の第３，第４高周波基板と、
を有することを特徴とする誘電分光センサ。
【請求項３】
コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板とを有する誘電分光センサを用いて前記試料の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、
前記マイクロ流路に試料を配置した状態で前記第１高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、
前記第２高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、
前記第１高周波基板のＳパラメータと前記第２高周波基板のＳパラメータに基づいて伝搬定数を計算するステップと、
前記伝搬定数から実効誘電率を計算するステップと、
前記実効誘電率から前記試料の誘電率を計算するステップと、
を有することを特徴とする誘電率測定方法。
【請求項４】
コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板と、前記第２高周波基板の半分の大きさのコプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の片端に配置したコネクタとを備えた反射測定用の第３，第４高周波基板とを有する誘電分光センサを用いて前記試料の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、
前記マイクロ流路に試料を配置していない状態で前記第１高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、
前記第２高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、
前記第３，第４高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、
測定されたＳパラメータからＴＲＬ校正を用いて誤差係数を算出するステップと、
前記マイクロ流路に試料を配置した状態で前記第１高周波基板のＳパラメータを測定し、前記誤差係数で補正したＳパラメータを算出するステップと、
前記補正したＳパラメータに基づいて伝搬定数を計算するステップと、
前記伝搬定数から実効誘電率を計算するステップと、
前記実効誘電率から前記試料の誘電率を計算するステップと、
を有することを特徴とする誘電率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量な液体試料の複素誘電率を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。血糖値などの検査は血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。
【０００３】
非侵襲な成分濃度測定装置としては、近赤外光などの光学的な手法と比べ生体内での散乱が少ない、１フォトンの持つエネルギーが低い、などの理由からマイクロ波−ミリ波帯の電磁波を用いた手法が提案されている。
【０００４】
例えば、非特許文献１に示される共振構造を用いた手法がある。この手法は、アンテナや共振器などのＱ値の高いデバイスと測定試料を接触させ、共振周波数周辺の周波数特性を測定する。共振周波数はデバイスの周囲の複素誘電率により決定されるため、共振周波数のシフト量と成分濃度との間の相関を予め予測することにより、共振周波数のシフト量から成分濃度を推定する。
【０００５】
マイクロ波−ミリ波帯の電磁波を用いた他の手法としては、特許文献１に示す誘電分光法が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象である血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅及び位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。誘電緩和スペクトルは、一般的には、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量に複素誘電率は相関があり、その変化に対応した電気信号（振幅、位相）として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。
【０００６】
いずれの手法を用いる場合でも、対象となる成分と相関の強い周波数帯を選定することにより測定感度の向上が期待できるため、あらかじめ広帯域な誘電分光により誘電率の変化を測定しておくことは重要である。
【０００７】
誘電分光法の中でも、非特許文献２に示すようなコプレーナ線路(Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＣＰＷ）にマイクロ流路を集積したデバイスを用いた誘電分光は、ＤＣ−１００ＧＨｚ帯の誘電率情報の取得が報告されており、またサンプルの量が数１０μｌ程度で測定可能なため、生体試料など高額な物質の誘電分光特性にも適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−３２９３３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M. Hofmann, G. Fischer, R. Weigel, and D. Kissinger, "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, May 2015, Vol. 16, No. 5, pp. 2195-2203
【非特許文献２】K.Grenier, D. Dubuc, P-E. Poleni, M. Kumemura, H. Toshiyoshi, T. Fujii, and H. fujita, "Integrated Broadband Microwave and Microfluidic Sensor Dedicated to Bioengineering", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, December 2009, Vol. 57, No. 12, pp. 3246-3253
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のＣＰＷ型誘電分光センサはＧＳＧプローブなどの高周波プローブを介してベクトルネットワークアナライザ(Ｖｅｃｔｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＶＮＡ）やインピーダンスアナライザ(Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＩＡ）と接続される。このため、測定者によるプローブの位置合わせのバラつきが生じる、プローブによりＣＰＷが傷つくことにより伝送特性が変化するといった理由から繰り返し測定を行う際の測定再現性が低下してしまうという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、誘電分光において再現性よく誘電率を測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の本発明に係る誘電分光センサは、コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板と、を有することを特徴とする。
【００１３】
第２の本発明に係る誘電分光センサは、コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板と、前記第２高周波基板の半分の大きさのコプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の片端に配置したコネクタとを備えた反射測定用の第３，第４高周波基板と、を有することを特徴とする。
【００１４】
第３の本発明に係る誘電率測定方法は、コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板とを有する誘電分光センサを用いて前記試料の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、前記マイクロ流路に試料を配置した状態で前記第１高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、前記第２高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、前記第１高周波基板のＳパラメータと前記第２高周波基板のＳパラメータに基づいて伝搬定数を計算するステップと、前記伝搬定数から実効誘電率を計算するステップと、前記実効誘電率から前記試料の誘電率を計算するステップと、を有することを特徴とする。
【００１５】
第４の本発明に係る誘電率測定方法は、コプレーナ線路を形成した基板と試料を配置するマイクロ流路を形成した母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第１高周波基板と、コプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の両端に配置したコネクタを備えた第２高周波基板と、前記第２高周波基板の半分の大きさのコプレーナ線路を形成した基板とマイクロ流路を形成していない母材と前記コプレーナ線路の片端に配置したコネクタとを備えた反射測定用の第３，第４高周波基板とを有する誘電分光センサを用いて前記試料の誘電率を測定する誘電率測定方法であって、前記マイクロ流路に試料を配置していない状態で前記第１高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、前記第２高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、前記第３，第４高周波基板のＳパラメータを測定するステップと、測定されたＳパラメータからＴＲＬ校正を用いて誤差係数を算出するステップと、前記マイクロ流路に試料を配置した状態で前記第１高周波基板のＳパラメータを測定し、前記誤差係数で補正したＳパラメータを算出するステップと、前記補正したＳパラメータに基づいて伝搬定数を計算するステップと、前記伝搬定数から実効誘電率を計算するステップと、前記実効誘電率から前記試料の誘電率を計算するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、誘電分光において再現性よく誘電率を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態における２種類の高周波基板を有する誘電分光センサの構成を示す図である。
【図２】本実施形態における誘電分光センサの構成を示す分解斜視図である。
【図３】試料の誘電率を測定する処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】本実施形態における４種類の高周波基板を有する誘電分光センサの構成を示す図である。
【図５】図４の誘電分光センサを用いた試料の誘電率を測定する処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態における２種類の高周波基板を有する誘電分光センサの構成を示す図である。図１（ａ）は、マイクロ流路を形成した高周波基板１Ａであり、図１（ｂ）は、マイクロ流路を形成していない高周波基板１Ｂである。
【００２０】
高周波基板１Ａは、基板１１、ＣＰＷ１２、マイクロ流路１４を形成した母材１３を備え、ＣＰＷ１２の両端にＲＦコネクタ１５を実装した。
【００２１】
高周波基板１Ｂは、基板１１、ＣＰＷ１２、マイクロ流路１４を形成していない母材１３を備え、ＣＰＷ１２の両端にＲＦコネクタ１５を実装した。
【００２２】
高周波基板１Ａ，１ＢがＲＦコネクタ１５を備えることで、再現性よく、かつ、ＣＰＷ１２の金属パターンを傷つけることなく測定できる。
【００２３】
基板１１の材料としては、例えば、ガラスエポキシ、テフロン、シリコン（Ｓｉ）、アルミナ、石英、ガラス、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）、ガリウムヒ素やインジウムリンなどが挙げられる。
【００２４】
ＣＰＷ１２は、基板１１上に、その特性インピーダンスが５０Ωとなるように形成される。例えば、基板１１にガラスエポキシ基板を用いる場合、ＣＰＷ１２のシグナル線幅を約２００μｍ、シグナル線−グラウンド線間のギャップを約１００μｍとして形成する。ＣＰＷの特性インピーダンスＺは次式（１）で計算できる。
【００２５】
【数１】
2018205076.tif 000003
【００２６】
ここで、ε0およびμ0は真空の誘電率および透磁率、関数Ｋ（ｘ）は変数ｘに対する第一種完全楕円積分、ｗはＣＰＷのシグナル線幅、ｇはＣＰＷのシグナル−グラウンド線間のギャップ幅、εsubは基板の比誘電率である。
【００２７】
ただし、基板厚が１ｍｍ以下程度まで薄くなった場合、式（１）の値と実際の特性インピーダンスの間にずれが生じやすくなるため、電磁界解析による計算で詳細なパラメータを決定する。
【００２８】
ＣＰＷ１２の材料には、基板１１との密着性のよい材料、例えば銅や金、アルミニウムなどを用いる。
【００２９】
ＲＦコネクタ１５は、例えば、ＧＰＰＯ、Ｇ３ＰＯ、ＳＭＡ、Ｋ、２．４ｍｍ、Ｖ、１ｍｍコネクタなどを用いる。
【００３０】
母材１３は、基板１１上に集積される。母材１３としては、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などが挙げられる。母材１３と基板１１とは厚さ２５−３００μｍ程度の両面テープで接着される。
【００３１】
高周波基板１Ａでは、母材１３の中央に、マイクロ流路１４を形成する。マイクロ流路１４は両面テープの中央を切り取ることで形成可能である。または、両面テープを接着させた母材１３の中央部をレーザーカッター等で切削することでも形成可能である。マイクロ流路１４と基板１１の中心部が一致するように基板１１と母材１３とを接着する。マイクロ流路１４の幅は５００μｍ〜１ｍｍ程度とする。
【００３２】
高周波基板１Ｂでは、マイクロ流路１４を形成しないで母材１３のみを集積する。高周波基板１Ｂの母材１３の長さは、高周波基板１Ａの母材１３の長さからマイクロ流路１４の幅を差し引いた長さとする。
【００３３】
高周波基板１Ａの長さは、ＲＦコネクタ１５を除いて、ＣＰＷ１２の長さが５ｍｍ−２０ｍｍ程度となるようにする。高周波基板１Ｂの長さは、高周波基板１Ａの長さからマイクロ流路１４の幅を差し引いた長さとする。高周波基板１Ａ，１Ｂの幅は、ＣＰＷ１２全体の幅の２倍以上とする。
【００３４】
図２の分解斜視図に示すように、位置合わせ用のパターンや位置合わせ用のガイド穴を設けることで集積の精度が向上する。図２の例では、基板１１、母材１３、及び両面テープ１６の大きさを同じとし、位置決めピン１７を挿入するガイド穴を設けた。
【００３５】
次に、試料の誘電率の測定について説明する。
【００３６】
図３は、試料の誘電率を測定する処理の流れを示すフローチャートである。
【００３７】
高周波基板１Ａ，１ＢのＳパラメータを測定する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。高周波基板１Ａは、誘電率を測定したい液体試料をマイクロ流路１４内に設置した状態でＳパラメータを測定する。Ｓパラメータの測定には、例えばＶＮＡを用いることができる。インピーダンスアナライザなど２端子回路のインピーダンスを測定可能な機器を用いてもよい。
【００３８】
測定したＳパラメータを用いて、伝搬定数γを計算する（ステップＳ１３）。高周波基板１ＡのＳパラメータ［Ｓline11 Ｓline12 Ｓline21 Ｓline22］、高周波基板１ＢのＳパラメータ［Ｓthru11 Ｓthru12 Ｓthru21 Ｓthru22］を用いると、伝搬定数γは次式（２）で求めることができる。
【００３９】
【数２】
2018205076.tif 000004
【００４０】
Ｌfluidは流路長である。
【００４１】
求めた伝搬定数γから実効誘電率εeffを計算する（ステップＳ１４）。実効誘電率εeffは、次式（３）で求めることができる。
【００４２】
【数３】
2018205076.tif 000005
【００４３】
実効誘電率εeffから試料の誘電率εmを計算する（ステップＳ１５）。実効誘電率εeffはセンサの基板の誘電率εsubと試料の誘電率εmからなる値であり、試料の誘電率εmは、次式（４）を用いて導出できる。
【００４４】
【数４】
2018205076.tif 000006
【００４５】
もしくは、次式（５）を満たすα，βを電磁界シミュレーションにより予め導出しておくことで換算する。
【００４６】
【数５】
2018205076.tif 000007
【００４７】
基板が薄膜であったり、ＣＰＷの金属膜厚が無視できないような構造であったりする場合、式（４）の関係が成り立たなくなるため、式（５）を用いた換算手法が有効である。
【００４８】
上記の計算処理は、コンピュータが実行してもよい。
【００４９】
次に、別の誘電分光センサについて説明する。
【００５０】
図４は、本実施形態における４種類の高周波基板を有する誘電分光センサの構成を示す図である。同図に示す誘電分光センサは、図１に示した高周波基板１Ａ，１Ｂに、反射測定用の高周波基板１Ｃ，１Ｄを追加したものである。
【００５１】
図４（ｃ），図４（ｄ）に示す高周波基板１Ｃ，１Ｄは、ＣＰＷ１２の片側の端面のみにＲＦコネクタ１５を実装した。高周波基板１Ｃ，１Ｄの長さは、高周波基板１Ｂの長さの半分である。高周波基板１Ｃ，１Ｄは、高周波基板１Ａあるいは高周波基板１Ｂを切断して作製できる。
【００５２】
ＲＦコネクタ１５の実装されていない側の端面と母材１３の端面が一致するように母材１３を基板に接着する。
【００５３】
高周波基板１Ａ〜１Ｄは、同一ロットで加工された基板を用いることで、製品ごとのバラつきによる測定精度の劣化の抑制が期待できる。
【００５４】
次に、４種類の高周波基板を用いた試料の誘電率の測定について説明する。
【００５５】
図５は、４種類の高周波基板を用いて試料の誘電率を測定する処理の流れを示すフローチャートである。
【００５６】
高周波基板１Ａ〜１ＤのＳパラメータを測定する（ステップＳ２１〜Ｓ２３）。高周波基板１Ａは、試料を設置しない状態でＳパラメータを測定する。
【００５７】
ステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３の測定結果をｔｈｒｕ，ｒｅｆｌｅｃｔ，ｌｉｎｅであるとして、ＴＲＬ校正を用いて誤差係数を算出する（ステップＳ２４）。
【００５８】
試料を設置した高周波基板１ＡのＳパラメータを測定後（ステップＳ２５）、誤差係数を補正した流路内のＳパラメータを算出し（ステップＳ２６）、Ｓパラメータを用いて、伝搬定数γを計算する（ステップＳ２７）。
【００５９】
補正されたＳパラメータをＴパラメータへ変換した行列Ｔfluidは、次式（６）で表される。
【００６０】
【数６】
2018205076.tif 000008
【００６１】
そのため、流路部分の伝搬定数γは、導出したＴfluidより、次式（７）で表すことができる。
【００６２】
【数７】
2018205076.tif 000009
【００６３】
以降は、図１の高周波基板１Ａ，１Ｂを用いた場合と同様に、実効誘電率εeffを計算して、試料の誘電率εmを計算する（ステップＳ２８，Ｓ２９）。
【００６４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、コプレーナ線路（ＣＰＷ）１２を形成した基板１１と試料を配置するマイクロ流路１４を形成した母材１３とＣＰＷ１２の両端に実装したＲＦコネクタ１５を備えた高周波基板１Ａと、ＣＰＷ１２を形成した基板１１とマイクロ流路１４を形成していない母材１３とＲＦコネクタ１５を備えた高周波基板１Ｂとを有する誘電分光センサを用いて、高周波基板１Ａ，１ＢのＳパラメータを測定し、測定したＳパラメータに基づいて伝搬定数を計算し、伝搬定数から実効誘電率を計算し、実効誘電率から試料の誘電率を計算することにより、試料の設置されたＣＰＷ１２の伝送特性をディエンベッドし、誘電分光において再現性よく誘電率を測定することが可能となる。本実施形態の高周波基板１Ａ，１ＢはＲＦコネクタ１５を備えるので、測定者によるプローブの位置合わせのバラつきや、プローブによりＣＰＷ１２が傷つくことを抑止できる。
【００６５】
本実施の形態によれば、高周波基板１Ａ，１Ｂに加えて、反射測定用の高周波基板１Ｃ，１Ｄを有する誘電分光センサを用いて、高周波基板１Ａ〜１ＤのＳパラメータの測定結果からＴＲＬ校正を用いて誤差係数を算出し、試料を設置した高周波基板１ＡのＳパラメータの測定結果から誤差係数を補正したＳパラメータを算出し、補正されたＳパラメータを用いて伝搬定数を計算し、伝搬定数から実効誘電率を計算し、実効誘電率から試料の誘電率を計算することにより、誘電分光において再現性よく誘電率を測定することが可能となる。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ〜１Ｄ…高周波基板
１１…基板
１２…ＣＰＷ
１３…母材
１４…マイクロ流路
１５…ＲＦコネクタ
１６…両面テープ
１７…位置決めピン
【図１】
2018205076.tif 000010
【図２】
2018205076.tif 000011
【図３】
2018205076.tif 000012
【図４】
2018205076.tif 000013
【図５】
2018205076.tif 000014