(57)【要約】  本発明は、テラヘルツ放射線受信機（１８）のアレイと、受信機のアレイと同じピッチを有するテラヘルツ放射線送信機（１０）のアレイであって、受信機のアレイと送信機の近接場中に位置する分析領域（１２）との間に位置し、各送信機が、分析領域および受信機のアレイのそれぞれの受信機の両方に向かって波を放射するように構成された、テラヘルツ放射線送信機（１０）のアレイとを備える、テラヘルツ撮像システム用センサに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接場テラヘルツ撮像システム用センサであって、
近接場効果によって分析対象物（１２）と相互作用するように構成されたテラヘルツ放射線送信機（１０）のアレイであって、各送信機は、前記アレイの両面から場を放射するように構成される、テラヘルツ放射線送信機（１０）のアレイと、
前記送信機の近接場中に位置する、各送信機に対向したテラヘルツ放射線受信機を含む、前記分析対象物（１２）から前記送信機アレイの反対側に配置された受信機アレイ（１８）と、
を備える、センサ。
【請求項２】
前記受信機（１８）が半導体技術で実現される活性面を有する、テラヘルツ放射線を通す半導体材料の第１の平坦基板（Ｒｘ）と、
前記送信機（１０）が半導体技術で実現される活性面を有する、テラヘルツ放射線を通す半導体材料で作られた、前記第１の基板と異なる第２の平坦基板（Ｔｘ）と、
を備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
そのそれぞれの受信機とともに各送信機を順に作動させるように構成された制御回路（２０、２２）を備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第２の基板（Ｔｘ）の活性面は、前記分析対象物（１２）に面し、前記第２の基板の背面は、前記第１の基板（Ｒｘ）に面する、請求項２に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第１の基板（Ｒｘ）の活性面は、前記第２の基板（Ｔｘ）から離れる方に面し、前記第１の基板の背面は、前記第２の基板に面する、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記第１および第２の基板は、前記基板より低い屈折率を有する層によって互いに分離される、請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記アレイのピッチは、前記基板内の放射線の波長の少なくとも１／２であり、各基板は、前記基板内の放射線の波長の最大でも１／２の厚さを有する、請求項２に記載のセンサ。
【請求項８】
前記受信機および前記送信機は、六角形構成を有し、ハニカムマトリクス内に配置される、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
各受信機および送信機は、
前記活性面の金属層に形成された環状アンテナ（５０）であって、前記基板内のテラヘルツ放射線の波長の少なくとも１／２の平均円周を有する環状アンテナ（５０）と、
複数の金属層を通して積層された金属パターンから形成された、前記受信機または前記送信機の周辺で前記アンテナを囲むガードリング（５２）と、
を備える、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ガードリング（５２）は、導体トラックと前記受信機および前記送信機を動作させるための電子部品とを収容するキャビティ（６２）を形成するように構成された金属パターンを備える、請求項８に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に分析対象物と接触して配置されるテラヘルツプローブを使用した、近接撮像技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ（ＴＨｚ）波の範囲は、ミリ波と可視光との間である。テラヘルツ波は、約３００ＧＨｚ〜数ＴＨｚの周波数の範囲とするのが定説である。この範囲内の波は、無線周波数特性および光学特性の両方を有し、特に、アンテナによって送受信され、シリコンレンズなどの光学系によって集束され得る。
【０００３】
ＴＨｚ波は、Ｘ線の悪影響を伴わずに、特定の対象物を通過する特性を有する。医用撮像では、ＴＨｚ波は、例えば、癌組織を検出するために使用される。このような癌組織は、健常組織とは異なるＴＨｚ範囲内の吸収特性および反射特性を有するためである。
【０００４】
論文（「Ｕｓｅ  ｏｆ  ａ  ｈａｎｄｈｅｌｄ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｐｕｌｓｅｄ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ  ｔｏ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅ  ｂｅｎｉｇｎ  ａｎｄ  ｍａｌｉｇｎａｎｔ  ｂｒｅａｓｔ  ｔｉｓｓｕｅ」、Ｍａａｒｔｅｎ  Ｒ．Ｇｒｏｏｔｅｎｄｏｒｓｔら、８巻、６号、２０１７年６月１日、Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２９３２）は、超音波プローブと同様に、患者の皮膚の上を移動して、皮膚を波反射によって分析するように設計された手持ち式プローブを開示している。
【０００５】
ＴＨｚ波は、プローブの外側で生成されたフェムト秒レーザパルスを介してプローブ内で実装され、光ファイバを通してプローブの内側に配置された光伝導送受信機へと誘導される。結果として得られた０．１〜１．８ＴＨｚのパルスは、その後、送受信機とプローブの端部に存在する石英窓との間の振動ミラーによって誘導され、２６個の画素を４Ｈｚの周波数で１５×２ｍｍの領域において段階的に走査する。走査の各ステップにおいて、反射されたＴＨｚパルスは、対応する画素によって受信機に戻される。
【０００６】
このような手持ち式プローブは、複雑で高価な光技術を使用する。さらに、約０．６ｍｍの画素ピッチは、比較的低い解像度を提供する。この解像度は、ミラー駆動機構の正確度と、ＴＨｚ波の比較的長い波長とに依存する。０．６ｍｍの画素ピッチは、使用されるパルスの最低周波数（ここでは０．１ＴＨｚ）および１．２ｍｍの波長に対する空気中のアッベ回折限界にほぼ対応する。
【０００７】
したがって、このようなシステムは、わずか１５×２ｍｍの画像センサを実装するために扱いにくく高価な機器を必要とし、容積の要諦は、必要なレーザビームを生成するための機器によって占められる。
【０００８】
近年では、ＴＨｚ受信機および送信機は、同じチップ上に組み込まれた電子回路によって十分に利用可能である半導体技術を使用して成功裏に実現されている。
【０００９】
したがって、ＴＨｚ受信機は、半導体チップ上でアレイ内にグループ化されて、コンパクトな画像センサを形成する。例えば、研究論文（「Ａ  １  ｋ−Ｐｉｘｅｌ  Ｖｉｄｅｏ  Ｃａｍｅｒａ  ｆｏｒ  ０．７−１．１  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ６５−ｎｍ  ＣＭＯＳ」、Ｒｉｃｈａｒｄ  Ａｌ  Ｈａｄｉ，Ｈａｎｉ  Ｓｈｅｒｒｙら、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、４７巻、１２号、２０１２年１２月）は、完全に６５ｎｍＣＭＯＳ技術で製造されたＴＨｚ受信機を含む画像センサを開示している。受信機は、受動素子およびトランジスタの周波数（共通ソース接続）があまり制限されない構成を使用することによってトランジスタの動作周波数よりも高い周波数で信号を処理することができる。特に、電力検出構成が使用され、すなわち、ＴＨｚ波がアンテナ上で受信され、得られたアンテナ信号がコンデンサを信号振動のピーク値まで充電するために整流される。ホモダイン受信機として知られるこのような受信機は、位相情報を提供せず、振幅情報のみを提供する。
【００１０】
半導体技術、特にＣＭＯＳに組み込み可能なＴＨｚ送信機を設計することも可能になった。この送信機の１つの問題は、トランジスタの動作周波数よりも高い周波数を有するＴＨｚ信号を生成することであった。この問題は、いわゆる調波発振器を使用することによって克服された。このような発振器は、この技術に対応できる周波数で動作し、ＴＨｚ範囲で使用可能な高調波を生成する。米国特許第９０８３３２４号は、このような発振器を開示している。
【００１１】
組み込み可能なＴＨｚ受信機および送信機のさらなる情報は、２０１３年にヴッパータール（Ｗｕｐｐｅｒｔａｌ）大学で発表されたＨａｎｉ  ＳｈｅｒｒｙおよびＲｉｃｈａｒｄ  Ａｌ  Ｈａｄｉによる論文の中で見つけることができる。
【００１２】
半導体チップ上へのＴＨｚ要素の組み込み実現可能性が実証されているにもかかわらず、例えば、上述のＢｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓの論文に記載されているプローブに代わり得るコンパクトな反射センサを提供することは可能ではなかった。
【００１３】
米国特許第９，４６４，９３３号は、センサのアレイを含む近接場ＴＨｚイメージャを開示している。各センサは、発振器と検出回路との間に結合された伝送線路を備える。発振器は、分析対象物の近接によって変化する場を生成する。この変化は、伝送線路上のインピーダンスの変動に置き換わり、検出回路によって測定される。
【発明の概要】
【００１４】
概して、テラヘルツ放射線受信機のアレイと、受信機のアレイと同じピッチを有するテラヘルツ放射線送信機のアレイであって、受信機のアレイと送信機の近接場中に位置する分析領域との間に位置し、各送信機が、分析領域および受信機のアレイのそれぞれの受信機の両方に向かって波を放射するように構成された、テラヘルツ放射線送信機のアレイとを備える、近接場テラヘルツ撮像システム用センサを提供する。
【００１５】
センサは、受信機が半導体技術で実現される活性面を有する、テラヘルツ放射線を通す半導体材料の第１の平坦基板と、送信機が半導体技術で実現される活性面を有する、テラヘルツ放射線を通す半導体材料で作られた第２の平坦基板とをさらに備えてよい。
【００１６】
センサは、そのそれぞれの受信機とともに各送信機を順に作動させるように構成された制御回路をさらに備えてよい。
【００１７】
第２の基板の活性面は、分析領域に面してよく、第２の基板の背面は、第１の基板に面してよい。
【００１８】
第１の基板の活性面は、第２の基板から離れる方に面してよく、第１の基板の背面は、第２の基板に面してよい。
【００１９】
第１および第２の基板は、基板より低い屈折率を有する層によって互いに分離されてよい。
【００２０】
アレイのピッチは、基板内の放射線の波長の少なくとも１／２であってよく、各基板は、基板内の放射線の波長の最大でも１／２の厚さを有してよい。
【００２１】
受信機および送信機は、六角形構成を有してよく、ハニカムマトリクス内に配置されてよい。
【００２２】
各受信機および送信機は、活性面の金属層に形成された環状アンテナであって、基板内のテラヘルツ放射線の波長の少なくとも１／２の平均円周を有する環状アンテナと、複数の金属層を通して積層された金属パターンから形成された、受信機または送信機の周辺でアンテナを囲むガードリングとを備えてよい。
【００２３】
ガードリングは、導体トラックと受信機および送信機を動作させるための電子部品とを収容するキャビティを形成するように構成された金属パターンを備えてよい。
【００２４】
添付図面に関連して、以下の非限定的な説明において実施形態が提示されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】コンパクトな近接場テラヘルツ画像センサの実施形態の概略部分断面図である。
【図２】半導体技術で実現された六角形画素の実施形態の上面図を示す。
【図３】図２の画素の例示的構成の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、テラヘルツ受信機のアレイおよびテラヘルツ送信機のアレイを組み合わせることが提供され、その各々は、分析対象物に対して適用されるコンパクトなイメージャデバイス内に半導体チップ上で実現され得る。受信機および送信機は、要素間の磁気結合を利用するために、近接場モード、すなわち、波長未満の十分に短い距離で使用される。
【００２７】
図１は、この原理を使用したイメージャの実施形態を概略的に示す。テラヘルツ波を通す基板Ｔｘは、テラヘルツ送信機１０のアレイを備える。基板は、分析領域１２、例えば、皮膚に対して適用されるように設計される。基板Ｔｘは、表面１２と直接接触してもよいか、または支持要素１４を使用して所与の距離で保持されてもよい。
【００２８】
この実施形態では、送信機画素１０のアレイは、基板Ｔｘの前面に位置し、領域１２に向けられる。基板の厚さは、概して、基板内の放射線の波長の最大でも１／２の厚さとなるように選択され、隣接する画素を妨害する恐れがある内部反射を制限する。
【００２９】
この構成の送信機画素は、基板の両面から波を放射する。したがって、各送信機は、基板の各面について、電力放射を角度の関数として特徴づけるローブを与える。前面ローブは、この構成では背面ローブより小さく、送信機が背面を通じてより効率的であることを意味する（送信機は、通常、背面を通じて使用されるように設計される）。
【００３０】
送信機は、近接場境界を規定するローブも有する。電力ローブは、０〜１の係数を規定し、一方、近接場ローブは、近接場作用の空間的境界を規定する。図１は、近接場ローブＮＦの例を示す。これらの近接場ローブは、イメージャ平面に対しておおよそ対称であり、空気中の１波長のオーダーの振幅を有する。複雑なシミュレーションによって決定され得る正確な形状は、アンテナの構成および隣接する要素に依存する。
【００３１】
テラヘルツ送信機の近接場中の要素の性質は、特に、送信機の発振器を通じて、波の特性に影響を及ぼし得ることが分かる。環境に依存して、発振器は、インピーダンス、位相、周波数、または振幅のシフトを受けてよい。これらの変化は、基板の両面から放射される波に均一に反映される。周波数に依存して、特定の変化また所与の閾値の超過は、分析領域で探索された材料または特性の特徴的な痕跡を形成してよく、例えば、皮膚内の癌組織は、より高い水の比率によって識別され得る。
【００３２】
図１のイメージャは、この近接場特性を使用するように設計される。基板Ｔｘと測定領域１２との間の距離は、測定領域１２が基板Ｔｘの前面の近接場ローブＮＦと交差するように選択される。距離は、領域１２との交差部におけるローブの表面積が、最大でも送信機画素の表面積に等しいように選択されてよい。これにより、最良の検出対象範囲を確保する。
【００３３】
特有の性質を有する対象物１６が、第２および第３の送信機の近接場ローブと接触する分析領域に示されている。対象物１６は、点線のローブで示される、これらの送信機によって放射される波に影響を及ぼす。
【００３４】
送信機１０によって背面に放射された波は、送信機アレイと同じピッチを有するアレイ内に配置されたそれぞれのテラヘルツ受信機１８によって受信される。受信機１８のアレイは、基板Ｔｘと同じ特性を有する基板Ｒｘの前面に形成されてよい。受信機アレイと送信機アレイとの間の距離は、可能であれば各送信機１０が単一のそれぞれの受信機１８に結合するような方法で、送信機および受信機が近接場モードで結合するようなものである。この構成では、各受信機１８は、任意の変化を含む、そのそれぞれの送信機１０によって放射された波の特性を測定および再現する。
【００３５】
実際には、分析表面１２が固体である場合、全てのエミッタは、近接場モードで多かれ少なかれ妨害されることになる。撮像システムは、概して、波の位相、周波数、および振幅値を疑似カラーで示す分析領域の画像を生成するか、またはこれらのパラメータの各々について３つの別個のグレースケール画像を生成するように構成されてよい。パラメータは、特徴的な性質を強調するために重み付け係数とともに単一の変数に組み合されてよい。
【００３６】
図１の例では、近接場ローブＮＦは、１つの画素の幅を超えないという点で、かなり良好な特性を有する。このような状況では、測定領域１２が前面ローブの最も幅広い部分と交差し、受信機１８が背面ローブの最も幅広い部分に位置するような距離を設定するのに十分であり、示されているものにおおよそ対応する。これは、最良の感度を提供する。背面ローブが、できるだけ多くの基板の厚さを通過することも望ましく、これは、基板を背中合わせに配置することによって達成される。しかしながら、基板のものより低い屈折率を有する基板間の層（空気、真空、またはその他）の存在は、内部反射を制限する厚さの制約に関して基板がインピーダンスを保持することを可能とするため有益である。
【００３７】
さらに、図１の例では、送信機の背面ローブは複数の受信機画素に決して重ならないため、受信機間のクロストークの可能性はない。前面ローブはある送信機画素から別の送信機画素へ漏れないため、送信機間のクロストークの可能性もない。この構成で、全ての送信機および受信機を「グローバルシャッタ」として同時に使用することが可能である。
【００３８】
一般に、特に画素ピッチを低減することが求められる場合、各背面ローブは、送信機と受信機との間の距離に依存して、複数の受信機画素上に漏れる恐れがある。前面ローブについては、前面は、画素の表面に対してローブの有用な領域を制限するために、分析領域１２に所望されるだけ近くに常に近づけられ得る。
【００３９】
一般的な状況におけるクロストーク問題を回避するために、各送信機は、そのそれぞれの受信機とともに順に作動されてよい。したがって、複数の隣接する受信機が作動された送信機ローブに遭遇したとしても、指定された受信機が作動されて測定が達成される。
【００４０】
シーケンスは、作動された各送信機が作動された他の送信機と関連する受信機に干渉しないパターンに従って、複数の送信機が一斉に作動されるように設計されてよい。
【００４１】
図１では、各基板は、アレイ、特に画素作動シーケンスを管理するための送信機の制御回路２０および受信機の制御回路２２を含む。送信機画素の作動は、とりわけ、画素の局部発振器をオンにすること、または画素を共用発振器信号に接続することを含む。受信機画素の作動は、特に、測定を行うことを含む。
【００４２】
送信機および受信機画素は同期して制御されるため、同期に必要な信号は、回路２０と回路２２との間で、支持要素１４内に誘導されたリンク２４を通して伝達されてよい。
【００４３】
受信機は、発振器を含まず、振幅測定を提供することのみ可能な、非常に単純な構造のホモダインであってよい。位相または周波情報を利用することが望まれる場合、ヘテロダイン受信機が使用され得る。研究論文（「Ａ  Ｆｕｌｌｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ３２０  ＧＨｚ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ  ｉｎ  １３０  ｎｍ  ＳｉＧｅ  ＢｉＣＭＯＳ」、Ｃｈｅｎ  Ｊｉａｎｇら、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、５１巻、１１号、２０１６年１１月）およびＨａｎｉ  Ｓｈｅｒｒｙの上述の論文は、半導体技術におけるヘテロダインテラヘルツ受信機の実装を記載している。
【００４４】
それらの画素および制御回路を有する基板ＲｘおよびＴｘは、例えば、ＣＭＯＳ技術で半導体チップとして実現されてよい。既知のチップ間組立技術が、２つの基板またはチップＲｘおよびＴｘを所望の間隔で組み立てるために使用されてよい。
【００４５】
実施形態によれば、送信機および受信機画素は六角形であり、ハニカムマトリクス内に配置される。この画素の六角形構成は、検討されるＴＨｚ送信機およびＴＨｚ受信機の構造に特によく適合している。実際に、これらは、以下で分かるように、リングアンテナを基本としたものであり得、六角形構造は、リングアンテナを収容するために正方形構造よりもコンパクトである。さらに、マトリクスは、ハニカム状であるので、画素間の所与のピッチに対してより多くの画素を収容することができる。これらの組み合わされた特徴は、結果として、所与のピッチについて、正方形マトリクスよりも著しく高い解像度をもたらし、斜め線のより良好なレンダリングをもたらす。
【００４６】
図２は、半導体技術、例えば、６５ｎｍＣＭＯＳで作製されたマトリクス状の六角形画素の実施形態の部分上面図を示す。受信機画素Ｒｘのマトリクスが示されている。送信機画素のマトリクスは、同じ制約を受けるため同様であり、アンテナの寸法によって規定される。この図内の要素は、一例として、約６００ＧＨｚで動作するように設計されたイメージャに対して実質的に縮尺通りに描かれている。６００ＧＨｚの周波数は、空気中の０．５ｍｍの波長に対応する。画素は、シリコン基板に組み込まれ、この場合、波長は約０．６の増倍率で減少し、波長をシリコン内では約０．３ｍｍに低減する。さらに、許容される利得損失で解像度を２倍増加させることが可能であるので、わずか波長の１／２で、すなわち０．１５ｍｍで動作してもよい。したがって、送信機および受信機のアンテナは、この波長で動作するように寸法決めされる。この場合のアンテナ５０は環状であり、つまり、アンテナの平均円周が少なくとも動作波長、すなわち０．１５ｍｍに等しいことを意味する。
【００４７】
リングは、例えば、本技術の最終金属層においてエッチングされ、１０μｍの幅、すなわち、６４μｍの外径および５４μｍの内径を有する。
【００４８】
さらに、画素間の誘導結合または容量結合による電気的擾乱の横方向伝搬を防止するために、各画素は、周辺ガードリング５２（円形、またはここでは六角形であり得る）を含む。アンテナは、動作波長（０．１５ｍｍ）にほぼ等しい平均直径を有する大部分が無金属の領域の中心に位置する。したがって、ガードリングの内縁は、アンテナリングの外縁から少なくとも３８μｍ離れている。ガードリングは、さらに幅３０μｍであり、本技術によって推奨される金属／空隙比を満たすように構成される。したがって、画素は、六角形の２本の対辺間の幅２００μｍを有し、値は、０°、１２０°、および２４０°の３本の軸の各々に沿ったピッチに対応する。
【００４９】
図３は、図２の画素の断面図である。画素は、半導体基板６０（ここでは、シリコン製）の活性面上に形成される。最終金属層でエッチングされたアンテナ５０は、基板の上面と同一平面上にある。この上面は、通常、パッシベーション層（図示せず）で覆われている。ガードリング５２は、図示されているように、ビアを介して相互接続された本技術の全ての金属層（６５ｎｍＣＭＯＳでは７層）で積層された金属パターンを使用して、深さ方向に延長され得る。ビアは、スクリーニング機能を実現するピッチで、各画素の周囲に配置され得る。
【００５０】
内部反射を制限するために、前述の通り、基板６０の厚さは０．１５ｍｍである。
【００５１】
これらのガードリングのうちの１つのガードリングの壁に関して図示されているように、金属パターンは、キャビティ６２を形成するように構成され得る。キャビティ６２は、画素を制御するための導体トラックおよび電子部品を収容し得る。実際には、２つの隣接するガードリングの幅は、６０μｍのオーダーであり、これは、６５ｎｍの技術では、画素を局所的に利用するのに必要な導体および電子部品の大多数を収容するのに十分な空間を提供する。この構成により、光学特性を妨げることになるアンテナ周辺の空き領域における金属導体の数を、厳密に最小限まで低減する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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