(57)【要約】      （修正有）【課題】テラヘルツ領域の電磁波を効率よく検出することができる電磁波検出素子及び装置を提供する。【解決手段】誘電体と、その表面に形成された金属層１１と、金属層にアレイ状に形成されテラヘルツ領域の電磁波を受信する第１のアンテナ素子群と、第１のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する検出素子とからなる第１のアンテナ素子形成領域１０と、第１のアンテナ素子群と偏波面が略直交するように第１のアンテナ素子形成領域１０以外の金属層にアレイ状に形成されテラヘルツ領域の電磁波を受信する第２のアンテナ素子群と、第２のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成された第２のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する検出素子とからなる第２のアンテナ素子形成領域２０とを備え、金属層は、第１のアンテナ素子形成領域１０及び第２のアンテナ素子形成領域２０での検出電圧を出力するように形成された溝部を有する。【選択図】図２
2009141661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波面に無関係にテラヘルツ領域の電磁波を検出するための素子であって、
誘電体と、その表面に形成された金属層と、
上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され上記電磁波を受信する第１のアンテナ素子群及び上記第１のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第１のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第１の検出素子群からなる第１のアンテナ素子形成領域と、
上記第１のアンテナ素子群と偏波面が略直交するように上記第１のアンテナ素子形成領域以外の上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され、上記電磁波を受信する第２のアンテナ素子群及び上記第２のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第２のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第２の検出素子群からなる第２のアンテナ素子形成領域とを備え、
上記金属層は、上記第１のアンテナ素子形成領域及び上記第２のアンテナ素子形成領域での上記第１の検出素子群及び上記第２の検出素子群による検出電圧を出力する複数の接続領域を形成する第１の溝部を有することを特徴とする電磁波検出素子。
【請求項２】
上記第１のアンテナ素子群と偏波面が実質的に同一となるように上記第１のアンテナ素子形成領域及び上記第２のアンテナ素子形成領域以外の上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され、上記電磁波を受信する第３のアンテナ素子群及び上記第３のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第３のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第３の検出素子群からなる第３のアンテナ素子形成領域と、
上記第２のアンテナ素子群と偏波面が実質的に同一となるように上記第１のアンテナ素子形成領域、上記第２のアンテナ素子形成領域及び上記第３のアンテナ素子形成領域以外の上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され、上記電磁波を受信する第４のアンテナ素子群及び上記第４のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第４のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第４の検出素子群からなる第４のアンテナ素子形成領域とをさらに備え、
上記金属層は、上記第３のアンテナ素子形成領域及び上記第４のアンテナ素子形成領域での上記第３の検出素子群及び上記第４の検出素子群による検出電圧を出力する複数の接続領域を形成する第２の溝部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の電磁波検出素子。
【請求項３】
上記第１のアンテナ素子形成領域と上記第３のアンテナ素子形成領域とは、その位置関係が画素の中心点に対して点対象であり、かつ、上記第２のアンテナ素子形成領域と上記第４のアンテナ素子形成領域とは、その位置関係が上記画素の中心点に対して点対象であることを特徴とする請求項２記載の電磁波検出素子。
【請求項４】
上記検出素子群の各検出素子は、上記金属層と並行な当該検出素子における上記アンテナ素子の長手方向に対する長さが上記アンテナ素子の長手方向の長さに対して約２０％以下となるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の電磁波検出素子。
【請求項５】
上記アンテナ素子は略矩形状に形成され、その長手方向の長さが電磁波の約１波長分であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の電磁波検出素子。
【請求項６】
上記アンテナ素子群のアンテナ素子はスロットアンテナであり、上記検出素子群の検出素子はボロメータであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の電磁波検出素子。
【請求項７】
マトリクス状に配設された複数個の偏波面に無関係にテラヘルツ領域の電磁波を検出するための電磁波検出素子からなる電磁波検出装置であって、
上記電磁波検出素子は、
誘電体と、その表面に形成された金属層と、
上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され上記電磁波を受信する第１のアンテナ素子群及び上記第１のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第１のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第１の検出素子群からなる第１のアンテナ素子形成領域と、
上記第１のアンテナ素子群と偏波面が略直交するように上記第１のアンテナ素子形成領域以外の上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され、上記電磁波を受信する第２のアンテナ素子群及び上記第２のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第２のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第２の検出素子群からなる第２のアンテナ素子形成領域とを備え、
上記金属層は、上記第１のアンテナ素子形成領域及び上記第２のアンテナ素子形成領域での上記第１の検出素子群及び上記第２の検出素子群による検出電圧を出力する複数の接続領域を形成する溝部を有することを特徴とする電磁波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ領域の電磁波を検出することが可能な電磁波検出素子及び電磁波検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長が１０ｍｍ〜千分の数ｍｍオーダーであるミリ波・遠赤外光の周波数領域（テラヘルツ領域）は、電波天文あるいは地球環境観測などのリモートセンシング等への応用が期待されている。最近話題になっているＩＳＳ（国際宇宙ステーション）計画においても、地球環境の観測の一つとして超伝導材料を用いたセンサでオゾン層を観測する実験が予定されている。このように、ミリ波〜遠赤外光の周波数領域は実用上非常に魅力的な周波数領域の一つである。このようなシステムを構築するには発振器、伝送線路などに加えてセンサの研究開発が非常に重要になる。
【０００３】
遠赤外光の検出器としては、ショットキーダイオードに代表される量子型検出器と、熱型検出器がある。熱型検出器は、量子型の検出器と異なり感度の周波数依存性が小さく使いやすい利点を有する。熱型検出器の一例であるボロメータは、赤外光の電磁波のエネルギーを熱に変換し、熱変換による温度変化を抵抗値変化として検出するものである。このボロメータは、構造が簡単で製作が容易なことや、近赤外から遠赤外までの広い周波数帯において常温での検出が可能なことから広く用いられている。
【０００４】
ボロメータを実際に遠赤外光検出素子として用いる際には、ボロメータに効率よく熱を吸収させるため、その表面に赤外光に対する吸収膜を設ける必要がある。しかし、測定波長が２０μｍ以上の遠赤外の長波長領域になると、薄い吸収膜では遠赤外光を吸収しきれなくなり、吸収膜の厚さを厚くする必要がある。ところが、吸収体の膜厚を厚くすると吸収体の熱容量が大きくなるため、ボロメータへの入力電力が減少するとともに、ボロメータの応答速度も低下してしまう。本発明者らは、吸収体の代わりにアンテナをボロメータに取り付けたアンテナ結合マイクロボロメータを利用した検出方法を提案している（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
図１０は、アンテナ結合マイクロボロメータの一例を示す図である。ボロメータと１つのスロットアンテナを結合したアンテナ結合マイクロボロメータ１００は、ボロメータ１０２と結合するアンテナ素子としてスロットアンテナ１０４を用いている。このスロットアンテナ１０４は、誘電体１０６上に積層された金属層である金属層１０８に矩形状のスロットを設けることで形成されており、誘電体に対して垂直な指向性を有する。ボロメータ１０２は、スロットアンテナ１０４の給電点であるスロットの略中央に配置されており、金属層１０８に細いスリット状の溝部１１０を設けることによって左右金属面の絶縁をとり、ボロメータ１０２への定電流の印加及びボロメータ１０２からの検出電圧の取り出しを可能にしている。
【０００６】
図１１は、アンテナ結合マイクロボロメータの検出原理を示す模式図である。このようなアンテナ結合マイクロボロメータ１００における検出電圧ΔＶｎは、下記式で表すことができる。例えば図１０に示すアンテナ結合マイクロボロメータ１００に電磁波として遠赤外光が照射された場合、スロットアンテナ１０４が受信した電磁波の電力は、ボロメータ１０２に供給され、ボロメータ１０２の抵抗値Ｒ１１がＲ１１＋ΔＲ１１に変化する。さらに、印加電流ＩＢによるボロメータ１０２両端の電圧Ｖ１は、Ｖ１+ΔＶ１に変化する。このときの検出電圧は、（１）式のように示すことができる。
【０００７】
【数１】
2009141661.tif 000003
【０００８】
ここで、ｄＲ／ｄＴは抵抗温度係数、ｄＴ／ｄＰは熱抵抗であり両者はボロメータ１０２の材料・形状に依存する。またＰ１１は、スロットアンテナ１０４からボロメータ１０２に供給される電力である。
【０００９】
このようなアンテナ結合マイクロボロメータ１００を用いた場合には、吸収膜を用いずに熱容量の減少を導くことができることに加え、受光面の大きさに関係なくボロメータ１０２の体積を小さくすることができる。したがって、スロットアンテナ１０４で受信した遠赤外光の電力を小さな体積としたボロメータ１０２に供給することにより、遠赤外光の応答速度及び感度を向上させることができる。
【００１０】
ここで、アンテナ素子の受信電力は、アンテナ素子の実効開口面と電磁波との電力密度の積で求まるものであり、アンテナ素子の実効開口面は波長の２乗に比例する。よって、同じ利得を有するアンテナ素子であっても波長が異なると実効開口面も異なり受信電力の大きさも異なる。例えば、電力密度が同じ場合、サブミリ波（２．５ＴＨｚ）における受信電力は、マイクロ波（３ＧＨｚ）に対して１．４×１０−６倍と非常に小さい値をとることとなる。このため、サブミリ波帯においては受信電力を向上させることが必要である。そこで本発明者らは、個々のスロットアンテナそれぞれにボロメータを結合したアンテナ結合マイクロボロメータアレイを提案している（例えば、非特許文献１参照。）。
【００１１】
図１２は、アンテナ結合マイクロボロメータアレイの一例を示す図である。アンテナ結合マイクロボロメータアレイ２００は、誘電体２０２上に積層された金属層２０４にアンテナ素子である矩形状のスロットアンテナ２０６が複数形成されており、金属層２０４に細いスリット状の溝部２１０を設けることによって左右金属面の絶縁をとり、ボロメータ２０８への定電流の印加及びボロメータ２０８からの検出電圧の取り出しを可能にしている。このアンテナ結合マイクロボロメータアレイ２００は、複数のスロットアンテナ２０６がそれぞれボロメータ２０８を有している点で図１０に示すアンテナ結合マイクロボロメータ１００とは異なる。例えば、単一スロットアンテナ結合マイクロボロメータを２個直列に並べた場合の検出電圧は、（２）式のように示すことができる。
【００１２】
【数２】
2009141661.tif 000004
【００１３】
ここで、各アンテナ素子のボロメータ特性、即ち、（ｄＲ／ｄＴ）（ｄＴ／ｄＰ）が等しければ、（３）式のように示すことができる。
【００１４】
【数３】
2009141661.tif 000005
【００１５】
さらに、スロットアンテナ２０６のスロットがｎアレイである場合についても同様に考えると、検出電圧は、（４）式、（５）式のように示すことができる。
【００１６】
【数４】
2009141661.tif 000006
【００１７】
【数５】
2009141661.tif 000007
【００１８】
以上に説明したようなアンテナ結合マイクロボロメータアレイ２００におけるアレイ構造は、遠赤外光の電力のみを検出するボロメータとの結合において適している。したがって、アンテナ素子のアレイ数を増加させるとアレイ数に比例した検出電圧を得ることができる。
【００１９】
【非特許文献１】映像情報メディア学会誌Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．２（２００１）ｐｐ．３１０−３１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、従来のアンテナ結合マイクロボロメータアレイでは、電磁波の特定方向の偏波しか検出できなかった。また、アンテナ素子のアレイ数を増加させることにより利得を増加させることができるものの、それに伴ってアンテナ素子の指向性も変化してしまう問題があった。
【００２１】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、指向性を変化させずに利得のみを増加させ、偏波面に依存せずにテラヘルツ領域の電磁波を検出することができる電磁波検出素子及び電磁波検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討の結果、本発明に至った。すなわち、本発明に係る電磁波検出素子は、偏波面に無関係にテラヘルツ領域の電磁波を検出するための素子であって、誘電体と、その表面に形成された金属層と、上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され上記電磁波を受信する第１のアンテナ素子群と、上記第１のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され上記第１のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第１の検出素子群とからなる第１のアンテナ素子形成領域と、上記第１のアンテナ素子群と偏波面が略直交するように上記第１のアンテナ素子形成領域以外の上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され上記電磁波を受信する第２のアンテナ素子群及び上記第２のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成された上記第２のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第２の検出素子群からなる第２のアンテナ素子形成領域とを備え、上記金属層は、上記第１のアンテナ素子形成領域及び上記第２のアンテナ素子形成領域での上記第１の検出素子群及び上記第２の検出素子群による検出電圧を出力する複数の接続領域を形成する溝部を有することを特徴としている。
【００２３】
また、本発明に係る電磁波検出装置は、マトリクス状に配設された複数個の偏波面に無関係にテラヘルツ領域の電磁波を検出するための電磁波検出素子からなる電磁波検出装置であって、上記電磁波検出素子は、誘電体と、その表面に形成された金属層と、上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され上記電磁波を受信する第１のアンテナ素子群及び上記第１のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第１のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第１の検出素子群からなる第１のアンテナ素子形成領域と、上記第１のアンテナ素子群と偏波面が略直交するように上記第１のアンテナ素子形成領域以外の上記金属層に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成され、上記電磁波を受信する第２のアンテナ素子群及び上記第２のアンテナ素子群のアンテナ素子それぞれの略中央部に形成され、上記第２のアンテナ素子群での受信電力を検出電圧に変換する第２の検出素子群からなる第２のアンテナ素子形成領域とを備え、上記金属層は、上記第１のアンテナ素子形成領域及び上記第２のアンテナ素子形成領域での上記第１の検出素子群及び上記第２の検出素子群による検出電圧を出力する複数の接続領域を形成する溝部を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、偏波面に依存せずにテラヘルツ領域の電磁波を検出することができるとともに、アンテナ素子の指向性を変化させずに利得のみを増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更可能であることは言うまでもない。
【００２６】
図１は、本実施の形態における電磁波検出素子を模式的に示す図である。電磁波検出装置１は、アンテナ素子と検出素子とを一体化した電磁波検出素子２が多数配列されおり、受信波の周波数が２．５ＴＨｚの場合には例えば一辺が１ｃｍの正方形に２５００画素が並べられ、撮像装置として動作する。
【００２７】
電磁波検出素子２は、例えば２．５ＴＨｚを検出するための二次元素子の１ユニットから構成され、１２のスロットアレイが二次元状に配置されている。この１ユニットは、一辺が約２λ（λは、入射波長）であり、入射波が２．５ＴＨｚの場合には一辺が約２００μｍの正方形の形状、即ち、一辺が２．５ＴＨｚの波長である１１８μｍの約２倍の長さとなるように構成されている。なお、この二次元素子の１ユニットの大きさは、テラヘルツ領域の電磁波を集光することが可能な大きさであれば特に限定されるものではなく他の大きさとしてもよい。
【００２８】
上述したように電磁波検出装置１の１ユニットを構成する電磁波検出素子２は、アンテナ素子形成領域１０、アンテナ素子形成領域２０、アンテナ素子形成領域３０及びアンテナ素子形成領域４０で構成されている。
【００２９】
図２は、本実施の形態における電磁波検出素子の詳細な構成を示す図である。アンテナ素子形成領域１０乃至アンテナ素子形成領域４０は、誘電体（図示せず）と、誘電体の表面に積層された金属層と、金属層に設けられたアンテナ素子と、各アンテナ素子上に設けられた検出素子とからなる。
【００３０】
例えばアンテナ素子形成領域１０には、誘電体上に形成された金属層１１にアンテナ素子１２がその長手方向に対して平行方向に略等間隔をもって３個アレイ状に設けられ、検出素子１３が各アンテナ素子１２の略中央部に形成され、検出された電圧を出力するための溝部である溝部１４が誘電体の上側面と略平行に形成されるとともに誘電体の縁部で開口している。
【００３１】
誘電体は、アンテナ素子１２の周波数帯域において低損失な誘電体材料、即ち、電磁波をほぼ吸収せずに透過させる材料で構成されている。この誘電体は、直流電圧に対して電気を通さない絶縁材料として機能する。また、誘電体は誘電率εを有しており、後述するように任意の誘電率を有する材料を用いることができる。具体的に誘電体の材料としては、石英、アルミナ、水晶、ガリウムヒ素等を用いることができる。
【００３２】
また、誘電体は、アンテナ特性の関係上その厚さを四分の一波長の奇数倍とするのが最適であるが、レンズを誘電体材料として用いる場合にはその限りでない。
【００３３】
誘電体の表面に形成された金属層１１は、例えば金属材料等で形成されており導電層を構成している。この金属層１１は、蒸着等の技術により誘電体と接合されており、誘電体と接着性の強い金属、例えばクロムやチタン等のアルミニウムのバリア金属層と、その表面に金、銅、ニッケル等の給電層とからなる。また、金属層１１は、単層あるいは複数層に積層したものが使用可能である。また、金属層１１は、その厚さを入射波の進入深さ（スキンデプス）程度又はそれよりも厚くすることが好ましい。
【００３４】
また、金属層１１には溝部１４ａ及び溝部１４ｂが形成されている。この溝部１４は、細いスリット状の線路であり、誘電体の上側面と略平行に形成され、誘電体の縁部で開口している。溝部１４は、アンテナ素子１２の受信特性に影響を与えないように、アンテナ素子１２の長手方向の端部から約０．２５Ｌの距離に位置するように形成されていることが好ましい。ここで、Ｌは、アンテナ素子１２の長手方向の長さをいう。このように形成された溝部１４は、その溝部１４の長手方向に対する左右の金属層１１との絶縁をとり、検出素子１３への定電流の印加及び検出素子１３からの検出電圧を出力するための接続領域を形成している。
【００３５】
金属層１１に形成されたアンテナ素子１２は、金属層１１が積層された一面側からみて誘電体が露出するように金属層１１に矩形状にくり抜かれた部分である。アンテナ素子１２は、金属層１１にエッチング技術等で所定の位置に加工されることで形成されている。アンテナ素子１２は、例えば金属層１１に略長方形状のスロットを設け、アンテナパターンを変えないで同一のスロットを平行にアレイ状に並べることが好ましく、これにより利得を高めることができる。
【００３６】
また、各アンテナ素子形成領域におけるアンテナ素子の配置が対称性を有することが好ましい。例えば、本実施の形態で示すように各アンテナ素子形成領域におけるアンテナ素子の数を３アレイずつとしてアンテナ素子の配置が対称性を有するようにすることで、電磁波検出素子２の製作を容易なものとすることができる。さらに、アンテナ素子を対称的に配置することによって、各アンテナ素子の独立性を保つことができるとともに、本実施の形態に示すようにアンテナ素子形成領域１０乃至アンテナ素子形成領域４０における４対のアンテナを略正方形に配置することができるため、アレイ化に都合がよい。
【００３７】
なお、アンテナ素子１２のアレイ数は、本実施の形態で示すように各アンテナ素子形成領域のアンテナ素子の数を３つずつとした計１２アレイに限定されるものではなく、例えば検出されるテラヘルツ領域の電磁波が集光可能なアレイ数とすることができる。
【００３８】
本実施の形態におけるアンテナ素子１２は、金属層１１の一面と並行な各アンテナ素子１２のスロットの長手方向の長さＬと各スロットの短手方向の長さＷとが、電磁波の平均波長λｍを用いて１波長アンテナとして動作するように形成されている。例えば、インピーダンス５０オームの１波長アンテナとして動作するように、Ｌが約０．７２λｍ、Ｗが約０．０８λｍとなるように形成されている。ここでλｍは、検出するテラヘルツ領域の電磁波の平均波長であり、（６）式で表わすことができる。
【００３９】
【数６】
2009141661.tif 000008
【００４０】
ここで、λ０は大気中での電磁波の波長、λｍは電磁波の平均波長、εｒは誘電体の誘電率である。したがって、本実施の形態では上述したように任意の誘電体を用いることができる。
【００４１】
また、アンテナ素子１２の電界（Ｅ面）方向のアンテナ素子の中心と中心との間隔ｄは、０＜ｄ＜２λｄと表すことができ、本実施の形態では特に約０．５λｄとするのが好ましい。ここでλｄは、（７）式により示される誘電体波長である。この理由について以下説明する。
【００４２】
【数７】
2009141661.tif 000009
【００４３】
図３は、受信電力とアンテナ素子のスロット間隔の関係を示す図である。図３は、スロットアレイに４．７ＧＨｚのマイクロ波を照射した際の受信信号に関する結果であり、横軸は３スロットアレイのＥ面方向の間隔ｄ、縦軸は各アンテナ素子受信電力の和を示している。この結果から、スロット間隔を１.５λｄとしたときに一番受信電力が大きく、次に０．５λｄ間隔としたときが大きくなり、一方で１．０λｄと２．０λｄとすると受信電力が低下することが確認できた。
【００４４】
このようにアンテナ素子１２のＥ面方向のアンテナ素子の中心と中心との間隔ｄを０．５λｄと１.５λｄとした場合で比較すると、同じアレイ数で比較した場合には１．５λｄ間隔でのアレイ化が最適であるが、面積あたりの受信電力で比較した場合には０．５λｄ間隔でスロットを配置することにより１．５λｄ間隔で配置した３スロットが占める面積に７スロットが配置できる。即ち、１．５λｄ間隔の３スロットアレイよりも０．５λｄ間隔の７スロットアレイの方が全体の受信電力の和では約３ｄＢ大きくなる。したがって、本実施の形態では検出素子２２の占有面積に対する感度の観点から、Ｅ面方向に配列するアンテナ素子２１の間隔は、約０．５λｄ間隔とすることが好ましい。
【００４５】
アンテナ素子１２上に形成された検出素子１３は、例えばポリシリコンやアモルファスシリコン等の半導体、白金，タンタル，ニッケル等の金属、窒化ニオブ，ＹＢＣＯ等の超伝導体、酸化バナジウム、セラミック等で構成され、アンテナ素子１２の給電点であるスロットの略中央部に配置されている。検出素子１３は、抵抗体の抵抗値が温度によって変化する性質を利用した素子であり、例えばボロメータを検出素子１３として用いて入射されたテラヘルツ領域の電磁波を画素のセンサ部で熱に変換し、センサの温度変化を検出して電気信号の形で読み出すことができる。
【００４６】
また、検出素子１３は、上記金属層１１と並行な検出素子１３におけるアンテナ素子１２の長手方向に対する長さがアンテナ素子１２の長手方向の長さに対して約２０％以下となるように形成することが好ましい。このように検出素子１３を形成することにより、アンテナ素子１２の受信動作への影響を削減してアンテナ素子１２が受信したテラヘルツ領域の電磁波の電力を効率的に検出電圧に変換することが可能となる。
【００４７】
また、アンテナ素子１２の中央に配置する検出素子１３は、アンテナ素子１２の長手方向に対する幅がアンテナ素子１２の中心周波数及びアンテナ抵抗（放射抵抗）に影響を与える。したがって、検出素子１３は、アンテナ素子１２の長手方向に対する幅をアンテナ素子１２の長手方向の長さの２０％以下にすることによって、アンテナ素子１２を設計通りに動作させることができる。
【００４８】
次に、図２を再度参照して、本実施の形態における電磁波検出素子２のアンテナ素子形成領域１０乃至アンテナ素子形成領域４０の構成についてさらに説明する。なお、アンテナ素子形成領域２０乃至アンテナ素子形成領域４０における構成、即ち、ｄ，Ｗ，Ｌ値やアンテナ素子及び検出素子の形状は、上述したアンテナ素子形成領域１０と同様であるものとして以下説明は省略する。
【００４９】
アンテナ素子形成領域２０は、アンテナ素子形成領域１０を金属層１１の上面からみて時計回りの方向に約９０度回転させるとともに、アンテナ素子形成領域１０をＡ−Ａに対して鏡面対称となる位置に形成されている。アンテナ素子形成領域２０には、各アンテナ素子２１がその長手方向に対して略平行方向に互いに略等間隔をもってアレイ状に形成されている。即ち、アンテナ素子形成領域２０の各アンテナ素子２１の長手方向がアンテナ素子形成領域１０の各アンテナ素子１２の長手方向に対して略直交するように形成されている。したがって、アンテナ素子形成領域２０における各アンテナ素子２１は、アンテナ素子形成領域１０の各アンテナ素子１２と偏波面が略直交する。ここで偏波面とは、電界の方向と進行方向が一定な平面をいう。
【００５０】
溝部２３ａ及び溝部２３ｂは細いスリット状の線路であり、誘電体の上側面と略平行に形成され誘電体の縁部で開口している。このような構成により、溝部２３の長手方向に対する左右の金属層１１との絶縁をとり、検出素子２２への定電流の印加及び検出素子２２からの検出電圧を出力するための接続領域を形成している。
【００５１】
このように電磁波検出素子２は、アンテナ素子形成領域１０及びアンテナ素子形成領域２０を有することにより偏波面に依存せずにテラヘルツ領域の電磁波を検出することが可能となる。したがって、例えば偏波面内にあるテラヘルツ領域の電磁波のうち大地に垂直な電界をもつ垂直偏波及び大地に水平な電界をもつ水平偏波を検出することが可能となる。
【００５２】
アンテナ素子形成領域３０における各アンテナ素子３１は、その長手方向がアンテナ素子形成領域２０における各アンテナ素子２１の長手方向に対して略平行となるように形成されている。また、アンテナ素子形成領域３０における各アンテナ素子３１は、その長手方向がアンテナ素子形成領域１０における各アンテナ素子１２の長手方向に対して略直交するように形成されている。即ち、アンテナ素子形成領域３０は、アンテナ素子形成領域２０の各アンテナ素子２１と偏波面が実質的に同一となるように形成されているとともにアンテナ素子形成領域１０の各アンテナ素子と偏波面が実質的に直交するように形成されている。
【００５３】
溝部３３ａ及び溝部３３ｂは細いスリット状の線路であり、誘電体の上側面と略平行に形成され誘電体の縁部で開口している。このような構成により、溝部３３の長手方向に対する左右の金属層１１との絶縁をとり、検出素子３２への定電流の印加及び検出素子３２からの検出電圧を出力するための接続領域を形成している。
【００５４】
アンテナ素子形成領域４０における各アンテナ素子４１は、その長手方向がアンテナ素子形成領域１０における各アンテナ素子１２の長手方向に対して略平行となるように形成されている。また、アンテナ素子形成領域４０における各アンテナ素子４１は、その長手方向がアンテナ素子形成領域２０及びアンテナ素子形成領域３０における各アンテナ素子の長手方向に対して略直交するように形成されている。即ち、アンテナ素子形成領域４０における各アンテナ素子は、アンテナ素子形成領域１０の各アンテナ素子１２と偏波面が実質的に同一となるように形成されているとともに、アンテナ素子形成領域２０の各アンテナ素子２１及びアンテナ素子形成領域３０の各アンテナ素子３１と偏波面が実質的に直交するように形成されている。
【００５５】
溝部４３ａ及び溝部４３ｂは細いスリット状の線路であり、誘電体の上側面と略平行に形成され誘電体の縁部で開口している。このような構成により、溝部４３の左右の金属層１１との絶縁をとり、検出素子４２への定電流の印加及び検出素子４２からの検出電圧を出力するための接続領域を形成している。
【００５６】
換言すると、アンテナ素子形成領域１０とアンテナ素子形成領域４０とは、受信波の周波数が２．５ＴＨｚの場合には一辺約２００μｍの１画素における中心点に対して点対象の位置関係であり、かつ、アンテナ素子形成領域２０とアンテナ素子形成領域３０とは、一辺約２００μｍの１画素における中心点に対して点対象の位置関係となるように形成されている。このようなアンテナ素子形成領域１０乃至アンテナ素子形成領域４０を有することにより、偏波面に依存せずにテラヘルツ領域の電磁波を検出することができる。したがって、例えばテラヘルツ領域の電磁波の直交する二つの偏波、即ち垂直偏波及び水平偏波をそれぞれ検出することが可能となる。このように二つの偏波をそれぞれ分別して検出することにより、テラヘルツ領域の電磁波の分離能を向上させることが可能となる。
【００５７】
また、アンテナ素子形成領域１０及びアンテナ素子形成領域２０に加えて、アンテナ素子形成領域３０及びアンテナ素子形成領域４０をさらに有する構成とした場合には、テラヘルツ領域の電磁波を受信するためのアンテナ素子の数を増加することができるため、より高感度にテラヘルツ領域の電磁波を検出することが可能となる。
【００５８】
次に、本実施の形態に係る電磁波検出素子２の動作について説明する。例えば、電磁波検出素子２にテラヘルツ領域の電磁波が照射されると、各アンテナ素子で独立に受信された電力が各検出素子に供給される。各アンテナ素子から供給された電力に基づいて検出素子の抵抗値が変化し、印加電流により検出素子の両端の電圧が変化する。このようにして各アンテナ素子が独立に受信したテラヘルツ領域の電磁波の受信電力を各検出素子の検出電圧として出力することができる。
【００５９】
図４は、本実施の形態における電磁波検出素子の検出原理を示す図である。図２に示す金属層１１に設けられた溝部１４，２３，３３，４３により、直列に接続された各検出素子による検出電圧を出力する複数の接続領域が形成されている。図４に示すように、例えば電磁波検出素子２に受信波の周波数が２．５ＴＨｚであるテラヘルツ領域の電磁波が照射されると、各アンテナ素子から供給された電力に基づいてアンテナ素子形成領域１０における検出素子１３ａ，検出素子１３ｂ，検出素子１３ｃ、アンテナ素子形成領域２０における検出素子２２ａ，検出素子２２ｂ，検出素子２２ｃ、アンテナ素子形成領域３０における検出素子３２ａ，検出素子３２ｂ，検出素子３２ｃ及びアンテナ素子形成領域４０における検出素子４２ａ、検出素子４２ｂ、検出素子４２ｃで検出電圧に変換し、この変換された電圧が端子１５，端子２４，端子３４及び端子４４を介して出力される。
【００６０】
次に、図５乃至図８を参照して、本実施の形態に係る電磁波検出素子２において、検出電圧がアレイ数によってのみ決定される理由について説明する。
【００６１】
図５は、単スロットから９スロットアレイに対するマイクロ波４．７ＧＨｚを照射した際の受信パターンを示す図である。上側が空気側、下側が誘電体側のパターンで、０°及び１８０°が基板に垂直な角度である。また、各受信パターンは、それぞれのアレイ数における受信パターンを合成したものである。太線は単一スロットの場合であり、理論パターンとして示している。
【００６２】
この結果から、アレイ数の増加に伴って受信電力が増加していることが確認できた。また、受信パターンの形状は、アレイ数に関係なく単一スロットアンテナの理論パターンと略一致することを確認することができた。さらに受信パターンは、スロットアンテナのアレイ数によって変化がないことを確認することができた。
【００６３】
なお、テラヘルツ領域の電磁波に相当する２．５ＴＨｚ−ＣＨ３ＯＨレーザ光を照射した場合にも、同様にアレイ数に依存しない受信パターンを得ることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【００６４】
図６は、スロットアンテナ結合マイクロボロメータにおける正面検出電圧とアレイ数の関係を示す図である。横軸にアレイ数、縦軸に検出電圧を示しており、黒丸及び三角の記号は、それぞれスロットアンテナアレイが図７に示すような誘電体上に積層している金属層５１に形成されたスロットアンテナ５２と、スロットアンテナ５２の略中央に形成されたボロメータ５３と、溝部５４とを有する１次元に配列されたスロットアンテナ結合マイクロボロメータアレイ５０及び図８に示すような誘電体上に積層された金属層６１に形成されたスロットアンテナ６２と、スロットアンテナ６２の略中央に形成されたボロメータ６３と、溝部６４を有する二次元に配列されたスロットアンテナ結合マイクロボロメータアレイ６０を用いた場合の検出電圧の実測値をそれぞれ示している。
【００６５】
図６に示す結果から、１次元の実測値からアレイ数に比例した検出電圧が得られることが確認できた。また、１次元及び２次元アレイ素子での実測値から、アレイ数が同じ場合には、１次元又は２次元に関わらず略同じ検出電圧が得られることが確認できた。したがって、スロットアンテナ結合マイクロボロメータアレイにおける検出電圧は、アレイ数によってのみ決定することができる。
【００６６】
次に、本実施の形態に係る電磁波検出素子２の製作工程の例について説明する。
【００６７】
図９は、本実施の形態における電磁波検出素子２の製作工程を示す模式図である。本実施の形態における電磁波検出素子は、微細加工技術を用いて以下に説明するステップＳ１〜ステップＳ８の工程を経て作成した。
【００６８】
まず、ステップＳ１において、誘電体７０に金属層を積層させる（ａ、ｂ）。金属層として、例えばクロムやチタン等のアルミニウムのバリア金属層７１と、その表面に金、銅、ニッケル等の給電層７２を成膜する。本実施の形態では、バリア金属層７１としてクロムを、給電層７２として金を成膜する。
【００６９】
ステップＳ２において、アンテナ素子となる部位を露出させるためのレジスト７３を金属層に塗布する（ｃ）。本実施の形態では、電子描画用のポジ型レジストＺＥＰ−５２０を塗布するが、これ以外の他の周知なレジストを用いることも可能である。
【００７０】
ステップＳ３において、ステップＳ２で塗布したレジスト７３上に電子描画を施すことにより、アンテナ素子となるスロットアンテナをパターニングする（ｄ）。
【００７１】
ステップＳ４において、ステップＳ３でパターニングしたアンテナ部の金属層をエッチングする。エッチングとしては、クロム酸系エッチング、非クロム酸系エッチング等のウェットエッチングや気相エッチング、プラズマエッチング等のドライエッチングを採用することができる。エッチングすることにより対象となる金属を溶解させる。本実施の形態では、微細加工が可能であることやフォトレジストとの選択性が高いことから、気相エッチングであるドライエッチングで金属層であるクロム及び金を溶解させることが好ましい。
【００７２】
ステップＳ５において、レジスト７３を除去することにより（ｆ）、アンテナ部であるスロットアンテナ７５が完成する（ｇ）。
【００７３】
続いてステップＳ６において、ステップＳ５で加工された誘電体７０に対して、再び光露光用のレジスト７６を塗布する（ｈ）。本実施の形態では、光露光用のレジスト７６としてポジ型レジストＳ−１４００−３１を塗布するが、これ以外の他の周知な光露光用のレジストを用いることも可能である。
【００７４】
ステップＳ７において、光露光により検出素子となる部位をパターニングする（ｉ）。本実施の形態では、ボロメータとなる部位を光露光によりパターニングする。
【００７５】
ステップＳ８において、ステップＳ７でパターニングした部位に検出素子となる材料７７を積層し（ｊ）、リフトオフすることにより（ｋ）、電磁波検出素子であるスロットアンテナ結合マイクロボロメータ７８が完成する（ｌ）。本実施の形態では、検出素子となる材料７７としてビスマス（Ｂｉ）を蒸着する。
【００７６】
なお、図９では、単一スロットのスロットアンテナ結合マイクロボロメータの製作工程について示したが、本実施の形態における電磁波検出素子２のようにアンテナ素子をアレイ化する場合についても同様に製作することができる。また、上述した微細加工方法に限定されるものではなく、他の周知な技術を用いて電磁波検出素子２を製作してもよい。さらに、電磁波検出素子２におけるスロットアンテナは、その形状を同形で形成することが製作上好都合であるが、この例に限定されるものではなく異なる形状となるように形成してもよい。
【００７７】
このように作製した電磁波検出素子２は、指向性を変化させずに利得のみを増加させるとともに、偏波面に依存せずにテラヘルツ領域の電磁波の直交する二つの偏波を検出することができる。また、電磁波検出素子２によれば、垂直偏波及び水平偏波を利用し、直交する二つの偏波を分別して検出することができる。このように二つの偏波を分別して検出することにより、例えばユーザの分離能を向上させることができる。さらに、アンテナ素子形成領域１０乃至アンテナ素子形成領域４０を有する電磁波検出素子２によれば、テラヘルツ領域の電磁波を受信するためのアンテナ素子の数を増加することができるため、より高感度にテラヘルツ領域の電磁波を検出することが可能となる。
【００７８】
また、マトリクス状に配設された複数個の偏波面に無関係にテラヘルツ領域の電磁波を検出するための電磁波検出素子２からなる電磁波検出装置１は、指向性を変化させずに利得のみを増加させるとともに、偏波面に依存せずにテラヘルツ領域の電磁波の直交する二つの偏波を検出することができる。さらに、マトリクス状に配設された複数個の電磁波検出素子２がアンテナ素子形成領域１０乃至アンテナ素子形成領域４０を有する電磁波検出装置１によれば、垂直偏波及び水平偏波を利用し、直交する二つの偏波を分別して検出することができる。このように二つの偏波を分別して検出することにより、例えばユーザの分離能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本実施の形態における電磁波検出素子を示す図である。
【図２】本実施の形態における電磁波検出素子の詳細な構成を示す図である。
【図３】受信電力とアンテナ素子のスロット間隔の関係を示す図である。
【図４】本実施の形態における電磁波検出素子の検出動作を示す図である。
【図５】単スロットから９スロットアレイに対するマイクロ波４．７ＧＨｚを照射した際の受信パターンを示す図である。
【図６】スロットアンテナ結合マイクロボロメータにおける正面検出電圧とアレイ数の関係を示す図である。
【図７】１次元スロットアンテナ結合マイクロボロメータアレイを示す図である。
【図８】２次元スロットアンテナ結合マイクロボロメータアレイを示す図である。
【図９】本実施の形態における電磁波検出素子の製作工程を示す模式図である。
【図１０】アンテナ結合マイクロボロメータの一例を示す図である。
【図１１】アンテナ結合マイクロボロメータの検出原理を示す図である。
【図１２】アンテナ結合マイクロボロメータアレイの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  電磁波検出装置、２  電磁波検出素子、１０，２０，３０，４０  アンテナ素子形成領域、１１  金属層、１２，２１，３１，４１  アンテナ素子、１３，２２，３２，４２  検出素子、１４，２３，３３，４３  溝部、１００  アンテナ結合マイクロボロメータ、２００  アンテナ結合マイクロボロメータアレイ
【図１】
2009141661.tif 000010
【図２】
2009141661.tif 000011
【図３】
2009141661.tif 000012
【図４】
2009141661.tif 000013
【図５】
2009141661.tif 000014
【図６】
2009141661.tif 000015
【図７】
2009141661.tif 000016
【図８】
2009141661.tif 000017
【図９】
2009141661.tif 000018
【図１０】
2009141661.tif 000019
【図１１】
2009141661.tif 000020
【図１２】
2009141661.tif 000021