Study on sensor integrated circuits using terahertz evanescent waves

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本研究では、テラヘルツエバネッセント波を発生し、その電力強度と位相の両方を検出可能とした集積回路を実現し、生体関連物質のリアルタイム計測の可能性を示すことを目的とする。原理検証のために、生体関連物質であるシスチンの吸収スペクトルのピークが存在する712.2 GHzをターゲット周波数とする。集積回路を用いたテラヘルツ信号源は信号電力が小さく、検出器の感度も低いため、低損失でかつ高感度なテラヘルツセンサ回路の実現が課題である。それを解決するために、集積回路半導体チップを実装する低誘電体基板上に誘電体共振器を形成したテラヘルツセンサ回路を提案した。提案する共振器は、低誘電体基板を用いてマイクロストリップラインを形成し、信号線の両脇に高誘電体を用いた四角柱を配置することにより、誘電体共振器を構成している。誘電体共振器の共振周波数を700 GHzとするために、基板の厚さを700 GHzで実効波長の4分の1となる厚さにしている。低誘電体基板には、シリコン部分を削って厚さ16 μmとしたSiGe BiCMOSチップをフリップして貼り付け、テラヘルツ波の生成と検出を行う。測定試料はSiGe BiCMOSチップのシリコン側に接するように配置する。測定試料によって誘電体共振器の実効誘電率が変化するため、共振周波数、及び透過特性が変化する。その変化量を測定することにより、測定試料の物質の特定が可能となる。この方式はテラヘルツ波を直接測定試料に透過させるわけではないため、信号減衰量を小さくすることが可能である。さらに、測定試料による712.2 GHzの信号の位相変化を検出するために、712.2 GHz位相検出器を提案し、0.13 μm SiGe BiCMOSプロセスを用いて設計、試作を実施した。