特許 7585341 磁気センサ及び検出システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-08

(45)【発行日】2024-11-18

(54)【発明の名称】磁気センサ及び検出システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 24/00 20060101AFI20241111BHJP

   G01R 33/032 20060101ALI20241111BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20241111BHJP

   G01R 33/26 20060101ALI20241111BHJP

   G01N 24/10 20060101ALI20241111BHJP

【ＦＩ】

G01N24/00 E

G01R33/032

G01N21/64 Z

G01R33/26

G01N24/10 510Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022559001

(86)(22)【出願日】2021-10-14

(86)【国際出願番号】 JP2021038101

(87)【国際公開番号】W WO2022091802

(87)【国際公開日】2022-05-05

【審査請求日】2023-04-18

(31)【優先権主張番号】P 2020180542

(32)【優先日】2020-10-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岸田 裕司

【審査官】田中 洋介

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２０３０８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０５４８６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０３８０８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５１４７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００６２９５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－００２９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２３５０３１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２４／００－２４／１４

Ｇ０１Ｒ ３３／００－３３／６４

Ｇ０１Ｎ ２７／７２－２７／９０９３

Ｇ０１Ｎ ２１／６２－２１／７４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の基板と、前記基板の各々に当接する光電気混載基板と、を含み、
前記基板は、
前記光電気混載基板に当接しない面において、ＮＶセンタが配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層と、
前記光電気混載基板に当接する面において、電極パターンが配置される第２層と、を備え、
前記光電気混載基板は、
電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波を前記基板の各々における前記電極パターンに対して伝送する線路と、
前記基板の前記第１層を照射する励起光と、前記励起光により発する蛍光であって、前記基板の前記第１層における電子スピン共鳴により光強度が変化する蛍光とを前記基板の各々に伝送する光導波路と、を備え、
前記電極パターンは、
前記マイクロ波の信号が伝送される第１電極パターンと、
接地される第２電極パターンと、
前記励起光と前記蛍光とを伝送する開口部と、備え、
前記光電気混載基板は、
前記基板の各々に当接する位置に、前記光導波路の先端部が露出する第１凹部と、前記線路が露出する第２凹部と、を備える、磁気センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の磁気センサと、
マイクロ波信号を発生して出力する信号発生器と、
励起光を発生させる発光素子と、
前記ＮＶセンタの蛍光を受光する受光素子と、
前記信号発生器、前記発光素子及び前記受光素子の信号を処理して、結果を出力する信号処理制御部と、を備える、検出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、磁気センサ及び検出システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ダイヤモンド結晶に存在するＮＶ（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｖａｃａｎｃｙ）センタの量子効果を利用する磁気センサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－１２１７４８号公報

【発明の概要】

【0004】

１つの態様に係る磁気センサは、基板と、前記基板に当接する導波体とを含み、前記基板は、前記導波体に当接しない面において、ＮＶセンタが配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層と、前記導波体に当接する面において、導体パターンが配置される第２層と、を備え、前記導波体は、電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波を前記導体パターンに対して伝送する線路と、前記基板の前記第１層を照射する励起光と、前記励起光により発する蛍光であって、前記基板の前記第１層における電子スピン共鳴により光強度が変化する蛍光とを伝送する光導波路と、を備える。

【0005】

１つの態様に係る磁気センサは、複数の基板と、前記基板の各々に当接する光電気混載基板と、を含み、前記基板は、前記光電気混載基板に当接しない面において、ＮＶセンタが配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層と、前記光電気混載基板に当接する面において、電極パターンが配置される第２層と、を備え、前記光電気混載基板は、電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波を前記基板の各々における前記電極パターンに対して伝送する線路と、前記基板の前記第１層を照射する励起光と、前記励起光により発する蛍光であって、前記基板の前記第１層における電子スピン共鳴により光強度が変化する蛍光とを前記基板の各々に伝送する光導波路と、を備える。

【0006】

１つの態様に係る検出ユニットは、第１基板と、前記第１基板に当接する第２基板と、を含み、前記第１基板に対して、電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波と、励起光とを照射する検出ユニットであって、前記第１基板は、ＮＶセンタが配置されるダイヤモンド結晶を含む層、を備え、前記第２基板は、前記第１基板に対向する面の一端に配置され、検体液の滴下によって他端方向に移動する、二次抗体が固定化された磁気ビーズと、前記第１基板に対向する面の一部であって、前記磁気ビーズと結合した前記検体液に含まれる抗原と結合する一次抗体が配置された結合部と、を備える。

【0007】

１つの態様に係る検出システムは、上記の磁気センサ、または、上記の検出ユニット、と、マイクロ波信号を発生して出力する信号発生器と、励起光を発生させる発光素子と、前記ＮＶセンタの蛍光を受光する受光素子と、前記信号発生器、前記発光素子及び前記受光素子の信号を処理して、結果を出力する信号処理制御部と、を備える。

【0008】

１つの態様に係る磁気センサ用基板は、導波体に当接しない面において、ＮＶセンタが配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層と、前記導波体に当接する面において、導体パターンが配置される第２層と、を備える。

【0009】

１つの態様に係る磁気センサ用導波体は、電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波を基板の第２層に配置される導体パターンに対して伝送する線路と、前記基板においてＮＶセンタが配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層を照射する励起光と、前記励起光により発する蛍光であって、前記基板の第１層における電子スピン共鳴により光強度が変化する蛍光とを伝送する光導波路と、を備える。

【0010】

１つの態様に係る磁気センサ用光電気混載基板は、基板の各々に当接する磁気センサ用光電気混載基板であって、電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波を前記基板の各々における電極パターンに対して伝送する線路と、前記基板の第１層を照射する励起光と、前記励起光により発する蛍光であって、前記基板の第１層における電子スピン共鳴により光強度が変化する蛍光とを前記基板の各々に伝送する光導波路と、を備える。

【0011】

１つの態様に係る検出ユニット用検出基板は、ＮＶセンタが配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層を備えるプローブ基板に対向する面の一端に配置され、検体液の滴下によって他端方向に移動する、二次抗体が固定化された磁気ビーズと、前記プローブ基板に対向する面の一部であって、前記磁気ビーズと結合した前記検体液に含まれる抗原と結合する一次抗体が配置された結合部と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１実施形態に係る磁気センサの正面図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る磁気センサの分解斜視図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る磁気センサを説明する模式図である。

【図4】図４は、第１実施形態に係る磁気センサの導波体の平面図である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る磁気センサを使用した検出システムの概略ブロック図である。

【図6】図６は、第２実施形態に係る磁気センサの分解斜視図である。

【図7】図７は、第２実施形態に係る磁気センサの断面図である。

【図8】図８は、第３実施形態に係る検出ユニットの概略図である。

【図9】図９は、第３実施形態に係る検出ユニットを使用した検出工程を説明する図である。

【図10】図１０は、第３実施形態に係る検出ユニットを使用した検出工程を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

ＮＶセンタは、ダイヤモンド結晶において、本来は炭素が存在するべきところが窒素で置換され、隣接する位置に空孔がある複合欠陥である。ＮＶセンタは、縮退する共有電子対の一部が欠損する。ＮＶセンタは、ゼロ磁場においてｍ＝０とｍ＝±１の２つの準位の軌道角運動量を持った電子を有する。ｍ＝±１の電子は磁気モーメントを持つため外部磁場の影響を受け、ｍ＝±１の縮退も解け、さらに２つのエネルギー準位を有する。これらに起因する電子スピン共鳴を光波およびマイクロ波を用いて検知することにより外部磁場の強度を検出可能である。

【0014】

ＮＶセンタの電子は、５３２ｎｍの波長の光で励起され、緩和の過程で６３８ｎｍの波長の蛍光を放出する。この蛍光過程は電子スピン共鳴周波数においては起こりにくい。そのため、この性質を用いることにより、ｍ＝±１の電子の状態を観測することができる。ダイヤモンドＮＶセンタでは、ゼロ磁場における電子スピン共鳴周波数が約２．８７ＧＨｚと知られている。この共鳴点の周波数（共鳴周波数）のマイクロ波が照射されたときに６３８ｎｍの波長の蛍光が消光する。また、外部磁場の大きさ等に応じたｍ＝±１の電子の状態の変化により、マイクロ波の共鳴周波数が変化する。そして、この変化を蛍光強度の周波数変化により捉えることで、磁場を検出可能である。

【0015】

特許文献１に記載の技術では、ダイヤモンド結晶のＮＶセンタへのマイクロ波及び光波の入出力は、空間伝搬により行われている。このため、ダイヤモンド結晶のＮＶセンタへの光波及びマイクロ波の入射効率には改善の余地がある。

【0016】

以下に第１実施形態に係る磁気センサ１０について説明する。

【0017】

［第１実施形態］
（磁気センサ）
図１は、第１実施形態に係る磁気センサ１０の正面図である。図２は、第１実施形態に係る磁気センサ１０の分解斜視図である。図１、図２に示すように、磁気センサ１０は、ダイヤモンド基板（基板）１１と、ダイヤモンド基板１１に当接する導波体１４とを含む。本実施形態では、ダイヤモンド基板１１に当接するとは、後述するマッチング材１７及び半田１８を間に挟む状態を含む。本実施形態では、ダイヤモンド基板１１と導波体１４とは、マッチング材１７及び半田１８によって接合されている。

【0018】

ダイヤモンド基板１１は、いわゆるダイヤモンドセンサである。ダイヤモンド基板１１は、導波体１４に当接しない表面１１ａと、導波体１４に当接する表面１１ｂとを有する。表面１１ａと表面１１ｂとは向かい合って配置されている。ダイヤモンド基板１１は、第１層１１Ｌａと、第２層１１Ｌｂとを備える。より詳しくは、ダイヤモンド基板１１は、表面１１ａにおいて、ＮＶセンタ１２が配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層１１Ｌａを有する。ダイヤモンド基板１１は、表面１１ｂにおいて、導体パターン１３が配置される第２層１１Ｌｂを有する。

【0019】

ＮＶセンタ１２は、単一で配置されていても、複数を配列してもよい。本実施形態では、図１等においては、ＮＶセンタ１２が複数を配列されている状態を図示している。

【0020】

図３は、第１実施形態に係る磁気センサ１０を説明する模式図である。図３に示すように、導体パターン１３は、ダイヤモンド基板１１の第２層１１Ｌｂに配置されている。導体パターン１３は、マイクロ波の信号が伝送される導体パターン（第１導体パターン）１３Ｓと、接地される導体パターン（第２導体パターン）１３Ｇと、を含む。導体パターン１３は、線路１５によって伝送されるマイクロ波が伝送される。

【0021】

導体パターン１３Ｓは、第２層１１Ｌｂの中央部に円環形状に形成されている。導体パターン１３Ｓの中心部に円形状の開口部１３１が配置されている。開口部１３１からダイヤモンド基板１１の表面１１ｂが露出している。導体パターン１３Ｇは、第２層１１Ｌｂの導体パターン１３Ｓの周囲に配置されている。導体パターン１３Ｓと導体パターン１３Ｇとの間には円環状の開口部１３２が配置されている。開口部１３２は、ダイヤモンド基板１１の表面１１ｂが露出している。

【0022】

導体パターン１３Ｓは、信号を伝送する信号ラインである導体１５Ｓと半田１８Ｓを介して接続される。導体パターン１３Ｇは、グランドラインである導体１５Ｇと半田１８Ｇを介して接続される。半田１８Ｇは、導体１５Ｇの幅方向に複数配置されてもよい。軸方向視において、開口部１３１に光導波路１６が位置する。開口部１３１を介して、ダイヤモンド基板１１を照射する励起光と、ダイヤモンド基板１１の第１層１１Ｌａにおける励起光により発する蛍光とが伝送される。開口部１３１と光導波路１６との間には、マッチング材１７が介在する。

【0023】

図４は、第１実施形態に係る磁気センサ１０の導波体１４の平面図である。図４に示すように、導波体１４は、線路１５と、光導波路１６とを備える。導波体１４は、例えばＳｉＯ_２、ガラス材料、ポリマなどの樹脂材料で形成されている。本実施形態では、導波体１４は、軸方向の断面が矩形状の柱状に形成されている。導波体１４は、側面１４ａと、側面１４ａと向かい合って配置された側面１４ｂとを含む。

【0024】

線路１５は、電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波を導体パターン１３に対して伝送するマイクロストリップ線路である。線路１５は、特性インピーダンスが調整されている。線路１５は、信号ラインである導体１５Ｓと、グラウンドパターンである導体１５Ｇとを含む。導体１５Ｓは、側面１４ａに配置されている。導体１５Ｇは、側面１４ｂに配置されている。線路１５は、導波体１４の軸方向に沿って配置されている。線路１５は、光導波路１６のコア１６１と平行に配置されている。

【0025】

光導波路１６は、シングルモード導波又はマルチモード導波する。光導波路１６は、ダイヤモンド基板１１を照射する励起光と、ダイヤモンド基板１１の第１層１１Ｌａにおける励起光により発する蛍光とを伝送する。光導波路１６は、中心部に配置されたコア１６１と、コア１６１の周囲に配置されたクラッド１６２とを含む。コア１６１は、屈折率がクラッド１６２より高い。コア１６１は、励起光及び蛍光に対し透明である。コア１６１は、導波体１４の軸方向に沿って配置されている。本実施形態では、コア１６１及びクラッド１６２は、軸方向の断面が矩形状の柱状に形成されている。コア１６１は、導波体１４の軸方向に沿って配置されている。コア１６１は、線路１５と平行に配置されている。

【0026】

ダイヤモンド基板１１と導波体１４とは、マッチング材１７を介して接続されている。より詳しくは、ダイヤモンド基板１１の表面１１ｂと導波体１４の表面１２ｃとは、マッチング材１７を介して接続されている。マッチング材１７は、ダイヤモンド基板１１と光導波路１６との屈折率を調整してマッチングさせる材料である。マッチング材１７は、ダイヤモンド基板１１の屈折率と同程度の屈折率を有する。マッチング材１７としては、例えば、光導波路１６のコア１６１と同様の屈折率を有する樹脂などの材料を用いてもよい。マッチング材１７の屈折率は、例えば１．７以上２．５以下程度である。マッチング材１７は、軸方向視において、導波体１４の表面１２ｃと同じ形状を有する。

【0027】

このように構成された磁気センサ１０は、検出システムのプローブとして使用可能である。

【0028】

（制御装置）
図５は、第１実施形態に係る磁気センサ１０を使用した検出システムの概略ブロック図である。検出システムは、磁気センサ１０と、制御装置５０とを備える。磁気センサ１０は、制御装置５０によって制御される。制御装置５０は、信号発生器５１と、発光素子５２と、受光素子５３と、光アイソレータ５４と、信号処理制御部５５とを有する。

【0029】

信号発生器５１は、信号処理制御部５５の制御に基づいて、マイクロ波信号を発生して線路１５へ出力する。信号発生器５１は、例えば２．７ＧＨｚ以上２．９ＧＨｚ以下のマイクロ波を発生する。発光素子５２は、レーザダイオードである。発光素子５２は、信号処理制御部５５の制御に基づいて、例えば波長５２７ｎｍのレーザ光を光導波路１６へ発光する。発光素子５２は、緑色の励起光を光導波路１６へ発光する。受光素子５３は、フォトダイオードである。受光素子５３は、信号処理制御部５５の制御に基づいて、ダイヤモンド基板１１のＮＶセンタ１２の蛍光を受光する。受光素子５３は、光導波路１６を介して蛍光を受光する。光アイソレータ５４は、光導波路１６と、発光素子５２と、受光素子５３との間に配置されている。光アイソレータ５４は、発光素子５２から出力された光波を光導波路１６へ出力する。光アイソレータ５４は、光波を光導波路１６から入力された光波を受光素子５３へ出力する。

【0030】

信号処理制御部５５は、信号発生器５１、発光素子５２及び受光素子５３の信号を処理して、結果を出力する。より詳しくは、信号処理制御部５５は、信号発生器５１における信号の発生を制御する。信号処理制御部５５は、発光素子５２における発光を制御する。信号処理制御部５５は、受光素子５３における受光を制御する。信号処理制御部５５は、受光素子５３が受光した赤色蛍光の信号を処理する。信号処理制御部５５は、結果として磁場の強度を出力する。

【0031】

（効果）
以上により、本実施形態では、光波及びマイクロ波は略同軸状に導波体１４を伝搬する。本実施形態では、微小なＮＶセンタ１２を有するダイヤモンド基板１１が、導波体１４の先端部にプローブ状に配置されている。本実施形態では、ＮＶセンタ１２を有するダイヤモンド基板１１によって、光波及びマイクロ波を低損失で照射し、戻り光のほとんどを受光できる。本実施形態によれば、微小サイズの複数のＮＶセンタ１２との信号アクセスが損失なくできる。このように、本実施形態によれば、ダイヤモンド基板１１のＮＶセンタ１２への光波及びマイクロ波の入射効率を向上できる。

【0032】

本実施形態では、ダイヤモンド基板１１においてＮＶセンタ１２が配置された領域に対して、光波及びマイクロ波を一度にアライメント調整、接続できる。本実施形態は、光波及びマイクロ波を損失なく安定して伝搬できる。

【0033】

本実施形態では、ダイヤモンド基板１１の表面１１ａ側には、カバーガラスなどの障害物を要しない。本実施形態によれば、磁気センサ１０は、被測定物に近接させて測定できる。本実施形態によれば、磁気センサ１０は、被測定物の磁荷を高感度に検出できる。

【0034】

本実施形態によれば、微小サイズのＮＶセンタ１２を有するダイヤモンド基板１１は、微小な磁荷に近接させて、微小な磁荷を高感度に検出できる。例えば、微小な磁荷をＮＶセンタ１２から１μｍ以内に近接させた場合には、１×１０^－２３Ｗｂ・ｍ程度か、それ以下の磁気モーメントを検出できる。ＮＶセンタ１２が磁気モーメントを検出可能な領域は、例えば、１μmか、それよりも狭い領域である。

【0035】

本実施形態によれば、磁気センサ１０は、光波およびマイクロ波の伝送路を堅牢かつ小型に構成できる。したがって、本実施形態は、再調整することなく光波及びマイクロ波の入射効率を安定にすることができる。また、本実施形態によれば、センサ、ユニット、システム等の小型化を有利にできる。さらに、本実施形態は、非常に狭い領域のセンシングに使用できる。

【0036】

これに対して、従来のセンサは、検出部が大きい。これにより、従来のセンサは、磁荷と検出部の距離が離れ、磁荷の空間分布変動を十分に捉えられないおそれがある。

【0037】

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係る磁気センサ２０の分解斜視図である。図７は、第２実施形態に係る磁気センサ２０の断面図である。本実施形態では、磁気センサ２０は、複数のダイヤモンド基板２１と、ダイヤモンド基板２１の各々に当接する１枚の光電気混載基板２４とを含む。本実施形態では、ダイヤモンド基板２１の各々に当接するとは、後述する半田２８Ｓ及び半田２８Ｇ及び図示しないマッチング材等を間に挟む状態を含む。

【0038】

本実施形態では、磁気センサ２０は、複数のダイヤモンド基板２１が光電気混載基板２４に配置されている。本実施形態では、４つのダイヤモンド基板２１_１、ダイヤモンド基板２１_２、ダイヤモンド基板２１_３及びダイヤモンド基板２１_４が、光電気混載基板２４に配置されている。ダイヤモンド基板２１_１、ダイヤモンド基板２１_２、ダイヤモンド基板２１_３及びダイヤモンド基板２１_４の区別を要しない場合、４つのダイヤモンド基板２１_１、ダイヤモンド基板２１_２、ダイヤモンド基板２１_３及びダイヤモンド基板２１_４は、ダイヤモンド基板２１と記載される。各ダイヤモンド基板２１は、第１実施形態のダイヤモンド基板１１と同様に構成されている。

【0039】

ダイヤモンド基板２１は、光電気混載基板２４に当接しない表面２１ａにおいて、ＮＶセンタ２２が配置されるダイヤモンド結晶を含む第１層２１Ｌａを有する。ダイヤモンド基板２１は、光電気混載基板２４に当接する表面２１ｂにおいて、電極パターン２３が配置される第２層２１Ｌｂを有する。電極パターン２３は、マイクロ波の信号が伝送される電極パターン（第１電極パターン）２３Ｓと、接地される電極パターン（第２電極パターン）２３Ｇと、励起光により発する蛍光とを伝送する図示しない開口部と、を備える。

【0040】

光電気混載基板２４は、線路として機能する線路層（線路）２５と、光導波路として機能する光導波路層（光導波路）２６とが積層されている。本実施形態では、光導波路層２６の上側に線路層２５が積層されている。光電気混載基板２４は、線路層２５がダイヤモンド基板２１と向かい合って配置されている。光電気混載基板２４とダイヤモンド基板２１とは、半田２８Ｓ及び半田２８Ｇを介して接続されている。光電気混載基板２４は、各ダイヤモンド基板２１の配置位置に、第１凹部２４ａと、第２凹部２４ｂとを有する。第１凹部２４ａと第２凹部２４ｂとは、光電気混載基板２４の表面、言い換えると、線路層２５の第２基板２５２の面２５２ａより凹状に形成されている。第１凹部２４ａは、第２凹部２４ｂより深い凹状である。第１凹部２４ａの面２４１ａは、ダイヤモンド基板２１の表面２１ｂと平行に配置されている。第１凹部２４ａにおいて、後述する光導波路層２６の先端部に設けられたミラー面２６ａが露出している。第２凹部２４ｂにおいて、後述する線路層２５の導体２５Ｇが露出している。

【0041】

線路層２５は、電子スピン共鳴を発生させるマイクロ波をダイヤモンド基板２１の各々における電極パターン２３に対して伝送するマイクロストリップ線路を含む。線路層２５は、第１基板２５１と、第２基板２５２とを含む。第１基板２５１の上側に第２基板２５２が積層されている。線路層２５は、信号ラインである導体（線路）２５Ｓと、グラウンドパターンである導体（線路）２５Ｇと、を含む。導体２５Ｓは、第２基板２５２の面２５２ａ上に配置されている。導体２５Ｓは、導体２５Ｓ_１、導体２５Ｓ₂、導体２５Ｓ₃及び導体２５Ｓ₄を有する。導体２５Ｓ_１は、ダイヤモンド基板２１_１の電極パターン２３Ｓに対してマイクロ波を伝送する。導体２５Ｓ_２は、ダイヤモンド基板２１_２の電極パターン２３Ｓに対してマイクロ波を伝送する。導体２５Ｓ_３は、ダイヤモンド基板２１_３の電極パターン２３Ｓに対してマイクロ波を伝送する。導体２５Ｓ_４は、ダイヤモンド基板２１_４の電極パターン２３Ｓに対してマイクロ波を伝送する。導体２５Ｓ_１、導体２５Ｓ₂、導体２５Ｓ₃及び導体２５Ｓ₄の区別を要しない場合、導体２５Ｓ_１、導体２５Ｓ₂、導体２５Ｓ₃及び導体２５Ｓ₄は、導体２５Ｓと記載される。導体２５Ｇは、第１基板２５１の下面と光導波路層２６との間に配置されている。導体２５Ｇは、ダイヤモンド基板２１_１、ダイヤモンド基板２１_２、ダイヤモンド基板２１_３及びダイヤモンド基板２１_４の電極パターン２３Ｇに対してマイクロ波を伝送する。

【0042】

導体２５Ｓは、マイクロ波の伝送方向と直交する方向の幅ｗ１が例えば３０μｍ以上６０μｍ以下である。導体２５Ｓと導体２５Ｇとの間の積層方向の幅ｗ２は、例えば３０μｍ以上６０μｍ以下である。

【0043】

光導波路層２６は、シングルモード導波又はマルチモード導波する。光導波路層２６は、光導波路２６_１、光導波路２６_２、光導波路２６_３及び光導波路２６_４を有する。光導波路層２６は、ダイヤモンド基板２１を照射する励起光と、ダイヤモンド基板２１の第１層２１Ｌａにおける励起光により発する蛍光とをダイヤモンド基板２１の各々に伝送する。より詳しくは、光導波路２６_１は、ダイヤモンド基板２１_１を照射する励起光と、ダイヤモンド基板２１_１の第１層２１_１Ｌａにおける励起光による蛍光とを伝送する。光導波路２６_２は、ダイヤモンド基板２１_２を照射する励起光と、ダイヤモンド基板２１_２の第１層２１_２Ｌａにおける励起光による蛍光とを伝送する。光導波路２６_３は、ダイヤモンド基板２１_３を照射する励起光と、ダイヤモンド基板２１_３の第１層２１_３Ｌａにおける励起光による蛍光とを伝送する。光導波路２６_４は、ダイヤモンド基板２１_４を照射する励起光と、ダイヤモンド基板２１_４の第１層２１_４Ｌａにおける励起光による蛍光とを伝送する。

【0044】

光導波路層２６は、下部クラッド２６１、コア２６２、上部及び側面クラッド２６３によって同軸構造に構成されている。コア２６２の屈折率が下部クラッド２６１及び上部及び側面クラッド２６３よりも数％以上高いため、コアに光信号を閉じ込めて低損失で伝送できる。

【0045】

下部クラッド２６１は、積層方向の幅ｗ３が例えば１５μｍ以上２５μｍ以下である。コア２６２は、積層方向の幅ｗ４が例えば３５μｍ以上１００μｍ以下である。上部及び側面クラッド２６３は、積層方向の幅ｗ５が例えば１５μｍ以上２５μｍ以下である。

【0046】

ミラー面２６ａは、コア２６２の光軸方向に対して傾斜した光路変換面を有する。ミラー面２６ａは、例えば光軸方向に対して４５°に傾斜する光路変換面である。この光路変換面は、コア２６２を進む光の光路方向を９０°変換し、第１基板２５１の面２５１ａに垂直な法線方向へと光路を変更させる。第２凹部２４ｂにおいて、導体２５Ｇの一部が露出している。

【0047】

光の伝送損失の発生をさらに低減するために、ミラー面２６ａが露出している空間Ａに、樹脂等のマッチング材が充填されてもよい。光導波路層２６と、ダイヤモンド基板１１との間の光の伝送損失を低減できる。マッチング材としては、例えば、光導波路層２６のコア２６２と同様の屈折率を有する樹脂を用いてもよい。

【0048】

光導波路層２６のミラー面２６ａは、第１凹部２４ａの面２４１ａに対して傾斜している。傾斜角θは、例えば４５°である。光導波路層２６のミラー面２６ａが傾斜していることにより、光導波路層２６とダイヤモンド基板２１との間における光の伝播を効率的に行うことができる。

【0049】

このように構成された光電気混載基板２４とダイヤモンド基板２１とは、半田２８Ｓ及び半田２８Ｇを介して接続されている。より詳しくは、半田２８Ｓは、ダイヤモンド基板２１の電極パターン２３Ｓと、線路層２５の導体２５Ｓとを接続する。半田２８Ｇは、ダイヤモンド基板２１の電極パターン２３Ｇと、線路層２５の導体２５Ｇとを接続する。

【0050】

このように構成された磁気センサ２０は、制御装置５０を備えることにより、第一実施形態と同様に検出システムのプローブとして使用可能である。

【0051】

以上により、本実施形態は、光電気混載基板２４上にダイヤモンド基板２１を複数配置することにより、微小サイズのＮＶセンタ１２を複数配列できる。本実施形態によれば、磁気センサ２０を磁気センサ１０に比べて高集積化できる。本実施形態によれば、磁気センサ２０は、微小サイズの磁荷の空間分布変動を高分解能に捉えることができる。本実施形態によれば、磁気センサ２０は、例えば核磁気共鳴現象などと組み合わせることにより、特定のタンパク質や生体物質などの動きを動的にイメージングできる。

【0052】

［第３実施形態］
図８は、第３実施形態に係る検出ユニット４０の概略図である。図９は、第３実施形態に係る検出ユニット４０を使用した検出工程を説明する図である。図１０は、第３実施形態に係る検出ユニット４０を使用した検出工程を説明する図である。検出ユニット４０は、検体液Ｘに含まれる抗原Ｙを検出する。図８に示すように、検出ユニット４０は、磁気センサ１０と、基板（第２基板、検出ユニット用検出基板）３０とを備える。本実施形態では、一例として、磁気センサ１０は、第１実施形態と同様に構成されているものとして説明する。本実施形態では、第１基板は、磁気センサ１０のダイヤモンド基板１１である。

【0053】

基板３０は、ストリップ基板３１と、ストリップ基板３１に設けられたテストライン３１１上に固定された一次抗体３２と、ストリップ基板３１の表面３１ａに移動可能に配置された磁気ビーズ３３と、磁気ビーズ３３に固定化された二次抗体３４とを含む。

【0054】

ストリップ基板３１は、検出ユニット４０においてプレパラートとして機能する。ストリップ基板３１は、板状に形成されている。テストライン３１１は、ストリップ基板３１の表面３１ａの中央部に配置されている。

【0055】

一次抗体３２は、抗原Ｙの一次抗体である。磁気ビーズ３３は、ダイヤモンド基板１１に対向するストリップ基板３１の表面３１ａの一端に配置されている。磁気ビーズ３３は、検体液Ｘの滴下によって他端方向に移動する、二次抗体３４が固定化されている。二次抗体３４は、抗原Ｙの二次抗体である。一次抗体３２は、磁気ビーズ３３及び二次抗体３４とは離れて配置されている。

【0056】

基板３０は、さらに、ダイヤモンド基板１１に対向するストリップ基板３１の表面３１ａの一部であって、磁気ビーズ３３と結合した検体液Ｘに含まれる抗原Ｙと結合する一次抗体３２が配置された結合部３５を備える。

【0057】

検出ユニット４０を使用した、ウィルス等の抗原Ｙの検出方法について説明する。図９に示すように、磁気ビーズ３３及び二次抗体３４に、ウィルス等の抗原Ｙの検体液Ｘを滴下する。滴下された検体液Ｘは、抗原Ｙの一部が二次抗体３４と結合しながら、ストリップ基板３１上で拡散する。

【0058】

図１０に示すように、二次抗体３４と結合した抗原Ｙは、一次抗体３２とサンドイッチ状に結合して、結合部３５が形成される。結合部３５は、抗原Ｙが一次抗体３２と二次抗体３４とによって挟まれる。結合部３５は、ストリップ基板３１に近い順に、一次抗体３２、抗原Ｙ、二次抗体３４、磁気ビーズ３３の順番で配置されている。結合部３５では、検体液Ｘにおける抗原Ｙの濃度に応じた数の磁気ビーズ３３が結合する。結合部３５は、ストリップ基板３１から最も離れた位置に磁気ビーズ３３が位置する。

【0059】

結合部３５の幅ｗ６の１／２が、結合部３５の中心から未結合の磁気ビーズ３３が分布しない領域までの幅ｗ７よりも狭い。ｗ６とｗ７とは、ｗ６／２＜ｗ７の関係が成り立つ。ｗ６は、例えば０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。ｗ７は、例えば０．３ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上１５ｍｍ以下程度である。

【0060】

磁気センサ１０において、ＮＶセンタ１２の幅ｗ８は、結合部３５の幅ｗ６よりも狭い。ｗ６とｗ８とは、ｗ６＞ｗ８の関係が成立する。

【0061】

抗原Ｙと結合しなかった磁気ビーズ３３は、ストリップ基板３１において、テストライン３１１に留まらず、検体液Ｘを滴下した位置とは反対側の端部へ移動する。

【0062】

ストリップ基板３１は、テストライン３１１の下流側にコントロールラインを設け、未結合の磁気ビーズ３３を特異的に吸着するようにしてもよい。その場合、ｗ７は結合部３５の中央からコントロールラインの上流側の端までの幅とする。

【0063】

一次抗体３２が固定されていた位置に、検出用プローブである磁気センサ１０を近接または当接させる。それ以前に磁気ビーズ３３は磁場を印加し磁気を帯びさせている。これにより、磁気センサ１０は、被測定物である結合部３５の磁気ビーズ３３の磁荷を強く検出する。磁気センサ１０によって、磁気ビーズ３３の数に応じて濃度が検出される。制御装置５０の信号処理制御部５５は、磁気センサ１０の検出結果である信号から、磁場の強度を算出し結果として出力する。

【0064】

このように構成された検出ユニット４０は、制御装置５０を備えることにより、検出システムとして使用可能である。

【0065】

以上により、本実施形態は、未結合の磁気ビーズ３３と離れた位置で、磁気センサ１０によって磁気ビーズ３３を検出できる。磁気センサ１０は、距離の３乗に反比例して、未結合の磁気ビーズ３３の磁荷の影響が減少する。本実施形態によれば、抗原抗体結合による信号のＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ－Ｎｏｉｓｅ）比を向上できる。

【0066】

上記では、第１基板は、磁気センサ１０のダイヤモンド基板１１であるものとして説明したが、これに限定されない。第１基板は、ダイヤモンド基板１１を使用したものと同程度の検出精度を有する層（磁気検出層）を備えるものであればよい。第１基板の磁気検出層は、例えば、微小な磁荷を磁気センサ１０の検出部から１μｍ以内に近接させた場合には、１×１０^－２３Ｗｂ・ｍ程度か、それ以下の磁気モーメントを検出可能であればよい。また、第１基板の磁気検出層は、例えば、１μmか、それよりも狭い領域に存在する磁荷が検出可能であればよい。第１基板は、例えば、表層に磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子または超伝導量子干渉素子が配置された基板でもよい。

【0067】

従来の検出ユニットは、感度が低く不十分であったり、検出部が数ｍｍ以上の大きさで、かつ、検出部の表面を覆う封止層等の厚さが数１００μｍ以上であったりする。このため、検出部を被測定物である結合部３５に近づけた際に、検出部と結合部３５との距離に対して検出部と未結合の磁気ビーズ３３との距離が十分に離れるようにするためには、基板３０を大型化して、結合部３５と未結合の磁気ビーズ３３が分布する領域との距離を広くする必要がある。このため、検出部が大型であることに加えて、基板３０のサイズが大型化し、検出ユニットが大型化する。また、基板３０を大型化せずに検出を行う場合、未結合の磁気ビーズ３３の磁荷の影響を受け、抗原抗体結合による信号のＳ／Ｎ比の検出精度が低下する。

【0068】

本実施形態は、上記のような従来の検出ユニットにおける課題を解決して、全体を小型化できるとともに、検出精度を向上できる。

【0069】

本出願の開示する実施形態は、発明の要旨及び範囲を逸脱しない範囲で変更できる。さらに、本出願の開示する実施形態及びその変形例は、適宜組み合わせることができる。

【0070】

添付の請求項に係る技術を完全かつ明瞭に開示するために特徴的な実施形態に関し記載してきた。しかし、添付の請求項は、上記実施形態に限定されるべきものでなく、本明細書に示した基礎的事項の範囲内で当該技術分野の当業者が創作しうるすべての変形例及び代替可能な構成を具現化するように構成されるべきである。

【符号の説明】

【0071】

１０ 磁気センサ
１１ ダイヤモンド基板（基板、第１基板）
１１ａ 表面（導波体に当接しない面）
１１ｂ 表面（導波体に当接する面）
１１Ｌａ 第１層
１１Ｌｂ 第２層
１２ ＮＶセンタ
１３、１３Ｓ、１３Ｇ 導体パターン
１４ 導波体
１５ 線路
１５Ｓ、１５Ｇ 導体
１６ 光導波路
１７ マッチング材
１８Ｓ、１８Ｇ 半田
２０ 磁気センサ
２１ ダイヤモンド基板（基板）
２１ａ 表面（光電気混載基板に当接しない面）
２１ｂ 表面（光電気混載基板に当接する面）
２１Ｌａ 第１層
２１Ｌｂ 第２層
２２ ＮＶセンタ
２３、２３Ｓ、２３Ｇ 電極パターン
２４ 光電気混載基板
２５ 線路層（線路）
２５Ｓ、２５Ｇ 導体
２６ 光導波路層（光導波路）
２８Ｓ、２８Ｇ 半田
３０ 基板（第２基板、検出ユニット用検出基板）
３１ ストリップ基板
３１１ テストライン
３２ 一次抗体
３３ 磁気ビーズ
３４ 二次抗体
３５ 結合部
４０ 検出ユニット
５０ 制御装置
５１ 信号発生器
５２ 発光素子
５３ 受光素子
５４ 光アイソレータ
５５ 信号処理制御部
Ｘ 検体液
Ｙ 抗原

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】