JP3882756B2 - Blood flow sensor and blood flow meter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体組織からの散乱光を利用して対象生体組織における血流量、血液量、血流速度、脈拍を測定する血流計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の血流計について記載されている文献として、特開2002−330936号公報がある。図9は同文献に示す従来の血流計のセンサチップを示す図である。図9に示される従来のセンサチップは、発光素子の半導体レーザ1、受光素子のフォトダイオード2、発光素子から出射した光を発散光、集束光または平行光にして外部の生体組織に向かって出射するための光導波路3を有しておりこれらが同一半導体基板上に集積化されている。
【0003】
また、半導体レーザ1からの光が直接フォトダイオード2に入射するのを防ぐため、半導体レーザ1、フォトダイオード2のそれぞれを被い囲む形に遮蔽ブロック4を形成し基板に接合して用いられている。フォトダイオード2には端面入射屈折型フォトダイオードが用いられ、更にその前面に所定の空隙を有する第2の遮光板が備えられる場合もある。
【0004】
このような血流計では、静止した生体組織からの散乱光と生体組織の毛細血管中を移動している赤血球(散乱粒子)からの散乱光(血流速度に応じてドップラーシフトΔfを受けた散乱光)の干渉光を検出(ヘテロダイン検波)することにより血流量、血液量、血流速度、脈拍を計測する。この測定原理については、例えば、文献M.D.Stern: “In vivo eva1uation of microcirculation by coherent light scattering,” Nature,vol.254,pp.56-58(1975)に記載されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−330936号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の血流計を実際に使用するには、ごみや挨等の微粒子からこの血流計を保護するカバーガラスなどを血流計前面に実装することが必須である。また発光素子として面発光素子、受光素子として面受光素子を使用する場合には、これらの素子を垂直に立てて実装する必要があり、その場合これらの素子を垂直に保持する部品が必要となり、工程が増え製造コストが高価となる。
【0007】
また、このような血流計を二次元アレイ状に配置するには、個別血流計または一次元アレイ状に作製した血流計をアセンブルする必要がある。更に、フォトダイオードの前面には、所定の空隙を有する第2の遮光板が備えられる場合もあるが、この場合遮光板のアライメント、実装工程が必要となる。従って、工程が増え製造コストが高価となる。
【0008】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、小型で個別部品の組み立て、作製の工程を削減し、量産を可能にして、低コスト化、高信頼性を実現した超小型血流計及びセンサ部を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、血流計のセンサ部を次のように構成する。
【0010】
本発明は、発光素子から出射した光を外部の生体組織に向かって出射し、生体組織からの散乱光を受光素子で受光して生体組織内の血流に関する値を測定する血流計におけるセンサ部であって、前記発光素子と前記受光素子の各々を同一半導体基板表面に形成した凹部に配置し、該半導体基板の上面に不要散乱光を遮る遮光膜が形成されたカバー基板を配置し、前記発光素子から出射した光を前記カバー基板を通して外部の生体組織に向けて出射し、前記生体組織からの散乱光を前記カバー基板を通して前記受光素子が受光する構造を有する。
【0011】
本発明によれば、発光素子と受光素子の各々を同一半導体基板表面に形成した凹部に配置し、半導体基板の上面に不要散乱光を遮る遮光膜が形成されたカバー基板を配置することにより、少ない工程で従来の遮光板と保護カバーガラスを兼ねた構成を実現できるので、製造コストが安価となる。
【0012】
上記の構成において、前記発光素子から生体組織を経由せずに前記受光素子に光が入射するのを遮る遮光膜を前記受光素子が配置される凹部の側面に形成してもよい。本発明により、生体組織内の移動している毛細血管内の赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)を効率よく検出することができる。
【0013】
また、上記の構成において、前記発光素子として端面発光半導体レーザを用い、該端面発光半導体レーザから出射した光を前記カバー基板の方向に反射させる傾斜面を前記半導体基板に形成してもよい。
【0014】
本発明によれば、半導体基板に形成した傾斜面を利用するので、発光素子を垂直に保持する部品が不要となり半導体基板上に発光素子を直接実装可能となる。
【0015】
上記の構成において、前記受光素子として端面入射フォトダイオードを用い、生体組織からの散乱光を該端面入射フォトダイオードに導く傾斜面を前記半導体基板に形成してもよい。
【0016】
本発明によれば、半導体基板に形成した傾斜面を利用するので、受光素子を垂直に保持する部品が不要で、半導体基板上に直接実装可能となる。
【0017】
また、前記発光素子として面発光半導体レーザを用いたり、前記受光素子として面入射フォトダイオードを用いてもよい。これにより、前記反射面としての傾斜面を形成しなくてもよい。また、発光素子、受光素子を垂直に保持する部品が不要となり半導体基板上に発光素子、受光素子を直接実装可能となる。
【0018】
上記の構成において、前記半導体基板上にレンズを配置し、該レンズにより前記発光素子から出射した光を収束光又は発散光又は平行光にして外部の生体組織に向けて出射するように構成してもよい。また、前記レンズとしてボールレンズ又はポリイミド導波路レンズ又は回折レンズを用いることができる。
【0019】
本発明により、計測に適した光を出射することが可能となり、計測精度を高めることが可能となる。
【0020】
また、前記カバー基板にレンズを形成し、該レンズにより前記発光素子から出射した光を収束光又は発散光又は平行光にして外部の生体組織に向けて出射するように構成することもできる。そのレンズとして屈折レンズ又はフレネルレンズ又はバイナリレンズを用いることができる。
【0021】
本発明により、前記カバー基板に例えば半導体プロセスでレンズを集積化でき、計測に適した光を出射することが可能となり、計測精度を高めることが可能となる。
【0022】
上記の構成において、前記発光素子および前記受光素子とを同一半導体基板上にモノリシックに集積化することもできる。これにより、発光素子、受光素子を個別にアセンブリする必要がなく、フォトリソグラフィの精度で一体形成できる。
【0023】
また、上記の構成を有するセンサ部を複数備え、該複数のセンサ部における半導体基板を同一半導体基板としてセンサ部を構成することもできる。
【0024】
本発明により、個別の血流計を二次元アレイ状にアセンブルする必要が無く、フォトリソグラフィの精度で一体形成できる。
【0025】
また、前記複数のセンサ部における複数の発光素子として長波用の発光素子と短波用の発光素子を用い、複数の受光素子として長波用の受光素子と短波用の受光素子を用いることにより、生体組織内の血流に関する値の波長依存性を測定することが可能となる。
【0026】
更に、上記センサ部と、前記発光素子を駆動する回路と、前記センサ部から受信した信号を処理して前記血流に関する値を計算するデジタル信号プロセッサとを備えた集積回路とを有する血流計を提供できる。
【0027】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の血流計の実施の形態に係る構成を示す図である。同図に示すように、本発明の血流計は、生体組織に光を当てることにより反射した散乱光を受光するセンサチップ11、受光した光を増幅する増幅器12、発光素子(LD)を駆動させ、散乱光を解析することにより血流を求める駆動/演算装置13、求めた血流等を表示する出力部14を有する。センサチップ11は半導体基板上に集積化されて形成されている。
【0028】
また、駆動/演算装置13は、A/D変換器15、LDドライバ16、受信信号から血流を求めるための演算を行うデジタル信号プロセッサ(DSP)17、電源供給部18、インターフェース19を有し、小型液晶ディスプレイ等の出力部14に接続される。駆動/演算装置13は、全体をLSIとして構成することが可能であり、センサチップ及び増幅器とあわせて一体として構成でき、人体等に容易に装着できる形状に構成することが可能である。
【0029】
図2及び図3は本発明の第1の実施の形態に係る血流計のセンサチップの構成を示す図であり、図2(a)は上面図、図2(b)はA−A’断面図、図3(a)はB−B’断面図、図3(b)はC−C’断面図である。
【0030】
図2(a)、(b)に示すように第1の実施の形態におけるセンサチップは、表面熱酸化したシリコンからなる半導体基板上(シリコン基板21:9.7°オフアクシスカット(100)シリコン基板を使用したシリコンベンチ)に電極22が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極22上にはんだ膜(図示せず)を介して発光素子である半導体レーザ(端面発光LD23)が形成されている。同様に同一シリコン基板21上に電極24が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極24上にはんだ膜を介して受光素子であるフォトダイオード(面入射PD25)が形成される。更にシリコン基板21上には、カバー基板26が設けられる。ここでカバー基板26には合成石英を用いている。このカバー基板26は6インチ合成石英ウエハをダイシングして作製している。
【0031】
半導体レーザ(端面発光LD23)としては、例えば波長1.3μmのDFBレーザを用いる。波長1.3μmのDFBレーザを用いることにより、光を皮下組織の奥まで透過させ整った波形を検出することができる。
【0032】
半導体レーザ23とフォトダイオード25はシリコン基板21上にはんだ膜を介してボンディングされる。発光素子、受光素子を半導体基板上に高精度にボンディングする技術としては、特開平9−55393号公報(素子のボンディング方法およびその装置)に開示された技術がある。発光素子、受光素子を同一半導体基板上に形成させることにより、各光素子は二次元的な位置決めのみでよく、三次元的なアライメントを必要としないため、調整の工程を削減し、量産を可能にして、低コスト化を実現することができる。
【0033】
図2(a)、(b)に示すように、本実施の形態ではフォトダイオード25を実装した側のシリコン基板上に遮光膜27として金属(TiPtAu)膜をパターニングしている。これにより半導体レーザ23からシリコン基板21を通してフォトダイオード25に入射する迷光を防ぐことができる。
【0034】
すなわち、波長(1.3μm)の光はシリコンを透過するので、発光素子として波長1.3μmの半導体レーザ(DFBレーザ)を用いる場合、半導体レーザから生体組織を経由せずにフォトダイオード25に光が届くことがある。一方、センサチップで受光する毛細血管内の赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)による強度変調された散乱光成分は、数100pW程度と非常に微弱なため、遮光膜27を設けないと信号のSN比が悪くなる。この遮光膜27が無い状態では、微弱なドップラーシフトした散乱光成分の強度が埋もれてしまい、血流速度の検出ができない。
【0035】
図2(a)、図3(a)に示すように、本実施の形態では発光素子として端面発光半導体レーザ23(波長1.3μmのDFBレーザ)を使用しており、出射した光を上方向に反射させる傾斜面をシリコン半導体基板上に形成している。ここでは、9.7°オフアクシスカットした(100)シリコン基板をウエット異方性エッチングで作製している。この場合、(111)面が45°で表れるため、この傾斜面に金属膜28(TiPtAu)を蒸着し、ミラーとして用いている。このようなオフアクシスカットした基板を用いない場合、54.7°で表れる(111)面をミラーとして用いることも可能である。また、端面発光LD23はワイヤ29によって電極22と接続されている。
【0036】
また、図3(a)に示すように、カバー基板26にバイナリレンズ30を半導体プロセスにより形成しているので、LD23からの光を発散光、収束光、平行光の状態で外部の生体組織へ照射することが可能である。カバー基板26に形成するレンズはバイナリレンズ30に限らず屈折レンズ、フレネルレンズなどでもよい。
【0037】
図3(b)に示すように、本実施の形態では面入射PD25を用いている。また、本実施の形態では、不要散乱光をさえぎる遮光膜31をカバー基板26の上下両面にフォトリソグラフィによりパターニングして形成しており、生態組織からの散乱光は遮光膜における開口部から面入射PD25に入射する。この遮光膜31により生体組織内の移動している毛細血管内の赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)を効率よく検出することができる。また、面入射PD25はワイヤ32により電極24に接続される。
【0038】
センサチップを上記のような形状のシリコン基板21と、カバー基板26とを用いる構成としたことにより、従来のセンサチップにおける遮光板と保護カバーガラスの機能を少ない工程で形成でき、製造コストが安価となる。
【0039】
上記のセンサチップの動作を次に説明する。
【0040】
半導体レーザ23に電極22から電流を注入すると半導体レーザ23が発振する。パワーをできるだけ一定にレーザ発振させる場合には、半導体レーザ23の後端面にオートパワーコントロール用フォトダイオード(図示せず)を配置し、半導体レーザ23の出力をモニターし、常にパワーが一定になるようにフィードバック回路で半導体レーザ23の注入電流を制御する。
【0041】
半導体レーザ23から出射した光は、シリコン基板21上に配置したカバー基板26を通して外部の生体組織に照射される。このセンサチップを皮膚などの生体組織に近づけた場合、光散乱が生じ、散乱光が再びカバー基板26を通してフォトダイオードに入射する。この散乱光には、静止した生体組織からの散乱光と生体組織の毛細血管中の移動している赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)の干渉成分が含まれる。このため、この信号を周波数解析することにより、血流速度を求めることができる。実験により、流体に微粒子を分散させた溶液を用いて、流体速度とドップラーシフト周波数の間に直線関係が成立することを確認した。
【0042】
また、散乱光の強度は移動している血液量に相当しており、血流速度と血液量の積で血流量が求められる。更に散乱信号波形には、脈拍による変調成分もあり、脈拍の検出も可能である。
【0043】
次に本発明の第二の実施の形態について図4を用いて説明する。図4は第二の実施の形態のセンサチップにおける受光素子を含む部分の断面図である。
【0044】
本実施の形態では受光素子として端面入射屈折型フォトダイオード41を用いている。そして、図4に示すように、入射した散乱光を水平方向に反射させる傾斜面をシリコン基板21上に形成し、この傾斜面には金属膜42(TiPtAu)を蒸着し、高反射ミラーとしている。また、第1の実施の形態と同様に、カバー基板26には遮光膜43を設けている。
【0045】
図5に端面入射屈折型フォトダイオード41の断面図を示す。図5に示すように、この端面入射屈折型フォトダイオード41は側方に逆メサ構造の光入射端面51を有しており、横方向から入射光が入射端面51で屈折し、上層の光吸収層52で吸収され、電気信号に変換される。このような端面入射屈折型フォトダイオード41は光軸の上下方向のずれ許容度が大きいこと、吸収効率が大きいことに特徴がある。このようなフォトダイオードについては、例えばH.Fukano, Y.Matsuoka, A Low-Cost Edge-Illuminated Refracting-Facet Photodiode Modu1e with Large Bandwidth and High Responsivity, J.Lightwave Techno1ogy, Vo1.18, No-1, 79-83(2000)に記載されている。
【0046】
次に本発明の第三の実施の形態について図6を用いて説明する。図6は第三の実施の形態のセンサチップにおける発光素子を含む部分の断面図である。本実施の形態では発光素子として面発光LD61を用いる。また、カバー基板26に屈折レンズ62を半導体プロセスにより形成し、面発光LD61からの光を発散光、収束光、平行光の状態で外部の生体組織へ照射することを可能としている。この実施の形態によれば第一の実施の形態のような光反射用の傾斜面が不要となる。なお、屈折レンズ62の他、フレネルレンズ、バイナリレンズなどのレンズも用いることができる。
【0047】
次に本発明の第四の実施の形態について図7を用いて説明する。図7は第四の実施の形態のセンサチップにおける発光素子を含む部分の断面図である。本実施の形態では発光素子として端面発光LD71を用い、シリコン基板21上にボールレンズ72を配置して、端面発光LD71からの光を収束光あるいは発散光あるいは平行光に変換する。発散光、収束光、平行光の状態で外部の生体組織へ照射することが可能である。ここでは(100)シリコン基板をウエット異方性エッチングで加工し、54.7°の傾斜角を持つ(111)面73をミラーとして用いている。なお、ボールレンズ72の代わりにポリイミド導波路レンズ、回折レンズなどを用いてもよい。このようなレンズを用いることにより計測に適した光を出射することが可能となり、計測精度を高めることが可能となる。
【0048】
次に本発明の第五の実施の形態について図8を用いて説明する。図8は第五の実施の形態のセンサチップの上面図である。本実施の形態では、波長1.3μmの発光素子(端面発光LD81)、波長0.66μmの発光素子(端面発光LD82)、それらの散乱光を受光する長波用InPの受光素子(面入射PD83)、短波用Siの受光素子(面入射PD84)をシリコン基板85上に二次元アレイ状に配置している。発光素子と受光素子を含む各々の部分の構造は第一の実施の形態と同様である。
【0049】
第五の実施の形態のように、異なる波長の複数の発光素子を用いることにより、レーザ光の侵入深さを異ならせることができ、深さの異なる毛細血管の血流量計測が可能となる。シリコン基板上の凹部に光素子を設ける構成をとったことにより、フォトリソグラフィの精度で一体形成することが可能である。
【0050】
なお、上記の各実施の形態において、発光素子である半導体レーザ、受光素子であるフォトダイオードなどの光素子は、GaAs基板、InP基板上にモノリシックに形成してもよい。
【0051】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るセンサチップでは、発光素子、受光素子を形成した半導体基板上に遮光膜付カバー基板をフォトリソグラフィにより一体形成することにより、遮光板などの部品が削除でき、遮光板のアセンブリの必要がなくなるため、超小型、軽量の血流計を低コストで実現することができる。また、面発光レーザ、面入射フォトダイオードなどの素子を垂直に立てて実装すること無しに使用することが可能になる。また二次元アレイ状に配置したセンサ部を一体形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る血流計の構成を示す図である。
【図2】本発明における第一の実施の形態のセンサチップを示す図であり、(a)は上面図、(b)はA−A’断面図である。
【図3】本発明における第一の実施の形態のセンサチップを示す図であり、(a)はB−B’断面図、(b)はC−C’断面図である。
【図4】本発明の第二の実施の形態のセンサチップにおける受光素子を含む部分の断面図である。
【図5】本発明の第二の実施の形態のセンサチップにおける端面入射屈折型フォトダイオードの断面図である。
【図6】図6は第三の実施の形態のセンサチップにおける発光素子を含む部分の断面図である。
【図7】本発明の第四の実施の形態のセンサチップにおける発光素子を含む部分の断面図である。
【図8】本発明の第五の実施の形態のセンサチップの上面図である。
【図9】従来の血流計のセンサチップを示す斜視図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ
2 フォトダイオード
3 光導波路
4 遮光用ブロック
11 センサチップ
12 増幅器
13 駆動/演算装置
14 出力部
21、85 シリコン基板
22、24 電極
23、71、81、82 端面発光LD
25、83、84 面入射PD
26 カバー基板
27、31、43 遮光膜
28、42 ミラー用金属膜
29、32 ワイヤ
30 バイナリレンズ
41 端面入射PD
51 光入射端面
52 吸収層
61 面発光LD
62 屈折レンズ
72 ボールレンズ
73 傾斜面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a blood flow meter that measures blood flow volume, blood volume, blood flow velocity, and pulse in a target biological tissue using scattered light from the biological tissue.
[0002]
[Prior art]
As a document describing a conventional blood flow meter, there is JP-A-2002-330936. FIG. 9 is a diagram showing a sensor chip of a conventional blood flow meter shown in the same document. The conventional sensor chip shown in FIG. 9 emits light emitted from a semiconductor laser 1 as a light emitting element, a photodiode 2 as a light receiving element, and light emitted from the light emitting element toward an external living tissue as divergent light, focused light, or parallel light. The optical waveguide 3 is provided on the same semiconductor substrate.
[0003]
Further, in order to prevent light from the semiconductor laser 1 from directly entering the photodiode 2, a shielding block 4 is formed so as to surround each of the semiconductor laser 1 and the photodiode 2 and is used by being bonded to the substrate. Yes. As the photodiode 2, an edge-incident refraction type photodiode is used, and a second light shielding plate having a predetermined gap may be further provided on the front surface thereof.
[0004]
In such a blood flow meter, scattered light from a stationary biological tissue and scattered light from red blood cells (scattering particles) moving in the capillary of the biological tissue (subject to Doppler shift Δf depending on the blood flow velocity). By detecting interference light (scattered light) (heterodyne detection), blood flow volume, blood volume, blood flow velocity, and pulse are measured. This measurement principle is described, for example, in the document MDStern: “In vivo eva1uation of microcirculation by coherent light scattering,” Nature, vol. 254, pp. 56-58 (1975).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-330936
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to actually use such a conventional blood flow meter, it is essential to mount a cover glass for protecting the blood flow meter from fine particles such as dust and dust on the front surface of the blood flow meter. Also, when using a surface light emitting element as a light emitting element and a surface light receiving element as a light receiving element, it is necessary to mount these elements vertically, and in that case, a component for holding these elements vertically is required. The number of processes increases and the manufacturing cost becomes expensive.
[0007]
In addition, in order to arrange such a blood flow meter in a two-dimensional array, it is necessary to assemble an individual blood flow meter or a blood flow meter fabricated in a one-dimensional array. In addition, a second light shielding plate having a predetermined gap may be provided on the front surface of the photodiode. In this case, alignment and mounting processes of the light shielding plate are required. Accordingly, the number of processes increases and the manufacturing cost becomes expensive.
[0008]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is a micro blood that is small in size, reduces the steps for assembling and manufacturing individual parts, enables mass production, and achieves low cost and high reliability. It aims at providing a flowmeter and a sensor part.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, the sensor unit of the blood flow meter is configured as follows.
[0010]
The present invention relates to a sensor in a blood flow meter that emits light emitted from a light emitting element toward an external living tissue and receives scattered light from the living tissue by a light receiving element to measure a value related to blood flow in the living tissue. Each of the light emitting element and the light receiving element is disposed in a recess formed on the surface of the same semiconductor substrate, and a cover substrate having a light shielding film for blocking unnecessary scattered light is disposed on the upper surface of the semiconductor substrate, The light emitted from the light emitting element is emitted toward an external biological tissue through the cover substrate, and the light receiving element receives scattered light from the biological tissue through the cover substrate.
[0011]
According to the present invention, each of the light emitting element and the light receiving element is disposed in a recess formed on the surface of the same semiconductor substrate, and the cover substrate on which the light shielding film that blocks unnecessary scattered light is formed is disposed on the upper surface of the semiconductor substrate. Since the structure which served as the conventional light-shielding plate and protective cover glass is realizable with few processes, a manufacturing cost becomes low.
[0012]
In the above configuration, a light shielding film that blocks light from entering the light receiving element without passing through a living tissue from the light emitting element may be formed on a side surface of the recess in which the light receiving element is disposed. According to the present invention, it is possible to efficiently detect scattered light (Doppler-shifted light) from red blood cells in a moving capillary in a living tissue.
[0013]
In the above configuration, an edge-emitting semiconductor laser may be used as the light-emitting element, and an inclined surface that reflects light emitted from the edge-emitting semiconductor laser toward the cover substrate may be formed on the semiconductor substrate.
[0014]
According to the present invention, since the inclined surface formed on the semiconductor substrate is used, a component for holding the light emitting element vertically becomes unnecessary, and the light emitting element can be directly mounted on the semiconductor substrate.
[0015]
In the above configuration, an end-face incident photodiode may be used as the light receiving element, and an inclined surface that guides scattered light from a living tissue to the end-face incident photodiode may be formed on the semiconductor substrate.
[0016]
According to the present invention, since the inclined surface formed on the semiconductor substrate is used, a component for holding the light receiving element vertically is unnecessary, and it can be directly mounted on the semiconductor substrate.
[0017]
Further, a surface emitting semiconductor laser may be used as the light emitting element, or a surface incident photodiode may be used as the light receiving element. Thereby, it is not necessary to form the inclined surface as the reflective surface. In addition, a component for holding the light emitting element and the light receiving element vertically becomes unnecessary, and the light emitting element and the light receiving element can be directly mounted on the semiconductor substrate.
[0018]
In the above configuration, a lens is disposed on the semiconductor substrate, and the light emitted from the light emitting element by the lens is configured to be converged light, divergent light, or parallel light and emitted toward an external biological tissue. Also good. Moreover, a ball lens, a polyimide waveguide lens, or a diffraction lens can be used as the lens.
[0019]
According to the present invention, light suitable for measurement can be emitted, and measurement accuracy can be improved.
[0020]
Further, a lens may be formed on the cover substrate, and the light emitted from the light emitting element by the lens may be converged light, divergent light, or parallel light and emitted toward an external living tissue. As the lens, a refractive lens, a Fresnel lens, or a binary lens can be used.
[0021]
According to the present invention, a lens can be integrated on the cover substrate by, for example, a semiconductor process, light suitable for measurement can be emitted, and measurement accuracy can be improved.
[0022]
In the above configuration, the light emitting element and the light receiving element can be monolithically integrated on the same semiconductor substrate. Thereby, it is not necessary to separately assemble the light emitting element and the light receiving element, and can be integrally formed with the accuracy of photolithography.
[0023]
In addition, a plurality of sensor units having the above-described configuration may be provided, and the sensor unit may be configured by using the semiconductor substrates in the plurality of sensor units as the same semiconductor substrate.
[0024]
According to the present invention, it is not necessary to assemble individual blood flow meters into a two-dimensional array, and can be integrally formed with the accuracy of photolithography.
[0025]
In addition, by using a long wave light emitting element and a short wave light emitting element as the plurality of light emitting elements in the plurality of sensor units, and using a long wave light receiving element and a short wave light receiving element as the plurality of light receiving elements, It becomes possible to measure the wavelength dependence of the value relating to the blood flow in the inside.
[0026]
Furthermore, a blood flow meter comprising: an integrated circuit including the sensor unit, a circuit that drives the light emitting element, and a digital signal processor that processes a signal received from the sensor unit and calculates a value related to the blood flow. Can provide.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a configuration according to an embodiment of a blood flow meter of the present invention. As shown in the figure, the blood flow meter of the present invention drives a sensor chip 11 that receives scattered light reflected by applying light to a living tissue, an amplifier 12 that amplifies the received light, and a light emitting element (LD). And a drive /
[0028]
The drive /
[0029]
2 and 3 are diagrams showing the configuration of the sensor chip of the blood flow meter according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A is a top view, and FIG. 2B is AA ′. 3A is a cross-sectional view taken along the line BB ′, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line CC ′.
[0030]
As shown in FIGS. 2A and 2B, the sensor chip according to the first embodiment is formed on a semiconductor substrate made of surface-oxidized silicon (silicon substrate 21: 9.7 ° off-axis cut (100) silicon). An
[0031]
For example, a DFB laser having a wavelength of 1.3 μm is used as the semiconductor laser (edge emitting LD 23). By using a DFB laser with a wavelength of 1.3 μm, it is possible to detect a waveform that transmits light deep into the subcutaneous tissue.
[0032]
The
[0033]
As shown in FIGS. 2A and 2B, in this embodiment, a metal (TiPtAu) film is patterned as a
[0034]
That is, since light having a wavelength (1.3 μm) passes through silicon, when a semiconductor laser having a wavelength of 1.3 μm (DFB laser) is used as a light emitting element, light is transmitted from the semiconductor laser to the
[0035]
As shown in FIGS. 2A and 3A, in the present embodiment, an edge emitting semiconductor laser 23 (DFB laser having a wavelength of 1.3 μm) is used as a light emitting element, and the emitted light is directed upward. An inclined surface to be reflected is formed on the silicon semiconductor substrate. Here, a (100) silicon substrate cut by 9.7 ° off-axis is fabricated by wet anisotropic etching. In this case, since the (111) plane appears at 45 °, the metal film 28 (TiPtAu) is vapor-deposited on the inclined surface and used as a mirror. When such an off-axis cut substrate is not used, it is also possible to use the (111) plane appearing at 54.7 ° as a mirror. The end surface
[0036]
Further, as shown in FIG. 3A, since the binary lens 30 is formed on the
[0037]
As shown in FIG. 3B, the
[0038]
Since the sensor chip is configured to use the
[0039]
The operation of the sensor chip will be described next.
[0040]
When a current is injected from the
[0041]
Light emitted from the
[0042]
Further, the intensity of the scattered light corresponds to the amount of blood that is moving, and the blood flow volume is obtained by the product of the blood flow velocity and the blood volume. Further, the scattered signal waveform includes a modulation component due to the pulse, and the pulse can be detected.
[0043]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion including a light receiving element in the sensor chip of the second embodiment.
[0044]
In the present embodiment, an end face incident
[0045]
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the edge-incident
[0046]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of a portion including a light emitting element in the sensor chip of the third embodiment. In the present embodiment, a surface emitting LD 61 is used as a light emitting element. In addition, a refractive lens 62 is formed on the
[0047]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of a portion including a light emitting element in the sensor chip of the fourth embodiment. In this embodiment, an end surface light emitting LD 71 is used as a light emitting element, and a ball lens 72 is disposed on the
[0048]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a top view of the sensor chip of the fifth embodiment. In the present embodiment, a light emitting element having a wavelength of 1.3 μm (end face light emitting LD 81), a light emitting element having a wavelength of 0.66 μm (end face light emitting LD 82), and a long wave InP light receiving element that receives the scattered light (surface incident PD 83). The short-wave Si light-receiving elements (surface incident PDs 84) are arranged on a silicon substrate 85 in a two-dimensional array. The structure of each part including the light emitting element and the light receiving element is the same as that of the first embodiment.
[0049]
As in the fifth embodiment, by using a plurality of light emitting elements having different wavelengths, the penetration depth of the laser light can be made different, and blood flow measurement of capillaries having different depths can be performed. By adopting a configuration in which the optical element is provided in the concave portion on the silicon substrate, it is possible to integrally form with the accuracy of photolithography.
[0050]
In each of the above embodiments, an optical element such as a semiconductor laser as a light emitting element and a photodiode as a light receiving element may be formed monolithically on a GaAs substrate or an InP substrate.
[0051]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible within the scope of the claims.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, in the sensor chip according to the present invention, by integrally forming the cover substrate with the light shielding film on the semiconductor substrate on which the light emitting element and the light receiving element are formed by photolithography, components such as the light shielding plate can be deleted. Since there is no need for the assembly of the light shielding plate, an ultra-compact and lightweight blood flow meter can be realized at low cost. Further, it becomes possible to use a device such as a surface emitting laser or a surface incident photodiode without mounting the device vertically. In addition, the sensor units arranged in a two-dimensional array can be integrally formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a blood flow meter according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are diagrams illustrating a sensor chip according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 2A is a top view and FIG. 2B is a cross-sectional view along AA ′.
3A and 3B are diagrams showing a sensor chip according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is a cross-sectional view along BB ′, and FIG. 3B is a cross-sectional view along CC ′.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion including a light receiving element in a sensor chip according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an edge-incident refraction type photodiode in a sensor chip according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a portion including a light emitting element in a sensor chip of a third embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a portion including a light emitting element in a sensor chip according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a top view of a sensor chip according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view showing a sensor chip of a conventional blood flow meter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser 2 Photodiode 3 Optical waveguide 4 Shading block 11 Sensor chip 12
25, 83, 84 Plane incident PD
26
51 Light incident end face 52 Absorbing layer 61 Surface emitting LD
62 Refractive lens 72 Ball lens 73 Inclined surface
Claims (14)
半導体基板の表面に形成した凹部に前記発光素子を配置し、前記凹部とは別に前記半導体基板の前記表面に形成した凹部に前記受光素子を配置し、
前記半導体基板の上面に、前記受光素子への不要散乱光を遮る遮光膜が形成されたカバー基板を配置し、
前記発光素子から出射した光を前記カバー基板を通して外部の生体組織に向けて出射し、前記生体組織からの散乱光を前記カバー基板を通して前記受光素子が受光する構造を有することを特徴とするセンサ部。A sensor unit in a blood flow meter that emits light emitted from a light emitting element toward an external biological tissue and receives scattered light from the biological tissue by a light receiving element to measure a value related to blood flow in the biological tissue. ,
The light emitting element is disposed in a recess formed on the surface of the semiconductor substrate, the light receiving element is disposed in a recess formed on the surface of the semiconductor substrate separately from the recess ,
On the upper surface of the semiconductor substrate, a cover substrate in which a light-shielding film that blocks unnecessary scattered light to the light receiving element is formed is disposed,
A sensor unit having a structure in which light emitted from the light emitting element is emitted toward an external biological tissue through the cover substrate, and the light receiving element receives scattered light from the biological tissue through the cover substrate. .
前記発光素子を駆動する回路と、前記センサ部から受信した信号を処理して前記血流に関する値を計算するデジタル信号プロセッサとを備えた集積回路と
を有することを特徴とする血流計。A sensor unit according to claim 1;
A blood flow meter comprising: an integrated circuit including a circuit that drives the light emitting element; and a digital signal processor that processes a signal received from the sensor unit and calculates a value related to the blood flow.
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