JP4718324B2 - Optical sensor and sensor unit thereof - Google Patents

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  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Description

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、脈拍等を測定する光学センサに関するものである。   The present invention relates to an optical sensor for measuring blood flow volume, blood volume, blood flow velocity, pulse, etc. in a target biological tissue using scattered light from the biological tissue.

従来の血流計について記載されている文献として、特許文献1がある。図16および17は同文献に示す従来の血流計のセンサチップの構成を示す図であり、図16(a)は上面図、図16(b)はA−A’断面図、図17(a)はB−B’断面図、図17(b)はC−C’断面図である。図16(a)、(b)に示すように従来のセンサチップは、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121:(100)シリコン基板を使用したシリコンベンチ)に電極122が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極122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(LD)123が形成されている。同様に同一シリコン基板121上に電極124が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極124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PD125)が形成される。更にシリコン基板121上には、カバー基板126が設けられる。ここでカバー基板126には合成石英を用いている。このカバー基板126は6インチ合成石英ウェハをダイシングして作製している。半導体レーザとしては、例えば面発光レーザを用いる。半導体レーザ123とフォトダイオード125はシリコン基板121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。   As documents are listed for conventional blood flow meter, there is Patent Document 1. 16 and 17 are diagrams showing the configuration of the sensor chip of the conventional blood flow meter shown in the same document. FIG. 16 (a) is a top view, FIG. 16 (b) is an AA ′ sectional view, and FIG. a) is a BB ′ sectional view, and FIG. 17B is a CC ′ sectional view. As shown in FIGS. 16A and 16B, in the conventional sensor chip, an electrode 122 is formed on a semiconductor substrate (silicon substrate 121: silicon bench using a (100) silicon substrate) made of surface-thermally oxidized silicon. Then, a semiconductor laser (LD) 123, which is a light emitting element, is formed on the electrode 122 in the recess surrounded by the inclined surface via a solder film (not shown). Similarly, an electrode 124 is formed on the same silicon substrate 121, and a photodiode (surface incident PD 125) as a light receiving element is formed on the electrode 124 in a recess surrounded by an inclined surface via a solder film. Further, a cover substrate 126 is provided on the silicon substrate 121. Here, synthetic quartz is used for the cover substrate 126. The cover substrate 126 is manufactured by dicing a 6-inch synthetic quartz wafer. For example, a surface emitting laser is used as the semiconductor laser. The semiconductor laser 123 and the photodiode 125 are bonded to the silicon substrate 121 via a solder film. By forming the light emitting element and light receiving element on the same semiconductor substrate, each optical element need only be two-dimensionally positioned and does not require three-dimensional alignment, thus reducing the adjustment process and enabling mass production. Thus, cost reduction can be realized.

図16(a)、(b)に示すように、従来の技術でフォトダイオード125を実装した側のシリコン基板上に遮光膜127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123からシリコン基板121を通してフォトダイオード125に入射する迷光を防ぐことができる。もし遮光膜を設けない場合は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125に光が届くことがある。すると、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。よってこの遮光膜127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。   As shown in FIGS. 16A and 16B, a metal (TiPtAu) film is patterned as a light shielding film 127 on the silicon substrate on the side where the photodiode 125 is mounted by a conventional technique. As a result, stray light entering the photodiode 125 from the semiconductor laser 123 through the silicon substrate 121 can be prevented. If the light shielding film is not provided, light may reach the photodiode 125 from the semiconductor laser without passing through the living tissue. Then, the scattered light component whose intensity is modulated by scattered light (Doppler-shifted light) from the red blood cells in the capillary blood vessels received by the sensor chip is very weak, about several hundred pW. The S / N ratio becomes worse. Therefore, in the absence of the light shielding film 127, the intensity of the weak Doppler shifted scattered light component is buried, and the blood flow velocity cannot be detected.

図16(a)、図17(a)に示すように、このセンサチップでは発光素子として面発光半導体レーザ161を使用している。ここでは、(100)シリコン基板をウェット異方性エッチングで作製している。また、面発光LD161はワイヤ129によって電極122と接続されている。   As shown in FIGS. 16A and 17A, this sensor chip uses a surface emitting semiconductor laser 161 as a light emitting element. Here, it is prepared by wet anisotropic etching (100) silicon substrate. Further, the surface emitting LD161 is connected to the electrode 122 by a wire 129.

また、図17(a)に示すように、カバー基板126に屈折レンズ162を形成しているので、LD161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126に形成するレンズは屈折レンズ130に限らず、半導体プロセスを用いて形成できるバイナリレンズ、フレネルレンズなどでもよい。   Further, as shown in FIG. 17A, since the refractive lens 162 is formed on the cover substrate 126, the light from the LD 161 is irradiated to an external living tissue in the state of diverging light, convergent light, and parallel light. Is possible. The lens formed on the cover substrate 126 is not limited to the refractive lens 130 but may be a binary lens or a Fresnel lens that can be formed using a semiconductor process.

また、図17(b)に示すように、このセンサチップでは面入射PDl25を用いている。また、不要散乱光をさえぎる遮光膜131をカバー基板126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PD125に入射する。この遮光膜131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PDはワイヤにより電極に接続される。また、同文献から明らかなように発光素子として面発光LDを使用し、受光素子として面入射PDを使用した組み合わせにより、発光素子、受光素子を半導体基板上に直接実装可能となる。   Further, as shown in FIG. 17B, this sensor chip uses a surface incident PDl25. In addition, a light shielding film 131 that blocks unnecessary scattered light is formed by patterning on the upper and lower surfaces of the cover substrate 126 by photolithography, and the scattered light from the biological tissue is incident on the surface incident PD 125 from the opening in the light shielding film. This light-shielding film 131 can efficiently detect scattered light (Doppler-shifted light) from red blood cells in the moving capillary in the living tissue. The plane incident PD is connected to the electrode by a wire. Further, as is clear from this document, a light emitting element and a light receiving element can be directly mounted on a semiconductor substrate by a combination using a surface emitting LD as a light emitting element and a surface incident PD as a light receiving element.

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(血流に応じてドップラーシフト△f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。この測定原理は公知であり、例えば、非特許文献1に記載されている。   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). By detecting interference light (scattered light) (heterodyne detection), blood flow volume, blood volume, blood flow velocity, and pulse are measured. The measurement principle is known, for example, described in Non-Patent Document 1.

次に図18及び図19を参照して、同文献に示す従来の血流計のセンサチップの別の例について説明する。図18(a)は上面図、図18(b)はA−A’断面図、図19(a)はB−B’断面図、図19(b)はC−C’断面図である。   Next, another example of the sensor chip of the conventional blood flow meter shown in the same document will be described with reference to FIGS. 18A is a top view, FIG. 18B is an A-A ′ sectional view, FIG. 19A is a B-B ′ sectional view, and FIG. 19B is a C-C ′ sectional view.

図18(a)、(b)に示すようにこのセンサチップは、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221:9.7°オフアクシスカット(lO0)シリコン基板を使用したシリコンベンチ)に電極222が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極222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LD223)が形成されている。同様に同一シリコン基板221上に電極224が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極224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PD225)が形成される。   As shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b), this sensor chip is a silicon bench using a silicon substrate (silicon substrate 221: 9.7 ° off-axis cut (10) silicon substrate) made of surface-oxidized silicon. ), And a semiconductor laser (edge emitting LD 223) as a light emitting element is formed on the electrode 222 in a recess surrounded by an inclined surface via a solder film (not shown). Similarly, an electrode 224 is formed on the same silicon substrate 221, and a photodiode (surface incident PD 225) that is a light receiving element is formed on the electrode 224 in a recess surrounded by an inclined surface via a solder film.

更にシリコン基板221上には、カバー基板226が設けられる。ここでカバー基板226には合成石英を用いている。このカバー基板226は6インチ合成石英ウェハをダイシングして作製している。   Further, a cover substrate 226 is provided on the silicon substrate 221. Here, synthetic quartz is used for the cover substrate 226. The cover substrate 226 is manufactured by dicing a 6-inch synthetic quartz wafer.

半導体レーザ(端面発光LD223)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。   For example, a DFB laser having a wavelength of 1.3 μm is used as the semiconductor laser (edge emitting LD 223). 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.

また、半導体レーザ223とフォトダイオード225はシリコン基板221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。   The semiconductor laser 223 and the photodiode 225 are bonded to the silicon substrate 221 via a solder film. As a technique for bonding a light emitting element and a light receiving element on a semiconductor substrate with high accuracy, there is a technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-55393 (element bonding method and apparatus).

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。   By forming the light emitting element and light receiving element on the same semiconductor substrate, each optical element need only be two-dimensionally positioned and does not require three-dimensional alignment, thus reducing the adjustment process and enabling mass production. Thus, cost reduction can be realized.

図l8(a)、(b)に示すように、同文献ではフォトダイオード225を実装した側のシリコン基板上に遮光膜227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223からシリコン基板221を通してフォトダイオード225に入射する迷光を防ぐことができる。   As shown in FIGS. 18A and 18B, in this document, a metal (TiPtAu) film is patterned as a light shielding film 227 on the silicon substrate on the side where the photodiode 225 is mounted. As a result, stray light that enters the photodiode 225 from the semiconductor laser 223 through the silicon substrate 221 can be prevented.

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225に光が届くことがある。   That is, since light with a wavelength (1.3 μm) is transmitted through silicon, when a semiconductor laser with a wavelength of 1.3 μm (DFB laser) is used as a light emitting element, light is transmitted from the semiconductor laser to the photodiode 225 without passing through living tissue. May arrive.

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227を設けないと信号のSN比が悪くなる。この遮光膜227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。   On the other hand, the scattered light component whose intensity is modulated by the scattered light (Doppler-shifted light) from the red blood cells in the capillaries received by the sensor chip is very weak, about several hundred pW. The S / N ratio becomes worse. Without this light shielding film 227, the intensity of the weak Doppler shifted scattered light component is buried, and the blood flow velocity cannot be detected.

図18(a)、図19(a)に示すように、同文献では発光素子として端面発光半導体レーザ223(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)シリコン基板をウェット異方性エッチングで作製している。   As shown in FIGS. 18 (a) and 19 (a), in this document, an edge-emitting semiconductor laser 223 (DFB laser having a wavelength of 1.3 μm) is used as a light emitting element, and the emitted light is reflected upward. An inclined surface to be formed is formed on the silicon semiconductor substrate. Here, a (100) silicon substrate cut off by 9.7 ° is fabricated by wet anisotropic etching.

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。   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.

また、端面発光LD223はワイヤ229によって電極222と接続されている。また、図19(a)に示すように、カバー基板226にバイナリレンズ230を半導体プロセスにより形成しているので、LD223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。   Furthermore, edge emitting LD223 is connected to the electrode 222 by a wire 229. Further, as shown in FIG. 19A, since the binary lens 230 is formed on the cover substrate 226 by a semiconductor process, the light from the LD 223 is diverged light, convergent light, and parallel light to an external living tissue. Irradiation is possible.

カバー基板226に形成するレンズはバイナリレンズ230に限らず屈折レンズ、フレネルレンズなどでもよい。   The lens formed on the cover substrate 226 is not limited to the binary lens 230 but may be a refractive lens, a Fresnel lens, or the like.

図19(b)に示すように、同文献では面入射PD225を用いている。また、同文献の形態では、不要散乱光をさえぎる遮光膜231をカバー基板226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PD225に入射する。この遮光膜231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。   As shown in FIG. 19B, the same document uses a surface incident PD 225. Further, in the form of this document, the light shielding film 231 that blocks unnecessary scattered light is formed by patterning on the upper and lower surfaces of the cover substrate 226 by photolithography, and the scattered light from the ecological tissue is incident on the surface from the opening in the light shielding film. Incident on PD225. The light-shielding film 231 can efficiently detect scattered light (Doppler-shifted light) from red blood cells in the moving capillary in the living tissue.

また、面入射PD225はワイヤ232により電極224に接続される。センサチップを上記のような形状のシリコン基板221と、カバー基板226とを用いる構成としたことにより、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。   The surface incident PD225 is connected to the electrode 224 by a wire 232. Since the sensor chip is configured to use the silicon substrate 221 having the shape as described above and the cover substrate 226, the functions of the light shielding plate and the protective cover glass in the sensor chip can be formed by a small number of processes, and the manufacturing cost is reduced. .

上記のセンサチップの動作を次に説明する。   The operation of the sensor chip will be described next.

半導体レーザ223に電極222から電流を注入すると半導体レーザ223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223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223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223の注入電流を制御する。半導体レーザ223から出射した光は、シリコン基板221上に配置したカバー基板226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226を通してフォトダイオードに入射する。   The semiconductor laser 223 is injected current from the electrode 222 oscillates the semiconductor laser 223. In order to oscillate the power as constant as possible, an auto power control photodiode (not shown) is arranged on the rear end face of the semiconductor laser 223 and the output of the semiconductor laser 223 is monitored so that the power is always constant. In addition, the injection current of the semiconductor laser 223 is controlled by a feedback circuit. Light emitted from the semiconductor laser 223 is irradiated to an external living tissue through a cover substrate 226 disposed on the silicon substrate 221. When this sensor chip is brought close to a living tissue such as skin, light scattering occurs, and the scattered light again enters the photodiode through the cover substrate 226.

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。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。
特開2004−229920号公報 特開2002−330936号公報 M.D.Stern: “In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering” Nature,col.254,pp.56-58(1975)
This scattered light includes interference components of scattered light from a stationary biological tissue and scattered light (Doppler-shifted light) from moving red blood cells in capillaries of the biological tissue. Therefore, the blood flow velocity can be obtained by frequency analysis of this signal. The experiment confirmed that a linear relationship was established between the fluid velocity and the Doppler shift frequency using a solution in which fine particles were dispersed in a fluid. 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.
JP 2004-229920 A JP 2002-330936 A MDStern: “In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering” Nature, col. 254, pp. 56-58 (1975)

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、面入射PDの部分において、不要散乱光を選択するための遮光膜が上下に形成されているカバー基板を必要としていた。このカバー基板の上側の遮光膜パターンは血流測定時において指などの生体組織に絶えず接触するため遮光膜パターンがはがれ易く、遮光が劣化し、測定の精度が低下するという欠点があった。   However, in order to actually use such a conventional blood flow meter, a cover substrate in which a light shielding film for selecting unnecessary scattered light is formed on the top and bottom in the surface incident PD portion is required. Since the light shielding film pattern on the upper side of the cover substrate is constantly in contact with a living tissue such as a finger during blood flow measurement, the light shielding film pattern is easily peeled off, and the light shielding is deteriorated and the measurement accuracy is lowered.

また、9.7度オフアクシスシリコン基板等の特殊な半導体基板を利用するため、高価な材料を用いていた。また、製造工程において、半導体基板にエッチング加工をする必要があり、製造コストがかかっていた。   Further, since a special semiconductor substrate such as a 9.7 degree off-axis silicon substrate is used, an expensive material is used. Further, in the manufacturing process, it is necessary to perform etching processing on the semiconductor substrate, which increases the manufacturing cost.

またさらに、シリコン基板上の凹部に電気配線パターンが到達することが必要であり、傾斜面の上に電気配線パターンを形成する必要があり、製作が困難で成功率が低く、しばしば断線することがあった。   Furthermore, it is necessary for the electrical wiring pattern to reach the concave portion on the silicon substrate, and it is necessary to form the electrical wiring pattern on the inclined surface, which is difficult to manufacture, has a low success rate, and often breaks. there were.

さらに、発光部と受光部のカバー基板が共通しているため、発光素子であるレーザから直接放射された光が、カバー基板内部を反射して、遮蔽膜の穴パターンを通過して受光素子である面入射PDに直接到達し、生体試料からの散乱光と干渉してノイズを引き起こすという欠点があった。   Furthermore, since the light emitting unit and the light receiving unit have a common cover substrate, light directly emitted from the laser, which is the light emitting element, reflects inside the cover substrate and passes through the hole pattern of the shielding film. There is a drawback in that it directly reaches a certain surface incident PD and interferes with scattered light from a biological sample to cause noise.

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、製作が容易で、低コスト、高精度化を実現した光学センサ及びセンサ部を提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides an optical sensor and a sensor unit that are easy to manufacture, realize low cost and high accuracy.

上記の課題は、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光学センサ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平面基板表面に形成した配線パターン上に配置し、前記発光素子と前記受光素子の各々を配線パターンと電気的に接続し、前記受光素子に不要散乱光を遮ることができる不透明材料で製作された遮光構造を配置するセンサ部であり、前記遮光構造は上面に穴が開いているキャップ形状であることを特徴とするセンサ部により解決できる。

The above-described problem is a sensor in an optical sensor 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 on a wiring pattern formed on the surface of the same plane substrate, the light emitting element and the light receiving element are electrically connected to the wiring pattern, and the light receiving element The sensor unit has a light shielding structure made of an opaque material capable of blocking unnecessary scattered light on the element, and the light shielding structure has a cap shape with a hole in the upper surface. it can.

また、本発明は、上記センサ部と、発光素子を駆動する回路と、センサ部から受信した信号を処理して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光学センサとして構成することもできる。   The present invention further includes 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 blood flow. It can also be configured as a featured optical sensor.

以上説明したように、本発明によれば、発光素子および受光素子を、電気配線パターンを施しただけの安価な平面の基板上に設置し、遮光枠または遮光キャップを設置することによりセンサ部を構成したため、不要散乱光を除去することができ、遮光膜パターンの劣化が無く、実装上の手間も不要で製作コストを低減した測定精度の高い光学センサを実現することができる。 As described above, according to the present invention, the light emitting element and the light receiving element are installed on an inexpensive flat substrate that is simply provided with an electrical wiring pattern, and the light shielding frame or the light shielding cap is disposed to thereby install the sensor unit. With this configuration, it is possible to realize an optical sensor with high measurement accuracy that can remove unnecessary scattered light, does not deteriorate the light-shielding film pattern, does not require mounting effort, and reduces manufacturing costs.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[第一の実施形態]
図1は、本発明の光学センサの第一の実施形態としての血流計の構成を示す図である。同図に示すように、本実施形態の血流計は、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1、受光した光を増幅する増幅器2、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3、求めた血流等を表示する出力部4を有する。
センサチップ1は半導体基板上に集積化されて形成されている。また、駆動/演算装置3は、A/D変換器5、LDドライバ6、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)7、電源供給部8、インターフェース9を有し、小型液晶ディスプレイ等の出力部4に接続される。駆動/演算装置3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。
[First embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a blood flow meter as a first embodiment of the optical sensor of the present invention. As shown in the figure, the blood flow meter of this embodiment includes a sensor chip 1 that receives scattered light reflected by irradiating light on a living tissue, an amplifier 2 that amplifies the received light, and a light emitting element (LD). It has a drive / arithmetic unit 3 for obtaining blood flow by driving and analyzing scattered light, and an output unit 4 for displaying the obtained blood flow and the like.
The sensor chip 1 is integrated on a semiconductor substrate. The drive / arithmetic apparatus 3 includes an A / D converter 5, an LD driver 6, a digital signal processor (DSP) 7 that performs an operation for obtaining a blood flow from the received signal, a power supply unit 8, and an interface 9. The output unit 4 is connected to a small liquid crystal display or the like. The drive / arithmetic apparatus 3 can be configured as an LSI as a whole, can be configured integrally with the sensor chip and the amplifier, and can be configured in a shape that can be easily mounted on a human body or the like.

なお、本実施形態では光学センサの例として血流計を挙げているが、本発明のセンサ部は血流計のみでなく、血圧計その他の光学センサに適用できる。   In this embodiment, a blood flow meter is used as an example of the optical sensor. However, the sensor unit of the present invention can be applied not only to a blood flow meter but also to a blood pressure monitor and other optical sensors.

次に本発明の第一の実施形態のセンサチップ1について図2、図3を用いて説明する。図2は第一の実施形態のセンサチップの上面図である。図3はその鳥瞰図である。絶縁性材料である酸化膜付シリコン基板11上に電気配線パターン12、13、14、15が形成され、電気配線パターン12はフォトダイオード用のアノード、電気配線パターン13はフォトダイオード用のカソードあり、微小信号検出のために増幅器(図示せず)へと接続されている。電気配線パターン15は半導体レーザ用のアノード、電気配線パターン14は半導体レーザ用のカソードであり、半導体レーザ用駆動回路(LDドライバ)へと接続される。   Next, the sensor chip 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a top view of the sensor chip of the first embodiment. FIG. 3 is a bird's eye view. Electrical wiring patterns 12, 13, 14, 15 are formed on a silicon substrate 11 with an oxide film, which is an insulating material. The electrical wiring pattern 12 is an anode for a photodiode, and the electrical wiring pattern 13 is a cathode for a photodiode. It is connected to an amplifier (not shown) for detecting minute signals. The electrical wiring pattern 15 is an anode for a semiconductor laser, and the electrical wiring pattern 14 is a cathode for a semiconductor laser, and is connected to a semiconductor laser driving circuit (LD driver).

電気配線パターン14の上にはんだ膜(図示せず)を介して発光素子である半導体レーザ16(面発光LD)が形成されている。同様に電気配線パターン13の上にはんだ膜(図示せず)を介して受光素子であるフォトダイオード17(面入射PD)が形成される。   A semiconductor laser 16 (surface emitting LD), which is a light emitting element, is formed on the electrical wiring pattern 14 via a solder film (not shown). Similarly, a photodiode 17 (surface incident PD) as a light receiving element is formed on the electric wiring pattern 13 via a solder film (not shown).

また、フォトダイオード17の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン12に接続される。ここはアノード(プラス極)に接続されている。   There is also an electrode on the upper surface of the photodiode 17 and connected to the electric wiring pattern 12 by wire bonding. This is connected to the anode (positive electrode).

さらに半導体レーザ16の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン15に接続され、ここにはレーザ用駆動回路(LDドラィバ)(図示せず)からのアノード(プラス極)から電流が注入される。さらに基板上には、発光素子から受光素子へ直接くる光を避けるためフォトダイオード17(面入射PD)を囲むように遮光枠18が設けられる。   Furthermore, an electrode is also provided on the upper surface of the semiconductor laser 16 and is connected to the electric wiring pattern 15 by wire bonding. Here, current is supplied from an anode (plus electrode) from a laser driving circuit (LD driver) (not shown). Injected. Further, a light shielding frame 18 is provided on the substrate so as to surround the photodiode 17 (surface incident PD) in order to avoid light coming directly from the light emitting element to the light receiving element.

すなわち、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)により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、遮光枠18を設けないと信号のS/N比が悪くなる。この遮光枠18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。   That is, the scattered light component intensity-modulated by scattered light (Doppler-shifted light) from the red blood cells in the capillaries received by the sensor chip is very weak, about several hundred pW. The S / N ratio becomes worse. In the absence of the light-shielding frame 18, the intensity of the weak Doppler-shifted scattered light component is buried and the blood flow velocity cannot be detected.

センサチップを上記のような酸化膜付シリコン基板と、その上のパターンと、遮光枠とを用いる構成にしたことにより、従来のセンサチップにおける複雑な形状をしたシリコン基板と遮光カバー基板の機能を安価な材料かつ少ない工程で形成でき、製造コストが安価となる。   The sensor chip is configured to use the silicon substrate with an oxide film as described above, a pattern on the silicon substrate, and a light shielding frame, so that the functions of the silicon substrate having a complicated shape and the light shielding cover substrate in the conventional sensor chip can be achieved. can be formed by inexpensive materials and fewer steps, manufacturing cost is inexpensive.

上記のセンサチップの動作を次に説明する。半導体レーザ16に電極15から電流を注入すると半導体レーザ16が発振する。半導体レーザ16から出射した光は、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、散乱光が遮蔽枠18を通してフォトダイオード17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。   The operation of the sensor chip will be described next. When a current is injected from the electrode 15 into the semiconductor laser 16, the semiconductor laser 16 oscillates. The light emitted from the semiconductor laser 16 is irradiated to an external living tissue. When this sensor chip is brought close to a living tissue such as skin, light scattering occurs, and the scattered light enters the photodiode 17 through the shielding frame 18. This scattered light includes interference components of scattered light from a stationary biological tissue and scattered light (Doppler-shifted light) from moving red blood cells in capillaries of the biological tissue. Therefore, the blood flow velocity can be obtained by frequency analysis of this signal. The experiment confirmed that a linear relationship was established between the fluid velocity and the Doppler shift frequency using a solution in which fine particles were dispersed in a fluid.

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。   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.

[第二の実施形態]
次に本発明の第二の実施形態について図4および図5を用いて説明する。図4は第二の実施形態のセンサチップのフォトダイオード側の部分の上面図であり、図5はその鳥瞰図である。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a top view of a portion of the sensor chip of the second embodiment on the photodiode side, and FIG. 5 is a bird's eye view thereof.

本実施形態においては、半導体レーザ側の部分は第一の実施形態と同様の構成とすることができる。本実施形態の基本的な構成は第一の実施形態と同様であるが、受光素子に対して発光素子から直接入射する光を遮蔽するために、遮光枠の変わりに遮光キャップ28を用いている。遮光キャップは直方体のキャップの上面に穴29が開いたものであり、遮光枠に比較して受光できる光量が少ないという短所があるが、背景からの光を遮蔽するために信号のS/N比が良くなるという長所がある。基本的動作は第一の実施形態と同様である。
[第三の実施形態]
次に本発明の第三の実施形態について図6および図7を用いて説明する。図6は第三の実施形態のセンサチップの半導体レーザ側の部分の上面図であり、図7はその鳥瞰図である。
In the present embodiment, the portion on the semiconductor laser side can have the same configuration as in the first embodiment. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but a light-shielding cap 28 is used instead of the light-shielding frame in order to shield light directly incident on the light-receiving element from the light-emitting element. . The light shielding cap has a hole 29 in the upper surface of the rectangular parallelepiped cap, and has a disadvantage that the amount of light that can be received is smaller than that of the light shielding frame. Has the advantage of improving. The basic operation is the same as in the first embodiment.
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a top view of a portion of the sensor chip of the third embodiment on the semiconductor laser side, and FIG. 7 is a bird's eye view thereof.

本実施形態においては、フォトダイオード側の部分は第一もしくは第二の実施形態と同様の構成とすることができる。本実施形態においては、基本的な構成は第一、第二の実施形態と同様であるが、発光素子に対して端面出射型半導体レーザ36を用いている点が異なる。   In the present embodiment, the portion on the photodiode side can have the same configuration as in the first or second embodiment. In this embodiment, the basic configuration is the same as that of the first and second embodiments, except that an edge emitting semiconductor laser 36 is used for the light emitting element.

また、端面出射されるレーザ光を垂直上方へと進行方向を変えるための90度折り曲げ鏡30が設置されている。この90度折り曲げ鏡30は直角二等辺三角形のプリズム柱の斜辺面に金属蒸着等で鏡面を形成したものである。面発光型の半導体レーザを用いた場合と比較して、90度折り曲げ鏡30を必要とするため部品点数が多くなりコスト増要因となるという短所があるが、端面出射型半導体レーザ36は選択可能な波長帯域が広く、また光通信用の高品質なレーザが使用でき、特に長寿命かつ安定な波長1.3μmの分布帰還レーザを使用することができるという利点がある。基本的動作は第一の実施形態と同様である。   Further, a 90-degree bending mirror 30 is installed for changing the traveling direction of the laser beam emitted from the end face vertically upward. The 90-degree bending mirror 30 is formed by forming a mirror surface on the oblique side of a prism column having a right isosceles triangle by metal vapor deposition or the like. Compared to the case of using a surface-emitting type semiconductor laser, the 90-degree bending mirror 30 is required, which increases the number of parts and causes a cost increase. However, the edge emitting semiconductor laser 36 can be selected. Therefore, there is an advantage that a high-quality laser for optical communication can be used, and a long-life and stable distributed feedback laser having a wavelength of 1.3 μm can be used. The basic operation is the same as in the first embodiment.

90度折り曲げ鏡30として、直角二等辺三角形のプリズム柱の他、図8(a)に示すように台形のプリズムを用いてもよい。更に、図8(b)に示すように五角形のプリズムを用いてもよい。台形プリズムは上部に平面部を設けることにより、実装時に真空ピンセット等での取り扱いが容易になるという長所がある。また、五角形プリズムは台形プリズムの長所に加え、鋭角部がないために欠けが生じにくいという長所がある。   As the 90-degree bending mirror 30, a trapezoidal prism may be used as shown in FIG. Further, a pentagonal prism may be used as shown in FIG. The trapezoidal prism has an advantage that it is easy to handle with vacuum tweezers or the like at the time of mounting by providing a flat portion on the top. In addition to the advantages of trapezoidal prisms, pentagonal prisms have the advantage that they are less prone to chipping because there are no sharp corners.

なお、プリズムの材料はガラスや溶融石英などが考えられるが、プラスチックで作製すれば射出成型の方法で大量生産が可能になるという利点がある。
[第四の実施形態]
次に本発明の第四の実施形態について図9および図10を用いて説明する。図9は第四の実施形態のセンサチップの上面図であり、図10は第四の実施の形態のセンサチップの鳥瞰図である。
In addition, although the material of a prism can consider glass, a fused silica, etc., if it produces with a plastic, there exists an advantage that mass production becomes possible by the method of injection molding.
[Fourth embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a top view of the sensor chip of the fourth embodiment, and FIG. 10 is a bird's-eye view of the sensor chip of the fourth embodiment.

このセンサチップは、絶縁性材料である酸化膜付シリコン基板41上に電気配線パターン42、43、45が形成され、電気配線パターン42はフォトダイオード用のアノードであり、微小信号検出のために増幅器(図示せず)へと接続されている。電気配線パターン43はフォトダイオード用および半導体レーザ用の共通のカソードであり、グラウンドへと接続される。電気配線パターン45は半導体レーザ用のアノードであり、半導体レーザ用駆動回路(LDドライバ)へと接続される。また、半導体レーザ用駆動回路(LDドライバ)および増幅器のカソードである電気配線パターン43は当然グラウンドに接続している。   In this sensor chip, electrical wiring patterns 42, 43, and 45 are formed on a silicon substrate 41 with an oxide film, which is an insulating material. The electrical wiring pattern 42 is an anode for a photodiode, and an amplifier for detecting a minute signal. (Not shown). The electric wiring pattern 43 is a common cathode for the photodiode and the semiconductor laser, and is connected to the ground. The electrical wiring pattern 45 is an anode for a semiconductor laser and is connected to a semiconductor laser driving circuit (LD driver). Also, the semiconductor laser drive circuit (LD driver) and the electrical wiring pattern 43 which is the cathode of the amplifier are naturally connected to the ground.

T字形となった電気配線パターン43の上にはんだ膜(図示せず)を介して発光素子である半導体レーザ46(面発光LD)が形成されている。同様に電気配線パターン43の上にはんだ膜(図示せず)を介して受光素子であるフォトダイオード47(面入射PD)が形成される。   A semiconductor laser 46 (surface emitting LD) which is a light emitting element is formed on a T-shaped electric wiring pattern 43 via a solder film (not shown). Similarly, a photodiode 47 (surface incident PD) as a light receiving element is formed on the electric wiring pattern 43 via a solder film (not shown).

半導体レーザ46の底面の電極とフォトダイオード47の底面の電極はともにカソード(マイナス極)であり、酸化膜付シリコン基板上の電気配線パターン43上にはんだ膜を介してボンディングされる。また、フォトダイオード47の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン42に接続される。ここはアノード(プラス極)に接続されている。さらに半導体レーザ46の上面にも電極があり、ワイヤボンディングによって、電気配線パターン45に接続され、ここにはレーザ用駆動回路(LDドラィバ)(図示せず)からのアノード(プラス極)から電流が注入される。   Both the electrode on the bottom surface of the semiconductor laser 46 and the electrode on the bottom surface of the photodiode 47 are cathodes (minus electrodes), and are bonded to the electric wiring pattern 43 on the silicon substrate with oxide film via a solder film. There is also an electrode on the upper surface of the photodiode 47, which is connected to the electric wiring pattern 42 by wire bonding. This is connected to the anode (positive electrode). Further, an electrode is also provided on the upper surface of the semiconductor laser 46, and is connected to the electric wiring pattern 45 by wire bonding. Here, current is supplied from an anode (plus electrode) from a laser driving circuit (LD driver) (not shown). Injected.

さらに酸化膜付シリコン基板上には、発光素子から受光素子へ直接くる光を避けるためフォトダイオード47(面入射PD)を囲むように遮光枠48が設けられる。基本的動作は第一の実施形態と同様である。
[第五の実施形態]
次に本発明の第五の実施形態について図11および図12を用いて説明する。図11は第五の実施形態のセンサチップのフォトダイオード側の部分の上面図であり、図12はその鳥瞰図である。
Further, a light shielding frame 48 is provided on the silicon substrate with an oxide film so as to surround the photodiode 47 (surface incident PD) in order to avoid light coming directly from the light emitting element to the light receiving element. The basic operation is the same as in the first embodiment.
[Fifth embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a top view of the photodiode side portion of the sensor chip of the fifth embodiment, and FIG. 12 is a bird's eye view thereof.

本実施形態においては、半導体レーザ側の部分は第四の実施形態と同様の構成とすることができる。本実施形態においては、基本的な構成は第四の実施形態と同様であるが、受光素子に対して発光素子から直接入射する光を遮蔽するために、遮光枠のかわりに遮光キャップ58を用いている。遮光キャップ58は直方体のキャップの上面に穴59が開いたものであり、遮光枠に比較して受光できる光量が少ないという短所があるが、信号のS/N比が良くなるという長所がある。基本的動作は第四の実施の形態と同様である。
[第六の実施形態]
次に本発明の第六の実施形態について図13および図14を用いて説明する。図13は第六の実施形態のセンサチップの半導体レーザ側の部分の上面図であり、図14はその鳥瞰図である。
In the present embodiment, the portion on the semiconductor laser side can be configured similarly to the fourth embodiment. In this embodiment, the basic configuration is the same as that of the fourth embodiment, but a light shielding cap 58 is used in place of the light shielding frame in order to shield light directly incident on the light receiving element from the light emitting element. ing. The light shielding cap 58 has a hole 59 formed in the upper surface of a rectangular parallelepiped cap, and has the disadvantage that the amount of light that can be received is smaller than that of the light shielding frame, but has the advantage that the signal S / N ratio is improved. The basic operation is the same as in the fourth embodiment.
[Sixth embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a top view of the semiconductor laser side portion of the sensor chip of the sixth embodiment, and FIG. 14 is a bird's-eye view thereof.

本実施形態においては、フォトダイオード側の部分は第四、第五の実施形態と同様の構成とすることができる。本実施形態においては、基本的な構成は第四、第五の実施形態と同様であるが、発光素子に対して端面出射型半導体レーザ66を用いている点が異なる。   In the present embodiment, the portion on the photodiode side can be configured similarly to the fourth and fifth embodiments. In this embodiment, the basic configuration is the same as that of the fourth and fifth embodiments, except that an edge emitting semiconductor laser 66 is used for the light emitting element.

端面出射されるレーザ光を垂直上方へと進行方向を変えるための90度折り曲げ鏡60が設置されている。この90度折り曲げ鏡60は直角二等辺三角形のプリズム柱の斜辺面に金属蒸着等で鏡面を形成したものである。面発光型の半導体レーザを用いた場合と比較して、90度折り曲げ鏡60を必要とするため部品点数が多くなりコスト増要因となるという短所があるが、端面出射型半導体レーザ66は選択可能な波長帯域が広く、また光通信用の高品質なレーザが使用でき、特に長寿命かつ安定な波長1.3μmの分布帰還レーザを使用することができるという利点がある。基本的動作は第四、第五の実施形態と同様である。   A 90-degree bending mirror 60 is installed to change the traveling direction of the laser beam emitted from the end face vertically upward. The 90-degree bending mirror 60 is formed by forming a mirror surface on the oblique side of a prism column having a right isosceles triangle by metal vapor deposition or the like. Compared to the case of using a surface-emitting type semiconductor laser, the 90-degree bending mirror 60 is required, which increases the number of parts and causes a cost increase. However, the edge emitting semiconductor laser 66 can be selected. Therefore, there is an advantage that a high-quality laser for optical communication can be used, and a long-life and stable distributed feedback laser having a wavelength of 1.3 μm can be used. The basic operation is the same as in the fourth and fifth embodiments.

また、第三の実施形態と同様に、90度折り曲げ鏡60として、直角二等辺三角形のプリズム柱の他、図8(a)に示した台形のプリズムを用いてもよい。更に、図8(b)に示した五角形のプリズムを用いてもよい。台形プリズムは上部に平面部を設けることにより、実装時に真空ピンセット等での取り扱いが容易になるという長所がある。また、五角形プリズムは台形プリズムの長所に加え、鋭角部がないために欠けが生じにくいという長所がある。   Similarly to the third embodiment, as the 90-degree bending mirror 60, a trapezoidal prism shown in FIG. 8A may be used in addition to a prism column having a right isosceles triangle. Further, a pentagonal prism shown in FIG. 8B may be used. The trapezoidal prism has an advantage that it is easy to handle with vacuum tweezers or the like at the time of mounting by providing a flat portion on the top. In addition to the advantages of trapezoidal prisms, pentagonal prisms have the advantage that they are less prone to chipping because there are no sharp corners.

なお、プリズムの材料はガラスや溶融石英などが考えられるが、プラスチックで作製すれば射出成型の方法で大量生産が可能になるという利点がある。   In addition, although the material of a prism can consider glass, a fused silica, etc., if it produces with a plastic, there exists an advantage that mass production becomes possible by the method of injection molding.

次に、本発明の実施形態の効果について説明する。図15は第一の実施形態の装置により測定された血流量のデータである。上方のグラフは本装置により測定された血流量の時間的な推移であり、下方のグラフは市販の標準的な血流計により同時に測定されたデータである。指に本装置を当て、手首を強く締めることによって阻血し、徐々に開放し、最後に完全に開放した場合の血流量を示している。本装置と、市販の標準的な装置とは非常によい一致を見せており、遜色がないことがわかる。   Next, effects of the embodiment of the present invention will be described. Figure 15 is a data in blood flow as measured by the apparatus of the first embodiment. The upper graph is the time transition of the blood flow measured by this apparatus, and the lower graph is the data simultaneously measured by a commercially available standard blood flow meter. This figure shows blood flow when the device is applied to a finger, blood is blocked by tightening the wrist strongly, gradually opened, and finally completely opened. This device and a commercially available standard device show a very good match, and it can be seen that there is no inferiority.

なお図15は第一の実施形態によるデータであるが、第二から第六の実施形態を用いても同様のデータを得ることができる。   Although FIG. 15 shows data according to the first embodiment, similar data can be obtained using the second to sixth embodiments.

また、第一から第六の実施形態において使用している基板は、熱酸化膜をつけて表面が絶縁体となった上に電極パターンを施したような平面のシリコン基板を用いたが、窒化膜を付されたシリコン基板や、ガラスエポキシ基板等の、絶縁体かつ表面に電極パターン形成可能な材質を用いても同様の効果を得ることができる。   In addition, the substrate used in the first to sixth embodiments is a silicon substrate having a planar surface in which a thermal oxide film is attached and the surface is an insulator and an electrode pattern is applied. The same effect can be obtained by using an insulator and a material capable of forming an electrode pattern on the surface, such as a silicon substrate provided with a film or a glass epoxy substrate.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible within the scope of the claims.

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。It is a diagram showing a configuration of a blood flow meter according to an embodiment of the present invention. 本発明における第一の実施形態のセンサチップの上面図である。It is a top view of the sensor chip of a first embodiment in the present invention. 本発明における第一の実施形態のセンサチップの鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of a sensor chip of the first embodiment of the present invention. 本発明における第二の実施形態のセンサチップの上面図である。It is a top view of the sensor chip of a second embodiment in the present invention. 本発明における第二の実施形態のセンサチップの鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the sensor chip of the second embodiment of the present invention. 本発明における第三の実施形態のセンサチップの上面図である。It is a top view of the sensor chip of 3rd embodiment in this invention. 本発明における第三の実施形態のセンサチップの鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the sensor chip of the third embodiment of the present invention. 第三及び第六の実施形態における90度折り曲げ鏡の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the 90 degree | times bending mirror in 3rd and 6th embodiment. 本発明における第四の実施形態のセンサチップの上面図である。It is a top view of a sensor chip according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明における第四の実施形態のセンサチップの鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the sensor chip of the fourth embodiment of the present invention. 本発明における第五の実施形態のセンサチップの上面図である。It is a top view of the sensor chip of 5th embodiment in this invention. 本発明における第五の実施形態のセンサチップの鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the sensor chip of the fifth embodiment of the present invention. 本発明における第六の実施形態のセンサチップの上面図である。It is a top view of the sensor chip of 6th embodiment in this invention. 本発明における第六の実施形態のセンサチップの鳥瞰図である。It is a bird's-eye view of the sensor chip of the sixth embodiment of the present invention. 本発明における第一の実施形態のセンサチップを用いて測定した血流量データを示す図であり(a)は本実施形態の装置により測定したデータ、(b)は同時測定した市販品によるデータである。It is a figure which shows the blood flow data measured using the sensor chip of 1st embodiment in this invention, (a) is the data measured with the apparatus of this embodiment, (b) is the data by the commercial item measured simultaneously. is there. 従来の血流計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。It is a figure which shows the sensor chip of the conventional blood flow meter, (a) is a top view, (b) is AA 'sectional drawing. (a)は従来の血流計のセンサチップにおける発光素子を含む部分の断面図、(b)は従来の血流計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。(A) is sectional drawing of the part containing the light emitting element in the sensor chip of the conventional blood flow meter, (b) is sectional drawing of the part containing the light receiving element in the sensor chip of the conventional blood flow meter. 従来の血流計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。It is a figure which shows the sensor chip of the conventional blood flow meter, (a) is a top view, (b) is AA 'sectional drawing. (a)は従来の血流計のセンサチップにおける発光素子を含む部分の断面図、(b)は従来の血流計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。(A) is sectional drawing of the part containing the light emitting element in the sensor chip of the conventional blood flow meter, (b) is sectional drawing of the part containing the light receiving element in the sensor chip of the conventional blood flow meter.

符号の説明Explanation of symbols

1 センサチップ
2 増幅器
3 駆動/演算装置
4 出力部
5 A/D変換器
6 LDドライバ
7 デジタル信号プロセツサ(DSP)
8 電源供給部
9 インターフェース
11 基板
12〜15 電気配線パターン
17 フォトダイオード(面入射PD)
18 遮光枠
21 基板
22、23 電気配線パターン
28 遮光キャップ
29 穴
31 基板
34、35 電気配線パターン
36 半導体レーザ(端面発光LD)
30 90度折曲鏡
41 基板
42〜45 電気配線パターン
46 半導体レーザ(面発光LD)
47 フォトダイオード(面入射PD)
48 遮光枠
51 基板
52、53 電気配線パターン
58 遮光キャップ
59 穴
61 基板
63、65 電気配線パターン
66 半導体レーザ(端面発光LD)
60 90度折曲鏡
121 シリコン基板
122、124 電極
125 面入射PD
126 カバー基板
127 遮光膜
128 ミラー用金属膜
129 ワイヤ
161 面発光LD
162 屈折レンズ
221 シリコン基板
222 電極
223 端面発光LD
224 電極
225 面入射PD
226 カバー基板
227 遮光膜
228 ミラー用金属膜
229 ワイヤ
230 バイナリレンズ
231 遮光膜
232 ワイヤ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor chip 2 Amplifier 3 Drive / arithmetic unit 4 Output part 5 A / D converter 6 LD driver 7 Digital signal processor (DSP)
8 Power supply unit 9 Interface 11 Substrate 12 to 15 Electric wiring pattern 17 Photodiode (surface incident PD)
18 Light-shielding frame 21 Substrate 22, 23 Electrical wiring pattern 28 Light-shielding cap 29 Hole 31 Substrate 34, 35 Electrical wiring pattern 36 Semiconductor laser (edge emitting LD)
30 90 degree bending mirror 41 Substrate 42-45 Electric wiring pattern 46 Semiconductor laser (surface emitting LD)
47 Photodiode (surface incident PD)
48 Light shielding frame 51 Substrate 52, 53 Electric wiring pattern 58 Light shielding cap 59 Hole 61 Substrate 63, 65 Electric wiring pattern 66 Semiconductor laser (end surface emitting LD)
60 90-degree bending mirror 121 Silicon substrate 122, 124 Electrode 125 Surface incidence PD
126 Cover substrate 127 Light shielding film 128 Metal film for mirror 129 Wire 161 Surface emitting LD
162 Refractive lens 221 Silicon substrate 222 Electrode 223 End-emitting LD
224 electrode 225 surface incident PD
226 Cover substrate 227 Shielding film 228 Mirror metal film 229 Wire 230 Binary lens 231 Shielding film 232 Wire

Claims (8)

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光学センサ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平面基板表面に形成した配線パターン上に配置し、前記発光素子と前記受光素子の各々を配線パターンと電気的に接続し、前記受光素子に不要散乱光を遮ることができる不透明材料で製作された遮光構造を配置するセンサ部であり、
前記遮光構造は上面に穴が開いているキャップ形状であることを特徴とするセンサ部
A sensor unit in an optical sensor that emits light emitted from a light emitting element toward an external biological tissue, receives scattered light from the biological tissue with a light receiving element, and measures a value related to blood flow in the biological tissue,
Each of the light emitting element and the light receiving element is disposed on a wiring pattern formed on the surface of the same plane substrate, and each of the light emitting element and the light receiving element is electrically connected to the wiring pattern, and unnecessary scattered light is transmitted to the light receiving element. a sensor unit for arranging the fabricated light shielding structure of an opaque material which can be blocked and
The sensor part according to claim 1, wherein the light shielding structure has a cap shape with a hole in an upper surface .
前記基板は非導電性材料で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のセンサ部。   The sensor unit according to claim 1, wherein the substrate is made of a non-conductive material. 前記基板は非導電性材料が表面に形成された半導体基板であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ部。   The sensor unit according to claim 1, wherein the substrate is a semiconductor substrate having a non-conductive material formed on a surface thereof. 前記発光素子として面発光半導体レーザを用いることを特徴とする請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部。 Sensor unit according to any one of claims 1 to 3, characterized by using a surface emitting semiconductor laser as the light emitting element. 前記受光素子として面入射フォトダイオードを用いることを特徴とする請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部。 Sensor unit according to any one of claims 1 to 4, characterized by using a surface illuminated photodiode as the light receiving element. 前記発光素子として端面発光半導体レーザを用いることを特徴とする請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部。 Sensor unit according to any one of claims 1 to 3, wherein the use of edge-emitting semiconductor laser as the light emitting element. 前記センサ部は前記端面発光半導体レーザから出射された光の進行方向を変えるための光折り曲げ鏡を備え、
当該光折り曲げ鏡は三角形プリズム、台形プリズム、又は五角形プリズムを用いて形成されていることを特徴とする請求項に記載のセンサ部。
The sensor unit includes an optical bending mirror for changing a traveling direction of light emitted from the edge emitting semiconductor laser,
The sensor unit according to claim 6 , wherein the light folding mirror is formed using a triangular prism, a trapezoidal prism, or a pentagonal prism.
請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部と、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ことを特徴とする光学センサ。 A sensor unit according to any one of claims 1 to 7 , a circuit for driving the light emitting element, a digital signal processor for processing a signal received from the sensor unit and calculating a value relating to the blood flow; An optical circuit comprising: an integrated circuit comprising:
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