DE112007000644B4

DE112007000644B4 - Analysierelement und mit diesem versehene Analysevorrichtung

Info

Publication number: DE112007000644B4
Application number: DE112007000644.7T
Authority: DE
Inventors: Kiichi Hamamoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2027-03-17
Also published as: US8917959B2; DE112007000644T5; JPWO2007108214A1; JP5444711B2; US20090103852A1; WO2007108214A1

Abstract

Analyseelement, umfassend:eine Probenkammer (11), in die eine gasförmige oder flüssige Probe eingeführt wird;einen Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103), der angrenzend an die Probenkammer (11) angeordnet ist, um Detektionslicht zum Detektieren der Probe zu führen; undeinen Detektionslicht-Eintrittsbereich (13) zum Zuführen des Detektionslichtes von einer Stirnfläche des Detektionslicht-Wellenleiters (12a, 12b, 103) in den Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103), wobei sich das Detektionslicht in einer Richtung längs des Detektionslicht-Wellenleiters (12a, 12b, 103) fortpflanzt,wobei der Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) eine freiliegende Oberfläche aufweist, die in der Probenkammer (11) freiliegend ist, dadurch gekennzeichnet, dassder Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) einen ersten und einen zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) umfasst, die parallel zueinander unter Zwischenfügung der Probenkammer (11) angeordnet sind und wobei die Probenkammer (11) zwischen dem ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) angeordnet ist, wobei das Analyseelement (10) weiterhin eine Wellenleiterstruktur aufweist, welche umfasst:ein Substrat (201),und eine Mesa (205, 601), die aus mehrfachen Schichten besteht, nämlich einer unteren Ummantelungsschicht (202), einer Kernschicht (203) und einer oberen Ummantelungsschicht (204), die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat (201) übereinander angeordnet sind,wobei die Kernschicht (203) den Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) darstellt, und der Raum angrenzend an die Mesa (205, 601) die Probenkammer (11) bildet, und bei der eine Seitenfläche der Kernschicht (203) zum Inneren der Probenkammer (11) hin freiliegt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Analysierelement, welches eine gasförmige oder flüssige Probe analysiert, und eine mit dem Analysierelement versehene Analysevorrichtung.
STAND DER TECHNIK
In letzter Zeit hat der Fortschritt der medizinischen Forschung zu einem GesundheitsDiagnose-Verfahren geführt, welches auf die im menschlichen Atem enthaltenen Bestandteile bezieht. Zum Beispiel ist für viszerale Erkrankungen (Erkrankungen der Verdauungsorgane) an einer Diagnose auf der Basis einer Analyse der Ausatemluft geforscht worden, um festzustellen, welche Gasbestandteile gemäß dem jeweiligen Typ der viszeralen Erkrankung vorliegen. Im Gegensatz zu einem Bluttest an einem Patienten (Testperson) unter Verwendung einer Spritzennadel oder dergleichen, verursacht eine Analyse der Ausatemluft keinen körperlichen Stress für einen Patienten (Testperson), und die Aufnahme einer Probe ist einfach. Zum Beispiel wird ein Verfahren zur Analyse des Pylori-Bazillus im Magen mittels eines Massenspektrometers bereits kommerziell als medizinische Diagnosetechnik angewendet. Gemäß neueren Forschungen ist anerkannt, dass die Ausatemluft viele Gesundheitsinformationen enthält. Es ist deshalb zu erwarten, dass die Analyse der Ausatemluft sich durchsetzen und große Fortschritte machen wird.
Es wird ferner erwartet, dass auch eine Technik zum Analysieren von kleinsten Flüssigkeitsbestandteilen im Blut oder dergleichen Fortschritte machen wird. Eine solche Technik ist nicht auf biologische Proben beschränkt. Zum Beispiel wurden Techniken zum Messen von kleinsten Gasbestandteilen in der Atmosphäre Luft aktiv entwickelt.

[Patentdokument 1]: Japanische offengelegte Patentveröffentlichung JP 2005 - 300 212 A
[Patentdokument 2]: Japanische offengelegte Patentveröffentlichung JP H06- 281 568 A
[Nicht-Patent-Dokument 1]: Manfred Murtz, Optics & Photonics News, Vol. 16, Nr. 1, pp. 30-35 (2005)

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgaben der Erfindung
Verfahren zur Analyse der Ausatemluft mittels kommerziell erhältlicher Massenspektrometer erfordern eine beträchtliche Zeit für das Auffangen der Ausatemluft und deren Analyse. Die derzeitigen Analyseverfahren für Ausatemluft sind nicht solche, die eine Messung und Diagnose sofort an Ort und Stelle durchführen können. Es ist jedoch kürzlich durch das Nicht-Patent-Dokument 1 ein Verfahren beschrieben worden, welches in der Lage ist, Online-Messungen der Ausatemluft in Realzeit unter Verwendung von IR-Transmissions/Absorptions-Spektroskopie durchzuführen. Bei der IR-Transmissions/Absorptions-Spektroskopie erfolgt die IR-Absorption in kleinsten Gasbestandteilen, die in der Ausatemluft enthalten sind, und es werden die Transmission und die Absorption der absorbierten Lichtwellenlängen an den zu testenden kleinsten Gasbestandteilen gemessen. Gemäß diesem Verfahren kann selbst bei kleinsten Gasmengen in der Größenordnung von ppb bis ppm die Art und die Menge der Gasbestandteile augenblicklich gemessen werden.
Die derzeitige technische Entwicklungsstufe des Verfahrens der IR-Absorptionsmessung entspricht lediglich einem Laboratoriumsaufbau. Auf einem Labortisch sind sowohl optische Teile wie eine Laserquelle und optische Elemente, als auch eine sogenannte „Gaszelle“ aufgebaut, die im Allgemeinen eine Länge von mehreren Dutzend Zentimetern aufweist (gemäß dem Nicht-Patent-Dokument 1 sind es 50 cm) und das mittels IR-Absorption zu prüfende Gas enthält. Bei dieser Messvorrichtung besteht das Problem, dass sie nicht tragbar ist, um sie leicht an den jeweiligen medizinischen Anwendungsort zu transportieren. Weiterhin sind aus den Dokumenten US 2003/0232381 A1 , JP H06-281568 A , JP 2003-279474 A , und JP 2002-148187 A Vorrichtungen und Verfahren zur Detektion von kleinen Mengen chemischer Substanzen mit Hilfe von Lichtleitern bekannt.
Eine durch die vorliegende Erfindung gelöste Aufgabe bezieht sich daher auf die Form eines aus Atemluft-Analysesystems für Online-Messungen, und insbesondere auf die Größe der Gaszelle, die bisher das Tragen der Vorrichtung schwierig macht.
Zusätzlich wird bei der vorliegenden Erfindung die prinzipielle Verwendung der Transmissions/Absorptions-Spektroskopie für infinitesimal kleine Gas- oder Flüssigkeitsproben angestrebt. In Patentdokument 1 wird zwar eine andere Spektroskopie, nämlich die Totalreflektions/Absorptions-Spektroskopie (abgeschwächte Totalreflektionsverfahren (ATR)) verwendet, jedoch offenbart das Dokument ein Verfahren zur Erzielung von kleinen Abmessungen durch Verwendung eines Lichtwellenleiters als Detektionselement für die vorstehend erwähnte Totalreflektions/AbsorptionsSpektroskopie offenbart.
In Patentdokument 1 ist eine zu testende Vorrichtung (DUT) beschichtet, anstelle eine obere Ummantelung des Lichtwellenleiters aufzuweisen. Die DUT wird als Teil des Lichtwellenleiters betrieben unter Ausnützung des Brechungsindex der DUT, und somit wird das über die DUT verteilte Licht absorbiert. Hierdurch kann die Totalreflektions/Absorptions-Spektroskopie durchgeführt werden.
Das Verfahren ist wirksam für ein Material, das einen Brechungsindex aufweist und beschichtet werden kann. Handelt es sich hingegen bei dem Messobjekt, wie bei der vorliegenden Erfindung, um kleinste Gasmengen, dann tritt eine Ungleichförmigkeit der Lichtverteilung in Schichtrichtung auf, und Licht kann leicht von dem Substrat abgestrahlt werden. Ferner besteht das Problem, dass ein stabiler Zustand der Lichtausbreitung je nach der Struktur nicht leicht hergestellt werden kann. Wenn ferner das Verfahren zum Herstellen eines konkreten Lichtwellenleiters betrachtet wird, ist die Kernschicht an einer Oberfläche derselben direkt freiliegend. Obwohl somit das Verfahren leicht an ein Herstellungsverfahren angepasst werden kann, besteht das Problem, dass ein großer Verlust an Wellenleitung aufgrund kleiner Kratzer oder dergleichen auftreten kann, was leicht an das Herstellungsverfahren angepasst werden kann.
Das Patentdokument 2 offenbart eine Flüssigbestandteil-Analysiervorrichtung, die eine Totalreflexions-Absorptionsspektroskopie (ATR-Verfahren) verwendet. Wie in der 1 des Patentdokuments 2 gezeigt, wird in der Analysiervorrichtung ein Detektionslicht von einer Seitenfläche eines Detektionslicht-Wellenleiters eingeführt und breitet sich durch einen inneren Teil eines Wellenleiters nach Art der Totalreflexion aus. Da jedoch bei dem Verfahren das abklingende Licht nur an Positionen an einer Grenzfläche des Lichtwellenleiters, wo das Licht total reflektiert wird, absorbiert wird, ist es schwierig, eine ausreichende Messempfindlichkeit zu erhalten. Da zusätzlich der Eintrittswinkel sehr begrenzt ist, besteht das Problem, dass es schwierig ist, den Eintrittswinkel und den Austrittswinkel des Lichts zu bestimmen. Zusätzlich hat die in dem Patentdokument 2 offenbarte Totalreflexions-Absorptionsspektroskopie (ATR-Verfahren) die folgenden Probleme.

(1) Da nur eine Seite des Lichtwellenleiters verwendet wird, ist die Absorptionsmenge gering.
(2) Da der Totalreflexionswinkel sich gemäß dem Brechungsindex einer Probe stark ändert, ist das Einführen des Lichts in einem schrägen Winkel unter Verwendung der Reflexion einer IR-Licht emittierenden Diode (LED) gestaltet. Daher kann bei einigen Proben die Bedingung der Totalreflexion nicht erzielt werden.
(3) Das Messergebnis kann durch eine Änderung des effektiven Brechungsindex der Probe leicht beeinflusst werden. Daher tritt, wenn die Probe gleichförmig in eine Probenkammer von gleicher Dicke gezogen wird, ein übermäßiger Verlust (Streuverlust oder dergleichen) auf, was für eine hochempfindliche Messung nicht geeignet ist.

Aus diesen Gründen können die bekannten Beispiele unter Verwendung des Lichtwellenleiters keine Lichtwellenleiter-Konstruktion bereitstellen, die als eine Probenzelle verwendet werden kann und für das Detektieren einer infinitesimal kleinen Gas- oder Flüssigkeitsmenge geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung dient zum Implementieren eines Analysierelements und einer Analysiervorrichtung mit einer kleinen Größe und die einen Gas- oder Flüssigkeitsbestandteil mit hoher Genauigkeit messen kann.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Analyseelement vorgesehen, das umfasst: eine Probenkammer, in die eine gasförmige oder flüssige Probe eingeführt wird; einen Detektionslicht-Wellenleiter, der angrenzend an die Probenkammer angeordnet ist, um Detektionslicht zum Detektieren einer Probe zu führen; und einen Detektionslicht-Eintrittsbereich zum Einführen des Detektionslichts, welches sich in einer Richtung längs des Detektionslicht-Wellenleiters fortpflanzt, in die Detektionslicht-Wellenleiter von der Stirnfläche der Detektionslicht-Wellenleiter, wobei der Detektionslicht-Wellenleiter eine freiliegende Oberfläche aufweist, die in der Probenkammer freiliegend ist.
Bei einem bekannten Verfahren, bei dem Detektionslicht durch die Probenzelle übertragen wird, muss die Zelle eine hohle Konstruktion haben, um die Probe zu enthalten. Da das Detektionslicht durch den hohlen Teil übertragen wird, ist es schwierig, die Richtung des Wellenleiters zu ändern.
Das Analysierelement gemäß der vorliegenden Erfindung hat dagegen eine Konstruktion, bei der die Lichtwellenleiter, durch welche sich das Detektionslicht ausbreitet, und die Zelle, welche die Probe enthält, voneinander getrennt sind. Wenn in der Zelle eine Probe vorhanden ist, wird Streulicht, das aus den Lichtwellenleitern leckt, absorbiert, sodass die Lichtintensität des sich durch die Lichtwellenleiter ausbreitenden Lichts gesenkt ist. Aus dem Messergebnis der Verminderung der Lichtintensität kann die Probe qualitativ und quantitativ analysiert werden.
Da die vorliegende Erfindung ein derartiges Analyseverfahren verwendet, ist es möglich, ein Analysierelement mit kleiner Baugröße zu verwirklichen und eine Probe bestehend aus einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Gemisch davon exakt zu messen.
Da zusätzlich der Lichtwellenleiter mit beispielsweise einer Halbleiterstapelstruktur, einem Polymer, einem anorganischen Material oder dergleichen aufgebaut sein kann, ist es möglich, die Richtung des Wellenleiters beliebig zu ändern unter Verwendung einer Konstruktion, die mit einem gekrümmten Lichtwellenleiter verbunden ist. Daher kann der Wellenleiter in einen begrenzten Bereich mit hoher Dichte integriert werden, sodass es möglich ist, eine lange optische Weglänge sicherzustellen.
Da zusätzlich in dem Element gemäß der vorliegenden Erfindung das Detektionslicht so gestaltet ist, dass es von der Stirnfläche des Detektionslicht-Wellenleiters eingeführt wird und sich in einer Richtung entlang dem Detektionslicht-Wellenleiter fortpflanzt, kann eine ausreichende Messempfindlichkeit implementiert werden. Bei einer herkömmlichen Totalreflexions-Absorptionsspektroskopie (abgeschwächtes Totalreflexions-(ATR)-Verfahren) wird das Detektionslicht von einer Seitenfläche des Detektionslicht-Wellenleiters eingeführt und breitet sich durch einen inneren Teil des Lichtwellenleiters nach Art der Totalreflexion aus. Da bei diesem Verfahren das Streulicht nur an Positionen an einer Grenzfläche des Lichtwellenleiters, wo das Licht total reflektiert wird, absorbiert wird, ist es schwierig, eine ausreichende Messempfindlichkeit zu erhalten. Da zusätzlich der Eintrittswinkel sehr begrenzt ist, besteht das Problem, dass es schwierig ist, den Eintrittswinkel und den Austrittswinkel des Lichts zu bestimmen. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Probleme gelöst, sodass eine ausreichende Messgenauigkeit erzielt werden kann.
Der Detektionslicht-Wellenleiter kann beispielsweise so angeordnet werden, dass er sich in einer vorbestimmten Richtung erstreckt. Zusätzlich kann die freiliegende Fläche in Form eines Bandes ausgebildet sein, das den Detektionslicht-Wellenleiter umgibt.
Bei der vorliegenden Erfindung umfasst der Detektionslicht-Wellenleiter erfindungsgemäß einen ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Probenkammer dazwischen eingefügt ist, wobei die Probenkammer zwischen den ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleitern angeordnet ist. Hierdurch wird die Lichtintensität, die in der Probenkammer verteilt wird, erhöht, sodass es möglich ist, die Analyse mit höherer Genauigkeit durchzuführen. In diesem Fall kann vorzugsweise jede der freiliegenden Flächen des ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiters einander gegenüberliegend mit dazwischen eingefügter Probenkammer angeordnet sein. Wenn zusätzlich die Summe der Breiten der ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter durch D ausgedrückt ist, kann das Intervall zwischen den ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleitern vorzugsweise D oder kleiner, insbesondere D/2 oder kleiner sein. Hierdurch ist es möglich, die Lichtintensitätsverteilung in der Probenkammer weiter zu erhöhen. Obwohl der erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter hier die Form einer geraden Linie oder einer Kurve haben können, ist es vorzuziehen, dass der erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter parallel zueinander mit einem vorgegebenen Trennabstand angeordnet sind. Insbesondere ist es vorzuziehen, dass der erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter die Form einer geraden Linie haben und parallel zueinander angeordnet sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Analysierelement eine Lichtwellenleiterstruktur auf, welche umfasst: ein Substrat; und eine Mesa, die aus mehrfachen Schichten besteht, nämlich einer unteren Ummantelungsschicht (optische Ummantelungsschicht, gleichbedeutend mit engl. „cladding“), einer Kernschicht und einer oberen Ummantelungsschicht, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat übereinander angeordnet sind, wobei die Kernschicht den Detektionslicht-Wellenleiter darstellt, und der Raum angrenzend an die Mesa die Probenkammer bildet, und wobei eine Seitenfläche der Kernschicht zum Inneren der Probenkammer hin freiliegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Analysierelement geschaffen, das umfasst: einen Detektionslicht-Eintrittsbereich, an dem Detektionslicht eingeführt wird; einen optischen Teiler, der das eingeführte Detektionslicht teilt; einen Detektor, zu dem das geteilte Detektionslicht geführt wird; einen optischen Koppler, der den Detektionslicht-Ausgang von dem Detektor ankoppelt; und einen Detektionslicht-Ausgangsbereich, an dem das gekoppelte Detektionslicht austritt, wobei der Detektor eine Probenkammer aufweist, in welche eine gasförmige oder flüssige Probe eingeführt wird, und einen ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter, die parallel zueinander unter Zwischenfügung der Probenkammer angeordnet sind, wobei der erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter jeweils eine freiliegende Oberfläche aufweist, die zum Inneren der Probenkammer hin freiliegend ist, und wobei das Detektionslicht, das sich in der Richtung längs der Detektionslicht-Wellenleiter fortpflanzt, in den Detektionslicht-Eintrittsbereich eingegeben wird.
Das Analysierelement hat erfindungsgemäß ferner eine Lichtwellenleiterstruktur, die umfasst: ein Substrat; und eine erste und zweite Mesa, von denen jede aus mehrfachen Schichten aufgebaut ist, nämlich einer unteren Ummantelungsschicht (cladding), einer Kernschicht und einer oberen Ummantelungsschicht, die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat übereinandergeschichtet sind, wobei die erste und zweite Mesa parallel zueinander angeordnet sind, die Kernschichten der ersten und zweiten Mesa als erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter dienen und der Raum zwischen der ersten und zweiten Mesa die Probenkammer bildet, und eine Seitenfläche jeder der Kernschichten zum Inneren der Probenkammer hin freiliegt.
Das Analysierelement kann eine erste und eine zweite Einheit aufweisen, von denen jede mit dem Detektor, dem optischen Teiler und dem optischen Koppler konstruiert ist, wobei die erste und zweite Einheit optisch miteinander verbunden sind, und wobei der Detektionslicht-Wellenleiter in der ersten Einheit und der Detektionslicht-Wellenleiter in der zweiten Einheit unterschiedliche Lichtführungsrichtungen haben.
In diesem Fall können die erste und die zweite Einheit miteinander durch einen gekrümmten Wellenleiter verbunden sein. Zusätzlich können die beiden Detektionslicht-Wellenleiter in der ersten und zweiten Einheit die Form einer Geraden haben und parallel zueinander angeordnet sein. Zusätzlich kann die erste und zweite Einheit je einen ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter aufweisen, die parallel zueinander, unter Zwischenfügung der Probenkammer, angeordnet sind.
Bei der vorliegenden Erfindung können der Detektionslicht-Eintrittsteil und der Detektionslicht-Austrittsteil einen Spiegel aufweisen und jeder der Spiegel kann so konstruiert sein, dass er einen Teil des Detektionslichts reflektiert und den Rest durchlässt. Hierdurch ist es möglich, die Analyse mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Zusätzlich kann eine quantitative Analyse auf der Grundlage der Abschwächungsrate des Lichtausgangs durchgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Analysiervorrichtung vorgesehen, die eine Lichtquelle, einen Analysator, an dem Licht von der Lichtquelle eintritt, und einen Photodetektor, der den Lichtausgang des Analysators detektiert, aufweist, wobei der Analysator das vorstehende Analysierelement aufweist und wobei die Probe auf der Grundlage des Verhältnisses des dem Analysator des Analysierelements eingeführten Lichts und der Intensität des aus dem Analysator austretenden Lichts erfolgt.
In der vorliegenden Erfindung kann der Analysator ferner einen Sammler für Ausatemluft aufweisen, der Ausatemluft sammelt und die Ausatemluft in die Probenkammer zieht. Hierdurch ist es möglich, ein Analysierelement zu realisieren, das die Ausatemluft schnell und exakt analysieren kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Analysierelemente, Analysiervorrichtungen und Systeme mit den folgenden Konstruktionen vorgesehen.

(A) Ein Analysierelement mit einer Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ mit einem Aufbau, bei dem ein Eintrittslicht-Wellenleiter, ein optischer Koppler/Teiler-Wellenleiter, ein Gasdetektionslicht-Wellenleiter, ein gekrümmter Wellenleiter und ein Austrittslicht-Wellenleiter auf einem Substrat integriert sind.
(B) Das Analysierelement gemäß (A), bei dem der Gasdetektionslicht-Wellenleiter eine Wellenleiterstruktur aufweist, bei der eine erste Ummantelungsschicht, eine Kernschicht und eine zweite Ummantelungsschicht auf dem Substrat übereinander angeordnet sind, wobei die Kernschicht an einer Position angeordnet ist, die räumlich höher als der Boden des Substrats liegt, und wobei die Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ einen Aufbau hat, bei dem eine Mehrzahl der Gasdetektionslicht-Wellenleiter nebeneinanderliegend ausgerichtet sind.
(C) Das Analysierelement gemäß (B), bei dem die Stirnflächen sowohl der Eintrittslicht-Wellenleiter als auch der Austrittslicht-Wellenleiter mit hochreflektierenden Spiegeln ausgebildet sind.
(D) Ein Analysierelement mit einer Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ mit einem Aufbau, bei dem ein Eintrittslicht-Wellenleiter, ein optischer Verstärker, ein optischer Koppler/Teiler-Wellenleiter, ein Gasdetektionslicht-Wellenleiter, ein gekrümmter Lichtwellenleiter und ein Austrittslicht-Wellenleiter auf einem Substrat integriert sind.
(E) Das Analysierelement gemäß (D), bei dem der Gasdetektionslicht-Wellenleiter eine Lichtwellenleiterstruktur hat, bei der eine erste Ummantelungsschicht, eine Kernschicht und eine zweite Ummantelungsschicht auf dem Substrat übereinander angeordnet sind, wobei die Kernschicht an einer Position angeordnet ist, die höher als der Boden des Substrats liegt, und wobei die Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ eine Struktur hat, bei der eine Mehrzahl der Gasdetektionslicht-Wellenleiter nebeneinanderliegend ausgerichtet sind.
(F) Das Analysierelement gemäß (E), bei dem die Stirnflächen sowohl der Eintrittslicht-Wellenleiter als auch der Austrittslicht-Wellenleiter hochreflektierende Spiegel sind.
(G) Gasanalysiervorrichtung mit einem Analysierelement gemäß (A) bis (F) in Form einer Gaszelle.
(H) Ausatemluft-Analysiervorrichtung mit dem Analysierelement gemäß (A) bis (F) in Form einer Gaszelle.
(I) Gasanalysesystem, bei dem die Gasanalysiervorrichtung gemäß (G) mit einem Computer verbunden ist, wodurch durch die Gasanalysiervorrichtung erhaltene Daten über die Gaszusammensetzung analysiert werden.
(J) Gasanalysesystem, bei dem die Gasanalysiervorrichtung gemäß (G) und ein Computer an ein Netz angeschlossen sind, wodurch die Analyse auf der Grundlage der von der Gasanalysiervorrichtung erhaltenen Gaszusammensetzungsdaten durchgeführt wird.
(K) Gasanalysesystem gemäß (I), welches in einem Mobilfunktelefon untergebracht ist.
(L) Ein Ausatemluft-Analysen-Diagnosesystem, bei dem die Ausatemluft-Analysiervorrichtung gemäß (H) mit einem Computer verbunden ist, um eine Gesundheitsdiagnose auf der Grundlage der von der Ausatemluft-Analysiervorrichtung analysierten Luftzusammensetzungsdaten durchzuführen.
(M) Ein Ausatemluft-Analyse-Diagnosesystem, bei dem die Ausatemluft-Analysiervorrichtung gemäß (H) und ein Computer an ein Netzwerk angeschlossen sind, um dadurch eine Gesundheitsdiagnose auf der Grundlage der von der Ausatemluft-Analysiervorrichtung analysierten Luftzusammensetzungsdaten durchzuführen.
(N) Ausatemluft-Analyse-Diagnosesystem gemäß (M), welches in einem Mobilfunktelefon eingebaut ist.

Im Folgenden werden die Funktionsweisen der Erfindungen gemäß (A) bis (N) beschrieben.
In (A) bis (N) wird die Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ als ein Lichtwellenleiter betrieben. Andererseits wird die Zelle aktiv betrieben, um Licht in der Gasphase zu verteilen. Zusätzlich kann ein externes infinitesimales Gas leicht eingeführt werden.
Eine allgemeine Gaszelle, die für die Lichtdurchgangs-Absorptionsspektroskopie für ein infinitesimales Gas verwendet wird, ist ein Teil mit einer Form eines Zylinders (Länge: ungefähr mehrere zehn Zentimeter, Radius: ungefähr mehrere zehn Zentimeter). Ein abgedichteter Raum wird mit dem zu testenden Gas gefüllt, und Licht kann sich durch den Raum fortpflanzen. Da sich im Allgemeinen Licht gerade fortpflanzt, ist eine derartige große Baugröße erforderlich, um eine für die Messung effektive Lichtabsorption zu erzeugen. Wenn Lichtfortpflanzung mittels Wellenleiter anstatt einer räumlichen Fortpflanzung verwendet werden kann, kann dieselbe optische Weglänge innerhalb einer Größe von ungefähr mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern erhalten werden. Da jedoch Lichtwellenleiterfortpflanzung im Allgemeinen längs eines Festkörper-Materials durchgeführt wird, ist das zu untersuchende infinitesimale Gas nicht in dem Lichtwellenleiter im Sinn der Konstruktion enthalten. Zusätzlich kann ein hohler Wellenleiter, bei dem ein Raum von einem total reflektierenden Spiegel umgeben ist, in Betracht gezogen werden. Da jedoch eine abgedichtete Struktur (eine Struktur, die von dem Außenraum isoliert ist) von dem total reflektierenden Spiegel umgeben ist, ist es physikalisch schwierig, ein infinitesimales Gas von einem externen Ort im Sinn der Struktur einzuführen. Da es zusätzlich schwierig ist, einen Reflexionsspiegel mit einem 100 %-igen Reflexionsvermögen in einem Innenteil eines hohlen Wellenleiters anzuordnen, würde der hohle Wellenleiter grundsätzlich einen großen Wellenleiterverlust haben. Der hohle Wellenleiter ist für das Fortpflanzen von mehreren zehn Zentimetern oder mehr im Sinn der Struktur nicht geeignet.
Die Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß (A) bis (N) ist mit Lichtwellenleitern aufgebaut und für das aktive Verteilen von Licht in der Gasphase betrieben. Da die Zelle, wie vorstehend beschrieben, keine abgedichtete Struktur hat, wird, im Gegensatz zu einem hohlen Wellenleiter, die Zelle als ein Lichtwellenleiter betrieben, um das Licht in der Gasphase aktiv zu verteilen, und zusätzlich ist es leicht, in die Zelle ein infinitesimales Gas von einem externen Ort einzuführen.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Analysierelement und eine Analysiervorrichtung mit einer kleinen Baugröße und das einen Gasbestandteil oder einen flüssigen Bestandteil mit hoher Genauigkeit messen kann, bereitgestellt werden.
Figurenliste
Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung gewisser bevorzugter Ausführungsformen anhand der begleitenden Zeichnungen im Einzelnen hervor.

1 ist eine Ansicht einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine schematische Darstellung einer Konstruktion einer zweiten Ausführungsform und (b) ist eine vergrößerte Ansicht von (a).
3 ist eine schematische Ansicht im Schnitt einer Struktur eines Gasdetektions-Lichtwellenleiters, der bei der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
4 ist eine schematische Ansicht im Schnitt, die Strukturen eines Eintrittslicht-Wellenleiters, eines optischen Kopplungs/Teiler-Wellenleiters, eines gekrümmten Lichtwellenleiters und eines Austrittslicht-Wellenleiters zeigt, die bei der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
5 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Prinzips zum Detektieren eines Gases unter Verwendung eines Gasdetektions-Lichtwellenleiters gemäß der zweiten Ausführungsform.
6 ist eine Ansicht im Schnitt, die Vorgänge bei Verfahren zur Herstellung von Zellen vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß den zweiten, vierten und sechsten Ausführungsformen zeigt.
7 ist eine Ansicht im Schnitt, die Vorgänge bei Verfahren zur Herstellung von Zellen vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß den zweiten, vierten und sechsten Ausführungsformen zeigt.
8 ist eine schematische Ansicht, die Konstruktionen der dritten, fünften und siebten Ausführungsform zeigt.
9 ist eine schematische Ansicht, die Konstruktionen der Gaszellen vom Lichtwellenleiter-Typ zeigt, die bei der dritten, fünften und siebten Ausführungsform verwendet werden.
10 ist eine schematische Ansicht einer Konstruktion der sechsten Ausführungsform.
11 ist eine Ansicht eines Beispiels eines optischen Kopplungs/Teiler-Wellenleiters gemäß den zweiten, vierten und sechsten Ausführungsformen.
12 ist eine Ansicht zur Erläuterung des optischen Kopplungs/Teiler-Wellenleiters gemäß den zweiten, vierten und sechsten Ausführungsformen.

BESTE ART DER DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Anhand der Zeichnungen wird eine erste Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
1 zeigt in schematischer Darstellung die Konstruktion eines Analysierelements 10 gemäß der Ausführungsform.
Das Analysierelement 10 hat eine Probenkammer 11, in die eine Gasprobe eingeführt wird, Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b, die an die Probenkammer 11 angrenzend angeordnet sind, um Detektionslicht (Messlicht) zum Detektieren bzw. Messen einer Probe leiten, und einen Detektionslicht-Eintrittsbereich 13, an welchem das Detektionslicht, welches sich durch den Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b in einer Richtung längs der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b fortpflanzt, an den Stirnflächen der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b eintritt. Jeder der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b hat eine freiliegende Fläche 14, die in der Probenkammer 11 freiliegend ist.
Das Detektionslicht, das an dem Detektionslicht-Eintrittsteil 13 in den Detektionslicht-Wellenleiter 12a eintritt, pflanzt sich durch die Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b fort, um an dem Detektionslicht-Ausgangsteil 16 auszutreten. Ein gekrümmter Wellenleiterteil 15 verbindet den Detektionslicht-Eintrittsteil 13 mit dem Detektionslicht-Ausgangsteil 16. Als gekrümmter Wellenleiterteil 15 kann beispielsweise eine Lichtleitfaser verwendet werden.
In der Ausführungsform tritt das Detektionslicht an den Stirnflächen der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b ein und pflanzt sich in der Richtung längs der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b fort. Da die Probe ein Gas ist, kann die Probe das Licht entlang der gesamten Länge des Detektionslicht-Wellenleiters absorbieren.
Jeder der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b hat die Form einer Geraden, die sich in einer vorbestimmten Richtung erstreckt, sodass die Detektionslicht-Wellenleiter parallel zueinander angeordnet sind.
Die Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b sind parallel zueinander unter Zwischenfügung der Probenkammer 11 angeordnet. Das heißt, die Probenkammer 11 ist zwischen dem Detektionslicht-Wellenleiter 12a und dem Detektionslicht-Wellenleiter 12b angeordnet.
Zusätzlich sind in dem Analysierelement 10 die freiliegenden Flächen 14 der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b so angeordnet, dass sie mit der zwischen diese gefügten Probenkammer 11 einander gegenüberliegen.
Jeder der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b hat die freiliegende Fläche 14, die zur Probenkammer 11 freiliegt. Die freiliegende Fläche 14 ist in Form eines Bandes vorgesehen, das jeden Detektionslicht-Wellenleiter umgibt. Die Seitenwände der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b werden die Wand der Probenkammer 11.
Daher bezeichnet die Probenkammer 11 einen Raum, der zwischen die Seitenwände der Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b so eingefügt ist, dass die Probenkammer durch die Seitenwände abgeteilt ist.
Wenn das Licht durch die Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b geleitet wird, wird ein Teil des sich durch die Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b ausbreitenden Lichts von den freiliegenden Flächen 14 gestreut, sodass eine vorbestimmte Lichtmenge in der Probenkammer verteilt wird. Das Gas, das in die Probenkammer 11 eingeleitet worden ist, absorbiert das Streulicht. Proportional zum Grad der Lichtabsorption des Gases in der Probenkammer 11 nimmt die Intensität der Lichtfortpflanzung durch die Detektionslicht-Wellenleiter ab. Aus dem Messergebnis der Verminderung der Lichtintensität kann die Probe analysiert werden.
Die Probenkammer 11 ist ein Probeneinleitbereich, der die Funktion einer Gaszelle hat. Die Probenkammer 11 ist auch ein Bereich, der die Probe hält. In dem Bereich kann die Probe strömen oder stillstehen.
Im Folgenden wird ein Beispiel eines Gas-Lichtabsorptions-Analysierverfahrens unter Verwendung des Analysierelements 10 gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Ein Gas, dessen Absorptionskoeffizient bekannt ist, wird in die Probenkammer 11 eingeleitet und Licht mit einer vorgegebenen Lichtintensität tritt an dem Detektionslicht-Eintrittsteil 13 ein. Das Licht pflanzt sich durch die Detektionslicht-Wellenleiter 12a und 12b fort, um an dem Detektionslicht-Ausgangsteil 16 auszutreten. Die Lichtintensität des Austrittslichts wird durch einen Photodetektor detektiert. Das Absorptionsvermögen des Gases wird aus der Beziehung zwischen der Lichtintensität des Eintrittslichts, das an den Detektionslicht-Wellenleitern 12a und 12b eingetreten ist, und der Lichtintensität des Austrittslichts, welches an den Detektionslicht-Wellenleitern 12a und 12b ausgetreten ist, erzielt, sodass die Konzentration des Gases berechnet werden kann.
Im Folgenden werden die Funktionsweisen und Wirkungen der Ausführungsform beschrieben.
Gemäß dem Analysierelement der Ausführungsform kann der Freiheitsgrad des planaren Layouts der Lichtwellenleiter verbessert werden, da der Detektionslicht-Wellenleiter, durch welchen sich das Detektionslicht fortsetzt, und die Probenzelle voneinander getrennt sind, sodass es möglich ist, eine lange optische Weglänge sicherzustellen. Daher ist es durch die Verwendung des Analysierelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Analysiervorrichtung mit kleiner Baugröße zu realisieren und eine infinitesimale Probe exakt zu messen.
In dem Analysierelement gemäß der Ausführungsform kann der optische Verlust verglichen mit einem herkömmlichen Gaszellenverfahren reduziert werden, da das Detektionslicht durch den Lichtwellenleiter geleitet wird.
In dem herkömmlichen Verfahren, bei dem das Detektionslicht durch die Probenzelle hindurchgeht, muss die Zelle eine hohle Struktur haben, um die Probe zu enthalten. Da das Detektionslicht durch den hohlen Teil hindurchgeht, war es schwierig, die Richtung des Wellenleiters zu ändern.
Im Gegensatz hierzu hat das Analysierelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Konstruktion, bei der die Lichtwellenleiter, durch welche sich das Detektionslicht fortsetzt, und die Zelle, welche die Probe enthält, voneinander getrennt sind. Wenn in der Zelle eine Probe vorhanden ist, wird das Streulicht, das an den Lichtwellenleitern streut, absorbiert, sodass die Lichtintensität der Lichtfortpflanzung durch die Lichtwellenleiter vermindert wird. Aus dem Ergebnis der Messung einer Verminderung der Lichtintensität kann die Probe qualitativ und quantitativ analysiert werden.
Da die vorliegende Erfindung ein derartiges Analyseverfahren verwendet, ist es möglich, ein Analysierelement mit kleiner Baugröße zu realisieren und eine Probe bestehend aus einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Gemisch derselben exakt zu messen.
Da der Lichtwellenleiter beispielsweise aus einer Halbleiterschichtstruktur, einem Polymer, einem anorganischen Material oder dergleichen aufgebaut sein kann, ist es zusätzlich möglich, die Richtung des Wellenleiters unter Verwendung einer Konstruktion, die mit einem gekrümmten Lichtwellenleiter verbunden ist, beliebig zu ändern. Daher kann der Wellenleiter in einem begrenzten Bereich mit hoher Dichte integriert werden, sodass es möglich ist, eine lange optische Pfadlänge sicherzustellen.
Als Nächstes wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird das Analysierelement zweckmäßigerweise als eine „Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ“ bezeichnet.
(Zweite Ausführungsform)
Anhand der 2 wird nun eine zweite Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
Eine Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ hat einen Eintrittslicht-Wellenleiter 101, an welchem ein Detektionslicht eintritt, einen optischen Kopplungs/Teiler-Wellenleiter 102, der das eintretende Detektionslicht teilt, einen Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103, der das geteilte Detektionslicht leitet, einen optischen Kopplungs/Teiler-Wellenleiter 102, der das an dem Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 ausgehende Detektionslicht auskoppelt, und einen Austrittslicht-Wellenleiter 105, an dem das ausgekoppelte Detektionslicht austritt. Der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 ist mit einer Probenkammer 11, in die ein Gas eingeleitet wird, und zwei Detektionslicht-Wellenleitern aufgebaut, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Probenkammer 11 dazwischengefügt ist. Jeder der Detektionslicht-Wellenleiter hat eine freiliegende Fläche, die zur Probenkammer 11 hin freiliegt. Der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 ist so aufgebaut, dass das Detektionslicht, welches sich durch den Detektionslicht-Wellenleiter fortpflanzt, an diesem eintritt.
Die Konstruktion zum Teilen und Koppeln des Detektionslichts kann hierbei auf verschiedene Art und Weise ausgeführt sein. 2 zeigt ein Beispiel derselben. Der in der 2(a) gezeigte optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 repräsentiert eine 1x2-MMI-Koppler-Struktur. Der in der 2(b) gezeigte optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 repräsentiert eine Y-Verzweigungsstruktur. In der Ausführungsform kann der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 irgendeine Struktur haben, vorausgesetzt, dass der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter Funktionen zum Teilen des eintretenden Detektionslichts und Koppeln des vom Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 ausgegebenen Detektionslichts hat.
3 ist eine Ansicht eines Querschnitts durch den Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 entlang der Linie A-A' in 2.
Die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ hat eine Lichtwellenleiterstruktur mit zwei hohen Mesas 205, die jeweils ein Si-Substrat 201 und Mehrfachschichten aus einer ersten SiO_2-Ummantelungsschicht 202, einer Si-Kernschicht 203 und einer zweiten SiO_2-Ummantelungsschicht 204 aufweisen, die in dieser Reihenfolge auf dem Si-Substrat 201 übereinander angeordnet sind. Die zwei hohen Mesas 205 sind parallel zueinander angeordnet. Die Si-Kernschichten 203 dienen jeweils als die Detektionslicht-Wellenleiter und der Raum, der zwischen die zwei hohen Mesas 205 eingefügt ist, dient als die Probenkammer 11. Die Seitenflächen der Si-Kernschichten 203 sind zur Probenkammer 11 freiliegend.
Zurück zu 2 wird die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ im Einzelnen beschrieben. Die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ hat eine Anzahl von Einheiten, die jeweils den Gas-Detektionswellenleiter 103 und die zwei optischen Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 aufweisen. Die Einheiten sind optisch miteinander verbunden. Die Detektionslicht-Wellenleiter, die benachbarten Einheiten enthalten sind, haben jeweils unterschiedliche Lichtführungsrichtungen. Die zwei Detektionslicht-Wellenleiter, die in der Einheit enthalten sind, haben die gleiche Lichtführungsrichtung.
Die Einheiten sind miteinander durch den gekrümmten Lichtwellenleiter 104 verbunden.
Zusätzlich haben die Detektionslicht-Wellenleiter, die in jeder der Einheiten enthalten sind, die Form einer Gerade und sind parallel zueinander angeordnet.
Zusätzlich hat jede der Einheiten die Detektionslicht-Wellenleiter, die parallel zueinander mit dazwischen eingefügter Probenkammer angeordnet sind.
In der Ausführungsform werden zusätzlich zu dem Bereich, der zwischen die parallelen Detektionslicht-Wellenleiter eingefügt sind, die Bereiche benachbart zu den Außenseiten der Detektionslicht-Wellenleiter als Probenkammer betrieben. Anders ausgedrückt, in den Bereichen benachbart zu den Außenseiten der Detektionslicht-Wellenleiter tritt eine Lichtabsorption der Probe auf.
Die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ ist durch Integrieren des Eintrittslicht-Wellenleiters 101, der optischen Koppler/Teiler-Wellenleiter 102, der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103, der gekrümmten Lichtwellenleiter 104 und dem Austrittslicht-Wellenleiter 105 auf dem Substrat 100 gebildet. Der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 und der Austrittslicht-Wellenleiter 105 haben eine Wellenleiterbreite von ungefähr 0,9 µm und eine Länge von ungefähr 100 µm. Der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 hat eine Wellenleiterbreite von ungefähr 4 µm und eine Länge von ungefähr 256 µm. Zusätzlich hat der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 eine Bereichslänge von 1 cm.
Wie in der 3 gezeigt, liegen in der Querschnittsstruktur des Gas-Detektionslicht-Wellenleiters 103 entlang der Linie A-A' der 2 zwei hohe Mesa-Lichtwellenleiter mit einem Wellenleiterintervall von ungefähr 900 nm nahe beieinander, und ihre Lichtwellenleiterbreite beträgt ungefähr 900 nm. Der gekrümmte Lichtwellenleiter 104 hat einen Krümmungsradius von ungefähr 5 nm. Wie in der 4 gezeigt, sind die Querschnittsstrukturen des Eintrittslichtwellenleiters 101, des optischen Koppler/Teiler-Wellenleiters 102 und des gekrümmten Lichtwellenleiters 104 entlang der Linie B-B' in 2(a) hohe Mesa-Strukturen. Die Schichtstruktur des in den 3 und 4 gezeigten Lichtwellenleiters ist eine hohe Mesa-Struktur 205, bei der die erste SiO₂-Ummantelungsschicht 202, die Si-Kernschicht 203 und die zweite SiO₂-Ummantelungsschicht 204 auf dem Si-Substrat 201 übereinandergeschichtet sind. Die erste SiO₂-Ummantelungsschicht 202 hat eine Dicke von ungefähr 1 µm. Die Si-Kernschicht 203 hat eine Dicke von ungefähr 0,3 µm. Die zweite SiO₂-Ummantelungsschicht 204 hat eine Dicke von ungefähr 1 µm. Das Wellenlängenband liegt im Betrieb in der Nähe eines Kommunikations-Wellenlängenbandes (1,55 µm).
Im Folgenden wird das Prinzip des Detektierens von infinitesimalen Gasbestandteilen unter Verwendung der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in der 3 gezeigt, ist der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei benachbarten hohen Mesa-Lichtwellenleitern aufgebaut. In der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß der zweiten Ausführungsform wird eine Struktur, bei der zwei hohe Mesa-Lichtwellenleiter nahe beieinander angeordnet sind, als der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter verwendet. Aus diesem Grund tritt eine optische Kopplung zwischen den Lichtwellenleitern auf, sodass die in der Gasphase verteilte Lichtmenge erhöht ist. 5 zeigt das Ergebnis des Lichtverteilungsverhältnisses Γ_air in der Luft in dem Zwischenraum d zwischen zwei hohen Mesa-Lichtwellenleitern, das mittels eines dreidimensionalen Strahlfortpflanzungsverfahrens erhalten worden ist. Es ist zu ersehen, dass, wenn das Intervall d ungefähr 900 nm beträgt, ungefähr 30 % des Lichts in der Gasphase verteilt ist.
Wenn die Breite jedes hohen Mesa-Lichtwellenleiters auf x gesetzt ist und wenn das Intervall zwischen den Wellenleitern auf d gesetzt ist, ist aus dem in der 5 gezeigten Ergebnis zu ersehen, dass die folgende Beziehung hinsichtlich der Erhöhung der Verteilung der Lichtintensität in der Gasphase bevorzugt ist. $x / 10 \leq d \leq 2x$
Noch mehr bevorzugt ist: $x / 2 \leq d \leq 3 x / 2$
Zusätzlich wird in dem in der 5 gezeigten Beispiel die maximale Verteilung der Lichtintensität zum Zeitpunkt x = d erzielt.
Da Licht mit einer vorbestimmten Lichtintensität in der Gasphase verteilt ist, stehen in dem Element gemäß der Ausführungsform Durchlässigkeit, Absorption und Spektroskopie für die Analyse der infinitesimalen Gasbestandteile zur Verfügung. Gemäß der Ausführungsform kann innerhalb einer Größe von ungefähr 1 cm eine gesamte optische Weglänge der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 ungefähr 10 m realisiert werden, da eine Anzahl von Gas-Detektionslicht-Wellenleitern 103 mit den gekrümmten Lichtwellenleitern 104 integriert sind. Daher kann im Vergleich mit einer herkömmlichen Gaszelle eine Zelle mit kleiner Baugröße realisiert werden, die eine lange optische Weglänge von einer Dezimalstelle oder größer und eine geringe Größe des Elements von einer Dezimalstelle aufweist.
Obwohl bei der Ausführungsform zwei hohe Mesas nahe beieinander angeordnet sind, kann die Anzahl der hohen Mesas zwei oder mehr betragen. Beispielsweise können drei hohe Mesas oder fünf hohe Mesas verwendet werden. Obwohl in der Ausführungsform der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 die Form einer Gerade hat, können auch die gekrümmten Wellenleiter 104 als Gas-Detektionslicht-Wellenleiter eingebaut werden, wobei eine Anzahl von hohen Mesa-Wellenleitern nahe beieinander angeordnet sind. In diesem Fall können unnötige optische Koppler/Teiler-Wellenleiter dazwischen weggelassen werden. Obwohl der Krümmungsradius auf 5 µm gesetzt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann der Krümmungsradius 25 µm oder 500 µm sein. Weiterhin kann im vorderen Bereich des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 oder im rückwärtigen Bereich des Austrittslicht-Wellenleiters 105 ein Punktgrößenwandler oder ein zugespitzter Licht-Wellenleiter zur Verbesserung der Anschlusseffizienz, im Vergleich mit einer Lichtleitfaser, eingesetzt werden. Obwohl die Länge des Bereichs der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 auf ungefähr 1 cm gesetzt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Die Länge kann länger oder kürzer bemessen sein. Beispielsweise kann die Länge 3 cm oder 1 mm sein. In der Ausführungsform wird weiterhin eine Lichtwellenleiter-Struktur verwendet, bei der der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 und der Austrittslicht-Wellenleiter 105 in unterschiedlichen Querschnittsrichtungen ausgebildet sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf begrenzt, sondern der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 und der Austrittslicht-Wellenleiter 105 können in der gleichen Querschnittsrichtung ausgebildet sein. Obwohl ein Wellenlängenbereich in der Nähe des Kommunikationswellenlängenbandes (1,55 µm) verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann ein Lichtband im sichtbaren Bereich oder ein mittleres IR-Band verwendet werden.
Obwohl der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 im allgemeinen mit einem optischen 1×2-Koppler/Teiler-Wellenleiter aufgebaut ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann die Anzahl der Zweige gemäß der Anzahl der hohen Mesa-Lichtwellenleiter geändert sein. Zusätzlich kann der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 ein optischer Koppler/Teiler-Wellenleiter sein, der einen Lichtverteilungs-Anpassungsbereich aufweist.
11 ist eine Ansicht, die ein Beispiel des optischen Koppler/Teiler-Wellenleiters 102 zeigt. Der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 ist zusätzlich mit einem Lichtverteilungs-Anpassungsbereich 1001 versehen. Im Nachfolgenden werden die Struktur und Funktionen des optischen Koppler/Teiler-Wellenleiters 102 beschrieben.
12 ist eine Ansicht, die eine Lichtfeldphase zeigt, die für den Fall einer doppelt hohen Mesa-Struktur erzielt werden kann. Aus der Simulation ist zu ersehen, dass eine hohe Lichtintensitätsverteilung erzielt werden kann, wenn das Profil des Lichtfeldes gemäß 12 ausgebildet wird. Wie in der 12 durch die durchgezogene Linie dargestellt, wird angenommen, dass zwei starke Peaks in einem Lichtwellenleiter existieren und dass in dem Tal zwischen den Lichtwellen die Flanken des linken und rechten starken Peaks und ein mittlerer schwacher Peak existieren. In diesem Fall kann das Fortpflanzen des Lichts in der doppelt hohen Mesa-Struktur im Wesentlichen annähernd an eine Überlagerung von ungefähr fünf Gauss'schen Strahlen angenähert werden. Der in der 11 gezeigte optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 ist so gestaltet, dass er in dem Zustand der Überlagerung der fünf Gauss'schen Strahlen ist.
Der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 kann anfänglich vier Peaks repräsentieren, indem zwei Lichtwellenleiter an innen liegenden Positionen hinzugefügt sind, die in horizontaler Richtung durch kurze Abstände gegenüber dem linken und rechten, generell hohen Mesa-Lichtwellenleiter getrennt sind. Zusätzlich ist bezüglich des mittleren schwachen Peaks die MMI-Bereichslänge so bemessen, dass sie etwas kürzer oder länger als der theoretische optimale Wert ist. Daher kann an Positionen, wo das Licht ursprünglicherweise nur mit dem linken und rechten Lichtwellenleiter gekoppelt ist, der Effekt ausgenutzt werden, dass ein bestimmter Teil des Lichts sogar an dem mittleren Bereich auftreten kann. Demgemäß kann dank des optischen Koppler/Teiler-Wellenleiters 102 der Zustand der Überlagerung der fünf Gauss'schen Strahlen gebildet werden. Infolge des Hinzufügens des Lichtverteilungs-Anpassungsbereichs 1001 zu dem optischen Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 ist es weiterhin möglich, einen Kopplungsverlust bei der Lichtfortpflanzung zu unterdrücken.
Im Folgenden wird anhand der 6 und 7 ein Verfahren zum Herstellen des Analysierelements beschrieben, das die hohe Mesa-Struktur aufweist.
Zunächst wird unter Verwendung eines thermischen CVD-Verfahrens auf einem allgemeinen SOI-Substrat 501 ein SiO₂-Film 502 abgeschieden (siehe 6(a)). Als Nächstes wird eine Maske 503 in Form eines Wellenleiters unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens unter Verwendung eines Steppers ausgebildet (Belichtung mit verringerter Projektion) (siehe 6(b)). Das Ätzen wird unter Verwendung der Maske mittels eines induktiv gekoppelten Plasma-(ICP)-Verfahrens durchgeführt, um eine hohe Mesa 601 auszubilden (siehe 7(a)). Als Nächstes wird die Maske 503 auf der hohen Mesa 601 unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels und eines Veraschungsverfahrens entfernt (siehe 7 (b)). Als Nächstes wird die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ geschnitten und eine Stirnfläche derselben poliert und danach ist das Verfahren zur Herstellung des Elements beendet.
In der Ausführungsform wird der Stepper zusätzlich für die Lithografie verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann eine Elektronenstrahlbelichtung verwendet werden. Obwohl als Verfahren zum Ausbilden des SiO_2-Films 502 das thermische CVD-Verfahren beschrieben wurde, kann beispielsweise auch ein Plasma-CVD-Verfahren oder ein Zerstäubungsverfahren verwendet werden. Das Verfahren zum Ausbilden der Mesa ist nicht auf ein ICP-Verfahren begrenzt, sondern es kann beispielsweise auch ein RIE-Verfahren verwendet werden. In der Ausführungsform wird die hohe Mesa-Struktur ausgebildet, indem das Ätzen bis auf das Si-Substrat 201 ausgeübt wird. Das Ätzen muss jedoch nicht notwendigerweise bis auf das Si-Substrat 201 ausgeführt werden, sondern das Ätzen kann auch bis zu der Si-Kernschicht 203 ausgeführt werden. In der Ausführungsform wird die Lichtwellenleiter-Struktur ausgebildet, bei der ein SOI-Substrat 501 verwendet wird und die Kernschicht und die Ummantelungsschicht aus Si bzw. SiO₂ bestehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt, sondern es können alle Materialien, die grundsätzlich einen Lichtwellenleiter bilden, verwendet werden. Beispielsweise können das Substrat, die Ummantelungsschicht und die Kernschicht aus Si, SiO₂ bzw. SiN bestehen. Zusätzlich kann das Substrat aus einem Verbundhalbleiter InP bestehen und die Ummantelungs- und Kernschicht können aus InP bzw. InGaAsP bestehen. Zusätzlich können Polymermaterialien verwendet werden. Selbstverständlich wird bei der Ausführungsform nach dem Schneiden der Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ ein Polieren durchgeführt. Es kann jedoch auch ein Spaltvorgang durchgeführt werden.
(Dritte Ausführungsform)
Anhand der Zeichnungen wird eine dritte Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
8 zeigt in schematischer Darstellung die Konstruktion einer Gasanalysiervorrichtung als der dritten Ausführungsform.
Die Gasanalysiervorrichtung hat eine wellenlängen-variable Lichtquelle 701, eine Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ, an der Licht von der wellenlängen-variablen Lichtquelle 701 eintritt, und einen Photodetektor 703, der den Lichtausgang an der Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ detektiert. Die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ hat eine Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ, um die Analyse einer Probe auf der Grundlage der Beziehung zwischen der Intensität des an der Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ, die die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ aufweist, eintretenden Lichts und der Intensität an der Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ ausgegebenen Lichts, durchführt.
In der Gasanalysiervorrichtung sind die wellenlängen-variable Lichtquelle 701, die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ und der Photodetektor 703 miteinander durch Lichtleiterfasern 704 verbunden.
9 zeigt in schematischer Darstellung die Konstruktion einer Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ. In einem Gehäuse 800 sind eine Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ, eine Frontstufen-Lichtleitfaser 802, eine Gaseinlassöffnung 803 und eine Gasauslassöffnung 804 angeordnet. In den Innenteil des Gehäuses 800 wird eine Gasprobe eingeleitet. An die Gasauslassöffnung 804 ist eine Vakuumpumpe 805 angeschlossen, um das zu messende infinitesimale Gas, das über die Gaseinlassöffnung 803 eingeleitet worden ist, in den inneren Teil des Gehäuses 800 zu leiten. Zusätzlich sind ein Absperrventil 806 und ein Druckmessgerät 807 vorgesehen, um den Druck im inneren Teil des Gehäuses 800 zu steuern.
Die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ ist in dem Gehäuse 800 enthalten. Die Struktur derselben ist äquivalent zu derjenigen der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ, wie sie bei der zweiten Ausführungsform beschrieben worden ist.
Da das gesamte Gehäuse 800 bei der Ausführungsform als eine Gaszelle betrieben wird, wird die Gasprobe um die darin angeordneten Detektionslicht-Wellenleiter herum eingeleitet. Daher werden zusätzlich zu dem Bereich zwischen den parallelen Detektionslicht-Wellenleitern auch die Bereiche benachbart zu den Außenseiten der Detektionslicht-Wellenleiter als Probenkammer betrieben. Anders ausgedrückt, auch in den Bereichen benachbart zu den Außenseiten der Detektionslicht-Wellenleiter findet eine Lichtabsorption der Probe statt.
Um eine ausreichende große IR-Absorption bei der Ausführungsform zu erzielen, kann die Länge des bei der zweiten Ausführungsform beschriebenen Gas-Detektions-Wellenleiters 103 auf 30 mm gesetzt und der Krümmungsradius des gekrümmten Lichtwellenleiters 104 ist auf 5 µm gesetzt werden, sodass eine Gesamtlänge der Lichtwellenleiter von ungefähr 10² m innerhalb einer Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ mit einer Größe von ungefähr 3 cm realisiert werden kann.
Im Folgenden wird ein Analyseverfahren unter Verwendung der Analysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Ein Gas wird aus der Gaseinlassöffnung 803 gezogen und das Gehäuse 800 wird mit einem zu messenden Gas gefüllt. Die wellenlängen-variable Lichtquelle 701 liefert eine Lichtintensität I₀. Die von dem Photodetektor 703 detektierte Lichtintensität ist mit I bezeichnet. Das Absorptionsvermögen des Gases kann auf der Grundlage der Beziehung zwischen I₀ und I erhalten werden. Wenn ferner der Absorptionskoeffizient des Gases bekannt ist, kann die Konzentration des Gases berechnet werden.
Im Folgenden wird das Prinzip zur Realisierung einer tragbaren Gasanalysiervorrichtung kleiner Baugröße gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben. In einer herkömmlichen Gaszelle liegt die Länge in einem Bereich von mehreren zehn Zentimetern bis ungefähr 1 m, da für Durchlässigkeit, Absorption und Spektroskopie die räumliche Fortpflanzung des Lichts verwendet wird. Da ferner optische Teile, wie beispielsweise eine Linse, an vorderen und rückwärtigen Bereichen angeordnet sein müssen, ist die Gaszelle gegenüber Vibration sehr empfindlich, sodass die Gaszelle nicht für den Transport geeignet ist. Die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ, welche die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform bildet, ist zusammen mit Lichtleitfasern als ein festliegender Teil im inneren Teil des Gehäuses 800 angeordnet. Daher ist ihre Größe kleiner als maximal ungefähr mehrere Zentimeter einschließlich des Gehäuses, und ihre Länge ist um eine oder zwei Dezimalstellen kürzer. Daher kann die Zelle selbstverständlich leicht getragen werden. Da die Lichtleitfasern miteinander fest verbunden sind, kann die Zelle leicht getragen werden, ohne die Besorgnis einer Verschiebung der optischen Achse zu haben, ähnlich wie dies bei allgemeinen optischen Kommunikationsteilen, beispielsweise einem Halbleiterlaser, der Fall ist. Zusätzlich ist die effektive Gesamtlänge des optischen Wegs 10² m, was um 2 Dezimalstellen länger ist als bei einer allgemeinen Gaszelle vom räumlichen Fortpflanzungs-Typ, sodass es möglich ist, ein infinitesimales Gas mit höherer Empfindlichkeit zu detektieren.
Um bei der Ausführungsform auch eine ausreichende IR-Absorption zu erzielen, kann die Länge des Gas-Detektions-Wellenleiters 103 auf 30 mm gesetzt und der Krümmungsradius des gekrümmten Lichtwellenleiters 104 ist auf 5 µm gesetzt werden, sodass eine Gesamtlänge der Lichtwellenleiter ungefähr 10² m innerhalb einer Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ mit einer Größe von ungefähr 3 cm realisiert wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt, sondern die Länge des Gas-Detektions-Wellenleiters 103, der Krümmungsradius des gekrümmten Lichtwellenleiters 104 und die Größe des Elements können gemäß dem zu messenden Objekt frei bestimmt werden. Obwohl bei der Ausführungsform eintrittseitige Lichtleitfasern verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt, sondern es kann irgendeine Struktur verwendet werden, die mit der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ optisch gekoppelt werden kann. Obwohl bei der Ausführungsform eine wellenlängen-variable Lichtquelle verwendet wird, kann statt der wellenlängen-variablen Lichtquelle eine Breitband-Lichtquelle, wie beispielsweise eine Super-Lumineszenzdiode oder eine Super-Kontinuumlichtquelle verwendet werden. Obwohl bei der Ausführungsform ein Photodetektor verwendet wird, kann selbstverständlich statt des Photodetektors auch eine Komponente mit der Funktion des gleichzeitigen Messens sowohl der Wellenlänge als auch der Lichtintensität verwendet werden, beispielsweise ein Spektralanalysator oder eine Kombination aus einem Wellenleitergitter vom Arraygitter-Typ und einem Photodetektor, um gleichzeitig die Absorptionswellenlänge und die Absorptionsmenge mit hoher Empfindlichkeit zu messen.
Durch Ziehen von Ausatemluft in die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform kann die Gasanalysiervorrichtung als eine Ausatemluft-Analysiervorrichtung verwendet werden. Obwohl in der Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform eine Struktur, bei der die wellenlängen-variable Lichtquelle 701, die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ und der Photodetektor 703 kombiniert verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. All diese Komponenten können jedoch auf eine monolithische oder hybride Weise integriert sein.
Die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform und ein Computer können miteinander oder an ein Netzwerk angeschlossen sein.
Der Computer speichert für Materialien kennzeichnende Daten. Beispielsweise kann der molare Absorptionskoeffizient oder dergleichen gespeichert sein. Daher kann die Gasanalysiervorrichtung zusammen mit dem Computer die Konzentration von infinitesimalen Bestandteilen (Spuren), die in dem Gas enthalten sind, auf der Grundlage der Intensität des Lichtausgangs von der wellenlängen-variablen Lichtquelle 701 und der Intensität des durch den Photodetektor 703 detektierten Lichts analysieren. Zusätzlich wird eine Kalibrierungskurve aus der Intensität des Lichts, das an der wellenlängen-variablen Lichtquelle 701 ausgegeben worden ist, und der Intensität des Lichts, die durch den Photodetektor 703 detektiert wird, erhalten, sodass der Absorptionskoeffizient berechnet werden kann. Zusätzlich können die erzielten Daten aufgehoben und ihre Änderung mit der Zeit überprüft werden. Auf diese Weise sind die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform und der Computer miteinander verbunden, sodass ein Gasanalysesystem realisiert werden kann, welches den Inhalt der Analyse evaluieren kann. Wenn die Gasanalysevorrichtung und der Computer weiterhin mit einem Netzwerk verbunden sind, kann das Analyseergebnis von einem Ort, der zum Messort entfernt ist, übertragen werden, und der Computer analysiert das Ergebnis der Analyse. Obwohl bei der Ausführungsform die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ in dem Innenteil des Gehäuses 800 angeordnet ist, können selbstverständlich die wellenlängen-variable Lichtquelle, die Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ und der Photodetektor auch in einem Mobilfunktelefon eingebaut sein. Wenn anstatt des zu analysierenden Gases Ausatemluft in das Gasanalysesystem gezogen wird, können die Konzentrationen der Bestandteile, die in der Ausatemluft enthalten sind, gemessen werden. Die Konzentrationen der gasförmigen Bestandteile, die in der Ausatemluft enthalten sind, ändern sich gemäß der Befindlichkeit oder einer Erkrankung. Demgemäß kann durch die Verwendung des Gasanalysesystems der Gesundheitszustand überprüft oder eine Krankheit diagnostiziert werden.
(Vierte Ausführungsform)
Anhand der Zeichnungen wird eine vierte Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
Ähnlich wie bei der in der 2 gezeigten zweiten Ausführungsform sind in der vierten Ausführungsform ein Eintrittslicht-Wellenleiter 101, ein optischer Koppler/Teiler-Wellenleiter 102, ein Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103, ein gekrümmter Lichtwellenleiter 104 und ein Austrittslicht-Wellenleiter 105 auf einem Substrat 100 integriert. Die Konstruktion des Wellenleiters ist die gleiche wie diejenige der zweiten Ausführungsform, mit Ausnahme des Unterschieds zur zweiten Ausführungsform, dass auf den Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters 105 hochreflektive (HR)-Schichten ausgebildet sind. Jede der HR-Schichten ist so aufgebaut, dass sie einen Teil des Detektionslichts reflektiert und den Rest desselben durchlässt.
Die HR-Schicht muss Licht reflektieren und durchlassen können, ist aber nicht auf eine spezifische Schicht begrenzt. Daher können halb-reflektierende Schichten auf verschiedenen Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters 105 ausgebildet sein. Das Reflexionsvermögen der halb-reflektierenden Schicht kann beispielsweise 90 % oder höher oder 99,9 % oder höher sein.
Die HR-Schicht wird durch mehrfaches Überlagern von dünnen Filmen aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut. Hinsichtlich der Leistung der HR-Schicht ist es wichtig, das Absorptionsvermögen und die Oberflächenrauigkeit der HR-Schicht zu senken.
Durch Verwendung eines Materials mit einem geringen Absorptionsvermögen kann das Absorptionsvermögen der HR-Schicht gesenkt werden. Das Material kann bei der Konstruktion gemäß der verwendeten Wellenlänge geeignet geändert werden. Beispielsweise kann ein Oxid, wie beispielsweise SiO₂ und ein Tantalpentoxid oder ein Fluorid, wie beispielsweise Lanthanfluorid, verwendet werden. Bei der Ausführungsform kann am besten SiO₂ verwendet werden.
Um die Oberflächenrauigkeit zu senken, kann das Filmausbildungsverfahren modifiziert werden. Das verwendete Substrat wird zu einer ultraglatten Fläche poliert und auf der Fläche wird eine sehr glatte Schicht abgeschieden, sodass eine Schicht mit der Funktion des hohen Reflexionsvermögens gebildet werden kann. Beispielsweise kann durch Verwenden eines Zerstäubungsverfahrens eine Schicht mit einer sehr glatten Oberfläche erzielt werden.
Im Nachfolgenden wird das Prinzip der Detektion von infinitesimalen Gasbestandteilen unter Verwendung der Zelle von Lichtwellenleiter-Typ gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Prinzip der Ausführungsform ist das gleiche wie dasjenige der zweiten Ausführungsform, insofern, als die Durchlässigkeit, die Absorption und die Spektroskopie für infinitesimale Gasbestandteile infolge des in der Gasphase verteilten Lichts zur Verfügung stehen, und dass im Vergleich zu herkömmlichen Gaszellen eine Zelle kleiner Baugröße als ein kleines Bauelement mit einer Größe von einer Dezimalstelle oder mehr realisiert werden kann. In der Ausführungsform sind auf den Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters 105 auch HR-Schichten ausgebildet. Daher wird das Licht, welches von dem Eintrittslicht-Wellenleiter 101 in den Lichtwellenleiter eintretende Licht an den HR-Schichten reflektiert, die auf den Stirnflächen des Austrittslicht-Wellenleiters 105 und des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 ausgebildet sind. Das Licht pflanzt sich reziprok fort, wobei seine Intensität bei jeder Reflexion leicht vermindert wird. Wenn das Licht durch die HR-Schicht reflektiert wird, streut ein Teil des Lichts an der HR-Schicht. Die Intensität des Streulichts in einer Exponentialfunktion, bezogen auf die Änderung der Zeit, ab. Daher kann durch Auftragen der Intensität des Streulichts über der Zeit der Dämpfungskoeffizient des Lichts bestimmt werden. Da sich der Dämpfungskoeffizient gemäß der Konzentration der Probe ändert, kann die Konzentration der Probe aus dem Dämpfungskoeffizienten erhalten werden. Zusätzlich kann ein Messergebnis erhalten werden, dass das zum Schluss erzielte durchgelassene, absorbierte Licht von dem Austrittslicht-Wellenleiter 105 äquivalent ist dem durchgelassenen, absorbierten Licht nach der Fortpflanzung über eine effektive optische Weglänge von ungefähr 10⁵ m ist. Demgemäß kann die Konzentration der infinitesimalen Probe erzielt werden. Wenn beispielsweise HR-Schichten mit einem HR-Schichtabstand von 1 m oder größer und einem Reflexionsvermögen von ungefähr 99,9 % verwendet werden, kann eine effektive optische Weglänge von ungefähr 1000 m erzielt werden. Die erzielte optische Weglänge ist ausreichend, um eine Probe mit einer Konzentration von ungefähr 10 ppm zu messen.
Obwohl bei der Ausführungsform die HR-Schichten auf verschiedenen Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters 105 ausgebildet sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 und der Austrittslicht-Wellenleiter 105 sind in der gleichen Richtung der Stirnflächen ausgebildet, und die HR-Schichten können auch nur auf den Stirnflächen ausgebildet sein. Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform kann bei der Ausführungsform die Anzahl der hohen Mesas zwei oder mehr sein, beispielsweise drei oder fünf. Der gekrümmte Lichtwellenleiter 104 kann wie der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter sein, bei dem eine Anzahl von hohen Mesa-Wellenleitern nahe beieinander angeordnet sind. In diesem Fall können unnötige optische Koppler/Teiler-Wellenleiter dazwischen weggelassen werden. Der Krümmungsradius kann beispielsweise auf 25 µm oder 500 µm gesetzt sein. Weiterhin kann an der Frontstufe des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 oder der rückwärtigen Stufe des Austrittslicht-Wellenleiters 105 ein Spot-Größenwandler oder ein zugespitzter Lichtwellenleiter zur Verbesserung der Verbindungseffizienz, im Vergleich zu einer optischen Faser, eingesetzt werden. Obwohl die Länge des Bereichs der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 auf ungefähr 1 cm gesetzt wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Die Länge kann länger oder kürzer bemessen sein. Beispielsweise kann die Länge 3 cm oder 1 mm sein. Obwohl das Wellenlängenband im Betrieb in der Nähe des Kommunikationswellenlängenbandes (1,55 µm) liegt, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann ein Lichtband im sichtbaren Bereich oder ein mittleres IR-Band verwendet werden. Obwohl der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 generell durch einen 1x2-Koppler/Teiler-Wellenleiter aufgebaut ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann die Anzahl der Zweige gemäß der Anzahl der hohen Mesa-Lichtwellenleiter geändert sein. Wie in der 11 gezeigt, kann der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 ein optischer Koppler/Teiler-Wellenleiter mit einem Lichtverteilungs-Anpassungsbereich sein.
Im Folgenden wird anhand der 6 und 7 ein Verfahren zur Herstellung der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß der Ausführungsform beschrieben.
Das Herstellungsverfahren ist das gleiche wie dasjenige der zweiten Ausführungsform. Zunächst wird ein SiO₂-Film 502 auf einem allgemeinen SOI-Substrat 501 unter Verwendung eines thermischen CVD-Verfahrens abgeschieden (siehe 6(a)). Als Nächstes wird eine Maske 503 in Form eines Wellenleiters unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens unter Verwendung eines Steppers ausgebildet (Belichtung mit reduzierter Projektion) (siehe 6(b))). Unter Verwendung der Maske wird durch ein induktiv gekoppeltes Plasma-(ICP)-Verfahren Ätzen durchgeführt, um eine hohe Mesa 601 auszubilden (siehe 7(a)). Als Nächstes wird die SiO₂-Maske 503 auf der hohen Mesa 601 unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels und eines Veraschungsverfahrens entfernt (siehe 7(b)). Als Nächstes wird die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ geschnitten und eine Stirnfläche derselben poliert. Als Nächstes werden mehrschichtige HR-Schichten auf den Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters 105 unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens ausgebildet und danach ist das Verfahren zur Herstellung des Elements beendet.
Bei der Ausführungsform wird ein Stepper für die Lithografie verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann Elektronenstrahlbelichtung verwendet werden. Obwohl thermische CVD als Verfahren zum Ausbilden des SiO_2-Films beschrieben wurde, kann beispielsweise ein Plasma-CVD-Verfahren oder ein Zerstäubungsverfahren verwendet werden. Das Verfahren zum Ausbilden der Mesa ist nicht auf das ICP-Verfahren begrenzt, sondern es kann beispielsweise ein RIE-Verfahren verwendet werden. Bei der Ausführungsform wird die hohe Mesa-Struktur so gebildet, dass das Ätzen bis auf das Si-Substrat 201 ausgeführt wird. Das Ätzen muss jedoch nicht notwendigerweise bis auf das Si-Substrat 201 herab ausgeführt werden, sondern das Ätzen kann bis zu der Si-Kernschicht 203 hinunter durchgeführt werden. Bei der Ausführungsform wird die Lichtwellenleiterstruktur, bei der ein SOI-Substrat verwendet wird und die Kernschicht und die Ummantelungsschicht aus Si bzw. SiO₂ bestehen, gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt, sondern es können Materialien verwendet werden, die grundsätzlich einen Lichtwellenleiter bilden. Beispielsweise können das Substrat, die Ummantelungsschicht und die Kernschicht aus Si, SiO₂ bzw. SiN bestehen. Das Substrat kann weiterhin aus einem Verbundhalbleiter InP bestehen und die Ummantelung und die Kernschicht können aus InP bzw. InGaAsP bestehen. Selbstverständlich können Polymermaterialien verwendet werden. Bei der Ausführungsform wird nach dem Schneiden der Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ das Polieren durchgeführt. Es kann jedoch auch ein Spaltvorgang ausgeführt werden.
(Fünfte Ausführungsform)
Anhand der Zeichnungen wird eine fünfte Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
In der Konstruktion der Ausführungsform sind ähnlich wie bei der in 8 gezeigten dritten Ausführungsform eine wellenlängen-variable Lichtquelle 701, eine Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ und ein Photodetektor 703 miteinander durch Lichtleitfasern 704 verbunden. Die Konstruktion der Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ ist die gleiche wie diejenige der in der 9 gezeigten dritten Ausführungsform und somit wird die Beschreibung derselben nicht wiederholt. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform dadurch, dass die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ, welche die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ bildet, äquivalent der bei der vierten Ausführungsform beschriebenen Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ ist.
Im Folgenden wird das Prinzip der Implementierung einer tragbaren Gasanalysiervorrichtung kleiner Baugröße gemäß der fünften Ausführungsform beschrieben. Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform ist die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ, welche die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform bildet, zusammen mit Lichtleitfasern als ein fester Teil in einem Innenteil des Gehäuses 800 angeordnet. Daher kann die Zelle leicht getragen werden. Da ferner die Lichtleitfasern miteinander fest verbunden sind, kann die Zelle leicht ohne die Sorge um eine Verschiebung der optischen Achse getragen werden, ähnlich wie bei allgemeinen optischen Kommunikationsteilen, beispielsweise einem Halbleiterlaser. Die effektive optische Gesamtweglänge ist 10⁵ m, was um 5 Dezimalstellen länger als eine allgemeine Gaszelle vom räumlichen Ausbreitungs-Typ ist, sodass es möglich ist, infinitesimale Gasanteile mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren.
Bei der Ausführungsform kann die Länge des Gasdetektions-Wellenleiters 103, der Krümmungsradius des gekrümmten Lichtwellenleiters 104 und die Größe des Elements frei gemäß dem zu messenden Gegenstand gewählt werden. Obwohl bei der Ausführungsform eine Lichtquelle mit variabler Wellenlänge verwendet wird, kann statt der wellenlängen-variablen Lichtquelle eine Breitband-Lichtquelle, wie beispielsweise eine Super-Lumineszenzdiode, verwendet werden. Obwohl bei der Ausführungsform ein Photodetektor verwendet wird, kann selbstverständlich anstatt des Photodetektors eine Komponente mit einer Funktion zum Messen sowohl der Wellenlänge als auch der Lichtintensität verwendet werden, beispielsweise ein Spektralanalysator oder eine Kombination aus einem Wellenleitergitter vom Arraygitter-Typ und ein Photodetektor, um gleichzeitig die Absorptionswellenlänge und die Absorptionsgröße mit hoher Genauigkeit zu messen. Bei der Ausführungsform sind hochreflektierende Spiegel an beiden Stirnflächen der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ angeordnet und es wird ein Hohlraum-Abfrageverfahren, bei dem ein Impulslicht als Lichteingang verwendet wird, wobei die Dämpfungszeit der Intensität des Impulslichts bezogen auf den Lichtausgang und die Lichtabsorptionsmenge gemessen werden kann, verwendet wird, sodass eine Konstruktion implementiert werden kann, die infinitesimales Gas mit hoher Empfindlichkeit messen kann.
Durch Ziehen von Ausatemluft in die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform kann die Gasanalysiervorrichtung als eine Ausatemluft-Analysiervorrichtung verwendet werden. Obwohl in der Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform eine Struktur, bei der die wellenlängen-variable Lichtquelle 701, die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ und der Photodetektor 703 in Kombination verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Diese Komponenten können auch auf eine monolithische oder hybride Weise integriert sein.
Zusätzlich können die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform und ein Computer miteinander oder mit einem Netzwerk verbunden sein, sodass ein Gasanalysesystem implementiert wird, welches die Analyseergebnisse verarbeiten kann. Wenn statt eines Analysegases Ausatemluft eingezogen wird, können anders als bei der Ausführungsform, bei der die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ in dem Innenteil des Gehäuses 800 angeordnet ist, eine wellenlängen-variable Lichtquelle, eine Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ und ein Photodetektor selbstverständlich in ein Mobilfunktelefon integriert sein.
Im Folgenden wird ein Beispiel eines Analyseverfahrens unter Verwendung der Analysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform beschrieben.
An der Gaseingangsöffnung 803 wird eine Probe eingezogen und das Gehäuse 800 wird mit einem zu messenden Gas gefüllt. Von der wellenlängen-variablen Lichtquelle 701 wird eine Lichtintensität I₀ erhalten. Die von dem Photodetektor 703 detektierte Lichtintensität wird mit I bezeichnet. Das Absorptionsvermögen der Probe kann auf der Grundlage der Beziehung zwischen I₀ und I erhalten werden. Wenn weiterhin ein Absorptionskoeffizient der Probe bekannt ist, kann die Konzentration der Probe berechnet werden.
(Sechste Ausführungsform)
Anhand der Zeichnungen wird eine sechste Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
Bezug nehmend auf 10 zeigt diese eine Konstruktion der Lichtwellenleiter in der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß der sechsten Ausführungsform in schematischer Darstellung. Ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform sind ein Eintrittslicht-Wellenleiter 101, ein optischer Koppler/Teiler-Wellenleiter 102, ein Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103, ein gekrümmter Lichtwellenleiter 104, ein erster Austrittslicht-Wellenleiter 905 und ein zweiter Austrittsslicht-Wellenleiter 906 auf einem allgemeinen SOI-Substrat 100 integriert. Auf den Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des zweiten Austrittslicht-Wellenleiters 906 sind hochreflektierende (HR) Schichten ausgebildet. Zusätzlich ist auf hybride Weise ein optischer Halbleiterverstärker 901 integriert. Die Konstruktion des Wellenleiters ist die gleiche wie diejenige der vierten Ausführungsform mit Ausnahme des Unterschieds zur vierten Ausführungsform, dass der optische Halbleiterverstärker 901 hybrid-integriert ist.
Im Folgenden wird das Prinzip der Detektion von infinitesimalen Gasbestandteilen unter Verwendung der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform ist das Prinzip der Ausführungsform das gleiche wie das der vierten Ausführungsform, insofern als Durchlässigkeit, Absorption und Spektroskopie für infinitesimale Gasbestandteile infolge des in der Gasphase verteilten Lichts zur Verfügung stehen, sodass im Vergleich mit einer herkömmlichen Gaszelle eine Zelle kleiner Baugröße mit einer kleinen Elementgröße von einer Dezimalstelle oder mehr implementiert werden kann, und dass in den Lichtwellenleiter eingeführtes Licht wiederholt an der Stirnfläche des Austrittslicht-Wellenleiters und der Stirnfläche des Eintrittslicht-Wellenleiters reflektiert wird und ein Messergebnis erzielt werden kann, welches äquivalent zu dem übertragenen absorbierten Licht nach Fortpflanzung über eine wirksame optische Weglänge von ungefähr 10⁵ m ist. In der Ausführungsform ist zusätzlich der optische Halbleiterverstärker hybrid-integriert. Selbst wenn großer Verlust der Fortpflanzung in dem Lichtwellenleiter auftritt, kann daher eine Verminderung der Messempfindlichkeit infolge von Schwächung des Signals vermieden werden.
Obwohl in der Ausführungsform die HR-Schichten auf verschiedenen Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters ausgebildet sind, ist ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 und der Austrittslicht-Wellenleiter sind jedoch in der gleichen Richtung der Endflächen ausgebildet und die HR-Schichten können nur auf den Stirnflächen ausgebildet sein. Ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform kann bei der Ausführungsform die Anzahl der hohen Mesas zwei oder mehr sein, beispielsweise drei oder fünf. Der gekrümmte Lichtwellenleiter 104 kann wie der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter sein, bei dem eine Anzahl von hohen Mesa-Wellenleitern nahe beieinander angeordnet sind. In diesem Fall können unnötige optische Koppler/Teiler-Wellenleiter dazwischen weggelassen werden. Der Krümmungsradius kann beispielsweise mit 25 µm oder 50 µm gewählt werden. Weiterhin kann am vorderen Bereich des Eintrittslicht-Wellenleiters oder dem rückwärtigen Bereich des Austrittslicht-Wellenleiters ein Spotgrößenwandler oder ein zugespitzter Lichtwellenleiter zur Verbesserung der Anschlusseffizienz, verglichen mit einer Lichtleitfaser, eingesetzt sein. Obwohl die Länge des Bereichs der Gas-Detektionslicht-Wellenleiter 103 mit ungefähr 1 cm gewählt wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Die Länge kann länger oder kürzer bemessen sein. Beispielsweise kann die Länge 3 cm oder 1 mm sein. Obwohl bei der Ausführungsform ein optischer Halbleiterverstärker 901 hybrid-integriert ist, kann statt des optischen Halbleiterverstärkers eine Super-Lumineszenzdiode verwendet werden, und anstatt des optischen Halbleiterverstärkers 901 kann ein Fabry-Perot-Halbleiterlaser verwendet werden. Auch in diesem Fall ist es möglich, eine Probe mit hoher Empfindlichkeit zu messen. Zusätzlich können der Halbleiterverstärker 501 oder andere Lichtaustrittsvorrichtungen an jeder Position innerhalb der hochreflektierenden Ebene eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Komponente an der Seite des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 oder in einen Teil des gekrümmten Lichtwellenleiters 103 eingesetzt sein. Obwohl weiterhin bei der Ausführungsform die Lichtwellenleiter und die Lichtaustrittsvorrichtung hybrid-integriert sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Hybridbauweise begrenzt. Beispielsweise können die Lichtwellenleiter aus InP/InGaAsP bestehen, was allgemein verwendet wird, und die Lichtaustrittsvorrichtung kann monolithisch integriert sein. Obwohl das verwendete Wellenlängenband in der Nähe des Kommunikationswellenlängenbandes (1,55 µm) liegt, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann ein sichtbares Lichtband oder ein mittleres IR-Band verwendet werden. Obwohl der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 mit einem allgemeinen, optischen 1x2-Koppler/Teiler-Wellenleiter aufgebaut ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann die Anzahl der Verzweigungen gemäß der Anzahl der hohen Mesa-Lichtwellenleiter geändert werden. Zusätzlich kann, wie in der 11 gezeigt, der optische Koppler/Teiler-Wellenleiter 102 ein optischer Koppler/Teiler-Wellenleiter mit einem Lichtverteilungs-Abgleichbereich sein.
Im Folgenden wird ein Herstellungsverfahren gemäß der sechsten Ausführungsform anhand der 6 und 7 beschrieben.
Das Herstellungsverfahren ist das gleiche wie dasjenige der zweiten Ausführungsform. Zunächst wird ein SiO₂-Film 502 auf einem allgemeinen SOI-Substrat 501 unter Verwendung eines thermischen CVD-Verfahrens abgeschieden (siehe 6(a)). Als Nächstes wird eine Maske 503 in Form eines Wellenleiters unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens, bei dem ein Stepper (reduzierte Projektionsbelichtung) (siehe 6(b))) verwendet wird, ausgebildet. Das Ätzen wird unter Verwendung der Maske durch ein induktiv gekoppeltes Plasma-(ICP)-Verfahren durchgeführt, um eine hohe Mesa 601 auszubilden (siehe 7(a)). Hierbei wird das Ätzen über die gesamte Region, auf der der optische Halbleiterverstärker 501 integriert ist, ausgeführt. Als Nächstes wird die SiO_2-Maske 503 auf der hohen Mesa 601 unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels und eines Veraschungsverfahrens entfernt (siehe 7(b)). Als Nächstes wird die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ geschnitten und eine Stirnfläche derselben poliert. Als Nächstes werden mehrschichtige HR-Schichten auf den Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters 105 unter Verwendung eines Zerstäubungsverfahrens ausgebildet und der optische Halbleiterverstärker 501 wird auf hybride Weise integriert. Danach ist das Verfahren zur Herstellung des Elements beendet.
In der Ausführungsform wird ein Stepper für die Lithografie verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt. Beispielsweise kann eine Elektronenstrahlbelichtung verwendet werden. Obwohl als Verfahren zum Ausbilden des SiO₂-Films beispielsweise das thermische CVD verwendet wird, kann auch ein Plasma-CVD-Verfahren oder ein Zerstäubungsverfahren verwendet werden. Das Verfahren zum Ausbilden der Mesa ist nicht auf das ICP-Verfahren begrenzt, sondern es kann ein REI-Verfahren verwendet werden. Bei der Ausführungsform wird bei dem Ausbilden der hohen Mesa-Struktur das Ätzen bis auf das Si-Substrat 201 herunter ausgeführt. Das Ätzen muss jedoch nicht notwendigerweise bis auf das Si-Substrat 201 ausgeführt werden, sondern das Ätzen kann auch bis auf die Si-Kernschicht 203 herunter durchgeführt werden. Bei der Ausführungsform wird die Lichtwellenleiterstruktur unter Verwendung des SOI-Substrats gebildet und die Kernschicht und die Ummantelungsschicht bestehen aus Si bzw. SiO₂. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt, sondern es können auch andere Materialien, die grundsätzlich einen Lichtwellenleiter bilden, verwendet werden. Beispielsweise können das Substrat, die Ummantelungsschicht und die Kernschicht aus Si, SiO₂ bzw. SiN bestehen. Das Substrat kann aus einem Verbundhalbleiter InP bestehen und die Ummantelung und die Kernschicht können aus InP bzw. InGaAsP bestehen. Selbstverständlich können Polymermaterialien verwendet werden. Obwohl bei der Ausführungsform die optischen Verstärker in hybrider Weise integriert sind, können die optischen Verstärker auch monolithisch integriert sein. Nach dem Schneiden der Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ wird bei der Ausführungsform das Polieren durchgeführt. Es kann jedoch auch ein Spaltvorgang ausgeführt werden.
(Siebte Ausführungsform)
Anhand der Zeichnungen wird eine siebte Ausführungsform im Einzelnen beschrieben.
Bei der Konstruktion der Ausführungsform werden ähnlich wie bei der in der 8 gezeigten zweiten Ausführungsform eine wellenlängen-variable Lichtquelle 701, eine Zelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ und ein Photodetektor 703 durch Lichtleitfasern miteinander verbunden. Die Konstruktion der Zelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ ist die gleiche wie diejenige der in der 9 gezeigten dritten Ausführungsform und somit wird deren Beschreibung nicht wiederholt. Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform dadurch, dass die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ, welche die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ bildet, äquivalent der in der sechsten Ausführungsform beschriebenen Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ ist.
Im Folgenden wird das Prinzip zur Implementierung einer tragbaren Gasanalysiervorrichtung kleiner Baugröße gemäß der siebten Ausführungsform beschrieben. Ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform ist die Gaszelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ, welche die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform bildet, zusammen mit Lichtleitfasern in einem festen Teil im Innenteil des Gehäuses 800 angeordnet. Daher kann die Zelle leicht getragen werden. Da die Lichtleitfasern miteinander befestigt sind, kann die Zelle zusätzlich leicht getragen werden, ohne dass ähnlich wie bei allgemeinen optischen Kommunikationsteilen, beispielsweise einem Halbleiterlaser, Sorge bezüglich der Verschiebung der optischen Achse getragen werden muss. Die effektive gesamtoptische Weglänge beträgt 10⁵ m, was um 5 Stellen länger als bei einer herkömmlichen Gaszelle vom räumlichen Fortpflanzungs-Typ ist, sodass es möglich ist, infinitesimales Gas mit einer höheren Empfindlichkeit zu detektieren. Der optische Verstärker ist in der Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ in hybrider Weise integriert. Selbst wenn daher in dem Lichtwellenleiter ein großer Fortpflanzungsverlust auftritt, oder selbst wenn ein großer Verlust in den Lichtleitfasern auftritt, kann eine Verminderung der Messempfindlichkeit infolge der Schwächung des Signals vermieden werden.
Bei der Ausführungsform können die Länge des Gas-Detektionslicht-Wellenleiters 103, der Krümmungsradius des gekrümmten Lichtwellenleiters 104 und die Größe des Elements gemäß dem zu messenden Objekt frei bestimmt werden. Obwohl bei der Ausführungsform eine wellenlängen-variable Lichtquelle verwendet wird, kann anstatt der wellenlängen-variablen Lichtquelle eine Breitband-Lichtquelle wie beispielsweise eine Super-Lumineszenzdiode oder eine Super-Kontinuumlichtquelle verwendet werden. Obwohl bei der Ausführungsform ein Photodetektor verwendet wird, kann anstatt des Photodetektors selbstverständlich auch eine Komponente mit einer Funktion zum Messen sowohl der Wellenlänge als auch der Lichtintensität, beispielsweise ein Spektralanalysator oder eine Kombination aus Wellenleitergitter vom Arraygitter-Typ und ein Photodetektor zum gleichzeitigen Messen der Absorptionswellenlänge und der Absorptionsgröße mit hoher Empfindlichkeit verwendet werden. Bei der Ausführungsform sind hochreflektierende Spiegel an beiden Stirnflächen der Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ angeordnet und es ist ein Hohlraum-Abfrageverfahren, bei dem ein Impulslicht als Eintrittslicht verwendet wird, bei dem die Dämpfungszeit der Intensität des Impulslichts bezogen auf das Austrittslicht und eine Lichtabsorptionsgröße gemessen werden können, angewandt, sodass eine Konstruktion implementiert werden kann, die infinitesimales Gas mit hoher Empfindlichkeit messen kann. Obwohl bei der Ausführungsform der optische Verstärker in hybrider Weise integriert sein kann, kann der optische Verstärker in monolithischer Weise integriert sein.
Wenn Ausatemluft in die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform eingezogen wird, kann die Gasanalysiervorrichtung als Ausatemluft-Analysiervorrichtung verwendet werden. Obwohl in der Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform eine Struktur, bei der die wellenlängen-variable Lichtquelle 701, die Zelle 702 vom Lichtwellenleiter-Typ und der Photodetektor 703 kombiniert sind, verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt. Diese Komponenten können in monolithischer oder hybrider Weise integriert sein.
Zusätzlich können die Gasanalysiervorrichtung gemäß der Ausführungsform und ein Computer miteinander oder mit einem Netzwerk verbunden werden, sodass ein Gasanalysesystem implementiert wird, welches die Analyseergebnisse verarbeiten kann. Wenn anstatt eines Analysiergases Ausatemluft eingezogen wird, können selbstverständlich anders als bei der Ausführungsform, bei der die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ im Inneren des Gehäuses 800 angeordnet ist, eine wellenlängen-variable Lichtquelle, eine Zelle vom Lichtwellenleiter-Typ und ein Photodetektor in einem Mobilfunktelefon integriert angeordnet werden.
[Beispiel 1]
Es wurde das Ergebnis einer quantitativen Analyse einer Gasprobe unter Verwendung der Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ gemäß der zweiten Ausführungsform (siehe 2) simuliert.
In der Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ wurden 30 % einer Gesamtlichtmenge in einem Raum zwischen Wellenleitern verteilt. Die Gesamtlänge der Lichtwellenleiter war auf 5 m gesetzt. Es wurden Ammoniak-haltige Luftproben mit unterschiedlichen Konzentrationen (5, 10, 20 ppm) und Methan-haltige Luftproben mit unterschiedlichen Konzentrationen (250, 500, 1000 ppm) verwendet. Es wurden Blindluftproben, die weder Ammoniak noch Methan enthielten, gesetzt. Die Wellenlänge des Eintrittslichts betrug 1,5 µm für die Ammoniak-haltigen Luftproben und 1,65 µm für die Methan-haltigen Luftproben. Die Intensität des Lichtausgangs bei den Blindproben und die Intensität des Lichtausgangs bei jeder Probe, die Licht absorbierte, wurden gemessen. Die Intensität des Austrittslichts bei der Probe zur Intensität des Austrittslichts bei der Leerprobe wurde als Verminderungsverhältnis der Lichtintensität berechnet.
Die Tabelle 1 zeigt die Liste der Ergebnisse bei den Ammoniak-haltigen Luftproben. Die Tabelle 2 zeigt die Liste der Ergebnisse der Methan-haltigen Luftproben. [Tabelle 1]

KONZENTRATION (ppm) VERMINDERUNGSVERHÄLTNIS DER LICHTINTENSITÄT (%)

5 2,4

10 4,8

20 9,3

[Tabelle 2]

KONZENTRATION (ppm) VERMINDERUNGSVERHÄLTNIS DER LICHTINTENSITÄT (%)

250 2,4

500 4,8

1000 9,3
[Beispiel 2]
Die in der 2 gezeigte Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ wurde unter Verwendung des Verfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform hergestellt und evaluiert.
Unter Verwendung von Lichtleitfasern wurde der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 mit der wellenlängen-variablen Lichtquelle verbunden und der Austrittslicht-Wellenleiter 105 mit dem Photodetektor verbunden. Als Probe wurde eine Methan-haltige Luft vorbereitet und in die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ eingeleitet. Vom Eintrittslicht-Wellenleiter 101 wurde ein Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm von der wellenlängen-variablen Lichtquelle eingeführt. Der Lichtaustritt an dem Austrittslicht-Wellenleiter 105 wurde durch den Photodetektor detektiert. Es wurden Leerproben auf eine Normalluft, die kein Methan enthielt, gesetzt. Die Intensitäten des Lichtaustritts von der Probe und den Leerproben wurden jeweils gemessen.
Aus dem Ergebnis ist zu ersehen, dass die Lichtintensität des Austrittslichts von der Methan-haltigen Luft verglichen mit der Intensität des Austrittslichts von der Leerprobe gesenkt worden ist.
[Beispiel 3]
Die in der 2 gezeigte Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ wurde unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vierten Ausführungsform hergestellt und evaluiert. Anders als die beim Beispiel 1 verwendete Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ wurden auf den Stirnflächen des Eintrittslicht-Wellenleiters 101 und des Austrittslicht-Wellenleiters 105 mehrschichtige HR-Schichten ausgebildet.
Unter Verwendung von Lichtleitfasern wurde der Eintrittslicht-Wellenleiter 101 mit der wellenlängen-variablen Lichtquelle und der Austrittslicht-Wellenleiter 105 mit dem Photodetektor verbunden. Als Probe wurde eine Methan-haltige Luft vorbereitet und in die Zelle 801 vom Lichtwellenleiter-Typ eingeleitet. Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm von der wellenlängen-variablen Lichtquelle wurde vom Eintrittslicht-Wellenleiter 101 eingeführt. Der Lichtausgang vom Austrittslicht-Wellenleiter 105 wurde durch den Photodetektor detektiert. Es wurden Leerproben auf eine Normalluft, die kein Methan enthielt gesetzt. Die Intensitäten des Lichtaustritts von der Probe und den Leerproben wurden jeweils gemessen.
Es ist zu ersehen, dass die vom Photodetektor detektierte Lichtintensität als Exponentialfunktion mit Bezug auf die Änderung der Zeit gesenkt wurde. Es war zu sehen, dass die Lichtintensität für die Methan-haltige Luft verglichen mit derjenigen für die Leerproben stark gesenkt worden ist und somit war der Dämpfungskoeffizient des Lichts groß.
Im Vorstehenden wurden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsformen sind jedoch nur Beispiele für die vorliegende Erfindung. Daher können verschiedene andere Konstruktionen als die vorstehend genannten angewandt werden.
Bei der Ausführungsform wurde Gas als Beispiel für die Probe angegeben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf begrenzt, sondern es kann auch eine Gemischprobe aus Gas und einer Flüssigkeit oder eine flüssige Probe verwendet werden.
In der Ausführungsform ist für die Probenkammer eine halboffene Konstruktion als Beispiel gegeben. Es kann jedoch auch eine geschlossene Konstruktion oder eine abgedichtete Konstruktion verwendet werden. Der Bereich, der zwischen den parallelen Detektionslicht-Wellenleitern eingefügt ist, und die Bereiche benachbart zu den Außenseiten der Detektionslicht-Wellenleiter können als Probenkammer verwendet werden. Anders ausgedrückt, in den zu den Außenseiten der Detektionslicht-Wellenleiter benachbarten Bereichen tritt eine Lichtabsorption der Probe auf.
Der Abstand (die Breite der Probenkammer) zwischen den ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleitern, die parallel zueinander mit der dazwischengefügten Probenkammer angeordnet sind, ist gemäß dem Brechungsindex der Detektionslicht-Wellenleiter und der Wellenlänge des Lichts, das sich durch die Wellenleiter fortpflanzt, geeignet gewählt. Durch Wahl des Abstands zwischen den Wellenleitern in einem vorbestimmten Bereich findet eine optische Kopplung statt, sodass die Lichtmenge, welche sich in der Probenkammer verteilt, erhöht werden kann. Vorzugsweise ist der Abstand gleich oder kleiner als die Summe der Breiten der ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter.
Vorzugsweise können die Breiten des ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiters einander gleich bemessen sein. Wenn die Breiten des ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiters auf x und der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter auf d gesetzt werden, ist die folgende Beziehung vorzuziehen. $x / 10 \leq d \leq 2x$
Insbesondere ist vorzuziehen $x / 2 \leq d \leq 3 x / 2$
Hierdurch kann die Lichtintensität, die in der zwischen die zwei Wellenleiter gefügte Probenkammer sich verteilt, wirksam erhöht werden. Als Ergebnis ist es möglich, eine zu messende Probe mit hoher Genauigkeit zu analysieren.
Bei der Ausführungsform kann der Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleitern so eingestellt sein, dass das Lichtverteilungsverhältnis der Probenkammer vorzugsweise 10 % oder insbesondere 20 % oder mehr ist. Das Lichtverteilungsverhältnis der Probenkammer kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. $\begin{array}{l} Lichtverteilungsverhältnis der Probenkammer = (in der Probenkammer ver- \\ teilte Lichtintensität) / (Lichtintensität des sich ausbreitenden Lichts) \end{array}$
wobei die IR-Absorption, die in dem sich fortpflanzenden Licht auftritt, proportional zu dem Lichtverteilungsverhältnis der Probenkammer erhöht wird, sodass die Messung mit einer kürzeren optischen Weglänge durchgeführt werden kann.

Claims

Analyseelement, umfassend: eine Probenkammer (11), in die eine gasförmige oder flüssige Probe eingeführt wird; einen Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103), der angrenzend an die Probenkammer (11) angeordnet ist, um Detektionslicht zum Detektieren der Probe zu führen; und einen Detektionslicht-Eintrittsbereich (13) zum Zuführen des Detektionslichtes von einer Stirnfläche des Detektionslicht-Wellenleiters (12a, 12b, 103) in den Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103), wobei sich das Detektionslicht in einer Richtung längs des Detektionslicht-Wellenleiters (12a, 12b, 103) fortpflanzt, wobei der Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) eine freiliegende Oberfläche aufweist, die in der Probenkammer (11) freiliegend ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) einen ersten und einen zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) umfasst, die parallel zueinander unter Zwischenfügung der Probenkammer (11) angeordnet sind und wobei die Probenkammer (11) zwischen dem ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) angeordnet ist, wobei das Analyseelement (10) weiterhin eine Wellenleiterstruktur aufweist, welche umfasst: ein Substrat (201), und eine Mesa (205, 601), die aus mehrfachen Schichten besteht, nämlich einer unteren Ummantelungsschicht (202), einer Kernschicht (203) und einer oberen Ummantelungsschicht (204), die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat (201) übereinander angeordnet sind, wobei die Kernschicht (203) den Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) darstellt, und der Raum angrenzend an die Mesa (205, 601) die Probenkammer (11) bildet, und bei der eine Seitenfläche der Kernschicht (203) zum Inneren der Probenkammer (11) hin freiliegt.
Analyseelement nach Anspruch 1, bei dem der Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) so angeordnet ist, dass er sich in einer vorgegebenen Richtung erstreckt.
Analyseelement nach Anspruch 1, bei dem die freiliegende Oberfläche in Form eines Bandes ausgebildet ist, welches den Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) umgibt.
Analyseelement nach Anspruch 1, bei dem die Lichtführungsrichtung des ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiters (103) gleich ist.
Analyseelement nach Anspruch 4, bei dem die freiliegenden Oberflächen des ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiters (103) einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Probenkammer (11) dazwischen eingefügt ist.
Analyseelement nach Anspruch 4, bei dem der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (103) gleich ist wie oder kleiner ist als die Summe der Breiten des ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiters (103).
Analyseelement nach Anspruch 4, bei dem der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (103) so eingestellt ist, dass das Lichtverteilungsverhältnis der Probenkammer (11), welches definiert ist durch die Gleichung: $\begin{array}{l} (Lichtverteilungsverhältnis der Probenkammer (11)) = (Lichtinten- \\ sität des in der Probenkammer (11) verteilen Lichts) / (Lichtinten- \\ sität des sich fortplanzenden Lichtes) \end{array}$
gleich oder größer als 10 % ist.
Analyseelement nach Anspruch 4, bei dem der erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter (103) parallel zueinander angeordnet sind.
Analyseelement, umfassend: ein Detektionslicht-Eintrittsbereich (13), an dem Detektionslicht eingeführt wird; einen optischen Teiler, der das eingeführte Detektionslicht teilt; einen Detektor, zu dem das geteilte Detektionslicht geführt wird; einen optischen Koppler, der den Detektionslicht-Ausgang von dem Detektor ankoppelt; und einen Detektionslicht-Ausgangsbereich, an dem das gekoppelte Detektionslicht austritt, wobei der Detektor eine Probenkammer (11) aufweist, in welche eine gasförmige oder flüssige Probe eingeführt wird, und einen ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103), die parallel zueinander, unter Zwischenfügung der Probenkammer (11), angeordnet sind, wobei der erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) jeweils eine freiliegende Oberfläche aufweist, die zum Inneren der Probenkammer (11) hin freiliegend ist, und wobei das Detektionslicht, das sich in einer Richtung längs der Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) fortpflanzt, in den Detektionslicht-Eintrittsbereich (13) eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Analyseelement weiterhin eine Wellenleiterstruktur aufweist, welche umfasst: ein Substrat (201); und eine erste und zweite Mesa (205, 601), von denen jede aus mehrfachen Schichten aufgebaut ist, nämlich einer unteren Ummantelungsschicht (202), einer Kernschicht (203) und einer oberen Ummantelungsschicht (204), die in dieser Reihenfolge auf dem Substrat (201) übereinander geschichtet sind, wobei die erste und zweite Mesa (205, 601) parallel zueinander angeordnet sind, die Kernschichten (203) der ersten und zweiten Mesa (205, 601) als erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter (12a, 12b, 103) dienen und der Raum zwischen der ersten und zweiten Mesa (205, 601) die Probenkammer (11) bildet, und eine Seitenfläche jeder der Kernschichten (203) zum Inneren der Probenkammer (11) hin freiliegt.
Analyseelement, umfassend: ein Detektionslicht-Eintrittsbereich (13), an dem Detektionslicht eingeführt wird; einen optischen Teiler, der das eingeführte Detektionslicht teilt; einen Detektor, zu dem das geteilte Detektionslicht geführt wird; einen optischen Koppler, der den Detektionslicht-Ausgang von dem Detektor ankoppelt; und einen Detektionslicht-Ausgangsbereich, an dem das gekoppelte Detektionslicht austritt, wobei der Detektor eine Probenkammer (11) aufweist, in welche eine gasförmige oder flüssige Probe eingeführt wird, und einen ersten und zweiten Detektionslicht-Wellenleiter (103), die parallel zueinander, unter Zwischenfügung der Probenkammer (11), angeordnet sind, wobei der erste und zweite Detektionslicht-Wellenleiter (103) jeweils eine freiliegende Oberfläche aufweist, die zum Inneren der Probenkammer (11) hin freiliegend ist, und wobei das Detektionslicht, das sich in einer Richtung längs der Detektionslicht-Wellenleiter (103) fortpflanzt, in den Detektionslicht-Eintrittsbereich (13) eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Analyseelement weiterhin eine erste und zweite Einheit aufweist, von denen jede mit dem Detektor, dem optischen Teiler und dem optischen Koppler konstruiert ist, wobei die erste und zweite Einheit optisch miteinander verbunden sind, und wobei die Detektionslicht-Wellenleiter (103) in der ersten Einheit und die Detektionslicht-Wellenleiter (103) in der zweiten Einheit unterschiedliche Lichtführungsrichtungen haben.
Analyseelement nach Anspruch 10, bei der die erste und zweite Einheit miteinander durch einen gekrümmten Wellenleiter (104) verbunden sind.
Analyseelement nach Anspruch 10, bei dem die beiden Detektionslicht-Wellenleiter (103) in der ersten und zweiten Einheit die Form einer Geraden haben und parallel zueinander angeordnet sind.
Analyseelement nach Anspruch 10, bei dem der Detektionslicht-Eingabebereich und der Detektionslicht-Ausgabebereich je einen Spiegel aufweist, und wobei jeder der Spiegel so konstruiert ist, dass er ein Teil des Detektionslichtes reflektiert und den Rest durchlässt.
Analyseelement nach Anspruch 13, welches ferner einen optischen Verstärker (901) aufweist, der mit dem Detektionslicht-Austrittsbereich verbunden ist.
Analysevorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Analysator, dem Licht von der Lichtquelle zugeführt wird, und einem Fotodetektor, der das Ausgangslicht von dem Analysator detektiert, wobei der Analysator ein Analyseelement gemäß Anspruch 1 aufweist und wobei die Analyse der Probe auf der Grundlage des Verhältnisses des in dem Analysator des Analyseelementes eingeführten Lichtes und der Intensität des aus dem Analysator austretenden Lichtes erfolgt.
Analysevorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Analysator, in welchen Licht von der Lichtquelle eingeführt wird, und einem Photodetektor, der den Lichtaustritt aus dem Analysator detektiert, wobei der Analysator ein Analyseelement gemäß Anspruch 9 aufweist, und wobei die Analyse der Probe auf der Grundlage des Verhältnisses zwischen der Intensität des in den Analysator des Analyseelementes eingeführten Lichtes und der Intensität des aus dem Analysator austretenden Lichtes erfolgt.
Analysevorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Analysator ferner einen Sammler für Ausatemluft aufweist, der Ausatemluft sammelt und die Ausatemluft in die Probekammer zieht.
Analysevorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Analysator ferner einen Sammler für Ausatemluft aufweist, der Ausatemluft sammelt und die Ausatemluft in die Probekammer zieht.
Gasanalysevorrichtung, welche das Analyseelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 in Form einer Gaszelle aufweist.
Ausatemluft-Analysiervorrichtung, die das Analyseelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 in Form einer Gaszelle aufweist.
Gasanalysiersystem, bei dem die Gasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 19 mit einem Computer verbunden ist, wodurch von der Gasanalysevorrichtung erhaltene Daten über die Gaszusammensetzung analysiert werden.
Gasanalysesystem, bei dem die Gasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 19 und ein Computer an ein Netz angeschlossen sind, wodurch Analyse auf der Grundlage der von der Gasanalysevorrichtung erhaltenen Gaszusammensetzungsdaten durchgeführt wird.
Gasanalysesystem nach Anspruch 22, welches in einem Mobilfunktelefon untergebracht ist.
Ausatemluft-Analysen-Diagnosesystem, bei dem die Ausatemluft-Analysevorrichtung nach Anspruch 20 mit einem Computer verbunden ist, zur Durchführung einer Gesundheitsdiagnose auf der Grundlage der von der Ausatemluft-Analysevorrichtung analysierten Luftzusammensetzungsdaten.
Ausatemluft-Analyse-Diagnosesystem, bei dem die Ausatemluft-Analysiervorrichtung nach Anspruch 20 und ein Computer mit einem Netz verbunden sind, zur Durchführung einer Gesundheitsdiagnose auf der Grundlage der von der Ausatemluft-Analysiervorrichtung analysierten Luftzusammensetzungsdaten.
Ausatemluft-Analyse-Diagnosesystem gemäß Anspruch 25, welches in einem Mobilfunktelefon eingebaut ist.