DE112017006544B4

DE112017006544B4 - Messgerät für biologisches material

Info

Publication number: DE112017006544B4
Application number: DE112017006544.5T
Authority: DE
Inventors: Shimpei OGAWA; Daisuke Fujisawa; Koichi Akiyama; Kentaro ENOKI; Kosuke Shinohara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2037-08-26
Also published as: JP7004770B2; CN113662537A; DE112017006544T5; JP2020163188A; JPWO2018123135A1; US20200060620A1; US11234648B2; CN110087542B; JP6742439B2; WO2018123135A1; CN110087542A

Abstract

Messgerät (80) für biologisches Material, das Folgendes aufweist:- eine Infrarot-Lichtquelle (32), die ausgebildet ist, um Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials abzugeben;- ein ATR Prisma (20) mit einer ersten Endfläche (20c), einer zweiten Endfläche (20a), einer dritten Endfläche (20b) und einer vierten Endfläche (20d), das ausgebildet ist, um auf der ersten Endfläche (20c) Infrarotlicht zu empfangen, das von der Infrarot-Lichtquelle (32) abgestrahlt wird, das empfangene Infrarotlicht durchzulassen, während es eine Totalreflektion von der zweiten Endfläche (20a) und der dritten Endfläche (20b) wiederholt, und das durchgelassene Infrarotlicht von der vierten Endfläche (20d) zu emittieren;- einen Infrarot-Photodetektor (30), der ausgebildet ist, um das vom ATR Prisma (20) emittierte Infrarotlicht zu erfassen, während Wellenlängen getrennt werden; und- einen Kontaktsensor (37a, 37b, 37c), der an dem ATR Prisma (20) befestigt und ausgebildet ist, um einen Kontaktzustand zwischen dem ATR Prisma (20) und einer lebenden Körperoberfläche (49) zu erfassen, wobei der Kontaktsensor so angeordnet ist, dass er nicht in direktem Kontakt mit der lebenden Körperoberfläche steht, wobei der Kontaktsensor eine Vielzahl von Belastungssensoren (37a, 37b, 37c) umfasst, die am ATR Prisma (20) befestigt sind, wobei jeder der Vielzahl von Belastungssensoren (37a, 37b, 37c) eine dünne Metallschicht mit einem Widerstand ist, der sich durch Ausdehnungs- und Kontraktionsdehnungen, die durch eine aufgebrachte Kraft verursacht werden, ändert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Messgeräte für biologisches Material, insbesondere auf ein Messgerät für biologisches Material, das Infrarotlicht zur Messung eines biologischen Materials wie Zucker in einem lebenden Körper verwendet.
STAND DER TECHNIK
Ein herkömmlicher invasiver Sensor entnimmt Blut mit einer Nadel und analysiert eine Komponente eines Materials in einem lebenden Körper. Insbesondere bei den häufig verwendeten Blutzuckerspiegel-Sensoren ist ein nicht-invasiver Typ erwünscht, um die durch die Punktion verursachten Schmerzen des Patienten zu lindern. Obwohl eine Art von nicht-invasivem Blutzuckerspiegel-Sensor mit Infrarotlicht in der Lage ist, ein Fingerabdruckspektrum von Zucker direkt zu erfassen, kann Infrarotlicht von der Hautoberfläche aus keinen tiefen Bereich erreichen, da Infrarotlicht gut von Wasser absorbiert wird. Unter diesen Umständen ist eine Technik erforderlich, die den Blutzuckerspiegel stabil und mit hoher Genauigkeit erkennt, auch wenn die Absorption durch Zucker im lebenden Körper gering ist.
Hierzu weist beispielsweise die in Patentdokument 1 (Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2003-42 952 A ) beschriebene Vorrichtung ein durch Messung mit einem „attenuated total reflection“ - (ATR)-Prisma verbessertes SN-Verhältnis auf. Das Infrarotlicht, das durch das ATR Prisma läuft, wiederholt die Totalreflektion an einer Schnittstelle zwischen der Mess-Haut und dem ATR Prisma. Evaneszierendes Licht wird an der Schnittstelle erzeugt, an der die Totalreflektion auftritt, und dringt dann in die Mess-Haut ein. Da das evaneszierende Licht von Wasser, Zucker und anderem biologischen Material absorbiert und gestreut wird, schwächt sich die Intensität der Infrarotstrahlung, die durch das ATR Prisma läuft, ab. So wird die Intensität des weitergeleiteten Infrarotlichts mit einer größeren Anzahl von Wiederholungen der Totalreflexion mehr und mehr gedämpft. Gemäß dieser Druckschrift kann ein Halbleiter-Quantenkaskadenlaser (zum Einbau in ein Mobiltelefon) als Infrarot-Lichtquelle verwendet werden, um die Infrarot-Lichtquelle zu miniaturisieren.
Patentdokument 2 (Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-173 935 A ) beschreibt Nachfolgendes: Da jeder Spalt zwischen dem ATR Prisma und der Mess-Haut verhindern kann, dass Infrarotlicht die Mess-Haut erreicht, wird in der Nähe des ATR Prisma ein Kraftsensor installiert, um den Grad der Adhäsion zwischen dem ATR Prisma und der Mess-Haut zu überprüfen.
Patentdokument 3 ( US 2015/0 265 190 A1 ) offenbart eine biologische Messvorrichtung, die die Konzentration einer biologischen Komponente (z.B. Blutzucker) messen kann. Sie umfasst einen Infrarotsensor, der einen Arm mit Infrarotlicht bestrahlt, vom Arm reflektiertes Infrarotlicht empfängt und Lichtintensitätsdaten ausgibt; eine Halteeinheit, die den Infrarotsensor so hält, dass der Infrarotsensor mit dem Arm in Kontakt kommt; einen Kraftsensor, der die Kraft erfasst, mit der der Infrarotsensor und der Arm zusammengedrückt werden; eine Presskraftbestimmungseinheit, die die Kraft mit Bestimmungswerten vergleicht und bestimmt, ob die Kraft in einem vorbestimmten Bereich liegt oder nicht; und eine Komponentenkonzentrationsberechnungseinheit, die eine Komponentenkonzentration des Arms unter Verwendung der Lichtintensitätsdaten berechnet, die ausgegeben wurden, als die Presskraftbestimmungseinheit bestimmte, dass die Kraft in dem vorbestimmten Bereich liegt. Der Kraftsensor besteht aus einem Sensor-Hauptkörper und einem piezoelektrischen Element zwischen dem Sensor-Hauptkörper und einem Druckvorsprung, der zur Übertragung des Drucks von der Körperoberfläche auf das piezoelektrische Element dient.
Patentdokument 4 ( US 2006/183982 A1 ) betrifft ein optisches Element zum nichtinvasiven Messen einer Körperflüssigkeitskomponente in einer Testprobe eines lebenden Körpers mit hoher Genauigkeit, Stabilität und Leichtigkeit. Das optische Element weist eine Lichteinfallsfläche, eine Kontaktfläche, die den lebenden Körper berührt und eine Nut auf, die über den lebenden Körper hervorsteht, sowie eine Lichtemissionsfläche, in der ein von der Lichteinfallsfläche einfallendes Licht auf den lebenden Körper aufgebracht, absorbiert und von einem lebenden Körper gestreut wird, und von der Lichtemissionsoberfläche empfangen und emittiert wird, wobei ein Lichtdurchlässigkeitssteuermittel aus dem unteren Teil des Talbereichs der Nut auf mindestens einem Teil einer Wandoberfläche der Lichteinfallsoberflächenseite gebildet wird und/ oder an einer Wandfläche der Lichtemissionsflächenseite der Nut.
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2003-42 952 A
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-173 935 A
Patentdokument 3: US 2015/0 265 190 A1
Patentdokument 4: US 2006/0 183 982 A1

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Die Haut besteht aus einer Epidermis in der Nähe der Hautoberfläche und einer Lederhaut unterhalb der Epidermis. Die Epidermis beinhaltet ein Stratum corneum, ein Stratum granulosum, ein Stratum spinosum und ein Stratum basale, von der Hautoberfläche aus gesehen. Zucker und jedes andere biologische Material, das in einer interstitiellen Flüssigkeit der Epidermis vorhanden ist, ist meist ungleichmäßig in der Tiefenrichtung verteilt und spiegelt die Struktur der Epidermis wider.
Wenn die Epidermis durch einen Kontakt zwischen dem ATR Prisma und der Hautoberfläche belastet wird, verformt sich die Struktur der Epidermis. Da eine Änderung des Kontaktzustands zwischen dem ATR Prisma und der Hautoberfläche die Kontaktbelastung verändert, die die Hautoberfläche vom ATR Prisma erfährt, ändert sich auch die Verteilung der Interstitialflüssigkeit in der Epidermis. Dies kann zu Schwankungen in der Intensität des evaneszierendes Infrarotlichts führen, das von Zucker und anderen biologischen Materialien absorbiert wird.
Gemäß Patentdokument 2 wird zwar durch den in der Nähe des ATR Prisma installierten Kraftsensor indirekt das Vorhandensein oder Fehlen eines Spaltes überwacht, der Kontaktzustand zwischen dem ATR Prisma und der Mess-Haut wird jedoch nicht unbedingt mit hoher Genauigkeit gemessen.
Die vorliegende Erfindung hat daher das Ziel, ein Messgerät für biologisches Material bereitzustellen, das einen Kontaktzustand zwischen einem ATR Prisma und einer Mess-Haut mit hoher Genauigkeit messen und dann eine Menge eines biologischen Materials in der Mess-Haut messen kann.
Mittel zum Lösen der Probleme
Ein Messgerät für biologisches Material gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Infrarot-Lichtquelle, ein ATR Prisma, einen Infrarot-Photodetektor und einen Kontaktsensor auf. Die Infrarot-Lichtquelle ist ausgebildet, um Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen eines biologischen Materials zu emittieren. Das ATR Prisma ist ausgebildet, um auf einer ersten Endfläche Infrarotlicht zu empfangen, das von der Infrarot-Lichtquelle abgestrahlt wird, das empfangene Infrarotlicht unter Wiederholung der Totalreflektion von einer zweiten Endfläche und einer dritten Endfläche durchzulassen und das durchgelassene Infrarotlicht von einer vierten Endfläche abzugeben. Der Infrarot-Photodetektor ist ausgebildet, um das vom ATR Prisma emittierte Infrarotlicht während der Trennung von Wellenlängen zu erfassen. Der Kontaktsensor ist am ATR Prisma angebracht und ausgebildet, um einen Kontaktzustand zwischen dem ATR Prisma und der Oberfläche des lebenden Körpers zu erfassen, wobei der Kontaktsensor so angeordnet ist, dass er nicht in direktem Kontakt mit der lebenden Körperoberfläche steht. Der Kontaktsensor weist eine Vielzahl von Belastungssensoren auf, die am ATR Prisma befestigt sind, wobei jeder der Vielzahl von Belastungssensoren eine dünne Metallschicht mit einem Widerstand ist, der sich durch Ausdehnungs- und Kontraktionsdehnungen, die durch eine aufgebrachte Kraft verursacht werden, ändert.
Effekt der Erfindung
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Verwendung des Kontaktsensors die hochgenaue Messung des Kontaktzustands zwischen einem ATR Prisma und einer Mess-Haut.
Figurenliste

1 zeigt ein Beispiel für die Verwendung eines mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 einer Ausführungsform;
2 zeigt eine Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 der Ausführungsform 1;
3 zeigt das Fingerabdruckspektrum von Zucker;
4 zeigt die Struktur eines Kopfes des nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 der Ausführungsform 1;
5 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Messen des Kontaktzustands zwischen einer Mess-Haut 49 und einem ATR Prisma 20 unter Verwendung der Belastungssensoren 37a, 37b und 37c;
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf des nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors von Ausführungsform 1 zeigt;
7 zeigt die Struktur eines Sensorkopfes eines nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors der Ausführungsform 2, welche ein Vergleichsbeispiel darstellt und nicht unter die beanspruchte Erfindung fällt;
8 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Messung eines Kontaktzustands zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 unter Verwendung einer Oberflächen-Schallwellen-Erzeugungseinheit 39 und einer Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit 40;
9 zeigt schematisch eine von einer Detektionsschaltung 62 erfasste Wechselspannung bei den Kontaktdrücken P1 und P2;
10 zeigt schematisch einen nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensor der Ausführungsform 3, welche ein Vergleichsbeispiel darstellt und nicht unter die beanspruchte Erfindung fällt;
11 zeigt ein ATR Prisma 20 mit einem eindimensionalen Beugungsgitter, gesehen von einer Kontaktfläche zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20;
12 ist eine Schnittansicht des ATR Prismas 20 aus 11 entlang der Linie A-A' aus 11;
13 zeigt ein zweidimensionales Beugungsgitter - ATR Prisma 20, gesehen von der Kontaktfläche zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20;
14 ist eine Schnittansicht des ATR Prismas 20 aus 13 entlang der Linie B-B' aus 13;
15 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1000 eines Infrarot-Photodetektors 30 der Ausführungsform 3;
16 zeigt das ATR Prisma 20 und die Mess-Haut 49 in einem optimalen Kontaktzustand;
17 zeigt ein ATR Prisma 20 der Ausführungsform 5, welche ein Vergleichsbeispiel darstellt und nicht unter die beanspruchte Erfindung fällt;
18 ist eine Draufsicht auf das ATR Prisma 20 von 17;
19 zeigt eine Konfiguration eines Infrarot-Photodetektors 30 der Ausführungsform 6;
20 ist eine Draufsicht auf eine optische Halbleitervorrichtung 100 der Ausführungsform 6, welche ein Vergleichsbeispiel darstellt und nicht unter die beanspruchte Erfindung fällt;
21 ist eine Draufsicht auf die optische Halbleitervorrichtungen 100, wobei der Absorber 10 weggelassen ist;
22 ist eine Schnittansicht (einschließlich Absorber 10 und dergleichen) der optischen Halbleitervorrichtung 100 entlang der Linie III-III in 21, und
23 zeigt den Absorber 10 der optischen Halbleitervorrichtung 100.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
Zwar erfolgt die Beschreibung im Folgenden anhand des Blutzuckerspiegels als Beispiel für ein Messobjekt, jedoch ist ein Messgerät der vorliegenden Erfindung sowohl für die Messung des Blutzuckerspiegels als auch für die Messung eines anderen biologischen Materials geeignet.
1 zeigt ein Beispiel für den Einsatz eines mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 gemäß einer Ausführungsform.
Wie in 1 dargestellt, wird der Blutzuckerspiegel eines lebenden Körpers eines Probanden gemessen, während der Kopf des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 mit eine dünne Keratinschicht der Lippe des Probanden mit dem Sensor in Kontakt gebracht wird. Obwohl die Messstelle hier die Lippe mit ihrer dünnen Keratinschicht ist, kann die Messstelle auch eine andere Stelle sein. Es genügt, dass die Messstelle keine Stelle mit einer dicken Keratinschicht ist, wie beispielsweise eine Handfläche. So können beispielsweise auch Messungen an einer Gesichtswange, einem Ohrläppchen und dem Handrücken durchgeführt werden.
2 zeigt eine Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 der Ausführungsform 1.
Der nicht-invasive Blutzuckerspiegel-Sensor 80 weist ein ATR Prisma 20, eine Infrarot-Lichtquelle 32, einen Infrarot-Photodetektor 30, eine Steuerung 52 und ein Benutzerinterface 54 auf.
Die Infrarot-Lichtquelle 32 strahlt Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen eines biologischen Materials ab.
Der Infrarot-Photodetektor 30 erkennt das vom ATR Prisma 20 abgegebene Infrarotlicht.
Die Steuerung 52 steuert die Infrarot-Lichtquelle 32 und den Infrarot-Photodetektor 30. Die Steuerung 52 berechnet die Konzentration des Blutzuckerspiegels des lebenden Körpers basierend auf der Intensität des vom Infrarot-Photodetektor 30 erfassten Infrarotlichts.
Das Benutzerinterface 54 weist ein Display 501, einen Vibrator 502 und eine Tastatur 503 auf.
Das ATR Prisma 20 wird auf dem Kopf des nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 montiert. Das ATR Prisma 20 ist in Kontakt mit einer Mess-Haut 49, welche die Oberfläche des lebenden Körpers eines Probanden ist. Wie in 1 dargestellt, strahlt die Infrarot-Lichtquelle 32 bei Aktivierung des nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 mit dem ATR Prisma 20, das mit der lebenden Körperoberfläche des Probanden in Kontakt gebracht wird, Infrarotlicht ganz oder teilweise im Wellenlängenbereich von 8,5 µm bis 10 µm ab, der das Fingerabdruckspektrum von Zucker beinhaltet. 3 zeigt das Fingerabdruckspektrum von Zucker.
Einfallendes Infrarotlicht 11a von der Infrarot-Lichtquelle 32 wird von einer Endfläche 20c des ATR Prismas 20 reflektiert und wird dann zu weitergeleitetem Infrarotlicht 11b. Weitergeleitetes Infrarotlicht 11b durchläuft das ATR Prisma 20, das mit der Mess-Haut 49 in Kontakt steht, während es die Totalreflektion an Endflächen 20a und 20b des ATR Prismas 20 wiederholt. Weitergeleitetes Infrarotlicht 11b, das durch das ATR Prisma 20 gelaufen ist, wird von einer Endfläche 20d des ATR Prismas 20 reflektiert und wird dann zu abgestrahltem Infrarotlicht 11c. Der Infrarot-Photodetektor 30 erfasst die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c.
Evaneszierendes Licht wird an der Schnittstelle (Endfläche 20a) zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 bei Totalreflexion erzeugt. Dieses evaneszierende Licht dringt in die Mess-Haut 49 ein und wird vom Zucker absorbiert.
Eine kleinere Differenz im Brechungsindex zwischen der Haut und dem ATR Prisma 20 führt zu einem intensiveren evaneszierenden Licht. Das evaneszierende Licht, das vom ATR Prisma 20 in Richtung Mess-Haut 49 bei Totalreflektion an der Grenzfläche (Endfläche 20a) ausgetreten ist, wird vom biologischen Material in der Mess-Haut 49 absorbiert, so dass die Intensität des Infrarotlichts, das der Totalreflektion an der Endfläche 20a ausgesetzt ist, abgeschwächt wird. Eine größere Menge an biologischem Material in der Mess-Haut 49 führt dementsprechend zu einer höheren Absorption von evaneszierendem Licht, was zu einer stärkeren Abschwächung der Intensität des Infrarotlichts bei Totalreflexion führt.
Die Haut besteht aus einer Epidermis in der Nähe der Hautoberfläche und einer Lederhaut unterhalb der Epidermis. Die Epidermis weist ein Stratum corneum, ein Stratum granulosum, ein Stratum spinosum und ein Stratum basale auf - von der Hautoberfläche aus gesehen, deren Dicken etwa 10 µm, etwa mehrere Mikrometer, etwa 100 µm und etwa mehrere Mikrometer betragen. Im Stratum basale werden Zellen produziert und auf dem Stratum spinosum gestapelt. Da Wasser (Interstitialflüssigkeit) das Stratum granulosum nicht erreicht, sterben die Zellen ab. Die abgestorbenen Zellen werden im Stratum corneum verhärtet. Zucker und anderes biologisches Material befinden sich in der Interstitialflüssigkeit der Epidermis. Die Interstitialflüssigkeit nimmt vom Stratum corneum bis zum Stratum spinosum zu. Die Intensität des Infrarotlichts, das der Totalreflexion ausgesetzt ist, ändert sich entsprechend der Länge, mit der evaneszierendes Licht in das Stratum corneum eindringt.
Evaneszierendes Licht wird exponentiell von der Grenzfläche in Richtung Mess-Haut 49 gedämpft und hat eine Eindringlänge, die ungefähr gleich seiner Wellenlänge ist. Die Spektroskopie mit dem ATR Prisma 20 kann somit die Menge eines biologischen Materials im Bereich bis zur Penetrationslänge messen. So hat beispielsweise das Fingerabdruckspektrum von Zucker Wellenlängen von 8,5 µm bis 10 µm, und entsprechend kann die Zuckermenge im Abstand von etwa 8,5 µm bis 10 µm von der Prismenoberfläche des ATR Prismas 20 erkannt werden.
4 zeigt die Struktur des Kopfes des nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors 80 der Ausführungsform 1. Dieser Kopf weist ein Substrat 50, ein ATR Prisma 20, eine Infrarot-Lichtquelle 32, einen Infrarot-Photodetektor 30, eine Stütze 36 und Belastungssensoren 37a, 37b und 37c auf.
Das ATR Prisma 20 hat die Form eines rechteckigen Quaders mit fehlenden Teilen. Der Querschnitt des ATR Prisma hat eine Form, die durch das Schneiden von zwei vertikalen Winkeln aus einem Rechteck in einem bestimmten Winkel erhalten wird. Eine kürzere Fläche, aus der vertikale Winkel geschnitten werden, wie in 4 dargestellt, wird als (Mess-Haut-) Messfläche mit der Haut in Kontakt gebracht. Der Winkel der Endfläche 20c des ATR Prismas 20 ist so eingestellt, dass im ATR Prisma 20 weitergeleitetes Infrarotlicht 11b eine Totalreflektion an den Endflächen 20a und 20b des ATR Prismas 20 erfährt. Der Winkel der Endfläche 20d des ATR Prismas 20 ist so eingestellt, dass abgestrahltes Infrarotlicht 11c in Richtung auf den Infrarot-Photodetektor 30 wandert.
Auf die Endfläche 20c, auf die einfallendes Infrarotlicht 11a von der Infrarot-Lichtquelle 32 trifft, und auf die Endfläche 20d, aus der das abgestrahlte Infrarotlicht 11c zum Infrarot-Photodetektor 30 austritt, wird eine Entspiegelung aufgebracht. Alternativ kann einfallendes Infrarotlicht 11a von der Infrarot-Lichtquelle 32 als p-polarisiertes Licht erzeugt werden (die Polarisation ist parallel zum Substrat 50) und die Einfallsfläche 20c und die Emissionsfläche 20d können geschnitten werden, um den Einfalls-/Ausfallwinkel zum Brewster-Winkel zu machen.
Als Material für das ATR Prisma 20 wird ein Einkristall aus Zinksulfid (ZnS) verwendet, das im mittleren Infrarotbereich transparent ist und einen relativ niedrigen Brechungsindex aufweist. Das Material für das ATR Prisma 20 ist nicht auf einen Einkristall aus Zinksulfid (ZnS) beschränkt und kann ein anderes bekanntes Material wie Zinkselenid (ZnSe) sein. Die Kontaktfläche 20a des ATR Prismas 20, die mit der Haut in Berührung kommt, ist mit einer dünnen Schicht aus z.B. SiO2 oder SiN beschichtet, um den menschlichen Körper nicht zu schädigen.
Als Infrarot-Lichtquelle 32 wird beispielsweise ein Quantenkaskadenlasermodul verwendet. Ein Quantenkaskadenlaser, der eine einzige Lichtquelle aufweist und eine hohe Leistung und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SN-Verhältnis) hat, ist in der Lage, hochpräzise Messungen durchzuführen. Eine Linse zum Kollimieren des Strahls ist im Quantenkaskadenlasermodul montiert. Der Quantenkaskadenlaser strahlt Infrarotlicht ganz oder teilweise im Wellenlängenbereich von 8,5 µm bis 10 µm ab.
Die Infrarot-Lichtquelle 32 strahlt Infrarotlicht ganz oder teilweise im Wellenlängenbereich von 8,5 µm bis 10 µm ab, was die Wellenlängen eines Fingerabdruckspektrums von Zucker beinhaltet.
Der Infrarot-Photodetektor 30 ist ein Sensormodul mit einem MEMS-Sensor (Micro Electro Mechanical System) oder einem nicht kühlenden Sensor, wie beispielsweise einer darin eingebauten Thermosäule. Das Sensormodul weist eine elektrische Schaltung, wie beispielsweise einen Vorverstärker und eine Linse zum Sammeln von Licht auf der Sensorvorrichtung auf.
5 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Messung des Kontaktzustands zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20 unter Verwendung der Belastungssensoren 37a, 37b und 37c.
Wie in 4 dargestellt, sind das ATR Prisma 20, die Infrarot-Lichtquelle 32, der Infrarot-Photodetektor 30 und die Stütze 36 auf dem Substrat 50 angeordnet.
Die Stütze 36 stützt das ATR Prisma 20.
Die Belastungssensoren 37a, 37b und 37c sind Kontaktsensoren eines Typs zum Messen einer Spannung an der Kontaktfläche zwischen der Mess-Haut 49 und dem ATR Prisma 20 und sind am ATR Prisma 20 befestigt. Die Belastungssensoren 37a, 37b und 37c messen die Spannung zwischen dem Substrat 50 und der Stütze 36. Die Belastungssensoren 37a, 37b und 37c sind so positioniert, dass sie nicht in direktem Kontakt mit der Mess-Haut 49 stehen.
Eine erste Oberfläche der Vielzahl von Oberflächen des ATR Prismas 20, die senkrecht zu einer Messfläche steht, die mit der Mess-Haut 49 in Kontakt steht, steht in Kontakt mit dem Substrat 50.
Eine zweite Oberfläche aus der Vielzahl von Oberflächen des ATR Prismas 20, die der mit der Mess-Haut 49 in Kontakt stehenden Messfläche gegenüberliegt, ist mit der Stütze 36 in Kontakt.
Die Belastungssensoren 37a und 37b sind an der zweiten Oberfläche angebracht, d.h. an der Oberfläche des ATR Prismas 20, die mit der Stütze 36 in Kontakt steht. Der Belastungssensor 37c ist an der ersten Oberfläche angebracht, d.h. an der Oberfläche des ATR Prismas 20, die mit dem Substrat 50 in Kontakt steht.
Messschaltungen 38a, 38b und 38c messen die Widerstandswerte der Belastungssensoren 37a, 37b und 37c.
Die Belastungssensoren 37a und 37b sind auf der Kontaktfläche zwischen der Stütze 36 und dem ATR Prisma 20 vorgesehen, was die Erfassung von Informationen nicht nur über die Kontaktbelastung zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49, sondern auch über den Kontaktwinkel dazwischen ermöglicht. So kann beispielsweise aus dem Mittelwert der Ausgangswerte der Belastungssensoren 37a und 37b die Presskraft / Andruckkraft berechnet werden. Aus dem Differenzwert zwischen den Ausgangswerten der Belastungssensoren 37a und 37b kann ein Längskontaktwinkel des ATR Prismas 20 berechnet werden. Informationen über einen Querkontaktwinkel lassen sich aus dem Mittelwert der Ausgangswerte des Belastungssensors 37a und des Belastungssensors 37b sowie dem Ausgangswert des Belastungssensors 37c gewinnen.
Die Belastungssensoren 37a, 37b und 37c können dünne Metallbahnen sein, deren Widerstand sich aufgrund von Expansions- und Kontraktionsdehnungen, die durch eine ausgeübte Kraft verursacht werden, ändert. Angenommen, dass sich bei Auftreten von Dehnungen auf die dünne Metallbahn ein Widerstand R um ΔR ändert, wenn sich die Länge L um ΔL ändert, so gilt: $(Δ R / R) = Ks \cdot (Δ L / L) = ks \cdot ε$
wobei Ks ein Koeffizient ist, der die Empfindlichkeit des Dehnungsmessstreifens darstellt, und ε der Dehnungsbetrag ist. Da ΔR klein ist, wird eine Wheatstone Brückenschaltung verwendet.
Die Steuerung 52 bestimmt die Längen ΔLa, ΔLb und ΔLc, die sich gegenüber den Anfangswerten (die Längen, wenn das ATR Prisma 20 nicht mit der Mess-Haut 4 in Kontakt steht) der Belastungssensoren 37a, 37b und 37c geändert haben, unter Verwendung der Widerstände Ra, Rb, und Rc der Belastungssensoren 37a, 37b und 37c, die von Messschaltungen 38a, 38b und 38c geliefert werden, und der Anfangswerte Ra0, Rb0 und Rc0 (die Widerstandswerte, wenn das ATR Prisma 20 nicht in Kontakt mit der Mess-Haut 49 steht) der Widerstände Ra Rb und Rc. Die Steuerung 52 berechnet wie oben beschrieben die Kontaktbelastung und den Kontaktwinkel zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 basierend auf ΔLa, ΔLb und ΔLc.
In der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, berechnen die Belastungssensoren 37a, 37b und 37c die Kontaktbelastung zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49, wodurch Messungen ohne direkten Kontakt zwischen den Belastungssensoren 37a, 37b und 37c und der Mess-Haut 49 möglich sind. Die vorliegende Ausführungsform kann den Messaufwand des Probanden entsprechend reduzieren, da der Freiheitsgrad der Kontaktregion zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 steigt. Die vorliegende Ausführungsform erhöht auch die Genauigkeit der Messung, da der Messbereich größer wird.
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf des nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors von Ausführungsform 1 zeigt. Im Schritt S101 bestimmt die Steuerung 52, ob ein Messstart über die Tastatur 503 angewiesen wurde. Wenn der Benutzer einen Start der Messung angewiesen hat, fährt der Prozess mit Schritt S102 fort.
Im Schritt S 102 bewirkt die Steuerung 52, dass der Lautsprecher 504 eine Nachrichtenstimme ausgibt oder den Vibrator 502 zum Vibrieren bringt und damit eine Nachricht übermittelt, die den Benutzer auffordert, den Kontakt zwischen dem ATR Prisma 20 mit der Sensoranordnung und der Mess-Haut 49 zu starten. So wird beispielsweise eine Meldung „Zur Vorbereitung der Messung die Sensorspitze mit der Lippe in Kontakt bringen“ ausgegeben. Eine Meldung, z.B. „Sensorspitze anpassen“, kann weiter ausgegeben werden, um den Benutzer aufzufordern, den Kontaktbereich einzustellen.
Im Schritt S103 beginnt die Steuerung 52 mit der Messung des Kontaktzustands zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49. Die Steuerung 52 berechnet den Kontaktzustand, d.h. eine Kontaktbelastung und einen Kontaktwinkel, zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 basierend auf den Widerstandswerten der Belastungssensoren 37a, 37b und 37c.
Im Schritt S104 bestimmt die Steuerung 52, ob der gemessene Kontaktzustand die Bedingung zur Sicherstellung der Messgenauigkeit erfüllt hat. Die Bedingung ist hier beispielsweise, ob die Kontaktbelastung in einen vorgegebenen Bereich fällt oder größer oder gleich einem bestimmten Schwellenwert ist. Wenn die Bedingung erfüllt ist, fährt der Prozess mit Schritt S105 fort.
Im Schritt S105 gibt die Steuerung 52 eine Nachricht aus dem Lautsprecher 504 aus, z.B. „Einstellung der Sensorspitze ist abgeschlossen“, um den Benutzer darüber zu informieren, dass die Kontakteinstellung abgeschlossen ist.
Im Schritt S106 gibt die Steuerung 52 eine Nachricht aus dem Lautsprecher 504 aus, z.B. „Messung nun starten“ und informiert damit den Benutzer, dass die Messung des Blutzuckerspiegels gestartet werden soll.
Im Schritt S107 startet die Steuerung 52 die Messung des Blutzuckerspiegels.
Im Schritt S108 bestimmt die Steuerung 52, ob die Messung des Blutzuckerspiegels abgeschlossen ist. Wenn die Messung abgeschlossen ist, fährt der Prozess mit Schritt S 109 fort.
Im Schritt S109 gibt die Steuerung 52 eine Nachricht über den Lautsprecher 504 aus, z.B. „Messung ist abgeschlossen“.
Im Schritt S 110 berechnet die Steuerung 52 den Blutzuckerspiegel basierend auf der gemessenen Intensität des Infrarotlichts.
Im Schritt S 111 zeigt die Steuerung 52 den berechneten Blutzuckerspiegel auf dem Display 501 an.
Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform den Kontaktzustand zwischen dem ATR Prisma und der Mess-Haut mit hoher Genauigkeit über die am ATR Prisma angeschlossenen Belastungssensoren messen.
Ausführungsform 2 (Vergleichsbeispiel)
7 zeigt die Struktur eines Sensorkopfes eines nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensors der Ausführungsform 2. Dieser Sensorkopf weist ein Substrat 50, ein ATR Prisma 20, eine Infrarot-Lichtquelle 32, einen Infrarot-Photodetektor 30 und ein Oberflächenschallwellengerät auf, das ein Kontaktsensor eines Typs ist. Das akustische Oberflächenschallwellengerät weist eine Oberflächen-Schallwellen-Erzeugungseinheit 39 und eine Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit 40 auf.
Das Substrat 50, das ATR Prisma 20, die Infrarot-Lichtquelle 32 und der Infrarot-Photodetektor 30 sind vergleichbar mit denen der Ausführungsform 1, deren Beschreibung nicht wiederholt wird.
Das ATR Prisma 20 hat eine Form und ein Material, das denen von Ausführungsform 1 ähnlich ist, und wird mit einer ähnlichen Beschichtung versehen. Ein Kristall, der keine Zentralsymmetrie aufweist, wie z.B. ZnS oder ZnSe des ATR Prismas 20, weist piezoelektrische Eigenschaften auf und hat die Eigenschaft, sich beim Anlegen einer Spannung zu verformen.
8 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Messung des Kontaktzustands zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 mittels der Oberflächen-Schallwellen-Erzeugungseinheit 39 und der Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit 40.
Wie in 8 dargestellt, weist die Oberflächen-Schallwellen-Erzeugungseinheit 39 eine erste Kamm-Elektrode auf, die an einem Ende der Messfläche der Vielzahl von Oberflächen des ATR Prismas 20, das mit der Mess-Haut 49 in Kontakt steht, ausgebildet ist. Die erste Kamm-Elektrode ist an eine Wechselstromversorgung 41 angeschlossen. Unter Anlegen der Wechselspannung aus der Wechselstromversorgung 41 erzeugt die erste Kamm-Elektrode akustische Oberflächenwellen.
Die Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit 40 weist eine zweite Kamm-Elektrode auf, die am anderen Ende der Messfläche der Vielzahl von Oberflächen des ATR Prismas 20 gebildet ist, die mit der Mess-Haut 49 in Kontakt steht. Die zweite Kamm-Elektrode ist an eine Detektionsschaltung 62 angeschlossen.
Die Kontaktbelastung zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 ändert die Amplitude oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle, die von der Oberflächen-Schallwellen-Erzeugungseinheit 39 ausgegeben wird und sich über die Messfläche des ATR Prismas 20 ausbreitet.
Die Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit 40 erfasst die akustische Oberflächenwelle, die sich über die Oberfläche des ATR Prismas 20 ausgebreitet hat und gibt eine Wechselspannung aus, die der Amplitude und Phase der akustischen Oberflächenwelle entspricht. Die Detektionsschaltung 62 erfasst die Amplitude und die Phase des Wechselspannungsausgangs der Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit 40. Die Steuerung 52 bestimmt die Amplitude und Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle, die über die Messfläche des ATR Prismas 20 wandert, basierend auf der Amplitude und der Phase der von der Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit 40 ausgegebenen Wechselspannung. Die Steuerung 52 bestimmt die Kontaktbelastung zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 basierend auf der Amplitude und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle.
9 zeigt schematisch die von der Detektionsschaltung 62 erfassten Wechselspannungen bei den Kontaktdrücken P1 und P2.
Wie in 9 gezeigt, ist P2< P1. Die Amplitude der Wechselspannung bei einem höheren Kontaktdruck P2 ist kleiner als die Amplitude der Wechselspannung bei einem niedrigeren Kontaktdruck P1. Außerdem rückt die Phase der Wechselspannung bei höherem Kontaktdruck P2 stärker vor als die Phase der Wechselspannung bei niedrigerem Kontaktdruck P1. Ein höherer Anpressdruck führt also zu einer kleineren Amplitude der akustischen Oberflächenwelle, die sich über die Oberfläche des ATR Prismas 20 ausbreitet, was zu einer höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit führt.
Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform den Kontaktzustand zwischen dem ATR Prisma und der Mess-Haut mit hoher Genauigkeit unter Verwendung des am ATR Prisma befestigten Oberflächenschallwellengerätes messen.
Ausführungsform 3 (Vergleichsbeispiel)
10 zeigt schematisch einen nicht-invasiven Blutzuckerspiegel-Sensor der Ausführungsform 3.
Das von der Infrarot-Lichtquelle 32 abgegebene Licht erreicht das ATR Prisma 20 und das einfallende Licht, das durch das ATR Prisma 20 hindurchgegangen ist, erreicht den Infrarot-Photodetektor 30.
Die Infrarot-Lichtquelle 32 gibt Licht mit einer Wellenlänge λ1 aus, die vom Zucker des menschlichen Körpers absorbiert wird, und Infrarotlicht mit einer Wellenlänge λ2, die nicht vom Zucker eines menschlichen Körpers absorbiert wird, als Referenz. Dabei wird die Wirkung von Infrarotstrahlen, die von einem Hintergrund und einem menschlichen Körper abgestrahlt werden, im Wesentlichen identisch zueinander gemacht, indem die Wellenlängen λ1 und λ2 auf sehr nahe beieinanderliegende Werte eingestellt werden, wodurch die Wirkung von Rauschen minimiert wird.
Auf der Oberfläche des ATR Prismas 20, die mit der Mess-Haut 49 in Kontakt steht, ist ein Beugungsgitter 18 vorgesehen. Das Beugungsgitter 18 kann ein Beugungsgitter mit eindimensionalem periodischem Muster (im Folgenden eindimensionales Beugungsgitter) oder ein Beugungsgitter mit einem zweidimensionalen periodischen unregelmäßigen Muster (im Folgenden zweidimensionales Beugungsgitter) sein.
Die 11 und 12 zeigen ein Beugungsgitter mit einem eindimensionalen Beugungsgitter. 11 zeigt ein ATR Prisma 20 mit einem eindimensionalen Beugungsgitter, gesehen von einer Kontaktfläche zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20. 12 ist eine Schnittansicht des ATR Prismas 20 aus 11 entlang der Linie A-A' aus 11.
Die 13 und 14 zeigen ein Beugungsgitter mit einem zweidimensionalen Beugungsgitter. 13 zeigt ein zweidimensionales Beugungsgitter-ATR Prisma 20, gesehen von der Kontaktfläche zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20. 14 ist eine Schnittansicht des ATR Prismas 20 aus 13 entlang der Linie B-B' aus 13.
Ob es beim eindimensionalen Beugungsgitter zu einem Beugungsphänomen kommt, d.h. ob eine Resonanz auftritt, hängt stark von der Polarisation ab. Die Wechselwirkung zwischen dem Beugungsgitter und dem von der Infrarot-Lichtquelle 32 emittierten Licht (einfallendes Licht) ändert sich je nach Richtung der Rillen des eindimensionalen Beugungsgitters und der Richtung (Polarisation) des elektrischen Feldes. So tritt beispielsweise das Beugungsphänomen leichter auf, wenn die Richtung der Rillen und die Richtung des elektrischen Feldes orthogonal zueinander sind. Im Gegensatz dazu hat das zweidimensionale Beugungsgitter ein Muster in XY-Richtungen und dementsprechend hängt das Beugungsphänomen des zweidimensionalen Beugungsgitters etwas von der Polarisation ab, obwohl man nicht sagen kann, dass das Beugungsphänomen stark von der Polarisation abhängt, verglichen mit dem eindimensionalen Beugungsgitter mit einem Muster nur in der eindimensionalen X-Richtung. Die Polarisierung des einfallenden Lichts führt somit leichter zu einem Beugungsphänomen.
Der Reflexionswinkel θ1 von Licht mit der Wellenlänge λ1 und der Reflexionswinkel θ2 von Licht mit der Wellenlänge λ2 hängen vom Muster des Beugungsgitters 18, den Wellenlängen λ1 und λ2 des von der Infrarot-Lichtquelle 32 abgestrahlten Lichts, der Polarisation des Lichts mit der Wellenlänge λ1 und der Polarisation des Lichts mit der Wellenlänge λ2 ab. Der Infrarot-Photodetektor 30 wird somit so positioniert, dass er das vom ATR Prisma 20 unter den Reflexionswinkeln θ1 und θ2 emittierte Licht senkrecht empfängt.
Das Beugungsgitter 18 ist auf der Oberfläche des ATR Prismas 20 vorgesehen, die mit der Mess-Haut 49 in Kontakt steht und so das einfallende Licht durch das Beugungsgitter 18 auf der Oberfläche beugt. Auf der Oberfläche des Beugungsgitters 18 ist eine dünne Metallschicht 60 aus z.B. Gold vorgesehen. Dies führt zu einer Oberflächenplasmonenresonanz des Beugungsgitters 18. Je nach der Dicke und der Metallart der dünnen Metallschicht 60 ist der Einfallswinkel des Lichts, das auf das Beugungsgitter 18 fällt, wo eine Oberflächenplasmonenresonanz auftritt, durch die Wellenlänge bestimmt. Folglich tritt eine Oberflächenplasmonenresonanz bei einem Einfallswinkel auf, der durch eine bestimmte Wellenlänge definiert ist, wodurch die Wellenlänge und der Einfallswinkel empfindlich definiert werden, wenn ein Objekt (z.B. die dünne Metallschicht 60) in Kontakt mit dem Beugungsgitter 18 steht. Durch die Vorbestimmung dieser Eigenschaft kann ein biologisches Material in einem Objekt (Mess-Haut 49) mit hoher Genauigkeit durch einfallendes Infrarotlicht gemessen werden.
Die Größe eines Oberflächenplasmons variiert je nach Periode und Tiefe des Beugungsgitters 18 oder der Größe der Unregelmäßigkeiten. Das Oberflächenplasmon kann maximiert werden, indem man die Periode und Tiefe des Beugungsgitters 18 so einstellt, dass sich Signallicht (Wellenlänge λ1, λ2) durch die Oberfläche ausbreiten oder die Wood's Anomalie verursachen kann. Wenn das Oberflächenplasmon sein Maximum erreicht, d.h. wenn das elektromagnetische Feld sein Maximum erreicht, wird das evaneszierende Licht bei den Wellenlängen λ1 und λ2 am stärksten vom Blutzucker absorbiert, so dass die Empfindlichkeit beim Nachweis des Blutzuckers erhöht werden kann.
Weiterhin ist eine Feinsteuerung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und der Wellenlänge möglich. Die Wellenlänge einer Oberflächenplasmonenresonanz und der Einfallswinkel, bei dem eine Resonanz auftritt, können ebenfalls durch die periodische Struktur des Beugungsgitters 18 gesteuert werden.
Vom ATR Prisma 20 abgestrahltes Infrarotlicht 11c wird vom Infrarot-Photodetektor 30 empfangen. 15 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1000 in einem Infrarot-Photodetektor 30 der Ausführungsform 3. Die Sensoranordnung 1000 besteht aus nicht kühlenden Infrarotsensoren (im Folgenden auch Sensorpixel genannt) 110 und 120, die jeweils Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge erfassen.
Die Sensorpixel 110 und 120 weisen jeweils beispielsweise eine Wellenlängenauswahlstruktur 11 mit einer Plasmonenresonanz auf der Oberfläche des Lichtempfangsabschnitts auf. Die Periode der zweidimensionalen periodischen Struktur der Wellenlängenauswahlstruktur 11 ist nahezu gleich der Wellenlänge λ1 oder λ2. Diese Struktur erkennt das Infrarotlicht mit der gewählten Wellenlänge λ1 oder λ2. Eine Vielzahl von Wellenlängen kann gleichzeitig mit dem Einsatz des Infrarot-Photodetektors 30, einschließlich einer Reihe von nicht kühlenden Infrarotsensoren gemessen werden, die nur das Infrarotlicht mit der gewählten Wellenlänge λ1 oder λ2 erfassen und so Messungen in kurzer Zeit ermöglichen. Der Infrarot-Photodetektor 30 mit Wellenlängenselektivität kann das Rauschen, beispielsweise das von einem menschlichen Körper oder der Umgebung abgestrahlte Licht, das kein Signallicht (Wellenlänge λ1, λ2) ist, aussondern.
Die Sensorpixel 110 und 120 des Infrarot-Photodetektors 30 erfassen Infrarotlicht mit der Wellenlänge λ1 und Infrarotlicht mit der Wellenlänge λ2. Das Infrarotlicht mit der Wellenlänge λ1 wird nicht nur vom Zucker, sondern auch vom Wasser und jedem anderen biologischen Material absorbiert, während das Infrarotlicht mit der Wellenlänge λ2 nicht vom Zucker, sondern vom Wasser und jedem anderen biologischen Material absorbiert wird. Die Steuerung 52 korrigiert somit die Intensität des erfassten Infrarotlichts mit der Wellenlänge λ1 unter Verwendung der Intensität des Infrarotlichts mit der Wellenlänge λ2, um eine vom Zucker absorbierte Menge zu bestimmen. Dies kann die Messgenauigkeit verbessern.
Der Grad der Adhäsion (d.h. die Größe einer Kontaktbelastung) zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 verändert den Brechungsindex des Infrarotlichts im Beugungsgitter 18. Die Änderung des Brechungsindexes ändert den Reflexionswinkel des Lichts im Beugungsgitter 18. Somit wird der Abstrahlwinkel des Infrarotlichts eindeutig durch den Adhäsionsgrad bestimmt. Der Einsatz des Infrarot-Photodetektors 30 kann somit den Adhäsionsgrad bestimmen.
Der Brechungsindex, der dem Adhäsionsgrad (Kontaktbelastung) zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20 entspricht, und der Reflexionswinkel des Lichts des Beugungsgitters 18, der dem Brechungsindex entspricht, d.h. der Emissionswinkel des Infrarotlichts des ATR Prismas 20 werden im Voraus bestimmt.
Bei der Messung des biologischen Materials wird der Infrarot-Photodetektor 30 um den Emissionspunkt des Infrarotlichts des ATR Prismas 20 gedreht. Die Steuerung 52 bestimmt den Abstrahlwinkel von Infrarotlicht aus dem ATR Prisma 20, wenn der Infrarot-Photodetektor 30 das Infrarotlicht erfasst. Die Steuerung 52 bestimmt den Adhäsionsgrad (Kontaktbelastung) zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20, der dem bestimmten Abstrahlwinkel entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform wird die hieraus ermittelte Kontaktbelastung im Schritt S104 von 6 verwendet.
Wie vorstehend beschrieben, verwendet die vorliegende Ausführungsform das Beugungsgitter 18 und die empfindlichen Wellenlängen- und Einfallswinkelabhängigkeitseigenschaften des Infrarot-Photodetektors 30, um zu bestimmen, ob das ATR Prisma 20 und die Mess-Haut 49 aneinander haften mit hoher Genauigkeit, was zu einer verbesserten Genauigkeit bei der Messung des Blutzuckerspiegels führt.
Um äußere Einflüsse zu eliminieren, kann das vom Infrarot-Photodetektor 30 erfasste Infrarotlicht mit einem Chopper zerhackt werden. Dann wird die Infrarot-Lichtquelle 32 selbst mit einer konstanten Frequenz pulsgesteuert und wird das Infrarotlicht mit dieser Frequenz zerhackt, um die Detektionsempfindlichkeit zu erhöhen.
Ausführungsform 4 (Vergleichsbeispiel)
Die Mess-Haut 49 kommt in Kontakt mit dem Beugungsgitter 18 durch Drücken des ATR Prismas 20 gegen die Mess-Haut 49. Damit ändert sich der Brechungsindex gegenüber dem Zustand vor dem Pressen.
Der Zustand, in dem die Mess-Haut 49 mit dem gesamten Rillen-Bereich des Beugungsgitters 18 in Kontakt kommt, sodass das Beugungsgitter 18 und die Mess-Haut 49 spaltfrei in den höchsten Adhäsionszustand gelangen, wird als optimaler Kontaktzustand bezeichnet. Im optimalen Kontaktzustand wird evaneszierendes Licht am stärksten vom Zucker absorbiert, was zur minimalen Intensität des reflektierten Lichts führt.
16 zeigt das ATR Prisma 20 und die Mess-Haut 49 im optimalen Kontaktzustand.
Der Brechungsindex von Infrarotlicht im optimalen Kontaktzustand wird im Voraus durch Berechnung bestimmt und basierend auf dem Brechungsindex im optimalen Kontaktzustand wird der Reflexionswinkel des Lichts durch das Beugungsgitter 18 im Voraus bestimmt. Der Infrarot-Photodetektor 30 ist in Richtung dieses Reflexionswinkels so angeordnet, dass der Infrarot-Photodetektor 30 das vom ATR Prisma 20 abgegebene Licht nur im optimalen Kontaktzustand senkrecht empfängt. Obwohl Infrarotlicht auch in einem anderen Zustand als dem optimalen Kontaktzustand in den Infrarot-Photodetektor 30 eintritt, ist der Einfallswinkel des Infrarotlichts nicht senkrecht, wie nachfolgend beschrieben, und dementsprechend kann kein Ausgang vom Infrarot-Photodetektor 30 erhalten werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die Menge des biologischen Materials nur dann messen, wenn sich das ATR Prisma und die Mess-Haut im optimalen Kontaktzustand befinden.
Ausführungsform 5 (Vergleichsbeispiel)
17 zeigt ein ATR Prisma 20 gemäß der Ausführungsform 5. 18 ist eine Draufsicht auf das ATR Prisma 20 nach 17.
In der Ausführungsform 5 wird nicht ein Beugungsgitter, sondern werden Metall-Plättchen 65 periodisch auf der Kontaktfläche des ATR Prismas 20 angeordnet, die mit der Mess-Haut 49 in Kontakt kommt. Die Metall-Plättchen 65 haben vorzugsweise eine quadratische, runde oder kreuzförmige Form. Außerdem werden die Metall-Plättchen 65 vorzugsweise zweidimensional periodisch in einem tetragonalen Gitter oder Dreiecksgitter angeordnet. Für Metall-Plättchen 65 mit rechteckiger oder elliptischer Form wird eine asymmetrische Form in einer zweidimensionalen Ebene vorgesehen, was zu einer Polarisationsabhängigkeit führt.
Die Metall-Plättchen 65 sind dünne Schichten von 50 bis 100 nm. Wenn diese Dicke ausreichend kleiner ist als die Zielwellenlänge, also beispielsweise etwa ein Hundertstel davon, tritt keine Beugung auf. In diesem Fall hängt die Plasmonenresonanz von der Größe und Periode der Metall-Plättchen 65 ab und nicht vom Einfallswinkel des Infrarotlichts auf das ATR Prisma 20. Außerdem beeinflusst die Umgebung die Plasmonresonanzwellenlänge stark. Das heißt, die Resonanzwellenlänge wird durch den Adhäsionsgrad zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20 bestimmt. Wenn die Umgebung Luft ist (d.h. wenn es eine Lücke zwischen Mess-Haut 49 und ATR Prisma 20 gibt), führt beispielsweise bei 2-µm quadratischen Metall-Plättchen 65 die periodisch in Perioden von 3 µm zweidimensionale Anordnung der Metall-Plättchen 65 zu einer Resonanzwellenlänge von etwa 10 µm. Eine Änderung des Adhäsionsgrades zwischen der Mess-Haut 49 und dem ATR Prisma 20 ändert diesen Wert ebenfalls.
So werden Größe und Periode der Metall-Plättchen 65 so eingestellt, dass beim Eintritt des ATR Prismas 20 und der Mess-Haut 49 in den höchsten Adhäsionszustand eine Plasmonenresonanz bei einer Wellenlänge λ von Infrarotlicht aus der Infrarot-Lichtquelle 32 auftritt. Wenn die Intensität der erfassten Infrarotbeleuchtung ihr Maximum erreicht hat, kann der Infrarot-Photodetektor 30 bestimmen, dass sich das ATR Prisma 20 und die Mess-Haut 49 im höchsten Adhäsionszustand befinden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Resonanzwellenlänge unabhängig vom Einfallswinkel von Infrarotlicht auf das ATR Prisma 20, sodass die Genauigkeit des Winkels, bei dem das ATR Prisma 20 gegenüber der Infrarot-Lichtquelle 32 installiert ist, keine Rolle spielt. Dies führt zu einem Effekt der Genauigkeitsverbesserung, z.B. weist ein mobiles Gerät eine hohe Vibrationsfestigkeit auf.
Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform die Menge eines biologischen Materials nur dann messen, wenn sich das ATR Prisma und die Mess-Haut im optimalen Kontaktzustand befinden.
Ausführungsform 6 (Vergleichsbeispiel)
19 zeigt eine Konfiguration eines Infrarot-Photodetektors 30 der Ausführungsform 6.
Der Infrarot-Photodetektor 30 ist ein integrierter wellenlängenselektiver Infrarotsensor. Der Infrarot-Photodetektor 30 weist eine Sensoranordnung 1000 und eine Detektionsschaltung 1010 auf.
Die Sensoranordnung 1000 weist 9×6 Pixel (optische Halbleitervorrichtungen) 100 in Zeilen und Spalten auf. Auf dem Substrat 1 sind 9×6 optische Halbleitervorrichtungen 100 in einer Matrix (einem Array) in X- und Y-Achsenrichtung angeordnet. Das Licht tritt aus der Richtung parallel zur Z-Achse ein.
Die Detektionsschaltung 1010 ist um die Sensoranordnung 1000 herum vorgesehen. Die Detektionsschaltung 1010 verarbeitet ein von den optischen Halbleitervorrichtungen 100 erfasstes Signal zur Erkennung eines Bildes. Wenn die erfassten Wellenlängen weniger sind, ist die Detektionsschaltung 1010 nicht erforderlich, um ein Bild zu erfassen, sondern nur, um einen Ausgang von jeder Vorrichtung zu erfassen.
Die Beschreibung erfolgt nun am Beispiel eines thermischen Infrarotsensors als Beispiel für die optischen Halbleitervorrichtungen 100.
20 ist eine Draufsicht auf eine optische Halbleitervorrichtung 100. Die optische Halbleitervorrichtung 100 weist einen Absorber 10 auf.
21 ist eine Draufsicht auf die optische Halbleitervorrichtung 100, wobei der Absorber 10 weggelassen ist. 21 zeigt zur Verdeutlichung keine Schutzschicht oder Reflexionsschicht auf der Verdrahtung. 22 ist eine Schnittansicht (einschließlich Absorber 10 und dergleichen) der optischen Halbleitervorrichtung 100 aus 21 entlang der Linie III-III aus 21. 23 zeigt den Absorber 10 der optischen Halbleitervorrichtung 100.
Wie in 19 bis 22 dargestellt, weist die optische Halbleitervorrichtung 100 ein Substrat 1 beispielsweise aus Silizium auf. Ein Hohlraum 2 ist im Substrat 1 vorgesehen. Über dem Hohlraum 2 befindet sich eine Temperaturerfassungseinheit 4, die Temperaturen erfasst. Die Temperaturerfassungseinheit 4 wird durch zwei Stützfüße 3 gestützt. Wie in 21 dargestellt, hat der Stützfuß 3 von oben gesehen eine in L-Form gebogene Brückenform. Der Stützfuß 3 weist einen dünnen Metalldraht 6 und eine dielektrische Schicht 16 auf, welche den dünnen Metalldraht 6 stützt.
Die Temperaturerfassungseinheit 4 weist eine Detektionsschicht 5 und den dünnen Metalldraht 6 auf. Die Detektionsschicht 5 besteht beispielsweise aus einer Diode, die kristallines Silizium enthält. Der dünne Metalldraht 6 ist auch im Stützfuß 3 enthalten und verbindet einen Aluminiumdraht 7 und die Detektionsschicht 5, die mit einer Isolierschicht 12 abgedeckt sind, elektrisch miteinander. Der dünne Metalldraht 6 besteht beispielsweise aus einer Titanlegierung mit einer Dicke von 100 nm. Ein elektrisches Signal von der Detektionsschicht 5 wird über den dünnen Metalldraht 6, der im Stützfuß 3 gebildet ist, an den Aluminiumdraht 7 übertragen und von der Detektionsschaltung 1010 aus 19 aufgenommen. Die elektrische Verbindung zwischen dem dünnen Metalldraht 6 und der Detektionsschicht 5 und zwischen dem dünnen Metalldraht 6 und dem Aluminiumdraht 7 kann über einen sich darüber oder darunter erstreckenden Leiter (nicht dargestellt) hergestellt werden.
Die Reflexionsschicht 8, die Infrarotstrahlen reflektiert, ist zur Abdeckung des Hohlraums 2 angeordnet; sie deckt aber zumindest einen Teil des Stützfußes 3 und der Temperaturerfassungseinheit 4, die nicht thermisch miteinander verbunden sind, mit der Reflexionsschicht 8 ab.
Wie in 22 dargestellt, ist oberhalb der Temperaturerfassungseinheit 4 eine Trägerstütze 9 vorgesehen. Der Absorber 10 ist an der Trägerstütze 9 befestigt. Das heißt, der Absorber 10 ist über die Trägerstütze 9 mit der Temperaturerfassungseinheit 4 verbunden. Da der Absorber 10 thermisch mit der Temperaturerfassungseinheit 4 verbunden ist, wird eine im Absorber 10 erzeugte Temperaturänderung an die Temperaturerfassungseinheit 4 übertragen.
Gleichzeitig ist der Absorber 10 über der Reflexionsschicht 8 angeordnet, aber nicht thermisch mit der Reflexionsschicht 8 verbunden. Der Absorber 10 erstreckt sich seitlich in Plattenform, um zumindest einen Teil der Reflexionsschicht 8 abzudecken. Von oben sieht man also nur den Absorber 10 in der optischen Halbleitervorrichtung 100, wie dies in 20 dargestellt ist. Alternativ kann der Absorber 10 direkt auf der Temperaturerfassungseinheit 4 gebildet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 22 dargestellt, in der Oberfläche des Absorbers 10 eine Wellenlängenauswahlstruktur 11 vorgesehen, die selektiv Licht mit einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Außerdem ist auf der Rückseite des Absorbers 10, also auf der Seite der Trägerstütze 9, eine Anti-Absorptionsschicht 13 vorgesehen, die die Lichtabsorption von der Rückseite her verhindert. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Absorber 10, Licht mit einer bestimmten Wellenlänge selektiv zu absorbieren. Da die Wellenlängenauswahlstruktur 11 Licht absorbieren kann, weist der Absorber 10 in der vorliegenden Ausführungsform die Wellenlängenauswahlstruktur 11 auf.
Es wird nun ein Fall beschrieben, in dem die Wellenlängenauswahlstruktur 11 für die Verwendung eines Oberflächenplasmons ausgebildet ist. Die Bereitstellung einer periodischen Struktur aus Metall in einer Lichteinfallsfläche erzeugt ein Oberflächenplasmon bei einer Wellenlänge, die der periodischen Oberflächenstruktur entspricht, so dass Licht absorbiert wird. Somit kann die Oberfläche des Absorbers 10 aus Metall hergestellt werden, um die Wellenlängenselektivität des Absorbers 10 durch die Wellenlänge des einfallenden Lichts, den Einfallswinkel und die periodische Struktur der Metalloberfläche zu steuern.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Phänomen, bei dem freie Elektronen innerhalb einer Metallschicht einen Beitrag leisten und die Erzeugung eines Oberflächenmodus durch eine periodische Struktur als gleichbedeutend in Bezug auf die Absorption angesehen, und sie werden lediglich als Oberflächenplasmon oder Oberflächenplasmonenresonanz oder lediglich als Resonanz bezeichnet, ohne dazwischen zu unterscheiden. Obwohl sie auch als Pseudo-Oberflächenplasmon und Metamaterial bezeichnet werden können, werden sie in Bezug auf die Absorption wie ein einziges Phänomen ähnlich behandelt. Die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform ist auch für Licht mit einer Wellenlänge in einem anderen Wellenlängenbereich als Infrarotlicht wirksam, beispielsweise einem sichtbaren Bereich, einem nahen Infrarotbereich und einem THz-Bereich.
Wie in 23 dargestellt, weist die Wellenlängenauswahlstruktur 11, die in der Oberfläche des Absorbers 10 vorgesehen ist, und die selektiv die Absorption von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge erhöht, eine Metallschicht 42, einen Hauptkörper 43 und Aussparungen 45 auf.
Die Art der Metallschicht 42, die auf der Oberfläche des Absorbers 10 vorgesehen ist, wird aus Metallen ausgewählt, die leicht eine Oberflächen-Plasmonenresonanz verursachen, wie Au, Ag, Cu, Al, Ni und Mo. Alternativ kann die Art von Metallschicht 42 ein Material sein, das leicht eine Plasmonenresonanz hervorruft, wie beispielsweise metallische Nitride einschließlich TiN, metallische Boride und metallische Carbide. Es genügt, dass die Metallschicht 42 in der Oberfläche des Absorbers 10 eine solche Dicke hat, dass einfallendes Infrarotlicht nicht durchgelassen wird. Bei einer solchen Schichtdicke wirkt sich nur die Oberflächenplasmonenresonanz in der Oberfläche des Absorbers 10 auf die Absorption und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen aus und das Material unter der Metallschicht 42 beeinflusst die Absorption o.ä. optisch nicht.
Die Dicke (Hauttiefe) δ1 des Skin-Effekts wird durch den folgenden Ausdruck dargestellt: $δ1 = {(2 / μσω)}^{1 / 2}$
wobei µ die magnetische Permeabilität der Metallschicht 42, σ die elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht 42 und ω die Winkelfrequenz des einfallenden Lichts sind.
Wenn beispielsweise die Schichtdicke δ der Metallschicht 42 in der Oberfläche des Absorbers 10 mindestens zweimal δ1 ist, d.h. von etwa mehreren zehn Nanometern bis zu mehreren hundert Nanometern, kann ein Leck des einfallenden Lichts bis unter den Absorber 10 ausreichend klein gemacht werden.
So hat beispielsweise im Vergleich der Wärmekapazität zwischen Gold und Siliziumdioxid (SiO₂) das Siliziumdioxid eine geringere Wärmekapazität. Ein Absorber mit einem Hauptkörper 43 aus Siliziumdioxid und der Oberfläche aus einer Metallschicht 42 aus Gold kann eine geringere Wärmekapazität aufweisen als ein Absorber aus Gold allein und dementsprechend eine höhere Reaktion aufweisen.
Ein Verfahren zur Herstellung des Absorbers 10 wird nun beschrieben.
Auf der Vorderseite des Hauptkörpers 43, der aus einem Dielektrikum oder Halbleiter durch Photolithographie und Trockenätzen gebildet ist, wird eine periodische Struktur gebildet, und dann wird eine Metallschicht 42 durch Sputtern oder dergleichen gebildet. Ebenso wird anschließend für die Rückfläche eine periodische Struktur erzeugt und dann die Metallschicht 42 gebildet.
Da der Durchmesser der Aussparungen 45 nur etwa mehrere Mikrometer beträgt, wird der Fertigungsschritt einfacher durch Bilden der Metallschicht 42 nach dem Ätzen der Aussparungen des Hauptkörpers 43 als durch direktes Ätzen der Aussparungen in der Metallschicht 42. Da für die Metallschicht 42 ein teures Material wie Au oder Ag verwendet wird, kann die Verwendung eines Dielektrikums oder Halbleiters für den Hauptkörper 43 die Menge des verwendeten Metalls und damit die Kosten reduzieren.
Die Eigenschaften des Absorbers 10 werden nun mit Bezug auf 23 beschrieben. Zylindrische Aussparungen 45 mit jeweils einem Durchmesser d von 4 µm und einer Tiefe h von 1,5 µm sind in Perioden p von 8 µm im tetragonalen Gitter angeordnet. In diesem Fall liegt die Absorptionswellenlänge bei etwa 8 µm. Alternativ werden zylindrische Aussparung 45 mit jeweils einem Durchmesser d von 4 µm und einer Tiefe h von 1,5 µm in den Perioden p von 8,5 µm im tetragonalen Gitter angeordnet. In diesem Fall liegt eine Absorptionswellenlänge bei fast 8,5 µm.
Die Beziehung zwischen der Absorptionswellenlänge und der Strahlungswellenlänge des einfallenden Lichts und der Periode der Aussparung 45 ist beispielsweise in einer tetragonalen Gitteranordnung und einer dreieckigen Gitteranordnung nahezu identisch, solange beide eine zweidimensionale periodische Struktur aufweisen. Die Absorptionswellenlänge und die Strahlungswellenlänge werden durch die Periode der Aussparung 45 bestimmt. Unter Berücksichtigung der reziproken Vektoren der periodischen Struktur sind theoretisch die Absorptions- und Strahlungswellenlängen nahezu identisch mit der Periode in der tetragonalen Gitteranordnung, während die Absorptions- und Strahlungswellenlängen gleich einer Periode $\times \sqrt{} 3 / 2$
in der dreieckigen Gitteranordnung sind. In der Praxis variieren jedoch die Absorptions- und Strahlungswellenlängen je nach Durchmesser d der Aussparung 45 geringfügig. Es ist daher denkbar, dass einfallendes Licht mit einer Wellenlänge absorbiert oder abgestrahlt werden kann, die nahezu identisch ist mit der Periode in beiden periodischen Strukturen.
Die Wellenlänge des zu absorbierenden Infrarotlichts kann somit durch die Periode der Aussparungen 45 gesteuert werden. Im Allgemeinen ist der Durchmesser d der Aussparungen 45 wünschenswerter Weise nicht weniger als die Hälfte der Periode p. Wenn der Durchmesser d der Aussparungen 45 kleiner ist als die Hälfte der Periode p, ist der Resonanzeffekt eher kleiner, was das Absorptionsvermögen reduziert. Da es sich bei der Resonanz jedoch um eine dreidimensionale Resonanz in den Aussparungen 45 handelt, kann auch dann eine ausreichende Absorption erreicht werden, wenn der Durchmesser d kleiner als die Hälfte der Periode p ist. Der Wert des Durchmessers d in Bezug auf die Periode p wird entsprechend individuell gestaltet. Wichtig ist, dass die Absorptionswellenlänge hauptsächlich durch die Periode p gesteuert wird. Wenn der Durchmesser d nicht kleiner als ein bestimmter Wert in Bezug auf die Periode p ist, hat der Absorber 10 ausreichende Absorptionseigenschaften und bietet Einstellungsmöglichkeiten. Nun ist das zu absorbierende Licht, bezogen auf einen allgemeinen Ausdruck der Dispersionsbeziehung des Oberflächenplasmons, für die Tiefe h der Aussparungen 45 irrelevant und hängt nur von der Periode p ab. Die Absorptionswellenlänge und die Strahlungswellenlänge sind somit unabhängig von der Tiefe h der in 23 dargestellten Aussparungen 45.
Zwar wird der Absorber mit periodisch angeordneten Aussparungen 45 oben beschrieben, jedoch können ähnliche Effekte auch mit einer Struktur mit periodisch angeordneten Vorsprüngen erzielt werden.
Die Absorption durch den Absorber 10 mit einer solchen unregelmäßigen Struktur ist bei normalem Einfall am größten. Wenn der Einfallswinkel auf den Absorber 10 von dem des normalen Einfalls abweicht, ändert sich auch die Wellenlänge der Absorption, was zu einer geringeren Absorption führt.
Wie vorstehend beschrieben, kann der Einsatz des in der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Infrarot-Fotodetektors auch die gleichen Effekte erzielen wie in den Ausführungsformen 1 bis 5 beschrieben.
Modifikationen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und erlaubt Änderungen, sofern sie unter den Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche fallen.
(1) Kontaktsensor
Der Kontaktsensor, der den durch den Kontakt zwischen dem ATR Prisma 20 und der Mess-Haut 49 verursachten Druck erfasst, kann auch ein kapazitiver Sensor, ein Halbleiter-Piezowiderstandssensor, ein Silizium-Resonanzsensor oder ein anderer Sensor als der in Ausführungsform 1 und Ausführungsform 2 sein.
Es ist zu verstehen, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen zur Veranschaulichung dargestellt werden und in jeder Hinsicht uneinschränkend sind und alle Änderungen und Variationen umfasst sind.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Hohlraum
3: Stützfuß
4: Temperaturerfassungseinheit
5: Detektionsschicht
6: dünner Metalldraht
7: Aluminiumdraht
8: Reflexionsschicht
9: Trägerstütze
10: Absorber
11: Wellenlängenauswahlstruktur
12: Isolierschicht
13: Anti-Absorptionsschicht
14: Metallschicht
16: dielektrische Schicht
18: Beugungsgitter
20: ATR Prisma
30: Infrarot-Photodetektor
32: Infrarot-Lichtquelle
36: Stütze
39: Oberflächen-Schallwellen-Erzeugungseinheit
40: Oberflächen-Schallwellen-Detektionseinheit
41: Wechselstromversorgung
42: Metallschicht
43: Hauptkörper
45: Aussparung
49: Mess-Haut
52: Steuerung
54: Benutzerinterface
60: dünne Metallschicht
62: Detektionsschaltung
65: Metall-Plättchen
100: optische Halbleitervorrichtungen
110: nicht kühlender Infrarotsensor
120: nicht kühlender Infrarotsensor
501: Display
502: Vibrator
503: Tastatur
504: Lautsprecher
1000: Sensoranordnung
1010: Detektionsschaltung
20a: ATR Prismen-Endfläche
20b: ATR Prismen-Endfläche
20c: ATR Prismen-Endfläche
20d: ATR Prismen-Endfläche
37a: Belastungssensor
37b: Belastungssensor
37c: Belastungssensor
38a: Messschaltung
38b: Messschaltung
38c: Messschaltung

Claims

Messgerät (80) für biologisches Material, das Folgendes aufweist: - eine Infrarot-Lichtquelle (32), die ausgebildet ist, um Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials abzugeben; - ein ATR Prisma (20) mit einer ersten Endfläche (20c), einer zweiten Endfläche (20a), einer dritten Endfläche (20b) und einer vierten Endfläche (20d), das ausgebildet ist, um auf der ersten Endfläche (20c) Infrarotlicht zu empfangen, das von der Infrarot-Lichtquelle (32) abgestrahlt wird, das empfangene Infrarotlicht durchzulassen, während es eine Totalreflektion von der zweiten Endfläche (20a) und der dritten Endfläche (20b) wiederholt, und das durchgelassene Infrarotlicht von der vierten Endfläche (20d) zu emittieren; - einen Infrarot-Photodetektor (30), der ausgebildet ist, um das vom ATR Prisma (20) emittierte Infrarotlicht zu erfassen, während Wellenlängen getrennt werden; und - einen Kontaktsensor (37a, 37b, 37c), der an dem ATR Prisma (20) befestigt und ausgebildet ist, um einen Kontaktzustand zwischen dem ATR Prisma (20) und einer lebenden Körperoberfläche (49) zu erfassen, wobei der Kontaktsensor so angeordnet ist, dass er nicht in direktem Kontakt mit der lebenden Körperoberfläche steht, wobei der Kontaktsensor eine Vielzahl von Belastungssensoren (37a, 37b, 37c) umfasst, die am ATR Prisma (20) befestigt sind, wobei jeder der Vielzahl von Belastungssensoren (37a, 37b, 37c) eine dünne Metallschicht mit einem Widerstand ist, der sich durch Ausdehnungs- und Kontraktionsdehnungen, die durch eine aufgebrachte Kraft verursacht werden, ändert.
Messgerät (80) für biologisches Material nach Anspruch 1, das Folgendes aufweist: - eine Stütze (36), zum Stützen des ATR Prismas (20); und - ein Substrat (50), auf dem das ATR Prisma (20) und die Stütze (36) angeordnet sind, wobei eine erste Oberfläche des ATR-Prismas (20) und das Substrat (50) miteinander in Kontakt stehen, wobei die erste Oberfläche senkrecht zu einer Oberfläche des ATR-Prismas (20) steht, die mit der Lebendkörperoberfläche (49) in Kontakt steht, wobei eine zweite Oberfläche des ATR Prismas (20) und die Stütze (36) miteinander in Kontakt stehen, wobei die zweite Oberfläche der Oberfläche des ATR Prismas (20) gegenüberliegt, die mit der Lebendkörperoberfläche (49) in Kontakt steht, und einer der Vielzahl von Belastungssensoren (37a, 37b, 37c) auf der ersten Oberfläche angeordnet ist, und der andere der Vielzahl von Belastungssensoren (37a, 37b, 37c) auf der zweiten Oberfläche angeordnet ist.