DE112017006565T5

DE112017006565T5 - Messvorrichtung für biologisches Material

Info

Publication number: DE112017006565T5
Application number: DE112017006565.8T
Authority: DE
Inventors: Kosuke Shinohara; Kentaro ENOKI; Koichi Akiyama; Shimpei OGAWA; Daisuke Fujisawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: US20190307370A1; JP6548838B2; DE112017006565B4; JPWO2018123369A1; US11304635B2; WO2018123369A1; CN110087541B; CN110087541A

Abstract

Eine Steuerung korrigiert ein Spektrum S (λ), das bei einer Wellenlänge λ des Signallichts erfasst wird, zu S' (λ) gemäß den folgenden Ausdrücken:undwobei 11 die Intensität des bei der Wellenlänge λ1 von Referenzlicht erfassten Infrarotlichts und 12 die Intensität der bei einer Wellenlänge λ2 von Korrekturlicht erfassten Infrarotlichts ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung für biologisches Material, insbesondere auf eine Messvorrichtung für biologisches Material, die Infrarotlicht verwendet, um ein biologisches Material wie Zucker in einem lebenden Körper zu messen.
STAND DER TECHNIK
Ein herkömmlicher invasiver Sensor entnimmt mit einer Nadel Blut und analysiert eine Komponente des Materials in einem lebenden Körper. Insbesondere bei den häufig verwendeten Blutzuckerspiegelsensoren ist ein nicht-invasiver Typ erwünscht, um die durch die Punktion verursachten Schmerzen des Patienten zu lindern. Obwohl eine Art von nicht-invasivem Blutzuckerspiegelsensor 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. Es ist also eine solche Technik erforderlich, die den Blutzuckerspiegel stabil mit hoher Genauigkeit detektiert, auch wenn die Absorption durch Zucker im lebenden Körper gering ist.
Entsprechend dieser Anforderung weist beispielsweise die im Patentdokument 1 beschriebene Vorrichtung ein SN-Verhältnis auf, das durch eine Messung mit einem Prisma mit gedämpfter Totalreflexion (ATR) verbessert wird. Das Infrarotlicht, das sich durch das ATR-Prisma ausbreitet, wiederholt die Totalreflexion an einer Schnittstelle zwischen einer Haut-Messstelle und dem ATR-Prisma. An der Grenzfläche, an der die Totalreflexion auftritt, wird evaneszentes Licht erzeugt, das dann in die Haut-Messstelle eindringt. Da das evaneszente Licht von Wasser, Zucker und anderem biologischen Material absorbiert und gestreut wird, nimmt die Intensität des sich durch das ATR-Prisma ausbreitenden Infrarotlichts ab. So wird die Intensität von weitergeleitetem Infrarotlicht mit einer größeren Anzahl von Wiederholungen der Totalreflexion stärker gedämpft.
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2015-173 935 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Gemäß Patentdokument 1 werden Messungen nur in der Nähe der Absorptionswellenlänge von Glukose durchgeführt und eine Korrektur, die den Messfehler widerspiegelt, der durch Streuung durch einen lebenden Körper entsteht, wird nicht vorgenommen.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Messvorrichtung für biologisches Material, die das erfasste Infrarotlicht korrigiert und gleichzeitig einen Messfehler widerspiegelt, der durch die Streuung durch einen lebenden Körper entsteht.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die Messvorrichtung für biologisches Material gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Infrarot-Lichtquelle, ein ATR-Prisma, einen Infrarot-Photodetektor und eine Steuerung auf. Die Infrarot-Lichtquelle ist ausgebildet, um Infrarotlicht einschließlich Signallicht, Referenzlicht und Korrekturlicht abzustrahlen. Das ATR-Prisma ist an einer Lebendkörper-Oberfläche anheftbar. Der Infrarot-Photodetektor ist ausgebildet, um das vom ATR-Prisma abgegebene Infrarotlicht zu erfassen. Die Steuerung ist ausgebildet, um ein Spektrum S (λ), das bei einer Wellenlänge λ des Signallichts erkannt wird, gemäß den folgenden Ausdrücken (A1) und (A2) zu S' (λ) zu korrigieren: $I (λ) = (I2 - I1) \times (λ - λ1) / (λ2−λ1) - I1$
$S' (λ) = S (λ) - I (λ)$
wobei 11 die Intensität des bei einer Wellenlänge λ1 des Referenzlichts erfassten Infrarotlichts und 12 die Intensität des bei einer Wellenlänge λ2 des Korrekturlichts erfassten Infrarotlichts ist.
Effekt der Erfindung
In der vorliegenden Erfindung korrigiert die Steuerung das bei der Wellenlänge λ des Signallichts erfasste Spektrum S (λ) entsprechend den Ausdrücken (B1) und (B2) zu S' (λ), wobei 11 die Intensität des bei der Wellenlänge λ1 des Referenzlichts erfassten Infrarotlichtes und 12 die Intensität des bei der Wellenlänge λ2 erfassten Infrarotlichtes des Korrekturlichts ist. Damit wird das erfasste Infrarotlicht unter Berücksichtigung eines Messfehlers durch Streuung durch einen lebenden Körper korrigiert, was eine genauere Messung eines biologischen Materials ermöglicht.
Figurenliste

1 zeigt eine Blutzucker-Messvorrichtung der Ausführungsform 1;
2 zeigt eine ATR-Prisma 55;
3 zeigt ein mit einem Infrarot-Photodetektor 58 in Ausführungsform 1 gemessenes Infrarotspektrum;
4 zeigt eine Blutzucker-Messvorrichtung der Ausführungsform 2;
5 zeigt die vom Infrarot-Photodetektor 58 in Ausführungsform 2 gemessenen Infrarot-Intensitäten;
6 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1000 eines Infrarot-Photodetektors 58 der Ausführungsform 3;
7 zeigt eine Konfiguration eines Infrarot-Photodetektors 58 der Ausführungsform 4;
8 ist eine Draufsicht einer optischen Halbleitervorrichtung 100 der Ausführungsform 4;
9 ist eine Draufsicht der optischen Halbleitervorrichtung 100 der Ausführungsform 4 mit Ausnahme eines Absorbers 10;
10 ist ein Schnitt durch die optische Halbleitervorrichtung 100 entlang der Linie III-III aus 9;
11 zeigt einen Absorber 10 der optischen Halbleitervorrichtung 100 der Ausführungsform 4;
12 ist eine Draufsicht einer Wellenlängenauswahlstruktur 11 der Ausführungsform 5, und
13 ist eine Schnittansicht der Wellenlängenauswahlstruktur 11 entlang der Linie V-V in 12.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
Obwohl die Beschreibung im Folgenden anhand eines Blutzuckerspiegels als Beispiel für ein zu messendes biologisches Material gegeben wird, ist eine Messvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform sowohl für die Messung eines Blutzuckerspiegels als auch für die Messung eines beliebigen anderen biologischen Materials geeignet.
1 zeigt eine Blutzucker-Messvorrichtung nach Ausführungsform 1.
Diese Blutzucker-Messvorrichtung weist eine Infrarot-Lichtquelle 51, einen Konkavspiegel 52, einen Lichtleiter 53, eine ATR-Prisma 55, einen Lichtleiter 56, eine Linse 57, einen Infrarot-Photodetektor 58 und eine Steuerung 60 auf.
Die Infrarot-Lichtquelle 51 besteht beispielsweise aus einem Fourier-Infrarotspektrometer oder einem wellenlängenabstimmbaren Laser. Das von der Infrarot-Lichtquelle 51 abgestrahlte Infrarotlicht weist ein Signallicht, ein Referenzlicht mit der Wellenlänge λ1 und ein Korrekturlicht mit der Wellenlänge λ2 auf.
Der Konkavspiegel 52 sammelt das von der Infrarot-Lichtquelle 51 abgegebene Infrarotlicht und sendet es an den Lichtleiter 53.
Der Lichtleiter 53 sendet Infrarotlicht. Die Spitze des Lichtleiters 53 ist mit dem ATR-Prisma 55 verbunden.
Das ATR-Prisma 55 ist an einer Lebendkörper-Oberfläche 54 anheftbar.
2 zeigt das ATR-Prisma 55.
Einfallendes Infrarotlicht 11a vom Lichtleiter 53 wird von einer Endfläche 20c des ATR-Prismas 55 reflektiert und verwandelt sich dann in weitergeleitetes Infrarotlicht 11b. Das weitergeleitete Infrarotlicht 11b durchläuft das ATR-Prisma 55 im Kontakt mit der Lebendkörper-Oberfläche 54 unter Wiederholung der Totalreflexion an Endflächen 20a und 20b des ATR-Prismas 55. Weitergeleitetes Infrarotlicht 11b, das durch das ATR-Prisma 55 hindurchgegangen ist, wird von einer Endfläche 20d des ATR-Prismas 55 reflektiert und verwandelt sich dann in abgestrahltes Infrarotlicht 11c. Das abgestrahlte Infrarotlicht11c wird an den Lichtleiter 53 übertragen.
Ein Ende des Lichtleiters 56 ist mit dem ATR-Prisma 55 verbunden und empfängt das von dem ATR-Prisma 55 abgegebene Infrarotlicht. Der Lichtleiter 56 sendet Infrarotlicht. Das andere Ende des Lichtleiters 56 ist mit der Linse 57 verbunden.
Das vom Lichtleiter 56 abgegebene Infrarotlicht wird über die Linse 57 an den Infrarot-Photodetektor 58 gesendet.
Der Infrarot-Photodetektor 58 erkennt das Infrarotlicht, das vom ATR-Prisma 55 abgegeben wird und über den Lichtleiter 56 und die Linse 57 in den Infrarot-Photodetektor 58 gelangt.
3 zeigt ein mit dem Infrarot-Photodetektor 58 in Ausführungsform 1 gemessenes Infrarotspektrum.
Rauschen, das sich aus Messungen und dem lebenden Körper ergibt, ist im Infrarot-Spektrum der 3 vorhanden. Rauschen kann beispielsweise durch Lichtabsorption durch ein anderes Material als Glukose im lebenden Körper, den Anpressdruck und den Kontaktwinkel des ATR-Prismas 55 im lebenden Körper und Instabilitäten des lichtstreuenden optischen Systems im lebenden Körper verursacht werden.
Um ein solches Rauschen zu eliminieren, korrigiert die Steuerung 60 ein bei einer Wellenlänge λ des Signallichts detektiertes Infrarotspektrum S (λ) zu S' (λ) gemäß den folgenden Ausdrücken: $I (λ) = (I2 - I1) \times (λ - λ1) / (λ2−λ1) - I1$
$S' (λ) = S (λ) - I (λ)$
wobei 11 die Intensität des bei der Wellenlänge λ1 des Referenzlichts erfassten Infrarotlichts und 12 die Intensität des bei der Wellenlänge λ2 des Korrekturlichts erfassten Infrarotlichts ist.
Das Referenzlicht wird als Hintergrund verwendet und dementsprechend ist die Wellenlänge λ1 des Referenzlichts eine Wellenlänge, bei der die Absorption durch das zu messende biologische Material relativ groß ist. Wünschenswerterweise liegt die Wellenlänge λ1 des Referenzlichts nahe dem Absorptionsspitzenwert der Glukose und wird nicht durch die Absorption durch Glukose beeinflusst. So ist beispielsweise die Wellenlänge λ1 des Referenzlichts eine Wellenlänge, die im Bereich von 8,0 bis 10 µm liegt und nicht von der Absorption durch Glukose beeinflusst wird.
Um den Effekt der Lichtstreuung im lebenden Körper zu eliminieren, ist die Wellenlänge λ2 des Korrekturlichts eine Wellenlänge, bei der die Absorption durch das zu messende biologische Material relativ klein ist. Die Wellenlänge λ2 des Korrekturlichts ist wünschenswerterweise eine Wellenlänge im Infrarotbereich. So ist beispielsweise die Wellenlänge λ2 des Korrekturlichts wünschenswerterweise 0,8 bis 2,5 µm, bei der die Absorption durch Wasser gering ist.
Ausführungsform 2
4 zeigt eine Blutzucker-Messvorrichtung nach Ausführungsform 2.
Die Blutzucker-Messvorrichtung nach Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Blutzucker-Messvorrichtung nach Ausführungsform 1 hinsichtlich der Infrarot-Lichtquelle 51 und der Steuerung 60.
Die Infrarot-Lichtquelle 51 weist eine Infrarot-Lichtquelle für das Signallicht 151, die das bei der Berechnung des Blutzuckerspiegels verwendete Signallicht ausstrahlt, eine Infrarot-Lichtquelle für das Referenzlicht 251, das als Hintergrund verwendet wird, und eine Infrarot-Lichtquelle für das Korrekturlicht 351 auf, die das Korrekturlicht ausstrahlt.
Die Infrarot-Lichtquelle für Signallicht 151, die Infrarot-Lichtquelle für Referenzlicht 251 und die Infrarot-Lichtquelle für das Korrekturlicht 351 strahlen Licht mit einer bestimmten Wellenlänge aus.
Die Infrarot-Lichtquelle für das Signallicht 151 ist ein Quantenkaskadenlaser, der Signallicht mit einer einzigen Wellenlänge λ1 ausstrahlt. Die Infrarot-Lichtquelle für das Referenzlicht 251 ist ein Quantenkaskadenlaser, der Referenzlicht mit einer einzigen Wellenlänge λ2 abstrahlt. Der Quantenkaskadenlaser kann im mittleren Infrarotbereich schwingen, ist kompakt und leistungsstark.
Die Infrarot-Lichtquelle für das Korrekturlicht 351 ist ein Halbleiterlaser, der Korrekturlicht mit einer einzigen Wellenlänge λ3 ausstrahlt. Der Halbleiterlaser wird in der optischen Kommunikation eingesetzt und ist kostengünstig.
5 zeigt die vom Infrarot-Photodetektor 58 in Ausführungsform 2 gemessenen Infrarot-Intensitäten.
Wie in 5 dargestellt, führt die Verwendung einer Laserlichtquelle, die Licht mit nur einer bestimmten Wellenlänge abstrahlt, zu einer Infrarotlichtintensität und nicht zu einem Infrarotspektrum.
Um ein solches Rauschen zu eliminieren, korrigiert die Steuerung 60 die Intensität 11 des bei der Wellenlänge λ1 des Signallichts erfassten Infrarotlichts zu I1' gemäß den folgenden Ausdrücken: $I (λ) = (I3 - I2) \times (λ - λ2) / (λ3−λ2) - I2$
$I1' = I1 - I (λ1)$
worin 12 die Intensität des bei der Wellenlänge λ2 des Referenzlichts erfassten Infrarotlichts und 13 die Intensität des bei der Wellenlänge λ3 des Korrekturlichts erfassten Infrarotlichts ist.
Dabei ist die Wellenlänge λ1 des Signallichts eine Wellenlänge, bei der die Absorption durch das zu messende biologische Material relativ groß ist. Die Wellenlänge λ1 des Signallichts ist wünschenswerterweise eine Wellenlänge, die ungefähr jedem Absorptionsspitzenwert der Glukose entspricht. Beispielsweise ist die Wellenlänge λ1 wünschenswerterweise eine Wellenlänge, die im Bereich von 8,0 bis 10 µm liegt und ungefähr zu jedem Absorptionsspitzenwert von Glukose passt.
Das Referenzlicht wird als Hintergrund verwendet und so ist die Wellenlänge λ2 des Referenzlichts eine Wellenlänge, bei der die Absorption durch ein zu messendes biologisches Material relativ groß ist. Die Wellenlänge λ2 des Referenzlichts ist wünschenswerterweise eine Wellenlänge, die sich in der Nähe des Absorptionsmaximums von Glukose befindet und nicht durch die Absorption von Glukose beeinflusst wird. So ist beispielsweise die Wellenlänge λ2 des Referenzlichts eine Wellenlänge, die im Bereich von 8,0 bis 10 µm liegt und nicht von der Absorption der Glukose beeinflusst wird.
Um den Effekt der Lichtstreuung im lebenden Körper zu eliminieren, ist die Wellenlänge λ3 des Korrekturlichts eine Wellenlänge, bei der die Absorption durch das zu messende biologische Material relativ klein ist. Die Wellenlänge λ3 des Korrekturlichts ist wünschenswerterweise eine Wellenlänge im nahen Infrarotbereich. So ist beispielsweise die Wellenlänge λ3 des Korrekturlichts wünschenswerterweise 0,8 bis 2,5 µm, wo die Absorption durch Wasser gering ist.
Abwandlung 1 der Ausführungsform 2
Die Infrarot-Lichtquelle für das Signallicht 151 und die Infrarot-Lichtquelle für das Referenzlicht 251 können eine Vielzahl von Quantenkaskadenlasern sein, die bei Wellenlängen schwingen, die ungefähr einer Vielzahl von Absorptionsspitzen entsprechen. Dies ermöglicht die Messung eines Blutzuckerspiegels mit einer Vielzahl von Wellenlängen, was die Genauigkeit weiter verbessert.
Alternativ können die Infrarot-Lichtquelle für das Signallicht 151 und die Infrarot-Lichtquelle für das Referenzlicht 251 eine integrierte Wellenlängenvorrichtung sein, die die Zusammenführung einer Vielzahl von Quantenkaskadenlasern beinhaltet, die Infrarotlicht mit einer einzigen Wellenlänge abstrahlen. Die Verwendung einer integrierten Wellenlängenvorrichtung kann die Vorrichtung miniaturisieren und die Montage der Vorrichtung vereinfachen.
Abwandlung 2 der Ausführungsform 2
Die Infrarot-Lichtquelle 51 kann ein Quantenkaskadenlaser sein, der die Strahlung in einem breiten Band abstrahlt, eine thermische Lichtquelle des Typs, bei dem Strom durch ein Filament zu dessen Erwärmung fließt, oder eine Plasmon- oder Metamaterial-Lichtquelle, die ein periodisches Muster in einem Heizabschnitt aufweist. Der Infrarot-Photodetektor 58 kann ausgebildet werden, um eine bestimmte Wellenlänge selektiv zu erfassen. Die thermische Lichtquelle des Typs, bei dem Strom durch einen Heizdraht fließt, weist eine Temperatur auf, die durch die Menge des fließenden Stroms steuerbar ist, und strahlt dementsprechend Infrarotstrahlen in einem breiten Band gemäß der Schwarzkörperstrahlung aus. Die Plasmon- oder Metamaterial-Lichtquelle, die ein periodisches Muster in einem Heizabschnitt aufweist, ist eine hocheffiziente Lichtquelle, da ihr Strahlungswellenlängenbereich durch die Oberflächenstruktur definiert ist und somit unnötige Strahlung reduziert wird.
Ausführungsform 3
6 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1000 eines Infrarot-Photodetektors 58 nach Ausführungsform 3. Die Sensoranordnung 1000 besteht aus nicht kühlenden Infrarotsensoren (im Folgenden auch als Sensorpixel bezeichnet) 110, 120, 130 und 140, die jeweils Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge erfassen.
Die Sensorpixel 110, 120, 130 und 140 weisen jeweils beispielsweise einen wellenlängenselektiven Absorber mit einer Plasmonenresonanz auf der Oberfläche eines lichtempfindlichen Abschnitts auf. Der wellenlängenselektive Absorber erkennt Infrarotlicht mit der gewählten Wellenlänge. Die Verwendung des Infrarot-Photodetektors 58 mit einer Anordnung von nicht kühlenden Infrarotsensoren, die nur das Infrarotlicht mit der gewählten Wellenlänge erfassen, ermöglicht die gleichzeitige Messung einer Vielzahl von Wellenlängen, was eine Messung in kurzer Zeit ermöglicht.
Wie im Folgenden beschrieben, erübrigt sich durch die Verwendung einer Plasmonenresonanz ein Spektralfilter, wodurch die Gerätekonfiguration vereinfacht wird, was zu niedrigeren Kosten führt. Obwohl die Wellenlängenselektivität aufgrund der Wärmestrahlung eines Filters an sich im infraroten Wellenlängenbereich abnimmt, verbessert die Verwendung einer Plasmonenstruktur im Lichtempfangsbereich die Wellenlängenselektivität. Dies führt zu einer höheren Empfindlichkeit für den Nachweis der Spurenmenge der Komponente, wie z.B. die Analyse des Blutzuckerspiegels.
In einem Beispiel, in dem die Wellenlängen vom Signallicht λA und λB, die Wellenlänge vom Referenzlicht λC und die Wellenlänge vom Korrekturlicht λD sind, erfassen die Sensorpixel 110, 120, 130 und 140 des Infrarot-Photodetektors 58 Infrarotlicht mit einer Wellenlänge λA, Infrarotlicht mit einer Wellenlänge λB, Infrarotlicht mit einer Wellenlänge λC und Infrarotlicht mit einer Wellenlänge λD. Der Infrarot-Photodetektor für die Wellenlänge des Korrekturlichts kann ein kostengünstiger Photodetektor für den Einsatz in der optischen Kommunikation sein.
Mindestens eine der Wellenlängen λA und λB entspricht der Wellenlänge eines zu messenden biologischen Materials.
Obwohl die von einem externen Hintergrund und einem menschlichen Körper abgestrahlten Infrarotstrahlen in den Infrarot-Photodetektor 58 eintreten können, werden die Wellenlängen λA, λB und λC auf Werte eingestellt, die extrem nahe beieinanderliegen, wodurch die Wirkung der von einem Hintergrund und einem menschlichen Körper abgestrahlten Infrarotstrahlen nahezu gleich ist und die Auswirkungen von Rauschen minimiert werden.
Um solches Rauschen zu eliminieren, kann das abgestrahlte Infrarotlicht mit einer bestimmten Frequenz mit einem Chopper zerhackt werden. Die Infrarot-Lichtquelle 51 selbst kann pulsgesteuert werden und das Infrarotlicht kann mit ihrer Frequenz zerhackt werden, um die Detektionsempfindlichkeit zu erhöhen. Die Ausgangssignale der Sensorpixel 110, 120, 130 und 140 können einer Fourier-Transformation mit der Chopper-Frequenz unterzogen werden, um einen Ausgang mit reduziertem Rauschen zu erhalten.
Es genügt, dass ein Sensorpixel hinzugefügt wird, um die zu erkennenden Wellenlängen zu erhöhen. Wenn die Erkennungswellenlänge eingestellt werden kann, indem nur die periodische Oberflächenstruktur eines Sensorpixels gesteuert wird, können so viele Wellenlängen erkannt werden, wie die Anzahl der zu einem Array zusammengestellten Pixel ist.
Ein konkretes Beispiel für den Infrarot-Photodetektor 58 wird nun beschrieben.
Die Modelle von nicht kühlenden Infrarotsensoren (thermische Infrarotsensoren) für den Einsatz in den Sensorpixeln des Infrarot-Photodetektors 58 sind pyroelektrische Sensoren, Bolometer, Thermosäulen und Silizium-auf-Isolator (SOI)-Dioden. Selbst bei verschiedenen Modellen kann Plasmonenresonanz für einen lichtempfindlichen Teil des Sensors verwendet werden, d.h. ein Absorber, um die Auswahl der Wellenlängen zu ermöglichen. Die vorliegende Ausführungsform kann somit jedes Modell als Infrarot-Photodetektor 58 verwenden, unabhängig vom Modell des nicht kühlenden Infrarotsensors.
Ausführungsform 4
7 zeigt die Konfiguration eines Infrarot-Photodetektors 58 der Ausführungsform 4.
Der Infrarot-Photodetektor 58 ist ein integrierter wellenlängenselektiver Infrarotsensor.
Der Infrarot-Photodetektor 58 weist eine Sensoranordnung 1000 und eine Detektionsschaltung 1010 auf.
Die Sensoranordnung 1000 weist 9×6 Pixel (optische Halbleitervorrichtungen) 100 in Reihen und Spalten auf. Auf einem Substrat 1 sind die 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. Das heißt, der Infrarot-Photodetektor 58 empfängt senkrecht das vom ATR-Prisma 55 abgegebene Infrarotlicht.
Die Detektionsschaltung 1010 ist um die Sensoranordnung 1000 herum vorgesehen. Die Detektionsschaltung 1010 verarbeitet ein von der optischen Halbleitervorrichtung 100 erfasstes Signal zur Erkennung eines Bildes. Wenn die erfassten Wellenlängen weniger sind, ist die Detektionsschaltung 1010 nicht erforderlich, um ein Bild zu erfassen, es genügt, den Ausgang jeder Vorrichtung zu erfassen.
Die Beschreibung erfolgt nun am Beispiel eines thermischen Infrarotsensors als Beispiel für optische die Halbleitervorrichtung 100. 8 ist eine Draufsicht auf die optische Halbleitervorrichtung 100 der Ausführungsform 4. Wie in 8 dargestellt, weist die optische Halbleitervorrichtung 100 den Absorber 10 auf.
9 ist eine Draufsicht auf die optische Halbleitervorrichtung 100 der Ausführungsform 4 ohne Absorber 10. 9 zeigt zur Verdeutlichung keinen Schutzschicht oder Reflexionsschicht auf der Verdrahtung. 10 ist eine Schnittansicht (einschließlich Absorber 10 usw.) der optischen Halbleitervorrichtung 100 entlang er Linie III - III in 9. 11 zeigt den Absorber 10 der optischen Halbleitervorrichtung 100 der Ausführungsform 4.
Wie in den 7 bis 11 dargestellt, weist die optische Halbleitervorrichtung 100 beispielsweise ein Substrat 1 aus Silizium auf. Im Substrat 1 ist ein Hohlraum 2 vorgesehen. Über dem Hohlraum 2 befindet sich eine Temperaturerfassungseinheit 4, die Temperaturen erfasst. Die Temperaturerfassungseinheit 4 wird durch zwei Stützfüße 3 unterstützt. Wie in 9 dargestellt, hat der Stützfuß 3 eine von oben gesehen L-förmig gebogene Brückenform. der Stützfuß 3 weist einen dünnen Metalldraht 6 und eine dielektrische Schicht 16 auf, die den dünnen Metalldraht 6 unterstützt.
Die Temperaturerfassungseinheit 4 weist eine Detektionsschicht 5 und einen dünnen Metalldraht 6 auf. Die Detektionsschicht 5 weist beispielsweise eine Diode auf, 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 µm. Ein elektrisches Signal von der Detektionsschicht 5 wird über den dünnen Metalldraht 6, der im Stützfuß 3 ausgebildet ist, an den Aluminiumdraht 7 übertragen und durch die Detektionsschaltung 1010 gemäß 7 aufgenommen. Eine 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 vorgesehen, deckt aber zumindest einen Teil des Stützfußes 3 mit der Reflexionsschicht 8 und der Temperaturerfassungseinheit 4 ab, die nicht thermisch miteinander verbunden sind.
Wie in 10 dargestellt, ist oberhalb der Temperaturerfassungseinheit 4 eine Stützsäule 9 vorgesehen. Der Absorber 10 wird auf der Stützsäule 9 abgestützt. Das heißt, der Absorber 10 ist über die Stützsäule 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 übermittelt.
Gleichzeitig ist der Absorber 10 über der Reflexionsschicht 8 angeordnet, während er thermisch nicht mit der Reflexionsschicht 8 verbunden ist. Der Absorber 10 erstreckt sich seitlich in Plattenform, um zumindest einen Teil der Reflexionsschicht 8 abzudecken. Wie von oben betrachtet, sieht man in der optischen Halbleitervorrichtung 100 also nur den Absorber 10, wie dies in 8 dargestellt ist. Alternativ kann der Absorber 10 direkt auf der Temperaturerfassungseinheit 4 ausgebildet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in den 8 und 10 dargestellt, in der Oberfläche des Absorbers 10 eine Wellenlängenauswahlstruktur 11 vorgesehen, die das Licht mit einer bestimmten Wellenlänge selektiv absorbiert. Außerdem ist auf der Rückseite des Absorbers 10, d.h. auf der Seite der Stützsäule 9, eine Anti-Absorptionsschicht 13 vorgesehen, die die Lichtabsorption von der Rückseite 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 diese Wellenlängenauswahlstruktur 11 auf.
Es wird nun ein Fall beschrieben, in dem die Wellenlängenauswahlstruktur 11 unter Verwendung von Oberflächenplasmonen ausgebildet ist. Die Bereitstellung einer periodischen Struktur aus Metall in einer Lichteinfallsfläche bewirkt Oberflächenplasmonen 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 einzustellen.
In der vorliegenden Ausführungsform werden das Phänomen, bei dem freie Elektronen innerhalb einer Metallschicht einen Beitrag leisten, und die Erzeugung eines Oberflächenmodus durch eine periodische Struktur als synonym in Bezug auf die Absorption angesehen, und sie werden lediglich als Oberflächenplasmon oder Oberflächenplasmonenresonanz oder lediglich als Resonanz bezeichnet, ohne hier 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 behandelt. Die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform ist auch für Licht mit einer Wellenlänge in einem anderen Wellenlängenbereich als Infrarotlicht wirksam, beispielsweise im sichtbaren Bereich, im nahen Infrarotbereich und im THz-Bereich.
Wie in 11 dargestellt, weist die Wellenlängenauswahlstruktur 11, die selektiv die Absorption von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge erhöht, die in der Oberfläche des Absorbers 10 vorgesehen ist, eine Metallschicht 42, einen Hauptkörper 43 und Aussparungen 45 auf.
Die Art der Metallschicht 42, die in der Oberfläche des Absorbers 10 vorgesehen ist, d.h. in der äußersten Oberfläche der optischen Halbleitervorrichtung 100, die der lichtempfangende Abschnitt ist, ist ausgewählt aus Metallen, die eine Oberflächenplasmonenresonanz verursachen, wie Au, Ag, Cu, Al, Ni und Mo. Alternativ kann die Art der Metallschicht 42 ein Material sein, das eine Plasmonenresonanz verursacht, 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 eine Oberflächenplasmonenresonanz auf 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: $δ1= {(2 / μ σω)}^{1 / 2}$
wobei µ eine 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 das Leck des einfallenden Lichts nach unterhalb des Absorbers 10 ausreichend klein gemacht werden.
Zum Beispiel hat Siliziumdioxid im Vergleich der Wärmekapazität zwischen Gold und Siliziumdioxid (SiO₂) die geringere Wärmekapazität. Ein Absorber mit einem Hauptkörper 43 aus Siliziumdioxid und der Oberfläche der Metallschicht 42 aus Gold kann eine geringere Wärmekapazität aufweisen als ein Absorber aus Gold allein und dementsprechend eine höhere Reaktion aufweisen.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung des Absorbers 10 beschrieben.
Auf der Vorderseite des Hauptkörpers 43, der aus einem Dielektrikum oder Halbleiter gebildet ist, wird durch Photolithographie und Trockenätzen eine periodische Struktur gebildet, und dann wird die 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 durch Bilden der Metallschicht 42 nach dem Ätzen der Aussparungen des Hauptkörpers 43 vereinfacht gegenüber direktem Ätzen der Metallschicht 42 zur Bildung der Aussparungen. 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 11 beschrieben. Zylindrische Aussparungen 45 mit jeweils einem Durchmesser d von 4 µm und einer Tiefe h von 1,5 µm sind im tetragonalen Gitter in den Perioden p von 8 µm in einer Oberfläche der optischen Halbleitervorrichtung 100 angeordnet, die der lichtempfangende Abschnitt ist. In diesem Fall liegt die Absorptionswellenlänge bei etwa 8 µm. Alternativ werden zylindrische Aussparungen 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 die Absorptionswellenlänge bei fast 8,5 µm.
Der Zusammenhang zwischen der Absorptionswellenlänge und der Strahlungswellenlänge des einfallenden Lichts und der Periode der Aussparungen 45 ist zwischen den Anordnungen beispielsweise in einem tetragonalem Gitter und dreieckigem Gitter nahezu identisch, solange sie eine zweidimensionale periodische Struktur aufweisen und die Absorptionswellenlänge und die Strahlungswellenlänge durch die Periode der Aussparungen 45 bestimmt werden. Unter Berücksichtigung der reziproken Vektoren der periodischen Struktur sind theoretisch die Absorptions- und Strahlungswellenlängen nahezu identisch mit der Periode in der Anordnung im tetragonalen Gitter, während die Absorptions- und Strahlungswellenlängen eine Periode ×√3/2 in der Anordnung im Dreiecksgitter sind. In der Praxis variieren jedoch die Absorptions- und Strahlungswellenlängen je nach Durchmesser d der Aussparungen 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 eingestellt werden. Die Periode der Aussparungen 45 wird so bestimmt, dass die Wellenlänge, bei der Infrarotlicht vom Absorber 10 absorbiert wird, der Absorptionswellenlänge des zu messenden biologischen Materials entspricht.
Im Allgemeinen ist der Durchmesser d der Aussparungen 45 wünschenswerterweise nicht weniger als die Hälfte der Periode p. Wenn der Durchmesser d der Aussparungen 45 kleiner als die Hälfte der Periode p ist, neigt der Resonanzeffekt dazu, kleiner zu sein, 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 Ermessensbereiche. Nun ist das zu absorbierende Licht, bezogen auf den allgemeinen Ausdruck der Dispersionsbeziehung der Oberflächenplasmonen, 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 in 11 dargestellten Tiefe h der Aussparungen 45.
Obwohl der Absorber mit periodisch angeordneten Aussparungen 45 vorstehend beschrieben wurde, können ähnliche Effekte auch bei der Struktur mit periodisch angeordneten Vorsprüngen erzielt werden.
Die Absorption durch den Absorber 10 mit unregelmäßiger Struktur erreicht bei normalem Einfall ihr Maximum. Wenn der Einfallswinkel auf den Absorber 10 vom normalen Einfall abweicht, ändert sich auch die Wellenlänge der Absorption. Der Infrarot-Photodetektor 58 ist daher so angeordnet, dass Infrarotlicht senkrecht zum Absorber 10 abgestrahlt wird.
Ausführungsform 5
12 ist eine Draufsicht einer Wellenlängenauswahlstruktur 11 der Ausführungsform 5. 13 ist eine Schnittansicht entlang der Linie V-V der Wellenlängenauswahlstruktur 11 von 12.
Die Wellenlängenauswahlstruktur 11 weist eine dünne Metallschicht 14, eine Isolierschicht 18 auf einer dünnen Metallschicht 14 und Metall-Plättchen 17 auf einer Isolierschicht 18 auf.
Die dünne Metallschicht 14 besteht beispielsweise aus Aluminium, Gold oder dergleichen.
Die Isolierschicht 18 wird z.B. aus Siliziumdioxid gebildet. Die Isolierschicht 18 besteht aus einem Isolator, einem Dielektrikum oder einem Halbleiter wie Silizium oder Germanium. Die Auswahl des Materials für die Isolierschicht 18 kann eine zu erfassende Wellenlänge, die Anzahl der zu erfassenden Wellenlängen und das Band einer zu erfassenden Wellenlänge steuern.
Die Metall-Plättchen 17 werden beispielsweise aus einem Metall wie Gold, Silber oder Aluminium gebildet.
Die Wellenlänge, bei der eine Plasmonenresonanz auftritt, kann durch die Größe der Metall-Plättchen 17 (die Abmessungen in x- und y-Richtung von 12) gesteuert werden. So ermöglicht die Größenänderung der Metall-Plättchen 17 die Auswahl der Absorptionswellenlänge. Die Größe eines Metall-Plättchens kann entsprechend so bestimmt werden, dass die vom Absorber 10 absorbierte Wellenlänge der Absorptionswellenlänge eines zu messenden biologischen Materials entspricht. Wie in 12 dargestellt, beträgt in einem Beispiel, in dem die Metall-Plättchen 17 eine quadratische Form haben, die Absorptionswellenlänge etwa 7,5 µm, wenn die Länge einer Seite 3 µm beträgt, und die Absorptionswellenlänge etwa 8,8 µm, wenn die Länge einer Seite 3,5 µm beträgt. In diesem Fall werden die Perioden der Metall-Plättchen 17 so bestimmt, dass sie größer als die Absorptionswellenlänge des zu messenden biologischen Materials und größer als eine Seite der Metall-Plättchen 17 sind. Dadurch haben die Perioden der Metall-Plättchen 17 nahezu keine Auswirkungen auf die Absorptionswellenlänge.
Die Verwendung des Absorbers der vorliegenden Ausführungsform kann die Pixel miniaturisieren und die Fläche des Infrarot-Photodetektors 58 reduzieren, wenn die Pixel zu einem Array zusammengestellt werden.
Die Absorptionsstruktur der Wellenlängenauswahlstruktur 11 der vorliegenden Ausführungsform ist unabhängig vom Einfallswinkel und die Absorptionswellenlänge ändert sich auch bei Änderung des Einfallswinkels nicht. Ebenso ist die Absorptionsstruktur nicht polarisationsabhängig, wenn die Metall-Plättchen 17 eine symmetrische Form oder eine zweidimensionale periodische Struktur aufweist. Damit wird der zulässige Bereich für den Winkel, in dem der Infrarot-Photodetektor 58 installiert ist, erweitert. Da eine Abweichung des Infrarot-Photodetektors 58 befürchtet wird, hat die Verwendung der Absorptionsstruktur der vorliegenden Ausführungsform einen bemerkenswerten Effekt auf die gute Tragbarkeit für einen mobilen Typ.
In 12 sind die Metall-Plättchen 17 in der Matrix (zweidimensional) in regelmäßigen Abständen angeordnet. Sie können aber auch eindimensional angeordnet sein. Obwohl in diesem Fall Polarisationsabhängigkeit auftritt, kann Streulicht eliminiert werden, indem die Anordnungsrichtung an die Polarisation der Infrarot-Lichtquelle angepasst wird. Das SN-Verhältnis kann so verbessert werden, was eine genauere Messung des Blutzuckerspiegels ermöglicht.
Die Metall-Plättchen 17 können durch Plättchen aus Graphen an Stelle von Metall ersetzt werden. Wenn die Metall-Plättchen 17 aus Graphen hergestellt werden, kann die Schichtdicke auf eine Atomschicht reduziert werden. Dadurch wird die thermische Zeitkonstante reduziert, was einen schnellen Betrieb ermöglicht. Alternativ können die Metall-Plättchen 17 durch ein Material ersetzt werden, das wie oben beschrieben eine Oberflächenplasmonenresonanz verursacht.
Die Isolierschicht 18 kann durch einen Isolator wie Siliziumdioxid, ein Dielektrikum oder einen Halbleiter wie Silizium oder Germanium ersetzt werden. Die Materialauswahl kann die zu erfassende Wellenlänge, die Anzahl der zu erfassenden Wellenlängen und das Band einer zu erfassenden Wellenlänge steuern.
Es sei erwähnt, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen zur Veranschaulichung dargestellt und in jeder Hinsicht uneinschränkend sind. Es ist daher beabsichtigt, dass alle Abwandlungen und Variationen umfasst sind.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Hohlraum
3: Stützfuß
4: Temperaturerfassungseinheit
5: Detektionsschicht
6: dünner Metalldraht
7: Aluminiumdraht
8: Reflexionsschicht
9: Trägerschicht
10: Absorber
11: Wellenlängenauswahlstruktur
11a: einfallendes Infrarotlicht
11b: weitergeleitetes Infrarotlicht
11c: abgestrahltes Infrarotlicht
12: Isolierschicht
13: Anti-Absorptionsschicht
14: dünne Metallschicht
16: dielektrische Schicht
17: Metall-Plättchen
18: Isolierschicht
20a: ATR Prismen-Endfläche
20b: ATR Prismen-Endfläche
20c: ATR Prismen-Endfläche
20d: ATR Prismen-Endfläche
42: Metall schicht
43: Hauptkörper
45: Aussparung
51: Infrarot-Lichtquelle
52: Konkavspiegel
53: Lichtleiter
56: Lichtleiter
54: Lebendkörper-Oberfläche
55: ATR-Prisma
57: Lichtempfangslinse
58: Infrarot-Photodetektor
100: optische Halbleitervorrichtung
110: nicht kühlender Infrarotsensor
120: nicht kühlender Infrarotsensor
130: nicht kühlender Infrarotsensor
140: nicht kühlender Infrarotsensor
1000: Sensoranordnung
1010: Detektionsschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015173935 A [0003]

Claims

Messvorrichtung für biologisches Material, die Folgendes aufweist: - eine Infrarot-Lichtquelle, die ausgebildet ist, um Infrarotlicht einschließlich Signallicht, Referenzlicht und Korrekturlicht abzugeben; - ein ATR-Prisma, das auf einer Lebendkörper-Oberfläche haften kann; - einen Infrarot-Photodetektor, der ausgebildet ist, um Infrarotlicht zu erfassen, das vom ATR-Prisma emittiert wird; und - eine Steuerung, die ausgebildet ist, um ein Spektrum S (λ), das bei einer Wellenlänge λ des Signallichts erfasst wird, zu S' (λ) gemäß den folgenden Ausdrücken (A1) und (A2) zu korrigieren: $I (λ) = (I2 - I1) \times (λ - λ1) / (λ2−λ1) - I1$
$S' (λ) = S (λ) - I (λ)$
wobei 11 die Intensität von Infrarotlicht ist, die bei einer Wellenlänge λ1 des Referenzlichts erfasst wird, und 12 die Intensität von Infrarotlicht ist, die bei einer Wellenlänge λ2 des Korrekturlichts erfasst wird.
Messvorrichtung für biologisches Material, die Folgendes aufweist: - eine Infrarot-Lichtquelle, die ausgebildet ist, um Infrarotlicht einschließlich Signallicht, Referenzlicht und Korrekturlicht abzugeben, - ein ATR-Prisma, das auf einer Lebendkörper-Oberfläche haften kann; - einen Infrarot-Photodetektor, der ausgebildet ist, um Infrarotlicht zu erfassen, das vom ATR-Prisma emittiert wird; und - eine Steuerung, die ausgebildet ist, um die Intensität 11 von Infrarotlicht, die bei einer Wellenlänge λ1 des Signallichts erfasst wird, zu I1' gemäß den folgenden Ausdrücken (A3) und (A4) zu korrigieren: $I (λ) = (I3 - I2) \times (λ - λ2) / (λ3−λ2) - I2$
$I1' = I 1 - I (λ1)$
wobei 12 die Intensität von Infrarotlicht ist, die bei einer Wellenlänge λ2 des Referenzlichts erfasst wird, und 13 die Intensität von Infrarotlicht ist, die bei einer Wellenlänge λ3 des Korrekturlichts erfasst wird.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 1 oder 2, wobei das ATR-Prisma eine erste Endfläche, eine zweite Endfläche, eine dritte Endfläche und eine vierte Endfläche hat, und wobei das von der Infrarot-Lichtquelle abgestrahlte Infrarotlicht auf die erste Endfläche trifft und das auf die erste Endfläche abgestrahlte Infrarotlicht das ATR-Prisma unter Wiederholung der Totalreflexion von der zweiten Endfläche und der dritten Endfläche durchläuft und dann von der vierten Endfläche abgegeben wird.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 2, wobei die Wellenlänge des Signallichts und die Wellenlänge des Referenzlichts Wellenlängen sind, bei denen die Absorption durch das zu messende biologische Material relativ groß ist, und wobei die Wellenlänge des Korrekturlichts eine Wellenlänge ist, bei der die Absorption durch das zu messende biologische Material relativ klein ist.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 4, wobei die Wellenlänge des Signallichts und die Wellenlänge des Referenzlichts 8,0 bis 10 µm und die Wellenlänge des Korrekturlichts 0,8 bis 2,5 µm betragen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Infrarot-Lichtquelle Folgendes aufweist: - eine Infrarot-Lichtquelle für Signallicht, die ausgebildet ist, um das Signallicht abzugeben, und - eine Infrarot-Lichtquelle für Referenzlicht, die zum Abstrahlen des Referenzlichts ausgebildet ist, und wobei jede der Infrarot-Lichtquellen für Signallicht und die Infrarot-Lichtquelle für Referenzlicht ein Quantenkaskadenlaser ist, der ausgebildet ist, um Infrarotlicht mit einer einzigen Wellenlänge zu emittieren.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 4 oder 5, wobei - die Infrarot-Lichtquelle Folgendes aufweist: - eine Infrarot-Lichtquelle für Signallicht, die ausgebildet ist, um das Signallicht abzugeben, und - eine Infrarot-Lichtquelle für Referenzlicht, die zum Abstrahlen des Referenzlichts ausgebildet ist, und wobei die Infrarot-Lichtquelle für Signallicht und die Infrarot-Lichtquelle für Referenzlicht eine integrierte Wellenlängenvorrichtung sind, welche eine Vielzahl von Quantenkaskadenlasern zusammenfasst, die ausgebildet sind, um Infrarotlicht mit einer einzigen Wellenlänge zu emittieren.
Messvorrichtung für biologisches Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Infrarot-Photodetektor ausgebildet ist, um selektiv eine bestimmte Wellenlänge zu erfassen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 4, wobei Infrarotlicht mit mindestens einer Wellenlänge beim Auftreten einer Plasmonenresonanz auf einer Oberfläche eines lichtempfindlichen Abschnitts des Infrarot-Photodetektors absorbiert wird und die mindestens eine absorbierte Wellenlänge einer Absorptionswellenlänge des zu messenden biologischen Materials entspricht.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 4, wobei eine Oberfläche eines lichtempfindlichen Abschnitts des Infrarot-Photodetektors Aussparungen oder Vorsprünge aufweist, die periodisch darin ausgebildet sind, und eine äußerste Oberfläche des lichtempfindlichen Abschnitts ein Material aufweist, das eine Oberflächenplasmonenresonanz erzeugt.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 10, wobei Perioden der Aussparungen oder der Vorsprünge auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Teils des Infrarot-Photodetektors entsprechend einer Absorptionswellenlänge des zu messenden biologischen Materials bestimmt sind.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 11, wobei das Infrarotlicht senkrecht in die Oberfläche des lichtempfangenden Abschnitts des Infrarot-Photodetektors eintritt.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 4, wobei eine Oberfläche eines lichtempfangenden Abschnitts des Infrarot-Photodetektors von innen her gesehen eine dünne Metallschicht, eine Isolierschicht und ein Metall-Plättchen aufweist und die Absorptionswellenlänge entsprechend der Größe des Metall-Plättchens einstellbar ist.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 13, wobei die Metall-Plättchen jeweils eine quadratische Form aufweisen und Perioden, in denen die Metall-Plättchen angeordnet sind, größer als die Absorptionswellenlänge des zu messenden biologischen Materials und größer als eine Seite von jedem der Metall-Plättchen sind.