JP2009122124A - 環境センサとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造が容易で、製造コストが低く、応答時間の制御性がよく、しかも多数のセンサ素子をアレイ状に形成可能な環境センサを提供する。
【解決手段】 周囲環境における化学物質や変化を検出するセンサ(10,30,40,50,70)は、化学指示薬を含むゾル・ゲル・センサ素子(14,16,17,54,56,57)を利用する。基板(11,51)に溝(12,13,24,52,53)を形成する。溝は、化学指示薬を有するゾル・ゲル物質で充填され、ゾル・ゲルを硬化させて基板(11,51)に接着させる。溝(12,13,24,52,53)は、光ファイバ・ケーブル(46)のゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするように形成される。光は光ファイバ・ケーブル(46)からゾル・ゲル・センサ素子(14,16,17、54,56,57)に結合される。
【選択図】 図1
【解決手段】 周囲環境における化学物質や変化を検出するセンサ(10,30,40,50,70)は、化学指示薬を含むゾル・ゲル・センサ素子(14,16,17,54,56,57)を利用する。基板(11,51)に溝(12,13,24,52,53)を形成する。溝は、化学指示薬を有するゾル・ゲル物質で充填され、ゾル・ゲルを硬化させて基板(11,51)に接着させる。溝(12,13,24,52,53)は、光ファイバ・ケーブル(46)のゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするように形成される。光は光ファイバ・ケーブル(46)からゾル・ゲル・センサ素子(14,16,17、54,56,57)に結合される。
【選択図】 図1
Description
本発明は、一般的にセンサに関し、更に特定すれば新規な光センサに関するものである。
グラス・ファイバ光ケーブルは、pHセンサとして、二酸化炭素、一酸化炭素、およびアンモニアのような化学物質の存在を検出するために以前から用いられている。被覆された光ファイバ・ケーブル(cladded fiberoptic cable)上のクラッディング(cladding)の微小部分を除去し、ファイバの微小部分を露出させる。化学的に感応する染料(chemically sensitive dye)を含むゾル・ゲル誘導シリカ・ガラス(sol-gel derived silica glass)を用意し、露出されたファイバの外側に塗布することによって、化学的感応染料を含むシリカ・ガラスを光が通過しないようにまたは接触しないようにする。異なるレベルの化学検体(chemical analyte)に露出されると、光ファイバ・ケーブルの透過能力が変化することにより、ケーブルを通過する光が変化することになる。
従来のセンサに伴う問題の1つは製造コストである。クラッディングの部分をケーブルの中央部分において除去しなければならず、次いで露出された円筒状ケーブル部分にゾル・ゲルを塗布する。クラッディングの除去およびゾル・ゲルの塗布は労働集約的であるため、費用のかかる作業である。加えて、ゾル・ゲル被膜の厚さおよび均一性を制御するのは困難である。結果的に、センサの応答時間は、ゾル・ゲル被膜の厚さによってばらつきが生じる。更に、多数の化学物質および元素を検出するのに適した、多数のセンサを配列したアレイを生産するのは困難である。
したがって、製造が容易で、製造コストが低く、応答時間の制御性がよく、しかも多数のセンサ素子のアレイに容易に形成可能な光センサを有することが望まれている。
本発明によるセンサは、周囲環境における化学物質や変化を検出するものであり、化学指示薬を含むゾル・ゲル・センサ素子を利用する。基板に溝を形成し、これらの溝に化学指示薬を有するゾル・ゲル物質を充填する。ゾル・ゲル物質を硬化させて基板に接着させる。溝は、光ファイバ・ケーブルのゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするように形成される。光は光ファイバ・ケーブルからゾル・ゲル・センサ素子に結合される。
図1は、光センサ素子のアレイを有する環境センサ即ち光センサ10の斜視図を示す。センサ10は、例えばシリコンの基板11上に形成され、第1溝12、第2溝13、および第3溝24のような複数の平行なV字状溝が、基板11の一方の表面上に形成されている。溝12,13,24を形成するには、当業者には既知のエッチング技法を用いる。<100>方位を有するシリコンを用いる場合、エッチングを行うと、その結果として角度約54.7°の壁を有するV字状溝が得られる。溝12,13,24の中には、第1ゾル・ゲル・センサ素子14、第2ゾル・ゲル・センサ素子16、および第3ゾル・ゲル・センサ素子17がそれぞれ形成されている。素子14,16,17は、テトラエチルオルトシリケート(tetraethylorthosilicate) またはメチルトリメトキシシラン(methyltrimethoxysilane)をアルコールまたは水で加水分解(hydrolyze)し、塩化水素酸(hydrochloric acid)のような触媒を任意に加えることによって形成される。ゾル・ゲルを加水分解する方法は当業者には既知である。典型的に、マスクを基板11の表面に被着し、パターニングを行って溝12,13,24の部分を露出する開口を形成し、その中に素子14,16,17を形成する。次いで、マスクを除去し、ゾル・ゲル混合物を用意し、加水分解する。加水分解の後、化学指示薬(chemical indicator)をゾル・ゲル混合物に付加し、スピン・コーティングまたは均一な塗布が得られるその他の技法によって、この混合物を基板11の表面に塗布する。化学指示薬は典型的に、センサ10が露出される環境において測定または検出される検体に感応する染料である。ゾル・ゲルを乾燥させて、溝12,13,24内の素子14,16、17を完成させる。
動作中、素子14,16,17の1つまたは複数に光を入射させる。素子14,16、17内の化学指示薬は周囲の環境と反応し、素子14,16,17を通過する光を変換する(transmform)。光に対する効果は、素子14,16,17内の指示体の種類、および指示体と周囲の環境との間の相互作用によって異なる。検出すべき大気化学物質(atomospheric chemical)に露出させた後では、ある光の波長における指示体の吸収量が変化するので、素子14,16,17から出てきた光の強度は、素子に入射した際の光の強度とは異なっている。他のタイプの指示体には、入射光を吸収し、吸収したエネルギを用いて特定の光波長を放出するものがあり、この場合素子14,16,17から出ていく光は、化学指示薬の放出周波数によって定まる。かかる指示体は、典型的に、蛍光モード(fluorescence mode)において動作すると言う。典型的な指示体、動作モード、および検出される元素を、以下の表に纏めておく。
典型的に、光を素子14,16,17に入射させる際、第1光ファイバ47、第2光ファイバ48、および第3光ファイバ49のような個別の光導管即ちファイバを有するファイバ・リボン・ケーブル46を利用する。素子14,16,17の長さは、典型的に基板11の長さであり、それぞれファイバ47,48,49への光学的結合を可能にする。空間21が素子14,16,17の端部と各溝12,13,24の端部それぞれの間に残ってもよいが、かかる空間21をできるだけ小さくして、ファイバ47,48,49に対して最適な結合を与えるのが望ましい。図1では、図面および説明の簡略化のために、空間21のサイズが誇張されている。
溝12,13,24の深さは、ファイバ47,48,49への光学的結合を最も効率的にするように選択される。典型的に、この深さは、素子14,16,17に入射される光の波長において、素子14,16,17内で単一モードまたは多重モードのいずれでも可能にするように形成される。エッチングの結果角度が約54.7°の壁が得られるので、溝12,13,24の深さは、各溝または各溝の上端によって形成される三角形の底辺(base)の幅によって決定される。典型的に、全ての溝はほぼ同一の幅を有するが、溝24は約35ないし50ミクロンの幅23を有し多重モード動作を与え、一方溝12,13は約10ないし15ミクロンの幅22を有し、単一モード動作を与えるように示されている。
溝24の深さが溝12,13よりも深いので、素子17は多層ゾル・ゲル・センサ素子とすることができる。これは、加水分解したゾル・ゲル物質を連続的に塗布および硬化することによって層状に形成される。最下層群のためのゾル・ゲル物質は、計量分配(dispense)またはスピン・オン(spin-on)によって形成することができる。このように層状に形成する場合は、最下層または層群は化学指示薬を含まずに形成することができ、指示体は最上層にのみ存在する。異なる層を用いることによって、素子17の底部から最上部までの屈折率を容易に変化させることができるため、素子17の端部付近で素子全体を均一に照明するモードから最上層のみを照明するモードまで、光透過モードを徐々に変化させることができる。これによって、指示体および光は素子17の表面付近に留まるので、素子17の応答時間が短縮される。
また、センサ10は、基板11の外側縁に沿って溝12,13,24に平行に形成された、複数の整合溝18も含む。各整合溝18内では、位置決めピン(locating pin)19を用いて外部接続器をセンサ10と整合させることにより、ファイバ47,48,49のような光ファイバを素子14,16,17に光学的に結合する。これらについては、後に図5において説明する。各ピン19は、典型的に、基板11の長さよりも大きい長さを有し、外部接続器との嵌合(mating)を容易にしている。
基板11にV字状溝をエッチングすることにより、溝12、13,24は非常に滑らかな壁を有するので、素子14,16,17は、当該素子14,16,17を通過する光に対して、低損失導波路として機能し易くなる。半導体エッチング技法を利用するので、溝12,13,24、およびセンサ素子14,16,17は常に同一形状を有し、容易に大きなアレイに形成でき、マルチチャネル動作が容易に実現可能となる。ゾル・ゲルのスピン・コーティングを利用することにより、センサ10の反復性と製造可能性は更に高まることになる。更にまた、スピン・コーティングによって、積層される層が光センサ素子の屈折率を変化させることができ、マルチ・モード動作用の厚いセンサ素子の形成が可能となる。
多数の光センサ素子のアレイを形成することにより、化学指示薬を含まない1つの素子を形成し、基準チャネルとして機能させ、センサ10の感度と安定性を最適化することができる。更にまた、素子のアレイを用いることにより、各素子に異なる化学指示薬を容易に使用できるようになるので、センサ10は周囲環境において種々の化学物質(chemical)または状態を検出可能となる。加えて、化学指示薬を省略することができ、センサ10は2本のファイバ・リボン・ケーブルを共に結合する接続器として機能することができる。
図2は、図1に示したセンサ10の他の実施例である光センサ50の断面図である。センサ50は、プラスチックまたはその他の適した物質でモールドされた、モールド基板51を有する。基板51には、図1に示した溝12,13と同様に機能する複数の第1溝52と、図1に示した溝24と同様に機能するより深い溝53がモールドされる。溝52,53をモールドで形成するので、種々の形状が溝52,53に可能であるが、好適実施例では正方形である。溝18(図1)と同様に機能する整合溝58も、基板51をモールドするときに形成される。続いて、それぞれ素子14,16,17(図1)と同様に機能する、第1センサ素子54、第2センサ素子56、および第3センサ素子57を形成する。典型的に、素子54,56,57は、スピン・オン・コーティングの代わりに、ゾル・ゲルを溝52,53内に計量分配することによって形成される。位置決めピン59は、図1に示した位置決めピン19と同様に機能する。
図3は、図1に示したセンサ10の更に他の実施例である光センサ30の部分断面図を示す。図1と同一参照番号を有する図3の素子は、対応する図1の素子に類似するものである。センサ30は、基板11内に形成されセンサ素子14と光学的に結合された、光学素子を有する。光検出器28が、素子14の第1端部に隣接して、基板11内に形成されている。検出器28はアノード29およびカソード31を有するので、検出器28はファイバ47によって素子14に入射された光を検出することができる。ボンディング・パッド26,27が設けられ、それぞれアノード29およびカソード31への電気接点を形成する。ファイバ47が素子14の第2端部に結合されている。
光エミッタの形成と併用可能性(compatible)のある基板材料を用いることによって、センサ30は光エミッタも含み、これをファイバ47の代わりに素子14の第2端部に結合することも可能である。例えば、砒化ガリウム基板11を用いて、発光ダイオードをエミッタとして使用したり、あるいは、基板11としてエピタキシャル成長による砒化ガリウムを用いることにより、レーザ・エミッタを検出器と共に形成することも可能である。
図4は、図1に示した光センサ10の他の実施例である光センサ40の部分断面図を示す。図1と同一参照番号を有する図4の素子は、対応する図1の素子に類似するものである。図1に関して説明したが、センサ40は、図2に示したセンサ50の他の実施例とすることも可能である。センサ40は、素子14の第1端部に光学的に結合された光学素子42を有する。素子42は光検出器として、ファイバ47によって素子14内に入射された光を検出したり、あるいは、光エミッタとして、矢印で示す光44を素子14内に入射させ、ファイバ47に結合させることができる。素子42は、典型的に、はんだバンプまたは当業者には既知の他の技法によって、基板11の一方の表面上のボンディング・パッド41に接着されている。光学素子42に入りまたは光学素子42から出た光を素子14に結合するために、光44がV字状溝12の傾斜した壁(図1)で反射するように、素子42を位置付ける。したがって、V字溝12の傾斜した端部の壁は、光44のミラーとして機能する。あるいは、素子42を縁部放出型エミッタ(edgeemitting emitter)として放出領域を素子14に結合させることもでき、または、素子42を、ボンディング・パッド41に接着されたプリント回路基板のような電気回路基板上に実装することもできる。
図3および図4に示す実施例は、光源と検出器とを有するセンサの製造を容易にすることにより労力を減少し、かかるセンサのコスト低減を図るものである。これによって、読み出し用電子回路に容易に接続でき、しかも小型化されたセンサの形成が可能となる。加えて、ファイバ・リボン・ケーブルのコストも、センサ30(図3)およびセンサ40(図4)と共に低下する。
図5は、図2に示したセンサ50の別の実施例である、光センサ70の断面図を示す。図2と同一参照番号を有する図5の素子は、対応する図2の素子に類似するものである。基板51は、基板51内にモールドされたプリズム71を有する。プリズム71は各センサ素子54,56の第1端部付近にあり、各素子54,56の第1端部に光学的に結合されている。光接続器75は、センサ素子54,56に光学的に結合された複数の光ファイバ47を有するファイバ・リボン・ケーブル46を含む。ファイバ47の一部は、矢印72で示すように、光を素子54内に入射させる。光は素子54から出てプリズム71に入射し、内部で反射して対応する素子56に再び結合され、矢印72で示すように、対向するファイバ47に結合される。
接続器75は、ケーブル46に接着されケーブル46を所定位置に堅固に保持する接続器本体76を有する。典型的に、本体76は、ケーブル46周囲にモールドされた、モールド・プラスチックである。また、接続器75は、ピン59に整合されピン59を受容する整合用開口77も有する。ケーブル46は、モールディングに先だって、ファイバ47が素子54,56と整合するように、ピン59に対して位置付けられる。接続器75は、センサ10(図1)、センサ50(図2)、センサ30(図3)、およびセンサ40(図4)と共に用いるのにも適していることを注記しておく。加えて、図3、図4および図5に示した実施例から化学指示薬を省略し、センサ30,40,50の小型光学操舵装置(compact optical steering device)または光電素子としての使用を容易にすることもできる。
プリズム71は、単一のファイバ・リボン・ケーブルの実施を容易にするので、センサ・システムのサイズの縮小、およびそれに対応するコストの低減を図ることができる。
以上の説明から、新規なセンサが提供されたことが認められよう。エッチングまたはモールドによって溝を形成することにより、精度の高い位置決めおよび製造コストの低下が容易となる。また、ゾル・ゲルおよび指示薬物質をスピン−オンによって設ける結果、厚さの正確な制御、対応する応答時間の短縮、反復性の高いセンサ素子の実現、および製造コストの低減が可能となる。加えて、溝をエッチングまたはモールドによって形成し、ゾル・ゲルおよび指示薬をスピン−オンによって設けることにより、環境において種々の化学物質や状態を検出するために使用できる指示体のアレイを小領域に容易に形成可能となる。
以上の説明から、新規なセンサが提供されたことが認められよう。エッチングまたはモールドによって溝を形成することにより、精度の高い位置決めおよび製造コストの低下が容易となる。また、ゾル・ゲルおよび指示薬物質をスピン−オンによって設ける結果、厚さの正確な制御、対応する応答時間の短縮、反復性の高いセンサ素子の実現、および製造コストの低減が可能となる。加えて、溝をエッチングまたはモールドによって形成し、ゾル・ゲルおよび指示薬をスピン−オンによって設けることにより、環境において種々の化学物質や状態を検出するために使用できる指示体のアレイを小領域に容易に形成可能となる。
10,30,40,50,70 センサ
11,51 基板
12,13,24,52,53 溝
14,16,17,54,56,57 ゾル・ゲル・センサ素子
18 整合溝
19,59 位置決めピン
28 光検出器
29 アノード
31 カソード
26,27,41 ボンディング・パッド
42 光学素子
46 ファイバ・リボン・ケーブル
47,48,49 光ファイバ
71 プリズム
75 接続器
76 接続器本体
77 整合用開口
11,51 基板
12,13,24,52,53 溝
14,16,17,54,56,57 ゾル・ゲル・センサ素子
18 整合溝
19,59 位置決めピン
28 光検出器
29 アノード
31 カソード
26,27,41 ボンディング・パッド
42 光学素子
46 ファイバ・リボン・ケーブル
47,48,49 光ファイバ
71 プリズム
75 接続器
76 接続器本体
77 整合用開口
Claims (5)
- 表面を有する基板(11,51)と、
前記表面上の複数の平行溝(12,13,24,52,53)と、前記複数の平行溝の各溝内に設置されたゾル・ゲル・センサ素子(14,16,18,54,56,57)と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの一端に各々光学的に結合されている複数のファイバ(47,48)と
から成ることを特徴とする環境センサ。 - 表面を有する基板(11,51)と、
前記表面上の複数の平行溝(12,13,24,52,53)と、
前記複数の平行溝の各溝内に配置されたゾル・ゲル・センサ素子(14,16,18,54,56,57)と、
各ゾル・ゲル・センサ素子の第1端部に光学的に結合された光学素子と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの第2端部に各々光学的に結合されている複数のファイバ(47,48)とを備えることを特徴とする環境センサ。 - 表面を有する基板(11,51)と、
前記基板の表面に形成した第1溝(12,51)と、
第1端部および第2端部を有し、前記第1端部から前記第2端部に光を伝えるように形成されている第1ゾル・ゲル・センサ要素(14,54)と、
前記第1ゾル・ゲル・センサ要素に付加され、周囲環境に応答して、前記第1端部から前記第1ゾル・ゲル・センサ要素を通って前記第2端部に入る光の強度を変化させる第1染料と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの第1端部に各々光学的に結合されている複数のファイバ(47,48)とから成ることを特徴とする環境センサ(10,30,40,50,70)。 - 表面を有するシリコン基板(11)と、
前記表面上の複数の平行溝(12,13,24)と、
前記複数の平行溝の各溝内に配置されたゾル・ゲル・センサ素子(14,16,18)であって、少なくとも1つは化学指示薬を有する前記ゾル・ゲル・センサ素子と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの一端に各々光学的に結合されている複数のファイバ(47,48)と
から成ることを特徴とする環境センサ。 - センサの形成方法であって、
表面に複数の溝(12,13,24,52,52)を有する基板(11,51)を形成する工程と、
前記複数の溝の各溝内にゾル・ゲル・センサ素子(14,16,18,54,56,57)を、少なくとも1つのゾル・ゲル・センサ素子は化学指示薬を有するように形成する工程と、
ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの一端に複数のファイバ(47,48)のうちの1つを光学的に結合する工程と
から成ることを特徴とする方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009055522A JP2009122124A (ja) | 2009-03-09 | 2009-03-09 | 環境センサとその製造方法 |
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Family Applications (1)
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