JP2015068697A - 受発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光・受光の信号変動を補償し、空間状態の検知をより高精度に行うことを可能とした受発光装置を提供する。
【解決手段】発光素子２０と、発光素子２０から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部３１および第２センサ部３２を備え、第１主面４１１上に発光素子２０と第１センサ部３１とが設けられた第１基板４１と、第１主面４２２上に第２センサ部３２が設けられた第２基板４２と、をさらに備える。第１センサ部３１の配置位置は、第１基板４１の第１主面４２２であって、発光素子２０から出力された光のうちの第２主面４１２で反射した光が入射する位置に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、受発光装置に関する。

発光素子は多くの用途に用いられており、室内／屋内の照明用途もさることながら、特定波長の光を発光する発光素子を用いた光学的装置（紫外光を用いた殺菌装置、反射光を用いた測距装置）にも用いられている。
さらに、発光素子と受光素子と組み合わせ、発光素子と受光素子間の空間状態を検知する受発光装置（特定空間内の物体検知装置、赤外光を用いたガスセンサ（特許文献１参照）等）にも用いられている。

特表２００１−５０３８６５号公報

発光素子は、使用環境や経時変化により、その発光特性が変化する。具体的には該発光強度の変化や、発光波長の変化が挙げられる。上述した受光素子の出力に基づいて、発光素子と受光素子間の空間状態を検知するような受発光装置の場合、発光素子の発光特性が変化すると、受光素子の出力から正確に空間状態を検知することが出来なくなってしまう。

このような発光特性の変化を低減する方法としては、発光素子から出射された光をモニタリング用の受光素子で検知し、該モニタリング用の受光素子の出力に基づいて発光素子の発光特性の変化をモニタリングし、発光素子の動作を制御したり、状態検出用の受光素子の出力を補償したりする方法が挙げられる。しかし、モニタリング用の受光素子に到達する光も、同様に上記空間において減衰等の影響を受けるため、該空間の状態が変化すると正確にモニタリングできなくなる。

光の波長が長い程（例えば３μｍ以上の赤外線）、上記の発光素子の劣化に加えて、受光素子の温度特性の問題もある。具体的には長波長の光を検知する光センサは、長波長の光子のエネルギーが小さいため、高感度化が実現困難だけではなく、センサ温度によって、感度は大きく変動してしまう。長波長の赤外線センサの例として、ＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂの半導体材料を光吸収層に用いたフォトダイオード構造の量子型赤外線センサが挙げられる。これらの材料を用いた具体的な例としては、４．３μｍ付近の波長帯を扱うＣＯ_２センサや波長９．６μｍ付近の波長を使う血液中のグルーコーズセンサなどが挙げられる。

即ち、本発明は、発光・受光の信号変動を補償し、空間状態の検知をより高精度に行うことを可能とした受発光装置を提供することを目的とする。

本発明者は上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示す受発光装置を想到するに至った。
即ち、本発明の一態様に係る受発光装置は、発光素子と、前記発光素子から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部および第２センサ部を備え、第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記発光素子と前記第１センサ部とが設けられた第１基板と、第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記第２センサ部が設けられた第２基板と、をさらに備え、前記第１センサ部の配置位置は、前記第１基板の第１主面であって、前記発光素子から出力された光のうちの該第１基板の第２主面で反射した光が入射する位置に設定されていることを特徴とする。

また、上記の受発光装置において、前記第１センサ部と前記第２センサ部は、同一の温度特性を有することを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第１基板と前記第２基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた光遮断部をさらに備えることを特徴としてもよい。

また、上記の受発光装置において、前記第１基板及び前記第２基板からそれぞれ離れた位置に配置され、前記第１基板の第２主面から出射した光を前記第２センサ部に向けて反射する光反射部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第１基板の第２主面上に設けられ、前記発光素子から出力される光のうち、前記第１基板内で散乱する光の光量と、前記第１基板の第２主面から放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備えることを特徴としてもよい。

また、上記の受発光装置において、前記第１基板の第２主面上に設けられ、前記発光素子から出力された光を前記第１センサ部に向けて反射する光反射層をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第１センサ部と前記第２センサ部及び前記発光素子がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴としてもよい。

また、上記の受発光装置において、前記積層構造は、少なくともＰ型半導体とＮ型半導体の２種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第１基板の第２主面から出射した光が前記第２センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備えることを特徴としてもよい。

また、上記の受発光装置において、前記第１センサ部と前記第２センサ部は同一の構造の複数の受光部を有し、該受光部の数は前記第１センサ部と前記第２センサ部とで異なることを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第１基板と前記第２基板は、同一の材料からなることを特徴としてもよい。

本発明の一態様によれば、発光・受光の信号変動を補償し、空間状態の検知をより高精度に行うことを可能とした受発光装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る受発光装置の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る受発光装置の構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る受発光装置の構成例を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る受発光装置の構成例を示す図である。

＜全体構成＞
以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態）について説明する。
本実施形態に係る受発光装置は、発光素子と、発光素子から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部及び第２センサ部を有する非分散型赤外線式の受発光装置である。この受発光装置は、第１主面（例えば、表面）と、第１主面と対向する第２主面（例えば、裏面）とを有し、第１主面上に発光素子と第１センサ部とが設けられた第１基板を備える。また、この受発光装置は、第１主面（例えば、表面）と、第１主面と対向する第２主面（例えば、裏面）とを有し、第１主面上に第２センサ部が設けられた第２基板を備える。第１センサ部の配置位置は、第１基板の第１主面であって、発光素子から出力された光のうちの該第１基板の第２主面で反射した光が入射する位置に設定されている。これにより、発光素子から放射された光が常に同一状態の環境（光路）を通過し第１センサ部に入射する為、使用環境の変化や経年劣化で発光素子の発光特性が変化した場合でも、または、温度によって受光素子の感度が変化したとしても、第２センサ部（状態検知用の受光素子）による空間状態の検知を正確に行うことが可能になる。

また、本発明の実施形態に係る受発光装置において、第１のセンサ部と第２のセンサ部は、同一の温度特性を有することが好ましい。本実施形態において「同一の温度特性」とは、本発明の効果を妨げない程度に温度特性が概ね揃っている状態を意味する。具体的には、被検出ガスが存在しない条件下において、受発光装置の一般的な使用温度範囲（例えば０℃から５０℃の範囲では）センサ温度がＴｘにおいて、第１センサ部の出力信号がＳ１、第２センサ部の出力信号がＳ２とした場合を考える。この場合で、温度が１℃変化した場合、つまりセンサ温度がＴｘ±１℃となった時に、第１センサ部の出力信号がａ×Ｓ１へ、第２センサ部の出力信号がｂ×Ｓ２へと変化した場合、ａ／ｂが１℃あたり０．８以上１．２以下であることが好ましく、０．９以上１．１以下であることがより好ましく、０．９９以上１．０１以下であることが更に好ましい。

１℃あたりの第１センサ部及び第２センサ部の出力の変化係数の比（ａ／ｂ［／℃］）の最大値と最小値の比が０．８以上１．２以下であれば、受発光装置の環境温度によらず、発光素子の発光特性が変化した場合でも第２のセンサ部による空間状態の検知を正確に行うことが可能になるため好ましい。具体的には、第１センサ部及び第２センサ部の温度を０℃から５０℃まで変化させたときの第１センサ部及び第２センサ部の出力変化係数（ａ及びｂ）を求め、温度をΔＴ変化させたときの、ａ／ｂ／ΔＴ比を計算することによって、上記の１℃あたりの出力の変化係数の比を確認することができる。

第１センサ部及び第２センサ部の１℃あたりの出力の変化係数比の最大値と最小値を上述の範囲にする方法としては、第１センサ部及び第２センサ部を同一の材料で同一の積層構造にする方法が挙げられる。同一の材料及び同一の積層構造とすることにより、第１センサ部及び第２センサ部の温度特性は理論上同一となる。
また、第１センサ部と第２センサ部の温度特性を同じにするには、積層構造が同じであることと、同時に製造される（即ち、積層構造を構成する各層について、第１センサ部及び第２センサ部の間で同時に形成する）ことが好ましい。

また、受発光装置全体の高いＳ／Ｎ比を実現するために、第１センサ部と第２センサ部の面積を変えても良い。例えば、第１センサ部に届く光が強い場合、第１センサ部の受光面積をＳ／Ｎが低下しない程度に小さくしても、受発光装置全体のＳ／Ｎ比が低下しないため、第１センサ部の受光面積を小さくし、その分、発光素子が占める面積を広くすることができ、受発光装置全体のＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

また、第１センサ部及び第２センサ部は、多数の受光部で形成されると良い。この場合、受光面積が受光部の数に比例し、受光面積が大きい程、高いＳ／Ｎ比が得られる。また第１センサ部と第２センサ部の受光面積を変えても、分光感度特性や温度特性が変わることないので、本発明の効果は維持される。第１センサ部の受光部の数をｎとし、第２センサ部の受光部の数をｍとしたとき、受光部の数の比は、ｎ：ｍが１／５００程度でも良いが、場合によって、１／１００程度でも良く、１／１０程度でも良い。発光素子の発光能力に応じて、受光部の数の比を設計することが好ましい。

また、同一基板上に、同一材料、同一工程で第１センサ部と第２センサ部を形成することによって、両センサ部の分光感度特性が同じになり、分光感度特性が同じになると共に第１センサ部と第２センサ部の温度特性が同一となり、本発明の効果はもっとも発揮できる。ここで分光感度特性とは、各波長における感度を意味する。後述のように、第１基板の第２主面上に光を選択するような光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）を設けることによって、第１センサ部と第２センサ部に入射する波長帯を選択することが可能となる。このような光学フィルタは光路の途中に設ける必要はあるが、第１基板及び／若しくは第２基板の第２主面に設けると良い。光学フィルタは半値幅の狭い透過特性（数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ）を実現できるため、特定の波長を選択することが容易にできる。

基板面積の利用効率の観点から、第１センサ部と第２センサ部は、同一の構造の多数の受光部を有し、該受光部の数が異なっていることが好ましい。受光部の数の相違数は特に制限されないが、一般的に発光素子と同じ基板に設置される受光部は、異なる基板に設置される受光部より、単位面積当たり、多くの光束を吸収することができるため、一般的に第１基板の受光面積を第２基板の受光面積よりも小さくしても良い。

このため、第１センサ部と第２センサ部の両方の信号のＳ／Ｎ比のバランスを無駄なく保つために、受光面積（受光部の数）が異なることは好ましい。本実施形態に係るガスセンサでは、第１センサ部と第２センサ部の出力信号（Ｉｐ１、Ｉｐ２）に基づいて、濃度を計算するため、ガスセンサ全体の最小分解能は第１センサ部と第２センサ部のＳ／Ｎ比で決まる。

出力信号比（Ｉｐ１／Ｉｐ２）は、第１基板及び第２基板の各材質、第１基板の第２主面及び第２基板の第２主面の各加工方法、制御層の有無やその光学特性等によって変化する。後述のように、これらの出力信号比が適切な割合になるように設計すれば、基板の利用効率を高め、センサ部の面積を最低限にして小型化を図りながら所望の精度を有する受発光装置が設計できる。

次に、受発光装置の各構成部について、より具体的に説明する。
［第１基板］
本実施形態に係る受発光装置において、第１基板は、第１主面上に発光素子と第１センサ部を有する。第１基板の材料は特に制限されない。例えばＳｉ、ＧａＡｓ、サファイヤ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、Ｇｅ等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。第１センサ部と発光素子を電気的に絶縁させることが容易にできる観点から、半絶縁性基板を利用することが好ましい。半絶縁性基板が作成可能であり、大口径化が可能である観点から、ＧａＡｓ基板は特に好ましい。測定感度向上の観点から、第１基板の材料は、発光素子から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、発光素子の出力変動を高精度に補償する観点から、第１基板の材料は、第２主面において発光素子から出力された光が効率的に反射する材料であることが好ましい。更に、後述のようにインジウム（Ｉｎ）若しくはアンチモン（Ｓｂ）を含む積層構造の第１センサ部、第２センサ部及び発光素子を形成しやすい観点から、ＧａＡｓ基板が好ましい。

第１センサ部、第２センサ部、受光素子に用いられる材料としては、ＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体が好ましく、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）からなる群より選択される少なくとも一つのＩＩＩ族原子と、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）からなる群より選択される少なくとも一つのＶ族原子の化合物半導体であることがより好ましく、ＩｎＳｂあるいは、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｓＩｎＳｂを少なくとも含む化合物半導体であることがより更に好ましい。被検出ガスがＣＯ_２の場合、ＣＯ_２の波長４．３μｍ付近の吸収を検出するために、ＡｌＩｎＳｂ若しくはＧａＩｎＳｂを利用すると良い。また、気化したアルコールのような気体を検出する場合、更に長波長（９〜１０μｍ）にする必要があり、この場合ＡｓＩｎＳｂを利用すると良い。

また、第１基板は、光取り出し効率及び光反射・散乱効率の観点から、第１基板の第２主面上に、発光素子から出力される光のうち、基板内で散乱する光量及び反射・散乱角度と、第１基板の第２主面からセル内に放射される光量及び放射角度を制御するための制御層を有することが好ましい。一般的に使われる基板材料の屈折率は高いため、基板から外部への光取り出しは難しく、発光素子から出力された光の多くが基板内で散乱することとなる。本実施形態に係る受発光装置においては、第１基板の第２主面上に制御層を設けることによって、センサ全体のＳ／Ｎ比を高くする（高分解能が得られる）ように設計することが可能になる。制御層の具体例としては、反射防止膜や、屈折率の異なる多数の材料の積層膜、粗面化した層、または、それらの組み合わせが挙げられる。

［発光素子］
本実施形態に係る受発光装置において、発光素子は第１基板の第１主面上に形成される。発光素子は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。発光素子の具体的な形態は第１基板の第１主面上に形成できるものであれば何でも良い。具体的な例としては、ＭＥＭＳやＬＥＤが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールということから、ＬＥＤ構造は望ましい場合がある。

発光素子はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）若しくはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような成膜方法を用いて成膜したＰＮ接合若しくはＰＩＮ接合の積層構造部を持つことが好ましい。この積層構造部に電力を供給することによって、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）として動作し、積層構造部の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。この積層構造部（通称：活性層）がＩｎまたはＳｂを含むことにより赤外線領域の光（即ち、赤外線）を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にＩｎＳｂやＩｎＡｌＳｂやＩｎＡｓＳｂを用いることにより、１〜１２μｍの波長を出力することができる。
活性層がＩｎおよび／またはＳｂを含むようなナローバンドギャップ材料は、一般的に温特（発光素子自体の温度による発光特性の変化）が大きいが、本実施形態の受発光装置によれば大きな発光特性の変化であっても常に正確にモニタリングすることが可能であり、該モニタリング結果に基づいて発光素子の動作を制御することで常に一定の発光特性を実現することが可能である。

［第１センサ部］
本実施形態に係る受発光装置において、第１センサ部は、第１基板の第１主面上に形成される。第１センサ部の配置位置は、発光素子から出力された光のうち、第１基板の第１主面と対向する第２主面において反射した光が入射する位置であれば特に制限されない。信号処理の応答速度の観点から、第１センサ部の積層構造としては、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。更に、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも１つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。また、温度特性を揃える観点から、第１センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、発光素子の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。

センサ部を回路（増幅器）に接続した場合のＳ／Ｎ比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いＳ／Ｎ比が実現できる。そのため、本実施形態の第１センサ部は、受光素子を複数直列接続した形態であることが好ましい。
また、発光素子と第１センサ部とが同じ第１基板に配置されているため、第１センサ部に入射する光量は、第２センサ部に入射する光量よりも大きくなる傾向がある。このため、第１センサ部の受光部の総面積は、第２センサ部の受光部の総面積よりも小さくすることができる。これにより、受発光装置のより一層の小型化が図られる。

［第２基板］
本実施形態に係る受発光装置において、第２基板は第１主面上に第２センサ部を有していれば特に制限されない。第２主面側から入射した光は、第２基板内部を通過して、第２センサ部に入射される。
第２基板の材料は特に制限されない。例えばＳｉ基板、ＧａＡｓ基板、サファイヤ等が挙げられるがこの限りではない。測定感度向上の観点から、第２基板の材料は、第２主面側から入射した光に対する透過性が高いものであることが好ましい。

小型化の観点から、第２基板は、第１基板と互いに側面を対向させて隣り合って配置され、第１基板と第２基板との間に光遮断部が配置されることが好ましい。この形態の受発光装置は、後述の光反射部を備えることが好ましい。また、上記の光遮断部は、第１基板及び第２基板の接合部に配置されることが好ましい。該光遮断部を有することにより、発光素子から出力された光が外部空間を経由せずに第２センサ部に入射することを防ぐことができ、第２のセンサ部における検出感度を向上することができるため好ましい。

［第２センサ部］
本実施形態に係る受発光装置において、第２センサ部は、第２基板上に配置されるものであれば特に制限されない。前述のとおり、第２センサ部と第１センサ部の温度特性を同等のものにする観点から、第２センサ部と第１センサ部は、その製造工程において同一基板上に形成されたものであることが好ましく、同じ積層構造を有することがより好ましい。
信号処理の応答速度の観点から、第２センサ部の積層構造としては、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことが好ましい。

測定感度向上の観点から、第１基板の第２主面から放射された光が第２センサ部に入射するまでの光路中に、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタを有することが好ましい。発光素子から出力される光が広範な波長帯の光である場合、特に上記光学フィルタを有することが好ましい。
第１センサ部を有する第１基板と第２センサ部を有する第２基板は元々同じウエハーであり、第１センサ部と第２センサ部が同様の積層構造であると、第１センサ部と第２センサ部間の感度特性及び感度の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果がより発揮することができる。具体的に、第１センサ部の感度がＲｉ２（λ）［Ａ／Ｗ］、第２センサ部の感度がＲｉ２（λ）［Ａ／Ｗ］ だとすると、｜Ｒｉ２（λ）−Ｒｉ１（λ）｜／（Ｒｉ１（λ））が２０％以内であればよく、１０％以下にすると更に良く、５％以下にすると更に好ましいが、２％以内、更に１％以下であった方が本発明の効果を更に発揮でき、超高精度の温度・経時変化補償が可能となる。

［光反射部］
被検出ガスに対する検出感度向上の観点から、本実施形態に係る受発光装置は、第１基板及び第２基板の第２主面側の外部空間中に、光反射部を備えることが好ましい。即ち、ガスセル内の第１基板及び第２基板からそれぞれ離れた位置であって、第１基板の第２主面側及び第２基板の第２主面側に、光反射部を備えることが好ましい。該光反射部は、第１基板の第２主面から放射された光を反射し、該反射された光が第２センサ部に入射するものであることが好ましい。効率的に第２センサ部に光を入射させるために、該光反射部は、集光型光反射部であることが好ましい。

［光遮断部］
発光素子から出射した光のうち、第２センサ部に入力される光は、全て外部空間を通過したものであることが好ましい。これを実現するためには、発光素子と第１センサ部が配置されている第１基板と第２センサ部が配置される第２基板とを対向して配置する方法がある。一方で、受発光装置全体を小型化するためには、第１基板と第２基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置することが好ましいが、単純に隣り合うように配置すると、発光素子から出射した光のうち、一部が外部空間内の空間を通過せずに第２センサ部に入力され、外部空間の状態変化に依存する信号変化分が外部空間の状態変化に依存しない信号成分（オフセット）になってしまい、受発光装置の測定感度が低下する可能性がある。このため、上述したように第１基板と第２基板とを隣り合うように配置する場合には、第１基板と第２基板との間に光遮断部を備えていることが好ましい。

＜実施形態の効果＞
本実施形態は、以下の効果（１）〜（４）を奏する。
（１）発光素子から第１センサ部に至る光路は第１基板内にあり、該光路中に光学フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）や外部空間は存在しない。これにより、該光路中にバンドパスフィルタや外部空間が存在する場合と比べて、受発光装置の使用環境によらず、該光路での光の減衰を抑えることができ、第１センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。
（２）上述したように、第１センサ部が検出する信号のＳ／Ｎ比の低下を抑えることができる。また、発光素子の発光強度の変化を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。これにより、受発光装置の測定ばらつきを低減することができるため、高精度で、信頼性の高い受発光装置を提供することができる。
即ち、本実施形態は、経時変化や使用環境（例えば、環境温度）の変化により生じる、発光・受光の信号変動を補償し、発光素子の発光特性が変化した場合でも、又は、温度によって受光素子（第１センサ部、第２センサ部）の感度が変化したとしても、状態検知用の受光素子（第２センサ部）による空間状態の検知をより高精度に行うことを可能とした受発光装置を提供することができる。

＜実施形態の適用＞
以上記載したように、本実施形態に係る受発光装置は、種々の機器に適用することが可能であり、発光素子と第２のセンサ部の光路空間の状態（特定のガスの有無や濃度、流体の特定成分の有無や濃度等）を検知することが可能になる。例えば建物や測定機器中の特定のガスの濃度を検出するためのガスセンサや、携帯電話やスマートフォンなどの携帯通信機器に搭載されるガスセンサや、自動車や電車、航空機等の移動手段中のガス濃度を検出するためのガスセンサ、発光素子から第２のセンサ部間の光路空間を流れる物質（例えば水や体液）の成分検知装置、血液中のグルコース濃度測定などに用いることができる。

例えば、ＣＯ_２濃度は生物の睡眠との相関性があると考えられており、本実施形態に係る受発光装置の測定対象ガスをＣＯ_２とした場合、周囲の温度が大きく変化しやすい環境下であっても、高精度にＣＯ_２濃度を検出することが可能になり、例えば、車の運転における居眠り防止装置（例えば、所定のＣＯ_２濃度に達したら警報を発する／自動的に換気を行う等）として好適である。

また、血液中のグルコース検知は波長９．６μｍという波長での吸収を測定することより血糖中のグル―コース濃度を測定することができる。本発明の受発光素子を利用することによって、９．６μｍの波長帯でも小型で高精度・高信頼性の非侵襲式の測定計を実現することができる。このようなグルコース濃度測定計を実現することによって、糖尿病の患者が自分自身で侵襲式の方法で生じるような皮膚にダメージを与えずに精度良く血糖値を調べることができ、より正確に投薬（例えばインスリン）の管理が実現できる。

また、本実施形態に係る受発光装置は従来の受発光装置と比較してＳ／Ｎ比が高い為、従来よりも小型・薄型化しても同等以上の性能を示すため、従来適用することが困難であった小型の機器（例えば携帯通信機器）等への適用が可能になる。

＜実施形態の具体例＞
次に、図面を参照して本発明の実施形態の具体例（第１〜第１１実施形態）について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る受発光装置の構成例を示す概念図である。図１に示すように、この受発光装置は、発光素子２０と、発光素子２０から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部３１及び第２センサ部３２と、発光素子２０と第１センサ部３１を第１主面４１１上に有する第１基板４１と、第２センサ部３２を第１主面４２１上に有する第２基板４２と、を有する受発光装置である。

この受発光装置において、第１センサ部３１は、発光素子２０から出力された光のうち、第１基板４１の第１主面４１１と対向する第２主面４１２において反射した光（破線で示す）が入射する位置に配置されている。また、発光素子２０と第２センサ部３２は対向する位置に配置されている。
第１実施形態に係る受発光装置によれば、第１センサ部３１は、発光素子２０から出力された光のうち、第１基板４１の第１主面４１１と対向する第２主面４１２において反射した光（破線で示す）が入射する位置に配置されている。これにより、使用環境によらず発光素子２０の発光強度の変化による測定誤差を一定に補償することが可能な簡易、小型、かつ信頼性の高い受発光装置を実現できる。

［第２実施形態］
図２は本発明の第２実施形態に係る受発光装置の構成例を示す概念図である。図２に示すように、この受発光装置では、第１基板４１と第２基板４２とが互いに側面（即ち、外周側面の一部）を対向させて隣り合って配置されている。本明細書では、このような配置を平行配置と呼ぶ。第１基板４１と第２基板４２とが平行配置されている点で第２実施形態は第１実施形態と異なる。

また、この受発光装置では、第１基板４１の第２主面４１２側及び第２基板４２の第２主面４２２側の空間中に、光反射部６０を備える。即ち、この受発光装置は、第１基板４１及び第２基板４２からそれぞれ離れた位置に配置され、第１基板４１の第２主面４１２から出射した光を第２センサ部３２に向けて反射する光反射部６０を備える。
このように、第１基板４１と第２基板４２とが平行配置されている点、及び、光反射部６０が設けられている点で、第２実施形態は第１実施形態と異なる。それ以外の構成については、第２実施形態は第１実施形態と同じである。

第２実施形態に係る受発光装置によれば、第２基板４２と第１基板４１とを平行配置させていることにより、受発光装置の更なる小型化が可能である。また、光反射部６０を備えることにより、発光素子２０から出力された光のうち、第１基板４１の第２主面４１２から出射した赤外線（一点破線）を、該光反射部６０で反射し選択的に第２センサ部３２に入射させることが可能になるため、より高感度な受発光装置を実現することが可能になる。

［第３実施形態］
図３は本発明の第３実施形態に係る受発光装置の構成例を示す断面図である。図３において、符号２０１、３１１、３２１は第１導電型の半導体層（例えばＮ型半導体層）であり、符号２０２、３１２、３２２は第２導電型の半導体層（例えばＰ型半導体層）であり、符号２０３、２０４、３１３、３１４、３２３、３２４は電極を示す。

図３に示すように、発光素子２０は、例えば、第１基板４１の第１主面４１１上に形成された第１導電型の半導体層２０１と、半導体層２０１上に形成された第２導電型の半導体層２０２及び電極２０３と、半導体層２０２上に形成された電極２０４とを有する。
また、第１センサ部３１は、例えば、第１基板４１の第１主面４１１上に形成された第１導電型の半導体層３１１と、半導体層３１１上に形成された第２導電型の半導体層３１２及び電極３１３と、半導体層３１２上に形成された電極３１４とを有する。

第２センサ部３２は、例えば、第２基板４２の第１主面４２１上に形成された第１導電型の半導体層３２１と、半導体層３２１上に形成された第２導電型の半導体層３２２及び電極３２３と、半導体層３２２上に形成された電極３２４とを有する。
ここで、第１導電型の半導体層２０１、３１１、３２１は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。また、第２導電型の半導体層２０２、３１２、３２２は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。

なお、図３においては、第１センサ部３１、第２センサ部３２は一つの素子として示したが、Ｓ／Ｎ比の観点から複数の素子を電気的に接続して各々一つのセンサ部としてもよい。また、発光効率の観点から、発光素子２０も電気的に接続された多数の素子であっても良い。また、第１導電型の半導体層２０１、３１１、３２１と、第２導電型の半導体層２０２、３１２、３２２の間にそれぞれ真正半導体層（いわゆるｉ型半導体層）を挿入し、ＰＩＮ接合を形成してもよい。

第３実施形態に係る受発光装置によれば、第１導電型の各半導体層２０１、３１１、３２１及び第２導電型の各半導体層２０２、３１２、３２２として、材料及び膜厚がそれぞれ同様のものを採用することにより、発光素子２０、第１センサ部３１、第２センサ部３２が同じ温度特性を示す様になり、環境温度の変化によらず、高精度な受発光装置を実現することが可能になる。

［第４実施形態］
図４は本発明の第４実施形態に係る受発光装置の構成例を示す概念図である。
図４に示すように、この受発光装置は、第１実施形態に係る受発光装置の第１基板４１及び第２基板４２をそれぞれ封止樹脂２００で封止し、かつ、発光素子２０、第１センサ部３１及び第２センサ部３２に対して、駆動部や信号処理部を接続した例である。
即ち、第４実施形態に係る受発光装置は、発光素子２０に対して電力を供給するための電源供給部１０１と、第１センサ部３１及び第２センサ部３２からの出力信号が入力され、被検出物質（例えば流体やガス）濃度を演算する演算部１０４と、を備える。低消費電力化の観点から、電源供給部１０１はパルス状の信号（電圧または電流）を発光素子２０に与えるものであることが好ましい。

第４実施形態に係る受発光装置によれば、発光素子２０、第１センサ部３１及び第２センサ部３２に対して、駆動部や信号処理部を接続することにより、発光素子と第２のセンサ部の光路空間の状態（特定のガスの有無や濃度、流体の特定成分の有無や濃度等）を検知することが可能になる。

［流体中特定物質濃度演算方法］
次に、本実施形態に係る受発光装置を用いた流体中にある特性物質の濃度演算方法の具体例について説明する。第１センサ部３１が出力する信号をＩｐ１、第２センサ部３２が出力する信号をＩｐ２とする。Ｉｐ１とＩｐ２は式（１）及び式（２）で示すことができる。

Ｉｐ１ ＝ ＲｉＲＥＦ（Ｔ） × φ（Ｔ） × α ・・・（１）
Ｉｐ２ ＝ ＲｉＳＡＭＰＬＥ（Ｔ） × φ（Ｔ） ×β×（１−Ａ（Ｃ））・・・（２）
但し、
Ａ ・・・ 被測定物質濃度による吸収率
Ｃ ・・・ 被測定物質の濃度
φ ・・・ 発光素子の発光強度
α ・・・ 発光素子から第１センサ部への伝達率
β ・・・ 基板からの光取り出し効率
Ｉｐ１ ・・・ 第１センサ部の出力信号
Ｉｐ２ ・・・ 第２センサ部の出力信号
ＲｉＲＥＦ・・・ 第１センサ部の感度
ＲｉＳＡＭＰＬＥ・・・ 第２センサ部の感度

図４に示した演算部１０４での演算方法の一つの例として式３に示す。
演算結果＝Ｉｐ２／Ｉｐ１
＝（ＲｉＳＡＭＰＬＥ（Ｔ）×β×（１−Ａ（Ｃ）））／（ＲｉＲＥＦ（Ｔ）×α）・・・（３）

ここでは発光素子の温度特性がそれぞれのセンサの温度特性が異なっていても良いが、第１センサ部の温度特性ｆ１（Ｔ）と第２センサ部の温度特性ｆ２（Ｔ）が等しいか、比例関係を持つのであれば、Ｉｐ２／Ｉｐ１∝（１−Ａ（Ｃ））となり、受発光装置としての温度依存性が除去でき、ガスの分子が吸収するときの真正な吸収率を得ることができる。また、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則より、（１−Ａ（Ｃ））から被測定物質濃度Ｃを抽出することができる。

ここでは、α、βが波長に応じて変化しない、また温度によって変化しないことと仮定したが、仮に、変化したとしても、ＬＥＤ及び／若しくは第１センサ部の温度を測定し、この測定結果を温度補償に利用しても良い。基本的に、受発光装置の分解能は式（４）で示すことができる。
分解能＝（ΔＣ／ΔＩｐ）／（ＳＮＲ）・・・（４）
但し、ΔＩｐはセンサの信号変化
ΔＣは被検出物質の濃度変化
ＳＮＲは発光素子がＯＮとＯＦＦした場合（パルス）に得られるセンサ部のＳ／Ｎ比を示す。

［経時変化補償］
式（３）から分かるように、発光素子の光量は演算結果に表れないので、発光素子が劣化しても、つまり、発光効率が変化しても、ガス濃度演算結果は変わらない。本実施形態に係る受発光装置は、発光素子２０と第１センサ部３１とが同一基板（第１基板４１）上に形成されており、発光素子２０から放出された光にのみ基づいた信号を出力することが可能であるため、発光素子２０からの発光量を正確に測定することが可能である。発光素子が多数の発光部からなる場合は、各発光部が発光する各々の光量の測定が可能になるように、発光素子２０の各受光部と第１センサ部３１の各受光部の配置を適切に設計すればよい。

上記の発光素子を連続的にＯＮ／ＯＦＦ（パルス駆動）し、また発光素子がＯＮの時の信号とＯＦＦの時の第１センサ部及び第２センサ部からの信号を読み取り、その信号差を利用することによって外乱や回路によるオフセットが除去できる。その理由は回路や外乱によるオフセットは発光素子のＯＮ／ＯＦＦに寄らず常に生じているため、ＯＮ時とＯＦＦ時の信号差を取ると、該オフセット成分が除去されるからである。

ＯＮ／ＯＦＦの切り替え速度を、外乱の輻射及び回路オフセット揺らぎの周波数に対して、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を十分高い値に設定することによりオフセットの除去効果はより著しくなる。具体的には外乱とオフセットの変動周波数帯が０〜１ｋＨｚの場合、ＯＮ／ＯＦＦ切り替え周波数をその１０倍（１０ｋＨｚ）にすると良い。一般的にはこのオフセットのパワースペクトルは周波数ｆに反比例し、１／ｆと計算できる（通称：ピンクノイズ、１／ｆノイズ）。そのため、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を、１／ｆノイズの現れない周波数帯に設定すると良い。また、ここで説明したＯＮ／ＯＦＦというような信号変調方式の他に、通信システムによく使われる振幅変調方式（ＡＭ：Ａｍｐｌｉｔｕｔｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いても良い。

上記の分解能が小さい程、例えば、ガスセンサ用途の場合、低いガス濃度（ＣＯ_２の場合、例えば数１０ｐｐｍ程度）の測定が可能である。上記の関係より、ガスの吸収量とセンサ側のＳ／Ｎ比がトレードオフの関係を持つため、発光素子からある光量の出力が得られる場合、この光量に対して最良の分解能を得るのに最適なガス路長を設計する必要がある。

受発光装置全体の消費電力の低減を目指し、発光素子を低電流で駆動し、ガスセルを長くしすぎると、十分なＳ／Ｎ比がとれないことがある。つまり、短いガス路が必要となるが、ガス路が短い程、ガスの濃度の変化による信号の変化よりも、温度による信号の変化が著しくなる。この場合、効果的な温度補償方法が不可欠となる。
また第１センサ部及び第２センサ部は、高速に動作することができる（高速光パルスに対して十分な応答性をもつ）ため量子型センサであることが好ましい。量子型センサは、センサの内部抵抗が温度によって変化するため、このセンサの内部抵抗値を読み取ることで、受発光装置の内部の温度を知ることができる。この方法を利用することで、温度測定部１０５を別途設ける必要がなくなるため、少ない部品数で温度補償が可能な受発光装置を実現できる。

＜その他＞
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、また、第１〜第４実施形態を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。

また、本発明の受発光装置は、赤外線式の受発光装置に限定されるものではなく、例えば紫外線式の受発光装置であってもよい。この場合は、発光部が紫外線を放射し、この放射された紫外線の一部を第１センサ部が受光し、紫外線の他の一部を第２センサ部が受光する。

本発明により、温度補償及び劣化補償が不要な受発光装置を、より簡易な構成で実現することができる。

２０ 発光素子
３１ 第１センサ部
３２ 第２センサ部
４１ 第１基板
４２ 第２基板
６０ 光反射部
１０１ 電源供給部
１０４ 演算部
２００ 封止樹脂
２０１、３１１、３２１ 第１導電型の半導体層
２０２、３１２、３２２ 第２導電型の半導体層
２０３、２０４、３１３、３１４、３２３、３２４ 電極

Claims (11)

1. 発光素子と、
   前記発光素子から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第１センサ部および第２センサ部を備え、
   第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記発光素子と前記第１センサ部とが設けられた第１基板と、
   第１主面と該第１主面と対向する第２主面とを有し、該第１主面上に前記第２センサ部が設けられた第２基板と、をさらに備え、
   前記第１センサ部の配置位置は、前記第１基板の第１主面であって、前記発光素子から出力された光のうちの該第１基板の第２主面で反射した光が入射する位置に設定されていることを特徴とする受発光装置。
2. 前記第１センサ部と前記第２センサ部は、同一の温度特性を有することを特徴とする請求項１に記載の受発光装置。
3. 前記第１基板と前記第２基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、
   前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた光遮断部をさらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の受発光装置。
4. 前記第１基板及び前記第２基板からそれぞれ離れた位置に配置され、前記第１基板の第２主面から出射した光を前記第２センサ部に向けて反射する光反射部をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の受発光装置。
5. 前記第１基板の第２主面上に設けられ、前記発光素子から出力される光のうち、前記第１基板内で散乱する光の光量と、前記第１基板の第２主面から放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の受発光装置。
6. 前記第１基板の第２主面上に設けられ、前記発光素子から出力された光を前記第１センサ部に向けて反射する光反射層をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の受発光装置。
7. 前記第１センサ部と前記第２センサ部及び前記発光素子がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の受発光装置。
8. 前記積層構造は、少なくともＰ型半導体とＮ型半導体の２種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことを特徴とする請求項７に記載の受発光装置。
9. 前記第１基板の第２主面から出射した光が前記第２センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載の受発光装置。
10. 前記第１センサ部と前記第２センサ部は同一の構造の複数の受光部を有し、
    該受光部の数は前記第１センサ部と前記第２センサ部とで異なることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載の受発光装置。
11. 前記第１基板と前記第２基板は、同一の材料からなることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の受発光装置。

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