JP2023123924A - 検出装置および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体に向けて光を射出し、生体から戻る光を検出する検出装置を小型化する。【解決手段】検出装置３は、半導体基板２０と、半導体基板２０に形成される第１光電変換部３１と、前記半導体基板２０に積層して形成される第１発光層６７１と、前記第１光電変換部に積層して形成される第１フィルター層３２と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、発光部と受光部を備える検出装置および測定装置に関する。

脈波等の生体情報を非侵襲で測定する各種の測定技術が従来から提案されている。特許文献１、２には、生体に向けて光を射出する発光部と、生体で反射された光を受光する受光部とを備える検出装置が記載される。この種の検出装置の受光部から出力される信号を解析することにより、生体情報を取得できる。

特許文献１の検出装置（検出素子）は、発光部としての光源（有機ＥＬ素子やＬＥＤ）が実装される基板を備える。基板には、受光部としてのフォトダイオードやフォトトランジスター、光導電セル、あるいはイメージセンサーなどが光源に隣り合う位置に実装される。

特許文献２の検出装置（光センサーモジュール）は、発光部および受光部が配置される基板としてフレキシブルプリント基板を用いる。発光部は、ＬＥＤであり、受光部は、フォトダイオードである。フレキシブルプリント基板を用いることにより、基板を薄くできるので、検出装置の薄型化を図ることができる。

特開２０１８－１４９１５７号公報 特開２０１８－０４２５９７号公報

特許文献１、２の検出装置において、発光部として用いられるＬＥＤや受光部として用いられるフォトダイオードはそれぞれがチップ化されており、部品として取り扱うことができるものである。そのため、基板表面に実装する際、チップの実装精度に応じて、発光部と受光部の間に一定のクリアランスを設ける必要がある。よって、検出装置の小型化には限界がある。

上記課題を解決するため、本発明の検出装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成される第１光電変換部と、前記半導体基板に積層して形成される第１発光層と、前記第１光電変換部に積層して形成される第１フィルター層と、を備えることを特徴とする。

本発明の測定装置は、上記の検出装置と、前記検出装置による検出結果を示す検出信号から生体情報を特定する情報解析部と、を有することを特徴とする。

本発明を適用した測定装置の側面図である。 本発明を適用した測定装置の機能構成を示すブロック図である。 受光部と発光部の平面形状を模式的に示す平面図である。 受光部と発光部の断面構成を模式的に示す断面図である。 各発光素子がカラーフィルターを備える場合の受光部および発光部の断面構成を模式的に示す断面図である。 角度制限フィルター層を省略した場合の受光部および発光部の断面構成を模式的に示す断面図である。 変形例の受光部と発光部の平面形状を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各部材を認識可能な程度の大きさとして模式的に図示しており、実際の寸法や比率は、図中に示すものとは異なっていてもよい。

＜測定装置＞
図１は、本発明を適用した測定装置１００の側面図である。測定装置１００は、生体情報を非侵襲的に測定する生体測定装置である。測定装置１００は、被験者の身体（生体）のうち測定対象となる部位（以下「測定部位Ｍ」という）に向けて使用する。図１に示す例では、測定装置１００は、筐体１およびベルト２を備える腕時計型の携帯機器である。測定部位Ｍは、被験者の手首である。測定装置１００は、帯状のベルト２を被験者の手首に巻回することで、筐体１の検出面１０を手首（測定部位Ｍ）の皮膚面に向けた状態に装着して使用する。

本明細書において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交する方向である。Ｚ方向は、検出面１０の法線方向である。＋Ｚ方向は、検出面１０から測定部位Ｍへ向かう方向であり、－Ｚ方向は、測定部位Ｍから検出面１０へ向かう方向である。

本明細書において、被験者の脈波（例えば脈拍数）および酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を生体情報として例示する。脈波とは、心臓の拍動に連動した血管内の体積の時間変化を意味する。酸素飽和度とは、被験者の血液中のヘモグロビンのうち酸素と結合したヘモグロビンの割合（％）を意味し、被験者の呼吸機能を評価するための指標である。

図２は、本発明を適用した測定装置１００の機能構成を示すブロック図である。図２に示すように、測定装置１００は、制御装置５と、記憶装置６と、表示装置４と、検出装置３とを備える。制御装置５および記憶装置６は、筐体１の内部に配置される。検出装置３は、検出面１０に配置される。表示装置４は、筐体１のうち検出面１０とは反対側の表面に配置される。表示装置４は、測定結果を含む各種の画像を制御装置５による制御のもとで表示する。表示装置４は、例えば、液晶表示パネルである。

なお、測定装置１００は、図２に示す機能構成に加えて、筐体１の表面に配置される操作ボタンやタッチパネルなどの操作部を備え、操作部に対する操作に応じた操作信号を制御装置５に入力するように構成してもよい。また、測定結果を外部に出力するとともに、外部からの信号を制御装置５に入力するための通信部を備えていてもよい。あるいは、測定結果を報知するための手段として、音声出力部や振動部を備えていてもよい。

図２に示すように、検出装置３は、受光部１１と、発光部１２と、駆動回路１３と、出力回路１４とを備える。なお、駆動回路１３および出力回路１４の一方または双方を検出装置３の外部回路として設置することも可能である。すなわち、駆動回路１３および出力回路１４は検出装置３から省略され得る。

検出装置３は、検出面１０から光を射出し、測定部位Ｍから検出面１０へ入射する光を受光して検出信号Ｓを生成する反射型の光学センサーモジュールである。すなわち、本実施形態の検出装置３は、受光部１１と発光部１２とが検出面１０に配置される。発光部１２は、第１発光素子１２１と、第２発光素子１２２と、第３発光素子１２３とを有する。第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３は、それぞれ、検
出面１０から異なる波長の光を射出する。

第１発光素子１２１は、第１光ＬＧを射出する。第１光ＬＧは、例えば、５２０ｎｍ～５５０ｎｍの緑色波長帯を有する緑色光であり、ピーク波長が５２０ｎｍの光である。第２発光素子１２２は、第２光ＬＲを射出する。第２光ＬＲは、例えば、６００ｎｍ～８００ｎｍの赤色波長帯を有する赤色光であり、ピーク波長が６６０ｎｍの光である。第３発光素子１２３は、第３光ＬＩを射出する。第３光ＬＩは、例えば、８００ｎｍ～１３００ｎｍの近赤外波長帯を有する近赤外光である。第３光ＬＩは、例えば、ピーク波長が９０５ｎｍの光である。なお、各発光素子が射出する光の波長は上記の波長帯に限定されない。

駆動回路１３は、駆動電流の供給により第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、第３発光素子１２３の各々を発光させる。例えば、駆動回路１３は、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、第３発光素子１２３の各々を時分割で周期的に発光させる。第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、第３発光素子１２３の各々から射出された光は、検出面１０から測定部位Ｍに入射し、測定部位Ｍの内部で反射および散乱を繰返しながら伝播した後、測定部位Ｍから射出され、検出面１０に配置される受光部１１に入射する。

受光部１１は、第１受光部１１１と第２受光部１１２を有する。第１受光部１１１および第２受光部１１２は、それぞれ、受光した光の強度に応じた検出信号を生成する。

第１受光部１１１は、第１発光素子１２１から射出されて測定部位Ｍの内部を伝搬した第１光ＬＧを受光し、その受光強度に応じた検出信号を生成する。第２受光部１１２は、第２発光素子１２２から射出されて測定部位Ｍの内部を伝搬した第２光ＬＲ、または、第３発光素子１２３から射出されて測定部位Ｍの内部を伝搬した第３光ＬＩを受光し、その受光強度に応じた検出信号を生成する。

出力回路１４は、例えば、第１受光部１１１と第２受光部１１２のそれぞれが生成した検出信号をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器と、変換後の検出信号を増幅する増幅回路とを含んで構成され（いずれも図示省略）、相異なる波長に対応する複数の検出信号Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を生成する。

検出信号Ｓ１は、第１発光素子１２１から射出された第１光ＬＧ（緑色光）を受光したときの第１受光部１１１の受光強度を表す信号である。検出信号Ｓ２は、第２発光素子１２２から射出された第２光ＬＲ（赤外光）を受光したときの第２受光部１１２の受光強度を表す信号である。検出信号Ｓ３は、第３発光素子１２３から射出された第３光ＬＩ（近赤外光）を受光したときの第２受光部１１２の受光強度を表す信号である。

一般的に血管の拡張時と収縮時とで血液による吸光量は相違することから、各検出信号Ｓは、測定部位Ｍの内部の動脈の脈動成分（容積脈波）に対応した周期的な変動成分を含む脈波信号となる。

駆動回路１３および出力回路１４は、例えば、ＩＣチップの形態で基板に実装される。後述するように、本実施形態では、受光部１１と発光部１２は同一の半導体基板２０（図３、図４参照）に形成される。駆動回路１３および出力回路１４は、受光部１１と発光部１２が形成される半導体基板２０の回路配置部に実装される。なお、駆動回路１３および出力回路１４は、受光部１１と発光部１２が形成される半導体基板２０とは別体の基板に実装されていてもよい。あるいは、上述のように、駆動回路１３および出力回路１４を検出装置３の外部回路として設置することも可能である。

制御装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の演算処理装置であり、測定装置１００の全体を制御する。記憶装置６は、例えば不揮発性の半導体メモリーで構成され、制御装置５が実行するプログラム、および制御装置５が使用する各種のデータを記憶する。なお、制御装置５の機能を複数の集積回路に分散した構成、または、制御装置５の一部または全部の機能を専用の電子回路で実現した構成を採用してもよい。なお、図２では、制御装置５と記憶装置６とを別体の要素として図示したが、記憶装置６を内包する制御装置５を例えばＡＳＩＣ等により実現することもできる。

制御装置５は、記憶装置６に記憶されたプログラムを実行することで、検出装置３が生成した複数の検出信号Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）から被験者の生体情報を特定する。具体的には、制御装置５は、第１受光部１１１による第１光ＬＧ（緑色光）の受光強度を表す検出信号Ｓ１から被験者の脈波を特定する。制御装置５は、例えば、検出信号Ｓ１に基づいて被験者の脈拍数を特定することができる。また、制御装置５は、受光部１１による第２光ＬＲ（赤色光）の受光強度を表す検出信号Ｓ２と、受光部１１による第３光ＬＩ（近赤外光）の受光強度を表す検出信号Ｓ３とを解析することで、被験者の酸素飽和度（ＳｐＯ_２）を特定することができる。

以上のように制御装置５は、検出装置３による検出結果を示す検出信号Ｓから生体情報を特定する情報解析部として機能する。制御装置（情報解析部）５は、検出信号Ｓから特定した生体情報を表示装置４に表示させる。なお、音声出力で測定結果を利用者に報知することも可能である。脈拍数または酸素飽和度が所定の範囲外の数値に変動した場合に利用者に警告（身体機能の障害の可能性）を報知することも可能である。

＜発光部および受光部の詳細構成＞
図３は、受光部１１と発光部１２の平面形状を模式的に示す平面図である。図４は、図３の受光部１１と発光部１２の断面構成を模式的に示す断面図であり、図３のＡ－Ａ位置で切断した断面構成を示す。本実施形態では、受光部１１および発光部１２が同一の半導体基板２０に形成される。半導体基板２０は、例えばシリコン（Ｓｉ）等の半導体材料で形成され、受光部１１および発光部１２が形成される基体（下地）として利用される。図４に示すように、受光部１１および発光部１２は、半導体基板２０の第１表面２１に形成される。第１表面２１は、＋Ｚ方向を向く表面である。受光部１１と発光部１２は、第１表面２１において隣り合う位置に形成される。

上記のように、受光部１１は、第１受光部１１１と第２受光部１１２を備える。図４に示すように、第１受光部１１１は、発光部１２に隣り合う位置に形成される。第２受光部１１２は、第１受光部１１１に対して発光部１２とは反対側に配置される。従って、第２受光部１１２は、第１受光部１１１よりも発光部１２から離れている。

図３に示すように、本実施形態では、受光部１１は矩形である。受光部１１は、第２受光部１１２が中央に配置され、第１受光部１１１が第２受光部１１２の外周を一定幅で帯状に囲む形状である。受光部１１は、第１受光部１１１に対応するアノード電極１１３およびカソード電極１１４と、第２受光部１１２に対応するアノード電極１１５およびカソード電極１１６を備える。これらの電極は、それぞれ、後述する角度制限フィルター層３５内に形成される配線を介して、受光部１１および発光部１２の外側に配置される端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４に電気的に接続される。

発光部１２は、受光部１１の外周を囲む形状である。第１光ＬＧ（緑色光）を発する第１発光素子１２１は、発光部１２の内周領域に配置され、受光部１１の外周を一定幅で帯状に囲む。第２光ＬＲ（赤色光）を発する第２発光素子１２２は、第１発光素子１２１の
外周を一定幅で帯状に囲む。第３光ＬＩ（近赤外光）を発する第３発光素子１２３は、発光部１２の外周領域に配置され、第２発光素子１２２の外周を一定幅で帯状に囲む。従って、第２発光素子１２２は、第１発光素子１２１よりも受光部１１から離れている。第３発光素子１２３は、第２発光素子１２２よりも受光部１１から離れている。

発光部１２は、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３のそれぞれに対応する陽極コンタクト１２６、１２７、１２８、および、共通の陰極コンタクト１２９を備える。陽極コンタクト１２６、１２７、１２８および陰極コンタクト１２９は、それぞれ、後述する配線層６１内に形成される配線を介して、受光部１１および発光部１２の外側に配置される端子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４に電気的に接続される。

＜受光部の断面構成＞
図４に示すように、第１受光部１１１は、半導体基板２０の層内に形成される第１光電変換部３１と、第１光電変換部３１の＋Ｚ方向の表面に積層されて形成される第１フィルター３２を備える。第２受光部１１２は、半導体基板２０の層内において第１光電変換部３１に隣り合う位置に形成される第２光電変換部３３と、第２光電変換部３３の表面に積層されて形成される第２フィルター層３４を備える。第２光電変換部３３は、第１光電変換部３１よりも発光部１２から離れている。

第１光電変換部３１と第２光電変換部３３のそれぞれは、ＰＩＮ型フォトダイオードもしくはＰＮ型フォトダイオードなどのフォトダイオード、あるいは、フォトトランジスターを備える。図４に示す例では、第１光電変換部３１と第２光電変換部３３のそれぞれは、半導体基板２０に埋め込まれたｎ型半導体層４１と、ｎ型半導体層４１の内側に形成されたｐ型半導体層４２と、ｐ型半導体層４２の内側に埋め込まれたｎ型半導体層４３を備える。ｐ型半導体層４２は半導体基板２０の第１表面２１に露出し、第１フィルター層３２もしくは第２フィルター層３４を通過した光が入射する受光面４４を構成する。

第１光電変換部３１と第２光電変換部３３は、半導体基板２０の第１表面２１側の表面層内に埋め込まれている。第１光電変換部３１の受光面４４、および第２光電変換部３３の受光面４４は、半導体基板２０の第１表面２１と同一面上に位置する。第１フィルター層３２および第２フィルター層３４は、第１表面２１に対して＋Ｚ方向に位置する。

半導体基板２０の第１表面２１には、第１光電変換部３１と第２光電変換部３３が配置される全範囲にわたって角度制限フィルター層３５が形成される。角度制限フィルター層３５は、第１光電変換部３１に重なる第１領域３５１、および、第２光電変換部３３に重なる第２領域３５２を備える。第１領域３５１と第２領域３５２の層内には、それぞれ、角度制限フィルター３６を構成する遮光性の素材が配置される。

第１フィルター層３２は、角度制限フィルター層３５における第１領域３５１の表面にバンドパスフィルター層３７を積層した層構造を有する。第２フィルター層３４は、角度制限フィルター層３５の第２領域３５２のみからなる。すなわち、第１受光部１１１と第２受光部１１２は、第１受光部１１１がバンドパスフィルター層３７を備え、第２受光部１１２はバンドパスフィルター層３７を備えていない点に置いて異なり、他の構成は同一である。

例えば、角度制限フィルター層３５は、アルミニウム銅合金（ＡｌＣｕ）合金もしくは窒化チタン（ＴＩＮ）などの光反射性の素材からなる導電層５１と、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）もしくは窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの光透過性の素材からなる層間絶縁膜５２と、層間絶縁膜５２の内部に形成される遮光体５３を備える。遮光体５３は、例えば、タングステン（Ｗ）などの光吸収性の素材からなる導電性プラグである。角度制限フィルター３
６は、ｐ型半導体層４２により構成される受光面４４に重なる開口部５４を形成するように配置される導電層５１および遮光体５３と、開口部５４の内側において柱状に配置される遮光体５３を備える。

角度制限フィルター３６は、上記の導電層５１および遮光体５３の配置により、所定の入射角度（以下、許容入射角度という）よりも小さい角度で入射する光を透過させ、許容入射角度よりも大きい角度で入射する光を透過させずにカットする特性を有する。従って、第１フィルター層３２は、第１光電変換部３１の受光面４４に入射する光の入射角度を制限する。また、第２フィルター層３４は、第２光電変換部３３の受光面４４に入射する光の入射角度を制限する。従って、検出装置３は、生体内を伝搬してから許容入射角度で検出装置３の検出面１０に入射する光は透過させ、太陽光等の外光や生体内に入射しなかった光のように許容入射角度よりも大きい角度で入射する光をカットすることができる。

角度制限フィルター層３５に配置される導電層５１と遮光体５３（導電性プラグ）の一部は、第１光電変換部３１のアノード電極１１３およびカソード電極１１４と電気的に接続される配線、および、第２光電変換部３３のアノード電極１１５およびカソード電極１１６と電気的に接続される配線を構成する。

バンドパスフィルター層３７は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの低屈折率材料からなる薄膜と二酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの高屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層膜５８と、多層膜５８の外周を囲う遮光壁５９を備える。遮光壁５９は、例えば、第２光ＬＲ（赤色光）および第３光ＬＩ（近赤外光）を遮蔽する。なお、遮光壁５９は省略することもできる。多層膜５８は、第１光ＬＧ（緑色光）の波長帯を選択的に透過させ、それ以外の波長帯の光である第２光ＬＲ（赤色光）および第３光ＬＩ（近赤外光）を吸収してカットする特性を有する。

＜発光部の断面構成＞
図４に示すように、発光部１２は、半導体基板２０の第１表面２１に形成される配線層６１と、配線層６１の表面に形成される有機ＥＬ素子形成部６２と、有機ＥＬ素子形成部６２の全範囲およびその周囲を＋Ｚ方向から覆う封止層６３を備える。封止層６３は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）もしくは窒化酸化ケイ素（ＳｉＯＮ）などの光透過性の無機材料からなる。なお、封止層６３は、封止性能を低下させない程度に他の材料を含んでいてもよい。また、発光部１２は、配線層６１の層内に配置される反射層６４を備える。反射層６４は、例えば、アルミニウム銅合金（ＡｌＣｕ）などの光反射性の素材からなる。

図４では図示を省略しているが、配線層６１は、半導体基板２０の第１表面２１において封止層６３の外周側まで拡がる。封止層６３の外周側に拡がる配線層６１の表面に、発光部１２に接続される端子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４（図３参照）と、受光部１１に接続される端子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４（図３参照）が形成される。

配線層６１は、例えば、アルミニウム銅合金（ＡｌＣｕ）もしくは窒化チタン（ＴＩＮ）などの素材からなる導電層５５と、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）もしくは窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの光透過性の素材からなる層間絶縁膜５６と、タングステン（Ｗ）などの素材からなる導電性プラグ５７を備える。

図４に示すように、配線層６１を構成する複数の層間絶縁膜５６は、それぞれ、角度制限フィルター層３５を構成する層間絶縁膜５２と同一層をなしており、層間絶縁膜５６、５２が連続した層をなすように形成される。また、配線層６１に設けられた導電層５５は、角度制限フィルター層３５に設けられた導電層５１と同一の層をなしている。従って、
角度制限フィルター層３５と配線層６１は、同一の工程により半導体基板２０に形成され得る。なお、配線層６１および角度制限フィルター層３５の層構成は、図４に示す構成に限定されるものではない。

図４に示す例では、配線層６１と角度制限フィルター層３５はＺ方向の位置および高さが略等しい。有機ＥＬ素子形成部６２は、配線層６１の表面に形成されており、有機ＥＬ素子形成部６２のＺ方向の高さ（厚さ）は、バンドパスフィルター層３７のＺ方向の高さ（厚さ）よりも小さい。従って、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３は、全体が第１フィルター層３２のＺ方向の高さの範囲内に配置される。すなわち、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３は、Ｚ方向において第１フィルター層３２と同一位置に配置される。なお、バンドパスフィルター層３７と有機ＥＬ素子形成部６２のＺ方向の高さ（厚さ）の大小関係は、図４に示す構成に限定されるものではない。

有機ＥＬ素子形成部６２は、第１発光素子１２１を構成する第１発光領域６２１、第２発光素子１２２を構成する第２発光領域６２２、および、第３発光素子１２３を構成する第３発光領域６２３を備える。第１発光領域６２１、第２発光領域６２２、第３発光領域６２３は、受光部１１に最も近い側に第１発光領域６２１が配置され、受光部１１から離れる方向に向かって第１発光領域６２１、第２発光領域６２２、第３発光領域６２３の順で並ぶ。

第１発光領域６２１、第２発光領域６２２、第３発光領域６２３は、それぞれ、Ｚ方向に対向する第１電極６５および第２電極６６と、第１電極６５と第２電極６６との間に形成される有機発光層６７を備える。有機発光層６７は、電流の供給により発光する有機材料を含む。第１発光領域６２１は、有機発光層６７として、緑色発光材料を含む第１発光層６７１を備える。第２発光領域６２２は、有機発光層６７として、赤色発光材料を含む第２発光層６７２を備える。第３発光領域６２３は、有機発光層６７として、近赤外発光材料を含む第３発光層６７３を備える。第１発光層６７１、第２発光層６７２、および第３発光層６７３は、同一層に配置される。

なお、第１発光領域６２１、第２発光領域６２２、第３発光領域６２３は、それぞれ、第１電極６５と第２電極６６との間に、有機発光層６７に加えて、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層を備えていてもよい。

第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３は、有機発光層６７の＋Ｚ側から光を取り出すことのできるトップエミッション型の有機ＥＬ素子である。第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３は、それぞれ、配線層６１の層内に配置される反射層６４を備える。反射層６４は、第１発光層６７１、第２発光層６７２、および第３発光層６７３のそれぞれに対して－Ｚ方向（すなわち、半導体基板２０の側）から重なる位置に形成される。

第１電極６５は、陽極である。第１電極６５は、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からなる透明電極である。第１電極６５は、配線層６１の＋Ｚ方向の表面に形成される。本実施形態では、第１電極６５は、発光素子ごとに分離される。例えば、第１発光領域６２１、第２発光領域６２２、および第３発光領域６２３のそれぞれに対応する３箇所に第１電極６５が形成される。

第２電極６６は、陰極である。第２電極６６は、例えば、銀マグネシウム合金（ＡｇＭｇ）からなる光透過性の電極である。第２電極６６は、有機発光層６７に対して半導体基板２０とは反対側（＋Ｚ方向）から対向する。３つの発光素子の第２電極６６は、連続し
た１つの電極層を構成しており、３箇所の第１電極６５が並ぶ方向へ延びる。

配線層６１には、３箇所の第１電極６５を駆動回路１３にそれぞれ接続するための配線および陽極コンタクト１２６、１２７、１２８（図３参照）を形成するように導電層５５および導電性プラグ５７が配置される。また、配線層６１には、第２電極６６を駆動回路１３のＧＮＤに接続するための配線および陰極コンタクト１２９（図３参照）を形成するように導電層５５および導電性プラグ５７が配置される。配線層６１内の配線構造、および駆動回路１３は、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３をパッシブマトリクス方式で駆動するための構成とされる。

受光部１１と発光部１２は、透明樹脂層７１を介してカバー板７２で覆われている。カバー板７２の＋Ｚ方向の表面は、検出面１０を構成する。カバー板７２は、光透過性を有し、例えば、ガラス板や石英板を用いることができる。透明樹脂層７１は、例えば、エポキシ樹脂あるいはアクリル樹脂などの透明樹脂からなる。

＜本実施形態の主な作用効果＞
以上のように、本実施形態の検出装置３は、半導体基板２０と、半導体基板２０に形成される第１光電変換部３１と、半導体基板２０に積層して形成される第１発光層６７１と、第１光電変換部３１に積層して形成される第１フィルター層３２と、を備える。

より詳細には、本実施形態の検出装置３は、半導体基板２０と、半導体基板２０の第１表面２１に形成される発光部１２と、第１表面２１において発光部１２と隣り合う位置に形成される受光部１１と、を有する。受光部１１は、半導体基板２０の層内に形成される第１光電変換部３１、および、第１光電変換部３１の表面に形成される第１フィルター層３２を備える。発光部１２は、半導体基板２０の法線方向であるＺ方向において第１フィルター層３２と同一位置に配置される第１発光素子１２１を備える。第１発光素子１２１は、第１電極６５と、第１電極６５に半導体基板２０とは反対側から対向する光透過性の第２電極６６と、第１電極６５と第２電極６６との間に形成される第１発光層６７１と、を備える。

本実施形態の測定装置１００は、検出装置３と、検出装置３による検出結果を示す検出信号から生体情報を特定する情報解析部としての制御装置５を有する。

本実施形態の検出装置３では、受光部１１と発光部１２は、共通の半導体基板２０を基体として形成されているので、受光部１１と発光部１２との隙間（クリアランス）が従来よりも小さい。従来のように、チップ化されたＬＥＤやフォトダイオードを基板に搭載する場合、受光部１１と発光部１２との隙間はミリ単位の寸法になっていたが、半導体基板２０に直接、半導体層、絶縁体層、配線や電極などを構成する導体層、有機材料層などの層構造を形成する技術により受光部１１と発光部１２を形成する場合には、第１発光素子１２１と第１受光部１１１との隙間をミクロン単位の寸法にすることができる。従って、検出装置３を小型化できる。

また、本実施形態の検出装置３において、受光部１１は、第１光電変換部３１が半導体基板２０の層内に形成されるので、検出装置３のＺ方向の高さが抑えられる。また、発光部１２は、第１発光素子１２１を構成する有機ＥＬ素子形成部６２の全体が、第１フィルター層３２のＺ方向の高さの範囲内に配置される。従って、検出装置３を薄型化できる。

受光部１１と発光部１２との隙間を小さくできれば、発光部１２から出射し、測定部位Ｍから受光部１１へ戻る光の受光量が増大する。特に、発光部１２から発せられる第１光ＬＧが緑色光である場合、緑色光は被験者の体内の浅い領域までしか拡散せずに戻ってく
るため、発光部１２から離れるにしたがって急激に受光量が低下する。従って、受光部１１と発光部１２との隙間を小さくすることにより、発光部１２から発せられる第１光ＬＧ（緑色光）の受光量を多くすることができる。その結果、第１発光素子１２１の発光量を少なくしても必要な光量を確保できるので、発光部１２の消費電力を少なくすることができる。従って、検出装置３の省電力化を図ることができる。また、測定部位Ｍから戻る光を多く受光できるため、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。その結果、測定装置１００は、Ｓ／Ｎの高い検出信号Ｓから生体情報を特定できるので、測定精度を高めることができる。

さらに、第１発光素子１２１は、半導体基板２０とは反対側に配置される第２電極６６が光透過性の電極であり、トップエミッション型の有機ＥＬ発光素子であるため、光の射出量が多い。従って、通電量を下げて発光量を少なくしても必要な光量を確保できるので、発光部１２の消費電力を低減させることができる。よって、検出装置３の省電力化を図ることができる。

本実施形態において、受光部１１は、半導体基板２０の層内に形成される第２光電変換部３３、および、第２光電変換部３３の表面に形成される第２フィルター層３４を備える第２受光部１１２を有する。第２光電変換部３３は、第１光電変換部３１よりも発光部１２から離れている。また、発光部１２は、第１発光素子１２１が発する第１光ＬＧ（緑色光）よりも波長が長い第２光ＬＲ（赤色光）を発する第２発光素子１２２を備える。第２発光素子１２２は、第１発光素子１２１よりも第１受光部１１１から離れている。

さらに、発光部１２は、第２光ＬＲよりも波長が長い第３光ＬＩ（近赤外光）を発する第３発光素子１２３を備える。第３発光素子１２３は、第２発光素子１２２よりもさらに第１受光部１１１から離れている。

このような構成により、発光部１２からは第１光ＬＧ（緑色光）、第２光ＬＲ（赤色光）、第３光ＬＩ（近赤外光）の３種類の光を発することができる。また、受光部１１は２つの光電変換部により受光できる。従って、複数の波長帯の光を複数の受光部によって受光できるので、第１光ＬＧ（緑色光）の受光強度を表す検出信号Ｓ１、第２光ＬＲ（赤色光）の受光強度を表す検出信号Ｓ２、および、第３光ＬＩ（近赤外光）の受光強度を表す検出信号Ｓ３を取得できる。そして、検出信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３から各種の生体情報を特定できる。例えば、検出信号Ｓ１に基づいて被験者の脈拍数を特定できる。また、検出信号Ｓ２と検出信号Ｓ３を解析することで、被験者の酸素飽和度を特定できる。

本実施形態において、発光部１２は、第１光ＬＧ（緑色光）を射出する第１発光素子１２１を受光部１１に最も近づけて配置している。このような配置により、生体内を短い距離だけ伝播してから戻る第１光ＬＧ（緑色光）を受光部１１に多く受光させることができる。従って、第１発光素子１２１の発光強度を抑えた場合でも、生体内を伝播した第１光ＬＧ（緑色光）を受光部１１において十分に検出することができる。よって、発光部１２の消費電力を低減させながら、第１光ＬＧ（緑色光）の受光強度を表す検出信号Ｓ１のＳ／Ｎ比を高めることができる。

本実施形態において、第１受光部１１１に設けられた第１フィルター層３２は、発光部１２において第１発光素子１２１から発せられる波長の光（すなわち、緑色光）を選択的に透過するバンドパスフィルター層３７を備える。上記のように、第１受光部１１１は、受光部１１において発光部１２に最も近い位置に配置されるので、生体内を短い距離だけ伝播してから戻る第１光ＬＧ（緑色光）を多く受光する。従って、第１受光部１１１にバンドパスフィルター層３７を配置すれば、他の発光素子から発せられる第２光ＬＲ（赤色光）および第３光ＬＩ（近赤外光）はカットして、第１光ＬＧ（緑色光）の受光強度を表
す検出信号Ｓ１のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、バンドパスフィルター層３７により、緑色光とは異なる波長帯の外光をカットできるので、外光によるノイズを低減させることができる。従って、第１光ＬＧ（緑色光）の受光強度を表す検出信号Ｓ１のＳ／Ｎ比を高めることができる。

本実施形態において、第１フィルター層３２および第２フィルター層３４は、角度制限フィルター層３５を備える。角度制限フィルター層３５は、許容入射角度よりも小さい角度で入射する光を透過させ、許容入射角度よりも大きい角度で入射する光をカットする。従って、第１受光部１１１および第２受光部１１２において、それぞれ、生体の測定部位Ｍとは異なる方向から入射する外光をカットできるので、第１受光部１１１から得られる検出信号Ｓ１のＳ／Ｎ比を高めるとともに、第２受光部１１２から得られる検出信号Ｓ２、Ｓ３のＳ／Ｎ比を高めることができる。

ここで、第２フィルター層３４は、バンドパスフィルター層を備えていない。上記のように、第１光ＬＧ（緑色光）は、第２光ＬＲ（赤色光）または第３光ＬＩ（近赤外光）に比べて、生体内を短い距離しか伝播できない。そのため、第１光ＬＧ（緑色光）が第２受光部１１２の位置まで到達することはないので、バンドパスフィルター層がなくても第１光ＬＧ（緑色光）が第２光電変換部３３に入射することはない。従って、第２受光部１１２はバンドパスフィルター層を省略できるので、コスト低減を図ることができる。

本実施形態では、発光部１２が受光部１１を囲む形状であるとともに、受光部１１においては、第１受光部１１１が第２受光部１１２を囲む形状である。そのため、半導体基板２０においては、第１光電変換部３１は、第２光電変換部３３を囲む形状に形成される。上記のように、第１光ＬＧ（緑色光）は生体内を短い距離だけ伝播してから出射するので、遠くまで届かず、受光できる光量が少ない。従って、発光部１２が受光部１１を全周で囲むように構成することで、受光部１１へ向かう光量を増やすことができる。また、第２光電変換部３３の全周を囲む形状に第１光電変換部３１を配置することで、発光部１２に近い領域が全て第１光ＬＧ（緑色光）を受光できる構成となる。従って、第１光ＬＧ（緑色光）の受光量を増やすことができる。

本実施形態の発光部１２は、発光素子ごとにスイッチング用トランジスターなどのアクティブ素子を配置しておらず、パッシブマトリクス方式の有機ＥＬ素子構造を備えている。従って、発光部１２の構造が簡素であるため、発光部１２の製造が容易である。

本実施形態の発光部１２において、配線層６１には、第１発光層６７１、第２発光層６７２、および第３発光層６７３のそれぞれに対して半導体基板２０の側から重なる位置に反射層６４が設けられている。従って、各発光素子において、有機発光層６７で発生する光のうち所定の波長域の光が反射層６４と第２電極６６（陰極）との間で共振する。これにより、各発光素子から＋Ｚ方向に取り出される光の波長分布のピークが急峻となるので、発光部１２から発せられる光（第１光ＬＧ、第２光ＬＲ、第３光ＬＩ）の強度を高めるとともに、色純度を高めることができる。

本実施形態の検出装置３は、発光部１２および受光部１１を半導体基板２０とは反対側から覆う透明なカバー板７２と、発光部１２および受光部１１とカバー板７２との間に形成される透明樹脂層７１と、を有する。これにより、受光部１１と発光部１２を保護する保護層を形成できる。また、カバー板７２によって検出面１０を構成できる。

＜検出装置の変形例＞
（１）上記実施形態の発光部１２は、第１光ＬＧ（緑色光）、第２光ＬＲ（赤色光）、第３光ＬＩ（近赤外光）の３つの波長帯の光を出射できる構成であるが、発光部１２から第
３発光素子１２３と第２発光素子１２２のいずれか一方を省略してもよい。

（２）上記実施形態では、第１電極６５は透明電極（ＩＴＯ膜）であるが、第１電極６５を遮光性の電極としてもよい。

（３）上記実施形態では、発光部１２はパッシブマトリクス方式で各発光素子を駆動する構成であるが、アクティブマトリクス方式で各発光素子を駆動する構成としてもよい。例えば、半導体基板２０の層内において各発光素子とＺ方向で重なる位置にスイッチング用トランジスターを形成することができる。

（４）発光部１２は、各発光素子がカラーフィルターを備える構成としてもよい。図５は、各発光素子がカラーフィルターを備える場合の受光部１１および発光部１２の断面構成を模式的に示す断面図である。図５に示すように、第１発光素子１２１は、第１発光層６７１に重なる第１カラーフィルター６８１を備える。第２発光素子１２２は、第２発光層６７２に重なる第２カラーフィルター６８２を備える。第３発光素子１２３は、第３発光層６７３に重なる第３カラーフィルター６８３を備える。第１カラーフィルター６８１、第２カラーフィルター６８２、第３カラーフィルター６８３は、封止層６３の＋Ｚ方向の表面に形成される。

第１カラーフィルター６８１は、第１光ＬＧ（緑色光）に対応する波長帯の光を選択的に透過する。第２カラーフィルター６８２は、第２光ＬＲ（赤色光）に対応する波長帯の光を選択的に透過する。第３カラーフィルター６８３は、第３光ＬＩ（近赤外光）に対応する波長帯の光を選択的に透過する。第１カラーフィルター６８１、第２カラーフィルター６８２、第３カラーフィルター６８３を備えることにより、発光部１２から出射する第１光ＬＧ（緑色光）、第２光ＬＲ（赤色光）、および第３光ＬＩ（近赤外光）の色純度を高めることができる。

（５）図５に示すように、各発光素子がカラーフィルターを備える構成とした場合には、第１発光層６７１、第２発光層６７２、および第３発光層６７３をいずれも白色に発光する有機材料により形成することができる。

（６）上記実施形態では、第１受光部１１１と第２受光部１１２がいずれも角度制限フィルター層３５を備えるものであったが、第１受光部１１１と第２受光部１１２の一方もしくは両方において、角度制限フィルター層３５を省略してもよい。例えば、受光部１１および発光部１２から外光を遮蔽できるような構造とした場合には、外光によるノイズを低減させるための角度制限フィルター層３５を省略できる。

図６は、角度制限フィルター層３５を省略した場合の受光部１１および発光部１２の断面構成を模式的に示す断面図である。図６に示す構成では、第１受光部１１１は、第１フィルター層３２を備えており、第１フィルター層３２は、バンドパスフィルター層３７のみからなる。第２受光部１１２は、フィルター層を備えておらず、第２光電変換部３３の表面に透明樹脂層７１が形成される。発光部１２は、配線層６１を備えているが、図４に示す構成よりも配線層６１の層構造を簡素化している。

（７）上記実施形態では、第２フィルター層３４はバンドパスフィルター層を備えていないが、第１フィルター層３２と第２フィルター層３４がそれぞれ、異なる波長帯の光を通過させるバンドパスフィルター層を備える構成としてもよい。例えば、第２フィルター層３４には、第２光ＬＲ（赤色光）および第３光ＬＩ（近赤外光）の一方もしくは両方を選択的に透過させるバンドパスフィルター層を設けることができる。

（８）上記実施形態では、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３の全体が第１フィルター層３２のＺ方向の厚さ（高さ）の範囲内に配置されるが、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３のＺ方向の一部あるいは全体が第１フィルター層３２のＺ方向の厚さ（高さ）の範囲外に配置される構成としてもよい。例えば、図６に示すように、角度制限フィルター層３５を省略した場合において、バンドパスフィルター層３７のＺ方向の厚さ（高さ）を小さくした場合には、第１発光素子１２１、第２発光素子１２２、および第３発光素子１２３を構成する有機ＥＬ素子形成部６２の一部あるいは全体が第１フィルター層３２よりも＋Ｚ方向に配置され得る。

（９）図７は、変形例の受光部１１と発光部１２の平面形状を模式的に示す平面図である。図７に示すように、受光部１１および発光部１２は、矩形でなく円形の平面形状を採用することができる。

１…筐体、２…ベルト、３…検出装置、４…表示装置、５…制御装置、６…記憶装置、１０…検出面、１１…受光部、１２…発光部、１３…駆動回路、１４…出力回路、２０…半導体基板、２１…第１表面、３１…第１光電変換部、３２…第１フィルター層、３３…第２光電変換部、３４…第２フィルター層、３５…角度制限フィルター層、３６…角度制限フィルター、３７…バンドパスフィルター層、４１…ｎ型半導体層、４２…ｐ型半導体層、４３…ｎ型半導体層、４４…受光面、５１…導電層、５２…層間絶縁膜、５３…遮光体、５４…開口部、５５…導電層、５６…層間絶縁膜、５７…導電性プラグ、５８…多層膜、５９…遮光壁、６１…配線層、６２…有機ＥＬ素子形成部、６３…封止層、６４…反射層、６５…第１電極、６６…第２電極、６７…有機発光層、７１…透明樹脂層、７２…カバー板、１００…測定装置、１１１…第１受光部、１１２…第２受光部、１１３、１１５…アノード電極、１１４、１１６…カソード電極、１２１…第１発光素子、１２２…第２発光素子、１２３…第３発光素子、１２６、１２７、１２８…陽極コンタクト、１２９…陰極コンタクト、３５１…第１領域、３５２…第２領域、６２１…第１発光領域、６２２…第２発光領域、６２３…第３発光領域、６７１…第１発光層、６７２…第２発光層、６７３…第３発光層、６８１…第１カラーフィルター、６８２…第２カラーフィルター、６８３…第３カラーフィルター、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４…端子、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４…端子、ＬＧ…第１光、ＬＲ…第２光、ＬＩ…第３光、Ｍ…測定部位、Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３…検出信号。

Claims (13)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に形成される第１光電変換部と、
   前記半導体基板に積層して形成される第１発光層と、
   前記第１光電変換部に積層して形成される第１フィルター層と、
   を備えることを特徴とする検出装置。
2. 前記半導体基板の第１表面に形成され、生体に向けて光を射出する発光部と、
   前記第１表面において前記発光部に隣り合う位置に形成され、生体からの光を受光する受光部と、を有し、
   前記受光部は、前記半導体基板の層内に形成される前記第１光電変換部、および、前記第１光電変換部の表面に形成される前記第１フィルター層を備え、
   前記発光部は、少なくとも一部が前記半導体基板の法線方向において前記第１フィルター層と同一位置に配置される第１発光素子を備え、
   前記第１発光素子は、第１電極と、前記第１電極に前記半導体基板とは反対側から対向する光透過性の第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に形成される前記第１発光層と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記第１電極は、遮光性を有することを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
4. 前記第１発光層に対して前記半導体基板の側から重なる反射層を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の検出装置。
5. 前記第１フィルター層は、前記発光部から発せられる波長の光を選択的に透過するバンドパスフィルター層を備えることを特徴する請求項２から４の何れか一項に記載の検出装置。
6. 前記発光部は、前記第１発光素子が発する第１光よりも波長が長い第２光を発する第２発光素子を備え、
   前記第２発光素子は、前記第１発光素子よりも前記受光部から離れていることを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
7. 前記第１光は、緑色波長帯の光であり、
   前記バンドパスフィルター層は、前記第１光を選択的に透過し、
   前記第２光は、赤色波長帯または近赤外波長帯の光であることを特徴とする請求項６に記載の検出装置。
8. 前記第２発光素子は、第２発光層を備え、
   前記第１発光素子は、前記第１発光層に重なる第１カラーフィルターを備え、
   前記第２発光素子は、前記第２発光層に重なる第２カラーフィルターを備えることを特徴とする請求項６または７に記載の検出装置。
9. 前記受光部は、
   前記半導体基板の層内に形成される第２光電変換部、および、前記第２光電変換部の表面に形成される第２フィルター層を備え、
   前記第２光電変換部は、前記第１光電変換部よりも前記発光部から離れていることを特徴とする請求項６から８の何れか一項に記載の検出装置。
10. 前記第１フィルター層および前記第２フィルター層は、それぞれ、角度制限フィルター
    層を備えることを特徴する請求項９に記載の検出装置。
11. 前記発光部は、前記受光部を囲む形状であり、
    前記第１光電変換部は、前記第２光電変換部を囲む形状であることを特徴とする請求項９または１０に記載の検出装置。
12. 前記発光部および前記受光部を前記半導体基板とは反対側から覆う透明なカバー板と、
    前記発光部および前記受光部と前記カバー板との間に形成される透明樹脂層と、を有することを特徴とする請求項２から１１の何れか一項に記載の検出装置。
13. 請求項１から１２の何れか一項に記載の検出装置と、
    前記検出装置による検出結果を示す検出信号から生体情報を特定する情報解析部と、を有することを特徴とする測定装置。
    

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