JP2023123924A - 検出装置および測定装置 - Google Patents
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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。
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。
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(SpO2)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。
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(SpO2)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。
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。
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。
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(SiO2)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。
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(SiO2)などの低屈折率材料からなる薄膜と二酸化チタン(TiO2)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(SiO2)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(SiO2)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(SiO2)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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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