JP4061409B2 - センサ部及び生体センサ - Google Patents
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Description
また、被検体から反射してきたレーザ光が光ファイバーのクラッドに衝突することにより生じるドップラーシフトの位相の乱れを防止することを目的として、光ファイバーと光電変換装置との間に、光ファイバーと同心にピンホールを形成し、光ファイバーにより導光されたレーザ光をピンホールを介して光電変換装置に導く組織血流計が、特許文献3に記載されている。
しかし、血流計に対する更なる小型化の要求が強く、装置をさらに小型化すると、発光部と受光部が同一の凹部内に配置され、発光部から出射した光の一部が生体組織を通らずに直接受光部に入射され、信号光が相対的に減少し、SN比が悪くなるという問題点を生じる。また、血流の2次元分布を測定するために、受光部としてアレイ状のフォトダイオードを用いると、フォトダイオードと不要散乱光を遮る遮光膜のギャップの存在のために、アレイ状のフォトダイオードの隣接する各受光面に散乱光が回り込み、信号光が相対的に減少し、SN比が悪くなるという問題点を生じる。
これにより、発光素子、受光素子を個別にアセンブリする必要がなく、フォトリソグラフィの精度で一体形成できるため、製造過程における加工精度が向上し、製造過程の簡略化が可能となる。
この構造のものでは、発光部と受光部との間に指などを挿入することで、簡便に血流等の生体内の液状物質の測定が可能となる。
以上の構成における第1の導光部と第2の導光部の形成は、ピンホールまたは光導波路を形成することによって可能であり、これによって、SN比の改善を達成できる。
導光部の開口に対する長さの比が2.5未満であると、相対的に開口部の幅が大きくなりすぎて、干渉の防止機能が低下する。
本発明のセンサ部を用いることによって、更なる小型化の要求に応えるとともに、SN比の優れた生体センサを実現することができる。
図1は、本発明の生体センサの実施の形態に係る構成を示す図である。図1に示すように、本発明の生体センサは、生体組織に光を当てることにより反射した散乱光を受光するセンサチップ11、受光した光を増幅する増幅器12、発光素子(LD)を駆動させ、散乱光を解析することにより血流等を求める駆動/演算装置13、求めた血流等を表示する出力部14を有している。センサチップ11は半導体基板上に集積化されて形成されている。
また、駆動/演算装置13は、A/D変換器15、LDドライバ16、受信信号から血流を求めるための演算を行うデジタル信号プロセッサ(DSP)17、電源供給部18、インターフェース19を有し、小型液晶ディスプレイ等の出力部14に接続される。駆動/演算装置13は、全体をLSIとして構成することが可能であり、センサチップ及び増幅器とあわせて一体として構成でき、人体等に容易に装着できる形状に構成することが可能である。
この例においては、発光部21を半導体基板23表面上に設けているが、図3に示すように、発光部21の発光面が、第1の導光部25の一端と合致するように隙間無く連結するように設けても良い。
なお、図2、図3を用いた説明では、発光部21からの光を第1の導光部25を介して
生体組織30に向けて出射しているが、必ずしも第1の導光部25を介する必要はなく、何らかの手段によって発光部21からの光が生体組織30に向けて出射されればよい。
また、この導光部は、導光部の側面においては光が遮蔽されることと、導光部の開口はその長さに対して小さいことにも特徴がある。
図6に、受光部が単一の受光素子によって形成されている場合を示し、(a)、(b)、(c)が従来のものであり、(d)が本発明の構成のものである。
(a)は、発光部21と受光部22とを、半導体基板23表面に形成された同一の凹部24内において、半導体基板23の表面上に並べて配置し、第1の導光部25と第2の導光部26とを設けた遮光性のカバー基板27と、透過性の基板29とを配置したものであり、受光部22の受光面と、第2の導光部26との間には隙間が生じている。
(a)は、発光部21と受光部22とを、半導体基板23表面に形成された同一の凹部24内において、半導体基板23の表面上に並べて配置し、第1の導光部25と第2の導光部26とを設けた遮光性のカバー基板27と、透過性の基板29とを配置したものであり、受光部22の各受光素子の受光面と、各々の第2の導光部26との間には隙間が生じている。
図10は、端面発光の半導体レーザを用いる場合を示しており、凹部24の一部にミラー60を形成し、端面発光型半導体レーザ61の端面から出射する光をミラー60によって上方に反射して、第1の導光部25、コリメートレンズ62を介して外部の生体組織に照射する。生体組織からの散乱光は、遮光性のカバー基板27に設けられた第2の導光部26を介して受光部22によって受光される。
図11は、生体組織30に向けて光を出射する際に、マイクロミラーを用いたものを示しており、マイクロミラー70を走査し、レンズ等により集光させた、マイクロ走査型顕微鏡のビームを用いることにより、生体組織の観察と同時に、その観察地点に対応する血流量や生体内の液体の流れの様子の測定が可能である。なお、図11において、71は半導体レーザフォトダイオードビームスプリッタ、72は貫通穴電極、73はキャビティ構造シリコン、74はレンズ付封止ガラス、75は貫通穴、22は受光部である。
第1の凹部24aを覆うように、第1の導光部25を有する遮光性のカバー基板27aが配置され、遮光性のカバー基板27aの上側には、透過性の基板29aが設けられている。また、第2の凹部24bを覆うように、第2の導光部26を有する遮光性のカバー基板27bが配置され、遮光性のカバー基板27bの上側には、透過性の基板29bが設けられている。
なお、図12を用いた説明では、発光部21からの光を第1の導光部25を介して生体組織30に向けて出射しているが、必ずしも第1の導光部25を介する必要はなく、何らかの手段によって発光部21からの光が生体組織30に向けて出射されればよい。
なお、以上の実施形態においてはいずれも、本発明のセンサ部を血流計として用いる場合について説明しているが、このセンサ部は血流計への利用に留まらず、上記の原理に基づいて測定できる他の対象についても適用可能である。例えば、軟骨内のゲル状物質の流れなど、生体内での液状物質の流れを検知することができ、広く生体センサとして用いることができる。
12 増幅器
13 駆動/演算装置
14 出力部
15 A/D変換器
16 LDドライバ
17 デジタル信号プロセッサ(DSP)
18 電源供給部
19 インターフェース
21 発光部
22 受光部
23、23a、23b 半導体基板
24 凹部
24a 第1の凹部
24b 第2の凹部
25 第1の導光部
26 第2の導光部
27、27a、27b 遮光性のカバー基板
28 受光素子
29、29a、29b 透過性の基板
30 生体組織
31 受光面
32 ピンホール
33 光導波路
40 障壁
41 遮光膜
42 透過性の基板
50 端面受光フォトダイオード
51 遮光構造体
52 ピンホール
60 ミラー
61 端面発光型半導体レーザ
62 コリメートレンズ
70 マイクロミラー
71 半導体レーザフォトダイオードビームスプリッタ
72 貫通穴電極
73 キャビティ構造シリコン
74 レンズ付封止ガラス
75 貫通穴
Claims (7)
- 発光部から出射した光が外部の生体組織に向かって出射され、生体組織からの散乱光が受光部で受光されて生体組織内の液状物質に関する値を測定する生体センサにおけるセンサ部であって、
前記発光部と前記受光部とが半導体基板表面に形成された同一の凹部内に配置され、前記半導体基板の上面側に導光部を有する遮光性のカバー基板が配置され、前記受光部の受光面は前記導光部の一端と合致するように隙間無く連結され、前記発光部から出射した光が外部の生体組織に向けて出射され、前記生体組織からの散乱光が前記導光部を通して前記受光部によって受光される構造を有することを特徴とするセンサ部。 - 前記発光部及び前記受光部を前記半導体基板上にモノリシックに集積化したことを特徴とする請求項1記載のセンサ部。
- 発光部から出射した光が外部の生体組織に向かって出射され、生体組織からの透過光が受光部で受光されて生体組織内の液状物質に関する値を測定する生体センサにおけるセンサ部であって、
前記発光部が半導体基板表面に形成された第1の凹部内に配置され、前記受光部が半導体基板表面に形成された他の凹部である第2の凹部内に配置され、前記第2の凹部を覆うように、導光部を有する遮光性のカバー基板が配置され、前記受光部の受光面は前記導光部の一端と合致するように隙間無く連結され、前記発光部から出射した光が外部の生体組織に向けて出射され、前記生体組織を透過した光が前記導光部を通して前記受光部によって受光される構造を有することを特徴とするセンサ部。 - 前記受光部がアレイ状の受光素子によって形成されるときは、前記受光素子の数と同数の導光部がカバー基板に設けられ、前記受光素子の受光面は前記導光部の各々の一端と合致するように隙間無く連結されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のセンサ部。
- 前記導光部は、ピンホールまたは光導波路であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のセンサ部。
- 前記導光部の開口に対する長さの比を2.5以上としたことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のセンサ部。
- 請求項1から6のいずれかに記載のセンサ部と、発光部を駆動する回路と、前記センサ部から受信した信号を処理して生体内の液状物質に関する値を計算するデジタル信号プロセッサとを備えた集積回路とを有することを特徴とする生体センサ。
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