JP4724559B2 - Optical sensor and sensor unit thereof - Google Patents

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本発明は生体組織からの散乱光を利用して対象生体組織における血流量、血液量、血流速度、脈拍等を測定する血流計等の光学センサに関するものである。   The present invention relates to an optical sensor such as a blood flow meter that measures blood flow volume, blood volume, blood flow velocity, pulse, etc. in a target biological tissue using scattered light from the biological tissue.

従来の血流計について記載されている文献として特許文献1がある。図7および8は同文献に示す従来の血流計のセンサチップの構成を示す図であり、図7(a)は上面図、図7(b)はA−A’断面図、図8(a)はB−B’断面図、図8(b)はC−C’断面図である。図7(a)、(b)に示すように従来技術におけるセンサチップは、表面熱酸化したシリコンからなる半導体基板上(シリコン基板121:(100)シリコン基板を使用したシリコンベンチ)に電極122が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極122上にはんだ膜(図示せず)を介して発光素子である半導体レーザ(LD)123が形成されている。同様に同一シリコン基板121上に電極124が形成され、傾斜面に囲まれた凹部における電極124上にはんだ膜を介して受光素子であるフォトダイオード(面入射PD125)が形成される。更にシリコン基板121上には、カバー基板126が設けられる。   There is Patent Document 1 as a document describing a conventional blood flow meter. 7 and 8 are diagrams showing the configuration of the sensor chip of the conventional blood flow meter shown in the same document. FIG. 7 (a) is a top view, FIG. 7 (b) is a cross-sectional view along AA ′, and FIG. a) is a BB ′ sectional view, and FIG. 8B is a CC ′ sectional view. As shown in FIGS. 7A and 7B, the sensor chip according to the prior art has an electrode 122 on a semiconductor substrate (silicon substrate 121: silicon bench using a (100) silicon substrate) made of surface-oxidized silicon. A semiconductor laser (LD) 123, which is a light emitting element, is formed on the electrode 122 in the concave portion formed and surrounded by the inclined surface via a solder film (not shown). Similarly, an electrode 124 is formed on the same silicon substrate 121, and a photodiode (surface incident PD 125) as a light receiving element is formed on the electrode 124 in a recess surrounded by an inclined surface via a solder film. Further, a cover substrate 126 is provided on the silicon substrate 121.

ここでカバー基板126には合成石英を用いている。このカバー基板126は6インチ合成石英ウェハをダイシングして作製している。半導体レーザとしては、例えば面発光レーザを用いる。半導体レーザ123とフォトダイオード125はシリコン基板121上にはんだ膜を介してボンディングされる。発光素子、受光素子を同一半導体基板上に形成させることにより、各光素子は二次元的な位置決めのみでよく、三次元的なアライメントを必要としないため、調整の工程を削減し、量産を可能にして、低コスト化を実現することができる。   Here, synthetic quartz is used for the cover substrate 126. The cover substrate 126 is manufactured by dicing a 6-inch synthetic quartz wafer. For example, a surface emitting laser is used as the semiconductor laser. The semiconductor laser 123 and the photodiode 125 are bonded to the silicon substrate 121 via a solder film. By forming the light emitting element and light receiving element on the same semiconductor substrate, each optical element need only be two-dimensionally positioned and does not require three-dimensional alignment, thus reducing the adjustment process and enabling mass production. Thus, cost reduction can be realized.

図7(a)、(b)に示すように、従来の技術でフォトダイオード125を実装した側のシリコン基板上に遮光膜127として金属(TiPtAu)膜をパターニングしている。これにより半導体レーザ123からシリコン基板121を通してフォトダイオード125に入射する迷光を防ぐことができる。もし遮光膜を設けない場合は半導体レーザから生体組織を経由せずにフォトダイオード125に光が届くことがある。すると、センサチップで受光する毛細血管内の赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)による強度変調された散乱光成分は、数100pW程度と非常に微弱なため、遮光膜127を設けないと信号のSN比が悪くなる。よってこの遮光膜127が無い状態では、微弱なドップラーシフトした散乱光成分の強度が埋もれてしまい、血流速度の検出ができない。
図7(a)、図8(a)に示すように、本従来技術では発光素子として面発光半導体レーザ161を使用している。ここでは、(100)シリコン基板をウェット異方性エッチングで作製している。また、面発光LD161はワイヤ129によって電極122と接続されている。
As shown in FIGS. 7A and 7B, a metal (TiPtAu) film is patterned as a light shielding film 127 on the silicon substrate on the side where the photodiode 125 is mounted by a conventional technique. As a result, stray light entering the photodiode 125 from the semiconductor laser 123 through the silicon substrate 121 can be prevented. If the light shielding film is not provided, light may reach the photodiode 125 from the semiconductor laser without passing through the living tissue. Then, the scattered light component whose intensity is modulated by scattered light (Doppler-shifted light) from the red blood cells in the capillary blood vessels received by the sensor chip is very weak, about several hundred pW. The S / N ratio becomes worse. Therefore, in the absence of the light shielding film 127, the intensity of the weak Doppler shifted scattered light component is buried, and the blood flow velocity cannot be detected.
As shown in FIG. 7A and FIG. 8A, in this prior art, a surface emitting semiconductor laser 161 is used as a light emitting element. Here, a (100) silicon substrate is fabricated by wet anisotropic etching. Further, the surface emitting LD 161 is connected to the electrode 122 by a wire 129.

また、図8(a)に示すように、カバー基板126に屈折レンズ162を形成しているので、LD161からの光を発散光、収束光、平行光の状態で外部の生体組織へ照射することが可能である。カバー基板126に形成するレンズは屈折レンズ130に限らず、半導体プロセスを用いて形成できるバイナリレンズ、フレネルレンズなどでもよい。   Further, as shown in FIG. 8A, since the refractive lens 162 is formed on the cover substrate 126, the light from the LD 161 is irradiated to an external living tissue in the state of diverging light, convergent light, and parallel light. Is possible. The lens formed on the cover substrate 126 is not limited to the refractive lens 130 but may be a binary lens or a Fresnel lens that can be formed using a semiconductor process.

また、図8(b)に示すように、従来の技術では面入射PD125を用いている。また、不要散乱光をさえぎる遮光膜131をカバー基板126の上下両面にフォトリソグラフィによりパターニングして形成しており、生態組織からの散乱光は遮光膜における開口部から面入射PD125に入射する。この遮光膜131により生体組織内の移動している毛細血管内の赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)を効率よく検出することができる。また、面入射PD125はワイヤ132により電極124に接続される。   In addition, as shown in FIG. 8B, the conventional technology uses a surface incident PD 125. In addition, a light shielding film 131 that blocks unnecessary scattered light is formed by patterning on the upper and lower surfaces of the cover substrate 126 by photolithography, and the scattered light from the biological tissue is incident on the surface incident PD 125 from the opening in the light shielding film. This light-shielding film 131 can efficiently detect scattered light (Doppler-shifted light) from red blood cells in the moving capillary in the living tissue. Further, the surface incident PD 125 is connected to the electrode 124 by a wire 132.

また、同文献から明らかなように発光素子として面発光LDを使用し、受光素子として面入射PDを使用した組み合わせにより、発光素子、受光素子を半導体基板上に直接実装可能となる。   Further, as is clear from this document, a light emitting element and a light receiving element can be directly mounted on a semiconductor substrate by a combination using a surface emitting LD as a light emitting element and a surface incident PD as a light receiving element.

このような血流計では、静止した生体組織からの散乱光と生体組織の毛細血管中を移動している赤血球(散乱粒子)からの散乱光(血流に応じてドップラーシフト△fを受けた散乱光)の干渉光を検出(ヘテロダイン検波)することにより血流量、血液量、血流速度、脈拍を計測する。この測定原理については公知であり、例えば、非特許文献1に記載されている。
特開2004−229920号公報 特開2002−330936号公報 M.D.Stern: “In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering” Nature,col.254,pp.56-58(1975)
In such a blood flow meter, scattered light from a stationary biological tissue and scattered light from red blood cells (scattering particles) moving in the capillary of the biological tissue (subject to Doppler shift Δf depending on the blood flow). By detecting interference light (scattered light) (heterodyne detection), blood flow volume, blood volume, blood flow velocity, and pulse are measured. This measurement principle is known and is described in, for example, Non-Patent Document 1.
JP 2004-229920 A JP 2002-330936 A MDStern: “In vivo evaluation of microcirculation by coherent light scattering” Nature, col. 254, pp. 56-58 (1975)

しかしながら、このような従来の血流計を実際に使用するには、図8(b)に示したように、面入射PDの部分において、不要散乱光を選択するための遮光膜が上下に形成されているカバー基板を必要としていた。このカバー基板の上側の遮光膜パターンは血流測定時において指などの生体組織に絶えず接触するため遮光膜パターンがはがれ易く、遮光が劣化し、測定の精度が低下するという欠点があった。   However, in order to actually use such a conventional blood flow meter, as shown in FIG. 8B, a light shielding film for selecting unnecessary scattered light is formed vertically on the surface incident PD portion. Needed a cover substrate that is. Since the light shielding film pattern on the upper side of the cover substrate is constantly in contact with a living tissue such as a finger during blood flow measurement, the light shielding film pattern is easily peeled off, and the light shielding is deteriorated and the measurement accuracy is lowered.

また、製造工程において、半導体基板にエッチング加工をする必要があり、製造コストがかかっていた。またさらに、シリコン基板上の凹部に電気配線パターンが到達することが必要であり、傾斜面の上に電気配線パターンを形成する必要があり、製作が困難で成功率が低く、しばしば断線することがあった。   Further, in the manufacturing process, it is necessary to perform etching processing on the semiconductor substrate, which increases the manufacturing cost. Furthermore, it is necessary for the electrical wiring pattern to reach the concave portion on the silicon substrate, and it is necessary to form the electrical wiring pattern on the inclined surface, which is difficult to manufacture, has a low success rate, and often breaks. there were.

さらに実装の際にワイヤボンディングを必要とし、時間と手間がかかり、製造時のコスト増要因となっていた。   Furthermore, wire bonding is required for mounting, which takes time and labor, and has been a factor in increasing manufacturing costs.

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、製作が容易で、低コスト、高精度化を実現した光学センサ及びそのセンサ部を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical sensor that is easy to manufacture, that realizes low cost and high accuracy, and a sensor unit thereof.

上記の課題は、透明な基板の上に発光素子と受光素子とを設置し、発光素子から出射した光を、該基板を経由して外部の生体組織に向かって出射し、生体組織からの散乱光を受光素子で受光して生体組織内の血流に関する値を測定する光学センサにおけるセンサ部であって、前記発光素子と前記受光素子の各々を前記基板の同一平面に形成した配線パターン上に配置し、前記発光素子と前記受光素子の各々を配線パターンと電気的に接続し、前記受光素子に不要散乱光を遮ることができる不透明材料で製作された遮光構造を配置するセンサ部であり、前記遮光構造はキャップ形状であり、更に、前記遮光構造は電気伝導性があり電磁ノイズ遮蔽と迷光遮蔽を兼ねることを特徴とするセンサ部により解決できる。

The above problem is that a light-emitting element and a light-receiving element are installed on a transparent substrate, and light emitted from the light-emitting element is emitted toward an external biological tissue through the substrate and scattered from the biological tissue. A sensor unit in an optical sensor that receives light by a light receiving element and measures a value related to blood flow in a living tissue, wherein each of the light emitting element and the light receiving element is formed on a wiring pattern formed on the same plane of the substrate. A sensor unit that arranges a light-shielding structure made of an opaque material that can electrically connect each of the light-emitting element and the light-receiving element to a wiring pattern, and can block unnecessary scattered light in the light-receiving element ; The light shielding structure has a cap shape. Further, the light shielding structure is electrically conductive and can be solved by a sensor unit that serves both as electromagnetic noise shielding and stray light shielding .

また、本発明は、上記のセンサ部と、前記発光素子を駆動する回路と、前記センサ部から受信した信号を増幅し、処理して前記血流に関する値を計算する機能を備えた回路とを有することを特徴とする光学センサとして構成することもできる。   Further, the present invention includes the above-described sensor unit, a circuit that drives the light emitting element, and a circuit that has a function of amplifying a signal received from the sensor unit and processing to calculate a value related to the blood flow. It can also be configured as an optical sensor characterized by having.

本発明によれば、発光素子、受光素子及び遮光構造を、電気配線パターンを施しただけの安価な平面の基板上に設置することによりセンサ部を形成するので、発光素子からの光および周囲からの電磁ノイズを遮断し、測定精度の高い光学センサを低い製作コストで実現することができる。   According to the present invention, the sensor unit is formed by installing the light emitting element, the light receiving element, and the light shielding structure on an inexpensive flat substrate provided with an electrical wiring pattern. Thus, an optical sensor with high measurement accuracy can be realized at a low manufacturing cost.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態では光学センサの例として血流計を挙げているが、本発明のセンサ部は血流計のみでなく、血圧計その他の光学センサに適用できる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a blood flow meter is used as an example of the optical sensor. However, the sensor unit of the present invention can be applied not only to a blood flow meter but also to a blood pressure monitor and other optical sensors.

[第一の実施形態]
本発明の第一の実施形態について図1(a)を用いて説明する。図1(a)は第一の実施形態の光学センサの上面図であり、図1(b)は図1(a)の破線における断面図である。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a top view of the optical sensor according to the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a broken line in FIG.

第一の実施形態では、絶縁性かつ透明材料である石英ガラス基板11上に電気配線パターン12,13,14,15が形成され、電気配線パターンの上に受光素子であるフォトダイオード16および発光素子であるレーザダイオード(面発光LD)17が配置され、フォトダイオード16はフォトダイオード遮蔽用キャップ18で覆われ、レーザダイオード17はレーザ遮蔽用キャップ19で覆われている。   In the first embodiment, electric wiring patterns 12, 13, 14, and 15 are formed on a quartz glass substrate 11 that is an insulating and transparent material, and a photodiode 16 and a light emitting element that are light receiving elements are formed on the electric wiring pattern. The photodiode 16 is covered with a photodiode shielding cap 18, and the laser diode 17 is covered with a laser shielding cap 19.

電気配線パターン12はフォトダイオード用のアノード、電気配線パターン13はフォトダイオード用のカソードであり、それぞれはフォトダイオード16に接続され、それぞれ微小信号検出のための前置増幅器20へと接続される。電気配線パターン14はレーザダイオード用のカソード、電気配線パターン15は半導体レーザ用のアノードであり、レーザダイオード17に接続され、それぞれレーザ駆動電源21へと接続される。前置増幅器20およびレーザ駆動電源21は模式的に示されており回路ユニット24中に内蔵されている。また、この全ての部品は電気シールドと内部保護を兼ねた筐体25に内蔵されている。   The electrical wiring pattern 12 is an anode for a photodiode, and the electrical wiring pattern 13 is a cathode for a photodiode, each connected to a photodiode 16 and each connected to a preamplifier 20 for detecting a minute signal. The electrical wiring pattern 14 is a cathode for a laser diode, and the electrical wiring pattern 15 is an anode for a semiconductor laser. The electrical wiring pattern 14 is connected to a laser diode 17 and connected to a laser driving power source 21. The preamplifier 20 and the laser drive power source 21 are schematically shown and are built in the circuit unit 24. All these components are built in a housing 25 that serves both as an electric shield and internal protection.

また、回路ユニット24は特許文献1に記載された構成と同様に増幅された信号から血流量を計算する機能をもつ。つまり、回路ユニット24は、前置増幅器20、レーザ駆動電源21(レーザ駆動回路を含む)の他に、A/D変換器、受信信号から血流に関する値を求めるための演算を行うデジタル信号プロセッサ(DSP)、外部とのインターフェース等を含むものである。   Further, the circuit unit 24 has a function of calculating a blood flow rate from the amplified signal in the same manner as the configuration described in Patent Document 1. That is, in addition to the preamplifier 20 and the laser driving power source 21 (including the laser driving circuit), the circuit unit 24 is an A / D converter and a digital signal processor that performs an operation for obtaining a value related to blood flow from the received signal. (DSP), including an interface with the outside.

以下それぞれ部品ごとに説明する。   Each part will be described below.

図2は、石英ガラス基板11上の電気配線パターンについて説明する上面図であり、キャップとPD16およびLD17を実装する前の状態に相当するが、ここに示すように電気配線パターン13には、石英ガラス基板を透過してきた外部からの光を一部遮蔽して中心部のみ透過するための穴26があいており、電気配線パターン14には半導体レーザ17の光を石英ガラス基板を透過して外部に放射するための穴27がある。   FIG. 2 is a top view for explaining the electric wiring pattern on the quartz glass substrate 11 and corresponds to a state before mounting the cap, the PD 16 and the LD 17. There is a hole 26 for partially blocking the light from the outside that has passed through the glass substrate and transmitting only the central portion, and the electric wiring pattern 14 transmits the light of the semiconductor laser 17 through the quartz glass substrate to the outside. There is a hole 27 for radiation.

フォトダイオードのアノード用電気配線パターン12には電極28が形成されており、フォトダイオードのカソード用電気配線パターン13上には電極29,30,31が形成されている。レーザダイオードのカソード用電気配線パターン14には電極32,33,34が形成されており、レーザダイオードのアノード用電気配線パターン15には電極35が形成されている。フォトダイオードやレーザダイオードと接続する際には、電極28,29,30,31,32,33,34,35上にはハンダ球(図示せず)が設置されて、その上にフォトダイオードおよびレーザダイオードが設置され、ハンダ球の加熱溶融後にフォトダイオードおよびレーザダイオードとの電気的接続および機械的接続を担う。このようにハンダ球で電気的接続をとるためにワイヤボンディングが不要となる。   An electrode 28 is formed on the anode electrical wiring pattern 12 of the photodiode, and electrodes 29, 30, and 31 are formed on the cathode electrical wiring pattern 13 of the photodiode. Electrodes 32, 33, and 34 are formed on the cathode electrical wiring pattern 14 of the laser diode, and electrodes 35 are formed on the anode electrical wiring pattern 15 of the laser diode. When connecting to a photodiode or laser diode, a solder ball (not shown) is placed on the electrodes 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, and 35, on which a photodiode and a laser are mounted. A diode is installed and is responsible for electrical and mechanical connection with the photodiode and laser diode after the solder ball is heated and melted. In this way, wire bonding is not required for electrical connection with the solder balls.

また、図3はフォトダイオード16の上面図(a)と斜め断面図(b)と下面図(c)である。フォトダイオードの下面の中心には受光面36と、アノード電極37と、上面まで貫通しているカソード電極38、39、40がある。   FIG. 3 is a top view (a), an oblique sectional view (b), and a bottom view (c) of the photodiode 16. In the center of the lower surface of the photodiode, there are a light receiving surface 36, an anode electrode 37, and cathode electrodes 38, 39, 40 penetrating to the upper surface.

図4はレーザダイオード17の上面図(a)と斜め断面図(b)下面図(c)である。レーザダイオード17の下面の中心には発光部41と、アノード電極42と、上面まで貫通しているカソード電極43、44、45がある。   FIG. 4 is a top view (a) and an oblique sectional view (b) and a bottom view (c) of the laser diode 17. At the center of the lower surface of the laser diode 17, there are a light emitting portion 41, an anode electrode 42, and cathode electrodes 43, 44, 45 that penetrate to the upper surface.

図5はフォトダイオード用遮蔽キャップ18および半導体レーザダイオード用遮蔽キャップ19の斜視図である。これらのキャップの材質は金属をコーティングしたプラスチックであり、電気伝導性を有する。電気配線パターン上に設置される際にはそれぞれカソードの電気配線パターンに接続され、カソードと同電位となる。これらのキャップは導電性かつ不透明であり、電磁ノイズと迷光の遮蔽を兼ねている。また、アノードの電気配線パターンと接触することを避けるためにそれぞれ切欠がある。以上のような部品をくみ上げて図1のようなセンサチップを構成する。   FIG. 5 is a perspective view of the photodiode shielding cap 18 and the semiconductor laser diode shielding cap 19. These caps are made of metal-coated plastic and have electrical conductivity. When installed on the electrical wiring pattern, each is connected to the electrical wiring pattern of the cathode and has the same potential as the cathode. These caps are electrically conductive and opaque, and serve as both electromagnetic noise and stray light shielding. There are also cutouts to avoid contact with the electrical wiring pattern of the anode. A sensor chip as shown in FIG. 1 is formed by picking up the above components.

センサチップで受光する毛細血管内の赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)により強度変調された散乱光成分は、数100pW程度と非常に微弱なため、もし迷光遮蔽キャップ18を設けないとレーザダイオード17からの直接光がフォトダイオード16に入射してしまい、信号のS/N比が悪くなる。この迷光遮蔽キャップ18が無い状態では、微弱なドップラーシフトした散乱光成分の強度が埋もれてしまい、血流速度の検出ができない。   The scattered light component whose intensity is modulated by scattered light (Doppler-shifted light) from the red blood cells in the capillaries received by the sensor chip is very weak, about several hundreds pW. Therefore, if the stray light shielding cap 18 is not provided, the laser The direct light from the diode 17 enters the photodiode 16 and the S / N ratio of the signal is deteriorated. In the absence of the stray light shielding cap 18, the intensity of the weak Doppler shifted scattered light component is buried and the blood flow velocity cannot be detected.

センサチップを上記のような石英ガラス基板と、その上の電気配線パターンと、迷光遮蔽キャップとを用いる構成にしたことにより、従来のセンサチップにおける複雑な形状をしたシリコン基板と遮光カバー基板の機能を、安価な材料かつ少ない工程で形成でき、製造コストが安価となる。   The sensor chip is configured to use the quartz glass substrate as described above, the electrical wiring pattern on the quartz glass substrate, and the stray light shielding cap. Can be formed with an inexpensive material and a small number of processes, and the manufacturing cost is low.

上記のセンサチップの動作を次に説明する。   The operation of the sensor chip will be described next.

半導体レーザ17に電極15から電流を注入すると半導体レーザ17が発振する。半導体レーザ17から出射した光は、電気配線パターン上の穴27を経由し、石英ガラス基板11を透過して外部の生体組織に照射される。このセンサチップを皮膚などの生体組織に近づけた場合、光散乱が生じ、散乱光が再び石英ガラス基板11を透過し、電気配線パターン13上の穴26を通してフォトダイオード16に入射する。この散乱光には、静止した生体組織からの散乱光と生体組織の毛細血管中の移動している赤血球からの散乱光(ドップラーシフトした光)の干渉成分が含まれる。このため、この信号を周波数解析することにより、血流速度を求めることができる。実験により、流体に微粒子を分散させた溶液を用いて、流体速度とドップラーシフト周波数の間に直線関係が成立することを確認した。また、散乱光の強度は移動している血液量に相当しており、血流速度と血液量の積で血流量が求められる。   When a current is injected from the electrode 15 into the semiconductor laser 17, the semiconductor laser 17 oscillates. The light emitted from the semiconductor laser 17 passes through the holes 27 on the electric wiring pattern, passes through the quartz glass substrate 11, and is irradiated to an external living tissue. When this sensor chip is brought close to a living tissue such as skin, light scattering occurs, and the scattered light passes through the quartz glass substrate 11 again and enters the photodiode 16 through the hole 26 on the electric wiring pattern 13. This scattered light includes interference components of scattered light from a stationary biological tissue and scattered light (Doppler-shifted light) from moving red blood cells in capillaries of the biological tissue. Therefore, the blood flow velocity can be obtained by frequency analysis of this signal. The experiment confirmed that a linear relationship was established between the fluid velocity and the Doppler shift frequency using a solution in which fine particles were dispersed in a fluid. Further, the intensity of the scattered light corresponds to the amount of blood that is moving, and the blood flow volume is obtained by the product of the blood flow velocity and the blood volume.

[第二の実施形態]
本発明の第二の実施形態について図6を用いて説明する。第二の実施形態は第一の実施形態とフォトダイオードに係わる部分のみが異なり、それ以外は同様である。図6(a)はフォトダイオード50を含む部分の上面図であり、図6(b)は図6(a)に示した破線に沿って切断した断面図であり、図6(c)はフォトダイオードチップ50のみの下面図である。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment is different from the first embodiment only in the part relating to the photodiode, and is otherwise the same. 6A is a top view of a portion including the photodiode 50, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the broken line shown in FIG. 6A, and FIG. 4 is a bottom view of only the diode chip 50. FIG.

本図面において、PD用キャップ18や筐体25は省略されている。本実施形態においてはフォトダイオードの受光面51は上面のほぼ中心部にあり、貫通電極52に電気的に接続されて、アノード用電気配線パターン12に接続されている。また、フォトダイオードチップの下面は金属で覆われて、受光面に対向する位置に光が透過できる穴53がある。カソードに接続するための電極が3箇所54,55,56あり、下面の金属パターン13と電気的に接続している。上面からの貫通電極52は下面に到達しているが、下面の金属パターン13とは電気的に接続せず、アノード用電気配線パターン12に接続するための電極が形成されている。フォトダイオード用電気配線パターンは第一の実施形態と同様である。   In the drawing, the PD cap 18 and the housing 25 are omitted. In the present embodiment, the light receiving surface 51 of the photodiode is substantially at the center of the upper surface, is electrically connected to the through electrode 52, and is connected to the anode electrical wiring pattern 12. Further, the lower surface of the photodiode chip is covered with metal, and there is a hole 53 through which light can be transmitted at a position facing the light receiving surface. There are three electrodes 54, 55, and 56 for connecting to the cathode, which are electrically connected to the metal pattern 13 on the lower surface. The through electrode 52 from the upper surface reaches the lower surface, but is not electrically connected to the metal pattern 13 on the lower surface, and an electrode for connecting to the anode electric wiring pattern 12 is formed. The electrical wiring pattern for photodiodes is the same as that in the first embodiment.

次に本実施形態の動作について説明する。外部の生体からの光は石英ガラス基板11を透過して、電気配線パターンの穴26を経由し、さらにPD下面の穴53を経由し、受光面51に到達する。外部からの光は受光面に到達するまでに、電気配線パターンの穴26とフォトダイオード下面の穴53両方を通過し、また、フォトダイオード下面の穴から受光面までフォトダイオードの厚さの距離を透過しなければならないため、受光面が受けることができる光の立体角は制限される。このため、第一の実施形態に比較して受光できる光量が少ないという短所があるが、背景からの光を遮蔽するために信号のS/N比が良くなるという長所がある。上記以外の基本的な動作は第一の実施形態と同様である。   Next, the operation of this embodiment will be described. Light from an external living body passes through the quartz glass substrate 11 and reaches the light receiving surface 51 through the hole 26 of the electric wiring pattern and further through the hole 53 on the lower surface of the PD. Light from the outside passes through both the hole 26 of the electrical wiring pattern and the hole 53 on the lower surface of the photodiode before reaching the light receiving surface, and the distance of the thickness of the photodiode from the hole on the lower surface of the photodiode to the light receiving surface is increased. Since the light must be transmitted, the solid angle of light that can be received by the light receiving surface is limited. For this reason, there is a disadvantage that the amount of light that can be received is small compared to the first embodiment, but there is an advantage that the S / N ratio of the signal is improved in order to shield light from the background. Other basic operations are the same as those in the first embodiment.

本第二の実施形態では、フォトダイオードの材質として、レーザダイオードの波長に対して透明であるものを用いる。InP材料は波長1μm以上の赤外線に対して透明であり、本実施形態では、発振波長1.3μmの面発光レーザダイオードを使用し、フォトダイオードにはInP基板上に形成されたInGaAsフォトダイオードを用いている。   In the second embodiment, a material that is transparent to the wavelength of the laser diode is used as the material of the photodiode. The InP material is transparent to infrared rays having a wavelength of 1 μm or more. In this embodiment, a surface emitting laser diode having an oscillation wavelength of 1.3 μm is used, and an InGaAs photodiode formed on an InP substrate is used as the photodiode. ing.

なお、第一、第二の実施形態において使用している基板として、電極パターンを施した平面の石英ガラス基板を用いたが、サファイアガラス基板等の、対象とする光を透過し絶縁体かつ表面に電極パターン形成可能な材質を用いて同様の効果を得ることができる。また、基板として、対象とする光を透過し、非導電性材料が表面に形成された半導体基板を用いることも可能である。   In addition, although the flat quartz glass substrate which gave the electrode pattern was used as a board | substrate used in 1st, 2nd embodiment, the light and light which are object, such as a sapphire glass board | substrate, are an insulator and surface The same effect can be obtained by using a material capable of forming an electrode pattern. Further, as the substrate, a semiconductor substrate that transmits target light and has a non-conductive material formed on the surface thereof can be used.

なお、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are possible within the scope of the claims.

本発明の第一の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 1st embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態を説明する図である。It is a figure explaining 2nd embodiment of this invention. 従来の血流計のセンサチップを示す上面図および断面図である。It is the top view and sectional drawing which show the sensor chip of the conventional blood flow meter. 従来の血流計のセンサチップの一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of sensor chip of the conventional blood flow meter.

符号の説明Explanation of symbols

11 石英ガラス基板
12 PDアノード用電気配線パターン
13 PDカソード用電気配線パターン
14 LDカソード用電気配線パターン
15 LDアノード用電気配線パターン
16 フォトダイオードチップ
17 レーザダイオードチップ
18 PD用キャップ
19 LD用キャップ
20 前置増幅器
21 レーザ駆動電源
24 回路ユニツト
25 筐体
26 PD受光用穴
27 LD用穴
36 PD受光面
37 PDアノード用電極
38 PDカソード用貫通電極
39 PDカソード用貫通電極
40 PDカソード用貫通電極
41 LD発光部
42 LDアノード用電極
43 LDカソード用貫通電極
44 LDカソード用貫通電極
45 LDカソード用貫通電極
50 フォトダイオードチップ
51 受光部
52 PDアノード用貫通電極
53 PD受光用下面穴
54 PDカソード用電極
55 PDカソード用電極
56 PDカソード用電極
121 シリコン基板
122 電極
124 電極
125 面入射PD
126 カバー基板
127 遮光膜
128 ミラー用金属膜
129 ワイヤ
161 面発光LD
162 屈折レンズ
11 Quartz glass substrate 12 PD anode electrical wiring pattern 13 PD cathode electrical wiring pattern 14 LD cathode electrical wiring pattern 15 LD anode electrical wiring pattern 16 Photodiode chip 17 Laser diode chip 18 PD cap 19 LD cap 20 Preamplifier 21 Laser drive power supply 24 Circuit unit 25 Case 26 PD light receiving hole 27 LD hole 36 PD light receiving surface 37 PD anode electrode 38 PD cathode through electrode 39 PD cathode through electrode 40 PD cathode through electrode 41 LD Light emitting part 42 LD anode electrode 43 LD cathode through electrode 44 LD cathode through electrode 45 LD cathode through electrode 50 Photodiode chip 51 Light receiving part 52 PD anode through electrode 53 PD light receiving bottom hole 54 PD light Over de electrode 55 PD cathode electrode 56 PD cathode electrode 121 silicon substrate 122 electrode 124 electrode 125 faces incident PD
126 Cover substrate 127 Light shielding film 128 Metal film for mirror 129 Wire 161 Surface emitting LD
162 Refractive lens

Claims (9)

透明な基板の上に発光素子と受光素子とを設置し、発光素子から出射した光を、該基板を経由して外部の生体組織に向かって出射し、生体組織からの散乱光を受光素子で受光して生体組織内の血流に関する値を測定する光学センサにおけるセンサ部であって、
前記発光素子と前記受光素子の各々を前記基板の同一平面に形成した配線パターン上に配置し、前記発光素子と前記受光素子の各々を配線パターンと電気的に接続し、前記受光素子に不要散乱光を遮ることができる不透明材料で製作された遮光構造を配置するセンサ部であり、
前記遮光構造はキャップ形状であり、更に、前記遮光構造は電気伝導性があり電磁ノイズ遮蔽と迷光遮蔽を兼ねることを特徴とするセンサ部
A light emitting element and a light receiving element are installed on a transparent substrate, light emitted from the light emitting element is emitted toward an external biological tissue through the substrate, and scattered light from the biological tissue is received by the light receiving element. A sensor unit in an optical sensor that receives light and measures a value related to blood flow in a living tissue,
Each of the light emitting element and the light receiving element is disposed on a wiring pattern formed on the same plane of the substrate, and each of the light emitting element and the light receiving element is electrically connected to the wiring pattern, and unnecessary scattering is performed on the light receiving element. It is a sensor part that arranges a light shielding structure made of an opaque material that can block light ,
The sensor portion is characterized in that the light shielding structure has a cap shape, and further, the light shielding structure has electrical conductivity and serves both as electromagnetic noise shielding and stray light shielding .
前記基板は非導電性材料で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のセンサ部。   The sensor unit according to claim 1, wherein the substrate is made of a non-conductive material. 前記基板は非導電性材料が表面に形成された半導体基板であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ部。   The sensor unit according to claim 1, wherein the substrate is a semiconductor substrate having a non-conductive material formed on a surface thereof. 前記発光素子として面発光半導体レーザを用いることを特徴とする請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部。 Sensor unit according to any one of claims 1 to 3, characterized by using a surface emitting semiconductor laser as the light emitting element. 前記面発光半導体レーザは貫通電極を持ち前記基板側からのみの接続で電気的接続可能であることを特徴とする請求項に記載のセンサ部 5. The sensor unit according to claim 4 , wherein the surface emitting semiconductor laser has a through electrode and can be electrically connected only by connection from the substrate side. 前記受光素子として面入射フォトダイオードを用いることを特徴とする請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部。 Sensor unit according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a surface illuminated photodiode as the light receiving element. 前記面入射フォトダイオードは貫通電極を持ち前記基板側からのみの接続で電気的接続可能であることを特徴とする請求項に記載のセンサ部 The sensor unit according to claim 6 , wherein the surface incident photodiode has a through electrode and can be electrically connected only from the substrate side. 前記受光素子における受光部と反対側の裏面に遮光形状を形成し、裏面から光を入射して遮光性能を向上させたことを特徴とする請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部。 The light-shielding shape is formed in the back surface on the opposite side to the light-receiving part in the said light receiving element, Light is injected from the back surface, The light-shielding performance is improved, The any one of Claim 1 thru | or 7 characterized by the above-mentioned. Sensor part. 請求項1ないしのうちいずれか1項に記載のセンサ部と、前記発光素子を駆動する回路と、前記センサ部から受信した信号を増幅し、処理して前記血流に関する値を計算する機能を備えた回路とを有することを特徴とする光学センサ。 A function of amplifying a signal received from the sensor unit according to any one of claims 1 to 8 , a circuit for driving the light emitting element, and processing and calculating a value related to the blood flow And an optical sensor.
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