JP4737478B2 - 食品品質検査装置、食品成分検査装置、異物成分検査装置、食味検査装置および変移状態検査装置 - Google Patents
食品品質検査装置、食品成分検査装置、異物成分検査装置、食味検査装置および変移状態検査装置 Download PDFInfo
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Description
(1)赤外域にまで受光感度を持ち、近赤外域にも受光感度をもつPD、またはそのアレイ。このようなフォトダイオードには、たとえばゲルマニウム(Ge)系PD、硫化鉛(PbS)系PD、HgCdTe系PD、またはその一次元アレイ、二次元アレイがある。
(2)近赤外域の波長1.7μm以下に受光感度を持つInP系PD、そのInP系PDの範疇に入るInGaAs系PD、またはそのアレイ。ここで、InP系PDとは、InP基板に形成されるIII−V族化合物半導体の受光層を含むPDをいい、InGaAs系PDも含まれる。
(C1)常温で硫化鉛(PbS)を用いて、食品の品質検査に用いる方法が開示されている(特許文献1〜4)。
(C2)InGaAsPINフォトダイオードを用いた測定装置を用いたものもある(特許文献5)。
(C3)赤外線検出器にどのような素子を用いているか、明確な記述がないものも多い(特許文献6〜13)。
上記引用文献にあげた食品品質検査方法において、受光素子自体の感度を問題にしたものはなく、すべて、食品に対して、どのような手法を用いて検査をするのがよいかという提案がなされている。
(K1)InGaAs受光層のIn組成を高め、InP基板との格子不整合は、その間に挿入してIn組成を段階的に変えたステップバッファ層によって吸収する(特許文献14)。
(K2)InGaAs受光層にNを含有させてGaInNAs受光層とする(特許文献15)。InP基板との格子整合は、Nを多量に含有させることで満足させる。
(K3)GaAsSbとInGaAsとのタイプII型多重量子井戸構造によって、受光域の長波長化をはかる(非特許文献3)。InP基板との格子整合は、満たされている。
(K4)二次元アレイ化は、受光素子(画素)間に、素子分離溝をウエットエッチングを形成することで実現する(特許文献16)。
上記の改善の提案はあるものの、受光感度を波長1.7μm以上に拡大した上で、ノイズや暗電流を抑制するという点で、上記の(K1)〜(K4)のいずれも、まだ満足できる段階にいたっていない。
河野澄夫「食品の非破壊計測ハンドブック」SCIENCE FORUM 社、p.34-40 中山雅夫「赤外線検出素子の技術動向」センサー技術、1989年3月号(Vol.9, No.3),p.61-64 R.Sidhu,"A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
(1)III−V族化合物半導体により近赤外域用の受光層を形成したとき、その受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを窓層に用いる場合があり、その場合、格子整合性等も考慮して、半導体基板と同じ材料が用いられることが多い。拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギは、窓層のバンドギャップエネルギより小さく、受光層のバンドギャップエネルギより大きいことを前提としている。受光層のバンドギャップエネルギより小さい場合には、エピタキシャル層表面を入射面とする構造を採用したとき、拡散濃度分布調整層が対象とする光を吸収し、受光層の受光感度を低下させるからである。
(2)窓層に通常用いられる大きなバンドギャップエネルギの材料よりも小さいバンドギャップエネルギの材料を用いることにより、不純物濃度を低くしても電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。この結果、上記のように電圧印加状態において応答速度の低下を抑制できる。
これによって、表面トップ側に位置する電極の界面抵抗を抑えながら、またはオーミック接触を可能にしながら、かつ多重量子井戸構造の良好な結晶性を確保することができる。拡散濃度分布調整層内の部分における低い不純物濃度に起因する電気抵抗の増大または電気伝導度の低下の問題は、上記のように、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをInP相当のそれよりも小さくすることにより軽減することができる。
図1は、本発明の実施の形態における受光素子10を示す断面図である。図1によれば、受光素子10は、InP基板1の上に次の構成のIII−V族半導体積層構造(エピタキシャルウエハ)を有する。
(InP基板1/InPバッファ層2/InGaAsまたはGaInNAsとGaAsSbとの多重量子井戸構造の受光層3/InGaAs拡散濃度分布調整層4/InP窓層5)
InP窓層5から多重量子井戸構造の受光層3にまで届くように位置するp型領域6は、SiN膜の選択拡散マスクパターン36の開口部から、p型不純物のZnが選択拡散されることで形成される。受光素子10の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記SiN膜の選択拡散マスクパターン36を用いて拡散することによって達せられる。
本実施の形態における特徴は、次の要素で構成される点にある。
1.多重量子井戸構造は、選択拡散で不純物を高濃度に導入した場合、その構造が破壊されるため、選択拡散による不純物導入を低く抑える必要がある。通常、上記の拡散導入するp型不純物の濃度を5×1016/cm3以下とする必要がある。
(InP基板101/InPまたはInGaAsバッファ層102/(GaInNAs/GaAsSb)多重量子井戸構造の受光層103/InP窓層105)
本発明の実施の形態における積層構造と比較して、拡散濃度分布調整層がないことが相違点である。すなわち、InP窓層105の直下に、多重量子井戸構造の受光層103が配置されている。
(1)拡散導入時間を短時間に限定して、高濃度領域が多重量子井戸構造103内にかからないようにする。
(2)InP窓層105の厚みを厚くして、拡散濃度分布調整層の役割をInP窓層105に分担させる。
図6は、上記の(1)および(2)の場合を検討するための参考例2における受光素子110を示す断面図である。参考例2の受光素子110では、参考例1の受光素子とほぼ同じ積層構造を有するが、InP窓層105の厚みは、参考例1よりも厚くしており、上記(2)の場合に対応するが、(1)の場合も検討することは可能である。図6の積層構造において、多重量子井戸構造103内にZnの高濃度領域を形成しないように選択拡散を行った結果、得られたのが図7に示すZn濃度分布である。図7に示すZn濃度分布の場合、InP窓層105内において、Zn濃度は、高濃度から低濃度へと急峻に低下し、受光層側のInP窓層105内において、1×1016/cm3程度の低濃度不純物領域が形成される。
図8は本発明の実施の形態2における、食品成分または異物成分検出装置に含まれる撮像装置(受光素子アレイ)の概要を示す図である。レンズなどの光学部品は省略してある。図9は、上記の撮像装置の受光素子アレイを説明するための図である。図10は、図9の受光素子アレイ50のうちの1つの受光素子を示す図である。図8において、この撮像装置70は、共通のInP基板51の上に形成された受光素子10がエピタキシャル層側を、実装基板の機能を有するマルチプレクサ71に向けて、いわゆるエピダウン実装されている。各受光素子10のエピタキシャル層のp型領域6と電気的に接続されるp側電極11と、共通のn型InP基板51(1)に設けられるn側電極12とは、マルチプレクサ71に接続され、電気信号をマルチプレクサに送り、マルチプレクサ71では各受光素子における電気信号を受けて、対象物の全体像を形成する処理を行う。n側電極12およびp側電極11は、それぞれはんだバンプ12b,11bを介在させてマルチプレクサ71と電気的に接続される。入射光は、InP基板51の裏面に形成したAR(Anti-Reflection)膜35を通して導入され、p型領域6と受光層3との界面であるpn接合15で受光される。p型領域6は、保護膜を兼ねるSiNのZn拡散マスク36の開口部から導入される。Zn拡散マスクパターン36は、その上に形成された保護膜のSiON膜パターン43とともにそのまま残される。受光素子アレイおよび各受光素子の構造については、図9および図10を用いて、次に詳しく説明する。
図13は、本発明の実施の形態3における食品品質検査装置100を示す図である。この食品品質検査装置100は、食品を構成する成分、とくに糖度の含有率を検査する。場所を選ばず、樹上のりんご、さくらんぼ、ブドウ等の果実や、生育中の野菜に対して非破壊的に、1000nm〜3000nmの広い波長域で精度よく糖度等の検査が遂行できるように、受光素子10または受光素子アレイ50には、実施の形態1および2で説明したものを用いる。そして、電池55を備え、この食品成分検査装置100の携行を可能にする。筐体本体45aの先端部に、りんご等の検査対象物をはさむ際にサイズ調整ができるように、投光部筐体45bおよび受光部筐体45cが、ともに筐体本体45aと係合しながら移動可能に取り付けられている。移動可能な筐体は、投光部筐体45bおよび受光部筐体45cのいずれか一方だけでもよい。
糖度C=KO+K1(d2A1(λ1)/dλ2)+K2(d2A2(λ2)/dλ2)
ここで、A1(λ1)は波長λ1における吸光度であり、A2(λ2)波長λ2における吸光度であり、また、KO,K1,K2は、十分大きい母集団で測定された吸光度と実測した糖度とを用いて最小自乗法などで求めた定数(係数)である。糖に由来する波長と、糖とは無関係の波長とについて吸光度を求めることで、検査対象のりんご等の種類が異なっても、同一の検量線を用いて糖度を検出することが可能になる。波長λ1,λ2については、さらに精度を高めるために、第3の波長λ3、第4の波長λ4...を、順次、導入して、糖度を算出することもできる。
図16および図17は、本発明の実施の形態4における食品成分検査装置100を説明するための図である。本実施の形態においては、食品に含まれる成分の、当該食品での濃度分布像を得る。濃度分布は、特定波長の近赤外光の吸光度から換算した指数、または上記吸光度を変数とする関数値であってもよい。たとえば、野菜のネギ、大根、人参など、および、果物のりんご、梨などは、産地ごとに独自の特徴をもつ。この独自の特徴は、見た目では識別することが難しい。近赤外分光は、上記野菜や果物に含まれる成分の、その野菜内における濃度分布によって識別できる可能性がある。とくにネギ等は、所定方向に長い形状を持ち、長手方向および巾方向に沿って、所定の成分、たとえば糖の濃度分布を検出することで、産地またはブランドを特定できる可能性が高い。このようにその食品が有する形状内の成分濃度分布像を得るために、図17に示すようにX−Y方向に可動なX−Yテーブル46およびそのX−Yテーブルに固定された試料台47を用いる。X−Yテーブル46および試料台47は、検査対象物Sを透過した近赤外光の障害にならないように、いずれもスペースまたは窓が設けられたものとする。光学系は固定され、図16に示すように、検査対象物Sの一カ所に対して近赤外光を照射して、透過光を受光する。巾方向はX方向であり、長手方向はY方向である。
図19および図20は、本発明の実施の形態5における食品成分検査装置を説明するための図である。本実施の形態における食品検査装置100は、牛肉のミンチなどの特別の試料を準備することなく、枝肉Sの切開面Saにプローブ先端83を押し当てるだけで、オンラインで脂肪分を検出することができる。これを実現するために、光電変換部に、暗電流を低く抑え、S/N比の高い信号を得ることができる、実施の形態1および2で説明した受光素子アレイ50を用いている。
本発明の実施の形態6では、異常肉の検出に近赤外分光を用いるが、その食品品質検査装置には、実施の形態5で説明した装置100をそのまま用いる。ただ、制御部85に、本実施の形態に特有のソフトウエアを搭載する。異常肉の一種に、PSE肉があり、その発生原因は十分解明されていない。PSE肉は、硬直後に色が淡く(pale)、肉質が柔らかく(soft)、滲出性が高く水っぽい(exudative)性状を示す筋肉のことをいい、ふけ肉、むれ肉、やけ肉などと呼ばれることもある。正常肉が弱酸性を示すのに対してPSE肉は強い酸性を示し、結着性に乏しく、保水性も低い。加熱したものは食味が劣り、食感がバサつくので加工用にも不適である。このようなPSE肉の生成には、遺伝的および環境的な多くの要因があげられている。品種の差、同一品種内の系統の差、屠殺前のストレスの影響などがあげられている。PSE肉の発生割合は増加傾向にあり、抑制方法は確立されていない。
図21は、本発明の実施の形態7における脂肪中のPCB等の検査装置を示す図である。この異物成分検査装置100では、脂肪を熱、有機溶媒または酵素等で液状にして脂肪中のハロゲン化有機化合物、とくにPCB(ポリ塩素化ビフェニル polychlorinated biphenyl)を検出する。この異物成分検査装置100にも、上述の受光素子アレイ50が配置されている。脂肪中のPCBは、微量であり、得られる信号が微弱であるので、高いS/N比の信号を得ることができる上記の受光素子アレイ50の採用は非常に重要である。また、PCBを含む液状の脂肪Sに対して近赤外光を照射して、反射光を受光するので、容器501の底部に反射めっき層501aを形成しておくのがよい。また、熱的に脂肪を液状にする場合には、試料Sの容器501には、精密な温度制御が可能なヒータ501bを設けるのがよい。PCBを含む液状の脂肪Sに照射された光は、脂肪Sを透過して底部の反射めっき層501aで反射され、再び脂肪Sを透過し、集光レンズ87を経て、受光用光ファイバ82に導入される。そのあとの光の進行過程は、これまで説明した過程と同じである。また、熱的に脂肪を液状にするためにヒータ501bを稼動させた場合は、熱の輻射による近赤外光放射の影響を除くために、一次微分値、二次微分値を用いるのがよい。また、検査対象の脂肪を装入しないブランク状態での測定データを採取しておくのがよい。脂肪Sを装入した実測データから、そのブランク状態の測定データを控除して、検査対象物Sからの正味の近赤外光スペクトルを得ることが望ましい。
本発明の実施の形態8の変移状態検査装置は、図13、図16に示す光透過型の検査装置でもよいし、図20に示す光反射型の検査装置でもよい。本実施の形態では、たとえば卵加工食品の加熱履歴を検査する。その他、乳製品、コーヒー、ココアなどの熱管理に用いてもよい。熱履歴は、そのほかの当該食品の製造履歴と組み合わせて、殺菌処理の評価とすることができるので、殺菌状態と解釈することもできる。
図22は、本発明の実施の形態9における食味検査装置を示す図である。この食味検査装置100は、基本的に図13、図16に示す装置と同じであるが、制御部85における内容が異なる。制御部85の内容は、どのような考え方に基づいて、近赤外分光データから食味を検査するか、というソフトウエアの部分である。図22において、検査対象の米Sは、米粒のままでもよいが、破砕して粉体であってもよい。光源73から出射された近赤外光は、米Sを透過した後、回折格子91で回折されて分光され、受光素子アレイ50で受光され、吸収スペクトルの電気信号となる。本実施の形態においても、受光素子アレイ50または受光素子10には、上述のものを用いる。このため、波長3000nmまで高いS/N比の信号を得ることができる。
(1)食品の種類
(2)食味検査装置の受光可能範囲、とくにS/N比が高い範囲
上記の(1)および(2)は、食品に依存して、吸収スペクトルのどの波長を採用するか決まるが、それだけでなく、食味検査装置100の受光波長域にも依存することを示す。食味検査について、つぎのアプローチが可能である。
受光素子アレイは、図12の形態で、InP基板を剥離したものを使用するのがよい。InP基板は1000nm以下の光を吸収するため、InP基板を剥離することで、1000nm以下の光でも受光層で受光し検出することができるようになる。本発明の食品品質検査装置は、通常はInP基板を含んだ状態で用いられるが、上記実施の形態にように、とくにInP基板を除去することもできる。InP基板を前提に受光層を含む積層体(InP基板を除く)は形成されるが、本発明の装置固有の構造上の特徴は積層体にあるので、上記のように、InP基板はなくてもよい。InP基板なくして、本発明における上記積層体は形成することはできないので、上記の実施の形態の食品品質検査装置を特定するに当たり、問題はまったく生じない。
米中の成分とは関連づけを行うことなく、上記波長域の、たとえばλ1,λ2などの吸光度の二次微分値と、食味官能試験の評価値との相関関数を設定する。この方法の場合、波長1000nm以下では、アミロース、蛋白質、水分などの成分に由来する吸光度は鋭敏ではないが、二次微分値をとることで、補っていると推測される。また、上記推測の当否は別にして、成分とは関係なく近赤外光の吸収スペクトルのみに着目して、食味の官能試験評価値との相関をとるアプローチは、たとえば、食味が、うどんのように、粉の成分と同時にうどんの打ち方にも影響を受ける場合に、有効であると考えられる。
本発明の受光素子アレイの素子間隔または画素ピッチをどの程度まで小さくできるか、図25に示す受光素子アレイを用いた実施例によって検証した。受光素子間隔または画素ピッチは、図25に示すように、SiN選択拡散マスクパターン36の非開口部の幅である。Znの選択拡散の後に、p側電極11はAuZnにより、またn側電極12はAuGeNiにより、それぞれ形成した。図3の場合、InP基板1にFeドープの半絶縁性基板を用いているので、高濃度不純物のバッファ層2にn側電極12を設けているが、図1に示すようにn型InP基板を用いる場合には、基板裏面にn側電極を設けてもよいし、または基板表面側に基板と隣接するn型半導体層(たとえばバッファ層2)にn側電極を設けてもよい。本実施例では、図3の受光素子アレイのp側電極11とn側電極12との間に5Vの逆バイアス電圧を印加して、暗電流を測定した。InP窓層5の厚みは0.6μmと1.6μmの2種類について、また素子間隔は3μm〜20μmの範囲にわたって7種類の素子間隔について、それぞれ受光素子アレイを製造して、暗電流を測定した。拡散濃度分布調整層4の厚みは1μmとした。
Claims (17)
- 近赤外光を受光するIII−V族半導体による受光素子または受光素子のアレイを備え、食品の品質を検査するための装置であって、
前記受光素子がInP基板上に形成された多重量子井戸構造の受光層を有し、
前記受光層のバンドギャップ波長が1.8μm以上3μm以下であり、
前記受光層の前記InP基板側と反対側の面に接するIII−V族半導体の拡散濃度分布調整層とを備え、
前記拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギがInPよりも小さく、
前記受光素子では、前記拡散濃度分布調整層を通して前記受光層へと届く、不純物元素の選択拡散によってpn接合が形成され、
前記受光層における前記不純物元素の濃度が5×1016/cm3以下であり、
前記拡散濃度分布調整層の拡散前のn型不純物濃度が、2×1015/cm3以下であり、該拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有し、
前記食品からの透過光または反射光について、波長3μm以下の少なくとも1つの波長の光を前記受光素子により受光して、前記検査をすることを特徴とする、食品品質検査装置。 - 前記拡散濃度分布調整層は、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と接する面と反対側の面側にある1×1018/cm3以上の領域と、前記受光層側にある2×1016/cm3以下の領域と、前記2つの領域の間にあり前記2つの領域よりも厚みが薄く前記不純物元素の濃度が2×1016/cm3より大きく、1×1018/cm3より小さい領域と、を有することを特徴とする、請求項1に記載の食品品質検査装置。
- 前記受光層がタイプIIの量子井戸構造であることを特徴とする、請求項1または2に記載の食品品質検査装置。
- 前記受光層が(InGaAs/GaAsSb)の多重量子井戸構造、または(GaInNAs(P,Sb)/GaAsSb)の多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項3に記載の食品品質検査装置。
- 前記InP基板は、(100)から[111]方向または[11−1]方向に、5°〜20°傾斜したオフアングル基板であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1つに記載の食品品質検査装置。
- 前記不純物元素が亜鉛(Zn)であり、前記拡散濃度分布調整層がInGaAsから形成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1つに記載の食品品質検査装置。
- 前記拡散濃度分布調整層の上にInP窓層を備えることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1つに記載の食品品質検査装置。
- 前記InP基板、前記受光層の量子井戸構造を構成する各層、拡散濃度分布調整層、および前記InP窓層の任意の相互間において、格子整合度(|Δa/a|:ただし、aは格子定数、Δaは相互間の格子定数差)が0.002以下であることを特徴とする、請求項7に記載の食品品質検査装置。
- 検査対象の食品の前または後に位置して光を分光する分光部と、前記分光された波長に応じて位置する複数の前記受光素子または受光素子アレイと、前記受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして、食品の品質の評価値を算出する制御部とを備えることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1つに記載の食品品質検査装置。
- 検査対象の食品に、スーパーコンティニウム光源(SC光源)または発光ダイオード(LED)による光を照射し、検査対象の食品からの透過光または反射光を受光することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1つに記載の食品品質検査装置。
- 前記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により前記検査対象の食品に含まれる物質の分布像を形成することを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1つに記載の食品品質検査装置。
- 前記InP基板の側を入射側とする構造において、当該InP基板が除去されていることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1つに記載の食品品質検査装置。
- 請求項1〜12のいずれか1つに記載の食品品質検査装置を備え、前記食品を構成する成分を検出することを特徴とする、食品成分検査装置。
- 前記食品を構成する成分の当該食品の特定範囲における濃度分布等を検出することによって、該食品の産地、原産地、ブランド等を特定することを特徴とする、請求項13に記載の食品成分検査装置。
- 請求項1〜12のいずれか1つに記載の食品品質検査装置を備え、前記食品の異物成分を検出することを特徴とする、異物成分検査装置。
- 請求項1〜12のいずれか1つに記載の食品品質検査装置を備え、前記食品の食味を検査することを特徴とする、食味検査装置。
- 請求項1〜12のいずれか1つに記載の食品品質検査装置を備え、前記食品の加工状態、鮮度状態などの変化する品質の現状を検査することを特徴とする、変移状態検査装置。
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