JP5384331B2 - 表面プラズモン共鳴に基づくセンサ - Google Patents
表面プラズモン共鳴に基づくセンサ Download PDFInfo
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Description
−Nin C. Loh他著「Sub-10 cm3 interferometric accelerometer with nano-g resolution」(Journal of micro-electromechanical systems, v.11, N.3, 2002)及び
−W. Vance Payne & Jon Geist著「Low Cost Digital Vibration Meter」(J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 112, 115-128 (2007))。
マイクロメカニカル(生)化学センサは以下の文献から理解される。
−Florence Quist他著「Nano-mechanical Cantilever Motion Generated by a Surface-Confined Redox Reaction」(J. Phys. Chem. B, 107, 10691-10695, 2003.)
−Karin Y. Gfeller他著「Micromechanical oscillators as rapid biosensor for the detection of active growth of Escherichia coli」(Biosensors and Bioelectronics 21, 528-533, 2005.)
−H P Lang他著「An Artificial Nose Based on Microcantilever Array Sensors」(Journal of Physics: Conference Series 61, 663-667, 2007)
−A. Vidic他著「A new cantilever system for gas and liquid sensing」(Ultramicroscopy 97, 407-416, 2003.)
−M.K. Baller他著「A cantilever array-based artificial nose」(Ultramicroscopy 82, 19, 2000.)
−H.P. Lang他著「An artificial nose based on a micromechanical cantilever array」(Analytica Chimica Acta 393, 59-65, 1999.)
−Vincent Tabard-Cossa他著「Redox-lnduced Surface Stress of Polypyrrole-Based Actuators」(J. Phys. Chem. B, 109, 17531-17537, 2005.)
−Vincent Tabard-Cossa他著「A differential microcantilever-based system for measuring surface stress changes induced by electrochemical reactions」(Sensors and Actuators B 107, 233-241, 2005.)
マイクロメカニカル(電)磁界センサは以下の文献から理解される。
−Todd G. Ruskell他著「Field mapping with the magnetic resonance force microscope」(J. Appl. Phys., Vol. 86, No. 1, 1999.)
−S. Lee and Y. C. Lee著Near-field imaging of high-frequency magnetic fields with calorimetric cantilever probes」(Journal of applied physics 99, 08H306, 2006.)
−L.Y. Beaulieu他著「Calibrating laser beam deflection systems for use in atomic force microscopes and cantilever sensors」(Applied physics letters 88, 083108, 2006)及び
−L.Y. Beaulieu他著「A complete analysis of the laser beam deflection systems used in cantilever-based systems」(Ultramicroscopy 107, 422-430, 2007)。
放射検出器であって、
検出される入射放射を吸収し、当該吸収の結果として温度上昇を受ける、エネルギー吸収体と、
エネルギー吸収体の上記温度上昇を検出する光学読取り手段と
を備え、
上記光学読取り手段は、表面プラズモン共鳴を励起することによって光ビームを上記エネルギー吸収体に結合する入力結合手段を含み、表面プラズモン共鳴条件は、エネルギー吸収体の温度に依存し、
上記エネルギー吸収体は、誘電体層によって上記入力結合手段から分離される、
放射検出器によって達成される。
そのようなセンサは、
マイクロメカニカル振動子(より詳細には、カンチレバービームの形をとる)と、
当該マイクロメカニカル振動子の変位を検出する光学読取り手段と
を備え、
当該光学読取り手段は、表面プラズモン共鳴を励起することによって、光ビームを導電性表面に結合する入力結合手段を含み、表面プラズモン共鳴条件は、上記マイクロメカニカル振動子の変位に依存する。
上記マイクロメカニカル振動子は、或る間隙だけ上記入力結合手段から離隔して配置されることができ、上記表面プラズモン共鳴条件は、上記間隙の厚みに依存する。これは、本発明のカンチレバーに基づく熱放射検出器を参照しながら既に説明されているのと同じ動作原理である。
上記入力結合手段は、導電層によって覆われる表面を有する誘電体を含むことができ、当該入力結合手段は、上記導電層内で表面プラズモンを励起するようになっている。
代替的には、上記入力結合手段は、上記間隙によって上記マイクロメカニカル振動子から分離される誘電体表面を有する誘電体を含むことができ、当該マイクロメカニカル振動子は、好ましくは入力結合手段に向かって配置される表面上に導電層を含み、当該入力結合手段は、上記導電層内で表面プラズモンを励起するようになっている。
上記マイクロメカニカル振動子は、環境条件を検知すると共に、当該環境条件に基づく当該マイクロメカニカル振動子の変位又は共振周波数を変更するようになっている、検知層のような、少なくとも1つの検知素子を含むことができる。
上記で説明されたように、上記検知素子は、以下とすることができる:
検出される分子を固着し、それによって、上記マイクロメカニカル振動子の質量又は剛性を変更するか、又はその変位を引き起こすようになっている化学検知素子。
微生物又はその一部を固着し、それによって、上記マイクロメカニカル振動子の質量又は剛性を変更するか、又はその変位を引き起こすようになっている生物検知素子。
電磁界の中に入れられるときに力を受け、それによって、上記マイクロメカニカル振動子の変位を引き起こすようになっている電磁界検知素子。
又は、その温度が基準温度から逸脱するときに熱膨張差を受け、それによって、上記マイクロメカニカル振動子(すなわち、熱放射検出器において用いられる二材料又は多材料ビーム)の変位を引き起こすようになっている熱検知素子。この事例では、センサは、入射放射を吸収し、それによって、上記熱検知素子を加熱するための放射吸収素子をさらに含むことができる。
プリズム202の屈折率:1.500
空隙2032の厚み: 500nm
金属層2031:
厚み: 32nm
組成: 銀
デバイ温度: 225K
質量密度: 10.5g/cm2
原子量: 107.87g/mole
抵抗の温度係数: 4100ppm/K
誘電率: −18.2+0.5i
カンチレバー2033:
組成: 金/Si3N4
厚み: 50nm/50nm
ピクセルサイズ: 70μm×10μm
周囲温度: 18℃
この第1のシミュレーションの結果は以下のとおりである。
SPR角θR: 45°30’
熱分解能: 0.013K
エネルギー分解能: 0.001nJ
空隙2032の厚み: 885nm
金属層2031の厚み: 43nm
他の全てのパラメータは変更されていない。
第2のシミュレーションの結果は以下のとおりである。
SPR角θR: 43°23’
熱分解能: 3×10-4K
エネルギー分解能: 1.8×10-5nJ
ピクセルサイズ: 25μm×10μm
金属層2031:
厚み: 42nm
組成: 金
デバイ温度: 165K
質量密度: 19.32g/cm2
原子量: 196.97g/mole
抵抗の温度係数: 3800ppm/K
誘電率: −11.54+1.2i
この第3のシミュレーションの結果は以下のとおりである。
SPR角θR: 46°15’
熱分解能: 0.23K
エネルギー分解能: 0.001nJ
プリズム502の屈折率:1.500
空隙5031の厚み: 1010nm
金属層5032:
厚み: 130nm
組成: 銀(第1の例と同じ物理的特性)
ピクセルサイズ: 70μm×10μm
周囲温度: 18℃
この第4のシミュレーションの結果は以下のとおりである。
SPR角θR: 43°28’
熱による反射率の変動: 4%/K
熱分解能: 0.087K
エネルギー分解能: 0.02nJ
空隙5031の厚み: 590nm
金属層5032:
厚み: 130nm
組成: 金(第2の例と同じ物理的特性)
ピクセルサイズ: 25μm×10μm
他の全てのパラメータは第3の例と同じである。
この第5のシミュレーションの結果は以下のとおりである。
SPR角θR: 44°25’
熱による反射率の変動: 3.8%/K
熱分解能: 0.2K
エネルギー分解能: 0.08nJ
Claims (28)
- 放射検出器であって、
検出される入射放射(RAD)を吸収し、該吸収の結果として温度上昇を受ける、エネルギー吸収体(2033、5032)と、
前記エネルギー吸収体(2033、5032)の前記温度上昇を検出する光学読取り手段と
を備え、
前記光学読取り手段は、表面プラズモン共鳴を励起することによって光ビーム(2011、611)を前記エネルギー吸収体(2033、5032)に結合する入力結合手段(202、3021、402、502)を含み、表面プラズモン共鳴条件は、前記エネルギー吸収体(2033、5032)の温度に依存し、
前記エネルギー吸収体(2033、5032)は、誘電体層(2032、5031)によって前記入力結合手段(202、3021、402、502)から分離され、
前記エネルギー吸収体(2033、5032)を前記入力結合手段(202、3021、402、502)から分離する前記誘電体層(2032、5031)は間隙である
ことを特徴とする、放射検出器。 - 前記エネルギー吸収体(2033、5032)と、表面プラズモンをサポートする導電層(2031、402、532)と、前記誘電体層(2032、5031)とを少なくとも含む多層構造(203、403、503)を備える、請求項1記載の放射検出器。
- 前記導電層(2031、402、532)は、金及び銀から選択される材料から形成される、請求項2に記載の放射検出器。
- 前記多層構造(203、403、503)は、前記エネルギー吸収体(2033、5032)の少なくとも一部の温度変動に応じて厚みが変化する誘電体層(2032)を含む、請求項2又は3に記載の放射検出器。
- 前記エネルギー吸収体(2033、5032)は、温度変動に応じて撓むようになっている多材料カンチレバー(2033)をさらに含み、厚みが変化する前記誘電体層(2032)は、前記多材料カンチレバー(2033)を前記入力結合手段(202、3021、402)から分離する前記間隙(2032)を含み、それによって、前記多材料カンチレバー(2033)の撓みが、前記間隙(2032)の幅の変化を引き起こす、請求項1に従属するときの請求項4に記載の放射検出器。
- 前記多材料カンチレバーは二材料カンチレバーである、請求項5に記載の放射検出器。
- 前記多材料カンチレバー(2033)の少なくとも1つの表面(2033’)は、検出される入射放射(RAD)又は粒子束を吸収すると共に、該吸収の結果として、温度上昇を受けるようになっている、請求項5又は6に記載の放射検出器。
- 前記多材料カンチレバー(2033)は誘電体材料のみから形成される、請求項5〜7のいずれか一項に記載の放射検出器。
- 前記入力結合手段(202、3021、402)は、
その上に前記多層構造(203)の導電層(2031)が配置されている、クレッチマン−レーサー構成の誘電体プリズム(202)、
その上に前記多層構造(203)の導電層(2031)が配置されている、誘電体体積格子(3021)、及び
基板(4021)上に配置される導電性レリーフ格子(402)であって、前記エネルギー吸収体の前記多層構造(203)の導電層を構成する導電性レリーフ格子(402)
から選択される、請求項5〜8のいずれか一項に記載の放射検出器。 - 前記間隙(2032)は、
前記多材料カンチレバー(2033)と、
前記誘電体プリズム(202)、体積格子(3021)、又は基板(4021)上に配置される前記導電層(2031)と
の間に配置される、請求項7に記載の放射検出器。 - 前記多層構造(2033、5032)は、前記エネルギー吸収体(2033、5032)の少なくとも一部の温度変動に応じて誘電率が変化する層を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の放射検出器。
- 温度変動に応じて誘電率が変化する前記層は、前記多材料カンチレバー(2033)の一部である、請求項5〜10のいずれか一項に従属するときの請求項11に記載の放射検出器。
- 誘電率が変化する前記層は、表面プラズモンをサポートする導電層(5032)である、請求項11に記載の放射検出器。
- 誘電率が変化する前記導電層(5032)は、検出される入射放射(RAD)を吸収するようになっていると共に、該吸収の結果として温度上昇を受け、前記誘電体層(5031)によって前記入力結合手段(502)から分離される、請求項13に記載の放射検出器。
- 前記入力結合手段は、オットー構成の誘電体プリズム(502)を含み、該誘電体プリズム(502)と、誘電率が変化する前記導電層(5032)との間に誘電体層(5031)が配置される、請求項13又は14に記載の放射検出器。
- 熱放射検出器の2次元アレイ(600)を含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の放射検出器。
- 前記エネルギー吸収体(2033、5032)の結合面に対して少なくともTM偏光の成分を有する偏光ビーム(2011、611)を生成し、該ビームを、前記エネルギー吸収体(2033、5032)に結合するように前記入力結合手段(202、3021、402、502)に誘導する光放射源(201、601)をさらに備える、請求項1〜16のいずれか一項に記載の放射検出器。
- 前記光放射源(201、601)は可視光放射源又は近赤外線放射源である、請求項17に記載の放射検出器。
- 前記光放射源(201、601)はレーザである、請求項17又は18に記載の放射検出器。
- 前記光ビーム(611)はコリメートされたビームであり、
前記光放射源(601)は、該ビームを前記2次元アレイ(600)の全ての熱放射検出器に同時に誘導するようになっている、請求項16に従属するときの請求項17〜19のいずれか一項に記載の放射検出器。 - 前記入力結合手段によって前記エネルギー吸収体(2033、5032)に結合される前記光ビーム(2011、611)の反射された部分を検出する、光検出器(204)又は光検出器アレイ(604)をさらに備える、請求項1〜20のいずれか一項に記載の放射検出器。
- 前記光検出器(204)又は前記光検出器アレイ(604)は、フォトダイオード、フォトダイオードの2次元アレイ、光電子増倍管、光電子増倍管の2次元アレイ、電荷結合素子、電荷結合素子の2次元アレイ、及び感光性シートから選択される、請求項21に記載の放射検出器。
- 前記反射されたビームを前記放射検出器(204)又は光検出器アレイ(604)に光学的に結合する出力結合手段(202’’’、3022、402、502’’’)をさらに備える、請求項21又は22に記載の放射検出器。
- 前記出力結合手段は、誘電体プリズム(202、502)の1つの表面(202’’’、502’’’)を含み、該プリズムの異なる表面(202’’、502’’)は前記入力結合手段を構成するか、又は該入力結合手段に属する、請求項23に記載の放射検出器。
- 単一の格子(402)が、前記入力結合手段及び前記出力結合手段の両方に属する、請求項23に記載の放射検出器。
- 前記エネルギー吸収体(2033、5032)の温度上昇によって引き起こされる、前記入力結合手段によって前記エネルギー吸収体(2033、5032)に結合される光ビーム(2011、611)の反射された部分の位相の変化を、その強度の変化に変換する干渉手段(205)をさらに備える、請求項1〜25のいずれか一項に記載の放射検出器。
- 前記入力結合手段によって前記エネルギー吸収体(2033、5032)に結合される光ビーム(611)の反射された部分によって搬送される放射像を処理する空間フィルタリング(605)手段をさらに備える、請求項16に従属するときの請求項17〜26のいずれか一項に記載の放射検出器。
- 前記エネルギー吸収体(2033、5032)は、赤外線電磁放射を吸収するようになっている、請求項1〜27のいずれか一項に記載の放射検出器。
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