JP6208513B2 - 受発光装置 - Google Patents
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Description
さらに、発光素子と受光素子と組み合わせ、発光素子と受光素子間の空間状態を検知する受発光装置(特定空間内の物体検知装置、赤外光を用いたガスセンサ(特許文献1参照)等)にも用いられている。
即ち、本発明の一態様に係る受発光装置は、発光素子と、前記発光素子から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部および第2センサ部を備え、第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記発光素子と前記第1センサ部とが設けられた第1基板と、第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記第2センサ部が設けられた第2基板と、をさらに備え、前記第1センサ部の配置位置は、前記第1基板の第1主面であって、前記発光素子から出力されて該第1基板内に直接入射され該第1基板内を進行した光のうちの該第1基板の第2主面で反射して該第1基板内を戻ってきた光が該第1基板から直接入射する位置に設定されていることを特徴とする。
また、上記の受発光装置において、前記第2基板は、前記第1基板とは別の基板としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記発光素子と前記第1センサ部とは、前記第1基板の第1主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有してもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第1基板と前記第2基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、前記第1基板と前記第2基板との間に設けられた光遮断部をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第1基板の第2主面上に設けられ、前記発光素子から出力される光のうち、前記第1基板内で散乱する光の光量と、前記第1基板の第2主面から放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第1センサ部と前記第2センサ部及び前記発光素子がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第1基板の第2主面から出射した光が前記第2センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備えることを特徴としてもよい。
また、上記の受発光装置において、前記第1基板と前記第2基板は、同一の材料からなることを特徴としてもよい。
以下、本発明を実施するための形態(以下、本実施形態)について説明する。
本実施形態に係る受発光装置は、発光素子と、発光素子から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部及び第2センサ部を有する非分散型赤外線式の受発光装置である。この受発光装置は、第1主面(例えば、表面)と、第1主面と対向する第2主面(例えば、裏面)とを有し、第1主面上に発光素子と第1センサ部とが設けられた第1基板を備える。また、この受発光装置は、第1主面(例えば、表面)と、第1主面と対向する第2主面(例えば、裏面)とを有し、第1主面上に第2センサ部が設けられた第2基板を備える。第1センサ部の配置位置は、第1基板の第1主面であって、発光素子から出力された光のうちの該第1基板の第2主面で反射した光が入射する位置に設定されている。これにより、発光素子から放射された光が常に同一状態の環境(光路)を通過し第1センサ部に入射する為、使用環境の変化や経年劣化で発光素子の発光特性が変化した場合でも、または、温度によって受光素子の感度が変化したとしても、第2センサ部(状態検知用の受光素子)による空間状態の検知を正確に行うことが可能になる。
また、第1センサ部と第2センサ部の温度特性を同じにするには、積層構造が同じであることと、同時に製造される(即ち、積層構造を構成する各層について、第1センサ部及び第2センサ部の間で同時に形成する)ことが好ましい。
[第1基板]
本実施形態に係る受発光装置において、第1基板は、第1主面上に発光素子と第1センサ部を有する。第1基板の材料は特に制限されない。例えばSi、GaAs、サファイヤ、InP、InAs、Ge等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。第1センサ部と発光素子を電気的に絶縁させることが容易にできる観点から、半絶縁性基板を利用することが好ましい。半絶縁性基板が作成可能であり、大口径化が可能である観点から、GaAs基板は特に好ましい。測定感度向上の観点から、第1基板の材料は、発光素子から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、発光素子の出力変動を高精度に補償する観点から、第1基板の材料は、第2主面において発光素子から出力された光が効率的に反射する材料であることが好ましい。更に、後述のようにインジウム(In)若しくはアンチモン(Sb)を含む積層構造の第1センサ部、第2センサ部及び発光素子を形成しやすい観点から、GaAs基板が好ましい。
本実施形態に係る受発光装置において、発光素子は第1基板の第1主面上に形成される。発光素子は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。発光素子の具体的な形態は第1基板の第1主面上に形成できるものであれば何でも良い。具体的な例としては、MEMSやLEDが挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層のバンドギャップでコントロールということから、LED構造は望ましい場合がある。
活性層がInおよび/またはSbを含むようなナローバンドギャップ材料は、一般的に温特(発光素子自体の温度による発光特性の変化)が大きいが、本実施形態の受発光装置によれば大きな発光特性の変化であっても常に正確にモニタリングすることが可能であり、該モニタリング結果に基づいて発光素子の動作を制御することで常に一定の発光特性を実現することが可能である。
本実施形態に係る受発光装置において、第1センサ部は、第1基板の第1主面上に形成される。第1センサ部の配置位置は、発光素子から出力された光のうち、第1基板の第1主面と対向する第2主面において反射した光が入射する位置であれば特に制限されない。信号処理の応答速度の観点から、第1センサ部の積層構造としては、PN接合またはPIN接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。更に、Ga、Al、Asからなる群より選択される少なくとも1つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。また、温度特性を揃える観点から、第1センサ部の受光素子の材料及び積層構造は、発光素子の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
また、発光素子と第1センサ部とが同じ第1基板に配置されているため、第1センサ部に入射する光量は、第2センサ部に入射する光量よりも大きくなる傾向がある。このため、第1センサ部の受光部の総面積は、第2センサ部の受光部の総面積よりも小さくすることができる。これにより、受発光装置のより一層の小型化が図られる。
本実施形態に係る受発光装置において、第2基板は第1主面上に第2センサ部を有していれば特に制限されない。第2主面側から入射した光は、第2基板内部を通過して、第2センサ部に入射される。
第2基板の材料は特に制限されない。例えばSi基板、GaAs基板、サファイヤ等が挙げられるがこの限りではない。測定感度向上の観点から、第2基板の材料は、第2主面側から入射した光に対する透過性が高いものであることが好ましい。
本実施形態に係る受発光装置において、第2センサ部は、第2基板上に配置されるものであれば特に制限されない。前述のとおり、第2センサ部と第1センサ部の温度特性を同等のものにする観点から、第2センサ部と第1センサ部は、その製造工程において同一基板上に形成されたものであることが好ましく、同じ積層構造を有することがより好ましい。
信号処理の応答速度の観点から、第2センサ部の積層構造としては、PN接合またはPIN接合のダイオード構造であり、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことが好ましい。
第1センサ部を有する第1基板と第2センサ部を有する第2基板は元々同じウエハーであり、第1センサ部と第2センサ部が同様の積層構造であると、第1センサ部と第2センサ部間の感度特性及び感度の温度特性のバラつきが抑制され、本発明の効果がより発揮することができる。具体的に、第1センサ部の感度がRi2(λ)[A/W]、第2センサ部の感度がRi2(λ)[A/W] だとすると、|Ri2(λ)−Ri1(λ)|/(Ri1(λ))が20%以内であればよく、10%以下にすると更に良く、5%以下にすると更に好ましいが、2%以内、更に1%以下であった方が本発明の効果を更に発揮でき、超高精度の温度・経時変化補償が可能となる。
被検出ガスに対する検出感度向上の観点から、本実施形態に係る受発光装置は、第1基板及び第2基板の第2主面側の外部空間中に、光反射部を備えることが好ましい。即ち、ガスセル内の第1基板及び第2基板からそれぞれ離れた位置であって、第1基板の第2主面側及び第2基板の第2主面側に、光反射部を備えることが好ましい。該光反射部は、第1基板の第2主面から放射された光を反射し、該反射された光が第2センサ部に入射するものであることが好ましい。効率的に第2センサ部に光を入射させるために、該光反射部は、集光型光反射部であることが好ましい。
発光素子から出射した光のうち、第2センサ部に入力される光は、全て外部空間を通過したものであることが好ましい。これを実現するためには、発光素子と第1センサ部が配置されている第1基板と第2センサ部が配置される第2基板とを対向して配置する方法がある。一方で、受発光装置全体を小型化するためには、第1基板と第2基板とを互いに側面を対向させて隣り合うように配置することが好ましいが、単純に隣り合うように配置すると、発光素子から出射した光のうち、一部が外部空間内の空間を通過せずに第2センサ部に入力され、外部空間の状態変化に依存する信号変化分が外部空間の状態変化に依存しない信号成分(オフセット)になってしまい、受発光装置の測定感度が低下する可能性がある。このため、上述したように第1基板と第2基板とを隣り合うように配置する場合には、第1基板と第2基板との間に光遮断部を備えていることが好ましい。
本実施形態は、以下の効果(1)〜(4)を奏する。
(1)発光素子から第1センサ部に至る光路は第1基板内にあり、該光路中に光学フィルタ(例えば、バンドパスフィルタ)や外部空間は存在しない。これにより、該光路中にバンドパスフィルタや外部空間が存在する場合と比べて、受発光装置の使用環境によらず、該光路での光の減衰を抑えることができ、第1センサ部が検出する信号のS/N比の低下を抑えることができる。
(2)上述したように、第1センサ部が検出する信号のS/N比の低下を抑えることができる。また、発光素子の発光強度の変化を定期的に校正しなくても、発光強度の変化による測定誤差を補償することができる。これにより、受発光装置の測定ばらつきを低減することができるため、高精度で、信頼性の高い受発光装置を提供することができる。
即ち、本実施形態は、経時変化や使用環境(例えば、環境温度)の変化により生じる、発光・受光の信号変動を補償し、発光素子の発光特性が変化した場合でも、又は、温度によって受光素子(第1センサ部、第2センサ部)の感度が変化したとしても、状態検知用の受光素子(第2センサ部)による空間状態の検知をより高精度に行うことを可能とした受発光装置を提供することができる。
以上記載したように、本実施形態に係る受発光装置は、種々の機器に適用することが可能であり、発光素子と第2のセンサ部の光路空間の状態(特定のガスの有無や濃度、流体の特定成分の有無や濃度等)を検知することが可能になる。例えば建物や測定機器中の特定のガスの濃度を検出するためのガスセンサや、携帯電話やスマートフォンなどの携帯通信機器に搭載されるガスセンサや、自動車や電車、航空機等の移動手段中のガス濃度を検出するためのガスセンサ、発光素子から第2のセンサ部間の光路空間を流れる物質(例えば水や体液)の成分検知装置、血液中のグルコース濃度測定などに用いることができる。
次に、図面を参照して本発明の実施形態の具体例(第1〜第11実施形態)について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[第1実施形態]
図1は本発明の第1実施形態に係る受発光装置の構成例を示す概念図である。図1に示すように、この受発光装置は、発光素子20と、発光素子20から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部31及び第2センサ部32と、発光素子20と第1センサ部31を第1主面411上に有する第1基板41と、第2センサ部32を第1主面421上に有する第2基板42と、を有する受発光装置である。
第1実施形態に係る受発光装置によれば、第1センサ部31は、発光素子20から出力された光のうち、第1基板41の第1主面411と対向する第2主面412において反射した光(破線で示す)が入射する位置に配置されている。これにより、使用環境によらず発光素子20の発光強度の変化による測定誤差を一定に補償することが可能な簡易、小型、かつ信頼性の高い受発光装置を実現できる。
図2は本発明の第2実施形態に係る受発光装置の構成例を示す概念図である。図2に示すように、この受発光装置では、第1基板41と第2基板42とが互いに側面(即ち、外周側面の一部)を対向させて隣り合って配置されている。本明細書では、このような配置を平行配置と呼ぶ。第1基板41と第2基板42とが平行配置されている点で第2実施形態は第1実施形態と異なる。
このように、第1基板41と第2基板42とが平行配置されている点、及び、光反射部60が設けられている点で、第2実施形態は第1実施形態と異なる。それ以外の構成については、第2実施形態は第1実施形態と同じである。
図3は本発明の第3実施形態に係る受発光装置の構成例を示す断面図である。図3において、符号201、311、321は第1導電型の半導体層(例えばN型半導体層)であり、符号202、312、322は第2導電型の半導体層(例えばP型半導体層)であり、符号203、204、313、314、323、324は電極を示す。
また、第1センサ部31は、例えば、第1基板41の第1主面411上に形成された第1導電型の半導体層311と、半導体層311上に形成された第2導電型の半導体層312及び電極313と、半導体層312上に形成された電極314とを有する。
ここで、第1導電型の半導体層201、311、321は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。また、第2導電型の半導体層202、312、322は、例えば同一の材料からなり、同一の膜厚を有する。
図4は本発明の第4実施形態に係る受発光装置の構成例を示す概念図である。
図4に示すように、この受発光装置は、第1実施形態に係る受発光装置の第1基板41及び第2基板42をそれぞれ封止樹脂200で封止し、かつ、発光素子20、第1センサ部31及び第2センサ部32に対して、駆動部や信号処理部を接続した例である。
即ち、第4実施形態に係る受発光装置は、発光素子20に対して電力を供給するための電源供給部101と、第1センサ部31及び第2センサ部32からの出力信号が入力され、被検出物質(例えば流体やガス)濃度を演算する演算部104と、を備える。低消費電力化の観点から、電源供給部101はパルス状の信号(電圧または電流)を発光素子20に与えるものであることが好ましい。
次に、本実施形態に係る受発光装置を用いた流体中にある特性物質の濃度演算方法の具体例について説明する。第1センサ部31が出力する信号をIp1、第2センサ部32が出力する信号をIp2とする。Ip1とIp2は式(1)及び式(2)で示すことができる。
Ip2 = RiSAMPLE(T) × φ(T) ×β×(1−A(C))・・・(2)
但し、
A ・・・ 被測定物質濃度による吸収率
C ・・・ 被測定物質の濃度
φ ・・・ 発光素子の発光強度
α ・・・ 発光素子から第1センサ部への伝達率
β ・・・ 基板からの光取り出し効率
Ip1 ・・・ 第1センサ部の出力信号
Ip2 ・・・ 第2センサ部の出力信号
RiREF・・・ 第1センサ部の感度
RiSAMPLE・・・ 第2センサ部の感度
演算結果=Ip2/Ip1
=(RiSAMPLE(T)×β×(1−A(C)))/(RiREF(T)×α)・・・(3)
分解能=(ΔC/ΔIp)/(SNR)・・・(4)
但し、ΔIpはセンサの信号変化
ΔCは被検出物質の濃度変化
SNRは発光素子がONとOFFした場合(パルス)に得られるセンサ部のS/N比を示す。
式(3)から分かるように、発光素子の光量は演算結果に表れないので、発光素子が劣化しても、つまり、発光効率が変化しても、ガス濃度演算結果は変わらない。本実施形態に係る受発光装置は、発光素子20と第1センサ部31とが同一基板(第1基板41)上に形成されており、発光素子20から放出された光にのみ基づいた信号を出力することが可能であるため、発光素子20からの発光量を正確に測定することが可能である。発光素子が多数の発光部からなる場合は、各発光部が発光する各々の光量の測定が可能になるように、発光素子20の各受光部と第1センサ部31の各受光部の配置を適切に設計すればよい。
また第1センサ部及び第2センサ部は、高速に動作することができる(高速光パルスに対して十分な応答性をもつ)ため量子型センサであることが好ましい。量子型センサは、センサの内部抵抗が温度によって変化するため、このセンサの内部抵抗値を読み取ることで、受発光装置の内部の温度を知ることができる。この方法を利用することで、温度測定部105を別途設ける必要がなくなるため、少ない部品数で温度補償が可能な受発光装置を実現できる。
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、また、第1〜第4実施形態を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。
31 第1センサ部
32 第2センサ部
41 第1基板
42 第2基板
60 光反射部
101 電源供給部
104 演算部
200 封止樹脂
201、311、321 第1導電型の半導体層
202、312、322 第2導電型の半導体層
203、204、313、314、323、324 電極
Claims (13)
- 発光素子と、
前記発光素子から出力された光が入射するようにそれぞれ配置された第1センサ部および第2センサ部を備え、
第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記発光素子と前記第1センサ部とが設けられた第1基板と、
第1主面と該第1主面と対向する第2主面とを有し、該第1主面上に前記第2センサ部が設けられた第2基板と、をさらに備え、
前記第1センサ部の配置位置は、前記第1基板の第1主面であって、前記発光素子から出力されて該第1基板内に直接入射され該第1基板内を進行した光のうちの該第1基板の第2主面で反射して該第1基板内を戻ってきた光が該第1基板から直接入射する位置に設定されていることを特徴とする受発光装置。 - 前記第2基板は、前記第1基板とは別の基板である請求項1に記載の受発光装置。
- 前記発光素子と前記第1センサ部とは、前記第1基板の第1主面上に直接形成された化合物半導体積層部をそれぞれ有する請求項1又は請求項2に記載の受発光装置。
- 前記第1センサ部と前記第2センサ部は、同一の温度特性を有することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1基板と前記第2基板とが互いに側面を対向させて隣り合って配置され、
前記第1基板と前記第2基板との間に設けられた光遮断部をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の受発光装置。 - 前記第1基板及び前記第2基板からそれぞれ離れた位置に配置され、前記第1基板の第2主面から出射した光を前記第2センサ部に向けて反射する光反射部をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1基板の第2主面上に設けられ、前記発光素子から出力される光のうち、前記第1基板内で散乱する光の光量と、前記第1基板の第2主面から放射される光の光量及び放射角度とを制御する制御層をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項6の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1基板の第2主面上に設けられ、前記発光素子から出力された光を前記第1センサ部に向けて反射する光反射層をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項7の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1センサ部と前記第2センサ部及び前記発光素子がそれぞれ、同一の材料で同一の積層構造からなることを特徴とする請求項1から請求項8の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記積層構造は、少なくともP型半導体とN型半導体の2種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、インジウム若しくはアンチモンの何れかの材料を含むことを特徴とする請求項9に記載の受発光装置。
- 前記第1基板の第2主面から出射した光が前記第2センサ部に入射するまでの光路中に配置され、特定の波長帯のみを透過する光学フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項10の何れか一項に記載の受発光装置。
- 前記第1センサ部と前記第2センサ部は同一の構造の複数の受光部を有し、
該受光部の数は前記第1センサ部と前記第2センサ部とで異なることを特徴とする請求項1から請求項11の何れか一項に記載の受発光装置。 - 前記第1基板と前記第2基板は、同一の材料からなることを特徴とする請求項1から請求項12の何れか一項に記載の受発光装置。
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