JP6334324B2 - 光センサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、光センサモジュールに関するものである。

近年、微量な試料を容易かつ正確に測定するセンサ装置が求められている。このセンサ装置として、例えば金属表面に生じる表面プラズモンを応用した光センサ装置の開発が行なわれている。ここで、表面プラズモンを応用した光センサ装置は、光透過性媒体上に設けられた金属薄膜の表面で生じる光−表面プラズモン波の相互作用を利用して特定の物質を検出または測定するセンサである。表面プラズモンを用いた光センサ装置は、検出感度が高いことから、低濃度のガス、イオン、抗原、ＤＮＡ等の検出する方法として検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３４４４３７号公報

特許文献１に記載された光センサ装置において、例えば、表面プラズモン波を励起させるために、特定の入射角で光を金属薄膜に入射させる必要があり、この入射角は、検出する物質ごとに変化する。そのため、変化する入射角に応じて光路を変化させる必要があり、検出する物質ごとに光センサ装置の構造が変化することから、汎用性が低下する問題があった。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、汎用性を向上させる光センサモジュールを提供することを目的とする。

本発明の光センサモジュールは、流体中の特定の物質を検出する光センサモジュールであって、上方に開口するとともに、凹部を有する透光性部材と、前記凹部内に配置されるとともに前記凹部の内側面に接した側面を第１受光面とする、屈折率が前記透光性部材より大きい透光性基板と、前記透光性基板の上面に配置されるとともに前記流体中の物質に反応して屈折率を変化させる感応膜と、前記感応膜に向かって光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射した光のうち、前記第１受光面を介して前記感応膜に入射し反射された光を受光するように配され、前記感応膜の前記屈折率の変化に起因する前記反射光の強度の変化を検出する受光素子とを備えてており、前記透光性基板は、前記第１受光面が下方に行くほど内側に傾斜している。

本発明によれば、発光素子が出射する光は第１受光面によって屈折し感応膜に入射する。そのため、第１受光面を有する透光性基板の屈折率によって光の屈折角を調整することができ、光の感応膜への入射角を調整することができる。したがって、検出する物質ごとに光センサモジュールの構造が変化することを抑制し、汎用性を向上させた光センサモジュールを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる光センサモジュールを示す断面図である。 図１の光センサモジュールの一部を拡大した拡大図である。

以下、本発明の一実施形態に係る光センサモジュールについて、図１および図２を参照しつつ以下に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光センサモジュールの断面図であって、光センサモジュールの概要を示している。図２は、図１に示した光センサモジュールの拡大図であって、光センサモジュールの一部の構成について詳細に示している。なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更または改良等が可能である。

本実施形態に係る光センサモジュール１は、図１に示すように、透光性部材２、発光素子３、受光素子４および、特定の物質に反応する感応部５を有している。そして、発光素子３から出射した光は、感応部５で入射して反射するとともに、受光素子４で受光される。光センサモジュール１は、上記構成を有することによって、感応部５を例えば空気等の流体中に露出させ、感応部５で反射する反射光の強度の変化を受光素子４で検知することによって、流体中の特定の物質を検出するものである。なお、流体中とは、空気中だけに限られず、液体中等も含むものである。

透光性部材２は、感応部５を支持するとともに、発光素子３で発した光を感応部５へ誘導し、かつ感応部５で反射した光を受光素子４へ誘導するものである。透光性部材２は、上方に開口した凹部２１を有しており、凹部２１内には感応部５が配置されている。なお、本実施形態において、凹部２１は、透光性部材２を上下方向に切断した断面において四角形状に形成されている。

透光性部材２は、単層の部材または複数の単層の部材を積層した積層体を用いることができる。また、透光性部材２の表面の一部には、光を誘導する光反射膜２２が設置されている。また、本実施形態において、透光性部材２は、任意の方向に光を誘導するために、傾斜部が設けられている。また、透光性部材２の全てが透光性である必要はなく、発光素子３の光を受光素子４へ誘導することができれば、透光性部材２の一部は透光性を有していない材料で形成されても良い。

透光性部材２は、例えばガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂またはシクロオレフィンコポリマー樹脂等の材料で形成される。透光性部材２の屈折率は、例えば１．４以上１．６以下に設定される。屈折率は、例えばエリプソメータ等で測定することができる。なお、透光性部材２は、ガラスまたは樹脂材料等を、例えば金型成形することによって形成することができる。

光反射膜２２は、発光素子３から発した光を反射させて光を誘導するものである。光反射膜２２は、光を反射させるために、透光部３１と屈折率の異なる材料からなる。光反射膜２２は、例えば金、銀または銅等の金属材料等で形成される。なお、光反射膜２２は、例えば蒸着法またはスパッタリング法等によって形成することができる。

発光素子３は、感応部５に光を出射するものである。発光素子３としては、例えばレーザーダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）または面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等を用いることができる。また、受光素子４は、感応部５で反射した光を受光するものであり、感応部５の反射光の強度の変化を検出する。受光素子４としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）などを用いることができる。発光素子３および受光素子４は、発光部または受光部を複数持つアレイ状素子を用いてもよい。

本実施形態では、発光素子３および受光素子４は、透光性部材２の下面に設置されている。発光素子３および受光素子４は、平面方向において、感応部５が間に位置するように
所定の間隔をあけて配置されている。発光素子３および受光素子４は、感応部５に光学的に接続されている。また、複数の発光部を持つ発光素子３、複数の受光部を持つ受光素子４を用いることによって、平面方向に小型化することができる。

感応部５は、流体中に露出しており、流体中の特定の物質に反応することによって、光の屈折率を変化させ、感応部５で反射する反射光の光の強度を変動させるものである。感応部５は、特定の物質に反応する感応膜５１と、感応膜５１を支持する透光性基板５２とを有している。

感応膜５１は、雰囲気中に露出しており、雰囲気中の特定の物質に反応して、屈折率を変化させる機能を有する。本実施形態では、表面プラズモン共鳴現象を利用して感応膜５１での反射光の強度を変化させる。そのため、本実施形態では、感応膜５１は、透光性基板５２の上面に配された第１薄膜５１１と、第１薄膜５１１の上面に配された第２薄膜５１２を有している。なお、感応膜５１に入射する光は、第１薄膜５１１に入射することになる。

第１薄膜５１１は、表面に表面プラズモン波が励起しやすくなるように、金属材料で形成されている。具体的には、第１薄膜５１１は、例えば、銀、金、銅、亜鉛、アルミニウムまたはカリウム等の金属材料を用いることができる。なお、第１薄膜５１１の材料については、第１薄膜５１１上に配置される第２薄膜５１２の材料または発光素子３の光の波長等を考慮して選択すればよい。また、第１薄膜５１１は、金属材料を単層で用いてもよいし、複数の層を積層してもよい。なお、第１薄膜５１１の厚さは、第１薄膜５１１の上面で表面プラズモン波が励起するように、トンネル効果によって第１薄膜５１１に入射した光が浸み出す厚さに設定される。具体的には、第１薄膜５１１の厚みは、例えば０．５ｎｍ以上１μｍ以下となるように設定することができる。

第２薄膜５１２は、雰囲気中の特定の物質に反応して屈折率（誘電率）を変化させる機能を有する。第２薄膜５１２は、具体的に、水素ガスなどを検出する場合には、感応膜として、例えばマグネシウム、パラジウムなどの膜を用いることができる。また、アンモニアガスなどを検出する場合には、感応膜として、アクリル酸ポリマーまたは銅フタロシアニンなどの膜を用いることができる。他には、モノクローナル抗体、ビオチンまたはがレクチンなどの膜を用いることで抗原を検出することができる。

感応膜５１は、上記構成を有していることによって、透光性基板５２内部を進んできた光が第１薄膜５１１の界面で反射されると、第１薄膜５１１の上面に表面プラズモン波が励起される。ここで、表面プラズモンは特定の入射角で第１薄膜５１１に入射した光と共鳴することから、表面プラズモン波の励起によって光エネルギーの一部が損失して、特定の入射角で入射した光の第１薄膜５１１での反射率が極端に小さくなる。そして、表面プラズモン波が励起する際の光の入射角は、第１薄膜５１１の上面に位置する第２薄膜５１２の屈折率によって異なることから、第２薄膜５１２の屈折率が変化することによって、第１薄膜５１１での光の反射率が変化し、ひいては感応膜５１での反射光の強度が変化することになる。すなわち、反射光の強度の変化を検出することによって、第２薄膜５１２が反応した物質を特定することができる。

透光性基板５２は、感応膜５１を支持するものであり、透光性部材２の凹部２１内に配されている。具体的には、透光性基板５２は、透光性基板５２の側面が透光性部材２の凹部２１の内側面に接するように配されている。透光性基板５２は、屈折率が透光性部材２の屈折率よりも大きい材料で形成される。具体的には、透光性基板５２は、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、硫化亜鉛、シリコン、ゲルマニウムまたはセレン化亜鉛等で形成される。また、透光性基板５２の屈折率は、１．６以上に設定される
。

本発明によれば、透光性部材２の凹部２１の内側面に接した透光性基板５２の側面を第１受光面Ａとしている。すなわち、発光素子３から出射した光の少なくとも一部は、前記第１受光面Ａを介して、光を屈折させて感応膜５１に入射させることができる。そのため、透光性基板２１の屈折率によって光の屈折角を調整することができ、光の感応膜５１への入射角を調整することができる。したがって、検出する物質ごとに光センサモジュール１の構造が変化することを抑制することができ、ひいては光センサモジュール１の汎用性を向上させることができる。

また、光センサモジュール１において、感応膜５１に対する入射角が大きくなればなるほど、感応膜５１の平面方向に沿って光を入射させる必要があり、設計の自由度が小さくなる。しかしながら、本発明によれば、透光性基板５２の屈折率を透光性部材２の屈折率よりも大きくしていることから、第１受光面Ａを通過する光は、感応膜５１に対する入射角が大きくなるように屈折する。したがって、本発明は、感応膜５１に対する入射角が大きくなった場合でも、設計の自由度を確保することができるという顕著な効果も奏する。

透光性基板５２の第１受光面Ａに対向する側面は、第２受光面Ｂであることが望ましい。そして、感応膜５１で反射した光は、第２受光面Ｂを通過することが望ましい。その結果、第２受光面Ｂを通過した光は下方に屈折することになり、その光を受光する受光素子４を発光素子３の近傍に配置しやすくすることができるため、光センサモジュール１を小型化することができる。また、感応膜５１で反射した光の光路を透光性基板５２の屈折率で調整することができるため、汎用性を向上させることができる。

透光性基板５２の下面は、第３受光面Ｃであることが望ましい。そして、感応膜５１に向かって出射された光は、第２及び第３受光面Ｂ、Ｃから透光性基板５２内に進入していくことが望ましい。その結果、透光性基板５２に入射する光が様々な方向に屈折し、様々な入射角で感応膜５１に光を入射させることができる。なお、発光素子３の光は、第２受光面のみから透光性基板５２に入射させてもよい。

透光性基板５２の第１受光面Ａは、透光性基板５２の上面から下面に向かうにつれて内側に傾斜していることが望ましい。その結果、透光性部材２の下面に設置された発光素子３からの光が第２受光面Ｂに入射しやすくすることができる。

一方で、透光性基板５２の第１受光面Ａは、透光性基板５２の上面から下面に向かうにつれて外側に傾斜していることが望ましい。その結果、感応膜５１に入射する光の入射角を容易に大きくすることができる。

透光性基板５２の第２受光面Ｂは、透光性基板５２の上面から下面に向かうにつれて内側に傾斜していることが望ましい。その結果、感応膜５１での反射光が第２受光面Ｂにおいて臨界角で入射することを抑制することができる。

一方で、透光性基板５２の第２受光面Ｂは、透光性基板５２の上面から下面に向かうにつれて外側に傾斜していることが望ましい。その結果、感応膜５１で反射した反射光を第２受光面Ｂで屈折させやすくなり、受光素子４を発光素子３の近傍に配置しやすくすることができるため、光センサモジュール１を小型化することができる。

なお、本実施形態においては、透光性部材２は、透光性部材２の凹部２１の表面に設けられた接着材６を有している。すなわち、透光性基板５２の側面は、接着材６を介して凹部２１に接着されている。接着材６は、屈折率が透光性部材２の屈折率以上、透光性基板
５２の屈折率以下に設定される。接着材６は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはアクリレート樹脂の材料で形成される。

この場合、透光性基板５２を透光性部材２に固定する接着材６の屈折率は、透光性基板５２または透光性部材２のどちらか一方の屈折率に一致していることが望ましい。その結果、感応膜５１に入射する光は、第１受光面Ａまたは第２受光面Ｂのどちらかで屈折することになり、感応膜５１への入射角を調整しやすくすることができる。

一方で、接着材６の屈折率は、前記接着材の屈折率は、前記透光性部材の屈折率よりも大きく、前記透光性基板の屈折率未満であってもよい。このときは、感応膜５１に入射する光は、第１受光面Ａと第２受光面Ｂとのそれぞれで屈折することになり、容易に感応膜５１への光の入射角を大きくすることができる。

１ 光センサモジュール
２ 透光性部材
２１ 凹部
２２ 光反射膜
３ 発光素子
４ 受光素子
５ 感応部
５１ 感応膜
５１１ 第１薄膜
５１２ 第２薄膜
５２ 透光性基板
６ 接着材
Ａ 第１受光面
Ｂ 第２受光面
Ｃ 第３受光面

Claims (4)

1. 流体中の特定の物質を検出する光センサモジュールであって、
   上方に開口するとともに、凹部を有する透光性部材と、
   前記凹部内に配置されるとともに前記凹部の内側面に接した側面を第１受光面とする、屈折率が前記透光性部材より大きい透光性基板と、
   前記透光性基板の上面に配置されるとともに前記流体中の物質に反応して屈折率を変化させる感応膜と、
   前記感応膜に向かって光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射した光のうち、前記第１受光面を介して前記感応膜に入射し反射された光を受光するように配され、前記感応膜の前記屈折率の変化に起因する前記反射光の強度の変化を検出する受光素子とを備えており、
   前記透光性基板は、前記第１受光面が下方に行くほど内側に傾斜している、光センサモジュール。
2. 前記透光性基板の前記第１受光面に対する側面は、第２受光面であり、
   前記透光性基板は、前記感応膜で反射した光が、前記第２受光面を通過するように配されている、請求項１に記載の光センサモジュール。
3. 前記透光性基板は、前記第２受光面が下方に行くほど内側に傾斜している、請求項２に記載の光センサモジュール。
4. 流体中の特定の物質を検出する光センサモジュールであって、
   上方に開口するとともに、凹部を有する透光性部材と、
   前記凹部内に配置されるとともに前記凹部の内側面に接した側面を第１受光面とする、屈折率が前記透光性部材より大きい透光性基板と、
   前記透光性基板の上面に配置されるとともに前記流体中の物質に反応して屈折率を変化させる感応膜と、
   前記感応膜に向かって光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射した光のうち、前記第１受光面を介して前記感応膜に入射し反射された光を受光するように配され、前記感応膜の前記屈折率の変化に起因する前記反射光の強度の変化を検出する受光素子とを備えており、
   前記透光性基板の下面は、第３受光面であり、
   前記透光性基板は、前記発光素子から出射した光が、前記第１および第３受光面を介して前記感応膜に入射するように配されている光センサモジュール。

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