JP6938291B2 - Sensors, detectors and detection systems - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、センサ、検出装置及び検出システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to sensors, detection devices and detection systems.
空隙が配置された構造体に電磁波が照射されると、電磁波の反射率又は透過率について空隙の特性に由来する周波数特性が生じる。構造体に物質が付着した場合、反射率又は透過率の周波数特性は、当該物質の存在のため変化する。 When an electromagnetic wave is applied to a structure in which a void is arranged, a frequency characteristic derived from the characteristic of the void is generated with respect to the reflectance or transmittance of the electromagnetic wave. When a substance adheres to the structure, the frequency characteristics of reflectance or transmittance change due to the presence of the substance.
上記の特性を利用して、構造体を有するセンサを用いて所定の物質（被検出物）の有無を検出する技術が知られている。 A technique for detecting the presence or absence of a predetermined substance (object to be detected) by using a sensor having a structure is known by utilizing the above characteristics.
精度よく被検出物を検出することができるセンサ、検出装置及び検出システムを提供する。 Provided are a sensor, a detection device and a detection system capable of accurately detecting an object to be detected.
実施形態によれば、電磁波の反射率又は透過率の変化によって被検出物を検出する検出装置によって前記電磁波を照射されるセンサは、第１の周期構造体と、第２の周期構造体と、基材と、を備える。第１の周期構造体は、反射率又は透過率の周波数特性において第１のピークに寄与する。第２の周期構造体は、反射率又は透過率の周波数特性において第１のピークと異なる第２のピークに寄与する。基材は、前記電磁波の周波数において透過性を有し、前記第１の周期構造体と前記第２の周期構造体とが形成されている。 According to the embodiment, the sensor that is irradiated with the electromagnetic wave by the detection device that detects the object to be detected by the change in the reflectance or the transmittance of the electromagnetic wave includes a first periodic structure, a second periodic structure, and the like. It includes a base material . The first periodic structure contributes to the first peak in the frequency characteristics of reflectance or transmittance. The second periodic structure contributes to a second peak that differs from the first peak in the frequency characteristics of reflectance or transmittance. The base material has transparency at the frequency of the electromagnetic wave, and the first periodic structure and the second periodic structure are formed.
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは適宜、設計変更することができる。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
第１の実施形態に係る検出システムは、たとえば、サンプルに含まれる菌などの有機物（被検出物）を検出する。検出システムは、空隙が設けられた構造体を有する検出センサに対して所定の周波数を有する電磁波を照射し検出センサからの反射波を検出する。検出システムは、サンプルを添加する前の検出センサの反射率とサンプルを添加された後の検出センサの反射率とを測定する。検出システムは、両反射率が一致しない場合に、検出センサ上に被検出物が堆積していると判定する。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. It should be noted that each figure is a schematic view for facilitating the understanding of the embodiment, and the shape, dimensions, ratio, and the like thereof can be appropriately redesigned.
(First Embodiment)
First, the first embodiment will be described.
The detection system according to the first embodiment detects, for example, an organic substance (object to be detected) such as a bacterium contained in a sample. The detection system irradiates a detection sensor having a structure provided with a gap with an electromagnetic wave having a predetermined frequency to detect a reflected wave from the detection sensor. The detection system measures the reflectance of the detection sensor before the sample is added and the reflectance of the detection sensor after the sample is added. The detection system determines that an object to be detected is deposited on the detection sensor when the two reflectances do not match.
図１は、検出システム１の構成例を示す。図１が示すように、検出システム１は、検出装置１０及び制御装置２０（制御部）を備える。検出装置１０と制御装置２０とは、互いに電気的に接続される。
FIG. 1 shows a configuration example of the detection system 1. As shown in FIG. 1, the detection system 1 includes a
図１が示すように、検出装置１０は、光源１１、ミラー１２、検出センサ１３、ステージ１４、駆動部１５、検出器１６及び試料導入部１７などから構成される。なお、検出装置１０は、図２が示すような構成の他に必要に応じた構成をさらに具備したり、検出装置１０から特定の構成が除外されたりしてもよい。
As shown in FIG. 1, the
光源１１は、制御装置２０からの信号に基づいて所定の周波数の電磁波を放射する。光源１１は、複数の周波数の電磁波を放射する。たとえば、光源１１は、第１の周波数を有する電磁波を放射する。また、光源１１は、第１の周波数と異なる第２の周波数を有する電磁波を放射する。光源１１は、各電磁波を異なるタイミングで放射してもよい。また、光源１１は、各電磁波を同時に放射してもよい。
The light source 11 emits an electromagnetic wave having a predetermined frequency based on a signal from the
ミラー１２は、所定の角度で検出装置１０内に設置される。ミラー１２は、光源１１からの電磁波を検出センサ１３に反射する。図１が示す例では、ミラー１２は、光源１１から水平に照射された電磁波を下方に反射する。
The
また、ミラー１２は、検出センサ１３からの反射波を検出器１６に反射する。図１が示す例では、ミラー１２は、検出センサ１３から上方に反射する反射波を水平に反射する。
Further, the
なお、ミラー１２は、光源１１からの電磁波を検出センサ１３に反射するミラーと、検出センサ１３からの反射波を検出器１６に反射するミラーとから構成されてもよい。
The
光源１１とミラー１２とは、第１の周波数を有する電磁波と第２の周波数を有する電磁波とを検出センサ１３に照射する照射部として機能する。
The light source 11 and the
検出センサ１３は、光源１１からの電磁波を所定の反射率で検出器１６に反射する。検出センサ１３は、所定の周波数特性を有する。検出センサ１３は、電磁波の周波数によって反射率が異なる構成を有する。また、菌などの有機物（被検出物）が検出センサ１３の表面に付着すると、検出センサ１３の反射率は、変化する。
検出センサ１３については、後に詳述する。
The
The
ステージ１４は、検出センサ１３を移動可能に保持する。ここでは、ステージ１４は、Ｘ方向（図１の左右方向）、Ｙ方向（図１に対して直交方向）及びＺ方向（図１に対して上下方向）に移動可能である。
The
駆動部１５は、制御装置２０からの信号に従ってステージ１４をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動させる。即ち、駆動部１５は、検出センサ１３をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動させる。たとえば、駆動部１５は、光源１１からの電磁波を検出センサ１３の任意の位置に照射するため、ステージ１４をＸ方向及びＹ方向に移動させる。
The
また、駆動部１５は、電磁波の焦点を検出センサ１３上に合わせるためステージ１４をＺ方向に移動させる。
また、駆動部１５は、ステージ１４をＸ方向に試料導入部１７まで移動させる。
Further, the
Further, the
たとえば、駆動部１５は、モータ及び駆動ベルトなどから構成される。駆動部１５は、モータなどの駆動力で駆動ベルトなど駆動してステージ１４を移動させる。駆動部１５の構成は、特定の構成に限定されるものではない。
For example, the
検出器１６は、検出センサ１３からの反射波を検出する。即ち、検出器１６は、ミラー１２から反射される反射波を検出する。検出器１６は、反射波の強度を検出する。たとえば、検出器１６は、反射波の強度に応じた電力を出力する。検出器１６は、反射波の強度を示すセンサ信号を制御装置２０へ送信する。
The
試料導入部１７は、オペレータが検出センサ１３をステージ１４上にセットする領域である。試料導入部１７は、検出装置１０の外部に検出センサ１３を露出する領域である。オペレータは、ステージ１４を試料導入部１７に搬送させて、ステージ１４に検出センサ１３をセットする。
The sample introduction unit 17 is an area in which the operator sets the
制御装置２０は、検出装置１０を制御する。制御装置２０は、検出装置１０に制御信号を送信し各部を制御する。また、制御装置２０は、検出装置１０の各部から種々の信号を受信する。たとえば、制御装置２０は、検出器１６からセンサ信号を受信する。制御装置２０は、センサ信号に基づいて検出センサ１３上に被検出物があるかを判定する。
The
また、制御装置２０は、駆動部１５を制御して検出センサ１３を所定の位置に移動させる。また、制御装置２０は、光源１１を制御して電磁波を検出センサ１３に照射させる。
Further, the
次に、検出センサ１３について説明する。図２は、検出センサ１３の上面図である。図３は、Ｆ３−Ｆ３の断面図である。
Next, the
図２及び図３が示すように、検出センサ１３は、基材３１及び構造体３２などから構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
基材３１は、たとえば、所定の大きさの矩形に形成される。基材３１は、光源１１が放射する電磁波に対して変化を生じさせない素材から構成されるのが望ましい。即ち、基材３１は、光源１１が照射する電磁波の周波数帯において透過性を有する素材から構成されることが望ましい。たとえば、基材３１は、シリコンウエハなどから構成される。また、基材３１は、ポリエチレンなどの有機材料から構成されてもよい。
The
たとえば、基材の厚さは、１００〜８００μｍの範囲である。たとえば、基材３１の厚さは、５２５μｍである。
基材３１の素材及び外寸は、特定の構成に限定されるものではない。
For example, the thickness of the substrate is in the range of 100 to 800 μm. For example, the thickness of the
The material and outer dimensions of the
構造体３２は、光源１１が照射する電磁波を反射する。構造体３２は、反射率において周波数特性を有する。構造体３２は、光源１１が放射する電磁波の周波数帯において反射性を有する導体であることが望ましい。
The
たとえば、構造体３２は、金又はアルミニウムなどの導電体から形成される。構造体３２は、複数の層を備える構造であってもよい。たとえば、構造体３２は、基材３１との接着層としてクロム又はチタンなどの層を備えてもよい。
たとえば、構造体３２の厚さは、０．１μから５０μｍの範囲である。たとえば、構造体３２の厚さは、０．２μｍである。
For example, the
For example, the thickness of the
構造体３２は、反射率における周波数特性において複数のピークを有する。構造体３２は、ピークに寄与する複数種類の空隙を有する。たとえば、構造体３２は、形状又は大きさが異なる複数種類の空隙を有する。
The
構造体３２は、空隙によって、相補型分割リング共振器を形成する。構造体３２は、空隙によってＬＣＲ回路を形成する。構造体３２は、ＬＣＲ（インダクタンス、コンダクタンス、レジスタンス）回路によって所定の共振周波数において共振特性を有する。
The
構造体３２は、複数種類の空隙によって、特性の異なる複数のＬＣＲ回路（主にインダクタンスが異なるＬＣＲ回路）を形成する。構造体３２は、各ＬＣＲ回路によって、反射率における周波数特性において複数のピークを有する。
The
なお、構造体３２は、空隙の大きさ又は形状を調整することで異なる周波数特性（異なるピーク）を有することができる。
The
ここでは、構造体３２は、第１の領域３３ａ及び第２の領域３３ｂに分割される。第１の領域３３ａは、複数の第１の空隙３４ａを有する。第１の領域３３ａは、周期的に第１の空隙を有する周期構造体（第１の周期構造体）である。第２の領域３３ｂは、複数の第２の空隙３４ｂを有する。第２の領域３３ｂは、周期的に第２の空隙を有する周期構造体（第２の周期構造体）である。
Here, the
第１の空隙３４ａは、環状構造である。第１の空隙３４ａは、環の一部が切断する構造である。即ち、第１の空隙３４ａは、Ｃ字型に形成される。たとえば、第１の空隙３４ａの外寸は、１８μｍである。また、第１の空隙３４ａの幅（隙間の幅）は、３μｍである。
The
たとえば、第１の領域３３ａは、第１の空隙３４ａによって相補型分割リング共振器を形成する。たとえば、第１の領域３３ａは、第１の空隙３４ａによってＬＣＲ共振回路を形成する。たとえば、第１の領域３３ａの反射率は、約１テラヘルツにおいてピークを有する。
For example, the
第２の空隙３４ｂは、環状構造である。第２の空隙３４ｂは、環の一部が切断する構造である。即ち、第２の空隙３４ｂは、第１の空隙３４ａと同様にＣ字型に形成される。たとえば、第２の空隙３４ｂの外寸は、９μｍである。また、第２の空隙３４ｂの幅（隙間の幅）は、３μｍである。
The
たとえば、第２の領域３３ｂは、第２の空隙３４ｂによって相補型分割リング共振器を形成する。たとえば、第２の領域３３ｂは、第２の空隙３４ｂによってＬＣＲ共振回路を形成する。たとえば、第２の領域３３ｂの反射率は、約３テラヘルツにおいてピークを有する。
For example, the
なお、構造体３２が有する空隙の大きさ及び形状は、特定の構成に限定されるものではない。たとえば、構造体３２の空隙は、外寸が０．１μｍ〜１００μｍ、幅（隙間の幅）０．０１〜２０μｍの範囲にあるものであってもよい。また、構造体３２は、異なる形状の空隙を備えてもよい。
The size and shape of the voids of the
次に、検出センサ１３の周波数特性について説明する。
図４は、検出センサ１３の周波数特性の例を示すグラフである。図４において、横軸は、周波数を示す。縦軸は、反射率を示す。
Next, the frequency characteristics of the
FIG. 4 is a graph showing an example of the frequency characteristics of the
まず、被検出物が堆積していない検出センサ１３の周波数特性について説明する。
First, the frequency characteristics of the
図４において、グラフ１０１は、被検出物が堆積していない検出センサ１３の周波数特性を示す。図４が示すように、グラフ１０１は、複数のピークを有する。ここでは、グラフ１０１は、第１のピーク１０１ａ及び第２のピーク１０１ｂを有する。
In FIG. 4,
たとえば、第１のピーク１０１ａは、第１の領域３３ａの第１の空隙３４ａによって生じる。また、第２のピーク１０１ｂは、第２の領域３３ｂの第２の空隙３４ｂによって生じる。
For example, the
次に、被検出物が堆積した検出センサ１３の周波数特性について説明する。
たとえば、被検出物は、磁性ビーズを有する。また、被検出物は、抗体などで検出センサ１３に固定される。
Next, the frequency characteristics of the
For example, the object to be detected has magnetic beads. Further, the object to be detected is fixed to the
検出センサ１３の構造体３２に磁性ビーズを有する被検出物が堆積すると、構造体３２のＬＣＲ回路の特性が変化する。主に、構造体３２のコンダクタンスが被検出物によって変化する。そのため、検出センサ１３が有する共振周波数が変化し、検出センサ１３の周波数特性が変化する。
When an object to be detected having magnetic beads is deposited on the
図４において、グラフ１０２は、被検出物が堆積した検出センサ１３の周波数特性を示す。図４が示すように、グラフ１０２は、グラフ１０１と同様に複数のピークを有する。ここでは、グラフ１０２は、第３のピーク１０２ａ及び第４のピーク１０２ｂを有する。
In FIG. 4,
第３のピーク１０２ａ及び第４のピーク１０２ｂに対応する周波数は、それぞれ第１のピーク１０１ａ及び第２のピーク１０１ｂに対応する周波数とは異なる。図４が示す例では、第３のピーク１０２ａ及び第４のピーク１０２ｂの周波数は、第１のピーク１０１ａ及び第２のピーク１０１ｂの周波数よりも小さい値になる。
The frequencies corresponding to the
実施形態では、制御装置２０は、複数の周波数（たとえば、破線２０１ａが示す第１の周波数及び破線２０１ｂが示す第２の周波数）の電磁波の反射率を測定する。制御装置２０は、各周波数での反射率の変化を検出することで被検出物を検出する。
In the embodiment, the
次に、制御装置２０の動作例について説明する。
まず、制御装置２０は、被検出物が堆積していない検出センサ１３の反射率（リファレンス反射率）を第１の周波数及び第２の周波数で測定する。
Next, an operation example of the
First, the
たとえば、制御装置２０は、駆動部１５を用いてステージ１４を試料導入部１７に移動する。ステージ１４を試料導入部１７に移動すると、制御装置２０は、オペレータに検出センサ１３をステージ１４上にセットすることを促す。たとえば、制御装置２０は、表示部などに検出センサ１３をセットすることを促すメッセージなどを表示してもよい。
For example, the
ステージ１４上に検出センサ１３がセットされると、制御装置２０は、駆動部１５を用いてステージ１４及び検出センサ１３をミラー１２の下部に移動する。ステージ１４及び検出センサ１３をミラー１２の下部に移動すると、制御装置２０は、光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射する。
When the
第１の周波数は、検出センサ１３の反射率の第１のピーク１０１ａの周波数に対応する周波数である。たとえば、第１の周波数は、第１のピーク１０１ａの周波数の近傍の周波数である。たとえば、第１の周波数は、反射率が所定の閾値を下回る周波数領域から選択されるものであってもよい。ここでは、制御装置２０は、第１の周波数として破線２０１ａが示す周波数の電磁波を検出センサ１３に照射する。
The first frequency is a frequency corresponding to the frequency of the
光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３からの反射波の強度を取得する。反射波の強度を取得すると、制御装置２０は、反射波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第１の周波数における反射率（第１のリファレンス反射率）を算出する。
When the
第１の周波数における反射率を算出すると、制御装置２０は、光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射する。
When the reflectance at the first frequency is calculated, the
第２の周波数は、第１の周波数とは異なる。第２の周波数は、検出センサ１３の反射率の第２のピーク１０１ｂの周波数に対応する周波数である。たとえば、第２の周波数は、第２のピーク１０１ｂの周波数の近傍の周波数である。たとえば、第２の周波数は、反射率が所定の閾値を下回る周波数領域から選択されるものであってもよい。ここでは、制御装置２０は、第２の周波数として破線２０１ｂが示す周波数の電磁波を検出センサ１３に照射する。
The second frequency is different from the first frequency. The second frequency is a frequency corresponding to the frequency of the
光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３からの反射波の強度を取得する。反射波の強度を取得すると、制御装置２０は、反射波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第２の周波数における反射率（第２のリファレンス反射率）を算出する。
When the
また、リファレンス反射率を測定すると、制御装置２０は、同様に、サンプルを添加することで被検出物が堆積した可能性のある検出センサ１３の反射率（検出反射率）を第１の周波数及び第２の周波数で測定する。
Further, when the reference reflectance is measured, the
たとえば、制御装置２０は、駆動部１５を用いてステージ１４及び検出センサ１３を試料導入部１７に移動する。ステージ１４及び検出センサ１３を試料導入部１７に移動すると、制御装置２０は、オペレータに被検出物が堆積した可能性のある検出センサ１３をステージ１４上にセットすることを促す。即ち、制御装置２０は、検出センサ１３を取り出して試料を堆積させてステージ１４上に再度セットすることを促す。たとえば、制御装置２０は、表示部などに試料を堆積した検出センサ１３をセットすることを促すメッセージなどを表示してもよい。
For example, the
ステージ１４上に検出センサ１３がセットされると、制御装置２０は、駆動部１５を用いてステージ１４及び検出センサ１３をミラー１２の下部に移動する。ステージ１４及び検出センサ１３をミラー１２の下部に移動すると、制御装置２０は、光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射する。
When the
光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３からの反射波の強度を取得する。反射波の強度を取得すると、制御装置２０は、反射波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第１の周波数における反射率（第１の検出反射率）を算出する。
When the
第１の周波数における反射率を算出すると、制御装置２０は、光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射する。
When the reflectance at the first frequency is calculated, the
光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３からの反射波の強度を取得する。反射波の強度を取得すると、制御装置２０は、反射波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第２の周波数における反射率（第２の検出反射率）を算出する。
When the
また、検出反射率を測定すると、制御装置２０は、測定されたリファレンス反射率及び検出反射率に基づいて検出センサ１３に被検出物があるか判定する。
Further, when the detected reflectance is measured, the
たとえば、制御装置２０は、第１のリファレンス反射率と第１の検出反射率とが一致するか判定する。制御装置２０は、第１のリファレンス反射率と第１の検出反射率との差異が所定の閾値以下であれば、両者が一致すると判定してもよい。
For example, the
第１のリファレンス反射率と第１の検出反射率とが一致するか判定すると、制御装置２０は、第２のリファレンス反射率と第２の検出反射率とが一致するか判定する。同様に、制御装置２０は、第２のリファレンス反射率と第２の検出反射率との差異が所定の閾値以下であれば、両者が一致すると判定してもよい。
When it is determined whether the first reference reflectance and the first detected reflectance match, the
制御装置２０は、第１の周波数又は第２の周波数の少なくとも１つにおいてリファレンス反射率と検出反射率とが一致しない場合に、被検出物を検出したと判定する。即ち、制御装置２０は、第１のリファレンス反射率と第１の検出反射率とが一致しない場合又は第２のリファレンス反射率と第２の検出反射率とが一致しない場合、被検出物を検出したと判定する。
The
他方、制御装置２０は、第１の周波数及び第２の周波数においてリファレンス反射率と検出反射率とが一致する場合に、被検出物がないと判定する。即ち、制御装置２０は、第１のリファレンス反射率と第１の検出反射率とが一致し第２のリファレンス反射率と第２の検出反射率とが一致する場合、被検出物がないと判定する。
On the other hand, the
図４において、破線２０１ａは、第１の周波数を示す。破線２０１ｂは、第２の周波数を示す。図４が示す例では、グラフ１０１における第１の周波数の電磁波の反射率は、グラフ１０２におけるそれと同一である。即ち、第１の周波数では、検出センサ１３に被検出物が付与されても、検出センサ１３の反射率は変化しない。
In FIG. 4, the
また、図４が示す例では、グラフ１０１における第２の周波数の電磁波の反射率は、グラフ１０２におけるそれと異なる。即ち、第２の周波数では、検出センサ１３に被検出物が付与されると、検出センサ１３の反射率が変化する。
Further, in the example shown in FIG. 4, the reflectance of the electromagnetic wave of the second frequency in the
制御装置２０は、第２の周波数において変化が生じているため第２のリファレンス反射率と第２の検出反射率とが一致しないと判定する。その結果、制御装置２０は、検出センサ１３上に被検出物を検出したと判定する。
The
制御装置２０は、検出結果を表示部などに表示してもよい。制御装置２０は、検出結果を外部装置へ送信してもよい。
The
なお、構造体３２は、３つ以上の異なる大きさの空隙を備えてもよい。この場合、検出センサ１３の周波数特性のグラフは、３つのピークを有する。制御装置２０は、各ピークに対応する周波数の電磁波のリファレンス反射率と検出反射率とを測定する。制御装置２０は、少なくとも１つの周波数においてリファレンス反射率と検出反射率とが一致しない場合に被検出物を検出したと判定する。
The
また、構造体３２は、第１の空隙３４ａを有する第１の領域３３ａと第２の空隙３４ｂを有する第２の領域３３ｂとを交互に備えてもよい。また、構造体３２は、第１の領域３３ａと第２の領域３３ｂとをモザイク状に備えてもよい。また、構造体３２は、第１の領域３３ａの周囲に第２の領域３３ｂを備えてもよい。また、構造体３２は、第２の領域３３ｂの周囲に第１の領域３３ａを備えてもよい。また、構造体３２は、第１の空隙３４ａ及び３４ｂを交互に隣接して備えてもよい。
Further, the
また、構造体３２は、格子状に形成される導電体であってもよい。たとえば、構造体３２は、第１の領域３３ａ及び第２の領域３３ｂにそれぞれ異なる大きさ又は形状の格子を備えてもよい。
また、検出センサ１３は、基材３１を有しなくともよい。
Further, the
Further, the
以上のように構成された検出システムは、反射率のピークを複数有する検出センサに対して複数の周波数の電磁波を照射して反射率を測定する。そのため、検出システムは、被測定物が堆積していない検出センサと被測定物が堆積した検出センサとの反射率を複数の周波数の電磁波で測定することができる。 The detection system configured as described above measures the reflectance by irradiating a detection sensor having a plurality of reflectance peaks with electromagnetic waves having a plurality of frequencies. Therefore, the detection system can measure the reflectance of the detection sensor on which the object to be measured is not deposited and the detection sensor on which the object to be measured is deposited by electromagnetic waves having a plurality of frequencies.
たとえば、第１の周波数でのみ反射率の変化を検出する場合、図４が示す例では、検出システムは、被検出物によって検出センサ１３の周波数特性が変化したにも関わらず、反射率の変化を検出できない。その結果、検出システムは、適切に被検出物を検出することができない。
For example, when detecting a change in reflectance only at the first frequency, in the example shown in FIG. 4, the detection system changes the reflectance even though the frequency characteristic of the
他方、実施形態に係る検出システムは、第１及び第２の周波数の電磁波で反射率の変化を検出する。その結果、検出システムは、どちらかに変化が生じれば被検出物を検出することができる。従って、検出システムは、より精度よく被検出物を検出することができる。 On the other hand, the detection system according to the embodiment detects a change in reflectance with electromagnetic waves of the first and second frequencies. As a result, the detection system can detect the object to be detected if either of them changes. Therefore, the detection system can detect the object to be detected more accurately.
また、第１の周波数でのみ反射率の変化を検出する場合であっても、第１の周波数とピークの位置とが一致すれば、検出システムは、反射率の変化を検出することができる。しかしながら、検出センサの製造誤差などによって生じる個体差などによって第１の周波数とピークの位置とを完全に一致させることは、困難である。 Further, even when the change in reflectance is detected only at the first frequency, the detection system can detect the change in reflectance if the first frequency and the position of the peak match. However, it is difficult to completely match the first frequency with the peak position due to individual differences caused by manufacturing errors of the detection sensor or the like.
第１及び第２の周波数の電磁波で反射率の変化を検出することで、検出システムは、電磁波の周波数とピークの位置とを一致させなくとも、精度よく被検出物を検出することができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る検出システムは、検出センサの透過率を測定する点で第１の実施形態に係る検出システム１と異なる。従って、他の点については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
By detecting the change in reflectance with the electromagnetic waves of the first and second frequencies, the detection system can accurately detect the object to be detected without matching the frequency of the electromagnetic waves with the position of the peak.
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described.
The detection system according to the second embodiment is different from the detection system 1 according to the first embodiment in that the transmittance of the detection sensor is measured. Therefore, the other points are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
第２の実施形態に係る検出システムは、検出装置及び制御装置２０を備える。
The detection system according to the second embodiment includes a detection device and a
第２の実施形態に係る検出装置は、光源１１、検出センサ１３’及び検出器１６を備える。
The detection device according to the second embodiment includes a light source 11, a detection sensor 13', and a
検出センサ１３’は、光源１１と検出器１６との間に垂直に設置される。
The detection sensor 13'is installed vertically between the light source 11 and the
光源１１は、検出センサ１３’に対して電磁波を照射する。
検出器１６は、検出センサ１３’を透過した電磁波の強度を検出する。
The light source 11 irradiates the detection sensor 13'with an electromagnetic wave.
The
次に、検出センサ１３’について説明する。図５は、検出センサ１３’の上面図である。図６は、Ｆ６−Ｆ６の断面図である。 Next, the detection sensor 13'will be described. FIG. 5 is a top view of the detection sensor 13'. FIG. 6 is a cross-sectional view of F6-F6.
図５及び図５が示すように、検出センサ１３’は、基材３１及び構造体４２などから構成される。
As shown in FIGS. 5 and 5, the detection sensor 13'is composed of a
構造体４２は、透過率における周波数特性において複数のピークを有する。構造体４２は、ピークに寄与する複数種類の構造体から構成される。たとえば、構造体４２は、形状又は大きさが異なる複数種類の構造体から構成される。
The
構造体４２は、分割リング共振器を形成する。構造体４２は、複数種類の構造体によってＬＣＲ回路を形成する。構造体４２は、ＬＣＲ（インダクタンス、コンダクタンス、レジスタンス）回路によって所定の共振周波数において共振特性を有する。
The
構造体４２は、複数種類の構造体によって、特性の異なる複数のＬＣＲ回路（主にインダクタンスが異なるＬＣＲ回路）を形成する。構造体４２は、各ＬＣＲ回路によって、透過率における周波数特性において複数のピークを有する。
The
なお、構造体４２は、自身を構成する構造体の大きさ又は形状を調整することで異なる周波数特性（異なるピーク）を有することができる。
The
ここでは、構造体４２は、第３の領域４３ａ及び第４の領域４３ｂに分割される。第３の領域４３ａは、複数の第１の構造体４２ａから構成される。第３の領域４３ａは、周期的に配置される第１の構造体４２ａを有する周期構造体（第１の周期構造体）である。第４の領域４３ｂは、複数の第２の構造体４２ｂから構成される。第４の領域４３ｂは、周期的に配置される第２の構造体４２ｂを有する周期構造体（第１の周期構造体）をである。
Here, the
第１の構造体４２ａは、環状構造である。第１の構造体４２ａは、環の一部が切断する構造である。即ち、第１の構造体４２ａは、Ｃ字型に形成される。たとえば、第１の構造体４２ａの外寸は、１８μｍである。また、第１の構造体４２ａの幅（環の幅）は、３μｍである。第１の構造体４２ａは、第１の空隙３４ａと同一の形状及び大きさであってもよい。
The
たとえば、第３の領域４３ａは、複数の第１の構造体４２ａによって分割リング共振器を形成する。たとえば、第３の領域４３ａは、複数の第１の構造体４２ａによってＬＣＲ共振回路を形成する。
For example, the
第２の構造体４２ｂは、環状構造である。第２の構造体４２ｂは、環の一部が切断する構造である。即ち、第２の構造体４２ｂは、第１の構造体４２ａと同様にＣ字型に形成される。たとえば、第２の構造体４２ｂの外寸は、９μｍである。また、第２の構造体４２ｂの幅（環の幅）は、３μｍである。第２の構造体４２ｂは、第２の空隙３４ｂと同一の形状及び大きさであってもよい。
The
たとえば、第４の領域４３ｂは、複数の第２の構造体４２ｂによって分割リング共振器を形成する。たとえば、第４の領域４３ｂは、複数の第２の構造体４２ｂによってＬＣＲ共振回路を形成する。
For example, in the
なお、構造体４２の形状及び大きさは、特定の構成に限定されるものではない。
また、構造体４２は、３つ以上の異なる大きさの構造体から構成されてもよい。
The shape and size of the
Further, the
次に、制御装置２０の動作例について説明する。
まず、制御装置２０は、被検出物が堆積していない検出センサ１３’の透過率（リファレンス透過率）を第１の周波数及び第２の周波数で測定する。
Next, an operation example of the
First, the
たとえば、制御装置２０は、光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射する。光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３’からの透過波の強度を取得する。透過波の強度を取得すると、制御装置２０は、透過波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第１の周波数における透過率（第１のリファレンス透過率）を算出する。
For example, the
第１の周波数における透過率を算出すると、制御装置２０は、光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射する。光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３’からの透過波の強度を取得する。透過波の強度を取得すると、制御装置２０は、透過波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第２の周波数における透過率（第２のリファレンス透過率）を算出する。
When the transmittance at the first frequency is calculated, the
また、リファレンス透過率を測定すると、制御装置２０は、同様に、被検出物が堆積した可能性のある検出センサ１３’の透過率（検出透過率）を第１の周波数及び第２の周波数で測定する。
Further, when the reference transmittance is measured, the
制御装置２０は、光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射する。光源１１を用いて第１の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３’からの透過波の強度を取得する。透過波の強度を取得すると、制御装置２０は、透過波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第１の周波数における透過率（第１の検出透過率）を算出する。
The
第１の周波数における透過率を算出すると、制御装置２０は、光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射する。
When the transmittance at the first frequency is calculated, the
光源１１を用いて第２の周波数の電磁波を検出センサ１３’に照射すると、制御装置２０は、検出器１６を用いて検出センサ１３’からの透過波の強度を取得する。透過波の強度を取得すると、制御装置２０は、透過波の強度と光源１１が照射する電磁波の強度となどから第２の周波数における透過率（第２の検出透過率）を算出する。
When the detection sensor 13'is irradiated with an electromagnetic wave of a second frequency using the light source 11, the
また、検出透過率を測定すると、制御装置２０は、測定されたリファレンス透過率及び検出透過率に基づいて検出センサ１３に被検出物があるか判定する。
Further, when the detected transmittance is measured, the
たとえば、制御装置２０は、第１のリファレンス透過率と第１の検出透過率とが一致するか判定する。制御装置２０は、第１のリファレンス透過率と第１の検出透過率との差異が所定の閾値以下であれば、両者が一致すると判定してもよい。
For example, the
第１のリファレンス透過率と第１の検出透過率とが一致するか判定すると、制御装置２０は、第２のリファレンス透過率と第２の検出透過率とが一致するか判定する。同様に、制御装置２０は、第２のリファレンス透過率と第２の検出透過率との差異が所定の閾値以下であれば、両者が一致すると判定してもよい。
When it is determined whether the first reference transmittance and the first detected transmittance match, the
制御装置２０は、第１の周波数又は第２の周波数の少なくとも１つにおいてリファレンス透過率と検出透過率とが一致しない場合に、被検出物を検出したと判定する。即ち、制御装置２０は、第１のリファレンス透過率と第１の検出透過率とが一致しない場合又は第２のリファレンス透過率と第２の検出透過率とが一致しない場合、被検出物を検出したと判定する。
The
他方、制御装置２０は、第１の周波数及び第２の周波数においてリファレンス透過率と検出透過率とが一致する場合に、被検出物がないと判定する。即ち、制御装置２０は、第１のリファレンス透過率と第１の検出透過率とが一致し第２のリファレンス透過率と第２の検出透過率とが一致する場合、被検出物がないと判定する。
On the other hand, the
以上のように構成された検出センサにおいて、電磁波を反射する構造体の領域は、第１の実施形態に係る検出センサのそれよりも小さい。その結果、検出センサを透過する電磁波は、増加する。そのため、制御装置は、検出センサの透過率を容易に測定することができる。 In the detection sensor configured as described above, the region of the structure that reflects electromagnetic waves is smaller than that of the detection sensor according to the first embodiment. As a result, the electromagnetic waves transmitted through the detection sensor increase. Therefore, the control device can easily measure the transmittance of the detection sensor.
なお、第１の実施形態に係る検出システムは、検出センサ１３の代わりに検出センサ１３’を用いてもよい。
また、第２の実施形態に係る検出システムは、検出センサ１３’の代わりに検出センサ１３を用いてもよい。
The detection system according to the first embodiment may use the detection sensor 13'instead of the
Further, the detection system according to the second embodiment may use the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に本件出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
電磁波の反射率又は透過率の変化によって被検出物を検出する検出装置によって前記電磁波を照射されるセンサであって、
反射率又は透過率の周波数特性において第１のピークに寄与する第１の周期構造体と、 反射率又は透過率の周波数特性において第１のピークと異なる第２のピークに寄与する第２の周期構造体と、
を有するセンサ。
［Ｃ２］
前記第１の周期構造体は、第１の空隙を周期的に有する導電体を含み、
前記第２の周期構造体は、第１の空隙と大きさが異なる第２の空隙を周期的に有する導電体を含む、
Ｃ１に記載のセンサ。
［Ｃ３］
前記第１の周期構造体は、周期的に配置され、導電体で形成されるＣ字型の第１の構造体を有し、
前記第２の周期構造体は、周期的に配置され、前記第１の構造体と大きさが異なる導電体で形成されるＣ字型の第２の構造体を有する、
Ｃ１に記載のセンサ。
［Ｃ４］
Ｃ１乃至３の何れか１つに記載のセンサを用いる検出装置であって、
前記第１のピークに対応する第１の周波数の電磁波と前記第２のピークに対応する第２の周波数の電磁波とを前記センサに照射する照射部と、
前記センサからの前記第１の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度と前記第２の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度とを検出する検出器と、
を備える検出装置。
［Ｃ５］
Ｃ４に記載の検出装置と、
前記検出器から前記第１の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度を取得し、
前記強度に基づいて前記第１の周波数における反射率又は透過率を算出し、
前記検出器から前記第２の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度を取得し、
前記強度に基づいて前記第２の周波数における反射率又は透過率を算出し、
前記第１の周波数又は前記第２の周波数の何れか１つにおける反射率又は透過率が変化した場合に、前記被検出物を検出したと判定する、
制御部と、
を備える検出システム。
Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
The inventions described in the claims at the time of filing the present application are described below.
[C1]
A sensor in which the electromagnetic wave is irradiated by a detection device that detects an object to be detected by a change in the reflectance or transmittance of the electromagnetic wave.
A first periodic structure that contributes to the first peak in the frequency characteristics of reflectance or transmittance, and a second period that contributes to a second peak that is different from the first peak in the frequency characteristics of reflectance or transmittance. Structure and
Sensor with.
[C2]
The first periodic structure includes a conductor having a first void periodically.
The second periodic structure includes a conductor that periodically has a second void having a size different from that of the first void.
The sensor according to C1.
[C3]
The first periodic structure has a C-shaped first structure that is periodically arranged and formed of a conductor.
The second periodic structure has a C-shaped second structure that is periodically arranged and is formed of a conductor having a size different from that of the first structure.
The sensor according to C1.
[C4]
A detection device using the sensor according to any one of C1 to 3.
An irradiation unit that irradiates the sensor with an electromagnetic wave having a first frequency corresponding to the first peak and an electromagnetic wave having a second frequency corresponding to the second peak.
A detector that detects the intensity of the reflected wave or transmitted wave of the electromagnetic wave of the first frequency from the sensor and the intensity of the reflected wave or transmitted wave of the electromagnetic wave of the second frequency.
A detection device comprising.
[C5]
The detection device described in C4 and
The intensity of the reflected wave or the transmitted wave of the electromagnetic wave of the first frequency is acquired from the detector, and the intensity is obtained.
The reflectance or transmittance at the first frequency is calculated based on the intensity.
Obtaining the intensity of the reflected wave or transmitted wave of the electromagnetic wave of the second frequency from the detector,
The reflectance or transmittance at the second frequency is calculated based on the intensity.
When the reflectance or transmittance at any one of the first frequency and the second frequency changes, it is determined that the object to be detected has been detected.
Control unit and
Detection system with.
１及び１’…検出システム、１０及び１０’ …検出装置、１１…光源、１２…ミラー、１３及び１３’…検出センサ、１４…ステージ、１５…駆動部、１６…検出器、１７…試料導入部、２０…制御装置、３１…基材、３２…構造体、３３ａ…第１の領域、３３ｂ…第２の領域、３４ａ…第１の空隙、３４ｂ…第２の空隙、４２…構造体、４２ａ…第１の構造体、４２ｂ…第２の構造体、４３ａ…第３の領域、４３ｂ…第４の領域。 1 and 1'... detection system, 10 and 10'... detection device, 11 ... light source, 12 ... mirror, 13 and 13'... detection sensor, 14 ... stage, 15 ... drive unit, 16 ... detector, 17 ... sample introduction Unit, 20 ... control device, 31 ... base material, 32 ... structure, 33a ... first region, 33b ... second region, 34a ... first void, 34b ... second void, 42 ... structure, 42a ... 1st structure, 42b ... 2nd structure, 43a ... 3rd region, 43b ... 4th region.
Claims (5)
反射率又は透過率の周波数特性において第１のピークに寄与する第１の周期構造体と、
反射率又は透過率の周波数特性において第１のピークと異なる第２のピークに寄与する第２の周期構造体と、
前記電磁波の周波数において透過性を有し、前記第１の周期構造体と前記第２の周期構造体とが形成されている基材と、
を有するセンサ。 A sensor in which the electromagnetic wave is irradiated by a detection device that detects an object to be detected by a change in the reflectance or transmittance of the electromagnetic wave.
A first periodic structure that contributes to the first peak in the frequency characteristics of reflectance or transmittance, and
A second periodic structure that contributes to a second peak that differs from the first peak in the frequency characteristics of reflectance or transmittance.
A substrate having transparency at the frequency of the electromagnetic wave and forming the first periodic structure and the second periodic structure.
Sensor with.
前記第２の周期構造体は、第１の空隙と大きさが異なる第２の空隙を周期的に有する導電体を含む、
請求項１に記載のセンサ。 The first periodic structure includes a conductor having a first void periodically.
The second periodic structure includes a conductor that periodically has a second void having a size different from that of the first void.
The sensor according to claim 1.
前記第２の周期構造体は、周期的に配置され、前記第１の構造体と大きさが異なる導電体で形成されるＣ字型の第２の構造体を有する、
請求項１に記載のセンサ。 The first periodic structure has a C-shaped first structure that is periodically arranged and formed of a conductor.
The second periodic structure has a C-shaped second structure that is periodically arranged and is formed of a conductor having a size different from that of the first structure.
The sensor according to claim 1.
前記第１のピークに対応する第１の周波数の電磁波と前記第２のピークに対応する第２の周波数の電磁波とを前記センサに照射する照射部と、
前記センサからの前記第１の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度と前記第２の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度とを検出する検出器と、
を備える検出装置。 A detection device using the sensor according to any one of claims 1 to 3.
An irradiation unit that irradiates the sensor with an electromagnetic wave having a first frequency corresponding to the first peak and an electromagnetic wave having a second frequency corresponding to the second peak.
A detector that detects the intensity of the reflected wave or transmitted wave of the electromagnetic wave of the first frequency from the sensor and the intensity of the reflected wave or transmitted wave of the electromagnetic wave of the second frequency.
A detection device comprising.
前記検出器から前記第１の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度を取得し、
前記強度に基づいて前記第１の周波数における反射率又は透過率を算出し、
前記検出器から前記第２の周波数の電磁波の反射波又は透過波の強度を取得し、
前記強度に基づいて前記第２の周波数における反射率又は透過率を算出し、
前記第１の周波数又は前記第２の周波数の何れか１つにおける反射率又は透過率が変化した場合に、前記被検出物を検出したと判定する、
制御部と、
を備える検出システム。 The detection device according to claim 4 and
The intensity of the reflected wave or the transmitted wave of the electromagnetic wave of the first frequency is acquired from the detector, and the intensity is obtained.
The reflectance or transmittance at the first frequency is calculated based on the intensity.
Obtaining the intensity of the reflected wave or transmitted wave of the electromagnetic wave of the second frequency from the detector,
The reflectance or transmittance at the second frequency is calculated based on the intensity.
When the reflectance or transmittance at any one of the first frequency and the second frequency changes, it is determined that the object to be detected has been detected.
Control unit and
Detection system with.
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