JP7170954B1 - 微粒子計測センサ - Google Patents

Abstract

本開示技術に係る微粒子計測センサは、シリコン化合物で作られ、土台となる土台チップ（１０１）と、土台チップ（１０１）の上面に形成され、プローブ光（ＬＩ）を出射する第１光源（１０２）と、土台チップ（１０１）の上面に形成され、プローブ光（ＬＩ）を搬送するシリコン化合物で作られる第１入力側シリコン導波路（１０３）と、土台チップ（１０１）の上面に形成され、プローブ光（ＬＩ）を注目領域（Ａ）に集光する第１光学素子（１０４）と、複数の光学素子を有し、光学素子が土台チップ（１０１）の上面にアレイ状に配置され、光学素子が注目領域（Ａ）に在る微粒子（Ｐ）がプローブ光を散乱して生じるまたは前記微粒子の発光により生じる注目光（ＬＯ）を受光する受光部（１０９－Ａ）と、土台チップ（１０１）の上面に形成され、受光部（１０９－Ａ）の光学素子のそれぞれにより受光した注目光（ＬＯ）を搬送するシリコン化合物で作られる出力側シリコン導波路（１１０）と、土台チップ（１０１）の上面に形成され、注目光（ＬＯ）の強度を計測する光学センサ（１１１）と、を備える。

Description

本開示技術は微粒子計測センサに関する。

微粒子計測センサは、微粒子計測器（「微粒子計数測定器」又は「パーティクルカウンタ」とも称される）に用いられるセンサである。微粒子計測器は、空気中、液体中などに含まれる不純物である微粒子を計数する測定器である。

例えば、特許文献１には、ミクロン単位の微粒子、例えば生物起源微粒子、ラテックス、粉塵の如き人工的微粒子、その内特に医療上の臨床検査の対象となる赤血球、白血球、血小板等の微粒子の単位体積当りの個数を光学・電気的に計測する映像式微粒子計数装置が開示されている。
特許文献１に係る映像式微粒子計数装置は、測定すべき微粒子を含む希釈試料片に光を透過せしめるとともに、その映像を拡大する光学系と、光学系による拡大映像が照射されて、各画素から、希釈試料片に含まれる測定すべき微粒子並びに異物微粒子それぞれに固有の光透過量に対応する電圧信号を出力する画像センサと、画像センサの各画素から出力される各電圧信号を増幅ビデオ信号に変換する駆動回路と、駆動回路から出力されるビデオ信号の電圧が、測定すべき微粒子固有の光透過量に対応する予め設定した基準電圧範囲に存在する場合にこれを微粒子検出信号として出力する判別回路と、判別回路より出力された１又は２以上の微粒子検出信号に基づいて測定すべき微粒子の個数を計数する計数回路を備える。
特許文献１には、映像式微粒子計数装置に用いる画像センサとして、ラインセンサ又はエリアセンサが好適である、と記載されている。

特開昭５７－００４５３８号公報

特許文献１に記載の微粒子計測器は、ラインセンサ又はエリアセンサの部分が本体とは独立した個別の処理回路により構成されるため、小型の微粒子計測センサを提供することができないという課題があった。

本開示技術は上記課題に鑑み、ワンチップサイズの微粒子計測センサを提供することを目的とする。

本開示技術に係る微粒子計測センサは、シリコンを主成分とする材料（以下、「シリコン化合物」と称する）で作られ、土台となる土台チップと、土台チップの上面に形成され、プローブ光を出射する第１光源と、土台チップの上面に形成され、プローブ光を搬送するシリコン化合物で作られる第１入力側シリコン導波路と、土台チップの上面に形成され、プローブ光を注目領域に集光する第１光学素子と、複数の光学素子を有し、光学素子が土台チップの上面にアレイ状に配置され、光学素子が注目領域に在る微粒子がプローブ光を散乱して生じるまたは前記微粒子の発光により生じる注目光を受光する受光部と、土台チップの上面に形成され、受光部の光学素子のそれぞれにより受光した注目光を搬送するシリコン化合物で作られる出力側シリコン導波路と、土台チップの上面に形成され、注目光の強度を計測する光学センサと、を備える。

本開示技術に係る微粒子計測センサは上記構成を備えるため、単一デバイスとしてワンチップサイズで小型の微粒子計測センサを提供することができる。

図１は、実施の形態１に係る微粒子計測センサの外形及び構成要素を示す斜視図である。 図２は、実施の形態１に係る微粒子計測センサにおいて、受光部１０９のパターン例を示すパターン図である。 図３は、実施の形態２に係る微粒子計測センサの外形及び構成要素を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る微粒子計測センサの外形及び構成要素を示す斜視図である。図１に示されるとおり、微粒子計測センサを構成する各要素は、土台チップ１０１の上に実現される。図１に示されるとおり微粒子計測センサは、土台チップ１０１と、第１光源１０２と、第１入力側シリコン導波路１０３と、第１光学素子１０４と、受光部１０９と、出力側シリコン導波路１１０と、光学センサ１１１と、を含む。

《土台チップ１０１》
土台チップ１０１は、微粒子計測センサの土台となる構成要素である。土台チップ１０１は、シリコンフォトニクスの技術分野において用いられるチップであり、例えば、シリコンウエハ上に形成されるシリコンチップである。
土台チップ１０１を土台として土台チップ１０１上面に形成される各構成要素（詳細は後述により明らかとなる第１入力側シリコン導波路１０３、第１光学素子１０４、受光部１０９、及び出力側シリコン導波路１１０）は、原則的に、材質がシリコンである。ただし、第１光学素子１０４及び受光部１０９は、装置の構成によっては、材質が合成石英又はポリマーとなることがある。

《第１光源１０２》
第１光源１０２は、プローブ光（ＬＩ）を出射する構成要素である。プローブ光（ＬＩ）を表す記号のＬＩは、光を意味する英語のＬｉｇｈｔと、入力を意味する英語のＩｎｐｕｔと、それぞれの頭文字を由来とする。
第１光源１０２は、具体的には、レーザ又は発光ダイオードにより実現される。第１光源１０２が出射する光は、シリコンを透過するように設計される。第１光源１０２が出射するプローブ光（ＬＩ）は、シリコンを透過する性質を有する波長が１～１５［μｍ］の赤外光であり、典型的には波長が１．５５［μｍ］の近赤外光である。

《第１入力側シリコン導波路１０３》
第１入力側シリコン導波路１０３は、第１光源１０２から発せられたプローブ光（ＬＩ）を第１光学素子１０４へと導き搬送する構成要素である。すなわち、第１入力側シリコン導波路１０３は、光導波路である。なお、光導波路は、光ファイバを包摂する概念として用いられる用語である。
図１に示されるとおり、第１入力側シリコン導波路１０３の一端（図１においては左側端）は、第１光源１０２と接続されている。また第１入力側シリコン導波路１０３の他端（図１においては右側端）は、第１光学素子１０４と接続されている。

《第１光学素子１０４》
第１光学素子１０４は、第１入力側シリコン導波路１０３により搬送されたプローブ光（ＬＩ）に対して、図１に示される注目領域（Ａ）に焦点が合うように設計される、集光光学素子である。要すれば、第１光学素子１０４は、プローブ光（ＬＩ）を注目領域（Ａ）に集光する。注目領域（Ａ）を表す記号のＡは、注目領域の英語名称であるＡｒｅａｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔの頭文字を由来とする。第１光学素子１０４は、例えば、球面レンズ、フレネルレンズ、回折格子、及びメタサーフェス、によって実現される。第１光学素子１０４は、平面的のものでも立体的なものでも、いずれでもよい。

《受光部１０９》
受光部１０９は、注目領域（Ａ）に在る微粒子（Ｐ）から発せられる蛍光及び散乱光（以降、「注目光（ＬＯ）」と称する）を受光するための構成要素である。微粒子を表す記号のＰは、粒子を意味する英語のＰａｒｔｉｃｌｅの頭文字を由来とする。注目光を表す記号のＬＯは、光を意味する英語のＬｉｇｈｔと、出力を意味する英語のＯｕｔｐｕｔと、それぞれの頭文字を由来とする。
受光部１０９は、図１に示されるように、アレイ状に配置されてよい。アレイ状に配置された受光部１０９は、「受光部１０９－Ａ」のように符号に「－Ａ」を付して表すものとする。符号に付された「－Ａ」の部分は、アレイの英語名称であるＡｒｒａｙの頭文字を由来とする。受光部１０９－Ａは、全体として、注目領域（Ａ）に焦点を持つように配置される。
受光部１０９は、回折格子やメタサーフェスなどの表面微細加工により形成される平面的のものでもレンズやＧＲＩＮレンズなどを固定することにより形成される立体的なものでも、いずれでもよい。受光部１０９は、平面的又は立体的な外形の光学素子から構成されてよい。

図２は、実施の形態１に係る微粒子計測センサにおいて、受光部１０９－Ａのパターン例を示すパターン図である。図２に示されるとおり、受光部１０９－Ａのパターンには、四角形の要素を２次元に配列した受光部１０９－Ｑ（「－Ｑ」は、四角形の英語名称であるＱｕａｄｒａｎｇｌｅの頭文字を由来とする）、放射状に要素を配列した受光部１０９－Ｒ（「－Ｒ」は、放射状の英語名称であるＲａｄｉａｌの頭文字を由来とする）、又は長方形の要素を１次元的に配列した受光部１０９－１Ｄ（「－１Ｄ」は、１次元の英語名称である１－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎの頭文字を由来とする）、等が考えられる。なお、図１に示された受光部１０９－Ａのパターンは、受光部１０９－Ｑのパターンである。

受光部１０９は、典型的には、全体として横及び縦がそれぞれ数［μｍ］から数百［μｍ］のオーダのサイズであり、分割数（すなわち要素数）が、１００程度以上である。
受光部１０９は、計測する散乱角度範囲が、典型的には、１００［ｄｅｇ］以上の広範囲となるように配置される。ここで散乱角度範囲とは、或るプローブ光（ＬＩ）に対するそのときの注目光（ＬＯ）がなす角度を散乱角度としたときに、散乱角度が取り得る範囲の幅（最大散乱角度－最小散乱角度）を意味する。
受光部１０９の形状、サイズ、及び分割数、等の仕様は、計測する微粒子（Ｐ）のサイズ及び測定精度といった微粒子計測センサの要求仕様により、適宜、設計される。

《出力側シリコン導波路１１０》
出力側シリコン導波路１１０は、受光部１０９により受光した注目光（ＬＯ）を、光学センサ１１１へ導き搬送する構成要素である。出力側シリコン導波路１１０は、第１入力側シリコン導波路１０３と同様、光導波路である。
なお、図１では厳密に示されていないが、出力側シリコン導波路１１０は、受光部１０９－Ａの要素と同数である。出力側シリコン導波路１１０の一端（図１においては左側端）は、受光部１０９－Ａの１つの要素に接続されている。出力側シリコン導波路１１０の他端（図１においては右側端）は、光学センサ１１１と接続されている。出力側シリコン導波路１１０は、受光部１０９－Ａの要素すべてを光学センサ１１１と接続するため、土台チップ１０１に形成された立体的なシリコン光回路で実現された立体曲げ導波路であってよい。立体曲げ導波路は、例えば、ＣＭＯＳ互換プロセスの技術、イオン注入技術、を応用して作成できる。

《光学センサ１１１》
光学センサ１１１は、出力側シリコン導波路１１０により搬送された注目光（ＬＯ）の強度を計測するための構成要素である。図１に示されるとおり、光学センサ１１１は、他の構成要素と同様に、土台チップ１０１上面に形成される。光学センサ１１１は、土台チップ１０１の上に形成される、ラインセンサ（「１次元センサ」とも称される）又はエリアセンサ（「２次元センサ」とも称される）であってよい。

《微粒子計測センサを構成する各要素の作用》
図１に示されるとおり、微粒子計測センサの計測対象である微粒子（Ｐ）は、注目領域（Ａ）に位置する液体又は気体の中に浮遊した状態で含まれる。前述のとおり微粒子（Ｐ）は、プローブ光（ＬＩ）を受けて、蛍光又は散乱光である注目光（ＬＯ）を二次的に発生する。

注目光（ＬＯ）は、微粒子（Ｐ）の粒子径に応じて、Ｍｉｅ共鳴又は回折の、いずれかの散乱パターンが現れる。微粒子（Ｐ）の粒子径がプローブ光（ＬＩ）の波長と同程度の場合、Ｍｉｅ共鳴が現れる。Ｍｉｅ共鳴は、高屈折率誘電体に見られる共鳴的な散乱現象である。微粒子（Ｐ）の粒子径がプローブ光（ＬＩ）の波長よりも十分に大きい場合、回折が現れる。

実施の形態１に係る微粒子計測センサは、受光部１０９をアレイ状に構成した受光部１０９－Ａを備えるため、注目光（ＬＯ）がどの方向に多く反射したか、注目光（ＬＯ）のいわゆる角度依存性を解析することが可能となる。

実施の形態１に係る微粒子計測センサは、光学センサ１１１が受光部１０９－Ａで受光した光の強度を、各サンプリング時刻で求めることにより、注目領域（Ａ）を通過する微粒子（Ｐ）の数、大きさ、及び形状を、同時に計測することができる。なお、受光部１０９が分割されずに単体で１つの場合、観測できる状態量は散乱強度だけであり、注目領域（Ａ）を通過する微粒子（Ｐ）の数だけが求まる。
実施の形態１に係る微粒子計測センサは、注目領域（Ａ）を通過する微粒子（Ｐ）の数、大きさ、及び形状を、同時に計測することにより、或る媒体に含まれる微粒子（Ｐ）の数を、大きさ及び形状ごとに区別して、独立に計測することができる。この媒体は、気体であっても液体であってもよい。

《微粒子計測センサの生産方法》
本開示技術に係る微粒子計測センサは、前述のとおり、光学素子など一部を除いた構成要素が全てシリコン化合物で形成されるため、電子回路製造のための微細加工技術を利用して生産することができる。シリコン化合物は、光学部品の材料として広く用いられる合成石英と比べると、屈折率が高い、という性質がある。
本開示技術に係る微粒子計測センサの構成要素である第１光学素子１０４及び受光部１０９－Ａを屈折率が高いシリコンで形成することは、第１光学素子１０４及び受光部１０９－Ａの焦点距離を短くできることを意味する。本開示技術に係る微粒子計測センサは、第１光学素子１０４及び受光部１０９－Ａの焦点距離が、典型的には１［ｍｍ］程度である。
焦点距離を短くすることは、注目領域（Ａ）を頂点としたときの受光部１０９－Ａが占める立体角を大きくすることを意味する。その結果、焦点距離を短くすることは、受光部１０９－Ａを小さく形成することができ、最終的には、デバイスとしての微粒子計測センサを小型化できる、といえる。本開示技術に係る微粒子計測センサは、デバイスとしての大きさが、典型的には数［ｍｍ］から数［ｃｍ］のオーダである。すなわち本開示技術に係る微粒子計測センサは、単一デバイスとしてワンチップサイズまでの小型化が可能である。

以上のとおり実施の形態１に係る微粒子計測センサは上記構成を備えるため、デバイスとしての大きさが数［ｍｍ］から数［ｃｍ］オーダの単一デバイスでありながら、注目領域（Ａ）を通過する微粒子（Ｐ）の数、大きさ、及び形状を、同時に計測することができ、或る媒体に含まれる微粒子（Ｐ）の数を、大きさ及び形状ごとに区別して、独立に計測することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る微粒子計測センサは、本開示技術に係る微粒子計測センサの変形例である。特に明記する場合を除き、実施の形態２では、実施の形態１で用いられた符号と同じものが用いられる。実施の形態２では、実施の形態１と重複する説明が、適宜、省略される。

図３は、実施の形態２に係る微粒子計測センサの外形及び構成要素を示す斜視図である。図３に示されるとおり実施の形態２に係る微粒子計測センサは、実施の形態１に示された構成に加え、第２光源１０２－２と、第２入力側シリコン導波路１０３－２と、第２光学素子１０４－２と、を含む。第２光源１０２－２、第２入力側シリコン導波路１０３－２、及び第２光学素子１０４－２から成る第２光学系は、微粒子（Ｐ）を捕獲するための光学系である。すなわち第２光学系は、光ピンセット（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｗｅｅｚｅｒｓ）として機能する光学系である。光ピンセットは、光マニピュレーション、又は光トラップとも称される。
なお図１に示されている第１光源１０２、第１入力側シリコン導波路１０３、及び第１光学素子１０４は、図３においては第１光源１０２－１、第１入力側シリコン導波路１０３－１、及び第１光学素子１０４－１として示されている。

《第２光源１０２－２》
第２光源１０２－２は、光ピンセットとして作用する捕捉光（ＬＣ）を出射する構成要素である。第２光源１０２－２が発する捕捉光（ＬＣ）は、レーザ光であり、第１光源１０２が発するプローブ光（ＬＩ）とは波長が異なる光である。

《第２入力側シリコン導波路１０３－２》
第２入力側シリコン導波路１０３－２は、第２光源１０２－２から発せられた捕捉光（ＬＣ）を第２光学素子１０４－２へと導き搬送する構成要素である。すなわち、第２入力側シリコン導波路１０３－２は、光導波路である。

《第２光学素子１０４－２》
第２光学素子１０４－２は、第２入力側シリコン導波路１０３－２により搬送された捕捉光（ＬＣ）に対して、注目領域（Ａ）に焦点が合うように設計される、集光光学素子である。要すれば、第２光学素子１０４－２は、捕捉光（ＬＣ）を注目領域（Ａ）に集光する。

《光ピンセットとしての作用及び効果》
注目領域（Ａ）に位置する微粒子（Ｐ）は、捕捉光（ＬＣ）により捕獲され、注目領域（Ａ）に留まる。
微粒子（Ｐ）を注目領域（Ａ）に留めることで、実施の形態２に係る微粒子計測センサは、プローブ光（ＬＩ）を微粒子（Ｐ）に継続して長時間、照射することができる。実施の形態２に係る微粒子計測センサは、プローブ光（ＬＩ）を微粒子（Ｐ）に継続して長時間、照射することにより、測定精度を高めることができる。実施の形態２に係る微粒子計測センサは、特に、微粒子（Ｐ）の大きさ及び形状について、すなわち或る媒体に含まれる微粒子（Ｐ）の大きさ及び形状について、高精度な計測が可能である。

実施の形態２に係る微粒子計測センサは、計測において捕捉光（ＬＣ）の影響を受けないよう、受光部１０９－Ａが波長選択性を有していることが望ましい。受光部１０９－Ａは、回折格子、又はメタサーフェスにより、実現されるとよい。
実施の形態２に係る微粒子計測センサは、計測において捕捉光（ＬＣ）の影響を受けないよう、光学センサ１１１に分光器が使用されてもよい。
以上の工夫を施すことにより、散乱した捕捉光（ＬＣ）が受光部１０９－Ａにて受光され、光学センサ１１１へ伝搬することを低減できる。

以上のとおり実施の形態２に係る微粒子計測センサは上記構成を備えるため、光ピンセットの作用により、測定対象である微粒子（Ｐ）を、注目領域（Ａ）に留めることができる。この作用により、実施の形態２に係る微粒子計測センサは、特に、微粒子（Ｐ）の大きさ及び形状について、すなわち或る媒体に含まれる微粒子（Ｐ）の大きさ及び形状について、高精度な計測が可能である。

実施の形態３．
実施の形態３に係る微粒子計測センサは、本開示技術に係る微粒子計測センサの変形例である。特に明記する場合を除き、実施の形態３では、既出の実施の形態で用いられた符号と同じものが用いられる。実施の形態３では、既出の実施の形態と重複する説明が、適宜、省略される。

本開示技術に係る微粒子計測センサの構成要素である第１光源１０２及び第２光源１０２－２は、それぞれ、複数の異なる波長のレーザを合波させる光源又は光コムにより実現されてよい。
このように本開示技術に係る微粒子計測センサは、第１光源１０２が複数の光源により構成され、プローブ光（ＬＩ）が複数のスペクトルピークを有するものでもよい。

本開示技術に係る微粒子計測センサは、第１光源１０２が射出したプローブ光（ＬＩ）を、微粒子計測センサの外部に設けられたステージ（顕微鏡ステージなど）に照射できるよう、光ファイバ等の外部出力インタフェースが設けられてもよい。

本開示技術に係る微粒子計測センサの構成要素である光学センサ１１１は、波長分解可能な分光センサにより実現されてもよい。光学センサ１１１が波長分解可能な分光センサにより実現されることにより、本開示技術に係る微粒子計測センサは、注目領域（Ａ）に位置する微粒子（Ｐ）からの注目光（ＬＯ）について、分光特性、強度の波長依存性を測定することができる。より具体的には、本開示技術に係る微粒子計測センサは、微粒子（Ｐ）から発せられる注目光（ＬＯ）のうち、蛍光、及びラマン散乱を、分光センサである光学センサ１１１で計測する。蛍光及びラマン散乱は、微粒子（Ｐ）を構成する元素及び構造に特有なものである。そのため、蛍光及びラマン散乱を検出することにより、本開示技術に係る微粒子計測センサは、対象である微粒子（Ｐ）の構成元素及び分子種を推定することができる。

以上のとおり実施の形態３に係る微粒子計測センサは上記構成を備えるため、デバイスとしての大きさが数［ｍｍ］から数［ｃｍ］オーダの単一デバイスでありながら、或る媒体に含まれる微粒子（Ｐ）の構成元素、分子種、及び数量を、同時に測定することができる。

本開示技術は、例えば、クリーンルームの空気清浄度を測定するパーティクルカウンタに応用でき、産業上の利用可能性を有する。

１０１ 土台チップ、１０２、１０２－１ 第１光源、１０２－２ 第２光源、１０３、１０３－１ 第１入力側シリコン導波路、１０３－２ 第２入力側シリコン導波路、１０４、１０４－１ 第１光学素子、１０４－２ 第２光学素子、１０９、１０９－Ａ 受光部、１１０ 出力側シリコン導波路、１１１ 光学センサ。

Claims (5)

1. シリコン化合物で作られ、土台となる土台チップと、
   前記土台チップの上面に形成され、プローブ光を出射する第１光源と、
   前記土台チップの上面に形成され、前記プローブ光を搬送するシリコン化合物で作られる第１入力側シリコン導波路と、
   前記土台チップの上面に形成され、前記プローブ光を注目領域に集光する第１光学素子と、
   複数の光学素子を有し、前記光学素子が前記土台チップの上面にアレイ状に配置され、前記光学素子が前記注目領域に在る微粒子が前記プローブ光を散乱して生じるまたは前記微粒子の発光により生じる注目光を受光する受光部と、
   前記土台チップの上面に形成され、前記受光部の前記光学素子のそれぞれにより受光した前記注目光を搬送するシリコン化合物で作られる出力側シリコン導波路と、
   前記土台チップの上面に形成され、前記注目光の強度を計測する光学センサと、を備える、
   微粒子計測センサ。
2. 前記第１光学素子の材質がシリコン化合物であり、
   前記受光部の材質がシリコン化合物である、
   請求項１に記載の微粒子計測センサ。
3. 前記光学センサは、ラインセンサ又はエリアセンサである、
   請求項１に記載の微粒子計測センサ。
4. 前記第１光源は、複数の光源により構成され、
   前記プローブ光は、複数のスペクトルピークを有する、
   請求項１に記載の微粒子計測センサ。
5. 前記土台チップの上面に形成され、捕捉光を出射する第２光源と、
   前記土台チップの上面に形成され、前記捕捉光を搬送する第２入力側シリコン導波路と、
   前記土台チップの上面に形成され、前記捕捉光を前記注目領域に集光する第２光学素子と、をさらに備える、
   請求項１に記載の微粒子計測センサ。

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