JP7210027B2 - センサおよびセンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサおよびセンサの製造方法に関する。

従来、表面プラズモンポラリトン励起構造を利用したセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 国際公開第２０１１／１４２１１８号

解決しようとする課題

表面プラズモンポラリトン励起構造を利用した、より高感度なセンサが要求されている。

一般的開示

本発明の第１の態様においては、基板と、基板の上方に設けられた強磁性体層と、強磁性体層の上方に設けられ、測定対象物質を流すための空間を含む低屈折率層と、低屈折率層の上方に設けられ、低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層とを備えるセンサを提供する。

本発明の第２の態様においては、基板を用意し、基板の上方に強磁性体層を設け、強磁性体層の上方に、測定対象物質を流すための空間を含む低屈折率層を設け、低屈折率層の上方に、低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層を設けるセンサの製造方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

実施例１に係るセンサ１００の構成の一例を示す。 センサ１００の構成の一例を示す。 センサ１００の製造方法の一例を示す。 図１のセンサ構成において表面プラズモンポラリトンの光波が基板１０、金属層１２、強磁性体層１４、金属層１６、低屈折率層２０、高屈折率層２２、プリズム２４からなる積層構造の中で分布する様子の一例を示す。 センサ１００の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの波長依存性を示す。 センサ１００の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの入射角度θ依存性を示す。 実施例２に係るセンサ１００の構成の一例を示す。 実施例３に係るセンサ１００の構成の一例を示す。 実施例４に係るセンサ１００の構成の一例を示す。 比較例１に係るセンサ５００の構成を示す。 実施例２に係るセンサ１００の感度と、比較例１に係るセンサ５００の感度を示す。 センサ１００の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの具体的な入射角度θ依存性を示す。 センサ５００の指標Ｒ_ｐの具体的な入射角度θ依存性を示す。 実施例４に係るセンサ１００の指標（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'の具体的な入射角度θ依存性を示す。 センサ装置２００の応用例の一例を示す。 センサ装置２００の構成の一例を示す。 強磁性体層１４への印加磁場と磁気光学効果との関係を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

［実施例１］
図１は、実施例１に係るセンサ１００の構成の一例を示す。本例のセンサ１００は、基板１０と、金属層１２と、強磁性体層１４と、金属層１６と、低屈折率層２０と、高屈折率層２２と、プリズム２４と、分子認識素子３２とを備える。センサ１００は、測定対象物質３０の屈折率を測定する。

基板１０は、ガラス基板や半導体基板等の任意の材料の基板であってよい。基板１０の材料は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の酸化物やシリコンなどの鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の金属を成膜できる材料であることが好ましい。

金属層１２は、基板１０の上方に設けられる。本例の金属層１２は、基板１０と金属層１６との間に設けられている。金属層１２と金属層１６の材料は、強磁性体層１４よりも測定波長における導電率が高い材料である。金属層１２は、ＡｇやＡｕ等の貴金属、または、これらから選択される２種類以上の材料の合金であってよい。金属層１２は、第２金属層の一例である。

強磁性体層１４は、磁気モーメントが予め定められた方向に揃った磁性材料を含む。一例において、強磁性体層１４は、外部磁場の印加により磁気モーメントの方向が制御される。強磁性体層１４に印加する外部磁場の大きさを変更することにより、センサ１００の検出感度が変化する。例えば、強磁性体層１４の材料は、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性材料、または、これらから選択される２種類以上の材料の合金を含む。

金属層１６は、強磁性体層１４の上面に設けられる。本例の金属層１６は、強磁性体層１４と低屈折率層２０との間に設けられている。金属層１６の材料は、強磁性体層１４よりも導電率が高い材料である。金属層１６は、ＡｇやＡｕ等の貴金属、または、これらから選択される２種類以上の材料の合金であってよい。金属層１２と、強磁性体層１４と、金属層１６とは、強磁性金属と貴金属の積層構造からなる複合金属薄膜を構成する。金属層１２および金属層１６として貴金属を用いることにより、複合金属薄膜におけるロスを減らして、後述するＡＴＲカーブを急峻にできる。本例の金属層１６の膜厚は、金属層１２の膜厚よりも薄い。金属層１６は、第１金属層の一例である。

低屈折率層２０は、強磁性体層１４の上方に設けられる。本例の低屈折率層２０は、金属層１６の上面に設けられている。低屈折率層２０は、予め定められた屈折率の測定対象物質３０を流すための空間を有する。低屈折率層２０は、予め定められた層厚ｔを有する。一例において、低屈折率層２０の層厚ｔは、１５０００ｎｍ以下であってよく、３０００ｎｍ以下であってよく、１５００ｎｍ以下であってよく、５００ｎｍ以下であってもよい。低屈折率層２０の屈折率は、測定対象物質に応じて決められる。決められた屈折率に対して強磁性金属を含む金属層と誘電体の組合せに対して低屈折率層２０の層厚ｔを変えた時、放射モード（即ち、－Ｍで表記したモード）と閉じ込めモード（即ち、＋Ｍで表記したモード）を強磁性金属の磁化反転によって切り替えることができるように高屈折率層２２の屈折率を決める。低屈折率層２０の端部は、複数の支持層２１により支持されている。本例の支持層２１は、基板１０の平面形状が四角形の場合、基板１０の四隅に設けられる。複数の支持層２１は、測定対象物質３０を流入するための流入口と、測定対象物質３０を流出するための流出口を形成してよい。但し、低屈折率層２０を流入する空間を確保できるものであれば、金属層１６と高屈折率層２２との間を支持する方法は特に限定されない。

また、低屈折率層２０の上面および下面は、平面に限定されず、センサ１００が動作できるものであれば、曲面や凹凸等を有するものであってもよい。さらに、低屈折率層２０と隣接する層を使い捨てにするため、金属層１６や高屈折率層２２などの部材を交換式としてもよい。

測定対象物質３０は、センサ１００により特性を検出する対象となる物質である。測定対象物質３０は、低屈折率層２０の空間に導入できるものであれば、特に限定されない。本例の測定対象物質３０は、液体または気体である。センサ１００は、測定対象物質３０の物性を測定する。一例において、センサ１００は、予め測定対象物質３０の情報を取得しておくことにより、屈折率の変化から測定対象物質３０の種類、組成、濃度、分析物と抗体の結合・解離等を測定する。例えば、測定対象物質３０が気体の場合、センサ１００は、ガスセンサとして機能する。

分子認識素子３２は、測定対象物質３０を吸着する。一例において、分子認識素子３２は、測定対象物質３０に対応する抗体である。分子認識素子３２は、低屈折率層２０の空間内に設けられる。本例の分子認識素子３２は、金属層１６の上面に設けられる。即ち、分子認識素子３２は、低屈折率層２０の底面側に設けられている。但し、分子認識素子３２は、低屈折率層２０の上面側に設けられても、中央に設けられてもよい。センサ１００は、複数の分子認識素子３２を設けることにより、複数の測定対象物質３０を測定することができる。

高屈折率層２２は、低屈折率層２０の上方に設けられる。高屈折率層２２は、低屈折率層２０よりも屈折率の大きい層である。一例において、低屈折率層２０と高屈折率層２２との屈折率差は以下のように決められる。測定対象物質３０の屈折率に対して低屈折率層２０の屈折率が決まる。決められた屈折率に対して強磁性金属を含む金属層と誘電体の組合せに対して低屈折率層２０の層厚ｔを変えた時、放射モード（－Ｍで表記したモード）と閉じ込めモード（＋Ｍで表記したモード）を強磁性金属の磁化反転によって切り替えることができるように高屈折率層２２の屈折率を決める。

また、別の例において低屈折率層２０と高屈折率層２２との屈折率差は以下のように決められる。測定対象物質３０の屈折率に対して低屈折率層２０の屈折率が決まる。決められた屈折率に対して強磁性金属を含む金属層と誘電体の組合せに対して低屈折率層２０の層厚ｔを変えた時、放射モードと閉じ込めモードを低屈折率層２０の層厚ｔの違いによって切り替えることができるように高屈折率層２２の屈折率を決める。ある波長と低屈折率層２０の層厚ｔ、強磁性金属と貴金属の組み合わせに対して左記の条件を満たすように屈折率差が決められる。例えば、低屈折率層２０の屈折率を１．０２としたとき、高屈折率層２２の材料は、ＳｉＯ_２とできる。

プリズム２４は、高屈折率層２２上に設けられる。プリズム２４には、予め定められた波数の入射光１１０が入射する。入射光１１０は、予め定められた入射角度θでプリズム２４に入射される。入射光１１０は、少なくともｐ偏光の光を含む。入射光１１０の波数および入射角度θは、センサ１００で励起されるプラズモンや低屈折率層２０および高屈折率層２２を構成する材料等に応じて変更されてよい。一例において、プリズム２４は、高屈折率層２２と同一の材料で形成される。本例のプリズム２４の材料は、ＳｉＯ_２である。

本例のセンサ１００は、入射光１１０の反射率を測定し、測定した反射率の違いから測定対象物質３０の屈折率の違いを検出する。入射光１１０の反射率の測定には、全反射減衰法（ＡＴＲ法）が用いられる。例えば、センサ１００は、強磁性金属の磁化がプラスの時とマイナスの時、反射率の入射角度θの依存性を測定し、磁化が反転したときの反射率の変化（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）、もしくは反射率（Ｒ_ｐ）を指標として屈折率の変化を検出する。これにより、センサ１００は、測定対象物質３０の物性を測定する。

ここで、強磁性体層１４の低屈折率層２０側の界面において、表面プラズモンが励起される。表面プラズモンの励起条件および励起状態は、プリズム２４から入射する入射光１１０の入射角度θおよび波数によって決まる。例えば、表面プラズモンは、高屈折率層２２側から入射した光が、高屈折率層２２と低屈折率層２０との界面で全反射する際のエバネッセント波を通じて励起される。そして、表面プラズモンの励起状態は、低屈折率層２０の空間を占める測定対象物質３０の屈折率が変化することによって変化する。高屈折率層２２側の波数のＺ方向成分と表面プラズモン側の波数を一致させるように低屈折率層２０の層厚ｔを設計することにより、入射光１１０の反射率をゼロに、または、ゼロに近づけることができる。

センサ１００の指標のうち、磁化反転時の反射率の変化（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）は、（数１）式で示される。たとえば、センサ１００の指標（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）が屈折率の変化δｎに対してδ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）だけ変化したとき、δ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）／δｎが、センサ１００の感度に対応する。本例の指標は、磁化反転時の反射率の差を反射率の和で規格化したものであり、－１から＋１の間をとる。

ΔＲ_ｐは、ある入射角度θで測定された磁化反転時の反射率の変化（即ち、反射率の差）を示す。磁化反転時とは、強磁性体層１４に予め定められた外部磁場（＋Ｍ）を印加し、当該外部磁場（＋Ｍ）を反転した外部磁場（－Ｍ）を強磁性体層１４に印加する場合を指す。Ｒ_ｐは、ある入射角度θで反射率を測定したとき、外部磁場（＋Ｍ）、および、外部磁場（－Ｍ）のもとで得られた反射率Ｒ_ｐ（＋Ｍ），Ｒ_ｐ（－Ｍ）の和を示す。センサ１００は、ΔＲ_ｐとＲ_ｐとの比である指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐから屈折率の変化を検出する。なお、（数１）式は、センサ１００を用いた場合の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの一例であり、反射率の差や反射率の和を用いることに限定されるものではない。例えば、Ｒ_ｐとして反射率の平均値を用いてもよい。

なお、屈折率の変化に対する磁化反転時の反射率の変化（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）の変化は、屈折率の変化に対する反射率の変化よりも大きくなる。即ち、磁化反転時の反射率の変化の屈折率に対する変化δ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）／δｎは、反射率の屈折率に対する変化δＲ_ｐ／δｎよりも大きい。センサ１００は、指標をΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐとすることにより、Ｒ_ｐを指標とする場合よりも感度を高められる。一例において、本例のセンサ１００は、１０のマイナス６乗の屈折率差を検出できる。

センサ１００のもう一つの指標として、低屈折率層２０の層厚ｔが異なる２点（ｔ１、ｔ２）の反射率Ｒ_ｐ（ｔ１）、Ｒ_ｐ（ｔ２）を測定し、異なる位置の反射率の変化（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'を挙げる。（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'が屈折率の変化δｎに対してδ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'だけ変化したとき、δ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'／δｎが、センサ１００の感度に対応する。本例の指標は、異なる位置の反射率の差を反射率の和で規格化したものであり、－１から＋１の間をとる。強磁性金属の磁化状態は任意でよい。

ΔＲ_ｐ'は、ある入射角度θで測定された、低屈折率層２０の層厚ｔが異なる２点の反射率の変化（即ち、反射率の差）を示す。Ｒ_ｐ'は、ある入射角度θで測定された、低屈折率層２０の層厚ｔが異なる２点の反射率Ｒ_ｐ（ｔ１），Ｒ_ｐ（ｔ２）の和を示す。センサ１００は、ΔＲ_ｐ'とＲ_ｐ'との比である指標ΔＲ_ｐ'／Ｒ_ｐ'から屈折率の変化を検出する。なお、（数２）式は、センサ１００を用いた場合の指標（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'の一例であり、反射率の差や反射率の和を用いることに限定されるものではない。例えば、Ｒ_ｐ'として反射率の平均値を用いてもよい。

本例のセンサ１００は、高屈折率層２２と、測定対象物質３０を含む低屈折率層２０と、金属との三層構造を備えるオット配置で構成される。オット配置では、高屈折率層側の波数のＺ方向成分と表面プラズモンの波数を完全に整合させることができ、反射率が理論上ゼロとなる。これにより、センサ１００の感度が向上する。なお、本例のセンサ１００は、オット配置において、指標をΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ、（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'としたが、指標にＲ_ｐを用いた場合であっても、低屈折率層２０の層厚ｔを分析物、測定波長に対して選んで測定することでクレッチマン配置と比較して感度を向上できる。

以上の通り、センサ１００は、反射率をゼロにし、且つ、強磁性金属と貴金属とを組み合わせることで、測定対象物質３０の屈折率の変化に対する磁化反転時の反射率の変化（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）の変化を急峻にする。センサ１００は、反射率をゼロにすることにより、指標である磁化反転時の反射率の変化（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）を１（即ち、１００％）に近づけられる。また、測定対象物質３０が一般に屈折率に波長依存性を有するので、適切な波長を選択することにより、大きな感度が実現される。例えば、センサ１００は、測定対象物質３０が最も大きな屈折率変化を示す波長に合わせて設計される。

図２は、センサ１００の構成の一例を示す。本例のセンサ１００は、磁場印加部４０をさらに備える。なお、図２では、センサ１００の詳細な構造を省略しているものの、図１で示したセンサ１００と同様の構造を有してよい。

磁場印加部４０は、強磁性体層１４に磁場を印加する。一例において、磁場印加部４０は、第１の磁場と、第１の磁場と異なる第２の磁場のいずれかを強磁性体層１４に印加する。例えば、磁場印加部４０は、第１の磁場として飽和磁場を強磁性体層１４に印加し、第２の磁場として飽和磁場の反転磁場を強磁性体層１４に印加する。但し、強磁性体層１４に印加する磁場は、反転磁場に限られず、同一の極性の磁場であってよい。磁場印加部４０は、強磁性体層１４に印加する外部磁場を強磁性体層１４の飽和磁場とすることにより信号が安定する。但し、強磁性体層１４に印加する磁場は、飽和磁場に限られない。

低屈折率層２０は、両端において流入部２６および流出部２８と接続されている。流入部２６および流出部２８は、低屈折率層２０の空間に接続される。流入部２６は、測定対象物質３０を外部から低屈折率層２０の内部に流入させる。流出部２８は、測定対象物質３０を低屈折率層２０の内部から外部に流出させる。

本例のセンサ１００は、強磁性体層１４に印加する磁場の方向を変化させて、指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐで測定対象物質３０の物性を測定する。センサ１００は、表面プラズモンに磁気的作用を付加して高感度化を実現する。

図３は、センサ１００の製造方法の一例を示す。本例は、センサ１００の製造方法の一例であり他の製造方法を用いてセンサ１００が製造されてもよい。

センサ１００の製造では、基板１０を用意する。基板１０の上方には、強磁性体層１４が設けられる。本例では、基板１０の上面に金属層１２と、強磁性体層１４と、金属層１６とが積層される。また、金属層１６の上面には、低屈折率層２０および高屈折率層２２が積層される。一例において、強磁性体層１４の上面に接着剤を塗布し、当該接着剤を介して、強磁性体層１４の上方に高屈折率層２２を積層する。センサ１００が金属層１６を有する場合、接着剤は金属層１６の上面に塗布される。強磁性体層１４と、低屈折率層２０と、高屈折率層２２との積層構造は、強磁性体層１４の上方に接着剤を介して高屈折率層２２を積層し、強磁性体層１４と、接着剤と、高屈折率層２２とを加熱することにより形成される。

高屈折率層２２は、金属層１６の上面に支持層２１を介して積層される。即ち、接着剤は、加熱により硬化して支持層２１となる。例えば、支持層２１の材料としてインジウムを金属層１６上に設けた後に、高屈折率層２２を積層し、窒素雰囲気中で加熱する。このように、高屈折率層２２は、はんだの要領で金属層１６の上方に形成される。これにより、低屈折率層２０が高屈折率層２２と金属層１６との間に設けられる。

なお、低屈折率層２０の空間は、エッチングプロセス等の技術を用いて形成されてよい。例えば、高屈折率層２２がＳｉＯ_２の場合、ＳｉＯ_２基板上に溝を設けることにより流路を形成する。ＳｉＯ_２基板の流路が形成された側を金属層１６側に貼り合わせることにより、高屈折率層２２と金属層１６との間に低屈折率層２０が形成されてよい。そして、プリズム２４は、マッチングオイル等により、高屈折率層２２の上面に貼り合わせられてよい。

図４は、表面プラズモンポラリトンの光波が積層構造を主とするセンサ構造の中で分布する様子の一例を示す。同図は、センサ１００の簡略化した構造と、センサ１００のＡＴＲカーブを示す。ＡＴＲカーブの縦軸はプラズモン波の強度を示し、横軸はセンサ１００の深さ方向の座標を示す。座標は、低屈折率層２０と高屈折率層２２との界面を原点として、低屈折率層２０側を正の方向とし、高屈折率層２２側を負の方向としている。また、グラフ中の実線は、磁場印加部４０が磁場（－Ｍ）を印加する場合のプラズモン波の強度分布に対応し、破線は、磁場印加部４０が磁場（＋Ｍ）を印加する場合のプラズモン波の強度分布に対応する。

プラズモン波は、強磁性体層１４および低屈折率層２０の界面付近で主に発生する。プラズモン波の強度は、強磁性体層１４と低屈折率層２０との界面で特に高くなる。プラズモン波の特性は、磁場印加部４０による印加磁場の方向を磁場（＋Ｍ）と磁場（－Ｍ）で変化させることにより変化している。プラズモン波は、高屈折率層２２において、約一定の強度を有する。即ち、本例のグラフは、カットオフ時のプラズモン波の強度分布を示す。

カットオフとは、高屈折率層２２側の光の強度が一定になり、プラズモン波の波数が実数になる状態を指し、高屈折率層２２側から入射した光の波数のｚ方向成分と一致することで反射率がゼロとなる。カットオフでは、表面プラズモンが励起されているが、強磁性体層１４と低屈折率層２０の界面で閉じ込められ、図４に示す座標－∞となる点において強度がゼロに収束する状態（プラズモン波が分布する様子）と、強磁性体層１４と低屈折率層２０がエバネセント波により結合しない状態の境界に対応し、プラズモン波の波数が実数になる。実際には高屈折率層２２やプリズム２４の厚さは有限であるが、低屈折率層２０の層厚ｔと比べて十分厚く、座標－∞となる点を高屈折率層２２の上端やプリズム２４の半円の縁とみなしても、センサの使用上において問題はない。例えば、ある方向に磁場を印加し、＋Ｍ状態を実現した際のカットオフの場合、（数１）式において、Ｒ_ｐ（＋Ｍ）が０となるので、指標が１となる。印加磁場の大きさが変化すると、プラズモンの波数が変化するので、カットオフが生じる入射光１１０の波長等の条件も変わる。本例のセンサ１００は、オット配置で構成される構造および入射光１１０を最適に選択することにより、カットオフの状態を実現できる。

図５は、センサ１００の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの波長依存性を示す。縦軸は指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐを示し、横軸は入射光１１０の波長λ［ｎｍ］を示す。各グラフは、入射光１１０の入射角度θがθ＝５５°、θ＝５５．３°、θ＝５５．４°、θ＝５６°、θ＝５６．５°の場合をそれぞれ示す。グラフ中において、三角がθ＝５５°の場合を示し、黒丸がθ＝５５．３°の場合を示し、白丸がθ＝５５．４°の場合を示し菱形がθ＝５６°の場合を示し、四角がθ＝５６．５°の場合を示す。

本例において、指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐは、入射角度θに応じて異なる挙動を示すことが分かる。また、入射角度θは、それぞれ異なる波長λ依存性を有することが分かる。例えば、入射角度θが５５．３°の場合、性能指数ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐが＋１．０と－１．０に近づく。また、入射光１１０は、ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐが＋１．０と－１．０に近づく場合の２つの波長λの間で波長の変化に対してΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐが大きく変化する波長を有することが好ましい。これにより、センサ１００の感度が向上する。例えば、センサ１００は、性能指数ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐが－１．０以上、－０．９以下であってよく、－０．９以上、＋０．９以下であってよく、＋０．９以上、＋１．０以下を満たすように設計されてよい。

図６は、センサ１００の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの入射角度θ依存性を示す。縦軸は指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐを示し、横軸は入射光１１０の入射角度θ［°］を示す。本例のセンサ１００は、低屈折率層２０を真空（ｎ＝１）とＳｉＯ_２保護層からなる積層構造とし、高屈折率層２２をＳｉＯ_２とし、強磁性体層１４をＦｅとし、金属層１２を貴金属であるＡｇとしている。

本例の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐは、入射角度θが４６．１°付近において、＋１．０と－１．０に近づく。また、入射角度θが４６．１°付近において、指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの変化が急峻になる。即ち、入射角度θが４６．１°付近では、測定対象物質３０の屈折率変化に対して最大の信号（指標）変化が得られるため、センサの測定条件に設定する。

以上の通り、本例のセンサ１００は、指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ＝１を実現できる。また、センサ１００は、Ｆｅと貴金属であるＡｇを組み合わせることにより、指標の変化（傾き）を急峻にしている。これにより、センサ１００の感度が向上する。なお、センサ１００は、低屈折率層２０の厚みを変えることにより、測定対象物質３０に応じて計測波長を調整できる。

［実施例２］
図７は、実施例２に係るセンサ１００の構成の一例を示す。本例のセンサ１００は、伝搬定数調整層１８を備える。

伝搬定数調整層１８は、強磁性体層１４の上面に設けられる。本例の伝搬定数調整層１８は、強磁性体層１４と低屈折率層２０との間に設けられる。伝搬定数調整層１８の屈折率は、１より大きい。伝搬定数調整層１８の膜厚は、低屈折率層２０の層厚より薄い。例えば、伝搬定数調整層１８の材料は、ＳｉＯ_２である。伝搬定数調整層１８の膜厚は、低屈折率層２０の層厚以下である。なお、本例では、金属層１６の代わりに伝搬定数調整層１８を設けたが、センサ１００は、強磁性体層１４と低屈折率層２０との間に、金属層１６と伝搬定数調整層１８の両方を備えてもよい。伝搬定数調整層１８は、センサ１００の感度が向上するように、測定対象物質３０に応じて屈折率が調整されてよい。

［実施例３］
図８は、実施例３に係るセンサ１００の構成の一例を示す。本例のセンサ１００は、くさび状の低屈折率層２０を有する。

低屈折率層２０は、予め定められた層厚ｔ１の支持層２１と、層厚ｔ１と異なる層厚ｔ２の支持層２１とを有する。低屈折率層２０は、異なる層厚ｔ１および層厚ｔ２の支持層２１を有するので、低屈折率層２０の断面積が位置によって変化している。本例の低屈折率層２０は、層厚ｔ１から層厚ｔ２へと徐々に層厚が変化するくさび型の構造を有する。したがって、センサ１００は、入射光１１０を入射する位置により、測定対象物質３０の層厚が変化し、測定対象物質３０を測定するための波長λも異なる。例えば、異なる層厚の支持層２１をはんだで形成する場合、層厚の異なるはんだを金属層１６上に設けられる。また、異なる層厚の支持層２１をＳｉＯ_２基板に溝を設けることで形成する場合、ＳｉＯ_２基板面内で空間層厚が異なるように、ＳｉＯ_２基板をわずかに傾けて研磨する。これにより、低屈折率層２０は、異なる層厚ｔ１および層厚ｔ２の支持層２１が形成される。

本例のセンサ１００は、くさび型の低屈折率層２０を備えるので、入射光１１０の入射位置と波長を選択することで入射角度θを変化させることなく、実質的に異なる入射角度θの反射率（図６に相当する測定結果）を検出できる。また、本例のセンサ１００は、低屈折率層２０の屈折率に応じて、測定対象物質３０に対応する最適な入射位置（層厚ｔ）と入射光１１０の波長を選択してよい。

図９は、実施例４に係るセンサ１００の構成の一例を示す。本例のセンサ１００は、実施例３に係るセンサ１００と同様に、低屈折率層２０の異なる層厚ｔ１および層厚ｔ２を有する。本例では、実施例３と相違する点について特に説明する。

センサ１００は、入射光１１０を入射する位置を変更することにより、異なる反射率Ｒ_ｐ（ｔ_１）とＲ_ｐ（ｔ_２）で反射された入射光１１０を取得できる。異なる反射率で反射された入射光１１０は、異なるフォトダイオードでそれぞれ受光されてよい。本例のセンサ１００は、異なる層厚ｔ１および層厚ｔ２の低屈折率層２０を用いることにより、印加磁場を変更することなく測定対象物質３０を測定することができる。なお、本例では、２つの異なる層厚を用いる場合について説明したが、３以上の異なる層厚を用いてもよい。

［比較例１］
図１０は、比較例に係るセンサ５００の構成を示す。センサ５００は、測定対象物質を含む誘電体層５２０と、貴金属層５２２と、プリズム５２４とを備える。センサ５００は、測定対象物質を含む誘電体層５２０側に分子認識素子５３２を備える。

測定対象物質を含む誘電体層５２０は、空気である。貴金属層５２２は、プリズム５２４上に形成されている。本例の貴金属層５２２は、Ａｕである。プリズム５２４上に、貴金属層５２２が形成されている。本例のプリズム５２４は、ＳｉＯ_２であり、プリズム５２４から入射した光が貴金属層５２２で全反射された際に発生するエバネセント波が貴金属層５２２と測定対象物質を含む誘電体層５２０の界面に励起されるプラズモン波を利用してセンサを実現している。即ち、センサ５００は、クレッチマン配置で構成されている。

入射光５１０が入射角度θでプリズム５２４に入射する。Ｒ_ｐは、入射したｐ偏光の反射光の強度である。プラズモン波は、測定対象物質を含む誘電体層５２０と貴金属層５２２との間に形成される。

ここで、センサ５００の感度は、反射率の角度依存性を示したＡＴＲカーブの傾きで決まる。ＡＴＲカーブの傾きが急であること、もしくは、反射率の谷の半値幅の狭さが感度の目安となる。

例えば、センサ５００のＳＰＲセンサの感度として、（数３）式で示される次の指標が用いられる。Ａは、センサ１００に入射した光の反射率を示す。

本例のセンサ５００では、クレッチマン配置で構成されており、センサ５００に用いられる入射光５１０の波長は、入射角度θ、測定対象物質を含む誘電体と金属の種類や膜厚等に応じて決まる。センサ５００では、測定波長を決めると測定に適した入射角度θが決まるため、測定波長をセンサ５００の測定対象物質が大きな屈折率を示す最適波長に合わせる際、入射角度を大きく変える必要があり、最適波長によっては入射角度を０°から９０°の間に合わせることが困難な場合がある。また、センサ５００では、プリズム５２４側から入射する光の波数のＺ方向成分（実数）と、プラズモン波の波数（複素数）とを完全には一致させるために貴金属層５２２の層厚を設定する必要がある。金属層の層厚の設定精度はセンサ１００における低屈折率層２０の層厚の設定精度より高精度である必要がある。したがって、センサ５００は、反射率をゼロに近づけ、急峻な変化を実現することが困難である。

図１１は、実施例２に係るセンサ１００の感度と、比較例１に係るセンサ５００の感度を示す。同図は、センサのＡＴＲカーブと、屈折率の変化に対する指標の変化を示している。縦軸は指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐおよびＲ_ｐを示し、横軸は入射光１１０の入射角度θおよび時間を示す。屈折率の変化ｎに対する指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの変化の比は、実施例に係るセンサ１００の感度を示す。指標Ｒ_ｐは、比較例１に係るセンサ５００の感度を示す。θ_ＳＰＲは、センサ１００においては、ある方向に磁場を印加し、＋Ｍ状態を実現した際のカットオフ時の入射角度θである。θ_Ｃは、センサ５００においては、指標Ｒ_ｐが入射角度θの変化に対して最も大きな変化を示す入射角度に対応する。

センサ１００の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐは、センサ５００の指標Ｒ_ｐよりも急峻に変化する。そのため、屈折率がｎ_ｄからｎ_ｄ＋δｎに変化した場合、センサ１００の指標の変化δ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）は、センサ５００の性能指数の変化δ（Ｒ_ｐ）よりも大きくなる。そのため、センサ１００は、センサ５００よりも屈折率の変化に対する感度が大きい。

図１２Ａは、センサ１００の指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの具体的な入射角度θ依存性を示す。図１２Ｂは、センサ５００の指標Ｒ_ｐの具体的な入射角度θ依存性を示す。縦軸は指標ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐおよび指標Ｒ_ｐを示し、横軸は入射角度θを示す。

実線は、屈折率がｎ＝１の場合を示す。また、一点鎖線は、屈折率がｎ＝１．０００１の場合を示す。破線は、ｎ＝１およびｎ＝１．０００１の場合の指標の差を示す。屈折率が変化した場合に、指標の差分が大きい方が感度がよい。センサ１００の場合、屈折率がｎ＝１とｎ＝１．０００１の間で変化すると、δ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）の変化の大きさが１程度である。一方、センサ５００の場合、屈折率がｎ＝１とｎ＝１．０００１の間で変化すると、δ（Ｒ_ｐ）の変化の大きさが０．００３程度である。即ち、センサ１００は、センサ５００よりも１／０．００３≒３×１０^２倍の感度を有する。

図１２ＡのΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの具体的な入射角度θ依存性は、適切な入射角度θの間隔で測定して得られる。例えば、入射角度θを０．０１度間隔で測定できる実験装置がある場合、ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐはｎ＝１のとき、０．０２度、すなわち、３点の入射角度θの変化に対して－１から１まで変化する。すなわち、ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの変化を最低でも３点で測定することができる入射角度θの分解能がない限り、屈折率を測定することができない。十分な入射角度θの分解能、ここでは０．００１度を得る方法を以下で説明する。

図１２Ａをシミュレーションによって生成する際、角度分解能０．００１度でデータを生成する。一方、左記データを０．０１度で生成しておく。角度の取り方は１０通りあるので、１０個の低角度分解能のデータが生成されることになる。角度分解能が細かいシミュレーション結果と粗いシミュレーション結果の間で対応関係を得て、粗い角度分解能で得られた反射率Ｒ_ｐ、および、ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの測定結果に基づいて、角度分解能の細かい測定結果を推定する。推定された測定結果をもとに、ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐの変化をより正確に読み取り、屈折率を測定する。このように、本例のセンサ１００は、１０倍の高精細画像を再構成することにより、高い角度分解能を取得する。したがって、センサ１００は、画像解析（即ち、超解像）により、入射角度の分解能を超える超分解能を得て、性能指数の角度依存性を精度よく測定することができる。

図１３は、実施例４に係るセンサ１００の指標（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'の具体的な入射角度θ依存性を示す。縦軸は指標（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'を示し、横軸は入射角度θを示す。

実線は、屈折率がｎ＝１の場合を示す。また、一点鎖線は、屈折率がｎ＝１．０００１の場合を示す。破線は、ｎ＝１およびｎ＝１．０００１の場合の指標の差を示す。屈折率が変化した場合に、指標の差分が大きい方が感度がよい。本例のセンサ１００の場合、屈折率がｎ＝１とｎ＝１．０００１の間で変化すると、δ（ΔＲ_ｐ／Ｒ_ｐ）'の変化の大きさが１．７程度である。そのため、実施例４に係るセンサ１００は、さらに優れた感度を有する。

図１４は、センサ装置２００の応用例の一例を示す。センサ装置２００は、センサ１００と、光源１２０と、受光部１３０とを備える。

センサ１００は、測定対象物質３０として植物ホルモンの誘導体物質を検出する。植物ホルモンの誘導体物質は揮発性有機化合物であり、サリチル酸メチル、ジャスモン酸メチルなどがある。センサ１００には、植物ホルモンの誘導体物質を含む測定対象物質３０が流入する。一例において、測定対象物質３０は、植物ホルモンの誘導体物質を含む気体である。低屈折率層２０の屈折率は、測定対象物質３０である植物ホルモンの誘導体物質に応じた屈折率となる。これにより、センサ１００は、植物ホルモンの誘導体物質の種類や濃度を検出する。

光源１２０は、入射光１１０をセンサ１００に入射する。受光部１３０は、光源１２０が入射した入射光１１０の反射光を受光する。受光部１３０は、測定対象物質３０の特性に応じた強度の反射光を受光する。

表示部３００は、センサ装置２００の測定結果を表示する。表示部３００は、無線通信によりセンサ装置２００の測定結果を受信してよい。また、センサ装置２００が表示装置を備え、センサ装置２００自体が測定結果を表示してもよい。

処理部４００は、センサ１００の測定結果をデータ処理する。例えば、処理部４００は、植物ホルモンの誘導体物質と屈折率との関係を示すデータテーブルを有し、センサ１００の測定結果に応じて植物ホルモンの誘導体物質の種類や濃度を取得する。

本例のセンサ装置２００は、超高感度の磁気プラズモンセンサであるセンサ１００を用いることにより、植物ホルモンの誘導体物質を超高感度で検出できる。このように、センサ装置２００は、高感度のセンシングが必要な農業等の分野に適用できる。

図１５は、センサ装置２００の構成の一例を示す。本例のセンサ装置２００は、複数の屈折率が含まれる低屈折率層２０の各物質を同時に測定する場合の実施例である。なお、本例のセンサ装置２００は、他の実施例１～３に係るセンサ１００と組み合わせて用いられてよい。

低屈折率層２０は、様々な濃度の測定対象物質３０を含む。例えば、低屈折率層２０は、測定対象物質３０に対応する抗体などの分子認識素子３２を設けることにより、測定対象物質３０を保持する。これにより、低屈折率層２０の、屈折率は濃度に応じて異なる屈折率を有する。本例の低屈折率層２０は、例えば、濃度ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３に応じて屈折率はｎ_１、ｎ_２、ｎ_３となる。本例では、屈折率の違いによって反射率が最小となる入射角度が異なるため、図１５の受光部１３０には最小反射率に応じて輝度の小さい線が異なる場所に表示される。輝度の小さい線が直線状に配列されているが、低屈折率層２０の形状に応じて２次元的に配列されていてもよい。

光源１２０は、低屈折率層２０に入射光１１０を照射する。例えば、光源１２０は、レンズ部１２５を用いて入射光１１０を集光することにより、測定対象物質３０が保持された領域に入射光１１０を照射する。

受光部１３０は、複数の屈折率の情報を含む反射光を受光する。受光部１３０は、レンズ部１３５を用いて、反射光を平行ビーム化して受光してよい。例えば、受光部１３０は、フォトダイオードが配列された光センサアレイを有する。これにより、受光部１３０は、測定対象物質３０の濃度が変化した場合、それぞれに対応する測定結果を光センサアレイの出力信号から取得することができる。

なお、測定用の測定対象物質３０は、供給源１４０から供給量制御部１４５を介して、チャンバ１６０に供給される。また、チャンバ１６０は、測定対象物質３０を吸引するためのポンプ１５０に接続されてよい。

本例のセンサ１００は、高屈折率層２２を基板１０に貼り合わせることにより設けられる。例えば、低屈折率層２０の空間は、基板１０の上面に凹凸を設け、高屈折率層２２として機能する貼り合わせ部材を基板１０の上面に貼り合わせることにより設けられる。センサ１００は、低屈折率層２０の下方において、他の実施例と同様に、ＡｕやＦｅで構成される金属層１２と、強磁性体層１４と、金属層１６とを備える。

図１６は、強磁性体層１４への印加磁場と磁気光学効果との関係を示す。本例の強磁性体層１４は、一例として鉄薄膜である。縦軸は磁気光学効果［ａ．ｕ．］を示し、横軸は印加磁場［Ｏｅ］を示す。磁気光学効果は、磁化に比例する物理量である。印加磁場は、強磁性体層１４に印加される磁場である。

磁場印加部４０が強磁性体層１４に印加する磁場は、磁気光学効果が最大または最小となる大きさに限られない。例えば、強磁性体層１４の印加磁場は、磁気光学効果が最大（絶対値）の３分の１や３分の２になる磁場であってよい。また、磁場印加部４０が強磁性体層１４に印加する２種類の磁場は、反転された磁場である必要はなく、同一の極性を有する磁場であってもよい。センサ１００は、低屈折率層２０の層厚ｔ等との関係に応じて、磁場印加部４０の印加磁場を適切な大きさに適宜設定すればよい。

本例のセンサ１００は、優れた感度を有するので、高分解能、ラベルフリー、実時間かつその場観察を実現し、質量の変化や時間推移も計測可能である。また、センサ１００は、医療診断や環境モニタリングなど、広い分野で応用可能である。例えば、センサ１００は、ライフサイエンス、環境ガスの計測および医療診断等に用いられる。また、センサ１００は、麻薬探知や地雷センサ等にも応用され得る。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・基板、１２・・・金属層、１４・・・強磁性体層、１６・・・金属層、１８・・・伝搬定数調整層、２０・・・低屈折率層、２１・・・支持層、２２・・・高屈折率層、２４・・・プリズム、２６・・・流入部、２８・・・流出部、３０・・・測定対象物質、３２・・・分子認識素子、４０・・・磁場印加部、１００・・・センサ、１１０・・・入射光、１２０・・・光源、１２５・・・レンズ部、１３０・・・受光部、１３５・・・レンズ部、１４０・・・供給源、１４５・・・供給量制御部、１５０・・・ポンプ、１６０・・・チャンバ、２００・・・センサ装置、３００・・・表示部、４００・・・処理部、５００・・・センサ、５１０・・・入射光、５２０・・・測定対象物質を含む誘電体層、５２２・・・貴金属層、５２４・・・プリズム、５３２・・・分子認識素子

Claims (20)

1. 予め定められた測定対象物質の物性を測定するためのセンサであって、
   基板と、
   前記基板の上方に設けられた強磁性体層と、
   前記強磁性体層の上方に設けられ、測定対象物質を流すための空間を含む低屈折率層と、
   前記低屈折率層の上方に設けられ、前記低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層と、
   前記低屈折率層の周囲の少なくとも一部に設けられ、前記測定対象物質を流入するための流入口と、前記測定対象物質を流出するための流出口とを有し、前記高屈折率層を前記強磁性体層の上方に支持する支持層と
   を備えるセンサ。
2. 前記低屈折率層は、上面及び下面が四角形であり、
   前記支持層は前記低屈折率層の少なくとも四隅にある、
   請求項1に記載のセンサ。
3. 前記支持層の材料はインジウムである、請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記低屈折率層と前記強磁性体層の間に設けられ、前記強磁性体層よりも導電率が高い第１金属層と、
   前記基板と前記強磁性体層との間に設けられ、前記強磁性体層よりも測定波長における導電率が高い第２金属層であって、前記第１金属層の膜厚は、前記第２金属層の膜厚よりも薄い、第２金属層と
   をさらに備える、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ。
5. 前記低屈折率層及び前記高屈折率層は、前記第１金属層から着脱可能に設けられる、請求項４に記載のセンサ。
6. 前記低屈折率層は、予め定められた第１の層厚と、前記第１の層厚と異なる第２の層厚を有する
   請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ。
7. 予め定められた測定対象物質の物性を測定するためのセンサであって、
   基板と、
   前記基板の上方に設けられた強磁性体層と、
   前記強磁性体層の上方に設けられ、前記測定対象物質を流すための空間を含む低屈折率層であって、前記低屈折率層は、予め定められた第１の層厚と、前記第１の層厚と異なる第２の層厚を有する、低屈折率層と、
   前記低屈折率層の上方に設けられ、前記低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層と
   を備えるセンサ。
8. 前記低屈折率層は、前記第１の層厚から前記第２の層厚へと徐々に層厚が変化するくさび型の構造を有する
   請求項６または７に記載のセンサ。
9. 第１の磁場と、前記第１の磁場と異なる第２の磁場のいずれかを前記強磁性体層に印加する磁場印加部を更に備える
   請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサ。
10. 前記磁場印加部は、前記第１の磁場として飽和磁場を前記強磁性体層に印加し、前記第２の磁場として前記飽和磁場の反転磁場を前記強磁性体層に印加する
    請求項９に記載のセンサ。
11. 前記低屈折率層は、
    前記測定対象物質を前記低屈折率層に流入する流入部と、
    前記測定対象物質を前記低屈折率層から外部に流出する流出部と
    を備える
    請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサ。
12. 前記低屈折率層の層厚は１５０００ｎｍ以下である
    請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサ。
13. 前記強磁性体層と前記低屈折率層との間に設けられ、１より大きい屈折率の伝搬定数調整層を更に備える
    請求項１から１２のいずれか一項に記載のセンサ。
14. 前記伝搬定数調整層の膜厚は、前記低屈折率層の層厚より薄い
    請求項１３に記載のセンサ。
15. ある入射角度θで測定された、前記低屈折率層の層厚ｔが異なる２点（ｔ１、ｔ２）の反射率の変化をΔＲｐ'とし、ある入射角度θで反射率を測定したとき、前記層厚ｔがｔ１、ｔ２のもとで得られた反射率の和をＲｐ'とした場合に、
    性能指数ΔＲｐ'／Ｒｐ'が－１．０以上、－０．９以下、または、＋０．９以上、＋１．０以下を満たし、
    前記反射率は、前記入射角度θで前記高屈折率層に入射した入射光が、前記高屈折率層と前記低屈折率層との界面で反射する反射率である、
    請求項１から１４のいずれか一項に記載のセンサ。
16. 基板を用意し、
    前記基板の上方に強磁性体層を設け、
    前記強磁性体層の上方に、測定対象物質を流すための空間を含む低屈折率層を設け、
    前記低屈折率層の上方に、前記低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層を設ける、
    予め定められた測定対象物質の物性を測定するためのセンサの製造方法であって、
    前記強磁性体層と、前記低屈折率層と、前記高屈折率層との積層構造は、
    前記強磁性体層の上面において、前記低屈折率層の周囲の少なくとも一部に、接着剤からなる支持層であって、前記測定対象物質を流入するための流入口と、前記測定対象物質を流出するための流出口とを有する、支持層を設け、前記支持層を介して、前記強磁性体層の上方に前記高屈折率層を積層することにより形成される、
    センサの製造方法。
17. 前記低屈折率層は、上面及び下面が四角形であり、
    前記支持層は前記低屈折率層の少なくとも四隅にある、
    請求項１６に記載のセンサの製造方法。
18. 前記支持層の材料はインジウムである、請求項１６または１７に記載のセンサの製造方法。
19. 予め定められた測定対象物質の物性を測定するためのセンサの製造方法であって、
    第１の基板を用意し、
    前記第１の基板の上方に強磁性体層を設け、
    前記測定対象物質を流すための空間を含む低屈折率層および前記低屈折率層よりも屈折率の大きい高屈折率層を形成するための、前記高屈折率層の材料から成る第２の基板を用意し、
    前記第２の基板に、前記低屈折率層である溝を設け、
    前記第２の基板の前記溝が形成された面を、前記強磁性体層に貼り合わせる、
    センサの製造方法。
20. ある入射角度θで測定された、前記低屈折率層の層厚ｔが異なる２点（ｔ１、ｔ２）の反射率の変化をΔＲｐ'とし、ある入射角度θで反射率を測定したとき、前記層厚ｔがｔ１、ｔ２のもとで得られた反射率の和をＲｐ'とした場合に、
    性能指数ΔＲｐ'／Ｒｐ'が－１．０以上、－０．９以下、または、＋０．９以上、＋１．０以下を満たし、
    前記反射率は、前記入射角度θで前記高屈折率層に入射した入射光が、前記高屈折率層と前記低屈折率層との界面で反射する反射率である、
    請求項１６から１９のいずれか一項に記載のセンサの製造方法。

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