JP7384390B2 - プローブ型センサー - Google Patents

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本発明は、プローブ型センサーに関する。
pHは化学分野における重要なパラメータの一つである。pH測定は、例えば、基礎バイオ・基礎科学の研究分野から品質管理、環境モニタリング、医療診断等の工業的な分野まで幅広く応用されている。
pHを測定する方法の一つとしてガラス電極を用いたポテンシオメトリ法がある。しかしながら、ガラス電極は体積が大きく、測定するために大きな空間が必要になる。このような問題を解決する手段として、半導体デバイスを用いたpH測定法が提案されている。
例えば、特許文献1には、Ion-sensitive Field Effect Transistor (ISFET)が記載されている。ISFETは、単点測定部が小型化され、形状の自由度が向上している。また例えば、特許文献2には、感光性電極を用いたセンサーが記載されており、センサーを用いてpHを測定できることが記載されている。特許文献2に記載の感光性電極は、Light-addressable Potentiometric Sensor (LAPS)と言われることがある。LAPSは、半導体基板上に絶縁膜が形成されたセンサーである。pHの空間分布に対応して、LAPSのセンサー面上の表面電位に分布が生じ、半導体中に空乏層の空間分布が生じる。この空乏層の空間分布に伴う静電容量の違いを交流光で読み取ることで、LAPSはpHを測定でき、位置分解能を有する。
特開2007-78373号公報 特表2005-538387号公報
LAPSは、標識が不要であり、位置情報を含めてpHを測定でき、非常に有用な手段である。しかしながら、LAPSは電気化学センサーであり、動作させるためには参照電極が必要である。例えば、脳の深部のような複雑な部分を測定する場合、LAPSとは別に参照電極を測定対象に対して設置することは難しい。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、様々な測定対象に適用できるプローブ型センサーを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
(1)第1の態様にかかるプローブ型センサーは、ファイバーと、前記ファイバーの一端に接続されたセンサーと、を備え、前記ファイバーは、複数の光ファイバーを含む光導波路と、前記光導波路の周囲に配置され前記光導波路に沿って延びる被覆膜とを備え、前記被覆膜は、内部に、前記光導波路に沿って延びる電極及び参照電極を有し、前記センサーは、半導体層と、前記半導体層の第1面に積層された絶縁体層と、前記第1面と反対の第2面に積層され前記ファイバーと電気的に接続する電極層と、を備える。
(2)上記の態様にかかるプローブ型センサーの前記被覆膜は、内部に前記光導波路に沿って延びる流路をさらに備えてもよい。
(3)上記態様にかかるプローブ型センサーにおいて、前記光ファイバーの直径は、10μm以上60μm以下であってもよい。
(4)上記態様にかかるプローブ型センサーにおいて、前記光導波路は、前記複数の光ファイバーと、前記複数の光ファイバーの間を埋める隔壁と、を備え、前記光ファイバーはポリカーボネートであり、前記隔壁はポリメチルメタクリレートであってもよい。
(5)上記態様にかかるプローブ型センサーにおいて、前記ファイバーの断面において、前記流路は複数あり、前記流路は、前記光導波路の周囲に点在していてもよい。
上記態様にかかるプローブ型センサーは、様々な測定対象に適用可能である。
第1実施形態に係るプローブ型センサーの斜視図である。 第1実施形態に係るプローブ型センサーのファイバーの断面図である。 第1実施形態に係るプローブ型センサーのセンサーの断面図である。 第1実施形態に係るプローブ型センサーのアドレス指定能力を示す図である。 第1実施形態に係るプローブ型センサーを作製する際の第1熱延伸プロセスを説明するための模式図である。 第1実施形態に係るプローブ型センサーを作製する際の集束プロセスを説明するための模式図である。 第1実施形態に係るプローブ型センサーを作製する際の集束プロセスを説明するための模式図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図1は、第1実施形態に係るプローブ型センサーの斜視図である。図1に示すプローブ型センサー100は、ファイバー10とセンサー20とを備える。センサー20は、ファイバー10の一端に接続されている。図1では、ファイバー10とセンサー20と関係を明確にするため、ファイバー10とセンサー20との間を離して図示しているが、ファイバー10はセンサー20に接続されている。
図2は、第1実施形態に係るプローブ型センサー100のファイバー10の断面図である。ファイバー10は、光導波路11と被覆膜14とを有する。またファイバー10は、さらに保護膜18、19を有してもよい。被覆膜14は、光導波路11の周囲を被覆する。被覆膜14は、光導波路11に沿って延びる。
光導波路11は、例えば、ファイバー10の第1端から第2端に向って延びる。例えば、光導波路11の第1端はセンサー20に面し、第2端は光を入力する光コネクタに接続される。光導波路11は、複数の光ファイバー12と隔壁13とを有する。隔壁13は、それぞれの光ファイバー12の周囲を被覆する。
光導波路11において、光ファイバー12は、束になっている。光ファイバー12はそれぞれ、光が内部を伝わる導波路である。光ファイバー12の断面形状は、例えば、略円形である。光ファイバー12の内部を導波した光は、センサー20の一面に照射される。光ファイバー12はそれぞれ、センサー20を動作させる光源である。
センサー20の解像度は、光ファイバー12の数及び大きさに依存する。光導波路11に含まれる光ファイバー12の数は、例えば、60本以上である。光ファイバー12の直径は、例えば、10μm以上60μm以下である。それぞれの光ファイバー12の直径は、同じでも異なってもよい。
光ファイバー12は、内部に光を透過することができる樹脂からなる。光ファイバー12は、例えば、ポリカーボネート(PC)である。
隔壁13は、光導波路11において、複数の光ファイバー12の間を埋める。隔壁13は、光導波路11の光ファイバー12以外の部分である。隔壁13は、光ファイバー12同士の間を仕切る。隔壁13は、それぞれの光ファイバー12を接着する。
隔壁13は、光ファイバー12と異なる樹脂材料からなる。隔壁13の屈折率は、光ファイバー12の屈折率と異なる。隔壁13の屈折率は、例えば、光ファイバー12の屈折率より小さい。隔壁13と光ファイバー12との屈折率差が大きいほど、光は光ファイバー12内に閉じ込められる。隔壁13は、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)である。
被覆膜14は、光導波路11の周囲を囲む。被覆膜14は、内部に、電極15、参照電極16及び流路17を有する。被覆膜14は、樹脂材料からなる。被覆膜14は、例えば、ポリカーボネート(PC)である。
電極15、参照電極16及び流路17は、光導波路11の周囲にある。電極15、参照電極16及び流路17は、光導波路11の長さ方向に沿って延びる。例えば、電極15の第1端はセンサー20に面し、第2端はファイバー10の長さ方向の途中で側面から外部に引き出され、測定装置に接続される。例えば、参照電極16の第1端及び第2端は、ファイバー10の長さ方向の途中で、側面から外部に引き出される。参照電極16の第1端は基準電位端子となり、第2端は測定装置に接続される。電極15、参照電極16及び流路17の断面視形状は特に問わない。電極15、参照電極16及び流路17の断面はそれぞれ、例えば、1辺の長さが10μm以上100μm以下の四角形である。
電極15及び参照電極16は、被覆膜14内に形成された開口内に収容されている。電極15と参照電極16とは、被覆膜14によって互いに絶縁されている。電極15及び参照電極16は、導電性を有する材料からなる。電極15は、例えば、ハンダである。参照電極16は、例えば銀線等の安定な金属材料からなる。電極15及び参照電極16は低融点であることが好ましく、例えば、BiSn、BiInである。電極15及び参照電極16が低融点であれば、後述する製造過程において、樹脂材料と共に引き延ばすことが容易になる。電極15は、センサー20の後述する電極層23に接続され、センサー20からの電気的な情報を外部に伝達する。参照電極16は、センサー20の基準電位となる。電極15は、被覆膜14内に複数あってもよく、参照電極16は一つあればよい。
流路17は、被覆膜14内に形成された開口である。流路17は、内部に溶液を流通できる。流路17は、センサー20の測定面に溶液を供給する。センサー20の測定面に対して流路17を介して溶液を供給することで、プローブ型センサー100は、例えばコンクリートや金属等のように、測定対象の表面が乾燥していても測定できる。流路17は、被覆膜14内に複数あってもよい。図2に示す流路17は、光導波路11の中心を基準に対称な2方向にある。
保護膜18、19は、被覆膜14の周囲を被覆する。保護膜18は、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)である。保護膜19は、例えば、環状オレフィンコポリマー(COC)である。保護膜18、19は、例えば、ファイバー10を作製する際の延伸プロセスにおいて、外部からのエッチングから内部を保護する。
図3は、第1実施形態に係るプローブ型センサー100のセンサー20の断面図である。センサー20は、半導体層21と絶縁層22と電極層23とを有する。センサー20は、いわゆるLAPSセンサーである。センサー20の平面視形状は、例えば、四角形であり、その1辺は、例えば、500nm以上1mm以下である。
半導体層21は、半導体からなる。半導体層21は、例えば、ボロンがドープされたシリコンである。半導体層21の厚みは、例えば、100μmである。半導体層21の厚みが薄いと、光照射時に生じるキャリア(電子及び正孔)の横方向への拡散を制限でき、センサー20の空間分解能を向上させることができる。また半導体層21の厚みが薄くなると、キャリアの移動距離が短くなり、電子と正孔が再結合することによる損失を減らすことができ、検出される光電流の量が大きくなる。
絶縁層22は、半導体層21の第1面21aに積層される。絶縁層22は、例えば、半導体層21側から順に、酸化シリコン層と酸化窒素層とが積層された積層体である。それぞれの厚みは、例えば、50nmである。絶縁層22は、測定対象と密着する。
電極層23は、半導体層21の第2面21bに積層される。第2面21bは、半導体層21の第1面21aと反対側の面である。電極層23は、例えば、金、チタンを含む。電極層23の厚みは、例えば、数nmであり、光を透過できる。電極層23は、ファイバー10の電極15に接続され、ファイバー10と電気的に接続されている。
次いで、第1実施形態に係るプローブ型センサー100の動作について説明する。まず、測定対象に、センサー20の絶縁層22を密着させる。測定対象は、特に問わない。例えば、コンクリートや金属表面のような乾燥した面を測定対象としてもよく、プローブ型センサー100はコンクリートの欠陥、金属の腐食等の観測にも適用できる。
次いで、測定対象が乾燥した表面の場合、流路17を介して測定面に向って溶液を供給する。測定面に溶液を供給することで、測定面が濡れ、測定面の電気化学測定を行うことができる。
光ファイバー12を介して変調された光をセンサー20に照射する。光は、プローブ型センサー100の光ファイバー12のそれぞれを導波し、センサー20の電極層23側から照射される。
光が照射されると半導体層21で電子正孔対が生成される。電子正孔対は、空乏層内を拡散し、電場により電子と正孔に分離される。電子正孔対が電子と正孔に分離することで、光電流を生じる。光電流は、電極15と参照電極16との間の電位差に基づいて、プローブ型センサー100の外部に出力される。
局所的な空乏層の静電容量は、測定対象の表面電位に依存する。測定対象の表面電位は、例えば、pHに依存する。すなわち、測定対象のpH又は表面電位に応じて、光電流の挙動が変化する。例えば、光をパルスで照射すると、交流光電流が生成する。測定対象のpHが異なると、交流光電流の振幅及び位相が変化する。この振幅の変化及び位相のシフトを評価することで、測定対象の状態が読み出される。
図4に示すように、光は、光ファイバー12のそれぞれから独立して照射できる。すなわち、プローブ型センサー100は、特定の光ファイバー12にのみ光を照射することができ、アドレス指定できる。光ファイバー12の一端から照射した光は、光ファイバー12の他端のみで確認され、他の光ファイバーに拡散することは無く、隣接する光ファイバー12間でエバネッセント光のクロストークも生じない。センサー20に対して特定の光ファイバー12からのみ光を供給することで、測定対象の局所的な部分の状態を評価することができる。
また光ファイバー12のそれぞれから異なる周波数で変調された光を、センサー20の異なる複数の場所に照射し、出力された光電流を逆多重化して分解してもよい。光電流を逆多重化すると、出力された光電流は周波数ごとに分解される。周波数ごとに分解された光電流と照射した光の周波数とを照合することで、表面電位の位置情報を読み出すことができる。
次いで、第1実施形態に係るプローブ型センサー100の製造方法について説明する。プローブ型センサー100の製造方法は、第1熱延伸プロセスと集束プロセスと第2熱延伸プロセスとを有する。
まず、第1熱延伸プロセスについて説明する。図5は、第1実施形態に係るプローブ型センサー100を作製する際の第1熱延伸プロセスを説明するための模式図である。まずコア32とコア32の周囲を被覆するクラッド33とからなる母材31を準備する。コア32は、上述した光ファイバー12となる部分であり、例えば、ポリカーボネート(PC)である。クラッド33は、上述した隔壁13となる部分であり、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)である。
次いで、母材31の周囲をヒータHで囲み、母材31を同心円状に加熱しながら引き延ばす。母材31は、第1延伸プロセスによって引き延ばされることで、径が小さくなる。母材31の径は、引き延ばす際の張力及び加熱温度によって自由に設計できる。例えば、ポリカーボネートとポリメチルメタクリレートは、ガラス転移温度が近く、同時に延伸可能である。ポリカーボネートのガラス転移温度は145℃であり、ポリメチルメタクリレートのガラス転移温度は105℃である。コア32の径は、例えば、650μm以上1690μm以下となり、クラッド33の径方向の幅は、例えば、55μm以上150μm以下となる。
次いで、集束プロセスについて説明する。図6は、第1実施形態に係るプローブ型センサー100を作製する際の集束プロセスを説明するための模式図である。集束プロセスでは、第1熱延伸プロセスで作製された母材31を複数束ねる。複数の母材31は、例えば、結束膜34を用いて束ねられる。結束膜34は、上述の被覆膜14となる。
図7は、第1実施形態に係るプローブ型センサー100を作製する際の集束プロセスを説明するための模式図である。図7に示すように、結束膜34の一部に溝を切り、溝の一部に電極35を収容する。電極35は、上述の電極15と参照電極16となる。そして電極35を収容後に、結束膜34及び電極35の周囲を薄い膜で囲む。薄い膜で囲むことで、電極35が収容されなかった溝は開口となる。開口は、上述の流路17となる。次いで、結束膜34及び電極35の周囲を保護膜38及び保護膜39で囲む。保護膜38は、上述の保護膜18に対応する。保護膜39は、上述の保護膜19に対応する。
次いで、第2熱延伸プロセスについて説明する。第2熱延伸プロセスでは、集束プロセスで作製したサンプルを、第1熱延伸プロセスと同様の方法で、延伸する。第2延伸プロセスでは、直径が数mmのサンプルを、直径数十μm長さ数kmまで引き延ばす。第2延伸プロセス後の光ファイバー12の径は、最初の母材31から約3000分の1まで縮径される。このような手順により本実施形態に係るプローブ型センサー100が作製される。
第1実施形態に係るプローブ型センサー100は、流路17を介して測定対象に溶液を供給することができ、測定面が乾燥している場合でも、測定面を濡らすことで電気化学測定を行うことができる。また参照電極16がプローブ型センサー100内に内包されており、参照電極を別途用意する必要がない。そのため、例えば脳の深部のように、十分な空間を確保することが難しい領域においても、比較的簡便にセンサーを設置することができ、そこからの情報を取り出すことができる。
ここまで本発明の一実施形態として、プローブ型センサー100を例示した。しかしながら、本発明は、当該実施形態に限られるものではない。例えば、測定対象がウェットな環境な場合は、必ずしもプローブ型センサー100は、流路17を有していなくてもよい。図2における流路17に該当する部分は、被覆膜14を構成する樹脂材料や、電極15と同様の導電材料で充填されていてもよい。
10 ファイバー
11 光導波路
12 光ファイバー
13 隔壁
14 被覆膜
15 電極
16 参照電極
17 流路
18、19、38、39 保護膜
20 センサー
21 半導体層
22 絶縁層
23 電極層
31 母材
32 コア
33 クラッド
34 結束膜
35 電極
100 プローブ型センサー

Claims (5)

  1. ファイバーと、前記ファイバーの一端に接続されたセンサーと、を備え、
    前記ファイバーは、複数の光ファイバーを含む光導波路と、前記光導波路の周囲に配置され前記光導波路に沿って延びる被覆膜とを備え、
    前記被覆膜は、内部に、前記光導波路に沿って延びる電極及び参照電極を有し、
    前記センサーは、半導体層と、前記半導体層の第1面に積層された絶縁体層と、前記第1面と反対の第2面に積層され前記ファイバーと電気的に接続する電極層と、を備え
    前記被覆膜は、内部に前記光導波路に沿って延びる流路をさらに備え、
    前記流路は、前記センサーの測定面に溶液を供給する、プローブ型センサー。
  2. 前記複数の光ファイバーのそれぞれは、異なる周波数で変調された光を前記センサーの異なる複数の場所に照射し、
    前記センサーで周波数毎に分解された光電流と、前記複数の光ファイバーのそれぞれに照射した光の周波数とを照合する、請求項1に記載のプローブ型センサー。
  3. 前記光ファイバーの直径は、10μm以上60μm以下である、請求項1又は2に記載のプローブ型センサー。
  4. 前記光導波路は、前記複数の光ファイバーと、前記複数の光ファイバーの間を埋める隔壁と、を備え、
    前記光ファイバーはポリカーボネートであり、前記隔壁はポリメチルメタクリレートである、請求項1~3のいずれか一項に記載のプローブ型センサー。
  5. 前記ファイバーの断面において、前記流路は複数あり、
    前記流路は、前記光導波路の周囲に点在している、請求項に記載のプローブ型センサー。
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Botero-Cadavid Fiber-optic sensor for detection of hydrogen peroxide in PEM fuel cells

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