JPH09218157A - 環境センサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で、製造コストが低く、応答時間
の制御性がよく、しかも多数のセンサ素子をアレイ状に
形成可能な環境センサを提供する。 【解決手段】 周囲環境における化学物質や変化を検出
するセンサ（１０，３０，４０，５０，７０）は、化学
指示薬を含むゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，１
７，５４，５６，５７）を利用する。基板（１１，５
１）に溝（１２，１３，２４，５２，５３）を形成す
る。溝は、化学指示薬を有するゾル・ゲル物質で充填さ
れ、ゾル・ゲルを硬化させて基板（１１，５１）に接着
させる。溝（１２，１３，２４，５２，５３）は、光フ
ァイバ・ケーブル（４６）のゾル・ゲル・センサ素子へ
の光学的結合を容易とするように形成される。光は光フ
ァイバ・ケーブル（４６）からゾル・ゲル・センサ素子
（１４，１６，１７、５４，５６，５７）に結合され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にセンサに
関し、更に特定すれば新規な光センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】グラス・ファイバ光ケーブルは、ｐＨセ
ンサとして、二酸化炭素、一酸化炭素、およびアンモニ
アのような化学物質の存在を検出するために以前から用
いられている。被覆された光ファイバ・ケーブル(cladd
ed fiberoptic cable)上のクラッディング(cladding)の
微小部分を除去し、ファイバの微小部分を露出させる。
化学的に感応する染料(chemically sensitive dye)を含
むゾル・ゲル誘導シリカ・ガラス(sol-gel derived sil
ica glass)を用意し、露出されたファイバの外側に塗布
することによって、化学的感応染料を含むシリカ・ガラ
スを光が通過しないようにまたは接触しないようにす
る。異なるレベルの化学検体(chemical analyte)に露出
されると、光ファイバ・ケーブルの透過能力が変化する
ことにより、ケーブルを通過する光が変化することにな
る。

【０００３】従来のセンサに伴う問題の１つは製造コス
トである。クラッディングの部分をケーブルの中央部分
において除去しなければならず、次いで露出された円筒
状ケーブル部分にゾル・ゲルを塗布する。クラッディン
グの除去およびゾル・ゲルの塗布は労働集約的であるた
め、費用のかかる作業である。加えて、ゾル・ゲル被膜
の厚さおよび均一性を制御するのは困難である。結果的
に、センサの応答時間は、ゾル・ゲル被膜の厚さによっ
てばらつきが生じる。更に、多数の化学物質および元素
を検出するのに適した、多数のセンサを配列したアレイ
を生産するのは困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、製造が容
易で、製造コストが低く、応答時間の制御性がよく、し
かも多数のセンサ素子のアレイに容易に形成可能な光セ
ンサを有することが望まれている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によるセンサは、
周囲環境における化学物質や変化を検出するものであ
り、化学指示薬を含むゾル・ゲル・センサ素子を利用す
る。基板に溝を形成し、これらの溝に化学指示薬を有す
るゾル・ゲル物質を充填する。ゾル・ゲル物質を硬化さ
せて基板に接着させる。溝は、光ファイバ・ケーブルの
ゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするよ
うに形成される。光は光ファイバ・ケーブルからゾル・
ゲル・センサ素子に結合される。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は、光センサ素子のアレイを
有する環境センサ即ち光センサ１０の斜視図を示す。セ
ンサ１０は、例えばシリコンの基板１１上に形成され、
第１溝１２、第２溝１３、および第３溝２４のような複
数の平行なＶ字状溝が、基板１１の一方の表面上に形成
されている。溝１２，１３，２４を形成するには、当業
者には既知のエッチング技法を用いる。＜１００＞方位
を有するシリコンを用いる場合、エッチングを行うと、
その結果として角度約５４．７゜の壁を有するＶ字状溝
が得られる。溝１２，１３，２４の中には、第１ゾル・
ゲル・センサ素子１４、第２ゾル・ゲル・センサ素子１
６、および第３ゾル・ゲル・センサ素子１７がそれぞれ
形成されている。素子１４，１６，１７は、テトラエチ
ルオルトシリケート(tetraethylorthosilicate) または
メチルトリメトキシシラン(methyltrimethoxysilane)を
アルコールまたは水で加水分解(hydrolyze)し、塩化水
素酸(hydrochloric acid)のような触媒を任意に加える
ことによって形成される。ゾル・ゲルを加水分解する方
法は当業者には既知である。典型的に、マスクを基板１
１の表面に被着し、パターニングを行って溝１２，１
３，２４の部分を露出する開口を形成し、その中に素子
１４，１６，１７を形成する。次いで、マスクを除去
し、ゾル・ゲル混合物を用意し、加水分解する。加水分
解の後、化学指示薬(chemical indicator)をゾル・ゲル
混合物に付加し、スピン・コーティングまたは均一な塗
布が得られるその他の技法によって、この混合物を基板
１１の表面に塗布する。化学指示薬は典型的に、センサ
１０が露出される環境において測定または検出される検
体に感応する染料である。ゾル・ゲルを乾燥させて、溝
１２，１３，２４内の素子１４，１６、１７を完成させ
る。

【０００７】動作中、素子１４，１６，１７の１つまた
は複数に光を入射させる。素子１４，１６、１７内の化
学指示薬は周囲の環境と反応し、素子１４，１６，１７
を通過する光を変換する(transmform)。光に対する効果
は、素子１４，１６，１７内の指示体の種類、および指
示体と周囲の環境との間の相互作用によって異なる。検
出すべき大気化学物質(atomospheric chemical)に露出
させた後では、ある光の波長における指示体の吸収量が
変化するので、素子１４，１６，１７から出てきた光の
強度は、素子に入射した際の光の強度とは異なってい
る。他のタイプの指示体には、入射光を吸収し、吸収し
たエネルギを用いて特定の光波長を放出するものがあ
り、この場合素子１４，１６，１７から出ていく光は、
化学指示薬の放出周波数によって定まる。かかる指示体
は、典型的に、蛍光モード(fluorescence mode)におい
て動作すると言う。典型的な指示体、動作モード、およ
び検出される元素を、以下の表に纏めておく。 指示体 モード 検 出 フルオレセイン 蛍光 酸素、湿度、ｐＨ ブロモクレゾール・グリーン 吸収 ｐＨ ブロモクレゾール・パープル 吸収 アンモニア、ｐＨ Ru(bpy)2+ 蛍光 酸素 Ru(ph2phen)32+ 蛍光 酸素 塩化コバルト 吸収 湿度 ポルフィリン 吸収 重金属、アンモニア、ｐＨ 典型的に、光を素子１４，１６，１７に入射させる際、
第１光ファイバ４７、第２光ファイバ４８、および第３
光ファイバ４９のような個別の光導管即ちファイバを有
するファイバ・リボン・ケーブル４６を利用する。素子
１４，１６，１７の長さは、典型的に基板１１の長さで
あり、それぞれファイバ４７，４８，４９への光学的結
合を可能にする。空間２１が素子１４，１６，１７の端
部と各溝１２，１３，２４の端部それぞれの間に残って
もよいが、かかる空間２１をできるだけ小さくして、フ
ァイバ４７，４８，４９に対して最適な結合を与えるの
が望ましい。図１では、図面および説明の簡略化のため
に、空間２１のサイズが誇張されている。

【０００８】溝１２，１３，２４の深さは、ファイバ４
７，４８，４９への光学的結合を最も効率的にするよう
に選択される。典型的に、この深さは、素子１４，１
６，１７に入射される光の波長において、素子１４，１
６，１７内で単一モードまたは多重モードのいずれでも
可能にするように形成される。エッチングの結果角度が
約５４．７゜の壁が得られるので、溝１２，１３，２４
の深さは、各溝または各溝の上端によって形成される三
角形の底辺(base)の幅によって決定される。典型的に、
全ての溝はほぼ同一の幅を有するが、溝２４は約３５な
いし５０ミクロンの幅２３を有し多重モード動作を与
え、一方溝１２，１３は約１０ないし１５ミクロンの幅
２２を有し、単一モード動作を与えるように示されてい
る。

【０００９】溝２４の深さが溝１２，１３よりも深いの
で、素子１７は多層ゾル・ゲル・センサ素子とすること
ができる。これは、加水分解したゾル・ゲル物質を連続
的に塗布および硬化することによって層状に形成され
る。最下層群のためのゾル・ゲル物質は、計量分配(dis
pense)またはスピン・オン(spin-on)によって形成する
ことができる。このように層状に形成する場合は、最下
層または層群は化学指示薬を含まずに形成することがで
き、指示体は最上層にのみ存在する。異なる層を用いる
ことによって、素子１７の底部から最上部までの屈折率
を容易に変化させることができるため、素子１７の端部
付近で素子全体を均一に照明するモードから最上層のみ
を照明するモードまで、光透過モードを徐々に変化させ
ることができる。これによって、指示体および光は素子
１７の表面付近に留まるので、素子１７の応答時間が短
縮される。

【００１０】また、センサ１０は、基板１１の外側縁に
沿って溝１２，１３，２４に平行に形成された、複数の
整合溝１８も含む。各整合溝１８内では、位置決めピン
(locating pin)１９を用いて外部接続器をセンサ１０と
整合させることにより、ファイバ４７，４８，４９のよ
うな光ファイバを素子１４，１６，１７に光学的に結合
する。これらについては、後に図５において説明する。
各ピン１９は、典型的に、基板１１の長さよりも大きい
長さを有し、外部接続器との嵌合(mating)を容易にして
いる。

【００１１】基板１１にＶ字状溝をエッチングすること
により、溝１２、１３，２４は非常に滑らかな壁を有す
るので、素子１４，１６，１７は、当該素子１４，１
６，１７を通過する光に対して、低損失導波路として機
能し易くなる。半導体エッチング技法を利用するので、
溝１２，１３，２４、およびセンサ素子１４，１６，１
７は常に同一形状を有し、容易に大きなアレイに形成で
き、マルチチャネル動作が容易に実現可能となる。ゾル
・ゲルのスピン・コーティングを利用することにより、
センサ１０の反復性と製造可能性は更に高まることにな
る。更にまた、スピン・コーティングによって、積層さ
れる層が光センサ素子の屈折率を変化させることがで
き、マルチ・モード動作用の厚いセンサ素子の形成が可
能となる。

【００１２】多数の光センサ素子のアレイを形成するこ
とにより、化学指示薬を含まない１つの素子を形成し、
基準チャネルとして機能させ、センサ１０の感度と安定
性を最適化することができる。更にまた、素子のアレイ
を用いることにより、各素子に異なる化学指示薬を容易
に使用できるようになるので、センサ１０は周囲環境に
おいて種々の化学物質(chemical)または状態を検出可能
となる。加えて、化学指示薬を省略することができ、セ
ンサ１０は２本のファイバ・リボン・ケーブルを共に結
合する接続器として機能することができる。

【００１３】図２は、図１に示したセンサ１０の他の実
施例である光センサ５０の断面図である。センサ５０
は、プラスチックまたはその他の適した物質でモールド
された、モールド基板５１を有する。基板５１には、図
１に示した溝１２，１３と同様に機能する複数の第１溝
５２と、図１に示した溝２４と同様に機能するより深い
溝５３がモールドされる。溝５２，５３をモールドで形
成するので、種々の形状が溝５２，５３に可能である
が、好適実施例では正方形である。溝１８（図１）と同
様に機能する整合溝５８も、基板５１をモールドすると
きに形成される。続いて、それぞれ素子１４，１６，１
７（図１）と同様に機能する、第１センサ素子５４、第
２センサ素子５６、および第３センサ素子５７を形成す
る。典型的に、素子５４，５６，５７は、スピン・オン
・コーティングの代わりに、ゾル・ゲルを溝５２，５３
内に計量分配することによって形成される。位置決めピ
ン５９は、図１に示した位置決めピン１９と同様に機能
する。

【００１４】図３は、図１に示したセンサ１０の更に他
の実施例である光センサ３０の部分断面図を示す。図１
と同一参照番号を有する図３の素子は、対応する図１の
素子に類似するものである。センサ３０は、基板１１内
に形成されセンサ素子１４と光学的に結合された、光学
素子を有する。光検出器２８が、素子１４の第１端部に
隣接して、基板１１内に形成されている。検出器２８は
アノード２９およびカソード３１を有するので、検出器
２８はファイバ４７によって素子１４に入射された光を
検出することができる。ボンディング・パッド２６，２
７が設けられ、それぞれアノード２９およびカソード３
１への電気接点を形成する。ファイバ４７が素子１４の
第２端部に結合されている。

【００１５】光エミッタの形成と併用可能性(compatibl
e)のある基板材料を用いることによって、センサ３０は
光エミッタも含み、これをファイバ４７の代わりに素子
１４の第２端部に結合することも可能である。例えば、
砒化ガリウム基板１１を用いて、発光ダイオードをエミ
ッタとして使用したり、あるいは、基板１１としてエピ
タキシャル成長による砒化ガリウムを用いることによ
り、レーザ・エミッタを検出器と共に形成することも可
能である。

【００１６】図４は、図１に示した光センサ１０の他の
実施例である光センサ４０の部分断面図を示す。図１と
同一参照番号を有する図４の素子は、対応する図１の素
子に類似するものである。図１に関して説明したが、セ
ンサ４０は、図２に示したセンサ５０の他の実施例とす
ることも可能である。センサ４０は、素子１４の第１端
部に光学的に結合された光学素子４２を有する。素子４
２は光検出器として、ファイバ４７によって素子１４内
に入射された光を検出したり、あるいは、光エミッタと
して、矢印で示す光４４を素子１４内に入射させ、ファ
イバ４７に結合させることができる。素子４２は、典型
的に、はんだバンプまたは当業者には既知の他の技法に
よって、基板１１の一方の表面上のボンディング・パッ
ド４１に接着されている。光学素子４２に入りまたは光
学素子４２から出た光を素子１４に結合するために、光
４４がＶ字状溝１２の傾斜した壁（図１）で反射するよ
うに、素子４２を位置付ける。したがって、Ｖ字溝１２
の傾斜した端部の壁は、光４４のミラーとして機能す
る。あるいは、素子４２を縁部放出型エミッタ(edgeemi
tting emitter)として放出領域を素子１４に結合させる
こともでき、または、素子４２を、ボンディング・パッ
ド４１に接着されたプリント回路基板のような電気回路
基板上に実装することもできる。

【００１７】図３および図４に示す実施例は、光源と検
出器とを有するセンサの製造を容易にすることにより労
力を減少し、かかるセンサのコスト低減を図るものであ
る。これによって、読み出し用電子回路に容易に接続で
き、しかも小型化されたセンサの形成が可能となる。加
えて、ファイバ・リボン・ケーブルのコストも、センサ
３０（図３）およびセンサ４０（図４）と共に低下す
る。

【００１８】図５は、図２に示したセンサ５０の別の実
施例である、光センサ７０の断面図を示す。図２と同一
参照番号を有する図５の素子は、対応する図２の素子に
類似するものである。基板５１は、基板５１内にモール
ドされたプリズム７１を有する。プリズム７１は各セン
サ素子５４，５６の第１端部付近にあり、各素子５４，
５６の第１端部に光学的に結合されている。光接続器７
５は、センサ素子５４，５６に光学的に結合された複数
の光ファイバ４７を有するファイバ・リボン・ケーブル
４６を含む。ファイバ４７の一部は、矢印７２で示すよ
うに、光を素子５４内に入射させる。光は素子５４から
出てプリズム７１に入射し、内部で反射して対応する素
子５６に再び結合され、矢印７２で示すように、対向す
るファイバ４７に結合される。

【００１９】接続器７５は、ケーブル４６に接着されケ
ーブル４６を所定位置に堅固に保持する接続器本体７６
を有する。典型的に、本体７６は、ケーブル４６周囲に
モールドされた、モールド・プラスチックである。ま
た、接続器７５は、ピン５９に整合されピン５９を受容
する整合用開口７７も有する。ケーブル４６は、モール
ディングに先だって、ファイバ４７が素子５４，５６と
整合するように、ピン５９に対して位置付けられる。接
続器７５は、センサ１０（図１）、センサ５０（図
２）、センサ３０（図３）、およびセンサ４０（図４）
と共に用いるのにも適していることを注記しておく。加
えて、図３、図４および図５に示した実施例から化学指
示薬を省略し、センサ３０，４０，５０の小型光学操舵
装置(compact optical steering device)または光電素
子としての使用を容易にすることもできる。

【００２０】プリズム７１は、単一のファイバ・リボン
・ケーブルの実施を容易にするので、センサ・システム
のサイズの縮小、およびそれに対応するコストの低減を
図ることができる。

【００２１】以上の説明から、新規なセンサが提供され
たことが認められよう。エッチングまたはモールドによ
って溝を形成することにより、精度の高い位置決めおよ
び製造コストの低下が容易となる。また、ゾル・ゲルお
よび指示薬物質をスピン−オンによって設ける結果、厚
さの正確な制御、対応する応答時間の短縮、反復性の高
いセンサ素子の実現、および製造コストの低減が可能と
なる。加えて、溝をエッチングまたはモールドによって
形成し、ゾル・ゲルおよび指示薬をスピン−オンによっ
て設けることにより、環境において種々の化学物質や状
態を検出するために使用できる指示体のアレイを小領域
に容易に形成可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光センサの斜視図。

【図２】本発明による光センサの別の実施例を示す断面
図。

【図３】本発明による光学素子を有する光センサの他の
実施例を示す断面図。

【図４】本発明による光学素子を有する光センサの他の
実施例を示す断面図。

【図５】本発明による光センサの他の実施例を示す断面
図。

【符号の説明】

１０，３０，４０，５０，７０ センサ １１，５１ 基板 １２，１３，２４，５２，５３ 溝 １４，１６，１７，５４，５６，５７ ゾル・ゲル・セ
ンサ素子 １８ 整合溝 １９，５９ 位置決めピン ２８ 光検出器 ２９ アノード ３１ カソード ２６，２７，４１ ボンディング・パッド ４２ 光学素子 ４６ ファイバ・リボン・ケーブル ４７，４８，４９ 光ファイバ ７１ プリズム ７５ 接続器 ７６ 接続器本体 ７７ 整合用開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャン−ロン・シェ アメリカ合衆国アリゾナ州パラダイス・バ レー、イースト・バー・ゼット・レーン 6739

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】環境センサであって：表面を有する基板
   （１１；５１）；前記表面上の複数の平行溝（１２，１
   ３，２４；５２，５３，５４）；および前記複数の平行
   溝の各溝内に配されたゾル・ゲル・センサ素子（１４，
   １６，１８；５４，５６，５７）から成ることを特徴と
   する環境センサ。
2. 【請求項２】更に、前記複数の平行溝の各溝内に配され
   た前記ゾル・ゲル・センサ素子の各ゾル・ゲル・センサ
   素子の第１端部に光学的に結合された光学素子を含むこ
   とを特徴とする、請求項１記載のセンサ。
3. 【請求項３】更に、前記複数の平行溝の各溝内に配され
   た前記ゾル・ゲル・センサ素子の各ゾル・ゲル・センサ
   素子の第２端部に光学的に結合された光学素子を含むこ
   とを特徴とする、請求項２記載のセンサ。
4. 【請求項４】環境センサであって：表面を有するシリコ
   ン基板（１１）；前記表面上の複数の平行Ｖ字状溝（１
   ２，１３，２４）；および前記複数の平行Ｖ字状溝の各
   溝内に配されたゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，
   １８）であって、少なくとも１つは化学指示薬を有する
   前記ゾル・ゲル・センサ素子；から成ることを特徴とす
   る環境センサ。
5. 【請求項５】センサの形成方法であって：基板（１１；
   ５１）を用意し、該基板の一方の表面に複数の溝（１
   ２，１３，２４；５２，５３，５４）を形成する段階；
   および前記複数の溝の各溝内にゾル・ゲル・センサ素子
   （１４，１６，１８；５４，５６，５７）を形成し、少
   なくとも１つのゾル・ゲル・センサ素子に化学指示薬を
   含ませる段階；から成ることを特徴とする方法。