JPH10123048A

JPH10123048A - 集積化されたセンサおよび生化学的サンプルを検出する方法

Info

Publication number: JPH10123048A
Application number: JP9268770A
Authority: JP
Inventors: Jose A Melendez; エイ．メレンデズジョセ; Richard A Carr; エイ．カーリチャード; Dwight U Bartholomew; ユー．バーソロミュードゥワイト
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 1998-05-15
Also published as: US6097479A; EP0836092A2; EP0836092A3

Abstract

(57)【要約】【課題】コンピュータまたは同様なシステムによって
容易に分析し、解釈できる、意味のある臨界的角度デー
タを発生する集積化されたセンサを提供すること。【解決手段】光源は保護光ハウジング内である範囲の
角度で電磁放射線を放出する。ハウジングの１つ以上の
ミラー面は当該サンプルに接触する検出表面に光を向け
る。臨界角度よりも小さい入射角で検出表面に入射した
光は一部が屈折されてサンプル内に入射し、一部はハウ
ジング内で反射される。臨界角度よりも大きい入射角で
は、光は基板上の光検出器に向かって内面全反射され
る。光検出器は反射された光線の照度の強度を検出す
る。この強度は内面全反射領域で最大となる。高い強度
から低い強度までの変化は臨界角度を表示し、出力信号
を発生するために光検出器の個々のセルによって検出で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般的には光センサ
の技術分野に関し、より詳細には、当該所定サンプルの
まわりにあらかじめ配置された、表面から反射される光
の臨界角度の測定を行い、サンプルに関する定性的また
は定量的分析を可能にするための集積化された光検出デ
バイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】次にガス、液体または気体のような当該
所定サンプルの存在を検出するのに使用できる光センサ
を参照して本発明の範囲を限定することなく、本発明の
背景について説明する。

【０００３】媒体の屈折率を測定するための臨界角度の
測定の基本となる物理学の原理のように、臨界角度を使
用して屈折率の測定をするための検出システムは、当技
術で周知である。この臨界角度は屈折率に応じて決ま
り、この臨界角度よりも入射角度が大きくなると、内面
全反射を観察できる。屈折率の大きい媒体から屈折率の
低い方の媒体に光線が入射した時、このような内面全反
射が生じる。

【０００４】従来技術におけるデバイスでは一般にユー
ザーが光の透過から内面全反射までの特性変化を見極め
なければならなかった。ほとんどの屈折計では２つのガ
ラス製プリズムの間に液体が収容されており、境界面で
の内面全反射を視覚的に観測するようになっている。従
来の流れ液面センサは所定の液体チャンバー内に液体が
存在するか否かを検出するだけである。更にこのセンサ
では液体チャンバー内にガラスの光媒体が存在していな
ければならず、これによって液体の流れパターンの変化
を生じことがある。

【０００５】本発明の一実施例は、液体の存在を検出す
るだけでなく、液体を所定の成分から充分に構成されて
いるか否かを検出できるようにしたものである。このよ
うに本発明は潤滑油が不充分である場合、コンプレッサ
の故障が生じるようなコンプレッサの作動時に特に有効
である。多数の潜在的な有効な用途のうちでも、本発明
はオイルと冷却材混合物を含むオイルリザーバが故障を
生じないようにオイルの組成比率が充分であるかどうか
を判断することにより、かかる故障を防止するのに使用
できる。本発明は更に溶液が当該成分の所定のスレッシ
ョルド比率より低下するか、またはこれを越えるかどう
かを検出するための品質管理用にも使用できる。

【０００６】従来のセンサの別の限界点は、センサが大
きく、充分に集積化されていないことである。別個の部
品、インターフェース構造および付加的な回路の数が多
いことにより、システム全体のコストおよびメンテナン
スが増加している。本発明は単一の保護ハウジング内に
電気光学的部品を集積化することにより、これら問題の
多くを解決している。

【０００７】このように種々の電気光学的部品を単一プ
ラットフォームに集積化した検出センサデバイスは有利
である。このデバイスは内面全反射が観察される臨界角
度を表すデータを発生するはずである。このデータはパ
ソコンまたは他の同様な処理システムによって更に分析
できるよう、未処理または処理されたフォーマットで利
用できるものでなければならない。小型軽量で集積化さ
れたデバイスは広範な用途を有し、従来のセンサが満た
すことのできなかった分野を満たすこととなろう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のほとんどの屈折
計は内面全反射を目で観察するアッベタイプのものであ
り、このようにフィールドでの用途が限られていた。よ
って本発明の主たる課題は、コンピュータまたは他の同
様なシステムによって容易に分析でき、解釈できる、意
義のある臨界角度のデータを提供するほとんどのフィー
ルドでの用途に使用できる集積化されたセンサを提供す
ることにある。

【０００９】本発明の別の課題は、液体溶液が充分な比
率の当該成分から成るかどうかを検出する組成比率セン
サを提供することにある。従来の液体レベルセンサはサ
ンプルの組成比率を表示する収集データではなく、液体
が存在するか否かしか検出しない点で、このような用途
が限られている。

【００１０】本発明の別の課題は、大量に製造できる低
コストセンサを提供することにある。本発明は、小型軽
量のセンサであり、低コストの部品を使用してる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】一般的に、また本発明の
一形態では、光源は保護光ハウジング内である範囲の角
度で電磁放射線を放出する。ハウジングの１つ以上のミ
ラー面は当該サンプルに接触する検出表面に光を向け
る。臨界角度よりも小さい入射角度で検出表面に入射し
た光は一部が屈折されてサンプル内に入射し、一部はハ
ウジング内で反射される。臨界角度よりも大きい入射角
度では、光は基板上の光検出器に向かって内面全反射さ
れる。

【００１２】光検出器は反射された光線の照度の強度を
検出し、この強度は内面全反射領域で最大となる。高い
強度から低い強度までの変化は臨界角度を表示し、出力
信号を発生するために光検出器の個々のセルによって検
出できる。この信号は対応する電圧に変換され、本発明
の一実施例では信号処理ユニットに中継される。

【００１３】臨界角度が測定されると、サンプルの屈折
率、すなわち１つ以上のサンプルの特性を示す屈折率を
決定できる。別の実施例では、検出表面近くで温度モニ
タを行うための温度センサも設けられる。光源、光検出
器、信号処理回路および温度センサを含む保護用光ハウ
ジング内にシステムの部品のすべてが収容されている。

【００１４】本発明の一実施例の利点としては、封入さ
れた保護ハウジング内に必要な電気光学的部品が収容さ
れることが挙げられる。このため、本発明は未処理デー
タを分析するために別の外部回路を必要とすることな
く、信号処理自体の多くを行うことができる。本発明の
別の利点は、サイズが小型であり、このため多数のフィ
ールドでの用途でデバイスを使用できることが挙げられ
る。例えば約３インチ×０. ４０”×０. ３２”の大き
さを有する光検出器、すなわちＴＳＬ１４０１に関する
適当な部品を参照されたい。小型化されている他にセン
サ部品は低コストであり、業界において容易に利用でき
る。従って、このセンサは大量に製造できる。

【００１５】特徴および利点を含む本発明をより完全に
理解するため、次に添付図面を参照して次の詳細な説明
を参照する。

【００１６】特に表示がない限り、異なる図面において
対応する参照番号および記号は対応する部品を示すもの
である。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１には、当業者に知られている
液面センサが示されており、液面センサは全体が番号１
０で全体が表示されている。この従来のセンサ１０は光
源１２と光検出器１４とを含み、双方はプラットフォー
ム１６の上部表面１８に結合されている。プラットフォ
ーム１６の底部表面２０はこれから延びる複数の導電性
ピン２２を有し、外部へのインターフェースとなってい
る。

【００１８】センサ１０はサンプル液４０を含む液体チ
ャンバ３８内に予め配置されたプリズム状の構造物２４
を使用する。光源１２から放出された光２６は第２プリ
ズム表面２８の方向に第１プリズム表面２６で反射さ
れ、第２プリズム表面２８で更に反射され、光検出器１
４に入射する。

【００１９】光学的プリズム２４は光透過性材料、例え
ばガラスまたはプラスチックから製造されており、セン
サ１０をチャンバ３８内の環境に適合させている。しか
しながら、このような構造はサンプル４０内の流体流れ
パターンを変えることがあるという点で問題を有してい
る。更にセンサ１０は、チャンバ３８内に液体サンプル
４０が存在するか、または存在しないかを検出するよう
にしか作動しない。

【００２０】次に図２を参照する。本発明の利点は当業
者には明らかとなろう。集積化された臨界角度センサ５
０はブロック図で示されている。このセンサ５０は次の
式１（ここでｎ₂は等価的媒体（サンプル４０）の屈折
率であり、ｎ₁は元の媒体（光透過性ハウジング５５）
の屈折率であり、θ_Cは臨界角度（７５）である）に示
されるように、臨界角度を使ってサンプルの屈折率を測
定することにより、サンプル４０が存在するかどうかを
検出する。

【００２１】

【数１】ｎ₂＝（ｎ₁）（ｓｉｎθ_C）式１

【００２２】図２に示されるように、封入光透過性ハウ
ジング５５内には必要な電気光学的部品が収容されてい
る。光源５７は電磁放射線すなわち光線５９、６０およ
び６１を反射ミラー表面６２へ向けて放出する。次に光
線５９、６０および６１はセンサ５０とサンプル４０と
の間の境界面を形成する検出表面６４の方向にハウジン
グ５５を通過する。従って、検出表面６４はサンプル４
０に直接接触している。

【００２３】検出表面６４に複数の光線５９、６０およ
び６１が、ある範囲の角度で入射する。臨界角度７５よ
りも小さい入射角の場合、光の一部は屈折されたサンプ
ル４０内に進入し、全体の損失が生じる。このことは、
サンプル４０に入射する屈折光線６３と、角度７４でハ
ウジング５５に反射される反射光線６５で示されてい
る。

【００２４】屈折角度７５では光線６０は９０度の屈折
角で検出表面６４に沿って反射され、サンプル４０での
光の全体の損失を最小にする。

【００２５】従って、臨界角度７５は入射光線６７と検
出表面６４に対する垂線との間で測定される角度として
測定できる。臨界角度７５よりも大きい入射角、例えば
７６では、入射光線６９は屈折成分を生じることなくハ
ウジング５５内で内面全反射され、従って、その全強度
が光検出器９０へ向けられる。このような内面全反射は
光がより大きな屈折率の媒体で生じたときにしか発生で
きない。

【００２６】しかしながらハウジングの材料の屈折率は
サンプル４０の屈折率よりも小さくてもよいことに留意
すべきである。かかる構造では、屈折率のスレッショル
ドレベルをハウジング材料の屈折率よりも低いレンジを
除くようにするためにセンサ５０を使用できる。

【００２７】光学的な放射線に適する光検出器９０とし
てｎ個の別個の光検出エリアすなわちピクセルから成る
ｎ×１の解像度のリニアアレイを備えたＴＳＬ２１３、
ＴＳＬ４０１およびＴＳＬ１４０１がある。１つのピク
セルに光エネルギーが衝突すると、ピクセルの下の領域
内で電子と正孔の対が発生する。ピクセル上のバイアス
電圧によって生じる電界は電子を素子内に集め、一方、
正孔は基板内に吸収される。従って、光検出器９０内の
各検出エリアは光検出器９０に衝突した放射線（６０、
６５、７０）の強度に比例した電圧を有する信号を出力
端に発生する。この強度および対応する電圧は内面全反
射領域で最大となる。

【００２８】本発明によれば、ｎ×１セルの光検出器、
例えばＴＳＬ２１３、ＴＳＬ４０１およびＴＳＬ１４０
１を含む種々の光検出手段を使用できると理解すべきで
ある。更に単一セル光抵抗器、ボロメータ、ポジティブ
検出器、パイロ電気デバイスのみならずその他のデバイ
スも使用できる。

【００２９】上記のように光検出器９０にはある範囲の
角度の反射された光線が入射し、臨界角は大きい角度か
ら小さい角度への変化として示される。光検出器９０か
らのビットレベルデータを示す出力がハウジング５５内
においてインターフェース９２を介し、信号処理ユニッ
ト９５へ送られ、更に定性的および／または定量的分析
を行う。

【００３０】信号処理ユニット９５は必要なインターフ
ェース制御信号、例えばクロックラインおよびシリアル
入力を発生し、光検出器９０とプロトコル通信を行うこ
とができる。センサの解像度を光検出器９０のピクセル
解像度によって得られる解像度よりも大きくするのに、
処理ユニット９５を使用できる。しかしながらこの信号
掘りユニット９５は本発明の実施例に関連して開示され
たものであり、本発明の必要な構成要素を構成するもの
ではないと理解すべきである。

【００３１】信号処理ユニット９５を使用する場合、こ
の信号処理ユニット９５は光線６０、６５および７０の
強度、発生およびタイミングを分析し、特徴を決定し、
サンプル４０に関する定性的および定量的情報を得るよ
うに予めプログラムされる。例えばサンプル４０がセン
サ５０の所定の近距離内にあった総時間を決定するよ
う、信号処理ユニット９５を予めプログラムできる。更
に所定時間にわたってサンプル４０の周波数を決定する
よう、信号処理ユニット９５を予めプログラムできる。
理解できるように、本発明の範囲内で他の結果を得るこ
とも可能である。

【００３２】信号処理ユニット９５からの出力データは
インターフェース９６を介し二次的システム、例えばコ
ンピュータ、ハンドヘルドメータ、計算機、プリンタ、
ロジックアナライザまたは他の同様なシステム（図示せ
ず）へ送ることができる。種々の実施例では、インター
フェース９６は複数の導電性ピンを含み、集積回路パッ
ケージに類似したセンサに対するプラットフォームとな
っている。

【００３３】センサ５０はハウジング５５内に温度セン
サ９８も含むことができる。この温度センサ９８はセン
サの作動中、センサ表面６４の温度を示す電気信号を発
生する。この温度信号はインターフェース９７を介し信
号処理ユニット９０へ中継できる。この温度データは作
動温度の変化の結果生じる測定された屈折率の見かけ上
の変化を補償するのに利用できる。

【００３４】図３を参照する。ここには本発明に係わる
センサ５０の特定の実施例が示されており、番号１００
で示されている。発光ダイオード１０５と、光検出器ア
レイ１０７と、信号処理ユニット９５と、温度センサ９
８とを含む、センサ１００の電気光学的部品はすべて台
形のハウジング１１５内に封入されており、プラットフ
ォーム１１１の上部表面１０９に結合されている。プラ
ットフォーム１１１の底部表面１１３には複数の導電性
リード線１１５が作動的に結合されている。

【００３５】ハウジング１１５はＬＥＤ１０５からの光
１１７がミラー表面１１９から検出表面１１２に反射さ
れ、光検出器１０７に衝突するような光学的形状となっ
ている。放射線を９０度にできるだけ近い角度で光検出
器１０７に衝突されることが好ましい。光１１７が９０
度に近い角度で光検出器１０７に衝突するようにセンサ
１００の形状を定めることにより、光検出器１０７の感
度は最大となる。しかしながら本発明と両立するよう、
ハウジング１１５の形状を他の形状にすることも可能で
あると理解すべきである。

【００３６】更に、図３では検出表面１２１は平面状に
示されているが、他の形状とすることも可能である。特
に検出表面１２１は凸状、凹状または適合された形状に
してもよい。ハウジング１１５は光源１０５からの光１
１７が透過する光透過性材料から製造される。適当な材
料としては、ガラス、プラスチックまたは硬化処理され
たエポキシが挙げられるが、好ましくは封入された部品
を損傷しないような他の材料を使用することも可能であ
る。特にフラン・プロダクツカンパニーによって下記の
商標

【００３７】

【外１】

【００３８】として市販されているエポキシが特に、赤
外線領域における放射線源に対して有効であることが判
っている。他の利用可能な材料としては、エマーソン・
アンド・カミング社のスタイキャスト１２６９Ａパート
Ａ／Ｂ、トラコン・トラボンドＦ１１４、デキスタ・ハ
イゾルＯＳ１０００、ノーランド６１および６３、デキ
スタ・ハイゾルＭＧ１８、およびニットー８５１０−１
１００がある。

【００３９】封入された内蔵センサを形成するため、プ
ラットフォーム１１１にはハウジング１１５が結合され
ている。本発明の一実施例では、プラットフォーム１１
１は暗色の光吸収材料、例えば硬質樹脂またはエポキシ
から製造されている。しかしながらこのプラットフォー
ム１１１の材料は主に光源１０５の放射特性に応じて決
まる。更にプラットフォーム１１１は光吸収材料、例え
ばポリウレタンまたはエポキシの暗色層または他の薄い
樹脂層で被覆することもできる。

【００４０】図示されるように、ハウジング１１５内に
光源１０５が埋め込まれ、この光源はプラットフォーム
１１１の表面１０９と作動的に結合される。光源１０５
としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、レーザーダイ
オードと、光フィラメント、ハロゲンランプまたは他の
適当な電磁放射線源が含まれる。本発明の一実施例では
異なる波長の光を放出する複数の光源も使用できる。

【００４１】光線１１７が光源１０５から放出され、表
面１１９に衝突し、検出表面１２１に向かって反射され
るよう、光源１０５に隣接してハウジング１１５のミラ
ー表面１１９が配置される。検出表面１２１は平面でも
よいし、凸状でもよいし、凹状または適合していてもよ
い。本発明の別の実施例（図示せず）では光源１０５か
らの光線１１７が検出表面１２１で反射され、表面１１
９に向かい、次にこの表面１１９で反射され、光検出器
１０７に向かうよう、光検出器１０７の近くに光１１９
が配置される。

【００４２】表面１１９はセンサ１００の表面１１９の
ように示されているが、この表面１１９は本発明と両立
するよう、凸状または凹状とすることができる。更に本
発明の別の実施例では、光源１０５からの光線１１７を
検出表面１２１、最終的に光検出器１０７へ向けるよ
う、複数のミラー表面が利用されている。

【００４３】表面検出器１０７はハウジング１１５内に
埋め込まれ、プラットフォーム１１１に作動的に結合さ
れる。適当な光検出器１０７としてはＴＳＬ２１３、Ｔ
ＳＬ４０１およびＴＳＬ１４０１が含まれるが、これら
のみに限定されるものではない。同様に信号処理ユニッ
ト９５もハウジング１１５に埋め込まれ、プラットフォ
ーム１１１に結合され、周知の方法により光検出器９５
と作動的にインターフェースされる。温度センサ９８も
ハウジング１１５に埋め込まれ、プラットフォーム１１
１の上部表面１０９に結合される。温度センサ９８はで
きるだけ検出表面１２１の近くに配置することが好まし
い。

【００４４】光源１０５によって発生される波長以外の
波長の放射線を除くのにフィルタを使用してもよい。こ
のフィルタ（図示せず）は光検出器１０７に重なり、光
源１０５によって発生された波長の放射線を光検出器１
０７に送るように働く。このようにフィルタはセンサ１
００の近くの他の放射線源によって生じた望ましくない
ノイズを除去する。適当なフィルタとしては、ポラロイ
ド社によって市販され、ＸＲ−８４として知られている
プラスチックフィルタ材料がある。この材料は赤外放射
線を通過し、可視放射線をブロックするのに特に適す。

【００４５】フィルタを利用する代わりに光源１０５に
よって発生される波長に対し透明で、かつ所定のセンサ
とサンプルの組み合わせに対し当該所望周波数レンジ外
の周波数に不透明なプラスチックまたはエポキシ材料を
ハウジング１１５に用いることが可能である。同様に、
同じ効果を達成するためにハウジング１１５内に吸収ダ
イを収容することも可能である。

【００４６】当業者であれば、本発明により機能上の均
等性を維持しながらセンサ１００の素子を位置決めし直
したり、配置し直したり、これをセンサプラットフォー
ム１１１のまわりに配置できると認識できよう。例えば
光１１７が検出表面１２１に衝突し、この表面から反射
される放射線の強度が検出表面１２１に衝突する放射線
の角度の関数として測定される限り、放射線１１７を反
射するのに利用されるミラー表面１１９は他の形状およ
びセンサ１００内の他の位置をとることができる。

【００４７】図４ａおよび４ｂには本発明に係わる臨界
角度センサシステムの更に別の実施例が示されている。
図４ａではシーラント１５５を使用して検出表面１２１
の近くでサンプルコンテナ１５０にハウジング１１５０
が固定されている。図示するように、湾曲したミラー表
面１５７の方向に所定の範囲の角度で光源１０５から光
１１７が放射される。この光１１７は表面１５７に合焦
され、これから反射されて検出表面１２１に向かう。次
に光は検出表面１２１から光検出器１０７に向かって反
射される。光検出器１０７は当業者に周知のタイプのｎ
個のセルを有するｎ×１の光検出器のアレイから成る。

【００４８】光検出器アレイ１０７は広い範囲の角度に
わたって入射する光を受け、充分な光を検出する各光セ
ルに対し高低のいずれかの二進出力を発生する。各セル
の出力は各光セルの個々の二進信号としてインターフェ
ース１１５を通って外部システム（図示せず）、例えば
コンピュータ、ハンドヘルドメータ、計算機、プリン
タ、ロジックアナライザ、オシロスコープまたは他の同
様なシステムに送ることができる。従って、本発明は検
出表面１２１に沿う屈折率に対する臨界角度の変化を活
用するものである。

【００４９】図４ｂには本発明に係わる臨界角度センサ
システムの更に別の実施例が示されている。ここでは光
源１０５からの光１１７は表面１５７にて検出表面１２
１方向に向けられる単一光線を含む。検出表面１２１に
入射する光は、光検出器１５９で向きが定められる。こ
のケースでは、光検出器はこれまでプラットフォーム１
１１上の所定位置に予め設けられた単一セル光検出器か
ら成る。

【００５０】光検出器ケース１５９は当業者に周知のタ
イプのものであり、プラットフォーム１１１上のその位
置は屈折率の特定角度に対応する。従って、図４ｂでは
センサ１４５はプラットフォーム１１１の上部表面１０
９のまわりの光検出器１５４の位置に対応する所定臨界
角度で入射する光を検出するように構成されている。検
出器セル１５９からの出力はインターフェース１１５に
生じる単一ビットが存在したり、存在しないことを表示
する信号であり、この出力信号は遠隔地の処理システム
へ転送し、更に定性的および／または定量的な分析を行
うことができる。以上で図示した実施例を参照して本発
明について説明したが、この説明は制限的なものと解す
べきでない。当業者が本説明を参照すれば、図示した実
施例の種々の変更例およびその組み合わせのみならず、
本説明の他の実施例も明らかとなろう。従って、添付し
た特許請求の範囲はかかる変形例または実施例を含むも
のである。

【００５１】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。（１）センサの表面とサンプルとの間の境界部からの入
射光の臨界角度を測定するための集積化されたセンサで
あって、上部表面および底部表面を有するプラットフォ
ームと、前記プラットフォームの前記上部表面に結合さ
れた光源と、前記光源に隣接し、前記プラットフォーム
の前記上部表面に結合された光検出器と、前記上部表面
上に封入された状態で前記プラットフォームに結合さ
れ、表面プラズモン共鳴層で被覆された外側検出表面を
有する光透過ハウジングとを含む、集積化されたセン
サ。（２）サンプルよりも屈折率の大きい材料から前記ハウ
ジングが構成された、前項１記載のシステム。（３）光透過性エポキシ材料から前記ハウジングが構成
された、前項１記載のシステム。（４）前記ハウジングがほぼピラミッド状の形状であ
る、前項１記載のシステム。（５）前記ハウジングがほぼ台形である、前項１記載の
システム。（６）前記光検出器が線形の固体光アレイである、前記
１記載のシステム。

【００５２】（７）前記ハウジングが前記光源からの光
を受け、これを前記光検出器へ向けるよう配置された反
射表面を有する、前項１記載のシステム。（８）前記反射表面が平らな表面である、前項７記載の
システム。（９）前記反射表面が凹状表面である、前項７記載のシ
ステム。（１０）異なる波長の光を放出する複数の光源を更に含
む、前項１記載のシステム。（１１）前記プラットフォームの前記上部表面に結合さ
れ、前記光検出器に電子的に接続された信号処理ユニッ
トを更に含む、前項１記載のシステム。（１２）前記プラットフォームの前記底部表面に結合さ
れ、前記光検出器に対する導電性通路を形成する複数の
導電性リード線を更に含む、前項１記載のシステム。（１３）前記ハウジングに埋め込まれた温度センサを更
に含む、前項１記載のシステム。（１４）前記ハウジングの前記検出表面の近くに前記温
度センサが配置された、前項１３記載のシステム。

【００５３】（１５）センサと当該サンプルとの間の境
界部から反射される入射光の位置上の強度を測定するた
めの光学的臨界角度センサであって、上部表面と底部表
面とを有するプラットフォームと、前記プラットフォー
ムの前記第１表面に結合された第１光源と、前記第１光
源に隣接して前記プラットフォームの前記上部表面に作
動的に結合された光検出器と、前記第１表面上に延び、
前記プラットフォームを封入し、前記光源からの光を受
けるよう予め配置された反射性表面および表面プラズモ
ン共鳴層を上部に有する検出表面を有するハウジングと
を備えた、光学的臨界角度センサ。（１６）当該前記サンプルを含むチャンバの透明表面に
前記ハウジングがシールされた、前項１５記載のシステ
ム。（１７）前記光検出器が線形アレイである、前項１５記
載のシステム。（１８）前記ハウジングが前記光源からの光を前記検出
表面に衝突させ、該検出表面から反射させ、前記光検出
手段に衝突させることができるような光学的形状を有す
る、前記１６記載のシステム。（１９）当該サンプルと比較して高い屈折率の媒体から
前記ハウジングが構成された、前項１５記載のシステ
ム。（２０）前記反射表面が平らな表面である、前項１５記
載のシステム。（２１）前記反射表面が凹状表面である、前項１５記載
のシステム。（２２）前記ハウジングが当該サンプルと反応すること
が知られた化学層によって被覆された、前項１６記載の
システム。

【００５４】（２３）少なくとも１つの発光ダイオード
と、このダイオードに結合された光検出器とを備えた上
部表面、および底部表面から延びる複数の信号ピンを備
えた底部表面を有するデバイスプラットフォームと、前
記上部表面上に封入された状態で前記プラットフォーム
に結合され、反射ミラー表面および検出表面を有する光
透過性光学的ハウジングとを備え、前記反射ミラー表面
が前記光源からの光を受け、これを表面プラズモン共鳴
層で被覆された前記検出表面に向けるよう予め配置され
ており、前記検出表面が前記光検出器側に光を向けるよ
う配置された光学的角度センサ。（２４）前記プラットフォームの前記上部表面に結合さ
れ、前記光検出器と前記複数の信号ピンとの間に電子的
に相互接続された信号処理ユニットを更に含む、前項２
３記載の角度センサ。（２５）前記ハウジングがほぼ台形である、前項２３記
載の角度センサ。（２６）前記光検出器が線形の固体光アレイである、前
項２３記載の角度センサ。（２７）前記プラットフォームの前記上部表面に結合さ
れた前記ハウジングに埋め込まれた温度センサを更に含
む前項２３記載の角度センサ。（２８）臨界角度センサを使用して生化学的サンプルを
検出するための方法であって、サンプルをセンサに接触
させるための工程と、サンプルとセンサの間の境界部に
光を向ける工程と、サンプルのセンサとの間の境界部か
ら反射される光の強度を測定する工程とを備えた、生化
学的サンプルを検出する方法。

【００５５】（２９）センサのハウジング（５５）と所
定のサンプル（４０）との屈折率の差から得られる臨界
角度の測定を行うのに利用できる、集積化された小型生
化学的センサ（５０）が開示されている。一実施例では
センサはデバイスプラットフォーム（１１１）を含み、
このプラットフォーム上に封入光透過性ハウジング（１
１５）が形成され、光源（１０５）、光検出器（１０
７）、信号処理ユニット（９５）および温度センサ（９
８）を含む種々のセンサ部品を収容するようになってい
る。別の実施例ではハウジング（１１５）が反射ミラー
表面（１１９）を有し、このミラー表面は光源（１０
５）からの光（１１７）を当該サンプル（４０）に接触
する検出表面（１２１）に合焦するようになっている。
検出表面（１２１）から入射する光は光検出器（１０
７、１５９）に向けられる。この光検出器はアレイでも
よいし、単一セルでもよい。温度センサ（９５）を含む
ことができ、これをプラットフォーム（１１１）に結合
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の液体レベルセンサシステムを示す図。

【図２】集積化された臨界角度センサシステムの一般的
なブロック図である。

【図３】本発明に係わる臨界角度センサシステムの実施
例を示す図。

【図４】臨界角度測定値を発生するためのセンサの別の
実施例を示す図であり、そのうちのａは、ある範囲の角
度にわたる臨界角度測定値を発生するためのセンサの別
の実施例を示し、ｂは単一入射光線から臨界角度測定値
を発生するためのセンサの別の実施例を示す。

【符号の説明】

１０センサ１２光源１４光検出器１６プラットフォーム１８上部表面２０底部表面２２導電性ピン２４プラズマ状構造物２６第１プリズム表面２８第２プリズム表面３８液体チャンバ４０サンプル５０センサ５５光透過性ハウジング５７光源５９、６０、６１光線６２ミラー表面６４検出表面９０光検出器９５信号処理ユニット９８温度センサ１００センサ１０５発光ダイオード１０７光検出器アレイ１０９上部表面１１１プラットフォーム１１５台形ハウジング１２１検出表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ドゥワイトユー．バーソロミューアメリカ合衆国テキサス州ダラス，トレイルビュードライブ 9615

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサの表面とサンプルとの間の境界部
からの入射光の臨界角度を測定するための集積化された
センサであって、上部表面および底部表面を有するプラットフォームと、前記プラットフォームの前記上部表面に結合された光源
と、前記光源に隣接し、前記プラットフォームの前記上部表
面に結合された光検出器と、前記上部表面上に封入された状態で前記プラットフォー
ムに結合され、表面プラズモン共鳴層で被覆された外側
検出表面を有する光透過ハウジングとを含む、集積化さ
れたセンサ。
【請求項２】臨界角度センサを使用して生化学的サン
プルを検出するための方法であって、サンプルをセンサに接触させるための工程と、サンプルとセンサの間の境界部に光を向ける工程と、サンプルのセンサとの間の境界部から反射される光の強
度を測定する工程とを備えた、生化学的サンプルを検出
する方法。