JPH1194793A

JPH1194793A - 光走査型二次元濃度分布測定装置

Info

Publication number: JPH1194793A
Application number: JP9275299A
Authority: JP
Inventors: Shuji Takamatsu; 修司高松; Takeshi Nakanishi; 剛中西; Katsuhiko Tomita; 勝彦冨田; Motoi Nakao; 基中尾; Satoshi Nomura; 聡野村
Original assignee: Horiba Ltd; Research Institute of Innovative Technology for the Earth RITE
Current assignee: Horiba Ltd; Research Institute of Innovative Technology for the Earth RITE
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1997-09-22
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】微小領域における現象を高速かつ精度よく測
定することができるコンパクトな構成の光走査型二次元
濃度分布測定装置を提供すること。【解決手段】センサ部１を、複数の短冊状のセンサ６
を互いに並列に配置してなるセンサアレイ２と、前記セ
ンサ６の配置方向と直交する方向に互いに並列に配置さ
れ同時点灯する複数のＬＥＤアレイ３Ａ，３Ｂからなる
光照射部２とから構成するとともに、高速の信号処理お
よび画像処理のソフトウェアを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば光走査型
ｐＨ画像装置などの光走査型二次元濃度分布測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】前記光走査型二次元濃度分布測定装置と
して、例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏ
ｌ．３３（１９９４）ｐｐＬ３９４−Ｌ３９７に記載
してあるように、ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−Ａｄｄｒｅｓ
ｓａｂｌｅＰｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃＳｅｎｓ
ｏｒ）方式を採用して、ｐＨ感応膜の表面に生ずる電位
を測定するものがある。このような装置においては、Ｅ
ＩＳ（電解液Ｅ−絶縁体Ｉ−半導体Ｓ）構造に光を走査
し、この光走査によって半導体中において誘発された光
電流を取り出すことにより測定を行うことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光走
査型二次元濃度分布測定装置では、光走査用光源が単一
であり、各測定点への何らかの方法で光軸を移動させる
必要があった。そのための移動手段としてＸＹステージ
などの機械的二次元走査機構を用いていた。その結果、
測定に時間がかかり、高速で変化する現象を測定するの
が困難であったり、液体中の物質を測定すると、走査に
起因する振動で前記物質が移動して、精度よく測定でき
ない場合があった。また、装置自体が大きくなり、装置
を液体中に浸けた状態での測定が困難であった。

【０００４】これに対して、一つのセンサに８×８個の
ＬＥＤ（発光ダイオード）を配置した味覚センサがある
が（埼玉大学勝部グループ）、この装置においては、Ｌ
ＥＤを一つずつ点灯させて走査する方法であるので、十
分な測定速度を得ることができなかった。また、ＬＥＤ
アレイの寸法も１０ｍｍ×１０ｍｍであり、微小領域を
十分に測定できなかった。

【０００５】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、微小領域における現象を高速か
つ精度よく測定することができるコンパクトな構成の光
走査型二次元濃度分布測定装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の光走査型二次元濃度分布測定装置は、セ
ンサ部を、複数の短冊状のセンサを互いに並列に配置し
てなるセンサアレイと、前記センサの配置方向と直交す
る方向に互いに並列に配置され同時点灯する複数のＬＥ
Ｄアレイからなる光照射部とから構成するとともに、高
速の信号処理および画像処理のソフトウェアを備えてい
る。

【０００７】上記構成よりなる光走査型二次元濃度分布
測定装置においては、完全な固体型二次元濃度分布測定
装置であり、従来の光走査型二次元濃度分布測定装置に
比べて、位置画面の測定速度が格段に速くなり、高速測
定およびリアルタイム測定が可能となり、これまで測定
できなかった変化の速い現象などを測定できるようにな
った。

【０００８】そして、上記光走査型二次元濃度分布測定
装置において、センサアレイからの信号取り出し順序
と、ＬＥＤアレイの点灯順序をソフトウェアで任意に設
定できるとともに、測定対象の速度変化に対応して測定
時間・間隔を任意に設定できるようにしてあってもよ
く、また、センサアレイとＬＥＤアレイとの中間に、集
光レンズを設けるようにしてあってもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図１〜図５は、この発明の一つの実施
の形態を示している。そして、図１および図２におい
て、１はセンサ部で、センサアレイ２とこれに対してプ
ローブ光を照射する光照射部３と、これら２，３の間に
介装される集光レンズアレイ４とからなる。

【００１０】前記センサアレイ２は、図３に示すよう
に、例えばサファイア基板など適宜の半導体基板（例え
ば幅ａ＝０．８３ｍｍ、長さｂ＝６．９ｍｍ、厚さｃ＝
１００μｍ）５の上面に、ＳｉＯ₂層およびＳｉ₃Ｎ₄
層を熱酸化、ＣＶＤなどの手法によってＳｉエピタキシ
ャル成長膜よりなる水素イオンに応答するセンサ６（符
号６ａはセンサ面を示す）を複数列（この図においては
８列）短冊状に形成してなるもので、一つのセンサ６の
大きさは、例えば幅ｄ＝４０μｍ、厚みｅ＝５μｍ、長
さｆ＝６．８ｍｍで、ピッチｇ＝１００μｍで形成され
ている。７はセンサ６の長さ方向の両端に形成されるボ
ンディングパッドで、長さｈ＝１００μｍである。

【００１１】前記光照射部３は、例えば二つのＬＥＤア
レイ３Ａ，３Ｂ（以下、第１ＬＥＤアレイ３Ａ、第２Ｌ
ＥＤアレイ３Ｂという）からなる。これらの第１ＬＥＤ
アレイ３Ａ、第２ＬＥＤアレイ３Ｂは互いに大きさが等
しく、同様の構成である。そこで、第１ＬＥＤアレイ３
Ａについて説明すると、この第１ＬＥＤアレイ３Ａは、
図４に示すように、適宜の基板８の上面に、前記センサ
アレイ２におけるセンサ６の配列方向と直交する方向に
１行に８個のＬＥＤ９を設けたものを４行にわたって配
置してなるものである。つまり、第１ＬＥＤアレイ３
Ａ、第２ＬＥＤアレイ３Ｂはそれぞれ３２個のＬＥＤ９
からなる。そして、各ＬＥＤ９のピッチ（図４における
符号ｉ，ｊで示す寸法）は例えば１００μｍである。

【００１２】上記の説明から理解されるように、この実
施の形態におけるセンサアレイ２は、８列のセンサ６が
８行×８列のＬＥＤ９によって、６４の測定点（データ
を採取できる点）１０になるように形成されている。

【００１３】前記集光レンズアレイ４は、光照射部３を
構成する第１ＬＥＤアレイ３Ａ、第２ＬＥＤアレイ３Ｂ
におけるＬＥＤ９に１対１で対応するようにして設けら
れた６４個のマイクロレンズ１１からなる。１２はマイ
クロレンズ１１の保持基板である。

【００１４】図１および図２において、１３は８行８列
（８×８）の測定点１０のうち、奇数行（１，３，５，
７行）に配列された測定点１０からの信号を取り出すた
めのオーミックコンタクトであり、１４は８行８列の測
定点１０のうち、偶数行（２，４，６，８行）に配列さ
れた測定点１０からの信号を取り出すためのオーミック
コンタクトである。

【００１５】１５，１６はオーミックコンタクト１３，
１４にそれぞれ接続された奇数行センサアレイ信号取出
および信号処理部、偶数行センサアレイ信号取出および
信号処理部である。これらのセンサアレイ信号取出およ
び信号処理部１５，１６は、それぞれ４行分の信号を、
個別に、電流−電圧変換処理、バンドパスフィルタ処
理、整流処理、積分処理できるように構成されている。
そして、これらのセンサアレイ信号取出および信号処理
部１５，１６は、マルチプレクサ（後述する）と接続さ
れている。

【００１６】１７，１８はそれぞれ第１ＬＥＤアレイ３
Ａ、第２ＬＥＤアレイ３Ｂ用のデコーダ・ドライバ、１
９，２０はそれぞれ第１ＬＥＤアレイ３Ａ、第２ＬＥＤ
アレイ３Ｂ用のコモンドライバである。これらのデコー
ダ・ドライバ１７，１８およびコモンドライバ１９，２
０は、制御回路２１に接続されている。この制御回路２
１は、コンピュータ（後述する）からの指令に基づい
て、センサアレイ２からの信号取り出し順序や、第１Ｌ
ＥＤアレイ３Ａ、第２ＬＥＤアレイ３Ｂの点灯順序を制
御するものである。

【００１７】２２はセンサアレイ２の上面を囲むように
立設される適宜の材料よりなる側壁によって形成される
セルで、このセル２２内に試料２３が収容される。

【００１８】２４，２５はセンサアレイ２に近接して設
けられる対極、比較電極で、これらの対極２４および比
較電極２５は、ポテンショスタット（後述する）に接続
されているとともに、測定時には試料に接触するように
配置される。

【００１９】２６はセンサ部１を制御するための制御ボ
ックスであって、半導体基板５に適宜のバイアス電圧を
印加するためのポテンショスタット２７と、センサアレ
イ信号取出部１５，１６からのアナログ信号が入力され
るマルチプレクサ２８と、このマルチプレクサ２８から
のアナログ信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換回
路２９と、ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ
Ａ変換回路３０と、ＡＤ変換回路２９およびＤＡ変換回
路３０と信号を授受したり、制御回路２１に対する制御
信号を出力するインタフェースボード３１などよりな
る。

【００２０】３２は内蔵されたプログラムソフトまたは
これに着脱自在に装着されるディスクなどに収容されて
いるプログラムソフトにしたがって各種の制御や演算を
行うとともに、画像処理および出力機能を有する画像出
力装置としてのコンピュータ、３３は例えばキーボード
などの入力装置、３４はカラーディスプレイなどの表示
装置、３５はメモリ装置である。

【００２１】上記構成の光走査型二次元濃度分布測定装
置を用いて、溶液の水素イオン濃度（ｐＨ）を測定する
場合について、図５をも参照しながら説明すると、セル
２２内に試料としての溶液２３を入れる。これにより、
溶液２３がセンサアレイ２の各センサ６のセンサ面６ａ
に接する。そして、対極２４および比較電極２５を溶液
２３に浸漬する。

【００２２】上記の状態で、半導体基板５に空乏層が発
生するように、ポテンショスタット２７からの直流電圧
を比較電極２５とオーミックコンタクト１３，１４との
間に印加して、半導体基板５に所定のバイアス電圧を印
加する。そこで、コンピュータ３２からの指令がインタ
フェースボード３１を介して制御回路２１に送られ、こ
れにより、第１ＬＥＤアレイ３Ａ、第２ＬＥＤアレイ３
Ｂの点灯する行が選択される。このとき、コンピュータ
３２は、センサアレイ２からの信号取り出し順序と、第
１ＬＥＤアレイ３Ａ、第２ＬＥＤアレイ３Ｂ点灯順序の
ほかに、測定対象の速度変化に対応して測定時間・間隔
を設定するようにしてもよい。

【００２３】矩形波状の光変調信号（図５における
（ａ）参照）とＬＥＤオン信号（同図における（ｂ），
（ｃ）参照）とによって、半導体基板５に対してプロー
ブ光が一定周期（例えば、５ｋＨｚ）で断続的に照射さ
れることによって半導体基板５に交流光電流（同図にお
ける（ｇ），（ｈ）参照）を発生し、これがセンサアレ
イ２の各行からアナログ信号として奇数行センサアレイ
信号取出部１５または偶数行センサアレイ信号取出部１
６から取り出される。このアナログ信号は、半導体基板
５の照射点に対向する測定点１０に接している溶液２３
におけるｐＨを反映した値である。

【００２４】前記取り出されたアナログ信号は、マルチ
プレクサ２８を介してＡＤ変換回路２９に入力されてデ
ィジタル信号となり、さらに、インタフェースボード３
１を介してコンピュータ３２に入力される。

【００２５】そして、第１ＬＥＤアレイ３Ａ、第２ＬＥ
Ｄアレイ３Ｂにおける点灯する行を順次移動させ、その
ときに得られる信号を上述と同様にしてコンピュータ３
２に取り込まれると、画像処理などの処理を施した後、
表示装置３４の画面上には溶液２３のｐＨを表す二次元
画像が表示される。

【００２６】上述のように、この発明の光走査型二次元
濃度分布測定装置においては、６４（＝８×８）の測定
点１０において得られたデータに基づいて溶液２３にお
けるｐＨ二次元画像を得ることができる。

【００２７】ところで、従来の光走査型二次元濃度分布
測定装置においては、測定点１０におけるデータをワン
ポイントずつ取り込む必要があったので、Ｎ×Ｎ個の測
定点のデータをとるには、一つの測定点１０における測
定に要する時間がＴであるとすると、Ｔ×Ｎ²の時間を
要するが、この発明の光走査型二次元濃度分布測定装置
によれば、Ｔ×Ｎの時間で済み、１／Ｎに短縮できるこ
とになる。以下、これについて詳細に説明する。

【００２８】図５（ｇ），（ｈ）からも判るように、こ
の発明の光走査型二次元濃度分布測定装置においては、
一度に２つの測定点１０の信号を取り出せるので、測定
時間は、Ｔ×Ｎ×（Ｎ／２）となり、前記Ｔ×Ｎ²の半
分となる。そして、この実施の形態においては、センサ
アレイ信号取出および信号処理部１５，１６によってそ
れぞれ奇数行および偶数行のセンサアレイの信号を取り
出すようにしており、これらのセンサアレイ信号取出お
よび信号処理部１５，１６にＮ／２個（この実施の形態
においては４個）ずつの信号処理回路を設けているの
で、Ｎ行のセンサアレイから一度に取り出せる信号の点
数はＮ個になる。したがって、測定時間は、Ｔ×Ｎ×
（Ｎ／Ｎ）＝Ｔ×Ｎとなり、前記Ｔ×Ｎ²の１／Ｎとな
る。このことは、Ｎの数が大きくなればなるほど、時間
短縮の効果が大きくなることを示している。

【００２９】この発明は、上述の実施の形態に限られる
ものではなく、種々に変形して実施することができる。
例えば、ＬＥＤ９の発光による発熱対策を取り入れて、
同時に点灯するＬＥＤ９の個数を減少させるようにして
もよい。具体的な一例として、第１ＬＥＤアレイ３Ａ、
第２ＬＥＤアレイ３Ｂを、光変調周期（例えば５ｋＨ
ｚ）に合わせて交互に点滅させるようにする。この方法
によるときは、測定時間の増大を防止でき、ＬＥＤ９の
発光による温度影響を抑えることができる。また、最大
使用電力量も半分に抑えることができる。

【００３０】さらに、上述の実施の形態においては、セ
ンサアレイ２におけるＬＥＤ９の数（あるいはデータポ
イント１０）が８×８といった比較的小さなアレイであ
ったが、より大きなセンサアレイにおいては、ＬＥＤア
レイの分割数が増加する。例えば、ＬＥＤ９の数（ある
いはデータポイント１０）が６４×６４の場合、１６×
１６のＬＥＤアレイを１６ブロック並べることになる。
このように大きなセンサアレイ２においては、２ブロッ
クを光変調周期に合わせて交互に点滅させることによ
り、測定時間の増大を抑えることができる。

【００３１】センサアレイ２として、図６に示すよう
に、センサ６を一列にして、Ｎ×１の一次元のセンサ３
６としてもよく、このようなセンサ３６を組み込んだｐ
Ｈ濃度分布測定装置は、例えば、神経細胞の刺激の移動
状態を示すイオンの伝搬の測定や電気泳動物質の電場方
向の分布測定に使用できる。

【００３２】また、前記センサ３６を、図７に示すよう
に、多数並列に並べてもよく、このようにした場合、電
気泳動電極３７Ａ，３７Ｂと組み合わせることにより、
複数の電気泳動物質を測定することができ、ＤＮＡ分析
などにも利用が可能である。

【００３３】前記Ｎ×１の一次元センサ３６のＬＥＤア
レイは一列でもよいし、図８に示すように、横方向にＬ
ＥＤアレイを４つ３８Ａ〜３８Ｄ並列にならべ、ＬＥＤ
９が４個同時に点灯するように制御して、測定データと
して横方向の４つのデータの平均値を取るようにしても
よい。なお、図８において、３９Ａ〜３９Ｄは各ＬＥＤ
アレイ３８Ａ〜３８Ｄに対応するデコーダ・ドライバ、
４０はコモンドライバ、４１はセンサアレイ信号取出部
である。

【００３４】そして、前記図８に示した実施の形態にお
いても、図９に示すように、センサアレイをいくつかの
ブロックに分割してもよい。この図９に示す実施の形態
においては、横方向にＬＥＤ９を４個同時に点灯するよ
うにし、センサをＬＥＤ８列単位で分割した例を示して
いる。このようにする利点としては、小さなブロックを
複数組み合わせて用いることにより、センサの形成基盤
である半導体ウェーハの寸法に制約があっても、大きな
測定面積を形成することができる。なお、図９におい
て、４２はセンサ信号取出・マルチプレクサである。

【００３５】また、図６〜図９に示した実施の形態にお
いて、Ｎ×１の一次元センサ３６のＬＥＤアレイにおけ
るＬＥＤ９および集光レンズ計を適当な走査系（例えば
Ｘ軸−パルスステージなど）に搭載して測定ラインへ移
動させながら測定することもできる。

【００３６】さらに、図１０に示すように、センサアレ
イ２の表面以外の部分を耐水性樹脂４３によって被覆す
ることにより、液体中に浸けた状態で測定を行うことが
できる。なお、図１０において、４４はセンサ保持具お
よび信号ケーブル、４５は装置本体である。

【００３７】そして、図示は省略するが、センサアレイ
２の全体がモノリシック構造のもの、あるいは、モノリ
シック構造のものを組み合わせたハイブリッド構造のも
ので、センサアレイ２のピッチが１ｍｍ以下であっても
よい。

【００３８】また、ＬＥＤアレイの全体がモノリシック
構造のもの、あるいは、モノリシック構造のものを組み
合わせたハイブリッド構造のもので、ＬＥＤアレイのピ
ッチが１ｍｍ以下で出力が０．１μＷ以上のものであっ
てもよい。

【００３９】

【発明の効果】この発明の光走査型二次元濃度分布測定
装置によれば、従来の光走査型二次元濃度分布測定装置
と比べて、一画面の測定速度が格段に速くなり、これま
で測定ができなかった現象、特に、高速に変化するよう
な現象を確実に測定できるようになった。

【００４０】そして、１ｍｍ以下の微小領域の測定が可
能になり、測定部に機械的可動部がないので、装置構成
がコンパクトになり、長期にわたって安定して測定を行
うことができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一つの実施の形態における光走査型
二次元濃度分布測定装置の構成を概略的に示す図であ
る。

【図２】前記装置におけるセンサ部の構成を模式的に示
すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。

【図３】前記センサ部におけるセンサアレイの構成を示
すもので、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は上面図である。

【図４】前記センサ部におけるＬＥＤアレイの構成の一
例を示す平面図である。

【図５】前記装置における信号処理タイムチャートの一
例を示す図である。

【図６】センサアレイの他の実施の形態を示す平面図で
ある。

【図７】センサアレイのさらに他の実施の形態を示す平
面図である。

【図８】センサ部の他の実施の形態を示す平面図であ
る。

【図９】センサ部のさらに他の実施の形態を示す平面図
である。

【図１０】センサ部のさらに他の実施の形態を示す縦断
面図である。

【符号の説明】

１…センサ部、２，３６…センサアレイ、３…光照射
部、３Ａ，３Ｂ，３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ…Ｌ
ＥＤアレイ、４…集光レンズアレイ、６…センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者冨田勝彦京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内 (72)発明者中尾基京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内 (72)発明者野村聡京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサ部を、複数の短冊状のセンサを互
いに並列に配置してなるセンサアレイと、前記センサの
配置方向と直交する方向に互いに並列に配置され同時点
灯する複数のＬＥＤアレイからなる光照射部とから構成
するとともに、高速の信号処理および画像処理のソフト
ウェアを備えたことを特徴とする光走査型二次元濃度分
布測定装置。
【請求項２】センサアレイからの信号取り出し順序
と、ＬＥＤアレイの点灯順序をソフトウェアで任意に設
定できるとともに、測定対象の速度変化に対応して測定
時間・間隔を任意に設定できるようにした請求項１に記
載の光走査型二次元濃度分布測定装置。
【請求項３】センサアレイとＬＥＤアレイとの中間
に、集光レンズアレイを設けてなる請求項１または２に
記載の光走査型二次元濃度分布測定装置。