JPS6398548A - 物質濃度を測定するためのセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、担体層及び少なくとも１９の指示薬物質を有
する指示薬層を備えたガス状や液体状の試料中の物質濃
度を測定するためのセンサ素子であって、指示薬物質の
少なくとも１９の光学的性質が測定すべき物質との相互
作用において、その物質の濃度に対応して変化するもの
に関する。

〔従来の技術〕

指示薬物質、特に測定すべき物質との相互作用を通じて
指示薬物質の蛍光指示特性を変化させてしまうようなも
のを備えた物質濃度を測定するための光学センサは、以
前から公知の技術である。

ドイツ特許２５０８６３７号からは、例えば、冒頭に述
べた種類のセンサ素子が知られており、それによれば指
示薬溶液の薄い層が適当な担体材料に付着され、その指
示薬溶液は測定すべき物質に対して浸透性の膜によって
覆われている。この構成の担体側には連設された光学素
子を備えた高価な照射装置と光測定装置が励起ビーム及
び蛍光ビームの路程中に配設されている。

東ドイツ特許１０６０８６号から知られた構成において
、蛍光指示薬は測定室と参照測定室にわたって達してい
る層内に存在しており、この指示薬層は、しかし参照測
定室の領域において測定すべき媒体に対して覆われてい
る。測定室と９照測定室に関しての蛍光強度の差が直接
測定すべき物質の濃度に結び付く、２つの測定室からの
蛍光が光フアイバケーブルを用いて各フォトエレクトリ
ック変換器に送られる。

上記のセンサは、それで一般に、薄い層の形に形成され
得る反応室から構成され、その反応室には所定の幾何学
的配置されて指示薬物質が存在している。試料とは面し
ていない側から、発光源と適当な光学装置、例えば光ケ
ーブル、光ファイバを通じて所定の波長の光が指示薬層
に送られる。

指示薬層によって散乱反射された、つまり全方向に放射
された蛍光は、大体反応室あるいは指示薬層の同じ側か
ら再び適当な光学手段と相応なフィルタ装置を用いてフ
ォト検出器に送られる。反応室の光学装置に面していな
い側は、ガス状又は液状の試料と接触しており、その際
測定されるべき物質は一般に拡散によって反応室に達す
ることができ、そして指示薬物質の指示薬分子との相互
作用が起こり、指示薬はその光学的性質、特に吸収度つ
まり蛍光度を物質濃度に対応して変化させる。

この変化の度合と性向が測定されるべき要素と機能的な
関係を持つ。

〔発明が解決すべき問題点〕

この種の構成の大きさは、一方ではセンサ自体の大きさ
により、他方では光学装置、特に蛍光又は反射ビームを
取り出すために必要な装置の形状と大きさにより決まる
。この種のセンサの場合、例えばマイクロ分析装置への
適用において、これを著しく小型化すること、及び大量
生産技術的に簡単に製造できなければならないという課
題を解決しなければならないし、その際従来のセンサで
はその励起ビームの大部分が指示薬物質との相互作用を
することなしにセンサ層を通り抜けてしまうので、その
励起光を十分に利用しきれないという問題も生じていた
。

〔問題点を解決するための手段〕

この問題を解決するために本発明によるセンサ素子では
、担体層上に平たい配置構造でもって少なくとも１９の
フォト感応素子とその電気接続手段が備えられ、かつ 指示薬物質を含む指示薬層が励起ビームのための導波路
を作り出し、その際励起ビームは光学素子を用いて前記
指示薬層中に入れられ、かつ前記励起ビームによって励
起された指示薬物質は１９又は複数のフォト感応素子と
光学的に接続されている。

センサの全ての層、場合により指示薬層も含めて普通の
マイクロエレクトロニクス技術、例えば蒸着、スパッタ
リング、スピニング等によって形成され、その際担体層
上に又は薄い層として備えられているセンサ素子の自己
の基質内に直接フォト感応素子と−その電気接続線を集
積することにより、必要とされるセンサ構造（５ｅｎｓ
ｏｒ　ｉｋ　）の超縮小化が達成される。

〔作用、効果〕

これでもって測定されるべき蛍光ビーム又は反射ビーム
の取り込みが好都合にもセンサ素子自体の中で行なわれ
、このことによってセンサ素子以外のこれまで光測定の
ために必要であった全ての光学手段が省略される。その
測定信号は相応な電気信号線を介して直接表示又は評価
系電子機器に送られる。利点を与えるものとして本発明
によればそのセンサ層は同時に励起ビームのための導波
路として利用される。励起光は、従来のセンサのように
境界層に対して垂直にセンサ層を伝播していくのではな
く、極薄のセンサ層の表面に平行に伝播し、そのことで
励起ビームは明らかに十分に利用される。励起光のこの
薄い指示薬層への接続は適当な光学素子を介して行なわ
れる。センサの光エレクトリック構成素子の電気接続は
本発明の意味において何等限定を示すものではない、何
故なら相応な接続線はいずれにしてもよく知られたマイ
クロエレクトロニクス技術で形成されるからである。

本発明によるセンサ素子の場合、特別な課題のために最
適な種々の指示薬層が用いられることができ、つまり少
なくとも２．３の指示薬層がマイクロエレク１−二りス
薄層技術を用いて形成される。

本発明による１９の実施例では、前記光学素子が、導波
路として形成された指示薬層に付けられている接続プリ
ズムである。接続プリズムは励起ビームのために透明な
ものであり、これは導波路層に後から接着されなければ
ならない。これでもって大変薄い導波路層内に多くの光
量を入れることが可能となる。

本発明による他の実施例では、前記光学素子が、好まし
くは導波路として形成された指示薬層の試料に面しない
側に付けられた格子構造（格子カップラ）である。格子
カップラは上記接続プリズムと選択的に用いられるもの
であり、同様に薄層技術で作られ、これによりこのセン
サ素子の製造はさらに簡単化される。

本発明によるさらに利点のある実施例では、前記フォト
感応素子が円環状ダイオードとして形成され、かつ 前記格子構造が前記ダイオードの内側円状面の領域内で
前記指示薬層に備えられている。この種のセンサ素子は
、例えば、フォトダイオード（フォト感応素子として）
の全ての層を既に載せているウェーハから円環状ダイオ
ード構造がエツチング加工されることにより実現される
。残りの層は、フォト感応素格子構造も含めダイオード
の内側円形面の領域にスパッタリングないしはスピニン
グにより付着形成される。

本発明によるさらに別な実施例では、前記格子構造の領
域内に少なくとも２つの互いに対向するフォトダイオー
ドがフォト感応素子として取り付けられている。その際
、非円形の実施態様を採用することもでき、このことに
よって格子構造が簡単で安価に製造可能であり、従来の
四角形又は正方形のフォトダイオードを用いることがで
きる。

本発明によるさらに別な実施例では、前記光学素子が単
一ファイバ等の光ケーブルの端部と少なくとも間接的に
は接続されており、必要に応じて光ケーブルの端部と光
学素子の間に励起フィルタが備えられている。この際、
例えば円環状ダイオードを有するセンサの場合、このダ
イオードの内側円形面の領域内に光ケーブルの端面が入
れられることができる。この領域に備えられている格子
構造を介して励起光は偏向され、導波路として形成され
たセンサ層に放射状に接続されて行く、光ケーブル、例
えば単一ファイバの適当な幾何的寸法決め、センサ層の
厚さそして相応に選択された屈折率により励起光の最適
な利用が行なわれる。

光ケーブルの端部と光学素子の間に、励起ビームから励
起のために適した波長を取り出すフィルタ層を備えるこ
とも可能である。もし光ケーブルの外被部と中核部の屈
折率の比が指示薬層と試料の屈折率の比とわずかだけ違
っているなら、特に励起光の利用効率にとって好ましい
。

発明を基礎付けている思想のさらに別な展開では、格子
構造の領域に発光源が備えられ、必要に応じて格子構造
と発光源の間に励起フィルタが備えられているものが登
場する。発光源、例えばＬＥＤの付加的な集積によりさ
らにセンサ構造全体の縮小化が可能となる。利点を与え
るものとしてこのセンサ素子は、センサ素子以外全ての
光学手段を省略しているので、ただ電気接点のみが備え
ている。このセンサは大量生産技術的に簡単な製造とい
う点で優れており、その場合センサ素子全体のために半
導体技術において知られた製造法を直接適用することが
できる。励起ビームから測定すべき蛍光ビームを良好に
選択するために、本発明によるさらに別な実施例では、
フォト感応素子をフィルタ層、特に干渉フィルタによっ
て覆うことにより利点を生み出している。全ての用いら
れる励起フィルタないしは放射フィルタは、いずれにし
ても既に述べたようにマイクロエレクトロニクス技術か
ら知られたＦｌｆ技術、例えばプレーナ技術を用いて製
造、つまり付着形成される。

本発明によるさらに別な実施例では、フォト感応素子と
指示薬層の間に付加的に透明層（チャンネルプレート）
が置かれ、その透明層の受容角はフォト感応素子へ励起
ビームが伝送されることを阻止する。そしてその場合、
前記指示薬層の所定のフォト感応素子に関係付けられた
個々の領域内に異なった指示薬物質を備えることができ
る。このことにより、個々の物質に特別に応答する異な
る指示薬物質を個々の領域に備えるなら、ガス状又は流
体状の試料中の複数の物質の濃度を同時に測定すること
が可能である。わずか１００マイクロメータの直径をも
つ指示薬層の領域内への異なる指示薬物質の付着は、マ
イクロスクリーン印刷を用いるか又は蒸着によって実現
することができる。その際写真法で作られたマスクによ
って定められる所定区域に薄い物質層がマイクロスクリ
ーン印刷やその種の方法で区分される。

次に本発明により、指示薬層が試料に面した側にそれ自
体公知の方法で被覆層を備えることが提案される。この
被覆層は薄いポリマ層から構成され、その中に色素が入
れられており、望ましくない反射や蛍光の原因となるた
め励起光と蛍光が試料空間に達しないように働く、適当
な被覆層によって、測定結果に影響を及ぼし得る試料の
粗大分子も指示薬層から遠ざけられる。被覆層のために
相応な屈折率が選択されると、これにより指示薬層の導
波路機能が強化される。さらに選択する作用を有する被
覆層を付けることが可能であり、このことにより測定す
べき物質は優先的に指示薬層の方に拡散される。

この種のマイクロセンサのさらに別な利点は、まず前述
したマイクロエレクトロニクス技術による製造の可能性
の観点において、担体層に付加的に電子回路が一緒に集
積され、この電子回路が、フォト感応素子の電気信号の
増幅又は発光源によって生じるビームの明るさの調整あ
るいはその両方のために機能するというところにある。

さらに高度な集積化は、本発明によれば、担体層に高集
積された信号評価の役割りを果たす電子回路を備えるこ
とにより行なわれる０例えば、異なる透過特性を有する
フィルタ層を備えた個々のフォト感応素子が固有の回路
に関係付けられることができ、マルチ波長分析がセンサ
素子内で直接可能となる。

〔実施例〕

第１図には本発明によるセンサ素子が図示されており、
そのセンサ素子は適当な担体層１上で薄層として形成さ
れた基質２内にフォト感応素子３を備えており、そのフ
ォト感応素子３はその中で担体層１の表面４に平行に平
たい構成配置で集積されている。フォト感応素子３は光
学フィルタ層５持に干渉フィルタによって覆われ、この
フィルタ層５は適当なマイクロエレクトロニクス技術に
よって付着させられる。しかしフォト感応素子３は担体
ＪＷ１上に直接側えられ、フィルタ層によって包まれて
いることも可能である。フィルタ層５上ににはその受容
角度が大変小さい透明Ｊ’１６（チャンネルプレート）
が置かれ、実質的にこの透明層の表面に対して直角にの
み入射する光だけが通過される。この透明層６の上方に
は低い屈折率ｎ１を有するガラス層７が置かれ、これは
導波路として形成された指示薬層８のための境界層とし
てｂ１能する。　ｎ２　＞ｒｚ　として屈折率ｎ２を有
する指示薬層８は１９の指示薬物質９を含むが、その際
Ｘ５くの異なる指示薬物質９．９′がそれぞれ個々のフ
ォト感応素子３に関係付けられた指示薬層の個々の領域
ａ、ｂに置かれることもできる。試料に面する側では、
センサ素子は被覆層１０を備えており、この層１０の屈
折率ｎ５は又もや指示薬Ｍ８の屈折率ｎ２より小さい、
又被覆層１０は省略することもでき、その際接当する試
料媒体は指示薬Ｍ１８の導波路機能を可能とするに応じ
た屈折率を備えていなければならない。

指示薬物質９．９′の励起のため、励起ビーム１１はわ
ずか数ミクロンの厚さの指示薬層８内へ側面から入れら
れ、その中を励起ビーム１１は境界を接しているガラス
層７あるいは被覆ｐＨ０の屈折率の関係から全反射しな
がら導かれ、指示薬層全体を照射する。励起ビーム１１
を非常に１い指示薬層８に接続するために、第２図に詳
しく図示されているように、導波路層に後から接着され
なければならない光学素子、例えば接続プリズム１３が
必要である。これでもって始めて非常に薄い指示薬層の
中に大量の光量を入れることが可能となる。指示薬層８
内で生じ全方向に放射する蛍光ビーム１２はガラス層７
とチャンネルプレート６を介して、フィルタ層５を通り
抜け、対応するフォト感応素子３に達する。チャンネル
プレート６は、フォト感応素子３への励起光の伝播が阻
止されること及び他方では所定の領域ａ、ｂが異なるフ
ォト感応素子３に関係付けられることのために働く。

チャンネルプレート（透明層６）はその受容角度のため
励起ビーム１１と蛍光ビーム１２との間の分離を行なう
ので、第１図による実施例を一部変更してフォト感応素
子３を覆うフィルタ層５を省略することができる。指示
薬層８ないしはこれと境界を接している層の不純性又は
他の非等方性の結果として生じる散乱光は一定のノイズ
を持っており、これは参照測定によって修正され得る。

さらに第３図による簡単化された実施例では、チャンネ
ルプレート及びフォト感応素子３を覆っているフィルタ
層５を見合わせることも可能である。励起ビーム１１は
、ガラス層７と指示薬層８と被覆層１０によって形成さ
れる導波路内を導かれ、指示薬層８に備えられている指
示薬物質９を励起する。フォトダイオードは蛍光ビーム
１２と前述したように参照測定によって修正される散乱
光のみをとらえる。

フォト感応素子３の電気接続は、それ自体公知なマイク
ロエレクトロニクス技術を用いて担体層１上ないしは基
質２内に集積されるので、個々の図面においては詳しく
図示されていないが、ただ担体層１を抜けてセンサ素子
から出ていく電気接続ビンないしはコード２３は第１図
と後で述べられる第４図から明らかにされており、その
際いずれにせよ本発明の枠内において接続ビンないしは
コードはセンサ素子の他の位置に配置することができる
。残りの全ての実施例において同じ部材には同じ参照番
号が与えられている。

第４図によるセンサ素子の製造のために例えば出発材料
として、既にフォトダイオード（フォト感応素子３）の
全ての層を載せたウェーハが用いられる。そこに、次に
適当なマイクロエレクトロニクス技術によりフィルタ層
５、指示薬層８及び必要に応じ被覆層１０が付着形成さ
れる。このフィルタ層５は指示薬層８より小さな屈折率
を備えており、導波路として形成される指示薬層８のた
めの境界層としても同時に機能する。被覆層１０が省略
される場合は、既に先はど述べたように試料媒体は相応
な屈折率を備えていなければならない。

試料に面している側で指示薬層８にまで達している空所
２２内に光ケーブル１６、特に単一ファイバの端部１９
が置かれている。導波路として形成されている指示薬層
８の試料に面した側１５には格子構造（回折格子カップ
リング）１４があり、これは光ケーブルによって伝送さ
れてきた励起ビーム１１を偏向し、指示薬層８内に入れ
る。全方向に放射された蛍光１２はフィルタ層を通って
接続ビンないしはコード２３を備えたフォト感応素子３
ないしは円環状のフォトダイオード内に達する。光ケー
ブル１６の外被部１８と中核部１７との屈折率の比と指
示薬層８と被覆層１０ないしは試料との屈折率の比がわ
ずかたけ違っている場合、特に好都合な励起状態が生み
出される。光ケーブル１６の端部１９と格子構造１４と
の間に励起フィルタ２０を備えることももちろん可能で
ある。

第５．６図に図示されているように、格子カップラとフ
ォト感応素子３の配置は四角形又は正方形にすることが
でき、このことによってこの格子構造１４は簡単で安価
に製造可能となる。フォト感応素子３として市販の四角
形又は正方形のフォトダイオード２４を用いることがで
き、これは直接フィルタ層５に取り付けられる。

第７図では第４図で図示されたセンサ素子の変形例が示
されており、これは格子構造１４の領域に発光源２１が
備えられていることでのみ異なっており、その際電気接
続線を含めて全ての光エレクトリック構成要素が基質２
に集積されている。

発光源、例えばＬ　Ｅ　Ｄへの給電線あるいはダイオー
ドからの出力線もここでは図示されていない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明によるセンサ素子の実施例を示し、第１図
はセンサ素子の部分断面図、 第２図は第１図によるセンサ素子の励起ビーム入力部を
示す概略図、 第３図は第１図によるセンサ素子を簡単化したものの部
分断面図、 第４図はセンサ素子の別実施例の部分断面図、第５図は
第４図によるセンサ素子の変形例を示す部分断面図、 第６図は第５図のＶＩ−ＶＩ線断面の概略図、第７図は
センサ素子のさらに別な実施例の部分断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、担体層及び少なくとも１つの指示薬物質を有する指
   示薬層を備えたガス状や液体状の試料中の物質濃度を測
   定するためのセンサ素子であって、指示薬物質の少なく
   とも１つの光学的性質が測定すべき物質との相互作用に
   おいて、その物質の濃度に対応して変化するものにおい
   て、 前記担体層（１）上に平たい配置構造でもって少なくと
   も１つのフォト感応素子（３）とその電気接続手段が備
   えられ、かつ指示薬物質（９、９′）を含む指示薬層（
   ８）が励起ビーム（１１）のための導波路を作り出し、
   その際励起ビーム（１１）は光学素子（１３、１４）を
   用いて前記指示薬層（８）中に入れられ、かつ前記励起
   ビーム（１１）によつて励起された指示薬物質（９、９
   ′）は１つ又は複数のフォト感応素子（３）と光学的に
   接続されていることを特徴とする物質濃度を測定するた
   めのセンサ素子。 ２、前記光学素子が、導波路として形成された指示薬層
   （８）に付けられている接続プリズム（１３）であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のセンサ素
   子。 ３、前記光学素子が、好ましくは導波路として形成され
   た指示薬層（８）の試料に面しない側（１５）に付けら
   れた格子カップラ等の格子構造（１４）であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のセンサ素子。 ４、前記フォト感応素子（３）が円環状ダイオードとし
   て形成され、かつ 前記格子構造（１４）が前記ダイオードの内側円状面の
   領域内で前記指示薬層（８）に備えられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項に記載のセンサ素子。 ５、前記格子構造（１４）の領域内に少なくとも２つの
   互いに対向するフォトダイオード（２４）がフォト感応
   素子（３）として取り付けられていることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項に記載のセンサ素子。 ６、前記光学素子（１３、１４）が単一ファイバ等の光
   ケーブル（１６）の端部（１９）と少なくとも間接的に
   は接続されており、必要に応じて光ケーブル（１６）の
   端部（１９）と光学素子（１３、１４）の間に励起フィ
   ルタ（２０）が備えられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項〜第５項のいずれかに記載のセンサ素子
   。 ７、前記光ケーブル（１６）の外被部（１８）と中核部
   （１７）の屈折率の比が前記指示薬層（８）と試料の屈
   折率の比とわずかだけ違っていることを特徴とする特許
   請求の範囲第６項に記載のセンサ素子。 ８、前記格子構造（１４）の領域に発光源（２１）が備
   えられ、必要に応じて前記格子構造（１４）と発光源（
   ２１）の間に励起フィルタ（２０）が備えられているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項〜第５項のいずれ
   かに記載のセンサ素子。 ９、前記フォト感応素子（３）が干渉フィルタ等のフィ
   ルタ層（５）によって覆われていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載のセンサ
   素子。 １０、前記フォト感応素子（３）と指示薬層（８）の間
   に付加的に透明層（６）が置かれ、その透明層（６）の
   受容角はフォト感応素子（３）へ励起ビーム（１１）が
   伝送されることを阻止することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項〜第９項のいずれかに記載のセンサ素子。 １１、前記指示薬層（８）の所定のフォト感応素子（３
   ）に関係付けられた個々の領域（ａ、ｂ）内に異なった
   指示薬物質（９、９′）が備えられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１０項に記載のセンサ素子。 １２、前記指示薬層（８）が試料に面した側にそれ自体
   公知の方法で被覆層（１０）を備えられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項〜第１１項のいずれかに
   記載のセンサ素子。 １３、前記担体層（１）に付加的に電子回路が一緒に集
   積され、この電子回路は、フォト感応素子（３）の電気
   信号の増幅又は発光源（２１）によって生じるビームの
   明るさの調整あるいはその両方のために機能することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項〜第１２項のいずれか
   に記載のセンサ素子。 １４、前記担体層（１）に高度に集積されるとともに信
   号評価の役割りを果たす電子回路が備えられていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１３項に記載のセンサ素
   子。