WO2005090947A1

WO2005090947A1 - フォトニック結晶を使用した対象物質センサー及び対象物質の検出方法

Info

Publication number: WO2005090947A1
Application number: PCT/JP2005/005249
Authority: WO
Inventors: Susumu Noda; Takashi Asano; Hitomichi Takano
Original assignee: Kyoto University; Matsushita Electric Works, Ltd.
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2005-09-29
Also published as: CN100573104C; TWI280359B; US20080252890A1; JP4511857B2; CA2560765C; EP1729111A4; US7973924B2; TW200535472A; JP2005274329A; CA2560765A1; EP1729111A1; CN1950692A

Abstract

　検出対象物質に対する感度が高く且つ小型化が可能な、フォトニック結晶を使用した対象物質センサー及び対象物質の検出方法を提供する。　本発明のセンサーは電磁波を供給する電磁波発生源と、フォトニックセンサー要素と、検出器とで構成される。フォトニックセンサー要素はフォトニック結晶構造を有し、電磁波を導入するセンサー導波路と、このセンサー導波路に電磁的に結合して導入された電磁波を特定波長で共振させるセンサー共振器とを備えるものであり、センサー共振器が対象物質を含む雰囲気中に露出されることでセンサー共振器から放出される電磁波の特性を変化させる。検出器はセンサー共振器から放出される電磁波を受けて電磁波の強度変化を認識して、この強度変化から対象物質の濃度を決定して濃度を示す信号を出力する。

Description

ツク使用した対象ザび対象質出方法術分野

０００1 、ォトック使用した対質のセサびその買の出方法に関する。

０００2 術を示す T ( R W e h s p o h n P h o o c C s t a s B N 3 527 4０43 2 5、 p・ 238 246 )は、ォトック使用たセサを開示して。このザはク型の 3 ォックセサ素として使用し、セサ素のみ方向の面から検出ガスを導るとともに検出ガスの長と一致する波長の光を入させセサの面らされる光をォトイテクタの検出にて検出し、検出した光強度に墓度を計算するよに構成されて。

０００3 般に、トックするの度を V 、数を、周波数をとすると、 V は V ( d c O ) 定義される。したがて、 V は、数の化に対する周波数化が小さなるほどくな、周波数と数との係が定在ドのモド端の条 )になると零になる。

０００4 行物に開示れたセンサでは、 3 ォトッする光の群

9を真空速の 3０度の値に設計することでを長くしたものであ、 3 ォトック晶の ( ま、の入向に沿った方向の )が c とする必要がある。このため、意図したを得るための波数と pとの件を満足するオダの造を 3 ォトック晶の体に一に作製する必要があ、折率造がゆらとその分では V が設計値から外れて、正確な度測定が不可能なるため、 3 ォック製造にあたって非常に精度の製造技術が要求される。

０００5 更に、 3 フォトック晶の法が較的ため、ドがチ

正された ( 9 モドとなって同じ長でも度が遅ド速ドとが混在し、度が定の合に比て感度が低下してしまれがあ、 3 ッ晶の光につてもなドの率を定にしなと、感度がばらこなるから、 3 トックとの対的な位置係にて高位置度が要求れる。

０００6 また V のによる空間的な電界度分布が般的な空間

度分布であるウスとは大き異なるので、 3 トッにおける光の入におて光の結生じて感度下を招てしまことがあ、電界度分布を変換する雑なカプリグ造が必要となる。

明の

０００7 上記の題点みてされたものであ、そ、検質に対する感度が高型化が可能な、ッ使用した対象センサーび対象質の出法を提供することにある。

０００8 明に係るセサ、電磁を供給する電磁発生、トックセサ素、検出で構成される。トックセサトッ造を有し、電磁を導入するザ波路と、このセサ波路に電磁に結合して入された電磁を特定長で共振さるセンサとを備えるのであ、センサが対象質を含む囲気中に露出されることでセサ器ら放出される電磁の佳を変化さる。ザ器ら放出される電磁を受けて電磁の度変化を認識して、この度変化から対象質の性を決定し、この性を示す号を出力する。このよに構成されザでは、トックに形成した共で生じる特定長のの振を利用して、共振器から放出れる電磁の度に墓て対象質の性を検できるため、トックセサ素として、セサ波路セサとが配置される 2 造のック利用でき、化が計ることに加えて精密な、造が要求所が、従来の 3 造のトッ利用したセンサ素に比て少なな、製造ストの減にながる。

０００9 ましは、上記の電磁の化から対象質の度を決定して、

正された ( この度を示す号を出するよに構成される。

００1０質の度の出に際しては、対象質が特定長のを吸収する現象を利用する場合と、対象質の在によて共振器ら出力される電磁の長がトする現象を利用する場合とによて、異なる方式が用られる。

００11 質が特定長のを吸収する現象を利用する構成では、トック造内におて、ァンス波路とァンスとが追加されたトックセンサ素を使用する。このァンス波路は電磁発生源ら上記のを導入する。ァンスはこのァンス波路に電磁に結合することで、入された電磁を上記の長で共振さる。、センサ器らの記の長のの度を示す号を出する出力強度計、ァンス器ら放出される電磁の度を示すァンス号を出ァンス度計、上記の号をァンス号と比較して、上記の長ののを求め、この量ら対象質の度を算出する度計とで構成される。て、センサで共振する電磁の長が、対象質が吸収する電磁の長と一致するよ定することで、対象質が示すの性を利用して、対象度を特定長ののに対応さることで、濃度出を度よことができる。

００12 この合、トックセンサ 2 列のトック造を有し、センサ波路及びァンス波路はそれぞれ 2 トック造内で延

。ポトは電磁発生源らのを受けるよに配置され、各出ポトは上記力強度計及びァンス度計にそれぞれ合して、センサァンスのそれぞれら放出される電磁を出

センサァンス、それぞれセンサ波路及びァンス

。更には、波路内に複数のを直列に配置することによて、出力の率であるドップ率を高めて、検出

。

００13 更には、トックセンサセンサ波路とァンス波路とを備えるよに形成しても良。センサ波路及びァンス波路はそれぞれ応するセンサ波路とァンス波路と平行に延して、センサァンスとにそれぞれ合される。これらのセンサ波路とァンス波路とはそれぞれその手方向の端に出ポトを規定して、このポトがそれぞれ上記の力強度計ァンス度計とに結合されることになる。

００14 また、出力強度計ァンス度計はそれぞれはトックセンサ素の面ら離間して配置されて、センサ器及びァンスとにそれぞれ合されてそこら放出される電磁を受けるよにしてもよ。

００15 更に、センサァンス器のの路を共通することも可能である。この合、互に異なるトック造と第 2 造が横に並んだトックセンサ素が使用される。波路はトック造ら 2 トック造にてする入力波路と、トック造内で延する波路と、 2 トック造内で延する 2 波路とで構成される。センサが第トック造内に形成され、 2 トック造内にァンスが形成される。ァンス

センサでの ( ) 異なる波長 ( 2 )で電磁を共振さるよに設計される。この成によれば、センサで共振する電磁の

( )を対象質が吸収する電磁の長とすることで、ァンスで共振する 2 ( 2 )の対象質の響を受けることがな、ァンスを対象質が含まれる囲気らする必要を無すことができる。００16 明の別の好まし形態では、対象質との触によて共振周囲の折率が変する現象を利用して、対象質の度を測定するための造が実現される。

周囲の折率が変すると、共振で共振する電磁の長がトする。この合、屈折率の、、共振長のト量は対象質によて有に決まるものであるため、対象質に応じてトした長の度を検出することで、対象質の度が求められる。これを実現するために、電磁発生源ら異なる波長を含むセンサ波路に供給され、対象質の類に対応した特定長のセサ振を起こす。この合、検出セサ器から出力され特定長の ( 質が存在することによって変化した長の )を選択して、選択した定長の度を分析することで、対象質の度が定できる。この、特定長でのの収が認められな対象質の出に有効であアス器及びこれに関連する要素が不要となるもので、よ小型化のセンサが実現できる。

００ 7 長のを選択すたには分光能が必要であるが、この能を必要としな方式を実現する構成も可能である。この合電磁発生としては、可変長のを発生させもを使用し、時間と共に波長が変する電磁トックセンザ素に導入する。長のスウィ、対象質が示す折率によて決まる特定長を含よに設定され、その長のが電磁発生源ら導入された時点での共振器らの度を検出めることで、対象質の度が定できる。

００18 更に、セサで長トを利用する方式は、複数類の

質の出を行ために有用である。、セサザ

とで構成される一のットを多数置し、ット申のセサで共振する電磁の長をに異なるものとすること、、対象質に応じて異なるよにするこで、異なる対象質の度を対応する電磁度らめることができる。

００19 センサでの質にじたトを積極的に起こさせるまたは強化するためのつの段として対と反応してセサ囲の折率に顕著な変化を与えて同様に顕著な長トをもたらすセサに

。

００2０このよ感応を使用する場合トックセサに設けた 2 のンザの方にこを着さることが可能である。こ、感応を設けてなザと感応を設けたセサとから放射される合成の度を参照すことで、感応で反応を起こす質の度が求められる。

正された ( 9 ００21 センサでの長のトを利用する方式では、複数のセンサ

2 とすることで、面センサが容易に構築できる。この合、複数のが複数のセンサに合致さる形で 2 列されることで、でそれぞれなる度が決定され、 2 元平面での質の度分布を求めることができる。

００22 更には、対象質の度とは別に、ある範囲に域内に分散する異なる対象質の類の出することも可能である。この合、複数のセンサ 2 列で配置され、これに対応さて複数の 2 列で配置される。数のセンサはそれぞれなる特定長ので共振するよに設定されることで、複数のセンサ器ら放出される特定長のの度に基て、異なる対象質の在を特定することができ、 2 内でのなる対象質の布を求めることができる。

００23 更に、明では、センサ外の所に感応を配置することによて生じる電磁度のに基て対象質の度を決定する有用な構造を開示する。えば、センサ波路内に感応を配置すれば、対象との応によてセンサ波路での折率が変して、センサ波路とセンサとの間の実波路が変、その果、検出に出力される電磁度に変をもたらす。はこの度のに基て対象質の度を求めることができる。

００24 また、トックセンサ素に配置した 2 のセンサネギ位に感応を配置すれば、同様にして、対象質との応により、ネギ位の波路が変するため、このに伴て生じる電磁度を分析することで対象質の度を求めることができる。

００25 更に、明では、上のよ感応を特殊なトック造と組み合わることで、高感度の出を行ためのトックセンサ子の成を提案する。

トックセンサ、トック造と第 2 トック造を有し、これらの、 2 トック互に異なり、 2 におて横に並んで配置される。センサ波路は入力波路と出力波路とで構成され、これらの波路と出力波路は互に平行に延しすると共に、それぞれがトック造の長にてして 2 トック造内に至る。センサトック造内で入力波路と出力波路との間に配置されて両者に電磁合する。波路の手方向の端で、 2 トック造と離れたところに電磁発生源らのを受けるポトが形成される。波路の手方向の端で第 2 造と離れたところには、センサにおて特定長で共振する電磁を放出するポトが形成される。波路には、トック造と第 2 トック造との面で、特定長のセンサに反射する入力が形成される。また、出力波路にも、造と第 2 造との面で、特定長のを出ポト側に反射する出力が形成される。このよ構成の波路と出力波路のそれぞれに、トック造と第 2 トック造とに部分で、上記のが形成される。この対象質と反応することで反射率を変さて、その上記のでのの度を変化さるものであり、検出対象質の度をこの度の数として計算する。このよに、入力波路や出力波路を異なるトック造にるよに設計してその面におて電磁のを形成し、異なるトック造に部分におて人力波路や出力波路に、対象質の在に感応して電磁の性を変さる感応を設けてるため、対象質の在によりでの折率が強調されて、センサに進むの相変を発生さることができ、その果、センサで共振しここら放出される特定長のドップ率を高めることができ、高感度で対象質の度を測定できる。

また、明のセンサにおては、環境態を示すラメタをタ

。このントうは環境ラメタに基てセンサの性を補償して特定長で電磁を共振さるものであて、温度などの要因を補償して、正確な測定を可能とする。例としては、、クセンサ素にヒタが付設され、ントうによる制御でセンサの度を管理してトックセンサ素の性を補償することで、センサ器の特性を一定に保ことができる。

００27 更に、明のセンサにはセンサ上に足された対象

を取り除、

。この段としては、熱によりを共振掛ら放出さるヒタを使用することができる。

００28 更に、上述のヒタは導波路を導波する電磁の長もしは強度を変調する変調段として利用することができる。すなわち、ヒタ定の期で通電することにより、共振掛ら放出される電磁の度、又は波長を期的に変調さ、検出で検出した電磁の、変調された電磁のみを検出で選択することにより、共振外ら検出に到達する、ノイズの別し、測定度を向上することができる。

００29 明は更にトックを利用した対象質の出方法を提供する。この法では、電磁を導入するセンサ波路とこれに電磁合して特定長のを共振さるセンサとを備えたトックセンサ素を使用し、センサを対象質を含む囲気中に露出さ、特定長を含むを上記センサ波路に導入することで、センサにおて共振する電磁の度を検出し、この度を分析して対象質の度を計算することができる。

００3０明に係るセンサの態を示す略図。

2 上の機ック。

3 上の濃出を説明するグラ。

4 上で使用するトックセンサ素のを示す。

5 上で使用するトックセンサ素のを示す。

6 上で使用するトックセンサ素のを示す。

7 上で使用するトックセンサ素のを示す。

8 上で使用するトックセンサ素のを示す。

9 明に係るセンサの 2 態を示す略図。

1０明に係るセンサの 3 態を示す略図。

上の機ック。 12 上での出を説明するグラ。

13 上で使用するトックセンサ素を示す。

14 3中で示すセンサを含む分の大上面図。

15 3中で示すセンサを含む分の大面図。

16 上で使用するトックセンサ素のを示す。

17 上で使用するトックセンサ素のを示す。

18 上で使用するトックセンサ素のを示す。

19 上で使用するトックセンサ素のを示す。

2０上で使用するトックセンサ素のを示す。

21 明に係るセンサの 4 態を示す略図。

22 上の機ック。

23 明に係るセンサの 5 態を示す略図。

24 上で使用するトックセンサ素のを示す。

25 上で使用するトックセンサ素のを示す。

26 明に係るセンサの 6 態を示す略図。

明を実施するための良の

明に係るセンサは、 2 列のトック造を有するトックセンサ 2 を使用する。トック造とは、中に母とは異なる折率を有する物質を期で配列したもので、人射した電磁の向や伝度を任意に変更する光学性を備える。明では、一例として、屈折率が 3・ 4のン導体 ( さ 25 ノメタ )をとして、この中に微細な円形 ( 24 ノメタ )を 42 ノメタの、チで 2 上に配列したトックを使用してる。この果、微細孔に存在する折率がである空気が基 ( 折率 3・ 4 )に周期的に分散してトックの性が与えられる。このン導体は酸化ン層である 1 ( 折率・ 5 )の上に担される。、トック 1 を用、表面のン導体チングして、多数の少な円形形成することで、ン導体トック造を実現してる。００32 トックセンサ 2 には、入力される電磁の波路 22 、波路に導入した電磁波の内の特定の長のものを共振さる共振 24が形成される。これらの波路及び、トックの造に欠陥を与える、すなわち、孔が存在しな部分を設けることで成される。

００33 として、周波数帯が C ( 53 )や ( 565 625

)などの通信のものを使用する場合、 2 トックにおける円形の ( 2 トックの折率造の期であて 2 元三角子のの ) "を・ 42 4 とし、円形の・ 29 "、センサ素のさを・ 6 aに設定する。これにより、トックのみ方向に直する 2 内のあらゆる方向ら人射する上記波数帯の ( )をしな波長であるトックンド、プを形成し、波路 22および 24は宜の数の円することにより成する電磁の可能とさる。なお、円形の向の a の径の値は特に限定するものではな、周期 aは上記波数帯のの ( えば、電磁の長の 2分の )の期であればよ。

００34 、このよトックでのでのの象を利用して、対象質の出を行ものであり、測定の質の類によて、異なるズムで出を行。、大別して、以下の 2 に分類することができる。

) 定の長のを吸収する性質が顕著なもの。

2 ) 囲気の折率を変さる性質が顕著なもの。

００35 明では、測定質に応じて上の 2 の質を利用するものであり、先ず質を利用した出を実現した態にて説明する。

００36

実施態では、対象質が吸収する特定長のを共振で共振さ、その力の率ら対象質の度を測定する。質としては、特定の長のを吸収する性質が顕著なもの、例えば、炭酸ガス窒素ガスなどのが適用される。００37 2は、本実施態に係るセンサを示し、トックセンサ 2 には、特定長を含む、例えば、 2 x m x の長を含む外線を導センサ波路 22 ァンス波路 32、これらの波路と電磁合されるセンサ 24 ァンス 34が形成され、各共振上記の ( 質にて収される )のを共振さるよに設計される。センサ 24 センサ波路 22は、対象質を含む囲気に露出して、対象質の在によて収された電磁の度を測定する。方、ァンス波路 32 ァンス

34は、ド 36によて対象質を含む囲気らされて、電磁の度を求め、 2 の度の差ら電磁のを求め、この率ら対象質の度を決定する。

００38 この能を達成するために、本実施態に係るセンサには、トックセンサ

2 給するための発生、電磁センサ波路 22 ァンス波路 32とに分岐さる分配、センサ 24 ら放出される電磁の度を検出する出力強度計 4 、ァンス 34 ら放出される電磁の度を検出するァンス度計 5 、度計でめられる電磁度の差ら電磁のを求めて対象質の度を決定する度計 42がえられる。これらの力強度計 4 、ァンス度計 5 、濃度計 42は検出 4 総称され、単一のイクプセッサ内に実現される。 4 は度計 42でめた度を示す号をディスプイ 6 に出力して、対象質の示を行。

００39 センサ波路 22 ァンス波路 32は、トックセンサの向の長に沿て一直線に延、長さ向の端を入ポト 2 3 とし、をそれぞれポト 23 33としてる。ポト 2 3 にはそれぞれ 2が結合されて、電磁発生源らのを各波路入する。ポト 2 3、 33はそれぞれ、出力強度計 4 ァンス度計 5 に結合されて、センサ 24 ァンス 34 ら放出される特定長のをこれららの度計出する。センサ 24 ァンス 34は、波路内の手方向の央に形成され、共振で共振する電磁を出ポト 23 33 する。度計 4 5 は、対応する各共振 24 34で共振する電磁の度を示す号とァンス号を出力し、濃度計 42は出力強度計 4 らの号とァンス器らのァンス号の差ら、対象質の在によて生じる電磁度のを求める。この ( )は、次の式で表される。

００4０ M f

( ００41 ここで、 e fはァンス度計 5 の力、は出力強度計 4 らの力であるこのよにしてめた減衰 ( )と、対象質の数との間には、 3に示すよ関係が認められ、吸収囲気中における対象質の度に対応するものであり、検出 4 には減衰度との係を示す式が用意されてるため、減衰率ら対象質の度が濃度計 42におて決定される。

、電磁の力強度は、以下の 2で決定される。

００42 2

2

００43 Q は共振波路との間の光の結度によて決まる Q値で、 Q aは共振内部で収によりわれるネギ量によて決まる Q値である。更に詳し説明すれば、共振波路との間の Q値を Q 、共振での収による Q値を Q aとし、共振と自由間との間の Q値を Q とし、 Q Q としてる。なお、 Q は、共振波路との系におて共振器ら導波路れるネギの量に関係する ( まり、共振波路との系におて共振にどの度のネギを蓄えることができるを示す )であて、共振に蓄積されるネギを W、共振器ら導

(

また、 Q aは、共振内部で収によりわれるネギの量に関係する値であて、共振に蓄積されるネギを W、共振での W ( d W

d )により義され、共振 24の折率を、共振の数を、真空中の cとすれば、 Q ( o ) ( ) 表すことができる。

a ０ m

ころで、電磁の力強度は、ドップ ( )として知られており、で表されるよに、ポトに入力される電磁 S ポトら出力される電磁 S との比で表される。

００44

( 3 )

００45 、 2に示す方式では、電波発生ら出力される電磁の度をタして、イドック御によりこの力強度を一定にするントラ 7 を設けており、による変動を補償して、常に安定した定を〒にしてる。

００46 トックセンサ素としては、に示す成の他に、 4 9に示すものを使用することが可能である。これらの図では、簡略のために、センサ波路 22 センサ 24に関する構造のみを説明してるが、ァンス波路やァンスに関しても同様の成を適用できる。

００47 4に示すトックセンサ 2 では、センサ波路 22中に複数のセンサ 24を形成して、センサ波路の手方向の端をそれぞれのポト 2 出力ポト 23としてる。センサ 24は同一の長のが共振するよに設計され、対象質との会を増大さることで、対象質の度を高めるよにしてる。

００48 5に示すトックセンサ 2 では、ヒタ 8 を一体に形成しており、ヒタ 8 による度制御によてトックセンサ素の性を一定に保持することで、正確な対象質の度測定を〒ことができる。この度制御は、温度センサを使用し、 2に示すントうによて行われる。ヒタ 8 はこの外に、センサに付着した対象や不純物を熱によて放散さるために使用でき、タイングでヒタによる加熱を〒ことで、センサ素をで。また、

。

００49 更に、上述のヒタは導波路を導波する電磁の長もしは強度を変調する変調段として利用することができる。すなわち、ヒタ定の期で通電することにより、共振器ら放出される電磁の度、又は波長を期的に変調さ、検出で検出した電磁の、変調された電磁のみを分析器で選択することにより、共振外ら検出に到達する、ノイズの別し、測定度を向上することができる。、変調ヒタに限らず、例えば、電磁発生源ら出力される電磁の度変調を行えるものであればよ、例えば、電磁発生の力を期的に断するためのチョッと当チョ、のタとで変調段を構成して、駆動タを上記路にて制御するよにしても良。００5０ 6に示すトックセンサ 2 では、センサ波路が 2本の互に平行に走る入力波路 22 出力波路 22 とで構成される。センサ 24は、入力波路 22 出力波路 22 との間に形成され、入力波路 22 の端のポト 2 ら入力された電磁波ら特定長のを取り込んでここで共振さる。この出力波路 22 にしてその手方向の端に形成したポト 23 ら検出出力される。

００51 7に示すトックセンサ 2 では、センサ波路 22の手方向端で入ポト 2 ポト 23を規定し、センサ波路 22 らトックセンサ 2 の向に沿て離れた所、即、センサ波路の手方向と直する方向にれた所に、センサ 24を形成し、センサ 24 ら放出される電磁が出ポト 23 経て検出に出力される。

００52 8 トックセンサ 2 では、センサ 24 らトックセンサ 2 のみ方向に電磁を放出さるよに設計し、センサ 24の方に配置する検出と電磁に結合するよにしてる。

００53 記の態におては、センサ波路 22 センサ 24 4 とで構成する一のットで一種類の質の度測定を行てる。このため、異なる対象質に対応さて複数のットを設ければ、異なる対象質の度測定を行ことができる。この合、一のトックセンサ、異なる波長のを共振さる複数のセンサとこれに対応する複数のセンサ波路が形成される。

００54 2

9は、明の 2 態を示す。実施態では、センサ 24 ァンス 34 一のポト 2 を介して電磁発生らのを供給するよに設計されたトックセンサ 2 の成を示す。このトックセサ 2 では、互に異なる結晶造となたック C 2 トック P C 2が形成される。、 2 の造では、屈折率を変さる微少の互に異なる周期で 2 列されることで、異なる波長のを選択的に伝さる構造となる。センサ波路は、 2 の

P C P C 2にてする一本の波路 22 と、造に固有の 2本の出波路 22 22 2とで構成され、 P C P C 2内に、それぞれ入力波路 22 出力波路 22 22 2とに電磁気に結合するセンサ

24 ァンス 34が形成される。トック P C P C 2は、互に異なる波長のが各共振 24 34で共振するよに設計される。、トック C では対象質が吸収する ( )ので共振、 2 トック P C 2ではそれ以外の 2 ( 2 )で共振するよに設計されて、 2で示すものと同様の 4 を用、 ( )のの度を出力強度計 4 で検出し、 2 ( 2 )のの度をァンス度計 5 で検出する。度計 42は、 2 ( 2 )の度と第 ( )の度とを較して、 ( )の度のを求め、これに基ての態と同様にして、対象質の度を計算する。

００55 実施におては、センサ 24で共振する電磁の ( )を対象質が吸収する電磁の長としており、ァンス 34で共振する電磁の 2 ( 2 )を長と異なるよに設定してるため、ァンス 3 4で共振する電磁対象質の響を受けることがな。て、ァンス 34を対象質が含まれる囲気らする必要がな。

００56 3 示す、囲気の折率を変さる性質が顕著な対象質の定のために実現された方式を開示する。この合の質としては、例えば、水蒸気、アなどがあり、対象質の在によりセンサの囲の折率が変することによてセンサで共振する波長がトする現象を利用して、対象質の度測定を行。 2は、対象質が示す折率とそれによて決まる共振内で生じる電磁の長との係を示す。て、対象質によて決まる特定長で共振するよにセンサを設計しておことで、対象質の度をセンサ 24 ら放出される出力強度のとしてえることができる。

００57 このため、本実施態では、特定長を含む域の、センサ波路 22 入し、センサ 24 ら出力される電磁波ら、対象質に固有の長のの度を選択的に取り出して、この度に基て対象質の度が計算される。図に示す態のトックセンサ 2 では、センサ波路が 2本の平行に走る入力波路 22 出力波路 22 とで構成され、波路センサ 24が形成される。このセンサ 24は対象質を含む囲気に露出し、目的とする対象質に接触すると、入力波路 22 の手方向端のポト 2 で入された電磁の、対象質に固有の長のが共振 24で共振して、共振する電磁が出力波路 22 の端のポト 23 を介して、検出 4 出力される。

００58 この 4 は分光分析能を有し、対象質によて決まる特定長の

を分光により選択して、その度を求め、対象質の度をこの度に比例するものとして決定して、対象質の度を示す号を出する。ディスプイ 6 はこの号を受けて度を表示する。

００59 発生は、対象となる物質によて決まる波長を含む域の、例えば、 2 x x の長を含む外線を供給する。

００6０ 3 2 は、上述した 3 態に使用するトックセンサ 2 にての数の様を示す。

００61 3 5の様では、センサ 24の上に、対象質に吸着またはしてセンサ 24内で共振する電磁の長を変さる感応 8 を配置してる。 8 は、対象質に応じたトを積極的に起こさるまたはするためのものであり、対象質の在により 24 囲の折率を大き変動さる材料で構成される。えば、対象質を水分子としたセンサを実現する場合は、 S ポの水を吸着する材料が使用され、対象質を生態質としたイオセンサを実現する場合は、キトのセプタが材料として使用される。 4中のは感応 8 着された対象質の子を模式的に示す。

００62 6 8の様では、ォトックセンサ 2 内に、 2 の 24 と 24 を形成し、一方の 24 にのみ上の感 8 を設けてる。質が存在すると、一方の 24 で共振する電磁の長が他方の 24 で共振する電磁の長とずれることになり、両共振の合力が弱なり、その果、検出 4 に出力される電磁の度が変する。 4 はこの度のを認識して、その合に応じた対象質の度を決定する。 4 では、感応を設けた共振で共振する電磁の力強度のに基て度決定を行てるが、これに変えて感応を設けてな共振で共振する電磁の力強度を対象としても良。

００63 6の様では、 2本の入波路 22 出力波路 22 の間に、 2 の

24 24 をォトックセンサ 2 の向に並て配置した例を示す。 7の一本の波路 22の側に導波路 22の手方向に沿て 2 の 24 24 を配置した例を示す。 8の様では、一本の波路 22 の央に、 2 の 24 24 を並て配置した例を示す。

００64 9の様では、一のォトックセンサ 2 内に、波路 22 共振

24との組を複数形成し、各組に応じて、電磁発生 4 とを設けてる。共振 24は互に異なる波長のを共振さるよに設計されて、複数類の質の度測定が行われる。この合、少なとも一の 24に上述のを設けることが可能である。

００65 2 の様では、一のォトックセンサ 2 内に複数のに平行波路 22を一方向に沿て成すると共に、複数の 24を 2 内で横に配列してセンサを形成してる。波路 22は単一の発生らのが供給され、各共振 24にはそれぞれ 4 が結合される。

4 も同様に 2 内で配列されてム 9 にて支持される。 4 は共振 24が配列された面と直する方向にして配置されて、各共振 24 ら放出される電磁が検出 4 に出力される。共振 24は接する波路 22 電磁に結合して、互に異なる波長のを共振さるよに設計され、面内での折率の、、面内での質のが認識できる。、異なる共振 24 ら出力される電磁度が異なる対象質にての度を表すことになり、例えば、対象質が起こす反応の合を検出することができる。このため、濃度の外にも、面内でのなる対象質の布を得ることができる。、複数の 24が同一の長のを共振さるよに設計すれば、特定する対象質の内での度分布を得ることができる。また、様では、共振に感応を付設することも可能である。

4

2 22は明の 4の態を示す。この基本的に第 3の態と同一であるが、電磁発生として長のを供給するものを用、波長スウイを行て時間と共に波長が変する電磁トックセンサ 2 に導入する。長のスウイプ、対象質が示す折率によて決まる特定長を含むよに設定され、その長のが電磁発生ら導入された時点での、共振 24 らの度を検出 4 でめることで、対象質の度が定できる。このため、本実施態では、スウイプントラ 4 6が設けられて、電磁発生らの長と時間と共に変さると同時に、検出 4 における電磁出力のみ出しタイングを長のに同期さてる。度測定におては、対象質に対応する特定長と異なる波長のの力強度をァンス度として記憶しておき、対象質に対応する特定長のの力強度をこリァス度と比較することで対象質の度が計算に基てめられる。この成によれば、波長のスウイプ囲内でのろんな波長におて、それぞれ別に電磁度を分析できるため、異なる種類の質にての度を求めることが可能となる。この態におて使用されるトックセンサ 2 の、 2 に示す成の、図 5 8、 3 8に示す成のものが適用できる。

００67 更に、上述したよ共振器ら放出される電磁度を期的に変調さる、あるは電磁発生源ら共振に供給される電磁度を期的に変調することで測定度を高める構成を本実施態に適用することが可能である。

００68 5

23は明の 5の態を示す。この態では、トックセンサ 2 内での 24を通過する電磁路内に上述した感応 8 を配置してる。 8 が対象質を吸着したりこれと反応すると、電磁 ( ネギ )での、すなわち、実効波路が変することに起因して、検知器 4 で検出される電磁の度が変するため、この度のに基て対象質の度が定される。この態におては、両端を入ポト 2 ポト 23とする波路 22のに感応 8 を形成し、波路 22の央に対応して成した共振 24との度とを、対象質の在によりさる構成としてる。

００69 24は 5 態の様を示し、トックセンサ 2 内におて波路 22 平行に配置した 2 の 24の間に感応 8 を形成して、 2 のの率のによて対象質の度を検出してる。

００7０ 25は 5 の様を示し、トックセンサ 2 内におて、 2 本の平行な入力波路 22 出力波路 22 との間に配置した 2 の 24の間に感応 8 を形成して、 2 のの率のによて対象質の度を検出してる。

００71 6

26は、明の 6の態を示す。この態で使用するトックセンサ 2 では、互に異なる造となたトック C 2 トック P C 2が連続して成される。これら 2 の造では、率を変さる微少の互に異なる周期で 2 列されることで、異なる波長のを選択的に伝さる構造となる。波路 22 び出力波路 22 はトック C 2 トック P C 2とにて成され、 C の端におて人力波路 22 に電磁のポト 2 が形成され、出力波路 22 に電磁のポト 23が形成される。 24はトック C 内で入力波路 22 出力波路 22 との間に配置され、両者と電磁に結合してる。この 24は特定長のが共振できるよに設計される。

００72 波路 22 における、トック C 2 トック

P C 2との面では、共振で共振する特定長ののみを反射して、残りの通過さる入力 25 が形成される。様に、出力波路 22 における、トック C 2 トック P C 2との面では、共振 24で共振する特定長ののみを反射して、残りの通過さる出力 25 が形成される。このよ反射、トック P 2 トック P C 2とでの造が異なることによて成され、共振 24で共振が許された特定長のが入力波路 22 ら共振 24 する効率、 24で共振を起こす長のが出力波路 22 を経て検出 4 出力される効率を向上さる。

００73 波路 22 び出力波路 22 には、上で説明した感応 8 が、トック C 2 トック P C 2とに部分に形成され、対象質と反応した時に、造の面の能を変さることで、入力 25 出力 25 での能を変さ、共振 24で共振する特定長のの能が大幅に低下する。て、感応 8 が対象質の在を認めると、出力波路 22 ら出力される特定長の度が低下することになり、その度のら対象質の度が計算できる。、検出 4 に入力される電磁度らはドップ ( )が求められ、このドップ率ら度が求められる。ドップ ( )とは、上記の 3で表される、入力 S 出力

S との比である。００74 ドップはまたで表される。

００75

4

( 4 ) ００76 5 2 ) ００77 6

2 x A ( 6 ) ００78 7 x d W d ) ( ００79 8

Q u ( 8 ００8０

s

００ u 6 s n 02 ( 9

2 Q n b 2 Q ００81 、

dは、入力波路 22 の手方向に沿た共振 24 入力 25 との、 dは、出力波路 22 の手方向に沿た共振 24 出力 25 bとの、、入力波路 22 の数、

、出力波路 22 の数、

A は、入力 25 によて反射される電磁の相変化、

A は、出力 25 よて反射される電磁の相変化、は、入力 25 によて反射されて共振 24 までに戻る電磁の相変、

は、出力 25 によて反射されて共振 24 までに戻る電磁の相変

は、共振 24での波数、

Q は、共振 24 入力波路 22 との間の Q 、

Q は、共振 24 出力波路 22 との間の Q 、

Wは、共振 24に蓄積されるネギ、

d W dは、共振 24 ら入力波路 22 間に失われるネギ、共振器ら出力波路 22 間に失われるネギである。

実施態におけるトックセンサ 2 は、 S Oの上に積層したン導体に多数の少な円形形成してトック造を実現し、共振 24は円形無した、、円形ンで充填されることで成されたドナであることら、自由間の射損失が少なて高 Q が得られ、 Q ( C o s０ )

b < Qとなるので、上記の ( 4 )中の Qの項をとして無視することができる。

このため、 Q ( C o s０ ) Q ( C o s )、 0 0 2 (

b 2 、、・ )の係を満たすよにラメタ d、 d 2、 A A 0

1 2 2 2 Q b Q Qを設定することで、検出質の影を受けな時のドップを ( まり、 )とすることが可能となり、対象質の響を受けた時の泥率との大きとることができて、高感度な度測定が可能となる。

、上記の態におては、トックセンサ素として、ン導体のトックを使用したが、必ずしもこれに限定されるものではな、例えば、 G a s Pのよ各種の料のトックが適用できる。

また、電磁発生源らトックセンサ給する電磁の検出質に応じて定すればよ、使用する電磁としては、 C ( 53

や ( 565 などの通信のものが、対象質に応じてに使用できる。更に、電磁発生としては、例えば、光通信のを発生するとして、発光ダイオド、半導体ザ、 S ( A m p nn e d p o n a n e o s E m s s o n ) S C ( s p e c o n n m ) 源などを用ることができ、中近のを発生する場合は、ン板などをイクンング術により工して成したの持基のにおて 2 状のけ渡したイクッジ造の外線放射子のよ射の源などを用ることができる。

００83 述した実施態におては、定した対象質の度を検出するための成を開示したが、必ずしもこれのみに限定されるものではな、ォトックセンサ素ら出力される電磁度のを分析して、対象質の類の定や質の性を検出することにも適用できるものである。

００84 また、本実施態では、ガスセンサ、湿度センサ、イオセンサとして利用した例を開示したが、はこれのみに限定されるものではな、イオンセンサなどその他の物質を検出するセンサとして使用できる。

００85 出願は、 2 4 3 24日で出願された日

権主張するものであり、この本出願で開示される全ての容を併合するものである

Claims

求の

質の性を検出するセンサであて、以下の成を備える電磁を供給する電磁発生、

トックセンサ、このトックセンサトック

、上記のを導入するセンサ波路と、このセンサ波路に電磁に結合して入された電磁を特定長で共振さるセンサとを備え、上記センサ対象質を含む囲気中に露出されることで上記センサ 24 ら放出される電磁の性を変化さる、

検出、この上記器ら放出される電磁を受けて、上記

の度の化を認識し、この性のら対象質の性を決定して対象質の性を示す号を出する。

2 に記載のセンサにおて、

上記、上記のの性のら対象質の度を決定し、この度を示す号を出する。

3 2に記載のセンサにおて、

上記のトックセンサ上記のトック造内に、

ァンス波路と

ァンスとを有し、

上記ァンス波路は上記発生源ら上記のを導入し、上記ァンス上記のァンス波路に電磁に結合して入された電磁を上記の長で共振さる、

上記ァンス器及び上記ァンス波路は対象質らされ、上記

上記センサ器ら放出される上記長のの度を示す号を出する出力強度計、ァンス度計、

上記号を上記ァンス号と比較して、上記長ののを求めて、この量ら上記質の度を算出する度計とで構成される。

4 3に記載のセンサにおて、

上記のトックセンサ、 2 列のトック造を有し、上記のセンサ波路及びァンス波路はそれぞれ上記の 2 トック造内で延して両端に入ポトポトとを形成する、ポは上記発生源らのを受けるよに配置され、各出ポトは上記力強度計及びァンス度計にそれぞれ合して、センサァンスのそれぞれら放出される電磁を出する。

5 3に記載のセンサにおて、

上記のトックセンサ、 2 列のトック造を有し、上記のセンサ波路及びァンス波路はそれぞれ上記の 2 トック造内で延して両端に入ポトポトとを形成する、上記のセンサリァンス、それぞれセンサ波路及びァンス波路内に配置され、

各人ポトは上記源らのを受けるよに配置され、

各出ポトは上記力強度計及びァンス度計にそれぞれ合して、センサァンスのそれぞれら放出される電磁を出する。

6 5に記載のセンサにおて、

複数のセンサ、上記センサ波路に沿て一列に並んで配置された。

7 3に記載のセンサにおて、

上記のトックセンサ、 2 列のトック造を有し、上記のセンサ波路及びァンス波路はそれぞれ上記の 2 トック造内で延してその手方向の端に入ポトを形成する、各人ポトは上記源らのを受けるよに配置され、

上記クセサ、セサ波路とリァス波路とを備え、記のセンサ波路及びァンス波路はそれぞれ応する上記のセンサ波路とァンス波路と平行に延して、上記のセンサ

ァンスとにそれぞれ合され、

上記のセンサ波路とァンス波路はそれぞれその手方向の端に出ポトを規定して、このポトがそれぞれ上記の力強度計ァンス度計とに結合される。

8 3に記載のセサにおて、

上記のトックセンサ、 2 列のトック造を有し、上記のセンサ波路及びァンス波路はそれぞれ上記の 2 トック造内で延してその手方向の端に入ポトを形成する、各人ポトは上記発生源らのを受けるよに配置され、上記の力強度計ァンス度計のそれぞれが上記のトックセンサ素の面ら離間して配置されて、センサ 24 ァンスとにそれぞれ合されてそこら放出される電磁を受ける。

9 2に記載のセンサにおて、

上記のトックセンサ、トック造と第 2 トック造を有し、これらの、 2 トック互に異なり、 2 におて横に並んで配置される、

上記波路が第トック造ら 2 トック造にてする入力波路と、ック造内で延する波路と、 2 トック造内で延する 2 波路とで構成され、

上記センサが第トック造内に形成され、

上記 2 トック造内にァンスが形成され、

ァンスセンサでの長と異なる波長で電磁を共振さる、

上記

上記セサ器ら放出される上記長のの度を示す号を出する出力強度計、ァンス器ら放出される電磁の度を出ァンス度計、

上記号を上記ァンス号と比較して、上記長ののを求めて、このの数となる上記質の度を計算する度計で構成される。

０ 2に記載のセンサにおて、

上記異なる波長を含むを供給することで、上記センサ対象質によて決まる上記の長で上記の振を可能とし、上記、上記センサ器ら放出される上記長のを選択し、選択された特定長のの度を示す号に基て、対象質の度を計算する。

2に記載のセンサにおて、

上記電磁スウイして時間と共に波長を変化さることで、上記センサが対象質によて決まる上記の長で上記の振を可能とし、

上記、上記センサ器ら放出される上記長でのの度を取り出し、この度に基て上記質の度を計算する。

2 または皿に記載のセンサにおて、

上記のセンサ波路がセンサ器及びとで、特定類の質を検出するためののットを形成し、

上記センサは、複数のットを備え、それぞれのセンサ異なる種類の質を検出するために、互に異なる波長で上記を共振さる。 3 または皿に記載のセンサにおて、

上記センサに感応が設けられ、この上記質と反応してセンサ内で共振する波長を変さて、上記の長で電磁を共振さる。

または皿に記載のセンサにおて、トックセンサ 2 のセンサ 24を備え、一方のセンサ、上記質と反応してセンサ内で共振する波長を変さる感応が形成され、

上記 2 のセンサ互に電磁気に結合して合成を与え、これが上記に出力される。

5 または皿に記載のセンサにおて、

複数のセンサ 2 列で配置され、

複数の 2 列で配置されて、それぞれ上記センサに結合されてセンサ器らの記の長のの度を求める、上記のセンサのそれぞれにて対象質の度を求め、上記センサの列に度分布をあたえる。

6 に記載のセンサにおて、

上記異なる波長のを供給することで、上記センサ対象質によて決まる上記の長で上記の振を可能とし、

複数のセンサ 2 列で配置され、

複数の 2 列で配置されて、それぞれ上記センサに結合されてセンサ 24 らの記の長のの度を求める、複数のセンサ 24はそれぞれなる特定長ので共振するよに設定され、

複数の、上記センサ器ら放出される上記長のの度に基て、異なる対象質の在を特定することで、 2 内でのなる対象質の布を与える。

7 2に記載のセンサにおて、

上記センサ上記の長のを共振さ、

上記センサ波路におて上記センサ 24 電磁に結合する所に感応が設けられ、

上記対象質と反応して上記センサ波路とセンサとの間の実波路を変さることで、上記センサ器ら放出される電磁の度を変さ、

上記電磁の度変に基て対象質の度を計算する。

8 2に記載のセンサにおて、

2 のセンサが上記トックセンサに設けられてに電磁気に結合され、共に上記の長のを共振さる、

上記 2 のセンサネギ、感応が設けられ、この、対象質と反応して上記ネギの波路を変化さることで、上記センサ器ら放出される電磁の度を変化さる、

上記電磁の度変に基て対象質の度を計算する。

9 に記載のセンサにおて、

上記トックセンサ、トック造と第 2 トック造を有し、これらの、 2 トック互に異なり、 2 におて横に並んで配置される、

上記センサ波路は入力波路と出力波路とで構成され、これらの波路と出力波路は互に平行に延すると共に、それぞれがトック造の長にてして 2 トック造内に至る、

上記センサトック造内で上記入力波路と出力波路との間に配置され、

上記入力波路の手方向の端で上記 2 トック造と離れたところに上記発生源らのを受けるポトが形成され、

上記波路の手方向の端で上記 2 造と離れたところに上記センサにおて所定の長で共振する電磁を放出するポトが形成され、

上記入力波路に、トック造と第 2 トック造との面で、上記の長のを入ポト側に反射する入力が形成され、上記波路に、造と第 2 造との面で、上記の長のを出ポ側に反射する出力が形成され、

入力波路と出力波路のそれぞれに、造と第 2 造とに部分で、感応が形成され、この対象質と反応することで上記入力部及び出力での率を変さて、その上記のでのの度を変さる、

上記電磁の度変に基て対象質の度を計算する。

2０に記載のセンサにおて、

環境態を示すラメタをタントうが設けられ、

このうは環境ラメタに基て上記セサの性を補償して上記の長で電磁を共振さる。

2 2 に記載のセンサにおて、

上記トックセンサ素にヒタが付設され、このヒタが上記ントうによて作動して上記のセンサの性を補償する。

22 に記載のセンサにおて、

上記センサ上に足された対象を取り除、

段が設けられた。

23 22に記載のセンサにおて、

上記の上記トックセンサに設けたヒタであり、熱によりを共振器ら放出さる。

24 に記載のセンサにおて、

発生源ら導波路給する電磁の長もしは強度を変調する変調段がえられる。

25 質の度を検出する方法であて、以下のよりなる

電磁を導入するセンサ波路とこれに電磁合して特定長のを共振さるセンサとを備えたトックセンサ素を使用し、

上記のセンサを対象質が含まれる囲気中に露出さ、

上記の長を含むを上記センサ波路に導入し、

上記のセンサにおて共振する電磁の度を検出し、

上記度を分析して対象質の度を計算する。