JPH09512901A - チップレベル導波管センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの検出器を収容するチップパッケージ上に形成された導波管センサ。チップ上には、簡単な導波管要素が取り付けられている。簡単な導波管本体の挿入及び取外しが可能となるように、導波管形成要素をチップパッケージと一体成形できる。種々の幾何学的形状をもつ光源、基準検出器及び検出器を製造できる。導波管チャンネルに液体試薬を充填することにより、液体導波管センサが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 チップレベル導波管センサ発明の背景 本発明は、広くは光学的化学センサ（optical chemical sensors）に関し、よ り詳しくは光学的導波管化学センサ（optical waveguide chemical sensors）に 関する。 光ファイバ及び他の導波管に基づく種々の光学的化学センサが開発されている 。Klainer 等の米国特許第5,165,005 号には、薄膜金属コーティングを備えてお り且つ外部光源及び検出器が導波管に光学的に連結される平面導波管構造が開示 されている。 この従来技術に付随する問題は、検出器全体が一体化されていないこと、すな わち、種々の感応化学物質(sensing chemistry)について導波管全体を交換しな ければならないことである。従って、一体構造をもつ導波管化学センサであって 、感応化学物質を容易に変更できる導波管化学センサを提供することが望まれて いる。発明の要約 従って、本発明の目的は、一体構造をもつ導波管化学センサを提供することに ある。 本発明の他の目的は、互換可能な感応化学物質を備えた導波管化学センサを提 供することにある。 本発明は、少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの検出器が内部に一体成 形された基板すなわちチップ上に取り付けられた少なくとも１つの導波管アーム を有する導波管化学センサである。導波管アームは、基板上に、（例えば接着に より）固定的に取り付けるか、又は（例えば機械的クリップにより）着脱可能に 取り付けることができる。導波管アーム又はその部品も、基板すなわちチップ自 体の一部として成形（例えばモールド成形）することができる。基準チャンネル を設けることもできる。異なる感応化学物質をコーティングするか、異なる感応 化学物質で、異なる検出アームを形成できる。導波管アームの反射端面は、導波 管アームを通って透過される光を基板内の検出器に指向させる。図面の簡単な説明 第１Ａ図及び第１Ｂ図は、基準アーム及び検出アームを備えた導波管センサを 示す、それぞれ、側面図及び斜視図である。第１Ｃ図は、検出アームの導波管が 感応化学物質で形成された第１Ａ図及び第１Ｂ図の導波管センサを示す斜視図で ある。 第２Ａ図及び第２Ｂ図は、基準アーム及び検出アームを備えた導波管センサの 他の実施例を示す、それぞれ、側面図及び斜視図である。 第２Ｃ図は、検出アームの導波管が感応化学物質で形成された第２Ａ図及び第 ２Ｂ図の導波管センサを示す斜視図である。 第３Ａ図〜第３Ｃ図は、多アーム導波管センサを示す図面である。 第３Ｄ図は、検出アームが感応化学物質で形成された第３Ａ図〜第３Ｃ図の導 波管センサの他の実施例を示す斜視図である。 第３Ｅ図は、導波管アームの組立体を示す第３Ａ図〜第３Ｃ図の導波管センサ の平面図である。 第３Ｆ図は、多数の光源を備えた多アーム導波管センサを示す。 第３Ｇ図及び第３Ｈ図は、多数の光源を備えた多アーム導波管センサの他の実 施例を示す。 第４Ａ図〜第４Ｄ図は、一体導波管形成要素を備えた成形チップパッケージを 示す。 第４Ｅ図〜第４Ｈ図は、一体導波管形成要素を備えた成形チップパッケージの 他の実施例を示す。好ましい実施例の詳細な説明 第１Ａ図及び第１Ｂ図に示すように、導波管センサ１０はチップの基板１２上 に形成され、チップ１２内には、光源１４及び１対の検出器１６、１８が一体に 形成されている。光源１４を一端に配置し、光源１４及び検出器１６、１８はリ ニアに整合される。しかしながら、他の幾何学的形状を使用することもできる。 基準アーム２２及び検出アーム２４で形成された導波管２０は、光源１４及び検 出器１６、１８と整合して基板１２上に取り付けられている。両アーム２２、２ ４は、ビームスプリッタ２６により分離されている。ビームスプリッタ２６は、 基準アーム２２及び検出アーム２４の傾斜端面を当接させ且つ所望の反射及び透 過を生じさせるための適当な光学コーティングを施すことにより形成される。傾 斜反射端面２８の下の光源１４からの光は、反射端面２８に入射し且つ反射して 光ビームを下流側の導波管２０に送る。ビームスプリッタ２６は、光の一部を下 に横たわる基準検出器１６へと反射し且つ残余の光を検出アーム２４（該検出ア ーム２４の一部には感応化学物質３０がコーティングされている）に透過する。 検出アーム２４を透過する光は、該光が試料と相互作用するときに、感応化学物 質３０により影響を受ける。吸収、蛍光及び屈折率を含む種々の感応化学物質を 使用できる。この結果得られる光は傾斜反射端面３２に入射し、該反射端面３２ は光を検出器１８に向けて下方に反射する。基準アーム２２はコーティング２３ により覆われている。 第１Ａ図に示すように、基板１２は、成形半導体チップパッケージで構成する のが好ましい。光源１４は、一般にＬＥＤ又はレーザダイオードである。検出器 １６、１８は、一般にフォトダイオード（例えば、シリコンフォトダイオード） である。光源１４及び検出器１６、１８はチップパッケージ内に一体成形されて おり、チップパッケージの表面上には存在しない。チップパッケージは光学的に 透明な材料で作られ、光源及び検出器を周囲の環境から保護する。 第１Ｃ図は、検出アーム２４が検出アーム２５で置換されている点を除き、第 １Ａ図及び第１Ｂ図のセンサと同様な導波管センサ１１を示している。検出アー ム２５は感応化学物質で形成されている。すなわち、感応化学物質は、第１Ａ図 の実施例のように検出アーム２４上にコーティングされているのではなく、検出 アーム２５の全体が感応化学物質で作られている。これは、吸収形センサ又は蛍 光形センサにおいて特に有効である。なぜならば、表面コーティングを使用する 場合より、かなり多量の光が感応化学物質を通過するからである。吸収の場合に は有効経路長さが増大され、蛍光の場合には、導波管内により多くの蛍光波長が 捕捉され、これにより信号により大きな変化が与えられる。第１Ａ図の傾斜した 反射端面３２は、アーム２５を通過する光を検出器１８に反射させるための反射 要素３３（例えば、プリズム）で置換される。 第２Ａ図及び第２Ｂ図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図のセンサ１０の変更例である 導波管センサ１５を示す。センサ１５では、光源１４と基準検出器１６との位置 が逆になっている。すなわち、この構成は依然としてリニアであるが、光源１４ は端部ではなく中央部に配置されている。基準アーム２２は、光の一部をアーム ２２内に入力させるための、光源１４上に配置された傾斜反射端面２９を有する 。光はアーム２２に沿って傾斜反射端面２８に進み、該反射端面２８は光を基準 検出器１６に向かって下方に反射する。第１Ａ図及び第１Ｂ図の検出アーム２４ は検出アーム２７（該検出アーム２７の一部には感応化学物質３０がコーティン グされている）により置換されている。検出アーム２７は光源１４上の傾斜反射 端面３１を有し、該反射端面３１は光源１４からの光の一部を検出アーム２７内 に入力する。光は、感応化学物質３０と相互作用した後、傾斜反射端面３２によ り検出器１８に向かって下方に反射される。 第２Ｃ図は、検出アーム２７が、感応化学物質で形成された検出アーム３４で 置換されている点を除き、第２Ａ図及び第２Ｂ図のセンサと同様である。第２Ａ 図及び第２Ｂ図の傾斜反射端面３１、３２は、光をアーム３４内に（及びアーム ３４から）反射させる反射要素３５、３６（例えばプリズム）により置換されて いる。 第３Ａ図及び第３Ｃ図は、チップ５６上に多数の導波管が設けられたセンサ５ ８を示す。図示の構成では、３つの異なる導波管（検出アーム）６０、６２、６ ４が使用されている。これにより、一度に３つの異なる化学物質３０ａ、３０ｂ 、３０ｃの使用が可能になり且つ基準チャンネル６６が設けられる。装置は単一 の光源６８及び多数の検出器７０、７２、７４を使用している。基準チャンネル ６６に向けられた第４の検出器７６を使用できる。チップ５６内の光源６８から の光は導波管５９の傾斜反射端面６１に入射し、該反射端面６１は、光を導波管 ５９内に反射してビームスプリッタ７１に向かわせる。ビームスプリッ タ７１は光の一部を基準検出器７６に向けて反射する。ビームスプリッタ７３、 ７５は、透過光を分割して、それぞれ感応化学物質３０ａ、３０ｂ、３０ｃでコ ーティングされた３つの導波管６０、６２、６４に導く。化学物質３０ａ、３０ ｂ、３０ｃの作用を受ける導波管６０、６２、６４を通る光は、次に、傾斜反射 端面６３、６５、６７により反射されて、それぞれ検出器７０、７２、７４に導 かれる。この構成は、２つのアプローチすなわち、（１）同時に３つの異なる検 体を分析すること、又は（２）特異性の疑問がある場合に、目的検体に一致する ２つ以上の感応化学物質を使用して一致分析(coincident analysis)又は余剰分 析(redun-dant analysis)をすることに使用できる。使用できる導波管の数は、 光源強度及び幾何学的考察によってのみ制限される。 第３Ｄ図は、検出アーム６０、６２、６４が感応化学物質で形成された検出ア ーム７８、７９、８０により置換され且つ傾斜反射端面６３、６５、６７が反射 要素８１、８２、８３（例えばプリズム）により置換されている点を除き、第３ Ａ図〜第３Ｃ図のセンサ５８と同様な多導波管センサ７７を示している。 第３Ｅ図は、第３Ａ図〜第３Ｃ図の多アーム導波管センサ５８の構造を示す。 基準チャンネル６６を備えた導波管５９は、傾斜端面６１から遠い側に設けられ た平らな端面８４を有している。導波管６０は、端面８４に当接して、導波管５ ９に対し直角に配置されている。傾斜端面６３から遠い側の導波管６０の端面は 傾斜しており、ビームスプリッタ７３を形成している。導波管６０（ビームスプ リッタ７３）の傾斜端面に隣接して整合プリズム８５が配置され、該整合プリズ ム８５は導波管６４が直角に配置される平面を形成している。傾斜端面６７から 遠い側の導波管６４の端面は傾斜し、ビームスプリッタ７５を形成している。導 波管６２は、傾斜端面６５から遠い側の端部に、導波管６２と導波管５９とが整 合するように導波管６４の傾斜端面（ビームスプリッタ７５）に一致する傾斜端 面を有する。ビームスプリッタ７３、７５は、所望の反射特性及び透過特性を生 じさせる適当な光学コーティングを導波管６０、６２、６４に施すことにより形 成される。 第３Ｆ図は、第３Ａ図〜第３Ｃ図のセンサ５８と同様に基板すなわちチップ５ ６上に形成されているが、多数の光源及び単一の検出器を備えた導波管センサ ８６を示す。検出器７０、７２、７４は、一般に３つの異なる波長をもつ３つの 光源９０、９２、９４により置換され、光源６８は、３つの全ての光源９０、９ ２、９４からの光を検出できる充分に広帯域の検出器８８により置換されている 。ビームスプリッタ７３は、光源９０の波長に対しては高度の反射性を有し且つ 光源９２、９４からの波長に対しては高度の透過性を有する。ビームスプリッタ ７５は、光源９４の波長に対しては高度の反射性を有し且つ光源９２の波長に対 しては高度の透過性を有する。このビームスプリッタ特性は、適当な光学コーテ ィングにより得られる。傾斜端面６３、６５、６７は、光源９０、９２、９４か らの光を導波管６０、６２、６４に導くべく指向させ、ビームスプリッタ７３、 ７５は光ビームを導波管（検出及び基準アーム）５９内に指向させる。導波管５ ９は、光の一部を基準検出器９６に指向させるビームスプリッタ９１を有してい る。残余の光ビームは、感応化学物質３０がコーティングされた（又は感応化学 物質 ３０を含有する）導波管５９を通過する。次に、変調ビームが端面６１に より検出器８８に向けて反射される。従って、この構成では、単一の感応化学物 質のみでよいが、３つの異なる光源を必要とする。導波管６０、６２、６４は、 いかなる感応化学物質も含有していない。 第３Ｇ図及び第３Ｈ図は、多数の光源及び多数の感応化学物質を有する、第３ Ｆ図のセンサ８６の別の実施例を示す。チップ５６上の導波管センサ８７は、一 般に３つの波長をもつ３つの光源９０、９２、９４及び検出器８８を有している 。傾斜端面６３、６５、６７は、光源９０、９２、９４からの光を導波管６０、 ６２、６４内に指向させ、これらの導波管で、光は最初にビームスプリッタ９３ 、９５、９７に出合い、該ビームスプリッタは光の一部を基準検出器５１、５２ 、５３に指向させる。残余の光は、感応化学物質３０ａ、３０ｂ、３０ｃがコー ティングされた（又は含有する）導波管６０、６２、６４に通される。ビームス プリッタ７３、７５は、導波管６０、６２、６４からの変調された光ビームを導 波管５９に通し（すなわち指向させ）、導波管５９において、光は端面６１で検 出器８８に向けて反射される。従って、この構成では、光源を備えた各アームに 感応化学物質が設けられるが、各検出アームには基準検出器も設けられる。 導波管センサは、光源（単一又は複数）及び検出器（単一又は複数）を収容す る成形チップパッケージ上に導波管構造を取り付けることにより、上記のように 形成できるけれども、本発明によれば、更に、成形チップパッケージ内に導波管 構造を一体成形することもできる。第１Ａ図〜第３Ｈ図の導波管構造は、基板す なわちチップパッケージ１２又は５６の一部として成形できる。また、導波管構 造の部品を第４Ａ図〜第４Ｈ図に示すように形成することもできる。これらの実 施例では、チップ製造工程の一部として、光伝播方向を定める要素がチップに形 成される。作動センサを形成するのに、非常に簡単な要素を挿入する必要がある に過ぎず、これらの要素を容易に互換することにより多種類のセンサを作ること ができる。この設計により、液体感応化学物質の使用を可能にする液体導波管を 作ることもできる。 第４Ａ図に示すように、光源１４及び検出器１６、１８を備えたチップ１２上 に、導波管形成要素３６、３８、３９が一体成形される。すなわち、チップ１２ が成形されるときに、成形工程の一部として要素３６、３８、３９が形成される 。要素３８、３９、３６は、それぞれ、光源１４及び検出器１６、１８上に形成 される。光源１４はリニア配置の一端に位置している。要素３６、３８はコーナ リフレクタであり且つ要素３９はビームスプリッタである。導波管本体４１が要 素３８、３９の間に容易に挿入され、且つ導波管本体４２（該導波管本体には感 応化学物質３０がコーティングされているか、導波管本体の一部が感応化学物質 で形成されている）が要素３９、３６の間に容易に挿入されて、導波管センサ３ ７が形成される。第４Ｂ図に示すように、要素３６、３８、３９間の空間は、チ ャンネル４５、４６を形成する側壁４４により包囲される。第４Ｃ図及び第４Ｄ 図は、平面図及び側断面図である。第４Ａ図のインサート４１、４２はチャンネ ル４５、４６内に挿入され、チャンネル４５、４６には試薬が充填され、次に第 ４Ｄ図に示すように膜５０で覆われる。膜５０は側壁４４に取り付けることがで きる。 第４Ｅ図は、一体導波管形成要素３５、３６、３８、３９を備えたチップ１２ の別の実施例を示す。この場合、光源１４は中央部に位置し、検出器１６、１８ は両端部に位置している。この場合にも、コーナリフレクタである要素３５、３ ６、３８、３９は、チップ１２の製造工程の一部として形成される。導波管本 体４１が要素３８、３９の間に容易に挿入され、且つ導波管本体４３（該導波管 本体には感応化学物質３０がコーティングされているか、感応化学物質を含有し ている）が要素３５、３６の間に容易に挿入されて、導波管センサ４０が形成さ れる。第４Ｆ図に示すように、要素３５、３６、３８、３９の間の空間は、チャ ンネル４７、４８を形成する側壁４４により包囲される。第４Ｇ図及び第４Ｈ図 は、平面図及び側断面図である。第４Ｅ図のインサート４１、４３はチャンネル ４７、４８内に挿入され、チャンネル４７、４８には試薬が充填され、次に第４ Ｈ図に示すように膜５０で覆われる。膜５０は側壁４４に取り付けることができ る。 光源１４及び検出器１６、１８を収容する一体成形チップパッケージ１２には 、第１Ａ図及び第２Ａ図に示すように他の電子部品を含めることができる。各検 出器１６、１８に関連して、増幅器９８又は他の信号処理電子部品を関連させる ことができる。光源１４と基準検出器１６との間には、一定の光源出力を維持す るためのフィードバック回路９９を接続させることができる。 特別に説明した上記実施例は、請求の範囲の記載によってのみ制限される本発 明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を施すことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．モジュラ基板を有し、該基板内には、少なくとも１つの光源及び少なくとも １つの光検出器が形成され且つ光学的に透明な材料により覆われており、 前記基板上に取り付けられ且つ前記少なくとも１つの光源及び少なくとも１ つの検出器上に延びている導波管構造を有し、該導波管構造は、前記少なくとも １つの光源から前記導波管構造内に光を案内するための方向転換手段及び前記導 波管構造から前記少なくとも１つの検出器に光を案内するための方向転換手段と を備え、 導波管構造の一部の上又は内部に形成された感応化学物質を更に有すること を特徴とする光学的導波管化学センサ。 ２．前記モジュラ基板は、一端に配置された１つの光源と、該光源とリニア配置 をなす第１及び第２検出器とを有し、導波管構造は、前記光源から第１検出器へ と延びた第１導波管本体と、第１導波管本体との結合部を形成し且つ２つの検出 器の間を延びた第２導波管本体とで形成されていることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載のセンサ。 ３．光を光源から導波管構造に案内する手段は、第１導波管本体に形成された傾 斜反射端面を有し、導波管構造から２つの検出器に光を案内する手段は、第１導 波管本体と第２導波管本体との間の結合部に形成されたビームスプリッタと、第 ２導波管本体の遠い側の端部に形成された傾斜反射端面とを有することを特徴と する請求の範囲第２項に記載のセンサ。 ４．前記感応化学物質は、第２導波管本体上又は内部に形成され、第１検出器は 基準検出器を形成することを特徴とする請求の範囲第３項に記載のセンサ。 ５．前記モジュラ基板は１つの光源と２つの検出器とを有し、両検出器はこれら の間に配置された光源とリニア配置をなしており、導波管構造は、前記光源から 一方の検出器へと延びた第１導波管本体と、前記光源から他方の検出器へと延び た隣接する第２導波管本体とで形成されていることを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載のセンサ。 ６．光を光源から導波管構造に案内する手段は、第１導波管本体に形成された傾 斜反射端面を有し、導波管構造から２つの検出器に光を案内する手段は、各導波 管本体の一端に形成された傾斜反射端面を有し、光を導波管構造から検出器へと 案内する手段は、各導波管本体の前記一端から遠い側の端部に形成された傾斜反 射端面を有することを特徴とする請求の範囲第５項に記載のセンサ。 ７．前記感応化学物質は一方の導波管本体上又は内部に形成され、他方の導波管 本体は基準アームを形成することを特徴とする請求の範囲第６項に記載のセンサ 。 ８．前記モジュラ基板は１つの光源と幾何学的パターンに配置された複数の検出 器とを有し、導波管構造は検出器から光源へと延びた複数の相互連結アームを有 することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 ９．感応化学物質は検出器へと延びた各アーム上又は内部に形成されていること を特徴とする請求の範囲第８項に記載のセンサ。 10．検出器へと延びた各アーム上又は内部に異なる感応化学物質が設けられてい ることを特徴とする請求の範囲第９項に記載のセンサ。 11．前記モジュラ基板は１つの光源と３つの検出器とを有し、導波管構造は、光 源から延びた第１導波管アームと、該第１導波管アームからそれぞれの検出器へ と延びた３つの検出アームとを有し、１つの検出アームは第１導波管アーム及び 直交する２つの導波管アームと整合しており、３つの検出アームの間の光源から の光を分割するための、検出アームに形成された１対のビームスプリッタを更に 有することを特徴とする請求の範囲第８項に記載のセンサ。 12．第１導波管アームのビームスプリッタ及び該ビームスプリッタの下の基準検 出器を更に有することを特徴とする請求の範囲第１１項に記載のセンサ。 13．前記モジュラ基板は１つの検出器と、幾何学的パターンに配置された複数の 光源とを有し、導波管構造は光源から検出器へと延びた複数の相互連結アームを 有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 14．前記感応化学物質は、検出器の近くで導波管構造のアーム上又は内部に形成 されており、光源からの導波管アームの間のビームスプリッタと、感応化学物質 と、ビームスプリッタの下の基準検出器とを更に有することを特徴とする請求の 範囲第１３項に記載のセンサ。 15．感応化学物質は、光源へと延びている各アーム上又は内部に形成されており 、光源間の前記各アームのビームスプリッタと、感応化学物質と、ビームスプリ ッタの下の基準検出器とを更に有することを特徴とする請求の範囲第１３項に記 載のセンサ。 16．前記モジュラ基板は半導体チップパッケージであることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載のセンサ。 17．前記導波管構造はモジュラ基板の一部として成形されていることを特徴とす る請求の範囲第１項に記載のセンサ。 18．前記少なくとも１つの光源からの光を案内する手段及び光を前記少なくとも １つの検出器に案内する手段が、モジュラ基板の一部として成形されていること を特徴とする請求の範囲第１項に記載のセンサ。 19．前記案内手段の間に嵌合される着脱可能な導波管本体インサートを更に有す ることを特徴とする請求の範囲第１８項に記載のセンサ。 20．感応化学物質は導波管本体インサート上又は内部に形成されていることを特 徴とする請求の範囲第１９項に記載のセンサ。 21．前記案内手段の間に開放チャンネルを形成する側壁を更に有することを特徴 とする請求の範囲第１８項に記載のセンサ。 22．前記開放チャンネルを充填する液体試薬と、感応化学物質充填チャンネルを 形成する前記液体試薬を覆う膜とを更に有することを特徴とする請求の範囲第２ １項に記載のセンサ。