KR20140096060A - 케미컬 센서, 케미컬 센서 모듈, 화학물질 검출 장치 및 화학물질 검출 방법 - Google Patents

케미컬 센서, 케미컬 센서 모듈, 화학물질 검출 장치 및 화학물질 검출 방법 Download PDF

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Abstract

[과제]
고정밀도, 고감도로 화학물질의 검출을 행하는 것이 가능한 케미컬 센서, 케미컬 센서 모듈, 화학물질 검출 장치 및 화학물질 검출 방법을 제공할 것
[해결 수단]
본 기술의 한 형태에 관한 케미컬 센서는, 기판과, 저굴절률층과, 고굴절률층과, 광검출부를 구비한다. 저굴절률층은, 기판에 적층되고, 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는다. 고굴절률층은, 저굴절률층에 적층되고, 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며, 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하고, 조명광이 전파한다. 광검출부는, 기판에 마련되고, 조명광에 의해 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출한다.

Description

케미컬 센서, 케미컬 센서 모듈, 화학물질 검출 장치 및 화학물질 검출 방법{CHEMICAL SENSOR, CHEMICAL SENSOR MODULE, CHEMICAL SUBSTANCE DETECTOR, AND CHEMICAL SUBSTANCE DETECTION METHOD}
본 기술은, 화학 결합에 기인하는 발광을 이용하여 화학물질을 검출하기 위한 케미컬 센서, 케미컬 센서 모듈, 화학물질 검출 장치 및 화학물질 검출 방법에 관한 것이다.
화학 결합에 기인하는 발광을 이용하여 화학물질을 검출하는 케미컬 센서가 연구되고 있다. 구체적으로는, 검출하여 싶은 타겟 재료와 특이적으로 결합하는 프로브 재료를 센서상에 고착하여 두고, 시료를 센서에 공급하면, 시료에 포함되는 타겟 재료가 프로브 재료와 결합한다. 예를 들면, 타겟 재료와 프로브 재료의 결합체에 도입이 가능한 형광표지(螢光標識)를 이용하여 당해 결합체를 발광시키면, 광전 변환 소자에 의한 검출이 가능해진다. 복수종의 프로브 재료를 센서상에 고착시켜 둠에 의해, 시료에 포함되는 타겟 재료의 종류를 특정하는 것도 가능해진다.
이와 같은 케미컬 센서에서, 고감도, 고정밀도의 검출을 가능하게 하기 위해서는, 타겟 재료와 프로브 재료의 결합에 기인하는 발광만을 광전 변환 소자에 유도하고, 그 이외의 광, 예를 들면 형광을 발생시키기 위한 여기광 등을 배제할 필요가 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1에는, 마찬가지로 여기광의 에바네센트파(波)(근접장광(近接場光))를 이용하여 시료를 형광 발광시키는「에바네센트 도파관 및 집적 센서를 이용한 바이오 센서」가 개시되어 있다. 당해 센서에서는, 검출기, 필터, 접촉 클래드층, 도파관층이 이 순서로 적층되고, 도파관층상에 시료가 재치되는 구성으로 되어 있다. 도파관층에, 층에 평행한 방향으로 여기광(레이저)이 도입되고, 도파관층의 계면으로부터 누출되는 에바네센트파에 의해 시료가 여기되고, 형광이 검출기에 의해 검출되는 구성으로 되어 있다.
또한, 특허 문헌 2에는, 여기광의 에바네센트파를 이용하여 시료를 형광 발광시키는「전(全) 폴리머 광도파로 센서」가 개시되어 있다. 당해 센서에서는, 폴리머 기판형상에 폴리머 도파로가 형성되고, 폴리머 도파로상에 시료가 고정되는 구성으로 되어 있다. 폴리머 도파로를 진행하는 광파(코히어런트광)의 에바네센트파에 의해 시료가 여기되고, 발생하는 형광을 검출기로 검출한 것이다.
상기 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재된 발명은 모두, 여기광을 도파 구조에 가둠에 의해, 여기광이 광전 변환 소자에 도달하는 것을 방지하는 것이다. 따라서 도파 구조상에 고정되어 있는 시료를 형광 시키기 위한 에바네센트파가, 양 발명의 요소로 되어 있다.
일본 특표2010-518389호 공보([0023]단락, [0126]단락) 일본 특표2009-511896호 공보([0056]단락, [0102]단락)
그러나, 에바네센트파의 강도는, 도파 구조에 도입되는 광의 강도에 비하여 훨씬 미소하기 때문에, 상기한 바와 같은 발명에서는 광에너지를 효율적으로 이용할 수가 없다. 또한, 에바네센트파를 최적의 조건으로 하기 위해서는 도파 구조의 두께가 한정되기(수십㎚) 때문에, 센서의 제조가 곤란 또는 고비용으로 되는 것이 생각된다. 나아가서는, 에바네센트파의 도달 거리도 매우 작기(수십㎚ 정도) 때문에, 시료의 표면 부근(에바네센트파 도달 범위)에 형광 물질이 존재하지 않으면, 검출할 수가 없다.
이상과 같은 사정을 감안하여, 본 기술의 목적은, 고정밀도, 고감도로 화학물질의 검출을 행하는 것이 가능한 케미컬 센서, 케미컬 센서 모듈, 화학물질 검출 장치 및 화학물질 검출 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 기술의 한 형태에 관한 케미컬 센서는, 기판과, 저굴절률층과, 고굴절률층과, 광검출부를 구비한다.
상기 저굴절률층은, 상기 기판에 적층되고, 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는다.
상기 고굴절률층은, 상기 저굴절률층에 적층되고, 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며, 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하고, 조명광이 전파한다.
상기 광검출부는, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출한다.
이 구성에 의하면, 고굴절률층에 도입된 조명광은 검출 대상물에 굴절 투과하지만, 상기한 바와 같이 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률은, 저굴절률층의 굴절률인 제2의 굴절률보다 크다. 따라서 조명광을 적절한 입사각도로 고굴절률층에 입사시킴에 의해, 조명광을 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에서 전반사시키면서, 검출 대상물에 대해서는 굴절 투과시키는 것이 가능해진다. 따라서 저굴절률층의 하층에 위치하는 광검출부에 조명광이 도달하는 것을 방지하면서, 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 광검출부에 의해 검출하는 것이 가능해지고, 광검출부에서의 조명광의 검출에 의한 검출 정밀도의 저하를 방지하는 것이 가능해진다.
상기 지지면은, 상기 검출 대상물이 흡착되는 흡착 영역과, 상기 검출 대상물이 흡착되지 않는 비흡착 영역을 또한 구비하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 비흡착 영역이, 조명광의 굴절 투과를 발생시키는 검출 대상물에 접촉하고 있지 않기 때문에, 비흡착 영역에서의 조명광의 굴절 투과를 방지하는 것이 가능해진다. 즉, 비흡착 영역이 공기에 면하고 있는 경우, 또는 적어도 검출 대상물의 굴절률(제1의 굴절률)보다 충분히 작은 굴절률을 갖는 물질에 접하여 있는 경우에는, 비흡착 영역에서 조명광의 전반사가 생길 수 있다. 이에 의해, 조명광은, 흡착 영역의 검출 대상물에는 도달하지만, 비흡착 영역에서는 전반사되기 때문에 조명광의 광에너지의 손실을 방지하는 것이 가능해진다.
상기 흡착 영역은, 상기 비흡착 영역에 의해 분리되어 있어도 좋다.
이 구성에 의하면, 흡착 영역을 섬형상으로 배치하는 것이 가능하기 때문에, 각 흡착 영역에 다른 타겟 재료를 흡착시켜 두어, 다종의 화학물질을 동시에 검출하는 것이 가능해진다.
상기 광검출부는, 복수가 마련되고, 상기 흡착 영역은, 각각이 하나의 상기 광검출부에 대향하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 각 흡착 영역에 흡착된 검출 대상물질이 광검출부에 1대1로 대응하기 때문에, 고정밀도로 검출 대상광을 검출하는 것이 가능해진다.
상기 광검출부는, 복수가 마련되고, 상기 흡착 영역은, 각각이 복수의 상기 광검출부에 대향하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 각 흡착 영역에 흡착된 검출 대상물이 복수의 광검출부에 대응하기 때문에, 하나의 흡착 영역에서의 검출 대상광의 발광 스펙트럼의 특성을 확인하는 것이 가능해진다.
상기 흡착 영역은, 상기 조명광이 전파하는 방향에 따라 면적이 커지도록 형성되어 있어도 좋다.
이 구성에 의하면, 각 흡착 영역에 입사하는 조명광의 광량을 균일화하는 것이 가능해진다. 상술한 바와 같이, 비흡착 영역에서는 조명광은 전반사하기 때문에, 광에너지는 잃어버리지 않지만, 흡착 영역에서는, 검출 대상물에 입사함에 의해 잃어버린다. 즉, 조명광이 전파하는 방향에서 원거리에 위치하는 흡착 영역에서는, 근거리에 위치하는 흡착 영역에 비하여 단위면적당의 조명광의 강도가 작아지고 있다. 여기서, 본 구성과 같이, 흡착 영역의 크기를 점차로 크게 함에 의해, 검출 대상물에 입사하는 광량과 전반사하는 광량의 비율을 조정하여, 각 흡착 영역에 입사하는 조명광의 광량을 균일화할 수 있다.
상기 흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 친수성 처리에 의해 형성되고, 상기 비흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 소수성 처리에 의해 형성되어도 좋다.
이 구성에 의하면, 검출 대상물이 친수성 재료인 경우에, 흡착 영역과 비흡착 영역을 구분하는 것이 가능해진다.
상기 흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 소수성 처리에 의해 형성되고, 상기 비흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 친수성 처리에 의해 형성되어 있어도 좋다.
이 구성에 의하면, 검출 대상물이 소수성 재료인 경우에, 흡착 영역과 비흡착 영역을 구분하는 것이 가능해진다.
상기 비흡착 영역은, 상기 검출 대상물이 흡착되지 않는 피막에 의해 피복되고, 상기 흡착 영역은, 상기 피막에 의해 피복되지 않아도 좋다.
이 구성에 의하면, 검출 대상물이 지지면에 흡착 가능한 물질인 경우에, 흡착 영역과 비흡착 영역을 구분하는 것이 가능해진다.
상기 피막은 광반사성을 가져도 좋다.
이 구성에 의하면, 이 피막에 의해, 조명광을 반사시키는 것이 가능해진다. 이것은 특히, 비흡착 영역상에 고굴절률을 갖는 재료가 적층된 경우에 유효하다.
상기 케미컬 센서는, 상기 광검출부와 상기 저굴절률층의 사이에 마련되고, 상기 검출 대상광 이외의 파장을 차폐하는 컬러 필터를 또한 구비하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 조명광의 광검출부에의 도달을 2차적으로 방지하는 것이 가능하다. 상기한 바와 같이, 조명광은 고굴절률층과 저굴절률층의 계면에서 전반사하기 때문에, 원리적으로는 광검출부에는 도달하지 않는다. 그러나, 예를 들면, 검출 대상물에서의 반사 등에 의해, 검출 대상광과 동일한 경로로 광검출부에 도달하는 경우도 생각된다. 여기서, 컬러 필터에 의해, 이와 같은 조명광성분을 제거함에 의해, 보다 고정밀도로 검출 대상광을 검출시키는 것이 가능하다.
상기 케미컬 센서는, 상기 광검출부와 상기 저굴절률층의 사이에 마련되고, 상기 검출 대상광을 상기 광검출부에 집광하는 온 칩 렌즈를 또한 구비하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 검출 대상광을 온 칩 렌즈에 의해 광검출부에 집광하는 것이 가능하여, 보다 고정밀도로 검출 대상광을 검출시키는 것이 가능하다.
상기 케미컬 센서는, 상기 저굴절률층에 마련되고, 상기 저굴절률층을 각 광검출부에 대향하는 영역마다 구획하는 차광벽을 또한 구비하여도 좋다.
이 구성에 의하면, 인접하는 검출 대상물로부터 생기는 검출 대상광을 차폐하여, 크로스토크를 방지하는 것이 가능해진다.
상기 조명광은 여기광이고, 상기 검출 대상광은 형광이라도 좋다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 기술의 한 형태에 관한 케미컬 센서 모듈은, 케미컬 센서와, 도광부를 구비한다.
상기 케미컬 센서는, 기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비한다.
상기 도광부는, 상기 케미컬 센서에 접합되어, 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 기술의 한 형태에 관한 화학물질 검출 장치는, 케미컬 센서 모듈과, 광원을 구비한다.
상기 케미컬 센서 모듈은, 기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부와, 상기 케미컬 센서에 접합되어 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입하는 도광부를 구비한다.
상기 광원은, 상기 도광부에 상기 조명광을 조사한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 기술의 한 형태에 관한 화학물질 검출 방법은, 기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서를 준비한다.
도광부를 통하여 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입한다.
상기 광검출부에 의해 상기 검출 대상광을 검출한다.
이상과 같이, 본 기술에 의하면, 고정밀도, 고감도로 화학물질의 검출을 행하는 것이 가능한 케미컬 센서, 케미컬 센서 모듈 및 화학물질 검출 방법을 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서의 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 동 케미컬 센서에 재치된 검출 대상물을 도시하는 단면도.
도 3은 동 케미컬 센서의 흡착 영역 및 비흡착 영역을 도시하는 모식도.
도 4는 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서 모듈을 도시하는 단면도.
도 5는 동 케미컬 센서 모듈의 도광부의 배치를 도시하는 모식도.
도 6은 동 케미컬 센서 모듈의 도광부의 배치를 도시하는 모식도.
도 7은 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서의 동작을 도시하는 모식도.
도 8은 동 케미컬 센서의 고굴절률층과 저굴절률층의 계면을 도시하는 모식도.
도 9는 동 케미컬 센서의 고굴절률층과 검출 대상물의 계면을 도시하는 모식도.
도 10은 동 케미컬 센서에의 조명광의 입사각도를 표시하는 표.
도 11은 동 케미컬 센서의 제조 방법을 도시하는 모식도.
도 12는 동 케미컬 센서의 다른 제조 방법을 도시하는 모식도.
도 13은 동 케미컬 센서에의 도광부의 접합 상태를 도시하는 모식도.
도 14는 제2의 실시 형태에 관한 케미컬 센서의 구성을 도시하는 모식도.
도 15는 동 케미컬 센서의 조명광의 광량을 표시하는 표.
도 16은 동 케미컬 센서의 조명광의 광량을 표시하는 표.
도 17은 동 케미컬 센서의 조명광의 광량을 표시하는 표.
도 18은 제3의 실시 형태에 관한 케미컬 센서의 구성을 도시하는 모식도.
도 19는 동 케미컬 센서의 제조 방법을 도시하는 모식도.
도 20은 동 케미컬 센서의 제조 방법을 도시하는 모식도.
도 21은 제4의 실시 형태에 관한 케미컬 센서의 구성을 도시하는 단면도.
도 22는 제1의 실시 형태에 관한 화학물질 검출 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 23은 검출 대상광의 발광 스펙트럼과 컬러 필터의 광투과율의 예를 도시하는 그래프.
도 24는 검출 대상광의 발광 스펙트럼과 컬러 필터의 광투과율의 예를 도시하는 그래프.
(제1의 실시 형태)
본 기술의 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서에 관해 설명한다.
[케미컬 센서의 구성]
도 1은 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서(1)의 구성을 도시하는 단면도이다. 이들의 도면에 도시하는 바와 같이 케미컬 센서(1)는, 기판(2), 저굴절률층(3) 및 고굴절률층(4)이 이 순서로 적층되어 구성되어 있다. 또한, 케미컬 센서(1)는, 사용시에는 검출 대상물이 피착되어 사용된다. 도 2는, 케미컬 센서(1)에 재치된 검출 대상물(S)을 도시하는 단면도이다.
이하의 설명에서, 검출 대상물(S)의 굴절률(절대 굴절률, 이하 마찬가지)을 제1 굴절률(n1), 저굴절률층(3)의 굴절률을 제2 굴절률(n2), 고굴절률층(4)의 굴절률을 제3 굴절률(n3)이라고 한다. 상세는 후술하지만, 이들의 굴절률은, 제2 굴절률(n2), 제1 굴절률(n1), 제3 굴절률(n3)의 순서로 커지는 관계를 갖는다.
기판(2)에는, 광검출부(21)가 마련되어 있다. 광검출부(21)는, 화소(광전 변환 소자)가 2차원 배열된 이미지 센서(CMOS, CCD 등)라도 좋고, 화소가 1차원 배열된 라인 센서, 유기 광전 변환을 이용한 광센서 등, 광을 검출하는 것이 가능한 각종 센서를 이용할 수 있다. 기판(2)에는, 광검출부(21)에 접속된 도시하지 않은 배선 등이 마련되어도 좋다. 도 1 및 도 2에서는 기판(2)상에 이미지 센서의 보호 절연막(22)이 마련되어 있지만, 광검출부(21)의 구성에 ?라서는 마련되지 않는 경우도 있다.
저굴절률층(3)은, 기판(2)상에 적층되는 층이고, 제1 굴절률(n1)(검출 대상물(S)의 굴절률)보다 작은 제2 굴절률(n2)을 갖는다. 즉, 저굴절률층(3)은, 굴절률이 1(공기) 이상이고, 제1 굴절률(예를 들면 1.5) 미만이 되는 재료로 이루어지는 것으로 할 수 있다. 또한, 저굴절률층(3)의 재료로서는 적어도, 후술하는 검출 대상의 광(이하, 검출 대상광)의 파장역에서 광투과성이 높은 재료가 알맞다.
이와 같은 재료로서는 예를 들면, 불소 함유 중공(中空) 실리카 입자 함유 폴리실록산 수지(n=1.2 내지 1.35(실리카 입경(粒徑) 의존)), 불소 함유 폴리실록산 수지(n=1.42), 불소 함유 아크릴 수지(n=1.42), 중공 실리카 입자 함유 폴리실록산 수지(n=1.2 내지 1.35 실리카 입경 의존)) 등을 들 수 있다. 또한, 여기에 나타낸 굴절률은, 광파장 550㎚에 대한 굴절률이다.
저굴절률층(3)의 두께는 50㎚ 이상 1mm 이하가 알맞고, 100㎚ 이상 1㎛ 이하 또는 50㎛ 이상 500㎛ 이하가 더욱 알맞다.
고굴절률층(4)은, 저굴절률층(3)에 적층되는 층이고, 제1 굴절률(n1)(검출 대상물(S)의 굴절률)보다 큰 제3 굴절률(n3)을 갖는다. 즉, 고굴절률층(4)은, 굴절률이 제1 굴절률(예를 들면 1.5)을 초과하는 재료로 이루어지는 것으로 할 수 있다. 또한, 고굴절률층(4)의 재료로서는 적어도 검출 대상광의 파장역에서 광투과성이 높은 재료가 알맞다. 또한 후술하는, 고굴절률층(4)에 도입되는 광(이하, 조명광)의 파장역에서도 광투과성이 높은 재료가 알맞다.
이와 같은 재료로서는 예를 들면, 질화실리콘(n=1.9), 질화산화실리콘(n=1.85), 산화티탄 분산 폴리실록산 수지(n=1.8), 열경화재를 첨가한 산화티탄 분산 아크릴 수지(n=1.8) 등을 들 수 있다. 또한, 여기에 나타낸 굴절률은, 광파장 550㎚에 대한 굴절률이다.
고굴절률층(4)의 두께는 특히 한정되지 않지만, 검출 대상광의 감쇠를 방지하기 위해서는 얇은 쪽이 알맞다. 고굴절률층(4)은, 저굴절률층(3)상에 직접 성막되어도 좋고, 또는 기판(2)상에 저굴절률층(3)이 적층된 부품에, 상기한 바와 같은 재료로 이루어지는 판형상의 부재를 맞붙임에 의해 적층되어도 좋다.
고굴절률층(4)의 표면은, 도 2에 도시하는 바와 같이 검출 대상물(S)이 지지되는 면이고, 이하 당해 표면을 지지면(4a)이라고 한다. 지지면(4a)에는 검출 대상물(S)을 흡착시키는 영역을 구분할 수 있다. 이하, 검출 대상물(S)을 흡착시키는 영역을 흡착 영역, 검출 대상물(S)을 흡착시키지 않는 영역을 비흡착 영역이라고 한다.
도 3은, 지지면(4a)에 형성된 흡착 영역(4a1)과 비흡착 영역(4a2)을 도시하는 모식도이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 흡착 영역(4a1)은, 비흡착 영역(4a2)에 의해 둘러싸여진 영역으로 할 수 있다. 지지면(4a)을 이와 같이 구획함에 의해, 각각의 흡착 영역(4a1)에 종류가 다른 검출 대상물(S)을 배치하는 것이 가능함과 함께, 각 흡착 영역(4a1)에 피착된 검출 대상물(S)을 각각의 광검출부(21)에 1대1로 대향시키는 것이 가능해진다.
또한, 흡착 영역(4a1)은 광검출부(21)에 대해 1대1로 형성되는 경우로 한정되지 않고, 복수의 흡착 영역(4a1)이 하나의 광검출부(21)에 대향하도록 형성되어도 좋지만, 1대1로 함에 의해 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
케미컬 센서(1)는, 예를 들면, 상기한 바와 같이 표면 처리를 시행한 상태로 유저에게 공급되고, 유저에 의해 임의의 검출 대상물(S)이 흡착 영역(4a1)에 피착되어 사용되는 것이 상정된다.
흡착 영역(4a1) 및 비흡착 영역(4a2)은, 지지면(4a)에 대한 표면 처리에 의해 구분하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 검출 대상물(S)이 친수성 재료인 경우에는 친수성 처리를 시행한 영역을 흡착 영역(4a1)으로 하고, 소수성 처리를 시행한 영역을 비흡착 영역(4a2)으로 할 수 있다. 또한, 검출 대상물(S)이 소수성 재료인 경우에는, 소수성 처리를 시행한 영역을 흡착 영역(4a1)으로 하고, 친수성 처리를 시행한 영역을 비흡착 영역(4a2)으로 할 수 있다.
또한, 흡착 영역(4a1)과 비흡착 영역(4a2)은, 지지면(4a)에 성막된 피막에 의해 구분하는 것도 가능하다. 구체적으로는, 지지면(4a)이 검출 대상물(S)이 흡착하는 재료로 이루어지는 경우, 검출 대상물(S)이 흡착하지 않는 재료로 이루어지는 피막을 형성함에 의해, 피막을 형성한 영역을 비흡착 영역(4a2)으로 하고, 피막을 형성하지 않은 영역을 흡착 영역(4a1)으로 할 수 있다. 또한, 상세는 후술하지만, 당해 피막은 광반사성을 갖는 것으로 하는 것이 알맞고, 예를 들면 알루미늄 피막으로 할 수 있다.
또한, 지지면(4a)의 전 영역을 흡착 영역(4a1)으로 하고, 비흡착 영역(4a2)을 형성하지 않는 것으로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 검출 대상물(S)은 지지면(4a)의 전 영역에 균일하게 피착된다.
[케미컬 센서 모듈의 구성]
상술한 케미컬 센서(1)는, 케미컬 센서 모듈로서 사용된 것으로 할 수 있다. 도 4는, 케미컬 센서 모듈(5)을 도시하는 단면도이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 케미컬 센서 모듈(5)은, 케미컬 센서(1)와 도광부(6)가 접합되어 형성되어 있다.
도광부(6)는, 고굴절률층(4)에 소정 각도로 광을 도입하는 부재이다. 광의 입사각도의 상세에 관해서는 후술한다. 도광부(6)는, 도 4에 도시하는 바와 같은 고굴절률층(4)에 접합된 도광 프리즘으로 할 수 있고, 또한, 고굴절률층(4)에 소정 각도로 광을 도입하는 것이 가능한 다른 부재라도 좋다. 도광부(6)는, 고굴절률층(4)과의 사이에 공기의 층이 들어가지 않도록, 인덱스 매칭 오일 등을 사용하여 고굴절률층(4)에 접합되는 것으로 할 수 있다.
도광부(6)의 배치는, 고굴절률층(4)상으로 한정되지 않는다. 도 5 및 도 6은, 도광부(6)의 다른 배치의 예를 도시하는 모식도이다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 도광부(6)는 고굴절률층(4)의 상층측이라도 좋고, 도 6에 도시하는 바와 같이, 고굴절률층(4)의 하층측이라도 좋다. 또한, 도광부(6)는, 복수의 방향으로부터 고굴절률층(4)에 조명광(후술)을 도입 가능하도록, 복수가 마련되어도 좋다.
[화학물질 검출 장치의 구성]
케미컬 센서 모듈(5)은, 광원과 함께 화학물질 검출 장치로서 사용되는 것으로 할 수도 있다. 도 22는, 화학물질 검출 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 화학물질 검출 장치(10)는, 케미컬 센서 모듈(5)과 광원(11)에 의해 구성되어 있다. 또한, 케미컬 센서 모듈(5)과 광원(11)의 사이에는, 렌즈(12)가 마련되어 있다.
광원(11)으로부터 출사된 조명광은, 렌즈(12)에 의해 평행광으로 정돈되고, 도광부(6)를 통하여 고굴절률층(4)에 입사하는 것으로 할 수 있다. 광원(11) 및 렌즈(12)의 위치나 각도에 의해, 조명광의 고굴절률층(4)에의 입사각도를 가변할 수 있는 것이 알맞다.
[케미컬 센서를 이용한 타겟 재료의 검출]
케미컬 센서(1)(및 케미컬 센서 모듈(5))을 이용한 타겟 재료의 검출 방법에 관해 설명한다.
흡착 영역(4a1)에 각종의 프로브 재료를 흡착시켜 두고, 타겟 재료를 포함하는 시료를 케미컬 센서(1)에 공급하면, 시료중의 타겟 재료가 특이적으로 소정의 프로브 재료와 결합한다. 타겟 재료와 프로브 재료의 결합체를 형광표지하는 것이 가능한 형광표지재를 케미컬 센서(1)에 공급하면, 타겟 재료와 프로브 재료의 결합체를 포함하는 검출 대상물(S)만이 형광표지된다. 이 형광을 검출함에 의해, 시료에 포함되는 타겟 재료로 특정하는 것이 가능해진다.
이 밖에, 미리 타겟 재료에 형광표지를 하여도 좋다. 이 경우, 흡착 영역(4a1)에 흡착하고 있는 프로브 재료와 결합이 생기지 않는 타겟 재료는 케미컬 센서(1)상에서 제거되기 때문에 상기한 바와 마찬가지로 형광을 이용하여 타겟 재료로 특정하는 것이 가능해진다. 또한, 미리 프로브 재료에 형광표지를 행하고 두고, 프로브 재료와 타겟 재료와의 결합에 의한 형광의 파장 및 휘도의 변화를 검출하여 타겟 재료를 특정하여도 좋다.
상기한 바와 같이, 케미컬 센서(1)는, 검출 대상물(S)에서 생기는 형광을 검출함에 의해 타겟 재료의 특정이 가능해지기 때문에, 형광의 정확한 측정이 중요해진다. 가령, 형광을 발생시키기 위한 여기광이 광검출부(21)에 의해 검출되어 버리면, 본래의 형광 강도와는 다른 값이 광검출부(21)로부터 출력되게 된다. 그러나, 본 기술에 관한 케미컬 센서(1)에서는, 후술하는 기구에 의해 여기광이 광검출부(21)에 도달하는 것이 방지되고, 즉 형광의 정확한 측정이 가능해지는 것이다.
또한, 여기서는, 여기광의 조사에 의해 검출 대상물(S)에서 생기는 형광을, 광검출부(21)에 의해 검출한 것으로 하여 설명하였지만, 이것으로 한정되지 않는다. 검출 대상물(S)에 어떠한 광이 조사되면, 검출 대상물(S)에서 어떠한 광이 생기는 관계라면 좋다. 예를 들면, 검출 대상물(S)에 특정한 물질이 포함되어 있는 경우에만, 검출 대상물(S)에서 산란광이 생기는 경우 등이 생각된다.
이하의 설명에서는, 상기 여기광과 같이 검출 대상물(S)에 조사되는 광을 「조명광」이라 하고, 상기 형광과 같이 조사광에 의해 검출 대상물(S)에서 생기는 광을 「검출 대상광」이라고 한다.
케미컬 센서(1)는, 다음과 같은 분야에서 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 난황(卵黃), 혈액, 혈청 또는 혈장과 같은 생물학적 유체(流體)의 분석을 포함하는 화학 또는 생화학 분석, 물, 용해한 토양 추출물 및 용해한 식물 추출물의 분석을 포함하는 환경 분석, 화학 생산, 특히 색소 용액 또는 반응 용액에서의 해석, 분산 또는 정식화(定式化) 해석, 품질 보호 해석, 유전자 해석 등이다.
[케미컬 센서의 동작]
케미컬 센서(1)(및 케미컬 센서 모듈(5))의 동작에 관해 설명한다. 도 7은, 케미컬 센서(1)의 동작을 도시하는 모식도이다.
우선, 고굴절률층(4)의 지지면(4a)에 검출 대상물(S)이 피착되지 않은 경우에 관해 설명한다. 도 7(a)에 도시하는 바와 같이, 도광부(6)를 통하여 고굴절률층(4)에 조명광이 도입된다. 조명광은 고굴절률층(4)의 지지면(4a)에 대해 소정의 각도 범위로 입사되는데, 이 각도 범위에 관해서는 후술한다.
여기서, 상기한 바와 같이 고굴절률층(4)의 굴절률(제3 굴절률(n3))은, 공기(굴절률 n=1) 및 저굴절률층(3)의 굴절률(제2 굴절률(n2))보다 크기 때문에, 적절한 각도 범위로 입사하는 조명광은, 고굴절률층(4)과 공기와의 계면 및 고굴절률층(4)과 저굴절률층(3)과의 계면에서 전반사를 반복하고, 도 7(a)에 도시하는 바와 같이 고굴절률층(4)을 전파한다. 즉, 이 상태에서는, 조명광은 고굴절률층(4)으로부터 외부에 누설하는 일 없이 전파한다.
다음에, 지지면(4a)에 검출 대상물(S)이 피착되어 있는 경우에 관해 설명한다. 도 7(b)에 도시하는 바와 같이, 적절한 입사각도로 조명광을 고굴절률층(4)에 입사시킴에 의해, 검출 대상물(S)이 마련되어 있는 흡착 영역(4a1)에 도달한 조명광은 전반사하는 일 없이 굴절 투과하고, 검출 대상물(S)에 입사한다. 이것은, 검출 대상물(S)의 굴절률(제1 굴절률(n1))이 공기의 굴절률보다 크기 때문이다.
한편, 검출 대상물(S)이 마련되어 있지 않은 비흡착 영역(4a2)에 도달한 광은, 상기한 바와 마찬가지로 전반사하고, 재차 고굴절률층(4)을 전파한다.
즉, 검출 대상물(S)이 존재하는 영역(흡착 영역(4a1))에서는 검출 대상물(S)에 조명광을 입사시키고, 검출 대상물(S)이 존재하지 않는 영역(비흡착 영역(4a2))에서는 조명광을 전반사시키는 것이 가능해진다. 또한, 이 경우라도, 저굴절률층(3)의 굴절률(제2 굴절률(n2))은 검출 대상물(S)의 굴절률(제1 굴절률(n1))보다 작기 때문에, 고굴절률층(4)과 저굴절률층(3)의 계면에서는 조명광은 전반사한다.
따라서 이 상태에서는, 조명광은 고굴절률층(4)을 전파하면서, 검출 대상물(S)에 대해서만 입사하게 된다. 검출 대상물(S)이 존재하지 않는 비흡착 영역(4a2)에서는 조명광이 누출하지 않기 때문에, 광에너지는 잃어버리지 않고, 광검출부(21)에는 조명광이 도달하지 않기 때문에, 조명광이 광검출부(21)에 의해 검출되는 일이 없다.
또한, 비흡착 영역(4a2)을, 검출 대상물(S)이 흡착하지 않는 재료로 이루어지는 피막에 의해 형성한 경우에서도, 당해 피막을 광반사성을 갖는 것으로 함에 의해, 비흡착 영역(4a2)에서의 조명광의 누출을 방지하는 것이 가능하다. 이 경우에도, 광에너지의 손실이나 조명광의 광검출부(21)에 의한 검출을 방지하는 것이 가능하다.
도 7(c)에 도시하는 바와 같이, 검출 대상물(S)에 입사한 조명광에 의해 검출 대상물(S)에서 검출 대상광(형광 등)이 생기고, 광검출부(21)에 의해 검출된다. 검출 대상광은 검출 대상물(S)로부터 전방위적으로 방출되지만, 그 일부는 고굴절률층(4) 및 저굴절률층(3)을 투과하고, 광검출부(21)에 의해 검출된다. 또한, 검출 대상광의 고굴절률층(4) 등에의 입사각도는 급각도(急角度)이기 때문에, 고굴절률층(4) 등의 계면에서 전반사되는 일 없이, 광검출부(21)에 도달한다.
이와 같이, 본 실시 형태의 케미컬 센서(1)의 구성에 의해, 고굴절률층(4)에 입사하는 조명광은 광검출부(21)에 도달하지 않아, 광검출부(21)에 의한 조명광의 검출을 방지하는 것이 가능하다. 또한, 고굴절률층(4)에 입사하는 조명광은, 검출 대상물(S)에 입사하는 이외에서 감쇠하지 않아, 즉 광에너지를 유효하게 이용하는 것이 가능하다.
[조명광의 입사각도에 관해]
상술한 케미컬 센서(1)의 동작에서는 고굴절률층(4)에의 조명광의 입사각도가 적절한 경우에 관해 설명하였는데, 이 입사각도에 관해 보다 상세히 설명한다.
도 8은, 고굴절률층(4)과 저굴절률층(3)의 계면을 도시하는 모식도이다. 조명광(도면 중에 화살표로 도시한다)의 계면에의 입사각도를 각도(θ3), 조명광의 계면으로부터의 출사 각도를 각도(θ2)라고 하면, 스넬의 법칙으로부터 다음 식(1)의 관계가 성립한다.
n3×sinθ3=n2×sinθ2 (1)
상기한 바와 같이, 제3 굴절률(n3)은 제2 굴절률(n2)보다 크기 때문에, 각도(θ2)가 90° 이상이 되는 각도(θ3)가 존재한다. 이 상태에서는, 조명광은 고굴절률층(4)으로부터 저굴절률층(3)에 굴절 투과할 수가 없어서 전반사하고, 고굴절률층(4)으로 되돌아온다.
도 9는, 고굴절률층(4)과 검출 대상물(S)의 계면을 도시하는 모식도이다. 검출 대상물(S)이 피착되지 않은 비흡착 영역(4a2)에서는, 공기의 굴절률이 n=1이고, 제3 굴절률(n3)보다 작기 때문에, 상기 각도(θ2)가 90° 이상이 되는 각도(θ3)라면 조명광은 전부 반사한다.
또한, 흡착 영역(4a1)에서는, 상기한 바와 같이 조명광이 계면으로부터 검출 대상물(S)에 굴절 투과한다. 조명광의 계면으로부터의 출사 각도를 각도(θ1)라고 하면, 식(1)과 마찬가지로 이하의 식(2)이 성립한다.
n3×sinθ3=n2×sinθ2=n1×sinθ1 (2)
제1 굴절률(n1)이 제2 굴절률(n2)보다 크기 때문에, 각도(θ2)가 90°인 경우에도 식(2)으로부터 θ1<90°가 되어, 즉 조명광이 검출 대상물(S)에 굴절 투과하게 된다.
이상과 같이, 제1 굴절률(n1), 제2 굴절률(n2) 및 제3 굴절률(n3)의 각각의 값에 응하여 고굴절률층(4)에의 조명광의 입사각도를 선택할 수 있다. 이에 의해, 저굴절률층(3) 및 비흡착 영역(4a2)과의 계면에서는 조명광을 전반사시키고, 흡착 영역(4a1)(검출 대상물(S))과의 계면에서는 조명광을 굴절 투과시키는 것이 가능해진다.
도 10은, 제1 굴절률(n1)(검출 대상물(S)), 제2 굴절률(n2)(저굴절률층(3)) 및 제3 굴절률3(고굴절률층(4))의 값에 대해 조명광의 전반사가 발생하는 입사각도를 표시하는 표이다. 예를 들면, 제3 굴절률(n3)이 1.9, 제2 굴절률(n2)이 1.3, 제1 굴절률(n1)이 1.4인 경우, 표로부터, 입사각도를 43.2° 이상으로 하면, 전반사가 생긴다. 또한, 입사각도를 47.5°미만으로 하면, 검출 대상물(S)에의 굴절 투과가 생긴다. 즉, 입사각도를 43.2° 이상 47.5°미만으로 하면, 검출 대상물(S)에 대해서만 조명광을 굴절 투과시키고, 다른 계면에서는 전반사시키는 것이 가능해진다.
[케미컬 센서의 제조 방법]
케미컬 센서(1)(및 케미컬 센서 모듈(5))의 제조 방법에 관해 설명한다. 도 11은, 케미컬 센서(1)의 제조 방법을 도시하는 모식도이다.
도 11(a)에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 단결정 실리콘으로 이루어지는 기판(2)의 일면에, 마스크상에서의 이온 주입과 그 후의 열처리 등에 의해 불순물 영역으로 이루어지는 광검출부(21)를 형성한다. 다음에, 도 11(b)에 도시하는 바와 같이, 광검출부(21)가 형성된 기판(2)상에 보호 절연막(22)을 성막한다.
계속해서, 도 11(c)에 도시하는 바와 같이, 보호 절연막(22)상에, 저굴절률층(3)을 적층한다. 저굴절률층(3)은, 예를 들면 원료 수지를 스핀 코트 등의 방법에 의해 도포하고, 건조시킴에 의해 형성할 수 있다.
또한, 도 11(d)에 도시하는 바와 같이, 저굴절률층(3)상에, 고굴절률층(4)을 적층한다. 저굴절률층(3)은, 예를 들면 원료 수지를 스핀 코트 등의 방법에 의해 도포하고, 건조시킴에 의해 형성할 수 있다. 또한, 고굴절률층(4)은, 인쇄나 수지 시트의 부착에 의해 형성하는 것도 가능하다.
또한, 고굴절률층(4)은, 판형상의 부재를 저굴절률층(3)상에 부착함에 의해 형성할 수도 있다. 도 12는, 이 방법에 의한 케미컬 센서(1)의 제조 방법을 도시하는 모식도이다. 구체적으로는, OHARA사제의, L-LAH84(n=1.80), L-NBH(n=1.92), S-LAH79(n=2.0), L-BBH1(n=2.10) 등의 고굴절률을 갖는 박판유리를 준비한다.
도 12(a)에 도시하는 바와 같이, 박판유리(G)에, 굴절률이 낮은(n=1.4 정도) 수지 시트(F)를 진공 래미네이트에 의해 부착한다. 계속해서, 도 12(b)에 도시하는 바와 같이, 수지 시트(F)측을 저굴절률층(3)측으로 하여, 진공 래미네이트에 의해 박판유리(G)를 저굴절률층(3)에 부착한다.
계속해서, 고굴절률층(4)의 지지면(4a)에 흡착 영역(4a1) 및 비흡착 영역(4a2)을 형성한다. 검출 대상물(S)로서 친수성의 물질이 예정되어 있는 경우에는, 친수성 처리를 시행한 영역을 흡착 영역(4a1)으로 하고, 소수성 처리를 시행한 영역을 비흡착 영역(4a2)으로 할 수 있다. 또한, 검출 대상물(S)로서 소수성의 물질이 예정되어 있는 경우에는, 소수성 처리를 시행한 영역을 흡착 영역(4a1)으로 하고, 친수성 처리를 시행한 영역을 비흡착 영역(4a2)으로 할 수 있다. 또한, 지지면(4a)에 금속 박막을 성막하고, 비흡착 영역(4a2)으로 할 수도 있다.
이상과 같이 하여, 케미컬 센서(1)를 제조하는 것이 가능하다. 또한, 케미컬 센서(1)에 도광부(6)를 접합함에 의해, 케미컬 센서 모듈(5)을 제조할 수 있다. 도 13은, 케미컬 센서(1)에의 도광부(6)의 접합 양태를 도시하는 모식도이다. 도 13(a)에 도시하는 바와 같이, 케미컬 센서(1)는, 광검출부(21)가 형성된 센서 영역(A)과, 케미컬 센서(1)를 다른 부재에 접합하기 위한 단자(B)가 3변에 마련되어 있는 것으로 한다.
이 경우 도광부(6)는, 단자(B)가 마련되지 않은 도광부 접합용 영역(C)에 예를 들면, 인덱스 매칭 오일 등을 사용하여 접합된다. 이에 의해, 도 13(b)에 도시하는 바와 같이, 도광부(6)에 입사된 광은 고굴절률층(4) 내를 주기적으로 전파한다. 이상과 같이 하여 케미컬 센서 모듈(5)을 제조하는 것이 가능하다.
(제2의 실시 형태)
본 기술의 제2의 실시 형태에 관한 케미컬 센서에 관해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서, 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서와 같은 구성에 관해서는 설명을 생략하고, 동일한 부호를 붙인다. 본 실시 형태에 관한 케미컬 센서는, 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서와 층 구조는 마찬가지이지만, 검출 대상물이 피착된 흡착 영역의 형태가 다르다.
도 14는, 본 실시 형태에 관한 케미컬 센서(201)를 도시하는 모식도이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 케미컬 센서(201)의 흡착 영역(204a1)은, 도광부(6)측부터 3렬마다 면적이 커지도록 형성되어 있다. 환언하면, 각 흡착 영역(204a1)을 사이에 두는 비흡착 영역(204a2)이, 3렬마다 가늘어지도록 형성되어 있다. 또한, 흡착 영역(204a1)의 면적은 3렬마다 커지는 경우로 한정되지 않고, 1렬마다, 2열마다, 또는 보다 다수의 열마다 면적이 커지는 것으로 하는 것도 가능하다.
흡착 영역(204a1)을 이와 같은 형태로 함에 의해, 각 검출 대상물(S)에 입사하는 조명광의 광량을 균일화하는 것이 가능해진다. 상기 제1의 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 고굴절률층(4)을 전파하는 조명광은, 검출 대상물(S)에 입사함에 의해, 도광부(6)로부터 이간함에 따라 감쇠한다. 이 때문에, 도광부(6)에 근접한 흡착 영역(204a1)에 대해, 도광부(6)로부터 이간한 흡착 영역(204a1)에서는 단위 면적당의 조명광 강도가 작아진다.
그 때문에, 각 광검출부(21)에 대향하는 흡착 영역(204a1)의 면적을, 도광부(6)로부터 이간함에 따라 크게 함에 의해, 각 흡착 영역(204a1)에 입사하는 조명광의 광량을 균일화하는 것이 가능해진다.
이하, 흡착 영역(204a1) 및 비흡착 영역(204a2)의 면적비(개구률)에 관해 상세히 설명한다. 상기한 바와 같이, 고굴절률층(4)에 도입된 조명광은, 고굴절률층(4)의 계면에서 전반사하면서 전파되는데, 전반사마다 흡착 영역(204a1)(이하, 개구)으로부터 조명광이 출사한다. 따라서 전반사 회수를 n회, 흡착 영역(204a1)의 1변의 치수(이하, 개구 치수)의 비율을 Xn, 전반사 회수 n회째의 개구로부터의 조명광의 출사광량을 In이라고 하면, 이하의 식(3)의 관계가 성립된다.
I1=X12
I2=(1-I1)X22
I3=(1-I2)X32
：
In=(1-I(n-1))Xn2 (3)
또한, 전반사 회수 n회째까지 전파한 시점에서 모든 조명광이 출사한다고 생각한 경우에, 전 조명광을 1로 하였을 때, 각 장소의 개구로부터 출사하는 조명광량은 전반사 회수로 나눈 광량으로 균등하다고 하면, 이하의 식(4)이 성립된다.
1=I1/n+I2/n+I3/n+…+In/n (4)
여기서, 이하의 식(5)의 관계가 있다.
I1/n=I2/n=I3/n=…=In/n (5)
도 15는, 전반사 회수 4회이고 지지면(4a)의 전면을 조사하는 경우의, 조명광의 광량을 표시하는 표이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 전반사 회수 1회째의 범위의 개구에서는 50％, 전반사 회수 2회째의 범위의 개구에서는 57.7％, 전반사 회수 3회째의 범위의 개구에서는 70.7％, 전반사 회수 4회째의 범위의 개구에서는 100％로 함으로써, 전면에 걸쳐서 균등한 조명을 행하는 것이 가능하다.
단, 개구 치수 100％에서는 인접하는 개구와 접속되는 것으로 되기 때문에, 실제로는 개구 치수의 상한이 필요해진다. 따라서 최대 개구 치수를 90％ 정도로 하는 것이 생각된다. 도 16은, 전반사 회수 4회이고 지지면(4a)의 전면을 조사하는 경우로서, 개구 치수를 90％ 정도로 하였을 때의 조명광의 광량을 표시하는 표이다.
또한, 전반사 회수 8회이고 지지면(4a)의 전면을 조사하는 경우에는, 다음과 같이 된다. 도 17은, 전반사 회수 8회이고 지지면(4a)의 전면을 조사하는 경우의, 조명광의 광량을 표시하는 표이다.
이상과 같이, 흡착 영역(204a1)의 면적을 도광부(6)로부터 이간함에 따라 크게 함에 의해, 각 검출 대상물(S)에 입사하는 조명광의 광량을 균일화하는 것이 가능해진다.
(제3의 실시 형태)
본 기술의 제3의 실시 형태에 관한 케미컬 센서에 관해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서, 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서와 같은 구성에 관해서는 설명을 생략하고, 동일한 부호를 붙인다. 본 실시 형태에 관한 케미컬 센서는, 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서의 층 구조에, 온 칩 렌즈 및 컬러 필터가 추가되어 있는 것이다.
도 18은, 본 실시 형태에 관한 케미컬 센서(301)의 구성을 도시하는 단면도이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 케미컬 센서(301)는, 기판(2), 저굴절률층(3) 및 고굴절률층(4)에 더하여, 컬러 필터(302) 및 온 칩 렌즈(303)를 갖는다. 컬러 필터(302) 및 온 칩 렌즈(303)는, 기판(2)상에 이 순서로 형성되어 있다.
컬러 필터(302)는, 검출 대상광을 투과하고, 조명광을 차폐하는 광학 특성을 갖는 것으로 할 수 있다. 상기한 바와 같이, 원리적으로는 조명광이 고굴절률층(4)으로부터 광검출부(21)측에 누출하는 일은 없지만, 검출 대상물(S)에 입사하는 조명광이 검출 대상물(S) 내에서 반사 또는 산란 등 하여 검출 대상물(S)측으로 진행한 경우도 생각된다. 이와 같은 경우라도, 컬러 필터(302)에 의해 조명광을 차폐하는 것이 가능하기 때문에, 조명광이 광검출부(21)에 의해 검출되는 것을 방지하는 것이 가능하다.
또한, 컬러 필터(302)는, 각 검출 대상물(S)에 대향하는 영역마다 투과 파장을 다른 것으로 할 수도 있다. 이에 의해, 인접하는 검출 대상물(S)에서 생기는 검출 대상광의 파장이 다른 경우에, 인접하는 검출 대상물(S)로부터의 검출 대상광을 차폐하는 것이 가능해져서, 크로스토크를 방지하는 것이 가능해진다.
또한, 하나의 흡착 영역(4a1)이 복수의 광검출부(21)에 대향하도록 형성하고, 각 광검출부(21)에 다른 색의 컬러 필터(302)를 마련함에 의해, 하나의 흡착 영역(4a1)의 검출 대상물(S)에서의 검출 대상광의 발광 스펙트럼의 특성을 확인하는 것이 가능하다. 도 23 및 도 24는, 검출 대상광의 발광 스펙트럼과 컬러 필터(302)의 광투과율의 예를 도시하는 그래프이다.
도 23(a) 및 도 24(a)는 컬러 필터(302)가 1색인 경우의 투과 파장(C1)이고, 도 23(b) 및 도 24(b)는 컬러 필터(302)가 3색인 경우의 투과 파장(C1, C2, C3)이다. 도 23(b) 및 도 24(b)에 도시하는 바와 같이, 검출 대상광에 복수의 파장 성분이 포함되는 경우, 차이의 분별이 가능하다.
온 칩 렌즈(303)는, 입사하는 검출 대상광을 광검출부(21)에 집광한다. 온 칩 렌즈(303)는, 검출 대상물(S)측을 구면으로 한 반구형상으로 할 수 있고, 또 이것과 다른 렌즈 형상으로 할 수도 있다. 또한, 온 칩 렌즈(303)는, 각각이 각 광검출부(21)에 대향하여 마련되어 있는 것으로 할 수 있다. 온 칩 렌즈(303)에 의해, 검출 대상물(S)로부터 등방적으로 출사한 검출 대상광을 광검출부(21)에 집광하는 것이 가능해지고, 검출 대상광의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
케미컬 센서(301)는 이상과 같이 구성되어 있다. 또한, 컬러 필터(302)와 온 칩 렌즈(303)는, 어느 한쪽만이 마련되는 것으로 할 수도 있다.
케미컬 센서(301)의 제조 방법에 관해 설명한다. 도 19 및 도 20은, 케미컬 센서(301)의 제조 방법을 도시하는 모식도이다.
도 19(a)에 도시하는 바와 같이, 제1의 실시 형태와 마찬가지로 하여, 기판(2)에 광검출부(21)를 형성하고, 또한 그 위에 보호 절연막(22)을 성막한다. 보호 절연막(22)은, 온 칩 렌즈(303)의 초점 거리를 고려하여, 온 칩 렌즈(303)의 초점이 광검출부(21) 내에 일치하도록 조정된 막두께로 형성된다.
계속해서, 도 19(b)에 도시하는 바와 같이 보호 절연막(22)상에, 컬러 필터(302)를 형성한다. 컬러 필터(302)는 예를 들면 스핀 코트에 의해 형성할 수 있다. 또한, 도 19(c)에 도시하는 바와 같이, 컬러 필터(302)상에 온 칩 렌즈(303)를 형성한다. 온 칩 렌즈(303)는, 멜트플로법에 의해 형성할 수 있다.
구체적으로는, 컬러 필터(302)상에 렌즈 재료, 예를 들면 질화실리콘을 성막하고, 그 위에 섬형상의 레지스트 패턴을 형성한다. 다음에, 열처리에 의해 레지스트 패턴을 유동시키고, 표면장력을 이용하여 레지스트 패턴을 볼록형의 렌즈 형상으로 성형한다. 그 위로부터 레지스트 패턴과 함께 렌즈 재료를 에칭함에 의해, 레지스트 패턴의 렌즈 형상을 렌즈 재료에 전사하여, 렌즈 재료를 렌즈 형상으로 가공할 수 있다.
다음에, 도 20(a)에 도시하는 바와 같이, 온 칩 렌즈(303)를 매입하도록 저굴절률층(3)을 적층한다. 저굴절률층(3)은 스핀 코트법에 의해 형성할 수 있다. 예를 들면, 저굴절률층(3)의 재료로서 불소 함유 폴리실록산 수지(굴절률(n1)=1.42)를 사용하는 경우, 이 수지를 용매인 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(PEGMEA)에 용해시킨다. PEGMEA에 대한 불소 함유 폴리실록산 수지의 포화 용해량은 작고, 용액은 극히 저점도이다. 그러나, 여기서는 온 칩 렌즈(303)의 렌즈 형상이 매입되고 표면이 평탄으로 되면 좋아, 예를 들면 온 칩 렌즈(303)의 정부(頂部)로부터 1㎛ 정도의 막두께가 되도록, 용액을 도포한다. 이와 같이 점도가 낮은 용액을 이용함에 의해, 온 칩 렌즈(303)의 매입성이 양호하게 되고, 보이드(공극)를 방지할 수 있다.
그 후, 120℃, 1분간의 열처리에 의해 용액중의 용매를 건조 제거하고, 또한 230℃, 5분간의 열처리에 의해 불소 함유 폴리실록산 수지를 충분히 경화시킨다. 이와 같이 하여, 온 칩 렌즈(303)의 렌즈 형상을 매입하고, 표면이 평탄하게 성형된 저굴절률층(3)을 형성할 수 있다.
다음에, 도 20(b)에 도시하는 바와 같이, 저굴절률층(3)상에 고굴절률층(4)을 적층한다. 고굴절률층(4)은, 예를 들면 스핀 코트법에 의해 적층하는 것이 가능해진다. 또한, 고굴절률층(4)은, 인쇄나 수지 시트의 부착, 판형상 부재의 부착에 의해 형성할 수도 있다.
이상과 같이 하여, 케미컬 센서(301)를 제조할 수 있다. 이 케미컬 센서(301)에, 제1의 실시 형태와 마찬가지로 하여 도광부(6)를 접합함에 의해, 케미컬 센서 모듈로 할 수 있다.
(제4의 실시 형태)
본 기술의 제4의 실시 형태에 관한 케미컬 센서에 관해 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서, 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서와 같은 구성에 관해서는 설명을 생략하고, 동일한 부호를 붙인다. 본 실시 형태에 관한 케미컬 센서는, 제1의 실시 형태에 관한 케미컬 센서의 층 구조에, 차광벽이 추가되어 있는 것이다.
도 21은, 본 실시 형태에 관한 케미컬 센서(401)의 구성을 도시하는 단면도이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 케미컬 센서(401)는, 기판(2), 저굴절률층(3) 및 고굴절률층(4)에 더하여, 차광벽(402)을 갖는다. 차광벽(402)은, 저굴절률층(3) 중에, 층에 수직한 방향으로 형성되어 있다.
차광벽(402)은, 인접하는 검출 대상물(S)로부터의 검출 대상광을 차폐한다. 차광벽(402)은, 적어도 검출 대상광의 파장을 차폐하는 것이 가능한 재료로 이루어지고, 저굴절률층(3)을 각 광검출부(21)에 대향하는 영역마다 구획하도록 배치되는 것으로 할 수 있다. 또한, 차광벽(402)은, 복수의 광검출부(21)마다 마련되는 것으로 할 수도 있다.
차광벽(402)은, 저굴절률층(3)을 적층한 후, 저굴절률층(3)을 패터닝하여, 재료를 충전함에 의해 형성할 수 있다. 또한, 이 이외에도, 기판(2)상에 미리 차광벽(402)을 형성하고, 그 내부에 재료를 충전함에 의해 저굴절률층(3)을 형성할 수도 있다.
차광벽(402)에 의해, 인접하는 검출 대상물(S)로부터 입사하는 검출 대상광이 차폐되어, 즉 광검출부(21)의 크로스토크를 방지하는 것이 가능해진다. 차광벽(402)을 고굴절률층(4) 내에 형성한 경우에는 고굴절률층(4)을 전파하는 조명광이 차단되게 되지만, 저굴절률층(3) 내에 형성함에 의해, 조명광의 전파를 방해하는 일 없이, 조명광을 유도하는 것이 가능해진다.
또한, 차광벽(402)은, 제3의 실시 형태에서 설명한 케미컬 센서에 추가하여도 좋다. 이 경우, 차광벽(402)은 각 온 칩 렌즈(303)를 구획하도록 배치되는 것으로 할 수 있다. 온 칩 렌즈(303)에 의한 조명광의 집광과 아울러서, 크로스토크를 더욱 억제하는 것이 가능하다.
본 기술은 상기 각 실시 형태로만 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 변경하는 것이 가능하다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
기판과,
상기 기판에 적층되고, 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과,
상기 저굴절률층에 적층되고, 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며, 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하고, 조명광이 전파하는 고굴절률층과,
상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서.
(2)
상기 (1)에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 지지면은, 상기 지지면은, 상기 검출 대상물이 흡착되는 흡착 영역과, 상기 검출 대상물이 흡착되지 않는 비흡착 영역을 구비하는 케미컬 센서.
(3)
상기 (1) 또는 (2)에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 흡착 영역은, 상기 비흡착 영역에 의해 분리되어 있는 케미컬 센서.
(4)
상기 (1)부터 (3) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 광검출부는, 복수가 마련되고,
상기 흡착 영역은, 각각이 하나의 상기 광검출부에 대향하는 케미컬 센서.
(5)
상기 (1)부터 (4) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 광검출부는, 복수가 마련되고,
상기 흡착 영역은, 각각이 복수의 상기 광검출부에 대향하는 케미컬 센서.
(6)
상기 (1)부터 (5) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 흡착 영역은, 상기 조명광이 전파하는 방향에 따라 면적이 커지도록 형성되어 있는 케미컬 센서.
(7)
상기 (1)부터 (6) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 친수성 처리에 의해 형성되고,
상기 비흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 소수성 처리에 의해 형성되어 있는 케미컬 센서.
(8)
상기 (1)부터 (7) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 소수성 처리에 의해 형성되고,
상기 비흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 친수성 처리에 의해 형성되어 있는 케미컬 센서.
(9)
상기 (1)부터 (8) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 비흡착 영역은, 상기 검출 대상물이 흡착되지 않는 피막에 의해 피복되고,
상기 흡착 영역은, 상기 피막에 의해 피복되지 않는 케미컬 센서.
(10)
상기 (1)부터 (9) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 피막은 광반사성을 갖는 케미컬 센서.
(11)
상기 (1)부터 (10) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 광검출부와 상기 저굴절률층의 사이에 마련되고, 상기 검출 대상광 이외의 파장을 차폐하는 컬러 필터를 또한 구비하는 케미컬 센서.
(12)
상기 (1)부터 (11) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 광검출부와 상기 저굴절률층의 사이에 마련되고, 상기 검출 대상광을 상기 광검출부에 집광하는 온 칩 렌즈를 또한 구비하는 케미컬 센서.
(13)
상기 (1)부터 (12) 중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 저굴절률층에 마련되고, 상기 저굴절률층을 각 광검출부에 대향하는 영역마다 구획하는 차광벽을 또한 구비하는 케미컬 센서.
(14)
상기 (1)부터 (13)중 어느 하나에 기재된 케미컬 센서로서,
상기 조명광은 여기광이고,
상기 검출 대상광은 형광인 케미컬 센서.
(15)
기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서와,
상기 케미컬 센서에 접합되고, 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입하는 도광부를 구비하는 케미컬 센서 모듈.
(16)
기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서와, 상기 케미컬 센서에 접합되고, 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입하는 도광부를 구비하는 케미컬 센서 모듈과,
상기 도광부에 상기 조명광을 조사하는 광원을 구비하는 화학물질 검출 장치.
(17)
기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서를 준비하고,
도광부를 통하여 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입하고,
상기 광검출부에 의해 상기 검출 대상광을 검출하는 화학물질 검출 방법.
1 : 케미컬 센서
2 : 기판
3 : 저굴절률층
4 : 고굴절률층
5 : 케미컬 센서 모듈
6 : 도광부
10 : 화학물질 검출 장치
11 : 광원
21 : 광검출부

Claims (17)

  1. 기판과,
    상기 기판에 적층되고, 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과,
    상기 저굴절률층에 적층되고, 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며, 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하고, 조명광이 전파하는 고굴절률층과,
    상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지면은, 상기 검출 대상물이 흡착되는 흡착 영역과, 상기 검출 대상물이 흡착되지 않는 비흡착 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 흡착 영역은, 상기 비흡착 영역에 의해 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광검출부는, 복수가 마련되고,
    상기 흡착 영역은, 각각이 하나의 상기 광검출부에 대향하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광검출부는, 복수가 마련되고,
    상기 흡착 영역은, 각각이 복수의 상기 광검출부에 대향하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 흡착 영역은, 상기 조명광이 전파하는 방향에 따라 면적이 커지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 친수성 처리에 의해 형성되고,
    상기 비흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 소수성 처리에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 소수성 처리에 의해 형성되고,
    상기 비흡착 영역은, 상기 지지면에 시행된 친수성 처리에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 비흡착 영역은, 상기 검출 대상물이 흡착되지 않는 피막에 의해 피복되고,
    상기 흡착 영역은, 상기 피막에 의해 피복되지 않는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피막은 광반사성을 갖는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광검출부와 상기 저굴절률층의 사이에 마련되고, 상기 검출 대상광 이외의 파장을 차폐하는 컬러 필터를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광검출부와 상기 저굴절률층의 사이에 마련되고, 상기 검출 대상광을 상기 광검출부에 집광하는 온 칩 렌즈를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 저굴절률층에 마련되고, 상기 저굴절률층을 각 광검출부에 대향하는 영역마다 구획하는 차광벽을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 조명광은 여기광이고,
    상기 검출 대상광은 형광인 것을 특징으로 하는 케미컬 센서.
  15. 기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서와,
    상기 케미컬 센서에 접합되고, 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입하는 도광부를 구비하는 것을 특징으로 하는 케미컬 센서 모듈.
  16. 기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서와, 상기 케미컬 센서에 접합되고, 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입하는 도광부를 구비하는 케미컬 센서 모듈과,
    상기 도광부에 상기 조명광을 조사하는 광원을 구비하는 것을 특징으로 하는 화학물질 검출 장치.
  17. 기판과, 상기 기판에 적층되고 검출 대상물의 굴절률인 제1의 굴절률보다 작은 제2의 굴절률을 갖는 저굴절률층과, 상기 저굴절률층에 적층되고 상기 제1의 굴절률보다 큰 제3의 굴절률을 가지며 상기 검출 대상물이 지지되는 지지면을 구비하여 조명광이 전파하는 고굴절률층과, 상기 기판에 마련되고, 상기 조명광에 의해 상기 검출 대상물에서 생기는 검출 대상광을 검출하는 광검출부를 구비하는 케미컬 센서를 준비하고,
    도광부를 통하여 상기 고굴절률층에 상기 조명광을 도입하고,
    상기 광검출부에 의해 상기 검출 대상광을 검출하는 것을 특징으로 하는 화학물질 검출 방법.
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