(57)【要約】【課題】新規な圧力センサを提供することを目的とする。【解決手段】圧力センサは、入射光を受ける面を有する第１の媒質2と、前記面に形成された金属膜17と、前記第１の媒質2よりも小さな屈折率を有し、前記金属膜17に接する第２の媒質と、前記第２の媒質よりも大きな屈折率を有し、前記金属膜17に接する凹凸構造と計測すべき圧力を受ける面を有する弾性体5を構成要素としている。前記入射光の入射角は、前記金属膜17が前記第２の媒質に接する場合は全反射し、前記金属膜17が前記弾性体5と接する場合は全反射しない範囲にある。前記入射光は、表面プラズモンが励起される共鳴波長と、前記共鳴波長と異なる他の波長を有する。前記金属膜17の光の透過率は、前記共鳴波長よりも前記他の波長の方が大きい。【選択図】図１０
2010230599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を受ける面を有する第１の媒質と、
前記面に形成された金属膜と、
前記第１の媒質よりも小さな屈折率を有し、前記金属膜に接する第２の媒質と、
前記第２の媒質よりも大きな屈折率を有し、前記金属膜に接する凹凸構造と計測すべき圧力を受ける面を有する弾性体を構成要素とし、
前記入射光は、前記第１の媒質中を透過し、
前記入射光の入射角は、前記金属膜が前記第２の媒質に接する場合は全反射し、前記金属膜が前記弾性体と接する場合は全反射しない範囲にあり、
前記入射光は、表面プラズモンが励起される共鳴波長と、前記共鳴波長と異なる他の波長を有し、
前記金属膜の光の透過率は、前記共鳴波長よりも前記他の波長の方が大きい
圧力センサ。
【請求項２】
第１の媒質は、ガラス、石英、またはサファイアである
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
第１の媒質は、ガラスである
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項４】
金属膜は、金または銀である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項５】
金属膜は金である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項６】
金属膜の膜厚は30〜60nmの範囲内にある
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項７】
第２の媒質は、空気、非腐食性ガス、またはこれらの高真空気体である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項８】
第２の媒質は空気である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項９】
弾性体は、ポリジメチルシロキサン、アクリル樹脂、またはシリコーンゴムである
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１０】
弾性体はポリジメチルシロキサンである
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１１】
凹凸構造は、レンチキュラレンズの表面の微細な細長いカマボコ状の凹凸構造を転写した構造、切削加工により作製した金属の凹凸構造を転写した構造、または結晶異方性エッチングにより作製した単結晶シリコンの凹凸構造を転写した構造である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１２】
凹凸構造は、レンチキュラレンズの表面の微細な細長いカマボコ状の凹凸構造を転写した構造である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１３】
第１の媒質は、ガラス、石英、またはサファイアであり、
金属膜は、金または銀であり、
金属膜の膜厚は30〜60nmの範囲内にあり、
第２の媒質は、空気、非腐食性ガス、またはこれらの高真空気体であり、
弾性体は、ポリジメチルシロキサン、アクリル樹脂、またはシリコーンゴムであり、
凹凸構造は、レンチキュラレンズの表面の微細な細長いカマボコ状の凹凸構造を転写した構造、切削加工により作製した金属の凹凸構造を転写した構造、または結晶異方性エッチングにより作製した単結晶シリコンの凹凸構造を転写した構造である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項１４】
第１の媒質はガラスであり、
金属膜は金であり、
金属膜の膜厚は30〜60nmの範囲内にあり、
第２の媒質は空気であり、
弾性体はポリジメチルシロキサンであり、
凹凸構造は、レンチキュラレンズの表面の微細な細長いカマボコ状の凹凸構造を転写した構造である
ことを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規な圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の急速な科学技術の発展に伴い、輸送機器や工作機械など様々な産業用機器分野で圧力センサが用いられている。特に自動車分野における圧力センサの需要は極めて高く、自動車エンジン内部だけでもマニホールド圧等の低圧を測定する圧力センサから潤滑油圧等の高圧を測定する圧力センサまで、広範囲にわたる圧力の測定が要求されている。また、年々小型化が進む電子機器の代表としての携帯電話や小型GPS装置などに気圧計や高度計を内蔵する際、それらは空間的な制約を受けることから、さらなる小型、高精度な圧力センサの開発が要求されている。現在幅広く利用されている小型の圧力センサとして、半導体ダイヤフラム型圧力センサがあり、高精度かつ安価で、直径数mm程度の大きさを実現している。また、先端径1.7mmの光ファイバでの圧力センサを実現したものや、パッケージの外形寸法が3mm×3mm×1mmの小型圧力センサなど、さらなる小型化を実現した製品も開発されている。
【０００３】
圧力とは、単位面積にかかる力である。圧力センサは、気体、液体、固体などの物質間に作用する圧力を検出するためのセンサであり、コンプレッサ、ポンプ、化学工業のプラント制御などにとって重要なセンサの一つである。
【０００４】
圧力センサの種類は、大きく分けて電源が不要な機械式と電源の必要な電気式の２種類となる。まず機械式圧力センサは液注式、分銅式、弾性式に分かれる。液柱式は大気圧計測などに用いられるものであり、分銅式は標準圧の発生器として用いられるものであり、これらは小型圧力センサとして用いられるものではない。全機械式圧力センサの90％以上を占めるのが弾性式であり、その筆頭となるのが、ブルドン管式である。
【０００５】
ブルドン管式は、楕円状の断面を持つ金属パイプを円弧状にしたもので、固定端から圧力を導入し、密閉自由端の変位を機械的に拡大する方式である。拡大機構が精度または感度に直接影響するので、微圧検出の場合は自由端の変位が大きいスパイラル形やヘリカル形を用いている。ブルドン管式は電気信号を用いないため、構造が簡単という利点を持っているが、その性質上精度、感度を求める際に大きな装置を必要としてしまうため、小型化には向かない。
【０００６】
次に電気式圧力センサは、圧力を加えることによるダイヤフラムの変形を電気信号に変換するものが大半である。ダイヤフラムとは周囲を支持された薄膜のことで、スピーカーやマイクロホンにも使用される。ダイヤフラムの変位または力を起歪部分に貼り付けたひずみゲージによって検出する方式や、水晶発振器の応力による周波数変化を利用する方式がある。また、ダイヤフラムをシリコン結晶で作り、その表面の所定の位置に不純物を拡散してひずみゲージを形成し、熱応力の少ない支持台に接合して金属ケースに設置した半導体方式などがある。この中で構造上小型化を実現しているのが半導体方式の圧力センサであり、その大きさは現在数ミリ程度である。また電子回路との一体化を可能としているが、その性質上電気を用いた測定であるため、電波干渉や、それに伴うノイズの発生の問題があり、ノイズ除去のための信号処理を必要としてしまう。
【０００７】
上述した半導体ダイヤフラム型圧力センサのノイズの除去の問題を克服し、更なる小型圧力センサの開発を目指すため、表面プラズモン共鳴(SPR)圧力センサの研究がされた（非特許文献１，２参照）。波長633nmのレーザを使用しており、ポリスチレン球の変形を反射光強度変化に変換して圧力を測定した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ナノ粒子を用いた光技術の研究：沼田孝之：東京農工大学博士論文(2006)
【非特許文献２】表面プラズモン共鳴を利用した圧力センシング：岩崎吉朗：東京農工大学卒業論文(2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した圧力センサでは、隣り合う粒子同士の固着が発生してしまい、圧力−反射光強度変化のグラフが加圧過程と減圧過程で同経路を通らないという問題点がある。
【００１０】
そのため、このような課題を解決する、新規な圧力センサの開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の圧力センサは、入射光を受ける面を有する第１の媒質と、前記面に形成された金属膜と、前記第１の媒質よりも小さな屈折率を有し、前記金属膜に接する第２の媒質と、前記第２の媒質よりも大きな屈折率を有し、前記金属膜に接する凹凸構造と計測すべき圧力を受ける面を有する弾性体を構成要素とし、前記入射光は前記第１の媒質中を透過し、前記入射光の入射角は、前記金属膜が前記第２の媒質に接する場合は全反射し、前記金属膜が前記弾性体と接する場合は全反射しない範囲にあり、前記入射光は、表面プラズモンが励起される共鳴波長と、前記共鳴波長と異なる他の波長を有し、前記金属膜の光の透過率は、前記共鳴波長よりも前記他の波長の方が大きい。
【００１３】
ここで、限定されるわけではないが、第１の媒質は、ガラス、石英、またはサファイアであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、金属膜は、金または銀であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、金属膜の膜厚は30〜60nmの範囲内にあることが好ましい。また、限定されるわけではないが、第２の媒質は、空気、非腐食性ガス、またはこれらの高真空気体であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、弾性体は、ポリジメチルシロキサン、アクリル樹脂、またはシリコーンゴムであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、凹凸構造は、レンチキュラレンズの表面の微細な細長いカマボコ状の凹凸構造を転写した構造、切削加工により作製した金属の凹凸構造を転写した構造、または結晶異方性エッチングにより作製した単結晶シリコンの凹凸構造を転写した構造であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１５】
本発明の圧力センサは、入射光を受ける面を有する第１の媒質と、前記面に形成された金属膜と、前記第１の媒質よりも小さな屈折率を有し、前記金属膜に接する第２の媒質と、前記第２の媒質よりも大きな屈折率を有し、前記金属膜に接する凹凸構造と計測すべき圧力を受ける面を有する弾性体を構成要素とし、前記入射光は前記第１の媒質中を透過し、前記入射光の入射角は、前記金属膜が前記第２の媒質に接する場合は全反射し、前記金属膜が前記弾性体と接する場合は全反射しない範囲にあり、前記入射光は、表面プラズモンが励起される共鳴波長と、前記共鳴波長と異なる他の波長を有し、前記金属膜の光の透過率は、前記共鳴波長よりも前記他の波長の方が大きいので、新規な圧力センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】クレッチマン法を示す図である。
【図２】表面プラズモンの分散曲線を示す図である。
【図３】圧力印加前における、短波長光(430nm)と共鳴波長光(625nm)の挙動を示す図である。
【図４】圧力印加時における、短波長光(430nm)と共鳴波長光(625nm)の挙動を示す図である。
【図５】凹凸構造2.5本/mmのレンチキュラレンズ断面の光学顕微鏡像である。
【図６】凹凸構造5.6本/mmのレンチキュラレンズ断面の光学顕微鏡像である。
【図７】レンチキュラレンズを転写したPDMSの光学顕微鏡像であり、上は凹凸構造2.5本/mm、下は凹凸構造5.6本/mmである。
【図８】はりの曲げを用いたPDMSヤング率測定の概略図である。
【図９】硬化剤の混合率に対するヤング率の変化を示す図である。
【図１０】本実施の形態に用いた実験装置の概略図である。
【図１１】スパッタリング時間に対する金薄膜の膜厚の変化を示す図である。
【図１２】金の膜厚に対する吸光度の測定結果を示す図である。
【図１３】圧力に対する反射光スペクトルの変化を示す図である。
【図１４】凹凸構造2.5本/mm、硬化剤7％の試料での圧力−光強度比を示す図である。
【図１５】凹凸構造2.5本/mm、硬化剤10％試料での圧力−光強度比を示す図である。
【図１６】凹凸構造5.6本/mm、硬化剤7％試料での圧力−光強度比を示す図である。
【図１７】凹凸構造5.6本/mm、硬化剤14％試料での圧力−光強度比を示す図である。
【図１８】圧力センシング実験後の2.5本/mmおよび5.6本/mmの凹凸構造を示す光学顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、圧力センサにかかる発明を実施するための形態について説明する。
【００１８】
圧力センサは、入射光を受ける面を有する第１の媒質と、前記面に形成された金属膜と、前記第１の媒質よりも小さな屈折率を有し、前記金属膜に接する第２の媒質と、前記第２の媒質よりも大きな屈折率を有し、前記金属膜に接する凹凸構造と計測すべき圧力を受ける面を有する弾性体を構成要素とし、前記入射光は、前記第１の媒質中を透過し、前記入射光の入射角は、前記金属膜が前記第２の媒質に接する場合は全反射し、前記金属膜が前記弾性体と接する場合は全反射しない範囲にあり、前記入射光は、表面プラズモンが励起される共鳴波長と、前記共鳴波長と異なる他の波長を有し、前記金属膜の光の透過率は、前記共鳴波長よりも前記他の波長の方が大きいものである。
【００１９】
第１の媒質としては、ガラス、石英、サファイアなどを採用することができる。 
【００２０】
金属膜としては、金、銀などを採用することができる。 
【００２１】
金属膜の膜厚は30〜60nmの範囲内にあることが好ましい。金属膜の膜厚が30nm以上であると、透過光および反射光強度スペクトルにおけるプラズモン共鳴のピークが鋭くなるという利点がある。金属膜の膜厚が60nm以下であると、透過光および反射光強度スペクトルにおけるプラズモン共鳴ピークとそれ以外の部分のコントラストが大きいという利点がある。
【００２２】
第２の媒質としては、空気、非腐食性ガス、またはこれらの高真空気体などを採用することができる。 
【００２３】
弾性体としては、ポリジメチルシロキサン、アクリル樹脂、シリコーンゴムなどを採用することができる。 
【００２４】
凹凸構造としては、レンチキュラレンズの表面の微細な細長いカマボコ状の凹凸構造を転写した構造、切削加工により作製した金属の凹凸構造を転写した構造、結晶異方性エッチングにより作製した単結晶シリコンの凹凸構造を転写した構造などを採用することができる。 
【００２５】
表面プラズモン共鳴(SPR)による圧力計測の原理について説明する。
まず、表面プラズモン共鳴(SPR)について説明する。プラズモンとは、金属中の自由電子の集団振動である。バルク金属中のプラズモンは電磁波と結合することは出来ないが、金属薄膜や金属微粒子上のような界面のある系では、その境界条件による束縛が生じ、バルク金属中のような固体中とは異なる振る舞いを呈する。これにより、誘電体との界面において表面波モードを有し、電磁波（すなわちフォトン）と結合する。この共鳴状態を、金属と誘電体との界面（表面）での結合であることから、表面プラズモン共鳴と呼ぶ。3)
【００２６】
表面プラズモン共鳴には大きく分けて二つあり、一つは表面モードでの励起法で、伝播型表面プラズモン共鳴(Propagating Surface Plasmon：PSP)と呼ばれる。もう一つは局在モードでの励起法で、局在表面プラズモン共鳴(Localized Surface Plasmon：LSP)と呼ばれる。伝播型表面プラズモン共鳴の励起方法には、Otto法、Kretschmann法(図1)3)、回折格子を用いた励起などがあり、表面プラズモンと電磁波との結合の方法がそれぞれ異なっている。局在表面プラズモンでは、孤立微粒子での励起や近距離での微粒子間での励起がある。ここでは伝播型表面プラズモン共鳴の３種類のうち、Kretschmann法を用いた。
【００２７】
Kretschmann法やOtto法は、プリズムを用いた系となっている。プリズムの斜面方向から光を入射し、プリズム底面で光が全反射する際にエバネッセント波が発生し、それによって表面プラズモンを励起する。このような系を用いた表面プラズモン共鳴の励起法を全反射減衰法(Attenuated Total Reflection法 : ATR法)と呼ぶ4)。
【００２８】
エバネッセント波と分散関係について説明する。エバネッセント波とは、近接場光の一種である。物体の表面から離れるに従ってその電磁界が指数関数的に減衰するという特徴があり、非伝播光である。エバネッセント波は、プリズム等に光を入射してプリズム底面で全反射させたときに、その面の外側に生じる。
【００２９】
一方、金属薄膜上における表面プラズモンは表面に局在している。これは、金属表面に伝播光を直接照射しただけでは表面プラズモンを励起できないことを意味している。もし励起できるなら、表面プラズモンは伝播光とエネルギーのやり取りができることになり、表面プラズモンのエネルギーは表面に局在できなくなってしまう。それに対して上に述べたようにエバネッセント波は非伝播光であり、これを言い換えると物質表面に局在していると言うことができる。このことから、エバネッセント波は表面プラズモンを励起できることになる。以下にエバネッセント波によってのみ表面プラズモンが励起できる理由を分散関係を用いて説明する3)。
【００３０】
Kretschmann配置において、表面プラズモンの波数、伝播光の波数、光がプリズム表面で全反射する際に生じる近接場光の波数の分散曲線を図2に示す。光で表面プラズモンを励起するためには、光の位相速度と表面プラズモンの位相速度が一致、すなわち、波数の整合(マッチング)が絶対条件である。図2より、伝播光の分散曲線には表面プラズモンの分散曲線と交点を持っていないのに対し、近接場光の分散曲線は交点を持っている。このことから、表面プラズモンと波数を整合できるのは近接場光、エバネッセント波である。
【００３１】
全反射減衰法(ATR法)について説明する。全反射減衰法(ATR法)とは、屈折率の高い領域から低い領域に臨界角以上の角度で光を入射すると全反射を生じ、この際に励起される表面プラズモンによってエネルギーが散逸した結果、エネルギー反射率が減少する現象である。表面プラズモンの全反射減衰法を用いた励起法のひとつであるOtto法は、プリズムを使えば簡単に表面プラズモンを励起できることを示した。Ottoが採用した配置は、プリズム、ギャップ、金属薄膜の順に構成されており、しばしばOtto配置と呼ばれている。しかしOtto配置は数十ナノメートルオーダーのギャップを制御するのが困難なため、近年ではあまり利用されていない。それに対してもうひとつの全反射減衰法を用いた励起法であるKretschmann法は、根本的にはOtto法と同じ原理であるが、プリズムに直接金属薄膜を付けた構造となっている。そのため金属薄膜上にサンプルを設置しやすく、そのサンプルの屈折率にSPR励起状態が強く依存するため、 SPRバイオセンサなど幅広く利用されている。具体的には屈折率が高くなると、SPR励起状態が変化し、SPRによるエネルギー損失量が減るため、共鳴波長での反射光強度が強くなる。
【００３２】
上述したように、ATR法によるSPR励起は金属薄膜に伝播光を直接照射しただけでは励起できないことが知られている。これは、入射光の波数とプラズモンの波数の整合条件から、プリズム底面において全反射する際に発生するエバネッセント波を利用しないと励起できないということに起因する。
【００３３】
入射角と共鳴波長と金属の複素誘電率の関係について説明する。プラズモン共鳴の発生は、ある波長に対する反射光強度を観測することで確認できる。Kretschmann配置において金属薄膜が十分に薄い場合、入射光は金属薄膜中の自由電子の電子振動を介して、プリズムと反対側の金属表面にエバネッセント波を発生する。白色光をＰ偏光状態で臨界角以上で入射すると、ある波長において反射光強度にディップが生じる。この波長において表面プラズモン共鳴が生じていることが確認できる。次式に入射角θrに対して表面プラズモンが励起される条件式を示す。1)2)
【００３４】
【数１】
2010230599.tif 000003
【００３５】
ここで、εmは金属薄膜の誘電率、npはプリズムの屈折率、nsは金属薄膜上におかれた誘電体の屈折率である。
【００３６】
本発明で使用した金属である金の入射光の波長に対する複素誘電率をみると、白色光、すなわち可視光領域である約400nm〜800nmの間で複素誘電率の実部の値は約−1〜−20と、大きく変化している。これから式(数1)中の金属薄膜の誘電率の実部Re(εm)は、入射光の波長の関数であることがわかる。したがって、金属薄膜に接する媒質の誘電率が変わらない場合、入射角を決めればディップの生じる波長は一意に決まるということとなる。以後この波長のことを共鳴波長と呼ぶ。
【００３７】
ATR法を用いた圧力センシングについて説明する。図3、図4にATR法を用いた圧力センシングの原理図を示す。Kretschmann配置を用いており、金属薄膜3上に弾性体(PDMS：Polydimethylsiloxane) の凹凸構造を配置した。図3に示す圧力印加前の状態では、弾性体(PDMS5)の凹凸構造の凸部が金属薄膜3と線で接しており、実際に金属薄膜3と接しているのは空気である。図4に示す圧力印加時の状態では、圧力により弾性体(PDMS5)が変形し、金属薄膜3は空気と接している領域と弾性体(PDMS5)と接している領域が存在する。弾性体と接している領域と空気と接している領域では、SPR励起の条件および、プリズム2との界面における反射の条件が変化する。ここで異なる媒質の間での光の屈折を示すスネルの法則について、次式に示す。
【００３８】
【数２】
2010230599.tif 000004
【００３９】
ここで、θPは入射角、θSは屈折角、nPはプリズムの屈折率、nSは金属薄膜に接する媒質の屈折率である。本発明で使用したプリズムはBK-7であり、nP =1.51、入射角はθP =44.6°である。式(数2) より、金属薄膜に接する媒質が空気の場合、nS =1.00であるので、臨界角は約41.5°となり、全反射が生じることがわかる。このことは、プリズムと空気との界面でエバネッセント波が発生していることを意味する。また、式(数1)に各値を代入すると、Re(εm)の値は−9.06となり、この値をとる金の複素誘電率の実部は、約620nmとなる。よって、金属薄膜に接する媒質が空気の場合の表面プラズモンの共鳴波長は約620nmとなる。このことから図3に示すように、約620nmの光は励起される表面プラズモン4によってエネルギーを散逸し、反射光強度が弱まる。それ以外の波長の光強度は減衰せずに全反射する。これに対して金属薄膜3に接する媒質が弾性体(PDMS5)の場合、nS =1.4125)であるので、臨界角は約69.2°となり、全反射しないことがわかる。このことからエバネッセント波は発生しない。したがって金属薄膜3に接する媒質が弾性体(PDMS5)の場合、表面プラズモン4は励起されず、結果として共鳴波長において反射光強度が増加し、共鳴波長以外の短波長の反射光強度は入射光の一部が弾性体側に透過するため減少する。
【００４０】
この現象を有効に利用するために、本発明では２色のLEDを使用する。使用する波長は、短波長側が430nmで、共鳴波長側が625nmである。図3のように媒質が空気の場合は臨界角以上の角度で光を入射しているため表面プラズモンが励起され、共鳴波長の620nm付近の光が減衰する。その結果、共鳴波長側の625nmの反射光強度は減衰する。また、短波長側の光は全反射するため、反射光強度は強くなる。それに対して図4のような圧力印加時では、弾性体が接触する領域が存在し、その領域では臨界角に満たないため全体として表面プラズモンの励起量が減少する。その結果、共鳴波長側の625nmの光の反射光強度は増加する。また、短波長側の光は全反射条件を満たさず、金は短波長の光を透過する性質をもっているため透過光が生じ、反射光強度は減衰する。このとき共鳴波長側では金の性質上透過せず、金薄膜が反射膜として機能し、透過光は生じない。これらのことから圧力印加前の、金薄膜に接する媒質が空気の場合は625nmの反射光強度は小さく、430nmの反射光強度は大きいのに対して、圧力印加時の弾性体が接触する領域が存在する状態では625nmの反射光強度は大きく、430nmの反射光強度は小さい。圧力をこれらの反射光強度比に変換することで高感度に圧力を測定することが可能である。
【００４１】
弾性体の凹凸構造について説明する。弾性体としてポリジメチルシロキサン(PDMS)を使用する。PDMSは常温で粘性の高い液体であり、硬化剤を混合し、加熱することで硬化を促進することができる。PDMSを使用した理由は、造形が容易なことや、比較的安価で手に入ること、硬化剤の混合率によって硬度を調節できるため、様々な測定範囲に対応できると考えたことなどである。また、レンチキュラレンズの凹凸構造を転写することにより、隣り合う凹凸構造の凸部分に十分な領域を確保できるため、弾性体同士の固着を避けられると考えた。
【００４２】
レンチキュラレンズについて説明する。レンチキュラレンズとは、表面に微細な細長いカマボコ状の凸レンズが無数に並んだシートのことである。本発明では、表面の微細な細長いカマボコ状の凹凸構造を転写するために利用する。本発明では2.5本/mmと5.6本/mmの２種類のレンチキュラレンズを使用した。使用したレンチキュラレンズの断面を光学顕微鏡にて観察した画像を図5,6に示す。
【００４３】
試料の作製手順を説明する。試料とする弾性体にはポリジメチルシロキサン(PDMS)を使用した。ポリジメチルシロキサンは、常温では粘性の高い液体であり、硬化剤を加えることで硬化する。また、80℃程度に熱すると硬化を促進することが出来る。硬化剤を混合する割合によって硬化後の硬度が変化する。本発明では２種類のレンチキュラレンズを使用した。いずれのレンチキュラレンズを使用する際も、作製手順は同一である。以下に作製手順を示す。なお、試料作製はクリーンルーム内で行った。
【００４４】
(1)電子天秤にてPDMS本体、硬化剤の質量を必要な混合率にして10g取り、混ぜる。
(2)PDMS本体と硬化剤を均一に混合し、PDMS内の余分な気泡を抜くため、撹拌を2分30秒、脱泡を2分行う。
(3)真空デシケータでさらに脱泡を15分行う。
(4)アセトンでガラス基板、レンチキュラレンズを洗浄する。
(5)ガラス基板をスピンコータに設置し、吸着圧60cmHgを確認する。
(6)ガラス基板にPDMSを適量滴下する。
(7)PDMSの量を一定にするため、スピンコーティングする。
(8)レンチキュラレンズをPDMSに押し付ける。
(9)押し付けた際に混入した気泡を抜くため、再度真空デシケータにて脱泡を15分行う。
(10)オーブンにて80℃で熱し、硬化を促進する(15分)。
(11)硬化後、レンチキュラレンズを剥がす。
(12)レーザ顕微鏡にて試料評価をする。
【００４５】
表1 に試料作製に用いた機器の仕様を示す。
【００４６】
【表１】
2010230599.tif 000005
【００４７】
試料の評価について説明する。図5,6に示したようなレンチキュラレンズの構造がPDMSに転写した際に正確に転写されているかを評価するために、レーザ顕微鏡と光学顕微鏡を用いて評価を行った。上述の作製手順の9番目の手順を行わなかった場合の試料のレーザ顕微鏡像と外観を観察した。これらの結果から、気泡が入り穴が開いていることがわかった。穴が開いていると圧力センシングに用いた際に、その領域は常に空気に触れることになってしまう。この穴の発生を防ぐため、レンチキュラレンズを押し付けた後に再度真空デシケータにて脱泡を行った。脱泡を行った際の試料の光学顕微鏡像を図7に示す。再度脱泡をした試料は欠陥がほぼ無くなっていることがわかる。また、図5,6のレンチキュラレンズの断面図と転写面の断面図を比べると、対象構造になっていることがわかり、良好に転写されていることが分かる。これらの結果より、圧力センシング実験には再度脱泡した試料を用いることとした。
【００４８】
弾性体のヤング率測定について説明する。ヤング率（Young's modulus、縦弾性係数）とは、弾性範囲で単位ひずみあたり、どれだけ応力が必要かの値を決める定数のことである。弾性体の変形において、応力とヤング率がわかれば変形量も決まる。本発明で使用した弾性体であるPDMSは、硬化剤の混合率によって硬度が異なる。本発明ではPDMSの変形を用いるので、PDMSの硬度を測定することは重要な要素となる。そこで、弾性体のヤング率の測定を行った。測定には片持ちはりの変形を用いた。ヤング率は次式(数3)で示される。
【００４９】
【数３】
2010230599.tif 000006
【００５０】
ここで、Eはヤング率(MPa)、Pは荷重(kgf)、lは長さ(m)、νmaxは変位(m)、bは幅(m)、hは高さ(m)である。
【００５１】
ヤング率の測定結果について説明する。図8にはりの曲げを用いたPDMS材料のヤング率測定の概略図を示す。図のように、無荷重状態でPDMS直方体を水平になるよう固定し、初期位置での高さを測定した。次に自由端先端におもり8をつるし、たわんだPDMS直方体の先端部の高さを測定し、その差をνmaxとした。また、lの長さはPDMS直方体をはさんでいるクリップの先端位置からおもり8をつるした位置までの値を測定した。また、断面形状は長方形となっている。これにより、断面二次モーメントは長方形の値を用いることができる。
【００５２】
式(数3)により求めたヤング率を表2と図9に示す。図9は硬化剤の混合率に対するヤング率変化である。硬化剤の混合率は2％ずつ変化させたときのヤング率を測定した。この図より、ヤング率が最も高いのは硬化剤の混合率が14％のときで約1.3MPaであることがわかる。また、硬化剤の混合率が10％までの間は混合率に対してヤング率が比例して増加していることが分かる。14％より多く硬化剤を混合したときに、ヤング率の値が下降しているのは、ある程度までは硬化剤がPDMSの硬化を促進するのに用いられるが、それ以上の硬化剤は、硬化の促進には用いられず、PDMS内に残留し、ヤング率の値が低下したと考えられる。
【００５３】
【表２】
2010230599.tif 000007
【００５４】
全反射減衰法(ATR法)による圧力測定について説明する。
図10に実験装置の概略図を示す。本実験では、光源10として3色LED(light-emitting diode)のうちの短波長(430nm)と長波長(625nm)の2色を用いた。光源10から出射された光は、直線偏光子11を通過し、P偏光状態となる。次に対物レンズで集光され、プリズム2に入射する。プリズム2上面は膜厚約50nmの金薄膜17がコーティングされており、この面で光が全反射する。この位置での全反射によってエバネッセント波が生じ、表面プラズモンを励起する。反射した光は分光器15によって分光され、スペクトルデータがPC16に取り込まれる。また、プリズム2上面の金薄膜17の上部には、PDMS5の凹凸構造が設置されており、マイクロメータ12によって圧力が印加され、変形する。その際の圧力は半導体ダイヤフラム型圧力センサ13によって測定され、測定データはPC16に取り込まれる。表3 に構成機器の仕様を示す。
【００５５】
【表３】
2010230599.tif 000008
【００５６】
実験結果について説明する。
最初に、金薄膜の膜厚に対するSPR励起条件について説明する。ATR法を用いたSPRでは、その励起状態は全反射面における金属薄膜の膜厚に大きく依存する。したがって金属薄膜の膜厚は重要な要素であり、最適な膜厚を決定する必要がある。本発明では、金属薄膜に金を用いている。金をプリズムにスパッタリングすることで、薄膜を形成している。使用した金スパッタリング装置の仕様を表4に示す。
【００５７】
【表４】
2010230599.tif 000009
【００５８】
スパッタリング装置の成膜特性を実験的に明らかにするため、印加電流値を10mAで一定に保ち、スパッタリング時間に対して膜厚を測定した。膜厚測定は、カバーガラスに金をスパッタリングし、その上からピンセットを用いて、傷を付けることで段差を生じさせ、その段差をAFM(Atomic Force Microscope)で観察した。図11にスパッタリング時間に対する膜厚の変化を示す。図11より、電流値を固定して、スパッタリング時間を増加させると膜厚は線形的に増加していることがわかる。この値を用いて、表面プラズモンを励起するのに最適な金の膜厚の決定を行うために、スパッタ時間を40s〜100sまで変化させたときのSPR励起条件を、Kretschmann配置によって吸光度測定を用いて測定した。
【００５９】
その結果を図12に示す。図12より、鋭い吸光度ピークが見られるのは38.4nm〜49.6nmの間である。これらの膜厚はスパッタリング時間が60s〜80sのとき得られている値である。ATR法を用いたSPRの文献では、膜厚約50nm付近で最も顕著に吸光度ピークが見られると報告されている6)〜8)ので、38.4nm〜49.6nmという値は妥当であるといえる。よって今後のSPR圧力センシング実験では、膜厚を50nmにするために、電流を10mAに固定して80秒間スパッタリングすることにした。
【００６０】
2色のLEDを用いた測定について説明する。3色発光LEDのうちの430nmと625nmの2色を用いて圧力センシング実験を行った。表5に実験条件を示す。また、図13に2色発光LEDの圧力に対する反射光スペクトルの変化を、図14〜図17に各実験条件での圧力に対する光強度比を示す。
【００６１】
【表５】
2010230599.tif 000010
【００６２】
図13より、圧力増加にともない625nmの光強度が増加し、430nmの光強度が減衰していることがわかる。これは、PDMSの接触面積率が増加することで、SPR励起量が減少し、625nmの光強度が増加したと考えられる。それと同時に透過光成分が生じるため、430nmの光強度が減衰したと考えられる。
【００６３】
次に各条件での圧力−光強度比線図について述べる。図14〜図17から、2往復の過程でほぼ同経路を通っていることがわかる。また、いずれの測定結果も概ね直線的な変化を示している。これは、625nmの反射光強度は弾性体の接触面積率の増加につれて単調に増加するのに対して430nmの反射光強度は弾性体の接触面積率の増加につれて単調に減少するので、これらが打ち消しあったためだと考えられる。また、光強度比の変化の幅も大きく、10倍弱の変化を示しており、感度の面でも良好と言える。
【００６４】
同じ試料を用いた測定による再現性の確認について説明する。圧力センシング実験を行った後の試料について、光学顕微鏡にて観察した。図18に示す。図7と図18を比較すると、いずれのレンチキュラレンズを用いた構造も圧力センシング実験後でも構造は崩れずに残っていることがわかる。これらのことから、同じ試料で圧力センシング実験を行うことができると考えられる。実際のセンサを想定したときこの性質は非常に重要である。
【００６５】
以上、本発明で明らかになったことを以下に述べる。
(1)レンチキュラレンズの凹凸構造を転写することで弾性体に凹凸構造を形成することができた。この構造を光学顕微鏡を用いて観察することで、良好な転写面の確認を行った。また、複数回圧力センシング実験を行った際に測定結果に大きな変化が見られなかったことから凹凸構造の変形による構造の破壊が無く、形状再現性が得られていることを確認した。
(2)凹凸構造の変形によってSPR励起量が変化し、反射光強度に変化が現れた。圧力を加えることで金薄膜に接する媒質が空気から弾性体に変化することで共鳴波長の光強度は増加し、それ以外の波長の光強度は減衰した。その結果、金薄膜全面が空気に接している場合と弾性体が接している場合とで、大きな光強度比を得ることが出来た。このことから、本発明で提案したSPR圧力センサの有用性を示した。
【００６６】
なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００６７】
［参考文献］
1)ナノ粒子を用いた光技術の研究：沼田孝之：東京農工大学博士論文(2006)
2)表面プラズモン共鳴を利用した圧力センシング：岩崎吉朗：東京農工大学学位論文(2004)
3)近接場ナノフォトニクスハンドブック：大津元一，河田聡  編：オプトロニクス社
4)光ナノテクノロジーの基礎：福井萬壽夫，大津元一  共著：オーム社
5)in vitroモデル内におけるマクロ・マイクロ流れの可視化計測：大島まり，木下晴之，坂東佳憲  著：東京大学生産技術研究所
6)“Multilayer system for a high-precision surface plasmon resonance sensor” ：K. Matsubara, S. Kawata, S. Minami ：January 1, 1990 / Vol. 15, No. 1 / OPTICS LETTERS
7) 表面プラズモンの基礎と応用：永島圭介  著  J. Plasma Fusion Res. Vol.84, No.1 (2008)10‐18 
8)” Modulation of multiple photon energies by use of surface plasmons”：A. Passian, A. L. Lereu, E. T. Arakawa, A. Wig, T. Thundat, and T. L. Ferrell：January 1, 2005 / Vol. 30, No. 1 / OPTICS LETTERS
【符号の説明】
【００６８】
１‥‥入射光、２‥‥プリズム、３‥‥金属薄膜、４‥‥表面プラズモン、５‥‥ＰＤＭＳ、６‥‥反射光、７‥‥圧力、８‥‥おもり、９‥‥ハイトゲージ、１０‥‥光源、１１‥‥直線偏光子、１２‥‥マイクロメータ、１３‥‥圧力センサ、１４‥‥アルミ板、１５‥‥分光器、１６‥‥ＰＣ、１７‥‥金薄膜
【図１】
2010230599.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010230599.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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