(57)【要約】【課題】寿命の長い蛍光センサを提供する【解決手段】蛍光センサ１０は、蛍光を電気信号に変換するＰＤ素子１２が形成されているシリコン基板１１と、励起光を発生するＬＥＤ素子１５Ｃが第１の主面１５Ａに形成されたＬＥＤ基板１５と、ＬＥＤ基板１５の第２の主面１５Ｂから放射される励起光の光量分布を平均化する反射膜２０と、反射膜２０により平均化された励起光を受光しアナライト量に応じた光量の蛍光を発生するインジケータ層１７と、を具備する【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成されている主基板と、
励起光を発生する発光素子が第１の主面に形成された発光素子基板と、
前記発光素子基板の第２の主面から放射される前記励起光の光量分布を均一化する光量均一化部と
前記光量均一化部により均一化された前記励起光を受光し、アナライト量に応じた光量の前記蛍光を発生するインジケータと、を具備することを特徴とする蛍光センサ。
【請求項２】
前記主基板に、主面と平行な底面のある凹部があり、前記光電変換素子が前記凹部の内壁に形成されており、前記発光素子基板および前記インジケータが前記凹部の内部に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
【請求項３】
前記光量均一化部が、前記光量分布を平均化する励起光拡散部であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサ。
【請求項４】
前記励起光拡散部が、回折機能、散乱機能、屈折機能、または反射機能を有することを特徴とする請求項３に記載の蛍光センサ。
【請求項５】
前記励起光拡散部が、前記第２の主面の少なくとも前記発光素子と対向する領域に形成された反射膜であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光センサ。
【請求項６】
前記反射膜が、前記励起光を反射し前記蛍光を透過する多層膜であることを特徴とする請求項５に記載の蛍光センサ。
【請求項７】
前記光量均一化部が、励起光の光量が大きい領域の光量を減衰する励起光減衰部であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサ。
【請求項８】
前記励起光減衰部が、前記第２の主面の少なくとも前記発光素子と対向する領域に形成された、前記励起光を吸収する機能を有する遮光膜であることを特徴とする請求項７に記載の蛍光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナライト濃度を計測する蛍光センサに関し、特に励起光の照射によりアナライト濃度に応じた光量の蛍光を発生するインジケータを有する蛍光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中のアナライトすなわち被計測物質の濃度を測定するための様々な分析装置が開発されている。例えば、一定容量の透明容器に、アナライトの存在によって性質が変化し蛍光を発生する蛍光色素と、アナライトを含む被計測溶液とを注入し、励起光を照射し蛍光色素からの蛍光強度を計測することによりアナライト濃度を計測する蛍光センサが知られている。
【０００３】
そして、小型の蛍光センサでは、光源と光検出器と蛍光色素を含有したインジケータ層とを有している。そして被計測溶液中のアナライトが進入可能なインジケータ層に光源からの励起光を照射することで、インジケータ層内の蛍光色素が被計測溶液中のアナライト濃度に応じた光量の蛍光を発生し、その蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光した光量に応じた電気信号を出力する。この電気信号から被計測溶液中のアナライト濃度が測定される。
【０００４】
そして近年、微量試料中のアナライトを計測するために、半導体製造技術およびマイクロマシン製造技術を用いて作製される蛍光センサが提案されている。
【０００５】
例えば、図１および図２に示す蛍光センサ１１０が、米国特許第５０３９４９０号明細書に開示されている。図１は蛍光センサ１１０の概略断面構造を示したものであり、図２は蛍光センサ１１０の概略構造を説明するための分解図である。なお、以下の図においてアナライト２は模式的に表示している。
【０００６】
図１および図２に示すように、蛍光センサ１１０は、励起光Ｅが透過可能な透明支持基板１０１と、蛍光Ｆを電気信号に変換する光電変換素子部１０３と、励起光Ｅを集光する集光機能部１０５Ａを有する光学板状部１０５と、アナライト２と相互作用することによって励起光Ｅの入射により蛍光Ｆを発するインジケータ層１０６と、カバー層１０９とから構成されている。
【０００７】
光電変換素子部１０３は、例えばシリコンからなる基板１０３Ａ上に光電変換素子が形成されている。基板１０３Ａは励起光Ｅを透過しない。このため、蛍光センサ１１０では、光電変換素子部１０３の周囲に励起光Ｅが透過可能な空隙領域１２０を有している。
【０００８】
すなわち、空隙領域１２０を通過し光学板状部１０５に入射した励起光Ｅだけが、光学板状部１０５の作用により、インジケータ層１０６中の、光電変換素子部１０３の上部付近に集光される。集光された励起光Ｅ２と、インジケータ層１０６の内部に進入したアナライト２の相互作用により、蛍光Ｆが発生する。発生した蛍光Ｆの一部は光電変換素子部１０３に入射し、光電変換素子部１０３において蛍光強度、つまりアナライト２の濃度に比例した電流または電圧などの信号が発生する。なお励起光Ｅは、光電変換素子部１０３上に形成されたフィルタ（不図示）の作用により、光電変換素子部１０３には入射しない。
【０００９】
蛍光センサ１１０では、励起光Ｅが、インジケータ層１０６の光電変換素子部１０３の上部付近に集光されるため、集光箇所におけるインジケータの劣化速度が早く、センサ全体の寿命が短くなるおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５０３９４９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
寿命の長い蛍光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】
実施形態の蛍光センサは、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成されている主基板と、励起光を発生する発光素子が第１の主面に形成された発光素子基板と、前記発光素子基板の第２の主面から放射される前記励起光の光量分布を均一化する光量均一化部と前記光量均一化部により均一化された前記励起光を受光しアナライト量に応じた光量の前記蛍光を発生するインジケータと、を具備する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施形態によれば、寿命の長い蛍光センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の蛍光センサの概略断面構造を示した説明図である。
【図２】従来の蛍光センサの概略構造を説明するための分解図である。
【図３】第１の実施の形態の蛍光センサの概略断面構成を示す模式図である。
【図４】第１の実施の形態の蛍光センサの概略構造を説明するための分解図である。
【図５】第１の実施の形態の反射膜を説明するための説明図である。
【図６】第１の実施の形態の蛍光センサにおける励起光の光路を説明するための説明図である。
【図７】第１の実施の形態の反射膜による光量分布変化を説明するための説明図である。
【図８】第１の実施の形態の変形例の蛍光センサにおける励起光の光路を説明するための説明図である。
【図９】第２の実施の形態の遮光膜による光量分布変化を説明するための説明図である。
【図１０】第３の実施の形態の蛍光センサの概略断面構成を示す模式図である。
【図１１】第４の実施の形態の蛍光センサの概略断面構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態＞
以下、図面を用いて、本発明の第１の実施の形態の蛍光センサ１０について説明する。
図３および図４に示すように、本実施の形態の蛍光センサ１０は、主基板であるシリコン基板１１と、酸化シリコン膜１３と、フィルタ１４と、放射される励起光の光量分布を均一化する光量均一化部である反射膜２０が配設された発光素子基板（以下、「ＬＥＤ基板」という）１５と、透明樹脂層１６と、インジケータ層１７と、遮光層１８と、がシリコン基板１１側から順に積層された構造を有する。シリコン基板１１には光電変換素子であるフォトダイオード素子（以下「ＰＤ素子」という。）１２が形成されている。励起光Ｅおよび蛍光Ｆを透過するＬＥＤ基板１５の第１の主面１５Ａの略中央部には、励起光Ｅを発生する発光素子である発光ダイオード素子（以下「ＬＥＤ素子」という）１５Ｃが形成されている。なお、ＰＤ素子１２等と接続される配線等は図示していない。
【００１６】
後述するように、反射膜２０は、ＬＥＤ基板１５の第２の主面１５Ｂの略中央部に配設された、励起光Ｅを反射し蛍光Ｆを透過する誘電体多層膜である。フィルタ１４は、励起光Ｅを遮断し、それよりも長波長の蛍光Ｆを透過する。
【００１７】
そして、ＰＤ素子１２、フィルタ１４、ＬＥＤ素子１５Ｃ、およびインジケータ層１７の、それぞれ少なくとも一部が、シリコン基板１１上の同一領域内に形成されている。なお蛍光センサ１０は、ＰＤ素子１２、フィルタ１４、ＬＥＤ素子１５Ｃ、およびインジケータ層１７のそれぞれの中央部がシリコン基板１１上の同一領域内に形成されていることが好ましい。
【００１８】
すなわち、蛍光センサ１０においてはインジケータ層１７からの蛍光Ｆを透過するＬＥＤ基板１５を用いることにより、既に説明した従来の蛍光センサとは全く異なる構造を実現している。
【００１９】
シリコン基板１１はＰＤ素子１２が表面に作成されている主基板である。光電変換素子として、ＰＤ素子１２を基体表面に形成する場合は、主基板としては単結晶シリコン基板が好適であるが、ＰＤ素子１２の製造方法によっては、ガラス基板など多様な材料から選択可能である。
【００２０】
ＰＤ素子１２は蛍光を電気信号に変換する光電変換素子であり、光電変換素子としては、フォトコンダクタ、またはフォトトランジスタ（ＰＴ）などの各種光電変換素子から選択可能である。そしてフォトダイオードまたはフォトトランジスタが、最も高感度でかつ安定性に優れた蛍光検出感度が実現でき、その結果、検出感度および検出精度に優れる蛍光センサ１０が実現できるため特に好ましい。
【００２１】
酸化シリコン膜１３は第１の保護膜であり、例えば数十〜数百ｎｍの厚さを有する第１の保護膜としてはシリコン窒化膜、または酸化シリコン膜とシリコン窒化膜とからなる複合積層膜を用いてもよい。
【００２２】
フィルタ１４は、例えば３７５ｎｍより短い励起光Ｅの波長では透過率は１０−6以下であり、４６０ｎｍの蛍光Ｆの波長では透過率１０−１以上すなわち１０％以上と、波長による透過率の比としては5桁以上の透過率選択性を有する。フィルタ１４は、なお、反射膜２０と同様の反射型フィルタでもよいし、シリコン膜または炭化シリコン膜等を用いた吸収型フィルタでもよい。
【００２３】
ＬＥＤ基板１５は、ＬＥＤ素子１５Ｃが形成可能で蛍光Ｆを透過する基板、例えばサファイア基板である。すなわち、サファイア基板は蛍光Ｆの透過率が高く、かつ、窒化ガリウム系化合物半導体よりなる紫外線を発光するＬＥＤ素子１５Ｃが形成可能である。
【００２４】
ＬＥＤ素子１５Ｃは、ＬＥＤ基板１５の第１の主面１５Ａの略中央部に形成されており、励起光はＬＥＤ基板１５の内部を通過して第２の主面１５Ｂから放射される。ここで、第２の主面１５Ｂから放射される励起光Ｅの光量は、ＬＥＤ素子１５Ｃと対向する中央領域では強く周辺領域では弱いという、所定の分布がある。
【００２５】
反射膜２０は、高屈折率層と高屈折率層よりも低い屈折率を有する低屈折率層とが交互に積層された干渉効果を有する反射フィルタである。なお、反射膜２０は、例えば、第２の主面１５Ｂの全面に形成したのち、所望の領域をマスクしてから不要な領域をエッチング等により除去することで、所望の形状にパターニングされる。または、所望のパターンに形成後に第２の主面１５Ｂに配設してもよい。
【００２６】
図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すように、反射膜２０は、光量分布に応じて、円形パターン２０Ａ（図５（Ａ））、楕円形パターン２０Ｂ（図５（Ｂ））または矩形パターン２０Ｃ（図５（Ｃ））等の１個のパターンから構成してもよいし、複数個のパターン２０Ｄ（図５（Ｄ））から構成してもよい。
【００２７】
透明樹脂層１６であるエポキシ樹脂膜は第２の保護膜である。第２の保護膜としては、例えばＬＥＤ基板１５をフィルタ１４上に接着するときに用いるシリコーン樹脂、または透明な非晶性フッ素樹脂なども使用可能である。
【００２８】
インジケータ層１７は、進入してきたアナライト２との相互作用および励起光によりアナライト２の濃度に応じた光量の蛍光を発生する。インジケータ層１７の層厚は10μm〜500μm、より好ましくは40μm〜200μm程度に設定されている。インジケータ層１７は、アナライト２の量、すなわち試料中のアナライト濃度に応じた強度の蛍光を発生する蛍光色素が含まれたベース材料から構成されている。なおインジケータ層１７のベース材料は、ＬＥＤ素子１５Ｃからの励起光および蛍光色素からの蛍光が良好に透過できる透明性をもつことが好ましい。ここで、蛍光色素は、試料中に存在するアナライト２そのものでも良い。なお、インジケータは、層状または膜状ではなく、ゲル状または液体状であってもよい。
【００２９】
蛍光色素は、アナライト２の種類に応じて選択され、アナライト２の量に応じて発生する蛍光の光量が可逆的に変化する蛍光色素ならば、どのようなものでも使用できる。例えば生体内の水素イオン濃度または二酸化炭素を測定する場合には、ヒドロキシピレントリスルホン酸誘導体、糖類を測定する場合には蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体、カリウムイオンを測定する場合には蛍光残基を有するクラウンエーテル誘導体などを用いることができる。
【００３０】
そして、グルコースのような糖類を測定する場合には、蛍光色素として、ルテニウム有機錯体、蛍光フェニルボロン酸誘導体、または蛋白と結合したフルオレセイン等のグルコースと可逆結合する物質を用いることができる。ルテニウム有機錯体としてはルテニウムと2,2'-ビピリジン、1,10-フェナントロリン、4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン、4,7-ジメチル-1,10-フェナントロリン、4,7-ジスルホン化ジフェニル-1,10-フェナントロリン、2,2'-ビ-2-チアゾリン、2,2'-ビチアゾール、5-ブロモ-1,10-フェナントロリン、および5-クロロ-1,10-フェナントロリン等との錯体等を用いることができる。更に、ルテニウム有機錯体のルテニウムに代えてオスミウム、イリジウム、ロジウム、レニウムおよびクロム等の有機錯体を用いることができる。なお蛍光フェニルボロン酸誘導体としては、特に２つのフェニルボロン酸と蛍光残基としてアントラセンを含む化合物が検出感度が高い。
【００３１】
以上の説明のように、本発明の蛍光センサ１０は、蛍光色素の選択によって、酸素センサ、グルコースセンサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、または微生物センサなど、多様な用途に対応している。
【００３２】
インジケータ層１７は、例えば、含水し易いハイドロゲルをベース材料として、ハイドロゲル内に上記蛍光色素を包含または結合させている。ハイドロゲルの成分としてはメチルセルロースもしくはデキストランなどの多糖類、（メタ）アクリルアミド、メチロールアクリルアミド、もしくはヒドロキシエチルアクリレート等のモノマーを重合して作製するアクリル系ハイドロゲル、またはポリエチレングリコールとジイソシアネートから作製するウレタン系ハイドロゲルなどを用いることができる。
【００３３】
そして、最上層である遮光層１８は、インジケータ層１７の上部表面側に形成された、厚さが数十μｍ以下の層である。遮光層１８は、励起光および蛍光が蛍光センサ１０の外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が蛍光センサ１０の内部に進入するのを防止する。
【００３４】
ここで、遮光層１８は、外光を遮光するために、インジケータ層１７だけでなく蛍光センサ１０全体を覆うことが望ましい。遮光層１８は、アナライト２が、その内部を通過してインジケータ層１７に到達するのを妨げない材料を用いて構成されている。水溶液中のアナライト分析に利用する蛍光センサ１０の場合は、遮光層１８の材料としては、例えば微多孔質の金属もしくはセラミックス、またはインジケータ層１７に用いるハイドロゲルにカーボンブラックもしくはカーボンナノチューブなど光を通さない微粒子を混合した複合材料が好適である。また、遮光層１８は、多数の貫通孔を有するシリコン基板等でもよい。
【００３５】
また、ＬＥＤ基板１５、透明樹脂層１６およびインジケータ層１７が、額縁状のセンサ枠内部に収納されていてもよい。センサ枠をシリコン等の遮光性材料で構成することにより外光の進入を防止でき、更にセンサ全体の機械的強度の向上を図ることもできる。
【００３６】
上記構造を有する蛍光センサ１０では、ＬＥＤ素子１５Ｃからの励起光Ｅが、インジケータ層１７中の蛍光色素に照射される。蛍光色素が発生した蛍光Ｆは、ＬＥＤ基板１５およびフィルタ１４を通過してＰＤ素子１２に到達し、電気信号に変換される。
【００３７】
そして、図６に示すように、蛍光センサ１０では、ＬＥＤ基板１５の第２の主面１５Ｂにおいて光量が大きい中央領域の励起光Ｅ３が、反射膜２０により反射され、インジケータ層１７に直接、入射することがない。反射膜２０により反射された励起光Ｅ３は、ＬＥＤ基板１５内面および周囲の部材の表面等で更に反射し、少なくとも一部はインジケータ層１７に入射する。
【００３８】
また、インジケータ層１７が発生した蛍光Ｆは、反射膜２０およびＬＥＤ基板１５を透過して、ＰＤ素子１２に入射する。すなわち、蛍光Ｆ３は反射膜２０を透過して、ＰＤ素子１２に入射するため、反射膜２０は蛍光検出の妨害因子とはならない。このため、蛍光センサ１０は、蛍光Ｆの通過経路中に反射膜２０を有していても感度が低下しない。
【００３９】
以上の説明のように反射膜２０は、第２の主面１５Ｂから放射される励起光Ｅの光量分布を均一化する光量均一化部である。ここで、図７は第２の主面１５Ｂから放射される励起光Ｅの光量分布を説明するための図で、横軸中央が第２の主面１５Ｂの中央である。図７に示すように、（Ａ）反射膜無しの場合と比較すると、（Ｂ）反射膜ありの場合は、中央領域の光量は減少しているが、周辺領域の光量は反射膜２０により反射された光の一部が出射されるため増加している。すなわち、反射膜２０は、励起光の光量分布を平均化する励起光拡散部である。
【００４０】
蛍光センサ１０は、強い励起光がインジケータ層１７の中央領域に集中して照射されることがないため、インジケータの劣化進行速度が遅い。このため蛍光センサは、長期間にわたって検出感度の低下等の問題が発生しにくいため、寿命が長い。
【００４１】
また、蛍光センサ１０の反射膜２０は、光量が大きい領域の励起光Ｅを減少するだけでなく、光量が弱い領域の励起光Ｅを増加する励起光拡散部であるため、励起光の利用効率がよい。このため、ＬＥＤ素子１５Ｃに流す電流を抑制できるためＬＥＤ素子１５Ｃの発熱が少なく蛍光センサ１０の特性が安定している。
【００４２】
＜第１実施形態の変形例＞
蛍光センサ１０の反射膜２０に替えて、反射機能を有する光量均一化部としては、励起光および蛍光を共に反射するアルミニウム等の金属膜等を有する蛍光センサであっても、寿命の改善効果は得られる。金属膜等は多層干渉膜に比べて形成が容易で安価である。
【００４３】
また、回折機能、散乱機能、または屈折機能を有する光量均一化部を用いることもできる。
【００４４】
回折機能を有する光量均一化部は、回折格子構造を有し、入射する光を回折現象によって拡散する。回折格子のパターンのレイアウトは、光の回折を起こせるのであればどのようなパターンでもよく、例えば平行線を並べて配置したり、同心円上に円パターンを配置したりする。
【００４５】
回折格子は例えば、溝または屈折率の異なるパターンの平行線または同心円線をガラス板等に多数形成することで構成できる。パターンのピッチは、インジケータ層１７との距離、および何次の回折光までを使用するか等の条件によって設定されるが、０．１μｍから５０μｍの範囲で、より好ましくは０．５μｍから１０μｍの範囲である。
【００４６】
回折格子は、ＬＥＤ素子１５Ｃから出力された励起光Ｅを受光すると、励起光Ｅを回折によって０次、１次、２次、更に高次の回折光に分散する。高次の回折光ほど、回折格子進入前より大きく角度を変えて広がる。光が広がるため、進入した励起光の光量分布は、回折格子に進入する前と比較して均一となる。なお、０次回折光を遮断するために、反射膜２０と同様の反射膜等が配設される。
【００４７】
次に、入射する光を散乱現象によって拡散する散乱機能を有する光量均一化部は、例えば、直径１ｎｍから１０μｍ程度の粒子を含む樹脂層である。粒子は不透明であってもよく、また樹脂と異なる屈折率を有していれば透明でもよい。
【００４８】
散乱効果としては、レイリー散乱、ミー散乱など、光が散乱するのであればどのような現象を利用するものであってもよい。
【００４９】
次に、入射する光を屈折現象によって拡散する屈折機能を有する光量均一化部は、例えば、凹レンズ、フレネルレンズ、マイクロ凹レンズアレイ、またはプリズムアレイなどを有する。前記構造は、酸化膜などの透明膜にウエットエッチングなどでパターニングしたり、透明樹脂を所望の形状に加工したり、第２の主面１５Ｂを加工したりして形成される。
【００５０】
例えば、図８に示す変形例の蛍光センサ１０Ａでは、ＬＥＤ基板１５の第２の主面１５Ｂに凹部が形成されている。この凹部にＬＥＤ基板１５とは屈折率の異なる透明樹脂層１６が埋め込まれることで、凹レンズ機能を有する励起光拡散部２１が形成されている。励起光拡散部２１は、透明樹脂層１６の一部であるが、第２の主面１５Ｂの加工により形成されたＬＥＤ基板１５の一部でもある。もちろん、ＬＥＤ基板１５に別途作製した凹レンズを配設してもよい。
【００５１】
ＬＥＤ素子１５Ｃが発生した励起光Ｅ４は、凹レンズ機能を有する励起光拡散部２１により外周部側に拡散する。このため、中央領域の光量は減少し周辺領域の光量が増加する。
【００５２】
また、例えば、フレネルレンズは、ＬＥＤ素子１５Ｃから出力された励起光を屈折によってより広い角度に拡散する。光量の多い中央領域ほど屈折角が大きくなるようにフレネルレンズを設計することによって、インジケータ層１７へ進入する励起光の光量分布をより均一にすることができる。
【００５３】
またマイクロレンズアレイは、励起光を受光すると、それぞれのレンズが励起光を拡散する。屈折の度合いはレンズの焦点距離に依存しており、個々のレンズの焦点距離を、個別に設定できるため、光量の多い中央領域に配設するレンズの屈折角を大きくすることによって、インジケータ層１７へ進入する励起光の光量分布をより均一にすることができる。
【００５４】
また、プリズムアレイは、励起光を受光すると、それぞれのプリズムが励起光を任意の方向へ拡散させる。光量の多い中央領域の光を大きな角度で屈折させるなどによって、インジケータ層１７へ進入する励起光の光量分布をより均一にすることができる。
【００５５】
上記、光量分布を平均化する励起光拡散部は、いずれも作成後、ＬＥＤ基板１５の第２の主面１５Ｂに配設してもよいし、第２の主面１５Ｂを加工することにより形成してもよい。
【００５６】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の蛍光センサ１０Ｂについて説明する。蛍光センサ１０Ｂは蛍光センサ１０と類似しているため同じ機能の構成要素には同じ数字の符号を付し説明は省略する。蛍光センサ１０Ｂの光量均一化部は、第２の主面１５Ｂの、少なくともＬＥＤ素子１５Ｃと対向する領域に形成された、励起光を吸収する機能を有する遮光膜２２である。遮光膜２２は、光量分布の光量が大きい領域の光量を減衰する励起光減衰部である。
【００５７】
すなわち、図９に示すように、「（Ａ）遮光膜無し」の場合と比較すると、「（Ｂ）遮光膜あり」の場合は、中央領域の光量が減少しているが、周辺領域の光量は変化がない。
【００５８】
遮光膜２２は、励起光の光量が大きい、すなわち励起光が強い領域にのみ配設してもよいし、または、励起光が強い領域ほど強く効果が現れる構成でもよい。例えば、遮光膜２２は、中央部が最も吸収が大きく、周辺部は小さな吸収となるように、厚さを変えてもよい。また、図５（Ｄ）に示す反射膜パターン２０Ｄのように複数のパターンから遮光膜２２を構成してもよい。
【００５９】
例えば、遮光膜２２は、励起光の透過率が１０〜９０％程度の不透明樹脂を使用してもよいし、あるいは不透明膜のドットパターンまたはストライプパターンでもよい。
【００６０】
遮光膜２２は、作製が容易であるが、励起光の発光強度が高い箇所の励起光を減衰させることによって、インジケータ層１７が受光する光量を均一化することができる。このため、蛍光センサ１０Ｂは、蛍光センサ１０等と同じように、寿命が長い。
【００６１】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態の蛍光センサ１０Ｃについて説明する。蛍光センサ１０Ｃは蛍光センサ１０と類似しているため同じ機能の構成要素には同じ数字の符号を付し説明は省略する。
図１０に示すように、蛍光センサ１０Ｃは、凹部３３がある主基板２５と、反射膜２０が配設されたＬＥＤ基板１５と、透明樹脂層１６Ｃと、インジケータ層１７Ｃと、遮光層１８Ｃと、を有する。ＬＥＤ基板１５と、透明樹脂層１６Ｃと、インジケータ層１７Ｃとは、凹部３３の内部に配設されており、遮光層１８Ｃは凹部３３の開口を塞ぐように配設されている。
【００６２】
主基板２５は、図示しない各種の配線層を有する配線基板３０と、中央に貫通孔のある四角柱形状の枠状基板４０と、を接合することにより作製されている。このため、主基板２５には、第１の主面３２Ａに、第１の主面３２Ａと平行な底面３２Ｂのある凹部３３がある。すなわち、配線基板３０の表面が凹部３３の底面３２Ｂであり、枠状基板４０の貫通孔の内壁が、凹部３３の内壁２４である。なお、蛍光センサ１０Ｃでは、枠状基板４０の外形形状および凹部３３の内面形状は、ともに正四角柱であるが、四角柱、多角柱、または円柱であってもよい。
【００６３】
ＰＤ素子１２Ｃは、枠状基板４０の貫通孔の４つの内壁、すなわち主基板２５の凹部３３の４つの内壁２４に形成されている。なお、ＰＤ素子１２Ｃは、インジケータ層１７Ｃを囲む４つの内壁の全てに形成されていることが検出感度改善のためには好ましいが、少なくとも１つの内壁の少なくとも一部に形成されていればよい。
【００６４】
壁面２４にＰＤ素子１２Ｃを形成するには、シリコン等の半導体からなる基板を、５度〜３０度に傾けた状態で、４方向からイオン注入処理が行われる。例えば、ほう素を注入する場合の条件は、加速電圧：１０〜１００ｋｅＶ、注入量：１×１０１２ｃｍ−２〜５×１０１５ｃｍ−２程度である。
【００６５】
４つの内壁２４に形成されたＰＤ素子１２Ｃを覆うようにフィルタ１４Ｃが配設されている。フィルタ１４Ｃは励起光Ｅを遮断し、それよりも長波長の蛍光Ｆを透過する。
【００６６】
ＬＥＤ基板１５は、凹部３３の底面３２Ｂに、第２の主面１５Ｂを上に向けて配設されている。インジケータ層１７Ｃは、ＬＥＤ基板１５を覆う透明樹脂層１６Ｃの上に配設されている。
【００６７】
第１実施形態の蛍光センサ１０と同様に反射膜２０は干渉効果を有する反射フィルタであり、第２の主面１５Ｂから放射される励起光Ｅの光量分布を均一化する光量均一化部である。もちろん、光量均一化部としては既に説明した各種の励起光拡散部または各種の励起光減衰部を用いてもよい。
【００６８】
次に、蛍光センサ１０Ｃの動作を説明する。
ＬＥＤ基板１５の第２の主面１５Ｂから放射される励起光Ｅは、反射膜２０により平均化され、透明樹脂層１６Ｃを介して、インジケータ層１７Ｃに入射する。インジケータ層１７Ｃは、アナライト量に対応した強度の蛍光Ｆを発する。
【００６９】
インジケータ層１７Ｃが発生した蛍光Ｆは、フィルタ１４Ｃを介して、内壁２４に形成されたＰＤ素子１２Ｃに入射する。そして蛍光Ｆの強度に応じた信号が、ＰＤ素子１２Ｃから出力される。なお、励起光Ｅはフィルタ１４Ｃにより遮断されＰＤ素子１２Ｃには入射しない。
【００７０】
以上の説明のように、蛍光センサ１０Ｃは、主基板２５に、主面３２Ａと平行な底面３２Ｂのある凹部３３があり、ＰＤ素子１２Ｃが凹部３３の内壁２４に形成されており、ＬＥＤ基板１５およびインジケータ層１７Ｃが凹部３３の内部に配設されている。特に、蛍光センサ１０Ｃでは、シリコン等の半導体からなる配線基板３０と、貫通孔が形成された枠状基板４０と、が接合されている主基板２５を有する。
【００７１】
蛍光センサ１０Ｃは、第１実施形態の蛍光センサ１０と同様の効果を有し、更に、インジケータ層１７を取り囲む内壁２４に形成されたＰＤ素子１２Ｃにより蛍光Ｆを検出するために、検出感度が高い。
【００７２】
＜第３実施形態の変形例＞
次に、本発明の第３実施形態の変形例の蛍光センサ１０Ｄについて説明する。蛍光センサ１０Ｄは第３実施形態の蛍光センサ１０Ｃと類似しているため同じ構成要素には同じ数字の符号を付し説明は省略する。
【００７３】
図１１に示すように、蛍光センサ１０Ｄでは、第３実施形態の配線基板３０および枠状基板４０に相当する主基板２５Ｄが、半導体基板、例えば、シリコン基板により、一体的に作製されている。すなわち、主基板２５Ｄの凹部３３Ｄは、例えばエッチング法により、シリコン基板の第１の主面３２Ｃに形成された矩形の凹部である。
【００７４】
エッチング法としては、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを用いるウエットエッチング法が望ましいが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）などのドライエッチング法も用いることができる
例えば、主面の面配向が（１００）面のシリコン基板の場合には、（１１１）面のエッチング速度が（１００）面に比べて遅い異方性エッチングとなる。このため、凹部３３Ｄの内壁２４Ｄは（１１１）面となり、（１００）面との角度θ１は５４．７４度となる。すなわち、開口部および底面３２Ｄが矩形の凹部３３Ｄの４つの内壁２４Ｄはテーパー形状である。
【００７５】
ＰＤ素子１２Ｄは、凹部３３Ｄの内壁２４Ｄに形成される。ＰＤ素子１２Ｄは少なくとも１つの内壁の少なくとも一部に形成される。内壁にテーパーのある凹部３３Ｄは、内壁２４が垂直な凹部３３に比べてＰＤ素子を形成する面積が広いだけでなく、内壁２４ＤへのＰＤ素子１２Ｄの形成が容易である。ＰＤ素子１２Ｄの形成後に、ＰＤ素子１２Ｄを覆うようにフィルタ１４Ｄが配設される。
【００７６】
なお、蛍光センサの仕様によっては、蛍光センサ１０Ｃのように、凹部の壁面２４Ｄは主面に垂直であってもよい。また、凹部３３Ｄの底面３２ＤにもＰＤ素子が形成され、フィルタが配設されていてもよい。
【００７７】
ここで、蛍光センサ１０ＤにおいてはＬＥＤ基板１５Ｄは、第２の主面１５Ｂ側から研磨加工され、例えば厚さが１０μｍと薄層化されている。このため、薄層化されていないＬＥＤ基板を配設した場合と比較すると、凹部３３Ｄの深さに対してインジケータ層１７Ｄが占める厚さが厚いため、より多くの蛍光が発生する。このため、蛍光センサ１０Ｄは高感度である。また、薄層化されたＬＥＤ基板を有する蛍光センサは、たとえ浅い深さの凹部であっても十分な検出感度を得ることができる。
【００７８】
ＬＥＤ基板１５Ｄの第２の主面１５Ｂには第１実施形態の蛍光センサ１０と同じ、光量均一化部である反射膜２０が配設されている。もちろん、光量均一化部としては既に説明した各種の励起光拡散部または各種の励起光減衰部を用いてもよい。
【００７９】
なお、図１１においても、ＬＥＤ基板１５Ｄの第１の主面１５Ａに形成されたＬＥＤ素子１５Ｃの電極１５Ｍと接続される配線等は図示していない。透明樹脂層１６ＤがＬＥＤ基板１５Ｄを覆うように凹部３３Ｄに配設された後、インジケータ層１７Ｄが凹部３３Ｄの内部に配設される。そして凹部３３Ｄの開口を塞ぐように、遮光層１８Ｄが配設される。
【００８０】
蛍光センサ１０Ｄは、半導体からなる主基板２５Ｄに、主面３２Ｃと平行な底面３２Ｄのある凹部３３Ｄがあり、ＰＤ素子１２Ｄが凹部３３Ｄの内壁２４Ｄに形成されており、ＬＥＤ基板１５Ｄおよびインジケータ層１７Ｄが凹部３３Ｄの内部に配設されている。特に、蛍光センサ１０Ｄでは、凹部３３Ｄがシリコンからなる主基板２５Ｄにエッチングにより形成されている。
【００８１】
蛍光センサ１０Ｄは蛍光センサ１０Ｃ等が有する効果を有し、更に、製造が容易で、かつ小型化に適しており、更に、より高感度である。
【００８２】
本発明は、上述した実施形態または変形例等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。
【符号の説明】
【００８３】
２…アナライト、１０、１０Ａ〜１０Ｄ…蛍光センサ、１１…シリコン基板、１２…ＰＤ素子、１２…酸化シリコン膜、１４…フィルタ、１５…発光素子基板、１５Ａ…第１の主面、１５Ｂ…第２の主面、１５Ｃ…ＬＥＤ素子、１６…透明樹脂層、１７…インジケータ層、１８…遮光層、２０…反射膜、２１…励起光拡散部、２２…遮光膜、２４…内壁、２５…主基板、３０…配線基板、３２Ａ、３２Ｃ…主面、３２Ｂ、３２Ｄ…底面、３３…凹部、４０…枠状基板、１０１…透明支持基板、１０３…光電変換素子部、１０３Ａ…基板、１０５…光学板状部、１０５Ａ…集光機能部、１０６…インジケータ層、１０９…カバー層、１１０…蛍光センサ、１２０…空隙領域、Ｅ…励起光、Ｆ…蛍光
【図１】
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【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】
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【図１１】
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