(57)【要約】【課題】製造が容易で、製造コストが低く、応答時間の制御性がよく、しかも多数のセンサ素子をアレイ状に形成可能な環境センサを提供する。【解決手段】 周囲環境における化学物質や変化を検出するセンサ（１０，３０，４０，５０，７０）は、化学指示薬を含むゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，１７，５４，５６，５７）を利用する。基板（１１，５１）に溝（１２，１３，２４，５２，５３）を形成する。溝は、化学指示薬を有するゾル・ゲル物質で充填され、ゾル・ゲルを硬化させて基板（１１，５１）に接着させる。溝（１２，１３，２４，５２，５３）は、光ファイバ・ケーブル（４６）のゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするように形成される。光は光ファイバ・ケーブル（４６）からゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，１７、５４，５６，５７）に結合される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する基板（１１，５１）と、
前記表面上の複数の平行溝（１２，１３，２４，５２，５３）と、前記複数の平行溝の各溝内に設置されたゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，１８，５４，５６，５７）と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの一端に各々光学的に結合されている複数のファイバ（４７，４８）と
から成ることを特徴とする環境センサ。
【請求項２】
表面を有する基板（１１，５１）と、
前記表面上の複数の平行溝（１２，１３，２４，５２，５３）と、
前記複数の平行溝の各溝内に配置されたゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，１８，５４，５６，５７）と、
各ゾル・ゲル・センサ素子の第１端部に光学的に結合された光学素子と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの第２端部に各々光学的に結合されている複数のファイバ（４７，４８）とを備えることを特徴とする環境センサ。
【請求項３】
表面を有する基板（１１，５１）と、
前記基板の表面に形成した第１溝（１２，５１）と、
第１端部および第２端部を有し、前記第１端部から前記第２端部に光を伝えるように形成されている第１ゾル・ゲル・センサ要素（１４，５４）と、
前記第１ゾル・ゲル・センサ要素に付加され、周囲環境に応答して、前記第１端部から前記第１ゾル・ゲル・センサ要素を通って前記第２端部に入る光の強度を変化させる第１染料と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの第１端部に各々光学的に結合されている複数のファイバ（４７，４８）とから成ることを特徴とする環境センサ（１０，３０，４０，５０，７０）。
【請求項４】
表面を有するシリコン基板（１１）と、
前記表面上の複数の平行溝（１２，１３，２４）と、
前記複数の平行溝の各溝内に配置されたゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，１８）であって、少なくとも１つは化学指示薬を有する前記ゾル・ゲル・センサ素子と、
ゾル・ゲル・センサ素子内に光を入射させるために前記ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの一端に各々光学的に結合されている複数のファイバ（４７，４８）と
から成ることを特徴とする環境センサ。
【請求項５】
センサの形成方法であって、
表面に複数の溝（１２，１３，２４，５２，５２）を有する基板（１１，５１）を形成する工程と、
前記複数の溝の各溝内にゾル・ゲル・センサ素子（１４，１６，１８，５４，５６，５７）を、少なくとも１つのゾル・ゲル・センサ素子は化学指示薬を有するように形成する工程と、
ゾル・ゲル・センサ素子のそれぞれの一端に複数のファイバ（４７，４８）のうちの１つを光学的に結合する工程と
から成ることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にセンサに関し、更に特定すれば新規な光センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
グラス・ファイバ光ケーブルは、ｐＨセンサとして、二酸化炭素、一酸化炭素、およびアンモニアのような化学物質の存在を検出するために以前から用いられている。被覆された光ファイバ・ケーブル(cladded fiberoptic cable)上のクラッディング(cladding)の微小部分を除去し、ファイバの微小部分を露出させる。化学的に感応する染料(chemically sensitive dye)を含むゾル・ゲル誘導シリカ・ガラス(sol-gel derived silica glass)を用意し、露出されたファイバの外側に塗布することによって、化学的感応染料を含むシリカ・ガラスを光が通過しないようにまたは接触しないようにする。異なるレベルの化学検体(chemical analyte)に露出されると、光ファイバ・ケーブルの透過能力が変化することにより、ケーブルを通過する光が変化することになる。
【０００３】
従来のセンサに伴う問題の１つは製造コストである。クラッディングの部分をケーブルの中央部分において除去しなければならず、次いで露出された円筒状ケーブル部分にゾル・ゲルを塗布する。クラッディングの除去およびゾル・ゲルの塗布は労働集約的であるため、費用のかかる作業である。加えて、ゾル・ゲル被膜の厚さおよび均一性を制御するのは困難である。結果的に、センサの応答時間は、ゾル・ゲル被膜の厚さによってばらつきが生じる。更に、多数の化学物質および元素を検出するのに適した、多数のセンサを配列したアレイを生産するのは困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、製造が容易で、製造コストが低く、応答時間の制御性がよく、しかも多数のセンサ素子のアレイに容易に形成可能な光センサを有することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によるセンサは、周囲環境における化学物質や変化を検出するものであり、化学指示薬を含むゾル・ゲル・センサ素子を利用する。基板に溝を形成し、これらの溝に化学指示薬を有するゾル・ゲル物質を充填する。ゾル・ゲル物質を硬化させて基板に接着させる。溝は、光ファイバ・ケーブルのゾル・ゲル・センサ素子への光学的結合を容易とするように形成される。光は光ファイバ・ケーブルからゾル・ゲル・センサ素子に結合される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明による光センサの斜視図。
【図２】本発明による光センサの別の実施例を示す断面図。
【図３】本発明による光学素子を有する光センサの他の実施例を示す断面図。
【図４】本発明による光学素子を有する光センサの他の実施例を示す断面図。
【図５】本発明による光センサの他の実施例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、光センサ素子のアレイを有する環境センサ即ち光センサ１０の斜視図を示す。センサ１０は、例えばシリコンの基板１１上に形成され、第１溝１２、第２溝１３、および第３溝２４のような複数の平行なＶ字状溝が、基板１１の一方の表面上に形成されている。溝１２，１３，２４を形成するには、当業者には既知のエッチング技法を用いる。＜１００＞方位を有するシリコンを用いる場合、エッチングを行うと、その結果として角度約５４．７°の壁を有するＶ字状溝が得られる。溝１２，１３，２４の中には、第１ゾル・ゲル・センサ素子１４、第２ゾル・ゲル・センサ素子１６、および第３ゾル・ゲル・センサ素子１７がそれぞれ形成されている。素子１４，１６，１７は、テトラエチルオルトシリケート(tetraethylorthosilicate) またはメチルトリメトキシシラン(methyltrimethoxysilane)をアルコールまたは水で加水分解(hydrolyze)し、塩化水素酸(hydrochloric acid)のような触媒を任意に加えることによって形成される。ゾル・ゲルを加水分解する方法は当業者には既知である。典型的に、マスクを基板１１の表面に被着し、パターニングを行って溝１２，１３，２４の部分を露出する開口を形成し、その中に素子１４，１６，１７を形成する。次いで、マスクを除去し、ゾル・ゲル混合物を用意し、加水分解する。加水分解の後、化学指示薬(chemical indicator)をゾル・ゲル混合物に付加し、スピン・コーティングまたは均一な塗布が得られるその他の技法によって、この混合物を基板１１の表面に塗布する。化学指示薬は典型的に、センサ１０が露出される環境において測定または検出される検体に感応する染料である。ゾル・ゲルを乾燥させて、溝１２，１３，２４内の素子１４，１６、１７を完成させる。
【０００８】
動作中、素子１４，１６，１７の１つまたは複数に光を入射させる。素子１４，１６、１７内の化学指示薬は周囲の環境と反応し、素子１４，１６，１７を通過する光を変換する(transmform)。光に対する効果は、素子１４，１６，１７内の指示体の種類、および指示体と周囲の環境との間の相互作用によって異なる。検出すべき大気化学物質(atomospheric chemical)に露出させた後では、ある光の波長における指示体の吸収量が変化するので、素子１４，１６，１７から出てきた光の強度は、素子に入射した際の光の強度とは異なっている。他のタイプの指示体には、入射光を吸収し、吸収したエネルギを用いて特定の光波長を放出するものがあり、この場合素子１４，１６，１７から出ていく光は、化学指示薬の放出周波数によって定まる。かかる指示体は、典型的に、蛍光モード(fluorescence mode)において動作すると言う。典型的な指示体、動作モード、および検出される元素を、以下の表に纏めておく。
【表１】
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【０００９】
典型的に、光を素子１４，１６，１７に入射させる際、第１光ファイバ４７、第２光ファイバ４８、および第３光ファイバ４９のような個別の光導管即ちファイバを有するファイバ・リボン・ケーブル４６を利用する。素子１４，１６，１７の長さは、典型的に基板１１の長さであり、それぞれファイバ４７，４８，４９への光学的結合を可能にする。空間２１が素子１４，１６，１７の端部と各溝１２，１３，２４の端部それぞれの間に残ってもよいが、かかる空間２１をできるだけ小さくして、ファイバ４７，４８，４９に対して最適な結合を与えるのが望ましい。図１では、図面および説明の簡略化のために、空間２１のサイズが誇張されている。
【００１０】
溝１２，１３，２４の深さは、ファイバ４７，４８，４９への光学的結合を最も効率的にするように選択される。典型的に、この深さは、素子１４，１６，１７に入射される光の波長において、素子１４，１６，１７内で単一モードまたは多重モードのいずれでも可能にするように形成される。エッチングの結果角度が約５４．７°の壁が得られるので、溝１２，１３，２４の深さは、各溝または各溝の上端によって形成される三角形の底辺(base)の幅によって決定される。典型的に、全ての溝はほぼ同一の幅を有するが、溝２４は約３５ないし５０ミクロンの幅２３を有し多重モード動作を与え、一方溝１２，１３は約１０ないし１５ミクロンの幅２２を有し、単一モード動作を与えるように示されている。
【００１１】
溝２４の深さが溝１２，１３よりも深いので、素子１７は多層ゾル・ゲル・センサ素子とすることができる。これは、加水分解したゾル・ゲル物質を連続的に塗布および硬化することによって層状に形成される。最下層群のためのゾル・ゲル物質は、計量分配(dispense)またはスピン・オン(spin-on)によって形成することができる。このように層状に形成する場合は、最下層または層群は化学指示薬を含まずに形成することができ、指示体は最上層にのみ存在する。異なる層を用いることによって、素子１７の底部から最上部までの屈折率を容易に変化させることができるため、素子１７の端部付近で素子全体を均一に照明するモードから最上層のみを照明するモードまで、光透過モードを徐々に変化させることができる。これによって、指示体および光は素子１７の表面付近に留まるので、素子１７の応答時間が短縮される。
【００１２】
また、センサ１０は、基板１１の外側縁に沿って溝１２，１３，２４に平行に形成された、複数の整合溝１８も含む。各整合溝１８内では、位置決めピン(locating pin)１９を用いて外部接続器をセンサ１０と整合させることにより、ファイバ４７，４８，４９のような光ファイバを素子１４，１６，１７に光学的に結合する。これらについては、後に図５において説明する。各ピン１９は、典型的に、基板１１の長さよりも大きい長さを有し、外部接続器との嵌合(mating)を容易にしている。
【００１３】
基板１１にＶ字状溝をエッチングすることにより、溝１２、１３，２４は非常に滑らかな壁を有するので、素子１４，１６，１７は、当該素子１４，１６，１７を通過する光に対して、低損失導波路として機能し易くなる。半導体エッチング技法を利用するので、溝１２，１３，２４、およびセンサ素子１４，１６，１７は常に同一形状を有し、容易に大きなアレイに形成でき、マルチチャネル動作が容易に実現可能となる。ゾル・ゲルのスピン・コーティングを利用することにより、センサ１０の反復性と製造可能性は更に高まることになる。更にまた、スピン・コーティングによって、積層される層が光センサ素子の屈折率を変化させることができ、マルチ・モード動作用の厚いセンサ素子の形成が可能となる。
【００１４】
多数の光センサ素子のアレイを形成することにより、化学指示薬を含まない１つの素子を形成し、基準チャネルとして機能させ、センサ１０の感度と安定性を最適化することができる。更にまた、素子のアレイを用いることにより、各素子に異なる化学指示薬を容易に使用できるようになるので、センサ１０は周囲環境において種々の化学物質(chemical)または状態を検出可能となる。加えて、化学指示薬を省略することができ、センサ１０は２本のファイバ・リボン・ケーブルを共に結合する接続器として機能することができる。
【００１５】
図２は、図１に示したセンサ１０の他の実施例である光センサ５０の断面図である。センサ５０は、プラスチックまたはその他の適した物質でモールドされた、モールド基板５１を有する。基板５１には、図１に示した溝１２，１３と同様に機能する複数の第１溝５２と、図１に示した溝２４と同様に機能するより深い溝５３がモールドされる。溝５２，５３をモールドで形成するので、種々の形状が溝５２，５３に可能であるが、好適実施例では正方形である。溝１８（図１）と同様に機能する整合溝５８も、基板５１をモールドするときに形成される。続いて、それぞれ素子１４，１６，１７（図１）と同様に機能する、第１センサ素子５４、第２センサ素子５６、および第３センサ素子５７を形成する。典型的に、素子５４，５６，５７は、スピン・オン・コーティングの代わりに、ゾル・ゲルを溝５２，５３内に計量分配することによって形成される。位置決めピン５９は、図１に示した位置決めピン１９と同様に機能する。
【００１６】
図３は、図１に示したセンサ１０の更に他の実施例である光センサ３０の部分断面図を示す。図１と同一参照番号を有する図３の素子は、対応する図１の素子に類似するものである。センサ３０は、基板１１内に形成されセンサ素子１４と光学的に結合された、光学素子を有する。光検出器２８が、素子１４の第１端部に隣接して、基板１１内に形成されている。検出器２８はアノード２９およびカソード３１を有するので、検出器２８はファイバ４７によって素子１４に入射された光を検出することができる。ボンディング・パッド２６，２７が設けられ、それぞれアノード２９およびカソード３１への電気接点を形成する。ファイバ４７が素子１４の第２端部に結合されている。
【００１７】
光エミッタの形成と併用可能性(compatible)のある基板材料を用いることによって、センサ３０は光エミッタも含み、これをファイバ４７の代わりに素子１４の第２端部に結合することも可能である。例えば、砒化ガリウム基板１１を用いて、発光ダイオードをエミッタとして使用したり、あるいは、基板１１としてエピタキシャル成長による砒化ガリウムを用いることにより、レーザ・エミッタを検出器と共に形成することも可能である。
【００１８】
図４は、図１に示した光センサ１０の他の実施例である光センサ４０の部分断面図を示す。図１と同一参照番号を有する図４の素子は、対応する図１の素子に類似するものである。図１に関して説明したが、センサ４０は、図２に示したセンサ５０の他の実施例とすることも可能である。センサ４０は、素子１４の第１端部に光学的に結合された光学素子４２を有する。素子４２は光検出器として、ファイバ４７によって素子１４内に入射された光を検出したり、あるいは、光エミッタとして、矢印で示す光４４を素子１４内に入射させ、ファイバ４７に結合させることができる。素子４２は、典型的に、はんだバンプまたは当業者には既知の他の技法によって、基板１１の一方の表面上のボンディング・パッド４１に接着されている。光学素子４２に入りまたは光学素子４２から出た光を素子１４に結合するために、光４４がＶ字状溝１２の傾斜した壁（図１）で反射するように、素子４２を位置付ける。したがって、Ｖ字溝１２の傾斜した端部の壁は、光４４のミラーとして機能する。あるいは、素子４２を縁部放出型エミッタ(edgeemitting emitter)として放出領域を素子１４に結合させることもでき、または、素子４２を、ボンディング・パッド４１に接着されたプリント回路基板のような電気回路基板上に実装することもできる。
【００１９】
図３および図４に示す実施例は、光源と検出器とを有するセンサの製造を容易にすることにより労力を減少し、かかるセンサのコスト低減を図るものである。これによって、読み出し用電子回路に容易に接続でき、しかも小型化されたセンサの形成が可能となる。加えて、ファイバ・リボン・ケーブルのコストも、センサ３０（図３）およびセンサ４０（図４）と共に低下する。
【００２０】
図５は、図２に示したセンサ５０の別の実施例である、光センサ７０の断面図を示す。図２と同一参照番号を有する図５の素子は、対応する図２の素子に類似するものである。基板５１は、基板５１内にモールドされたプリズム７１を有する。プリズム７１は各センサ素子５４，５６の第１端部付近にあり、各素子５４，５６の第１端部に光学的に結合されている。光接続器７５は、センサ素子５４，５６に光学的に結合された複数の光ファイバ４７を有するファイバ・リボン・ケーブル４６を含む。ファイバ４７の一部は、矢印７２で示すように、光を素子５４内に入射させる。光は素子５４から出てプリズム７１に入射し、内部で反射して対応する素子５６に再び結合され、矢印７２で示すように、対向するファイバ４７に結合される。
【００２１】
接続器７５は、ケーブル４６に接着されケーブル４６を所定位置に堅固に保持する接続器本体７６を有する。典型的に、本体７６は、ケーブル４６周囲にモールドされた、モールド・プラスチックである。また、接続器７５は、ピン５９に整合されピン５９を受容する整合用開口７７も有する。ケーブル４６は、モールディングに先だって、ファイバ４７が素子５４，５６と整合するように、ピン５９に対して位置付けられる。接続器７５は、センサ１０（図１）、センサ５０（図２）、センサ３０（図３）、およびセンサ４０（図４）と共に用いるのにも適していることを注記しておく。加えて、図３、図４および図５に示した実施例から化学指示薬を省略し、センサ３０，４０，５０の小型光学操舵装置(compact optical steering device)または光電素子としての使用を容易にすることもできる。
【００２２】
プリズム７１は、単一のファイバ・リボン・ケーブルの実施を容易にするので、センサ・システムのサイズの縮小、およびそれに対応するコストの低減を図ることができる。
以上の説明から、新規なセンサが提供されたことが認められよう。エッチングまたはモールドによって溝を形成することにより、精度の高い位置決めおよび製造コストの低下が容易となる。また、ゾル・ゲルおよび指示薬物質をスピン−オンによって設ける結果、厚さの正確な制御、対応する応答時間の短縮、反復性の高いセンサ素子の実現、および製造コストの低減が可能となる。加えて、溝をエッチングまたはモールドによって形成し、ゾル・ゲルおよび指示薬をスピン−オンによって設けることにより、環境において種々の化学物質や状態を検出するために使用できる指示体のアレイを小領域に容易に形成可能となる。
【符号の説明】
【００２３】
１０，３０，４０，５０，７０ センサ
１１，５１ 基板
１２，１３，２４，５２，５３ 溝
１４，１６，１７，５４，５６，５７ ゾル・ゲル・センサ素子
１８ 整合溝
１９，５９ 位置決めピン
２８ 光検出器
２９ アノード
３１ カソード
２６，２７，４１ ボンディング・パッド
４２ 光学素子
４６ ファイバ・リボン・ケーブル
４７，４８，４９ 光ファイバ
７１ プリズム
７５ 接続器
７６ 接続器本体
７７ 整合用開口
【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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