JP7494582B2 - Gas detection device and gas detection method - Google Patents
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Description
本開示は、ガスを検出する技術に関し、特に光学的方法によってガスを検出する技術に関する。 This disclosure relates to technology for detecting gases, and in particular to technology for detecting gases by optical methods.
微量なガスを検知できる繰り返し使用可能なガスセンサとして、半導体基板上に作製した周期的な金属細線等に誘起されるプラズモン共鳴を用いたガスセンサが研究されてきた。プラズモン共鳴波長は金属細線の周期と媒質の屈折率とで決まる。そのため、金属細線上に微量なガス分子が吸着すると実効的な屈折率が僅かに変化するため、プラズモン共鳴波長がシフトする。そのプラズモン共鳴波長のシフトを、分光測定を行って観測することで、ガスの検知をすることができる。そのような技術が、例えば特許文献1及び非特許文献1によって開示されている。このようなプラズモン共鳴を用いたガスセンサは、ガス吸着から信号への応答速度が速く、また、ガス離脱後に再使用が可能であるといった利点がある。 Gas sensors using plasmon resonance induced in periodic metal wires fabricated on a semiconductor substrate have been studied as reusable gas sensors capable of detecting minute amounts of gas. The plasmon resonance wavelength is determined by the period of the metal wires and the refractive index of the medium. Therefore, when a minute amount of gas molecules is adsorbed on the metal wires, the effective refractive index changes slightly, and the plasmon resonance wavelength shifts. Gas can be detected by observing the shift in the plasmon resonance wavelength through spectroscopic measurement. Such technology is disclosed, for example, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1. Such gas sensors using plasmon resonance have the advantages of a fast response speed from gas adsorption to a signal and the ability to be reused after gas desorption.
特許文献1及び非特許文献1によって開示されている技術では、ガス吸着に伴うプラズモン共鳴波長のシフトを観測するためには分光測定をする必要がある。そのため、光検出器に加えて分光器やフーリエ変換赤外分光装置等の大掛かりで高価な計測装置を用いる必要があるという課題があった。 In the technology disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, spectroscopic measurement is required to observe the shift in plasmon resonance wavelength due to gas adsorption. Therefore, there is a problem in that it is necessary to use large-scale and expensive measuring equipment such as a spectrometer or Fourier transform infrared spectrometer in addition to a photodetector.
本開示の目的の1つは、プラズモン共鳴を使用してガスを検出するコストを低減できるガス検出装置等を提供することである。 One of the objectives of the present disclosure is to provide a gas detection device and the like that can reduce the cost of detecting gas using plasmon resonance.
本開示の一態様に係るガス検出装置は、局在プラズモン共鳴を誘起する構造を備えた反射手段と、前記反射手段に光を照射する発光手段と、所定波長を含む所定範囲の波長の光を透過するバンドパス手段と、前記バンドパス手段を透過した、前記反射手段による前記光の第1の反射光に基づく強度を測定し、当該強度に基づいて、前記反射手段の表面のガスを検出する検出手段と、を備える。 A gas detection device according to one aspect of the present disclosure includes a reflecting means having a structure that induces localized plasmon resonance, a light emitting means that irradiates the reflecting means with light, a bandpass means that transmits light of a predetermined range of wavelengths including a predetermined wavelength, and a detecting means that measures the intensity of the light based on a first reflected light of the light by the reflecting means that has transmitted through the bandpass means, and detects gas on the surface of the reflecting means based on the intensity.
本開示の一態様に係るガス検出方法は、局在プラズモン共鳴を誘起する構造を備えた反射手段に光を照射する発光手段と、所定波長を含む所定範囲の波長の光を透過するバンドパス手段を透過した、前記反射手段による前記光の第1の反射光に基づく強度を測定し、当該強度に基づいて、前記反射手段の表面のガスを検出する。 A gas detection method according to one aspect of the present disclosure includes a light emitting means for irradiating light onto a reflecting means having a structure for inducing localized plasmon resonance, and measures the intensity of the light based on a first reflected light of the light by the reflecting means that has passed through a bandpass means that transmits light of a predetermined range of wavelengths including a predetermined wavelength, and detects gas on the surface of the reflecting means based on the intensity.
本開示には、プラズモン共鳴を使用してガスを検出するコストを低減できるという効果がある。 The present disclosure has the advantage of reducing the cost of detecting gases using plasmon resonance.
<第1の実施形態>
(構造の説明)
本開示の第1の実施形態に係るガス検出装置(単に、検出装置とも表記される)を、図面を参照しながら説明する。以下の各図面において、同一の要素は、同一の符号によって共通して表される。特に断りのない限り重複説明は省略する。
First Embodiment
(Structural Description)
A gas detection device (also simply referred to as a detection device) according to a first embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same elements are commonly represented by the same reference numerals. Unless otherwise specified, duplicated descriptions will be omitted.
まず、本実施形態に係るガス検出装置1の概略を、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るガス検出装置の概略を表す図である。ガス検出装置1は、ガスチャンバー11と、半導体チップ12と、光源13と、半導体光検出器14と、バンドパスフィルター15とを含む。検出したいガス(すなわち、測定対象のガス)は、ガスチャンバー11に注入される。ガスチャンバー11は、注入されたガスを、半導体チップ12に導入する。ガスチャンバー11は、測定対象のガスを導入する前は真空に保たれていることが望ましい。また、ガスチャンバー11には、アパーチャー(窓)16が形成されている。アパーチャー16は、後述の励起光がアパーチャー16を通して、ガスチャンバー11の中に透過し、後述のプラズモン共鳴光がアパーチャー16を通して、ガスチャンバー11の外に透過するように、形成されている。半導体チップ12は、ガスチャンバー11中に設置される。具体的には、半導体チップ12は、ガスチャンバー11の内部の空洞に設置される。半導体チップ12の表面には、プラズモンを誘起するための構造が形成されている。プラズモンを誘起するための構造として、例えば非特許文献1に開示されているような周期的金属細線構造を用いることができる。しかし、プラズモンを誘起するための構造は、それのみに限定されない。光源13は、アパーチャー16を通して、半導体チップ12に励起光を照射する。半導体チップ12に励起光を照射することによって、半導体チップ12の、励起光が照射された表面に、プラズモン共鳴光が誘起される。プラズモン共鳴光は、アパーチャー16を通して、半導体光検出器14に入射する。半導体光検出器14は、半導体チップ12に励起光を照射することによって半導体チップ12の表面に誘起された、プラズモン共鳴光を検出する。バンドパスフィルター15は、半導体チップ12と半導体光検出器14との間に設置される。図1に示す例では、バンドパスフィルター15は、アパーチャー16に取り付けられている。
First, the outline of the gas detection device 1 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a diagram showing the outline of the gas detection device according to this embodiment. The gas detection device 1 includes a gas chamber 11, a semiconductor chip 12, a light source 13, a
続いて、表面入射型光検出器と裏面入射型光検出器の違いについて図2を参照しながら説明する。図2は、表面入射型光検出器及び裏面入射型光検出器の断面図の模式図である。半導体光検出器14は、画素が1つのみの単画素検出器であってもよく、多数の画素を備える検出器アレイであってもよい。本説明では、画素は、例えば、独立した検出の結果を1つ出力する、検出器の要素を指していてよい。以下の説明では、半導体光検出器14は、単画素検出器である。図2の(a)は、表面入射型単画素検出器の断面の模式図である。半導体光検出器は、入射された光を電気信号に変換する受光層21を有する。図2に示す例では、受光層21の「幅」が半導体母材22よりも狭くなっている領域が、1画素を表している。しかし、画素の実現の方法はこれに限定されない。一般的に、半導体光検出器を作製する際には、このような受光層に電気的にコンタクトを取るための金属電極23の作製等の微細加工が行われる。例えばボロメータ等の光検出器では、受光層そのものが微細加工によって作製される場合もある。以下の説明では、半導体ウエハの面のうち、上記のような微細加工を行った側の面を、「表面」と呼び、「表面」の反対側の面を「裏面」と呼ぶ。図2の(a)に示す例のように、検出される入射光25が表面から入射するタイプの光検出器が、表面入射型光検出器である。表面入射型光検出器の場合、検出される入射光25が受光層21に到達するのを妨げることのないように、素子表面には何も設けられないか、または、素子表面に金属電極23等があったとしても、入射光を通すためのアパーチャー24(図2の(a)では、アパーチャー24は「金属電極のアパーチャー24」と表記されている)が設けられる。言い換えれば、素子表面を金属膜等で覆うことはできない。
Next, the difference between a front-illuminated photodetector and a back-illuminated photodetector will be described with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a schematic diagram of a cross-section of a front-illuminated photodetector and a back-illuminated photodetector. The
一方、図2の(b)は、裏面入射型単画素検出器の断面の模式図である。検出する光が裏面から入射されるタイプの光検出器が、図2の(b)に示すような裏面入射型光検出器である。裏面入射型光検出器の場合、検出したい入射光25は微細加工を施していない裏面から入射されるため、素子表面の全て又は大部分を金属膜等で覆うことができる。なお、その金属膜は、金属電極23の役割を兼ねていてもよい。また、入射光の裏面での散乱を避けるために、裏面を鏡面研磨することができる。本説明における定義では、裏面の鏡面研磨は、裏面の凹凸のRMS粒径値が入射光の波長以下となるように研磨することを表す。また、鏡面は、面の凹凸のRMS粒径値が入射光の波長以下となるように研磨された状態を表す。本実施形態では、裏面入射型光検出器が半導体光検出器14として用いられる。なお、以下の説明において、裏面入射型光検出器である半導体光検出器14の「裏面」を、「入射面」と表記することがある。また、裏面入射型光検出器である半導体光検出器14の「表面」を、「反射面」と表記することがある。
On the other hand, FIG. 2(b) is a schematic diagram of a cross section of a back-illuminated single pixel detector. A type of photodetector in which light to be detected is incident from the back surface is a back-illuminated photodetector as shown in FIG. 2(b). In the case of a back-illuminated photodetector, the incident light 25 to be detected is incident from the back surface that is not subjected to microfabrication, so all or most of the surface of the element can be covered with a metal film or the like. The metal film may also serve as the metal electrode 23. In addition, the back surface can be mirror-polished to prevent scattering of the incident light on the back surface. In the definition in this description, mirror-polishing of the back surface means polishing so that the RMS grain size value of the unevenness on the back surface is equal to or less than the wavelength of the incident light. In addition, the mirror surface means a state in which the surface is polished so that the RMS grain size value of the unevenness of the surface is equal to or less than the wavelength of the incident light. In this embodiment, a back-illuminated photodetector is used as the
本実施形態において用いられる裏面入射型光検出器は、表面が金属膜等の光に対する反射構造で覆われていることと、裏面が鏡面研磨されていることを特徴とする。そして、本実施形態において用いられる裏面入射型光検出器は、基板表面の反射面と、基板裏面の鏡面とが、平行である構造を持つ。 The back-illuminated photodetector used in this embodiment is characterized in that its front surface is covered with a light-reflective structure such as a metal film, and its back surface is mirror-polished. The back-illuminated photodetector used in this embodiment has a structure in which the reflective surface of the front surface of the substrate and the mirror surface of the back surface of the substrate are parallel.
(製造方法の説明)
続いて、半導体光検出器14の製造方法について説明する。図3は、図2の半導体光検出器14の断面の拡大図を模式的に表す図である。ただし、図3では、図2で示した受光層の幅の違いのような、画素の構造の図示は省略されている。図3では、受光層21と半導体母材22とを表す領域を、併せて、「半導体母材および受光層31」として示されている。半導体光検出器を作製する微細加工等の方法は、一般的な通常の作製方法であってよく、ここではその詳細な説明を省略する。半導体光検出器を作製した後に、半導体母材および受光層31の表面上に、光を反射する表面反射構造32を作製する。表面反射構造32は、金属膜であってもよく、誘電体多層膜からなる分布ブラッグ反射鏡であってもよい。続いて、半導体光検出器の裏面をグラインダー等で研削することによって、半導体母材および受光層31の厚さを薄くする。この時、研削は、研削後の裏面が表面反射構造32と平行になるように行われる。研削後の半導体母材および受光層31の厚さは、検出する入射光25の半導体中における波長の100倍以下であることが好ましい。その理由は後述する。研削後の裏面には鏡面加工が施される。以上で述べた反射構造の作成と裏面の研削と鏡面加工とが、本実施形態のガス検出装置1に用いられる半導体光検出器に特有の製造工程である。
(Description of Manufacturing Method)
Next, a method for manufacturing the
(動作の説明)
まず、上記の説明のように作製された半導体光検出器14の単体の動作について説明する。半導体光検出器14に検出したい光が入射された時の振る舞いを、図4に示す模式図を用いて説明する。図4は、半導体光検出器14への入射光とその入射光に係る反射光及び透過光とが描かれた模式図である。図4に示す半導体光検出器14の裏面から、裏面と垂直方向に入射光25が入射されたとき、入射光25のうち裏面で反射されず透過した光は、表面反射構造32において図面の下方向に反射される。なお、入射光25の一部は、裏面で反射される。裏面で反射される光は、図4では省略されている。本説明では、表面反射構造32において図面の下方向に反射された光を、表面での反射光41と表記する。以下では、表面での反射光41は、単に、反射光41とも表記される。表面での反射光41が半導体光検出器14の裏面に到達すると、表面での反射光41の一部は、透過光42(図4では「裏面での透過光42」と表記)として検出器外に出ていき、残りは、裏面での再反射光43として図4の上方向に戻る。図4の「裏面での再反射光43」は、以下では、「再反射光43」とも表記される。構造の説明で述べたように、鏡面加工した裏面及び表面反射構造32は、互いに平行になるように作製されている。そのため、入射光25が裏面に垂直な方向から入射された場合、表面での反射光41および裏面での再反射光43は、半導体光検出器14内の、図4の紙面の左右および奥行き方向に広がる面内の同一の場所を通る。言い換えれば、入射光25の光路、表面での反射光41の光路、及び、裏面での再反射光43の光路は、同一となる。図4では、図が煩雑になるのを防ぐために、入射光25と表面での反射光41と裏面での再反射光43をそれぞれ示す矢印は、左右にずらして描かれている。しかし、これらの3本の矢印を、これらの3本の矢印が表す光の光路の実際の位置を示すように描いた場合、3本の矢印は重なる。
(Explanation of operation)
First, the operation of the
上述の構造を持つ半導体光検出器14の裏面に垂直に入射光25が入射した場合、受光層21の位置において、表面での反射光41と裏面での再反射光43とが半導体光検出器14内の紙面の左右および奥行き方向に広がる面内の同一の場所を透過する。そのため、表面での反射光41及び裏面での再反射光43の位相が揃った場合、強め合いの干渉が起こり、位相がちょうどπずれた場合打ち消しあう干渉が起こる。強め合いの干渉が起こる条件は、表面での反射光41と裏面での再反射光43との光路長の差が半導体中の光の波長の整数倍であることである。打ち消しあう干渉が起こる条件は、光路長の差が半導体中の光の波長の半整数倍であることである。そのため、入射光が様々な光の波長成分からなる白色光である場合、受光層21において、ある波長では強め合いの干渉が起こる。強め合いの干渉が起こる波長から波長が長い方に波長をスキャンしていくと、干渉の強め合いが弱くなり、打ち消しあう干渉が起こり、さらに波長が長くなると、干渉の強め合いが強くなり、強め合いの干渉が起こる、ということを繰り返す。波長を短い方にスキャンした場合も同様である。例えば、半導体光検出器14の感度が波長に対して同一であり、半導体光検出器14の出力信号の強度が受光層における光の強度に比例する又は正の相関を持つと仮定する。さらに、入射光の強度を波長に対して一定に保ちながら、入射光の波長を長くなるように又は短くなるように変化させたと仮定すると、上で説明した強め合いおよび打ち消しあいの干渉の結果として、半導体光検出器14の出力信号は、波長の変化に対して振動する。言い換えると、半導体光検出器14の分光感度は、波長の変化に対する振動として表される。
When incident light 25 is incident perpendicularly on the back surface of the
図5は、上述の製造方法によって実際に作製した光検出器の感度の波長依存性(分光感度)を測定した結果を示す図である。図5から、この光検出器の感度が、動作の説明で述べたように、波長に対して細かく振動している様子が分かる。 Figure 5 shows the results of measuring the wavelength dependence (spectral sensitivity) of the sensitivity of a photodetector actually fabricated using the above-mentioned manufacturing method. Figure 5 shows how the sensitivity of this photodetector fluctuates finely with respect to the wavelength, as described in the explanation of its operation.
続いて、半導体光検出器14を含む図1に示したようなセットアップによってガス検知をする動作について説明する。半導体チップ12に光源13から白色光の励起光17を照射すると、半導体チップ12上に作製された周期的金属細線等により局在プラズモン共鳴が起こる。局在プラズモン共鳴による電界強度は、表面近傍でのみ増強される。言い換えれば、光源の白色光のうち共鳴波長を持つ光は、表面近傍に局在する。このことによって、反射光として半導体チップ12外に出ていく電場強度は弱くなる。そのため、非特許文献1に開示されているように、励起光17が半導体チップ12の表面で反射された反射光18のスペクトルを測定すると、プラズモン共鳴波長にのみディップが観測される。プラズモン共鳴波長は、半導体チップ12上に作製された金属細線の周期と表面近傍の材質の屈折率とによって決まる。そのため、半導体チップ表面に微量のガス分子が吸着されると、実効的な屈折率が変調されるため、プラズモン共鳴波長がシフトする。すなわち、反射光18のスペクトルに現れるディップの波長がシフトする。
Next, the operation of gas detection using the setup shown in FIG. 1 including the
本実施形態に係るガス検知の方法では、半導体チップ12上に誘起される局在プラズモンの共鳴波長と、例えば半導体光検出器14の分光感度の振動構造のピークのうちの1つを一致させる。この場合のガスを検知する方法を分かりやすく述べるために、バンドパスフィルター15がないと仮定した場合について、図6を参照しながら説明する。図6は、局在プラズモンの共鳴波長と、例えば半導体光検出器14の分光感度との関係を説明する図である。大きく分けて、図6の左側がガス吸着前を説明する部分であり、図6の右側がガス吸着後を説明する部分である。図6に示す6つの曲線のうち、上の2つは反射光18のスペクトルを表す。中の2つは、半導体光検出器14の波長依存性を表す。下の2つは、半導体光検出器14で反射光18を測定したときの分光感度を表す。これらにおいて、いずれも横軸は波長である。横軸は、左側の3つの曲線で共通である。同様に、横軸は右側の3つの曲線で共通である。以下、さらに詳しく説明する。
In the gas detection method according to the present embodiment, the resonance wavelength of the localized plasmon induced on the semiconductor chip 12 is made to coincide with one of the peaks of the vibration structure of the spectral sensitivity of the
図6の左側の上の部分は、ガス吸着前(例えば真空状態)の反射光18のスペクトル61(以下、「スペクトル61」と表記)を表す。スペクトル61のディップ波長は、半導体チップ12上に誘起された局在プラズモン共鳴波長に対応する。ガス吸着前の半導体チップ12上に誘起された局在プラズモン共鳴波長は、図6の左側と右側の両方に描かれている点線によって示される。図6の左側の中央の部分は、ガス吸着前の半導体光検出器14の感度の波長依存性62(以下、単に「波長依存性62」と表記)を表す。図5の例と同様に、感度は波長に対して振動している。図6の左側の下の部分は、図6左側の中央の部分のような感度の波長依存性を持つ半導体光検出器14で反射光18を測定したときの分光感度63(以下、「分光感度63」と表記)である。半導体光検出器14で反射光18を測定したときの分光感度63は、図6の左側の上の部分の反射光18のスペクトル61と、図6の左側の中央の部分の波長依存性62とを重畳したようなスペクトルとなっている。半導体光検出器14の出力信号強度が受光層における光の強度に比例する又は正の相関を持つ場合、半導体光検出器14で反射光18を測定したときの分光感度63は、概ね、このようなスペクトルになる。そのため、図6の左側の点線によって示されるプラズモン共鳴波長において、分光感度63には小さなディップが見られる。
6 shows the spectrum 61 (hereinafter referred to as "
続いて、真空状態のガスチャンバー11内に測定対象のガスを導入すると、その一部は半導体チップ12の表面に吸着され、それがプラズモン共鳴波長をシフトさせる。その様子が図6の右側に示されている。図6の右側において、点線は、ガス吸着前のプラズモン共鳴波長を示している。一点鎖線は、ガス吸着後のプラズモン共鳴波長を示している。ガス吸着後、反射光18のスペクトル61に見られるディップ波長は、一点鎖線の波長までシフトする。そのため、半導体光検出器14で反射光18を測定したときの分光感度63は、図6の右側の下の部分のようになる。分光感度63において、一点鎖線によって示される波長において大きなディップが存在する一方で、点線によって示されるガス吸着前のプラズモン共鳴波長において、分光感度が増大する(すなわち、回復する)。
Next, when the gas to be measured is introduced into the gas chamber 11 in a vacuum state, a portion of the gas is adsorbed onto the surface of the semiconductor chip 12, which shifts the plasmon resonance wavelength. This is shown on the right side of FIG. 6. On the right side of FIG. 6, the dotted line indicates the plasmon resonance wavelength before gas adsorption. The dashed line indicates the plasmon resonance wavelength after gas adsorption. After gas adsorption, the dip wavelength seen in the
図6に示した分光感度63を測定するためには、FTIR(Fourier transform infrared spectrometer)等の高価で大掛かりな測定装置を用いる必要がある。言い換えれば、分光感度63を測定する場合、コストがかかるという課題を解決できない。そのために、図1に示すバンドパスフィルター15を用いる。バンドパスフィルター15は、特定の波長(以下、透過波長と表記)の光のみを透過させるフィルターである。バンドパスフィルター15は、透過波長を含む特定の波長領域(透過領域と表記)に含まれる波長の光を透過させ、他の波長の光を減衰させるフィルターであってよい。バンドパスフィルター15を用いた場合の半導体光検出器14の出力信号は、透過領域(例えば、バンドパスフィルター15の透過波長の近傍のごく狭い波長領域)で分光感度63を積分した量を示す。そのため、バンドパスフィルター15の透過波長とガス吸着前のプラズモン共鳴波長とが一致する状態でガスチャンバー11内にガスを導入すると、半導体光検出器14の出力信号は、ガス吸着量が増えるに従って増大する(図7を参照)。図7は、ガス吸着量の増加に伴う光検出器の出力信号強度(すなわち、半導体光検出器14の出力信号の強度)の変化の例を表す図である。従って、本実施形態に係る方法を用いると、分光感度63を測定することなく、半導体光検出器14の出力信号をモニターするだけで、その出力信号の増大からガスが吸着したことを検知できる。
In order to measure the
ここまでの説明は、局在プラズモンの共鳴波長と半導体光検出器14の分光感度の振動構造のピークのうちの1つを一致させた場合についての説明である。局在プラズモンの共鳴波長と半導体光検出器14の分光感度の振動構造のディップのうちの1つとを一致させた場合についても、同様の説明が成り立つ。この場合は、図6の右側がガス吸着前の状態を表し、図6の左側がガス吸着後の状態を表し、一点鎖線がガス吸着前のプラズモン共鳴波長を示し、点線がガス吸着後のプラズモン共鳴波長を示すと読み替えれば、上記の説明がそのまま通用する。ただし、ガス吸着によってプラズモン共鳴波長が長波長側にシフトするのであれば、図6の右側に示す点線の位置は、波長依存性62における一点鎖線のディップの長波長側になる。この場合、図6の横軸の向きを上述の説明に対してすべて反転させると、点線と一点鎖線との間の位置関係は、図6と同様になる。
The above explanation is for the case where the resonance wavelength of the localized plasmon coincides with one of the peaks of the vibration structure of the spectral sensitivity of the
さらに述べると、ガス吸着前の反射光18のスペクトル61のディップが、感度の波長依存性62のピークやディップに必ずしも一致していなくとも、上記の動作により、半導体光検出器14の信号強度の変調の観測によってガス検知を行うことは可能である。とはいえ、もちろん、スペクトル61のディップ波長が感度の波長依存性62のピーク又はディップに一致している場合の方が、そうでない場合と比較して効果が高いのは言うまでもない。
More specifically, even if the dip in the
(効果の説明)
本実施形態のガス検出装置1を用いれば、分光器やフーリエ変換赤外分光装置等の大掛かりで高価な計測装置を用いることなく、光検出器の信号強度の変調を観測するだけでガスを検知することができる。したがって、本実施形態に係るガス検出装置1は、プラズモン共鳴を使用してガスを検出するコストを低減できる。
(Explanation of effects)
By using the gas detection device 1 of this embodiment, it is possible to detect gases simply by observing modulation of the signal intensity of a photodetector, without using large-scale and expensive measuring devices such as a spectroscope, a Fourier transform infrared spectrometer, etc. Therefore, the gas detection device 1 according to this embodiment can reduce the cost of detecting gases using plasmon resonance.
<第2の実施形態>
第1の実施形態の動作の説明で述べたように、第1の実施形態では、半導体光検出器14の表面反射構造32における反射光41と、反射光41の裏面における再反射光43との強め合いの干渉効果を用いている。そのため、表面反射構造32と半導体光検出器14の裏面とが平行であることが求められる。しかし、実際に素子を作製する上では、完璧に平行に作製することは困難である。そのため、どの程度の平行からのずれが許容されるかを考察した結果を以下に説明する。
Second Embodiment
As described in the explanation of the operation of the first embodiment, the first embodiment uses the constructive interference effect between the reflected light 41 at the front-surface reflection structure 32 of the
第1の実施形態の動作の説明で述べたように、入射光25は裏面と垂直方向に入射されると仮定する。その上で、半導体光検出器14の裏面に対して表面反射構造32が角度αだけ平行から傾いている場合を考える。図8は、上記の状況における光路を描いた、半導体光検出器14と入射光25の光路の例を表す模式図である。図8に示す例の場合、入射光25は、表面反射構造32の法線方向からは角度αで入射される。そのため、裏面の法線からは角度2αで反射される。半導体母材および受光層31の厚さをdとすれば、このとき反射光41が裏面に到達する位置は、半導体光検出器14の面内(すなわち、図8の左右方向が表す面内)において、次式によって表される距離だけずれる。
As described in the explanation of the operation of the first embodiment, it is assumed that the incident light 25 is incident perpendicular to the back surface. In addition, consider the case where the surface reflection structure 32 is tilted from parallel to the back surface of the
裏面で再反射された再反射光43も同様に角度2αで再反射される。そのため、再反射光43が表面反射構造32に到達する位置は、入射光25が表面反射構造に到達した位置から、上述の面内において次式によって表される距離だけずれる。 The re-reflected light 43 that is re-reflected on the back surface is also re-reflected at an angle of 2α. Therefore, the position where the re-reflected light 43 reaches the surface reflection structure 32 is shifted from the position where the incident light 25 reaches the surface reflection structure by a distance in the above-mentioned plane expressed by the following equation:
受光層で強め合いの干渉が起こるためには、反射光41と再反射光43の面内での位置のずれは、少なくとも(半導体光検出器14の光路が存在する物質中の)光の波長程度の範囲に収まっている必要がある。受光層21が表面反射構造32の近傍にある場合が、平行からの傾き角度αに対するもっとも厳しい条件となる。このときの条件を表す数式が次式である。
For constructive interference to occur in the light receiving layer, the positional shift in the plane between the reflected light 41 and the re-reflected light 43 must be within a range of at least the wavelength of light (in the material in which the optical path of the
ここで、λは入射光25の真空中における波長であり、nは半導体母材および受光層31の実効的な屈折率である。この式により、半導体母材および受光層31の厚さdが薄いほど、そして、入射光の波長λが長いほど、角度αの許容される条件が緩やかになることが分かる。言い換えれば、可視光よりも波長の長い赤外線の方が、本実施形態に係るガス検知に適している。さらに、プラズモン共鳴波長を可視光ではなく赤外線の波長領域にすれば、半導体チップ12の周期的金属細線構造の周期も可視光の場合よりも長くすることができる。そのため、赤外線のプラズモン共鳴波長には、デバイスの作製が容易になるという利点もある。 Here, λ is the wavelength of the incident light 25 in a vacuum, and n is the effective refractive index of the semiconductor base material and the light receiving layer 31. From this formula, it can be seen that the thinner the thickness d of the semiconductor base material and the light receiving layer 31, and the longer the wavelength λ of the incident light, the more lenient the allowable conditions for the angle α become. In other words, infrared light, which has a longer wavelength than visible light, is more suitable for gas detection according to this embodiment. Furthermore, if the plasmon resonance wavelength is in the infrared wavelength region instead of visible light, the period of the periodic metal thin line structure of the semiconductor chip 12 can also be made longer than that of visible light. Therefore, the plasmon resonance wavelength of infrared light also has the advantage of making it easier to fabricate devices.
数3の式は、dとnとλが固定されたときにαの上限を与える不等式である。一方で、この式を、デバイス作製精度の限界としてある一定の平行からのずれ角度αが見込まれる場合、強め合いの干渉が起こるための厚さdの条件と考えることもできる。数3の式を変形すると、次式が得られる。 Equation 3 is an inequality that gives an upper limit for α when d, n, and λ are fixed. On the other hand, this equation can also be considered as the condition for thickness d for constructive interference to occur when a certain deviation angle α from parallelism is expected as the limit of device fabrication precision. Transforming equation 3 gives the following equation.
数4の式の左辺は、半導体母材および受光層31の厚さdが半導体中の波長の何倍に相当するかを意味する。本開示の著者らによる実験結果では、この値が225の時は干渉効果がほとんど起こらず、37.5の時は十分な干渉効果が起こることが分かっている。そのため、干渉効果を得るためには、半導体母材および受光層31の厚さdが半導体中の波長のおよそ100倍以下であることが好ましい。 The left side of equation 4 indicates how many times the thickness d of the semiconductor base material and light receiving layer 31 corresponds to the wavelength in the semiconductor. Experimental results by the authors of this disclosure have shown that when this value is 225, almost no interference effect occurs, and when it is 37.5, a sufficient interference effect occurs. Therefore, in order to obtain the interference effect, it is preferable that the thickness d of the semiconductor base material and light receiving layer 31 is approximately 100 times or less the wavelength in the semiconductor.
しかし、実際に光検出器を作製する場合、裏面と表面反射構造32との平行度という作製精度の問題の他に、入射光25の進行方向を裏面と完全に垂直にすることが難しいという課題もある。その課題を解決するための構造を、第2の実施形態で提案する。 However, when actually fabricating a photodetector, in addition to the problem of fabrication accuracy, such as the parallelism between the back surface and the front reflection structure 32, there is also the issue of the difficulty of making the direction of propagation of the incident light 25 completely perpendicular to the back surface. A structure to solve this problem is proposed in the second embodiment.
(構造の説明)
本実施形態に係るガス検出装置の全体構成は、第1の実施形態のガス検出装置の全体構成と同じである。図1に示すように、ガスチャンバー11と、半導体チップ12と、半導体チップ12に励起光17を照射する光源13と、半導体チップ12からの反射光18を受光する半導体光検出器14と、バンドパスフィルター15とを含む。上述のように、半導体チップ12は、ガスチャンバー11の空洞に設置される。また、バンドパスフィルター15は、光源13と半導体光検出器14との間に設置される。第1の実施形態と比較すると、半導体光検出器14の構造が一部異なる。それを説明する模式図が図9である。図9は、本実施形態に係る半導体光検出器14の構造の例を示す模式図である。図9に示すように、第2の実施形態に係る半導体光検出器14の、半導体母材および受光層31の表面側には、検出したい光の半導体光検出器14の半導体中における波長程度の大きさの凹凸構造91が作製されている。凹凸構造91は、例えば円柱や角柱の形状の構造であってもよく、半球状やピラミッド状の形状の構造であってもよい。凹凸構造91は、円孔や角孔等のように表面から抉れた構造であってもよい。このような凹凸構造91を覆うように、表面反射構造32が形成されている。
(Structural Description)
The overall configuration of the gas detector according to this embodiment is the same as that of the gas detector according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the gas detector includes a gas chamber 11, a semiconductor chip 12, a light source 13 for irradiating the semiconductor chip 12 with excitation light 17, a
(製造方法の説明)
本実施形態の半導体光検出器14の半導体母材および受光層31を作製する方法は、第1の実施形態と同じく、公知の作製法のうちのいずれかの作製法であってよい。本実施形態の半導体光検出器14の半導体母材および受光層31を作製する方法は、特定の作製法に限定されない。そのため、本実施形態の半導体光検出器14の半導体母材および受光層31を作製する方法の説明は省略する。半導体母材および受光層31が作製された後、凹凸構造91が作製される。凹凸構造91の作製法として、例えばリソグラフィーとエッチングによる方法を用いることができる。エッチングの方法は、ドライエッチングであってもよいし、ウエットエッチングであってもよい。続いて、表面反射構造を作製する。ただし、第1の実施形態の表面反射構造は平坦な表面上に形成されるため、誘電体多層膜で形成されていてもよかったが、第2の実施形態の表面反射構造では、凹凸構造91が存在するために、光の反射面が必ずしも裏面(や凹凸構造形成前の表面)と平行にならない。そのため、第2の実施形態の表面反射構造は、金属膜で作製されることが望ましい。
(Description of Manufacturing Method)
The method for producing the semiconductor base material and the light receiving layer 31 of the
(動作の説明)
本実施形態では、構造の説明で述べたような凹凸構造91が存在するおかげで、裏面と表面反射構造32が完全に平行でない場合であっても、反射光41と裏面での再反射光43の干渉が起こりやすくなる。入射光25の進行方向が裏面と完全に垂直でない場合も、同様に、構造の説明で述べたような凹凸構造91が存在するおかげで、反射光41と裏面での再反射光43の干渉が起こりやすくなる。裏面と表面反射構造32が完全に平行でなく、かつ、入射光25の進行方向が裏面と完全に垂直でない場合も、同様に、構造の説明で述べたような凹凸構造91が存在するおかげで、反射光41と裏面での再反射光43の干渉が起こりやすくなる。このことを、図10を参照しながら説明する。図10は、入射光25が裏面と垂直でない場合の光の経路の例を示す模式図である。表面反射構造32に凹凸構造91が存在せず、裏面と水平な平坦な面であるとしたら、反射光41も裏面と垂直にはならず、受光層において反射光41と再反射光43との干渉の条件が満たされなくなる可能性がある。一方で、図9に示すような凹凸構造91が存在する場合、凹凸構造91と表面反射構造32の界面は、裏面と水平ではなく、様々な角度を向いている。そのため、入射光のうちの一部は、裏面と完全に垂直方向に反射される。言い換えれば、入射光25は凹凸構造91によって乱反射され、そのうちの一部は裏面と垂直方向に反射される。図10において、反射光101が、裏面と垂直方向に反射される反射光である。この反射光101が裏面で再反射された再反射光102も、裏面と垂直方向に伝搬し、受光層において、半導体光検出器14の面内の、反射光101が透過する位置と同一の位置を透過する。そのため、反射光101と再反射光102は、干渉することができる。その干渉によって生じる分光感度の振動構造を用いてガス検知をする方法は第1の実施形態と同様である。そのため説明を省略する。また、凹凸構造91の部分を除く裏面と表面反射構造32とが完全に平行でない場合も同様に、凹凸構造91がなければ反射光41は裏面と垂直方向には伝搬しないはずである(図8参照)。しかし、この場合も、凹凸構造91による乱反射の一部である反射光101が、裏面と垂直方向に伝搬する。そのため、裏面での再反射光102と干渉することができる。
(Explanation of operation)
In this embodiment, even if the back surface and the front surface reflection structure 32 are not completely parallel, the reflected light 41 and the re-reflected light 43 on the back surface are likely to interfere with each other, thanks to the presence of the uneven structure 91 as described in the description of the structure. Even if the traveling direction of the incident light 25 is not completely perpendicular to the back surface, the reflected light 41 and the re-reflected light 43 on the back surface are likely to interfere with each other, thanks to the presence of the uneven structure 91 as described in the description of the structure. Even if the back surface and the front surface reflection structure 32 are not completely parallel and the traveling direction of the incident light 25 is not completely perpendicular to the back surface, the reflected light 41 and the re-reflected light 43 on the back surface are likely to interfere with each other, thanks to the presence of the uneven structure 91 as described in the description of the structure. This will be described with reference to FIG. 10. FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of a light path when the incident light 25 is not perpendicular to the back surface. If the uneven structure 91 does not exist in the front-surface reflection structure 32 and the front-surface reflection structure 32 is a flat surface horizontal to the rear surface, the reflected light 41 will not be perpendicular to the rear surface, and the condition for interference between the reflected light 41 and the re-reflected light 43 in the light-receiving layer may not be satisfied. On the other hand, if the uneven structure 91 as shown in FIG. 9 exists, the interface between the uneven structure 91 and the front-surface reflection structure 32 is not horizontal to the rear surface but faces at various angles. Therefore, a part of the incident light is reflected in a direction completely perpendicular to the rear surface. In other words, the incident light 25 is diffusely reflected by the uneven structure 91, and a part of it is reflected in a direction perpendicular to the rear surface. In FIG. 10, the reflected light 101 is reflected in a direction perpendicular to the rear surface. The re-reflected light 102, which is the reflected light 101 re-reflected by the rear surface, also propagates in a direction perpendicular to the rear surface and passes through the same position in the light-receiving layer as the position where the reflected light 101 passes through within the surface of the
<第3の実施形態>
次に、本開示の第3の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.
(構成)
図11は、本実施形態に係るガス検出装置100の構成の例を表すブロック図である。ガス検出装置100は、反射部112と、発光部113と、検出部114と、バンドパス部115と、を備える。
(composition)
11 is a block diagram showing an example of the configuration of gas detection device 100 according to this embodiment. Gas detection device 100 includes a reflecting
反射部112は、局在プラズモン共鳴を誘起する構造を備える。発光部113は、反射部112に光(例えば励起光)を照射する。バンドパス部115は、所定波長(例えば、上述の透過波長)を含む所定範囲の波長の光を所定割合以上透過する。バンドパス部115は、所定範囲に含まれない波長の光を所定割合以上透過させない。所定波長は、表面に前記ガスが存在しない場合の、反射部112のプラズモン共鳴波長である。検出部114は、バンドパス部115を透過した、照射された光の、反射部112による反射光である第1の反射光に基づく強度を測定し、測定された強度に基づいて、反射部112の表面のガスを検出する。検出部114は、反射部112の表面のガスの吸着量を検出してもよい。
The reflecting
なお、発光部113が反射部112に照射する上述の励起光の、反射部112による反射光のうち、バンドパス部115を透過した光(すなわち、第1及び第2の実施形態の入射光)を、第1の反射光とも表記することがある。また、検出部114は、上述のように裏面入射型光検出器である半導体光検出器14によって実現され、光が入射する裏面(すなわち、入射面)側は、鏡面研磨されていてよい。また、検出部114の、入射面と反対側の面である、上述の表面(すなわち、反射面)には、光を反射する表面反射構造が生成されていてよい。さらに、裏面(すなわち入射面)と表面(すなわち反射面)との間に、光を電気信号に変換する受光層が生成されていてよい。そして、裏面と表面との間は光を透過する材質が使用されていてよい。第1の反射光(すなわち、第1及び第2の実施形態における入射光25)が、表面の表面反射構造によって反射された反射光を、第2の反射光とも表記する。第2の反射光は、第1及び第2の実施形態で反射光41と表記されている光である。また、第2の反射光が鏡面研磨された検出部114の裏面によって反射した光を、第3の反射光とも表記する。第3の反射光は、第1及び第2の実施形態の再反射光43である。第2の反射光と検出部114の入射面により反射した第3の反射光は、検出部114の内部において干渉する。検出部114の受光層における干渉の結果として生じる光の強度が、検出部114の受光層によって信号に変換される。上述の、第1の反射光に基づく強度は、第2の反射光と第3の反射光の、検出部114の受光層における干渉の結果として生じる光の強度であってよい。
In addition, the light that has passed through the bandpass section 115 (i.e., the incident light in the first and second embodiments) among the reflected light by the reflecting
ガス検出装置100は、第1の実施形態のガス検出装置1、又は、第2の実施形態のガス検出装置1によって実現される。第1の実施形態又は第2の実施形態の半導体チップ12が、反射部112として動作する。第1の実施形態又は第2の実施形態の光源13が、発光部113として動作する。第1の実施形態又は第2の実施形態の半導体光検出器14が、検出部114として動作する。第1の実施形態又は第2の実施形態のバンドパスフィルター15が、バンドパス部115として動作する。
The gas detection device 100 is realized by the gas detection device 1 of the first embodiment or the gas detection device 1 of the second embodiment. The semiconductor chip 12 of the first or second embodiment operates as the
(動作)
次に、本実施形態のガス検出装置100の動作について説明する。
(motion)
Next, the operation of gas detection device 100 of this embodiment will be described.
図12は、本実施形態のガス検出装置100の動作の例を表すフローチャートである。図12に示す例では、発光部113が、局在プラズモン共鳴を誘起する構造を備えた反射部112に光を照射する(ステップS1)。ガス検出装置100は、所定波長を含む所定範囲の波長の光を透過するバンドパス部115に、反射部112によって反射された光を透過させる(ステップS2)。検出部114は、反射された光のうち、透過した光である第1の反射光に基づく強度を測定する(ステップS3)。検出部114は、測定された強度に基づいて、反射部112の表面のガスを検出する(ステップS4)。
Figure 12 is a flow chart showing an example of the operation of the gas detection device 100 of this embodiment. In the example shown in Figure 12, the
(効果)
本実施形態には、第1の実施形態の効果と同じ効果がある。その理由は、第1の実施形態の効果が生じる理由と同様である。
(effect)
This embodiment has the same effects as the first embodiment, for the same reasons as those for which the first embodiment has the effects.
<第4の実施形態>
次に、本開示の第4の実施形態について説明する。
Fourth Embodiment
Next, a fourth embodiment of the present disclosure will be described.
(構成)
図13は、本実施形態の検出装置200の構成の例を表すブロック図である。図13に示す検出装置200は、ガス検出装置100Aと、受信部201と、生成部202と、出力部203とを含む。第1の実施形態のガス検出装置1又は第2の実施形態のガス検出装置1が、ガス検出装置100として動作する。
(composition)
Fig. 13 is a block diagram showing an example of the configuration of
受信部201は、ガス検出装置100Aから、上述の出力信号を受信する。受信部201は、受信した出力信号が表す値である出力値を、生成部202に送出する。生成部202は、生成部202から出力値を受け取る。
The receiving
生成部202は、受け取った出力値に基づいて、ガスを検出した結果を表す情報を生成する。生成部202は、例えば、出力値と所定の閾値とを比較の結果に基づいて、ガスが存在するか否かを表す情報を生成してよい。例えば、出力値が所定の閾値よりも大きい場合にガスが存在すると判定されるように、閾値が設定されている場合について説明する。この場合、閾値はあらかじめ例えば実験的に定められていてよい。出力値が閾値を超えていれば、生成部202は、ガスが存在することを表す情報を生成する。出力値が閾値を超えていなければ、生成部202は、ガスが存在しないことを表す情報を生成する。生成部202は、例えば図8に示すような、出力値の大きさとガスの吸着量との関係に基づいて、ガスの吸着量を表す情報を生成してもよい。生成部202は、生成した、ガスの検出結果を表す情報を出力部203に出力する。
The generating
出力部203は、生成部202によって生成された、ガスの検出結果を表す情報を出力する。出力部203は、例えば、ディスプレイであってもよい。この場合、生成部202は、ガスの検出結果を表す情報(例えば、ガスの有無、又は、ガスの吸着量を表す情報)を、出力部203に表示してよい。出力部203は、例えば、ガスの存在又は不存在を表す、例えばランプやブザーなどのインディケーターであってもよい。この場合、生成部202は、インディケーターがガスの検出の結果を示すように、インディケーターの状態を設定してよい。出力部203は、例えば、ガスの吸着量を示すメーターであってもよい。この場合、生成部202は、メーターの指針がガスの吸着量を表すように、メーターの状態を設定してよい。
The
次に、ガス検出装置100Aについて説明する。
Next, we will explain the
図14は、本実施形態のガス検出装置100Aの構成の例を表すブロック図である。
Figure 14 is a block diagram showing an example of the configuration of the
本実施形態のガス検出装置100Aは、第3の実施形態のガス検出装置100の各要素に加えて、導入部111を備える。導入部111は、反射部112にガスを導入する。導入部111には、第1の実施形態及び第2の実施形態のアパーチャー16と同様の、アパーチャー16が形成されている。ガス検出部101Aも、第1の実施形態のガス検出装置1、又は、第2の実施形態のガス検出装置1によって実現される。第1の実施形態又は第2の実施形態のガスチャンバー11が、導入部111として動作する。ガス検出装置100Aの他の要素は、第3の実施形態のガス検出装置100の、同じ名前と符号とが付与されている要素と同じである。
The
(動作)
次に、本実施形態の動作について説明する。まず、本実施形態のガス検出装置100Aの動作について説明する。
(motion)
Next, the operation of the present embodiment will be described First, the operation of
図15は、本実施形態のガス検出装置100Aの基本的な動作の例を表すフローチャートである。本実施形態のガス検出装置100Aの動作は、第1の実施形態のガス検出装置1の動作と同じであってよい。本実施形態のガス検出装置100Aの動作は、第2の実施形態のガス検出装置1の動作と同じであってもよい。
Figure 15 is a flowchart showing an example of the basic operation of the
図15に示す例では、発光部113が、反射部112に光を照射する(ステップS101)。反射部112のプラズモン共鳴波長を透過するバンドパス部115が、反射部112によって反射された光のうち反射部112のプラズモン共鳴波長の光を透過させる(ステップS102)。バンドパス部115を透過した光である第1の反射光は、入射面(すなわち、「裏面」)から検出部114に入射する。検出部114の反射面(すなわち、「表面」の表面反射構造)が、その反射面において、バンドパス部115を透過した第1の反射光を反射する(ステップS103)。検出部114の入射面が、その入射面において、検出部114の反射層により反射した第2の反射光を反射する(ステップS104)。第2の反射光と検出部114の入射面により反射した第3の反射光は、検出部114の内部において干渉する。検出部114の受光層における干渉の結果として生じる光の強度が、検出部114の受光層によって信号に変換される。言い換えると、検出部114が、第2の反射光と、検出部114の入射面により反射した第3の反射光とを干渉させる(ステップS105)。そして、検出部114が、干渉した光の強度を測定する(ステップS106)。検出部114が、測定した強度を表す信号を、ガスの検出の結果として出力する(ステップS107)。
In the example shown in FIG. 15, the
次に、本実施形態の検出装置200の動作について説明する。
Next, the operation of the
図16は、本実施形態の検出装置200の動作の例を表すフローチャートである。
Figure 16 is a flowchart showing an example of the operation of the
図16に示す例では、まず、ガス検出装置100Aがガスを検出する(ステップS201)。ステップS201における動作は、具体的には、図15に示すガス検出装置100Aの動作であってよい。受信部201が、ガス検出装置100Aから、検出の結果を表す信号を受け取る(ステップS202)。生成部202は、受け取った信号に基づいて、検出の結果を表す情報を生成する(ステップS203)。生成部202は、生成した、検出の結果を表す情報を、出力部203に表示する(ステップS204)。
In the example shown in FIG. 16, first,
(他の構成)
本実施形態の検出装置200は、専用の回路によって実現できる。専用の回路は、1つの回路によって実現されていてもよい。専用の回路は、互いに通信可能に接続された複数の回路によって実現されていてもよい。本実施形態の検出装置200は、プログラムによって制御される1つのコンピュータによって実現されてもよい。本実施形態の検出装置200は、プログラムによってそれぞれ制御され、互いに通信可能に接続された複数のコンピュータによって実現されてもよい。
(Other configurations)
The
図17は、本実施形態の検出装置200を実現することができる、コンピュータ1000のハードウェア構成の一例を表す図である。図17を参照すると、コンピュータ1000は、プロセッサ1001と、メモリ1002と、記憶装置1003と、I/O(Input/Output)インタフェース1004とを含む。また、コンピュータ1000は、記憶媒体1005にアクセスすることができる。メモリ1002と記憶装置1003は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ハードディスクなどの記憶装置である。記憶媒体1005は、例えば、RAM、ハードディスクなどの記憶装置、ROM(Read Only Memory)、可搬記憶媒体である。記憶装置1003が記憶媒体1005であってもよい。プロセッサ1001は、メモリ1002と、記憶装置1003に対して、データやプログラムの読み出しと書き込みを行うことができる。プロセッサ1001は、I/Oインタフェース1004を介して、例えば、ガス検出装置100Aにアクセスすることができる。プロセッサ1001は、記憶媒体1005にアクセスすることができる。記憶媒体1005には、コンピュータ1000を、検出装置200として動作させるプログラムが格納されている。
Figure 17 is a diagram showing an example of the hardware configuration of a
プロセッサ1001は、記憶媒体1005に格納されている、コンピュータ1000を検出装置200として動作させるプログラムを、メモリ1002にロードする。そして、プロセッサ1001が、メモリ1002にロードされたプログラムを実行することにより、コンピュータ1000は、検出装置200として動作する。
The
受信部201、生成部202、及び、出力部203は、例えば、プログラムを記憶する記憶媒体1005からメモリ1002にロードされたプログラムを実行するプロセッサ1001により実現することができる。受信部201、生成部202、及び、出力部203の一部又は全部を、各部の機能を実現する専用の回路によって実現することもできる。
The receiving
(効果)
本実施形態には、第1の実施形態の効果と同じ効果がある。その理由は、第1の実施形態の効果が生じる理由と同様である。
(effect)
This embodiment has the same effects as the first embodiment, for the same reasons as those for which the first embodiment has the effects.
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。 In addition, some or all of the above embodiments can be described as follows, but are not limited to the following:
(付記1)
局在プラズモン共鳴を誘起する構造を備えた反射手段と、
前記反射手段に光を照射する発光手段と、
所定波長を含む所定範囲の波長の光を透過するバンドパス手段と、
前記バンドパス手段を透過した、前記反射手段による前記光の第1の反射光に基づく強度を測定し、当該強度に基づいて、前記反射手段の表面のガスを検出する検出手段と、
を備えるガス検出装置。
(Appendix 1)
A reflecting means having a structure for inducing localized plasmon resonance;
A light emitting means for irradiating the reflecting means with light;
a bandpass means for transmitting light having a predetermined range of wavelengths including the predetermined wavelength;
a detection means for measuring an intensity based on a first reflected light of the light by the reflecting means that has been transmitted through the bandpass means, and detecting a gas on a surface of the reflecting means based on the intensity;
A gas detection device comprising:
(付記2)
前記所定波長は、前記反射手段の前記表面に前記ガスが存在しない場合の、前記反射手段のプラズモン共鳴波長である
付記1に記載のガス検出装置。
(Appendix 2)
2. The gas detection device according to claim 1, wherein the predetermined wavelength is a plasmon resonance wavelength of the reflecting means when the gas is not present on the surface of the reflecting means.
(付記3)
前記検出手段は、前記第1の反射光が入射する入射面と、前記入射面からの光を反射する反射面との間に、光の強度を測定する受光層を備え、前記受光層は、前記第1の反射光が前記反射面において反射した第2の反射光と、前記第2の反射光が前記入射面において反射した第3の反射光と、が干渉した光の強度を測定する
付記1又は2に記載のガス検出装置。
(Appendix 3)
3. The gas detection device according to claim 1, wherein the detection means includes a light receiving layer that measures light intensity and is disposed between an incident surface on which the first reflected light is incident and a reflecting surface that reflects light from the incident surface, and the light receiving layer measures intensity of light resulting from interference between a second reflected light formed by reflection of the first reflected light at the reflecting surface and a third reflected light formed by reflection of the second reflected light at the incident surface.
(付記4)
前記入射面と前記反射面との間の厚さが、前記所定波長の光の、前記入射面と前記反射面との間の材質内における波長の100倍以下である
付記3に記載のガス検出装置。
(Appendix 4)
4. The gas detection device according to claim 3, wherein a thickness between the incident surface and the reflecting surface is equal to or less than 100 times the wavelength of light of the predetermined wavelength in a material between the incident surface and the reflecting surface.
(付記5)
前記検出手段は、前記反射面に凹凸構造を備え、
前記凹凸構造の大きさと、前記所定波長の光の、前記入射面と前記反射面との間の材質内における波長と、の差が、所定の条件を満たす
付記3又は4に記載のガス検出装置。
(Appendix 5)
The detection means has a concave-convex structure on the reflecting surface,
5. The gas detection device according to claim 3, wherein a difference between a size of the uneven structure and a wavelength of the light of the specified wavelength within a material between the incident surface and the reflecting surface satisfies a specified condition.
(付記6)
前記反射手段に前記ガスを導入する導入手段
をさらに備える付記1乃至5のいずれか1項に記載のガス検出装置。
(Appendix 6)
6. The gas detection device according to claim 1, further comprising an introduction means for introducing the gas into the reflecting means.
(付記7)
局在プラズモン共鳴を誘起する構造を備えた反射手段に光を照射する発光手段と、
所定波長を含む所定範囲の波長の光を透過するバンドパス手段を透過した、前記反射手段による前記光の第1の反射光に基づく強度を測定し、当該強度に基づいて、前記反射手段の表面のガスを検出する、
ガス検出方法。
(Appendix 7)
A light emitting means for irradiating light onto a reflecting means having a structure for inducing localized plasmon resonance;
measuring an intensity based on a first reflected light of the light by the reflecting means, the first reflected light having passed through a bandpass means that transmits light having a wavelength in a predetermined range including the predetermined wavelength; and detecting a gas on a surface of the reflecting means based on the intensity;
Gas detection methods.
(付記8)
前記所定波長は、前記反射手段の前記表面に前記ガスが存在しない場合の、前記反射手段のプラズモン共鳴波長である
付記7に記載のガス検出方法。
(Appendix 8)
The gas detection method according to claim 7, wherein the predetermined wavelength is a plasmon resonance wavelength of the reflecting means when the gas is not present on the surface of the reflecting means.
(付記9)
前記第1の反射光が入射する入射面と、前記入射面からの光を反射する反射面との間に、光の強度を測定する受光層を備え、前記受光層は、前記第1の反射光が前記反射面において反射した第2の反射光と、前記第2の反射光が前記入射面において反射した第3の反射光と、が干渉した光の強度を測定する
付記7又は8に記載のガス検出方法。
(Appendix 9)
9. The gas detection method according to claim 7 or 8, further comprising a light receiving layer for measuring a light intensity, disposed between an incident surface on which the first reflected light is incident and a reflecting surface that reflects the light from the incident surface, the light receiving layer measuring an intensity of light resulting from interference between a second reflected light formed by reflection of the first reflected light at the reflecting surface and a third reflected light formed by reflection of the second reflected light at the incident surface.
(付記10)
前記入射面と前記反射面との間の厚さが、前記所定波長の光の、前記入射面と前記反射面との間の材質内における波長の100倍以下である
付記9に記載のガス検出方法。
(Appendix 10)
10. The gas detection method according to claim 9, wherein a thickness between the incident surface and the reflecting surface is less than or equal to 100 times the wavelength of light of the predetermined wavelength in a material between the incident surface and the reflecting surface.
(付記11)
前記反射面に凹凸構造を備え、
前記凹凸構造の大きさと、前記所定波長の光の、前記入射面と前記反射面との間の材質内における波長と、の差が、所定の条件を満たす
付記9又は10に記載のガス検出方法。
(Appendix 11)
The reflecting surface has an uneven structure,
11. The gas detection method according to claim 9, wherein a difference between a size of the uneven structure and a wavelength of the light of the specified wavelength within a material between the incident surface and the reflecting surface satisfies a specified condition.
(付記12)
前記反射手段に前記ガスを導入する
付記7乃至11のいずれか1項に記載のガス検出方法。
(Appendix 12)
The gas detection method according to any one of claims 7 to 11, further comprising introducing the gas into the reflecting means.
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 The present invention has been described above with reference to the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
11 ガスチャンバー
12 半導体チップ
13 光源
14 半導体光検出器
15 バンドパスフィルター
16 アパーチャー
17 励起光
18 反射光
21 受光層
22 半導体母材
23 金属電極
24 アパーチャー
25 入射光
31 半導体母材および受光層
32 表面反射構造
41 反射光
42 透過光
43 再反射光
61 スペクトル
62 波長依存性
63 分光感度
91 凹凸構造
100 ガス検出装置
100A ガス検出装置
101 反射光
102 再反射光
200 検出装置
201 受信部
202 生成部
203 出力部
1000 コンピュータ
1001 プロセッサ
1002 メモリ
1003 記憶装置
1004 I/Oインタフェース
1005 記憶媒体
REFERENCE SIGNS LIST 11 gas chamber 12 semiconductor chip 13
Claims (10)
前記反射手段に光を照射する発光手段と、
所定波長を含む所定範囲の波長の光を透過するバンドパス手段と、
前記バンドパス手段を透過した、前記反射手段による前記光の第1の反射光に基づく強度を測定し、当該強度に基づいて、前記反射手段の表面のガスを検出する検出手段と、
を備え、
前記反射手段は、当該反射手段に前記ガスを導入する導入手段の内側の、前記ガスが導入される領域に配置され、
前記発光手段は、前記導入手段の外部から、前記導入手段に形成された、前記光を透過するアパーチャーを介して、前記反射手段に前記光を照射し、
前記第1の反射光は、前記アパーチャーを介して前記バンドパス手段に到達した前記光の前記反射手段による反射光である
ガス検出装置。 A reflecting means having a structure for inducing localized plasmon resonance;
A light emitting means for irradiating the reflecting means with light;
a bandpass means for transmitting light having a predetermined range of wavelengths including the predetermined wavelength;
a detection means for measuring an intensity based on a first reflected light of the light by the reflecting means that has been transmitted through the bandpass means, and detecting a gas on a surface of the reflecting means based on the intensity;
Equipped with
The reflecting means is disposed in a region where the gas is introduced, inside an introducing means that introduces the gas into the reflecting means;
The light emitting means irradiates the light to the reflecting means from outside the introducing means through an aperture formed in the introducing means through which the light passes;
The first reflected light is a reflected light by the reflecting means of the light that reaches the bandpass means through the aperture.
Gas detection equipment.
請求項1に記載のガス検出装置。 2. The gas detection device according to claim 1, wherein the predetermined wavelength is a plasmon resonance wavelength of the reflecting means when the gas is not present on the surface of the reflecting means.
請求項1又は2に記載のガス検出装置。 3. The gas detection device according to claim 1, wherein the detection means includes a light receiving layer for measuring a light intensity between an incident surface on which the first reflected light is incident and a reflecting surface that reflects light from the incident surface, the light receiving layer measuring an intensity of light resulting from interference between a second reflected light formed by reflection of the first reflected light at the reflecting surface and a third reflected light formed by reflection of the second reflected light at the incident surface.
請求項3に記載のガス検出装置。 4. The gas detection device according to claim 3, wherein a thickness between the incident surface and the reflecting surface is equal to or less than 100 times a wavelength of light of the predetermined wavelength in a material between the incident surface and the reflecting surface.
前記凹凸構造の大きさと、前記所定波長の光の、前記入射面と前記反射面との間の材質内における波長と、の差が、所定の条件を満たす
請求項3又は4に記載のガス検出装置。 The detection means has a concave-convex structure on the reflecting surface,
5. The gas detection device according to claim 3, wherein a difference between a size of the uneven structure and a wavelength of the light of the predetermined wavelength in a material between the incident surface and the reflecting surface satisfies a predetermined condition.
をさらに備える請求項1乃至5のいずれか1項に記載のガス検出装置。 The gas detection device according to claim 1 , further comprising: an introducing means for introducing the gas into the reflecting means.
所定波長を含む所定範囲の波長の光を透過するバンドパス手段を透過した、前記反射手段による前記光の第1の反射光に基づく強度を測定し、当該強度に基づいて、前記反射手段の表面の前記ガスを検出し、
前記第1の反射光は、前記アパーチャーを介して前記バンドパス手段に到達した前記光の前記反射手段による反射光である
ガス検出方法。 a reflecting means disposed in a region where a gas is introduced inside an introducing means for introducing a gas into the reflecting means, the reflecting means having a structure for inducing localized plasmon resonance is irradiated with light from an outside of the introducing means through an aperture formed in the introducing means through which the light passes ;
measuring an intensity based on a first reflected light of the light by the reflecting means, the first reflected light having passed through a bandpass means that transmits light having a wavelength in a predetermined range including a predetermined wavelength; and detecting the gas on the surface of the reflecting means based on the intensity ;
The first reflected light is a reflected light by the reflecting means of the light that reaches the bandpass means through the aperture.
Gas detection methods.
請求項7に記載のガス検出方法。 The gas detection method according to claim 7 , wherein the predetermined wavelength is a plasmon resonance wavelength of the reflecting means when the gas is not present on the surface of the reflecting means.
請求項7又は8に記載のガス検出方法。 9. The gas detection method according to claim 7, further comprising a light receiving layer for measuring light intensity, disposed between an incident surface on which the first reflected light is incident and a reflecting surface that reflects light from the incident surface, the light receiving layer measuring the intensity of light resulting from interference between a second reflected light formed by reflection of the first reflected light at the reflecting surface and a third reflected light formed by reflection of the second reflected light at the incident surface.
請求項9に記載のガス検出方法。 10. The gas detection method according to claim 9, wherein a thickness between the incident surface and the reflecting surface is 100 times or less the wavelength of light of the predetermined wavelength in a material between the incident surface and the reflecting surface.
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