传感系统的制作方法

专利名称：传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感系统，其用于通过使用传感元件，并且检测响应于测 量用光的注入从传感元件中输出的光而分析样品，其中从传感元件输出的 光具有随样品变化的物理特性。
背景技术：
常规上，已经提出利用表面等离子体激元共振降低具有特定波长的反 射光的强度的现象的传感器，用于分析生物分子等，并且例如，在例如日本未审査专利公布6-167443中已经公开了一种表面等离子体激元传感器， 其具有作为基本组件的棱镜介电组块和在该介电组块上形成并且布置成 与样品接触的金属膜。在这样的表面等离子体激元传感器中，在介电组块 和金属膜之间的界面处满足全反射条件。可以通过如下步骤进行样品的折 射率或浓度的测量，样品的识别等将测量用光应用到表面等离子体激元 传感器上，使得表面等离子体激元共振引起衰减全反射，测量在界面处全 反射的光的强度，并且检测衰减全反射。但是，由于上述表面等离子体激元传感器使用棱镜介电组块，所以表 面等离子体激元传感器的成本高，并且表面等离子体激元传感器在小型化 或对于大量样品的同时分析的适应性上具有严重的结构约束。为了解决此 问题，提出了利用定域等离子体激元共振使特定波长的反射光的强度衰减 的现象的传感器，并且还提出了定域(local)等离子体激元传感器，其中在 衬底的表面形成具有精细凸部和凹部的金属结构，使得有效地激发定域等 离子体激元共振。参见，日本未审查专利公布2004-232027，和T. Okamoto 等，"在玻璃衬底上沉积有金胶体单层的定域等离子体激元传感器"("Local plasmon sensor with gold colloid monolayers deposited upon glass substrates") Optics Letters, 25巻，第6期，第372-374页(2000)。由于上述定域等离子体激元传感器不需要棱镜介电组块，所以可以在 比表面等离子体激元传感器低的成本下更简单地构造定域等离子体激元 传感器，并且定域等离子体激元传感器比表面等离子体激元传感器具有更 弱的结构约束。但是，与表面等离子体激元传感器相比，定域等离子体激 元传感器的检测灵敏度差，所以通过使用定域等离子体激元传感器难以进 行高精度分析。发明内容本发明的目的在于提供一种传感系统，所述传感系统使用具有满意的 检测灵敏度并且具有比表面等离子体激元传感器更简单的构造的传感元 件。为了实现上述目的，提供本发明的第一方面。根据本发明的第一方面， 提供一种传感系统，其包含传感元件，其响应光到所述传感元件上的注 入而输出物理特性随样品变化的光；光注入单元，其将作为第一光的激光 注入到所述传感元件上，并且具有波长稳定化布置结构，所述波长稳定化 布置结构通过内置于所述波长稳定化布置结构中的波长选择器而使激光 的振荡波长稳定；和光检测单元，其检测第二光的物理特性，所述第二光是响应所述第一光到所述传感元件上的注入而从所述传感元件中输出的。上述的传感元件包括透光体；第一反射器，其是半透半反的，并且被布置在透光体的第一侧，从所述透光体的第一侧注入所述第一光和所述第二光；和第二反射器，其是全反射的，或半透半反的，并且被布置在透光体 与所述第一侧相反的第二侧上。此外，所述第一反射器和所述第二反射器 中的至少一个被布置成与所述样品接触，并且具有随所述样品而改变的平 均复折射率；并且所述传感元件显示如下吸收特性根据所述第一反射器 和所述第二反射器分别所具有的平均复折射率和所述透光体所具有的平 均复折射率和厚度，在特定波长选择性吸收注入到传感元件上的光，并且 从所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个中输出其中反映所述 吸收特性的光。为了实现上述目的，还提供本发明的第二方面。根据本发明的第二方 面，提供一种传感系统，其包含传感元件，其响应光到所述传感元件上的注入而输出物理特性随样品变化的光；光注入单元，其将两种以上波长 的光注入到所述传感元件上，其中由所述光注入单元注入的光包括具有 第一波长的第一光和具有与第一波长不同的第二波长的第二光；光检测单 元，其检测响应第一光到传感元件上的注入而从所述传感元件输出的第三 光的第一强度，和响应第三光到传感元件上的注入而从所述传感元件输出 的第四光的第二强度；和计算单元，其得到所述第一强度和所述第二强度 之间的差值。上述的传感元件包括透光体；第一反射器，其是半透半反 的，并且被布置在透光体的第一侧，从透光体的第一侧注入所述第一光和 所述第二光；和第二反射器，其是全反射的，或半透半反的，并且被布置 在透光体与所述第一侧相反的第二侧上。此外，所述第一反射器和所述第 二反射器中的至少一个被布置成与所述样品接触，并且具有随所述样品而 改变的平均复折射率；并且所述传感元件显示如下吸收特性根据所述第 一反射器和所述第二反射器分别所具有的平均复折射率和所述透光体所 具有的平均复折射率和厚度，在特定波长选择性吸收注入到传感元件上的 光，并且从所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个中输出其中反 映所述吸收特性的光。在此说明书中，表述"半透半反的"是指同时表现出透射性和反射性， 但是不规定透射性和反射性的程度。优选地，根据本发明第一和第二方面的传感系统可以具有下列附加特 征(a)至(d)中的一种或任何可能的组合(a) 第一和第二反射器中的一个或各个可以具有有比光的一个或多个 波长更细的凸部和凹部的结构，所述光是注入到传感元件上的光。表述"有 比光的一个或多个波长更细的凸部和凹部的结构"是指凸部和凹部(在平行 于传感元件上或下表面的方向上)的尺寸和间距的平均值小于光的一个或 多个波长的结构，其中凹部可以是延伸通过传感元件整个厚度的孔或间 隙。(b) 第一和第二反射器中的一个或各个可以是由在透光体表面上成图 案排列的金属形成的金属层。(c) 第一和第二反射器中的一个或各个可以是由在透光体表面上排列 并且固定到其上的多个金属粒子形成的金属层。(d) 透光体可以是具有多个微孔的透光多微孔体，所述微孔开口在第 一反射器侧并且具有比注入到传感元件上的光的一个或多个波长小的直 径，并且第一反射器可以是具有与在第一反射器侧开口的多个微孔对应形 成的多个微孔的金属层，并且具有随布置成与所述第一反射器和第二反射 器中的至少一个接触的样品变化的平均复折射率。此外，根据本发明第一方面的传感系统可以具有下列附加特征(e)至(h)中的一种或任何可能的组合(e) 注入到传感元件上的光是激光，并且注入单元使用半导体激光器， 用于减小传感系统的尺寸和重量。此外，波长稳定化布置结构可以由波长 选择器和光学反馈系统构成，所述光学反馈系统将从半导体激光器发射的 部分激光束反馈回半导体激光器，其中波长选择器(波长选择装置)选择反 馈回半导体激光器的激光束的波长，并且可以由光栅或带通滤光片实现。具体地，在上述波长选择器由块状光栅实现的情况下，上述光学反馈系统和波长选择器可以以下列方式(i)至(iii)之一实现(i) 上述光学反馈系统由分光器和反射光栅构成，其中分光器被 布置在从半导体激光器中发射并且向传感元件引导的激光束的光程中，并 且分开部分激光束，并且反射光栅反射具有选定波长的部分激光束，使得 所述具有选定波长的部分激光束折回通过所分开的部分激光束的光程。此 时，反射光栅也具有波长选择器的功能。(ii) 上述光学反馈系统和波长选择器可以由半反射光栅实现，所 述半反射光栅被布置在从半导体激光器发射的激光束向介电组块的光程 中，并且反射具有选定波长的部分激光束，使得将部分反射的部分激光束 反馈回半导体激光器。(iii) 光学反馈系统和波长选择器可以由反射光栅实现，所述反射 光栅反射具有选定波长的部分向后发射的光，使得反射的部分向后发射的 光被反馈回半导体激光器，其中向后发射的光是由半导体激光器在与入射 到传感元件上的激光束的方向相反的方向上发射的。备选地，在波长稳定化布置结构由波长选择器和光学反馈系统构成， 并且波长选择器由窄带通滤光片实现的情况下，光学反馈系统和波长选择器可以以下列方式(iv)至(vi)之一实现(iv)上述光学反馈系统可以由分光器和反射镜构成。分光器被布 置在从半导体激光器向着传感元件发射的激光束的光程中，并且分开来自 光程的部分激光束。反射镜反射分开的部分激光束，使得反射的部分激光 束折回通过分开的部分激光束的光程，并且被反馈回半导体激光器。作为 波长选择器的窄带通滤光片被布置在分光器和反射镜之间，使得只有具有 由窄带通滤光片选择的波长的分开激光束部分的分量被反馈回半导体激 光器°(V)光学反馈系统可以由半反射镜实现。所述半反射镜被布置在 从半导体激光器向着传感元件发射的激光束的光程中，对激光束进行部分 反射，并且将部分激光束反馈回半导体激光器。将窄带通滤光片布置在半 导体激光器和半反射镜之间的光程中，使得只有具有由窄带通滤光片选择 的波长的部分激光束被反馈回半导体激光器。(Vi)光学反馈系统可以由反射镜实现，所述反射镜反射部分向后 发射的光，并且将所述向后发射的光反馈回半导体激光器，其中向后发射 的光是由半导体激光器在与入射到传感元件上的激光束的方向相反的方 向上发射的。将窄带通滤光片布置在半导体激光器和反射镜之间的光程 中，使得只有具有由窄带通滤光片选择的波长的部分向后发射的光被反馈 回半导体激光器。再备选地，在波长稳定化布置结构由波长选择器和光学反馈系统构成 的情况下，波长选择器可以通过使用纤维光栅实现，所述纤维光栅衍射并 且反射激光束。纤维光栅是具有内芯的光纤，在内芯中，以规则的间隔形成多个折射率变化的部分。在此情况下，光学反馈系统可以以下列方式(vii)至(bc)之一实现(Vii)光学反馈系统可以由分光器和实现波长选择器的纤维光栅 构成。分光器被布置在从半导体激光器向着传感元件发射的激光束的光程 中，并且分开来自光程的部分激光束。纤维光栅衍射和反射具有选定波长 的分开部分激光束的分量，使得反射的分开部分激光束的分量折回通过分 开部分激光束的光程，并且被反馈回半导体激光器。(Viii)光学反馈系统和波长选择器可以由半反射型纤维光栅实现， 所述半反射型纤维光栅被布置在从半导体激光器向着传感元件发射的激光束的光程中，并且部分地反射具有选定波长的部分激光束，使得部分反 射的部分激光束被反馈回半导体激光器。(ix)光学反馈系统和波长选择器可以由纤维光栅实现，所述纤维光栅反射具有选定波长的部分向后发射的光，使得反射的部分向后发射的 光被反馈回半导体激光器。(f) 可以通过使用内置有波长稳定化单元的半导体激光器，如DFB (分布式反馈)激光器或DBR (分布式布拉格反射器)激光器，来使振荡波长稳 定。在此情况下，可以使振荡波长在不使用上述光学反馈系统的情况下稳定。(g) 备选地，可以通过电学上并且精细地控制半导体激光器的温度和 驱动电流来使振荡波长稳定。(h) 光检测单元检测以下中的至少一种从传感元件输出的光的强度、 从传感元件输出的光的强度的变化，吸收波长(即，由传感元件吸收的光的 波长)，或吸收波长的位移。而且，根据本发明第二方面的传感系统可以具有下列附加特征(j)和(k)中的一种或任何可能的组合(D优选的是光注入单元具有两个(或更多个)发射具有两个(或更多个) 不同波长的测量用光束的光源，并且被布置成将具有两个(或更多个)不同 波长的测量用光束光学合并成单一光束，并且将合并的光束引导到传感元 件。此外，还优选的是光检测单元由分光单元和多个光学检测器构成。分 光单元将从传感元件输出的光分开成具有两个(或更多个)不同波长的分 量，并且多个光学检测器分别检测从传感元件输出的两个(或更多个)不同 波长的相应分量的强度。(k)备选地，还优选的是光注入单元被布置成以时间间隔注入两个(或 更多个)具有两个(或更多个)波长的第一光束，并且光检测单元由单一光学 检测器实现，所述单一光学检测器与两个(或更多个)第一光束的注入同步 地操作，以检测从传感元件输出的、与两个(或更多个)第一光束相应的两 个(或更多个)具有两个(或更多个)波长的第二光束的强度。在此情况下，可 以将两个(或更多个)光源固定在不同位置，所述两个(或更多个)光源分别发 射两个(或更多个)第一光束，并且例如，通过使用分色镜，将两个(或更多个)第一光束引导到相同的光程。由于两个(或更多个)光源以时间间隔发射 两个(或更多个)第一光束，所以没有光学合并两个(或更多个)第一光束。备 选地，可以移动上述两个(或更多个)光源，使得在光源被激活时，两个(或 更多个)光源中的每一个位于相对于传感元件的位置相同的位置。再备选 地，可以将波长选择器和可以发射多个波长的光的单个光源组合，从而以 时间间隔注入两个(或更多个)第一光束。即使在这些情况下，如段落(j)中 所指出的，光检测单元也可以由分光单元和多个光学检测器构成。根据本发明第一和第二方面的传感系统具有下列优点。在根据本发明第一和第二方面的传感系统中，传感元件由从光注入侧 以如下顺序形成的第一反射器、透光体和第二反射器构成。因此，当光被 注入到传感元件上时，光经过第一反射器，进入透光体，并且在第一和第 二反射器之间重复地反射。即，有效地发生多次反射(共振)，使得多次反 射光有效地引起多重干涉。由于多重干涉的条件随透光体12的厚度和第 一反射器、透光体和第二反射器的平均复折射率因素而变化，所以传感元 件显示吸收根据上述因素的特定波长的光的吸收特性，并且通过第一或第 二反射器输出具有不同于注入到传感元件上的光的物理特性并且取决于 上述吸收特性的物理特性的光。在第一和第二反射器中的至少一个被布置 成与样品接触时，第一和第二反射器中的至少一个的平均复折射率随样品 变化，使得多重干涉的条件和吸收特性也变化。因此，通过检测从传感元 件输出的、随吸收特性变化的光的物理特性，可以进行样品的分析。由于本发明第一或第二方面中使用的传感元件具有透光体被夹在两 种类型的反射器之间的器件结构，所以与常规表面等离子体激元传感器相 比，传感元件的器件结构非常简单，加在传感元件的结构约束弱，并且所 述传感元件的成本低。此外，由于有效地发生多重干涉，并且在特定波长 发生强光吸收，所以传感元件能够实现比常规定域等离子体激元传感器更 高的检测灵敏度，并且能够高精确地分析样品。在通过使用上述传感元件进行测量时，测量结果可以灵敏地随注入到 传感元件上用于测量的光的波长的变化而变化，使得可以降低测量中的精 度。但是，在根据本发明第一方面的传感系统中，光注入单元包括内置有 波长选择器的波长稳定化布置结构，所述波长稳定化布置结构使激光的振荡波长稳定，并且光注入单元将激光(作为第一光)注入到传感元件上。因 此，可以抑制注入到传感元件上的(第一)光的振荡波长的变化，因此实现 充分高精度的测量。此外，在使用上述传感元件进行测量时，噪声分量可能叠加在光检测 单元的输出上，所述光检测单元响应光的注入而指示从传感元件输出的光 的强度，使得在检测到的强度中的信噪比可能降低。但是，如下面解释的， 在根据本发明第二方面的传感系统中，克服了此问题。图2C显示在第一反射器被布置成与不同样品A和B接触并且将白 光注入到传感元件上时，从根据本发明第一或第二方面的传感系统中使用 的传感元件的一个实例中输出的光的光谱。图2C表明在将样品从A改变为B时，吸收峰波长也从入l改变为X2。即，传感元件的吸收峰波长随样品变化。因此，从传感元件输出的两个不同波长的光的检测强度之间的 差别也随样品变化，使得可以基于该差别而进行样品的定量分析。根据本发明第二方面的传感系统利用上述事实。即，将具有两个或更 多个波长的两个或更多个光束(包括第一光和第二光)由光注入单元注入到 传感元件上，并且由光检测单元检测从传感元件输出的两个波长的光的强 度。此外，两个波长的光的检测强度之间的差值由计算单元得到。因此， 可以取消叠加在光检测单元的输出上的噪声分量，所述光检测单元指示从 传感元件输出的两个波长的光(第三光和第四光)的强度，并且可以实现充 分高精度的测量。附图简述

图1是根据本发明第一实施方案的传感系统的平面图。图2A是在图1的传感系统中使用的传感元件的透视图。 图2B是图2A的传感元件在图2A中的A-A'剖面的剖面图。 图2C是指示从图2A和2B的传感元件中输出的光的光谱的曲线图。 图3是图示图1的传感系统中的光注入单元的示意图。 图4是图示根据本发明第二实施方案的传感系统中的光注入单元的示 意图。图5是图示根据本发明第三实施方案的传感系统中的光注入单元的示意图。图6是图示根据本发明第四实施方案的传感系统中的光注入单元的示意图。图7是图示根据本发明第五实施方案的传感系统中的光注入单元的示 意图。图8是图示根据本发明第六实施方案的传感系统中的光注入单元的示 意图。图9是图示根据本发明第七实施方案的传感系统中的光注入单元的示 意图。图10是图示根据本发明第八实施方案的传感系统中的光注入单元的示意图。图11是图示根据本发明第九实施方案的传感系统中的光注入单元的 示意图。图12是图示根据本发明第十实施方案的传感系统中的光注入单元的 示意图。图13是图示根据本发明第十一实施方案的传感系统中的光注入单元 的示意图。图14是图示根据本发明第十二实施方案的传感系统中的光注入单元 的示意图。图15A是可以用于根据本发明的传感系统中的传感元件的第一附加 实例的透视图。图15B是图15A的传感元件的顶视图。图16是可以用于根据本发明的传感系统中的传感元件的第二附加实 例的透视图。图17是可以用于根据本发明的传感系统中的传感元件的第三附加实 例的透视图。实施本发明的最佳方式下面参考附图详细解释本发明的优选实施方案。在附图中，即使对于 不同实施方案的附图，也由相同的附图标记表示等价的元件和部分，并且除非必要，在随后的解释中不重复等价的元件或部分的描述。 第一实施方案图1是根据本发明第一实施方案的传感系统1的平面图。传感系统1包含传感元件IO，样品池15，光注入单元20，光检测单元30和数据处理 单元40。在将测量用光Ll (以下称作测量光Ll)注入到传感元件10上时，传感 元件10输出具有取决于样品17的物理特性的输出光L2。样品池15容纳 有传感元件10和样品17，并且光注入单元20将测量光Ll注入到传感元 件10上。光检测单元30检测输出光L2的物理特性，并且输出表示检测 结果的信号。数据处理单元40基于从光检测单元30中输出的信号进行样 品17的分析。首先，下面解释传感元件IO。图2A是在图1的传感系统中使用的传感元件的透视图，并且图2B是 图2A的传感元件在图2A中所示的A-A'剖面的剖面图。如图2A中所示， 传感元件10具有由第一反射器11，透光体12和第二反射器13构成的结 构。第一反射器11被布置在透光体12的光注入侧(图2A中的上侧)，并 且第二反射器13被布置在透光体12的相反侧上。第一反射器11是半透 半反的，并且第二反射器13是全反射的。透光体12由平面透光衬底实现。第一反射器11通过将细金属丝lla 以规则的网格图案在布置在透光体12的第一表面上实现，并且第二反射 器13通过在透光体12与第一表面相反的整个第二表面上形成的金属层实 现。制备透光体12的材料没有特别限制。例如，透光体12可以由透光陶 瓷材料(如玻璃或氧化铝)，透光树脂(如丙烯酸类树脂或碳酸酯树脂)等制 成。金属丝lla和第二反射器13可以由反射金属如Au， Ag， Cu， Al， Pt， Ni， Ti，或两种以上这些反射金属的合金制成。备选地，金属丝lla和第 二反射器13可以由两种以上类型的反射金属制成。第二反射器13可以例如通过蒸发形成。金属丝lla的网格图案可以例 如通过如下步骤实现在整个第一表面上形成金属层，然后由周知的光刻法形成网格图案。尽管构成第一反射器11的金属丝lla由反射金属形成，但是在金属丝 lla之间存在多个空间(间隙)llb。因此，第一反射器11在多个空间(间隙) llb处是透光的，并且第一反射器ll成为半透半反的。将金属丝lla的宽 度和网格图案的间距设计成小于测量光L1的波长。即，第一反射器ll具 有有比测量光L1的波长更细的凸部和凹部的结构。在此情况下，由于金 属丝网具有电磁屏蔽效果，所述以网格图案形成的金属丝lla相当于半透 半反薄膜。第一反射器11和第二反射器13的平均复折射率随着与第一反射器11 和第二反射器13接触的样品而变化。因此，通过布置传感元件IO使得第 一反射器11和第二反射器13接触样品，可以进行样品的分析。具体而言，由于第一反射器11具有有比测量光L1的波长更细的凸部 和凹部的结构，所以平均复折射率随样品特别灵敏地变化。可以认为，第 一反射器11的具有比测量光L1的波长更细的凸部和凹部的结构使测量光 Ll的振荡更有效。因此，优选通过布置样品至少与第一反射器ll接触来 进行分析。金属丝lla的网格图案的间距小于测量光Ll的波长是充分的。例如， 在测量光Ll是可见光时，优选的是金属丝lla的网格图案的间距为200 nm 以下。但是，鉴于灵敏度，更优选的是金属丝lla的网格图案具有更小的间距。尽管金属丝lla的宽度小于测量光Ll的波长也是充分的，但是鉴于 灵敏度，更优选的是金属丝lla具有更小的宽度。此外，优选的是金属丝 lla的宽度等于或小于由光的作用导致在金属中振动的电子的平均自由 程。具体地，金属丝11a的宽度优选等于或小于50 nm，更优选等于或小 于30 nm。在金属丝lla的网格图案间距和金属丝lla的宽度更小时，每根金属 丝lla的表面积相对更大，所以更容易将金属丝lla的表面特性反映在第 -一反射器11的总体特性中，并且可以实现更高的灵敏度。具体地，在金 属丝lla的网格图案的间距和金属丝lla的宽度更小时，用不同样品检测 到的第一反射器11的介电常数(电容率)的值之间的差值更大，所以用不同样品检测到的第一反射器11的平均复折射率的值之间的差值更大，并且 可以实现更高的灵敏度。如图2B中所示，在将测量光L1注入到传感元件IO上时，测量光L1的第一部分在第一反射器11的表面上反射(尽管未示出)，并且第二部分通过第一反射器11并且进入透光体12，其中第一和第二部分根据第一反射器ii的透射率和反射率确定。然后，第二部分测量光Li被第一反射器n和第二反射器13重复反射。即，传感元件10具有在第一反射器11和第 二反射器13之间引起多次反射的共振结构。在上述传感元件10中，多次反射光引起多重干涉，所以传感元件10 显示出选择性吸收特定波长的光的吸收特性。多重干涉的条件随透光体12 的厚度和第一反射器11，透光体12和第二反射器13的平均复折射率而变 化。因此，上述吸收特性中的特定波长取决于透光体12的厚度和第一反 射器11，透光体12和第二反射器13的平均复折射率。此外，传感元件 10输出具有与测量光Ll的物理特性不同并且取决于上述吸收特性的物理 特性的输出光L2。由于第二反射器13在此实施方案是全反射的，所述输 出光L2仅从第一反射器11输出。由多重干涉吸收的光的峰波长X表示为入=4兀112(1/(2兀一小1 —(|)2)其中将由第一反射器11反射光时出现的相位移表示为(M，并且将由第二 反射器13反射光时出现的相位移表示为今2。将相位移(l)l和(t)2分别表示为小l = ta:T'[2n2k,/(n22 —n,2 — k,2)]，禾口 (|)2 = tan一' [2n2k,/(n - n32 - k32)]，其中将第一反射器11的平均复折射率表示为nl-ikl，透光体12的平均复 折射率表示为n2，第二反射器13的平均复折射率表示为n3-ik3，并且透光体12的厚度表示为d。此时，i为虚数单位。在此实施方案中，透光体 12的平均复折射率的虚部为零。具体而言，在第一反射器11，透光体12和第二反射器13中的至少一个由复折射率具有不为零的虚部的光吸收材料形成的情况下，吸收峰变尖 锐，即传感元件10显示出在特定波长的强光吸收。如上所示，在此实施方案中，第一反射器11和第二反射器13由具有不为零的虚部的复折射率的光吸收材料形成。透光体12的厚度d没有特别限制。但是，优选的是，透光体12的厚 度为300 nm以下。这是因为，在透光体12的厚度为300 nm以下的情况 下，由多重干涉在可见-光波长范围内只产生一个吸收峰，并且可以容易地 检测吸收峰。此外，还优选的是透光体12的厚度为100nm以上。这是因 为，在透光体12的厚度为100nm以上的情况下，多重干涉有效地发生， 并且由多重干涉产生的吸收峰属于可见-光波长范围，所以可以容易地检测 吸收峰。此外，优选的是，传感元件10具有匹配光学阻抗的器件结构，以使 在透光体12中的多次反射的数量最大(S卩，锐度最大)。在此情况下，吸收 峰变尖锐，并且可以进行高精度分析。在将第一反射器11和第二反射器13中的一个或两个(优选仅第一反射 器ll)布置成接触样品时，通过样品和一个或两个反射器之间的相互作用， 改变了被布置成与样品接触的一个或两个反射器的平均(有效)复折射率， 因此改变了多重干涉的条件。即，由多重干涉产生的吸收特性随样品变化。在将第一反射器11布置成与样品A或B接触并且将作为测量光Ll 的白光注入到第一反射器11上时，从传感元件IO输出的反射光的光谱的 实例示于图2C中。图2C表明在改变样品时，吸收峰波长从X1改变为 人2。可以通过检测来自传感元件10的输出光L2的物理特性来分析样品， 原因在于输出光L2的物理特性随传感元件10的吸收特性变化。输出光 L2的物理特性可以是例如输出光L2的强度，输出光L2的强度的变化， 吸收波长(即，由传感元件IO吸收的光的波长)或吸收波长的位移。在使用上述传感元件10时，可以分析样品的折射率和/或浓度，并且通过分析样品的折射率识别样品。此外，还可以通过如下步骤确定样品中 特定材料的存在与否，或分析样品中含有的特定材料的量将特异性结合 材料(其可以特异性地结合到所述特定材料上)固定到被布置成接触样品的 一个或两个反射器(第一反射器11和第二反射器13中的一个或两个)上， 将所述一个或两个反射器布置成接触样品，将测量光L1注入到传感元件10上，并且检测从传感元件10中输出的输出光L2。例如，特定材料和特 异性结合材料可以是抗原和抗体，其中抗原和抗体中的任一种可以是特定 材料。此外，可以进行抗原-抗体反应的时序分析。如上所述，在第一实施方案中使用的传感元件10中，将第一反射器 11，透光体12和第二反射器13从光注入侧以此顺序布置。因此，通过第 一反射器11注入透光体12中的测量光L1在第一反射器11和第二反射器 13之间重复反射。S卩，有效地发生多次反射(共振)，并且多次反射光有效 地引起多重干涉。由于多重干涉的条件随着透光体12的厚度和第一反射 器11，透光体12和第二反射器13的平均复折射率因素变化，所以传感元 件10具有如下吸收特性具有根据上述因素的特定波长的光被吸收，并 且具有与测量光L1的物理特性不同的物理特性并且反映传感元件10的吸 收特性的输出光L2从第一反射器11中输出。此外，在将第一反射器11 和第二反射器13中的一个或两个布置成接触样品时，第一反射器11和第 二反射器13中的一个或两个的平均复折射率随样品变化。由于多重干涉 的条件和传感元件10的吸收特性随与第一反射器11和第二反射器13中 的一个或两个接触的样品而变化，所述从传感元件10输出的输出光L2的 物理特性也随样品变化。因此，通过检测输出光L2的物理特性，可以进 行样品的分析。由于第一实施方案中使用的传感元件10具有透光体12由两种类型的 反射器11和13夹在之间的器件结构，所以与常规的表面等离子体激元传 感器相比，传感元件10的器件结构非常简单，加在传感元件10上的结构 约束弱，并且传感元件10的成本低。此外，由于有效地发生多重干涉并 且在特定波长出现强光吸收，所以传感元件10可以实现比常规定域等离 子体激元传感器更高的检测灵敏度，并且可以高精度分析样品。此外，由于构成第一实施方案中使用的传感元件10的第一反射器11和第二反射器13由具有自由电子的金属形成，所以可以激发在第一反射 器11和第二反射器13表面的定域等离子体激元共振。定域等离子体激元共振是金属中的自由电子与光的电场共振地振荡 的现象。具体而言，在具有有凸部和凹部的结构的金属层中，自由电子在 凸部与光的电场共振的振荡在凸部附近产生强电场，并且有效地激发定域 等离子体激元共振。根据第一实施方案，传感元件10中的第一反射器11 实现了具有比测量光L1的波长更细的凸部和凹部的结构。因此，有效地 激发定域等离子体激元共振。在发生定域等离子体激元共振的波长(即，共振峰波长)下，极大地提 高了测量光L1的散射和吸收，使得在该波长下的反射光的强度急剧衰减。共振峰波长和测量光L1的散射度和吸收度取决于布置成接触传感元件10表面的样品的折射率等。尽管图2C中未示出共振峰波长，由于吸收峰波长和共振峰波长通常 不同，所以通过检测由传感元件10中的多重干涉和定域等离子体激元共振各自引起的物理特性的改变，可以进一步更高精度地进行样品的分析。 但是，在一些情况下，吸收峰波长和共振峰波长可以重叠。鉴于基于定域等离子体激元共振的传感能力，优选的是第一反射器11和第二反射器13由金属形成。但是，可以形成不同于金属的反射材料的 第一反射器11和/或第二反射器13。尽管第一反射器11是通过将金属丝lla以规则的网格图案布置在传 感元件10中形成的，但是备选地，可以以任意图案例如随机图案形成第 一反射器ll。但是，在第一反射器11的结构规则性高时，在整个表面上 的共振结构的均匀性高，所以强化了共振结构的特性。因此，鉴于灵敏度， 优选的是第一反射器11具有高的结构规则性。样品池15容纳传感元件10和样品17，并且将传感元件10通过使用 固定结构(未显示)而永久或可拆地固定在样品池15中，使得第一反射器 11和第二反射器13接触样品17。如图1中所示，样品池15由池体和透光窗口 16构成。池体由不透光 材料如金属形成，形成的形状使得样品池15具有窗口并且可以用样品17 填充，并且透光窗口面板16可透射测量光Ll和输出光L2，并且被插入到池体的窗口中。布置窗口面板16和传感元件10，使得第一反射器11面 对窗口面板16。图3是图示图1的传感系统中的光注入单元20的示意图。光注入单 元20包含半导体激光器100，准直透镜120和波长稳定化布置130。半 导体激光器100发射作为测量光Ll的光束，并且准直透镜120使光束Ll 平行。波长稳定化布置130由半波片131，分束器132和反射光栅133构 成。半波片131控制光束L1的偏振。分束器132部分地反射光束L1，使 得光束Ll的一部分L1R (以下称作光束L1R)被分支向反射光栅133。将反 射光栅133布置在反射的光束L1R的光程中。入射到反射光栅133的光束 L1R被反射向分束器132，使得反射的光束L1R折回通过光束L1R的光程， 并且通过分束器132和半波片131反馈回半导体激光器100中。在光束 L1R被反射光栅133反射时，光束L1R经受波长选择，使得光束L1R的 光谱变窄。因此，在半导体激光器100的后端面和反射光栅133之间形成 外谐振器，并且半导体激光器100的振荡波长被锁定在反射光栅133的选 定波长。如上所解释的半导体激光器100的振荡波长的稳定化防止了由于振荡 波长的变化导致的噪声在测量信号中的产生，并且有助于用于样品分析的 测量中的高精度。光检测单元30由检测输出光L2强度的光电二极管实现。在根据第一实施方案的传感系统l中，需要时，由一个以上的准直透 镜、聚光透镜等构成的光导光学系统可以配备有光注入单元20和光检测 单元30中的每一个。在如上构造的传感系统l中，通过由光注入单元20将单波长光束(作 为测量光Ll)注入到传感元件10上，并且由光检测单元30检测反射光(作 为输出光L2)的强度，分析样品。测量光L1可以具有任意波长。图2C还 示出了 一定波长的输出光L2的强度随样品变化。换言之，图2C示出了 可以通过检测输出光L2 的强度来进行样品的分析。如上所述，根据第一实施方案的传感系统1可以分析样品的折射率和 /或浓度，并且可以通过分析样品的折射率识别样品。此外，传感系统1 可以通过如下步骤测定样品中特定材料的存在与否，或分析样品中含有的特定材料的量:将特异性结合材料(其可以特异性地结合到所述特定材料上) 固定到被布置成接触样品的传感元件10的一个或多个表面上，安排所述 -一个或多个表面与样品接触，将测量光L1注入到传感元件10上，并且检测从传感元件10中输出的输出光L2。在如上所述测量输出光L2之后， 可以通过如PCT日本出版物11(1999)-512518，2002-517720和2003-527606所公开的方式，将结合到特定材料的特异性结合材料和固定到传感元件10 上的特异性结合材料分离，重新使用传感元件IO。在根据第一实施方案、使用上面所解释的反射型传感元件10的传感 系统1中，优选的是，光检测单元30通过只接收不规则反射的分量如在 从第--反射器11输出的输出光L2中包括的散射光，来检测输出光L2。 由于输出光L2的不规则反射的分量的强度太高，存在的可能性是，不能 基于不规则反射的分量的强度满意地检测要求检测的特性。但是，在检测 弱光如散射光的情况下，可以更高精度地进行分析。此外，由于类似的原 因，优选的是布置光注入单元20，布置的位置使得光注入单元20可以在 与传感元件10的入射平面不垂直的方向上注入测量光Ll 。在传感系统1中使用的样品池15的构造不限于上述构造，并且可以 以各种方式布置。例如，在使用半透半反型传感元件或从第一反射器11 将输出光L2输出的反射型传感元件的情况下，可以布置样品池15，使得 只有第二反射器13接触样品17。具体而言，可以以各种方式实现波长稳定化布置130。以下解释的第 二至第十实施方案不同于第一实施方案之处基本上仅在于波长稳定化布 置。第二实施方案下面参考图4解释根据本发明第二实施方案的传感系统，图4是图示 在根据第二实施方案的传感系统使用的光注入单元20-1的示意图。图4中所示的光注入单元20-1不同于图3中所示的光注入单元20之 处在于，图3中的分束器132和反射光栅133被图4中的半反射光栅134 代替。在光注入单元20-l中的波长稳定化布置130A是通过半反射光栅134 实现的。半反射光栅134被布置在引导到传感元件10的测量光L1的光程中，并且反射部分测量光L1。反射的测量光L1通过半波片131反馈回半 导体激光器100，使得半导体激光器100的振荡波长被锁定在半反射光栅134的选定波长。第三实施方案下面参考图5解释根据本发明第三实施方案的传感系统，图5是图示 在根据第三实施方案的传感系统使用的光注入单元20-2的示意图。在图5所示的光注入单元20-2中，反射光栅133和准直透镜135被布 置在半导体激光器100的背侧，并且准直透镜120和半波片131被布置在 半导体激光器100的前侧，使得形成实现波长选择布置130B的光学反馈 系统。光注入单元20-2中的波长稳定化布置130B由反射光栅133和准直 透镜135实现。SP，从半导体激光器100向后发射的光(向后发射光L1Q) 被准直透镜135平行校正，然后入射到反射光栅133上。向后发射光L1Q 被反射光栅133反馈，并且反馈回半导体激光器100，使得半导体激光器 100的振荡波长被锁定在反射光栅133的选定波长。第四实施方案下面参考图6解释根据本发明第四实施方案的传感系统，图6是图示 在根据第四实施方案的传感系统使用的光注入单元20-3的示意图。图6中所示的光注入单元20-3不同于图3中所示的光注入单元20之 处在于，图3中的反射光栅133被图6中的窄带通滤光片141，聚光透镜 142和反射镜143代替。光注入单元20-3中的波长稳定化布置140由分束 器132、窄带通滤光片141，聚光透镜142和反射镜143实现。窄带通滤 光片141被布置在光束L1R的光程中，光束L1R在分束器132处从测量 光L1分出。光束L1R在窄带通滤光片141中经受波长选择，使得在光束 L1R通过窄带通滤光片141后，光束L1R具有非常窄的带宽。在光束L1R 通过窄带通滤光片141后，聚光透镜142聚焦光束L1R。反射镜143被布 置在聚光透镜142的焦点位置，并且将光束L1R向分束器132反射，使得 反射的光束L1R折回通过光束L1R的光程，并且通过分束器132和半波 片131反馈回半导体激光器100。因此，半导体激光器100的振荡波长被锁定在窄带通滤光片141的选定波长，并且光注入单元20-3也有助于传感 系统l中的高精度测量。第五实施方案下面参考图7解释根据本发明第五实施方案的传感系统，图7是图示 在根据第五实施方案的传感系统使用的光注入单元20-4的示意图。图7中所示的光注入单元20-4不同于图4中所示的光注入单元20-1 之处在于，图4中的半反射光栅134被图7中的窄带通滤光片141，聚光 透镜144，半反射镜145和准直透镜146代替，所述窄带通滤光片141， 聚光透镜144，半反射镜145和准直透镜146被以此顺序布置在从半导体 激光器100发射并且导向传感元件10的测量光L1的光程中。光注入单元 20-4中的波长稳定化布置140A由窄带通滤光片141，聚光透镜144，半反 射镜145和准直透镜146实现。聚光透镜144和半反射镜145构成用于实现光学反馈的光学系统。半 反射镜145被布置在聚光透镜144的焦点位置。部分测量光Ll被半反射 镜145反射，并且通过窄带通滤光片141被反馈回半导体激光器100。在 部分测量光L1通过窄带通滤光片141反馈时，所述部分测量光L1经受波 长选择，使得半导体激光器100的振荡波长被锁定在窄带通滤光片141的 选定波长。第六实施方案下面参考图8解释根据本发明第六实施方案的传感系统，图8是图示 在根据第六实施方案的传感系统使用的光注入单元20-5的示意图。在图8中所示的光注入单元20-5中，准直透镜120和半波片131被布 置在半导体激光器100的前侧，并且准直透镜147，窄带通滤光片141， 聚光透镜142和反射镜143被以此顺序布置在从半导体激光器100中向后 发射的光(向后发射光L1Q)的光程中。光注入单元20-5中的波长稳定化布 置140B由准直透镜147，窄带通滤光片141，聚光透镜142和反射镜143 实现。准直透镜147使向后发射光L1Q平行，并且在向后发射光L1Q通 过窄带通滤光片141后，聚光透镜142将向后发射光L1Q聚光。反射镜143被布置在聚光透镜142的焦点位置。聚光透镜142和反射镜143构成 用于实现光学反馈的光学系统，并且窄带通滤光片141实现波长选择装置。 即，在向后发射光L1Q通过窄带通滤光片141时，向后发射光L1Q经受 波长选择。然后，向后发射光L1Q被反射镜143反射，使得反射的向后发 射光L1Q折回通过向后发射光L1Q的光程，并且被反馈回半导体激光器 100。因此，半导体激光器100的振荡波长被锁定在窄带通滤光片141的 选定波长。第七实施方案下面参考图9解释根据本发明第七实施方案的传感系统，图9是图示 在根据第七实施方案的传感系统使用的光注入单元20-6的示意图。在图9中所示的光注入单元20-6中，布置构成波长稳定化布置150 的分束器151，反射镜152，聚光透镜153和反射型纤维光栅154。反射型纤维光栅154是光纤，其中高折射率内芯被覆层覆盖，并且内 芯包括以规则的间隔形成的多个折射率变化部分。例如，反射型纤维光栅 154可以由设计用于光通讯的光纤制成并且通过如下方式由外径为125微 米的覆层和直径约10微米的内芯构成在紫外波长范围产生受激准分子 激光的两束干涉条纹，以改变(增大)暴露于两束干涉光的多个部分的折射 率。认为掺杂在内芯中的二氧化锗通过暴露于紫外光而进行化学变化，使 得内芯的所述多个部分的折射率变化。折射率变化的所述多个部分在沿着 传播通过反射型纤维光栅154的光的方向上实现具有特定间距的光栅。图9中所示的光注入单元20-6中，从半导体激光器100中发射的测量 光L1进入分束器151，在分束器151中，测量光L1的一部分L1R分支向 反射镜152。反射镜152将光束L1R向聚光透镜153反射，并且聚光透镜 153将反射的光束L1R聚光，使得聚光的光束L1R进行反射型纤维光栅 154。布置反射型纤维光栅154，使得反射型纤维光栅154的一端位于聚光 透镜153的焦点位置。然后，光束L1R传播通过反射型纤维光栅154。此 时，在反射型纤维光栅154中实现的光栅仅衍射和反射具有与光栅的间距 相应的特定波长的光束L1R的分量，使得具有该特定波长的分量通过反射 镜152和分束器151被反馈回半导体激光器100。因此，半导体激光器100的振荡波长被锁定在反射型纤维光栅154的选定波长。 第八实施方案下面参考图IO解释根据本发明第八实施方案的传感系统，图10是图示在根据第八实施方案的传感系统使用的光注入单元20-7的示意图。在图10中所示的光注入单元20-7中，布置构成波长稳定化布置150A的聚光透镜155，第一光纤156和第二光纤157。聚光透镜155聚光从半导体激光器100中发射的光束Ll。第一光纤156含有多个折射率变化部分，这些部分与第七实施方案中的反射型纤维光栅154中形成的那些类似。将第二光纤157耦合到第一光纤156上，以形成光纤耦合器。由聚光透镜155聚光的光束Ll从第二光纤157的一端进入第二光纤 157，在第二光纤157中传播，并且分成两部分。光束L1的第一部分传播 通过第二光纤157，并且从第二光纤157的另一端输出，用作测量光。光 束Ll的第二部分从第二光纤157通过第一和第二光纤156和157的耦合 传播到第一光纤156，并且在第一光纤156中传播。然后，具有特定波长 的光束Ll第二部分分量通过由多个折射率变化部分实现的光栅衍射和反 射。反射的光束Ll第二部分的分量通过第二光纤157和聚光透镜155被 反馈回半导体激光器100。因此，半导体激光器100的振荡波长被锁定在 由第一光纤156选择的波长。第九实施方案下面参考图11解释根据本发明第九实施方案的传感系统，图11是图 示在根据第九实施方案的传感系统使用的光注入单元20-8的示意图。在图11中所示的光注入单元20-8中，布置构成波长稳定化布置150B 的聚光透镜155和半反射型纤维光栅158。聚光透镜155聚光从半导体激光器100中发射的激光束Ll，使得聚 光的光束L1进入半反射型纤维光栅158。布置半反射型纤维光栅158，使 得半反射型纤维光栅158的一端位于聚光透镜155的焦点位置。半反射型纤维光栅158具有与第七实施方案中的反射型纤维光栅154基本上类似的结构，并且只部分地衍射和反射具有与光栅的间距对应的特 定波长的激光束L1的部分，使得所述具有特定波长的激光束L1部分被反 馈回半导体激光器100。因此，半导体激光器100的振荡波长被锁定在由半反射型纤维光栅158选择的波长。此外，激光束Ll的剩余部分传播通 过半反射型纤维光栅158，并且从半反射型纤维光栅158的另一端面输出， 用作测量光L1。第十实施方案下面参考图12解释根据本发明第十实施方案的传感系统，图12是图 示在根据第十实施方案的传感系统使用的光注入单元20-9的示意图。在图12中所示的光注入单元20-9，布置构成波长稳定化布置150C的 聚光透镜159和半反射型纤维光栅154。聚光透镜159聚光从半导体激光器100向后发射的向后发射光L1Q， 使得聚光的向后发射光L1Q进入半反射型纤维光栅154。布置半反射型纤 维光栅154，使得半反射型纤维光栅154的一端位于聚光透镜159的焦点 位置。第十实施方案中的半反射型纤维光栅154具有与第七实施方案中的反 射型纤维光栅154基本上相同的结构，并且仅部分地衍射和反射具有与光 栅的间距对应的特定波长的向后发射光L1Q的分量，使得所述具有特定波 长的向后发射光L1Q的分量被反馈回半导体激光器100。因此，半导体 激光器100的振荡波长被锁定在由半反射型纤维光栅154选择的波长。第十一实施方案下面参考图13解释根据本发明第十一实施方案的传感系统，图13是 图示在根据第十一实施方案的传感系统201的示意图。传感系统201包含传感元件210，样品池215，光注入单元20-10，光 检测单元30-1和计算单元240。在将用于测量的测量光Ll注入到传感元件210上时，传感元件210 输出具有取决于样品217的物理特性的输出光L2。样品池215容纳传感 元件210和样品217，并且光注入单元20-10注入测量光Ll到传感元件210上，其中测量光L1由具有不同波长的测量光Lla和测量光Llb组成。 光检测单元30-1检测分别对应于不同波长的测量光Lla和测量光Lib的 输出光L2a和输出光L2b的强度，并且分别输出表明检测到的输出光L2a 和输出光L2b的强度的检测信号Sa和Sb。计算单元240得到表示检测信 号Sa和Sb之间差值的差值信号Ss。类似于在第一实施方案中使用的传感元件10，传感元件210具有由第 一反射器211 ，透光体212和第二反射器213构成的结构。第一反射器211 被布置在透光体212的光注入侧(图13中的下侧)上，并且第二反射器213 被布置在透光体212的相反侧上。第一反射器211是半透半反的，并且第 二反射器213是全反射的。样品池215容纳传感元件210和样品217，并且通过使用固定结构(未 示出)将传感元件210永久或可拆地固定在样品池215中，使得第一反射器 211和第二反射器213接触样品217。如图13中所示，样品池215由池体和透光窗口 216构成。池体由不 透光材料如金属形成，形成的形状使得样品池215具有窗口并且可以用样 品217填充，并且透光窗口面板216可透射测量光L1和输出光L2，并且 被插入到池体的窗口中。布置窗口面板216和传感元件210，使得第一反 射器211面对窗口面板216。光注入单元20-10由第一激光光源220，第二激光光源221和分色镜 222构成。第一激光光源220发射具有波长人1的测量光Lla，并且第二激 光光源221发射具有波长人2的测量光Llb。布置分色镜222，以传输测量 光Lla并且反射测量光Llb，使得测量光Lla和测量光Lib被光学合并成 窄平行束形式的测量光L1，所述测量光L1被注入到传感元件210上。光检测单元30-l由第一光学检测器230，第二光学检测器231和分色 镜232构成。布置分色镜232，从而在将输出光L2 (其中输出光L2a和输 出光L2b被光学合并)入射在分色镜232上时，传输输出光L2a并且反射 输出光L2b。第一光学检测器230检测对应于具有波长X1的测量光Lla 的输出光L2a，并且第二光学检测器231检测对应于具有波长X2的测量光 Llb的输出光L2b。因此，分色镜232将输出光L2分成输出光L2a和输 出光L2b。输出光L2a和输出光L2b分别由第一光学检测器230和第二光学检测器231检测，所述第一光学检测器230和第二光学检测器231例如由光电二极管实现。此外，需要时，由一个以上准直透镜、聚光透镜等构成的光导光学系统可以配备有光注入单元20-10和光检测单元30-1中的每一个。在根据第十一实施方案的传感系统201中，将具有不同波长的测量光 Lla和测量光Lib注入到传感元件210上，由第一光学检测器230和第二 光学检测器231检测分别对应于测量光Lla和测量光Lib的输出光L2a 和输出光L2b的强度，并且得到表示从第一光学检测器230和第二光学检 测器231输出的检测信号Sa和Sb之间差值的差值信号Ss。由于如上所述， 传感元件210中吸收的波长相关性随样品217变化，所以上述差值信号Ss 也随样品217变化。因此，可以基于差值信号Ss，定量地分析样品217。 此外，由于叠加在检测信号Sa和Sb上的噪声分量可以通过得到差值信号 Ss而取消，因此差值信号Ss的信噪比高，使得可以足够高精度地进行分 析。如上所述，根据第十一实施方案的传感系统201可以分析样品的折射 率和/或浓度，并且可以通过分析样品的折射率识别样品。此外，传感系统 201可以通过如下步骤测定样品中特定材料的存在与否，或分析样品中含 有的特定材料的量:将特异性结合材料(其可以特异性地结合到所述特定材 料上)固定到被布置成接触样品的传感元件210的一个或多个表面上，安排 所述一个或多个表面与样品接触，将测量光Ll注入到传感元件210上， 并且检测从传感元件210中输出的输出光L2。在如上所述测量输出光L2 之后，可以通过如PCT日本公布11(1999)-512518， 2002-517720和 2003-527606所公开的方式，将结合到特定材料的特异性结合材料和固定 到传感元件210上的特异性结合材料分离，重新使用传感元件210。在根据第十一实施方案、使用上面所解释的反射型传感元件210的传 感系统201中，优选的是，光检测单元30-l通过只接收不规则反射的分量 如在从第一反射器211输出的输出光L2中包括的散射光，来检测输出光 L2。由于输出光L2的不规则反射的分量的强度太高，存在的可能性是不 能基于不规则反射的分量的强度满意地检测要求检测的特性。但是，在检 测弱光如散射光的情况下，可以更高精度地进行分析。此外，由于类似的原因，优选的是布置光注入单元20-10，布置的位置使得光注入单元20-10可以在与传感元件210的入射平面不垂直的方向上注入测量光L1。在传感系统201中使用的样品池215的构造不限于上述构造，并且可 以以各种方式布置。例如，在使用半透半反型传感元件或从第一反射器211 将输出光L2输出的反射型传感元件的情况下，可以布置样品池215，使 得只有第二反射器213接触样品217。第十二实施方案下面参考图14解释根据本发明第十二实施方案的传感系统，图14是 图示在根据第十二实施方案的传感系统202的示意图。图14中的传感系统202不同于图13中的传感系统201之处如下。在传感系统202中，提供驱动控制单元250，用于控制第一激光光源 220和第二激光光源221，使得在第一激光光源220的激活完成(结束)后经 过经过预定的时间时，开始第二激光光源221的激活。因此，在具有波长 入l的测量光Lla的注入完成后经过经过预定的时间时，开始将具有波长 入2的测量光Lib注入到传感元件210上。此外，光注入单元仅由单个光学检测器233实现，光学检测器233的 操作也由驱动控制单元250控制。g卩，激活光学检测器233，用于分别与 第一光学检测器230和第二光学检测器231的激活同步地检测输出光L2a 和输出光L2b，使得光学检测器233在第一激光光源220被激活时输出表 示输出光L2a的强度的检测信号Sa，并且在第二激光光源221被激活时输 出表示输出光L2b的强度的检测信号Sb。将从光学检测器233以间隔输出的检测信号Sa和Sb供应到计算单元 240中。计算单元240将检测信号Sa和Sb临时存贮在内存储器(未示出) 中，得到检测信号Sa和Sb的差值，并且输出差值信号Ss。由于在根据第十二实施方案的传感系统202中通过使用如上所述得到 的差值信号Ss进行分析，所以可以实现与第十一实施方案类似的优点。其它传感元件在根据本发明的传感系统中，传感元件不限于在上述实施方案中使用的传感元件10或210，并且可以使用各种传感元件。例如，可以使用如图15A至17中所示的传感元件。在下面的解释中，仅指明与传感元件10或 210的不同。图15A和15B是在根据本发明的传感系统中可以使用的传感元件的 第一附加实例310a的透视图和顶视图。如图15A和15B中所示，传感元件310a具有由第一反射器311，透 光体312和第二反射器313构成的结构。第一反射器311被布置在透光体 312的光注入侧(图15A中的上侧)上，并且第二反射器313被布置在透光 体312的相反侧上。第一反射器311是半透半反的，并且第二反射器313 是全反射的。传感元件310a不同于第一实施方案中使用的传感元件10之 处在于第一反射器311由金属层实现，所述金属层由许多具有大致相同 直径的金属粒子311c形成，并且金属粒子311c以矩阵布置规则地阵列在 透光体312的表面上并且固定到表面上，而反射材料以图案形式形成在金 属层中，从而实现传感元件10中的第一反射器11。对形成第一反射器311 的材料没有特别限制，并且第一反射器311可以由与传感元件10中的第 一反射器ll类似的金属形成。尽管第一反射器311由反射性的金属形成，但是在金属粒子之间存在 间隙。因此，第一反射器311对光是半透射的。g卩，第一反射器311是半 透半反的。将金属粒子311c的直径和阵列间距设计成小于测量光Ll的一 个或多个波长。即，第一反射器311具有有比测量光L1的一个或多个波 长更细的凸部和凹部的结构。因此，第一反射器311也具有如金属网的电 磁屏蔽效果，使得第一反射器311成为半透半反薄膜。因此，即使在使用 传感元件310a代替在根据本发明第一至第十二实施方案的传感系统中的 传感元件10或210的情况下，也基本上不改变第一至第十二实施方案的 优点。图16是在根据本发明的传感系统中可以使用的传感元件的第二附加 实例310b的透视图。如图16中所示，传感元件310b也具有由第一反射器311-1，透光体 312-1和第二反射器313-1构成的结构。第一反射器311-1被布置在透光体 312-1的光注入侧(图16中的上侧)上，并且第二反射器313-1被布置在透光体312-1的相反侧上。第一反射器311-1是半透半反的，并且第二反射器313-1是全反射的。但是，第一反射器311-1，透光体312-1和第二反射 器313-1不同于上面解释的构成传感元件10， 210或310a的第一反射器， 透光体和第二反射器。传感元件310b中，透光体312-1由金属氧化物(例如，Al203)形成， 其是通过阳极氧化金属(例如铝)体的一部分而得到的，并且第二反射器 313-1是由金属未被阳极氧化的剩余部分实现的。第二反射器313-1是全 反射的。透光体312-1是透光多微孔体。在透光多微孔体中，多个微孔312a 大致直地从第一反射器侧的第一表面延伸至第二反射器侧的第二表面附 近。即，微孔312a在第一反射器侧开口，并且在第二-反射器侧闭合。微 孔312a具有小于测量光Ll的一个或多个波长的直径，并且以小于测量光 Ll的一个或多个波长的阵列间距大致规则地布置。第一反射器311-1是通过蒸发等在透光体312-1的第一表面上形成的 金属层。由于微孔312a在第一反射器侧幵口，所以金属被蒸发在第一表 面除微孔312a的开口之外的区域，使得第一反射器311-1由等边六边形金 属部311e形成，所述金属部311e被紧密地布置以覆盖透光体312-1的第 一表面，并且微孔311f分别大致位于等边六边形金属部311e的中心。由 于在第一反射器311-1中的微孔311f与透光体312-1中的微孔312a以相 同的图案布置，所以微孔311f具有小于测量光Ll的一个或多个波长的直 径，并且以小于测量光L1的一个或多个波长的阵列间距大致规则地布置。尽管第一反射器311-1由金属(其是反射性的)形成，但是微孔311f分 布在整个面积上。因此，第一反射器311-1对光是半透射的。g卩，第一反 射器311-1是半透半反的。由于第一反射器311-1具有有比测量光L1的一 个或多个波长更细的凸部和凹部的结构，所以第一反射器311-1也如金属 网具有电磁屏蔽效果，使得第一反射器311-1变成半透半反薄膜。因此， 即使在使用传感元件310b代替在根据本发明第一至第十二实施方案的传 感系统中的传感元件10或210的情况下，也基本上不改变第一至第十二 实施方案的优点。制备透光体312-1的材料不限于铝，并且可以是任何可以被阳极氧化并且其阳极氧化物可透射光的金属。例如，透光体312-1可以由Ti， Ta， Hf， Zr， Si， In， Zn等制成。此外，透光体312-1可以由多于一种可以被 阳极氧化的金属制成。尽管在上述传感元件310b中，第二反射器313-1是全反射的，但是备 选地，可以通过如下步骤使第二反射器313-1是半透半反的，例如形成 透过透光体312-1整个厚度的微孔312a，并且仅在透光体312-1第二表面 中除微孔312a开口之外的区域上形成第二反射器313-1。在此情况下，第 二反射器313-1具有微孔，并且如第一反射器311-1变成半透半反的。例 如，可以通过如下步骤形成具有通过透光体312-1整个厚度形成的微孔 312a的透光体312-1:阳极氧化将要形成透光体312-1和第一反射器311-1 的金属的整体，或阳极氧化所述金属体的一部分，并且将金属中没有阳极 氧化的剩余部分和剩余部分附近除去。图17是在根据本发明的传感系统中可以使用的传感元件的第三附加 实例310c的透视图。如图17中所示，传感元件310c也具有由第一反射器311-2，透光体 312-2和第二反射器313-2构成的结构。第一反射器311-2被布置在透光体 312-2的光注入侧(图17中的上侧)上，并且第二反射器313-2被布置在透 光体312-2的相反侧(图17中的下侧)上。第一反射器311-2是半透半反的。 但是，传感元件310c不同于第一实施方案中使用的传感元件10之处在于 第一反射器311-2和第二反射器311-2都由半透半反金属层实现，而传感 元件10中的第二反射器13由覆盖透光体12整个底表面的金属层实现并 且是全反射的。在传感元件310c中，第一反射器311-2和第二反射器311-2 中每个都是以与传感元件10中的第一反射器11类似的方式形成的。具体 地，第二反射器313-2是通过将细金属丝313a以规则的网格图案布置在透 光体312-2的底表面上形成的。在传感元件310c中，第一反射器311-2和 第二反射器311-2都具有有比测量光Ll的一个或多个波长更细的凸部和 凹部的结构，在第一反射器311-2和第二反射器311-2中的任一个被布置 成接触样品时，反射器的平均复折射率随样品灵敏地变化。因此，即使在 使用传感元件310c代替在根据本发明第一至第十二实施方案的传感系统 中的传感元件10或210的情况下，也基本上不改变第一至第十二实施方案的优点。此外，必要时，第一和第二反射器的结构或第一和第二反射器结构的 组合可以在本发明的范围内改变。例如，第一和第二反射器可以通过组合在传感元件10， 310a， 310b，和310c中的第一和第二反射器的结构来实现。在第二反射器也是半透半反的情况下，可以从传感元件的第二反射器侧检测输出光L2。在此情况下，可以根据输出输出光L2的位置，改变透 光窗口的位置、光检测单元的布置等。
权利要求
1.一种传感系统，其包含传感元件，其响应光到所述传感元件上的注入而输出物理特性随样品变化的光；光注入单元，其将作为第一光的激光注入到所述传感元件上，并且具有波长稳定化布置结构，所述波长稳定化布置结构通过内置于所述波长稳定化布置结构中的波长选择器而使激光的振荡波长稳定；和光检测单元，其检测第二光的物理特性，所述第二光是响应所述第一光到所述传感元件上的注入而从所述传感元件中输出的；其中所述传感元件包括透光体，第一反射器，其是半透半反的，并且被布置在透光体的第一侧，从所述透光体的第一侧注入所述第一光和所述第二光，和第二反射器，其是全反射的，或半透半反的，并且被布置在所述透光体与所述第一侧相反的第二侧上；所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个被布置成与所述样品接触，并且具有随所述样品而改变的平均复折射率；并且所述传感元件显示如下吸收特性根据所述第一反射器和所述第二反射器分别所具有的平均复折射率和所述透光体所具有的平均复折射率和厚度，在特定波长选择性吸收注入到所述传感元件上的光，并且从所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个中输出其中反映所述吸收特性的光。
2. —种传感系统，其包含传感元件，其响应光到所述传感元件上的注入而输出物理特性随样品变化的光；光注入单元，其将两种以上波长的光注入到所述传感元件上，其 中由所述光注入单元注入的光包括具有第一波长的第一光和具有与第一 波长不同的第二波长的第二光；光检测单元，其检测响应所述第一光到传感元件上的注入而从所 述传感元件输出的第三光的第一强度，和响应所述第三光到传感元件上的 注入而从所述传感元件输出的第四光的第二强度；和计算单元，其得到所述第一强度和所述第二强度之间的差值；其中所述传感元件包括 透光体，第一反射器，其是半透半反的，并且被布置在透光体的第一 侧，从所述透光体的第一侧注入所述第一光和所述第二光，和第二反射器，其是全反射的，或半透半反的，并且被布置在 所述透光体与所述第一侧相反的第二侧上；所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个被布置成与所 述样品接触，并且具有随所述样品而改变的平均复折射率；并且所述传感元件显示如下吸收特性根据所述第一反射器和所述第二反射器分别所具有的平均复折射率和所述透光体所具有的平均复折射 率和厚度，在特定波长选择性吸收注入到传感元件上的光，并且从所述第 - 一反射器和所述第二反射器中的至少一个中输出其中反映所述吸收特性 的光。
全文摘要
一种传感系统，其使用由第一和第二反射器(11，211，13，213)夹在之间的透光体(11，211)构成并且显示随样品变化的吸收特性的传感元件(10，210)，所述第一和第二反射器中的一个或者每一个与样品(17，217)接触。第一反射器是半透半反的，并且第二反射器是全反射的，或半透半反的。光注入单元(20，20-11)将光注入到第一反射器上，并且光检测单元(30，233)检测传感元件响应所述注入而输出的光的强度。光注入单元具有波长稳定化布置并且注入激光，或注入两种波长的光。在后一种情况下，光检测单元检测两种波长的输出光的强度，并且计算单元(240)得到强度之间的差值。
文档编号G01N21/27GK101278189SQ20068003648
公开日2008年10月1日 申请日期2006年9月28日 优先权日2005年9月30日
发明者纳谷昌之, 羽鸟正美 申请人:富士胶片株式会社