JP5531886B2 - バイオセンサシステム - Google Patents
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Description
本発明は、バイオセンサと当該バイオセンサからの出力に基づいて所定の処理を実行する電子回路を備えたバイオセンサシステムに関する。
近年、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、または、食品若しくは環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、糖鎖、たんぱく質等の生体関連物質の検査をするための種々の方法が開発されており、特に、電気的な信号によって生体分子（ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）を検出するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、「ＦＥＴ」ともいう。）を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて多くの研究が為されている。
ＦＥＴを用いたバイオセンサは、ＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除去し、絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造を有しており、「ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ＦＥＴ）」と呼ばれている。そして、このＩＳＦＥＴは、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原または抗体などを配置することによって、各種バイオセンサとして機能するようになっている（例えば、特許文献１）。
また、同一基板上に複数の絶縁領域を設け、それぞれの絶縁領域上にイオン感応膜を分離形成されたＩＳＦＥＴ（マルチＩＳＦＥＴ）も知られている（例えば、特許文献２）。
しかしながら、特許文献１または２に記載のバイオセンサにあっては、イオン感応膜の面積に合わせてソース電極またはドレイン電極などの関連する部分を形成させる必要があるため、イオン感応膜の面積を大きくする場合には、その他の関連部分も大きくする必要があり、安価に作製することができない。また、特許文献１または２に記載のバイオセンサにあっては、ＩＳＦＥＴとして機能するためのソース電極及びドレイン電極その他の回路素子または当該回路素子を含んだ回路をイオン感応膜とともに基材上に作り込まなければならないので、回路素子または当該回路素子を含んだ回路が動作不良の場合には、バイオセンサ自体が不良となってしまい、歩留まりを向上させることができず、結果的に製造コストが増大する。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、安価にかつ容易に被検査流体内に含まれる生体関連物質が配置される感応膜の面積を大きくすることができるとともに、歩留まりを向上させて製造コストを抑制することが可能なバイオセンサシステムを提供することにある。
（１）上記課題を解決するため、本発明のバイオセンサシステムは、基材と、前記基材上に形成されるとともに、半導体膜を有し、当該半導体膜によって形成された少なくともソース電極及びドレイン電極を備えた電子回路を有する電子回路チップと、
少なくともソース電極及びドレイン電極を備えた電子回路を有する電子回路チップと、前記電子回路チップ上に積層された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に積層された電極層と、前記電極層の上に被検査流体内に含まれる生体関連物質が配置される感応膜と、を備え、前記パッケージ化された電子回路チップにおける電子回路と前記電極層とが電気的に接続されている構成を有している。
少なくともソース電極及びドレイン電極を備えた電子回路を有する電子回路チップと、前記電子回路チップ上に積層された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に積層された電極層と、前記電極層の上に被検査流体内に含まれる生体関連物質が配置される感応膜と、を備え、前記パッケージ化された電子回路チップにおける電子回路と前記電極層とが電気的に接続されている構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを用いてバイオセンサシステムとして必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜の大きさに無関係にこれらのソース電極及びドレイン電極を形成することができる。また、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを基材上に配設する前に検査を行うことによって、感応膜とともにソース電極及びドレイン電極を基材上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させることができるとともに、結果として製造コストをも抑制することができる。
（２）また、本発明のバイオセンサシステムは、前記感応膜における生体関連物質が配置される面積が、前記電子回路チップにおける当該感応膜を積層している積層面の面積よりも広い構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、より大きな生体関連物質を検査することができるとともに、電子回路チップを用いてバイオセンサシステムとして必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜の面積に依存せずに安価に作製することができる。
（３）また、本発明のバイオセンサシステムは、前記感応膜に隣接して設けられ、前記被検査流体に可変電圧を印加するための参照電極を更に備え、前記パッケージ化された電子回路と前記参照電極とが電気的に接続されている構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、被検査流体を感応膜上に滞留させた後に参照電極を被検査流体に挿入することなく、当該被検査流体を感応膜上に滞留させれば、参照電極によって参照電圧を被検査流体に印加することができるので、検査プロセスを簡易にすることができる。
（４）また、本発明のバイオセンサシステムは、単一の前記電子回路チップと、前記生体関連物質を個々に配置し、他の感応膜から独立して構成される複数の前記感応膜と、それぞれの感応膜に対応して形成される複数の前記電極層と、を有し、前記単一の電子回路チップと前記各電極層とが電気的に接続され、当該単一の電子回路チップには、各感応膜に配置された生体関連物質によって生じた信号が入力される、構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、複数の生体関連物質の配置によって生じた信号を単一の電子回路チップによって処理することができるので、効率良く生体関連物質の検査を行うことができるとともに、効率的な構造により、製造コストを抑制することができる。
（５）また、本発明のバイオセンサシステムは、前記基材には、上面に開放され、前記電子回路チップが収容される凹部が形成されている構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを的確に基材上に固定することができるとともに、電極層の平坦化を容易に実現することができる。
（６）また、本発明のバイオセンサシステムは、前記基材が、フレキシブル基板によって形成されている構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、当該バイオセンサシステムに対しての配設場所を選ぶこと無くデザイン上のフレキシブル性を向上させ、かつ、装置全体の撓みにおける耐性をも向上させることができるとともに、ロールによって基材を提供することができるので、製造コストを抑制することができる。
（７）また、本発明のバイオセンサシステムは、前記基材が、透明基材によって形成されるとともに、前記電極層が、透明電極によって形成されている構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、被検査流体の上部（基材側と反対側）から光を照射して当該感応膜に配置された生体関連物質を、基材側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができるので、被検査流体の上部から感応膜に配置された生体関連物質を観察する場合に比べて、当該生体関連物質における観察を高倍率にかつ的確に行うことができるとともに、生体関連物質の電気的特性の検出と当該生体関連物質における高倍率の観察とを両立させることができる。
（８）また、本発明のバイオセンサシステムは、前記パッケージ化された電子回路チップには、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路の少なくとも何れか一つの回路が含まれる構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、生体関連物質から検出された信号を、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路に用いることができる。
（９）また、本発明のバイオセンサシステムは、前記電子回路チップには、前記電子回路の動作を検査するための端子が設けられている、構成を有している。
この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを基材上に配設する前に検査を行うことができるとともに、感応膜とともにソース電極及びドレイン電極を基材上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させること、及び、その結果として製造コストをも抑制することができる。
本発明に係るバイオセンサシステムは、感応膜の大きさに無関係にこれらのソース電極及びドレイン電極を形成することができるとともに、感応膜とともにソース電極及びドレイン電極を基材上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させることができるとともに、結果として製造コストをも抑制することができる。
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、感応膜上に配置された被検査流体に含まれるサンプル、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質からの信号を検出する構造を有するＩＳＦＥＴを用いたバイオセンサシステムであって、パッケージ化された電子回路を有するＩＣチップが組み込まれたバイオセンサシステムに、本発明のバイオセンサシステムを適用した場合の実施形態である。また、以下の実施形態のバイオセンサシステムにおいては、感応膜とＩＣチップ内に組み込まれたソース電極及びドレイン電極によって、擬トップゲートボトムコンタクトのＩＳＦＥＴを構成する。
［第１実施形態］
はじめに、図１及び図２を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第１実施形態について説明する。
はじめに、図１及び図２を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第１実施形態について説明する。
（バイオセンサシステムの構成）
次に、図１及び図２を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００における構成について説明する。なお、図１は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の断面図であり、図２は、ＩＣチップ２００の内部構造を示す断面図及び構造図の例である。
次に、図１及び図２を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００における構成について説明する。なお、図１は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の断面図であり、図２は、ＩＣチップ２００の内部構造を示す断面図及び構造図の例である。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、図１に示すように、基材１１０と、基材１１０上に積層されたポリマー層１２０と、ポリマー層１２０上に形成されたＩＣチップ２００と、ＩＣチップ２００を被覆するとともにポリマー層１２０に積層される絶縁層１３０と、絶縁層１３０に積層される電極層１４０と、電極層１４０上に積層され、参照電極４００の印加と配置されたサンプル３００に基づいて信号を検出するための感応膜１５０と、感応膜１５０の両端に形成され、当該感応膜１５０上にサンプル３００が含まれる水溶液または培養液などの被検査流体を滞留させるための隔壁１６０と、を有している。
基材１１０は、ポリマー層１２０、絶縁層１３０、電極層１４０などの各種の層を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、基材１１０は、透明または不透明な材質から形成され、ガラス等の無機材料、ＰＥＮまたはＰＥＴなどのプラスチック（ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂）で代表される有機材料を挙げることができる。また、基材１１０の形状も限定されず、例えば、平板、平膜、フィルム、多孔質膜等の平坦な形状や、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路等の立体的な形状が挙げられる。フィルムを使用する場合、その厚さは特に制限されないが、通常、１μｍ〜１ｍｍ程度である。
なお、上記の透明とは、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１５０に配置された生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。
ポリマー層１２０は、粘着特性を有し、熱硬化性又は熱可塑性である。ポリマー層１２０は、エラストマー特性があってもよい。適当なポリマー材料には、エポキシ機能性ポリマー、ポリイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィン、ポリウレタン、ポリアミド、ベンゾシクロブタン、ポリアミド−イミド、ポリアリレンエーテル、ベンゾイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリシロキサン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニルキノザリン、ポリイミドイソ−インドロキナゾリンジオン、フルオロポリマー、シアナートエステル、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）、シナートエステル、及び、これらの化合物が含まれる。
また、ポリマー層１２０は、単層、又は、同一組成物若しくは異なる組成物の適当な数の副層によって形成されている。例えば、ポリマー層１２０は、１又は２層のポリマー副層で覆われた剛性コア若しくは熱的に安定な柔軟性コアを含む。ポリマー層１２０、又は、ポリマー層１２０の中の１層以上の副層は、適当な厚さを有する。具体的には、ポリマー層１２０、又は、ポリマー層１２０の中の１層以上の副層の厚さは、１μｍ〜３μｍ程度である。
なお、ポリマー層１２０は、透明であってもよい。この透明とは、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１５０に配置された生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。例えば、透明なポリマー材料としては、樹脂：Ｖ２５９（新日鐵化学社製）のアクリル系樹脂などが含まれる。また、このポリマー層１２０に代えてポリシラザン、シロキサンなどの塗布型の無機絶縁膜を用いてもよい。
また、本実施形態においては、ＩＣチップ２００を接着及び絶縁状態にするためにポリマー層１２０を形成させているが、当該ＩＣチップ２００を覆う程度の厚さによって形成することが可能な絶縁層１３０であればよい。
ＩＣチップ２００は、参照電極４００と配置されたサンプル３００に基づき感応膜１５０に生じた信号に対して所定の処理を行うための回路（以下、「内部回路」という。）が内部に形成された、すなわち、電子回路を備えた集積回路のチップである。なお、例えば、本実施形態のＩＣチップ２００は、本発明の電子回路チップを構成する。
特に、ＩＣチップ２００は、内部回路を構成する各回路素子を外部（すなわち、ＩＣチップ２００の外部にはＩＣチップ以外のバイオセンサシステム１００を含む）からの衝撃、湿度、熱、ガス、光線などの外的環境変化から守るとともに、接続端子を表面に備え、外部との間で適切に所定の信号及び電源の授受が行われることによって所定の信号処理を実行できるように単一の部品としてパッケージ化されている。また、ＩＣチップ２００には、電極層１４０及び外部電極と電気的に接続されるためのパッドＰがその上面に形成されている。そして、ＩＣチップ２００には、少なくとも、感応膜１５０とともにＩＳＦＥＴを構成するためのソース電極及びドレイン電極が形成されており、当該ソース電極及びドレイン電極は、外部の電極に接続されている。ただし、ＩＣチップ２００には、ソース電極及びドレイン電極の他にゲート電極を有していてもよい。なお、ＩＣチップ２００の厚さは、約５０μｍ程度である。
ここで、図２を用いて本実施形態のＩＣチップ２００は、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極から構成されるＩＣチップ２００の例を説明する。なお、図２（ａ）は、ＩＣチップ２００における図２（ｂ）におけるＡ−Ａ断面を示す断面図であり、図２（ｂ）は、ＩＣチップ２００の上面図である。また、図２（ｃ）は、ＩＣチップ２００における図２（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
このような場合には、ＩＣチップ２００は、図２に示すように、ベースとして機能するｐ型シリコン２１０と、ｐ型シリコン２１０上に積層された酸化珪素によって形成される絶縁層２２０と、酸化珪素膜２２０の上に積層され、チャネル領域２３１とソース領域２３２及びドレイン領域２３３を形成するための半導体膜２３０と、を有している。また、ＩＣチップ２００は、半導体膜２３０の上に積層されるゲート絶縁膜２４０と、チャネル領域２３１上であってゲート絶縁膜２４０上に積層されゲート電極２５０と、ゲート電極２５０を覆うように形成される絶縁膜２６０と、絶縁膜２６０上に形成され、コンタクトホールＨを介してソース領域２３２及びドレイン領域２３３にそれぞれ接続されるソース電極及びドレイン電極用のパッドＰ１、Ｐ２と、を有している。さらに、ＩＣチップ２００には、絶縁膜２６０上であってソース電極及びドレイン電極用のパッドＰ１、Ｐ２と異なる領域に、絶縁層２７０、コンタクトホールＨ及び電極２８０を形成し、最上部にゲート電極用のパッドＰ３が形成される。
特に、半導体膜２３０は、Ｐ型シリコン（珪素）またはＮ型シリコンなどの半導体から形成されている。また、半導体膜２３０は、チャネルとして機能し、電極層１４０下に形成されるチャネル領域２３１と、チャネル領域２３１と物理的には水平方向に並設され、半導体膜２３０にボロンやリンをイオン注入して熱による拡散することによって形成されたソース領域２３２及びドレイン領域２３３と、を有している。ソース領域２３２及びドレイン領域２３３は、コンタクトホールＨを介してゲート絶縁膜２４０上に形成された外部と接続するためのパッドＰ１、Ｐ２とそれぞれ物理的にかつ電気的に接続されている。
ゲート電極２５０及びその他の電極２８０は、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）などの導電性のものから形成される。
絶縁層１３０は、ＩＣチップ２００を覆うように、ポリマー層１２０上に積層される。また、この絶縁層１３０は、感応膜１５０を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、絶縁性の観点から、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮｘ）、窒化酸化珪素（ＳｉＯｘＮｙ）などのシリコン酸化物若しくはシリコン窒化物から形成される。特に、本実施形態の絶縁層１３０には、酸化珪素を用いるのが好ましい。なお、絶縁膜４０の膜厚は、諸条件により適宜選択可能であって、例えば、１０μｍ以上である。
電極層１４０は、感応膜１５０を積層することが可能な導電膜で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、透明または不透明な材質によって形成されており、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）などの導電性のものから形成される。特に、電極層１４０が透明電極から形成されており場合には、基材１１０の下部から感応膜１５０が観察することができるものであれば特に限定されるものではない。また、この透明とは、基材１１０と同様に、顕微鏡などの観察機器を用いて基材１１０から感応膜１５０に配置された生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。
また、電極層１４０は、ＩＣチップ２００の上面に形成されたパッドＰを介して当該ＩＣチップ２００内の内部回路と接続される。例えば、内部回路がソース電極２５０及びドレイン電極２６０のみから形成されている場合には、上述のようにＩＣチップ２００上に形成されたパッドＰに接続される。
感応膜１５０は、電極層１４０上に積層され、被検査流体に含まれるサンプル３００、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を配置可能なものによって形成される。特に、感応膜１５０は、透明半導体膜におけるチャネルが形成される領域上に、滞留された被検査流体３００に含まれるサンプル３００が配置されるための領域（以下、「配置領域」という。）を少なくとも有している。また、感応膜１５０は、イオン感応膜であって、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）シリコン窒化膜（ＳｉＮ４）、タンタル酸化膜（Ｔａ２Ｏ５）または酸化アルミニウム膜（Ａｌ２Ｏ３）によって形成される。これらのイオン感応膜を測定したいイオン種に応じて適宜採用すればよい。また必要に応じて、ＤＮＡタンパク質、糖鎖を固定化するための表面修飾が為されていてもよい。
隔壁１６０は、感応膜１５０上であって配置領域の周囲に形成されており、水溶液または培養液などの被検査流体を感応膜１５０上に滞留させるように積層方向に対して所定の高さを有している。障壁は、配置領域外にサンプル３００を含有する被検査流体の漏出させないための材料で形成されたものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、ガラス、プラスチックまたは金属によって形成されている。
（バイオセンサシステムの動作原理）
次に、図３を用いて本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理について説明する。なお、図３は、本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理を説明するための図である。
次に、図３を用いて本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理について説明する。なお、図３は、本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理を説明するための図である。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、上述のような構成を有することによって、被検査流体に含まれるサンプル３００、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を感応膜１５０上に配置させることができるようになっている。したがって、図３に示すように、ＩＣチップ２００内のソース電極２５０−ドレイン電極２６０間に０．１Ｖ〜１Ｖ程度の電圧ＶＤＳを印加しつつ、被検査流体内に挿入された参照電極４００を介して可変電圧（参照電圧）ＶＧを被検査流体に印加すると、感応膜１５０に生ずる電位（以下、「膜電位」ともいう。）の変化に応じて、電極層１４０を介してＩＣチップ２００の半導体膜２３０に形成されるチャネル領域２３１が変化し、ドレイン電流ＩＤの変化を検出することができるようになっている。この結果、参照電圧ＶＧに基づくドレイン電流ＩＤの変化、すなわち、トランジスタとしての電流−電圧特性を、予め測定した生体関連物質における電流−電圧特性と比較することによって被検査流体に含まれるサンプル３００の種別を特定することができるようになっている。
（作用効果）
以上、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、ＩＣチップ２００を用いてバイオセンサシステム１００として必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜１５０の大きさに無関係にこれらのソース電極及びドレイン電極を形成することができる。そして、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、電子回路チップを基材１１０上に配設する前に検査を行うことによって、感応膜１５０とともにソース電極及びドレイン電極を基材１１０上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させることができるとともに、結果として製造コストをも抑制することができる。
以上、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、ＩＣチップ２００を用いてバイオセンサシステム１００として必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜１５０の大きさに無関係にこれらのソース電極及びドレイン電極を形成することができる。そして、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、電子回路チップを基材１１０上に配設する前に検査を行うことによって、感応膜１５０とともにソース電極及びドレイン電極を基材１１０上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させることができるとともに、結果として製造コストをも抑制することができる。
また、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、より大きなサンプル３００を検査することができるとともに、ＩＣチップ２００を用いてバイオセンサシステム１００として必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜１５０の面積に依存せずに安価に作製することができる。
また、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、基材１１０、電極層１４０及びポリマー層１２０などの各部材を透明にすることによって、被検査流体の上部（基材１１０側と反対側）から光を照射して当該感応膜１５０に配置された生体関連物質を、基材１１０側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができるようになる。したがって、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、被検査流体の上部から感応膜１５０に配置されたサンプル３００を観察する場合に比べて、当該サンプル３００における観察を高倍率にかつ的確に行うことができるとともに、サンプル３００の電気的特性の検出と当該サンプル３００における高倍率の観察とを両立させることができる。
（変形例）
次に、図４を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例を説明する。なお、図４は、本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例の断面図である。
次に、図４を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例を説明する。なお、図４は、本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例の断面図である。
上記の実施形態の基材１１０は、ステンレス（ＳＵＳ）製の薄膜合金フレキシブル基板であってもよい。この場合には、フレキシブル基板をロールによって提供することができるので、製造コストを抑制することができるとともに、バイオセンサシステム１００に対しての配設場所を選ぶこと無くデザイン上のフレキシブル性を向上させ、かつ、装置全体の撓みにおける耐性をも向上させることができるようになっている。
また、上記の実施形態において、基材１１０にＩＣチップ２００を固定するための凹部１１１が設けられていてもよい。例えば、図４に示すように、基材１１０には、上部に開放され、ＩＣチップ２００より面積が大きい溝を有し、ＩＣチップ２００を載置し、ポリマー層１２０を形成する際に当該ＩＣチップ２００をポリマーによって基材１１０に固定するようになっている。なお、上述の実施形態と異なり、ポリマー層１２０の上に絶縁層１３０を形成してもよいし、上述の実施形態と同様にポリマー層１２０上に絶縁層１３０を形成しなくてもよい。
この構成により、バイオセンサシステム１００は、ＩＣチップ２００を的確に基材１１０上に固定することができるとともに、ＩＣチップ２００上に形成される電極層１４０を容易に平坦化すること、及び、その結果、感応膜１５０を容易に平坦化することができるようになる。
また、上記実施形態におけるＩＣチップ２００の上面に、内部回路が正常動作を行うことを確認するための端子（パッド）が設けられていてもよい。例えば、この端子は、ゲート電極の確認用としてＩＣチップ２００における電極層１４０が接続される端子と、ソース電極２５０及びドレイン電極２６０の確認用として、ソース電極２５０及びドレイン電極２６０のそれぞれに対して接続された端子であって、基材１１０に形成される前に正常動作を確認する際に用いられる。したがって、ＩＣチップ２００を基材１１０上に配設する前に検査を行うことができるとともに、感応膜１５０とともにソース電極２５０及びドレイン電極２６０を基材１１０上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させること、その結果として製造コストをも抑制することができるようになる。
［第２実施形態］
次に、図５及び図６を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第２実施形態について説明する。
次に、図５及び図６を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第２実施形態について説明する。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、第１実施形態において参照電極４００が被検査流体（サンプル３００）内に挿入されている点に代えて、感応膜１５０に隣接し、かつ、被検査流体に参照電圧を印加することが可能な領域に形成された参照電極５００を有している点に特徴がある。なお、その他の構成は、第１実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。
（バイオセンサシステムの構成）
まず、図５を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００の構成について説明する。なお、図５は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の断面図である。
まず、図５を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００の構成について説明する。なお、図５は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の断面図である。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、図５に示すように、基材１１０と、基材１１０上に積層されたポリマー層１２０と、ポリマー層１２０上に形成されたＩＣチップ２００と、ＩＣチップ２００を被覆するとともにポリマー層１２０に積層される絶縁層１３０と、絶縁層１３０に積層される電極層１４０と、電極層１４０上に積層され、参照電極５００の印加と配置されたサンプル３００に基づいて信号を検出するための感応膜１５０と、感応膜１５０に隣接され、被検査流体に参照電圧を印加するための参照電極５００と、被検査流体を滞留させるための隔壁１６０と、を有している。
参照電極５００は、積層方向に垂直な水平方向において感応膜１５０におけるサンプル３００が配置される配置領域に隣接して形成されており、一部が被検査流体と接触するように当該被検査流体が滞留されている領域に形成される。また、参照電極５００は、ＩＣチップ２００と絶縁されて設けられており、感応膜１５０の配置領域以外の領域に積層されている。さらに、参照電極５００は、導電膜で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、透明または不透明な材質によって形成されており、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）などの導電性のものから形成される。
（バイオセンサシステムの動作）
次に、図６を用いて本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理について説明する。なお、図６は、本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理を説明するための図である。
次に、図６を用いて本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理について説明する。なお、図６は、本実施形態におけるバイオセンサシステム１００の動作原理を説明するための図である。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、上述のような構成を有することによって、被検査流体に含まれるサンプル３００、すなわち、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を感応膜１５０上に配置させることができるようになっている。したがって、図６に示すように、ＩＣチップ２００内のソース電極２５０−ドレイン電極２６０間に０．１Ｖ〜１Ｖ程度の電圧ＶＤＳを印加しつつ、被検査流体と接触された参照電極５００を介して可変電圧（参照電圧）ＶＧを被検査流体に印加すると、感応膜１５０に生ずる電位（以下、「膜電位」ともいう。）の変化に応じて、電極層１４０を介してＩＣチップ２００の半導体膜２３０に形成されるチャネル領域２３１が変化し、ドレイン電流ＩＤの変化を検出することができるようになっている。この結果、参照電圧ＶＧに基づくドレイン電流ＩＤの変化、すなわち、トランジスタとしての電流−電圧特性を、予め測定した生体関連物質における電流−電圧特性と比較することによって被検査流体に含まれるサンプル３００の種別を特定することができるようになっている。
（作用効果）
以上本実施形態のバイオセンサシステム１００は、第１実施形態に加えて、被検査流体を感応膜１５０上に滞留させた後に参照電極５００を被検査流体に挿入することなく、当該被検査流体を感応膜１５０上に滞留させれば、参照電極５００によって参照電圧を被検査流体に印加することができるので、検査プロセスを簡易にすることができる。
以上本実施形態のバイオセンサシステム１００は、第１実施形態に加えて、被検査流体を感応膜１５０上に滞留させた後に参照電極５００を被検査流体に挿入することなく、当該被検査流体を感応膜１５０上に滞留させれば、参照電極５００によって参照電圧を被検査流体に印加することができるので、検査プロセスを簡易にすることができる。
（変形例）
次に、本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例を説明する。
次に、本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例を説明する。
第１実施形態と同様に、上記の実施形態の基材１１０は、ステンレス（ＳＵＳ）製の薄膜合金フレキシブル基板であってもよい。
また、第１実施形態と同様に、上記の実施形態において、基材１１０にＩＣチップ２００を固定するための凹部が設けられていてもよい。
また、第１実施形態にと同様に、上記実施形態におけるＩＣチップ２００の上面に、内部回路が正常動作を行うことを確認するための端子（パッド）が設けられていてもよい。例えば、この端子は、ＩＣチップ２００における電極層１４０が接続される端子、ソース電極及びドレイン電極のそれぞれに対して接続された端子であって、基材１１０に形成される前に正常動作を確認する際に用いられる。
［第３実施形態］
次に、図７〜図９を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第３実施形態について説明する。
次に、図７〜図９を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第３実施形態について説明する。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、第１実施形態において、単一のＩＣチップ２００上に、サンプル３００を個々に配置し、他の感応膜１５０から独立して構成される複数の感応膜１５０と、それぞれの感応膜１５０に対応して形成される複数の電極層１４０を備える点に特徴がある。なお、その他の構成は、第１実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。
（バイオセンサシステムの構成）
まず、図７及び図８を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００の構成について説明する。なお、図７は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の構造を示す上面図であり、図８は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の回路構成を示す回路図である。
まず、図７及び図８を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００の構成について説明する。なお、図７は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の構造を示す上面図であり、図８は、本実施形態のバイオセンサシステム１００の回路構成を示す回路図である。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、構造としては、図７に示すように、単一のＩＣチップ２００上に、サンプル３００を個々に配置し、他の感応膜１５０から独立して構成される複数の感応膜１５０と、それぞれの感応膜１５０に対応して形成される複数の電極層１４０と、を有している。そして、ＩＣチップ２００と各電極層１４０とは、電極層１４０が重畳されているＩＣチップ２００部分の上面に設けられたパッドＰを介して電気的に接続されており、ＩＣチップ２００には、各感応膜１５０に配置されたサンプル３００によって生じたそれぞれの信号が入力されるようになっている。なお、本実施形態のバイオセンサシステム１００は、各感応膜１５０毎にセルＣとして機能させるために、各セルＣ（すなわち、感応膜１５０）に電源電圧ＶＤＤを印加するための電源ライン及び各セルＣを選択するための選択ラインがＩＣチップ２００上に形成されており、ＩＣチップ２００内の内部回路とはそれぞれコンタクトホールによって接続されている。
また、バイオセンサシステム１００は、回路構成としては、図８に示すように、セルＣ毎に、ＩＳＦＥＴ１０と、スイッチングトランジスタ２０と、を備えている。具体的には、バイオセンサシステム１００は、ＩＣチップ２００に組み込まれた感応膜１５０以外のＩＳＦＥＴ１０の部分とＩＣチップ２００情報に形成された感応膜１５０によって形成されたＩＳＦＥＴ１０と、ＩＣチップ２００回路内に組み込まれたスイッチングトランジスタ２０と、を備えている。そして、各セルＣにおけるスイッチングトランジスタ２０において、ソースに電源電圧ＶＤＤが印加されつつ、ゲートに選択ラインによって所定の電圧が印加されると、各セルＣのＩＳＦＥＴ１０によってサンプル３００おける各信号を検出することができるようになっている。なお、各セルＣにおいてＩＳＦＥＴ１０によって検出されたサンプル３００おける各信号は、図示しない出力端子によって外部に出力される、または、ＩＣチップ２００によって組み込まれた他の回路によって所定の処理に用いられるようになっている。
（作用効果）
以上本実施形態のバイオセンサシステム１００は、第１実施形態の効果に加えて、複数のサンプル３００の配置によって生じた信号を単一のＩＣチップ２００によって処理することができるので、効率良くサンプル３００の検査を行うことができるとともに、効率的な構造により、製造コストを抑制することができる。
以上本実施形態のバイオセンサシステム１００は、第１実施形態の効果に加えて、複数のサンプル３００の配置によって生じた信号を単一のＩＣチップ２００によって処理することができるので、効率良くサンプル３００の検査を行うことができるとともに、効率的な構造により、製造コストを抑制することができる。
（変形例）
次に、図９を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例を説明する。なお、図９は、本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例の断面図である。
次に、図９を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例を説明する。なお、図９は、本実施形態のバイオセンサシステム１００における変形例の断面図である。
本実施形態においては、各セルＣにスイッチングトランジスタ２０が形成されているが、スイッチングトランジスタ２０を省略してＩＳＦＥＴ１０のみから形成されるようにしてもよい。この場合には、図９に示すようにＩＳＦＥＴ１０におけるソース電極が電源電圧ＶＤＤに接続され、当該電源電圧ＶＤＤが印加されると各セルＣのＩＳＦＥＴ１０によってサンプル３００おける各信号を検出することができるようになっている。
また、上記の実施形態においては、第２実施形態と同様に、参照電極５００が被検査流体内に挿入されている点に代えて、感応膜１５０に隣接し、かつ、被検査流体に参照電圧を印加することが可能な領域に参照電極５００が形成されていてもよい。
また、第１実施形態と同様に、上記の実施形態の基材１１０は、ステンレス（ＳＵＳ）製の薄膜合金フレキシブル基板であってもよい。
また、第１実施形態と同様に、上記の実施形態において、基材１１０にＩＣチップ２００を固定するための凹部が設けられていてもよい。
また、第１実施形態にと同様に、上記実施形態におけるＩＣチップ２００の上面に、内部回路が正常動作を行うことを確認するための端子が設けられていてもよい。
［第４実施形態］
次に、図１０を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第４実施形態について説明する。
次に、図１０を用いて本発明に係るバイオセンサシステム１００の第４実施形態について説明する。
本実施形態のバイオセンサシステム１００は、第３実施形態における各セルＣに処理回路３０を組み込んだ点に特徴がある。なお、その他の構成は、第３実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。
（バイオセンサシステムの構成）
まず、図１０を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００の構成について説明する。なお、図１０は、本実施形態のバイオセンサシステム１００における各セルＣの回路構成を示す回路図である。
まず、図１０を用いて本実施形態のバイオセンサシステム１００の構成について説明する。なお、図１０は、本実施形態のバイオセンサシステム１００における各セルＣの回路構成を示す回路図である。
本実施形態のバイオセンサシステム１００の各セルＣは、回路構成としては、図１０に示すように、ＩＳＦＥＴ１０と、スイッチングトランジスタ２０と、抵抗素子Ｒと、処理回路３０とを備えている。具体的には、バイオセンサシステム１００は、ＩＣチップ２００に組み込まれた感応膜１５０以外のＩＳＦＥＴ１０の部分とＩＣチップ２００情報に形成された感応膜１５０によって形成されたＩＳＦＥＴ１０と、ＩＣチップ２００回路内に組み込まれたスイッチングトランジスタ２０と、を備えている。また、バイオセンサシステム１００は、ＩＣチップ２００に組み込まれた抵抗素子Ｒと処理回路３０とを備えている。そして、ＩＳＦＥＴ１０のドレインには、抵抗素子Ｒの一端と処理回路３０への入力端が接続されており、抵抗素子Ｒの他端にはグランド接続が、処理回路３０の他端には、出力端子に接続されている。
抵抗素子Ｒは、ＩＳＦＥＴ１０から出力された信号を増幅して処理回路３０に入力させるために用いる抵抗である。処理回路３０には、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路の少なくとも何れか一つの回路が含まれる。
（作用効果）
以上本実施形態のバイオセンサシステム１００は、サンプル３００から検出された信号を、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路に用いることができる。
以上本実施形態のバイオセンサシステム１００は、サンプル３００から検出された信号を、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路に用いることができる。
なお、本実施形態においては、バイオセンサシステム１００にＩＣチップ２００を組み込んでいるが、これに限らず、感応膜１５０とともにＩＳＦＥＴを構成するためのソース電極及びドレイン電極が少なくとも形成されている電子回路が１チップ化された電子回路部品（電子回路チップ）であれば、これに限定されない。
Ｃ … セル
Ｈ … コンタクトホール
Ｐ … パッド
Ｒ … 抵抗素子
２０ … スイッチングトランジスタ
３０ … 処理回路
４０ … 絶縁膜
１００ … バイオセンサシステム
１１０ … 基材
１１１ … 凹部
１２０ … ポリマー層
１３０ … 絶縁層
１４０ … 電極層
１５０ … 感応膜
１６０ … 隔壁
２００ … ＩＣチップ
２１０ … Ｐ型シリコン
２２０ … 酸化珪素膜
２３０ … 半導体膜
２３１ … チャネル領域
２３２ … 低抵抗領域
２４０ … ゲート絶縁膜
２５０ … ソース電極
２６０ … ドレイン電極
３００ … サンプル（被検査流体）
４００、５００ … 参照電極
Ｈ … コンタクトホール
Ｐ … パッド
Ｒ … 抵抗素子
２０ … スイッチングトランジスタ
３０ … 処理回路
４０ … 絶縁膜
１００ … バイオセンサシステム
１１０ … 基材
１１１ … 凹部
１２０ … ポリマー層
１３０ … 絶縁層
１４０ … 電極層
１５０ … 感応膜
１６０ … 隔壁
２００ … ＩＣチップ
２１０ … Ｐ型シリコン
２２０ … 酸化珪素膜
２３０ … 半導体膜
２３１ … チャネル領域
２３２ … 低抵抗領域
２４０ … ゲート絶縁膜
２５０ … ソース電極
２６０ … ドレイン電極
３００ … サンプル（被検査流体）
４００、５００ … 参照電極
Claims (8)
- 基材と、
前記基材上に形成されるとともに、半導体膜を有し、当該半導体膜によって形成された少なくともソース電極及びドレイン電極を備えた電子回路を有する、パッケージ化された電子回路チップと、
前記電子回路チップ上に積層された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に積層された電極層と、
前記電極層上に被検査流体内に含まれる生体関連物質が配置される配置領域と、
を備え、
前記パッケージ化された電子回路チップにおける電子回路と前記電極層とが電気的に接続されており、
前記配置領域が、感応膜によって形成されるとともに、前記配置領域及び前記電極層が、前記電子回路チップにおける前記配置領域及び前記電極層を積層している積層面の面積よりも広いことを特徴とするバイオセンサシステム。 - 請求項１に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記配置領域の端部に設けられ、前記被検査流体に可変電圧を印加するための参照電極を更に備え、
前記パッケージ化された電子回路と前記参照電極とが電気的に接続されている、バイオセンサシステム。 - 請求項１又は２に記載のバイオセンサシステムにおいて、
単一の前記電子回路チップと、前記生体関連物質を個々に配置し、他の配置領域から独立して構成される並設された複数の前記配置領域と、それぞれの配置領域に対応して形成される複数の前記電極層と、を有し、
前記単一の電子回路チップと前記各電極層とが電気的に接続され、当該単一の電子回路チップには、各配置領域に配置された生体関連物質によって生じた信号が入力される、バイオセンサシステム。 - 請求項１〜３の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記基材には、上面に開放され、前記電子回路チップが収容される凹部が形成されている、バイオセンサシステム。 - 請求項１〜４の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記基材が、フレキシブル基板によって形成されている、バイオセンサシステム。 - 請求項１〜４の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記基材が、透明基材によって形成されるとともに、前記電極層が、透明電極によって形成されている、バイオセンサシステム。 - 請求項１〜６の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記パッケージ化された電子回路チップには、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路の少なくとも何れか一つの回路が含まれる、バイオセンサシステム。 - 請求項１〜７の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記電子回路チップには、前記電子回路の動作を検査するための端子が設けられている、バイオセンサシステム。
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