CN102301227A - 化学传感器 - Google Patents

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Abstract

为了提供不需要离子敏感膜的化学传感器，本发明的化学传感器(1)用于检测试样中的样本基材(19)，化学传感器(1)具备传感器TFT(7)，该传感器TFT(7)在玻璃基板(8)上具有栅极电极(10)、栅极氧化膜(11)、硅层(12)、源极电极(14)以及漏极电极(15)，在该源极电极(14)与该漏极电极(15)之间的开口部分在硅层(12)中形成有沟道区域(18)，进一步具备取出在上述沟道区域(18)产生的漏电流的取出信号线(PAS1～PASn)和电流取出部(24)。

Description

化学传感器
技术领域
本发明涉及化学传感器，更详细地，涉及使用薄膜晶体管的化学传感器。
背景技术
以往，作为检测和测定试样中的化学物质或者生物物质的技术，已知有例如被称作ISFET(Ion Sensitive FET：离子敏感场效应晶体管)的生物传感器。图6是示出现有的ISFET的构成的截面图。ISFET100是从通常的MOSFET除去栅极电极、利用离子敏感膜106覆盖沟道104的区域的结构。在ISFET100中，成为试样溶液108中的检测对象的特定离子相对于离子敏感膜106选择性地发生反应。由此，栅极部分的表面电位变化，漏极电流变化。在ISFET100的生物传感器中，检测该漏极电流Id的变化。
作为使用ISFET的生物传感器的其它例，在专利文献1和2中记载了使用多晶硅TFT等薄膜器件作为ISFET的生物传感器。另外，以往也已知在二维上配置多个ISFET的ISFET阵列，在专利文献3中记载了降低由开关动作引起的噪声影响的ISFET阵列。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开专利公报“特开2002-296228号公报(2002年10月9日公开)”
专利文献2：日本公开专利公报“特开2002-296229号公报(2002年10月9日公开)”
专利文献3：日本公开专利公报“特开2000-55874号公报(2000年2月25日公开)”
发明内容
发明要解决的问题
如上所述，在ISFET中，为了检测特定离子而使用离子敏感膜。因此，需要根据成为检测对象的离子而使用不同的离子敏感膜。因此，为了响应想根据多样的试样溶液而使用的需求，在成本方面变得不利。
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供不需要离子敏感膜的化学传感器。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明的化学传感器用于检测试样中的对象物，其是如下构成：具备薄膜晶体管，该薄膜晶体管在基板上具有栅极电极、栅极绝缘层、半导体层、源极电极以及漏极电极，在该源极电极与该漏极电极之间的开口部分在该半导体层中形成有沟道区域，进一步具备电流取出部，该电流取出部取出在上述沟道区域产生的漏电流。
根据上述构成，化学传感器具备薄膜晶体管和电流取出部，该薄膜晶体管在基板上具有栅极电极、栅极绝缘层、半导体层、源极电极和漏极电极，该电流取出部取出漏电流。在薄膜晶体管中，源极电极与漏极电极之间形成开口，在该开口部分的半导体层中形成有沟道区域。因此，当试样中的对象物能从开口部分靠近沟道区域。试样中的对象物到达开口的部分，开口部近旁的电荷分布变化时，利用背沟道效应，在沟道区域能产生漏电流的变化。通过电流取出部取出该漏电流，能检测漏电流的变化。因此，根据本发明的化学传感器，能以漏电流的强度变化来检测试样中的对象物的有无。因此，不用像现有的ISFET那样设置离子敏感膜就能检测对象物。
在此，所谓背沟道效应是指由于来自外部的离子等在背沟道中感应空穴或者电子的现象。
另外，所谓背沟道是指源极电极与漏极电极之间的开口部分的半导体层表面的、漏电流流过的路径。
为了解决上述问题，本发明的检测方法用于检测试样中的对象物的检测方法，是包括如下工序的构成：使上述试样接触化学传感器的工序，上述化学传感器具备薄膜晶体管和电流取出部，该薄膜晶体管在基板上具有栅极电极、栅极绝缘层、半导体层、源极电极以及漏极电极，在该源极电极与该漏极电极之间的开口部分在该半导体层中形成有沟道区域，该电流取出部取出在该沟道区域产生的漏电流；由电流取出部取出在使上述试样接触时产生的上述漏电流的工序；以及利用取出的上述漏电流的强度变化来检测上述对象物的工序。
根据上述构成，取出根据试样中的对象物的有无而产生的漏电流，通过利用漏电流的变化来进行对象物的检测。即，能以漏电流的强度变化来检测试样中的对象物的有无。因此，不使用离子敏感膜就能检测试样中的对象物。
发明效果
如上所述，本发明的化学传感器具备具有半导体层的薄膜晶体管和取出在半导体层的沟道区域产生的漏电流的电流取出部，在源极电极与漏极电极之间的开口部分形成有沟道区域，所以能以漏电流的强度变化来检测试样中的对象物的有无。
附图说明
图1是示出本发明的化学传感器的构成的方框图。
图2是示出本发明的化学传感器所包含的传感器TFT的构成的截面图。
图3是示出图1的化学传感器中的传感器电路的构成的图。
图4的(a)是示出在周围不存在对象物时的传感器TFT的截面图，图4的(b)是示出在周围存在对象物时的传感器TFT的截面图，图4的(c)是图4的(a)时的栅极电压与漏极电流的关系的特性曲线图，图4的(d)是图4的(b)时的栅极电压与漏极电流的关系的特性曲线图。
图5是示出本发明的化学传感器的一实施方式的外观的二面图。
图6是示出现有的ISFET传感器的概略截面图。
图7是示出本发明的化学传感器的其它实施方式的外观的平面图。
具体实施方式
[化学传感器]
作为本发明的化学传感器的一实施方式，如果基于图1～图5、以及图7进行说明则如下所述。此外，在本实施方式中，作为化学传感器，对用于测定生物试样中的样本的生物传感器进行说明。
图1是示出本发明的生物传感器的构成的方框图。如图1所示，生物传感器1构成为包含传感器阵列2、向传感器阵列2发送信号的传感器列驱动电路22和扫描信号线驱动电路23、以及从传感器阵列2取出信号的传感器信号放大/取出电路(电流取出部)24。传感器阵列2由多个传感器TFT(薄膜晶体管)7构成。
首先，参照图2对传感器TFT7的构成进行说明。图2是示出传感器TFT7的概略构成的截面图。如图2所示，传感器TFT7具备玻璃基板(基板)8、基底涂膜9、栅极电极10、栅极氧化膜(栅极绝缘层)11、硅层(半导体层)12、n+层13、源极电极14、漏极电极15、钝化膜16以及屏蔽膜17。在硅层12中，在源极电极14与漏极电极15之间的开口部分形成有沟道区域18。作为具有上述构成的传感器TFT7，能利用在现有液晶面板的驱动中所使用的TFT。
此外，本实施方式中的背沟道指源极电极14与漏极电极15之间的开口部分的、硅层12与钝化膜16的界面的、硅层12侧的漏电流流过的路径。另外，将形成有背沟道的区域称为背沟道区域。
屏蔽膜17在成为检测对象的样本基材(对象物)带有电荷的情况下起到电遮蔽样本基材、源极电极14以及漏极电极15的作用。作为屏蔽膜17，既可以使用均匀地包含导电性颗粒的氧化膜，也可以使用膜厚非常厚的氧化膜。
钝化膜16如果可防止在检测中使用的试样溶液侵入，则没有特别限制。作为钝化膜16，能使用例如SiNx膜。
如上所述，在传感器TFT7中，因为在源极电极14与漏极电极15之间的开口部分形成有沟道区域18，所以试样中的样本基材能靠近沟道区域18。在生物传感器1中，对通过样本基材靠近沟道区域18而产生的漏电流的强度变化进行检测。因此，通过检测漏电流的变化，能检测样本基材的有无。此外，由样本基材的有无引起的漏电流通过以下的过程而产生。例如在试样溶液所包含的样本基材整体上带正电的情况下，钝化膜16整体以试样溶液侧为负、硅层12侧为正进行极化。由于钝化膜16的极化，电子被吸引到硅层12中的与钝化膜16的界面附近，由此形成沟道(背沟道)。因为在硅层12中形成有背沟道，所以产生漏电流。此外，优选在钝化膜16中包含杂质离子。例如，在此，当负的杂质离子包含于钝化膜16中时，由于带正电的样本基材的存在，钝化膜16中的负的杂质离子被吸引到试样溶液侧，分布于试样溶液与钝化膜16的界面。因此，钝化膜16中的极化与钝化膜不包含杂质的情况相比变大，能产生更大的漏电流。
即，在生物传感器1中，不需要在现有的ISFET传感器中使用的离子敏感膜。
此外，通过使栅极氧化膜11减薄，漏极电流的大小放大，由此能使测定灵敏度提高。
在本实施方式中，作为传感器TFT7的基板使用了玻璃基板8，但也可以使用利用聚碳酸酯等高分子材料形成的基板。由此，能实现生物传感器1的轻量化，通过选择廉价的材料，能实现低成本化。
另外，也可以利用有机材料形成栅极电极10、栅极氧化膜11、硅层12、n+层13、源极电极14、漏极电极15以及钝化膜16。例如，能使用聚乙炔等有机导体形成栅极电极10、源极电极14以及漏极电极15。另外，能使用聚酰亚胺等有机绝缘体形成栅极氧化膜11和钝化膜16。另外，能使用并五苯等有机半导体形成硅层12和n+层13。通过利用这些材料来形成，能实现生物传感器1的轻量化。另外，通过选择廉价的材料，能实现低成本化。而且，如上所述，通过使用利用高分子材料形成的基板，能实现传感器TFT7整体的柔性化。
接着，一边参照图1和图3一边对生物传感器1的电气构成进行说明。
如图1所示，传感器阵列2具备n条栅极电压信号线G1～Gn、m条传感器复位信号线RS1～RSm、m条传感器读出信号线RW1～RWm、以及(m×n)个传感器电路28。而且，传感器阵列2具备n条取出信号线(电流取出部)PAS1～PASn。在此，m和n是大于等于1的整数。
栅极电压信号线G1～Gn配置成彼此平行。传感器复位信号线RS1～RSm和传感器读出信号线RW1～RWm以与栅极电压信号线G1～Gn正交的方式配置成彼此平行。
传感器电路28构成为包含传感器TFT7、前置放大器TFT25、以及电容器26，在传感器阵列2上排列成阵列状。传感器TFT7的栅极端子连接到栅极电压信号线Gi(i是大于等于1小于等于n的整数)。传感器TFT7的源极端子连接到传感器复位信号线RSj(j是大于等于1小于等于m的整数)。传感器TFT7的漏极端子连接到电容器26的一方的电极。电容器26的另一方的电极连接到传感器读出信号线RWj。前置放大器TFT25的栅极端子在接点P处连接到传感器TFT7的漏极端子。对前置放大器TFT25的源极端子施加电源电压VDD。前置放大器TFT25的漏极端子连接到取出信号线PASi。
扫描信号线驱动电路23是将掌管传感器TFT7的通/断的栅极电压信号G1～Gn发送到传感器阵列2上的各传感器TFT7的电路。传感器列驱动电路22是将传感器读出信号RW1～RWm和传感器复位信号RS1～RSm发送到传感器阵列2上的各传感器TFT7的电路。栅极电压信号G1～Gn能由来自主机CPU21的定时控制信号C1进行控制，传感器读出信号RW1～RWm和传感器复位信号RS1～RSm由来自主机CPU21的定时控制信号C2进行控制。
传感器信号放大/取出电路24从传感器阵列2取出传感器TFT7的信号PAS1～PASn，将信号放大后发送到主机CPU21。
[检测方法]
接着，对使用生物传感器1检测试样中的样本基材的检测方法中的、传感器电路28的动作进行说明。在本检测方法中，首先，使试样与传感器TFT7的沟道区域18的附近接触。此时，通过由试样中的样本基材的有无引起的背沟道效应，在TFT7的背沟道区域产生漏电流的强度变化，漏极电流发生变化。本检测方法通过取出该漏电流/漏极电流并调查漏电流的变化来检测试样中的样本基材。
另外，在本说明书中，“漏电流的变化”和“漏电流的强度变化”能互换地使用。
图3是提取传感器阵列2的传感器电路28的一个而示出的图。为了检测利用背沟道效应调制的漏极电流的变化，对传感器读出线RWi和传感器复位线RSi施加规定电压，对前置放大器TFT25的源极端子施加电源电压VDD。当样本基材存在于传感器TFT7的沟道区域18附近时，则在传感器TFT7中形成背沟道27。利用背沟道效应，背沟道27中的漏电流增加，传感器TFT7的漏极电流增加。当漏极电流由于漏电流的增加而增加时，接点P的电压降低流过的电流的程度。在该定时，通过对传感器读出线RWi施加高的电压，使接点P的电压上升，使前置放大器TFT25的栅极电压大于等于阈值后在前置放大器TFT25的源极端子侧施加电源电压VDD。当施加电源电压VDD时，接点P的电压由前置放大器TFT25放大，在前置放大器TFT25的漏极端子侧输出放大后的电压。这样，根据输出到取出信号线PASi的信号的变化，检测由背沟道效应引起的传感器TFT7中的漏极电流的变化和漏电流的变化。传感器信号放大/取出电路24将该检测结果发送到主机CPU21，在主机CPU21中进行运算处理。主机CPU21通过运算处理，根据漏电流的变化进行样本基材的检测。
图4是示出根据样本基材19的有无而产生的漏极电流不同的图。图4的(a)示出在周围不存在作为检测对象的样本基材19时的传感器TFT7，图4的(c)是示出此时的栅极电压与漏极电流的关系的特性曲线图。另一方面，图4的(b)示出在周围存在样本基材19时的传感器TFT7，图4的(d)是示出此时的栅极电压与漏极电流的关系的特性曲线图。
当存在样本基材19时，传感器TFT7产生背沟道效应，由此，漏电流增加。因此，如图4的(d)所示，与示出不存在样本基材19的情况的图4的(c)相比，相对于相同栅极电压的漏极电流增加。即，根据漏极电流的增加来检测漏电流的增加，由此能检测样本基材19的存在。另外，通过利用漏电流的量、漏极电流-栅极电压的特性曲线图的形状，或者通过利用后述的图5所示的作为阵列状生物传感器1的传感器阵列2，能识别不同种类的样本基材19。
图5是生物传感器1的一实施方式中的概略二面图，示出俯视图和截面图。生物传感器1取利用基体4的间隔件划分成多个方形结构3的矩阵结构，形成作为阵列状形态的传感器阵列2。在各方形结构3的底面配置具有梳形源极电极14和漏极电极15的传感器TFT7。将试样溶液5添加到各方形结构3中，利用传感器TFT7进行检测。此外，能在各方形结构3中加入彼此不同的试样溶液。因此，能同时对多种不同的试样进行检测作业。另外，如上所述，通过利用传感器阵列2，能识别不同种类的样本基材19。
在此，参照图7对不同种类的样本基材19的识别方法进行说明。图7是示意性地示出传感器阵列2的平面图，为了说明便利，设成包括四个区间的传感器阵列，这四个区间分别具有传感器TFT7。首先，在区间a～区间d分别加入物质A～物质D中的任一种。此外，假设物质A～物质D相对于物质X和物质Y的化学反应条件如表1所示进行判断。另外，假设通过该化学反应，各物质离子化，由于产生的离子的存在，在传感器TFT7中产生漏电流。
[表1]
 物质A  物质B  物质C  物质D
 相对于物质X的反应  ○  ○  ×  ×
 相对于物质Y的反应  ○  ×  ○  ×
在表1中，“○”示出发生化学反应的情况，“×”示出不发生化学反应的情况。准备两个这样的传感器阵列2(在两个传感器阵列间，在对应的区间加入相同物质)，进一步对一方添加物质X，对另一方添加物质Y。由于物质X或者物质Y的添加，各物质A～物质D发生按照表1所示的各个反应。当发生反应时会产生漏电流，所以检测在两个传感器阵列2的各区间产生的漏电流，由此能判定是物质A～物质D中的哪种。
此外，识别样本基材种类的方法不限定于利用传感器阵列2的情况。例如，在物质A通过与物质X的反应而成为二价离子、物质B通过与物质X的反应而成为一价离子的情况下，通过该反应而产生的离子的离子浓度变得不同，所以如后所述，在背沟道中感应的载流子的量变得不同，产生的漏电流的大小变得不同。因此，即使不是阵列形态的生物传感器1，通过测定漏电流的大小，也能识别样本基材的种类。
本发明的生物传感器1的测定对象物没有特别限定。例如，能检测试样溶液中的离子。另外，如上所述，也能检测通过试样中所包含的物质与其它物质的化学反应而产生的离子。
当离子浓度不同时，钝化膜16中的极化电荷的量也变得不同。由此，在硅层12的背沟道中感应的载流子的量变得不同，所以漏电流的大小也变得不同。即，由于试样溶液中的离子浓度的不同，背沟道效应也产生不同，由此漏电流的大小发生变化。
另外，如下所述，也能应用到通过杂交的有无来检测目标DNA的有无的DNA芯片。预先使目标DNA的互补链结合于源极电极14与漏极电极15之间或其附近的钝化膜16、或者结合于屏蔽膜17，使它们离子化。并且，在该互补链和目标DNA形成双链时，互补链的离子化消除。据此，根据杂交的有无，背沟道区域附近的离子化状态发生变化，结果是产生漏电流的变化。此外，互补链DNA向钝化膜16等的结合、以及离子化等利用现有公知的方法进行即可。
如上所述，在本发明的生物传感器1中，通过利用TFT的背沟道效应来进行样本基材19的检测。因此，不需要离子敏感膜，能在制作液晶面板所使用的现有的TFT工序中制作传感器TFT7。在制作中使用的材料和工艺也大致按照现有的TFT制作工序，所以能确保与现有的液晶面板的TFT部位同样的产量和成本。
另外，因为利用背沟道效应，所以在传感器TFT7中，能利用栅极电极10主动地施加栅极电压。由此，能控制漏极电流。
此外，在本发明的化学传感器中，优选上述基板利用高分子材料形成。
根据上述构成，能使化学传感器更加轻量化。
另外，在本发明的化学传感器中，优选上述栅极电极、上述栅极绝缘层、上述半导体层、上述源极电极以及上述漏极电极中的至少一个利用有机材料形成。
根据上述构成，能使化学传感器更加轻量化。另外，通过利用有机材料形成全部，能实现化学传感器的柔性化。
另外，在本发明的化学传感器中，优选多个上述薄膜晶体管配置成阵列状，该多个薄膜晶体管各自由间隔件划区。
根据上述构成，能将彼此不同的多个试样分别提供到各薄膜晶体管。因此，能对多个试样同时进行检测作业。
本发明并不限定于上述的实施方式，能在权利要求所示的范围内进行种种变更。即，将在权利要求所示的范围内适当变更后的技术方案组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。
工业上的可利用性
本发明能利用于进行生物试样和其它化学物质的分析的医疗领域。
附图标记说明
1生物传感器(化学传感器)
2传感器阵列
7传感器TFT(薄膜晶体管)
8玻璃基板(基板)
9基底涂膜
10栅极电极
11栅极氧化膜(栅极绝缘层)
12硅层(半导体层)
13n+层
14源极电极
15漏极电极
16钝化膜
17屏蔽膜
18沟道区域
19样本基材(对象物)
22传感器列驱动电路
23扫描信号线驱动电路
24传感器信号放大/取出电路(电流取出部)
25前置放大器TFT
27背沟道
28传感器电路
100ISFET
101基板
102漏极电极
103源极电极
104沟道
105保护绝缘膜
106离子敏感膜
107参照电极
108试样溶液

Claims (5)

1.一种化学传感器，用于检测试样中的对象物，其特征在于，
上述化学传感器具备薄膜晶体管，上述薄膜晶体管在基板上具有栅极电极、栅极绝缘层、半导体层、源极电极以及漏极电极，在该源极电极与该漏极电极之间的开口部分在该半导体层中形成有沟道区域，
上述化学传感器进一步具备电流取出部，上述电流取出部取出在上述沟道区域产生的漏电流。
2.根据权利要求1所述的化学传感器，其特征在于，上述基板由高分子材料形成。
3.根据权利要求1或2所述的化学传感器，其特征在于，上述栅极电极、上述栅极绝缘层、上述半导体层、上述源极电极以及上述漏极电极中的至少任一个由有机材料形成。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的化学传感器，其特征在于，多个上述薄膜晶体管配置成阵列状，该多个薄膜晶体管各自由间隔件划区。
5.一种检测方法，用于检测试样中的对象物，其特征在于，
上述检测方法包含如下工序：
使上述试样接触化学传感器的工序，上述化学传感器具备薄膜晶体管和电流取出部，上述薄膜晶体管在基板上具有栅极电极、栅极绝缘层、半导体层、源极电极以及漏极电极，在该源极电极与该漏极电极之间的开口部分在该半导体层中形成有沟道区域，上述电流取出部取出在该沟道区域产生的漏电流；
由电流取出部取出使上述试样接触时产生的上述漏电流的工序；以及
利用取出的上述漏电流的强度变化来检测上述对象物的工序。
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