JP2004258018A - センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 静電容量センサにおける容量の変化を測定するための代替技術を提供する。
【解決手段】 検出対象媒体(3,5)の関数として静電結合(Ci,j)を形成するように構成される導電性プレート(2,2’)のアレイと、前記導電性プレートと関連する複数のセンサ回路装置(Ui,j)からなるセンサであって、前記回路装置各々がインバータ(Ii,j)を含み、そして各々のプレート(2,2’)によって検出される媒体の静電結合の関数として時定数(ti,j)を示し、またセンサ回路装置が前記回路装置の時定数に依存する周波数(f)で振動するリング発振器内で互いに接続されていることを特徴とするセンサ。
【選択図】 図1
【解決手段】 検出対象媒体(3,5)の関数として静電結合(Ci,j)を形成するように構成される導電性プレート(2,2’)のアレイと、前記導電性プレートと関連する複数のセンサ回路装置(Ui,j)からなるセンサであって、前記回路装置各々がインバータ(Ii,j)を含み、そして各々のプレート(2,2’)によって検出される媒体の静電結合の関数として時定数(ti,j)を示し、またセンサ回路装置が前記回路装置の時定数に依存する周波数(f)で振動するリング発振器内で互いに接続されていることを特徴とするセンサ。
【選択図】 図1
Description
本発明は静電容量を検知するためのセンサに関し、そして用途について限定するものではないが、特に、静電容量測定値に基づいてDNA配列を直接検出するためのバイオセンサとして利用することができる。
これまで、静電容量測定によるDNA配列の検出のためのバイオセンサが提案されている。例えば、下記非特許文献1にバイオセンサが記載されている。このバイオセンサは、その上に2ナノメートルの間隔で金のディスク状電極を有する2つのガラス・スライドから成る。DNAを含んでいる液体が、2本の電極間の誘電体として提供される。装置の静電容量は、電極間に異なる周波数のパルスを加えて、それらの間を流れている電流をモニタすることによって測定される。セルの静電容量は、線形回帰法によって電流の測定値から求められる。
電極間の液体中にDNAが存在するために、セルの静電容量が変化する。一方の電極は、特定のDNA鎖を検出するために機能することができる。この機能化は、周知のDNA配列の鎖が金の電極の一端に付着することによって実施される。液体が、相補性DNA鎖を含む電極板の間に導入されると、電極にすでに付着していたその鎖と結合し、その結果2つの金電極間の(電気的)静電容量は変化する。この装置における欠点は、異なる周波数で多くの測定値をとらなければならないことと、セルの静電容量を測定するために線形回帰法が必要となることである。また、特定のDNA鎖の有無によって起こるごく小さな静電容量の変化を測定する際、寄生容量によって測定誤差が引き起こされる。
「A Biosensor For Direct Detection Of DNA Sequences BasedOn Capacitance Measurements」(C.Guiducciら、ESSDERC2002、479−482頁)
「A Biosensor For Direct Detection Of DNA Sequences BasedOn Capacitance Measurements」(C.Guiducciら、ESSDERC2002、479−482頁)
本発明によって、静電容量センサにおける容量の変化を測定するための代替技術が提供される。
本発明によれば、検出対象媒体の関数として、静電結合を形成するように構成された容量素子のアレイとその容量素子に関連する複数のセンサ回路装置からなるセンサであり、前記回路装置はそれぞれが対応する容量素子の静電結合の関数としてそれぞれの時定数を示し、またセンサ回路装置は回路装置の時定数に依存している周波数特性によって振動する回路において相互接続していることを特徴とするセンサが提供される。
前記回路装置は、複数のインバータから構成されてもよい。また、振動性回路は、リング発振器から構成されてもよい。
検出対象の媒体は、容量素子と静電結合を形成する形体から構成されていればよく、それによりセンサが対象物の存在を検出することを可能にする。
または、容量素子は、例えば、特定の分子構造を有するDNA断片を検出するバイオセンサとして使用するために、検知される材料を含んでいる液体によって静電結合を形成するように構成されていてもよい。導電性部材は、予め定められた目的とするDNAを検出するために機能化することができる。
コンデンサ極板は、液体を受け入れる領域を提供するため、導電性部材とは間隔を置いて配置されてもよい。あるいは、前記導電性部材は、液体の特徴を検知するために相互静電結合を形成するように構成されていてもよい。
前記導電性部材は、回路装置と共に基板上に形成される板(プレート)から構成されていてもよい。そして、前記センサは検知される液体を受け入れるウェルを含んでもよく、前記導電性部材はウェルにまで伸びた状態となっている。
前記センサは、回路装置を個々に選ぶための選択回路を含んでもよく、前記振動性回路の周波数特性が主に前記選択された回路装置の静電結合に依存するようにする。
回路装置は、それらの静電結合の関数である時定数を有するインバータから構成されていてもよく、そしてそのインバータは選択的にそれらの時定数を変更する入力を含んでもよい。前記インバータは、相補型トランジスタから構成されてもよい。
センサは、また、振動性回路の振動周波数を検出するための周波数検出回路を含んでもよい。
本発明は、また、液体ベースの検出対象媒体を容量素子に接するように配置し、振動性回路の作動中の周波数をモニタすることからなる、センサを操作する方法を含む。
本発明をより十分に理解するために、添付図面を参照しつつ、実施例を用いて本発明の実施形態を説明する。
図1は、半導体基板1を模式的に示しており、その上にプレート2の形で導電性部材のアレイが、容量センサ素子として作用するように形成されている。その導電性プレート2は、従来の技術によって蒸着及びパターン化することができる金あるいは他の材料の領域から構成されてもよい。
図2は、個々のプレート2が検出される隣接した物質3と静電結合Cを形成する方法を示している。
図3は、基板1及び固定されていている導電性プレート4との間で媒体5の特性に因る個々の静電結合Cを形成するように、検出対象の媒体5(それはDNA鎖を含んでいてもよく)が、基板1と固定されているプレート4の間を通っているバイオセンサにおいてプレート2がどのように使用されるかを示している。
電極プレート2は、前記のGuiducciらによって記載されているように機能化してもよい。このような方法で、媒体5は、電極2を機能化するために使用されている鎖に、相補性のあるDNA鎖を含んでいてもよい。その結果、図3に示すように、その結果生じるセルは、機能化されたプレート2のDNAと相補性のあるDNAがそこを通過する際に、静電容量の変化を示す。
図4は、図2及び3に示される静電結合Cを検出するために用いる電気回路を示している。センサ回路は、図1に示される導電性プレート2のn´mのアレイを伴う回路装置U11−Unmを含んでいる。回路U11のために、対応するプレート2が静電容量C11等を呈するように、導電性プレート2の各々は、n´mのアレイの関連する静電容量を発生する。
各々の回路装置Uijは、それぞれのインバータIijを含む。回路装置U11・・・Unmはまた、直列に接続され、インバータとしても機能するNANDゲート6を介してリング発振器を形成する。そして、回路の振動を促進するためにリング発振器の奇数のインバータ段階を提供する。NANDゲート6は、リング発振器がリセットされるようにリセット入力端7を有する。
出力は、緩衝インバータ8を介してリング発振器から行われ、その出力は、リング発振器の振動周波数を測定する関連する周波数測定装置9を有する出力端子に入力される。緩衝インバータ8は、リング発振器の信号を増幅し、出力端子上のかなりの寄生容量の影響を軽減する。
リング発振器は、各々のインバータIijの立ち上がり及び立ち下がり時間の合計で決定される振動周期Tを有している。
T = Σ(rr+rf)
T = Σ(rr+rf)
式中、rr及びrfは、それぞれのインバータIijの立ち上がり時定数及び立ち下がり時定数である。立ち上がり及び立ち下がり時定数rrおよびrfは、静電容量Cijで決定されるインバータIijの出力ノード上の静電容量の関数である。このように、集積された静電結合ΣCijは、リング発振器の振動周期Tから決定することができる、そこで、周波数測定装置9で測定される周波数f=1/T は、静電容量の測定値を提供する。
図5は、回路要素Uijのうちの1つの略回路図である。その中で、インバータIijは、電圧レールVDDとVSSの間で連続してソース・ドレイン経路に連結されているpおよびn型MOSFET10、11を有するCMOSインバータからなっている。回路要素Uijは、入力ノード12及び出力ノード13を有している。入力ノード12は、回路装置Ui’,j’の対応する出力ノードに接続され、一方出力ノード13は回路装置Ui”,j”の対応する入力ノードに接続されている。対応する導電性プレート2に係る静電容量Cijは、関連する抵抗Rijを介して、インバータの出力14に接続されるように図示されている。この抵抗Rijは、個別部品である必要はないが、回路要素のための関連する寄生抵抗である必要がある。
回路装置Uijの時間遅れtijは、およそ以下の式によって与えられる。
tij〜Cij(Rij+ΔV/ION(pMOSFET)+ΔV/ION(nMOSFET))
tij〜Cij(Rij+ΔV/ION(pMOSFET)+ΔV/ION(nMOSFET))
式中、ΔVはVDDとVSSの間の電圧差、ION(pMOSFET)及びION(nMOSFET)は、それぞれpMOSFET10及びnMOSFET11のオン電流をそれぞれ表している。リング発振器の振動周波数fは、以下のようになる。
f=1/T
そして、振動周期Tは以下の式による。
T=Σtij
f=1/T
そして、振動周期Tは以下の式による。
T=Σtij
バイアス電圧VPSおよびVNSは、トランジスタ10、11それぞれのチャネルに、その動作を制御するために、加えることができる。詳細については、後述する。
図6および7は、回路要素Uijの概略平面図及び断面図である。まず、図7について説明する。基板1は、相補型トランジスタ10及び11がそれぞれ形成されている軽度にドープされたp型及びn型領域15、16と共に形成されている。トランジスタ11は、n+ソース及びドレイン領域17、18及びゲート19を含む。トランジスタ10は、ソースとドレイン領域20、21及びゲート22を備えている。トランジスタ10、11のソース及びドレインは、導体23上に配置されている供給レールVDDと導体25上に配置されているソースレールVSSの間を導体24を介して直列に接続されている。さらにレール27、26は、バイアス電圧VPS及びVNSを相補型トランジスタ10、11にそれぞれ加えるように、配置されている。絶縁酸化物領域28は、基板1の前記2つのトランジスタを切り離している。
導電性トラック23、24、25、26および27は、トランジスタ10、11のそれぞれのドープされた領域に導電性ビア23’−27’によって接続されている。導電性ビアは、ポリシリコンあるいは金属(Al,AlSi,W,Ti等)から形成されていてもよい。
導電性ビア29は、導電性トラック24の領域14から導体30までを接続しており、ポリシリコンから形成されていてもよく、そのため抵抗Rijを生じる。図6に示される通り、導体30は、出力ノード13に延びる導電性トラック31へとさらに接続している。導電性ビア32は、その上に配置されている導電性プレート2を導電性トラック31に接続している。
図7を用いて説明すると、導電性トラック23−28は、絶縁性二酸化ケイ素33の領域中に形成されている。実際には、領域33は、CMOS製造技術の当業者にすでに周知となっている、パタニング及びフォトリソグラフィといった一連のしかるべき工程が行われる間、多層酸化物層として形成される。
図8は、バイポーラートランジスタ33、34がインバータIij形成に使用されている回路装置Uijの別の構造を図示したものである。一般的に、このインバータは、図5のCMOSインバータと同様に作動する。ここで、同等の機能部分には同じ番号を付している。PNPおよびNPNトランジスタ33、34がIIL(IntegratedInjection Logic; 集積注入論理)インバータから構成されていることが理解されよう。IILインバータの有利な点は、CMOS装置より広い周波数領域に亘って作動することができるという点である。Iinjをインバータの注入電流として、抵抗RijがΔV/Iinjより低い場合、インバータの遅れ(遅延)は、遅延時間を示す以下の式によって与えられる。
tij〜CijΔV/Iinj (3)
tij〜CijΔV/Iinj (3)
そして、その結果、振動周波数は、Iinjの適当な値を選択することによって幅広く変えることができる。
本発明の有利な特徴によれば、アレイ中の各々の導電性プレート2と関連する静電容量Cijは、必要であれば個々に検出することができる。これについて、図9及び10を用いて説明する。図9の回路構成は、図4に示されている回路と一般的には類似しており、その中には各々の回路装置が導電性プレート2(図9には図示なし)に対応するアレイに配置され、そして回路装置はNANDゲート6、バッファアンプ5および周波数測定装置9を含むリング発振器において接続されている。さらに、図9の回路は、ここにそれら信号を個々に選択するために列及び行の選択信号X1...Xn;Y1...Ymを回路装置Uijに印加できる列と行のデコーダ(復号器)35,36を含む。
図10は、図9の回路装置Uijの中の1つを示したものである。回路装置は、導電性プレート2からの抵抗Rijおよび関連する静電容量Cijと合わせて、インバータIijとしてpおよびn型MOSFETトランジスタ10、11を含んでいる。この構成は、図5の回路に相当している。さらに、図10の回路装置は、pMOSFET37およびnMOSFET38からなるCMOSインバータICを含んでいる。インバータICへの入力39は、Yj行に接続されているゲートとXi列に接続されているソース・ドレイン経路からなるMOSFET40によって制御される。インバータICは、供給レールVNSHとVNSLの間を接続している。インバータICへの入力39は、比較的低い電圧供給レールVNSLに抵抗器R2を介して接続されている。インバータICの出力41は、インバータIijのnMOSFET11の基板電圧供給レールVNSに接続されている。
通常、転送用MOSFET40がオフの状態で、抵抗器R2はpMOSFET37およびnMOSFET38のゲートを低レベルに維持する。その結果、nMOSFET基板電圧VNSは高圧VNSHに維持される。その結果、nMOSFET12のオン電流は、比較的高くなる。
トランジスタ40をオンにするために、Xi列に高バイアス電圧を、そしてYj行に低電圧を印加する、そしてそれによって、回路装置Uijに伴う静電容量Cijの値は、測定用に選択される。これにより、pMOSFET37およびnMOSFET38のゲートが高いレベルにバイアスされることになり、したがって、インバータICの出力に加えられる基板電圧VNSは、比較的低いレベルVNSLに変化する。そして、それはnMOSFET11のオン電流を比較的低いレベルへ下げる。
式(2)より、リング発振器の周波数fは、およそ以下の式によって与えられる。
f〜I/Σ(CijΔV/ION) (4)
すなわち、 f〜I/Σtij (5)
式中、tij=CijDV/ION
f〜I/Σ(CijΔV/ION) (4)
すなわち、 f〜I/Σtij (5)
式中、tij=CijDV/ION
個々の回路装置Uijを考慮すると、対応する列と行のラインXi、Yjをオンにすると、IONの値は比較的低くなる。その結果、対応する列と行のラインXi、Yjがオンでない時に発生する値と比べて、tijの対応する値は比較的高いものとなる。
また、アレイ中の他の非選択回路装置Uに対して、それらに対応するIONの値は比較的高く、またその結果、対応するtの値は、選択されたセルtijに比べて比較的低くなる。
式(4)から、リング発振器の振動周波数は、選択された回路(すなわち列と行のオン信号Xi,Yjを受信する回路装置)のtijの高い値によって主に決定されることが理解できる。非選択回路装置のt値は、さらに小さく、リング発振器の振動周波数にそれほど影響を与えていない。このように、個々のプレート2の静電容量は、特定の回路装置を選択することによって、アレイ内で分析することができる。回路装置の選択は、図9のXおよびYの復号回路35、36から適当なオン信号を適用(印加)することによって、個々にあるいはグループとして行ってもよい。
ここに記載されているセンサには、多数の改良・変形が可能である。図11および12は、導電性プレート2’がウェル41ijのアレイの側壁に沿って配置されている変更例を示している。図12に示されるように、この装置の断面構造は図7のそれとほぼ同じで、回路装置Uijにインバータを備えるためにトランジスタからなる層領域42を含む基板1が備わっている。層33は、図7に示されるそれより厚みがあり、ウェル41は、フォトリソグラフィおよびエッチングによって従来の方法で形成されている。導電性プレート2’は、ウェル41の側壁43に沿って、スパッタリングあるいはその他の適切な技術によって形成されてもよい。プレート2’は、適切なビアおよびレール44、45によってトランジスタに接続される。
それぞれの電極プレート2’は、近接の2つのウェルに延びており、それぞれの回路装置は、それぞれのウェルの2枚の導電性プレート間(例えば、図12にあるようにウェル41ijのプレート2’aおよび2’b)の静電容量に依存する時定数を持つように構成されている。
各々の回路装置Uijは、図5を参照してすでに説明した回路を有する、図12の層領域42に形成されたインバータIijを含んでおり、またインバータは、ウェル41のうちの1つのウェルにある2枚の導電性プレート2’間で測定された静電容量によって決定される関連する平行静電容量Cijも同時に有している。静電容量Cijが回路装置Uijの時定数を決定し、その結果、図13に示されるリング発振器の振動周波数が、回路装置Uijの時定数の集合の関数となっている、と理解される。図13の回路は、ウェル41を個々に選択するために図10を参照にして説明したようなアドレス回路を含むように変形可能であることが理解できる。
ウェル41を備えることの利点は、装置の表面が図3に比べて開放され、そのため検出対象の媒体を供給しやすくなることである。さらに、固定プレートを必要としないため、偽外部静電容量によって低下したままの周波数を読み取るリスクが軽減される。
図14を参照しながら説明する。図1の電極プレート2が、図14(a1)に模式的に示されており、図12の電極プレート2’が図14(b1)に示されている。電極プレート2、2’は共に、図14(c1)に示されるDC漏れ抵抗RDCを有する等価回路で示されるような、漏れ抵抗のある構成要素を有していてもよい。抵抗RDCによるDC漏れは、抑制することが望ましい。この抑制は、プレート2、2’について、それぞれ図14(a2)および14(b2)に示したようにして実施できる。これによる効果は、図14(c2)の等価回路に図示したように、DC構成要素をブロックする追加的なコンデンサCBを含むことである。
図14(a2)に示されるプレート2の適切な変形例としては、プレート2が、導電性プレート2A、2Bおよびそれらの間の絶縁層2Cからなる複合材料でできている場合があげられる。絶縁層2Cは、例えば、SiO2、SiN、あるいはTa2O5のコーティングからなるものでもよい。
同様の技術を図14(b2)の電極プレート2’に対して利用してもよい。この構成では、導電層2’A、2’Bがその間に絶縁コーティング2’Cを有することになる。
図11、12および13の設計に基づいて構成されたDNAセンサには、8×8に配列されたウェル41(各々0.2μm×5μm深さ1μm)があり、各々の回路装置Uijのそれぞれに係る静電容量Cijは、100fFである。図9および10を参照にして記載されているように、回路装置は、別々にアドレス指定可能である。個々の回路装置Cijの静電容量は、100fF程度である。インバータIijのオン電流は、基板電圧VNSを変えることで、100μaから0.01μa程度の電流の間で切替えられる。これに関する例としては、VDD=1.5VおよびVSS=0Vが挙げられる。
選択された回路装置には、遅延時間が15μs程度ある。非選択回路装置には、遅延時間は、1.5ns×(8×8−1)=94.5ns程度ある。したがって、各々の静電容量Cijは1%の範囲内で検出される。振動周波数は、1/15μs=66.7kHzである。
ここに記載されているセンサには、多くの改良・変形が可能である。例えば、ウェル41を溝を引き伸ばすような形で構成してもよく、また他の表面形状を採用してもよい。また、回路装置は、異なる構成の振動性回路において接続されてもよい。
Claims (19)
- 検出対象の媒体の関数として静電結合(Ci,j)を形成するように構成される容量素子のアレイと、前記容量素子と関連する複数のセンサ回路装置(Ui,j)からなるセンサであって、
前記回路装置は、各々の時定数(ti,j)をその関連する容量素子の静電結合の関数として示し、センサ回路装置が前記回路装置の時定数に依存する周波数特性(f)で振動する回路内で互いに接続されていることを特徴とするセンサ。 - 前記回路がリング発振器からなることを特徴とする請求項1記載のセンサ。
- 前記容量素子が、前記検出対象の媒体と静電結合を形成するための導電性部材からなることを特徴とする請求項1または2記載のセンサ。
- 前記検出対象の媒体が、固体からなり、前記導電性部材がその固体に隣接する際にその固体と静電結合を形成するように構成されていることを特徴とする請求項3記載のセンサ。
- 前記検出対象の媒体が、液体からなり、前記導電性部材が前記液体の特性の関数である静電容量を有するコンデンサの一部を形成するように構成されることを特徴とする請求項3記載のセンサ。
- 液体を受け入れる領域を提供するために前記導電性部材から間隔を置いて配置されているコンデンサ極板を含む請求項5記載のセンサ。
- 前記導電性部材が前記液体の特性を検出するために相互に静電結合を形成するように構成されていることを特徴とする請求項5記載のセンサ。
- 前記導電性部材が回路装置と共に基板上に形成されているプレートからなることを特徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載のセンサ。
- 検出対象の液体を受け入れるウェルを含むセンサであり、導電性部材が前記ウェルに伸びていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のセンサ。
- DNAセンサとして使用できるように構成されている請求項3ないし9のいずれかに記載のセンサ。
- 前記導電性部材が、予め定められた目的のDNAターゲットを検出するように機能化されていることを特徴とする請求項10記載のセンサ。
- 個々に回路装置を選択する選択回路を含むセンサであって、前記振動性回路の周波数特性が主に前記選択された回路装置の静電結合に依存することを特徴とする、請求項1ないし11のいずれかに記載のセンサ。
- 前記回路装置が前記静電結合の関数である時定数を有するインバータ(Ii,j)からなることを特徴とする請求項1ないし12のいずれかに記載のセンサ。
- 前記インバータ各々が選択的にその時定数を変更する入力端を含むことを特徴とする請求項13記載のセンサ。
- 前記インバータが、相補型トランジスタからなることを特徴とする、請求項13または14記載のセンサ。
- 前記回路装置各々が、その時定数を変更するために、前記トランジスタの一つのチャンネル電流を変えるように構成される回路を含むことを特徴とする請求項13ないし15のいずれかに記載のセンサ。
- 前記振動性回路の振動周波数を検出する周波数検出回路を含む前項いずれかに記載のセンサ。
- 液体ベースの検出対象の媒体を前記容量素子に接するように配置し、振動性回路の作動中の周波数をモニタすることを特徴とする請求項1ないし17のいずれかに記載のセンサを操作する方法。
- 他の回路装置より時定数が大きい回路装置1つを選択し、それを駆動することことを特徴とする請求項18に記載の方法。
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