JP2009300272A - Ion sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion sensing structure in a semiconductor device in the field of an ion sensing system and a biosensing system which is subjected to simple surface treatment so as to properly guide an ionic substance in a specimen to an ion sensing part. <P>SOLUTION: The ion sensor includes: a semiconductor chip having a substrate and an insulator layer formed on the substrate; and a detection part for converting the change in electric potential energy of the interface between the semiconductor substrate and the insulator layer into an electric charge to detect the change as a change of current. In the ion sensor, the semiconductor chip has a sensing area including at least part of the surface of the insulator layer, and the ion sensing area is an area having an affinity for an ionic substance in a specimen. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、検体中のイオン性物質を感応するイオンセンサに関する。   The present invention relates to an ion sensor sensitive to an ionic substance in a specimen.

イオンセンシングシステムおよびバイオセンシングシステム等は食品製造・管理・環境計測等、広範な分野へ適用されている。特にイオンセンシングシステム、たとえばpHセンサは多用されており、従来のガラス電極を用いた装置のみならず、従来のガラス電極の代わりに半導体デバイスを用いた装置も提案されている。また、該半導体デバイスを用いた装置については、微細化させた装置を開発する動きも見られている。   Ion sensing systems and biosensing systems are applied to a wide range of fields such as food production, management, and environmental measurement. In particular, ion sensing systems, such as pH sensors, are widely used, and not only devices using conventional glass electrodes but also devices using semiconductor devices instead of conventional glass electrodes have been proposed. In addition, as for apparatuses using the semiconductor device, there is a movement to develop miniaturized apparatuses.

そして、現在、イオンセンシングシステムおよびバイオセンシングシステムの分野で半導体デバイスを応用しようという動きが盛んになってきている(たとえば、国際公開第2004/017068号パンフレット(特許文献1)、特開2003−202318号公報(特許文献2)参照)。特許文献1には、バイオセンシングシステムについて開示されており、所定の核酸とハイブリダイズ可能な核酸プローブを有する核酸プローブ部を備えるDNAマイクロアレイに、核酸を含む試料を作用させ、該試料中の核酸を定量等することができる核酸検出装置等が記載されている。特許文献2には、イオンセンシングシステムについて開示されており、濡れた状態の毛髪のpHなどのイオン濃度を測定できる化学物性測定装置が記載されている。   Currently, there is an increasing trend to apply semiconductor devices in the field of ion sensing systems and biosensing systems (for example, International Publication No. 2004/017068 (Patent Document 1), JP 2003-202318 A). No. (Patent Document 2)). Patent Document 1 discloses a biosensing system in which a sample containing nucleic acid is allowed to act on a DNA microarray having a nucleic acid probe portion having a nucleic acid probe capable of hybridizing with a predetermined nucleic acid, and the nucleic acid in the sample is A nucleic acid detection device that can be quantified is described. Patent Document 2 discloses an ion sensing system, which describes a chemical property measuring apparatus capable of measuring ion concentration such as pH of wet hair.

ここで、特にイオンセンシングシステムは、非常に用途が広く、pHセンシング([H+]センシング)に限っても、細胞の活性度、水質判定など実に様々な用途が考えられる。そして、近年では、pHセンシングにおいて、装置を小さいチップ化することが望まれており、その他に、微量測定、多種同時測定やイメージングの要求がある。このように、イオンセンシングシステムは、機能・付加価値向上が望まれている。 Here, in particular, the ion sensing system has a very wide range of uses, and even if it is limited to pH sensing ([H + ] sensing), various uses such as cell activity and water quality determination can be considered. In recent years, in pH sensing, it is desired to make the device into a small chip. In addition, there is a demand for micromeasurement, multiple simultaneous measurement, and imaging. Thus, an ion sensing system is desired to improve functions and added values.

従来技術として、イオンセンシングシステムには、シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン基板を含む層状構造を有するイオン感応性電界効果トランジスタ(ISFET)を利用した装置が挙げることができる。しかし、ISFETを利用したイオンセンシングシステムは、マルチデバイス化や微細化は図られておらず、従来のガラス電極を用いた装置との差別化が達成されているとはいい難い。   As a conventional technique, an ion sensing system may include an apparatus using an ion sensitive field effect transistor (ISFET) having a layered structure including a silicon nitride film / a silicon oxide film / a silicon substrate. However, the ion sensing system using ISFET has not been made multi-device and miniaturized, and it is difficult to say that differentiation from a conventional apparatus using glass electrodes is achieved.

また、持ち運びに便利であり、操作が簡単であるイオンセンシングシステムについては、現在開発段階であり、一般的にイオンセンシングシステムに備えられている参照電極、被測定物溶液、ポテンショスタットなどは、すべて小型とは言い難い。したがって、イオンセンシングシステムが大きくなりがちで、様々な用途に直ぐに展開することは困難である。   In addition, ion sensing systems that are convenient to carry and easy to operate are currently in the development stage, and all of the reference electrodes, solution to be measured, potentiostats, etc. that are generally provided in ion sensing systems It is hard to say that it is small. Therefore, the ion sensing system tends to be large, and it is difficult to immediately deploy to various uses.

一方で、半導体技術を応用し、かつ上述のISFETを利用しない装置が開発されている(特開2002−098667号公報(特許文献3)参照)。特許文献3に記載の装置においては、特に半導体としてシリコンを使うと上述のポテンショスタット制御回路が集積化でき、また、該装置におけるセンシング部をアレイ化して2次元画像としてみることもできる。したがって、今までにないイオンセンシングデバイスが考えられ、非常に有用である。
国際公開第2004/017068号パンフレット 特開2003−202318号公報 特開2002−098667号公報
On the other hand, a device that applies semiconductor technology and does not use the above-described ISFET has been developed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-098667 (Patent Document 3)). In the apparatus described in Patent Document 3, the above-described potentiostat control circuit can be integrated particularly when silicon is used as a semiconductor, and the sensing unit in the apparatus can be arrayed and viewed as a two-dimensional image. Therefore, an unprecedented ion sensing device is conceivable and very useful.
International Publication No. 2004/017068 Pamphlet JP 2003-202318 A JP 2002-098667 A

しかしながら、特許文献3ではイオンセンシングのための表面の表面処理の重要性と工夫については、何ら配慮されていない。本発明者らは、特に化学分野以外のイオンセンシングシステム応用においてはイオンセンシング部位以外の部分に生体関連物質等の非特異吸着による誤動作やイメージング解像度の低下が生じることを問題点として着目した。そして、本発明者らは、さらに、確実に被測定物をイオンセンシング部位に導く構造が欠けていることに着目した。したがって、本発明の目的は、イオンセンシングシステムおよびバイオセンシングシステムに用いられる半導体デバイスにおいて、確実にイオンセンシング部分に検体中のイオン性物質を導くための簡便な表面処理されたイオンセンシングセンサを提供することである。   However, in Patent Document 3, no consideration is given to the importance and contrivance of surface treatment for ion sensing. The inventors of the present invention have focused on problems such as malfunctions due to non-specific adsorption of biologically related substances and lowering of imaging resolution in parts other than the ion sensing site particularly in applications of ion sensing systems outside the chemical field. The present inventors have further paid attention to the lack of a structure that reliably leads the object to be measured to the ion sensing site. Accordingly, an object of the present invention is to provide a simple surface-treated ion sensing sensor for reliably guiding an ionic substance in a specimen to an ion sensing portion in a semiconductor device used in an ion sensing system and a biosensing system. That is.

上記課題を解決するために、本発明者は、半導体デバイスにおける構造、イオンセンシング部分の表面の化学的特性等に着目し、鋭意研究を重ねた。そして、高感度化や用途の拡大に貢献することができるセンサの構造を見出した。すなわち、本発明は以下のとおりである。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has intensively studied focusing on the structure of the semiconductor device, the chemical characteristics of the surface of the ion sensing portion, and the like. And the structure of the sensor which can contribute to high sensitivity and the expansion of a use was discovered. That is, the present invention is as follows.

本発明は、基板と、基板上に形成された絶縁体層とを有する半導体チップと、基板と絶縁体層との界面の電気的なポテンシャルエネルギの変化を電荷に変換し、電流変化として検出する検出部とを備えるイオンセンサであって、半導体チップは、絶縁体層の表面の少なくとも一部から構成されるイオンセンシング領域を有し、イオンセンシング領域は、検体中のイオン性物質と親和性を有する領域である、イオンセンサに関する。   The present invention converts a change in electrical potential energy at the interface between a substrate and a semiconductor chip having a substrate, an insulator layer formed on the substrate, and the substrate into an electric charge, and detects it as a current change. The semiconductor chip has an ion sensing region composed of at least a part of the surface of the insulator layer, and the ion sensing region has an affinity for an ionic substance in the specimen. The present invention relates to an ion sensor that is a region having the same.

「基板」としては、ガラス、プラスチック等もあるが、本明細書においては、「基板」として主に半導体基板を用いて説明する。   As the “substrate”, there are glass, plastic, and the like. In this specification, the “substrate” will be described mainly using a semiconductor substrate.

また、本発明のイオンセンサにおいて、イオンセンシング領域は、少なくとも親水性基または親水性基を有する化合物で表面処理してなることが好ましい。   In the ion sensor of the present invention, the ion sensing region is preferably surface-treated with at least a hydrophilic group or a compound having a hydrophilic group.

また、本発明のイオンセンサにおいて、イオンセンシング領域は、少なくとも1つ末端に親水性基を有し、かつ炭素数3〜20の直鎖炭化水素基を有する有機シラン分子で、表面処理してなることが好ましい。   In the ion sensor of the present invention, the ion sensing region is surface-treated with an organosilane molecule having a hydrophilic group at least at one end and a linear hydrocarbon group having 3 to 20 carbon atoms. It is preferable.

また、本発明のイオンセンサにおいて、親水性基は、ヒドロキシル基、アミノ基およびカルボキシル基の少なくとも1つを含むことが好ましい。   In the ion sensor of the present invention, the hydrophilic group preferably includes at least one of a hydroxyl group, an amino group, and a carboxyl group.

また、本発明のイオンセンサにおいて、絶縁体層の表面でイオンセンシング領域以外の領域において、イオンセンシング領域に隣接する領域を、疎水性基を有する化合物で表面処理してなることが好ましい。   In the ion sensor of the present invention, it is preferable that a region adjacent to the ion sensing region is surface-treated with a compound having a hydrophobic group in a region other than the ion sensing region on the surface of the insulator layer.

また、本発明のイオンセンサにおいて、疎水性基を有する化合物は、炭素数8〜20の直鎖アルキル基を有する有機シラン分子、または炭素数8〜20のフッ化直鎖アルキル基を有する有機シラン分子であることが好ましい。   In the ion sensor of the present invention, the compound having a hydrophobic group is an organic silane molecule having a linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms or an organic silane having a fluorinated linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms. It is preferably a molecule.

また、本発明のイオンセンサにおいて、絶縁体層の表面でイオンセンシング領域以外の領域において、イオンセンシング領域に隣接する領域を、親水処理してなることが好ましい。   In the ion sensor of the present invention, it is preferable that a region adjacent to the ion sensing region is subjected to a hydrophilic treatment in a region other than the ion sensing region on the surface of the insulator layer.

また、本発明のイオンセンサにおいて、絶縁体層の表面は、少なくとも一部に凹凸構造を有していることが好ましい。   In the ion sensor of the present invention, it is preferable that the surface of the insulator layer has an uneven structure at least partially.

半導体デバイスを利用したイオンセンサにおいて高感度化や用途の拡大に貢献することができる。   In ion sensors using semiconductor devices, it is possible to contribute to high sensitivity and expansion of applications.

図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. In addition, dimensional relationships such as length, size, and width in the drawings are changed as appropriate for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensions.

[第1実施形態]
図1は、本発明のイオンセンサの一実施形態の構成を示す模式的な図である。図2は、本発明のイオンセンサの動作を示すための模式的な図である。図3は、本発明のイオンセンサによる測定時の動作を示すための図である。図4は、本発明のイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。以下、図1〜図4に基づいて説明する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an embodiment of an ion sensor of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram for illustrating the operation of the ion sensor of the present invention. FIG. 3 is a diagram for illustrating an operation at the time of measurement by the ion sensor of the present invention. FIG. 4 is a schematic diagram in which an ion sensing area in the ion sensor of the present invention is enlarged. Hereinafter, description will be given with reference to FIGS.

まず、図1に基づいて説明する。本発明のイオンセンサは、半導体チップ20と検出部10とを備える。半導体チップ20は、半導体基板11と半導体基板11上に形成された絶縁体層とを有する。本実施形態においては、酸化シリコン膜17とイオンセンシング部14が実質的に絶縁体層となる。そして、検出部10は、半導体基板11と絶縁体層との界面の電気的なポテンシャルエネルギの変化を電荷に変換し、電流変化として検出することができる。   First, it demonstrates based on FIG. The ion sensor of the present invention includes a semiconductor chip 20 and a detection unit 10. The semiconductor chip 20 includes a semiconductor substrate 11 and an insulator layer formed on the semiconductor substrate 11. In the present embodiment, the silicon oxide film 17 and the ion sensing unit 14 are substantially an insulator layer. Then, the detection unit 10 can convert a change in electrical potential energy at the interface between the semiconductor substrate 11 and the insulator layer into a charge and detect it as a current change.

本実施形態においては、半導体基板11は、p型とし、該半導体基板11の表面にはn型の拡散層12および13が形成されている。そして、n型の拡散層12には、ドレイン電極があり、n型の拡散層13には、ソース電極が設置されている。また、半導体基板11においてn型の拡散層12および13が形成されていない表面に酸化シリコン膜17が形成されており、酸化シリコン膜17の上にたとえば窒化シリコン膜で形成されたイオンセンシング部14と、ゲート金属電極金属15および16が形成されている。なお、n型およびp型等は適宜選択することができる。   In the present embodiment, the semiconductor substrate 11 is p-type, and n-type diffusion layers 12 and 13 are formed on the surface of the semiconductor substrate 11. The n-type diffusion layer 12 has a drain electrode, and the n-type diffusion layer 13 has a source electrode. Further, a silicon oxide film 17 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11 where the n-type diffusion layers 12 and 13 are not formed, and the ion sensing unit 14 formed of, for example, a silicon nitride film on the silicon oxide film 17. Gate metal electrode metals 15 and 16 are formed. Note that n-type, p-type, and the like can be selected as appropriate.

イオンセンシング部14の表面には、イオンセンサにおいて測定したい検体中のイオン性物質と親和性を有する領域である、イオンセンシング領域(図1中図示せず)を有する。なお、イオン性物質との親和性を有する領域とは、イオンセンシング部におけるイオンセンシング領域以外の領域と比較して水との接触角が90度以下であるような領域をいうものとする。イオン性物質は、イオン化している物質であり、イオン性物質は、水(水蒸気を含む)に分散、溶解していることが多く、水との親和性が重要である。   The surface of the ion sensing unit 14 has an ion sensing region (not shown in FIG. 1), which is a region having an affinity for an ionic substance in a specimen to be measured by the ion sensor. In addition, the area | region which has affinity with an ionic substance shall mean an area | region where the contact angle with water is 90 degrees or less compared with the area | regions other than the ion sensing area | region in an ion sensing part. An ionic substance is an ionized substance, and the ionic substance is often dispersed and dissolved in water (including water vapor), and affinity with water is important.

イオンセンシング領域が表面に形成されたイオンセンシング部14は、絶縁体であれば、動作に問題は生じないが、強酸および強アルカリの試薬等に耐性があるものであることが好ましい。そして、イオンセンシング部14は、窒化シリコンまたは五酸化タンタルで形成されていることが好ましい。これは、良好なpH応答性を示すことが知られているためである。   If the ion sensing part 14 having the ion sensing region formed on the surface thereof is an insulator, it does not cause a problem in operation, but is preferably resistant to strong acid and strong alkali reagents. The ion sensing unit 14 is preferably made of silicon nitride or tantalum pentoxide. This is because it is known to show good pH responsiveness.

また、本実施形態においては、酸化シリコン膜17の上にイオンセンシング部14が形成されているが、酸化シリコン膜17の位置には、絶縁性を有する材料が配置されていれば特に問題はなく、同様の動作を導くことができる。   Further, in the present embodiment, the ion sensing unit 14 is formed on the silicon oxide film 17, but there is no particular problem as long as an insulating material is disposed at the position of the silicon oxide film 17. , Can lead to a similar operation.

また、本実施形態において絶縁体層は、酸化シリコン膜17とイオンセンシング部14とを含むこととするが、シリコン基板11上の絶縁体層の最表面にイオンセンシング領域を形成できる構成であれば、特に限定はされない。また、イオンセンシング領域の面積は、適宜選択することができる。   In this embodiment, the insulator layer includes the silicon oxide film 17 and the ion sensing unit 14. However, as long as the ion sensing region can be formed on the outermost surface of the insulator layer on the silicon substrate 11. There is no particular limitation. Further, the area of the ion sensing region can be selected as appropriate.

次に、図1および図2に基づいて本発明のイオンセンサの動作を説明する。
本実施形態のイオンセンサは、液体状の検体24中のイオン性物質の動向について測定することができる。そのために、図1には記載していないが、イオンセンシング部14を覆うような部材を設置して、該部材の内部にイオンセンシング部14と検体24とが効率よく接触できるための流路を形成してもよい。
Next, the operation of the ion sensor of the present invention will be described based on FIG. 1 and FIG.
The ion sensor of this embodiment can measure the trend of ionic substances in the liquid specimen 24. Therefore, although not shown in FIG. 1, a member that covers the ion sensing unit 14 is installed, and a flow path for allowing the ion sensing unit 14 and the specimen 24 to efficiently contact the inside of the member. It may be formed.

また、検体24中のH+イオン25は、たとえばイオンセンシング部14の表面に接触すると、絶縁体層を介して、半導体基板11の表面の電気的はポテンシャルエネルギ21が変化する。これは、言い換えると絶縁体層と半導体基板11との界面の電気的なポテンシャルエネルギ21の変化である。 Further, for example, when the H + ions 25 in the specimen 24 come into contact with the surface of the ion sensing unit 14, the electrical potential energy 21 of the surface of the semiconductor substrate 11 changes via the insulator layer. In other words, this is a change in the electrical potential energy 21 at the interface between the insulator layer and the semiconductor substrate 11.

この、ポテンシャルエネルギ21の変化は、検出部10によって検出、解析される。この検出部10には、具体的にはたとえば、ポテンシャルエネルギの変化数値として入力される手段と、該ポテンシャルエネルギの変化を電荷に変換し、該電荷をあらかじめリセットされているフローティングディフュージョン領域に複数回電荷転送を行える手段と、該フローティングディシュージョン領域の電位変化をトランジスタのゲートまたはベースに入力して、該トランジスタの電流変化に変換する手段とを備える構成を挙げることができる。ただし、該ポテンシャルエネルギ21の変化を数値化できるものであれば、検出部10の構造および機能は、適宜公知の技術を選択することができる。図2に示すように、半導体基板11と参照電極16とが接続されていてもよい。   This change in potential energy 21 is detected and analyzed by the detection unit 10. Specifically, for example, means for inputting the change value of the potential energy into the detection unit 10 and the change of the potential energy are converted into charges, and the charges are transferred to the floating diffusion region which has been reset in advance a plurality of times. There can be mentioned a configuration provided with means capable of charge transfer and means for inputting a change in potential of the floating diffusion region into the gate or base of the transistor and converting it into a change in current of the transistor. However, as long as the change of the potential energy 21 can be quantified, a known technique can be appropriately selected as the structure and function of the detection unit 10. As shown in FIG. 2, the semiconductor substrate 11 and the reference electrode 16 may be connected.

図3は、イオンセンサの測定の具体的な態様について示している。シリコン基板30上に形成されたイオンセンシング部27における所定の箇所に検体24が滴下されることで配置され、該検体24に参照電極26が接触している。また、ゲート金属電極28および29に適宜設定した電圧が印加される。   FIG. 3 shows a specific mode of measurement of the ion sensor. The specimen 24 is placed by dropping at a predetermined location in the ion sensing unit 27 formed on the silicon substrate 30, and the reference electrode 26 is in contact with the specimen 24. In addition, an appropriately set voltage is applied to the gate metal electrodes 28 and 29.

次に、図4に基づいて説明する。本実施形態におけるイオンセンサのイオンセンシング部の一部を拡大すると、イオンセンシング領域1および疎水分子膜2とが形成されている。本実施形態において、イオンセンシング領域1は、イオンセンシング部(絶縁体層)の最表面がヒドロキシル基で表面処理されてなる領域である。また、疎水分子膜2とは、疎水性基を有する化合物で表面処理することによって形成された分子膜である。   Next, a description will be given based on FIG. When a part of the ion sensing part of the ion sensor in the present embodiment is enlarged, the ion sensing region 1 and the hydrophobic molecular film 2 are formed. In this embodiment, the ion sensing area | region 1 is an area | region where the outermost surface of an ion sensing part (insulator layer) is surface-treated with a hydroxyl group. The hydrophobic molecular film 2 is a molecular film formed by surface treatment with a compound having a hydrophobic group.

本発明におけるイオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域1は、少なくとも親水性基または親水性基を有する化合物で表面処理してなることが好ましい。イオンセンシング領域1は、上述のとおり、検体中のイオン性物質と親和性を有する領域である。そして、本発明のイオン感応半導体センシングセンサは、絶縁体層と半導体基板1との間の電気的なポテンシャルエネルギの変化を検知するものであるため、H+イオンが半導体基板1の表面等で移動することにより、電気的なポテンシャルエネルギの変動が生じる。 The ion sensing region 1 in the ion sensing unit 14 of the present invention is preferably formed by surface treatment with at least a hydrophilic group or a compound having a hydrophilic group. As described above, the ion sensing region 1 is a region having an affinity for an ionic substance in a specimen. The ion-sensitive semiconductor sensing sensor of the present invention detects changes in electrical potential energy between the insulator layer and the semiconductor substrate 1, so that H + ions move on the surface of the semiconductor substrate 1 and the like. As a result, the electric potential energy fluctuates.

本発明において、親水性基を有する化合物とは、該化合物で表面処理された領域が親水化されるものであれば特に限定はされない。そして、本発明において親水化された領域とは、接触角が0〜90度、より好ましくは、0〜30度である領域を示すものとする。また、本発明においては、イオンセンシング領域1にヒドロキシル基が結合することによって直接結合していてもよい。   In the present invention, the compound having a hydrophilic group is not particularly limited as long as the region surface-treated with the compound is hydrophilized. And the area | region hydrophilized in this invention shall show the area | region whose contact angle is 0-90 degree | times, More preferably, it is 0-30 degree | times. In the present invention, the hydroxyl group may be directly bonded to the ion sensing region 1 by bonding.

また、親水性基を有する化合物とは、具体的には、少なくともイオンセンシング領域1と結合していない側の1つ末端に、上記親水性基を有し炭素数3〜20の直鎖炭化水素基を有する有機シラン分子を挙げることができる。炭素数が3未満であると分子修飾密度が疎になる虞があり、炭素数が20超過であると、分子の立体障害により配向、最密配列が困難になる虞があるからである。そして、該親水性基には具体的には、ヒドロキシル基、アミノ基およびカルボキシル基の少なくとも1つを含むことが好ましい。これは、該親水性基の存在が親水化に寄与するからである。   The compound having a hydrophilic group is specifically a straight-chain hydrocarbon having 3 to 20 carbon atoms and having the hydrophilic group at least at one terminal on the side not bonded to the ion sensing region 1. Mention may be made of organosilane molecules having groups. If the number of carbon atoms is less than 3, the molecular modification density may be sparse. If the number of carbon atoms exceeds 20, the orientation and close-packed arrangement may be difficult due to steric hindrance of the molecules. Specifically, the hydrophilic group preferably contains at least one of a hydroxyl group, an amino group and a carboxyl group. This is because the presence of the hydrophilic group contributes to hydrophilicity.

また、親水性基を有する化合物とイオンセンシング領域とは、化学結合または物理結合のいずれで接合していてもよく、該化学結合には共有結合、イオン結合を挙げることができ、物理結合には疎水相互作用、静電吸着を挙げることができる。   In addition, the compound having a hydrophilic group and the ion sensing region may be joined by either a chemical bond or a physical bond. Examples of the chemical bond include a covalent bond and an ionic bond. Examples include hydrophobic interaction and electrostatic adsorption.

また、イオンセンシング領域1は、より具体的には、親水性基を有する有機シラン分子による分子膜で覆われていることが好ましい。分子膜の厚みは特に限定されないが、5〜30Åであることが好ましい。これは、分子配向性の観点からである。分子膜の形態は特に限定されないが、たとえば、単分子膜とすることができる。また、単分子膜である場合において、該分子膜を形成する分子は、1種類であってもよいし、2種類以上の混合物であってもよい。   More specifically, the ion sensing region 1 is preferably covered with a molecular film made of an organosilane molecule having a hydrophilic group. The thickness of the molecular film is not particularly limited, but is preferably 5 to 30 mm. This is from the viewpoint of molecular orientation. Although the form of a molecular film is not specifically limited, For example, it can be set as a monomolecular film. In the case of a monomolecular film, the molecule forming the molecular film may be one kind or a mixture of two or more kinds.

分子膜を形成する有機分子の長さは0.5nm〜3nmの範囲であることが好ましい。該長さは、有機分子膜7を形成する有機分子の分子量に由来する。分子膜の表面の様子は、電子顕微鏡等で確認することができる。   The length of the organic molecules forming the molecular film is preferably in the range of 0.5 nm to 3 nm. The length is derived from the molecular weight of the organic molecules forming the organic molecular film 7. The surface state of the molecular film can be confirmed with an electron microscope or the like.

絶縁体層の表面でイオンセンシング領域1以外の領域において、少なくともイオンセンシング領域1に隣接する領域は、疎水性基を有する化合物で表面処理されている。疎水性基を有する化合物については、該化合物で表面処理された領域が疎水化されるものであれば特に限定されない。そして、本発明において疎水化された領域とは接触角が90度超過180度以下である領域を示すものとする。   In a region other than the ion sensing region 1 on the surface of the insulator layer, at least a region adjacent to the ion sensing region 1 is surface-treated with a compound having a hydrophobic group. The compound having a hydrophobic group is not particularly limited as long as the region surface-treated with the compound is hydrophobized. In the present invention, the hydrophobized region refers to a region having a contact angle of 90 degrees and 180 degrees or less.

また、疎水性基を有する化合物は、具体的には、炭素数8〜20の直鎖アルキル基を有する有機シラン分子、または、炭素数8〜20のフッ化直鎖アルキル基を有する有機シラン分子を挙げることができる。疎水性基を有する化合物は、炭素数が8未満であると疎水度が上がらない虞があり、炭素数が20超過であると分子の立体障害により配向配列が困難になる虞があるからである。疎水性基を有する化合物とは、一末端がセンシング部14の表面に接合しており、外側に向かうもう一端が疎水性基である化合物をいう。疎水性基を有する化合物とイオンセンシング部14とは、化学結合または物理結合のいずれで接合していてもよく、該化学結合には共有結合、イオン結合を挙げることができ、物理結合には疎水相互作用、静電吸着を挙げることができる。   The compound having a hydrophobic group is specifically an organic silane molecule having a linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms or an organic silane molecule having a fluorinated linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms. Can be mentioned. If the compound having a hydrophobic group has less than 8 carbon atoms, the hydrophobicity may not increase, and if it has more than 20, the alignment may be difficult due to steric hindrance of the molecule. . The compound having a hydrophobic group is a compound in which one end is bonded to the surface of the sensing unit 14 and the other end toward the outside is a hydrophobic group. The compound having a hydrophobic group and the ion sensing unit 14 may be bonded by either chemical bond or physical bond. Examples of the chemical bond include covalent bond and ionic bond. Examples include interaction and electrostatic adsorption.

本実施形態においては、直鎖アルキル基を有する有機シラン分子による分子膜で覆われていることが好ましい。分子膜の厚みは特に限定されないが、5〜30Åであることが好ましい。これは、分子密度が高く化学修飾することが可能であるためである。分子膜の形態は特に限定されないが、たとえば、単分子膜とすることができる。また、単分子膜である場合において、該分子膜を形成する分子は、1種類であってもよいし、2種類以上の混合物であってもよい。   In this embodiment, it is preferable that the film is covered with a molecular film composed of organosilane molecules having a linear alkyl group. The thickness of the molecular film is not particularly limited, but is preferably 5 to 30 mm. This is because the molecular density is high and it can be chemically modified. Although the form of a molecular film is not specifically limited, For example, it can be set as a monomolecular film. In the case of a monomolecular film, the molecule forming the molecular film may be one kind or a mixture of two or more kinds.

分子膜を形成する有機分子の長さは5〜30Åの範囲であることが好ましい。該長さは、有機分子膜7を形成する有機分子の分子量に由来する。分子膜の表面の様子は、電子顕微鏡等で確認することができる。   The length of the organic molecules forming the molecular film is preferably in the range of 5 to 30 mm. The length is derived from the molecular weight of the organic molecules forming the organic molecular film 7. The surface state of the molecular film can be confirmed with an electron microscope or the like.

本実施形態によると、分子膜が非常に薄いため、半導体チップの表面形態を分子膜形成後も保持でき、表面形態自体がもつ特性を最大限利用できる特長がある。   According to this embodiment, since the molecular film is very thin, the surface form of the semiconductor chip can be maintained after the molecular film is formed, and the characteristics of the surface form itself can be utilized to the maximum.

また、表面処理の方法としては、たとえば、有機溶媒中での液中成膜または有機シラン剤を加熱し、半導体チップに成膜する化学気相成膜などを挙げることができる。   Examples of the surface treatment method include film formation in liquid in an organic solvent or chemical vapor deposition in which an organic silane agent is heated to form a film on a semiconductor chip.

本発明のイオンセンサは、たとえば食品管理、口腔内虫歯モニタリング、植物管理、環境測定、土壌管理、細胞イオン出入の観察等の用途に応用できる。また、半導体チップをアレイ化して構成されたセンサを作製することも可能である。そして、H+イオンのほか、検体中のCaイオンやMgイオン等の動向を調べることも可能である。 The ion sensor of the present invention can be applied to uses such as food management, oral cavity monitoring, plant management, environmental measurement, soil management, and observation of cell ion access. It is also possible to produce a sensor configured by arraying semiconductor chips. In addition to H + ions, it is also possible to examine trends in Ca ions, Mg ions, etc. in the specimen.

[第2実施形態]
図5は、本実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。以下、図5に基づいて説明する。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a schematic diagram in which an ion sensing area in the ion sensor in the present embodiment is enlarged. Hereinafter, a description will be given based on FIG.

本実施形態においては、半導体基板および絶縁体層等の構成および部材は、第1実施形態と同様のものを用いることができるが、イオンセンシング部14における表面処理のみ第1実施形態と異なる。本実施形態においては、具体的には、イオンセンシング領域3が末端にアミノ基を有する化合物で表面処理されており、イオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域3以外の領域は、疎水分子膜2で覆われて、疎水化されている。   In this embodiment, the configuration and members such as the semiconductor substrate and the insulator layer can be the same as those in the first embodiment, but only the surface treatment in the ion sensing unit 14 is different from that in the first embodiment. In the present embodiment, specifically, the ion sensing region 3 is surface-treated with a compound having an amino group at the terminal, and regions other than the ion sensing region 3 in the ion sensing unit 14 are covered with the hydrophobic molecular film 2. It is hydrophobized.

本実施形態によると、たとえば生体分子のpHモニタリングを行ないやすい利点がある。   According to this embodiment, there exists an advantage which is easy to perform pH monitoring of a biomolecule, for example.

また、表面処理の方法としては、上述の方法を挙げることが挙げることができる。
[第3実施形態]
図6は、本実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。以下、図6に基づいて説明する。
Examples of the surface treatment method include the above-described methods.
[Third Embodiment]
FIG. 6 is a schematic diagram in which an ion sensing region in the ion sensor according to the present embodiment is enlarged. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本実施形態においては、半導体基板および絶縁体層等の構成および部材は、第1実施形態と同様のものを用いることができるが、イオンセンシング部14における表面処理のみ第1の実施形態と異なる。本実施形態においては、具体的には、イオンセンシング領域5が末端にアミノ基を有する化合物で表面修飾されており、イオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域3以外の領域は、親水処理されており、親水化領域4となっている。具体的には、OH基が結合している。   In the present embodiment, the configuration and members such as the semiconductor substrate and the insulator layer can be the same as those in the first embodiment, but only the surface treatment in the ion sensing unit 14 is different from the first embodiment. In the present embodiment, specifically, the ion sensing region 5 is surface-modified with a compound having an amino group at the terminal, and regions other than the ion sensing region 3 in the ion sensing unit 14 are subjected to hydrophilic treatment, It is a hydrophilic region 4. Specifically, an OH group is bonded.

本実施形態によると、たとえば、生体分子において、タンパク質など疎水化された領域との非特異的な吸着を防ぎ、pH測定に影響を与えにくい利点がある。   According to the present embodiment, for example, non-specific adsorption of a biomolecule with a hydrophobized region such as a protein is prevented, and there is an advantage that it is difficult to affect pH measurement.

また、表面処理の方法としては、上述した方法を挙げることができる。
[第4実施形態]
図7は、本実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。以下図7に基づいて説明する。
Examples of the surface treatment method include the above-described methods.
[Fourth Embodiment]
FIG. 7 is a schematic diagram in which an ion sensing area in the ion sensor in the present embodiment is enlarged. This will be described below with reference to FIG.

本実施形態においては、半導体基板および絶縁体層等の構成および部材は、第1実施形態と同様のものを用いることができる。ただし、イオンセンシング部14における表面の形状が凹凸構造となっており、イオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域7以外の領域は、特に表面処理されている必要はない。   In the present embodiment, the configurations and members such as the semiconductor substrate and the insulator layer can be the same as those in the first embodiment. However, the surface shape of the ion sensing unit 14 has an uneven structure, and the region other than the ion sensing region 7 in the ion sensing unit 14 does not need to be surface-treated.

ここで、凹凸構造は、100μm以下の間隔、好ましくは50nm〜50μmの間隔で、100μm以下の高さ、好ましくは1〜50μmの高さの凹凸であることが好ましい。本実施形態においては、凹凸構造をイオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域7以外の領域に設けることによって、疎水化された領域とすることができる。そして、イオンセンシング領域7の表面に凹凸構造を設けることによって、より、親水性を高めることができる。   Here, the concavo-convex structure is preferably a concavo-convex structure having an interval of 100 μm or less, preferably 50 nm to 50 μm, and a height of 100 μm or less, preferably 1 to 50 μm. In the present embodiment, the concavo-convex structure is provided in a region other than the ion sensing region 7 in the ion sensing unit 14 so that the region can be made hydrophobic. Further, by providing a concavo-convex structure on the surface of the ion sensing region 7, the hydrophilicity can be further enhanced.

本実施形態によると、たとえば、疎水化された領域の疎水性をより安定、促進でき、イオンセンシング部以外の外乱要因を減らせる利点がある。   According to this embodiment, for example, there is an advantage that the hydrophobicity of the hydrophobized region can be stabilized and promoted, and disturbance factors other than the ion sensing unit can be reduced.

また、表面処理の方法としては、上述した方法を挙げることができる。
[第5実施形態]
図8は、本実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。以下、図8に基づいて説明する。
Examples of the surface treatment method include the above-described methods.
[Fifth Embodiment]
FIG. 8 is a schematic diagram in which an ion sensing area in the ion sensor according to the present embodiment is enlarged. Hereinafter, a description will be given based on FIG.

本実施形態においては、半導体基板および絶縁体層等の構成および部材は、第1実施形態と同様のものを用いることができる。ただし、イオンセンシング部における表面の形状が凹凸構造となっており、イオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域9以外の領域は、表面処理されることによって疎水分子膜で覆われている。   In the present embodiment, the configurations and members such as the semiconductor substrate and the insulator layer can be the same as those in the first embodiment. However, the surface shape of the ion sensing unit has an uneven structure, and the region other than the ion sensing region 9 in the ion sensing unit 14 is covered with a hydrophobic molecular film by being surface-treated.

また、表面処理の方法としては、上述した方法を挙げることができる。
[その他の実施形態]
上述したものの他に、イオンセンシング部におけるイオンセンシング領域のみ凹凸構造を設ける、または、イオンセンシング部におけるイオンセンシング領域以外の領域にのみ凹凸構造を設けるという構成をとっても良い。また、イオンセンシング部におけるイオンセンシング領域とそれ以外の領域における隣り合う表面処理が異なるものであり、かつ、イオンセンシング領域に検体中の測定したいイオン性物質が記載されているものであれば、特にその内容については限定されない。
Examples of the surface treatment method include the above-described methods.
[Other Embodiments]
In addition to the above, a configuration may be employed in which a concavo-convex structure is provided only in the ion sensing region in the ion sensing unit, or a concavo-convex structure is provided only in a region other than the ion sensing region in the ion sensing unit. In addition, if the ion sensing region in the ion sensing unit and the adjacent surface treatment in other regions are different and the ion sensing region in the sample describes the ionic substance to be measured, The content is not limited.

また、検出部についても、特に限定されるものではなく、適宜選択して用いることが可能である。   Further, the detection unit is not particularly limited, and can be appropriately selected and used.

以上によって、イオンセンシング部のイオン感応性と検体のイオンセンシングを的確に行なうことができる利点がある。   As described above, there is an advantage that the ion sensitivity of the ion sensing unit and the ion sensing of the specimen can be accurately performed.

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.

[実施例1]
半導体チップの絶縁体層の表面におけるイオンセンシング領域が、検体中のイオン性物質と親和性を有するためにアミノ基を有する化合物で表面処理されたイオンセンサを製造した。また、イオンセンシング領域に隣接する領域を、疎水性基を有する化合物で表面処理した。
[Example 1]
An ion sensor was manufactured in which the ion sensing region on the surface of the insulator layer of the semiconductor chip was surface-treated with a compound having an amino group in order to have an affinity with an ionic substance in the specimen. In addition, the region adjacent to the ion sensing region was surface-treated with a compound having a hydrophobic group.

以下、図1および図5を参照して説明する。
まず、図1に示すn型の拡散層12および13を有するp型のシリコン基板11を準備し、その一表面に酸化シリコン膜17を形成した。そして、酸化シリコン膜17の上に窒化シリコン膜からなるイオンセンシング領域を含むイオンセンシング部14を形成した。また、イオンセンシング部14を挟むようにAlからなるゲート金属電極15、16を形成した。
Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 1 and 5.
First, a p-type silicon substrate 11 having n-type diffusion layers 12 and 13 shown in FIG. 1 was prepared, and a silicon oxide film 17 was formed on one surface thereof. Then, an ion sensing unit 14 including an ion sensing region made of a silicon nitride film was formed on the silicon oxide film 17. Further, gate metal electrodes 15 and 16 made of Al were formed so as to sandwich the ion sensing unit 14.

そして、ゲート金属電極15、16およびイオンセンシング部14の表面に酸素プラズマを照射して親水化処理した。なおこれは、分子修飾を確実に行なうために行なわれる処理である。   The surfaces of the gate metal electrodes 15 and 16 and the ion sensing unit 14 were subjected to hydrophilic treatment by irradiating oxygen plasma. This is a process performed to ensure molecular modification.

次に、図5に示すようにチップにおけるイオンセンシング部14を備える側の表面に気相反応によって、疎水性基を有するフッ化アルキルシラン分子(CF3(CF27(CH22Si(OCH33)からなる疎水分子膜2を形成した。 Next, as shown in FIG. 5, a fluoroalkylsilane molecule (CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 Si) having a hydrophobic group is formed on the surface of the chip on the side including the ion sensing unit 14 by a gas phase reaction. A hydrophobic molecular film 2 made of (OCH 3 ) 3 ) was formed.

次に、疎水分子膜2が形成されたチップの表面を紫外線レジストでコートした。そして、イオンセンシング領域3に当たる領域における該レジストのみ開口部を設けた。そして、該レジストを介して酸素プラズマを照射することによって、イオンセンシング領域3における疎水分子膜2は除去された。   Next, the surface of the chip on which the hydrophobic molecular film 2 was formed was coated with an ultraviolet resist. Then, only the resist in the region corresponding to the ion sensing region 3 was provided with an opening. The hydrophobic molecular film 2 in the ion sensing region 3 was removed by irradiating oxygen plasma through the resist.

次に、該イオンセンシング領域3の表面にトルエン溶液に希釈したアミノシランに半導体チップを浸漬する溶液反応によって、親水性基を有するアミノシラン分子(NH2(CH23Si(OCH2CH33)で形成された分子膜で被覆されたイオンセンシング領域3を形成した。 Next, aminosilane molecules (NH 2 (CH 2 ) 3 Si (OCH 2 CH 3 ) 3 having a hydrophilic group are formed by a solution reaction in which a semiconductor chip is immersed in aminosilane diluted in a toluene solution on the surface of the ion sensing region 3. The ion sensing region 3 covered with the molecular film formed in (1) was formed.

以上の工程によって本発明における半導体チップは形成された。そして、該半導体チップを半導体基板と絶縁体層との界面のポテンシャルエネルギの変化を電荷に変換し、電流変化として検出する検出部と電気的に接続することによって、イオンセンサが完成した。   The semiconductor chip in the present invention was formed by the above process. An ion sensor was completed by electrically connecting the semiconductor chip to a detection unit that converts a change in potential energy at the interface between the semiconductor substrate and the insulator layer into a charge and detects the change as a current.

本実施例によるイオンセンサを用いて、所定の溶液のpHを測定した。pHを測定する溶液には、pH4、7および9のpH緩衝液を用いた。まず、検体24としてのpH7のpH緩衝液を図3に示すように半導体チップ上に滴下した。そして、検体24に接するように参照電極26を配置した。そして、該検体24をpH7の緩衝液からpH4→pH7→pH9→pH7と順次変えていき、そのときの電圧変動とドリフト特性とを確認した。   Using the ion sensor according to this example, the pH of a predetermined solution was measured. As the solution for measuring pH, pH buffer solutions of pH 4, 7, and 9 were used. First, a pH 7 pH buffer solution as the specimen 24 was dropped on the semiconductor chip as shown in FIG. Then, the reference electrode 26 was disposed so as to be in contact with the specimen 24. Then, the specimen 24 was sequentially changed from pH 7 buffer solution to pH 4 → pH 7 → pH 9 → pH 7, and voltage fluctuation and drift characteristics at that time were confirmed.

図9は、本実施例におけるイオンセンサにおける電圧変動を示す図である。図9に示すように、同pHにおける電圧変動は見られなかった。なお、図中の△V=8.5Vは、pH7→4の変動値を示し、△V=7.0Vは、pH7→9の変動値を示す。   FIG. 9 is a diagram illustrating voltage fluctuations in the ion sensor according to the present embodiment. As shown in FIG. 9, no voltage fluctuation was observed at the same pH. In addition, (DELTA) V = 8.5V in a figure shows the fluctuation value of pH7-> 4, and (DELTA) V = 7.0V shows the fluctuation value of pH7-> 9.

また、上述のイオンセンシング領域3および疎水分子膜2を形成していない半導体チップを備える他は同様の構成であるイオンセンサにおいても、同様にpH4、7および9のpH緩衝液を用いた測定を行なった。この際においても、実施例1におけるイオンセンサと同様の結果が得られた。pH測定においては、半導体チップのドレイン、ソース電極をワーキング電極とした。また、ゲート電極としてAg/AgCl電極を用いている。   In addition, in the ion sensor having the same configuration except that the semiconductor chip on which the ion sensing region 3 and the hydrophobic molecular film 2 are not formed is provided, the measurement using pH buffer solutions of pH 4, 7, and 9 is similarly performed. I did it. Also in this case, the same result as the ion sensor in Example 1 was obtained. In pH measurement, the drain and source electrodes of the semiconductor chip were used as working electrodes. An Ag / AgCl electrode is used as the gate electrode.

以上から、分子修飾の表面処理後の半導体チップは、良好なpH応答性を示していることが分かった。   From the above, it was found that the semiconductor chip after molecular modification surface treatment showed good pH responsiveness.

[実施例2]
半導体チップの絶縁体層の表面におけるイオンセンシング領域が、検体中のイオン性物質と親和性を有するためにOH基で表面処理されたイオンセンサを製造した。また、イオンセンシング領域に隣接する領域に対して凹凸構造を有するものとした。
[Example 2]
An ion sensor was manufactured in which the ion sensing region on the surface of the insulator layer of the semiconductor chip was surface-treated with an OH group in order to have affinity with the ionic substance in the specimen. In addition, the structure adjacent to the ion sensing region has an uneven structure.

以下、図1および図8を参照して説明する。ただし、本実施例においては、後述するとおり、図8におけるイオンセンシング領域9には、凹凸構造は形成されていないものとした。   Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 1 and 8. However, in the present example, as will be described later, the uneven structure is not formed in the ion sensing region 9 in FIG.

まず、図1に示すn型の拡散層12および13を有するp型のシリコン基板11を準備し、その一表面に酸化シリコン膜17を形成した。そして、酸化シリコン膜17の上に五酸化タンタルからなるイオンセンシング領域を含むイオンセンシング部14を形成した。また、イオンセンシング部14を挟むようにAlからなるゲート金属電極15、16を形成した。   First, a p-type silicon substrate 11 having n-type diffusion layers 12 and 13 shown in FIG. 1 was prepared, and a silicon oxide film 17 was formed on one surface thereof. Then, an ion sensing unit 14 including an ion sensing region made of tantalum pentoxide was formed on the silicon oxide film 17. Further, gate metal electrodes 15 and 16 made of Al were formed so as to sandwich the ion sensing unit 14.

次に、イオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域9に当たる領域を金属マスクで保護し、イオンセンシング領域7に隣接する領域に対してリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを行ない、6μm間隔の高さ3μmの凹凸構造を形成した。   Next, a region corresponding to the ion sensing region 9 in the ion sensing unit 14 is protected with a metal mask, and lithography and reactive ion etching are performed on the region adjacent to the ion sensing region 7 to form a concavo-convex structure with a height of 3 μm at intervals of 6 μm. Formed.

次に、該金属マスクを剥離し、そして、ゲート金属電極15、16およびイオンセンシング部14の表面に酸素プラズマを照射して親水化処理した。   Next, the metal mask was peeled off, and the surfaces of the gate metal electrodes 15 and 16 and the ion sensing unit 14 were subjected to a hydrophilic treatment by irradiating oxygen plasma.

次に、図8に示すようにチップにおけるイオンセンシング部14を備える側の表面に気相反応によって、疎水性基を有するフッ化アルキルシラン分子(CF3(CF27(CH22Si(OCH33)からなる疎水分子膜6を形成した。 Next, as shown in FIG. 8, a fluoroalkylsilane molecule (CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 Si) having a hydrophobic group is formed on the surface of the chip having the ion sensing unit 14 by a gas phase reaction. A hydrophobic molecular film 6 made of (OCH 3 ) 3 ) was formed.

次に、疎水分子膜2が形成されたチップの表面を紫外線レジストでコートした。そして、イオンセンシング領域3に当たる領域における該レジストのみ開口部を設けた。そして、該レジストを介して酸素プラズマを照射することによって、イオンセンシング領域9における疎水分子膜6は除去された。また、酸素プラズマを照射することによって、イオンセンシング領域9の表面にはOH基で表面処理された。   Next, the surface of the chip on which the hydrophobic molecular film 2 was formed was coated with an ultraviolet resist. Then, only the resist in the region corresponding to the ion sensing region 3 was provided with an opening. The hydrophobic molecular film 6 in the ion sensing region 9 was removed by irradiating oxygen plasma through the resist. Further, the surface of the ion sensing region 9 was surface-treated with OH groups by irradiating oxygen plasma.

以上の工程によって半導体チップは形成された。そして、該半導体チップを半導体基板と絶縁体層との界面のポテンシャルエネルギの変化を電荷に変換し、電流変化として検出する検出部と電気的に接続することによって、イオンセンサが完成した。   The semiconductor chip was formed by the above process. An ion sensor was completed by electrically connecting the semiconductor chip to a detection unit that converts a change in potential energy at the interface between the semiconductor substrate and the insulator layer into a charge and detects the change as a current.

本実施例によるイオンセンサを用いて、pH4、7および9のpH緩衝液で実施例1と同様のpH測定を行なった。結果は、実施例1と同様に、同pHにおける電圧変動は見られなかった。これにより、イオンセンシング領域9がOH基で表面処理されていることによる、検体中のイオン性物質の誘導の効果と、イオンセンシング部におけるイオンセンシング領域9以外の凹凸構造および疎水分子膜6による超撥水構造のため検体中のイオン性物質の誘導(吸着)が抑制できる効果とを有していることが分かった。   Using the ion sensor according to this example, the same pH measurement as in Example 1 was performed with pH buffer solutions of pH 4, 7, and 9. As a result, as in Example 1, no voltage fluctuation was observed at the same pH. As a result, the ion sensing region 9 is surface-treated with OH groups, the effect of inducing the ionic substance in the specimen, the uneven structure other than the ion sensing region 9 in the ion sensing part, and the superposition due to the hydrophobic molecular film 6 It was found that the water repellent structure has an effect of suppressing induction (adsorption) of ionic substances in the specimen.

また、上記のpH緩衝液を用いた測定のあとに、タンパク質を含む溶液を図3に示すようにチップ上に滴下し、30分間放置した。そして、該溶液が滴下された箇所をpH緩衝液でリンスしたのちに、再び同様の緩衝液でpH測定を行なった。その結果、pHの変動は認められなかった。仮に、タンパク質を含む溶液を滴下した表面に不純物が付着すると、表面電位が変化するため、pH変動したように誤認識が生じる。しかし、本実施例におけるイオンセンサにおいては、pH変動が認められないため、イオンセンシング領域9以外の領域にタンパク質の付着が起こっていないことを示していた。図10は、上記のpH変動が認められなかったことを示す図である。   Further, after the measurement using the pH buffer, the protein-containing solution was dropped on the chip as shown in FIG. 3 and left for 30 minutes. And after rinsing the place where this solution was dripped with pH buffer solution, pH measurement was again performed with the same buffer solution. As a result, no change in pH was observed. If impurities adhere to the surface on which the protein-containing solution is dropped, the surface potential changes, and thus erroneous recognition occurs as if the pH has changed. However, in the ion sensor of the present example, since no pH fluctuation was observed, it was shown that no protein was attached to a region other than the ion sensing region 9. FIG. 10 is a diagram showing that the above pH fluctuation was not observed.

さらに、蛍光標識したタンパク質を含む溶液を用いて同様の実験を行ったのち、表面を蛍光顕微鏡で観察したところ、イオンセンシング部14においてはタンパク質由来の蛍光は確認されなかった。   Furthermore, after the same experiment was performed using a solution containing a fluorescently labeled protein, the surface was observed with a fluorescence microscope. As a result, protein-derived fluorescence was not confirmed in the ion sensing unit 14.

[実施例3]
半導体チップの絶縁体層の表面におけるイオンセンシング領域が、検体中のイオン性物質と親和性を有するためにアミノ基を有する化合物で表面処理されたイオンセンサを製造した。また、本実施例においては、イオンセンシング領域に隣接する領域を、OH基で表面処理した。
[Example 3]
An ion sensor was manufactured in which the ion sensing region on the surface of the insulator layer of the semiconductor chip was surface-treated with a compound having an amino group in order to have an affinity with an ionic substance in the specimen. Moreover, in the present Example, the area | region adjacent to an ion sensing area | region was surface-treated with OH group.

以下、図1および図6を参照して説明する。
まず、図1に示すn型の拡散層12および13を有するp型のシリコン基板11を準備し、その一表面に酸化シリコン膜17を形成した。そして、酸化シリコン膜17の上に五酸化タンタルからなるイオンセンシング領域を含むイオンセンシング部14を形成した。また、イオンセンシング部14を挟むようにAlからなるゲート金属電極15、16を形成した。
Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS. 1 and 6.
First, a p-type silicon substrate 11 having n-type diffusion layers 12 and 13 shown in FIG. 1 was prepared, and a silicon oxide film 17 was formed on one surface thereof. Then, an ion sensing unit 14 including an ion sensing region made of tantalum pentoxide was formed on the silicon oxide film 17. Further, gate metal electrodes 15 and 16 made of Al were formed so as to sandwich the ion sensing unit 14.

そして、半導体チップにおけるイオンセンシング部14が形成されている側の表面のイオンセンシング領域5以外の領域をレジストでコートした。そして、該イオンセンシング領域5の表面にトルエン溶液に希釈したアミノシランに半導体チップを浸漬する溶液反応によって、親水性基を有するアミノシラン分子(NH2(CH23Si(OCH2CH33)で形成された分子膜で被覆されてなるイオンセンシング領域3を形成した。 Then, a region other than the ion sensing region 5 on the surface of the semiconductor chip where the ion sensing unit 14 is formed was coated with a resist. Then, the solution reaction of immersing the semiconductor chips aminosilane diluted in toluene solution to the surface of the ion sensing region 5, aminosilane molecule having a hydrophilic group (NH 2 (CH 2) 3 Si (OCH 2 CH 3) 3) The ion sensing region 3 covered with the molecular film formed in (1) was formed.

次に、イオンセンシング領域5のみをレジストでコートして、酸素プラズマを半導体チップに照射することによって、イオンセンシング領域5に隣接する領域に対してOH基で表面修飾した。   Next, the surface of the region adjacent to the ion sensing region 5 was modified with OH groups by coating only the ion sensing region 5 with a resist and irradiating the semiconductor chip with oxygen plasma.

以上の工程によって半導体チップは形成された。そして、該半導体チップを半導体基板と絶縁体層との界面のポテンシャルエネルギの変化を電荷に変換し、電流変化として検出する検出部と電気的に接続することによって、イオンセンサが完成した。   The semiconductor chip was formed by the above process. An ion sensor was completed by electrically connecting the semiconductor chip to a detection unit that converts a change in potential energy at the interface between the semiconductor substrate and the insulator layer into a charge and detects the change as a current.

実施例3におけるイオンセンサは、pH緩衝液を用いたpH測定およびタンパク質を含む溶液を半導体チップの表面に放置した後のpH緩衝液を用いたpH測定においては、実施例1および実施例2と同様の結果を示した。   In the ion sensor in Example 3, the pH measurement using the pH buffer solution and the pH measurement using the pH buffer solution after leaving the protein-containing solution on the surface of the semiconductor chip are the same as those in Example 1 and Example 2. Similar results were shown.

また、本実施例におけるイオンセンサにおいては、イオンセンシング部14に植物の細胞(表皮細胞)を含む細胞懸濁液を滴下し、細胞活動計測に応用することができるかを試みた。   Moreover, in the ion sensor in a present Example, the cell suspension containing a plant cell (epidermal cell) was dripped at the ion sensing part 14, and it was tried whether it could apply to cell activity measurement.

細胞はアミノ基表面に接着しやすいので、細胞は上述のイオンセンシング領域5のみに吸着することが予想された。そして、実際に、細胞混濁液を半導体チップの表面に滴下し、その後、該表面を生理食塩水で洗浄し、該表面を光学顕微鏡で観察したところ、イオンセンシング領域5のみに細胞が選択的に吸着していることが確認された。図12は、実施例3において光学顕微鏡で観察した様子を示した図である。イオンセンシング部14におけるイオンセンシング領域5以外の領域はOH基で表面処理されているので細胞吸着が起こりにくかったと考えられる。   Since the cells easily adhere to the amino group surface, it was expected that the cells adsorb only to the ion sensing region 5 described above. Actually, the cell turbid solution is dropped onto the surface of the semiconductor chip, and then the surface is washed with physiological saline. When the surface is observed with an optical microscope, the cells are selectively present only in the ion sensing region 5. Adsorption was confirmed. FIG. 12 is a diagram showing a state observed with an optical microscope in Example 3. FIG. It is considered that cell adsorption is unlikely to occur because regions other than the ion sensing region 5 in the ion sensing unit 14 are surface-treated with OH groups.

また、図11に示すように、電位応答に関しては、細胞の吸着前後で閾値電圧の変化(△V=3V)が認められたので、顕微鏡観察以外でも表面に吸着物の存在が確認できた。   In addition, as shown in FIG. 11, regarding the potential response, a change in threshold voltage (ΔV = 3 V) was observed before and after cell adsorption, so that the presence of adsorbate on the surface could be confirmed even by observation other than by microscopic observation.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明のイオンセンサの一実施形態の構成を示す模式的な図である。It is a typical figure showing composition of one embodiment of an ion sensor of the present invention. 本発明のイオンセンサの動作を示すための模式的な図である。It is a typical figure for showing operation of an ion sensor of the present invention. 本発明のイオンセンサによる測定時の動作を示すための図である。It is a figure for showing operation at the time of measurement by the ion sensor of the present invention. 本発明のイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。It is the schematic diagram which expanded the ion sensing area | region in the ion sensor of this invention. 本発明における第2実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。It is the typical figure which expanded the ion sensing area | region in the ion sensor in 2nd Embodiment in this invention. 本発明における第3実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。It is the schematic diagram which expanded the ion sensing area | region in the ion sensor in 3rd Embodiment in this invention. 本発明における第4実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。It is the schematic diagram which expanded the ion sensing area | region in the ion sensor in 4th Embodiment in this invention. 本発明における第5実施形態におけるイオンセンサにおけるイオンセンシング領域を拡大した模式的な図である。It is the schematic diagram which expanded the ion sensing area | region in the ion sensor in 5th Embodiment in this invention. 実施例1におけるイオンセンサにおける電圧変動を示す図である。It is a figure which shows the voltage fluctuation in the ion sensor in Example 1. FIG. 実施例2においてpH変動が認められなかったことを示す図である。It is a figure which shows that pH fluctuation was not recognized in Example 2. 実施例3において細胞の吸着前後での閾値電圧の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the threshold voltage before and behind adsorption | suction of a cell in Example 3. FIG. 実施例3において光学顕微鏡で観察した様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that it observed with the optical microscope in Example 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,3,5,7,9 イオンセンシング領域、2,6 疎水分子膜、4 親水化領域、10 検出部、11 半導体基板、12,13 拡散層、14,27 イオンセンシング部、15,16,28,29 ゲート金属電極、17 酸化シリコン膜、20 半導体チップ、21 ポテンシャルエネルギ、24 検体、25 H+イオン、26 参照電極、30 シリコン基板。 1, 3, 5, 7, 9 Ion sensing region, 2, 6 Hydrophobic molecular film, 4 Hydrophilization region, 10 Detection unit, 11 Semiconductor substrate, 12, 13 Diffusion layer, 14, 27 Ion sensing unit, 15, 16, 28, 29 Gate metal electrode, 17 Silicon oxide film, 20 Semiconductor chip, 21 Potential energy, 24 specimen, 25 H + ion, 26 Reference electrode, 30 Silicon substrate.

Claims (8)

基板と、前記基板上に形成された絶縁体層とを有する半導体チップと、
前記基板と前記絶縁体層との界面の電気的なポテンシャルエネルギの変化を電荷に変換し、電流変化として検出する検出部と、
を備えるイオンセンサであって、
前記半導体チップは、前記絶縁体層の表面の少なくとも一部から構成されるイオンセンシング領域を有し、
前記イオンセンシング領域は、検体中のイオン性物質と親和性を有する領域である、
イオンセンサ。
A semiconductor chip having a substrate and an insulator layer formed on the substrate;
A detection unit that converts a change in electrical potential energy at the interface between the substrate and the insulator layer into a charge and detects the change as a current;
An ion sensor comprising:
The semiconductor chip has an ion sensing region composed of at least a part of the surface of the insulator layer,
The ion sensing region is a region having affinity with an ionic substance in a specimen.
Ion sensor.
前記イオンセンシング領域は、少なくとも親水性基または親水性基を有する化合物で表面処理してなる請求項1に記載のイオンセンサ。   The ion sensor according to claim 1, wherein the ion sensing region is surface-treated with at least a hydrophilic group or a compound having a hydrophilic group. 前記イオンセンシング領域は、少なくとも1つ末端に親水性基を有し、かつ炭素数3〜20の直鎖炭化水素基を有する有機シラン分子で、表面処理してなる請求項1に記載のイオンセンサ。   The ion sensor according to claim 1, wherein the ion sensing region is surface-treated with an organosilane molecule having a hydrophilic group at least at one end and a linear hydrocarbon group having 3 to 20 carbon atoms. . 前記親水性基は、ヒドロキシル基、アミノ基およびカルボキシル基の少なくとも1つを含む請求項2または3に記載のイオンセンサ。   The ion sensor according to claim 2, wherein the hydrophilic group includes at least one of a hydroxyl group, an amino group, and a carboxyl group. 前記絶縁体層の表面で前記イオンセンシング領域以外の領域において、前記イオンセンシング領域に隣接する領域を、疎水性基を有する化合物で表面処理してなる請求項1〜4のいずれかに記載のイオンセンサ。   The ion according to any one of claims 1 to 4, wherein a region adjacent to the ion sensing region is surface-treated with a compound having a hydrophobic group in a region other than the ion sensing region on the surface of the insulator layer. Sensor. 前記疎水性基を有する化合物は、
炭素数8〜20の直鎖アルキル基を有する有機シラン分子、または
炭素数8〜20のフッ化直鎖アルキル基を有する有機シラン分子である請求項5に記載のイオンセンサ。
The compound having a hydrophobic group is
The ion sensor according to claim 5, which is an organic silane molecule having a linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms or an organic silane molecule having a fluorinated linear alkyl group having 8 to 20 carbon atoms.
前記絶縁体層の表面で前記イオンセンシング領域以外の領域において、前記イオンセンシング領域に隣接する領域を、親水処理してなる請求項1〜4のいずれかに記載のイオンセンサ。   The ion sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein a region adjacent to the ion sensing region in a region other than the ion sensing region on the surface of the insulator layer is subjected to a hydrophilic treatment. 前記絶縁体層の表面は、少なくとも一部に凹凸構造を有している請求項1〜7のいずれかに記載のイオンセンサ。   The ion sensor according to claim 1, wherein a surface of the insulator layer has an uneven structure at least partially.
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