JP2012247260A - 蛍光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高い検出精度を有する蛍光センサ１０を提供する。
【解決手段】蛍光センサ１０は、主面２１と平行な底面２２を有する凹部２３があり、凹部２３の壁面２４にＰＤ素子１３および温度センサ７０が配設された主基板部２０と、凹部２３の内部に配設された励起光を発生するＬＥＤ基板１２と、励起光Ｅを受光するとアナライト９の量に応じた強度の蛍光Ｆを発生するインジケータ層１６と、インジケータ層１６への外光の進入を防止する、アナライト９が通過可能な遮光層１９と、を具備する。
【選択図】図５

Description

本発明は、アナライトの濃度を計測する蛍光センサに関し、特にＭＥＭＳ技術を用いて作製される蛍光センサに関する。

液体中のアナライトすなわち被計測物質の濃度を測定するための分析装置が開発されている。例えば、一定容量の透明容器に、アナライトの存在によって性質が変化し、励起光を受光すると蛍光を発生する蛍光色素と、アナライトを含む被計測溶液とを注入し、励起光を照射し蛍光色素からの蛍光強度を計測することによりアナライト濃度を計測する蛍光センサが知られている。

そして、小型の蛍光センサでは、励起光を発生する光源と光検出器と蛍光色素を含有したインジケータ層とを有している。そして被計測溶液中のアナライトが進入可能なインジケータ層に光源からの励起光を照射することで、インジケータ層内の蛍光色素が被計測溶液中のアナライト濃度に応じた光量の蛍光を発生し、その蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光した蛍光の光量に応じた検出信号を出力する。この検出信号から被計測溶液中のアナライト濃度が算出される。

そして近年、微量試料中のアナライトを計測するために、ＭＥＭＳ技術を用いて作製される蛍光センサが提案されている。

例えば、図１および図２に示す蛍光センサ１１０が、米国特許第５０３９４９０号明細書に開示されている。図１は蛍光センサ１１０の概略断面構造を示したものであり、図２は蛍光センサ１１０の概略構造を説明するための分解図である。なお、以下の図においてアナライト９は模式的に表示し、信号線等の配線の図示は省略している。

図１および図２に示すように、蛍光センサ１１０は、励起光Ｅが透過可能な透明支持基板１０１と、蛍光Ｆを電気信号に変換する光電変換素子部１０３と、励起光Ｅを集光する集光機能部１０５Ａを有する光学板状部１０５と、アナライト９と相互作用することによって励起光Ｅの入射により蛍光Ｆを発するインジケータ層１０６と、カバー層１０９とから構成されている。

光電変換素子部１０３は、例えばシリコンからなる基板１０３Ａに光電変換素子が形成されている。基板１０３Ａは励起光Ｅを透過しない。このため、蛍光センサ１１０では、光電変換素子部１０３の周囲に励起光Ｅが透過可能な空隙領域１２０を有している。

すなわち、空隙領域１２０を通過し光学板状部１０５に入射した励起光Ｅだけが、光学板状部１０５の作用により、インジケータ層１０６中の、光電変換素子部１０３の上部付近に集光される。集光された励起光Ｅ２と、インジケータ層１０６の内部に進入したアナライト９の相互作用により、蛍光Ｆが発生する。発生した蛍光Ｆの一部は光電変換素子部１０３に入射し、光電変換素子部１０３において蛍光強度、つまりアナライト９の濃度に比例した電流または電圧などの信号が発生する。

インジケータ層１０６が発生する蛍光Ｆの光量は、同じアナライト濃度であってもインジケータ層１０６の温度により変化する。このため、例えば被検体の体内に留置されてアナライト濃度を継続して測定する蛍光センサでは、被検体の体温変化等に起因して検出精度が低下するおそれがあった。

米国特許第５０３９４９０号明細書

本発明は、検出精度の高い蛍光センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様の蛍光センサは、主面と平行な底面を有する凹部があり前記凹部の内壁に光電変換素子と温度センサとが配設された主基板部と、前記凹部の内部に配設された励起光を発生する発光素子基板と、前記凹部の内部の前記発光素子基板の上側に配設された前記励起光を受光するとアナライトの量に応じた光量の前記蛍光を発生するインジケータ層と、前記インジケータ層への外光の進入を防止する前記アナライトが通過可能な遮光層と、を具備する。

本発明によれば、検出精度の高い蛍光センサを提供することができる。

従来の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 従来の蛍光センサの構造を説明するための分解図である。 第１実施形態の蛍光センサを有するセンサシステムを説明するための説明図である。 第１実施形態の蛍光センサの構造を説明するための分解図である。 第１実施形態の蛍光センサの断面構造を示す模式図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面構造を示す模式図である。 第２実施形態の蛍光センサの断面構造を示す模式図である。 第２実施形態の蛍光センサの温度センサとＰＤ素子との配設位置を説明するための上面図である。 第２実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面構造を示す模式図である。 第３実施形態の蛍光センサの断面構造を示す模式図である。 第４実施形態の蛍光センサの断面構造を示す模式図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態の蛍光センサ１０について説明する。
図３に示すように、針先端部５に蛍光センサ１０を有する針型蛍光センサ４は、本体部２およびレシーバー３と、ともにセンサシステム１を構成する。

すなわち、センサシステム１は、針型蛍光センサ４と、本体部２と、本体部２からの信号を受信し記憶するレシーバー３と、を有する。本体部２とレシーバー３との間の信号の送受信は無線または有線で行われる。

針型蛍光センサ４は、主要機能部である蛍光センサ１０を有する針先端部５と細長い針本体部６とを有する針部７と、針本体部６の後端部と一体化したコネクタ部８と、を具備する。針先端部５、針本体部６、およびコネクタ部８の主要構造部は同一材料、例えばシリコンにより一体形成されていてもよい。針部７は、四角柱状、円柱状、または、楕円柱状など、体内への挿入および留置が容易な形状である。

コネクタ部８は、本体部２の嵌合部２Ａと着脱自在に嵌合する。針型蛍光センサ４の蛍光センサ１０から延設された複数の配線は、コネクタ部８が本体部２の嵌合部２Ａと機械的に嵌合することにより、本体部２と電気的に接続される。

本体部２は、蛍光センサ１０の制御を行う制御部２Ｂと、信号を処理する演算部２Ｃと、図示しないが、レシーバー３との間で無線信号を送受信するための無線アンテナおよび電池等と、を有する。なお、レシーバー３との間を有線送受信する場合には、本体部２は無線アンテナに代えて信号線を有する。また、制御部２Ｂおよび演算部２Ｃ等は、針型蛍光センサ４、蛍光センサ１０またはレシーバー３が有していてもよい。

蛍光センサ１０は感染防止等のために使用後は処分される使い捨て（ディスポ）部であるが、本体部２およびレシーバー３は繰り返し再使用されるリユース部である。なお、本体部２が必要な容量のメモリ部を有する場合にはレシーバー３は不要である。

針型蛍光センサ４は本体部２と嵌合した状態で、被検者自身が体表面から穿刺して針先端部５が体内に留置される。そして、例えば体液中のグルコース濃度を連続して測定し、レシーバー３のメモリに記憶する。すなわち、本実施の形態の蛍光センサ１０は連続使用期間が一週間程度の短期皮下留置型のセンサである。

そして、図４および図５に示すように、蛍光センサ１０は、凹部２３がある主基板部２０と、発光素子基板である発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう）基板１２と、透明樹脂層１５と、インジケータ層１６と、遮光層１９と、を有する。蛍光センサ１０は、針先端部５に配設され体内に留置されるため、外寸は例えば１辺が０．１ｍｍ〜１０ｍｍである。

主基板部２０は、配線基板部（第１基板部）３０と、貫通孔が形成された枠状基板部（第２基板部）４０と、を接合することにより作製されている。このため、主基板部２０には、第１の主面２１に、第１の主面２１と平行な底面２２のある凹部２３がある。すなわち、配線基板部３０の表面が、凹部２３の底面２２であり、枠状基板部４０の貫通孔の壁面が、凹部２３の壁面２４である。

なお、蛍光センサ１０では、枠状基板部４０の外形形状および凹部２３の内面形状は、ともに四角柱であるが、多角柱、または円柱であってもよい。

そして、枠状基板部４０の貫通孔の壁面、すなわち主基板部２０の凹部２３の壁面２４Ａには、フォトダイオード（以下「ＰＤ」という）素子１３が形成され、壁面２４Ｂには温度センサ７０が形成されている。ＰＤ素子１３は、蛍光Ｆを受光し検出信号（ＰＤ信号）を出力する光電変換素子である。温度信号を出力する温度センサ７０は、ＰＤ素子１３と同じ構成の半導体ダイオード素子であるが、温度を測定する素子として使用される。

蛍光センサ１０では、インジケータ層１６を囲む４つの内壁面のうちの３壁面２４Ａに、受光面がインジケータ層１６に向くように、ＰＤ素子１３は形成されている。ＰＤ素子１３が形成されていない１壁面２４Ｂに、温度センサ７０が形成されている。なお、温度センサ７０を１壁面の一部領域に形成し、残りの領域にＰＤ素子１３を形成してもよいし、温度センサ７０を２壁面以上に形成してもよい。

また、ＰＤ素子１３および温度センサ７０は、それぞれ壁面全体に形成されていてもよいが、蛍光Ｆのみを効率的に受光するため、または、インジケータ層１６の温度をより正確に測定するために、インジケータ層１６との対向領域にのみに、それぞれ形成されていてもよい。
すなわち、ＰＤ素子１３および温度センサ７０は、それぞれ凹部２３の壁面２４の少なくとも一部に、形成されていればよい。

温度センサ７０としては、インジケータ層１６の近傍の凹部２３の内部に配置可能であれば、半導体からなる凹部２３の内壁に形成した半導体ダイオード素子に限られるものではない。熱電対またはサーミスタ等からなる温度センサを、凹部２３の内面に、樹脂またはハンダ等により接着してもよい。

すなわち、枠状基板部４０の材料は、ＰＤ素子１３等を枠状基板部４０に直接形成するためには半導体、特にシリコンが好ましいが、ＰＤ素子１３等の配設方法によっては、ガラスまたはセラミック等でもよい。

壁面２４に形成されたＰＤ素子１３および温度センサ７０を覆うように保護層である酸化シリコン層４２と、フィルタ４１と、が配設されている。フィルタ４１はＰＤ素子１３の受光面側に、ＰＤ素子１３を覆うように形成されている。

フィルタ４１は、例えば、励起光Ｅを吸収し、それよりも長波長の蛍光Ｆは吸収しない吸収型フィルタである。フィルタ４１は、蛍光Ｆの透過率が励起光Ｅの透過率の１０倍以上が好ましく、特に好ましくは１００倍である。フィルタ４１の材料としては、シリコン層または炭化シリコン層が好適である。なお、フィルタ４１として蛍光Ｆのみを通すバンドパスフィルタまたは干渉型多層膜フィルタ等であってもよい。

なお、フィルタ４１は温度センサ７０を覆う必要はなく、ＰＤ素子１３のみを覆っていればよい。ここで、酸化シリコン層４２とフィルタ４１との厚さは合計で、例えば０．１μｍ〜５μｍである。

ＬＥＤ基板１２は、凹部２３の底面２２に配設されており、インジケータ層１６は、凹部２３の内部のＬＥＤ基板１２の上側に、透明樹脂層１５を介して配設されている。

励起光発光素子としては、ＬＥＤ基板１２に形成されたＬＥＤ１２Ｅに限られるものではなく、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、またはレーザダイオード素子などの発光素子の中から選択される。そして、蛍光透過率、光発生効率、励起光Ｅの波長選択性の広さ、および励起光Ｅとなる紫外線以外の波長の光を僅かしか発生しないことなどの観点からは、サファイアからなるＬＥＤ基板１２に形成された窒化ガリウム系半導体からなる紫外線を発光するＬＥＤ１２Ｅが特に好ましい。

透明樹脂層１５としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、または透明な非晶性フッ素樹脂などが使用可能である。透明樹脂層１５は、電気的絶縁性を有すること、水分遮断性を有すること、励起光Ｅおよび蛍光Ｆに対して良好な透過率を有すること、などの特性を有する材料から選択される。

なお、ＬＥＤ基板１２の大きさが凹部２３の内寸よりも小さい場合には、透明樹脂層１５はＬＥＤ基板１２の側面および凹部の底面２２も覆っていてもよい。

インジケータ層１６は、進入してきたアナライト９との相互作用および励起光Ｅによりアナライト９の濃度に応じた光量の蛍光Ｆを発生する。インジケータ層１６の層厚は数十μｍ〜２００μｍ程度に設定されている。インジケータ層１６は、アナライト９の量、すなわち試料中のアナライト濃度に応じた強度の蛍光Ｆを発生する蛍光色素が含まれたベース材料から構成されている。

蛍光色素は、アナライト９の種類に応じて選択され、アナライト９の量に応じて発生する蛍光Ｆの光量が可逆的に変化する蛍光色素ならば、どのようなものにも使用できる。例えば生体内の水素イオン濃度または二酸化炭素を測定する場合には、ヒドロキシピレントリスルホン酸誘導体、糖類を測定する場合には蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体、カリウムイオンを測定する場合には蛍光残基を有するクラウンエーテル誘導体などを用いることができる。そして、グルコースのような糖類を測定する場合には、蛍光色素として、ルテニウム有機錯体、蛍光フェニルボロン酸誘導体、または蛋白と結合したフルオレセイン等のグルコースと可逆結合する物質を用いることができる。

以上の説明のように、蛍光センサ１０は、蛍光色素の選択によっては、酸素センサ、グルコースセンサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、または微生物センサなど、多様な用途に対応している。

インジケータ層１６は、例えば、含水し易いハイドロゲルをベース材料として、ハイドロゲル内に上記蛍光色素を含有するまたは上記蛍光色素がハイドロゲルに結合されている。ハイドロゲルの成分としてはメチルセルロースもしくはデキストランなどの多糖類、（メタ）アクリルアミド、メチロールアクリルアミド、もしくはヒドルキシエチルアクリレート等のモノマーを重合して作製するウレタン系ハイドロゲル、またはポリエチレングリコールとジイソシアネートから作製するウレタン系ハイドロゲルなどを用いる。

なお、透明樹脂層１５を形成しないで、インジケータ層１６がＬＥＤ基板１２の表面に、直接、配設された構造であってもよい。

遮光層１９は、インジケータ層１６の上側に形成された、厚さが数十μｍ以下の層である。遮光層１９は、励起光Ｅおよび蛍光Ｆが蛍光センサ１０の外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が凹部２３に進入するのを防止する。

ＬＥＤ１２Ｅが発生した励起光Ｅは、インジケータ層１６中の蛍光色素に照射される。そして、蛍光色素がアナライト９との相互作用により発生した蛍光Ｆの一部は、フィルタ４１を通過してＰＤ素子１３に到達し、検出信号に変換される。

蛍光センサ１０は、インジケータ層１６を取り囲む壁面２４に形成されたＰＤ素子１３により蛍光Ｆを検出するために、検出感度が高い。

また、蛍光センサ１０は、インジケータ層１６から、酸化シリコン層４２とフィルタ４１とを介して配設されている温度センサ７０を有する。酸化シリコン層４２とフィルタ４１と厚さは合計で、１００μｍ以下であるため、温度センサ７０はインジケータ層１６の温度を正確に測定できる。

次に、蛍光センサ１０の動作の一例を説明する。
ＬＥＤ１２Ｅは、３０秒に１回の間隔で中心波長が３７５ｎｍ前後の励起光Ｅをパルス発光する。ＬＥＤ１２Ｅへのパルス電流は１ｍＡ〜１００ｍＡであり、発光のパルス幅は１０ｍｓ〜１００ｍｓである。

ＬＥＤ１２Ｅが発生した励起光Ｅは透明樹脂層１５を通過して、インジケータ層１６に入射する。インジケータ層１６は、アナライト９の量に対応した強度の蛍光Ｆを発する。なお、アナライト９は遮光層１９を通過して、インジケータ層１６に進入する。インジケータ層１６の蛍光色素は波長３７５ｎｍの励起光Ｅに対して、より長波長の例えば波長４６０ｎｍの蛍光Ｆを発生する。

インジケータ層１６が発生した蛍光Ｆは、フィルタ４１と酸化シリコン層４２とを通過して、ＰＤ素子１３に入射する。そして蛍光Ｆは、ＰＤ素子１３において光電変換され光発生電荷を生じることで、検出信号（ＰＤ信号）として出力される。なお、ＬＥＤ１２Ｅが発生する励起光Ｅの一部は、凹部２３の壁面２４に入射するが、フィルタ４１の作用によりＰＤ素子１３へは入射しない。

温度センサ７０は、ＬＥＤ１２Ｅが発光し、ＰＤ素子１３が受光する動作中に、あるいは、ＬＥＤ１２Ｅの発光後であってＰＤ素子１３の受光後、数マイクロ秒から数分の時間内に温度を測定し、温度信号を本体部２に出力する。

蛍光センサ１０では、本体部２の演算部２Ｃが、ＰＤ信号、すなわち、ＰＤ素子１３からの光発生電荷に起因する電流または蓄積した光発生電荷に起因する電圧からなる信号と、温度センサ７０からの温度信号と、を用いて演算処理を行い、アナライト量を算出する。

例えば、演算部２Ｃは、一定アナライト濃度における蛍光光量の温度依存性データを用いて、ＰＤ信号を基準温度におけるセンサ出力値に換算する。この後、別に用意した基準温度におけるセンサ出力値とアナライト濃度との相関データを用いて、補正アナライト濃度が算出される。

インジケータ層１６のインジケータは、アナライト９との結合乖離定数が温度によって変化する。しかし、蛍光センサ１０は、インジケータ層１６の温度を測定する温度センサ７０を有するため、インジケータ温度を用いて、測定したアナライト濃度を補する。濃度補正のための温度補正式等は、本体部２の演算部２Ｃ等に記憶されている。このため、蛍光センサ１０は、インジケータ層１６の温度変化による測定精度低下のおそれがないため、正確である。

次に、蛍光センサ１０の製造方法について簡単に説明する。なお、図６（Ａ）〜図６（Ｅ）では１個の蛍光センサ１０の領域の部分断面図であるが、ウエハプロセスにおいて第１基板と第２基板との接合基板を作製してから個片化することで、一括して多数の蛍光センサ１０が製造される。

＜枠状基板作製工程＞
図６（Ａ）に示すように、枠状基板部（第１基板部）４０の作製では、導電性（Ｎ型）の第１のシリコン基板（第１基板）４０Ｗに対して、マスク層４７を介してエッチングが行われ、枠状パターン、すなわち凹部２３となる貫通孔が形成される。なお、凹部２３の開口の大きさは仕様に応じて設計されるが、配設箇所が針先端部５であるために、例えば、縦１５０μｍ、横５００μｍのように細長い形状であることが好ましい。

また、蛍光センサ１０では、凹部２３の壁面２４は第１の主面２１に対して垂直であるが、後述するように、壁面は第１の主面２１に対して所定の角度、すなわちテーパーのある形状であってもよい。テーパー形状の凹部はウエットエッチング等により作製することができる。

＜ＰＤ素子および温度センサの形成工程＞
次に、図６（Ｂ）に示すように、凹部２３の壁面２４Ａにマスク層４７Ａを介してＰＤ素子１３が形成され、同時に、壁面２４Ｂに温度センサ７０が形成される。すなわち、マスク層４７Ａが形成された第１のシリコン基板４０Ｗを５度〜３０度に傾けた状態で、４方向からイオン注入処理が行われる。例えば、ほう素（Ｂ）を注入する場合の条件は、加速電圧：１０〜１００ｋｅＶ、注入量：１×１０^１５ｃｍ^−２程度である。

すなわち、濃度が１×１０^１３〜１×１０^１７ｃｍ^−３のＮ型の第１のシリコン基板４０Ｗに、表面濃度１×１０^１８〜１×１０^２０ｃｍ^３、深さ０．１μｍ〜２μｍのＰ型拡散層が形成される。そして、Ｐ型拡散層とＮ型シリコン基板とにより、２つの半導体ダイオード素子（ＰＤ素子１３および温度センサ７０）が同時に形成される。

＜フィルタ配設工程＞
次に、凹部２３の壁面のＰＤ素子１３および温度センサ７０を覆うように、酸化シリコン層４２と、フィルタ４１と、が順にＣＶＤ法により、形成される。また、ＰＤ素子１３の電極と温度センサ７０の電極とが形成される。

＜配線基板作製工程＞
別途、配線基板部（第２基板部）３０に加工される導電性（Ｎ型）の第２のシリコン基板（第２基板）３０Ｗが準備される。第２のシリコン基板３０Ｗには、図示しないが、ＰＤ素子１３からの検出信号および温度センサ７０からの温度信号を送信するための配線およびＬＥＤ１２Ｅに駆動信号を供給するための配線がスパッタ法または蒸着法等により形成される。

＜枠状基板と配線基板との接合工程＞
図６（Ｃ）に示すように、第１のシリコン基板４０Ｗが上下反転されて、第２のシリコン基板３０Ｗと接合される。

すると図６（Ｄ）に示すように、２枚のウエハが接合された接合基板２０Ｗでは、第１のシリコン基板（枠状基板）４０Ｗの貫通孔は、底面２２のある凹部２３となる。

＜ＬＥＤ基板配設工程、インジケータ配設工程＞
そして、図６（Ｅ）に示すように、接合基板２０Ｗの凹部２３の内部に、ＬＥＤ基板１２および透明樹脂層１５が配設され、さらに透明樹脂層１５の上に、必要に応じてシランカップリング剤などの接着層を介して、インジケータ層１６が配設される。

＜遮光層配設工程、個片化工程＞
最後に遮光層１９が凹部２３の開口を覆うように形成された後、接合基板２０Ｗが切断により個片化されて、蛍光センサ１０が完成する。

蛍光センサの製造方法としては、これに限られるものではなく、個片化された第２のシリコン基板３０Ｗと、個片化された第１のシリコン基板４０Ｗとを接合した後に、凹部２３にＬＥＤ基板１２等を配設する等の方法を用いてもよい。

また、配線基板部３０の延設部が針部７の針本体部６を構成するように第１のシリコン基板４０Ｗを加工してもよいし、別途作製した針本体部６と、蛍光センサ１０を有する針先端部５とを接合して針部７を構成してもよい。

以上の説明のように、本実施形態の蛍光センサの製造方法は、測定精度の高い蛍光センサ１０をウエハプロセスにより一括大量生産が可能である。このため、蛍光センサを安価に安定した品質で提供できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の変形例の蛍光センサ１０Ａを有する針型蛍光センサ４Ａについて説明する。蛍光センサ１０Ａは第１実施形態の蛍光センサ１０等と類似しているため同じ構成要素には同じ数字の符号を付し説明は省略する。

図７に示すように、蛍光センサ１０Ａの主基板部２０Ａは、１枚の半導体基板、例えば、１枚のシリコン基板２０ＡＷの加工により作製される。すなわち、主基板部２０Ａの凹部２３Ａは、例えばエッチング法によりシリコン基板２０ＡＷの第１の主面２１に形成された凹部である。

また、図８に示すように、ＰＤ素子１３Ａは、凹部２３Ａの壁面２４Ｔだけでなく底面２２Ａにも形成されている。さらに温度センサ７０Ａは、壁面２４Ｔの一面の一部にのみ形成されている。このため、蛍光センサ１０Ａでは、多くの蛍光を検出できるため検出感度が高い。もちろん、ＰＤ素子１３Ａは、底面２２Ａにまで形成されていなくともよい。

次に、図９（Ａ）〜図９（Ｅ）を用いて、蛍光センサ１０Ａの製造方法について説明する。なお、図９（Ａ）〜図９（Ｅ）では１個の蛍光センサ１０Ａの領域の部分断面図であるが、実際の工程では、ウエハプロセスとして一括して多数の蛍光センサ１０Ａが製造される。

＜凹部形成工程＞
図９（Ａ）に示すように、シリコン基板２０ＡＷの第１の主面２１にマスク層２７が作製される。そして、図９（Ｂ）に示すように、例えば、エッチング法により、第１の主面２１と平行な底面２２Ａのある凹部２３Ａが形成される。

エッチング法としては、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などを用いるウエットエッチング法が望ましいが、反応性イオンエッチング、ケミカルドライエッチングなどのドライエッチング法も用いることができる

例えば、シリコン基板２０ＡＷとして主面がシリコン（１００）面の基板を用いた場合には、（１１１）面のエッチング速度が（１００）面に比べて遅い異方性エッチングとなるため、凹部２３Ａの壁面２４Ｔは（１１１）面となり、（１００）面との角度θ１は５４．７４度となる。すなわち、凹部２３Ａは開口部の面積が底面２２Ａの面積よりも広く、壁面２４Ｔは主面２１に対して傾斜しているテーパー形状である。

＜ＰＤ素子および温度センサ形成工程＞
次に、図８に示すように、凹部２３Ａの壁面２４Ｔおよび底面２２ＡにＰＤ素子１３Ａが形成され、壁面２４Ｔの一部に温度センサ７０Ａが形成される。

壁面２４Ｔがテーパーのある凹部２３Ａは、壁面２４が主面２１に対して垂直な凹部２３に比べてＰＤ素子が製造される面積が広いだけでなく、壁面２４ＴへのＰＤ素子１３Ａおよび温度センサ７０Ａの形成が容易である。

さらに、図示しないが、ＬＥＤ１２Ｅ、ＰＤ素子１３Ａおよび温度センサ７０Ａの配線等が形成される。なお、貫通配線６０はＰＤ素子１３Ａ形成前に作製しておいてもよい。

＜フィルタ配設工程＞
次に、図９（Ｄ）に示すように、ＰＤ素子１３Ａおよび温度センサ７０Ａを覆うように酸化シリコン層４２Ａおよびフィルタ４１Ａが配設される。酸化シリコン層４２Ａは酸化シリコン層４２と同様の構成および機能を有し、フィルタ４１Ａはフィルタ４１と同様の構成および機能を有する。

＜ＬＥＤ基板配設工程＞
次に、図９（Ｅ）に示すように、ＬＥＤ１２Ｅを底面２２Ａに向けてＬＥＤ基板１２Ａが凹部２３Ａの内部に配設される。なお、ＬＥＤ基板１２Ａは、大部分がＬＥＤ１２Ｅ形成面の反対面から除去され、厚さは１０μｍ程度である。薄層化されたＬＥＤ基板１２Ａを具備する蛍光センサ１０Ａは、凹部２３Ａの内部に、より多くの体積のインジケータを充填できるため、より高感度である。

＜インジケータ配設工程、遮光層配設工程、個片化工程＞
さらに、ＬＥＤ基板１２Ａの上側の凹部２３Ａの内部に透明樹脂層１５Ａを介して、インジケータ層１６Ａが配設される。さらに、凹部２３Ａの開口部を覆うように遮光層１９Ａが形成される。そして、最後に、シリコン基板２０ＡＷを切断し個片化することにより蛍光センサ１０Ａが完成する。

なお、蛍光センサの仕様によっては、蛍光センサ１０のように、凹部の側面は第１の主面２１に垂直であってもよい。

蛍光センサ１０Ａは蛍光センサ１０等が有する効果を有し、さらに、小型化が容易で、より高感度である。また本実施形態の蛍光センサの製造方法は製造が容易である。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態の蛍光センサ１０Ｂを有する針型蛍光センサ４Ｂについて説明する。蛍光センサ１０Ｂは第１実施形態の蛍光センサ１０等と類似しているため同じ構成要素には同じ数字の符号を付し説明は省略する。

図１０に示すように、蛍光センサ１０Ｂでは、ＬＥＤ基板１２に、ＬＥＤ基板１２の温度を測定する第２の温度センサ７０Ｂが形成されている。
第２の温度センサ７０Ｂは、例えばＬＥＤ基板１２であるサファイア基板に成膜したシリコン膜に、温度センサ７０等と同様のＰＮ接合を形成した半導体ダイオードである。なお、第２の温度センサ７０ＢとしてＬＥＤ基板１２と近接している凹部２３の底面２２に半導体ダイオードを形成してもよい。また、第２の温度センサ７０Ｂとして、別途作製した熱電対またはサーミスタ等を配設してもよい。

ＬＥＤ１２Ｅの発光強度には温度依存性がある。蛍光センサ１０Ｂでは例えば第２の温度センサ７０Ｂの出力をもとに、演算部２ＣがＬＥＤ１２Ｅの温度を算出し、制御部２ＢがＬＥＤ１２Ｅの発光強度を調整する。

また、第２の温度センサ７０Ｂとして、励起光Ｅの強度に応じた信号を出力するＰＤ素子を用いてもよい。例えば、励起光Ｅを透過し蛍光Ｆを遮断するフィルタを配設する等により、凹部２３の壁面２４に形成したＰＤ素子を第２の温度センサとして用いることができる。そして、演算部２ＣがＬＥＤ１２Ｅの発光強度の温度依存性を利用して、ＬＥＤ１２Ｅの温度を算出する。

蛍光センサ１０Ｂは、蛍光センサ１０等が有する効果を有し、さらにＬＥＤ１２Ｅの温度制御も可能である。

なお、インジケータ層１６の温度とＬＥＤ１２Ｅの温度との間に強い相関性がある場合には、蛍光センサ１０等においても、温度センサ７０が検出したインジケータ層１６の温度をもとに、制御部２ＢがＬＥＤ１２Ｅの発光強度を調整してもよい。

また、蛍光センサ１０Ｂにおいても、第２実施形態の蛍光センサ１０Ａと同様に、主基板部を１枚の半導体基板の加工により作製してもよい。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態の蛍光センサ１０Ｃを有する針型蛍光センサ４Ｃについて説明する。蛍光センサ１０Ｃは第１実施形態の蛍光センサ１０等と類似しているため同じ構成要素には同じ数字の符号を付し説明は省略する。

図１１に示すように、蛍光センサ１０Ｃでは、主基板部２０Ｃの凹部２３の外部の配線基板部３０Ｃに、半導体ダイオードからなる第３の温度センサ７０Ｃが形成されている。第３の温度センサ７０ＣはＬＥＤ１２Ａ等から離れた凹部２３の外部に配設されているために、ＬＥＤ１２Ａによる発熱の影響を受けない、周辺の環境温度を測定できる。例えば、第３の温度センサ７０Ｃは、蛍光センサ１０Ｃが被検体の体内に留置された場合には、被検体の体温を測定できる。

蛍光センサ１０Ｃでは、制御部２Ｂが、温度センサ７０が検出したインジケータ層１６の温度と、第３の温度センサ７０Ｃが検出した被検体の体温と、をもとに、より正確なアナライト濃度補正が可能である。

蛍光センサ１０Ｃは、蛍光センサ１０等が有する効果を有し、さらに測定精度が高い。

なお、蛍光センサ１０Ｃにおいても、第２実施形態の蛍光センサ１０Ａと同様に、主基板部を１枚の半導体基板の加工により作製してもよいし、第３実施形態の蛍光センサ１０Ｂと同様にＬＥＤ基板１２の温度を測定する第２の温度センサ７０Ｂを配設してもよい。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。例えば、各実施の形態および変形例の構成要素を組み合わせることもできる。

１…センサシステム、２…本体部、２Ａ…嵌合部、２Ｂ…制御部、２Ｃ…演算部、３…レシーバー、４、４Ａ〜４Ｃ…針型蛍光センサ、５…針先端部、６…針本体部、７…針部、８…コネクタ部、９…アナライト、１０、１０Ａ〜１０Ｃ…蛍光センサ、１２、１２Ａ…発光ダイオード基板（ＬＥＤ基板）、１２Ｅ…発光ダイオード（ＬＥＤ）、１３…フォトダイオード素子（ＰＤ素子）、１５…透明樹脂層、１６…インジケータ層、１９…遮光層、２０…主基板部、２０ＡＷ…シリコン基板、２０Ｃ…主基板部、２０Ｗ…接合基板、２１…主面、２２…底面、２３…凹部、２４…壁面、３０…配線基板部、３０Ｗ…第２のシリコン基板、４０…枠状基板部、４０Ｗ…第１のシリコン基板、４１…フィルタ、４２…酸化シリコン層、６０…貫通配線、７０、７０Ａ〜７０Ｃ…温度センサ、１０１…透明支持基板、１０３…光電変換素子部、１０３Ａ…基板、１０５…光学板状部、１０５Ａ…集光機能部、１０６…インジケータ層、１０９…カバー層、１１０…蛍光センサ、１２０…空隙領域

Claims (8)

1. 主面と平行な底面を有する凹部があり、前記凹部の内壁に光電変換素子と温度センサとが配設された主基板部と、
   前記凹部の内部に配設された、励起光を発生する発光素子基板と、
   前記凹部の内部の前記発光素子基板の上側に配設された、前記励起光を受光するとアナライトの量に応じた光量の前記蛍光を発生するインジケータ層と、
   前記インジケータ層への外光の進入を防止する、前記アナライトが通過可能な遮光層と、を具備することを特徴とする蛍光センサ。
2. 前記凹部の内壁に、前記励起光を遮断し前記蛍光を透過する、前記光電変換素子を覆うフィルタを有することを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
3. 前記温度センサが、前記インジケータ層から１００μｍ以下の距離に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の蛍光センサ。
4. 前記光電変換素子および前記温度センサが、シリコンからなる前記主基板部の前記凹部の前記内壁に形成された半導体素子であることを特徴とする請求項３に記載の蛍光センサ。
5. 前記主基板部が、第１基板部と、前記第１基板部と接合された貫通孔のある枠状の第２基板部と、からなり、
   前記第１基板部の表面が前記凹部の底面であり、前記第２基板部の前記貫通孔の内壁が前記凹部の前記内壁であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光センサ。
6. 前記凹部が、シリコンからなる前記主基板部の主面に形成された凹部であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光センサ。
7. 前記発光素子として発光ダイオードが形成された前記発光素子基板に、第２の温度センサが形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蛍光センサ。
8. 前記主基板部の前記凹部の外部に、第３の温度センサが形成されていることを特徴とする請求項１から請求７のいずれか１項に記載の蛍光センサ。

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