JP2015059869A - Fluorescence sensor - Google Patents

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亮 太田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluorescence sensor 10 having high measuring accuracy.SOLUTION: A fluorescence sensor 10 includes: a light shield layer 21; an indicator 22; a substrate section 31; a transparent layer 32 covering a lower surface of the substrate section 31; a semiconductor layer 33 provided below the transparent layer 32, a through-hole 33H penetrating a first principal surface 33SA and a second principal surface 33SB, a PD element 41 detecting fluorescent light generated by the indicator 22 being formed on the second principal surface 33SB, and a PD element 42 detecting excitation light being formed on a wall surface 33HW of the through-hole 33H; and an LED element 23 generating the excitation light received by the indicator 22 via the through-hole 33H.

Description

本発明は、液体中のアナライトの濃度を計測する蛍光センサに関し、特に半導体製造技術及びMEMS技術を用いて作製された微小蛍光光度計である蛍光センサに関する。   The present invention relates to a fluorescent sensor that measures the concentration of an analyte in a liquid, and more particularly to a fluorescent sensor that is a microfluorometer manufactured using semiconductor manufacturing technology and MEMS technology.

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様々な分析装置が開発されている。例えば、蛍光色素とアナライトを含む被計測溶液とを透明容器に注入し、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光度計が知られている。蛍光色素は、励起光を受光するとアナライト濃度に対応した強度の蛍光を発生する   Various analyzers for measuring the concentration of an analyte in a liquid, that is, a substance to be measured have been developed. For example, a fluorometer that measures an analyte concentration by injecting a fluorescent dye and a solution to be measured containing an analyte into a transparent container, irradiating excitation light, and measuring the fluorescence intensity from the fluorescent dye is known. . Fluorescent dyes generate fluorescence with intensity corresponding to the analyte concentration when receiving excitation light

小型の蛍光光度計は、光源と光検出器と蛍光色素を含有したインジケータとを有している。そして、被計測溶液中のアナライトが出入り自在なインジケータに光源からの励起光を照射し、インジケータが発生する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、受光強度に応じた電気信号を出力する。光検出器からの電気信号をもとに溶液中のアナライト濃度が算出される。   A small-sized fluorometer has a light source, a photodetector, and an indicator containing a fluorescent dye. And the excitation light from a light source is irradiated to the indicator in which the analyte in a to-be-measured solution can go in and out, and the photodetector receives the fluorescence which an indicator produces. The photodetector is a photoelectric conversion element and outputs an electrical signal corresponding to the received light intensity. The analyte concentration in the solution is calculated based on the electrical signal from the photodetector.

近年、微量試料中のアナライトを計測するために、半導体製造技術及びMEMS技術を用いて作製される微小蛍光光度計が提案されている。以下、微小蛍光光度計のことを「蛍光センサ」と呼ぶ。   In recent years, in order to measure an analyte in a very small amount of sample, a microfluorometer manufactured using a semiconductor manufacturing technique and a MEMS technique has been proposed. Hereinafter, the microfluorometer is referred to as “fluorescence sensor”.

例えば、図1及び図2に示す蛍光センサ110が国際公開第2010/119916号パンフレットに開示されている。蛍光センサ110の主機能部であるセンサ部120は、光電変換素子141が形成されているシリコン基板133と、透明中間層132と、フィルタ層151と、発光素子123と、透明保護層132Aと、インジケータ122と、遮光層121と、を有する。アナライト9は、遮光層121を通過して、インジケータ122に出入りする。フィルタ層151は励起光を遮断し蛍光を透過する。発光素子123は蛍光を透過する。   For example, the fluorescence sensor 110 shown in FIGS. 1 and 2 is disclosed in International Publication No. 2010/119916. The sensor unit 120 which is a main functional unit of the fluorescence sensor 110 includes a silicon substrate 133 on which a photoelectric conversion element 141 is formed, a transparent intermediate layer 132, a filter layer 151, a light emitting element 123, a transparent protective layer 132A, An indicator 122 and a light shielding layer 121 are included. The analyte 9 passes through the light shielding layer 121 and enters and exits the indicator 122. The filter layer 151 blocks excitation light and transmits fluorescence. The light emitting element 123 transmits fluorescence.

蛍光センサ110では、発光素子123が発生した励起光がインジケータ122に入射すると、インジケータ122はアナライト濃度に応じた強度の蛍光を発生する。   In the fluorescence sensor 110, when the excitation light generated by the light emitting element 123 enters the indicator 122, the indicator 122 generates fluorescence having an intensity corresponding to the analyte concentration.

インジケータ122が発生した蛍光の一部は、発光素子123とフィルタ層151とを通過し、光電変換素子141に入射し光電変換される。なお、発光素子123が光電変換素子141の方向(下方向)出射した励起光は、フィルタ層151により蛍光強度と比較して計測上問題ないレベルまで減光される。蛍光センサ110は、構成が単純で小型化が容易である。   Part of the fluorescence generated by the indicator 122 passes through the light emitting element 123 and the filter layer 151, enters the photoelectric conversion element 141, and is photoelectrically converted. Note that the excitation light emitted from the light emitting element 123 in the direction of the photoelectric conversion element 141 (downward) is attenuated by the filter layer 151 to a level causing no problem in measurement as compared with the fluorescence intensity. The fluorescent sensor 110 has a simple configuration and can be easily downsized.

しかし、蛍光センサ110は、インジケータ122と光電変換素子141との間に発光素子115を実装するため、製造が容易ではないことがあった。   However, the fluorescent sensor 110 is not easy to manufacture because the light emitting element 115 is mounted between the indicator 122 and the photoelectric conversion element 141.

さらに、蛍光強度は、励起光強度に依存しているため、発光素子115が発生する蛍光強度が変化すると、正確な計測が容易ではないおそれがあった。   Furthermore, since the fluorescence intensity depends on the excitation light intensity, if the fluorescence intensity generated by the light emitting element 115 changes, there is a possibility that accurate measurement may not be easy.

国際公開第2010/119916号パンフレットInternational Publication No. 2010/119916 Pamphlet

本発明の実施形態は、測定精度が高い蛍光センサを提供することを目的とする。   An object of an embodiment of the present invention is to provide a fluorescent sensor with high measurement accuracy.

本発明の一態様の蛍光センサは、アナライトが通過する、励起光及び蛍光を遮断する遮光層と、前記励起光を受光すると前記アナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生するインジケータと、上面の開口が前記遮光層に覆われ、前記インジケータが内部に配設されている第1貫通孔のある基板部と、前記第1貫通孔の下面を覆う透明層と、前記透明層の下に配設された、第1の主面と第2の主面とを貫通する第2貫通孔があり、一方の主面に前記インジケータが発生する前記蛍光を検出する第1受光部が形成されており、他方の主面及び前記第2貫通孔の壁面の少なくともいずれかに、前記励起光を検出する第2受光部が形成されている半導体層と、前記第2貫通孔の下側に配設された、前記第2貫通孔を介して前記インジケータに受光される前記励起光を発生する発光素子と、を具備する。   The fluorescence sensor of one embodiment of the present invention includes a light-blocking layer that blocks excitation light and fluorescence, through which the analyte passes, an indicator that generates fluorescence with intensity corresponding to the concentration of the analyte when the excitation light is received, An opening on the upper surface is covered with the light-shielding layer, and a substrate portion having a first through hole in which the indicator is disposed, a transparent layer covering the lower surface of the first through hole, and under the transparent layer There is a second through-hole penetrating the first main surface and the second main surface, and a first light receiving portion for detecting the fluorescence generated by the indicator is formed on one main surface. A semiconductor layer in which a second light receiving portion for detecting the excitation light is formed on at least one of the other main surface and the wall surface of the second through hole, and disposed below the second through hole. Received by the indicator through the second through hole. Comprising a light emitting element for generating the excitation light.

本発明の実施形態によれば、測定精度が高い蛍光センサを提供できる。   According to the embodiment of the present invention, a fluorescent sensor with high measurement accuracy can be provided.

従来の蛍光センサのセンサ部の断面図である。It is sectional drawing of the sensor part of the conventional fluorescence sensor. 従来の蛍光センサのセンサ部の分解図である。It is an exploded view of the sensor part of the conventional fluorescence sensor. 第1実施形態の蛍光センサを有するセンサシステムの斜視図である。It is a perspective view of a sensor system which has a fluorescence sensor of a 1st embodiment. 第1実施形態の蛍光センサのセンサ部の分解図である。It is an exploded view of the sensor part of the fluorescence sensor of a 1st embodiment. 第1実施形態の蛍光センサのSOI基板の斜視図である。It is a perspective view of the SOI substrate of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の蛍光センサのSOI基板の、図5のVI−VI線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the VI-VI line of FIG. 5 of the SOI substrate of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 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図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 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図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 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図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 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図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 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図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 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図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the fluorescence sensor of 1st Embodiment. 第2実施形態の蛍光センサの断面図である。It is sectional drawing of the fluorescence sensor of 2nd Embodiment. 第3実施形態の蛍光センサの断面図である。It is sectional drawing of the fluorescence sensor of 3rd Embodiment.

<第1実施形態>
最初に、本発明の第1実施形態の蛍光センサ10を含むセンサシステム1について説明する。図3に示すように、センサシステム1は、蛍光センサ10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又は有線で行われる。
<First Embodiment>
First, the sensor system 1 including the fluorescent sensor 10 according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 3, the sensor system 1 includes a fluorescent sensor 10, a main body 2, and a receiver 3 that receives and stores a signal from the main body 2. Transmission / reception of signals between the main body 2 and the receiver 3 is performed wirelessly or by wire.

蛍光センサ10は、被検体に穿刺される針部12と、針部12の後端部と接合されたコネクタ部11と、からなる。針部12とコネクタ部11とは、同一材料により一体形成されていてもよいし、別々に作製され接合されていてもよい。   The fluorescence sensor 10 includes a needle portion 12 that is punctured by a subject, and a connector portion 11 that is joined to a rear end portion of the needle portion 12. Needle portion 12 and connector portion 11 may be integrally formed of the same material, or may be separately manufactured and joined.

コネクタ部11は、本体部2の嵌合部2Aと着脱自在に嵌合する。蛍光センサ10の針部12の先端部に配設された主機能部であるセンサ部20から延設された複数の配線(不図示)は、コネクタ部11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、センサ部20の駆動及び制御などを行う制御部2Bと、センサ部20から出力された信号を処理する演算部2Cと、を有する。なお、制御部2B又は演算部2Cの少なくともいずれかが、蛍光センサ10のコネクタ部11等に配設されていてもよいし、レシーバー3に配設されていてもよい。   The connector part 11 is detachably fitted to the fitting part 2A of the main body part 2. A plurality of wires (not shown) extending from the sensor unit 20, which is a main function unit disposed at the distal end of the needle unit 12 of the fluorescent sensor 10, have a connector unit 11 and a fitting unit 2 </ b> A of the main unit 2. By mechanically fitting, the main body 2 is electrically connected. The main body unit 2 includes a control unit 2B that performs driving and control of the sensor unit 20, and a calculation unit 2C that processes a signal output from the sensor unit 20. Note that at least one of the control unit 2B and the calculation unit 2C may be disposed in the connector unit 11 or the like of the fluorescent sensor 10, or may be disposed in the receiver 3.

蛍光センサ10は、センサ部20を体内に挿入後、所定期間、例えば、1週間、継続してアナライト濃度を測定可能な針型センサである。しかし、センサ部20を体内に挿入しないで、採取した体液、又は体外の流路を介して体内と循環する体液を、体外においてセンサ部20と接触させてもよい。   The fluorescence sensor 10 is a needle-type sensor capable of continuously measuring the analyte concentration for a predetermined period, for example, one week after the sensor unit 20 is inserted into the body. However, the collected body fluid or the body fluid circulating through the body via the flow path outside the body may be brought into contact with the sensor unit 20 outside the body without inserting the sensor unit 20 into the body.

図示しないが、本体部2は、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と、電池等と、をさらに有する。レシーバー3との間の信号を有線にて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。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はなくてもよい。
<センサ部の構造>
次に、図4を用いて、蛍光センサ10の主要機能部であるセンサ部20の構造について説明する。なお、図は、いずれも説明のための模式図であり、縦横の寸法比等は実際とは異なっており、一部の構成要素を図示しない場合もある。また、図に示すZ軸方向を上方向という。
Although not shown, the main body 2 further includes a wireless antenna for transmitting and receiving a wireless signal to and from the receiver 3, a battery, and the like. When transmitting / receiving a signal to / from the receiver 3 by wire, the main body 2 has a signal line instead of a wireless antenna. Note that the receiver 3 may not be provided when the main body 2 includes a memory unit having a necessary capacity.
<Structure of sensor part>
Next, the structure of the sensor unit 20 which is a main functional unit of the fluorescence sensor 10 will be described with reference to FIG. In addition, all the figures are schematic diagrams for explanation, and the vertical and horizontal dimensional ratios and the like are different from actual ones, and some components may not be shown. Further, the Z-axis direction shown in the figure is referred to as an upward direction.

蛍光センサ10は、SOI(Silicon on Insulator)基板30を主要構成要素として有する。SOI基板30は、活性層(SOI層)が、埋め込みシリコン酸化膜(Buried Oxide:BOX層)を介して、半導体基板上に配設されている。以下、SOI基板30の活性層を半導体層33、BOX層を透明層32、半導体基板を基板部31という。シリコンからなる半導体層33の厚さは数μm〜100μmであり、光透過率の高い酸化シリコンからなる透明層32の厚さは1μm〜数10μmであり、単結晶シリコンからなる基板部31の厚さは10μm〜数百μmである。   The fluorescent sensor 10 includes an SOI (Silicon on Insulator) substrate 30 as a main component. In the SOI substrate 30, an active layer (SOI layer) is disposed on a semiconductor substrate via a buried silicon oxide film (Buried Oxide: BOX layer). Hereinafter, the active layer of the SOI substrate 30 is referred to as a semiconductor layer 33, the BOX layer is referred to as a transparent layer 32, and the semiconductor substrate is referred to as a substrate portion 31. The thickness of the semiconductor layer 33 made of silicon is several μm to 100 μm, the thickness of the transparent layer 32 made of silicon oxide having a high light transmittance is 1 μm to several tens of μm, and the thickness of the substrate portion 31 made of single crystal silicon. The thickness is 10 μm to several hundred μm.

そして、蛍光センサ10のセンサ部20は、遮光層21と、インジケータ22と、SOI基板30と、発光素子であるLED素子23と、漏光防止層24とを具備する。SOI基板30は、基板部31と、透明層32と、第2貫通孔33Hがある半導体層33と、を有する。   The sensor unit 20 of the fluorescent sensor 10 includes a light shielding layer 21, an indicator 22, an SOI substrate 30, an LED element 23 that is a light emitting element, and a light leakage prevention layer 24. The SOI substrate 30 includes a substrate portion 31, a transparent layer 32, and a semiconductor layer 33 having a second through hole 33H.

遮光層21は、アナライト9は自在に通過可能だが、励起光及び蛍光は遮断される。インジケータ22は、励起光を受光するとアナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生する。基板部31には、
上面の開口が遮光層21に覆われ、インジケータ22が内部に配設されている第1貫通孔31Hがある。励起光及び蛍光が透過する透明層32は、基板部31の第1貫通孔31Hの下面を覆っている。透明層32の下に配設された半導体層33の第2貫通孔33Hは、第1の主面と第2の主面とを貫通している。そして、一方の主面にインジケータ22が発生する蛍光を検出する第1受光部が形成されており、他方の主面、又は、第2貫通孔33Hの壁面に励起光を検出する第2受光部が形成されている。第2貫通孔33Hの下側に配設されたLED23は、第2貫通孔33Hを介してインジケータ22に受光される励起光を発生する。
The light shielding layer 21 allows the analyte 9 to pass freely, but blocks excitation light and fluorescence. When the indicator 22 receives the excitation light, the indicator 22 generates fluorescence having an intensity corresponding to the concentration of the analyte. The substrate unit 31 includes
There is a first through hole 31H in which the opening on the upper surface is covered with the light shielding layer 21 and the indicator 22 is disposed inside. The transparent layer 32 through which the excitation light and the fluorescence pass covers the lower surface of the first through hole 31H of the substrate portion 31. The second through hole 33H of the semiconductor layer 33 disposed under the transparent layer 32 passes through the first main surface and the second main surface. And the 1st light-receiving part which detects the fluorescence which the indicator 22 generate | occur | produces in one main surface is formed, and the 2nd light-receiving part which detects excitation light on the other main surface or the wall surface of the 2nd through-hole 33H Is formed. The LED 23 disposed below the second through hole 33H generates excitation light received by the indicator 22 through the second through hole 33H.

遮光層21は、厚さが数10μm程度である。遮光層21は、励起光及び蛍光が外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が内部に進入するのを防止する。また、遮光層21はアナライト9の通過を妨げないアナライト透過性も有している。   The light shielding layer 21 has a thickness of about several tens of μm. The light shielding layer 21 prevents excitation light and fluorescence from leaking to the outside, and at the same time, prevents outside light from entering the inside. The light shielding layer 21 also has analyte permeability that does not prevent the passage of the analyte 9.

SOI基板30の基板部31には第1の貫通孔31Hが形成されており、半導体層33には第2の貫通孔33Hが形成されている。すなわち、貫通孔31Hは基板部31を貫通しており、貫通孔33Hは半導体層33を貫通しているが、底面はともに透明層32の凹部(ビア)である。貫通孔33H、31Hは基板部31のXY平面内の同一領域内に形成されており両者は透明層32を介して接している。   A first through hole 31 </ b> H is formed in the substrate portion 31 of the SOI substrate 30, and a second through hole 33 </ b> H is formed in the semiconductor layer 33. That is, the through hole 31H penetrates the substrate portion 31 and the through hole 33H penetrates the semiconductor layer 33, but both bottom surfaces are concave portions (vias) of the transparent layer 32. The through holes 33 </ b> H and 31 </ b> H are formed in the same region in the XY plane of the substrate portion 31, and both are in contact with each other through the transparent layer 32.

SOI基板30の貫通孔31Hの内部に充填されたインジケータ22は、進入してきたアナライト9との相互作用により励起光を受光すると蛍光を発生する。インジケータ22の厚さは、貫通孔31Hの深さ、すなわち、基板部31の厚さと同じで、10μm〜数百μmである。インジケータ22は、内部に進入したアナライト9の量、すなわち被計測溶液中のアナライト濃度に応じた強度の蛍光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。   The indicator 22 filled in the through hole 31H of the SOI substrate 30 generates fluorescence when receiving excitation light by the interaction with the analyte 9 that has entered. The thickness of the indicator 22 is the same as the depth of the through hole 31H, that is, the thickness of the substrate portion 31, and is 10 μm to several hundred μm. The indicator 22 is made of a base material containing a fluorescent dye that generates fluorescence having an intensity corresponding to the amount of the analyte 9 that has entered the inside, that is, the concentration of the analyte in the solution to be measured.

LED素子23は、光出射面が半導体層33の貫通孔33Hの開口を覆っていれば、貫通孔33Hを導光路として透明層32を介して貫通孔31Hに配設されたインジケータ22に励起光が照射される。なお、LED素子23の電極23Tは、図示しないが、半導体層33の第2の主面33SBに絶縁層を介して配設されている配線と接続されており、配線はコネクタ部11まで延設されている。   If the light emitting surface covers the opening of the through hole 33H of the semiconductor layer 33, the LED element 23 uses the through hole 33H as a light guide path to the indicator 22 disposed in the through hole 31H via the transparent layer 32. Is irradiated. Although not shown, the electrode 23T of the LED element 23 is connected to a wiring disposed on the second main surface 33SB of the semiconductor layer 33 via an insulating layer, and the wiring extends to the connector portion 11. Has been.

LED素子23の底面(光出射面と対向する面)及び壁面を覆うように配設された漏光防止層24は、底面及び壁面から出射される励起光、及び、半導体層33の表面で反射した励起光が外部に漏光するのを防止する。すなわち、漏光防止層24は遮光層21と類似した機能を有するが、アナライト透過性は必要ない。   The light leakage prevention layer 24 disposed so as to cover the bottom surface (the surface facing the light emitting surface) and the wall surface of the LED element 23 is reflected by the excitation light emitted from the bottom surface and the wall surface and the surface of the semiconductor layer 33. The excitation light is prevented from leaking outside. That is, the light leakage prevention layer 24 has a function similar to that of the light shielding layer 21, but does not require analyte permeability.

後述するように、SOI基板30とLED素子23とは接合層25により接合されている(図12参照)。接合層25は、PD素子41、42を保護する機能も有する。接合層25は貫通孔33Hの内部にも充填されていてもよい。逆に、接合層25を貫通孔33Hの開口の直下領域に形成しなくてもよい。   As will be described later, the SOI substrate 30 and the LED element 23 are bonded by a bonding layer 25 (see FIG. 12). The bonding layer 25 also has a function of protecting the PD elements 41 and 42. The bonding layer 25 may be filled in the through hole 33H. Conversely, the bonding layer 25 may not be formed in the region immediately below the opening of the through hole 33H.

接合層25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接着材料から選択される。接合層25としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、透明な非晶性フッ素樹脂等の有機樹脂、あるいはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの透明無機材料、さらにはこれらの複合積層膜が使用可能である。   The bonding layer 25 is selected from adhesive materials having characteristics such as electrical insulation, moisture barrier properties, and good transmittance for excitation light. As the bonding layer 25, an epoxy resin, a silicone resin, an organic resin such as a transparent amorphous fluororesin, a transparent inorganic material such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, or a composite laminated film thereof can be used. .

そして、図5及び図6に示すように、蛍光センサ10のSOI基板30の半導体層33には、光を電気信号に変換する受光部であるフォトダイオード(Photo Diode:PD)素子41、42が形成されている。   As shown in FIGS. 5 and 6, the semiconductor layer 33 of the SOI substrate 30 of the fluorescence sensor 10 includes photodiodes (Photo Diode: PD) elements 41 and 42 that are light receiving units that convert light into electric signals. Is formed.

すなわち、半導体層33の第2の主面33SBの貫通孔33Hの周囲には、第1の受光部であるPD素子41が形成されており、貫通孔33Hの壁面33HWには第2の受光部であるPD素子42が形成されている。PD素子41は、蛍光を検出するための第1受光部であるのに対して、PD素子42は励起光を検出するための第2の受光部である。   That is, the PD element 41 that is the first light receiving portion is formed around the through hole 33H of the second main surface 33SB of the semiconductor layer 33, and the second light receiving portion is formed on the wall surface 33HW of the through hole 33H. The PD element 42 is formed. The PD element 41 is a first light receiving unit for detecting fluorescence, while the PD element 42 is a second light receiving unit for detecting excitation light.

なお、図示しないが、PD素子41、42は、第2の主面33SBに絶縁層を介して配設されている配線と接続されており、配線はコネクタ部11まで延設されている。   Although not shown, the PD elements 41 and 42 are connected to the wiring arranged on the second main surface 33SB via an insulating layer, and the wiring extends to the connector portion 11.

PD素子41は励起光を遮断するフィルタ(不図示)で覆われていることが好ましい。なお、フィルタは必須の構成要素ではないが、検出感度向上ために配設されていることが好ましい。   The PD element 41 is preferably covered with a filter (not shown) that blocks excitation light. Note that the filter is not an essential component, but is preferably disposed to improve detection sensitivity.

蛍光センサ10では、PD素子41の信号とPD素子42の信号とからアナライト濃度が算出される。すなわち、蛍光強度を示すPD素子41の信号が、励起光強度を示すPD素子42の信号により補正される。励起光強度と蛍光強度とアナライト濃度との関係は、例えば、演算部2Cに予め記憶されている。   In the fluorescence sensor 10, the analyte concentration is calculated from the signal from the PD element 41 and the signal from the PD element 42. That is, the signal of the PD element 41 indicating the fluorescence intensity is corrected by the signal of the PD element 42 indicating the excitation light intensity. The relationship between the excitation light intensity, the fluorescence intensity, and the analyte concentration is stored in advance in the computing unit 2C, for example.

蛍光センサ10は、励起光強度が変化しても精度の高い測定が可能である。   The fluorescence sensor 10 can measure with high accuracy even if the excitation light intensity changes.

さらに、PD素子41が形成されている第2の主面33SBとは異なる面である、貫通孔33Hの壁面33HWに、PD素子42が形成されている。このため、PD素子42形成のためにPD素子41の受光面積を小さくする必要がない。このため、蛍光センサ10は高感度である。   Further, the PD element 42 is formed on the wall surface 33HW of the through hole 33H, which is a surface different from the second main surface 33SB on which the PD element 41 is formed. For this reason, it is not necessary to reduce the light receiving area of the PD element 41 in order to form the PD element 42. For this reason, the fluorescence sensor 10 is highly sensitive.

また、PD素子42は、壁面33HWから半導体層33に進入する光により発生する余剰キャリアを電気信号に変換するため、PD素子41のS/N比を向上する効果も有する。すなわち、PD素子42は励起光により発生したキャリアが、内部に拡散することを防止する機能も有する。   Further, since the PD element 42 converts surplus carriers generated by the light entering the semiconductor layer 33 from the wall surface 33HW into an electric signal, it also has an effect of improving the S / N ratio of the PD element 41. That is, the PD element 42 also has a function of preventing carriers generated by the excitation light from diffusing inside.

さらに、蛍光センサ10は、SOI基板30を用いているため、製造が容易である。また、含水したインジケータ22が、貫通孔31Hの内部に封止されているため、PD素子41、42、及びLED素子23等の電気配線が悪影響を受けにくい。   Furthermore, since the fluorescence sensor 10 uses the SOI substrate 30, it is easy to manufacture. Moreover, since the moisture-containing indicator 22 is sealed inside the through hole 31H, the electric wirings such as the PD elements 41 and 42 and the LED element 23 are not easily adversely affected.

<蛍光センサの製造方法>
次に、図7〜図12を用いて、蛍光センサ10の製造方法について説明する。なお、図7〜図12は1個の蛍光センサ10のセンサ部20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10が作製された後に個々の蛍光センサに個片化される。
<Method for manufacturing fluorescent sensor>
Next, a method for manufacturing the fluorescence sensor 10 will be described with reference to FIGS. 7 to 12 are partial cross-sectional views of the region of the sensor unit 20 of one fluorescent sensor 10, but in an actual process, after a large number of fluorescent sensors 10 are manufactured collectively as a wafer process. Are separated into individual fluorescent sensors.

最初に、図7に示すように、SOI基板30の半導体層33の第2の主面33SBに、貫通孔33Hを形成するための開口のあるマスク30M1が配設される。   First, as shown in FIG. 7, a mask 30 </ b> M <b> 1 having an opening for forming a through hole 33 </ b> H is disposed on the second main surface 33 </ b> SB of the semiconductor layer 33 of the SOI substrate 30.

そして、半導体層33の第2の主面33SBにエッチングが行われ、貫通孔33Hが形成される。エッチングには公知の各種の方法を用いることができる。特に、透明層32のエッチング速度が半導体層33のエッチング速度に比べて非常に遅い選択性エッチング方法が好ましい。透明層32が、いわゆるエッチングストップ層となり、貫通孔33Hは半導体層33を貫通し底面が透明層32の貫通ビアとなる。   Then, the second main surface 33SB of the semiconductor layer 33 is etched to form the through hole 33H. Various known methods can be used for etching. In particular, a selective etching method in which the etching rate of the transparent layer 32 is very slow as compared with the etching rate of the semiconductor layer 33 is preferable. The transparent layer 32 becomes a so-called etching stop layer, and the through hole 33H penetrates the semiconductor layer 33 and the bottom surface becomes a through via of the transparent layer 32.

図8に示すように、PD素子41、42を所定領域に形成するためのマスク30M2が配設される。そして、図9に示すように、通常の半導体プロセスを用いて、PD素子41、42が形成される。半導体層33がN型半導体の場合、PD素子41、42はボロン拡散によりP型半導体の拡散層が形成される。なお、図示しないが、受光部と対になる半導体層33の低抵抗領域には、リン又はヒ素等が導入される。   As shown in FIG. 8, a mask 30M2 for forming the PD elements 41 and 42 in a predetermined region is provided. Then, as shown in FIG. 9, PD elements 41 and 42 are formed using a normal semiconductor process. When the semiconductor layer 33 is an N-type semiconductor, the PD elements 41 and 42 form a P-type semiconductor diffusion layer by boron diffusion. Although not shown, phosphorus, arsenic, or the like is introduced into the low resistance region of the semiconductor layer 33 paired with the light receiving portion.

光電変換素子としては、フォトコンダクタ(光導電体)素子、又はフォトトランジスタ(Photo Transistor)素子などでもよい。   The photoelectric conversion element may be a photoconductor (photoconductor) element or a phototransistor element.

なお、図5に示したPD素子42は貫通孔33Hの4つの壁面に形成されている。このため、貫通孔33Hを取り囲むように形成されているPD素子41には壁面から入射した光による悪影響が及ぶことがない。   The PD element 42 shown in FIG. 5 is formed on the four wall surfaces of the through hole 33H. For this reason, the PD element 41 formed so as to surround the through hole 33H is not adversely affected by the light incident from the wall surface.

そして、図示しないが、PD素子41を覆うようにフィルタが形成される。なお、フィルタ形成前に、シリコン酸化膜等の透明保護膜を形成しておいてもよい。   Although not shown, a filter is formed so as to cover the PD element 41. A transparent protective film such as a silicon oxide film may be formed before forming the filter.

次に、図10に示すように、貫通孔33Hと同様の形成方法により、基板部31に貫通孔31Hが形成される。   Next, as illustrated in FIG. 10, the through hole 31 </ b> H is formed in the substrate portion 31 by the same formation method as the through hole 33 </ b> H.

そして、図11に示すように、貫通孔31Hにインジケータ22が充填され、開口が遮光層21で封止される。   Then, as shown in FIG. 11, the indicator 22 is filled in the through hole 31 </ b> H, and the opening is sealed with the light shielding layer 21.

インジケータ22は、蛍光色素を含有したハイドロゲル、又は、蛍光色素が結合されたハイドロゲルからなる。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の強度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。蛍光センサ10は、グルコースのような糖類を測定するために、蛍光色素には、ルテニウム有機錯体、蛍光フェニルボロン酸誘導体、又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等を用いる。   The indicator 22 is made of a hydrogel containing a fluorescent dye or a hydrogel combined with a fluorescent dye. The fluorescent dye is selected according to the type of the analyte 9, and any fluorescent dye whose intensity of fluorescence generated according to the amount of the analyte 9 changes reversibly can be used. In order to measure saccharides such as glucose, the fluorescent sensor 10 uses a ruthenium organic complex, a fluorescent phenylboronic acid derivative, or a substance that reversibly binds to glucose such as fluorescein bound to protein.

含水し易い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アクリレート系ハイドロゲル、又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ことができる。   Hydrogel components that easily contain water include acrylate hydrogels prepared by polymerizing polysaccharides such as methylcellulose or dextran, monomers such as (meth) acrylamide, methylacrylamide, or hydroxyethyl acrylate, or polyethylene glycol and diisocyanate. Urethane-based hydrogel prepared from the above can be used.

インジケータ22は、シランカップリング剤などの接着層を介して、貫通孔31Hの壁面、上面の遮光層21又は貫通孔31Hの底面25B等と接合されていてもよい。   The indicator 22 may be bonded to the wall surface of the through hole 31H, the light shielding layer 21 on the top surface, the bottom surface 25B of the through hole 31H, or the like via an adhesive layer such as a silane coupling agent.

なお、貫通孔31Hに重合前のゲル骨格形成材を含むインジケータを充填し、遮光層21で開口を覆った後に、重合させてインジケータ22を作製してもよい。例えば、蛍光色素と、ゲル骨格形成材と、重合開始剤と、を含むリン酸緩衝液を、貫通孔31Hの内部に入れ、窒素雰囲気下で1時間放置すると、インジケータ22が作製される。蛍光色素としては、9、10−ビス[N−[2−(5,5−ジメチルボリナン−2−イル)ベンジル]−N−[6‘−[(アクリロイルポリエチレングリコール−3400)カルボニルアミノ]−n−ヘキシルアミノ]メチル]−2−アセチルアントラセン(F−PEG−AAm)を、ゲル骨格形成材としては、アクリルアミドを、重合開始剤としては、ペルオキソ二硫酸ナトリウム及びN、N、N’、N‘−テトラメチルエチレンジアミンを用いる。   Alternatively, the indicator 22 may be manufactured by filling the through hole 31H with an indicator containing a gel skeleton-forming material before polymerization and covering the opening with the light shielding layer 21, followed by polymerization. For example, when a phosphate buffer containing a fluorescent dye, a gel skeleton-forming material, and a polymerization initiator is placed in the through hole 31H and left for 1 hour in a nitrogen atmosphere, the indicator 22 is produced. As the fluorescent dye, 9,10-bis [N- [2- (5,5-dimethylborinan-2-yl) benzyl] -N- [6 ′-[(acryloylpolyethyleneglycol-3400) carbonylamino]- n-hexylamino] methyl] -2-acetylanthracene (F-PEG-AAm), acrylamide as the gel skeleton-forming material, sodium peroxodisulfate and N, N, N ′, N as the polymerization initiator '-Tetramethylethylenediamine is used.

遮光層21には、サブミクロンサイズのポア構造からなる、金属、セラミック等の無機薄膜又は、ポリイミドもしくはポリウレタン等の有機ポリマーの基材にカーボンブラックが混入されたハイドロゲル類とのコンポジット構造、又は、セルロース類もしくはポリアクリルアミド等のアナライト透過性ポリマーにカーボンブラックを混入した樹脂、又は、それらを積層化した樹脂等を用いることができる。   The light shielding layer 21 has a submicron pore structure, an inorganic thin film such as metal or ceramic, or a composite structure with hydrogels in which carbon black is mixed in a base material of organic polymer such as polyimide or polyurethane, or Furthermore, a resin in which carbon black is mixed into an analyte-permeable polymer such as celluloses or polyacrylamide, or a resin obtained by laminating them can be used.

励起光の透明層32の表面での反射を防止するためには、貫通孔33Hに充填する接合層25の屈折率を、透明層32の屈折率と略同等にすることが好ましい。   In order to prevent reflection of excitation light on the surface of the transparent layer 32, it is preferable that the refractive index of the bonding layer 25 filling the through-hole 33 </ b> H is substantially equal to the refractive index of the transparent layer 32.

そして、図12に示すように、LED素子23が接合層25を介してSOI基板30に接合される。   Then, as shown in FIG. 12, the LED element 23 is bonded to the SOI substrate 30 through the bonding layer 25.

LED素子23は、有機EL素子、無機EL素子、又はレーザダイオード素子などの発光素子が形成されたチップの中から選択される。そして、LED素子23は、光発生効率、励起光の波長選択性の広さ、及び励起光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、発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)が好ましい。   The LED element 23 is selected from a chip on which a light emitting element such as an organic EL element, an inorganic EL element, or a laser diode element is formed. The LED element 23 is a light emitting diode (LED) from the viewpoints of light generation efficiency, wide wavelength selectivity of excitation light, and generation of light having a wavelength other than excitation light. Is preferred.

接合層25は、例えば樹脂を塗布し硬化処理を行うことで作製される。なお樹脂を塗布する表面にCVD法等により、予め透明なSiO層又はシリコン窒化層等を配設しておいてもよい。 The bonding layer 25 is produced, for example, by applying a resin and performing a curing process. A transparent SiO 2 layer or silicon nitride layer or the like may be disposed in advance on the surface to which the resin is applied by a CVD method or the like.

LED素子23がSOI基板30に接合されるときに、同時に、LED素子23の駆動信号の電極23Tは、配線(不図示)と電気的に接続される。LED素子23とSOI基板30とは物理的接合と同時に、電気的接合も行われるため、蛍光センサ10は作製が容易である。そして、接合層25は電気的接続部を封止する封止部材の機能も有している。   When the LED element 23 is bonded to the SOI substrate 30, the electrode 23T for the drive signal of the LED element 23 is electrically connected to a wiring (not shown). Since the LED element 23 and the SOI substrate 30 are electrically bonded simultaneously with the physical bonding, the fluorescent sensor 10 can be easily manufactured. The bonding layer 25 also has a function of a sealing member that seals the electrical connection portion.

次に、LED素子23の下面及び壁面に、漏光防止層24が配設される。漏光防止層24は、遮光層21と同じ材料でもよいし、カーボンブラックを配合した有機樹脂、金属、又は、これらの材料からなる多層膜又は複合膜でもよい。なお、漏光防止層24が予め配設されたLED素子23をSOI基板30に接合してもよい。   Next, the light leakage prevention layer 24 is disposed on the lower surface and the wall surface of the LED element 23. The light leakage prevention layer 24 may be the same material as the light shielding layer 21, or may be an organic resin mixed with carbon black, a metal, or a multilayer film or a composite film made of these materials. Note that the LED element 23 in which the light leakage prevention layer 24 is disposed in advance may be bonded to the SOI substrate 30.

なお、漏光防止層24として、アルミニウム又は銀等の反射率の高い金属膜を用いると、LED素子23の底面及び壁面から放射される励起光を、上方すなわちインジケータ22の方向に反射する反射膜としての機能を付与することもできる。   In addition, when a highly reflective metal film such as aluminum or silver is used as the light leakage prevention layer 24, the reflection light that reflects the excitation light emitted from the bottom surface and the wall surface of the LED element 23 upward, that is, toward the indicator 22 is used. It is also possible to give this function.

また、漏光防止層24を、SOI基板30の下面全体、壁面及び遮光層21に覆われていない上面等のセンサ部20の外面にも配設してもよい。   The light leakage prevention layer 24 may also be disposed on the outer surface of the sensor unit 20 such as the entire lower surface of the SOI substrate 30, the wall surface, and the upper surface not covered with the light shielding layer 21.

以上の説明のように、蛍光センサ10は、SOI基板30を用いるため、製造が容易であり、かつ、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10は、安価に安定した品質を提供できる。   As described above, since the fluorescence sensor 10 uses the SOI substrate 30, it can be manufactured easily and can be mass-produced by a wafer process. For this reason, the fluorescence sensor 10 can provide stable quality at low cost.

<蛍光センサの動作>
次に、蛍光センサ10の動作を説明する。
<Operation of fluorescent sensor>
Next, the operation of the fluorescence sensor 10 will be described.

LED素子23は、例えば30秒に1回の間隔で中心波長が375nm前後の励起光をパルス発光する。例えば、LED素子23へのパルス電流は1mA〜100mAであり、発光のパルス幅は1ms〜100msである。   The LED element 23 emits pulsed excitation light having a center wavelength of around 375 nm at intervals of, for example, once every 30 seconds. For example, the pulse current to the LED element 23 is 1 mA to 100 mA, and the pulse width of light emission is 1 ms to 100 ms.

LED素子23が発生した励起光は、貫通孔33Hの底面を構成する透明層32を透過してインジケータ22に入射する。インジケータ22は、アナライト9の濃度に対応した強度の蛍光を発する。なお、アナライト9は遮光層21を通過して、インジケータ22に進入する。インジケータ22の蛍光色素は、例えば、波長375nmの励起光に対して、より長波長の例えば波長460nmの蛍光を発生する。   The excitation light generated by the LED element 23 passes through the transparent layer 32 that forms the bottom surface of the through hole 33H and enters the indicator 22. The indicator 22 emits fluorescence having an intensity corresponding to the concentration of the analyte 9. The analyte 9 passes through the light shielding layer 21 and enters the indicator 22. For example, the fluorescent dye of the indicator 22 generates fluorescence having a longer wavelength, for example, 460 nm with respect to excitation light having a wavelength of 375 nm.

インジケータ22が発生した蛍光は、透明層32と、PD素子41の透明層32側の薄い半導体層33と、を通過して、PD素子41に入射する。すなわち、すでに説明したように、PD素子41は半導体層33の表面から不純物が導入された拡散層であり、透明層32側に薄い半導体層33が残っている。半導体層33の蛍光透過率は高くはないため、透明層32側に残った半導体層33の厚さは、10μm以下であることが好ましく、特に好ましくは3μm以下である。蛍光はPD素子41で光電変換され、生じた光発生電荷は検出信号として出力される。   The fluorescence generated by the indicator 22 passes through the transparent layer 32 and the thin semiconductor layer 33 on the transparent layer 32 side of the PD element 41 and enters the PD element 41. That is, as already described, the PD element 41 is a diffusion layer in which impurities are introduced from the surface of the semiconductor layer 33, and the thin semiconductor layer 33 remains on the transparent layer 32 side. Since the fluorescence transmittance of the semiconductor layer 33 is not high, the thickness of the semiconductor layer 33 remaining on the transparent layer 32 side is preferably 10 μm or less, particularly preferably 3 μm or less. The fluorescence is photoelectrically converted by the PD element 41, and the generated photogenerated charge is output as a detection signal.

一方、LED素子23が発生した励起光の一部は、貫通孔33Hの壁面33HWに形成されたPD素子42に入射し、検出信号が出力される。   On the other hand, a part of the excitation light generated by the LED element 23 enters the PD element 42 formed on the wall surface 33HW of the through hole 33H, and a detection signal is output.

壁面33HWに入射した励起光による光発生電荷は、PD素子42により検出信号となるため、PD素子41に悪影響を及ぼすことがない。   Since the photo-generated charges due to the excitation light incident on the wall surface 33HW become detection signals by the PD element 42, the PD element 41 is not adversely affected.

そして、蛍光センサ10では、本体部2の演算部2Cが検出信号、すなわち、PD素子41、42からの光発生電荷に起因する電流、又は蓄積した光発生電荷に起因する電圧をもとに演算処理を行い、アナライト量を算出する。   In the fluorescent sensor 10, the calculation unit 2C of the main body unit 2 calculates based on the detection signal, that is, the current caused by the photogenerated charges from the PD elements 41 and 42 or the voltage caused by the accumulated photogenerated charges. Processing is performed to calculate the amount of analyte.

<第2実施形態>
次に、第2実施形態の蛍光センサ10A及び蛍光センサ10Aを有するセンサシステム1Aについて説明する。蛍光センサ10A等は蛍光センサ10等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
Second Embodiment
Next, a sensor system 1A having the fluorescence sensor 10A and the fluorescence sensor 10A of the second embodiment will be described. Since the fluorescent sensor 10A and the like are similar to the fluorescent sensor 10 and the like, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図13に示すように、蛍光センサ10Aでは、シリコンからなる基板部31の貫通孔31Hの壁面に、蛍光検出する第3受光部であるPD素子43が形成されている。そして、PD素子43は、図示しない励起光を遮断し蛍光を透過するフィルタで覆われていることが好ましい。   As shown in FIG. 13, in the fluorescence sensor 10A, a PD element 43, which is a third light receiving portion for detecting fluorescence, is formed on the wall surface of the through hole 31H of the substrate portion 31 made of silicon. The PD element 43 is preferably covered with a filter (not shown) that blocks excitation light and transmits fluorescence.

フィルタは、誘電体多層膜等の多重干渉型でもよいが、好ましくは、吸収型であり、例えばシリコン、炭化シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、もしくは有機材料等からなる単層層、又は前記単層層を積層した多層層である。例えば、シリコン層及び炭化シリコン層は、励起光波長の375nmでは透過率は10−5%以下であるのに対して、蛍光波長の460nmでは透過率10%以上と、(励起光波長の透過率/蛍光波長の透過率)の比として6桁以上の透過率選択性を有する。 The filter may be a multiple interference type such as a dielectric multilayer film, but is preferably an absorption type, for example, a single layer made of silicon, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, or an organic material, or the single layer It is a multilayer layer in which layers are stacked. For example, the transmittance of the silicon layer and the silicon carbide layer is 10 −5 % or less at the excitation light wavelength of 375 nm, whereas the transmittance is 10% or more at the fluorescence wavelength of 460 nm (the transmittance of the excitation light wavelength). (Transmittance of fluorescence wavelength) and the transmittance selectivity of 6 digits or more.

PD素子43は、貫通孔31Hを形成後に、PD素子42等と同様の方法により形成される。なお、PD素子43は、貫通孔31Hの壁面の少なくとも一部に形成されていればよい。   The PD element 43 is formed by the same method as the PD element 42 and the like after the through hole 31H is formed. In addition, the PD element 43 should just be formed in at least one part of the wall surface of the through-hole 31H.

蛍光センサ10A等は蛍光センサ10の効果を有し、さらに効率的に蛍光を電気信号に変換できるため、より高精度である。   The fluorescence sensor 10A and the like have the effect of the fluorescence sensor 10 and can convert fluorescence into an electric signal more efficiently, and thus have higher accuracy.

<第3実施形態>
次に、第3実施形態の蛍光センサ10B及び蛍光センサ10Bを有するセンサシステム1Bについて説明する。蛍光センサ10B等は蛍光センサ10等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
<Third Embodiment>
Next, the fluorescence sensor 10B of 3rd Embodiment and the sensor system 1B which has the fluorescence sensor 10B are demonstrated. Since the fluorescent sensor 10B and the like are similar to the fluorescent sensor 10 and the like, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図14に示すように、蛍光センサ10Bでは、蛍光を検出する第1受光部であるPD素子41Bが半導体層33の第1の主面33SAに形成されており、励起光を検出する第2受光部であるPD素子42Bが半導体層33の第2の主面33SBに形成されている。   As shown in FIG. 14, in the fluorescence sensor 10 </ b> B, the PD element 41 </ b> B that is a first light receiving unit that detects fluorescence is formed on the first main surface 33 </ b> SA of the semiconductor layer 33, and the second light receiving unit that detects excitation light. The PD element 42 </ b> B as a part is formed on the second main surface 33 </ b> SB of the semiconductor layer 33.

蛍光センサ10Bでは、SOI基板30Bの作製時に、まずPD素子41Bが形成される。すなわち、基板部31に、透明層32を配設した後に、所定厚のシリコン層が配設される。すでに説明したのと同じ方法で不純物がドープされ所定厚のPD素子41Bが形成される。そして、PD素子41Bの上に、さらにシリコン層が配設され、PD素子42Bが形成される。   In the fluorescent sensor 10B, the PD element 41B is first formed when the SOI substrate 30B is manufactured. That is, after the transparent layer 32 is disposed on the substrate portion 31, a silicon layer having a predetermined thickness is disposed. Impurities are doped by the same method as already described to form a PD element 41B having a predetermined thickness. Then, a silicon layer is further disposed on the PD element 41B to form the PD element 42B.

なお、貫通孔33Hを形成後に、PD素子42Bを形成してもよい。このとき、貫通孔33Hの壁面にまで、励起光照度モニタであるPD素子42Bが形成されていてもよい。   The PD element 42B may be formed after the through hole 33H is formed. At this time, the PD element 42B which is an excitation light illuminance monitor may be formed up to the wall surface of the through hole 33H.

インジケータ22が発生した蛍光は、透明層32を介してPD素子41Bに入射する。一方、LED素子23が発生した励起光は、接合層25を介してPD素子42Bに入射する。そして、それぞれのPD素子で発生したキャリアは、それぞれのPD素子において信号となるため、別のPD素子に悪影響を及ぼすことがない。なお、PD素子41BとPD素子42Bとに印加するバイアス電圧を変えることで、検出する光の波長に応じた信号を効率的に出力できる。   The fluorescence generated by the indicator 22 enters the PD element 41 </ b> B through the transparent layer 32. On the other hand, the excitation light generated by the LED element 23 enters the PD element 42 </ b> B through the bonding layer 25. Since the carrier generated in each PD element becomes a signal in each PD element, it does not adversely affect another PD element. In addition, the signal according to the wavelength of the light to detect can be efficiently output by changing the bias voltage applied to PD element 41B and PD element 42B.

蛍光センサ10B等は、蛍光センサ10と同様の効果を有する。   The fluorescence sensor 10B and the like have the same effects as the fluorescence sensor 10.

なお、蛍光センサ10Bにおいて、蛍光センサ10Aと同じように、貫通孔31Hの壁面に第3のPD素子を形成してもよい。   In the fluorescent sensor 10B, the third PD element may be formed on the wall surface of the through hole 31H, as in the fluorescent sensor 10A.

また、上記説明では、グルコース等の糖類を検出する蛍光センサ10等を例に説明したが、蛍光色素の選択によって、酵素センサ、pHセンサ、免疫センサ、又は微生物センサ等の多様な用途に対応できる。例えば、蛍光色素に、生体内の水素イオン濃度又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などを用い、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などを用い、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。   In the above description, the fluorescent sensor 10 that detects saccharides such as glucose has been described as an example. However, by selecting a fluorescent dye, various applications such as an enzyme sensor, a pH sensor, an immunosensor, or a microorganism sensor can be supported. . For example, when measuring the concentration of hydrogen ions or carbon dioxide in a living body, a hydroxypyrenetrisulfonic acid derivative or the like is used as a fluorescent dye, and a phenylboronic acid derivative having a fluorescent residue is used when measuring a saccharide. When a potassium ion is used, a crown ether derivative having a fluorescent residue is used.

すなわち、本発明は、上述した実施形態及び変形例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。   That is, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

1、1A、1B…センサシステム
2…本体部
3…レシーバー
9…アナライト
10、10A、10B…蛍光センサ
20…センサ部
21…遮光層
22…インジケータ
23…LED素子
24…漏光防止層
25…接合層
30…SOI基板
31…基板部
31H…貫通孔
32…透明層
33…半導体層
33H…貫通孔
41〜43…PD素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A, 1B ... Sensor system 2 ... Main-body part 3 ... Receiver 9 ... Analyte 10, 10A, 10B ... Fluorescence sensor 20 ... Sensor part 21 ... Light shielding layer 22 ... Indicator 23 ... LED element 24 ... Light leakage prevention layer 25 ... Bonding Layer 30 ... SOI substrate 31 ... Substrate portion 31H ... Through hole 32 ... Transparent layer 33 ... Semiconductor layer 33H ... Through hole 41-43 ... PD element

Claims (4)

アナライトが通過する、励起光及び蛍光を遮断する遮光層と、
前記励起光を受光すると前記アナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生するインジケータと、
上面の開口が前記遮光層に覆われ、前記インジケータが内部に配設されている第1貫通孔のある基板部と、
前記第1貫通孔の下面を覆う透明層と、
前記透明層の下に配設された、第1の主面と第2の主面とを貫通する第2貫通孔があり、一方の主面に前記インジケータが発生する前記蛍光を検出する第1受光部が形成されており、他方の主面及び前記第2貫通孔の壁面の少なくともいずれかに、前記励起光を検出する第2受光部が形成されている半導体層と、
前記第2貫通孔の下側に配設された、前記第2貫通孔を介して前記インジケータに受光される前記励起光を発生する発光素子と、を具備することを特徴とする蛍光センサ。
A light-shielding layer that blocks excitation light and fluorescence through which the analyte passes;
An indicator that generates fluorescence having an intensity corresponding to the concentration of the analyte when receiving the excitation light;
A substrate portion having a first through hole in which an opening on an upper surface is covered with the light shielding layer and the indicator is disposed inside;
A transparent layer covering the lower surface of the first through hole;
There is a second through hole disposed under the transparent layer and penetrating the first main surface and the second main surface, and the first fluorescent light generated by the indicator is detected on one main surface. A semiconductor layer in which a light receiving part is formed and a second light receiving part for detecting the excitation light is formed on at least one of the other main surface and the wall surface of the second through hole;
And a light emitting element for generating the excitation light received by the indicator through the second through hole, which is disposed below the second through hole.
前記半導体層が、活性層が酸化膜を介して支持基板に配設されているSOI基板の前記活性層であり、
前記基板部が、前記SOI基板の前記支持基板であり、
前記透明層が、前記SOI基板の前記酸化膜であることを特徴とする請求項1に記載の蛍光センサ。
The semiconductor layer is the active layer of an SOI substrate in which an active layer is disposed on a support substrate via an oxide film;
The substrate unit is the support substrate of the SOI substrate;
The fluorescent sensor according to claim 1, wherein the transparent layer is the oxide film of the SOI substrate.
前記第1受光部の信号及び前記第2受光部の信号から、前記アナライト濃度が算出されることを特徴とする請求項2に記載の蛍光センサ。   The fluorescence sensor according to claim 2, wherein the analyte concentration is calculated from a signal from the first light receiving unit and a signal from the second light receiving unit. 前記基板部の前記第1貫通孔の壁面に、前記蛍光を検出する第3受光部が形成されており、
前記第1受光部の信号、前記第2受光部の信号及び前記第3受光部の信号から、前記アナライト濃度が算出されることを特徴とする請求項3に記載の蛍光センサ。
A third light receiving portion for detecting the fluorescence is formed on a wall surface of the first through hole of the substrate portion;
4. The fluorescence sensor according to claim 3, wherein the analyte concentration is calculated from a signal from the first light receiving unit, a signal from the second light receiving unit, and a signal from the third light receiving unit.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018135535A1 (en) * 2017-01-19 2018-07-26 国立大学法人 東京大学 Fluorescent gel for glucose detection and continuous glucose monitoring method using same
JP2018116043A (en) * 2017-01-19 2018-07-26 国立大学法人 東京大学 Fluorescent gel for glucose detection and continuous glucose monitoring method using the same

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