JP2019500598A

JP2019500598A - センサ装置およびそれに関連する方法

Info

Publication number: JP2019500598A
Application number: JP2018528795A
Authority: JP
Inventors: ハク・サミウル; コッリ・アラン
Original assignee: Emberion Oy
Current assignee: Emberion Oy
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: EP3176574A1; EP3176574B1; KR102134567B1; US20200292489A1; WO2017093346A1; KR20180086464A; JP6560454B2

Abstract

焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置である。焦電層は、二次元導電チャネルおよびフローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成される。フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、当該第１部分は、焦電層の第１部分に熱的に近接している。当該第２部分は、二次元導電チャネル上に重なり、フローティングゲートの第２部分における電荷によって、二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成される。第１部分は、１以上の近接した特定種を検知するように機能化される。このような検知により、熱的に近接した焦電層へ、または、焦電層から熱が流れることで、焦電層は検知された特定種の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成する。

Description

本開示は、特にセンサ、それに関連する方法、および装置に関する。ある特定の実施の形態は、特に、化学的センサおよび／または生物学的センサを含む装置に関する。いくつかの実施の形態は、携帯用電子デバイスに関してもよく、特に（使用中に受け台に置かれてもよいが）使用中に手で持ってもよい、いわゆる手持ち式の電子デバイスに関してもよい。このような手持ち式の電子デバイスは、いわゆる携帯情報端末（ＰＤＡ）およびタブレットＰＣを含む。

開示された１以上の例示的な態様／実施の形態に係る携帯用電子デバイス／装置によって、音声／テキスト／映像の１以上の通信機能（例えば、電気通信、映像通信、および／または、テキスト伝送、ショートメッセージサービス（ＳＭＳ）／マルチメディアメッセージサービス（ＭＭＳ）／ｅ−ｍａｉｌ機能、対話式／非対話式表示機能（例えば、ウェブブラウジング、ナビゲーション、テレビ／プログラム表示機能）、音楽を録音／再生する機能（例えば、ＭＰ３または他の形式および／または（ＦＭ／ＡＭ）ラジオ放送を録音／再生する）、データをダウンロード／送信する機能、（（例えば、内蔵の）デジタルカメラを用いた）撮像機能、およびゲーム機能を提供してもよい。

現在、新たなセンサデバイスを開発するために研究が行われている。

先に公開された文献またはいずれかの背景を、本明細書中において挙げること、またはそれについて述べることは、必ずしも、その文献または背景が技術水準の一部または一般常識であると認めたと理解されるべきではない。

第１の態様によれば、焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置であって、前記焦電層は、互いに電気的に接続された前記焦電層の第１および第２部分のそれぞれについて、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートが、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成され、前記焦電層の前記第１および第２部分の各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成され、前記フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、前記フローティングゲートの前記第１部分は、前記焦電層の前記第１部分に熱的に近接しており、前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネル上に重なり、前記フローティングゲートの前記第２部分における電荷によって、前記二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成され、前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、１以上の接近する特定種を検知するように機能化され、当該検知により、熱的に近接した前記焦電層へ、または、前記焦電層から熱が流れることで、前記焦電層は検知された前記特定種の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成する装置が提供される。

前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネルとの電気接触を防止するように構成される誘電体層によって、前記二次元導電チャネルから分離されてもよい。

前記誘電体層は、前記フローティングゲートの前記第２部分および前記二次元導電チャネルのうちの１以上の上に形成された自然酸化物の層であってもよい。

少なくともフローティングゲートの第１部分は、検知を行う種を、対応する試料種と反応させるために露出させたフローティングゲート面に、例えば固定／付着させる／繋ぎとめる／共役させる／不動化することによって、１以上の化学的および／または生物学的な種を検知するように機能化する。

フローティングゲートの少なくとも第１部分は、複数の異なる特定種を検知するために機能化されてもよい。

前記焦電層は、前記焦電層を熱的に分離するために、前記焦電層の両側で２つの支持脚によって支持されてもよい。

装置は二次元導電チャネルと電気的に接続されたソース、およびドレイン電極を含み、ソース、およびドレイン電極はそれぞれの支持脚に対応する導電経路と二次元導電チャネルとを接続してもよい。

前記装置はさらに、前記焦電層の外縁に配置された境界素子を備え、前記境界素子は前記装置に堆積された液体試料を収容するように構成されてもよい。境界素子はたとえば、物理壁／物理障壁、または（超）疎水層によって構成されてもよい。

前記二次元導電チャネルは、グラフェン、グラフェン関連物質（ＧＲＭ）、還元型酸化グラフェン、ＭＯＳ_２、フォスフォレン、シリコンナノワイヤ、カーボンナノチューブ、および材料の組み合わせを含む複合構造のうちの１以上を含んでもよい。

前記フローティングゲートの前記少なくとも第１部分は、酵素、コレステロールオキシダーゼ、キモトリプシン、グルコースオキシダーゼ、カタラーゼ、ペニシリナーゼ、トリプシン、アミラーゼ、インベルターゼ、ウレアーゼ、およびウリカーゼのうちの１以上によって機能化されてもよい。前記フローティングゲートの前記第１部分は、タンパク質、コレステロール、エステル、グルコース、過酸化水素、ペニシリン、ペプチド、デンプン、ショ糖、尿素、および尿酸のうちの１以上を含む対応する試料種と反応するように機能化されてもよい。高感度の熱量測定装置は、特にこれらの例の場合に提供することができる。

前記焦電層の前記第１および第２部分は、共通の焦電層の第１および第２部分、または電気的に接続された、それぞれ別個の第１および第２焦電層素子であってもよい。

つまり、いくつかの例において、単一の共通焦電層／焦電板が装置として存在してもよく、またその他の例において、互いに電気的に接続された少なくとも２つの焦電層／焦電板を装置として用いてもよい。

前記フローティングゲートの前記第１部分の面積は、前記フローティングゲートの前記第２部分の面積の、２倍、３倍、４倍、５倍、１０倍、２０倍、３０倍、５０倍、１００倍、および１００倍以上のうちの１つ以上であってもよい。

前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、近接する検知層によって機能化され、前記検知層は、対応する試料種と複数の異なる反応が起こるように構成されてもよい。いくつかの例において、検知層はたとえば複数の検知種の層を含むことによって、いくつかの別々の検知試験／測定にわたって同じ種を検知するように構成することができる。いくつかの例において、検知層はたとえば異なる検知種の層を含むことによって、１つまたは複数の別々の検知試験／測定にわたって異なる種を検知するように構成することができる。

前記装置は、前記フローティングゲートの前記少なくとも第１部分が機能化されていないことを除き、請求項１に準じたさらなる装置に対して、電気的に接続および熱的に分離されてもよい。前記装置は、前記さらなる装置と共に分圧器を形成するように構成されてもよい。

前記装置は、前記装置を照らすように制御された光子源を用いることで、前記装置の熱質量、前記装置の光学的吸収率、および前記装置の反射率のうちの１以上の変化の測定を可能にすることにより、前記フローティングゲートの前記機能化された第１部分において特定種の存在を検知するように構成されてもよい。前記制御された光子源は、特定の検知種に見込まれる吸収共鳴に対応する波長の光子を照射するように構成されてもよい。

前記装置は、さらに、前記制御された光子源からの光のうち１以上の特定の波長が、特定種に到達するように構成されたフィルタコーティングを含んでもよい（それにより、１つまたは複数の他の特定波長の光が特定種に到達することを防止する）。

さらなる態様によれば、焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置であって、前記焦電層は、互いに電気的に接続された、前記焦電層の第１および第２部分のそれぞれについて、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートが、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成され、前記焦電層の前記第１および第２部分の各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成され、前記フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、前記フローティングゲートの前記第１部分は、前記焦電層の前記第１部分に熱的に近接しており、前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネル上に重なり、前記フローティングゲートの前記第２部分における電荷によって、前記二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成され、前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、１以上の接近する特定種を検知するように機能化され、当該検知により、熱的に近接した前記焦電層へ、または、前記焦電層から熱が流れることで、前記焦電層は検知された前記特定種の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成する装置に対して、
前記装置からの前記電気信号を測定することによって、前記装置に近接した特定種の存在を検知する方法が提供される。

開示されたいずれの方法のステップも、明確に記載されていない、または当業者に解釈されない限り、開示された順番通りに行われなくてもよい。

本明細書に開示された方法の１以上のステップを実施するための対応するコンピュータプログラムも、本開示の範囲内であり、記載された実施の形態の１以上の例に包含される。

別の例において、コンピュータプログラムコードを格納したコンピュータで読み取り可能な媒体であって、前記コンピュータで読み取り可能な媒体および前記コンピュータプログラムコードは、少なくとも１つのプロセッサで実行されたとき、装置の動作を制御するように構成され、前記装置は、焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置であって、前記焦電層は、互いに電気的に接続された、前記焦電層の第１および第２部分のそれぞれについて、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートが、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成され、前記焦電層の前記第１および第２部分の各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成され、前記フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、前記フローティングゲートの前記第１部分は、前記焦電層の前記第１部分に熱的に近接しており、前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネル上に重なり、前記フローティングゲートの前記第２部分における電荷によって、前記二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成され、前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、１以上の接近する特定種を検知するように機能化され、当該検知により、熱的に近接した前記焦電層へ、または、前記焦電層から熱が流れることで、前記焦電層は検知された前記特定種の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成し、前記制御によって、前記装置からの前記電気信号を測定することで、前記装置に近接した特定種の存在を検知するコンピュータで読み取り可能な媒体が提供される。

１以上のコンピュータプログラムは、コンピュータで実行されたとき、本明細書で開示されたいずれの装置もしくはデバイスをコンピュータに構成させる、または、本明細書で開示されたいずれの方法をコンピュータに実行させてもよい。１以上のコンピュータプログラムは、ソフトウェアで実装されてもよく、限定されない例として、コンピュータは、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、および読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）への実装、消去可能なプログラム可能型読み取り専用記憶装置（ＥＰＲＯＭ）への実装、または電気的消却・プログラム可能型読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）への実装を含む、任意の適切なハードウェアと考えられてもよい。ソフトウェアは、アセンブリプログラムであってもよい。

１以上のコンピュータプログラムは、ディスクもしくはメモリデバイスなどの物理的なコンピュータで読み取り可能な媒体である、または過渡信号として実現される、コンピュータで読み取り可能な媒体に備えられてもよい。そのような過渡信号は、ネットワークからダウンロードされてもよく、これにはインターネットからのダウンロードが含まれる。

本開示は、１以上の対応する態様、実施の形態および特徴の例を、組み合わせまたは単独で、もしくは組み合わせまたは単独かが明確に記載されているか否かにかかわらず（特許請求の範囲の記載も含む）、単独でまたは種々の組み合わせで含んでもよい。記載された機能を実行する、対応の手段も本開示の範囲内である。

上記概要は、単なる例示にすぎず、限定するものではないとする。

以下、図面を参照しながら、単なる例示を目的として説明する。当該図面において、
図１ａは、本明細書に記載の例に係る装置を示す図である。図１ｂは、図１ａの装置の一部を通る断面図である。図２は、図１ａの装置のための同等な概略的な回路図である。図３は、図１ａに示されるような装置から測定された時間に対する電流の一例のグラフである。図４は、本明細書に記載された例に係るフローティングゲートの機能化された第１部分の概略的な例を示す図である。図５は、本明細書に記載された例に係るさらなる装置を示す図である。図６は、本明細書に記載された例に係る方法を示す図である。図７は、本明細書に記載された方法を実行する、制御する、または使用可能にするように構成されたコンピュータプログラムを含むコンピュータで読み取り可能な媒体を示す図である。

従来のバイオセンシング技術において、温度変化は、ある一定の温度で、固定された酵素を含む充填層カラムの各端部においてサーミスタを用い、測定されてもよい。このようなシステムを用いて、充填層カラムにおいて試料と検知種との間の反応で生じた熱の８０％までを、試料の移送における温度変化として検知されてもよい。温度変化は、エンタルピー変化および反応した試料の量から算出することができる。例えば、１ｍＭの反応体／試料が完全に変換され、１００ｋＪｍｏｌｅ^―１を生成する反応においては、１ｍｌの試料溶液ごとに、０．１Ｊの熱を発生する。８０％の効率では、これによって、約０．０２℃の温度の変化が生じる。この温度変化のレベルは、生物学的反応において典型的なものであり、バイオセンサが一般に利用可能となるためには、０．０００１℃の検知温度分解能が必要である。

いくつか例示した酵素の触媒反応による熱出力（モルエンタルピー）は、以下のとおりである。

特定の反応体／試料と酵素／検知種との対が、特定の熱出力を伴って反応することが理解される。よって、熱出力が正確に測定される場合、反応の性質を決定することができる。

従来の熱量測定のセンサでは、多くの場合、ホットプレートまたは化学反応が用いられ、温度の違いを検知するためにサーミスタが用いられる。温度の変化の検知は、サーミスタの感度によって制限されうる。焦電装置を用いることによって、検知感度を著しく改善することができる。

熱量測定バイオセンサは、測定および参照サーミスタを特定の温度値に精密に一致させる際に、困難な点が生じる場合がある。両方のサーミスタの背景温度において、わずか１℃の同様な変化が生じると、サーミスタの相対抵抗では見かけ上０．０１℃に相当する変化を生じる場合があり、これは多くの場合、反応により検知しようとする温度変化と同程度の大きさである。可能な限り環境温度の変化を回避することが、非常に重要であることは、明らかである。

等温マイクロカロリメトリ（ＩＭＣ）は、化学的、物理的、および生物学的プロセスの実時間監視および動的解析のための実験室手法である。数時間または数日の期間にわたって、ＩＭＣは一定に設定された温度（約１５℃〜１５０℃）において、小さなアンプル（例えば３〜２０ｍｌ）において試験体のプロセスの開始、速度、程度、およびエネルギー特性を決定するために用いることができる。しかしながら、これは厄介なプロセスとなる可能性があり、短期間（例えば数秒）内で高レベルの精度および高分解能の検知が確実に行われない。

そこで、上述の問題の１つ以上に対処し得る装置およびそれに関連する方法を、以下に説明する。

本明細書で開示した装置は、熱量測定の原理を用いて、化学的および／または生物学的解析を行う方法を提供すると考えてもよい。二次元導電チャネル（例えばグラフェンチャネル）は、個別の焦電検知器／装置に用いられる。「フローティングゲート」構造が用いられ、装置の一部が化学的または生物学的反応を誘発し、かつ結果として生じる熱の放出を面積依存のゲインへと変換するように機能化される。また、例えば、制御された光子源でシステムを照らすことによって、能動的に反応の発生を調査する方法も説明する。

装置１００は、焦電性材料上に作製された電界効果トランジスタに基づいた、熱量測定トランスデューサを用いる。温度変化に対する高い感度を得るために、いくつかの例において、当該装置は２つの支持部材／脚に載置された薄い焦電層を備える、「架橋された」装置上に作製されてもよく、（装置で行われる反応によって）装置に供給される一定の熱量により起こる温度変化について、装置の熱質量が小さく、基板に対する熱伝導率が低いことによって、主に温度変化は装置内で生じ、装置内に導かれる。

感知機構は、熱の生成／吸収（すなわち、加熱または冷却）に依存する。熱は、特に検体（試料種）が検討対象の試料の中に存在するときに生じる化学的または生物学的反応によって供給される。装置の焦電層に効率的に熱を供給するために、この反応は、装置そのものにおいて行われる。焦電層の面の多くの割合（例えば８０％以上）が導電性のフローティング層／ゲート／パッドで上から覆われる場合、反応はパッドで行われるべきである。これを達成するために、求められている検体／試料種に対して反応を誘発するための検知種（例えば生物学的反応の場合の酵素）が存在することによって、パッドを機能化させる、または「活性化する」。その反応は、例えば、化学的結合、化学的解離、酸化還元反応、または他の反応であってもよく、パッドを介して焦電基板に熱が伝達されて温度変化を生じさせることができるように、反応が伝熱（すなわち、発熱または吸熱）を起こすことのみが必要である。

図１は、一例である装置１００を示す。このような装置は、独立型の感知素子であるため、ピクセルとも呼ばれてもよい。いくつかの例において、複数のピクセルが互いに接続されて、感知アレイとして用いられてもよい（アレイにおいて、１以上（例えば複数の群）のピクセルが、同じ種または異なる接近する種に関して機能化されるように構成されてもよく、されなくてもよい）。各ピクセルの装置は、いくつかの例において、約２０×２０＝４００μｍ^２の最上面面積を有してもよい。いくつかの例において、焦電層は、約０．５μｍの厚さを有してもよい。装置は、下にある基板から約２．５μｍ離れて支持されてもよい。装置１００は、焦電層１０２と、二次元導電チャネル１１４と、フローティングゲート１０４とを備える。二次元導電チャネル１１４は、グラフェン、グラフェン関連物質（ＧＲＭ）、還元型酸化グラフェン、ＭＯＳ_２、フォスフォレン、シリコンナノワイヤ、カーボンナノチューブ、および材料の組み合わせを含む複合構造のうちの１以上を含んでもよい。この例において、フローティングゲート１０４は、２つの第１部分１０４ａと、第２部分１０４ｂとを含み、これらは「Ｈ」の形で電気的に接続されており、第２部分１０４ｂが「Ｈ」の横棒を形成している。当然、他の形状を用いてもよい。

本実施の形態において、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、焦電層１０２の第１部分１０２ａの上に直接重なっている（かつ物理的に接している）、すなわち、これらは焦電層１０２の第１部分１０２ａに熱的に近接している。ここにおいて、フローティングゲートと焦電層とが物理的に接触／熱的に近接していることによって、試料種との反応が行われる機能化されたフローティングゲート１０４、および温度／熱伝達の変化によって物理的特性が変化する焦電層１０２から、熱が効率的に伝達されやすくなる。焦電層１０２の第１部分１０２ａの上に直接重なるフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａの配置によって、コンデンサが形成される（図２を参照）。

例えば焦電層１０２、２０２の温度が変化することによって、焦電層１０２、２０２の表面に蓄積された電荷は、焦電層１０２、２０２に束縛されるので、焦電層１０２、２０２から、フローティングゲート１０４、２０４の第１部分１０４ａ、２０４ａまで流れることができない。そのため、焦電層１０２、２０２からの（束縛された）電荷の流れが、焦電層１０２および２０２で電荷の性質により阻止されるので、焦電層は、コンデンサＣ_３の第１プレートとしてだけでなく、コンデンサＣ_３の誘電体／絶縁体としても機能する。フローティングゲート１０４、２０４の第１部分１０４ａ、２０４ａは、第２コンデンサプレートＣ_３としても機能する。

フローティングゲート１０４、２０４の第２部分１０４ｂ、２０４ｂは、焦電層１０２、２０２の第２部分１０２ｂ、２０２ｂの上に重なるように構成され、また二次元導電チャネル上に重なり、フローティングゲート１０４、２０４の第２部分１０４ｂ、２０４ｂにおける電荷によって二次元導電チャネル１１４、２１４を通る電荷をゲート制御するように構成される。フローティングゲート１０４、２０４の第２部分１０４ｂ、２０４ｂと、焦電層１０２、２０２の第２部分１０２ｂ、２０２ｂとの間には、二次元導電チャネル１１４、２１４と誘電体層１１２、２１２とが位置している。

図１ｂは、フローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂの領域における装置１００の中心を通る断面図である。二次元導電チャネル１１４が焦電層１０２の第２部分１０２ｂの上に直接重なり、誘電体層１１２は、二次元導電チャネル１１４と、上に配置される、フローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂとの間に位置することがわかる。また、ソースおよびドレインコンタクト１０８、１１０も示されており、これらの間に二次元導電チャネル１１４が位置している。

図２を再び参照すると、誘電体層１１２、２１２は、フローティングゲート１０４、２０４の第２部分１０４ｂ、２０４ｂと、下にある二次元導電チャネル１１４、２１４との間の直接的な電気接触を防止し、これによって、フローティングゲート１０４、２０４の導電性の第２部分１０４ｂ、２０４ｂ（コンデンサＣ_２の第１プレート）と、下にある二次元導電チャネル１１４、２１４（コンデンサＣ_２の第２プレート）との間で、誘電体層１１２、２１２が誘電体／絶縁体として機能するコンデンサ配置Ｃ_２が形成される。

誘電体層１１２、２１２は、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ＩＩＩ族酸化物、炭素ナノメンブレン、および二酸化ケイ素などの任意の従来の酸化物を（例えば、原子層堆積を用いて）堆積させることによって形成されてもよい。しかしながら、場合によっては、フローティングゲート１０４、２０４の第２部分１０４ｂ、２０４ｂ、および二次元導電チャネル１１４、２１４のうちの１以上は、周囲環境における空気／酸素に露出されることで自然酸化物を形成する材料（例えば六方晶窒化ホウ素などの２Ｄ材料）から形成されてもよい。このような場合、自然酸化物が、フローティングゲート１０４、２０４の第２部分１０４ｂ、２０４ｂと、下にある二次元導電チャネル１１４、２１４との間の直接的な電気接触を十分に防止するのであれば、別個の誘電体層１１２、２１２を堆積させる必要はない。

焦電層１０２、２０２の第２部分１０２ｂ、２０２ｂの上に、二次元導電チャネル１１４、２１４を直接重なるように配置することによって、コンデンサＣ_１も形成される。焦電層１０２、２０２の表面で蓄積された電荷は、蓄積された電荷が焦電層１０２、２０２に束縛されるので、焦電層１０２、２０２から、二次元導電チャネル１１４、２１４まで流れることができない。よって、焦電層１０２、２０２は、コンデンサＣ_１の第１プレートだけではなく、誘電体／絶縁体としても機能する。二次元導電チャネル１１４、２１４は、コンデンサＣ_１の第２コンデンサプレートとして機能する。

したがって、装置１００は、焦電層１０２、２０２は、互いに電気的に接続された、焦電層１０２、２０２の第１部分１０２ａ、２０２ａおよび第２部分１０２ｂ、２０２ｂのそれぞれについて、二次元導電チャネル１１４、２１４およびフローティングゲート１０４、２０４が、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、二次元導電チャネル１１４、２１４およびフローティングゲート１０４、２０４のそれぞれに対して容量的に構成され、焦電層１０２、２０２の第１部分１０２ａ、２０２ａおよび第２部分１０２ｂ、２０２ｂの各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成されると言える。この例において、焦電層１０２、２０２は、フローティングゲート１０４、２０４の下にある（特に、フローティングゲート１０４、２０４の第１部分１０４ａ、２０４ａの直下にある）第１部分１０２ａ、２０２ａと、（図１に示されるように装置１００の中央領域における）二次元導電チャネル１１４、２１４の下にある第２部分１０２ｂ、２０２ｂとに概念的に分割される。

フローティングゲート１０４の少なくとも第１部分１０４ａは、１以上の接近する特定種を検知するために機能化されてもよい。装置１００に堆積された液体試料の中に存在する種または装置１００の周りの大気／環境の中にあるガス種などの、特定種を検知することは、特定種が、フローティングゲート１０４を機能化するために用いられる検知種と相互作用することを含む。その反応によって、熱的に近接する焦電層１０２へ、または焦電層１０２から熱が流れる。この熱の流れによって、焦電層１０２が検知された特定種の存在および量の１以上に依存する電気信号を生成することが最終的に可能になる。

機能化は、少なくともフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａに付着された、１以上の検知種として示されてもよい。例えば、酵素、コレステロールオキシダーゼ、キモトリプシン、グルコースオキシダーゼ、カタラーゼ、ペニシリナーゼ、トリプシン、アミラーゼ、インベルターゼ、ウレアーゼ、およびウリカーゼのうちの１以上は、対応する試料種と反応させるためにフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａに付着させてもよい。そのような試料種は、例えば、タンパク質、コレステロール、エステル、グルコース、過酸化水素、ペニシリン、ペプチド、デンプン、ショ糖、尿素、および尿酸を含む。特にこのような使用事例において、高感度の熱量測定装置を提供することができる。

図１に示される例において、フローティングゲート１０４の上面に束縛された検知種１０６によって機能化を概略的に示している（例えば、各機能化領域１０６は、フローティングゲート１０４の表面に接合／固定された、特定の検知種であると想定してもよい）。

いくつかの例において、１つの種類の検知種１０６は、特定の１つの試料種に対して鋭敏な装置１００に用いられてもよい。その他の例において、異なる種類の検知種１０６は、複数の異なる特定の試料種の感知に鋭敏な装置１００に用いられてもよい。これは、図４の概略図で示しており、３つの種類の検知種４０６ａ、４０６ｂ、および４０６ｃは、フローティングゲート４０４の表面に配置され、それぞれ、特定の試料種を検知するように構成される。１種類以上の試料種を検知するように構成されたこのような装置は、「マルチパラメーターの（バイオ）センサ」と称してもよい。検知種４０６ａ、４０６ｂ、および４０６ｃは、それぞれ、フローティングゲートに束縛された異なる検知種を表してもよい。

いくつかの例において、相互接続された装置１００のアレイであってもよく、図４は、特定の検知分子／受容体によってそれぞれ機能化された異なる装置１００を概略的に表すと考えてもよい。いくつかの例において、アレイにおける各装置１００は、同じ方法で機能化されてもよい。その他の例において、異なる試料種に応答するために、異なる方法で機能化された、複数の異なる装置があってもよい。装置１００のアレイのような、反応を検知したことへの応答は、特定の試料分子が別の装置１００と相互作用する（または、特定の複数の分子が、対応するように機能化された装置１００と相互作用する）とき、アレイ全体での正味の温度変化として測定されてもよい。

いくつかの例において、少なくともフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、近接する検知層によって機能化されてもよい。そのような層は、いくつかの例において、装置１００を用いて複数の反応事象が起こるようにするために、フローティングゲート１０４の上に重なる、多層の検知分子からなる厚みを有していてもよい。このような検知層は、（１種類の検知分子のみが検知層の中に存在する場合に）１種類の試料種のみを検知するように構成されてもよい。他の例において、検知層は、（例えば、検知層の異なる領域において、異なる特定の試料種に反応するように構成された異なる検知種を含む場合）、対応する試料種によって、複数の異なる反応が起こるように構成されてもよい。例えば、多層からなる厚みを有する検知層を有することで、例えば、検知層の上層を消費する感知実験を行い、後の感知実験のために、使用した上層を取り除くことによって下の新しい感知層を露出することで、装置１００を複数回用いてもよい。

図１における装置１００は、焦電層１０２が、焦電層１０２の両側（この例では、対角線上の対向する角）において、２つの支持脚１２０に支持されるように配置される。焦電層１０２を熱的に分離するために、下にある基板から離して装置１００を架橋／支持する。（例えば支持脚１２０を用いない場合）装置１００は、焦電層１０２の底面が実質的に完全に下の面と接触して面上に載置されることになる。このように熱的に分離することで、特定の試料種の検知に起因することなく検知される、あらゆる温度変化を減少させることによって測定精度を向上させる（例えば、装置が表面に実質的に完全に接触している場合、環境温度変化によって表面が加熱／冷却されることによって、または、特定の試料種が検知されることによって熱が伝達され、その熱が装置からさらに離れて下にある表面まで伝達されることによっても装置の温度が変更される）。

いくつかの例において、装置１００は、さらに、装置１００の外縁または焦電層１０２の外縁に位置する境界素子（図示せず）を備えてもよい。境界素子は、装置１００に堆積された液体試料を収容し、装置１００の表面からの流出を防止するように構成されてもよい。例えば、装置を用いて、試料種を含有する水性系の溶液を分析する場合、装置１００の側面から水性系の溶液が流出することを防止するために、疎水性または超疎水性の層が、焦電層１０２の上面の外周の境界素子として配置されてもよい。別の例として、装置１００の感知する（上）面の液体試料を収容する、壁、織物、または他の物理的な境界素子／容器があってもよい。

この例では、焦電層１０２の第１部分１０２ａおよび第２部分１０２ｂは、共通の焦電層１０２の第１部分１０２ａおよび第２部分１０２ｂである。他の例では、焦電層１０２の第１部分１０２ａおよび第２部分１０２ｂは、それぞれ、電気的に接続された別個の第１焦電層および第２焦電層の素子であってもよい。

試料種が、フローティングゲート１０４ａの導電性の第１部分／領域に固定された／付着させた検知種１０６と反応するとき、反応が生じ、それによって熱が伝達される。（発熱反応に対して装置に伝達される熱エネルギーが増加する、または吸熱反応に対して装置から離れて伝達される熱エネルギーが増加する）。発熱反応では、熱は、反応場所から離れ、接触しているフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａに伝達され、そこから下の焦電層１０２に伝達される。それによって、焦電層１０２の温度が増加する。吸熱反応では、熱は、接触しているフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａから、またさらに、下の焦電層１０２から、反応場所に向かって伝達され、それによって焦電層１０２の温度を低下させる。

焦電層１０２が温度の変化を受けるとき、その結晶構造が変化し、焦電性結晶１０２の内部において電荷は自然に分離する（誘電分極）。この電荷分離は、発生する電荷が自由に流れることができず、焦電層１０２の結晶構造内に束縛される／固定されるといった意味で、束縛される。電荷分離は、上に重なるフローティングゲート１０４に近接する焦電層１０２の表面で表面電荷の密集および対応する電界を形成する。

焦電層１０２の面での表面電荷の密集は束縛されるので、上に重なるフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、焦電層１０２と（絶縁するように）関連付けられた第１部分１０２ａと物理的に直接接することが可能であり、荷電種は自由に流れることができないため、電流はその間に流れることができない（すなわち、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａが焦電層１０２の第１部分１０２ａに直接接している場合でも、電気的短絡が生じない）。焦電層１０２および上に重なるフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、コンデンサとして機能する。束縛電荷は、焦電層１０２とフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａとの間を流れることができないので、このコンデンサは、２つの層１０２、１０４ａが直接接している場合でも、焦電層（コンデンサのある１つのプレート）と、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａ（コンデンサの別のプレート）との間に絶縁層があるかのように作用する。

焦電層１０２に最も近いフローティングゲート１０４の第１部分１０４ａの下の面（コンデンサの「内側」の面）に近づく対極の電荷によって、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、焦電層１０２の表面に存在する表面電荷を遮るように機能する（すなわち、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、表面電荷密度により電荷の「不均衡」を平衡化するように機能する）。フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、フローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂへの電気接続以外は、電気的に分離される。よって、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、焦電層１０２での表面電荷の密集を平衡化させるための、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａで形成される電荷として、唯一利用可能な電荷リザーバであるフローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂから、電荷を取り出す。フローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂも、この装置において実質的にコンデンサプレートのように機能し、当該コンデンサは、第１プレートであるフローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂ、第２プレートである二次元導電チャネル１１４、およびフローティングゲート１０４の（導電性）第２部分１０４ｂと二次元導電チャネル１１４との間の直接的な電気接触を防ぐために、その間に備えられた誘電体層１１２から形成される。

電荷は、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａによってフローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂから取り出されたので、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａおよび二次元導電チャネル１１４から形成されるコンデンサは、二次元導電チャネル１１４から電荷を取り出すことによって、電荷の変化を平衡化させるように機能する。二次元導電チャネル１１４が、ソースおよびドレインコンタクト１０８、１１０に電気的に接続していることによって、電荷が二次元導電チャネル１１４から取り出されるため、電流がソースおよびドレインコンタクト１０８、１１０の間に流れる。よって、全体として、装置１００は、試料種が検知種と反応することで装置１００のチャネル１１４をゲート制御するように構成される。それによって生じる電流の流れは、ソースおよびドレインの電極１０８、１１０に接続された外部コンタクト１１８を用いて測定することができる。

電荷を取り出す二次元導電チャネル１１４が存在しない場合、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａは、周囲の空気とともに容量性プレートとして機能するフローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂから電荷を取り出す（すなわち、フローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂは単板コンデンサとして機能することになる）。原則として、装置１００において、電界は、周囲の空気とともにフローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂにおいて形成される。しかしながら、二次元導電チャネル１１４は、フローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂと平行板コンデンサを形成するため、フローティングゲート１０４の第２部分１０４ｂと空気とによる「単板コンデンサ」による静電容量はごくわずかであり、二次元導電チャネル１１４から電荷が取り出される。

図１ａの装置を示す図２の回線図を考察する。焦電層２０２は、コンデンサＣ_３およびコンデンサＣ_１のそれぞれに対して、２つの可能なコンデンサプレート２０２ａ、２０２ｂ（および、焦電層面で蓄積される電荷が焦電層に束縛されるために自由電荷として流れることができないことにより、コンデンサに対応して介在する絶縁層）を提供する。二次元導電チャネル２１４も図示されており、コンデンサＣ_１、Ｃ_２に対してコンデンサプレート２１４を提供する。フローティングゲート２０４の第１部分２０４ａおよび第２部分２０４ｂの各々は、相補的なコンデンサプレート２０４ａ、２０４ｂを形成し、フローティングゲート２０４の第１部分２０４ａは、コンデンサプレート２０４ａを形成し、焦電層２０２によって提供されるコンデンサプレート２０２ａとコンデンサＣ_３を形成する。フローティングゲート２０４の第２部分２０４ｂは、コンデンサプレート２０４ｂを形成し、間に誘電体層２１２を有する二次元導電チャネル２１４によって提供されるコンデンサプレート２１４とコンデンサＣ_２を形成する。

フローティングゲート２０４の第２部分２０４ｂを二次元導電チャネル２１４から電気的に分離するための誘電体層２１２が装置内に存在しない場合、装置は、焦電層２０２によって提供されるコンデンサプレート２０２ｂ、および二次元導電チャネル２１４によって提供されるコンデンサプレート２１４によって形成されるコンデンサＣ_１による静電容量のみを有するであろう。

特定の温度においては、焦電層２０２が、σ（Ｔ）２２２として示される、単位面積当たりに一定量の電荷を生成する。Ｃ_３で生成された静電位Ｖ_３は、Ｃ_３の形状に依存しない（Ｖ_３＝Ｑ_３／Ｃ_３であり、Ｑ_３＝σ（Ｔ）×面積（Ｃ_３）である。Ｃ_３の面積が２倍になった場合、Ｑ_３およびＣ_３のどちらも２倍になり、Ｖ_３は一定のままである）。しかしながら、コンデンサＣ_２のプレートを形成するフローティングゲート２０４の第２部分２０４ｂが、外部の電荷リザーバにアクセスのない「浮遊する」ゲートであるため、Ｃ_２に由来する焦電気の電荷を遮断／平衡化するために、Ｃ_３において電荷Ｑ_３を要する。直列のコンデンサに対しては、Ｑ_２＝Ｑ_３であるため、二次元導電チャネル２１４に印加されたゲート電位は、Ｖ_２＝Ｑ_２／Ｃ_２＝Ｑ_３／Ｃ_２＝Ｖ_３×Ｃ_３／Ｃ_２である。したがって、装置は容量比Ｃ_３／Ｃ_２に依存する追加のゲート電圧Ｖ_２でコンデンサＣ_１における自然ゲート電圧Ｖ_１を増幅するように機能する。焦電基板２０２と直接接触しているコンデンサプレート２０４ａを形成するフローティングゲート２０４の第１部分２０４ａの面積が、フローティングゲート２０４の第２部分２０４ｂと二次元導電チャネル２１４とが重なる部分よりも、はるかに大きい場合、大きなＣ_３／Ｃ_２比、および、それに対応する温度変化に対して高い感度を有することができる。

したがって、Ｃ_３対Ｃ_２の比を増加させることによって、すなわち、フローティングゲート２０４の第２部分２０４ｂと二次元導電チャネル２１４とが重なる部分を非常に小さくしてコンデンサＣ_２を形成し、コンデンサプレート２０４ａを形成する、フローティングゲート２０４の第１部分２０４ａを、焦電層２０２の面を可能な限り多く覆うように、非常に大きくすることによって、コンデンサＣ_３を形成することによって、温度変化に対してよりよい感度を達成することができる。

よって、いくつかの例において、フローティングゲート１０４、２０４の第１部分１０４ａ、２０４ａの面積は、フローティングゲート１０４、２０４の第２部分１０４ｂ、２０４ｂの面積の、２倍、３倍、４倍、５倍、１０倍、２０倍、３０倍、５０倍、１００倍、および１００倍以上のうちの１つ以上であってもよい。理論上、第１部分１０４ａ、２０４ａの面積対第２部分１０４ｂ、２０４ｂの面積の比が大きいほど、装置１００の「電圧増幅度」の効果が大きく、装置１００の温度の変化に対する感度が高くなる。

装置１００は、感知ピクセルであると考えられてもよい。上述した装置１００のような焦電性材料に基づく熱量測定センサの大きな利点は、感度が装置１００の面積に依存するということである。１つの面積を２倍にした場合、装置１００において引き起こされた温度変化に差異はないが（２倍の質量を加熱するために供給されるエネルギーが２倍となり）、フローティングゲートパッド１０４、２０４によって集められる電荷は２倍になるため、二次元導電チャネル１１４、２１４における抵抗変化も２倍になる。したがって、素子面積の犠牲の下で、（ほとんど）意のままに感度を増加させることができる。上述のように、化学センサまたはバイオセンサについて、液体の液滴寸法を有する１つの装置は、十分に実用可能である。

発明者らは、３００μｍ×３００μｍの装置について、実験的に測定した。ｚ−カットＬｉＮｂＯ_３において、熱の抵抗係数（ＴＣＲ）は、図３に示されるように、１５０％／Ｋの値まで達することができる。図３では、２０から２１度の間で装置の温度が変化している間の電流における経時的変化を示している。約０．５％のノイズレベルで、当該装置を用いて、最小のΔＴとして０．００５℃までを検知することができた。したがって、必要な０．０００１℃の分解能を達成するためには、その面積を５０倍増加させる、すなわち、２．１ｍｍ×２．１ｍｍの寸法の装置を用いる必要がある。このような寸法は、バイオセンシングおよびケミカルセンシングの用途において依然として十分に準拠している。

フローティングゲート１０４、２０４は、（例えば、コンデンサプレートとして作用することができるように）導電性であってもよく、それに加えて、受容種／検知種を機能化するために好適な固定箇所を提供してもよい。いくつかの反応／受容体については、金、プラチナ、およびＡｇＣｌなどの金属、またはグラフェンなどの他の導電性材料が適切である。所望の受容種／検知種が、フローティングゲートと直接的に、結合しないまたは適切に結合しない場合、フローティングゲートは、検知種のフローティングゲートパッドへの付着を向上させるために、適切なバッファ層で被覆されてもよい。バッファ層は、装置の全面的な熱質量をあまり増大させるべきではなく、反応する検知種、試料種、および装置１００の焦電層１０２、２０２の間の熱伝達を可能するために、好適な熱伝導性を有するべきである。いくつかの反応については、電荷移動が、反応体（すなわち試料種および検知種）およびフローティングゲートの間に生じる可能性がある。フローティングゲートの中へ、またはフローティングゲートからの電荷移動は、図２に図示されているような容量性素子として機能するシステムを維持するために回避すべきである。フローティングゲート１０４、２０４へ／からの電荷移動を防ぐために、薄い絶縁隔壁をフローティングゲート１０４、２０４に堆積させてもよい。

下記の表では、ここで説明した装置において焦電層１０２、２０２としての使用に適していると思われる焦電性材料をいくつか示す。焦電性材料１０２、２０２の選択は、装置が好適に動作するために重要な場合がある。下記の表は、共通の焦電性材料のいくつかの特性を示す。高い焦電係数は、高感度にするためには望ましいかもしれないが、内部漏れが低い、およびＣＭＯＳエレクトロニクスと適合可能などの他の重要な特徴も考慮に入れなければならない（例えば、窒化アルミニウムＡｌＮは、低い焦電係数を示すが、Ｓｉ処理に適合性が高い材料である）。

ここで説明した装置は、数分間にわたって確実に動作するか実験的に試験したところ、直流（ＤＣ）モードにおいて動作可能であり、１分間以上にわたって持続する、生物学的反応のような「遅い」反応の監視に適している。

いくつかの例において、装置の「増幅」部分（すなわち図１ｂにおける断面に示される二次元導電チャネル領域１１４、２１４）は、別個ではなく、取り付けられた素子として焦電層に直接一体化されるように構成される装置と考えられてもよい。単一装置のデバイス（すなわち１つの装置）については、費用効果の重要性はそう高くないが、ここで記載した装置構成は、（アレイ内に約２０から約１００の装置がある）中型のアレイに対してより大きな利点を提供する。（バイオ）センシングの多くの解決策は、マルチパラメトリック分析法、すなわち、複数の検体／試料を同時に試験することを目指しており、本明細書で記載した装置は、そのような複数の試料種の検知を行うことができる。上述のように、装置は、装置または装置のアレイにおいて機能化を変更することにより、複数の反応を受けることができるように調整できる。さらに、本明細書に記載された装置は、読み出し回路が一体化された一般的な高感度の熱量測定トランスデューサと組み合わせることができ、これにより装置アレイの作製および検査の対費用効果を高められる。

特定の例において、例えばある時間にわたって（例えば数秒の時間尺度で）試料種を提供し続けることによって、試料種と検知種との反応は、「継続している」と想定されてもよい。そのような場合において、試料を最初に導入すると、焦電層の温度が上昇する（発熱反応を想定している。この逆が吸熱反応についてもいえる）。試料が絶えず提供され、検知種がすべて使い果たされないとすると、温度は、（例えば試料の供給を停止して、残存の試料を洗い流すことによって）試料が反応種の付近から取り除かれるまで、高いレベルのまま維持される。温度の上昇（およびその結果検知された電流）は、起こっている反応の性質と関連しているため、特定の試料種の存在を判定することができる。

特定の例において、試料種と検知種との反応は自己完結型であると想定されてもよい。つまり、非常に迅速に発生するので、試料種はすべて、短い時間尺度（例えばミリ秒の時間枠である何十ミリ秒または何百ミリ秒）に消費される。このような場合、試料をはじめに導入すると、実質的に試料が消費されるときに最初の反応前の温度まで徐々に減少する、対応のスパイクが温度に生じる（ここでもまた、発熱反応を想定している）。それによって得られた温度の変動によって、温度のスパイクの高さから、起こっている反応の性質についての情報（すなわち、反応が起こっているのは何の試料種であるのか）が提供される。また、反応前の温度まで実質的に降下するまでに要する時間に基づき、存在している試料種の量または濃度を、決定することができる。

特定の例において、例えば、ＤＮＡ試料種が相補的ＤＮＡ検知種と反応する場合、試料が検知種と一度反応すると、装置が使用されて装置がリフレッシュできない。そのような場合において、装置は１回限り使用される、使い捨ての装置である。

特定の例において、装置は、複数回使用されてもよい。例えば、検知種が、フローティングゲート１０４の第１部分１０４ａ上の薄い（例えば１００ｎｍの）層として存在し、検知種に対する試料の反応において、検知種の最上部の１ｎｍの層を消費する場合、１回使用した後は、検知種材料の残りの９９ｎｍの厚さを使い果たすまで、依然としてさらに９９回使用できる。使用数は、検知種の材料の厚さ、起こっている反応の性質、および、検知材料がどれだけ各テストで使い果たされるかに依存する。

溶液中の試料種を検知するために装置を用いるには、装置に溶液を塗布してもよく、および試料の検知の後に、いかなる残存試料溶液も取り除き、それ以上の反応を止めるために、装置を例えば純水で洗い流してもよい。例えば、装置は、フローティングゲート１０４、２０４の第１部分１０４ａ、２０４ａ上において、それぞれの種類が特定の試料種と反応するように構成される、いくつかの異なる種類の検知種が存在してもよい。第１試料を供し、測定を実施、装置を洗い流して／洗浄して、その後さらなる試料溶液を供するために乾燥して準備してもよい。

溶液中の試料種を検知するために装置が用いられる場合、複雑な微小流体を使用する必要はない（しかしながら、いくつかの例において、そのような微小流体が用いられてもよい）。

いくつかの例において、装置は、装置に与えられた任意の試料溶液から金属の部分（フローティングゲート１０４のような）を分離するために、（例えば薄い（例えば１０ｎｍ）酸化物のコーティングで被覆することによって）不活性化されてもよい。例えば、塗布される酸化物の熱の質量は非常に小さく、実質的に装置の動作に悪影響を与えない。

図５は、自己補償構成を提供するとみなせる別の装置の例を示す。単一の装置５０４は、化学的または生物学的反応（および並行する温度変化）に応じて抵抗が変化する、単に抵抗器として機能すると考えてもよい。そうすると、図５に示されるように、自己補償する分圧器５００を形成するために２つの装置５０４、５５４を組み合わせることができる。これを達成するために、図５に示されるように、２つの装置５０４、５５４を組み合わせてもよく、これらはそれぞれ、共通出力端Ｖ_ｏｕｔ５３６に接続されている電極を有しており、一方の５０４は、入力端子Ｖ_ｄ５３０に接続されている第２電極を有し、他方の５５４は、アース５３２に接続されている第２電極を有する。１つの装置５５４において、フローティングゲートは機能化されない。

図５におけるシステムは、装置５０４が、さらなる装置５５４のフローティングゲートの少なくとも第１部分が機能化されていないことを除き、さらなる装置５５４に対して、電気的に接続および熱的に分離され、装置５０４は、さらなる装置５５４と共に分圧器５００を形成するように構成されてもよいことを示す。

刺激／試料分子／反応がない限り、どちらの装置５０４、５５４も、（製作公差内の）同じ抵抗を提供するため、信号Ｖ_ｏｕｔはおよそＶ_ｄ／２である。環境から制御されない熱源（空気または水対流、衝突する光子など）がある場合には、それらが同じ吸収体および同じ熱質量を有しているので、装置５０４、５５４において、どちらも同じ分だけ温度が上昇する。したがって、両方の装置の抵抗が同じ量で変化しているので、分圧器５００は依然として対称的であり、信号（Ｖ_ｏｕｔ）の変化は検知されない。しかしながら、一方の装置５０４のフローティングゲートの機能化によって、一方の装置５０４上で起こる反応に由来していくらかの熱も生じる（しかし他方の装置５５４においては、機能化されていないために反応が起こっていない）場合、一方の装置５０４のみに存在する熱によって、２つの装置５０４、５５４間で温度の不均衡が生じ、その結果、２つの装置５０４、５５４の抵抗において非対称性が引き起こされ、ゆえに出力信号Ｖ_ｏｕｔにおける変化が生じる。本質的には、この構成により、反応熱のみに依存する反応差が得られ、他の熱源（バックグラウンドノイズ）の寄与はフィルタリングされる。なお、２つの装置５０４、５５４は、独立して分離された装置に作製されなければならない。そうしなければ、機能化された装置５０４で生成された余剰の熱は、他の装置５５４に迅速に広がって、全体の分圧器５００で熱平衡に達すし、いかなる出力Ｖ_ｏｕｔも抑制してしまう。この構成においては、個々の装置内で二次元導電チャネル増幅器を統合することが、顕著な利点である。これは、１つのピクセルにつき１つのグラフェンチャネルを配置し、この自己補償装置を実現するために、２つのＦＥＴが必要であることに由来する。ＦＥＴを統合することができない（グラフェンを使わない）場合、アレイにおいては外部配線が非常に厄介なものとなり、ゲインを制限する寄生容量も増大してしまう。

上述の装置は、パッシブセンサとして機能すると考えられてもよい。該パッシブセンサには、機能化されたフローティングゲート上で起こる、検知対象の反応または事象によって、トランスデューサを作動させるために十分な熱エネルギーが提供され、反応により起こる温度の変化に関連付けられた電流を検知することができる。測定可能なように装置の熱的状態を乱すには、精査の対象になっている反応によって提供される熱エネルギーが小さすぎる（またはエネルギーが何もない）場合がある。これらの場合においては、反応または結合の事象は機能化されたパッド上で起こったが、信号Ｖ_ｏｕｔは、反応の温度変化が特定できるほど著しく変動していない。しかしながら、反応が起こったため、機能化されたフローティングゲートパッドの有効範囲は、実際に変化し（陽性テストの場合には、有効範囲は検体で覆われている）、この場合、例えば、装置の熱質量を変更することで、装置の特性を変更することができる。

そうして、システムの光学的性質を能動的に読み取ることによって、これらの変化を調査することができる。すなわち、反応の装置５０４および制御の装置５５４をどちらも、両方の装置５０４、５５４に、いくらかの熱を供給する目的で、制御された光子源によって照らすことができる。結合の事象／反応の前に、両方の装置５０４、５５４の吸収が同一であった（または、いずれにせよ、知られていた）と想定すると、検体／試料種の存在によって、機能化された装置５０４の吸収が多少変化した場合、温度の不均衡が生じる。熱源（照射する光子）に対して制御を行っているため、装置５０４、５５４の感度に一致するように任意に強くすることができる。図５の分圧器の形状において、いかなる均一な加熱も相殺され、結合の事象／反応によって生成された非対称のフィンガープリントによってのみ差異を読み取れる。

能動的な光学の読み取りは、反射率のみに基づいてもよい。フローティングゲートが、金などの反射材料から作られていると想定すると、フローティングゲートの上に検体種／試料種が存在することによって、フローティングゲートは能率の低い鏡になる。そのため、フローティングゲートへの熱の供給が、広範囲の波長において増加される。より高度な実装としては、検体分子／試料分子の特異的な吸収共鳴を活用してもよい。それによって、システムをより正確に識別するために、選択された波長の外部照明を用いることができる。すなわち、制御された光子源は、検知された特定種に見込まれる吸収共鳴に対応する波長の光子を照射するように構成されてもよい。熱質量における変化も、一方の装置５０４に試料種が存在することによって検知可能であってもよい。

すなわち、装置は、当該装置を照らすように制御された光子源を用いることで、当該装置の熱質量、当該装置の光学的吸収率、および当該装置の反射率のうちの１以上の変化の測定を可能にすることにより、フローティングゲートの機能化された第１部分において特定種の存在を検知するように構成されてもよい。

そのような実装に種々のフィルタを用いることができる。装置は、いくつかの例において、特定の選択性のために１以上の特定のフィルタでコーティングされてもよい。コーティングは、分光選択性を与えるために、特定の検知に対して各一連のデバイス配置に用いることができる。このようなフィルタで、対象の検体／試料に対して分光学的に感知できない波長をフィルタリングしてもよい。そのため、装置はさらに、制御された光子源からの光の特定の１以上の波長が特定種に到達するように構成されたフィルタコーティングを含んでもよい。

全体として、ここに記載された装置では、異なるレベルの感知および信号処理を比較的簡単に統合して、並行して行うことを可能にしてもよい。二次元導電チャネルとしてグラフェンを用いる場合、グラフェン材料は良好な電気的性質を有し、その加工は十分に理解されていることから、強い分極反応のために選択される焦電層として、種々の主要材料（薄膜結晶、ポリマー、２Ｄ材料）に利用することができる。

図６は、装置６０４からの電気信号を測定することによって、装置近くの特定種の存在を検知する方法の主なステップを概略的に示す図である。焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置であって、焦電層は、互いに電気的に接続された、焦電層のそれぞれについて、二次元導電チャネルおよびフローティングゲートが、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、二次元導電チャネルおよびフローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成され、焦電層の各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成され、フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、フローティングゲートの第１部分は、焦電層に熱的に近接しており、第２部分は、二次元導電チャネル上に重なり、第２部分における電荷によって、二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成され、少なくとも第１部分は、１以上の接近する特定種を検知するように機能化され、当該検知により、熱的に近接した焦電層へ、または、焦電層から熱が流れることで、焦電層は検知された特定種６０２の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成する。

図７は、一実施の形態に係るコンピュータプログラムを提供するコンピュータ／プロセッサで読み取り可能な媒体７００の概略図である。コンピュータプログラムは、少なくとも図６の方法ステップ６０２を実行、制御、または使用可能にするように構成されたコンピュータコードを含んでもよい。この例において、コンピュータ／プロセッサで読み取り可能な媒体７００は、ディジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）またはコンパクトディスク（ＣＤ）などのディスク（である。他の実施の形態において、コンピュータ／プロセッサで読み取り可能な媒体７００は、発明性を有する機能を実行するようにプログラムされた任意の媒体であってもよい。コンピュータ／プロセッサで読み取り可能な媒体７００は、メモリースティックまたはメモリーカード（ＳＤ、ミニＳＤ、マイクロＳＤ、またはナノＳＤ）などのリムーバブルメモリデバイスであってもよい。

図面に示されている他の実施の形態には、上記の実施の形態と同様の特徴に対応する参照符号を付与している。例えば、特徴番号１は、１０１、２０１、３０１などにも対応することができる。番号が付けられたこれらの特徴は、図面に示されているが、これらの特定の実施の形態の記載において、直接的に参照されていない場合がある。それでもなお、特に上述した同様の実施の形態の特徴に関連して、さらなる実施の形態を理解しやすくするために図面に示している。

上述のいずれの装置／デバイス、および／または、上述の特定の装置／デバイスの他の特徴は、所望の動作を、例えば、スイッチがオンにされる等によって使用可能にされたときにのみ行う構成で配置された装置によって提供されてもよいと当業者は理解するであろう。そのような場合、使用可能でないときに（例えば、スイッチオフ状態）、アクティブメモリに適切なソフトウェアが必ずしも読み込まれていなくてもよく、使用可能にされたときにのみ（例えば、オン状態）適切なソフトウェアが読み込まれてもよい。装置は、ハードウェア回路および／またはファームウェアを含んでもよい。装置は、メモリに読み込まれたソフトウェアを含んでもよい。このようなソフトウェア／コンピュータプログラムは、同じメモリ／プロセッサ／機能ユニット、および／または、１以上のメモリ／プロセッサ／機能ユニットに記録されてもよい。

いくつかの実施の形態において、上述の特定の装置／デバイスは、適切なソフトウェアで所望の動作を実行するように予めプログラムされてもよく、この適切なソフトウェアは、例えば、ソフトウェアおよびその関連機能をロック解除する／使用可能にするために、ユーザが「キー」をダウンロードすることによって、使用可能にすることができる。そのような実施の形態に伴う利点は、さらなる機能がデバイスに必要なときにデータをダウンロードするのに必要な条件を少なくできることであり、またこれは、デバイスが、ユーザによって使用可能にされていない機能について、上記のような予めプログラムされたソフトウェアを格納する十分な容量を有すると認められた場合において有用である。

上述のいずれの装置／回路／素子／プロセッサも上述の機能に加えて他の機能を有してもよく、これらの機能が同じ装置／回路／素子／プロセッサによって行われてもよいことが理解される。本開示の１以上の態様において、関連付けられたコンピュータプログラム、および適切なキャリア（例えばメモリ、信号）に記録されたコンピュータプログラム（符号化されたソース／送信であってもよい）の電子配信を包含してもよい。

ここに記載された、いずれの「コンピュータ」も、同じ回路基板、もしくは回路基板の同じ領域／位置、もしくは同じデバイスにさえも配置または配置されなくてもよい１以上の個別のプロセッサ／処理要素の集合を含むことができると理解される。いくつかの実施の形態において、上述のあらゆるプロセッサのうちの１以上は複数のデバイスに分配されてもよい。同じ、または異なるプロセッサ／処理要素は、ここに記載された１以上の機能を行ってもよい。

上述のいずれのコンピュータおよび／またはプロセッサおよびメモリ（例えば、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭなど）のあらゆる記載に関して、コンピュータプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、および／または、発明性を有する機能を実行するようにプログラムされた他のハードウェアコンポーネントを含んでもよい。

出願人は、当業者に共通の一般的知識に鑑み、特徴または特徴の組み合わせが本明細書に開示した問題を解決するかどうかにかかわらず、かつ特許請求の範囲に限定されることなく、全体として本明細書に基づいて、そのような特徴または組み合わせが実行可能な範囲において、本明細書に記載された個別の特徴を別々に開示し、２以上の特徴の任意の組み合わせを開示する。出願人は、開示した態様／実施の形態が、そのようなあらゆる個別の特徴または特徴の組み合わせからなってもよいことを指摘する。上述の記載に鑑み、種々の変更が開示の範囲内でなされてもよいことは当業者に明らかである。

以上、異なる実施の形態に適用される、基本的な新規の特徴を示し、説明し、指摘したが、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、記載されたデバイスおよび方法の形式、詳細に対して、種々の省略、置換、および変更を行ってもよいことが理解される。例えば、実質的に同じ機能を実質的に同じ方法で行うことによって、実質的に同じ結果を達成する要素および／または方法ステップのすべての組み合わせが、本発明の範囲内であると明らかに意図される。さらに、開示されたあらゆる形式または実施の形態に関連して図示および／または記載された構造および／または要素および／または方法ステップが、一般的な設計上の選択として、他のあらゆる開示、記載、または示唆の形式、または実施の形態に、組み込まれてもよいと認識されるべきである。さらに、特許請求の範囲における、ミーンズプラスファンクションの節は、記載された機能を実行するとして本明細書に記載された構造が、構造的な均等物だけでなく、同等の構造も包含することを意図する。したがって、釘およびねじは、木製の部品を固定するために、釘は円筒形の面を使用する一方で、ねじは螺旋形の面を使用するという点で構造の均等物ではないかもしれないが、木製の部品を固定するという状況において、釘およびねじは同等の構成であり得る。

これらの結果を導いた研究は、欧州連合の第７次欧州フレームワーク計画から許可されたＧｒａｐｈｅｎｅＦｌａｇｓｈｉｐとの協定Ｎｏ．６０４３９１の下、提供された資金による。

Claims

焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置であって、
前記焦電層は、互いに電気的に接続された前記焦電層の第１および第２部分のそれぞれについて、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートが、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成され、前記焦電層の前記第１および第２部分の各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成され、
前記フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、前記フローティングゲートの前記第１部分は、前記焦電層の前記第１部分に熱的に近接しており、前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネル上に重なり、前記フローティングゲートの前記第２部分における電荷によって、前記二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成され、
前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、１以上の接近する特定種を検知するように機能化され、当該検知により、熱的に近接した前記焦電層へ、または、前記焦電層から熱が流れることで、前記焦電層は検知された前記特定種の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成する
装置。
前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネルとの電気接触を防止するように構成される誘電体層によって、前記二次元導電チャネルから分離される
請求項１に記載の装置。
前記誘電体層は、前記フローティングゲートの前記第２部分および前記二次元導電チャネルのうちの１以上の上に形成された自然酸化物の層である
請求項２に記載の装置。
前記焦電層は、前記焦電層を熱的に分離するために、前記焦電層の両側で２つの支持脚によって支持される
請求項１に記載の装置。
前記装置はさらに、前記焦電層の外縁に配置された境界素子を備え、
前記境界素子は前記装置に堆積された液体試料を収容するように構成される
請求項１に記載の装置。
前記二次元導電チャネルは、グラフェン、グラフェン関連物質（ＧＲＭ）、還元型酸化グラフェン、ＭＯＳ_２、フォスフォレン、シリコンナノワイヤ、カーボンナノチューブ、および材料の組み合わせを含む複合構造のうちの１以上を含む
請求項１に記載の装置。
前記フローティングゲートの前記少なくとも第１部分は、酵素、コレステロールオキシダーゼ、キモトリプシン、グルコースオキシダーゼ、カタラーゼ、ペニシリナーゼ、トリプシン、アミラーゼ、インベルターゼ、ウレアーゼ、およびウリカーゼのうちの１以上によって機能化される
請求項１に記載の装置。
前記フローティングゲートの前記第１部分は、タンパク質、コレステロール、エステル、グルコース、過酸化水素、ペニシリン、ペプチド、デンプン、ショ糖、尿素、および尿酸のうちの１以上を含む対応する試料種と反応するように機能化される
請求項１に記載の装置。
前記焦電層の前記第１および第２部分は、
共通の焦電層の第１および第２部分、または
電気的に接続された、それぞれ別個の第１および第２焦電層素子である
請求項１に記載の装置。
前記フローティングゲートの前記第１部分の面積は、前記フローティングゲートの前記第２部分の面積の、２倍、３倍、４倍、５倍、１０倍、２０倍、３０倍、５０倍、１００倍、および１００倍以上のうちの１つ以上である
請求項１に記載の装置。
前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、近接する検知層によって機能化され、前記検知層は、対応する試料種と複数の異なる反応が起こるように構成される
請求項１に記載の装置。
前記装置は、前記フローティングゲートの前記少なくとも第１部分が機能化されていないことを除き、請求項１に準じたさらなる装置に対して、電気的に接続および熱的に分離され、
前記装置は、前記さらなる装置と共に分圧器を形成するように構成される
請求項１に記載の装置。
前記装置は、前記装置を照らすように制御された光子源を用いることで、
前記装置の熱質量、
前記装置の光学的吸収率、および
前記装置の反射率
のうちの１以上の変化の測定を可能にすることにより、前記フローティングゲートの前記機能化された第１部分において特定種の存在を検知するように構成される
請求項１に記載の装置。
前記制御された光子源は、特定の検知種に見込まれる吸収共鳴に対応する波長の光子を照射するように構成される
請求項１３に記載の装置。
前記装置は、さらに、前記制御された光子源からの光のうち１以上の特定の波長が、特定種に到達するように構成されたフィルタコーティングを含む
請求項１３に記載の装置。
焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置であって、前記焦電層は、互いに電気的に接続された、前記焦電層の第１および第２部分のそれぞれについて、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートが、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成され、前記焦電層の前記第１および第２部分の各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成され、前記フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、前記フローティングゲートの前記第１部分は、前記焦電層の前記第１部分に熱的に近接しており、前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネル上に重なり、前記フローティングゲートの前記第２部分における電荷によって、前記二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成され、前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、１以上の接近する特定種を検知するように機能化され、当該検知により、熱的に近接した前記焦電層へ、または、前記焦電層から熱が流れることで、前記焦電層は検知された前記特定種の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成する装置に対して、
前記装置からの前記電気信号を測定することによって、前記装置に近接した特定種の存在を検知する
方法。
コンピュータプログラムコードを格納したコンピュータで読み取り可能な媒体であって、前記コンピュータで読み取り可能な媒体および前記コンピュータプログラムコードは、少なくとも１つのプロセッサで実行されたとき、装置の動作を制御するように構成され、
前記装置は、焦電層と、二次元導電チャネルと、フローティングゲートとを備える装置であって、前記焦電層は、互いに電気的に接続された、前記焦電層の第１および第２部分のそれぞれについて、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートが、それぞれの容量性プレートとして各々機能可能なように、前記二次元導電チャネルおよび前記フローティングゲートのそれぞれに対して容量的に構成され、前記焦電層の前記第１および第２部分の各々は、それ自身が対応する容量性プレートとして機能するよう構成され、
前記フローティングゲートは、電気的に接続された第１および第２部分を有し、前記フローティングゲートの前記第１部分は、前記焦電層の前記第１部分に熱的に近接しており、前記フローティングゲートの前記第２部分は、前記二次元導電チャネル上に重なり、前記フローティングゲートの前記第２部分における電荷によって、前記二次元導電チャネルを通る電荷の流れをゲート制御するように構成され、
前記フローティングゲートの少なくとも前記第１部分は、１以上の接近する特定種を検知するように機能化され、当該検知により、熱的に近接した前記焦電層へ、または、前記焦電層から熱が流れることで、前記焦電層は検知された前記特定種の存在および量のうちの１以上に依存する電気信号を生成し、
前記制御によって、前記装置からの前記電気信号を測定することで、前記装置に近接した特定種の存在を検知する
コンピュータで読み取り可能な媒体。