JP4955249B2 - バイオセンサ、及びセンサチップの動作確認方法 - Google Patents

Description

本発明は、動作確認可能なバイオセンサ、及びバイオセンサを構成するセンサチップの動作確認方法に関する。

近年、臨床診断・検出や遺伝子の解析においては、抗原、抗体、DNA、RNA等を検出するために、抗原とそれに対する抗体などの特定の分子同士の特異的な結合を利用した免疫学的手法が用いられている。
これらの分析手法の１つである固相結合分析には、磁性体粒子を用いる方法がある。例えば、特許文献１，２などには、複数のホール素子（検知素子）をＸ−Ｙアレイ状に配置して、磁性体粒子を検知する方法が開示されている。
国際公開番号２００３／０６７２５８ 国際公開番号２００５／０２２１５４

これらの特許文献には、磁性体粒子を検出するセンサに関する技術、測定対象物の測定手段については開示されているが、バイオセンサ、およびそれに付随する信号の処理回路の動作確認方法については開示されていない。
ここで、臨床検査において測定対象物の測定が正常に行われているか否かを確認することは必須である。特に使い捨てのバイオセンサを用いる臨床検査ではセンサの動作確認は測定結果の信頼性を高めるためにも必要である。しかしながら、検査を実施する前に、検査のための特別の装置を使用して個別に動作確認を行っていたのでは、検査工程が煩雑になる。診療現場での迅速診断ではより簡便な検査手法が望まれており、検体の抽出操作以外の処理はできるだけ無い方が望ましい。
本発明は、このような点に着目してなされたもので、バイオセンサチップ内の検知素子および信号処理の回路の動作確認を迅速かつ簡便に行う手段を提供し、バイオセンサを用いた臨床検査の信頼性を高めることにある。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、検知した磁場の強さに応じた出力値を出力するホール素子を、複数個、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元に配置してなる磁気センサを備え、その磁気センサに結合した磁性体粒子の量を測定することにより測定対象物を分析するバイオセンサにおいて、
上記複数のホール素子のうちの少なくとも１つのホール素子は、その他のホール素子とは形状因子が異なるチェック用のホール素子であり、
上記複数のホール素子のうち任意のホール素子を選択し、その選択したホール素子の出力値を取り出す選択手段を備え、
同一の磁場を印加した状態における、上記チェック用のホール素子の出力値と、そのチェック用のホール素子以外のホール素子からの出力値との差分に基づき動作異常の有無を判定する第１動作確認手段を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、予め出力特性の異なる素子を有することで、他の素子と出力値を比較するなどを行うことで、正常か否かの動作確認が可能となる。
また、測定時と同様に取り出す出力値を比較するだけで、選択手段及び信号増幅回路の動作確認を行うことができる。

次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記選択手段により選択された上記ホール素子の出力値を増幅する信号増幅回路を備え、
上記磁気センサ、選択手段、および信号増幅回路が、１チップ上に形成されることを特徴とするものである。

次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、上記チェック用のホール素子が上記選択手段により最後に選択されることを特徴とするものである。

次に、請求項４に記載した発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した構成に対し、選択手段から取得した上記チェック用のホール素子の位置情報と、そのチェック用のホール素子について予め記憶している実際の位置情報とを比較することで、上記選択手段の動作異常の有無を判定する第２動作確認手段を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、出力値を取り出すときのアドレス（位置情報）を確認するだけで、選択手段の動作確認を行うことができる。

次に、請求項５に記載した発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した構成に対し、所定の磁場条件下における、ホール素子の正常な出力値の範囲である基準範囲を予め記憶しておき、上記磁場条件下で、選択手段が取得したホール素子の出力値が上記基準範囲内か否かによって当該ホール素子の動作異常の有無を判定する第３動作確認手段を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、取り出した出力値によって測定用の検知素子の動作確認を行うことができる。

次に、請求項６に記載した発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載した構成に対し、印加する磁場は、ホール素子の上に、磁性体粒子及び分子受容体からなる磁性分子があっても当該磁性分子が分散・結合することを妨げないだけの弱い磁場であることを特徴とするものである。
本発明によれば、測定対象物を含む試料溶液がセンサチップ上に導入されていても、動作確認を実行できる。

次に、請求項７に記載した発明は、検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する検知素子を、複数個、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元に配置してなる磁気センサと、上記複数の検知素子のうち任意の素子を選択し、その選択した素子の出力値を取り出す選択回路と、上記選択回路により選択された上記磁場検知素子の出力値を増幅する信号増幅回路と、が１つのチップ上に形成されてなるセンサチップの動作確認方法であって、
上記複数の検知素子のうちの少なくとも１つの検知素子を、その他の検知素子とは出力特性が異なるチェック用の検知素子としておき、
チェック用の検知素子からの出力信号と、チェック用の検知素子以外の検知素子からの出力信号との差分を比較することで、上記選択回路および信号増幅回路の動作確認を行う工程を有することを特徴とするセンサチップの動作確認方法を提供するものである。
本発明によれば、測定時と同様に取り出す出力値を比較するだけで、選択手段及び信号増幅回路の動作確認を行うことができる。

次に、請求項８に記載した発明は、検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する検知素子を、複数個、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元に配置してなる磁気センサと、上記複数の検知素子のうち任意の検知素子を選択し、その選択した検知素子の出力値を取り出す選択回路と、が１つのチップ上に形成されてなるセンサチップの動作確認方法であって、
上記複数の検知素子のうちの少なくとも１つの検知素子を、その他の検知素子とは出力特性が異なるチェック用の検知素子としておき、
センサチップからの出力信号より算出したチェック用の検知素子のアドレス番号と、予め記憶しているチェック用の検知素子の実際のアドレス番号とを比較することで上記選択回路の動作確認を行う工程を有することを特徴とするセンサチップの動作確認方法を提供するものである。
本発明によれば、出力値を取り出すときのアドレス番号を確認するだけで、選択手段の動作確認を行うことができる。

次に、請求項９に記載した発明は、請求項７又は請求項８に記載した構成に対し、検知素子上に、磁性体粒子及び分子受容体からなる磁性分子があっても当該磁性分子が分散・結合することを妨げないだけの弱い磁場を印加した状態で上記動作確認を行うことを特徴とするものである。
本発明によれば、測定対象物を含む試料溶液がセンサチップ上に導入されていても、動作確認を実行できる。

本発明によれば、バイオセンサチップ内の検知素子および信号処理の回路の動作確認を迅速かつ簡便に行うことが可能となる。

次に、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（センサチップの構成について）
図１は、本発明に基づき本願実施形態のバイオセンサを構成するセンサチップの一部の概略図を示すものである。センサチップ１は、検知素子を構成する半導体ホール素子と、それらの信号の処理回路と、を含んで構成される。

上記センサチップは、例えば次のようして製造される。
すなわち、センサチップ１は、周知の技術であるCMOS(Complementary metal-oxide semiconductor device)製造プロセスによりシリコン基板１１上に形成される。センサチップ１表面には、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元アレイで凹部１３が配置され、各凹部１３の下には、それぞれ半導体ホール素子が形成されている。各半導体ホール素子の入力および出力はゲート電極３０および金属配線４を介して行われる。その最表面はプラズマCVD(chemicａl vapor deposition)によるチッ化シリコン膜で覆われる。

本実施形態では、凹部１３下に形成される上記複数の半導体ホール素子のうち、少なくとも１つの検知素子は、動作確認のために利用されるチェック用の検知素子であるチェック用ホール素子１４として成形した。なお、チェック用ホール素子以外の測定用に使用される検知素子を測定用ホール素子と呼ぶ。
上記のように、CMOS製造プロセスでシリコン基板１１上に、半導体ホール素子および信号処理回路８２Ｂを形成した後、センサチップ１表面に、抗原、抗体、DNA、RNAなどの分子受容体を、シランカップリング剤等を介して固定する。

そして、測定対象物の分析を行う際には、上記のように製造されたセンサチップ１の上に、試料溶液を滴下して、抗原、抗体、DNA、RNAなどの測定対象物を、センサチップ１表面の上記分子受容体と特異的に結合させる。続いて、抗原、抗体、DNA、RNA等を磁性体粒子に結合させてなる磁性分子を、センサチップ１表面に導入することで、測定対象物が特異的に結合している半導体ホール素子上に上記磁性分子を特異的に結合させて、測定を行う。

（検出原理について）
次に、図２を用いて本実施形態のバイオセンサの検出原理を説明する。
図２は、センサチップ１のホール素子２近辺の断面を模式的に表したものである。センサチップ１の表面には、分子受容体として捕捉抗体６１が固定されている。その捕捉抗体６１に対し測定対象物６２が特異的に結合する。さらに、その測定対象物６２に対し、磁性体粒子５１と一体になっている分子受容体である検出抗体６３が特異的に結合することで、当該磁性体粒子５１と検出抗体６３とは互いに結合して構成される磁性分子５が、測定対象物６２に特異的に結合している。

この状態で、センサチップに磁場を印加する。その磁場による磁束Bは矢印Zで示される方向に形成され、半導体ホール素子面に対して垂直である。磁束Bは磁性体粒子５１により収束されるため、磁性体粒子５１がない場合に比べ半導体ホール素子２での磁束密度は増加する。また、センサチップ表面に結合せずに溶液中を浮遊している磁性分子５は、磁力により上方に引き上げられ、半導体ホール素子２により検知する磁束密度には影響しない。半導体ホール素子２の出力電圧は磁束密度に比例するため、この出力電圧により磁性分子５が半導体ホール素子２上に結合しているか否かを判定できる。

（測定用ホール素子の構造について）
次に、本実施形態の測定用ホール素子の構造について図３を参照して説明する。
ここで、図３（ａ）は、このホール素子２の上面図を、図３（ｂ）は、図３（ａ）における一点鎖線ａでの断面図を、図３（ｃ）は、図３（ａ）における一点鎖線ｂでの断面図を示している。
このホール素子２は、ゲート電極３０、ソース電極３１、ドレイン電極３２、出力電極３３，３４および絶縁層３５を含んで構成され、Ｐウェル領域３６に形成される。出力電極を除くとｎ型MOSFETと同じ構成であり、図３中では各電極への金属配線は省略してある。出力電極３３，３４はセンサチップ表面に略垂直に形成される磁束と、ソース−ドレイン極間を流れる電流と、に垂直に電流が流れるように構成される。

次に、ホール素子２の動作について説明する。
ゲート電極３０、ソース電極３１、ドレイン電極３２にバイアスを印加し、MOSFETと同様な動作状態に設定する。このときの動作状態は線形領域にあることが望ましい。この状態で、外部から加わる磁束が存在しない場合、２つの出力電極３３，３４は同電位である。一方、外部からのホール素子面に対して垂直な磁束が加わると、磁束密度に比例した電圧が出力電極３３と３４の間に差動電圧として現れる。

（チェック用ホール素子の構造）
まず、チェック用ホール素子の第１の例を説明する。
チェック用ホール素子は、例えば、測定用ホール素子に対し、ゲート電極３０およびウェル領域３６の形状、または大きさを異なるものとすることで、測定用ホール素子と出力特性が異なるようにすることが実現できる。
チェック用ホール素子の例を図４（ｂ）に示す。なお、図４（ａ）は測定用ホール素子である。この例は、ゲート電極およびウェル領域の形状を変えてチェック用素子を形成したものである。ここで、ホール素子の材質・磁場強度が同じ場合、出力電圧の違いは素子内部の電流密度およびホール素子の形状因子(Geometricａl correction factor、以下Gと表記)の違いに起因する。なお、その形状因子Gは0<G=<1である。ホール素子の形状因子Ｇは、参考文献「"Hall Effect Devices", R. S. Popovic, Adam Hilger(ISBN 0-7503-0096-5)」に記載されているように、図４(ａ)のようなひし形のホール素子より図４(ｂ)の十字型の素子のほうが値が大きく、同一条件で素子を駆動した場合、より高い出力が得られることが知られている。

本実施形態において、図５(ａ)および(ｂ)に示す寸法でシリコン基板上にホール素子を作成し、ソース・ドレイン電極間に５Vの電圧を印加した場合、１２０ガウスの磁場に対するホール素子の出力は、素子(ａ)の出力＝42mV、素子(ｂ)の出力＝57mVとなった。このように、同一の条件下で、測定用ホール素子（ａ）とチェック用ホール素子（ｂ）の出力電圧を異ならせることができる。そして、この出力電圧の違いを利用して後述のようにバイオセンサの動作確認に利用する。

次に、チェック用ホール素子の第２の例を、図６を参照して説明する。
この図６の例は、測定用素子と同一形状、同一サイズのホール素子に抵抗Ｒを挿入してチェック用素子とした例である。抵抗Ｒはポリシリコンを用いて半導体ホール素子と同一基板上に構成することができる。図６(ａ)の例は、ソース電極３１側に抵抗Ｒを直列に接続した場合であり、ホール素子を動作させるためのバイアスは電極３１'とドレイン電極３２の間に印加する。図６（ｂ)の例は、ドレイン電極３２に抵抗Ｒを直列に接続した場合の例であり、バイアスはソース電極３１と電極３２’の間に印加する。どちらの場合もホール素子と直列に抵抗Ｒが接続されることによりホール素子に印加される電圧が減少し、チェック用素子の出力電圧は測定用素子と比べて低下する。

次に、チェック用ホール素子の第３の例を、図７を参照して説明する。
図７の例は、測定用素子と同一形状・同一サイズのホール素子を使用するが、配線方法を変更してチェック用素子とした例である。ドレイン電極３２はバイアス電源VLへ接続する。出力電極３３および３４はホール素子からの出力を増幅回路へ送る配線OUT1、OUT2へ接続する。ソース電極３１はどこにも接続せずに開放する。バイアスに接続される電極のうち片側を開放することで、ホール素子に電流は供給されないため、磁場印加時にも信号は出力されず、チェック用素子として使用可能である。ソース電極３１をバイアス配線VLに接続し、ドレイン電極を開放しても同様である。

（ホール素子の配列及び選択方法について）
次に、２次元アレイ状に配置した複数のホール素子のうちの任意の素子を選択し、その出力値を取り出す方法について、図８及び図９を参照して説明する。
本実施形態では、複数のホール素子は、図８に示すように、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元アレイで、４行４列の配列の場合を例示したものであり、各ホール素子に対して、位置情報としてのアドレス番号がＥ（０，０）〜Ｅ（３，３）を予め設定してある。

そして、図９に示すように、各々のホール素子(E(0,0), E(0,1),・・・)のソース電極、ドレイン電極、および一対の出力電極はスイッチ(R0,R1,・・・)を介してVL, VH, OUT1,OUT2へ接続されており、列方向Ｙの同一の列に共通に接続されている。また行方向Ｘの同一の行のゲート電極も共通で、列毎に共通のゲート電極線C0,C1,・・・・へと接続されている。VL,VHはホール素子へバイアスを供給する配線であり、OUT1,OUT2はホール素子からの出力を増幅回路へ送る配線である。

例示としてホール素子E(0,0)を選択する場合について説明する。
スイッチR0のみをオンし、スイッチR1,R2,・・・はオフにする。またゲート電極線C0のみホール素子が動作状態になる電圧に設定し、ゲート電極線C1,C2,・・・・はホール素子が動作しない電圧、すなわちソース電極、ドレイン電極にバイアスを印加してもソース−ドレイン間に電流が流れない状態に設定する。このとき、ホール素子E(0,0)および同一の行にあるホール素子のソース電極、ドレイン電極にVL,VHが印加されるが、電流はホール素子E(0,0)しか流れない。ホール素子E(0,0)の出力電極には磁束密度に応じた電圧が現れる。縦に並んだホール素子の出力電極は動作状態になっていないため、OUT1,OUT2へはホール素子E(0,0)の出力電圧がそのまま出力される。このような操作によって、任意のアドレスの素子を選択して、その選択した素子の出力値を取り出すことができることが分かる。

（バイオセンサの全体構成について）
図１０に、バイオセンサ全体の構成を示す。
バイオセンサは、試料溶液を投入して測定を行うためのセンサチップ１と、センサチップ１と信号を交換する測定装置本体とを含んで構成される。センサチップ１上には、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元にホール素子を配置してなる半導体ホール素子アレイ９、選択手段及び選択回路を構成するアレイ選択回路７１、及び信号増幅回路８１が搭載される。その他の制御回路８２、たとえば、センサチップの制御を行うためのセンサチップ制御回路８２Ａや、ホール素子からの出力信号を処理する信号処理回路８２Ｂ等、は測定装置本体側に搭載する。なお、センサチップ１は１回の測定毎に新たなものと取り替えられる。

上記センサチップ制御回路８２Ａからは、ホール素子の選択をリセットするためのリセット信号S10、特定のホール素子を選択するためのアドレス選択信号S11がアレイ選択回路に対して送信される。またホール素子を駆動するための電圧S16もセンサチップ制御回路８２Ａからアレイ選択回路７１を通ってホール素子アレイ９へと送られる。選択されたホール素子からの出力信号S13はアレイ選択回路７１を通って増幅回路へ送られる。増幅された信号S14は信号処理回路８２Ｂ８２へと入力される。

そして、測定分析の際には、上記バイオセンサを構成するセンサチップ１は、図１１に示すように、センサチップの表面に対向させて、磁場発生手段としての上部コイル２４が設置される。この上部コイル２４により磁場を印加するため、センサチップ１の表面から遠ざかるほど磁束密度が増加する。このため、測定時には、センサチップ１表面に結合せずに浮遊している磁性粒体は上方に引き寄せられて、センサチップ１にあるホール素子により検知する磁束密度には影響しない。一方、動作確認の際には、後述のように、センサチップ１表面の上に、磁性分子が配置されていても、その影響が最小となるような小さな磁場が印加される。

（素子選択の順序について）
上記アレイ選択回路７１により、半導体ホール素子アレイ９中の各ホール素子の選択の順序について、図８を参照して説明する。
図８では、ホール素子アレイは４行４列であり、アドレスE(3,3)の素子がチェック用素子である。測定開始時にはまずセンサチップ制御回路８２Ａよりセンサチップに対しリセット信号S10が入力される。このときアレイ中のホール素子E(0,0)が選択された状態となる。その後、センサチップ制御回路８２Ａよりアレイ選択回路７１に対し選択信号S11が１回入力されるごとにE(0,0)→E(1,0)→E(2,0)・・・・と矢印が示す順番で、順次ホール素子が選択され信号が出力される。最後の素子E(3,3)が選択された後、次の選択信号が入力されたら再び先頭のホール素子E(0,0)が選択された状態にもどる。

次に、動作確認処理部８２Ｃの処理手順を、図１２のフローチャートを参照して説明する。
なお、図１１のように、対象とするチップセンサを上部コイル２４と対向配置した状態とする。
動作確認処理部８２Ｃは、動作確認開始信号を入力すると作動を開始する。
まず、ステップＳ１００において、センサチップ動作確認用の交流磁場を印加する駆動信号をコイル駆動部２５に出力して、動作確認用の交流磁場を、上部コイル２４によってセンサチップ１に加える。
ここで、この磁場の強度は、測定時とは異なり、磁性分子がセンサチップ表面状で分散・結合することを妨げないよう、極めて弱い磁場に設定する。例えば、動作確認用の磁場強度としては、１kA/m以下とすることが望ましい。

次に、ステップＳ１１０において、アレイ選択回路７１を動作させ、指定されたホール素子を選択する。そのホール素子からの出力信号は、センサチップ１上の信号増幅回路８１によって増幅し、メモリ８３に保存される。
次に、ステップＳ１２０において、全ホール素子から信号を取得したか否かを判断し、取得していない場合は再びステップＳ１１０に移行する。一方、全てのホール素子について信号を取得したと判定するとステップＳ１３０に移行する。

ここで、上記ステップＳ１１０及びＳ１２０の処理では、全ホール素子から信号を取得する第１の処理例の場合を示しているが、例えば、選択的に、チェック用素子の直前のアドレスの測定用ホール素子、およびチェック用ホール素子の２個（図６におけるE(2,3)およびE(3,3)）のみ取得して、後述する動作確認を実施することも可能である。この場合には、ステップＳ１１０，Ｓ１２０の処理でアレイ選択回路を動作させてチェック用素子の１つ前のアドレスE(2,3)の測定用ホール素子の出力V1を計測しメモリに取り込み、引き続きチェック用ホール素子E(2,3)を選択しその出力V2を計測しメモリに取り込む。もっとも、測定用ホール素子は、チェック用素子の直前のアドレスの素子である必要は無い。

上述のように、ホール素子の出力信号をメモリに記録した後、ステップＳ１３０において、コイル駆動部２５に作動停止信号を出力して磁場をオフにして、ステップＳ１４０以降の処理に移る。ステップＳ１４０以降の処理が、センサチップの動作の異常の有無を確認する動作確認のメインの処理である。
ここで、図１３は、全ホール素子の出力を取得した場合における、図８の素子アレイを測定して得られた出力値を模式的にあらわしたものである。ここで、図６に示す素子アレイは４行４列の総数１６個であるので、測定されるデータ数もセンサ数と同じく１６個となる。またチェック用ホール素子の出力は測定用ホール素子の出力に比べ小さい値となる素子を使用しているものとする。ここで、図１３は、横軸に測定されたデータの順番を表し、縦軸に出力電圧を表す。V1,V2,V3,・・・, V16は測定された出力電圧値である。

（動作確認方法のメインの処理について）
ステップＳ１４０において、本実施形態ではチェック用ホール素子は測定用ホール素子と比較して小さな出力の特性を持った素子であることに鑑み、まず記憶した全測定データの中で最小値V_min、およびV_minが何番目に計測されたか（どのアドレスの素子か）を探索する。ここでは、最小出力値V_minはi_min番目（i_minは自然数）の測定データであったとする。

次に、ステップＳ１５０において、最小出力値V_minと他のデータの出力値の差分が一定値V_diff以上あるかどうかを判定し、V_i-V_min>V_diff(i=1〜16、ただしi≠i_min)となっている場合に、異なる出力が観測されたと判断してステップＳ１６０に移行する。
ここで、上記不等式が不成立の場合、出力が異なる信号が検出されなかったことを意味し、その場合、観測された出力は図１３（ｂ）に示すようになっている。これはホール素子アレイの中のどこかのアドレスが重複して選択されたことを意味し、アレイ選択回路７１が正常に動作していないと判断できる。従って、上記不等式が不成立の場合には、ステップＳ１８０に移行して、選択回路動作異常のメッセージを測定装置の表示画面に出力し動作確認工程を終了する。ここで、このステップＳ１５０が、第１動作確信手段を構成する。

次に、ステップＳ１６０において、異なる出力が観測されたアドレスi_minが、記憶されているチェック用ホール素子の現実のアドレス（i_chkとする）と一致するかどうかを判定し、一致している場合にはステップＳ１７０に移行する。
ここで、図８に示すアレイの場合、チェック用素子E(3,3)は最後（１６番目）に選択されるためi_chk=16である。アレイ選択回路７１が正常に動作しているならば図８(Ａ)のようにi_min=i_chk=16となるはずである。

仮に、図１３（ｃ）に示すようなデータが観測された場合を考えると、この例ではi_min＝10であり、i_min=i_chkが成立しない。このような測定データが得られるのは、ホール素子アレイのリセット動作が正常に行われずアドレス選択がE(0,0)以外の場所からスタートした、あるいはアドレス選択の機能が正常動作せず、どこかの素子が重複して選択された、のいずれかの可能性が考えられ、どちらの場合もアレイ選択回路７１が正常動作していないと判断できる。そして、この場合には、ステップＳ１８０に移行して、「リセット機能もしくは選択回路動作異常」とのメッセージを測定装置の表示画面に出力し動作確認工程を終了する。このステップＳ１６０の処理が、第２動作確認手段を構成する。

次に、ステップＳ１７０において、測定用ホール素子の出力がVOL〜VOHの範囲にはいっているかどうかを判定し、その範囲には入っている場合には、ステップ Ｓ１５０，Ｓ１６０，及びＳ１７０の判定においてすべて正常と判定されたことになるため、センサチップは正常動作と判断され、動作確認処理が終了、つまり動作確認工程を終了する。このステップＳ１７０が第３動作確認手段を構成する。
一方、範囲外である場合は、信号増幅回路８１に異常があると判断し、ステップＳ１８０に移行して、測定装置の表示画面に増幅回路異常のメッセージを出力し、動作確認工程を終了する。

（動作確認のメインの別の処理について）
上述のように、ステップＳ１１０及びＳ１２０において、チェック用素子の直前のアドレスの測定用ホール素子、およびチェック用ホール素子の２つのホール素子の出力値だけを取得した場合の動作確認工程について説明する。
この場合には、上記ステップＳ１４０の処理は不要である。
ステップＳ１５０において、E(2,3)、E(3,3)の出力すなわちV1、V2の大小を比較する。両者の差が規定値V_diff以上であれば、出力は異なると判断できるので、ステップＳ１６０に移行する。
差分が規定値以下であれば、チェック用素子以外のアドレスのホール素子の出力が測定されたことになるので、アレイ選択回路７１が正常に動作していないと判断できるので、ステップＳ１８０に移行する。

次に、ステップＳ１６０において、測定データがV1>V2であった場合には異なる出力を観測した素子のアドレスはチェック用ホール素子のアドレスと一致することになり、アレイ選択回路７１は正常動作していると判断されるので、ステップＳ１７０に移行する。一方、同不等式が成立しない場合は、リセット操作、もしくはアドレス選択操作に異常があると判断され、ステップＳ１８０に移行して、測定装置にエラーメッセージを出力する。

次に、ステップＳ１７０においては、最初に取得した出力信号、すなわちV1を調べ、出力が規定値VOL〜VOHの範囲内にあれば正常動作と判断する。この場合には、Ｓ１５０，Ｓ１６０及びＳ１７０の全てがYesであるので、センサチップは正常動作していると判断して動作確認部の処理を終了、つまり動作確認工程を終了する。この場合、動作確認工程の後に実施する、測定対象物によりセンサチップ表面に結合した磁性体粒子の測定工程で取得する測定用ホール素子の出力がVOL〜VOHの範囲にあるかどうかを確認する。

一方、VOL〜VOHの範囲外であった場合には、センサチップ内の信号増幅回路８１に不具合があると判断され、ステップＳ１８０に移行して、増幅回路動作異常のメッセージを測定装置に表示して動作確認工程を終了する
センサチップが正常と動作確認が終了したら、通常の測定処理に移行する。このとき、上記動作確認部で正常と判定されない場合には、通常の測定処理に移行しないようにしても良い。

以上のように、本実施形態を採用することで、バイオセンサチップ内の素子および信号増幅回路８１の動作確認を迅速かつ簡便に行うことが可能となる。
ここで、上記動作確認の工程は、測定対象物を含む試料溶液をセンサチップ上に滴下し、且つ磁性分子を導入して測定準備を行った状態で実施しても良い。上述の通り、動作確認中は、磁性体粒子がセンサチップ表面状で分散・結合することを妨げないよう、極めて弱い磁場で処理を行うので、動作確認の処理は、測定対象物を含む試料溶液がセンサチップ上に導入されている、いないにかかわらず実行可能である。なお、測定対象物を含む試料溶液をセンサチップ上に滴下し、且つ磁性分子を導入することを行わない状態で、動作確認を行う場合には、動作確認用の磁場は上記のような小さな磁場である必要は無い。
また、上記実施形態では、チェック用の素子が１個の場合を例示しているが、２以上あっても構わない。

本発明に基づく実施形態に係るバイオセンサの一部の概略を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係るバイオセンサの検出原理を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る測定用半導体ホール素子を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一点鎖線ａでの断面図、（ｃ）は一点鎖線ｂでの断面図である。 本発明に基づく実施形態に係るチェック用ホール素子の例を説明する図であり、（ａ）は比較の測定用ホール素子を示す図であり、（ｂ）はチェック用ホール素子を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係るチェック用ホール素子の例を説明する図であり、（ａ）は比較の測定用ホール素子を示す図であり、（ｂ）はチェック用ホール素子を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係るチェック用ホール素子の例を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係るチェック用ホール素子の例を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係る素子の配列の選択順序を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係るアレイ状ホール素子の選択方法を説明する図である。 本発明に基づく実施形態に係るバイオセンサの回路を説明するブロック図である。 本発明に基づく実施形態に係るセンサチップとコイルとの関係を示す図である。 本発明に基づく実施形態に係るン確認動作処理部の処理を説明するフローチャート図である。 本発明に基づく実施形態に係る検出信号の例を示す図である。

符号の説明

１ センサチップ
１３ 凹部
１４ チェック用の素子
２ 半導体ホール素子
２４ 上部コイル
３０ ゲート電極
３１ ソース電極
３２ ドレイン電極
３３ 出力電極
４ 金属配線
５ 磁性分子
５１ 磁性体粒子
６１ 捕捉抗体
６２ 測定対象物質
６３ 検出抗体
７１ アレイ選択回路（選択手段）
８１ 信号増幅回路
８２Ｃ 動作確認処理部
９ 半導体ホール素子アレイ

Claims (9)

1. 検知した磁場の強さに応じた出力値を出力するホール素子を、複数個、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元に配置してなる磁気センサを備え、その磁気センサに結合した磁性体粒子の量を測定することにより測定対象物を分析するバイオセンサにおいて、
   上記複数のホール素子のうちの少なくとも１つのホール素子は、その他のホール素子とは形状因子が異なるチェック用のホール素子であり、
   上記複数のホール素子のうち任意のホール素子を選択し、その選択したホール素子の出力値を取り出す選択手段を備え、
   同一の磁場を印加した状態における、上記チェック用のホール素子の出力値と、そのチェック用のホール素子以外のホール素子からの出力値との差分に基づき動作異常の有無を判定する第１動作確認手段を備えることを特徴とするバイオセンサ。
2. 上記選択手段により選択された上記ホール素子の出力値を増幅する信号増幅回路を備え、
   上記磁気センサ、選択手段、および信号増幅回路が、１チップ上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。
3. 上記チェック用のホール素子が上記選択手段により最後に選択されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したバイオセンサ。
4. 選択手段から取得した上記チェック用のホール素子の位置情報と、そのチェック用のホール素子について予め記憶している実際の位置情報とを比較することで、上記選択手段の動作異常の有無を判定する第２動作確認手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載したバイオセンサ。
5. 所定の磁場条件下における、ホール素子の正常な出力値の範囲である基準範囲を予め記憶しておき、上記磁場条件下で、選択手段が取得したホール素子の出力値が上記基準範囲内か否かによって当該ホール素子の動作異常の有無を判定する第３動作確認手段を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載したバイオセンサ。
6. 印加する磁場は、ホール素子の上に、磁性体粒子及び分子受容体からなる磁性分子があっても当該磁性分子が分散・結合することを妨げないだけの弱い磁場であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載したバイオセンサ。
7. 検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する検知素子を、複数個、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元に配置してなる磁気センサと、上記複数の検知素子のうち任意の素子を選択し、その選択した素子の出力値を取り出す選択回路と、上記選択回路により選択された上記磁場検知素子の出力値を増幅する信号増幅回路と、が１つのチップ上に形成されてなるセンサチップの動作確認方法であって、
   上記複数の検知素子のうちの少なくとも１つの検知素子を、その他の検知素子とは出力特性が異なるチェック用の検知素子としておき、
   チェック用の検知素子からの出力信号と、チェック用の検知素子以外の検知素子からの出力信号との差分を比較することで、上記選択回路および信号増幅回路の動作確認を行う工程を有することを特徴とするセンサチップの動作確認方法。
8. 検知した磁場の強さに応じた出力値を出力する検知素子を、複数個、Ｘ行Ｙ列（Ｘ及びＹは自然数、以下同じ）の２次元に配置してなる磁気センサと、上記複数の検知素子のうち任意の検知素子を選択し、その選択した検知素子の出力値を取り出す選択回路と、が１つのチップ上に形成されてなるセンサチップの動作確認方法であって、
   上記複数の検知素子のうちの少なくとも１つの検知素子を、その他の検知素子とは出力特性が異なるチェック用の検知素子としておき、
   センサチップからの出力信号より算出したチェック用の検知素子のアドレス番号と、予め記憶しているチェック用の検知素子の実際のアドレス番号とを比較することで上記選択回路の動作確認を行う工程を有することを特徴とするセンサチップの動作確認方法。
9. 検知素子上に、磁性体粒子及び分子受容体からなる磁性分子があっても当該磁性分子が分散・結合することを妨げないだけの弱い磁場を印加した状態で上記動作確認を行うことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載したセンサチップの動作確認方法。

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