JP5488372B2 - Biosensor - Google Patents

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Description

本発明はバイオセンサに関し、特に、電界効果トランジスタを利用したバイオセンサに関する。 The present invention relates to a biosensor, and more particularly to a biosensor using a field effect transistor.

血液や細胞等の生体試料やその中の特定成分について迅速かつ簡便に濃度等を測定する方法として、電気化学的検出手段によるバイオセンサが実用化されている。その一つとして、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、以下、FETという)を用いたバイオセンサが知られ、特にISFET(Ion-sensitive FET)と呼ばれている。ISFETを用いたDNAやタンパク質等の生体成分、細胞などを用いた検出系への応用が盛んに研究されている。 Biosensors using electrochemical detection means have been put to practical use as methods for quickly and simply measuring concentrations and the like of biological samples such as blood and cells and specific components therein. As one of them, a biosensor using a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) is known, and particularly called an ISFET (Ion-sensitive FET). Application to detection systems using biological components such as DNA and protein using ISFET, cells, and the like has been actively studied.

例えば、特許文献1では、バイオセンシングするときの信号を増幅するため、半導体基板上に作られたトランジスタのゲート電極部にバイオセンシング部を設けたセンサが開示されている。しかし、トランジスタ上にバイオセンシング部を設けているため、ベース基板である半導体基板が不透明であり、トランジスタ自体も不透明であることから、センシングする対象である細胞やDNAなどの状態を顕微鏡で観察しながらセンシング信号を確認することはできない。 For example, Patent Document 1 discloses a sensor in which a biosensing portion is provided on a gate electrode portion of a transistor formed on a semiconductor substrate in order to amplify a signal when biosensing. However, since the bio-sensing part is provided on the transistor, the semiconductor substrate, which is the base substrate, is opaque, and the transistor itself is also opaque. Therefore, the state of cells or DNA to be sensed is observed with a microscope. However, the sensing signal cannot be confirmed.

また、特許文献2では、ガラス、プラスチック等の透明な基板上に形成した薄膜トランジスタ上に化学反応層を形成している。しかし、特許文献2においてもトランジスタ部及び配線層が不透明であることから、センシングする対象を顕微鏡で観察することはできなかった。 In Patent Document 2, a chemical reaction layer is formed on a thin film transistor formed on a transparent substrate such as glass or plastic. However, even in Patent Document 2, since the transistor portion and the wiring layer are opaque, the object to be sensed cannot be observed with a microscope.

特開2001−281213号公報JP 2001-281213 A 特開2006−250928号公報JP 2006-250928 A

医学の基礎となる分子細胞生物学や分子生物学等の研究分野においては、位相差顕微鏡や蛍光顕微鏡等を用いた観察結果と、バイオセンシングにより得られたデータとの対比が求められる。しかし、従来のバイオセンサは、このような要求を満足するものではなかった。 In research fields such as molecular cell biology and molecular biology, which are the foundation of medicine, it is necessary to compare observation results using a phase contrast microscope, a fluorescence microscope, and the like with data obtained by biosensing. However, conventional biosensors do not satisfy such requirements.

上記の実情に鑑みて、本発明は、センシングと同時に、センシングする対象を顕微鏡等で観察可能なバイオセンサを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a biosensor capable of observing an object to be sensed with a microscope or the like simultaneously with sensing.

本発明の一実施形態によると、透明基材と、前記透明基材上の透明な導電性材料で形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆っている透明な半導体材料で形成された半導体膜と、前記半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極をそれぞれ覆っている第1の絶縁膜と、前記ゲート電極上の前記半導体膜に配置され、被測定物が配置される第2の絶縁膜と、を備えるFETセンサを有することを特徴とするバイオセンサが提供される。 According to one embodiment of the present invention, a transparent substrate, a gate electrode formed of a transparent conductive material on the transparent substrate, and a semiconductor film formed of a transparent semiconductor material covering the gate electrode A source electrode and a drain electrode disposed in ohmic contact with the semiconductor film, a first insulating film covering the source electrode and the drain electrode, respectively, and a semiconductor film on the gate electrode. There is provided a biosensor comprising an FET sensor comprising a second insulating film on which a device under test is disposed.

前記バイオセンサにおいて、前記半導体膜上に、前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対して第1の絶縁膜を介して配置された電極をさらに備えてもよい。 The biosensor may further include an electrode disposed on the semiconductor film via a first insulating film with respect to the source electrode and the drain electrode.

本発明の一実施形態によると、透明基材と、前記透明基材上の透明な導電性材料で形成されたゲート電極と、前記ゲート電極を覆っている透明な半導体材料で形成された半導体膜と、前記半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極及びドレイン電極をそれぞれ覆っている第1の絶縁膜と、前記ゲート電極上の前記半導体膜から前記半導体膜の外側へ向けて引き出して配置された電極と、前記電極上に配置され、被測定物が配置される第2の絶縁膜と、を備えるFETセンサを有することを特徴とするバイオセンサが提供される。 According to one embodiment of the present invention, a transparent substrate, a gate electrode formed of a transparent conductive material on the transparent substrate, and a semiconductor film formed of a transparent semiconductor material covering the gate electrode A source electrode and a drain electrode disposed in ohmic contact with the semiconductor film, a first insulating film covering each of the source electrode and the drain electrode, and the semiconductor film on the gate electrode to the semiconductor Provided is a biosensor comprising an FET sensor comprising: an electrode that is drawn out toward the outside of the film; and a second insulating film that is disposed on the electrode and on which an object to be measured is disposed. Is done.

前記バイオセンサにおいて、少なくとも前記第2の絶縁膜における前記被測定物が配置される周囲に配置された隔壁を備えてもよい。 The biosensor may include a partition wall disposed around at least the object to be measured in the second insulating film.

前記バイオセンサにおいて、前記ソース電極及びドレイン電極と絶縁され、且つ、前記被測定物に可変電圧を印加する参照電極を備えてもよい。 The biosensor may include a reference electrode that is insulated from the source electrode and the drain electrode and applies a variable voltage to the object to be measured.

前記バイオセンサにおいて、前記第2の絶縁膜上に親水性を有する親水性領域を設けてもよい。 In the biosensor, a hydrophilic region having hydrophilicity may be provided on the second insulating film.

前記バイオセンサにおいて、前記第2の絶縁膜は、イオン感応膜であってもよい。 In the biosensor, the second insulating film may be an ion sensitive film.

本発明の一実施形態によると、透明基材と、前記透明基材を覆っている透明な導電性材料で形成された第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極上の透明な導電性材料で形成された第1の半導体膜と、前記第1の半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置された第1のソース電極及び第1のドレイン電極と、前記第1のソース電極及び第のドレイン電極をそれぞれ覆っている第1の絶縁膜と、前記第1のゲート電極上の前記第1の半導体膜に配置され、被測定物が配置される第2の絶縁膜と、を備えるFETセンサと、前記透明基材上の第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極を覆っている第2の半導体膜と、前記第2の半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置された第2のソース電極及び第2のドレイン電極と、を備えるFETと、を有することを特徴とするバイオセンサが提供される。 According to an embodiment of the present invention, a transparent base material, a first gate electrode formed of a transparent conductive material covering the transparent base material, and a transparent conductivity on the first gate electrode . A first semiconductor film formed of a material; a first source electrode and a first drain electrode disposed in ohmic contact with the first semiconductor film; and the first source electrode and the first source electrode. An FET sensor comprising: a first insulating film that covers each drain electrode; and a second insulating film that is disposed on the first semiconductor film on the first gate electrode and on which an object to be measured is disposed And a second gate electrode on the transparent substrate, a second semiconductor film covering the second gate electrode, and a second semiconductor electrode disposed in ohmic contact with the second semiconductor film, respectively. A source electrode and a second drain electrode; Biosensor comprising: the T, is provided.

前記バイオセンサにおいて、前記FETセンサ及び前記FETは、カレントミラー回路を構成してもよい。 In the biosensor, the FET sensor and the FET may constitute a current mirror circuit.

前記バイオセンサにおいて、前記FETセンサ及び前記FETは、インバータ回路を構成してもよい。 In the biosensor, the FET sensor and the FET may constitute an inverter circuit.

前記バイオセンサにおいて、前記インバータ回路を複数有し、前記複数のインバータ回路を直列に接続することによりリングオシレータ回路を構成してもよい。 The biosensor may include a plurality of inverter circuits, and a ring oscillator circuit may be configured by connecting the plurality of inverter circuits in series.

前記バイオセンサにおいて、少なくとも前記第2の絶縁膜における前記生体関連物質が配置される周囲に配置された隔壁を備えてもよい。 The biosensor may include a partition wall disposed around at least the biological substance in the second insulating film.

前記バイオセンサにおいて、前記ソース電極及びドレイン電極と絶縁され、且つ、前記被測定物に可変電圧を印加する参照電極を備えてもよい。 The biosensor may include a reference electrode that is insulated from the source electrode and the drain electrode and applies a variable voltage to the object to be measured.

前記バイオセンサにおいて、前記第2の絶縁膜上に親水性を有する親水性領域を設けてもよい。 In the biosensor, a hydrophilic region having hydrophilicity may be provided on the second insulating film.

前記バイオセンサにおいて、前記第2の絶縁膜は、イオン感応膜であってもよい。 In the biosensor, the second insulating film may be an ion sensitive film.

本発明によると、センシングと同時に、センシングする対象を顕微鏡等で観察可能なバイオセンサが提供される。 According to the present invention, a biosensor capable of observing an object to be sensed with a microscope or the like simultaneously with sensing is provided.

一実施形態に係る本発明のバイオセンサ100を説明する図であり、(a)はバイオセンサ100の回路図であり、(b)はバイオセンサ100の上面図であり、(c)は(b)のAA’におけるバイオセンサ100の断面図である。It is a figure explaining the biosensor 100 of this invention which concerns on one Embodiment, (a) is a circuit diagram of the biosensor 100, (b) is a top view of the biosensor 100, (c) is (b) It is sectional drawing of the biosensor 100 in AA 'of (). 一実施形態に係る本発明のバイオセンサ200の構造について説明する図であり、(a)はバイオセンサ200の回路図であり、(b)はバイオセンサ200の上面図であり、(c)は図1(b)のAA’におけるバイオセンサ200の断面図である。It is a figure explaining the structure of the biosensor 200 of this invention which concerns on one Embodiment, (a) is a circuit diagram of the biosensor 200, (b) is a top view of the biosensor 200, (c) is It is sectional drawing of the biosensor 200 in AA 'of FIG.1 (b). 一実施形態に係る本発明のバイオセンサ300をしめす図であり、(a)はバイオセンサ300の回路図であり、(b)はバイオセンサ300の上面図である。1A and 1B are diagrams showing a biosensor 300 according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a circuit diagram of the biosensor 300, and FIG. 図3(b)のAA’におけるバイオセンサ300の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the biosensor 300 at AA ′ in FIG. 一実施形態に係る本発明のバイオセンサ400の構造について説明する図であり、(a)はバイオセンサ400の上面図であり、(b)は(a)のAA’におけるバイオセンサ400の断面図である。It is a figure explaining the structure of the biosensor 400 of this invention which concerns on one Embodiment, (a) is a top view of the biosensor 400, (b) is sectional drawing of the biosensor 400 in AA 'of (a). It is. (a)は一実施形態に係る本発明のバイオセンサ500の回路図であり、(b)はバイオセンサ500の上面図である。(A) is a circuit diagram of the biosensor 500 of the present invention according to an embodiment, and (b) is a top view of the biosensor 500. 図6(b)のAA’におけるバイオセンサ500の断面図である。It is sectional drawing of the biosensor 500 in AA 'of FIG.6 (b). (a)は一実施形態に係る本発明のバイオセンサ600の回路図であり、(b)はFETセンサ600aによる出力電圧への影響を示す図である。(A) is a circuit diagram of biosensor 600 of the present invention concerning one embodiment, and (b) is a figure showing influence on an output voltage by FET sensor 600a. 一実施形態に係る本発明のバイオセンサ700の回路図である。It is a circuit diagram of biosensor 700 of the present invention concerning one embodiment. 一実施形態に係る本発明のバイオセンサ800の回路図である。It is a circuit diagram of biosensor 800 of the present invention concerning one embodiment. 一実施形態に係る本発明のバイオセンサ100の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the biosensor 100 of this invention which concerns on one Embodiment. 一実施例に係る本発明のバイオセンサ500の回路図である。It is a circuit diagram of biosensor 500 of the present invention concerning one example. 入力電流と出力電流のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of an input current and an output current. 試料のpHと出力電流との関係を示すシミュレーション結果である。It is a simulation result which shows the relationship between pH of a sample, and output current. (a)はシミュレーションに用いた本発明に係るバイオセンサ800の1つのインバータ回路を示す回路図であり、(b)は代表的なpHにおける周波数を示す表であり、(c)はpHとリングオシレータ周波数特性を示す図である。(A) is a circuit diagram showing one inverter circuit of the biosensor 800 according to the present invention used in the simulation, (b) is a table showing frequencies at typical pH, and (c) is pH and ring. It is a figure which shows an oscillator frequency characteristic. 代表的なpHにおけるリングオシレータ周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the ring oscillator frequency characteristic in typical pH.

以下、図面を参照して本発明に係るバイオセンサ及びその製造方法について説明する。但し、本発明のバイオセンサは多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, a biosensor and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. However, the biosensor of the present invention can be implemented in many different modes and should not be construed as being limited to the description of the embodiments and examples shown below. Note that in the drawings referred to in this embodiment mode and examples, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof is omitted.

上述の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、活性層及び電極を透明な材料を用いて形成した逆スタガ型(ボトムゲート型)のFETを用い、さらに活性層の上部に保護層に代わってイオン感応膜を形成することで、センシングと同時に、センシングする対象を顕微鏡等で観察することに想到した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, an inverted stagger type (bottom gate type) FET in which an active layer and an electrode are formed using a transparent material is used, and a protective layer is substituted on the active layer. By forming an ion-sensitive film, we have come to the idea of observing the sensing object with a microscope at the same time as sensing.

(実施形態1)
まず、本発明の実施形態1に係るバイオセンサ100の構造について説明する。図1は本実施形態に係るバイオセンサ(FETセンサ)100の構造について説明する図であり、図1(a)はバイオセンサ100の回路図であり、図1(b)はバイオセンサ100の上面図であり、図1(c)は図1(b)のAA’におけるバイオセンサ100の断面図を示す。
(Embodiment 1)
First, the structure of the biosensor 100 according to Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of a biosensor (FET sensor) 100 according to the present embodiment, FIG. 1 (a) is a circuit diagram of the biosensor 100, and FIG. 1 (b) is an upper surface of the biosensor 100. FIG. 1C is a cross-sectional view of the biosensor 100 taken along AA ′ in FIG.

本実施形態に係るバイオセンサ100は、基材101の素子形成面である上部表面にゲート電極111、ゲート絶縁膜121、半導体膜である活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141及びイオン感応膜151を順次積層した逆スタガ型のFETセンサの構造を有する。ドレイン電極113及びソース電極115は、活性層131とオーミック接触して配置され、被測定物が配置されるイオン感応膜151は、ドレイン電極113及びソース電極115で挟まれた領域において、ドレイン電極113及びソース電極115に対して保護膜141を介して配置される。バイオセンサ100は、第1の絶縁膜である保護膜141及び第2の絶縁膜であるイオン感応膜151の上部に測定領域191を配設するため、保護膜141の上部に被測定物が配置される周囲に配置された隔壁161をさらに形成する。 The biosensor 100 according to the present embodiment includes a gate electrode 111, a gate insulating film 121, an active layer 131 that is a semiconductor film, a drain electrode 113 and a source electrode 115, and a protective film 141 on an upper surface that is an element formation surface of the substrate 101. And the structure of the reverse stagger type FET sensor which laminated | stacked the ion sensitive film | membrane 151 sequentially. The drain electrode 113 and the source electrode 115 are placed in ohmic contact with the active layer 131, and the ion sensitive film 151 on which the object to be measured is placed has a drain electrode 113 in a region sandwiched between the drain electrode 113 and the source electrode 115. Further, the protective film 141 is disposed with respect to the source electrode 115. In the biosensor 100, since the measurement region 191 is disposed above the protective film 141 that is the first insulating film and the ion sensitive film 151 that is the second insulating film, the object to be measured is disposed above the protective film 141. A partition wall 161 is further formed around the periphery.

基材101には透明基材を用い、例えば、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板のような透明な有機樹脂からなる基板、ポリプロピレン、ポリエステル、ビニル、ポリフッ化ビニル、塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミドのような透明なフィルム等を用いることができる。基材101の厚さは、1μm〜1mmの範囲で適宜選択することができる。 A transparent base material is used as the base material 101. For example, a glass substrate, a quartz substrate, a substrate made of a transparent organic resin such as a plastic substrate, polypropylene, polyester, vinyl, polyvinyl fluoride, vinyl chloride, polyester, polyamide, etc. A transparent film or the like can be used. The thickness of the base material 101 can be appropriately selected within a range of 1 μm to 1 mm.

ゲート電極111、ドレイン電極113及びソース電極115には、透明な導電性材料を用い、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)等を用いることができる。また、ゲート電極111、ドレイン電極113及びソース電極115の何れかを透明材料以外を用いて形成することもできる。その場合、ゲート電極111の材料としては、アルミ、金、銅等を用いることができ、ドレイン電極113及びソース電極115の材料としては、チタン、アルミ、金、銅、チタン及びアルミの積層等を用いることもできる。ゲート電極111、ドレイン電極113及びソース電極115の厚さは、20nm〜200nmが好ましい。 A transparent conductive material is used for the gate electrode 111, the drain electrode 113, and the source electrode 115. For example, indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide added with gallium is used. (GZO) or the like can be used. In addition, any of the gate electrode 111, the drain electrode 113, and the source electrode 115 can be formed using a material other than a transparent material. In that case, aluminum, gold, copper, or the like can be used as the material of the gate electrode 111, and as the material of the drain electrode 113 and the source electrode 115, titanium, aluminum, gold, copper, titanium, aluminum, and the like are stacked. It can also be used. The thicknesses of the gate electrode 111, the drain electrode 113, and the source electrode 115 are preferably 20 nm to 200 nm.

ゲート絶縁膜121及び保護膜141には、透明な絶縁性材料を用い、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素等を用いることができる。また、プラスチック基板のような透明な有機樹脂からなる基板、ポリプロピレン、ポリエステル、ビニル、ポリフッ化ビニル、塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミドのような透明なフィルム等を用いてもよい。ゲート絶縁膜121及び保護膜141の厚さは、50nm〜1μmの範囲で適宜選択することができる。 For the gate insulating film 121 and the protective film 141, a transparent insulating material is used, and for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or the like can be used. Further, a substrate made of a transparent organic resin such as a plastic substrate, a transparent film such as polypropylene, polyester, vinyl, polyvinyl fluoride, vinyl chloride, polyester, and polyamide may be used. The thicknesses of the gate insulating film 121 and the protective film 141 can be appropriately selected within a range of 50 nm to 1 μm.

活性層131は、透明な半導体材料を用い、例えば、InMZnO(Mはガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)のうち少なくとも1種)を主成分とするアモルファス酸化物を用いることができる。特に、MがGaであるInGaZnO系のアモルファス酸化物が好ましい。また、活性層131は、IGZOを主成分とする場合、必要に応じて、Al、Fe、Sn等を構成元素として加えてもよい。IGZO半導体は、室温から150℃程度の低温での成膜が可能であることから、耐熱性に乏しいプラスチック基板やガラス基板に好適である。活性層131の厚さは、20nm〜100nmが好ましい。 The active layer 131 is made of a transparent semiconductor material, for example, an amorphous oxide whose main component is InMZnO (M is at least one of gallium (Ga), aluminum (Al), and iron (Fe)). it can. In particular, an InGaZnO-based amorphous oxide in which M is Ga is preferable. Moreover, when the active layer 131 has IGZO as a main component, if necessary, Al, Fe, Sn, or the like may be added as a constituent element. An IGZO semiconductor is suitable for a plastic substrate or a glass substrate having poor heat resistance because it can be formed at room temperature to a low temperature of about 150 ° C. The thickness of the active layer 131 is preferably 20 nm to 100 nm.

また、活性層131は、酸化物亜鉛(ZnO)を主成分とする酸化物半導体から形成されていてもよい。ZnOを主成分とする場合には、真性の酸化物亜鉛の他に、必要に応じて、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、窒素(N)及び炭素(C)等のp型ドーパント及びホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)等のn型ドーパントがドーピングされた酸化亜鉛及びマグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)などがドーピングされた酸化亜鉛を加えたものであってもよい。さらに、活性層131は、錫を添加した酸化インジウム(インジウム錫オキサイド:ITO)、インジウム亜鉛オキサイド(IZO)または酸化マグネシウム(MgO)などの酸化物半導体から形成されていてもよい。   Further, the active layer 131 may be formed of an oxide semiconductor containing zinc oxide (ZnO) as a main component. When ZnO is the main component, in addition to intrinsic oxide zinc, p-type dopants such as lithium (Li), sodium (Na), nitrogen (N) and carbon (C), and boron, if necessary (B), zinc oxide doped with n-type dopants such as aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), and zinc oxide doped with magnesium (Mg), beryllium (Be), etc. It may be. Further, the active layer 131 may be formed of an oxide semiconductor such as indium oxide to which tin is added (indium tin oxide: ITO), indium zinc oxide (IZO), or magnesium oxide (MgO).

イオン感応膜151は、測定領域191に添加された試料に含まれる被測定物、例えば、細胞、DNA、糖鎖、タンパク質等を配置可能なものである。イオン感応膜151は、透明な絶縁材料を用い、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、酸化タンタル、酸化アルミニウム等を用いることができる。 The ion-sensitive membrane 151 can arrange an object to be measured, for example, a cell, DNA, sugar chain, protein, or the like included in a sample added to the measurement region 191. The ion sensitive film 151 is made of a transparent insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, tantalum oxide, or aluminum oxide.

隔壁161は、測定領域191内に試料を保持(貯留)するためのもので、例えば、ガラス、プラスチック等を用いることができる。 The partition wall 161 is used to hold (store) a sample in the measurement region 191. For example, glass, plastic, or the like can be used.

バイオセンサ100を用いた測定を行う場合、ドレイン電極113及びソース電極115と絶縁された参照電極117を用いる。また、ドレイン電極113に電源193a及び電流計195を接続する。なお、バイオセンサ100がエンハンスメント型である場合は、参照電極117に電源193bを接続する。被測定物が含まれる試料を測定領域191に添加し、ドレイン電極113とソース電極115との間に0.1V〜1V程度の電圧VDSを印加しつつ、参照電極117を介して試料に可変電圧Vを印加する。このとき、被測定物の電気特性に応じてイオン感応膜151に生ずる電位の変化により、活性層131に形成されるチャネル領域が変化し、ドレイン電流Iの変化が検出される。このとき、ゲート電極111はフローティング状態でもよいが、電源193cを接続してもよい。ゲート電極111に電圧を印加することで、安定した測定が可能となる。なお、バイオセンサ100において、試料自身の電位により活性層131にチャネルが形成されドレイン電極113とソース電極115との間に流れる電流を測定することができる場合は、参照電極117を用いないようにすることも可能である。 When measurement using the biosensor 100 is performed, the drain electrode 113 and the reference electrode 117 insulated from the source electrode 115 are used. In addition, a power source 193 a and an ammeter 195 are connected to the drain electrode 113. When the biosensor 100 is an enhancement type, the power source 193b is connected to the reference electrode 117. A sample including an object to be measured is added to the measurement region 191, and a voltage V DS of about 0.1 V to 1 V is applied between the drain electrode 113 and the source electrode 115, and the sample is variable via the reference electrode 117. applying a voltage V G. At this time, the channel region formed in the active layer 131 changes due to the change in potential generated in the ion sensitive film 151 in accordance with the electrical characteristics of the object to be measured, and the change in the drain current ID is detected. At this time, the gate electrode 111 may be in a floating state, but a power source 193c may be connected. By applying a voltage to the gate electrode 111, stable measurement is possible. In the biosensor 100, when a channel is formed in the active layer 131 by the potential of the sample itself and a current flowing between the drain electrode 113 and the source electrode 115 can be measured, the reference electrode 117 is not used. It is also possible to do.

従来のバイオセンサでは、バイオセンシング部をゲート絶縁膜上及びゲート電極上に形成しており、バイオセンシング部として用いるために、ゲート電極を電気的に浮かせたり、ゲート電極を参照電極の機能と共通化させて使用したりする必要があった。本実施形態に係るバイオセンサは、逆スタガ型のFET構造を有し、活性層の上部に保護層に代わり、イオン感応膜が形成される。本実施形態に係るバイオセンサでは、従来のバイオセンサのような制約を受けることなく、FETの各電極を自由に設定でき、FETのバックゲートにバイオセンシング部を設けることにより、ISFETをそのまま回路に組み込むことが可能となる。また、本発明に係るバイオセンサは、活性層や電極を透明することにより、バイオセンシング部の試料を顕微鏡等で観察することが可能となる。 In the conventional biosensor, the biosensing part is formed on the gate insulating film and the gate electrode, and the gate electrode is electrically floated or used in common with the function of the reference electrode for use as the biosensing part. It was necessary to use it. The biosensor according to the present embodiment has an inverted staggered FET structure, and an ion-sensitive film is formed on the active layer in place of the protective layer. In the biosensor according to the present embodiment, each electrode of the FET can be freely set without being restricted as in the conventional biosensor, and by providing a biosensing unit in the back gate of the FET, the ISFET can be directly used as a circuit. It can be incorporated. Moreover, the biosensor according to the present invention makes it possible to observe the sample of the biosensing unit with a microscope or the like by making the active layer and the electrode transparent.

(実施形態2)
本実施形態においては、活性層131の上部にフローティング電極217を配設したバイオセンサ(FETセンサ)200について説明する。図2は本発明の実施形態2に係るバイオセンサ200の構造について説明する図であり、図2(a)はバイオセンサ200の回路図であり、図2(b)はバイオセンサ200の上面図であり、図2(c)は図1(b)のAA’におけるバイオセンサ200の断面図を示す。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a biosensor (FET sensor) 200 in which a floating electrode 217 is disposed on the active layer 131 will be described. 2A and 2B are diagrams for explaining the structure of the biosensor 200 according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2A is a circuit diagram of the biosensor 200 and FIG. 2B is a top view of the biosensor 200. FIG. 2 (c) shows a cross-sectional view of the biosensor 200 at AA ′ in FIG. 1 (b).

本実施形態に係るバイオセンサ200は、活性層131の上部にフローティング電極217、イオン感応膜151を順次積層したこと以外は、バイオセンサ100と同様の構造である。フローティング電極217は、ドレイン電極113及びソース電極115に対して保護膜141を介して配置されている。バイオセンサ200は、活性層131の上部にフローティング電極217を配置することで、センシング部の情報を均一に活性層へ伝えることが可能となる。バイオセンサ200の動作原理はバイオセンサ100と同様であるため、説明は省略する。 The biosensor 200 according to the present embodiment has the same structure as the biosensor 100 except that the floating electrode 217 and the ion sensitive film 151 are sequentially stacked on the active layer 131. The floating electrode 217 is disposed with respect to the drain electrode 113 and the source electrode 115 via a protective film 141. In the biosensor 200, by disposing the floating electrode 217 on the active layer 131, the information of the sensing unit can be uniformly transmitted to the active layer. Since the operation principle of the biosensor 200 is the same as that of the biosensor 100, description thereof is omitted.

次に、変形例として、バイオセンサ300を説明する。図3(a)はバイオセンサ300の回路図であり、図3(b)はバイオセンサ300の上面図である。また、図4は図3(b)のAA’におけるバイオセンサ300の断面図を示す。バイオセンサ300は、図3(b)に示したように、おいて、前記電極上に配置され、被測定物が配置される第2の絶縁膜バイオセンサ300は活性層131の上部に配置したフローティング電極317が、ドレイン電極113及びソース電極115で挟まれた領域の外部に引き出されている。これにより、バイオセンサ300はフローティング電極317を配置することで、ドレイン電極113及びソース電極115で挟まれた領域の外部にイオン感応膜151及び測定領域191を配置することができる。一般に、測定領域191は、ゲート電極111、ドレイン電極113及びソース電極115が形成された領域に比して大きいため、フローティング電極317を引き出して配置することは、バイオセンサの設計の自由度を高めるため好適である。なお、本実施例においては、ドレイン電極113及びソース電極115と同じ奏に形成されたフローティング電極317を引き出した構造を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、コンタクトホールを形成することで、ドレイン電極113及びソース電極115とは別の層に形成した配線により、活性層131の上部に配置したフローティング電極317から測定領域191へ引き出してもよい。 Next, the biosensor 300 will be described as a modification. FIG. 3A is a circuit diagram of the biosensor 300, and FIG. 3B is a top view of the biosensor 300. FIG. 4 is a cross-sectional view of the biosensor 300 taken along AA ′ in FIG. As shown in FIG. 3B, the biosensor 300 is disposed on the electrode, and the second insulating film biosensor 300 on which the object to be measured is disposed is disposed on the active layer 131. A floating electrode 317 is drawn outside a region sandwiched between the drain electrode 113 and the source electrode 115. Thereby, the biosensor 300 can arrange | position the ion sensitive film | membrane 151 and the measurement area | region 191 outside the area | region pinched | interposed by the drain electrode 113 and the source electrode 115 by arrange | positioning the floating electrode 317. FIG. In general, the measurement region 191 is larger than the region where the gate electrode 111, the drain electrode 113, and the source electrode 115 are formed, and thus the floating electrode 317 is drawn and arranged to increase the degree of freedom in designing the biosensor. Therefore, it is preferable. In this embodiment, the structure in which the floating electrode 317 formed in the same manner as the drain electrode 113 and the source electrode 115 is drawn is described, but the present invention is not limited to this. For example, a contact hole may be formed so as to be drawn out from the floating electrode 317 disposed above the active layer 131 to the measurement region 191 with a wiring formed in a layer different from the drain electrode 113 and the source electrode 115.

フローティング電極217及びフローティング電極317には他の電極同様に透明な導電性材料を用い、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、ガリウムを添加した酸化亜鉛(GZO)等を用いることができる。フローティング電極217及びフローティング電極317の厚さは、20nm〜200nmが好ましく、フローティング電極217及びフローティング電極317の形状や面積は、配置する測定領域191を考慮して適宜設定可能である。 For the floating electrode 217 and the floating electrode 317, a transparent conductive material is used like the other electrodes. For example, indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), indium zinc oxide (IZO), zinc oxide to which gallium is added (GZO) or the like can be used. The thickness of the floating electrode 217 and the floating electrode 317 is preferably 20 nm to 200 nm, and the shape and area of the floating electrode 217 and the floating electrode 317 can be appropriately set in consideration of the measurement region 191 to be arranged.

バイオセンサ300を用いた測定を行う場合、ドレイン電極113及びソース電極115と絶縁された参照電極117を用いる。また、ドレイン電極113に電源193a及び電流計195を接続する。なお、バイオセンサ300がエンハンスメント型である場合は、参照電極117に電源193bを接続する。被測定物が含まれる試料を測定領域191に添加し、ドレイン電極113とソース電極115との間に0.1V〜1V程度の電圧VDSを印加しつつ、参照電極117を介して試料に可変電圧Vを印加する。このとき、被測定物の電気特性に応じてイオン感応膜151に生ずる電位の変化は、フローティング電極317を介して活性層131に伝わり、活性層131に形成されるチャネル領域が変化し、ドレイン電流Iの変化が検出される。このとき、ゲート電極111はフローティング状態でもよいが、電源193cを接続してもよい。ゲート電極111に電圧を印加することで、安定した測定が可能となる。なお、バイオセンサ300において、試料自身の電位により活性層131にチャネルが形成されドレイン電極113とソース電極115との間に流れる電流を測定することができる場合は、参照電極117を用いないようにすることも可能である。 When measurement is performed using the biosensor 300, the drain electrode 113 and the reference electrode 117 insulated from the source electrode 115 are used. In addition, a power source 193 a and an ammeter 195 are connected to the drain electrode 113. When the biosensor 300 is an enhancement type, the power source 193b is connected to the reference electrode 117. A sample including an object to be measured is added to the measurement region 191, and a voltage V DS of about 0.1 V to 1 V is applied between the drain electrode 113 and the source electrode 115, and the sample is variable via the reference electrode 117. applying a voltage V G. At this time, the change in potential generated in the ion sensitive film 151 according to the electrical characteristics of the object to be measured is transmitted to the active layer 131 via the floating electrode 317, and the channel region formed in the active layer 131 is changed. A change in ID is detected. At this time, the gate electrode 111 may be in a floating state, but may be connected to a power source 193c. By applying a voltage to the gate electrode 111, stable measurement is possible. In the biosensor 300, when a channel is formed in the active layer 131 by the potential of the sample itself and a current flowing between the drain electrode 113 and the source electrode 115 can be measured, the reference electrode 117 is not used. It is also possible to do.

本実施形態に係るバイオセンサは、逆スタガ型の構造を有し、活性層の上部にフローティング電極が形成される。本実施形態に係るバイオセンサでは、フローティング電極をゲート電極、ドレイン電極及びソース電極から引き出して配置することで、測定領域を自由に配設できる。また、本発明係るバイオセンサは、活性層やフローティング電極を透明することにより、バイオセンシング部の試料を顕微鏡等で観察することが可能となる。 The biosensor according to the present embodiment has an inverted staggered structure, and a floating electrode is formed on the active layer. In the biosensor according to the present embodiment, the measurement region can be freely arranged by arranging the floating electrode so as to be drawn out from the gate electrode, the drain electrode, and the source electrode. Moreover, the biosensor according to the present invention makes it possible to observe the sample of the biosensing portion with a microscope or the like by making the active layer and the floating electrode transparent.

(実施形態3)
本実施形態においては、イオン感応膜151の上部に親和層455を配設したバイオセンサ(FETセンサ)400について説明する。図5は本発明の実施形態3に係るバイオセンサ400の構造について説明する図であり、図5(a)はバイオセンサ400の上面図であり、図5(b)は図5(b)のAA’におけるバイオセンサ400の断面図である。断面図である。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a biosensor (FET sensor) 400 in which an affinity layer 455 is disposed on the ion sensitive film 151 will be described. FIG. 5 is a view for explaining the structure of a biosensor 400 according to Embodiment 3 of the present invention, FIG. 5 (a) is a top view of the biosensor 400, and FIG. 5 (b) is a view of FIG. It is sectional drawing of the biosensor 400 in AA '. It is sectional drawing.

本実施形態に係るバイオセンサ400は、イオン感応膜151の上部に親和層455を配設したこと以外は、バイオセンサ100と同様の構造である。親和層455は、イオン感応膜151に被測定物に対する親和性を付与するものであって、イオン感応膜151における検出効率を向上させるものである。被測定物に対する親和性を付与するために、親和層455は、例えば、親水性を有する親水性領域を形成する。親和層455は、親水性高分子で形成することができ、イオン感応膜151に親水性の官能基を化学修飾することで形成することもできる。また、親和層455は、被測定物に対する結合特性を有する透明な材料を用いて形成してもよい。親和層455の材料は、被測定物との結合特性を考慮して適宜設定可能である。 The biosensor 400 according to the present embodiment has the same structure as that of the biosensor 100 except that the affinity layer 455 is disposed on the ion sensitive membrane 151. The affinity layer 455 provides the ion sensitive film 151 with affinity for the object to be measured, and improves the detection efficiency of the ion sensitive film 151. In order to impart affinity to the object to be measured, the affinity layer 455 forms, for example, a hydrophilic region having hydrophilicity. The affinity layer 455 can be formed of a hydrophilic polymer, and can also be formed by chemically modifying a hydrophilic functional group on the ion sensitive membrane 151. Further, the affinity layer 455 may be formed using a transparent material having a binding property to the object to be measured. The material of the affinity layer 455 can be appropriately set in consideration of the binding characteristics with the object to be measured.

逆に、親和層455を形成せずに、イオン感応膜151以外の保護膜141に疎水性の材料を用いたり、細胞接着阻害層を、保護膜141の上部表面に疎水性膜を形成したりしてもよい。例えば、保護膜141をシリコーンでコーティングしてもよい。また、保護膜141に被測定物に対する結合阻害特性、例えば、細胞接着阻害特性を有する材料を用いた細胞接着阻害層を設けてもよい。 Conversely, without forming the affinity layer 455, a hydrophobic material is used for the protective film 141 other than the ion sensitive film 151, a cell adhesion inhibition layer is formed, and a hydrophobic film is formed on the upper surface of the protective film 141. May be. For example, the protective film 141 may be coated with silicone. In addition, the protective film 141 may be provided with a cell adhesion inhibition layer using a material having binding inhibition characteristics with respect to the measurement object, for example, cell adhesion inhibition characteristics.

親和層455の材料は、例えば、水溶性高分子、水溶性オリゴマー、水溶性有機化合物、界面活性物質、両親媒性物質等を用いることができる。水溶性高分子材料としては、ポリアルキレングリコール及びその誘導体、ポリアクリル酸及びその誘導体、ポリメタクリル酸及びその誘導体、ポリアクリルアミド及びその誘導体、ポリビニルアルコール及びその誘導体、双性イオン型高分子、多糖類、等を挙げることができる。分子形状は、直鎖状、分岐を有するもの、デンドリマー等を挙げることができる。具体的には、ポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールの共重合体、例えば、Plutonic F108、Plutonic F127、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)、ポリ(N−ビニル−2−ピロリドン)、ポリ(2−ヒドロキシエチルメタクリレート)、ポリ(メタクリロイルオキシエチルフォスフォリルコリン)、メタクリロイルオキシエチルフォスフォリルコリンとアクリルモノマーの共重合体、デキストラン、及びヘパリンが挙げられるがこれらには限定されない。水溶性オリゴマー材料や水溶性低分子化合物としては、アルキレングリコールオリゴマー及びその誘導体、アクリル酸オリゴマー及びその誘導体、メタクリル酸オリゴマー及びその誘導体、アクリルアミドオリゴマー及びその誘導体、酢酸ビニルオリゴマーの鹸化物及びその誘導体、双性イオンモノマーからなるオリゴマー及びその誘導体、アクリル酸及びその誘導体、メタクリル酸及びその誘導体、アクリルアミド及びその誘導体、双性イオン化合物、水溶性シランカップリング剤、水溶性チオール化合物等を挙げることができる。具体的には、エチレングリコールオリゴマー、(N−イソプロピルアクリルアミド)オリゴマー、メタクリロイルオキシエチルフォスフォリルコリンオリゴマー、低分子量デキストラン、低分子量ヘパリン、オリゴエチレングリコールチオール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、2−〔メトキシ(ポリエチレンオキシ)−プロピルトリメトキシシラン、及びトリエチレングリコール−ターミネーティッド−チオールが挙げられるがこれらには限定されない。 As the material of the affinity layer 455, for example, a water-soluble polymer, a water-soluble oligomer, a water-soluble organic compound, a surfactant, an amphiphilic substance, or the like can be used. Water-soluble polymer materials include polyalkylene glycol and derivatives thereof, polyacrylic acid and derivatives thereof, polymethacrylic acid and derivatives thereof, polyacrylamide and derivatives thereof, polyvinyl alcohol and derivatives thereof, zwitterionic polymers, polysaccharides , Etc. Examples of the molecular shape include a straight chain, a branched one, and a dendrimer. Specifically, polyethylene glycol, a copolymer of polyethylene glycol and polypropylene glycol, such as Plonic F108, Plonic F127, poly (N-isopropylacrylamide), poly (N-vinyl-2-pyrrolidone), poly (2-hydroxy). Ethyl methacrylate), poly (methacryloyloxyethylphosphorylcholine), copolymers of methacryloyloxyethylphosphorylcholine and acrylic monomers, dextran, and heparin, but are not limited thereto. Examples of water-soluble oligomer materials and water-soluble low-molecular compounds include alkylene glycol oligomers and derivatives thereof, acrylic acid oligomers and derivatives thereof, methacrylic acid oligomers and derivatives thereof, acrylamide oligomers and derivatives thereof, saponified vinyl acetate oligomers and derivatives thereof, Examples include oligomers composed of zwitterionic monomers and derivatives thereof, acrylic acid and derivatives thereof, methacrylic acid and derivatives thereof, acrylamide and derivatives thereof, zwitterionic compounds, water-soluble silane coupling agents, and water-soluble thiol compounds. . Specifically, ethylene glycol oligomer, (N-isopropylacrylamide) oligomer, methacryloyloxyethylphosphorylcholine oligomer, low molecular weight dextran, low molecular weight heparin, oligoethylene glycol thiol, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol , 2- [methoxy (polyethyleneoxy) -propyltrimethoxysilane, and triethyleneglycol-terminated-thiol, but are not limited thereto.

親和層455の平均厚さは、0.8nm以上500μm以下が好ましく、0.8nm以上100μm以下がより好ましく、1nm以上10μm以下がより好ましく、1.5nm以上1μm以下が最も好ましい。平均厚さが0.8nm以上であれば、タンパク質の吸着や細胞の接着において、親和層455で覆われていない領域の影響を受けにくいため好ましい。また、平均厚さが500μm以下であればコーティングが比較的容易である。親和層455の形状や面積は、配置する測定領域191や、被測定物を考慮して適宜設定可能である。例えば、被測定物が細胞である場合、親和層455の凹部の大きさを細胞1つが配置可能な大きさとすることで、1つの細胞だけからの測定が可能である。バイオセンサ400の動作原理はバイオセンサ100と同様であるため、説明は省略する。 The average thickness of the affinity layer 455 is preferably 0.8 nm to 500 μm, more preferably 0.8 nm to 100 μm, more preferably 1 nm to 10 μm, and most preferably 1.5 nm to 1 μm. An average thickness of 0.8 nm or more is preferable because it is difficult to be affected by a region not covered with the affinity layer 455 in protein adsorption or cell adhesion. Moreover, if the average thickness is 500 μm or less, coating is relatively easy. The shape and area of the affinity layer 455 can be appropriately set in consideration of the measurement region 191 to be arranged and the object to be measured. For example, when the object to be measured is a cell, measurement from only one cell is possible by setting the size of the concave portion of the affinity layer 455 to a size that allows one cell to be arranged. Since the operation principle of the biosensor 400 is the same as that of the biosensor 100, description thereof is omitted.

なお、図示しないが、本実施形態に係る親和層455は、実施形態2で説明したバイオセンサ200及びバイオセンサ300にも適用可能である。すなわち、フローティング電極217及びフローティング電極317の上部に形成したイオン感応膜151の上部表面に親和層455を形成してもよい。 Although not shown, the affinity layer 455 according to the present embodiment is also applicable to the biosensor 200 and the biosensor 300 described in the second embodiment. That is, the affinity layer 455 may be formed on the upper surface of the ion sensitive film 151 formed on the floating electrode 217 and the floating electrode 317.

本実施形態に係るバイオセンサは、逆スタガ型の構造を有し、親和層が形成される。本実施形態に係るバイオセンサでは、親和層により被測定物に対する親和性をイオン感応膜に付与することで、測定領域に添加される試料に含まれる被測定物をイオン感応膜の上部に選択的に設置することが可能で、高精度の測定が可能となる。 The biosensor according to the present embodiment has an inverted staggered structure, and an affinity layer is formed. In the biosensor according to the present embodiment, the affinity to the object to be measured is imparted to the ion-sensitive film by the affinity layer, so that the object to be measured contained in the sample added to the measurement region is selectively formed on the ion-sensitive film. It can be installed in a high-precision measurement.

(実施形態4)
本実施形態においては、FETセンサ及びFETを併設したカレントミラー型のバイオセンサ500について説明する。図6は本発明の実施形態4に係るバイオセンサ500の構造について説明する図であり、図6(a)はバイオセンサ500の回路図であり、図6(b)はバイオセンサ500の上面図であり、図7は図6(b)のAA’におけるバイオセンサ500の断面図である。なお、図6(a)の左図と右図は、FETセンサ500aとFET500bとの配置を左右対称にした例である。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, a current mirror type biosensor 500 provided with an FET sensor and an FET will be described. 6A and 6B are diagrams for explaining the structure of the biosensor 500 according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 6A is a circuit diagram of the biosensor 500, and FIG. 6B is a top view of the biosensor 500. FIG. 7 is a cross-sectional view of the biosensor 500 taken along AA ′ in FIG. 6A is an example in which the arrangement of the FET sensor 500a and the FET 500b is symmetrical.

本実施形態に係るバイオセンサ500は、同一の基材101の素子形成面に2つの素子、FETセンサ500a及びFET500bからなる少なくとも1組のISFETを有する。FETセンサ500a及びFET500bは、それぞれゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141を順次積層した逆スタガ型の構造を有する。FETセンサ500aには保護膜141に代わり、第1の半導体膜である活性層131aの上部に被測定物が配置されるイオン感応膜151が第1のドレイン電極113a及び第1のソース電極115aで挟まれた領域に、ドレイン電極113a及びソース電極115aに対して保護膜141を介して配置される。保護膜141及びイオン感応膜151の上部に測定領域191を配設するため、保護膜141の上部に隔壁161がさらに配設される。 The biosensor 500 according to the present embodiment has at least one set of ISFETs including two elements, the FET sensor 500a and the FET 500b, on the element forming surface of the same base material 101. Each of the FET sensors 500a and 500b has an inverted staggered structure in which a gate electrode 111, a gate insulating film 121, an active layer 131, a drain electrode 113 and a source electrode 115, and a protective film 141 are sequentially stacked. In the FET sensor 500a, in place of the protective film 141, an ion sensitive film 151 in which an object to be measured is disposed on the active layer 131a which is a first semiconductor film is a first drain electrode 113a and a first source electrode 115a. In the sandwiched region, the drain electrode 113a and the source electrode 115a are disposed with a protective film 141 interposed therebetween. In order to dispose the measurement region 191 above the protective film 141 and the ion sensitive film 151, a partition wall 161 is further disposed above the protective film 141.

FETセンサ500a及びFET500bのゲート電極111は、電気的に接続される。FETセンサ500a及びFET500bのゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141は、一体形成され、それぞれの材料は、実施形態1で説明した材料を適用することができるため、説明は省略する。バイオセンサ500において、FETセンサ500aの第1のゲート電極111aとFET500bの第2のゲート電極111bとは、FETセンサ500aの第1のドレイン電極113aに接続し、FETセンサ500aに接続した電源193aに接続する。また、FETセンサ500aの第1のソース電極115aとFET500bの第2のソース電極115bとが接続される。FET500bの第2のドレイン電極113bには、電源193bが接続する。この接続により、カレントミラー回路が形成される。なお、FETセンサ500a及びFET500bのドレイン電極113及びソース電極115の配置は一例であって、FETセンサ500a及びFET500bのドレイン電極113とソース電極115とが隣接するように配置することもできる。 The gate electrodes 111 of the FET sensor 500a and the FET 500b are electrically connected. The gate electrode 111, the gate insulating film 121, the active layer 131, the drain electrode 113 and the source electrode 115, and the protective film 141 of the FET sensors 500a and 500b are integrally formed, and the materials described in the first embodiment are applied as the respective materials. Therefore, the description is omitted. In the biosensor 500, the first gate electrode 111a of the FET sensor 500a and the second gate electrode 111b of the FET 500b are connected to the first drain electrode 113a of the FET sensor 500a and connected to the power source 193a connected to the FET sensor 500a. Connecting. Further, the first source electrode 115a of the FET sensor 500a and the second source electrode 115b of the FET 500b are connected. A power source 193b is connected to the second drain electrode 113b of the FET 500b. This connection forms a current mirror circuit. The arrangement of the drain electrode 113 and the source electrode 115 of the FET sensor 500a and FET 500b is an example, and the drain electrode 113 and the source electrode 115 of the FET sensor 500a and FET 500b can be arranged adjacent to each other.

バイオセンサ500を用いた測定を行う場合、FETセンサ500aにドレイン電極113a及びソース電極115aと絶縁された参照電極117を用いる。また、ドレイン電極113aに電源193aに接続し、ソース電極115aに電流計195を接続する。なお、バイオセンサ500がエンハンスメント型である場合は、参照電極117に電源193cを接続する。被測定物が含まれる試料を測定領域191に添加し、ドレイン電極113aとソース電極115aとの間に0.1V〜1V程度の電圧VDSを印加しつつ、参照電極117を介して試料に可変電圧Vを印加する。このとき、被測定物の電気特性に応じてイオン感応膜151に生ずる電位の変化により、活性層131aに形成されるチャネル領域が変化し、ドレイン電流Iの変化が検出される。なお、バイオセンサ500において、試料自身の電位により活性層131にチャネルが形成されドレイン電極113とソース電極115との間に流れる電流を測定することができる場合は、参照電極117を用いないようにすることも可能である。 When measurement using the biosensor 500 is performed, the drain electrode 113a and the reference electrode 117 insulated from the source electrode 115a are used for the FET sensor 500a. The drain electrode 113a is connected to the power source 193a, and the source electrode 115a is connected to the ammeter 195. When the biosensor 500 is an enhancement type, the power source 193c is connected to the reference electrode 117. Adding a sample containing the object to be measured in the measurement region 191, while applying a voltage V DS of about 0.1V~1V between the drain electrode 113a and the source electrode 115a, the variable in the sample through the reference electrode 117 applying a voltage V G. At this time, the channel region formed in the active layer 131a changes due to the change in potential generated in the ion sensitive film 151 in accordance with the electrical characteristics of the object to be measured, and the change in the drain current ID is detected. Note that in the biosensor 500, when the channel is formed in the active layer 131 by the potential of the sample itself and the current flowing between the drain electrode 113 and the source electrode 115 can be measured, the reference electrode 117 is not used. It is also possible to do.

バイオセンサ500は、カレントミラー回路の一方のFETをFETセンサ500aとし、他方をFET500bとしている。したがって、バイオセンサ500によると、FETセンサ500aの測定結果を電流値として得ることが可能となる。また、バイオセンサ500は、製造段階でカレントミラー回路の良否を判定することができるため、不良品の選別も容易に実施可能となる。したがって、適正なカレントミラー回路のみを用いてバイオセンサ500を製造することが可能となる。 In the biosensor 500, one FET of the current mirror circuit is an FET sensor 500a, and the other is an FET 500b. Therefore, according to the biosensor 500, the measurement result of the FET sensor 500a can be obtained as a current value. Further, since the biosensor 500 can determine whether the current mirror circuit is good or bad at the manufacturing stage, it is possible to easily select defective products. Therefore, the biosensor 500 can be manufactured using only an appropriate current mirror circuit.

バイオセンサ500には、上述した実施形態2及び実施形態3の構成を適用することもできる。すなわち、バイオセンサ500の活性層131の上部にフローティング電極217、イオン感応膜151を順次積層してもよく、フローティング電極317を引き出して配置してもよい。また、バイオセンサ500のイオン感応膜151の上部に親和層455を配設してもよい。 The configuration of the second embodiment and the third embodiment described above can also be applied to the biosensor 500. That is, the floating electrode 217 and the ion sensitive film 151 may be sequentially stacked on the active layer 131 of the biosensor 500, or the floating electrode 317 may be drawn out. Further, an affinity layer 455 may be disposed on the ion sensitive film 151 of the biosensor 500.

本実施形態に係るバイオセンサは、カレントミラー回路を有し、バイオセンシング部のFETセンサの測定結果を電流値として得ることができる。また、本実施形態に係るバイオセンサは、製造段階でカレントミラー回路の良否を判定することができるため、高精度のバイオセンサを提供することができる。 The biosensor according to the present embodiment has a current mirror circuit, and can obtain the measurement result of the FET sensor of the biosensing unit as a current value. In addition, since the biosensor according to the present embodiment can determine whether the current mirror circuit is good or bad at the manufacturing stage, it can provide a highly accurate biosensor.

(実施形態5)
本実施形態においては、差動増幅回路の1つのFETをFETセンサに用いたバイオセンサ600について説明する。図8(a)は本発明の実施形態5に係るバイオセンサ600の回路図であり、図8(b)はFETセンサ600aによる出力電圧への影響を示す図である。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a biosensor 600 using one FET of a differential amplifier circuit as an FET sensor will be described. FIG. 8A is a circuit diagram of a biosensor 600 according to Embodiment 5 of the present invention, and FIG. 8B is a diagram showing the influence of the FET sensor 600a on the output voltage.

本実施形態に係るバイオセンサ600は、同一の基材101の素子形成面に5つの素子、FETセンサ600a、FET600b、FET600c、FET600d及びFET600eを有する。FETセンサ600aと、FET600b、FET600c、FET600d及びFET600eとは、FETセンサ500aと、FET500bと同様の構造あるため、詳細は省略する。図示しないが、FETセンサ600a、FET600b、FET600c、FET600d及びFET600eは、それぞれゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141を順次積層した逆スタガ型の構造を有する。FETセンサ600aには保護膜141に代わり、第1の半導体膜である活性層131aの上部にイオン感応膜151が配設され、保護膜141及びイオン感応膜151の上部に測定領域191を配設するため、保護膜141の上部に隔壁161がさらに配設される。 The biosensor 600 according to the present embodiment has five elements, an FET sensor 600a, an FET 600b, an FET 600c, an FET 600d, and an FET 600e on the element forming surface of the same base material 101. Since the FET sensor 600a, the FET 600b, the FET 600c, the FET 600d, and the FET 600e have the same structure as the FET sensor 500a and the FET 500b, details are omitted. Although not shown, the FET sensor 600a, FET 600b, FET 600c, FET 600d, and FET 600e are each an inverted staggered type in which a gate electrode 111, a gate insulating film 121, an active layer 131, a drain electrode 113, a source electrode 115, and a protective film 141 are sequentially stacked. It has a structure. In the FET sensor 600a, instead of the protective film 141, an ion sensitive film 151 is disposed on the active layer 131a that is the first semiconductor film, and a measurement region 191 is disposed on the protective film 141 and the ion sensitive film 151. Therefore, a partition wall 161 is further disposed on the protective film 141.

FETセンサ600a、FET600b、FET600c、FET600d及びFET600eのゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141は、一体形成され、それぞれの材料は、実施形態1で説明した材料を適用することができるため、説明は省略する。 The gate electrode 111, the gate insulating film 121, the active layer 131, the drain electrode 113, the source electrode 115, and the protective film 141 of the FET sensor 600a, FET 600b, FET 600c, FET 600d, and FET 600e are integrally formed. Since the materials described in (1) can be applied, the description is omitted.

バイオセンサ600は、並列に接続したバイオセンシング部のFETセンサ600aの第1のソース電極115aと第2のFET600bのソース電極115bとが、FET600eの第5のドレイン電極113eに接続する。FET600eのソース電極115eはGNDに接地される。また、FETセンサ600aのドレイン電極113aとFET600bのドレイン電極113bは、FET600c及びFET600dにより形成されるカレントミラー回路の第3のソース電極115c及び第4のソース電極115dにそれぞれ接続される。このように形成されたバイオセンサ600は、差動増幅器として機能し、FETセンサ600aの測定結果を電圧差としてVoutに出力することが可能となる。また、バイオセンサ600は、製造段階でバラツキのある素子を選別可能であり、差動増幅回路の良否を判定することができるため、不良品の選別も容易に実施可能となる。したがって、適正な差動増幅回路のみを用いてバイオセンサ600を製造することが可能となる。 In the biosensor 600, the first source electrode 115a of the FET sensor 600a of the biosensing unit connected in parallel and the source electrode 115b of the second FET 600b are connected to the fifth drain electrode 113e of the FET 600e. The source electrode 115e of the FET 600e is grounded to GND. Further, the drain electrode 113a of the FET sensor 600a and the drain electrode 113b of the FET 600b are connected to the third source electrode 115c and the fourth source electrode 115d of the current mirror circuit formed by the FET 600c and FET 600d, respectively. The biosensor 600 formed in this way functions as a differential amplifier, and can output the measurement result of the FET sensor 600a to Vout as a voltage difference. In addition, since the biosensor 600 can select elements having variations at the manufacturing stage and can determine the quality of the differential amplifier circuit, it is possible to easily select defective products. Therefore, the biosensor 600 can be manufactured using only an appropriate differential amplifier circuit.

バイオセンサ600を用いた測定を行う場合、FETセンサ600aにドレイン電極113a及びソース電極115aと絶縁され、接地された参照電極117を用いる。また、FET600c及びFET600dの第3のドレイン電極113c及び第4のドレイン電極113dに電源193aに接続し、FET600eの第5のソース電極115eに電流計195を接続する。なお、バイオセンサ600がエンハンスメント型である場合は、参照電極117に電源193bを接続する。被測定物が含まれる試料を測定領域191に添加し、電源電圧VDDを印加しつつ、FET600bの第2のゲート電極111bには一定の電圧VDD/2を印加し、FETセンサ600aの第1のゲート電極111aに0VからVDDの電圧をスイープさせて出力電流Ioutを測定する。このとき、参照電極117を介して試料に可変電圧Vを印加すると、図8(b)に示すように、被測定物の電気特性に応じてイオン感応膜151に生ずる電位の変化により、活性層131aに形成されるチャネル領域が変化し、検出されるIoutはVDD/2を中心とした特性が左右どちらかにシフトする。なお、バイオセンサ600において、試料自身の電位により活性層131にチャネルが形成されドレイン電極113とソース電極115との間に流れる電流を測定することができる場合は、参照電極117を用いないようにすることも可能である。 When measurement using the biosensor 600 is performed, a reference electrode 117 that is insulated from the drain electrode 113a and the source electrode 115a and grounded is used for the FET sensor 600a. The power source 193a is connected to the third drain electrode 113c and the fourth drain electrode 113d of the FET 600c and FET 600d, and the ammeter 195 is connected to the fifth source electrode 115e of the FET 600e. When the biosensor 600 is an enhancement type, the power source 193b is connected to the reference electrode 117. A sample including the object to be measured is added to the measurement region 191, and while applying the power supply voltage V DD , a constant voltage V DD / 2 is applied to the second gate electrode 111 b of the FET 600 b, and the first voltage of the FET sensor 600 a is applied. The output current I out is measured by sweeping a voltage from 0 V to V DD to one gate electrode 111a. At this time, if through the reference electrode 117 for applying a variable voltage V G to the sample, as shown in FIG. 8 (b), the change in potential occurring in the ion-selective membrane 151 in accordance with the electrical characteristics of the object to be measured, the activity The channel region formed in the layer 131a changes, and the characteristic of the detected I out centered around V DD / 2 is shifted to the left or right. Note that in the biosensor 600, when the channel is formed in the active layer 131 by the potential of the sample itself and the current flowing between the drain electrode 113 and the source electrode 115 can be measured, the reference electrode 117 is not used. It is also possible to do.

バイオセンサ600には、上述した実施形態2及び実施形態3の構成を適用することもできる。すなわち、バイオセンサ600の活性層131の上部にフローティング電極217、イオン感応膜151を順次積層し、フローティング電極317を引き出して配置してもよい。また、バイオセンサ600のイオン感応膜151の上部に親和層455を配設してもよい。 The configuration of the second embodiment and the third embodiment described above can also be applied to the biosensor 600. That is, the floating electrode 217 and the ion sensitive film 151 may be sequentially stacked on the active layer 131 of the biosensor 600, and the floating electrode 317 may be drawn out. In addition, an affinity layer 455 may be disposed on the ion sensitive film 151 of the biosensor 600.

本実施形態に係るバイオセンサは、差動増幅回路を有し、バイオセンシング部のFETセンサの測定結果を電圧差として出力電圧を得ることができる。また、本実施形態に係るバイオセンサは、製造段階で差動増幅回路の良否を判定することができるため、高精度のバイオセンサを提供することができる。 The biosensor according to the present embodiment has a differential amplifier circuit, and can obtain an output voltage using the measurement result of the FET sensor of the biosensing unit as a voltage difference. Moreover, since the biosensor according to the present embodiment can determine the quality of the differential amplifier circuit at the manufacturing stage, a highly accurate biosensor can be provided.

(実施形態6)
本実施形態においては、インバータ回路の1つのFETをFETセンサに用いたバイオセンサ700について説明する。図9は本発明の実施形態6に係るバイオセンサ700の回路図である。なお、図9の左図と右図は、FETセンサ700aとFET700bの配置を逆にした例である。
(Embodiment 6)
In the present embodiment, a biosensor 700 using one FET of an inverter circuit as an FET sensor will be described. FIG. 9 is a circuit diagram of a biosensor 700 according to Embodiment 6 of the present invention. Note that the left diagram and the right diagram in FIG. 9 are examples in which the arrangements of the FET sensors 700a and 700b are reversed.

本実施形態に係るバイオセンサ700は、同一の基材101の素子形成面に2つの素子、FETセンサ700a及びFET700bからなる少なくとも1組のISFETを有する。FETセンサ700aと、FET700bとは、FETセンサ500aと、FET500bと同様の構造あるため、詳細は省略する。図示しないが、FETセンサ700a及びFET700bは、それぞれゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141を順次積層した逆スタガ型の構造を有する。FETセンサ700aには保護膜141に代わり、第1の半導体膜である活性層131の上部にイオン感応膜151が配設され、保護膜141及びイオン感応膜151の上部に測定領域191を配設するため、保護膜141の上部に隔壁161がさらに配設される。 The biosensor 700 according to the present embodiment has at least one ISFET including two elements, the FET sensor 700a and the FET 700b, on the element forming surface of the same base material 101. Since the FET sensor 700a and the FET 700b have the same structure as the FET sensor 500a and the FET 500b, the details are omitted. Although not shown, each of the FET sensors 700a and 700b has an inverted staggered structure in which a gate electrode 111, a gate insulating film 121, an active layer 131, a drain electrode 113 and a source electrode 115, and a protective film 141 are sequentially stacked. In the FET sensor 700a, instead of the protective film 141, an ion sensitive film 151 is disposed on the active layer 131 that is the first semiconductor film, and a measurement region 191 is disposed on the protective film 141 and the ion sensitive film 151. Therefore, a partition wall 161 is further disposed on the protective film 141.

FETセンサ700a及びFET700bのゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141は、一体形成され、それぞれの材料は、実施形態1で説明した材料を適用することができるため、説明は省略する。 The gate electrode 111, the gate insulating film 121, the active layer 131, the drain electrode 113 and the source electrode 115, and the protective film 141 of the FET sensors 700a and 700b are integrally formed, and the materials described in the first embodiment are applied as the respective materials. Therefore, the description is omitted.

バイオセンサ700は、バイオセンシング部のFETセンサ700aとFET700bとが直列に接続する。このように形成されたバイオセンサ700は、インバータとして機能し、FETセンサ700aの測定結果を出力電圧として検知することが可能となる。 In the biosensor 700, the FET sensor 700a and the FET 700b of the biosensing unit are connected in series. The biosensor 700 formed in this manner functions as an inverter and can detect the measurement result of the FET sensor 700a as an output voltage.

バイオセンサ700を用いた測定を行う場合、FETセンサ700aに第1のドレイン電極113a及び第1のソース電極115aと絶縁された参照電極117を用いる。また、バイオセンサ700の上流側にあるFETセンサ700aまたはFET700bのドレイン電極113に電源193aに接続し、バイオセンサ700の下流側にあるFETセンサ700aまたはFET700bのソース電極115に電流計195を接続する。なお、バイオセンサ700がエンハンスメント型である場合は、参照電極117に電源193bを接続する。被測定物が含まれる試料を測定領域191に添加し、ドレイン電極113aとソース電極115aとの間に0.1V〜1V程度の電圧VDSを印加しつつ、参照電極117を介して試料に可変電圧Vを印加する。このとき、被測定物の電気特性に応じてイオン感応膜151に生ずる電位の変化により、活性層131aに形成されるチャネル領域が変化し、ドレイン電流Iの変化が検出される。なお、バイオセンサ700において、試料自身の電位により活性層131にチャネルが形成されドレイン電極113aとソース電極115bとの間に流れる電流を測定することができる場合は、参照電極117を用いないようにすることも可能である。 When measurement using the biosensor 700 is performed, a reference electrode 117 insulated from the first drain electrode 113a and the first source electrode 115a is used for the FET sensor 700a. Further, the power source 193a is connected to the drain electrode 113 of the FET sensor 700a or FET 700b on the upstream side of the biosensor 700, and the ammeter 195 is connected to the source electrode 115 of the FET sensor 700a or FET 700b on the downstream side of the biosensor 700. . When the biosensor 700 is an enhancement type, the power source 193b is connected to the reference electrode 117. Adding a sample containing the object to be measured in the measurement region 191, while applying a voltage V DS of about 0.1V~1V between the drain electrode 113a and the source electrode 115a, the variable in the sample through the reference electrode 117 applying a voltage V G. At this time, the channel region formed in the active layer 131a changes due to the change in potential generated in the ion sensitive film 151 in accordance with the electrical characteristics of the object to be measured, and the change in the drain current ID is detected. Note that in the biosensor 700, when a channel is formed in the active layer 131 by the potential of the sample itself and a current flowing between the drain electrode 113a and the source electrode 115b can be measured, the reference electrode 117 is not used. It is also possible to do.

バイオセンサ700には、上述した実施形態2及び実施形態3の構成を適用することもできる。すなわち、バイオセンサ700の活性層131の上部にフローティング電極217、イオン感応膜151を順次積層し、フローティング電極317を引き出して配置してもよい。また、バイオセンサ700のイオン感応膜151の上部に親和層455を配設してもよい。 The configuration of the second embodiment and the third embodiment described above can also be applied to the biosensor 700. That is, the floating electrode 217 and the ion sensitive film 151 may be sequentially stacked on the active layer 131 of the biosensor 700, and the floating electrode 317 may be drawn out. Further, the affinity layer 455 may be disposed on the ion sensitive film 151 of the biosensor 700.

本実施形態に係るバイオセンサは、インバータ回路の一部にバイオセンシン部を設けることで、バイオセンシング部のFETセンサの測定結果を出力電圧として検知することができる。 The biosensor according to the present embodiment can detect the measurement result of the FET sensor of the biosensing unit as an output voltage by providing the biosensing unit in a part of the inverter circuit.

(実施形態7)
本実施形態においては、リングオシレータの各インバータ回路の1つのFETをFETセンサに用いたバイオセンサ800について説明する。図10は本発明の実施形態7に係るバイオセンサ800の回路図である。
(Embodiment 7)
In this embodiment, a biosensor 800 using one FET of each inverter circuit of a ring oscillator as an FET sensor will be described. FIG. 10 is a circuit diagram of a biosensor 800 according to Embodiment 7 of the present invention.

本実施形態に係るバイオセンサ800は、同一の基材101の素子形成面に2つの素子、FETセンサ800a及びFET800bからなる複数の組のISFETを有する。FETセンサ800aとFET800bとは、FETセンサ500aとFET500bと同様の構造あるため、詳細は省略する。図示しないが、FETセンサ800a及びFET800bは、それぞれゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、第1のドレイン電極113a及び第1のソース電極115b、保護膜141を順次積層した逆スタガ型の構造を有する。FETセンサ800aには保護膜141に代わり、活性層131aの上部にイオン感応膜151が配設され、保護膜141及びイオン感応膜151の上部に測定領域191を配設するため、保護膜141の上部に隔壁161がさらに配設される。 The biosensor 800 according to the present embodiment has a plurality of sets of ISFETs including two elements, an FET sensor 800a and an FET 800b, on the element forming surface of the same base material 101. Since the FET sensor 800a and the FET 800b have the same structure as the FET sensor 500a and the FET 500b, the details are omitted. Although not shown, each of the FET sensors 800a and 800b includes an inverted staggered type in which a gate electrode 111, a gate insulating film 121, an active layer 131, a first drain electrode 113a and a first source electrode 115b, and a protective film 141 are sequentially stacked. It has a structure. In the FET sensor 800a, instead of the protective film 141, an ion sensitive film 151 is disposed on the active layer 131a, and a measurement region 191 is disposed on the protective film 141 and the ion sensitive film 151. A partition wall 161 is further disposed on the top.

FETセンサ800a及びFET800bのゲート電極111、ゲート絶縁膜121、活性層131、ドレイン電極113及びソース電極115、保護膜141は、一体形成され、それぞれの材料は、実施形態1で説明した材料を適用することができるため、説明は省略する。 The gate electrode 111, the gate insulating film 121, the active layer 131, the drain electrode 113 and the source electrode 115, and the protective film 141 of the FET sensor 800a and the FET 800b are integrally formed, and the materials described in the first embodiment are applied as the respective materials. Therefore, the description is omitted.

バイオセンサ800は、バイオセンサ700と同様に、バイオセンシング部のFETセンサ800aとFET800bとが直列に接続した奇数個のインバータ回路を有し、奇数個のインバータ回路が環状に接続される。インバータ回路のFETセンサ800aとFET800bとの接続端が隣接するインバータ回路のFETセンサ800aまたはFET800bの何れか一方のゲート電極111に接続する構成である。バイオセンサ800は、全てのFETセンサ800aで1つの試料を測定するため、測定領域191は共通した1つの領域として形成してもよく、複数形成して同一の試料を分注してもよい。また、測定領域191を1つとした場合は、参照電極117は1つでもよい。なお、バイオセンサ800は、実施形態6で説明したバイオセンサ700と同様に、FETセンサ800aとFET800bの配置を逆にしてもよい。なお、バイオセンサ800において、試料自身の電位により活性層131にチャネルが形成されドレイン電極113aとソース電極115bとの間に流れる電流を測定することができる場合は、参照電極117を用いないようにすることも可能である。 Similarly to the biosensor 700, the biosensor 800 has an odd number of inverter circuits in which FET sensors 800a and 800b of the biosensing unit are connected in series, and the odd number of inverter circuits are connected in a ring shape. The connection terminal of the FET sensor 800a and FET 800b of the inverter circuit is connected to the gate electrode 111 of either the FET sensor 800a or FET 800b of the adjacent inverter circuit. Since the biosensor 800 measures one sample by all the FET sensors 800a, the measurement region 191 may be formed as one common region, or a plurality of the measurement regions 191 may be formed and the same sample may be dispensed. In addition, when the number of measurement regions 191 is one, the number of reference electrodes 117 may be one. In the biosensor 800, the arrangement of the FET sensor 800a and the FET 800b may be reversed as in the biosensor 700 described in the sixth embodiment. Note that in the biosensor 800, when the channel is formed in the active layer 131 by the potential of the sample itself and the current flowing between the drain electrode 113a and the source electrode 115b can be measured, the reference electrode 117 is not used. It is also possible to do.

このように形成されたバイオセンサ800は発振し、液体試料の特性を発振周波数の違いとして検知することが可能となる。具体的には、後述する実施例に示すように、液体試料のpH等を発振周波数の違いとして検知することができる。 The biosensor 800 formed in this manner oscillates, and the characteristics of the liquid sample can be detected as a difference in oscillation frequency. Specifically, as shown in the examples described later, the pH and the like of the liquid sample can be detected as a difference in oscillation frequency.

バイオセンサ800には、上述した実施形態2及び実施形態3の構成を適用することもできる。すなわち、バイオセンサ800の活性層131の上部にフローティング電極217、イオン感応膜151を順次積層し、フローティング電極317を引き出して配置してもよい。また、バイオセンサ600のイオン感応膜151の上部に親和層455を配設してもよい。 The configuration of the second embodiment and the third embodiment described above can also be applied to the biosensor 800. That is, the floating electrode 217 and the ion sensitive film 151 may be sequentially stacked on the active layer 131 of the biosensor 800, and the floating electrode 317 may be drawn out. In addition, an affinity layer 455 may be disposed on the ion sensitive film 151 of the biosensor 600.

本実施形態に係るバイオセンサは、リングオシレータの各インバータ回路の1つのFETをFETセンサとして用いることにより、発振周波数の違いでバイオセンシング部のFETセンサの測定結果を検知することができる。 The biosensor according to the present embodiment can detect the measurement result of the FET sensor of the biosensing unit based on the difference in oscillation frequency by using one FET of each inverter circuit of the ring oscillator as the FET sensor.

上述した本発明に係るバイオセンサを用いた測定について、具体例を挙げて以下に説明する。なお、以下に示す実施例は一例であって、本発明に係るバイオセンサは以下の実施例に限定されるものではない。 The measurement using the biosensor according to the present invention described above will be described below with a specific example. In addition, the Example shown below is an example, The biosensor which concerns on this invention is not limited to a following example.

(FETセンサのシミュレーション)
実施例1として実施形態1で説明したバイオセンサ100を用いたシミュレーションを行った。図11はバイオセンサ100の特性を示す図であり、横軸は参照電極117の電圧を示し、横軸は出力される電流を示す。シミュレーションは、バイオセンサ100のゲート電極111、ドレイン電極113及びソース電極115に電圧を印加した回路特性、測定領域191内に試料としてpH3.3、pH6.7及びpH10の溶液を添加し、参照電極に電圧を印加した場合の特性について行った。
(FET sensor simulation)
As Example 1, a simulation using the biosensor 100 described in Embodiment 1 was performed. FIG. 11 is a diagram illustrating the characteristics of the biosensor 100. The horizontal axis indicates the voltage of the reference electrode 117, and the horizontal axis indicates the output current. In the simulation, a circuit characteristic in which voltages are applied to the gate electrode 111, the drain electrode 113, and the source electrode 115 of the biosensor 100, a solution of pH 3.3, pH 6.7, and pH 10 is added as a sample in the measurement region 191, and The characteristics when a voltage was applied to were measured.

図11から明らかなように、バイオセンサ100に印加した電圧と出力電流とは、閾値電圧以上では正の相関を示し、試料中のpHが高くなるに連れて、出力電流が低下する。このシミュレーション結果は、本発明に係るバイオセンサが試料のpHを精度よく測定可能であることを示す。 As is clear from FIG. 11, the voltage applied to the biosensor 100 and the output current have a positive correlation above the threshold voltage, and the output current decreases as the pH in the sample increases. This simulation result shows that the biosensor according to the present invention can accurately measure the pH of the sample.

(カレントミラー型のバイオセンサのシミュレーション)
実施例2として実施形態4で説明したバイオセンサ500を用いたシミュレーションを行った。図12は、シミュレーションに用いた本発明に係るバイオセンサ500の回路図である。シミュレーションは、閾値電圧Vthを0.15V/pHとし、バイオセンサ500のゲート電極111、ドレイン電極113及びソース電極115に電圧を印加した回路特性、測定領域191内に試料としてpH3.3、pH6.7及びpH10の溶液を添加し、参照電極に電圧を印加した場合の特性について行なった。図13は、入力電流と出力電流のシミュレーション結果を示す図である。バイオセンサ500は、入力電流と出力電流とが正の相関を示し、試料のpHが高くなるに連れて、出力電流が低下することが分かる。
(Simulation of current mirror type biosensor)
As Example 2, a simulation using the biosensor 500 described in Embodiment 4 was performed. FIG. 12 is a circuit diagram of the biosensor 500 according to the present invention used for the simulation. In the simulation, the threshold voltage Vth is set to 0.15 V / pH, voltage characteristics are applied to the gate electrode 111, the drain electrode 113, and the source electrode 115 of the biosensor 500, and the sample in the measurement region 191 is pH 3.3, pH 6. 7 and pH 10 solutions were added, and the characteristics when a voltage was applied to the reference electrode were measured. FIG. 13 is a diagram illustrating simulation results of input current and output current. The biosensor 500 shows a positive correlation between the input current and the output current, and it can be seen that the output current decreases as the pH of the sample increases.

図14は、試料のpHと出力電流との関係を示すシミュレーション結果である。横軸は試料のpHを示し、縦軸は出力電流を示す。pHと出力電流とは、線形の負の相関を示した。これらのシミュレーション結果は、本発明に係るバイオセンサが試料のpHを精度よく測定可能であることを示す。 FIG. 14 is a simulation result showing the relationship between the pH of the sample and the output current. The horizontal axis indicates the pH of the sample, and the vertical axis indicates the output current. The pH and output current showed a linear negative correlation. These simulation results indicate that the biosensor according to the present invention can accurately measure the pH of the sample.

(リングオシレータ型のバイオセンサのシミュレーション)
の実施例3として、実施形態7で説明したバイオセンサ800を用いたシミュレーションを行った。シミュレーションは、バイオセンサ800のゲート電極111、ドレイン電極113及びソース電極115に電圧を印加した回路特性、測定領域191内に試料としてpH2.5、pH5及びpH10の溶液を添加し、参照電極に電圧を印加した場合の特性について行った。図15(a)はシミュレーションに用いた本発明に係るバイオセンサ800の1つのインバータ回路を示す回路図であり、図15(b)は代表的なpHにおける周波数を示す表であり、図15(c)はpHとリングオシレータ周波数特性を示す図である。図15(c)において、横軸は試料のpHを示し、縦軸はリングオシレータ周波数を示す。また、図16は代表的なpHにおけるリングオシレータ周波数特性を示す図であり、横軸は経過時間(秒)を示し、縦軸は電圧を示す。
(Simulation of ring oscillator type biosensor)
As Example 3, a simulation using the biosensor 800 described in Embodiment 7 was performed. In the simulation, circuit characteristics in which voltages are applied to the gate electrode 111, the drain electrode 113, and the source electrode 115 of the biosensor 800, a solution of pH 2.5, pH 5, and pH 10 is added as a sample in the measurement region 191, and the voltage is applied to the reference electrode. The characteristics were measured when applied. FIG. 15 (a) is a circuit diagram showing one inverter circuit of the biosensor 800 according to the present invention used for the simulation, and FIG. 15 (b) is a table showing frequencies at typical pHs. c) is a diagram showing pH and ring oscillator frequency characteristics. In FIG.15 (c), a horizontal axis shows the pH of a sample and a vertical axis | shaft shows a ring oscillator frequency. FIG. 16 is a diagram showing the ring oscillator frequency characteristics at a typical pH, in which the horizontal axis represents elapsed time (seconds) and the vertical axis represents voltage.

シミュレーション結果から、pHとリングオシレータ周波数特性とは、線形の負の相関を示した。これらのシミュレーション結果は、本発明に係るバイオセンサが試料のpHを精度よく測定可能であることを示す。 From the simulation results, pH and ring oscillator frequency characteristics showed a linear negative correlation. These simulation results indicate that the biosensor according to the present invention can accurately measure the pH of the sample.

以上説明したように、本発明に係るバイオセンサは、逆スタガ型の構造を有し、活性層の上部に保護層に代わってイオン感応膜を形成することで、FETの各電極を自由に設定でき、FETセンサのバックゲートにバイオセンシング部を設けることにより、ISFETをそのまま回路に組み込むことを可能にする。また、本発明に係るバイオセンサは、活性層や電極を透明することにより、バイオセンシング部の試料を顕微鏡等で観察することを可能とし、被測定物の高精度な検出を可能にするものである。 As described above, the biosensor according to the present invention has an inverted staggered structure and can freely set each electrode of the FET by forming an ion-sensitive film on the active layer instead of the protective layer. In addition, by providing a biosensing unit at the back gate of the FET sensor, the ISFET can be incorporated into the circuit as it is. In addition, the biosensor according to the present invention makes it possible to observe the sample of the biosensing unit with a microscope or the like by making the active layer and the electrode transparent, and enables highly accurate detection of the object to be measured. is there.

100 バイオセンサ
101 基材
111 ゲート電極
111a ゲート電極
111b ゲート電極
113 ドレイン電極
113a ドレイン電極
113b ドレイン電極
115 ソース電極
117 参照電極
121 ゲート絶縁膜
131 活性層
141 保護膜
151 イオン感応膜
161 隔壁
191 測定領域
193a 電源
193b 電源
193c 電源
193d 電源
195 電流計
200 バイオセンサ
217 フローティング電極
300 バイオセンサ
317 フローティング電極
400 バイオセンサ
455 親和層
500 バイオセンサ
500a FETセンサ
500b FET
600 バイオセンサ
600a FETセンサ
600b FET
600c FET
600d FET
600e FET
700 バイオセンサ
700a FETセンサ
700b FET
800 バイオセンサ
800a FETセンサ
800b FET
100 Biosensor 101 Base material 111 Gate electrode 111a Gate electrode 111b Gate electrode 113 Drain electrode 113a Drain electrode 113b Drain electrode 115 Source electrode 117 Reference electrode 121 Gate insulating film 131 Active layer 141 Protective film 151 Ion sensitive film 161 Partition 191 Measurement area 193a Power supply 193b power supply 193c power supply 193d power supply 195 ammeter 200 biosensor 217 floating electrode 300 biosensor 317 floating electrode 400 biosensor 455 affinity layer 500 biosensor 500a FET sensor 500b FET
600 Biosensor 600a FET sensor 600b FET
600c FET
600d FET
600e FET
700 Biosensor 700a FET sensor 700b FET
800 Biosensor 800a FET sensor 800b FET

Claims (15)

透明基材と、
前記透明基材上の透明な導電性材料で形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆っている透明な半導体材料で形成された半導体膜と、
前記半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及びドレイン電極をそれぞれ覆っている第1の絶縁膜と、
前記ゲート電極上の前記半導体膜に配置され、被測定物が配置される第2の絶縁膜と、
を備えるFETセンサを有することを特徴とするバイオセンサ。
A transparent substrate;
A gate electrode formed of a transparent conductive material on the transparent substrate;
A semiconductor film formed of a transparent semiconductor material covering the gate electrode;
A source electrode and a drain electrode disposed in ohmic contact with the semiconductor film,
A first insulating film covering each of the source electrode and the drain electrode;
A second insulating film disposed on the semiconductor film on the gate electrode and on which the object to be measured is disposed;
A biosensor comprising: an FET sensor comprising:
前記半導体膜上に、前記ソース電極及び前記ドレイン電極に対して第1の絶縁膜を介して配置された電極をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to claim 1, further comprising an electrode disposed on the semiconductor film with a first insulating film interposed between the source electrode and the drain electrode. 透明基材と、
前記透明基材上の透明な導電性材料で形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を覆っている透明な半導体材料で形成された半導体膜と、
前記半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及びドレイン電極をそれぞれ覆っている第1の絶縁膜と、
前記ゲート電極上の前記半導体膜から前記半導体膜の外側へ向けて引き出して配置された電極と、
前記電極上に配置され、被測定物が配置される第2の絶縁膜と、
を備えるFETセンサを有することを特徴とするバイオセンサ。
A transparent substrate;
A gate electrode formed of a transparent conductive material on the transparent substrate;
A semiconductor film formed of a transparent semiconductor material covering the gate electrode;
A source electrode and a drain electrode disposed in ohmic contact with the semiconductor film,
A first insulating film covering each of the source electrode and the drain electrode;
An electrode arranged to be drawn out from the semiconductor film on the gate electrode toward the outside of the semiconductor film;
A second insulating film disposed on the electrode and on which the object to be measured is disposed;
A biosensor comprising: an FET sensor comprising:
少なくとも前記第2の絶縁膜における前記被測定物が配置される周囲に配置された隔壁を備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a partition wall disposed around at least the device to be measured in the second insulating film. 前記ソース電極及びドレイン電極と絶縁され、且つ、前記被測定物に可変電圧を印加する参照電極を備えることを特徴とする請求項1乃至4の何れか一に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to claim 1, further comprising a reference electrode that is insulated from the source electrode and the drain electrode and applies a variable voltage to the object to be measured. 前記第2の絶縁膜上に親水性を有する親水性領域を設けたことを特徴とする請求項1乃至の何れか一に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a hydrophilic region having a hydrophilic on the second insulating film. 前記第2の絶縁膜は、イオン感応膜であることを特徴とする請求項1乃至の何れか一に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to any one of claims 1 to 6 , wherein the second insulating film is an ion-sensitive film. 透明基材と、
前記透明基材を覆っている透明な導電性材料で形成された第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極上の透明な半導体材料で形成された第1の半導体膜と、
前記第1の半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置された第1のソース電極及び第1のドレイン電極と、
前記第1のソース電極及び第のドレイン電極をそれぞれ覆っている第1の絶縁膜と、
前記第1のゲート電極上の前記第1の半導体膜に配置され、被測定物が配置される第2の絶縁膜と、
を備えるFETセンサと、
前記透明基材上の第2のゲート電極と、
前記第2のゲート電極を覆っている第2の半導体膜と、
前記第2の半導体膜にそれぞれオーミック接触して配置された第2のソース電極及び第2のドレイン電極と、
を備えるFETと、
を有することを特徴とするバイオセンサ。
A transparent substrate;
A first gate electrode formed of a transparent conductive material covering the transparent substrate;
A first semiconductor film formed of a transparent semiconductor material on the first gate electrode;
A first source electrode and a first drain electrode disposed in ohmic contact with the first semiconductor film,
A first insulating film covering each of the first source electrode and the first drain electrode;
A second insulating film disposed on the first semiconductor film on the first gate electrode and on which a device under test is disposed;
An FET sensor comprising:
A second gate electrode on the transparent substrate;
A second semiconductor film covering the second gate electrode;
A second source electrode and a second drain electrode disposed in ohmic contact with the second semiconductor film,
FET comprising:
A biosensor comprising:
前記FETセンサ及び前記FETは、カレントミラー回路を構成することを特徴とする請求項に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to claim 8 , wherein the FET sensor and the FET constitute a current mirror circuit. 前記FETセンサ及び前記FETは、インバータ回路を構成することを特徴とする請求項に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to claim 9 , wherein the FET sensor and the FET constitute an inverter circuit. 前記インバータ回路を複数有し、前記複数のインバータ回路を直列に接続することによりリングオシレータ回路を構成することを特徴とする請求項10に記載のバイオセンサ。 11. The biosensor according to claim 10 , wherein a ring oscillator circuit is configured by having a plurality of the inverter circuits and connecting the plurality of inverter circuits in series. 少なくとも前記第2の絶縁膜における前記生体関連物質が配置される周囲に配置された隔壁を備えることを特徴とする請求項乃至11の何れか一に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to any one of claims 8 to 11 , further comprising a partition wall disposed around at least the biological substance in the second insulating film. 前記第1のソース電極及び第1のドレイン電極と絶縁され、且つ、前記被測定物に可変電圧を印加する参照電極を備えることを特徴とする請求項乃至12の何れか一に記載のバイオセンサ。 Insulated from the first source electrode and first drain electrode, and the described comprise a reference electrode for applying a variable voltage to any one of claims 8 to 12, wherein the object to be measured bio Sensor. 前記第2の絶縁膜上に親水性を有する親水性領域を設けたことを特徴とする請求項乃至13の何れか一に記載のバイオセンサ。 The biosensor according to any one of claims 8 to 13, characterized in that a hydrophilic region having a hydrophilic on the second insulating film. 前記第2の絶縁膜は、イオン感応膜であることを特徴とする請求項乃至14の何れか一に記載のバイオセンサ。 The second insulating film, biosensor according to any one of claims 8 to 14, characterized in that the ion sensitive membrane.
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