JP5531886B2 - Biosensor system - Google Patents

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Description

本発明は、バイオセンサと当該バイオセンサからの出力に基づいて所定の処理を実行する電子回路を備えたバイオセンサシステムに関する。   The present invention relates to a biosensor system including a biosensor and an electronic circuit that executes predetermined processing based on an output from the biosensor.

近年、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、または、食品若しくは環境モニタ等の目的で、DNA、糖鎖、たんぱく質等の生体関連物質の検査をするための種々の方法が開発されており、特に、電気的な信号によって生体分子(biomolecule)を検出するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とMEMS(Micro Electro Mechanical System)の接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor、以下、「FET」ともいう。)を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて多くの研究が為されている。   In recent years, various methods have been developed for testing biologically relevant substances such as DNA, sugar chains, and proteins for the purpose of disease diagnosis, detection of individual differences in drug metabolism, or food or environmental monitoring. In particular, research on biosensors that detect biomolecules using electrical signals is in progress. Recently, a field effect transistor (hereinafter also referred to as “FET”) is used from the viewpoint that electrical signal conversion is fast and the connection between an integrated circuit and a MEMS (Micro Electro Mechanical System) is easy. Much research has been done on biosensors that are used to detect biological responses.

FETを用いたバイオセンサは、MOSFETからゲート電極を除去し、絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造を有しており、「ISFET(Ion Sensitive FET)」と呼ばれている。そして、このISFETは、イオン感応膜に酸化還元酵素、各種タンパク質、DNA、抗原または抗体などを配置することによって、各種バイオセンサとして機能するようになっている(例えば、特許文献1)。   A biosensor using an FET has a structure in which a gate electrode is removed from a MOSFET and an ion-sensitive film is deposited on an insulating film, and is called “ISFET (Ion Sensitive FET)”. And this ISFET functions as various biosensors by disposing oxidoreductases, various proteins, DNA, antigens or antibodies on the ion sensitive membrane (for example, Patent Document 1).

また、同一基板上に複数の絶縁領域を設け、それぞれの絶縁領域上にイオン感応膜を分離形成されたISFET(マルチISFET)も知られている(例えば、特許文献2)。   Also known is an ISFET (multi-ISFET) in which a plurality of insulating regions are provided on the same substrate, and an ion sensitive film is separately formed on each insulating region (for example, Patent Document 2).

特開2007−108160号公報JP 2007-108160 A 特公平5−44986号公報Japanese Patent Publication No. 5-44986

しかしながら、特許文献1または2に記載のバイオセンサにあっては、イオン感応膜の面積に合わせてソース電極またはドレイン電極などの関連する部分を形成させる必要があるため、イオン感応膜の面積を大きくする場合には、その他の関連部分も大きくする必要があり、安価に作製することができない。また、特許文献1または2に記載のバイオセンサにあっては、ISFETとして機能するためのソース電極及びドレイン電極その他の回路素子または当該回路素子を含んだ回路をイオン感応膜とともに基材上に作り込まなければならないので、回路素子または当該回路素子を含んだ回路が動作不良の場合には、バイオセンサ自体が不良となってしまい、歩留まりを向上させることができず、結果的に製造コストが増大する。   However, in the biosensor described in Patent Document 1 or 2, since it is necessary to form a related part such as a source electrode or a drain electrode in accordance with the area of the ion sensitive film, the area of the ion sensitive film is increased. In this case, other related parts need to be enlarged and cannot be manufactured at low cost. In addition, in the biosensor described in Patent Document 1 or 2, a source electrode, a drain electrode and other circuit elements for functioning as an ISFET or a circuit including the circuit element is formed on a substrate together with an ion sensitive film. Therefore, when the circuit element or the circuit including the circuit element is defective, the biosensor itself is defective and the yield cannot be improved, resulting in an increase in manufacturing cost. To do.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、安価にかつ容易に被検査流体内に含まれる生体関連物質が配置される感応膜の面積を大きくすることができるとともに、歩留まりを向上させて製造コストを抑制することが可能なバイオセンサシステムを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to increase the area of the sensitive membrane on which the biological substance contained in the fluid to be inspected is easily and inexpensively arranged. Another object is to provide a biosensor system capable of improving the yield and suppressing the manufacturing cost.

(1)上記課題を解決するため、本発明のバイオセンサシステムは、基材と、前記基材上に形成されるとともに、半導体膜を有し、当該半導体膜によって形成された少なくともソース電極及びドレイン電極を備えた電子回路を有する電子回路チップと、
少なくともソース電極及びドレイン電極を備えた電子回路を有する電子回路チップと、前記電子回路チップ上に積層された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に積層された電極層と、前記電極層の上に被検査流体内に含まれる生体関連物質が配置される感応膜と、を備え、前記パッケージ化された電子回路チップにおける電子回路と前記電極層とが電気的に接続されている構成を有している。
(1) In order to solve the above-described problem, a biosensor system of the present invention includes a base material, a semiconductor film formed on the base material, and at least a source electrode and a drain formed by the semiconductor film. An electronic circuit chip having an electronic circuit with electrodes;
An electronic circuit chip having an electronic circuit having at least a source electrode and a drain electrode, an insulating film stacked on the electronic circuit chip, an electrode layer stacked on the insulating film, and an electrode layer A sensitive film on which a biological substance contained in a fluid to be inspected is disposed, and the electronic circuit in the packaged electronic circuit chip and the electrode layer are electrically connected to each other. Yes.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを用いてバイオセンサシステムとして必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜の大きさに無関係にこれらのソース電極及びドレイン電極を形成することができる。また、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを基材上に配設する前に検査を行うことによって、感応膜とともにソース電極及びドレイン電極を基材上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させることができるとともに、結果として製造コストをも抑制することができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention can form the source electrode and the drain electrode that are essential as a biosensor system using an electronic circuit chip. Therefore, the source electrode and the drain electrode are independent of the size of the sensitive film. A drain electrode can be formed. In addition, the biosensor system of the present invention performs an inspection prior to disposing the electronic circuit chip on the base material, thereby improving the yield compared to the case of incorporating the source electrode and the drain electrode together with the sensitive film on the base material. As a result, the manufacturing cost can be reduced.

(2)また、本発明のバイオセンサシステムは、前記感応膜における生体関連物質が配置される面積が、前記電子回路チップにおける当該感応膜を積層している積層面の面積よりも広い構成を有している。   (2) In addition, the biosensor system of the present invention has a configuration in which the area where the biological substance is arranged in the sensitive film is wider than the area of the laminated surface on which the sensitive film is laminated in the electronic circuit chip. doing.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、より大きな生体関連物質を検査することができるとともに、電子回路チップを用いてバイオセンサシステムとして必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜の面積に依存せずに安価に作製することができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention can inspect a larger biological material and can form an essential source electrode and drain electrode as a biosensor system using an electronic circuit chip. It can be manufactured inexpensively without depending on the area of the sensitive film.

(3)また、本発明のバイオセンサシステムは、前記感応膜に隣接して設けられ、前記被検査流体に可変電圧を印加するための参照電極を更に備え、前記パッケージ化された電子回路と前記参照電極とが電気的に接続されている構成を有している。   (3) Moreover, the biosensor system of the present invention further includes a reference electrode provided adjacent to the sensitive film for applying a variable voltage to the fluid to be inspected, and the packaged electronic circuit and the package The reference electrode is electrically connected.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、被検査流体を感応膜上に滞留させた後に参照電極を被検査流体に挿入することなく、当該被検査流体を感応膜上に滞留させれば、参照電極によって参照電圧を被検査流体に印加することができるので、検査プロセスを簡易にすることができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention can retain the fluid to be inspected on the sensitive film without inserting the reference electrode into the fluid to be inspected after the fluid to be inspected is retained on the sensitive film. Since the reference voltage can be applied to the fluid to be inspected by the reference electrode, the inspection process can be simplified.

(4)また、本発明のバイオセンサシステムは、単一の前記電子回路チップと、前記生体関連物質を個々に配置し、他の感応膜から独立して構成される複数の前記感応膜と、それぞれの感応膜に対応して形成される複数の前記電極層と、を有し、前記単一の電子回路チップと前記各電極層とが電気的に接続され、当該単一の電子回路チップには、各感応膜に配置された生体関連物質によって生じた信号が入力される、構成を有している。   (4) Moreover, the biosensor system of the present invention includes a single electronic circuit chip, a plurality of the sensitive films that are individually arranged with the biological substance and are configured independently of other sensitive films, A plurality of the electrode layers formed corresponding to the respective sensitive films, wherein the single electronic circuit chip and each of the electrode layers are electrically connected, and the single electronic circuit chip Has a configuration in which a signal generated by a biological substance disposed on each sensitive membrane is input.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、複数の生体関連物質の配置によって生じた信号を単一の電子回路チップによって処理することができるので、効率良く生体関連物質の検査を行うことができるとともに、効率的な構造により、製造コストを抑制することができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention can process a signal generated by the arrangement of a plurality of biological substances with a single electronic circuit chip, and thus can efficiently test the biological substance. At the same time, the manufacturing cost can be suppressed by an efficient structure.

(5)また、本発明のバイオセンサシステムは、前記基材には、上面に開放され、前記電子回路チップが収容される凹部が形成されている構成を有している。   (5) Moreover, the biosensor system of the present invention has a configuration in which the substrate is formed with a recess that is open on the upper surface and accommodates the electronic circuit chip.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを的確に基材上に固定することができるとともに、電極層の平坦化を容易に実現することができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention can accurately fix the electronic circuit chip on the base material, and can easily realize the flattening of the electrode layer.

(6)また、本発明のバイオセンサシステムは、前記基材が、フレキシブル基板によって形成されている構成を有している。   (6) Moreover, the biosensor system of this invention has the structure by which the said base material is formed with the flexible substrate.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、当該バイオセンサシステムに対しての配設場所を選ぶこと無くデザイン上のフレキシブル性を向上させ、かつ、装置全体の撓みにおける耐性をも向上させることができるとともに、ロールによって基材を提供することができるので、製造コストを抑制することができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention can improve design flexibility without selecting an installation location for the biosensor system, and can also improve resistance to bending of the entire apparatus. While being able to provide a base material with a roll, manufacturing cost can be suppressed.

(7)また、本発明のバイオセンサシステムは、前記基材が、透明基材によって形成されるとともに、前記電極層が、透明電極によって形成されている構成を有している。   (7) Moreover, the biosensor system of this invention has the structure by which the said base material is formed with the transparent electrode while the said base material is formed with the transparent base material.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、被検査流体の上部(基材側と反対側)から光を照射して当該感応膜に配置された生体関連物質を、基材側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができるので、被検査流体の上部から感応膜に配置された生体関連物質を観察する場合に比べて、当該生体関連物質における観察を高倍率にかつ的確に行うことができるとともに、生体関連物質の電気的特性の検出と当該生体関連物質における高倍率の観察とを両立させることができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention is configured to irradiate light from the upper part of the fluid to be inspected (on the side opposite to the base material side) and to dispose the biological substance disposed on the sensitive film from the base material side to the microscope or other Since it can be observed with an optical observation device, it is possible to accurately and accurately observe the biological substance, compared to the case of observing the biological substance disposed on the sensitive film from the upper part of the fluid to be inspected. In addition, the detection of the electrical characteristics of the biological substance and the high-magnification observation of the biological substance can be made compatible.

(8)また、本発明のバイオセンサシステムは、前記パッケージ化された電子回路チップには、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路の少なくとも何れか一つの回路が含まれる構成を有している。   (8) In the biosensor system of the present invention, the packaged electronic circuit chip includes a signal amplification circuit, a current-voltage conversion circuit, a frequency conversion circuit, a differentiation circuit, an integration circuit, an analog-digital conversion circuit, It has a configuration including at least one of a memory circuit, a digital logic operation circuit, and a digital control circuit.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、生体関連物質から検出された信号を、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路に用いることができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention uses a signal amplification circuit, a current-voltage conversion circuit, a frequency conversion circuit, a differentiation circuit, an integration circuit, an analog-digital conversion circuit, and a memory circuit to detect a signal detected from a biological substance. It can be used for a digital logic operation circuit or a digital control circuit.

(9)また、本発明のバイオセンサシステムは、前記電子回路チップには、前記電子回路の動作を検査するための端子が設けられている、構成を有している。   (9) The biosensor system of the present invention has a configuration in which the electronic circuit chip is provided with a terminal for inspecting the operation of the electronic circuit.

この構成により、本発明のバイオセンサシステムは、電子回路チップを基材上に配設する前に検査を行うことができるとともに、感応膜とともにソース電極及びドレイン電極を基材上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させること、及び、その結果として製造コストをも抑制することができる。   With this configuration, the biosensor system of the present invention can perform an inspection before disposing the electronic circuit chip on the base material, and also compared with the case where the source electrode and the drain electrode are incorporated on the base material together with the sensitive film. Thus, the yield can be improved, and as a result, the manufacturing cost can be suppressed.

本発明に係るバイオセンサシステムは、感応膜の大きさに無関係にこれらのソース電極及びドレイン電極を形成することができるとともに、感応膜とともにソース電極及びドレイン電極を基材上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させることができるとともに、結果として製造コストをも抑制することができる。   The biosensor system according to the present invention can form the source electrode and the drain electrode regardless of the size of the sensitive film, and compared with the case where the source electrode and the drain electrode are incorporated on the substrate together with the sensitive film. The yield can be improved and the manufacturing cost can be suppressed as a result.

本発明に係るバイオセンサシステムの第1実施形態における断面図である。It is sectional drawing in 1st Embodiment of the biosensor system which concerns on this invention. 第1実施形態におけるバイオセンサシステムのICチップの内部構造を示す断面図及び上面図の例である。It is the example of sectional drawing and the top view which show the internal structure of the IC chip of the biosensor system in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるバイオセンサシステムの動作原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of operation of the biosensor system in 1st Embodiment. 第1実施形態のバイオセンサシステムにおける変形例の断面図である。It is sectional drawing of the modification in the biosensor system of 1st Embodiment. 本発明に係るバイオセンサシステムの第2実施形態における断面図である。It is sectional drawing in 2nd Embodiment of the biosensor system which concerns on this invention. 第2実施形態におけるバイオセンサシステムの動作原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation principle of the biosensor system in 2nd Embodiment. 本発明に係るバイオセンサシステムの第3実施形態における上面図である。It is a top view in 3rd Embodiment of the biosensor system which concerns on this invention. 第3実施形態のバイオセンサシステムにおける回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure in the biosensor system of 3rd Embodiment. 第3実施形態のバイオセンサシステムにおける変形例の断面図である。It is sectional drawing of the modification in the biosensor system of 3rd Embodiment. 本発明に係るバイオセンサシステムの第4実施形態における各セルの回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit structure of each cell in 4th Embodiment of the biosensor system which concerns on this invention.

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

なお、以下に説明する実施形態は、感応膜上に配置された被検査流体に含まれるサンプル、すなわち、細胞、DNA、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質からの信号を検出する構造を有するISFETを用いたバイオセンサシステムであって、パッケージ化された電子回路を有するICチップが組み込まれたバイオセンサシステムに、本発明のバイオセンサシステムを適用した場合の実施形態である。また、以下の実施形態のバイオセンサシステムにおいては、感応膜とICチップ内に組み込まれたソース電極及びドレイン電極によって、擬トップゲートボトムコンタクトのISFETを構成する。   In the embodiment described below, the ISFET having a structure for detecting a signal from a sample contained in a fluid to be inspected arranged on a sensitive film, that is, a biological substance such as a cell, DNA, sugar chain, or protein. This is an embodiment in which the biosensor system of the present invention is applied to a biosensor system using an IC, in which an IC chip having a packaged electronic circuit is incorporated. In the biosensor system of the following embodiment, a pseudo top gate bottom contact ISFET is constituted by the sensitive film and the source electrode and drain electrode incorporated in the IC chip.

[第1実施形態]
はじめに、図1及び図2を用いて本発明に係るバイオセンサシステム100の第1実施形態について説明する。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of a biosensor system 100 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

(バイオセンサシステムの構成)
次に、図1及び図2を用いて本実施形態のバイオセンサシステム100における構成について説明する。なお、図1は、本実施形態のバイオセンサシステム100の断面図であり、図2は、ICチップ200の内部構造を示す断面図及び構造図の例である。
(Configuration of biosensor system)
Next, the configuration of the biosensor system 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a cross-sectional view of the biosensor system 100 of the present embodiment, and FIG.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、図1に示すように、基材110と、基材110上に積層されたポリマー層120と、ポリマー層120上に形成されたICチップ200と、ICチップ200を被覆するとともにポリマー層120に積層される絶縁層130と、絶縁層130に積層される電極層140と、電極層140上に積層され、参照電極400の印加と配置されたサンプル300に基づいて信号を検出するための感応膜150と、感応膜150の両端に形成され、当該感応膜150上にサンプル300が含まれる水溶液または培養液などの被検査流体を滞留させるための隔壁160と、を有している。   As shown in FIG. 1, the biosensor system 100 of the present embodiment includes a base 110, a polymer layer 120 stacked on the base 110, an IC chip 200 formed on the polymer layer 120, and an IC chip. 200 based on insulating layer 130 that is laminated on polymer layer 120, electrode layer 140 that is laminated on insulating layer 130, and sample 300 that is laminated on electrode layer 140 and applied with reference electrode 400. A sensitive membrane 150 for detecting signals, and a partition wall 160 formed on both ends of the sensitive membrane 150 for retaining a fluid to be inspected such as an aqueous solution or a culture solution containing the sample 300 on the sensitive membrane 150, have.

基材110は、ポリマー層120、絶縁層130、電極層140などの各種の層を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、基材110は、透明または不透明な材質から形成され、ガラス等の無機材料、PENまたはPETなどのプラスチック(ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ABS樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂)で代表される有機材料を挙げることができる。また、基材110の形状も限定されず、例えば、平板、平膜、フィルム、多孔質膜等の平坦な形状や、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路等の立体的な形状が挙げられる。フィルムを使用する場合、その厚さは特に制限されないが、通常、1μm〜1mm程度である。   The substrate 110 is not particularly limited as long as it is formed of a material capable of laminating various layers such as the polymer layer 120, the insulating layer 130, and the electrode layer 140. Specifically, the substrate 110 is formed of a transparent or opaque material, and is made of an inorganic material such as glass, plastic such as PEN or PET (polyester resin, polyethylene resin, polypropylene resin, ABS resin, nylon, acrylic resin, fluorine Resin, polycarbonate resin, polyurethane resin, methylpentene resin, phenol resin, melamine resin, epoxy resin, vinyl chloride resin). The shape of the substrate 110 is not limited, and examples thereof include a flat shape such as a flat plate, a flat membrane, a film, and a porous membrane, and a three-dimensional shape such as a cylinder, a stamp, a multiwell plate, and a microchannel. It is done. When using a film, the thickness is not particularly limited, but is usually about 1 μm to 1 mm.

なお、上記の透明とは、顕微鏡などの観察機器を用いて基材110から感応膜150に配置された生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。   In addition, said transparency should just be transparent so that the biological material arrange | positioned from the base material 110 to the sensitive film | membrane 150 can be observed using observation apparatuses, such as a microscope, and a translucent thing is included. I can't.

ポリマー層120は、粘着特性を有し、熱硬化性又は熱可塑性である。ポリマー層120は、エラストマー特性があってもよい。適当なポリマー材料には、エポキシ機能性ポリマー、ポリイミド、液晶ポリマー、シクロオレフィン、ポリウレタン、ポリアミド、ベンゾシクロブタン、ポリアミド−イミド、ポリアリレンエーテル、ベンゾイミダゾール、ポリエーテルケトン、ポリシロキサン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニルキノザリン、ポリイミドイソ−インドロキナゾリンジオン、フルオロポリマー、シアナートエステル、ビスマレイミドトリアジン(BT)、シナートエステル、及び、これらの化合物が含まれる。   The polymer layer 120 has adhesive properties and is thermosetting or thermoplastic. The polymer layer 120 may have elastomeric properties. Suitable polymer materials include epoxy functional polymers, polyimides, liquid crystal polymers, cycloolefins, polyurethanes, polyamides, benzocyclobutanes, polyamide-imides, polyarylene ethers, benzimidazoles, polyether ketones, polysiloxanes, polyether ether ketones. , Polyphenylquinosaline, polyimide iso-indoloquinazolinedione, fluoropolymer, cyanate ester, bismaleimide triazine (BT), sinate ester, and these compounds.

また、ポリマー層120は、単層、又は、同一組成物若しくは異なる組成物の適当な数の副層によって形成されている。例えば、ポリマー層120は、1又は2層のポリマー副層で覆われた剛性コア若しくは熱的に安定な柔軟性コアを含む。ポリマー層120、又は、ポリマー層120の中の1層以上の副層は、適当な厚さを有する。具体的には、ポリマー層120、又は、ポリマー層120の中の1層以上の副層の厚さは、1μm〜3μm程度である。   The polymer layer 120 is formed of a single layer or an appropriate number of sublayers of the same composition or different compositions. For example, the polymer layer 120 includes a rigid core or a thermally stable flexible core covered with one or two polymer sublayers. The polymer layer 120 or one or more sublayers in the polymer layer 120 have a suitable thickness. Specifically, the thickness of the polymer layer 120 or one or more sublayers in the polymer layer 120 is about 1 μm to 3 μm.

なお、ポリマー層120は、透明であってもよい。この透明とは、顕微鏡などの観察機器を用いて基材110から感応膜150に配置された生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。例えば、透明なポリマー材料としては、樹脂:V259(新日鐵化学社製)のアクリル系樹脂などが含まれる。また、このポリマー層120に代えてポリシラザン、シロキサンなどの塗布型の無機絶縁膜を用いてもよい。   The polymer layer 120 may be transparent. This transparent is only required to be transparent to the extent that the biological material disposed on the sensitive film 150 can be observed from the base 110 using an observation device such as a microscope, and does not include a translucent material. For example, the transparent polymer material includes an acrylic resin of resin: V259 (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.). Further, instead of the polymer layer 120, a coating type inorganic insulating film such as polysilazane or siloxane may be used.

また、本実施形態においては、ICチップ200を接着及び絶縁状態にするためにポリマー層120を形成させているが、当該ICチップ200を覆う程度の厚さによって形成することが可能な絶縁層130であればよい。   In this embodiment, the polymer layer 120 is formed in order to bring the IC chip 200 into an adhesive and insulating state. However, the insulating layer 130 can be formed with a thickness that covers the IC chip 200. If it is.

ICチップ200は、参照電極400と配置されたサンプル300に基づき感応膜150に生じた信号に対して所定の処理を行うための回路(以下、「内部回路」という。)が内部に形成された、すなわち、電子回路を備えた集積回路のチップである。なお、例えば、本実施形態のICチップ200は、本発明の電子回路チップを構成する。   In the IC chip 200, a circuit (hereinafter referred to as “internal circuit”) for performing a predetermined process on a signal generated in the sensitive film 150 based on the reference electrode 400 and the sample 300 disposed therein is formed inside. That is, an integrated circuit chip with electronic circuitry. For example, the IC chip 200 of this embodiment constitutes the electronic circuit chip of the present invention.

特に、ICチップ200は、内部回路を構成する各回路素子を外部(すなわち、ICチップ200の外部にはICチップ以外のバイオセンサシステム100を含む)からの衝撃、湿度、熱、ガス、光線などの外的環境変化から守るとともに、接続端子を表面に備え、外部との間で適切に所定の信号及び電源の授受が行われることによって所定の信号処理を実行できるように単一の部品としてパッケージ化されている。また、ICチップ200には、電極層140及び外部電極と電気的に接続されるためのパッドPがその上面に形成されている。そして、ICチップ200には、少なくとも、感応膜150とともにISFETを構成するためのソース電極及びドレイン電極が形成されており、当該ソース電極及びドレイン電極は、外部の電極に接続されている。ただし、ICチップ200には、ソース電極及びドレイン電極の他にゲート電極を有していてもよい。なお、ICチップ200の厚さは、約50μm程度である。   In particular, the IC chip 200 includes each circuit element constituting the internal circuit from the outside (that is, the outside of the IC chip 200 includes the biosensor system 100 other than the IC chip), humidity, heat, gas, light, etc. Packaged as a single component that protects against changes in the external environment, and has a connection terminal on the surface so that predetermined signal processing can be performed by appropriately transmitting and receiving predetermined signals and power to and from the outside. It has become. The IC chip 200 has a pad P formed on the upper surface thereof for electrical connection with the electrode layer 140 and the external electrode. The IC chip 200 is formed with at least a source electrode and a drain electrode for forming an ISFET together with the sensitive film 150, and the source electrode and the drain electrode are connected to an external electrode. However, the IC chip 200 may have a gate electrode in addition to the source electrode and the drain electrode. The IC chip 200 has a thickness of about 50 μm.

ここで、図2を用いて本実施形態のICチップ200は、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極から構成されるICチップ200の例を説明する。なお、図2(a)は、ICチップ200における図2(b)におけるA−A断面を示す断面図であり、図2(b)は、ICチップ200の上面図である。また、図2(c)は、ICチップ200における図2(b)におけるB−B断面を示す断面図である。   Here, an example of the IC chip 200 including a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode will be described with reference to FIG. 2A is a cross-sectional view of the IC chip 200 taken along the line AA in FIG. 2B, and FIG. 2B is a top view of the IC chip 200. FIG. FIG. 2C is a cross-sectional view showing the BB cross section of the IC chip 200 in FIG.

このような場合には、ICチップ200は、図2に示すように、ベースとして機能するp型シリコン210と、p型シリコン210上に積層された酸化珪素によって形成される絶縁層220と、酸化珪素膜220の上に積層され、チャネル領域231とソース領域232及びドレイン領域233を形成するための半導体膜230と、を有している。また、ICチップ200は、半導体膜230の上に積層されるゲート絶縁膜240と、チャネル領域231上であってゲート絶縁膜240上に積層されゲート電極250と、ゲート電極250を覆うように形成される絶縁膜260と、絶縁膜260上に形成され、コンタクトホールHを介してソース領域232及びドレイン領域233にそれぞれ接続されるソース電極及びドレイン電極用のパッドP1、P2と、を有している。さらに、ICチップ200には、絶縁膜260上であってソース電極及びドレイン電極用のパッドP1、P2と異なる領域に、絶縁層270、コンタクトホールH及び電極280を形成し、最上部にゲート電極用のパッドP3が形成される。   In such a case, as shown in FIG. 2, the IC chip 200 includes a p-type silicon 210 functioning as a base, an insulating layer 220 formed of silicon oxide stacked on the p-type silicon 210, an oxidation The semiconductor layer 230 is stacked on the silicon film 220 and forms a channel region 231 and a source region 232 and a drain region 233. The IC chip 200 is formed so as to cover the gate insulating film 240 stacked on the semiconductor film 230, the channel region 231, and the gate insulating film 240 stacked on the gate insulating film 240. And the source and drain electrode pads P1 and P2 formed on the insulating film 260 and connected to the source region 232 and the drain region 233 through the contact holes H, respectively. Yes. Further, in the IC chip 200, an insulating layer 270, a contact hole H, and an electrode 280 are formed on the insulating film 260 in a region different from the source and drain electrode pads P1 and P2, and the gate electrode is formed on the uppermost portion. A pad P3 is formed.

特に、半導体膜230は、P型シリコン(珪素)またはN型シリコンなどの半導体から形成されている。また、半導体膜230は、チャネルとして機能し、電極層140下に形成されるチャネル領域231と、チャネル領域231と物理的には水平方向に並設され、半導体膜230にボロンやリンをイオン注入して熱による拡散することによって形成されたソース領域232及びドレイン領域233と、を有している。ソース領域232及びドレイン領域233は、コンタクトホールHを介してゲート絶縁膜240上に形成された外部と接続するためのパッドP1、P2とそれぞれ物理的にかつ電気的に接続されている。   In particular, the semiconductor film 230 is formed of a semiconductor such as P-type silicon (silicon) or N-type silicon. In addition, the semiconductor film 230 functions as a channel, and a channel region 231 formed under the electrode layer 140 and the channel region 231 are physically juxtaposed in the horizontal direction, and boron or phosphorus is ion-implanted into the semiconductor film 230. And a source region 232 and a drain region 233 formed by diffusion by heat. The source region 232 and the drain region 233 are physically and electrically connected to pads P1 and P2 connected to the outside formed on the gate insulating film 240 through the contact holes H, respectively.

ゲート電極250及びその他の電極280は、インジウム錫オキサイド(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、アルミニウム(Al)または銅(Cu)などの導電性のものから形成される。 The gate electrode 250 and the other electrode 280 are formed of a conductive material such as indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), aluminum (Al), or copper (Cu).

絶縁層130は、ICチップ200を覆うように、ポリマー層120上に積層される。また、この絶縁層130は、感応膜150を積層することが可能な材料で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、絶縁性の観点から、酸化珪素(SiO)、窒化珪素(SiNx)、窒化酸化珪素(SiOxNy)などのシリコン酸化物若しくはシリコン窒化物から形成される。特に、本実施形態の絶縁層130には、酸化珪素を用いるのが好ましい。なお、絶縁膜40の膜厚は、諸条件により適宜選択可能であって、例えば、10μm以上である。 The insulating layer 130 is laminated on the polymer layer 120 so as to cover the IC chip 200. Further, the insulating layer 130 is not particularly limited as long as it is formed of a material capable of laminating the sensitive film 150. Specifically, it is formed from silicon oxide or silicon nitride such as silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiNx), or silicon nitride oxide (SiOxNy) from the viewpoint of insulation. In particular, it is preferable to use silicon oxide for the insulating layer 130 of the present embodiment. The film thickness of the insulating film 40 can be appropriately selected according to various conditions, and is, for example, 10 μm or more.

電極層140は、感応膜150を積層することが可能な導電膜で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、透明または不透明な材質によって形成されており、インジウム錫オキサイド(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、アルミニウム(Al)または銅(Cu)などの導電性のものから形成される。特に、電極層140が透明電極から形成されており場合には、基材110の下部から感応膜150が観察することができるものであれば特に限定されるものではない。また、この透明とは、基材110と同様に、顕微鏡などの観察機器を用いて基材110から感応膜150に配置された生体関連物質が観察することができる程度に透明であればよく、半透明のものは含まれない。 The electrode layer 140 is not particularly limited as long as it is formed of a conductive film on which the sensitive film 150 can be laminated. Specifically, it is made of a transparent or opaque material, and has a conductive property such as indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), aluminum (Al), or copper (Cu). Formed from things. In particular, when the electrode layer 140 is formed of a transparent electrode, the electrode layer 140 is not particularly limited as long as the sensitive film 150 can be observed from the lower part of the substrate 110. In addition, the transparent material may be transparent to the extent that the biologically related substance disposed on the sensitive film 150 can be observed from the base material 110 using an observation device such as a microscope, like the base material 110. Translucent materials are not included.

また、電極層140は、ICチップ200の上面に形成されたパッドPを介して当該ICチップ200内の内部回路と接続される。例えば、内部回路がソース電極250及びドレイン電極260のみから形成されている場合には、上述のようにICチップ200上に形成されたパッドPに接続される。   The electrode layer 140 is connected to an internal circuit in the IC chip 200 via a pad P formed on the upper surface of the IC chip 200. For example, when the internal circuit is formed of only the source electrode 250 and the drain electrode 260, it is connected to the pad P formed on the IC chip 200 as described above.

感応膜150は、電極層140上に積層され、被検査流体に含まれるサンプル300、すなわち、細胞、DNA、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を配置可能なものによって形成される。特に、感応膜150は、透明半導体膜におけるチャネルが形成される領域上に、滞留された被検査流体300に含まれるサンプル300が配置されるための領域(以下、「配置領域」という。)を少なくとも有している。また、感応膜150は、イオン感応膜であって、シリコン酸化膜(SiO)シリコン窒化膜(SiN)、タンタル酸化膜(Ta)または酸化アルミニウム膜(Al)によって形成される。これらのイオン感応膜を測定したいイオン種に応じて適宜採用すればよい。また必要に応じて、DNAタンパク質、糖鎖を固定化するための表面修飾が為されていてもよい。 The sensitive film 150 is laminated on the electrode layer 140 and is formed of a sample 300 included in a fluid to be inspected, that is, a substance on which a biological substance such as a cell, DNA, sugar chain, or protein can be arranged. In particular, the sensitive film 150 has a region (hereinafter referred to as “arrangement region”) in which the sample 300 contained in the stayed fluid 300 to be inspected is disposed on a region where a channel is formed in the transparent semiconductor film. Have at least. The sensitive film 150 is an ion sensitive film, and is formed of a silicon oxide film (SiO 2 ), a silicon nitride film (SiN 4 ), a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ), or an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ). Is done. What is necessary is just to employ | adopt suitably according to the ion species to measure these ion sensitive membranes. If necessary, surface modification for immobilizing DNA proteins and sugar chains may be performed.

隔壁160は、感応膜150上であって配置領域の周囲に形成されており、水溶液または培養液などの被検査流体を感応膜150上に滞留させるように積層方向に対して所定の高さを有している。障壁は、配置領域外にサンプル300を含有する被検査流体の漏出させないための材料で形成されたものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、ガラス、プラスチックまたは金属によって形成されている。   The partition wall 160 is formed on the sensitive film 150 and around the arrangement region, and has a predetermined height with respect to the stacking direction so that a fluid to be inspected such as an aqueous solution or a culture solution is retained on the sensitive film 150. Have. The barrier is not particularly limited as long as it is formed of a material for preventing leakage of the fluid to be inspected containing the sample 300 outside the arrangement region. Specifically, it is made of glass, plastic or metal.

(バイオセンサシステムの動作原理)
次に、図3を用いて本実施形態におけるバイオセンサシステム100の動作原理について説明する。なお、図3は、本実施形態におけるバイオセンサシステム100の動作原理を説明するための図である。
(Operation principle of biosensor system)
Next, the operation principle of the biosensor system 100 in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the operation principle of the biosensor system 100 in the present embodiment.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、上述のような構成を有することによって、被検査流体に含まれるサンプル300、すなわち、細胞、DNA、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を感応膜150上に配置させることができるようになっている。したがって、図3に示すように、ICチップ200内のソース電極250−ドレイン電極260間に0.1V〜1V程度の電圧VDSを印加しつつ、被検査流体内に挿入された参照電極400を介して可変電圧(参照電圧)Vを被検査流体に印加すると、感応膜150に生ずる電位(以下、「膜電位」ともいう。)の変化に応じて、電極層140を介してICチップ200の半導体膜230に形成されるチャネル領域231が変化し、ドレイン電流Iの変化を検出することができるようになっている。この結果、参照電圧Vに基づくドレイン電流Iの変化、すなわち、トランジスタとしての電流−電圧特性を、予め測定した生体関連物質における電流−電圧特性と比較することによって被検査流体に含まれるサンプル300の種別を特定することができるようになっている。 The biosensor system 100 according to the present embodiment has the above-described configuration, so that the sample 300 included in the fluid to be inspected, that is, a biological substance such as a cell, DNA, sugar chain, or protein is placed on the sensitive film 150. It can be arranged. Therefore, as shown in FIG. 3, the reference electrode 400 inserted in the fluid to be inspected is applied while applying a voltage V DS of about 0.1 V to 1 V between the source electrode 250 and the drain electrode 260 in the IC chip 200. When the variable voltage (reference voltage) V G is applied to the fluid to be inspected via the IC chip 200 via the electrode layer 140 in accordance with a change in potential (hereinafter also referred to as “membrane potential”) generated in the sensitive film 150. The channel region 231 formed in the semiconductor film 230 changes so that the change of the drain current ID can be detected. As a result, the change in the drain current ID based on the reference voltage V G , that is, the sample included in the fluid to be inspected by comparing the current-voltage characteristic as a transistor with the current-voltage characteristic in the biological substance measured in advance. 300 types can be specified.

(作用効果)
以上、本実施形態のバイオセンサシステム100は、ICチップ200を用いてバイオセンサシステム100として必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜150の大きさに無関係にこれらのソース電極及びドレイン電極を形成することができる。そして、本実施形態のバイオセンサシステム100は、電子回路チップを基材110上に配設する前に検査を行うことによって、感応膜150とともにソース電極及びドレイン電極を基材110上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させることができるとともに、結果として製造コストをも抑制することができる。
(Function and effect)
As described above, since the biosensor system 100 according to the present embodiment can form the source electrode and the drain electrode essential as the biosensor system 100 using the IC chip 200, these sources can be used regardless of the size of the sensitive film 150. An electrode and a drain electrode can be formed. The biosensor system 100 according to the present embodiment performs the inspection before the electronic circuit chip is disposed on the base material 110, thereby incorporating the source electrode and the drain electrode together with the sensitive film 150 on the base material 110. In comparison with this, it is possible to improve the yield and to suppress the manufacturing cost as a result.

また、本実施形態のバイオセンサシステム100は、より大きなサンプル300を検査することができるとともに、ICチップ200を用いてバイオセンサシステム100として必須のソース電極及びドレイン電極を形成することができるので、感応膜150の面積に依存せずに安価に作製することができる。   In addition, the biosensor system 100 according to the present embodiment can inspect a larger sample 300 and can form essential source and drain electrodes as the biosensor system 100 using the IC chip 200. It can be manufactured inexpensively without depending on the area of the sensitive film 150.

また、本実施形態のバイオセンサシステム100は、基材110、電極層140及びポリマー層120などの各部材を透明にすることによって、被検査流体の上部(基材110側と反対側)から光を照射して当該感応膜150に配置された生体関連物質を、基材110側から顕微鏡その他の光学観察機器によって観察することができるようになる。したがって、本実施形態のバイオセンサシステム100は、被検査流体の上部から感応膜150に配置されたサンプル300を観察する場合に比べて、当該サンプル300における観察を高倍率にかつ的確に行うことができるとともに、サンプル300の電気的特性の検出と当該サンプル300における高倍率の観察とを両立させることができる。   In addition, the biosensor system 100 according to the present embodiment makes each member such as the base material 110, the electrode layer 140, and the polymer layer 120 transparent so that light can be emitted from above the fluid to be inspected (on the side opposite to the base material 110 side). Can be observed from the substrate 110 side with a microscope or other optical observation equipment. Therefore, the biosensor system 100 of the present embodiment can accurately perform observation on the sample 300 at a high magnification as compared with the case of observing the sample 300 disposed on the sensitive film 150 from above the fluid to be inspected. In addition, the detection of the electrical characteristics of the sample 300 and the high-magnification observation of the sample 300 can be made compatible.

(変形例)
次に、図4を用いて本実施形態のバイオセンサシステム100における変形例を説明する。なお、図4は、本実施形態のバイオセンサシステム100における変形例の断面図である。
(Modification)
Next, the modification in the biosensor system 100 of this embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a modified example of the biosensor system 100 of the present embodiment.

上記の実施形態の基材110は、ステンレス(SUS)製の薄膜合金フレキシブル基板であってもよい。この場合には、フレキシブル基板をロールによって提供することができるので、製造コストを抑制することができるとともに、バイオセンサシステム100に対しての配設場所を選ぶこと無くデザイン上のフレキシブル性を向上させ、かつ、装置全体の撓みにおける耐性をも向上させることができるようになっている。   The base 110 of the above embodiment may be a thin film alloy flexible substrate made of stainless steel (SUS). In this case, since the flexible substrate can be provided by a roll, the manufacturing cost can be suppressed, and the design flexibility can be improved without selecting the location for the biosensor system 100. And the tolerance in the bending of the whole apparatus can also be improved.

また、上記の実施形態において、基材110にICチップ200を固定するための凹部111が設けられていてもよい。例えば、図4に示すように、基材110には、上部に開放され、ICチップ200より面積が大きい溝を有し、ICチップ200を載置し、ポリマー層120を形成する際に当該ICチップ200をポリマーによって基材110に固定するようになっている。なお、上述の実施形態と異なり、ポリマー層120の上に絶縁層130を形成してもよいし、上述の実施形態と同様にポリマー層120上に絶縁層130を形成しなくてもよい。   In the above embodiment, the recess 111 for fixing the IC chip 200 to the base 110 may be provided. For example, as shown in FIG. 4, the substrate 110 has a groove that is open to the top and has a larger area than the IC chip 200, and the IC chip 200 is placed and the IC layer 200 is formed when the polymer layer 120 is formed. The chip 200 is fixed to the substrate 110 with a polymer. Unlike the above-described embodiment, the insulating layer 130 may be formed on the polymer layer 120, or the insulating layer 130 may not be formed on the polymer layer 120 as in the above-described embodiment.

この構成により、バイオセンサシステム100は、ICチップ200を的確に基材110上に固定することができるとともに、ICチップ200上に形成される電極層140を容易に平坦化すること、及び、その結果、感応膜150を容易に平坦化することができるようになる。   With this configuration, the biosensor system 100 can accurately fix the IC chip 200 on the base material 110, easily flatten the electrode layer 140 formed on the IC chip 200, and As a result, the sensitive film 150 can be easily flattened.

また、上記実施形態におけるICチップ200の上面に、内部回路が正常動作を行うことを確認するための端子(パッド)が設けられていてもよい。例えば、この端子は、ゲート電極の確認用としてICチップ200における電極層140が接続される端子と、ソース電極250及びドレイン電極260の確認用として、ソース電極250及びドレイン電極260のそれぞれに対して接続された端子であって、基材110に形成される前に正常動作を確認する際に用いられる。したがって、ICチップ200を基材110上に配設する前に検査を行うことができるとともに、感応膜150とともにソース電極250及びドレイン電極260を基材110上に組み込む場合に比べて、歩留まりを向上させること、その結果として製造コストをも抑制することができるようになる。   In addition, a terminal (pad) for confirming that the internal circuit performs normal operation may be provided on the upper surface of the IC chip 200 in the above embodiment. For example, this terminal is connected to each of the terminal to which the electrode layer 140 in the IC chip 200 is connected for confirmation of the gate electrode and each of the source electrode 250 and drain electrode 260 for confirmation of the source electrode 250 and drain electrode 260. The connected terminals are used when confirming normal operation before being formed on the substrate 110. Therefore, the inspection can be performed before the IC chip 200 is disposed on the base 110, and the yield is improved as compared with the case where the source electrode 250 and the drain electrode 260 are incorporated on the base 110 together with the sensitive film 150. As a result, the manufacturing cost can be suppressed.

[第2実施形態]
次に、図5及び図6を用いて本発明に係るバイオセンサシステム100の第2実施形態について説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the biosensor system 100 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、第1実施形態において参照電極400が被検査流体(サンプル300)内に挿入されている点に代えて、感応膜150に隣接し、かつ、被検査流体に参照電圧を印加することが可能な領域に形成された参照電極500を有している点に特徴がある。なお、その他の構成は、第1実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。   In the biosensor system 100 of the present embodiment, instead of the reference electrode 400 being inserted into the fluid to be inspected (sample 300) in the first embodiment, the biosensor system 100 is adjacent to the sensitive membrane 150 and is used as the fluid to be inspected. It is characterized in that it has a reference electrode 500 formed in a region where a reference voltage can be applied. In addition, since the other structure is the same as 1st Embodiment, it attaches | subjects the same code | symbol to the same member, and abbreviate | omits the description.

(バイオセンサシステムの構成)
まず、図5を用いて本実施形態のバイオセンサシステム100の構成について説明する。なお、図5は、本実施形態のバイオセンサシステム100の断面図である。
(Configuration of biosensor system)
First, the configuration of the biosensor system 100 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the biosensor system 100 of the present embodiment.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、図5に示すように、基材110と、基材110上に積層されたポリマー層120と、ポリマー層120上に形成されたICチップ200と、ICチップ200を被覆するとともにポリマー層120に積層される絶縁層130と、絶縁層130に積層される電極層140と、電極層140上に積層され、参照電極500の印加と配置されたサンプル300に基づいて信号を検出するための感応膜150と、感応膜150に隣接され、被検査流体に参照電圧を印加するための参照電極500と、被検査流体を滞留させるための隔壁160と、を有している。   As shown in FIG. 5, the biosensor system 100 of the present embodiment includes a base 110, a polymer layer 120 laminated on the base 110, an IC chip 200 formed on the polymer layer 120, and an IC chip. An insulating layer 130 that covers 200 and is laminated on the polymer layer 120, an electrode layer 140 that is laminated on the insulating layer 130, and a sample 300 that is laminated on the electrode layer 140 and disposed with the application of the reference electrode 500. A sensitive membrane 150 for detecting a signal, a reference electrode 500 adjacent to the sensitive membrane 150 for applying a reference voltage to the fluid to be examined, and a partition wall 160 for retaining the fluid to be examined. ing.

参照電極500は、積層方向に垂直な水平方向において感応膜150におけるサンプル300が配置される配置領域に隣接して形成されており、一部が被検査流体と接触するように当該被検査流体が滞留されている領域に形成される。また、参照電極500は、ICチップ200と絶縁されて設けられており、感応膜150の配置領域以外の領域に積層されている。さらに、参照電極500は、導電膜で形成されたものであれば特に限定されるものではない。具体的には、透明または不透明な材質によって形成されており、インジウム錫オキサイド(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)、アルミニウム(Al)または銅(Cu)などの導電性のものから形成される。 The reference electrode 500 is formed adjacent to the arrangement region where the sample 300 is arranged in the sensitive film 150 in the horizontal direction perpendicular to the stacking direction, and the fluid to be inspected is in contact with the fluid to be inspected in part. It is formed in the area where it stays. The reference electrode 500 is provided so as to be insulated from the IC chip 200 and is laminated in a region other than the region where the sensitive film 150 is disposed. Furthermore, the reference electrode 500 is not particularly limited as long as it is formed of a conductive film. Specifically, it is made of a transparent or opaque material, and is made of a conductive material such as indium tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), aluminum (Al), or copper (Cu). Formed from things.

(バイオセンサシステムの動作)
次に、図6を用いて本実施形態におけるバイオセンサシステム100の動作原理について説明する。なお、図6は、本実施形態におけるバイオセンサシステム100の動作原理を説明するための図である。
(Operation of biosensor system)
Next, the operation principle of the biosensor system 100 according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the operating principle of the biosensor system 100 in the present embodiment.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、上述のような構成を有することによって、被検査流体に含まれるサンプル300、すなわち、細胞、DNA、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を感応膜150上に配置させることができるようになっている。したがって、図6に示すように、ICチップ200内のソース電極250−ドレイン電極260間に0.1V〜1V程度の電圧VDSを印加しつつ、被検査流体と接触された参照電極500を介して可変電圧(参照電圧)Vを被検査流体に印加すると、感応膜150に生ずる電位(以下、「膜電位」ともいう。)の変化に応じて、電極層140を介してICチップ200の半導体膜230に形成されるチャネル領域231が変化し、ドレイン電流Iの変化を検出することができるようになっている。この結果、参照電圧Vに基づくドレイン電流Iの変化、すなわち、トランジスタとしての電流−電圧特性を、予め測定した生体関連物質における電流−電圧特性と比較することによって被検査流体に含まれるサンプル300の種別を特定することができるようになっている。 The biosensor system 100 according to the present embodiment has the above-described configuration, so that the sample 300 included in the fluid to be inspected, that is, a biological substance such as a cell, DNA, sugar chain, or protein is placed on the sensitive film 150. It can be arranged. Therefore, as shown in FIG. 6, the voltage V DS of about 0.1 V to 1 V is applied between the source electrode 250 and the drain electrode 260 in the IC chip 200, and the reference electrode 500 is in contact with the fluid to be inspected. When the variable voltage (reference voltage) V G is applied to the fluid to be inspected, the IC chip 200 is connected via the electrode layer 140 in accordance with a change in potential (hereinafter also referred to as “membrane potential”) generated in the sensitive film 150. The channel region 231 formed in the semiconductor film 230 is changed so that a change in the drain current ID can be detected. As a result, the change in the drain current ID based on the reference voltage V G , that is, the sample included in the fluid to be inspected by comparing the current-voltage characteristic as a transistor with the current-voltage characteristic in the biological substance measured in advance. 300 types can be specified.

(作用効果)
以上本実施形態のバイオセンサシステム100は、第1実施形態に加えて、被検査流体を感応膜150上に滞留させた後に参照電極500を被検査流体に挿入することなく、当該被検査流体を感応膜150上に滞留させれば、参照電極500によって参照電圧を被検査流体に印加することができるので、検査プロセスを簡易にすることができる。
(Function and effect)
As described above, in addition to the first embodiment, the biosensor system 100 according to the present embodiment stores the fluid to be tested without inserting the reference electrode 500 into the fluid to be tested after the fluid to be tested is retained on the sensitive film 150. If it stays on the sensitive film 150, the reference voltage can be applied to the fluid to be inspected by the reference electrode 500, so that the inspection process can be simplified.

(変形例)
次に、本実施形態のバイオセンサシステム100における変形例を説明する。
(Modification)
Next, a modified example of the biosensor system 100 of the present embodiment will be described.

第1実施形態と同様に、上記の実施形態の基材110は、ステンレス(SUS)製の薄膜合金フレキシブル基板であってもよい。   Similar to the first embodiment, the base material 110 of the above embodiment may be a thin film alloy flexible substrate made of stainless steel (SUS).

また、第1実施形態と同様に、上記の実施形態において、基材110にICチップ200を固定するための凹部が設けられていてもよい。   Similarly to the first embodiment, in the above embodiment, a recess for fixing the IC chip 200 to the base 110 may be provided.

また、第1実施形態にと同様に、上記実施形態におけるICチップ200の上面に、内部回路が正常動作を行うことを確認するための端子(パッド)が設けられていてもよい。例えば、この端子は、ICチップ200における電極層140が接続される端子、ソース電極及びドレイン電極のそれぞれに対して接続された端子であって、基材110に形成される前に正常動作を確認する際に用いられる。   Similarly to the first embodiment, a terminal (pad) for confirming that the internal circuit performs a normal operation may be provided on the upper surface of the IC chip 200 in the above embodiment. For example, this terminal is a terminal connected to the electrode layer 140 in the IC chip 200, a terminal connected to each of the source electrode and the drain electrode, and confirms normal operation before being formed on the substrate 110. Used when

[第3実施形態]
次に、図7〜図9を用いて本発明に係るバイオセンサシステム100の第3実施形態について説明する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the biosensor system 100 according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、第1実施形態において、単一のICチップ200上に、サンプル300を個々に配置し、他の感応膜150から独立して構成される複数の感応膜150と、それぞれの感応膜150に対応して形成される複数の電極層140を備える点に特徴がある。なお、その他の構成は、第1実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。   In the biosensor system 100 of the present embodiment, in the first embodiment, a plurality of sensitive membranes 150 are configured such that the samples 300 are individually arranged on a single IC chip 200 and configured independently of the other sensitive membranes 150. And a plurality of electrode layers 140 formed corresponding to the respective sensitive films 150. In addition, since the other structure is the same as 1st Embodiment, it attaches | subjects the same code | symbol to the same member, and abbreviate | omits the description.

(バイオセンサシステムの構成)
まず、図7及び図8を用いて本実施形態のバイオセンサシステム100の構成について説明する。なお、図7は、本実施形態のバイオセンサシステム100の構造を示す上面図であり、図8は、本実施形態のバイオセンサシステム100の回路構成を示す回路図である。
(Configuration of biosensor system)
First, the configuration of the biosensor system 100 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8. FIG. 7 is a top view showing the structure of the biosensor system 100 of this embodiment, and FIG. 8 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the biosensor system 100 of this embodiment.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、構造としては、図7に示すように、単一のICチップ200上に、サンプル300を個々に配置し、他の感応膜150から独立して構成される複数の感応膜150と、それぞれの感応膜150に対応して形成される複数の電極層140と、を有している。そして、ICチップ200と各電極層140とは、電極層140が重畳されているICチップ200部分の上面に設けられたパッドPを介して電気的に接続されており、ICチップ200には、各感応膜150に配置されたサンプル300によって生じたそれぞれの信号が入力されるようになっている。なお、本実施形態のバイオセンサシステム100は、各感応膜150毎にセルCとして機能させるために、各セルC(すなわち、感応膜150)に電源電圧VDDを印加するための電源ライン及び各セルCを選択するための選択ラインがICチップ200上に形成されており、ICチップ200内の内部回路とはそれぞれコンタクトホールによって接続されている。 As shown in FIG. 7, the biosensor system 100 according to the present embodiment has a structure in which samples 300 are individually arranged on a single IC chip 200 and are independent of other sensitive membranes 150. It has the some sensitive film | membrane 150 and the some electrode layer 140 formed corresponding to each sensitive film | membrane 150. FIG. The IC chip 200 and each electrode layer 140 are electrically connected via a pad P provided on the upper surface of the IC chip 200 portion on which the electrode layer 140 is superimposed. Each signal generated by the sample 300 disposed on each sensitive film 150 is input. Note that the biosensor system 100 according to the present embodiment has a power supply line for applying the power supply voltage V DD to each cell C (that is, the sensitive film 150) and each of the sensitive films 150 so that each sensitive film 150 functions as the cell C. A selection line for selecting the cell C is formed on the IC chip 200 and is connected to an internal circuit in the IC chip 200 by a contact hole.

また、バイオセンサシステム100は、回路構成としては、図8に示すように、セルC毎に、ISFET10と、スイッチングトランジスタ20と、を備えている。具体的には、バイオセンサシステム100は、ICチップ200に組み込まれた感応膜150以外のISFET10の部分とICチップ200情報に形成された感応膜150によって形成されたISFET10と、ICチップ200回路内に組み込まれたスイッチングトランジスタ20と、を備えている。そして、各セルCにおけるスイッチングトランジスタ20において、ソースに電源電圧VDDが印加されつつ、ゲートに選択ラインによって所定の電圧が印加されると、各セルCのISFET10によってサンプル300おける各信号を検出することができるようになっている。なお、各セルCにおいてISFET10によって検出されたサンプル300おける各信号は、図示しない出力端子によって外部に出力される、または、ICチップ200によって組み込まれた他の回路によって所定の処理に用いられるようになっている。 Further, as shown in FIG. 8, the biosensor system 100 includes an ISFET 10 and a switching transistor 20 for each cell C as shown in FIG. Specifically, the biosensor system 100 includes the ISFET 10 other than the sensitive film 150 incorporated in the IC chip 200, the ISFET 10 formed by the sensitive film 150 formed in the IC chip 200 information, and the IC chip 200 circuit. And a switching transistor 20 built in. Then, in the switching transistor 20 in each cell C, when a power source voltage V DD is applied to the source and a predetermined voltage is applied to the gate by the selection line, each signal in the sample 300 is detected by the ISFET 10 of each cell C. Be able to. In addition, each signal in the sample 300 detected by the ISFET 10 in each cell C is output to the outside through an output terminal (not shown), or used for a predetermined process by another circuit incorporated in the IC chip 200. It has become.

(作用効果)
以上本実施形態のバイオセンサシステム100は、第1実施形態の効果に加えて、複数のサンプル300の配置によって生じた信号を単一のICチップ200によって処理することができるので、効率良くサンプル300の検査を行うことができるとともに、効率的な構造により、製造コストを抑制することができる。
(Function and effect)
As described above, the biosensor system 100 according to the present embodiment can process signals generated by the arrangement of the plurality of samples 300 by the single IC chip 200 in addition to the effects of the first embodiment. In addition, the manufacturing cost can be suppressed by an efficient structure.

(変形例)
次に、図9を用いて本実施形態のバイオセンサシステム100における変形例を説明する。なお、図9は、本実施形態のバイオセンサシステム100における変形例の断面図である。
(Modification)
Next, the modification in the biosensor system 100 of this embodiment is demonstrated using FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of a modification of the biosensor system 100 of the present embodiment.

本実施形態においては、各セルCにスイッチングトランジスタ20が形成されているが、スイッチングトランジスタ20を省略してISFET10のみから形成されるようにしてもよい。この場合には、図9に示すようにISFET10におけるソース電極が電源電圧VDDに接続され、当該電源電圧VDDが印加されると各セルCのISFET10によってサンプル300おける各信号を検出することができるようになっている。 In this embodiment, the switching transistor 20 is formed in each cell C. However, the switching transistor 20 may be omitted and formed only from the ISFET 10. In this case, a source electrode in ISFET10 as shown in FIG. 9 is connected to the power supply voltage V DD, is possible to detect the respective signals definitive sample 300 with the power supply voltage V DD is applied by ISFET10 of each cell C It can be done.

また、上記の実施形態においては、第2実施形態と同様に、参照電極500が被検査流体内に挿入されている点に代えて、感応膜150に隣接し、かつ、被検査流体に参照電圧を印加することが可能な領域に参照電極500が形成されていてもよい。   In the above embodiment, as in the second embodiment, instead of the point that the reference electrode 500 is inserted into the fluid to be inspected, the reference voltage is applied to the fluid to be inspected adjacent to the sensitive film 150. The reference electrode 500 may be formed in a region where it can be applied.

また、第1実施形態と同様に、上記の実施形態の基材110は、ステンレス(SUS)製の薄膜合金フレキシブル基板であってもよい。   Similarly to the first embodiment, the base material 110 of the above embodiment may be a thin film alloy flexible substrate made of stainless steel (SUS).

また、第1実施形態と同様に、上記の実施形態において、基材110にICチップ200を固定するための凹部が設けられていてもよい。   Similarly to the first embodiment, in the above embodiment, a recess for fixing the IC chip 200 to the base 110 may be provided.

また、第1実施形態にと同様に、上記実施形態におけるICチップ200の上面に、内部回路が正常動作を行うことを確認するための端子が設けられていてもよい。   Similarly to the first embodiment, a terminal for confirming that the internal circuit performs a normal operation may be provided on the upper surface of the IC chip 200 in the above embodiment.

[第4実施形態]
次に、図10を用いて本発明に係るバイオセンサシステム100の第4実施形態について説明する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the biosensor system 100 according to the present invention will be described with reference to FIG.

本実施形態のバイオセンサシステム100は、第3実施形態における各セルCに処理回路30を組み込んだ点に特徴がある。なお、その他の構成は、第3実施形態と同一であるので、同一部材に対しては同一の符号を付してその説明を省略する。   The biosensor system 100 of the present embodiment is characterized in that the processing circuit 30 is incorporated in each cell C in the third embodiment. In addition, since the other structure is the same as 3rd Embodiment, it attaches | subjects the same code | symbol to the same member, and abbreviate | omits the description.

(バイオセンサシステムの構成)
まず、図10を用いて本実施形態のバイオセンサシステム100の構成について説明する。なお、図10は、本実施形態のバイオセンサシステム100における各セルCの回路構成を示す回路図である。
(Configuration of biosensor system)
First, the configuration of the biosensor system 100 of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a circuit diagram showing a circuit configuration of each cell C in the biosensor system 100 of the present embodiment.

本実施形態のバイオセンサシステム100の各セルCは、回路構成としては、図10に示すように、ISFET10と、スイッチングトランジスタ20と、抵抗素子Rと、処理回路30とを備えている。具体的には、バイオセンサシステム100は、ICチップ200に組み込まれた感応膜150以外のISFET10の部分とICチップ200情報に形成された感応膜150によって形成されたISFET10と、ICチップ200回路内に組み込まれたスイッチングトランジスタ20と、を備えている。また、バイオセンサシステム100は、ICチップ200に組み込まれた抵抗素子Rと処理回路30とを備えている。そして、ISFET10のドレインには、抵抗素子Rの一端と処理回路30への入力端が接続されており、抵抗素子Rの他端にはグランド接続が、処理回路30の他端には、出力端子に接続されている。   As shown in FIG. 10, each cell C of the biosensor system 100 according to the present embodiment includes an ISFET 10, a switching transistor 20, a resistance element R, and a processing circuit 30. Specifically, the biosensor system 100 includes the ISFET 10 other than the sensitive film 150 incorporated in the IC chip 200, the ISFET 10 formed by the sensitive film 150 formed in the IC chip 200 information, and the IC chip 200 circuit. And a switching transistor 20 built in. The biosensor system 100 includes a resistance element R and a processing circuit 30 incorporated in the IC chip 200. The drain of the ISFET 10 is connected to one end of the resistance element R and the input end to the processing circuit 30, the ground connection is connected to the other end of the resistance element R, and the output terminal is connected to the other end of the processing circuit 30. It is connected to the.

抵抗素子Rは、ISFET10から出力された信号を増幅して処理回路30に入力させるために用いる抵抗である。処理回路30には、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路の少なくとも何れか一つの回路が含まれる。   The resistance element R is a resistance used to amplify the signal output from the ISFET 10 and input it to the processing circuit 30. The processing circuit 30 includes at least one of a signal amplification circuit, a current-voltage conversion circuit, a frequency conversion circuit, a differentiation circuit, an integration circuit, an analog-digital conversion circuit, a memory circuit, a digital logic operation circuit, and a digital control circuit. Is included.

(作用効果)
以上本実施形態のバイオセンサシステム100は、サンプル300から検出された信号を、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路に用いることができる。
(Function and effect)
As described above, the biosensor system 100 according to the present embodiment converts the signal detected from the sample 300 into a signal amplification circuit, a current-voltage conversion circuit, a frequency conversion circuit, a differentiation circuit, an integration circuit, an analog-digital conversion circuit, a memory circuit, and a digital circuit. It can be used for a logic operation circuit or a digital control circuit.

なお、本実施形態においては、バイオセンサシステム100にICチップ200を組み込んでいるが、これに限らず、感応膜150とともにISFETを構成するためのソース電極及びドレイン電極が少なくとも形成されている電子回路が1チップ化された電子回路部品(電子回路チップ)であれば、これに限定されない。   In this embodiment, the IC chip 200 is incorporated in the biosensor system 100. However, the present invention is not limited to this, and an electronic circuit in which at least a source electrode and a drain electrode for forming an ISFET together with the sensitive film 150 are formed. If it is an electronic circuit component (electronic circuit chip) made into 1 chip, it will not be limited to this.

C … セル
H … コンタクトホール
P … パッド
R … 抵抗素子
20 … スイッチングトランジスタ
30 … 処理回路
40 … 絶縁膜
100 … バイオセンサシステム
110 … 基材
111 … 凹部
120 … ポリマー層
130 … 絶縁層
140 … 電極層
150 … 感応膜
160 … 隔壁
200 … ICチップ
210 … P型シリコン
220 … 酸化珪素膜
230 … 半導体膜
231 … チャネル領域
232 … 低抵抗領域
240 … ゲート絶縁膜
250 … ソース電極
260 … ドレイン電極
300 … サンプル(被検査流体)
400、500 … 参照電極
C ... Cell H ... Contact hole P ... Pad R ... Resistance element 20 ... Switching transistor 30 ... Processing circuit 40 ... Insulating film 100 ... Biosensor system 110 ... Base material 111 ... Recess 120 ... Polymer layer 130 ... Insulating layer 140 ... Electrode layer 150 ... Sensitive film 160 ... Partition 200 ... IC chip 210 ... P-type silicon 220 ... Silicon oxide film 230 ... Semiconductor film 231 ... Channel region 232 ... Low resistance region 240 ... Gate insulating film 250 ... Source electrode 260 ... Drain electrode 300 ... Sample (Inspected fluid)
400, 500 ... Reference electrode

Claims (8)

基材と、
前記基材上に形成されるとともに、半導体膜を有し、当該半導体膜によって形成された少なくともソース電極及びドレイン電極を備えた電子回路を有する、パッケージ化された電子回路チップと、
前記電子回路チップ上に積層された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に積層された電極層と、
前記電極層上に被検査流体内に含まれる生体関連物質が配置される配置領域と
を備え、
前記パッケージ化された電子回路チップにおける電子回路と前記電極層とが電気的に接続されており、
前記配置領域が、感応膜によって形成されるとともに、前記配置領域及び前記電極層が、前記電子回路チップにおける前記配置領域及び前記電極層を積層している積層面の面積よりも広いことを特徴とするバイオセンサシステム。
A substrate;
A packaged electronic circuit chip having a semiconductor film formed on the substrate and having an electronic circuit having at least a source electrode and a drain electrode formed by the semiconductor film;
An insulating film laminated on the electronic circuit chip;
An electrode layer laminated on the insulating film;
An arrangement region in which a biological substance contained in the fluid to be inspected is arranged on the electrode layer;
With
The electronic circuit in the packaged electronic circuit chip and the electrode layer are electrically connected ,
The placement region is formed of a sensitive film, and the placement region and the electrode layer are wider than an area of a stacking surface on which the placement region and the electrode layer of the electronic circuit chip are stacked. Biosensor system.
請求項1に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記配置領域の端部に設けられ、前記被検査流体に可変電圧を印加するための参照電極を更に備え、
前記パッケージ化された電子回路と前記参照電極とが電気的に接続されている、バイオセンサシステム。
The biosensor system according to claim 1, wherein
A reference electrode provided at an end of the placement region, for applying a variable voltage to the fluid to be inspected;
A biosensor system, wherein the packaged electronic circuit and the reference electrode are electrically connected.
請求項1又は2に記載のバイオセンサシステムにおいて、
単一の前記電子回路チップと、前記生体関連物質を個々に配置し、他の配置領域から独立して構成される並設された複数の前記配置領域と、それぞれの配置領域に対応して形成される複数の前記電極層と、を有し、
前記単一の電子回路チップと前記各電極層とが電気的に接続され、当該単一の電子回路チップには、各配置領域に配置された生体関連物質によって生じた信号が入力される、バイオセンサシステム。
The biosensor system according to claim 1 or 2 ,
And a single of the electronic circuit chip, formed said biological substance arranged individually, and a plurality of the arrangement region juxtaposed configured independently of the other placement area, corresponding to each of the placement regions A plurality of the electrode layers,
The single electronic circuit chip and each electrode layer are electrically connected, and the single electronic circuit chip is input with a signal generated by a biological substance disposed in each placement region. Sensor system.
請求項1〜3の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記基材には、上面に開放され、前記電子回路チップが収容される凹部が形成されている、バイオセンサシステム。
In the biosensor system according to any one of claims 1 to 3 ,
The biosensor system, wherein the base material is formed with a recess that is open on an upper surface and accommodates the electronic circuit chip.
請求項1〜4の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記基材が、フレキシブル基板によって形成されている、バイオセンサシステム。
In the biosensor system according to any one of claims 1 to 4 ,
A biosensor system, wherein the base material is formed of a flexible substrate.
請求項1〜4の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記基材が、透明基材によって形成されるとともに、前記電極層が、透明電極によって形成されている、バイオセンサシステム。
In the biosensor system according to any one of claims 1 to 4 ,
A biosensor system in which the substrate is formed of a transparent substrate and the electrode layer is formed of a transparent electrode.
請求項1〜6の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記パッケージ化された電子回路チップには、信号増幅回路、電流−電圧変換回路、周波数変換回路、微分回路、積分回路、アナログ−デジタル変換回路、メモリ回路、デジタル論理演算回路またはデジタル制御回路の少なくとも何れか一つの回路が含まれる、バイオセンサシステム。
In the biosensor system according to any one of claims 1 to 6 ,
The packaged electronic circuit chip includes at least a signal amplification circuit, a current-voltage conversion circuit, a frequency conversion circuit, a differentiation circuit, an integration circuit, an analog-digital conversion circuit, a memory circuit, a digital logic operation circuit, or a digital control circuit. A biosensor system including any one circuit.
請求項1〜7の何れか一項に記載のバイオセンサシステムにおいて、
前記電子回路チップには、前記電子回路の動作を検査するための端子が設けられている、バイオセンサシステム。
In the biosensor system according to any one of claims 1 to 7,
The biosensor system, wherein the electronic circuit chip is provided with a terminal for inspecting the operation of the electronic circuit.
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