JP5533523B2

JP5533523B2 - Biosensor

Info

Publication number: JP5533523B2
Application number: JP2010222959A
Authority: JP
Inventors: 樋口　　拓也; 克行甕
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012078180A

Description

本発明は、バイオセンサに関する。特に電界効果トランジスタ型バイオセンサに関する。 The present invention relates to a biosensor. In particular, it relates to a field effect transistor type biosensor.

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ために、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（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＦＥＴという）型の測定用のトランジスタを用いたバイオセンサが知られ、特にＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅＦＥＴ）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、細胞などの検出系への応用が盛んに研究されている（たとえば、特許文献１参照。）。 Biosensors using electrochemical detection means have been put to practical use in order to quickly and easily measure the concentration 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) type measuring transistor is known, and particularly called an ISFET (Ion-sensitive FET). Application to detection systems for biological components such as DNA and proteins, cells, and the like using ISFETs has been actively studied (for example, see Patent Document 1).

また、被測定物のセンシング結果を２次元画像として可視化するために、センシング部がアレイ状に配置されたバイオセンサも開発されている（たとえば、特許文献２参照。）。 In addition, in order to visualize the sensing result of the measurement object as a two-dimensional image, a biosensor in which sensing units are arranged in an array has been developed (see, for example, Patent Document 2).

国際公開ＷＯ０５／０９０９６１号International Publication WO05 / 090961 特開２０１０−１２２０９０号公報JP 2010-122090 A

しかしながら、特許文献２に開示されている技術では、センシング部の構造として、ゲート絶縁膜の上に感応膜があり、その上にバイオセンシング部が存在しているため、バイオセンシング部を、測定用のトランジスタ上にしか作れないという問題がある。 However, in the technique disclosed in Patent Document 2, since the sensing part has a sensitive film on the gate insulating film and the biosensing part exists on the gate insulating film, the biosensing part is used for measurement. There is a problem that it can be made only on the transistor.

本発明の一実施形態として、複数のスキャンラインと複数のデータラインとを有し、センサ電極および前記センサ電極の上に配置された感応膜と、前記複数のスキャンラインのいずれかのスキャンラインと接続され前記いずれかのスキャンラインにより選択された場合に前記センサ電極と前記複数のデータラインのいずれかのデータラインとを電気的に接続する第１のトランジスタと、を含むセンシング部を複数有し、前記いずれかのスキャンラインによる選択により、前記いずれかのデータラインと電気的に接続された前記センシング部の前記センサ電極に前記いずれかのデータラインを介して電気的に接続されかつ絶縁膜を介して半導体膜に接しているゲート電極を有する第２のトランジスタを有するバイオセンサを提供する。 As one embodiment of the present invention, there are a plurality of scan lines and a plurality of data lines, a sensor electrode, a sensitive film disposed on the sensor electrode, a scan line of any of the plurality of scan lines, A plurality of sensing units including a first transistor electrically connected to the sensor electrode and one of the plurality of data lines when connected and selected by any one of the scan lines; The insulating film is electrically connected to the sensor electrode of the sensing unit electrically connected to any one of the data lines by the selection by any one of the scan lines via the data line. There is provided a biosensor including a second transistor having a gate electrode in contact with the semiconductor film.

本発明によれば、センシング部を、測定用の電界効果トランジスタから離れた位置に形成することができる。これにより、複数のセンシング部を、センシング部の数よりも少ない個数の測定用のセンサトランジスタにより測定することが可能となる。 According to the present invention, the sensing unit can be formed at a position away from the field effect transistor for measurement. As a result, the plurality of sensing units can be measured by a smaller number of measurement sensor transistors than the number of sensing units.

本発明の一実施形態に係るバイオセンサの測定原理を説明するための図The figure for demonstrating the measurement principle of the biosensor which concerns on one Embodiment of this invention. 図１における断面線Ｉ−Ｉに沿ったバイオセンサのセンシング部と第１のトランジスタとの断面図Sectional drawing of the sensing part of a biosensor and 1st transistor along sectional line II in FIG. 図１における断面線ＩＩ−ＩＩに沿ったバイオセンサの第２のトランジスタの断面図Sectional view of the second transistor of the biosensor along section line II-II in FIG. 第１のトランジスタおよびセンシング部の組を複数配置した本発明の一実施形態に係るバイオセンサの上面図The top view of the biosensor which concerns on one Embodiment of this invention which has arrange | positioned multiple sets of the 1st transistor and the sensing part データラインに沿って配置されたセンシング部について、参照電極に共通電位を与えるバイオセンサの上面図A top view of a biosensor that applies a common potential to the reference electrode for the sensing units arranged along the data line 図５における切断線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ったバイオセンサのセンシング部と第１のトランジスタとの断面図Sectional drawing of the sensing part of a biosensor and 1st transistor along the cutting line III-III in FIG. 本発明の一実施形態に係るバイオセンサに駆動回路を付加した回路図の一例図。1 is an example of a circuit diagram in which a drive circuit is added to a biosensor according to an embodiment of the present invention. 負荷トランジスタと第２のトランジスタとの組の上面図と断面図Top view and sectional view of a set of a load transistor and a second transistor

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、本明細書の記載に限定されることなく、種々の変形を加えて実施することが可能である。また、同じまたは同様の機能を有する部材などには、同じ符号を付し、説明を省略する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described. Note that the present invention is not limited to the description of the present specification, and can be implemented with various modifications. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the member etc. which have the same or the same function, and description is abbreviate | omitted.

図１は本発明の一実施形態におけるバイオセンサの測定原理を説明するための図である。図１において、バイオセンサは、スキャンライン１０１と、データライン１０２と、第１のトランジスタ１０３と、センシング部と、第２のトランジスタ１２０とを有する。 FIG. 1 is a diagram for explaining the measurement principle of a biosensor according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the biosensor includes a scan line 101, a data line 102, a first transistor 103, a sensing unit, and a second transistor 120.

図１において、スキャンライン１０１は、データライン１０２と略直交している。また、スキャンライン１０１の一部は、第１のトランジスタ１０３のゲート電極を構成する。言い換えると、第１のトランジスタ１０３のゲート電極は、スキャンライン１０１と電気的に接続されているということもできる。 In FIG. 1, the scan line 101 is substantially orthogonal to the data line 102. A part of the scan line 101 forms a gate electrode of the first transistor 103. In other words, it can be said that the gate electrode of the first transistor 103 is electrically connected to the scan line 101.

データライン１０２の一部は、第１のトランジスタ１０３のソース電極とドレイン電極との一方を構成している。これは、第１のトランジスタ１０３のソース電極とドレイン電極との一方とデータライン１０２が電気的に接続されていると言い換えることもできる。また、データライン１０２の一部は、第２のトランジスタ１２０のゲート電極を構成する。これは、第２のトランジスタ１２０のゲート電極がデータライン１０２と電気的に接続されていると言い換えることもできる。 Part of the data line 102 forms one of the source electrode and the drain electrode of the first transistor 103. In other words, the data line 102 is electrically connected to one of the source electrode and the drain electrode of the first transistor 103. A part of the data line 102 forms a gate electrode of the second transistor 120. In other words, the gate electrode of the second transistor 120 is electrically connected to the data line 102.

第１のトランジスタ１０３は、ソース電極またはレイン電極の一方がデータライン１０２の一部により構成されているとすると、ソース電極またはドレイン電極の他方が電極１０５により構成される。また、第１のトランジスタ１０３のソース電極およびドレイン電極の間には、半導体領域１０４とゲート電極となるスキャンライン１０１の一部とが配置されている。言い換えると、第１のトランジスタ１０３のゲート電極は、スキャンライン１０１と電気的に接続されているということもできる。 In the first transistor 103, if one of the source electrode and the rain electrode is configured by a part of the data line 102, the other of the source electrode and the drain electrode is configured by the electrode 105. In addition, between the source electrode and the drain electrode of the first transistor 103, the semiconductor region 104 and a part of the scan line 101 which becomes a gate electrode are arranged. In other words, it can be said that the gate electrode of the first transistor 103 is electrically connected to the scan line 101.

センシング部は、電極１０５と、電極１０５に電気的に接続されるセンサ電極１０６と、センサ電極１０６の上に形成されているイオン感応膜１０８とにより構成される。図１に示されるように、電極１０５とセンサ電極１０６とは、コンタクト１０７により接続されていてもよいし、電極１０５とセンサ電極１０６とが一体に形成されていてもよい。 The sensing unit includes an electrode 105, a sensor electrode 106 electrically connected to the electrode 105, and an ion sensitive film 108 formed on the sensor electrode 106. As shown in FIG. 1, the electrode 105 and the sensor electrode 106 may be connected by a contact 107, or the electrode 105 and the sensor electrode 106 may be integrally formed.

第２のトランジスタ１２０は、ソース電極およびドレイン電極１１１、１１２との間に、半導体膜１１３とゲート電極となるデータライン１０２の一部とにより構成される。この構成により、データライン１０２の電位が変化することにより、半導体膜１１３のチャネルが変化する。これにより、ソース電極およびドレイン電極１１１、１１２間に所定の電圧を印加した場合の電流が変化することになる。 The second transistor 120 includes a semiconductor film 113 and a part of the data line 102 that becomes a gate electrode between the source and drain electrodes 111 and 112. With this configuration, the channel of the semiconductor film 113 changes when the potential of the data line 102 changes. Thereby, the current when a predetermined voltage is applied between the source and drain electrodes 111 and 112 changes.

図１に示されるバイオセンサを用いて測定を行なう手順は次の通りとなる。まず、センシング部のイオン感応膜１０８の上に、被測定物を配置する。被測定物は、たとえば、細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質である。すると、イオン感応膜１０８を介して発生する被測定物の電位が、センサ電極１０６に伝達される。そこで、スキャンライン１０１の電圧を第１のトランジスタ１０３の閾値以上の電圧に設定し、第１のトランジスタ１０３をオン状態にして、第１のトランジスタ１０３を選択する。これにより、イオン感応膜１０８を介して発生する被測定物の電位がデータライン１０２に印加される。そこで、第２のトランジスタ１２０のソース電極およびドレイン電極１１１、１１２の間に、電源１２２により電圧を印加し、ソース電極およびドレイン電極１１１、１１２の間に流れる電流を電流計１２３により測定する。これにより、イオン感応膜１０８を介して発生する被測定物の状態が電流計１２３により測定されることになる。 The procedure for performing measurement using the biosensor shown in FIG. 1 is as follows. First, an object to be measured is placed on the ion sensitive film 108 of the sensing unit. The object to be measured is a biological substance such as a cell, DNA, sugar chain, or protein. Then, the potential of the object to be measured generated through the ion sensitive film 108 is transmitted to the sensor electrode 106. Therefore, the voltage of the scan line 101 is set to a voltage equal to or higher than the threshold value of the first transistor 103, the first transistor 103 is turned on, and the first transistor 103 is selected. As a result, the potential of the object to be measured generated through the ion sensitive film 108 is applied to the data line 102. Therefore, a voltage is applied by the power source 122 between the source and drain electrodes 111 and 112 of the second transistor 120, and the current flowing between the source and drain electrodes 111 and 112 is measured by the ammeter 123. As a result, the state of the measurement object generated through the ion sensitive film 108 is measured by the ammeter 123.

なお、バイオセンサを用いて測定を行なう際には、参照電極１０９を被測定物に接触ないし挿入させ、ソース電極またはドレイン電極１１１、１１２の一方と参照電極１０９の間に、電源１２１により、定められた電位差を与えてもよい。 When measurement is performed using a biosensor, the reference electrode 109 is brought into contact with or inserted into the object to be measured, and is determined by the power source 121 between one of the source or drain electrodes 111 and 112 and the reference electrode 109. A given potential difference may be applied.

図２（ａ）、図２（ｂ）のそれぞれは、図１における断面線Ｉ−Ｉに沿った断面を示す。図２（ａ）および図（ｂ）において、基材１００の上に、スキャンライン１０１の一部が配置され、第１のトランジスタ１０３のゲート電極が形成される。なお、基材１００は、絶縁性の材料で形成される。例えば、ガラスなどの無機材料や、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）に代表される有機材料であってもよい。また、基材１００の形状は、特に限定されることはなく、平板、平膜、フィルム、多孔質膜などの平坦な形状、シリンダ、スタンプ、マルチウェルプレート、マイクロ流路などの立体的な形状であってもよい。フィルムを使用する場合には、その厚さは特に限定されることはないが、例えば、１μｍ以上１ｍｍ以下であってもよい。 Each of FIG. 2A and FIG. 2B shows a cross section taken along a cross-sectional line II in FIG. 2A and 2B, a part of the scan line 101 is arranged on the base material 100, and the gate electrode of the first transistor 103 is formed. Note that the base material 100 is formed of an insulating material. For example, inorganic materials such as glass, plastics such as PEN or PET (polyester resin, polyethylene resin, polypropylene resin, ABS resin, nylon, acrylic resin, fluororesin, polycarbonate resin, polyurethane resin, methylpentene resin, phenol resin, melamine Resin, epoxy resin, vinyl chloride resin) may be used. The shape of the substrate 100 is not particularly limited, and is a flat shape such as a flat plate, a flat membrane, a film, or a porous membrane, and a three-dimensional shape such as a cylinder, a stamp, a multiwell plate, or a microchannel. It may be. In the case of using a film, the thickness is not particularly limited, but may be, for example, 1 μm or more and 1 mm or less.

基材１００がフレキシブルな材料である場合には、基材１００を曲げることが可能となり、測定の自由度が増加する。また、ロールトゥロールでのバイオセンサの形成が可能となり、低コストでのバイオセンサの製造が可能となる。 When the base material 100 is a flexible material, the base material 100 can be bent, and the degree of freedom in measurement increases. In addition, the biosensor can be formed by roll-to-roll, and the biosensor can be manufactured at a low cost.

ゲート電極を形成するスキャンライン１０１の材料は、任意の導電性の材料を用いることができる。例えば、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ２（酸化錫）などの導電性材料を用いることができる。また、ゲート電極を形成するスキャンライン１０１の材料は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）等の金属も用いることができる。また、ゲート電極を形成するスキャンライン１０１は、これらの材料の積層として形成されていてもよい。 As the material of the scan line 101 for forming the gate electrode, any conductive material can be used. For example, a conductive material such as ITO (indium tin oxide), ZnO (zinc oxide), SnO 2 (tin oxide) can be used. In addition, as a material of the scan line 101 for forming the gate electrode, a metal such as Al (aluminum), Ti (titanium), Au (gold), Cu (copper), or the like can be used. Further, the scan line 101 for forming the gate electrode may be formed as a stack of these materials.

ゲート電極の上には、ゲート絶縁膜１３１が配置される。たとえば、酸化珪素などが配置される。 A gate insulating film 131 is disposed on the gate electrode. For example, silicon oxide or the like is disposed.

ゲート絶縁膜１３１のゲート電極の上部には、半導体領域１０４が配置される。半導体領域１０４の材料としては、アモルファス酸化物を用いることができる。そのようなアモルファス酸化物の主成分は、ＩｎＭＺｎＯと表すことができ、ここに、Ｍは、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ、Ｆｅ（鉄）のうち少なくとも１種である。この中でも、アモルファス酸化物としては、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のものを用いるのが好ましい場合もある。ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物は、室温から１５０°Ｃ程度の低温で製膜が可能であることから、基材が耐熱性に乏しいプラスチックやガラスにより構成されている場合でも使用することができる。また、ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｎなどが加えられていてもよい。 A semiconductor region 104 is disposed on the gate electrode of the gate insulating film 131. As a material of the semiconductor region 104, an amorphous oxide can be used. The main component of such an amorphous oxide can be expressed as InMZnO, where M is at least one of Ga (gallium), Al, and Fe (iron). Among these, as the amorphous oxide, it may be preferable to use an InGaZnO-based material in which M is Ga. Since an InGaZnO-based amorphous oxide can be formed at room temperature to a low temperature of about 150 ° C., it can be used even when the substrate is made of plastic or glass having poor heat resistance. In addition, Al, Fe, Sn, or the like may be added to the InGaZnO-based amorphous oxide as necessary.

また、半導体領域１０４の別の材料としては、ＺｎＯを主成分とする酸化物半導体を用いることができる。ＺｎＯを主成分とする酸化物半導体には、真性の酸化物亜鉛のほかに、必要に応じてＬｉ、Ｎａ、Ｎ、Ｃなどのｐ型不純物およびＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなどのｎ型不純物がドーピングされた酸化亜鉛であってもよい。また、Ｍｇ、ＢｅなどがドーピングされたＺｎＯが添加されていてもよい。さらに半導体領域１０４は、Ｓｎを添加したＩＴＯ、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）またはＭｇＯ（酸化マグネシウム）などの酸化物半導体を材料として構成されていてもよい。 As another material for the semiconductor region 104, an oxide semiconductor containing ZnO as a main component can be used. In addition to intrinsic zinc oxide, oxide semiconductors mainly composed of ZnO include p-type impurities such as Li, Na, N, and C and n-type impurities such as B, Al, Ga, and In as necessary. May be doped zinc oxide. Further, ZnO doped with Mg, Be, or the like may be added. Further, the semiconductor region 104 may be made of an oxide semiconductor such as ITO, IZO (indium zinc oxide) or MgO (magnesium oxide) to which Sn is added.

半導体領域１０４の両側には、データライン１０２と電極１０５とが配置される。データライン１０２及び電極１０５は、半導体領域１０４とオーミック接触している。これにより、ゲート電極を構成するスキャンライン１０１の電位により、半導体領域１０４に形成されるチャネルの形成が制御され、データライン１０２と電極１０５との間の電気的接続が制御される。 Data lines 102 and electrodes 105 are arranged on both sides of the semiconductor region 104. The data line 102 and the electrode 105 are in ohmic contact with the semiconductor region 104. Thus, the formation of a channel formed in the semiconductor region 104 is controlled by the potential of the scan line 101 constituting the gate electrode, and the electrical connection between the data line 102 and the electrode 105 is controlled.

図２（ａ）において、第１のトランジスタ１０３の上には、パッシベーション膜１３２が形成され、パッシベーション膜１３２の上に、センサ電極１０６が配置され、コンタクト１０７により、電極１０５と電気的に接続される。 In FIG. 2A, a passivation film 132 is formed on the first transistor 103, a sensor electrode 106 is disposed on the passivation film 132, and is electrically connected to the electrode 105 through a contact 107. The

センサ電極１０６の上には、感応膜１０８が配置される。感応膜１０８は、被測定物に含まれるサンプル、例えば細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質などの生体関連物質を配置可能な材料により構成されている。感応膜１０８として、イオン感応膜を用いることができる。例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ４、Ｔａ２Ｏ５（酸化タンタル）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）などにより構成される膜である。イオン感応膜の材料は、測定に関するイオン種に応じて適宜選択することができる。また、必要に応じて、イオン感応膜にＤＮＡタンパク質、糖鎖を固定するために表面が修飾されていてもよい。 A sensitive film 108 is disposed on the sensor electrode 106. The sensitive film 108 is made of a material in which a biological substance such as a sample, for example, a cell, DNA, sugar chain, or protein, contained in the object to be measured can be placed. An ion sensitive film can be used as the sensitive film 108. For example, it is a film composed of SiO2, SiN4, Ta2O5 (tantalum oxide), Al2O3 (aluminum oxide), or the like. The material of the ion sensitive membrane can be appropriately selected according to the ion species related to the measurement. If necessary, the surface may be modified to immobilize DNA proteins and sugar chains on the ion sensitive membrane.

図２（ｂ）は、コンタクト１０７を用いずに、電極１０５とセンサ電極１０６とを一体に形成する形態を示す。図２（ｂ）に示すように、電極１０５が、半導体領域１０４に対してデータライン１０２とは反対側へ延び、基材１００の上に形成されるゲート絶縁膜１３１の上に形成される。パッシベーション膜１３２は、電極１０５が延びている位置において、凹部を形成し、その凹部の内側に、感応膜１０８が形成されている。 FIG. 2B shows a form in which the electrode 105 and the sensor electrode 106 are integrally formed without using the contact 107. As shown in FIG. 2B, the electrode 105 extends on the opposite side of the data line 102 with respect to the semiconductor region 104 and is formed on the gate insulating film 131 formed on the substrate 100. The passivation film 132 forms a recess at the position where the electrode 105 extends, and the sensitive film 108 is formed inside the recess.

なお、図２（ａ）、図２（ｂ）において、基材１００、ゲート絶縁膜１３１、電極１０６、感応膜１０８として透明な材料を選択することができる。ここで、透明とは感応膜１０８上に配置された生体関連物質などの被測定物を、顕微鏡などの光学的な観察機器を用いて基材１００の側から観察可能とすることができる程度に透明であればよい。また、透明には、半透明は含まれないこととしてもよい。これにより、被測定物を基材１００側から観察することが可能となる。 2A and 2B, transparent materials can be selected for the substrate 100, the gate insulating film 131, the electrode 106, and the sensitive film 108. Here, the term “transparent” means that an object to be measured such as a biological substance disposed on the sensitive film 108 can be observed from the substrate 100 side using an optical observation device such as a microscope. It only needs to be transparent. In addition, translucency may not include translucency. As a result, the object to be measured can be observed from the substrate 100 side.

また、第１のトランジスタ１０３も透明な材料を用いて構成することができる。これにより、被測定物を基材１００側から観察する場合に良好な視野を提供することができる。 The first transistor 103 can also be formed using a transparent material. Thereby, when observing a to-be-measured object from the base material 100 side, a favorable visual field can be provided.

また、図１、図２（ａ）、図２（ｂ）において、第１のトランジスタ１０３は１個だけ配置されているが、任意の個数を配置することができる。たとえば、２個の第１のトランジスタそれぞれのゲート電極をスキャンライン１０１により形成し、２個の第１のトランジスタのドレイン電極とソース電極とを接続し、２個の第１のトランジスタの半導体領域１０４に形成されるチャネルが直列に接続されるようにすることができる。このように複数の第１のトランジスタ１０３を配置することにより、第１のトランジスタ１０３がオフ状態となったときに、感応膜１０８の下に配置される電極１０５とデータライン１０２との電気的な分離を充分なものにすることができる。 Further, in FIG. 1, FIG. 2A, and FIG. 2B, only one first transistor 103 is arranged, but any number can be arranged. For example, the gate electrodes of the two first transistors are formed by the scan line 101, the drain electrodes and the source electrodes of the two first transistors are connected, and the semiconductor regions 104 of the two first transistors are connected. Can be connected in series. By arranging the plurality of first transistors 103 in this way, the electrical connection between the electrode 105 and the data line 102 arranged under the sensitive film 108 when the first transistor 103 is turned off is provided. Separation can be sufficient.

上述のように、第１のトランジスタ１０３が任意個配置される場合を統一した概念で説明するために、データライン１０２とセンサ電極とは、第１のトランジスタを有する選択素子により接続されると記載する場合がある。 As described above, in order to explain the case where an arbitrary number of first transistors 103 are arranged in a unified concept, it is described that the data line 102 and the sensor electrode are connected by a selection element having the first transistor. There is a case.

図３（ａ）、図３（ｂ）のそれぞれは、第２のトランジスタ１２０の断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面を示す。図３（ａ）において、基材１００の上にデータライン１０２が配置され、第２のトランジスタ１２０のゲート電極が形成される。ゲート電極の上には、ゲート絶縁膜が配置され、その上に半導体膜１１３が配置される。半導体領域１０４の両側には、第２のトランジスタ１２０のソース電極及びドレイン電極１１１、１１２とが配置される。第２のトランジスタのソース電極およびドレイン電極１１１、１１２は、半導体膜１１３とオーミック接触している。これにより、データライン１０２により形成されるゲート電極の電位により、半導体膜１１３のチャネル形成が制御され、ソース電極及びドレイン電極１１１、１１２の間の電流の流れを制御することができる。 Each of FIGS. 3A and 3B shows a cross section of the second transistor 120 taken along a cross-sectional line II-II. In FIG. 3A, the data line 102 is disposed on the base material 100, and the gate electrode of the second transistor 120 is formed. A gate insulating film is disposed on the gate electrode, and a semiconductor film 113 is disposed thereon. The source and drain electrodes 111 and 112 of the second transistor 120 are disposed on both sides of the semiconductor region 104. The source and drain electrodes 111 and 112 of the second transistor are in ohmic contact with the semiconductor film 113. Accordingly, the channel formation of the semiconductor film 113 is controlled by the potential of the gate electrode formed by the data line 102, and the current flow between the source and drain electrodes 111 and 112 can be controlled.

図３（ｂ）においては、基材１００の上に、半導体膜１１３が配置されている。半導体膜１１３の材料は、上述した半導体領域１０４と同様の材料を用いることができる。ただし、半導体膜１１３の材料と半導体領域１０４の材料とが同一である必要はない。第１のトランジスタ１０３の好ましい特性と第２のトランジスタ１２０の好ましい特性とに応じて、適宜材料を選択することができる。 In FIG. 3B, the semiconductor film 113 is disposed on the base material 100. As a material of the semiconductor film 113, a material similar to that of the semiconductor region 104 described above can be used. However, the material of the semiconductor film 113 and the material of the semiconductor region 104 are not necessarily the same. A material can be selected as appropriate in accordance with preferable characteristics of the first transistor 103 and preferable characteristics of the second transistor 120.

半導体膜１１３の両側には、第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極１１１、１１２とが配置される。第２のトランジスタのソース電極及びドレイン電極１１１、１１２は、半導体膜１１３とオーミック接触している。測定用トランジスタのソース電極及びドレイン電極１１１、１１２と半導体膜１１３との上には、ゲート絶縁膜１３１が形成され、ゲート絶縁膜１３１の上に、データライン１０２が配置され、測定用トランジスタのゲート電極が形成される。したがって、図３（ｂ）における測定用トランジスタにおいても、データライン１０２により形成されるゲート電極の電位により、半導体膜１１３のチャネル形成が制御され、ソース電極及びドレイン電極１１１、１１２の間の電流の流れを制御することができる。 On both sides of the semiconductor film 113, source and drain electrodes 111 and 112 of the second transistor are arranged. The source and drain electrodes 111 and 112 of the second transistor are in ohmic contact with the semiconductor film 113. A gate insulating film 131 is formed on the source and drain electrodes 111 and 112 of the measuring transistor and the semiconductor film 113, and the data line 102 is disposed on the gate insulating film 131, and the gate of the measuring transistor is formed. An electrode is formed. Therefore, also in the measurement transistor in FIG. 3B, the channel formation of the semiconductor film 113 is controlled by the potential of the gate electrode formed by the data line 102, and the current between the source and drain electrodes 111 and 112 is controlled. The flow can be controlled.

なお、図１、図３（ａ）、図３（ｂ）において、データライン１０２が、第２のトランジスタ１２０のゲート電極を形成しているが、本発明はこれに限定されることはない。たとえば、データライン１０２と第２のトランジスタ１２０のゲート電極との間に、別のトランジスタなどを用いて構成されるスイッチ回路が配置されていてもよい。 Note that although the data line 102 forms the gate electrode of the second transistor 120 in FIGS. 1, 3A, and 3B, the present invention is not limited to this. For example, a switch circuit configured using another transistor or the like may be disposed between the data line 102 and the gate electrode of the second transistor 120.

図４は、スキャンライン１０１が２本略平行に配置され、また、データライン１０２がスキャンライン１０１と略直交して２本略平行に配置され、スキャンライン１０１とデータライン１０２との交点箇所に対応して、第１のトランジスタ１０３およびセンシング部が配置された構造を示す。すなわち、図１に示される第１のトランジスタ１０３およびセンシング部が複数マトリックス状に配置された構造を示す。図４においては、スキャンライン１０１とデータライン１０２とがそれぞれ２本配置されているが、スキャンライン１０１をｍ本配置し、データライン１０２をｎ本配置し、ｍ×ｎ組の第１のトランジスタおよびセンシング部を配置することが可能である。 In FIG. 4, two scan lines 101 are arranged substantially in parallel, and two data lines 102 are arranged substantially in parallel with the scan line 101 so as to intersect with each other, at the intersection of the scan line 101 and the data line 102. Correspondingly, a structure in which the first transistor 103 and the sensing unit are arranged is shown. That is, a structure is shown in which a plurality of first transistors 103 and sensing units shown in FIG. 1 are arranged in a matrix. In FIG. 4, two scan lines 101 and two data lines 102 are arranged. However, m scan lines 101 are arranged, n data lines 102 are arranged, and m × n sets of first transistors. In addition, it is possible to arrange a sensing unit.

また、個々の感応膜１０８の上に配置される被測定物を隔離して分離するために、感応膜１０８の間に隔壁を設けてもよい。これにより、被測定物が液体などであり、容易に移動してしまう場合でも、一つの感応膜１０８の上に位置を固定することができる。 In addition, a partition wall may be provided between the sensitive films 108 in order to isolate and separate the objects to be measured arranged on the individual sensitive films 108. Thereby, even when the object to be measured is a liquid or the like and easily moves, the position can be fixed on one sensitive film 108.

図４に示すバイオセンサを用いてセンシング部の上に配置された被測定物について測定を行なうには、複数のスキャンライン１０１のうち一本の電位を、第１のトランジスタをオン状態にする電位とし第１のトランジスタ（あるいは選択素子）を選択する。また、他のスキャンライン１０１の電位を、第１のトランジスタをオフ状態にする電位とする。すると、第１のトランジスタをオン状態にする電位としたスキャンラインをゲート電極とする第１のトランジスタを介して、センシング部の電位がそれぞれのデータライン１０２に印加される。したがって、それぞれのデータライン１０２に第２のトランジスタ１２０を接続して、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流を測定する。 In order to perform measurement on an object to be measured arranged on the sensing unit using the biosensor shown in FIG. 4, one potential of the plurality of scan lines 101 is set to a potential at which the first transistor is turned on. The first transistor (or selection element) is selected. Further, the potential of the other scan line 101 is set to a potential for turning off the first transistor. Then, the potential of the sensing unit is applied to each data line 102 via the first transistor using the scan line having the potential for turning on the first transistor as the gate electrode. Therefore, the second transistor 120 is connected to each data line 102, and the current flowing between the source electrode and the drain electrode is measured.

なお、図１に示されるように、それぞれのデータラインに個々の第２のトランジスタが接続されていてもよい。また、一本のデータラインに複数の第２のトランジスタのゲート電極が接続され、複数の測定用トランジスタの中から好ましい特性を有する測定用トランジスタが選別され、測定に用いられるようになっていてもよい。 As shown in FIG. 1, individual second transistors may be connected to the respective data lines. Also, the gate electrodes of a plurality of second transistors are connected to one data line, and a measuring transistor having preferable characteristics is selected from the plurality of measuring transistors and used for measurement. Good.

なお、上述したように、参照電極１０９を被測定物に接触させ、ソース電極およびドレイン電極１１１、１１２の一方との間に、電源１２１により、所定の電位を与えてもよい。このとき、測定されるのは、一本のスキャンラインに沿って配置されるセンシング部に配置された被測定物である。したがって、参照電極１０９による被測定物は、個々のセンシング部に個別に電位を与える必要はなく、それぞれのデータラインに沿って配置されたセンシング部について参照電極１０９に共通電位を与えることができる。 Note that, as described above, the reference electrode 109 may be brought into contact with the object to be measured, and a predetermined potential may be applied between the source electrode and the drain electrodes 111 and 112 by the power source 121. At this time, what is measured is an object to be measured arranged in a sensing unit arranged along one scan line. Therefore, it is not necessary for the object to be measured by the reference electrode 109 to individually apply a potential to each sensing unit, and a common potential can be applied to the reference electrode 109 for the sensing units arranged along the respective data lines.

言い換えると、参照電極１０９を、データライン１０２毎にグループ分けすることができる。そして、同じグループ内では、参照電極１０９を同電位とすることができる。また、異なるグループ間では、参照電極１０９を異なる電位にすることができる。ここで、「グループ分け」とは、同一のデータライン１０２に選択素子を介して接続されるセンサ電極１０６の上に配置された感応膜の上に配置される参照電極１０９を同じグループに分類することをいう。 In other words, the reference electrodes 109 can be grouped for each data line 102. In the same group, the reference electrode 109 can be set to the same potential. Further, the reference electrode 109 can have different potentials between different groups. Here, “grouping” classifies the reference electrodes 109 arranged on the sensitive film arranged on the sensor electrode 106 connected to the same data line 102 via the selection element into the same group. That means.

図５は、このグループ分けに従って、参照電極１０９に電位を与える構成の一例を示す。すなわち、データラインに沿って配置されたセンシング部について、共通電極に共通電位を与える構成の一例を示す。図５に示すように、データライン１０２に略平行に、参照電極線１１０が配置されている。 FIG. 5 shows an example of a configuration for applying a potential to the reference electrode 109 in accordance with this grouping. That is, an example of a configuration in which a common potential is applied to the common electrode for the sensing units arranged along the data line is shown. As shown in FIG. 5, the reference electrode line 110 is arranged substantially parallel to the data line 102.

なお、隔壁を設ける場合には、個々の感応膜１０３の間に隔壁を設ける必要はない。すなわち、隣接するデータライン１０２に接続されるセンシング部の感応膜に配置される被測定物を隔離するように隔壁を設けることができる。すなわち、隣接するデータライン１０２に接続されるセンシング部の感応膜間に隔壁を設けることができる。これにより、隔壁を作成するコストを減少させることができる。また、この場合、参照電極は、個々の感応膜１０３に対応して設ける必要はなく、隔壁によって形成される部分に対応させて設ければよい。 In addition, when providing a partition, it is not necessary to provide a partition between each sensitive film | membrane 103. FIG. That is, the partition can be provided so as to isolate the object to be measured disposed on the sensitive film of the sensing unit connected to the adjacent data line 102. That is, a partition wall can be provided between the sensitive films of the sensing units connected to the adjacent data lines 102. Thereby, the cost which produces a partition can be reduced. In this case, the reference electrode does not need to be provided corresponding to each sensitive film 103, and may be provided corresponding to a portion formed by the partition walls.

図６（ａ）、図６（ｂ）それぞれは、図５における切断線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ったバイオセンサのセンシング部と第１のトランジスタとの断面図を示す。図６（ａ）は、図２（ａ）に対応しており、略平坦なパッシベーション膜の上に配置されたセンサ電極１０６がコンタクト１０７を介して、第１のトランジスタの電極１０５に接続されている形態である。この場合には、参照電極線１１０の一部が、感応膜１０８の上に、感応膜１０８と一体として（モノリシックに）形成され配置される。 Each of FIG. 6A and FIG. 6B is a cross-sectional view of the sensing portion of the biosensor and the first transistor along the section line III-III in FIG. FIG. 6A corresponds to FIG. 2A, in which the sensor electrode 106 disposed on the substantially flat passivation film is connected to the electrode 105 of the first transistor via the contact 107. It is a form. In this case, a part of the reference electrode line 110 is formed and disposed monolithically on the sensitive film 108 (monolithically).

また、図６（ｂ）は、図２（ｂ）に対応しており、ゲート絶縁膜１３１の上に、半導体膜に関してデータライン１０２とは反対側に電極１０５が延びてセンサ電極が形成されている。センサ電極の上に、パッシベーション膜の凹部が形成され、凹部の内部に感応膜１０８が配置されている形態である。この場合にも、参照電極線１１０の一部が、凹部の内部に配置された感応膜の上に配置される。 FIG. 6B corresponds to FIG. 2B, and the electrode 105 extends on the opposite side of the data line 102 with respect to the semiconductor film on the gate insulating film 131 to form a sensor electrode. Yes. A recess of a passivation film is formed on the sensor electrode, and a sensitive film 108 is disposed inside the recess. Also in this case, a part of the reference electrode wire 110 is disposed on the sensitive film disposed inside the recess.

図６（ａ）、図６（ｂ）のいずれの場合も、感応膜１０８と参照電極線１１０との間に、絶縁膜が形成されていてもよい。また、図５、図６において、参照電極線１１０は、感応膜１０８の上に舌形状に形成されているが、任意の形状であってもよく、たとえば、センサ電極１０６の周囲を囲むようになっていてもよい。 In both cases of FIG. 6A and FIG. 6B, an insulating film may be formed between the sensitive film 108 and the reference electrode line 110. 5 and 6, the reference electrode line 110 is formed in a tongue shape on the sensitive film 108, but may have an arbitrary shape, for example, so as to surround the sensor electrode 106. It may be.

図７は、本発明の一実施形態に係るバイオセンサに駆動回路を付加した回路図の一例を示す。図７に示すように、複数本のスキャンラインと、それらに略直交する複数のデータラインとが配置されている。スキャンラインとデータラインとの交点に対応して、第１のトランジスタ１０３が配置される。第１のトランジスタ１０３は、ゲート電極がスキャンラインに接続され、ドレイン電極またはソース電極の一方がデータラインに接続され、ドレイン電極またはソース電極の他方がセンシング部の電極１０６に接続されている。実際には、上述したように、第１のトランジスタ１０３のゲート電極は、スキャンラインの一部により構成され、第１のトランジスタ１０３のドレイン電極およびソース電極の一方はデータラインの一部により構成することができる。 FIG. 7 shows an example of a circuit diagram in which a drive circuit is added to the biosensor according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, a plurality of scan lines and a plurality of data lines substantially orthogonal thereto are arranged. Corresponding to the intersection of the scan line and the data line, the first transistor 103 is arranged. In the first transistor 103, the gate electrode is connected to the scan line, one of the drain electrode or the source electrode is connected to the data line, and the other of the drain electrode or the source electrode is connected to the electrode 106 of the sensing unit. Actually, as described above, the gate electrode of the first transistor 103 is constituted by a part of the scan line, and one of the drain electrode and the source electrode of the first transistor 103 is constituted by a part of the data line. be able to.

ゲートドライバにより、複数のスキャンラインの一本に、第１のトランジスタがオン状態となる電位が与えられる。そして、データドライバが、複数のデータラインそれぞれに第２のトランジスタ１２０のゲート電極を接続し、第２のトランジスタ１２０のドレイン電極とソース電極との間に流れる電流を測定する。 The gate driver applies a potential at which the first transistor is turned on to one of the plurality of scan lines. Then, the data driver connects the gate electrode of the second transistor 120 to each of the plurality of data lines, and measures a current flowing between the drain electrode and the source electrode of the second transistor 120.

第２のトランジスタ１２０は、１本のデータラインごとに１つあるいはそれ以上設けられていてもよい。あるいは、データラインの本数よりも少数の個数の第２のトランジスタ１２０が設けられており、スイッチ回路などでデータラインと第２のトランジスタ１２０のゲート電極とを順次接続できるようになっていてもよい。 One or more second transistors 120 may be provided for each data line. Alternatively, a smaller number of second transistors 120 than the number of data lines may be provided, and the data line and the gate electrode of the second transistor 120 may be sequentially connected by a switch circuit or the like. .

図７においては、第２のトランジスタ１２０のドレイン電極およびソース電極の一方に、増幅用トランジスタ７０１のドレイン電極またはソース電極の一方が接続されている。そして、増幅用トランジスタ７０１のゲート電極は、参照電極１０９に接続されている。また、増幅用トランジスタ７０１のドレイン電極またはソース電極の他方とゲート電極とには、電流源Ｉｉｎが接続されている。これにより、第２のトランジスタ１２０のドレイン電極およびソース電極の他方に流れる電流を測定することができる。 In FIG. 7, one of the drain electrode and the source electrode of the amplifying transistor 701 is connected to one of the drain electrode and the source electrode of the second transistor 120. The gate electrode of the amplifying transistor 701 is connected to the reference electrode 109. A current source Iin is connected to the other of the drain electrode or the source electrode of the amplifying transistor 701 and the gate electrode. Thus, the current flowing through the other of the drain electrode and the source electrode of the second transistor 120 can be measured.

なお、増幅用トランジスタを負荷トランジスタと称する場合がある。本実施形態では、第２のトランジスタ１２０と増幅用トランジスタ７０１とが、いわゆるトランジスタ負荷接続されているからである。 Note that the amplifying transistor may be referred to as a load transistor. This is because in the present embodiment, the second transistor 120 and the amplifying transistor 701 are so-called transistor load connected.

図７のように増幅用トランジスタ７０１を用いる利点の一つは、第２のトランジスタ１２０のゲート電極と増幅用トランジスタ７０１のゲート電極とを配線７０２により接続し、カレントミラー回路を形成することができることである。これにより、第２のトランジスタ１２０の特性を前もって検出することができる。したがって、図７に示す増幅用トランジスタ７０１と第２のトランジスタ１２０との組を用いてカレントミラー回路を複数作成しておき、第２のトランジスタ１２０の特性を測定し、良好な特性を有する第２のトランジスタ１２０を選別し、配線７０２を切断して、測定を行なうことができる。 One advantage of using the amplifying transistor 701 as shown in FIG. 7 is that the gate electrode of the second transistor 120 and the gate electrode of the amplifying transistor 701 are connected by a wiring 702 to form a current mirror circuit. It is. Thereby, the characteristics of the second transistor 120 can be detected in advance. Therefore, a plurality of current mirror circuits are created using the combination of the amplifying transistor 701 and the second transistor 120 shown in FIG. 7, the characteristics of the second transistor 120 are measured, and the second transistor having good characteristics is obtained. The transistor 120 is selected and the wiring 702 is cut off, so that measurement can be performed.

図８は、増幅用トランジスタ７０１と第２のトランジスタ１２０との組の上面図と断面図を示す。第２のトランジスタ１２０は、図１、図３に示すように、データライン１０２に接続されるゲート電極と、半導体膜１１３と、ドレイン電極およびソース電極１１１、８０１とを有する。また、増幅用トランジスタ７０１は、参照電極線１１０に接続されるゲート電極と、半導体膜８０３と、ソース電極およびドレイン電極８０１、８０２を有する。また、増幅用トランジスタ７０１と第２のトランジスタ１２０とが形成される時には、増幅用トランジスタ７０１のゲート電極と第２のトランジスタ１２０のゲート電極とを、配線７０２により接続し、カレントミラー回路を形成する。このカレントミラー回路により第２のトランジスタ１２０の特性を測定することができる。特性を測定した後は、配線７０２はレーザ光線などにより、切断することができる。これは、基材または／および配線７０２を覆う保護膜を透明な材料で形成し、配線７０２を透明以外の材料で形成することで実現することができる。 FIG. 8 shows a top view and a cross-sectional view of a set of the amplifying transistor 701 and the second transistor 120. As shown in FIGS. 1 and 3, the second transistor 120 includes a gate electrode connected to the data line 102, a semiconductor film 113, and drain and source electrodes 111 and 801. The amplifying transistor 701 includes a gate electrode connected to the reference electrode line 110, a semiconductor film 803, and source and drain electrodes 801 and 802. When the amplifying transistor 701 and the second transistor 120 are formed, the gate electrode of the amplifying transistor 701 and the gate electrode of the second transistor 120 are connected by the wiring 702 to form a current mirror circuit. . The characteristics of the second transistor 120 can be measured by this current mirror circuit. After the characteristics are measured, the wiring 702 can be cut with a laser beam or the like. This can be realized by forming a protective film covering the base material and / or the wiring 702 with a transparent material and forming the wiring 702 with a material other than transparent.

１０１スキャンライン、１０２データライン、１０３第１のトランジスタ、１０４半導体領域、１０５電極、１０６センサ電極、１０７コンタクト、１０８感応膜、１０９参照電極、１１１，１１２ドレイン電極およびソース電極、１１３半導体膜、１２０第２のトランジスタ、１２２電源、１２３電流計 101 scan line, 102 data line, 103 first transistor, 104 semiconductor region, 105 electrode, 106 sensor electrode, 107 contact, 108 sensitive film, 109 reference electrode, 111, 112 drain and source electrode, 113 semiconductor film, 120 Second transistor, 122 power supply, 123 ammeter

Claims

A plurality of scan lines and a plurality of data lines;
A first transistor including a sensor electrode and a sensitive film disposed on the sensor electrode, and a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode, wherein the gate electrode is connected to any one of the plurality of scan lines. One of the source electrode and the drain electrode is connected to the sensor electrode , the other of the source electrode and the drain electrode is connected to one of the data lines , and the plurality of scan lines A plurality of sensing units including a first transistor that electrically connects the sensor electrode and any of the plurality of data lines when a voltage equal to or higher than a threshold is set in any one of them ;
Gate electrode, a second transistor having a source electrode and a drain electrode, if any one of the threshold voltage above the gate electrode Ri by the scan line is set, the one of the data lines and electrically through said one of the data lines to the sensor electrode of the connected sensing unit is electrically connected, and have a second transistor that are in contact with the semiconductor film through the insulating film,
A plurality of reference electrodes that provide a predetermined potential difference between the object to be measured disposed on the sensitive film and the drain electrode or the source electrode of the second transistor corresponding to each of the sensitive films;
Each of the reference electrodes corresponding to the sensitive film disposed on the sensor electrode electrically connected to the same data line has the same potential with respect to the drain electrode or the source electrode of the second transistor. A biosensor with a power supply .

2. The biosensor according to claim 1 , wherein the reference electrode is formed and disposed integrally with the sensitive film on the sensitive film.

The biosensor according to claim 1 or 2 , wherein a partition wall is provided between the sensitive films disposed on the sensor electrode electrically connected to an adjacent data line.

Wherein the second is connected to the transistor in series and a third transistor adjacent to the second transistor, the drain electrode and the source electrode of the adjacent second and third transistors are connected The biosensor according to claim 1.

The biosensor according to claim 1, wherein one or both of the sensor electrode and the sensitive film are transparent.

The biosensor according to claim 5 , wherein the first transistor is made of a transparent material.

Having a load transistor,
The gate electrode of the load transistor and one of the drain electrode of the load transistor or the source electrode of the load transistor are connected,
One of the drain electrode of the load transistor or the source electrode of the load transistor is connected to either of the reference electrodes,
Bio according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the other of the drain or source electrode of said load transistor is connected to one of the drain or source electrode of said second transistor of said load transistor Sensor.

The biosensor according to claim 7 , wherein the gate electrode of the second transistor and the gate electrode of the load transistor are connected by wiring.

The biosensor according to claim 8 , wherein the wiring is cuttable.