JP5991370B2 - ケミカルセンサ、ケミカルセンサの製造方法、化学物質検出装置 - Google Patents

ケミカルセンサ、ケミカルセンサの製造方法、化学物質検出装置 Download PDF

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Description

本技術は、検出対象物の発光を利用して化学物質を検出するケミカルセンサ、ケミカルセンサの製造方法及び化学物質検出装置に関する。
化学結合に起因する発光を利用して化学物質を検出するケミカルセンサが研究されている。具体的には、検出したいターゲット材料と特異的に結合するプローブ材料をセンサ上に固着しておき、試料をセンサに供給すると、試料に含まれるターゲット材料がプローブ材料と結合する。例えば、ターゲット材料とプローブ材料の結合体に導入が可能な蛍光標識を用いて当該結合体を発光させると、光電変換素子による検出が可能となる。複数種のプローブ材料をセンサ上に固着させておくことによって、試料に含まれるターゲット材料の種類を特定することも可能となる。
このようなケミカルセンサにおいて、高感度、高精度の検出を可能とするためには、ターゲット材料とプローブ材料の結合に起因する発光を効率的に光電変換素子に導く必要がある。例えば、特許文献１には、有機分子プローブ配置領域が形成されたシリコン基板と固体撮像素子が一体化された有機分子検出用半導体素子が開示されている。当該素子は、有機分子プローブ配置領域に配置された有機分子プローブとターゲット材料の結合によって生じる蛍光が個体撮像素子によって検出される構成となっている。
また、特許文献２には、ダブルゲート型トランジスタ（光電変換素子）とプローブ材料からなるスポットの間にオンチップレンズが搭載された生体高分子分析チップが開示されている。当該チップにおいては、プローブ材料とターゲット材料の結合体から生じる蛍光がオンチップレンズによって集光され、ダブルゲート型トランジスタによって検出される構成となっている。
特開２００２−２０２３０３号公報 特開２００６−４９９１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、有機分子プローブからの等方的な発光を、個体撮像素子に導く光学系が存在しないため、充分な光量を得ることができず、感度が低く精度に劣るという問題がある。さらに、等方的な発光は隣接する固体撮像素子にも入り、検出信号にクロストークが発生してしまうおそれがある。また、有機分子プローブを結合させる表面の材質も規定されておらず、有機分子プローブを表面に均一に結合させることによる検出精度の向上も図られていなかった。
また、特許文献２に記載の構成では、オンチップレンズの上面に光透過性のトップゲート電極が形成されている。このようなトップゲート電極は、光透過性の電極材料であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やグラフェン等によって形成されるものと考えられる。しかし、これらの材料は低い抵抗値とするためには膜厚を厚くする必要があり、それによって膜の光透過率が低下し、感度劣化を生じることが考えられる。
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、検出対象物の発光を効率的に検出することが可能なケミカルセンサ、ケミカルセンサの製造方法及び化学物質検出装置を提供することにある。
以上のような事情に鑑み、本技術の一形態に係るケミカルセンサは、基板と、レンズ層とを具備する。
上記基板は、少なくとも一つの光検出部が形成されている。
上記レンズ層は、上記基板に積層され、光透過性を有し、上記基板と反対側の面に積層方向に向かって凹状に形成されたレンズ構造が形成されている。
この構成によれば、その凹状に形成されたレンズ構造に検出対象物を集めることが可能であると共に、検出対象物から放出される放出光（蛍光等）を光検出部に向けて集光させることが可能である。レンズ層の屈折率（絶対屈折率）はいくつであっても、検出対象物の周囲に存在する空気の屈折率よりは大きいため、レンズ層に形成された凹状のレンズ構造はレンズとして機能する。即ち、このケミカルセンサによって検出対象物の発光を効率的に検出することが可能となる。
上記レンズ構造は、上記光検出部に対向してもよい。
この構成によれば、ひとつのレンズ構造によって放出光がひとつの光検出部に向けて集光されるため、レンズ構造に集められた検出対象物からの放出光を対応する光検出部によって検出することが可能となる。
上記光検出部複数あって、上記基板上に配列され、上記レンズ構造は複数あって、それぞれが上記光検出部のそれぞれに対向してもよい。
この構成によれば、レンズ構造に収容された検出対象物からの放出光を各レンズ構造に対応する光検出部によって検出することが可能となるが、レンズ構造による集光効果によって隣接するレンズ構造からの放出光が光検出部によって検出されること（クロストーク）を防止することが可能である。
上記レンズ層は、上記ケミカルセンサに照射される照明光の波長帯域に対して遮蔽性を有してもよい。
この構成によれば、検出対象物に放出光を生じさせるための照明光（励起光等）を、レンズ層によって遮蔽することが可能であり、照明光が光検出部によって検出されることを防止し、放出光のみが光検出部によって検出されるものとすることが可能である。
上記ケミカルセンサは、上記基板と上記レンズ層の間に積層され、上記ケミカルセンサに照射される照明光の波長帯域に対して遮蔽性を有する分光フィルタ層をさらに具備してもよい。
この構成によれば、照明を分光フィルタ層によって遮蔽することが可能であり、照明光が光検出部によって検出されることを防止し、放出光のみが光検出部によって検出されるものとすることが可能である。
上記レンズ層は、第１の屈折率を有し、上記分光フィルタ層は、上記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有してもよい。
この構成によれば、レンズ層によって屈折した放出光がさらに、レンズ層と分光フィルタ層の界面においても屈折するため、放出光をより光検出部に集光させることが可能となる。
上記レンズ層に積層された、検出対象物含有溶液に対して撥液性を有する保護層をさらに具備してもよい。
この構成によれば、ケミカルセンサに供給された検出対象物含有溶液は保護層の撥液性によって保護層との接触角が大きくなる。このため、検出対象物含有溶液を乾燥させていくと、検出対象物含有溶液はレンズ構造の凹状形状と撥液性によってレンズ構造に集まる。即ち、検出対象物をレンズ構造に集め、レンズ構造による集光効果を高めることが可能となる。
上記レンズ層の、上記基板と反対側の面は、検出対象物含有溶液に対して撥液性を有してもよい。
この構成によれば、ケミカルセンサに供給された検出対象物含有溶液を、レンズ層の撥液性とレンズ構造の凹状形状によって、各レンズ構造に集めることが可能となる。
前記レンズ構造は、球面レンズ形状に形成されていてもよい。
この構成によれば、レンズ層の屈折率（第１の屈折率）による集光効果に加え、レンズ形状による集光効果を発現させることが可能である。
前記レンズ構造は、シリンドリカルレンズ形状に形成されていてもよい。
この構成によれば、レンズ層の屈折率（第１の屈折率）による集光効果に加え、レンズ形状による集光効果を発現させることが可能である。
以上のような事情に鑑み、本技術の一形態に係るケミカルセンサの製造方法は、複数の光検出部が形成された基板上に、熱可塑性材料を積層する。
上記熱可塑性材料を複数の区画にパターニングする。
上記熱可塑性材料を加熱することによって、隣接する上記熱可塑性材料の区画をつなげ、上記熱可塑性材料を凹状に形成する。
この構成によれば、熱可塑性材料をパターニングして加熱するだけで、熱可塑性材料の流動性によって凹状形状を形成させることが可能である。熱可塑性材料はレンズ層として利用してもよく、レンズ層を形成するためのエッチングレジストとして利用してもよい。即ちこの製造方法によって、凹状のレンズ構造を有するケミカルセンサを容易に製造することが可能である。
上記熱可塑性材料をパターニングする工程では、上記光検出部上を通過する線状に上記熱可塑性材料を除去することによって、上記熱可塑性材料をパターニングしてもよい。
この構成によれば、各光検出部上において熱可塑性材料が除去されているため、熱可塑性材料を加熱した際に各光検出部上において熱可塑性材料が薄くつながった部分が形成され、即ち各光検出部に対向するレンズ構造を形成することが可能である。
以上のような事情に鑑み、本技術の一形態に係る化学物質検出装置は、ケミカルセンサと、照明光源と、画像取得部とを具備する。
上記ケミカルセンサは、少なくとも一つの光検出部が形成された基板と、上記基板に積層され光透過性を有し上記基板と反対側の面に積層方向に向かって凹状に形成されたレンズ構造が形成されたレンズ層とを有する。
上記照明光源は、上記ケミカルセンサに照明光を照射する。
上記画像取得部は、上記照明光の照射を受けて上記レンズ構造に収容された検出対象物から生じる放出光によって生成される上記光検出部の出力から、上記放出光の画像を取得する。
この構成によれば、ケミカルセンサに照明光を照射し、照明光を受けて検出対象物において生じた放出光による光検出部の出力から放出光の画像を取得し、その画像から各レンズ構造に収容された化学物質を検出することが可能である。
以上のように、本技術によれば、検出対象物の発光を効率的に検出することが可能なケミカルセンサ、ケミカルセンサの製造方法及び化学物質検出装置を提供することが可能である。
本技術の第１の実施形態に係るケミカルセンサの平面図である。 同ケミカルセンサの断面図である。 同ケミカルセンサの断面図である。 本技術の第１の実施形態に係る化学物質検出装置を示す模式図である。 同ケミカルセンサを用いた化学物質の検出のための測定フローである。 同ケミカルセンサの測定フローにおける状態を示す模式図である。 同ケミカルセンサの照明光が照射された状態を示す模式図である。 同ケミカルセンサにおいて放出光がレンズ構造によって集光される様子を示す模式図である。 同ケミカルセンサの製造方法を示すフローチャートである。 同ケミカルセンサの各製造段階における状態を示す平面図である。 同ケミカルセンサの各製造段階における状態を示す断面図である。 同ケミカルセンサの別の製造方法を示すフローチャートである。 本技術の第２の実施形態に係るケミカルセンサの断面図である。 同ケミカルセンサの製造方法を示すフローチャートである。 同ケミカルセンサの各製造段階における状態を示す断面図である。 本技術の第１の実施形態に係るケミカルセンサにおけるレンズ構造の形状及び配置を示す斜視図である。 同ケミカルセンサにおけるレンズ構造の形状及び配置を示す斜視図である。 同ケミカルセンサにおけるレンズ構造の形状及び配置を示す斜視図である。
（第１の実施形態）
本技術の第１の実施形態に係る化学物質検出装置について説明する。
［ケミカルセンサの全体構成］
図１は、本実施形態に係るケミカルセンサ１の平面図であり、図２はケミカルセンサ１の断面図である。これらの図に示すように、ケミカルセンサ１は、基板２上に設けられた導光部３と、基板２上に設けられた周辺回路から構成されている。基板２には複数の光検出部２１が配置されており、導光部３は光検出部２１上に配置されている。
詳細は後述するが、導光部３にはプローブ材料が支持されており、供給された試料に含まれるターゲット材料（検出対象物）がプローブ材料と結合している。ターゲット材料とプローブ材料の結合体から生じる光（蛍光等）は基板２に設けられた光検出部２１に入射し、周辺回路によって電気信号として出力される。プローブ材料は例えば、ＤＮＡ（deoxyribonucleic acid）、ＲＮＡ（ribo nucleic acid）、蛋白質、抗原物質等であり、ターゲット材料はこれらに結合可能な化学物質である。
光検出部２１は、光を電流に変換する光電変換素子（フォトダイオード）とすることができる。光検出部２１は、半導体基板である基板２上に不純物が導入されて形成された不純物領域であるものとすることができる。光検出部２１は、図示しないゲート絶縁膜やゲート電極によって構成される画素回路に接続されているものとすることができ、画素回路は基板２の主面とは反対側の面に設けられるものとすることも可能である。光検出部２１の数や配列については限定されず、行列状やライン状に配列されるものとすることができる。ここでは、光検出部２１は基板２の平面上において行列状に配列されているものとし、行の方向を垂直方向、列の方向を水平方向とする。
周辺回路は、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６及びシステム制御回路７から構成されている。また、各光検出部２１は行毎に画素駆動線８に接続され、かつ列毎に垂直信号線９に接続されている。各画素駆動線８は垂直駆動回路４に接続され、垂直信号線９はカラム信号処理回路５に接続されている。
カラム信号処理回路５は、水平駆動回路６に接続され、システム制御回路７は、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６に接続されている。なお、周辺回路は画素領域に積層される位置、あるいは基板２の反対側等に配置することも可能である。
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動線８を選択し、選択された画素駆動線８に光検出部２１を駆動するためのパルスを供給し、光検出部２１を行単位で駆動する。即ち、垂直駆動回路４は、各光検出部２１を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、画素駆動線８に対して垂直に配線された垂直信号線９を通して、各光検出部２１において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。
カラム信号処理回路５は、１行分の光検出部２１から出力される信号に対して画素列ごとにノイズ除去等の信号処理を行う。即ちカラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling)や、信号増幅、アナログ／デジタル変換（ＡＤ：Anlog/Digital Conversion）等の信号処理を行う。
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を出力させる。
システム制御回路７は、入力クロックと、動作モード等を指定するデータを受け取り、また光検出部２１の内部情報等のデータを出力する。即ち、システム制御回路７は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、システム制御回路７は、これらの信号を垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力する。
以上のように、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６及びシステム制御回路７と、光検出部２１に設けられた画素回路とによって、各光検出部２１に入射した光が電気信号として出力される構成が形成されている。このような回路構成は一例であり、光検出部２１に入射した光を出力できる回路構成であれば、本実施形態を適用することが可能である。
［ケミカルセンサの構造］
図２に示すように、ケミカルセンサ１は、光検出部２１が形成された基板２上に導光部３が積層されて構成されているが、導光部３は分光フィルタ層３１、レンズ層３２及び保護層３３から構成されている。
分光フィルタ層３１は、基板２上に積層され、レンズ層３２を透過した光を分光する。詳細は後述するが、分光フィルタ層３１は、ケミカルセンサ１に照射される照明光（励起光等）の波長帯域を遮蔽し、照明光の照射を受けて検出対象物から放出される放出光（蛍光等）を透過するものである。分光フィルタ層３１の材料はそのような分光特性を有するものであれば特に限定されないが、屈折率（第２の屈折率）が大きいものが好適である。分光フィルタ層３１の厚さは、所定の分光特性を発揮できる厚さが必要であるが、放出光の拡散を防止するため、なるべく薄い方が好適である。
レンズ層３２は、分光フィルタ層３１上に積層され、検出対象物を支持する凹状のレンズ構造（後述）を提供すると共に検出対象物からの放出光を光検出部２１に集光する。レンズ層３２は、少なくとも放出光の波長帯域を透過し、所定の屈折率（第１の屈折率）を有する材料からなるものとすることができる。第１の屈折率は、レンズ層３２の集光効果を高めるためには大きい方が好適である。なお、レンズ層３２は必ずしも均一な厚さである必要はない。
レンズ層３２において、基板２と反対側の面には、レンズ層３２の積層方向に向かって凹状のレンズ構造３２ａが形成されている。図１６は、レンズ構造３２ａの形状及び配置を示す斜視図である。なお、図１６において保護層３３は図示を省略する。同図に示すように、レンズ構造３２ａは、レンズ層３２の表面に形成された波状構造によって形成される凹状の構造であるものとすることができる。
上記のようにレンズ層３２は第１の屈折率を有するため、レンズ構造３２ａはレンズとして機能する。図２及び図１６に示すようにレンズ構造３２ａは複数が形成され、それぞれが光検出部２１に対向するように形成されるものとすることができる。
また、レンズ構造３２ａは図１６に示す形状に限られず、他の形状を有する凹状の構造であるものとすることができる。図１７及び図１８は他の形状を有するレンズ構造３２ａの形状及び配置を示す斜視図である。なお、図１７及び図１８において保護層３３は図示を省略する。
例えば、レンズ構造３２ａは図１７に示すように半球状の凹状形状とすることができ、この場合各レンズ構造３２ａは球面レンズを構成する。また、レンズ構造３２ａはそれぞれが各光検出部２１に１対１で対向するものに限られず、ひとつのレンズ構造３２ａが複数の光検出部２１に対向するものとすることも可能である。例えばレンズ構造３２ａ、図１８に示すように、光検出部２１の列に対向する半円柱形状の凹状（溝状）構造とすることができ、この場合各レンズ構造３２ａは、シリンドリカルレンズ（円柱状構造）を構成する。
上記のようにレンズ構造３２ａはレンズとして機能するため、レンズの形状に近い方が効果的に光検出部２１に集光ができる点で好適である。しかしながら、各レンズ構造３２ａはレンズとして機能するのみならず、検出対象物を光検出部２１に対向する位置で保持する機能も有する。したがって、レンズ構造３２ａはレンズ層３２の積層方向に向かって凹状の構造であればよく、その形状や配置は特に限定されない。例えばレンズ構造３２ａは光検出部２１ａにそれぞれ対向する円錐、三角推、四角推といった推状の凹状形状とすることもでき、光検出部２１ａの各列に対向する各種の溝状形状とすることも可能である。また、レンズ構造３２ａは必ずしも互いに同一の形状でなくてもよく、異なる形状を有するものとすることも可能である。
即ち、レンズ構造３２ａは、凹状形状であることによって各レンズ構造に検出対象物を収容することが可能であり、加えてレンズ層３２の第１の屈折率によって検出対象物からの放出光を光検出部２１に集光することができる。さらにレンズ構造３２ａをレンズ形状に近い形状とすることによってその形状による集光効果も得ることが可能である。また、各レンズ構造３２ａを各光検出部２１にそれぞれ対向するように（１対１で）配置することにより、各レンズ構造３２ａに収容された検出対象物からの放出光をひとつの光検出部２１に集光することが可能であり、より効率的な放出光の検出が可能となる。
レンズ構造３２ａは、後述する製造方法により形成することが可能である。この場合レンズ層３２は、加熱により柔らかくなる熱可塑性材料からなるものとすることができる。一方、レンズ構造３２ａは加熱プロセスによって形成されるものに限られず、その場合にはレンズ層３２は必ずしも熱可塑性材料からなるものでなくてもよい。
保護層３３は、レンズ層３２を被覆し、その表面に検出対象物を保持する。図２に示すように保護層３３は薄く、レンズ層３２の表面に形成されたレンズ構造３２ａに沿ったものとすることができる。保護層３３は少なくとも検出対象物から放出される放出光を透過する材料からなるものとすることができる。保護層３３は、レンズ層３２の屈折率（第１の屈折率）より小さい屈折率を有するものであってもよいが、保護層３３はレンズ層３２に比べて薄くすることができ、その屈折率による影響は小さいため、第１の屈折率より大きい屈折率を有するものとすることも可能である。
保護層３３は、その表面が、検出対象物が含有された溶液（検出対象物含有溶液）に対して撥液性を有するものとすることができる。後述するが、検出対象物は液体に含有されて保護層３３の表面に供給されるため、保護層３３がその検出対象物含有溶液に対して撥液性を有することにより、検出対象物を各レンズ構造３２ａに集めることが可能となる。撥液性は、検出対象物含有溶液と高い接触角を持って接触するもの、即ち、検出対象物含有溶液をはじくものであればよい。具体的には、保護層３３は、検出対象物含有溶液が親水性液体であれば疎水性であり、検出対象物含有溶液が親油性液体であれば親水性であるものとすることができる。
なお、図３に示すように、ケミカルセンサ１は保護層３３を有しないものとすることも可能である。この場合、レンズ層３２の表面に、検出対象物含有液体に対して撥液性となる表面処理を施すことにより、検出対象物を各レンズ構造３２ａに集めるものとすることも可能である。また、レンズ層３２の表面に撥液性となる処理を施さない場合、撥液性によって検出対象物を集めることはできないものの、レンズ構造３２ａの凹状形状によってある程度は検出対象物を各レンズ構造３２ａに集めることは可能である。
［化学物質検出装置の構成］
以上のような構成を有するケミカルセンサ１を用いて化学物質の検出が可能な化学物質検出装置１００の構成について説明する。図４は、化学物質検出装置１００の構成を示す模式図である。同図に示すように、化学物質検出装置１００は、ケミカルセンサ１、照明光源１０１及び画像取得部１０２によって構成されている。
照明光源１０１は、ケミカルセンサ１に照明光を照射する。照明光は、例えばケミカルセンサ１に保持された検出対象物に含まれる蛍光標識を蛍光発光させるための励起光であるものとすることができる。照明光の波長や強度等の照明条件は、蛍光標識の種類等に応じて適宜設定されるものとすることができる。
画像取得部１０２は、照明光源１０１から照射された照明光を受けて、検出対象物から生じる放出光（蛍光等）によって生成される光検出部２１の出力から、放出光の画像を取得する。画像取得部１０２は、ケミカルセンサ１のカラム信号処理回路５に接続され、各光検出部２１の出力を取得するものとすることができる。
化学物質検出装置１００は以上のような構成を有するものとすることができる。化学物質検出装置１００の構成は一例であり、異なる構成を有する装置によってケミカルセンサ１を利用することも可能である。
［測定フロー及びケミカルセンサの作用］
ケミカルセンサ１を利用した化学物質の検出のための測定フロー及びその際のケミカルセンサ１の作用について説明する。
図５は、化学物質の検出のための測定フローであり、図６はケミカルセンサ１の状態を示す模式図である。図５に示すように、まずケミカルセンサ１の導光部３に、検出対象物含有溶液が塗布される（Ｓｔ１）。なお、導光部３の表面において各レンズ構造３２ａには、検出対象物に特異的に結合する図示しないプローブ材料が固定されているものとすることができる。プローブ材料を各レンズ構造３２ａ毎に異なるものとすることにより、各レンズ構造３２ａにおいて異なる検出対象物（ターゲット材料）が結合するものとすることが可能である。
図６（ａ）に示すように、ケミカルセンサ１の導光部３に、検出対象物含有溶液Ｌが供給される。検出対象物含有溶液Ｌには、検出対象物Ｓが含有されているものとする。検出対象物含有溶液Ｌを乾燥させる（Ｓｔ２）と、図６（ｂ）に示すように、検出対象物含有溶液Ｌがレンズ構造３２ａに集まる。これは、レンズ構造３２ａが凹状に形成されていることと、保護層３３の検出対象物含有溶液Ｌに対する撥液性によるものである。特に、保護層３３の撥液性によって、検出対象物含有溶液Ｌが表面張力によりレンズ構造３２ａに集まり易くなる。検出対象物含有溶液Ｌの乾燥が終了すると、図６（ｃ）に示すように、検出対象物Ｓが各レンズ構造３２ａに収容される形で保護層３３に付着する。
続いて、ケミカルセンサ１に、照明光源１０１から照明光を照射する。（Ｓｔ３）。図７は、照明光が照射されたケミカルセンサ１の状態を示す模式図である。同図に示すように、照明光（白矢印）の照射を受けて検出対象物Ｓにおいて放出光（黒矢印）が生じる。照明光は例えば励起光であり、放出光は例えば蛍光であるものとすることができる。なお、放出光を生じる物質（例えば蛍光標識）は、予め検出対象物Ｓに導入されていてもよく、プローブ材料とターゲット材料（検出対象物Ｓ）の結合体に導入されるものであってもよい。
図８は、放出光がレンズ構造３２ａによって集光される様子を示す模式図である。なお、図８において保護層３３は省略されているが、上記のように保護層３３は薄く、その光学的影響は無視することが可能である。
図８に示すように、検出対象物Ｓにおいて生じた放出光は、レンズ構造３２ａの表面（以下レンズ面）において屈折する。これは、レンズ層３２の屈折率（第１の屈折率）Ｎ１が検査対象物Ｓ側（空気）の屈折率Ｎ０より大きいため、スネルの法則により、レンズ面への入射角θ０より、レンズ面からの出射角θ１が小さくなるためである。レンズ面においてこの屈折は、放出光の拡散を集束させる方向に作用し、即ち放出光は、レンズ面によって光検出部２１に向かって集光される。
さらに、分光フィルタ層３１の屈折率（第２の屈折率）Ｎ２を第１の屈折率Ｎ１より大きくすることにより、レンズ層３２と分光フィルタ層３１の界面においても屈折が生じる。即ち界面への入射角θ２より界面からの出射角θ３が小さくなり、放出光をさらに光検出部２１に向かって集光させることが可能となる。
分光フィルタ層３１に入射した放出光は、光検出部２１に到達し、光検出部２１によって検出（光電変換）される。上記のようにレンズ面及びレンズ層３２と分光フィルタ層３１の界面によって、放出光が集光されるため、光検出部２１に到達する放出光の割合を向上させ、また、隣接する光検出部２１への放出光の漏洩（クロストーク）による検出精度の低下が防止される。
ケミカルセンサ１に照射された照明光は、分光フィルタ層３１によって遮蔽され、光検出部２１によって検出されることが防止されている。各光検出部２１の出力は、周辺回路を介して画像取得部１０２に出力され、画像取得部１０２において放出光のアレイ画像（各光検出部２１毎の強度を示す画像）が生成される（Ｓｔ４）。上述のように各レンズ構造３２ａに異なるプローブ材料を固定しておくことにより、放出光が検出された光検出部２１の位置から、検出対象物の種類を特定することが可能である。
以上のように、本実施形態に係るケミカルセンサ１においては、レンズ層３２に凹状のレンズ構造３２ａが形成されていることによって、検出対象物がレンズ構造３２ａに集まり、光検出部２１によって検出しやすい配置となる。さらに、レンズ構造３２ａのレンズ効果によって、検出対象物からの放出光が光検出部２１に集光され、放出光の効率的な検出が可能となる。
［ケミカルセンサの製造方法］
ケミカルセンサ１の製造方法について説明する。
図９はケミカルセンサ１の製造方法を示すフローチャートであり、図１０及び図１１は、各製造段階のケミカルセンサ１を示す模式図である。図１０はケミカルセンサ１の平面図であり、図１１はケミカルセンサ１の断面図である。
図１０（ａ）及び図１１（ａ）に示すように、光検出部２１が形成された基板２上に、分光フィルタ層３１を積層する（Ｓｔ１１）。分光フィルタ層３１は、任意の方法によって積層することが可能である。続いて、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示すように、分光フィルタ層３１上に、レンズ材料からなるレンズ層３２’を積層する（Ｓｔ１２）。レンズ層３２’も、任意の方法によって積層することができる。
続いて、図１０（ｃ）及び図１１（ｃ）に示すように、レンズ層３２’をパターニングする（Ｓｔ１３）。レンズ層３２’のパターニングは、レンズ層３２’の一部を除去することによってレンズ層３２’を複数の区画に分けるものである。レンズ層３２’のパターニングは、例えばリソグラフィによってすることができる。ここで、レンズ層３２’のパターニングは、図１０（ｃ）に示すように、各光検出部２１上を通過する線状に、レンズ層３２’を除去することによってすることができる。光検出部２１が行列上に配置されている場合には、各光検出部２１上を通過する線は、格子状となる。
続いて、図１０（ｄ）及び図１１（ｄ）に示すように、パターニングされたレンズ層３２’を加熱（リフロー）する（Ｓｔ１４）。加熱によってレンズ層３２’は粘性を有する流体状となる。さらに加熱を継続すると、レンズ材料の粘性が低下して流動し、図１０（ｅ）及び図１１（ｅ）に示すように、隣接するレンズ層３２’の区画とつながる。このつながった部分は薄いため、凹状のレンズ構造３２ａとなる。加熱時間を長くし過ぎるとレンズ層３２’が平坦になってしまうため、レンズ材料の流動性を考慮してレンズ構造３２ａが形成される程度の加熱時間に調整する。
上述のパターニング（Ｓｔ１３）において、各光検出部２１上を通過する線状にレンズ層３２’を除去しているため、その交差箇所、即ち各光検出部２１の直上においてレンズ層３２’が薄くなったレンズ構造３２ａが形成される。このように各光検出部２１上を通過する線状にレンズ層３２’を除去することによって、レンズ層３２’を加熱するだけで各光検出部２１に対向するレンズ構造３２ａを有するレンズ層３２を形成することが可能である。
続いて、図１０（ｆ）及び図１１（ｆ）に示すようにレンズ層３２上に保護層３３を積層する（Ｓｔ１５）。保護層３３は任意の方法で積層することが可能である。また、保護層３３を積層することなく製造プロセスを終了してもよく、保護層３３の替わりにレンズ層３２に検出対象物含有溶液に対して撥液性となる表面処理を施してもよい。
さらに、必要に応じて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５等の周辺回路を基板２に装着し、ケミカルセンサ１が製造される。なお、これらの周辺回路は、上記製造プロセスの前に基板２に装着されてもよい。
なお、ケミカルセンサ１は次のようにして製造することも可能である。図１２はケミカルセンサ１の別の製造方法を示すフローチャートである。
光検出部２１が形成された基板２上に分光フィルタ層３１を積層する工程（Ｓｔ２１）と、分光フィルタ層３１上にレンズ層３２’を積層する工程（Ｓｔ２２）は上述のものと同様である。続いて、レンズ層３２’に対してナノインプリントが実施される（Ｓｔ２３）。
ナノインプリントは、加熱して柔らかくしたレンズ層３２’に、レンズ構造３２ａの型を押圧することによってすることができる。レンズ構造３２ａの型は、レンズ構造３２ａが光検出部２１に対向する位置に形成されるように、その位置が調整される。レンズ層３２はこのようにして形成されるものとすることも可能である。レンズ層３２上には上述のように保護層３３が積層される（Ｓｔ２４）ものとすることができる。
ケミカルセンサ１は以上のようにして製造することが可能である。なお、ケミカルセンサ１の製造方法は上述のものに限られず、異なる製造方法とすることも可能である。
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。なお、本実施形態において第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。本実施形態に係るケミカルセンサは、第１の実施形態と同様に周辺回路と共に基板に積層された導光部からなるものとすることができる。また、本実施形態に係るケミカルセンサは、第１の実施形態と同様に化学物質検出装置として利用することが可能なものである。
［ケミカルセンサの構造］
図１３は、本実施形態に係るケミカルセンサ２０１の構造を示す模式図である。同図に示すように、ケミカルセンサ２０１は、光検出部２２１が形成された基板２０２上に導光部２０３が積層されて構成されている。
光検出部２２１の構成は第１の実施形態と同様であり、即ち半導体基板である基板２上に不純物が導入されて形成された不純物領域であるものとすることができる。光検出部２２１には図示しない画素回路が接続されているものとする。
導光部２０３は、レンズ層２３１と保護層２３２を有する。レンズ層２３１は基板２上に積層され、保護層２３２はレンズ層２３１上に積層されている。
レンズ層２３１は、第１の実施形態と同様に検出対象物を支持するレンズ構造を提供すると共に検出対象物からの放出光を光検出部２１に集光する。さらに、本実施形態に係るレンズ層２３１は、ケミカルセンサ２０１に照射される照明光を遮蔽し、検出対象物から放出される放射光を透過させる。即ちレンズ層２３１は、分光フィルタとしての機能も有する。レンズ層２３１が分光フィルタの機能を兼ねることにより、分光フィルタ層を別途設ける必要がなく、導光部２０３を低背化させることが可能である。
第１の実施形態と同様にレンズ層２３１は第１の屈折率を有し、検出対象物を支持する凹状のレンズ構造２３１ａを提供すると共に検出対象物からの放出光を光検出部２２１に集光する。図１３に示すようにレンズ構造２３１ａは複数が形成され、それぞれが光検出部２２１に対向するように形成されるものとすることができる。
保護層２３２は、レンズ層２３１を被覆し、その表面に検出対象物を保持する。保護層２３２は、第１の実施形態と同様に検出対象物含有溶液に対して撥液性を有するものとすることができ、検出対象物を各レンズ構造２３１ａに収容させる機能を有する。保護層２３２は必ずしも設けられなくてもよく、また保護層２３２の替わりにレンズ層２３１の表面に検出対象物含有溶液に対する撥液性を生じる表面処理が施されてもよい。
ケミカルセンサ２０１は以上のような構造を有する。ケミカルセンサ２０１においても第１の実施形態と同様に、保護層２３２の表面に供給された検出対象物含有溶液は、レンズ構造２３１ａの形状と保護層２３２の撥液性によって各レンズ構造２３１ａに集められるため、検出対象物を各レンズ構造２３１ａに収容させることが可能である。さらに、レンズ構造２３１ａがレンズとして機能するため、検出対象物から生じた放出光は光検出部２２１に集光され、放出光の効率的な検出が可能となる。
［ケミカルセンサの製造方法］
ケミカルセンサ２０１の製造方法について説明する。図１４は、ケミカルセンサ２０１の製造方法を示すフローチャートであり、図１５は、各製造段階のケミカルセンサ２０１を示す断面図である。
光検出部２２１が形成された基板２０２上に、レンズ層２３１’を積層する（Ｓｔ２０１）。レンズ層２３１’は任意の方法によって積層することができる。続いて、図１５（ａ）に示すように、レンズ層２３１’上にレジストＲを積層する（Ｓｔ２０２）。レジストＲは、加熱によって粘性をもって流動可能な熱可塑性材料からなるものとすることができる。
続いて図１５（ｂ）に示すように、レジストＲをパターニングする（Ｓｔ２０３）。レジストＲのパターニングは、第１の実施形態におけるレンズ層のパターニングと同様に、各光検出部２２１上を通過する線状に、レジストＲを除去することによってすることができる。このパターニングによってレジストＲが複数の区画に分割される。
続いて図１５（ｃ）に示すように、パターニングされたレジストＲを加熱（リフロー）する（Ｓｔ２０４）。加熱によってレジストＲは粘性を有する流体状となり、さらに加熱を継続すると、図１５（ｄ）に示すように隣接するレジストＲの区画がつながる。これによってレジストＲが、凹状に形成される。
続いて図１５（ｅ）に示すように、レジストＲを利用してレンズ層２３１’をエッチングする（Ｓｔ２０５）。エッチングによってレジストＲが除去されると共に、レジストＲの凹状形状がレンズ層２３１’に転写される。エッチングは例えばドライエッチングであるものとすることができる。これによってレンズ層２３１に凹状のレンズ構造２３１ａを形成することが可能である。
続いて図１５（ｆ）に示すように、レンズ層２３１上に保護層２３２を積層する（Ｓｔ２０６）。保護層２３２は任意の方法で積層することが可能である。また、保護層２３２を積層することなく製造プロセスを終了してもよく、保護層２３２の替わりにレンズ層２３１に検出対象物含有溶液に対して撥液性となる表面処理を施してもよい。
さらに、必要に応じて周辺回路を基板２０２に装着し、ケミカルセンサ２０１が製造される。なお、これらの周辺回路は、上記製造プロセスの前に基板２０２に装着されてもよい。ケミカルセンサ２０１は以上のようにして製造することが可能である。なお、ケミカルセンサ２０１の製造方法は上述のものに限られず、異なる製造方法とすることも可能である。
本技術は上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である。
上記各実施形態に係るケミカルセンサは、隣接するレンズ構造からの放出光の漏洩を防止するための遮光膜を備えるものとすることも可能である。遮光膜は、各光検出部の上層を光検出部毎に区切るように遮光性の高い材料からなる膜を配置することにより形成することが可能である。
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
少なくとも一つの光検出部が形成された基板と、
前記基板に積層され、光透過性を有し、前記基板と反対側の面に積層方向に向かって凹状に形成されたレンズ構造が形成されたレンズ層と、
を具備するケミカルセンサ。
（２）
上記（１）に記載のケミカルセンサであって、
上記レンズ構造は、上記光検出部に対向する
ケミカルセンサ。
（３）
上記（１）又は（２）に記載のケミカルセンサであって、
上記光検出部は複数あって、上記基板上に配列され、
上記レンズ構造は複数あって、それぞれが上記光検出部のそれぞれに対向する
ケミカルセンサ。
（４）
上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記レンズ層は、上記ケミカルセンサに照射される照明光の波長帯域に対して遮蔽性を有する
ケミカルセンサ。
（５）
上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記基板と上記レンズ層の間に積層され、上記ケミカルセンサに照射される照明光の波長帯域に対して遮蔽性を有する分光フィルタ層をさらに具備する
ケミカルセンサ。
（６）
上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記レンズ層は、第１の屈折率を有し、
上記分光フィルタ層は、上記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する
ケミカルセンサ。
（７）
上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記レンズ層に積層された、検出対象物含有溶液に対して撥液性を有する保護層をさらに具備する
ケミカルセンサ。
（８）
上記（１）から（７）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記レンズ層の、上記基板と反対側の面は、検出対象物含有溶液に対して撥液性を有する
ケミカルセンサ。
（９）
上記（１）から（８）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
前記レンズ構造は、球面レンズ形状に形成されている
ケミカルセンサ。
（１０）
上記（１）から（９）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
前記レンズ構造は、シリンドリカルレンズ形状に形成されている
ケミカルセンサ。
（１１）
複数の光検出部が形成された基板上に、熱可塑性材料を積層し、
上記熱可塑性材料を複数の区画にパターニングし、
上記熱可塑性材料を加熱することによって、隣接する上記熱可塑性材料の区画をつなげ、上記熱可塑性材料を凹状に形成する
ケミカルセンサの製造方法。
（１２）
上記（１１）に記載のケミカルセンサの製造方法であって、
上記熱可塑性材料をパターニングする工程では、上記光検出部上を通過する線状に上記熱可塑性材料を除去することによって、上記熱可塑性材料をパターニングする
ケミカルセンサの製造方法。
（１３）
少なくとも一つの光検出部が形成された基板と、上記基板に積層され光透過性を有し上記基板と反対側の面に積層方向に向かって凹状に形成されたレンズ構造が形成されたレンズ層とを有するケミカルセンサと、
上記ケミカルセンサに照明光を照射する照明光源と
上記照明光の照射を受けて上記レンズ構造に収容された検出対象物から生じる放出光によって生成される上記光検出部の出力から、上記放出光の画像を取得する画像取得部と
を具備する化学物質検出装置。
１、２０１…ケミカルセンサ
２、２０２…基板
２１、２２１…光検出部
３１…分光フィルタ層
３２、２３１…レンズ層
３２ａ、２３１ａ…レンズ構造
３３、２３２…保護層
１００…化学物質検出装置
１０１…照明光源
１０２…画像取得部
２０１…ケミカルセンサ
２０２…基板
２０３…導光部

Claims (10)

  1. 第１の平面上に少なくとも一つの光検出部が形成された基板と、
    前記基板に積層され、光透過性を有し、前記基板と反対側の面にレンズ構造が形成されたレンズ層であって、前記レンズ構造は、前記基板側に突出し、前記第１の平面に垂直な第１の方向に沿って前記光検出部と対向する凹部と、前記基板とは反対側に突出し、前記第１の方向に沿って前記光検出部と対向しない凸部とを有し、前記凹部内に保持された検出対象物から生じた光を前記光検出部に導くレンズ形状を有するレンズ層と
    を具備するケミカルセンサ。
  2. 請求項１に記載のケミカルセンサであって、
    前記レンズ層は、前記ケミカルセンサに照射される照明光の波長帯域に対して遮蔽性を有する
    ケミカルセンサ。
  3. 請求項１又は２に記載のケミカルセンサであって、
    前記基板と前記レンズ層の間に積層され、前記ケミカルセンサに照射される照明光の波長帯域に対して遮蔽性を有する分光フィルタ層をさらに具備する
    ケミカルセンサ。
  4. 請求項３に記載のケミカルセンサであって、
    前記レンズ層は、第１の屈折率を有し、
    前記分光フィルタ層は、前記第１の屈折率より大きい第２の屈折率を有する
    ケミカルセンサ。
  5. 請求項１から４のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
    前記レンズ層に積層された、検出対象物含有溶液に対して撥液性を有する保護層をさらに具備する
    ケミカルセンサ。
  6. 請求項１から４のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
    前記レンズ層の、前記基板と反対側の面は、検出対象物含有溶液に対して撥液性を有する
    ケミカルセンサ。
  7. 請求項１から６のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
    前記レンズ構造は、球面レンズ形状に形成されている
    ケミカルセンサ。
  8. 請求項１から６のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
    前記レンズ構造は、シリンドリカルレンズ形状に形成されている
    ケミカルセンサ。
  9. 複数の光検出部が形成された基板上に、熱可塑性材料を積層し、
    前記光検出部上を通過する線状に前記熱可塑性材料を除去することによって、前記熱可塑性材料を複数の区画にパターニングし、
    前記熱可塑性材料を加熱することによって、隣接する前記熱可塑性材料の区画をつなげ、前記熱可塑性材料を凹状に形成する
    ケミカルセンサの製造方法。
  10. 第１の平面上に少なくとも一つの光検出部が形成された基板と、前記基板に積層され、光透過性を有し、前記基板と反対側の面にレンズ構造が形成されたレンズ層であって、前記レンズ構造は、前記基板側に突出し、前記第１の平面に垂直な第１の方向に沿って前記光検出部と対向する凹部と、前記基板とは反対側に突出し、前記第１の方向に沿って前記光検出部と対向しない凸部とを有し、前記凹部内に保持された検出対象物から生じた光を前記光検出部に導くレンズ形状を有するレンズ層とを備えるケミカルセンサと、
    前記ケミカルセンサに照明光を照射する照明光源と、
    前記照明光の照射を受けて前記レンズ構造に収容された検出対象物から生じる放出光によって生成される前記光検出部の出力から、前記放出光の画像を取得する画像取得部と
    を具備する化学物質検出装置。
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