JP6296880B2

JP6296880B2 - 測定装置および測定方法

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Publication number: JP6296880B2
Application number: JP2014089136A
Authority: JP
Inventors: 光治田村; 恒男木暮; 後藤　典雄; 典雄後藤; 武笠　幸一; 幸一武笠
Original assignee: BIO SENSOR INC.
Current assignee: BIO SENSOR INC.
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: JP2015206763A

Description

本発明は、所定のセンサーチップを用いて検体中の被検出物質の存在またはその量を検出する測定装置および測定方法に関する。

従来、被検出物質を検出するためのセンサー素子として、様々なセンサー素子が提案されている。たとえば、特許文献１，２には、バックゲート型の電界効果トランジスタを含むセンサー素子が開示されている。

図１は、特許文献１，２に記載のセンサー素子の構成を示す断面模式図である。図１に示されるように、センサー素子１０は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の一方の面に形成された第１絶縁膜１２と、シリコン基板１１の他方の面に形成された第２絶縁膜１３と、第１絶縁膜１２上に配置されたチャネル１４と、チャネル１４の一方の端部に接続されたソース電極１５と、チャネル１４の他方の端部に接続されたドレイン電極１６と、第２絶縁膜１３上に配置された反応部１７と、第２絶縁膜１３に対向するように配置されたゲート電極１８と、を有する。反応部１７では、抗体などの認識物質１９が第２絶縁膜１３上に固定化されている。ゲート電極１８は、取り外し可能であり、反応部１７に検体を提供する際には取り外され、測定する際には第２絶縁膜１３に対向するように配置される。ゲート電極１８は、例えばアルミニウム板である。

特許文献１に記載のセンサー素子は、カーボンナノチューブからなるチャネル１４を有している。特許文献２に記載のセンサー素子は、ポリシリコン膜からなるチャネル１４を有している。センサー素子１０において、シリコン基板１１、第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１３、チャネル１４、ソース電極１５、ドレイン電極１６およびゲート電極１８は、バックゲート型の電界効果トランジスタとして機能する。

図１に示されるセンサー素子１０を用いて、被検出物質を検出する手順を説明する。まず、ゲート電極１８を反応部１７（第２絶縁膜１３）に接触させた状態で、ゲート電極１８に印加する電圧を掃引し、ソース電極１５−ドレイン電極１６間の電流値を記録する。次いで、ゲート電極１８を反応部１７（第２絶縁膜１３）から離した状態で、反応部１７に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と第２絶縁膜１３に固定化された認識物質１９とを反応させる。次いで、再度ゲート電極１８を反応部１７（第２絶縁膜１３）に接触させた状態で、ゲート電極１８に印加する電圧を掃引し、ソース電極１５−ドレイン電極１６間の電流値を記録する。以上の手順により得られる、検体提供前後の電流値の変化から、被検出物質を検出することができる。

国際公開第２００６／１０３８７２号国際公開第２００９／１４４８７８号

しかしながら、上記従来のセンサー素子１０には、検出精度が不安定であるという問題がある。従来のセンサー素子１０では、ゲート電極１８を第２絶縁膜１３上から取り外したり、第２絶縁膜１３上に配置したりすることを複数回行うことが必要であるが、ゲート電極１８と第２絶縁膜１３との接触状態は毎回変わってしまう。また、アルミニウム板などからなるゲート電極１８を第２絶縁膜１３上に置く際に、第２絶縁膜１３に欠陥が容易に形成されてしまう。これらの理由により、上記従来のセンサー素子１０では、ゲート電極の接触状態のバラつきや絶縁膜の破壊によるシリコン基板への電荷注入などが生じやすく、結果として検出精度が不安定になりやすい。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、検出精度およびその安定性に優れるセンサー素子を含むセンサーチップを用いて被検出物質の存在または量を検出する測定装置および測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の測定装置に関する。
［１］板状の導電体または半導体からなる第１容量電極と、前記第１容量電極の一方の面に配置された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜を挟んで前記第１容量電極の一部と対向するように配置された、導電体または半導体からなる第２容量電極と、前記第１絶縁膜上に配置された可変抵抗素子と、前記第１容量電極の他方の面上に直接または第２絶縁膜を介して配置された反応部と、を含む１または２以上のセンサー素子を有するセンサーチップを用いて、被検出物質の存在または量を検出する測定装置であって、前記センサーチップを保持するためのチップホルダーと、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第１容量電極に接続される押しボタン型の第１機械的接点スイッチと、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第２容量電極に接続される押しボタン型の第２機械的接点スイッチと、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第１容量電極および前記第２容量電極に前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチを介して接続される、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加するための電圧印加部と、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記可変抵抗素子に接続される、前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定するための電流測定部と、前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチを押圧して、前記第１容量電極および前記第２容量電極と前記電圧印加部との接続状態を切り替える押圧部と、を有する、測定装置。
［２］前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチは、タクタイルスイッチである、［１］に記載の測定装置。
［３］前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第１容量電極に接続された第１接触端子と、前記第２容量電極に接続された第２接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第３接触端子および第４接触端子とを有し、前記チップホルダーは、前記第１接触端子と前記電圧印加部とを前記第１機械的接点スイッチを介して接続し、前記第２接触端子と前記電圧印加部とを前記第２機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第３接触端子および前記第４接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールを有し、前記スイッチモジュールは、基板と、前記基板の一方の面に配置された、前記第１接触端子に接触するための第１コンタクトプローブ、前記第２接触端子に接触するための第２コンタクトプローブ、前記第３接触端子に接触するための第３コンタクトプローブ、および前記第４接触端子に接触するための第４コンタクトプローブと、前記基板の他方の面に配置された、前記第１コンタクトプローブおよび前記第２コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第３コンタクトプローブおよび前記第４コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、前記基板に形成された、前記第１コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第１スルーホール配線、前記第２コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第２スルーホール配線、前記第３コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第３スルーホール配線、および前記第４コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第４スルーホール配線と、前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第１スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第１機械的接点スイッチ、および前記第２スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第２機械的接点スイッチと、を有する、［１］または［２］に記載の測定装置。
［４］前記スイッチモジュールは、前記基板の他方の面に配置され、前記コネクターと接続された、前記センサーチップの周辺環境の温度を検出するための温度センサーをさらに有する、［３］に記載の測定装置。
［５］前記押圧部は、押圧力を発生させるアクチュエータと、前記アクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、を有する、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の測定装置。
［６］前記アクチュエータは、ソレノイドアクチュエータである、［５］に記載の測定装置。
［７］前記増大機構の前記第１機械的接点スイッチまたは前記第２機械的接点スイッチに対する接触面は、円柱面の一部を構成する、［５］または［６］に記載の測定装置。
［８］前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第１容量電極に接続された第１接触端子と、前記第２容量電極に接続された第２接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第３接触端子および第４接触端子とを有し、前記チップホルダーは、前記第１接触端子と前記電圧印加部とを前記第１機械的接点スイッチを介して接続し、前記第２接触端子と前記電圧印加部とを前記第２機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第３接触端子および前記第４接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールと、その一方の面に配置された、前記センサーチップを嵌め込むための第１凹部と、その他方の面の前記第１凹部に対応する位置に配置された、前記スイッチモジュールを嵌め込むための第２凹部と、前記第１凹部の底部および前記第２凹部の底部に開口する貫通孔とを有するホルダー本体と、を有し、前記スイッチモジュールは、基板と、前記基板の一方の面に配置された、前記第１接触端子に接触するための第１コンタクトプローブ、前記第２接触端子に接触するための第２コンタクトプローブ、前記第３接触端子に接触するための第３コンタクトプローブ、および前記第４接触端子に接触するための第４コンタクトプローブと、前記基板の他方の面に配置された、前記第１コンタクトプローブおよび前記第２コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第３コンタクトプローブおよび前記第４コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、前記基板に形成された、前記第１コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第１スルーホール配線、前記第２コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第２スルーホール配線、前記第３コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第３スルーホール配線、および前記第４コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第４スルーホール配線と、前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第１スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第１機械的接点スイッチ、および前記第２スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第２機械的接点スイッチと、を有し、前記スイッチモジュールは、前記第１コンタクトプローブ、前記第２コンタクトプローブ、前記第３コンタクトプローブおよび前記第４コンタクトプローブが前記貫通孔に露出するように前記第２凹部に固定されており、前記押圧部は、押圧力を発生させるソレノイドアクチュエータと、前記ソレノイドアクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて、前記第２凹部に固定された前記スイッチモジュールの前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、を有し、前記増大機構における、てこの原理の支点は、前記ホルダー本体により支持されている、［１］または［２］に記載の測定装置。

また、本発明は、以下の測定方法に関する。
［９］［１］〜［８］のいずれか一項に記載の測定装置を用いて検体中の被検出物質の存在またはその量を検出する測定方法であって、前記センサーチップを前記チップホルダーに保持させる第１工程と、前記押圧部が前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチを押圧し、前記センサーチップの前記第１容量電極および前記第２容量電極と前記電圧印加部とを接続して、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加する第２工程と、前記第２工程の後に、前記押圧部が前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチへの押圧を止めて、前記第１容量電極および前記第２容量電極を前記電圧印加部から切り離す第３工程と、前記第３工程の後に、前記反応部に検体を提供する第４工程と、前記第４工程の後に、前記電流測定部が前記センサーチップの前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定する第５工程と、を含む、測定方法。

本発明に係る測定装置および測定方法によれば、センサーチップの反応部に電極を繰り返し接触させる必要がないため、高い精度で安定して被検出物質の存在または量を検出することができる。

図１は、従来のセンサー素子の構成を示す断面図である。図２は、実施の形態に係る測定装置の構成を示す模式図である。図３Ａは、センサーチップの平面図であり、図３Ｂは、センサーチップの正面図であり、図３Ｃは、センサーチップの底面図である。図４Ａは、センサー素子の平面図であり、図４Ｂは、センサー素子の底面図である。図５Ａは、図４Ｂに示されるＡ−Ａ線の断面図であり、図５Ｂは、図４Ｂに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図６Ａ〜Ｃは、センサー素子の動作原理を説明するためのセンサー素子の断面模式図である。図７は、チップホルダーの構成を示す分解斜視図である。図８Ａは、チップホルダーの構成を示す分解断面図であり、図８Ｂは、チップホルダーの構成を示す断面図である。図９Ａは、スイッチモジュールの平面図であり、図９Ｂは、スイッチモジュールの正面図であり、図９Ｃは、スイッチモジュールの底面図である。図１０Ａは、アナログスイッチを使用した場合の可変抵抗素子を流れる電流値を示すグラフであり、図１０Ｂは、リレースイッチを使用した場合の可変抵抗素子を流れる電流値を示すグラフであり、図１０Ｃは、タクタイルスイッチを使用した場合の可変抵抗素子を流れる電流値を示すグラフである。図１１は、押圧部の構成を示す分割斜視図である。図１２は、押圧部の構成を示す斜視図である。図１３は、押圧部の構成を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る測定装置１００の構成を示す模式図である。図２に示されるように、測定装置１００は、チップホルダー１１０、押圧部１４０、電圧印加部１７０、電流測定部１８０および制御部１９０を有する。チップホルダー１１０は、ホルダー部１２０およびスイッチモジュール１３０を有する。押圧部１４０は、アクチュエータ１５０および増大機構１６０を有する。測定装置１００は、チップホルダー１１０にセンサーチップ２００を装着した状態で使用される。そこで、センサーチップ２００について先に説明し、その後に測定装置１００について説明する。

［センサーチップ］
図３Ａ〜Ｃは、本発明の一実施の形態に係るセンサーチップ２００の構成を示す図である。図３Ａは、センサーチップ２００の平面図であり、図３Ｂは、センサーチップ２００の正面図であり、図３Ｃは、センサーチップ２００の底面図である。図３Ａ〜Ｃに示されるように、センサーチップ２００は、２つのセンサー素子２１０、センサーチップ基板２２０、２つの第１接触端子２３０、２つの第２接触端子２４０、２つの第３接触端子２５０および２つの第４接触端子２６０を有する。センサー素子２１０の天面は、被検出物質を検出するための反応部２１８（反応場）として機能する。

（センサー素子）
図４Ａ，Ｂおよび図５Ａ，Ｂは、センサー素子２１０の構成を示す図である。図４Ａは、センサー素子２１０の平面図であり、図４Ｂは、センサー素子２１０の底面図である。図５Ａは、図４Ｂに示されるＡ−Ａ線の断面図であり、図５Ｂは、図４Ｂに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図４Ａ，Ｂおよび図５Ａ，Ｂに示されるように、センサー素子２１０は、第１容量電極２１１、第１端子２１２、第１絶縁膜２１３、第２絶縁膜２１４、第２容量電極２１５、第２端子２１６、可変抵抗素子２１７および反応部２１８を含む。

第１容量電極２１１は、板状の導電体または半導体である。第１容量電極２１１は、センサー素子２１０の基板としても機能する。たとえば、第１容量電極２１１は、不純物をドープしたシリコン基板である。第１容量電極２１１の素材の他の例には、ゲルマニウムやヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アルミニウム、マグネシウムなどが含まれる。第１容量電極２１１の厚みは、特に限定されず、例えば０.５ｍｍ程度である。

第１端子２１２は、第１容量電極２１１の裏側（センサーチップ基板２２０側）に配置されており、第１容量電極２１１に電気的に接続されている（図５Ａ参照）。第１端子２１２は、第１容量電極２１１とセンサーチップ基板２２０の第１スルーホール配線２２１（後述）とを電気的に接続する。第１端子２１２は、例えばポリシリコン、金属または合金からなる膜である。

第１絶縁膜２１３は、第１容量電極２１１の裏側の面に配置された絶縁膜であり、第２絶縁膜２１４は、第１容量電極２１２の表側の面に配置された絶縁膜である。第１絶縁膜２１３は、第１容量電極２１１と第２容量電極２１５との間、および第１容量電極２１１と可変抵抗素子２１７との間を絶縁する。第２絶縁膜２１４は、第１容量電極２１１と反応部２１８との間を絶縁する。第１絶縁膜２１３および第２絶縁膜２１４は、いずれも単層であってもよいし、２層以上から構成されていてもよい。第１絶縁膜２１３および第２絶縁膜２１４は、例えば酸化シリコン膜である。第１絶縁膜２１３および第２絶縁膜２１４の素材の他の例には、窒化シリコンや酸化アルミニウム、酸化チタン、アクリル樹脂、ポリイミドなどが含まれる。第１絶縁膜２１３および第２絶縁膜２１４の膜厚は、特に限定されない。

第２容量電極２１５は、第１絶縁膜２１３上に配置されている、導電体または半導体からなる部材である。第２容量電極２１５は、第１絶縁膜２１３を挟んで第１容量電極２１１と対向している。第１容量電極２１１、第１絶縁膜２１３および第２容量電極２１５は、容量（キャパシタ）を構成する。第２容量電極２１５は、例えばポリシリコン、金属または合金からなる膜である。第２容量電極２１５を構成する金属および合金の例には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などが含まれる。なお、第１容量電極２１１が不純物をドープしたシリコン基板であり、第２容量電極２１５が不純物をドープしたポリシリコン膜である場合は、第１容量電極２１１にドープされた不純物の極性と、第２容量電極２１５にドープされた不純物の極性とは、同じであってもよいが、互いに異なることが好ましい。

第２端子２１６は、第２容量電極２１５上に配置されており、第２容量電極２１５に電気的に接続されている（図５Ａ参照）。第２端子２１６は、第２容量電極２１５とセンサーチップ基板２２０の第２スルーホール配線２２２（後述）とを電気的に接続する。第２端子２１６は、例えばポリシリコン、金属または合金からなる膜である。

可変抵抗素子２１７は、第１絶縁膜２１３上に配置されており、トランスデューサーとして機能する。可変抵抗素子２１７は、第１絶縁膜２１３上に配置された基体２１７ａと、基体２１７ａの一方の端部に電気的に接続された第３端子２１７ｂと、基体２１７ａの他方の端部に電気的に接続された第４端子２１７ｃとを含む。第３端子２１７ｂは、基体２１７ａの一方の端部とセンサーチップ基板２２０の第３スルーホール配線２２３（後述）とを電気的に接続する。第４端子２１７ｃは、基体２１７ａの他方の端部とセンサーチップ基板２２０の第４スルーホール配線２２４（後述）とを電気的に接続する。後述するように、被検出物質を検出するときには、第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間に電圧を印加した状態で、第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間に流れる電流を測定する。可変抵抗素子２１７（基体２１７ａ）は、第１容量電極２１１内に蓄積された孤立電荷、および反応部２１８で生成された電荷に誘起された第１容量電極２１１内の電荷の影響で抵抗値が変化する。

基体２１７ａは、例えばカーボンナノチューブまたはポリシリコン膜である。基体２１７ａがポリシリコン膜である場合は、基体２１７ａは、低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜であってもよいし、ノンドープポリシリコン膜であってもよい。第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃは、例えばアルミニウム膜である。また、基体２１７ａがポリシリコン膜である場合は、第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃは、不純物をドープしたポリシリコン膜であってもよい。基体２１７ａが低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜であり、第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃが不純物をドープしたポリシリコン膜である場合は、基体２１７ａにドープされた不純物の極性と、第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃにドープされた不純物の極性とは、同じであることが好ましい。なお、基体２１７ａがポリシリコン膜であり、第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃが不純物をドープしたポリシリコン膜であり、かつ第１容量電極２１１が不純物をドープしたシリコン基板である場合は、第１容量電極２１１にドープされた不純物の極性と、第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃにドープされた不純物の極性とは、同じであってもよいが、互いに異なることが好ましい。

基体２１７ａの形状および大きさは、特に限定されない。外部からのシールド効果を利用する観点からは、基体２１７ａは、第２容量電極２１５に囲まれていることが好ましい（図４Ｂ参照）。したがって、基体２１７ａの大きさは、第２容量電極２１５に囲まれうる大きさであることが好ましい。

反応部２１８は、第２絶縁膜２１４上に配置されており、被検出物質を含みうる検体を提供される。反応部２１８では、第２絶縁膜２１４上に被検出物質と反応できる認識物質２１９が予め固定化されている（図４Ａでは省略されている）。認識物質２１９の種類は、被検出物質と反応できれば特に限定されず、有機物質であってもよいし、無機物質であってもよい。認識物質２１９の例には、抗体、抗原、酵素、レクチン、核酸などが含まれる。反応部２１８に検体を提供されると、検体に含まれる被検出物質と、第２絶縁膜２１４上に固定化されている認識物質２１９とが反応する。

なお、ここでは、第１容量電極２１１と反応部２１８との間に第２絶縁膜２１４が存在するセンサー素子２１０について説明しているが、第２絶縁膜２１４は無くてもよい。すなわち、反応部２１８は、第１容量電極２１１の表側の面に直接配置されていてもよい。この場合、認識物質２１９は、第１容量電極２１１の表側の面に固定化される。

本実施の形態では、２つのセンサー素子２１０が１枚のセンサーチップ基板２２０上に配置されている。すなわち、センサーチップ２００は、２つのセンサー素子２１０を有する。この場合、一方のセンサー素子２１０は検出用に使用され、他方のセンサー素子２１０は参照用に使用されうる。測定装置１００は、２つのセンサー素子２１０，２１０の出力の差分値を利用して外部環境の影響を排除することができるため、より高精度かつ高感度に被検出物質を検出することができる。

センサー素子２１０の製造方法は、特に限定されない。センサー素子２１０は、一般的な半導体素子の製造工程により製造されうる。

（センサーチップ基板）
センサーチップ基板２２０は、絶縁性の板である。本実施の形態では、センサーチップ基板２２０の表側の面には、２つのセンサー素子２１０が配置される。センサーチップ基板２２０の裏側（測定装置１００側）の面には、２つの第１接触端子２３０、２つの第２接触端子２４０、２つの第３接触端子２５０および２つの第４接触端子２６０が配置される。センサーチップ基板２２０は、例えばガラスコンポジット基板やガラスエポキシ基板などである。

センサーチップ基板２２０は、２つの第１スルーホール配線２２１、２つの第２スルーホール配線２２２、２つの第３スルーホール配線２２３および２つの第４スルーホール配線２２４を有する。第１スルーホール配線２２１は、センサー素子２１０の第１端子２１２の直下に配置されており、第１端子２１２と第１接触端子２３０とを電気的に接続する。第２スルーホール配線２２２は、センサー素子２１０の第２端子２１６の直下に配置されており、第２端子２１６と第２接触端子２４０とを電気的に接続する。第３スルーホール配線２２３は、センサー素子２１０の第３端子２１７ｂの直下に配置されており、第３端子２１７ｂと第３接触端子２５０とを電気的に接続する。第４スルーホール配線２２４は、センサー素子２１０の第４端子２１７ｃの直下に配置されており、第４端子２１７ｃと第４接触端子２６０とを電気的に接続する。

センサーチップ基板２２０の表側では、第１スルーホール配線２２１、第２スルーホール配線２２２、第３スルーホール配線２２３および第４スルーホール配線２２４は、それぞれ、プリント配線を介さずにセンサー素子２１０の第１端子２１２、第２端子２１６、第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃに接続されている。各端子との接続には、ハンダや銀ペーストなどの導電性固着材などが使用されうる。一方、センサーチップ基板２２０の裏側では、第１スルーホール配線２２１、第２スルーホール配線２２２、第３スルーホール配線２２３および第４スルーホール配線２２４は、それぞれ、プリント配線を介して第１接触端子２３０、第２接触端子２４０、第３接触端子２５０および第４接触端子２６０に接続されている。したがって、センサーチップ２００では、プリント配線がセンサーチップ基板２２０の裏側に集中している。なお、センサー素子２１０をより確実にセンサーチップ基板２２０に固定するために、センサー素子２１０とセンサーチップ基板２２０との間に絶縁性接着剤を注入し、硬化させてもよい。

（接触端子）
第１接触端子２３０、第２接触端子２４０、第３接触端子２５０および第４接触端子２６０は、センサーチップ基板２２０の裏側（測定装置１００側）の面に配置されている。これらは、例えば金属または合金からなる膜であり、測定装置１００との接触端子として機能する。第１接触端子２３０は、第１スルーホール配線２２１を介してセンサー素子２１０の第１端子２１２に電気的に接続されている。第２接触端子２４０は、第２スルーホール配線２２２を介してセンサー素子２１０の第２端子２１６に電気的に接続されている。第３接触端子２５０は、第３スルーホール配線２２３を介してセンサー素子２１０の第３端子２１７ｂに電気的に接続されている。第４接触端子２６０は、第４スルーホール配線２２４を介してセンサー素子２１０の第４端子２１７ｃに電気的に接続されている。

（センサー素子の使用方法）
次に、センサーチップ２００に含まれるセンサー素子２１０を用いた被検出物質の検出手順の一例と、推察される検出メカニズムについて説明する。図６Ａ〜Ｃは、センサー素子２１０の動作原理を説明するためのセンサー素子２１０の断面模式図である。理解の促進のため、これらの図では、各構成要素の位置および形状を変えている。また、認識物質２１９が省略されている。可変抵抗素子２１７の第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃは、予め電流計（測定装置１００の電流測定部１８０）に接続されている。

まず、第１端子２１２および第２端子２１６を電源（測定装置１００の電圧印加部１７０）に接続し（図中黒丸で表示）、第１容量電極２１１と第２容量電極２１５との間に所定の電圧を印加する。このとき、第１容量電極２１１の第１絶縁膜２１３側の部分および第２容量電極２１５の第１絶縁膜２１３側の部分に空乏層ができないように、電圧を印加することが好ましい。前述のとおり、第１容量電極２１１、第１絶縁膜２１３および第２容量電極２１５は、容量を構成する。したがって、図６Ａに示されるように、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５内に印加電圧および容量の容量値で一義的に制御できる電荷を蓄積することができる。

この後、第１端子２１２および第２端子２１６を電源から切り離し（図中白丸で表示）、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５を孤立状態にする（図示省略）。これにより、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５内の蓄積電荷が孤立電荷となる。この孤立電荷は、センサー素子２１０の検出感度に大きく影響を及ぼす。したがって、第１容量電極２１１と第２容量電極２１５との間に印加する電圧は、要求される検出感度に応じて適宜設定される。

この状態で、一度、第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間に所定の電圧を印加して（図中黒丸で表示）、第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間の電流値を測定する（図示省略）。

次いで、反応部２１８に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と第２絶縁膜２１４に固定化された認識物質２１９とを反応させる。図６Ｂに示されるように、この反応により第２絶縁膜２１４上には電荷が生成される。さらには、図６Ｃに示されるように、第１容量電極２１１内においても第２絶縁膜２１４上で生成した電荷の作る電界により分極する新たな電荷が誘起される。第２絶縁膜２１４が無い場合は、第１容量電極２１１の表側の面に直接固定化された認識物質２１９と、検体に含まれる被検出物質との反応で生成された電荷が作る電界により、第１容量電極２１１内に分極する電荷が新たに誘起される。

この状態で、再度、可変抵抗素子２１７の第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間に所定の電圧（一回目の測定と同じ電圧）を印加して、第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間の電流値を測定する。検体提供後の二回目の測定は、検体が乾燥する前に行ってもよいし、乾燥した後に行ってもよい。検体提供前の一回目の測定では、可変抵抗素子２１７の抵抗値が、第１容量電極２１１内に蓄積された孤立電荷により形成される電界で決まる。一方、検体提供後の二回目の測定では、可変抵抗素子２１７の抵抗値が、第１容量電極２１１内に蓄積された孤立電荷と、反応部２１８で生成された電荷によって分極誘起された第１容量電極２１１内の電荷とにより形成される電界で決まる。したがって、検体提供前後の電流値の変化から、被検出物質の有無または量を検出することができる。

電界と可変抵抗素子２１７の抵抗値との関係を見た場合、通常、抵抗値が鋭敏に変化する範囲は限定されている。このため、反応部２１８での反応に起因する電界の変化により可変抵抗素子２１７の抵抗値が鋭敏に変化するように、第１容量電極２１１内の孤立電荷の量を調整することが必要である。

以上の手順により、センサー素子２１０を用いて被検出物質の有無または量を検出することができる。

なお、検出精度を向上させる観点からは、第１容量電極２１１と第２容量電極２１５との間に電圧を印加する直前に第１容量電極２１１および第２容量電極２１５の残留電荷を除去することが好ましい。このようにすることで、第１容量電極２１１内の孤立電荷の量を、より高精度に制御することが可能となる。

本実施の形態に係るセンサーチップ２００では、測定装置１００との接続用の各接触端子（第１接触端子２３０、第２接触端子２４０、第３接触端子２５０および第４接触端子２６０）を、センサー素子２１０の直下近傍に配置している。また、センサー素子２１０の各端子（第１端子２１２、第２端子２１６、第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃ）と測定装置１００との接続用の各接触端子（第１接触端子２３０、第２接触端子２４０、第３接触端子２５０および第４接触端子２６０）とを、スルーホール配線（第１スルーホール配線２２１、第２スルーホール配線２２２、第３スルーホール配線２２３および第４スルーホール配線２２４）を介して最短距離で接続している。また、センサーチップ基板２２０の表側（センサー素子２１０側）の面には配線を配置せず、センサーチップ基板２２０の裏側（測定装置１００側）の面にのみ配線を配置している。これらの特徴により、センサーチップ２００内における浮遊容量の低減が実現される。センサーチップ２００内における浮遊容量を低減することで、センサー素子２１０を用いた測定の感度を向上できると考えられる。

［測定装置］
次に、測定装置１００について説明する。前述のとおり、測定装置１００は、チップホルダー１１０、押圧部１４０、電圧印加部１７０、電流測定部１８０および制御部１９０を有する（図２参照）。

（チップホルダー）
チップホルダー１１０は、センサーチップ２００を保持する。

図７は、チップホルダー１１０の構成を示す分解斜視図である。図８Ａは、チップホルダー１１０の構成を示す分解断面図である。図８Ｂは、チップホルダー１１０の構成を示す断面図である。これらの図では、理解の促進のため、センサーチップ２００も図示している。図７、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、チップホルダー１１０は、ホルダー部１２０およびスイッチモジュール１３０を有する。ホルダー部１２０は、ホルダー本体１２１および蓋部１２７に分けられる。なお、図２では、ホルダー部１２０（ホルダー本体１２１および蓋部１２７）を一体として図示している。また、図７では、蓋部１２７を省略している。

ホルダー本体１２１は、蓋部１２７とともにセンサーチップ２００を保持する。また、ホルダー本体１２１には、スイッチモジュール１３０（後述）が固定されており、ホルダー本体１２１は、センサーチップ２００の各接触端子とスイッチモジュール１３０の各コンタクトプローブとを接触させる。図７、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、ホルダー本体１２１は、表側の面に配置された第１凹部１２２と、裏側の面の第１凹部１２２に対応する位置に配置された第２凹部１２３と、第１凹部１２２の底部および第２凹部１２３の底部に開口する第１貫通孔１２４と、６つの第１マグネット１２５とを有する。第１凹部１２２は、センサーチップ２００の外形と略同一形状であり、センサーチップ２００を嵌め込まれるための凹部である。第２凹部１２３は、スイッチモジュール１３０の外形と略同一形状であり、スイッチモジュール１３０を嵌め込まれるための凹部である。センサーチップ２００の裏側の面（各接触端子が配置されている面）とスイッチモジュール１３０の表側の面（各コンタクトプローブが配置されている面）とは、第１貫通孔１２４を介して互いに対向することができる（図８Ｂ参照）。第１貫通孔１２４の深さ（第１凹部１２２の底面と第２凹部１２３の底面との間隔）は、第１凹部１２２にセンサーチップ２００を嵌め込んだときに、スイッチモジュール１３０の各コンタクトプローブ（後述）の抵抗値が所望の範囲内になるように適宜設定される。第１マグネット１２５は、蓋部１２７の第２マグネット１２９と引き合うことで、蓋部１２７を所定の位置に固定する。ホルダー本体１２１（第１マグネット１２５を除く）の素材は、特に限定されないが、センサー素子２１０との間の浮遊容量を低減する観点から樹脂が好ましい。第１マグネット１２５の数は、蓋部１２７を固定することができれば特に限定されず、任意に選択されうる。

蓋部１２７は、ホルダー本体１２１の上に配置され、ホルダー本体１２１の第１凹部１２２に嵌め込まれたセンサーチップ２００の外周部を上側から押さえつける。蓋部１２７は、第２貫通孔１２８および６つの第２マグネット１２９を有する。センサーチップ２００のセンサー素子２１０は、第２貫通孔１２８を介して外部に露出する。したがって、センサーチップ２００がホルダー部１２０（ホルダー本体１２１および蓋部１２７）にセットされていても、ユーザーは、センサー素子２１０の反応部２１８に検体を提供することができる。蓋部１２７（第２マグネット１２９を除く）の素材は、特に限定されないが、センサー素子２１０との間の浮遊容量を低減する観点から樹脂が好ましい。第２マグネット１２９の数は、通常第１マグネット１２５と同数であるが、蓋部１２７を固定することができれば特に限定されない。

スイッチモジュール１３０は、ホルダー本体１２１の第２凹部１２３に固定されており、センサーチップ２００の各接触端子（第１接触端子２３０、第２接触端子２４０、第３接触端子２５０および第４接触端子２６０）と、測定装置１００の電圧印加部１７０および電流測定部１８０とを接続する。より具体的には、スイッチモジュール１３０は、センサーチップ２００の第１接触端子２３０と電圧印加部１７０とを第１機械的接点スイッチ１３５を介して接続し、センサーチップ２００の第２接触端子２４０と電圧印加部１７０とを第２機械的接点スイッチ１３６を介して接続する。また、スイッチモジュール１３０は、センサーチップ２００の第３接触端子２５０および第４接触端子２６０と電流測定部１８０とを接続する。

図９Ａ〜Ｃは、スイッチモジュール１３０の構成を示す図である。図９Ａは、スイッチモジュール１３０の平面図であり、図９Ｂは、スイッチモジュール１３０の正面図であり、図９Ｃは、スイッチモジュール１３０の底面図である。図９Ａ〜Ｃに示されるように、スイッチモジュール１３０は、スイッチモジュール基板１３１、２つの第１コンタクトプローブ１３３ａ、２つの第２コンタクトプローブ１３３ｂ、２つの第３コンタクトプローブ１３３ｃ、２つの第４コンタクトプローブ１３３ｄ、２つのコネクター１３４、２つの第１機械的接点スイッチ１３５、２つの第２機械的接点スイッチ１３６および２つの温度センサー１３７を有する。

スイッチモジュール基板１３１は、絶縁性の板である。スイッチモジュール基板１３１の表側（センサーチップ２００側）の面には、２つの第１コンタクトプローブ１３３ａ、２つの第２コンタクトプローブ１３３ｂ、２つの第３コンタクトプローブ１３３ｃおよび２つの第４コンタクトプローブ１３３ｄが配置される。スイッチモジュール基板１３１は、例えばガラスコンポジット基板やガラスエポキシ基板などである。

スイッチモジュール基板１３１は、２つの第５スルーホール配線１３２ａ、２つの第６スルーホール配線１３２ｂ、２つの第７スルーホール配線１３２ｃおよび２つの第８スルーホール配線１３２ｄを有する。第５スルーホール配線１３２ａは、第１コンタクトプローブ１３３ａの直下に配置されており、第１コンタクトプローブ１３３ａと第１機械的接点スイッチ１３５とを電気的に接続する。第６スルーホール配線１３２ｂは、第２コンタクトプローブ１３３ｂの直下に配置されており、第２コンタクトプローブ１３３ｂと第２機械的接点スイッチ１３６とを電気的に接続する。第７スルーホール配線１３２ｃは、第３コンタクトプローブ１３３ｃの直下に配置されており、第３コンタクトプローブ１３３ｃとコネクター１３４とを電気的に接続する。第８スルーホール配線１３２ｄは、第４コンタクトプローブ１３３ｄの直下に配置されており、第４コンタクトプローブ１３３ｄとコネクター１３４とを電気的に接続する。

スイッチモジュール基板１３１の表側では、第５スルーホール配線１３２ａ、第６スルーホール配線１３２ｂ、第７スルーホール配線１３２ｃおよび第８スルーホール配線１３２ｄは、それぞれ、プリント配線を介さずに第１コンタクトプローブ１３３ａ、第２コンタクトプローブ１３３ｂ、第３コンタクトプローブ１３３ｃおよび第４コンタクトプローブ１３３ｄに接続されている。各コンタクトプローブとの接続には、ハンダや銀ペーストなどの導電性固着材などが使用されうる。一方、スイッチモジュール基板１３１の裏側では、第７スルーホール配線１３２ｃおよび第８スルーホール配線１３２ｄは、それぞれ、プリント配線を介してコネクター１３４に接続されている。また、第１機械的接点スイッチ１３５、第２機械的接点スイッチ１３６および温度センサー１３７も、プリント配線を介してコネクター１３４に接続されている。したがって、スイッチモジュール１３０では、プリント配線がスイッチモジュール基板１３１の裏側に集中している。これにより、スイッチモジュール１３０内における浮遊容量の低減が実現される。スイッチモジュール１３０内における浮遊容量を低減することで、センサー素子２１０を用いた測定の感度を向上できると考えられる。

第１コンタクトプローブ１３３ａ、第２コンタクトプローブ１３３ｂ、第３コンタクトプローブ１３３ｃ、第４コンタクトプローブ１３３ｄは、スイッチモジュール基板１３１の表側（センサーチップ２００側）の面に配置されている。これらは、例えばスプリングピンであり、センサーチップ２００との接触端子として機能する。第１凹部１２２にセンサーチップ２００を嵌め込んだときに、第１コンタクトプローブ１３３ａは、センサーチップ２００の第１接触端子２３０に接触する。同様に、第２コンタクトプローブ１３３ｂは、センサーチップ２００の第２接触端子２４０に接触する。第３コンタクトプローブ１３３ｃは、センサーチップ２００の第３接触端子２５０に接触する。第４コンタクトプローブ１３３ｄは、センサーチップ２００の第４接触端子２６０に接触する。

コネクター１３４は、スイッチモジュール基板１３１の裏側の面に配置されており、スイッチモジュール１３０の各素子または各端子と、電圧印加部１７０、電流測定部１８０または制御部１９０とを接続する。より具体的には、コネクター１３４は、第１コンタクトプローブ１３３ａおよび第２コンタクトプローブ１３３ｂと電圧印加部１７０とを接続し、第３コンタクトプローブ１３３ｃおよび第４コンタクトプローブ１３３ｄと電流測定部１８０とを接続し、温度センサー１３７と制御部１９０とを接続する。この後説明するように、第１コンタクトプローブ１３３ａとコネクター１３４との間には第１機械的接点スイッチ１３５が配置され、第２コンタクトプローブ１３３ｂとコネクター１３４との間には第２機械的接点スイッチ１３６が配置される。

第１機械的接点スイッチ１３５は、第１コンタクトプローブ１３３ａとコネクター１３４との間に配置され、第１容量電極２１１と電圧印加部１７０との接続状態を切り替える。同様に、第２機械的接点スイッチ１３６は、第２コンタクトプローブ１３３ｂとコネクター１３４との間に配置され、第２容量電極２１５と電圧印加部１７０との接続状態を切り替える。第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６は、押圧部１４０（後述）により押圧されたとき、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と電圧印加部１７０とを接続する。これにより、センサー素子２１０の第１容量電極２１１および第２容量電極２１５内に電荷が蓄積される。押圧部１４０による押圧が解除されたとき、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６は、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と電圧印加部１７０とを遮断する。これにより、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５内の蓄積電荷が孤立電荷となる。前述のとおり、この孤立電荷はセンサー素子２１０の検出感度に大きく影響を及ぼすため、蓄積電荷の経時的な変化は小さいほど好ましい。したがって、検出感度を維持する観点からは、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６には、浮遊容量が小さく、かつオフ電流が０であることが要求される。

上記の観点から、本実施の形態に係る測定装置１００では、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６として、押しボタン型の機械的接点スイッチを使用する。押しボタン型の機械的接点スイッチの例には、タクタイルスイッチや検知（検出）スイッチなどが含まれる。一般的な測定装置では、電気信号で制御可能なアナログスイッチやリレースイッチが使用されることが多い。しかしながら、アナログスイッチは、オフ電流が０ではなく、蓄積電荷を変化させる原因となるため、センサー素子１１０と組み合わせて使用するスイッチとして好ましくない（図１０Ａ参照）。リレースイッチは、オン／オフの切り替え時にコイルの逆起電圧が発生し、スイッチ内に検出感度に影響を及ぼしうる蓄積電荷が生じてしまうため、センサー素子１１０と組み合わせて使用するスイッチとして好ましくない（図１０Ｂ参照）。これに対し、機械的接点スイッチは、オフ電流が０であり、かつスイッチ内に蓄積電荷が生じないため、センサー素子１１０と組み合わせて使用するスイッチとして好ましい（図１０Ｃ参照）。特に、タクタイルスイッチは、低背で小型化が可能であり、スイッチストロークが小さく、かつ必要とされる押圧力が小さいことから、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６として好適である。

図１０Ａは、本実施の形態に係る測定装置１００において、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６の代わりに２つのアナログスイッチを使用した場合の、可変抵抗素子２１７を流れる電流の経時的変化を示すグラフである。この実験では、２つのアナログスイッチをオンにした状態で第１容量電極２１１および第２容量電極２１５間に−３Ｖの電圧を３０秒間印加した後、２つのアナログスイッチをオフにした状態で可変抵抗素子２１７を流れる電流を測定した（実線）。また、２つのアナログスイッチをオフにするだけでなく、さらに第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と２つのアナログスイッチとの間の配線を除去した状態でも可変抵抗素子２１７を流れる電流を測定した（破線）。実線の結果から、アナログスイッチを使用した場合、可変抵抗素子２１７を流れる電流が経時的に変化してしまうことがわかる。２つのアナログスイッチ間の電圧に応じてグラフの傾きが変化すること、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と２つのアナログスイッチとの間の配線を除去すると電流の経時的変化が無くなることから、この電流の経時的変化は、アナログスイッチのオフ電流が０ではないことに起因するものと考えられる。

図１０Ｂは、本実施の形態に係る測定装置１００において、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６の代わりに２つのリレースイッチを使用した場合の、可変抵抗素子２１７を流れる電流の経時的変化を示すグラフである。この実験では、２つのリレースイッチをオンにした状態で第１容量電極２１１および第２容量電極２１５間に−３Ｖの電圧を３０秒間印加した後、２つのリレースイッチをオフにした状態で可変抵抗素子２１７を流れる電流を測定した。グラフから、リレースイッチを使用した場合、可変抵抗素子２１７を流れる電流が測定開始直後に大きく変化（増大）してしまうことがわかる。この電流の一時的な変化は、オン／オフの切り替え時にコイルの逆起電圧が発生し、スイッチ内に生じた蓄積電荷に起因するものと考えられる。

図１０Ｃは、本実施の形態に係る測定装置１００において、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６として２つのタクタイルスイッチを使用した場合の、可変抵抗素子２１７を流れる電流の経時的変化を示すグラフである。この実験では、２つのタクタイルスイッチをオンにした状態で第１容量電極２１１および第２容量電極２１５間に−３Ｖの電圧を３０秒間印加した後、２つのタクタイルスイッチをオフにした状態で可変抵抗素子２１７を流れる電流を測定した。グラフから、タクタイルスイッチを使用した場合、アナログスイッチまたはリレースイッチを使用した場合と異なり、可変抵抗素子２１７を流れる電流が少なくとも３０分以上安定であることがわかる。

温度センサー１３７は、スイッチモジュール基板１３１の裏側の面に配置されており、センサーチップ２００の周辺環境の温度を検出する。検出値は、コネクター１３４を介して制御部１９０に出力される。センサー素子２１０の検出感度は温度依存性があるため、制御部１９０は、温度センサー１３７からの出力値を利用して検出値の補正を行うことが好ましい。温度センサー１３７の数は、特に限定されないが、本実施の形態のように２つの温度センサー１３７を使用することで、センサーチップ２００の周辺環境の温度を高精度に検出することができる。

（押圧部）
押圧部１４０は、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６を押圧して、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と電圧印加部１７０との接続状態を切り替える。図２に示されるように、本実施の形態では、測定装置１００は２つの押圧部１４０を有し、各押圧部１４０は、１つの第１機械的接点スイッチ１３５および１つの第２機械的接点スイッチ１３６を同時に押圧する。

図１１は、押圧部１４０の構成を示す分解斜視図である。図１２は、押圧部１４０の構成を示す斜視図である。図１３は、押圧部１４０の構成を示す側面図である。図１３では、理解の促進のため、押圧部１４０とともに、センサーチップ２００およびチップホルダー１１０（ホルダー本体１２１、蓋部１２７およびスイッチモジュール１３０）も図示している。図１１〜１３に示されるように、押圧部１４０は、アクチュエータ１５０および増大機構１６０を有する。

アクチュエータ１５０は、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６を押圧するための押圧力を発生させる動力源である。アクチュエータ１５０の種類は、増大機構１６０を介して第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６を押圧することで、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と電圧印加部１７０との接続状態を切り替えることができれば特に限定されない。本実施の形態では、アクチュエータ１５０は、小型でかつ高速で応答可能なプル型のソレノイドアクチュエータである。本実施の形態の測定装置１００では、アクチュエータ１５０の押圧力を増大機構１６０により増大するため、アクチュエータ１５０としてソレノイドアクチュエータを使用しても第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６を切り替えることができる。

増大機構１６０は、アクチュエータ１５０から加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６に伝達する。増大機構１６０は、伝達部１６１および増大部１６６を有する。

伝達部１６１は、アクチュエータ１５０の可動部に固定されており、アクチュエータ１５０から加えられた押圧力を、増大部１６６の力点に設けられた入力面１６７に伝達する。伝達部１６１は、アクチュエータ１５０の可動部を嵌め込まれるための第３凹部１６２と、増大部１６６の入力面１６７に対向する押圧面１６３とを有する。

増大部１６６は、伝達部１６１から伝達された押圧力を、てこの原理により増大させて第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６に伝達する。増大部１６６は、伝達部１６１の押圧面１６３に対向する入力面１６７と、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６に対向するプッシュロッド１６８と、入力面１６７およびプッシュロッド１６８の間に配置された軸部１６９とを有する。入力面１６７は力点として機能し、プッシュロッド１６８は作用点として機能し、軸部１６９は支点として作用する。プッシュロッド１６８は、円柱形状をしている。すなわち、増大機構１６１の第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６に対する接触面は、円柱面の一部を構成する。てこの原理の支点となる軸部１６９は、ホルダー本体１２１に設けられた支点用貫通孔１２６により支持される（図８Ｂおよび図１３参照）。軸部１６９の基端部には、マイクロベアリングが取り付けられている。

（電圧印加部、電流測定部および制御部）
電圧印加部１７０は、スイッチモジュール１３０のコネクター１３４を介して第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６に接続されている。第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６がオンのとき、電圧印加部１７０は、センサーチップ２００のセンサー素子２１０の第１容量電極２１１および第２容量電極２１５に接続される。電圧印加部１７０は、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６がオンのとき、第１容量電極２１１と第２容量電極２１５の間に電圧を印加する。

電流測定部１８０は、スイッチモジュール１３０のコネクター１３４を介して、センサーチップ２００のセンサー素子２１０の可変抵抗素子２１７（第３端子２１７ｂおよび第４端子２１７ｃ）に接続される。電流測定部１８０は、可変抵抗素子２１７を流れる電流値を測定する。

制御部１９０は、アクチュエータ１５０、電圧印加部１７０および電流測定部１８０に接続されており、これらの動作を制御する。また、制御部１９０は、スイッチモジュール１３０のコネクター１３４を介して、スイッチモジュール１３０の温度センサー１３７にも接続されており、センサーチップ２００の周辺環境の温度に応じて電流測定部１８０の測定値を補正する。制御部１９０は、例えば、ソフトウェアを実行するコンピュータである。

（測定装置の使用方法）
次に、図２に示される測定装置１００を用いた被検出物質の検出手順の一例について説明する。

まず、センサーチップ２００をチップホルダー１１０に保持させる。具体的には、ホルダー本体１２１の第１凹部１２２にセンサーチップ２００を嵌め込んだ後、センサーチップ２００上に蓋部１２７を配置する。ホルダー本体１２１の第１マグネット１２５と蓋部１２７の第２マグネット１２９とが引き合うことで、センサーチップ２００が固定される。これにより、センサーチップ２００の各接触端子は、スイッチモジュール１３０の各コンタクトプローブと接続される。

次いで、センサーチップ２００の２つのセンサー素子２１０について同時に、第１容量電極２１１と第２容量電極２１５との間に所定の電圧を印加する。具体的には、制御部１９０は、アクチュエータ１５０を動作させて、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６を押圧し、センサーチップ２００の第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と電圧印加部１７０とを接続させる。そして、制御部１９０は、電圧印加部１７０に、第１容量電極２１１と第２容量電極２１５との間に所定の電圧を印加させる。これにより、２つのセンサー素子２１０のそれぞれにおいて、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５内に印加電圧および容量の容量値で一義的に制御できる電荷を蓄積することができる。

次いで、センサーチップ２００の２つのセンサー素子２１０について同時に、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５を電圧印加部１７０から切り離す。具体的には、制御部１９０は、アクチュエータ１５０を動作させて、第１機械的接点スイッチ１３５および第２機械的接点スイッチ１３６への押圧を解除し、センサーチップ２００の第１容量電極２１１および第２容量電極２１５と電圧印加部１７０とを切断させる。これにより、２つのセンサー素子２１０のそれぞれにおいて、第１容量電極２１１および第２容量電極２１５内の蓄積電荷が孤立電荷となる。

この状態で、２つのセンサー素子２１０のそれぞれにおいて、可変抵抗素子２１７の第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間に同一の所定の電圧を印加して、可変抵抗素子２１７を流れる電流値を測定する。具体的には、制御部１９０は、電流測定部１８０に、検出用のセンサー素子２１０の可変抵抗素子２１７における電流値と、参照用のセンサー素子２１０の可変抵抗素子２１７における電流値との差分値を測定させる。この差分値が０でない場合は、電流測定部１８０において差分値が０となるようにオフセット調整をする。

次いで、検出用のセンサー素子２１０において反応部２１８に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と反応部２１８に固定化された認識物質２１９とを反応させる。このとき、参照用のセンサー素子２１０の反応部２１８には検体を提供しない。

この状態で、再度、２つのセンサー素子２１０のそれぞれにおいて、可変抵抗素子２１７の第３端子２１７ｂと第４端子２１７ｃとの間に所定の電圧（一回目の測定と同じ電圧）を印加して、可変抵抗素子２１７を流れる電流値を測定する。具体的には、制御部１９０は、電流測定部１８０に、検出用のセンサー素子２１０の可変抵抗素子２１７における電流値と、参照用のセンサー素子２１０の可変抵抗素子２１７における電流値とを測定させる。検体提供前の一回目の測定では、可変抵抗素子２１７の抵抗値が、第１容量電極２１１内に蓄積された孤立電荷により形成される電界で決まる。一方、検体提供後の二回目の測定では、可変抵抗素子２１７の抵抗値が、第１容量電極２１１内に蓄積された孤立電荷と、反応部２１８で生成された電荷によって分極誘起された第１容量電極２１１内の電荷とにより形成される電界で決まる。検体提供前に２つのセンサー素子２１０の電流値の差分が０になるように調整してあるので、検体提供後の２つのセンサー素子２１０の電流値の差分は、検出用のセンサー素子２１０の反応部２１８で生成された電荷の効果のみを反映する値である。また、２つのセンサー素子２１０の電流値の差分は、感度を向上させるために、電流測定部１８０を用いて増幅されうる。したがって、２つのセンサー素子２１０の電流値の差分値を測定することで、被検出物質の存在または量を検出することができる。

このように、２つのセンサー素子２１０の電流値の差分値を測定することで、２つのセンサー素子２１０に共通する変動要因の影響を解消でき、被検出物質の効果のみを高感度に検出することができる。すなわち、センサーチップ２００を用いて、高感度かつ高精度に、被検出物質の存在または量を検出することができる。

以上のように、本実施の形態に係るセンサー素子２１０を含むセンサーチップ２００は、従来のセンサー素子（特許文献１，２参照）のように反応部に電極を繰り返し接触させる必要がないため、高い精度で安定して被検出物質の存在または量を検出することができる。また、本実施の形態に係るセンサー素子２１０を含むセンサーチップ２００は、第１容量電極２１１内の孤立電荷の量を調整することで、検出感度を容易にかつ安定して向上させることができる。

また、本実施の形態に係る測定装置１００は、押しボタン型の第１機械的接点スイッチ１３５および押しボタン型の第２機械的接点スイッチ１３６を介して、センサー素子２１０の第１容量電極２１１および第２容量電極２１５への電圧の印加を制御するため、第１容量電極２１１内の孤立電荷の量を長時間にわたり安定して維持することができる。したがって、本実施の形態に係る測定装置１００は、高感度な検出を安定して行うことができる。

本発明に係る測定装置および測定方法は、例えば、感染症の検出や、食物の安全性の確認、環境汚染物質の検出などに適している。

１０センサー素子
１１シリコン基板
１２第１絶縁膜
１３第２絶縁膜
１４チャネル
１５ソース電極
１６ドレイン電極
１７反応部
１８ゲート電極
１９認識物質
１００測定装置
１１０チップホルダー
１２０ホルダー部
１２１ホルダー本体
１２２第１凹部
１２３第２凹部
１２４第１貫通孔
１２５第１マグネット
１２６支点用貫通孔
１２７蓋部
１２８第２貫通孔
１２９第２マグネット
１３０スイッチモジュール
１３１スイッチモジュール基板
１３２ａ第５スルーホール配線
１３２ｂ第６スルーホール配線
１３２ｃ第７スルーホール配線
１３２ｄ第８スルーホール配線
１３３ａ第１コンタクトプローブ
１３３ｂ第２コンタクトプローブ
１３３ｃ第３コンタクトプローブ
１３３ｄ第４コンタクトプローブ
１３４コネクター
１３５第１機械的接点スイッチ
１３６第２機械的接点スイッチ
１３７温度センサー
１４０押圧部
１５０アクチュエータ
１６０増大機構
１６１伝達部
１６２第３凹部
１６３押圧面
１６６増大部
１６７入力面
１６８プッシュロッド
１６９軸部
１７０電圧印加部
１８０電流測定部
１９０制御部
２００センサーチップ
２１０センサー素子
２１１第１容量電極
２１２第１端子
２１３第１絶縁膜
２１４第２絶縁膜
２１５第２容量電極
２１６第２端子
２１７可変抵抗素子
２１７ａ基体
２１７ｂ第３端子
２１７ｃ第４端子
２１８反応部
２１９認識物質
２２０センサーチップ基板
２２１第１スルーホール配線
２２２第２スルーホール配線
２２３第３スルーホール配線
２２４第４スルーホール配線
２３０第１接触端子
２４０第２接触端子
２５０第３接触端子
２６０第４接触端子

Claims

板状の導電体または半導体からなる第１容量電極と、
前記第１容量電極の一方の面に配置された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜を挟んで前記第１容量電極の一部と対向するように配置された、導電体または半導体からなる第２容量電極と、
前記第１絶縁膜上に配置された可変抵抗素子と、
前記第１容量電極の他方の面上に直接または第２絶縁膜を介して配置された反応部と、
を含む１または２以上のセンサー素子を有するセンサーチップを用いて、被検出物質の存在または量を検出する測定装置であって、
前記センサーチップを保持するためのチップホルダーと、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第１容量電極に接続される押しボタン型の第１機械的接点スイッチと、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第２容量電極に接続される押しボタン型の第２機械的接点スイッチと、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第１容量電極および前記第２容量電極に前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチを介して接続される、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加するための電圧印加部と、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記可変抵抗素子に接続される、前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定するための電流測定部と、
前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチを押圧して、前記第１容量電極および前記第２容量電極と前記電圧印加部との接続状態を切り替える押圧部と、
を有する、測定装置。
前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチは、タクタイルスイッチである、請求項１に記載の測定装置。
前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第１容量電極に接続された第１接触端子と、前記第２容量電極に接続された第２接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第３接触端子および第４接触端子とを有し、
前記チップホルダーは、前記第１接触端子と前記電圧印加部とを前記第１機械的接点スイッチを介して接続し、前記第２接触端子と前記電圧印加部とを前記第２機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第３接触端子および前記第４接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールを有し、
前記スイッチモジュールは、
基板と、
前記基板の一方の面に配置された、前記第１接触端子に接触するための第１コンタクトプローブ、前記第２接触端子に接触するための第２コンタクトプローブ、前記第３接触端子に接触するための第３コンタクトプローブ、および前記第４接触端子に接触するための第４コンタクトプローブと、
前記基板の他方の面に配置された、前記第１コンタクトプローブおよび前記第２コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第３コンタクトプローブおよび前記第４コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、
前記基板に形成された、前記第１コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第１スルーホール配線、前記第２コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第２スルーホール配線、前記第３コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第３スルーホール配線、および前記第４コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第４スルーホール配線と、
前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第１スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第１機械的接点スイッチ、および前記第２スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第２機械的接点スイッチと、
を有する、
請求項１または請求項２に記載の測定装置。
前記スイッチモジュールは、前記基板の他方の面に配置され、前記コネクターと接続された、前記センサーチップの周辺環境の温度を検出するための温度センサーをさらに有する、請求項３に記載の測定装置。
前記押圧部は、
押圧力を発生させるアクチュエータと、
前記アクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、
を有する、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
前記アクチュエータは、ソレノイドアクチュエータである、請求項５に記載の測定装置。
前記増大機構の前記第１機械的接点スイッチまたは前記第２機械的接点スイッチに対する接触面は、円柱面の一部を構成する、請求項５または請求項６に記載の測定装置。
前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第１容量電極に接続された第１接触端子と、前記第２容量電極に接続された第２接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第３接触端子および第４接触端子とを有し、
前記チップホルダーは、
前記第１接触端子と前記電圧印加部とを前記第１機械的接点スイッチを介して接続し、前記第２接触端子と前記電圧印加部とを前記第２機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第３接触端子および前記第４接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールと、
その一方の面に配置された、前記センサーチップを嵌め込むための第１凹部と、その他方の面の前記第１凹部に対応する位置に配置された、前記スイッチモジュールを嵌め込むための第２凹部と、前記第１凹部の底部および前記第２凹部の底部に開口する貫通孔とを有するホルダー本体と、
を有し、
前記スイッチモジュールは、
基板と、
前記基板の一方の面に配置された、前記第１接触端子に接触するための第１コンタクトプローブ、前記第２接触端子に接触するための第２コンタクトプローブ、前記第３接触端子に接触するための第３コンタクトプローブ、および前記第４接触端子に接触するための第４コンタクトプローブと、
前記基板の他方の面に配置された、前記第１コンタクトプローブおよび前記第２コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第３コンタクトプローブおよび前記第４コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、
前記基板に形成された、前記第１コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第１スルーホール配線、前記第２コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第２スルーホール配線、前記第３コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第３スルーホール配線、および前記第４コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第４スルーホール配線と、
前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第１スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第１機械的接点スイッチ、および前記第２スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第２機械的接点スイッチと、
を有し、
前記スイッチモジュールは、前記第１コンタクトプローブ、前記第２コンタクトプローブ、前記第３コンタクトプローブおよび前記第４コンタクトプローブが前記貫通孔に露出するように前記第２凹部に固定されており、
前記押圧部は、
押圧力を発生させるソレノイドアクチュエータと、
前記ソレノイドアクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて、前記第２凹部に固定された前記スイッチモジュールの前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、
を有し、
前記増大機構における、てこの原理の支点は、前記ホルダー本体により支持されている、
請求項１または請求項２に記載の測定装置。
請求項１〜８のいずれか一項に記載の測定装置を用いて検体中の被検出物質の存在またはその量を検出する測定方法であって、
前記センサーチップを前記チップホルダーに保持させる第１工程と、
前記押圧部が前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチを押圧し、前記センサーチップの前記第１容量電極および前記第２容量電極と前記電圧印加部とを接続して、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加する第２工程と、
前記第２工程の後に、前記押圧部が前記第１機械的接点スイッチおよび前記第２機械的接点スイッチへの押圧を止めて、前記第１容量電極および前記第２容量電極を前記電圧印加部から切り離す第３工程と、
前記第３工程の後に、前記反応部に検体を提供する第４工程と、
前記第４工程の後に、前記電流測定部が前記センサーチップの前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定する第５工程と、
を含む、測定方法。