JP6755459B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検査体（水および培地など）の物性の変化を検査するセンサ装置に関し、特に、被検査体に含まれる検査対象（細菌、細胞および生体分子など）を検査するセンサ装置に関する。

食中毒などを引き起こす細菌が、食品に混入しているか否かを判定する検査方法の中で、近年、集積回路センサを用いた検査方法が研究されている。細菌、細胞、生体分子、および生体高分子などを検査する検査方法のための集積回路センサとして、発明者らは非特許文献１に示す、半導体基板上に作成した集積回路センサを開発した。

発明者らが開発した集積回路センサは、複数の発振器を備え、それぞれの発振器が有する共振器を構成するインダクタを集積回路センサの表面近傍に配置している。集積回路センサの表面近傍にある被検査体の物性（複素誘電率および複素透磁率）の変化により共振器の共振周波数が変化することで、発振器の発振周波数が変化する。この発振周波数の変化を、集積回路の外部または内部に形成された周波数検出回路にて検出する。結果として、集積回路センサは、被検査体の物性の変化を検出することができる。そして、被検査体の物性の変化を検出することにより、被検査体に含まれる検査対象を検査することができる。

例えば、１００ＧＨｚ付近の周波数帯において、水分子の状態変化により、水の複素誘電率は大きく変化する。また、細菌および細胞などの生体は、水が主要成分であるため、水分子の状態を調べることにより、生体および生体高分子の状態を調べることができる。生体分子中の水は生体分子外の水に比べて束縛されるため、１００ＧＨｚ付近の周波数では誘電損が小さくなる。このため、生体または生体分子を含む培養液の下にある発振器の発振周波数は、生体も生体分子も含まない培養液のみの下にある発振器の発振周波数に比べて高くなる。非特許文献１では、１２０ＧＨｚと６０ＧＨｚの２種類の発振器を複数並べた集積回路センサを用意し、寒天培地を集積回路センサに貼り付け、増殖させた大腸菌が存在する領域に存在する発振器の発振周波数が、寒天培地に比べて高いことを示した。

他に、検査のための集積回路センサとして、蛍光を利用する集積回路センサも開発されている。例えば、特許文献１が示す集積回路センサは、被検査体のｐＨに感応するｐＨ感応性蛍光色素含有層を有しており、発せられた蛍光の強度を測定することにより、被検査体のｐＨを検出する。そして、ｐＨ感応性蛍光色素含有層の上に、微小なウェル（井戸）が形成されている光不透過層を設けることにより、外光を遮断して、蛍光の測定の感度を向上させている。

特開２００５−２５３４１２号公報（２００５年９月２２日公開）

T.Mitsunaka, N.Ashida, A.Saito, K.Iizuka, T.Suzuki, Y.Ogawa, M.Fujishima "CMOS biosensor IC focusing on dielectric relaxations of biological water with 120GHz and 60GHz oscillator arrays", IEEE Solid-State Circuit Conf. Dig. Tech. papers, pp.478-479, Feb. 2016.

発明者らは、非特許文献１に示した集積回路センサの改良のために、集積回路センサが備える発振器１２４の感度の分布を測定した。

図７は、発振器１２４の感度分布の測定を示す図である。図７の（ａ）は、樹脂針１３２の移動を概略的に示す図であり、線ＡＢは、差動電極部１２２の中心１２２ａを通る直線である。図７の（ｂ）は、差動電極部１２２の中心１２２ａに対する樹脂針１３２の距離Distanceを横軸に、発振器１２４の発振周波数の変化幅Frequency Siftを縦軸に、測定結果をプロットしたグラフである。

図７に示す測定結果は、トランジスタ１２１と接続される差動電極部１２２が存在する領域（差動領域）が、最も発振器１２４の発振周波数が変化する領域であり、発振器１２４が発振周波数を変化させる感度が高い領域（高感度領域）であること示している。また、差動電極部１２２の中心１２２ａが、発振器１２４が最高感度である位置（最高感度位置）であることを示している。また、差動電極部１２２の中心１２２ａからの距離に応じて、発振器１２４の発振周波数が変化する感度が変動することも示している。

そして、非特許文献１に記載した細菌の検査方法には、大腸菌をスプレーにて塗布した寒天培地を集積回路センサに貼り付けて検査しているため、検査対象である大腸菌が偶然に発振器１２４の高感度領域にあったり低感度領域にあったりする可能性がある。したがって、大腸菌の位置によって、大腸菌の検出に有効な発振器１２４（すなわち集積回路センサ）の感度が変動するという問題、すなわち、集積回路センサの感度が不安定であるという問題があった。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検査体の物性および被検査体に含まれる検査対象を検査する感度を安定化させることにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るセンサ装置は、基板と、前記基板の上に少なくとも１つ配置され、近傍にある被検査体の物性に応じて発振周波数を変化させる発振器と、前記発振器の上方に少なくとも配置されている第１保護膜と、を備え、前記第１保護膜に、窪みが少なくとも１つ形成されており、前記窪みは、上面視において、前記発振器と重なる位置に位置し、前記発振器は、前記窪みの内部に存在する被検査体のみの物性に応じて発振周波数を変化させる構成である。

上記構成によれば、発振器の発振周波数は、発振器の近傍にある被検査体の物性に応じて変化する。また、発振器の近傍において、被検査体が存在可能な領域は、第１保護膜に形成されている窪みの内部の領域のみに限定される。このため、被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器の発振周波数に影響可能な領域は、第１保護膜に形成されている窪み内部の領域のみに限定される。

被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器の発振周波数に影響可能な領域を限定することにより、被検査体の中の検査対象が存在する位置による発振器の感度の変動を排除することができる。このため、検査に有効な発振器およびセンサ装置の感度を安定化させることができる。

本発明によれば、上記構成によれば、発振器の発振周波数は、発振器の近傍にある被検査体の物性に応じて変化する。また、発振器の近傍において、被検査体が存在可能な領域は、第１保護膜に形成されている窪みの内部の領域のみに限定される。このため、被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器の発振周波数に影響可能な領域は、第１保護膜に形成されている窪み内部の領域のみに限定される。

被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器の発振周波数に影響可能な領域を限定することにより、被検査体の中の検査対象が存在する位置による発振器の感度の変動を排除することができる。このため、発振器およびセンサ装置の感度を安定化させることができるという効果を奏する。

本発明の上記一実施形態に係る集積回路センサの概略上面図である。 本発明の一実施形態に係る集積回路センサが備える発振器の近傍の（ａ）概略断面図と（ｂ）概略上面図とである。 本発明の上記一実施形態に係る集積回路センサの培地を挿入した状態の概略断面図である。 本発明の別の一実施形態に係る集積回路センサが備える発振器の近傍の（ａ）概略断面図と（ｂ）概略上面図とである。 本発明のさらに別の一実施形態に係る集積回路センサの培地を挿入した状態の概略断面図である。 本発明のさらに別の一実施形態に係る集積回路センサの培地を挿入した状態の概略断面図である。 従来の集積回路センサが備える発振器の感度の分布を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態１について、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施形態１に係る集積回路センサ１０（センサ装置）におけるエレメント２０と微小窪み６との概略配置を示す上面図である。

図１に示すように、集積回路センサ１０は、複数のエレメント２０を備え、各エレメント２０に対応して微小窪み６が形成されている。エレメント２０を高い密度で一様に配置するために、エレメント２０は、図１において千鳥状に配置されているが、他の二次元アレイ状の規則的配置であってもよく、不規則的配置であってもよい。また、集積回路センサ１０は、複数のエレメント２０に加えて、制御回路などの他の回路を備えてもよい。

エレメント２０は、発振器２４自身の近傍にある被検査体の物性に応じて発振周波数を変化させる発振器２４と、分周回路および周波数計測回路などの図示しない他の構成要素と、を含む。また、エレメント２０は、図示しない信号線および電力線と接続されている。

微小窪み６は、エレメント２０に１対１対応に配置されているが、これに限らない。１つのエレメント２０に対して、複数の微小窪み６が配置されてもよく、複数のエレメント２０の一部と別の一部とで、各エレメント２０に対して配置されている微小窪み６の数が異なっていてもよい。微小窪み６は、エレメント２０に対する相対位置が同一であるように配置されているが、これに限らない。複数のエレメント２０の一部と別の一部とで、各エレメント２０に対する微小窪み６の相対位置が異なっていてもよい。

図２は、実施形態１に係る集積回路センサ１０が備える発振器２４近傍の集積回路センサ１０の概略構成を示す図である。図１の（ａ）は、発振器２４近傍の部分断面を示し、図１の（ｂ）は、発振器２４の上面と微小窪み６の底６ａとを示す。

図２に示すように、集積回路センサ１０は、半導体基板１（基板）と、半導体基板１の上に形成される配線層２と、配線層２の上に形成されるパッシベーション膜４（第２保護膜）と、パッシベーション膜４の上に形成される被覆膜５（第１保護膜）とを備える。また、半導体基板１と配線層２とには、発振器２４が形成されており、被覆膜５には、微小窪み６（窪み）が形成されている。

半導体基板１は、汎用のシリコン基板であり、その上にトランジスタ２１などの回路素子が形成されている。これに限らず、半導体基板１は、他の半導体基板であってもよく、ガラス基板などの絶縁基板であってもよく、その上に回路（トランジスタ２１などの回路素子および配線層２）を配置できればどのような基板であってもよい。

配線層２は、半導体基板１を覆い、金属配線（配線に使用する導電層、最上位層メタル３を含む）と金属配線どうしを絶縁するための絶縁層とを含む。一般的に、金属配線を絶縁するための絶縁層は窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４の層である。また、配線層２の最上位層メタル３は、配線層２の金属配線のうち、培地などの被検査体が接触する被覆膜５およびパッシベーション膜４に最も近い層である。

パッシベーション膜４は、配線層２を覆い、集積回路センサ１０が備える回路（エレメント２０および最上位層メタル３など）を保護するための膜であり、一般的に酸化シリコンＳｉＯ_２の膜である。

被覆膜５は、パッシベーション膜４を覆う。被覆膜５は、発振器２４の上方に少なくとも配置されており、培地などの被検査体を発振器２４から離間させて、被検査体を発振器２４の近傍から遠ざけるための膜である。このため、被覆膜５は、被検査体が浸透しない材料（樹脂など）の膜である。また、被覆膜５の厚さは、被検査体の物性が発振器２４の発振周波数に影響しないまでに、被検査体を発振器２４から離間して遠ざけることができる厚さである。

微小窪み６は、被覆膜５の上面から被覆膜５内を発振器２４に向かって形成されている孔であり、上側に開いている開口６ｂと、下側（発振器２４側）にある底６ａとを有する。実施形態１においては図２の（ａ）に示すように、パッシベーション膜４の上面が微小窪み６の底６ａから露出しているが、これに限らない。例えば、微小窪み６が浅い場合、微小窪み６の底６ａとパッシベーション膜４の上面との間に、被覆膜５が薄くまたは部分的に存在してもよい。また、例えば、微小窪み６が深い場合、パッシベーション膜４が部分的に削られて、パッシベーション膜４が微小窪み６の底６ａから露出してもよい。

なお、微小窪み６の底６ａと発振器２４との間には、パッシベーション膜４に限らず、被検査体の浸透を防止する何らの膜が少なくとも存在することが好ましい。例えば、被検査体が細菌を含む培養液の場合、被検査体の水分が配線層２へ浸透すると、漏電または短絡が生じ、集積回路センサ１０が故障する。また、微小窪み６の底６ａと発振器２４との間に存在する膜の材料および厚さを適切に調整することが好ましい。これにより、被検査体の物性の変化をより適切に評価することができ、検査精度を向上させることができる。

微小窪み６は、図２においては、発振器２４が備える差動電極部２２と上面視において重なる位置に形成されており、逆円錐台の形状に形成されているが、これに限らない。また、微小窪み６の底６aは、図２においては、差動電極部２２の中心２２ａを中心とする円の形状であり、差動電極部２２の一部（ほぼ全部）を収める大きさであり、具体的には、直径が５０μｍ以下の円であるが、これに限らない。微小窪み６および発振器２４に関する詳細な説明は、後述する。

（発振器）
発振器２４は、トランジスタ２１と、トランジスタ２１に接続される差動電極部２２（差動部）と、差動電極部２２に接続されるインダクタ２３とを備える。

差動電極部２２に含まれるキャパシタとインダクタ２３とは、ＬＣ共振回路を構成している。このＬＣ共振回路は、（ｉ）該キャパシタの近傍にある被検査体の物性の変化に応じて該キャパシタのキャパシタンスＣが変化すること、および／または、（ｉｉ）インダクタ２３の近傍にある被検査体の物性の変化に応じてインダクタ２３のインダクタンスが変化すること、により共振周波数を変化させる。このため、発振器２４の発振周波数は、発振器２４の近傍にある被検査体の物性の変化に応じて、変化する。

差動電極部２２とインダクタ２３とが両方とも最上位層メタル３に形成されている。このため、差動電極部２２に含まれるキャパシタのキャパシタンスも、インダクタ２３のインダクタンスも、被検査体の影響を受けやすい。これにより、差動電極部２２に含まれるキャパシタとインダクタ２３とが構成するＬＣ共振回路は、共振周波数を変化させる感度が高い。そして、発振器２４も同様に、発振周波数を変化させる感度が高い。

発振器２４は、発振器２４の近傍にある、言い換えると、発振器２４およびその近傍（発振器領域）の直上の領域にある被検査体の物性に応じて、発振周波数を変化させる。そして、発振器領域の直上の領域は、図２の（ａ）を参照して、（ｉ）微小窪み６の内部の第１領域と、（ｉｉ）パッシベーション膜４および被覆膜５などが存在する第２領域と、（ｉｉｉ）被覆膜５および微小窪み６よりも上方の何もない第３領域と、の３つの領域に分けられる。

これらの領域のうち、パッシベーション膜４および被覆膜５などが存在する第２領域には、被検査体が存在できない。また、被覆膜５および微小窪み６よりも上方の何もない第３領域には、被検査体が存在できるが、しかし、発振器２４から遠すぎるために、発振器２４の発振周波数に被検査体の物性が実質的に影響しない。したがって、被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器２４の発振周波数に影響可能な領域は、微小窪み６の内部の第１領域のみである。

このように、微小窪み６が形成された被覆膜５が形成されていることにより、発振器２４は、微小窪み６の内部に存在する被検査体のみの物性に応じて発振周波数を変化させることができる。

（微小窪みの配置と形状）
以下に、発振器２４に対する、特に発振器２４の差動電極部２２に対する微小窪み６の配置と形状とについて、図２に基づいて詳細に説明する。

微小窪み６が形成される位置は、上面視において、発振器２４およびその近傍（発振器領域）と重なる領域にあればよく、発振器２４の感度が高い高感度領域にあることが好ましく、微小窪み６の底６ａの中心が、上面視において、発振器２４の感度が最も高い最高感度位置と重なることがさらに好ましい。

微小窪み６の底６ａの形状は、楕円形または多角形のような単純な形状であることが好ましく、円形または正多角形のような中心が分かりやすい形状であることがさらに好ましい。

微小窪み６が発振器領域の直上の領域にあれば、発振器２４の発振周波数は微小窪み６の内部に存在する被検査体のみの物性に応じて変化する。このため、被検査体の中の検査対象が存在する位置による発振器の感度の変動を排除でき、発振器２４の感度は、微小窪み６が形成されている位置における感度に限定される。これにより、被検査体の検査に有効な発振器２４の感度が安定し、集積回路センサ１０の感度も安定するので、集積回路センサ１０の検査精度を安定させることができる。

これに対し、微小窪み６が形成された被覆膜５を設けない従来構成においては、被検査体の中の検査対象が存在する位置が不明であった。このため、図７のように、検査対象（樹脂針１３２が相当）が存在する位置によって、発振器１２４の感度が変動するという問題があった。このように、発振器１２４の感度が変動して不安定であるため、従来構成の集積回路センサの感度は不安定であり、その検査精度も不安定であった。そのため、集積回路センサの検査精度を安定させるために、被検査体に含まれる検査対象（細菌など）が十分に広い範囲に広がるまで培養する必要があり、検査に必要な培養時間が長いという問題があった。一方、本発明の実施形態１に係る集積回路センサ１０によれば、検査精度が安定しているので、検査に必要な培養時間を短縮化することができる。

微小窪み６が高感度領域にあれば、発振器２４が微小窪み６の内部に存在する被検査体の物性に応じて発振周波数を変化させる感度は、高感度になる。このため、被検査体の検査に有効な発振器２４の感度が高い感度で安定し、集積回路センサ１０の感度も高い感度で安定するので、集積回路センサ１０の検査精度を高い精度で安定させることができる。また、感度と検査精度とが高いので、検査に必要な培養時間をより短縮化することができる。

このような高感度領域は、実施形態１において具体的には、上面視において、発振器２４が有する差動電極部２２およびその近傍（差動領域）と重なる領域である。したがって、具体的には、微小窪み６は、差動領域の直上の領域に形成されることが好ましい。

これに対し、微小窪み６が形成された被覆膜５を設けない従来構成においては、被検査体に含まれる検査対象（細菌など）が、発振器１２４の感度が低い低感度領域にある可能性があった（図７参照）。高感度領域よりも低感度領域の方が広いので、被検査体の検査に有効な発振器１２４の感度および集積回路センサの感度は、あまり高いことが期待できなかった。このため、集積回路センサの感度が低く、検査精度が低いという問題があった。さらに検査対象が低感度領域にあった場合、高感度領域まで成長するために必要な時間が長いので、検査に必要な培養時間が長いという問題があった。一方、本発明の実施形態１に係る集積回路センサ１０によれば、被検査体は、高感度領域にある微小窪み６の内部に存在するので、感度および検査精度を向上させることができ、さらに、検査に必要な培養時間を短縮化することができる。

微小窪み６の底６ａの中心が、発振器２４の感度が最も高い最高感度位置にあれば、微小窪み６の内部に存在する被検査体は、最高感度位置を中心に存在することとなる。このため、被検査体の検査に有効な発振器２４の感度および集積回路センサ１０の感度をより向上させることができ、集積回路センサ１０の検査精度をより高い精度で安定させることができ、検査に必要な培養時間をより短縮化することができる。

このような最高感度位置は、実施形態１において具体的には、差動電極部２２の中心２２ａである。したがって、具体的には、微小窪み６の底６ａの中心は、差動電極部２２の中心２２ａの直上に形成されることが好ましい。

微小窪み６の底６ａの形状は、円または多角形などの単純な形状であることが好ましい。なぜならば、単純な形状であるので、微小窪み６を形成することが容易であるからであり、底６ａの中心が分かりやすいので、微小窪み６の底６ａの中心を差動電極部２２の中心２２ａの直上に位置させることが容易であるからである。

微小窪み６の底６ａの面積は、大きすぎないことが好ましい。なぜならば、底６ａの面積が大きすぎる場合、微小窪み６が形成されている位置における発振器２４の感度の幅も広くなりすぎるため、被検査体の検査に有効な発振器２４および集積回路センサ１０の感度の安定化が弱くなるからである。一方、小さすぎる場合も、好ましくない。なぜならば、微小窪み６の内部の領域が小さくなりすぎるため、被検査体の検査が困難になるからである。したがって、微小窪み６の底６ａは、発振器２４の高感度領域の全部または一部と略一致することが好ましい。実施形態１において具体的には、微小窪み６の底６ａは、差動電極部２２の一部または全部と重なる位置にあり、差動電極部２２の一部または全部を収める面積および形状であることが好ましい。

（集積回路センサを用いた検査方法）
以下に図３に基づいて、実施形態１に係る集積回路センサ１０を用いた検査方法について詳細に説明する。

図３は、図２に示した集積回路センサ１０の微小窪み６に、被検査体として培地３０を挿入した断面図である。

培地３０は、検査対象として細胞または細菌を含む培養液（なお、本願明細書において、「検査対象を含む被検査体」とは、特に言及した場合を除き、検査対象を含まない被検査体を包含する。）であるが、これに限らない。検査対象として生体分子または生体高分子を含む抽出液などの他の検査試料を微小窪み６に被検査体として挿入してもよい。

例えば、複数のエレメント２０それぞれにおいて、検査対象として細胞を含む均一量の培地３０を微小窪み６に挿入して、発振器２４を用いて培地３０を一度に検査する。そして、複数のエレメント２０の一部または全部から、培地３０が細胞を含む場合の結果（発振器２４の発振周波数の変化）が得られる。そして、複数のエレメント２０に対する、培地３０が細胞を含む場合の結果を得られたエレメント２０の割合を算出することにより、培地３０に含まれる細胞の濃度を推定することができる。

例えば、複数のエレメント２０それぞれにおいて、検査対象として細菌を含む均一量の培地３０を微小窪み６に挿入して、所定の培養時間が経過した後に、発振器２４を用いて培地３０を一度に検査する。そして、複数のエレメント２０の一部または全部から、培地３０が培養された細菌を含む場合の結果（発振器２４の発振周波数の変化）が得られる。そして、複数のエレメント２０に対する、培地３０が培養された細菌を含む場合の結果を得られたエレメント２０の割合を算出することにより、培地３０に含まれる活性度の高い細菌の濃度を推定することができる。

このように、実施形態１に係る集積回路センサ１０を用いることにより、被検査体の物性の変化を検査することを通じて、被検査体に含まれる検査対象を検査することができ、検査対象である細菌、細胞、または生体分子などの濃度、数、活性度、または状態変化などを検査することができる。なお、複数の被検査体を一度に検査するのでない場合、集積回路センサ１０が備えるエレメント２０は、１つであってもよい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

実施形態２に係る集積回路センサ１０は、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、複数のエレメント２０を備える。

図４は、実施形態２に係る集積回路センサ１０が備える発振器２４近傍の集積回路センサ１０の概略構成を示す図である。図１の（ａ）は、発振器２４近傍の部分断面を示し、図１の（ｂ）は、発振器２４の上面と微小窪み６の底６ａとを示す。

図４に示すように、実施形態２に係る集積回路センサ１０は、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、半導体基板１と、配線層２と、パッシベーション膜４と、被覆膜５とを備える。また、半導体基板１と配線層２（最上位層メタル３を含む）とには、発振器２４が形成されており、被覆膜５には、微小窪み６が形成されている。

実施形態２に係る発振器２４は、実施形態１に係る発振器２４と同様に、トランジスタ２１と、差動電極部２２と、インダクタ２３´とを備えるが、しかし、実施形態１に係る発振器２４と異なり、インダクタ２３´が最上位層メタル３に形成されていない。

実施形態２に係る発振器２４において、図４に示されるように、差動電極部２２は最上位層メタル３に形成されているが、インダクタ２３´は配線層２に含まれる別の金属配線（最上位層メタル３でない導電層）に形成されている。このため、実施形態２に係るＬＣ共振回路は、（ｉ）差動電極部２２の近傍にある被検査体の影響を、実施形態１に係るＬＣ共振回路と同様に受けやすいが、一方、（ｉｉ）インダクタ２３´の近傍にある被検査体の影響を、実施形態１に係るＬＣ共振回路がインダクタ２３の近傍にある被検査体の影響を受けやすいのと比較すると、比較的に受けにくい。

しかしながら、発振器２４は、微小窪み６の内部に存在する被検査体のみの物性に応じて発振周波数を変化させるため、インダクタ２３´が最上位層メタル３でない導電層に形成されていることは、発振器２４の感度に実質的に影響しない。

したがって、実施形態２に係る集積回路センサ１０によれば、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、被検査体の中の検査対象が存在する位置による発振器の感度の変動を排除でき、発振器２４の感度は、微小窪み６が形成されている位置における感度に限定される。これにより、被検査体の検査に有効な発振器２４の感度が安定し、集積回路センサ１０の感度も安定するので、集積回路センサ１０の検査精度を安定させることができる。また、検査精度が安定しているので、検査に必要な培養時間を短縮化することができる。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、図５に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

実施形態３に係る集積回路センサ１０は、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、複数のエレメント２０を備える。

図５は、実施形態３に係る集積回路センサ１０が備える発振器２４近傍の集積回路センサ１０の概略構成を示す断面図であり、微小窪み６に被検査体として培地３０を挿入した断面図である。

図５に示すように、実施形態３に係る集積回路センサ１０は、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、半導体基板１と、配線層２と、パッシベーション膜４と、被覆膜５とを備える。また、半導体基板１と配線層２（最上位層メタル３を含む）とには、発振器２４が形成されており、被覆膜５には、微小窪み６´が形成されており、発振器２４は、トランジスタ２１と、差動電極部２２と、インダクタ２３とを備える。

実施形態３に係る微小窪み６´は、実施形態１に係る微小窪み６と同様に、上側に開いている開口６ｂと、下側（発振器２４側）にある底６ａとを有し、加えて、上側の開口６ｂと下側の底６ａとの間に段６ｃを有する。

実施形態３に係る微小窪み６´において、図５に示されるように、段６ｃにより、微小窪み６´の開口６ｂの面積が底６ｃの面積よりも広くなっている。これにより、微小窪み６´の開口６ｂ側の容積が、微小窪み６´の底６ａ側の容積よりも大きくなっているため、底６ｃの面積が同一である場合、実施形態３に係る微小窪み６´の内部の領域の容積は、実施形態１に係る微小窪み６の内部の領域の容積よりも大きくなることができる。容積の増大により、微小窪み６´の内部に挿入される培地３０の体積も増大するので、微小窪み６´の内部に存在する培地３０の乾燥を防止することができ、微小窪み６´の内部に存在する培養のための栄養の総量を増大させることができる。

微小窪み６´において、開口６ｂ側を底６ａ側よりも広くする方法は、図５に示す方法に限らない。例えば、開口６ｂと底６ａとの間に複数の段を設けてもよく、段を設けずに滑らかに、微小窪み６´の断面積を徐々に広げてもよい。

したがって、実施形態３に係る集積回路センサ１０によれば、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、被検査体の中の検査対象が存在する位置による発振器の感度の変動を排除でき、発振器２４の感度は、微小窪み６が形成されている位置における感度に限定される。これにより、被検査体の検査に有効な発振器２４の感度が安定し、集積回路センサ１０の感度も安定するので、集積回路センサ１０の検査精度を安定させることができる。また、検査精度が安定しているので、検査に必要な培養時間を短縮化することができる。

さらに、実施形態３に係る集積回路センサ１０によれば、微小窪み６´の内部に挿入される培地３０の体積も増大するので、微小窪み６´の内部に存在する培地３０の乾燥を防止することができ、微小窪み６´の内部に存在する培養のための栄養の総量を増大させることができる。

また、実施形態３に係る集積回路センサ１０に実施形態２に係る集積回路センサ１０を組み合わせてもよい。図５に示す集積回路センサ１０において、発振器２４は、最上位層メタル３に形成されているインダクタ２３の代わりに、配線層２に含まれる別の金属配線（最上位層メタル３でない導電層）に形成されているインダクタ２３´を備えてもよい。

〔実施形態４〕
本発明のさらに他の実施形態について、図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図６は、実施形態４に係る集積回路センサ１０の概略構成を示す断面図であり、集積回路センサ１０が備える発振器２４近傍の概略構成を示す断面図であり、微小窪み６に被検査体として培地３０を挿入した断面図である。

実施形態４に係る集積回路センサ１０は、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、複数のエレメント２０を備え、加えて、容器３１を備える。

図６に示すように、実施形態４に係る集積回路センサ１０は、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、半導体基板１と、配線層２と、パッシベーション膜４と、被覆膜５とを備える。また、半導体基板１と配線層２（最上位層メタル３を含む）とには、発振器２４が形成されており、被覆膜５には、微小窪み６が形成されており、発振器２４は、トランジスタ２１と、差動電極部２２と、インダクタ２３とを備える。

容器３１の底の少なくとも一部は、被覆膜５とパッシベーション膜４と配線層２とが形成されている半導体基板１であり、半導体基板１が容器３１の外側に位置し、被覆膜５が容器３１の内側に位置する。このため、実施形態４に係る集積回路センサ１０において、被覆膜５および微小窪み６よりも上の何もない第３領域に、培地３０を留保することができる。

図６に示すように、微小窪み６を超えて、微小窪み６の内部の領域に存在する培地３０を覆うように、培地３０を容器３１の内部に挿入することができる。このため、微小窪み６の内部の領域に存在する培地３０の乾燥を、より防止することができる。なお、上述の実施形態１において説明したように、被覆膜５および微小窪み６よりも上の何もない第３領域に存在する培地３０は、発振器２４から遠すぎるので、発振器２４の発振周波数に実質的に影響しない。

図示しないが、容器３１は複数であってもよく、例えば、集積回路センサ１０は、互いに分離している複数の容器３１を備えてもよく、連結されている複数の容器３１を備えてもよい。容器３１を複数備えることにより、容器３１毎に、培地３０に異なる複数の選択性培地を用いることができる。そして、培養することにより、培地３０が含む細菌などの被検査体を一度の検査で特定することができる。

また、縮尺を無視した概略図であるため、図６には示されていないが、容器３１は、微小窪み６よりも極めて大きく、人間が十分に視認できる大きさである。一方、半導体基板１の上に集積回路技術により作製される発振器２４も微小窪み６も、微小であり、視認性が極めて低い。このため、例えば、集積回路センサ１０の微小窪み６が形成されている側の面が分かりやすくなるなど、集積回路センサ１０を用いる検査の作業性を向上させることができる。

したがって、実施形態４に係る集積回路センサ１０によれば、実施形態１に係る集積回路センサ１０と同様に、被検査体の中の検査対象が存在する位置による発振器の感度の変動を排除でき、発振器２４の感度は、微小窪み６が形成されている位置における感度に限定される。これにより、被検査体の検査に有効な発振器２４の感度が安定し、集積回路センサ１０の感度も安定するので、集積回路センサ１０の検査精度を安定させることができる。また、検査精度が安定しているので、検査に必要な培養時間を短縮化することができる。

さらに、実施形態４に係る集積回路センサ１０によれば、微小窪み６´の内部に挿入される培地３０を、培地３０で覆うことができるので、微小窪み６´の内部に存在する培地３０の乾燥を防止することができる。また、容器３１を複数備えることにより、選択性培地を用いて、培地３０が含む細菌などの被検査体を特定することができる。

また、実施形態４に係る集積回路センサ１０に、実施形態２に係る集積回路センサ１０および／または実施形態２に係る集積回路センサ１０を組み合わせてもよい。図６に示す集積回路センサ１０において、発振器２４は、最上位層メタル３に形成されているインダクタ２３の代わりに、配線層２に含まれる別の金属配線（最上位層メタル３でない導電層）に形成されているインダクタ２３´を備えてもよい。図６に示す集積回路センサ１０において、被覆膜５に、段を有さない微小窪み６の代わりに、段６ｃを有する微小窪み６´が形成されてもよい。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、基板（半導体基板１）と、前記基板の上に少なくとも１つ配置され、近傍にある被検査体（培地３０）の物性（複層誘電率および複素透磁率）に応じて発振周波数を変化させる発振器（２４）と、前記発振器の上方に少なくとも配置されている第１保護膜（被覆膜５）と、を備え、前記第１保護膜に、窪み（微小窪み６，６´）が少なくとも１つの形成されており、前記窪みは、上面視において、前記発振器と重なる位置（発振器領域）に位置し、前記発振器は、前記窪みの内部に存在する被検査体のみの物性に応じて発振周波数を変化させる構成である。

上記構成によれば、発振器の発振周波数は、発振器の近傍にある被検査体の物性に応じて変化する。また、発振器の近傍において、被検査体が存在可能な領域は、第１保護膜に形成されている窪みの内部の領域のみに限定される。このため、被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器の発振周波数に影響可能な領域は、第１保護膜に形成されている窪み内部の領域のみに限定される。

従来、発振器が近傍にある被検査体の物性に応じて発振周波数を変化させる感度は、発振器に対する被検査体の相対位置に応じて変動し、被検査体の中の検査対象（細菌、細胞、および生体高分子など）が偶然に、発振器の感度の高い位置に存在したり、低い位置に存在したりした。このため、発振器（すなわちセンサ装置）の検査精度が安定しにくいという問題、および、検査精度を安定させるために、被検査体の中の検査対象が広い範囲に広がるまで被検査体の中の検査対象を培養するので、検査に必要な培養時間が長いという問題があった。

これに対して、上記構成によれば、被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器の発振周波数に影響可能な領域を限定することにより、被検査体の中の検査対象が存在する位置による発振器の感度の変動を排除することができる。このため、発振器およびセンサ装置の検査精度を安定化させることができ、また、検査に必要な培養時間を短縮化することができる。

本発明の態様２に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様１において、前記発振器（２４）は、近傍にある被検査体（培地３０）の物性に応じて当該少なくとも１つの発振器の発振周波数を変化させる差動部（差動電極部２２）を有し、前記窪み（微小窪み６，６´）は、上面視において、前記差動部と重なる位置に位置する構成としてもよい。

上記構成によれば、発振周波数は、差動部の近傍にある被検査体の物性に応じて変化するので、発振器の感度は、差動部近傍（差動領域）において高くなっている。また、窪みが差動部近傍の直上に位置するので、被検査体が存在可能かつ被検査体の物性が発振器の発振周波数に影響する領域は、発振器の感度が高い差動部近傍に限定される。したがって、被検査体の中の検査対象に対して有効な発振器の有効感度を向上させることができる。

発振器の有効感度を向上させることにより、センサ装置の感度も向上させることができる。また、発振器の感度が低い低感度領域による感度の変動を排除することができる。また、発振器の感度が高い高感度領域まで、被検査体に含まれる検査対象が成長するまでの時間が短い（または無い）ので、検査に必要な培養時間をさらに短縮化することができる。

なお、差動部を有する共振器に限らず、窪みは、発振器の高感度領域と重なる位置および形状に形成されることが好ましい。

本発明の態様３に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様２において、前記窪み（微小窪み６，６´）の底（６ａ）の中心は、上面視において、前記差動部（差動電極部２２）の中心（２２ａ）と重なる位置に位置する構成としてもよい。

上記構成によれば、窪みの底の中心は、差動部の中心の直上に位置する。一方、発振器の感度は差動部の中心において最も高くなっている。このため、被検査体が、発振器の感度が最も高い最高感度位置を中心とする領域に存在するので、発振器の有効感度を、さらに向上させることができる。

本発明の態様４に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様１から３の何れか１態様において、前記窪み（微小窪み６，６´）の底（６ａ）の形状は、上面視において、円形または多角形である構成としてもよい。

上記構成によれば、窪みの底の形状は、円形または正多角形であるので、窪みの底の中心位置が分かりやすく、窪みを形成しやすい。このため、窪みの底の中心が差動部の中心の直上に位置するように、窪みを形成することが容易である。

なお、円形または多角形に限らず、窪みの底の形状は、発振器の感度の分布に応じて、高感度領域と重なる単純な形状であることが好ましい。

本発明の態様５に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様１から４の何れか１態様において、前記窪み（微小窪み６，６´）の底（６ａ）と前記発振器（２４）との間には、第２保護膜（パッシベーション膜４）が少なくとも存在する構成としてもよい。

上記構成によれば、窪みの底と発振器との間には、少なくとも第２保護膜が存在するので、被検査体の成分（水など）の浸透を防止することができる。浸透の防止により、発振器または基板に形成されている他の素子などにおける漏電を防止することができる。

さらに、第２保護膜の厚みを調整することにより、被検査体の物性の変化（細菌の増殖による水の誘電損の変動など）をより適切に評価することができる。

本発明の態様６に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様５において、前記第２保護膜（パッシベーション膜４）は、パッシベーション膜（３）を含む構成としてもよい。

上記構成によれば、基板に形成されるパッシベーション膜を第２保護膜として活用することができる。

本発明の態様７に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様１から６の何れか１態様において、前記窪み（微小窪み６，６´）は、開口（６ｂ）側が底（６ａ）側よりも広くなっている構成としてもよい。

上記構成によれば、底の面積が同じ場合、開口側が広くなっていない窪みに比べて、開口側が広くなっているので、窪みの容積が大きい。このため、窪みの内部の領域に挿入される被検査体の体積が増えるので、窪み内部の被検査体の乾燥を防止でき、また、窪み内部にある培養のための栄養の総量を増やすことができる。

本発明の態様８に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様１から７の何れか１態様において、前記発振器（２４）および前記窪み（微小窪み６，６´）は、複数であり、複数の前記窪みはそれぞれ、複数の前記発振器のそれぞれに応じて形成されている構成としてもよい。

上記構成によれば、センサ装置は、発振器と窪みとの組を複数備える。このため、その組数に応じて、複数の被検査体を一度に検査することができる。

本発明の態様９に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様１から８の何れか１態様において、さらに、容器（３１）を少なくとも１つ備え、前記容器の底の少なくとも一部は、前記基板（半導体基板１）であり、前記第１保護膜（被覆膜５）は、前記容器の内側に位置する構成としてもよい。

上記構成によれば、窪みが形成されている第１保護膜は、容器の底に位置するので、第１保護膜上に窪みを超えて（窪みの内部に入る場合を含む）、培地などを留保することができる。このため、窪みの内部の培地の乾燥を防止できる。

本発明の態様１０に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様９において、前記容器（３１）は、複数であり、複数の前記容器のそれぞれに、前記発振器（２４）が少なくとも１つ含まれ、前記窪み（微小窪み６，６´）が少なくとも１つ含まれる構成としてもよい。

上記構成によれば、複数の容器を備え、各容器に発振器と窪みとの組を備えるので、容器ごとに異なる選択性培地を被検査体に用いることができる。選択性培地により、一度の検査で、被検査体に含まれる検査対象を特定することができる。

本発明の態様１１に係るセンサ装置（集積回路センサ１０）は、上記の態様９または１０において、上面視において、前記容器（３１）の面積は、前記窪み（微小窪み６，６´）の面積に比べて大きい構成としてもよい。

上記構成によれば、容器の面積が窪みの面積に比べて大きい。半導体基板の上に、集積回路技術により作製される発振器も窪みも、微小であり、視認性が極めて低い。一方、容器は窪みよりも極めて大きいので、人間が十分に視認できる。このため、例えば、窪みが形成されている側の基板の面が分かりやすくなるなど、センサ装置を用いる検査の作業性を向上させることができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、被検査体の物性（複素誘電率および複素透磁率）の変化の検査に利用することができる。本発明は、被検査体の物性の変化を通じて、被検査体に含まれる検査対象を検査する検査方法に利用することができる。具体的には、例えば、本発明は、細菌または細胞などを含む培養液の検査、および、生体分子または生体高分子を含む試料の検査などに利用することができる。

１ 半導体基板（基板）
２ 配線層
３ 最上位層メタル
４ パッシベーション膜（第２護膜）
５ 被覆膜（第１保護膜）
６，６´ 微小窪み（窪み）
６ａ 底
６ｂ 開口
６ｃ 段
１０ 集積回路センサ（センサ装置）
２０ エレメント
２１，１２１ トランジスタ
２２，１２２ 差動電極部（差動部）
２２ａ，１２２ａ 中心
２３，２３´，１２３ インダクタ
２４，１２４ 発振器
３０ 培地（被検査体）
３１ 容器
１３２ 樹脂針

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板の上に複数配置され、近傍にある被検査体の物性に応じて発振周波数を変化させる発振器と、
   前記発振器の上方に少なくとも配置されている第１保護膜と、を備え、
   前記第１保護膜に、窪みが複数、前記発振器に１対１対応に形成されており、
   前記発振器は、近傍にある被検査体の物性に応じて当該発振器の発振周波数を変化させる差動部を有し、
   前記窪みは、上面視において、前記差動部と重なる位置に位置することを特徴とするセンサ装置。
2. 前記窪みの底の中心は、上面視において、前記差動部の中心と重なる位置に位置することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 基板と、
   前記基板の上に少なくとも１つ配置され、近傍にある被検査体の物性に応じて発振周波数を変化させる発振器と、
   前記発振器の上方に少なくとも配置されている第１保護膜と、を備え、
   前記第１保護膜に、窪みが少なくとも１つ形成されており、
   前記発振器は、近傍にある被検査体の物性に応じて当該発振器の発振周波数を変化させる差動部を有し、
   前記窪みは、上面視において、前記差動部と重なる位置に位置し、
   前記窪みの底の中心は、上面視において、前記差動部の中心と重なる位置に位置することを特徴とするセンサ装置。
4. 前記窪みの底の形状は、上面視において、円形または多角形であることを特徴とする請求項２または３に記載のセンサ装置。
5. 前記窪みの底と前記発振器との間には、第２保護膜が少なくとも存在することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のセンサ装置。
6. 前記第２保護膜は、パッシベーション膜を含むことを特徴とする請求項５に記載のセンサ装置。
7. 前記窪みは、開口側が底側よりも広くなっていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のセンサ装置。
8. 前記発振器および前記窪みは、複数であり、
   複数の前記窪みが、複数の前記発振器のそれぞれに応じて形成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のセンサ装置。
9. さらに、容器を少なくとも１つ備え、
   前記容器の底の少なくとも一部は、前記基板であり、
   前記第１保護膜は、前記容器の内側に位置することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のセンサ装置。
10. 前記容器は、複数であり、
    複数の前記容器のそれぞれに、
    前記発振器が少なくとも１つ含まれ、
    前記窪みが少なくとも１つ含まれることを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
11. 上面視において、前記容器の面積は、前記窪みの面積に比べて大きいことを特徴とする請求項９または１０に記載のセンサ装置。

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