JP7007147B2 - カロリメトリックセンサ、それを用いた検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、カロリメトリックセンサに関する。

液体試料中の特定成分を検出するためにバイオセンサが用いられる。バイオセンサの方式のひとつとして、カロリメトリック方式が提案されている。カロリメトリック方式のバイオセンサ（以下、カロリメトリックバイオセンサ、あるいは単にカロリメトリックセンサという）は、熱電対をなす一対の電極を備える。一方の反応電極には溶液中のターゲット物質と反応する酵素が塗布されており、酵素とターゲット物質が反応することにより発熱する。他方の基準電極は、温度が変動しないように反応電極と熱的にアイソレートされている。反応電極においてターゲット物質の濃度に応じた温度上昇が発生すると、温度上昇に応じた電位差が観測される（特許文献１や特許文献２参照）。

特開２０１５－２００６１１号公報 特開２０１６－１７３２７３号公報 特開２０１５－２１７７９号公報 特開２０１２－２４２３３５号公報 特開昭６１－２１２７５０号公報

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、検出感度が改善されたカロリメトリックバイオセンサの提供にある。

本発明のある態様はカロリメトリックセンサに関する。カロリメトリックセンサは、熱電変換薄膜と、熱電変換薄膜の上に形成された基準電極と、熱電変換薄膜の上に形成され、検体と反応する酵素が定着している反応電極と、を備え、基準電極と反応電極の間の電位差が測定可能に構成される。基準電極と反応電極は、当該カロリメトリックセンサが形成されるチップの１辺に対して傾斜した方向に離間している。

本発明の別の態様は、検査装置に関する。検査装置は、上述のカロリメトリックセンサと、カロリメトリックセンサの基準電極と反応電極の間の電位差に応じた検出信号を生成するセンスアンプと、検出信号を処理する処理部と、を備える。処理部は、（i）反応開始から第１所定時間経過後の値が第１所定値となるように検出信号をオフセットし、（ii）オフセット後の検出信号の波形を、値が第２所定値である時刻から第２所定時間にわたり積分する。

本発明の別の態様は、カロリメトリックセンサの製造方法に関する。製造方法は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板にイオン注入するステップと、オーミック電極を形成するステップと、ＳｉＯ２層を形成し、一部をエッチングするステップと、配線を形成するステップと、ＳｉＯ２層を形成し、一部をエッチングするステップと、電極パッドを形成するステップと、ＳＯＩ基板のデバイス層とＢＯＸ層を除去するステップと、センシング領域の直下の支持層を除去するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、検出感度が改善されたカロリメトリックバイオセンサを提供できる。

実施の形態に係るカロリメトリックセンサの斜視図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るカロリメトリックセンサの平面図および断面図である。 熱電変換薄膜の斜視図である。 配線構造の一例を示す図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、カロリメトリックセンサの使用を説明する図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、カロリメトリックセンサの利点を説明する図である。 図７（ａ）～（ｄ）は、カロリメトリックセンサの製造方法を示す断面図である。 図８（ａ）～（ｃ）は、カロリメトリックセンサの製造方法を示す断面図である。 カロリメトリックセンサを備える検査装置を示す図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、カロリメトリックセンサによる測定結果を示す図である。 演算処理を施したセンサの出力を示す図である。 図１１の波形を、時刻０から所定時間にわたって積分した値と、濃度の関係を示す図である。

（概要）
本明細書には、本発明の一実施の形態として、カロリメトリックセンサが開示される。カロリメトリックセンサは、熱電変換薄膜と、熱電変換薄膜の上に形成された基準電極と、熱電変換薄膜の上に形成され、検体と反応する酵素が定着している反応電極と、を備え、基準電極と反応電極の間の電位差が測定可能に構成され、基準電極と反応電極は、当該カロリメトリックセンサが形成されるチップの１辺に対して傾斜した方向に離間している。

この実施の形態によると、基準電極と反応電極を、チップの１辺と平行な方向に離間した場合に比べて、それらの距離を長くできるため、それらの熱的なアイソレーションを高めることができ、検出感度を改善できる。

一実施の形態において、カロリメトリックセンサは、熱電変換薄膜を支持する基体をさらに備えてもよい。反応電極および基準電極を包含する矩形のセンシング領域において、熱電変換薄膜の直下は空洞であってもよい。これによりセンシング領域の熱容量を小さくできるため、さらに検出感度を改善できる。

一実施の形態において、熱電変換薄膜と基体はそれぞれ、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の、最表層のデバイス層と、最下層の支持層であってもよい。これにより、熱電変換薄膜と基体を容易に形成することができる。

反応電極は、センシング領域の略中央に位置し、基準電極は、センシング領域のコーナーに位置してもよい。これにより反応電極を、周囲のパッドやその他の回路素子から遠ざけることができ、検出感度を高めることができる。

一実施の形態において、熱電変換薄膜は、その上に反応電極が形成される第１部分と、センシング領域を取り囲むＩ／Ｏ領域に形成される第２部分と、一端がセンシング領域の第１コーナーにおいて第２部分と接続され、他端が第１部分と接続される第１ブリッジ部分と、一端がセンシング領域の第１コーナーと対角の第２コーナーにおいて第２部分と接続され、他端が第１部分と接続される第２ブリッジ部分と、を含んでもよい。
これにより第１ブリッジ部分と第２ブリッジ部分の梁構造で反応電極を支えることができる。

一実施の形態において、カロリメトリックセンサは、Ｉ／Ｏ領域に形成される第１パッドおよび第２パッドと、第１ブリッジ部分または第２ブリッジを経由して第１パッドと基準電極とを結線する第１配線と、第１ブリッジ部分または第２ブリッジを経由して第２パッドと反応電極とを結線する第２配線と、をさらに備えてもよい。

一実施の形態において、反応電極は、チップに対して４５度傾いた矩形であってもよい。これにより、同じサイズの反応電極を、チップに対して平行な矩形とした場合に比べて、反応電極と基準電極間の熱的なアイソレーションを高めることができる。

一実施の形態において、カロリメトリックセンサは、カロリメトリックセンサの表面に設けられ、反応電極とオーバーラップする開口を有する第１封止テープをさらに備えてもよい。

一実施の形態において、カロリメトリックセンサは、カロリメトリックセンサの裏面に設けられた第２封止テープをさらに備えてもよい。これにより、センシング領域の下方の空間に、試料が浸潤するのを防止できる。

（実施の形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

図１は、実施の形態に係るカロリメトリックセンサ１の斜視図である。図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係るカロリメトリックセンサ１の平面図および断面図である。

カロリメトリックセンサ１は、たとえば数ミリ角の矩形のチップ４０である。チップ４０の中央付近の矩形領域をセンシング領域５０、それを囲むロの字型の領域をＩ／Ｏ領域５２と称する。

カロリメトリックセンサ１は、センシング領域５０に包含される基準電極２および反応電極４を備える。反応電極４の表面には、液体試料中の特定成分（検体の基質）と反応する酵素が定着している。酵素を固着する方法は特に限定されないが、たとえば水溶性感光性樹脂（たとえば東洋合成工業社製のBiosurfine）に酵素を混ぜ、反応電極４に塗布し、紫外線を照射して硬化させてもよい。あるいは反応電極４の表面に酵素接着層を形成し、接着層に酵素を吸着させてもよい。

カロリメトリックセンサ１は、基準電極２と反応電極４の間の電位差ΔＶが測定可能に構成される。Ｉ／Ｏ領域５２には、第１パッドＰＡＤ１、第２パッドＰＡＤ２が設けられる。第１パッドＰＡＤ１は、図示しない第１配線を介して基準電極２と電気的に接続され、第２パッドＰＡＤ２は、図示しない第２配線を介して反応電極４と電気的に接続される。たとえば第１パッドＰＡＤ１、第２パッドＰＡＤ２に、プローブ６０，６２を接触させることにより、電位の測定が可能である。

図１あるいは図２（ａ）に示されるように、基準電極２と反応電極４は、当該カロリメトリックセンサ１が形成されるチップ４０の１辺に対して傾斜した方向に離間している。

図２（ｂ）を参照する。基準電極２および反応電極４は、熱電変換薄膜１０の上に形成される。熱電変換薄膜１０の材料は特に限定されないが、Ｓｉ（シリコン）を用いるとよい。Ｓｉは大きなゼーベック係数を有する上に、一般的な半導体製造プロセスとの整合性が高いという利点がある。

図２（ｂ）に示すように熱電変換薄膜１０は、Ｉ／Ｏ領域５２において基体２０によって支持されている。基体２０には、反応電極４および基準電極２を包含する矩形のセンシング領域５０において空間２２が設けられる。たとえば基体２０は、センシング領域５０を取り囲むロの字型である。

本実施の形態において、カロリメトリックセンサ１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板４２の上に形成される。ＳＯＩ基板４２は、Ｓｉ支持層４４、Ｓｉデバイス層４８、およびそれらの間のＳｉＯ_２絶縁層（ＢＯＸ層：Buried Oxide）４６からなる。熱電変換薄膜１０は、Ｓｉデバイス層４８であり、基体２０はＳｉ支持層４４である。たとえばＳｉ支持層４４の厚さは３５０μｍであり、Ｓｉデバイス層４８は厚さ５μｍである。

反応電極４は、チップ４０に対して４５度傾いた矩形であり、センシング領域５０の略中央に位置する。一方、基準電極２は、センシング領域５０のコーナーに位置する。

図２（ｂ）に示すように、第１封止テープ６は、カロリメトリックセンサ１の表面に設けられ、反応電極４とオーバーラップする開口７を有する。また、カロリメトリックセンサ１の裏面は、第２封止テープ８によって封止されている。第１封止テープ６および第２封止テープ８は、耐熱粘着テープ（ポリイミドフィルム）であってもよい。

図１に示すように熱電変換薄膜１０は架橋構造を有する。図３は、熱電変換薄膜１０の斜視図である。熱電変換薄膜１０は、第１部分１２、第２部分１４、第１ブリッジ部分１６、第２ブリッジ部分１８を含む。第１部分１２は、その上に反応電極４が形成される部分である。第２部分１４は、Ｉ／Ｏ領域５２に対応する部分である。第１部分１２は、第１ブリッジ部分１６および第２ブリッジ部分１８によって、空間２２の上に支持される。第１ブリッジ部分１６は、一端がセンシング領域５０の第１コーナーＣ１において第２部分１４と接続され、他端が第１部分１２と接続される。第２ブリッジ部分１８は、一端がセンシング領域５０の第１コーナーＣ１と対角の第２コーナーＣ２において第２部分１４と接続され、他端が第１部分１２と接続される。

第１ブリッジ部分１６および第２ブリッジ部分１８の幅は、可能な限り狭くすることが好ましい。後述のように、第１ブリッジ部分１６（第２ブリッジ部分１８）に配線を形成する場合、所望の配線を形成しうる範囲において、なるべく狭くすることが好ましい。これにより、熱電変換薄膜１０のセンシングに寄与する部分の熱容量を下げることができ、検出感度を高めることができる。たとえば第１ブリッジ部分１６および第２ブリッジ部分１８の幅は、５０μｍ～２００μｍ程度とするとよい。

図４は、配線構造の一例を示す図である。熱電変換薄膜１０の第１ブリッジ部分１６には、第１配線Ｗ１および第２配線Ｗ２が形成される。第１配線Ｗ１は、第１ブリッジ部分１６を経由して第１パッドＰＡＤ１と基準電極２を結線する。第２配線Ｗ２は、第１ブリッジ部分１６を経由して第２パッドＰＡＤ２と反応電極４を結線する。第１配線Ｗ１は、ビアホールＶＩＡ１を介して基準電極２とコンタクトが取られており、第２配線Ｗ２は、ビアホールＶＩＡ２を介して反応電極４とコンタクトが取られる。第１配線Ｗ１および第２配線Ｗ２が形成される配線層と、基準電極２および反応電極４が形成される配線層の間には、図示しない層間絶縁膜が形成される。

以上がカロリメトリックセンサ１の構造である。続いてその使用を説明する。
図５（ａ）、（ｂ）は、カロリメトリックセンサ１の使用を説明する図である。図５（ａ）に示すように、第１封止テープ６の開口７の部分に、液体試料の液滴８０を垂らして、使用してもよい。あるいは図５（ｂ）に示すように、液体試料８２で満たされた容器８４の中に、カロリメトリックセンサ１を浸してもよい。

（第１の利点）
図６（ａ）は、カロリメトリックセンサ１の第１の利点を説明する図である。基準電極２と反応電極４は、チップの１辺に対して傾斜した方向に離間している。このときの２つの電極間の距離をｌ_１とする。図５には、比較のために、反応電極４に対して、チップの１辺と平行な方向に離間した基準電極３が破線で示され、基準電極３と反応電極４の距離はｌ_２である。図６（ａ）から明らかなように、ｌ_１＞ｌ_２が成り立っており、２つの電極を斜め方向にレイアウトすることで、それらの熱的なアイソレーションを高めることができる。基準電極２の温度が、反応電極４における熱反応の影響を受けにくくなるため、検出感度を高めることができる。

（第２の利点）
図６（ｂ）は、カロリメトリックセンサ１の第２の利点を説明する図である。反応電極４は、チップに対して４５度傾いた矩形である。図６（ｂ）には、比較のために、チップに対して傾斜されない反応電極５が示され、基準電極２と反応電極５の距離はｌ_３である。
図６（ｂ）から明らかなように、ｌ_１＞ｌ_３が成り立っており、反応電極４を傾斜させることで、反応電極４と基準電極２間の熱的なアイソレーションを高めることができる。基準電極２の温度が、反応電極４における熱反応の影響を受けにくくなるため、検出感度を高めることができる。

（第３の利点）
図１や図２（ｂ）に示すように、センシング領域５０において、反応電極４の直下には、空間２２が設けられる。これにより、カロリメトリックセンサ１のセンシングに寄与する部分（主として熱電変換薄膜１０）の熱容量を小さくでき、検出感度を高めることができる。

続いて、カロリメトリックセンサ１の製造方法の一例を説明する。図７（ａ）～（ｄ）および図８（ａ）～（ｃ）は、カロリメトリックセンサ１の製造方法を示す断面図である。

図７（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板４２のデバイス層４８に、基準電極２、反応電極４を形成すべき領域１０２，１０４に、イオン注入を行う。続いて図７（ｂ）に示すように、イオン注入を行った領域１０２，１０４に基準電極２、反応電極４として機能するオーミック電極１１２，１１４を形成する。電極の材料としてはＡｌ（アルミニウム）を用いることができ、スパッタリングした後に、シンタリングされる。

続いて図７（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２層１２０を形成し、一部の領域１２２，１２４をエッチングする。領域１２２は、基準電極２と後に形成される第１配線Ｗ１とのコンタクトを取るためのビアホールを形成するための領域であり、領域１２４は、反応電極４と後に形成される第２配線Ｗ２とのコンタクトを取るためのビアホールを形成するための領域である。

続いて、図７（ｄ）に示すように配線層１３０が形成される。この配線層１３０は、第１配線Ｗ１、第２配線Ｗ２を含む。さらにこの配線層は、第１パッドＰＡＤ１（第２パッドＰＡＤ２）のランド領域１３２を含む。

続いて図８（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２層１４０が形成され、続いてその一部の領域がエッチングされ、開口１４２，１４４が設けられる。開口１４４は、反応電極４に対応する部分に形成される。開口１４２は、第１パッドＰＡＤ１や第２パッドＰＡＤ２を形成すべき領域に形成される。

続いて図８（ｂ）に示すように、開口１４２，１４４の上部に、電極パッド１５２、１５４が形成される。電極パッド１５２は、第１パッドＰＡＤ１に対応する。電極パッド１５４は反応電極４である。

続いてＳＯＩ基板４２のＳｉデバイス層４８とＢＯＸ層４６の一部が上側から除去される。この様子は図８（ｃ）には示されない。さらにＳＯＩ基板４２のセンシング領域５０の直下のＳｉ支持層４４が除去される。

その後、カロリメトリックセンサ１の表面に第１封止テープ６が、裏面に第２封止テープ８が貼付される。

図９は、カロリメトリックセンサ１を備える検査装置２００を示す図である。検査装置２００は、カロリメトリックセンサ１に加えて、センスアンプ２０２および処理部２１０を備える。センスアンプ２０２は、第１パッドＰＡＤ１と第２パッドＰＡＤ２の間、言い換えれば基準電極２と反応電極４の間の電位差を増幅する。センスアンプ２０２の出力電圧は、Ａ／Ｄコンバータ（デジタイザ）２０４によってデジタルの検出信号に変換される。処理部２１０は、検出信号にもとづいて、液体試料中の特定成分の濃度を取得する。センスアンプ２０２やＡ／Ｄコンバータ２０４は、カロリメトリックセンサ１と同じチップ上に集積化してもよい。

図１０（ａ）、（ｂ）は、カロリメトリックセンサ１による測定結果を示す図である。測定に用いたカロリメトリックセンサ１のチップサイズは５ミリ角であり、反応電極４は１ｍｍ角である。酵素としては、クレアチナーゼを使用し、さまざまな濃度のクレアチニン溶液にカロリメトリックセンサ１を浸漬させた。前準備として容器に生理食塩水を満たし、生理食塩水を抜いた後に、直ちにクレアチニン溶液を注入した。図１０（ａ）は、濃度２０ｍｇ／ｄｌの溶液、図１０（ｂ）は、濃度５０ｍｇ／ｄｌの溶液である。

図１０（ａ）や（ｂ）の波形からは、濃度を判定することが困難な場合がある。そこで処理部２１０において、波形シフトなどを行ってもよい。

図１１は、演算処理を施したセンサの出力を示す図である。ここでは、（i）反応開始から第１所定時間Ｔ_１（５分）経過後の値が第１所定値（ここでは０）となるように検出信号がオフセットされている。また、（ii）オフセット後の検出信号の波形において、値が第２所定値（－３００μＶ）である時刻を、時刻０としている。

図１１に示すように、演算処理後の波形は、時定数が濃度に依存することがわかる。図１２は、図１１の波形を、時刻０から所定時間にわたって積分した値と、濃度の関係を示す図である。図１２から分かるように、演算処理後の波形の積分値と濃度の間には相関があることが分かる。

これらの結果から、実施の形態に係るカロリメトリックセンサ１によれば、試料中の検体の濃度を検出することが実証できた。

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

＜変形例＞
実施の形態では、カロリメトリックセンサ１を液体に浸漬させて、濃度を測定した。この方式では、液体の容積が大きいため、反応時間が数分と長くなる。そこでカロリメトリックセンサ１の上側に、微小な流路（反応室）を形成し、反応室に閉じ込めた試料溶液を測定してもよい。

１ カロリメトリックセンサ
２ 基準電極
４ 反応電極
１０ 熱電変換薄膜
１２ 第１部分
１４ 第２部分
１６ 第１ブリッジ部分
１８ 第２ブリッジ部分
２０ 基体
６ 第１封止テープ
８ 第２封止テープ
Ｗ１ 第１配線
Ｗ２ 第２配線
４０ チップ
４２ ＳＯＩ基板
４４ Ｓｉ支持層
４６ ＳｉＯ２絶縁層
４８ Ｓｉデバイス層
ＰＡＤ１ 第１パッド
ＰＡＤ２ 第２パッド
５０ センシング領域
５２ Ｉ／Ｏ領域
６０，６２ プローブ
２００ 検査装置

Claims (11)

1. 熱電変換薄膜と、
   前記熱電変換薄膜の上に形成された基準電極と、
   前記熱電変換薄膜の上に形成され、検体と反応する酵素が定着している反応電極と、
   を備え、前記基準電極と前記反応電極の間の電位差が測定可能に構成され、
   前記基準電極と前記反応電極は、当該カロリメトリックセンサが形成されるチップの１辺に対して傾斜した方向に離間していることを特徴とするカロリメトリックセンサ。
2. 前記熱電変換薄膜を支持する基板をさらに備え、
   前記基板には、前記反応電極および前記基準電極を包含する矩形のセンシング領域において空間が設けられることを特徴とする請求項１に記載のカロリメトリックセンサ。
3. 前記熱電変換薄膜と前記基板はそれぞれ、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の最表層のＳｉデバイス層と最下層のＳｉ支持層であることを特徴とする請求項２に記載のカロリメトリックセンサ。
4. 前記反応電極は、前記センシング領域の略中央に位置し、
   前記基準電極は、前記センシング領域のコーナーに位置することを特徴とする請求項２または３に記載のカロリメトリックセンサ。
5. 前記熱電変換薄膜は、
   その上に前記反応電極が形成される第１部分と、
   前記センシング領域を取り囲むＩ／Ｏ領域に形成される第２部分と、
   一端が前記センシング領域の第１コーナーにおいて前記第２部分と接続され、他端が前記第１部分と接続される第１ブリッジ部分と、
   一端が前記センシング領域の前記第１コーナーと対角の第２コーナーにおいて前記第２部分と接続され、他端が前記第１部分と接続される第２ブリッジ部分と、
   を含むことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のカロリメトリックセンサ。
6. 前記Ｉ／Ｏ領域に形成される第１パッドおよび第２パッドと、
   前記基準電極とコンタクトが取られ、前記第１ブリッジ部分または前記第２ブリッジ部分を経由して前記第１パッドと接続される第１配線と、
   前記反応電極とコンタクトが取られ、前記第１ブリッジ部分または前記第２ブリッジ部分を経由して前記第２パッドと接続される第２配線と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のカロリメトリックセンサ。
7. 前記反応電極は、前記チップに対して４５度傾いた矩形であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のカロリメトリックセンサ。
8. 前記カロリメトリックセンサの表面に設けられ、前記反応電極とオーバーラップする開口を有する第１封止テープをさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のカロリメトリックセンサ。
9. 前記カロリメトリックセンサの裏面に設けられた第２封止テープをさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のカロリメトリックセンサ。
10. 請求項１から９のいずれかに記載のカロリメトリックセンサと、
    前記基準電極と前記反応電極の間の電位差に応じた検出信号を生成するセンスアンプと、
    前記検出信号を処理する処理部と、
    を備えることを特徴とする検査装置。
11. 前記処理部は、（i）反応開始から第１所定時間経過後の値が第１所定値となるように前記検出信号をオフセットし、（ii）オフセット後の前記検出信号の波形を、値が第２所定値である時刻から第２所定時間にわたり積分することを特徴とする請求項１０に記載の検査装置。

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