JPS63128251A - 電界効果トランジスタ型生化学センサ - Google Patents
電界効果トランジスタ型生化学センサInfo
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- JPS63128251A JPS63128251A JP61274067A JP27406786A JPS63128251A JP S63128251 A JPS63128251 A JP S63128251A JP 61274067 A JP61274067 A JP 61274067A JP 27406786 A JP27406786 A JP 27406786A JP S63128251 A JPS63128251 A JP S63128251A
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- sensor
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）型生化学セ
ンサに係り、特に液体試料中の化学、物質の濃度を測定
するに好適な生化学センサに関する。
ンサに係り、特に液体試料中の化学、物質の濃度を測定
するに好適な生化学センサに関する。
従来、クラーク型酸素ガスセンサが生化学センサの信号
変換素子として広く使用されており、例えば“プロシー
デイングズ・オブ・ザ・サード・センサ・シンポジウム
（１９８３）第２１頁から第２６頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ ＳｅｎｓｏｒＳｙｍｐ
ｏｓｉｕｍ： （１９８３） ｐｐ２１−２６） ”
に示されるように半導体技術を用いてこれを小型化
し、酵素固定化膜と組み合わせて、小型の生化学センサ
を製作した例が報告されている。
変換素子として広く使用されており、例えば“プロシー
デイングズ・オブ・ザ・サード・センサ・シンポジウム
（１９８３）第２１頁から第２６頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉ
ｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ ＳｅｎｓｏｒＳｙｍｐ
ｏｓｉｕｍ： （１９８３） ｐｐ２１−２６） ”
に示されるように半導体技術を用いてこれを小型化
し、酵素固定化膜と組み合わせて、小型の生化学センサ
を製作した例が報告されている。
生化学センサの信号変換素子である上記のクラーク型酸
素電極はその構造中に内部電解液を有しているため、こ
れを半導体を用いて製作する場合、従来の半導体プロセ
スとの整合性が問題であり、従ってこれを用いた生化学
センサの製作法も半導体プロセスとの整合性が問題であ
った。また半導体を用いて小型化したクラーク型酸素電
極は７ノード及びカソードが変化するため、寿命が短か
いという問題があり、これを用いた生化学センサの寿命
も短かかった。
素電極はその構造中に内部電解液を有しているため、こ
れを半導体を用いて製作する場合、従来の半導体プロセ
スとの整合性が問題であり、従ってこれを用いた生化学
センサの製作法も半導体プロセスとの整合性が問題であ
った。また半導体を用いて小型化したクラーク型酸素電
極は７ノード及びカソードが変化するため、寿命が短か
いという問題があり、これを用いた生化学センサの寿命
も短かかった。
本発明の目的は半導体プロセスを利用して製作すること
ができ、長期安定性の優れた生化学センサの構造を提供
することにある。
ができ、長期安定性の優れた生化学センサの構造を提供
することにある。
ｃ問題点を解決するための手段〕
本発明は、半導体基板にソース領域およびドレイン領域
を形成し、これらの領域上に形成したゲート絶縁膜の上
方にゲート電極を配置した電界効果トランジスタ型セン
サにおいて、上記ゲート絶縁股上に固体電解質の膜を形
成し、この同体電解質膜の上に酸素分子を酸素イオンに
解離する反応を触媒する材料からなる金属膜を上記ゲー
ト電極として形成し、上記ゲート電極膜上に酸素ガス透
過膜を形成し、この酸素ガス透過膜上に生体機能性物質
を固定化した膜を設けたことを特徴とする。
を形成し、これらの領域上に形成したゲート絶縁膜の上
方にゲート電極を配置した電界効果トランジスタ型セン
サにおいて、上記ゲート絶縁股上に固体電解質の膜を形
成し、この同体電解質膜の上に酸素分子を酸素イオンに
解離する反応を触媒する材料からなる金属膜を上記ゲー
ト電極として形成し、上記ゲート電極膜上に酸素ガス透
過膜を形成し、この酸素ガス透過膜上に生体機能性物質
を固定化した膜を設けたことを特徴とする。
膜に固定化された生体機能性物質は特定の化学物質と特
異的に反応し、酸素を生成あるいは消費する。この膜は
酸素ガス透過膜上に積層されているので、酸素ガス透過
膜近傍の酸素分圧が反応に応じて増減する。ゲート電極
と固体電解質界面において、酸素分圧に依存した起電力
が発生し、これが半導体表面のチャネルの導電率を変化
させる。
異的に反応し、酸素を生成あるいは消費する。この膜は
酸素ガス透過膜上に積層されているので、酸素ガス透過
膜近傍の酸素分圧が反応に応じて増減する。ゲート電極
と固体電解質界面において、酸素分圧に依存した起電力
が発生し、これが半導体表面のチャネルの導電率を変化
させる。
この導電率変化を測定すれば、特定の化学物質の濃度を
知ることができる。
知ることができる。
本発明の実施例詮図面を参照して詳細に説明する。第１
図は、本発明の第１の実施例の概略構成断面図である。
図は、本発明の第１の実施例の概略構成断面図である。
シリコン基板１に不純物を拡散し、ドレイン２及びソー
ス３領域を形成する。ドレイン、ソース間のシリコン表
面が電界効果トランジスタのチャネルとなる。該チャネ
ル上には、５ｉＯｚ酸化膜４、及び５ｉａＮ４絶縁膜５
が通常の電界効果トランジスタと同様に形成されており
、その上に固体電解質膜６な積層し、ゲート電極として
金属触媒膜７を形成し、さらにゲート電極７上に酸素ガ
ス透過膜８を積層する。酸素ガス透過膜８上には、生体
機能性物質を固定化した膜９を形成する。
ス３領域を形成する。ドレイン、ソース間のシリコン表
面が電界効果トランジスタのチャネルとなる。該チャネ
ル上には、５ｉＯｚ酸化膜４、及び５ｉａＮ４絶縁膜５
が通常の電界効果トランジスタと同様に形成されており
、その上に固体電解質膜６な積層し、ゲート電極として
金属触媒膜７を形成し、さらにゲート電極７上に酸素ガ
ス透過膜８を積層する。酸素ガス透過膜８上には、生体
機能性物質を固定化した膜９を形成する。
電界効果トランジスタ型生化学センサの応答特性が良好
であるためには、膜９の中に活性の高い生体機能性物質
が高密度に固定化されている必要がある。また膜９は酸
素ガスが透過しやすい構造であることが望ましい。
であるためには、膜９の中に活性の高い生体機能性物質
が高密度に固定化されている必要がある。また膜９は酸
素ガスが透過しやすい構造であることが望ましい。
第２図は本発明の第２の実施例の概略構成断面図である
。これはシリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）基板を
用いて製作した電界効果トランジスタ型生化学センサの
断面構造を示しており、サファイア基板１０上のシリコ
ンエピタキシャル層を一部エッチングしてシリコンアイ
ランド１１を形成し、その中に不純物を拡散してドレイ
ン２及びソース３領域を形成した。ゲート絶縁膜４゜５
、ゲート電極７．酸素ガス透過膜８．生体機能性物質を
固定化した膜９の構造は第１図の実施例と同様である。
。これはシリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）基板を
用いて製作した電界効果トランジスタ型生化学センサの
断面構造を示しており、サファイア基板１０上のシリコ
ンエピタキシャル層を一部エッチングしてシリコンアイ
ランド１１を形成し、その中に不純物を拡散してドレイ
ン２及びソース３領域を形成した。ゲート絶縁膜４゜５
、ゲート電極７．酸素ガス透過膜８．生体機能性物質を
固定化した膜９の構造は第１図の実施例と同様である。
ＳＯＳ基板を用いると、ワンチップに複数の電界効果ト
ランジスタ型生化学センサや信号処理回路を集積化した
場合、各センサ素子間あるいはセンサと信号処理回路間
を電気的に分離□することができ、各センサ素子間のク
ロストークをなくすことができる。
ランジスタ型生化学センサや信号処理回路を集積化した
場合、各センサ素子間あるいはセンサと信号処理回路間
を電気的に分離□することができ、各センサ素子間のク
ロストークをなくすことができる。
第３図は本発明の第３の実施例の概略構成断面図である
。ゲート絶縁膜、ゲート電極、酸素ガス透過膜、生体機
能性物質を固定化した膜は第１゜第２図の実施例と同様
であるが、シリコン基板１の中にウェル１２を形成し、
そのウェルの中にドレイン２及びソース３領域を形成す
る。このようにウェルの中にドレインおよびソースを作
成することにより、ワンチップに集積化したセンサ素子
間のクロストークをなくすことができる。また本実施例
はシリコン基板を用いているので第２の実施例より低価
格なセンサを提供することができる。
。ゲート絶縁膜、ゲート電極、酸素ガス透過膜、生体機
能性物質を固定化した膜は第１゜第２図の実施例と同様
であるが、シリコン基板１の中にウェル１２を形成し、
そのウェルの中にドレイン２及びソース３領域を形成す
る。このようにウェルの中にドレインおよびソースを作
成することにより、ワンチップに集積化したセンサ素子
間のクロストークをなくすことができる。また本実施例
はシリコン基板を用いているので第２の実施例より低価
格なセンサを提供することができる。
第１〜第３の実ｍ例は固体電解質膜６は５ｉｓＮｔ絶縁
膜５の上に積層したが、第４図に示した本発明の第４の
実施例のように、５ｉａＮｉ絶縁膜５を取り除き、酸化
膜４の上に直接に固体電解質１ｉ１ｉ６を積層すること
も可能である。この構造は本発明の第２．第３の実施例
にも適用することができる。
膜５の上に積層したが、第４図に示した本発明の第４の
実施例のように、５ｉａＮｉ絶縁膜５を取り除き、酸化
膜４の上に直接に固体電解質１ｉ１ｉ６を積層すること
も可能である。この構造は本発明の第２．第３の実施例
にも適用することができる。
本発明の第１の実施例を用いてセンサ特性を測定した結
果を第５図〜第７図に示す。第１図に示したセンサにお
いて、チャネル上の酸化膜４の厚さを５００人、絶縁膜
５を１０００人に形成し。
果を第５図〜第７図に示す。第１図に示したセンサにお
いて、チャネル上の酸化膜４の厚さを５００人、絶縁膜
５を１０００人に形成し。
固体電解質としてＹ２Ｏ３を８モル％ドーピングしたＺ
ｒ０ｚ膜をスパッタリング法により１０００人に形成し
た。ゲート電極となる金属触媒膜７としてスパッタリン
グ法により白金を１００人に形成した。さらに該白金電
極上に酸素ガス透過膜８としてシリコーンゴム膜を１０
μｍの厚さに形成し、その上に生体機能性物質を同定化
した膜９として牛血清アルブミン、グルタルアルデヒド
、グルコースオキシダーゼを含む膜を１５μｍの厚さに
形成した。このセンサをフローセル中に設置し。
ｒ０ｚ膜をスパッタリング法により１０００人に形成し
た。ゲート電極となる金属触媒膜７としてスパッタリン
グ法により白金を１００人に形成した。さらに該白金電
極上に酸素ガス透過膜８としてシリコーンゴム膜を１０
μｍの厚さに形成し、その上に生体機能性物質を同定化
した膜９として牛血清アルブミン、グルタルアルデヒド
、グルコースオキシダーゼを含む膜を１５μｍの厚さに
形成した。このセンサをフローセル中に設置し。
酸素ガスでバブリングしたキャリア溶液中に各種濃度の
グルコース溶液を注入してセンサの応答を記録した。グ
ルコースはゲルコースオキシダーゼの触媒作用で次式に
従って分解される。この反応グルコース でグルコース濃度に依存して酸素が消費されるので、生
体関連物質を固定化した膜９近傍で生じる酸素分圧変化
を計測すればグルコース濃度を知ることができる。
グルコース溶液を注入してセンサの応答を記録した。グ
ルコースはゲルコースオキシダーゼの触媒作用で次式に
従って分解される。この反応グルコース でグルコース濃度に依存して酸素が消費されるので、生
体関連物質を固定化した膜９近傍で生じる酸素分圧変化
を計測すればグルコース濃度を知ることができる。
第５図は１００ｍｇ／ ｄ Ｑの濃度のグルコース溶液
を注入したときのセンサの時間応答である。このように
繰り返しの測定において再現性の良い応答が得られた。
を注入したときのセンサの時間応答である。このように
繰り返しの測定において再現性の良い応答が得られた。
第６図はグルコース濃度とピークにおけるセンサの出力
電圧変化の関係を示したものである。 Ｉ Ｑｍｇ／
ｄ Ｑ 〜７００ｍｇ／ ｄ Ｑの濃度範囲でグルコー
ス濃度に依存した応答が得られた。
電圧変化の関係を示したものである。 Ｉ Ｑｍｇ／
ｄ Ｑ 〜７００ｍｇ／ ｄ Ｑの濃度範囲でグルコー
ス濃度に依存した応答が得られた。
第７図は本発明の電界効果トランジスタ型生化学センサ
を１日８時間連続動作させ、一定時間毎に１００ｍｇ／
ｄ （１，のグルコースに対する応答を調べた結果で
ある。２００時間以上経過時点で、再現性の良い応答が
得られた。
を１日８時間連続動作させ、一定時間毎に１００ｍｇ／
ｄ （１，のグルコースに対する応答を調べた結果で
ある。２００時間以上経過時点で、再現性の良い応答が
得られた。
以上述べたように１本発明に基づく電界効果トランジス
タ型生化学センサは、半導体集積回路技術を利用して製
作することができ、長期安定性の優れた生化学センサで
ある。
タ型生化学センサは、半導体集積回路技術を利用して製
作することができ、長期安定性の優れた生化学センサで
ある。
本発明の電界効果トランジスタ型生化学センサは半導体
集積回路技術を利用して製作されるので、低価格で小型
なものであり使い易い。また他の半導体センサや信号処
理回路等と共にワンチップに集積化することができ、多
機能な生化学センサを製作することもできる。また本発
明の電界効果トランジスタ型生化学センサは使用寿命の
点で従来のクラーク型酸素電極を利用した生化学センサ
と比較し、大幅に改善することができる。
集積回路技術を利用して製作されるので、低価格で小型
なものであり使い易い。また他の半導体センサや信号処
理回路等と共にワンチップに集積化することができ、多
機能な生化学センサを製作することもできる。また本発
明の電界効果トランジスタ型生化学センサは使用寿命の
点で従来のクラーク型酸素電極を利用した生化学センサ
と比較し、大幅に改善することができる。
第１図は本発明の第１の実施例の図、第２図は本発明の
第２の実施例の図、第３図は本発明の第３の実施例の図
、第４図は本発明の第４の実施例の図、第５図は第１図
の実施例による応答の再現性を示す図、第６図はグルコ
ース濃度と出力の関係を示す図、第７図は応答の経時変
化を示す図である。 １．１０．１１・・・基板、２・・・ドレイン、３・・
・ソース、６・・・固体電解質膜、７・・・金属触媒層
、８・・・酸素ガス透過膜、９・・・生体機能性物質固
定化膜。
第２の実施例の図、第３図は本発明の第３の実施例の図
、第４図は本発明の第４の実施例の図、第５図は第１図
の実施例による応答の再現性を示す図、第６図はグルコ
ース濃度と出力の関係を示す図、第７図は応答の経時変
化を示す図である。 １．１０．１１・・・基板、２・・・ドレイン、３・・
・ソース、６・・・固体電解質膜、７・・・金属触媒層
、８・・・酸素ガス透過膜、９・・・生体機能性物質固
定化膜。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、半導体基板にソース領域およびドレイン領域を形成
し、これらの領域上に形成したゲート絶縁膜の上方にゲ
ート電極を配置した電界効果トランジスタ型センサにお
いて、上記ゲート絶縁膜上に固体電解質の膜を形成し、
この固体電解質膜の上に酸素分子を酸素イオンに解離す
る反応を触媒する材料からなる金属膜を上記ゲート電極
として形成し、上記ゲート電極膜上に酸素ガス透過膜を
形成し、この酸素ガス透過膜上に生体機能性物質を固定
化した膜を設けたことを特徴とする電界効果トランジス
タ型生化学センサ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の生化学センサにおいて
、上記生体機能性物質は、特定の化学物質と特異的に反
応して酸素を生成あるいは消費する物質であることを特
徴とする電界効果トランジスタ型生化学センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61274067A JPS63128251A (ja) | 1986-11-19 | 1986-11-19 | 電界効果トランジスタ型生化学センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61274067A JPS63128251A (ja) | 1986-11-19 | 1986-11-19 | 電界効果トランジスタ型生化学センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63128251A true JPS63128251A (ja) | 1988-05-31 |
Family
ID=17536508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61274067A Pending JPS63128251A (ja) | 1986-11-19 | 1986-11-19 | 電界効果トランジスタ型生化学センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63128251A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03186756A (ja) * | 1989-12-15 | 1991-08-14 | Osaka Gas Co Ltd | バイオセンサーによる試料添加式定量方法 |
| WO2021125335A1 (ja) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | 三菱マテリアル株式会社 | トランジスタセンサ及び生体物質検出方法 |
-
1986
- 1986-11-19 JP JP61274067A patent/JPS63128251A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03186756A (ja) * | 1989-12-15 | 1991-08-14 | Osaka Gas Co Ltd | バイオセンサーによる試料添加式定量方法 |
| WO2021125335A1 (ja) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | 三菱マテリアル株式会社 | トランジスタセンサ及び生体物質検出方法 |
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