JPWO2004005908A1 - バイオセンサ，バイオセンサチップ及びバイオセンサ装置 - Google Patents

Abstract

バイオセンサは、作用極（１０１）と作用極（１０１）に対向する対極（１０２）と、配線により作用極（１０１）に接続された作用極端子（１０３）及び作用極参照端子（１０）と、配線により対極（１０２）に接続された対極端子（１０４）とを備えている。少なくとも３電極構造を取ることにより、作用極側の配線抵抗の影響を受けずに目的物質の測定を行なうことができる。

Description

本発明は、オリゴヌクレオチド、抗原、酵素、ペプチド、抗体、ＤＮＡフラグメント、ＲＮＡフラグメント、グルコース、乳酸及びコレステロールなどの生体物質の結合反応を電子的に検出するためのバイオセンサおよびバイオセンサ装置に関するものである。

近年、使い捨てのサンプル片を用いるバイオセンシング計測器が年々増加しており、特に、血液、血漿、尿及び唾液などの生体体液中の特定成分や、ある細胞がある時点に創る全ての蛋白質、すなわち、プロテオームを、簡易かつ短時間に測定及び解析することが期待されている。また、将来、使い捨てのＤＮＡチップによる遺伝子診断によって、個人のＳＮＰ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｏ Ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍの略）情報にあった治療や投薬を行うテーラーメード医療が期待されている。
以下、従来例としての特願平１１−５０９６４４号に記載されている血液サンプル中のブドウ糖量、すなわち、血糖値の検出に使用されるバイオセンサ装置について説明する。なお、本明細書中で「バイオセンサ」とは、生体物質の検出部を含む使い捨て可能な部分を指し、「バイオセンサチップ」とは、基板上にバイオセンサ及び計測回路等を搭載した使い捨て可能な部分を指す。また、「バイオセンサ装置」とは、バイオセンサまたはバイオセンサチップに解析回路その他の部分を加えた装置全体を指すものとする。
図４５は、従来のバイオセンサの構造を示す平面図である。同図に示すバイオセンサ１１２２は、作用極（陽極）１１０１と、作用極１１０１に対向する対極（陰極）１１０２とを有しており、作用極１１０１及び対極１１０２には被測定成分に対応した酵素、メディエータなどよりなる反応試薬（不図示）が塗布されている。作用極１１０１は配線抵抗Ｒｐ１を有する導電性配線を介して作用極端子１１０３へ導かれている。同様に、対極１１０２は配線抵抗Ｒｍ１を有する導電性配線を介して対極端子１１０４へ導かれている。
図４３は、従来のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。同図に示すように、従来のバイオセンサ装置は、図４５に示すバイオセンサ１１２２の作用極端子１１０３と対極端子１１０４とが計測回路１１２３に接続された構成を有している。計測回路１１２３は、例えば基準電圧源１１１７と、対極電圧印加部１１０６と、電流計を有する作用極電圧印加部１１０５と、信号処理回路１１２１とを有している。従来のバイオセンサ装置では、基準電圧源１１１７より発生した作用極基準電圧Ｖｐｒ１が作用極電圧印加部１１０５によってインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部１１０５から作用極端子１１０３に作用極端子電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１ （１）
ここで、式（１）中のＶｐ１、Ｖｐｒ１は電位あるいは電圧の値を示す。以下のＶｍ１、Ｖｍｒについても同様である。
また、基準電圧源１１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１が対極電圧印加部１１０６によってインピーダンス変換された後、対極電圧印加部１１０６からに対極端子１１０４に対して対極端子電圧Ｖｍ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１ （２）
作用極端子１１０３へ流れ出した電流の値は作用極電圧印加部１１０５で計測され、その結果を示す作用極電流量信号ｓ１１２０は信号処理回路１１２１に供給される。従来のバイオセンサ装置では、ここで測定された電流量に基づき、被測定成分の濃度を換算し結果表示などが行われる。このとき、作用極端子１１０３と対極端子１１０４間の電極印加電圧をＶｆ１とすると次式（３）が成り立つ。
Ｖｆ１＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （３）
また、作用極１１０１と対極１１０２間のセンサ印加電圧をＶｆとする。さらに、血液サンプルがバイオセンサ１１２２に点着するとブドウ糖量に応じた電荷が作用極１１０１および対極１１０２に発生することにより電極間に電流が流れる。ここで、作用極１１０１側に流れる電流をＩｆ１、対極１１０２側に流れる電流をＩｆ２とすると、次式が成り立つ。
Ｉｆ１＝Ｉｆ２ （４）
この電流Ｉｆ１を計測回路１１２３で測定することによりブドウ糖量、すなわち、血糖値を計測するのである。
図４４は、作用極電圧印加部１１０５と対極電圧印加部１１０６の具体的な回路構成例を含む従来のバイオセンサ装置を示す回路図である。同図に示すように、作用極電圧印加部１１０５はオペアンプに帰還抵抗Ｒｆを負帰還させた回路構成であり、対極電圧印加部１１０６はオペアンプをＮｕｌｌ−アンプ構成、すなわち、バッファ回路構成とすることで上述した機能を実現している。
図４６は、図４４で示す従来のバイオセンサ装置のうち、バイオセンサチップ１１２４の構造を示す平面図である。この例では、バイオセンサ１１２２と計測回路１１２３が同一基板上に１対のみ形成されている。
また、図４３に示す従来のバイオセンサ装置において、バイオセンサ１１２２が血糖値を計測する際には、配線抵抗Ｒｐ１の作用極側の導電性配線と配線抵抗Ｒｍ１の対極側の導電性配線によって、電極印加電圧Ｖｆ１及び作用極電圧Ｖｐと対極電圧Ｖｍとの差電圧であるセンサ印加電圧Ｖｆに関して次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｆ１−（Ｒｐ１×Ｉｆ１＋Ｒｍ１×Ｉｆ２） （５）
また、作用極１１０１側に流れる電流Ｉｆ１と対極１１０２側に流れる電流Ｉｆ２には、キルヒホッフの法則より次式が成り立つ。
Ｉｆ１＝Ｉｆ２ （６）
式（３）と式（６）を式（５）に代入して整理すると次式となる。
Ｖｆ＝（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）−（Ｒｐ１＋Ｒｍ１）×Ｉｆ１ （７）
従って、計測回路１１２３よりバイオセンサ１１２２へ供給される電極印加電圧（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）は（Ｒｐ１＋Ｒｍ１）×Ｉｆ１だけ電位降下し、センサ印加電圧Ｖｆとなることが分かる。
以上のように、従来のバイオセンサ装置によれば、簡便に血液中のグルコース量を測定することができる。
解決課題
ここで、反応試薬から発生する電荷による電流Ｉｆ１は、ブドウ糖量Ｑとセンサ印加電圧Ｖｆとにより次式となる。
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、Ｖｆ｝ （８）
従って、式（４）を式（３）に代入すると
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）−（Ｒｐ１＋Ｒｍ１）×Ｉｆ１｝ （９）
すなわち、作用極１１０１の導電性配線の配線抵抗Ｒｐ１と対極１１０２の導電性配線の配線抵抗Ｒｍ１によって電位降下するため、電流Ｉｆ１に誤差を生じ、最終的にバイオセンサ装置で計測された血糖値に対して誤差が発生してしまうという不具合があった。
従来、この不具合を解決するために、導電性配線として白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）など低抵抗な貴金属材料が用いられてきたが、バイオセンサ１１２２が高価になってしまうという新たな不具合が生じる。バイオセンサの部分は基本的に使い捨てであるために、可能な限り安価であることが求められる。そのため、配線抵抗を低減するための新たな手段が強く求められている。
加えて、バイオセンサ装置をバイオセンサチップ１１２４として形成する場合、導電性配線に微細加工技術が使用される。また、将来的にはさらにバイオセンサチップの微細化が進むと考えられ、その場合には配線抵抗がより高抵抗となることによって大きな誤差が発生し、バイオセンサ装置の測定精度は著しく低下してしまう。
本発明は、上述した従来技術の不具合の解決を図り、導電性配線の配線抵抗に影響を受けずに測定することが可能なバイオセンサ及びバイオセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明のバイオセンサは、測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを備えている。
この構成により、参照端子を備えることで作用極と作用極端子との間、あるいは対極と対極端子との間の抵抗の影響を受けずに被測定流体の測定を行えるようになるので、高精度の測定が可能なバイオセンサが実現できる。
上記作用極及び上記対極のうち少なくとも一方には、上記被測定流体に含まれる物質の状態を変化させる生体物質または微生物が固定化されていることにより、例えば酵素による触媒反応、抗原抗体反応、遺伝子間の結合反応などによる被測定流体の変化を電気的に検出することが可能になる。これにより、蛍光を用いる測定に比べ、より詳細な測定が可能となる。
上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることにより、作用極及び対極の両方に参照端子が設けられている場合に比べ、少ない構成部材で高精度の測定を可能にすることができる。従って、この場合のバイオセンサは、製造コストの削減や小面積化が要求される場合に特に有効である。
上記作用極と上記作用極端子とを接続する第１の配線と、上記作用極または上記対極と上記参照端子とを接続する第２の配線と、上記対極と上記対極端子とを接続する第３の配線とをさらに備えていることにより、これらの配線の形状を工夫して高精度の測定を実現できる。
上記参照端子は、上記作用極に接続された作用極参照端子と、上記対極に接続された対極参照端子とを含んでいることにより、参照端子を作用極または対極の一方にのみ設ける場合に比べて高精度の測定を行なうことができるようになる。
上記作用極と上記作用極端子とを接続する第４の配線と、上記作用極と上記作用極参照端子とを接続する第５の配線と、上記対極と上記対極参照端子とを接続する第６の配線と、上記対極と上記対極端子とを接続する第７の配線とをさらに備えており、上記第４の配線、上記第５の配線、上記第６の配線、及び上記第７の配線のうち少なくとも２つの配線は互いに異なる配線層内に設けられ、且つ平面的に見て少なくとも一部がオーバーラップするように設けられていることにより、全ての配線が同一配線層内に設けられる場合に比べ、回路面積を低減することができる。
上記第１の配線と上記第２の配線とは互いに異なる配線層内に設けられていることにより、両配線をオーバーラップするように配置することなどにより、回路面積の低減を図ることができる。
上記第２の配線と上記第３の配線とは互いに異なる配線層内に設けられている場合にも、回路面積の低減を図ることができる。
上記作用極、上記対極、上記参照端子、上記作用極端子、上記対極端子、上記第１の配線、上記第２の配線及び上記第３の配線は基板上に設けられ、上記作用極端子または上記対極端子のうちいずれか一方は上記基板の裏面上に設けられていることにより、配線面積をより広くとれるので、抵抗を理想値である０Ωに近づけることができる。
また、上記作用極端子と上記対極端子とは互いに異なる配線層内に設けられていてもよい。
上記第３の配線が複数の配線層内に亘って設けられていてもよい。
また、参照端子が作用極または対極のいずれかのみに接続されている場合には、上記対極は略円形であり、上記作用極の内周の一部は上記対極との距離がほぼ一定の円周状であることにより、被測定流体の反応を均一にすることができる上、第１及び対極に加わる電界が均一になるので、測定精度をより向上させることができる。
上記作用極は略円形であり、上記対極の内周の一部は上記作用極との距離がほぼ一定の円周状であることによっても、被測定流体の反応を均一にすることができる上、第１及び対極に加わる電界が均一になるので、測定精度をより向上させることができる。
上記作用極は複数個設けられており、上記作用極のそれぞれに対向する上記対極同士は、一体化されていることにより、電極数を減らせるので、製造工程を少なくすることができ、製造コストの低減を図ることができる。また、対極端子に接続される配線の断面積を大きくすることができるので、対極端子側の配線抵抗を低減することができる。
上記対極は複数個設けられており、上記作用極のそれぞれに対向する上記作用極同士は、一体化されていることによっても電極数を減らせるので、製造コストの低減を図ることができる。
上記第３の配線の断面積は、上記第１の配線の断面積よりも大きいことにより、第３の配線の抵抗をより理想値である０Ωに近づけることができる。
本発明のバイオセンサチップは、測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記被測定流体を保持するためのセンサ部と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを有し、基板上に設けられたバイオセンサと、上記バイオセンサに接続され、基板上に設けられた計測回路とを備えている。
この構成により、参照端子が作用極及び対極のうちの一方または両方に接続されているので、作用極と作用極端子との間、あるいは対極と対極端子との間の抵抗値によらず被測定流体中の測定対象物質を測定することができるようになる。そのため、高精度の測定が可能になる。
上記作用極及び上記対極のうち少なくとも一方には、上記被測定流体に含まれる物質の状態を変化させる生体物質または微生物が固定化されていることにより、迅速且つ詳細な測定を実現することができる。
上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることにより、少ない構成部材で高精度の測定を可能にすることができる。
例えば、上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は上記作用極端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記参照端子に接続された作用極電位参照回路と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電位参照回路及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。
この場合に、測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記作用極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記作用極電位参照回路が信号を発生することが、精度の良い測定を行なうことで好ましい。
上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記参照端子に接続された対極電位参照回路と、上記対極電位参照回路及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。
その場合、測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記対極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記対極電位参照回路が信号を発生することが好ましい。
上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電圧印加部及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していることにより、作用極電位参照回路を設けなくても測定対象物質を測定することが可能になる。
上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していることにより、対極電位参照回路を設けなくても測定対象物質を測定することが可能になる。
上記作用極に接続された作用極参照端子と、上記対極に接続された対極参照端子とを含んでいることにより、作用極参照端子のみ、あるいは対極参照端子のみが設けられる場合に比べて、測定精度を向上させることができる。
上記計測回路は、上記作用極端子及び上記作用極参照端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記対極参照端子に接続された対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される第１の電流量信号と、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される第２の電流量信号のうち少なくとも一方を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。
この場合、特に上記信号処理回路は、上記第１の電流量信号と上記第２の電流量信号の両方を処理することによって、２つの電流量信号を用いて測定することができるので、測定精度をより向上させることができる。
上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とは同一基板であることにより、製造を容易にすることができる。
上記バイオセンサチップは共通基板をさらに有し、上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とが上記共通基板上に載置されていることにより、例えば計測回路の基板が第１及び対極に固定化される生体物質や試薬などと反応してしまう場合や、計測回路の配線とバイオセンサの配線とが共通化できない場合にもバイオセンサチップを製造することができるようになる。
上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とが積層されていることにより、バイオセンサチップをより小面積化することができる上、製造コストの低減を図ることもできる。
同一基板上に上記バイオセンサが複数個設けられており、少なくとも２つの上記バイオセンサは同一の上記計測回路に接続され、上記各バイオセンサの上記作用極端子と上記計測回路との間、上記参照端子と上記計測回路との間、及び上記対極端子と上記計測回路との間には、上記バイオセンサと上記計測回路との接続をオンまたはオフにするためのスイッチがさらに設けられていることにより、計測回路の必要数を減らすことができるので、チップ面積をより小さくすることができる。
同一基板上に上記バイオセンサが複数個設けられており、２つの上記バイオセンサのセンサ部が、互いに隣接して設けられていることにより、複数の測定を同時に行なうことができる上、必要な試料が極微量で済むようになる。
本発明のバイオセンサ装置は、測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記被測定流体を保持するためのセンサ部と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを有し、基板上に設けられたバイオセンサと、上記バイオセンサに接続され、基板上に設けられた計測回路とを備え、測定時に上記作用極端子と上記対極端子のいずれか一方または両方を流れる電流の値から上記被測定流体に含まれる測定対象物質の濃度を測定する機能を有することにより、従来よりも迅速且つ高精度に目的物質の測定を行うことができる。
上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることにより、従来よりも高精度の測定を実現するとともに、作用極と対極の両方に参照端子を設ける場合に比べて部品点数を減らすことができる。
上記参照端子は、上記作用極に接続された作用極参照端子と、上記対極に接続された対極参照端子とを含んでおり、上記計測回路は、上記作用極端子及び上記作用極参照端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記対極参照端子に接続された対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される第１の電流量信号と、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される第２の電流量信号のうち少なくとも一方を処理するための信号処理回路とを有していることにより、作用極と作用極端子との間の抵抗と、対極と対極端子との間の抵抗の両方の影響を受けずに測定することができるので、作用極または対極の一方にのみ参照端子を接続させる場合に比べて測定精度を向上させることができる。
測定時には、上記作用極参照端子に印加される電圧が、上記作用極電圧印加部に供給される基準電圧とほぼ等しくなり、上記対極参照端子に印加される電圧が、上記対極電圧印加部に供給される基準電圧とほぼ等しくなることが、正確な測定のために好ましい。
上記計測回路に接続され、上記計測回路から出力された信号を解析するための回路をさらに備えていることにより、正確な測定が可能になる。
上記バイオセンサと上記計測回路とは同一のチップ上に設けられており、上記チップは交換可能になっていることにより、試料間の汚染を防ぎ、測定を簡便にすることができる。
上記計測回路は、上記第１の電流量信号及び上記第２の電流量信号を受けて、上記作用極と上記対極との間に流れる電流量を表す第３の電流量信号を上記信号処理回路に出力する電流量信号生成部をさらに有していることにより、後段に設けられる信号処理回路の構成を簡略化することができ、装置の小型化が可能となる。
上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記参照端子に接続された作用極電位参照回路と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電位参照回路及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。
測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記作用極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記作用極電位参照回路が信号を発生することが、精度の良い測定のためには好ましい。
上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記参照端子に接続された対極電位参照回路と、上記対極電位参照回路及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。
この場合、測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記対極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記対極電位参照回路が信号を発生することが、精度の良い測定のために好ましい。
上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電圧印加部及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。
上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。
また、装置全体が使い捨て可能であることにより、より簡便に測定を行なうことができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図２は、作用極電圧印加部と対極電圧印加部の具体的な回路構成を含む第１の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図３は、本発明の第６の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図４は、作用極電圧印加部及び対極電圧印加部の具体的な構成を含む第６の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図５は、本発明の第７の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図６は、作用極電圧印加部及び対極電圧印加部の具体的な構成を含む第７の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図７は、本発明の第８の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図８は、作用極側電位参照電圧源及び対極側電位参照電流計付き電圧源の具体的な構成を含む第８の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図９は、第１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。
図１０は、導電性配線を多層化した場合の第１の実施形態に係るバイオセンサを示す図である。
図１１は、本発明の第２の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。
図１３は、本発明の第４の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。
図１４は、本発明の第５の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。
図１５は、本発明の第９の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図１６は、第９の実施形態に係るバイオセンサチップの第１の変形例を示す平面図である。
図１７は、第９の実施形態に係るバイオセンサチップの第２の変形例を示す平面図である。
図１８は、第９の実施形態に係るバイオセンサチップの第３の変形例を示す平面図である。
図１９は、本発明の第１０の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図２０は、第１０の実施形態に係るバイオセンサチップの断面図である。
図２１は、本発明の第１１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。
図２２は、本発明の第１２の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。
図２３は、本発明の第１３の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図２４は、本発明の第１４の実施形態に係るバイオセンサチップの構成を示す回路図である。
図２５は、第１４の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図２６は、本発明の第１５の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図２７は、本発明の第１６の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。
図２８は、本発明の第１６の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。
図２９は、第１６の実施形態のバイオセンサ装置において、作用極電圧印加部および対極電圧印加部を示す回路図である。
図３０は、本発明の第１７の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。
図３１は、本発明の第１８の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。
図３２は、本発明の第１９の実施形態に係るバイオセンサの平面図である。
図３３は、本発明の第２０の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。
図３４は、本発明の第２１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。
図３５は、本発明の第２２の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。
図３６は、本発明の第２３の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図３７は、本発明の第２４の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図３８は、本発明の第２５の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図３９は、本発明の第２６の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図４０は、第２６の実施形態に係る計測回路モジュールを示す回路構成図である。
図４１は、本発明の第２７の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。
図４２は、本発明の第２８の実施形態に係るバイオセンサチップを示す構造図である。
図４３は、従来のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図４４は、作用極電圧印加部及び対極電圧印加部の具体的な回路構成例を含む従来のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図４５は、従来のバイオセンサの構造を示す平面図である。
図４６は、図４４に示す従来のバイオセンサ装置のうち、バイオセンサチップの構造を示す平面図である。
最良の実施形態
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお、各実施例において共通の部材には同一符合を付し、その詳しい説明を省略するものとする。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図９は、第１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。
図９に示すように、本実施形態のバイオセンサ１５は、作用極１０１と、作用極１０１に対向する対極１０２と、共に作用極１０１に接続された作用極端子１０３及び作用極参照端子１０と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。作用極１０１と作用極端子１０３及び作用極参照端子１０との間、及び対極１０２と対極端子１０４との間は、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）などの比較的安価な金属からなる導電性配線により接続されている。また、対極１０２は、十分な断面積のある導電性配線を介して対極端子１０４に接続されているため、対極側での配線抵抗Ｒｍはほぼ０Ωとみなせる。それ故、対極１０２と対極端子１０４との間の導電性配線の断面積は、作用極１０１と作用極端子１０３との間の導電性配線の断面積よりも大きくなっている。
グルコースなどの被測定物質を含むサンプルは外部から作用極１０１及び対極１０２を含む反応部に導入され、測定が行われる。例えば、グルコースを測定する場合、血液サンプルが作用極１０１及び対極１０２に固定化されたグルコースオキシダーゼに触れると、化学反応によって過酸化水素を生じ、電子が発生する。すると、電極間に電流が流れ、この電流を測定することで、グルコース量が測定される。なお、グルコースオキシダーゼは、必ずしも両極に固定化される必要はなく、作用極１０１または対極１０２のいずれか一方に固定化されていればよい。
次に、図１に示す本実施形態のバイオセンサ装置は、上述のバイオセンサ１５と、作用極参照端子１０、作用極端子１０３及び対極端子１０４に接続された計測回路１６とを備えている。
計測回路１６は、作用極参照端子１０に接続された作用極電位参照回路８と、作用極端子１０３に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部１０５と、対極端子１０４に接続された対極電圧印加部１０６と、作用極電位参照回路８と対極電圧印加部１０６にそれぞれ作用極基準電圧Ｖｐｒ１及び対極基準電圧Ｖｍｒ１を供給する基準電圧源１１７と、作用極電圧印加部１０５に接続された信号処理回路１２１とを有している。
図２は、作用極電圧印加部１０５と対極電圧印加部１０６の具体的な回路構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置を示す回路図である。同図に示すように、作用極電圧印加部１０５はオペアンプに帰還抵抗Ｒｆを負帰還させた回路構成であり、対極電圧印加部１０６はオペアンプをＮｕｌｌ−アンプ構成、すなわち、バッファ回路構成とすることで上述した機能を実現している。
本実施形態のバイオセンサ及びバイオセンサ装置の特徴は、作用極１０１に接続される電極を作用極端子１０３と作用極参照端子１０の２つに分けたことである。この効果を以下に説明する。
まず、本実施形態のバイオセンサ装置においては、基準電圧源１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１が対極電圧印加部１０６でインピーダンス変換された後、対極電圧印加部１０６から対極端子１０４に印加電圧Ｖｍ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１ （１０）
また、基準電圧源１１７より発生した作用極基準電圧Ｖｐｒ１と、作用極参照端子１０からの作用極参照端子電圧Ｖｐ２とが作用極電位参照回路８に入力されると、その差電圧が０Ｖとなるように作用極電位参照回路８は作用極制御信号ｓ１３を発生する。作用極制御信号ｓ１３の電圧である作用極制御信号電圧はＶｐｒ２である。このとき、次式の関係が成り立つ。
Ｖｐ２＝Ｖｐｒ１ （１１）
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ２ （１２）
また、作用極制御信号電圧Ｖｐｒ２が作用極電圧印加部１０５によってインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部１０５から作用極端子１０３に作用極制御信号電圧Ｖｐｒ２が供給される。
次に、図１において、作用極１０１と作用極参照端子１０との間の導電性配線の配線抵抗をＲｐ２、配線を流れる作用極参照端子電流をＩｐ２とする。
ここで、作用極電位参照回路８の作用極参照端子１０側の入力は高入力インピーダンスとなっており、作用極参照端子１０に流れる電流は次式となる。
Ｉｐ２＝０ （１３）
従って、作用極参照端子電圧Ｖｐ２と作用極電圧Ｖｐは次式を満足する。
Ｖｐ２＝Ｖｐ （１４）
よって、式（１０）、（１１）、（１３）、（１４）よりセンサ印加電圧Ｖｆには次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ２−（Ｖｍ１＋Ｉｆ２・Ｒｍ１）
ここで、Ｒｍ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ２−Ｖｍ１
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （１５）
すなわち、センサ印加電圧Ｖｆには常に一定電圧が印加されることになる。
よって、本実施形態のバイオセンサ装置において式（８）に式（１５）を代入すると次式となる。
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ１＝ｆ（Ｑ） （１６）
従って、作用極１０１の導電性配線の配線抵抗Ｒｐ１による影響は全く発生せず、最終的なバイオセンサ装置で計測された血糖値には誤差が全く発生しない。ここで、作用極端子電圧Ｖｐ１は作用極電位参照回路８と作用極電圧印加部１０５によって次式のように制御される。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ２
∴ Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１＋Ｒｐ１×Ｉｆ１ （１７）
以上のように、本実施形態のバイオセンサ装置は、作用極より分岐した作用極端子及び作用極参照端子と、対極に接続された対極端子の３電極を有するバイオセンサを備えること、及び作用極参照電圧Ｖｐ２と作用極基準電位Ｖｐｒ１との電位差が０となるように作用極制御信号ｓ１３を発生する作用極電位参照回路８を備えることにより、配線抵抗の影響を受けずに測定を行なうことが可能になっている。そのため、従来のバイオセンサ装置に比べて高精度の測定を行うことができる。
また、測定値が配線抵抗の影響を受けないので、従来のように高価な貴金属を配線に用いる必要がなくなり、製造コストの低減を図ることができる。
なお、本実施形態のバイオセンサ装置では、作用極電圧印加部１０５に流れた電流を信号処理回路１２１で処理して被測定物質の濃度を算出し、図示しない表示部などで表示する。
また、本実施形態のバイオセンサ装置において、導電性配線を多層化してもよい。
図１０は、導電性配線を多層化した場合の本実施形態のバイオセンサを示す図である。同図に示す例では、作用極１０１と作用極参照端子１０を接続する導電性配線が作用極端子１０３に接続する導電性配線とは異なる層に設けられており、２つの導電性配線が平面的に見て互いにオーバーラップして設けられている。
このような構造により、図９に示すバイオセンサに比べて面積を小さくすることができる。また、小面積化することにより、多種類の物質を測定するバイオセンサをチップに集積するのに有利となる上、製造コストの低減を図れる可能性もある。例えば、ブドウ糖測定用のバイオセンサと、ＧＯＴ、ＧＴＰなどの肝機能測定用のバイオセンサを組み合わせて多層化することにより、一度の採血で他種類の測定ができることとなり、患者の負担軽減にもつながる。
また、配線の多層化は、作用極のみならず対極側の導電性配線に適用してもよい。微細化が進むに従って、対極側の配線面積は狭くなるので、抵抗を０に近づけるのが難しくなってくる。そのため、対極側の配線を多層化して対極側の導電性配線を２層以上とすることで、実質的な配線面積を広げることができ、抵抗値を低減することが可能となる。
なお、現在のバイオセンサ装置で広く販売されているのは、対極及び作用極にグルコースオキシダーゼ等を固定化したグルコース測定用装置であるが、電極に固定化する物質を変えることで、該物質と結合する物質、あるいは反応する物質、または触媒反応により分解及び合成される物質を測定することが可能になる。例えば、電極に１本鎖のＤＮＡを固定することにより、このＤＮＡと対を作るＤＮＡあるいはＲＮＡを検出することができる。ＤＮＡが２本鎖になることにより、導電性が変化するので、電気的に検出することが可能となる。これは、病気の検査にも利用することができる。例えば、エイズの検査などでは、抗体が生じるまでに数ヶ月の期間を要するが、ＲＮＡ測定を行なうことにより、感染後速やかに感染を検出することができる。
その他にも、各種酵素などの生体物質を電極に固定化してもよいし、微生物を固定化してもよい。例えば、二酸化炭素を資化する微生物を固定化することにより、血液中の二酸化炭素を測定することもできる。なお、ここで生体物質とは、生物の体内に含まれるタンパク質、アミノ酸、遺伝子その他の有機物全般を指すものとする。
また、蛍光を利用する比色定量に比べ電気的定量はより詳細に測定値を把握することができるので、治療計画を立てる上でも、精密に測定を行うことができる本実施形態のバイオセンサ装置は有用である。
なお、本実施形態のバイオセンサ装置では、バイオセンサ１５、またはバイオセンサ及び計測回路１６のみが使い捨てであったが、表示部や各種機器を備える装置本体ごと使い捨てにしてもよい。
なお、対極側にも対極参照端子を設けた４端子構造を取ることもできるが、本実施形態のバイオセンサは、４電極構造に比べて部品点数が少なくてよいので、低コスト化が図れ、また配線面積を広く取りやすい。逆に、高い精度が要求される場合には、４端子構造のバイオセンサ装置が好ましい。これについては後の実施形態で詳述する。
なお、本実施形態のバイオセンサにおいて、作用極端子と作用極参照端子とは、作用極から分岐する形状となっているが、作用極端子に接続される導電性配線と作用極参照端子に接続される導電性配線が一部を共用し、途中から分岐するような形状であってもよい。
（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係るバイオセンサ７０を示す平面図及び透視図である。
同図に示すように、本実施形態のバイオセンサは、作用極１０１と、作用極１０１に対向する対極１０２と、作用極１０１に接続された作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。
本実施形態のバイオセンサの特徴は、対極１０２に接続された対極端子１０４が、作用極１０１の形成された面から裏側へ貫通し、裏面全体が対極端子となっていることである。
このような構造によれば、バイオセンサのサイズを変えずに対極端子側の配線抵抗値Ｒｍ１をさらに小さくすることができ、高精度なバイオセンサを実現できる。
以上のように本実施形態のバイオセンサによれば、作用極、作用極参照端子、対極を設けた３電極構造を有し、対極端子が作用極の形成された面から裏側へ貫通し、裏面全体が対極となることにより、高精度の測定を実現することができる。
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。
同図に示すように、本実施形態のバイオセンサは、ほぼ円形の対極１０２と、対極１０２を一定間隔空けて囲む同心円のリング状をした作用極１０１と、作用極１０１に接続された作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。対極端子１０４は、作用極１０１が形成された面の裏側へ貫通し、裏面全体に設けられている。
本実施形態のバイオセンサでは、作用極１０１が同心円状に形成されているので、酵素と被測定物質との反応を均一に行わせることが可能になる。また、作用極にかかる電界が均一になり、より測定精度を向上させることができる。
また、第２の実施形態と同様に、対極端子１０４が裏面全体に設けられていることにより、対極側での抵抗が低減され、測定精度が向上している。
このように、本実施形態のバイオセンサによれば、従来に比べ、著しく高精度の測定を行うことができる。
なお、本実施形態のバイオセンサにおいて、作用極１０１は同心円状であったが、例えば半円状など、円周の一部の形を取ることで、作用極にかかる電界を均一にすることもできる。
（第４の実施形態）
図１３は、本発明の第４の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。同図に示すように、本実施形態のバイオセンサ７２は、作用極１０１と、作用極に対向するように設けられた対極１０２と、作用極１０１に接続され、裏面全体に設けられた作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４及び対極参照端子３とを有している。
本実施形態のように、対極側に参照電極を設けて３電極構造とすることもできる。この場合でも、第１の実施形態で説明したように、導電性配線の抵抗が測定値に影響を与えないので、高精度の測定が可能となる。このため、導電性配線を安価な金属で構成することができ、製造コストの低減を図ることができる。
なお、図１３に示す例では、作用極端子１０３が作用極１０１が形成された面の裏面全体に形成されていることにより、作用極側の抵抗値が著しく小さく抑えられている。ただ、必ずしも裏面に作用極端子１０３が設けられていなくともよい。
以上のように、本実施形態のバイオセンサによれば、高精度の測定が実現できる。また、微細化による配線抵抗の問題を解決することができるので、微細化が進んでも測定精度は低下しない。
（第５の実施形態）
図１４は、本発明の第５の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。同図に示すように、本実施形態のバイオセンサ７３は、ほぼ円形の作用極１０１と、一定の間隔を空けて作用極１０１を囲む対極１０２と、作用極１０１に接続され、基板の裏面上に設けられた作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、基板の上面全体に亘って設けられた対極端子１０４とを有している。
本実施形態のバイオセンサ７３によれば、作用極１０１及び作用極１０１を囲む対極１０２の内周が同心円状になっているので、酵素と被測定物質との反応を均一に行わせることが可能になる。また、電極にかかる電界が均一になり、より測定精度を向上させることができる。
加えて、対極端子１０４が基板の上面全体に設けられているので、対極側の抵抗Ｒｍ１を非常に小さく抑えることができる。そのため、本実施形態のバイオセンサは、測定精度が向上している。
このように、対極の作用極と内周を同心円状にし、対極端子１０４を基板の上面上に設けることで、高精度の測定が可能なバイオセンサが実現できる。
（第６の実施形態）
図３は、本発明の第６の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図４は、作用極電圧印加部２９及び対極電圧印加部２８の具体的な構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図３に示すように、本実施形態のバイオセンサ装置は、バイオセンサ１５と、バイオセンサ１５に接続された計測回路１６とを備えている。
バイオセンサ１５は、作用極１０１と、作用極１０１に対向する対極１０２と、作用極１０１に接続された作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。作用極１０１と作用極参照端子１０及び作用極端子１０３との間はそれぞれＣｕやＡｌなどからなる導電性配線によって接続されている。
また、計測回路１６は、作用極参照端子１０及び作用極端子１０３に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部２９と、対極端子１０４に接続された対極電圧印加部２８と、作用極電圧印加部２９に作用極基準電圧Ｖｐｒ１を、対極電圧印加部２８に対極基準電圧Ｖｍｒ１それぞれ供給する基準電圧源１１７と、作用極電圧印加部２９に入力された電流を処理するための信号処理回路１２１とを有している。ここで、作用極電圧印加部２９は特開平１１−１５４８３３号公報（米国特許第５，９８６，９１０号）で開示された電圧電流変換回路である。
本実施形態のバイオセンサ装置において、基準電圧源１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１は対極電圧印加部２８でインピーダンス変換された後、対極電圧印加部２８から対極端子電圧Ｖｍ１が印加される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１ （１８）
また、作用極基準電圧Ｖｐｒ１とバイオセンサ１５の作用極参照端子１０の作用極参照端子電圧Ｖｐ２とが作用極電圧印加部２９に入力され、その差電圧がほぼ０Ｖとなるよう作用極端子１０３に作用極制御信号電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ２＝Ｖｐｒ１ （１９）
作用極端子１０３へ流れ出した電流の値は作用極電圧印加部２９で計測され、その結果である作用極電流量信号ｓ１２０は信号処理回路１２１に供給される。その測定した電流量に基づき被測定成分の濃度を換算した結果表示などが行われる。
また、作用極電圧印加部２９の作用極参照端子１０入力は高入力インピーダンスであるので、参照電極に流れる電流は次式となる。
Ｉｐ２＝０ （２０）
従って、作用極参照端子電圧Ｖｐ２と作用極電圧Ｖｐとは次式を満足する。
Ｖｐ２＝Ｖｐ （２１）
よって、式（１８）、（１９）、（２０）、（２１）よりセンサ印加電圧Ｖｆに関して次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ２−（Ｖｍ１＋Ｉｆ２・Ｒｍ１）
ここで、Ｒｍ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ２−Ｖｍ１
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （２２）
すなわち、センサ印加電圧Ｖｆには、常に一定電圧が印加されることになる。よって、本実施形態６において式（８）に式（２２）を代入すると次式となる。
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ１＝ｆ（Ｑ） （２３）
従って、作用極１０１と作用極端子１０３とを結ぶ導電性配線の配線抵抗Ｒｐ１による影響は全く発生せず、バイオセンサ装置で計測された例えば血糖値には、誤差が含まれない。
ここで、作用極端子電圧Ｖｐ１は作用極電圧印加部２９によって次式のように制御される。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１＋Ｒｐ１×Ｉｆ１ （２４）
本実施形態のバイオセンサ装置が第１の実施形態に係るバイオセンサ装置と異なるのは、作用極参照端子１０及び作用極端子１０３の両方に接続される作用極電圧印加部２９を備えていることである。この構造により、回路を安定させるためのコンデンサを省くことができるので、回路全体の面積を小さくすることができる。
このように、作用極電圧印加部２９が作用極電位参照回路も兼ねる構造であっても、作用極側の配線抵抗の影響を受けない高精度のバイオセンサ装置を実現することができる。
なお、図４に示すように、作用極電圧印加部２９の具体例として負側の入力に作用極参照端子１０が、正側の入力に基準電圧源１１７に接続され、出力が作用極端子１０３に接続されたオペアンプを有する例を示したが、これ以外の構成であってもよい。
（第７の実施形態）
図５は、本発明の第７の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図６は、作用極電圧印加部１９及び対極電圧印加部１７の具体的な構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図５に示すように、本実施形態のバイオセンサ装置は、バイオセンサ７２とバイオセンサ７２に接続する計測回路１６とを備えている。
バイオセンサ７２は、作用極１０１と、作用極１０１に対向して設けられた対極１０２と、作用極１０１に接続された作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４及び対極参照端子３とを有している。作用極１０１と作用極端子１０３とを接続する導電性配線の断面積は十分大きいので、配線抵抗はほぼ０Ωとすることができる。このバイオセンサ７２は、第４の実施形態のバイオセンサと同じく、対極参照端子３を有する構造である。
また、計測回路１６は、作用極端子１０３に接続された作用極電圧印加部１９と、対極端子１０４に接続され、電流計を有する対極電圧印加部１７と、対極参照電極３に接続された対極電位参照回路１と、作用極電圧印加部１９に作用極基準電圧Ｖｐｒ１を、対極電位参照回路１には対極基準電圧Ｖｍｒ１をそれぞれ供給する基準電圧源１１７と、入力された電流に応じて対極電圧印加部１７から出力される対極電流量信号ｓ１８を処理するための信号処理回路１２１とを有している。
本実施形態のバイオセンサ装置においては、基準電圧源１１７より発生した作用極基準電圧Ｖｐｒ１が作用極電圧印加部１９によりインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部１９から作用極端子１０３に作用極端子電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１ （２５）
また、基準電圧源１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１と作用極参照端子電圧Ｖｍ２とが対極電位参照回路１に入力されると、対極電位参照回路１は、その差電圧が０Ｖとなるよう対極制御信号ｓ６を発生する。この対極制御信号ｓ６の電圧（作用極制御信号電圧）は、Ｖｍｒ２である。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ２＝Ｖｍｒ１ （２６）
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ２ （２７）
図５において、対極端子１０４へ流れ出した電流は対極電圧印加部１７で計測され、その結果は対極電流量信号ｓ１８の形で信号処理回路１２１に供給される。そして、測定した電流量に基づき被測定成分の濃度を換算し結果表示などが行われる。
上述の第１の実施形態と同様にして、センサ印加電圧Ｖｆに関して次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ１−（Ｖｍ２＋Ｉｆ１・Ｒｐ１）
ここで、Ｒｐ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ１−Ｖｍ２
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （２８）
Ｖｐｒ１とＶｍｒ１とは一定であるので、センサ印加電圧Ｖｆは常に一定値となる。
よって、本実施形態３において式（８）に式（２８）を代入すると次式となる。
Ｉｆ２＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ２＝ｆ（Ｑ） （２９）
従って、対極１０２側の導電性配線の配線抵抗Ｒｍ１は対極端子１０４を流れれるＩｆ２に影響を与えず、最終的なバイオセンサ装置で計測された血糖値は誤差を含まない。
ここで、対極端子電圧Ｖｍ１は対極電位参照回路１と対極電圧印加部１７によって次式のように制御される。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ２
∴ Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１−Ｒｍ１×Ｉｆ２ （３０）
以上のように、本発明の第７の実施形態によれば、対極側に対極端子１０４と対極参照電極３とを有する３電極構造であっても導電性配線の抵抗によらず高精度な測定を行えることが分かる。その上、例えば４つ以上の電極を設ける場合に比べて部品点数が少なくて済むため、低コストで高精度のバイオセンサ装置を実現することができる。
また、図６に示す回路の具体例では、対極電圧印加部１７はオペアンプに帰還抵抗Ｒｇ２０を負帰還させた回路構成であり、作用極電圧印加部１９はオペアンプをＮｕｌｌ−アンプ構成、すなわち、バッファ回路構成としている。これにより、対極電圧印加部１７及び作用極電圧印加部１９が上述の機能を発揮する。なお、対極電圧印加部１７及び作用極電圧印加部１９がこれ以外の回路構成を有していてもよい。
（第８の実施形態）
図７は、本発明の第８の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図８は、作用極電圧印加部３１及び対極電圧印加部３０の具体的な構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。
図７に示すように、本実施形態のバイオセンサ装置は、バイオセンサ７２とバイオセンサ７２に接続された計測回路１６とを備えている。
このうち、バイオセンサ７２の構成は第７の実施形態と同一である。
そして、計測回路１６は、作用極電圧印加部３１と、対極端子１０４及び対極参照電極３に接続され、電流計を有する対極電圧印加部３０と、作用極電圧印加部３１に作用極基準電圧Ｖｐｒ１を、対極電圧印加部３０に対極基準電圧Ｖｍｒ１をそれぞれ供給する基準電圧源１１７と、対極電圧印加部３０からの対極電流量信号ｓ１８を処理するための信号処理回路１２１とを有している。
本実施形態のバイオセンサ装置が第７の実施形態と異なっているのは、対極電位参照回路１がなく、対極電圧印加部３０が対極端子１０４と対極参照電極３の両方に接続されている点である。
図７に示す本実施形態のバイオセンサ装置において、対極基準電圧Ｖｍｒ１と対極参照電極３の対極参照電極電圧Ｖｍ２とは共に対極電圧印加部３０に入力され、その差電圧が０Ｖとなるよう対極端子１０４に対して対極制御信号電圧Ｖｍｒ２が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ２＝Ｖｍｒ１ （３１）
また、作用極基準電圧Ｖｐｒ１が作用極電圧印加部３１によりインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部３１から作用極端子１０３に電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１ （３２）
一方、対極端子１０４へ流れ出した電流は対極電圧印加部３０で計測され、計測結果を示す対極電流量信号ｓ１８は信号処理回路１２１に供給される。そして、装置本体において、被測定成分の濃度を換算し結果表示などが行われる。
前述した第６の実施形態と同様に、センサ印加電圧Ｖｆには次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ１−（Ｖｍ２＋Ｉｆ１・Ｒｐ１）
ここで、Ｒｐ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ１−Ｖｍ２
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （３３）
すなわち、センサ印加電圧Ｖｆは一定電圧であることになる。
よって、式（８）に式（３３）を代入すると次式となる。
Ｉｆ２＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ２＝ｆ（Ｑ） （３４）
従って、バイオセンサ装置で計測された血糖値は、対極１０２側の導電性配線の配線抵抗Ｒｍ１による影響受けず、誤差は発生しない。
以上のように、対極参照電極３と対極端子１０４とが共に対極電圧印加部３０に接続される場合にも、高精度の測定が実現できる。
また、図８に示す回路の具体例では、対極電圧印加部３０は負側の入力に対極参照電極３が、正側の入力に作用極基準電圧Ｖｍｒ１に接続され、出力が作用極端子１０３に接続されたオペアンプを有している。これは、特開平１１−１５４８３３号公報（米国特許第５，９８６，９１０号）で開示された電圧電梳変換回路である。なお、これ以外の構成であってもよい。
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態に係るバイオセンサチップについて、以下に説明する。
図１５は、本実施形態のバイオセンサチップを示す平面図であり、図１６は、本実施形態のバイオセンサチップの第１の変形例を示す平面図であり、図１７は、本実施形態のバイオセンサチップの第２の変形例を示す平面図であり、図１８は、本実施形態のバイオセンサチップの第３の変形例を示す平面図である。
図１５に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ３５は、図９に示す第１の実施形態に係るバイオセンサと、計測回路１６とが同一基板上に設けられた構造を有している。バイオセンサや計測回路１６は微細加工技術を用いて製造されており、作用極１０１と作用極端子１０３及び作用極参照端子１０を接続する導電性配線や対極１０２と対極端子１０４とを接続する導電性配線は薄膜化されている。また、対極側及び作用極側の導電性配線は例えばＡｌやＣｕなどの比較的安価な金属で構成されている。
また、本実施形態のバイオセンサチップ３５は、装置本体から取り外し可能となっており、使い捨て可能である。
このように、バイオセンサと計測回路１６とを一体化して１チップ化することにより、測定部分の小型化が実現されるとともに、既存の大量生産技術を用いて該バイオセンサチップを安価に供給することが可能となる。
なお、微細加工技術を用いて形成された場合、導電性配線は薄膜化されるため配線抵抗Ｒｐ１、Ｒｍ１及びＲｐ２は高抵抗化する。しかしながら、本発明のバイオセンサ装置では、配線抵抗の高低の如何に関係なく高精度な計測が実現されるため、高精度の測定に用いられ、且つ低価格のバイオセンサチップが実現する。また、サイズが小さいことから、バイオセンサ装置全体のサイズを小さくすることができる。
なお、第１の実施形態のバイオセンサに限らず、これまで説明したすべてのバイオセンサについて計測回路と共にチップ化することが可能である。
また、本実施形態のバイオセンサチップでは、用いる共通の基板はシリコン基板などの半導体基板やＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板、ガラス基板などの絶縁性基板など、いかなる基板であってもよい。ただし、バイオセンサの電極に塗布する酵素及び試薬類と反応しない基板を選ぶ必要がある。
また、図１６に示すように、図１０に示す導電性配線を多層化した場合のバイオセンサであっても、計測回路１６と共に共通の基板上に設けることができる。導電性配線を多層化することにより、バイオセンサの面積がさらに小さくできるので、より小型のバイオセンサチップ３７を製造することができる。
あるいは、図１７に示すように、図１１、１２に示すバイオセンサと計測回路１６とを同一基板上に設けてもよい。この変形例に係るバイオセンサチップ８０は、計測回路１６との共通基板の上に、バイオセンサを設けた基板と計測回路１６を設けた基板とを搭載している。そして、バイオセンサが設けられた基板の裏面全体には対極端子が設けられている。
また、図１８に示すように、図１３、１４に示した対極参照電極と対極端子との２電極が対極に接続されたバイオセンサであっても計測回路１６と共通の基板上に設けることができる。具体的には、バイオセンサを設けた基板と計測回路１６を設けた基板とを共通基板上に搭載する。
（第１０の実施形態）
図１９は、本発明の第１０の実施形態に係るバイオセンサチップ４０を示す平面図であり、図２０は、本実施形態に係るバイオセンサチップ４０を示す断面図である。
図１９、２０に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ４０は、３電極を有するバイオセンサが設けられたセンサチップ３８と、計測回路が設けられた計測回路チップ４３と、センサチップ３８及び計測回路チップ４３を支持する共通基板６０とを有している。そして、バイオセンサのうち対極端子１０４，作用極端子１０３及び作用極参照端子１０はそれぞれワイヤ３９により計測回路チップ４３と接続されている。
計測回路が設けられた基板が、バイオセンサ中の酵素やメディエーターを含む反応試薬等と親和性が悪い場合や反応性がある場合などは、図１５に示すバイオセンサチップのように、計測回路１６が設けられた基板と同一の基板上に設けることが難しい。そのため、本実施形態のようなチップ・オン・チップ構造が取られる。本実施形態のバイオセンサチップ４０においては、バイオセンサが設けられた基板と計測回路が設けられた基板とを任意に組み合わせることができる。
また、バイオセンサの導電性配線にも被測定成分に対応した酵素、メディエータとの関係から、計測回路１６の信号配線と同一物質を用いることができない場合がある。その場合にも、本実施形態のような構成が有用であり、この構成によって十分サイズの小さいバイオセンサチップが実現できる。
本実施形態のようなチップ・オン・チップ構造を取ることにより、どのような種類のバイオセンサであっても小型のチップ状にすることができる。かつ、特殊な工程を含まないので、製造コストも安くすることが可能である。
なお、本実施形態のバイオセンサチップにおいては、共通基板６０上にセンサチップ３８と計測回路チップ４３とを配置したが、共通基板６０がなく、直接センサチップ３８上に計測回路チップ４３を配置する構造でもよいし、逆に、計測回路チップ４３上にセンサチップ３８を配置したチップ・オン・チップ構造を有するバイオセンサチップであっても良い。
また、本実施形態では、センサチップと計測回路チップとの接続にワイヤを用いたが、センサチップの上面と計測回路チップの上面とを対向させてバンプ接続させる構造を取ってもよい。また、チップ同士をボール・グリッド・アレイ（略してＢＧＡ）などで結線した構造であっても良い。あるいは、基板を貫通するパッドまたは電極を設ける場合には、チップ同士を積層しても貫通電極経由で接続することもできる。これらの方法により信号伝達経路が短くなるので、より誤差が小さくなる可能性がある。
（第１１の実施形態）
図２１は、本実施形態の第１１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。
図２１に示すように、本実施形態のバイオセンサ７４は、例えば第１の実施形態で説明した作用極端子１０３、作用極参照端子１０、対極端子１０４の３電極を有するバイオセンサを２個、同一基板上に形成し、２つの対極端子１０４を共通化している。ここで、２つの対極端子１０４を共通化していることにより、電極数が低減され、バイオセンサの小型化、製造コストの低減などを図ることができる。
このように、異なる被測定成分に対応した酵素、メディエータなどよりなる反応試薬を用いたバイオセンサを２個配置することで、一度に異なる因子を測定することができるため、複数の検査を同時に行うことができるので、患者の負担を軽減することができる。１つのバイオセンサ装置に搭載するバイオセンサの種類は２種以上であればいくつでもよい。実用的には、１つのバイオセンサチップで特定の疾患の診断に必要な複数の検査を行えるようにしたり、定期検診を１つのバイオセンサチップで迅速に行なうことなどが好ましい。そのため、図２１ではバイオセンサが２個、同一基板上に形成する例を示したが、バイオセンサが３個以上であっても良い。
また、このバイオセンサを搭載したバイオセンサチップは取り外し可能であるので、装置本体はそのままで、検査目的に応じて異なるバイオセンサチップを選択することもできる。
なお、本実施形態のバイオセンサでは、対極端子同士を共通化したが、共通化できる電極であれば、いずれであっても良い。例えば、３電極を有する２つのバイオセンサを互いに対称の形に配置すれば、隣接する作用極参照端子１０を共通化することもできる。
（第１２の実施形態）
図２２は、本発明の第１２の実施形態に係るバイオセンサ７５を示す平面図及び透視図である。
同図に示すように、本実施形態のバイオセンサ７５は、第２の実施形態に係る２個のバイオセンサを同一基板上に形成し、２つの対極端子１０４を共通化したものである。つまり、バイオセンサ７５の裏面全面には、２つの対極１０２に接続された共通の対極端子１０４が設けられている。
このように、裏面全面に対極端子が設けられているバイオセンサの場合でも、２つ以上配置し、対極端子を共通化することによって、異なる被測定物質を同時に測定することが可能となり、且つ電極数を削減し、小型化を図ることができる。また、電極数が減るので、製造も容易となる。また、バイオセンサの対極端子は、共通化することによってさらに大きい面積を確保できることになり、抵抗値を理想値の０Ωに近づけることができる。
なお、本実施形態では２個のバイオセンサを配置したが、３個以上のバイオセンサを配置しても良い。
また、第５の実施形態のように、対極が基板上面の全面に設けられたバイオセンサを複数個配置する場合も、対極端子を共通化することができる。
また、対極側または作用極側の導電性配線や電極を多層化した場合でも、２個以上のバイオセンサを１つのバイオセンサにまとめることができる。
（第１３の実施形態）
図２３は、本実施形態の第１３の実施形態に係るバイオセンサチップ８１を示す平面図である。
同図に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ８１は、作用極端子１０３、作用極参照端子１０及び対極端子１０４の３電極を有するそれぞれがセンサ部１３１を有するバイオセンサ２個と、それぞれのバイオセンサに接続された計測回路１６とを有している。そして、バイオセンサと計測回路１６とは同一基板上に設けられている。また、隣接するバイオセンサの対極端子１０４は互いに共通となっている。
バイオセンサの各々は、互いに異なる物質を測定することが可能となっているため、同時に複数の測定が可能となる。
なお、図２３ではバイオセンサと計測回路１６を並べて配置する例を示したが、例えばバイオセンサの上に計測回路を設けたチップを積層するような構造であってもよい。その場合、計測回路とバイオセンサとの接続は、ワイヤを用いてもよいし、ＢＧＡを用いてもよいし、基板を貫通する貫通電極を用いてもよい。
（第１４の実施形態）
図２４は、本発明の第１４の実施形態に係るバイオセンサチップ８２を示す回路図であり、図２５は、本実施形態のバイオセンサチップ８２を示す平面図である。
図２４に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ８２は、第１のバイオセンサ５８と、第２のバイオセンサ５９と、第１のバイオセンサ５８及び第２のバイオセンサ５９に接続された計測回路モジュール５７とを有している。
図２５に示すように、第１のバイオセンサ５８，第２のバイオセンサ５９のそれぞれは作用極端子、作用極参照端子及び対極を有しており、互いの対極は接続されている。
そして、計測回路モジュール５７は、第１のバイオセンサ５８及び第２のバイオセンサ５９に接続された計測回路１６と、第１のバイオセンサ５８の作用極端子及び作用極参照端子と計測回路１６との間に設けられた第１のスイッチ群５４と、第２のバイオセンサ５９の作用極端子及び作用極参照端子と計測回路１６との間に設けられた第２のスイッチ群５６と、第１のスイッチ群５４及び第２のスイッチ群５６のオン、オフを制御するための選択制御回路５２とを有している。
選択制御回路５２は、接続制御信号ｓ５３を供給して第１のスイッチ群５４のスイッチングを制御し、接続制御信号ｓ５５を供給して第２のスイッチ群５６のスイッチングを制御している。具体的には、第１のバイオセンサ５８で測定する場合には第１のスイッチ群５４がオンに、第２のスイッチ群５６がオフになるよう制御し、第２のバイオセンサ５９で測定する場合には第１のスイッチ群５４がオフに、第２のスイッチ群５６がオンになるように制御する。
本実施形態のバイオセンサチップ８２によれば、２個のバイオセンサに対して１つの計測回路のみで測定できるため、複数の物質を測定することができる上、チップ面積をさらに小さくすることができる。また、この構造により、製造コストの低減も図られる。
本実施形態のバイオセンサチップにおいては、第１のスイッチ群５４及び第２のスイッチ群５６が多少のオン抵抗を持つ場合があるが、このオン抵抗は等価的にバイオセンサの導電性配線の配線抵抗に含まれるため、本回路構成においても測定精度は低下しない。
なお、本実施形態のバイオセンサチップでは、同一基板上に２個のバイオセンサが形成されていたが、３個以上のバイオセンサが形成されていてもよい。また、スイッチによって計測されるバイオセンサが選択できるので、３個以上のバイオセンサが１つの計測回路に接続されていてもよい。
また、本実施形態では第１のバイオセンサ５８，第２のバイオセンサ５９と計測回路モジュール５７とを同一基板上に形成したが、共通基板の上にバイオセンサ及び計測回路モジュールを有する個々のチップが搭載されている構造でも良い。
また、複数のチップが積層され、ＢＧＡや貫通電極、またはワイヤなどで接続されている構造であってもよい。
なお、本実施形態のバイオセンサチップは、作用極端子、作用極参照端子、対極端子の３電極を有するバイオセンサを有していたが、作用極端子、対極端子、対極参照電極の３電極を有するバイオセンサを有していてもよい。
（第１５の実施形態）
図２６は、本発明の第１５の実施形態に係るバイオセンサチップ８３を示す平面図である。
図２６に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ８３は、作用極端子１０３、作用極参照端子１０、対極端子１０４及び被測定流体を反応させるためのセンサ部１３１を有するバイオセンサが基板上に２個設けられており、同一基板上に２個のバイオセンサに接続された１つの計測回路５０が設けられている。
本実施形態のバイオセンサチップ８３の特徴は、互いに異なる被測定成分に対応したバイオセンサのセンサ部１３１が隣接して設けられていることである。この反応部には、酵素またはメディエータなどよりなる反応試薬が塗布された対極及び作用極が含まれている。
本実施形態のバイオセンサチップでは、２つのバイオセンサの反応部が隣接しているので、血液サンプルを１点のみ点着するだけで２種類の測定ができる。このため、バイオセンサの点着部構造が簡素化される。また、血液サンプルが極微小量ですむことにより、被験者の採血の負担が非常に軽くて済む。
なお、本実施形態のバイオセンサチップにおいて、３種類以上のバイオセンサの反応部を互いに隣接させて設けることも可能である。これにより、３種類以上の測定をより簡単な点着部構造で実現することができる。また、血液サンプルの必要量も少なくすることができる。
（第１６の実施形態）
これまでの実施形態では、３つの端子を有しているバイオセンサと、これを有するバイオセンサチップ及びバイオセンサ装置とを説明したが、これ以降の実施形態では、バイオセンサが４つの端子を有する例について説明する。
図２７および図２８は、本発明の第１６の実施形態に係るバイオセンサ装置の回路構成を示す。これらの図に示すバイオセンサ装置は、本発明のバイオセンサ２１０が装着され、計測回路２２０とバイオセンサ２１０とが電気的に接続された状態にある。バイオセンサ２１０の構成については後述する。なお、バイオセンサ装置は、ここで示すバイオセンサ２１０や計測回路２２０の他、必要に応じてデータ解析装置や測定結果の表示部などを備えている。
図２７に示した計測回路２２０は、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａ（本発明の第１の作用極端子に相当）に電圧Ｖｐ１（本発明の第１の作用極電圧に相当）を印加する作用極電圧印加部２２１Ａと、バイオセンサ２１０の対極端子２１４ａ（本発明の第１の対極端子に相当）に電圧Ｖｍ１（本発明の第１の対極電圧に相当）を印加する対極電圧印加部２２２と、作用極電圧印加部２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２にそれぞれ電圧Ｖｐｒ（本発明の作用極基準電圧に相当）および電圧Ｖｍｒ（本発明の対極基準電圧に相当）を供給する基準電圧源２２３と、作用極電圧印加部２２１Ａから出力される作用極電流量信号ＣＶ１を処理する信号処理回路２２４とを備えている。
一方、図２８に示した計測回路２２０は、上記の作用極電圧印加部２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２に代えて、それぞれ作用極電圧印加部２２１および対極電圧印加部２２２Ａを備え、信号処理回路２２４は、対極電圧印加部２２２Ａから出力される対極電流量信号ＣＶ２を処理するものである。
作用極電圧印加部２２１は、バイオセンサ２１０の作用極参照端子２１３ｂの電圧Ｖｐ２を参照する。作用極電圧印加部２２１は、電圧Ｖｐ２を参照するのみであり、入力インピーダンスは高く、作用極参照端子２１３ｂに流れる電流Ｉｐ２はほぼゼロである。したがって、作用極参照端子２１３ｂの抵抗値Ｒｐ２に起因する電圧降下はなく、電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐ（本発明の第２の作用極電圧に相当）とは等しいと考えてよく、実質的に、作用極電圧印加部２２１は、作用極参照端子２１３ｂを通じて作用極２１１の電圧Ｖｐを参照し、この電圧Ｖｐと与えられた電圧Ｖｐｒとが一致するように、電圧Ｖｐ１を生成している。
作用極電圧印加部２２１Ａは、上記の作用極電圧印加部２２１の機能に加えて、作用極端子２１３ａに流れる作用極電流Ｉｆ１を計測する機能を有しており、計測した作用極電流Ｉｆ１の大きさに応じた作用極電流量信号ＣＶ１を出力する。
対極電圧印加部２２２は、バイオセンサ２１０の対極端子２１４ｂ（本発明の第２の対極端子に相当）の電圧Ｖｍ２を参照する。対極電圧印加部２２２は、電圧Ｖｍ２を参照するのみであり、入力インピーダンスは高く、対極端子２１４ｂに流れる電流Ｉｍ２はほぼゼロである。したがって、対極端子２１４ｂの抵抗値Ｒｍ２に起因する電圧降下はなく、電圧Ｖｍ２と電圧Ｖｍ（本発明の第２の対極電圧に相当）とは等しいと考えてよく、実質的に、対極電圧印加部２２２は、対極端子２１４ｂを通じて対極２１２の電圧Ｖｍを参照し、この電圧Ｖｍと与えられた電圧Ｖｍｒとが一致するように、電圧Ｖｍ１を生成している。
対極電圧印加部２２２Ａは、上記の機能に加えて、対極端子２１４ａに流れる対極電流Ｉｆ２を計測する機能を有しており、計測した対極電流Ｉｆ２の大きさに応じた対極電流量信号ＣＶ２を出力する。
図２９は、作用極電圧印加部２２１，２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２，２２２Ａのいくつかの回路例を示したものである。以下、同図に示した各回路の構成について順に説明する。
図２９（ａ）は、作用極電圧印加部２２１または対極電圧印加部２２２の回路例を示す。同図に示した作用極電圧印加部２２１または対極電圧印加部２２２は、図４４に示した従来の計測回路１１２３における対極側電圧源１１０６に、電圧Ｖｐｒまたは電圧Ｖｍｒに代えて電圧参照回路４３０の出力を与える構成となっている。以下、作用極電圧印加部２２１を例に説明する。
電圧参照回路４３０は、オペアンプによって構成され、その反転入力端子および非反転入力端子には、それぞれ電圧Ｖｐ２，Ｖｐｒが与えられる。電圧参照回路４３０は、電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐｒとが等しくなるように電圧を出力する。電圧源４２０であるオペアンプはこの電圧を入力とし、この電圧に相当する電圧Ｖｐ１を出力する。
図２９（ｂ）は、作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａの回路例を示す。同図に示した作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａは、図４４に示した従来のバイオセンサ装置における電圧源２１０に、電圧Ｖｐｒ１または電圧Ｖｍｒ１に代えて電圧参照回路４３０の出力を与える構成となっている。以下、作用極電圧印加部２２１Ａを例に説明する。
電圧参照回路４３０であるオペアンプは、入力とする電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐｒとが等しくなるように、電圧を出力する。この出力電圧は、電圧源４２０であるオペアンプの非反転入力端子に与えられる。このオペアンプの負帰還部には抵抗素子が設けられており、この抵抗素子を流れる作用極電流Ｉｆ１の大きさに応じた作用極電流量信号ＣＶ１が出力される。
図２９（ｃ）は、作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａの回路例を示す。同図に示した作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａは、電圧参照回路４３０および電圧電流変換回路４４０を有する。本回路は、たとえば、特開平１１−１５４８３３号公報や米国特許第５９８６９１０号明細書に開示された電圧電流変換回路と同様の構成をしている。以下、作用極電圧印加部２２１Ａを例に説明する。
電圧参照回路４３０は、入力とする電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐｒとが等しくなるように、電圧Ｖｐ１を出力する。電圧電流変換回路４４０は、電圧参照回路４３０の出力を制御する信号を入力とし、作用極電流量信号ＣＶ１を出力する。
次に、本実施形態の計測回路２２０によってバイオセンサ２１０に印加される電圧、および計測される電流について説明する。
作用極電圧印加部２２１，２２１Ａによって、電圧Ｖｐと電圧Ｖｐｒとが一致するように、電圧Ｖｐ１が生成され、作用極端子２１３ａに印加される。これにより、作用極端子２１３ａの抵抗値Ｒｐ１に起因する電圧降下が発生しようとも、電圧Ｖｐを電圧Ｖｐｒに固定することができる。
同様に、対極電圧印加部２２２，２２２Ａによって、電圧Ｖｍと電圧Ｖｍｒとが一致するように、電圧Ｖｍ１が生成され、対極端子２１４ａに印加される。これにより、対極端子２１４ａの抵抗値Ｒｍ１に起因する電圧降下が発生しようとも、電圧Ｖｍを電圧Ｖｍｒに固定することができる。
したがって、計測回路２２０によってバイオセンサ２１０の作用極２１１と対極２１２との間に印加される電圧Ｖｆは、次式（３５）のようになる。
Ｖｆ＝（Ｖｐｒ−Ｖｍｒ） （３５）
そして、式（８）および式（３５）から、電圧の印加によってバイオセンサ２１０に流れる電流Ｉｆは、次式（３６）のようになる。
Ｉｆ＝ｆ｛Ｑ，Ｖｐｒ−Ｖｍｒ｝ （３６）
式（３５）と式（７）とを比較すると、式（３５）では、作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａの配線抵抗Ｒｐ１，Ｒｍ１による電圧降下が無いことがわかる。すなわち、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａの配線抵抗に因らず、作用極２１１と対極２１２との間に印加される電圧Ｖｆを所定値とすることができる。したがって、バイオセンサ２１０に流れる電流は、誤差を含んでいない。そして、この電流は、作用極電流Ｉｆ１または対極電流Ｉｆ２として作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａによって計測され、作用極電流量信号ＣＶ１または対極電流量信号ＣＶ２となる。作用極電流量信号ＣＶ１または対極電流量信号ＣＶ２は、信号処理回路２２４によって処理され、測定対象の化学物質の濃度が算出される。
以上、本実施形態によると、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａの配線抵抗に因らず、作用極２１１と対極２１２との間に所定の電圧Ｖｆを印加することができる。これにより、誤差を含まない正確な電流が計測可能となり、バイオセンサ装置の測定精度を向上させることができる。特に、本実施形態のバイオセンサ装置によると、作用極参照端子２１３ｂ及び対極参照端子２１４ｂを設けていることにより、いずれか一方の参照端子のみを設ける場合に比べて測定精度をさらに向上させることが可能となっている。
なお、図２９（ａ）に示した作用極電圧印加部２２１または対極電圧印加部２２２において、電圧源４２０を省略し、電圧参照回路４３０の出力をそのまま電圧Ｖｐ１または電圧Ｖｍ１としてもよい。また、電圧源４２０および電圧参照回路４３０は、オペアンプ以外で実現してもよい。このような変更を加えても、本発明が奏する効果を何ら損なうものではない。
また、作用極２１１および対極２１２のいずれか一方を第１の極とし、他方を第２の極としたとき、第１の極（たとえば、作用極２１１）に接続された第１の電極（たとえば、作用極端子２１３ａ）に第１の電圧（たとえば、電圧Ｖｐ１）を印加する第１の電圧印加部は従来のものとし、第２の極（たとえば、対極２１２）に接続された第２の電極（たとえば、対極端子２１４ａ）に第２の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ１）を印加する第２の電圧印加部は、本実施形態に係るもの（たとえば、対極電圧印加部２２２）とする。そして、この第２の電圧印加部は、第２の極に接続された第３の電極（たとえば、対極端子２１４ｂ）を通じて第２の極の第３の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ）を参照し、この第３の電圧と与えられた基準電圧（たとえば、電圧Ｖｍｒ）とが一致するように、第２の電圧を生成する。このように、作用極電圧印加部２２１，２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２，２２２Ａのいずれか一方を省略した場合でも、従来と比較して、より精度の向上したバイオセンサ装置を実現することができる。
（第１７の実施形態）
図３０は、本発明の第１７の実施形態に係るバイオセンサ装置の回路構成を示す。本実施形態の計測回路２２０Ａは、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａに電圧を印加する手段として、それぞれ、第１６の実施形態で説明した作用極電圧印加部２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２Ａを備え、これらから出力される作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２を処理して、測定対象の化学物質の分析を行うものである。以下、計測回路２２０Ａについて説明するが、第１６の実施形態において既に説明した内容については説明を省略し、図２７および図２８に付した符号と同一の符号を付して参照する。
作用極電圧印加部２２１Ａは、バイオセンサ２１０に流れる電流として作用極端子２１３ａに流れる電流Ｉｆ１を計測し、作用極電流量信号ＣＶ１を出力する。作用極電圧印加部２２１Ａは、図２９（ｂ）および（ｃ）に示した回路のほかさまざまな構成が可能である。
対極電圧印加部２２２Ａは、バイオセンサ２１０に流れる電流として対極端子２１４ａに流れる電流Ｉｆ２を計測し、対極電流量信号ＣＶ２を出力する。対極電圧印加部２２２Ａは、図２９（ｂ）および（ｃ）に示した回路のほかさまざまな構成が可能である。
信号処理回路２２４Ａは、作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２を処理する。第１６の実施形態では、処理される信号が作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２のいずれか一方であったが、本実施形態では、これらをいずれも用いることによって、バイオセンサ２１０に流れる電流に関する情報量が２倍になる。したがって、第１６の実施形態と比較して、Ｓ／Ｎ比を約６ｄｂ向上させることができる。
以上、本実施形態によると、バイオセンサ装置の測定精度をさらに（Ｓ／Ｎ比で約６ｄｂ）向上させることができる。また、作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２の双方を処理することによって、同相のノイズを低減することができるという効果を奏する。
（第１８の実施形態）
図３１は、本発明の第１８の実施形態に係るバイオセンサ装置の回路構成を示す。本実施形態の計測回路２２０Ｂは、第１７の実施形態の計測回路２２０Ａに、さらに電流量信号生成部２２５を備えたものである。以下、計測回路２２０Ｂについて説明するが、第１７の実施形態において既に説明した内容については説明を省略し、図３０に付した符号と同一の符号を付して参照する。
電流量信号生成部２２５は、作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２を入力とし、バイオセンサ２１０に流れる電流の大きさを表す電流量信号ＣＶを出力とする。電流量信号生成部２２５は、たとえば、図３１に示すように、差動シングル変換器によって実現可能である。差動シングル変換器は、入力とする２つの信号を加算し、一の信号を出力する。すなわち、本実施形態において、電流量信号ＣＶは、作用極電流量信号ＣＶ１と対極電流量信号ＣＶ２とが加算されたものである。
信号処理回路２２４Ｂは、第１６の実施形態の計測回路２２０における信号処理回路２２４とほぼ同様の構成をしており、電流量信号ＣＶを入力とし、測定対象の化学物質の濃度を算出する。
以上、本実施形態によると、電流量信号生成部２２５によって作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２が一の電流量信号ＣＶに変換されるため、第１７の実施形態と比較して、信号処理回路２２４Ｂの構成を簡易化することができる。これにより、バイオセンサ装置を小型化することができ、さらには、低コスト化を図ることができる。なお、電流量信号生成部２２５の構成は、図３１に示した差動シングル変換器以外でも実現可能である。
（第１９の実施形態）
図３２は、本発明の第１９の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０は、たとえば、上記の第１から第１８の実施形態の計測回路２２０，２２０Ａ，２２０Ｂによって使用されるものである。
バイオセンサ２１０は、作用極２１１から延びる作用極端子２１３ａ，１３ｂおよび対極２１２から延びる対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂを備えている。図示していないが、作用極２１１および対極２１２の組み合わせからなるセンサ部には、測定対象の化学物質に応じて酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布されている。バイオセンサ２１０を用いることによって、オリゴヌクレオチド、抗原、酵素、ペプチド、抗体、ＤＮＡフラグメント、ＲＮＡフラグメント、グルコース、乳酸およびコレステロールなどの１対の化学物質、または分子構造間での結合反応を電子的に検出することができる。
作用極端子２１３ａは、計測回路（装置本体）からの電圧印加用の端子であり、作用極参照端子２１３ｂは、電圧参照用の電極である。ただし、作用極端子２１３ａと作用極参照端子２１３ｂの配置は入れ替えてもよい。
同様に、対極端子２１４ａは、計測回路からの電圧印加用の端子であり、対極参照端子２１４ｂは、電圧参照用の端子である。ここでも、両端子の配置を互いに入れ替えることができる。
そして、バイオセンサ２１０は、作用極端子と対極端子との間に電圧が印加されることによって、センサ部に付着された血液などの体液に含まれる特定の化学物質の濃度に応じた電流を流す。このとき作用極２１１および対極２１２に生じている電圧は、それぞれ作用極参照端子および対極参照端子の電圧を参照することによって知ることができる。
以上、本実施形態によると、バイオセンサ２１０に作用極端子２１３ａ，作用極参照端子２１３ｂおよび対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂをそれぞれ設けることによって、作用極２１１および対極２１２の電圧を参照しながら、作用極２１１および対極２１２に印加される電圧を調整することができ、作用極２１１と対極２１２との間に印加される電圧を所定値にすることができる。これにより、作用極端子２１３ａ，作用極参照端子２１３ｂおよび対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂに接続される配線に低抵抗の貴金属を用いなくとも、配線抵抗による電流誤差を無くすことが可能となる。
なお、本実施形態のバイオセンサは、作用極端子と作用極参照端子とを１つずつ有し、対極端子と対極参照端子も１つずつ有しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、各端子をさらに設けてもよい。すなわち、作用極端子、作用極参照端子、対極端子、対極参照端子はそれぞれ２個以上設けられていてもよく、作用極端子と対極端子との個数が異なっていてもよい。また、作用極端子の数と作用極参照端子の数、あるいは対極端子の数と対極参照端子の数が異なっていてもよい。
また、作用極２１１および対極２１２のいずれか一方を第１の極とし、他方を第２の極としたとき、第１の極（たとえば、作用極２１１）側の端子を１個とし、第２の極（たとえば、対極２１２）側の端子を複数個としてもよい。このような構造をしたバイオセンサであっても、第２の極に接続された複数の端子のうち、いずれかを第２の極に電圧を印加するためのものとし、別のいずれかを第２の極の電圧を参照するためのものとすることによって、従来と比較して、配線抵抗による電流誤差をより低減することができる。
（第２０の実施形態）
図３３は、本発明の第２０の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０Ａは、第１９の実施形態のバイオセンサ２１０の電極を重層構造にしたものである。同図に示すように、作用極端子２１３ａと作用極参照端子２１３ｂとが互いに重層される（平面的に見てオーバーラップする）とともに、対極端子２１４ａと対極参照端子２１４ｂとが重層されている。これにより、バイオセンサを小型化することができ、さらには、低コスト化を図ることができる。
なお、本実施形態では、作用極端子と作用極参照端子、および対極端子と対極参照端子とがそれぞれ重層されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、作用極端子と対極端子、作用極端子と対極参照端子、あるいは作用極参照端子と対極端子とを重層することによっても、上記と同様の効果を得ることができる。
（第２１の実施形態）
図３４は、本発明の第２１の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０Ｂは、第１９の実施形態のバイオセンサ２１０を２個、同一の基板上に形成したものである。図示していないが、作用極２１１ａおよび対極２１２ａの組み合わせからなるセンサ部と、作用極２１１ｂおよび対極２１２ｂの組み合わせからなるセンサ部とには、互いに異なる測定対象の化学物質に対応した酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布されている。このように、同一の基板上に複数センサ部を設けることによって、一度に複数の化学物質の測定が可能となり、より高性能かつ低価格なバイオセンサを実現することができる。
なお、本実施形態では、バイオセンサ２１０Ｂにセンサ部を２個備えているが、３個以上備えるようにしてもよい。
（第２２の実施形態）
図３５は、本発明の第２２の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０Ｃは、第２１の実施形態のバイオセンサ２１０Ｂにおける対極２１２ａ，２１２ｂを１個にまとめたものである。バイオセンサ２１０Ｃにおける対極２１２は、作用極２１１ａに対するものでもあるし、また、作用極２１１ｂに対するものでもある。すなわち、作用極２１１ａ，２１１ｂは、一の対極２１２を共用している。したがって、バイオセンサ２１０Ｂにおける対極端子２１４ｃ，対極参照端子２１４ｄが省略可能となり、バイオセンサ２１０Ｃは、対極端子２１４ａと対極参照端子２１４ｂとを１個ずつ備えればよくなる。これにより、バイオセンサをさらに小型化することができる。
なお、本実施形態では、２個の作用極２１１ａ，２１１ｂが一の対極２１２を共用しているが、バイオセンサに３個以上の作用極を設けて、これら作用極が一の対極を共用するようにしてもよい。また、これとは逆に、バイオセンサに複数の対極を設けて、これら対極が一の作用極を共用するようにしてもよい。
（第２３の実施形態）
図３６は、本発明の第２３の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０は、測定対象の化学物質に応じた酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布され、電圧が印加されることによって、付着された血液などの体液に含まれる特定の化学物質の濃度に応じた電流を流すセンサ部２３１と、センサ部２３１に電圧を印加し、このとき流れる電流を計測する計測回路２３２とを備えている。また、センサ部２３１と計測回路２３２とは、作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂによって電気的に接続されている。
センサ部２３１、作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂからなる部分は、第１９の実施形態のバイオセンサと同様の構成をしている。すなわち、作用極配線２３３ａおよび対極配線２３４ａは、それぞれ作用極２１１および対極２１２への電圧印加に用いられる一方、作用極配線２３３ｂおよび対極配線２３４ｂは、それぞれ作用極２１１および対極２１２の電圧参照に用いられる。また、計測回路２３２は、たとえば、第１から第１８の実施形態で説明した計測回路２２０，２２０Ａ，２２０Ｂ，２２０Ｃと同様の回路構成をしている。すなわち、バイオセンサチップ２３０は、本発明のバイオセンサおよびバイオセンサ装置を１チップ上に形成したものである。
バイオセンサチップ２３０における作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂは、微細加工により薄膜化され、抵抗値が増すことになる。しかし、本実施形態によると、上記の説明の通り、この抵抗値に影響されない電流を計測することができる。したがって、高精度で超小型、かつ低価格なバイオセンサチップを実現することができる。
なお、バイオセンサチップ２３０が形成される基板は、シリコン基板、シリコン・オン・インシュレータ基板、シリコン・オン・サファイア基板、ガラス基板などの、センサ部２３１および計測回路２３２が形成可能な基板であれば、どのような物質や構造であってもよい。
また、作用極２１１および対極２１２のいずれか一方を第１の極とし、他方を第２の極としたとき、第１の極（たとえば、作用極２１１）と計測回路２３２とを接続する第１の配線（たとえば、作用極配線２３３ａ）に第１の電圧（たとえば、電圧Ｖｐ１）を印加する第１の電圧印加部は従来のものとし、第２の極（たとえば、対極２１２）と計測回路２３２とを接続する第２の配線（たとえば、対極配線２３４ａ）に第２の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ１）を印加する第２の電圧印加部は、本実施形態に係るもの（たとえば、対極電圧印加部２２２，２２２Ａ）とする。そして、この第２の電圧印加部は、第２の極と計測回路２３２とを接続する接続する第３の配線（たとえば、対極配線２３４ｂ）を通じて第２の極の第３の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ）を参照し、この第３の電圧と与えられた基準電圧（たとえば、電圧Ｖｍｒ）とが一致するように、第２の電圧を生成する。このように、計測回路２３２において、作用極電圧印加部２２１，２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２，２２２Ａのいずれか一方を省略した場合でも、高精度で超小型、かつ低価格なバイオセンサチップを実現することができる。
（第２４の実施形態）
図３７は、本発明の第２４の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ａは、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０における配線を重層構造にしたものである。同図に示すように、作用極配線２３３ａ，２３３ｂが重層されるとともに、対極配線２３４ａ，２３４ｂが重層されている。これにより、バイオセンサチップを小型化することができ、さらには、低価格化を図ることができる。
なお、本実施形態では、作用極配線どうしおよび対極配線どうしを重層しているが、作用極配線と対極配線とを重層することによっても、上記と同様の効果を得ることができる。
（第２５の実施形態）
図３８は、本発明の第２５の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｂは、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０におけるセンサ部および計測回路をそれぞれ２個、同一の基板上に形成したものである。図示していないが、センサ部２３１ａとセンサ部２３１ｂとには、互いに異なる測定対象の化学物質に対応した酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布されている。このように、同一の基板上に複数センサ部を設けることによって、一度に複数の化学物質の測定が可能となり、より高性能かつ低価格なバイオセンサチップを実現することができる。
なお、本実施形態では、バイオセンサチップ２３０Ｂにセンサ部を２個備えているが、３個以上備えるようにしてもよい。
（第２６の実施形態）
図３９は、本発明の第２６の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｃは、第２５の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｂにおける計測回路２３２ａ，２３２ｂを一つにまとめ、計測回路モジュール２３５としたものである。
図４０は、計測回路モジュール２３５の回路構成を示す。計測回路モジュール２３５は、計測回路２３２、第１のバイオセンサ４３１ａと計測回路２３２との接続／開放を切り換えるスイッチ２３６ａ，２３６ｂ，２３６ｃ，２３６ｄ、第２のバイオセンサ４３１ｂと計測回路２３２との接続／開放を切り換えるスイッチ２３６ｅ，２３６ｆ，２３６ｇ，２３６ｈ、およびスイッチ２３６ａ〜２３６ｈの動作を制御する選択制御回路２３７を備えている。なお、スイッチ２３６ａ〜２３６ｈおよび選択制御回路２３７は、本発明の切替手段に相当するものである。
選択制御回路２３７は、制御信号ＳＥＬ１によって、スイッチ２３６ａ〜２３６ｄをすべて閉じるかまたは開くかの制御をする。また、制御信号ＳＥＬ２によって、スイッチ２３６ｅ〜２３６ｈをすべて閉じるかまたは開くかの制御をする。ただし、すべてのスイッチ２３６ａ〜２３６ｈは、同時に閉じることはないものとする。すなわち、選択制御回路２３７は、第１のバイオセンサ４３１ａ，第２のバイオセンサ４３１ｂのいずれか一つを選択して、この選択したバイオセンサと計測回路２３２とが電気的に接続されるように、スイッチ２３６ａ〜２３６ｈを制御する。
バイオセンサ４３１ａ，バイオセンサ４３１ｂと計測回路２３２との間にスイッチ２３６ａ〜２３６ｈを設けることによって抵抗値が増すことになる。しかし、既に述べたように、本発明によると、この抵抗値に関係なく、正確な電流を計測することができる。
以上、本実施形態によると、バイオセンサの切り替えが可能となり、第２５の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｂと比較して、備えるべき計測回路の個数を削減することができる。これにより、バイオセンサチップをさらに小型化することができる。
なお、本実施形態では、２つの制御信号ＳＥＬ１，ＳＥＬ２によってスイッチ２３６ａ〜２３６ｈを制御しているが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、制御信号ＳＥＬ１のみでスイッチ２３６ａ〜２３６ｈを制御するようにしてもよいし、これ以外の方法でバイオセンサの切り替えを行うようにしてもよい。
（第２７の実施形態）
図４１は、本発明の第２７の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｄの回路構成は、第２６の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｃと同様である。バイオセンサチップ２３０Ｃと異なる点は、センサ部２３１ａ，２３１ｂが隣接して配置されている点である。このように複数のセンサ部２３１ａ，２３１ｂを隣接して配置することによって、血液などの体液のサンプルを複数点ではなく一点にのみ付着させるだけで、複数の化学物質の分析を行うことができる。
以上、本実施形態によると、必要とされる血液などの体液のサンプルが微小量で済むため、被験者の採血などの負担が軽減される。また、センサ部が隣接することによって、サンプルを付着させる部分の構造を簡素化することができる。
なお、バイオセンサにおいて、センサ部を隣接して配置することによって、上記と同様の効果を得ることができる。
（第２８の実施形態）
図４２は、本発明の第２８の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２４０は、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０におけるセンサ部２３１および計測回路２３２を、それぞれセンサチップ２４１および計測回路チップ２４２として互いに異なる半導体集積回路に形成し、これらチップが同一の基板上に形成されたチップ・オン・チップ構造をなしている。センサチップ２４１における作用極端子２１３ａ，作用極参照端子２１３ｂおよび対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂと、計測回路チップ２４２とは、ワイヤ４３によって電気的に接続されている。なお、図４２（ｂ）は、同図（ａ）におけるＡでの断面図である。
第２３の実施形態では、バイオセンサチップ２３０におけるセンサ部２３１に塗布される反応試薬が、計測回路チップ２４２が形成される基板材料、すなわちバイオセンサチップ２３０の基板材料と、親和性や非反応性などの点で適合しない場合、センサ部２３１と計測回路チップ２４２とを同一の基板上に形成することが非常に困難となる。また、反応試薬と作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂとが適合しない場合も同様である。しかし、本実施形態のバイオセンサチップ２４０は、センサチップ２４１および計測回路チップ２４２が互いに異なる半導体集積回路に形成されているため、このような問題は生じない。
以上、本実施形態によると、バイオセンサチップをチップ・オン・チップ構造にすることによって、さまざまな反応試薬を用いたバイオセンサチップを実現することができる。これにより、バイオセンサチップによる測定対象の範囲が広がる。
なお、本実施形態では、支持基板上にセンサチップ２４１および計測回路チップ２４２を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。支持基板を省略し、センサチップ２４１上に直接、計測回路チップ２４２を配置してもよいし、逆に、計測回路チップ２４２上に直接、センサチップ２４１を配置してもよい。
また、ワイヤ４３によってセンサチップ２４１と計測回路チップ２４２とを結線しているが、ワイヤ４３に代えて、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）などで結線してもよい。
また、本実施形態のバイオセンサチップ２４０は、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０をチップ・オン・チップ構造としたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、第９から第２７の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ａ〜２３０Ｄ、あるいはそれ以外の構成のものをチップ・オン・チップ構造とすることも可能である。

本発明のバイオセンサ装置及びバイオセンサは、例えば血糖値の測定器など、生体物質の測定に好ましく用いられれる。

本発明は、オリゴヌクレオチド、抗原、酵素、ペプチド、抗体、ＤＮＡフラグメント、ＲＮＡフラグメント、グルコース、乳酸及びコレステロールなどの生体物質の結合反応を電子的に検出するためのバイオセンサおよびバイオセンサ装置に関するものである。

近年、使い捨てのサンプル片を用いるバイオセンシング計測器が年々増加しており、特に、血液、血漿、尿及び唾液などの生体体液中の特定成分や、ある細胞がある時点に創る全ての蛋白質、すなわち、プロテオームを、簡易かつ短時間に測定及び解析することが期待されている。また、将来、使い捨てのＤＮＡチップによる遺伝子診断によって、個人のＳＮＰ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ Ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍの略）情報にあった治療や投薬を行うテーラーメード医療が期待されている。

以下、従来例としての特願平１１−５０９６４４号に記載されている血液サンプル中のブドウ糖量、すなわち、血糖値の検出に使用されるバイオセンサ装置について説明する。なお、本明細書中で「バイオセンサ」とは、生体物質の検出部を含む使い捨て可能な部分を指し、「バイオセンサチップ」とは、基板上にバイオセンサ及び計測回路等を搭載した使い捨て可能な部分を指す。また、「バイオセンサ装置」とは、バイオセンサまたはバイオセンサチップに解析回路その他の部分を加えた装置全体を指すものとする。

図４５は、従来のバイオセンサの構造を示す平面図である。同図に示すバイオセンサ１１２２は、作用極（陽極）１１０１と、作用極１１０１に対向する対極（陰極）１１０２とを有しており、作用極１１０１及び対極１１０２には被測定成分に対応した酵素、メディエータなどよりなる反応試薬（不図示）が塗布されている。作用極１１０１は配線抵抗Ｒｐ１を有する導電性配線を介して作用極端子１１０３へ導かれている。同様に、対極１１０２は配線抵抗Ｒｍ１を有する導電性配線を介して対極端子１１０４へ導かれている。

図４３は、従来のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。同図に示すように、従来のバイオセンサ装置は、図４５に示すバイオセンサ１１２２の作用極端子１１０３と対極端子１１０４とが計測回路１１２３に接続された構成を有している。計測回路１１２３は、例えば基準電圧源１１１７と、対極電圧印加部１１０６と、電流計を有する作用極電圧印加部１１０５と、信号処理回路１１２１とを有している。従来のバイオセンサ装置では、基準電圧源１１１７より発生した作用極基準電圧Ｖｐｒ１が作用極電圧印加部１１０５によってインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部１１０５から作用極端子１１０３に作用極端子電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１ （１）

ここで、式（１）中のＶｐ１、Ｖｐｒ１は電位あるいは電圧の値を示す。以下のＶｍ１、Ｖｍｒについても同様である。

また、基準電圧源１１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１が対極電圧印加部１１０６によってインピーダンス変換された後、対極電圧印加部１１０６からに対極端子１１０４に対して対極端子電圧Ｖｍ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１ （２）

作用極端子１１０３へ流れ出した電流の値は作用極電圧印加部１１０５で計測され、その結果を示す作用極電流量信号ｓ１１２０は信号処理回路１１２１に供給される。従来のバイオセンサ装置では、ここで測定された電流量に基づき、被測定成分の濃度を換算し結果表示などが行われる。このとき、作用極端子１１０３と対極端子１１０４間の電極印加電圧をＶｆ１とすると次式（３）が成り立つ。
Ｖｆ１＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （３）

また、作用極１１０１と対極１１０２間のセンサ印加電圧をＶｆとする。さらに、血液サンプルがバイオセンサ１１２２に点着するとブドウ糖量に応じた電荷が作用極１１０１および対極１１０２に発生することにより電極間に電流が流れる。ここで、作用極１１０１側に流れる電流をＩｆ１、対極１１０２側に流れる電流をＩｆ２とすると、次式が成り立つ。
Ｉｆ１＝Ｉｆ２ （４）

この電流Ｉｆ１を計測回路１１２３で測定することによりブドウ糖量、すなわち、血糖値を計測するのである。

図４４は、作用極電圧印加部１１０５と対極電圧印加部１１０６の具体的な回路構成例を含む従来のバイオセンサ装置を示す回路図である。同図に示すように、作用極電圧印加部１１０５はオペアンプに帰還抵抗Ｒｆを負帰還させた回路構成であり、対極電圧印加部１１０６はオペアンプをＮｕｌｌ−アンプ構成、すなわち、バッファ回路構成とすることで上述した機能を実現している。

図４６は、図４４で示す従来のバイオセンサ装置のうち、バイオセンサチップ１１２４の構造を示す平面図である。この例では、バイオセンサ１１２２と計測回路１１２３が同一基板上に１対のみ形成されている。

また、図４３に示す従来のバイオセンサ装置において、バイオセンサ１１２２が血糖値を計測する際には、配線抵抗Ｒｐ１の作用極側の導電性配線と配線抵抗Ｒｍ１の対極側の導電性配線によって、電極印加電圧Ｖｆ１及び作用極電圧Ｖｐと対極電圧Ｖｍとの差電圧であるセンサ印加電圧Ｖｆに関して次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｆ１−（Ｒｐ１×Ｉｆ１＋Ｒｍ１×Ｉｆ２） （５）

また、作用極１１０１側に流れる電流Ｉｆ１と対極１１０２側に流れる電流Ｉｆ２には、キルヒホッフの法則より次式が成り立つ。
Ｉｆ１＝Ｉｆ２ （６）

式（３）と式（６）を式（５）に代入して整理すると次式となる。
Ｖｆ＝（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）−（Ｒｐ１＋Ｒｍ１）×Ｉｆ１ （７）

従って、計測回路１１２３よりバイオセンサ１１２２へ供給される電極印加電圧（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）は（Ｒｐ１＋Ｒｍ１）×Ｉｆ１だけ電位降下し、センサ印加電圧Ｖｆとなることが分かる。

以上のように、従来のバイオセンサ装置によれば、簡便に血液中のグルコース量を測定することができる。

ここで、反応試薬から発生する電荷による電流Ｉｆ１は、ブドウ糖量Ｑとセンサ印加電圧Ｖｆとにより次式となる。
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、Ｖｆ｝ （８）

従って、式（７）を式（８）に代入すると
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）−（Ｒｐ１＋Ｒｍ１）×Ｉｆ１｝ （９）

すなわち、作用極１１０１の導電性配線の配線抵抗Ｒｐ１と対極１１０２の導電性配線の配線抵抗Ｒｍ１によって電位降下するため、電流Ｉｆ１に誤差を生じ、最終的にバイオセンサ装置で計測された血糖値に対して誤差が発生してしまうという不具合があった。

従来、この不具合を解決するために、導電性配線として白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）など低抵抗な貴金属材料が用いられてきたが、バイオセンサ１１２２が高価になってしまうという新たな不具合が生じる。バイオセンサの部分は基本的に使い捨てであるために、可能な限り安価であることが求められる。そのため、配線抵抗を低減するための新たな手段が強く求められている。

加えて、バイオセンサ装置をバイオセンサチップ１１２４として形成する場合、導電性配線に微細加工技術が使用される。また、将来的にはさらにバイオセンサチップの微細化が進むと考えられ、その場合には配線抵抗がより高抵抗となることによって大きな誤差が発生し、バイオセンサ装置の測定精度は著しく低下してしまう。

本発明は、上述した従来技術の不具合の解決を図り、導電性配線の配線抵抗に影響を受けずに測定することが可能なバイオセンサ及びバイオセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明のバイオセンサは、測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを備えている。

この構成により、参照端子を備えることで作用極と作用極端子との間、あるいは対極と対極端子との間の抵抗の影響を受けずに被測定流体の測定を行えるようになるので、高精度の測定が可能なバイオセンサが実現できる。

上記作用極及び上記対極のうち少なくとも一方には、上記被測定流体に含まれる物質の状態を変化させる生体物質または微生物が固定化されていることにより、例えば酵素による触媒反応、抗原抗体反応、遺伝子間の結合反応などによる被測定流体の変化を電気的に検出することが可能になる。これにより、蛍光を用いる測定に比べ、より詳細な測定が可能となる。

上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることにより、作用極及び対極の両方に参照端子が設けられている場合に比べ、少ない構成部材で高精度の測定を可能にすることができる。従って、この場合のバイオセンサは、製造コストの削減や小面積化が要求される場合に特に有効である。

上記作用極と上記作用極端子とを接続する第１の配線と、上記作用極または上記対極と上記参照端子とを接続する第２の配線と、上記対極と上記対極端子とを接続する第３の配線とをさらに備えていることにより、これらの配線の形状を工夫して高精度の測定を実現できる。

上記参照端子は、上記作用極に接続された作用極参照端子と、上記対極に接続された対極参照端子とを含んでいることにより、参照端子を作用極または対極の一方にのみ設ける場合に比べて高精度の測定を行なうことができるようになる。

上記作用極と上記作用極端子とを接続する第４の配線と、上記作用極と上記作用極参照端子とを接続する第５の配線と、上記対極と上記対極参照端子とを接続する第６の配線と、上記対極と上記対極端子とを接続する第７の配線とをさらに備えており、上記第４の配線、上記第５の配線、上記第６の配線、及び上記第７の配線のうち少なくとも２つの配線は互いに異なる配線層内に設けられ、且つ平面的に見て少なくとも一部がオーバーラップするように設けられていることにより、全ての配線が同一配線層内に設けられる場合に比べ、回路面積を低減することができる。

上記第１の配線と上記第２の配線とは互いに異なる配線層内に設けられていることにより、両配線をオーバーラップするように配置することなどにより、回路面積の低減を図ることができる。

上記第２の配線と上記第３の配線とは互いに異なる配線層内に設けられている場合にも、回路面積の低減を図ることができる。

上記作用極、上記対極、上記参照端子、上記作用極端子、上記対極端子、上記第１の配線、上記第２の配線及び上記第３の配線は基板上に設けられ、上記作用極端子または上記対極端子のうちいずれか一方は上記基板の裏面上に設けられていることにより、配線面積をより広くとれるので、抵抗を理想値である０Ωに近づけることができる。

また、上記作用極端子と上記対極端子とは互いに異なる配線層内に設けられていてもよい。

上記第３の配線が複数の配線層内に亘って設けられていてもよい。

また、参照端子が作用極または対極のいずれかのみに接続されている場合には、上記対極は略円形であり、上記作用極の内周の一部は上記対極との距離がほぼ一定の円周状であることにより、被測定流体の反応を均一にすることができる上、第１及び対極に加わる電界が均一になるので、測定精度をより向上させることができる。

上記作用極は略円形であり、上記対極の内周の一部は上記作用極との距離がほぼ一定の円周状であることによっても、被測定流体の反応を均一にすることができる上、第１及び対極に加わる電界が均一になるので、測定精度をより向上させることができる。

上記作用極は複数個設けられており、上記作用極のそれぞれに対向する上記対極同士は、一体化されていることにより、電極数を減らせるので、製造工程を少なくすることができ、製造コストの低減を図ることができる。また、対極端子に接続される配線の断面積を大きくすることができるので、対極端子側の配線抵抗を低減することができる。

上記対極は複数個設けられており、上記作用極のそれぞれに対向する上記作用極同士は、一体化されていることによっても電極数を減らせるので、製造コストの低減を図ることができる。

上記第３の配線の断面積は、上記第１の配線の断面積よりも大きいことにより、第３の配線の抵抗をより理想値である０Ωに近づけることができる。

本発明のバイオセンサチップは、測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記被測定流体を保持するためのセンサ部と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを有し、基板上に設けられたバイオセンサと、上記バイオセンサに接続され、基板上に設けられた計測回路とを備えている。

この構成により、参照端子が作用極及び対極のうちの一方または両方に接続されているので、作用極と作用極端子との間、あるいは対極と対極端子との間の抵抗値によらず被測定流体中の測定対象物質を測定することができるようになる。そのため、高精度の測定が可能になる。

上記作用極及び上記対極のうち少なくとも一方には、上記被測定流体に含まれる物質の状態を変化させる生体物質または微生物が固定化されていることにより、迅速且つ詳細な測定を実現することができる。

上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることにより、少ない構成部材で高精度の測定を可能にすることができる。

例えば、上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は上記作用極端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記参照端子に接続された作用極電位参照回路と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電位参照回路及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。

この場合に、測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記作用極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記作用極電位参照回路が信号を発生することが、精度の良い測定を行なうことで好ましい。

上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記参照端子に接続された対極電位参照回路と、上記対極電位参照回路及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。

その場合、測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記対極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記対極電位参照回路が信号を発生することが好ましい。

上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電圧印加部及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していることにより、作用極電位参照回路を設けなくても測定対象物質を測定することが可能になる。

上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していることにより、対極電位参照回路を設けなくても測定対象物質を測定することが可能になる。

上記作用極に接続された作用極参照端子と、上記対極に接続された対極参照端子とを含んでいることにより、作用極参照端子のみ、あるいは対極参照端子のみが設けられる場合に比べて、測定精度を向上させることができる。

上記計測回路は、上記作用極端子及び上記作用極参照端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記対極参照端子に接続された対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される第１の電流量信号と、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される第２の電流量信号のうち少なくとも一方を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。

この場合、特に上記信号処理回路は、上記第１の電流量信号と上記第２の電流量信号の両方を処理することによって、２つの電流量信号を用いて測定することができるので、測定精度をより向上させることができる。

上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とは同一基板であることにより、製造を容易にすることができる。

上記バイオセンサチップは共通基板をさらに有し、上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とが上記共通基板上に載置されていることにより、例えば計測回路の基板が第１及び対極に固定化される生体物質や試薬などと反応してしまう場合や、計測回路の配線とバイオセンサの配線とが共通化できない場合にもバイオセンサチップを製造することができるようになる。

上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とが積層されていることにより、バイオセンサチップをより小面積化することができる上、製造コストの低減を図ることもできる。

同一基板上に上記バイオセンサが複数個設けられており、少なくとも２つの上記バイオセンサは同一の上記計測回路に接続され、上記各バイオセンサの上記作用極端子と上記計測回路との間、上記参照端子と上記計測回路との間、及び上記対極端子と上記計測回路との間には、上記バイオセンサと上記計測回路との接続をオンまたはオフにするためのスイッチがさらに設けられていることにより、計測回路の必要数を減らすことができるので、チップ面積をより小さくすることができる。

同一基板上に上記バイオセンサが複数個設けられており、２つの上記バイオセンサのセンサ部が、互いに隣接して設けられていることにより、複数の測定を同時に行なうことができる上、必要な試料が極微量で済むようになる。

本発明のバイオセンサ装置は、測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記被測定流体を保持するためのセンサ部と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを有し、基板上に設けられたバイオセンサと、上記バイオセンサに接続され、基板上に設けられた計測回路とを備え、測定時に上記作用極端子と上記対極端子のいずれか一方または両方を流れる電流の値から上記被測定流体に含まれる測定対象物質の濃度を測定する機能を有することにより、従来よりも迅速且つ高精度に目的物質の測定を行うことができる。

上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることにより、従来よりも高精度の測定を実現するとともに、作用極と対極の両方に参照端子を設ける場合に比べて部品点数を減らすことができる。

上記参照端子は、上記作用極に接続された作用極参照端子と、上記対極に接続された対極参照端子とを含んでおり、上記計測回路は、上記作用極端子及び上記作用極参照端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記対極参照端子に接続された対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される第１の電流量信号と、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される第２の電流量信号のうち少なくとも一方を処理するための信号処理回路と
を有していることにより、作用極と作用極端子との間の抵抗と、対極と対極端子との間の抵抗の両方の影響を受けずに測定することができるので、作用極または対極の一方にのみ参照端子を接続させる場合に比べて測定精度を向上させることができる。

測定時には、上記作用極参照端子に印加される電圧が、上記作用極電圧印加部に供給される基準電圧とほぼ等しくなり、上記対極参照端子に印加される電圧が、上記対極電圧印加部に供給される基準電圧とほぼ等しくなることが、正確な測定のために好ましい。

上記計測回路に接続され、上記計測回路から出力された信号を解析するための回路をさらに備えていることにより、正確な測定が可能になる。

上記バイオセンサと上記計測回路とは同一のチップ上に設けられており、上記チップは交換可能になっていることにより、試料間の汚染を防ぎ、測定を簡便にすることができる。

上記計測回路は、上記第１の電流量信号及び上記第２の電流量信号を受けて、上記作用極と上記対極との間に流れる電流量を表す第３の電流量信号を上記信号処理回路に出力する電流量信号生成部をさらに有していることにより、後段に設けられる信号処理回路の構成を簡略化することができ、装置の小型化が可能となる。

上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記参照端子に接続された作用極電位参照回路と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電位参照回路及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。

測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記作用極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記作用極電位参照回路が信号を発生することが、精度の良い測定のためには好ましい。

上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記参照端子に接続された対極電位参照回路と、上記対極電位参照回路及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。

この場合、測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記対極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記対極電位参照回路が信号を発生することが、精度の良い測定のために好ましい。

上記参照端子は上記作用極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、上記作用極電圧印加部及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。

上記参照端子は上記対極に接続され、上記計測回路は、上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、上記対極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路とを有していてもよい。

また、装置全体が使い捨て可能であることにより、より簡便に測定を行なうことができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。なお、各実施例において共通の部材には同一符合を付し、その詳しい説明を省略するものとする。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図９は、第１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。

図９に示すように、本実施形態のバイオセンサ１５は、作用極１０１と、作用極１０１に対向する対極１０２と、共に作用極１０１に接続された作用極端子１０３及び作用極参照端子１０と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。作用極１０１と作用極端子１０３及び作用極参照端子１０との間、及び対極１０２と対極端子１０４との間は、Ａｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）などの比較的安価な金属からなる導電性配線により接続されている。また、対極１０２は、十分な断面積のある導電性配線を介して対極端子１０４に接続されているため、対極側での配線抵抗Ｒｍはほぼ０Ωとみなせる。それ故、対極１０２と対極端子１０４との間の導電性配線の断面積は、作用極１０１と作用極端子１０３との間の導電性配線の断面積よりも大きくなっている。

グルコースなどの被測定物質を含むサンプルは外部から作用極１０１及び対極１０２を含む反応部に導入され、測定が行われる。例えば、グルコースを測定する場合、血液サンプルが作用極１０１及び対極１０２に固定化されたグルコースオキシダーゼに触れると、化学反応によって過酸化水素を生じ、電子が発生する。すると、電極間に電流が流れ、この電流を測定することで、グルコース量が測定される。なお、グルコースオキシダーゼは、必ずしも両極に固定化される必要はなく、作用極１０１または対極１０２のいずれか一方に固定化されていればよい。

次に、図１に示す本実施形態のバイオセンサ装置は、上述のバイオセンサ１５と、作用極参照端子１０、作用極端子１０３及び対極端子１０４に接続された計測回路１６とを備えている。

計測回路１６は、作用極参照端子１０に接続された作用極電位参照回路８と、作用極端子１０３に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部１０５と、対極端子１０４に接続された対極電圧印加部１０６と、作用極電位参照回路８と対極電圧印加部１０６にそれぞれ作用極基準電圧Ｖｐｒ１及び対極基準電圧Ｖｍｒ１を供給する基準電圧源１１７と、作用極電圧印加部１０５に接続された信号処理回路１２１とを有している。

図２は、作用極電圧印加部１０５と対極電圧印加部１０６の具体的な回路構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置を示す回路図である。同図に示すように、作用極電圧印加部１０５はオペアンプに帰還抵抗Ｒｆを負帰還させた回路構成であり、対極電圧印加部１０６はオペアンプをＮｕｌｌ−アンプ構成、すなわち、バッファ回路構成とすることで上述した機能を実現している。

本実施形態のバイオセンサ及びバイオセンサ装置の特徴は、作用極１０１に接続される電極を作用極端子１０３と作用極参照端子１０の２つに分けたことである。この効果を以下に説明する。

まず、本実施形態のバイオセンサ装置においては、基準電圧源１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１が対極電圧印加部１０６でインピーダンス変換された後、対極電圧印加部１０６から対極端子１０４に印加電圧Ｖｍ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１ （１０）

また、基準電圧源１１７より発生した作用極基準電圧Ｖｐｒ１と、作用極参照端子１０からの作用極参照端子電圧Ｖｐ２とが作用極電位参照回路８に入力されると、その差電圧が０Ｖとなるように作用極電位参照回路８は作用極制御信号ｓ１３を発生する。作用極制御信号ｓ１３の電圧である作用極制御信号電圧はＶｐｒ２である。このとき、次式の関係が成り立つ。
Ｖｐ２＝Ｖｐｒ１ （１１）
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ２ （１２）

また、作用極制御信号電圧Ｖｐｒ２が作用極電圧印加部１０５によってインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部１０５から作用極端子１０３に作用極制御信号電圧Ｖｐｒ２が供給される。

次に、図１において、作用極１０１と作用極参照端子１０との間の導電性配線の配線抵抗をＲｐ２、配線を流れる作用極参照端子電流をＩｐ２とする。

ここで、作用極電位参照回路８の作用極参照端子１０側の入力は高入力インピーダンスとなっており、作用極参照端子１０に流れる電流は次式となる。
Ｉｐ２＝０ （１３）

従って、作用極参照端子電圧Ｖｐ２と作用極電圧Ｖｐは次式を満足する。
Ｖｐ２＝Ｖｐ （１４）

よって、式（１０）、（１１）、（１３）、（１４）よりセンサ印加電圧Ｖｆには次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ２−（Ｖｍ１＋Ｉｆ２・Ｒｍ１）
ここで、Ｒｍ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ２−Ｖｍ１
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （１５）

すなわち、センサ印加電圧Ｖｆには常に一定電圧が印加されることになる。

よって、本実施形態のバイオセンサ装置において式（８）に式（１５）を代入すると次式となる。
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ１＝ｆ（Ｑ） （１６）

従って、作用極１０１の導電性配線の配線抵抗Ｒｐ１による影響は全く発生せず、最終的なバイオセンサ装置で計測された血糖値には誤差が全く発生しない。
ここで、作用極端子電圧Ｖｐ１は作用極電位参照回路８と作用極電圧印加部１０５によって次式のように制御される。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ２
∴ Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１＋Ｒｐ１×Ｉｆ１ （１７）

以上のように、本実施形態のバイオセンサ装置は、作用極より分岐した作用極端子及び作用極参照端子と、対極に接続された対極端子の３電極を有するバイオセンサを備えること、及び作用極参照電圧Ｖｐ２と作用極基準電位Ｖｐｒ１との電位差が０となるように作用極制御信号ｓ１３を発生する作用極電位参照回路８を備えることにより、配線抵抗の影響を受けずに測定を行なうことが可能になっている。そのため、従来のバイオセンサ装置に比べて高精度の測定を行うことができる。

また、測定値が配線抵抗の影響を受けないので、従来のように高価な貴金属を配線に用いる必要がなくなり、製造コストの低減を図ることができる。

なお、本実施形態のバイオセンサ装置では、作用極電圧印加部１０５に流れた電流を信号処理回路１２１で処理して被測定物質の濃度を算出し、図示しない表示部などで表示する。

また、本実施形態のバイオセンサ装置において、導電性配線を多層化してもよい。

図１０は、導電性配線を多層化した場合の本実施形態のバイオセンサを示す図である。同図に示す例では、作用極１０１と作用極参照端子１０を接続する導電性配線が作用極端子１０３に接続する導電性配線とは異なる層に設けられており、２つの導電性配線が平面的に見て互いにオーバーラップして設けられている。

このような構造により、図９に示すバイオセンサに比べて面積を小さくすることができる。また、小面積化することにより、多種類の物質を測定するバイオセンサをチップに集積するのに有利となる上、製造コストの低減を図れる可能性もある。例えば、ブドウ糖測定用のバイオセンサと、ＧＯＴ、ＧＴＰなどの肝機能測定用のバイオセンサを組み合わせて多層化することにより、一度の採血で他種類の測定ができることとなり、患者の負担軽減にもつながる。

また、配線の多層化は、作用極のみならず対極側の導電性配線に適用してもよい。微細化が進むに従って、対極側の配線面積は狭くなるので、抵抗を０に近づけるのが難しくなってくる。そのため、対極側の配線を多層化して対極側の導電性配線を２層以上とすることで、実質的な配線面積を広げることができ、抵抗値を低減することが可能となる。

なお、現在のバイオセンサ装置で広く販売されているのは、対極及び作用極にグルコースオキシダーゼ等を固定化したグルコース測定用装置であるが、電極に固定化する物質を変えることで、該物質と結合する物質、あるいは反応する物質、または触媒反応により分解及び合成される物質を測定することが可能になる。例えば、電極に１本鎖のＤＮＡを固定することにより、このＤＮＡと対を作るＤＮＡあるいはＲＮＡを検出することができる。ＤＮＡが２本鎖になることにより、導電性が変化するので、電気的に検出することが可能となる。これは、病気の検査にも利用することができる。例えば、エイズの検査などでは、抗体が生じるまでに数ヶ月の期間を要するが、ＲＮＡ測定を行なうことにより、感染後速やかに感染を検出することができる。

その他にも、各種酵素などの生体物質を電極に固定化してもよいし、微生物を固定化してもよい。例えば、二酸化炭素を資化する微生物を固定化することにより、血液中の二酸化炭素を測定することもできる。なお、ここで生体物質とは、生物の体内に含まれるタンパク質、アミノ酸、遺伝子その他の有機物全般を指すものとする。

また、蛍光を利用する比色定量に比べ電気的定量はより詳細に測定値を把握することができるので、治療計画を立てる上でも、精密に測定を行うことができる本実施形態のバイオセンサ装置は有用である。

なお、本実施形態のバイオセンサ装置では、バイオセンサ１５、またはバイオセンサ及び計測回路１６のみが使い捨てであったが、表示部や各種機器を備える装置本体ごと使い捨てにしてもよい。

なお、対極側にも対極参照端子を設けた４端子構造を取ることもできるが、本実施形態のバイオセンサは、４電極構造に比べて部品点数が少なくてよいので、低コスト化が図れ、また配線面積を広く取りやすい。逆に、高い精度が要求される場合には、４端子構造のバイオセンサ装置が好ましい。これについては後の実施形態で詳述する。

なお、本実施形態のバイオセンサにおいて、作用極端子と作用極参照端子とは、作用極から分岐する形状となっているが、作用極端子に接続される導電性配線と作用極参照端子に接続される導電性配線が一部を共用し、途中から分岐するような形状であってもよい。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係るバイオセンサ７０を示す平面図及び透視図である。

同図に示すように、本実施形態のバイオセンサは、作用極１０１と、作用極１０１に対向する対極１０２と、作用極１０１に接続された作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。

本実施形態のバイオセンサの特徴は、対極１０２に接続された対極端子１０４が、作用極１０１の形成された面から裏側へ貫通し、裏面全体が対極端子となっていることである。

このような構造によれば、バイオセンサのサイズを変えずに対極端子側の配線抵抗値Ｒｍ１をさらに小さくすることができ、高精度なバイオセンサを実現できる。

以上のように本実施形態のバイオセンサによれば、作用極、作用極参照端子、対極を設けた３電極構造を有し、対極端子が作用極の形成された面から裏側へ貫通し、裏面全体が対極となることにより、高精度の測定を実現することができる。

（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。

同図に示すように、本実施形態のバイオセンサは、ほぼ円形の対極１０２と、対極１０２を一定間隔空けて囲む同心円のリング状をした作用極１０１と、作用極１０１に接続された作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。対極端子１０４は、作用極１０１が形成された面の裏側へ貫通し、裏面全体に設けられている。

本実施形態のバイオセンサでは、作用極１０１が同心円状に形成されているので、酵素と被測定物質との反応を均一に行わせることが可能になる。また、作用極にかかる電界が均一になり、より測定精度を向上させることができる。

また、第２の実施形態と同様に、対極端子１０４が裏面全体に設けられていることにより、対極側での抵抗が低減され、測定精度が向上している。

このように、本実施形態のバイオセンサによれば、従来に比べ、著しく高精度の測定を行うことができる。

なお、本実施形態のバイオセンサにおいて、作用極１０１は同心円状であったが、例えば半円状など、円周の一部の形を取ることで、作用極にかかる電界を均一にすることもできる。

（第４の実施形態）
図１３は、本発明の第４の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。同図に示すように、本実施形態のバイオセンサ７２は、作用極１０１と、作用極に対向するように設けられた対極１０２と、作用極１０１に接続され、裏面全体に設けられた作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４及び対極参照端子３とを有している。

本実施形態のように、対極側に参照電極を設けて３電極構造とすることもできる。この場合でも、第１の実施形態で説明したように、導電性配線の抵抗が測定値に影響を与えないので、高精度の測定が可能となる。このため、導電性配線を安価な金属で構成することができ、製造コストの低減を図ることができる。

なお、図１３に示す例では、作用極端子１０３が作用極１０１が形成された面の裏面全体に形成されていることにより、作用極側の抵抗値が著しく小さく抑えられている。ただ、必ずしも裏面に作用極端子１０３が設けられていなくともよい。

以上のように、本実施形態のバイオセンサによれば、高精度の測定が実現できる。また、微細化による配線抵抗の問題を解決することができるので、微細化が進んでも測定精度は低下しない。

（第５の実施形態）
図１４は、本発明の第５の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。同図に示すように、本実施形態のバイオセンサ７３は、ほぼ円形の作用極１０１と、一定の間隔を空けて作用極１０１を囲む対極１０２と、作用極１０１に接続され、基板の裏面上に設けられた作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、基板の上面全体に亘って設けられた対極端子１０４とを有している。

本実施形態のバイオセンサ７３によれば、作用極１０１及び作用極１０１を囲む対極１０２の内周が同心円状になっているので、酵素と被測定物質との反応を均一に行わせることが可能になる。また、電極にかかる電界が均一になり、より測定精度を向上させることができる。

加えて、対極端子１０４が基板の上面全体に設けられているので、対極側の抵抗Ｒｍ１を非常に小さく抑えることができる。そのため、本実施形態のバイオセンサは、測定精度が向上している。

このように、対極と作用極の内周を同心円状にし、対極端子１０４を基板の上面上に設けることで、高精度の測定が可能なバイオセンサが実現できる。

（第６の実施形態）
図３は、本発明の第６の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図４は、作用極電圧印加部２９及び対極電圧印加部２８の具体的な構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。

図３に示すように、本実施形態のバイオセンサ装置は、バイオセンサ１５と、バイオセンサ１５に接続された計測回路１６とを備えている。

バイオセンサ１５は、作用極１０１と、作用極１０１に対向する対極１０２と、作用極１０１に接続された作用極参照端子１０及び作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４とを有している。作用極１０１と作用極参照端子１０及び作用極端子１０３との間はそれぞれＣｕやＡｌなどからなる導電性配線によって接続されている。

また、計測回路１６は、作用極参照端子１０及び作用極端子１０３に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部２９と、対極端子１０４に接続された対極電圧印加部
２８と、作用極電圧印加部２９に作用極基準電圧Ｖｐｒ１を、対極電圧印加部２８に対極基準電圧Ｖｍｒ１それぞれ供給する基準電圧源１１７と、作用極電圧印加部２９に入力された電流を処理するための信号処理回路１２１とを有している。ここで、作用極電圧印加部２９は特開平１１−１５４８３３号公報（米国特許第５，９８６，９１０号）で開示された電圧電流変換回路である。

本実施形態のバイオセンサ装置において、基準電圧源１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１は対極電圧印加部２８でインピーダンス変換された後、対極電圧印加部２８から対極端子電圧Ｖｍ１が印加される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１ （１８）

また、作用極基準電圧Ｖｐｒ１とバイオセンサ１５の作用極参照端子１０の作用極参照端子電圧Ｖｐ２とが作用極電圧印加部２９に入力され、その差電圧がほぼ０Ｖとなるよう作用極端子１０３に作用極制御信号電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ２＝Ｖｐｒ１ （１９）

作用極端子１０３へ流れ出した電流の値は作用極電圧印加部２９で計測され、その結果である作用極電流量信号ｓ１２０は信号処理回路１２１に供給される。その測定した電流量に基づき被測定成分の濃度を換算した結果表示などが行われる。

また、作用極電圧印加部２９の作用極参照端子１０入力は高入力インピーダンスであるので、参照電極に流れる電流は次式となる。
Ｉｐ２＝０ （２０）

従って、作用極参照端子電圧Ｖｐ２と作用極電圧Ｖｐとは次式を満足する。
Ｖｐ２＝Ｖｐ （２１）

よって、式（１８）、（１９）、（２０）、（２１）よりセンサ印加電圧Ｖｆに関して次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ２−（Ｖｍ１＋Ｉｆ２・Ｒｍ１）

ここで、Ｒｍ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ２−Ｖｍ１
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （２２）

すなわち、センサ印加電圧Ｖｆには、常に一定電圧が印加されることになる。よって、本実施形態６において式（８）に式（２２）を代入すると次式となる。
Ｉｆ１＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ１＝ｆ（Ｑ） （２３）

従って、作用極１０１と作用極端子１０３とを結ぶ導電性配線の配線抵抗Ｒｐ１による影響は全く発生せず、バイオセンサ装置で計測された例えば血糖値には、誤差が含まれない。

ここで、作用極端子電圧Ｖｐ１は作用極電圧印加部２９によって次式のように制御される。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１＋Ｒｐ１×Ｉｆ１ （２４）

本実施形態のバイオセンサ装置が第１の実施形態に係るバイオセンサ装置と異なるのは、作用極参照端子１０及び作用極端子１０３の両方に接続される作用極電圧印加部２９を備えていることである。この構造により、回路を安定させるためのコンデンサを省くことができるので、回路全体の面積を小さくすることができる。

このように、作用極電圧印加部２９が作用極電位参照回路も兼ねる構造であっても、作用極側の配線抵抗の影響を受けない高精度のバイオセンサ装置を実現することができる。

なお、図４に示すように、作用極電圧印加部２９の具体例として負側の入力に作用極参照端子１０が、正側の入力に基準電圧源１１７に接続され、出力が作用極端子１０３に接続されたオペアンプを有する例を示したが、これ以外の構成であってもよい。

（第７の実施形態）
図５は、本発明の第７の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図６は、作用極電圧印加部１９及び対極電圧印加部１７の具体的な構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。

図５に示すように、本実施形態のバイオセンサ装置は、バイオセンサ７２とバイオセンサ７２に接続する計測回路１６とを備えている。

バイオセンサ７２は、作用極１０１と、作用極１０１に対向して設けられた対極１０２と、作用極１０１に接続された作用極端子１０３と、対極１０２に接続された対極端子１０４及び対極参照端子３とを有している。作用極１０１と作用極端子１０３とを接続する導電性配線の断面積は十分大きいので、配線抵抗はほぼ０Ωとすることができる。このバイオセンサ７２は、第４の実施形態のバイオセンサと同じく、対極参照端子３を有する構造である。

また、計測回路１６は、作用極端子１０３に接続された作用極電圧印加部１９と、対極端子１０４に接続され、電流計を有する対極電圧印加部１７と、対極参照電極３に接続された対極電位参照回路１と、作用極電圧印加部１９に作用極基準電圧Ｖｐｒ１を、対極電位参照回路１には対極基準電圧Ｖｍｒ１をそれぞれ供給する基準電圧源１１７と、入力された電流に応じて対極電圧印加部１７から出力される対極電流量信号ｓ１８を処理するための信号処理回路１２１とを有している。

本実施形態のバイオセンサ装置においては、基準電圧源１１７より発生した作用極基準電圧Ｖｐｒ１が作用極電圧印加部１９によりインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部１９から作用極端子１０３に作用極端子電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１ （２５）

また、基準電圧源１１７より発生した対極基準電圧Ｖｍｒ１と作用極参照端子電圧Ｖｍ２とが対極電位参照回路１に入力されると、対極電位参照回路１は、その差電圧が０Ｖとなるよう対極制御信号ｓ６を発生する。この対極制御信号ｓ６の電圧（作用極制御信号電圧）は、Ｖｍｒ２である。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ２＝Ｖｍｒ１ （２６）
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ２ （２７）

図５において、対極端子１０４へ流れ出した電流は対極電圧印加部１７で計測され、その結果は対極電流量信号ｓ１８の形で信号処理回路１２１に供給される。そして、測定した電流量に基づき被測定成分の濃度を換算し結果表示などが行われる。

上述の第１の実施形態と同様にして、センサ印加電圧Ｖｆに関して次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ１−（Ｖｍ２＋Ｉｆ１・Ｒｐ１）

ここで、Ｒｐ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ１−Ｖｍ２
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （２８）

Ｖｐｒ１とＶｍｒ１とは一定であるので、センサ印加電圧Ｖｆは常に一定値となる。
よって、本実施形態７において式（８）に式（２８）を代入すると次式となる。
Ｉｆ２＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ２＝ｆ（Ｑ） （２９）

従って、対極１０２側の導電性配線の配線抵抗Ｒｍ１は対極端子１０４を流れれるＩｆ２に影響を与えず、最終的なバイオセンサ装置で計測された血糖値は誤差を含まない。

ここで、対極端子電圧Ｖｍ１は対極電位参照回路１と対極電圧印加部１７によって次式のように制御される。
Ｖｍ１＝Ｖｍｒ２
∴ Ｖｍ１＝Ｖｍｒ１−Ｒｍ１×Ｉｆ２ （３０）

以上のように、本発明の第７の実施形態によれば、対極側に対極端子１０４と対極参照電極３とを有する３電極構造であっても導電性配線の抵抗によらず高精度な測定を行えることが分かる。その上、例えば４つ以上の電極を設ける場合に比べて部品点数が少なくて済むため、低コストで高精度のバイオセンサ装置を実現することができる。

また、図６に示す回路の具体例では、対極電圧印加部１７はオペアンプに帰還抵抗Ｒｇ２０を負帰還させた回路構成であり、作用極電圧印加部１９はオペアンプをＮｕｌｌ−アンプ構成、すなわち、バッファ回路構成としている。これにより、対極電圧印加部１７及び作用極電圧印加部１９が上述の機能を発揮する。なお、対極電圧印加部１７及び作用極電圧印加部１９がこれ以外の回路構成を有していてもよい。

（第８の実施形態）
図７は、本発明の第８の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図であり、図８は、作用極電圧印加部３１及び対極電圧印加部３０の具体的な構成を含む本実施形態のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。

図７に示すように、本実施形態のバイオセンサ装置は、バイオセンサ７２とバイオセンサ７２に接続された計測回路１６とを備えている。

このうち、バイオセンサ７２の構成は第７の実施形態と同一である。

そして、計測回路１６は、作用極電圧印加部３１と、対極端子１０４及び対極参照電極３に接続され、電流計を有する対極電圧印加部３０と、作用極電圧印加部３１に作用極基準電圧Ｖｐｒ１を、対極電圧印加部３０に対極基準電圧Ｖｍｒ１をそれぞれ供給する基準電圧源１１７と、対極電圧印加部３０からの対極電流量信号ｓ１８を処理するための信号処理回路１２１とを有している。

本実施形態のバイオセンサ装置が第７の実施形態と異なっているのは、対極電位参照回路１がなく、対極電圧印加部３０が対極端子１０４と対極参照電極３の両方に接続されている点である。

図７に示す本実施形態のバイオセンサ装置において、対極基準電圧Ｖｍｒ１と対極参照電極３の対極参照電極電圧Ｖｍ２とは共に対極電圧印加部３０に入力され、その差電圧が０Ｖとなるよう対極端子１０４に対して対極制御信号電圧Ｖｍｒ２が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｍ２＝Ｖｍｒ１ （３１）

また、作用極基準電圧Ｖｐｒ１が作用極電圧印加部３１によりインピーダンス変換された後、作用極電圧印加部３１から作用極端子１０３に電圧Ｖｐ１が供給される。このとき、次式が成り立つ。
Ｖｐ１＝Ｖｐｒ１ （３２）

一方、対極端子１０４へ流れ出した電流は対極電圧印加部３０で計測され、計測結果を示す対極電流量信号ｓ１８は信号処理回路１２１に供給される。そして、装置本体において、被測定成分の濃度を換算し結果表示などが行われる。

前述した第６の実施形態と同様に、センサ印加電圧Ｖｆには次式が成り立つ。
Ｖｆ＝Ｖｐ−Ｖｍ
＝Ｖｐ１−（Ｖｍ２＋Ｉｆ１・Ｒｐ１）

ここで、Ｒｐ１＝０Ωより、
Ｖｆ＝Ｖｐ１−Ｖｍ２
＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１
∴ Ｖｆ＝Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１ （３３）
すなわち、センサ印加電圧Ｖｆは一定電圧であることになる。

よって、式（８）に式（３３）を代入すると次式となる。
Ｉｆ２＝ｆ｛Ｑ、（Ｖｐｒ１−Ｖｍｒ１）｝
∴ Ｉｆ２＝ｆ（Ｑ） （３４）

従って、バイオセンサ装置で計測された血糖値は、対極１０２側の導電性配線の配線抵抗Ｒｍ１による影響受けず、誤差は発生しない。

以上のように、対極参照電極３と対極端子１０４とが共に対極電圧印加部３０に接続される場合にも、高精度の測定が実現できる。

また、図８に示す回路の具体例では、対極電圧印加部３０は負側の入力に対極参照電極３が、正側の入力に作用極基準電圧Ｖｍｒ１に接続され、出力が作用極端子１０３に接続されたオペアンプを有している。これは、特開平１１−１５４８３３号公報（米国特許第５，９８６，９１０号）で開示された電圧電流変換回路である。なお、これ以外の構成であってもよい。

（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態に係るバイオセンサチップについて、以下に説明する。

図１５は、本実施形態のバイオセンサチップを示す平面図であり、図１６は、本実施形態のバイオセンサチップの第１の変形例を示す平面図であり、図１７は、本実施形態のバイオセンサチップの第２の変形例を示す平面図であり、図１８は、本実施形態のバイオセンサチップの第３の変形例を示す平面図である。

図１５に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ３５は、図９に示す第１の実施形態に係るバイオセンサと、計測回路１６とが同一基板上に設けられた構造を有している。バイオセンサや計測回路１６は微細加工技術を用いて製造されており、作用極１０１と作用極端子１０３及び作用極参照端子１０を接続する導電性配線や対極１０２と対極端子１０４とを接続する導電性配線は薄膜化されている。また、対極側及び作用極側の導電性配線は例えばＡｌやＣｕなどの比較的安価な金属で構成されている。

また、本実施形態のバイオセンサチップ３５は、装置本体から取り外し可能となっており、使い捨て可能である。

このように、バイオセンサと計測回路１６とを一体化して１チップ化することにより、測定部分の小型化が実現されるとともに、既存の大量生産技術を用いて該バイオセンサチップを安価に供給することが可能となる。

なお、微細加工技術を用いて形成された場合、導電性配線は薄膜化されるため配線抵抗Ｒｐ１、Ｒｍ１及びＲｐ２は高抵抗化する。しかしながら、本発明のバイオセンサ装置では、配線抵抗の高低の如何に関係なく高精度な計測が実現されるため、高精度の測定に用いられ、且つ低価格のバイオセンサチップが実現する。また、サイズが小さいことから、バイオセンサ装置全体のサイズを小さくすることができる。

なお、第１の実施形態のバイオセンサに限らず、これまで説明したすべてのバイオセンサについて計測回路と共にチップ化することが可能である。

また、本実施形態のバイオセンサチップでは、用いる共通の基板はシリコン基板などの半導体基板やＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、ＳＯＳ（Silicon on Sapphire)基板、ガラス基板などの絶縁性基板など、いかなる基板であってもよい。ただし、バイオセンサの電極に塗布する酵素及び試薬類と反応しない基板を選ぶ必要がある。

また、図１６に示すように、図１０に示す導電性配線を多層化した場合のバイオセンサであっても、計測回路１６と共に共通の基板上に設けることができる。導電性配線を多層化することにより、バイオセンサの面積がさらに小さくできるので、より小型のバイオセンサチップ３７を製造することができる。

あるいは、図１７に示すように、図１１、１２に示すバイオセンサと計測回路１６とを同一基板上に設けてもよい。この変形例に係るバイオセンサチップ８０は、計測回路１６との共通基板の上に、バイオセンサを設けた基板と計測回路１６を設けた基板とを搭載している。そして、バイオセンサが設けられた基板の裏面全体には対極端子が設けられている。

また、図１８に示すように、図１３、１４に示した対極参照電極と対極端子との２電極が対極に接続されたバイオセンサであっても計測回路１６と共通の基板上に設けることができる。具体的には、バイオセンサを設けた基板と計測回路１６を設けた基板とを共通基板上に搭載する。

（第１０の実施形態）
図１９は、本発明の第１０の実施形態に係るバイオセンサチップ４０を示す平面図であり、図２０は、本実施形態に係るバイオセンサチップ４０を示す断面図である。

図１９、２０に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ４０は、３電極を有するバイオセンサが設けられたセンサチップ３８と、計測回路が設けられた計測回路チップ４３と、センサチップ３８及び計測回路チップ４３を支持する共通基板６０とを有している。そして、バイオセンサのうち対極端子１０４，作用極端子１０３及び作用極参照端子１０はそれぞれワイヤ３９により計測回路チップ４３と接続されている。

計測回路が設けられた基板が、バイオセンサ中の酵素やメディエーターを含む反応試薬等と親和性が悪い場合や反応性がある場合などは、図１５に示すバイオセンサチップのように、計測回路１６が設けられた基板と同一の基板上に設けることが難しい。そのため、本実施形態のようなチップ・オン・チップ構造が取られる。本実施形態のバイオセンサチップ４０においては、バイオセンサが設けられた基板と計測回路が設けられた基板とを任意に組み合わせることができる。

また、バイオセンサの導電性配線にも被測定成分に対応した酵素、メディエータとの関係から、計測回路１６の信号配線と同一物質を用いることができない場合がある。その場合にも、本実施形態のような構成が有用であり、この構成によって十分サイズの小さいバイオセンサチップが実現できる。

本実施形態のようなチップ・オン・チップ構造を取ることにより、どのような種類のバイオセンサであっても小型のチップ状にすることができる。かつ、特殊な工程を含まないので、製造コストも安くすることが可能である。

なお、本実施形態のバイオセンサチップにおいては、共通基板６０上にセンサチップ３８と計測回路チップ４３とを配置したが、共通基板６０がなく、直接センサチップ３８上に計測回路チップ４３を配置する構造でもよいし、逆に、計測回路チップ４３上にセンサチップ３８を配置したチップ・オン・チップ構造を有するバイオセンサチップであっても良い。

また、本実施形態では、センサチップと計測回路チップとの接続にワイヤを用いたが、センサチップの上面と計測回路チップの上面とを対向させてバンプ接続させる構造を取ってもよい。また、チップ同士をボール・グリッド・アレイ（略してＢＧＡ）などで結線した構造であっても良い。あるいは、基板を貫通するパッドまたは電極を設ける場合には、チップ同士を積層しても貫通電極経由で接続することもできる。これらの方法により信号伝達経路が短くなるので、より誤差が小さくなる可能性がある。

（第１１の実施形態）
図２１は、本実施形態の第１１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。

図２１に示すように、本実施形態のバイオセンサ７４は、例えば第１の実施形態で説明した作用極端子１０３、作用極参照端子１０、対極端子１０４の３電極を有するバイオセンサを２個、同一基板上に形成し、２つの対極端子１０４を共通化している。ここで、２つの対極端子１０４を共通化していることにより、電極数が低減され、バイオセンサの小型化、製造コストの低減などを図ることができる。

このように、異なる被測定成分に対応した酵素、メディエータなどよりなる反応試薬を用いたバイオセンサを２個配置することで、一度に異なる因子を測定することができるため、複数の検査を同時に行うことができるので、患者の負担を軽減することができる。１つのバイオセンサ装置に搭載するバイオセンサの種類は２種以上であればいくつでもよい。実用的には、１つのバイオセンサチップで特定の疾患の診断に必要な複数の検査を行えるようにしたり、定期検診を１つのバイオセンサチップで迅速に行なうことなどが好ましい。そのため、図２１ではバイオセンサが２個、同一基板上に形成する例を示したが、バイオセンサが３個以上であっても良い。

また、このバイオセンサを搭載したバイオセンサチップは取り外し可能であるので、装置本体はそのままで、検査目的に応じて異なるバイオセンサチップを選択することもできる。

なお、本実施形態のバイオセンサでは、対極端子同士を共通化したが、共通化できる電極であれば、いずれであっても良い。例えば、３電極を有する２つのバイオセンサを互いに対称の形に配置すれば、隣接する作用極参照端子１０を共通化することもできる。

（第１２の実施形態）
図２２は、本発明の第１２の実施形態に係るバイオセンサ７５を示す平面図及び透視図である。

同図に示すように、本実施形態のバイオセンサ７５は、第２の実施形態に係る２個のバイオセンサを同一基板上に形成し、２つの対極端子１０４を共通化したものである。つまり、バイオセンサ７５の裏面全面には、２つの対極１０２に接続された共通の対極端子１０４が設けられている。

このように、裏面全面に対極端子が設けられているバイオセンサの場合でも、２つ以上配置し、対極端子を共通化することによって、異なる被測定物質を同時に測定することが可能となり、且つ電極数を削減し、小型化を図ることができる。また、電極数が減るので、製造も容易となる。また、バイオセンサの対極端子は、共通化することによってさらに大きい面積を確保できることになり、抵抗値を理想値の０Ωに近づけることができる。

なお、本実施形態では２個のバイオセンサを配置したが、３個以上のバイオセンサを配置しても良い。

また、第５の実施形態のように、対極が基板上面の全面に設けられたバイオセンサを複数個配置する場合も、対極端子を共通化することができる。

また、対極側または作用極側の導電性配線や電極を多層化した場合でも、２個以上のバイオセンサを１つのバイオセンサにまとめることができる。

（第１３の実施形態）
図２３は、本実施形態の第１３の実施形態に係るバイオセンサチップ８１を示す平面図である。

同図に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ８１は、作用極端子１０３、作用極参照端子１０及び対極端子１０４の３電極を有するそれぞれがセンサ部１３１を有するバイオセンサ２個と、それぞれのバイオセンサに接続された計測回路１６とを有している。そして、バイオセンサと計測回路１６とは同一基板上に設けられている。また、隣接するバイオセンサの対極端子１０４は互いに共通となっている。

バイオセンサの各々は、互いに異なる物質を測定することが可能となっているため、同時に複数の測定が可能となる。

なお、図２３ではバイオセンサと計測回路１６を並べて配置する例を示したが、例えばバイオセンサの上に計測回路を設けたチップを積層するような構造であってもよい。その場合、計測回路とバイオセンサとの接続は、ワイヤを用いてもよいし、ＢＧＡを用いてもよいし、基板を貫通する貫通電極を用いてもよい。

（第１４の実施形態）
図２４は、本発明の第１４の実施形態に係るバイオセンサチップ８２を示す回路図であり、図２５は、本実施形態のバイオセンサチップ８２を示す平面図である。

図２４に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ８２は、第１のバイオセンサ５８と、第２のバイオセンサ５９と、第１のバイオセンサ５８及び第２のバイオセンサ５９に接続された計測回路モジュール５７とを有している。

図２５に示すように、第１のバイオセンサ５８，第２のバイオセンサ５９のそれぞれは作用極端子、作用極参照端子及び対極を有しており、互いの対極は接続されている。

そして、計測回路モジュール５７は、第１のバイオセンサ５８及び第２のバイオセンサ５９に接続された計測回路１６と、第１のバイオセンサ５８の作用極端子及び作用極参照端子と計測回路１６との間に設けられた第１のスイッチ群５４と、第２のバイオセンサ５９の作用極端子及び作用極参照端子と計測回路１６との間に設けられた第２のスイッチ群５６と、第１のスイッチ群５４及び第２のスイッチ群５６のオン、オフを制御するための選択制御回路５２とを有している。

選択制御回路５２は、接続制御信号ｓ５３を供給して第１のスイッチ群５４のスイッチングを制御し、接続制御信号ｓ５５を供給して第２のスイッチ群５６のスイッチングを制御している。具体的には、第１のバイオセンサ５８で測定する場合には第１のスイッチ群５４がオンに、第２のスイッチ群５６がオフになるよう制御し、第２のバイオセンサ５９で測定する場合には第１のスイッチ群５４がオフに、第２のスイッチ群５６がオンになるように制御する。

本実施形態のバイオセンサチップ８２によれば、２個のバイオセンサに対して１つの計測回路のみで測定できるため、複数の物質を測定することができる上、チップ面積をさらに小さくすることができる。また、この構造により、製造コストの低減も図られる。

本実施形態のバイオセンサチップにおいては、第１のスイッチ群５４及び第２のスイッチ群５６が多少のオン抵抗を持つ場合があるが、このオン抵抗は等価的にバイオセンサの導電性配線の配線抵抗に含まれるため、本回路構成においても測定精度は低下しない。

なお、本実施形態のバイオセンサチップでは、同一基板上に２個のバイオセンサが形成されていたが、３個以上のバイオセンサが形成されていてもよい。また、スイッチによって計測されるバイオセンサが選択できるので、３個以上のバイオセンサが１つの計測回路に接続されていてもよい。

また、本実施形態では第１のバイオセンサ５８，第２のバイオセンサ５９と計測回路モジュール５７とを同一基板上に形成したが、共通基板の上にバイオセンサ及び計測回路モジュールを有する個々のチップが搭載されている構造でも良い。

また、複数のチップが積層され、ＢＧＡや貫通電極、またはワイヤなどで接続されている構造であってもよい。

なお、本実施形態のバイオセンサチップは、作用極端子、作用極参照端子、対極端子の３電極を有するバイオセンサを有していたが、作用極端子、対極端子、対極参照電極の３電極を有するバイオセンサを有していてもよい。

（第１５の実施形態）
図２６は、本発明の第１５の実施形態に係るバイオセンサチップ８３を示す平面図である。

図２６に示すように、本実施形態のバイオセンサチップ８３は、作用極端子１０３、作用極参照端子１０、対極端子１０４及び被測定流体を反応させるためのセンサ部１３１を有するバイオセンサが基板上に２個設けられており、同一基板上に２個のバイオセンサに接続された１つの計測回路５０が設けられている。

本実施形態のバイオセンサチップ８３の特徴は、互いに異なる被測定成分に対応したバイオセンサのセンサ部１３１が隣接して設けられていることである。この反応部には、酵素またはメディエータなどよりなる反応試薬が塗布された対極及び作用極が含まれている。

本実施形態のバイオセンサチップでは、２つのバイオセンサの反応部が隣接しているので、血液サンプルを１点のみ点着するだけで２種類の測定ができる。このため、バイオセンサの点着部構造が簡素化される。また、血液サンプルが極微小量ですむことにより、被験者の採血の負担が非常に軽くて済む。

なお、本実施形態のバイオセンサチップにおいて、３種類以上のバイオセンサの反応部を互いに隣接させて設けることも可能である。これにより、３種類以上の測定をより簡単な点着部構造で実現することができる。また、血液サンプルの必要量も少なくすることができる。

（第１６の実施形態）
これまでの実施形態では、３つの端子を有しているバイオセンサと、これを有するバイオセンサチップ及びバイオセンサ装置とを説明したが、これ以降の実施形態では、バイオセンサが４つの端子を有する例について説明する。

図２７および図２８は、本発明の第１６の実施形態に係るバイオセンサ装置の回路構成を示す。これらの図に示すバイオセンサ装置は、本発明のバイオセンサ２１０が装着され、計測回路２２０とバイオセンサ２１０とが電気的に接続された状態にある。バイオセンサ２１０の構成については後述する。なお、バイオセンサ装置は、ここで示すバイオセンサ２１０や計測回路２２０の他、必要に応じてデータ解析装置や測定結果の表示部などを備えている。

図２７に示した計測回路２２０は、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａ（本発明の第１の作用極端子に相当）に電圧Ｖｐ１（本発明の第１の作用極電圧に相当）を印加する作用極電圧印加部２２１Ａと、バイオセンサ２１０の対極端子２１４ａ（本発明の第１の対極端子に相当）に電圧Ｖｍ１（本発明の第１の対極電圧に相当）を印加する対極電圧印加部２２２と、作用極電圧印加部２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２にそれぞれ電圧Ｖｐｒ（本発明の作用極基準電圧に相当）および電圧Ｖｍｒ（本発明の対極基準電圧に相当）を供給する基準電圧源２２３と、作用極電圧印加部２２１Ａから出力される作用極電流量信号ＣＶ１を処理する信号処理回路２２４とを備えている。

一方、図２８に示した計測回路２２０は、上記の作用極電圧印加部２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２に代えて、それぞれ作用極電圧印加部２２１および対極電圧印加部２２２Ａを備え、信号処理回路２２４は、対極電圧印加部２２２Ａから出力される対極電流量信号ＣＶ２を処理するものである。

作用極電圧印加部２２１は、バイオセンサ２１０の作用極参照端子２１３ｂの電圧Ｖｐ２を参照する。作用極電圧印加部２２１は、電圧Ｖｐ２を参照するのみであり、入力インピーダンスは高く、作用極参照端子２１３ｂに流れる電流Ｉｐ２はほぼゼロである。したがって、作用極参照端子２１３ｂの抵抗値Ｒｐ２に起因する電圧降下はなく、電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐ（本発明の第２の作用極電圧に相当）とは等しいと考えてよく、実質的に、作用極電圧印加部２２１は、作用極参照端子２１３ｂを通じて作用極２１１の電圧Ｖｐを参照し、この電圧Ｖｐと与えられた電圧Ｖｐｒとが一致するように、電圧Ｖｐ１を生成している。

作用極電圧印加部２２１Ａは、上記の作用極電圧印加部２２１の機能に加えて、作用極端子２１３ａに流れる作用極電流Ｉｆ１を計測する機能を有しており、計測した作用極電流Ｉｆ１の大きさに応じた作用極電流量信号ＣＶ１を出力する。

対極電圧印加部２２２は、バイオセンサ２１０の対極端子２１４ｂ（本発明の第２の対極端子に相当）の電圧Ｖｍ２を参照する。対極電圧印加部２２２は、電圧Ｖｍ２を参照するのみであり、入力インピーダンスは高く、対極端子２１４ｂに流れる電流Ｉｍ２はほぼゼロである。したがって、対極端子２１４ｂの抵抗値Ｒｍ２に起因する電圧降下はなく、電圧Ｖｍ２と電圧Ｖｍ（本発明の第２の対極電圧に相当）とは等しいと考えてよく、実質的に、対極電圧印加部２２２は、対極端子２１４ｂを通じて対極２１２の電圧Ｖｍを参照し、この電圧Ｖｍと与えられた電圧Ｖｍｒとが一致するように、電圧Ｖｍ１を生成している。

対極電圧印加部２２２Ａは、上記の機能に加えて、対極端子２１４ａに流れる対極電流Ｉｆ２を計測する機能を有しており、計測した対極電流Ｉｆ２の大きさに応じた対極電流量信号ＣＶ２を出力する。

図２９は、作用極電圧印加部２２１，２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２，２２２Ａのいくつかの回路例を示したものである。以下、同図に示した各回路の構成について順に説明する。

図２９（ａ）は、作用極電圧印加部２２１または対極電圧印加部２２２の回路例を示す。同図に示した作用極電圧印加部２２１または対極電圧印加部２２２は、図４４に示した従来の計測回路１１２３における対極側電圧源１１０６に、電圧Ｖｐｒまたは電圧Ｖｍｒに代えて電圧参照回路４３０の出力を与える構成となっている。以下、作用極電圧印加部２２１を例に説明する。

電圧参照回路４３０は、オペアンプによって構成され、その反転入力端子および非反転入力端子には、それぞれ電圧Ｖｐ２，Ｖｐｒが与えられる。電圧参照回路４３０は、電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐｒとが等しくなるように電圧を出力する。電圧源４２０であるオペアンプはこの電圧を入力とし、この電圧に相当する電圧Ｖｐ１を出力する。

図２９（ｂ）は、作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａの回路例を示す。同図に示した作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａは、図４４に示した従来のバイオセンサ装置における電圧源に、電圧Ｖｐｒ１または電圧Ｖｍｒ１に代えて電圧参照回路４３０の出力を与える構成となっている。以下、作用極電圧印加部２２１Ａを例に説明する。

電圧参照回路４３０であるオペアンプは、入力とする電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐｒとが等しくなるように、電圧を出力する。この出力電圧は、電圧源４１０であるオペアンプの非反転入力端子に与えられる。このオペアンプの負帰還部には抵抗素子が設けられており、この抵抗素子を流れる作用極電流Ｉｆ１の大きさに応じた作用極電流量信号ＣＶ１が出力される。

図２９（ｃ）は、作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａの回路例を示す。同図に示した作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａは、電圧参照回路４３０および電圧電流変換回路４４０を有する。本回路は、たとえば、特開平１１−１５４８３３号公報や米国特許第５９８６９１０号明細書に開示された電圧電流変換回路と同様の構成をしている。以下、作用極電圧印加部２２１Ａを例に説明する。

電圧参照回路４３０は、入力とする電圧Ｖｐ２と電圧Ｖｐｒとが等しくなるように、電圧Ｖｐ１を出力する。電圧電流変換回路４４０は、電圧参照回路４３０の出力を制御する信号を入力とし、作用極電流量信号ＣＶ１を出力する。

次に、本実施形態の計測回路２２０によってバイオセンサ２１０に印加される電圧、および計測される電流について説明する。

作用極電圧印加部２２１，２２１Ａによって、電圧Ｖｐと電圧Ｖｐｒとが一致するように、電圧Ｖｐ１が生成され、作用極端子２１３ａに印加される。これにより、作用極端子２１３ａの抵抗値Ｒｐ１に起因する電圧降下が発生しようとも、電圧Ｖｐを電圧Ｖｐｒに固定することができる。

同様に、対極電圧印加部２２２，２２２Ａによって、電圧Ｖｍと電圧Ｖｍｒとが一致するように、電圧Ｖｍ１が生成され、対極端子２１４ａに印加される。これにより、対極端子２１４ａの抵抗値Ｒｍ１に起因する電圧降下が発生しようとも、電圧Ｖｍを電圧Ｖｍｒに固定することができる。

したがって、計測回路２２０によってバイオセンサ２１０の作用極２１１と対極２１２との間に印加される電圧Ｖｆは、次式（３５）のようになる。
Ｖｆ＝（Ｖｐｒ−Ｖｍｒ） （３５）
そして、式（８）および式（３５）から、電圧の印加によってバイオセンサ２１０に流れる電流Ｉｆは、次式（３６）のようになる。
Ｉｆ＝ｆ｛Ｑ，Ｖｐｒ−Ｖｍｒ｝ （３６）

式（３５）と式（７）とを比較すると、式（３５）では、作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａの配線抵抗Ｒｐ１，Ｒｍ１による電圧降下が無いことがわかる。すなわち、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａの配線抵抗に因らず、作用極２１１と対極２１２との間に印加される電圧Ｖｆを所定値とすることができる。したがって、バイオセンサ２１０に流れる電流は、誤差を含んでいない。そして、この電流は、作用極電流Ｉｆ１または対極電流Ｉｆ２として作用極電圧印加部２２１Ａまたは対極電圧印加部２２２Ａによって計測され、作用極電流量信号ＣＶ１または対極電流量信号ＣＶ２となる。作用極電流量信号ＣＶ１または対極電流量信号ＣＶ２は、信号処理回路２２４によって処理され、測定対象の化学物質の濃度が算出される。

以上、本実施形態によると、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａの配線抵抗に因らず、作用極２１１と対極２１２との間に所定の電圧Ｖｆを印加することができる。これにより、誤差を含まない正確な電流が計測可能となり、バイオセンサ装置の測定精度を向上させることができる。特に、本実施形態のバイオセンサ装置によると、作用極参照端子２１３ｂ及び対極参照端子２１４ｂを設けていることにより、いずれか一方の参照端子のみを設ける場合に比べて測定精度をさらに向上させることが可能となっている。

なお、図２９（ａ）に示した作用極電圧印加部２２１または対極電圧印加部２２２において、電圧源４２０を省略し、電圧参照回路４３０の出力をそのまま電圧Ｖｐ１または電圧Ｖｍ１としてもよい。また、電圧源４２０および電圧参照回路４３０は、オペアンプ以外で実現してもよい。このような変更を加えても、本発明が奏する効果を何ら損なうものではない。

また、作用極２１１および対極２１２のいずれか一方を第１の極とし、他方を第２の極としたとき、第１の極（たとえば、作用極２１１）に接続された第１の電極（たとえば、作用極端子２１３ａ）に第１の電圧（たとえば、電圧Ｖｐ１）を印加する第１の電圧印加部は従来のものとし、第２の極（たとえば、対極２１２）に接続された第２の電極（たとえば、対極端子２１４ａ）に第２の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ１）を印加する第２の電圧印加部は、本実施形態に係るもの（たとえば、対極電圧印加部２２２）とする。そして、この第２の電圧印加部は、第２の極に接続された第３の電極（たとえば、対極端子２１４ｂ）を通じて第２の極の第３の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ）を参照し、この第３の電圧と与えられた基準電圧（たとえば、電圧Ｖｍｒ）とが一致するように、第２の電圧を生成する。このように、作用極電圧印加部２２１，２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２，２２２Ａのいずれか一方を省略した場合でも、従来と比較して、より精度の向上したバイオセンサ装置を実現することができる。

（第１７の実施形態）
図３０は、本発明の第１７の実施形態に係るバイオセンサ装置の回路構成を示す。本実施形態の計測回路２２０Ａは、バイオセンサ２１０の作用極端子２１３ａおよび対極端子２１４ａに電圧を印加する手段として、それぞれ、第１６の実施形態で説明した作用極電圧印加部２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２Ａを備え、これらから出力される作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２を処理して、測定対象の化学物質の分析を行うものである。以下、計測回路２２０Ａについて説明するが、第１６の実施形態において既に説明した内容については説明を省略し、図２７および図２８に付した符号と同一の符号を付して参照する。

作用極電圧印加部２２１Ａは、バイオセンサ２１０に流れる電流として作用極端子２１３ａに流れる電流Ｉｆ１を計測し、作用極電流量信号ＣＶ１を出力する。作用極電圧印加部２２１Ａは、図２９（ｂ）および（ｃ）に示した回路のほかさまざまな構成が可能である。

対極電圧印加部２２２Ａは、バイオセンサ２１０に流れる電流として対極端子２１４ａに流れる電流Ｉｆ２を計測し、対極電流量信号ＣＶ２を出力する。対極電圧印加部２２２Ａは、図２９（ｂ）および（ｃ）に示した回路のほかさまざまな構成が可能である。

信号処理回路２２４Ａは、作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２を処理する。第１６の実施形態では、処理される信号が作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２のいずれか一方であったが、本実施形態では、これらをいずれも用いることによって、バイオセンサ２１０に流れる電流に関する情報量が２倍になる。したがって、第１６の実施形態と比較して、Ｓ／Ｎ比を約６ｄｂ向上させることができる。

以上、本実施形態によると、バイオセンサ装置の測定精度をさらに（Ｓ／Ｎ比で約６ｄｂ）向上させることができる。また、作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２の双方を処理することによって、同相のノイズを低減することができるという効果を奏する。

（第１８の実施形態）
図３１は、本発明の第１８の実施形態に係るバイオセンサ装置の回路構成を示す。本実施形態の計測回路２２０Ｂは、第１７の実施形態の計測回路２２０Ａに、さらに電流量信号生成部２２５を備えたものである。以下、計測回路２２０Ｂについて説明するが、第１７の実施形態において既に説明した内容については説明を省略し、図３０に付した符号と同一の符号を付して参照する。

電流量信号生成部２２５は、作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２を入力とし、バイオセンサ２１０に流れる電流の大きさを表す電流量信号ＣＶを出力とする。電流量信号生成部２２５は、たとえば、図３１に示すように、差動シングル変換器によって実現可能である。差動シングル変換器は、入力とする２つの信号を加算し、一の信号を出力する。すなわち、本実施形態において、電流量信号ＣＶは、作用極電流量信号ＣＶ１と対極電流量信号ＣＶ２とが加算されたものである。

信号処理回路２２４Ｂは、第１６の実施形態の計測回路２２０における信号処理回路２２４とほぼ同様の構成をしており、電流量信号ＣＶを入力とし、測定対象の化学物質の濃度を算出する。

以上、本実施形態によると、電流量信号生成部２２５によって作用極電流量信号ＣＶ１および対極電流量信号ＣＶ２が一の電流量信号ＣＶに変換されるため、第１７の実施形態と比較して、信号処理回路２２４Ｂの構成を簡易化することができる。これにより、バイオセンサ装置を小型化することができ、さらには、低コスト化を図ることができる。なお、電流量信号生成部２２５の構成は、図３１に示した差動シングル変換器以外でも実現可能である。

（第１９の実施形態）
図３２は、本発明の第１９の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０は、たとえば、上記の第１から第１８の実施形態の計測回路２２０，２２０Ａ，２２０Ｂによって使用されるものである。

バイオセンサ２１０は、作用極２１１から延びる作用極端子２１３ａ，２１３ｂおよび対極２１２から延びる対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂを備えている。図示していないが、作用極２１１および対極２１２の組み合わせからなるセンサ部には、測定対象の化学物質に応じて酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布されている。バイオセンサ２１０を用いることによって、オリゴヌクレオチド、抗原、酵素、ペプチド、抗体、ＤＮＡフラグメント、ＲＮＡフラグメント、グルコース、乳酸およびコレステロールなどの１対の化学物質、または分子構造間での結合反応を電子的に検出することができる。

作用極端子２１３ａは、計測回路（装置本体）からの電圧印加用の端子であり、作用極参照端子２１３ｂは、電圧参照用の電極である。ただし、作用極端子２１３ａと作用極参照端子２１３ｂの配置は入れ替えてもよい。

同様に、対極端子２１４ａは、計測回路からの電圧印加用の端子であり、対極参照端子２１４ｂは、電圧参照用の端子である。ここでも、両端子の配置を互いに入れ替えることができる。

そして、バイオセンサ２１０は、作用極端子と対極端子との間に電圧が印加されることによって、センサ部に付着された血液などの体液に含まれる特定の化学物質の濃度に応じた電流を流す。このとき作用極２１１および対極２１２に生じている電圧は、それぞれ作用極参照端子および対極参照端子の電圧を参照することによって知ることができる。

以上、本実施形態によると、バイオセンサ２１０に作用極端子２１３ａ，作用極参照端子２１３ｂおよび対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂをそれぞれ設けることによって、作用極２１１および対極２１２の電圧を参照しながら、作用極２１１および対極２１２に印加される電圧を調整することができ、作用極２１１と対極２１２との間に印加される電圧を所定値にすることができる。これにより、作用極端子２１３ａ，作用極参照端子２１３ｂおよび対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂに接続される配線に低抵抗の貴金属を用いなくとも、配線抵抗による電流誤差を無くすことが可能となる。

なお、本実施形態のバイオセンサは、作用極端子と作用極参照端子とを１つずつ有し、対極端子と対極参照端子も１つずつ有しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、各端子をさらに設けてもよい。すなわち、作用極端子、作用極参照端子、対極端子、対極参照端子はそれぞれ２個以上設けられていてもよく、作用極端子と対極端子との個数が異なっていてもよい。また、作用極端子の数と作用極参照端子の数、あるいは対極端子の数と対極参照端子の数が異なっていてもよい。

また、作用極２１１および対極２１２のいずれか一方を第１の極とし、他方を第２の極としたとき、第１の極（たとえば、作用極２１１）側の端子を１個とし、第２の極（たとえば、対極２１２）側の端子を複数個としてもよい。このような構造をしたバイオセンサであっても、第２の極に接続された複数の端子のうち、いずれかを第２の極に電圧を印加するためのものとし、別のいずれかを第２の極の電圧を参照するためのものとすることによって、従来と比較して、配線抵抗による電流誤差をより低減することができる。

（第２０の実施形態）
図３３は、本発明の第２０の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０Ａは、第１９の実施形態のバイオセンサ２１０の電極を重層構造にしたものである。同図に示すように、作用極端子２１３ａと作用極参照端子２１３ｂとが互いに重層される（平面的に見てオーバーラップする）とともに、対極端子２１４ａと対極参照端子２１４ｂとが重層されている。これにより、バイオセンサを小型化することができ、さらには、低コスト化を図ることができる。

なお、本実施形態では、作用極端子と作用極参照端子、および対極端子と対極参照端子とがそれぞれ重層されているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、作用極端子と対極端子、作用極端子と対極参照端子、あるいは作用極参照端子と対極端子とを重層することによっても、上記と同様の効果を得ることができる。

（第２１の実施形態）
図３４は、本発明の第２１の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０Ｂは、第１９の実施形態のバイオセンサ２１０を２個、同一の基板上に形成したものである。図示していないが、作用極２１１ａおよび対極２１２ａの組み合わせからなるセンサ部と、作用極２１１ｂおよび対極２１２ｂの組み合わせからなるセンサ部とには、互いに異なる測定対象の化学物質に対応した酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布されている。このように、同一の基板上に複数センサ部を設けることによって、一度に複数の化学物質の測定が可能となり、より高性能かつ低価格なバイオセンサを実現することができる。

なお、本実施形態では、バイオセンサ２１０Ｂにセンサ部を２個備えているが、３個以上備えるようにしてもよい。

（第２２の実施形態）
図３５は、本発明の第２２の実施形態に係るバイオセンサの構造を示す。本実施形態のバイオセンサ２１０Ｃは、第２１の実施形態のバイオセンサ２１０Ｂにおける対極２１２ａ，２１２ｂを１個にまとめたものである。バイオセンサ２１０Ｃにおける対極２１２は、作用極２１１ａに対するものでもあるし、また、作用極２１１ｂに対するものでもある。すなわち、作用極２１１ａ，２１１ｂは、一の対極２１２を共用している。したがって、バイオセンサ２１０Ｂにおける対極端子２１４ｃ，対極参照端子２１４ｄが省略可能となり、バイオセンサ２１０Ｃは、対極端子２１４ａと対極参照端子２１４ｂとを１個ずつ備えればよくなる。これにより、バイオセンサをさらに小型化することができる。

なお、本実施形態では、２個の作用極２１１ａ，２１１ｂが一の対極２１２を共用しているが、バイオセンサに３個以上の作用極を設けて、これら作用極が一の対極を共用するようにしてもよい。また、これとは逆に、バイオセンサに複数の対極を設けて、これら対極が一の作用極を共用するようにしてもよい。

（第２３の実施形態）
図３６は、本発明の第２３の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０は、測定対象の化学物質に応じた酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布され、電圧が印加されることによって、付着された血液などの体液に含まれる特定の化学物質の濃度に応じた電流を流すセンサ部２３１と、センサ部２３１に電圧を印加し、このとき流れる電流を計測する計測回路２３２とを備えている。また、センサ部２３１と計測回路２３２とは、作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂによって電気的に接続されている。

センサ部２３１、作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂからなる部分は、第１９の実施形態のバイオセンサと同様の構成をしている。すなわち、作用極配線２３３ａおよび対極配線２３４ａは、それぞれ作用極２１１および対極２１２への電圧印加に用いられる一方、作用極配線２３３ｂおよび対極配線２３４ｂは、それぞれ作用極２１１および対極２１２の電圧参照に用いられる。また、計測回路２３２は、たとえば、第１から第１８の実施形態で説明した計測回路２２０，２２０Ａ，２２０Ｂ，２２０Ｃと同様の回路構成をしている。すなわち、バイオセンサチップ２３０は、本発明のバイオセンサおよびバイオセンサ装置を１チップ上に形成したものである。

バイオセンサチップ２３０における作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂは、微細加工により薄膜化され、抵抗値が増すことになる。しかし、本実施形態によると、上記の説明の通り、この抵抗値に影響されない電流を計測することができる。したがって、高精度で超小型、かつ低価格なバイオセンサチップを実現することができる。

なお、バイオセンサチップ２３０が形成される基板は、シリコン基板、シリコン・オン・インシュレータ基板、シリコン・オン・サファイア基板、ガラス基板などの、センサ部２３１および計測回路２３２が形成可能な基板であれば、どのような物質や構造であってもよい。

また、作用極２１１および対極２１２のいずれか一方を第１の極とし、他方を第２の極としたとき、第１の極（たとえば、作用極２１１）と計測回路２３２とを接続する第１の配線（たとえば、作用極配線２３３ａ）に第１の電圧（たとえば、電圧Ｖｐ１）を印加する第１の電圧印加部は従来のものとし、第２の極（たとえば、対極２１２）と計測回路２３２とを接続する第２の配線（たとえば、対極配線２３４ａ）に第２の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ１）を印加する第２の電圧印加部は、本実施形態に係るもの（たとえば、対極電圧印加部２２２，２２２Ａ）とする。そして、この第２の電圧印加部は、第２の極と計測回路２３２とを接続する接続する第３の配線（たとえば、対極配線２３４ｂ）を通じて第２の極の第３の電圧（たとえば、電圧Ｖｍ）を参照し、この第３の電圧と与えられた基準電圧（たとえば、電圧Ｖｍｒ）とが一致するように、第２の電圧を生成する。このように、計測回路２３２において、作用極電圧印加部２２１，２２１Ａおよび対極電圧印加部２２２，２２２Ａのいずれか一方を省略した場合でも、高精度で超小型、かつ低価格なバイオセンサチップを実現することができる。

（第２４の実施形態）
図３７は、本発明の第２４の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ａは、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０における配線を重層構造にしたものである。同図に示すように、作用極配線２３３ａ，２３３ｂが重層されるとともに、対極配線２３４ａ，２３４ｂが重層されている。これにより、バイオセンサチップを小型化することができ、さらには、低価格化を図ることができる。

なお、本実施形態では、作用極配線どうしおよび対極配線どうしを重層しているが、作用極配線と対極配線とを重層することによっても、上記と同様の効果を得ることができる。

（第２５の実施形態）
図３８は、本発明の第２５の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｂは、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０におけるセンサ部および計測回路をそれぞれ２個、同一の基板上に形成したものである。図示していないが、センサ部２３１ａとセンサ部２３１ｂとには、互いに異なる測定対象の化学物質に対応した酵素やメディエータなどからなる反応試薬が塗布されている。このように、同一の基板上に複数センサ部を設けることによって、一度に複数の化学物質の測定が可能となり、より高性能かつ低価格なバイオセンサチップを実現することができる。

なお、本実施形態では、バイオセンサチップ２３０Ｂにセンサ部を２個備えているが、３個以上備えるようにしてもよい。

（第２６の実施形態）
図３９は、本発明の第２６の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｃは、第２５の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｂにおける計測回路２３２ａ，２３２ｂを一つにまとめ、計測回路モジュール２３５としたものである。

図４０は、計測回路モジュール２３５の回路構成を示す。計測回路モジュール２３５は、計測回路２３２、第１のバイオセンサ４３１ａと計測回路２３２との接続／開放を切り換えるスイッチ２３６ａ，２３６ｂ，２３６ｃ，２３６ｄ、第２のバイオセンサ４３１ｂと計測回路２３２との接続／開放を切り換えるスイッチ２３６ｅ，２３６ｆ，２３６ｇ，２３６ｈ、およびスイッチ２３６ａ〜２３６ｈの動作を制御する選択制御回路２３７を備えている。なお、スイッチ２３６ａ〜２３６ｈおよび選択制御回路２３７は、本発明の切替手段に相当するものである。

選択制御回路２３７は、制御信号ＳＥＬ１によって、スイッチ２３６ａ〜２３６ｄをすべて閉じるかまたは開くかの制御をする。また、制御信号ＳＥＬ２によって、スイッチ２３６ｅ〜２３６ｈをすべて閉じるかまたは開くかの制御をする。ただし、すべてのスイッチ２３６ａ〜２３６ｈは、同時に閉じることはないものとする。すなわち、選択制御回路２３７は、第１のバイオセンサ４３１ａ，第２のバイオセンサ４３１ｂのいずれか一つを選択して、この選択したバイオセンサと計測回路２３２とが電気的に接続されるように、スイッチ２３６ａ〜２３６ｈを制御する。

バイオセンサ４３１ａ，バイオセンサ４３１ｂと計測回路２３２との間にスイッチ２３６ａ〜２３６ｈを設けることによって抵抗値が増すことになる。しかし、既に述べたように、本発明によると、この抵抗値に関係なく、正確な電流を計測することができる。

以上、本実施形態によると、バイオセンサの切り替えが可能となり、第２５の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｂと比較して、備えるべき計測回路の個数を削減することができる。これにより、バイオセンサチップをさらに小型化することができる。

なお、本実施形態では、２つの制御信号ＳＥＬ１，ＳＥＬ２によってスイッチ２３６ａ〜２３６ｈを制御しているが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、制御信号ＳＥＬ１のみでスイッチ２３６ａ〜２３６ｈを制御するようにしてもよいし、これ以外の方法でバイオセンサの切り替えを行うようにしてもよい。

（第２７の実施形態）
図４１は、本発明の第２７の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｄの回路構成は、第２６の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ｃと同様である。バイオセンサチップ２３０Ｃと異なる点は、センサ部２３１ａ，２３１ｂが隣接して配置されている点である。このように複数のセンサ部２３１ａ，２３１ｂを隣接して配置することによって、血液などの体液のサンプルを複数点ではなく一点にのみ付着させるだけで、複数の化学物質の分析を行うことができる。

以上、本実施形態によると、必要とされる血液などの体液のサンプルが微小量で済むため、被験者の採血などの負担が軽減される。また、センサ部が隣接することによって、サンプルを付着させる部分の構造を簡素化することができる。

なお、バイオセンサにおいて、センサ部を隣接して配置することによって、上記と同様の効果を得ることができる。

（第２８の実施形態）
図４２は、本発明の第２８の実施形態に係るバイオセンサチップの構造を示す。本実施形態のバイオセンサチップ２４０は、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０におけるセンサ部２３１および計測回路２３２を、それぞれセンサチップ２４１および計測回路チップ２４２として互いに異なる半導体集積回路に形成し、これらチップが同一の基板上に形成されたチップ・オン・チップ構造をなしている。センサチップ２４１における作用極端子２１３ａ，作用極参照端子２１３ｂおよび対極端子２１４ａ，対極参照端子２１４ｂと、計測回路チップ２４２とは、ワイヤ４３によって電気的に接続されている。なお、図４２（ｂ）は、同図（ａ）におけるＡでの断面図である。

第２３の実施形態では、バイオセンサチップ２３０におけるセンサ部２３１に塗布される反応試薬が、計測回路チップ２４２が形成される基板材料、すなわちバイオセンサチップ２３０の基板材料と、親和性や非反応性などの点で適合しない場合、センサ部２３１と計測回路チップ２４２とを同一の基板上に形成することが非常に困難となる。また、反応試薬と作用極配線２３３ａ，２３３ｂおよび対極配線２３４ａ，２３４ｂとが適合しない場合も同様である。しかし、本実施形態のバイオセンサチップ２４０は、センサチップ２４１および計測回路チップ２４２が互いに異なる半導体集積回路に形成されているため、このような問題は生じない。

以上、本実施形態によると、バイオセンサチップをチップ・オン・チップ構造にすることによって、さまざまな反応試薬を用いたバイオセンサチップを実現することができる。これにより、バイオセンサチップによる測定対象の範囲が広がる。

なお、本実施形態では、支持基板上にセンサチップ２４１および計測回路チップ２４２を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではない。支持基板を省略し、センサチップ２４１上に直接、計測回路チップ２４２を配置してもよいし、逆に、計測回路チップ２４２上に直接、センサチップ２４１を配置してもよい。

また、ワイヤ４３によってセンサチップ２４１と計測回路チップ２４２とを結線しているが、ワイヤ４３に代えて、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）などで結線してもよい。

また、本実施形態のバイオセンサチップ２４０は、第２３の実施形態のバイオセンサチップ２３０をチップ・オン・チップ構造としたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、第９から第２７の実施形態のバイオセンサチップ２３０Ａ〜２３０Ｄ、あるいはそれ以外の構成のものをチップ・オン・チップ構造とすることも可能である。

本発明のバイオセンサ装置及びバイオセンサは、例えば血糖値の測定器など、生体物質の測定に好ましく用いられる。

本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 作用極電圧印加部と対極電圧印加部の具体的な回路構成を含む第１の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 本発明の第６の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 作用極電圧印加部及び対極電圧印加部の具体的な構成を含む第６の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 本発明の第７の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 作用極電圧印加部及び対極電圧印加部の具体的な構成を含む第７の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 本発明の第８の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 作用極側電位参照電圧源及び対極側電位参照電流計付き電圧源の具体的な構成を含む第８の実施形態に係るバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 第１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。 導電性配線を多層化した場合の第１の実施形態に係るバイオセンサを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。 本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。 本発明の第４の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。 本発明の第５の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。 本発明の第９の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 第９の実施形態に係るバイオセンサチップの第１の変形例を示す平面図である。 第９の実施形態に係るバイオセンサチップの第２の変形例を示す平面図である。 第９の実施形態に係るバイオセンサチップの第３の変形例を示す平面図である。 本発明の第１０の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 第１０の実施形態に係るバイオセンサチップの断面図である。 本発明の第１１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。 本発明の第１２の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図及び透視図である。 本発明の第１３の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 本発明の第１４の実施形態に係るバイオセンサチップの構成を示す回路図である。 第１４の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 本発明の第１５の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 本発明の第１６の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。 本発明の第１６の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。 第１６の実施形態のバイオセンサ装置において、作用極電圧印加部および対極電圧印加部を示す回路図である。 本発明の第１７の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。 本発明の第１８の実施形態に係るバイオセンサ装置を示す回路構成図である。 本発明の第１９の実施形態に係るバイオセンサの平面図である。 本発明の第２０の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。 本発明の第２１の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。 本発明の第２２の実施形態に係るバイオセンサを示す平面図である。 本発明の第２３の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 本発明の第２４の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 本発明の第２５の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 本発明の第２６の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 第２６の実施形態に係る計測回路モジュールを示す回路構成図である。 本発明の第２７の実施形態に係るバイオセンサチップを示す平面図である。 本発明の第２８の実施形態に係るバイオセンサチップを示す構造図である。 従来のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 作用極電圧印加部及び対極電圧印加部の具体的な回路構成例を含む従来のバイオセンサ装置の一部を示す回路図である。 従来のバイオセンサの構造を示す平面図である。 図４４に示す従来のバイオセンサ装置のうち、バイオセンサチップの構造を示す平面図である。

Claims (48)

1. 測定時に被測定流体と接する作用極と、
   測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、
   上記作用極に接続された作用極端子と、
   上記対極に接続された対極端子と、
   上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子と
   を備えているバイオセンサ。
2. 請求項１のバイオセンサにおいて、
   上記作用極及び上記対極のうち少なくとも一方には、上記被測定流体に含まれる物質の状態を変化させる生体物質または微生物が固定化されていることを特徴とするバイオセンサ。
3. 請求項１のバイオセンサにおいて、
   上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることを特徴とするバイオセンサ。
4. 請求項３のバイオセンサにおいて、
   上記作用極と上記作用極端子とを接続する第１の配線と、
   上記作用極または上記対極と上記参照端子とを接続する第２の配線と、
   上記対極と上記対極端子とを接続する第３の配線と
   をさらに備えていることを特徴とするバイオセンサ。
5. 請求項１のバイオセンサにおいて、
   上記参照端子は、
   上記作用極に接続された作用極参照端子と、
   上記対極に接続された対極参照端子と
   を含んでいることを特徴とするバイオセンサ。
6. 請求項５のバイオセンサにおいて、
   上記作用極と上記作用極端子とを接続する第４の配線と、
   上記作用極と上記作用極参照端子とを接続する第５の配線と、
   上記対極と上記対極参照端子とを接続する第６の配線と、
   上記対極と上記対極端子とを接続する第７の配線と
   をさらに備えており、
   上記第４の配線、上記第５の配線、上記第６の配線、及び上記第７の配線のうち少なくとも２つの配線は互いに異なる配線層内に設けられ、且つ平面的に見て少なくとも一部がオーバーラップするように設けられていることを特徴とするバイオセンサ。
7. 請求項４のバイオセンサにおいて、
   上記第１の配線と上記第２の配線とは互いに異なる配線層内に設けられていることを特徴とするバイオセンサ。
8. 請求項４のバイオセンサにおいて、
   上記第２の配線と上記第３の配線とは互いに異なる配線層内に設けられていることを特徴とするバイオセンサ。
9. 請求項４のバイオセンサにおいて、
   上記作用極、上記対極、上記参照端子、上記作用極端子、上記対極端子、上記第１の配線、上記第２の配線及び上記第３の配線は基板上に設けられ、
   上記作用極端子または上記対極端子のうちいずれか一方は上記基板の裏面上に設けられていることを特徴とするバイオセンサ。
10. 請求項４のバイオセンサにおいて、
    上記作用極端子と上記対極端子とは互いに異なる配線層内に設けられていることを特徴とするバイオセンサ。
11. 請求項１０のバイオセンサにおいて、
    上記第３の配線が複数の配線層内に亘って設けられていることを特徴とするバイオセンサ。
12. 請求項１０のバイオセンサにおいて、
    上記対極は略円形であり、
    上記作用極の内周の一部は上記対極との距離がほぼ一定の円周状であることを特徴とするバイオセンサ。
13. 請求項１０のバイオセンサにおいて、
    上記作用極は略円形であり、
    上記対極の内周の一部は上記作用極との距離がほぼ一定の円周状であることを特徴とするバイオセンサ。
14. 請求項４または５のバイオセンサにおいて、
    上記作用極は複数個設けられており、
    上記作用極のそれぞれに対向する上記対極同士は、一体化されていることを特徴とするバイオセンサ。
15. 請求項５のバイオセンサにおいて、
    上記対極は複数個設けられており、
    上記作用極のそれぞれに対向する上記作用極同士は、一体化されていることを特徴とするバイオセンサ。
16. 請求項４のバイオセンサにおいて、
    上記第３の配線の断面積は、上記第１の配線の断面積よりも大きいことを特徴とするバイオセンサ。
17. 測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記被測定流体を保持するためのセンサ部と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを有し、基板上に設けられたバイオセンサと、
    上記バイオセンサに接続され、基板上に設けられた計測回路と
    を備えているバイオセンサチップ。
18. 請求項１７のバイオセンサチップにおいて、
    上記作用極及び上記対極のうち少なくとも一方には、上記被測定流体に含まれる物質の状態を変化させる生体物質または微生物が固定化されていることを特徴とするバイオセンサチップ。
19. 請求項１７のバイオセンサチップにおいて、
    上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることを特徴とするバイオセンサチップ。
20. 請求項１９のバイオセンサチップにおいて、
    上記参照端子は上記作用極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、
    上記参照端子に接続された作用極電位参照回路と、
    上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、
    上記作用極電位参照回路及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサチップ。
21. 請求項２０のバイオセンサチップにおいて、
    測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記作用極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記作用極電位参照回路が信号を発生することを特徴とするバイオセンサチップ。
22. 請求項１９のバイオセンサチップにおいて、
    上記参照端子は上記対極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、
    上記対極端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、
    上記参照端子に接続された対極電位参照回路と、
    上記対極電位参照回路及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサチップ。
23. 請求項２２のバイオセンサチップにおいて、
    測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記対極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記対極電位参照回路が信号を発生することを特徴とするバイオセンサチップ。
24. 請求項１９のバイオセンサチップにおいて、
    上記参照端子は上記作用極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、
    上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、
    上記作用極電圧印加部及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサチップ。
25. 請求項１９のバイオセンサチップにおいて、
    上記参照端子は上記対極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、
    上記対極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、
    上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサチップ。
26. 請求項１７のバイオセンサチップにおいて、
    上記参照端子は、
    上記作用極に接続された作用極参照端子と、
    上記対極に接続された対極参照端子と
    を含んでいることを特徴とするバイオセンサチップ。
27. 請求項２６のバイオセンサチップにおいて、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子及び上記作用極参照端子に接続された作用極電圧印加部と、
    上記対極端子及び上記対極参照端子に接続された対極電圧印加部と、
    上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される第１の電流量信号と、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される第２の電流量信号のうち少なくとも一方を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサチップ。
28. 請求項２７のバイオセンサチップにおいて、
    上記信号処理回路は、上記第１の電流量信号と上記第２の電流量信号の両方を処理することを特徴とするバイオセンサチップ。
29. 請求項１７のバイオセンサチップにおいて、
    上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とは同一基板であることを特徴とするバイオセンサチップ。
30. 請求項１７のバイオセンサチップにおいて、
    上記バイオセンサチップは共通基板をさらに有し、
    上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とが上記共通基板上に載置されていることを特徴とするバイオセンサチップ。
31. 請求項１７のバイオセンサチップにおいて、
    上記バイオセンサが設けられた基板と上記計測回路が設けられた基板とが積層されていることを特徴とするバイオセンサチップ。
32. 請求項１７のバイオセンサチップにおいて、
    同一基板上に上記バイオセンサが複数個設けられており、少なくとも２つの上記バイオセンサは同一の上記計測回路に接続され、
    上記各バイオセンサの上記作用極端子と上記計測回路との間、上記参照端子と上記計測回路との間、及び上記対極端子と上記計測回路との間には、上記バイオセンサと上記計測回路との接続をオンまたはオフにするためのスイッチがさらに設けられていることを特徴とするバイオセンサチップ。
33. 請求項２６のバイオセンサチップにおいて、
    同一基板上に上記バイオセンサが複数個設けられており、２つの上記バイオセンサのセンサ部が、互いに隣接して設けられていることを特徴とするバイオセンサチップ。
34. 測定時に被測定流体と接する作用極と、測定時に上記被測定流体と接し、上記被測定流体を流すための間隔を空けて上記作用極に対向させた対極と、上記被測定流体を保持するためのセンサ部と、上記作用極に接続された作用極端子と、上記対極に接続された対極端子と、上記作用極と上記対極のいずれか一方または両方に接続され、測定時には実質的に電流が流れない参照端子とを有し、基板上に設けられたバイオセンサと、
    上記バイオセンサに接続され、基板上に設けられた計測回路と
    を備え、
    測定時に上記作用極端子と上記対極端子のいずれか一方または両方を流れる電流の値から上記被測定流体に含まれる測定対象物質の濃度を測定する機能を有するバイオセンサ装置。
35. 請求項３４のバイオセンサ装置において、
    上記作用極及び上記対極のうち少なくとも一方には、上記測定対象物質を変化させる生体物質または微生物が固定化されていることを特徴とするバイオセンサ装置。
36. 請求項３４のバイオセンサ装置において、
    上記参照端子は、上記作用極または上記対極のいずれかにのみ接続されていることを特徴とするバイオセンサ装置。
37. 請求項３４のバイオセンサ装置において、
    上記参照端子は、
    上記作用極に接続された作用極参照端子と、
    上記対極に接続された対極参照端子と
    を含んでおり、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子及び上記作用極参照端子に接続された作用極電圧印加部と、
    上記対極端子及び上記対極参照端子に接続された対極電圧印加部と、
    上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される第１の電流量信号と、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される第２の電流量信号のうち少なくとも一方を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサ装置。
38. 請求項３４のバイオセンサ装置において、
    測定時には、上記作用極参照端子に印加される電圧が、上記作用極電圧印加部に供給される基準電圧とほぼ等しくなり、
    上記対極参照端子に印加される電圧が、上記対極電圧印加部に供給される基準電圧とほぼ等しくなることを特徴とするバイオセンサ装置。
39. 請求項３４のバイオセンサ装置において、
    上記計測回路に接続され、上記計測回路から出力された信号を解析するための回路をさらに備えていることを特徴とするバイオセンサ装置。
40. 請求項３４のバイオセンサ装置において、
    上記バイオセンサと上記計測回路とは同一のチップ上に設けられており、
    上記チップは交換可能になっていることを特徴とするバイオセンサ装置。
41. 請求項３７のバイオセンサ装置において、
    上記計測回路は、
    上記第１の電流量信号及び上記第２の電流量信号を受けて、上記作用極と上記対極との間に流れる電流量を表す第３の電流量信号を上記信号処理回路に出力する電流量信号生成部をさらに有していることを特徴とするバイオセンサ装置。
42. 請求項３６のバイオセンサ装置において、
    上記参照端子は上記作用極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、
    上記参照端子に接続された作用極電位参照回路と、
    上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、
    上記作用極電位参照回路及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサ装置。
43. 請求項４２のバイオセンサ装置において、
    測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記作用極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記作用極電位参照回路が信号を発生することを特徴とするバイオセンサ装置。
44. 請求項３７のバイオセンサ装置において、
    上記参照端子は上記対極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、
    上記対極端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と、
    上記参照端子に接続された対極電位参照回路と、
    上記対極電位参照回路及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサ装置。
45. 請求項４４のバイオセンサ装置において、
    測定時には、上記参照端子に印加される電圧が上記対極電位参照回路に供給される基準電圧とほぼ等しくなるように上記対極電位参照回路が信号を発生することを特徴とするバイオセンサ装置。
46. 請求項３７のバイオセンサ装置において、
    上記参照端子は上記作用極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する作用極電圧印加部と、
    上記対極端子に接続された対極電圧印加部と、
    上記作用極電圧印加部及び上記対極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記作用極端子に流れる電流量に応じて上記作用極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサ装置。
47. 請求項３７のバイオセンサ装置において、
    上記参照端子は上記対極に接続され、
    上記計測回路は、
    上記作用極端子に接続された作用極電圧印加部と、
    上記対極端子及び上記参照端子に接続され、電流計を有する対極電圧印加部と
    上記対極電圧印加部及び上記作用極電圧印加部にそれぞれ基準電圧を供給するための基準電圧源と、
    測定時に、上記対極端子に流れる電流量に応じて上記対極電圧印加部から出力される電流量信号を処理するための信号処理回路と
    を有していることを特徴とするバイオセンサ装置。
48. 請求項３４のバイオセンサ装置において、
    装置全体が使い捨て可能であることを特徴とするバイオセンサ装置。

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