JPWO2016185679A1 - 化学センサ - Google Patents

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Abstract

化学センサは、電界効果トランジスタと、電界効果トランジスタ上に設けられる検出領域と、検出領域内に設けられる感応膜とを備える。感応膜は金属有機構造体を含む。

Description

本開示は、試料に含まれる揮発性有機化合物等の化学分子を検出できる化学センサに関する。
試料に含まれる化学分子、ＤＮＡまたはたんぱく質等の成分を検出する化学センサとして、化学的電界効果トランジスタ（ＣｈｅｍＦＥＴ）やイオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）などが用いられている。
従来の化学的電界効果トランジスタは、例えば、ゲート電極に感応性のパシベーション層が設けられている。試料に含まれる化学分子等は、パシベーション層に吸着される。パシベーション層に化学分子が吸着することにより、電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極間に流れる電流量は変化する。これにより、化学的電界効果トランジスタは、化学分子を検出することができる。
なお、本開示に関連する技術文献としては、例えば、特許文献１−３などがある。
特開２０１３−６４７４６号公報 特開平３−２１０６３号公報 特開２０１２−１５９５１１号公報
本開示における化学センサは、電界効果トランジスタと、電界効果トランジスタ上に設けられる検出領域と、検出領域内に設けられる感応膜とを備える。また、感応膜は金属有機構造体を含む。
本開示における化学センサは、試料中の検出対象成分を精度よく検出することができる。
実施の形態における化学センサを示す斜視図 実施の形態における化学センサを示す断面図 実施の形態における化学センサの他の例を示す断面図 実施の形態における化学センサの第１変形例を示す斜視図 実施の形態における化学センサの第２変形例を示す断面図
本開示の実施の形態の説明に先立ち、従来技術における問題点を簡単に説明する。従来の化学センサは、試料に含まれる化学分子等の選択性が十分でない。そのため、従来の化学センサは、試料中の検出対象成分を精度よく検出できないという課題がある。本開示は、上記の課題を解決するものであり、試料に含まれる検出対象成分を精度よく検出できる化学センサを提供する。
以下では、本開示の実施の形態に係る化学センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
（実施の形態）
図１は、本実施の形態における化学センサ５０を模式的に示す斜視図である。図２は、図１における化学センサ５０の２−２線における断面を模式的に示す断面図である。
化学センサ５０は、試料に含まれる化学分子、核酸またはペプチド等の検出対象成分を検出する。化学分子は、揮発性有機化合物などである。試料は、例えば、人や動物の呼気や血液などである。なお、試料は、生体由来の試料に限られず、試料は、排気ガスや空気等であってもよい。
揮発性有機化合物は、例えば、ケトン類、アミン類、アルコール類、芳香族炭化水素類、アルデヒド類、エステル類、有機酸、硫化水素、メチルメルカプタン、ジスルフィドである。また、揮発性有機化合物は、アルカン、アルケン、アルキン、ジエン、脂環式炭化水素、アレン、エーテル、カルボニル、カルバニオ、ペプチド、多核芳香族、複素環、有機誘導体、生物分子、代謝物、イソプレン、イソプレノイドおよびその誘導体であってもよい。
揮発性有機化合物の分子量は、揮発性の観点から１５以上５００以下が好ましく、３０以上４００以下がより好ましい。
世界保健機関（ＷＨＯ）によると、広義の揮発性有機化合物は、超揮発性有機化合物（ＶＶＯＣ，沸点０℃〜５０−１００℃）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ、沸点５０−１００℃〜２４０−２６０℃）、半揮発性有機化合物（ＳＶＯＣ，沸点２４０−２６０℃〜３８０−４００℃）、粒子状物質（ＰＯＭ、沸点３８０℃以上）に分類される。代表的なＶＶＯＣは、ホルムアルデヒド（分子量３０、沸点―１９．２℃）、アセトアルデヒド（分子量４４、沸点２０．２℃）、ジクロロメタン（分子量８５、沸点４０℃）である。代表的なＶＯＣは、トルエン（分子量９２、沸点１１０．７℃）、キシレン（分子量１０６、沸点１４４℃）、ベンゼン(分子量７８、沸点８０．１℃)、スチレン（分子量１０４、沸点１４５．１℃)などである。代表的なＳＶＯＣは、リン酸トリブチル（分子量２６６、沸点２８９℃）、フタル酸ジオクチル（分子量３９１、沸点３７０℃）などである。本開示において、単に揮発性有機化合物といえば、広義の揮発性有機化合物を意味し、ＶＶＯＣ、ＶＯＣ、ＳＶＯＣ、ＰＯＭを含む。
揮発性有機化合物の沸点は、−１６０℃以上４００℃以下であることが好ましい。
化学センサ５０は、フローティングゲート電極１１および対向電極１２を有する電界効果トランジスタ３０と、感応膜３１とを備える。ここで、フローティングゲート電極１１とは、電気的に浮いたゲート電極を示す。
電界効果トランジスタ３０は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であることが好ましい。
電界効果トランジスタ３０は、ｐ型ドーピング極性を有する半導体基板１３を有する。半導体基板１３の材料としては、例えば、シリコン、炭化シリコン、ガリウムヒ素、ガリウムヒ素リン、ゲルマニウム、窒化ガリウムを用いることができる。
半導体基板１３の第一の面１３Ａには、ｎ型ドーピング極性を有する拡散領域１４、１５が形成されている。拡散領域１４は、拡散領域１５と離隔して配置されている。電界効果トランジスタ３０において、拡散領域１４は、ソースである。ソースである拡散領域１４は、例えば、金属シリサイドを用いて形成される。金属シリサイドとしては、例えば、ニッケル、コバルト、白金またはパラジウムのシリサイドを用いることができる。拡散領域１４には、ソース電極１６が接続されている。また、拡散領域１５は、ドレインである。拡散領域１５には、ドレイン電極１７が接続されている。ドレインである拡散領域１５は、ソースである拡散領域１４と同じ材料を用いて形成されてもよい。
ソース電極１６としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、窒素チタン、タングステン、酸化亜鉛または酸化錫などの導電性材料を用いることができる。ドレイン電極１７としては、ソース電極１６と同じ材料を用いることができる。
拡散領域１４と拡散領域１５の間の第一の面１３Ａの部分は、ゲート領域である。ゲート領域上には、ゲート酸化物１８が設けられる。ゲート酸化物１８としては、例えば、二酸化珪素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、酸化アルミニウムまたは酸化タンタル等を用いることができる。
また、ゲート酸化物１８として、高誘電率膜（Ｈｉｇｈ−ｋ材料）を用いてもよい。Ｈｉｇｈ−ｋ材料としては、例えば、ハフニウムシリケート、窒素添加ハフニウムアルミネート、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ディスプロシウムを用いることができる。
ゲート酸化物１８の上には、フローティングゲート電極１１が設けられる。フローティングゲート電極１１の材料としては、例えば、導電性の金属を用いることができる。フローティングゲート電極１１としては、例えば、窒化チタン、アルミニウム、ルテニウム、タングステン、窒化シリコンタンタル、金、白金を用いることができる。フローティングゲート電極１１は、ポリシリコンを用いて形成されてもよい。
検出対象成分に対する検出感度の観点から、フローティングゲート電極１１のゲート長方向の長さは、１ｎｍ以上、５００μｍ以下であることが好ましい。さらに、フローティングゲート電極１１のゲート長方向の長さは、３０ｎｍ以上、１００μｍ以下であることがより好ましい。フローティングゲート電極１１のゲート幅方向の長さは、１ｎｍ以上、５００μｍ以下であることが好ましい。さらに、フローティングゲート電極１１のゲート幅方向の長さは、３０ｎｍ以上、１００μｍ以下であることがより好ましい。ここで、ゲート長方向とは、ソース電極１６とドレイン電極１７とを繋ぐ線に沿った方向を示し、ゲート幅方向とは、第一の面１３Ａと平行な面内において、ゲート長方向とほぼ垂直に交差する方向である。
電界効果トランジスタ３０は、フローティングゲート電極１１とソース電極１６とドレイン電極１７の一部（上面）が露出するように、絶縁体層１９で覆われている。なお、絶縁体層１９は、例えば、ゲート酸化物１８と同じ材料で形成される。
対向電極１２は、フローティングゲート電極１１と対向するように設けられる。フローティングゲート電極１１と対向電極１２の間には、中空領域が設けられる。
対向電極１２の材料としては、例えば、導電性の金属を用いることができる。対向電極１２は、窒化チタン、アルミニウム、ルテニウム、タングステン、窒化シリコンタンタル、金、白金で形成されてもよい。対向電極１２は、フローティングゲート電極１１と同じ材料を用いてもよい。
フローティングゲート電極１１と対向電極１２との間の距離は、１０ｎｍ以上、１０μｍ以下であることが好ましい。さらに、フローティングゲート電極１１と対向電極１２との間の距離は、１０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であることがより好ましい。
検出対象成分に対する検出感度の観点から、対向電極１２のゲート長方向の長さは、１ｎｍ以上、５００μｍ以下であることが好ましい。さらに、対向電極１２のゲート長方向の長さは、３０ｎｍ以上、１００μｍ以下であることがより好ましい。対向電極１２のゲート幅方向の長さは、１ｎｍ以上、５００μｍ以下であることが好ましい。さらに、対向電極１２のゲート幅方向の長さは、３０ｎｍ以上、１００μｍ以下であることがより好ましい。対向電極１２のゲート長方向の長さは、フローティングゲート電極１１のゲート長よりも大きいことが好ましい。対向電極１２のゲート幅方向の長さは、フローティングゲート電極１１のゲート幅方向の長さよりも大きいことが好ましい。対向電極１２の面積は、フローティングゲート電極１１の面積よりも大きいことが好ましい。
また、フローティングゲート電極１１と対向電極１２の間には、側壁２０が形成されている。フローティングゲート電極１１と対向電極１２と側壁２０とにより囲まれた領域が、検出領域２１である。試料は、検出領域２１内に充填される。検出領域２１は、例えば、試料が流れる流路の一部であることが好ましい。なお、側壁２０は、対向電極１２の一部であってもよい。
検出領域２１内には、感応膜３１が設けられる。感応膜３１は、フローティングゲート電極１１の上面と対向電極１２の下面にそれぞれ設けられている。
なお、検出領域２１は、フローティングゲート電極１１の上部から引き出されて設けられていてもよい。
感応膜３１は、試料に含まれる検出対象成分を捕捉する。感応膜３１は、金属有機構造体（ＭＯＦ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）を含む。
金属有機構造体は、高い比表面積を有する多孔質構造を持つ材料である。多孔質構造は、金属イオンと有機リガンドの相互作用により形成される。検出対象成分を捕捉するのに適した細孔径を有するように調整できるので、金属有機構造体は、化学分子等の検出対象成分の捕捉において、高い親和性を選択的に有する。
金属有機構造体には、ほぼ全ての金属イオンを用いることができる。したがって、金属イオンは、磁性、電気伝導性、熱伝導性、触媒特性、誘電特性、酸化還元特性、光物性、化学反応性などの機能を金属有機構造体へ付与できる。また、設計された有機リガンドにより、不斉点、疎水性／親水性、光応答性、化学結合性、化学反応性などの機能を金属有機構造体へ付与できる。
このように、金属有機構造体は、検出対象成分を捕捉するのに適した親和性を有するように調整できる。したがって、金属有機構造体は、化学分子等の検出対象成分を選択的に捕捉できる。そのため、化学センサ５０は、精度よく検出対象成分を検出することができる。
金属有機構造体としては、例えば、ＭＯＦ８０１−Ｐ、 ＭＯＦ８０１−ＳＣ、ＭＯＦ−８０２、ＵｉＯ−６６、ＭＯＦ−８０８、ＭＯＦ−８４１、ＤＵＴ−６７、ＰＩＺＯＦ−２、ＭＯＦ−８０４、ＭＯＦ−８０５、ＭＯＦ−８０６、ＭＯＦ−８１２、ＭＯＦ−５、ＭＯＦ−１７７、ＨＫＵＳＴ−１、ＭＩＬ−５３、ＭＩＬ−９６、ＭＩＬ−１０１、ＭＡＭＳ−１、Ｐｔ／Ｙ ＭＯＦ、ＭＩＬ−４７、ＺＭＯＦ−Ｒｈｏ、Ｄｙ−ｂｔｃ、Ｌｎ−ｐｄａ、Ｍｎ−ｆｏｒｍａｔａ、ＩＲＭＯＦ−３、ＩＲＭＯＦ−８、ＩＲＭＯＦ−１１１、Ｚｎ−ＩＤＣ、Ｐｄ−ｐｙｍｏ、Ｃｏ／ＤＯＢＤＣ、Ｎｉ／ＤＯＢＤＣ、Ａｌ−ＭＩＬ−１１０、Ｎｉ−ｂｐｅ、ＭＯＦ−６９Ｃ、ＭＯＦ−１４４、ＰＣＮ−５、Ｐｔ／Ｚｎ−ＭＯＦ、ＭＩＬ−５３ｃａｌｃ、ＵＭＣＭ−１、Ｔｂ−ＭＯＦ−７６、Ｍｇ／ＤＯＢＤＣ、ＰＣＮ−１３、ＺＩＦ−９５、ＣＵＫ−１、ＵＭＣＭ−１５０、ＵＭＣＭ−１５０Ａ、Ｚｎ−ｂｄｃ−ＤＡＢＣＯ、Ｇａ−ＭＩＬ−６８、Ｚｒ−ＵｉＯ−６６、Ｔｉ−ＭＩＬ−１２５、Ｐｔ／ＺＩＦ−８、Ｍｇ−ＭＯＦ−７４、Ｃｏ−ＭＯＦ−７４、Ｎｉ−ＭＯＦ−７４、ＣＡＵ−６，ＣＡＵ−１０、ＳＩＭ−１、テレフタル酸アルミニウム（Ｂａｓｏｌｉｔｅ（登録商標） Ａ１００）、Ｂａｓｏｌｉｔｅ（登録商標） Ａ３００、ベンゼン−１，３，５−トリカルボン酸銅（Ｂａｓｏｌｉｔｅ（登録商標） Ｃ３００）、ｚｅｏｌｉｔｅ １３Ｘ、ＭＣＭ−４１、ＢＰＬ ｃａｒｂｏｎなどを用いることができる。
金属有機構造体は、Ｚｎ２＋、Ｃｏ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋などの金属イオンのいずれか１つ以上の金属イオンを含んでいてもよい。有機金属構造体は、２種類以上の金属イオンを含んでいてもよい。金属有機構造体は、酸素ドナー性配位子または窒素ドナー性配位子などの有機リガンドにより構成されていてもよい。有機リガンドは、１、４−ｂｅｎｚｅｎｅｄｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ、４、４´−ｂｉｐｙｒｉｄｙｌ、ｉｍｉｄａｚｏｌｅなどでもよい。有機リガンドは、検出対象成分と親和性を示す官能基を有することが好ましい。有機リガンドは、アミノ基、アルデヒド基、炭化水素基、カルボキシル基、ヒドロキシ基、アシル基、アミド基、カルボニル基、イミノ基、シアノ基、アゾ基、チオール基、スルホ基、ニトロ基、アルキル基、ビニル基、Ａｌｌｙｌ基、Ａｒｙｌ基、フェニル基、ナフチル基、アラアルキル基、ベンジル基、シクロアルキル基、アルコキシ基、メトキシ基、エトキシ基などの官能基を持っていてもよい。金属有機構造体は、２種類以上の有機リガンドにより構成されていてもよい。金属イオンと有機リガンドの組み合わせは、１：１であってもよいし、異なる比率であってもよい。
金属有機構造体は、検出対象成分を化学的または物理的な結合により捕捉することが好ましい。金属有機構造体は、検出対象成分を、共有結合、配位結合、イオン結合、水素結合、ファンデルワールス結合、分子間力により捕捉することが好ましい。
金属有機構造体の細孔径は、０．１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、金属有機構造体の細孔径は、０．４ｎｍ以上、６ｎｍ以下であることがより好ましい。金属有機構造体の細孔径は、化学分子等の検出対象成分の直径よりも大きいことが好ましい。金属有機構造体の細孔の形は、ボトルネック型、直管型、ホーン型であってもよい。金属有機構造体の細孔は、柔軟性も持っていてもよい。金属有機構造体のＢＥＴ比表面積は５００ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。さらに、金属有機構造体のＢＥＴ比表面積は、６０００ｍ２／ｇ以上であることがより好ましい。なお、ＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ法で求めた比表面積である。
金属有機構造体は、溶液法、マイクロ波法、超音波法、固相混合法により合成することができる。合成の容易性および結晶サイズの制御性の観点から、溶液法として拡散法、攪拌法、水熱法を用いることができる。
なお、感応膜３１としては、検出対象成分を捕捉できるものであれば、金属有機構造体以外の材料を用いてもよい。例えば、感応膜３１として、共有結合性有機構造体（ＣＯＦ：Ｃｏｖａｌｅｎｔ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）、ゼオライト型イミダゾレート構造体（ＺＩＦ）、金属有機多面体（ＭＯＰ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｏｌｙｈｅｄｒｏｎ）多孔性配位高分子（ＰＣＰ：Ｐｏｒｏｕｓ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ）を用いることもできる。
感応膜３１として金属有機構造体のみを用いてもよい。感応膜３１として、複数の種類の金属有機構造体を積層してもよい。感応膜３１として、金属有機構造体、共有結合性有機構造体、ゼオライト型イミダゾレート構造体、金属有機多面体、多孔性配位高分子のうち複数を組み合わせてもよい。感応膜３１として、金属有機構造体、共有結合性有機構造体、ゼオライト型イミダゾレート構造体、金属有機多面体、多孔性配位高分子のうち複数を積層してもよい。
なお、感応膜３１は、検出領域２１の内部に設けられていればよい。例えば、感応膜３１は、フローティングゲート電極１１の上面または対向電極１２の下面の一方に設けられていてもよい。また、感応膜３１は、側壁２０の一部に設けられていてもよい。フローティングゲート電極１１の上面および対向電極１２の下面および側壁２０の一部に設けられる感応膜３１は、同じ材料でもよいが、異なる材料でもよい。
検出感度の観点から、感応膜３１の膜厚は、０．１ｎｍ以上、１μｍ以下であることが好ましい。さらに、感応膜３１の膜厚は、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
感応膜３１は、キャスト法、スピンコート法、スパッタ法、蒸着法、液相成長法、気相成長法、印刷法、貼付け法、電界重合法などにより形成することができる。
感応膜３１とフローティングゲート電極１１との間に接合層を設けてもよい。感応膜３１と対向電極１２との間に接合層を設けてもよい。感応膜３１は、対向電極１２を形成した後に形成することが好ましい。
以下、化学センサ５０の動作を説明する。
化学センサ５０において、ソース電極１６とドレイン電極１７とは、電源装置３２を介して接続されている。また、化学センサ５０には、ソース電極１６とドレイン電極１７との間に流れる電流を計測する計測機器３３が接続される。また、対向電極１２には、フローティングゲート電極１１の電荷を制御する電源装置３４が接続される。化学センサ５０には信号増幅器が接続されてもよい。化学センサ５０には負帰還回路、温度補償回路が接続されてもよい。
化学センサ５０は、電源装置３４によりフローティングゲート電極１１の電荷を制御することにより、ソース電極１６からドレイン電極１７に流れる電流量を制御することができる。
化学センサ５０の検出領域２１には、試料が挿入される。試料に含まれる検出対象成分は、感応膜３１に捕捉される。
感応膜３１に検出対象成分が捕捉されることにより、感応膜３１の仕事関数が変化する。そのため、フローティングゲート電極１１の電荷量は変化する。フローティングゲート電極１１の電荷量が変化することにより、ソース電極１６からドレイン電極１７に流れる電流値は変化する。したがって、化学センサ５０は、電流値の変化を検出することにより、検出対象成分を検出することができる。
また、化学センサ５０は、電流値の変化量等を測定することにより、検出対象成分の濃度等を検出することもできる。
なお、化学センサ５０は、ソース電極１６からドレイン電極１７に流れる電流値が一定となるときに対向電極１２に印加される電圧値等を測定することにより、検出対象成分を検出してもよい。
なお、化学センサ５０は、半導体基板１３の電位を制御してもよい。化学センサ５０は、半導体基板１３を接地させてもよい。化学センサ５０は、直流で動作させてもよいし、交流で動作させてもよい。
なお、図３に示すように、対向電極１２には、貫通孔４１が形成されていてもよい。貫通孔４１は、１つでも、複数でもよい。貫通孔４１を設けることにより、試料は、中空領域に効率よく充填される。
試料を検出領域２１に効率よく充填するために、検出領域２１の外部から内部に向かう流れを発生させてもよい。流れを発生させるために、ポンプ、送風機、対流を用いることができる。
検出対象成分の検出において、検出領域２１における試料は、流動していてもよいし、静止していてもよい。
感応膜３１は、検出対象成分をより多く捕捉できるように、冷却されることが好ましい。そのため、化学センサ５０は、冷却器３５を備えてもよい。検出対象成分の検出において、感応膜３１の温度は、−８０℃以上、２５℃以下であることが好ましい。さらに、検出において、感応膜３１の温度は、−１５℃以上、２５℃以下であることがより好ましい。冷却器３５は、例えば、対向電極１２に設けられる。
また、検出対象成分の捕捉の選択性を向上させる観点から、感応膜３１は加熱されることが好ましい。化学センサ５０は、さらに加熱器３６を備えてもよい。加熱器としては、例えば、抵抗素子ヒーター、赤外線ヒーター、カーボンヒーターを用いることができる。検出対象成分の検出において、感応膜３１の温度は、４０℃以上、５００℃以下であることが好ましい。さらに、検出において、４０℃以上、２００℃以下であることがより好ましい。加熱器３６は、例えば、対向電極１２に設けられる。
感応膜３１を冷却または加熱するために、熱電素子を用いてもよい。熱電素子は、容易に冷却面と加熱面を反転できる。そのため、熱電素子は、冷却器３５および加熱器３６の役割を有する。
また、化学センサ５０に、温度センサをさらに設けてもよい。温度センサで計測した化学センサの温度により、化学センサ５０は、検出結果に対して温度補償を行うことができる。
なお、感応膜３１に捕捉された検出対象成分は、検出対象成分を含まない清浄なガスにより除去することができる。これにより、化学センサ５０は、繰り返し計測することができる。清浄なガスは、例えば、乾燥窒素ガス、乾燥空気、較正用ガスである。
金属有機構造体は、水分を含む試料を効率よく検出するために、疎水性を示す有機リガンドを含むことが好ましい。また、検出対象成分を検出する前に、試料から水分を除去してもよい。化学センサ５０は、さらに、湿度センサを設けてもよい。
化学センサ５０は、検出対象成分を検出する前に初期化してもよい。例えば、化学センサ５０は、検出対象成分を検出する前に、検出対象成分を用いて初期化してもよい。化学センサ５０は、検出対象成分を検出する前に、化学センサ５０を昇温することにより初期化してもよい。
さらに、化学センサ５０は、化学センサ５０を電気的または機械的に制御するための制御ユニット３７、３８を設けてもよい。制御ユニット３７は、電源装置３２に接続される。制御ユニット３８は、電源装置３４に接続される。
化学センサ５０には、検出された結果を解析する解析ユニット３９を設けてもよい。解析ユニット３９は、例えば、計測機器３３に接続される。化学センサ５０は、主成分分析、絶対値表現分析、判別分析、因子分析、クラスタ分析、コンジョイント分析などの多変量解析を行ってもよいし、多回帰解析など他の統計解析を行ってもよい。
化学センサ５０は、電磁シールドを設けてもよい。電磁シールドを設けることにより、外部からの電磁ノイズを遮蔽することができるので、化学センサ５０は、微弱な信号を効率よく検出できる。
化学センサ５０は、金属有機構造体を含む感応膜３１を設けることにより、試料中の検出対象成分を効率よく検出することができる。
また、ゲート電極として、フローティングゲート電極１１を用いることにより、検出対象成分の捕捉による検出領域の仕事関数の変化を精度よく検出することができる。
（第１変形例）
以下、本実施の形態の第１変形例について説明する。
図４は、本実施の形態の第１変形例における化学センサ６０を模式的に示す斜視図である。
本変形例における化学センサ６０は、実施の形態の化学センサ５０を複数個組み合わせた構成である。その他の構成については、実施の形態に示す化学センサ５０と同様である。実施の形態と同じ構成については、同じ符号を用いて説明を省略する。
化学センサ６０は、１つの半導体基板１３に複数の化学センサ５０が設けられている。点線で区切られた一つの領域が、１つの化学センサ５０である。
つまり、化学センサ６０は、１つの半導体基板１３に形成された複数の電界効果トランジスタ３０を備える。横に並んだ化学センサ５０は、検出領域２１が繋がっている。これにより、化学センサ６０には、試料が流れる流路が形成されている。
冷却器３５および加熱器３６は、化学センサ５０のそれぞれに別々に設けられる。なお、冷却器３５および加熱器３６は、横に並んだ化学センサ５０同士で繋がっていてもよい。
このように、複数の化学センサ５０を１つの半導体基板１３上に設けることにより、化学センサ６０を小型化することができる。
化学センサ５０は、複数の電界効果トランジスタ３０を１次元的、２次元的または３次元的に配置してもよい。化学センサ５０は、複数の電界効果トランジスタを直線状、格子状、同心円状、放射状、ランダム状に配置してもよい。化学センサ５０は、複数の電界効果トランジスタ３０を試料の流れに対して平行に配置してもよいし、試料の流れに対して角度をもって配置してもよい。
化学センサ５０は、複数の電界効果トランジスタ３０のそれぞれに複数の感応膜３１を備えていてもよい。化学センサ５０は、複数の電界効果トランジスタ３０のそれぞれに同じ材料で構成される感応膜３１を備えていてもよいし、異なる材料で構成される感応膜３１を備えていてもよい。
このように、それぞれの化学センサ５０に同じ種類の感応膜３１を設けることにより、化学センサ６０は、検出対象成分の検出精度を向上させることができる。また、化学センサ６０は、それぞれの化学センサ５０に異なる種類の感応膜３１を設けることにより、同時に複数の検出対象成分を検出することができる。
（第２変形例）
以下、本実施の形態の第２変形例について説明する。
図５は、本実施の形態の第２変形例における化学センサ７０を模式的に示す断面図である。
本変形例における化学センサ７０は、フローティングゲート電極１１の代わりに、ゲート電極７１が設けられている点で実施の形態の化学センサ５０と異なる。その他の構成および動作については、実施の形態と同様である。実施の形態と同じ構成については、同じ符号を用いて説明を省略する。
電界効果トランジスタ３０では、ゲート酸化物１８の上にゲート電極７１が設けられている。ゲート電極７１の上には、検出領域２１を形成するように、枠体７２が形成されている。枠体７２は、樹脂等で形成される。この時、枠体７２は、ゲート電極７１の一部が枠体７２から露出するように設けられる。
感応膜３１は、ゲート電極７１上に設けられている。
ゲート電極７１は、電源装置３４に接続される。電源装置３４は、ゲート電極７１に印加される電圧を制御する。
化学センサ７０は、ソース電極１６からドレイン電極１７に流れる電流値の変化を計測することにより、検出対象成分を検出することができる。
なお、化学センサ７０は、ソース電極１６からドレイン電極１７に流れる電流値が一定となるときにゲート電極７１に印加される電圧値等を測定することにより、検出対象成分を検出してもよい。また、化学センサ７０は閾値電圧の変化を測定することにより検出対象成分を検出してもよい。
なお、枠体７２は、貫通孔を有していてもよい。
化学センサ７０の基本的な動作方法および構成は、実施の形態に示す他の化学センサ５０、６０と同様とすることができる。
本開示の化学センサ５０、６０、７０において、電界効果トランジスタ３０は、ｐ型の電界効果トランジスタを用いたが、これに限られない。例えば、電界効果トランジスタ３０は、ｎ型の電界効果トランジスタを用いてもよい。
また、電界効果トランジスタ３０は、ＭＯＳＦＥＴに限定されない。例えば、電界効果トランジスタ３０は、有機薄膜トランジスタ、イオン液体を用いた電気二重層トランジスタでもよい。電界効果トランジスタ３０は、エンハンス型でもよいしディプレッション型でもよい。
以上、一つまたは複数の態様における化学センサについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
本開示の化学センサは、揮発性有機化合物等の化学分子の検出に有用である。
１１ フローティングゲート電極
１２ 対向電極
１３ 半導体基板
１４，１５ 拡散領域
１６ ソース電極
１７ ドレイン電極
１８ ゲート酸化物
１９ 絶縁体層
２０ 側壁
２１ 検出領域
３０ 電界効果トランジスタ
３１ 感応膜
３２，３４ 電源装置
３３ 計測機器
３５ 冷却器
３６ 加熱器
３７，３８ 制御ユニット
３９ 解析ユニット
４１ 貫通孔
５０，６０，７０ 化学センサ
７１ ゲート電極
７２ 枠体

Claims (7)

  1. 電界効果トランジスタと、
    前記電界効果トランジスタ上に設けられる検出領域と、
    前記検出領域内に設けられる感応膜と、を備え、
    前記感応膜は、金属有機構造体を含む、
    化学センサ。
  2. 前記電界効果トランジスタは、フローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極と前記検出領域を介して対向する対向電極とを有する、
    請求項１に記載の化学センサ。
  3. 前記電界効果トランジスタは、ゲート電極と、前記ゲート電極上に前記検出領域を形成するように設けられた枠体とを有する、
    請求項１に記載の化学センサ。
  4. 前記金属有機構造体は、Ｚｎ２＋、Ｃｏ２＋、Ｎｉ２＋およびＣｕ２＋の金属イオンの少なくとも１つを含む、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学センサ。
  5. 前記金属有機構造体は、酸素ドナー性配位子または窒素ドナー性配位子の有機リガンドにより構成される、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学センサ。
  6. 前記金属有機構造体は、ＭＯＦ８０１−Ｐ、 ＭＯＦ８０１−ＳＣ、ＭＯＦ−８０２、ＵｉＯ−６６、ＭＯＦ−８０８、ＭＯＦ−８４１、ＤＵＴ−６７、ＰＩＺＯＦ−２、ＭＯＦ−８０４、ＭＯＦ−８０５、ＭＯＦ−８０６、ＭＯＦ−８１２、ＭＯＦ−５、ＭＯＦ−１７７、ＨＫＵＳＴ−１、ＭＩＬ−５３、ＭＩＬ−９６、ＭＩＬ−１０１、ＭＡＭＳ−１、Ｐｔ／Ｙ ＭＯＦ、ＭＩＬ−４７、ＺＭＯＦ−Ｒｈｏ、Ｄｙ−ｂｔｃ、Ｌｎ−ｐｄａ、Ｍｎ−ｆｏｒｍａｔａ、ＩＲＭＯＦ−３、ＩＲＭＯＦ−８、ＩＲＭＯＦ−１１１、Ｚｎ−ＩＤＣ、Ｐｄ−ｐｙｍｏ、Ｃｏ／ＤＯＢＤＣ、Ｎｉ／ＤＯＢＤＣ、Ａｌ−ＭＩＬ−１１０、Ｎｉ−ｂｐｅ、ＭＯＦ−６９Ｃ、ＭＯＦ−１４４、ＰＣＮ−５、Ｐｔ／Ｚｎ−ＭＯＦ、ＭＩＬ−５３ｃａｌｃ、ＵＭＣＭ−１、Ｔｂ−ＭＯＦ−７６、Ｍｇ／ＤＯＢＤＣ、ＰＣＮ−１３、ＺＩＦ−９５、ＣＵＫ−１、ＵＭＣＭ−１５０、ＵＭＣＭ−１５０Ａ、Ｚｎ−ｂｄｃ−ＤＡＢＣＯ、Ｇａ−ＭＩＬ−６８、Ｚｒ−ＵｉＯ−６６、Ｔｉ−ＭＩＬ−１２５、Ｐｔ／ＺＩＦ−８、Ｍｇ−ＭＯＦ−７４、Ｃｏ−ＭＯＦ−７４、Ｎｉ−ＭＯＦ−７４、ＣＡＵ−６，ＣＡＵ−１０、ＳＩＭ−１、テレフタル酸アルミニウム、ベンゼン−１，３，５−トリカルボン酸銅、ｚｅｏｌｉｔｅ １３Ｘ、ＭＣＭ−４１、ＢＰＬ ｃａｒｂｏｎのいずれかである、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の化学センサ。
  7. 前記対向電極は、貫通孔を有する、
    請求項２に記載の化学センサ。
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