JPWO2017068610A1 - Measuring apparatus and measuring method - Google Patents

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光治 田村
光治 田村
恒男 木暮
恒男 木暮
後藤 典雄
典雄 後藤
武笠 幸一
幸一 武笠
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Abstract

センサーチップは、第1容量電極と、前記第1容量電極の一方の面上に配置された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に配置された第2容量電極および可変抵抗素子と、前記第1容量電極の他方の面上に配置された反応部とを含むセンサー素子を有する。測定装置は、チップホルダーと、前記第1容量電極と前記第2容量電極の間に第1機械的接点スイッチおよび第2機械的接点スイッチを介して電圧を印加するための電圧印加部と、前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定するための電流測定部と、前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチを押圧して接続状態を切り替える押圧部とを有する。The sensor chip includes a first capacitor electrode, a first insulating film disposed on one surface of the first capacitor electrode, a second capacitor electrode and a variable resistance element disposed on the first insulating film, And a reaction element disposed on the other surface of the first capacitor electrode. The measuring apparatus includes a chip holder, a voltage applying unit for applying a voltage between the first capacitive electrode and the second capacitive electrode via a first mechanical contact switch and a second mechanical contact switch, A current measuring unit for measuring a current value flowing through the variable resistance element; and a pressing unit that switches the connection state by pressing the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch.

Description

本発明は、所定のセンサーチップを用いて検体中の被検出物質の存在またはその量を検出する測定装置および測定方法に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for detecting the presence or amount of a substance to be detected in a specimen using a predetermined sensor chip.

従来、被検出物質を検出するためのセンサー素子として、様々なセンサー素子が提案されている。たとえば、特許文献1,2には、バックゲート型の電界効果トランジスタを含むセンサー素子が開示されている。   Conventionally, various sensor elements have been proposed as sensor elements for detecting a substance to be detected. For example, Patent Documents 1 and 2 disclose a sensor element including a back gate type field effect transistor.

図1は、特許文献1,2に記載のセンサー素子の構成を示す断面模式図である。図1に示されるように、センサー素子10は、シリコン基板11と、シリコン基板11の一方の面に形成された第1絶縁膜12と、シリコン基板11の他方の面に形成された第2絶縁膜13と、第1絶縁膜12上に配置されたチャネル14と、チャネル14の一方の端部に接続されたソース電極15と、チャネル14の他方の端部に接続されたドレイン電極16と、第2絶縁膜13上に配置された反応部17と、第2絶縁膜13に対向するように配置されたゲート電極18と、を有する。反応部17では、抗体などの認識物質19が第2絶縁膜13上に固定化されている。ゲート電極18は、取り外し可能であり、反応部17に検体を提供する際には取り外され、測定する際には第2絶縁膜13に対向するように配置される。ゲート電極18は、例えばアルミニウム板である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a sensor element described in Patent Documents 1 and 2. As shown in FIG. 1, the sensor element 10 includes a silicon substrate 11, a first insulating film 12 formed on one surface of the silicon substrate 11, and a second insulation formed on the other surface of the silicon substrate 11. A film 13, a channel 14 disposed on the first insulating film 12, a source electrode 15 connected to one end of the channel 14, a drain electrode 16 connected to the other end of the channel 14, The reaction portion 17 is disposed on the second insulating film 13, and the gate electrode 18 is disposed so as to face the second insulating film 13. In the reaction unit 17, a recognition substance 19 such as an antibody is immobilized on the second insulating film 13. The gate electrode 18 is detachable, and is removed when the specimen is provided to the reaction unit 17, and is disposed so as to face the second insulating film 13 when measuring. The gate electrode 18 is, for example, an aluminum plate.

特許文献1に記載のセンサー素子は、カーボンナノチューブからなるチャネル14を有している。特許文献2に記載のセンサー素子は、ポリシリコン膜からなるチャネル14を有している。センサー素子10において、シリコン基板11、第1絶縁膜12、第2絶縁膜13、チャネル14、ソース電極15、ドレイン電極16およびゲート電極18は、バックゲート型の電界効果トランジスタとして機能する。   The sensor element described in Patent Document 1 has a channel 14 made of carbon nanotubes. The sensor element described in Patent Document 2 has a channel 14 made of a polysilicon film. In the sensor element 10, the silicon substrate 11, the first insulating film 12, the second insulating film 13, the channel 14, the source electrode 15, the drain electrode 16, and the gate electrode 18 function as a back gate type field effect transistor.

図1に示されるセンサー素子10を用いて、被検出物質を検出する手順を説明する。まず、ゲート電極18を反応部17(第2絶縁膜13)に接触させた状態で、ゲート電極18に印加する電圧を掃引し、ソース電極15−ドレイン電極16間の電流値を記録する。次いで、ゲート電極18を反応部17(第2絶縁膜13)から離した状態で、反応部17に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と第2絶縁膜13に固定化された認識物質19とを反応させる。次いで、再度ゲート電極18を反応部17(第2絶縁膜13)に接触させた状態で、ゲート電極18に印加する電圧を掃引し、ソース電極15−ドレイン電極16間の電流値を記録する。以上の手順により得られる、検体提供前後の電流値の変化から、被検出物質を検出することができる。   A procedure for detecting a substance to be detected using the sensor element 10 shown in FIG. 1 will be described. First, the voltage applied to the gate electrode 18 is swept while the gate electrode 18 is in contact with the reaction portion 17 (second insulating film 13), and the current value between the source electrode 15 and the drain electrode 16 is recorded. Next, in a state where the gate electrode 18 is separated from the reaction part 17 (second insulating film 13), the specimen is provided to the reaction part 17, and the detection target substance contained in the specimen and the recognition immobilized on the second insulating film 13 are provided. The substance 19 is reacted. Next, the voltage applied to the gate electrode 18 is swept while the gate electrode 18 is again in contact with the reaction portion 17 (second insulating film 13), and the current value between the source electrode 15 and the drain electrode 16 is recorded. The substance to be detected can be detected from the change in the current value before and after the sample provision obtained by the above procedure.

国際公開第2006/103872号International Publication No. 2006/103872 国際公開第2009/144878号International Publication No. 2009/144878

しかしながら、上記従来のセンサー素子10には、検出精度が不安定であるという問題がある。従来のセンサー素子10では、ゲート電極18を第2絶縁膜13上から取り外したり、第2絶縁膜13上に配置したりすることを複数回行うことが必要であるが、ゲート電極18と第2絶縁膜13との接触状態は毎回変わってしまう。また、アルミニウム板などからなるゲート電極18を第2絶縁膜13上に置く際に、第2絶縁膜13に欠陥が容易に形成されてしまう。これらの理由により、上記従来のセンサー素子10では、ゲート電極の接触状態のバラつきや絶縁膜の破壊によるシリコン基板への電荷注入などが生じやすく、結果として検出精度が不安定になりやすい。   However, the conventional sensor element 10 has a problem that detection accuracy is unstable. In the conventional sensor element 10, it is necessary to remove the gate electrode 18 from the second insulating film 13 or dispose the gate electrode 18 on the second insulating film 13 a plurality of times. The contact state with the insulating film 13 changes every time. Further, when the gate electrode 18 made of an aluminum plate or the like is placed on the second insulating film 13, defects are easily formed in the second insulating film 13. For these reasons, in the conventional sensor element 10 described above, variations in the contact state of the gate electrode and charge injection into the silicon substrate due to breakdown of the insulating film are likely to occur, resulting in unstable detection accuracy.

本発明の目的は、検出精度およびその安定性に優れるセンサー素子を含むセンサーチップを用いて被検出物質の存在または量を検出する測定装置および測定方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a measuring apparatus and a measuring method for detecting the presence or amount of a substance to be detected using a sensor chip including a sensor element having excellent detection accuracy and stability.

本発明は、以下の測定装置に関する。
[1]板状の導電体または半導体からなる第1容量電極と、前記第1容量電極の一方の面に配置された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を挟んで前記第1容量電極の一部と対向するように配置された、導電体または半導体からなる第2容量電極と、前記第1絶縁膜上に配置された可変抵抗素子と、前記第1容量電極の他方の面上に直接または第2絶縁膜を介して配置された反応部と、を含む1または2以上のセンサー素子を有するセンサーチップを用いて、被検出物質の存在または量を検出する測定装置であって、前記センサーチップを保持するためのチップホルダーと、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第1容量電極に接続される押しボタン型の第1機械的接点スイッチと、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第2容量電極に接続される押しボタン型の第2機械的接点スイッチと、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第1容量電極および前記第2容量電極に前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチを介して接続される、前記第1容量電極と前記第2容量電極の間に電圧を印加するための電圧印加部と、前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記可変抵抗素子に接続される、前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定するための電流測定部と、前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチを押圧して、前記第1容量電極および前記第2容量電極と前記電圧印加部との接続状態を切り替える押圧部と、を有する、測定装置。
[2]前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチは、タクタイルスイッチである、[1]に記載の測定装置。
[3]前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第1容量電極に接続された第1接触端子と、前記第2容量電極に接続された第2接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第3接触端子および第4接触端子とを有し、前記チップホルダーは、前記第1接触端子と前記電圧印加部とを前記第1機械的接点スイッチを介して接続し、前記第2接触端子と前記電圧印加部とを前記第2機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第3接触端子および前記第4接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールを有し、前記スイッチモジュールは、基板と、前記基板の一方の面に配置された、前記第1接触端子に接触するための第1コンタクトプローブ、前記第2接触端子に接触するための第2コンタクトプローブ、前記第3接触端子に接触するための第3コンタクトプローブ、および前記第4接触端子に接触するための第4コンタクトプローブと、前記基板の他方の面に配置された、前記第1コンタクトプローブおよび前記第2コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第3コンタクトプローブおよび前記第4コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、前記基板に形成された、前記第1コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第1スルーホール配線、前記第2コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第2スルーホール配線、前記第3コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第3スルーホール配線、および前記第4コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第4スルーホール配線と、前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第1スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第1機械的接点スイッチ、および前記第2スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第2機械的接点スイッチと、を有する、[1]または[2]に記載の測定装置。
[4]前記スイッチモジュールは、前記基板の他方の面に配置され、前記コネクターと接続された、前記センサーチップの周辺環境の温度を検出するための温度センサーをさらに有する、[3]に記載の測定装置。
[5]前記押圧部は、押圧力を発生させるアクチュエータと、前記アクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、を有する、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の測定装置。
[6]前記アクチュエータは、ソレノイドアクチュエータである、[5]に記載の測定装置。
[7]前記増大機構の前記第1機械的接点スイッチまたは前記第2機械的接点スイッチに対する接触面は、円柱面の一部を構成する、[5]または[6]に記載の測定装置。
[8]前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第1容量電極に接続された第1接触端子と、前記第2容量電極に接続された第2接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第3接触端子および第4接触端子とを有し、前記チップホルダーは、前記第1接触端子と前記電圧印加部とを前記第1機械的接点スイッチを介して接続し、前記第2接触端子と前記電圧印加部とを前記第2機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第3接触端子および前記第4接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールと、その一方の面に配置された、前記センサーチップを嵌め込むための第1凹部と、その他方の面の前記第1凹部に対応する位置に配置された、前記スイッチモジュールを嵌め込むための第2凹部と、前記第1凹部の底部および前記第2凹部の底部に開口する貫通孔とを有するホルダー本体と、を有し、前記スイッチモジュールは、基板と、前記基板の一方の面に配置された、前記第1接触端子に接触するための第1コンタクトプローブ、前記第2接触端子に接触するための第2コンタクトプローブ、前記第3接触端子に接触するための第3コンタクトプローブ、および前記第4接触端子に接触するための第4コンタクトプローブと、前記基板の他方の面に配置された、前記第1コンタクトプローブおよび前記第2コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第3コンタクトプローブおよび前記第4コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、前記基板に形成された、前記第1コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第1スルーホール配線、前記第2コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第2スルーホール配線、前記第3コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第3スルーホール配線、および前記第4コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第4スルーホール配線と、前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第1スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第1機械的接点スイッチ、および前記第2スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第2機械的接点スイッチと、を有し、前記スイッチモジュールは、前記第1コンタクトプローブ、前記第2コンタクトプローブ、前記第3コンタクトプローブおよび前記第4コンタクトプローブが前記貫通孔に露出するように前記第2凹部に固定されており、前記押圧部は、押圧力を発生させるソレノイドアクチュエータと、前記ソレノイドアクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて、前記第2凹部に固定された前記スイッチモジュールの前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、を有し、前記増大機構における、てこの原理の支点は、前記ホルダー本体により支持されている、[1]または[2]に記載の測定装置。
The present invention relates to the following measuring apparatus.
[1] A first capacitor electrode made of a plate-like conductor or semiconductor, a first insulating film disposed on one surface of the first capacitor electrode, and the first capacitor electrode sandwiching the first insulating film On the other surface of the first capacitor electrode, a second capacitor electrode made of a conductor or semiconductor, a variable resistance element disposed on the first insulating film, A measuring device that detects the presence or amount of a substance to be detected using a sensor chip having one or more sensor elements including a reaction part arranged directly or via a second insulating film, A chip holder for holding a sensor chip, a push button type first mechanical contact switch connected to the first capacitance electrode of the sensor chip held by the chip holder, and held by the chip holder The above A push button type second mechanical contact switch connected to the second capacitor electrode of the circhip, and the first machine and the second capacitor electrode of the sensor chip held by the chip holder. A voltage application unit for applying a voltage between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode, which is connected via a mechanical contact switch and the second mechanical contact switch, and is held by the chip holder A current measuring unit connected to the variable resistance element of the sensor chip for measuring a current value flowing through the variable resistance element; and pressing the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch. And a pressing unit that switches a connection state between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode and the voltage application unit.
[2] The measuring device according to [1], wherein the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch are tactile switches.
[3] The sensor chip is connected to the measurement device side with a first contact terminal connected to the first capacitor electrode, a second contact terminal connected to the second capacitor electrode, and the variable resistance element. A third contact terminal and a fourth contact terminal, wherein the chip holder connects the first contact terminal and the voltage application unit via the first mechanical contact switch, and the second contact. A switch module for connecting the terminal and the voltage application unit via the second mechanical contact switch, and connecting the third contact terminal and the fourth contact terminal to the current measuring unit; The switch module includes a substrate, a first contact probe disposed on one surface of the substrate for contacting the first contact terminal, a second contact probe for contacting the second contact terminal, First A third contact probe for contacting the contact terminal, a fourth contact probe for contacting the fourth contact terminal, and the first contact probe and the second contact disposed on the other surface of the substrate A connector for connecting a probe and the voltage application unit, and a connector for connecting the third contact probe, the fourth contact probe, and the current measuring unit; and the first contact probe formed on the substrate; A first through-hole wiring that connects the connector; a second through-hole wiring that connects the second contact probe and the connector; a third through-hole wiring that connects the third contact probe and the connector; A fourth through hole connecting the fourth contact probe and the connector The first mechanical contact switch disposed on the other surface of the substrate and between the first through-hole wiring and the connector; and the second through-hole wiring and the connector. The measurement device according to [1] or [2], including the second mechanical contact switch disposed between the two.
[4] The switch module according to [3], further including a temperature sensor disposed on the other surface of the substrate and connected to the connector for detecting the temperature of the surrounding environment of the sensor chip. measuring device.
[5] The pressing portion increases the pressing force applied from the actuator that generates the pressing force by the lever principle and transmits it to the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch. The measuring device according to any one of [1] to [4], wherein the measuring device includes an increasing mechanism.
[6] The measuring apparatus according to [5], wherein the actuator is a solenoid actuator.
[7] The measuring device according to [5] or [6], wherein a contact surface of the increasing mechanism with respect to the first mechanical contact switch or the second mechanical contact switch constitutes a part of a cylindrical surface.
[8] The sensor chip is connected to the measurement device side with a first contact terminal connected to the first capacitor electrode, a second contact terminal connected to the second capacitor electrode, and the variable resistance element. A third contact terminal and a fourth contact terminal, wherein the chip holder connects the first contact terminal and the voltage application unit via the first mechanical contact switch, and the second contact. A switch module for connecting a terminal and the voltage application unit via the second mechanical contact switch, and connecting the third contact terminal and the fourth contact terminal to the current measuring unit, and one of them A first recess for fitting the sensor chip, and a second recess for inserting the switch module, which is disposed at a position corresponding to the first recess on the other surface. The first recess A holder body having a bottom portion and a through hole that opens at a bottom portion of the second recess, and the switch module contacts the first contact terminal disposed on one surface of the substrate. A first contact probe for contacting, a second contact probe for contacting the second contact terminal, a third contact probe for contacting the third contact terminal, and a second contact for contacting the fourth contact terminal A four-contact probe, and the first contact probe, the second contact probe, and the voltage application unit, which are disposed on the other surface of the substrate, and the third contact probe and the fourth contact probe; A connector for connecting the current measuring unit; the first contact probe formed on the substrate; and the connector. A first through-hole wiring that connects the second contact probe and the connector, a third through-hole wiring that connects the third contact probe and the connector, and the first through-hole wiring that connects the third contact probe and the connector; A fourth through-hole wiring connecting the four-contact probe and the connector; and the first mechanical contact disposed on the other surface of the substrate and disposed between the first through-hole wiring and the connector. A switch, and the second mechanical contact switch disposed between the second through-hole wiring and the connector, and the switch module includes the first contact probe, the second contact probe, The third contact probe and the fourth contact probe are exposed in the through hole. The pressing portion is fixed to the second recess by increasing the pressing force applied from the solenoid actuator and the solenoid actuator by the lever principle. An increase mechanism for transmitting to the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch of the switch module, and a fulcrum of the lever principle in the increase mechanism is supported by the holder body [1] or [2].

また、本発明は、以下の測定方法に関する。
[9][1]〜[8]のいずれか一項に記載の測定装置を用いて検体中の被検出物質の存在またはその量を検出する測定方法であって、前記センサーチップを前記チップホルダーに保持させる第1工程と、前記押圧部が前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチを押圧し、前記センサーチップの前記第1容量電極および前記第2容量電極と前記電圧印加部とを接続して、前記第1容量電極と前記第2容量電極の間に電圧を印加する第2工程と、前記第2工程の後に、前記押圧部が前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチへの押圧を止めて、前記第1容量電極および前記第2容量電極を前記電圧印加部から切り離す第3工程と、前記第3工程の後に、前記反応部に検体を提供する第4工程と、前記第4工程の後に、前記電流測定部が前記センサーチップの前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定する第5工程と、を含む、測定方法。
Moreover, this invention relates to the following measuring methods.
[9] A measurement method for detecting the presence or amount of a substance to be detected in a specimen using the measurement apparatus according to any one of [1] to [8], wherein the sensor chip is attached to the chip holder. And the pressing portion presses the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch to apply the voltage to the first capacitive electrode and the second capacitive electrode of the sensor chip. A second step of applying a voltage between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode, and after the second step, the pressing portion is connected to the first mechanical contact switch and the second capacitor electrode. A third step of stopping the pressing of the second mechanical contact switch and separating the first capacitive electrode and the second capacitive electrode from the voltage application unit, and providing the specimen to the reaction unit after the third step And a fourth step, 4 after the step, including a fifth step of the current measuring unit measures the current flowing through the variable resistive element of the sensor chip, the measurement method.

本発明に係る測定装置および測定方法によれば、センサーチップの反応部に電極を繰り返し接触させる必要がないため、高い精度で安定して被検出物質の存在または量を検出することができる。   According to the measuring apparatus and the measuring method according to the present invention, since it is not necessary to repeatedly contact the electrode with the reaction part of the sensor chip, the presence or amount of the substance to be detected can be detected stably with high accuracy.

図1は、従来のセンサー素子の構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional sensor element. 図2は、実施の形態に係る測定装置の構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of the measurement apparatus according to the embodiment. 図3Aは、センサーチップの平面図であり、図3Bは、センサーチップの正面図であり、図3Cは、センサーチップの底面図である。3A is a plan view of the sensor chip, FIG. 3B is a front view of the sensor chip, and FIG. 3C is a bottom view of the sensor chip. 図4Aは、センサー素子の平面図であり、図4Bは、センサー素子の底面図である。4A is a plan view of the sensor element, and FIG. 4B is a bottom view of the sensor element. 図5Aは、図4Bに示されるA−A線の断面図であり、図5Bは、図4Bに示されるB−B線の断面図である。5A is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 4B, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG. 4B. 図6A〜Cは、センサー素子の動作原理を説明するためのセンサー素子の断面模式図である。6A to 6C are schematic cross-sectional views of the sensor element for explaining the operation principle of the sensor element. 図7は、チップホルダーの構成を示す分解斜視図である。FIG. 7 is an exploded perspective view showing the configuration of the chip holder. 図8Aは、チップホルダーの構成を示す分解断面図であり、図8Bは、チップホルダーの構成を示す断面図である。FIG. 8A is an exploded sectional view showing the configuration of the chip holder, and FIG. 8B is a sectional view showing the configuration of the chip holder. 図9Aは、スイッチモジュールの平面図であり、図9Bは、スイッチモジュールの正面図であり、図9Cは、スイッチモジュールの底面図である。9A is a plan view of the switch module, FIG. 9B is a front view of the switch module, and FIG. 9C is a bottom view of the switch module. 図10Aは、アナログスイッチを使用した場合の可変抵抗素子を流れる電流値を示すグラフであり、図10Bは、リレースイッチを使用した場合の可変抵抗素子を流れる電流値を示すグラフであり、図10Cは、タクタイルスイッチを使用した場合の可変抵抗素子を流れる電流値を示すグラフである。10A is a graph showing a current value flowing through the variable resistance element when an analog switch is used, and FIG. 10B is a graph showing a current value flowing through the variable resistance element when a relay switch is used. These are the graphs which show the electric current value which flows through the variable resistance element at the time of using a tactile switch. 図11は、押圧部の構成を示す分割斜視図である。FIG. 11 is a divided perspective view showing the configuration of the pressing portion. 図12は、押圧部の構成を示す斜視図である。FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of the pressing portion. 図13は、押圧部の構成を示す側面図である。FIG. 13 is a side view showing the configuration of the pressing portion.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2は、本発明の一実施の形態に係る測定装置100の構成を示す模式図である。図2に示されるように、測定装置100は、チップホルダー110、押圧部140、電圧印加部170、電流測定部180および制御部190を有する。チップホルダー110は、ホルダー部120およびスイッチモジュール130を有する。押圧部140は、アクチュエータ150および増大機構160を有する。測定装置100は、チップホルダー110にセンサーチップ200を装着した状態で使用される。そこで、センサーチップ200について先に説明し、その後に測定装置100について説明する。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the measuring apparatus 100 includes a chip holder 110, a pressing unit 140, a voltage applying unit 170, a current measuring unit 180, and a control unit 190. The chip holder 110 has a holder part 120 and a switch module 130. The pressing unit 140 includes an actuator 150 and an increase mechanism 160. The measuring apparatus 100 is used with the sensor chip 200 mounted on the chip holder 110. Therefore, the sensor chip 200 will be described first, and then the measurement apparatus 100 will be described.

[センサーチップ]
図3A〜Cは、本発明の一実施の形態に係るセンサーチップ200の構成を示す図である。図3Aは、センサーチップ200の平面図であり、図3Bは、センサーチップ200の正面図であり、図3Cは、センサーチップ200の底面図である。図3A〜Cに示されるように、センサーチップ200は、2つのセンサー素子210、センサーチップ基板220、2つの第1接触端子230、2つの第2接触端子240、2つの第3接触端子250および2つの第4接触端子260を有する。センサー素子210の天面は、被検出物質を検出するための反応部218(反応場)として機能する。
[Sensor chip]
3A to 3C are diagrams showing a configuration of a sensor chip 200 according to an embodiment of the present invention. 3A is a plan view of the sensor chip 200, FIG. 3B is a front view of the sensor chip 200, and FIG. 3C is a bottom view of the sensor chip 200. FIG. 3A-C, the sensor chip 200 includes two sensor elements 210, a sensor chip substrate 220, two first contact terminals 230, two second contact terminals 240, two third contact terminals 250, and Two fourth contact terminals 260 are provided. The top surface of the sensor element 210 functions as a reaction unit 218 (reaction field) for detecting a substance to be detected.

(センサー素子)
図4A,Bおよび図5A,Bは、センサー素子210の構成を示す図である。図4Aは、センサー素子210の平面図であり、図4Bは、センサー素子210の底面図である。図5Aは、図4Bに示されるA−A線の断面図であり、図5Bは、図4Bに示されるB−B線の断面図である。図4A,Bおよび図5A,Bに示されるように、センサー素子210は、第1容量電極211、第1端子212、第1絶縁膜213、第2絶縁膜214、第2容量電極215、第2端子216、可変抵抗素子217および反応部218を含む。
(Sensor element)
4A and 4B and FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the configuration of the sensor element 210. FIG. 4A is a plan view of the sensor element 210, and FIG. 4B is a bottom view of the sensor element 210. 5A is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 4B, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG. 4B. 4A and 4B and FIGS. 5A and 5B, the sensor element 210 includes a first capacitor electrode 211, a first terminal 212, a first insulating film 213, a second insulating film 214, a second capacitor electrode 215, A two-terminal 216, a variable resistance element 217, and a reaction unit 218 are included.

第1容量電極211は、板状の導電体または半導体である。第1容量電極211は、センサー素子210の基板としても機能する。たとえば、第1容量電極211は、不純物をドープしたシリコン基板である。第1容量電極211の素材の他の例には、ゲルマニウムやヒ化ガリウム(GaAs)、リン化インジウム(InP)、テルル化亜鉛(ZnTe)、アルミニウム、マグネシウムなどが含まれる。第1容量電極211の厚みは、特に限定されず、例えば0.5mm程度である。   The first capacitor electrode 211 is a plate-like conductor or semiconductor. The first capacitor electrode 211 also functions as a substrate for the sensor element 210. For example, the first capacitor electrode 211 is a silicon substrate doped with impurities. Other examples of the material of the first capacitor electrode 211 include germanium, gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), zinc telluride (ZnTe), aluminum, magnesium, and the like. The thickness of the first capacitance electrode 211 is not particularly limited, and is about 0.5 mm, for example.

第1端子212は、第1容量電極211の裏側(センサーチップ基板220側)に配置されており、第1容量電極211に電気的に接続されている(図5A参照)。第1端子212は、第1容量電極211とセンサーチップ基板220の第1スルーホール配線221(後述)とを電気的に接続する。第1端子212は、例えばポリシリコン、金属または合金からなる膜である。   The first terminal 212 is disposed on the back side (the sensor chip substrate 220 side) of the first capacitance electrode 211 and is electrically connected to the first capacitance electrode 211 (see FIG. 5A). The first terminal 212 electrically connects the first capacitor electrode 211 and a first through-hole wiring 221 (described later) of the sensor chip substrate 220. The first terminal 212 is a film made of, for example, polysilicon, metal, or alloy.

第1絶縁膜213は、第1容量電極211の裏側の面に配置された絶縁膜であり、第2絶縁膜214は、第1容量電極211の表側の面に配置された絶縁膜である。第1絶縁膜213は、第1容量電極211と第2容量電極215との間、および第1容量電極211と可変抵抗素子217との間を絶縁する。第2絶縁膜214は、第1容量電極211と反応部218との間を絶縁する。第1絶縁膜213および第2絶縁膜214は、いずれも単層であってもよいし、2層以上から構成されていてもよい。第1絶縁膜213および第2絶縁膜214は、例えば酸化シリコン膜である。第1絶縁膜213および第2絶縁膜214の素材の他の例には、窒化シリコンや酸化アルミニウム、酸化チタン、アクリル樹脂、ポリイミドなどが含まれる。第1絶縁膜213および第2絶縁膜214の膜厚は、特に限定されない。   The first insulating film 213 is an insulating film disposed on the back surface of the first capacitor electrode 211, and the second insulating film 214 is an insulating film disposed on the front surface of the first capacitor electrode 211. The first insulating film 213 insulates between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 and between the first capacitor electrode 211 and the variable resistance element 217. The second insulating film 214 insulates between the first capacitor electrode 211 and the reaction part 218. Each of the first insulating film 213 and the second insulating film 214 may be a single layer or may be composed of two or more layers. The first insulating film 213 and the second insulating film 214 are, for example, silicon oxide films. Other examples of the material of the first insulating film 213 and the second insulating film 214 include silicon nitride, aluminum oxide, titanium oxide, acrylic resin, polyimide, and the like. The film thicknesses of the first insulating film 213 and the second insulating film 214 are not particularly limited.

第2容量電極215は、第1絶縁膜213上に配置されている、導電体または半導体からなる部材である。第2容量電極215は、第1絶縁膜213を挟んで第1容量電極211と対向している。第1容量電極211、第1絶縁膜213および第2容量電極215は、容量(キャパシタ)を構成する。第2容量電極215は、例えばポリシリコン、金属または合金からなる膜である。第2容量電極215を構成する金属および合金の例には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などが含まれる。なお、第1容量電極211が不純物をドープしたシリコン基板であり、第2容量電極215が不純物をドープしたポリシリコン膜である場合は、第1容量電極211にドープされた不純物の極性と、第2容量電極215にドープされた不純物の極性とは、同じであってもよいが、互いに異なることが好ましい。   The second capacitor electrode 215 is a member made of a conductor or a semiconductor disposed on the first insulating film 213. The second capacitor electrode 215 faces the first capacitor electrode 211 with the first insulating film 213 interposed therebetween. The first capacitor electrode 211, the first insulating film 213, and the second capacitor electrode 215 constitute a capacitor. The second capacitor electrode 215 is a film made of, for example, polysilicon, metal, or alloy. Examples of the metal and alloy constituting the second capacitor electrode 215 include aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy and the like. When the first capacitor electrode 211 is a silicon substrate doped with impurities and the second capacitor electrode 215 is a polysilicon film doped with impurities, the polarity of the impurities doped in the first capacitor electrode 211 and the first The polarities of the impurities doped in the two-capacitance electrode 215 may be the same, but are preferably different from each other.

第2端子216は、第2容量電極215上に配置されており、第2容量電極215に電気的に接続されている(図5A参照)。第2端子216は、第2容量電極215とセンサーチップ基板220の第2スルーホール配線222(後述)とを電気的に接続する。第2端子216は、例えばポリシリコン、金属または合金からなる膜である。   The second terminal 216 is disposed on the second capacitor electrode 215 and is electrically connected to the second capacitor electrode 215 (see FIG. 5A). The second terminal 216 electrically connects the second capacitor electrode 215 and the second through-hole wiring 222 (described later) of the sensor chip substrate 220. The second terminal 216 is a film made of, for example, polysilicon, metal, or alloy.

可変抵抗素子217は、第1絶縁膜213上に配置されており、トランスデューサーとして機能する。可変抵抗素子217は、第1絶縁膜213上に配置された基体217aと、基体217aの一方の端部に電気的に接続された第3端子217bと、基体217aの他方の端部に電気的に接続された第4端子217cとを含む。第3端子217bは、基体217aの一方の端部とセンサーチップ基板220の第3スルーホール配線223(後述)とを電気的に接続する。第4端子217cは、基体217aの他方の端部とセンサーチップ基板220の第4スルーホール配線224(後述)とを電気的に接続する。後述するように、被検出物質を検出するときには、第3端子217bと第4端子217cとの間に電圧を印加した状態で、第3端子217bと第4端子217cとの間に流れる電流を測定する。可変抵抗素子217(基体217a)は、第1容量電極211内に蓄積された孤立電荷、および反応部218で生成された電荷に誘起された第1容量電極211内の電荷の影響で抵抗値が変化する。   The variable resistance element 217 is disposed on the first insulating film 213 and functions as a transducer. The variable resistance element 217 is electrically connected to the base 217a disposed on the first insulating film 213, the third terminal 217b electrically connected to one end of the base 217a, and the other end of the base 217a. And a fourth terminal 217c connected to the. The third terminal 217b electrically connects one end of the base 217a and a third through-hole wiring 223 (described later) of the sensor chip substrate 220. The fourth terminal 217c electrically connects the other end of the base 217a and a fourth through-hole wiring 224 (described later) of the sensor chip substrate 220. As will be described later, when a substance to be detected is detected, a current flowing between the third terminal 217b and the fourth terminal 217c is measured with a voltage applied between the third terminal 217b and the fourth terminal 217c. To do. The variable resistance element 217 (base 217 a) has a resistance value due to the influence of isolated charges accumulated in the first capacitor electrode 211 and charges in the first capacitor electrode 211 induced by charges generated in the reaction unit 218. Change.

基体217aは、例えばカーボンナノチューブまたはポリシリコン膜である。基体217aがポリシリコン膜である場合は、基体217aは、低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜であってもよいし、ノンドープポリシリコン膜であってもよい。第3端子217bおよび第4端子217cは、例えばアルミニウム膜である。また、基体217aがポリシリコン膜である場合は、第3端子217bおよび第4端子217cは、不純物をドープしたポリシリコン膜であってもよい。基体217aが低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜であり、第3端子217bおよび第4端子217cが不純物をドープしたポリシリコン膜である場合は、基体217aにドープされた不純物の極性と、第3端子217bおよび第4端子217cにドープされた不純物の極性とは、同じであることが好ましい。なお、基体217aがポリシリコン膜であり、第3端子217bおよび第4端子217cが不純物をドープしたポリシリコン膜であり、かつ第1容量電極211が不純物をドープしたシリコン基板である場合は、第1容量電極211にドープされた不純物の極性と、第3端子217bおよび第4端子217cにドープされた不純物の極性とは、同じであってもよいが、互いに異なることが好ましい。   The base 217a is, for example, a carbon nanotube or a polysilicon film. In the case where the substrate 217a is a polysilicon film, the substrate 217a may be a polysilicon film doped with low-concentration impurities or a non-doped polysilicon film. The third terminal 217b and the fourth terminal 217c are, for example, aluminum films. Further, when the base 217a is a polysilicon film, the third terminal 217b and the fourth terminal 217c may be a polysilicon film doped with impurities. When the base 217a is a polysilicon film doped with low-concentration impurities, and the third terminal 217b and the fourth terminal 217c are polysilicon films doped with impurities, the polarity of the impurities doped into the base 217a, The polarities of the impurities doped in the third terminal 217b and the fourth terminal 217c are preferably the same. When the base 217a is a polysilicon film, the third terminal 217b and the fourth terminal 217c are polysilicon films doped with impurities, and the first capacitor electrode 211 is a silicon substrate doped with impurities, The polarity of the impurity doped in the first capacitor electrode 211 and the polarity of the impurity doped in the third terminal 217b and the fourth terminal 217c may be the same, but are preferably different from each other.

基体217aの形状および大きさは、特に限定されない。外部からのシールド効果を利用する観点からは、基体217aは、第2容量電極215に囲まれていることが好ましい(図4B参照)。したがって、基体217aの大きさは、第2容量電極215に囲まれうる大きさであることが好ましい。   The shape and size of the base 217a are not particularly limited. From the viewpoint of utilizing the shielding effect from the outside, the base 217a is preferably surrounded by the second capacitor electrode 215 (see FIG. 4B). Therefore, the size of the base 217a is preferably a size that can be surrounded by the second capacitor electrode 215.

反応部218は、第2絶縁膜214上に配置されており、被検出物質を含みうる検体を提供される。反応部218では、第2絶縁膜214上に被検出物質と反応できる認識物質219が予め固定化されている(図4Aでは省略されている)。認識物質219の種類は、被検出物質と反応できれば特に限定されず、有機物質であってもよいし、無機物質であってもよい。認識物質219の例には、抗体、抗原、酵素、レクチン、核酸などが含まれる。反応部218に検体を提供されると、検体に含まれる被検出物質と、第2絶縁膜214上に固定化されている認識物質219とが反応する。   The reaction unit 218 is disposed on the second insulating film 214 and is provided with a specimen that can contain a substance to be detected. In the reaction unit 218, a recognition substance 219 that can react with the substance to be detected is immobilized on the second insulating film 214 in advance (not shown in FIG. 4A). The type of the recognition substance 219 is not particularly limited as long as it can react with the substance to be detected, and may be an organic substance or an inorganic substance. Examples of the recognition substance 219 include antibodies, antigens, enzymes, lectins, nucleic acids and the like. When the specimen is provided to the reaction unit 218, the target substance contained in the specimen and the recognition substance 219 immobilized on the second insulating film 214 react.

なお、ここでは、第1容量電極211と反応部218との間に第2絶縁膜214が存在するセンサー素子210について説明しているが、第2絶縁膜214は無くてもよい。すなわち、反応部218は、第1容量電極211の表側の面に直接配置されていてもよい。この場合、認識物質219は、第1容量電極211の表側の面に固定化される。   Here, the sensor element 210 in which the second insulating film 214 exists between the first capacitor electrode 211 and the reaction portion 218 is described, but the second insulating film 214 may be omitted. That is, the reaction unit 218 may be directly disposed on the front surface of the first capacitance electrode 211. In this case, the recognition substance 219 is immobilized on the surface on the front side of the first capacitance electrode 211.

本実施の形態では、2つのセンサー素子210が1枚のセンサーチップ基板220上に配置されている。すなわち、センサーチップ200は、2つのセンサー素子210を有する。この場合、一方のセンサー素子210は検出用に使用され、他方のセンサー素子210は参照用に使用されうる。測定装置100は、2つのセンサー素子210,210の出力の差分値を利用して外部環境の影響を排除することができるため、より高精度かつ高感度に被検出物質を検出することができる。   In the present embodiment, two sensor elements 210 are arranged on one sensor chip substrate 220. That is, the sensor chip 200 has two sensor elements 210. In this case, one sensor element 210 can be used for detection and the other sensor element 210 can be used for reference. Since the measuring apparatus 100 can eliminate the influence of the external environment by using the difference value between the outputs of the two sensor elements 210 and 210, it can detect the substance to be detected with higher accuracy and higher sensitivity.

センサー素子210の製造方法は、特に限定されない。センサー素子210は、一般的な半導体素子の製造工程により製造されうる。   The method for manufacturing the sensor element 210 is not particularly limited. The sensor element 210 can be manufactured by a general semiconductor element manufacturing process.

(センサーチップ基板)
センサーチップ基板220は、絶縁性の板である。本実施の形態では、センサーチップ基板220の表側の面には、2つのセンサー素子210が配置される。センサーチップ基板220の裏側(測定装置100側)の面には、2つの第1接触端子230、2つの第2接触端子240、2つの第3接触端子250および2つの第4接触端子260が配置される。センサーチップ基板220は、例えばガラスコンポジット基板やガラスエポキシ基板などである。
(Sensor chip substrate)
The sensor chip substrate 220 is an insulating plate. In the present embodiment, two sensor elements 210 are arranged on the front surface of the sensor chip substrate 220. Two first contact terminals 230, two second contact terminals 240, two third contact terminals 250, and two fourth contact terminals 260 are arranged on the back side (measurement apparatus 100 side) surface of the sensor chip substrate 220. Is done. The sensor chip substrate 220 is, for example, a glass composite substrate or a glass epoxy substrate.

センサーチップ基板220は、2つの第1スルーホール配線221、2つの第2スルーホール配線222、2つの第3スルーホール配線223および2つの第4スルーホール配線224を有する。第1スルーホール配線221は、センサー素子210の第1端子212の直下に配置されており、第1端子212と第1接触端子230とを電気的に接続する。第2スルーホール配線222は、センサー素子210の第2端子216の直下に配置されており、第2端子216と第2接触端子240とを電気的に接続する。第3スルーホール配線223は、センサー素子210の第3端子217bの直下に配置されており、第3端子217bと第3接触端子250とを電気的に接続する。第4スルーホール配線224は、センサー素子210の第4端子217cの直下に配置されており、第4端子217cと第4接触端子260とを電気的に接続する。   The sensor chip substrate 220 includes two first through-hole wirings 221, two second through-hole wirings 222, two third through-hole wirings 223, and two fourth through-hole wirings 224. The first through-hole wiring 221 is disposed immediately below the first terminal 212 of the sensor element 210 and electrically connects the first terminal 212 and the first contact terminal 230. The second through-hole wiring 222 is disposed immediately below the second terminal 216 of the sensor element 210 and electrically connects the second terminal 216 and the second contact terminal 240. The third through-hole wiring 223 is disposed immediately below the third terminal 217b of the sensor element 210, and electrically connects the third terminal 217b and the third contact terminal 250. The fourth through-hole wiring 224 is disposed immediately below the fourth terminal 217c of the sensor element 210, and electrically connects the fourth terminal 217c and the fourth contact terminal 260.

センサーチップ基板220の表側では、第1スルーホール配線221、第2スルーホール配線222、第3スルーホール配線223および第4スルーホール配線224は、それぞれ、プリント配線を介さずにセンサー素子210の第1端子212、第2端子216、第3端子217bおよび第4端子217cに接続されている。各端子との接続には、ハンダや銀ペーストなどの導電性固着材などが使用されうる。一方、センサーチップ基板220の裏側では、第1スルーホール配線221、第2スルーホール配線222、第3スルーホール配線223および第4スルーホール配線224は、それぞれ、プリント配線を介して第1接触端子230、第2接触端子240、第3接触端子250および第4接触端子260に接続されている。したがって、センサーチップ200では、プリント配線がセンサーチップ基板220の裏側に集中している。なお、センサー素子210をより確実にセンサーチップ基板220に固定するために、センサー素子210とセンサーチップ基板220との間に絶縁性接着剤を注入し、硬化させてもよい。   On the front side of the sensor chip substrate 220, the first through-hole wiring 221, the second through-hole wiring 222, the third through-hole wiring 223, and the fourth through-hole wiring 224 are respectively connected to the first through-hole wiring 224 of the sensor element 210 without going through the printed wiring. The first terminal 212, the second terminal 216, the third terminal 217b, and the fourth terminal 217c are connected. For the connection with each terminal, a conductive fixing material such as solder or silver paste can be used. On the other hand, on the back side of the sensor chip substrate 220, the first through-hole wiring 221, the second through-hole wiring 222, the third through-hole wiring 223, and the fourth through-hole wiring 224 are respectively connected to the first contact terminal via the printed wiring. 230, the second contact terminal 240, the third contact terminal 250, and the fourth contact terminal 260. Therefore, in the sensor chip 200, the printed wiring is concentrated on the back side of the sensor chip substrate 220. In order to more securely fix the sensor element 210 to the sensor chip substrate 220, an insulating adhesive may be injected between the sensor element 210 and the sensor chip substrate 220 and cured.

(接触端子)
第1接触端子230、第2接触端子240、第3接触端子250および第4接触端子260は、センサーチップ基板220の裏側(測定装置100側)の面に配置されている。これらは、例えば金属または合金からなる膜であり、測定装置100との接触端子として機能する。第1接触端子230は、第1スルーホール配線221を介してセンサー素子210の第1端子212に電気的に接続されている。第2接触端子240は、第2スルーホール配線222を介してセンサー素子210の第2端子216に電気的に接続されている。第3接触端子250は、第3スルーホール配線223を介してセンサー素子210の第3端子217bに電気的に接続されている。第4接触端子260は、第4スルーホール配線224を介してセンサー素子210の第4端子217cに電気的に接続されている。
(Contact terminal)
The first contact terminal 230, the second contact terminal 240, the third contact terminal 250, and the fourth contact terminal 260 are arranged on the back side (measurement device 100 side) surface of the sensor chip substrate 220. These are films made of, for example, a metal or an alloy, and function as contact terminals with the measuring apparatus 100. The first contact terminal 230 is electrically connected to the first terminal 212 of the sensor element 210 via the first through-hole wiring 221. The second contact terminal 240 is electrically connected to the second terminal 216 of the sensor element 210 via the second through-hole wiring 222. The third contact terminal 250 is electrically connected to the third terminal 217 b of the sensor element 210 via the third through-hole wiring 223. The fourth contact terminal 260 is electrically connected to the fourth terminal 217 c of the sensor element 210 via the fourth through-hole wiring 224.

(センサー素子の使用方法)
次に、センサーチップ200に含まれるセンサー素子210を用いた被検出物質の検出手順の一例と、推察される検出メカニズムについて説明する。図6A〜Cは、センサー素子210の動作原理を説明するためのセンサー素子210の断面模式図である。理解の促進のため、これらの図では、各構成要素の位置および形状を変えている。また、認識物質219が省略されている。可変抵抗素子217の第3端子217bおよび第4端子217cは、予め電流計(測定装置100の電流測定部180)に接続されている。
(How to use the sensor element)
Next, an example of a detection procedure for a substance to be detected using the sensor element 210 included in the sensor chip 200 and an inferred detection mechanism will be described. 6A to 6C are schematic cross-sectional views of the sensor element 210 for explaining the operation principle of the sensor element 210. FIG. In order to facilitate understanding, the positions and shapes of the components are changed in these drawings. Further, the recognition substance 219 is omitted. The third terminal 217b and the fourth terminal 217c of the variable resistance element 217 are connected in advance to an ammeter (the current measuring unit 180 of the measuring apparatus 100).

まず、第1端子212および第2端子216を電源(測定装置100の電圧印加部170)に接続し(図中黒丸で表示)、第1容量電極211と第2容量電極215との間に所定の電圧を印加する。このとき、第1容量電極211の第1絶縁膜213側の部分および第2容量電極215の第1絶縁膜213側の部分に空乏層ができないように、電圧を印加することが好ましい。前述のとおり、第1容量電極211、第1絶縁膜213および第2容量電極215は、容量を構成する。したがって、図6Aに示されるように、第1容量電極211および第2容量電極215内に印加電圧および容量の容量値で一義的に制御できる電荷を蓄積することができる。   First, the first terminal 212 and the second terminal 216 are connected to a power source (the voltage application unit 170 of the measuring apparatus 100) (indicated by a black circle in the figure), and a predetermined amount is provided between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215. Apply a voltage of. At this time, it is preferable to apply a voltage so that a depletion layer is not formed in a portion of the first capacitor electrode 211 on the first insulating film 213 side and a portion of the second capacitor electrode 215 on the first insulating film 213 side. As described above, the first capacitor electrode 211, the first insulating film 213, and the second capacitor electrode 215 constitute a capacitor. Therefore, as shown in FIG. 6A, electric charges that can be uniquely controlled by the applied voltage and the capacitance value of the capacitance can be accumulated in the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215.

この後、第1端子212および第2端子216を電源から切り離し(図中白丸で表示)、第1容量電極211および第2容量電極215を孤立状態にする(図示省略)。これにより、第1容量電極211および第2容量電極215内の蓄積電荷が孤立電荷となる。この孤立電荷は、センサー素子210の検出感度に大きく影響を及ぼす。したがって、第1容量電極211と第2容量電極215との間に印加する電圧は、要求される検出感度に応じて適宜設定される。   Thereafter, the first terminal 212 and the second terminal 216 are disconnected from the power source (indicated by white circles in the figure), and the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 are set in an isolated state (not shown). As a result, the accumulated charges in the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 become isolated charges. This isolated charge greatly affects the detection sensitivity of the sensor element 210. Therefore, the voltage applied between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 is appropriately set according to the required detection sensitivity.

この状態で、一度、第3端子217bと第4端子217cとの間に所定の電圧を印加して(図中黒丸で表示)、第3端子217bと第4端子217cとの間の電流値を測定する(図示省略)。   In this state, once a predetermined voltage is applied between the third terminal 217b and the fourth terminal 217c (indicated by a black circle in the figure), the current value between the third terminal 217b and the fourth terminal 217c is set. Measure (not shown).

次いで、反応部218に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と第2絶縁膜214に固定化された認識物質219とを反応させる。図6Bに示されるように、この反応により第2絶縁膜214上には電荷が生成される。さらには、図6Cに示されるように、第1容量電極211内においても第2絶縁膜214上で生成した電荷の作る電界により分極する新たな電荷が誘起される。第2絶縁膜214が無い場合は、第1容量電極211の表側の面に直接固定化された認識物質219と、検体に含まれる被検出物質との反応で生成された電荷が作る電界により、第1容量電極211内に分極する電荷が新たに誘起される。   Next, the specimen is provided to the reaction unit 218, and the substance to be detected included in the specimen is reacted with the recognition substance 219 immobilized on the second insulating film 214. As shown in FIG. 6B, electric charges are generated on the second insulating film 214 by this reaction. Furthermore, as shown in FIG. 6C, a new charge that is polarized is induced in the first capacitor electrode 211 by the electric field generated by the charge generated on the second insulating film 214. In the absence of the second insulating film 214, the electric field generated by the charge generated by the reaction between the recognition substance 219 directly immobilized on the front surface of the first capacitance electrode 211 and the target substance contained in the specimen, A charge that is polarized in the first capacitor electrode 211 is newly induced.

この状態で、再度、可変抵抗素子217の第3端子217bと第4端子217cとの間に所定の電圧(一回目の測定と同じ電圧)を印加して、第3端子217bと第4端子217cとの間の電流値を測定する。検体提供後の二回目の測定は、検体が乾燥する前に行ってもよいし、乾燥した後に行ってもよい。検体提供前の一回目の測定では、可変抵抗素子217の抵抗値が、第1容量電極211内に蓄積された孤立電荷により形成される電界で決まる。一方、検体提供後の二回目の測定では、可変抵抗素子217の抵抗値が、第1容量電極211内に蓄積された孤立電荷と、反応部218で生成された電荷によって分極誘起された第1容量電極211内の電荷とにより形成される電界で決まる。したがって、検体提供前後の電流値の変化から、被検出物質の有無または量を検出することができる。   In this state, a predetermined voltage (the same voltage as the first measurement) is applied again between the third terminal 217b and the fourth terminal 217c of the variable resistance element 217, and the third terminal 217b and the fourth terminal 217c are applied. Measure the current value between. The second measurement after the sample is provided may be performed before the sample is dried or may be performed after the sample is dried. In the first measurement before the sample is provided, the resistance value of the variable resistance element 217 is determined by the electric field formed by the isolated charges accumulated in the first capacitor electrode 211. On the other hand, in the second measurement after the sample is provided, the resistance value of the variable resistance element 217 is the first polarization induced by the isolated charge accumulated in the first capacitance electrode 211 and the charge generated in the reaction unit 218. It is determined by the electric field formed by the charge in the capacitor electrode 211. Therefore, it is possible to detect the presence or absence or amount of the substance to be detected from the change in the current value before and after the sample is provided.

電界と可変抵抗素子217の抵抗値との関係を見た場合、通常、抵抗値が鋭敏に変化する範囲は限定されている。このため、反応部218での反応に起因する電界の変化により可変抵抗素子217の抵抗値が鋭敏に変化するように、第1容量電極211内の孤立電荷の量を調整することが必要である。   When the relationship between the electric field and the resistance value of the variable resistance element 217 is observed, the range in which the resistance value changes sharply is usually limited. For this reason, it is necessary to adjust the amount of isolated charges in the first capacitor electrode 211 so that the resistance value of the variable resistance element 217 changes sharply due to a change in the electric field caused by the reaction in the reaction unit 218. .

以上の手順により、センサー素子210を用いて被検出物質の有無または量を検出することができる。   With the above procedure, the presence or amount of the substance to be detected can be detected using the sensor element 210.

なお、検出精度を向上させる観点からは、第1容量電極211と第2容量電極215との間に電圧を印加する直前に第1容量電極211および第2容量電極215の残留電荷を除去することが好ましい。このようにすることで、第1容量電極211内の孤立電荷の量を、より高精度に制御することが可能となる。   Note that, from the viewpoint of improving detection accuracy, the residual charges of the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 are removed immediately before a voltage is applied between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215. Is preferred. In this way, the amount of isolated charges in the first capacitor electrode 211 can be controlled with higher accuracy.

本実施の形態に係るセンサーチップ200では、測定装置100との接続用の各接触端子(第1接触端子230、第2接触端子240、第3接触端子250および第4接触端子260)を、センサー素子210の直下近傍に配置している。また、センサー素子210の各端子(第1端子212、第2端子216、第3端子217bおよび第4端子217c)と測定装置100との接続用の各接触端子(第1接触端子230、第2接触端子240、第3接触端子250および第4接触端子260)とを、スルーホール配線(第1スルーホール配線221、第2スルーホール配線222、第3スルーホール配線223および第4スルーホール配線224)を介して最短距離で接続している。また、センサーチップ基板220の表側(センサー素子210側)の面には配線を配置せず、センサーチップ基板220の裏側(測定装置100側)の面にのみ配線を配置している。これらの特徴により、センサーチップ200内における浮遊容量の低減が実現される。センサーチップ200内における浮遊容量を低減することで、センサー素子210を用いた測定の感度を向上できると考えられる。   In the sensor chip 200 according to the present embodiment, each contact terminal (the first contact terminal 230, the second contact terminal 240, the third contact terminal 250, and the fourth contact terminal 260) for connection with the measuring apparatus 100 is used as a sensor. It is arranged in the vicinity immediately below the element 210. Further, contact terminals (first contact terminal 230, second contact terminal) for connecting each terminal (first terminal 212, second terminal 216, third terminal 217 b and fourth terminal 217 c) of the sensor element 210 and the measuring apparatus 100. The contact terminal 240, the third contact terminal 250, and the fourth contact terminal 260 are connected to the through-hole wiring (first through-hole wiring 221, second through-hole wiring 222, third through-hole wiring 223, and fourth through-hole wiring 224). ) Through the shortest distance. In addition, no wiring is arranged on the front side (sensor element 210 side) of the sensor chip substrate 220, and the wiring is arranged only on the back side (measurement device 100 side) of the sensor chip substrate 220. With these features, the stray capacitance in the sensor chip 200 can be reduced. It is considered that the sensitivity of measurement using the sensor element 210 can be improved by reducing the stray capacitance in the sensor chip 200.

[測定装置]
次に、測定装置100について説明する。前述のとおり、測定装置100は、チップホルダー110、押圧部140、電圧印加部170、電流測定部180および制御部190を有する(図2参照)。
[measuring device]
Next, the measuring apparatus 100 will be described. As described above, the measuring apparatus 100 includes the chip holder 110, the pressing unit 140, the voltage applying unit 170, the current measuring unit 180, and the control unit 190 (see FIG. 2).

(チップホルダー)
チップホルダー110は、センサーチップ200を保持する。
(Chip holder)
The chip holder 110 holds the sensor chip 200.

図7は、チップホルダー110の構成を示す分解斜視図である。図8Aは、チップホルダー110の構成を示す分解断面図である。図8Bは、チップホルダー110の構成を示す断面図である。これらの図では、理解の促進のため、センサーチップ200も図示している。図7、図8Aおよび図8Bに示されるように、チップホルダー110は、ホルダー部120およびスイッチモジュール130を有する。ホルダー部120は、ホルダー本体121および蓋部127に分けられる。なお、図2では、ホルダー部120(ホルダー本体121および蓋部127)を一体として図示している。また、図7では、蓋部127を省略している。   FIG. 7 is an exploded perspective view showing the configuration of the chip holder 110. FIG. 8A is an exploded cross-sectional view showing the configuration of the chip holder 110. FIG. 8B is a cross-sectional view showing the configuration of the chip holder 110. In these drawings, the sensor chip 200 is also illustrated for facilitating understanding. As shown in FIG. 7, FIG. 8A and FIG. 8B, the chip holder 110 has a holder part 120 and a switch module 130. The holder part 120 is divided into a holder main body 121 and a lid part 127. In FIG. 2, the holder portion 120 (the holder main body 121 and the lid portion 127) is illustrated as an integral unit. In FIG. 7, the lid 127 is omitted.

ホルダー本体121は、蓋部127とともにセンサーチップ200を保持する。また、ホルダー本体121には、スイッチモジュール130(後述)が固定されており、ホルダー本体121は、センサーチップ200の各接触端子とスイッチモジュール130の各コンタクトプローブとを接触させる。図7、図8Aおよび図8Bに示されるように、ホルダー本体121は、表側の面に配置された第1凹部122と、裏側の面の第1凹部122に対応する位置に配置された第2凹部123と、第1凹部122の底部および第2凹部123の底部に開口する第1貫通孔124と、6つの第1マグネット125とを有する。第1凹部122は、センサーチップ200の外形と略同一形状であり、センサーチップ200を嵌め込まれるための凹部である。第2凹部123は、スイッチモジュール130の外形と略同一形状であり、スイッチモジュール130を嵌め込まれるための凹部である。センサーチップ200の裏側の面(各接触端子が配置されている面)とスイッチモジュール130の表側の面(各コンタクトプローブが配置されている面)とは、第1貫通孔124を介して互いに対向することができる(図8B参照)。第1貫通孔124の深さ(第1凹部122の底面と第2凹部123の底面との間隔)は、第1凹部122にセンサーチップ200を嵌め込んだときに、スイッチモジュール130の各コンタクトプローブ(後述)の抵抗値が所望の範囲内になるように適宜設定される。第1マグネット125は、蓋部127の第2マグネット129と引き合うことで、蓋部127を所定の位置に固定する。ホルダー本体121(第1マグネット125を除く)の素材は、特に限定されないが、センサー素子210との間の浮遊容量を低減する観点から樹脂が好ましい。第1マグネット125の数は、蓋部127を固定することができれば特に限定されず、任意に選択されうる。   The holder main body 121 holds the sensor chip 200 together with the lid portion 127. Further, a switch module 130 (described later) is fixed to the holder main body 121, and the holder main body 121 brings each contact terminal of the sensor chip 200 into contact with each contact probe of the switch module 130. As shown in FIGS. 7, 8A and 8B, the holder main body 121 includes a first concave portion 122 disposed on the front surface and a second concave portion disposed at a position corresponding to the first concave portion 122 on the rear surface. It has a recess 123, a first through hole 124 that opens to the bottom of the first recess 122 and the bottom of the second recess 123, and six first magnets 125. The first recess 122 is substantially the same shape as the outer shape of the sensor chip 200 and is a recess for fitting the sensor chip 200 therein. The second recess 123 has substantially the same shape as the outer shape of the switch module 130 and is a recess for fitting the switch module 130 therein. The back surface (surface on which each contact terminal is disposed) of the sensor chip 200 and the front surface (surface on which each contact probe is disposed) of the switch module 130 are opposed to each other through the first through hole 124. (See FIG. 8B). The depth of the first through-hole 124 (the distance between the bottom surface of the first recess 122 and the bottom surface of the second recess 123) is the contact probe of the switch module 130 when the sensor chip 200 is fitted into the first recess 122. The resistance value (described later) is appropriately set so as to be within a desired range. The first magnet 125 attracts the second magnet 129 of the lid 127 to fix the lid 127 at a predetermined position. The material of the holder main body 121 (excluding the first magnet 125) is not particularly limited, but a resin is preferable from the viewpoint of reducing stray capacitance with the sensor element 210. The number of the first magnets 125 is not particularly limited as long as the lid 127 can be fixed, and can be arbitrarily selected.

蓋部127は、ホルダー本体121の上に配置され、ホルダー本体121の第1凹部122に嵌め込まれたセンサーチップ200の外周部を上側から押さえつける。蓋部127は、第2貫通孔128および6つの第2マグネット129を有する。センサーチップ200のセンサー素子210は、第2貫通孔128を介して外部に露出する。したがって、センサーチップ200がホルダー部120(ホルダー本体121および蓋部127)にセットされていても、ユーザーは、センサー素子210の反応部218に検体を提供することができる。蓋部127(第2マグネット129を除く)の素材は、特に限定されないが、センサー素子210との間の浮遊容量を低減する観点から樹脂が好ましい。第2マグネット129の数は、通常第1マグネット125と同数であるが、蓋部127を固定することができれば特に限定されない。   The lid portion 127 is disposed on the holder main body 121 and presses the outer peripheral portion of the sensor chip 200 fitted in the first concave portion 122 of the holder main body 121 from above. The lid 127 has a second through hole 128 and six second magnets 129. The sensor element 210 of the sensor chip 200 is exposed to the outside through the second through hole 128. Therefore, even if the sensor chip 200 is set in the holder part 120 (the holder main body 121 and the lid part 127), the user can provide the specimen to the reaction part 218 of the sensor element 210. The material of the lid 127 (excluding the second magnet 129) is not particularly limited, but a resin is preferable from the viewpoint of reducing stray capacitance with the sensor element 210. The number of second magnets 129 is normally the same as the number of first magnets 125, but is not particularly limited as long as lid portion 127 can be fixed.

スイッチモジュール130は、ホルダー本体121の第2凹部123に固定されており、センサーチップ200の各接触端子(第1接触端子230、第2接触端子240、第3接触端子250および第4接触端子260)と、測定装置100の電圧印加部170および電流測定部180とを接続する。より具体的には、スイッチモジュール130は、センサーチップ200の第1接触端子230と電圧印加部170とを第1機械的接点スイッチ135を介して接続し、センサーチップ200の第2接触端子240と電圧印加部170とを第2機械的接点スイッチ136を介して接続する。また、スイッチモジュール130は、センサーチップ200の第3接触端子250および第4接触端子260と電流測定部180とを接続する。   The switch module 130 is fixed to the second recess 123 of the holder main body 121, and each contact terminal (the first contact terminal 230, the second contact terminal 240, the third contact terminal 250, and the fourth contact terminal 260) of the sensor chip 200. ) And the voltage application unit 170 and the current measurement unit 180 of the measurement apparatus 100 are connected. More specifically, the switch module 130 connects the first contact terminal 230 of the sensor chip 200 and the voltage application unit 170 via the first mechanical contact switch 135, and the second contact terminal 240 of the sensor chip 200. The voltage application unit 170 is connected via the second mechanical contact switch 136. The switch module 130 connects the third contact terminal 250 and the fourth contact terminal 260 of the sensor chip 200 and the current measuring unit 180.

図9A〜Cは、スイッチモジュール130の構成を示す図である。図9Aは、スイッチモジュール130の平面図であり、図9Bは、スイッチモジュール130の正面図であり、図9Cは、スイッチモジュール130の底面図である。図9A〜Cに示されるように、スイッチモジュール130は、スイッチモジュール基板131、2つの第1コンタクトプローブ133a、2つの第2コンタクトプローブ133b、2つの第3コンタクトプローブ133c、2つの第4コンタクトプローブ133d、2つのコネクター134、2つの第1機械的接点スイッチ135、2つの第2機械的接点スイッチ136および2つの温度センサー137を有する。   9A to 9C are diagrams illustrating the configuration of the switch module 130. 9A is a plan view of the switch module 130, FIG. 9B is a front view of the switch module 130, and FIG. 9C is a bottom view of the switch module 130. 9A to 9C, the switch module 130 includes a switch module substrate 131, two first contact probes 133a, two second contact probes 133b, two third contact probes 133c, and two fourth contact probes. 133d, two connectors 134, two first mechanical contact switches 135, two second mechanical contact switches 136, and two temperature sensors 137.

スイッチモジュール基板131は、絶縁性の板である。スイッチモジュール基板131の表側(センサーチップ200側)の面には、2つの第1コンタクトプローブ133a、2つの第2コンタクトプローブ133b、2つの第3コンタクトプローブ133cおよび2つの第4コンタクトプローブ133dが配置される。スイッチモジュール基板131は、例えばガラスコンポジット基板やガラスエポキシ基板などである。   The switch module substrate 131 is an insulating plate. Two first contact probes 133a, two second contact probes 133b, two third contact probes 133c, and two fourth contact probes 133d are arranged on the surface of the switch module substrate 131 (sensor chip 200 side). Is done. The switch module substrate 131 is, for example, a glass composite substrate or a glass epoxy substrate.

スイッチモジュール基板131は、2つの第5スルーホール配線132a、2つの第6スルーホール配線132b、2つの第7スルーホール配線132cおよび2つの第8スルーホール配線132dを有する。第5スルーホール配線132aは、第1コンタクトプローブ133aの直下に配置されており、第1コンタクトプローブ133aと第1機械的接点スイッチ135とを電気的に接続する。第6スルーホール配線132bは、第2コンタクトプローブ133bの直下に配置されており、第2コンタクトプローブ133bと第2機械的接点スイッチ136とを電気的に接続する。第7スルーホール配線132cは、第3コンタクトプローブ133cの直下に配置されており、第3コンタクトプローブ133cとコネクター134とを電気的に接続する。第8スルーホール配線132dは、第4コンタクトプローブ133dの直下に配置されており、第4コンタクトプローブ133dとコネクター134とを電気的に接続する。   The switch module substrate 131 has two fifth through-hole wirings 132a, two sixth through-hole wirings 132b, two seventh through-hole wirings 132c, and two eighth through-hole wirings 132d. The fifth through-hole wiring 132a is disposed immediately below the first contact probe 133a and electrically connects the first contact probe 133a and the first mechanical contact switch 135. The sixth through-hole wiring 132b is disposed immediately below the second contact probe 133b and electrically connects the second contact probe 133b and the second mechanical contact switch 136. The seventh through-hole wiring 132c is disposed immediately below the third contact probe 133c, and electrically connects the third contact probe 133c and the connector 134. The eighth through-hole wiring 132d is disposed immediately below the fourth contact probe 133d, and electrically connects the fourth contact probe 133d and the connector 134.

スイッチモジュール基板131の表側では、第5スルーホール配線132a、第6スルーホール配線132b、第7スルーホール配線132cおよび第8スルーホール配線132dは、それぞれ、プリント配線を介さずに第1コンタクトプローブ133a、第2コンタクトプローブ133b、第3コンタクトプローブ133cおよび第4コンタクトプローブ133dに接続されている。各コンタクトプローブとの接続には、ハンダや銀ペーストなどの導電性固着材などが使用されうる。一方、スイッチモジュール基板131の裏側では、第7スルーホール配線132cおよび第8スルーホール配線132dは、それぞれ、プリント配線を介してコネクター134に接続されている。また、第1機械的接点スイッチ135、第2機械的接点スイッチ136および温度センサー137も、プリント配線を介してコネクター134に接続されている。したがって、スイッチモジュール130では、プリント配線がスイッチモジュール基板131の裏側に集中している。これにより、スイッチモジュール130内における浮遊容量の低減が実現される。スイッチモジュール130内における浮遊容量を低減することで、センサー素子210を用いた測定の感度を向上できると考えられる。   On the front side of the switch module substrate 131, the fifth through-hole wiring 132a, the sixth through-hole wiring 132b, the seventh through-hole wiring 132c, and the eighth through-hole wiring 132d are respectively connected to the first contact probe 133a without going through the printed wiring. The second contact probe 133b, the third contact probe 133c, and the fourth contact probe 133d are connected. For connection with each contact probe, a conductive fixing material such as solder or silver paste can be used. On the other hand, on the back side of the switch module substrate 131, the seventh through-hole wiring 132c and the eighth through-hole wiring 132d are each connected to the connector 134 via printed wiring. The first mechanical contact switch 135, the second mechanical contact switch 136, and the temperature sensor 137 are also connected to the connector 134 through printed wiring. Therefore, in the switch module 130, the printed wiring is concentrated on the back side of the switch module substrate 131. Thereby, reduction of the stray capacitance in the switch module 130 is realized. It is considered that the sensitivity of measurement using the sensor element 210 can be improved by reducing the stray capacitance in the switch module 130.

第1コンタクトプローブ133a、第2コンタクトプローブ133b、第3コンタクトプローブ133c、第4コンタクトプローブ133dは、スイッチモジュール基板131の表側(センサーチップ200側)の面に配置されている。これらは、例えばスプリングピンであり、センサーチップ200との接触端子として機能する。第1凹部122にセンサーチップ200を嵌め込んだときに、第1コンタクトプローブ133aは、センサーチップ200の第1接触端子230に接触する。同様に、第2コンタクトプローブ133bは、センサーチップ200の第2接触端子240に接触する。第3コンタクトプローブ133cは、センサーチップ200の第3接触端子250に接触する。第4コンタクトプローブ133dは、センサーチップ200の第4接触端子260に接触する。   The first contact probe 133a, the second contact probe 133b, the third contact probe 133c, and the fourth contact probe 133d are disposed on the front side (sensor chip 200 side) surface of the switch module substrate 131. These are spring pins, for example, and function as contact terminals with the sensor chip 200. When the sensor chip 200 is fitted into the first recess 122, the first contact probe 133 a contacts the first contact terminal 230 of the sensor chip 200. Similarly, the second contact probe 133b contacts the second contact terminal 240 of the sensor chip 200. The third contact probe 133c contacts the third contact terminal 250 of the sensor chip 200. The fourth contact probe 133d contacts the fourth contact terminal 260 of the sensor chip 200.

コネクター134は、スイッチモジュール基板131の裏側の面に配置されており、スイッチモジュール130の各素子または各端子と、電圧印加部170、電流測定部180または制御部190とを接続する。より具体的には、コネクター134は、第1コンタクトプローブ133aおよび第2コンタクトプローブ133bと電圧印加部170とを接続し、第3コンタクトプローブ133cおよび第4コンタクトプローブ133dと電流測定部180とを接続し、温度センサー137と制御部190とを接続する。この後説明するように、第1コンタクトプローブ133aとコネクター134との間には第1機械的接点スイッチ135が配置され、第2コンタクトプローブ133bとコネクター134との間には第2機械的接点スイッチ136が配置される。   The connector 134 is disposed on the back surface of the switch module substrate 131 and connects each element or each terminal of the switch module 130 to the voltage application unit 170, the current measurement unit 180, or the control unit 190. More specifically, the connector 134 connects the first contact probe 133a and the second contact probe 133b and the voltage application unit 170, and connects the third contact probe 133c and the fourth contact probe 133d and the current measurement unit 180. Then, the temperature sensor 137 and the control unit 190 are connected. As will be described later, a first mechanical contact switch 135 is disposed between the first contact probe 133a and the connector 134, and a second mechanical contact switch is disposed between the second contact probe 133b and the connector 134. 136 is arranged.

第1機械的接点スイッチ135は、第1コンタクトプローブ133aとコネクター134との間に配置され、第1容量電極211と電圧印加部170との接続状態を切り替える。同様に、第2機械的接点スイッチ136は、第2コンタクトプローブ133bとコネクター134との間に配置され、第2容量電極215と電圧印加部170との接続状態を切り替える。第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136は、押圧部140(後述)により押圧されたとき、第1容量電極211および第2容量電極215と電圧印加部170とを接続する。これにより、センサー素子210の第1容量電極211および第2容量電極215内に電荷が蓄積される。押圧部140による押圧が解除されたとき、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136は、第1容量電極211および第2容量電極215と電圧印加部170とを遮断する。これにより、第1容量電極211および第2容量電極215内の蓄積電荷が孤立電荷となる。前述のとおり、この孤立電荷はセンサー素子210の検出感度に大きく影響を及ぼすため、蓄積電荷の経時的な変化は小さいほど好ましい。したがって、検出感度を維持する観点からは、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136には、浮遊容量が小さく、かつオフ電流が0であることが要求される。   The first mechanical contact switch 135 is disposed between the first contact probe 133 a and the connector 134 and switches the connection state between the first capacitance electrode 211 and the voltage application unit 170. Similarly, the second mechanical contact switch 136 is disposed between the second contact probe 133b and the connector 134, and switches the connection state between the second capacitor electrode 215 and the voltage application unit 170. The first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 connect the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 and the voltage application unit 170 when pressed by a pressing unit 140 (described later). As a result, charges are accumulated in the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 of the sensor element 210. When the pressing by the pressing unit 140 is released, the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 block the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 and the voltage application unit 170. As a result, the accumulated charges in the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 become isolated charges. As described above, since this isolated charge greatly affects the detection sensitivity of the sensor element 210, it is preferable that the change in accumulated charge with time is as small as possible. Therefore, from the viewpoint of maintaining detection sensitivity, the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 are required to have a small stray capacitance and zero off-current.

上記の観点から、本実施の形態に係る測定装置100では、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136として、押しボタン型の機械的接点スイッチを使用する。押しボタン型の機械的接点スイッチの例には、タクタイルスイッチや検知(検出)スイッチなどが含まれる。一般的な測定装置では、電気信号で制御可能なアナログスイッチやリレースイッチが使用されることが多い。しかしながら、アナログスイッチは、オフ電流が0ではなく、蓄積電荷を変化させる原因となるため、センサー素子210と組み合わせて使用するスイッチとして好ましくない(図10A参照)。リレースイッチは、オン/オフの切り替え時にコイルの逆起電圧が発生し、スイッチ内に検出感度に影響を及ぼしうる蓄積電荷が生じてしまうため、センサー素子210と組み合わせて使用するスイッチとして好ましくない(図10B参照)。これに対し、機械的接点スイッチは、オフ電流が0であり、かつスイッチ内に蓄積電荷が生じないため、センサー素子210と組み合わせて使用するスイッチとして好ましい(図10C参照)。特に、タクタイルスイッチは、低背で小型化が可能であり、スイッチストロークが小さく、かつ必要とされる押圧力が小さいことから、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136として好適である。   From the above viewpoint, in the measuring apparatus 100 according to the present embodiment, push button type mechanical contact switches are used as the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136. Examples of push button type mechanical contact switches include a tactile switch and a detection (detection) switch. In general measuring apparatuses, analog switches and relay switches that can be controlled by electric signals are often used. However, the analog switch is not preferable as a switch used in combination with the sensor element 210 because the off-state current is not 0 and causes the accumulated charge to change (see FIG. 10A). The relay switch is not preferable as a switch to be used in combination with the sensor element 210 because a back electromotive voltage of the coil is generated at the time of switching on / off, and accumulated charges that may affect the detection sensitivity are generated in the switch ( (See FIG. 10B). On the other hand, the mechanical contact switch is preferable as a switch used in combination with the sensor element 210 because the off-current is 0 and no accumulated charge is generated in the switch (see FIG. 10C). In particular, the tactile switch is suitable for the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 because the tactile switch has a low profile and can be miniaturized, has a small switch stroke, and requires a small pressing force. It is.

図10Aは、本実施の形態に係る測定装置100において、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136の代わりに2つのアナログスイッチを使用した場合の、可変抵抗素子217を流れる電流の経時的変化を示すグラフである。この実験では、2つのアナログスイッチをオンにした状態で第1容量電極211および第2容量電極215間に−3Vの電圧を30秒間印加した後、2つのアナログスイッチをオフにした状態で可変抵抗素子217を流れる電流を測定した(実線)。また、2つのアナログスイッチをオフにするだけでなく、さらに第1容量電極211および第2容量電極215と2つのアナログスイッチとの間の配線を除去した状態でも可変抵抗素子217を流れる電流を測定した(破線)。実線の結果から、アナログスイッチを使用した場合、可変抵抗素子217を流れる電流が経時的に変化してしまうことがわかる。2つのアナログスイッチ間の電圧に応じてグラフの傾きが変化すること、第1容量電極211および第2容量電極215と2つのアナログスイッチとの間の配線を除去すると電流の経時的変化が無くなることから、この電流の経時的変化は、アナログスイッチのオフ電流が0ではないことに起因するものと考えられる。   FIG. 10A shows the current flowing through the variable resistance element 217 when two analog switches are used instead of the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 in the measuring apparatus 100 according to the present embodiment. It is a graph which shows a time-dependent change. In this experiment, a voltage of −3 V was applied between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 for 30 seconds with the two analog switches turned on, and then the variable resistor with the two analog switches turned off. The current flowing through the element 217 was measured (solid line). In addition to turning off the two analog switches, the current flowing through the variable resistance element 217 is measured even when the wiring between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 and the two analog switches is removed. (Dashed line). From the result of the solid line, it can be seen that when an analog switch is used, the current flowing through the variable resistance element 217 changes over time. The slope of the graph changes according to the voltage between the two analog switches, and if the wiring between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 and the two analog switches is removed, the change in current with time is eliminated. Therefore, it is considered that this change in current with time is due to the fact that the off-state current of the analog switch is not zero.

図10Bは、本実施の形態に係る測定装置100において、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136の代わりに2つのリレースイッチを使用した場合の、可変抵抗素子217を流れる電流の経時的変化を示すグラフである。この実験では、2つのリレースイッチをオンにした状態で第1容量電極211および第2容量電極215間に−3Vの電圧を30秒間印加した後、2つのリレースイッチをオフにした状態で可変抵抗素子217を流れる電流を測定した。グラフから、リレースイッチを使用した場合、可変抵抗素子217を流れる電流が測定開始直後に大きく変化(増大)してしまうことがわかる。この電流の一時的な変化は、オン/オフの切り替え時にコイルの逆起電圧が発生し、スイッチ内に生じた蓄積電荷に起因するものと考えられる。   FIG. 10B shows the current flowing through the variable resistance element 217 when two relay switches are used instead of the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 in the measuring apparatus 100 according to the present embodiment. It is a graph which shows a time-dependent change. In this experiment, a voltage of −3 V was applied between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 for 30 seconds with the two relay switches turned on, and then the variable resistor with the two relay switches turned off. The current flowing through the element 217 was measured. From the graph, it can be seen that when a relay switch is used, the current flowing through the variable resistance element 217 changes (increases) greatly immediately after the start of measurement. This temporary change in current is considered to be caused by the accumulated electric charge generated in the switch due to the occurrence of a counter electromotive voltage in the coil at the on / off switching.

図10Cは、本実施の形態に係る測定装置100において、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136として2つのタクタイルスイッチを使用した場合の、可変抵抗素子217を流れる電流の経時的変化を示すグラフである。この実験では、2つのタクタイルスイッチをオンにした状態で第1容量電極211および第2容量電極215間に−3Vの電圧を30秒間印加した後、2つのタクタイルスイッチをオフにした状態で可変抵抗素子217を流れる電流を測定した。グラフから、タクタイルスイッチを使用した場合、アナログスイッチまたはリレースイッチを使用した場合と異なり、可変抵抗素子217を流れる電流が少なくとも30分以上安定であることがわかる。   FIG. 10C shows the time lapse of the current flowing through the variable resistance element 217 when two tactile switches are used as the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 in the measuring apparatus 100 according to the present embodiment. It is a graph which shows a change. In this experiment, a voltage of −3 V was applied between the first capacitive electrode 211 and the second capacitive electrode 215 for 30 seconds with the two tactile switches turned on, and then the variable resistance with the two tactile switches turned off. The current flowing through the element 217 was measured. From the graph, it can be seen that when the tactile switch is used, the current flowing through the variable resistance element 217 is stable for at least 30 minutes, unlike when the analog switch or the relay switch is used.

温度センサー137は、スイッチモジュール基板131の裏側の面に配置されており、センサーチップ200の周辺環境の温度を検出する。検出値は、コネクター134を介して制御部190に出力される。センサー素子210の検出感度は温度依存性があるため、制御部190は、温度センサー137からの出力値を利用して検出値の補正を行うことが好ましい。温度センサー137の数は、特に限定されないが、本実施の形態のように2つの温度センサー137を使用することで、センサーチップ200の周辺環境の温度を高精度に検出することができる。   The temperature sensor 137 is disposed on the back surface of the switch module substrate 131 and detects the temperature of the surrounding environment of the sensor chip 200. The detection value is output to the control unit 190 via the connector 134. Since the detection sensitivity of the sensor element 210 is temperature-dependent, the control unit 190 preferably corrects the detection value using the output value from the temperature sensor 137. The number of temperature sensors 137 is not particularly limited, but the temperature of the surrounding environment of the sensor chip 200 can be detected with high accuracy by using two temperature sensors 137 as in the present embodiment.

(押圧部)
押圧部140は、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136を押圧して、第1容量電極211および第2容量電極215と電圧印加部170との接続状態を切り替える。図2に示されるように、本実施の形態では、測定装置100は2つの押圧部140を有し、各押圧部140は、1つの第1機械的接点スイッチ135および1つの第2機械的接点スイッチ136を同時に押圧する。
(Pressing part)
The pressing unit 140 presses the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 to switch the connection state between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 and the voltage application unit 170. As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the measuring apparatus 100 includes two pressing portions 140, and each pressing portion 140 includes one first mechanical contact switch 135 and one second mechanical contact. The switches 136 are pressed simultaneously.

図11は、押圧部140の構成を示す分解斜視図である。図12は、押圧部140の構成を示す斜視図である。図13は、押圧部140の構成を示す側面図である。図13では、理解の促進のため、押圧部140とともに、センサーチップ200およびチップホルダー110(ホルダー本体121、蓋部127およびスイッチモジュール130)も図示している。図11〜13に示されるように、押圧部140は、アクチュエータ150および増大機構160を有する。   FIG. 11 is an exploded perspective view showing the configuration of the pressing unit 140. FIG. 12 is a perspective view illustrating a configuration of the pressing unit 140. FIG. 13 is a side view illustrating the configuration of the pressing unit 140. In FIG. 13, the sensor chip 200 and the chip holder 110 (the holder main body 121, the lid 127, and the switch module 130) are also illustrated together with the pressing unit 140 for facilitating understanding. As shown in FIGS. 11 to 13, the pressing unit 140 includes an actuator 150 and an increase mechanism 160.

アクチュエータ150は、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136を押圧するための押圧力を発生させる動力源である。アクチュエータ150の種類は、増大機構160を介して第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136を押圧することで、第1容量電極211および第2容量電極215と電圧印加部170との接続状態を切り替えることができれば特に限定されない。本実施の形態では、アクチュエータ150は、小型でかつ高速で応答可能なプル型のソレノイドアクチュエータである。本実施の形態の測定装置100では、アクチュエータ150の押圧力を増大機構160により増大するため、アクチュエータ150としてソレノイドアクチュエータを使用しても第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136を切り替えることができる。   The actuator 150 is a power source that generates a pressing force for pressing the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136. The type of the actuator 150 is such that the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 are pressed via the increasing mechanism 160, whereby the first capacitive electrode 211, the second capacitive electrode 215, the voltage applying unit 170, There is no particular limitation as long as the connection state can be switched. In the present embodiment, the actuator 150 is a small-sized pull-type solenoid actuator that can respond at high speed. In the measuring apparatus 100 according to the present embodiment, the pressing force of the actuator 150 is increased by the increasing mechanism 160. Therefore, even if a solenoid actuator is used as the actuator 150, the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 are not provided. Can be switched.

増大機構160は、アクチュエータ150から加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136に伝達する。増大機構160は、伝達部161および増大部166を有する。   The increasing mechanism 160 increases the pressing force applied from the actuator 150 according to the lever principle and transmits it to the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136. The increase mechanism 160 includes a transmission unit 161 and an increase unit 166.

伝達部161は、アクチュエータ150の可動部に固定されており、アクチュエータ150から加えられた押圧力を、増大部166の力点に設けられた入力面167に伝達する。伝達部161は、アクチュエータ150の可動部を嵌め込まれるための第3凹部162と、増大部166の入力面167に対向する押圧面163とを有する。   The transmission unit 161 is fixed to the movable unit of the actuator 150, and transmits the pressing force applied from the actuator 150 to the input surface 167 provided at the power point of the increase unit 166. The transmission unit 161 includes a third recess 162 for fitting the movable portion of the actuator 150 and a pressing surface 163 that faces the input surface 167 of the increase unit 166.

増大部166は、伝達部161から伝達された押圧力を、てこの原理により増大させて第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136に伝達する。増大部166は、伝達部161の押圧面163に対向する入力面167と、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136に対向するプッシュロッド168と、入力面167およびプッシュロッド168の間に配置された軸部169とを有する。入力面167は力点として機能し、プッシュロッド168は作用点として機能し、軸部169は支点として作用する。プッシュロッド168は、円柱形状をしている。すなわち、増大機構161の第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136に対する接触面は、円柱面の一部を構成する。てこの原理の支点となる軸部169は、ホルダー本体121に設けられた支点用貫通孔126により支持される(図8Bおよび図13参照)。軸部169の基端部には、マイクロベアリングが取り付けられている。   The increasing unit 166 increases the pressing force transmitted from the transmitting unit 161 based on the lever principle and transmits the pressing force to the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136. The increasing portion 166 includes an input surface 167 that faces the pressing surface 163 of the transmission portion 161, a push rod 168 that faces the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136, and the input surface 167 and push rod 168. And a shaft portion 169 disposed between the two. The input surface 167 functions as a power point, the push rod 168 functions as an action point, and the shaft portion 169 functions as a fulcrum. The push rod 168 has a cylindrical shape. That is, the contact surfaces of the increasing mechanism 161 with respect to the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 constitute a part of a cylindrical surface. The shaft portion 169 serving as a fulcrum of the lever principle is supported by a fulcrum through-hole 126 provided in the holder main body 121 (see FIGS. 8B and 13). A micro bearing is attached to the base end portion of the shaft portion 169.

(電圧印加部、電流測定部および制御部)
電圧印加部170は、スイッチモジュール130のコネクター134を介して第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136に接続されている。第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136がオンのとき、電圧印加部170は、センサーチップ200のセンサー素子210の第1容量電極211および第2容量電極215に接続される。電圧印加部170は、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136がオンのとき、第1容量電極211と第2容量電極215の間に電圧を印加する。
(Voltage application unit, current measurement unit and control unit)
The voltage application unit 170 is connected to the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 via the connector 134 of the switch module 130. When the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 are on, the voltage application unit 170 is connected to the first capacitance electrode 211 and the second capacitance electrode 215 of the sensor element 210 of the sensor chip 200. The voltage application unit 170 applies a voltage between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 when the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136 are on.

電流測定部180は、スイッチモジュール130のコネクター134を介して、センサーチップ200のセンサー素子210の可変抵抗素子217(第3端子217bおよび第4端子217c)に接続される。電流測定部180は、可変抵抗素子217を流れる電流値を測定する。   The current measurement unit 180 is connected to the variable resistance element 217 (the third terminal 217b and the fourth terminal 217c) of the sensor element 210 of the sensor chip 200 via the connector 134 of the switch module 130. The current measuring unit 180 measures the value of current flowing through the variable resistance element 217.

制御部190は、アクチュエータ150、電圧印加部170および電流測定部180に接続されており、これらの動作を制御する。また、制御部190は、スイッチモジュール130のコネクター134を介して、スイッチモジュール130の温度センサー137にも接続されており、センサーチップ200の周辺環境の温度に応じて電流測定部180の測定値を補正する。制御部190は、例えば、ソフトウェアを実行するコンピュータである。   The control unit 190 is connected to the actuator 150, the voltage application unit 170, and the current measurement unit 180, and controls these operations. The control unit 190 is also connected to the temperature sensor 137 of the switch module 130 via the connector 134 of the switch module 130, and the measured value of the current measuring unit 180 is measured according to the temperature of the surrounding environment of the sensor chip 200. to correct. The control unit 190 is a computer that executes software, for example.

(測定装置の使用方法)
次に、図2に示される測定装置100を用いた被検出物質の検出手順の一例について説明する。
(How to use the measuring device)
Next, an example of a procedure for detecting a substance to be detected using the measuring apparatus 100 shown in FIG. 2 will be described.

まず、センサーチップ200をチップホルダー110に保持させる。具体的には、ホルダー本体121の第1凹部122にセンサーチップ200を嵌め込んだ後、センサーチップ200上に蓋部127を配置する。ホルダー本体121の第1マグネット125と蓋部127の第2マグネット129とが引き合うことで、センサーチップ200が固定される。これにより、センサーチップ200の各接触端子は、スイッチモジュール130の各コンタクトプローブと接続される。   First, the sensor chip 200 is held on the chip holder 110. Specifically, after the sensor chip 200 is fitted into the first recess 122 of the holder main body 121, the lid portion 127 is disposed on the sensor chip 200. The sensor chip 200 is fixed by the first magnet 125 of the holder main body 121 and the second magnet 129 of the lid portion 127 attracting each other. Thereby, each contact terminal of the sensor chip 200 is connected to each contact probe of the switch module 130.

次いで、センサーチップ200の2つのセンサー素子210について同時に、第1容量電極211と第2容量電極215との間に所定の電圧を印加する。具体的には、制御部190は、アクチュエータ150を動作させて、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136を押圧し、センサーチップ200の第1容量電極211および第2容量電極215と電圧印加部170とを接続させる。そして、制御部190は、電圧印加部170に、第1容量電極211と第2容量電極215との間に所定の電圧を印加させる。これにより、2つのセンサー素子210のそれぞれにおいて、第1容量電極211および第2容量電極215内に印加電圧および容量の容量値で一義的に制御できる電荷を蓄積することができる。   Next, a predetermined voltage is applied between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 simultaneously for the two sensor elements 210 of the sensor chip 200. Specifically, the control unit 190 operates the actuator 150 to press the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136, and the first capacitance electrode 211 and the second capacitance electrode of the sensor chip 200. 215 and the voltage application unit 170 are connected. Then, the control unit 190 causes the voltage application unit 170 to apply a predetermined voltage between the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215. Thereby, in each of the two sensor elements 210, electric charges that can be uniquely controlled by the applied voltage and the capacitance value of the capacitance can be accumulated in the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215.

次いで、センサーチップ200の2つのセンサー素子210について同時に、第1容量電極211および第2容量電極215を電圧印加部170から切り離す。具体的には、制御部190は、アクチュエータ150を動作させて、第1機械的接点スイッチ135および第2機械的接点スイッチ136への押圧を解除し、センサーチップ200の第1容量電極211および第2容量電極215と電圧印加部170とを切断させる。これにより、2つのセンサー素子210のそれぞれにおいて、第1容量電極211および第2容量電極215内の蓄積電荷が孤立電荷となる。   Next, the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 are separated from the voltage application unit 170 simultaneously for the two sensor elements 210 of the sensor chip 200. Specifically, the control unit 190 operates the actuator 150 to release the pressure on the first mechanical contact switch 135 and the second mechanical contact switch 136, and the first capacitance electrode 211 and the first capacitive electrode 211 of the sensor chip 200 are released. The two-capacitance electrode 215 and the voltage application unit 170 are disconnected. Thereby, in each of the two sensor elements 210, the accumulated charges in the first capacitor electrode 211 and the second capacitor electrode 215 become isolated charges.

この状態で、2つのセンサー素子210のそれぞれにおいて、可変抵抗素子217の第3端子217bと第4端子217cとの間に同一の所定の電圧を印加して、可変抵抗素子217を流れる電流値を測定する。具体的には、制御部190は、電流測定部180に、検出用のセンサー素子210の可変抵抗素子217における電流値と、参照用のセンサー素子210の可変抵抗素子217における電流値との差分値を測定させる。この差分値が0でない場合は、電流測定部180において差分値が0となるようにオフセット調整をする。   In this state, in each of the two sensor elements 210, the same predetermined voltage is applied between the third terminal 217b and the fourth terminal 217c of the variable resistance element 217, and the current value flowing through the variable resistance element 217 is determined. taking measurement. Specifically, the control unit 190 causes the current measurement unit 180 to calculate a difference value between the current value in the variable resistance element 217 of the sensor element 210 for detection and the current value in the variable resistance element 217 of the sensor element 210 for reference. To measure. If the difference value is not 0, the current measurement unit 180 performs offset adjustment so that the difference value becomes 0.

次いで、検出用のセンサー素子210において反応部218に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と反応部218に固定化された認識物質219とを反応させる。このとき、参照用のセンサー素子210の反応部218には検体を提供しない。   Next, a sample is provided to the reaction unit 218 in the sensor element 210 for detection, and the detection target substance contained in the sample and the recognition substance 219 immobilized on the reaction unit 218 are reacted. At this time, the specimen is not provided to the reaction unit 218 of the reference sensor element 210.

この状態で、再度、2つのセンサー素子210のそれぞれにおいて、可変抵抗素子217の第3端子217bと第4端子217cとの間に所定の電圧(一回目の測定と同じ電圧)を印加して、可変抵抗素子217を流れる電流値を測定する。具体的には、制御部190は、電流測定部180に、検出用のセンサー素子210の可変抵抗素子217における電流値と、参照用のセンサー素子210の可変抵抗素子217における電流値とを測定させる。検体提供前の一回目の測定では、可変抵抗素子217の抵抗値が、第1容量電極211内に蓄積された孤立電荷により形成される電界で決まる。一方、検体提供後の二回目の測定では、可変抵抗素子217の抵抗値が、第1容量電極211内に蓄積された孤立電荷と、反応部218で生成された電荷によって分極誘起された第1容量電極211内の電荷とにより形成される電界で決まる。検体提供前に2つのセンサー素子210の電流値の差分が0になるように調整してあるので、検体提供後の2つのセンサー素子210の電流値の差分は、検出用のセンサー素子210の反応部218で生成された電荷の効果のみを反映する値である。また、2つのセンサー素子210の電流値の差分は、感度を向上させるために、電流測定部180を用いて増幅されうる。したがって、2つのセンサー素子210の電流値の差分値を測定することで、被検出物質の存在または量を検出することができる。   In this state, in each of the two sensor elements 210, a predetermined voltage (the same voltage as the first measurement) is applied between the third terminal 217b and the fourth terminal 217c of the variable resistance element 217, The current value flowing through the variable resistance element 217 is measured. Specifically, the control unit 190 causes the current measurement unit 180 to measure the current value in the variable resistance element 217 of the detection sensor element 210 and the current value in the variable resistance element 217 of the reference sensor element 210. . In the first measurement before the sample is provided, the resistance value of the variable resistance element 217 is determined by the electric field formed by the isolated charges accumulated in the first capacitor electrode 211. On the other hand, in the second measurement after the sample is provided, the resistance value of the variable resistance element 217 is the first polarization induced by the isolated charge accumulated in the first capacitance electrode 211 and the charge generated in the reaction unit 218. It is determined by the electric field formed by the charge in the capacitor electrode 211. Since the difference between the current values of the two sensor elements 210 is adjusted to 0 before the sample is provided, the difference between the current values of the two sensor elements 210 after the sample is provided is the response of the sensor element 210 for detection. This value reflects only the effect of the charge generated by the unit 218. In addition, the difference between the current values of the two sensor elements 210 can be amplified using the current measuring unit 180 in order to improve sensitivity. Therefore, the presence or amount of the substance to be detected can be detected by measuring the difference value between the current values of the two sensor elements 210.

このように、2つのセンサー素子210の電流値の差分値を測定することで、2つのセンサー素子210に共通する変動要因の影響を解消でき、被検出物質の効果のみを高感度に検出することができる。すなわち、センサーチップ200を用いて、高感度かつ高精度に、被検出物質の存在または量を検出することができる。   In this way, by measuring the difference between the current values of the two sensor elements 210, the influence of the variable factors common to the two sensor elements 210 can be eliminated, and only the effect of the detected substance can be detected with high sensitivity. Can do. That is, using the sensor chip 200, the presence or amount of the substance to be detected can be detected with high sensitivity and high accuracy.

以上のように、本実施の形態に係るセンサー素子210を含むセンサーチップ200は、従来のセンサー素子(特許文献1,2参照)のように反応部に電極を繰り返し接触させる必要がないため、高い精度で安定して被検出物質の存在または量を検出することができる。また、本実施の形態に係るセンサー素子210を含むセンサーチップ200は、第1容量電極211内の孤立電荷の量を調整することで、検出感度を容易にかつ安定して向上させることができる。   As described above, since the sensor chip 200 including the sensor element 210 according to the present embodiment does not need to repeatedly contact the electrode with the reaction portion unlike the conventional sensor element (see Patent Documents 1 and 2), it is high. The presence or amount of the substance to be detected can be detected stably with high accuracy. In addition, the sensor chip 200 including the sensor element 210 according to the present embodiment can easily and stably improve the detection sensitivity by adjusting the amount of isolated charges in the first capacitor electrode 211.

また、本実施の形態に係る測定装置100は、押しボタン型の第1機械的接点スイッチ135および押しボタン型の第2機械的接点スイッチ136を介して、センサー素子210の第1容量電極211および第2容量電極215への電圧の印加を制御するため、第1容量電極211内の孤立電荷の量を長時間にわたり安定して維持することができる。したがって、本実施の形態に係る測定装置100は、高感度な検出を安定して行うことができる。   In addition, the measuring apparatus 100 according to the present embodiment includes the first capacitive electrode 211 of the sensor element 210 and the first mechanical contact switch 135 of the push button type and the second mechanical contact switch 136 of the push button type. Since the application of voltage to the second capacitor electrode 215 is controlled, the amount of isolated charges in the first capacitor electrode 211 can be stably maintained for a long time. Therefore, the measuring apparatus 100 according to the present embodiment can stably perform highly sensitive detection.

本発明に係る測定装置および測定方法は、例えば、感染症の検出や、食物の安全性の確認、環境汚染物質の検出などに適している。   The measurement apparatus and measurement method according to the present invention are suitable for, for example, detection of infectious diseases, confirmation of food safety, detection of environmental pollutants, and the like.

10 センサー素子
11 シリコン基板
12 第1絶縁膜
13 第2絶縁膜
14 チャネル
15 ソース電極
16 ドレイン電極
17 反応部
18 ゲート電極
19 認識物質
100 測定装置
110 チップホルダー
120 ホルダー部
121 ホルダー本体
122 第1凹部
123 第2凹部
124 第1貫通孔
125 第1マグネット
126 支点用貫通孔
127 蓋部
128 第2貫通孔
129 第2マグネット
130 スイッチモジュール
131 スイッチモジュール基板
132a 第5スルーホール配線
132b 第6スルーホール配線
132c 第7スルーホール配線
132d 第8スルーホール配線
133a 第1コンタクトプローブ
133b 第2コンタクトプローブ
133c 第3コンタクトプローブ
133d 第4コンタクトプローブ
134 コネクター
135 第1機械的接点スイッチ
136 第2機械的接点スイッチ
137 温度センサー
140 押圧部
150 アクチュエータ
160 増大機構
161 伝達部
162 第3凹部
163 押圧面
166 増大部
167 入力面
168 プッシュロッド
169 軸部
170 電圧印加部
180 電流測定部
190 制御部
200 センサーチップ
210 センサー素子
211 第1容量電極
212 第1端子
213 第1絶縁膜
214 第2絶縁膜
215 第2容量電極
216 第2端子
217 可変抵抗素子
217a 基体
217b 第3端子
217c 第4端子
218 反応部
219 認識物質
220 センサーチップ基板
221 第1スルーホール配線
222 第2スルーホール配線
223 第3スルーホール配線
224 第4スルーホール配線
230 第1接触端子
240 第2接触端子
250 第3接触端子
260 第4接触端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sensor element 11 Silicon substrate 12 1st insulating film 13 2nd insulating film 14 Channel 15 Source electrode 16 Drain electrode 17 Reaction part 18 Gate electrode 19 Recognized substance 100 Measuring apparatus 110 Chip holder 120 Holder part 121 Holder main body 122 1st recessed part 123 Second recess 124 First through-hole 125 First magnet 126 Support point through-hole 127 Cover portion 128 Second through-hole 129 Second magnet 130 Switch module 131 Switch module substrate 132a Fifth through-hole wiring 132b Sixth through-hole wiring 132c First 7 through-hole wiring 132d eighth through-hole wiring 133a first contact probe 133b second contact probe 133c third contact probe 133d fourth contact probe 134 Connector 135 1st mechanical contact switch 136 2nd mechanical contact switch 137 Temperature sensor 140 Press part 150 Actuator 160 Increase mechanism 161 Transmission part 162 3rd recessed part 163 Press surface 166 Increase part 167 Input surface 168 Push rod 169 Shaft part 170 Voltage Application unit 180 Current measurement unit 190 Control unit 200 Sensor chip 210 Sensor element 211 First capacitor electrode 212 First terminal 213 First insulating film 214 Second insulating film 215 Second capacitor electrode 216 Second terminal 217 Variable resistance element 217a Base 217b 3rd terminal 217c 4th terminal 218 Reaction part 219 Recognition substance 220 Sensor chip substrate 221 1st through-hole wiring 222 2nd through-hole wiring 223 3rd through-hole wiring 224 4th through-hole wiring 2 0 The first contact terminal 240 second contact terminal 250 third contact terminal 260 fourth contact terminal

Claims (9)

板状の導電体または半導体からなる第1容量電極と、
前記第1容量電極の一方の面に配置された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜を挟んで前記第1容量電極の一部と対向するように配置された、導電体または半導体からなる第2容量電極と、
前記第1絶縁膜上に配置された可変抵抗素子と、
前記第1容量電極の他方の面上に直接または第2絶縁膜を介して配置された反応部と、
を含む1または2以上のセンサー素子を有するセンサーチップを用いて、被検出物質の存在または量を検出する測定装置であって、
前記センサーチップを保持するためのチップホルダーと、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第1容量電極に接続される押しボタン型の第1機械的接点スイッチと、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第2容量電極に接続される押しボタン型の第2機械的接点スイッチと、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記第1容量電極および前記第2容量電極に前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチを介して接続される、前記第1容量電極と前記第2容量電極の間に電圧を印加するための電圧印加部と、
前記チップホルダーに保持された前記センサーチップの前記可変抵抗素子に接続される、前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定するための電流測定部と、
前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチを押圧して、前記第1容量電極および前記第2容量電極と前記電圧印加部との接続状態を切り替える押圧部と、
を有する、測定装置。
A first capacitor electrode made of a plate-like conductor or semiconductor;
A first insulating film disposed on one surface of the first capacitor electrode;
A second capacitor electrode made of a conductor or a semiconductor, disposed so as to face a part of the first capacitor electrode with the first insulating film interposed therebetween;
A variable resistance element disposed on the first insulating film;
A reaction part disposed directly or via a second insulating film on the other surface of the first capacitor electrode;
A measuring device that detects the presence or amount of a substance to be detected using a sensor chip having one or more sensor elements including:
A chip holder for holding the sensor chip;
A push button type first mechanical contact switch connected to the first capacitance electrode of the sensor chip held by the chip holder;
A push button type second mechanical contact switch connected to the second capacitance electrode of the sensor chip held by the chip holder;
The first capacitive electrode connected to the first capacitive electrode and the second capacitive electrode of the sensor chip held by the chip holder via the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch And a voltage applying unit for applying a voltage between the second capacitor electrode,
A current measurement unit for measuring a current value flowing through the variable resistance element connected to the variable resistance element of the sensor chip held by the chip holder;
A pressing unit that presses the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch to switch a connection state between the first capacitive electrode and the second capacitive electrode and the voltage application unit;
A measuring device.
前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチは、タクタイルスイッチである、請求項1に記載の測定装置。   The measuring device according to claim 1, wherein the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch are tactile switches. 前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第1容量電極に接続された第1接触端子と、前記第2容量電極に接続された第2接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第3接触端子および第4接触端子とを有し、
前記チップホルダーは、前記第1接触端子と前記電圧印加部とを前記第1機械的接点スイッチを介して接続し、前記第2接触端子と前記電圧印加部とを前記第2機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第3接触端子および前記第4接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールを有し、
前記スイッチモジュールは、
基板と、
前記基板の一方の面に配置された、前記第1接触端子に接触するための第1コンタクトプローブ、前記第2接触端子に接触するための第2コンタクトプローブ、前記第3接触端子に接触するための第3コンタクトプローブ、および前記第4接触端子に接触するための第4コンタクトプローブと、
前記基板の他方の面に配置された、前記第1コンタクトプローブおよび前記第2コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第3コンタクトプローブおよび前記第4コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、
前記基板に形成された、前記第1コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第1スルーホール配線、前記第2コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第2スルーホール配線、前記第3コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第3スルーホール配線、および前記第4コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第4スルーホール配線と、
前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第1スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第1機械的接点スイッチ、および前記第2スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第2機械的接点スイッチと、
を有する、
請求項1または請求項2に記載の測定装置。
The sensor chip has a first contact terminal connected to the first capacitor electrode, a second contact terminal connected to the second capacitor electrode, and a second contact terminal connected to the variable resistance element on the measurement device side. 3 contact terminals and a fourth contact terminal,
The chip holder connects the first contact terminal and the voltage application unit via the first mechanical contact switch, and connects the second contact terminal and the voltage application unit to the second mechanical contact switch. And a switch module for connecting the third contact terminal and the fourth contact terminal to the current measuring unit,
The switch module is
A substrate,
A first contact probe disposed on one surface of the substrate for contacting the first contact terminal, a second contact probe for contacting the second contact terminal, and a contact for the third contact terminal. A third contact probe, and a fourth contact probe for contacting the fourth contact terminal;
The first contact probe, the second contact probe, and the voltage application unit, which are disposed on the other surface of the substrate, are connected, and the third contact probe, the fourth contact probe, and the current measurement unit are connected A connector for connecting,
A first through-hole wiring that connects the first contact probe and the connector, a second through-hole wiring that connects the second contact probe and the connector, the third contact probe, and the A third through-hole wiring connecting the connector, and a fourth through-hole wiring connecting the fourth contact probe and the connector;
The first mechanical contact switch disposed on the other surface of the substrate and disposed between the first through-hole wiring and the connector, and disposed between the second through-hole wiring and the connector. Said second mechanical contact switch,
Having
The measuring apparatus according to claim 1 or 2.
前記スイッチモジュールは、前記基板の他方の面に配置され、前記コネクターと接続された、前記センサーチップの周辺環境の温度を検出するための温度センサーをさらに有する、請求項3に記載の測定装置。   The measurement apparatus according to claim 3, wherein the switch module further includes a temperature sensor disposed on the other surface of the substrate and connected to the connector for detecting the temperature of the surrounding environment of the sensor chip. 前記押圧部は、
押圧力を発生させるアクチュエータと、
前記アクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、
を有する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の測定装置。
The pressing portion is
An actuator that generates a pressing force;
An increasing mechanism for increasing the pressing force applied from the actuator by the lever principle and transmitting it to the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch;
Having
The measuring apparatus as described in any one of Claims 1-4.
前記アクチュエータは、ソレノイドアクチュエータである、請求項5に記載の測定装置。   The measuring device according to claim 5, wherein the actuator is a solenoid actuator. 前記増大機構の前記第1機械的接点スイッチまたは前記第2機械的接点スイッチに対する接触面は、円柱面の一部を構成する、請求項5または請求項6に記載の測定装置。   The measuring device according to claim 5 or 6, wherein a contact surface of the increasing mechanism with respect to the first mechanical contact switch or the second mechanical contact switch constitutes a part of a cylindrical surface. 前記センサーチップは、前記測定装置側に、前記第1容量電極に接続された第1接触端子と、前記第2容量電極に接続された第2接触端子と、前記可変抵抗素子に接続された第3接触端子および第4接触端子とを有し、
前記チップホルダーは、
前記第1接触端子と前記電圧印加部とを前記第1機械的接点スイッチを介して接続し、前記第2接触端子と前記電圧印加部とを前記第2機械的接点スイッチを介して接続し、かつ前記第3接触端子および前記第4接触端子と前記電流測定部とを接続するためのスイッチモジュールと、
その一方の面に配置された、前記センサーチップを嵌め込むための第1凹部と、その他方の面の前記第1凹部に対応する位置に配置された、前記スイッチモジュールを嵌め込むための第2凹部と、前記第1凹部の底部および前記第2凹部の底部に開口する貫通孔とを有するホルダー本体と、
を有し、
前記スイッチモジュールは、
基板と、
前記基板の一方の面に配置された、前記第1接触端子に接触するための第1コンタクトプローブ、前記第2接触端子に接触するための第2コンタクトプローブ、前記第3接触端子に接触するための第3コンタクトプローブ、および前記第4接触端子に接触するための第4コンタクトプローブと、
前記基板の他方の面に配置された、前記第1コンタクトプローブおよび前記第2コンタクトプローブと前記電圧印加部とを接続し、かつ前記第3コンタクトプローブおよび前記第4コンタクトプローブと前記電流測定部とを接続するためのコネクターと、
前記基板に形成された、前記第1コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第1スルーホール配線、前記第2コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第2スルーホール配線、前記第3コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第3スルーホール配線、および前記第4コンタクトプローブと前記コネクターとを接続する第4スルーホール配線と、
前記基板の他方の面に配置され、かつ前記第1スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第1機械的接点スイッチ、および前記第2スルーホール配線と前記コネクターとの間に配置された前記第2機械的接点スイッチと、
を有し、
前記スイッチモジュールは、前記第1コンタクトプローブ、前記第2コンタクトプローブ、前記第3コンタクトプローブおよび前記第4コンタクトプローブが前記貫通孔に露出するように前記第2凹部に固定されており、
前記押圧部は、
押圧力を発生させるソレノイドアクチュエータと、
前記ソレノイドアクチュエータから加えられた押圧力を、てこの原理により増大させて、前記第2凹部に固定された前記スイッチモジュールの前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチに伝達する増大機構と、
を有し、
前記増大機構における、てこの原理の支点は、前記ホルダー本体により支持されている、
請求項1または請求項2に記載の測定装置。
The sensor chip has a first contact terminal connected to the first capacitor electrode, a second contact terminal connected to the second capacitor electrode, and a second contact terminal connected to the variable resistance element on the measurement device side. 3 contact terminals and a fourth contact terminal,
The tip holder is
Connecting the first contact terminal and the voltage application unit via the first mechanical contact switch, connecting the second contact terminal and the voltage application unit via the second mechanical contact switch; And a switch module for connecting the third contact terminal and the fourth contact terminal to the current measuring unit;
A first recess for fitting the sensor chip disposed on one surface thereof, and a second recess for inserting the switch module disposed at a position corresponding to the first recess on the other surface. A holder body having a recess, and a through-hole opening in the bottom of the first recess and the bottom of the second recess;
Have
The switch module is
A substrate,
A first contact probe disposed on one surface of the substrate for contacting the first contact terminal, a second contact probe for contacting the second contact terminal, and a contact for the third contact terminal. A third contact probe, and a fourth contact probe for contacting the fourth contact terminal;
The first contact probe, the second contact probe, and the voltage application unit, which are disposed on the other surface of the substrate, are connected, and the third contact probe, the fourth contact probe, and the current measurement unit are connected A connector for connecting,
A first through-hole wiring that connects the first contact probe and the connector, a second through-hole wiring that connects the second contact probe and the connector, the third contact probe, and the A third through-hole wiring connecting the connector, and a fourth through-hole wiring connecting the fourth contact probe and the connector;
The first mechanical contact switch disposed on the other surface of the substrate and disposed between the first through-hole wiring and the connector, and disposed between the second through-hole wiring and the connector. Said second mechanical contact switch,
Have
The switch module is fixed to the second recess so that the first contact probe, the second contact probe, the third contact probe, and the fourth contact probe are exposed in the through hole,
The pressing portion is
A solenoid actuator that generates a pressing force;
Increase in which the pressing force applied from the solenoid actuator is increased by the lever principle and transmitted to the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch of the switch module fixed to the second recess. Mechanism,
Have
The fulcrum of the lever principle in the increasing mechanism is supported by the holder body,
The measuring apparatus according to claim 1 or 2.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の測定装置を用いて検体中の被検出物質の存在またはその量を検出する測定方法であって、
前記センサーチップを前記チップホルダーに保持させる第1工程と、
前記押圧部が前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチを押圧し、前記センサーチップの前記第1容量電極および前記第2容量電極と前記電圧印加部とを接続して、前記第1容量電極と前記第2容量電極の間に電圧を印加する第2工程と、
前記第2工程の後に、前記押圧部が前記第1機械的接点スイッチおよび前記第2機械的接点スイッチへの押圧を止めて、前記第1容量電極および前記第2容量電極を前記電圧印加部から切り離す第3工程と、
前記第3工程の後に、前記反応部に検体を提供する第4工程と、
前記第4工程の後に、前記電流測定部が前記センサーチップの前記可変抵抗素子を流れる電流値を測定する第5工程と、
を含む、測定方法。
A measurement method for detecting the presence or amount of a substance to be detected in a specimen using the measurement apparatus according to any one of claims 1 to 8,
A first step of holding the sensor chip on the chip holder;
The pressing portion presses the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch, connects the first capacitance electrode and the second capacitance electrode of the sensor chip, and the voltage application unit, and A second step of applying a voltage between the first capacitor electrode and the second capacitor electrode;
After the second step, the pressing unit stops pressing the first mechanical contact switch and the second mechanical contact switch, and the first capacitive electrode and the second capacitive electrode are removed from the voltage application unit. A third step of separating,
A fourth step of providing a specimen to the reaction part after the third step;
After the fourth step, a fifth step in which the current measuring unit measures a current value flowing through the variable resistance element of the sensor chip;
Including a measuring method.
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