JPWO2017086445A1 - 生体センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らが、本発明を発明するに際して、先行技術について見出した問題点を以下に記載する。
実施形態に係る生体センサは、上述した課題の1以上を解決し得るものである。
また、炭素は、電気化学的に不活性であるので、生体に対しても安定である。それ故、この保護層は、生体に接触させた場合に、生体に及ぼす影響が小さい。
従って、この生体センサは、信頼性に優れており、高い精度での測定が可能である。
C2 2− → 2C(めっき膜) + 2e−
このようにして得られる保護層は、典型的には、グラファイト構造を含み、sp2結合を形成している炭素原子とsp3結合を形成している炭素原子との混合体からなる。なお、この方法の詳細は、特開2009−120860に記載されている。
CO3 2− + 4e− → C + 3O2−
なお、この方法の詳細は、特開2006−169554に記載されている。
それ故、この技術によれば、今後の医療技術の進歩に追随し、装置としての信頼性を向上させ、低コスト化や生産性の向上を達成することが可能になる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る生体センサを概略的に示す斜視図である。図2は、図1に示す生体センサの構成を示すブロック図である。図3は、図1に示す生体センサの使用例を概略的に示す図である。
図4は、本発明の第2実施形態に係る生体センサを概略的に示す斜視図である。
この生体センサ1は、生体に接触させて、生体に関する情報を得るためのものである。
図5は、本発明の第3実施形態に係る生体センサを概略的に示す斜視図である。図6は、図5の生体センサの一部について断面を描いた図である。
図7A及び7Bは、図5及び図6に示す生体センサの製造における第1工程を示す図である。図7Aは平面図であり、図7Bは図7AのVIIb−VIIb線に沿った断面図である。
図8A及び8Bは、図5及び図6に示す生体センサの製造における第2工程を示す図である。図8Aは平面図であり、図8Bは図8AのVIIIb−VIIIb線に沿った断面図である。
図9A及び9Bは、図5及び図6に示す生体センサの製造における第3工程を示す図である。図9Aは平面図であり、図9Bは図9AのIXb−IXb線に沿った断面図である。
図10A及び10Bは、図5及び図6に示す生体センサの製造における第4工程を示す図である。図10Aは平面図であり、図10Bは図10AのXb−Xb線に沿った断面図である。
図11A及び11Bは、図5及び図6に示す生体センサの製造における第5工程を示す図である。図11Aは平面図であり、図11Bは図11AのXIb−XIb線に沿った断面図である。
図12A及び12Bは、図5及び図6に示す生体センサの製造における第6工程を示す図である。図12Aは平面図であり、図12Bは図12AのXIIb−XIIb線に沿った断面図である。
図13A及び13Bは、図5及び図6に示す生体センサの製造における第7工程を示す図である。図13Aは平面図であり、図13Bは図13AのXIIIb−XIIIb線に沿った断面図である。
第8工程では、引き出し線6a及び6bを、図5及び図6に示す信号処理部4a及び出力部4cを含んだ電子部品に接続して、電極2a及び2bを信号処理部4aに電気的に接続する。例えば、この電子部品が、1以上の半導体チップとこれを搭載したプリント配線板とを含んでいる場合、引き出し線6a及び6bはプリント配線板上の端子に接続する。
以上のようにして、図5及び図6に示す生体センサ1を得る。
図14は、本発明の第4実施形態に係る生体センサの製造における第1工程を示す平面図である。図15は、図14に示す構造のXV−XV線に沿った断面図である。図16は、第4実施形態に係る生体センサの製造において第2工程を行うことによって得られる電極を概略的に示す斜視図である。図17は、第4実施形態に係る生体センサの製造における第3工程を示す断面図である。図18は、第4実施形態に係る生体センサの製造における第4工程を示す断面図である。図19は、第4実施形態に係る生体センサを概略的に示す図であって、一部を断面図とし、他の部分を斜視図とした図である。
先ず、図14及び図15に示す金属板20を準備する。金属板20は、金属からなる平板にスリット27を設けて基体21と支持部25とを形成し、更に曲げ加工を行って基体21を支持部25に対して持ち上げることにより得る。
その後、図19に示すように、電極部2を電子部品4に電気的に接続することにより、生体センサ1を得る。
この方法では、先ず、金属表面を有している基体に孔を設ける。次いで、金属表面の露出部全体に保護層を形成する。これにより、図20に示す電極2aを得る。基体に設けた貫通孔の側壁が金属からなる場合、保護層22は、好ましくは、基体の外面だけでなく、貫通孔の側壁も被覆するように形成する。
その後、引き出し線6aをピン28に接合する。引き出し線6aは、孔に挿入する前に、ピン28に接合しておいてもよい。なお、ピン28の表面にも、上述した保護層が形成されていてもよい。
この方法では、先ず、金属表面を有している基体に貫通孔を設ける。次いで、金属表面の露出部全体に保護層を形成する。これにより、貫通孔が設けられた電極2aを得る。基体に設けた貫通孔の側壁が金属からなる場合、保護層は、好ましくは、基体の外面だけでなく、貫通孔の側壁も被覆するように形成する。
また、めっきによると、孔の側壁にも均一に保護層を形成することができる。即ち、この方法には、金属表面が露出しないというメリットがある。
図23は、本発明の第5実施形態に係る生体センサを概略的に示す図である。
この生体センサ1は、第3及び第4実施形態に係る生体センサと同様に、生体から採取した液体を試料10として使用する装置、即ち、生体外(エクスビボ)で使用する装置である。この生体センサ1は、電極2aと電極2bとの組を複数含んでいる点で、第3及び第4実施形態に係る生体センサとは異なっている。
走査部4fは、信号処理部4aと走査線L1とに電気的に接続されている。走査部4fは、信号処理部4aから供給される制御信号に基づいて、走査線L1を順次選択し、選択した走査線L1にはON信号を供給し、非選択の走査線L1にはOFF信号を供給する。
図27は、本発明の第6実施形態に係る生体センサを概略的に示す図である。
この生体センサ1は、第1実施形態に係る生体センサと同様に、飲用して使用するものである。
図30は、図23及び図27に示す生体センサが含んでいる電極の製造に利用可能な方法の第1工程を概略的に示す平面図である。図31は、図30に示す構造を裏側から描いた平面図である。図32Aは、図30に示す構造のXXXIIa−XXXIIa線に沿った断面図である。図32Bは、図30に示す構造のXXXIIb−XXXIIb線に沿った断面図である。図32Cは、図30に示す構造のXXXIIc−XXXIIc線に沿った断面図である。
先ず、金属からなる平板の一方の面に、第1凹部を形成する。第1凹部は、線状部25b及び25cとスリット27との位置に形成する。
以上のようにして、金属板20を得る。
図33A乃至33Cは、図23及び図27に示す生体センサが含んでいる電極の製造に利用可能な方法の第2工程を概略的に示す図である。図33A、33B及び33Cは、それぞれ、図32A、32B及び32Cに対応した断面図である。
図34A乃至33Cは、図23及び図27に示す生体センサが含んでいる電極の製造に利用可能な方法の第3工程を概略的に示す図である。図34A、34B及び34Cは、それぞれ、図32A、32B及び32Cに対応した断面図である。
図36は、図23及び図27に示す生体センサが含んでいる電極の製造に利用可能な方法の第4工程を概略的に示す図であって、第4工程によって得られる構造を裏側から描いた平面図である。
図37乃至図39は、本発明の第7実施形態に係る生体センサの例を概略的に示す側面図である。
本例では、以下に説明する方法により、生体センサを製造し、この生体センサを用いた測定を行った。
厚さ0.3mmのステンレス(SUS304)板を加工して、図14及び図15に示す金属板20を得た。この加工は、具体的には、以下の方法により行った。先ず、ステンレス板の両面へ感光性エッチングレジストを塗布した。これらレジスト層をパターン露光し、現像することにより、ステンレス板の両面にレジストパターンを形成した。次いで、これらレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、ステンレスをエッチングした。エッチング液としては、塩化第2鉄溶液を使用した。その後、レジストパターンを剥離することにより、スリット27を有する金属板20を得た。次いで、基体21が支持部25に対して持ちあがるように、曲げ加工を行った。ここでは、基体21の四角形部の寸法は3.3mm×3.3mmとし、基体21は支持部25に対して0.5mm持ち上げた。
次に、金属板20の表面全体に、めっき法により、炭素からなる厚さ3μmの連続膜を、図16に示す保護層22として形成した。具体的には、保護層22は、カルシウムカーバイドを含む溶融塩(LiCl−KCl−CaCl2:500℃)に金属板20を浸漬させ、アノード分極することによって形成した。
次に、保護層22を形成した基体21を、支持部25から切り離した。具体的には、基体21と支持部25との接続部にレーザビームを照射して、基体21を支持部25から切断した。このようにして、図16に示す電極2a及び2bを得た。
次に、図示しない金型のキャビティ内に、絶縁性部品33aと一体化した電極2aと、絶縁性部品33bと一体化した電極2bとを、それらの露出した主面が、図示しない金型のコアを間に挟んで向き合うように配置した。このとき、コアの下方には、図18に示す電極2cを設置した。また、絶縁性部品33a及び33bを付着させていた治具は取り外した。
図19に示すプリント配線板PWBを準備した。このプリント配線板PWB上に、信号処理部4a及び出力部4cとしての半導体モジュールと、電源部4dとしての半導体モジュールとを搭載した。これにより、電子部品4を得た。
電子部品4の信号処理部4aに、これにデータ入力をするためのインターフェイス41と、引き出し線6a、6b及び6cとを電気的に接続した。また、電子部品4の出力部4cに、ここから外部へとデータを受け渡すためのインターフェイス42を電気的に接続した。更に、電子部品4の電源部4dに、外部電源5を電気的に接続した。以上のようにして、図19に示す生体センサ1を完成した。
10μLの血液と、グルコースオキシターゼ及びフェリシアン化イオンを各々0.01mol/Lの濃度で含有した10μLの生理食塩水とを混合した。混合を開始してから1分後に、この混合液を電極部2の凹部内に導入し、電極2a及び2b間に0.5Vの電圧を印加した。そして、電圧の印加を開始してから10秒後に電極2a及び2b間に流れる電流を測定した。この測定によって得られた電流値は、血中グルコース濃度が10乃至500mg/dLの範囲で1乃至10μAであり、よい直線性が得られることが分かった。この測定手法自体は、血中グルコース濃度の検出法として比較的一般的である。上記の試験により、上述した生体センサを用いた場合においても、正確な測定が可能であることが分かった。
本例では、以下に説明する方法により、生体センサを製造し、この生体センサを用いた測定を行った。
厚さ0.3mmのステンレス(SUS304)板を加工して、図30、31、及び32A乃至32Cに示す金属板20を得た。この加工は、具体的には、以下の方法により行った。先ず、ステンレス板の両面へ感光性エッチングレジストを塗布した。これらレジスト層をパターン露光し、現像することにより、ステンレス板の両面にレジストパターンを形成した。次いで、これらレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、ステンレスをエッチングした。エッチング液としては、塩化第2鉄溶液を使用した。その後、レジストパターンを剥離することにより、スリット27を有する金属板20を得た。ここでは、基体21の四角形状を有している表面の寸法は0.8mm×0.8mmとした。
次に、金属板20の表面全体に、めっき法により、炭素からなる厚さ3μmの連続膜を、図33A乃至33Cに示す保護層22として形成した。具体的には、保護層22は、カルシウムカーバイドを含む溶融塩(LiCl−KCl−CaCl2:500℃)に金属板20を浸漬させ、アノード分極することによって形成した。
次に、図示しない金型のキャビティ内に、保護層22を形成した金属板20を設置した。この金属板20は、保護層22のうち基体21の主面上に位置した部分が金型の内壁と密着するように金型に対して圧接させた。これにより、上記部分が樹脂で覆われないようにした。次いで、金型に樹脂を射出し、この樹脂を硬化させた。続いて、金型を分解し、金属板20を含む成形品を金型から取り出すことにより、図34A乃至34C及び35に示す支持体3を得た。
続いて、保護層22のうち基体21の主面上に位置した部分を0.001M塩化白金酸溶液に浸漬させ、これに10秒間に亘って負電圧を印加した(カソード分極)。これにより、保護層22のうち基体21の主面上に位置した部分に、極少量の白金を付着させた。次いで、図36に示すように、線状部25b及び25cの裏面にレーザビームを照射して、線状部25bを位置Pbで切断するとともに、線状部25cを位置Pcで切断した。
次に、別途用意した樹脂製の枠に、第1乃至第3複合体を接合させ、それらの近傍に銀/塩化銀参照電極を設置した。
第1乃至第3複合体が含んでいる各電極の裏面に、ディスペンサによってカーボンペーストを供給して、接続用バンプを形成した。
図19に示す部品を準備した。具体的には、信号処理部4aを含んだ半導体チップと、出力部4cを含んだ半導体チップと、電源部4dを含んだ半導体チップとを準備した。また、これらを搭載させるプリント配線板PWBも準備した。
信号処理部4aを含んだ半導体チップをプリント配線板PWBにダイボンディングし、この半導体チップの端子をプリント配線板PWB上の端子にワイヤボンディングした。工程(E)によって得られた構造の電極は、引き出し線を介して、この半導体チップの端子へ電気的に接続した。また、他の半導体チップは、プリント配線板PWB上の端子に、フリップチップ又はワイヤボンディング接続した。このようにして、図19に示す電子部品4を得た。
生体内では、細胞の活動により、窒素を含む酸化物質(RNS:Reactive Nitrogen Species)及び酸素を含む酸化物質(ROS:Reactive Oxygen Species)が生成する。これらは、経時的に別の物質に変化するが、蓄積して濃度が高くなると細胞にダメージを与え、様々な疾病の原因となると考えられている。RNSとしては、ONOO−、NO2 −、NO・、及びNO−などがある。ROSとしては、O2 ・−、H2O2、及びOH・などが知られている。このような種は、生体内に複数が同時に存在するので、これらを同時に測定し得る手法を見出すことは意義深い。そこで、以下に記載するように、模擬的にではあるが、複数のRNS及びROSを含む溶液について、生体センサ1による成分の同時検出を行った。
図42は、本発明の例3に係る生体センサの製造における一工程を概略的に示す平面図。図43は、図42に示す構造のXLIII−XLIII線に沿った断面図である。図44は、本発明の例3に係る生体センサの製造における一工程を概略的に示す斜視図である。本例では、以下に説明する方法により、生体センサを製造し、この生体センサを用いた測定を行った。
厚さ0.3mmのステンレス(SUS304)を加工して、図42及び42に示す金属板20を得た。この加工は、具体的には、以下の方法により行った。先ず、ステンレス板の両面へ感光性エッチングレジストを塗布した。これらレジスト層をパターン露光し、現像することにより、ステンレス板の両面にレジストパターンを形成した。次いで、これらレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、ステンレスをエッチングした。エッチング液としては、塩化第2鉄溶液を使用した。その後、レジストパターンを剥離することにより、スリット27を有する金属板20を得た。次いで、基体21が金属板20に対して部分的に持ちあがるように、曲げ加工を行った。ここでは、基体21の長さは8mmとし、基体21は支持部25に対して2mm持ち上げた。
次に、金属板20の表面全体に、めっき法により、炭素からなる厚さ3μmの連続膜を、図33A乃至33Cなどに示す保護層22として形成した。具体的には、保護層22は、カルシウムカーバイドを含む溶融塩(LiCl−KCl−CaCl2:500℃)に金属板20を浸漬させ、アノード分極することによって形成した。
次に、図示しない金型のキャビティ内に、保護層22を形成した金属板20を設置した。次いで、金型に樹脂を射出し、この樹脂を硬化させた。これにより、図44に示す構造を得た。なお、この成形は、基体21のうち、電極2a及び2bに利用する部分と、後述する引き出し線と接続する部分とが、それぞれ、樹脂からなる支持体35の表面と裏面とから突き出るように行った。
次に、ダイシング装置によって、図44に示す構造をY−Y線に沿って切断して、主面の寸法が5mm×5mmの構造体を得た。これにより、支持部25から電極2a及び2bを分離した。
図19に示すプリント配線板PWBを準備した。このプリント配線板PWB上に、信号処理部4a及び出力部4cとしての半導体モジュールと、電源部4dとしての半導体モジュールとを搭載した。これにより、電子部品4を得た。
電子部品4の信号処理部4aに、これにデータ入力をするためのインターフェイス41と、引き出し線6a及び6bとを電気的に接続した。また、電子部品4の出力部4cに、ここから外部へとデータを受け渡すためのインターフェイス42を電気的に接続した。更に、電子部品4の電源部4dに、外部電源5を電気的に接続した。以上のようにして、図19に示す生体センサ1を完成した。
10μLの血液と、グルコースオキシターゼ及びフェリシアン化イオンを各々0.01mol/Lの濃度で含有した10μLの生理食塩水とを混合し、この混合液をプレパラート上に滴下した。混合を開始してから1分後に、この混合液の上から電極部2を押し当て、電極2a及び2b間に0.5Vの電圧を印加した。そして、電圧の印加を開始してから10秒後に電極2a及び2b間に流れる電流を測定した。この測定によって得られた電流値は、血中グルコース濃度が10乃至500mg/dLの範囲で1乃至10μAであり、血中グルコース濃度に対して高い線形性を示した。なお、この測定手法自体は、血中グルコース濃度の検出法として比較的一般的である。上記の試験により、上述した生体センサ1を用いた場合においても、正確な測定が可能であることが分かった。
Claims (14)
- 2以上の電極と、前記2以上の電極を支持した支持体とを具備し、
前記電極の1以上は、金属からなる表面を有している基体と、前記表面の少なくとも一部を被覆した保護層とを含み、
前記保護層は、炭素からなり且つ1μm以上の厚さを有している連続膜である生体センサ。 - 前記保護層は、前記表面のうち、少なくとも測定対象が接触し得る領域全体を被覆している請求項1に記載の生体センサ。
- 一端が前記表面に接合された引き出し線を更に具備し、前記保護層は、前記表面と前記引き出し線との接合部を除く、前記表面の全体を被覆している請求項1又は2に記載の生体センサ。
- 前記基体は、湾曲又は屈曲した形状を有しており、前記保護層は、前記表面のうち、少なくとも前記基体が湾曲又は屈曲した部分に対応した領域を被覆している請求項1乃至3の何れか1項に記載の生体センサ。
- 前記基体は、互いに平行な第1及び第2主面と、それらの縁に沿って延びた端面とを有し、前記保護層は、前記第1主面の全体と、前記第2主面の少なくとも一部と、前記端面の少なくとも一部とを被覆している請求項1乃至4の何れか1項に記載の生体センサ。
- 前記支持体は、前記2以上の電極を互いに対して傾くように支持した請求項5に記載の生体センサ。
- 前記基体は、コイル形状又は板ばね形状を有している請求項1乃至4の何れか1項に記載の生体センサ。
- 前記2以上の電極に電気的に接続され、それら電極間を流れる電流又はそれら電極間の電圧から、測定対象に関する情報を生成する処理部を更に具備した請求項1乃至7の何れか1項に記載の生体センサ。
- 前記情報を前記生体センサの外部へと出力する出力部を更に具備した請求項8に記載の生体センサ。
- 金属からなる表面を有している基体に、めっき法によって、炭素からなる保護層を、前記表面の少なくとも一部を被覆し且つ1μm以上の厚さを有するように形成して、電極を得る工程と、
前記電極を含む2以上の電極を支持体に支持させる工程と
を含んだ生体センサの製造方法。 - 前記電極を得る工程に先立ち、前記基体を変形させる工程を更に含んだ請求項10に記載の生体センサの製造方法。
- 前記金属からなる表面を有している板の一部を除去して、前記基体とこれに繋がった支持部とを含んだ構造体を得る工程と、
前記電極を得る工程の後に、前記基体を前記支持部から切り離す工程と
を更に含んだ請求項10又は11に記載の生体センサの製造方法。 - 前記基体のうち前記支持部から切り離すことにより剥き出しになった部分に引き出し線を接合することを更に含んだ請求項12に記載の生体センサの製造方法。
- 前記保護層の一部を除去して、前記表面の一部を剥き出しにさせ、この剥き出しになった部分に引き出し線を接合することを更に含んだ請求項12に記載の生体センサの製造方法。
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