JPWO2019017094A1 - センサおよびセンサアレイ - Google Patents

Abstract

微小な生体物質の個数やその性質を、感度よく安定して検知できるインピーダンスセンサを提供する。インピーダンスセンサ（１）は、多層配線回路基板におけるある配線層において形成された測定電極対（３０）と、前記ある配線層よりも下層の配線層において形成された１又は複数の誘電泳動電極（３１）とを備える。

Description

本発明の一様態は、センサ及びセンサを複数備えているセンサアレイに関する。

微生物や細胞といった微小な生体物質の個数やその性質を検知するためにインピーダンスセンサが用いられる。ここでは、インピーダンスとは、複素インピーダンスの大きさのみを対象としているのではなく、容量性の特性を対象とする場合も含めて、単にインピーダンスと呼ぶ。被検査体となる生体物質の大きさは、例えば細菌であれば概ね０．５μm〜５μm、細胞であれば概ね１０μｍ〜３０μm程度である。インピーダンスを計測する範囲として、３０-２００ＧＨｚの周波数帯が好適であることが知られている。これは、３０-２００ＧＨｚの周波数帯での誘電率が、生体物質の性質を強く反映するためである（特許文献１）。

特許文献１には、半導体に形成した発振器を用いたインピーダンスセンサが開示されている。図９を用いて特許文献１に記載のインピーダンスセンサの構成を説明する。インピーダンスセンサ１００は、半導体基板１０１に形成された測定電極対３００を含むＬＣ発振器２００と周波数検出回路４００とを備えている。空気、あるいは、水といった雰囲気中に設置したインピーダンスセンサにおいて、被検査体をＬＣ発振器２００に接触あるいは近接させた場合、被検査体の誘電率に応じて測定電極対３００の寄生容量が変化し、ＬＣ発振器２００の発振周波数が変化する。周波数検出回路４００は、発振周波数を検出する。被検査体の有無での発振周波数の差から、被検査体の誘電率を推定する。半導体基板に形成したＬＣ発振器を利用することで、生体物質の検知に適した高い周波数でインピーダンスを検知することができる。

一方で、微生物や細胞といった微小な生体物質を移動させる技術として誘電泳動がある。誘電泳動とは、不均一な交流電場中で粒子が電場により分極され、電場強度が強い方向や弱い方向へと泳動する現象である。

特許文献２には、誘電泳動を利用したインピーダンスセンサで構成される微生物数測定器が開示されている。図１０を用いて、特許文献２で利用されるインピーダンスセンサの構成を説明する。図１０に示すように、特許文献２に記載のインピーダンスセンサでは、ガラス基板１０１０上に測定電極対３０００が互いに入れ子になるように配置されている。測定電極対３０００は、計測部６０００の他に誘電泳動信号源回路５０００にも接続されている。

次に、特許文献２に記載のインピーダンスセンサの動作を説明する。セル７０００に注入された検出対象とする微生物を含む試料液体は、測定電極対３０００を配置した基板の上に流れ込む。測定電極対３０００は誘電泳動信号源回路５０００に接続され、検査対象の微生物を誘導できる周波数及び振幅を有する交流信号（誘電泳動信号）を印加することで対象微生物は測定電極間に集められる。誘電泳動信号を印加してから一定時間後に測定電極間に集められる微生物の数は、検査試料液体中に存在する微生物の数に依存する。さらに、測定電極に測定用の交流信号を印加し、その時の電流値および電圧と電流の位相差を測定し、測定電極間のインピーダンスが算出される。既知の微生物数が含まれる校正用試料でのインピーダンス測定結果との比較から、検査試料液体中に含まれる微生物数を推定する。誘電泳動を用いることにより、誘電泳動を用いない場合より多くの微生物を測定電極間に集めることができるため、高感度に微生物数を測定することができる。

国際出願公開公報「ＷＯ２０１７/０１０１８２国際出願公開公報（２０１７年１月１９日公開）」 日本国特許公報「特許３６６９１８２（２０００年５月９日公開）」

特許文献１で開示された従来のインピーダンスセンサでは、製造工場での設計ルールや、センシングの感度の要求から、センシングが可能であるのは測定電極対近傍の概ね数μm〜数十μmの範囲である。その範囲内において、検出感度（利得）は、測定電極対に対する位置に依存して分布している。したがって、特許文献１のインピーダンスセンサを、０．５μmから３０μm程度の大きさの微生物や細胞といった生体物質の検知に適用する場合、感度よく安定した検出値を得るためには、測定電極対に対して、適切な位置に確実に被検査体を固定する必要があるが、これは非常に困難である。

特許文献２の微生物数測定装置に用いられる従来のインピーダンスセンサでは、測定電極対を誘電泳動電極対として利用することで、電界が最も強くかつ不均一になる誘電泳動電極対の近傍に微生物が集められる。しかしながら、特許文献２の微生物数測定装置では、誘電泳動のための電極と、インピーダンス計測のための電極が同一であるため、誘電泳動をかけながらインピーダンス計測を行う場合には、同じ周波数・振幅でしか印加・計測できない。インピーダンス計測に適した周波数・振幅の信号を用いる場合には、計測している間には、誘電泳動が適切には動作できないことになり、被検査体を集める効果が薄れることになる。

このように、従来の技術では、インピーダンス計測の感度及び安定性について改善すべき点があった。

本発明の一態様は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、感度よく安定して対象物質のインピーダンスを計測することのできるセンサを実現することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様に係るセンサは、多層配線回路基板におけるある配線層において形成された測定電極対と、前記ある配線層よりも下層の配線層において形成された１又は複数の誘電泳動電極と、を備えている。

本発明の一態様に係るセンサは、感度よく安定して対象物質のインピーダンスを計測することができる。

（ａ）は本発明の実施形態１にかかるセンサ装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ’間の断面図である。 実施形態１で大腸菌を誘電した様子を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態１の変形例にかかるセンサ装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ’間の断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態２にかかるインピーダンスアレイの構成を示すブロック図であり、(ｂ)は(ａ)のＡ-Ａ’間の断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態３にかかるインピーダンスアレイの構成を示すブロック図であり、(ｂ)は(ａ)のＡ-Ａ’間の断面図で、(ｃ)は(ａ)のＡ２-Ａ２’間の断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態４にかかるインピーダンスアレイの構成を示すブロック図であり、(ｂ)は(ａ)のＡ-Ａ’間の断面図である。 本発明の実施形態４にかかるインピーダンスセンサアレイの操作手順である。 （ａ）は本発明の実施形態５にかかるインピーダンスアレイの構成を示すブロック図であり、（ｂ）および（ｃ）は誘電泳動計測の測定手順の概念図であり、（ｄ）は補正されたインピーダンスセンサの測定値の概念図である。 従来例１にかかるインピーダンスセンサの構成を示す説明図である。 従来例２にかかるインピーダンスセンサの構成を示す説明図である。

〔実施形態１〕
本発明の実施形態１について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の実施形態１にかかるセンサ装置の構成を示すブロック図である。

インピーダンスセンサ１は、半導体基板１０に対向する平板電極で構成される測定電極対３０（３０ａ、３０ｂ）を備えたＬＣ発振器２０と、周波数検出器４０と、誘電泳動電極対３１（３１ａ、３１ｂ）と、誘電泳動信号源５０とを備えている。

ＬＣ発振器２０は、半導体基板１０内に設けられた図示しない差動トランジスタ対、インダクタ、及びキャパシタを有する発振器で構成される。

測定電極対３０は、ＬＣ発振器２０の発振器のキャパシタの一部として動作する。半導体基板１０において、高い周波数での回路動作が可能であるため、測定電極対３０は、高周波数でのインピーダンス計測に好適に用いることができる。ＬＣ発振器２０の動作は一般的な構成であるため、詳細な説明は省略する。機能を同じくする別の回路構成をＬＣ発振器２０として用いてもよい。

周波数検出器４０は、一定期間内に入力されるパルスを数える回路により構成される。周波数検出器４０は、一般的な構成であるため詳細な説明は省略する。機能を同じくする別の回路構成を、周波数検出器４０として用いてもよい。

誘電泳動電極対３１は誘電泳動信号源５０に接続されている。

周波数検出器４０および誘電泳動信号源５０は、半導体基板１０に配置しているが、この構成は本実施形態を限定するものではない。周波数検出器４０および誘電泳動信号源５０の構成要素の全てあるいはその一部を半導体基板の外に設置してもよい。

続いて、測定電極対３０と誘電泳動電極対３１との位置関係および使用する配線層について、図１（ａ）のＡ―Ａ´間の断面図である図１（ｂ）を用いて説明する。

図１（ｂ）に示すように、測定電極対３０は、最上位の配線層であるボンディングパッド用の配線層において形成される。ボンディングパッド用の配線層は微細な形状は不要であるため、下層の配線より膜厚を大きくすることができる。測定電極対３０は、例えば、４μｍ程度の膜厚が好適であり、アルミニウム等の材料で形成することが好ましい。

また、図１（ｂ）に示すように、測定電極対３０は表面保護膜１２で覆われている。これにより、試料の溶媒の導電率が高い場合であっても、電気分解によるインピーダンス計測への影響、及び、電極の腐食や断線を防止することができる。

表面保護膜１２は、例えば、シリコンの酸化膜および窒化膜により形成され、その厚さは合わせて１μm程度である。ボンディングパッド用の配線層より下層の配線層は、層間絶縁膜１１で覆われており、層間絶縁膜１１は、各配線層配線パターンの有無によって表面に凹凸がなきように配線層ごとに平坦化処理される。

誘電泳動電極対３１の一方の誘電泳動電極３１ａは、基板を上から見て、対向する測定電極対３０（３０ａ及び３０ｂ）の間に、測定電極対３０の下層（例えば、測定電極対３０よりも一層下の層）の配線層（第１の配線層とも呼ぶ）において形成される。誘電泳動電極対３１のもう一方の誘電泳動電極３１ｂは、上記第１の配線層よりも下層の配線層（第２の配線層とも呼ぶ）において、基板を上から見て、誘電泳動電極３１ａと重なる位置に配置されている。

なお、多層配線基板としてシリコンのような低抵抗基板を用いる場合では、変形例として後述するように、誘電泳動電極３１ｂは、特に明示的に設けなくてもよい。このような構成の場合、接地電位などに接続されたシリコン基材を利用することが好適である。

図１（ｂ）の誘電泳動電極対間の点線は、誘電泳動電極対３１に誘電泳動信号を印加した場合の電気力線を示している。

続いて、インピーダンスセンサ１の動作について、まずインピーダンス計測動作について説明する。

ＬＣ発振器２０の共振回路のインダクタンスをＬ、キャパシタンスをＣとすると、ＬＣ発振器２０の発振周波数ｆは、ｆ=２π/√ＬＣで表される。ＬＣ発振器２０を用いたインピーダンスセンサ１では、測定電極対３０に被検査体が接触あるいは近接することにより、測定電極対３０の寄生容量が被検査体の持つ誘電率に依存して変化する。この変化を周波数検出器４０によって発振周波数の変化として検出する。誘電率εの誘電体を挟んだ電極対間の容量Ｃは、電極の面積をＳ、距離をｄとすると、Ｃ=ε×Ｓ/ｄと表される。したがって検出感度（利得）は、測定電極対３０において対向する２つの測定電極の間の、電極近傍において相対的に高い（換言すれば、他の領域よりも高い）。また、本実施形態では、測定電極対３０の厚さが表面保護膜１２よりも厚い。このため、検出感度（利得）が相対的に高い対向する電極間に被検査体を配置する空間が確保される。なお、以上において、説明の簡単化のために複素誘電率の実部である容量に着目してセンシング動作を説明したが、測定電極対や表面保護膜等の構成の工夫等により複素誘電率の虚部の変化を発振周波数の変化により検出する構成を採用してもよい。この場合においてもインピーダンス計測動作は同じである。

次に誘電泳動動作を説明する。図１（ａ）に示すように、被検体に対して、電界の強い方へ移動する力が作用するように、誘電泳動信号源５０から誘電泳動電極３１ａに対して、適当な周波数及び振幅を有する信号を印加する。周波数及び振幅は、誘導したい被検査体に応じて適宜設定すればよい。通常、周波数は概ね数ｋＨｚから数ＭＨｚ程度であり、振幅は概ね１Ｖから５０Ｖ程度である。誘電泳動信号を印加することにより、図１（ｂ）に示された電界分布となり、被検査体は電界がより強くかつ不均一となる誘電泳動電極３１ａの端部付近に引き寄せられる。

誘電泳動動作によって誘導された状態を、被検査溶液中に含まれる大腸菌を検知するケースを例に挙げ、図２を用いて説明する。

図２に示すように、大腸菌は電界がより強くかつ不均一となる誘電泳動電極３１ａの端部付近に引き寄せられる。検出感度（利得）が相対的に高い、対向する測定電極対３０の間の、特に電極近傍に被検査体が誘導される。

次に実施形態１におけるインピーダンスセンサ１の効果を説明する。

インピーダンスセンサ１は、半導体基板１０に設けられたＬＣ発振器２０を用いたものであるため、３０−２００ＧＨｚの高周波でのインピーダンス計測が可能となり、生体物質の検知に好適に用いることができる。誘電泳動電極対３１はインピーダンス測定電極対３０を形成する配線層とは別の第１の配線層において、測定電極対３０とは別体として設けられる。このため、たとえば従来技術（特許文献２を参照）における下記のような課題を解決することができる。すなわち、従来技術においては、誘電泳動のための電極３０００と、インピーダンス計測のための電極３０００が同一であるため、誘電泳動をかけながらインピーダンス計測を行う場合には、同じ周波数・振幅でしか印加・計測できない。インピーダンス計測に適した周波数・振幅の信号を用いる場合には、計測している間には、誘電泳動が適切には動作できないことになり、被検査体を集める効果が薄れることになる。また、計測回路や信号源、他機器との通信機能などを高度に集積化するためにインピーダンスセンサを半導体基板に設ける場合には、インピーダンスセンサの対応できる電圧は、その製造プロセスで使用されるトランジスタの耐圧によって様々であるが、高々０．８〜３．３Ｖ程度ある。一方、誘電泳動にとって適切な電圧は、対象となる生体物質の特性や、溶媒の特性等に依存するが、概ね数Ｖか、それ以上である。このような場合には、測定電極対に誘電泳動に適切な振幅の信号を印加することができず、誘電泳動を有効に利用することができない。

一方で、本実施形態は任意の場所、例えば測定電極対３０近傍の相対的に検出感度が高い位置に被検査体を誘導することができる。

測定電極対３０はインピーダンス測定が被検査体に好適な測定感度や測定範囲を得られるよう、好適な形状により形成することができる。

誘電泳動電極対３１はインピーダンス測定用の測定電極対３０を形成する配線層より下層（上述した第１の配線層）において形成されているため、誘電泳動電極対３１の設置による測定感度への影響を小さくすることができる。

また、対向する電極間に、検出感度（利得）が相対的に高い空間が確保され、当該空間に被検査体を誘導することができる。このため、安定して高感度にインピーダンス計測を行うことができる。被検査体が、測定電極対３０の大きさに対して小さい場合、例えば、被検査体が微生物や細胞といった微小な生体物質である場合に、特に有効である。

さらに、本実施形態においては、誘電泳動電極対３１と測定電極対３０とを個別に動作させるため、誘電泳動動作と測定動作を同時に行うことができ、誘電泳動に好適な状態を維持しながら、計測に好適な周波数帯でインピーダンス計測を行うことができる。

さらに、インピーダンスセンサ１が半導体基板１０に形成されていることから、センサの制御機能や、計測値の保持、計測値の演算処理、他の機器との通信機能などの周辺機能を高度に集積化することができる。

なお、誘電泳動信号源５０が半導体基板１０の外部に配置してもよい。その場合、誘電泳動信号を発生したり制御したりする回路動作において用いられる信号振幅は、半導体基板１０のトランジスタの耐圧に制限されない。このように、誘電泳動信号源５０を半導体基板１０の外部に配置する構成を採用することにより、好適な誘電泳動動作のために大きな振幅が必要な場合に対しても好適に適用できる。

〈実施形態１の変形例〉
次に実施形態１の変形例について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は本発明の実施形態１の変形例にかかるセンサ装置の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、本変形例に係るインピーダンスセンサ１ａと、インピーダンスセンサ１ａにおいては誘電泳動電極３１ｂが省略されている点にある。また、本実施形態では、半導体基板１０として、シリコンのような低抵抗基板を用いることが好ましい。

本変形例に係る他の構成は上述した実施形態１と同様であるため、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。以下では前記の相違について説明する。

誘電泳動電極３１ａは、誘電泳動信号源５０に接続される。測定電極対３０と誘電泳動電極３１ａとの位置関係および使用する配線層について、図３（ｂ）を用いて説明する。

図３（ｂ）に示すように、測定電極対３０も、最上位の配線層であるボンディングパッド用の配線層において形成され、下層の配線より膜厚を大きくすることができる。測定電極対３０は、例えば、４μｍ程度の膜厚が好適で、アルミニウム等の材料で形成することができる。

また、図３（ｂ）に示すように、測定電極対３０も表面保護膜１２で覆われている。当該表面保護膜１２の厚さ、材料などは上記実施形態１と同様であることが好ましい。上記第１の配線層は層間絶縁膜１１で覆われており、各配線層にて平坦化処理される。

誘電泳動電極３１ａは、基板を上から見て、対向する測定電極対３０（３０ａ及び３０ｂ）の間に、上記第１の配線層において形成される。

図３（ｂ）の誘電泳動電極３１ａと測定電極対３０との間の点線は、誘電泳動電極３１ａに誘電泳動信号を印加した場合の電気力線を示している。

続いてこの変形例の誘電泳動動作を説明する。被検体に対して電界の強い方へ移動する力が作用させるように、誘電泳動信号源５０から誘電泳動電極３１ａに適当な周波数と振幅の信号を印加する。誘電泳動信号を印加することにより、図３（ｂ）において示された電界分布となり、被検査体は電界がより強くかつ不均一となる誘電泳動電極３１ａの端部付近に引き寄せられる。これにより、当該変形例も前記実施形態１と同じような効果が得られる。

〔実施形態２〕
本発明の実施形態２について、図４を用いて説明する。図４は本発明の実施形態２にかかるインピーダンスセンサアレイ２の構成を示すブロック図である。実施形態２と実施形態１との相違は、インピーダンスセンサアレイ２には、２つのインピーダンスセンサ（インピーダンスセンサ１-１、及び、インピーダンスセンサ１-２）が配置されていることと、半導体基板上に流体路８０が形成されていることである。各々のインピーダンスセンサは実施形態１で説明したインピーダンスセンサと同じものが２つ配置されている。

各エレメント間の位置関係は、流体路８０の上流から見た場合に、各インピーダンスセンサの測定電極対３０および誘電泳動電極対３１が重ならないように配置する。換言すれば、図４に示すように、インピーダンスセンサ１-１の測定電極対３０ａ-１、３０ｂ-１および誘電泳動電極対３１ａ-１、３１ｂ-１の何れも、流体路の上流から見た場合に、インピーダンスセンサ１-２の測定電極対３０ａ-２、３０ｂ-２および誘電泳動電極対３１ａ-２、３１ｂ-２の何れとも重ならないように、インピーダンスセンサ１-１とインピーダンスセンサ１-２とを配置する。これは、各センサの上流での被検査体の誘電泳動による被検査体の捕捉が下流のセンサへ影響を及ぼさないようにするためである。

なお、説明の簡単のため、２つのインピーダンスセンサ１を配置する構成を例に挙げているが、インピーダンスセンサ１を３つ以上配置する構成としてもよい。また、周波数検出器４０、及び誘電泳動信号源５０をインピーダンスセンサ１ごとに配置しているが、複数のインピーダンスセンサ１に対して共通の周波数検出器４０、及び誘電泳動信号源５０を用いる構成としてもよい。

流体路８０は、ガラスやジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）などの材質により形成される。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ-Ａ’間の断面図である。流体路の高さ（換言すれば、半導体基板の法線に沿った流体路８０の長さ）は、以下の条件が満たされるように適宜設定することが可能である。

・流体路に満たされた溶媒中を被検査体が滞りなく流れる
・誘電泳動力が被検査体に適切に加わる

液体試料は、測定電極対３０を通過するように流れる。流れの向きは上流から見た誘電泳動電極３１ａの幅が最も大きくなるよう設定することが、被検査体の捕捉の効率を考慮すると好ましい。ただし、被検査体の流れやすさ等も考慮して適宜設定することが好適である。

実施形態２にかかるインピーダンスセンサアレイ２の動作を、液体中に含まれる細菌の濃度を検出する場合を例に挙げて説明する。検査対象の細菌を含む被検査溶液を一定の流速でインピーダンスセンサ１の上を通過させる。誘電泳動力と流速と流体路８０の高さを適切な関係に設定した場合、誘電泳動電極対３１の上付近を通過する細菌は、誘電泳動によって捕集される。一定時間経過時のインピーダンス、あるいは一定時間の間のインピーダンスの時間変化は、検査試料液体中に存在する微生物の濃度に依存する。既知の微生物数が含まれる校正用試料でのインピーダンス測定結果との比較を行うことにより、検査試料液体中に含まれる微生物数を推定することができる。

以上に説明した動作によって、実施形態２では、実施形態１で得られる効果に加えて以下に記す効果が得られる。

流体路８０で新しい試料を連続的に供給することにより、流体路８０を用いない場合より多くの微生物を測定電極対３０に引き寄せることができる。これにより、高い感度で微生物数を測定することができる。また、流体路８０の高さで被検査体と測定電極対３０および誘電泳動電極対３１との距離が制限されるため、被検査体を効率よく誘電泳動で引き寄せるため、少量の試料液にてインピーダンスを計測することができる。

また、同じ特性の複数個のセンサエレメントを配置しているため、同じ特性の各インピーダンスセンサでの測定結果を平均化することにより測定のばらつきを低減することができる。

また、製造誤差等の影響により、複数個のセンサエレメントの特性が互いに異なっている場合であっても、各インピーダンスセンサでの測定結果を平均化することにより、測定誤差を低減することができる。

実施形態２を単一細胞の性質の検知に用いてもよい。複数配置したインピーダンスセンサ１の各々に単一細胞を固定し、複数の細胞に対してインピーダンス測定を行う。その場合、多数の細胞から特定の性質を持つ細胞を識別することができる。また、多くの細胞をまとめて測定することにより、細胞の持つ性質の平均や分散といった統計的な情報を得ることができる。

〔実施形態３〕
実施形態２の変形例として、複数配置するインピーダンスセンサ１には、測定電極対３０や誘電泳動電極対３１の形状が異なるものを設けてもよい。図５は本発明の実施形態３にかかるインピーダンスセンサアレイ２の構成を示すブロック図である。実施形態２のとの相違は、二つの測定用電極対３０の間隔が異なることである。図５に示す例では、右側の測定電極対３０の間隔が、左側よりも大きい。

このように、二つの測定電極対３０の間隔が異なるので、二つのインピーダンスセンサでは、特性も当然に異なる。

インピーダンスセンサアレイ２を細菌の濃度の検出に適用する場合、測定電極対３０間に捕捉して検出できる細菌数が左側より右側の方が多い。このように、特性の異なる複数のインピーダンスセンサ１（より具体的には、測定可能な細菌数の範囲が異なる複数のインピーダンスセンサ１）を配置しておくことにより、各々単一種類のインピーダンスセンサ１を並べた場合よりも、検出可能な細菌濃度のダイナミックレンジを拡大することができる。測定電極対３０の間隔が異なる２つのインピーダンスセンサ１によるインピーダンスセンサアレイ２を用いて説明したが、３つ以上のインピーダンスセンサ１により構成してもよい。

〔実施形態４〕
実施形態２の変形例として、複数配置するインピーダンスセンサ１には、インピーダンスを計測する周波数が異なるものを設けてもよい。図６は本発明の実施形態４にかかるインピーダンスセンサアレイ２の構成を示すブロック図である。実施形態２との相違は、インピーダンスを計測する周波数（計測周波数）が、インピーダンスセンサ１-１では１２０ＧＨｚ、インピーダンスセンサ１-２では６０ＧＨｚと異なる値を用いていることである。またインピーダンスセンサ１-２は、インピーダンスセンサ１-１の下流にあって、誘電泳動電極３１ａ-１から解放された被検査体が誘電泳動電極３１ａ-２の上を通過する位置に配置されている。

本発明の実施形態４にかかるインピーダンスセンサアレイ２の操作手順を図７に基づいて説明する。以下の手順において、インピーダンスセンサアレイ２の制御は、一部測定者によるマニュアル操作を介して行ってもよいし、測定者によるマニュアル操作を介さずに、図示しない制御装置によって行われてもよい。

（ステップＳ１０２）
まず、ステップＳ１０２において、インピーダンスセンサ１−１に対して、誘電泳動信号源５０-１から信号を供給することにより誘電泳動電極３１ａ-１付近に被検査体を捕捉する。

（ステップＳ１０４）
続いて、ステップＳ１０２において捕捉した被検査体に対して、ステップＳ１０４において１２０ＧＨｚでのインピーダンス計測を行う。

（ステップＳ１０６）
ステップＳ１０４での計測後、ステップＳ１０６において、誘電泳動信号源５０-１の操作により信号を停止するか、あるいは負の誘電泳動力が作用するように周波数の信号を供給する。これにより、被検査体を誘電泳動電極３１ａ-１から解放する。解放された被検査体は流体路８０に沿って下流に流される。

（ステップＳ１０８）
続いて、ステップＳ１０８において、インピーダンスセンサ１-２に対して、誘電泳動信号源５０-２からの信号を供給することにより誘電泳動電極３１ａ-２付近に被検査体を捕捉する。

（ステップＳ１１０）
続いて、ステップＳ１０８において捕捉した被検査体に対して、ステップＳ１１０において６０ＧＨｚでのインピーダンス計測を行う。

（ステップＳ１１２）
続いて、ステップＳ１１２において、誘電泳動信号源５０-２の操作により信号を停止するか、あるいは負の誘電泳動力が作用するように周波数の信号を供給する。これにより、被検査体を誘電泳動電極３１ａ-２から解放する。解放された被検査体は流体路８０に沿って下流に流される。

以上の操作によって、被検査体に対して、１２０ＧＨｚと６０ＧＨｚのインピーダンスを計測することができる。したがって、実施形態１および２の効果に加えて、被検査体の状態を多面的に評価することができる。２つのインピーダンスセンサ１を用いて２つの周波数でインピーダンス計測を行う場合について説明したが、より多面的に評価することができるよう３つ以上のインピーダンスセンサ１を配置して、３つ以上の周波数でインピーダンスを行ってもよい。

〔実施形態５〕
実施形態２の変形例として、複数配置するインピーダンスセンサ１には、誘電泳動信号を印加しないものを設けてもよい。図８（ａ）は、本発明の実施形態５にかかるインピーダンスセンサアレイ２の構成を示すブロック図であり、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、誘電泳動計測の測定手順の概念図であり、図８（ｄ）は補正されたインピーダンスセンサの測定値の概念図である。図８（ａ）に示すように、実施形態５に係るインピーダンスセンサ２は、実施形態２のものと同じである。

以下では、試料を供給する溶媒の測定環境等の影響により温度が変動している場合を考える。図８（ｂ）は、インピーダンスセンサ１−１には誘電泳動信号が印加され、被検査体が集められることによって測定値が変化する様子を表している。一方、インピーダンスセンサ１-２には、誘電泳動信号が印加されていないため、被検査体の存在によるインピーダンス１-２の変化はない。誘電泳動信号が印加されていないインピーダンスセンサ１-２は、温度変動に伴う溶媒のインピーダンス変動を検出するために用いることができる。インピーダンスセンサ１-２の測定値を用いることにより、図８（ｄ）のように、インピーダンスセンサ１−１の測定値から、溶媒の温度変動に起因する分を補正された値を得ることができる。

以上説明したように、計測時に溶媒の温度変動などによる溶媒のインピーダンス変動があった場合であっても、その影響を補正することができ、環境変動に影響を小さくすることができる。溶媒温度変動を例に挙げて説明したが、電源電圧の変動や振動などの他の要因に対しても有効である。

以上の説明は、微生物の個数を検知する場合を例に挙げて説明したが、それに限らず本発明は細胞等の他の生体物質の性質を検知する場合にも適用できる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる
大きさや周波数、振幅等について、具体的な数字をあげて説明してきたが、特にその数値に限られるものではない。また、インピーダンスセンサとして、ＬＣ発振器２０の発振周波数で被検査体の誘電率を検出するセンサを例に挙げたが、測定電極対３０に加わる電流と電圧の振幅および位相からインピーダンスを検出するセンサなど、他の方式であっても好適に用いられるのは言うまでもない。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るセンサは、多層配線回路基板におけるある配線層において形成された測定電極対と、前記ある配線層よりも下層の配線層において形成された１又は複数の誘電泳動電極と、を備えている構成である。

上記の構成によれば、感度よく安定して対象物質のインピーダンスを計測することができる。

本発明の態様２に係るセンサは、上記の態様１において、前記多層配線回路基板は、半導体基板である構成としてもよい。

上記の構成によれば、高い周波数での回路動作が可能であるため、測定電極対は、高周波数でのインピーダンス計測に好適に用いることができる。

本発明の態様３に係るセンサは、上記の態様１または２において、前記測定電極対は表面保護膜で覆われ、前記測定電極対の厚さが前記表面保護膜の厚さより大きい構成としてもよい。

上記の構成によれば、検出感度（利得）が相対的に高い対向する電極間に被検査体を配置する空間が確保される。

本発明の態様４に係るセンサは、上記の態様１から３の何れか１項において、前記多層配線回路基板の上に流体路が形成されている構成としてもよい。

上記の構成によれば、流体路を用いない場合より多くの対象物質を測定電極間に引き寄せることができる。これにより、より高い感度で対象物質の数量を測定することができる。

本発明の態様５に係るセンサを複数備えていることを特徴とするセンサアレイは、上記の態様１から３の何れか１項において、同一の多層配線回路基板に、請求項１から３の何れか１項に記載のセンサを複数備えている構成としてもよい。

上記の構成によれば、各センサでの測定結果を平均化することにより測定のばらつきを低減することができる。

本発明の態様６に係るセンサアレイは、上記の態様５において、前記複数のセンサのうち少なくとも１つのセンサの特性が他のセンサとは異なる構成としてもよい。

上記の構成によれば、各々単一種類のセンサを並べた場合よりも、検出可能な対象物質濃度のダイナミックレンジを拡大することができる。

本発明の態様７に係るセンサアレイは、前記複数のセンサのうち少なくとも１つのセンサの測定周波数が他のセンサとは異なる構成としてもよい。

上記の構成によれば、被検査体である対象物質の状態を多面的に評価することができる。

本発明の態様８に係るセンサアレイは、前記同一の多層配線回路基板の上に流体路が形成されており、前記流体路の上流から見た場合に、前記複数のセンサの前記測定電極対および前記誘電泳動電極が互いに重ならないように配置されている。

上記の構成によれば、各センサの上流での対象物質の誘電泳動による対象物質の捕捉が下流のセンサへ影響を及ぼさないようにすることができる。

１、１ａ インピ−ダンスセンサ
２ インピ−ダンスセンサアレイ
１０ 半導体基板
１１ 層間絶縁膜
１２ 表面保護膜
２０ ＬＣ発振器
３０（３０ａ、３０ｂ） 測定電極対
３１（３１ａ、３１ｂ） 誘電泳動電極
４０ 周波数検出器
５０ 誘電泳動信号源
７０ 細菌
８０ 流体路
１００、１０００ インピ−ダンスセンサ（従来例）
１０１ 半導体基板（従来例）
１０１０ ガラス基板（従来例）
２００、２０００ ＬＣ発振器（従来例）
３００、３０００ 測定電極対（従来例）
４００ 周波数検出回路（従来例）
５０００ 誘電泳動信号源（従来例）
６０００ 計測部（従来例）
７０００ セル（従来例）

特許文献２の微生物数測定装置に用いられる従来のインピーダンスセンサでは、測定電極対を誘電泳動電極対として利用することで、電界が最も強くかつ不均一になる誘電泳動電極対の近傍に微生物が集められる。しかしながら、特許文献２の微生物数測定装置では、誘電泳動のための電極と、インピーダンス計測のための電極が同一であるため、誘電泳動信号をかけながらインピーダンス計測を行う場合には、同じ周波数・振幅でしか印加・計測できない。インピーダンス計測に適した周波数・振幅の信号を用いる場合には、計測している間には、誘電泳動が適切には動作できないことになり、被検査体を集める効果が薄れることになる。

（ａ）は本発明の実施形態１にかかるセンサ装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ’間の断面図である。 実施形態１で大腸菌を誘導した様子を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態１の変形例にかかるセンサ装置の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ’間の断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態２にかかるインピーダンスセンサアレイの構成を示すブロック図であり、(ｂ)は(ａ)のＡ-Ａ’間の断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態３にかかるインピーダンスセンサアレイの構成を示すブロック図であり、(ｂ)は(ａ)のＡ-Ａ’間の断面図で、(ｃ)は(ａ)のＡ２-Ａ２’間の断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態４にかかるインピーダンスセンサアレイの構成を示すブロック図であり、(ｂ)は(ａ)のＡ-Ａ’間の断面図である。 本発明の実施形態４にかかるインピーダンスセンサアレイの操作手順である。 （ａ）は本発明の実施形態５にかかるインピーダンスセンサアレイの構成を示すブロック図であり、（ｂ）および（ｃ）は誘電泳動計測の測定手順の概念図であり、（ｄ）は補正されたインピーダンスセンサの測定値の概念図である。 従来例１にかかるインピーダンスセンサの構成を示す説明図である。 従来例２にかかるインピーダンスセンサの構成を示す説明図である。

インピーダンスセンサ１は、半導体基板１０に設けられたＬＣ発振器２０を用いたものであるため、３０−２００ＧＨｚの高周波でのインピーダンス計測が可能となり、生体物質の検知に好適に用いることができる。誘電泳動電極対３１はインピーダンス測定電極対３０を形成する配線層とは別の第１の配線層において、測定電極対３０とは別体として設けられる。このため、たとえば従来技術（特許文献２を参照）における下記のような課題を解決することができる。すなわち、従来技術においては、誘電泳動のための測定電極対３０００と、インピーダンス計測のための測定電極対３０００が同一であるため、誘電泳動をかけながらインピーダンス計測を行う場合には、同じ周波数・振幅でしか印加・計測できない。インピーダンス計測に適した周波数・振幅の信号を用いる場合には、計測している間には、誘電泳動が適切には動作できないことになり、被検査体を集める効果が薄れることになる。また、計測回路や信号源、他機器との通信機能などを高度に集積化するためにインピーダンスセンサを半導体基板に設ける場合には、インピーダンスセンサの対応できる電圧は、その製造プロセスで使用されるトランジスタの耐圧によって様々であるが、高々０．８〜３．３Ｖ程度ある。一方、誘電泳動にとって適切な電圧は、対象となる生体物質の特性や、溶媒の特性等に依存するが、概ね数Ｖか、それ以上である。このような場合には、測定電極対に誘電泳動に適切な振幅の信号を印加することができず、誘電泳動を有効に利用することができない。

図３に示すように、本変形例に係るインピーダンスセンサ１ａにおいては誘電泳動電極３１ｂが省略されている点が上述した実施形態１との相違点である。また、本実施形態では、半導体基板１０として、シリコンのような低抵抗基板を用いることが好ましい。

本発明の実施形態２について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は本発明の実施形態２にかかるインピーダンスセンサアレイ２の構成を示すブロック図である。実施形態２と実施形態１との相違は、インピーダンスセンサアレイ２には、２つのインピーダンスセンサ（インピーダンスセンサ１-１、及び、インピーダンスセンサ１-２）が配置されていることと、半導体基板上に流体路８０が形成されていることである。各々のインピーダンスセンサは実施形態１で説明したインピーダンスセンサと同じものが２つ配置されている。

実施形態２の変形例として、複数配置するインピーダンスセンサ１には、測定電極対３０や誘電泳動電極対３１の形状が異なるものを設けてもよい。図５は本発明の実施形態３にかかるインピーダンスセンサアレイ２の構成を示すブロック図である。実施形態２のとの相違は、二つの測定電極対３０の間隔が異なることである。図５に示す例では、右側の測定電極対３０の間隔が、左側よりも大きい。

以上の操作によって、被検査体に対して、１２０ＧＨｚと６０ＧＨｚのインピーダンスを計測することができる。したがって、実施形態１および２の効果に加えて、被検査体の状態を多面的に評価することができる。２つのインピーダンスセンサ１を用いて２つの周波数でインピーダンス計測を行う場合について説明したが、より多面的に評価することができるよう３つ以上のインピーダンスセンサ１を配置して、３つ以上の周波数でインピーダンス計測を行ってもよい。

実施形態２の変形例として、複数配置するインピーダンスセンサ１には、誘電泳動信号を印加しないものを設けてもよい。図８（ａ）は、本発明の実施形態５にかかるインピーダンスセンサアレイ２の構成を示すブロック図であり、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、誘電泳動計測の測定手順の概念図であり、図８（ｄ）は補正されたインピーダンスセンサの測定値の概念図である。図８（ａ）に示すように、実施形態５に係るインピーダンスセンサアレイ２は、実施形態２のものと同じである。

以下では、試料を供給する溶媒の測定環境等の影響により温度が変動している場合を考える。図８（ｂ）は、インピーダンスセンサ１−１には誘電泳動信号が印加され、被検査体が集められることによって測定値が変化する様子を表している。一方、インピーダンスセンサ１-２には、誘電泳動信号が印加されていないため、被検査体の存在によるインピーダンス１-２の測定値の変化はない。誘電泳動信号が印加されていないインピーダンスセンサ１-２は、温度変動に伴う溶媒のインピーダンス変動を検出するために用いることができる。インピーダンスセンサ１-２の測定値を用いることにより、図８（ｄ）のように、インピーダンスセンサ１−１の測定値から、溶媒の温度変動に起因する分を補正された値を得ることができる。

本発明の態様５に係るセンサを複数備えていることを特徴とするセンサアレイは、上記の態様１から３の何れか１項において、同一の多層配線回路基板に、態様１から３の何れか１項に記載のセンサを複数備えている構成としてもよい。

１、１ａ インピ−ダンスセンサ
２ インピ−ダンスセンサアレイ
１０ 半導体基板
１１ 層間絶縁膜
１２ 表面保護膜
２０ ＬＣ発振器
３０（３０ａ、３０ｂ） 測定電極対
３１（３１ａ、３１ｂ） 誘電泳動電極対
４０ 周波数検出器
５０ 誘電泳動信号源
７０ 細菌
８０ 流体路
１００、１０００ インピ−ダンスセンサ（従来例）
１０１ 半導体基板（従来例）
１０１０ ガラス基板（従来例）
２００、２０００ ＬＣ発振器（従来例）
３００、３０００ 測定電極対（従来例）
４００ 周波数検出回路（従来例）
５０００ 誘電泳動信号源（従来例）
６０００ 計測部（従来例）
７０００ セル（従来例）

Claims (8)

1. 多層配線回路基板におけるある配線層において形成された測定電極対と、
   前記ある配線層よりも下層の配線層において形成された１又は複数の誘電泳動電極と、を備えていることを特徴とするセンサ。
2. 前記多層配線回路基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記測定電極対は絶縁膜で覆われ、前記測定電極対の厚さが前記絶縁膜の厚さより大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記多層配線回路基板の上に流体路が形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセンサ。
5. 同一の多層配線回路基板に、
   請求項１から３の何れか１項に記載のセンサを複数備えていることを特徴とするセンサアレイ。
6. 前記複数のセンサのうち少なくとも１つのセンサの特性が他のセンサとは異なることを特徴とする請求項５に記載のセンサアレイ。
7. 前記複数のセンサのうち少なくとも１つのセンサの測定周波数が他のセンサとは異なることを特徴とする請求項５に記載のセンサアレイ。
8. 前記同一の多層配線回路基板の上に流体路が形成されており、
   前記流体路の上流から見た場合に、前記複数のセンサの前記測定電極対および前記誘電泳動電極が互いに重ならないように配置されていることを特徴とする請求項５から７の何れか１項に記載のセンサレイ。

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