WO2013121850A1 - 蛍光センサおよびセンサシステム - Google Patents
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Abstract
蛍光センサ３０は、第１の主面１１ＳＡと第２の主面１１ＳＢとを貫通する貫通孔２１の壁面２２に蛍光を電気信号に変換するＰＤ素子１２が形成されている検出基板部１１と、貫通孔２１の内部に配設された前記励起光を受光するとアナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生するインジケータ１７と、ＰＤ素子１２を覆う蛍光を透過し励起光を遮断するフィルタ層１４と、貫通孔２１の第１の主面１１ＳＡの開口を覆うアナライトが通過可能な遮光層１８と、貫通孔２１の第２の主面１１ＳＢの開口の直下領域を覆う励起光を発生するＬＥＤチップ１５と、を具備する。
Description
本発明は、液体中のアナライトの濃度を計測する蛍光センサおよび前記蛍光センサを具備するセンサシステムに関し、特に半導体製造技術およびＭＥＭＳ技術を用いて作製された微小蛍光光度計である蛍光センサおよび前記蛍光センサを具備するセンサシステムに関する。
液体中のアナライトすなわち被計測物質の濃度を測定するための様々な分析装置が開発されている。例えば、蛍光色素とアナライトを含む被計測溶液とを透明容器に注入し、励起光を照射し蛍光色素からの蛍光強度を計測することによりアナライト濃度を計測する蛍光光度計が知られている。蛍光色素は、アナライトの存在によって性質が変化し励起光を受光するとアナライト濃度に対応した強度の蛍光を発生する
小型の蛍光光度計は、光源と光検出器と蛍光色素を含有したインジケータとを有している。そして、被計測溶液中のアナライトが出入り自在なインジケータに光源からの励起光を照射し、インジケータが発生する蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光強度に応じた電気信号を出力する。光検出器からの電気信号をもとに溶液中のアナライト濃度が算出される。
小型の蛍光光度計は、光源と光検出器と蛍光色素を含有したインジケータとを有している。そして、被計測溶液中のアナライトが出入り自在なインジケータに光源からの励起光を照射し、インジケータが発生する蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光強度に応じた電気信号を出力する。光検出器からの電気信号をもとに溶液中のアナライト濃度が算出される。
近年、微量試料中のアナライトを計測するために、半導体製造技術およびＭＥＭＳ技術を用いて作製される微小蛍光光度計が提案されている。以下、微小蛍光光度計のことを。「蛍光センサ」と呼ぶ。
例えば、図１および図２に示す蛍光センサ１３０が国際公開第２０１０／１１９９１６号パンフレットに開示されている。蛍光センサ１３０の主機能部であるセンサ部１１０は、光電変換素子１１２が形成されているシリコン基板１１１と、フィルタ層１１４と、発光素子チップ１１５と、透明保護層１１６と、インジケータ１１７と、遮光層１１８と、を有する。アナライト２は、遮光層１１８を通過して、インジケータ１１７に進入する。蛍光センサ１３０のフィルタ層１１４は励起光を遮断し蛍光を透過する。更に、発光素子チップ１１５は蛍光を透過する。
蛍光センサ１３０では、発光素子チップ１１５が発生した励起光がインジケータ１１７に入射すると、インジケータ１１７はアナライト濃度に応じた蛍光を発生する。
インジケータ１１７が発生した蛍光の一部は、発光素子チップ１１５とフィルタ層１１４とを通過し、光電変換素子１１２に入射し光電変換される。なお、発光素子チップ１１５が光電変換素子１１２の方向（下方向）出射した励起光は、フィルタ層１１４により蛍光強度と比較して計測上問題ないレベルまで減光される。蛍光センサ１３０は、構成が単純で小型化が容易である。
しかし、蛍光センサ１３０は、インジケータ１１７が出射した蛍光のうち、光電変換素子１１２の方向、すなわち下方に出射された蛍光だけしか検出することができない。このため、蛍光センサ１３０は、小型であるが、高い検出感度を得ることは容易ではなかった。
本発明の実施形態は、小型で検出感度が高い蛍光センサおよび検出感度が高いセンサシステムを提供することを目的とする。
本発明の一態様の蛍光センサは、第１の主面と第２の主面とを貫通する貫通孔の壁面に、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成されている検出基板部と、前記貫通孔の内部に配設された、励起光を受光するとアナライトの濃度に応じた強度の前記蛍光を発生するインジケータと、前記光電変換素子を覆う、前記蛍光を透過し前記励起光を遮断するフィルタ層と、前記貫通孔の前記第１の主面の開口を覆う前記アナライトが通過可能な遮光層と、前記貫通孔の前記第２の主面の開口の直下領域を覆う前記励起光を発生する発光素子チップと、を具備する。
また、本発明の別の一態様のセンサシステムは、第１の主面と第２の主面とを貫通する貫通孔の壁面に蛍光を電気信号に変換する第１の光電変換素子が形成されているとともに、前記第２の主面に第２の光電変換素子が形成されている検出基板部と、前記貫通孔の内部に配設された、アナライトに反応し励起光を受光すると前記アナライトの濃度に応じた強度の前記蛍光を発生するインジケータと、前記貫通孔の前記第１の主面の開口を覆う前記アナライトが通過可能な遮光層と、前記第２の主面の前記開口の前記直下領域および前記第２の光電変換素子の直下領域を覆う前記励起光を発生する発光素子チップと、を含むセンサ部を、針先端部に有する針型センサと、前記光電変換素子からの電気信号を、前記第２の光電変換素子からの電気信号を用いて、補正する演算部と、を具備する。
＜第１実施形態＞
最初に、本発明の第１実施形態の蛍光センサ３０およびセンサシステム１について説明する。図３に示すように、センサシステム１は、蛍光センサ３０と、本体部４０と、本体部４０からの信号を受信し記憶するレシーバー４５と、を有する。本体部４０とレシーバー４５との間の信号の送受信は無線または有線で行われる。
最初に、本発明の第１実施形態の蛍光センサ３０およびセンサシステム１について説明する。図３に示すように、センサシステム１は、蛍光センサ３０と、本体部４０と、本体部４０からの信号を受信し記憶するレシーバー４５と、を有する。本体部４０とレシーバー４５との間の信号の送受信は無線または有線で行われる。
蛍光センサ３０は、被検体に穿刺される針部３４と、針部３４の後端部と接合されたコネクタ部３５と、からなる。針部３４は、細長い針本体部３３と、主要機能部であるセンサ部１０を含む針先端部３２と、を有する。針先端部３２、針本体部３３、コネクタ部３５は、同一材料により一体形成されていてもよいし、別々に作製され接合されていてもよい。
コネクタ部３５は、本体部４０の嵌合部４１と着脱自在に嵌合する。蛍光センサ３０のセンサ部１０から延設された複数の配線５１～５４は、コネクタ部３５が本体部４０の嵌合部４１と機械的に嵌合することにより、本体部４０と電気的に接続される。
蛍光センサ３０は、センサ部１０を体内に挿入後、所定期間、例えば、１週間、継続してアナライト濃度を測定可能な針型センサである。しかし、センサ部１０を体内に挿入しないで、採取した体液、または体外の流路を介して体内と循環する体液を、体外においてセンサ部１０と接触させてもよい。
本体部４０は、センサ部１０の駆動および制御などを行う制御部４２と、センサ部１０から出力された信号を処理する演算部４３と、を有する。制御部４２及び演算部４３は、それぞれＣＰＵ等の演算回路からなるが、同一のＣＰＵであってもよい。なお、制御部４２または演算部４３の少なくともいずれかが、蛍光センサ３０のコネクタ部３５等に配設されていてもよいし、レシーバー４５に配設されていてもよい。
図示しないが、本体部４０は、レシーバー４５との間で無線信号を送受信するための無線アンテナと、電池等と、を更に有する。レシーバー４５との間の信号を有線にて送受信する場合には、本体部４０は無線アンテナに代えて信号線を有する。なお、本体部４０が必要な容量のメモリ部を有する場合にはレシーバー４５は、なくても良い。
＜センサ部の構造＞
次に、図４および図５を用いて、蛍光センサ３０の主要機能部であるセンサ部１０の構造について説明する。なお、図は、いずれも説明のための模式図であり、縦横の寸法比等は実際とは異なっており、一部の構成要素を図示しない場合もある。また、図４および図５に示すＺ軸方向を上方向という。
次に、図４および図５を用いて、蛍光センサ３０の主要機能部であるセンサ部１０の構造について説明する。なお、図は、いずれも説明のための模式図であり、縦横の寸法比等は実際とは異なっており、一部の構成要素を図示しない場合もある。また、図４および図５に示すＺ軸方向を上方向という。
蛍光センサ３０は、検出基板部１１と、フィルタ層１４と、インジケータ１７と、遮光層１８と、発光素子チップである発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）チップ１５と、を主機能要素として具備する。
シリコン等の半導体からなる検出基板部１１には、第１の主面１１ＳＡと第２の主面１１ＳＢとを貫通する貫通孔２１が形成されている。
そして、貫通孔２１の壁面２２には、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子であるフォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）素子１２が形成されている。すなわち、ＰＤ素子１２は、貫通孔２１の内部に配設されたインジケータ１７を囲むように設けられ、受光面がインジケータ１７に向くように配設されている。ＰＤ素子１２は、矩形の貫通孔２１の４つの壁面２２の全てに形成されていてもよいし、一部の壁面２２にのみに形成されていてもよい。
一方、検出基板部１１の第２の主面１１ＳＢには、ＰＤ素子１２からの検出信号を出力するための、検出信号配線５１、５２が配設されている。検出信号配線５１はＰＤ素子１２の受光部と同じ半導体不純物タイプの低抵抗領域１２Ｓを介してＰＤ素子１２の受光部と接続されており、検出信号配線５２は検出基板部１１と同じ半導体不純物タイプの低抵抗領域１２Ｈと接続されている。
また、検出基板部１１の第２の主面１１ＳＢには、ＬＥＤチップ１５の駆動信号電極１５Ａ、１５Ｂに駆動信号を供給する駆動信号配線５３、５４も配設されている。
壁面２２に形成されたＰＤ素子１２を覆うように、透明な保護層１６とフィルタ層１４とが配設されている。すなわち、保護層１６とフィルタ層１４とは、ＰＤ素子１２の受光面側に、ＰＤ素子１２を覆うように配設されている。フィルタ層１４は、例えば波長３７５ｎｍの励起光を遮断し、例えば波長４６０ｎｍの蛍光は透過する。
そして、蛍光センサ３０では、ＬＥＤチップ１５は、透明な接合層１３を介して、検出基板部１１と接合されている。そして、ＬＥＤチップ１５の平面視寸法は、貫通孔２１の第２の主面１１ＳＢの開口の寸法よりも大きい。このため、ＬＥＤチップ１５は、貫通孔２１の第２の主面１１ＳＢの開口の直下領域を完全に覆っている。言い換えれば、貫通孔２１の底面はＬＥＤチップ１５上の接合層１３により構成されている。
接合層１３は、ＬＥＤチップ１５の表面と検出基板部１１の第２の主面１１ＳＢとを覆う保護層でもある。接合層１３としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、透明な非晶性フッ素樹脂等の有機樹脂、あるいはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの透明無機材料が使用可能である。接合層１３は、電気的絶縁性を有すること、水分遮断性を有すること、励起光に対して良好な透過率を有すること、などの特性を有する材料から選択される。
なお、接合層１３は、貫通孔２１の第２の主面１１ＳＢの開口の直下領域に開口を有していてもよい。この場合には、貫通孔２１の底面はＬＥＤチップ１５の表面となる。そして、接合層１３の材料には、励起光を遮蔽する材料を用いることが好ましい。
貫通孔２１の内部に配設されているインジケータ１７は、進入してきたアナライト２との相互作用および励起光によりアナライト２の濃度に応じた強度の蛍光を発生する。インジケータ１７の厚さは数１０μｍ～数１００μｍ程度である。インジケータ１７は、内部に進入したアナライト２の量、すなわち被計測溶液中のアナライト濃度に応じた強度の蛍光を発生する蛍光色素が含まれたベース材料から構成されている。
貫通孔２１の第１の主面１１ＳＡの開口を覆う遮光層１８は、厚さが数１０μｍ程度である。遮光層１８は、励起光および蛍光が外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が内部に進入するのを防止する。また、遮光層１８はアナライト２の通過を妨げないアナライト透過性も有している。
ＬＥＤチップ１５の底面（下面）および側面を覆うように配設された漏光防止層１９は、底面および側面から出射される励起光、および、検出基板部１１の第２の主面１１ＳＢで反射した励起光が外部に漏光するのを防止する。すなわち、漏光防止層１９は遮光層１８と類似した機能を有するが、アナライト透過性は必要ない。
＜蛍光センサの製造方法＞
次に、図６Ａ～図６Ｇを用いて、蛍光センサ３０の製造方法について簡単に説明する。なお、図６Ａ～図６Ｇは１個の蛍光センサ３０のセンサ部１０の領域の部分断面図であるが、実際の工程では、ウエハプロセスとして一括して多数の蛍光センサ３０のセンサ部１０が作製される。
次に、図６Ａ～図６Ｇを用いて、蛍光センサ３０の製造方法について簡単に説明する。なお、図６Ａ～図６Ｇは１個の蛍光センサ３０のセンサ部１０の領域の部分断面図であるが、実際の工程では、ウエハプロセスとして一括して多数の蛍光センサ３０のセンサ部１０が作製される。
最初に、図６Ａに示すように、シリコンウエハ（検出基板）１１Ｗの第２の主面１１ＳＢに、通常の半導体プロセスを用いて、ＰＤ素子１２からの検出信号を出力する低抵抗領域１２Ｓ、１２Ｈが、不純物注入処理により形成される。
すなわち、低抵抗領域１２Ｓは、ＰＤ素子１２の受光部と同じ半導体不純物タイプの不純物を導入して形成され、低抵抗領域１２Ｈは、シリコンウエハ１１と同じ半導体不純物タイプの不純物を導入して形成される。例えばＰＤ素子の受光部がＰ型半導体の場合、低抵抗領域１２Ｓには、ボロンを導入し、低抵抗領域１２Ｈはリンまたはヒ素等を導入して形成される。
検出基板部１１の材料は、表面にＰＤ素子１２を形成するためには単結晶シリコンが好ましいが、ガラスまたはセラミック等でもよい。ガラス等からなる検出基板部の場合には、ポリシリコン等の半導体層を貫通孔２１の壁面２２に成膜することで、光電変換素子が形成される。
光電変換素子としては、フォトコンダクタ（光導電体）素子、またはフォトトランジスタ（Photo Transistor）素子などでもよい。
次に、図６Ｂに示すように、貫通孔形成部に開口のあるマスク層７１を介して、第２の主面１１ＳＢ側から、シリコンウエハ１１Ｗのエッチングが行われ、貫通孔２１が形成される。エッチングには公知の各種の方法を用いることができる。低抵抗領域１２Ｓは、検出信号配線５１と接続される領域以外は、エッチングにより除去される。
貫通孔２１の断面の形状および大きさは、蛍光センサ３０の仕様に応じて設計される。貫通孔２１の断面の大きさは、センサ部１０の配設箇所が針先端部３２であるために、例えば、縦１５０μｍ、横５００μｍのように細長い形状であることが好ましい。一方、貫通孔２１の断面の形状（平面視形状）は、多角形、円または楕円等様でもよいが、開口効率が大きく、加工が容易なことから、矩形が好ましい。
次に、図６Ｃに示すように、貫通孔２１の壁面２２に受光部であるＰＤ素子１２が形成される。すなわち、貫通孔２１形成領域が開口となっているマスク層７１が配設されたシリコンウエハ１１Ｗを、５～３０度に傾けた状態として少なくとも４方向からイオン注入処理が行われる。例えば、シリコンウエハ１１ＷがＮ型の場合は、ボロン（Ｂ）を、加速電圧：１０～２００ｋｅＶ、注入量：１×１０１５～１×１０１６ｃｍ－２程度で注入する。このとき貫通孔２１の壁面２２の表面に、１０～１００ｎｍの薄い酸化物層があってもよい。イオン注入後の熱処理により壁面２２に、低抵抗領域１２Ｓと接続されたＰＤ素子１２が形成される。熱処理の後で、マスク層７１は、除去される。
そして、図６Ｄに示すように、シリコンウエハ１１Ｗの貫通孔２１の壁面２２のＰＤ素子１２を覆うように、保護層１６とフィルタ層１４と、が順に、ＣＶＤ法等により配設される。
保護層１６は、シリコン酸化層またはシリコン窒化層等の無機絶縁層の単層膜または前記単層膜を積層した多層層である。保護層１６としては蛍光の透過率が高い、シリコン酸化層、シリコン窒化層、酸化シリコン層とシリコン窒化層とからなる複合積層層、シリコーン樹脂層、または透明非晶性フッ素樹脂層を用いることができる。
フィルタ層１４は、多重干渉型でもよいが、好ましくは、吸収型であり、例えばシリコン、炭化シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、もしくは有機材料等からなる単層層、または前記単層層を積層した多層層である。例えば、シリコン層および炭化シリコン層は、波長３７５ｎｍでは透過率は１０－５％以下であるのに対して、波長４６０ｎｍでは透過率１０％以上と、（励起光波長の透過率／蛍光波長の透過率）の比として６桁以上の透過率選択性を有する。なお、フィルタ層１４はインジケータ１７が発生する蛍光のみを通すバンドパスフィルタであってもよい。
フィルタ層１４は、壁面２２だけでなく、第２の主面１１ＳＢにも配設されることが好ましい。第２の主面１１ＳＢに配設されたフィルタ層１４は、検出基板部１１への励起光の進入を防止するために、ＰＤ素子１２のノイズレベルを低下する効果を有する。
すなわち、第２の主面１１ＳＢにもフィルタ層１４が配設されている蛍光センサ３０は、ＰＤ素子１２が出力する検出信号のＳ／Ｎ比が高いために高感度である。
次に、図６Ｅに示すように、ＰＤ素子１２からの検出信号を出力するための検出信号配線５１、５２およびＬＥＤチップ１５に駆動信号を供給するための駆動信号配線５３、５４がスパッタ法または蒸着法等により配設される。
検出信号配線５１、５２および駆動信号配線５３、５４の材料は、金属材料であるＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ等、または、不純物を高濃度に含んだ低抵抗ポリシリコン等を用いる。層間絶縁層５９の材料は、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜等の無機絶縁材料、または、ポリイミド等の有機絶縁材料を用いる。
なお、ＬＥＤチップ１５が発生する励起光が検出基板部１１に入射しないように、検出信号配線５１、５２および駆動信号配線５３、５４の少なくともいずれかを、幅広に配設してもよい。
図６Ｅに示すように、蛍光センサ３０では、検出信号配線５１、５２と駆動信号配線５３、５４とは、層間絶縁層５９を介して異なる層に配置された多層配線構造である。しかし、検出信号配線５１、５２と駆動信号配線５３、５４を、１つの配線層で構成してもよい。
多層配線構造の場合は層間絶縁層５９が検出信号配線５１、５２と駆動信号配線５３、５４の間にＣＶＤ法等により形成される。このとき、貫通孔２１の壁面のフィルタ層１４の表面にも層間絶縁層５９が形成される場合には、層間絶縁層５９は、保護層１６と同様のシリコン酸化物等の透明材料からなることが好ましい。フィルタ層１４の表面に形成された層間絶縁層５９は、フィルタ層１４の保護層としての機能を有する。
次に、図６Ｆに示すようにＬＥＤチップ１５が、検出基板部１１の貫通孔２１の第２の主面１１ＳＢの開口を覆うように接合層１３を介して接合される。
発光素子チップは、ＬＥＤチップ１５に限られるものではなく、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、またはレーザダイオード素子などの発光素子が形成されたチップの中から選択される。そして、蛍光透過率、光発生効率、励起光の波長選択性の広さ、および励起光となる紫外線以外の波長の光を僅かしか発生しないことなどの観点からは、ＬＥＤチップ１５が好ましい。
接合層１３は、例えば樹脂を塗布し硬化処理を行うことで作製される。また樹脂を塗布する表面にＣＶＤ法等により、透明なＳｉＯ２層またはシリコン窒化層等を配設しておいてもよい。ＬＥＤチップ１５の駆動信号電極１５Ａ、１５Ｂと駆動信号配線５３、５４との電気的接続には導電性接着剤、または、フリップチップボンディングなどを用いる。
すなわち、ＬＥＤチップ１５が検出基板部１１の第２の主面１１ＳＢに接合されるときに、同時に、ＬＥＤチップ１５の駆動信号電極１５Ａ、１５Ｂは、駆動信号配線５３、５４と電気的に接続される。すなわち、ＬＥＤチップ１５と検出基板部とは物理的接合と同時に、電気的接合も行われるため、蛍光センサ３０は作製が容易である。そして、接合層１３は電気的接続部を封止する封止部材の機能も有している。
そして、ＬＥＤチップ１５の下面および側面に、漏光防止層１９が配設される。漏光防止層１９は、遮光層１８と同じ材料でもよいし、カーボンブラックを配合した有機樹脂、金属、または、これらの材料からなる多層膜または複合膜でもよい。なお、漏光防止層１９が予め配設されたＬＥＤチップ１５を、検出基板部１１に接合してもよい。
なお、漏光防止層１９として、アルミニウムまたは銀等の反射率の高い金属膜を用いると、ＬＥＤチップ１５の底面および側面から放射される励起光を、上方すなわちインジケータ１７の方向に反射する反射膜としての機能を付与することもできる。
また、漏光防止層１９を、検出基板部１１の下面全体、側面および遮光層１８に覆われていない上面にも配設してもよい。更に、ＬＥＤチップ１５を覆う第１の遮光層と、第１の遮光層を含めて検出基板部１１を覆う第２の遮光層と、を配設してもよい（図７参照）。
次に、図６Ｇに示すように、シリコンウエハ１１Ｗは、上下反転され、貫通孔２１の第１の主面１１ＳＡの開口から内部に、インジケータ１７が配設される。
蛍光色素は、アナライト２の種類に応じて選択され、アナライト２の量に応じて発生する蛍光の強度が可逆的に変化する蛍光色素ならば、どのようなものにも使用できる。蛍光センサ３０は、グルコースのような糖類を測定するために、蛍光色素には、ルテニウム有機錯体、蛍光フェニルボロン酸誘導体、または蛋白と結合したフルオレセイン等のグルコースと可逆結合する物質等を用いる。
インジケータ１７は、例えば、含水し易いハイドロゲルをベース材料として、ハイドロゲル内に上記蛍光色素を含有するまたは結合されている。ハイドロゲルの成分としてはメチルセルロースもしくはデキストランなどの多糖類、（メタ）アクリルアミド、メチルアクリルアミド、もしくはヒドルキシエチルアクリレート等のモノマーを重合して作製するアクリレート系ハイドロゲル、またはポリエチレングリコールとジイソシアネートから作製するウレタン系ハイドロゲルなどを用いることができる。
インジケータ１７は、シランカップリング剤などよりなる接着層を介して、貫通孔２１の壁面２２、上面の遮光層１８または下面の接合層１３等と接合されていてもよい。また、接合層１３の貫通孔２１の直下領域に開口がある場合には、インジケータ１７が貫通孔２１の底面を構成するＬＥＤチップ１５の表面に、接合されていてもよい。
なお、貫通孔２１に重合前のゲル骨格形成材を含むインジケータを充填し、遮光層１８で開口を覆った後に、重合させてインジケータ１７を作製してもよい。例えば、蛍光色素と、ゲル骨格形成材と、重合開始剤と、を含むリン酸緩衝液を、貫通孔２１の内部に入れ、窒素雰囲気下で１時間放置すると、インジケータ１７が作製される。蛍光色素としては、９、１０－ビス［Ｎ－［２－（５，５－ジメチルボリナン－２－イル）ベンジル］－Ｎ－［６‘－［（アクリロイルポリエチレングリコール－３４００）カルボニルアミノ］－ｎ－ヘキシルアミノ］メチル］－２－アセチルアントラセン（Ｆ－ＰＥＧ－ＡＡｍ）を、ゲル骨格形成材としては、アクリルアミドを、重合開始剤としては、ペルオキソ二硫酸ナトリウムおよびＮ、Ｎ、Ｎ’、Ｎ‘－テトラメチルエチレンジアミンを用いる。
最後に、遮光層１８が、貫通孔２１の第１の主面１１ＳＡの開口を覆うように配設される。遮光層１８には、サブミクロンサイズのポア構造からなる、金属、セラミック等の無機薄膜または、ポリイミドもしくはポリウレタン等の有機ポリマーの基材にカーボンブラックが混入されたハイドロゲル類とのコンポジット構造、または、セルロース類もしくはポリアクリルアミド等のアナライト透過性ポリマーにカーボンブラックを混入した樹脂、または、それらを積層化した樹脂等を用いることができる。
そして、ウエハ１１Ｗが個片化されることにより、多数のセンサ部１０が一括して作製される。そして、センサ部１０が、別途作製された、コネクタ部３５から延設された針本体部３３の先端部と接合されることで、蛍光センサ３０が完成する。
蛍光センサの製造方法としては、これに限られるものではなく、例えば、図６Ｅに示す状態のシリコンウエハ１１Ｗを個片化し、それぞれの検出基板部１１に、ＬＥＤチップ１５等を接合してもよい。
また、検出基板部１１の延設部が針部３４の針本体部３３を構成するようにシリコンウエハ１１Ｗを加工し、コネクタ部３５と接合してもよい。
以上の説明のように、蛍光センサ３０は、ウエハプロセスにより一括大量生産が可能である。このため、蛍光センサ３０は、安価に安定した品質を提供できる。
＜蛍光センサの動作＞
次に、蛍光センサ３０の動作を説明する。
次に、蛍光センサ３０の動作を説明する。
ＬＥＤチップ１５は、例えば３０秒に１回の間隔で中心波長が３７５ｎｍ前後の励起光をパルス発光する。例えば、ＬＥＤチップ１５へのパルス電流は１ｍＡ～１００ｍＡであり、発光のパルス幅は１ｍｓ～１００ｍｓである。
ＬＥＤチップ１５が発生した励起光は接合層１３を透過して、インジケータ１７に入射する。インジケータ１７は、アナライト２の濃度に対応した強度の蛍光を発する。なお、アナライト２は遮光層１８を通過して、インジケータ１７に進入する。インジケータ１７の蛍光色素は、例えば、波長３７５ｎｍの励起光に対して、より長波長の例えば波長４６０ｎｍの蛍光を発生する。
インジケータ１７が発生した蛍光の一部は、フィルタ層１４と保護層１６とを透過して、ＰＤ素子１２に入射する。そして蛍光は、ＰＤ素子１２において光電変換され光発生電荷を生じることで、検出信号として出力される。
蛍光センサ３０では、本体部４０の演算部４３が検出信号、すなわち、ＰＤ素子１２からの光発生電荷に起因する電流または蓄積した光発生電荷に起因する電圧をもとに演算処理を行い、アナライト量を算出する。
蛍光センサ３０は、インジケータ１７を取り囲む壁面２２に形成されたＰＤ素子１２により蛍光を検出する。つまり、インジケータ１７から、上下の２方向および側面の４方向の合計６方向に出射される蛍光のうち、４方向に出射される蛍光を検出する。このため蛍光センサ３０は、小型でありながら検出感度が高い。同様に蛍光センサ３０を具備するセンサシステム１は検出感度が高い。
すなわち、蛍光センサ３０は、インジケータ１７と隣接したＬＥＤチップ１５を有し、インジケータ１７から発生する蛍光も隣接した壁面２２に形成されたＰＤ素子１２で検出する。このため蛍光センサ３０は、超小型であるにも関わらず、検出感度が高い。更に、一枚の検出基板を加工することにより、一括して多数の蛍光センサが製造できるので、蛍光センサ３０は加工工程が容易であり、コストが安い。
＜第１実施形態の変形例＞
第１実施形態の蛍光センサ３０は、貫通孔２１の壁面２２が第１の主面１１ＳＡ（第２の主面１１ＳＢ）に対して略垂直であった。これに対して、図７に示すように、第１実施形態の変形例のセンサシステム１Ａの蛍光センサ３０Ａは、センサ部１０Ａの検出基板部１１Ａの貫通孔２１Ａの壁面２２Ａが、テーパーのある形状、すなわち、壁面が主面に対して、所定の角度θで傾斜しており、第１の主面１１ＳＡの開口が、第２の主面１１ＳＢの開口よりも大きい。壁面２２Ａがテーパー形状の貫通孔２１Ａは、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを用いるウエットエッチング等により形成することができる。
第１実施形態の蛍光センサ３０は、貫通孔２１の壁面２２が第１の主面１１ＳＡ（第２の主面１１ＳＢ）に対して略垂直であった。これに対して、図７に示すように、第１実施形態の変形例のセンサシステム１Ａの蛍光センサ３０Ａは、センサ部１０Ａの検出基板部１１Ａの貫通孔２１Ａの壁面２２Ａが、テーパーのある形状、すなわち、壁面が主面に対して、所定の角度θで傾斜しており、第１の主面１１ＳＡの開口が、第２の主面１１ＳＢの開口よりも大きい。壁面２２Ａがテーパー形状の貫通孔２１Ａは、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを用いるウエットエッチング等により形成することができる。
例えば、シリコンウエハ１１Ｗとしてシリコン（１００）面を用いた場合には、（１１１）面のエッチング速度が（１００）面に比べて遅い異方性エッチングとなるため、貫通孔２１Ａの壁面２２Ａは、（１１１）面となり、角度θは、５４．７度となる。
壁面２２Ａが傾斜している貫通孔２１Ａは、壁面２２が垂直な貫通孔２１に比べてＰＤ素子１２Ａを形成できる面積が広いために、より高感度であるだけでなく、壁面２２ＡへのＰＤ素子１２Ａの形成が容易であるため生産性が高い。なお壁面２２Ａの傾斜角度θが３０～７０度であれば、上記効果が顕著である。
なお、図７に示すように、蛍光センサ３０Ａでは接合層１３Ａは貫通孔２１Ａの第２の主面１１ＳＢの開口と略同じ開口がある遮光材料からなる。また、第１の漏光防止層１９は反射率の高いアルミニウムからなる。更に、カーボンを含む遮光性の高い樹脂からなる第２の漏光防止層１９Ａが、針先端部３２の遮光層１８の上部以外を覆っている。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態のセンサシステム１Ｂおよび蛍光センサ３０Ｂについて説明する。蛍光センサ３０Ｂ等は蛍光センサ３０等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に、第２実施形態のセンサシステム１Ｂおよび蛍光センサ３０Ｂについて説明する。蛍光センサ３０Ｂ等は蛍光センサ３０等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
図８に示すように、蛍光センサ３０Ｂのセンサ部１０Ｂの検出基板部１１Ｂには、インジケータ１７が発生する蛍光を検出する第１の光電変換素子であるＰＤ素子１２に加えて、ＬＥＤチップ１５Ｌが発生する励起光を検出する第２の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｂが形成されている。すなわち、検出基板部１１Ｂの貫通孔２１の壁面２２に第１のＰＤ素子１２の受光部が形成されており、第２の主面１１ＳＢに第２のＰＤ素子１２Ｂの受光部が形成されている。第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とは同じ構造のＰＤ素子である。
そして、ＬＥＤチップ１５Ｌは、貫通孔２１の第２の主面１１ＳＢの開口の直下領域だけでなく、第２のＰＤ素子１２Ｂの直下領域も覆っている。すなわち、ＬＥＤチップ１５Ｌの平面視寸法は、貫通孔２１の開口の直下領域を覆い、かつ、ＰＤ素子１２Ｂの直下領域も覆うだけの大きさである。
なお、ＰＤ素子１２Ｂの表面には、フィルタ層１４は配設されていない。このため、ＰＤ素子１２Ｂは、ＬＥＤチップ１５Ｌが発生する励起光の強度に応じた電気信号（検出信号）を出力する。
蛍光センサ３０Ｂの製造方法は、蛍光センサ３０の製造方法と類似している。図６Ａで示した工程で、不純物注入処理による低抵抗の低抵抗領域１２Ｓ、１２Ｈの形成と同時に、ＰＤ素子１２Ｂの受光部が形成される。貫通孔２１の壁面のＰＤ素子１２は、蛍光センサ３０と同様に図６Ｃで示した工程で形成される。
検出基板部１１Ｂの第２の主面１１ＳＢには、ＰＤ素子１２Ｂから出力される検出信号を伝達する検出信号配線５５も配設されている。なお、低抵抗領域１２Ｈと接続された検出信号配線５２は、ＰＤ素子１２とＰＤ素子１２Ｂとの共通配線となる。
インジケータ１７が発生する蛍光の強度は、アナライト濃度だけでなく、照射された励起光強度の影響により増減する。しかし、センサシステム１Ｂでは、蛍光センサ３０Ｂから出力された電気信号（検出信号）を処理する演算部４３が、第１のＰＤ素子１２からの電気信号（検出信号）を、第２のＰＤ素子１２Ｂからの電気信号をもとに補正する。
蛍光センサ３０Ｂおよびセンサシステム１Ｂは、蛍光センサ３０およびセンサシステム１等が有する効果を有し、更に、励起光の強度が、ＬＥＤチップ１５Ｌの発光効率バラツキまたは動作時の励起光量ドリフト等により変化しても、高精度の測定が可能である。
なお、蛍光センサ３０Ｂにおいても、貫通孔の壁面をテーパー形状とすることで、蛍光センサ３０Ａと同様の効果を得ることができる。
上記説明では、グルコース等の糖類を検出する蛍光センサ３０等を例に説明したが、蛍光色素の選択によって、酵素センサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、または微生物センサ等の多様な用途に対応することができる。例えば、蛍光色素に、生体内の水素イオン濃度または二酸化炭素を測定する場合には、ヒドロキシピレントリスルホン酸誘導体などを用い、糖類を測定する場合には蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体などを用い、カリウムイオンを測定する場合には蛍光残基を有するクラウンエーテル誘導体などを用いる。
すなわち、本発明は、上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。
本出願は、２０１２年２月１６日に日本国に出願された特願２０１２－０３１９６４号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。
Claims (8)
- 第１の主面と第２の主面とを貫通する貫通孔の壁面に、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子が形成されている検出基板部と、
前記貫通孔の内部に配設された、励起光を受光するとアナライトの濃度に応じた強度の前記蛍光を発生するインジケータと、
前記光電変換素子を覆う、前記蛍光を透過し前記励起光を遮断するフィルタ層と、
前記貫通孔の前記第１の主面の開口を覆う前記アナライトが通過可能な遮光層と、
前記貫通孔の前記第２の主面の開口の直下領域を覆う前記励起光を発生する発光素子チップと、を具備することを特徴とする蛍光センサ。 - 前記検出基板部、前記フィルタ層、前記インジケータ、前記遮光層および前記発光素子チップを含むセンサ部を針先端部に有する針型センサであることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
- 前記第２の主面に、前記光電変換素子と接続された検出信号配線と、前記発光素子チップと接続された駆動信号配線と、が配設されていることを特徴とする請求項２に記載の蛍光センサ。
- 前記フィルタ層が前記第２の主面にも配設されていることを特徴とする請求項３に記載の蛍光センサ。
- 前記貫通孔の前記壁面がテーパー形状であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光センサ。
- 前記第２の主面に第２の光電変換素子が形成されており、
前記発光素子チップが、前記第２の主面の前記開口の前記直下領域および前記第２の光電変換素子の直下領域を覆うことを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。 - 前記光電変換素子からの前記電気信号が、前記第２の光電変換素子からの電気信号を用いて、補正されることを特徴とする請求項６に記載の蛍光センサ。
- 第１の主面と第２の主面とを貫通する貫通孔の壁面に蛍光を電気信号に変換する第１の光電変換素子が形成されているとともに、前記第２の主面に第２の光電変換素子が形成されている検出基板部と、
前記貫通孔の内部に配設された、アナライトに反応し励起光を受光すると前記アナライトの濃度に応じた強度の前記蛍光を発生するインジケータと、
前記貫通孔の前記第１の主面の開口を覆う前記アナライトが通過可能な遮光層と、
前記第２の主面の前記開口の前記直下領域および前記第２の光電変換素子の直下領域を覆う前記励起光を発生する発光素子チップと、を含むセンサ部を、針先端部に有する針型センサと、
前記光電変換素子からの電気信号を、前記第２の光電変換素子からの電気信号を用いて、補正する演算部と、を具備することを特徴とするセンサシステム。
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