WO2016147908A1 - 物理・化学センサ、物理・化学センサアレイおよび物理・化学センシングデバイス - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a light interference type physical / chemical sensor, and more particularly to a sensor for detecting a molecule contained in a gas or a liquid without labeling, a physical / chemical sensor array using the sensor, and a physical / chemical sensor. It relates to phenomenon sensing devices.
- a technique for detecting the interaction between molecules by mechanical deformation using a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology is a non-labeling (label-free) detection method for biomolecules.
- MEMS Micro Electro Mechanical System
- Non-Patent Document 1 As a MEMS sensor for detecting adsorbed molecules, there is a method of reading mass change using resonance vibration (see Non-Patent Document 1). This type of sensor has a high detection sensitivity in the air, but has a problem that the sensitivity is lowered because the Q value of vibration is lowered in the liquid. On the other hand, a method of detecting a change in stress on the structure surface as a mechanical deformation amount has been devised.
- Non-Patent Documents 2 and 3 As a transducer for converting a mechanical deformation amount into an electric signal, an optical method (see Non-Patent Documents 2 and 3) for detecting a change in reflection angle with a PSD (Position Sensitive Detector), electrostatic capacity A system (see Non-Patent Document 4) or a piezoresistive system (see Non-Patent Documents 5 and 6) has been proposed. According to these techniques, since the surface stress sensor detects static deformation, it can be used in a liquid, and signal processing to an electrical signal is easier than the resonance type.
- PSD Position Sensitive Detector
- electrostatic capacity A system see Non-Patent Document 4
- Non-Patent Documents 5 and 6 a piezoresistive system
- Non-Patent Documents 7 and 8 it has been reported that a change in surface stress on the sensor is caused not only by the adsorption of molecules but also by a structural change of biomolecules. Therefore, it is also expected as a technique for capturing the conformational change of a protein having a higher order structure in real time.
- Patent Document 1 and Non-Patent Document 9 are a technique in which a Fabry-Perot interferometer is formed by a movable film made of a material having the ability to fix a specific substance and the surface of a light receiving element, and the intensity of transmitted light having a specific wavelength is changed. It detects the fixed state of a specific substance.
- a movable film with molecular immobilization ability fixes a specific substance
- the film part bends due to the intermolecular force of the substance, and the gap width of the void part (air gap) constituting the Fabry-Perot interferometer changes. To do.
- the transmittance with respect to the incident wavelength changes, and the change in the transmitted light intensity is read as a change in photocurrent by the light receiving element.
- the antibody molecule and a specific protein bind to each other by an antigen-antibody reaction, and changes in intermolecular force due to the binding of the protein to be detected are detected on the movable membrane. It can be detected from the amount of deflection. In this way, not only the presence or absence of protein, but also the amount of adhesion can be quantitatively evaluated from the electrical signal. Further, if the transmission characteristics of the Fabry-Perot interferometer are controlled, the signal conversion efficiency with respect to the displacement of the movable film is improved. It is something that can be done.
- the technique described above detects deformation of the movable membrane due to surface stress.
- antibody molecules are fixed to the movable membrane in advance and a blocking process is performed to prevent nonspecific adsorption.
- the movable film could be deformed by adsorption of polar molecules such as antibody molecules. If these polar molecules may generate a larger intermolecular force than the protein molecules to be detected, deformation by such pretreatment becomes dominant, and changes in the movable membrane due to adsorption of specific proteins, etc. There was concern that it might be overlooked.
- the present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to guide the deformation of the movable film by pretreatment in the restoring direction, and to show the deformation state of the movable film by adsorption of the molecules to be detected.
- a sensor array and a sensing device using the same are provided.
- the present inventors of the present application as a result of earnest research, applied an electrostatic attractive force in the direction opposite to the direction deformed by the intermolecular force adsorbed to the movable film changed by the pretreatment, and deformed the movable film.
- the present invention has been conceived to correct the state immediately before use.
- the present invention relating to a physical / chemical sensor includes a movable film provided on a light receiving surface of a light receiving element so as to face the light receiving surface while forming a gap, and the movable film has a molecule on at least an outer surface.
- a physical / chemical sensor having a fixing ability and configured to form a Fabry-Perot interferometer together with the light receiving surface, a first material formed of a conductive material on a front surface, a back surface, or an intermediate layer of the movable film.
- a second conductive film formed of an electrically conductive material through an insulating layer on the surface of the light receiving surface, and the first and second conductive films are appropriately applied with voltage. It is connected to a power source.
- the first and second conductive films are formed on both sides of the gap, and a predetermined voltage is applied to the movable film side by electrostatic force by applying a voltage between the two conductive films. Deformation in the direction can be induced. For example, an electrostatic attractive force can be applied between the two conductive films by applying a charge to one of the two conductive films to cause a potential difference between the two conductive films, or by applying a charge having a different polarity to the two conductive films. .
- the second conductive film is stacked on the light receiving surface of the light receiving element via an insulating layer, the second conductive film is fixed, but the first conductive film is stacked on the movable film.
- the movable film can be artificially deformed in a desired direction by applying a voltage, and the clearance of the gap can be adjusted.
- the intermolecular force due to the molecules adsorbed on the surface of the movable film acts in a direction that causes the movable film to bulge outward (increase the clearance of the void), so that the polarity in the pretreatment If the movable film when the molecule is adsorbed is changed in the direction of attracting by the electrostatic attraction (reducing the clearance of the gap), the state of the movable film can be induced to be restored.
- the first conductive film is formed in one of a partial region including the center of the movable film, an annular region excluding the vicinity of the central portion, or an entire region in a range where the movable film is displaced,
- the second conductive film may be formed in a region facing the first conductive film.
- the first conductive film when the first conductive film is formed in a partial region including the center of the movable film, the action of the electrostatic force (electrostatic attractive force) on the movable film is reduced to the center of the movable film.
- the entire movable film can be deformed by applying an electrostatic force (electrostatic attractive force) to the periphery of the central portion. be able to.
- the electrostatic force electrostatic attractive force
- the second conductive film is also formed at a position facing the formation range.
- the movable film can be formed of a material having a molecular fixing ability for fixing molecules contained in a gas or a liquid.
- a specific gas for example, a combustible gas or a gas that affects the environment
- a biopolymer and the like can be measured.
- the flammable gas include hydrogen gas and gases contained in explosives such as TNT and RDX
- examples of the gas that affects the environment include carbon dioxide and nitrogen dioxide.
- biopolymers include polymers containing amino acids, nucleic acids, polysaccharides, etc. (eg, antibodies, deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acid (RNA), etc.).
- the molecular immobilization ability has the ability to immobilize an antibody
- the antibody is immobilized in advance on the surface of the movable membrane, and a state where a specific protein (antigen) that binds to the antibody binds to the antibody is detected ⁇ Measurement is also possible.
- the movable film in each of the inventions includes a flexible base film and a molecular fixed film in which a material having a molecular fixability is laminated on the surface of the base film, and the first conductive film includes the base film and It is good also as a structure laminated
- the molecular fixed film is laminated on the surface, various sensors can be configured according to the target substance to be detected / measured by appropriately selecting from molecular fixed films having different properties. be able to.
- the molecular immobilization membrane include Parylene (registered trademark) A or Parylene (registered trademark) AM manufactured by Japan Parylene LLC. (Registered trademark) A or AM.
- para-xylene-based polymers which are structures in which benzene rings are connected via CH 2 , and those that end with “A” have an amino group on the side chain, Since “AM” is a structure in which a methyl group-amino group is bonded in series to the side chain, an antibody can be bonded to the amino group.
- the first conductive film is formed of a metal material so as to be elastically deformable, and serves as a first half mirror of the Fabry-Perot interferometer
- the second conductive film is It is formed of a metal material and can be configured to be a second half mirror of the same Fabry-Perot interferometer.
- the gap for forming the Fabry-Perot interferometer is formed between the two half mirrors, improving the reflectance of the light transmitted through the movable film, and the Fabry-Perot interferometer.
- the selectivity of the internally interfering wavelength (interference wavelength) can be improved, and an electrostatic force (electrostatic attractive force) can be applied by applying a voltage between both half mirrors.
- the light receiving element is a photodiode, and a voltage having a polarity that causes an accumulation state with the diffusion layer constituting the photodiode is applied to the second conductive film. It is preferable to configure as described above.
- a photodiode having a diffusion layer (for example, n-type) formed on a substrate (for example, p-type) is used, a voltage having a negative polarity is applied to the second conductive film.
- a depletion layer is not formed between the second conductive film and the diffusion layer (n-type), and an accumulation state can be obtained.
- a photocurrent is prevented from being generated by light absorbed in the depletion layer. That is, since no depletion layer is formed between the second conductive film and the diffusion layer (n-type), a photocurrent can be generated by light absorbed only in the depletion layer formed in the pn junction.
- the photocurrent detected by the photodiode is not affected by the voltage applied to the second conductive film.
- the diffusion layer is p-type, and the polarity of the voltage to be applied to the second conductive film is positive.
- the voltage applied by the power source can be made variable, and the clearance of the gap can be adjusted.
- the movable film when it is necessary to perform various pretreatments when detecting the transmitted light intensity in the physical / chemical sensor, the movable film may be already deformed due to the influence of the pretreatment.
- the deformation state can be appropriately corrected. That is, by changing the applied voltage according to the state of deformation of the movable film, the magnitude of the electrostatic force (electrostatic attractive force) acting on both conductive films is adjusted, and the clearance of the gap is induced to a desired state. Can do it.
- the degree of deformation of the movable membrane may vary depending on the type and amount of the antibody or blocking agent, the range in which antigen adsorption can be detected.
- a movable region of the movable film can be secured.
- the sensitivity becomes maximum at the point where the gradient is the largest (Q point (QuadratureQPoint)) in the interference spectrum of light, so that the movable film can be moved to a state where maximum sensitivity can be obtained by arbitrarily deforming the movable film.
- the position of the membrane can be adjusted. This is also effective in the sense that variations in the position of the movable film in the physical / chemical sensor manufacturing process can be adjusted.
- the present invention relating to the sensor array uses the physical / chemical sensors having the above-described configurations, and is characterized in that a plurality of the physical / chemical sensors are formed on the same substrate.
- the present invention relating to a sensing device uses the physical / chemical sensor, wherein a plurality of the physical / chemical sensors are arranged on a substrate, a part of which is used for reference, and the remaining part or The whole is used for detection, and the movable film can be guided in a predetermined direction by applying a voltage from the power supply to all or a part of the physical / chemical sensor.
- the reference sensor can have the same structure as the sensor for detecting a specific substance.
- an antibody that causes an antigen-antibody reaction with a specific antigen is immobilized on the detection sensor, and further, a blocking treatment is performed, and the antibody is not immobilized on the reference sensor.
- a blocking treatment is performed, and the antibody is not immobilized on the reference sensor.
- the detection sensor and the reference sensor adjust the applied voltage to each of the two conductive films so that the clearances of the gaps constituting the Fabry-Perot interferometer are the same, thereby
- the comparison can be made more suitable.
- This makes it possible to compare changes in the intensity of light detected by the light receiving elements of both sensors, and in particular, the specimen itself has the property of reducing the light transmittance, such as a specimen having a dye. In the case inspection, it is possible to compare the change in the intensity of the detected light under the same conditions and detect the change in the light transmittance due to the fixation of the specific substance.
- the physical / chemical sensor of the present invention for example, even when a pretreatment for preliminarily adsorbing an antibody or a blocking agent to the movable film is necessary, the deformation of the movable film by the pretreatment is induced in the restoring direction. be able to. Thereby, a range in which the movable film can be deformed is ensured, and detection centering on the deformed state of the movable film due to adsorption of molecules to be detected becomes possible.
- a highly integrated biosensor can be configured.
- both the detection sensor and the reference sensor are used. Since the movable range of the movable film at the same level is the same, the state of the target substance can be detected by comparing the measured changes in the intensity of light without correction.
- (A) is a schematic diagram which shows 1st Embodiment of this invention which concerns on a physical / chemical sensor
- (b) is a schematic diagram which shows 2nd Embodiment of this invention which concerns on a physical / chemical sensor. It is explanatory drawing which shows the deformation
- FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention relating to a physical / chemical sensor.
- FIG. 1A shows the first embodiment
- FIG. 1B shows the second embodiment.
- the movable film 2 is provided with an appropriate distance from the light receiving surface 11 of the light receiving element 1 as a basic configuration.
- a Fabry-Perot interferometer is formed by forming a gap 3 between the light receiving element 1 and the movable film 2. By irradiating light from the light source L toward the Fabry-Perot interferometer, the light receiving element 1 receives the transmitted light and converts it into a photocurrent.
- a sacrificial layer is formed on the light receiving surface 11 of the light receiving element 1 and the movable film 2 is laminated on the surface of the sacrificial layer.
- the sacrificial layer is removed. Therefore, an opening necessary for removing the sacrificial layer is formed in a part of the movable film 2, and the opening is then closed by a closing member.
- the first conductive film 4 is stacked on a part of the movable film 2, and the second conductive film 5 is stacked on the surface of the light receiving surface 11 of the light receiving element 1 via the insulating layer 12. It is what is done.
- the first conductive film 4 is laminated on the back surface side of the movable film 2
- the molecular fixed film 6 is further laminated on the surface.
- These conductive films 4 and 5 are not particularly limited as long as they are formed of a conductive material, but the first conductive film 1 can be elastically deformed in consideration of deformation with the movable film 2.
- the film is made of a metal material, it can be elastically deformed according to the deformation of the movable film 2 and has an electrical conductivity, so that an electrostatic force (electrostatic attractive force) due to voltage application can be applied.
- an electrostatic force electrostatic attractive force
- the molecular fixing film 6 is laminated on the surface of the conductive film 4.
- the metal material has molecular fixing ability, the molecular fixing film 6 is laminated. It becomes unnecessary.
- the conductive film 4 may be used in a state of being laminated on the surface of the movable film 2. Is possible.
- an electrostatic force (electrostatic attractive force) is generated between the first conductive film 4 laminated on the movable film 2 side and the conductive film 5 laminated on the light receiving surface 11 side of the light receiving element 1.
- wirings 41 and 51 are connected to each other, and a power source 7 is connected to one wiring 51.
- the power source 7 is a variable voltage type variable power source, and the electrostatic force (electrostatic attractive force) between the conductive films 4 and 5 can be adjusted by changing the applied voltage.
- a desired electrostatic force electrostatic attractive force
- the gap (clearance) of the gap 3 can be brought into a suitable state.
- the conductive films 4 and 5 have at least a specific wavelength. It is assumed to transmit the light. Further, when the conductive films 4 and 5 are formed of a metal material, they can function as a half mirror.
- the outer surface of the movable film 2 has molecular fixing ability, and by fixing the specific substance on the outer surface, the movable film 2 can be deformed by the intermolecular force of the specific substance.
- Parylene (registered trademark) A or AM is available as a molecule-fixing ability. Since these have an amino group in the side chain, they have a function of binding an antibody to this amino group (immobilizing a molecule).
- FIG. 2 illustrates the sensor according to the second embodiment.
- the substance is fixed (adsorbed) to the molecular fixed film 6 laminated on the surface side of the movable film 2, and is movable by the intermolecular force of the fixed (adsorbed) substance. It will deform
- the antibody molecule AB is fixed to the movable membrane 2 in advance, and a blocking process is performed to prevent nonspecific adsorption.
- the movable film 2 is also deformed by adsorption of polar molecules such as the antibody molecule AB and the blocking agent BK.
- the movable membrane 2 In this state, when the antigen is bound to the antibody molecule AB, the movable membrane 2 is further deformed by the antigen, but the antigen is detected based on the deformation difference. However, if the difference is small, the detection accuracy may be impaired. Therefore, by returning the deformed state of the movable membrane 2 to the original state, the movable membrane 2 can be largely deformed by antigen binding. .
- the movable film 2 deformed so as to be swelled by applying an electrostatic force (electrostatic attractive force). It is restored. That is, the first conductive film (moving side) 4 formed on the movable film 2 is different from the second conductive film (fixed side) 5 formed on the light receiving surface 11 side of the light receiving element 1. As a result, only the conductive film 4 on the moving side is deformed in the direction of the light receiving element 1. Thereby, the space
- the polar molecules AB and BK may generate a larger intermolecular force than the protein (antigen) molecule to be detected, the void due to the change of the movable film 2 due to the adsorption of the specific protein (antigen) or the like. It becomes possible to detect the change of the part 3.
- the modification is caused by the fixation of the antibody molecule AB and the blocking agent BK. Since it is possible to restore the swelled movable membrane 2 to a predetermined state (same as before deformation), a specific substance (antigen AG, etc.) can be selected and its fixed state can be detected. is there.
- the electrically conductive films 4 and 5 are laminated
- a conductive film is applied to a region centering on an appropriate range including the center of the movable film 2 irradiated with light and a partial region of the light receiving surface 11 facing this region, respectively. Will be formed.
- a region for example, an annular shape excluding a region where light is transmitted (near the center of the movable film 2).
- the conductive film 4 may be formed in the region.
- the movable film 2 has a base portion as the base film 21.
- it may be conceptualized to be composed of a molecular fixed film 6 laminated on the surface of the conductive film 4. That is, the conductive film 4 is configured to be laminated between the base film 21 of the movable film 2 and the molecular fixed film 6.
- the base film 21 is made of a flexible material so that it can be deformed by the action of intermolecular force, and the molecular fixed film 6 can naturally withstand deformation due to intermolecular force. In order to exhibit the molecular fixing ability exclusively, a material having the molecular fixing ability is used.
- the conductive film 4 is laminated between the base film 21 and the molecular fixed film 6, as a result, the laminated films 21, 4, 6 are integrated into the movable film 2. Is configured to be formed.
- the conductive film 4 is formed into a film with an appropriate thickness using a metal material, elastic deformation accompanying the metal material is possible, and the state of the conductive film 4 after the deformation of the movable film 2 can be restored.
- the base membrane may be Parylene (registered trademark) C or the like
- the molecular fixed membrane may be Parylene (registered trademark) A or AM.
- the conductive film gold, silver, or the like can be used.
- FIG. 3 and 4 show the manufacturing process of the physical / chemical sensor according to the second embodiment.
- a light receiving element 10 such as a photodiode is built in advance on a substrate by a predetermined semiconductor process, and an insulating layer 12 is formed on the surface thereof.
- the substrate to be used is a silicon substrate and the constructed light receiving element 10 is a photodiode
- a silicon oxide film for protection is formed on the surface of the light receiving element 10.
- This silicon oxide film may be used as the insulating layer 12.
- the insulating layer 12 is used to insulate the conductive film and the light receiving element in a later process, and may be formed on the entire surface of the light receiving element 10 as illustrated, but only in a region to be insulated. May be.
- the second conductive film 5 is laminated on the light receiving element 10 side.
- a conductive material is deposited on the light receiving surface 11 of the light receiving element 10 by sputtering or vapor deposition to form the conductive film 5.
- gold, silver, copper, or the like can be used to cause the conductive film 5 to function as a half mirror, but is not limited thereto.
- the conductive film 5 is formed over the entire light receiving surface 11, there may be a case where a part of the central portion or a ring is laminated. This corresponds to the range of the first conductive film 4 laminated on the movable film 2 described above.
- the sacrificial layer 8 is laminated in a range where a Fabry-Perot interferometer is to be formed. Since the sacrificial layer 8 is removed by a subsequent process, a removable material is laminated.
- polysilicon can be used. When polysilicon is used, polysilicon is deposited in a predetermined range by CVD (Chemical Vapor Deposition), and patterned by photolithography technique to remove unnecessary portions while leaving the required range. it can. At this time, the removed portions 81 and 82 are formed by forming a predetermined gap between the sacrificial layer 8 and the peripheral portions 83 and 84 in order to allow a part of the movable film 2 described later to enter.
- CVD Chemical Vapor Deposition
- a silicon oxide film 9 is laminated in a range excluding the surface of the sacrificial layer 8, and is protected from an etching gas when the sacrificial layer 8 is removed by etching.
- the silicon oxide film 9 is also formed on the side surfaces of the sacrificial layer 8 and the peripheral portions 83 and 84, and protects the entire portion except the surface of the sacrificial layer 8.
- the base film 21 is laminated on the surface of the sacrificial layer 8 except for some portions 20a and 20b.
- the base film 21 constitutes a part of the movable film 2 and is made of a deformable material.
- Parylene (registered trademark) N or Parylene (registered trademark) C can be used. When these materials are used, they can be deposited on the entire surface by vapor deposition.
- the base film 21 is also laminated in gaps 81 and 82 formed around the sacrificial layer 8 so as to function as a fixed part of the movable film 2.
- the portions 20a and 20b where the base film 21 is not formed are formed by removing the portions after patterning by photolithography technique and oxygen plasma.
- the sacrificial layer 8 can be removed by etching using the portions 20a and 20b that do not form the base film 21 as described above. Etching of the sacrificial layer 8 can be performed by dry etching. By applying an etching gas to the sacrificial layer 8 via the portions 20a and 20b, the sacrificial layer 8 is removed, and the light receiving surface of the light receiving element 1 The gap 3 can be formed between the base 11 and the base film 21 (see FIG. 4C).
- the first conductive film 4 is formed on the surface of the base film 21.
- the first conductive film 4 is also formed by depositing a conductive material by sputtering or vapor deposition.
- the conductive material can function as a half mirror by using gold, silver, copper, or the like.
- the two conductive films 4 and 5 are connected to wirings 41 and 51 for applying a voltage.
- the first conductive film 4 has a wiring 41 connected to the surface thereof and the second conductive film 4 and 5.
- the conductive film 5 is connected to the wiring 51 without being short-circuited with the first conductive film 4 such as by covering with an insulating material.
- the drawing shows a state in which the etching hole is passed, in order to show that the state is not short-circuited.
- the base film 21 functions as the movable film 2 in a state where the conductive film 4 is laminated on the surface of the basic film 21.
- the movable film 2 is formed by further laminating a molecular fixed film on the surface of the conductive film 4.
- the movable film 2 having the molecular fixing ability may be formed of a single layer, and the conductive film 4 may be laminated on the back side thereof, which becomes the sensor of the first embodiment. is there.
- the stacking order of the conductive film 4 and the base film 21 is reversed. That is, after the first conductive film 4 is stacked on the surface of the sacrificial layer 8, the sacrificial layer 4 including the conductive film 4 and the movable film 2 are stacked on the periphery, and then the sacrificial layer 8 is removed by etching. is there.
- the portions 20 a and 20 b where the base film 21 is not formed are blocked by the blocking member.
- this closing member for example, a film resist laminate or the like can be used.
- the Fabry-Perot interferometer in which the gap 3 is formed between the light receiving element 1 and the movable film 2 is formed, and the movable film 2 is deformed.
- transformation state of the said movable film 2 is detectable by measuring the change of the transmitted light intensity of a specific wavelength as a photocurrent.
- the deformation of the movable film 2 is due to intermolecular force due to the immobilization of the substance, but as a pretreatment for attracting the adsorption (fixation) of the specific substance, The already deformed state can be restored by electrostatic force (electrostatic attractive force). Due to the restoration of the movable film 2, the deformation state of the movable film 2 when the specific substance is adsorbed (fixed) can be detected with high accuracy.
- the antibody AB is fixed to the movable membrane 2 in advance, and the deformation of the movable membrane 2 due to the adsorption of the antigen AG to this antibody AB Will be observed.
- the deformation can be restored. It becomes possible to observe the deformation state. Note that the deformed state of the movable film 2 in the previous process may vary depending on the contents of the previous process. Therefore, by changing the voltage applied to the conductive films 4 and 5 by the variable power source 7, The restoration state can be adjusted.
- the conductive films 4 and 5 are made of a metal material and function as a half mirror, the reflectance of light transmitted through the movable film 2 between the light receiving surface 11 and the movable film 2 is improved.
- the selectivity of the interference wavelength inside the Fabry-Perot interferometer is improved. As a result, the half width of the interference wavelength is narrowed, and the signal transmission efficiency can be improved.
- the sensor array is composed of a plurality of sensors having a plurality of Fabry-Perot interferometers on the same substrate.
- An application of a sensor array comprising a plurality of sensors is to be able to detect the presence of different adsorbents at the same time.
- some sensors may function as a reference. As described above, when a part of the sensors constituting the sensor array is used for reference and the remaining part or all of the sensors are used for detection, by comparing the light transmission intensity between the reference sensor and the detection sensor, A sensing device capable of detecting a change in light transmission intensity based on deformation of the movable film 2 due to adsorption of a specific substance can be configured.
- 5 to 7 are diagrams showing an embodiment of a sensing device and its operation mode.
- two sensors 100 and 200 are formed on the same substrate, and one sensor 100 is used for detection and the other sensor 200 is used for reference. Both the detection sensor 100 and the reference sensor 200 have the same configuration as that of the first embodiment related to the sensor.
- the detection sensor 100 includes wirings 141 and 151 for applying a voltage to the conductive films 104 and 105, and the variable power source 107, but the reference sensor 200 does not include these.
- a sample having a specific substance (or assumed to be included) is supplied only to the detection sensor 100, and the light transmission intensity at that time is compared to thereby detect the movable film 102.
- the state of deformation can be detected.
- a sample having (or assumed to have) a specific substance is supplied to both sensors 100 and 200, and the light transmission intensity is compared. By doing so, it is possible to confirm a change in transmission intensity due to deformation of the movable film 102 of the detection sensor 100.
- the blocking agent BK or the like when detecting an antigen AG contained in a body fluid or blood, the blocking agent BK or the like is adsorbed after the antibody AB is adsorbed to the movable film 102 in advance, and the reference sensor 200 is movable. Only the blocking agent BK is adsorbed on the film 202. At this time, the movable film 102 of the detection sensor 100 is relatively deformed by the adsorption of the antibody AB or the like, but the movable film 202 of the reference sensor 200 is only the adsorption of the blocking agent BK. Deformation is minor. In FIG. 5, slight deformation of the movable film 202 of the reference sensor 200 is illustrated as not being deformed.
- the detection sensor 100 applies the voltage adjusted by the variable power source 107 to both the conductive films 104 and 105 so as to change the deformation of the movable film 102. It is adjusted to the same extent as the movable film 202 of the above. Thereby, the deformation state of the movable films 102 and 202 of both the sensors 100 and 200 becomes the same level, and the comparison between the two when the antigen or the like is adsorbed later becomes clear.
- the movable film of the reference sensor 200 can be formed of a material having no molecular fixing ability, the adsorption of the blocking agent is unnecessary, and the reference sensor is always in an initial state (a state in which the movable film 202 does not change). Therefore, by matching the state of the movable film 102 of the detection sensor 100 with the state of the movable film 202 of the reference sensor 200, the position of the movable film 102 can be restored. Further, when the voltage is applied to the first and second conductive films in the reference sensor 200, the deformation state of the movable film 202 when a blocking agent or the like is adsorbed to the movable film 202 is adjusted. Is also possible.
- the deformation state of the movable film 102 of the detection sensor 100 is adjusted, and then the sample is supplied to both the sensors 100 and 200. If shown based on the above-mentioned illustration, as shown in FIG. 7, when the antigen AG is supplied, the antibody AB is adsorbed and the movable film 102 of the detection sensor 100 is deformed again. In the movable film 202 of 200, the antigen is not adsorbed and the movable film 202 is not deformed. By comparing the light transmission intensities of the sensors 100 and 200 at this time, the deformation state of the movable film 102 by the antigen AG can be measured.
- the comparison with the reference sensor 200 means that, for example, when a sample having a color such as blood is supplied, whether the increase or decrease in the light transmission intensity is caused by the deformation of the movable film 102 or the color. This is to clearly determine whether it is caused by the problem.
- the reference sensor 200 may be used for setting an initial value of the movable film 102 when a previous process is required. That is, even if the antibody AB or the like is adsorbed by the previous process and the movable film 102 is deformed, the degree of deformation is expected to vary depending on the type and amount of the antibody AB. Depending on the degree of deformation, The degree of electrostatic force (electrostatic attractive force) for restoration is adjusted. For example, if no pre-processing (blocking processing or the like) is performed on the reference sensor 200, the movable film 202 of the reference sensor 200 is not deformed.
- a sensing device capable of setting an initial value may be configured by providing a reference sensor 200 that performs only the blocking process as described above together with this type of reference sensor 200.
- the transmission spectrum according to the second embodiment related to the physical / chemical sensor was simulated.
- a photodiode is used as the light receiving element
- a silicon oxide film is stacked on the light receiving surface with a thickness of 50 nm
- silver is further stacked on the surface as a second conductive film with a thickness of 30 nm.
- the gap between the gaps is set to 400 nm
- the movable film has a base film of Parylene (registered trademark) C of 450 nm, a first conductive film of silver of 30 nm, and a molecular fixed film of diX (registered trademark) AM of 100 nm. It was set as the structure which laminated
- the peak of interference is determined by the film thickness of Parylene (registered trademark) C and the gap of the gap. That is, it is determined by the optical path length between the first and second conductive films (half mirrors) and does not depend on the film thickness of the silicon oxide film and the molecular fixed film for insulation. Therefore, the interference peak wavelength changes when the movable film (base film) bulges and the gap between the gaps widens, and the interference peak wavelength returns to the original when the first conductive film is pulled.
- Parylene registered trademark
- the reflection spectrum was measured when the applied voltage was increased from 0V (no application) to 5V, 7V, 9V and 10V. The result is shown in FIG.
- the reflection spectrum was simulated when the gap of the gap was 0 nm (pull-in state), 100 nm, 200 nm, and 300 nm. The result is shown in FIG.
- the interference peak of the reflection spectrum is shifted to the short wavelength side by increasing the applied voltage. This means that the gap is close to the substrate side. Further, since the shift state when the voltage is increased from 9 V to 10 V is remarkable as compared with the shift state due to the increase of the applied voltage up to 9 V, it can be determined that the movable film is pulled into the substrate.
- the gap of the gap is about 100 nm when the applied voltage is 9 V, and the degree of displacement is judged to be about 200 nm.
- the pull-in state occurs when the voltage is increased from 9 V to 10 V. Thereafter, when the applied voltage is decreased, the pull-in state is maintained up to 7V, but is released when the applied voltage is decreased from 7V to 6V. Further, it is understood that when the voltage is lowered to 0 V (no application), the movable film is restored to the same position.
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Abstract
【課題】 前処理による可動膜の変形を復元方向に誘導し、検知すべき分子の吸着による可動膜の変形状態を好適に検出することができる物理・化学センサを提供するとともに、これを使用するセンサアレイおよびセンシングデバイスを提供する。 【解決手段】 物理・化学センサは、ファブリペロー干渉計を形成するように構成されたものであって、可動膜２の表面もしくは裏面または中間層に導電性を有する材料によって形成される第１の導電膜４と、受光面１１の表面に絶縁層１２を介して導電性を有する材料によって形成される第２の導電膜５とを備え、両導電膜は適宜電圧の印加を受ける電源７に接続されている。センシングデバイスは、前記センサを検出用と参照用とに区別して同一基板に作製したセンサアレイである。
Description
本発明は、光干渉型の物理・化学センサに関し、特に、気体や液体に含まれる分子を非標識により検知するためのセンサに関するもの、このセンサを使用した物理・化学センサアレイ、および物理・化学現象センシングデバイスに関するものである。
近年、燃料電池に代表されるように、水素ガスをエネルギー源とするための技術が開発され普及されつつあり、これに伴って水素ガスを検出するためのセンサが重要視されている。また、環境汚染を誘引するガス（二酸化炭素や二酸化窒素など）は環境保全のためにその排出を検知することが重要とされ、爆薬に使用される成分（トリニトロトルエン：ＴＮＴやトリメチレントリニトロアミン：ＲＤＸなど）を含むガスの検知は、地雷を発見することに有用である。さらに、医療現場においては、特定種類の抗体または特定種類の抗原を検出することにより、特定の疾患に罹患していることを判定するため、抗原抗体反応によって特定の抗原（特定のタンパク質）を検出するセンサもまた重要視されている。
医療現場では、検出すべきタンパク質を特定する方法として、蛍光ラベルを使用する蛍光標識技術が用いられていた。この技術は、活性化した蛍光基をタンパク質に反応させて標識とするものであって、同時に複数の検出が可能となるとともに蛍光色素の取り扱いが簡単であることから、以前から広く使用されてきた。しかし、この蛍光標識技術では、蛍光基が反応することに伴ってタンパク質構造が劣化することが懸念され、また、蛍光基修飾の位置や標識数の制御が困難であるという定量評価に関して問題があった。
そこで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：微小電気機械システム）技術を用いて分子同士の相互作用を機械的な変形に読み替えて検出する技術は、生体分子の非標識（ラベルフリー）検出法として、疾患の診断や創薬分野への期待が高い。例えば、血液中に含まれる病気由来のタンパク質をチップ上で抗原抗体反応などによって捉え、吸着の様子を電気信号で出力することができれば、早期の疾患を迅速に診断することができる。
吸着した分子を検出するＭＥＭＳセンサとしては、共振振動を利用して質量変化を読み取る方式がある（非特許文献１参照）。この種のセンサは、空気中での検出感度が高い反面、液中では振動のＱ値が下がることから感度が低下するという課題を有していた。他方、構造表面のストレスの変化を機械的な変形量として検出する方法も案出されている。機械的な変形量を電気信号に変換するためのトランスデューサとしては、反射角度の変化をＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：光位置センサ）で検出する光学方式（非特許文献２および３参照）、静電容量方式（非特許文献４参照）、またはピエゾ抵抗方式（非特許文献５および６参照）が提案されている。これらの技術によれば、表面応力センサが静的な変形を検出するため、液中での使用が可能であり、電気信号への信号処理も共振型と比べて容易である。また、センサ上における表面応力の変化は分子の吸着だけでなく、生体分子の構造変化によっても発生することが報告されている（非特許文献７および８参照）。従って、高次の構造を持つタンパク質のコンフォメーション変化をリアルタイムに捉える技術としても期待されるところである。
ところで、機械的な変形量を電気信号に変換する方式として、前掲技術を用いることにより、ＤＮＡのハイブリダイゼーションや抗原抗体反応を利用した腫瘍マーカーの検出などが可能であるとされているが、構造の変形に対する電気信号への変換効率は、初期ギャップや材料の持つピエゾ抵抗係数などによって決定されるため、感度向上が難しいという問題点を有していた。
そこで、本願の発明者らは、膜の変位を電気信号に変換する効率の向上のため、ファブリペロー干渉を利用した新規なトランスデューサを提案している（特許文献１および非特許文献９参照）。
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前掲の特許文献１および非特許文献９において開示する技術は、特定物質の固定能を有する材料による可動膜と受光素子表面とでファブリペロー干渉計を形成し、特定波長の透過光の強度変化によって特定物質の固定状態を検出するものである。すなわち、分子固定能を有する可動膜が特定物質を固定することにより、当該物質の分子間力によって膜部が撓み、ファブリペロー干渉計を構成している空隙部（エアギャップ）の間隙幅が変化するものである。そして、この変化に伴って干渉波長が変化することから、単波長の光を入射すると、入射波長に対する透過率が変化し、この透過光強度の変化を受光素子によって光電流の変化として読み出すのである。例えば、医療分野においては、可動膜に抗体分子を固定させておけば、この抗体分子と特定のタンパク質が抗原抗体反応により結合し、検知すべきタンパク質の結合による分子間力の変化を可動膜の撓み量から検出することができるものである。このように、タンパク質の有無のみならず、付着量についても電気信号から定量評価することができ、さらに、ファブリペロー干渉計の透過特性を制御すれば、可動膜の変位に対する信号変換効率を向上させることができるものである。
ところが、上記の技術は、表面応力による可動膜の変形を検出するものであり、例えば、医療分野においては、予め抗体分子を可動膜に固定し、また、非特異吸着を防ぐためのブロッキング処理を行うことにより、抗体分子などの極性分子の吸着によっても可動膜が変形し得るものであった。これらの極性分子が検知すべきタンパク質の分子以上に大きな分子間力を発生させる場合があるとすれば、そのような前処理による変形が支配的となり、特定タンパク質等の吸着による可動膜の変化を見落とすおそれを有しているとの懸念があった。
本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、前処理による可動膜の変形を復元方向に誘導し、検知すべき分子の吸着による可動膜の変形状態を好適に検出することができる物理・化学センサを提供するとともに、これを使用するセンサアレイおよびセンシングデバイスを提供することである。
そこで、本願の本発明らは、鋭意研究の結果、前処理により変化した可動膜に対し、吸着する分子間力により変形する方向とは逆向きに静電引力を作用させ、当該可動膜の変形状態を使用直前に修正させることを着想し本発明に至った。
すなわち、物理・化学センサに係る本発明は、受光素子の受光面に、空隙部を形成しつつ該受光面に対向して設けられた可動膜を備え、該可動膜は、少なくとも外側表面に分子固定能を有し、前記受光面とともにファブリペロー干渉計を形成するように構成された物理・化学センサにおいて、前記可動膜の表面もしくは裏面または中間層に導電性を有する材料によって形成される第１の導電膜と、前記受光面の表面に絶縁層を介して導電性を有する材料によって形成される第２の導電膜とを備え、前記第１および第２の導電膜は適宜電圧の印加を受ける電源に接続されていることを特徴とするものである。
上記構成によれば、第１および第２の導電膜は、空隙部の両側に形成されることとなり、両導電膜間に電圧を印加することにより、静電気力により、可動膜側に対して所定方向への変形を誘導させることができる。例えば、両導電膜の一方に電荷を印加して両者間に電位差を生じさせ、または両導電膜に異なる極性の電荷を印加させることにより、両導電膜間に静電引力を作用させることができる。このとき、第２の導電膜は受光素子の受光面に絶縁層を介して積層されることから、当該第２の導電膜は固定的であるが、第１の導電膜は可動膜に積層されるため、当該可動膜とともに変形することとなる。このように、電圧の印加によって、可動膜を所望の方向へ人為的に変形させることができ、前記空隙部のクリアランスを調整することができる。なお、一般的に、可動膜の表面に吸着される分子による分子間力は、可動膜を外向きに膨出させる（空隙部のクリアランスを拡大させる）方向へ作用させることから、前処理において極性分子が吸着した場合の可動膜を、前記静電引力によって引き寄せる（空隙部のクリアランスを縮小させる）方向へ変化させれば、可動膜の状態を復元させるように誘導させることが可能となる。
上記構成において、第１の導電膜は、前記可動膜の中央を含む一部領域、中央部付近を除く環状領域、または該可動膜が変位する範囲の全体領域のいずれかに形成され、また、第２の導電膜は、前記第１の導電膜に対向する領域に形成されているものとすることができる。
このような構成にあっては、可動膜の中央を含む一部領域に第１の導電膜を形成する場合には、可動膜に対する静電気力（静電引力）の作用を、当該可動膜の中央周辺に集中させることができ、中央部付近を除く環状領域に第１の導電膜を形成する場合には、中央部の周辺に静電気力（静電引力）を作用させて可動膜全体を変形させることができる。なお、可動膜が変位する範囲の全体領域に第１の導電膜を形成することによって、可動膜の変位可能な領域の全体に静電気力（静電引力）を作用させてもよく、前記のように第１の導電膜の形成範囲を部分的なものとする場合には、当該形成範囲に対向する位置に第２の導電膜も形成させることとなるものである。
また、上記各構成の発明においては、可動膜が、気体または液体に含まれる分子を固定する分子固定能を有する材料で形成されているものとすることができる。
上記構成によれば、特定のガス（例えは、可燃性ガスや環境に影響を与えるようなガス）および生体高分子などを測定することができる。ここで、可燃性ガスとしては、水素ガスやＴＮＴまたはＲＤＸなどの爆薬に含まれるガスなどを例示することができ、環境に影響を与えるガスとしては、二酸化炭素や二酸化窒素などを例示することができる。また、生体高分子としては、アミノ酸、核酸、多糖類などを含む高分子（例えば、抗体、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）やリボ核酸（ＲＮＡ）など）を例示することができる。さらに、分子固定能が抗体を固定する抗体固定能を有する場合には、可動膜の表面に予め抗体を固定し、この抗体に結合する特定のタンパク質（抗原）が前記抗体に結合する状態を検出・測定することも可能となる。
また、上記各発明における可動膜は、柔軟な基礎膜と、該基礎膜の表面に分子固定能を有する材料を積層した分子固定膜とを備え、前記第１の導電膜は、前記基礎膜と分子固定膜の中間に積層されている構成としてもよい。
上記構成の場合には、表面に分子固定膜が積層された構成であるから、性質の異なる分子固定膜から適宜選択すれば、検出・測定すべき対象物質に応じて、多種のセンサを構成することができる。分子固定膜としては、抗体を固定するためのものとして、日本パリレン合同会社製のパリレン（登録商標）Ａまたはパリレン（登録商標）ＡＭを例示することができ、同様に第三化成株式会社製ｄｉＸ（登録商標）ＡまたはＡＭなどがある。これらは、パラキシレン系ポリマーであり、ベンゼン環がＣＨ２を介して繋がっている構造体であり、末尾が「Ａ」と表記されるものは、側鎖にアミノ基を有するものであり、末尾が「ＡＭ」と表記されるものは、側鎖にメチル基－アミノ基が直列に結合している構造体であるため、当該アミノ基に抗体を結合させることができるものである。
さらに、上記各発明において、前記第１の導電膜は、金属材料によって弾性変形可能に形成され、前記ファブリペロー干渉計の第１のハーフミラーとなるものであり、前記第２の導電膜は、金属材料によって形成され、同じファブリペロー干渉計の第２のハーフミラーとなるように構成することができる。
上記構成によれば、ファブリペロー干渉計を構成するための空隙部は、二つのハーフミラーの間に形成されることとなり、可動膜を透過した光の反射率を向上させ、ファブリペロー干渉計の内部で干渉する波長（干渉波長）の選択性を向上させることができるとともに、両ハーフミラー間に電圧を印加することにより、静電気力（静電引力）を作用させることができる。
また、上記各発明において、前記受光素子が、フォトダイオードであり、第２の導電膜には、前記フォトダイオードを構成する拡散層との間において蓄積状態となるような極性の電圧が印加されるように構成することが好ましい。
上記構成によれば、基板（例えばｐ型）に拡散層（例えばｎ型）を形成してなるフォトダイオードを使用する場合、第２の導電膜をマイナスの極性による電圧を印加することにより、この第２の導電膜と拡散層（ｎ型）との間には空乏層が形成されず、蓄積状態とすることができる。これは、第２の導電膜と拡散層との間に空乏層が形成されると、この空乏層に吸収される光によって光電流が発生することを防ぐためである。すなわち、第２の導電膜と拡散層（ｎ型）との間に空乏層が形成されないことにより、ｐｎ接合に形成される空乏層のみに吸収される光によって光電流を発生させることができるのである。これにより、フォトダイオードによって検出される光電流は、第２の導電膜に印加される電圧の影響を受けないものとなる。なお、当然のことであるが、基板がｎ型であれば、拡散層はｐ型となり、第２の導電膜に印加されるべき電圧の極性はプラスとなる。
さらに、上記各発明において、前記電源による印加電圧を可変とし、前記空隙部のクリアランスを調整可能とすることができる。
このような構成によれば、当該物理・化学センサにおける透過光強度の検出に際し、種々の前処理を行う必要がある場合、当該前処理の影響により可動膜が既に変形していることがあるとしても、その変形状態を適宜修正することが可能となる。すなわち、可動膜の変形の状態に応じて印加電圧を変化させることによって、両導電膜に作用させる静電気力（静電引力）の大きさを調整し、空隙部のクリアランスを所望状態に誘導させることができるのである。例えば、予め抗体を吸着させ、さらにブロッキング処理を行うような場合において、当該抗体やブロッキング剤の種類や量によって可動膜の変形の程度が異なることがあるとしても、抗原の吸着を検出できる範囲の可動膜の可動領域を確保することができるのである。特に、光の干渉スペクトルのうち、勾配が最も大きいところ（Ｑポイント（Quadrature Point））において感度が最大となることから、前記可動膜を任意に変形することによって、最大感度が得られる状態に可動膜の位置を調整することができる。これは、物理・化学センサの作製過程における可動膜位置のバラツキを調整することができるという意味においても有効である。
そして、センサアレイに係る本発明は、上記各構成の物理・化学センサを使用するものであって、前記物理・化学センサを同一基板上に複数形成してなることを特徴とする。
上記構成によれば、複数の物理・化学センサによって、同一検体について異なる物質のセンシングを可能にする。すなわち、個々のセンサを構成する可動膜の分子固定能条件を異ならせることにより、同一検体に含有される物質について、複数の異なる種類についてセンシングすることができるのである。可動膜の分子固定能条件を異ならせるとは、可動膜により固定（特異吸着）できる特定物質が異なる場合のほか、特定の抗原と特異吸着する特定の抗体を選定し、予め異なる抗体を可動膜に固定させる場合がある。また、個々のセンサから出力される信号の処理には、ＣＭＯＳイメージセンサの技術を利用することが可能であり、高密度に集積化されたバイオセンサの実現も可能となる。
また、センシングデバイスに係る本発明は、前記物理・化学センサを使用するものであって、基板上に複数の前記物理・化学センサを配置し、その一部を参照用とし、残りの一部または全部を検出用とし、該物理・化学センサの全部または一部について、前記電源による電圧を印加することにより、可動膜を所定方向へ誘導可能とすることを特徴とする。
上記構成によれば、参照用のセンサを特定物質の検出用のセンサと同じ構造とすることができる。この場合、検出用のセンサには、例えば、特定の抗原と抗原抗体反応を生じさせる抗体を固定し、また、さらにはブロッキング処理を行い、参照用のセンサには当該抗体を固定せず、ブロッキング処理のみを行うことにより、参照センサの側では抗原の吸着現象を生じさせないようにすることができる。そこで、同一の検体を両センサに供給することによって、検出用センサにおいてのみ抗原の吸着による可動膜の変化が生ずることとなる。このとき、検出用センサと参照用センサとは、ファブリペロー干渉計を構成する空隙部のクリアランスが同じ程度となるように、それぞれの二つの導電膜に対する印加電圧を調整することにより、両センサの比較をより好適なものとすることができる。これにより、両センサの受光素子によって検出される光の強度の変化を比較することが可能となり、特に、色素を有する検体のように、検体そのものが光の透過率を減少させるような性質を有する場合の検査には、同様の条件下において、検出される光の強度変化を対比し、特定物質の固定による光透過率の変化として検出することが可能となる。
本発明の物理・化学センサによれば、例えば、抗体やブロッキング剤などを予め可動膜に吸着させる前処理が必要な場合であっても、当該前処理による可動膜の変形を復元方向に誘導することができる。これにより、可動膜の変形し得る範囲が確保され、検知すべき分子の吸着による可動膜の変形状態を中心とする検出が可能となる。
そして、上記物理・化学センサを使用するセンサアレイでは、高度に集積化されたバイオセンサを構成することができることとなり、また、当該センサを使用するセンシングデバイスでは、検出用センサと参照用センサの双方における可動膜の可動範囲が同程度となるため、測定された光の強度変化を修正することなく対比することにより、対象物質の状態を検出することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、物理・化学センサに係る本発明の実施形態を示す図である。図１（ａ）に第１の実施形態を示し、図１（ｂ）に第２の実施形態を示す。この図１（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施形態は、基本的な構成として、受光素子１の受光面１１から適宜な間隔を有して可動膜２が設けられ、受光素子１と可動膜２との間に空隙部３を形成することによって、ファブリペロー干渉計が形成されている。このファブリペロー干渉計に向かって光源Ｌから光を照射することにより、透過光を受けて受光素子１が光電流に変換するものである。なお、空隙部３の形成方法については、詳細は後述するが、簡潔に示せば、受光素子１の受光面１１に犠牲層を形成し、この犠牲層表面に可動膜２を積層した後、当該犠牲層を除去するのである。そのため、犠牲層の除去に必要な開口部が、可動膜２の一部に形成され、当該開口部は、その後、閉塞部材によって閉塞されるものである。
ここで、本実施形態は、可動膜２の一部に第１の導電膜４が積層され、受光素子１の受光面１１の表面に、絶縁層１２を介して第２の導電膜５が積層されるものである。第１の実施形態（図１（ａ））では、第１の導電膜４が、可動膜２の裏面側に積層されたものであり、第２の実施形態（図１（ｂ））では、可動膜３の表面に積層したうえ、さらに、その表面に分子固定膜６を積層した構成としている。これらの導電膜４，５は、導電性材料によって成膜されれば、その材質を問うものではないが、第１の導電膜１は、可動膜２とともに変形することを考慮し、弾性変形可能な材料によって成膜されることが好ましい。例えば、金属製材料により成膜されれば、可動膜２の変形に応じた弾性変形が可能であり、導電性を有することから電圧印加による静電気力（静電引力）を作用させることが可能となる。また、第２の実施形態（図１（ｂ））は、導電膜４の表面に分子固定膜６を積層するが、金属材料が分子固定能を有する場合には、分子固定膜６の積層は不要となる。例えば、タンパク質以外の物質（水素ガス等）についての固定能を有する貴金属（金、白金、パラジウム等）を使用する場合は、導電膜４を可動膜２の表面に積層した状態で使用することも可能である。
さらに、可動膜２の側に積層された第１の導電膜４と、受光素子１の受光面１１の側に積層された導電膜５との間には、静電気力（静電引力）を生じさせるために、所定の電圧を印加させるために、それぞれ配線４１，５１が接続され、一方の配線５１には、電源７が接続されている。この電源７は、電圧可変型の可変電源であり、印加される電圧を変化させることにより、両導電膜４，５の間の静電気力（静電引力）を調整することができる。これにより、可動膜２の変形状態に応じて所望の静電気力（静電引力）を当該可動膜２に作用させ、空隙部３の間隙（クリアランス）を好適な状態とすることができるものである。
なお、本実施形態の物理・化学センサは、可動膜２を透過する光の強度変化によって、当該可動膜２の撓みの状態を検知するものであるから、導電膜４，５は、少なくとも特定波長の光を透過させるものとする。また、金属材料により導電膜４，５を形成する場合には、ハーフミラーとして機能させることができる。
ところで、可動膜２の少なくとも外側表面は分子固定能を有するものとしており、この外側表面に特定物質を固定させることで、特定物質の分子間力により可動膜２を変形させることができるようにしている。分子固定能を有するものとしては、パリレン（登録商標）ＡまたはＡＭがある。これらは、側鎖にアミノ基を有することから、このアミノ基に抗体を結合させる（分子を固定させる）機能を備えるものである。
このように、可動膜２の変形状態を任意に調整できることにより、特定物質を選択しつつ、その固定状態を検出することが可能となるのである。その状態を図２に示す。なお、図２には、前記第２の実施形態によるセンサを例示するものである。
すなわち、図２（ａ）に示すように、可動膜２の表面側に積層される分子固定膜６に物質が固定（吸着）することによって、固定（吸着）した物質の分子間力により、可動膜２が外向きに膨出するように変形することとなる。これは、例えば、医療分野において、特定のたんぱく質（抗原）を検出するために使用する場合、予め抗体分子ＡＢを可動膜２に固定し、また、非特異吸着を防ぐためのブロッキング処理を行うことが必要となり、これら抗体分子ＡＢやブロッキング剤ＢＫなどの極性分子の吸着によっても可動膜２が変形するものである。この状態で、抗体分子ＡＢに抗原が結合した場合、さらに抗原によって可動膜２は変形することとなるが、その変形の差分に基づいて抗原の検出を行うこととなる。しかし、その差分が小さければ検出の精度が損なわれる可能性があるため、可動膜２の変形状態を元の状態に戻すことにより、抗原の結合によって可動膜２が大きく変形できるようにするのである。
そこで、図２（ｂ）に示すように、両導電膜４，５の間に電圧を印加させることにより、静電気力（静電引力）を作用させ、膨出するように変形した可動膜２を復元させるのである。すなわち、受光素子１の受光面１１の側に成膜されている第２の導電膜（固定側）５に対し、可動膜２に成膜されている第１の導電膜（移動側）４を静電引力によって引き寄せ、結果的に、移動側の導電膜４のみを受光素子１の方向へ変形させるのである。これにより、受光素子１の受光面１１と可動膜２との間に形成される空隙部３の間隔（クリアランス）を縮小させることができる。
このように、極性分子ＡＢ，ＢＫが検知すべきタンパク質（抗原）の分子以上に大きな分子間力を発生させる場合があるとしても、特定タンパク質（抗原）等の吸着による可動膜２の変化による空隙部３の変化を検出することが可能となる。
すなわち、図２（ｃ）に示すように、抗原ＡＧが抗体ＡＢに結合するとき、この抗原ＡＧの固定により分子間力が作用し、再び可動膜２は膨出方向へ大きく変形することから、このときの可動膜２の変形による光の透過の状態を検出することにより、抗原ＡＧの吸着状態を精度良く検出することができる。
従って、抗原ＡＧのような特定たんぱく質を検出する場合には、その前工程として、抗体分子ＡＢの吸着またはブロッキング処理を行う必要があるとしても、当該抗体分子ＡＢおよびブロッキング剤ＢＫの固定により、変形（膨出）した可動膜２を所定の状態（変形前と同程度）に復元させることが可能となり、特定の物質（抗原ＡＧ等）を選択して、その固定状態を検出することができるのである。
ところで、導電膜４，５は、成膜手法の簡便さからは、受光素子１の受光面１１の全体、および可動膜２の全面に積層させることとなるが、前工程により変更した可動膜２を復元させるために静電引力を作用させる目的に特化すれば、受光面１１および可動膜２の一部に成膜するような構成もあり得る。このとき、導電膜４，５によってハーフミラーを形成する場合には、空隙部３における透過光の反射率を向上させ、ファブリペロー干渉計の内部で干渉する波長（干渉波長）の選択性を向上させることができるという目的を達成するため、光が照射される可動膜２の中央を含む適宜範囲を中心とする領域、およびこの領域に対向する受光面１１の一部領域に、それぞれ導電膜を形成することとなる。
なお、可動膜２に形成される導電膜４が、光（特定波長帯域の光）を透過できない場合には、光が透過される領域（可動膜２の中央近傍）を除く領域（例えば、環状領域）に導電膜４を形成してもよい。この場合、静電引力を作用させるために、受光面１１においても中央近傍を除く領域（例えば、環状領域）に導電膜５を形成することが好ましい。
また、第２の実施形態（図１（ｂ））のように、可動膜２の表面側に導電膜４を積層する構成の場合には、可動膜２が、その基礎部分を基礎膜２１と、導電膜４の表面に積層される分子固定膜６とで構成するように概念してもよい。すなわち、導電膜４は、可動膜２の基礎膜２１と分子固定膜６の間に積層された構成とするものである。基礎膜２１は、分子間力の作用により変形可能となるように、柔軟な材料によって構成されるものであり、分子固定膜６は、当然に分子間力による変形に耐え得るものであるが、専ら分子固定能を発揮させるために、当該分子固定能を有する材料が使用される。ここで、導電膜４は、基礎膜２１と分子固定膜６との間に積層されるため、結果的には、積層された３層の各膜２１，４，６が一体化して可動膜２が形成されるように構成されるものである。なお、導電膜４が金属材料によって適宜膜厚に成膜される場合、当該金属材料に伴う弾性変形が可能であり、可動膜２の変形後における導電膜４の状態の復元も可能となる。なお、基礎膜としては、パリレン（登録商標）Ｃなどがあり、分子固定膜としては、パリレン（登録商標）ＡまたはＡＭがあり得る。導電膜としては、金や銀などを使用することができる。
ここで、前記第１および第２の実施形態に係る物理・化学センサの各製造方法について簡単に説明する。前記二つの実施形態は、第１の導電膜４の積層の状態を除いて同様であるため、第２の実施形態に係る物理・化学センサの製造方法を中心に説明し、第１の実施形態の異なる点を適宜説明する。
図３および図４は、第２の実施形態に係る物理・化学センサの製造過程を示すものである。まず、図３（ａ）に示すように、所定の半導体プロセスにより、予め基板にフォトダイオード等の受光素子１０を構築し、その表面に絶縁層１２を形成する。このとき、使用する基板がシリコン基板であり、構築される受光素子１０がフォトダイオードである場合には、受光素子１０の表面には、保護のためのシリコン酸化膜が形成されている。このシリコン酸化膜を絶縁層１２として使用してもよい。絶縁層１２は、後工程の導電膜と受光素子との間を絶縁するためのものであり、図示のように受光素子１０の表面全体に形成してもよいが、絶縁すべき領域のみに形成してもよい。
続いて、第２の導電膜５を受光素子１０の側に積層する。図３（ｂ）に示すように、受光素子１０の受光面１１に対して、導電材料をスパッタ法または蒸着法などにより堆積させ、導電膜５を形成するのである。導電材料としては、導電膜５をハーフミラーとして機能させるため、金、銀または銅などを使用することができるが、これに限定されるものではない。また、導電膜５を形成する範囲としては、受光面１１の全体に積層する場合のほか、中心部分の一部または環状に積層する場合があり得る。これは、前述の可動膜２に積層される第１の導電膜４の範囲に対応させるものである。
次に、図３（ｃ）に示すように、ファブリペロー干渉計を形成させるべき範囲に犠牲層８を積層するのである。犠牲層８は、後工程によって除去されるため、除去が可能な材料が積層される。例えば、ポリシリコンを使用することができる。ポリシリコンを使用する場合には、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、所定範囲にポリシリコンを堆積し、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされ、必要とする範囲を残しつつ、不要な部分を除去することができる。このとき、除去した部分８１，８２は、後述の可動膜２の一部を侵入させるために、犠牲層８と周辺部８３，８４との間に、所定の間隙を形成させたものである。
この後、図４（ａ）に示すように、犠牲層８の表面を除く範囲にシリコン酸化膜９を積層し、犠牲層８をエッチングによって除去する際のエッチングガスから保護させるものである。このシリコン酸化膜９は、前記犠牲層８および周辺部８３，８４の側面にも形成されるものであり、当該犠牲層８の表面を除く部分の全体を保護するようにしている。このシリコン酸化膜９の積層によって、犠牲層８の周辺に形成される間隙部８１，８２は維持され、可動膜２の一部が侵入できるようになっている。
さらに、図４（ｂ）に示すように、犠牲層８の表面に、一部２０ａ，２０ｂを除いて基礎膜２１を積層するのである。基礎膜２１は、可動膜２の一部を構成するものであり、変形可能な材料によって構成される。例えば、パリレン（登録商標）Ｎまたはパリレン（登録商標）Ｃなどを使用することができる。これらの材料を使用する場合には、蒸着法により表面全体に堆積させることができる。この基礎膜２１は、犠牲層８の周辺に形成される間隙部８１，８２にも積層され、可動膜２の固定部として機能させるようにしている。また、基礎膜２１が形成されない一部２０ａ，２０ｂは、フォトリソグラフィ技術、および酸素プラズマによるパターニングの後、当該部分を除去して形成されるものである。
前記により基礎膜２１を形成しない一部２０ａ，２０ｂを利用して、犠牲層８をエッチングによって除去することができる。犠牲層８のエッチングは、ドライエッチングによることができ、エッチングガスを前記一部２０ａ，２０ｂを介して犠牲層８に作用させることで、犠牲層８の部分を除去し、受光素子１の受光面１１と基礎膜２１との間に空隙部３を形成することができる（図４（ｃ）参照）。
さらに、図４（ｃ）に示すように、基礎膜２１の表面に第１の導電膜４を成膜するのである。この第１の導電膜４の成膜も、第２の導電膜５と同様に、導電材料をスパッタ法または蒸着法などにより堆積させて導電膜とするものである。導電材料は、金、銀または銅などを使用することにより、ハーフミラーとして機能させることができる。
なお、二つの導電膜４，５には、電圧印加のための配線４１，５１が接続されるものであり、第１の導電膜４については、その表面に配線４１が接続され、第２の導電膜５については、絶縁材料を被覆するなど第１の導電膜４と短絡しない状態で配線５１が接続される。図は、短絡しない状態であることを示すため、便宜的にエッチングホールを通過させた状態で示している。また、基礎膜２１の表面に導電膜４が積層された状態で基礎膜２１が可動膜２として機能するものであるが、導電膜４の表面にさらに分子固定膜を積層して可動膜２を形成してもよく、これが第２の実施形態のセンサとなるものである。さらには、基礎膜２１に代えて、分子固定能を有する可動膜２を一層で構成し、その裏面側に導電膜４を積層してもよく、これが第１の実施形態のセンサとなるものである。この第１の実施形態の場合には、導電膜４と基礎膜２１との積層の順序が逆転することとなる。すなわち、犠牲層８の表面に第１の導電膜４を積層した後、さらに導電膜４を含む犠牲層４および周辺部に可動膜２を積層したうえで、犠牲層８をエッチングによって除去するのである。いずれの場合も、犠牲層８を除去した後は、基礎膜２１を形成しない部分２０ａ，２０ｂは、閉塞部材によって閉塞される。この閉塞部材には、例えば、フィルムレジストラミネートなどを使用することができる。
以上のように、物理・化学センサに係る実施形態によれば、受光素子１と可動膜２との間に空隙部３が形成されたファブリペロー干渉計が形成され、可動膜２が変形することにより、異なる波長の光が干渉することとなるから、特定波長の透過率が変化することとなる。これにより、特定波長の透過光強度の変化を光電流として測定することにより、当該可動膜２の変形状態を検出することができる。このとき、可動膜２の変形は物質の固定による分子間力によるものであるが、特定物質の吸着（固定）を誘引させるための前処理として、ある物質を吸着させる場合に、可動膜２が既に変形した状態を静電気力（静電引力）によって復元させることが可能となるのである。この可動膜２の復元により、さらに、特定物質が吸着（固定）した際の可動膜２の変形状態を精度良く検出することができるのである。
特に、抗原抗体反応により、特定の抗原ＡＧの存在を検出すべき場合は、予め可動膜２に抗体ＡＢを固定しておき、この抗体ＡＢに抗原ＡＧが吸着することによる可動膜２の変形を観察することとなる。その場合、前工程である抗体ＡＢの固定と、ブロッキング処理によるブロッキング剤ＢＫの吸着によって、可動膜２が大きく変形したとしても、その変形を復元させることができることから、抗原ＡＧのみによる可動膜２の変形状態を観察することが可能となる。なお、前工程による可動膜２の変形状態は、当該前工程の内容によって異なる場合があるため、可変電源７によって、導電膜４，５に印加する電圧を可変とすることによって、可動膜２の復元状態を調整することができるものである。
さらに、導電膜４，５を金属材料により構成することによって、ハーフミラーとして機能させれば、受光面１１と可動膜２との間で当該可動膜２を透過した光の反射率が向上し、ファブリペロー干渉計の内部における干渉波長の選択性が向上することとなる。これにより、干渉波長の半値幅が狭くなり、信号伝達効率を向上させることができるのである。
次に、前記物理・化学センサを使用するセンサアレイについて説明する。センサアレイは、同一基板上に複数のファブリペロー干渉計を有するセンサを複数構成したものである。複数のセンサを構成したセンサアレイの用途としては、同時に異なる吸着物質の存在を検出することができることである。その他に、一部のセンサを参照用として機能させるものでもよい。このように、センサアレイを構成する一部のセンサを参照用とし、残りの一部または全部のセンサを検出用とする場合、参照用センサと検出用センサとの光の透過強度の比較により、特定物質の吸着に起因する可動膜２の変形に基づいた光の透過強度の変化を検出することができるセンシングデバイスを構成することができるのである。
そこで、この種のセンシングデバイスの実施形態について以下に説明する。図５ないし図７は、センシングデバイスの一実施形態と、その作動態様を示す図である。
この図５に示されているように、同一基板上に２個のセンサ１００，２００を形成し、一方のセンサ１００を検出用とし、他方のセンサ２００を参照用とするものである。検出用センサ１００および参照用センサ２００は、ともに前記センサにかかる第１の実施形態と同様の構成である。また、検出用センサ１００には、導電膜１０４，１０５に電圧を印加するための配線１４１，１５１および可変電源１０７が備えられているが、参照用センサ２００にはこれらを備えない構成としている。
このように構成したセンシングデバイスでは、検出用センサ１００にのみ特定物質を有する（または有することが想定される）試料を供給し、そのときの光の透過強度を比較することにより、可動膜１０２の変形の状態を検出することができる。また、参照用センサ２００にブロッキング効果を有する材料のみを吸着させたうえで、両センサ１００，２００に特定物質を有する（または有することが想定される）試料を供給し、光の透過強度を比較することにより、検出用センサ１００の可動膜１０２の変形による透過強度の変化を確認することができる。
例えば、体液や血液などに含まれる抗原ＡＧを検出する場合には、予め前工程により、可動膜１０２に抗体ＡＢを吸着させた後にブロッキング剤ＢＫなどを吸着させ、他方、参照用センサ２００の可動膜２０２には、ブロッキング剤ＢＫのみを吸着させるのである。このとき、検出用センサ１００の可動膜１０２は、抗体ＡＢ等の吸着により比較的大きく変形することとなるが、参照用センサ２００の可動膜２０２は、ブロッキング剤ＢＫの吸着のみであるため、その変形は軽微となる。なお、図５では、参照用センサ２００の可動膜２０２の軽微な変形について、変形していないものとして示している。
前記の状態において、検出用センサ１００については、図６に示すように、可変電源１０７により調整された電圧を両導電膜１０４，１０５に印加することにより、可動膜１０２の変形を参照用センサ２００の可動膜２０２と同じ程度に調整するのである。これにより、両センサ１００，２００の可動膜１０２，２０２の変形状態は同じ程度となり、後に抗原等が吸着した際の両者の比較が明確となるのである。なお、例えば、分子固定能を有しない材料によって参照センサ２００の可動膜を形成できる場合には、前記ブロッキング剤の吸着が不要となり、参照用センサは常に当初の状態（可動膜２０２が変化しない状態）となるため、検出用センサ１００の可動膜１０２の状態を参照用センサ２００の可動膜２０２の状態に合わせることにより、可動膜１０２の位置を復元させることができることとなる。また、参照用センサ２００における第１および第２の導電膜に電圧を印加させる構成とする場合には、可動膜２０２にブロッキング剤等を吸着させた際の可動膜２０２の変形状態を調整することも可能となる。
特定物質の検出に際しては、前述のように、検出用センサ１００の可動膜１０２の変形状態を調整したうえで、試料を両センサ１００，２００に供給するのである。前掲の例示に基づいて示せば、図７に示すように、抗原ＡＧが供給されると、抗体ＡＢに吸着され、検出用センサ１００の可動膜１０２は再び変形することとなるが、参照用センサ２００の可動膜２０２では、抗原が吸着することがなく、当該可動膜２０２は変形しないこととなる。このときの両センサ１００，２００による光の透過強度を比較することにより、抗原ＡＧによる可動膜１０２の変形状態を測定することができるものとなる。なお、参照用センサ２００との比較を行うことは、例えば、血液などのように色彩を有する試料を供給する場合、光の透過強度の増減が、可動膜１０２の変形に起因するものか、色彩に起因するものかを明確に判断するためである。
また、参照用センサ２００は、前工程を必要とする場合における可動膜１０２の初期値を設定するために使用するものであってもよい。すなわち、前工程により抗体ＡＢ等が吸着して可動膜１０２が変形したとしても、その変形の程度は、抗体ＡＢの種類や量によって異なることが予想されるところ、その変形の程度に応じて、復元のための静電気力（静電引力）の程度を調整するのである。例えば、参照用センサ２００には前処理（ブロッキング処理など）を一切行わないものとすれば、当該参照用センサ２００の可動膜２０２は変形しないものであるから、当該参照用センサ２００における光の透過強度を基準（初期値）として、前処理後の検出用センサ１００における光の透過強度が同じ程度となるように、可動膜１０２を復元させることにより、測定すべき抗原ＡＧに起因する可動膜１０２の変形状態を検出させることができるのである。この種の参照用センサ２００とともに、前記のようなブロッキング処理のみを行う参照用センサ２００を備えることにより、初期値設定可能なセンシングデバイスを構成してもよい。
次に、前記構成のファブリペロー干渉計による透過スペクトル、導電膜に対する電圧印加の状態について実験した内容を説明する。
〔透過スペクトル〕
物理・化学センサに係る第２の実施形態による透過スペクトルについて、シミュレーションした。ここでは、受光素子としてフォトダイオードを使用し、受光面には、シリコン酸化膜を膜厚５０ｎｍで積層し、その表面にさらに第２の導電膜として銀を膜厚３０ｎｍで積層したものとした。さらに、空隙部の間隙を４００ｎｍとし、可動膜は、基礎膜としてパリレン（登録商標）Ｃを４５０ｎｍ、第１の導電膜として銀を３０ｎｍ、分子固定膜としてｄｉＸ（登録商標）ＡＭを１００ｎｍの膜厚で各層を積層した構成とした。
物理・化学センサに係る第２の実施形態による透過スペクトルについて、シミュレーションした。ここでは、受光素子としてフォトダイオードを使用し、受光面には、シリコン酸化膜を膜厚５０ｎｍで積層し、その表面にさらに第２の導電膜として銀を膜厚３０ｎｍで積層したものとした。さらに、空隙部の間隙を４００ｎｍとし、可動膜は、基礎膜としてパリレン（登録商標）Ｃを４５０ｎｍ、第１の導電膜として銀を３０ｎｍ、分子固定膜としてｄｉＸ（登録商標）ＡＭを１００ｎｍの膜厚で各層を積層した構成とした。
このときの透過スペクトルの状態を図８に示す。この結果、干渉のピークは、パリレン（登録商標）Ｃの膜厚と、空隙部の間隙によって決定される。すなわち、第１および第２の導電膜（ハーフミラー）の間の光路長によって決定され、絶縁のためのシリコン酸化膜および分子固定膜の膜厚には依存しないものである。従って、可動膜（基礎膜）が膨出して空隙部の間隙が広くなれば干渉ピーク波長は変化し、また、第１の導電膜を引き寄せれば、干渉ピーク波長は元に戻ることとなる。
〔印加電圧と空隙部の関係〕
次に、導電膜に電圧を印加したときの可動膜の変化により、空隙部の間隙の変化状態を実験した。実験用のファブリペロー干渉計を図９に示す。この実験用干渉計は、可動膜としてパリレン（登録商標）Ｃを膜厚４５０ｎｍとし、その表面に第１の導電膜として銀を３０ｎｍの膜厚で積層した。また、第１の導電膜をグラウンド接続し、第２の導電膜に代えて、シリコン基板中のｎ＋拡散層を使用し、この拡散層に電圧を印加した。印加電圧を０Ｖ（印加なし）から５Ｖ、７Ｖ、９Ｖおよび１０Ｖへ増加させたときの反射スペクトルを測定した。その結果を図１０（ａ）に示す。また、空隙部の間隙が０ｎｍ（プルイン状態）、１００ｎｍ、２００ｎｍおよび３００ｎｍとしたときの反射スペクトルをシミュレーションした。その結果を図１０（ｂ）に示す。
次に、導電膜に電圧を印加したときの可動膜の変化により、空隙部の間隙の変化状態を実験した。実験用のファブリペロー干渉計を図９に示す。この実験用干渉計は、可動膜としてパリレン（登録商標）Ｃを膜厚４５０ｎｍとし、その表面に第１の導電膜として銀を３０ｎｍの膜厚で積層した。また、第１の導電膜をグラウンド接続し、第２の導電膜に代えて、シリコン基板中のｎ＋拡散層を使用し、この拡散層に電圧を印加した。印加電圧を０Ｖ（印加なし）から５Ｖ、７Ｖ、９Ｖおよび１０Ｖへ増加させたときの反射スペクトルを測定した。その結果を図１０（ａ）に示す。また、空隙部の間隙が０ｎｍ（プルイン状態）、１００ｎｍ、２００ｎｍおよび３００ｎｍとしたときの反射スペクトルをシミュレーションした。その結果を図１０（ｂ）に示す。
図１０（ａ）に示されるように、印加電圧を増加させることにより、反射スペクトルの干渉ピークは短波長側にシフトする。これは、空隙部が基板側に接近していることを意味するものである。また、９Ｖまでの印加電圧の増加によるシフトの状態に比較して、９Ｖから１０Ｖへ増加したときのシフトの状態が著しいことから、可動膜が基板にプルインしたものと判断できる。これを図１０（ｂ）と比較すれば、９Ｖの印加電圧の際に空隙部の間隙は約１００ｎｍであり、その変位の程度は約２００ｎｍと判断される。
〔静電引力による可動膜の挙動〕
次に、パリレン（登録商標）による可動膜と、導電膜との弾性変形能について実験した。実験に使用した装置は、前述の図９に示したものと同様である。この装置を使用し、印加電圧を増加させたとき、および減少させたときの両方について、可動膜の位置を計測した。その結果を図１１に示す。なお、図中の縦軸（Ｖａｌｌｅｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）は、図１０に示した反射スペクトルにおける谷の位置であり、谷の位置の短波長側へのシフトから膜が基板側に接近していることを示唆するものである。プルイン時において波長４８０ｎｍの位置に谷がシフトしていることが観察されている。
次に、パリレン（登録商標）による可動膜と、導電膜との弾性変形能について実験した。実験に使用した装置は、前述の図９に示したものと同様である。この装置を使用し、印加電圧を増加させたとき、および減少させたときの両方について、可動膜の位置を計測した。その結果を図１１に示す。なお、図中の縦軸（Ｖａｌｌｅｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）は、図１０に示した反射スペクトルにおける谷の位置であり、谷の位置の短波長側へのシフトから膜が基板側に接近していることを示唆するものである。プルイン時において波長４８０ｎｍの位置に谷がシフトしていることが観察されている。
この図から明らかなとおり、印加電圧が０Ｖ（印加なし）から電圧を増加させると、９Ｖから１０Ｖに増加したとき、プルイン状態となることが判る。その後、印加電圧を減少させる場合、７Ｖまではプルイン状態が維持されるが、７Ｖから６Ｖに低下させるとき、リリースされる。さらに、０Ｖ（印加なし）まで低下させた場合、可動膜は同じ位置まで復元していることが判る。
この実験から、可動膜に積層した導電膜による静電引力の作用は、典型的な平行平板の静電アクチュエータの挙動を示すものであった。また、電圧減少時における非線形特性も静電アクチュエータ固有の現象であった。さらに、０Ｖ（印加なし）まで減少させたときの復元位置は、当初の位置であることから、可動膜として使用するパリレン（登録商標）Ｃは、弾性変形範囲で動作していることが確認された。また、導電膜として使用する銀についても同様に弾性変形の範囲で動作していることが確認された。
１ 受光素子
２，１０２，２０２ 可動膜
３ 空隙部
４，１０４，２０４ 第１の導電膜（ハーフミラー）
５，１０５，２０５ 第２の導電膜（ハーフミラー）
６ 分子固定膜
７，１０７ 可変電源
８ 犠牲層
９ シリコン酸化膜
１０ 基板
１１ 受光面
１２ 絶縁層
２１ 基礎膜
４１，５１，１４１，１５１ 配線
１００ 検出用センサ
２００ 参照用センサ
ＡＢ 抗体
ＡＧ 抗原
ＢＫ ブロッキング剤
Ｌ 光源
２，１０２，２０２ 可動膜
３ 空隙部
４，１０４，２０４ 第１の導電膜（ハーフミラー）
５，１０５，２０５ 第２の導電膜（ハーフミラー）
６ 分子固定膜
７，１０７ 可変電源
８ 犠牲層
９ シリコン酸化膜
１０ 基板
１１ 受光面
１２ 絶縁層
２１ 基礎膜
４１，５１，１４１，１５１ 配線
１００ 検出用センサ
２００ 参照用センサ
ＡＢ 抗体
ＡＧ 抗原
ＢＫ ブロッキング剤
Ｌ 光源
Claims (10)
- 受光素子の受光面に、空隙部を形成しつつ該受光面に対向して設けられた可動膜を備え、該可動膜は、少なくとも外側表面に分子固定能を有し、前記受光面とともにファブリペロー干渉計を形成するように構成された物理・化学センサにおいて、
前記可動膜の表面もしくは裏面または中間層に導電性を有する材料によって形成される第１の導電膜と、前記受光面の表面に絶縁層を介して導電性を有する材料によって形成される第２の導電膜とを備え、前記第１および第２の導電膜は適宜電圧の印加を受ける電源に接続されていることを特徴とする物理・化学センサ。 - 前記第１の導電膜は、前記可動膜の中央を含む一部領域、中央部付近を除く環状領域、または該可動膜が変位する範囲の全体領域のいずれかに形成され、前記第２の導電膜は、前記第１の導電膜に対向する領域に形成されている請求項１に記載の物理・化学センサ。
- 前記可動膜は、気体または液体に含まれる分子を固定する分子固定能を有する材料で形成され、前記第１の導電膜は、前記可動膜の裏面側に形成されている請求項１または２に記載の物理・化学センサ。
- 前記可動膜は、柔軟な基礎膜と、該基礎膜の表面に分子固定能を有する材料を積層した分子固定膜とを備え、前記第１の導電膜は、前記基礎膜と分子固定膜の中間に積層されている請求項１ないし３のいずれかに記載の物理・化学センサ。
- 前記第１の導電膜は、金属材料によって弾性変形可能に形成され、前記ファブリペロー干渉計の第１のハーフミラーを構成するものであり、前記第２の導電膜は、金属材料によって形成され、前記ファブリペロー干渉計の第２のハーフミラーを構成するものである請求項１ないし４のいずれかに記載の物理・化学センサ。
- 前記受光素子は、フォトダイオードであり、第２の導電膜は、前記フォトダイオードを構成する拡散層との間において蓄積状態となるような極性の電圧が印加されるものである請求項１ないし５のいずれかに記載の物理・化学センサ。
- 前記電源による印加電圧を可変とし、前記空隙部のクリアランスを調整可能とした請求項１ないし６のいずれかに記載の物理・化学センサ。
- 請求項１ないし７のいずれかに記載の物理・化学センサを使用するセンサアレイであって、前記物理・化学センサを同一基板上に複数形成してなることを特徴とする物理・化学センサアレイ。
- 請求項１ないし７に記載の物理・化学センサを使用するセンシングデバイスであって、
基板上に複数の前記物理・化学センサを配置し、その一部を参照用とし、残りの一部または全部を検出用とし、該物理・化学センサの全部または一部について、前記電源による電圧を印加することにより、可動膜を所定方向へ誘導可能とすることを特徴とする物理・化学現象センシングデバイス。 - 請求項７に記載の物理・化学センサを使用するセンシングデバイスであって、
基板上に複数の前記物理・化学センサを配置し、その一部を参照用とし、残りの一部または全部を検出用とし、該物理・化学センサごとに、前記電源による印加電圧を調整することにより、各物理・化学センサの空隙部の初期値を設定可能とすることを特徴とする物理・化学現象センシングデバイス。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16764738 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2017506451 Country of ref document: JP Kind code of ref document: A |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16764738 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |