(57)【要約】【課題】コスト増を招くことなく検出感度を向上させることを可能とする技術を提供することを目的の一つとする。【解決手段】、センサ装置（１）は、基板（１０）と、前記基板上に形成された第１、第２及び第３の電極（１２、１３、１４）と、前記基板上に形成された、前記第１の電極及び前記第２の電極の電圧を制御する駆動回路（１５）と、前記基板上に形成された、前記第３の電極からの電流を検出する検出回路（１６）と、を有する。そして、前記駆動回路及び前記検出回路の各々が、薄膜回路である。【選択図】図１
2010101690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された、第１の電極と、第２の電極と、第３の電極と、
前記基板上に形成された、前記第１の電極及び前記第２の電極の電圧を制御する駆動回路と、
前記基板上に形成された、前記第３の電極からの電流を検出する検出回路と、
を有し、
前記駆動回路及び前記検出回路の各々が、薄膜回路である、センサ装置。
【請求項２】
更に、前記基板上に、前記検出回路と接続されたアナログ−デジタル変換回路と、を有する、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
更に、前記基板上に、前記検出回路と接続されたサンプルホールド回路と、
を有する、請求項１又は請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
更に、前記基板上に、前記駆動回路と接続されたランプ波生回路と、
を有する、請求項１乃至３の何れか１項に記載のセンサ装置。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に形成された複数のセンサ回路と、
前記複数のセンサ回路に接続されたランプ波生回路と、
を有し、
前記複数のセンサ回路の各々は、
第１の電極と、
第２の電極と、
第３の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極の電圧を制御する駆動回路と、
前記第３の電極からの電流を検出する検出回路と、
を含み、
前記駆動回路及び前記検出回路は、薄膜回路であり、
前記ランプ波生回路は、前記複数のセンサ回路の各々の前記駆動回路に
接続されている、センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気化学測定やグルコースセンサに用いられるポテンシオスタットに適用可能なセンサ装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタを用いたポテンシオスタットが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。また、アクティブマトリクス方式によるマルチ測定が可能なセンサ装置についても知られている（特許文献３参照）。しかしながら、各特許文献に開示される従来技術においては、ポテンシオスタットを動作させるための駆動回路やポテンシオスタットからの出力を検出する検出回路等については何らの言及がない。これらの駆動回路や検出回路等を外部回路として備える場合にはコスト増のおそれがある。複数のポテンシオスタットによるマルチ測定を行う場合に、それらの数に対応した数だけ駆動回路や検出回路を備えると更にコスト増となる。一方、少数（例えば１つ）の検出回路を共有し、時間的に分散して順次測定する場合には、測定時間が長くなるという不都合がある。また、ポテンシオスタットから検出回路までの距離が長くなるので、ノイズの混入や検出信号の減衰等に起因して検出感度が低下するおそれもある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９６２２８号公報
【特許文献２】特開２００２−２９６２２９号公報
【特許文献３】特開２００７−３１５７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明に係る具体的態様は、コスト増を招くことなく検出感度を向上させることを可能とする技術を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る一態様のセンサ装置は、基板と、前記基板上に形成された複数の電極と、前記複数の電極と接続されており、前記基板上に形成された駆動回路と、前記複数の電極と接続されており、前記基板上に形成された検出回路と、を有し、前記駆動回路および前記検出回路の各々が薄膜回路によって構成される。そして、前記複数の電極が、第１電極、第２電極及び第３電極を含み、前記駆動回路が前記第１電極及び前記第２電極の電圧を制御し、前記検出回路が前記第３電極からの電流を検出する。
【０００６】
基板上に、複数の電極に加えて駆動回路や検出回路をも形成することにより、これらの回路を外部回路として備えた場合に比べて低コスト化が可能となる。また、複数の電極から検出回路までの距離が短くなるので、ノイズの混入や検出信号の減衰を抑制し、検出感度を向上させることが可能となる。これにより、電気化学測定などに好適なセンサ装置が得られる。また、薄膜トランジスタ等の薄膜素子を組み合わせてなる薄膜回路を用いることにより、基板上に駆動回路や検出回路を容易に形成することができる。
【０００７】
好ましくは、上記センサ装置は、前記検出回路と接続されており、前記基板上に形成されたアナログ−デジタル変換回路を更に備える。
【０００８】
これにより、検出回路とアナログ−デジタル変換回路との距離が短くなるので、ノイズ混入等の影響を抑え、検出結果をより精度よくデジタルデータに変換することができる。
【０００９】
好ましくは、上記センサ装置は、前記検出回路と接続されており、前記基板上に形成されたサンプルホールド回路を更に備える。
【００１０】
これにより、検出回路とサンプルホールド回路との距離が短くなることで、検出回路により得られる検出信号が安定的でない場合であっても、検出信号の最大値又は最小値を精度よく得ることができる。
【００１１】
好ましくは、上記センサ装置は、前記駆動回路と接続されており、前記基板上に形成されたランプ波生成回路を更に備える。
【００１２】
それにより、ランプ波生成回路を外部回路として備えた場合に比べて低コスト化が可能となる。
【００１３】
本発明に係る他の態様のセンサ装置は、基板と、前記基板上に形成された複数のセンサ回路と、前記複数のセンサ回路に接続されたランプ波生回路と、を有し、前記複数のセンサ回路の各々は、第１の電極と、第２の電極と、第３の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の電圧を制御する駆動回路と、前記第３の電極からの電流を検出する検出回路と、を含み、前記駆動回路及び前記検出回路は、薄膜回路であり、前記ランプ波生回路は、前記複数のセンサ回路の各々の前記駆動回路に接続されている、センサ装置である。
【００１４】
基板上に、複数の電極に加えて駆動回路及び検出回路を含んだセンサ回路を複数形成するとともにこれらのセンサ回路に共有されるランプ波生成回路も形成することにより、これらの回路を外部回路として備えた場合に比べて低コスト化が可能となる。また、複数の電極から検出回路までの距離が短くなるので、ノイズの混入や検出信号の減衰を抑制し、検出感度を向上させることが可能となる。また、ひとつの検出回路を順次使用する場合に比較して、測定時間を大幅に短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施態様を以下に図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、一実施形態のセンサ装置の構成を説明する模式図である。図１に示すセンサ装置１は、基板１０上に設けられた複数のセンサ回路１１−１、１１−２、１１−３・・・、１１−ｎを有する。各センサ回路１１−１、１１−２、１１−３・・・、１１−ｎには、それぞれ、外部接続用端子１９−１、１９−２、１９−３・・・、１９−ｎが設けられている。また、基板１０上には、各センサ回路１１−１、１１−２、１１−３・・・、１１−ｎのそれぞれに駆動信号を供給するランプ波生成回路２０が設けられている。ここで、基板１０とは、例えばガラス基板、プラスチック基板などである。
【００１７】
センサ回路１１−１は、対向電極１２、参照電極１３、作用電極１４、電圧制御回路１５、電流−電圧変換回路１６、サンプルホールド回路１７、アナログ−デジタル変換回路１８を含んで構成されている。電圧制御回路１５は、対向電極１２および参照電極１３の各々と接続されており、これらに印加される電圧を制御する。電流−電圧変換回路１６は、作用電極１４と接続されており、作用電極１４から得られた電流信号を電圧信号に変換する。サンプルホールド回路１７は、電流−電圧変換回路１６と接続されており、電流−電圧変換回路１６から出力される電圧信号をサンプリングし、一時的に保持する。アナログ−デジタル変換回路１８は、電圧変換回路１６から出力され、サンプルホールド回路１７を介して入力される電圧信号をデジタル信号（デジタルデータ）に変換する。このデジタル信号は、アナログ−デジタル変換回路１８と接続された端子１９−１を介して外部へ取り出される。電圧制御回路１５にはランプ波生回路２０が接続されており、電圧制御回路１５はランプ波生回路２０から駆動信号を供給される。
【００１８】
なお、他のセンサ回路１１−２〜１１−ｎは、センサ回路１１−１と同様の構成を備えており、それぞれから出力されるデジタル信号は各端子１９−２〜１９−ｎを介して外部へ取り出される。また、ランプ波生回路２０は、他のセンサ回路１１−２〜１１−ｎのそれぞれの電圧制御回路１５に対しても駆動信号を供給する。
【００１９】
図２は、電圧制御回路１５および電流−電圧変換回路１６の構成例を示す回路図である。これらの電圧制御回路１５および電流−電圧変換回路１６の各構成は、例えば低温ポリシリコンを用いた薄膜トランジスタ等の素子によって実現される。
【００２０】
図２に示す電流制御回路１５は、トランジスタ３０、３１、端子３２、オペアンプ３３、３４、入力端子３５を含んで構成されている。トランジスタ３０は、ゲートが端子３２と接続され、ソースが端子３５と接続され、ドレインがトランジスタ３１のドレインおよびオペアンプ３４の一方の入力端（反転入力側）と接続されている。トランジスタ３１は、ゲートが端子３２と接続され、ソースがオペアンプ３３の出力端と接続され、ドレインがトランジスタ３０のドレインおよびオペアンプ３４の一方の入力端（反転入力側）と接続されている。オペアンプ３３は、一方の入力端（反転入力側）が当該オペアンプ３３の出力端と接続されており、他方の入力端（非反転入力側）が参照電極１３と接続されている。オペアンプ３４は、一方の入力端（反転入力側）がトランジスタ３１を介してオペアンプ３３の出力端と接続され、他方の入力端（非反転入力側）が基準電位と接続され、出力端が対向電極１２と接続されている。入力端子３５には、上記したランプ波生成回路２０から出力される駆動信号が入力される。
【００２１】
電流−電圧変換回路１６は、オペアンプ４０、トランジスタ４１、端子４２、出力端子４３を含んで構成されている。オペアンプ４０は、一方の入力端（反転入力側）が作用電極１４およびトランジスタ４１のソースと接続され、他方の入力端（非反転入力側）が基準電位と接続されており、出力端が出力端子４３と接続されている。出力端子４３からの出力信号はサンプルホールド回路１７に入力される。トランジスタ４１は、ゲートが端子４２と接続され、ソースが作用電極１４およびオペアンプ４０の一方の入力端と接続され、ドレインがオペアンプ４０の出力端と接続されている。
【００２２】
図３は、ランプ波生成回路２０の詳細な構成例を示す回路図である。図３（Ａ）は回路構成を示し、図３（Ｂ）は当該回路における各部の信号波形を示している。このランプ波生成回路２０においては、クロック信号ＣＬＫによりシフトレジスタ５０がパルスを転送する。そして、直列接続された複数の抵抗素子からなる抵抗ラダー５１が電圧分割によって生成する電圧を、マルチプレクサ５２が選択し、ＲＣ回路５３によって階段状の電圧をランプ波に整形し、ボルテージフォロア５４が当該ランプ波の駆動能力を増幅する。ランプ波生成回路２０の各構成は、例えば低温ポリシリコンを用いた薄膜トランジスタ等の素子によって実現される。
【００２３】
図４は、サンプルホールド回路１７の詳細な構成例を示す回路図である。サンプルホールド回路１７の各構成は、例えば低温ポリシリコンを用いた薄膜トランジスタ等の素子によって実現される。図４（Ａ）に示す構成例の回路においては、入力電圧Ｖｉｎよりも出力電圧Ｖｏｕｔが小さいとき（Ｖｉｎ＞Ｖｏｕｔ）に、コンパレータ５０が高電位（Ｈ電位）を出力するので、このコンパレータ５０の出力がゲートに入力されたｎ型のトランジスタ５１がオン状態となり、ＶｉｎがＶｏｕｔに書き込まれる。一方、Ｖｉｎ＜Ｖｏｕｔのときには、コンパレータ５０が低電位（Ｌ電位）を出力するので、トランジスタ５１がオフ状態となり、Ｖｏｕｔは変化がない。結果として、Ｖｉｎの最大値がＶｏｕｔにサンプリングされ、容量素子５２にホールドされる。一方、図４（Ｂ）に示す構成例の回路においては、Ｖｉｎの最小値がＶｏｕｔにサンプリングされ、容量素子５２にホールドされる。
【００２４】
図５は、アナログ−デジタル変換回路１８の詳細な構成例を示す回路図である。アナログ−デジタル変換回路１８の各構成は、例えば低温ポリシリコンを用いた薄膜トランジスタ等の素子によって実現される。この構成例のアナログ−デジタル変換回路１８においては、直列に接続された７つの抵抗素子からなる抵抗ラダー６０によって電圧Ｖｉｎが分圧され、当該分圧された電圧が各コンパレータ６１〜６８によって比較され、ＶｉｎがＨＬ電圧の境界で検出され、エンコーダ６９によって３ビットのデジタルデータに変換される。
【００２５】
次に、本実施形態に係るセンサ装置１の使用方法の一例について以下に説明する。本実施形態のセンサ装置１は、例えば酵素反応の検出に用いることができる。いずれかのセンサ回路の対向電極１２、参照電極１３、作用電極１４（これらをまとめて「電極反応セル」という。）上に、予め、置かれたグルコースを分解酸化させるグルコースオキシダーゼと、レドックス反応電子のメディエータであるフェロセン分子誘導体の混合物中にグルコース溶液を滴下すると、グルコース酸化反応及び酵素分子−電子メディエータ間電子移動による２段階協奏反応にて生じた酸化反応電子が、直径２ｍｍの作用電極に印加される電圧によって作用電極１４上へ移動することで、グルコースの反応量に応じた電流が流れる。
【００２６】
数値例を含んだより詳細な具体例を以下に示す。まず、電極反応セル上に電子メディエータ分子25mM及びグルコースオキシダーゼ11.5units/ul(GOD活性は2000units/mg:Wako chemical)を溶かした70mM ＰＢＳ緩衝溶液（NaCl 0.1M, pH7.4）30ulを液滴として乗せて、その上にグルコース濃度の異なる5ulの液滴を滴下混合させる。約２分後にＣＶ（再クリックボルタノメトリック）測定を開始し、Ｖｉｎとしてランプ波（三角波）を入力し、Ｖｏｕｔを計測する。なお、Ｖｉｎとしてのランプ波の掃引速度は0.2V/secとする。このような条件によってグルコース濃度の検出を行ったところ、電子メディエータ特有のＣＶ曲線が得られることが確認された。また、条件によってはグルコース濃度が0.7mM程度まで測定できることが確認された。すなわち、本実施形態のセンサ装置１により、医療用途等の実用的用途に十分な基本的測定感度が確保されることが分かった。
【００２７】
以上のような本実施形態のセンサ装置によれば、基板上に、複数の電極（対向電極、参照電極及び作用電極）に加えて駆動回路及び検出回路を含んだセンサ回路を複数形成するとともにこれらのセンサ回路に共有されるランプ波生成回路も形成することにより、これらの回路を外部回路として備えた場合に比べて低コスト化が可能となる。また、複数の電極から検出回路までの距離が短くなるので、ノイズの混入や検出信号の減衰を抑制し、検出感度を向上させることが可能となる。また、ひとつの検出回路を順次使用する場合に比較して、測定時間を大幅に短縮することができる。
【００２８】
なお、本発明は上述した実施形態の内容にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した実施形態ではセンサ装置の用途の一例としてグルコース濃度の計測を挙げていたが、計測可能な対象はこれに限定されるものではない。本実施形態に係るセンサ装置は種々の電気化学測定に用いることが可能である。
【００２９】
また、上述した実施形態におけるセンサ装置１は、センサ回路、ランプ波生成回路、電圧制御回路、電流−電圧変換回路、サンプルホールド回路、アナログ−デジタル変換回路を含んで構成されていたが、これらの構成のすべてが必須のものとは限らない。例えば、サンプルホールド回路やアナログ−デジタル変換回路を省略し、これらは外付けの回路を用いてもよい。また、サンプルホールド回路を省略し、電流−電圧変換回路の出力信号がアナログ−デジタル変換回路に入力されるように両者を接続してもよい。また、同様に、ランプ波生成回路を省略してもよい。また、上記実施形態に係るセンサ装置１はセンサ回路を複数備えていたが、センサ回路は１つであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一実施形態のセンサ装置の構成を説明する模式図である。
【図２】電圧制御回路および電流−電圧変換回路の構成例を示す回路図である。
【図３】ランプ波生成回路の詳細な構成例を示す回路図である。
【図４】サンプルホールド回路の詳細な構成例を示す回路図である。
【図５】アナログ−デジタル変換回路の詳細な構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…基板、１１−１、１１−２、１１−３・・・、１１−ｎ…センサ回路、１２…対向電極、１３…参照電極、１４…作用電極、１５…電圧制御回路、１６…電流−電圧変換回路、１７…サンプルホールド回路、１８…アナログ−デジタル変換回路、２０…ランプ波生成回路
【図１】
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【図２】
2010101690.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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