(57)【要約】  センサーは、板状の導電体または半導体からなる第１容量電極と、第１容量電極に電気的に接続された第１端子と、第１容量電極の一方の面に配置された第１絶縁膜と、第１絶縁膜を介して第１容量電極の一部と対向するように配置された、導電体または半導体からなる第２容量電極と、第２容量電極に電気的に接続された第２端子と、第１絶縁膜上に配置された可変抵抗素子と、第１容量電極の他方の面上に直接または第２絶縁膜を介して配置された反応部とを有する。可変抵抗素子は、第１絶縁膜上に配置された基体と、基体の一方の端部に接続された第３端子と、基体の他方の端部に接続された第４端子とを含む。
2014061273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の導電体または半導体からなる第１容量電極と、
前記第１容量電極に電気的に接続された、外部と電気的に接続されうる第１端子と、
前記第１容量電極の一方の面に配置された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜を介して前記第１容量電極の一部と対向するように配置された、導電体または半導体からなる第２容量電極と、
前記第２容量電極に電気的に接続された、外部と電気的に接続されうる第２端子と、
前記第１絶縁膜上に配置された基体、前記基体の一方の端部に電気的に接続された第３端子および前記基体の他方の端部に電気的に接続された第４端子を含む可変抵抗素子と、
前記第１容量電極の他方の面上に直接または第２絶縁膜を介して配置された反応部と、
を有する、センサー。
【請求項２】
前記第１容量電極は、不純物をドープしたシリコン基板である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
前記基体は、カーボンナノチューブまたはポリシリコン膜である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
前記基体は、ノンドープポリシリコン膜である、請求項３に記載のセンサー。
【請求項５】
前記第１容量電極は、不純物をドープしたシリコン基板であり、
前記基体は、ポリシリコン膜であり、
前記第３端子および前記第４端子は、不純物をドープしたポリシリコン膜である、
請求項３または請求項４に記載のセンサー。
【請求項６】
前記第１容量電極にドープされた不純物の極性と前記第３端子および前記第４端子にドープされた不純物の極性とは、互いに異なる、請求項５に記載のセンサー。
【請求項７】
前記第２容量電極は、ポリシリコン、金属または合金からなる膜である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項８】
前記第１容量電極は、不純物をドープしたシリコン基板であり、
前記第２容量電極は、不純物をドープしたポリシリコン膜であり、
前記第１容量電極にドープされた不純物の極性と前記第２容量電極にドープされた不純物の極性とは、互いに異なる、
請求項７に記載のセンサー。
【請求項９】
前記反応部では、被検出物質と反応しうる認識物質が、前記第１容量電極の前記他方の面または前記第２絶縁膜の表面に固定化されている、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサーと、
前記センサーと外部機器とを接続させるためのセンサーモジュール基板と、を有し、
前記センサーは、前記可変抵抗素子と前記センサーモジュール基板とが対向するように、前記センサーモジュール基板に固定されている、
センサーモジュール。
【請求項１１】
前記センサーモジュール基板には、２つの前記センサーが固定されている、請求項１０に記載のセンサーモジュール。
【請求項１２】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサーまたは請求項１０に記載のセンサーモジュールを用いて検体中の被検出物質を検出する方法であって、
前記第１端子および前記第２端子と電源とを電気的に接続して、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記第１端子および前記第２端子を前記電源から電気的に切断して、前記第１容量電極および前記第２容量電極を前記電源から電気的に切り離した状態にする第２工程と、
前記第２工程の後に、前記反応部に検体を提供する第３工程と、
前記第３工程の後に、前記第３端子と前記第４端子との間の電流値を測定する第４工程と、
を含む、検出方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載のセンサーモジュールを用いて検体中の被検出物質を検出する方法であって、
前記２つのセンサーの両方について同時に、前記第１端子および前記第２端子と電源とを電気的に接続して、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加する第１工程と、
前記第１工程の後に、前記２つのセンサーの両方について同時に、前記第１端子および前記第２端子を前記電源から電気的に切断して、前記第１容量電極および前記第２容量電極を前記電源から電気的に切り離した状態にする第２工程と、
前記第２工程の後に、前記２つのセンサーのうちの一方のセンサーにおいて、前記反応部に検体を提供する第３工程と、
前記第３工程の後に、前記一方のセンサーについての前記第３端子と前記第４端子との間の電流値と、前記他方のセンサーについての前記第３端子と前記第４端子との間の電流値との差分値を測定する第４工程と、
を含む、検出方法。
【請求項１４】
前記第１工程の前に、前記第１容量電極および前記第２容量電極の残留電荷を除去する工程をさらに含む、請求項１２または請求項１３に記載の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサー、前記センサーを含むセンサーモジュール、および前記センサーまたは前記センサーモジュールを用いた検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検出物質を検出するためのセンサーとして、様々なセンサーが提案されている。たとえば、特許文献１，２には、バックゲート型の電界効果トランジスタを含むセンサーが開示されている。【０００３】
図１は、特許文献１，２に記載のセンサーの構成を示す断面模式図である。図１に示されるように、センサー１０は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の一方の面に形成された第１絶縁膜１２と、シリコン基板１１の他方の面に形成された第２絶縁膜１３と、第１絶縁膜１２上に配置されたチャネル１４と、チャネル１４の一方の端部に接続されたソース電極１５と、チャネル１４の他方の端部に接続されたドレイン電極１６と、第２絶縁膜１３上に配置された反応部１７と、第２絶縁膜１３に対向するように配置されたゲート電極１８と、を有する。反応部１７では、抗体などの認識物質１９が第２絶縁膜１３上に固定化されている。ゲート電極１８は、取り外し可能であり、反応部１７に検体を提供する際には取り外され、測定する際には第２絶縁膜１３に対向するように配置される。ゲート電極１８は、例えばアルミニウム板である。【０００４】
特許文献１に記載のセンサーは、カーボンナノチューブからなるチャネル１４を有している。特許文献２に記載のセンサーは、ポリシリコン膜からなるチャネル１４を有している。センサー１０において、シリコン基板１１、第１絶縁膜１２、第２絶縁膜１３、チャネル１４、ソース電極１５、ドレイン電極１６およびゲート電極１８は、バックゲート型の電界効果トランジスタとして機能する。【０００５】
図１に示されるセンサー１０を用いて、被検出物質を検出する手順を説明する。まず、ゲート電極１８を反応部１７（第２絶縁膜１３）に接触させた状態で、ゲート電極１８に印加する電圧を掃引し、ソース電極１５−ドレイン電極１６間の電流値を記録する。次いで、ゲート電極１８を反応部１７（第２絶縁膜１３）から離した状態で、反応部１７に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と第２絶縁膜１３に固定化された認識分子１９とを反応させる。次いで、再度ゲート電極１８を反応部１７（第２絶縁膜１３）に接触させた状態で、ゲート電極１８に印加する電圧を掃引し、ソース電極１５−ドレイン電極１６間の電流値を記録する。以上の手順により得られる、検体提供前後の電流値の変化から、被検出物質を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００６／１０３８７２号
【特許文献２】国際公開第２００９／１４４８７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来のセンサー１０には、検出精度が不安定であるという問題がある。【０００８】
従来のセンサー１０では、ゲート電極１８を第２絶縁膜１３上から取り外したり、第２絶縁膜１３上に配置したりすることを複数回行うことが必要であるが、ゲート電極１８と第２絶縁膜１３との接触状態は毎回変わってしまう。また、アルミニウム板などからなるゲート電極１８を第２絶縁膜１３上に置く際に、第２絶縁膜１３に欠陥が容易に形成されてしまう。これらの理由により、上記従来のセンサー１０では、ゲート電極の接触状態のバラつきや絶縁膜の破壊によるシリコン基板への電荷注入などが生じやすく、結果として検出精度が不安定になりやすい。【０００９】
本発明の目的は、検出精度およびその安定性に優れるセンサーおよびセンサーモジュール、ならびにそれらを用いた検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下のセンサーに関する。
［１］板状の導電体または半導体からなる第１容量電極と、前記第１容量電極に電気的に接続された、外部と電気的に接続されうる第１端子と、前記第１容量電極の一方の面に配置された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜を介して前記第１容量電極の一部と対向するように配置された、導電体または半導体からなる第２容量電極と、前記第２容量電極に電気的に接続された、外部と電気的に接続されうる第２端子と、前記第１絶縁膜上に配置された基体、前記基体の一方の端部に電気的に接続された第３端子および前記基体の他方の端部に電気的に接続された第４端子を含む可変抵抗素子と、前記第１容量電極の他方の面上に直接または第２絶縁膜を介して配置された反応部と、を有する、センサー。
［２］前記第１容量電極は、不純物をドープしたシリコン基板である、［１］に記載のセンサー。
［３］前記基体は、カーボンナノチューブまたはポリシリコン膜である、［１］または［２］に記載のセンサー。
［４］前記基体は、ノンドープポリシリコン膜である、［３］に記載のセンサー。
［５］前記第１容量電極は、不純物をドープしたシリコン基板であり、前記基体は、ポリシリコン膜であり、前記第３端子および前記第４端子は、不純物をドープしたポリシリコン膜である、［３］または［４］に記載のセンサー。
［６］前記第１容量電極にドープされた不純物の極性と前記第３端子および前記第４端子にドープされた不純物の極性とは、互いに異なる、［５］に記載のセンサー。
［７］前記第２容量電極は、ポリシリコン、金属または合金からなる膜である、［１］〜［６］のいずれか一項に記載のセンサー。
［８］前記第１容量電極は、不純物をドープしたシリコン基板であり、前記第２容量電極は、不純物をドープしたポリシリコン膜であり、前記第１容量電極にドープされた不純物の極性と前記第２容量電極にドープされた不純物の極性とは、互いに異なる、［７］に記載のセンサー。
［９］前記反応部では、被検出物質と反応しうる認識物質が、前記第１容量電極の前記他方の面または前記第２絶縁膜の表面に固定化されている、［１］〜［８］のいずれか一項に記載のセンサー。【００１１】
また、本発明は、以下のセンサーモジュールに関する。
［１０］［１］〜［９］のいずれか一項に記載のセンサーと、前記センサーと外部機器とを接続させるためのセンサーモジュール基板と、を有し、前記センサーは、前記可変抵抗素子と前記センサーモジュール基板とが対向するように、前記センサーモジュール基板に固定されている、センサーモジュール。
［１１］前記センサーモジュール基板には、２つの前記センサーが固定されている、［１０］に記載のセンサーモジュール。【００１２】
また、本発明は、以下の検出方法に関する。
［１２］［１］〜［９］のいずれか一項に記載のセンサーまたは［１０］に記載のセンサーモジュールを用いて検体中の被検出物質を検出する方法であって、前記第１端子および前記第２端子と電源とを電気的に接続して、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加する第１工程と、前記第１工程の後に、前記第１端子および前記第２端子を前記電源から電気的に切断して、前記第１容量電極および前記第２容量電極を前記電源から電気的に切り離した状態にする第２工程と、前記第２工程の後に、前記反応部に検体を提供する第３工程と、前記第３工程の後に、前記第３端子と前記第４端子との間の電流値を測定する第４工程と、を含む、検出方法。
［１３］［１１］に記載のセンサーモジュールを用いて検体中の被検出物質を検出する方法であって、前記２つのセンサーの両方について同時に、前記第１端子および前記第２端子と電源とを電気的に接続して、前記第１容量電極と前記第２容量電極の間に電圧を印加する第１工程と、前記第１工程の後に、前記２つのセンサーの両方について同時に、前記第１端子および前記第２端子を前記電源から電気的に切断して、前記第１容量電極および前記第２容量電極を前記電源から電気的に切り離した状態にする第２工程と、前記第２工程の後に、前記２つのセンサーのうちの一方のセンサーにおいて、前記反応部に検体を提供する第３工程と、前記第３工程の後に、前記一方のセンサーについての前記第３端子と前記第４端子との間の電流値と、前記他方のセンサーについての前記第３端子と前記第４端子との間の電流値との差分値を測定する第４工程と、を含む、検出方法。
［１４］前記第１工程の前に、前記第１容量電極および前記第２容量電極の残留電荷を除去する工程をさらに含む、［１２］または［１３］に記載の検出方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電極を反応部に繰り返し接触させる必要がないため、高い精度で安定して被検出物質の有無を検出し、または被検出物質の濃度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のセンサーの構成を示す断面図である。
【図２】本発明のセンサーの構成の一例を示す断面図である。
【図３】図３Ａ〜Ｅは、図２に示されるセンサーの製造工程を示す図である。
【図４】図４Ａ，Ｂは、本発明のセンサーモジュールの構成の一例を示す図である。
【図５】図５Ａ，Ｂは、本発明のセンサーモジュールの構成の別の例を示す図である。
【図６】図６Ａ〜Ｃは、動作原理を説明するための本発明のセンサーの断面図である。
【図７】実施形態１に係るセンサーの部分拡大断面図である。
【図８】図７において破線で示される部分の部分拡大平面図である。
【図９】実施形態２に係るセンサーの部分拡大断面図である。
【図１０】実施形態３に係るセンサーの部分拡大断面図である。
【図１１】実施形態４に係るセンサーの部分拡大断面図である。
【図１２】可変抵抗素子を取り囲むように第２容量電極を配置したセンサーの平面図である。
【図１３】図１３Ａ，Ｂは、確認実験１〜３で使用した素子の構成を示す断面図である。
【図１４】図１４Ａ，Ｂは、確認実験１〜３で用いた２種類の回路を示す図である。
【図１５】確認実験１の測定結果を示すグラフである。
【図１６】確認実験２の測定結果を示すグラフである。
【図１７】確認実験３の測定結果を示すグラフである。
【図１８】図１８Ａ，Ｂは、確認実験４〜６で使用した素子の構成を示す断面図である。
【図１９】図１９Ａ〜Ｃは、確認実験４〜６で用いた３種類の回路を示す図である。
【図２０】確認実験４の測定結果を示すグラフである。
【図２１】確認実験５の測定結果を示すグラフである。
【図２２】確認実験６の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
［センサーの構成］
図２は、本発明のセンサーの構成の一例を示す断面模式図である。図２に示されるように、本発明のセンサー１００は、第１容量電極１１０、第１端子１１２、第１絶縁膜１２０、第２絶縁膜１３０、第２容量電極１４０、第２端子１４２、可変抵抗素子１５０および反応部１６０を含む。
【００１７】
第１容量電極１１０は、板状の導電体または半導体である。第１容量電極１１０は、センサー１００の基板としても機能する。たとえば、第１容量電極１１０は、不純物をドープしたシリコン基板である。第１容量電極１１０の素材のその他の例には、ゲルマニウムやヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、アルミニウム、マグネシウムなどが含まれる。第１容量電極１１０の厚みは、特に限定されず、例えば０.５ｍｍ程度である。
【００１８】
第１端子１１２は、第１容量電極１１０に電気的に接続されている。第１端子１１２を設けることで、第１容量電極１１０を外部電源と容易に接続することができる。第１端子１１２の位置は、特に限定されない。たとえば、第１端子１１２は、第１絶縁膜１２０上（その上に形成された層間膜上も含む）に配置される（図５，７〜９参照）。
【００１９】
第１絶縁膜１２０は、第１容量電極１１０の一方の面に配置された絶縁膜であり、第２絶縁膜１３０は、第１容量電極１１０の他方の面に配置された絶縁膜である。第１絶縁膜１２０は、第１容量電極１１０と第２容量電極１４０との間、および第１容量電極１１０と可変抵抗素子１５０との間を絶縁する。第１絶縁膜１２０は、前記機能を発揮することができれば、第１容量電極１１０の一方の面の全面に配置されていてもよいし、一部にのみ配置されていてもよい。また、第１絶縁膜１２０の膜厚は、一定であってもよいし、場所ごとに異なっていてもよい。第２絶縁膜１３０は、第１容量電極１１０と反応部１６０との間を絶縁する。第２絶縁膜１３０は、前記機能を発揮することができれば、第１容量電極１１０の他方の面の全面に配置されていてもよいし、一部にのみ配置されていてもよい。第２絶縁膜１３０の膜厚は、一定であってもよいし、場所ごとに異なっていてもよいが、反応部１６０が配置される領域では、第２絶縁膜１３０の膜厚は、一定であることが好ましい。第１絶縁膜１２０および第２絶縁膜１３０は、いずれも単層であってもよいし、２層以上から構成されていてもよい。
【００２０】
第１絶縁膜１２０および第２絶縁膜１３０は、例えば酸化シリコン膜である。第１絶縁膜１２０および第２絶縁膜１３０の素材のその他の例には、窒化シリコンや酸化アルミニウム、酸化チタン、アクリル樹脂、ポリイミドなどが含まれる。第１絶縁膜１２０および第２絶縁膜１３０の膜厚は、特に限定されない。
【００２１】
第２容量電極１４０は、第１絶縁膜１２０上に配置されている、導電体または半導体からなる部材である。第２容量電極１４０は、第１絶縁膜１２０を介して第１容量電極１１０と対向している。第１容量電極１１０、第１絶縁膜１２０および第２容量電極１４０は、容量（キャパシタ）を構成する。第２容量電極１４０は、例えばポリシリコン、金属または合金からなる膜である。第２容量電極１４０を構成する金属および合金の例には、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などが含まれる。なお、第１容量電極１１０が不純物をドープしたシリコン基板であり、第２容量電極１４０が不純物をドープしたポリシリコン膜である場合は、第１容量電極１１０にドープされた不純物の極性と、第２容量電極１４０にドープされた不純物の極性とは、同じであってもよいが、互いに異なることが好ましい。
【００２２】
可変抵抗素子１５０は、第１絶縁膜１２０上に配置されており、トランスデューサーとして機能する。可変抵抗素子１５０は、第１絶縁膜１２０上に配置された基体１５２と、基体１５２の一方の端部に電気的に接続された第３端子１５４と、基体１５２の他方の端部に電気的に接続された第４端子１５６とを含む。後述するように、センサー１００を用いて被検出物質を検出するときには、第３端子１５４と第４端子１５６との間に電圧を印加した状態で、第３端子１５４と第４端子１５６との間に流れる電流を測定する。可変抵抗素子１５０（基体１５２）は、第１容量電極１１０内に蓄積された孤立電荷、および反応部１６０で生成された電荷に誘起された第１容量電極１１０内の電荷の影響で抵抗値が変化する。
【００２３】
基体１５２は、例えばカーボンナノチューブまたはポリシリコン膜である。基体１５２がポリシリコン膜である場合は、基体１５２は、低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜であってもよいし、ノンドープポリシリコン膜であってもよい。第３端子１５４および第４端子１５６は、例えばアルミニウム膜である。また、基体１５２がポリシリコン膜である場合は、第３端子１５４および第４端子１５６は、不純物をドープしたポリシリコン膜であってもよい。基体１５２が低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜であり、第３端子１５４および第４端子１５６が不純物をドープしたポリシリコン膜である場合は、基体１５２にドープされた不純物の極性と、第３端子１５４および第４端子１５６にドープされた不純物の極性とは、同じであることが好ましい。なお、基体１５２がポリシリコン膜であり、第３端子１５４および第４端子１５６が不純物をドープしたポリシリコン膜であり、かつ第１容量電極１１０が不純物をドープしたシリコン基板である場合は、第１容量電極１１０にドープされた不純物の極性と、第３端子１５４および第４端子１５６にドープされた不純物の極性とは、同じであってもよいが、互いに異なることが好ましい。
【００２４】
基体１５２の形状および大きさは、特に限定されない。外部からのシールド効果を利用する観点からは、基体１５２は、第２容量電極１４０に囲まれていることが好ましい。したがって、基体１５２の大きさは、第２容量電極１４０に囲まれうる大きさであることが好ましい。
【００２５】
反応部１６０は、第２絶縁膜１３０上に配置されており、被検出物質を含みうる検体を提供される。反応部１６０では、第２絶縁膜１３０上に被検出物質と反応できる認識物質１６２が予め固定化されている。認識物質１６２の種類は、被検出物質と反応できれば特に限定されず、有機物質であってもよいし、無機物質であってもよい。認識物質１６２の例には、抗体、抗原、酵素、レクチン、核酸などが含まれる。反応部１６０に検体を提供されると、検体に含まれる被検出物質と、第２絶縁膜１３０上に固定化されている認識物質１６２とが反応する。
【００２６】
なお、本実施の形態では、第１容量電極１１０と反応部１６０との間に第２絶縁膜１３０が存在するセンサー１００について説明したが、第２絶縁膜１３０は無くてもよい。すなわち、反応部１６０は、第１容量電極１１０の他方の面に直接配置されていてもよい。この場合、認識物質は、第１容量電極１１０の他方の面に固定化される。
【００２７】
［センサーの製造方法］
センサー１００の製造方法は、特に限定されない。センサー１００は、一般的な半導体素子の製造工程により製造されうる。
【００２８】
以下、センサー１００の製造工程について説明する。図３は、図２に示されるセンサー１００の製造工程の一例を示す図である。なお、ここでは、第１端子１１２および第２端子１４２の形成工程については説明を省略する。
【００２９】
まず、図３Ａに示されるように、第１容量電極１１０の両面に第１絶縁膜１２０および第２絶縁膜１３０をそれぞれ形成する。たとえば、第１容量電極１１０が不純物をドープしたシリコン基板の場合、熱酸化法やＬＯＣＯＳ法により、所望の膜厚の酸化シリコン膜をシリコン基板上に形成することができる。なお、反応部１６０を第１容量電極１１０の他方の面に直接配置する場合は、第２絶縁膜１３０を形成しなくてもよい。
【００３０】
次いで、図３Ｂ，Ｃに示されるように、第１絶縁膜１２０上の所定位置に可変抵抗素子１５０を形成する。図に示される例では、第１絶縁膜１２０上の所定位置に、矩形の不純物をドープされていないポリシリコン膜または低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜（基体１５２）を形成する（図３Ｂ）。さらに、ポリシリコン膜（基体１５２）の両端に不純物をドープすることで、第３端子１５４および第４端子１５６を形成する（図３Ｃ）。このとき、低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜（基体１５２）の両端に不純物をドープして第３端子１５４および第４端子１５６を形成する場合、基体１５２にドープされた不純物の極性と、第３端子１５４および第４端子１５６にドープされた不純物の極性とは、同じであることが好ましい。また、第１容量電極１１０が不純物をドープしたシリコン基板である場合は、ポリシリコン膜の両端には、シリコン基板にドープされた不純物とは異なる極性の不純物をドープすることが好ましい。また、ポリシリコン膜（基体１５２）の両端に金属からなる第３端子１５４および第４端子１５６をそれぞれ接続してもよい（図５〜９参照）。
【００３１】
次いで、図３Ｄに示されるように、第１絶縁膜１２０上の、可変抵抗素子１５０と接触しない所定位置に第２容量電極１４０を形成する。たとえば、第１絶縁膜１２０上の所定位置に不純物をドープしたポリシリコン膜またはアルミニウム膜を形成する。このとき、第１容量電極１１０が不純物をドープしたシリコン基板であり、かつ第２容量電極１４０が不純物をドープしたポリシリコン膜である場合、第２容量電極１４０となるポリシリコン膜には、シリコン基板にドープされた不純物とは異なる極性の不純物をドープする。
【００３２】
最後に、図３Ｅに示されるように、第２絶縁膜１３０上の所定の位置を認識物質１６２で修飾して、反応部１６０を形成する。たとえば、第２絶縁膜１３０上の所定の位置に抗体を固定化する。なお、反応部１６０を第１容量電極１１０の他方の面に直接配置する場合は、第１容量電極１１０の他方の面に抗体を固定化する。
【００３３】
以上の手順により、図２に示されるセンサー１００を製造することができる。後述するように、本発明のセンサーは、層間膜などをさらに有していてもよい（図５，７〜９参照）。
【００３４】
［センサーモジュールの構成］
図４は、本発明のセンサーモジュールの構成の一例を示す断面模式図である。図４Ａは、センサーモジュールの断面模式図であり、図４Ｂは、センサーモジュールの平面模式図である。図４に示されるように、本発明のセンサーモジュール２００は、本発明のセンサー１００およびセンサーモジュール基板２１０を含む。図４では、センサー１００の一部の構成要素を省略している（図５も同様）。
【００３５】
センサーモジュール基板２１０は、センサー１００と外部機器（電源装置や測定装置など）とを接続させるための接続端子２１２を有する。接続端子２１２は、センサーモジュール基板２１０上に形成された第５端子２１４および第６端子２１６と電気的に接続されている。
【００３６】
センサー１００は、センサー１００の可変抵抗素子１５０とセンサーモジュール基板２１０とが対向するように、センサーモジュール基板２１０に固定されている。したがって、反応部１６０は、常に外部（ユーザー側）に露出した状態である。可変抵抗素子１５０の第３端子１５４および第４端子１５６は、それぞれ、センサーモジュール基板２１０の第５端子２１４および第６端子２１６に接続および固定されている。各端子の固定には、ハンダや銀ペーストなどの導電性固着材２２０などが使用される。また、センサー１００をより確実にセンサーモジュール基板２１０に固定するために、センサー１００とセンサーモジュール基板２１０との間に絶縁性接着剤を注入し、硬化させてもよい。
【００３７】
図５は、本発明のセンサーモジュールの構成の別の例を示す断面模式図である。図５に示されるように、センサーモジュール２００’は、同一仕様かつ同一特性の２つのセンサー１００ａ，１００ｂを含んでいてもよい。一方のセンサー１００ａは検出用に使用され、他方のセンサー１００ｂは参照用に使用される。外部の測定装置は、２つのセンサー１００ａ，１００ｂの出力の差分値を利用して外部環境の影響を排除することができるため、より高精度かつ高感度に被検出物質を検出することができる。
【００３８】
［センサーの使用方法］
図６を参照しながら、センサー１００を用いた被検出物質の検出手順の一例と、推察される検出メカニズムについて説明する。図６Ａ〜Ｃは、センサー１００の動作原理を説明するためのセンサー１００の断面模式図である。これらの図では、認識物質１６２が省略されている。
【００３９】
まず、第１端子１１２および第２端子１４２を電源に接続し（図中黒丸で表示）、第１容量電極１１０と第２容量電極１４０との間に所定の電圧を印加する。このとき、第１容量電極１１０の第１絶縁膜側の部分および第２容量電極１４０の第１絶縁膜側の部分に空乏層ができないように、電圧を印加することが好ましい。前述のとおり、第１容量電極１１０、第１絶縁膜１２０および第２容量電極１４０は、容量１７０を構成する。したがって、図６Ａに示されるように、第１絶縁膜１２０および第２容量電極１４０内に印加電圧および容量１７０の容量値で一義的に制御できる電荷を蓄積することができる。
【００４０】
この後、第１端子１１２および第２端子１４２を電源から切り離し（図中白丸で表示）、第１容量電極１１０および第２容量電極１４０を孤立状態にする（図示省略）。これにより、第１容量電極１１０および第２容量電極１４０内の蓄積電荷が孤立電荷となる。この孤立電荷は、センサー１００の検出感度に大きく影響を及ぼす。したがって、第１容量電極１１０と第２容量電極１４０との間に印加する電圧は、要求される検出感度に応じて適宜設定される。
【００４１】
この状態で、一度、可変抵抗素子１５０の第３端子１５４と第４端子１５６との間に所定の電圧を印加して（図中黒丸で表示）、第３端子１５４と第４端子１５６との間の電流値を測定する。
【００４２】
次いで、反応部１６０に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と第２絶縁膜１３０に固定化された認識分子１６２とを反応させる。図６Ｂに示されるように、この反応により第２絶縁膜１３０上には電荷が生成される。さらには、図６Ｃに示されるように、第１容量電極１１０内においても第２絶縁膜１３０上で生成した電荷の作る電界により分極する新たな電荷が誘起される。第２絶縁膜１３０が無い場合は、第１容量電極１１０の他方の面に直接固定化された認識分子１６２と、検体に含まれる被検出物質との反応で生成された電荷が作る電界により、第１容量電極１１０内に分極する電荷が新たに誘起される。
【００４３】
この状態で、再度、可変抵抗素子１５０の第３端子１５４と第４端子１５６との間に所定の電圧（一回目の測定と同じ電圧）を印加して、第３端子１５４と第４端子１５６との間の電流値を測定する。検体提供後の二回目の測定は、検体が乾燥する前に行ってもよいし、乾燥した後に行ってもよい。検体提供前の一回目の測定では、可変抵抗素子１５０の抵抗値が、第１容量電極１１０内に蓄積された孤立電荷により形成される電界で決まる。一方、検体提供後の二回目の測定では、可変抵抗素子１５０の抵抗値が、第１容量電極１１０内に蓄積された孤立電荷と、反応部１６０で生成された電荷によって分極誘起された第１容量電極１１０内の電荷とにより形成される電界で決まる。したがって、検体提供前後の電流値の変化から、被検出物質の有無を検出または被検出物質の濃度を測定することができる。
【００４４】
電界と可変抵抗素子１５０の抵抗値との関係を見た場合、通常、抵抗値が鋭敏に変化する範囲は限定されている。このため、反応部１６０での反応に起因する電界の変化により可変抵抗素子１５０の抵抗値が鋭敏に変化するように、第１容量電極１１０内の孤立電荷の量を調整することが必要である。
【００４５】
以上の手順により、センサー１００を用いて被検出物質の有無を検出または被検出物質の濃度を測定することができる。
【００４６】
なお、検出精度を向上させる観点からは、第１容量電極１１０と第２容量電極１４０との間に電圧を印加する直前に第１容量電極１１０および第２容量電極１４０の残留電荷を除去することが好ましい。このようにすることで、第１容量電極１１０内の孤立電荷の量を、より高精度に制御することが可能となる。
【００４７】
［センサーモジュールの使用方法］
次に、図５に示されるセンサーモジュール２００’を用いた被検出物質の検出手順の一例について説明する。
【００４８】
まず、検出用のセンサー１００ａおよび参照用のセンサー１００ｂの両方について同時に、第１端子１１２および第２端子１４２を電源に接続し、第１容量電極１１０と第２容量電極１４０との間に所定の電圧を印加する。これにより、２つのセンサー１００ａ，１００ｂのそれぞれにおいて、第１絶縁膜１２０および第２容量電極１４０内に印加電圧および容量１７０の容量値で一義的に制御できる電荷を蓄積することができる。
【００４９】
この後、２つのセンサー１００ａ，１００ｂの両方について同時に、第１端子１１２および第２端子１４２を電源から切り離し、第１容量電極１１０および第２容量電極１４０を孤立状態にする。これにより、２つのセンサー１００ａ，１００ｂのそれぞれにおいて、第１容量電極１１０および第２容量電極１４０内の蓄積電荷が孤立電荷となる。
【００５０】
この状態で、２つのセンサー１００ａ，１００ｂのそれぞれにおいて、可変抵抗素子１５０の第３端子１５４と第４端子１５６との間に同一の所定の電圧を印加する。そして、検出用のセンサー１００ａにおける電流値と、参照用のセンサー１００ｂにおける電流値との差分値を測定する。この差分値が０でない場合は、外部の測定装置において差分値が０となるようにオフセット調整をする。
【００５１】
次いで、検出用のセンサー１００ａにおいて反応部１６０に検体を提供し、検体に含まれる被検出物質と反応部１６０に固定化された認識分子１６２とを反応させる。このとき、参照用のセンサー１００ｂでは検体を提供しない。
【００５２】
この状態で、再度、２つのセンサー１００ａ，１００ｂのそれぞれにおいて、可変抵抗素子１５０の第３端子１５４と第４端子１５６との間に所定の電圧（一回目の測定と同じ電圧）を印加して、第３端子１５４と第４端子１５６との間の電流値を測定する。検体提供前の一回目の測定では、可変抵抗素子１５０の抵抗値が、第１容量電極１１０内に蓄積された孤立電荷により形成される電界で決まる。一方、検体提供後の二回目の測定では、可変抵抗素子１５０の抵抗値が、第１容量電極１１０内に蓄積された孤立電荷と、反応部１６０で生成された電荷によって分極誘起された第１容量電極１１０内の電荷とにより形成される電界で決まる。検体提供前に２つのセンサー１００ａ，１００ｂの電流値の差分が０になるように調整してあるので、検体提供後の２つのセンサー１００ａ，１００ｂの電流値の差分は、検出用のセンサー１００ａの反応部１６０で生成された電荷の効果のみを反映する値である。また、２つのセンサー１００ａ，１００ｂの電流値の差分は、感度を向上させるために、外部の測定装置を用いて増幅されうる。したがって、２つのセンサー１００ａ，１００ｂの電流値の差分値を測定することで、被検出物質の有無を検出または被検出物質の濃度を測定することができる。
【００５３】
以上のように、２つのセンサー１００ａ，１００ｂの電流値の差分値を測定することで、２つのセンサー１００ａ，１００ｂに共通する変動要因の影響を解消でき、被検出物質の効果のみを高感度に検出することができる。すなわち、センサーモジュール２００’を用いて、高感度かつ高精度に、被検出物質の有無を検出または被検出物質の濃度を測定することができる。
【００５４】
以上のように、本発明のセンサー１００およびセンサーモジュール２００，２００’は、従来のセンサー（特許文献１，２参照）のように電極を繰り返し接触させる必要がないため、高い精度で安定して被検出物質の有無を検出し、または被検出物質の濃度を測定することができる。また、本発明のセンサー１００およびセンサーモジュール２００，２００’は、第１容量電極１１０内の孤立電荷の量を調整することで、検出感度を容易にかつ安定して向上させることができる。
【００５５】
［センサーの第１絶縁膜側の構成例］
本発明のセンサーの第１絶縁膜１２０側の構成例について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、第２絶縁膜および反応部に関する説明を省略する。なお、各実施形態において、第２絶縁膜は無くてもよい。
【００５６】
（実施形態１）
図７は、実施形態１に係るセンサー３００の部分拡大断面図である。図７では、第１容量電極３１０の一部、第２絶縁膜および反応部を省略している。図８は、図７において破線で示される部分の部分拡大平面図である。図８では、基体３５２の位置を破線で示している。図７に示される断面図は、図８に示されるＡ−Ａ線の断面を示している。
【００５７】
図７および図８に示されるように、センサー３００は、第１容量電極３１０、第１端子３１２、第１絶縁膜３２０、第２絶縁膜（図示省略）、第２容量電極３４０、第２端子３４２、基体３５２、第３端子３５４、第４端子３５６、反応部（図示省略）および層間膜３８０を有する。
【００５８】
第１容量電極３１０は、不純物がドープされたシリコン基板である。第１容量電極３１０の一方の面には酸化シリコンからなる第１絶縁膜３２０が形成されており、他方の面には酸化シリコンからなる第２絶縁膜（図示省略）が形成されている。第１絶縁膜３２０は、熱酸化法により形成された薄い酸化シリコン膜３２０ａと、ＬＯＣＯＳ法により形成された厚い酸化シリコン膜３２０ｂとを含む。基体３５２および第２容量電極３４０の下部には、薄い酸化シリコン膜３２０ａが形成される。一方、第１端子３１２および第２端子３４２、第３端子３５４および第４端子３５６の下部には、厚い酸化シリコン膜３２０ｂが形成される。
【００５９】
第１端子３１２は、第１容量電極３１０と外部電源とを接続するための、アルミニウムからなる端子である。第１端子３１２は、層間膜３８０上に配置されており、層間膜３８０に設けられたコンタクトホールを介して第１容量電極３１０に電気的に接続されている。
【００６０】
第２容量電極３４０は、第１絶縁膜３２０上に配置されているポリシリコン膜である。第１容量電極３１０、第１絶縁膜３２０（薄い酸化シリコン膜３２０ａ）および第２容量電極３４０は、容量を構成する。
【００６１】
第２端子３４２は、第２容量電極３４０と外部電源とを接続するための、アルミニウムからなる端子である。第２端子３４２は、層間膜３８０上に配置されており、層間膜３８０に設けられたコンタクトホールを介して第２容量電極３４０に電気的に接続されている。
【００６２】
基体３５２は、第１絶縁膜３２０（薄い酸化シリコン膜３２０ａ）上に配置されているノンドープポリシリコン膜または低濃度の不純物をドープしたポリシリコン膜である。基体３５２、第３端子３５４および第４端子３５６は、可変抵抗素子１５０を構成する。
【００６３】
層間膜３８０は、第１絶縁膜３２０、第２容量電極３４０および基体３５２の上に形成されている絶縁膜である。層間膜３８０は、例えば酸化シリコン膜である。層間膜３８０は、基体３５２を保護すると共に、各端子（第１端子３１２、第２端子３４２、第３端子３５４および第４端子３５６）が所定の部材にのみ電気的に接続されるように各部材間を絶縁する。層間膜３８０の素材の他の例には、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどが含まれる。
【００６４】
第３端子３５４は、基体３５２の一方の端部と外部電源とを接続するための、アルミニウムからなる端子である。同様に、第４端子３５６は、基体３５２の他方の端部と外部電源とを接続するためのアルミニウムからなる端子である。第３端子３５４および第４端子３５６は、層間膜３８０上に配置されており、層間膜３８０に設けられたコンタクトホールを介して基体３５２の一方の端部および他方の端部にそれぞれ電気的に接続されている。
【００６５】
実施形態１に係るセンサー３００は、実施形態２〜４に係るセンサー４００，５００，６００に比べて単位面積あたりの電荷注入容量が大きいため、より小型化することができる。また、実施形態１に係るセンサー３００は、構成が単純であるため、より少ない工程で製造されうる。
【００６６】
（実施形態２）
図９は、実施形態２に係るセンサー４００の部分拡大断面図である。図９では、第１容量電極３１０の一部、第２絶縁膜および反応部を省略している。以下の説明では、実施形態１に係るセンサー３００と同一の構成要素については同一の符番を付し、その説明を省略する。
【００６７】
図９に示されるように、センサー４００は、第１容量電極３１０、第１端子３１２、第１絶縁膜４２０、第２絶縁膜（図示省略）、第２容量電極３４０、第２端子３４２、基体３５２、第３端子３５４、第４端子（図示省略）、反応部（図示省略）および層間膜３８０を有する。
【００６８】
第１絶縁膜４２０は、熱酸化法により形成された薄い酸化シリコン膜４２０ａおよび酸化シリコン膜４２０ｂと、ＬＯＣＯＳ法により形成された厚い酸化シリコン膜４２０ｃとを含む。酸化シリコン膜４２０ｂの厚みは、酸化シリコン膜４２０ａの厚みよりも大きい。基体３５２の下部には、薄い酸化シリコン膜４２０ａが形成される。第２容量電極３４０の下部には、酸化シリコン膜４２０ｂが形成される。第１端子３１２、第２端子３４２、第３端子３５４および第４端子３５６の下部には、厚い酸化シリコン膜４２０ｃが形成される。第１容量電極３１０、第１絶縁膜４２０（熱酸化法により形成された酸化シリコン膜４２０ｂ）および第２容量電極３４０は、容量を構成する。
【００６９】
実施形態２に係るセンサー４００は、実施形態１に係るセンサー３００に比べて第２容量電極３４０と接する第１絶縁膜４２０（熱酸化法により形成された酸化シリコン膜４２０ｂ）の厚みが大きいため、第１容量電極３１０と第２容量電極３４０との間の第１絶縁膜４２０の欠陥密度を低減させることができる。実施形態２に係るセンサー４００は、実施形態３，４に係るセンサー５００，６００に比べて単位面積あたりの電荷注入容量が大きいため、より小型化することができる。実施形態２に係るセンサー４００は、実施形態３，４に係るセンサー５００，６００に比べて構成が単純であるため、より少ない工程で製造されうる。
【００７０】
（実施形態３）
図１０は、実施形態３に係るセンサー５００の部分拡大断面図である。図１０では、第１容量電極３１０の一部、第２絶縁膜および反応部を省略している。以下の説明では、実施形態１のセンサー３００と同一の構成要素については同一の符番を付し、その説明を省略する。
【００７１】
図１０に示されるように、センサー５００は、第１容量電極３１０、第１端子３１２、第１絶縁膜３２０、第２絶縁膜（図示省略）、第２容量電極５４０、第２端子３４２、基体３５２、第３端子３５４、第４端子（図示省略）、反応部（図示省略）、第１層間膜５８０ａおよび第２層間膜５８０ｂを有する。
【００７２】
第１層間膜５８０ａは、第１絶縁膜３２０および基体３５２の上に形成されている絶縁膜である。第１層間膜５８０ａは、例えば酸化シリコン膜である。第１層間膜５８０ａは、第１絶縁膜３２０（薄い酸化シリコン膜３２０ａ）と共に、第１容量電極３１０と第２容量電極５４０との間を確実に絶縁する。第１層間膜５８０ａの素材の他の例には、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどが含まれる。
【００７３】
第２容量電極５４０は、第１層間膜５８０ａ上に配置されているポリシリコン膜である。第１容量電極３１０、第１絶縁膜３２０（薄い酸化シリコン膜３２０ａ）、第１層間膜５８０ａおよび第２容量電極５４０は、容量を構成する。
【００７４】
第２層間膜５８０ｂは、第２容量電極５４０および第１層間膜５８０ａの上に形成されている絶縁膜である。第２層間膜５８０ｂは、例えば酸化シリコン膜である。第２層間膜５８０ｂは、各端子（第１端子３１２、第２端子３４２、第３端子３５４および第４端子３５６）が所定の部材にのみ電気的に接続されるように各部材間を絶縁する。第２層間膜５８０ｂの素材の他の例には、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどが含まれる。
【００７５】
実施形態３に係るセンサー５００は、実施形態１，２に係るセンサー３００，４００に比べて単位面積あたりの電荷注入容量が小さいが、容量の信頼性が高い。
【００７６】
（実施形態４）
図１１は、実施形態４に係るセンサー６００の部分拡大断面図である。図１１では、第１容量電極３１０の一部、第２絶縁膜および反応部を省略している。以下の説明では、実施形態１のセンサー３００と同一の構成要素については同一の符番を付し、その説明を省略する。
【００７７】
図１１に示されるように、センサー６００は、第１容量電極３１０、第１端子３１２、第１絶縁膜３２０、第２絶縁膜（図示省略）、第２容量電極６４０、第２端子３４２、基体３５２、第３端子３５４、第４端子（図示省略）、反応部（図示省略）および層間膜６８０を有する。
【００７８】
層間膜６８０は、第１絶縁膜３２０および基体３５２の上に形成されている絶縁膜である。層間膜６８０は、例えば酸化シリコン膜である。層間膜６８０は、基体３５２を保護すると共に、各端子（第１端子３１２および第２端子３４２、第３端子３５４、第４端子３５６）が所定の部材にのみ電気的に接続されるように各部材間を絶縁する。層間膜６８０の材料の他の例には、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタンなどが含まれる。
【００７９】
第２容量電極６４０は、層間膜６８０上に配置されているアルミニウム膜である。第１容量電極３１０、第１絶縁膜３２０（薄い酸化シリコン膜３２０ａ）、層間膜６８０および第２容量電極６４０は、容量を構成する。
【００８０】
実施形態４に係るセンサー６００は、実施形態１に係るセンサー３００と同じ工程数で製造可能でありながら、容量の信頼性が高い。
【００８１】
なお、上記実施形態１〜４では、可変抵抗素子１５０（基体３５２、第３端子３５４および第４端子３５６）の横に第２容量電極３４０，５４０，６４０を配置する例を示したが、可変抵抗素子１５０を取り囲むように第２容量電極３４０，５４０，６４０を配置してもよい。図１２は、可変抵抗素子１５０を取り囲むように第２容量電極３４０，５４０，６４０を配置したセンサー３００，４００，５００，６００の平面図である。この図では、層間膜を省略している。このように可変抵抗素子１５０を取り囲むように第２容量電極３４０，５４０，６４０を配置することで、電化蓄積処理後に電源を切り離したときの電荷の再配列の影響を抑制することができる。
【００８２】
［センサーの特性］
２種類の素子を用いて本発明のセンサーの特性を確認した。
【００８３】
（確認実験１〜３で使用した素子）
確認実験１〜３では、図１３に示される素子７００を用いて実験を行った。確認実験１〜３では、第１容量電極と、可変抵抗素子の基体の一部を利用した第２容量電極とで構成される小さな容量でも、本発明のセンサーの機能を実現できることを確認した。
【００８４】
図１３Ａに示されるように、素子７００は、ｐ型不純物がドープされたシリコン基板（第１容量電極）７１０と、シリコン基板７１０の一方の面に形成された酸化シリコン膜（第１絶縁膜）７２０と、シリコン基板７１０の他方の面に形成された酸化シリコン膜（第２絶縁膜）７３０と、酸化シリコン膜７２０上に配置された可変抵抗素子７５０と、酸化シリコン膜７３０上に配置された裏面電極７６０とを有する。可変抵抗素子７５０は、幅３０μｍのノンドープポリシリコン膜（基体）７５２の両端にｎ型不純物をドープして第３端子７５４および第４端子７５６を形成することで作製した。シリコン基板７１０の側面には、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に電荷注入用の電圧（ＶＣ）を印加するための電源に接続するための第１端子７１２が形成されている。
【００８５】
素子７００では、第２容量電極を形成せずに、第３端子７５４および第４端子７５６に第２容量電極の機能を担わせた。したがって、図１３Ｂに示されるように、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に電荷注入電圧（ＶＣ）を印加すると、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に容量７７０が形成される。
【００８６】
確認実験１〜３では、素子７００の電気特性の測定を目的としていることから、反応部を形成せずに、反応部の代わりに所望の電圧Ｖ２を印加するための裏面電極７６０を設けた。裏面電極７６０は、酸化シリコン膜７３０上に銀ペーストを塗布し、乾燥させることで作製した。
【００８７】
図１４は、確認実験１〜３で用いた２種類の実験回路を示す図である。図１４Ａに示される回路は、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成される容量７７０に電荷を蓄積するための回路である。図１４Ｂに示される回路は、シリコン基板７１０に電荷を蓄積した後に、第３端子７５４および第４端子７５６間の電流Ｉ１を測定するための回路である。図１４Ｂに示される回路では、シリコン基板７１０は、電源から切り離された孤立状態である。
【００８８】
（確認実験１）
確認実験１では、電荷注入用の印加電圧（ＶＣ）と、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）との関係を確認した。
【００８９】
図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に電圧ＶＣを印加し、シリコン基板７１０内に印加電圧ＶＣに見合う電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）を測定した。この手順の測定を、印加電圧ＶＣを０Ｖから１０Ｖまで１Ｖ間隔で変えながら繰り返し行った。
【００９０】
図１５は、測定結果を示すグラフである。このグラフから、シリコン基板７１０内に電荷を蓄積するための印加電圧ＶＣを適切に選択することで、可変抵抗素子７５０に流れる電流（Ｉ１）の変化の検知感度を向上させうることが分かる。
【００９１】
（確認実験２）
確認実験２では、裏面電極７６０に印加される電圧Ｖ２と、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）との関係を、電荷蓄積時の印加電圧Ｖcを変えながら繰り返し測定し、測定値の再現性を確認した。図１６は、測定結果を示すグラフである。
【００９２】
図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に＋５Ｖの電圧ＶＣを印加して、シリコン基板７１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、裏面電極７６０に印加される電圧Ｖ２を−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲で掃引して、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）を測定した。測定結果を、符番「１」の曲線で図１６に示す。
【００９３】
次いで、図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に−５Ｖの電圧ＶＣを印加して、シリコン基板７１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、裏面電極７６０に印加される電圧Ｖ２を−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲で掃引して、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）を測定した。測定結果を、符番「２」の曲線で図１６に示す。
【００９４】
次いで、図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に０Ｖの電圧ＶＣを印加して、シリコン基板７１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、裏面電極７６０に印加される電圧Ｖ２を−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲で掃引して、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）を測定した。測定結果を、符番「３」の曲線で図１６に示す。
【００９５】
次いで、図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に＋５Ｖの電圧ＶＣを印加して、シリコン基板７１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、裏面電極７６０に印加される電圧Ｖ２を−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲で掃引して、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）を測定した。測定結果を、符番「４」の曲線で図１６に示す。
【００９６】
次いで、図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に−５Ｖの電圧ＶＣを印加して、シリコン基板７１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、裏面電極７６０に印加される電圧Ｖ２を−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲で掃引して、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）を測定した。測定結果を、符番「５」の曲線で図１６に示す。
【００９７】
次いで、図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に０Ｖの電圧ＶＣを印加して、シリコン基板７１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、裏面電極７６０に印加される電圧Ｖ２を−２０Ｖ〜＋２０Ｖの範囲で掃引して、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）を測定した。測定結果を、符番「６」の曲線で図１６に示す。
【００９８】
図１６のグラフから、印加電圧Ｖcによる履歴現象はないことがわかる。すなわち、Ｖ２−Ｉ１特性は印加電圧Ｖ２で一義的に決まり、再現性も良好であることがわかる。
【００９９】
（確認実験３）
確認実験３では、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）の経時変化を確認した。
【０１００】
図１４Ａに示される回路において、シリコン基板７１０と第３端子７５４および第４端子７５６との間に形成された容量７７０に＋７Ｖの電圧ＶＣを６０秒間印加し、シリコン基板７１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１４Ｂに示される回路において、第３端子７５４−第４端子７５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、第３端子７５４−第４端子７５６間の電流（Ｉ１）の経時変化を測定した。なお、この測定では、裏面電極７６０と電圧Ｖ２を印加するための電源とを切り離した。
【０１０１】
図１７は、測定結果を示すグラフである。図１７Ａと図１７Ｂとでは、縦軸の数値範囲が異なっている。図１７において、Ａは電圧ＶＣを印加したタイミングを示し、Ｂはシリコン基板７１０を孤立状態にしたタイミングを示す。これらのグラフから、シリコン基板７１０に蓄積された電荷で決まる、可変抵抗素子７５０に流れる電流（Ｉ１）は、時間の経過とともに減少することがわかる。これは、シリコン基板７１０中の蓄積電荷が時間の経過とともにリークしたためであると考えられる。電荷を蓄積している容量７７０の容量値が小さいことが、測定環境に存在する浮遊容量を介した蓄積電荷のリークに対する耐性の弱さをもたらしていると考えられる。
【０１０２】
（確認実験４〜６で使用した素子）
確認実験４〜６では、図１８に示される素子８００を用いて実験を行った。確認実験４〜６では、図１３Ａに示される素子７００における容量７７０に比較して任意に大きな容量を形成することができる容量専用の第２容量電極を有する素子８００を用いて、容量専用の第２容量電極を有することの効果を確認した。
【０１０３】
図１８Ａに示されるように、素子８００は、ｎ型不純物がドープされたシリコン基板（第１容量電極）８１０と、シリコン基板８１０の一方の面に形成された酸化シリコン膜（第１絶縁膜）８２０と、シリコン基板８１０の他方の面に形成された酸化シリコン膜（第２絶縁膜）８３０と、酸化シリコン膜８２０上に配置されたアルミニウム膜（第２容量電極）８４０と、酸化シリコン膜８２０上に配置された可変抵抗素子８５０と、酸化シリコン膜８３０上に配置された裏面電極８６０とを有する。可変抵抗素子８５０は、幅２６００μｍのノンドープポリシリコン膜（基体）８５２の両端にｐ型不純物をドープして第３端子８５４および第４端子８５６を形成することで作製した。シリコン基板８１０の側面には、シリコン基板８１０とアルミニウム膜８４０との間に電荷注入用の電圧（ＶＣ）を印加するための電源に接続するための第１端子８１２が形成されている。アルミニウム膜（第２容量電極）８４０の面積は、図１３Ａに示される素子７００における容量７７０に比較して任意に大きな容量を形成することができる面積である。アルミニウム膜８４０は、第２端子としても機能する。
【０１０４】
確認実験４〜６では、素子８００の電気特性の測定を目的としていることから、反応部を形成せずに、反応部の代わりに所望の電圧Ｖ２を印加するための裏面電極８６０を設けた。裏面電極８６０は、酸化シリコン膜８３０上に銀ペーストを塗布し、乾燥させることで作製した。
【０１０５】
図１９は、確認実験４〜６で用いた３種類の実験回路を示す図である。図１９Ａに示される回路は、シリコン基板８１０とアルミニウム膜８４０との間に形成される容量８７０に電荷を蓄積するための回路である。図１９Ｂに示される回路は、シリコン基板８１０に電荷を蓄積した後に、第３端子８５４および第４端子８５６間の電流Ｉ１を測定するための回路である。図１９Ｂに示される回路では、シリコン基板８１０は、電源から切り離された孤立状態である。図１８Ｃに示される回路は、シリコン基板８１０に電荷を蓄積した後に、裏面電極８６０を外部容量に接続した状態で、第３端子８５４および第４端子８５６間の電流Ｉ１を測定する回路である。図１９Ｃに示される回路では、裏面電極８６０を外部容量に接続することで、反応部における認識物質と被検出物質との反応で生成する孤立電荷を模擬している。
【０１０６】
（確認実験４）
確認実験４では、電荷注入用の印加電圧（ＶＣ）と、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）との関係を確認した。
【０１０７】
図１９Ａに示される回路において、シリコン基板８１０とアルミニウム膜８４０との間に形成された容量８７０に電圧ＶＣを印加し、シリコン基板８１０内に印加電圧ＶＣに見合う電荷を蓄積させた。次いで、図１９Ｂに示される回路において、第３端子８５４−第４端子８５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）を測定した。この手順の測定を、印加電圧ＶＣを０Ｖから−４Ｖまで０.１Ｖ間隔で変えながら繰り返し行った。
【０１０８】
図２０は、測定結果を示すグラフである。このグラフから、素子７００と同様に、シリコン基板８１０内に電荷を蓄積するための印加電圧ＶＣを適切に選択することで、可変抵抗素子８５０に流れる電流（Ｉ１）の変化の検知感度を向上させうることが分かる。なお、素子７００と素子８００とで得られた特性曲線の向きが異なるのは、シリコン基板８１０にドープされた不純物の極性、第３端子８５４および第４端子８５６にドープされた不純物の極性および印加電圧の極性が逆であるためである。
【０１０９】
（確認実験５）
確認実験５では、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）の経時変化を確認した。
【０１１０】
図１９Ａに示される回路において、シリコン基板８１０とアルミニウム膜８４０との間に形成された容量８７０に−３Ｖの電圧ＶＣを１５秒間印加し、シリコン基板８１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１９Ｂに示される回路において、第３端子８５４−第４端子８５６間に１Ｖの電圧（Ｖ１）を印加した状態で、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）の経時変化を測定した。
【０１１１】
図２１は、測定結果を示すグラフである。図２１Ａと図２１Ｂとでは、縦軸の数値範囲が異なっている。これらのグラフから、シリコン基板８１０に蓄積された電荷で決まる、可変抵抗素子８５０に流れる電流（Ｉ１）は、時間が経過してもほとんど変化しないことがわかる。これは、シリコン基板８１０とアルミニウム膜８４０との間に形成された容量８７０の効果によるものと考えられる。これらのことから、シリコン基板８１０とアルミニウム膜８４０との間に容量８７０を形成することで、素子８００における孤立電荷リークの影響を解消できることがわかる。
【０１１２】
（確認実験６）
確認実験６では、本発明のセンサーが反応部において生成した電荷を検出できるかどうかを確認するために、素子８００が裏面で生成した電荷を検出できるかどうかを確認した。
【０１１３】
まず、図１９Ａに示される回路において、シリコン基板８１０とアルミニウム膜８４０との間に形成された容量８７０に−３Ｖの電圧ＶＣを１５秒間印加し、シリコン基板８１０内に所定量の電荷を蓄積させた。次いで、図１９Ｃに示される回路において、ＳＷ３を切り離した状態で、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）を測定した（測定Ｎｏ.１）。以後、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）を継続して測定した。第３端子８５４−第４端子８５６間の印加電圧Ｖ１は、１Ｖとした。
【０１１４】
次いで、図１９Ｃに示される回路において、ＳＷ１およびＳＷ２を接続し、ＳＷ３を切り離して外部容量Ｃに−１Ｖの電圧Ｖ３を印加し、負電荷を蓄積させた。この後、ＳＷ１およびＳＷ２を切り離すとともにＳＷ３を接続して外部容量Ｃに蓄積された電荷を裏面電極８６０に伝達させた後、ＳＷ３を切り離した状態で、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）を測定した（測定Ｎｏ.２）。
【０１１５】
次いで、ＳＷ１およびＳＷ２を接続し、ＳＷ３を切り離して外部容量Ｃに−２Ｖの電圧Ｖ３を印加し、負電荷を蓄積させた。この後、ＳＷ１およびＳＷ２を切り離すとともにＳＷ３を接続して外部容量Ｃに蓄積された電荷を裏面電極８６０に伝達させた後、ＳＷ３を切り離した状態で、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）を測定した（測定Ｎｏ.３）。外部容量Ｃに印加する電圧の切り替えは、４０秒ごとに行った。
【０１１６】
以後同様に、−３Ｖの電圧Ｖ３、−４Ｖの電圧Ｖ３を外部容量に順次印加して、ＳＷ３を切り離した状態で、第３端子８５４−第４端子８５６間の電流（Ｉ１）を測定した（測定Ｎｏ.４，５）。
【０１１７】
図２２は、測定結果を示すグラフである。図２２において、「Ａ」は−１ＶのＶ３を印加したタイミングを示し、「Ｂ」は−２ＶのＶ３を印加したタイミングを示し、「Ｃ」は−３ＶのＶ３を印加したタイミングを示し、「Ｄ」は−４ＶのＶ３を印加したタイミングを示す。また、丸数字は、測定Ｎｏ.を示す。このグラフから、外部容量Ｃに電荷を蓄積する印加電圧Ｖ３に応じて、可変抵抗素子８５０を流れる電流Ｉ１が変化することがわかる。これは、素子８００が裏面で生成した電荷を検出できることを意味する。
【０１１８】
以上の結果から、本発明のセンサーでは、裏側の反応部で生成した電荷を検出できることがわかる。
【０１１９】
本出願は、２０１２年１０月１８日出願の特願２０１２−２３０７４０に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明に係るセンサーは、例えば、感染症の検出や、食物の安全性の確認、環境汚染物質の検出などに適している。
【符号の説明】
【０１２１】
１０  センサー
１１  シリコン基板
１２  第１絶縁膜
１３  第２絶縁膜
１４  チャネル
１５  ソース電極
１６  ドレイン電極
１７  反応部
１８  ゲート電極
１９  認識物質
２０  実験用素子
１００，１００ａ，１００ｂ，３００，４００，５００，６００  センサー
１１０，３１０  第１容量電極
１１２，３１２，７１２，８１２  第１端子
１２０，３２０，４２０  第１絶縁膜
１３０  第２絶縁膜
１４０，３４０，５４０，６４０，８４０  第２容量電極
１４２，３４２，８４２  第２端子
１５０  可変抵抗素子
１５２，３５２  基体
１５４，３５４，７５４，８５４  第３端子
１５６，３５６，７５６，８５６  第４端子
１６０  反応部
１６２  認識物質
１７０  容量
２００，２００’  センサーモジュール
２１０  センサーモジュール基板
２１２  接続端子
２１４  第５端子
２１６  第６端子
２２０  導電性固着材
３８０，６８０  層間膜
５８０ａ  第１層間膜
５８０ｂ  第２層間膜
７００，８００  素子
７１０，８１０  シリコン基板
７２０，７３０，８２０，８３０  酸化シリコン膜
７５０，８５０  可変抵抗素子
７５２，８５２  ノンドープポリシリコン膜
７６０，８６０  裏面電極
７７０，８７０  シリコン基板と第２端子との間に形成される容量
８４０  アルミニウム膜
【図１】
2014061273.tif 000003
【図２】
2014061273.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014061273.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014061273.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2014061273.tif 000015
【図１４】
2014061273.tif 000016
【図１５】
2014061273.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2014061273.tif 000019
【図１８】
2014061273.tif 000020
【図１９】
2014061273.tif 000021
【図２０】
2014061273.tif 000022
【図２１】
2014061273.tif 000023
【図２２】
2014061273.tif 000024
【国際調査報告】
2014061273.tif 000025
2014061273.tif 000026
2014061273.tif 000027