(57)【要約】【課題】ｃＭＵＴ（容量型マイクロマシン加工トランスデューサ）技術に基づくセンサーを提供する。【解決手段】本発明に係るセンサーは、複数のセンサー素子のアレイを含むが、センサー素子を１つのみ含んでもよい。センサー素子は、支持フレームによって基材上に支持された機能性膜を含む。これらの機能性膜、支持プレーム、及び基材は、共に真空ギャップを形成する。センサー素子は、このセンサー素子を開回路共振周波数状態下又はその付近で作動させるように構成された電気回路に接続している。機能性膜の機械的共振周波数は、膜への物質の結合に応答する。したがって、センサーは、センサー素子の機械的共振周波数に応答するセンサー出力を提供する検出器をも含む。【選択図】図４
2009511880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサー素子を含むセンサーであって、
それぞれの前記センサー素子は、
（ａ）第１の電極を含む機能性膜と、
（ｂ）前記第１電極と共にコンデンサを形成する第２の電極を含む基材と、
（ｃ）前記機能性膜及び前記基材と共に真空ギャップを形成する支持フレームと、
（ｄ）前記コンデンサを含み、且つ前記センサー素子の機械的共振周波数に応答するセンサー出力を提供する電気回路とを含み、
前記センサー素子の前記機械的共振周波数は、前記機能性膜への物質の結合に応答し、
前記電気回路は、開回路共振状態下又はそれに近い状態で前記センサー素子を作動させるように構成されていることを特徴とするセンサー。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサーであって、
約１ＭＨｚよりも大きな周波数で作動することを特徴とするセンサー。
【請求項３】
請求項１に記載のセンサーであって、
約１〜１００ＭＨｚの間の周波数で作動することを特徴とするセンサー。
【請求項４】
請求項１に記載のセンサーであって、
気体環境で作動するように構成されていることを特徴とするセンサー。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサーであって、
液体環境で作動するように構成されていることを特徴とするセンサー。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサーであって、
前記機能性膜は、シリコンを含むことを特徴とするセンサー。
【請求項７】
請求項１に記載のセンサーであって、
前記真空ギャップは、約０．１〜５μｍの間の高さを有することを特徴とするセンサー。
【請求項８】
請求項１に記載のセンサーであって、
ＤＣバイアス源をさらに含むこと特徴とするセンサー。
【請求項９】
請求項１に記載のセンサーであって、
前記膜は、ポリマーゲル・マトリックスで機能化されることを特徴とするセンサー。
【請求項１０】
請求項１に記載のセンサーであって、
少なくとも約５０のＱ値を有することを特徴とするセンサー。
【請求項１１】
請求項１に記載のセンサーであって、
当該センサーは、複数の基準素子をさらに含み、
それぞれの前記基準素子は、
（ａ）第１の電極を含む非機能性膜と、
（ｂ）前記第１電極と共にコンデンサを形成する第２の電極を有する基材と、
（ｃ）前記非機能性膜及び前記基材と共に真空ギャップを形成する支持フレームと、
（ｄ）前記コンデンサを含み、且つ前記基準素子の機械的共振周波数に応答する基準出力を提供する電気回路とを含み、
前記電気回路は、開回路共振状態下又はそれに近い状態で前記基準素子を作動させるように構成されていることを特徴とするセンサー。
【請求項１２】
請求項１１に記載のセンサーであって、
前記基準素子は、少なくとも１つのセンサー素子の機械的共振周波数と同じ機械的共振周波数で作動するように構成されていることを特徴とするセンサー。
【請求項１３】
請求項１に記載のセンサーであって、
それぞれの前記センサー素子は、他の前記センサー素子と同じ又は異なる機械的共振周波数で作動することを特徴とするセンサー。
【請求項１４】
請求項１に記載のセンサーであって、
それぞれの前記センサー素子は、他の前記センサー素子と同じ又は異なる化学作用で機能化されることを特徴とするセンサー。
【請求項１５】
請求項１に記載のセンサーであって、
前記センサー出力は、前記機械的共振周波数の基本モード及び調波に応答することを特徴とするセンサー。
【請求項１６】
請求項１に記載のセンサーであって、
前記センサー素子を加熱する加熱源をさらに含むことを特徴とするセンサー。
【請求項１７】
請求項１６に記載のセンサーであって、
前記電気回路は、前記機能性膜からの結合物質の熱脱離に応答するセンサー出力をさらに提供することを特徴とするセンサー。
【請求項１８】
請求項１に記載のセンサーであって、
少なくとも１つのサーミスタをさらに含むことを特徴とするセンサー。
【請求項１９】
請求項１に記載のセンサーであって、
当該センサーは、少なくとも１つのさらなるセンサーを含み、
前記少なくとも１つのさらなるセンサーもまた、複数のセンサー素子を含むことを特徴とするセンサー。
【請求項２０】
複数のセンサー素子を含むセンサーであって、
それぞれの前記センサー素子は、
（ａ）機能性膜と、
（ｂ）基材と、
（ｃ）前記機能性膜及び前記基材と共に真空ギャップを形成する支持フレームと、
（ｄ）開回路共振状態下又はそれに近い状態で前記センサー素子を作動させるように構成された電気回路と、
（ｅ）前記センサー素子の機械的共振周波数に応答するセンサー出力を提供する検出器とを含み、
前記センサー素子の前記機械的共振周波数は、前記機能性膜への物質の結合に応答することを特徴とするセンサー。
【請求項２１】
請求項２０に記載のセンサーであって、
前記検出器は、光学検出器、磁気検出器、圧力検出器、及びキャパシタンス検出器であることを特徴とするセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に検出装置に関連する。さらに具体的には、本発明は、化学的に機能化されたマイクロマシン加工センサー素子に関連する。
【背景技術】
【０００２】
共振センサーでは、標的分子が検出材料に吸着し、それによって、センサーの特性が変化し、その変化が共振周波数に反映される。様々なカンチレバー、膜、及び圧電共振器に基づくセンサーが、ＭＥＭＳ技術を用いて作成されてきた。これらのセンサーは、一般的に、特定の物質又は物質のセットを特異的に吸着するポリマー・フィルム又はコーティングを介して物質を検出する。これらのセンサーはある程度の感度を有するが、様々な利用においては、さらに優れた感度を有するセンサーが望ましい。
【０００３】
容量型マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（capacitive micromachined ultrasonic transducer：ｃＭＵＴ）は、基材と絶縁体によって基材の上に支持された膜とを有するマイクロマシン加工装置である。基材と膜との間に様々な電圧をかけると、膜は振動し、超音波周波数の音波を発するようになる。ｃＭＵＴアレイは、１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の超音波ビームのパターンを空気中又は水中で送信及び受信するために使用されてきた。これらのｃＭＵＴが１に近い電気機械結合係数を発生させるためには、コンデンサの隙間に高電場（Ｅ＞１０８Ｖ／ｍ）を加える必要がある。
【０００４】
ｃＭＵＴは、主に医学画像の撮像に使用される。ｃＭＵＴはまた、流体を介して送信又は受信された超音波シグナルの処理に基づいて、様々な流体特性を間接的に測定するのに使用される。従来のｃＭＵＴ装置及びその利用においては、ｃＭＵＴ素子は、ｃＭＵＴ素子と周囲環境との間に超音波エネルギーを送信及び／又は受信するために使用される。さらに、信頼性の高い一貫性のある作動を確実にするために、ｃＭＵＴ素子の膜は、通常、化学物質、光、及び装置の作動の特性を変える又は妨害する他の環境要因に対して反応しないように設計されている。しかしながら、ｃＭＵＴ装置は、その共振特性により、ＭＥＭＳカンチレバー、膜、及び圧電共振子に基づいたセンサーと同様な方法でセンサーとして使用できる可能性を秘めている。したがって、当該技術分野では、ｃＭＵＴ技術に基づいたセンサーを開発する必要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、マイクロマシン加工超音波トランスデューサ技術に基づいたセンサーを提供する。センサーは、好ましくは、複数のセンサー素子を含むが、センサー素子を１つのみ含んでもよい。ある実施形態では、これらのセンサー素子のそれぞれは、機能性膜と基材とを含む。センサー素子は、基材と機能性膜と共に真空ギャップを形成する支持フレームをさらに含む。センサーは検出器と連結しており、この検出器は、センサー素子の機械的共振周波数に応答するセンサー出力を提供する。センサー出力は、機械的共振周波数の基本モード及び調波の両方に応答し得る。一方、機械的共振周波数は、機能性膜への物質の結合に応答する。センサー素子は、さらに電気回路を含む。この電気回路は、開回路共振状態下（open circuit resonance condition）又はそれに近い状態でセンサー素子を操作するように構成されている。この実施形態のセンサーでは、機械的共振周波数における変化は、光学検出器、磁気検出器、機械的圧力検出器、又はキャパシタンス検出器によって検出され得る。
【０００６】
他の実施形態では、それぞれのセンサー素子は、第１の電極を有する機能性膜と第２の電極を有する基材とを含む。第１及び第２の電極は、コンデンサを形成する。それぞれのセンサー素子は支持フレームをさらに含み。支持フレーム、機能性膜、及び基材は真空ギャップを形成する。この実施形態では、センサー素子は、コンデンサを有する電気回路をも含む。この電気回路は、センサー素子の機械的共振周波数に応答するセンサー出力を提供する。センサー出力は、機械的共振周波数の基本モード及び調波の両方に応答し得る。機械的共振周波数は、機能性膜への物質の結合に応答する。電気回路は、開回路共振状態下又はそれに近い状態でセンサー素子を操作するように構成されている。したがって、電気回路は、好ましくは、ＤＣバイアス源をさらに含む。
【０００７】
本発明に係るセンサーは、好ましくは、１ＭＨｚよりも大きな周波数において、より好ましくは、約１〜１００ＭＨｚの間の周波数で作動する。また、センサーは、好ましくは、少なくとも約５０のＱ値を有する。センサー素子は、好ましくは、高さが約０．１〜５μｍの真空ギャップを有する。本発明に係るセンサーは、気体環境又は液体環境で作動し得るが、好ましくは、気体環境（例えば、空気）で作動する。
【０００８】
好ましくは、本発明に係る膜は、シリコンで作成され、ポリマーゲルのマトリックスで機能化される。それぞれのセンサー素子は、同じ化学作用（chemistry）又は異なる化学作用で機能化される。
【０００９】
好ましい実施形態では、センサーは、基準素子（reference element）をも含む。基準素子は、好ましくは、第１の電極を有する非機能性膜と第２の電極を有する基材とを含む。第１及び第２の電極は、コンデンサを形成する。基準素子は支持フレームをも含む。これらの支持フレーム、非機能性膜、及び基材は、真空ギャップを形成する。基準素子は、コンデンサを含む電気回路をさらに含む。この電気回路は、機械的共振周波数に応答する基準出力を提供する。電気回路は、開回路共振状態下又はそれに近い状態で基準素子を操作するように構成されている。非容量型センサーが使用される場合、基準素子は、電極を含まず、その代わりに検出器（基準素子の機械的共振周波数を例えば光学的に、圧電的に、又は磁気的に検出するもの）を含む。どちらの場合でも、基準素子は、少なくとも１つのセンサー素子と同じ又は異なる機械共鳴周波数で作動するように構成されてもよい。
【００１０】
センサーは、センサー素子を加熱する加熱源をさらに含み得る。この場合、電気回路は、機能性膜からの結合物質の熱離脱に応答するセンサー出力をさらに提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は複数のセンサー素子を含むセンサーを提供する。図１は、これらのセンサー素子の２つの例に関する概略的な断面図である。図１Ａに示されているセンサー素子は、機能性膜１１０を含む。機能性膜１１０は、支持フレーム１３０によって基材１２０の上に支持されている。機能性膜１１０、支持フレーム１３０、及び基材１２０は、真空ギャップ１４０を形成する。真空ギャップの高さは、好ましくは、約０．１〜５μｍの間である。センサー素子は、コネクタ１５２を介して検出器１５０に連結している。検出器１５０は、機能性膜１１０の機械的共振周波数を検出できる如何なる種類の検出器であってもよい。検出器の例として、それらに限定されるものではないが、例えば、光学検出器、機械的圧力検出器、及びキャパシタンス検出器がある。
【００１２】
本発明のある実施形態では、機能性膜１１０は熱的（熱又は熱雑音を加えることによって）又は電気的に駆動され、機能性膜１１０のたわみ及び共振周波数のシフトを検出するために光学検出器が使用される。干渉法による光学検出技術が、この実施形態に適切であり、米国特許第６，５６７，５７２号（Degertekin et al.）（参照により、本発明に含まれるものとする）に記載されている。本発明の他の実施形態では、機能性膜１１０は、検出物質と結合する圧電薄膜又は磁性膜を有し得る。共振機能性膜１１０は、コンデンサ作用（ｃＭＵＴ）、表面上の圧電薄膜（ｐＭＵＴ）若しくは磁性膜（ｍＭＵＴ）によって働き得る。或いは、膜の変形を、キャパシタンスの変化、磁場の変化、圧電の変化、圧電シグナルの変化、若しくはピエゾ抵抗効果による抵抗変化を測定することによって、又は光学的に干渉計若しくは膜への物質の結合による膜の位置変化を測定する他の任意の検出手段を使用することによって直接測定することができる。
【００１３】
好ましくは、機能性膜１１０は、少なくとも約１ＭＨｚの共振周波数、より好ましくは、約１〜１００ＭＨｚの間の共振周波数で作動する。また、好ましくは、センサーは、少なくとも５０のＱ値を有する。
【００１４】
図１Ｂに示されている好ましい実施形態では、機能性膜１１０が第１の電極１１２を有し、基材１２０が第２の電極１２２を有する。この場合、機能性膜１１０及び基材１２０は、薄膜から作成される。これらの薄膜は、実質的に互いに平行な平板コンデンサであり、それらの間には、隙間がある。この実施形態の好ましい態様では、上に機能性膜が作成されている導電性のシリコン・ウエハー（即ち、基材１２０）はコンデンサの１つのプレートを形成し、機能性膜１１０上の金属電極１１２はコンデンサの他方のプレートとなる。絶縁支持体１３０によって支持されている機能性膜１１０は、一般的に絶縁体（通常は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で作成されており、金属電極１１２に覆われている。低温酸化保護層が電極１１２及び機能性膜１１０を被覆する場合がある。この種類のセンサーの典型的な共振周波数応答が図２に示されている。ある実施形態では、機能性膜１１０は、大きな表面積を有するように構成されている（例えば、垂直なトレンチを加えることによって、又は膜の一部分を多孔性にすることによって）。このようにすると、同一種の分子をより多く膜に結合させ、質量負荷又は応力を増加させることができるので、感度を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係るセンサーを使用するための一般的な回路は、ピアス発振器（Pierce oscillator）と呼ばれるものであり、図３にその変形型の１つが示されている。この回路は、センサー素子３１０と、抵抗器３２０と、コンデンサ３３０と、インダクタ３４０と、ＤＣ電圧源３５０と、センサー出力３６０と、トランジスタ３７０と、接地接続点３８０とを含む。センサー素子の共振電気入力インピーダンスを用いることによって、他の多くの回路で共振回路を構築することができる。これらの回路の出力は正弦波信号（その周波数が関心のある測定値である）である。
【００１６】
一般的に、センサー素子は、増幅器のフィードバックループに設置されている。増幅器の利得は、回路が発振するように調節されている。発振器の周波数は、センサー素子に加えられるＤＣバイアスを調節することによって調整される。このＤＣバイアスを調節することによって、共振周波数又は発振周波数がセンサー素子の開回路共振周波数の付近に設定される。これは、発振回路のノイズを減少させることで、センサー素子の感度を増加させるために行われる。センサー素子の膜の上に任意の物質が付着する場合、その開回路共振周波数はシフトし、それによって、発振回路で周波数がシフトするようになる。発振器の共振周波数を測定することによって、膜の上に付着した物質の質量を求めることができる。
【００１７】
図４は、センサー４１０のアレイを含む、本発明のある実施形態におけるセンサー・デバイス４００の概略的な断面図である。この例では、それぞれのセンサー４１０は２つのセンサー素子を含み、それぞれのセンサー素子はセンサー膜４１２と支持フレーム４１４と基材４１６と真空ギャップ４１８とを有する。しかしながら、各センサーに、あらゆる数のセンサー素子を使用することができる。或いは、複数のセンサー素子を有する１つのセンサーを使用することもできる。各センサー膜４１２の外表面は、１つ以上の特定の化学物質との親和性を有するようにするために、化学的に機能化される。化学的機能化に関しては、特定の爆発物質又はバイオハザードを示す化学物質を検出するのに適したものを選択する。また、香料及び他の香気物質、並びに商業及び工業的利用で使用される他の化学物質を検出するのに適したものを選択することもできる。センサー素子は、付着する化学物質による質量負荷及び応力負荷に対する検出感度、並びにピアス発振器又は膜特性の変化を検出するのに使用される他の種類の発振器などの電気回路に対する適性に基づいて設計される。膜表面を化学機能化することにより、周囲環境に存在する特定の化学物質が膜４１２の表面に結合するようになる。その結果、センサー素子の作動特性（例えば、キャパシタンス又は共振周波数）が変化する。
【００１８】
そこで、センサー素子の作動特性における変化を検出することによって、周囲環境に存在する化学物質を測定することができる。例えば、センサー素子のキャパシタンスを測定することによって、又は機能性膜の共振周波数における変化を測定することによって、センサー素子の特性における変化を検出することができる。ウエハー４３０間の相互接続部４２０は、センサー４１０を電子層４６０に電気接続する。相互接続部４２０は、アンダーフィル４４２及びハンダボール４４０によって電子層４６０から分離している。この図ではハンダバンプが示されているが、ウエハー４３０とウエハー４５０との間を、当該技術分野で公知の任意の方法（例えば、異方性導電膜を使用して）で接続することができる。電子層４６０は、センサーの作動特性を駆動及び検出するための適切な電気回路網を含む。信号を処理して特定の物質の存在を示すために、センサー装置に信号処理装置４７０が接続している場合がある。信号処理装置は、センサーからの周波数出力信号を測定及び追跡記録し、特定の物質の存在を示す。
【００１９】
図５は、本発明に係るセンサーの一例を示す。この例では、センサーの作動特性を駆動及び検出するために、センサー素子の１６×１６アレイ５１０（全部で２５６、４ｍｍ×４ｍｍ）がカスタム集積回路（ＩＣ）５２０と連結している。カスタムＩＣには、それぞれのセンサー素子の下に共振器回路が設けられている。また、データの回収、処理、及び保存のために、カスタムＩＣには、これらの共振回路の出力を外部周波数カウンタ及びデジタルコンピュータに提供するためのマルチプレクサが設けられている（不図示）。ＩＣをパッケージ５４０に接続させるために、金線５３０が使用される。
【００２０】
機能性膜の材料特性及び大きさによって、センサー素子の共振周波数が決まる。電気機械結合係数を高くするために、真空ギャップで高電場を維持する目的で機能性膜にＤＣバイアスが加えられる。例えば、直径が１２μｍ及び厚さが０．４μｍの窒化ケイ素膜は、４２ＭＨｚの周波数で共振する。直径が１２μｍの１１０個のセンサー素子から作成されたこのようなデバイスの一般的な入力抵抗（即ち、入力インピーダンスの実部）が図６で示されている。それぞれのセンサー素子は、発振回路の共振タンクとして使用される（この場合、共振周波数シフトは、膜における質量負荷の量を示す）。このような共振装置の感度は、周波数に対する周波数シフトの比として定義される。つまり、Δｆ／ｆ＝−Δｍ／２ｍであり、Δｍは膜の全質量に対する質量変化（即ち、センサーに付着する化学物質の質量）である。このセンサーは、５０ＭＨｚの帯域で作動すると、５０ｋＨｚの周波数帯域におけるカンチレバーの感度よりも大きな感度を有するようになるであろう。
【００２１】
ある実施形態では、基本モードの共振周波数応答に加えて、膜の一連の高調波が測定される。検出層（例えば、ポリマー）の粘弾性特性は、吸収／吸着に影響される。これらの特性は、高次モードの減衰及び振幅の周波数依存性を測定することによって引き出される。これらの測定により、構造物の共振周波数に加えて化学情報が得られる。例えば、異なる質量負荷、ポリマーの膨張、及びヤング係数における変化は、モードｎ＝１、２、３、４などの振幅Ａｎ及びＱ値Ｑｎを介して検出される。オフ共振応答（Off-resonance response）からも、粘弾性に関する情報が得られ得る（機械応答の傾きから）。場合によっては、幾つかの調波で応答を高めるようにセンサー素子の膜を設計することができる。
【００２２】
他の実施形態では、感度は、検出層に分子を融合又は収集することによって増大する。ここでは、関心のある分子に強く結合する層を気体又は液体に露出することで、関心のある分子が検出層に融合する。露出温度は、化学脱離速度に依存し、分子によって室温である場合もあれば、より低温である場合もある。センサー素子は、熱パルス又は線形的になるようにプログラミングされた温度変化で加熱される場合がある。この加熱の間、分子は脱着する。一般的に質量分析システム又は重量測定（熱重量分析）を利用する熱脱着分析と同様に、共振周波数及びＱ値における変化によって、特定の脱着プロファイルが示される。脱着温度は、吸収媒−吸収質の相互作用の化学特性に影響を受けるパラメータである。脱着の１サイクルの後、第２のサイクルが、ベースラインとして第１サイクルから差し引く標準キャリブレーションを得るために使用される場合がある。第２の熱サイクルでは、熱機械的に誘発された変化が共振周波数に反映するようになる。
【００２３】
センサー素子のアレイに電極を使用すると、アレイの個々の素子を容易に加熱することができる。センサー素子の構造により、また、その大きさが小さいことにより、低エネルギー消費、低熱負荷、及び短い応答時間（ミリ秒未満）が可能となる。後者は、脱着プロファイルにおける優れた分解能に非常に重要である。（ａ）小さなサーモカップル、（ｂ）ピエゾ抵抗層、及び他の手段を組み込むことで温度を読み取ることができることを留意されたい
。加熱中の実際の温度プロファイルにより、相転位、加熱効果、又は冷却効果に関する情報が得られる。バイモルフ素子であるセンサーの構造物は、バイメタル効果で機能する熱センサー素子のアレイの作成に容易に最適化することができる。熱センサー素子では、熱変化は、共振周波数及び静的曲げの両方において変化を引き起こす。カンチレバーを使用する従来の実験と同様に、示差走査熱量測定法（differential scanning calorimetry：ＤＳＣ）などの異なる熱量分析を行うことで、物質を同定するためのさらなるデータを得ることができる。また、触媒層を使用することでも、化学反応によって生じた化学物質又は生化学物質（例えば、ＣＯ＋Ｏ＝ＣＯ２（プラチナによって触媒される））を熱で同定することが可能となる。
【００２４】
他の実施形態では、センサーには、赤外線−紫外線照射への応答が利用される。特定の化学物質は、電子励起及び／又は振動励起を引き起こす吸収帯を示す。これらの全ての吸収により、構造物／検出層に熱負荷が生じる。したがって、金属フタロシアニンなどのセンサー材料における変化、又は化学物質の存在により、応力、周波数、及び電界偏向が変化する。チョップされたビームの入射長（incident length）の走査、又は異なる周波数におけるレーザ若しくはＬＥＤの応答が、アレイと共に、液体、気体、又は真空で検体を特異的に検出するのに使用され得る。
【００２５】
液体環境又は固体電極環境で使用されるセンサーでは、電気化学ポテンシャルを利用して液体のサイクログラム（cyclogram）を作成することで、電気化学的に化学物質を検出できる。これは、生化学検出にも利用できる。
【００２６】
センサーは、単一のセンサー素子、センサー素子の一次元アレイ、又はセンサー素子の二次元アレイを含み得る。本発明のある実施形態では、センサーは、１つのセンサー素子で形成される。カンチレバーをそのままセンサーとして使用できるのと同様に、センサー素子をそのままセンサーとして使用することができる。或いは、複数のセンサー素子を並行的に使用して１つのセンサーを形成する（複数のセンサー素子からのシグナルが、コヒーレントに検出されるように）。複数のセンサー素子からのシグナルをコヒーレントに検出することには、誤報の可能性を低下させるなどの様々な利点がある。
【００２７】
同様に、複数のセンサーを組み合わせてセンサーの一次アレイ又は二次アレイを形成することができる。二次アレイの利点は、センサー素子を有する多くのセンサーをウエハー全体に装着することができる点である。一次アレイの場合、表面に空間ができる。この表面空間は、電子部品をセンサー素子に隣り合うように組み込むことに使用される。好ましい実施形態では、フリップチップが二次元センサー配列に連結している、又はセンサー配列の下に作成されている。
【００２８】
多くのセンサー素子が１つのセンサーを形成するセンサー装置は、センサーの電気インピーダンスを確立する点で有用である。さらに重要な点は、このようなセンサー装置においてセンサーの全ての膜又はセルが並行に作動することで誤報が減少する（仮に１つのセンサー素子が虚偽の信号を発する場合、他のセンサー素子によって正しい判断が行われる）という点である。センサー又はセンサー素子を多く有する（それらの多くは同じように機能化されている）ことで、誤報の率を減少させ、所定の物質に関してより正しく、且つ安定的に測定を行うことができる。
【００２９】
センサーが複数のセンサー素子を含む場合、これらの複数のセンサー素子の膜が異なる共振周波数を有する場合があることを留意されたい。膜が低周波数で作動する場合、センサーはセンサーにかかる応力に対してさらに感度を増す。一方、膜が高周波数で作動する場合は、センサーは質量負荷に対してさらに感度を増す。したがって、１つのセンサーで様々な作動周波数を組み合わせると、センサーはより多様な能力を有することになる。
【００３０】
このような実施形態では、電子部品は好ましくはセンサーと一体化しており、複数の素子は並行に接続しており、且つセンサーは異なる周波数で作動する（使用される出力ラインは１つ）。そのため、異なる周波数で作動する種々のセンサー素子が構築される。例えば、センサー素子の列は、４５〜５５ＭＨｚ（０．１ＭＨｚ間隔で）で共振するように作成することができる。このようなデバイスに高密度波長分割多重（dense wavelength division multiplexing：ＤＷＤＭ）の原理を使用することできる。ドッグノーズ（Dog Nose）型センサー用のセンサーは、複数のキャパシタ膜を並行に接続させて（全てのセンサー素子が金属電極に部分的に又は全体的にカバーされているため）作成する場合がある。センサー素子の直径を変えることで、センサー素子と共に作成された共振回路の作動周波数を変えることができる。異なる周波数で作動するセンサーは、電子部品を一体化する点、同じチャンネルにおいて異なる周波数で情報を送信する点、並びに共振回路の共振周波数のシフトに対する応力及び質量負荷の効果を分離する点で有利である。
【００３１】
ある実施形態では、センサーは、基準素子（reference element）をも含む。基準素子は、センサー素子の機能性膜の代わりに非機能性膜を含む。基準素子として使用される素子の数は、実験で容易に決定することができる。一般的に、センサーの１〜５０％は、機能の無い状態で基準として使用される。また、温度補償のための温度測定を行うために、センサーのアレイにサーミスタが組み込まれる場合がある。また、非機能性センサー及び機能性センサーは、差動対として使用される。その場合、この２つのセンサーの共振周波数は同じになるように構成されており、相違によって温度効果が控除される（subtract out）。
【００３２】
ある実施形態では、単一の要素を同定する目的で、複数の機能化物質（functional agent）を使用して、ユニークな反転（inversion）を抽出するための物理／化学ベースのモデルを開発するために、複数のセンサーの大きなアレイ、又は複数のセンサー素子が並んだ単一のセンサーが使用される。具体的には、異なる機能化化学物質（functionalizing chemistries）を使用して特定の化学種に対する感度に関するデータを収集することにより、複数のセンサー又はセンサー素子の出力を異なる化学種に関連するより正確なモデルの開発が可能となる。このようなモデルは、機器の部品が複数の入力及び制御変数（温度、圧力、流速など）を有する、及びプロセスの結果が膜厚、化学量、又はそのような任意の変数に表れるＩＣ製造において標準的なものである。物理ベース又はデータベースの実験モデルは、出力を入力と関連づけることで所望の出力プロダクト（output product）を提供するより優れた方策を得るために構築される。優れた感度で特定の種を同定する様々な機能化が行われる複数のセンサー（又はセンサー素子）でも同様なものが使用される。
【００３３】
本発明に係るセンサー・アレイの主要な利点の１つは、同じウエハー上に多くのセンサー素子を並べることができる点である。これらの全てのセンサー素子は、チップ間接続（chip-to-chip bonding）によって、センサーを共振器として設定するのに、且つ電子装置で分析及び計算される出力（検出される化学種及びその量に関するものである）を提供するのに必要な全ての電子回路を備えたウエハーと一体化され得る。モデルベースの検出を介して、並びに虚偽信号を除去及び減少させるための複数の測定を介してより正確な測定を行うために、多数のアレイが設けられる。
【００３４】
ある実施形態では、センサー素子のアレイは、様々なセンサー材料によって機能化される。例えば、１０の冗長度（redundancy factor）を有する約５００個のポリマーがポリマー・センサーに使用され得る。応答の直交性（orthogonality of response）などの特定の応答、作動モード（温度、積分時間など）、ライフタイム、及び環境又は他の破壊的影響に対する感度が、標的分子及び阻害物質を使用して試験され得る。システムは、その後、自己最適化に基づいて、最も感度の高いポリマー・セット（例えば、１０ポリマー）及び作動の最適なモードを選択し得る。この方法により、異なる顧客、企業（食品、香水関連の）、医療関係者（吐息、尿、血液検査）、セキュリティー関係者、軍がすばやくプロトタイプの解決策を得ることができる。プロトタイプ及び公知の応答関数を将来開発するために、このデータをデータベースに組み込むことができる。
【００３５】
本発明の様々な実施形態におけるセンサー素子のアレイの重要な特徴は、個別に作動するアレイ中の多くのセンサー素子によって大量の冗長が可能であるという点である。例えば、５０００個のセンサー素子のアレイでは、５０の検出物質及び基準物質を使用することで１００の冗長度が得られる。これにより、化学物質検出の失敗の原因となり得るアレイ内の誤報又は欠陥素子がデバイスの作動に影響しない。この冗長性は、アレイの自己較正及び学習特性にも重要である。その結果、欠陥素子、並びにデバイスの制御及び解析ポテンシャルをオンザフライで最適化することができる。さらに、異なる場所に設置された検出機器が、テロ活動の兆候と見なされ得る新規の脅威的な化学物質を検出できるようになる。
【００３６】
異なる環境における長期の操作の間、湿度、空気の組成、汚染、温度などの変化は、ガスのセンサー・アレイに一時的なシフトを引き起こす場合がある。このシフトは、センサー素子の周波数、Ｑ値、脱着プロファイルのなどに反映する。較正を常に維持するために、デバイスを、検出しようとしているわずかな量（ｐｐｂ単位の）の一連のガスに定期的に（例えば、１時間に１回）暴露する場合がある（例えば、ジニトロトルエン（dinitro-toluene：ＤＮＴ））。このような暴露を行うことで、センサー・アレイで検出しようとする、雰囲気ガスに希釈されたガスの応答モデルが得られる。デバイスの選択性をプログラムするために、ニューラル・ネットワーク／ファジー論理学習サイクル（fuzzy logic learning cycle）が使用される。同様に、デオドラントなどの誤報の原因となる化学物質及び湿度シフトでシステムをさらに較正する場合がある。危険である可能性のある新規な化学物質は、自己較正用の化学物質のバンクに導入される場合がある。較正用のバンクは、鉛筆と同じ大きさの容器にある希釈試料で構成される。この試料のシステムへの導入は、プログラム化されたガス取り扱いシステムによって制御される。
【００３７】
複数の独立したセンサー素子のアレイが異なるヘッドスペース分析システム又は嗅覚性探知システム内に設置された状態で使用される場合がある。疑わしい化学的サインが検出される場合、警報が鳴る（表示色：赤）前にオレンジ色の表示色を表示する応答が開始する。そこで、疑わしいシグナルを検出したセンサー・アレイに基準化合物が注入され、物質を明確に同定するための比較が行われ、赤色の表示色を表示する応答が開始する。
【００３８】
本発明に係るセンサーは、モップと共に使用され、モップでサンプルを吸収する場合がある。また、センサーは、従来のデバイスに組み込まれ、比較又は最適化の手段として使用される場合もある。小さなセンサーを利用するヘッドスペース分析システムを使用すると、サンプルをさらに少量で使用することができる（ヘッドスペースの容量を縮小することができるため）。また、スペースの容量が小さいので、ヘッドスペース分析の温度をすばやく制御することができる。
【００３９】
４インチのシリコン・ウエハー全体を覆うｃＭＵＴのアレイが作成された（Oralkan et al., IEEE Trans. on UFFC 49, no. 11, 1596-610 (November 2002)）。それぞれの素子は、４２０μｍ×４２０μｍの大きさであり、７２個のキャパシタセルを含み、ウエハーを通り抜ける相互接続部（ウエハーの裏側とｃＭＵＴとを電気接続させる）を有する。近年、超音波画像診断利用のために、これらのｃＭＵＴを集積回路の電子サイコロに連結するようになった。表面に化学的機能性の層を有する共振回路に、同様な構成を本発明の実施形態にしたがって使用する場合がある。
【００４０】
本発明に係るセンサー素子は、公知の様々なｃＭＵＴ作成技術（ＳＯＩ結合技術、犠牲層技術、表面又はバルク・マイクロマシニング技術、絶縁体にシリコンを結合させる技術）の任意のもので作成され得る。膜上の金属は、機能化化学物質の結合を可能にするように選択される。センサー素子自身は、最大の感度を有するように、且つ集積（又は非集積）電気回路へのその機械的負荷及び電気接触を考慮して設計される。本発明に係るセンサー素子は、公知の様々な構成で電子部品と一体化することができる（フリップチップ接続、電子部品の上で構築された素子又はその逆）。センサー素子は、スルーウエハービア（through wafer via）技術又はトレンチ分離（ｃＭＵＴ作成のための様々な従来技術を使用して裏側をエッチングすることによって）によって作成される場合がある。このようなセンサーを作成するのに適した技術は、当該技術分野で公知であり、例えばB. T. Khuri- Yakub及びL. Levinに付与された米国特許第５，８２８，３９４号（参照により、本明細書に組み込まれるものとする）に記載されている。
【００４１】
好ましい実施形態では、ＣＭＯＳの電気回路網が、キャパシタンスのシフト（直接測定）若しくは周波数の測定、又は他の任意の手段を介して膜の負荷を読み取る。様々なセンサーの出力を多重化することができ、次に周波数を周波数カウンタで測定することができる。次に、これらの出力をデジタル化し、デジタルコンピュータで保存及び処理することができる。その後、コンピュータは、時間に対する周波数の変化を表示し、例えば様々な化学物質に対する複数のセンサーの感度に関して予め得られた負荷モデルに基づいて感知した化学種の分析結果を提供する。
【００４２】
情報の処理の一部は、センサー付近で行うことができる。例えば、時間の平均化、多重化、又はデジタル化は、コンピュータ、又はマルチプロセッサを有する回路基板に送信される前にセンサー付近で処理される。特定のアルゴリズムが、メモリにローディングされ、デジタルコンピュータの場合と同じような機能を実行してディスプレイを駆動することが可能である。ディスプレイでは、有色の出力が検出及び危険性のレベルを示す。
【００４３】
センサーに電力を供給するために、現在使用されている多くのセンサー（ＲＦタグ及びインプラントされる医療デバイスなど）と同様に、センサーにＲＦアンテナを接続することができる。センサーに電力が一旦供給されると、センサーは自身の機能を感知し、次にセンサーの出力が受信アンテナに再び発せられる。この方法では、センサーは、受動的であり、遠隔管理される。
【００４４】
本発明に係るセンサーは、インクジェット技術、スポッター技術、マイクロ流体、自己組織化、シャドーマスク、可動マスクアレイを介した真空状態での噴射などの様々な方法で機能化することができる。幾つかの実施形態では、センサー素子が化学化合物及び複雑な混合物（香味料、香料など）さえをも検出及び識別できるようにするために、センサー素子は異なる特性を有するポリマーで機能化される。使用されるポリマーは、カンチレバー・デバイスでBailerら（Ultramicroscopy 2000, 82, 1-9）及びBattistonら（Sensors and Actuators B-Chemical 2001, 77, 122-131）が使用したポリマーと同様なものであってもよい。一般的には、爆発性物質の気体などの化合物に関して強力な信号を発生させる最適なポリマーのセットが選択され、検査される。ポリマー素子は、気相の検体に数秒〜数十分で応答する。検出時間を最小限にし、感度を最大限にするべく、ポリマーは、好ましくは、センサー素子の機械特性（弾力性、密度）に最も合うように選択される。センサー素子の表面は、ポリマー膜の安定性の向上、検体の吸着動力の制御、及びポリマー利用の容易化のために機能化される。
【００４５】
幾つかの実施形態では、中性ポリマー・ゲルが、爆発性の検体に結合する化合物などのキャリアーとして使用される場合がある。この方法を使用することで、自身で安定な膜を形成しない様々な化合物をドロップ又はスピン・コーティング技術で中性な基材上に被着することができる。例えば、Yangらはｏ−ニトロトルエン、ＤＮＴ、及びトリニトロトルエン（trinitrotoluene：ＴＮＴ）の気体をｐｐｂの感度で検出するために、機能性シクロデキストリンを有するポリメチルヒドロシロキサン（polymethylhydrosiloxane：ＰＨＭＳ）の１５〜３０ｎｍの膜を使用した。
【００４６】
化学機能化は、例えば、最初にセンサー膜の外面を、機能化化学物質（functionalizing chemical）の表面への結合を可能にする金などの金属でコーティングすることによって行われ得る。複数の機能化液体がセンサー表面上で被着するのを可能にし、且つアレイ内で互いに近接している機能性セルの間に交差汚染を確実に発生させない液滴噴射などの様々な技術で化学物質が表面上に被着され得る。表面上に被着する液体の位置、容量、及び量を調節するために、インクジェット技術（インクの代わりに機能化化学物質が用いられる）が使用される場合がある。また、熱インクジェットが不安定な液体に害を及ぼす可能性があるので、非熱被着技術を使用するのが好ましい。ポリマーをセンサー上に被着するのに、例えば滴噴射器（drop ejector）が使用される。滴噴射器は、センサーを被覆するのに十分な液滴を被着するために使用される。近接するセンサー及びセンサー素子を互いに異なる様に機能化させるためには、異なる化学物質を異なる噴射器で噴射する。好ましい被着技術は、超音波に基づく噴射器を使用する技術である。この技術では、焦点ビームが自由表面から液滴を形成する。この技術を使用すると、３ミクロンほどの小さな液滴を、数メートル／秒の速さ、オン・デマンド、及びナノジュール単位のエネルギーで噴射することができるようになる。
【００４７】
幾つかの実施形態では、必要に応じて他の種類の検出物質を被着又は機能化してもよい。これらの物質として、例えば、ポリマー（コポリマー、バイオポリマー）、ゾルゲル、多孔性物質（シリコン、ゼオライトなど）、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、細胞、バクテリア、カーボン・ナノチューブ・アレイ、触媒（金属や酵素など）、ナノクラスター、有機及び無機物質（超分子、金属−有機物の錯体、樹枝状物質など）がある。
【００４８】
本発明に係るセンサーは、液体内、気体内、又は真空内で使用され得る。作動温度は、センサー物質の限度に応じて、低温〜高温の範囲内であり得る。液体中で使用する場合、ｃＭＵＴ、ｐＭＵＴ、ｍＭＵＴ、又は他の任意の種類のＭＵＴにおけるそれぞれセルは、狭周波数帯域での作動が可能になるように、最近傍のセルから遠位にあるように設計される。したがって、浸漬中のデバイスは、狭周波数帯を有するようになるので、共振回路のノイズが低くなる。この設計基準は、広周波数帯を必要とする医用画像診断のためのｃＭＵＴ設計とは対照的である。
【００４９】
本発明に係るセンサーは、様々な方法で使用することができる。ある実施形態では、本発明に係るセンサーは、分離システム（クロマトグラフィー又はゲル電気泳動など）の下流に接続しており、複雑な液体混合物における特定の特徴を検出する。この実施形態では、チップに設けられた比較的単純なバッフル構造物が、化学物質の異なる拡散特性によって生じた相対的な時間遅延（１つのチップ上の個々のセンサー素子又は複数のチップの間で検出される）を処理することによってデバイスが化学物質を記憶するためのさらなる分析信号入力を提供し得る。このようなデバイスの原理は、嗅ぐ工程で時間遅延を利用する複数のセンサーを有するヒトの鼻をモデルとする。
【００５０】
本発明に係るセンサーは、作動中に、例えば、壁、天井、若しくは固定構造物の他の部分に設ける、又は携帯型デバイスに組み込む、又は移動中の車両に設けることができる。特定の利用によっては、センサーを周囲環境の化学物質にさらに晒すために、化学物質含有の気体又は液体をセンサー上で循環させる状態でセンサーを使用する場合もあれば、気体や液体を循環させずに使用する場合もある。バイオハザードを示す少量の化学物質を高感度で検出するためには、一般的に、センサーをできるだけサンプリング口の近くに設けることが必要である。アレイの大きさが小さければ、センサーをサンプリング口から数ミリメートルの位置に容易に設けることができる。また、アレイの大きさが小さければ、複数の個々のセンサー・ユニットを小さな場所に設けることができる（これが必須条件である場合がある）。例えば、直径が３０ミクロンである９個のセンサー素子を連結させたリング・アレイを作成してもよい。この場合、１００×１００ミクロンのセンサーが形成されることになる。１０ミクロンの直径を有する１つのセンサー素子を作成して１Ｄアレイ素子に使用する場合がある。共振デバイスは、１００ミクロン未満の大きさで作成する場合がある。
【００５１】
幾つかの実施形態では、２つのセンサー・ユニットがドッグ・モードに使用され得る。１つのユニットは周囲環境から気体をサンプリングし、他方のユニットは疑わしい物体の付近から気体をサンプリングする。最初に、２つのユニットは、同じ周囲環境からサンプリングし、応答を相互較正する。２つのセンサーが異なる検出を行う第２段階では、応答における本質的な違いが探求される。これは、犬と同様である。犬は頭を横向きに前後に動かし、化学物質の勾配における差を感知する。
【００５２】
また、１つ以上のセンサーを使用するドッグ・モードは、様々な環境においてヒトの臭い又は化学物質を物理的に追跡するのにも使用することができる。その例として、爆弾探知ロボット、並びに警備員、軍、及び警察が使用する携帯型追跡デバイスがある。センサーは、目標識別、ナビゲーション、及び情報収集のために無人飛行機（unmanned aircraft vehicle：ＵＡＶ）に組み込まれる場合がある。誘導システムの入力は、ワギング・モード（wagging mode）で作動し得る一連のサンプリング口を介して、化学勾配の空間的変動によって制御される。センサーの大きさが小さいので、サンプリング口の近傍にセンサーを設けることができることを留意されたい。
【００５３】
周囲環境が液体の場合、デバイスを潜水艦、船、ダイバーの携帯装置又はその部品に組み込むことができる。同様に、飲用水、並びにトイレ及び任意の場所で使用される水をモニタリング又は検査することができる。他の運用形態では、本発明の実施形態をマイクロ流体素子の一部分として使用することで、マイクロリットル（μＬ）という小さな容量での検出が可能となる。装置の感度を上げるために、人工Ｑエンハンスメント（artificial Q enhancement）を使用することができる。本発明に係るセンサーは、他のデバイス及びシステム（例えば、ガスを取り扱うシステム、自己較正システムなど）と一体化される場合がある。
【００５４】
本発明に係るセンサーは、ブラッドハウンド・モードで運用される場合がある。このブラッドハウンド・モードでは、物体又は個人固有の衣類又は物質がシステムに提供され、次にこのシステムはセンサー・アレイのターゲット応答プロフィールをプログラミングする。一旦プログラミングすると、ドッグ・モードに関して説明したように、センサー・アレイはターゲットを追跡するのに使用される。
【００５５】
別の基準ボトルにサンプルを導入すれば、自己較正も可能となる。検出器の大きさにより、砂粒ほど小さなサンプルを使用することができる。
【実施例】
【００５６】
≪センサーの結果≫
【００５７】
ｃＭＵＴを発振回路に使用できること、及びそれを使用して関心のある幾つかの化学種の質量負荷を検出できることを証明するための原理実験を行った。１０００個以上のセルを有する７×７ｍｍのｃＭＵＴをピアス発振回路構成に設置し、２．９ＭＨｚで共振させた。共振周波数及び平均ノイズを、５秒間ごとに１０００回測定し、その結果を図７に示した。図７の測定を乾燥した実験室で行った。通常、このような実験室の温度変動によって周波数にずれが生じるが、これは、上記のセンサーに関して説明したように基準発振器で容易に補正することができる。ノイズ・フロアが＋５〜−５Ｈｚの範囲内にあり、標準偏差が１ＭＨｚ未満であることを留意されたい。
【００５８】
ｃＭＵＴの共振発振器の質量感度を検査するために、図８の実験セットに４つの異なる化学種（水、イソプロパノール、トルエン、ジニトロトルエン）を通過させて検出した。この実験セットは、窒素吸入アーム８１０と、基準アーム８２０と、水又は結晶物質８３２を有する検査チューブ８３０とを含む。このセットは、ｃＭＵＴ共振回路８４０に出力する。ｃＭＵＴ共振回路が質量負荷を検出することができることを示すために使用したプロトコールは、基準アームに窒素を３０秒間通過させるステップと、関心のある物質を含む検査チューブに窒素の流入を３０秒間切り替えるステップとを含む。窒素が基準アームに流れている間に物質を交換してこのプロセスを繰返した。この実験の結果を、図９に要約した。矢印９１０は水のパルスによる周波数シフトを示し、矢印９２０はイソプロパノールのパルスによる周波数シフトを示し、矢印９３０はトルエンのパルスによる周波数シフトを示し、矢印９４０はジニトロトルエンのパルスによる周波数シフトを示す。これらの結果は、ｃＭＵＴに基づいた発振器が非常に感度の高い質量負荷検出器として使用できることを示す。
【００５９】
≪センサーの設計≫
【００６０】
ｃＭＵＴセンサーの作動における２つの重要な測定基準は、質量負荷に対する感度、及び発振回路の測定可能な最小周波数シフトである。これを考慮して二酸化ケイ素膜で２つの設計を行った。この２つの設計のパラメータを表１に示した。
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表１．２つのセンサー設計に関するパラメータ
【００６１】
同等のセンサーの回路モデルを使用した結果、設計１の１００ボルトにおける感度は約１．７×１０−１７グラム／Ｈｚであり、一方、設計２は３０ＶのＤＣバイアスで３．３３×１０−１８の感度を示す。設計２がより優れた感度を示すのは、膜が２．２５倍薄く、デバイスの面積が２．２５倍小さいためである。図７のように測定可能な最小周波数が１０Ｈｚと仮定すると、設計１及び設計２の最小測定可能な質量は、それぞれ１．７×１０−１６グラム及び３．３３×１０−１７グラムということになる。
【００６２】
当業者ならば、本発明の原理を逸脱することなく、種々の変更、置換、及び改変が可能であることを理解するであろう。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその法的な同等物によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係るセンサー素子を示す断面図である。
【図２】本発明に係るセンサー素子の共振周波数応答の例を示す図である。
【図３】本発明に係るセンサーのための電気回路の例を示す図である。
【図４】本発明に係るセンサー素子のアレイを示す概略的な断面図である。
【図５】はんだバンプで電子部品と一体化した本発明に係る１６×１６センサー素子アレイの上面を示す写真である。
【図６】本発明に係るセンサー素子の典型的な入力抵抗を示す図である。
【図７】本発明に係るセンサーの共振周波数及び平均ノイズを示す図である。
【図８】本発明に係るセンサーに窒素ガスで運搬される分子を検出するための実験的なセットを示す図である。
【図９】図８の実験的なセットを使用する際の、分子の質量負荷による本発明に係るセンサーの周波数シフトを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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