(57)【要約】【課題】人工嗅覚センシングシステムの性能を向上する。【解決手段】人工嗅覚センシングシステムは、トランジスタを含む半導体装置ＳＤ１と、嗅覚受容体ＯＲが脂質膜ＬＢ上に発現したセンサ細胞Ｃ１１とを含むセンサユニットＳ１１を有し、前記トランジスタに含まれるゲート電極ＧＥ上には、プロトン吸着膜ＰＡＦ１が形成され、プロトン吸着膜ＰＡＦ１上には生理水溶液ＲＳが配置されている。そして、センサ細胞Ｃ１１は、生理水溶液ＲＳ中に配置され、プロトン吸着膜ＰＡＦ１上にはプロトンＰａが吸着している。嗅覚受容体ＯＲが匂い分子ＯＭを認識すると、嗅覚受容体ＯＲに備わるイオンチャンネルから生理水溶液ＲＳ中の正イオンＣＩがセンサ細胞Ｃ１１内へと流入し、その結果、プロトンＰａがプロトン吸着膜ＰＡＦ１から生理水溶液ＲＳ中へ解離し、ゲート電極ＧＥの電位が変化する。【選択図】図５
2019124651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタと、嗅覚受容体が脂質膜上に発現したセンサ細胞とを含むセンサユニットを有し、
前記トランジスタは、
基板と、
前記基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有し、
前記ゲート電極上には、第１絶縁膜が形成され、
前記第１絶縁膜上には、電解質水溶液が配置され、
前記センサ細胞は、前記電解質水溶液中に配置され、
前記第１絶縁膜上には、プロトンが吸着しており、
前記嗅覚受容体が匂い分子を認識すると、前記電解質水溶液中の正イオンが、前記嗅覚受容体に備わるイオンチャンネルから前記センサ細胞内へと流入し、その結果、前記プロトンが前記第１絶縁膜から前記電解質水溶液中へ解離し、前記ゲート電極の電位が変化する、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項２】
請求項１記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記ゲート電極上には、前記ゲート電極と電気的に接続され、平面視において、前記センサ細胞よりも大きい面積を有する第１導体膜が形成されており、
前記第１絶縁膜は、平面視において、前記第１導体膜と同じ面積に形成され、
前記第１絶縁膜は、前記第１導体膜に接している、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項３】
請求項１記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記第１絶縁膜は、表面が多孔質である酸化アルミニウム膜からなり、負の固定電荷を有している、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項４】
請求項３記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記第１絶縁膜の表面に存在するアルミニウム原子には、水酸基が結合している、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項５】
請求項２記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記第１導体膜は、金膜であり、
前記第１絶縁膜は、前記金膜にＡｕ−Ｓ結合を介して結合した分子からなる自己組織化単分子膜である、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項６】
請求項５記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記分子は、チオール基を含むビピリジン誘導体分子、または、２−メルカプトエタンスルホン酸ナトリウムからなる、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項７】
請求項１記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記嗅覚受容体が匂い分子を認識した際に生じる前記ゲート電極の電位変化の継続時間から、前記匂い分子の刺激時間を測定する、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項８】
請求項１記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記嗅覚受容体が匂い分子を認識した際に生じる前記ゲート電極の電位変化を時間微分することにより、前記匂い分子の濃度を測定する、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項９】
請求項１記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
複数の前記センサユニットと、複数の走査配線と、複数の信号配線とを含み、
前記センサユニットは、前記複数の走査配線のうちの１つの走査配線と、前記複数の信号配線のうちの１つの信号配線とに、それぞれ接続され、
前記センサ細胞は、複数種類存在し、
前記複数の前記センサユニットのうち、同一種類の前記センサ細胞を有する前記センサユニットは、前記複数の走査配線のうちの同一の走査配線に接続されている、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項１０】
請求項９記載の人工嗅覚センシングシステムにおいて、
前記複数の走査配線は、前記複数の信号配線とそれぞれ交差するように配置され、
前記複数の前記センサユニットは、それぞれ前記複数の走査配線と前記複数の信号配線との交差部分に配置されている、人工嗅覚センシングシステム。
【請求項１１】
（ａ）トランジスタが形成された基板を準備する工程、
ここで、前記トランジスタは、
前記基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有し、
（ｂ）前記ゲート電極上に第１導体膜を形成する工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程の後に、前記第１導体膜上に第１絶縁膜を形成する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程の後に、前記第１絶縁膜上に電解質水溶液を配置する工程、
（ｅ）前記（ｄ）工程の後に、前記電解質水溶液中に、嗅覚受容体が脂質膜上に発現したセンサ細胞を配置し、センサユニットを形成する工程、
とを含み、
前記第１絶縁膜上には、プロトンが吸着しており、
前記嗅覚受容体が匂い分子を認識すると、前記電解質水溶液中の正イオンが、前記嗅覚受容体に備わるイオンチャンネルから前記センサ細胞内へと流入し、
前記プロトンが前記第１絶縁膜から前記電解質水溶液中へ解離し、前記ゲート電極の電位が変化する、人工嗅覚センシングシステムの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の人工嗅覚センシングシステムの製造方法において、
前記第１導体膜は、アルミニウム膜からなり、
前記（ｃ）工程では、
前記アルミニウム膜に対して酸素プラズマ処理を行い、酸化アルミニウム膜からなる第１絶縁膜を形成する、人工嗅覚センシングシステムの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の人工嗅覚センシングシステムの製造方法において、
前記（ｃ）工程では、
前記酸素プラズマ処理により、前記第１絶縁膜が負に帯電し、
前記（ｄ）工程では、
前記第１絶縁膜上に前記電解質水溶液を配置することにより、前記第１絶縁膜上に前記プロトンが吸着する、人工嗅覚センシングシステムの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の人工嗅覚センシングシステムの製造方法において、
前記（ｃ）工程では、
前記アルミニウム膜に対して前記酸素プラズマ処理を行うことにより、前記アルミニウム膜の表面に存在するアルミニウム原子に化学的未結合手が形成され、
前記（ｄ）工程では、
前記第１絶縁膜上に前記電解質水溶液を配置することにより、前記化学的未結合手を有する前記アルミニウム原子と、前記電解質水溶液に含まれる水分子との反応が起こり、その結果、前記化学的未結合手に水酸基が結合し、かつ、前記反応により生じたプロトンが、前記水酸基に水素結合する、人工嗅覚センシングシステムの製造方法。
【請求項１５】
請求項１１記載の人工嗅覚センシングシステムの製造方法において、
前記第１導体膜は、金膜からなり、
前記（ｃ）工程では、
前記金膜を、チオール基を有する分子を含む溶液に浸漬することにより、前記金膜上に自己組織化単分子膜からなる前記第１絶縁膜を形成する、人工嗅覚センシングシステムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体物質と半導体技術とを組み合わせた人工嗅覚センシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
五感を人工的に再現するセンシング技術は、複雑化、多様化した人類社会、地球環境において、安全、健康、安心を守るために不可欠な技術となる。生物並に高感度な匂いセンサ（人工嗅覚センシングシステム）が実現すれば、今まで使えなかった嗅覚情報が利用可能となり、ロボット、自動運転、医療、危険予知、災害救助等に適用される可能性がある。
【０００３】
人工嗅覚センシングシステムの例として、例えば特許文献１や非特許文献１には、バイオ技術と半導体技術とを組み合わせた技術として、生物から抽出した嗅細胞の嗅覚受容体が匂い分子を認識した際に生じる電気的応答を、ＦＥＴ（Field-effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いて計測する構成が記載されている（特許文献１、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１７／１２２３３８号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】D. Terutsuki et al.: Odor-Sensitive Field Effect Transistor (OSFET) Based on Insect Cells Expressing Insect Odorant Receptors: Proc. MEMS 2017, pp. 394-397(2017).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、人工嗅覚センシングシステムにおいて、匂い分子の認識に伴う電気的応答を高感度に検出することを検討している。
【０００７】
前記人工嗅覚センシングシステムの構成およびその製造方法を工夫することにより、人工嗅覚センシングシステムの性能の向上が望まれる。
【０００８】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施の形態による人工嗅覚センシングシステムは、トランジスタと、嗅覚受容体が脂質膜上に発現したセンサ細胞とを含むセンサユニットを有し、前記トランジスタに含まれるゲート電極上には、第１絶縁膜が形成され、前記第１絶縁膜上には電解質水溶液が配置されている。そして、前記センサ細胞は、前記電解質水溶液中に配置され、前記第１絶縁膜上にはプロトンが吸着している。前記嗅覚受容体が匂い分子を認識すると、前記嗅覚受容体に備わるイオンチャンネルから前記電解質水溶液中の正イオンが前記センサ細胞内へと流入し、その結果、前記プロトンが前記第１絶縁膜から前記電解質水溶液中へ解離し、前記ゲート電極の電位が変化する。
【発明の効果】
【００１０】
一実施の形態によれば、人工嗅覚センシングシステムの性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施の形態の人工嗅覚センシングシステムの構成図である。
【図２】一実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットの要部断面図である。
【図３】図２に示すセンサユニットの要部拡大断面図である。
【図４】一実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニット内に配置された延長ゲート電極の電圧依存性を示すグラフである。
【図５】図４に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
【図６】一実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサ細胞内の緑色蛍光タンパク質が生じる蛍光の時間変化を表すグラフ、および、人工嗅覚センシングシステムを構成する半導体装置のゲート電極の電位の時間変化を表すグラフである。
【図７】第１の検討例の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットの要部断面図である。
【図８】第２の検討例の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットの要部断面図である。
【図９】第２の実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットの要部拡大断面図である。
【図１０】第２の実施の形態のプロトン吸着膜を構成する分子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１３】
（実施の形態１）
＜人工嗅覚センシングシステムの構成＞
一実施の形態における人工嗅覚センシングシステムの構成を、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムＳＳの構成図、図２は、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットＳ１１の要部断面図、図３は、図２に示すセンサユニットＳ１１の要部拡大断面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムＳＳには、ｍ本の走査配線Ｗｉ（ｉ＝１…ｍ）と、ｎ本の信号配線Ｂｊ（ｊ＝１…ｎ）とが交差状に配置されている。ｍ本の走査配線Ｗｉと、ｎ本の信号配線Ｂｊとの交差部には、それぞれ、センサユニットＳｉｊ（ｉ，ｊ＝１，１…ｍ，ｎ）がｍ×ｎの二次元マトリクス状に配置されている。各センサユニットＳｉｊ上には、それぞれ、センサ細胞Ｃｉｊ（ｉ，ｊ＝１，１…ｍ，ｎ）が配置されている。例えば、ｍ＝１０００、ｎ＝１０００の場合、合計１００万個のセンサユニットＳｉｊが配置され、合計１００万個のセンサ細胞Ｃｉｊが、センサユニットＳｉｊ上にそれぞれ配置される。なお、図１および図２に示すように、１つのセンサユニットＳｉｊ中に１つのセンサ細胞Ｃｉｊが配置されている場合を例に説明したが、これに限定されず、１つのセンサユニットＳｉｊ中に複数のセンサ細胞Ｃｉｊが配置されていてもよい。
【００１５】
図１に示すように、走査配線Ｗｉは走査回路ＳＣＡに、信号配線Ｂｊは信号回路ＳＩＧに、それぞれ接続されている。そして、信号回路ＳＩＧはメモリ演算回路（匂い信号加算部）ＡＣに接続され、メモリ演算回路ＡＣは匂い識別部ＯＩに接続されている。
【００１６】
図２は、図１に示す人工嗅覚センシングシステムＳＳを構成するセンサユニットＳ１１の要部断面図である。図３は、図２に示す人工嗅覚センシングシステムの要部拡大断面図である。
【００１７】
図２に示すように、本実施の形態のセンサユニットＳ１１は、半導体装置ＳＤ１と、半導体装置ＳＤ１上に配置された生理水溶液（電解質水溶液）ＲＳと、生理水溶液ＲＳ中に配置されたセンサ細胞Ｃ１１とを備えている。
【００１８】
図２および図３に示すように、本実施の形態の半導体装置ＳＤ１は、基板（半導体基板）ＳＢを有している。基板ＳＢは、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる。基板ＳＢの主面上には、半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistor）が形成されている。半導体装置ＳＤ１に形成されたＭＯＳＦＥＴは、基板ＳＢ内に形成されたソース領域ＳＲおよびドレイン領域ＤＲと、ソース領域ＳＲおよびドレイン領域ＤＲ間に形成されたチャネル領域ＣＨと、チャネル領域ＣＨ上に形成されたゲート絶縁膜ＧＩと、ゲート絶縁膜ＧＩ上に形成されたゲート電極ＧＥとを有している。前記ＭＯＳＦＥＴは、種々のセンサＦＥＴを用いることができる。半導体装置ＳＤ１は、特にＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field Effect Transistor：イオン感応性電界効果トランジスタ）と呼ばれる。
【００１９】
前記ＭＯＳＦＥＴを覆うように、基板ＳＢ上には絶縁層ＩＬが形成されている。絶縁層ＩＬは、例えば、酸化シリコン膜からなる。なお、ゲート電極ＧＥの一部の上面には絶縁層ＩＬが形成されていない。ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上には、延長ゲート電極（第１導体膜）ＥＧＥが形成されている。ゲート電極の絶縁層ＩＬが形成されていない領域を介して、ゲート電極ＧＥと延長ゲート電極ＥＧＥとが接続されている。延長ゲート電極ＥＧＥは、平面視において、少なくともセンサ細胞Ｃ１１よりも大きい面積を有している。延長ゲート電極ＥＧＥは、アルミニウム（Ａｌ）膜からなる。延長ゲート電極ＥＧＥの膜厚は、例えば約３００ｎｍである。なお、ゲート電極ＧＥと延長ゲート電極ＥＧＥとは一体に形成されていてもよい。
【００２０】
また、延長ゲート電極ＥＧＥ上には、プロトン吸着膜（第１絶縁膜）ＰＡＦ１が形成されている。プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、平面視において、延長ゲート電極ＥＧＥと同じ面積に形成されている。プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜からなる。プロトン吸着膜ＰＡＦ１の膜厚は、例えば約５ｎｍ以下である。図３に示すように、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、多孔質であり、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦは、凹凸形状を有している。プロトン吸着膜ＰＡＦ１には、電子ＥＬが捕獲されており、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦは負に帯電している。すなわち、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、負の固定電荷を有している。固定電荷とは、電界などで移動することがない、固定された状態の電荷をいう。また、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに存在するアルミニウム原子には、水酸基（−ＯＨ）ＨＧが結合しており、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦは、水酸基ＨＧにより被覆されている。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦには、プロトン（水素イオン，Ｈ＋）Ｐａが吸着している。プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦには水酸基ＨＧが存在するため、プロトンＰａは、水酸基ＨＧに含まれる酸素に水素結合して安定化されている。また、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、生理水溶液ＲＳと接している。生理水溶液ＲＳは、Ｎａ＋、Ｃａ２＋などを含む電解質水溶液である。
【００２１】
また、図２に示すように、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の一部（平面視において、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の端部）は、保護膜ＰＦで覆われている。保護膜ＰＦは、例えば窒化シリコン膜またはポリイミド膜からなる。このような保護膜ＰＦを設けることによって、互いに隣接するセンサユニットにそれぞれ含まれる延長ゲート電極間（例えばセンサユニットＳ１１に含まれる延長ゲート電極ＥＧＥと、センサユニットＳ１２に含まれる延長ゲート電極ＥＧＥとの間）の電気的クロストークを抑制することができる。特に、保護膜ＰＦの厚さが延長ゲート電極ＥＧＥの表面におけるイオン濃度変化領域（後述するデバイ長〜１μｍ程度）よりも大きい場合に電気的クロストークを抑制できる効果が大きい。なお、図２では、保護膜ＰＦはプロトン吸着膜ＰＡＦ１上に形成されている場合を例に説明したが、これに限定されない。保護膜ＰＦは、プロトン吸着膜ＰＡＦ１と同一層、すなわち、延長ゲート電極ＥＧＥ上に形成されていてもよい。また、保護膜ＰＦが形成されていなくてもよい。
【００２２】
図２に示すように、本実施の形態のセンサ細胞Ｃ１１は、脂質（二重）膜ＬＢと、脂質膜ＬＢに発現した嗅覚受容体ＯＲと、センサ細胞Ｃ１１内に発現したカルシウム２価イオン（Ｃａ２＋）指示・緑色蛍光タンパク質ＦＰ（以下、緑色蛍光タンパク質ＦＰと称する）とからなる。センサ細胞Ｃ１１は、生理水溶液ＲＳに浸漬されている。センサ細胞Ｃ１１は、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１と接しているか、または、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１と所定の距離をおいて、生理水溶液ＲＳ中に浮遊している。センサ細胞Ｃ１１は、例えば、スポドプテラ・フルギペルダ（Spodoptera frugiperda）由来の細胞を採用することができ、Ｓｆ２１細胞、Ｓｆ９細胞などが好ましい。Ｓｆ２１細胞は、１８〜４０℃と広範囲の温度条件下で生存でき、培養液のｐＨを調整するための二酸化炭素を必要とせず、半永久的に使用可能であることから、センサ細胞Ｃ１１としては、特に好ましい。センサ細胞Ｃ１１は球形であり、センサ細胞Ｃ１１の直径は約２０μｍである。
【００２３】
なお、以上で説明したセンサユニットＳ１１以外のセンサユニットＳｉｊの構成については、センサユニットＳ１１と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。すなわち、センサ細胞Ｃ１１以外のセンサ細胞Ｃｉｊの構成も、センサ細胞Ｃ１１と同様の構成である。
【００２４】
＜人工嗅覚センシングシステムの製造方法＞
本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムの製造方法について、工程順に説明する。図４は、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニット内に配置された延長ゲート電極の電圧依存性を示すグラフである。
【００２５】
まず、図２に示すように、基板ＳＢを用意する。基板ＳＢには、例えばシリコンウェハを用いる。基板ＳＢのＭＯＳＦＥＴ形成領域（活性領域）を熱酸化して酸化シリコン膜を形成した後に、前記活性領域上に例えばポリシリコン膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術などにより、前記ポリシリコン膜および前記酸化シリコン膜をパターニングして、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極ＧＥおよびゲート絶縁膜ＧＩを形成する。さらに、ゲート電極ＧＥをマスクとするセルフアラインにより、基板ＳＢにｐ型（またはｎ型）不純物（ドーパント）をイオン注入する。その後、熱処理により不純物を拡散させ、基板ＳＢ内に前記ＭＯＳＦＥＴのソース領域ＳＲおよびドレイン領域ＤＲを形成する。次に、基板ＳＢ上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁層ＩＬを形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術などにより、絶縁層ＩＬをパターニングして、ゲート電極ＧＥの一部の上面を露出させる。
【００２６】
以上の工程で、基板ＳＢの主面上に、半導体素子として、前記ＭＯＳＦＥＴを形成することができる。なお、ここまでの工程は、既存のセンサＦＥＴが形成された基板ＳＢを準備することで代用してもよい。
【００２７】
次に、ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上に、例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理気相成長）法により、アルミニウム膜（図示せず）を３００ｎｍの膜厚で形成する。その後、リフトオフ法により、平面視において、アルミニウム膜を１辺が３２μｍの正方形状にパターニングする。
【００２８】
その後、パターニングしたアルミニウム膜の表面に対して、酸素（Ｏ２）プラズマ処理を行う。酸素プラズマ処理とは、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法の応用であり、反応室内で酸素ガスに電磁波などを与えプラズマ化し、同時にアルミニウム膜に高周波電圧を印加する。こうすることで、アルミニウム膜とプラズマとの間に自己バイアス電位が生じ、プラズマ中のイオン種やラジカル種が試料方向に加速されて衝突する。その際、アルミニウム膜に対する酸素由来のイオンによるスパッタリングと、アルミニウム膜に対する酸素ガスの酸化反応が同時に起こる。
【００２９】
これにより、アルミニウム膜の表面が酸化され、アルミニウム膜の表面に酸化アルミニウム膜が形成される。この際、元々のアルミニウム膜のうち、酸化プラズマ処理によって酸化された部分（酸化アルミニウム膜）がプロトン吸着膜ＰＡＦ１を構成し、酸素プラズマ処理によって酸化されなかった部分が延長ゲート電極ＥＧＥを構成する。図３に示すように、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、酸素プラズマ処理によってその表面ＳＦが荒れて、多孔質の膜として形成される。また、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦにはアルミニウム原子の化学的未結合手（ダングリングボンド）が多数形成される。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、酸素プラズマ処理中に電子を多数捕獲することにより、酸素プラズマ処理後は、負に帯電した状態となる。すなわち、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、負の固定電荷を有する。本実施の形態の酸素プラズマ処理は、Ｏ２ガスの流量を３００ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minute）と、高周波バイアス電力を３００Ｗとする条件で１０分間行った。
【００３０】
その後、プロトン吸着膜ＰＡＦ１上にＮａ＋、Ｃａ２＋を含む生理水溶液ＲＳを配置して、プロトン吸着膜ＰＡＦ１と生理水溶液ＲＳとを接触させる。これにより、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに存在するアルミニウム原子の化学的未結合手が、生理水溶液ＲＳ中の水と反応し、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに存在するアルミニウム原子の化学的未結合手には、水酸基（−ＯＨ）ＨＧが結合する。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ１が負に帯電しているため、前記化学的未結合手が生理水溶液ＲＳ中の水と反応して生じたプロトン（Ｈ＋）Ｐａは、プロトン吸着膜ＰＡＦ１にクーロン力により吸着する。その後、プロトンＰａは、水酸基ＨＧに含まれる酸素に水素結合することにより安定化される。そのため、プロトンＰａは、生理水溶液ＲＳに含まれる他の正イオン（Ｎａ＋、Ｃａ２＋）に優先して、プロトン吸着膜ＰＡＦ１に結合した状態で存在する。
【００３１】
その後、プロトン吸着膜ＰＡＦ１上に配置した生理水溶液ＲＳ中にセンサ細胞Ｃ１１を導入する。前述のように、センサ細胞Ｃ１１は、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１と接触している必要はない。すなわち、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１と所定の距離をおいて、生理水溶液ＲＳ中に浮遊した状態で存在していてもよい。なお、本実施の形態のセンサ細胞Ｃ１１内には、予め遺伝子工学的手法を用いて、緑色蛍光タンパク質ＦＰを発現させておく。
【００３２】
以上の工程により、センサユニットＳ１１が完成する。なお、図２に示すセンサユニットＳ１１以外のセンサユニットＳｉｊについても同様の工程を経て、センサユニットＳｉｊが形成される。
【００３３】
その後、図１に示すように、交差状に配置されたセンサユニットＳｉｊに、ｍ本の走査配線Ｗｉと、ｎ本の信号配線Ｂｊとを接続する。その後、走査配線Ｗｉを走査回路ＳＣＡに、信号配線Ｂｊを信号回路ＳＩＧに、それぞれ接続する。そして、信号回路ＳＩＧをメモリ演算回路（匂い信号加算部）ＡＣに接続し、メモリ演算回路ＡＣを匂い識別部ＯＩに接続することによって、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムＳＳが完成する。
【００３４】
ここで、前述のように、プロトン吸着膜ＰＡＦ１が負に帯電していることを確認するために、本実施の形態の半導体装置ＳＤ１に含まれるＭＯＳＦＥＴのゲート電極ＧＥによって測定される電圧（以下、ＦＥＴ計測電圧と称する）と、参照電極ＲＥに印加する電圧との関係を調べた。具体的には、（１）酸素プラズマ処理を行う前の前記アルミニウム膜上に生理水溶液ＲＳを配置して、酸素プラズマ処理を行う前の前記アルミニウム膜の表面に生理水溶液ＲＳを接触させた状態で、生理水溶液ＲＳに銀/塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極からなる参照電極ＲＥを挿入し（図２参照）、参照電極ＲＥに電圧を印加した際のＦＥＴ計測電圧を測定した。また、（２）酸素プラズマ処理を行った後の前記アルミニウム膜上に生理水溶液ＲＳを配置して、酸素プラズマ処理を行った後の前記アルミニウム膜、すなわちプロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面に生理水溶液ＲＳを接触させた状態で、生理水溶液ＲＳに銀/塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極からなる参照電極ＲＥを挿入し（図２参照）、参照電極ＲＥに電圧を印加した際のＦＥＴ計測電圧を測定した。その結果を図４に示す。
【００３５】
図４に示すように、（１）酸素プラズマ処理を行う前の前記アルミニウム膜において、参照電極ＲＥの電圧がＶ１以上になると、ＦＥＴ計測電圧は単調に増加することがわかった。ここで、電圧Ｖ１を、酸素プラズマ処理前の前記アルミニウム膜における閾値電圧とする。一方、（２−ａ）酸素プラズマ処理後の前記アルミニウム膜、すなわちプロトン吸着膜ＰＡＦ１において、参照電極ＲＥの電圧がＶ２以上になると、ＦＥＴ計測電圧は単調に増加することがわかった。ここで、電圧Ｖ２を、酸素プラズマ処理後の前記アルミニウム膜における閾値電圧とする。閾値電圧Ｖ１と閾値電圧Ｖ２との関係は、Ｖ１＜Ｖ２である。すなわち、酸素プラズマ処理を行った後の閾値電圧は、酸素プラズマ処理を行う前の閾値電圧に比べて、正方向にシフトしている。この結果から、前述のように、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、負に帯電しているということが確認できた。
【００３６】
なお、前記（２−ａ）は、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面に生理水溶液ＲＳを接触させた直後の状態である。この状態から時間を経過するごとに、閾値電圧はＶ２から徐々に負方向にシフトをしていき、最終的にはＶ１に等しくなった（２−ｂ）。前述のように、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに存在する化学的未結合手が、生理水溶液ＲＳ中の水と反応し、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに存在する化学的未結合手には、水酸基（−ＯＨ）ＨＧが結合する。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ１が負に帯電しているため、前記化学的未結合手が生理水溶液ＲＳ中の水と反応して生じたプロトン（Ｈ＋）Ｐａは、プロトン吸着膜ＰＡＦ１にクーロン力により吸着する。従って、生理水溶液ＲＳを接触させる直前に保持していた電荷分だけプロトンがプロトン吸着膜ＰＡＦ１に吸着したところで、プロトンＰａの吸着は飽和状態となる。この際、プロトンＰａがプロトン吸着膜ＰＡＦ１に吸着していくに従って、負の帯電分が打ち消されていき、最終的には電荷が釣り合う。その結果、（２−ｂ）の閾値電圧は、（１）酸素プラズマ処理前の前記アルミニウム膜の閾値電圧Ｖ１に等しくなったと考えられる。すなわち、プロトン吸着膜ＰＡＦ１にプロトンＰａが吸着していることも確認できた。
【００３７】
なお、酸素プラズマ処理によって形成されたプロトン吸着膜ＰＡＦ１が負に帯電していることは、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）を用いた表面電位測定によっても確認している。また、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦが水酸基で覆われていることは、ラマン分光測定装置を用いた水酸基の振動吸収ピークを観測することにより、確認している。
【００３８】
＜人工嗅覚センシングシステムの動作原理＞
以下、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムの動作原理について説明する。図５は、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットＳ１１の動作原理図である。図６の上図は、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサ細胞Ｃ１１内の緑色蛍光タンパク質ＦＰが生じる蛍光の時間変化を表すグラフ、図６の下図は、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成する半導体装置ＳＤ１のゲート電極ＧＥの電位の時間変化を表すグラフである。なお、前述のように、センサユニットＳ１１以外のセンサユニットＳｉｊの構成については、センサユニットＳ１１と同様の構成であるため、センサユニットＳｉｊの動作原理は、センサユニットＳ１１を例に説明する。
【００３９】
図５に示すように、本実施の形態のセンサユニットＳ１１は、半導体装置ＳＤ１上に生理水溶液ＲＳが満たされた状態になっている。そして、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦには、プロトンＰａが吸着した状態になっている。また、生理水溶液ＲＳ内に存在するセンサ細胞Ｃ１１は、脂質膜ＬＢにより細胞内外が分離され、脂質膜ＬＢ表面に発現したイオンポンプ（図示せず）の作用によって、細胞内の正イオン（Ｈ＋、Ｎａ＋、Ｃａ２＋など）の濃度が、細胞外よりも低い状態に保たれている。
【００４０】
以上の状態において、匂い分子ＯＭが生理水溶液ＲＳ内に導入された場合を考える。脂質膜ＬＢに発現した嗅覚受容体ＯＲが匂い分子ＯＭを捕捉・認識すると、嗅覚受容体ＯＲのイオンチャネルが開き、生理水溶液ＲＳ中のＣａ２＋を含む正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入する。
【００４１】
本実施の形態のセンサ細胞Ｃ１１内には、緑色蛍光タンパク質ＦＰが発現している。そのため、嗅覚受容体ＯＲが匂い分子ＯＭを捕捉・認識し、Ｃａ２＋を含む正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入すると、Ｃａ２＋が緑色蛍光タンパク質ＦＰに捕捉され、緑色蛍光が増加する。
【００４２】
ここで、匂い分子ＯＭによる刺激（継続）時間を（１）３０ｓ、（２）６０ｓ、（３）１２０ｓとした場合の、緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光輝度の変化を図６の上図に示す。図６の上図に示すように、匂い分子ＯＭの認識に伴う緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光は、匂い分子ＯＭの刺激（継続）時間によらず、匂い分子ＯＭの刺激開始に伴って急峻に立ち上がっている。そして、匂い分子ＯＭの認識に伴う緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光は、匂い分子ＯＭの刺激（継続）時間中、一定値を取っている。そして、匂い分子ＯＭの認識に伴う緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光は、匂い分子ＯＭの刺激終了に伴って徐々に小さくなっている。このことから、匂い分子の刺激（継続）時間がわからない場合には、緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光が一定値を取っている時間を測定することで、匂い分子の刺激（継続）時間を把握することができる。また、匂い分子の刺激開始のタイミングおよび匂い分子の刺激終了のタイミングも把握することができる。
【００４３】
一方で、図５に示すように、生理水溶液ＲＳ中の正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入することにより、生理水溶液ＲＳ中の正イオン濃度が低下する。生理水溶液ＲＳ中の正イオンを補うため、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに吸着したプロトンＰａが、プロトン吸着膜ＰＡＦ１から解離して、生理水溶液ＲＳ中へと放出される（図５中、解離したプロトンをＰｘと表す）。その結果、センサ細胞Ｃ１１内の電位が正方向にシフトする一方で、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦの電位は負方向にシフトする。
【００４４】
これにより、プロトン吸着膜ＰＡＦ１と一体に形成されている延長ゲート電極ＥＧＥおよびゲート電極ＧＥの電位は負方向にシフトする。半導体装置ＳＤ１に含まれるＭＯＳＦＥＴがｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴである場合、チャネル領域ＣＨにキャリア電荷蓄積が生じ、ソース領域ＳＲとドレイン領域ＤＲ間に電流が流れるようになる（オン状態）。
【００４５】
ここで、匂い分子ＯＭによる刺激（継続）時間を（１）３０ｓ、（２）６０ｓ、（３）１２０ｓとした場合の、ゲート電極ＧＥの電位の変化を図６の下図に示す。図６の上図の緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光変化と、図６の下図のゲート電極ＧＥの電位変化とを対比することによって、図６の下図に示すゲート電極ＧＥの電位変化と、匂い分子ＯＭによる刺激（継続）時間との対応が可能になる。まず、前述したように、緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光輝度の測定結果から、匂い分子の刺激（継続）時間、匂い分子の刺激開始のタイミングおよび匂い分子の刺激終了のタイミングが把握できる。この結果に基づいて、ゲート電極ＧＥの電位変化の経時変化を分析した。その結果、図６の下図に示すように、ゲート電極ＧＥの電位は、匂い分子ＯＭの刺激開始とともに、単調減少（負方向に単調増加）し、匂い分子ＯＭの刺激終了に伴って徐々に正方向に増加し、最終的には元々の値に戻った。このことから、ゲート電極ＧＥの電位が単調減少している間の時間が、匂い分子の刺激（継続）時間であることがわかる。従って、緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光輝度を測定することなく、ゲート電極ＧＥの電位変化から、匂い分子の刺激（継続）時間を測定することもできる。
【００４６】
続いて、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムにおいて、ゲート電極ＧＥの電位変化が観測された以降の処理について説明する。
【００４７】
本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムにおいて、異なる種類の匂い分子に応答するセンサ細胞を用意し、同じ種類のセンサ細胞を同一の走査配線に接続されたセンサユニットに配置したものとする。例えば、匂い分子ＯＭ１に応答するセンサ細胞をＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３、匂い分子ＯＭ２に応答するセンサ細胞をＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３、匂い分子ＯＭ３に応答するセンサ細胞をＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３とする。そして、センサ細胞Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３が走査配線Ｗ１に、センサ細胞Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３が走査配線Ｗ２に、センサ細胞Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３が走査配線Ｗ３にそれぞれ接続されている。
【００４８】
この場合、ある一種類の匂い分子ＯＭ１に対して、センサユニットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３内のセンサ細胞Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３が応答し、同一の走査配線Ｗ１に接続されたセンサユニットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３のＭＯＳＦＥＴが同時にオン状態になる。そのため、同一走査配線上に配置されたセンサ細胞に起因した出力信号（または電流パルス幅）を信号回路ＳＩＧで受信した後にメモリ演算回路ＡＣで加算することで、その走査周期における同種センサ細胞の出力信号を加算することができる。メモリ演算回路ＡＣにおいて加算した出力信号に基づいて、匂い識別部ＯＩにおいて匂い分子の種類の特定と、匂い分子の濃度の測定とを行うことができる。
【００４９】
＜検討の経緯について＞
［検討例１］
本発明者が検討した検討例１の人工嗅覚センシングシステムの構成を、図７を用いて説明する。図７は、検討例１の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットＳ１０１の要部断面図である。
【００５０】
検討例１の人工嗅覚センシングシステムは、その構成要素であるセンサユニットの構成が、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムのセンサユニットの構成と異なっている。検討例１の人工嗅覚センシングシステムのそれ以外の構成については、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムの構成と同じであるため、繰り返しの説明を省略する。
【００５１】
図７に示すように、検討例１のセンサユニットＳ１０１は、半導体装置ＳＤ１０１と、半導体装置ＳＤ１０１上に配置されたセンサ細胞Ｃ１１とを備えている。検討例１の半導体装置ＳＤ１０１は、延長ゲート電極ＥＧＥ上に、プロトン吸着膜が形成されていない。そして、延長ゲート電極ＥＧＥ上に、センサ細胞Ｃ１１が接している。この点が、検討例１と本実施の形態との相違点である。
【００５２】
なお、検討例１の人工嗅覚センシングシステムに含まれるセンサユニットにおいて、以上で説明したセンサユニットＳ１０１以外のセンサユニットの構成については、センサユニットＳ１０１と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。
【００５３】
また、検討例１の人工嗅覚センシングシステムの製造方法では、本実施の形態と同様に、ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上に、アルミニウム膜（図示せず）を形成し、パターニングする。ただし、検討例１では、パターニングされたアルミニウム膜の表面に対して、酸素（Ｏ２）プラズマ処理を行わない。すなわち、このアルミニウム膜が、そのまま延長ゲート電極ＥＧＥとなる。以上の点が、検討例１と本実施の形態との相違点である。
【００５４】
次に、検討例１の人工嗅覚センシングシステムの動作原理について説明する。
【００５５】
本実施の形態と同様に、検討例１のセンサユニットＳ１０１は、半導体装置ＳＤ１０１上に生理水溶液ＲＳが満たされた状態になっている。また、生理水溶液ＲＳ内に存在するセンサ細胞Ｃ１１は、脂質膜ＬＢにより細胞内外が分離され、脂質膜ＬＢ表面に発現したイオンポンプ（図示せず）の作用によって、細胞内の正イオンの濃度が、細胞外よりも低い状態に保たれている。一方、検討例１では、センサ細胞Ｃ１１が、半導体装置ＳＤ１０１の延長ゲート電極ＥＧＥに接している。
【００５６】
以上の状態において、匂い分子ＯＭが生理水溶液ＲＳ内に導入された場合を考える。脂質膜ＬＢに発現した嗅覚受容体ＯＲが匂い分子ＯＭを捕捉・認識すると、嗅覚受容体ＯＲのイオンチャネルが開き、生理水溶液ＲＳ中のＣａ２＋を含む正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入する。
【００５７】
ここで、生理水溶液ＲＳ中の正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入することにより、センサ細胞Ｃ１１内の電位が正方向にシフトする。この電位の変化は、脂質膜ＬＢを介して、延長ゲート電極ＥＧＥに伝わり、延長ゲート電極ＥＧＥの電位が正方向にシフトする。
【００５８】
これにより、延長ゲート電極ＥＧＥおよびゲート電極ＧＥの電位は正方向にシフトする。半導体装置ＳＤ１０１に含まれるＭＯＳＦＥＴがｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである場合、チャネル領域ＣＨにキャリア電荷蓄積が生じ、ソース領域ＳＲとドレイン領域ＤＲ間に電流が流れるようになる（オン状態）。
【００５９】
検討例１におけるゲート電極ＧＥの電位変化が観測された以降の処理については、本実施の形態と同様であるため、繰り返しの説明を省略する。
【００６０】
以下、本発明者が検討例１の人工嗅覚センシングシステムについて見出した課題を説明する。
【００６１】
前述のように、センサ細胞Ｃ１１は球形をしており、平坦な延長ゲート電極ＥＧＥの全面と接触・被覆することは困難である。そのため、生理水溶液ＲＳ中の正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入することによる、センサ細胞Ｃ１１の電位のシフトが、延長ゲート電極ＥＧＥによって、定量的に検出することができないという問題がある。
【００６２】
また、センサ細胞Ｃ１１が、延長ゲート電極ＥＧＥと接触せず、センサ細胞Ｃ１１と延長ゲート電極ＥＧＥとの間に隙間が生じることも考えられる。この場合には、センサ細胞Ｃ１１と延長ゲート電極ＥＧＥとの間に生理水溶液ＲＳが介在してしまい、センサ細胞Ｃ１１の電位のシフトが、延長ゲート電極ＥＧＥに伝わらないという問題が生じる。
【００６３】
以上のように、検討例１の人工嗅覚センシングシステムでは、匂い分子の検出感度に対するセンサ細胞Ｃ１１周囲の環境による影響が大きく、匂い分子を安定して検出することができない。
【００６４】
［検討例２］
本発明者が検討した検討例２の人工嗅覚センシングシステムの構成を、図８を用いて説明する。図８は、検討例２の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットＳ１０２の要部断面図である。
【００６５】
検討例２の人工嗅覚センシングシステムは、その構成要素であるセンサユニットの構成が、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムのセンサユニットの構成と異なっている。検討例２の人工嗅覚センシングシステムのそれ以外の構成については、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムの構成と同じであるため、繰り返しの説明を省略する。
【００６６】
図８に示すように、検討例２のセンサユニットＳ１０２は、半導体装置ＳＤ１０２と、半導体装置ＳＤ１０２上に配置されたセンサ細胞Ｃ１１とを備えている。検討例２の半導体装置ＳＤ１０２は、延長ゲート電極ＥＧＥ上に、プロトン吸着膜ではなく、絶縁膜ＩＦが形成されている。絶縁膜ＩＦは、酸化アルミニウム膜からなるが、多孔質ではなく、その表面は本実施の形態のプロトン吸着膜ＰＡＦ１に比べて滑らかである。また、絶縁膜ＩＦには電子が捕獲されておらず、その表面は帯電していない。そして、絶縁膜ＩＦの表面は、水酸基によって覆われておらず、プロトンが吸着していない。また、絶縁膜ＩＦ上に、センサ細胞Ｃ１１が接している。これらの点が、検討例２と本実施の形態との相違点である。
【００６７】
なお、検討例２の人工嗅覚センシングシステムに含まれるセンサユニットにおいて、以上で説明したセンサユニットＳ１０２以外のセンサユニットの構成については、センサユニットＳ１０２と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。
【００６８】
また、検討例２の人工嗅覚センシングシステムの製造方法では、本実施の形態と同様に、ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上に、アルミニウム膜（図示せず）を形成し、パターニングする。ここで、検討例２では、例えば、熱酸化法により、パターニングされたアルミニウム膜の表面を酸化し、このアルミニウム膜の表面に酸化アルミニウム膜が形成される。この際、元々のアルミニウム膜のうち、熱酸化法によって酸化された部分（酸化アルミニウム膜）が絶縁膜ＩＦを構成し、熱酸化法によって酸化されなかった部分が延長ゲート電極ＥＧＥを構成する。
【００６９】
なお、例えば熱酸化法によっては、絶縁膜ＩＦの表面はほとんど荒れないため、絶縁膜ＩＦの表面は、本実施の形態のプロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面に比べて滑らかである。また、絶縁膜ＩＦは負に帯電しない。また、絶縁膜ＩＦの表面にはアルミニウム原子の化学的未結合手がほとんど形成されない。その結果、絶縁膜ＩＦ上に生理水溶液ＲＳを配置して、絶縁膜ＩＦと生理水溶液ＲＳとを接触させても、絶縁膜ＩＦの表面が水酸基で被覆されることはなく、絶縁膜ＩＦの表面にプロトンが吸着することもない。
【００７０】
なお、酸化アルミニウムをターゲットとするスパッタ法により、アルミニウム膜上に酸化アルミニウム膜を直接形成して、この酸化アルミニウム膜を絶縁膜ＩＦとしてもよい。この場合においても、形成された酸化アルミニウム膜は、高密度の膜として形成されるため、絶縁膜ＩＦの表面は、本実施の形態のプロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面に比べて滑らかである。また、絶縁膜ＩＦは負に帯電しない。そして、絶縁膜ＩＦの表面にはアルミニウム原子の化学的未結合手がほとんど形成されない。その結果、この場合においても、絶縁膜ＩＦ上に生理水溶液ＲＳを配置して、絶縁膜ＩＦと生理水溶液ＲＳとを接触させても、絶縁膜ＩＦの表面が水酸基で被覆されることはなく、絶縁膜ＩＦの表面にプロトンが吸着することもない。以上の点が、検討例２と本実施の形態との相違点である。
【００７１】
次に、検討例２の人工嗅覚センシングシステムの動作原理について説明する。
【００７２】
本実施の形態と同様に、検討例２のセンサユニットＳ１０２は、半導体装置ＳＤ１０２上に生理水溶液ＲＳが満たされた状態になっている。また、生理水溶液ＲＳ内に存在するセンサ細胞Ｃ１１は、脂質膜ＬＢにより細胞内外が分離され、脂質膜ＬＢ表面に発現したイオンポンプ（図示せず）の作用によって、細胞内の正イオンの濃度が、細胞外よりも低い状態に保たれている。一方、検討例２では、センサ細胞Ｃ１１が、半導体装置ＳＤ１０２の絶縁膜ＩＦに接している。
【００７３】
以上の状態において、匂い分子ＯＭが生理水溶液ＲＳ内に導入された場合を考える。脂質膜ＬＢに発現した嗅覚受容体ＯＲが匂い分子ＯＭを捕捉・認識すると、嗅覚受容体ＯＲのイオンチャネルが開き、生理水溶液ＲＳ中のＣａ２＋を含む正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入する。
【００７４】
ここで、生理水溶液ＲＳ中の正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入することにより、センサ細胞Ｃ１１内の電位が正方向にシフトする。この電位の変化は、脂質膜ＬＢおよび絶縁膜ＩＦを介して、延長ゲート電極ＥＧＥに伝わり、延長ゲート電極ＥＧＥの電位が正方向にシフトする。
【００７５】
これにより、延長ゲート電極ＥＧＥおよびゲート電極ＧＥの電位は正方向にシフトする。半導体装置ＳＤ１０２に含まれるＭＯＳＦＥＴがｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである場合、チャネル領域ＣＨにキャリア電荷蓄積が生じ、ソース領域ＳＲとドレイン領域ＤＲ間に電流が流れるようになる（オン状態）。
【００７６】
検討例２におけるゲート電極ＧＥの電位変化が観測された以降の処理については、本実施の形態と同様であるため、繰り返しの説明を省略する。
【００７７】
以下、本発明者が検討例２の人工嗅覚センシングシステムについて見出した課題を説明する。
【００７８】
前述のように、センサ細胞Ｃ１１は球形をしており、平坦な延長ゲート電極ＥＧＥの全面と接触・被覆することは困難である。そのため、検討例１では、生理水溶液ＲＳ中の正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入することによる、センサ細胞Ｃ１１の電位のシフトが、延長ゲート電極ＥＧＥに効果的に伝わらないという問題があった。
【００７９】
ここで、検討例２の半導体装置ＳＤ１０２では、延長ゲート電極ＥＧＥ上に絶縁膜ＩＦを形成している。そのため、センサ細胞Ｃ１１と延長ゲート電極ＥＧＥとの間には、絶縁膜ＩＦが介在する。こうすることで、センサ細胞Ｃ１１の微弱な電位応答信号を増幅出来ることがわかっている。
【００８０】
一方、前述のように、センサ細胞Ｃ１１が、絶縁膜ＩＦと接触せず、センサ細胞Ｃ１１と絶縁膜ＩＦとの間に隙間が生じることも考えられる。この場合には、センサ細胞Ｃ１１と絶縁膜ＩＦとの間に生理水溶液ＲＳが介在してしまい、上記した絶縁膜ＩＦによるセンサ細胞Ｃ１１の微弱な電位応答信号の増幅効果が得られないという問題が生じる。
【００８１】
以上のように、検討例２の人工嗅覚センシングシステムでは、匂い分子の検出感度に対するセンサ細胞Ｃ１１と絶縁膜ＩＦとの間の距離による影響が大きく、匂い分子を安定して検出することができない。そのため、センサ細胞の電位の変化を、半導体装置に効果的にかつ安定して伝えられるように、人工嗅覚センシングシステムの構成およびその製法を工夫して、人工嗅覚センシングシステムの性能を向上させることが望まれる。
【００８２】
＜実施の形態の主な特徴と効果＞
以下、本実施の形態の主要な特徴および効果について説明する。本実施の形態の主要な特徴の一つは、図２に示すように、半導体装置ＳＤ１の延長ゲート電極ＥＧＥ上には、酸化アルミニウム膜からなるプロトン吸着膜ＰＡＦ１が形成されていることである。そして、図３に示すように、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、多孔質であり、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦは、凹凸形状を有している。また、プロトン吸着膜ＰＡＦ１には、電子ＥＬが捕獲されており、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦは負に帯電している。また、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦは、水酸基ＨＧにより被覆されている。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦには、水酸基ＨＧを介してプロトンＰａが吸着している。
【００８３】
また、本実施の形態の半導体装置ＳＤ１の製造方法において、アルミニウム膜の表面に対して、酸素（Ｏ２）プラズマ処理を行い、アルミニウム膜の表面に多孔質の酸化アルミニウム膜を形成し、この酸化アルミニウム膜をプロトン吸着膜ＰＡＦ１としている。プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦにはアルミニウム原子の化学的未結合手が多数形成される。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ１は、酸素プラズマ処理中に電子を多数捕獲することにより、酸素プラズマ処理後は、負に帯電した状態となる。その後、プロトン吸着膜ＰＡＦ１と生理水溶液ＲＳとを接触させる。これにより、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに存在するアルミニウム原子の化学的未結合手が、生理水溶液ＲＳ中の水と反応し、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに存在するアルミニウム原子の化学的未結合手には、水酸基ＨＧが結合する。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ１が負に帯電しているため、前記化学的未結合手が生理水溶液ＲＳ中の水と反応して生じたプロトンＰａは、プロトン吸着膜ＰＡＦ１に吸着する。
【００８４】
本実施の形態では、このような構成および製造工程を採用したことにより、人工嗅覚センシングシステムの性能を向上させることができる。以下、その理由について具体的に説明する。
【００８５】
本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットＳ１１は、図５に示すように、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦにプロトンＰａが吸着した状態になっている。そのため、図５に示すように、生理水溶液ＲＳ中の正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入して、生理水溶液ＲＳ中の正イオン濃度が低下した場合に、生理水溶液ＲＳ中の正イオンを補うため、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦに吸着したプロトンＰａが、プロトン吸着膜ＰＡＦ１から解離して、生理水溶液ＲＳ中へと放出される。その結果、センサ細胞Ｃ１１内の電位が正方向にシフトする一方で、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦの電位は負方向にシフトする。これにより、プロトン吸着膜ＰＡＦ１と一体に形成されている延長ゲート電極ＥＧＥおよびゲート電極ＧＥの電位は負方向にシフトする。
【００８６】
このように、本実施の形態では、匂い分子に対する電気的応答として、検討例１および検討例２のようにセンサ細胞Ｃ１１自体の電位変化を測定するのではなく、プロトン吸着膜ＰＡＦ１上に存在するプロトンＰａの量の変化に伴うゲート電極ＧＥの電位変化を測定している。ゲート電極に接続された延長ゲート電極ＥＧＥとプロトン吸着膜ＰＡＦ１との距離は一定であり、かつ、その距離は約５ｎｍとごくわずかである。そのため、プロトン吸着膜ＰＡＦ１上に存在するプロトンＰａの量の変化に伴うゲート電極ＧＥの電位変化は、高感度かつ再現性のよい安定した変化となる。
【００８７】
また、本実施の形態においては、センサ細胞Ｃ１１自体の電位変化を測定していないため、センサ細胞Ｃ１１がプロトン吸着膜ＰＡＦ１に接触している必要はなく、ゲート電極ＧＥの電位変化に対する、センサ細胞Ｃ１１とプロトン吸着膜ＰＡＦ１との間の距離の影響も小さい。そのため、本実施の形態では、匂い分子に対する電気的応答を、高感度かつ再現性よく観測することができ、人工嗅覚センシングシステムの性能を向上させることができる。
【００８８】
また、本実施の形態において、匂い分子の刺激に伴うゲート電極ＧＥの電位の、負方向への変化の割合は、プロトン吸着膜ＰＡＦ１からのプロトンＰａの解離速度に律速されていると考えられる。また、プロトン吸着膜ＰＡＦ１上に存在する生理水溶液ＲＳ中の正イオン濃度が低いほど、プロトン吸着膜ＰＡＦ１からのプロトンＰａの解離速度が大きくなる。そして、センサ細胞Ｃ１１への流入量が多いほど、生理水溶液ＲＳ中の正イオン濃度は低下する。また、匂い分子の濃度が高いほど、センサ細胞Ｃ１１への流入量が多くなる。以上より、匂い分子の刺激に伴うゲート電極ＧＥの電位変化の割合は、匂い分子の濃度に比例して大きくなることがわかる。そのため、予め濃度のわかっている匂い分子を用いて、匂い分子の濃度と匂い分子の刺激に伴うゲート電極ＧＥの電位の、負方向への変化の割合（すなわち電位変化の時間微分）との関係を求めておけば、匂い分子の刺激に伴うゲート電極ＧＥの電位の、負方向への変化の割合から、匂い分子の濃度を測定することができる。
【００８９】
具体的には、図６の下図に示すように、ゲート電極ＧＥの電位は、匂い分子の刺激開始とともに、単調減少（負方向に単調増加）している。そのため、例えば、匂い分子の刺激（継続）時間が（１）３０ｓの場合の匂い分子の濃度を求める場合には、（１）３０ｓのグラフの単調減少部分に近似する直線ｘを引いて、この直線ｘの傾きを求める。そして、予めこの直線ｘの傾きと匂い分子の濃度との関係を、例えば検量線として準備しておくことで、匂い分子の濃度を測定することができる。
【００９０】
また、本実施の形態の人工嗅覚センシングシステムの製造方法において、アルミニウム膜の表面に対して、酸素プラズマ処理を行い、アルミニウム膜の表面に多孔質の酸化アルミニウム膜を形成し、この酸化アルミニウム膜をプロトン吸着膜ＰＡＦ１としている。
【００９１】
酸化アルミニウム膜は、膜密度を低くすると、保持できる負の固定電荷が大きくなることがわかっている。本実施の形態では、酸化アルミニウム膜の形成方法として、酸素プラズマ処理を採用している。酸素プラズマ処理では、アルミニウム膜に対する酸素由来のイオンによるスパッタリングが起こるため、表面が荒れた多孔質の酸化アルミニウム膜を形成することができる。さらに、酸素プラズマ処理により発生した電子がこの酸化アルミニウム膜に捉えられる。こうすることで、酸素プラズマ処理により形成した酸化アルミニウム膜は、例えば熱酸化法などにより形成した酸化アルミニウム膜に比べて、多くの負の固定電荷を有する。その結果、本実施の形態のプロトン吸着膜ＰＡＦ１は、その内部の負の固定電荷により、プロトン（Ｈ＋）Ｐａを吸着させることができる。
【００９２】
また、酸素プラズマ処理では、酸素由来のイオンによるスパッタリングによって、アルミニウム膜の表面にアルミニウム原子の化学的未結合手が多数形成される。そのため、酸素プラズマ処理後のアルミニウム膜（すなわちプロトン吸着膜ＰＡＦ１）を、生理水溶液ＲＳと接触させることで、アルミニウム原子の化学的未結合手が生理水溶液ＲＳ中の水と反応し、アルミニウム原子の化学的未結合手に水酸基ＨＧが結合する。プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦを水酸基ＨＧで覆うことによって、プロトン吸着膜ＰＡＦ１に吸着したプロトンＰａを水酸基ＨＧとの水素結合により安定化し、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦがプロトンＰａで覆われた状態を維持することができる。
【００９３】
なお、前述のように、本実施の形態においては、センサ細胞Ｃ１１は、半導体装置ＳＤ１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１と所定の距離をおいて、生理水溶液ＲＳ中に浮遊していてもよい。ただし、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面に吸着しているプロトンＰａが、センサ細胞Ｃ１１に流入される正イオンの影響を受けるためには、センサ細胞Ｃ１１に流入される正イオンが形成する電気二重層の厚さ（デバイ長）内にプロトン吸着膜ＰＡＦ１が存在する必要がある。一般的には、正イオンが１０−１〜１０−５Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）程度のイオン濃度の場合、デバイ長は１〜１００ｎｍ程度である。従って、センサ細胞Ｃ１１と、プロトン吸着膜ＰＡＦ１との距離は、約１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００９４】
（実施の形態２）
実施の形態２の人工嗅覚センシングシステムの構成を、図９を用いて説明する。図９は、実施の形態２の人工嗅覚センシングシステムを構成するセンサユニットＳ１１の要部拡大断面図、図１０は、実施の形態２のプロトン吸着膜ＰＡＦ２を構成する分子を示す模式図である。
【００９５】
実施の形態２の人工嗅覚センシングシステムは、その構成要素であるセンサユニットの構成が、上記実施の形態１の人工嗅覚センシングシステムのセンサユニットの構成と異なっている。実施の形態２の人工嗅覚センシングシステムのそれ以外の構成については、上記実施の形態１の人工嗅覚センシングシステムの構成と同じであるため、繰り返しの説明を省略する。
【００９６】
図９に示すように、実施の形態２のセンサユニットＳ１１は、半導体装置ＳＤ２と、半導体装置ＳＤ２上に配置されたセンサ細胞Ｃ１１（図示は省略する）とを備えている。実施の形態２の半導体装置ＳＤ２は、ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上に、延長ゲート電極（第１導体膜）ＥＧＥ２が形成されている。そして、延長ゲート電極ＥＧＥ２上に、プロトン吸着膜（第１絶縁膜）ＰＡＦ２が形成されている。延長ゲート電極ＥＧＥ２は、アルミニウム膜上に金薄膜（膜厚約１００ｎｍ）を形成した積層膜からなる。そして、プロトン吸着膜ＰＡＦ２は、自己組織化単分子膜（Self-Assembled Monolayer）ＳＡＭからなり、プロトン吸着膜ＰＡＦ２の表面には、プロトンＰａが吸着している。
【００９７】
図１０に示すように、自己組織化単分子膜ＳＡＭは、チオール基を有する分子が、延長ゲート電極ＥＧＥ２を構成する金（Ａｕ）にＡｕ−Ｓ結合により結合することにより形成されている。自己組織化単分子膜ＳＡＭを構成する分子としては、例えば２−メルカプトエタンスルホン酸ナトリウム（Sodium 2-Mercaptoethanesulfonate：ＭＥＳＡ）（分子１）、または、チオール基を有するビピリジン誘導体分子（Br-Bipyridine-derivative）（分子２）が挙げられる。これらの分子は、プロトン吸着特性を有している。この点が、実施の形態２と上記実施の形態１との相違点である。
【００９８】
なお、実施の形態２の人工嗅覚センシングシステムに含まれるセンサユニットにおいて、以上で説明したセンサユニットＳ１１以外のセンサユニットの構成については、センサユニットＳ１１と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。
【００９９】
また、実施の形態２の人工嗅覚センシングシステムの製造方法では、上記実施の形態１と同様に、ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上に、アルミニウム膜（図示せず）を形成し、パターニングする。その後、パターニングされたアルミニウム膜上に金薄膜を蒸着して延長ゲート電極ＥＧＥ２を形成する。続いて、延長ゲート電極ＥＧＥ２の表面を、例えば２−メルカプトエタンスルホン酸ナトリウム、または、チオール基を有するビピリジン誘導体分子の１ｍＭエタノール溶液に１時間以上浸漬する。これにより、チオール基と金との間にＡｕ−Ｓ結合が順次形成される。こうすることで、自己組織化単分子膜ＳＡＭからなるプロトン吸着膜ＰＡＦ２を延長ゲート電極ＥＧＥ２上に形成することができる。以上の点が、実施の形態２と上記実施の形態１との相違点である。
【０１００】
実施の形態２において、図１０に示す２−メルカプトエタンスルホン酸ナトリウム（分子１）、および、チオール基を有するビピリジン誘導体分子（分子２）は、いずれもプロトン吸着特性を有することがわかっている。例えば、図１０に示すように、分子１では、ナトリウムイオンが電離して、スルホン酸イオンを形成することにより、プロトン吸着特性を有する。実施の形態２では、プロトン吸着膜ＰＡＦ２として、これらの分子からなる自己組織化単分子膜ＳＡＭを採用することで、上記実施の形態１と同様に、プロトン吸着膜ＰＡＦ２の表面にプロトンＰａを吸着させることができる。
【０１０１】
従って、前述のように、生理水溶液ＲＳ中の正イオンがセンサ細胞Ｃ１１内に流入して、生理水溶液ＲＳ中の正イオン濃度が低下した場合に、生理水溶液ＲＳ中の正イオンを補うため、半導体装置ＳＤ２のプロトン吸着膜ＰＡＦ２の表面に吸着したプロトンＰａが、プロトン吸着膜ＰＡＦ２から解離して、生理水溶液ＲＳ中へと放出される。その結果、センサ細胞Ｃ１１内の電位が正方向にシフトする一方で、プロトン吸着膜ＰＡＦ１の表面ＳＦの電位は負方向にシフトする。これにより、プロトン吸着膜ＰＡＦ１と一体に形成されている延長ゲート電極ＥＧＥ２およびゲート電極ＧＥの電位は負方向にシフトする。
【０１０２】
このように、実施の形態２では、匂い分子に対する電気的応答として、上記実施の形態１と同様に、プロトン吸着膜ＰＡＦ２上に存在するプロトンＰａの量の変化に伴う電位変化を測定している。その結果、匂い分子に対する電気的応答として、高感度かつ再現性のよい安定した電位の変化を観測できる。
【０１０３】
以上で説明したように、実施の形態２のプロトン吸着膜ＰＡＦ２は、延長ゲート電極ＥＧＥ２の表面をエタノール溶液に浸漬することによって、形成することができる。一方、上記実施の形態１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１は、アルミニウム膜に対して酸素プラズマ処理を行うことによって形成している。すなわち、ＭＯＳＦＥＴが形成された基板ＳＢごと、酸素プラズマ処理を行う装置に搬入して、ＭＯＳＦＥＴを含む基板ＳＢ全体が酸素プラズマに晒されてしまう。そのため、酸素プラズマ処理によるＭＯＳＦＥＴへのダメージ軽減という観点から、実施の形態２は、上記実施の形態１に比べて有利である。
【０１０４】
なお、実施の形態２では、延長ゲート電極ＥＧＥ２とプロトン吸着膜ＰＡＦ２に吸着したプロトンＰａとの間には、自己組織化単分子膜ＳＡＭしか存在しない。すなわち、延長ゲート電極ＥＧＥ２と吸着したプロトンＰａとの絶縁性を確保するためには、自己組織化単分子膜ＳＡＭが延長ゲート電極ＥＧＥ２を確実に被覆することが必要である。延長ゲート電極ＥＧＥ２と吸着したプロトンＰａとの絶縁性が確保されないと、プロトンＰａの量の変化に伴う電位変化が正しく測定できない可能性がある。
【０１０５】
一方、上記実施の形態１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１は、酸素プラズマ処理により形成された酸化アルミニウム膜であり、この酸化アルミニウム膜が絶縁膜として作用するため、延長ゲート電極ＥＧＥと吸着したプロトンＰａとの絶縁性は十分に確保される。この観点において、上記実施の形態１は、実施の形態２よりも有利である。
【０１０６】
また、上記実施の形態１のプロトン吸着膜ＰＡＦ１は、多孔質の酸化アルミニウム膜である。一方、実施の形態２のプロトン吸着膜ＰＡＦ２は、金薄膜の表面に形成された自己組織化単分子膜ＳＡＭである。従って、プロトン吸着量の観点において、上記実施の形態１は、実施の形態２よりも有利である。
【０１０７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１０８】
ＡＣ  メモリ演算回路
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３  センサ細胞
ＣＩ  正イオン
ＥＧＥ，ＥＧＥ２  延長ゲート電極
ＧＥ  ゲート電極
ＧＩ  ゲート絶縁膜
ＨＧ  水酸基（−ＯＨ）
ＩＦ  絶縁膜
ＩＬ  絶縁層
ＬＢ  脂質膜
ＯＩ  匂い識別部
ＯＭ  匂い分子
ＯＲ  嗅覚受容体
Ｐａ  プロトン（Ｈ＋）
ＰＡＦ１，ＰＡＦ２  プロトン吸着膜
ＲＳ  生理水溶液
Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３  センサユニット
ＳＣＡ  走査回路
ＳＤ１，ＳＤ１０１，ＳＤ１０２，ＳＤ２  半導体装置
ＳＩＧ  信号回路
ＳＳ  人工嗅覚センシングシステム
【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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【図１０】
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