(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上の二次元領域に存在するセンサマトリックスとを備え、
前記センサマトリックスは、複数の基本ブロックで構成され、前記基本ブロックはそれぞれ、センシング部を有する少なくとも３種類のセンサ素子を備え、
前記少なくとも３種類のセンサ素子の１つは電気・光センサ素子であり、前記電気・光センサ素子はそれぞれ、透明電極と、前記透明電極の直下の前記基板に形成された受光素子とを備える
ことを特徴とするバイオセンサ。
【請求項２】
前記センシング部は、前記バイオセンサの１つの表面側を向いており、前記センサマトリックスが全体としてセンサ画素アレイを構成していることを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記センサ素子のそれぞれの大きさは、３００ｎｍ×３００ｎｍ〜２０μｍ×２０μｍである請求項１又は２に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記受光素子は、その直上に位置する前記透明電極を通過した光を受光するように構成される請求項１〜３の何れか１項に記載のバイオセンサ。
【請求項５】
前記基本ブロックに含まれる前記電気・光センサ素子以外の前記センサ素子は、互いに異なる機能を有するように以下の群から少なくとも１つ選択されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のバイオセンサ；
（１）透明電極と、前記透明電極の直下の前記基板に形成された受光素子と、前記透明電極上に積層された化学物質感応膜を含む化学物質・光センサ素子；
（２）前記センシング部に少なくとも１層の有機光学フィルタ層および／または少なくとも２層の無機光学フィルタ層と、前記透明電極とを含む電気・光センサ素子；
（３）前記センシング部に少なくとも２層の無機光学フィルタ層と前記無機光学フィルタ層よりも上方に積層された少なくとも１層の有機光学フィルタ層と前記有機光学フィルタ層の上方に積層された前記透明電極とを含む電気・光センサ素子。
（４）前記センシング部に水素イオン感応性膜を含むｐＨセンサ素子；
（５）前記センシング部に金属イオン感応性膜を含む金属イオン濃度センサ素子；
（６）前記センシング部に金属層と前記金属層上に積層された絶縁層とを含む電極センサ素子；
（７）前記センシング部に第１の金属層と、前記金属層上に積層された第２の金属層とを含む電極センサ素子；および
（８）温度センサ素子。
【請求項６】
更に、前記センサ素子の種類毎に当該センサ素子からの信号を読み出す第１の回路部分を前記基板上に備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のバイオセンサ。
【請求項７】
更に、それぞれの前記センサ素子からの検出信号をそれぞれに読み出す第２の回路部分を前記基板上に備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のバイオセンサ。
【請求項８】
前記第１または第２の回路部分が、前記センサ素子からの信号の読み出し順を制御するコントローラと、前記コントローラの制御の下で、前記センサ素子からの当該信号を外部に出力する出力回路とを備えることを特徴とする請求項６または７に記載のバイオセンサ。
【請求項９】
更に、前記第１の回路部分に連絡している、Ａ／Ｄ変換回路、信号処理回路、通信回路、メモリ回路および／または電源回路を前記基板上に備えることを特徴とする請求項６に記載のバイオセンサ。
【請求項１０】
更に、前記第２の回路部分に連絡している、Ａ／Ｄ変換回路、信号処理回路、通信回路、メモリ回路および／または電源回路を前記基板上に備えることを特徴とする請求項７又は９に記載のバイオセンサ。
【請求項１１】
前記透明電極は、分析対象物が接することができるように設けられていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のバイオセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、バイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体チップ上でバイオ計測を行う多くの種類のバイオセンサが開発されている。そのようなバイオセンサには、イオン濃度を計測する装置、光計測を行う装置、蛍光強度を測定することにより被検物質の化学的挙動を観察する装置、電位を計測することにより細胞活動を観察する装置などがある。【０００３】
他方、より健康で快適に生活できる社会を目指すために、病気の原因やその発症メカニズムなどを明らかにするための研究や、それに基づく予防方法や治療方法などに関する研究が行われている。また、病気の発症リスクを軽減するために、上記により明らかにされた病気に関する情報や、個々人における病気の要因、例えば、先天的要因、生活要因および後天的要因などの情報を収集することやそれらの情報を解析することなどが提案されている。【０００４】
このような状況において、バイオセンサの更なる開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−６２２０９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３５７９号公報
【特許文献３】特開平２０１１−２４２４３７号公報
【特許文献４】特開２００４−２８７２３号公報
【特許文献５】特開２０００−５５８７４号公報
【特許文献６】特開２００７−２４８９９４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ，  Ｖｏｌ．９９，  Ｎｏ．２，  ｐｐ．２５２−２８４，  Ｆｅｂ  ２０１１
【非特許文献２】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４５，  Ｎｏ．１２，  ２００６，  ｐｐ９２５９−９２６３
【非特許文献３】Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ２００９，  ｐｐ．９１６−９１９，２００９
【非特許文献４】“Ｌａｂｅｌ−Ｆｒｅｅ  Ａｃｅｔｙｌｃｈｏｌｉｎｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｇｙ  ｆｏｒ  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ  Ｔｒａｎｃｋｉｎｇ”，  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．５１，  ２０１２
【非特許文献５】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｖｏｌ．５７，  Ｎｏ．５，  Ｍａｙ  ２０１０
【非特許文献６】ＩＳＳＣＣ  Ｄｉｇ．  Ｔｅｃｈ．  Ｐａｐｅｒｓ，  ｐｐ．４３５−４３６，  ２００９
【非特許文献７】ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ，  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，  Ｖｏｌ．５７，  Ｎｏ．５，  Ｍａｙ  ２０１０
【非特許文献８】“Ｃｈａｒｇｅ  Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｙｐｅ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｉｏｎ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  ｐＨ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．５０，２０１１
【非特許文献９】２０１４  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ｐｐ．１３４−１３５，  ２０１４
【非特許文献１０】ＩＥＥＥ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ，  Ｖｏｌ．１３，  Ｎｏ．９，  Ｓｅｐｔ．  ２０１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本出願が解決しようとする課題は、複数の検査項目（多項目）についての情報を得ることができるバイオセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態のバイオセンサは、基板と、基板上の二次元領域に存在するセンサマトリックスとを備える。前記センサマトリックスは、複数の基本ブロックを備える。前記複数の基本ブロックのそれぞれは、少なくとも３種類のセンサ素子を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す平面図。
【図２】実施形態に係るバイオセンサのセンサ画素の例を示す断面図。
【図３】実施形態に係るバイオセンサの電極センサ画素の例を示す断面図。
【図４】実施形態に係るバイオセンサの光センサ画素の例の製造プロセスを示す断面図。
【図５】実施形態に係るバイオセンサに備えられる光センサ画素の例の製造プロセスを示す断面図。
【図６】実施形態に係るバイオセンサの回路構成の１例を示す概要図。
【図７】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図８】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図９】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図１０】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図１１】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図１２】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図１３Ａ】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図１３Ｂ】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図１４】実施形態に係るバイオセンサのサブブロックの１例の回路図。
【図１５】実施形態に係るセンサアレイの１例を示す平面図。
【図１６】実施形態に係るセンサアレイの１例を示す平面図。
【図１７】実施形態に係るセンサアレイの１例を示す平面図。
【図１８】実施形態に係るセンサアレイの１例を示す平面図。
【図１９】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す断面図。
【図２０】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す図。
【図２１】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す図。
【図２２】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す図。
【図２３】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す図。
【図２４】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す図。
【図２５】実施形態に係るバイオセンサの１例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態のバイオセンサは、基板と、基板上の二次元領域に存在するセンサマトリックスとを備える。前記センサマトリックスは、複数の基本ブロックを備える。複数の基本ブルックのそれぞれは、少なくとも３種類のセンサ素子を備える。
【００１１】
センサ素子は、センシング部を備える。センサマトリックスに含まれる全てのセンシング部は、バイオセンサの１つの表面側を向いている。即ち、センシング部は、バイオセンサの１つの面から外部に露出している。バイオセンサのセンサマトリックスに含まれる全センサ素子の全センシング部は、全体としてセンサ画素アレイを構成している。即ち、バイオセンサにより得られる結果は、そこに含まれる１つ１つのセンシング部からの情報を１つの画素として含むイメージであり得る。
【００１２】
図１（ａ）を参照しながら、バイオセンサの１例について説明する。図１（ａ）は、バイオセンサのセンシング部が配置されている基板面の一部分を示すイメージ図である。センサマトリックスは、複数のセンサ画素を含むアレイ、即ち、センサ画素アレイである。
【００１３】
ここには、センサマトリックス１１０に少なくとも４つのセンサ画素１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄが行列状に配置されていることが示されている。各センサ画素は、１つの基本ブロックから構成されている。１つの基本ブロックには、４種類のセンサ素子がマトリックス状に並んでいる。具体的にはそれらは、二行二列で整列して配置されている。それにより、各センサ画素には、４種類のセンシング部がマトリックス状に並んで含まれている。これらのセンシング部のそれぞれが、サブ画素としてのセンサ画素である。
【００１４】
図１（ａ）に示される４種類のセンシング部のうちの２つは、それぞれが互いに異なるイオンの濃度を計測するイオンセンシング部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄおよび１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ，１２１ｄ（図中「イオン（Ａ）」および「イオン（Ｂ）」と示す）である。残りの２種類のセンシング部は、電気センシング部１３１ａ，１３１ｂ，１３１ｃ，１３１ｄ（図中「電極」）と光センシング部１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃ，１７１ｄ（図中「光」）である。
【００１５】
このような構成のバイオセンサにより、２種類のイオンの濃度、電気信号および光信号とを同時に検出することが可能となる。
【００１６】
実施形態に従うバイオセンサによれば、分析対象物に関して複数の項目を同時に検出することが可能となり、より迅速に検査を行うことが可能となる。また、検査されるべき試料についての分析を、複数項目について得られた結果から総合的に行うことが可能となるため、より正確な分析結果を得ることが可能となる。即ち、実施形態のバイオセンサによれば、より高い信頼性を持って複数の検査項目についての情報（多項目）を得ることができる。
【００１７】
図１（ａ）の基本ブロックには、２×２のマトリックスで４つのセンサ素子を含む例を示した。上述したように、センサ画素に含まれる各センシング部がサブ画素である一方、基本ブロックを基準とすると、各センサ素子はサブブロックである。このような基本ブロックを有するバイオセンサの特徴は、各サブブロックのピッチの倍が基本ブロックのピッチとなることである。１つの例として、イオン（Ｂ）センシング部１２１ａに注目する。センサ画素アレイ全体に亘り、イオン（Ｂ）センシング部１２１ａについて検出結果を得ようとすると、他種類のサブブロックが配置されているために、直接にそれらの信号を得ることができない領域が生じる。それらの領域の情報については、例えば、イオン（Ｂ）センシング部１２１ａを取り囲むようにその周辺に位置するセンシング部、例えば、イオン（Ａ）センシング部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄの情報を使って補間し得る。それにより、解像度を向上できる。
【００１８】
１例を図１（ｂ）に示す。イオン（Ｂ）センシング部の位置でのイオン（Ａ）の濃度値を得るために値を補間する場合、イオン（Ａ）センシング部１１１ａ（図中「イオン（Ａ）１」），１１１ｂ（同「イオン（Ａ）２」），１１１ｃ（同「イオン（Ａ）３」），１１１ｄ（同「イオン（Ａ）４」）から得られた濃度値を使用して、次の式のように補間し得る。また同様に、イオン（Ａ）センシング部１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１１ｄから得られた濃度値を使用して、それらの間に位置する電気センシング部１３１ａ，１３１ｂ（図中、「電極１」、「電極２」）と光センシング部１７１ａ，１７１ｃ（図中「光１」、「光３」）についても補間され得る。
【００１９】
イオン（Ｂ）１の位置のイオン（Ａ）の補間値＝（[イオン（Ａ）１]＋[イオン（Ａ）２]＋[イオン（Ａ）３]＋ [イオン（Ａ）４]）／４
電極１の位置のイオン（Ａ）の補間値＝（[イオン（Ａ）１＋イオン（Ａ）３]）／２
電極２の位置のイオン（Ａ）の補間値＝（［イオン（Ａ）２］＋イオン（Ａ）４）／２
光１の位置のイオン（Ａ）の補間値＝（[イオン（Ａ）１]＋[イオン（Ａ）２]）／２
光３の位置のイオン（Ａ）の補間値＝（[イオン（Ａ）３]＋[イオン（Ａ）４]）／２。
【００２０】
このように補間することにより、より高解像度な計測を行うことが可能となる。
【００２１】
上記では、２×２で４つのセンサ素子を含む基本ブロックについて説明したが、これに限定するものではなく、基本ブロックに含まれるセンサ素子の数、並びにマトリックスの行および列の数は任意に選択され得る。
【００２２】
各センサ画素の大きさは、例えば、３００ｎｍ×３００ｎｍ〜２０μｍ×２０μｍ、３００ｎｍ×３００ｎｍ〜１０μｍ×１０μｍ、３００ｎｍ×３００ｎｍ〜１μｍ×１μｍなどの範囲であってもよい。また例えば、１つの基本ブロックにおいて、センサ素子の種類に依存してセンシング部の大きさを変更してもよい。或いは、例えば、感知されるべき信号の大きさに依存してセンシング部の大きさが決定されてもよい。センササブ画素間のピッチは、例えば、０．５μｍ〜３０μｍであってもよいが、これに限定するものではない。例えば、可視光を計測するためには、可視光センササブ画素間のピッチは可視光領域波長の半分であれば十分である。
【００２３】
バイオセンサに含まれ得る１つのセンサ素子は、化学物質に依存する信号、光信号、例えば、可視光、紫外光、近赤外光、赤外光、蛍光、燐光、生物発光、温度および電気信号からなる群より少なくとも１つ選択されるものに関する情報をセンシング部によって感知するものであればよい。また、バイオセンサには、少なくとも３種類のセンサ素子が含まれる。例えば、３種類のセンサ素子をバイオセンサが備える場合を１例とすると、センサ素子は、上記の何れかの3種類のセンサ素子の組み合わせであり得る。或いはそのようなセンサ素子の組み合わせは、互いに異なる化学物質をそれぞれ計測するための３種類のセンサ素子の組み合わせであってもよく、互いに波長が異なる可視光および／または蛍光を計測する３種類のセンサ素子の組み合わせであってもよい。１つのセンサ素子が、上記何れかの信号について、少なくとも２種類選択されるものに関する情報を共感知してもよい。換言すれば、バイオセンサにおいて使用される少なくとも３種類のセンサ素子は、互いに異なる機能を有している少なくとも３つのセンサ素子であればよい。
【００２４】
化学物質をセンシング部により感知するセンサ素子は、例えば、化学物質センサ素子であればよい。可視光および／または蛍光をセンシング部により感知するセンサ素子は、例えば、光センサ素子であればよい。電気信号をセンシング部により感知するセンサ素子は、例えば、電気センサ素子であればよい。また更に電気センサ素子は、電流、電圧またはインピーダンスを計測するセンサ素子であってもよい。温度をセンシング部により感知するセンサ素子は、例えば、温度センサ素子であればよい。或いは、温度をセンシングする画素（即ち、温度計測画素）は、独立した温度センサ素子ではなく、他のセンサ素子、化学物質センサ素子、光センサ素子および／または電気センサ素子、またはこれらの画素の周囲を取り囲む領域など、バイオセンサの何れかの構成に組み込まれて提供されてもよい。その場合、温度センサ機能を有するセンサ素子は、温度センサ素子であり得る。
【００２５】
例えば、バイオセンサで検出される信号は、測定対象物からの細胞信号であり得る。「検出されるべき情報」は、光情報、イオン情報、電気情報、更に、温度およびその他の情報などであり得る。光情報は、例えば、光強度、蛍光強度、生物発光（バイオルミネッセンス）強度、りん光強度および自家蛍光強度などである。電気情報は、例えば、電位、電流値、電圧値およびインピーダンスなどである。更に、これらの情報は、所望の項目の経時的な変化を含み得る。検出されるべき情報に応じてセンサ素子の種類が選択され得る。
【００２６】
基本ブロックは、検出されるべき情報に応じた種類のセンサ素子を少なくとも３種類含む。基本ブロックが含むセンサ素子の例は、光センサ素子、化学物質センサ素子および／または電気センサ素子などであり得る。
【００２７】
光センサ素子は、これによりセンシングされるべき測定対象物に関する光情報を取得する。光情報とは、測定対象物に光を照射して得られる何れかの光に関する情報である。光センサ素子は、光信号をセンシングし、それを電気信号に変換する半導体素子であればよい。センシングされる光は、可視光、紫外光、赤外光、蛍光、りん光、発光などであり得る。これにより、測定対象物の形態学的情報、測定対象物の分布、並びに測定対象物に関連する物質の分布、濃度および挙動などに関する情報を得ることができる。
【００２８】
そのような光センサ素子の例は、フォトダイオードで検知された光を電気信号に変換するＣＭＯＳイメージセンサ、ＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ  ｐｈｏｔｏｎ  Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｄｉｏｄｅ）で検知された光を電気信号に変換するＳＰＡＤイメージセンサおよびＣＣＤイメージセンサなどの固体撮像素子を用いるイメージセンサ、サーモパイルセンサなどの熱電変換素子を用いるセンサなどであり得る。
【００２９】
化学物質センサ素子は、化学物質の有する特性またはその変化をセンシングし、電気信号に変換する半導体素子であり得る。それにより化学物質の検出、物理的、化学的または生化学的変化を検出する。化学物質センサ素子は、例えば、Ｈ+、Ｋ+、Ｃａ2+などのイオン、アセチルコリンなどの神経伝達物質、細胞内若しくは細胞外で生じる代謝産物または代謝され得る物質などの代謝物、特定の抗原若しくは抗体またはそれらに由来するタンパク質などをセンシングし、検出されるべき化学物質に由来する情報に基づく信号を電気信号に変換する半導体センサ素子である。化学物質センサ素子の例は、イオン感受性または化学的電界効果トランジスタ、ＩＳＦＥＴ、ＣＨＥＭＦＥＴなどであり得る。
【００３０】
電気センサ素子は、測定対象についての電気情報を取得する半導体素子である。電気センサ素子は、細胞の活動電位などの電位情報、細胞接地度、細胞間の接着または接触度、細胞等の測定対象の活性化または活性化状態などを検出するために電位、電流値、電圧値、インピーダンスをセンシングし、電流または電圧信号を生成する半導体素子であり得る。電流又は電圧信号を生成によって、計測対象の刺激、活性化または、不活性化などを誘引し得る。更に、センサ素子は、温度センサ素子であってもよい。各素子におけるセンシングおよびセンシングにより得られた情報の電気信号への変換などは制御系の制御下で行われ得る。またその他の物質を検出するためのセンサ素子が含まれてもよい。電気センサ素子の例は、電極を用いる半導体センサ、半導体電圧センサなどであり得る。
【００３１】
次に、それぞれのセンサ素子の構成について詳しく説明する。
【００３２】
図２および図３は、バイオセンサの基板に形成された各センサ素子の断面図である。バイオセンサの基板は、半導体基板１０１上に絶縁材料および／またはおよび／または樹脂からなる格子状の区画壁１０４により区画された複数の画素（センサ素子）を備える。バイオセンサは、シリコン基板１０１と、基板１０１に積層形成された酸化シリコン膜１０２と、酸化シリコン膜１０２の表面に形成された窒化シリコン膜１０３と、窒化シリコン膜１０３の表面に形成されている部分とを含む。なお、窒化シリコン膜１０３を形成せずに配線１０６と酸化シリコン膜１０２の上に直接区画壁１０４を形成しない構成であっても良い。酸化シリコン膜１０２の内部の構造は、複数層の配線１０５が導体材料で形成されたビア１０７により互いに電気的に接続して形成されている。
【００３３】
例えば、図２の区画壁１０４の格子内には、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）、図２（ｅ）、図２（ｆ）、図２（ｇ）、図２（ｈ）の順にイオン濃度計測画素１１１、水素イオン濃度計測画素１２１、第１の電圧信号のセンサ画素１３１、第２の電流信号または電圧信号のセンサ画素１４１、第１の光センサ画素１５１、第２の光センサ画素１６１、第３の光センサ画素１７１、第４の光センサ画素１８１が形成されている。画素下に形成された配線はトランジスタ（図示せず）に接続されている。当該トランジスタは、画素直下の基板１０１上にあっても、検出領域の周辺部にあっても、いずれにあってもよい。
【００３４】
前記イオン濃度計測画素１１１は、窒化シリコン膜１０３表面に形成されたイオン感応膜１１２を備えている。イオン感応膜１１２は、例えばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）をベース物質とし、単種のイオンと選択的に結合するバリノマイシン等のイオノフォア、さらに可塑剤、排除剤を含む。各イオンに結合するイオノファンを次に例示する：Ｎａ+：ビス（１２−クラウン−４），Ｋ+：ビズ（ベンゾー１５−クラウン−５）またはバリノマイシン、Ｃａ+：Ｋ２３Ｅ１，ＮＨ4+：ＴＤ１９Ｃ６。イオン感応膜は、例えばインクジェットプリンティング法で形成することができる。当該イオン濃度計測画素１１１に接続されたトランジスタは、イオン感応膜２０２でのイオン濃度の変化を検出する。
【００３５】
上述では、イオン濃度計測画素１１１は窒化シリコン膜１０３表面に形成される例を示したが、窒化シリコン膜に代えてシリコン酸化膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜などであってもよいし、直接配線１０６表面上に形成されてもよい。
【００３６】
また、イオン濃度計測画素１１１を形成する際に、インク噴出ノズルに対向する位置、即ち、イオン濃度計測画素１１１に対応する位置で基板１０１上に配置された金属（電極）に電圧を加えておくことも好ましい。これによりインクジェットプリンティングされる材料に指向性を持たせ、材料の意図しない領域への吐出または飛沫を防止できる。
【００３７】
水素イオン濃度計測画素１２１は、窒化シリコン膜１０３を水素イオン感応膜としてもよい。または水素イオン感応膜は、窒化シリコン膜に代えてシリコン酸化膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜などであってもよい。水素イオン濃度計測画素１２１において、水素イオンは窒化シリコン膜１０３表面に生じるシラノール基を感応基として検出される。水素イオン濃度計測画素１２１に接続されたトランジスタは、水素イオン濃度計測画素１２１でのイオン濃度の変化を検出する。
【００３８】
電気センサ画素については、図２および図３を用いて説明する。第１の電圧信号のセンサ画素１３１は、最上層の配線１０６と電気的に接続された、例えばニッケル、プラチナ、金、チタン、チタン化合物、導電性高分子、または導電性ガラス等の導電性材料からなる電極１３２と、電極１３２の露出面を覆うように形成された窒化シリコン膜１３３とを備える。窒化シリコン膜１３３の厚さは、例えば２０ｎｍ以下であることが好ましい。センサ画素１３１は、最上層の配線１０６表面にニッケルなどからなる電極（台座）を形成し、この電極の露出面に窒化シリコン膜を堆積することにより形成できる。
【００３９】
このようなセンサ画素１３１は、電極１３２と窒化シリコン膜１３３との間の容量結合によって交流の電圧信号を検出することができる。
【００４０】
さらには、配線１０６を介して電極１３２に対して、電圧または電流を加えることができる。すなわち、電極１３２を用いて計測対象を電気刺激することもできる。
【００４１】
第２の電流信号または電圧信号のセンサ画素１４１は、最上層の配線１０６と電気的に接続された、例えばニッケル、プラチナ、金、チタン化合物、導電性高分子、または導電性ガラス等の導電性材料からなる電極１４２と、電極１４２の露出面を覆うように形成された例えばプラチナ、金、チタン、チタン化合物、導電性高分子、または導電性ガラス等からなる導体膜１４３とを備える。センサ画素１４１は、最上層の配線１０６表面にプラチナ、金、チタン、チタン化合物、導電性高分子、または導電性ガラスなどからなる電極（台座）を形成し、この電極の露出面に導体膜を堆積することにより形成できる。ここで、電極１４２にニッケル、チタン、チタン化合物、導電性高分子または導電性ガラス等を用いることにより、プラチナや金等の希少金属の使用量を最小限に減らすことができる。
【００４２】
このようなセンサ画素１４１は、電極１４２と導体膜１４３との間のコンダクタンス結合によって電流信号および低周波を含む交流の電圧信号を検出することができる。
【００４３】
さらには、配線１０６を介して電極１３２に対して、電圧または電流を加えることができる。すなわち、電極１３２を用いて計測対象を電気刺激することもできる。
【００４４】
なお、第１、第２のセンサ画素１３１，１４１は、図３に示すように、窒化シリコン膜１３３、導体膜１４３の上面が区画壁１０４上面より僅かに陥没する凹型（図３（ａ）および（ｂ））、窒化シリコン膜１３３、導体膜１４３の上面が区画壁１０４上面と面一である平坦型（図３の（ｃ）および（ｄ））、或いは窒化シリコン膜１３３、導体膜１４３の上面が区画壁１０４上面より僅かに突出する凸型（図３の（ｅ）および（ｆ））のいずれであってもよい。電気センサ画素に接続されるトランジスタは、ＩＣチップ以外の領域であってもよい。
【００４５】
図２を参照しながら、光センサ画素について説明する。前記第１〜第４の光センサ画素１５１，１６１，１７１，１８１（図２（ｅ）、図２（ｆ）、図２（ｇ）、図２（ｈ））の直下に位置するシリコン基板１０１部分には、フォトダイオード（受光素子）１０８がそれぞれ形成されている。第１〜第４の光センサ画素１５１，１６１，１７１，１８１の直下には、配線１０５が存在せず、各光センサ画素１５１，１６１，１７１，１８１からの光をフォトダイオード１０８で受光できるようになっている。隣接する配線により各他の光センサ画素からの光が遮断され、所望の波長の光を受講することができる。
【００４６】
第１の光センサ画素１５１は、窒化シリコン膜１０３下面に形成された無機フィルタ１５２と窒化シリコン膜１０３上面に形成された有機フィルタ１５３とを備える。
【００４７】
無機フィルタ１５２は、例えば多層フィルタまたはプラズモンフィルタである。多層フィルタは、低屈折材と高屈折材とを交互に堆積したものである。例えば、低屈折材として酸化シリコン膜、高屈折材として酸化ジルコニウムや酸化チタンなどを用いることができる。一例として、各膜の厚さは、酸化シリコン膜が６２ｎｍ±５ｎｍ、酸化ジルコニウム３８ｎｍ±５ｎｍであることが好ましい。このような多層膜は、５１０ｎｍの波長に対して３６０ｎｍ±３０ｎｍの波長の光を良好に反射することができる。具体的には、前記２種の酸化膜を対として３０積層することにより１／１０００００の除去比を得ることができる。有機フィルタ６０３は、顔料または染料から作ることができる。
【００４８】
このような第１の光センサ画素１５１は、無機フィルタ１５２および有機フィルタ１５３を有する光学フィルタを備えるため、特定の波長を透過吸収することができる。例えば、蛍光計測において励起光を除去して蛍光を透過してフォトダイオード１０８で検出することができる。
【００４９】
なお、第１の光センサ画素１５１は無機フィルタ１５２である多層フィルタに必要とされる層数が多い場合に適用される。すなわち、無機フィルタ１５２に必要とされる層数が多い場合、当該無機フィルタを窒化シリコン膜１０３上面に形成するには、区画壁１０４の高さを高くする必要があり、構造上の障害になる。このような場合、無機フィルタ１５２を窒化シリコン膜１０３下面に接して形成することによって、区画壁１０４の高さを高くすることなく、必要とされる層数で無機フィルタ１５２を形成できる。
【００５０】
第２の光センサ画素１６１は、窒化シリコン膜１０３上面に形成された無機フィルタ１６２と、この無機フィルタ１６２表面に形成され、区画壁１０４上面と面一になる形成された有機フィルタ１６３とを備える。
【００５１】
無機フィルタ１６２および有機フィルタ１６３は、第１の光センサ画素１５１で用いたのと同様である。
【００５２】
このような第２の光センサ画素１６１は、第１の光センサ画素１５１と同様に、特定の波長を透過吸収することができる。例えば、蛍光計測において励起光を除去して蛍光を透過してフォトダイオード１０８で検出することができる。
【００５３】
なお、第１の光センサ画素１５１は無機フィルタ１６２である多層フィルタに必要とされる層数が少ない場合に適用される。すなわち、無機フィルタ１６２に必要とされる層数が少ない場合、当該無機フィルタおよび有機フィルタ１６３を窒化シリコン膜１０３上面にそれぞれ形成することができる。
【００５４】
なお、第１の光センサ画素１５１および第２の光センサ画素１６１における窒化シリコン膜１０３は、酸化シリコン膜に代えてもよいし、そもそも形成されない構成も許容する。
【００５５】
第３の光センサ画素１７１は、窒化シリコン膜１０３上面にフィルタが存在しない。この第３の光センサ画素１７１では、窒化シリコン膜１０３上面の分析対象物に対して可視光を用いてフォトダイオード１０８で検出する。
【００５６】
なお、第３の光センサ画素１７１において各画素と同様に表面構造を平坦にするために、窒化シリコン膜１０３上面に酸化シリコンまたはガラス膜を区画壁１０４上面と面一になるように形成することを許容する。
【００５７】
第４の光センサ画素１８１は、区画壁１０４内に埋め込まれた透明電極１８２と、区画壁１０４内の直下に位置する配線１０６と透明電極１８２とを接続するビア１８３とを備える。
【００５８】
透明電極１８２は、例えばＩＴＯ，ＩｎＧａＺｎＯ，ＴｉＯ2のような導電性酸化物、または導電性ガラスから作られる。
【００５９】
このような第４の光センサ画素１８１は、電圧を配線１０６からビア１８３を通して透明電極１８２に印加し、透明電極１８２上の分析対象物を泳動もしくは誘導するか、または電気刺激を与え、その状態で照射された光をフォトダイオード１０８で検出する。或いは、フォトダイオード１０８による光の検出と同時に分析対象物の電圧または電位などの電気信号を測定してもよい。
【００６０】
第１の光センサ画素の形成方法を図４を参照して以下に説明する。
【００６１】
シリコン基板１０１に不純物を打ち込んでフォトダイオード１０８を形成し、続いて酸化シリコン膜１０２を堆積させながら配線１０５を形成する（図４（ａ））。
【００６２】
次いで、図４（ｂ）に示すように酸化シリコン膜１０２の表層を選択的にエッチングして格子状凸部２０１を形成する。つづいて、図４（ｃ）に示すように格子状凸部２０１を含む酸化シリコン膜１０２表面に例えばスパッタにより無機材料の多層膜２０２を形成する。ひきつづき、化学機械研磨（ＣＭＰ）により格子状凸部２０１上の多層膜２０２を選択的に研磨して多層膜を格子状凸部２０１間内に残すことにより複数の無機フィルタ１５２を形成する。その後、無機フィルタ１５２を含む酸化シリコン膜１０２表面に例えばＣＶＤ法により窒化シリコン膜１０３を堆積する（図４（ｄ））。
【００６３】
次いで、図４（ｅ）に示すように窒化シリコン膜１０３表面に例えばＣＶＤ法により酸化シリコン膜を堆積した後、酸化シリコン膜をパターニングすることにより前記格子状凸部２０１と同様な酸化シリコン格子凸部からなる区画壁１０４を形成する。その後、区画壁１０４内に有機フィルタ材料を区画壁１０４表面と面一になるように塗布し、乾燥して各無機フィルタ１５２に対して窒化シリコン膜１０３を挟んで有機フィルタ１５３をそれぞれ積層して第１の光センサ画素１５１を形成する（図４（ｆ））。形成された２層のフィルタ１５２，１５３はフォトダイオード１０８と対向して配置される。
【００６４】
ここで、有機フィルタ材料の塗布は、インクジェットプリンティング法により行ってもよい。その際に、イオン濃度計測画素１１１の形成と同様に、インク噴出ノズルに対向する位置、即ち、有機フィルタ１５３形成位置に対応して基板１０１上に配置された金属（電極）に電圧を加えておくことも好ましい。これによりインクジェットプリンティングされる材料に指向性を持たせ、材料の意図しない領域への吐出または飛沫を防止できる。
【００６５】
第２の光センサ画素の形成方法を以下に図５を参照して説明する。
【００６６】
シリコン基板１０１に不純物を打ち込んでフォトダイオード１０８を形成し、続いて酸化シリコン膜１０２を堆積させながら配線１０５を形成する（図５（ａ））。図５（ａ）は配線１０５の層数が３以上の場合を示しているが、層数は１層または２層であってもよい。
【００６７】
次いで、図５（ｂ）に示すように窒化シリコン膜１０３表面に例えばスパッタにより無機材料の多層膜３０１を形成する。つづいて、無機材料の多層膜３０１をパターニングして複数の無機フィルタ１６２を形成する（図５（ｃ））。
【００６８】
次いで、図５（ｄ）に示すように複数の無機フィルタ１６２を含む窒化シリコン膜１０３表面に無機フィルタ１６２より膜厚が厚い酸化シリコン膜３０２を形成する。続いて、図５（ｅ）に示すように無機フィルタ１６２上の酸化シリコン膜３０２を選択的に除去し、窒化シリコン膜１０３表面に無機フィルタ１６２を囲み、当該無機フィルタ１６２より厚い酸化シリコン格子からなる区画壁１０４を形成する。その後、無機フィルタ１６２表面に有機フィルタ材料を区画壁１０４表面と面一になるように塗布し、乾燥して各無機フィルタ１６２上に有機フィルタ１６３をそれぞれ積層して第２の光センサ画素１６１を形成する（図５（ｆ））。形成された２層のフィルタ１６２，１６３はフォトダイオード１０８と対向して配置される。
【００６９】
配線１０６の材料として、例えば、銅およびアルミニウムが使用できるが、これらに限定されるものではない。
【００７０】
各検出素子のセンシング部により検出された信号は、例えば、トランジスタまたは受光素子からバイオセンサの回路部分に送られる。
【００７１】
温度センサ画素は、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の閾値電圧が温度に依存することを利用した、複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含むトランジスタ回路により構成されてよい。例えば、ＦＥＴとこれに直列接続されるダイオード接続された更なるＦＥＴと、これらのＦＥＴからなる直列回路と更なるもう１つのＦＥＴとを並列に接続してトランジスタ回路を構成すればよい。このトランジスタ回路の出力電圧から温度を検知することが可能である。このような温度センサ画素は、上記何れかの半導体のトランジスタ形成部を利用し、そこにおいて温度計測を行えばよい。その場合、温度センサ画素はバイオセンサの表面の領域を占有しなくてもよい。或いは、このようなＦＥＴを利用した構成を独立した温度センサ素子として配置してもよい。
【００７２】
上述した何れのセンサ素子においても、有機フィルタおよび／または無機フィルタを組み合わせて使用してもよい。また、使用されるフィルタは、例えば、顔料フィルタ、若しくは染料フィルタなどの光学フィルタまたはそれらの組み合わせであってもよい。更に、所望に応じてフィルタを通過する光の周波数を選択してもよい。所望の周波数に応じて、フィルタ材料の種類、フィルタ材料の組み合わせおよびフィルタ全体としての構成は適宜選択されればよい。また例えば、１つのバイオセンサに含まれる全てのセンサ素子が何れかのフィルタを備えてもよく、一部分のセンサ素子のみが何れかのフィルタを備えてもよい。また、複数のセンサ素子にフィルタが含まれるときには、それら全てのフィルタが互いに同じであってもよく、互いに異なっていてもよく、或いは一部分のフィルタが互いに同じであってもよく、互いに異なっていてもよい。
【００７３】
次に、バイオセンサの回路構成について図面を参照しながら説明する。
【００７４】
図６および図７は、実施形態に係るバイオセンサの回路構成について、その概要例を示している。
【００７５】
バイオセンサ３１０は、センサアレイ３１１と、ロウコントローラ３１２と、読み出し回路３１３とを備える。
【００７６】
センサアレイ３１１は、複数の基本ブロックのアレイを備える。複数の基本ブロックは、例えば、互いに同じレイアウトおよび同じ回路構成を有する。本例では、基本ブロックＢ３１１は、４つのサブブロック（画素）Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を備える。サブブロックＳ０〜Ｓ３の各々は、イオンセンサ、電気センサ、および光センサのうちの１つである。
【００７７】
ロウコントローラ３１２は、マトリックス状に配置された画素のデータ検出動作を制御する。例えば、ロウコントローラ３１２は、各サブブロック（センサ）からのデータの読み出し順を制御する。
【００７８】
例えば、ロウコントローラ３１２は、イネーブル信号ＥＮと刺激信号ＳＴとリセット信号ＲＴと転送信号ＳＬを発生する。
【００７９】
イネーブル信号ＥＮ、刺激信号ＳＴ、リセット信号ＲＴ、および転送信号ＳＬは、ロウ方向に並ぶ複数の基本ブロックに共通に与えられる。ここでロウコントローラ３１２から供給されるイネーブル信号ＥＮ、刺激信号ＳＴ、リセット信号ＲＴ、および転送信号ＳＬは、それぞれ行毎に時間的に異なってもよい。より具体的には、ある行に供給される信号パターンから所定の時間遅延したタイミングで、次の行に同様の信号パターンが供給されてもよい。
【００８０】
図６に示されるイネーブル信号ＥＮ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、刺激信号ＳＴ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、リセット信号ＲＴ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、および転送信号ＳＬ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）の、［ｉ］（ｉ＝０、１、…）で表記される第２の括弧書きの番号は行番号を表している。図７および以下の説明では行毎に時間的に異なる信号が供給されているものとして、第２の括弧書きの番号は省略する。
【００８１】
基本ブロックＢに与えられる信号をイネーブル信号ＥＮ［０：３］、刺激信号ＳＴ［０：３］とすると、イネーブル信号ＥＮ［０］および刺激信号ＳＴ［０］は、サブブロックＳ０に与えられ、イネーブル信号ＥＮ［１］および刺激信号ＳＴ［１］は、サブブロックＳ１に与えられる。また、イネーブル信号ＥＮ［２］および刺激信号ＳＴ［２］は、サブブロックＳ２に与えられ、イネーブル信号ＥＮ［３］および刺激信号ＳＴ［３］は、サブブロックＳ３に与えられる。
【００８２】
リセット信号ＲＴ［０：３］は、センサからの検出信号を増幅するアンプの入力電圧をリセットする信号である。転送信号ＳＬ［０：３］は、アンプの出力信号を読み出し回路３１３に転送する信号である。
【００８３】
基本ブロックＢに与えられる信号をリセット信号［０：３］、転送信号ＳＬ［０：３］とすると、リセット信号ＲＴ［０］および転送信号ＳＬ［０］は、サブブロックＳ０に与えられ、リセット信号ＲＴ［１］および転送信号ＳＬ［１］は、サブブロックＳ１に与えられる。また、リセット信号ＲＴ［２］および転送信号ＳＬ［２］は、サブブロックＳ２に与えられ、リセット信号ＲＴ［３］および転送信号ＳＬ［３］は、サブブロックＳ３に与えられる。
【００８４】
サブブロックＳ０、サブブロックＳ１、サブブロックＳ２、サブブロックＳ３はそれぞれ、出力信号Ｖｏ０、出力信号Ｖｏ１、出力信号Ｖｏ２、出力信号Ｖｏ３を、読み出し回路３１３に出力する。
【００８５】
図６に示される出力信号Ｖｏ０［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、出力信号Ｖｏ１［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、出力信号Ｖｏ２［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、出力信号Ｖｏ３［ｉ］（ｉ＝０、１、…）で表記される括弧書きの番号は列番号を表している。図７では列毎に出力信号が読み出し回路３１３に出力されているものとして、括弧書きの番号は省略する。
【００８６】
図８〜図１３Ａおよび図１３Ｂは、サブブロックの回路例を示している。各図は、例えば、図７のサブブロック（センサ）Ｓ０〜Ｓ３のうちの１つを構成するセンサの例である。ｉは、０，１，２，３のうちの１つである。
【００８７】
図８〜図１１の例は、サブブロックがイオンセンサまたは電気センサであるときの例である。
【００８８】
サブブロックは、刺激信号ＳＴ［ｉ］に基づき、電極Ｅｉに刺激電圧Ｖｓを印加するスイッチ素子ＳＷ１と、リセット信号ＲＴ［ｉ］に基づき、アンプＢの入力をリセット電圧ＶＲにリセットするスイッチ素子ＳＷ２と、イネーブル信号ＥＮ［ｉ］に基づき、電極Ｅｉからの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３と、転送信号ＳＬ［ｉ］に基づき、アンプＢの出力信号Ｖｏを有効化するスイッチ素子ＳＷ４と、を備える。
【００８９】
スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、それぞれ、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ、またはこれら双方を含むＣＭＯＳスイッチなどを用いることができる。
【００９０】
また、アンプＢは、ソース接地型アンプ、ドレイン接地型アンプ、または差増型アンプなどを用いることができる。
【００９１】
図９の例は、図８の例において、スイッチ素子ＳＷ４を省略した例である。図１０の例は、図８の例において、スイッチ素子ＳＷ１を省略した例である。図１１の例は、図８の例において、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ４を省略した例である。なお、図９〜図１１のサブブロックにおいて、図８のサブブロックと同じ要素には、同じ符号を付してある。
【００９２】
図１２の例は、サブブロックが光センサであるときの例である。
【００９３】
サブブロックは、リセット信号ＲＴ［ｉ］に基づき、アンプＢの入力をリセット電圧ＶＲ、例えば、電源電圧Ｖｄｄにリセットするスイッチ素子ＳＷ２と、イネーブル信号ＥＮ［ｉ］に基づき、フォトダイオード（受光素子）ＰＤｉからの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３と、転送信号ＳＬ［ｉ］に基づき、アンプＢの出力信号Ｖｏを有効化するスイッチ素子ＳＷ４とを備える。
【００９４】
図１３ＡおよびＢの例は、サブブロックがオーバーレイ画素であるときの例である。
【００９５】
オーバーレイ画素とは、イオンセンサまたは電気センサと、光センサとを組み合わせたサブブロックのことである。例えば、デバイス構造で説明したように、オーバーレイ画素とは、例えば、イオンセンサまたは電気センサの電極Ｅｉと、光センサのフォトダイオードＰＤｉとをオーバーラップさせ、１つのサブブロック（画素）内に収めた構造のことである。
【００９６】
図１３Ａは検出対象の電気刺激の機能を含むサブブロックの例である。サブブロックは、刺激信号ＳＴ［ｉ］に基づき、電極Ｅｉに刺激電圧Ｖｓを印加するスイッチ素子ＳＷ１と、リセット信号ＲＴ［ｉ］に基づき、アンプＢの入力をリセット電圧ＶＲ、例えば、電源電圧Ｖｄｄにリセットするスイッチ素子ＳＷ２と、イネーブル信号ＥＮ［ｉ］０に基づき、電極Ｅｉからの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３０と、イネーブル信号ＥＮ［ｉ］１に基づき、フォトダイオードＰＤｉからの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３１と、転送信号ＳＬ［ｉ］に基づき、アンプＢの出力信号Ｖｏを有効化するスイッチ素子ＳＷ４とを備える。
【００９７】
図１３Ｂは検出対象の電気刺激の機能を含まないサブブロックの例である。サブブロックは、リセット信号ＲＴ［ｉ］に基づき、アンプＢの入力をリセット電圧ＶＲ、例えば、電源電圧Ｖｄｄにリセットするスイッチ素子ＳＷ２と、イネーブル信号ＥＮ［ｉ］０に基づき、電極Ｅｉからの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３０と、イネーブル信号ＥＮ［ｉ］１に基づき、フォトダイオードＰＤｉからの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３１と、転送信号ＳＬ［ｉ］に基づき、アンプＢの出力信号Ｖｏを有効化するスイッチ素子ＳＷ４とを備える。
【００９８】
図１４は、基本ブロックの回路例を示している。
【００９９】
本例は、基本ブロックＢ１１内のサブブロックＳ０〜Ｓ３について、アンプＢをリセットするスイッチ素子（リセットトランジスタ）ＳＷ２およびアンプＢの出力信号を有効化するスイッチ素子ＳＷ４を共有化した点に特徴を有する。
【０１００】
サブブロックＳ０は、電極Ｅ０と、刺激信号ＳＴ［０］に基づき、電極Ｅ０に刺激電圧Ｖｓを印加するスイッチ素子ＳＷ１０と、イネーブル信号ＥＮ［０］に基づき、電極Ｅ０からの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３０とを備える。
【０１０１】
サブブロックＳ３は、電極Ｅ３と、刺激信号ＳＴ［３］に基づき、電極Ｅ３に刺激電圧Ｖｓを印加するスイッチ素子ＳＷ１３と、イネーブル信号ＥＮ［３］に基づき、電極Ｅ３からの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３３と、を備える。
【０１０２】
サブブロックＳ１，Ｓ２がイオンセンサまたは電気センサであるとき、サブブロックＳ１，Ｓ２は、サブブロックＳ０，Ｓ３と同じ要素を備える。また、サブブロックＳ１，Ｓ２が光センサであるとき、サブブロックＳ１，Ｓ２は、例えば、図１２のフォトダイオードＰＤｉおよびスイッチ素子ＳＷ３を備える。
【０１０３】
基本ブロックＢ１１は、さらに、共通リセット信号ＲＴｃｏｍｍｏｎに基づき、アンプＢの入力をリセット電圧ＶＲにリセットするスイッチ素子ＳＷ２と、共通転送信号ＳＬｃｏｍｍｏｎに基づき、アンプＢの出力信号Ｖｏを有効化するスイッチ素子ＳＷ４とを備える。
【０１０４】
このような回路により各センサ素子からデータ読み出す順番は、バイオチップが含むセンサ素子の種類など、所望に応じて任意に決定すればよい。例えば、光センサ素子、電気センサ素子、例えば、電流信号センサ素子または電圧信号センサ素子、温度センサ素子を含むバイオチップの場合には、これらの読み出しをこの通りの順番で行ってもよく、他の任意の順番で行ってもよい。また、各センサ素子の感度に応じて読み出す順番や時間を調整してもよい。
【０１０５】
また上述した回路は、センサ素子からの信号の読み出しを制御する読み出し制御回路として、センサ素子毎にそれぞれ接続されていてもよく、複数のセンサ素子が１つの回路に接続されていてもよく、信号の読み出しがスイッチによる切り替えにより行われてもよい。また、そのような読み出し制御回路は、更に、センサ素子からの信号の読み出し順を制御するコントローラと、前記コントローラの制御の下で、前記センサ素子からの当該信号を外部に出力する出力回路とを備えてもよい。
【０１０６】
センサ素子からの信号の読み出しを制御する読み出し制御回路に加えて、バイオセンサは、センサ素子からの信号についてＡ／Ｄ変換が必要な場合など、所望に応じてＡ／Ｄ変換回路を更に備えてもよい。また更に、読み出し制御回路に加えて、バイオセンサは、センサ素子からの信号を予め設定した手順に従って処理する信号処理回路を備えてもよい。信号処理回路は、処理回路とも称され、例えば、時間積分、オートゼロイング、チョッピング、相関二重サンプリング、および／または相関多重サンプリングなどの処理が行われる。また、バイオセンサは、そこにおいて得られた結果を外部に送信する通信回路を更に備えてもよく、測定条件、測定手順、試料との対応付けおよび／または得られた結果などを格納するメモリ回路、バイオセンサに電気を供給する電源回路などを更に前記基板上に備えてもよい。バイオセンサが備える回路は、上述の何れの回路であってもよく、それら何れかの組み合わせであってもよい。
【０１０７】
次に、基本ブロックの更なる構成について図面を参照しながら説明する。
【０１０８】
図１５〜１８には基本ブロックの幾つかの例を示した。図１５（ａ）の基本ブロックは、４種類のセンサ素子を含む例、即ち、イオン濃度計測画素１１１、電極画素１３１、光学フィルタを有する光センサ画素１６１および光学フィルタを含まない光センサ画素１７１を含む例である。上述の例と同様に、この基本ブロックは２×２のマトリックスで４つのセンサ素子を含む。
【０１０９】
この基本ブロックを含むバイオセンサでは次のような特徴がある。例えば、測定対象波長が光学フィルタを透過する波長である場合、光情報を取得する２種類の画素（即ち、フィルタ有の光センサ画素１６１とフィルタなしの光センサ画素１６１）のいずれもがセンサ画素として作用することができ、これらを対角位置に配置することによって、光学フィルタを通過する波長の光は空間解像度が√２倍向上する。即ち、１つのセンサ素子の一辺をａとすると、光学フィルタ間のピッチが２ａの場合、実効的ピッチはａ√２になる（図１５（ｂ））。また、電極センサ画素１３１とイオン濃度計測画素１１１とにより得られる情報について、それらに隣接する光センサ画素１６１および１７１からの情報を利用して上述したようにそれぞれ補間することによって、空間解像度が向上する。
【０１１０】
図１６の基本ブロックは、４種類のセンサ素子として、第１のイオン濃度計測画素１１１ａ（イオン（Ａ））、第２のイオン濃度計測画素１１１ｂ（イオン（Ｂ））、第３のイオン濃度計測画素１１１ｃ（イオン（Ｃ））および第４のイオン濃度計測画素１１１ｄ（イオン（Ｄ））を含む。
【０１１１】
この基本ブロックを有するバイオセンサによれば、４種類のイオンが同時に計測することが可能である。また、それぞれのイオノフォアの既知の選択係数を用いて、非特異的なイオン濃度応答（即ち、検出対象ではない他のイオンによる反応）を補正することが可能である。それにより実効的な選択係数を向上することが可能である。具体的には、複数種のイオのフォアにより計測される各イオンの濃度は次の式で表される；
ｙ＝Ａ・ｘ
ここで、ｘは各イオンの真の濃度ベクトル、ｙは各イオンの計測濃度ベクトル、Ａは選択係数行列である。
【０１１２】
選択性が理想的なイオノフォアが存在した場合、行列Ａは対角成分のみをもつ行列となるが、実際のイオノフォアは別種のイオンに対しても微弱に応答する。しかし、その選択係数行列は既知とすることができる。従って、その逆行列Ａ-1を計算し、計測結果との内積を求めることで、単一のイオノフォアで計測したときよりも高い精度で各イオンの濃度ｘを得ること可能となる：ｘ＝Ａ-1・ｙ。
【０１１３】
なお、分析対象物となるイオンは、例えば、水素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、塩化物イオン、アンモニウムイオンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【０１１４】
図１７の基本ブロックは、６種類のセンサ素子、即ち、第１のイオン濃度計測画素１１１ａ（イオン（Ａ））、第２のイオン濃度計測画素１１１ｂ（イオン（Ｂ））、第３のイオン濃度計測画素１１１ｃ（イオン（Ｃ））、電極センサ画素１３１、フィルタを有する光センサ画素１６１およびフィルタを含まない光センサ画素１７１を含む。
【０１１５】
また、この基本ブロックでは、電極センサ画素１３１は、他の画素の４つ分の面積を有している。そして電極センサ画素１３１の２つの辺に沿って２つずつ画素が配置され、その間の電極センサ画素１３１の対角線上に更なる１つの画素が配置されている。
【０１１６】
この基本ブロックを有するバイオセンサの特徴は、６種類の画素を混載している点にある。更にフィルタを有する光センサ画素１６１と、フィルタを含まない光センサ画素１７１とを隣接させることにより、読み出しの回路を共有することができる。また、第１のイオン濃度計測画素１１１ａ、第２のイオン濃度計測画素１１１ｂおよび第３のイオン濃度計測画素１１１ｃを並列させていることにより、これらのイオン感応膜の形成をより良好に行うことが可能である。例えば、イオン（Ａ）、イオン（Ｂ）およびイオン（Ｃ）のそれぞれの感応膜を射出するインクジェットヘッドをそれぞれ備えるインクジェットプリンタで一斉走査塗布することができ、製造速度が向上する。
【０１１７】
更に、電極センサ画素は、最も感度が必要とされる画素である。そのために他の画素の４倍の面積を割り振っている。他の画素、例えば、イオン濃度計測画素や光センサ画素は処理回路により時間積分することによって高感度化が可能である。しかしながら電極センサ画素の場合には、分析対象物が細胞である場合などにおいて、その活動電位は信号が１０ｋＨｚもの時間精度を要する。そのために処理回路による時間積分ができない。従って、センシング部の大面積化することにより高感度化が実現できる。
【０１１８】
図１８の基本ブロックは、イオン濃度計測画素１１１、電極センサ画素１３１および２つの光センサ画素１７１ａ，１７１ｂを含む。ここで、２つの光センサ画素１７１ａおよび１７１ｂは、何れもイオン濃度計測画素１１１の２つ分の面積を有している。また、図１７と同様に電極センサ画素１３１は、イオン濃度計測画素１１１の４つ分の面積を有している。そして電極センサ画素１３１の２つの辺のそれぞれに沿って２つの光センサ画素１７１ａおよび１７１ｂがそれぞれ配置されている。そして、その間、電極センサ画素１３１の対角線上にイオン濃度計測画素１１１が配置されている。
【０１１９】
この基本ブロックを有するバイオセンサの特徴は、この基本ブロックが規則的なマトリックス状に複数配置され、電極センサ画素１３１の四方は、長方形上の光センサ画素１７１ａおよび１７１ｂにより取り囲まれる。周囲を取り囲む複数の光センサ画素１７１ａおよび１７１ｂによって、電極センサ画素１３１上に分析対象物が存在しているのか否かを判定することが可能である。このような構成の基本ブロックにおいては、光センサ画素１７１の短辺の長さは任意に選択されればよい。
【０１２０】
図１９〜図２５に更なる実施形態の例を示す。これらの実施形態は、第１のセンシング部としての光検出用のセンシング部と、第２のセンシング部としての電極または他の検出用のセンシング部とを１つの領域に配置している。そして、それにより１つの画素において印加または２つのセンシングを可能にする例である。このような構造をオーバーレイ構造と称する。
【０１２１】
図１９にはそのようなセンサ画素を備えるバイオセンサの断面を示した。バイオセンサは、半導体基板上に酸化シリコンからなる格子状の区画壁１０４により区画された複数の画素（センサ素子）を備える。バイオセンサは、シリコン基板１０１と、基板１０１に形成された積層形成された酸化シリコン膜１０２と、酸化シリコン膜１０２の表面に形成された窒化シリコン膜１０３と、窒化シリコン膜１０３の表面に形成されている部分とを含む。酸化シリコン膜１０２の内部の構造は、複数層の配線１０５が導体材料で形成されたビアにより互いに電気的に接続して形成されている。
【０１２２】
例えば、図１９の区画壁１０４の格子内には、左側から光センシング部と電極とを備える第１のセンシング部４１１、光センシング部と化学物質センシング部とを備える第２のセンシング部４１２、光センシング部と化学物質センシング部とを備える第３のセンシング部４１３、光センシング部と化学物質センシング部とを備える第４のセンシング部４１４が形成されている。センシング部の下方に形成された配線はトランジスタ（図示せず）に接続されている。当該トランジスタは、センサ画素直下の基板１０１上にあっても、センシング部の周辺部にあっても、何れであってもよい。
【０１２３】
格子状の区画壁１０４とセンシング部４１２の１つの辺との間、格子状の区画壁１０４とセンシング部４１３の１つの辺との間、格子状の区画壁１０４とセンシング部４１４の１つの辺との間には、それぞれ導体壁１８３が形成されている。導体壁１８３は、配線１０６，１０５を含む配線層に接続されている。導体壁１８３は、例えば、Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｕなどで構成され得る。
【０１２４】
前記第１〜第４のセンシング部４１１〜４１４の直下に位置するシリコン基板１０１部分には、フォトダイオード（受光素子）１０８がそれぞれ形成されている。第１〜第４のセンシング部４１１，４１２，４１３，４１４の直下には、配線１０５が存在せず、各センシング部４１１，４１２，４１３，４１４からの光をフォトダイオード１０８で受光できるようになっている。換言すれば、複数層の配線１０５により各センシング部４１１，４１２，４１３，４１４からの光が隣接するフォトダイオード１０８に漏れて受光されるのを防いでいる。
【０１２５】
センシング部４１１は、透明電極１８２を有する。センシング部４１２は、透明電極１８２とそこに積層された化学物質感応膜１１２とを備える。センシング部４１３は、窒化シリコン膜１０３の下面に接して形成された無機フィルタ１５２と、窒化シリコン膜１０３の上面に積層された有機フィルタ１６３とその上面に積層された透明電極１８２とを備える。センシング部４１４は、窒化シリコン膜１０３の上面に積層された無機フィルタ１５２とその上面に積層された有機フィルタ１６３とその上面に積層された透明電極１８２とを備える。
【０１２６】
第１〜第４のセンシング部４１１，４１２，４１３，４１４が備える透明電極１８２からの信号は、それぞれ導体１８３に接続された配線１０６を通り、そこに接続されたトランジスタ（図示せず）に送られる。
【０１２７】
このような第１〜第４のセンシング部４１１，４１２，４１３，４１４では、配線１０６から導体１８３を通して透明電極１８２に電圧が印加され、それにより透明電極１８２上の分析対象物が泳動もしくは誘導されるか、または分析対象物に電気刺激が与えられる。そして、その状態で照射された光は、それぞれフォトダイオード１０８で検出される。
【０１２８】
図２０（ａ）および（ｂ）は、光センサ画素と導体電極とを１つの画素中に配置する実施形態の例である。図２０（ａ）はバイオセンサの平面図であり、図２０（ｂ）はその断面図である。バイオセンサは、各画素を囲うような絶縁性の囲い構造１０４と、導電性の導体壁１８３により配線層１０５に接続された透明導電性電極（透明電極）１８２とを備える。導体壁１８３は、格子状の区画壁１０４に隣接し、且つ透明電極１８２の下面に接して形成されている。透明電極１８２の下層にはマイクロレンズ（光学レンズ）５００が積層されている。各透明電極１８２の直下に位置するシリコン基板１０１部分には、フォトダイオード（受光素子）１０８がそれぞれ形成されている。各透明電極１８２の直下には、配線１０５が存在せず、各透明電極１８２を透過した光はフォトダイオード１０８で受光できるようになっている。囲い構造１０４および複数層の配線１０５は、各透明電極１８２からの光が隣接するフォトダイオード１０８に漏れて受光されるのを防いでいる。
【０１２９】
透明電極１８２からの信号は、それぞれ導体１８３に接続された配線１０６を通り、そこに接続されたトランジスタ（図示せず）に送られる。
【０１３０】
このようなバイオセンサは、更に、透明導電性電極１８２の上層に化学物質感応性膜を形成してもよい。このような構成により、２種類の機能を１つの画素に持たせることが可能である。これによって空間解像度を落とすことなく多項目化を行うことが可能である。透明導電性電極１８２の上層に化学物質感応性膜を備える実施形態の例を次に説明する。
【０１３１】
図２１は、光センシング部とその上面に積層された化学物質センシング部とを１つの画素内に配置する実施形態の例である。図２１（ａ）はバイオセンサの平面図であり、図２１（ｂ）はその断面図である。このバイオセンサは、化学物質センシング部を更に含むこと以外は図２０のバイオセンサと同じ構成を有する。
【０１３２】
このように化学物質感応膜５１０を透明電極１８２の上に積層することによって、特定の化学物質の濃度変化を測ることもできる。例えば、窒化シリコンを感応膜とすれば、水素イオン濃度が計測できる。または水素イオン感応膜は、窒化シリコン膜に代えてシリコン酸化膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜などであってもよい。或いは、金属イオンに特異的に結合するイオノフォアを添加した高分子膜を感応膜として使用することにより、特定の金属イオンの濃度が計測できる。高分子膜の一例は、ポリ塩化ビニル膜である。ここにおいても、透明電極１８２を隣接画素と絶縁する囲い構造１０４が、化学物質感応膜５１０の形成においても好適に作用する。例えば、インクジェットプリンティング法により化学物質感応膜５１０を行った場合、画素毎の化学物質感応膜の塗り分けにより、複数種の化学物質を計測することも出来る。配線１０５の先は計測回路（図示せず）に接続されており、化学物質濃度の変化を電気信号としてセンシングする。該計測回路は、各画素近傍にあっても、画素センシング領域の周辺部にあってもよい。
【０１３３】
図２２は、図２０に示したバイオセンサが、マイクロレンズ（光学レンズ）５００の下面に光学フィルタ５２０を更に備える実施形態である。
【０１３４】
この実施形態では、光学フィルタ５２０の使用により、光学フィルタ５２０で特定の波長を吸収させ、透明電極１８２とフォトダイオード１０８とに対して特定の波長を透過させている。光学フィルタ５２０は、有機フィルタ、無機フィルタまたはそれらの組み合わせであってもよい。有機フィルタは、例えば、顔料もしくは染料を用いたフィルタであってもよく、無機フィルタは、例えば、多層膜フィルタまたはプラズモンフィルタであってもよい。無機フィルタのうち多層膜フィルタは、窒化シリコン１０３の下面に形成しても、窒化シリコン１０３の上面に形成してもよい。酸化シリコンによる格子状の区画壁１０４のレベルを高くすることは困難であるので、多層膜に必要とされる層数が多い場合は、窒化シリコン１０３の下面に埋め込む方が好ましい。層数が少ない場合には窒化シリコン１０３の上面に形成することが好ましい。多層膜フィルタの例は、酸化シリコンと酸化ジルコニウムを交互に積層するものであってもよい。膜厚は、酸化シリコン６２±５ｎｍ、酸化ジルコニウムを３８±５ｎｍとすることで、５１０ｎｍの波長に対して３６０ｎｍ±３０ｎｍ波長の光を良好に反射することができるものが好ましい。具体的には、上記２種の膜を対にして、３０積層して１／１０００００の除去比を得ることが可能である。これらの光学フィルタは、例えば蛍光計測における励起光を除去し蛍光を透過させる目的で利用してもよい。
【０１３５】
図２３〜図２５を参照しながら、更に図２０〜図２２に示すようなオーバーレイ構造を有する実施形態における回路構成について説明する。
【０１３６】
図２３には、図２０に示したバイオセンサと略同様の構造を有し得る回路構成の１例を示す。図２３（ａ）は回路構成を示す平面図、図２３（ｂ）はそれに対応する構造を示す平面図および図２３（ｃ）はその断面図である。
【０１３７】
バイオセンサは、各画素を囲うような絶縁性の囲い構造１０４と導電性の導体壁１８３で配線層１０５と接続された透明導電性電極（透明電極）１８２とを備える。導体壁１８３は、格子状の区画壁１０４の一辺に隣接し、且つ透明電極１８２の下面に接して形成されている。透明電極１８２の下層にはマイクロレンズ（光学レンズ）５００が積層されている。各透明電極１８２の直下に位置するシリコン基板１０１部分には、フォトダイオード（受光素子）１０８がそれぞれ形成されている。各透明電極１８２の直下には、配線１０５が存在せず、各透明電極１８２からの光をフォトダイオード１０８で受光できるようになっている。絶縁性の囲い構造１０４は、遮光性を有する方が好ましい。それにより、透明電極１８２からの光が隣接する受光素子１０８に漏れて受光されるのを防ぐことができる。透明電極材料は上述した通りである。
【０１３８】
このバイオセンサにおいては、受光素子１０８と透明電極１８２とに対して回路部分が形成されてよい。図２３（ａ）は、受光素子１０８に接続して配置される回路の１例の概要である。この例は１Ｖ１Ｈの例であり、各画素毎に１つの回路が配置され、そこにはアンプ（Ａｍｐ）、第１のスイッチ素子（Ｅ）および第２のスイッチ（ＲＴ）が含まれている。このような回路は、例えば、図１３Ａまたは図１３Ｂに示す回路構成と同様に構成されてもよい。
【０１３９】
このようなバイオセンサは、更に、透明導電性電極１８２の上層に上述した何れかの化学物質感応性膜が形成されていてもよい。囲い構造１０４の高さを透明電極１８２の上面よりも高くしておくことにより、化学物質感応性膜材料を塗布する際に生じ得る周囲へ漏れを防止できる。
【０１４０】
このようにオーバーレイ構造によれば、空間解像度を落とすことなく多項目化が可能である。
【０１４１】
更に図２４〜２５には、更なる例として隣接画素と読み出し回路を共有する構造の例を示す。
【０１４２】
図２４は、縦２画素で読み出し回路を共有する場合の１例である。このバイオセンサでは、２つに１つの検出画素が縦横のラインで交互に異なる構造を有する。第１のセンサ画素は、光センシングのみを行う光センサ画素（即ち、光センサ素子）であり、第２のセンサ画素は、光センシングと電気センシングとを行うセンサ画素である。このセンサ素子では、図２０に示したバイオセンサの構造におけるトレンチビア１８５が、格子状の区画壁１０４の一辺に隣接して配置されるのではなく、検出素子中央に透明電極１８２の下面に接して形成されている。透明電極１８２の直下に位置するシリコン基板１０１部分には、フォトダイオード（受光素子）１０８がそれぞれ形成されているが、トレンチビア１８５は、受光素子１０８まで延び、それに接続している。また、トレンチビア１８５の周囲には、透明電極１８２からの光が受光素子１０８ａにまで届き、受光素子１０８ａが光を受光できるようになっている。一方、受光素子１０８ｂはトレンチビア１８５によって遮光され、もはや受光素子としては作用せず、透明電極１８２と電気的に接続する端子として作用する。
【０１４３】
読み出し回路は、縦２画素隣接、即ち、第１のセンサ画素と第２のセンサ画素との間で共有されている。このようなジグザグ方式は、既存の汎用イメージセンサ製品を改造することにより得られてもよい。この場合、前工程（ＦＥＯＬ）を変更する必要がないので有利である。
【０１４４】
図２５は、縦２画素で読み出し回路を共有する場合の別の１例である。このバイオセンサでは、光センシングと電気センシングとを行うセンサ画素を有する。このセンサ素子では、図２０に示したバイオセンサの構造におけるトレンチビア１８５が、格子状の区画壁１０４の一辺に隣接して配置されるのではなく、格子状の区画壁１０４の一辺に対応する位置に区画壁１０４の一辺と置き換わるように配置されている。更にトレンチビア１８５は、透明電極１８２の下面に接して形成されている。このオーバーレイ方式の場合、ＦＥＯＬで電極用のスイッチＴｒ．（Ｅ）が追加されており、完全な積層構造が達成される。
【０１４５】
例えば、図２４〜図２５に示すような方式の何れにおいても、画素回路にセレクトトランジスタが更に追加されてもよい。また、このようなバイオセンサにおいて、透明部材または透明電極１８２の上層または下層にカラーフィルタなどの光学フィルタが備えられていてもよい。
【０１４６】
ここに示した光センシングを行う実施形態において、マイクロレンズは任意であり、上述においてマイクロレンズが含まれている実施形態からそれを除いてもよく、マイクロレンズを含んでいない実施形態に対してマイクロレンズを追加してもよい。
【０１４７】
更に上述では、縦２画素隣接の例を示したが、横隣接（１Ｖ２Ｈ）、縦横隣接（２Ｖ２Ｈ）、更に縦横複数画素（例えば、４Ｖ１Ｈ、４Ｖ２Ｈ）のように他の何れの方式で複数の画素の間で読み出し回路を共有してもよい。
【０１４８】
上述した透明電極１８２を備える実施形態において、透明電極１８２に電圧または電流を加える機能を備えてもよい。また、そのような構成の場合、例えば、透明電極１８２との接続を制御するスイッチＴｒ．（Ｆ）を設けてよい。更にそれをアンプと接続させてもよい。電圧または電流を印加することにより、光学像を計測しながら、透明電極上の分析対象物を電気刺激することが可能である。刺激前後での分析対象物の変化を観察するのに有用である。また、透明電極１８２に電圧または電流を印加することにより、光学像を計測しながら、電気泳動または誘電泳動を行うことも可能である。
【０１４９】
このような構造により複数の測定、検出、例えば、ｐＨセンシング、化学物質の検出、濃度測定、電流または電圧の測定、電位測定、電位変化の測定、光観察、蛍光強度の測定および／または温度測定などを同時に行うことが可能であり、且つ更に同時に電気刺激、電気泳動または誘電泳動を行うことが可能である。
【０１５０】
実施形態に従うバイオセンサに含まれる少なくとも３種類のセンサ素子の具体的な例を以下に示す。それらの少なくとも３種類のセンサ素子は、互いに異なる機能を有するように選択されればよい。例えば、同じ化学物質センサ素子が３つ選択されたとしても、検出されるべき化学物質が異なればそれらは３種類のセンサ素子である；
（１）センシング部分に化学物質感応性膜を含む化学物質センサ素子；
（２）センシング部分に水素イオン感応性膜を含むｐＨセンサ素子；
（３）センシング部に金属イオン感応性膜を含む金属イオン濃度センサ素子；
（４）センシング部分に金属層と前記金属層上に積層された絶縁層とを含む電極センサ素子；
（５）センシング部分に第１の金属層と、前記金属層上に積層された第２の金属層とを含む電極センサ素子；
（６）センシング部分に少なくとも２層の無機光学フィルタ層と前記無機光学フィルタ層よりも上方に積層された少なくとも１層の有機光学フィルタ層とを含む光センサ素子；
（７）センシング部分に光透過性部材と前記光透過部材を通過した光を受け取る受光素子とを含む光センサ素子；
（８）センシング部分に透明電極と前記透明電極を通過した光を受け取る受光素子とを含む光電気センサ素子；
（９）センシング部分に透明電極と前記透明電極上に積層された化学物質感応膜とを含む化学物質・電気センサ素子；
（１０）センシング部分に少なくとも１層の有機光学フィルタ層および／または少なくとも２層の無機光学フィルタ層と、透明電極とを含む電気・光センサ素子；および
（１１）センシング部分に少なくとも２層の無機光学フィルタ層と前記無機光学フィルタ層よりも上方に積層された少なくとも１層の有機光学フィルタ層と前記有機光学フィルタ層の上方に積層された透明電極とを含む電気・光センサ素子。
【０１５１】
ここで「分析対象物」とは、検出または分析されるべき何れの物質であってもよい。例えば、分析対象物は、生体組織切片、単離細胞、培養細胞、培養組織、細胞膜、抗体、血液、血漿、血清、尿、便および粘膜などの動物に由来する試料であってよい。或いは、植物、土壌、河川、湖水および大気などの環境に由来する何れの試料であってもよい。また、ウイルス、細菌および寄生虫などの微生物などを試料としてもよい。或いは、核酸、蛋白質、アセチルコリンおよびドーパミンなどの生体関連物質を含む化学物質、Ｈ+、Ｋ+、Ｎａ+、Ｃａ2+、Ｆｅ2+、Ｆｅ3+、Ｃｕ2+、Ｃｌ-、ＳＯ4-などの何れのイオンなどであってもよい。
【０１５２】
上述のような実施形態に係るバイオセンサは、何れの分析対象物についても複数の検査項目、即ち、多項目について効率よく試験することが可能である。
【０１５３】
このようなバイオセンサにより、例えば、組織切片や培養細胞などを用いて、そこにおける電位の変化、イオン動態、分泌物の解析、形態観察などを良好に同時に行うことが可能である。
【０１５４】
実施形態に従うバイオセンサは、これらに限定するものではないが、生理学、薬理学、生物学および医学などを含む様々な分野において利用することが可能である。また当然ながら、実施形態に従うバイオセンサをバイオ分野以外の分野において使用することも可能である。
【０１５５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
基板と、前記基板上の二次元領域に存在するセンサマトリックスとを備え、
前記センサマトリックスは、透明電極を含むセンシング部を有する少なくとも３種類のセンサ素子を備える複数の基本ブロックで構成されることを特徴とするバイオセンサ。
［２］
前記センシング部は、前記バイオセンサの１つの表面側を向いており、前記センサマトリックスが全体としてセンサ画素アレイを構成していることを特徴とする［１］に記載のバイオセンサ。
［３］
前記少なくとも３種類のセンサ素子は、互いに異なる機能を有するように化学物質センサ素子、光センサ素子および／または電気センサ素子であることを特徴とする［１］または［２］に記載のバイオセンサ。
［４］
前記少なくとも３種類のセンサ素子は、化学物質センサ素子、光センサ素子および電気センサ素子を含むことを特徴とする［３］に記載のバイオセンサ。
［５］
前記少なくとも３種類のセンサ素子は、互いに異なる機能を有するように以下の群から少なくとも１つ選択されることを特徴とする［１］〜［４］の何れか１つに記載のバイオセンサ；
（１）前記透明電極を通過した光を受け取る受光素子を含む光電気センサ素子；
（２）前記透明電極上に積層された化学物質感応膜を含む化学物質・電気センサ素子；
（３）前記センシング部に少なくとも１層の有機光学フィルタ層および／または少なくとも２層の無機光学フィルタ層と、前記透明電極とを含む電気・光センサ素子；および
（４）前記センシング部に少なくとも２層の無機光学フィルタ層と前記無機光学フィルタ層よりも上方に積層された少なくとも１層の有機光学フィルタ層と前記有機光学フィルタ層の上方に積層された前記透明電極とを含む電気・光センサ素子。
［６］
前記少なくとも３種類のセンサ素子は、互いに異なる機能を有するように以下の群から少なくとも１つ選択されることを特徴とする［１］〜［５］の何れか１つに記載のバイオセンサ；
（１）前記センシング部に化学物質感応性膜を含む化学物質センサ素子；
（２）前記センシング部に水素イオン感応性膜を含むｐＨセンサ素子；
（３）前記センシング部に金属イオン感応性膜を含む金属イオン濃度センサ素子；
（４）前記センシング部に金属層と前記金属層上に積層された絶縁層とを含む電極センサ素子；
（５）前記センシング部に第１の金属層と、前記金属層上に積層された第２の金属層とを含む電極センサ素子；
（６）前記センシング部に少なくとも２層の無機光学フィルタ層と前記無機光学フィルタ層よりも上方に積層された少なくとも１層の有機光学フィルタ層とを含む光センサ素子；
（７）前記センシング部に光透過性部材と前記光透過性部材を通過した光を受け取る受光素子とを含む光センサ素子。
［７］
更に、前記基板上に温度センサ画素を備えることを特徴とする［１］〜［６］の何れか１つに記載のバイオセンサ。
［８］
更に、前記センサ素子の種類毎に当該センサ素子からの信号を読み出す第１の回路部分を前記基板上に備えることを特徴とする［１］〜［７］の何れか１つに記載のバイオセンサ。
［９］
更に、それぞれの前記センサ素子からの検出信号をそれぞれに読み出す第２の回路部分を前記基板上に備えることを特徴とする［１］〜［７］の何れか１つに記載のバイオセンサ。
［１０］
前記第１または第２の回路部分が、前記センサ素子からの信号の読み出し順を制御するコントローラと、前記コントローラの制御の下で、前記センサ素子からの当該信号を外部に出力する出力回路とを備えることを特徴とする［８］または［９］に記載のバイオセンサ。
［１１］
更に、前記第１の回路部分または前記第２の回路部分に連絡している、Ａ／Ｄ変換回路、信号処理回路、通信回路、メモリ回路および／または電源回路を前記基板上に備えることを特徴とする［８］〜［１０］の何れか１つに記載のバイオセンサ。
【符号の説明】
【０１５６】
１０１  シリコン基板    １０２  酸化シリコン膜    １０３  窒化シリコン膜
１０４  区画壁    １０５  配線    １０８  受光素子
１１１  イオン濃度計測画素    １１２  イオン感応膜
１２１  水素イオン濃度計測画素    １３１，１４１  電気計測画素
１５１，１６１，１７１，１８１  光センサ画素    １８２  透明電極
３１０  バイオセンサ    ３１１  センサアレイ    ３１２  ロウコントローラ
３１３  読み出し回路
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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