(57)【要約】【課題】  前処理による可動膜の変形を復元方向に誘導し、検知すべき分子の吸着による可動膜の変形状態を好適に検出することができる物理・化学センサを提供するとともに、これを使用するセンサアレイおよびセンシングデバイスを提供する。【解決手段】  物理・化学センサは、ファブリペロー干渉計を形成するように構成されたものであって、可動膜２の表面もしくは裏面または中間層に導電性を有する材料によって形成される第１の導電膜４と、受光面１１の表面に絶縁層１２を介して導電性を有する材料によって形成される第２の導電膜５とを備え、両導電膜は適宜電圧の印加を受ける電源７に接続されている。センシングデバイスは、前記センサを検出用と参照用とに区別して同一基板に作製したセンサアレイである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子の受光面に、空隙部を形成しつつ該受光面に対向して設けられた可動膜を備え、該可動膜は、少なくとも外側表面に分子固定能を有し、前記受光面とともにファブリペロー干渉計を形成するように構成された物理・化学センサにおいて、
前記可動膜の表面もしくは裏面または中間層に導電性を有する材料によって形成される第１の導電膜と、前記受光面の表面に絶縁層を介して導電性を有する材料によって形成される第２の導電膜とを備え、前記第１および第２の導電膜は適宜電圧の印加を受ける電源に接続されていることを特徴とする物理・化学センサ。
【請求項２】
前記第１の導電膜は、前記可動膜の中央を含む一部領域、中央部付近を除く環状領域、または該可動膜が変位する範囲の全体領域のいずれかに形成され、前記第２の導電膜は、前記第１の導電膜に対向する領域に形成されている請求項１に記載の物理・化学センサ。
【請求項３】
前記可動膜は、気体または液体に含まれる分子を固定する分子固定能を有する材料で形成され、前記第１の導電膜は、前記可動膜の裏面側に形成されている請求項１または２に記載の物理・化学センサ。
【請求項４】
前記可動膜は、柔軟な基礎膜と、該基礎膜の表面に分子固定能を有する材料を積層した分子固定膜とを備え、前記第１の導電膜は、前記基礎膜と分子固定膜の中間に積層されている請求項１ないし３のいずれかに記載の物理・化学センサ。
【請求項５】
前記第１の導電膜は、金属材料によって弾性変形可能に形成され、前記ファブリペロー干渉計の第１のハーフミラーを構成するものであり、前記第２の導電膜は、金属材料によって形成され、前記ファブリペロー干渉計の第２のハーフミラーを構成するものである請求項１ないし４のいずれかに記載の物理・化学センサ。
【請求項６】
前記受光素子は、フォトダイオードであり、第２の導電膜は、前記フォトダイオードを構成する拡散層との間において蓄積状態となるような極性の電圧が印加されるものである請求項１ないし５のいずれかに記載の物理・化学センサ。
【請求項７】
前記電源による印加電圧を可変とし、前記空隙部のクリアランスを調整可能とした請求項１ないし６のいずれかに記載の物理・化学センサ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の物理・化学センサを使用するセンサアレイであって、前記物理・化学センサを同一基板上に複数形成してなることを特徴とする物理・化学センサアレイ。
【請求項９】
請求項１ないし７に記載の物理・化学センサを使用するセンシングデバイスであって、
基板上に複数の前記物理・化学センサを配置し、その一部を参照用とし、残りの一部または全部を検出用とし、該物理・化学センサの全部または一部について、前記電源による電圧を印加することにより、可動膜を所定方向へ誘導可能とすることを特徴とする物理・化学現象センシングデバイス。
【請求項１０】
請求項７に記載の物理・化学センサを使用するセンシングデバイスであって、
基板上に複数の前記物理・化学センサを配置し、その一部を参照用とし、残りの一部または全部を検出用とし、該物理・化学センサごとに、前記電源による印加電圧を調整することにより、各物理・化学センサの空隙部の初期値を設定可能とすることを特徴とする物理・化学現象センシングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉型の物理・化学センサに関し、特に、気体や液体に含まれる分子を非標識により検知するためのセンサに関するもの、このセンサを使用した物理・化学センサアレイ、および物理・化学現象センシングデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池に代表されるように、水素ガスをエネルギー源とするための技術が開発され普及されつつあり、これに伴って水素ガスを検出するためのセンサが重要視されている。また、環境汚染を誘引するガス（二酸化炭素や二酸化窒素など）は環境保全のためにその排出を検知することが重要とされ、爆薬に使用される成分（トリニトロトルエン：ＴＮＴやトリメチレントリニトロアミン：ＲＤＸなど）を含むガスの検知は、地雷を発見することに有用である。さらに、医療現場においては、特定種類の抗体または特定種類の抗原を検出することにより、特定の疾患に罹患していることを判定するため、抗原抗体反応によって特定の抗原（特定のタンパク質）を検出するセンサもまた重要視されている。【０００３】
医療現場では、検出すべきタンパク質を特定する方法として、蛍光ラベルを使用する蛍光標識技術が用いられていた。この技術は、活性化した蛍光基をタンパク質に反応させて標識とするものであって、同時に複数の検出が可能となるとともに蛍光色素の取り扱いが簡単であることから、以前から広く使用されてきた。しかし、この蛍光標識技術では、蛍光基が反応することに伴ってタンパク質構造が劣化することが懸念され、また、蛍光基修飾の位置や標識数の制御が困難であるという定量評価に関して問題があった。【０００４】
そこで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ：微小電気機械システム）技術を用いて分子同士の相互作用を機械的な変形に読み替えて検出する技術は、生体分子の非標識（ラベルフリー）検出法として、疾患の診断や創薬分野への期待が高い。例えば、血液中に含まれる病気由来のタンパク質をチップ上で抗原抗体反応などによって捉え、吸着の様子を電気信号で出力することができれば、早期の疾患を迅速に診断することができる。【０００５】
吸着した分子を検出するＭＥＭＳセンサとしては、共振振動を利用して質量変化を読み取る方式がある（非特許文献１参照）。この種のセンサは、空気中での検出感度が高い反面、液中では振動のＱ値が下がることから感度が低下するという課題を有していた。他方、構造表面のストレスの変化を機械的な変形量として検出する方法も案出されている。機械的な変形量を電気信号に変換するためのトランスデューサとしては、反射角度の変化をＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：光位置センサ）で検出する光学方式（非特許文献２および３参照）、静電容量方式（非特許文献４参照）、またはピエゾ抵抗方式（非特許文献５および６参照）が提案されている。これらの技術によれば、表面応力センサが静的な変形を検出するため、液中での使用が可能であり、電気信号への信号処理も共振型と比べて容易である。また、センサ上における表面応力の変化は分子の吸着だけでなく、生体分子の構造変化によっても発生することが報告されている（非特許文献７および８参照）。従って、高次の構造を持つタンパク質のコンフォメーション変化をリアルタイムに捉える技術としても期待されるところである。【０００６】
ところで、機械的な変形量を電気信号に変換する方式として、前掲技術を用いることにより、ＤＮＡのハイブリダイゼーションや抗原抗体反応を利用した腫瘍マーカーの検出などが可能であるとされているが、構造の変形に対する電気信号への変換効率は、初期ギャップや材料の持つピエゾ抵抗係数などによって決定されるため、感度向上が難しいという問題点を有していた。【０００７】
そこで、本願の発明者らは、膜の変位を電気信号に変換する効率の向上のため、ファブリペロー干渉を利用した新規なトランスデューサを提案している（特許文献１および非特許文献９参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／０４７７９９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】K.S.Hwang, J.H.Lee, J.Parl, D.S.Yoon, J.H.Park, and T.S.Kim, In-situ quantitative analysis of a prostate-specific antigen (PSA) using a nanomechanicalPZT cantilever, Lab Chip 4, pp.547-552(2004).
【非特許文献２】G.H.Wu, R.H.Datar, K.M.Hansen, T.Thundat, R.J.Cote, and A.Majumdar, Bioassay of prostate-specific antigen (PSA) using microcantilevers, Nat. Biotechnol. 19, pp.856-860(2001).
【非特許文献３】D.A.Raorane, M.D.Lim, F.F.Chen, C.S.Craik, and A.Majumdar, Quantitative and label-free technique for measuring protease activity and inhibition using a microfluidic cantilever array, Nano Lett. 8, pp.2968-2974(2008).
【非特許文献４】S.Satyanarayana, D.T.McCormick, A.Majumdar, “Parylene micro membrane capacitive sensor array for chemical and biological sensing,” Sens. And Actuat. B, vol.115, pp.494-502(2006).
【非特許文献５】L.Aeschimann, A.Meister, T.Akiyama, B.W.Chui, P.Niedermann, H.Heinzelmann, N.F.De Rooij, U.Staufer, and P.Vettiger, Scanning probe arrays for life sciences and nanobiology applications, Microelectron. Eng. 83, pp.1698-1701 (2006).
【非特許文献６】G.Yoshikawa, T.Akiyama, A.Gautsch, P.Vettiger, and H.Rohrer, ”Nanomechanical Membrane-type surface stress sensor,” Nano Letters, vol.11, pp.1044-1048(2011).
【非特許文献７】R.Mukhopadhyay, V.V.Sumbayev, M.Lorentzen, J.Kjems, P.A.Andreasen, and F.Besenbacher, Cantilever sensor for nanomechanicaldetection of specific protein conformations, Nano Lett. 5, pp.2385-2388(2005).
【非特許文献８】M.K.Ghatkesar, H.P.Lang, C.Gerber, M.Hegner, and T.Braun, Comprehensive characterization of molecular interactions based on nanomechanics, PLoS One 3, pp.e3610- 1-6(2008).
【非特許文献９】K.Takahashi, H.Oyama, N.Misawa, K.Okumura, M.Ishida, and K.Sawada, “Surface stress sensor using MEMS-based Fabry-Perot interferometer for label-free biosensing,” Sens. Actuat. B, vol.188, pp.393-399(2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前掲の特許文献１および非特許文献９において開示する技術は、特定物質の固定能を有する材料による可動膜と受光素子表面とでファブリペロー干渉計を形成し、特定波長の透過光の強度変化によって特定物質の固定状態を検出するものである。すなわち、分子固定能を有する可動膜が特定物質を固定することにより、当該物質の分子間力によって膜部が撓み、ファブリペロー干渉計を構成している空隙部（エアギャップ）の間隙幅が変化するものである。そして、この変化に伴って干渉波長が変化することから、単波長の光を入射すると、入射波長に対する透過率が変化し、この透過光強度の変化を受光素子によって光電流の変化として読み出すのである。例えば、医療分野においては、可動膜に抗体分子を固定させておけば、この抗体分子と特定のタンパク質が抗原抗体反応により結合し、検知すべきタンパク質の結合による分子間力の変化を可動膜の撓み量から検出することができるものである。このように、タンパク質の有無のみならず、付着量についても電気信号から定量評価することができ、さらに、ファブリペロー干渉計の透過特性を制御すれば、可動膜の変位に対する信号変換効率を向上させることができるものである。【００１１】
ところが、上記の技術は、表面応力による可動膜の変形を検出するものであり、例えば、医療分野においては、予め抗体分子を可動膜に固定し、また、非特異吸着を防ぐためのブロッキング処理を行うことにより、抗体分子などの極性分子の吸着によっても可動膜が変形し得るものであった。これらの極性分子が検知すべきタンパク質の分子以上に大きな分子間力を発生させる場合があるとすれば、そのような前処理による変形が支配的となり、特定タンパク質等の吸着による可動膜の変化を見落とすおそれを有しているとの懸念があった。【００１２】
本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、前処理による可動膜の変形を復元方向に誘導し、検知すべき分子の吸着による可動膜の変形状態を好適に検出することができる物理・化学センサを提供するとともに、これを使用するセンサアレイおよびセンシングデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そこで、本願の本発明らは、鋭意研究の結果、前処理により変化した可動膜に対し、吸着する分子間力により変形する方向とは逆向きに静電引力を作用させ、当該可動膜の変形状態を使用直前に修正させることを着想し本発明に至った。【００１４】
すなわち、物理・化学センサに係る本発明は、受光素子の受光面に、空隙部を形成しつつ該受光面に対向して設けられた可動膜を備え、該可動膜は、少なくとも外側表面に分子固定能を有し、前記受光面とともにファブリペロー干渉計を形成するように構成された物理・化学センサにおいて、前記可動膜の表面もしくは裏面または中間層に導電性を有する材料によって形成される第１の導電膜と、前記受光面の表面に絶縁層を介して導電性を有する材料によって形成される第２の導電膜とを備え、前記第１および第２の導電膜は適宜電圧の印加を受ける電源に接続されていることを特徴とするものである。【００１５】
上記構成によれば、第１および第２の導電膜は、空隙部の両側に形成されることとなり、両導電膜間に電圧を印加することにより、静電気力により、可動膜側に対して所定方向への変形を誘導させることができる。例えば、両導電膜の一方に電荷を印加して両者間に電位差を生じさせ、または両導電膜に異なる極性の電荷を印加させることにより、両導電膜間に静電引力を作用させることができる。このとき、第２の導電膜は受光素子の受光面に絶縁層を介して積層されることから、当該第２の導電膜は固定的であるが、第１の導電膜は可動膜に積層されるため、当該可動膜とともに変形することとなる。このように、電圧の印加によって、可動膜を所望の方向へ人為的に変形させることができ、前記空隙部のクリアランスを調整することができる。なお、一般的に、可動膜の表面に吸着される分子による分子間力は、可動膜を外向きに膨出させる（空隙部のクリアランスを拡大させる）方向へ作用させることから、前処理において極性分子が吸着した場合の可動膜を、前記静電引力によって引き寄せる（空隙部のクリアランスを縮小させる）方向へ変化させれば、可動膜の状態を復元させるように誘導させることが可能となる。【００１６】
上記構成において、第１の導電膜は、前記可動膜の中央を含む一部領域、中央部付近を除く環状領域、または該可動膜が変位する範囲の全体領域のいずれかに形成され、また、第２の導電膜は、前記第１の導電膜に対向する領域に形成されているものとすることができる。【００１７】
このような構成にあっては、可動膜の中央を含む一部領域に第１の導電膜を形成する場合には、可動膜に対する静電気力（静電引力）の作用を、当該可動膜の中央周辺に集中させることができ、中央部付近を除く環状領域に第１の導電膜を形成する場合には、中央部の周辺に静電気力（静電引力）を作用させて可動膜全体を変形させることができる。なお、可動膜が変位する範囲の全体領域に第１の導電膜を形成することによって、可動膜の変位可能な領域の全体に静電気力（静電引力）を作用させてもよく、前記のように第１の導電膜の形成範囲を部分的なものとする場合には、当該形成範囲に対向する位置に第２の導電膜も形成させることとなるものである。【００１８】
また、上記各構成の発明においては、可動膜が、気体または液体に含まれる分子を固定する分子固定能を有する材料で形成されているものとすることができる。【００１９】
上記構成によれば、特定のガス（例えは、可燃性ガスや環境に影響を与えるようなガス）および生体高分子などを測定することができる。ここで、可燃性ガスとしては、水素ガスやＴＮＴまたはＲＤＸなどの爆薬に含まれるガスなどを例示することができ、環境に影響を与えるガスとしては、二酸化炭素や二酸化窒素などを例示することができる。また、生体高分子としては、アミノ酸、核酸、多糖類などを含む高分子（例えば、抗体、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）やリボ核酸（ＲＮＡ）など）を例示することができる。さらに、分子固定能が抗体を固定する抗体固定能を有する場合には、可動膜の表面に予め抗体を固定し、この抗体に結合する特定のタンパク質（抗原）が前記抗体に結合する状態を検出・測定することも可能となる。【００２０】
また、上記各発明における可動膜は、柔軟な基礎膜と、該基礎膜の表面に分子固定能を有する材料を積層した分子固定膜とを備え、前記第１の導電膜は、前記基礎膜と分子固定膜の中間に積層されている構成としてもよい。【００２１】
上記構成の場合には、表面に分子固定膜が積層された構成であるから、性質の異なる分子固定膜から適宜選択すれば、検出・測定すべき対象物質に応じて、多種のセンサを構成することができる。分子固定膜としては、抗体を固定するためのものとして、日本パリレン合同会社製のパリレン（登録商標）Ａまたはパリレン（登録商標）ＡＭを例示することができ、同様に第三化成株式会社製ｄｉＸ（登録商標）ＡまたはＡＭなどがある。これらは、パラキシレン系ポリマーであり、ベンゼン環がＣＨ２を介して繋がっている構造体であり、末尾が「Ａ」と表記されるものは、側鎖にアミノ基を有するものであり、末尾が「ＡＭ」と表記されるものは、側鎖にメチル基−アミノ基が直列に結合している構造体であるため、当該アミノ基に抗体を結合させることができるものである。【００２２】
さらに、上記各発明において、前記第１の導電膜は、金属材料によって弾性変形可能に形成され、前記ファブリペロー干渉計の第１のハーフミラーとなるものであり、前記第２の導電膜は、金属材料によって形成され、同じファブリペロー干渉計の第２のハーフミラーとなるように構成することができる。【００２３】
上記構成によれば、ファブリペロー干渉計を構成するための空隙部は、二つのハーフミラーの間に形成されることとなり、可動膜を透過した光の反射率を向上させ、ファブリペロー干渉計の内部で干渉する波長（干渉波長）の選択性を向上させることができるとともに、両ハーフミラー間に電圧を印加することにより、静電気力（静電引力）を作用させることができる。【００２４】
また、上記各発明において、前記受光素子が、フォトダイオードであり、第２の導電膜には、前記フォトダイオードを構成する拡散層との間において蓄積状態となるような極性の電圧が印加されるように構成することが好ましい。【００２５】
上記構成によれば、基板（例えばｐ型）に拡散層（例えばｎ型）を形成してなるフォトダイオードを使用する場合、第２の導電膜をマイナスの極性による電圧を印加することにより、この第２の導電膜と拡散層（ｎ型）との間には空乏層が形成されず、蓄積状態とすることができる。これは、第２の導電膜と拡散層との間に空乏層が形成されると、この空乏層に吸収される光によって光電流が発生することを防ぐためである。すなわち、第２の導電膜と拡散層（ｎ型）との間に空乏層が形成されないことにより、ｐｎ接合に形成される空乏層のみに吸収される光によって光電流を発生させることができるのである。これにより、フォトダイオードによって検出される光電流は、第２の導電膜に印加される電圧の影響を受けないものとなる。なお、当然のことであるが、基板がｎ型であれば、拡散層はｐ型となり、第２の導電膜に印加されるべき電圧の極性はプラスとなる。【００２６】
さらに、上記各発明において、前記電源による印加電圧を可変とし、前記空隙部のクリアランスを調整可能とすることができる。【００２７】
このような構成によれば、当該物理・化学センサにおける透過光強度の検出に際し、種々の前処理を行う必要がある場合、当該前処理の影響により可動膜が既に変形していることがあるとしても、その変形状態を適宜修正することが可能となる。すなわち、可動膜の変形の状態に応じて印加電圧を変化させることによって、両導電膜に作用させる静電気力（静電引力）の大きさを調整し、空隙部のクリアランスを所望状態に誘導させることができるのである。例えば、予め抗体を吸着させ、さらにブロッキング処理を行うような場合において、当該抗体やブロッキング剤の種類や量によって可動膜の変形の程度が異なることがあるとしても、抗原の吸着を検出できる範囲の可動膜の可動領域を確保することができるのである。特に、光の干渉スペクトルのうち、勾配が最も大きいところ（Ｑポイント（Quadrature Point））において感度が最大となることから、前記可動膜を任意に変形することによって、最大感度が得られる状態に可動膜の位置を調整することができる。これは、物理・化学センサの作製過程における可動膜位置のバラツキを調整することができるという意味においても有効である。【００２８】
そして、センサアレイに係る本発明は、上記各構成の物理・化学センサを使用するものであって、前記物理・化学センサを同一基板上に複数形成してなることを特徴とする。【００２９】
上記構成によれば、複数の物理・化学センサによって、同一検体について異なる物質のセンシングを可能にする。すなわち、個々のセンサを構成する可動膜の分子固定能条件を異ならせることにより、同一検体に含有される物質について、複数の異なる種類についてセンシングすることができるのである。可動膜の分子固定能条件を異ならせるとは、可動膜により固定（特異吸着）できる特定物質が異なる場合のほか、特定の抗原と特異吸着する特定の抗体を選定し、予め異なる抗体を可動膜に固定させる場合がある。また、個々のセンサから出力される信号の処理には、ＣＭＯＳイメージセンサの技術を利用することが可能であり、高密度に集積化されたバイオセンサの実現も可能となる。【００３０】
また、センシングデバイスに係る本発明は、前記物理・化学センサを使用するものであって、基板上に複数の前記物理・化学センサを配置し、その一部を参照用とし、残りの一部または全部を検出用とし、該物理・化学センサの全部または一部について、前記電源による電圧を印加することにより、可動膜を所定方向へ誘導可能とすることを特徴とする。【００３１】
上記構成によれば、参照用のセンサを特定物質の検出用のセンサと同じ構造とすることができる。この場合、検出用のセンサには、例えば、特定の抗原と抗原抗体反応を生じさせる抗体を固定し、また、さらにはブロッキング処理を行い、参照用のセンサには当該抗体を固定せず、ブロッキング処理のみを行うことにより、参照センサの側では抗原の吸着現象を生じさせないようにすることができる。そこで、同一の検体を両センサに供給することによって、検出用センサにおいてのみ抗原の吸着による可動膜の変化が生ずることとなる。このとき、検出用センサと参照用センサとは、ファブリペロー干渉計を構成する空隙部のクリアランスが同じ程度となるように、それぞれの二つの導電膜に対する印加電圧を調整することにより、両センサの比較をより好適なものとすることができる。これにより、両センサの受光素子によって検出される光の強度の変化を比較することが可能となり、特に、色素を有する検体のように、検体そのものが光の透過率を減少させるような性質を有する場合の検査には、同様の条件下において、検出される光の強度変化を対比し、特定物質の固定による光透過率の変化として検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の物理・化学センサによれば、例えば、抗体やブロッキング剤などを予め可動膜に吸着させる前処理が必要な場合であっても、当該前処理による可動膜の変形を復元方向に誘導することができる。これにより、可動膜の変形し得る範囲が確保され、検知すべき分子の吸着による可動膜の変形状態を中心とする検出が可能となる。【００３３】
そして、上記物理・化学センサを使用するセンサアレイでは、高度に集積化されたバイオセンサを構成することができることとなり、また、当該センサを使用するセンシングデバイスでは、検出用センサと参照用センサの双方における可動膜の可動範囲が同程度となるため、測定された光の強度変化を修正することなく対比することにより、対象物質の状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】（ａ）は物理・化学センサに係る本発明の第１の実施形態を示す模式図であり、（ｂ）は物理・化学センサに係る本発明の第２の実施形態を示す模式図である。
【図２】可動膜の変形状態を示す説明図である。
【図３】物理・化学センサの製造方法の前半を示す説明図である。
【図４】物理・化学センサの製造方法の後半を示す説明図である。
【図５】物理・化学現象センシングデバイスの実施形態を示す模式図である。
【図６】物理・化学現象センシングデバイスの実施形態における検出用センサの可動膜の状態を示す説明図である。
【図７】物理・化学現象センシングデバイスの実施形態における検出用センサの可動膜の状態を示す説明図である。
【図８】物理・化学センサに係る第２の実施形態における透過スペクトルを示すグラフである。
【図９】実験用として作製したセンサの模式図である。
【図１０】（ａ）は印加電圧の変化と反射スペクトルの変化を示すグラフであり、（ｂ）は空隙部の間隙と反射スペクトルの変化を示すグラフである。
【図１１】印加電圧の増減による可動膜の位置の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、物理・化学センサに係る本発明の実施形態を示す図である。図１（ａ）に第１の実施形態を示し、図１（ｂ）に第２の実施形態を示す。この図１（ａ）および（ｂ）に示されているように、本実施形態は、基本的な構成として、受光素子１の受光面１１から適宜な間隔を有して可動膜２が設けられ、受光素子１と可動膜２との間に空隙部３を形成することによって、ファブリペロー干渉計が形成されている。このファブリペロー干渉計に向かって光源Ｌから光を照射することにより、透過光を受けて受光素子１が光電流に変換するものである。なお、空隙部３の形成方法については、詳細は後述するが、簡潔に示せば、受光素子１の受光面１１に犠牲層を形成し、この犠牲層表面に可動膜２を積層した後、当該犠牲層を除去するのである。そのため、犠牲層の除去に必要な開口部が、可動膜２の一部に形成され、当該開口部は、その後、閉塞部材によって閉塞されるものである。
【００３６】
ここで、本実施形態は、可動膜２の一部に第１の導電膜４が積層され、受光素子１の受光面１１の表面に、絶縁層１２を介して第２の導電膜５が積層されるものである。第１の実施形態（図１（ａ））では、第１の導電膜４が、可動膜２の裏面側に積層されたものであり、第２の実施形態（図１（ｂ））では、可動膜３の表面に積層したうえ、さらに、その表面に分子固定膜６を積層した構成としている。これらの導電膜４，５は、導電性材料によって成膜されれば、その材質を問うものではないが、第１の導電膜１は、可動膜２とともに変形することを考慮し、弾性変形可能な材料によって成膜されることが好ましい。例えば、金属製材料により成膜されれば、可動膜２の変形に応じた弾性変形が可能であり、導電性を有することから電圧印加による静電気力（静電引力）を作用させることが可能となる。また、第２の実施形態（図１（ｂ））は、導電膜４の表面に分子固定膜６を積層するが、金属材料が分子固定能を有する場合には、分子固定膜６の積層は不要となる。例えば、タンパク質以外の物質（水素ガス等）についての固定能を有する貴金属（金、白金、パラジウム等）を使用する場合は、導電膜４を可動膜２の表面に積層した状態で使用することも可能である。
【００３７】
さらに、可動膜２の側に積層された第１の導電膜４と、受光素子１の受光面１１の側に積層された導電膜５との間には、静電気力（静電引力）を生じさせるために、所定の電圧を印加させるために、それぞれ配線４１，５１が接続され、一方の配線５１には、電源７が接続されている。この電源７は、電圧可変型の可変電源であり、印加される電圧を変化させることにより、両導電膜４，５の間の静電気力（静電引力）を調整することができる。これにより、可動膜２の変形状態に応じて所望の静電気力（静電引力）を当該可動膜２に作用させ、空隙部３の間隙（クリアランス）を好適な状態とすることができるものである。
【００３８】
なお、本実施形態の物理・化学センサは、可動膜２を透過する光の強度変化によって、当該可動膜２の撓みの状態を検知するものであるから、導電膜４，５は、少なくとも特定波長の光を透過させるものとする。また、金属材料により導電膜４，５を形成する場合には、ハーフミラーとして機能させることができる。
【００３９】
ところで、可動膜２の少なくとも外側表面は分子固定能を有するものとしており、この外側表面に特定物質を固定させることで、特定物質の分子間力により可動膜２を変形させることができるようにしている。分子固定能を有するものとしては、パリレン（登録商標）ＡまたはＡＭがある。これらは、側鎖にアミノ基を有することから、このアミノ基に抗体を結合させる（分子を固定させる）機能を備えるものである。
【００４０】
このように、可動膜２の変形状態を任意に調整できることにより、特定物質を選択しつつ、その固定状態を検出することが可能となるのである。その状態を図２に示す。なお、図２には、前記第２の実施形態によるセンサを例示するものである。
【００４１】
すなわち、図２（ａ）に示すように、可動膜２の表面側に積層される分子固定膜６に物質が固定（吸着）することによって、固定（吸着）した物質の分子間力により、可動膜２が外向きに膨出するように変形することとなる。これは、例えば、医療分野において、特定のたんぱく質（抗原）を検出するために使用する場合、予め抗体分子ＡＢを可動膜２に固定し、また、非特異吸着を防ぐためのブロッキング処理を行うことが必要となり、これら抗体分子ＡＢやブロッキング剤ＢＫなどの極性分子の吸着によっても可動膜２が変形するものである。この状態で、抗体分子ＡＢに抗原が結合した場合、さらに抗原によって可動膜２は変形することとなるが、その変形の差分に基づいて抗原の検出を行うこととなる。しかし、その差分が小さければ検出の精度が損なわれる可能性があるため、可動膜２の変形状態を元の状態に戻すことにより、抗原の結合によって可動膜２が大きく変形できるようにするのである。
【００４２】
そこで、図２（ｂ）に示すように、両導電膜４，５の間に電圧を印加させることにより、静電気力（静電引力）を作用させ、膨出するように変形した可動膜２を復元させるのである。すなわち、受光素子１の受光面１１の側に成膜されている第２の導電膜（固定側）５に対し、可動膜２に成膜されている第１の導電膜（移動側）４を静電引力によって引き寄せ、結果的に、移動側の導電膜４のみを受光素子１の方向へ変形させるのである。これにより、受光素子１の受光面１１と可動膜２との間に形成される空隙部３の間隔（クリアランス）を縮小させることができる。
【００４３】
このように、極性分子ＡＢ，ＢＫが検知すべきタンパク質（抗原）の分子以上に大きな分子間力を発生させる場合があるとしても、特定タンパク質（抗原）等の吸着による可動膜２の変化による空隙部３の変化を検出することが可能となる。
【００４４】
すなわち、図２（ｃ）に示すように、抗原ＡＧが抗体ＡＢに結合するとき、この抗原ＡＧの固定により分子間力が作用し、再び可動膜２は膨出方向へ大きく変形することから、このときの可動膜２の変形による光の透過の状態を検出することにより、抗原ＡＧの吸着状態を精度良く検出することができる。
【００４５】
従って、抗原ＡＧのような特定たんぱく質を検出する場合には、その前工程として、抗体分子ＡＢの吸着またはブロッキング処理を行う必要があるとしても、当該抗体分子ＡＢおよびブロッキング剤ＢＫの固定により、変形（膨出）した可動膜２を所定の状態（変形前と同程度）に復元させることが可能となり、特定の物質（抗原ＡＧ等）を選択して、その固定状態を検出することができるのである。
【００４６】
ところで、導電膜４，５は、成膜手法の簡便さからは、受光素子１の受光面１１の全体、および可動膜２の全面に積層させることとなるが、前工程により変更した可動膜２を復元させるために静電引力を作用させる目的に特化すれば、受光面１１および可動膜２の一部に成膜するような構成もあり得る。このとき、導電膜４，５によってハーフミラーを形成する場合には、空隙部３における透過光の反射率を向上させ、ファブリペロー干渉計の内部で干渉する波長（干渉波長）の選択性を向上させることができるという目的を達成するため、光が照射される可動膜２の中央を含む適宜範囲を中心とする領域、およびこの領域に対向する受光面１１の一部領域に、それぞれ導電膜を形成することとなる。
【００４７】
なお、可動膜２に形成される導電膜４が、光（特定波長帯域の光）を透過できない場合には、光が透過される領域（可動膜２の中央近傍）を除く領域（例えば、環状領域）に導電膜４を形成してもよい。この場合、静電引力を作用させるために、受光面１１においても中央近傍を除く領域（例えば、環状領域）に導電膜５を形成することが好ましい。
【００４８】
また、第２の実施形態（図１（ｂ））のように、可動膜２の表面側に導電膜４を積層する構成の場合には、可動膜２が、その基礎部分を基礎膜２１と、導電膜４の表面に積層される分子固定膜６とで構成するように概念してもよい。すなわち、導電膜４は、可動膜２の基礎膜２１と分子固定膜６の間に積層された構成とするものである。基礎膜２１は、分子間力の作用により変形可能となるように、柔軟な材料によって構成されるものであり、分子固定膜６は、当然に分子間力による変形に耐え得るものであるが、専ら分子固定能を発揮させるために、当該分子固定能を有する材料が使用される。ここで、導電膜４は、基礎膜２１と分子固定膜６との間に積層されるため、結果的には、積層された３層の各膜２１，４，６が一体化して可動膜２が形成されるように構成されるものである。なお、導電膜４が金属材料によって適宜膜厚に成膜される場合、当該金属材料に伴う弾性変形が可能であり、可動膜２の変形後における導電膜４の状態の復元も可能となる。なお、基礎膜としては、パリレン（登録商標）Ｃなどがあり、分子固定膜としては、パリレン（登録商標）ＡまたはＡＭがあり得る。導電膜としては、金や銀などを使用することができる。
【００４９】
ここで、前記第１および第２の実施形態に係る物理・化学センサの各製造方法について簡単に説明する。前記二つの実施形態は、第１の導電膜４の積層の状態を除いて同様であるため、第２の実施形態に係る物理・化学センサの製造方法を中心に説明し、第１の実施形態の異なる点を適宜説明する。
【００５０】
図３および図４は、第２の実施形態に係る物理・化学センサの製造過程を示すものである。まず、図３（ａ）に示すように、所定の半導体プロセスにより、予め基板にフォトダイオード等の受光素子１０を構築し、その表面に絶縁層１２を形成する。このとき、使用する基板がシリコン基板であり、構築される受光素子１０がフォトダイオードである場合には、受光素子１０の表面には、保護のためのシリコン酸化膜が形成されている。このシリコン酸化膜を絶縁層１２として使用してもよい。絶縁層１２は、後工程の導電膜と受光素子との間を絶縁するためのものであり、図示のように受光素子１０の表面全体に形成してもよいが、絶縁すべき領域のみに形成してもよい。
【００５１】
続いて、第２の導電膜５を受光素子１０の側に積層する。図３（ｂ）に示すように、受光素子１０の受光面１１に対して、導電材料をスパッタ法または蒸着法などにより堆積させ、導電膜５を形成するのである。導電材料としては、導電膜５をハーフミラーとして機能させるため、金、銀または銅などを使用することができるが、これに限定されるものではない。また、導電膜５を形成する範囲としては、受光面１１の全体に積層する場合のほか、中心部分の一部または環状に積層する場合があり得る。これは、前述の可動膜２に積層される第１の導電膜４の範囲に対応させるものである。
【００５２】
次に、図３（ｃ）に示すように、ファブリペロー干渉計を形成させるべき範囲に犠牲層８を積層するのである。犠牲層８は、後工程によって除去されるため、除去が可能な材料が積層される。例えば、ポリシリコンを使用することができる。ポリシリコンを使用する場合には、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、所定範囲にポリシリコンを堆積し、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされ、必要とする範囲を残しつつ、不要な部分を除去することができる。このとき、除去した部分８１，８２は、後述の可動膜２の一部を侵入させるために、犠牲層８と周辺部８３，８４との間に、所定の間隙を形成させたものである。
【００５３】
この後、図４（ａ）に示すように、犠牲層８の表面を除く範囲にシリコン酸化膜９を積層し、犠牲層８をエッチングによって除去する際のエッチングガスから保護させるものである。このシリコン酸化膜９は、前記犠牲層８および周辺部８３，８４の側面にも形成されるものであり、当該犠牲層８の表面を除く部分の全体を保護するようにしている。このシリコン酸化膜９の積層によって、犠牲層８の周辺に形成される間隙部８１，８２は維持され、可動膜２の一部が侵入できるようになっている。
【００５４】
さらに、図４（ｂ）に示すように、犠牲層８の表面に、一部２０ａ，２０ｂを除いて基礎膜２１を積層するのである。基礎膜２１は、可動膜２の一部を構成するものであり、変形可能な材料によって構成される。例えば、パリレン（登録商標）Ｎまたはパリレン（登録商標）Ｃなどを使用することができる。これらの材料を使用する場合には、蒸着法により表面全体に堆積させることができる。この基礎膜２１は、犠牲層８の周辺に形成される間隙部８１，８２にも積層され、可動膜２の固定部として機能させるようにしている。また、基礎膜２１が形成されない一部２０ａ，２０ｂは、フォトリソグラフィ技術、および酸素プラズマによるパターニングの後、当該部分を除去して形成されるものである。
【００５５】
前記により基礎膜２１を形成しない一部２０ａ，２０ｂを利用して、犠牲層８をエッチングによって除去することができる。犠牲層８のエッチングは、ドライエッチングによることができ、エッチングガスを前記一部２０ａ，２０ｂを介して犠牲層８に作用させることで、犠牲層８の部分を除去し、受光素子１の受光面１１と基礎膜２１との間に空隙部３を形成することができる（図４（ｃ）参照）。
【００５６】
さらに、図４（ｃ）に示すように、基礎膜２１の表面に第１の導電膜４を成膜するのである。この第１の導電膜４の成膜も、第２の導電膜５と同様に、導電材料をスパッタ法または蒸着法などにより堆積させて導電膜とするものである。導電材料は、金、銀または銅などを使用することにより、ハーフミラーとして機能させることができる。
【００５７】
なお、二つの導電膜４，５には、電圧印加のための配線４１，５１が接続されるものであり、第１の導電膜４については、その表面に配線４１が接続され、第２の導電膜５については、絶縁材料を被覆するなど第１の導電膜４と短絡しない状態で配線５１が接続される。図は、短絡しない状態であることを示すため、便宜的にエッチングホールを通過させた状態で示している。また、基礎膜２１の表面に導電膜４が積層された状態で基礎膜２１が可動膜２として機能するものであるが、導電膜４の表面にさらに分子固定膜を積層して可動膜２を形成してもよく、これが第２の実施形態のセンサとなるものである。さらには、基礎膜２１に代えて、分子固定能を有する可動膜２を一層で構成し、その裏面側に導電膜４を積層してもよく、これが第１の実施形態のセンサとなるものである。この第１の実施形態の場合には、導電膜４と基礎膜２１との積層の順序が逆転することとなる。すなわち、犠牲層８の表面に第１の導電膜４を積層した後、さらに導電膜４を含む犠牲層４および周辺部に可動膜２を積層したうえで、犠牲層８をエッチングによって除去するのである。いずれの場合も、犠牲層８を除去した後は、基礎膜２１を形成しない部分２０ａ，２０ｂは、閉塞部材によって閉塞される。この閉塞部材には、例えば、フィルムレジストラミネートなどを使用することができる。
【００５８】
以上のように、物理・化学センサに係る実施形態によれば、受光素子１と可動膜２との間に空隙部３が形成されたファブリペロー干渉計が形成され、可動膜２が変形することにより、異なる波長の光が干渉することとなるから、特定波長の透過率が変化することとなる。これにより、特定波長の透過光強度の変化を光電流として測定することにより、当該可動膜２の変形状態を検出することができる。このとき、可動膜２の変形は物質の固定による分子間力によるものであるが、特定物質の吸着（固定）を誘引させるための前処理として、ある物質を吸着させる場合に、可動膜２が既に変形した状態を静電気力（静電引力）によって復元させることが可能となるのである。この可動膜２の復元により、さらに、特定物質が吸着（固定）した際の可動膜２の変形状態を精度良く検出することができるのである。
【００５９】
特に、抗原抗体反応により、特定の抗原ＡＧの存在を検出すべき場合は、予め可動膜２に抗体ＡＢを固定しておき、この抗体ＡＢに抗原ＡＧが吸着することによる可動膜２の変形を観察することとなる。その場合、前工程である抗体ＡＢの固定と、ブロッキング処理によるブロッキング剤ＢＫの吸着によって、可動膜２が大きく変形したとしても、その変形を復元させることができることから、抗原ＡＧのみによる可動膜２の変形状態を観察することが可能となる。なお、前工程による可動膜２の変形状態は、当該前工程の内容によって異なる場合があるため、可変電源７によって、導電膜４，５に印加する電圧を可変とすることによって、可動膜２の復元状態を調整することができるものである。
【００６０】
さらに、導電膜４，５を金属材料により構成することによって、ハーフミラーとして機能させれば、受光面１１と可動膜２との間で当該可動膜２を透過した光の反射率が向上し、ファブリペロー干渉計の内部における干渉波長の選択性が向上することとなる。これにより、干渉波長の半値幅が狭くなり、信号伝達効率を向上させることができるのである。
【００６１】
次に、前記物理・化学センサを使用するセンサアレイについて説明する。センサアレイは、同一基板上に複数のファブリペロー干渉計を有するセンサを複数構成したものである。複数のセンサを構成したセンサアレイの用途としては、同時に異なる吸着物質の存在を検出することができることである。その他に、一部のセンサを参照用として機能させるものでもよい。このように、センサアレイを構成する一部のセンサを参照用とし、残りの一部または全部のセンサを検出用とする場合、参照用センサと検出用センサとの光の透過強度の比較により、特定物質の吸着に起因する可動膜２の変形に基づいた光の透過強度の変化を検出することができるセンシングデバイスを構成することができるのである。
【００６２】
そこで、この種のセンシングデバイスの実施形態について以下に説明する。図５ないし図７は、センシングデバイスの一実施形態と、その作動態様を示す図である。
【００６３】
この図５に示されているように、同一基板上に２個のセンサ１００，２００を形成し、一方のセンサ１００を検出用とし、他方のセンサ２００を参照用とするものである。検出用センサ１００および参照用センサ２００は、ともに前記センサにかかる第１の実施形態と同様の構成である。また、検出用センサ１００には、導電膜１０４，１０５に電圧を印加するための配線１４１，１５１および可変電源１０７が備えられているが、参照用センサ２００にはこれらを備えない構成としている。
【００６４】
このように構成したセンシングデバイスでは、検出用センサ１００にのみ特定物質を有する（または有することが想定される）試料を供給し、そのときの光の透過強度を比較することにより、可動膜１０２の変形の状態を検出することができる。また、参照用センサ２００にブロッキング効果を有する材料のみを吸着させたうえで、両センサ１００，２００に特定物質を有する（または有することが想定される）試料を供給し、光の透過強度を比較することにより、検出用センサ１００の可動膜１０２の変形による透過強度の変化を確認することができる。
【００６５】
例えば、体液や血液などに含まれる抗原ＡＧを検出する場合には、予め前工程により、可動膜１０２に抗体ＡＢを吸着させた後にブロッキング剤ＢＫなどを吸着させ、他方、参照用センサ２００の可動膜２０２には、ブロッキング剤ＢＫのみを吸着させるのである。このとき、検出用センサ１００の可動膜１０２は、抗体ＡＢ等の吸着により比較的大きく変形することとなるが、参照用センサ２００の可動膜２０２は、ブロッキング剤ＢＫの吸着のみであるため、その変形は軽微となる。なお、図５では、参照用センサ２００の可動膜２０２の軽微な変形について、変形していないものとして示している。
【００６６】
前記の状態において、検出用センサ１００については、図６に示すように、可変電源１０７により調整された電圧を両導電膜１０４，１０５に印加することにより、可動膜１０２の変形を参照用センサ２００の可動膜２０２と同じ程度に調整するのである。これにより、両センサ１００，２００の可動膜１０２，２０２の変形状態は同じ程度となり、後に抗原等が吸着した際の両者の比較が明確となるのである。なお、例えば、分子固定能を有しない材料によって参照センサ２００の可動膜を形成できる場合には、前記ブロッキング剤の吸着が不要となり、参照用センサは常に当初の状態（可動膜２０２が変化しない状態）となるため、検出用センサ１００の可動膜１０２の状態を参照用センサ２００の可動膜２０２の状態に合わせることにより、可動膜１０２の位置を復元させることができることとなる。また、参照用センサ２００における第１および第２の導電膜に電圧を印加させる構成とする場合には、可動膜２０２にブロッキング剤等を吸着させた際の可動膜２０２の変形状態を調整することも可能となる。
【００６７】
特定物質の検出に際しては、前述のように、検出用センサ１００の可動膜１０２の変形状態を調整したうえで、試料を両センサ１００，２００に供給するのである。前掲の例示に基づいて示せば、図７に示すように、抗原ＡＧが供給されると、抗体ＡＢに吸着され、検出用センサ１００の可動膜１０２は再び変形することとなるが、参照用センサ２００の可動膜２０２では、抗原が吸着することがなく、当該可動膜２０２は変形しないこととなる。このときの両センサ１００，２００による光の透過強度を比較することにより、抗原ＡＧによる可動膜１０２の変形状態を測定することができるものとなる。なお、参照用センサ２００との比較を行うことは、例えば、血液などのように色彩を有する試料を供給する場合、光の透過強度の増減が、可動膜１０２の変形に起因するものか、色彩に起因するものかを明確に判断するためである。
【００６８】
また、参照用センサ２００は、前工程を必要とする場合における可動膜１０２の初期値を設定するために使用するものであってもよい。すなわち、前工程により抗体ＡＢ等が吸着して可動膜１０２が変形したとしても、その変形の程度は、抗体ＡＢの種類や量によって異なることが予想されるところ、その変形の程度に応じて、復元のための静電気力（静電引力）の程度を調整するのである。例えば、参照用センサ２００には前処理（ブロッキング処理など）を一切行わないものとすれば、当該参照用センサ２００の可動膜２０２は変形しないものであるから、当該参照用センサ２００における光の透過強度を基準（初期値）として、前処理後の検出用センサ１００における光の透過強度が同じ程度となるように、可動膜１０２を復元させることにより、測定すべき抗原ＡＧに起因する可動膜１０２の変形状態を検出させることができるのである。この種の参照用センサ２００とともに、前記のようなブロッキング処理のみを行う参照用センサ２００を備えることにより、初期値設定可能なセンシングデバイスを構成してもよい。
【実施例】
【００６９】
次に、前記構成のファブリペロー干渉計による透過スペクトル、導電膜に対する電圧印加の状態について実験した内容を説明する。【００７０】
〔透過スペクトル〕
物理・化学センサに係る第２の実施形態による透過スペクトルについて、シミュレーションした。ここでは、受光素子としてフォトダイオードを使用し、受光面には、シリコン酸化膜を膜厚５０ｎｍで積層し、その表面にさらに第２の導電膜として銀を膜厚３０ｎｍで積層したものとした。さらに、空隙部の間隙を４００ｎｍとし、可動膜は、基礎膜としてパリレン（登録商標）Ｃを４５０ｎｍ、第１の導電膜として銀を３０ｎｍ、分子固定膜としてｄｉＸ（登録商標）ＡＭを１００ｎｍの膜厚で各層を積層した構成とした。【００７１】
このときの透過スペクトルの状態を図８に示す。この結果、干渉のピークは、パリレン（登録商標）Ｃの膜厚と、空隙部の間隙によって決定される。すなわち、第１および第２の導電膜（ハーフミラー）の間の光路長によって決定され、絶縁のためのシリコン酸化膜および分子固定膜の膜厚には依存しないものである。従って、可動膜（基礎膜）が膨出して空隙部の間隙が広くなれば干渉ピーク波長は変化し、また、第１の導電膜を引き寄せれば、干渉ピーク波長は元に戻ることとなる。【００７２】
〔印加電圧と空隙部の関係〕
次に、導電膜に電圧を印加したときの可動膜の変化により、空隙部の間隙の変化状態を実験した。実験用のファブリペロー干渉計を図９に示す。この実験用干渉計は、可動膜としてパリレン（登録商標）Ｃを膜厚４５０ｎｍとし、その表面に第１の導電膜として銀を３０ｎｍの膜厚で積層した。また、第１の導電膜をグラウンド接続し、第２の導電膜に代えて、シリコン基板中のｎ＋拡散層を使用し、この拡散層に電圧を印加した。印加電圧を０Ｖ（印加なし）から５Ｖ、７Ｖ、９Ｖおよび１０Ｖへ増加させたときの反射スペクトルを測定した。その結果を図１０（ａ）に示す。また、空隙部の間隙が０ｎｍ（プルイン状態）、１００ｎｍ、２００ｎｍおよび３００ｎｍとしたときの反射スペクトルをシミュレーションした。その結果を図１０（ｂ）に示す。【００７３】
図１０（ａ）に示されるように、印加電圧を増加させることにより、反射スペクトルの干渉ピークは短波長側にシフトする。これは、空隙部が基板側に接近していることを意味するものである。また、９Ｖまでの印加電圧の増加によるシフトの状態に比較して、９Ｖから１０Ｖへ増加したときのシフトの状態が著しいことから、可動膜が基板にプルインしたものと判断できる。これを図１０（ｂ）と比較すれば、９Ｖの印加電圧の際に空隙部の間隙は約１００ｎｍであり、その変位の程度は約２００ｎｍと判断される。【００７４】
〔静電引力による可動膜の挙動〕
次に、パリレン（登録商標）による可動膜と、導電膜との弾性変形能について実験した。実験に使用した装置は、前述の図９に示したものと同様である。この装置を使用し、印加電圧を増加させたとき、および減少させたときの両方について、可動膜の位置を計測した。その結果を図１１に示す。なお、図中の縦軸（Ｖａｌｌｅｙ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ）は、図１０に示した反射スペクトルにおける谷の位置であり、谷の位置の短波長側へのシフトから膜が基板側に接近していることを示唆するものである。プルイン時において波長４８０ｎｍの位置に谷がシフトしていることが観察されている。【００７５】
この図から明らかなとおり、印加電圧が０Ｖ（印加なし）から電圧を増加させると、９Ｖから１０Ｖに増加したとき、プルイン状態となることが判る。その後、印加電圧を減少させる場合、７Ｖまではプルイン状態が維持されるが、７Ｖから６Ｖに低下させるとき、リリースされる。さらに、０Ｖ（印加なし）まで低下させた場合、可動膜は同じ位置まで復元していることが判る。【００７６】
この実験から、可動膜に積層した導電膜による静電引力の作用は、典型的な平行平板の静電アクチュエータの挙動を示すものであった。また、電圧減少時における非線形特性も静電アクチュエータ固有の現象であった。さらに、０Ｖ（印加なし）まで減少させたときの復元位置は、当初の位置であることから、可動膜として使用するパリレン（登録商標）Ｃは、弾性変形範囲で動作していることが確認された。また、導電膜として使用する銀についても同様に弾性変形の範囲で動作していることが確認された。
【符号の説明】
【００７７】
１  受光素子
２，１０２，２０２  可動膜
３  空隙部
４，１０４，２０４  第１の導電膜（ハーフミラー）
５，１０５，２０５  第２の導電膜（ハーフミラー）
６  分子固定膜
７，１０７  可変電源
８  犠牲層
９  シリコン酸化膜
１０  基板
１１  受光面
１２  絶縁層
２１  基礎膜
４１，５１，１４１，１５１  配線
１００  検出用センサ
２００  参照用センサ
ＡＢ  抗体
ＡＧ  抗原
ＢＫ  ブロッキング剤
Ｌ  光源
【図１】
2016147908.tif 000003
【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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【国際調査報告】
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