(57)【要約】本発明は、少なくとも１つのセンサユニット、例えばカンチレバーを備えるセンサに関する。当該センサユニットは、捕獲表面領域、およびピエゾ抵抗素子にわたって電界が印加されたときのセンサユニットの応力変化を直接検出するピエゾ抵抗式検出システムを含む。ピエゾ抵抗素子は、電流方向の縦方向および該方向に対し垂直な横方向を有する。縦方向および横方向はそれぞれ、応力成分および電流成分を有する。ピエゾ抵抗素子は、異方性材料をでできており、該ピエゾ抵抗素子の長さの少なくとも２５％に沿った縦方向のピエゾ抵抗係数πｌと横方向のピエゾ抵抗係数πｔの和の数値が少なくとも１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば２×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば３×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば４×１０−１０Ｐａ−１×Ｐであるように配列され、式中、Ｐは、ピエゾ抵抗ファクタであり、ピエゾ抵抗係数πｌおよびπｔは、縦方向を判定するのに用いられる座標系の成分として求められる。
2006512589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバー状になっている少なくとも１つのセンサユニットを備えるセンサであって、
該センサユニットは、捕獲表面、およびピエゾ抵抗素子にわたって電界を印加するために一対のワイヤを有するピエゾ抵抗素子を含み、該ピエゾ抵抗素子に沿った前記ワイヤ間の距離は、該ピエゾ抵抗素子の長さとして画定され、該ピエゾ抵抗素子は、該ピエゾ抵抗素子の長さに沿って縦方向および横方向を有し、電界を印加されて応力を受けると、前記縦方向は、座標系の軸ｘ、ｙ、またはｚのうちの１つである方向として画定され、応力成分（composant ）および電流成分があり、前記横方向は、前記縦方向に対し垂直であり、前記ピエゾ抵抗素子は、異方性材料でできており、該ピエゾ抵抗素子の前記長さの少なくとも２５％、例えば前記長さの少なくとも５０％、例えば前記長さの少なくとも８０％、例えば前記長さの少なくとも９０％、例えば前記長さの少なくとも９５％に沿った前記縦方向のピエゾ抵抗係数πｌと前記横方向のピエゾ抵抗係数πｔの和の数値が少なくとも１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば２×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば３×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば４×１０−１０Ｐａ−１×Ｐであるように配列され、式中、Ｐは、ピエゾ抵抗ファクタであり、前記ピエゾ抵抗係数πｌおよびπt は、前記縦方向を判定するのに用いられる前記座標系の成分として求められる、センサ。
【請求項２】
前記ピエゾ抵抗素子は、ドープされた単結晶シリコンでできている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記センサユニットは、単結晶シリコンの電気的シールドに封入された単結晶シリコンピエゾ抵抗素子を含む、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記ピエゾ抵抗素子は、窒化物、例えば窒化珪素および窒化タンタル、非導電性ポリマー、例えば８官能のエポキシ化ノボラック、金属酸化物、例えば酸化アルミニウム、セラミックス、ダイヤモンド膜、炭化珪素、酸化タンタル、シリコン、ガラス、それらの混合物および組合せから成る群から選択される非導電性材料のシールドに封入される、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記センサユニットは、或る所定の長さで延びるとともにその両末端が連結されてカンチレバー式ブリッジを形成するカンチレバー状になっている、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記センサユニットは、０．０５μｍ〜５μｍの間隔、例えば０．１μｍ〜４μｍの間隔、例えば０．２μｍ〜１μｍの間隔の厚さを有する、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ピエゾ抵抗素子は、１０ｎｍ〜５００ｎｍの間隔、例えば５０ｎｍ〜３００ｎｍの間隔、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍの間隔の厚さを有する、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ピエゾ抵抗素子は、Ｕ字形状、ラター形状、蛇行形状、またはＶ字形状である、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ピエゾ抵抗素子は、ｎ型単結晶シリコンである、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ｎ型単結晶シリコンピエゾ抵抗素子は、シリコンの＜１１０＞方向に沿って配向される、請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記ｎ型単結晶シリコンピエゾ抵抗素子は、シリコンの＜１００＞方向に沿って配向される、請求項９に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記ピエゾ抵抗素子は、イオン、すなわちホウ素イオン、リンイオン、ヒ素イオンのうち１つまたは複数でドープされた単結晶シリコンでできている、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記ピエゾ抵抗素子は、１０１６イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１７イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１８イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１９イオン／ｃｍ３以上、例えば１０２０イオン／ｃｍ３以上でドープされる単結晶シリコンでできている、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記ピエゾ抵抗素子は、１０２１イオン／ｃｍ３以下、１０２０イオン／ｃｍ３以下、例えば１０１９イオン／ｃｍ３以下、例えば１０１９イオン／ｃｍ３以下、例えば１０１８イオン／ｃｍ３以下、例えば１０１７イオン／ｃｍ３以下でドープされる単結晶シリコンでできている、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記センサユニットは、２つの主面を有し、該主面の一方または双方の少なくとも一部は前記捕獲表面を成し、前記ピエゾ抵抗素子は、５０ｎｍ以下、例えば１００ｎｍ以下、例えば２００ｎｍ以下、例えば４００ｎｍ以下、例えば１μｍ以下、例えば３μｍ以下の中立面（neutral plan）距離を有し、該中立面距離は、該中立面に平行な、前記ピエゾ抵抗素子を通る中間面（middle plan ）として画定された、前記ピエゾ抵抗素子の中間面と、該中立面との間の最短距離として測定され、該中立面は、平面に沿った、前記ピエゾ抵抗素子に作用する圧縮および引張応力の和が、可能な限りゼロに近い平面として画定される、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記センサユニットは、２つの主面を有し、該主面は部分的にまたは全体的に捕獲表面を成す、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１７】
１つまたは複数の流体チャンバを備え、前記１つまたは複数のセンサユニットは、前記流体チャンバに加えられた流体が該センサユニット（複数可）の表面の一部と接触することができるように前記流体チャンバ（複数可）内に部分的にまたは全体的に突出する、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記流体チャンバ（単数または複数）は、相互作用チャンバ（複数可）であり、好ましくは、該相互作用チャンバ（複数可）に流体を給送するチャネルを含む、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１９】
液体中の物質の検出に使用するようになっている、先行の請求項のいずれか１項に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、１つまたは複数のセンサユニットを備えるセンサであって、各センサユニットは、センサユニットの応力変化を直接検出するための捕獲（捕捉）表面領域およびピエゾ抵抗式検出システムを備える、センサに関する。１つのタイプがカンチレバーであり、これは最も一般的に用いられるタイプのセンサユニットである。
【０００２】
本発明はまた、このようなセンサを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
［発明の背景］
流体中の成分を検出する技術分野において、一体化されたピエゾ抵抗器を有するカンチレバーによるセンサは、非常に感度の高い機械的な応力センサとして用いられる。例えば特許文献１および特許文献２に記載されているように、分子相互作用の検出にはマイクロカンチレバーを用いることができる。カンチレバーの少なくとも１つの表面は捕獲層で被覆され、この捕獲層は目的とする標的分子と反応する。  標的分子を含むサンプルにカンチレバーを露出すると、標的分子はカンチレバー表面の捕獲分子と反応して、表面応力変化が生じる。
【０００４】
カンチレバーの表面応力の変化により、機械的な加圧、延伸または減圧がカンチレバーに、ひいてはピエゾ抵抗器に加えられ、よってピエゾ抵抗器の抵抗率の値が変化する。機械的な加圧または減圧の結果として、撓みおよび／または延伸および／または収縮が生じ得る。抵抗率の変化を測定することによって、サンプル中に標的分子が存在するか否かを判定することができ、存在する場合、標的分子の濃度を検出することも可能であり得る。
【０００５】
一体化されたピエゾ抵抗読取装置を有するカンチレバーによるセンサは、非特許文献１に記載されている。これによって、カンチレバーセンサにおける応力変化をピエゾ抵抗器によって直接測定することができる。さらに、一体化された読取装置により、光学読取装置を用いる場合のように流体の屈折率が検出に影響するということがないため、溶液中での動作が非常に容易になる。各センサは内蔵式の基準カンチレバーを有し、測定におけるバックグラウンドドリフト（background drift）を直接差し引くことが可能になっていてもよい。さらに、基準カンチレバーを「ダミー」分子により機能化することによって、測定および基準カンチレバーの両方において生じている非特異的な結合事象を相対測定において相殺する。
【０００６】
２つのカンチレバーはホイートストン（Whetstone ）ブリッジで接続することができ、測定カンチレバーにおける応力変化は、ホイートストンからの出力電圧として検出される。非特許文献２も参照されたい。
【特許文献１】国際特許出願公開第ＷＯ００／６６２６６号パンフレット
【特許文献２】国際特許出願公開第ＷＯ９９／３８００７号パンフレット
【非特許文献１】タイセン（Thaysen ）の博士論文「Cantilever for Bio-Chemical Sensing Integrated in a Microliquid Handling System 」（September 2001, Microelektronik Centeret, Technical University of Denmark ）
【非特許文献２】カセーニェ（Kassegne）等著「Design issues in SOI-based high-sensitivity piezoresistive cantilever devices 」（Proceedings of the SPIE Conference on Smart Structures and Materials, San Diego, CA, March 17-21 2002 ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、捕獲表面を有する１つまたは複数のセンサユニットを備えるセンサであって、従来技術によるカンチレバー型流体センサよりも高い信号または信号対雑音比で、液体または気体中の化学成分のような流体中の標的の存在を検出するため、例えば流体中の爆発物、薬物、生体成分または他の成分を検出するために用いることができるセンサを提供することである。
【０００８】
上記の目的、および以下の説明から明らかであろう他の目的は、本発明によって特許請求の範囲に規定されるように解決されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセンサは、１つまたは複数のセンサユニットを備える。センサの形状およびサイズ、ならびにセンサユニットのサイズ、形状、および数ならびにその配線は、例えば、特許出願ＷＯ  ００６６２６６、ＤＫ  ＰＡ  ２００１  ０１７２４、ＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００２８３、ＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１２５、およびＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１９５のいずれか１つに開示されているものとすることができ、これらの特許出願は、構造（センサの形状およびサイズ、ならびにセンサユニットのサイズ、形状、および数ならびにその配線）に関する開示に関して、参照により本明細書に援用される。  
【００１０】
以下に、１つのセンサユニットしか有さないセンサを説明しているが、当該センサは、例えば最大３００まで（例えば最大１００まで）の複数のセンサユニットを有することができることを理解されたい。
【００１１】
センサユニットは、基本的に、例えばＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１２５に記載されているカンチレバー等、任意のカンチレバー様形状を有し得る。用語「カンチレバー形状」は、１つまたは２つの対向縁ラインに沿って１つの基板（または２つの基板）に連結されるシート状ユニットとして定義される。よって、用語「カンチレバー形状」は、ブリッジ、ならびに従来型の矩形、三角形、またはリーフ状（葉状）カンチレバーも含む。
【００１２】
一実施形態では、センサユニットは、２つの末端間の長さに延びるとともにその両末端が連結されてカンチレバー式ブリッジ（片持ち梁）を形成するカンチレバー状になっている。
【００１３】
別の実施形態では、カンチレバーは、１つの基板のみに連結される従来型の矩形、またはリーフ状のカンチレバーである。以下に、この形式のカンチレバーを、自由端を有するカンチレバーと呼ぶ。
【００１４】
センサユニットは、２つの主面を有し、該主面の一方または双方は、全体的にまたは部分的に捕獲表面を成し得る。
一実施形態では、センサユニットは、その平均長およびその平均幅よりも薄い平均厚を有する可撓性シート状ユニットであり、センサユニットは好ましくは、０．０５〜５μｍの間、例えば０．１μｍ〜４μｍの間隔、例えば０．２μｍ〜１μｍの間隔の厚さを有する。
【００１５】
一実施形態では、センサユニットは、その平均幅および平均長の少なくとも５分の１、好ましくはその少なくとも５０分の１の平均厚を有する可撓性シート状ユニットである。
センサユニットは、例えば捕獲被膜の形態の捕獲表面を有する。捕獲被膜は、例えば特許出願ＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００２８３およびＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１２５のいずれか一方、もしくはＵＳ  ６２８９７１７、ＷＯ  ０１３３２２６またはＷＯ  ００１
４５３９に記載されているものとすることができ、これらの特許出願は、捕獲表面に関する開示に関して本明細書に参照により援用される。
【００１６】
本発明によるセンサの一実施形態では、捕獲表面は、捕獲層を含む捕獲被膜の表面であり、該捕獲層は、検出リガンド（detection ligand）を含む層であり、該検出リガンドは、特異的な結合対の成員であってもよく、または一群の成分を捕獲するように、またはさらに非特異的な結合をなすようになっていてもよい。検出リガンドは、好ましくは、ＲＮＡオリゴ、ＤＮＡオリゴ、ＰＮＡオリゴ、タンパク質、酵素、レセプター、ペプチド、ホルモン、血液成分、抗原、および抗体から成る群から選択される。
【００１７】
本発明によるセンサの一実施形態では、捕獲表面は、捕獲層を含む捕獲被膜の表面、ポリマー、ヒドロゲル、または金属／金属含有成分（例えばカルボン酸、スルホン酸誘導体、エステル、酸ハロゲン化物、酸ヒドラジド、セミカルバジド、チオセミカルバキシド、ニトリル、アルデヒド、ケトン、アルコール、チオール、ジスルフィド、アミン、ヒドラジン、エーテル、エポキシド、スルフィド、ハライド、およびそれらの誘導体から成る群から選択される官能基を含む）の表面である。
【００１８】
捕獲被膜は、基本的に、任意の厚さを有し得る。捕獲被膜が非常に厚い場合、感度は、センサユニットの剛性に起因して下がる可能性がある。望ましい厚みは、例えば、２０００ｎｍまでの分子厚、例えば最大２、５、１０、または５０の分子層、または、例えば０．５ｎｍ〜１０００ｎｍ、例えば１〜５００ｎｍ、例えば１０〜２００ｎｍとすることができる。
【００１９】
一実施形態では、カンチレバーの２つの主面の双方または双方の一部は捕獲表面を含む。捕獲表面は同一であってもよく、例えば覆われる領域のサイズ、捕獲分子のタイプおよび／またはその濃度に関して互いに異なっていてもよい。一実施形態では、カンチレバーの一方の主面の捕捉表面は、覆われる領域のサイズ、捕獲分子のタイプ、および濃度に関して、カンチレバーの２つの対向主面のもう一方の主面の捕獲表面と本質的に同一である。このような状況では、標的分子を含有する流体に晒されたときにカンチレバーに発生する応力は、カンチレバーの両面で等しく、したがって、カンチレバーが自由端を有する形式のものである場合、カンチレバーは湾曲するのではなく、伸縮するにすぎない。
【００２０】
実施の際、同一の捕獲表面を有する２つの対向主面を有するカンチレバーを製造することは非常に面倒である。そのため、カンチレバーは、たいていの状況では、各主面の双方に捕捉表面を保持する場合であっても、カンチレバーの対向主面に生じる異なる応力により少なくともわずかな曲げを受けるであろう。
【００２１】
センサユニットは、ピエゾ抵抗素子にわたって電界を印加するために一対のワイヤを有するピエゾ抵抗素子を含む。ピエゾ抵抗素子に沿ったワイヤ間の距離は、ピエゾ抵抗素子の長さとして画定される。このことは、実際に、ピエゾ抵抗素子の長さが、電流が該ピエゾ抵抗素子を横断せねばならない長さであることを意味する。したがって、一実施形態では、ピエゾ抵抗素子の長さは、電流が横断せねばならない長さとして画定される。
【００２２】
ピエゾ抵抗器は、例えば、特許出願ＷＯ  ００６６２６６、ＤＫ  ＰＡ  ０１７２４、ＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００２８３、ＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１２５、およびＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１９５のいずれか１つに記載されている等の任意の形状を有し得る。ピエゾ抵抗素子は、例えばラター（latter）形状、蛇行形状、Ｕ字形状、またはＶ字形状とすることができる。
【００２３】
実施の際、カンチレバーが連結されてブリッジになるとブリッジになる直線要素(strai
ght element ）としてピエゾ抵抗素子を設けるか、またはカンチレバーが自由端を有する場合、馬蹄状としてピエゾ抵抗素子を設けることが最も簡単である。
【００２４】
ピエゾ抵抗素子は、電界を印加されて応力を受けると、ピエゾ抵抗素子の長さに沿って縦方向および横方向を有する。縦方向および横方向は、ピエゾ抵抗素子が直線ではない場合、ピエゾ抵抗素子の長さに沿って変わり得る。
【００２５】
座標系は、基本的に、縦方向が座標系のｘ、ｙ、ｚ軸のうち１つである方向として画定されると、所望に応じて、整合され得り、この場合、応力成分および電流成分がある。これにより、縦方向のピエゾ抵抗係数πｌおよび横方向のピエゾ抵抗係数πｔの和の数値を検出することができる。
【００２６】
単純な計算のための一実施形態では、座標系は、好ましくは、ピエゾ抵抗素子の長さに沿って所定地点に対し一方向のみが縦方向として限定されるように整合される。
一実施形態では、座標系は、結晶軸と整合される。
【００２７】
最も単純な計算は、座標系が、ピエゾ抵抗素子を通る電流の方向が縦方向となるように整合される場合に得られる。このような座標系を以下の実施例で用いる。
横方向は、縦方向に対し垂直である。一実施形態では、横方向も応力成分を有する。
【００２８】
センサのピエゾ抵抗素子の局部地点の表面応力を考慮すると、センサは、基本的に、他の力が伴わない場合、あらゆる方向にカップ状に湾曲するであろう。そのため、ピエゾ抵抗素子は、この地点であらゆる方向に応力をかけられ、この応力は、縦方向および横方向の２つの応力成分に分かれる。単純な計算のために、縦方向の応力成分は電流方向にある。
【００２９】
シリコンピエゾ抵抗素子の縦方向および横方向の判定に関するさらなる情報は、「Classification and terminology of sensors 」（Ｓ．Ｍ．スエ（S. M. SZE ）, Semiconductor Sensors, ISBN 0-471-54609-7,1994, John Wiley & Sons Inc. pages 160-169）（本明細書に参照により援用される）に見ることができる。
【００３０】
一実施形態では、ピエゾ抵抗素子は、直線要素であり、その長さに沿って１つの縦方向および横方向しか有さない。別の実施形態では、ピエゾ抵抗素子は、馬蹄状になっており、その長さに沿って２つの縦方向および横方向を有する。
【００３１】
ピエゾ抵抗素子は、異方性材料でできており、該ピエゾ抵抗素子の長さの少なくとも２５％、例えば長さの少なくとも５０％、例えば長さの少なくとも８０％、例えば長さの少なくとも９０％、例えば長さの少なくとも９５％に沿った縦方向のピエゾ抵抗係数πｌと横方向のピエゾ抵抗係数πｔの和の数値が少なくとも１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば２×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば３×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば４×１０−１０Ｐａ−１×Ｐであるように配列され、式中、Ｐは、ピエゾ抵抗ファクタであり、ピエゾ抵抗係数πｌおよびπｔは、縦方向を判定するのに用いられる座標系の成分として求められる。
【００３２】
一実施形態では、長さ全体に沿った縦方向のピエゾ抵抗係数πｌと横方向のピエゾ抵抗係数πｔの和の数値は少なくとも１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば２×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば３×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば４×１０−１０Ｐａ−１×Ｐである。
【００３３】
ピエゾ抵抗ファクタＰは、ドープレベルに応じて決まる。Ｐは０〜１である。単結晶シ
リコンの場合、Ｐは、約１０１８のドープレベルで約１である。Ｐファクタおよびその確定に関するさらなる情報は、「1/F Noise Considerations for the Design and Process Optimization of Piezoresistive Cantilevers」（ジョナＡ．ハーレー（Jonah A. Harley ）およびトーマスＷ．ケニー（Thomas W. Kenny ）著、Journal of microelectromechanical systems. Vol, 9, No. 2, pp 226-235. June 2000 ）に見ることができる。特に図７を参照のこと。Ｙ．カンダ（Y. Kanda）著「A graphical representation of the piezoresistance coefficients in silicon 」（IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-29, pp 64-70, Jan. 1982 ）も参照のこと。
【００３４】
材料におけるピエゾ抵抗作用は、材料に加えられる小さな機械的応力によって誘導されるバルク抵抗率の断片的な変化を示す。単結晶シリコンは、高ピエゾ低効率を有し、優れた機械的および電気的特性と組み合わされ、機械的信号を電気的信号に変換するのに有用な材料となる。
【００３５】
したがって、ピエゾ抵抗素子は好ましくはドープされた単結晶シリコンから成り得る。１実施形態において、ピエゾ抵抗素子は、１０１６イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１７イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１８イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１９イオン／ｃｍ３以上、例えば１０２０イオン／ｃｍ３以上でドープされた単結晶シリコンから成る。
【００３６】
１実施形態において、ピエゾ抵抗素子は、１０２０イオン／ｃｍ３以下、例えば１０１９イオン／ｃｍ３以下、例えば１０１８イオン／ｃｍ３以下、例えば１０１７イオン／ｃｍ３以下でドープされた単結晶シリコンから成る。
【００３７】
ドーピングイオンのレベルが高いほど、ノイズ量は低いが、従って同時に信号も低下するであろう。温度はノイズおよび信号にも影響を及ぼす場合があり、したがって温度効果も考慮されるべきである。最適なドーピングレベルは、本教示に基づいて当業者に容易に見出すことができる。最適なドーピングレベルは、１０１６イオン／ｃｍ３〜１０２１イオン／ｃｍ３の間隔内であろう。
【００３８】
１実施形態において、ドーピングにより生じる電子の余剰分または不足分は、１０１６イオン／ｃｍ３〜１０２１イオン／ｃｍ３の間隔内である。
ドーピングイオンは原則的に、シリコンのドーピングに使用可能なあらゆるイオン型またはイオン混合物であってもよい。１実施形態において、ｎ型イオンおよびｐ型イオンが混合されると、ピエゾ抵抗素子は少なくとも１０１６イオン／ｃｍ３、例えば１０１７イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１８イオン／ｃｍ３以上、例えば１０１９イオン／ｃｍ３以上、例えば１０２０イオン／ｃｍ３以上の、他のイオン型よりも多くのイオン型から成ることが望ましい。
【００３９】
１実施形態において、ピエゾ抵抗素子は、ホウ素イオン、リンイオン、およびヒ素イオンの１つまたは複数でドープされた単結晶シリコンから成る。
１実施形態において、ピエゾ抵抗素子はｎ型単結晶シリコンである。ｎ型単結晶シリコンは、例えばシリコンの＜１１０＞方向に沿って配置され得る。別の実施形態において、ｎ型シリコンピエゾ抵抗素子は、シリコンの＜１００＞方向に沿って配置される。
【００４０】
ピエゾ抵抗素子の厚さは、例えば、少なくとも１０ｎｍ、例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍの間隔内、例えば５０ｎｍ〜３００ｎｍの間隔内、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍの間隔内であり得る。
【００４１】
述べたように、センサユニットはまた、ピエゾ抵抗器に電界をかける１対のワイヤを備え、これは例えば、特許出願ＷＯ  ００６６２６６、ＤＫ  ＰＡ  ０１７２４、ＤＫ  Ｐ
Ａ  ２００２  ００２８３、ＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１２５およびＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００１９５のいずれか１つに記載されている。
【００４２】
本発明によるセンサの１実施形態において、センサユニットは２つの主要表面を有し、一方または両方の主要表面の少なくとも一部は捕獲表面を構成する場合、ピエゾ抵抗素子は、５０ｎｍ以下、例えば１００ｎｍ以下、例えば２００ｎｍ以下、例えば４００ｎｍ以下、例えば１μｍ以下、例えば３μｍ以下の中立面の距離を有する。中立面の距離は、ピエゾ抵抗素子の中間面および中立面の間の最短距離として測定される。ピエゾ抵抗素子の中間面は、中立面に平行なピエゾ抵抗素子を通る中間面として定義される。中立面は、ピエゾ抵抗素子にかかる圧縮圧力および引張応力の合計ができるだけ０に近い面として定義される。
【００４３】
１実施形態において、センサユニットはさらに電流シールドを備え、これは例えば、２００２年６月７日に出願されたＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００８８４  ＤＫに記載されている。
【００４４】
ｐＨ４の酸性液が標準条件下で１分または２分、さらには１０分間、捕獲表面との接触を維持している場合、シールドは、電解液の拡散により電流がピエゾ抵抗器から漏れるのを防ぐのに十分な拡散障壁を有してもよい。
【００４５】
１実施形態において、シールドは、窒化ケイ素および窒化タンタルなどの窒化物、８官能エポキシド化ノボラックなどの非導電性高分子、酸化アルミニウムなどの金属酸化物、セラミック、ダイヤモンド膜、炭化ケイ素、酸化タンタル、シリコン、ガラス、ならびにこれらの混合物および組み合わせからなる群から選択される非導電性材料から成る。
【００４６】
１実施形態において、ピエゾ抵抗素子はドープされたｎ型単結晶シリコンから成り、シールドはドープされたｐ型単結晶シリコン、好ましくはｎ型単結晶シリコンのピエゾ抵抗素子のドーピングレベルよりも低いドーピングレベルを有する、ｐ型単結晶シリコンから成る。ｐ型単結晶シリコンシールドは、例えば、１０２０ｃｍ−３以下のドーピングイオン濃度、例えば１０１９ｃｍ−３以下のドーピングイオン濃度、例えば１０１８ｃｍ−３以下のドーピングイオン濃度、例えば１０１７ｃｍ−３以下のドーピングイオン濃度、例えば１０１６ｃｍ−３以下のドーピングイオン濃度、例えば１０１５ｃｍ−３以下のドーピングイオン濃度を有してもよい。
【００４７】
１実施形態において、センサユニットは下部シールド層、上部シールド層、および縁部シールド層を備える。下部シールド層、上部シールド層、および縁部シールド層はシールドを構成する。
【００４８】
センサユニットがシールドを備えるセンサは、好ましくは水性液体のような液体中の物質を検出するのに用いられ得る。
センサは好ましくは、１つまたは複数の流体チャンバ（例えば、液体チャンバ）を備え得る。１実施形態において、１つまたは複数のセンサユニットは、部分的または全体的に流体チャンバ（複数可）に突出し、それによりチャンバに割り当てられた流体がセンサユニット（複数可）の表面部分と接触できるようにする。
【００４９】
流体チャンバ（複数可）は、例えば、好ましくは液体などの流体を相互作用チャンバ（複数可）に供給するためのチャネルを備える、相互作用チャンバ（複数可）の形態であり得る。
【００５０】
１実施形態において、少なくとも５０％、より好ましくはセンサユニット（複数可）の
ほぼ全ての捕獲表面が流体相互作用チャンバ（複数可）内に配置される。
センサは、以下の相違点を除いてＤＫ  ＰＡ  ２００２  ００８８４  ＤＫに記載されているように準備され得る。この相違点とは、ドーピングがｎ型ドーピングである場合があり、単結晶シリコンのピエゾ抵抗素子が配置され、それにより主要な長さ、例えば少なくとも２５％の長さ、例えば少なくとも５０％の長さ、例えば少なくとも６０％の長さ、例えば少なくとも８０％の長さ、例えば少なくとも９０％の長さ、例えば少なくとも９５％の長さのピエゾ抵抗素子に沿った、縦方向のピエゾ抵抗係数πｌおよび横方向のピエゾ抵抗係数πｔの合計の数値が、少なくとも１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば２×１０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば３×０−１０Ｐａ−１×Ｐ、例えば４×１０−１０Ｐａ−１×Ｐになるようにすることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
［図面および実施例］
図面および実施例を参照して、本発明の実施形態をさらに説明する。
単結晶シリコンのピエゾ抵抗率は異方性であるため、感度も単結晶シリコン（silicon crystalline ）に対するピエゾ抵抗器の方向に依存する。本発明によれば、カンチレバー表面で生じる応力から得られた抵抗の相対変化への寄与率は、
ΔＲ／Ｒ＝σｌπｌ＋σｔπｔ                                        （１）
となる。
ここで、σｌおよびσｔはそれぞれ縦方向および横方向の応力であり、πｌおよびπｔはピエゾ抵抗係数を示す。表面に（１００）平面を有するｐ型／ｎ型シリコンウェーハについて、室温（１０−１１Ｐａ−１）および約１０１８ｃｍ−３のドーピングレベル（ｐは約１である）でのピエゾ抵抗係数を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2006512589.tif 000003
【００５３】
＜１１０＞方向における縦方向のピエゾ抵抗係数は、
πｌ＝１／２（π１１＋π１２＋π４４）、
および対応する横方向の係数は、
πｌ＝１／２（π１１＋π１２−π４４）
として求められる。
【００５４】
図１は、ｐ型（Ａ）シリコンのπｌおよびｎ型（Ｂ）シリコンのπｔについてのピエゾ抵抗係数を示す。ｎ型ピエゾ抵抗係数は、ｐ型係数よりも非常に非対称的であることが分かる。
【００５５】
一体化されたピエゾ抵抗器を備えるカンチレバーを縦方向撓みセンサとしてのみ用いる場合、ピエゾ抵抗器は、縦方向の応力のみを捕獲するように配置される。カンチレバーは、通常ＫＯＨ等のウェットエッチによってリリースされるため、カンチレバーは、例えば
良好な圧締めが得られるように基板と位置合わせされ得る。通常、ウェットエッチは、異方性であり、＜１１１＞方向を他の方向よりもはるかにゆっくりとエッチングする。｛１１１｝平面および｛１００｝平面の交点は、＜１１０＞方向に沿っているため、カンチレバーを良好な圧締めでリリースするために、カンチレバーを＜１１０＞方向に位置合わせするのが望ましいことが分かっている。
【００５６】
本発明によれば、捕獲表面を備えるセンサユニットで生じる表面応力により、表面応力が加わる領域では一定の曲率または伸張または収縮が生じ、表面応力が加わらない場所では曲げが生じないことが分かっている。圧締めラインに隣接する領域では、圧締めライン方向（横方向とも言うことが多い）での曲げは制限され得る。一定の曲率は、横方向および縦方向の両方から得られることが示されている。この状態は、カンチレバーを球体に配置することによって目で見ることができる。変化した表面応力は、抵抗の相対変化として観測されるため、横方向および縦方向の応力の両方を考慮しなければならないことが分かっており、さらに、カンチレバーが圧締めにより生じる抵抗力等の他の力を受けない場合に、それらの応力を、ピエゾ抵抗性材料の幅および長さに関係なく、平等に考慮することができることが分かっている。したがって、最適な信号または信号対雑音比は、縦方向のピエゾ抵抗係数πｌおよび横方向のピエゾ抵抗係数πｔの合計の数値が少なくとも（１０−１１Ｐａ−１）１０×Ｐ、例えば２０×Ｐ、例えば３０×Ｐ、例えば４０×Ｐである（Ｐはピエゾ抵抗ファクタである）ようにピエゾ抵抗素子が配置される場合に、得られることが分かっている。
【実施例１】
【００５７】
以下の寸法と図４に示すような構成を有し、かつ＜１１０＞方向に位置するピエゾ抵抗器とを有するカンチレバーについて表面応力感度のシミュレーションを行った。図４は、カンチレバーの側断面図である。カンチレバーは長さが約１２０μｍで、幅が約５０μｍである。
【００５８】
【表２】
2006512589.tif 000004
【００５９】
ｐ型とｎ型のそれぞれについて、単結晶シリコンピエゾ抵抗器をシミュレーションした。その結果は、以下のとおりである。
ｐ型
【数１】
2006512589.tif 000005
【００６０】
ｎ型
【数２】
2006512589.tif 000006
【００６１】
シミュレーションから分かるように、表面応力感度に用いたｎ型単結晶シリコンピエゾ抵抗器についての感度は、ｐ型単結晶シリコンピエゾ抵抗器のほぼ１０倍であった。
【実施例２】
【００６２】
表面応力センサとしてp 型ピエゾ抵抗式カンチレバーの代わりにｎ型ピエゾ抵抗式カンチレバーを用いることによる感度の上昇を実証するために、表面応力を制御可能に変化させる実験を行う。
【００６３】
かかる実験の一例は、メルカプトヘキサノール分子をカンチレバー表面の上層部にある金の層に固定したときの表面応力の変化を測定することである。メルカプトヘキサノールの固定は、メルカプトヘキサノールの−ＳＨ基と金の層との結合により行われる。金の表面上に完全な単層が形成された時点で、メルカプトヘキサノールの固定は完了する。カンチレバーの表面応力はこの手順の際に変化するので、この変化をピエゾ抵抗式カンチレバーからの信号の変化として監視することができる。単層が形成されたとき、信号は一定になる。そして、信号の振幅は、メルカプトヘキサノール導入前の信号と、メルカプトヘキサノールの単層がカンチレバーの金上に形成された後のピエゾ抵抗器からの信号との差異として定義される。
【００６４】
この実験は２つのほぼ同一なピエゾ抵抗式カンチレバーの振幅を観測することからなり、ここでこの２つのピエゾ抵抗式カンチレバーは、一方がｎ型ピエゾ抵抗器を組み込んでおり、他方がｐ型ピエゾ抵抗器を有するという点で異なる。本例では、これらピエゾ抵抗器はシリコン結晶の＜１１０＞  方向に配置しており、ｎ型とｐ型の双方についてＰ＝１としてある。図２に示すように、ピエゾ抵抗器はホイートストンブリッジに挿入されている。ホイートストンブリッジからの出力電圧の変化は、以下で与えられる。
【００６５】
【数３】
2006512589.tif 000007
【００６６】
ここで、ΔＶは出力電圧であり、Ｖは入力電圧であり、σｓは表面応力であり、ΔＲ／Ｒはピエゾ抵抗器の抵抗の相対変化である。抵抗の相対変化は以下で与えられる。
【００６７】
【数４】
2006512589.tif 000008
【００６８】
ここで、πｌとπｔはそれぞれ、縦方向と横方向のピエゾ抵抗係数である。σｌとσｔはピエゾ抵抗層における応力である。σｌ＝σｔ＝σであり、かつ
【数５】
2006512589.tif 000009
であると仮定することができる。
【００６９】
上記の考慮事項と表１のピエゾ抵抗係数とを併用することにより、ｐ型ピエゾ抵抗式カンチレバーの出力電圧は、以下のように書き表すことができる。
【００７０】
【数６】
2006512589.tif 000010
【００７１】
また、ｎ型ピエゾ抵抗器の出力電圧は以下のように書き表すことができる。
【００７２】
【数７】
2006512589.tif 000011
【００７３】
これら２つの式から分かるように、ｎ型ピエゾ抵抗式カンチレバーは、感度がｐ型ピエゾ抵抗式カンチレバーの約８倍（a factor of about 8 in difference in sensitivity in favour of n-type piezoresistive cantilever）であり、出力電圧の変化が、同じ表面応力について反対の符号を有する。
【００７４】
この実験では、ＷＯ００６６２６６に記載されるとおり、カンチレバーがミクロ液体処理システム中に挿入される。Ｖ＝２．５Ｖ（入力電圧）をホイートストンブリッジに印加し、ホイートストンブリッジからの信号を電圧計で監視する。まず、システムに水をポンプで流し、システムを安定化させる。その後、１ｍＭのメルカプトヘキサノールをミクロ液体処理システムに導入し、信号が変化し始める。図３のグラフは、かかる実験の一例である。ｎ型カンチレバーからの信号は、ｐ型ピエゾ抵抗カンチレバーから得られた信号よりも約８倍大きいことが分かる。ｐ型ピエゾ抵抗カンチレバーと比べて、ｎ型ピエゾ抵抗カンチレバーの出力電圧の変化は負であることに留意されたい。ｎ型ピエゾ抵抗式カンチレバーからの信号はｐ型ピエゾ抵抗式カンチレバーからの信号の変化より約８倍大きく、かつ符号が逆であることが分かる。
【実施例３】
【００７５】
図４に示すカンチレバーを設けた。金を膜状に塗布した。金の膜の塗布中に、金の膜を全方向に延伸したところ、金の層を取り除いた後のカンチレバー表面が応力を受けるようになった。表面の応力を、有限要素シミュレーションにより求めた。図５に示すカンチレバー表面では、応力が白色／灰色／黒色で示されている。色が暗くなればなるほど、測定される応力が高くなる。圧締めライン５１に隣接する領域５２では、圧締めライン方向の曲げが制限され、したがって測定される応力のレベルが、圧締めラインから遠く離れた所５３（longer away 53）より低くなる。経験則では、圧締めラインからの距離Ｘが約０．２５×Ｗ（Ｗはカンチレバーの幅）より大きくなると、横および縦の両方向の応力が圧締めの影響を受けなくなると考えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】ｐ型（Ａ）シリコンのπｌおよびｎ型（Ｂ）シリコンのπｔについてのピエゾ抵抗係数を示すグラフ（室温、１０−１１Ｐａ−１）。
【図２】測定カンチレバーから得られた抵抗の相対変化を、電圧の変化に変換するためのホイートストンブリッジを示す回路図。
【図３】ｎ型ピエゾ抵抗素子を有するセンサユニットおよびｐ型ピエゾ抵抗素子を有するセンサユニットそれぞれのメルカプトヘキサノール１ｍＭの固定化による信号の変化を示すグラフ。
【図４】カンチレバーの概略を示す断面図。
【図５】表面に応力が加わったカンチレバーを示す概念図。
【図１】
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【図２】
2006512589.tif 000013
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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