JP2003262607A

JP2003262607A - 化学濃度センサ

Info

Publication number: JP2003262607A
Application number: JP2002064618A
Authority: JP
Inventors: Shuji Takamatsu; 修司高松; Susumu Mimura; 享三村; Takeshi Nakanishi; 剛中西; Hirotaka Tanabe; 裕貴田▲辺▼
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】単一の測定系でセンサを交換することな
く多数の試料を迅速かつ定量的に測定できる化学濃度セ
ンサを提供する。【解決手段】一つの平面上に二次元化学濃度イメージ
センサＳ_Lを形成してなるセンサチップ２と、このセン
サチップ２の上にこれを底面とするように形成された複
数の凹入部３…と、各凹入部３…の内側面に臨ませるよ
うにそれぞれ配置された比較電極４とからなり、各凹入
部３…に収容される測定対象試料Ｓの化学濃度を個別に
測定可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロプレートの各
凹入部に収容される液体（溶液など）の化学濃度の測定
を行なう化学濃度センサに関するものであり、より詳細
には測定の効率化を目的とする化学濃度センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、マイクロプレートの各凹入部
に収容される試験溶液の化学濃度（例えば溶液のｐＨ）
を測定する場合は、各凹入部に順番に小型センサを挿入
して行われている。

【０００３】図８は従来の試験溶液のｐＨを測定する化
学濃度センサと、その使用方法を説明する図である。図
８において、５０は試験溶液が収容される凹入部５０ａ
を形成したマイクロプレート、５１は各凹入部５０ａ…
内に挿入可能に小さく形成されたセンサ部５１ａを有す
る従来の化学濃度センサ（本例の場合はｐＨセンサ）で
ある。つまり、使用者はｐＨセンサ５１を各凹入部５０
ａ…内に挿入して、その凹入部５０ａ内の溶液の化学濃
度を測定していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
マイクロプレート５０を用いて、ｐＨセンサ５１を用い
る場合には、物理的な寸法の限界や煩雑な操作が生じる
ことを避けられなかった。すなわち、従来のｐＨセンサ
５１でマイクロプレート５０のような個別的な測定が必
要なものは測定のたびに凹入部５０ａに対してセンサ部
５１ａを挿脱したり、測定後のセンサ部５１ａを毎回洗
浄もしくは交換する必要があった。

【０００５】また、マイクロプレート５０の凹入部５０
ａに対してセンサ部５１ａを挿入可能とするためには、
このセンサ部５１ａの大きさを小さくする必要がある
が、小型のセンサを作るためには物理的限界（ガラス電
極の大きさ）などがあった。これによって、凹入部５０
ａの寸法の小型化にも限界が生じていた。

【０００６】一方、ＬＡＰＳ(Light-Addressable Poten
tiometric Sensor) 型ｐＨセンサやＣｈｅｍｉｃａｌ−
ＣＣＤなどの、二次元の化学濃度の分布を測定する、平
面状のイメージセンサ（本明細書では、二次元化学濃度
イメージセンサと表現する）を用いることにより、文字
通り１枚のセンサで多点での測定が可能であるが、複数
の液体試料の場合を二次元化学濃度イメージセンサ上に
置くと、これが混合するという問題があった。

【０００７】すなわち、複数の測定対象試料を混合させ
ることなく、各試料の化学濃度を測定する場合には、前
記マイクロプレート５０のように、個々の試料を別々に
収容する凹入部５０ａが必要となるので、上述のような
二次元化学濃度イメージセンサを用いて、個別的な測定
が必要な試料の多点を行なうことはできなかった。

【０００８】本発明は、上述のことを考慮に入れてなさ
れたものであって、単一の測定系でセンサを交換するこ
となく多数の試料を迅速かつ定量的に測定できる化学濃
度センサを提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の化学濃度センサは、一つの平面上に二次元化学
濃度イメージセンサを形成してなるセンサチップと、こ
のセンサチップの上にこれを底面とするように形成され
た複数の凹入部と、各凹入部の内側面に臨ませるように
それぞれ配置された比較電極とからなり、各凹入部に収
容される測定対象試料の化学濃度を個別に測定可能とし
たことを特徴としている。

【００１０】したがって、凹入部に収容した試料に対し
て電極を挿入することなく、試料の化学濃度を測定する
ことができるので、試料を外部から汚染する心配がな
い。また、各凹入部に収容された液体試料は互いに混じ
り合うことがなく、かつ、各凹入部に収容された複数の
試料の化学濃度を一つの平面上に形成された単一の測定
系で個別に測定することができる。そして、単一の測定
系で複数の試料を測定可能であるから、１つの凹入部当
たりのコストパフォーマンスを安くすることができ、使
い捨て可能な化学濃度センサを形成することも可能であ
る。

【００１１】また、従来のように各試料に対する測定の
度にセンサチップを変えたり洗浄する必要がなく、二次
元化学濃度イメージセンサを用いて単一の測定系で複数
の凹入部に収容された各試料の化学濃度を順次測定でき
るので、信号処理回路が簡単であると共に迅速な測定を
マイクロプレートに対して行なうことができる。

【００１２】前記凹入部が光造形法によって成形された
光硬化樹脂からなる場合には、比較電極の構成内容を変
えることなく、これを容易に小型化して凹入部に臨ませ
ることができる。また、各凹入部をより正確に形成する
ことができ、各試料の漏れを確実に防止して収容可能な
凹入部を形成することが可能である。また、前記凹入部
の大きさを容易に小型化することができる。すなわち、
小型化を達成することによりμＴＡＳなどの微小量測定
を可能とする化学濃度センサを形成しすることも可能で
ある。

【００１３】前記比較電極が前記凹入部の形成段階の途
中で挟み込まれるように形成してなる場合には、光造形
法の利点を生かして正確に小型化された比較電極を形成
することができる。

【００１４】前記二次元化学濃度イメージセンサが、表
面に感応膜を形成してなる半導体基板と、この半導体基
板の裏面から各凹入部に対応する位置に個別に光を照射
可能とする光源と、各比較電極にそれぞれ対応して各凹
入部の内側面に臨ませるように配置された対極と、前記
光を照射した位置の凹入部に対応する比較電極および／
または対極を選択してポテンショスタットと接続するこ
とで、半導体基板に配置された複数の凹入部の中から測
定対象となっている一つの凹入部を選択し、この凹入部
内の感応膜に生じる光電流値を化学濃度の測定値として
個々に測定可能とするマルチプレクサとを有する場合
（すなわち二次元化学濃度イメージセンサがＬＡＰＳ型
のセンサである場合）には、ＬＡＰＳ法を用いて多数の
試料を測定できる。

【００１５】表面および／または裏面に前記対極および
小型化した比較電極が形成され、両極を各凹入部の内側
面に臨ませるように、凹入部内に挟み込まれる高絶縁の
樹脂基板を有する場合には、比較電極および対極を容易
に形成することができる。

【００１６】前記光源が各凹入部に対応する位置にそれ
ぞれ配置された複数の発光素子と、測定対象となってい
る一つの発光素子に選択的に電力を供給する電力供給部
とからなる場合には、光源の構成を簡素にすることが可
能であるとともに、測定対象となっている凹入部を容易
に特定することができる。

【００１７】前記半導体基板の裏面に、各発光素子から
の光がこれに対応する凹入部の底面となる部分だけに届
くようにガイドする遮光壁を位置させてなる場合には、
各発光素子を確実に各凹入部に対応させて、測定精度を
向上することができる。

【００１８】前記二次元化学濃度イメージセンサが半導
体基板上に形成された複数のＩＳＦＥＴを有し、各ＩＳ
ＦＥＴがそれぞれ凹入部の底面に対応する部分に形成さ
れてなり、測定対象となっている凹入部に対応するＩＳ
ＦＥＴによって、この凹入部内の測定対象試料の化学濃
度を個々に測定可能とした場合には、半導体製造プロセ
スを用いることにより、複数のＩＳＦＥＴを低コストで
正確な位置に形成することができ、歩留りのよい化学濃
度センサを形成することができる。とりわけ、ＩＳＦＥ
Ｔは信号処理のための電気回路が簡単であり、かつ、測
定に必要となる時間が短く、多数の試料のそれぞれの化
学濃度を迅速に測定することができる。

【００１９】複数のＩＳＦＥＴの中から測定対象となっ
ているＩＳＦＥＴを選択するマルチプレクサと、このマ
ルチプレクサによって選択されたＩＳＦＥＴのドレイン
とソースとの間に一定の電流を流すように比較電極の電
位を制御し、この比較電極の電位を化学濃度の測定値と
して出力可能とする演算増幅器とを有する場合には、一
つの演算増幅器を用いて複数の試料の化学濃度を測定す
ることができる。

【００２０】各ＩＳＦＥＴのドレインとソースとの間に
一定の電流を流すように対応する比較電極の電位を制御
する複数の演算増幅器を有する場合には、各比較電極の
電位を用いて極めて容易に各凹入部内の試料の化学濃度
の測定値を得ることができる。なお、この演算増幅器は
ＩＳＦＥＴと同じ半導体基板上に半導体製造プロセスを
用いて形成することが可能であるから、その製造コスト
を引き下げるとおができる。しかしながら、本発明は演
算増幅器をＩＳＦＥＴと同じ半導体基板に形成すること
に限定するものではない。

【００２１】前記二次元化学濃度イメージセンサが半導
体基板上の複数の感応膜部における化学濃度をそれぞれ
信号電荷に変換して検出する複数のＣＣＤを有し、各Ｃ
ＣＤの感応膜がそれぞれ凹入部の底面に対応する部分に
形成されてなり、各ＣＣＤによって変換された信号電荷
量から、この感応膜に対応する凹入部内の測定対象試料
の化学濃度を個々に測定可能とした場合には、各凹入部
における測定対象試料の化学濃度を容易に測定できる。
なお、ＣＣＤ部は二次元化学濃度イメージセンサと同じ
半導体基板上に形成されるものであるから、その製造コ
ストを引き下げて、歩留りを向上できる。また、信号電
荷に変換された化学濃度の測定値は転送用ＣＣＤによっ
て容易に転送できるから個々のＣＣＤによる測定値を容
易に順次検出できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の化学濃度センサ
１の第１実施例を示す図であり、図２はこの化学濃度セ
ンサ１の要部を拡大して示す図である。

【００２３】図１において、２は二次元化学濃度イメー
ジセンサの一例であるＬＡＰＳ法を用いた平面状のセン
サチップ、３はこのセンサチップ２の上にこれを底面と
するように二次元方向に複数形成された凹入部、４…は
各凹入部３…の内側面に臨ませるようにそれぞれ配置さ
れた比較電極、５はこの比較電極４…に対するように各
凹入部３…の内側面にそれぞれ設けられた対極である。
すなわち、本例における二次元化学濃度イメージセンサ
Ｓ_L（以下、二次元センサＳ_Lという）は前記各部材２
〜５を有している。

【００２４】６は前記二次元センサＳ_Lの裏面側から光
を照射する光源の一例として前記凹入部３に対応する位
置に配置された複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤと
いう）、７は各ＬＥＤ６…に選択的に交流の電力を供給
する電力供給部、８は各凹入部３に収容される測定対象
試料の化学濃度を個別に測定可能とするように比較電極
４を切換え可能に選択するアナログマルチプレクサ（ア
ナログ信号を切り換えるマルチプレクサ）、９はこのア
ナログマルチプレクサ８に接続された誤差増幅器であ
る。なお、８ａ〜８ｎは入力バッファアンプ、Ｃは二次
元センサＳ_Lを例えば取り外し可能に接続するための接
続コネクタである。

【００２５】１０はこの化学濃度センサ１の演算処理装
置、１１はＤＡ変換器、１２はオーミックコンタクト、
１３はプリアンプ、１４は信号処理回路、１５はＡＤ変
換器、１６は測定結果を表示する表示部である。また、
電力供給部７およびマルチプレクサ８には測定対象とな
っている凹入部３を切り換えるためのアドレス信号Ａが
入力されて、点滅発光させるＬＥＤ６を切り換えると共
に、測定対象である凹入部５内に適当な作用電流を流す
ように各部７〜１２を制御可能に構成している。１８は
外部ＩＴ機器接続コネクタであり、演算処理装置１０に
よって求められた測定値はこのコネクタ１８を介して外
部のＩＴ機器へと送信されてもよい。

【００２６】すなわち、比較電極４の入力電圧バッファ
アンプ８ａの後にアナログマルチプレクサ８が設けられ
ているので、そのアドレスＡと電力供給部の制御アドレ
スＡを同じとし、ＬＥＤアレイ６Ａ内でＬＥＤ６が交流
点灯している凹入部３に付けられた比較電極４からの信
号が増幅演算回路９に導かれることにより、設定のバイ
アス電圧と比較して誤差を補正された電圧が対極５にか
かる。つまり、測定対象となっている凹入部３内の比較
電極４とセンサチップ２の電位差が所定の値となるよう
に対極５を介して供給する電流を調節可能としている。

【００２７】また、本例の化学濃度センサ１では、二次
元センサＳ_LがＬＡＰＳ方式のセンサであるから、１回
に１つの凹入部測定するものであり、対極５は全ての凹
入部３…において共通とすることが可能である。

【００２８】前記二次元センサＳ_Lのより詳細な構成
は、図２に示すように、例えばシリコン半導体などから
なるセンサチップ（ＬＡＰＳセンサ）２の上に光造形法
によって形成された凹入部３を構成する壁面３ａと、セ
ンサチップ２の下面に光造形法によって形成された壁面
３ｂとを有している。

【００２９】前記壁面３ａの形状は、これによって形成
される各凹入部３の底面がセンサチップ２の表面にな
り、かつ、各凹入部３によって適当な量の測定対象試料
Ｓを漏れることなく収容可能とするものである。また、
壁面３ｂの形状はそれぞれ凹入部３…に対応するセンサ
チップ２の裏面側の位置に光導入部３’…を形成するも
のである。したがって、本例の光導入部３’…を構成す
るための壁面３ｂは、隣り合ったＬＥＤ６…からの迷光
防止用壁として機能するものであり、ＬＥＤ６の発光波
長に対しては不透明となるような樹脂からなることが臨
ましい。

【００３０】１７は前記壁面３ａの造形途中に挟み込む
ように形成された高絶縁の樹脂基板であり、本例の基板
１７は、その表面および裏面にそれぞれ前記比較電極４
および小型化した対極５を形成し、両極４，５を各凹入
部３…の内側面に臨ませるように構成している。

【００３１】また、本例の前記オーミックコンタクト１
２はセンサチップ２と基板１７上の配線パターンと接続
するものであり、この基板１７とコネクタＣとの抜き差
しによって二次元センサＳ_Lを取換え自在としている。
つまり、二次元方向に並べられた複数のＬＥＤ６…から
なるＬＥＤアレイ６Ａに対して二次元センサＳ_Lを取換
え自在に設置できることで二次元センサＳ_Lを使い捨て
可能としている。一方、各ＬＥＤ６…は前記電力供給部
７の一部を構成する基板７ａ上に二次元方向に並べられ
ることにより、前記ＬＥＤアレイ６Ａを形成する。

【００３２】なお、本発明は上述した詳細な構成に限定
するものではない。例えば、二次元センサＳ_Lをコネク
タＣなどによって取換え自在にすることに限定する必要
はない。あるいは、コネクタＣによって取換えられる基
板１７上に図１に詳述した各バッファ８ａ，９，１３、
マルチプレクサ８、信号処理回路１４などを適宜設ける
ことも可能である。

【００３３】加えて、上述したように壁面３ｂをセンサ
チップ２の裏面側に連設させて、光導入部３’…を構成
することにより、この光導入部３’…をセンサ台として
も機能させて、各ＬＥＤ６…が各凹入部３…に対応する
ためのガイドとすることも可能であるが、壁面３ｂ（セ
ンサ台）は基板７ａ側に連設して、前記取換えられる二
次元センサＳ_Lの構成を簡素にしてもよい。

【００３４】この場合、二次元センサＳ_Lと基板７ａと
の間に適宜の位置決め機構を設けることが臨ましい。あ
るいは、センサ台として機能する壁面を基板７ａ側に連
設し、ガイドおよび迷光防止壁として機能する壁面を二
次元センサＳ_Lの裏面側に連設し、両壁面を容易に合わ
せられるようにしてもよい。

【００３５】さらに、上述の例はＬＥＤアレイ６Ａを用
いる例を示しているが、二次元センサＳ_Lの光源はＬＥ
Ｄ６に限られるものではないことはいうまでもなく、レ
ーザ光源などのその他の光源を用いることも可能であ
る。

【００３６】図３は、図１，２に示す二次元センサＳ_L
の製造方法を示す図である。図３（Ａ）は製造の第１段
階を示しており、板体３Ａを光造形法によって形成する
工程を示している。このとき板体３Ａの前記各ＬＥＤ６
…の位置に合わせた位置に貫通孔３ｃを形成することに
より、前記壁面３ｂを形成する。

【００３７】ここで用いる光硬化樹脂は、硬化させるた
めの光の波長に対しては透明であるが、光硬化後の樹脂
は、ＬＥＤ６の発光波長に対して不透明になるような樹
脂材料であることにより、迷光防止用壁としての十分の
機能を得ることができる。すなわち、ＬＥＤ６の放射特
性を気にしなくてよいので、装置製作上有利となる。し
かしながら、本発明はこの板体３Ａを光硬化によって形
成することに限定する必要はない。

【００３８】図３（Ｂ）は製造の第２段階を示す図であ
る。すなわち、前記板体３Ａの上にセンサチップ２を載
置する。このセンサチップ２はシリコン半導体に対して
酸化膜と感応膜を形成してなるものであり、あらかじめ
オーミックコンタクト１２が設けられている。また、セ
ンサ台を構成する板体３Ａは十分硬化していなくても水
平に乗せられればよい。板体３Ａが十分に硬化していな
い状態でセンサチップ２を載置することにより、センサ
チップ２を乗せた後にもう一度光硬化させることで板体
３Ａとセンサチップ２との接合を強固にすることが可能
となる。

【００３９】図３（Ｃ）は製造の第３段階を示す図であ
る。すなわち、前記センサチップ２のサイドに迷光防止
用壁３ｄを光造形する。これによって、隣合うＬＥＤ６
…のみならず外部からの迷光を防止することができる。

【００４０】図３（Ｄ）は製造の第４段階を示す図であ
る。すなわち、センサチップ２の上にマイクロプレート
の凹入部３…を光造形する。このとき、各凹入部３…が
前記壁面３ｂによって形成される光案内部３’…それぞ
れ対応する位置に形成される。

【００４１】図３（Ｅ）は製造の第５段階を示す図であ
る。図３（Ｅ）において、１７ａは樹脂板（ＦＰＣ）か
らなる基板１７の前記凹入部３…に対応する位置にそれ
ぞれ設けられ、凹入部３…の直径以下の直径を有する貫
通孔である。そして、基板１７は貫通孔１７ａの周囲に
形成された比較電極４…と対極５を設けてなり、比較電
極４および対極５は凹入部３の内周面から飛び出すよう
に形成される。つまり、対極５は比較電極４の裏面に同
様に張りつけられ、中間には絶縁性の高い樹脂基板１７
が位置するので、各極４，５は電気的に分離される。

【００４２】また、基板１７は前記コネクタＣに接続で
きる接続部１７ｂを有するものである。加えて、基板１
７は、前記第４段階で形成済の凹入部３…の上に載置さ
れた状態で、前記オーミックコンタクト１２を基板１７
上の配線に接続（配線を楽にするため）される。なお、
前記基板１７は耐ノイズ性を向上するために対極５の電
極電圧で比較電極４の配電をシールドするような多層構
造の配線樹脂板にしてもよい。

【００４３】なお、前記比較電極４の詳細な構成の図示
を省略するが、この比較電極４は、例えば光造形法によ
って一般的な比較電極を小型化して形成した構成であ
る。あるいは、比較電極４を簡素化された銀線などによ
って構成してもよい。いずれにしても、比較電極４…と
各対極５は凹入部３の内面に臨ませるように形成される
ものである。また、本例では対極５を共通とし、比較電
極４…のみを各凹入部３に対応してそれぞれ配線した例
を示しているが、本発明はこの点に限定するものではな
く、比較電極４を全ての凹入部３…共通とし、対極５…
を各凹入部３…に対応してそれぞれ設けてもよい。

【００４４】また、本例では基板１７を高絶縁の樹脂に
よって形成する例を示しているが、本発明はこの基板１
７の構成に限定するものではない。すなわち、前記第４
段階で形成済の壁面３ａの上に配線し、光造形法によっ
て絶縁層をつくり、さらに配線を重ねるようにして基板
１７（配線樹脂板）を省略することも可能である。

【００４５】図３（Ｆ）は製造の第６段階を示す図であ
る。すなわち、前記基板１７の上にさらに凹入部３…を
光造形することにより、前記基板１７を間に挟み込んだ
ような凹入部３…を有する二次元センサＳ_Lを構成す
る。

【００４６】以上、詳述した本例の化学濃度センサ１を
用いることにより、従来のように測定電極を凹入部３…
の上部から測定対象試料Ｓに差し込む必要がなく、この
測定対象試料の化学濃度を測定可能である。したがっ
て、溶液を外部から汚染する心配なく測定することがで
き、また、電極を洗浄して使い回す必要もなくなるの
で、余分な手間やコストの削減を図ることが可能とな
る。

【００４７】さらに、化学濃度センサ１を形成するため
に用いる二次元センサＳ_Lは一枚のシリコン基板を用い
て形成されるものであり、光造形法による製造は精度の
高い造形を比較的安価で行なうことができるものであ
る。したがって、二次元センサＳ_Lの製造コストを削減
することが可能となり、この二次元センサＳ_Lを使い捨
て構造とすることも可能である。これによって汚染の心
配が一切ない化学濃度測定を行うことができる。

【００４８】なお、二次元センサＳ_Lを洗浄して再利用
することも可能であることはいうまでもなく、この場合
も複数の凹入部３…を有するマイクロプレートに収容し
た複数の試料Ｓの化学濃度を一度に測定することが可能
となる。したがって、従来のように各凹入部３…内の測
定対象試料Ｓ…を測定する毎に洗浄を行なう必要がない
ので、従来に比べて余分なコストの削減を図ることが可
能となるだけでなく、迅速に測定を行うことが可能とな
る。

【００４９】次に、図４，５は本発明の別の化学濃度セ
ンサ２０の構成および製造方法を示す図である。図４，
５において、図１〜３に示した例と同じまたは同等の部
分に同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省
略している。

【００５０】図４において、２１は一つの半導体基板の
平面上で、前記凹入部３…に合わせて二次元的（本例の
場合、一例として縦横が４×４）に並べて形成されたセ
ンサチップの一例であるＩＳＦＥＴ（このＩＳＦＥＴ２
１は複数集まってＩＳＦＥＴアレイ２１Ａを形成してい
る）、２２，２３は複数のＩＳＦＥＴ２１の中から一つ
を選択するためのマルチプレクサ（アナログスイッ
チ）、２４は定電圧Ｖｄを供給する定電圧源、２５は定
電流Ｉｓを供給する定電流源、２６は演算増幅器、２７
は演算増幅器２６に所定の設定電圧Ｖｓを供給する電圧
源、２８はコンデンサである。

【００５１】すなわち、本例における二次元センサＳ_I
は前記各部材２１〜２８によって構成されている。

【００５２】前記ＩＳＦＥＴ２１はそれぞれドレイン
Ｄ、ソースＳに加えて、測定対象試料Ｓに接する比較電
極４を有するものであり、前記定電圧源２４はマルチプ
レクサ２２を通してＩＳＦＥＴアレイ２１Ａのうち横方
向の並びが共通になるＩＳＦＥＴ２１の各ドレイン部Ｄ
に接続する。また、定電流源２５はマルチプレクサ２３
を通してＩＳＦＥＴアレイ２１Ａのうち縦方向の並びが
共通になるＩＳＦＥＴ２１の各ソースＳに接続する。

【００５３】したがって、演算処理装置１０よりそれぞ
れのマルチプレクサ２２，２３へ信号Ａ₁，Ａ₂を送
り、測定したい凹入部３…に対応するＩＳＦＥＴ２１を
選択することができる。これにより選択されたＩＳＦＥ
Ｔ２１のドレインＤ、ソースＳおよび比較電極４を結ぶ
測定回路系ができ、演算増幅器１０によりＩＳＦＥＴに
定電流Ｉｓを流するように比較電極４の電位が設定され
る。

【００５４】そして、比較電極４に供給される電位の設
定値をＡＤＣ１５にてデジタル信号化して演算処理装置
１０へ取り込んで検出値を得ることが可能となる。ま
た、演算処理装置１０はあらかじめ一定の化学濃度での
比較電極４の電位を測定しておき、これを校正値とし
て、測定対象試料Ｓの場合の検出値と比較し、測定対象
試料Ｓの濃度が測定値として計算されて、表示部１６に
表示される。

【００５５】本例の場合、演算処理装置１０には外部Ｉ
Ｔ機器接続コネクタ１８を有している。したがって、前
記測定値はこのコネクタ１８を介して外部のＩＴ機器へ
と送信されてもよい。

【００５６】また、上述の例においては測定対象試料Ｓ
を収容する凹入部３に対応する一つのＩＳＦＥＴ２１が
マルチプレクサ２２，２３によって切り換えられること
により、一つのＩＳＦＥＴ２１が選択されて測定が行わ
れるので、比較電極４への配線は各ＩＳＦＥＴ２１…に
対して同じでよい。

【００５７】しかしながら、各ＩＳＦＥＴ２１…に対し
てそれぞれ演算増幅器２６を有する測定回路系を一対一
に設けてもよい。この場合、複数ポイントのＩＳＦＥＴ
２１…において、同時に複数の測定対象試料Ｓの化学濃
度を測定することが可能となり、より迅速な測定を行う
ことができる。また、演算増幅器２６のような電子回路
をＩＳＦＥＴ２１を形成するシリコン基板上に形成する
ことにより、生産コストを削減することも可能である。

【００５８】さらには、マルチプレクサ２２，２３など
で選択するＩＳＦＥＴ２１…をいくつかのブロックに分
けて、複数のブロックにおいてそれぞれ一つ選択した複
数のＩＳＦＥＴを同時に測定できるようにして、全凹入
部３…（マイクロプレート一枚）あたりの測定時間を短
縮化するようにしてもよい。このとき比較電極４への配
線は各ブロックに１本となるように配線する。

【００５９】逆に、本例ではＩＳＦＥＴ２１にマルチプ
レクサ２２，２３および演算増幅器２６を含めたものを
一つのユニットとして二次元センサＳ_Iを構成し、この
二次元センサＳ_IをコネクタＣによって演算処理装置１
０に対して着脱自在に接続しているが、この二次元セン
サＳ_Iからマルチプレクサ２２，２３あるいは演算増幅
器２６を分離してもよい。この場合、二次元センサＳ_I
の構成がより簡素になり、その製造コストを可及的に削
減し、二次元センサＳ_Iを使い捨てにした場合のコスト
を削減することができる。

【００６０】図５は本例の化学濃度センサ２０における
二次元センサＳ_Iの製造方法を示す図である。図５
（Ａ）は二次元センサＳ_Iの製造方法の第１段階を示す
図であって、通常の製作プロセスを用いてＩＳＦＥＴア
レイ２１Ａを半導体基板２９上に製作し、同時にＩＳＦ
ＥＴアレイ２１Ａの配線およびマルチプレクサ２２，２
３と演算増幅回路２６等を同上の製作プロセス中にて作
り込む工程を示す。

【００６１】なお、図５（Ａ）において、３０はＩＳＦ
ＥＴ２１のゲードＧに相当する感応膜、３１は各ＩＳＦ
ＥＴ２１の間に形成される障壁である。次いで、半導体
基板２９を所定の寸法にダイシングする。

【００６２】図５（Ｂ）は二次元センサＳ_Iの製造方法
の第２段階を示す図であって、光造形法によって、各Ｉ
ＳＦＥＴ２１のゲートＧに相当する感応膜３０が各凹入
部３…の底面となるように、半導体基板２９の上面から
順次上方へと壁面３ａ…を造形する段階を示している。

【００６３】次いで、図５（Ｃ）に示すように、適当な
位置において比較電極４を各凹入部３…の内周面に臨ま
せるように形成し、続けて壁面３ａを形成することによ
って、凹入部３…を完成させ、最後に半導体基板２９の
接続用電極以外の部分をを光造形法などによってパッケ
ージングして樹脂コーティング層３２を形成する。この
樹脂コーティング層３２を形成すことにより、耐湿性、
耐薬品性を向上させることが可能であるが、この工程を
省略してもよいことはいうまでもない。

【００６４】なお、前記図５（Ｃ）に示す例において
は、前記比較電極４を凹入部３…の高さ方向ほゞ中間位
置に取り付けた例を示しており、これによって、凹入部
３…に収容される測定対象試料Ｓに対して接するように
しているが、本発明はこの高さ位置を中間位置に限定す
るものではない。すなわち、この比較電極４は前記感応
膜３０からは離れており、測定対象試料Ｓに対して確実
に接触することがない高さ位置の凹入部３…の内周面に
面するように取り付けられる。

【００６５】次に、図６，７は本発明の別の化学濃度セ
ンサの構成および製造方法および測定概念を示す図であ
る。図６，７において、図１〜５に示した例と同じまた
は同等の部分に同一の符号を付すことにより、その詳細
な説明を省略する。

【００６６】本例の化学濃度センサは二次元化学濃度イ
メージセンサ（以下、二次元センサＳ_Cという）のセン
サチップの一例として各感応膜（感応膜）４０ａにおけ
る化学濃度をそれぞれ信号電荷に変換して検出する複数
のＣＣＤ４０（以下、各ＣＣＤ４０を単位素子４０とい
い、複数の単位素子４０を合わせて化学ＣＣＤアレイ４
０Ａという）を用いた例を示している。なお、本例に示
す化学ＣＣＤアレイ４０Ａの詳細な構成や、動作は例え
ば特開平１０−３３２４２３号公報に記載されている
「物理現象または化学現象の測定方法および装置」に詳
述されているものであり、以下の説明からは省略する。

【００６７】図６（Ａ）は、前記二次元センサＳ_Cを製
造する第１段階を示す図であり、通常の製造プロセスを
用いて単位素子４０…を半導体基板４１上に製作すると
同時に、化学ＣＣＤアレイ４０Ａへの配線、変換された
信号電荷を矢印Ａの方向に順次転送するための転送用Ｃ
ＣＤ４２（以下、電荷転送部４２という）、および図外
のマルチプレクサと演算増幅回路等を同上の製作プロセ
ス中にて作り込む工程を示している。次いで、半導体基
板４１を所定の寸法にダイシングする。

【００６８】図６（Ｂ）は、前記二次元センサＳ_Cを製
造する第２段階を示す図であり、各単位素子４０…の感
応膜４０ａ…が各凹入部３…の底面となるように光造形
法でマイクロプレートを成形する形成段階を示してい
る。本例のように、各単位素子４０…の感応膜４０ａ…
が凹入部３…の底となるように、光造形法によって半導
体基板４１の面上から順次上方へ壁面３ａを造形してゆ
くことにより、凹入部３…内に収容される測定対象試料
Ｓが確実に感応膜４０ａ…に接触すると共に、漏れなど
が生じないように形成することが可能である。

【００６９】図６（Ｃ）は、前記二次元センサＳ_Cを製
造する第２段階を示す図であり、前記壁面３ａの形成段
階途中の、適当な時点において前記比較電極４を各凹入
部３…に取り付けた状態を示している。そして、さらに
光造形法を用いて接続用電極以外を樹脂モールドして保
護層４３を形成する。なお、比較電極４の形成位置は既
に詳述した通り、凹入部３…に臨む位置で感応膜４０ａ
から離れた位置であれば任意の位置に設定可能である。

【００７０】図７は前記製造工程によって形成された化
学ＣＣＤアレイ４０Ａの測定概念図を示す図である。図
７に示す化学ＣＣＤアレイ４０Ａは縦横が１０×５のも
のを例示する。そして、比較電極４には一定のバイアス
電圧がかかる。

【００７１】測定の第１段階において、各単位素子４０
によって各凹入部３…に収容された測定対象試料Ｓの化
学濃度を各感応膜４０ａにおいて感知してそれぞれ信号
電荷に変換する。そして、この化学濃度に比例した信号
電荷が、矢印Ａに示すように転送用ＣＣＤ４２によって
順次転送され、出力トランジスタ４４を介して出力され
る。そして、図外のＡＤ変換器１５（図１，４参照）に
てデジタル信号化して演算処理装置１０へとりこむ。

【００７２】また、本測定の前にあらかじめ一定の化学
濃度の標準試料を用いて測定しておき、これを校正値と
して上記値と比較して、測定対象試料Ｓの濃度が測定値
として計算され、表示もしくはＩＴ関連器へと送信され
る。

【００７３】一方、比較電極４への配線は測定が同時に
行われるので、各凹入部３…に対して共通となる配線を
行なうことができる。

【００７４】本例のように、二次元センサＳ_Cとして化
学ＣＣＤアレイ４０Ａを用いた場合は、二次元方向に複
数ある各凹入部３…に収容される測定対象試料Ｓ…の化
学濃度を同時に測定し、その測定値を個々に検出するこ
とができるので、迅速な測定を行うことができる。とり
わけＣＣＤ構造を用いることで半導体基板４１に比較的
安価にて多数のＣＣＤ４０、４２を形成できるので、製
造コストを容易に引き下げることが可能である。

【００７５】上述の各例においては、二次元化学濃度イ
メージセンサ２，２１Ａ，４０Ａに対して光造形法を用
いて凹入部３…を形成することにより、その形状をより
精確に形成することや、凹入部３…の大きさを飛躍的に
小さくすることも可能としているが、本発明は凹入部３
…を光造形法によって形成することに限定するものでは
ない。すなわち、樹脂成形品や加工品の組み合わせで実
現してもよい。

【００７６】さらに、上述した各例における前記測定対
象試料Ｓは液体試料に限られるものではなく、ゲルであ
ってもよいことはいうまでもない。また、前記各例にお
ける感応膜は、測定対象試料Ｓに合わせて例えば窒化膜
（Ｓｉ₃Ｎ₄）、５酸化タンタル膜（Ｔａ₂Ｏ₃）、ア
ルミナ膜（Ａｌ₂Ｏ₃）を使用したものが一般的である
が、これらに測定したい化学物質に反応する感応膜を修
飾することで、種々の特定の化学物質の濃度測定に対応
する任意の感応膜を形成できる。

【００７７】また、各凹入部３…の底面に対応する感応
膜の部分に様々な応答膜をそれぞれ修飾する事により一
度に複数の化学濃度を測定することも可能となる。

【００７８】そして、上述した例のように、ＩＳＦＥＴ
アレイ２１Ａや化学ＣＣＤアレイ４０Ａなどのアレイセ
ンサを使用する場合は、比較電極４の代わりになるＦＥ
Ｔ構造（一般的にＲＥＦＥＴと呼ばれている）を、ＩＳ
ＦＥＴ２１またはＣＣＤ４０と同じ半導体基板２９，４
１上に隣接して形成してもよい。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の化学濃度
センサによれば、一つの平面上に形成された単一の二次
元化学濃度イメージセンサを用いてセンサを交換するこ
となく多数の試料を迅速かつ定量的に測定できる。つま
り、従来のように凹入部に収容した試料に対して測定電
極を挿入する必要がなく、マイクロプレートを構成する
各凹入部に測定対象試料を収容するだけで、各測定対象
試料の化学濃度を測定することができるので、試料を外
部から汚染する心配がない。

【００８０】また、各凹入部に収容された液体試料は完
全に分離された状態で個別に測定することができ、単一
の測定系で複数の試料を測定可能であるから、１つの凹
入部当たりのコストパフォーマンスを安くすることがで
き、使い捨て可能な化学濃度センサを形成することも可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の化学濃度センサの一例としてＬＡＰＳ
型の二次元センサを用いた場合の全体構成を示す図であ
る。

【図２】前記化学濃度センサの二次元センサの構成を示
す要部拡大図である。

【図３】前記化学濃度センサの二次元センサの製造方法
を説明する図である。

【図４】本発明の化学濃度センサの別の例としてＩＳＦ
ＥＴによる二次元センサを用いた場合の全体構成を示す
図である。

【図５】図４に示す化学濃度センサの二次元センサの製
造方法を説明する図である。

【図６】本発明の化学濃度センサの別の例としてＣＣＤ
による二次元センサを用いた場合の製造方法および要部
構成を示す図である。

【図７】図６に示す二次元センサの平面的な構成を示す
図である。

【図８】従来のマイクロプレートを用いた化学濃度の測
定方法を説明する図である。

【符号の説明】

１，２０…化学濃度センサ、Ｓ_L，Ｓ_I，Ｓ_C…二次元
化学濃度イメージセンサ、２，２１Ａ，４０Ａ…センサ
チップ、２，２９，４１…半導体基板、３…凹入部、３
ｂ…遮光壁、４…比較電極、５…対極、６…発光素子
（光源）、７…電力供給部（光源）、８，２２，２３…
マルチプレクサ、３０…感応膜、１７…樹脂基板、２６
…演算増幅器、４０ａ…感応膜、Ｓ…測定対象試料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中西剛京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内 (72)発明者田▲辺▼ 裕貴京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つの平面上に二次元化学濃度イメージ
センサを形成してなるセンサチップと、このセンサチッ
プの上にこれを底面とするように形成された複数の凹入
部と、各凹入部の内側面に臨ませるようにそれぞれ配置
された比較電極とからなり、各凹入部に収容される測定
対象試料の化学濃度を個別に測定可能としたことを特徴
とする化学濃度センサ。
【請求項２】前記凹入部が光造形法によって成形され
た光硬化樹脂からなる請求項１に記載の化学濃度セン
サ。
【請求項３】前記比較電極が前記凹入部の形成段階の
途中で挟み込まれるように形成してなる請求項２に記載
の化学濃度センサ。
【請求項４】前記二次元化学濃度イメージセンサが、
表面に感応膜を形成してなる半導体基板と、この半導体
基板の裏面から各凹入部に対応する位置に個別に光を照
射可能とする光源と、各比較電極にそれぞれ対応して各
凹入部の内側面に臨ませるように配置された対極と、前
記光を照射した位置の凹入部に対応する比較電極および
／または対極を選択してポテンショスタットと接続する
ことで、半導体基板に配置された複数の凹入部の中から
測定対象となっている一つの凹入部を選択し、この凹入
部内の感応膜に生じる光電流値を化学濃度の測定値とし
て個々に測定可能とするマルチプレクサとを有する請求
項１〜３の何れかに記載の化学濃度センサ。
【請求項５】表面および／または裏面に前記対極およ
び小型化した比較電極が形成され、両極を各凹入部の内
側面に臨ませるように、凹入部内に挟み込まれる高絶縁
の樹脂基板を有する請求項４に記載の化学濃度センサ。
【請求項６】前記光源が各凹入部に対応する位置にそ
れぞれ配置された複数の発光素子と、測定対象となって
いる一つの発光素子に選択的に電力を供給する電力供給
部とからなる請求項４または５に記載の化学濃度セン
サ。
【請求項７】前記半導体基板の裏面に、各発光素子か
らの光がこれに対応する凹入部の底面となる部分だけに
届くようにガイドする遮光壁を位置させてなる請求項６
に記載の化学濃度センサ。
【請求項８】前記二次元化学濃度イメージセンサが半
導体基板上に形成された複数のＩＳＦＥＴを有し、各Ｉ
ＳＦＥＴがそれぞれ凹入部の底面に対応する部分に形成
されてなり、測定対象となっている凹入部に対応するＩ
ＳＦＥＴによって、この凹入部内の測定対象試料の化学
濃度を個々に測定可能とした請求項１〜３の何れかに記
載の化学濃度センサ。
【請求項９】複数のＩＳＦＥＴの中から測定対象とな
っているＩＳＦＥＴを選択するマルチプレクサと、この
マルチプレクサによって選択されたＩＳＦＥＴのドレイ
ンとソースとの間に一定の電流を流すように比較電極の
電位を制御し、この比較電極の電位を化学濃度の測定値
として出力可能とする演算増幅器とを有する請求項８に
記載の化学濃度センサ。
【請求項１０】各ＩＳＦＥＴのドレインとソースとの
間に一定の電流を流すように対応する比較電極の電位を
制御する複数の演算増幅器を有する請求項８に記載の化
学濃度センサ。
【請求項１１】前記二次元化学濃度イメージセンサが
半導体基板上の複数の感応膜部における化学濃度をそれ
ぞれ信号電荷に変換して検出する複数のＣＣＤを有し、
各ＣＣＤの感応膜がそれぞれ凹入部の底面に対応する部
分に形成されてなり、各ＣＣＤによって変換された信号
電荷量から、この感応膜に対応する凹入部内の測定対象
試料の化学濃度を個々に測定可能とした請求項１〜３の
何れかに記載の化学濃度センサ。