JP2010101864A - センサチップ、センサチップ装着ヘッド及び検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】皮膚等の生体組織を検査対象としてそのｐＨを安定して測定できるｐＨセンサを提供する。
【解決手段】検出窓２３を開けた基板２１の裏面側へシリコンチップ２を取り付ける。このシリコンチップ２はセンシング部３とシリコン基板５とを備え、そのセンシング部３が基板２１に設けられた検出窓２３から表出する。シリコンチップ２のシリコン基板５と基板２１とを異方性導電材料等の接合部材で接着し、シリコン基板５のターミナルと基板２１のターミナルとを電気回路的に接続する。シリコンチップ２と検出窓２３の周壁とで浅い凹部が形成されてそこに生理食塩水等の導電性溶液が充填される。
【選択図】図２

Description

この本発明はセンサチップ、センサチップ装着ヘッド及び検出装置に関する。

累積型化学・物理現象検出装置を応用したシリコンチップにおけるセンシングエリア内へ複数の画素を二次元的に配列することによって、検査対象のｐＨ分布（ｐＨイメージング）を測定するｐＨセンサチップが提案されている（特許文献１、２参照）。
図１に示すように、シリコンチップ２はセンシングエリア３とシリコン基板５とを備えている。センシングエリア３には複数の画素が二次元的に配列されており、シリコン基板５の内部には制御回路が造り込まれて、センシングエリア３に配列される各画素へ制御信号を印加し、また各画素からの出力信号を検出する。
従来例のｐＨセンサチップ１は、シリコンチップ２をセラミックパッケージ７の表面に固定した構成である。セラミックパッケージ７の表面には配線がプリントされており、当該セラミックパッケージ７の配線とシリコンチップ２のシリコン基板５の表面の配線とがボンディングワイヤ８，９で連結される。
ｐＨの測定は湿潤状態で行われるので、ボンディングワイヤ８・９及びそのボンディングパット領域はエポキシ樹脂等からなる防水樹脂（保護部材１０）で保護されている。
シリコンチップの検査対象として、上記のイオン濃度の他、カルシウム、カリウム、ナトリウムなどのイオン濃度、ＤＮＡやアセチルコリン等を採用することができる。
特開２００８−０３９５２３号公報 特開２００２−２２１５１０号公報

検査対象が溶液であれば、当該ｐＨセンサチップ１におけるシリコンチップ２のセンシングエリア３表面を検査対象である溶液に浸漬状態とすることにより、そのｐＨを正確に検出できる。
他方、皮膚の表面など固体が検査対象１３になる場合、図１に示すように、センシングエリア３を検査対象１３へ接触させることが困難である。ボンディングワイヤ８，９の保護部材１０がスペーサとなるからである。

この発明は上記課題を解決するものであり、その構成は次のように規定される。
検出窓を開けた基板と、
センシングエリアとシリコン基板とを備えシリコンチップであって、前記センシングエリアが前記検出窓から表出するように前記基板へその裏面側から当て付けられるシリコンチップと、を備えることを特徴とするセンサチップ。

このように規定される第１の局面の発明によれば、シリコンチップが基板の裏面側に配置されるので、検査対象へ基板の表面を直接接触させることができる。これにより、シリコンチップのセンシング部と検査対象との距離は基板の厚さ（即ち、検出窓周縁部の厚さ）となり、検査対象へセンシング部を近接させられる。また、検出窓の裏側がシリコンチップで塞がれたかたちとなり、そこに浅い凹部が形成される。従って、例えばｐＨを検出対象とする場合、この凹部へ生理食塩水等のｐＨ検出に無影響の水溶液を充填することができる。これにより、ｐＨ検出が安定する。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面に規定のセンサチップにおいて、前記シリコンチップのシリコン基板が前記基板の裏面において前記検出窓の周縁に接合部材により気密に接着され、かつ前記接合部材により、前記シリコン基板の配線と前記基板の配線とが電気的に結合される。
このように規定される第２の局面のセンサチップによれば、ボンディングワイヤなどを何ら用いることなく、シリコンチップを基板へ組み付けることができる。よって、製造に手間がかからず、また機械的にも安定したセンサチップとなる。

上記において、基板は従来のセラミック材料に代わってフレキシブルな耐水性の樹脂で形成することできる。シリコンチップが基板の中あるいは裏面に配置されるので、配線を基板の裏面側に集中することができる。したがって、検査対象に対向して湿潤状態になる基板の表面側から配線をなくすことができる。よって、配線の防水処理などの工程が不要となり、安価な装置を提供できる。
検出窓の形状は任意に設計できる。検査対象の状態にあわせてセンシングエリア３を対向させることができさえすれば、検出窓の大きさ、形状は任意である。センシング部を検査対象へ可及的に近づけるため、検出窓の中央に当該センシング部を位置させることが好ましい。
即ち、この発明の第３の局面は次のように規定される。
第１又は第２の局面で規定されるセンサにおいて、前記検出窓の中心軸上に前記センシング部の中心が位置している。

この発明の第２の局面においては、接合部材を用いて基板の配線とシリコンチップのシリコン基板の配線とを電気的に結線しているが、勿論、従来例のようにボンディングワイヤを用いて両者を電気的に結線してもよい。この場合、シリコンチップの周縁部と検出窓の周縁部との間を接着剤等で封止し、シリコンチップと検査対象との間に介在させる生理食塩水等が洩れ出ないようにする。
ここに接合部材とは異方性導電材料構造または半田バンプ構造等を意味する。ここに異方性導電材料構造とは当該材料層を厚さ方向に挟んで対抗する端子（ターミナル）間において導電パスを形成し、形成された導電パス間（即ち、異方性導電材料層の面方向）には絶縁性を有するものをいう。
また、半田バンプ構造とは、半田バンプを導電パスとして利用することをいい。間隔をあけて細幅の半田バンプを配置することにより半田バンプを導電パスとして利用できる。半田バンプの間には絶縁性かつ防水性の樹脂が充填される。充填の方法として、例えば半田バンプを配置後に熱可塑性の樹脂を加熱・流動状態として、半田バンプ間に流し込むことによる。半田バンプにより、基板２１とシリコンチップ２とを結合した後にバンプ間の空隙を絶縁性かつ防水性の樹脂で充填してもよい。
異方性導電材料構造及び半田バンプ構造の導電パスは、シリコン基板の配線と基板の配線とを電気的に接合する。

参照電極はシリコンチップ及び基板の組立て体と別体とすることができる。参照電極をシリコンチップ及び基板の組立て体と一体とするには、検出窓の近傍において基板を裏面側から表面側へ貫通するように参照電極を配置することが好ましい。
皮膚等の生体組織であって導電性を有するものが検査対象となるときは、参照電極は当該検査対象に接触していればよい。参照電極を別体とするためには、検査窓とシリコンチップとで形成される凹部（生理食塩水等の導電性液体溜り）へ当該参照電極が接触するように配置することが必要である。センシングエリア内に存在する全ての画素における基準電位を一定とするためである。

以下、この発明の実施例について説明する。
実施例のｐＨセンサチップ２０を図２に示す。なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。
このｐＨセンサチップ２０は基板２１とシリコンチップ２を備えている。
基板２１は樹脂フィルムを基材としてその樹脂フィルム内に配線パターンがプリントされている。基板２１にはセンシング部の形状に対応した検出窓２３が形成されている。この実施例では円形の検出窓２３（直径２０ｍｍ）を採用した。
シリコンチップ２は従来例で用いられたものと同一のものである。
センシング部３が載置されている面を上側にして基板２１の裏面へ当て付け、センシング部３を検出窓２３から表出させる。このとき、センシング部３の中心が検出窓２３の中心軸上に位置するように配置することが好ましい。皮膚等の生体組織を検査対象１３としたとき、これらは軟質であるため、検出窓２３の中央において下方に垂れるので、センシング部３と検査対象１３との距離がより近くなるからである。これにより、より正確にｐＨ分布を計測できる。

シリコンチップ２のシリコン基板５の周縁部は、接合部材としての異方性導電材料２５により基板２１において検出窓２３の周縁部裏面にシリコンチップ接着される。
シリコン基板５の周縁部には該シリコン基板５の配線部のターミナルが形成されており（従来例ではここにワイヤ８，９がボンディングされた）、他方、基板２１において検出窓２３の周縁部裏面にも配線パターンのターミナルが形成されている。
かかるシリコン基板５の周縁部の全周と検出窓２３の周縁部裏面との間に異方性導電材料２５を介在させ、所定の条件で加熱、加圧すると、両者のターミナル間にのみに導電パスが形成され、両者のターミナルが電気的に接続される。かかる異方性導電材料２５として例えば日立化成工業(株)の提供するアルソニム（商標名）を用いることができる。このアルソニム（商標名）は厚さ数十μｍのフィルム状であり、基板２１の厚さに比較すれば、センシング部３と検査対象１３との距離に影響をあたえることはない。また、接着性にも優れており、基板２１に対してシリコンチップ２を安定的に固定し、かつ気密性（水溶液の漏れ防止）機能も有する。
接合部材として半田バンプ構造を採用するとき、予めシリコン基板５へ細幅の半田バンプを積層する。この半田バンプはシリコン基板５のターミナルに接触している。そして、半田バンプが基板の配線パターンのターミナルに接するようにシリコン基板５を基板２１に対して位置あわせし、加熱して半田バンプを両ターミナルへ固定する。

シリコンチップ２と検出窓２３とで浅い凹部（生理食塩水等の導電性溶液溜り）が形成される。この凹部へ生理食塩水３０等の導電性溶液を充填する。これにより、検査対象１３のｐＨ情報がより正確にセンシング部３で読み取られる。

図中の符号４０は参照電極であり、検出窓２３の近傍において基板２１を貫通し、その表面で表出する。これにより、検査対象１３へ参照電極４０が接触し、ｐＨ測定が安定する。参照電極４０には内部が中空であり頂部にｎｍオーダ径の細孔が無数に開いた構造（中空糸構造と同様）を持つガラス細管に導電性溶液（ＫＣｌ）を充填し、その下端へ配線を結合したものを採用している。

このように構成された実施例のｐＨセンサチップ２０によれば、基板２１の表面に何ら要素が存在せず、基板２１の表面を直接検査対象１３へ当て付けることができる。その結果、基板２１の裏面に配設されているシリコンチップ２のセンシング部３と検査対象１３との距離は基板２１の厚さとほぼ等しくなり（正確には接合部材の厚さが加算される）、両者の距離はｐＨ測定において十分に近接状態となる。更には、シリコンチップ２と検出窓２３の周壁とで形成される凹部（生理食塩水等の導電性溶液溜り）に、生理食塩水等の導電性溶液を充填・保持できるので、湿潤環境が要求されるｐＨセンサとしてそのセンシング能力が安定する。

図３は他の実施例のｐＨ検出装置５０を示す。なお、図３において図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
このｐＨ検出装置５０は本体部５１、基体部５５及びプローブヘッド７０と備えてなる。
本体部５１には、制御部５２、電源部５３及び入出力部５４が備えられる。制御部５２はコンピュータ装置からなり、その記憶部に予め保存されたプログラムに基づき、制御部５２につながれる各要素の動作を制御し、またシリコンチップ２の出力を処理する。電源部５３は外部電源よりｐＨ検出装置５０の動作に必要な電力を取り込む。また、電源部５３はバッテリを備えても良い。入出力部５４はｐＨ検出装置５０を動作させるときに必要なパラメータを入力するための入力インターフェースとなり、また、シリコンチップ２の検出結果をディスプレイに表示し、またプリンタで印刷する。

基体部５５は本体部５１とケーブル５９で連結される。基体部５５には信号処理部５６が備えられる。信号処理部５６は第１のターミナル５８の第１及び第２のポート５８ａ、５８ｂに接続する第１及び第２のライン５７ａ、５７ｂと第１のターミナルの第３のポート５８ｃに接続する第３のライン５７ｃを備える。
この実施例では本体部５１と基体部５５とをケーブル５９で有線結合しているが、両者を無線でつないでもよい。例えば、図４に示すように、本体部５１と基体部５５に無線通信用の送受信部６１、６２を配設し、更に基体部５５にバッテリ６５を内蔵させる。かかる構成の基体部５５は本体部５１から分離するので、適用範囲が広くなる。また、基体部５５に充分なシール性を与えてこれをカプセルとし、生体内へ導入することもできる。

プローブヘッド７０はベース部７１、シリコンチップ２及び第２のターミナル７５を備えている。
ベース部７１はソケット部７３とチップ支持部８１とを備えている。ソケット部７３は第２のターミナル７５を有し、基体部５５へ着脱自在である。ソケット部７３が基体部５５へ結合されているとき、第２のターミナルの第１、第２及び第３のポート７８ａ、７８ｂ、７８ｃはそれぞれ第１のターミナルの第１、第２及び第３のポート５８ａ、５８ｂ、５８ｃへ電気的に接合される。

チップ支持部８１の上面は基板８２で構成され、この基板８２は図２の基板２１と同様に中央部に検出窓８３を有する。基板８２はフレキシブルな樹脂材料で形成され、その内部あるいは裏面に配線パターンが形成される。配線パターンは検出窓８３の周縁に形成されるシリコンチップ用ターミナル８４、８５を含む。当該ターミナル８４、８５にはシリコンチップ用配線部８７，８８が接続される。この配線部８７、８８は第２のターミナル７５の第１及び第２のポート７８ａ、７８ｂにそれぞれ電気的に接合される。基板８２の厚さ及び検出窓８３の形状及び大きさは、図２の例と同一である。
シリコンチップ２はそのセンシング部３を上側にして、センシング部３の中心が検出窓８３に中心と一致するように、基板８２の裏面へ当て付けられる。これにより、センシング部３は検出窓８３から表出する。シリコンチップ２のシリコン基板５の周縁部は異方性導電材料２５により基板８２の裏面において検出窓８３の周縁に接着される。
かかる構成を採用することにより、図２のｐＨセンサ２０と同様に、シリコンチップ２と検出窓８３とで浅い凹部（生理食塩水等の導電性溶液溜り）が形成され、この凹部へ生理食塩水等の導電性溶液３０を充填できる。これにより、検査対象のｐＨ情報をセンシング部３で正確に検出できる。

基板８２の上面側において検出窓８３の周縁には閉じた環状部材９０がその全周を基板８２へ密着して固定される。この環状部材９０は検査対象１３へ当接するので（図５参照）、当該検査対象１３に対する干渉を緩和するため、合成ゴム等の軟質な材料で形成することが好ましい。検査対象１３とシリコンチップ２との間に注入される生理食塩水等の導電性溶液がこの環状部材９０によって保持されるので、検査対象１３に対するｐＨ測定が安定する。
この実施例では環状部材９０を基板８２と異なる材料で別体に形成したが、基板８２と一体的な凸条部を環状に設けることによっても、生理食塩水の保持機能を確保できる。
この実施例では、環状部材９０を円環状として、その中心を検出窓８３の中心と一致させた。この場合の環状部材９０の直径は検出窓の約２倍とし、その高さは基板８２の厚さとほぼ同じとした。勿論、生理食塩水に対するシール機能を確保できれば、環状部材の形状及びその高さは特に限定されるものではない。

この実施例では、図６に示すように、環状部材９０の外皮として合成ゴムのチューブ製を採用し、その中に中空糸膜を充填して、当該中空糸膜内に塩化カリウム溶液を保持させている。塩化銀にてコーティングした銀線からなる導電性ワイヤ９１が環状部材９０の中空糸膜の内側に全周にわたって配設されている。チューブ外皮の内周面には複数の穴９３があけられている。この穴９３は環状部材９０の周方向の全周に渡って、所定の間隔をあけて形成される。この穴９３は環状部材９０において基板８２に対向する部分、即ち下面側に形成することが好ましい。検査対象１３に接した生理食塩水へより確実にこの穴９３を浸漬するためである。この穴９３を介して、検査対象１３に接した生理食塩水と環状部材９０内の塩化カリウム溶液とが接触し、導電性ワイヤ９１に対して通電状態となる。
中空糸膜はそれ自体にｎｍ〜μｍの径を持つ孔が無数に開いており、その孔を通して中に充填されている塩化カリウム溶液と外部の例えば生理食塩水とが接触することで電荷の移動が発生して同電位となる。
中空糸膜へゲルを充填し、このゲルに塩化カリウム水溶液を吸収させることも可能である。
環状部材９０の内部に仕込まれた導電性ワイヤ９１は環状部材９０の所定の部位で表出し、基板８２に形成された参照電極用ターミナル９５へ電気的に接合される。
参照電極用ターミナル９５と第２のターミナル７５の第３のポート７８ｃとは参照電極用配線部９６で電気的に接合される。

このように構成されたｐＨ検出装置５０よれば、プローブヘッド７０の上面部分を検査対象１３へ当て付けると、シリコンチップ２、検出窓８３の周面及び環状部材９０の内周面により形成される凹部に生理食塩水が安定して保持されるので、シリコンチップ２のセンシング部３による検査対象１３のｐＨ検出が安定する。
シリコンチップ２に対する制御、及びシリコンチップ２からの出力は信号処理部５６が実行する。信号処理部５６の出力は制御部５２へ送られ、更に画像化されて入出力部５４よりｐＨイメージとして出力される。

電源部５３は、制御部５２及び信号処理部５６へ必要な電力を供給する。
図４における電源部５３は制御部５２及び送受信部６１へ必要な電力を供給し、バッテリ６５は信号処理部５６及び送受信部６２へ必要な電力を供給する。
プローブヘッド７０が基体部５５に対して着脱可能であるため、特に検査対象が生体である場合、生体に接触するプローブヘッド７０がディスポーザブルになる。

以上、水素濃度を測定対象とする場合を例にとり説明を進めてきた。測定対象をカルシウム、カリウム及びナトリウム等のイオン濃度を測定対象とする場合、シリコンチップの構成は水素イオン測定用の窒化膜に代わり検出対象に適したイオン選択性感応膜を最表面に蒸着すればよく、構成自体は同様となる。
また、ＤＮＡやアセチルコリンを測定対象とする場合も同様に、シリコンチップの構成を、測定対象となる蛋白質内の特定元素に対応した
選択性感応膜とする事で成立する。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

従来例のｐＨセンサの構成を示す模式図である。 この発明の実施例のｐＨセンサの構成を示す模式図である。 この発明の他の実施例のｐＨ検出装置の構成を示す模式図である。 図３の実施例の変形態様を示す。 図３の実施例の部分拡大図である。 図６は環状部材の構造を示す部分断面図である。

符号の説明

１ ｐＨセンサチップ
２ シリコンチップ
３ センシング部
５ シリコン基板
７、２１、８２ 基板
１３ 検査対象
２３、８３ 検出窓
２５ 異方性導電材料
５０ ｐＨ検出装置
７０ プローブヘッド
７１ ベース部
７３ ソケット部
７５ 第２のターミナル
８１ チップ支持部
９０ 環状部材

Claims (11)

1. 検出窓を開けた基板と、
   センシング部とシリコン基板とを備えたシリコンチップであって、前記センシング部が前記検出窓から表出するように前記基板へその裏面側から当て付けられるシリコンチップと、を備えることを特徴とするセンサチップ。
2. 前記シリコンチップのシリコン基板が前記基板の裏面において前記検出窓の周縁に異方性導電材料又は半田バンプにより気密に接着され、かつ前記異方性導電材料により、前記シリコン基板の配線と前記基板の配線とが電気的に結合される、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサチップ。
3. 前記検出窓の中心軸上に前記センシング部の中心が位置している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサチップ。
4. 前記基板を貫通し、前記検出窓の近傍に配置される参照電極が更に備えられる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサチップ。
5. ｐＨ検出装置の基体部へ取り付けられるｐＨセンサチップ装着プローブヘッドであって、
   前記基体部の第１のターミナルへ接触可能な第２のターミナルを有し、該基体部へ着脱可能なソケット部と検出窓を開けたチップ支持部とを有するベース部と、
   センシング部とシリコン基板とを備えたシリコンチップであって、前記センシング部が前記検出窓から表出するように前記ベース部材のチップ支持部へその裏面側から当て付けられ、前記チップ支持部のシリコンチップ用ターミナルへ電気的に結合されるシリコンチップと、
   前記チップ支持部の表面に配設される参照電極であって、前記チップ支持部の参照電極用ターミナルへ電気的に結合される参照電極と、を備え
   前記ベース部は前記シリコンチップ用ターミナル及び前記参照電極用ターミナルと前記第２のターミナルとをそれぞれ電気的に結合するシリコンチップ用配線部及び参照電極用配線部を備えている、
   ことを特徴とするセンサチップ装着プローブヘッド。
6. 前記シリコンチップのシリコン基板が前記チップ支持部の裏面において前記検出窓の周縁に異方性導電材料又は半田バンプにより気密に接着され、かつ前記異方性導電材料により、前記シリコン基板のターミナルと前記チップ支持部のシリコンチップ用ターミナルとが電気的に結合される、ことを特徴とする請求項５に記載のセンサチップ装着プローブヘッド。
7. 前記検出窓の中心軸上に前記センシング部の中心が位置している、ことを特徴とする請求項５又は６に記載のセンサチップ装着プローブヘッド。
8. 前記参照電極は前記検出窓を囲むように形成された環状の凸条部からなる、ことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のセンサチップ装着プローブヘッド。
9. 前記参照電極は中空糸膜へ導電性溶液を充填してなる、ことを特徴とする請求項８に記載のセンサチップ装着プローブヘッド。
10. 前記凸条部の軸方向に沿って導電性ワイヤが配設されている、ことを特徴とする請求項９に記載のセンサチップ装着プローブヘッド。
11. 基体部と該基体部へ着脱自在に取り付けられるセンサチップ装着プローブヘッドとを備えるｐＨ検出装置であって、
    前記基体部は第１のターミナルを備え、
    前記センサチップ装着プローブヘッドは、前記基体部の第１のターミナルへ接触可能な第２のターミナルを有し、該基体部へ着脱可能なソケット部と検出窓を開けたチップ支持部とを有するベース部と、
    センシング部とシリコン基板とを備えたシリコンチップであって、前記センシング部が前記検出窓から表出するように前記ベース部材のチップ支持部へその裏面側から当て付けられ、前記チップ支持部のシリコンチップ用ターミナルへ電気的に結合されるシリコンチップと、
    前記チップ支持部の表面に配設される参照電極であって、前記チップ支持部の参照電極用ターミナルへ電気的に結合される参照電極と、を備え、
    前記ベース部は前記シリコンチップ用ターミナル及び前記参照電極用ターミナルと前記第２のターミナルとをそれぞれ電気的に結合するシリコンチップ用配線部及び参照電極用配線部を備えている、
    ことを特徴とするｐＨ検出装置。

Images