JP2015059869A - 蛍光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度が高い蛍光センサ１０を提供する。【解決手段】蛍光センサ１０は、遮光層２１と、インジケータ２２と、基板部３１と、基板部３１の下面を覆う透明層３２と、透明層３２の下に配設された、第１の主面３３ＳＡと第２の主面３３ＳＢとを貫通する貫通孔３３Ｈがあり、第２の主面３３ＳＢにインジケータが発生する蛍光を検出するＰＤ素子４１が形成されており、貫通孔３３Ｈの壁面３３ＨＷに、励起光を検出するＰＤ素子４２が形成されている半導体層３３と、貫通孔３３Ｈを介してインジケータ２２に受光される励起光を発生するＬＥＤ素子２３と、を具備する。【選択図】図１２

Description

本発明は、液体中のアナライトの濃度を計測する蛍光センサに関し、特に半導体製造技術及びＭＥＭＳ技術を用いて作製された微小蛍光光度計である蛍光センサに関する。

液体中のアナライトすなわち被計測物質の濃度を測定するための様々な分析装置が開発されている。例えば、蛍光色素とアナライトを含む被計測溶液とを透明容器に注入し、励起光を照射し蛍光色素からの蛍光強度を計測することによりアナライト濃度を計測する蛍光光度計が知られている。蛍光色素は、励起光を受光するとアナライト濃度に対応した強度の蛍光を発生する

小型の蛍光光度計は、光源と光検出器と蛍光色素を含有したインジケータとを有している。そして、被計測溶液中のアナライトが出入り自在なインジケータに光源からの励起光を照射し、インジケータが発生する蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光強度に応じた電気信号を出力する。光検出器からの電気信号をもとに溶液中のアナライト濃度が算出される。

近年、微量試料中のアナライトを計測するために、半導体製造技術及びＭＥＭＳ技術を用いて作製される微小蛍光光度計が提案されている。以下、微小蛍光光度計のことを「蛍光センサ」と呼ぶ。

例えば、図１及び図２に示す蛍光センサ１１０が国際公開第２０１０／１１９９１６号パンフレットに開示されている。蛍光センサ１１０の主機能部であるセンサ部１２０は、光電変換素子１４１が形成されているシリコン基板１３３と、透明中間層１３２と、フィルタ層１５１と、発光素子１２３と、透明保護層１３２Ａと、インジケータ１２２と、遮光層１２１と、を有する。アナライト９は、遮光層１２１を通過して、インジケータ１２２に出入りする。フィルタ層１５１は励起光を遮断し蛍光を透過する。発光素子１２３は蛍光を透過する。

蛍光センサ１１０では、発光素子１２３が発生した励起光がインジケータ１２２に入射すると、インジケータ１２２はアナライト濃度に応じた強度の蛍光を発生する。

インジケータ１２２が発生した蛍光の一部は、発光素子１２３とフィルタ層１５１とを通過し、光電変換素子１４１に入射し光電変換される。なお、発光素子１２３が光電変換素子１４１の方向（下方向）出射した励起光は、フィルタ層１５１により蛍光強度と比較して計測上問題ないレベルまで減光される。蛍光センサ１１０は、構成が単純で小型化が容易である。

しかし、蛍光センサ１１０は、インジケータ１２２と光電変換素子１４１との間に発光素子１１５を実装するため、製造が容易ではないことがあった。

さらに、蛍光強度は、励起光強度に依存しているため、発光素子１１５が発生する蛍光強度が変化すると、正確な計測が容易ではないおそれがあった。

国際公開第２０１０／１１９９１６号パンフレット

本発明の実施形態は、測定精度が高い蛍光センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様の蛍光センサは、アナライトが通過する、励起光及び蛍光を遮断する遮光層と、前記励起光を受光すると前記アナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生するインジケータと、上面の開口が前記遮光層に覆われ、前記インジケータが内部に配設されている第１貫通孔のある基板部と、前記第１貫通孔の下面を覆う透明層と、前記透明層の下に配設された、第１の主面と第２の主面とを貫通する第２貫通孔があり、一方の主面に前記インジケータが発生する前記蛍光を検出する第１受光部が形成されており、他方の主面及び前記第２貫通孔の壁面の少なくともいずれかに、前記励起光を検出する第２受光部が形成されている半導体層と、前記第２貫通孔の下側に配設された、前記第２貫通孔を介して前記インジケータに受光される前記励起光を発生する発光素子と、を具備する。

本発明の実施形態によれば、測定精度が高い蛍光センサを提供できる。

従来の蛍光センサのセンサ部の断面図である。 従来の蛍光センサのセンサ部の分解図である。 第１実施形態の蛍光センサを有するセンサシステムの斜視図である。 第１実施形態の蛍光センサのセンサ部の分解図である。 第１実施形態の蛍光センサのＳＯＩ基板の斜視図である。 第１実施形態の蛍光センサのＳＯＩ基板の、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するための断面図である。 第２実施形態の蛍光センサの断面図である。 第３実施形態の蛍光センサの断面図である。

＜第１実施形態＞
最初に、本発明の第１実施形態の蛍光センサ１０を含むセンサシステム１について説明する。図３に示すように、センサシステム１は、蛍光センサ１０と、本体部２と、本体部２からの信号を受信し記憶するレシーバー３と、を有する。本体部２とレシーバー３との間の信号の送受信は無線又は有線で行われる。

蛍光センサ１０は、被検体に穿刺される針部１２と、針部１２の後端部と接合されたコネクタ部１１と、からなる。針部１２とコネクタ部１１とは、同一材料により一体形成されていてもよいし、別々に作製され接合されていてもよい。

コネクタ部１１は、本体部２の嵌合部２Ａと着脱自在に嵌合する。蛍光センサ１０の針部１２の先端部に配設された主機能部であるセンサ部２０から延設された複数の配線（不図示）は、コネクタ部１１が本体部２の嵌合部２Ａと機械的に嵌合することにより、本体部２と電気的に接続される。本体部２は、センサ部２０の駆動及び制御などを行う制御部２Ｂと、センサ部２０から出力された信号を処理する演算部２Ｃと、を有する。なお、制御部２Ｂ又は演算部２Ｃの少なくともいずれかが、蛍光センサ１０のコネクタ部１１等に配設されていてもよいし、レシーバー３に配設されていてもよい。

蛍光センサ１０は、センサ部２０を体内に挿入後、所定期間、例えば、１週間、継続してアナライト濃度を測定可能な針型センサである。しかし、センサ部２０を体内に挿入しないで、採取した体液、又は体外の流路を介して体内と循環する体液を、体外においてセンサ部２０と接触させてもよい。

図示しないが、本体部２は、レシーバー３との間で無線信号を送受信するための無線アンテナと、電池等と、をさらに有する。レシーバー３との間の信号を有線にて送受信する場合には、本体部２は無線アンテナに代えて信号線を有する。なお、本体部２が必要な容量のメモリ部を有する場合にはレシーバー３はなくてもよい。
＜センサ部の構造＞
次に、図４を用いて、蛍光センサ１０の主要機能部であるセンサ部２０の構造について説明する。なお、図は、いずれも説明のための模式図であり、縦横の寸法比等は実際とは異なっており、一部の構成要素を図示しない場合もある。また、図に示すＺ軸方向を上方向という。

蛍光センサ１０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板３０を主要構成要素として有する。ＳＯＩ基板３０は、活性層（ＳＯＩ層）が、埋め込みシリコン酸化膜（Buried Ｏｘｉｄｅ：ＢＯＸ層）を介して、半導体基板上に配設されている。以下、ＳＯＩ基板３０の活性層を半導体層３３、ＢＯＸ層を透明層３２、半導体基板を基板部３１という。シリコンからなる半導体層３３の厚さは数μｍ〜１００μｍであり、光透過率の高い酸化シリコンからなる透明層３２の厚さは１μｍ〜数１０μｍであり、単結晶シリコンからなる基板部３１の厚さは１０μｍ〜数百μｍである。

そして、蛍光センサ１０のセンサ部２０は、遮光層２１と、インジケータ２２と、ＳＯＩ基板３０と、発光素子であるＬＥＤ素子２３と、漏光防止層２４とを具備する。ＳＯＩ基板３０は、基板部３１と、透明層３２と、第２貫通孔３３Ｈがある半導体層３３と、を有する。

遮光層２１は、アナライト９は自在に通過可能だが、励起光及び蛍光は遮断される。インジケータ２２は、励起光を受光するとアナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生する。基板部３１には、
上面の開口が遮光層２１に覆われ、インジケータ２２が内部に配設されている第１貫通孔３１Ｈがある。励起光及び蛍光が透過する透明層３２は、基板部３１の第１貫通孔３１Ｈの下面を覆っている。透明層３２の下に配設された半導体層３３の第２貫通孔３３Ｈは、第１の主面と第２の主面とを貫通している。そして、一方の主面にインジケータ２２が発生する蛍光を検出する第１受光部が形成されており、他方の主面、又は、第２貫通孔３３Ｈの壁面に励起光を検出する第２受光部が形成されている。第２貫通孔３３Ｈの下側に配設されたＬＥＤ２３は、第２貫通孔３３Ｈを介してインジケータ２２に受光される励起光を発生する。

遮光層２１は、厚さが数１０μｍ程度である。遮光層２１は、励起光及び蛍光が外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が内部に進入するのを防止する。また、遮光層２１はアナライト９の通過を妨げないアナライト透過性も有している。

ＳＯＩ基板３０の基板部３１には第１の貫通孔３１Ｈが形成されており、半導体層３３には第２の貫通孔３３Ｈが形成されている。すなわち、貫通孔３１Ｈは基板部３１を貫通しており、貫通孔３３Ｈは半導体層３３を貫通しているが、底面はともに透明層３２の凹部（ビア）である。貫通孔３３Ｈ、３１Ｈは基板部３１のＸＹ平面内の同一領域内に形成されており両者は透明層３２を介して接している。

ＳＯＩ基板３０の貫通孔３１Ｈの内部に充填されたインジケータ２２は、進入してきたアナライト９との相互作用により励起光を受光すると蛍光を発生する。インジケータ２２の厚さは、貫通孔３１Ｈの深さ、すなわち、基板部３１の厚さと同じで、１０μｍ〜数百μｍである。インジケータ２２は、内部に進入したアナライト９の量、すなわち被計測溶液中のアナライト濃度に応じた強度の蛍光を発生する蛍光色素が含まれたベース材料から構成されている。

ＬＥＤ素子２３は、光出射面が半導体層３３の貫通孔３３Ｈの開口を覆っていれば、貫通孔３３Ｈを導光路として透明層３２を介して貫通孔３１Ｈに配設されたインジケータ２２に励起光が照射される。なお、ＬＥＤ素子２３の電極２３Ｔは、図示しないが、半導体層３３の第２の主面３３ＳＢに絶縁層を介して配設されている配線と接続されており、配線はコネクタ部１１まで延設されている。

ＬＥＤ素子２３の底面（光出射面と対向する面）及び壁面を覆うように配設された漏光防止層２４は、底面及び壁面から出射される励起光、及び、半導体層３３の表面で反射した励起光が外部に漏光するのを防止する。すなわち、漏光防止層２４は遮光層２１と類似した機能を有するが、アナライト透過性は必要ない。

後述するように、ＳＯＩ基板３０とＬＥＤ素子２３とは接合層２５により接合されている（図１２参照）。接合層２５は、ＰＤ素子４１、４２を保護する機能も有する。接合層２５は貫通孔３３Ｈの内部にも充填されていてもよい。逆に、接合層２５を貫通孔３３Ｈの開口の直下領域に形成しなくてもよい。

接合層２５は、電気的絶縁性を有すること、水分遮断性を有すること、励起光に対して良好な透過率を有すること、などの特性を有する接着材料から選択される。接合層２５としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、透明な非晶性フッ素樹脂等の有機樹脂、あるいはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの透明無機材料、さらにはこれらの複合積層膜が使用可能である。

そして、図５及び図６に示すように、蛍光センサ１０のＳＯＩ基板３０の半導体層３３には、光を電気信号に変換する受光部であるフォトダイオード（Photo Diode：ＰＤ）素子４１、４２が形成されている。

すなわち、半導体層３３の第２の主面３３ＳＢの貫通孔３３Ｈの周囲には、第１の受光部であるＰＤ素子４１が形成されており、貫通孔３３Ｈの壁面３３ＨＷには第２の受光部であるＰＤ素子４２が形成されている。ＰＤ素子４１は、蛍光を検出するための第１受光部であるのに対して、ＰＤ素子４２は励起光を検出するための第２の受光部である。

なお、図示しないが、ＰＤ素子４１、４２は、第２の主面３３ＳＢに絶縁層を介して配設されている配線と接続されており、配線はコネクタ部１１まで延設されている。

ＰＤ素子４１は励起光を遮断するフィルタ（不図示）で覆われていることが好ましい。なお、フィルタは必須の構成要素ではないが、検出感度向上ために配設されていることが好ましい。

蛍光センサ１０では、ＰＤ素子４１の信号とＰＤ素子４２の信号とからアナライト濃度が算出される。すなわち、蛍光強度を示すＰＤ素子４１の信号が、励起光強度を示すＰＤ素子４２の信号により補正される。励起光強度と蛍光強度とアナライト濃度との関係は、例えば、演算部２Ｃに予め記憶されている。

蛍光センサ１０は、励起光強度が変化しても精度の高い測定が可能である。

さらに、ＰＤ素子４１が形成されている第２の主面３３ＳＢとは異なる面である、貫通孔３３Ｈの壁面３３ＨＷに、ＰＤ素子４２が形成されている。このため、ＰＤ素子４２形成のためにＰＤ素子４１の受光面積を小さくする必要がない。このため、蛍光センサ１０は高感度である。

また、ＰＤ素子４２は、壁面３３ＨＷから半導体層３３に進入する光により発生する余剰キャリアを電気信号に変換するため、ＰＤ素子４１のＳ／Ｎ比を向上する効果も有する。すなわち、ＰＤ素子４２は励起光により発生したキャリアが、内部に拡散することを防止する機能も有する。

さらに、蛍光センサ１０は、ＳＯＩ基板３０を用いているため、製造が容易である。また、含水したインジケータ２２が、貫通孔３１Ｈの内部に封止されているため、ＰＤ素子４１、４２、及びＬＥＤ素子２３等の電気配線が悪影響を受けにくい。

＜蛍光センサの製造方法＞
次に、図７〜図１２を用いて、蛍光センサ１０の製造方法について説明する。なお、図７〜図１２は１個の蛍光センサ１０のセンサ部２０の領域の部分断面図であるが、実際の工程では、ウエハプロセスとして一括して多数の蛍光センサ１０が作製された後に個々の蛍光センサに個片化される。

最初に、図７に示すように、ＳＯＩ基板３０の半導体層３３の第２の主面３３ＳＢに、貫通孔３３Ｈを形成するための開口のあるマスク３０Ｍ１が配設される。

そして、半導体層３３の第２の主面３３ＳＢにエッチングが行われ、貫通孔３３Ｈが形成される。エッチングには公知の各種の方法を用いることができる。特に、透明層３２のエッチング速度が半導体層３３のエッチング速度に比べて非常に遅い選択性エッチング方法が好ましい。透明層３２が、いわゆるエッチングストップ層となり、貫通孔３３Ｈは半導体層３３を貫通し底面が透明層３２の貫通ビアとなる。

図８に示すように、ＰＤ素子４１、４２を所定領域に形成するためのマスク３０Ｍ２が配設される。そして、図９に示すように、通常の半導体プロセスを用いて、ＰＤ素子４１、４２が形成される。半導体層３３がＮ型半導体の場合、ＰＤ素子４１、４２はボロン拡散によりＰ型半導体の拡散層が形成される。なお、図示しないが、受光部と対になる半導体層３３の低抵抗領域には、リン又はヒ素等が導入される。

光電変換素子としては、フォトコンダクタ（光導電体）素子、又はフォトトランジスタ（Photo Transistor）素子などでもよい。

なお、図５に示したＰＤ素子４２は貫通孔３３Ｈの４つの壁面に形成されている。このため、貫通孔３３Ｈを取り囲むように形成されているＰＤ素子４１には壁面から入射した光による悪影響が及ぶことがない。

そして、図示しないが、ＰＤ素子４１を覆うようにフィルタが形成される。なお、フィルタ形成前に、シリコン酸化膜等の透明保護膜を形成しておいてもよい。

次に、図１０に示すように、貫通孔３３Ｈと同様の形成方法により、基板部３１に貫通孔３１Ｈが形成される。

そして、図１１に示すように、貫通孔３１Ｈにインジケータ２２が充填され、開口が遮光層２１で封止される。

インジケータ２２は、蛍光色素を含有したハイドロゲル、又は、蛍光色素が結合されたハイドロゲルからなる。蛍光色素は、アナライト９の種類に応じて選択され、アナライト９の量に応じて発生する蛍光の強度が可逆的に変化する蛍光色素ならば、どのようなものにも使用できる。蛍光センサ１０は、グルコースのような糖類を測定するために、蛍光色素には、ルテニウム有機錯体、蛍光フェニルボロン酸誘導体、又は蛋白と結合したフルオレセイン等のグルコースと可逆結合する物質等を用いる。

含水し易いハイドロゲルの成分としてはメチルセルロースもしくはデキストランなどの多糖類、（メタ）アクリルアミド、メチルアクリルアミド、もしくはヒドルキシエチルアクリレート等のモノマーを重合して作製するアクリレート系ハイドロゲル、又はポリエチレングリコールとジイソシアネートから作製するウレタン系ハイドロゲルなどを用いることができる。

インジケータ２２は、シランカップリング剤などの接着層を介して、貫通孔３１Ｈの壁面、上面の遮光層２１又は貫通孔３１Ｈの底面２５Ｂ等と接合されていてもよい。

なお、貫通孔３１Ｈに重合前のゲル骨格形成材を含むインジケータを充填し、遮光層２１で開口を覆った後に、重合させてインジケータ２２を作製してもよい。例えば、蛍光色素と、ゲル骨格形成材と、重合開始剤と、を含むリン酸緩衝液を、貫通孔３１Ｈの内部に入れ、窒素雰囲気下で１時間放置すると、インジケータ２２が作製される。蛍光色素としては、９、１０−ビス［Ｎ−［２−（５，５−ジメチルボリナン−２−イル）ベンジル］−Ｎ−［６‘−［（アクリロイルポリエチレングリコール−３４００）カルボニルアミノ］−ｎ−ヘキシルアミノ］メチル］−２−アセチルアントラセン（Ｆ−ＰＥＧ−ＡＡｍ）を、ゲル骨格形成材としては、アクリルアミドを、重合開始剤としては、ペルオキソ二硫酸ナトリウム及びＮ、Ｎ、Ｎ’、Ｎ‘−テトラメチルエチレンジアミンを用いる。

遮光層２１には、サブミクロンサイズのポア構造からなる、金属、セラミック等の無機薄膜又は、ポリイミドもしくはポリウレタン等の有機ポリマーの基材にカーボンブラックが混入されたハイドロゲル類とのコンポジット構造、又は、セルロース類もしくはポリアクリルアミド等のアナライト透過性ポリマーにカーボンブラックを混入した樹脂、又は、それらを積層化した樹脂等を用いることができる。

励起光の透明層３２の表面での反射を防止するためには、貫通孔３３Ｈに充填する接合層２５の屈折率を、透明層３２の屈折率と略同等にすることが好ましい。

そして、図１２に示すように、ＬＥＤ素子２３が接合層２５を介してＳＯＩ基板３０に接合される。

ＬＥＤ素子２３は、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、又はレーザダイオード素子などの発光素子が形成されたチップの中から選択される。そして、ＬＥＤ素子２３は、光発生効率、励起光の波長選択性の広さ、及び励起光以外の波長の光を僅かしか発生しないことなどの観点からは、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）が好ましい。

接合層２５は、例えば樹脂を塗布し硬化処理を行うことで作製される。なお樹脂を塗布する表面にＣＶＤ法等により、予め透明なＳｉＯ_２層又はシリコン窒化層等を配設しておいてもよい。

ＬＥＤ素子２３がＳＯＩ基板３０に接合されるときに、同時に、ＬＥＤ素子２３の駆動信号の電極２３Ｔは、配線（不図示）と電気的に接続される。ＬＥＤ素子２３とＳＯＩ基板３０とは物理的接合と同時に、電気的接合も行われるため、蛍光センサ１０は作製が容易である。そして、接合層２５は電気的接続部を封止する封止部材の機能も有している。

次に、ＬＥＤ素子２３の下面及び壁面に、漏光防止層２４が配設される。漏光防止層２４は、遮光層２１と同じ材料でもよいし、カーボンブラックを配合した有機樹脂、金属、又は、これらの材料からなる多層膜又は複合膜でもよい。なお、漏光防止層２４が予め配設されたＬＥＤ素子２３をＳＯＩ基板３０に接合してもよい。

なお、漏光防止層２４として、アルミニウム又は銀等の反射率の高い金属膜を用いると、ＬＥＤ素子２３の底面及び壁面から放射される励起光を、上方すなわちインジケータ２２の方向に反射する反射膜としての機能を付与することもできる。

また、漏光防止層２４を、ＳＯＩ基板３０の下面全体、壁面及び遮光層２１に覆われていない上面等のセンサ部２０の外面にも配設してもよい。

以上の説明のように、蛍光センサ１０は、ＳＯＩ基板３０を用いるため、製造が容易であり、かつ、ウエハプロセスにより一括大量生産が可能である。このため、蛍光センサ１０は、安価に安定した品質を提供できる。

＜蛍光センサの動作＞
次に、蛍光センサ１０の動作を説明する。

ＬＥＤ素子２３は、例えば３０秒に１回の間隔で中心波長が３７５ｎｍ前後の励起光をパルス発光する。例えば、ＬＥＤ素子２３へのパルス電流は１ｍＡ〜１００ｍＡであり、発光のパルス幅は１ｍｓ〜１００ｍｓである。

ＬＥＤ素子２３が発生した励起光は、貫通孔３３Ｈの底面を構成する透明層３２を透過してインジケータ２２に入射する。インジケータ２２は、アナライト９の濃度に対応した強度の蛍光を発する。なお、アナライト９は遮光層２１を通過して、インジケータ２２に進入する。インジケータ２２の蛍光色素は、例えば、波長３７５ｎｍの励起光に対して、より長波長の例えば波長４６０ｎｍの蛍光を発生する。

インジケータ２２が発生した蛍光は、透明層３２と、ＰＤ素子４１の透明層３２側の薄い半導体層３３と、を通過して、ＰＤ素子４１に入射する。すなわち、すでに説明したように、ＰＤ素子４１は半導体層３３の表面から不純物が導入された拡散層であり、透明層３２側に薄い半導体層３３が残っている。半導体層３３の蛍光透過率は高くはないため、透明層３２側に残った半導体層３３の厚さは、１０μm以下であることが好ましく、特に好ましくは３μｍ以下である。蛍光はＰＤ素子４１で光電変換され、生じた光発生電荷は検出信号として出力される。

一方、ＬＥＤ素子２３が発生した励起光の一部は、貫通孔３３Ｈの壁面３３ＨＷに形成されたＰＤ素子４２に入射し、検出信号が出力される。

壁面３３ＨＷに入射した励起光による光発生電荷は、ＰＤ素子４２により検出信号となるため、ＰＤ素子４１に悪影響を及ぼすことがない。

そして、蛍光センサ１０では、本体部２の演算部２Ｃが検出信号、すなわち、ＰＤ素子４１、４２からの光発生電荷に起因する電流、又は蓄積した光発生電荷に起因する電圧をもとに演算処理を行い、アナライト量を算出する。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の蛍光センサ１０Ａ及び蛍光センサ１０Ａを有するセンサシステム１Ａについて説明する。蛍光センサ１０Ａ等は蛍光センサ１０等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１３に示すように、蛍光センサ１０Ａでは、シリコンからなる基板部３１の貫通孔３１Ｈの壁面に、蛍光検出する第３受光部であるＰＤ素子４３が形成されている。そして、ＰＤ素子４３は、図示しない励起光を遮断し蛍光を透過するフィルタで覆われていることが好ましい。

フィルタは、誘電体多層膜等の多重干渉型でもよいが、好ましくは、吸収型であり、例えばシリコン、炭化シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、もしくは有機材料等からなる単層層、又は前記単層層を積層した多層層である。例えば、シリコン層及び炭化シリコン層は、励起光波長の３７５ｎｍでは透過率は１０^−５％以下であるのに対して、蛍光波長の４６０ｎｍでは透過率１０％以上と、（励起光波長の透過率／蛍光波長の透過率）の比として６桁以上の透過率選択性を有する。

ＰＤ素子４３は、貫通孔３１Ｈを形成後に、ＰＤ素子４２等と同様の方法により形成される。なお、ＰＤ素子４３は、貫通孔３１Ｈの壁面の少なくとも一部に形成されていればよい。

蛍光センサ１０Ａ等は蛍光センサ１０の効果を有し、さらに効率的に蛍光を電気信号に変換できるため、より高精度である。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態の蛍光センサ１０Ｂ及び蛍光センサ１０Ｂを有するセンサシステム１Ｂについて説明する。蛍光センサ１０Ｂ等は蛍光センサ１０等と類似しているので同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１４に示すように、蛍光センサ１０Ｂでは、蛍光を検出する第１受光部であるＰＤ素子４１Ｂが半導体層３３の第１の主面３３ＳＡに形成されており、励起光を検出する第２受光部であるＰＤ素子４２Ｂが半導体層３３の第２の主面３３ＳＢに形成されている。

蛍光センサ１０Ｂでは、ＳＯＩ基板３０Ｂの作製時に、まずＰＤ素子４１Ｂが形成される。すなわち、基板部３１に、透明層３２を配設した後に、所定厚のシリコン層が配設される。すでに説明したのと同じ方法で不純物がドープされ所定厚のＰＤ素子４１Ｂが形成される。そして、ＰＤ素子４１Ｂの上に、さらにシリコン層が配設され、ＰＤ素子４２Ｂが形成される。

なお、貫通孔３３Ｈを形成後に、ＰＤ素子４２Ｂを形成してもよい。このとき、貫通孔３３Ｈの壁面にまで、励起光照度モニタであるＰＤ素子４２Ｂが形成されていてもよい。

インジケータ２２が発生した蛍光は、透明層３２を介してＰＤ素子４１Ｂに入射する。一方、ＬＥＤ素子２３が発生した励起光は、接合層２５を介してＰＤ素子４２Ｂに入射する。そして、それぞれのＰＤ素子で発生したキャリアは、それぞれのＰＤ素子において信号となるため、別のＰＤ素子に悪影響を及ぼすことがない。なお、ＰＤ素子４１ＢとＰＤ素子４２Ｂとに印加するバイアス電圧を変えることで、検出する光の波長に応じた信号を効率的に出力できる。

蛍光センサ１０Ｂ等は、蛍光センサ１０と同様の効果を有する。

なお、蛍光センサ１０Ｂにおいて、蛍光センサ１０Ａと同じように、貫通孔３１Ｈの壁面に第３のＰＤ素子を形成してもよい。

また、上記説明では、グルコース等の糖類を検出する蛍光センサ１０等を例に説明したが、蛍光色素の選択によって、酵素センサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、又は微生物センサ等の多様な用途に対応できる。例えば、蛍光色素に、生体内の水素イオン濃度又は二酸化炭素を測定する場合には、ヒドロキシピレントリスルホン酸誘導体などを用い、糖類を測定する場合には蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体などを用い、カリウムイオンを測定する場合には蛍光残基を有するクラウンエーテル誘導体などを用いる。

すなわち、本発明は、上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。

１、１Ａ、１Ｂ…センサシステム
２…本体部
３…レシーバー
９…アナライト
１０、１０Ａ、１０Ｂ…蛍光センサ
２０…センサ部
２１…遮光層
２２…インジケータ
２３…ＬＥＤ素子
２４…漏光防止層
２５…接合層
３０…ＳＯＩ基板
３１…基板部
３１Ｈ…貫通孔
３２…透明層
３３…半導体層
３３Ｈ…貫通孔
４１〜４３…ＰＤ素子

Claims (4)

1. アナライトが通過する、励起光及び蛍光を遮断する遮光層と、
   前記励起光を受光すると前記アナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生するインジケータと、
   上面の開口が前記遮光層に覆われ、前記インジケータが内部に配設されている第１貫通孔のある基板部と、
   前記第１貫通孔の下面を覆う透明層と、
   前記透明層の下に配設された、第１の主面と第２の主面とを貫通する第２貫通孔があり、一方の主面に前記インジケータが発生する前記蛍光を検出する第１受光部が形成されており、他方の主面及び前記第２貫通孔の壁面の少なくともいずれかに、前記励起光を検出する第２受光部が形成されている半導体層と、
   前記第２貫通孔の下側に配設された、前記第２貫通孔を介して前記インジケータに受光される前記励起光を発生する発光素子と、を具備することを特徴とする蛍光センサ。
2. 前記半導体層が、活性層が酸化膜を介して支持基板に配設されているＳＯＩ基板の前記活性層であり、
   前記基板部が、前記ＳＯＩ基板の前記支持基板であり、
   前記透明層が、前記ＳＯＩ基板の前記酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
3. 前記第１受光部の信号及び前記第２受光部の信号から、前記アナライト濃度が算出されることを特徴とする請求項２に記載の蛍光センサ。
4. 前記基板部の前記第１貫通孔の壁面に、前記蛍光を検出する第３受光部が形成されており、
   前記第１受光部の信号、前記第２受光部の信号及び前記第３受光部の信号から、前記アナライト濃度が算出されることを特徴とする請求項３に記載の蛍光センサ。

Images