JP5129011B2

JP5129011B2 - Sensor element, analysis chip, and analysis device using nanostructures

Info

Publication number: JP5129011B2
Application number: JP2008114261A
Authority: JP
Inventors: スンジンチョ; 与志郎赤木; 範ジュン金; 英樹川勝
Original assignee: Sharp Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Sharp Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: JP2009264904A

Description

本発明は、ナノ構造体を用いたセンサ素子に関し、特にシリコンナノワイヤを用いたセンサ素子及びその製造方法等に関する。 The present invention relates to a sensor element using a nanostructure, and more particularly to a sensor element using a silicon nanowire, a manufacturing method thereof, and the like.

ナノワイヤのようなナノ構造体は、電極間に配置することによりトランジスタを構成し、センサ等に利用されている。例えば特許文献１には、ナノワイヤを基板上に配置し、試料を流すための流路を形成したＰＤＭＳ（ポリメチルシロキサン）板を、上記基板に張り合わせることにより、流路中にナノワイヤを配置させたバイオセンサが開示されている。 A nanostructure such as a nanowire constitutes a transistor by being disposed between electrodes and is used for a sensor or the like. For example, in Patent Document 1, a nanowire is arranged on a substrate, and a PDMS (polymethylsiloxane) plate on which a channel for flowing a sample is formed is attached to the substrate, whereby the nanowire is arranged in the channel. A biosensor is disclosed.

このようなナノワイヤの製造方法は２つに大別され、一方は、金属触媒等を用いてナノワイヤを成長させ、塗布及び配列技術を用いて基板に配置させるボトムアップの製造方法である。他方は、シリコン基板またはＳＯＩ基板などに、半導体微細加工技術を用いてナノワイヤを形成するトップダウンの製造方法である。
特表２００４−５１５７８２号公報（２００４年５月２７日公表） Such a nanowire manufacturing method is roughly divided into two, and one is a bottom-up manufacturing method in which a nanowire is grown using a metal catalyst or the like, and placed on a substrate using a coating and alignment technique. The other is a top-down manufacturing method in which nanowires are formed on a silicon substrate or SOI substrate using a semiconductor microfabrication technique.
JP 2004-515882 A (published May 27, 2004)

しかしながら、上記ナノワイヤを用いたセンサにおいて、ボトムアップの製造方法でナノワイヤを形成すると、ナノワイヤを成長により形成し、塗布や配列技術を用いて電極間に配置するため、ナノワイヤを流路の所定位置に精度よく配置することは困難である。つまり、微細なレベルでの配置制御を行うことは困難である。よって、信頼性の高いラベルフリーセンサを提供できない。他方、トップダウンの製造方法を用いた場合でも、シリコン系樹脂であるＰＤＭＳ等のカバー層に流路を形成し、人為的な張り合わせにてセンサチップを作成するため、流路とナノワイヤの位置を精度よく制御することが困難である。よって、いずれの方法でも、高性能のセンサを作成することが困難である。 However, in the above-described sensor using nanowires, when nanowires are formed by a bottom-up manufacturing method, nanowires are formed by growth and placed between electrodes using coating or alignment techniques. It is difficult to arrange with high accuracy. That is, it is difficult to perform arrangement control at a fine level. Therefore, a highly reliable label-free sensor cannot be provided. On the other hand, even when a top-down manufacturing method is used, a flow path is formed in a cover layer such as PDMS, which is a silicon-based resin, and a sensor chip is created by artificial bonding. It is difficult to control accurately. Therefore, it is difficult to create a high-performance sensor by any method.

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、流路において露出したナノ構造体を有するセンサ素子であり、簡易に形成でき、信頼性が高く、検出が高性能で行えるセンサ素子等を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is a sensor element having a nanostructure exposed in a flow path, which can be easily formed, has high reliability, and has high detection performance. It is to provide a sensor element or the like that can be used.

本発明に係るセンサ素子は、上記課題を解決するために、溝部が設けられた面を有する基板と、上記溝部内で当該溝部の両側壁に懸架して設けられ、かつ、上記基板と一体に構成されたナノ構造体と、を有し、上記ナノ構造体は、上記溝部の底部から離間していることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a sensor element according to the present invention is provided with a substrate having a surface provided with a groove, and suspended from both side walls of the groove within the groove, and is integrated with the substrate. A nanostructure configured, wherein the nanostructure is separated from the bottom of the groove.

上記構成によると、ナノ構造体は基板に設けられた溝部内で当該溝部の両側壁に懸架して設けられ、かつ、基板と一体に構成されている。つまり、ナノ構造体は基板を加工することにより形成され、基板と一体不可分に形成される。 According to the above configuration, the nanostructure is provided so as to be suspended from both side walls of the groove within the groove provided in the substrate, and is configured integrally with the substrate. That is, the nanostructure is formed by processing the substrate, and is formed inseparably from the substrate.

ここで、溝部が設けられた基板の表面上に、溝部を形成しない平坦なカバー層を張り合わせるだけで、流路を形成することができ、この流路中に上記ナノ構造体を露出して配置させることができる。なお、流路とは、試料等の溶液を流すための通路である。 Here, a channel can be formed by simply bonding a flat cover layer that does not form a groove on the surface of the substrate provided with the groove, and the nanostructure is exposed in the channel. Can be placed. The flow path is a passage for flowing a solution such as a sample.

よって、上記構成によると、ナノ構造体を、流路の所定位置へ、微細なレベルで、精度よく配置することが可能となる。そのため、高性能な検出が可能となる。また、本発明に係るセンサ素子では、ナノ構造体と基板とが一体であるため、ナノ構造体を成長により形成し塗布や配列技術を用いて電極間に配置したセンサ素子と比べて、流路に流れる溶液によるナノ構造体のズレや剥がれなどの問題がなく、耐久性が高くなる。 Therefore, according to the said structure, it becomes possible to arrange | position a nanostructure to a predetermined position of a flow path with a fine level with high precision. Therefore, high-performance detection becomes possible. Further, in the sensor element according to the present invention, since the nanostructure and the substrate are integrated, the channel is formed in comparison with the sensor element in which the nanostructure is formed by growth and disposed between the electrodes using coating or array technology. There is no problem such as displacement or peeling of the nanostructure due to the solution flowing in the layer, and durability is increased.

以上のことから、本発明に係るセンサ素子により、簡易に形成でき、信頼性が高く、検出が高性能で行えるセンサ素子を提供することができる。 From the above, the sensor element according to the present invention can provide a sensor element that can be easily formed, has high reliability, and can perform detection with high performance.

なお、ナノ構造体は、上記溝部の延伸方向に対して垂直に配置されていてもよいし、斜めに配置されていてもよい。 In addition, the nanostructure may be arrange | positioned perpendicularly | vertically with respect to the extending direction of the said groove part, and may be arrange | positioned diagonally.

また、上記センサ素子では、上記構成に加え、上記ナノ構造体は、上記溝部の上端部から離間していてもよい。 In the sensor element, in addition to the above configuration, the nanostructure may be separated from the upper end of the groove.

上記構成によると、ナノ構造体は、溝部の底部から離間しており、さらに溝部の上端部から離間している。このような構造であると、溝部に上記したカバー層を被せて流路を形成すると、ナノ構造体の上部と下部とに流路ができる。よって、ナノ構造体の流路で露出される表面積がさらに多くなる。そのため、この増加した表面積のナノ構造体と、流路を流れる物質とを、反応させることができる。例えば、ナノ構造体にリガンドを固定化する場合、リガンドをより多く固定化できる。よって、このリガンドと反応する標的分子とも、より多く反応させることができる。その結果、センサの感度を上げることができ、より高性能な検出を行うことができる。 According to the said structure, the nanostructure is spaced apart from the bottom part of a groove part, and is further spaced apart from the upper end part of a groove part. With such a structure, when the channel is formed by covering the groove portion with the above-described cover layer, a channel is formed at the upper and lower portions of the nanostructure. Therefore, the surface area exposed in the channel of the nanostructure is further increased. Therefore, the nanostructure having the increased surface area can be reacted with the substance flowing in the flow path. For example, when a ligand is immobilized on the nanostructure, more ligands can be immobilized. Therefore, the target molecule reacting with this ligand can be reacted more. As a result, the sensitivity of the sensor can be increased and detection with higher performance can be performed.

ここで、上記ナノ構造体は、ナノスケールの構造体であればよく、上記ナノ構造体及び上記基板は、半導体からなっていてもよい。特に、上記ナノ構造体及び上記基板は、シリコンからなっていてもよい。 Here, the nanostructure may be a nanoscale structure, and the nanostructure and the substrate may be made of a semiconductor. In particular, the nanostructure and the substrate may be made of silicon.

また、上記センサ素子では、上記構成に加え、上記溝部内に、さらに、当該溝部の両壁面に懸架して設けられた金属から成る金属ナノ構造体が設けられていてもよい。 In the sensor element, in addition to the above-described configuration, a metal nanostructure made of a metal suspended from both wall surfaces of the groove may be provided in the groove.

上記構成によると、金属ナノ構造体をヒータとして用いることができる。このヒータにより、溝部からなる流路を流れる溶液の温度を変化させることができ、温度を変化させて場合の、ナノ構造体に固定したリガンドと標的分子との反応を、計測することができる。 According to the above configuration, the metal nanostructure can be used as a heater. With this heater, the temperature of the solution flowing through the channel formed by the groove can be changed, and the reaction between the ligand immobilized on the nanostructure and the target molecule when the temperature is changed can be measured.

なお金属ナノ構造体を用いず、標的分子検出用の上記ナノ構造体をヒータとして兼用してもよい。 In addition, you may use the said nanostructure for target molecule detection as a heater without using a metal nanostructure.

また、上記センサ素子では、上記構成に加え、上記溝部に、上記ナノ構造体を複数形成するのがよい。溝部に複数のナノ構造体が形成されることにより、流路にナノ構造体が複数配置される。よって、流路内の一部のナノ構造体でキャッチできない標的分子を、流路内の複数のナノ構造体でキャッチすることにより標的分子を均一的に検出することができ、より信頼性が高いセンサを提供することが可能となる。つまり、複数のナノ構造体が配置されることで、全体的に分布した標的分子をその複数のナノ構造体でキャッチでき、平均を取り評価できるので、好ましい。 In the sensor element, in addition to the above configuration, a plurality of the nanostructures may be formed in the groove. By forming a plurality of nanostructures in the groove, a plurality of nanostructures are arranged in the flow path. Therefore, target molecules that cannot be caught by some nanostructures in the flow channel can be detected uniformly by catching the target molecules by a plurality of nanostructures in the flow channel, which is more reliable. A sensor can be provided. That is, it is preferable that a plurality of nanostructures are arranged, so that the target molecules distributed as a whole can be caught by the plurality of nanostructures and averaged and evaluated.

また、上記センサ素子では、上記ナノ構造体は、マトリクス形状に設けられていてもよい。マトリクス形状であると、シングル形状に比べて、シリコンナノワイヤの欠損を防止し、シリコンナノワイヤの欠損によるセンサ素子の動作不具合を防止できる。よって、マトリクス形状のシリコンナノワイヤのセンサ素子を用いた測定時の安定性が向上する。さらに、マトリクス形状のシリコンナノワイヤであると、ナノワイヤの表面積を大きくすることができ、センサの感度をさらに向上させることができる。なお、シングル形状でもマトリクス形状でも、シリコンナノワイヤの本数に限定はない。 In the sensor element, the nanostructure may be provided in a matrix shape. Compared to the single shape, the matrix shape can prevent the silicon nanowire from being lost, and can prevent malfunction of the sensor element due to the silicon nanowire loss. Therefore, the stability at the time of measurement using the sensor element of a matrix-shaped silicon nanowire improves. Furthermore, when the silicon nanowire has a matrix shape, the surface area of the nanowire can be increased, and the sensitivity of the sensor can be further improved. Note that the number of silicon nanowires is not limited in either a single shape or a matrix shape.

また、本発明に係るセンサ素子は、上記ナノ構造体が設けられた上記溝部二つ有していてもよい。二つの溝部にそれぞれ設けられた基板と一体のナノ構造体は、上記のように、大きさが揃って精度よく配置されているため、差動型分析システムに用いることができるセンサ素子を提供することができる。 In addition, the sensor element according to the present invention may include the two groove portions provided with the nanostructure. Since the nanostructures integrated with the substrates respectively provided in the two groove portions are arranged in a uniform size and with high accuracy as described above, a sensor element that can be used in a differential analysis system is provided. be able to.

本発明に係る分析チップは、上記何れか１つのセンサ素子を有している。また、本発明に係る分析装置は、上記分析チップを用いて、上記ナノ構造体にリガンドを固定し、上記ナノ構造体の電気的特性の変化を測定することで標的分子を検出する。よって、これら分析チップや分析装置を用いることで、精度よく、また感度を上げて、標的分子の分析や検出を行うことができる。 The analysis chip according to the present invention has any one of the above sensor elements. Moreover, the analyzer according to the present invention detects a target molecule by immobilizing a ligand on the nanostructure using the analysis chip and measuring a change in electrical characteristics of the nanostructure. Therefore, by using these analysis chips and analyzers, target molecules can be analyzed and detected with high accuracy and high sensitivity.

また、本発明に係る差動型分析チップは、上記ナノ構造体が設けられた上記溝部を二つ有するセンサ素子を有し、上記二つの溝部のうち、一方の溝部の上記ナノ構造体にはリガンドを修飾して検出部として使用し、他方の溝部のナノ構造体にはリガンドを固定せずに参照検出部として使用する、ことを特徴としている。 In addition, the differential analysis chip according to the present invention includes a sensor element having two of the groove portions provided with the nanostructure, and the nanostructure in one of the two groove portions includes the sensor element. It is characterized in that the ligand is modified and used as a detection part, and the ligand is not fixed to the nanostructure in the other groove part and used as a reference detection part.

ここで、サンプル溶液中にはイオン等、電極のインピータンス変化に影響を与える分子が含まれるため、標的分子がナノ構造体に固定化されているリガンドと結合することによるインピータンス変化のみを計測するためには、参照検出部を設ける必要がある。本発明に係るセンサ素子は、ナノ構造体を基板に一体に形成することで、大きさの揃ったナノ構造体の配置を精度よく行うことができるので、差動型センサ素子を実現可能である。よって、差動型センサ素子を用いた差動型分析チップや、この差動型分析チップを用い、上記ナノ構造体の電気的特性の変化を測定することで標的分子を検出する分析装置により、検出部及び参照検出部のインピーダンス変化を測定し、検出部のインピーダンス変化量から参照検出部のインピーダンス変化量を差し引くことで、より正確な標的分子の検出が可能になる。 Here, since the sample solution contains molecules that affect the impedance change of the electrode, such as ions, only the change in impedance due to the binding of the target molecule to the ligand immobilized on the nanostructure is measured. In order to do this, it is necessary to provide a reference detector. The sensor element according to the present invention can form a nano-structure having a uniform size by forming the nano-structure integrally with the substrate, so that a differential sensor element can be realized. . Therefore, a differential analysis chip using a differential sensor element, or an analyzer that detects a target molecule by measuring a change in the electrical characteristics of the nanostructure using the differential analysis chip, By measuring the impedance change of the detection unit and the reference detection unit and subtracting the impedance change amount of the reference detection unit from the impedance change amount of the detection unit, it becomes possible to detect the target molecule more accurately.

本発明に係る分析装置は、ナノ構造体を有するセンサ素子を用いて、当該ナノ構造体にリガンドを固定し、当該ナノ構造体の電気的特性の変化を測定することで標的分子を検出する分析装置であって、上記ナノ構造体に電圧を印加する電圧印加部と、印加する電圧を制御する電圧制御部とを備えたことを特徴としている。 The analysis apparatus according to the present invention uses a sensor element having a nanostructure to fix a ligand to the nanostructure, and to detect a target molecule by measuring a change in electrical characteristics of the nanostructure. An apparatus is characterized by comprising a voltage application unit for applying a voltage to the nanostructure and a voltage control unit for controlling the voltage to be applied.

上記構成によると、ナノ構造体に電圧を印加することで上記ナノ構造体に電流を流して、上記ナノ構造体の温度を変化させることができ、印加する電圧を制御することで、ナノ構造体の温度制御することができる。 According to the above configuration, by applying a voltage to the nanostructure, current can be passed through the nanostructure to change the temperature of the nanostructure, and by controlling the voltage applied, the nanostructure The temperature can be controlled.

よって、上記構成によると、ナノ構造体の温度を制御して、ナノ構造体に固定したリガンドと標的分子との反応を計測することができる。ナノ構造体の温度制御により、ナノ構造体を含む微細空間での溶液の温度制御ができ、例えば、様々な生体分子、特に生体機能分子であるタンパク質における温度変化による単分子レベルでの反応及び生体分子間作用を調べることで、分子の構造や反応機構などを解明することができる。 Therefore, according to the above configuration, the reaction between the ligand immobilized on the nanostructure and the target molecule can be measured by controlling the temperature of the nanostructure. By controlling the temperature of the nanostructure, it is possible to control the temperature of the solution in a fine space containing the nanostructure. For example, reactions at a single molecule level due to temperature changes in various biomolecules, particularly proteins that are biofunctional molecules, By examining the intermolecular action, the molecular structure and reaction mechanism can be elucidated.

さらに、例えば、タンパク質の検出において、生化学反応は３５度から４０度の間で最も活性をもつので、ナノ構造体に電圧を印加しジュールヒーティングすることで、微細空間内の溶液の温度を上記のような生化学反応に最適な温度に制御すると、標的分子とリガンドとの結合（免疫反応や酵素反応など）を、より効率的に行わせることができる。このように、標的分子とリガンドとの反応を向上させることができ、よって、検出感度を高めることができる。 Furthermore, for example, in protein detection, the biochemical reaction is most active between 35 degrees and 40 degrees. Therefore, by applying a voltage to the nanostructure and performing Joule heating, the temperature of the solution in the fine space can be reduced. When the temperature is controlled to the optimum temperature for the biochemical reaction as described above, the binding (immune reaction, enzyme reaction, etc.) between the target molecule and the ligand can be performed more efficiently. Thus, the reaction between the target molecule and the ligand can be improved, and thus the detection sensitivity can be increased.

上記分析装置は、電圧印加により温度を変化させることができるナノ構造体を備えたセンサ素子であれば用いることができる。なお、ナノ構造体を効率よく発熱させるためには、架橋形のナノ構造体を有するセンサ素子が好ましく、上記したいずれかのセンサ素子を用いてもよい。 The above-described analyzer can be used as long as the sensor element includes a nanostructure that can change the temperature by applying a voltage. In order to efficiently generate heat in the nanostructure, a sensor element having a crosslinked nanostructure is preferable, and any of the sensor elements described above may be used.

本発明に係る分析装置は、ナノ構造体を有するセンサ素子を用いて、当該ナノ構造体にリガンドを固定し、当該リガンドと反応する標的分子を検出する分析装置であって、上記ナノ構造体を振動させる振動手段と、上記ナノ構造体の振動数を測定する測定手段とを備えたことを特徴としている。 An analyzer according to the present invention is an analyzer that uses a sensor element having a nanostructure to fix a ligand to the nanostructure and detect a target molecule that reacts with the ligand. It is characterized by comprising a vibrating means for vibrating and a measuring means for measuring the frequency of the nanostructure.

ナノ構造体の固有振動数は、標的分子がナノ構造体の表面に固定化されたリガンドと結合すると、この結合前と後とでは、変化する。よって、結合前のナノ構造体を振動させて振動数を測定し、結合後のナノ構造体を振動させて振動数を測定し、振動数の変化を計測することで、標的分子を検出することができる。なお、結合していなければ振動数は変化しない。 When the target molecule binds to a ligand immobilized on the surface of the nanostructure, the natural frequency of the nanostructure changes before and after the binding. Therefore, the target molecule is detected by measuring the frequency by vibrating the nanostructure before bonding, measuring the frequency by vibrating the nanostructure after bonding, and measuring the change in frequency. Can do. If not coupled, the frequency will not change.

さらに、ナノ構造体の固有振動数の変化はナノ構造体に固定化されたリガンドと標的分子の結合量に比例し変化するため、ナノ構造体の固有振動数の変化を計測することによりサンプル中の標的分子の検量が可能になる。 Furthermore, since the change in the natural frequency of the nanostructure changes in proportion to the amount of binding between the ligand immobilized on the nanostructure and the target molecule, the change in the natural frequency of the nanostructure is measured in the sample. Calibration of target molecules is possible.

ここで、上記振動手段は、上記ナノ構造体に光を照射し、上記ナノ構造体を光熱励振させてもよい。このように、光を照射してナノ構造体を光熱励振させる光熱励振法を用いることで、効果的にナノ構造体を振動させることができる。上記光はレーザ光を用いることができる。 Here, the vibration means may irradiate the nanostructure with light to photothermally excite the nanostructure. As described above, the nanostructure can be effectively vibrated by using the photothermal excitation method in which the nanostructure is photothermally excited by irradiation with light. Laser light can be used as the light.

上記分析装置は、固有振動数を有するナノ構造体を備えたセンサ素子であれば用いることができる。なお、振動数を測定するためには、架橋形のナノ構造体を有するセンサ素子が好ましく、上記したいずれかのセンサ素子を用いてもよい。 The analysis device can be used as long as it is a sensor element including a nanostructure having a natural frequency. In order to measure the frequency, a sensor element having a crosslinked nanostructure is preferable, and any of the sensor elements described above may be used.

本発明に係るセンサ素子の製造方法は、上記課題を解決するために、溝部が設けられた面を有する基板と、上記溝部内で当該溝部の両側壁に懸架して設けられ、かつ、上記基板と一体に構成されたナノ構造体と、を有するセンサ素子の製造方法であって、上記溝部と上記ナノ構造体とを同時に、かつ、上記ナノ構造体を上記溝部の底面から離間して、形成するステップを含むことを特徴としている。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing a sensor element according to the present invention is provided with a substrate having a surface provided with a groove portion, suspended on both side walls of the groove portion in the groove portion, and the substrate. And a nanostructure integrally formed with the groove portion and the nanostructure at the same time and forming the nanostructure away from the bottom surface of the groove portion. It is characterized by including the step to perform.

上記方法によると、上記センサ素子と同様の効果を奏し、上記方法により、簡易に、信頼性が高く、検出が高性能で行えるセンサ素子を製造することができる。 According to the said method, there exists an effect similar to the said sensor element, By the said method, the sensor element which can be easily performed with high reliability and high performance can be manufactured.

本発明に係る分析方法は、ナノ構造体を有するセンサ素子を用いて、当該ナノ構造体にリガンドを固定し、当該ナノ構造体の電気的特性の変化を測定することで標的分子を検出する分析方法であって、上記ナノ構造体に印加する電圧を制御することで、上記ナノ構造体の温度制御を行うステップを含むことを特徴としている。 The analysis method according to the present invention uses a sensor element having a nanostructure, fixes a ligand to the nanostructure, and detects a target molecule by measuring a change in the electrical characteristics of the nanostructure. A method is characterized in that it includes a step of controlling the temperature of the nanostructure by controlling a voltage applied to the nanostructure.

上記方法によると、ナノ構造体に電圧を印加することで上記ナノ構造体に電流を流して、上記ナノ構造体の温度を変化させることができる。よって、印加する電圧を制御することで、ナノ構造体の温度制御することができる。そのため、ナノ構造体の温度を制御して、ナノ構造体に固定したリガンドと標的分子との反応を計測することができる。さらに、温度制御によって、標的分子とリガンドとの反応を向上させることができ、検出感度を高めることができる。 According to the above method, by applying a voltage to the nanostructure, current can be passed through the nanostructure to change the temperature of the nanostructure. Therefore, the temperature of the nanostructure can be controlled by controlling the applied voltage. Therefore, the reaction between the ligand immobilized on the nanostructure and the target molecule can be measured by controlling the temperature of the nanostructure. Furthermore, the temperature control can improve the reaction between the target molecule and the ligand, and can increase the detection sensitivity.

本発明に係る分析方法は、ナノ構造体を有するセンサ素子を用いて、当該ナノ構造体にリガンドを固定し、当該リガンドと反応する標的分子を検出する分析方法であって、
上記ナノ構造体を振動させる振動ステップと、上記ナノ構造体の振動数の変化を計量する計量ステップとを含むことを特徴としている。 The analysis method according to the present invention is an analysis method for detecting a target molecule that reacts with a ligand by immobilizing a ligand on the nanostructure using a sensor element having the nanostructure,
The method includes a vibration step for vibrating the nanostructure, and a measurement step for measuring a change in the frequency of the nanostructure.

本発明に係るセンサ素子は、以上のように、溝部が設けられた面を有する基板と、上記溝部内で当該溝部の両側壁に懸架して設けられ、かつ、上記基板と一体に構成されたナノ構造体と、を有し、上記ナノ構造体は、上記溝部の底部から離間している。 As described above, the sensor element according to the present invention is provided with a substrate having a surface provided with a groove portion, suspended on both side walls of the groove portion in the groove portion, and configured integrally with the substrate. A nanostructure, wherein the nanostructure is spaced from the bottom of the groove.

よって、上記構成によると、ナノ構造体を、流路の所定位置へ、微細なレベルで、精度よく配置することが可能となる。そのため、高性能の検出が可能となる。また、本発明に係るセンサ素子では、ナノ構造体と基板が一体であるため、ナノ構造体を成長により形成し塗布や配列技術を用いて電極間に配置したセンサ素子と比べて、流路に流れる溶液によるナノ構造体のズレや剥がれなどの問題がなく、耐久性が高くなる。 Therefore, according to the said structure, it becomes possible to arrange | position a nanostructure to a predetermined position of a flow path with a fine level with high precision. Therefore, high-performance detection becomes possible. Further, in the sensor element according to the present invention, since the nanostructure and the substrate are integrated, the nanostructure is formed by growth, and compared with the sensor element arranged between the electrodes using coating or array technology, There is no problem of deviation or peeling of the nanostructure due to the flowing solution, and durability is increased.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、ナノ構造体は、ナノスケールの構造体であればよく、以下の実施形態では、検出に用いるナノ構造体をシリコンナノワイヤとする。しかし、検出に用いるナノ構造体は、例えば、窒化ガリウムナノワイヤ、ガリウム砒素ナノワイヤ、酸化亜鉛ナノワイヤ等であってもよく、半導体材料であれば適用可能である。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The nanostructure may be a nanoscale structure, and in the following embodiments, the nanostructure used for detection is a silicon nanowire. However, the nanostructure used for detection may be, for example, a gallium nitride nanowire, a gallium arsenide nanowire, a zinc oxide nanowire, or the like, and any semiconductor material is applicable.

〔実施の形態１〕
＜センサの構造＞
初めに、本発明に係るセンサ素子の構造について説明する。図１は本実施形態１のセンサ素子１が有するシリコンナノワイヤ３近傍を示す斜視図である。また、図２は、センサ素子１の上面図である。 [Embodiment 1]
<Sensor structure>
First, the structure of the sensor element according to the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing the vicinity of a silicon nanowire 3 included in the sensor element 1 of the first embodiment. FIG. 2 is a top view of the sensor element 1.

図１に示すように、センサ素子１は、溝部５が設けられた面を有する基板２と、ナノ構造体であるシリコンナノワイヤ３を有している。またセンサ素子１には、カバー層４が設けられている。 As shown in FIG. 1, the sensor element 1 includes a substrate 2 having a surface provided with a groove 5 and a silicon nanowire 3 that is a nanostructure. The sensor element 1 is provided with a cover layer 4.

シリコンナノワイヤ３は、溝部５内で溝部５の両側壁に懸架して設けられ、かつ、基板２と一体に構成されている。さらに、シリコンナノワイヤ３は、溝部５の底部（底面）からも、溝部５の上端部からも離間している。なお、本実施形態では、図１に示すようにシリコンナノワイヤ３は、溝部３の延伸方向に対して垂直に配置されているが、斜めに配置されていてもよい。 The silicon nanowire 3 is provided so as to be suspended from both side walls of the groove 5 in the groove 5 and is configured integrally with the substrate 2. Furthermore, the silicon nanowire 3 is separated from both the bottom (bottom surface) of the groove 5 and the upper end of the groove 5. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the silicon nanowires 3 are arranged perpendicular to the extending direction of the groove 3, but may be arranged obliquely.

基板２にカバー層４が張り合わされ、溝部５とカバー層の下面とから流路が形成される。このように、センサ素子１では、流路は基板２及びカバー層４が張り合わされた面内に構成される。ここで、センサ素子１では、シリコンナノワイヤ３は、溝部５の底部（底面）と上端部とから離間して、溝部５（流路）の両側壁を架橋する形状である。よって、溝部５にカバー層４を被せることで形成される流路は、シリコンナノワイヤ３の上と下との両側に形成される。本実施形態では、流路の上面をなす層であるカバー層４は、ＰＤＭＳからなる。また、流路の底面及び側面となる溝部５を成す基板２は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板から形成される。 The cover layer 4 is bonded to the substrate 2 and a flow path is formed from the groove 5 and the lower surface of the cover layer. As described above, in the sensor element 1, the flow path is configured in the plane where the substrate 2 and the cover layer 4 are bonded together. Here, in the sensor element 1, the silicon nanowire 3 has a shape in which both side walls of the groove 5 (flow path) are bridged away from the bottom (bottom) and the upper end of the groove 5. Therefore, the flow path formed by covering the groove 5 with the cover layer 4 is formed on both sides of the silicon nanowire 3 above and below. In the present embodiment, the cover layer 4 that is a layer forming the upper surface of the flow path is made of PDMS. In addition, the substrate 2 forming the groove portion 5 which becomes the bottom surface and the side surface of the flow path is formed from an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

図２では、流路となる溝部５は、後述する断面図における溝部５の側面を説明するために、上面からの形状をコの字形としているが、例えば、直線状となっていてもよい。 In FIG. 2, the groove 5 serving as a flow path has a U-shaped shape from the upper surface in order to explain a side surface of the groove 5 in a cross-sectional view to be described later, but may be, for example, linear.

流路となる溝部５には絶縁体で支持されたシリコンナノワイヤ３が露出して形成されており、センサ素子１は、このシリコンナノワイヤ３を用いて流路を流れる試料（サンプル）を測定することができる。図２の矢印はこの資料（サンプル）の流路での流れを示している。 The silicon nanowire 3 supported by an insulator is exposed and formed in the groove portion 5 serving as a flow path, and the sensor element 1 measures a sample (sample) flowing through the flow path using the silicon nanowire 3. Can do. The arrows in FIG. 2 indicate the flow of this material (sample) in the flow path.

また、図１、２に示すように、シリコンナノワイヤ３の両端部（溝部の両側壁）にソース電極及びドレイン電極となる半導体領域がそれぞれ形成され、それぞれの半導体領域はシリコンナノワイヤと反対側で金属電極６と電気的に接続され、配線されている。本実施形態では、シリコンナノワイヤ、ソース半導体領域７及びドレイン半導体領域８が形成されている部分以外の流路は、絶縁膜（シリコン酸化膜）で形成されている。シリコンナノワイヤ３、ソース半導体領域７、及び、ドレイン半導体領域８は半導体（シリコン）で形成される。ソース半導体領域７及びドレイン半導体領域８は、シリコンナノワイヤ３と反対側で金属電極６と接続しているため、流路に面することなく、金属電極６を形成することができる。したがって、金属電極６の腐食及び流路に面することによる短絡の問題のない、信頼性の高いセンサを提供することができる。 In addition, as shown in FIGS. 1 and 2, semiconductor regions to be a source electrode and a drain electrode are formed at both ends (both side walls of the groove) of the silicon nanowire 3, and each semiconductor region is a metal on the opposite side to the silicon nanowire. The electrode 6 is electrically connected and wired. In the present embodiment, the flow path other than the portion where the silicon nanowire, the source semiconductor region 7 and the drain semiconductor region 8 are formed is formed of an insulating film (silicon oxide film). The silicon nanowire 3, the source semiconductor region 7, and the drain semiconductor region 8 are formed of a semiconductor (silicon). Since the source semiconductor region 7 and the drain semiconductor region 8 are connected to the metal electrode 6 on the opposite side to the silicon nanowire 3, the metal electrode 6 can be formed without facing the flow path. Therefore, it is possible to provide a highly reliable sensor free from the problem of corrosion of the metal electrode 6 and short circuit due to facing the flow path.

さらに、上記シリコンナノワイヤ３は流路内に露出し、基板２であるＳＯＩ基板と一体に構成されている。すなわち、シリコンナノワイヤはＳＯＩ基板の絶縁膜上の半導体膜（ＳＯＩ膜）を加工することにより形成されており、一体不可分に形成されている。ここで、溝部５が設けられた基板２の表面上に、溝部を形成しない平坦なカバー層４を張り合わせるだけで、流路を形成することができ、この流路中にシリコンナノワイヤ３を露出して配置させることができる。なお、流路とは、試料等の溶液を流すための通路である。 Further, the silicon nanowire 3 is exposed in the flow path and is configured integrally with the SOI substrate which is the substrate 2. That is, the silicon nanowire is formed by processing a semiconductor film (SOI film) on the insulating film of the SOI substrate, and is inseparably formed. Here, a channel can be formed by simply attaching a flat cover layer 4 that does not form a groove on the surface of the substrate 2 provided with the groove 5, and the silicon nanowire 3 is exposed in the channel. Can be arranged. The flow path is a passage for flowing a solution such as a sample.

よって、センサ素子１では、シリコンナノワイヤ３を、流路の所定位置へ、微細なレベルで、精度よく配置することが可能となる。そのため、センサ素子１を用いると、高性能な検出が可能となる。また、センサ素子１では、シリコンナノワイヤ３と基板２とが一体であるため、シリコンナノワイヤを成長により形成し、塗布や配列技術を用いて電極間に配置したセンサ素子と比べて、流路に流れる溶液によるシリコンナノワイヤのズレや剥がれなどの問題がなく、耐久性が高くなる。 Therefore, in the sensor element 1, the silicon nanowire 3 can be accurately arranged at a fine level at a predetermined position in the flow path. Therefore, when the sensor element 1 is used, high-performance detection becomes possible. Further, in the sensor element 1, since the silicon nanowire 3 and the substrate 2 are integrated, the silicon nanowire is formed by growth, and flows in the flow path as compared with the sensor element disposed between the electrodes using coating or array technology. There is no problem such as displacement or peeling of the silicon nanowire due to the solution, and the durability becomes high.

さらに、シリコンナノワイヤ３が溝部５の底部（底面）からも溝部５の上端部からも離間して、溝部５の両側壁を懸架しているため、溝部５にカバー層４を被せることで形成される流路内でのシリコンナノワイヤ３の表面積が、底部に設置された（底部と接続した）シリコンナノワイヤに比べて、増加する。よって、この増加した表面積のシリコンナノワイヤ３と、流路を流れる物質とを、反応させることができる。例えば、ナノ構造体にリガンドを固定化する場合、リガンドをより多く固定化できる。よって、このリガンドと反応する標的分子とも、より多く反応させることができる。その結果、センサの感度を上げることができ、より高性能な検出を行うことができる。 Furthermore, since the silicon nanowire 3 is separated from both the bottom (bottom) of the groove 5 and the upper end of the groove 5 and suspends both side walls of the groove 5, the silicon nanowire 3 is formed by covering the groove 5 with the cover layer 4. The surface area of the silicon nanowire 3 in the flow path increases compared to the silicon nanowire installed at the bottom (connected to the bottom). Therefore, the silicon nanowire 3 having the increased surface area can be reacted with the substance flowing through the flow path. For example, when a ligand is immobilized on the nanostructure, more ligands can be immobilized. Therefore, the target molecule reacting with this ligand can be reacted more. As a result, the sensitivity of the sensor can be increased and detection with higher performance can be performed.

ここで、上記では、図３（ａ）のように、センサ素子において、シリコンナノワイヤ３は、ソース半導体領域７及びドレイン半導体領域８の間に直線の形状（シングル形状）で配置されているものとして説明したが、図３（ｂ）に示すように、シリコンナノワイヤをマトリクス形状にしてもよい。マトリクス形状であると、シングル形状に比べて、シリコンナノワイヤの欠損を防止し、シリコンナノワイヤの欠損によるセンサ素子の動作不具合を防止できる。よって、マトリクス形状のシリコンナノワイヤのセンサ素子を用いた測定時の安定性が向上する。さらに、マトリクス形状のシリコンナノワイヤであると、ナノワイヤの表面積を大きくすることができ、センサの感度をさらに向上させることができる。なお、シングル形状でもマトリクス形状でも、シリコンナノワイヤの本数に限定はない。さらに、シリコンナノワイヤ３、ソース半導体領域７及びドレイン半導体領域８の不純物の導電型については同じ導電型を有していてもよく、ソース半導体領域及びドレイン半導体領域の導電型は、シリコンナノワイヤ３と異なる導電型であってもよい。 Here, in the above, as shown in FIG. 3A, in the sensor element, the silicon nanowire 3 is arranged in a straight line shape (single shape) between the source semiconductor region 7 and the drain semiconductor region 8. As described above, as shown in FIG. 3B, the silicon nanowires may be formed in a matrix shape. Compared to the single shape, the matrix shape can prevent the silicon nanowire from being lost, and can prevent malfunction of the sensor element due to the silicon nanowire loss. Therefore, the stability at the time of measurement using the sensor element of a matrix-shaped silicon nanowire improves. Furthermore, when the silicon nanowire has a matrix shape, the surface area of the nanowire can be increased, and the sensitivity of the sensor can be further improved. Note that the number of silicon nanowires is not limited in either a single shape or a matrix shape. Further, the conductivity types of the impurities in the silicon nanowire 3, the source semiconductor region 7 and the drain semiconductor region 8 may have the same conductivity type, and the conductivity types of the source semiconductor region and the drain semiconductor region are different from those of the silicon nanowire 3. It may be conductive.

＜センサの製造方法＞
次に、本実施形態のセンサ素子１の製造方法について、図４，５を用いて順に説明する。図４（ａ１）〜（ｅ１）及び図５（ａ１）〜（ｆ１）は、図２に示すセンサ素子１のＡＡ’断面を製造工程順に説明する図である。また、図４（ａ２）〜（ｅ２）及び図５（ａ２）〜（ｆ２）は、図２に示すセンサ素子１のＢＢ’断面を製造工程順に説明する図である。 <Sensor manufacturing method>
Next, the manufacturing method of the sensor element 1 of this embodiment is demonstrated in order using FIG. 4 (a1) to (e1) and FIGS. 5 (a1) to (f1) are diagrams for explaining the AA ′ cross section of the sensor element 1 shown in FIG. 2 in the order of the manufacturing process. 4 (a2) to (e2) and FIGS. 5 (a2) to (f2) are diagrams for explaining the BB ′ cross section of the sensor element 1 shown in FIG. 2 in the order of the manufacturing process.

また、図４（ａ３）、（ｄ３）は、センサ素子１の製造工程での上面図（俯瞰図）である。また、図４（ａ４）、（ｅ４）は、フォトレジストの上面図である。ここで、図４において同じ英字の図面（例えば、（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）及び（ａ４））は、同じ工程における図面である。同様に、図５（ａ３）、（ｃ３）、（ｄ３）、（ｅ３）、（ｆ３）は、センサ素子１の製造工程での上面図（俯瞰図）であり、図５（ａ４）、（ｃ４）は、フォトレジストの上面図である。図４においても、同じ英字の図面は、同じ工程における図面である。 4A3 and 4D3 are top views (overhead views) in the manufacturing process of the sensor element 1. FIG. 4A4 and 4E4 are top views of the photoresist. Here, the drawings with the same alphabetical characters in FIG. 4 (for example, (a1), (a2), (a3) and (a4)) are drawings in the same process. Similarly, FIGS. 5 (a3), (c3), (d3), (e3), and (f3) are top views (overhead views) in the manufacturing process of the sensor element 1, and FIGS. c4) is a top view of the photoresist. Also in FIG. 4, the same alphabetic drawing is a drawing in the same process.

まず、図４（ａ１）、（ａ２）に示すように、ＳＯＩ基板である基板２上に、シリコン窒化膜２４をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着法）にて堆積する。当該シリコン窒化膜２４は後の工程であるＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程におけるストッパーとして用いるため、ストッパーとして充分な膜厚であればよい。よって、シリコン窒化膜２４は、例えば１００ｎｍほど堆積すればよい。そして、ソース半導体領域、ドレイン半導体領域、シリコンナノワイヤ（ＳｉＮＷ）部分を含む流路、及びメタル形成部分を覆うようにフォトリソグラフィ技術を用いて、図４（ａ４）に示すレジスト２５を形成する。次に、このレジスト２５をマスクとしてシリコン窒化膜２４をエッチングすることによりレジスト２５と同形にシリコン窒化膜２４をパターニングする。パターニングされたシリコン窒化膜２４を、図４（ａ３）に示す。 First, as shown in FIGS. 4A1 and 4A2, a silicon nitride film 24 is deposited on the substrate 2 which is an SOI substrate by CVD (Chemical Vapor Deposition). Since the silicon nitride film 24 is used as a stopper in a CMP (Chemical Mechanical Polishing) process, which is a subsequent process, the silicon nitride film 24 may have a film thickness sufficient as a stopper. Therefore, the silicon nitride film 24 may be deposited by about 100 nm, for example. Then, a resist 25 shown in FIG. 4A4 is formed using a photolithography technique so as to cover the source semiconductor region, the drain semiconductor region, the flow path including the silicon nanowire (SiNW) portion, and the metal formation portion. Next, the silicon nitride film 24 is patterned in the same shape as the resist 25 by etching the silicon nitride film 24 using the resist 25 as a mask. The patterned silicon nitride film 24 is shown in FIG.

なお、絶縁膜上シリコン膜（ＳＯＩ膜）は、例えばｐ型の導電型を高濃度にドープされている基板を用いるのが好ましい。このような基板を用いることにより、後のメタル形成工程において好適な接続が得られるからである。また、メタル形成工程で不純物注入を別途行うことにより、適宜ソース半導体領域及びドレイン半導体領域と、シリコンナノワイヤ３領域の不純物濃度をそれぞれ調整できるため、検出に適したシリコンナノワイヤの不純物濃度及び不純物種などを調整できるので、好ましい。 For the silicon film on the insulating film (SOI film), it is preferable to use, for example, a substrate doped with a p-type conductivity type at a high concentration. This is because by using such a substrate, a suitable connection can be obtained in a later metal forming step. Further, by separately performing impurity implantation in the metal forming step, the impurity concentration of the source semiconductor region and the drain semiconductor region and the silicon nanowire 3 region can be adjusted as appropriate, so that the impurity concentration and impurity species of the silicon nanowire suitable for detection, etc. Can be adjusted, which is preferable.

また、基板２としては、ＳＯＩ基板における絶縁膜上シリコン膜（ＳＯＩ膜）２３の膜厚がその後形成される流路の高さに影響するため、必要とされる流路高さに応じて、膜厚が１０μｍから１０００μｍ程度のＳＯＩ膜２３の、ＳＯＩ基板を準備するとよい。本実施形態ではＳＯＩ膜厚は５０μｍとした。 Further, as the substrate 2, since the film thickness of the silicon film on the insulating film (SOI film) 23 in the SOI substrate affects the height of the flow path formed thereafter, according to the required flow path height, It is preferable to prepare an SOI substrate having an SOI film 23 having a thickness of about 10 μm to 1000 μm. In this embodiment, the SOI film thickness is 50 μm.

次に、図４（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、基板２の絶縁膜上シリコン膜（ＳＯＩ膜）２３を、レジスト２５をマスクとしてエッチングし、レジスト２５及びシリコン窒化膜２４と同形にＳＯＩ膜２３をパターニングする。また、このパターニングにより、ＳＯＩ膜２３に、流路高さとして必要とされる１０μｍ以上のエッチングをしなければならない。従って、通常の半導体製造工程で用いられるような微細なエッチングを行うとかなり時間がかかってしまう。そこで、シリコンの深堀エッチング装置たとえばＩＣＰエッチング装置などを用いてエッチングするのが好ましい。その後、レジスト２５を剥離する。なお、レジスト２５をマスクとしてシリコン窒化膜２４をエッチングした後、レジスト２５を剥離して、シリコン窒化膜２４をマスクとしてＳＯＩ膜２３をエッチングしても構わない。 Next, as shown in FIGS. 4B1 and 4B2, the silicon film (SOI film) 23 on the insulating film of the substrate 2 is etched using the resist 25 as a mask so as to have the same shape as the resist 25 and the silicon nitride film 24. The SOI film 23 is patterned. In addition, by this patterning, the SOI film 23 must be etched by 10 μm or more, which is necessary for the channel height. Accordingly, if fine etching such as that used in a normal semiconductor manufacturing process is performed, it takes a considerable amount of time. Therefore, it is preferable to perform etching using a deep silicon etching apparatus such as an ICP etching apparatus. Thereafter, the resist 25 is peeled off. Note that after etching the silicon nitride film 24 using the resist 25 as a mask, the resist 25 may be peeled off and the SOI film 23 may be etched using the silicon nitride film 24 as a mask.

次に、図４（ｃ１）、（ｃ２）に示すように、シリコン酸化膜２６を、ＣＶＤを用いて堆積する。この堆積には、厚膜形成に最適化されたＴＥＯＳ−ＣＶＤ装置を用いるのが好ましい。ＴＥＯＳ−ＣＶＤ装置により１０μｍ以上の厚膜のシリコン酸化膜を形成することができる。また、５μｍ以下のアモルファスシリコン膜またはエピシリコン膜のＣＶＤ堆積工程と、当該アモルファスシリコン膜またはエピシリコン膜の熱酸化工程と、を繰り返すことにより、厚膜のシリコン酸化膜形成をより早く完了することができる。 Next, as shown in FIGS. 4C1 and 4C2, a silicon oxide film 26 is deposited using CVD. For this deposition, it is preferable to use a TEOS-CVD apparatus optimized for thick film formation. A silicon oxide film having a thickness of 10 μm or more can be formed by a TEOS-CVD apparatus. Further, by repeating the CVD deposition process of an amorphous silicon film or episilicon film of 5 μm or less and the thermal oxidation process of the amorphous silicon film or episilicon film, the formation of the thick silicon oxide film can be completed earlier. Can do.

次に、図４（ｄ１）、（ｄ２）に示すように、シリコン窒化膜２４をストッパーにしてＣＭＰを行う。その後、残ったシリコン窒化膜２４を、リン酸等を用いた選択的ウエットエッチングを用いて除去する。なお、シリコン窒化膜は除去せずに次の工程で用いるＳＯＩ膜のエッチングマスクに用いるためのシリコン窒化膜に流用してもよい。図４（ｄ３）は、シリコン窒化膜２４が残ったままの状態を示している。 Next, as shown in FIGS. 4D1 and 4D2, CMP is performed using the silicon nitride film 24 as a stopper. Thereafter, the remaining silicon nitride film 24 is removed by selective wet etching using phosphoric acid or the like. Note that the silicon nitride film may be used as an etching mask for an SOI film used in the next step without removing the silicon nitride film. FIG. 4D3 shows a state where the silicon nitride film 24 remains.

次に、図４（ｅ１）、（ｅ２）に示すように、溝部５（シリコンナノワイヤ３が形成される部分も含む）のみ露出するように、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト３０をパターニングする。このとき用いるレジスト３０を図４（ｅ４）に示す。そして、シリコンナノワイヤ３の高さを調整するため、すなわち、シリコンナノワイヤ３の上側にも流路となる空間を設けるため、露出した流路部（ＳｉＮＷ部も含む）のシリコンをエッチングし、薄膜化する。すなわち、このエッチングにより、ＳＯＩ膜２３に、流路高さとして必要とされる１０μｍ以上のエッチングをしなければならない。従って、通常の半導体製造工程で用いられるような微細なエッチング技術を行うとかなり時間がかかってしまい生産効率が悪くなる。そこで、シリコンの深堀エッチング装置たとえばＩＣＰエッチング装置などを用いてエッチングするのが好ましい。なお、ＫＯＨを用いたウエットエッチングによる異方性エッチングを行ってもよい。本実施形態では、エッチング深さは２５μｍ程度とした。ここで行うシリコンエッチングの深さを変えることにより、最終的に形成されるシリコンナノワイヤ３の高さを調整することができる。 Next, as shown in FIGS. 4E1 and 4E2, the resist 30 is patterned using a photolithography technique so that only the groove 5 (including the portion where the silicon nanowire 3 is formed) is exposed. The resist 30 used at this time is shown in FIG. Then, in order to adjust the height of the silicon nanowire 3, that is, to provide a space to be a channel on the upper side of the silicon nanowire 3, the silicon in the exposed channel part (including the SiNW part) is etched to form a thin film. To do. That is, by this etching, the SOI film 23 must be etched by 10 μm or more, which is required as the channel height. Therefore, if a fine etching technique such as that used in a normal semiconductor manufacturing process is performed, it takes a considerable time and the production efficiency deteriorates. Therefore, it is preferable to perform etching using a deep silicon etching apparatus such as an ICP etching apparatus. Note that anisotropic etching by wet etching using KOH may be performed. In this embodiment, the etching depth is about 25 μm. The height of the silicon nanowire 3 to be finally formed can be adjusted by changing the depth of the silicon etching performed here.

その後、図５（ａ１）、（ａ２）に示すように、シリコン窒化膜２７をＣＶＤにて堆積する。シリコン窒化膜２７上にフォトリソグラフィ技術を用いて、図５（ａ４）に示すレジストを形成する。このレジストはシリコンナノワイヤ領域及びソース・ドレイン半導体領域を形成する領域を規定するものであり、シリコンナノワイヤ領域及びソース・ドレイン半導体領域にレジストが残るようにパターニングする。このときの上面図を図５（ａ３）に示す。なお、ここでシリコン窒化膜２７を堆積したが、前の工程におけるＣＭＰのストッパーに用いたシリコン窒化膜２４を除去せずに流用してもよい。 Thereafter, as shown in FIGS. 5A1 and 5A2, a silicon nitride film 27 is deposited by CVD. A resist shown in FIG. 5A4 is formed on the silicon nitride film 27 by using a photolithography technique. This resist defines a region for forming the silicon nanowire region and the source / drain semiconductor region, and is patterned so that the resist remains in the silicon nanowire region and the source / drain semiconductor region. A top view at this time is shown in FIG. Although the silicon nitride film 27 is deposited here, the silicon nitride film 24 used as a CMP stopper in the previous step may be used without being removed.

次に、図５（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、ＫＯＨを用いたウエットエッチングによる異方性エッチングを行い、ＳＯＩ膜２３をエッチングする。ここではＫＯＨ溶液は、例えば４０ｗ％、６０℃で用いるとよい。ＫＯＨを用いることにより、面方位による異方性エッチングが可能となるため、シリコンの微細な細線を形成することができる。本工程は上記以外にも、ＲＩＥを用いたドライエッチングによる異方性エッチングを行うことにより、シリコン窒化膜２７の形状に応じたシリコンの微細な細線を形成することもできる。ここでのシリコンエッチング深さは、ＳｉＮＷのおおよその高さ方向の大きさを規定することとなる。そのため、ここでのエッチング深さは数ｎｍから数百ｎｍの範囲で適切に選択することができる。ここでは、５００ｎｍ程度の深さをエッチングした。なお、後の工程のＫＯＨによるＳｉＮＷの下のシリコンを除去する際に、多少のエッチングもあるため、当該エッチング深さより多少小さくなる。 Next, as shown in FIGS. 5B1 and 5B2, anisotropic etching is performed by wet etching using KOH, and the SOI film 23 is etched. Here, the KOH solution may be used at, for example, 40 w% and 60 ° C. By using KOH, anisotropic etching based on the plane orientation becomes possible, so that fine fine lines of silicon can be formed. In this step, in addition to the above, anisotropic fine etching by dry etching using RIE can be performed to form fine fine silicon lines corresponding to the shape of the silicon nitride film 27. The silicon etching depth here defines the approximate height of SiNW in the height direction. Therefore, the etching depth here can be appropriately selected within the range of several nm to several hundred nm. Here, a depth of about 500 nm was etched. Note that, when silicon under the SiNW is removed by KOH in a later step, since there is some etching, the etching depth is slightly smaller than the etching depth.

次に、図５（ｃ１）、（ｃ２）に示すように、シリコン窒化膜２７を耐酸化膜として酸化（ＬＯＣＯＳ酸化：local oxidation of silicon）を行う。すなわち、シリコン窒化膜２７を耐酸化膜として用いて、シリコンの露出部分を熱酸化し、シリコンの露出部分に酸化膜２８を形成する。当該熱酸化工程により、シリコンナノワイヤをより細線化することができる。熱酸化を用いるために微細な、数ｎｍレベルの、シリコンナノワイヤ径を制御することができる。 Next, as shown in FIGS. 5C1 and 5C2, oxidation (LOCOS oxidation: local oxidation of silicon) is performed using the silicon nitride film 27 as an oxidation resistant film. That is, by using the silicon nitride film 27 as an oxidation resistant film, the exposed portion of silicon is thermally oxidized to form an oxide film 28 on the exposed portion of silicon. By the thermal oxidation step, the silicon nanowire can be further thinned. Because of the use of thermal oxidation, it is possible to control the silicon nanowire diameter, which is fine, at the level of several nanometers.

次に、ＳｉＮＷ及びソース・ドレイン半導体領域を覆うよう、レジスト２９をフォトリソグラフィを用いて形成する。この際、ＳｉＮＷ及びソース・ドレイン半導体領域の設計に合わせてレジストを形成するのではなく、ＳｉＮＷ及びソース・ドレイン半導体領域の側壁も覆うようにオーバーハング量を調整しレジスト２９をパターニングする必要がある。このようにすることにより、後の工程で当該レジスト２９をマスクにエッチングするシリコン酸化膜がＳｉＮＷ及びソース・ドレイン半導体領域より大きめに残るため、さらに後の工程でシリコンをウェットエッチングするときのマスクとしてのシリコン酸化膜が、ＳｉＮＷ及びソース・ドレイン半導体領域の側壁部にも形成される。したがって、シリコンをウエットエッチングする際に、所望の形状にシリコンを除去でき、ＳｉＮＷ及びソース・ドレイン半導体領域は所望の形状に残すことができる。 Next, a resist 29 is formed by photolithography so as to cover the SiNW and the source / drain semiconductor regions. At this time, instead of forming a resist in accordance with the design of the SiNW and the source / drain semiconductor regions, it is necessary to pattern the resist 29 by adjusting the overhang amount so as to cover the sidewalls of the SiNW and the source / drain semiconductor regions. . By doing so, a silicon oxide film to be etched using the resist 29 as a mask in a later process remains larger than the SiNW and source / drain semiconductor regions. Therefore, as a mask for wet etching of silicon in a later process. The silicon oxide film is also formed on the side walls of the SiNW and source / drain semiconductor regions. Therefore, when the silicon is wet-etched, the silicon can be removed in a desired shape, and the SiNW and the source / drain semiconductor regions can be left in the desired shape.

次に、図５（ｄ１）、（ｄ２）に示すように、所望の形状にパターニングしたレジスト２９をマスクにＢＨＦ溶液を用いてシリコン酸化膜２８をウエットエッチし、除去する。ここで用いるＢＨＦ溶液は、例えば、濃度２２％で、２５℃にて用いるとよい。なお、ここでウエットエッチングを用いる以外に、ＲＩＥドライエッチングを用いてレジスト２９をマスクにシリコン酸化膜２８を除去することもできる。 Next, as shown in FIGS. 5D1 and 5D2, the silicon oxide film 28 is wet-etched and removed using a BHF solution using a resist 29 patterned in a desired shape as a mask. The BHF solution used here may be used at 25 ° C. with a concentration of 22%, for example. In addition to using wet etching here, the silicon oxide film 28 can also be removed using RIE dry etching with the resist 29 as a mask.

次に、図５（ｅ１）、（ｅ２）に示すように、レジスト２９を除去し、残ったシリコン窒化膜２７及びシリコン酸化膜２８をマスクにＫＯＨ溶液を用いたウエットエッチングによる異方性エッチングを行い、シリコン酸化膜２８及びシリコン窒化膜２７に覆われていないＳＯＩ膜２３をウエットエッチングする。すなわち、シリコン酸化膜２８及びシリコン窒化膜２７に覆われていないシリコンナノワイヤ３の下部のＳＯＩ膜２３がウエットエッチングにより除去される。ここでは、ＫＯＨ溶液は、例えば４０ｗ％、６０℃で用いるとよい。 Next, as shown in FIGS. 5E1 and 5E2, the resist 29 is removed, and anisotropic etching is performed by wet etching using a KOH solution using the remaining silicon nitride film 27 and silicon oxide film 28 as a mask. Then, the SOI film 23 not covered with the silicon oxide film 28 and the silicon nitride film 27 is wet-etched. That is, the SOI film 23 under the silicon nanowire 3 not covered with the silicon oxide film 28 and the silicon nitride film 27 is removed by wet etching. Here, the KOH solution may be used at, for example, 40 w% and 60 ° C.

次に、図５（ｆ１）、（ｆ２）に示すように、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）溶液を用いてシリコン酸化膜２８を除去し、リン酸溶液を用いてシリコン窒化膜２７を除去する。ＢＨＦ溶液またはリン酸溶液を用いると、シリコンナノワイヤの表面を、良好に、つまり荒さが無く保てるために好ましい。その後、メタル形成工程を行う。具体的には、ソース・ドレイン半導体領域に電気的に接続するように金属電極６の形成を行う。このときの上面図は図５（ｆ３）に示す。本実施形態においては、既にエッチングによりそれぞれのソース・ドレイン半導体領域のシリコンナノワイヤ３と反対側に、メタル形成領域を形成しているため、流路に面することなく、金属電極６を形成することができる。したがって、メタルの腐食及び流路に面することによる短絡の問題のない、信頼性の高いセンサ素子を提供することができる。 Next, as shown in FIGS. 5F1 and 5F2, the silicon oxide film 28 is removed using a buffered hydrofluoric acid (BHF) solution, and the silicon nitride film 27 is removed using a phosphoric acid solution. Use of a BHF solution or a phosphoric acid solution is preferable in order to keep the surface of the silicon nanowire well, that is, without roughness. Then, a metal formation process is performed. Specifically, the metal electrode 6 is formed so as to be electrically connected to the source / drain semiconductor region. A top view at this time is shown in FIG. In the present embodiment, the metal electrode 6 is formed without facing the flow path because the metal formation region is already formed on the opposite side of the silicon nanowire 3 of each source / drain semiconductor region by etching. Can do. Therefore, it is possible to provide a highly reliable sensor element free from the problem of metal corrosion and short circuit caused by facing the flow path.

上記製造方法により、溝部３の深さ方向（流路での高さ方向）での位置を任意に調整できるセンサ素子１を形成することができる。なお、本実施形態では、シリコンナノワイヤ３は、１つの流路に２つ形成したが、１つでもよいし３つ以上形成してもよい。 By the manufacturing method, the sensor element 1 that can arbitrarily adjust the position in the depth direction of the groove portion 3 (height direction in the flow path) can be formed. In the present embodiment, two silicon nanowires 3 are formed in one flow path, but may be one or three or more.

以上説明したように、本実施形態のセンサ素子１では、基板２の溝部５（カバー層で覆われることにより流路が形成される部分）とシリコンナノワイヤ３とが同時に形成される。シリコンナノワイヤ３は溝部５内で溝部５の両側壁に懸架して設けられ、かつ、基板と一体に構成されている。ここで、溝部５が設けられた基板２の表面上に、溝部を形成しない平坦なカバー層４を張り合わせるだけで、流路を形成することができ、この流路中にシリコンナノワイヤ３を露出して配置させることができる。 As described above, in the sensor element 1 of the present embodiment, the groove portion 5 (the portion where the flow path is formed by being covered with the cover layer) and the silicon nanowire 3 are formed at the same time. The silicon nanowire 3 is provided so as to be suspended from both side walls of the groove 5 in the groove 5 and is configured integrally with the substrate. Here, a channel can be formed by simply attaching a flat cover layer 4 that does not form a groove on the surface of the substrate 2 provided with the groove 5, and the silicon nanowire 3 is exposed in the channel. Can be arranged.

このように、センサ素子１は、シリコンナノワイヤ３を、流路の所定位置へ、微細なレベルで、精度よく配置することが可能となる。そのため、高性能の検出が可能となる。また、センサ素子１では、シリコンナノワイヤ３と基板２が一体であるため、シリコンナノワイヤ３を成長により形成し塗布や配列技術を用いて電極間に配置したセンサ素子（ボトムアップ製法のセンサ素子）と比べて、流路に流れる溶液によるトップダウン製法のズレや剥がれなどの問題がなく、耐久性が高くなる。 Thus, the sensor element 1 can accurately arrange the silicon nanowires 3 at a predetermined level in the flow path. Therefore, high-performance detection becomes possible. Further, in the sensor element 1, since the silicon nanowire 3 and the substrate 2 are integrated, the sensor element (bottom-up method sensor element) formed by growing the silicon nanowire 3 and arranging it between the electrodes using coating or array technology; In comparison, there is no problem such as deviation or peeling of the top-down manufacturing method due to the solution flowing in the flow path, and durability is increased.

さらに、センサ素子１では、シリコンナノワイヤ３は、溝部５の底部（底面）と上端部とから離間して、溝部５（流路）の両側壁を架橋する形状である。よって、溝部５にカバー層４を被せることで形成される流路が、シリコンナノワイヤ３の上と下との両側に形成される。よって、流路内で露出されるシリコンナノワイヤ３の表面積が増加する。よってシリコンナノワイヤの上下の両側にリガンドを固定でき、上下両側で標的分子の捕獲をすることができる。よって、標的分子を効率的に捕獲でき、センサ素子１の検出精度を上げることができる。 Further, in the sensor element 1, the silicon nanowire 3 has a shape in which both side walls of the groove 5 (flow path) are bridged away from the bottom (bottom) and the upper end of the groove 5. Therefore, the flow path formed by covering the groove portion 5 with the cover layer 4 is formed on both the upper and lower sides of the silicon nanowire 3. Therefore, the surface area of the silicon nanowire 3 exposed in the flow path is increased. Therefore, the ligand can be immobilized on both the upper and lower sides of the silicon nanowire, and the target molecule can be captured on both the upper and lower sides. Therefore, the target molecule can be efficiently captured and the detection accuracy of the sensor element 1 can be increased.

なお、トップダウン製法（基板にナノワイヤを微細加工技術により形成する製法）によっても、ＰＤＭＳ等のカバー層により流路を形成し、人為的な張り合わせにてチップを作成していたため、流路とナノワイヤの位置制御を精度良く制御することが困難であった。しかし、本実施形態では、カバー層４には流路が形成されていないので、基板２との位置合わせ制度よく行う必要がないため、センサを簡易に作成することができる。 In addition, since the channel was formed by the cover layer such as PDMS and the chip was created by artificial bonding even by the top-down manufacturing method (the manufacturing method in which nanowires are formed on the substrate by microfabrication technology), the channel and the nanowire It was difficult to accurately control the position control. However, in this embodiment, since the flow path is not formed in the cover layer 4, it is not necessary to perform the alignment system with the substrate 2, so that the sensor can be easily created.

＜センサ素子の使用例＞
（リガンドの固定化）
次に、上記センサ素子１のシリコンナノワイヤ３へのリガンドの固定化方法について説明する。まず、シランカップリング剤を溝部５とカバー層４とからなる流路に流し、シリコンナノワイヤ３の表面を修飾する。ここで、シランカップリング剤は末端に官能基として、ＣＯＯＨ，ＮＨ２，ＯＨ，ＣＨＯ，ＳＨ基が修飾されているものを用いるのが望ましい。次に、シリコンナノワイヤ３表面の官能基を活性化させる。その後、標的分子を特異的に認識して結合するリガンド溶液を流路に導入し、シリコンナノワイヤ３表面にリガンドを共有結合により固定化する。リガンドとしては、例えば、抗体、ペプチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ，アプタマー、リセプター、細胞等が挙げられる。リガンドの固定化後、リガンドと結合してない活性化した官能基を不活性化する。その後、バッファにより洗浄し、シリコンナノワイヤ３表面にリガンドを固定化する。リガンドの固定化方法で光架橋剤を用いることもできる。なお、上記固定化方法は単なる一例であり、上記に限定されることはない。 <Usage example of sensor element>
(Immobilization of ligand)
Next, a method for immobilizing a ligand on the silicon nanowire 3 of the sensor element 1 will be described. First, the surface of the silicon nanowire 3 is modified by allowing a silane coupling agent to flow through a channel composed of the groove 5 and the cover layer 4. Here, it is desirable to use a silane coupling agent whose terminal is a functional group modified with COOH, NH2, OH, CHO, or SH groups. Next, the functional group on the surface of the silicon nanowire 3 is activated. Thereafter, a ligand solution that specifically recognizes and binds to the target molecule is introduced into the channel, and the ligand is immobilized on the surface of the silicon nanowire 3 by covalent bonding. Examples of the ligand include antibodies, peptides, DNA, RNA, aptamers, receptors, cells and the like. After immobilization of the ligand, activated functional groups that are not bound to the ligand are inactivated. Then, it wash | cleans with a buffer and a ligand is fix | immobilized on the silicon nanowire 3 surface. A photocrosslinking agent can also be used in the ligand immobilization method. The immobilization method is merely an example and is not limited to the above.

（試料の測定）
次に、本実施形態のセンサ素子１を用いた試料の測定について説明する。シリコンナノワイヤ３が形成された溝部５を有するＳＯＩ基板である基板２と、サンプル溶液や試薬溶液を注入する注入口と排出口が設けられたＰＤＭＳ基板であるカバー層４とを、例えば、１００Ｗ、酸素流量３０ｓｃｃｍ、６０秒の条件で、酸素プラズマ処理を行い、基板２とカバー層４とを活性化させ、張り合わせる。基板２とカバー層４とを張り合わせるために必ずしも酸素プラズマ処理を行う必要はなく、ＰＤＭＳの自然密着性を用いて、カバー層４を基板２に張り合わせることもできる。溝部５がカバー層４で覆われることにより、シリコンナノワイヤを備えた流路が形成される。 (Sample measurement)
Next, measurement of a sample using the sensor element 1 of the present embodiment will be described. A substrate 2 that is an SOI substrate having a groove portion 5 in which silicon nanowires 3 are formed, and a cover layer 4 that is a PDMS substrate provided with an inlet and an outlet for injecting a sample solution and a reagent solution are, for example, 100 W, Oxygen plasma treatment is performed under conditions of an oxygen flow rate of 30 sccm and 60 seconds to activate and bond the substrate 2 and the cover layer 4 together. It is not always necessary to perform oxygen plasma treatment to bond the substrate 2 and the cover layer 4, and the cover layer 4 can be bonded to the substrate 2 using the natural adhesion of PDMS. By covering the groove 5 with the cover layer 4, a flow path including silicon nanowires is formed.

標的分子を特異的に認識し結合するリガンドをシリコンナノワイヤ３の表面に固定化してから、シリコンナノワイヤ３の表面に標的分子が非特異的に吸着することを防ぐため、ブロッキングを行う。例えば、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ；Bovine Serum Albumin）溶液を用いてブロッキングを行えばよい。ブロッキング剤としてはＢＳＡ以外に高分子やタンパク質を用いることもできる。ブロッキング後、標的分子が含まれるサンプル溶液（試料）を流路内に導入する。導入されたサンプル溶液中の標的分子はシリコンナノワイヤ３と結合し、ソース電極とドレイン電極間の電気的な特性の変化を引き起こす。またサンプル溶液導入後、シリコンナノワイヤの表面に固定化されたリガンドと結合してない標的分子を洗い流すため、緩衝液を注入するのもよい。ソース電極とドレイン電極間のインピーダンス（シリコンナノワイヤのインピーダンス）の変化は、サンプル溶液に含まれる標的分子の濃度に比例し変化する。よって、ソース電極とドレイン電極間のインピーダンスの変化を測定することで、サンプル溶液中の標的分子の検量が可能になる。 After a ligand that specifically recognizes and binds to a target molecule is immobilized on the surface of the silicon nanowire 3, blocking is performed to prevent the target molecule from adsorbing nonspecifically to the surface of the silicon nanowire 3. For example, blocking may be performed using a bovine serum albumin (BSA) solution. As the blocking agent, a polymer or protein can be used in addition to BSA. After blocking, a sample solution (sample) containing the target molecule is introduced into the channel. The target molecules in the introduced sample solution bind to the silicon nanowires 3 and cause a change in electrical characteristics between the source electrode and the drain electrode. In addition, after introducing the sample solution, a buffer solution may be injected to wash away target molecules that are not bound to the ligand immobilized on the surface of the silicon nanowire. The change in the impedance between the source electrode and the drain electrode (the impedance of the silicon nanowire) changes in proportion to the concentration of the target molecule contained in the sample solution. Therefore, it is possible to calibrate the target molecule in the sample solution by measuring the change in impedance between the source electrode and the drain electrode.

（複数の標的分子の測定）
上記では、基板２に、シリコンナノワイヤ３が露出した１つの溝部５を形成したが、シリコンナノワイヤ３が露出した複数の溝部５を形成してもよい。これら複数の溝部５からなる流路にそれぞれに形成されたシリコンナノワイヤ３の表面に、異なる標的分子をそれぞれ特異的に認識する異なるリガンドを、上記リガンドの固定化方法により、それぞれ固定化する。複数の標的分子が含まれたサンプル溶液を、上記複数の流路に導入することで、同時に複数の標的分子を測定することが可能になる。この場合、異なるリガンドを固定させるために、複数の流路は、それぞれ独立した注入口を持ち、異なる注入口に繋がっているものとする。注入口とは、溶液を流路に注入させるための入り口である。 (Measurement of multiple target molecules)
In the above, one groove portion 5 where the silicon nanowire 3 is exposed is formed on the substrate 2, but a plurality of groove portions 5 where the silicon nanowire 3 is exposed may be formed. Different ligands specifically recognizing different target molecules are immobilized on the surfaces of the silicon nanowires 3 formed in the flow paths composed of the plurality of grooves 5 by the ligand immobilization method, respectively. By introducing a sample solution containing a plurality of target molecules into the plurality of flow paths, a plurality of target molecules can be measured simultaneously. In this case, in order to fix different ligands, each of the plurality of flow paths has an independent inlet and is connected to different inlets. The inlet is an inlet for injecting the solution into the flow path.

また、異なる注入口に繋がった複数の流路にそれぞれの注入口から異なるリガンドを導入する。形成されたそれぞれのシリコンナノワイヤ３の表面に、ある標的分子を特異的に認識するリガンドを固定すると、異なるサンプル溶液について、それらに含まれる標的分子を、同時に測定することができる。また複数の標的分子を含むサンプル溶液中の複数の標的分子を同時に測定することもできる。 Further, different ligands are introduced from the respective inlets into a plurality of flow paths connected to different inlets. When a ligand that specifically recognizes a target molecule is immobilized on the surface of each formed silicon nanowire 3, the target molecules contained in different sample solutions can be measured simultaneously. It is also possible to simultaneously measure a plurality of target molecules in a sample solution containing a plurality of target molecules.

（振動数測定）
次に、本実施形態のセンサ素子１を用いて、サンプル溶液の標的分子を、シリコンナノワイヤ３の固有振動数変化を用いて検出する方法（分析方法）について説明する。シリコンナノワイヤ３の固有振動数は、サンプル溶液中の標的分子がシリコンナノワイヤ３表面に固定化されたリガンドと結合することで、変化する。そのため、シリコンナノワイヤ３の固有振動数の変化は、シリコンナノワイヤ３に固定化されたリガンドと、サンプル中の標的分子との結合量に比例し変化する。よって、ナノワイヤの固有振動数の変化を計量することによりサンプル中の標的分子の検出、そして、検量が可能になる。 (Frequency measurement)
Next, a method (analysis method) for detecting the target molecule of the sample solution using the sensor element 1 of the present embodiment using the natural frequency change of the silicon nanowire 3 will be described. The natural frequency of the silicon nanowire 3 is changed by binding of a target molecule in the sample solution to a ligand immobilized on the surface of the silicon nanowire 3. Therefore, the change in the natural frequency of the silicon nanowire 3 changes in proportion to the amount of binding between the ligand immobilized on the silicon nanowire 3 and the target molecule in the sample. Therefore, the target molecule in the sample can be detected and calibrated by measuring the change in the natural frequency of the nanowire.

本実施形態のセンサ素子１では、シリコンナノワイヤ３が流路（溝部５）両面を架橋しているため、ナノワイヤの固有振動数を良好に測定することができる。以下では、固有振動数の変化の測定について、具体的に説明する。 In the sensor element 1 of this embodiment, since the silicon nanowire 3 bridges both surfaces of the flow path (groove portion 5), the natural frequency of the nanowire can be measured well. Hereinafter, the measurement of the change in the natural frequency will be specifically described.

まず、シリコンナノワイヤ３の固有振動数を測定するため、シリコンナノワイヤ３を励振させる必要がある。本実施形態では、半導体レーザを用いた光熱励振法(photothemal excitation)を採用する。ただし、これ以外の方法を用いて励振動させてもよい。本実施形態では、励振させるために、４０５ｎｍの半導体レーザを用いた。 First, in order to measure the natural frequency of the silicon nanowire 3, it is necessary to excite the silicon nanowire 3. In the present embodiment, a photothemal excitation method using a semiconductor laser is employed. However, excitation vibration may be performed using other methods. In this embodiment, a 405 nm semiconductor laser is used for excitation.

レーザ光をナノワイヤ（シリコンナノワイヤ３）に照射すると、ナノワイヤの表面に熱が発生する。この熱はナノワイヤの内部に伝達し、ナノワイヤの内部に不均一な温度分布を発生する。温度の上昇によるナノワイヤの膨張率の変化から、ナノワイヤ歪みが生じる。レーザ光の照射を止めると、膨張したシリコンナノワイヤ３が元に戻るため縮小する際、ナノワイヤに振動が生じる。この光熱励振法では、ナノワイヤに直接力を発生させるために、寄生振動のない良好な固有振動数（周波数特性）を得ることができる。なお、本実施形態では、振動数の変化は数MHz以下であるが、これには限定されない。 When the nanowire (silicon nanowire 3) is irradiated with laser light, heat is generated on the surface of the nanowire. This heat is transferred to the inside of the nanowire and generates a non-uniform temperature distribution inside the nanowire. The nanowire distortion is caused by the change in the expansion rate of the nanowire due to the temperature rise. When the irradiation of the laser beam is stopped, the expanded silicon nanowire 3 returns to its original state, and thus the nanowire vibrates when shrinking. In this photothermal excitation method, since a force is directly generated in the nanowire, a good natural frequency (frequency characteristic) free from parasitic vibration can be obtained. In the present embodiment, the change in the frequency is several MHz or less, but is not limited to this.

また、本実施形態では、固有振動数を測定する装置として、レーザドップラー干渉計（Laser Doppler Interferometer）を用いる。ただし、別の測定装置を用いてもよい。本実施形態で用いたレーザドップラー干渉計は、光源が６３３ｎｍ、出力２ｎＷのＨｅ−Ｎｅレーザである。 In the present embodiment, a laser Doppler interferometer is used as a device for measuring the natural frequency. However, another measuring device may be used. The laser Doppler interferometer used in this embodiment is a He—Ne laser having a light source of 633 nm and an output of 2 nW.

本実施形態のセンサ素子１を用いて、シリコンナノワイヤ３の固有振動数を測定するにあたり、予め、標的分子に特異的に結合するリガンドをシリコンナノワイヤ３表面に固定化する（固定化法には前述リガンドの固定化法と同様）。そして、サンプル導入口から標準溶液の緩衝液をシリコンナノワイヤ３が設けられた流路内に導入し、流路内を緩衝液に満たし、停止状態でシリコンナノワイヤ３の固有振動数を測定する。標準溶液は、緩衝液以外に純水を用いることもできる。 In measuring the natural frequency of the silicon nanowire 3 using the sensor element 1 of the present embodiment, a ligand that specifically binds to a target molecule is immobilized on the surface of the silicon nanowire 3 in advance (the immobilization method is described above). Same as ligand immobilization method). Then, the buffer solution of the standard solution is introduced from the sample introduction port into the channel provided with the silicon nanowire 3, the inside of the channel is filled with the buffer solution, and the natural frequency of the silicon nanowire 3 is measured in a stopped state. As the standard solution, pure water can be used in addition to the buffer solution.

次に、標的分子を含むサンプル溶液を流路内に導入し、サンプル中の標的分子と流路内のシリコンナノワイヤ３の表面に固定化されたリガンドと反応させる。サンプル溶液を流路内から除去してから、再び標準溶液を流路内に導入し、リガンドと反応してないサンプル溶液中の標的分子を取り除いた状態で標準溶液に満たした流路内のシリコンナノワイヤ３の固有振動数を測定する。 Next, a sample solution containing the target molecule is introduced into the flow channel, and the target molecule in the sample is reacted with the ligand immobilized on the surface of the silicon nanowire 3 in the flow channel. After removing the sample solution from the flow channel, the standard solution is introduced again into the flow channel, and the silicon in the flow channel filled with the standard solution with the target molecules in the sample solution not reacted with the ligand removed. The natural frequency of the nanowire 3 is measured.

サンプル溶液との反応後の振動数から、最初の標準溶液での固有振動数を差し引くことで、標的分子の結合による固有振動数の変化を求められる。つまり、シリコンナノワイヤ３の固有振動数はシリコンナノワイヤ３の表面に固定化されたリガンドと標的分子の結合量に比例し変化するため、シリコンナノワイヤ３の固有振動数の変化を測定することでサンプル溶液中の標的分子の検量ができる。 By subtracting the natural frequency of the first standard solution from the frequency after reaction with the sample solution, the change of the natural frequency due to the binding of the target molecule can be obtained. In other words, since the natural frequency of the silicon nanowire 3 changes in proportion to the amount of binding between the ligand immobilized on the surface of the silicon nanowire 3 and the target molecule, the sample solution is measured by measuring the change in the natural frequency of the silicon nanowire 3. The target molecule in the sample can be calibrated.

また流路内に複数のシリコンナノワイヤ３を形成し、一部のシリコンナノワイヤ３を参照検出部として使用することもできる（後段の実施の形態４参照）。この場合、参照検検出部のシリコンナノワイヤ３には標的分子と特異的に結合するリガンドを固定化しない。参照検出部を用いてサンプル溶液を測定する時は、前述のように標準溶液を用いて参照検出部と検出部のナノワイヤの振動数を測定する。次に、サンプル溶液を導入し、参照検出部と検出部のシリコンナノワイヤ３の固有振動数を測定する。参照検出部と検出部の振動数の変化をそれぞれ求める。検出部の振動数の変化から参照検出部の振動数の変化差し引いた振動数の変化が標的分子とリガンドの結合による振動数の変化となる。参照検出部を用いることで溶液の粘度や温度などによるシリコンナノワイヤ３振動数への影響を防ぐことができる。 Also, a plurality of silicon nanowires 3 can be formed in the flow path, and a part of the silicon nanowires 3 can be used as a reference detection unit (see the fourth embodiment at a later stage). In this case, a ligand that specifically binds to the target molecule is not immobilized on the silicon nanowire 3 of the reference test detection unit. When measuring the sample solution using the reference detection unit, the frequency of the nanowires of the reference detection unit and the detection unit is measured using the standard solution as described above. Next, the sample solution is introduced, and the natural frequency of the silicon nanowire 3 of the reference detection unit and the detection unit is measured. Changes in the frequency of the reference detection unit and the detection unit are obtained. The change in the frequency obtained by subtracting the change in the frequency of the reference detection unit from the change in the frequency of the detection unit is a change in the frequency due to the binding between the target molecule and the ligand. By using the reference detection unit, it is possible to prevent the influence of the viscosity and temperature of the solution on the frequency of the silicon nanowire 3.

なお、ナノ構造体に振動を与え、その振動数を測定することができる分析装置も、本発明に含まれる。この分析装置は、固有振動数を有するナノ構造体を備えたセンサ素子であれば、本実施形態のセンサ素子１以外の、ナノ構造体を備えたセンサ素子にも用いることができる。本実施の形態のセンサ素子１は、シリコンナノワイヤ３が溝部５の底部からも上端部からも離間して設けられているので、固有振動数の測定に好適に用いることができる。 Note that an analyzer capable of applying vibration to the nanostructure and measuring the frequency thereof is also included in the present invention. If this analytical device is a sensor element provided with a nanostructure having a natural frequency, it can also be used for a sensor element provided with a nanostructure other than the sensor element 1 of the present embodiment. The sensor element 1 of the present embodiment can be suitably used for measuring the natural frequency because the silicon nanowire 3 is provided away from the bottom and the upper end of the groove 5.

（温度制御）
次に、本実施形態のセンサ素子１を用いて、シリコンナノワイヤ３をジュールヒーティングによって温度制御して生体分子を検出する方法（分析方法）について説明する。さらに、温度制御により、反応、特に生化学反応が向上することについて説明する。 (Temperature control)
Next, a method (analysis method) of detecting a biomolecule by controlling the temperature of the silicon nanowire 3 by Joule heating using the sensor element 1 of the present embodiment will be described. Further, it will be described that the temperature control improves the reaction, particularly the biochemical reaction.

初めに、センサ素子１のシリコンナノワイヤ３の両端に電圧を印加するため金属の電極部を設ける。この電極部として、上記＜センサの製造方法＞に記載した、センシング素子に設けた金属電極６を用いることができる。電極部の材料はＡu、Ｃu、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｌなどが望ましい。この電極部を通し電圧を印加し、シリコンナノワイヤ３に電流を流すことで、シリコンナノワイ３がジュールヒーティングによる加熱する。よって、印加する電圧を制御することで、シリコンナノワイヤ３の温度制御が行える。 First, a metal electrode portion is provided to apply a voltage to both ends of the silicon nanowire 3 of the sensor element 1. As this electrode part, the metal electrode 6 provided in the sensing element described in the above <Method for manufacturing a sensor> can be used. The material of the electrode part is preferably Au, Cu, Ni, Ag, Al or the like. By applying a voltage through this electrode portion and passing a current through the silicon nanowire 3, the silicon nanowire 3 is heated by Joule heating. Therefore, the temperature of the silicon nanowire 3 can be controlled by controlling the applied voltage.

ここで、シリコンナノワイヤ３の温度制御のために、予め、シリコンナノワイヤ３表面上温度分布を計測しておく。この温度分布の計測は、例えば、シリコンナノワイヤ３表面に温度変化により蛍光強度が変化する標識物質を固定化し、シリコンナノワイヤ３に印加する電圧を変化させて、標識物質の蛍光強度を測定することで、行うことができる。標識物質としては量子ドット、ナノ粒子、トーダミンなどが用いられる。このようにして測定された、温度分布の結果を用いて、希望する温度となるよう印加電圧を制御することで、温度制御を行うことができる。ここで、印加する電圧の条件（電圧の大きさ、印加時間、等）は、シリコンナノワイヤ３の種類、形状、寸法によって異なる。 Here, in order to control the temperature of the silicon nanowire 3, the temperature distribution on the surface of the silicon nanowire 3 is measured in advance. This temperature distribution is measured by, for example, immobilizing a labeling substance whose fluorescence intensity changes due to a temperature change on the surface of the silicon nanowire 3 and changing the voltage applied to the silicon nanowire 3 to measure the fluorescence intensity of the labeling substance. ,It can be carried out. As the labeling substance, quantum dots, nanoparticles, todamine and the like are used. Temperature control can be performed by controlling the applied voltage so as to achieve a desired temperature using the temperature distribution result thus measured. Here, the conditions of the applied voltage (the magnitude of the voltage, the application time, etc.) vary depending on the type, shape, and dimensions of the silicon nanowire 3.

温度分布の測定の具体例を示すと、温度変化による発光特性をもつ量子ドットを利用し、シリコンナノワイヤ３の表面に親水性ポリマーを皮膜し、量子ドットを固定化する。シリコンナノワイヤに電圧を印加し、シリコンナノワイヤ３の温度変化によって変化する量子ドットの蛍光スペクトルをマッピングすることで、シリコンナノワイヤ３の温度分布の観察ができる。また、生体分子の反応、タンパク質の高次構造解析、分子間相互作用などの計測には、FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer；蛍光共鳴エネルギー移動法)観察を併用することで可能になる。シリコンナノワイヤ３の温度制御ができる温度範囲は、本実施形態では、２０度から９０度までになるが、これには限定されない。 As a specific example of measurement of temperature distribution, a quantum dot having a light emission characteristic due to a temperature change is used, a hydrophilic polymer is coated on the surface of the silicon nanowire 3, and the quantum dot is fixed. By applying a voltage to the silicon nanowire and mapping the fluorescence spectrum of the quantum dots that change according to the temperature change of the silicon nanowire 3, the temperature distribution of the silicon nanowire 3 can be observed. In addition, it is possible to use FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) observation together with measurement of biomolecule reaction, protein higher-order structure analysis, intermolecular interaction, and the like. In this embodiment, the temperature range in which the temperature of the silicon nanowire 3 can be controlled is 20 degrees to 90 degrees, but is not limited thereto.

センサ素子１を用いて、サンプル溶液で溝部５とカバー層４からなる流路内を満たしたら、シリコンナノワイヤ３に電流を印加し、例えば、標的分子が生体分子であれば、サンプル溶液の温度が３０度から４０度になるようにジュール加熱を行うよう、電圧を印加する。サンプル溶液が所定の温度に到るとサンプル溶液に含まれた標的分子とナノワイヤに固定化されたリガンドの反応が向上する。標的分子とリガンドの反応結合によるナノワイヤの電気的な信号を測定することによりサンプル溶液中の標的分子を検量することは、上記（試料の測定）で記載した通りである。 When the sensor element 1 is used to fill the flow path formed by the groove portion 5 and the cover layer 4 with the sample solution, a current is applied to the silicon nanowire 3. For example, if the target molecule is a biomolecule, the temperature of the sample solution is A voltage is applied so as to perform Joule heating so as to be 30 degrees to 40 degrees. When the sample solution reaches a predetermined temperature, the reaction between the target molecule contained in the sample solution and the ligand immobilized on the nanowire is improved. The measurement of the target molecule in the sample solution by measuring the electrical signal of the nanowire due to the reactive binding between the target molecule and the ligand is as described above (measurement of the sample).

以上のように、シリコンナノワイヤ３に印加する電圧を制御することで、シリコンナノワイヤ３の温度制御を行うことができ、シリコンナノワイヤ３のジュールヒーティングによりサンプル溶液の温度を変化させて、シリコンナノワイヤ３に固定したリガンドと標的分子との反応を計測することができる。シリコンナノワイヤ３のジュールヒーティングを用いて微細空間での溶液の温度制御ができることで、様々な生体分子、特に生体機能分子であるタンパク質における温度変化による単分子レベルでの反応及び生体分子間作用を調べ、分子の構造や反応機構などを解明することができる。さらにタンパク質の検出において、生化学反応は３５度から４０度の間で最も活性をもつため、ナノワイヤに電流を印加し、ジュールヒーティングすることで微細空間内の溶液の温度を生化学反応に最適な温度に制御することで、標的分子とリガンドとの結合（免疫反応や酵素反応など）をより効率的に反応させることができる。 As described above, the temperature of the silicon nanowire 3 can be controlled by controlling the voltage applied to the silicon nanowire 3, and the temperature of the sample solution is changed by the Joule heating of the silicon nanowire 3, so that the silicon nanowire 3 can be controlled. The reaction between the ligand immobilized on the target molecule and the target molecule can be measured. By controlling the temperature of the solution in a fine space using Joule heating of the silicon nanowire 3, reactions at a single molecule level due to temperature changes in various biomolecules, especially proteins that are biofunctional molecules, and interactions between biomolecules can be performed. We can investigate and elucidate the structure and reaction mechanism of molecules. Furthermore, in protein detection, biochemical reactions are most active between 35 and 40 degrees, so applying current to the nanowire and joule heating optimizes the temperature of the solution in the microspace for biochemical reactions. By controlling to a suitable temperature, it is possible to more efficiently react the binding (immune reaction, enzyme reaction, etc.) between the target molecule and the ligand.

なお、本実施形態では、シリコンナノワイヤ３を、標的分子を検出する検出部とヒータ部として兼用しているが、ヒーティング用の金属のナノ構造体が、上記シリコンナノワイヤ３とは別に、センサ素子１の溝部に設けられていてもよい。 In the present embodiment, the silicon nanowire 3 is used as both a detection unit for detecting a target molecule and a heater unit. However, a heating metal nanostructure is a sensor element separately from the silicon nanowire 3. It may be provided in one groove portion.

さらに、ナノ構造体に印加する電圧を制御することで、ナノ構造体の温度制御することができる分析装置も、本発明に含まれる。この分析装置は、電圧印加により温度を変化させることができるナノ構造体を備えたセンサ素子であれば、本実施形態のセンサ素子１以外の、ナノ構造体を備えたセンサ素子にも用いることができる。
〔実施の形態２〕
＜センサの構造＞
本発明に係るセンサ素子のさらに他の構造について説明する。図６は本実施形態のセンサ素子１０が有するシリコンナノワイヤ３’近傍を示す斜視図である。また、センサ素子１０の上面図を図７に示す。なお、実施の形態１と同じ部材には同じ番号を付し説明は省略する。 Furthermore, an analyzer that can control the temperature of the nanostructure by controlling the voltage applied to the nanostructure is also included in the present invention. If this analytical device is a sensor element having a nanostructure capable of changing temperature by applying a voltage, it can be used for a sensor element having a nanostructure other than the sensor element 1 of the present embodiment. it can.
[Embodiment 2]
<Sensor structure>
Still another structure of the sensor element according to the present invention will be described. FIG. 6 is a perspective view showing the vicinity of the silicon nanowire 3 ′ included in the sensor element 10 of the present embodiment. A top view of the sensor element 10 is shown in FIG. In addition, the same number is attached | subjected to the same member as Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

センサ素子１０は、基板２として、ＳＯＩ基板は＜１００＞基板を用いる。これは、後段で説明するシリコンナノワイヤ３’の製造におけるＫＯＨによる異方性エッチング工程が、面方位による異方性をもったエッチング技術を用いるため、面方位はその技術が適切に機能するべく決定する必要があるためである。 The sensor element 10 uses a <100> substrate as the substrate 2 and an SOI substrate. This is because the anisotropic etching process using KOH in the production of silicon nanowires 3 ′, which will be described later, uses an etching technique having anisotropy due to the plane orientation, so that the plane orientation is determined so that the technique functions properly. It is necessary to do.

センサ素子１０では、シリコンナノセンサ３’は溝部５の底面と接続しており、その断面形状は三角形となっている。このように断面形状は三角形となるのも、後段で説明するシリコンナノワイヤ３’の製造におけるＫＯＨによる異方性エッチング工程が、面方位による異方性をもったエッチング技術を用いるためである。 In the sensor element 10, the silicon nanosensor 3 ′ is connected to the bottom surface of the groove 5, and the cross-sectional shape thereof is a triangle. The reason why the cross-sectional shape is triangular is that the anisotropic etching process using KOH in the production of the silicon nanowire 3 'described later uses an etching technique having anisotropy depending on the plane orientation.

＜センサの製造方法＞
次に、本実施形態のセンサ素子１０製造方法について、図９を用いて順に説明する。図９（ａ１）〜（ｆ１）は、図７に示すセンサ素子１０のＡＡ’断面を製造工程順に説明する図である。また、図９（ａ２）〜（ｆ２）は、図７に示すセンサ素子１０のＢＢ’断面を製造工程順に説明する図である。また、図９（ａ３）、（ｂ３）、（ｄ３）は、センサ素子１０の製造工程での上面図（俯瞰図）である。また、図９（ａ４）、（ｃ４）、（ｄ４）は、フォトレジストの上面図である。ここで、図９において同じ英字の図面（例えば、（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）及び（ａ４））は、同じ工程における図面である。 <Sensor manufacturing method>
Next, a method for manufacturing the sensor element 10 of the present embodiment will be described in order with reference to FIG. 9A1 to 9F1 are views for explaining the AA ′ cross section of the sensor element 10 shown in FIG. 7 in the order of the manufacturing process. FIGS. 9A2 to 9F2 are views for explaining the BB ′ cross section of the sensor element 10 shown in FIG. 7 in the order of the manufacturing process. FIGS. 9A3, 9B3, and 9D3 are top views (overhead views) in the manufacturing process of the sensor element 10. FIGS. 9A4, 9C4, and 9D4 are top views of the photoresist. Here, the drawings with the same alphabetical characters in FIG. 9 (for example, (a1), (a2), (a3) and (a4)) are drawings in the same process.

絶縁体により流路のおおよその外壁を成す酸化膜を作製する工程は、当製造方法でも、実施の形態１の＜センサの製造方法＞で図４を用いて示した工程を用いることができるので、ここでは説明を省略する。ただし、基板２として使用するＳＯＩ基板は＜１００＞基板を用いる。これは、ナノワイヤを作製する工程におけるＫＯＨによる異方性エッチング工程が、面方位による異方性をもったエッチング技術を用いるため、面方位はその技術が適切に機能するべく決定する必要があるためである。また、本製造方法では、基板２である基板２における絶縁膜上シリコン膜（ＳＯＩ膜）２３の膜厚は、５００ｎｍ以下のものを用いる。 Since the oxide film that forms the approximate outer wall of the flow path with an insulator can be used in this manufacturing method, the process shown in FIG. 4 in <Method for manufacturing sensor> in Embodiment 1 can be used. The description is omitted here. However, the SOI substrate used as the substrate 2 is a <100> substrate. This is because the anisotropic etching process using KOH in the nanowire manufacturing process uses an etching technique having anisotropy due to the plane orientation, and the plane orientation needs to be determined so that the technique functions properly. It is. In this manufacturing method, the silicon film on the insulating film (SOI film) 23 on the substrate 2 as the substrate 2 has a film thickness of 500 nm or less.

図９（ａ１）、（ａ２）は、実施の形態１の＜センサの製造方法＞で図４（ａ１）、（ａ２）を用いて説明した工程を用いて、基板２として面方位の決まったＳＯＩ基板に、シリコン窒化膜２４をパターニングしている構造を示すものである。また、図９（ｂ１）、（ｂ２）は、基板２として面方位の決まったＳＯＩ基板を用いて、実施の形態１の＜センサの製造方法＞で図４の（ｄ１）、（ｄ２）を用いて説明した工程にて形成した構造を示すものである。 9 (a1) and 9 (a2) are determined in the plane orientation as the substrate 2 by using the process described with reference to FIGS. 4 (a1) and 4 (a2) in the <sensor manufacturing method> of the first embodiment. 1 shows a structure in which a silicon nitride film 24 is patterned on an SOI substrate. FIGS. 9B1 and 9B2 show an SOI substrate with a fixed plane orientation as the substrate 2, and (d1) and (d2) in FIG. It shows the structure formed in the process explained using.

次に、図９（ｃ１）、（ｃ２）に示すように、溝部５（シリコンナノワイヤ３が形成される部分も含む）のみ露出するように、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストをパターニングする。このとき用いるレジスト３０を図９（ｃ４）に示す。そして、溝部を確保するため及びＳｉＮＷの微細化のために、露出している溝部５（シリコンナノワイヤ３が形成される部分も含む）のみをシリコンをエッチングし、薄膜化する。このエッチングにより、ＳＯＩ膜２３に、流路高さとして必要とされる１０μｍ以上のエッチングをしなければならない。従って、通常の半導体製造工程で用いられるような微細なエッチング技術を行うとかなり時間がかかってしまい生産効率が悪くなる。そこで、シリコンの深堀エッチング装置たとえばＩＣＰエッチング装置などを用いてエッチングするのが好ましい。なお、ＫＯＨ溶液を用いたウエットエッチングによる異方性エッチングを行ってもよい。 Next, as shown in FIGS. 9C1 and 9C2, the resist is patterned using a photolithography technique so that only the groove 5 (including the portion where the silicon nanowire 3 is formed) is exposed. The resist 30 used at this time is shown in FIG. Then, in order to secure the groove and to make the SiNW finer, only the exposed groove 5 (including the portion where the silicon nanowire 3 is formed) is etched to reduce the thickness. By this etching, the SOI film 23 must be etched by 10 μm or more, which is required as the channel height. Therefore, if a fine etching technique such as that used in a normal semiconductor manufacturing process is performed, it takes a considerable time and the production efficiency deteriorates. Therefore, it is preferable to perform etching using a deep silicon etching apparatus such as an ICP etching apparatus. Note that anisotropic etching by wet etching using a KOH solution may be performed.

ここでは、残されたシリコン膜厚が２００ｎｍ程度となるようにエッチング工程を実施するとよい。それにより、ナノワイヤが所望の微細な形状に形成することができる。 Here, the etching process may be performed so that the remaining silicon film thickness is about 200 nm. Thereby, the nanowire can be formed in a desired fine shape.

次に、図９（ｄ１）、（ｄ２）に示すように、シリコン窒化膜３１をＣＶＤにて堆積する。このシリコン窒化膜３１上に、フォトリソグラフィ工程によりＳｉＮＷ部、ソース・ドレイン半導体領域部を覆うようにレジストをパターニングする。このレジストを、図９（ｄ４）に示す。ここで、ＳｉＮＷ部のパターンは、２本のＳｉＮＷを覆うように１本のレジストを形成する。また、後のナノワイヤ形成工程におけるＫＯＨ溶液による異方性エッチングを良好に行うため、ＳｉＮＷ部のシリコン窒化膜の延伸方向（シリコンナノワイヤの延伸方向）が＜１１０＞方向に沿うようにする。その後、レジストを除去する。 Next, as shown in FIGS. 9D1 and 9D2, a silicon nitride film 31 is deposited by CVD. A resist is patterned on the silicon nitride film 31 so as to cover the SiNW portion and the source / drain semiconductor region portion by a photolithography process. This resist is shown in FIG. 9 (d4). Here, as for the pattern of the SiNW part, one resist is formed so as to cover two SiNWs. Further, in order to satisfactorily perform anisotropic etching with a KOH solution in the subsequent nanowire forming step, the stretching direction of the silicon nitride film in the SiNW portion (stretching direction of the silicon nanowire) is set to be in the <110> direction. Thereafter, the resist is removed.

次に、図９（ｅ１）、（ｅ２）に示すように、第１のＫＯＨ異方性エッチング工程を行う。すなわち、シリコン窒化膜３１をマスクにＫＯＨ溶液で露出部のシリコンから異方性エッチングを行う。ＫＯＨ溶液は、例えば濃度４０ｗ％で、６０℃で処理するとよい。このエッチングにおいては、エッチングの異方性の影響により＜１１１＞面が現れるかたちでエッチングが進行する。なお、このエッチングにより、１本のナノワイヤを形成するのではなく、２本のナノワイヤとなる部分を含んだ帯状のシリコン３２が形成される。 Next, as shown in FIGS. 9E1 and 9E2, a first KOH anisotropic etching step is performed. That is, anisotropic etching is performed from exposed silicon with a KOH solution using the silicon nitride film 31 as a mask. The KOH solution is preferably treated at 60 ° C. with a concentration of 40 w%, for example. In this etching, the etching proceeds in such a way that the <111> plane appears due to the influence of etching anisotropy. This etching does not form one nanowire, but forms a band-shaped silicon 32 including a portion to be two nanowires.

次に、図９（ｆ１）、（ｆ２）に示すように、シリコン窒化膜３２を耐酸化膜としてＬＯＣＯＳ酸化を行なう。すなわち、シリコン窒化膜３２を耐酸化膜として用いて、シリコンの露出部分を熱酸化し、シリコンの露出部分に酸化膜３３を形成する。ここでのシリコン酸化膜３の膜厚は、後の工程の第２のＫＯＨ異方性エッチングに耐える程度の膜厚が有れば充分であり、ここでは１００〜５００ｎｍ程度の膜厚のシリコン酸化膜を形成する。 Next, as shown in FIGS. 9F1 and 9F2, LOCOS oxidation is performed using the silicon nitride film 32 as an oxidation resistant film. That is, using the silicon nitride film 32 as an oxidation resistant film, the exposed portion of silicon is thermally oxidized to form an oxide film 33 on the exposed portion of silicon. The film thickness of the silicon oxide film 3 here is sufficient if it has a film thickness enough to withstand the second KOH anisotropic etching in a later step, and here the silicon oxide film having a film thickness of about 100 to 500 nm. A film is formed.

次に、図９（ｇ１）、（ｇ２）に示すように、ソース・ドレイン半導体領域部を覆うようにレジストをパターニングし、そのレジストをマスクに露出部のシリコン窒化膜３１をＲＩＥエッチング装置を用いてエッチングすることによりレジストと同形にシリコン窒化膜３１をパターニングする。このレジストを図９（ｇ４）に示す。その後、レジストの除去を行う。 Next, as shown in FIGS. 9 (g1) and 9 (g2), a resist is patterned so as to cover the source / drain semiconductor region, and the silicon nitride film 31 in the exposed portion is exposed to RIE using the resist as a mask. The silicon nitride film 31 is patterned in the same shape as the resist by etching. This resist is shown in FIG. 9 (g4). Thereafter, the resist is removed.

次に、図９（ｈ１）、（ｈ２）に示すように、第２のＫＯＨ異方性エッチング工程を行う。すなわち、シリコン窒化膜３１及びシリコン酸化膜３３をマスクにＫＯＨ溶液で露出部のシリコン３２から異方性エッチングを行う。ＫＯＨ溶液は、例えば、濃度４０ｗ％で、６０℃で処理するとよい。ここでは、エッチングの異方性の影響により断面が三角形のシリコンナノワイヤ３’が形成されることになる。また、異方性エッチングの影響により、大きさのバラツキが抑制されたＳｉＮＷを形成することができる。すなわち、図９（ｆ１）に示すような形状になるまでエッチングされやすい面方位の表面から除去されてゆくが、一旦図９（ｆ１）に示すような形状になると、ＳｉＮＷ部分はエッチングに強い面方位が露出する事となり極端にエッチングレートが落ちる。このエッチンレートの変化により、断面三角のＳｉＮＷの形状はバラツキが抑制される。 Next, as shown in FIGS. 9H1 and 9H2, a second KOH anisotropic etching step is performed. That is, anisotropic etching is performed from the exposed silicon 32 with a KOH solution using the silicon nitride film 31 and the silicon oxide film 33 as a mask. For example, the KOH solution may be treated at 60 ° C. with a concentration of 40% by weight. Here, the silicon nanowire 3 ′ having a triangular cross section is formed due to the influence of etching anisotropy. Further, SiNW in which variation in size is suppressed due to the influence of anisotropic etching can be formed. That is, it is removed from the surface of the surface orientation that is easy to be etched until the shape as shown in FIG. 9 (f1), but once the shape as shown in FIG. 9 (f1) is obtained, the SiNW portion is a surface that is resistant to etching. The azimuth is exposed and the etching rate drops extremely. Due to this change in the etch rate, the variation in the shape of the triangular-shaped SiNW is suppressed.

次に、図９（ｉ１）、（ｉ２）に示すように、シリコン窒化膜３１をリン酸溶液を用いた除去方法を用いて除去し、シリコン酸化膜３３をフッ酸溶液を用いた除去方法を用いて除去する。その後、メタル形成工程を行う。具体的には、ソース・ドレイン半導体領域に電気的に接続するように金属電極６の形成を行う。本実施形態においては、既にエッチングによりそれぞれのソース・ドレイン半導体領域のシリコンナノワイヤと反対側に、メタル形成領域を形成しているため、流路に面することなく、金属電極６を形成することができる。したがって、メタルの腐食及び流路に面することによる短絡の問題のない、信頼性の高いセンサ素子を提供することができる。 Next, as shown in FIGS. 9 (i1) and (i2), the silicon nitride film 31 is removed using a removal method using a phosphoric acid solution, and the silicon oxide film 33 is removed using a hydrofluoric acid solution. Use to remove. Then, a metal formation process is performed. Specifically, the metal electrode 6 is formed so as to be electrically connected to the source / drain semiconductor region. In the present embodiment, since the metal formation region is already formed on the opposite side of each source / drain semiconductor region from the silicon nanowire by etching, the metal electrode 6 can be formed without facing the flow path. it can. Therefore, it is possible to provide a highly reliable sensor element free from the problem of metal corrosion and short circuit caused by facing the flow path.

なお、本実施形態の製造方法によると、１本の帯状のシリコン窒化膜マスクにより、２本のシリコンナノワイヤ３’を形成することができる。したがって、加工寸法の最小線幅あたり、２本のシリコンナノワイヤ３’の形成が可能なので、他の製法（例えば、実施の形態１＜センサの製造方法＞）と比較して、２倍の集積度でシリコンナノワイヤの形成が可能となる。したがって、単位面積あたりの標的分子の捕獲量を上げることができ、ひいては高精度のセンシングに寄与することが可能となる。また、一つのパターンでほぼ同様の二つのシリコンナノワイヤが同時に形成されるのでシリコンナノワイヤの各パターンによるバラつきを減少することができる。 Note that, according to the manufacturing method of the present embodiment, two silicon nanowires 3 ′ can be formed with one band-shaped silicon nitride film mask. Accordingly, since two silicon nanowires 3 ′ can be formed per minimum line width of the processing dimension, the degree of integration is twice that of other manufacturing methods (for example, the first embodiment <sensor manufacturing method>). With this, silicon nanowires can be formed. Therefore, the amount of target molecules captured per unit area can be increased, which in turn can contribute to highly accurate sensing. In addition, since substantially similar two silicon nanowires are simultaneously formed in one pattern, variation due to each pattern of the silicon nanowires can be reduced.

＜センサ素子の使用例＞
本実施形態のセンサ素子１０の使用例については、実施の形態１の＜センサ素子の使用例＞に記載した内容と同じである。よって、記載は省略する。 <Usage example of sensor element>
About the usage example of the sensor element 10 of this embodiment, it is the same as the content described in <the usage example of a sensor element> of Embodiment 1. FIG. Therefore, the description is omitted.

〔実施形態３〕
＜センサの構造＞
本発明に係るセンサ素子の他の構造について説明する。図８は本実施形態のセンサ素子１’が有するシリコンナノワイヤ３近傍を示す斜視図である。また、センサ素子１’の上面図は、実施し形態１と同様であり、図２に示す。なお、実施の形態１と同じ部材には同じ番号を付し説明は省略する。 [Embodiment 3]
<Sensor structure>
Another structure of the sensor element according to the present invention will be described. FIG. 8 is a perspective view showing the vicinity of the silicon nanowire 3 included in the sensor element 1 ′ of the present embodiment. The top view of the sensor element 1 ′ is the same as that of the first embodiment and is shown in FIG. In addition, the same number is attached | subjected to the same member as Embodiment 1, and description is abbreviate | omitted.

センサ素子１’は、実施の形態１で説明したセンサ素子１と基本的に同じであるが、シリコンナノワイヤ３の上端部の面が、溝部５の上端部の面と同一面となっている点が異なっている。このような構造であることにより、以下で示すように、シリコンナノワイヤ３の溝部５での高さ（深さ）方向の配置を調整する必要が無く、製造がより容易になる。 The sensor element 1 ′ is basically the same as the sensor element 1 described in the first embodiment, but the upper end surface of the silicon nanowire 3 is flush with the upper end surface of the groove 5. Is different. With such a structure, as described below, it is not necessary to adjust the arrangement in the height (depth) direction of the groove 5 of the silicon nanowire 3, and the manufacturing becomes easier.

ここで、センサ素子１’は、カバー層４を有していても有していなくてもよい。センサ素子１’は、カバー層４を有していなくても、溝部５からなる流路がシリコンナノワイヤ３の下にのみ形成されることで、サンプル溶液などを直接この流路に滴下することで、流路の表面張力を考慮してリガンド溶液やサンプル溶液等を流すことで、試料の測定を行うことができる。また、カバー層４有していない場合、カバー層４に振動が伝わらないため、好適に、実施の形態１で説明した固有振動数の測定を行うことができる。また、カバー層４有していない場合、カバー層４に熱が伝わらないため、好適に温度制御を行うことができる。 Here, the sensor element 1 ′ may or may not have the cover layer 4. Even if the sensor element 1 ′ does not have the cover layer 4, the flow path including the groove portion 5 is formed only under the silicon nanowire 3, so that the sample solution or the like can be directly dropped onto the flow path. The sample can be measured by flowing a ligand solution or a sample solution in consideration of the surface tension of the flow path. In addition, since the vibration is not transmitted to the cover layer 4 when the cover layer 4 is not provided, the natural frequency described in the first embodiment can be preferably measured. Further, when the cover layer 4 is not provided, heat is not transmitted to the cover layer 4, so that temperature control can be suitably performed.

＜センサの製造方法＞
次に、本実施形態のセンサ素子１の製造方法について、図１０を用いて順に説明する。図１０（ａ１）〜（ｄ１）は、図２に示すセンサ素子１’のＡＡ’断面を製造工程順に説明する図である。また、図１０（ａ２）〜（ｄ２）は、図２に示すセンサ素子１’のＢＢ’断面を製造工程順に説明する図である。また、図１０（ａ３）、（ｂ３）、（ｄ３）は、センサ素子１’の製造工程での上面図（俯瞰図）である。また、図１０（ａ４）、（ｃ４）は、フォトレジストの上面図である。ここで、図１０において同じ英字の図面（例えば、（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）及び（ａ４））は、同じ工程における図面である。 <Sensor manufacturing method>
Next, the manufacturing method of the sensor element 1 of this embodiment is demonstrated in order using FIG. FIGS. 10A1 to 10D1 are views for explaining the AA ′ cross section of the sensor element 1 ′ shown in FIG. 2 in the order of the manufacturing process. 10A2 to 10D2 are views for explaining the BB ′ cross section of the sensor element 1 ′ shown in FIG. 2 in the order of the manufacturing process. FIGS. 10A3, 10B3, and 10D3 are top views (overhead views) in the manufacturing process of the sensor element 1 ′. FIGS. 10A4 and 10C4 are top views of the photoresist. Here, in FIG. 10, the same alphabetic drawings (for example, (a1), (a2), (a3), and (a4)) are drawings in the same process.

本実施形態での製造方法は、シリコンナノワイヤ３の溝部５での高さ（深さ）方向の配置を調整する必要が無いだけで、基本的には、実施の形態１の＜センサの製造方法＞に記載の方法を用いることができる。よって、ここでは、実施の形態１の＜センサの製造方法＞に記載の工程と同様の工程については説明を省略し、実施の形態１の＜センサの製造方法＞に記載の工程と異なる工程のみ詳細に説明する。 The manufacturing method according to the present embodiment basically does not require adjustment of the arrangement in the height (depth) direction of the groove 5 of the silicon nanowire 3, and basically, the <Method for manufacturing a sensor according to the first embodiment> > Can be used. Therefore, the description of the same steps as those described in <Sensor manufacturing method> of Embodiment 1 is omitted here, and only the steps different from the steps described in <Sensor manufacturing method> of Embodiment 1 are described. This will be described in detail.

絶縁体により流路のおおよその外壁を成す酸化膜を作製する工程は、本製造方法でも、実施の形態１の＜センサの製造方法＞で図４を用いて示した工程を用いることができるので、ここでは説明を省略する。なお、図１０（ａ１）、（ａ２）は、実施の形態１の＜センサの製造方法＞で図４（ａ１）、（ａ２）を用いて説明した、シリコン窒化膜２４をパターニングしている構造を示すものである。また、図１０（ｂ１）、（ｂ２）は、実施の形態１の＜センサの製造方法＞で図４（ｄ１）、（ｄ２）を用いて説明した工程にて形成した構造を示すものである。 Since the oxide film that forms the approximate outer wall of the flow path by the insulator can be used in the present manufacturing method, the step shown in FIG. 4 in <Sensor Manufacturing Method> of Embodiment 1 can be used. The description is omitted here. 10 (a1) and 10 (a2) show a structure in which the silicon nitride film 24 described with reference to FIGS. 4 (a1) and 4 (a2) in the <sensor manufacturing method> of the first embodiment is patterned. Is shown. FIGS. 10B1 and 10B2 show structures formed in the process described with reference to FIGS. 4D1 and 4D2 in the <Method for manufacturing a sensor> in the first embodiment. .

本製造方法では、実施の形態１の＜センサの製造方法＞で図４（ｅ１）、（ｅ２）を用いて説明した工程は行わず、その後、実施の形態１の＜センサの製造方法＞にて図５（ａ１）、（ａ２）から図５（ｆ１）、（ｆ２）を用いて説明した工程と同様の工程を行う。これによって、図１０（ｄ１）、（ｄ２）に示すような、シリコンナノワイヤ３の下側に流路が設けられる流路一体形成のセンサ素子１’を形成することができる。このときの上面図は図１０（ｄ３）に示す。 In this manufacturing method, the process described with reference to FIGS. 4E1 and 4E2 in the <sensor manufacturing method> of the first embodiment is not performed, and then the <sensor manufacturing method> of the first embodiment is performed. Steps similar to those described with reference to FIGS. 5A1 and 5A2 to FIGS. 5F1 and 5F2 are performed. As a result, a sensor element 1 ′ integrated with a flow channel in which a flow channel is provided below the silicon nanowire 3 as shown in FIGS. 10 (d 1) and 10 (d 2) can be formed. A top view at this time is shown in FIG.

＜センサ素子の使用例＞
本実施形態のセンサ素子１’の使用例については、実施の形態１の＜センサ素子の使用例＞に記載した内容と同じである。よって、記載は省略する。 <Usage example of sensor element>
About the usage example of sensor element 1 'of this embodiment, it is the same as the content described in <the usage example of sensor element> of Embodiment 1. FIG. Therefore, the description is omitted.

〔実施の形態４〕
流路内のシリコンナノワイヤに、標的分子を特異的に認識して結合するリガンドを固定化し、標的分子を含むサンプル溶液を流路内に導入することで標的分子を測定する方法は、サンプル溶液中のイオンや標的分子がシリコンナノワイヤに非特異的に吸着することによる影響で、シリコンナノワイヤのインピーダンスの変化にバラつきが大きくなる。そのため、標的分子を特異的に認識して結合するリガンドを固定化しないシリコンナノワイヤを用いて、マイナスコントロールとして同じサンプル溶液を測定する必要がある。 [Embodiment 4]
A method for measuring a target molecule by immobilizing a ligand that specifically recognizes and binds to a target molecule to a silicon nanowire in the flow channel and introducing a sample solution containing the target molecule into the flow channel is Due to the influence of nonspecific adsorption of ions and target molecules on the silicon nanowire, the variation in the impedance of the silicon nanowire becomes large. Therefore, it is necessary to measure the same sample solution as a negative control using a silicon nanowire that does not immobilize a ligand that specifically recognizes and binds to a target molecule.

そこで、本実施形態では、図１１に示すように、基板上に異なる２つの溝部５を形成し、それぞれの溝部５，５に、シリコンナノワイヤ３（３’）を形成した差動型センサ素子について説明する。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 11, a differential sensor element in which two different groove portions 5 are formed on a substrate and silicon nanowires 3 (3 ′) are formed in the respective groove portions 5 and 5. explain.

差動型センサ素子における、それぞれの溝部５，５、及びシリコンナノワイヤ３（３’）の製造方法は、実施の形態１〜３のいずれかで説明した方法と同様である。よって、実施の形態１〜３と同じ部材番号を用いる。また、溝部５をカバー層４で覆うことで流路が形成されることも実施の形態１〜３と同様である。なお、一つの差動型センサ素子内では、同じ方法で、それぞれシリコンナノワイヤ３（３’）が形成された溝部５，５が、形成されているものとする。 The manufacturing method of each of the groove portions 5 and 5 and the silicon nanowire 3 (3 ') in the differential sensor element is the same as the method described in any of the first to third embodiments. Therefore, the same member numbers as in the first to third embodiments are used. Further, the channel is formed by covering the groove 5 with the cover layer 4 as in the first to third embodiments. In one differential sensor element, it is assumed that grooves 5 and 5 in which silicon nanowires 3 (3 ') are formed are formed by the same method.

差動型センサ素子において、一方の溝部５からなる流路のシリコンナノワイヤ３には標的分子を特異的に認識して結合するリガンドを固定化し、検出部６０として使用する。固定の方法は、実施の形態１に記載した方法と同様である。他方の溝部５からなる流路のシリコンナノワイヤ３にはリガンドを固定化せず、参照検出部６１とする。但し、参照検出部６１に、ＢＳＡ溶液を用いてシリコンナノワイヤ表面にブロッキングを行う。このように、一方の流路のシリコンナノワイヤ３にはリガンドを固定し、他方にはリガンドを固定しないので、２つの流路は、それぞれ異なる注入口と繋がっているものとする。 In the differential sensor element, a ligand that specifically recognizes and binds to a target molecule is immobilized on the silicon nanowire 3 in the flow path formed by one of the grooves 5 and used as the detection unit 60. The fixing method is the same as the method described in the first embodiment. A ligand is not immobilized on the silicon nanowire 3 in the flow path formed by the other groove portion 5, and the reference detection portion 61 is used. However, the reference detection unit 61 is blocked on the surface of the silicon nanowire using a BSA solution. As described above, since the ligand is fixed to the silicon nanowire 3 in one channel and the ligand is not fixed to the other channel, the two channels are connected to different inlets.

ここで、同一溝部（流路）内に検出部及び参照検出部を設置すると、参照検出部のシリコンナノワイヤ３にもリガンドが固定されてしまう。しかし、図１１に示すように、溝部５，５を並列配置することで、一方にのみリガンドを流入できる。よって、上記のように溝部５，５を並列配置することで、検出部６０にのみリガンドを固定することが容易となる。ただし、２つの溝部（流路）は、シリコンナノワイヤ３の検出部を通過した下流（吸収部または排出側）では、図１１に示すように１つになっていてもよい。 Here, when the detection unit and the reference detection unit are installed in the same groove (channel), the ligand is also fixed to the silicon nanowire 3 of the reference detection unit. However, as shown in FIG. 11, by arranging the grooves 5 and 5 in parallel, the ligand can flow into only one. Therefore, by arranging the grooves 5 and 5 in parallel as described above, it is easy to fix the ligand only to the detection unit 60. However, the two groove portions (flow paths) may be one as shown in FIG. 11 in the downstream (absorption portion or discharge side) that has passed through the detection portion of the silicon nanowire 3.

この差動型センサ素子を用いて、標的分子を含むサンプル溶液を溝部５からなる流路に導入すると、サンプル溶液が二つの流路内に流れ、検出部６０では、サンプル溶液中の標的分子がシリコンナノワイヤ３（３’）に固定化されているにリガンドと結合し、シリコンナノワイヤ３（３’）のインピーダンスの変化が起きる。他方、参照検出部６１では、リガンドが固定されていないため、標的分子との特異的な結合によるシリコンナノワイヤ３（３’）のインピーダンスの変化は起きない。よって、検出部６０のインピーダンス変化量から参照検出部６１のインピーダンス変化量を差し引くことで、より正確な標的分子の検出が可能になる。 When the sample solution containing the target molecule is introduced into the flow path including the groove portion 5 using the differential sensor element, the sample solution flows into the two flow paths, and the detection unit 60 detects the target molecule in the sample solution. The ligand is bonded to the silicon nanowire 3 (3 ′), and the impedance of the silicon nanowire 3 (3 ′) changes. On the other hand, in the reference detection unit 61, since the ligand is not fixed, the impedance of the silicon nanowire 3 (3 ') does not change due to specific binding with the target molecule. Therefore, the target molecule can be detected more accurately by subtracting the impedance change amount of the reference detection unit 61 from the impedance change amount of the detection unit 60.

従来は、差動型センサの実現は困難であったが、本実施形態では、実施の形態１〜３と同様に、シリコンナノワイヤ３と流路になる溝部５とを基板に同時に形成することで、大きさの揃ったシリコンナノワイヤ３の配置を精度よく行うことができるので、差動型センサを実現可能である。 Conventionally, it has been difficult to realize a differential sensor, but in the present embodiment, as in the first to third embodiments, the silicon nanowire 3 and the groove 5 serving as a flow path are formed simultaneously on the substrate. Since the silicon nanowires 3 having the same size can be accurately arranged, a differential sensor can be realized.

〔実施の形態５〕
本実施形態では、実施の形態１〜３で説明したセンサ素子１，１’１０のいずれかを用いた分析チップについて、図１２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。 [Embodiment 5]
In the present embodiment, an analysis chip using any one of the sensor elements 1 and 1′10 described in the first to third embodiments will be described with reference to FIGS.

本実施形態のマイクロ分析チップは、図１２（ａ）にその正面図を示すカバー層４０と、図１２（ｂ）にその正面図を示す分析用基板２０とが、張り合わされて成っている。 The micro-analysis chip of this embodiment is formed by bonding a cover layer 40 whose front view is shown in FIG. 12A and an analysis substrate 20 whose front view is shown in FIG.

カバー層４０は、透明性及び加工性が高いものが好ましく、ガラス、石英、高分子樹脂（熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂など）、フィルム等を用いることができる。なかでも、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂等であるのが好ましく、本実施形態では、シリコン系樹脂であるＰＤＭＳを用いる。カバー層４０には、分析用基板２０の液溜５１に液体を注入できるように、注入口５０が貫通して設けられている。 The cover layer 40 preferably has high transparency and workability, and glass, quartz, polymer resin (thermosetting resin, thermoplastic resin, etc.), film, or the like can be used. Among these, silicon resins, acrylic resins, styrene resins, and the like are preferable. In this embodiment, PDMS that is a silicon resin is used. The cover layer 40 is provided with an injection port 50 therethrough so that a liquid can be injected into the liquid reservoir 51 of the analysis substrate 20.

注入口５０の大きさは特に限定されず、毛細管力が働かない程度の大きさである場合、注入口５０が疎水性を有していても液溜５１に液体を注入することができる。注入口５０が、毛細管力が働く程度の大きさである場合には、注入口５０に親水性を施すことによって、毛細管力により液体を液溜５１に注入することができる。 The size of the injection port 50 is not particularly limited. When the injection port 50 has such a size that the capillary force does not work, the liquid can be injected into the liquid reservoir 51 even if the injection port 50 has hydrophobicity. When the injection port 50 has such a size that the capillary force works, the liquid can be injected into the liquid reservoir 51 by the capillary force by making the injection port 50 hydrophilic.

また、注入口５０は大気開放されていればよい。なお、注入口５０にあらかじめ液体を充填したカートリッジを接続する方法で液体を注入することもできる。その場合であっても、液体注入時にはカートリッジは液体を充分に排出できるよう、注入口５０との接続口またはそれ以外の部分で大気開放された構成を有するとよい。 Moreover, the inlet 50 should just be open | released by air | atmosphere. The liquid can also be injected by connecting a cartridge filled with the liquid to the injection port 50 in advance. Even in that case, it is preferable that the cartridge is open to the atmosphere at the connection port with the injection port 50 or other part so that the liquid can be sufficiently discharged at the time of liquid injection.

分析用基板２０は、シリコンナノワイヤや電極等を形成可能な材料として、ＳＯＩ基板を用いる。分析用基板２０には、シリコンナノワイヤ３を有する検出部６０、液溜５１、を全て同一基板上に、同時に形成できる。分析用基板２０には、液溜５１、検出部６０、吸収部５４が上面を開口して設けられている。吸収部５４には開口された空間から吸収体を充填される。そして、これら開口部分はカバー層４０が張り合わされることで、上面を封じらされ、空間が形成される。また、分析用基板２０には、外部接続端子５５が設けられている。 The analysis substrate 20 uses an SOI substrate as a material capable of forming silicon nanowires, electrodes and the like. In the analysis substrate 20, the detection unit 60 having the silicon nanowire 3 and the liquid reservoir 51 can be formed on the same substrate at the same time. The analysis substrate 20 is provided with a liquid reservoir 51, a detection unit 60, and an absorption unit 54 with the upper surface opened. The absorber 54 is filled with an absorber from the opened space. And these opening parts are sealed by the cover layer 40, and an upper surface is sealed and a space is formed. The analysis substrate 20 is provided with an external connection terminal 55.

液溜５１は、注入口５０から注入された溶液を溜めるものであり、毛細管力が働く程度の大きさを有するのが好ましい。この場合、高さ方向が充分小さく設計されていればよい。液溜５１が溶液でいっぱいになると、検出部６０に向かって流れる。 The liquid reservoir 51 accumulates the solution injected from the injection port 50, and preferably has a size that allows capillary force to work. In this case, the height direction may be designed to be sufficiently small. When the liquid reservoir 51 is filled with the solution, it flows toward the detection unit 60.

検出部６０には、実施の形態１〜３のいずれかで説明したセンサ素子１，１’，１０が用いられる。ここで、センサ素子の基板２は、分析基板２０の一部であり、分析基板２０と一体になっており、また、センサ素子のカバー層４は、カバー層４０の一部であり、カバー層４０と一体となっている。また、本実施形態では、溝部５は直線状となっている。検出部６０は被検出物質（標的分子）を直接的に検出することができる。被検出物質を直接検出できる構成であるため、例えば抗原抗体反応を別途行うような反応部を有さない構成とすることができる。 For the detection unit 60, the sensor elements 1, 1 'and 10 described in any of the first to third embodiments are used. Here, the substrate 2 of the sensor element is a part of the analysis board 20 and is integrated with the analysis board 20, and the cover layer 4 of the sensor element is a part of the cover layer 40, and the cover layer 40 and one. Moreover, in this embodiment, the groove part 5 is linear. The detection unit 60 can directly detect the target substance (target molecule). Since it is the structure which can detect a to-be-detected substance directly, it can be set as the structure which does not have a reaction part which performs an antigen antibody reaction separately, for example.

吸収部５４は、液体を吸収する物質である吸収体で充填されており、吸収体は、高分子吸収体、多孔性物質、親水性メッシュ、海綿体、綿、濾紙等、その他毛細管力を利用し液体を吸収する物質であれば、どのような物質でも構わない。吸収部５４で液体を効率的に吸収することができるよう、吸収部５４と検出部６０との接続部またはそれ以外の部分で、大気開放されている（大気と接している状態）のがよい。 The absorption part 54 is filled with an absorber that is a substance that absorbs liquid, and the absorber uses a polymer absorber, a porous substance, a hydrophilic mesh, a sponge, cotton, filter paper, and other capillary forces. Any substance that absorbs liquid can be used. In order that the liquid can be efficiently absorbed by the absorption part 54, the connection part between the absorption part 54 and the detection part 60 or the other part should be open to the atmosphere (in contact with the atmosphere). .

外部接続端子５５は、検出部６０やその他電気制御される部材への電気的制御信号の入力や、検出部６０からの検出信号の出力を行うための導電性端子である。例えば、金電極をもちると、検出電極などと併用でき工程が簡易化されるので好ましい。その他、白金、アルミニウムや、銅などの材料を含んだ導電性材料を用いて形成してもよい。 The external connection terminal 55 is a conductive terminal for inputting an electrical control signal to the detection unit 60 and other electrically controlled members and outputting a detection signal from the detection unit 60. For example, it is preferable to use a gold electrode because it can be used in combination with a detection electrode and the like and the process is simplified. Alternatively, a conductive material containing a material such as platinum, aluminum, or copper may be used.

図１２（ｂ）に示すように、シリコンナノワイヤを有する検出部６０と外部接続端子５５が電気的に接続されている。また、液溜等にバルブが設けられこれを電気的に制御する場合にも、外部接続端子５５と接続させる。外部接続端子５５は、図示しない外部の制御回路や集積回路と接続される。この構成により、マイクロ分析チップ自体には電源やＩＣなどの制御回路を設けなくてよく、そのためコストパフォーマンスに優れたチップを提供することができる。 As shown in FIG. 12B, the detection unit 60 having silicon nanowires and the external connection terminal 55 are electrically connected. Further, when a valve is provided in a liquid reservoir or the like and this is electrically controlled, the valve is connected to the external connection terminal 55. The external connection terminal 55 is connected to an external control circuit or integrated circuit (not shown). With this configuration, the micro analysis chip itself does not need to be provided with a control circuit such as a power supply or an IC, and therefore a chip with excellent cost performance can be provided.

本実施形態では１つの注入口を有する場合を説明したが、注入口は適宜２つ以上にしてそれにあわせて液溜を形成してもよい。また、液溜からの溶液の流れはバルブ等で制御するようになってもよい。これらは、公知の方法で形成することができる。 In the present embodiment, the case of having one injection port has been described, but two or more injection ports may be appropriately formed to form a liquid reservoir accordingly. The flow of the solution from the liquid reservoir may be controlled by a valve or the like. These can be formed by a known method.

以上のように、本実施形態の分析チップでは、分析用基板２０はＳＯＩ基板からなり、検出用シリコンナノワイヤ、それが配置される流路になる溝部、等を全て同一基板上に、同時に形成できる。よって、シリコンナノワイヤの配置がナノレベルで制御可能となり、非常に精度が高く、また、検出感度がよいシリコンナノワイヤを用いたセンサを有する分析チップの形成が可能である。また、本実施形態の分析チップでは、シリコンナノワイヤ３を用いたラベルフリーの検出を行うことができる。 As described above, in the analysis chip of the present embodiment, the analysis substrate 20 is made of an SOI substrate, and the detection silicon nanowires, the grooves serving as the flow paths in which the detection silicon nanowires are arranged, and the like can all be formed on the same substrate at the same time. . Therefore, the arrangement of the silicon nanowires can be controlled at the nano level, and it is possible to form an analysis chip having a sensor using the silicon nanowires with extremely high accuracy and good detection sensitivity. In the analysis chip of this embodiment, label-free detection using the silicon nanowire 3 can be performed.

また、実施の形態４で説明した差動型センサ素子を用いたした分析チップも上記分析チップと同様に構成することができる。 An analysis chip using the differential sensor element described in the fourth embodiment can also be configured in the same manner as the analysis chip.

〔実施の形態６〕
次に、本発明に係る分析装置の一実施形態である、ハンディ型マイクロ分析装置について、図１３を用いて説明する。 [Embodiment 6]
Next, a handy type microanalyzer, which is an embodiment of the analyzer according to the present invention, will be described with reference to FIG.

図１３は、本実施形態のマイクロ分析装置（分析装置）１００の構成を示す図である。マイクロ分析装置１００は、マイクロ分析チップ２３０２を用いて測定を行う、携帯可能なハンディ型マイクロ分析装置である。ここで用いるマイクロ分析チップ２３０２は、上記実施の形態５で説明した分析チップである。 FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a microanalyzer (analyzer) 100 of the present embodiment. The microanalyzer 100 is a portable handheld microanalyzer that performs measurements using a microanalytical chip 2302. The micro analysis chip 2302 used here is the analysis chip described in the fifth embodiment.

ハンディ機器２３０１の下部に、上記実施の形態５で説明した分析チップであるマイクロ分析チップ（分析チップ）２３０２の接続口であるチップ接続口２３０３が設けられている。マイクロ分析チップ２３０２の外部接続端子２３０６と電気的に接続できる外部入出力端子（図示せず）が、ハンディ機器２３０１内のチップ接続口２３０３の奥に設けられており、チップ接続口２３０３にマイクロ分析チップ２３０２を挿入することにより、ハンディ機器２３０１内の外部入出力端子とマイクロ分析チップ２３０２の外部接続端子２３０６とが電気的に接続される。ハンディ機器２３０１の内部には電源（図示せず、例えば電池）が備えられている。また、ハンディ機器２３０１には、被検出物質の測定結果を表示することができる表示部２３０４、及び、測定の開始、停止や、測定パラメータを特定するための様々なデータの入力などをすることのできる入力部２３０５が設けられる。その他、ハンディ機器には、図示しないが、データを処理することのできるＣＰＵや入力情報及び出力情報を処理するＩ／Ｏ論理回路などの情報処理システムが構築されている。 A chip connection port 2303 that is a connection port of the micro analysis chip (analysis chip) 2302 that is the analysis chip described in the fifth embodiment is provided below the handy device 2301. An external input / output terminal (not shown) that can be electrically connected to the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip 2302 is provided in the back of the chip connection port 2303 in the handy device 2301. By inserting the chip 2302, the external input / output terminal in the handy device 2301 and the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip 2302 are electrically connected. A power supply (not shown, for example, a battery) is provided inside the handy device 2301. In addition, the handy device 2301 can display a measurement unit 2304 that can display a measurement result of a substance to be detected, and can input and output various data for specifying measurement parameters. An input unit 2305 is provided. In addition, although not shown, an information processing system such as a CPU that can process data and an I / O logic circuit that processes input information and output information is built in the handy device.

マイクロ分析チップ２３０２をハンディ機器２３０１に接続し、各種データを入力し、測定開始ボタンを押すことにより、測定開始状態となり、試料（サンプル）を注入口２３０７から注入することで測定できる状態となる。 When the micro analysis chip 2302 is connected to the handy device 2301, various data are input, and a measurement start button is pressed, a measurement start state is entered, and a sample (sample) is injected from the injection port 2307 and measurement is possible.

測定者がサンプルを注入口２３０７に注入すると、マイクロ分析チップ２３０２内に設けられる流路内を毛細管現象により、溝部５からなる流路の末端部に設けられる吸収体が充填された吸収部２３０８に向かってサンプルが流入する。そして、シリコンナノワイヤ３（３’）により構成される検出部２３０９において検出された被検出物質の量に応じた電気信号をマイクロ分析チップの外部接続端子２３０６から出力する。ハンディ機器における外部入出力端子より入力された電気信号を分析することにより、被検出物質の量または種類などを特定することができる。 When the measurer injects the sample into the injection port 2307, the inside of the flow path provided in the microanalysis chip 2302 is absorbed into the absorption part 2308 filled with the absorber provided at the end of the flow path including the groove part 5 by capillary action. The sample flows in toward you. Then, an electrical signal corresponding to the amount of the substance to be detected detected by the detection unit 2309 configured by the silicon nanowire 3 (3 ′) is output from the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip. By analyzing the electrical signal input from the external input / output terminal of the handy device, the amount or type of the substance to be detected can be specified.

さらに、ハンディ機器２３０１の電源から、ハンディ機器２３０１の外部入出力端子及びマイクロ分析チップの外部接続端子２３０６を介して、マイクロ分析チップ２３０２の検出部２３０９に設けられたシリコンナノワイヤ３（３’）に、所定の電圧を印加するようになっていてもよい。このような構成であると、実施の形態１で説明したように、サンプル溶液の温度を制御し、反応を向上させることができ、感度を上げて標的分子を検出することができる。なお、印加する電圧の大きさは、予め設定されたものが記憶されており、図示しないＣＰＵがそれに従って制御してもよい。 Furthermore, the silicon nanowire 3 (3 ′) provided in the detection unit 2309 of the micro analysis chip 2302 is supplied from the power source of the handy device 2301 via the external input / output terminal of the handy device 2301 and the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip. A predetermined voltage may be applied. With such a configuration, as described in Embodiment 1, the temperature of the sample solution can be controlled, the reaction can be improved, and the target molecule can be detected with increased sensitivity. The magnitude of the voltage to be applied is stored in advance and may be controlled by a CPU (not shown).

また、マイクロ分析チップ２３０２には、サンプルの流路内への流入を停止させるバルブを設けてもよい。このような構成により、測定者がサンプルをあらかじめ注入口から注入しておくことができる。そして、マイクロ分析チップ２３０２をハンディ機器２３０１に接続し、測定開始することにより、ハンディ機器２３０１より外部入出力端子及びマイクロ分析チップの外部接続端子２３０６を介してマイクロ分析チップ２３０２のバルブに一定の電気信号を与える。それによりバルブを開状態にして、サンプルの溝部５からなる流路内への流入を開始する。したがって、より簡易に測定をすることができる。 Further, the micro analysis chip 2302 may be provided with a valve for stopping the flow of the sample into the flow path. With such a configuration, the measurer can inject the sample from the injection port in advance. Then, by connecting the micro analysis chip 2302 to the handy device 2301 and starting the measurement, a constant electric power is supplied from the handy device 2301 to the valve of the micro analysis chip 2302 via the external input / output terminal and the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip. Give a signal. As a result, the valve is opened to start the flow of the sample into the flow path formed by the groove 5. Therefore, measurement can be performed more easily.

ハンディ機器２３０１は、例えば、は携帯電話やＰＤＡなどの携帯電子機器とすることができる。ここでは携帯電話を例に挙げて説明する。携帯電話で、マイクロ分析チップ２３０２の電気的な変化を分析可能な回路、及びデータ処理分析ソフトを起動させることでハンディ機器として動作させることができる。すなわち、専用回路とソフトにより携帯電話をハンディ機器として利用する。すなわち、専用ソフトにより仮想的に携帯電話をハンディ機器として利用する。マイクロ分析チップ２３０２の外部接続端子２３０６は、携帯電話の外部入出力端子に接続可能なように構成するとよい。 The handy device 2301 can be, for example, a portable electronic device such as a mobile phone or a PDA. Here, a mobile phone will be described as an example. The mobile phone can be operated as a handy device by activating a circuit capable of analyzing an electrical change of the micro analysis chip 2302 and data processing analysis software. That is, a mobile phone is used as a handy device by a dedicated circuit and software. That is, the mobile phone is virtually used as a handy device by dedicated software. The external connection terminal 2306 of the micro analysis chip 2302 may be configured to be connectable to an external input / output terminal of a mobile phone.

マイクロ分析チップ２３０２を携帯電話に接続し、各種データを携帯電話のボタン等により入力し、測定開始ボタンとして設定されたボタンを押すことにより、測定開始状態となり、測定者がサンプルを注入口２３０７に注入し、結果として検出部において検出された被検出物質の量に応じた電気信号をマイクロ分析チップの外部接続端子２３０６から出力し、携帯電話においてマイクロ分析チップの外部接続端子２３０６と電気的に接続する外部入出力端子より入力された電気信号を処理することにより、被検出物質の量又は種類などを特定することができる。そして測定結果を携帯電話の表示画面に表示する。また、マイクロ分析チップ２３０２にバルブを設けている場合には、あらかじめマイクロ分析チップ２３０２に準備されておりバルブで流入を停止されていた試薬や試料（サンプル）などのバルブ流入を携帯電話の測定開始ボタンが押されることにより、順次開始し、結果として検出部において検出された被検出物質の量に応じた電気信号をマイクロ分析チップの外部接続端子２３０６から出力し、携帯電話においてマイクロ分析チップ２３０２の外部接続端子２３０６と電気的に接続する外部入出力端子より入力された電気信号を処理することにより、被検出物質の量又は種類などを特定することができる。そして測定結果を携帯電話の表示画面に表示する。 The micro analysis chip 2302 is connected to a mobile phone, various data are input by using buttons on the mobile phone, and a button set as a measurement start button is pressed to enter a measurement start state. As a result, an electric signal corresponding to the amount of the substance to be detected detected in the detection unit is output from the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip, and is electrically connected to the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip in the mobile phone. By processing the electric signal input from the external input / output terminal, the amount or type of the substance to be detected can be specified. Then, the measurement result is displayed on the display screen of the mobile phone. In addition, in the case where a valve is provided in the micro analysis chip 2302, the measurement of the mobile phone starts the inflow of a reagent or sample (sample) that has been prepared in advance in the micro analysis chip 2302 and stopped flowing in the valve. When the button is pressed, the operation is sequentially started, and as a result, an electric signal corresponding to the amount of the substance to be detected detected by the detection unit is output from the external connection terminal 2306 of the micro analysis chip, and the micro analysis chip 2302 of the mobile phone is output. By processing an electric signal input from an external input / output terminal electrically connected to the external connection terminal 2306, the amount or type of the substance to be detected can be specified. Then, the measurement result is displayed on the display screen of the mobile phone.

ハンディ機器２３０１を携帯電話とすることにより、コストパフォーマンスに優れたマイクロ分析装置を提供することができる。またユーザーは測定が必要な時にどこでも測定が可能になる。携帯電話の保有率が上昇し、測定者（ユーザー）に充分携帯電話が普及するようになると多くのユーザーが便益を享受することができる。すなわち、携帯電話保有者のハンディ機器のコストは不要となる。ただし、代わりに携帯電話で動作させることのできる電気的な回路やデータ処理分析ソフトのコストが必要となるが、測定者側では、データ処理分析ソフトをネットワーク上でダウンロードすることが可能であり、携帯電話の高機能化により電気的回路をあらかじめ搭載することができる。ユーザーは低コストで携帯電話をハンディ機器として利用することが可能となる。以上より、携帯電話保有者は容易にハンディ機器２３０１を準備でき、ハンディ機器を準備できた後は、マイクロ分析チップ２３０２のコストのみで試料（サンプル）の分析が可能となる。 By using the handy device 2301 as a mobile phone, a microanalyzer with excellent cost performance can be provided. Users can also take measurements wherever they need it. Many mobile users can enjoy the benefits when the mobile phone ownership rate rises and mobile phones become sufficiently widespread for the measurers (users). That is, the cost of the handheld device of the mobile phone holder is unnecessary. However, the cost of an electric circuit and data processing analysis software that can be operated on a mobile phone instead is required, but the measurer can download the data processing analysis software on the network, An electric circuit can be mounted in advance by increasing the functionality of the mobile phone. The user can use the mobile phone as a handy device at low cost. As described above, the cellular phone holder can easily prepare the handy device 2301, and after preparing the handy device, the sample (sample) can be analyzed only with the cost of the micro analysis chip 2302.

〔実施の形態７〕
さらに、本発明に係る分析装置の別の実施形態である、独立型マイクロ分析装置について、図１４を用いて説明する。 [Embodiment 7]
Furthermore, an independent microanalyzer that is another embodiment of the analyzer according to the present invention will be described with reference to FIG.

図１４は、本実施形態のマイクロ分析装置（分析装置）２００の構成を示す図である。このマイクロ分析装置２００は独立して試料（サンプル）の採取、検出データの分析、及び出力が可能な独立型マイクロ分析装置である。マイクロ分析装置２００は、図１４に示すように、サンプル採取部２４０１、液体流路部２４０２、駆動分析処理部２４０３、入出力論理処理部２４０４及び出入力部２４０５を有する。それぞれの部分が、順次積層されるか、または組み合わされる（接続する）ことによりマイクロ分析装置２００となる。 FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a microanalyzer (analyzer) 200 of the present embodiment. This microanalyzer 200 is an independent microanalyzer capable of collecting a sample (sample), analyzing detection data, and outputting independently. As shown in FIG. 14, the microanalyzer 200 includes a sample collection unit 2401, a liquid channel unit 2402, a drive analysis processing unit 2403, an input / output logic processing unit 2404, and an input / output unit 2405. The respective portions are sequentially stacked or combined (connected) to form the microanalyzer 200.

サンプル採取部２４０１には、毛細管の貫通している針が設けられており、被検体や試料体に針を刺す又は導入することにより、血液や試料等を採取する。なお、サンプル採取部２４０１には、直接、針が設けられていてもよいし、針を固定する穴が設けられていてもよい。 The sample collection unit 2401 is provided with a needle that penetrates a capillary tube, and collects blood, a sample, or the like by inserting or introducing a needle into a subject or a sample body. Note that the sample collecting unit 2401 may be directly provided with a needle or a hole for fixing the needle.

針は、低侵襲のマイクロプローブであれば、被検体に針を刺し血液等の体液を抽出する際に痛みが緩和されるため好ましい。また、針の代わりに非侵襲型の皮膚表面の汗口腔内の唾液、涙や尿等を採取する吸収体等であってもよい。 The needle is preferably a minimally invasive microprobe because pain can be alleviated when a needle is inserted into a subject and a body fluid such as blood is extracted. Further, instead of a needle, it may be an absorbent body that collects saliva, tears, urine, and the like in a sweat mouth on a non-invasive skin surface.

液体流路部（分析チップ）２４０２は、上記実施の形態５にて説明したマイクロ分析チップと同じ流路構造が形成されている。さらに、液体流路部２４０２でも、検出部６０に設けられたシリコンナノワイヤ３と接続した外部接続端子（図示せず）を有しており、この外部接続端子と、駆動分析処理部２４０３の外部入出力端子（図示せず）とが電気的に接続している。 The liquid channel portion (analysis chip) 2402 has the same channel structure as the micro analysis chip described in the fifth embodiment. Further, the liquid flow path section 2402 also has an external connection terminal (not shown) connected to the silicon nanowire 3 provided in the detection section 60. This external connection terminal and the external input of the drive analysis processing section 2403 are provided. An output terminal (not shown) is electrically connected.

サンプル採取部２４０１の毛細管は、液体流路部２０４２の液溜２４１４と接続されており、針に設けられている毛細管の毛管現象によりサンプルが液溜２４１４に流入するように構成されている。 The capillary tube of the sample collection unit 2401 is connected to the liquid reservoir 2414 of the liquid flow path unit 2042, and is configured such that the sample flows into the liquid reservoir 2414 by capillary action of a capillary provided on the needle.

液体流路部２０４２は、複数の流路構造を形成することも可能である。また、検出部６０を、実施の形態４で示したような差動型の構成とすることもできる。さらに、検出部６０を複数形成することも可能である。図１４では、吸収体を充填した吸収部５４が左右の流路構造で分離しているが、左右の流路構造で１つの吸収部５４を共用することもできる。それによりスペースの削減が可能となる。 The liquid channel portion 2042 can also form a plurality of channel structures. In addition, the detection unit 60 may have a differential configuration as shown in the fourth embodiment. Furthermore, a plurality of detection units 60 can be formed. In FIG. 14, the absorber 54 filled with the absorber is separated by the left and right channel structures, but one absorber 54 can be shared by the left and right channel structures. Thereby, space can be reduced.

駆動分析処理部２４０３には、ＣＰＵ２４０３１、メモリ、及びバッテリー２４０３２が設けられており、液体流路部２０４２の検出部６０や、後で説明するＩ／Ｏ論理回路などと接続され、各種測定に対応したバルブコントロールや、測定データの処理や、出入力部の制御等が可能となっている。また、ＣＰＵ２４０３の制御により、バッテリー２４０３２から、駆動分析処理部２４０３の外部入出力端子と液体流路部２０４２の外部接続端子を介して、検出部６０に設けられたシリコンナノワイヤ３（３’）に、所定の電圧を印加するようになっていてもよい。このような構成であると、実施の形態１で説明したように、サンプル溶液の温度を制御し、反応を向上させることができ、感度を上げて被検出物質（標的分子）を検出することができる。なお、印加する電圧の大きさは、予め設定されたものがメモリ等に記憶されており、ＣＰＵがそれに従って制御してもよい。 The drive analysis processing unit 2403 is provided with a CPU 24031, a memory, and a battery 24032, and is connected to the detection unit 60 of the liquid flow path unit 2042, an I / O logic circuit to be described later, and supports various measurements. Valve control, measurement data processing, input / output control, etc. are possible. Further, under the control of the CPU 2403, the silicon 240 is connected to the silicon nanowire 3 (3 ′) provided in the detection unit 60 via the external input / output terminal of the drive analysis processing unit 2403 and the external connection terminal of the liquid flow path unit 2042. A predetermined voltage may be applied. With such a configuration, as described in Embodiment 1, the temperature of the sample solution can be controlled, the reaction can be improved, and the detection target substance (target molecule) can be detected with increased sensitivity. it can. Note that the magnitude of the voltage to be applied is stored in advance in a memory or the like, and may be controlled by the CPU accordingly.

測定開始されると、バルブ（図示なし）で流入を停止されていた試薬や試料（サンプル）などのバルブ流入を順次開始し、結果として検出部６０において検出された被検出物質の量に応じた電気信号をＣＰＵ２４０３１にて処理することにより、被検出物質の量または種類などを特定することができる。そして、次に説明するＣＰＵ２４０３１と接続されたＩ／Ｏ論理回路２４０４１にデータを出力し、出入力部２４０５にて測定結果を表示することができる。 When the measurement is started, valve inflow of reagents and samples (samples) that have been stopped inflow by a valve (not shown) is sequentially started, and as a result, according to the amount of the detected substance detected by the detection unit 60 By processing the electrical signal by the CPU 24031, the amount or type of the substance to be detected can be specified. Data can be output to an I / O logic circuit 24041 connected to the CPU 24031 described below, and the measurement result can be displayed on the input / output unit 2405.

入出力論理処理部２４０４は、ＣＰＵ２４０３１に接続されたＩ／Ｏ論理回路２４０４１を有している。Ｉ／Ｏ論理回路２４０４１に接続する電気接続線は、出入力部２４０５の各ボタン２４０５２又は表示部２４０５１等と接続されており、ＣＰＵ２４０３１と協働し、Ｉ／Ｏデータを適切に処理することができる。すなわち、Ｉ／Ｏ論理回路２４０４１はＣＰＵ２４０３１と協働し、出入力部２４０５で入力された各種データ及び測定開始信号が入力されると、液体流路部２４０２で検出された試料の被検出物質に応じて出力される電気信号を処理し、被検出物質の量や種類を特定し、出入力部２４０５の表示部２４０５１に当該情報を表示する。 The input / output logic processing unit 2404 has an I / O logic circuit 24041 connected to the CPU 24031. An electrical connection line connected to the I / O logic circuit 24041 is connected to each button 24052 of the input / output unit 2405, the display unit 24051, or the like, and can cooperate with the CPU 24031 to appropriately process I / O data. it can. That is, the I / O logic circuit 24041 cooperates with the CPU 24031, and when various data and a measurement start signal input by the input / output unit 2405 are input, the I / O logic circuit 24041 becomes a target substance to be detected of the sample detected by the liquid channel unit 2402. In response, the output electrical signal is processed to identify the amount and type of the substance to be detected, and the information is displayed on the display unit 24051 of the input / output unit 2405.

出入力部２４０５には、各種データ入力用ボタン２４０５２及び表示部２４０５１が設けられている。 The input / output unit 2405 is provided with various data input buttons 24052 and a display unit 24051.

表示部２４０５１には、液晶表示モジュールまたは有機ＥＬ表示モジュール等を用いることができる。表示部２４０５１は、駆動ドライバー回路（図示せず）をＩ／Ｏ論理回路とＣＰＵが協働し駆動することで表示動作を行なうことが可能である。表示は数値を表示する形式や、グラフを用いて経時変化と共に表示することもできる。また、陽性・陰性等といった形式で表示することもできる。 As the display portion 24051, a liquid crystal display module, an organic EL display module, or the like can be used. The display portion 24051 can perform a display operation by driving a driver circuit (not shown) in cooperation with the I / O logic circuit and the CPU. The display can also be displayed with a time-dependent change using a numerical value display format or a graph. It can also be displayed in a format such as positive or negative.

さらに、出入力部２０４５には、図示しないが、外部との入出力を処理する端子、または、無線送受信機を設けることができる。そうすることにより、パソコンやＰＤＡ端末などと接続でき測定データの加工、分析及び保存などができ、さらに、ネットワーク接続もできるため、双方向の情報のやり取りを行うことも可能となる。このように、双方向の情報のやり取りを行なうことにより、測定者の測定結果により得られる健康に関する情報を病院や健康管理センターなどとネットワーク接続し、双方向の情報提供ができるようになるため、高度な医療に直結したアドバイスや診断・治療を測定者は享受でき、医療提供側では豊富な健康情報からの適格な診断・治療が可能となる。 Furthermore, although not shown, the input / output unit 2045 can be provided with a terminal for processing input / output with the outside or a wireless transceiver. By doing so, it is possible to connect to a personal computer, a PDA terminal, and the like, and to process, analyze, and store measurement data. Further, since it is possible to connect to a network, bidirectional information exchange can be performed. In this way, by exchanging information in both directions, health information obtained from the measurement results of the measurer can be networked with hospitals and health management centers, etc., so that information can be provided in both directions. The measurer can enjoy advice, diagnosis, and treatment directly related to advanced medical care, and the medical provider can make appropriate diagnosis and treatment from abundant health information.

なお、マイクロ分析装置２００は、図示しないが、シリコンナノワイヤ３（３’）に、振動を与える振動源と（振動手段）、その振動数を測定する測定手段とを備えた、振動数測定部を備えていてもよい。ここで、シリコンナノワイヤ３（３’）を振動させるには、レーザ光を用いた光熱励振法を用いることができ、その場合、例えば、振動源として半導体レーザ、測定手段として、レーザドップラー干渉計を採用すればよい。マイクロ分析装置２００がこのような振動測定部を有することで、実施の形態１で説明したように、ナノワイヤの固有振動数の変化を測定でき、サンプル中の標的分子の検量が可能になる。 Although not shown in the drawing, the microanalyzer 200 includes a vibration frequency measurement unit that includes a vibration source that applies vibration to the silicon nanowire 3 (3 ′), a vibration means, and a measurement means that measures the vibration frequency. You may have. Here, in order to vibrate the silicon nanowire 3 (3 ′), a photothermal excitation method using laser light can be used. In this case, for example, a semiconductor laser is used as a vibration source, and a laser Doppler interferometer is used as a measurement means. Adopt it. Since the microanalyzer 200 has such a vibration measurement unit, as described in Embodiment 1, it is possible to measure the change in the natural frequency of the nanowire and to calibrate the target molecule in the sample.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、ナノ構造体を用いて各種標的を検出し、これら標的の定性や定量を行う、バイオセンサや化学センサ等の標的検出装置に利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to target detection devices such as biosensors and chemical sensors that detect various targets using nanostructures and perform qualitative and quantitative determination of these targets.

本発明の一実施形態のセンサ素子１におけるシリコンナノワイヤ付近を拡大した斜視図である。It is the perspective view which expanded the silicon nanowire vicinity in the sensor element 1 of one Embodiment of this invention. 図１に示すセンサ素子１または図５に示すセンサ素子１’の上面図である。FIG. 6 is a top view of the sensor element 1 shown in FIG. 1 or the sensor element 1 ′ shown in FIG. 5. （ａ）はシングル形状の、（ｂ）はマトリクス形状のシリコンナノワイヤを示す図である。(A) is a figure showing a single shape, (b) is a diagram showing a matrix-shaped silicon nanowire. （ａ１）〜（ｅ１）は、図２のセンサ素子１のＡＡ’断面を製造工程順に説明する図であり、（ａ２）〜（ｅ２）は、図２のセンサ素子１のＢＢ’断面を製造工程順に説明する図であり、（ａ３）、（ｄ３）は、センサ素子１の製造工程での上面図であり、（ａ４）、（ｅ４）は、フォトレジストの上面図である(A1)-(e1) is a figure explaining the AA 'cross section of the sensor element 1 of FIG. 2 in order of a manufacturing process, (a2)-(e2) manufactures BB' cross section of the sensor element 1 of FIG. It is a figure explaining to process order, (a3), (d3) is a top view in the manufacturing process of the sensor element 1, (a4), (e4) is a top view of a photoresist. （ａ１）〜（ｆ１）は、図２（ａ）のセンサ素子のＡＡ’断面を製造工程順に説明する図であり、（ａ２）〜（ｆ２）は、図２（ａ）のセンサ素子のＢＢ’断面を製造工程順に説明する図であり、（ａ３）、（ｃ３）、（ｄ３）、（ｅ３）、（ｆ３）は、センサ素子１の製造工程での上面図であり、（ａ４）、（ｃ４）は、フォトレジストの上面図である。(A1)-(f1) is a figure explaining the AA 'cross section of the sensor element of Fig.2 (a) in order of a manufacturing process, (a2)-(f2) is BB of the sensor element of Fig.2 (a). 'Is a view for explaining the cross-section in the order of the manufacturing process, (a3), (c3), (d3), (e3), (f3) is a top view in the manufacturing process of the sensor element 1, (a4), (C4) is a top view of the photoresist. 本発明の他の実施形態のセンサ素子１０におけるシリコンナノワイヤ付近を拡大した斜視図である。It is the perspective view which expanded the silicon nanowire vicinity in the sensor element 10 of other embodiment of this invention. 図６に示すセンサ素子１０の上面図である。It is a top view of the sensor element 10 shown in FIG. 本発明の他の実施形態のセンサ素子１’におけるシリコンナノワイヤ付近を拡大した斜視図である。It is the perspective view which expanded the silicon nanowire vicinity in the sensor element 1 'of other embodiment of this invention. （ａ１）〜（ｉ１）は、図８のセンサ素子１０のＡＡ’断面を製造工程順に説明する図であり、（ａ２）〜（ｉ２）は、図８のセンサ素子１０のＢＢ’断面を製造工程順に説明する図であり、（ａ３）、（ｂ３）、（ｄ３）は、センサ素子１０の製造工程での上面図であり、（ａ４）、（ｃ４）、（ｄ４）は、フォトレジストの上面図である。(A1)-(i1) is a figure explaining the AA 'cross section of the sensor element 10 of FIG. 8 in order of a manufacturing process, (a2)-(i2) manufactures BB' cross section of the sensor element 10 of FIG. It is a figure explaining in order of a process, (a3), (b3), (d3) is a top view in the manufacturing process of the sensor element 10, (a4), (c4), (d4) are photoresists It is a top view. （ａ１）〜（ｄ１）は、図２のセンサ素子１’のＡＡ’断面を製造工程順に説明する図であり、（ａ２）〜（ｄ２）は、図２のセンサ素子１’のＢＢ’断面を製造工程順に説明する図であり、ａ３）、（ｂ３）、（ｄ３）は、センサ素子１’の製造工程での上面図であり、（ａ４）、（ｃ４）は、フォトレジストの上面図である。(A1)-(d1) is a figure explaining the AA 'cross section of sensor element 1' of FIG. 2 in order of a manufacturing process, (a2)-(d2) is BB 'cross section of sensor element 1' of FIG. (A3), (b3), (d3) are top views in the manufacturing process of the sensor element 1 ′, and (a4), (c4) are top views of the photoresist. It is. 本発明の他の実施形態の差動型センサ素子を示す図である。It is a figure which shows the differential type sensor element of other embodiment of this invention. （ａ）,（ｂ）は、センサ素子を用いた分析チップの構成図である。(A), (b) is a block diagram of the analysis chip using a sensor element. 本発明の他の実施形態のハンディ型マイクロ分析装置の構成図である。It is a block diagram of the handy type microanalyzer of other embodiments of the present invention. 本発明の他の実施形態の独立型マイクロ分析装置の構成図である。It is a block diagram of the independent type | mold microanalyzer of other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１，１’，１０センサ素子
２基板
３，３’ シリコンナノワイヤ（ナノ構造体）
４カバー層
５溝部
２０基板
４０カバー層
５０注入口
５１液溜
５４吸収部
５５外部接続端子
６０検出部
６１参照検出部
１００，２００マイクロ分析装置（分析装置）
２３０２マイクロ分析チップ（分析チップ） 1,1 ', 10 sensor element 2 substrate 3,3' silicon nanowire (nanostructure)
4 Cover Layer 5 Groove 20 Substrate 40 Cover Layer 50 Inlet 51 Liquid Reservoir 54 Absorber 55 External Connection Terminal 60 Detector 61 Reference Detector 100, 200 Micro Analyzer (Analyzer)
2302 Micro analysis chip (analysis chip)

Claims

標的を検出する検出部としてナノ構造体を用いるセンサ素子において、
溝部が設けられた面を有する基板と、
上記溝部内で当該溝部の両側壁に懸架して設けられ、かつ、上記基板と一体に構成されたナノ構造体と、を有し、
上記ナノ構造体は、上記溝部の底部および上端部から離間しており、
上記ナノ構造体及び上記基板は、半導体であるシリコンからなり、
上記ナノ構造体は、マトリクス形状に設けられていることを特徴とするセンサ素子。 In a sensor element using a nanostructure as a detection unit for detecting a target,
A substrate having a surface provided with a groove;
A nanostructure provided in a suspended manner on both side walls of the groove within the groove and configured integrally with the substrate;
The nanostructure is spaced apart from the bottom and upper end of the groove,
The nanostructure and the substrate are made of silicon which is a semiconductor ,
Upper Symbol nanostructures sensor element, characterized in that provided in a matrix shape.

上記ナノ構造体は、上記基板の材料がエッチングとリソグラフィーとを用いてパターニングされることで、マトリクス形状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。 The sensor element according to claim 1, wherein the nanostructure is provided in a matrix shape by patterning the material of the substrate using etching and lithography .

上記ナノ構造体は複数設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ素子。 The sensor element according to claim 1, wherein a plurality of the nanostructures are provided.

上記ナノ構造体が設けられた上記溝部を二つ有することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のセンサ素子。 The sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor element has two of the groove portions provided with the nanostructures.

請求項１から４の何れか１項に記載のセンサ素子を有することを特徴とする分析チップ。 An analysis chip comprising the sensor element according to claim 1.

請求項４に記載のセンサ素子を有し、上記二つの溝部のうち、一方の溝部の上記ナノ構造体にはリガンドを修飾して検出部として使用し、他方の溝部のナノ構造体にはリガンドを固定せずに参照検出部として使用する、ことを特徴とする差動型分析チップ。 5. The sensor element according to claim 4, wherein a ligand is modified in the nanostructure in one of the two grooves to be used as a detector, and a ligand is used in the nanostructure in the other groove. A differential analysis chip, wherein the differential detection chip is used as a reference detection unit without being fixed.

請求項５に記載の分析チップを用いて、上記ナノ構造体にリガンドを固定し、上記ナノ構造体の電気的特性の変化を測定することで標的分子を検出することを特徴とする分析装置。 An analysis device, wherein a ligand is immobilized on the nanostructure using the analysis chip according to claim 5 and a target molecule is detected by measuring a change in electrical characteristics of the nanostructure.

請求項６に記載の差動型分析チップを用い、上記ナノ構造体の電気的特性の変化を測定することで標的分子を検出することを特徴とする分析装置。 An analysis apparatus for detecting a target molecule by measuring a change in electrical characteristics of the nanostructure using the differential analysis chip according to claim 6.

ナノ構造体を有するセンサ素子を用いて、当該ナノ構造体にリガンドを固定し、当該ナノ構造体の電気的特性の変化を測定することで標的分子を検出する分析装置であって、
上記ナノ構造体に電圧を印加する電圧印加部と、印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記センサ素子として、請求項１から４の何れか１項に記載のセンサ素子を用いることを特徴とする分析装置。
An analyzer that detects a target molecule by immobilizing a ligand to the nanostructure using a sensor element having the nanostructure and measuring a change in electrical characteristics of the nanostructure,
A voltage application unit that applies a voltage to the nanostructure, and a voltage control unit that controls the voltage to be applied,
An analysis apparatus using the sensor element according to claim 1 as the sensor element.