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物理・化学センサおよび物理・化学現象センシングデバイスならびにこれらの製造方法 NEW

国内特許コード P170014128
整理番号 (S2014-0826-N0)
掲載日 2017年5月10日
出願番号 特願2016-513828
出願日 平成27年4月16日(2015.4.16)
国際出願番号 JP2015061691
国際公開番号 WO2015159945
国際出願日 平成27年4月16日(2015.4.16)
国際公開日 平成27年10月22日(2015.10.22)
優先権データ
  • 特願2014-085931 (2014.4.17) JP
発明者
  • 高橋 一浩
  • 小澤 遼
  • 澤田 和明
出願人
  • 国立大学法人豊橋技術科学大学
発明の名称 物理・化学センサおよび物理・化学現象センシングデバイスならびにこれらの製造方法 NEW
発明の概要 【課題】 可動膜上における反応時間を短縮し得る物理・化学センサおよび物理・化学現象センシングデバイスを提供するとともに、そのための製造方法をも提供する。
【解決手段】 物理・化学センサは、ファブリペロー干渉計を形成するとともに、可動膜3の表面に流路形成層4を積層し、中空部41と、これに接続する流路42を構成した。物理・化学現象センシングデバイスは、複数の物理・化学センサを備え、検出用センサ100と、参照用センサ200とに区分し、異なる流路および中空部によって検体および参照試料を可動膜に供給できるようにした。これらの製造方法は、基板上に犠牲層を積層し、レジストにより流路形成層を構成した後、最後の工程として犠牲層をエッチングする。
【選択図】 図1
従来技術、競合技術の概要


近年、燃料電池に代表されるように、水素ガスをエネルギー源とするための技術が開発され普及されつつあり、これに伴って水素ガスを検出するためのセンサが重要視されている。また、環境汚染を誘引するガス(二酸化炭素や二酸化窒素など)は環境保全のためにその排出を検知することが重要とされ、爆薬に使用される成分(トリニトロトルエン:TNTやトリメチレントリニトロアミン:RDXなど)を含むガスの検知は、地雷を発見することに有用である。さらに、医療現場においては、特定種類の抗体または特定種類の抗原を検出することにより、特定の疾患に罹患していることを判定するため、抗原抗体反応によって特定の抗原(特定のタンパク質)を検出するセンサもまた重要視されている。



そこで、医療現場では、検出すべきタンパク質を特定する方法として、蛍光ラベルを使用する蛍光標識技術が用いられていた。この技術は、活性化した蛍光基をタンパク質に反応させて標識とするものであって、同時に複数の検出が可能となるとともに蛍光色素の取り扱いが簡単であることから、以前から広く使用されてきた。しかし、この蛍光標識技術では、蛍光基が反応することに伴ってタンパク質構造が劣化することが懸念され、また、蛍光基修飾の位置や標識数の制御が困難であるという定量評価に関して問題があった。



上記の問題を解決する手法として、標識を用いない(非標識、いわゆるラベルフリー)センサが提案されている。そこで、MEMS(Micro Electro Mechanical System:微小電気機械システム)技術を用いたラベルフリータンパク質センサとして、分子の吸着による表面応力の変化をカンチレバーや薄膜の曲げとして検出するものが提案されている(非特許文献1および2参照)。上記技術における表面応力の変化は、吸着分子同士のもつ電荷によって静電反発力に起因するものであった。そして、静的な変位を信号出力するためのトランスデューサとしては、レーザの反射角度を検出する方式、またはピエゾ抵抗により出力電圧の信号を読み取る方式が採用されている。カンチレバーを使用する方式では、カンチレバー型センサをマイクロ流路中に実装し、シリンジポンプによって送液される液中に含まれるターゲット分子をリアルタイムに検出するものであった。



しかしながら、ピエゾ抵抗を用いるカンチレバー型センサは、カンチレバーの機械的な撓みをピエゾ素子による抵抗値の変化として認識するものであるところ、カンチレバーの撓み量から抵抗値変化量への変換効率が小さかった。また、カンチレバーの材料がシリコン製であるため、ヤング率が高く(130~160GPa)、生体分子に起因する微小な分子間力の検出に必要かつ十分な撓み量を得ることができないという問題点を有していた。

産業上の利用分野


本発明は、光干渉型の物理・化学センサに関し、特に、気体や液体に含まれる分子を非標識により検知するためのセンサに関するもの、このセンサを使用した物理・化学現象センシングデバイス、およびこれらの製造方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
受光素子の受光面に、空隙部を形成しつつ該受光面に対向して設けられた可動膜を備え、該可動膜は、少なくとも外側表面に物質固定能を有し、前記受光面とともにファブリペロー干渉計を形成するように構成された物理・化学センサにおいて、
前記可動膜の外側表面に積層される流路形成層を備え、該流路形成層は、前記可動膜の外側表面に中空部を形成するとともに、該中空部に接続される流路が形成されていることを特徴とする物理・化学センサ。

【請求項2】
前記可動膜は、周辺部分の一部に貫設された貫通部を備え、前記流路形成層は、前記中空部および流路から逸れた位置において前記貫通部に連通するように該流路形成層を貫通する連通部を備えており、前記受光面と前記可動膜との間に形成される空隙部は、前記貫通部および連通部を介して外部に連通している請求項1に記載の物理・化学センサ。

【請求項3】
前記可動膜は、気体または液体に含まれる分子を固定する分子固定能を有する材料で形成されている請求項1または2に記載の物理・化学センサ。

【請求項4】
前記可動膜は、柔軟な基礎膜と、該基礎膜の表面に分子固定能を有する材料を積層した分子固定膜とを備える構成である請求項1ないし3のいずれかに記載の物理・化学センサ。

【請求項5】
請求項1ないし4のいずれかに記載の物理・化学センサを使用するセンサアレイであって、
基板上に複数の前記物理・化学センサを形成し、前記流路層に形成される流路は、それぞれの物理・化学センサの可動膜の外側表面に形成される複数の中空部を直列に接続するように形成されていることを特徴とする物理・化学センサアレイ。

【請求項6】
請求項1ないし4のいずれかに記載の物理・化学センサを使用するセンサアレイであって、
基板上に形成される複数の前記物理・化学センサによりユニットを複数列設け、前記流路層に形成される流路は、それぞれのユニットごとに、それぞれの物理・化学センサの可動膜の外側表面に形成される複数の中空部を直列に接続するように形成されていることを特徴とする物理・化学センサアレイ。

【請求項7】
前記流路は、それぞれのユニットごとに、前記基板の端縁において開口する流入部および排出部を備えている請求項6に記載の物理・化学センサアレイ。

【請求項8】
請求項1ないし4のいずれかに記載の物理・化学センサを使用するセンシングデバイスであって、
基板上に複数の前記物理・化学センサを配置し、その一部を参照用とし、他方の一部または全部を検出用とすることを特徴とする物理・化学現象センシングデバイス。

【請求項9】
請求項6または7に記載のセンサアレイを使用するセンシングデバイスであって、
複数の前記ユニットについて、個々のユニットを構成する複数の前記物理・化学センサのうち一部の物理・化学センサを参照用とし、他の物理・化学センサを検出用とすることを特徴とする物理・化学現象センシングデバイス。

【請求項10】
請求項6または7に記載のセンサアレイを使用するセンシングデバイスであって、
複数の前記ユニットのうち、一部のユニットを参照用とし、他方の一部または全部を検出用とすることを特徴とする物理・化学現象センシングデバイス。

【請求項11】
受光素子の受光面に、エッチング可能材料を堆積して犠牲層を生成する犠牲層生成工程と、
前記犠牲層の表面のうち、エッチング材料を通過させるためのエッチング材料流通領域を除き、可動膜構成領域に可動膜構成材料を堆積して可動膜層を生成する可動膜層生成工程と、
前記可動膜層の外側表面上に空間部と、この空間部に接続される流路とを形成するとともに、前記エッチング材料流通領域に連通する連通領域を形成させつつ、該可動膜層表面に流路形成層を積層する流路形成層生成工程と、
前記エッチング材料流通領域および前記連通領域を介してエッチング材料を前記犠牲層に到達させ、該犠牲層をエッチングにより除去して可動膜層の裏面側に空隙部を形成させる犠牲層除去工程とを含むことを特徴とする物理・化学センサの製造方法。

【請求項12】
前記流路形成層生成工程は、空間部構成領域、流路構成領域および連通領域の周囲壁面を構成する壁面構成工程と、前記空間部構成領域および流路構成領域の上部開口部を閉塞する閉塞工程とを含むものである請求項11に記載の物理・化学センサの製造方法。

【請求項13】
基板上に作製された複数の受光素子の各受光面に、エッチング可能材料を堆積して犠牲層を生成する犠牲層生成工程と、
前記犠牲層の表面のうち、エッチング材料を通過させるためのエッチング材料流通領域を除き、可動膜構成領域に可動膜構成材料を堆積して可動膜層を生成する可動膜層生成工程と、
前記可動膜層の外側表面上に空間部と、前記複数の受光素子を複数のユニットに区分しつつ、該ユニットごとに各空間部を直列に接続する流路とを形成するとともに、前記エッチング材料流通領域に連通する連通領域を形成させながら、該可動膜層表面に流路形成層を積層する流路形成層生成工程と、
前記エッチング材料流通領域および前記連通領域を介してエッチング材料を前記犠牲層に到達させ、該犠牲層をエッチングにより除去して可動膜層の裏面側に空隙部を形成させる犠牲層除去工程とを含むことを特徴とする物理・化学現象センシングデバイスの製造方法。

【請求項14】
前記流路形成層生成工程は、空間部構成領域、流路構成領域および連通領域の周囲壁面を構成する壁面構成工程と、前記空間部構成領域および流路構成領域の上部開口部を閉塞する閉塞工程とを含むものである請求項13に記載の物理・化学現象センシングデバイスの製造方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 公開
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