特許 6784845 センサＩＣ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6784845

(24)【登録日】2020年10月27日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】センサＩＣ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/22 20060101AFI20201102BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/22 Z

【請求項の数】5

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-532417(P2019-532417)

(86)(22)【出願日】2018年6月1日

(86)【国際出願番号】JP2018021252

(87)【国際公開番号】WO2019021629

(87)【国際公開日】20190131

【審査請求日】2019年12月19日

(31)【優先権主張番号】特願2017-144844(P2017-144844)

(32)【優先日】2017年7月26日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005049

【氏名又は名称】シャープ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147304

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 知哉

(72)【発明者】

【氏名】満仲 健

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 晶

(72)【発明者】

【氏名】芦田 伸之

【審査官】 北川 創

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０７５５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０１０１８２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１０９００４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／００ − ２７／１０

Ｇ０１Ｎ ２７／１４ − ２７／２４

Ｈ０１Ｌ ２１／８２２

Ｈ０１Ｌ ２７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発振器を構成するインダクタと、
前記インダクタに接続されている、少なくとも１つの電極部と、
前記電極部と隣接して配置されている誘電泳動電極とを備えており、
前記誘電泳動電極は、前記誘電泳動電極と被検査体との間で誘電泳動を発生させ、
前記被検査体が載せられる面である被搭載面と前記インダクタとの距離は、前記被搭載面と前記電極部との距離より大きく、かつ、前記被搭載面と前記誘電泳動電極との距離より大きいことを特徴とするセンサＩＣ。

【請求項2】

前記インダクタの少なくとも一部は、第１メタル層によって形成されており、
前記電極部および前記誘電泳動電極は、前記第１メタル層に対して積層されている第２メタル層によって形成されており、
前記第２メタル層の厚みは、３マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１に記載のセンサＩＣ。

【請求項3】

前記誘電泳動電極は、前記被検査体を捕獲する、または、前記被検査体を放出することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサＩＣ。

【請求項4】

前記被搭載面の上面視において、前記誘電泳動電極が露出していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサＩＣ。

【請求項5】

前記インダクタ、前記電極部、および前記誘電泳動電極を含むセンシング単位を複数有しており、
複数のセンシング単位が、アレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサＩＣ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサＩＣに関する。

【背景技術】

【0002】

各家庭または簡易診断所等で利用される、人体の診断機器には、低価格化、小型化、検査時間の短縮化、および操作の簡便化等が要求される。半導体集積回路上に形成されたセンサＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）は、これらの要求を満たすことができる。

【0003】

従来技術の一例として、非特許文献１には、半導体集積回路上に形成されたセンサＩＣが開示されている。図１４の（ａ）は、従来技術に係るセンサＩＣ１００の上面図の概略図、図１４の（ｂ）は、当該概略図のＡ−Ｂ線断面図である。

【0004】

センサＩＣ１００は、半導体基板１１０と、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化膜半導体）および／またはバイポーラトランジスタ等を含むトランジスタ群１１１と、複数のメタル層からなる配線層１１２とを備えている。センサＩＣ１００においては、複数のメタル層のいずれかで形成されたインダクタ１１３と、差動端子間に任意に接続された容量１１４とを用いた共振により、高周波発振器１１５を形成する。高周波発振器１１５は例えば、ＮＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２、ならびにＰＭＯＳトランジスタＭ３およびＭ４をクロスカップル接続した回路を含んでいる。なお、図１４の（ａ）および（ｂ）においては、インダクタ１１３が複数のメタル層における最上位メタル層で形成されている例を示している。最上位メタル層の上には、適切な厚さの保護膜１１６が積層されている。インダクタ１１３を最上位メタル層で形成することによって、インダクタ１１３および容量１１４からなるＬＣ共振回路のＱ値を向上させることができる。

【0005】

センサＩＣ１００は、図１５に示すように、センサＩＣ１００上に、水分を含む被検査体１１７が載せられることによって、高周波発振器１１５の発振周波数が変化する。この高周波発振器１１５の発振周波数の変化を観察することにより、センサＩＣ１００においては、インダクタ１１３上の水分を含む被検査体１１７の誘電率の変化を確認することができる。具体的には、水分を含む被検査体１１７をセンサＩＣ１００上に載せると、水の複素誘電率と空気の複素誘電率とが異なることに起因して、高周波発振器１１５の発振周波数が変化する。そして、センサＩＣ１００においては、誘電率の違いを当該発振周波数の違いとして見分けることができる。なお、高周波発振器１１５の空気中における発振周波数は、例えばおよそ１００ＧＨｚに設定される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Takeshi Mitsunaka, Daiki Sato, Nobuyuki Ashida, Akira Saito, Kunihiko Iizuka, Tetsuhito Suzuki, Yuichi Ogawa, and Minoru Fujishima,"CMOS Biosensor IC Focusing on Dielectric Relaxations of Biological Water With 120 and 60GHz Oscillator Arrays", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.51, No.11, pp.2534-2544, Nov. 2016.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

図１６の（ａ）は、センサＩＣ１００上に載せられた溶液１１８中に細胞（被検査体）１１９を含める前に評価する場合を図示した上面図の概略図である。図１６の（ｂ）は、当該概略図のＣ−Ｄ線断面図である。図１７の（ａ）は、センサＩＣ１００上に載せられた溶液１１８中に細胞１１９を含めた後に評価する場合を図示した上面図の概略図である。図１７の（ｂ）は、当該概略図のＣ−Ｄ線断面図である。

【0008】

まず、図１６の（ａ）および（ｂ）に示すように、溶液１１８のみを評価し、溶液１１８の特性を初期状態として記憶する。この時点では、溶液１１８中に細胞１１９は存在していないので、高周波発振器１１５の発振周波数は溶液１１８のみを評価したときの発振周波数である。次に、溶液１１８のみを評価した場合に沿って、適切な条件下で溶液１１８に細胞１１９を挿入すると、図１７の（ａ）および（ｂ）に示すように、細胞１１９は重力等によりセンサＩＣ１００上に接着する。溶液１１８の誘電率と細胞１１９の誘電率とは異なるため、複素誘電率の変化が、高周波発振器１１５の発振周波数の変化として計測される。

【0009】

ここで、センサＩＣ１００においては、細胞１１９がセンサＩＣ１００上に接着する位置に依存して、センシング結果にバラつきが生じる虞があるという問題が発生する。以下、この問題について、図１８を参照して詳細に説明する。

【0010】

図１８は、センサＩＣ１００上面上の２点ＸおよびＹを結ぶ直線Ｚ上における樹脂針１２１の位置（横軸：移動量で表示）と、高周波発振器１１５の発振周波数の変化（縦軸）と、の関係を示すグラフである。図１８においては、点Ｘ、点Ｙ、および直線Ｚと、センサＩＣ１００上面と、当該グラフの横軸と、の対応関係を併せて示している。また、樹脂針１２１の誘電率ε_ｒは、６としている。

【0011】

細胞１１９はインダクタ１１３に比べて小さい。インダクタ１１３上の細胞１１９の接着位置によって、細胞１１９が持つ誘電率が高周波発振器１１５の発振周波数に与える影響が変わる。高周波発振器１１５の計測感度は、図１８に示すグラフによれば、誘電体である樹脂針１２１の位置に依存して、発振周波数の変化の大きさが異なる。

【0012】

具体的には、樹脂針１２１が電極部１２２またはその近傍の上に位置する場合、当該発振周波数の変化が極端に大きくなっている。なぜなら、電極部１２２の上が、最も当該発振周波数の変化が大きい（換言すれば、最も感度が高い）ためである。なお、電極部１２２は、インダクタ１１３と、ＮＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２、ならびにＰＭＯＳトランジスタＭ３およびＭ４と、の接続部分である。また、樹脂針１２１がインダクタ１１３の上に位置する場合の当該発振周波数の変化は、総じて、樹脂針１２１がインダクタ１１３の上以外に位置する場合の当該発振周波数の変化と比べて若干大きい。なぜなら、インダクタ１１３の上が、インダクタ１１３の上以外と比較して当該発振周波数の変化が大きい（換言すれば、感度が高い）ためである。

【0013】

本発明の一態様は、センシング結果にバラつきが生じる虞を低減することを可能とするセンサＩＣを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るセンサＩＣは、発振器を構成するインダクタと、前記インダクタに接続されている、少なくとも１つの電極部と、前記電極部と隣接して配置されている誘電泳動電極とを備えており、前記誘電泳動電極は、前記誘電泳動電極と被検査体との間で誘電泳動を発生させ、前記被検査体が載せられる面である被搭載面と前記インダクタとの距離は、前記被搭載面と前記電極部との距離より大きく、かつ、前記被搭載面と前記誘電泳動電極との距離より大きいことを特徴としている。

【発明の効果】

【0015】

本発明の一態様によれば、センシング結果にバラつきが生じる虞を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るセンサＩＣの上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＡ１−Ｂ１線断面図である。

【図2】（ａ）は、本発明の実施の形態１の第１変形例に係るセンサＩＣの上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＡ１−Ｂ１線断面図である。

【図3】（ａ）は、本発明の実施の形態１の第２変形例に係るセンサＩＣの上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＡ１−Ｂ１線断面図である。

【図4】（ａ）は、被搭載面に被検査体を含む液体を載せた状態を示す上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。

【図5】（ａ）は、図４の（ａ）に示した状態から、被検査体がインダクタ上に位置している状態を示す上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。

【図6】（ａ）は、図５の（ａ）に示した状態から、誘電泳動電極により被検査体を電極部上に移動させた状態を示す上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。

【図7】（ａ）は、図６の（ａ）に示した状態から、別の被検査体がインダクタ上に位置している状態を示す上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。

【図8】被検査体を含む液体が本発明の実施の形態１に係るセンサＩＣ上に載った場合の構成を示す等価回路である。

【図9】（ａ）および（ｂ）のそれぞれは、インダクタの変形例を示す上面図である。

【図10】（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るセンサＩＣの主要部の上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。

【図11】（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るセンサＩＣの主要部において、誘電泳動電極により被検査体を電極部上に移動させた状態を示す上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。

【図12】本発明の実施の形態３に係るセンサＩＣの概略図である。

【図13】本発明の実施の形態１に係るセンサＩＣの被搭載面からの距離と、高周波発振器の発振周波数の変化量との関係を示すグラフである。

【図14】（ａ）は、従来技術に係るセンサＩＣの上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＡ−Ｂ線断面図である。

【図15】従来技術に係るセンサＩＣ上に、水分を含む被検査体が載せられる様子を示す断面図である。

【図16】（ａ）は、従来技術に係るセンサＩＣ上に載せられた溶液中に被検査体を含める前に評価する場合を図示した上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ−Ｄ線断面図である。

【図17】（ａ）は、従来技術に係るセンサＩＣ上に載せられた溶液中に被検査体を含めた後に評価する場合を図示した上面図の概略図であり、（ｂ）は、当該概略図のＣ−Ｄ線断面図である。

【図18】従来技術に係るセンサＩＣ上面上の２点を結ぶ直線上における誘電体の位置と、高周波発振器の発振周波数の変化と、の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、説明の便宜上、先に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

【0018】

〔実施の形態１〕
図１の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るセンサＩＣ１の上面図の概略図、図１の（ｂ）は、当該概略図のＡ１−Ｂ１線断面図である。図２の（ａ）は、本発明の実施の形態１の第１変形例に係るセンサＩＣ２の上面図の概略図、図２の（ｂ）は、当該概略図のＡ１−Ｂ１線断面図である。図３の（ａ）は、本発明の実施の形態１の第２変形例に係るセンサＩＣ３の上面図の概略図、図３の（ｂ）は、当該概略図のＡ１−Ｂ１線断面図である。

【0019】

センサＩＣ１は、半導体基板１０と、ＣＭＯＳおよび／またはバイポーラトランジスタ等を含むトランジスタ群１１と、複数のメタル層からなる配線層１２とを備えている。また、センサＩＣ１は、２個の電極部１８を備えている。２個の電極部１８は、それぞれ、インダクタ１５の両端に接続されており、差動端子を構成している。２個の電極部１８はいずれも、配線層１２を構成する複数のメタル層のうち、最上位メタル層（第２メタル層）１３によって形成されている。

【0020】

また、センサＩＣ１は、インダクタ１５と、容量１６とを備えている。インダクタ１５は、配線層１２を構成する複数のメタル層のうち、最上位メタル層１３の１層下である第２位メタル層（第１メタル層）１４によって形成されている。最上位メタル層１３は、第２位メタル層１４に対して積層されている。また、容量１６は、２個の電極部１８の間に接続されている。そして、センサＩＣ１においては、インダクタ１５と、容量１６および電極部１８等の合成容量と、を用いた共振により、高周波発振器１７を形成する。高周波発振器１７は例えば、ＮＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２、ならびにＰＭＯＳトランジスタＭ３およびＭ４をクロスカップル接続した回路を含んでいる。２個の電極部１８は、それぞれ、インダクタ１５と、ＮＭＯＳトランジスタＭ１およびＭ２、ならびにＰＭＯＳトランジスタＭ３およびＭ４と、の接続点Ｐ１およびＰ２に形成されている。

【0021】

最上位メタル層１３および第２位メタル層１４は、インダクタ１５および前記合成容量からなる共振回路のＱ値を向上させるため、例えば厚みが１マイクロメートル以上であることが好ましいが、この限りではない。

【0022】

特に、最上位メタル層１３の厚みは、３マイクロメートル以上であることが好ましい。インダクタ１５を形成する第２位メタル層１４から、半導体基板１０の表面までの距離は、少なくとも最上位メタル層１３の厚さ分だけ開いている。そして、最上位メタル層１３の厚みが３マイクロメートル以上であることによって、インダクタ１５上に誘電率変化の大きい被検査体が位置していても、高周波発振器１７の発振周波数の変化への影響を小さくすることができる。

【0023】

また、センサＩＣ１は、最上位メタル層１３の上に形成された保護膜２０を備えている。保護膜２０は、最上位メタル層１３がむき出しになることを防いでいる。センサＩＣ１においては、保護膜２０の上面２０ｓが、後述する被検査体２６が載せられる面である被搭載面となっている。

【0024】

高周波発振器１７は、周波数推定部１９に接続されている。高周波発振器１７の出力は、周波数推定部１９に供給される。周波数推定部１９は、ある一定時間内に高周波発振器１７から入力される信号をカウントし計算することで、高周波発振器１７の発振周波数を推定する。

【0025】

さらに、センサＩＣ１は、誘電泳動電極２１を備えている。誘電泳動電極２１は、電極部１８と隣接して配置されている。特に、センサＩＣ１において、誘電泳動電極２１は、２個の電極部１８に挟まれて配置されている。誘電泳動電極２１は、配線層１２を構成する複数のメタル層のうち、最上位メタル層１３によって形成されている。誘電泳動電極２１には、後述する細胞等の生体物質を捕獲または放出するために必要な信号を与える信号源２２が接続されている。信号源２２の一端は誘電泳動電極２１に接続されており、信号源２２の他端は接地されている。

【0026】

保護膜２０の上面２０ｓとインダクタ１５との距離ｄ１は、保護膜２０の上面２０ｓと電極部１８との距離ｄ２より大きく、かつ、保護膜２０の上面２０ｓと誘電泳動電極２１との距離ｄ２より大きい。

【0027】

誘電泳動電極２１は単電極である。一方、図２の（ａ）および（ｂ）に示すセンサＩＣ２のように、誘電泳動電極２１は、信号源２２より差動信号が与えられる差動電極対である誘電泳動電極２３に置換されてもよい。このとき、信号源２２の一端は誘電泳動電極２３を構成する２個の電極の一方に接続されており、信号源２２の他端は誘電泳動電極２３を構成する２個の電極の他方に接続されている。誘電泳動電極２３は、誘電泳動電極２１と同等の機能を有している。

【0028】

また、図３の（ａ）および（ｂ）に示すセンサＩＣ３のように、トランジスタ等で構成されたスイッチ回路２４が誘電泳動電極２１に接続されており、第１の信号源２５から出力される信号と第２の信号源２６から出力される信号との切り替えを行う構成であってもよい。第１の信号源２５および第２の信号源２６のそれぞれは、信号源２２と同じく、後述する細胞等の生体物質を捕獲または放出するために必要な信号を与えるものである。スイッチ回路２４の出力端は、誘電泳動電極２１に接続されている。スイッチ回路２４の一方の入力端は、第１の信号源２５の一端に接続されており、スイッチ回路２４の他方の入力端は、第２の信号源２６の一端に接続されている。第１の信号源２５の他端および第２の信号源２６の他端はいずれも接地されている。さらに、センサＩＣ２の構成とセンサＩＣ３の構成とを組み合わせ、誘電泳動電極２３を構成する２個の電極のそれぞれに、スイッチ回路２４、第１の信号源２５、および第２の信号源２６からなる回路が接続されていてもよい。

【0029】

図４の（ａ）は、保護膜２０の上面（被搭載面）２０ｓに液体２７を載せた状態を示す上面図の概略図である。図４の（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。図５の（ａ）は、図４の（ａ）に示した状態から、液体２７に含まれる生体物質（被検査体）２８がインダクタ１５上に位置している状態を示す上面図の概略図である。図５の（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。図６の（ａ）は、図５の（ａ）に示した状態から、誘電泳動電極２１により生体物質２８を電極部１８上に移動させた状態を示す上面図の概略図である。図６の（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。図７の（ａ）は、図６の（ａ）に示した状態から、生体物質２８とは別の生体物質２９がインダクタ１５上に位置している状態を示す上面図の概略図である。図７の（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。

【0030】

液体２７が被検査体そのものである場合、保護膜２０の上面２０ｓに液体２７を載せた状態において、電極部１８上の液体２７の誘電率が変化すると、この誘電率の変化をセンサとなる高周波発振器１７の発振周波数の変化として観察することができる。例えば、高周波発振器１７の発振周波数を１００ＧＨｚ付近に設定すると、液体２７の１００ＧＨｚ付近の誘電率変化を見分けることができる。一方、生体物質２８が例えば細胞である場合、液体２７はバッファ液等の溶液である。

【0031】

図４の（ａ）および（ｂ）の時点では、保護膜２０の上面２０ｓ上に生体物質２８が存在しない。センサＩＣ１は、このときの高周波発振器１７の発振周波数を初期状態として記憶する。次に、図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、適切な条件下で生体物質２８を浮遊させる。生体物質２８の物質構成と液体２７の物質構成とが異なるので、これらの誘電率は異なる。図５の（ａ）および（ｂ）においては、生体物質２８はインダクタ１５上にあるが、インダクタ１５は最上位メタル層１３によって形成されておらず、保護膜２０の上面２０ｓから３マイクロメートル以上離れている。従って、生体物質２８の誘電率がインダクタ１５に及ぼす影響は小さい。すなわち、図５の（ａ）および（ｂ）に示す状態では、図４の（ａ）および（ｂ）に示す状態とほぼ同じく、高周波発振器１７の発振周波数は前記初期状態とほぼ同じとなる。

【0032】

センサＩＣ１によれば、インダクタ１５が保護膜２０の上面２０ｓから十分遠いため、インダクタ１５上の被検査体（溶液２７または生体物質２８）の位置に依存した、高周波発振器１７の発振周波数の変化のバラつきを小さくすることができる。

【0033】

図５の（ａ）および（ｂ）に示す状態で、誘電泳動電極２１と生体物質２８との間で誘電泳動を発生させるような信号を信号源２２から誘電泳動電極２１に与えると、誘電泳動電極２１は、生体物質２８を捕獲する。これにより、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、生体物質２８は、誘電泳動電極２１によって引き寄せられる。これにより、誘電泳動電極２１に隣接配置された電極部１８上の誘電率が変化するため、高周波発振器１７の発振周波数は前記初期状態から変化する。このため、生体物質２８がセンサＩＣ１上に接着する位置に依存したセンシング結果のバラつきを抑えながら、単一の生体物質２８の特性を評価することができる。

【0034】

センサＩＣ１によれば、誘電泳動電極２１によって、被検査体（溶液２７または生体物質２８）を所望の位置に、好ましくは電極部１８上に導くことが容易となる。これにより、当該被検査体の位置ズレを抑制し、高周波発振器１７の発振周波数の変化のバラつきを小さくすることができる。

【0035】

また、図７の（ａ）および（ｂ）に示すように、生体物質２８が誘電泳動電極２１に引き寄せられながら電極部１８上にあるときに、生体物質２８とは別の生体物質２９がインダクタ１５上に存在する場合を考える。この場合、生体物質２９は電極部１８上に位置しないので、生体物質２９の存在に起因した高周波発振器１７の発振周波数の変化はほとんどない。高周波発振器１７の発振周波数の変化量は、インダクタ１５上にある被検査体（図５の（ａ）の生体物質２８、および図７の（ａ）の生体物質２９）の位置に依存しにくくなるので、電極部１８上にある被検査体（図６の（ａ）の生体物質２８）の特性のみを検査することが可能となる。

【0036】

ここで、センサＩＣ１において、最上位メタル層１３の上部に保護膜２０を設ける理由について、図８を参照して説明する。図８は、液体２７がセンサＩＣ１上に載った場合の構成を示す等価回路である。

【0037】

誘電率実部ε_ｒ、誘電率虚部ε_ｉの液体２７がセンサＩＣ１上に載った場合の構成は、図８に示す等価回路のように表すことができる。当該等価回路は、インダクタ１５（インダクタンスＬ_０）、容量１６（静電容量Ｃ_０）、液体２７の容量成分（静電容量Ｃ_２）、および液体２７の抵抗成分（コンダクタンスＧ_２）によって構成される。さらに当該等価回路においては、センサＩＣ１に保護膜２０が設けられていることによる、センサＩＣ１表面と電極部１８との間に存在する容量成分（静電容量Ｃ_１）を考慮する。液体２７の容量成分は誘電率実部ε_ｒによりε_ｒ×Ｃ^＊、液体２７の抵抗成分は誘電率虚部ε_ｉによりε_ｉ×Ｃ^＊と表すことができる。ここでＣ^＊は任意の容量とする。高周波発振器１７の共振条件は、負荷となるインピーダンス（値はＹ_０）の虚数成分が０になる条件であるため、下記数式（１）のように表すことができる。下記数式（１）中、ωは、角周波数である。

【0038】

【数1】

【0039】

前記共振条件を満足するときの高周波発振器１７の発振周波数をｆ_ｒｅｓとすると、前記数式（１）より、下記数式（２）のように表すことができる。

【0040】

【数2】

【0041】

前記数式（２）によれば、ｆ_ｒｅｓは液体２７の誘電率実部ε_ｒおよび誘電率虚部ε_ｉの関数となる。センサＩＣ１に保護膜２０が設けられていない場合、静電容量Ｃ_１が∞となるので、前記数式（２）から、下記数式（３）が成り立つ。

【0042】

【数3】

【0043】

前記数式（３）によれば、誘電率虚部ε_ｉの項が存在しないため、誘電率虚部ε_ｉの変化を検出することができなくなる。保護膜２０は、誘電率虚部ε_ｉのみが変化する場合に必要となる。

【0044】

センサＩＣ１において、インダクタ１５は、配線層１２を構成する複数のメタル層のうち１層によって形成された、一巻のインダクタを想定している。一方、インダクタ１５は、複数巻のインダクタに置換されてもよい。

【0045】

図９の（ａ）および（ｂ）のそれぞれは、インダクタ１５の変形例を示す上面図である。図９の（ａ）にはインダクタ１５ａを、図９の（ｂ）にはインダクタ１５ｂを、それぞれ示している。インダクタ１５ａにおいては、インダクタの一部が、第３位以下メタル層１４１によって形成されている。第３位以下メタル層１４１は、配線層１２を構成する複数のメタル層のうち、第２位メタル層１４に対して最上位メタル層１３と反対側に位置するメタル層である。インダクタ１５ａにおいては、第２位メタル層１４に形成されたインダクタ部分と重なり合う箇所およびその近傍が、第３位以下メタル層１４１によって形成されている。

【0046】

また、インダクタ１５、１５ａ、および１５ｂのそれぞれは、電極部１８との接続部分が最上位メタル層１３によって形成されていてもよいし、一切最上位メタル層１３によって形成されていなくてもよい。また、インダクタ１５ｂのように、第２位メタル層１４に形成されたインダクタ部分と重なり合う箇所およびその近傍が、最上位メタル層１３によって形成されていてもよい。

【0047】

さらに、電極部１８は、配線層１２を構成する複数のメタル層のうち、最上位メタル層１３以外によって形成されていてもよい。その場合、インダクタ１５、１５ａ、および１５ｂのそれぞれは、配線層１２を構成する複数のメタル層のうち、電極部１８に使用したメタル層より下層のメタル層によって形成されていてもよい。

【0048】

〔実施の形態２〕
図１０の（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るセンサＩＣの主要部４の上面図の概略図、図１０の（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。図１１の（ａ）は、主要部４において、誘電泳動電極２１により生体物質２８を電極部１８上に移動させた状態を示す上面図の概略図である。図１１の（ｂ）は、当該概略図のＣ１−Ｄ１線断面図である。本発明の実施の形態２に係るセンサＩＣは、センサＩＣ１と、下記の点が異なっている。

【0049】

主要部４において、保護膜２０には電極孔３０が形成されている。電極孔３０は、保護膜２０の上面２０ｓに形成された貫通孔である。電極孔３０によって、保護膜２０の上面２０ｓの上面視において、誘電泳動電極２１が露出している。生体物質２８は、誘電泳動電極２１と直接接触している。

【0050】

生体物質２８を引き寄せる誘電泳動信号は、数キロヘルツから数メガヘルツ帯の周波数であり、保護膜２０を形成すると図８に示した等価回路の影響（具体的には、静電容量Ｃ_１の影響）を受け減衰してしまう虞がある。そこで、誘電泳動信号の減衰を防ぐために、電極孔３０を形成し、図１１の（ａ）および（ｂ）に示すように、直接引き寄せる生体物質２８に接触させる。これにより、振幅が低い誘電泳動信号で、誘電泳動電極２１が生体物質２８を引き寄せることができるため、センサＩＣの低消費電力化につながる。

【0051】

〔実施の形態３〕
図１２は、本発明の実施の形態３に係るセンサＩＣ５の概略図である。

【0052】

センサＩＣ５は、複数のセンサ部（センシング単位）３１、およびコントロール部３２を備えている。センサ部３１は、センサＩＣ１の構成のうち、インダクタ１５、電極部１８、および誘電泳動電極２１を少なくとも含むものである。複数のセンサ部３１は、アレイ状に配置されている。複数のセンサ部３１は、コントロール部３２に接続されている。コントロール部３２は、各センサ部３１の出力を解析すると共に、被検査体の位置に関する情報を統括的にコントロールする。

【0053】

センサＩＣ５によれば、例えば各センサ部３１上にある、図示しない被検査体の位置情報を含めて性質を評価することができる。複数のセンサ部３１を検出する方法として、一度に複数のセンサ部３１を同時に評価してもよいし、複数のセンサ部３１を並列処理で評価しても構わない。高周波発振器１７の発振周波数の推定（換言すれば、周波数推定部１９の機能）はコントロール部３２で行ってもよく、この場合、コントロール部３２は、各センサ部３１上にある生体物質を評価する。

【0054】

（付記事項）
図１３は、センサＩＣ１の保護膜２０の上面２０ｓからの距離と、高周波発振器１７の発振周波数の変化量との関係を示すグラフである。図１３において、横軸は具体的に、保護膜２０の上面２０ｓからインダクタ１５までの距離を示している。図１３において、縦軸は具体的に、インダクタ１５上に誘電体が位置する場合の、高周波発振器１７の発振周波数の変化量を示している。

【0055】

図１３によれば、保護膜２０の上面２０ｓからインダクタ１５までの距離が３マイクロメートル以上になると、高周波発振器１７の発振周波数の変化量がほぼ一定となる。これは換言すれば、インダクタ１５が保護膜２０の上面２０ｓから３マイクロメートル以上離れていれば、インダクタ１５上に誘電率変化の大きい被検査体が位置していても、高周波発振器１７の発振周波数の変化への影響は小さいということを意味している。このことを考慮すれば、第２位メタル層１４によって形成されたインダクタ１５と保護膜２０の上面２０ｓとを３マイクロメートル以上離す簡単な手法として、最上位メタル層１３の厚みは、３マイクロメートル以上であることが好ましいということが分かる。

【0056】

また、以上の各実施の形態においては、誘電泳動電極２１が誘電泳動により被検査体を捕獲する構成であったが、誘電泳動電極２１は誘電泳動により被検査体を放出する構成であってもよい。当該被検査体を放出する場合は、センシングした結果、その被検査体は不要と判断した場合、またはさらに詳細な分析が必要と認められた場合に、捕獲機能を後段に用意したのち、他の検査に転送するために放出する等といった実施例が考えられる。誘電泳動電極２３についても同様である。

【0057】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係るセンサＩＣは、発振器（高周波発振器１７）を構成するインダクタと、前記インダクタに接続されている、少なくとも１つの電極部と、前記電極部と隣接して配置されている誘電泳動電極とを備えており、前記誘電泳動電極は、前記誘電泳動電極と被検査体との間で誘電泳動を発生させ、前記被検査体が載せられる面である被搭載面（保護膜２０の上面２０ｓ）と前記インダクタとの距離は、前記被搭載面と前記電極部との距離より大きく、かつ、前記被搭載面と前記誘電泳動電極との距離より大きい。

【0058】

前記の構成によれば、第１の機能として、インダクタが被搭載面から十分遠いため、インダクタ上の被検査体の位置に依存した、発振器の発振周波数の変化のバラつきを小さくすることができる。

【0059】

また、前記の構成によれば、第２の機能として、誘電泳動電極によって、被検査体を所望の位置に、好ましくは電極部上に導くことが容易となる。これにより、当該被検査体の位置ズレを抑制し、発振器の発振周波数の変化のバラつきを小さくすることができる。

【0060】

従って、前記の構成によれば、第１の機能および第２の機能が相互に作用することにより、センシング結果にバラつきが生じる虞を低減することが可能となる。

【0061】

本発明の態様２に係るセンサＩＣは、前記態様１において、前記インダクタの少なくとも一部は、第１メタル層（第２位メタル層１４）によって形成されており、前記電極部および前記誘電泳動電極は、前記第１メタル層に対して積層されている第２メタル層（最上位メタル層１３）によって形成されており、前記第２メタル層の厚みは、３マイクロメートル以上である。

【0062】

前記の構成によれば、被搭載面とインダクタとを少なくとも３マイクロメートル離すことができるため、第１の機能を簡単に実現することができる。

【0063】

本発明の態様３に係るセンサＩＣは、前記態様１または２において、前記誘電泳動電極は、前記被検査体を捕獲する、または、前記被検査体を放出する。

【0064】

前記の構成によれば、被検査体を捕獲または放出することによって、被検査体を所望の位置に移動させることができる。

【0065】

本発明の態様４に係るセンサＩＣは、前記態様１から３のいずれかにおいて、前記被搭載面の上面視において、前記誘電泳動電極が露出している。

【0066】

前記の構成によれば、被検査体と誘電泳動電極とが直接接触する。これにより、振幅が低い誘電泳動信号で、誘電泳動電極が被検査体を引き寄せることができるため、センサＩＣの低消費電力化につながる。

【0067】

本発明の態様５に係るセンサＩＣは、前記態様１から４のいずれかにおいて、前記インダクタ、前記電極部、および前記誘電泳動電極を含むセンシング単位（センサ部３１）を複数有しており、複数のセンシング単位が、アレイ状に配置されている。

【0068】

前記の構成によれば、例えば各センシング単位上にある、被検査体の位置情報を含めて性質を評価することができる。

【0069】

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。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

【符号の説明】

【0070】

１、２、３、５ センサＩＣ
４ 主要部
１３ 最上位メタル層（第２メタル層）
１４ 第２位メタル層（第１メタル層）
１５ インダクタ
１７ 高周波発振器（発振器）
１８ 電極部
２０ｓ 保護膜の上面（被搭載面）
２１、２３ 誘電泳動電極
２７ 液体（被検査体）
２８、２９ 生体物質（被検査体）
３１ センサ部（センシング単位）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】