特開 2025-156903 ポアデバイスおよび微粒子測定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025156903

(43)【公開日】2025-10-15

(54)【発明の名称】ポアデバイスおよび微粒子測定システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/13 20240101AFI20251007BHJP

【ＦＩ】

G01N15/13 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024059648

(22)【出願日】2024-04-02

(71)【出願人】

【識別番号】390005175

【氏名又は名称】株式会社アドバンテスト

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100109047

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 雄祐

(74)【代理人】

【識別番号】100109081

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 友由

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】田口 星人

(57)【要約】

【課題】信頼性の高いポアデバイスを提供する。
【解決手段】ポアデバイス１００は、ポアチップ１０２を収容可能する。ボディ１２０は、ポアチップ１０２によって、内部が第１空間１２２と第２空間１２４に区画され、電解液２を充填可能に構成される。基板１１０には、ボディ１２０と接続され、少なくとも一部がボディ１２０の内部空間に露出している電極１０６，１０８が形成される。電極１０６，１０８はそれぞれ、基板１１０上に形成される第１金属層１３２と、ボディ１２０の内部空間１２２，１２４に露出している部分において、第１金属層１３２よりも上の層に形成されるカーボンバリア層１３４と、を含む。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポアを介して連通する第１空間と第２空間を含む内部空間を有し、電解液を充填可能に構成されたボディと、
前記ボディと接続され、少なくとも一部が前記ボディの内部空間に露出している電極が形成される基板と、
を備え、
前記電極はそれぞれ、
前記基板上に形成される第１金属層と、
前記ボディの前記内部空間に露出している部分において、前記第１金属層よりも上の層に形成されるカーボンバリア層と、
を含むことを特徴とするポアデバイス。

【請求項2】

前記基板はプリント基板であり、
前記第１金属層の材料はＣｕであり、
前記電極は、
前記第１金属層の上に形成されたＮｉの第２金属層と、
前記第２金属層の上に形成されたＡｕの第３金属層と、
をさらに含み、
前記カーボンバリア層は、前記第３金属層の上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のポアデバイス。

【請求項3】

前記基板はフィルム基板であり、
前記第１金属層の材料はＡｇであることを特徴とする請求項１に記載のポアデバイス。

【請求項4】

前記カーボンバリア層は、前記ボディの外部空間に露出する部分にも形成されることを特徴とする請求項３に記載のポアデバイス。

【請求項5】

前記カーボンバリア層の厚みは、１０μｍ～３０μｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のポアデバイス。

【請求項6】

前記電極は、前記カーボンバリア層の上に形成されるＡｇ／ＡｇＣｌ層をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のポアデバイス。

【請求項7】

請求項１から４のいずれかに記載のポアデバイスと、
前記ポアデバイスの前記電極に電気信号を印加し、前記ポアデバイスに発生する電気信号を測定する計測装置と、
を備えることを特徴とする微粒子測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ポアデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

電気的検知帯法（コールター原理）と呼ばれる粒度分布測定法が知られている。この測定法では、粒子を含む電解液を、ナノポアと称される細孔を通過させる。粒子が細孔を通過するとき、細孔中の電解液は粒子の体積に相当する量だけ減少し、細孔の電気抵抗を増加させる。したがって細孔の電気抵抗を測定することで、粒子の体積（すなわち粒径）を測定することができる。

【0003】

図１は、電気的検知帯法を用いた微粒子測定システム１Ｒのブロック図である。微粒子測定システム１Ｒは、ポアデバイス１００Ｒ、計測装置２００Ｒおよびデータ処理装置３００を備える。

【0004】

ポアデバイス１００Ｒの内部は、検出対象の粒子４を含む電解液２が満たされる。ポアデバイス１００Ｒの内部は、ポアチップ１０２によって２つの空間に隔てられており、２つの空間には電極１０６と電極１０８が設けられる。電極１０６と電極１０８の間に電位差を発生させると、電極間にイオン電流が流れ、また電気泳動によって粒子４が細孔１０４を経由して、一方の空間から他方の空間に移動する。

【0005】

計測装置２００Ｒは、電極対１０６，１０８の間に電位差を発生させるとともに、電極対の間の抵抗値Ｒｐと相関を有する情報を取得する。計測装置２００Ｒは、トランスインピーダンスアンプ２１０、電圧源２２０、デジタイザ２３０を含む。電圧源２２０は電極対１０６，１０８の間に電位差Ｖｂを発生させる。この電位差Ｖｂは、電気泳動の駆動源であるとともに、抵抗値Ｒｐを測定するためのバイアス信号となる。

【0006】

電極対１０６，１０８の間には、細孔１０４の抵抗に反比例する微小電流Ｉｓが流れる。
Ｉｓ＝Ｖｂ／Ｒｐ …（１）

【0007】

トランスインピーダンスアンプ２１０は、微小電流Ｉｓを電圧信号Ｖｓに変換する。変換ゲインをｒとするとき、以下の式が成り立つ。
Ｖｓ＝－ｒ×Ｉｓ …（２）
式（１）を式（２）に代入すると、式（３）が得られる。
Ｖｓ＝－Ｖｂ×ｒ／Ｒｐ …（３）
デジタイザ２３０は、電圧信号ＶｓをデジタルデータＤｓに変換する。このように計測装置２００Ｒにより、細孔１０４の抵抗値Ｒｐに反比例する電圧信号Ｖｓを得ることができる。

【0008】

図２は、計測装置２００Ｒにより測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。なお本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

【0009】

粒子が通過する短い期間、細孔１０４の抵抗値Ｒｐが増大する。したがって、粒子が通過するごとに電流Ｉｓはパルス状に減少する。個々のパルス電流の振幅は、粒径と相関を有する。データ処理装置３００は、デジタルデータＤｓを処理し、電解液２に含まれる粒子４の個数や粒径分布などを解析する。データ処理装置３００の一部は、サーバやクラウドであってもよい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０２３－２２４９号公報

【特許文献2】国際公開ＷＯ２０２１－１５２９５４Ａ１号公報

【特許文献3】米国特許出願公開第２０１５／０１６０１６０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

図３は、本発明者が検討したポアデバイス１００Ｒの断面図を示す図である。ポアデバイス１００Ｒは、基板１１０およびボディ１２０を備える。ボディ１２０は、ポアチップ１０２によって区画される２つの空間１２２，１２４を含む。空間１２２，１２４は、測定時において粒子４を含む電解液２で満たされる。

【0012】

ボディ１２０は、基板１１０の上に設けられる。基板１１０には、電極１０６，１０８に相当する配線１１２Ｐ，１１２Ｎが形成されている。配線１１２Ｐ，１１２Ｎはそれぞれ、ボディ１２０の空間１２２，１２４内から外側に引き出されており、ボディ１２０の内側のイオン交換領域１１８において、電解液２との間でイオン交換を行い、外側のコンタクト領域１１６において、計測装置２００と電気的に接続可能となっている。

【0013】

本発明者は、図３のポアデバイス１００Ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

【0014】

基板１１０としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などのフィルム基板、プリント基板、ガラス基板が候補として上げられる。

【0015】

ＰＥＴ基板では安価で、加工性が高いため、使い捨て（ディスポーザル）のポアデバイス１００Ｒにおいてしばしば用いられる。ＰＥＴ基板は耐熱性が低いため、配線１１２Ｐ，１１２Ｎとしては、低温形成できる銀粒子で配線されることが多い。

【0016】

しかしながら、銀は酸化速度が速く、その表面に酸化銀の絶縁膜を形成してしまう。絶縁膜は、コンタクト領域１１６における基板１１０との電気的な接続を妨げる。電気的接続をポゴピンなどで確立する場合、ワイピングによって酸化銀の絶縁膜を突き破って新生面を露出させてコンタクトを取ることができるが、銀配線の厚みが薄いため、接触が不安定になりやすい。

【0017】

プリント基板は、一般的に電極形成で使用され、ＦＲ－４（Flame Retardant Type 4）などのガラスエポキシ材で形成される。プリント基板の場合、配線層は銅であり、通常はその上に金メッキをするため、ＰＥＴのような酸化の心配はなく、外部電極との接触も良好である。

【0018】

しかしながら、ポアデバイス１００Ｒの基板１１０として使用する場合、ボディ１２０の内部を電解液２で満たしたときに、電解液２に含まれる塩化物イオンが、銀塩化銀電極及びその下の金メッキを通過して配線層の銅まで達してしまう。これにより銅の塩化が起こり、絶縁体である塩化銅が電極表面に析出してきて接触不良を起こす。

【0019】

ガラス基板は、電解液を使用する電気化学計測においてよく用いられる。ガラスは融点が高いので蒸着法で直接に金を配線できる。このためプリント基板のような塩化リスクやＰＥＴ基板のような接触不良リスクは低い。ただし、価格が１桁以上高くなるため、ディスポーザブルなポアデバイスには不向きである。

【0020】

本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、信頼性の高いポアデバイスの提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本開示のある態様は、ポアデバイスに関する。ポアデバイスは、ポアを介して連通する第１空間と第２空間を含む内部空間を有し、電解液を充填可能に構成されたボディと、ボディと接続され、少なくとも一部がボディの内部空間に露出している電極が形成される基板と、を備える。電極はそれぞれ、基板上に形成される第１金属層と、ボディの内部空間に露出している部分において、第１金属層よりも上の層に形成されるカーボンバリア層と、を含む。

【0022】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明あるいは本開示の態様として有効である。さらに、この項目（課題を解決するための手段）の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。

【発明の効果】

【0023】

本開示のある態様によれば、信頼性を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】電気的検知帯法を用いた微粒子測定システムのブロック図である。

【図2】計測装置により測定される例示的な微小電流Ｉｓの波形図である。

【図3】本発明者が検討したポアデバイスの断面図を示す図である。

【図4】実施形態１に係るポアデバイスの断面図である。

【図5】カーボンバリア層を省略した比較用のサンプルの電極部分の表面成分分析の結果を示す図である。

【図6】カーボンバリア層を備えるサンプルの電極部分の表面成分分析の結果を示す図である。

【図7】実施形態２に係るポアデバイスの断面図である。

【図8】変形例１に係るポアデバイスの断面図である。

【図9】変形例２に係るポアデバイスの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。この概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、すべての実施形態の重要な要素を特定することも、一部またはすべての態様の範囲を線引きすることも意図していない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0026】

一実施形態に係るポアデバイスは、ポアを介して連通する第１空間と第２空間を含む内部空間を有し、電解液を充填可能に構成されたボディと、ボディと接続され、少なくとも一部がボディの内部空間に露出している電極が形成される基板と、を備える。電極はそれぞれ、基板上に形成される第１金属層と、ボディの内部空間に露出している部分において、第１金属層よりも上の層に形成されるカーボンバリア層と、を含む。

【0027】

この構成によると、カーボンバリア層によって、電解液に含まれる塩化物イオンをブロックすることができ、これにより、塩化物イオンが第１配線層に到達するのを防ぐことができ、信頼性を改善できる。

【0028】

一実施形態において、基板はプリント基板であり、第１金属層の材料はＣｕであり、電極は、第１金属層の上に形成されたＮｉの第２金属層と、第２金属層の上に形成されたＡｕの第３金属層と、をさらに含んでもよい。カーボンバリア層は、第３金属層の上に形成されてもよい。これによりＣｕの劣化を防ぐことができる。

【0029】

一実施形態において、基板はフィルム基板であり、第１金属層の材料はＡｇ（銀）であってもよい。これによりＡｇの塩化を防ぐことができる。

【0030】

一実施形態において、カーボンバリア層は、ボディの外部空間に露出する部分にも形成されてもよい。これにより、Ａｇの酸化を防ぐことができる。

【0031】

一実施形態において、電極は、カーボンバリア層の上に形成されるＡｇ／ＡｇＣｌ（銀塩化銀）層をさらに含んでもよい。これにより電解液とのイオン交換を効率よく行うことが可能となる。

【0032】

一実施形態に係る微粒子測定システムは、上述のいずれかのポアデバイスと、ポアデバイスの電極に電気信号を印加し、ポアデバイスに発生する電気信号を測定する計測装置と、を備えてもよい。

【0033】

（実施形態）
以下、好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、開示および発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも開示および発明の本質的なものであるとは限らない。

【0034】

また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。

【0035】

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0036】

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に接続された（設けられた）状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0037】

また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタ、インダクタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは回路定数（抵抗値、容量値、インダクタンス）を表すものとする。

【0038】

図４は、実施形態１に係るポアデバイス１００Ａの断面図である。ポアデバイス１００Ａは、プリント基板１１０Ａと、ボディ１２０を備える。

【0039】

ボディ１２０は、ポアを介して連通する第１空間（第１流路ともいう）１２２と第２空間（１２４）を含む内部空間を有する。ボディ１２０は、その内部空間を電解液を充填可能に構成される。実施形態１において、ボディ１２０は、ポアが形成されたポアチップ１０２と、ポアチップ１０２を収容するポアチップケースを含み、ボディ１２０は、ポアチップ１０２によって、内部空間が第１空間１２２と第２空間１２４に区画される。

【0040】

プリント基板１１０Ａは、ＦＲ４などのガラスエポキシ基板である。プリント基板１１０Ａは、ボディ１２０と接続される。プリント基板１１０Ａの表層には、少なくとも一部がボディ１２０の内部空間である第１空間１２２に露出している第１電極１０６と、少なくとも一部がボディ１２０の内部空間である第２空間１２４に露出している第２電極１０８と、が形成されている。

【0041】

第１電極１０６および第２電極１０８は、同様の配線構造を有する配線１３０Ａである。

【0042】

配線１３０Ａは、プリント基板１１０Ａ上に順に積層される第１配線層１３２、第２配線層１３６、第３配線層１３８、カーボンバリア層１３４、Ａｇ／ＡｇＣｌ層１４０を含む。第１配線層１３２はＣｕ、第２配線層１３６はＮｉ、第３配線層１３８はＡｕである。カーボンバリア層１３４は導電性を有しており、第３配線層１３８の上に形成される。カーボンバリア層１３４の上の、ボディ１２０の内部に露出する部分（イオン交換領域）には、電解液２とのイオン交換を効率よく行うために、Ａｇ／ＡｇＣｌ層１４０が形成される。

【0043】

カーボンバリア層１３４の厚さは、たとえば１０μｍ～３０μｍ程度、具体的には２０μｍ程度とするとよい。この範囲とすることで、製造コストの増加を抑えつつ、塩化物イオンをブロックすることができる。

【0044】

以上がポアデバイス１００Ａの構造である。続いてその利点を説明する。ポアデバイス１００Ａにおけるカーボンバリア層１３４の利点を検証するために、カーボンバリア層を有する図４のデバイスサンプルと、カーボンバリア層を省略した比較用のデバイスサンプルを作製した。そして、２つのサンプルについて、内部を電解液で満たして通電した後、電極の表面成分分析を行った。

【0045】

図５は、カーボンバリア層を省略した比較用のサンプルの電極部分の表面成分分析の結果を示す図である。カーボンバリア層を省略したサンプルでは、ＣｕおよびＣｌが電極表面に多く検出されることが分かる。

【0046】

図６は、カーボンバリア層を備えるサンプルの電極部分の表面成分分析の結果を示す図である。カーボンバリア層を設けたサンプルでは、表面にＣｕは現れず、Ａｇ／ＡｇＣｌ層１４０に含まれるＡｇが多く検出されることが分かる。

【0047】

図４のポアデバイス１００Ａによれば、電解液２に含まれる塩化物イオンが第１配線層１３２に到達するのを防止できる。これにより、第１配線層１３２における塩化銅の生成、塩化銅の電極表面への析出を防止できる。

【0048】

図７は、実施形態２に係るポアデバイス１００Ｂの断面図である。実施形態２に係るポアデバイス１００Ｂは、プリント基板１１０Ａに代えてフィルム基板１１０Ｂを備える。フィルム基板１１０Ｂは、たとえばＰＥＴ基板であり、フィルム基板１１０Ｂの上には、電極１０６，１０８が形成される。電極１０６，１０８は、同じ構造の配線１３０Ｂで形成される。フィルム基板１１０Ｂの材料はＰＥＴに限定されず、ポリイミド、シクロオレフィンポリマー、アクリルなどで作製することが可能である。

【0049】

配線１３０Ｂは、積層された第１配線層１３２、カーボンバリア層１３４、Ａｇ／ＡｇＣｌ層１４０を含む。第１配線層１３２は、Ａｇである。カーボンバリア層１３４は、第１配線層１３２の上に形成される。カーボンバリア層１３４は、ボディ１２０の内部と外部の両方に形成されている。

【0050】

以上がポアデバイス１００Ｂの構成である。ポアデバイス１００Ｂでは、ボディ１２０の内側においては、カーボンバリア層１３４によって電解液２中の塩化物イオンが第１配線層１３２に到達するのを防止できる。

【0051】

さらにボディ１２０の外側においては、カーボンバリア層１３４によって第１配線層１３２の酸化を防ぐことができる。

【0052】

続いて配線１３０の変形例を説明する。

【0053】

（変形例１）
図８は、変形例１に係るポアデバイス１００Ｃの断面図である。実施形態１および実施形態２では、コンタクト領域が、基板１１０の上面に形成されたがその限りでない。変形例１では、コンタクト領域１１６は、基板１１０の裏面、つまりイオン交換領域１１８の反対側に形成される。

【0054】

配線１３０Ｃは、基板１１０の裏面に積層された第１配線層１３２、カーボンバリア層１３４、第３配線層１３８を含む配線あるいはパッドを有する。プリント基板１１０Ａの上面側の第１配線層１３２と、下面側の第１配線層１３２の間はビアホール１３３で接続される。

【0055】

（変形例２）
図９は、変形例２に係るポアデバイス１００Ｄの断面図である。変形例２においては、コンタクト領域１１６とイオン交換領域１１８の間が、プリント基板１１０Ｄの内部の配線１３１およびビアホール１３３を介して接続される。

【0056】

（変形例３）
実施形態では、ボディが、ポアチップとポアチップケースの組み合わせで構成されたが本開示はそれに限定されず、ボディに、第１空間および第２空間と、それらを連通するポアが一体に形成されてもよい。

【0057】

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0058】

１ 微粒子測定システム
２ 電解液
４ 粒子
２００ 計測装置
２１０ トランスインピーダンスアンプ
２２０ 電圧源
２３０ デジタイザ
１００ ポアデバイス
１０２ ポアチップ
１０４ 細孔
１０６，１０８ 電極
１１０ 基板
１１０Ａ プリント基板
１１０Ｂ フィルム基板
１１２Ｐ，１１２Ｎ 配線
１１６ コンタクト領域
１１８ イオン交換領域
１２０ ボディ
１２２ 第１空間
１２４ 第２空間
１３０ 配線
１３２ 第１配線層
１３４ カーボンバリア層
１３６ 第２配線層
１３８ 第３配線層
１４０ Ａｇ／ＡｇＣｌ層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】