特許 7522682 ケミカルセンサ装置およびケミカルセンサモジュール

(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】

(24)【登録日】2024-07-17

(45)【発行日】2024-07-25

(54)【発明の名称】ケミカルセンサ装置およびケミカルセンサモジュール

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/414 20060101AFI20240718BHJP

   G01N 1/22 20060101ALI20240718BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

G01N27/414 301U

G01N1/22 S

G01N27/414 301V

G01N27/00 J

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021031382

(22)【出願日】2021-03-01

(65)【公開番号】P2022132756

(43)【公開日】2022-09-13

【審査請求日】2023-02-14

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）第２期／フィジカル空間デジタルデータ処理基盤／サブテーマＩＩ：超低消費電力ＩｏＴデバイス・革新的センサ技術／超高感度センサシステムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】杉崎 吉昭

【審査官】倉持 俊輔

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－２５４５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２９４０５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０４０７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１４９５７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００８６３２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１４－５１８５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０９９７３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２７６５６０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００，２７／１２，２７／４１４

Ｇ０１Ｎ ３３／００，

Ｇ０１Ｎ １／２２，

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に形成され、ミストに晒されるセンサ表面を含み、前記センサ表面に固定されたプローブ分子を有するケミカルセンサ素子と、
前記基板上における前記センサ表面の周囲に設けられ、前記センサ表面を露出させる開口部を有する第１の吸水性部材と、
を備えるケミカルセンサ装置。

【請求項2】

前記第１の吸水性部材は、セルロースまたはガラスファイバーの不織布である請求項１に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項3】

前記プローブ分子は、安息香酸メチルとエクゴニン誘導体とのいずれかに結合する請求項１または２に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項4】

前記プローブ分子は、テルペン類と結合する請求項１または２に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項5】

前記テルペン類が、カリオフィレン誘導体である請求項４に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項6】

カートリッジ基板をさらに備え、
前記基板、前記ケミカルセンサ素子、及び前記第１の吸水性部材を含むセンサチップが前記カートリッジ基板に搭載されている請求項１～５のいずれか１つに記載のケミカルセンサ装置。

【請求項7】

前記センサチップ上において前記第１の吸水性部材に接続された第２の吸水性部材をさらに備える請求項６に記載のケミカルセンサ装置。

【請求項8】

検体雰囲気が取り込まれたミストが流れる第１の配管を有するミスト供給機構と、
前記第１の配管のセンサ搭載部に搭載され、前記ミストに晒されるセンサ表面を含むセンサ素子と、
前記センサ表面の周囲に設けられ、前記センサ表面を露出させる開口部を有する第１の吸水性部材と、
前記第１の吸水性部材に接続された第２の吸水性部材と、を備え、
前記センサ搭載部は、前記センサ搭載部に搭載される前記センサ素子の前記センサ表面を前記第１の配管の内部に露出させる開口部を有するケミカルセンサモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ケミカルセンサ装置およびケミカルセンサモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

気相の化学物質を液相中で検出するケミカルセンサ装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１１－１８３３３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、ノイズの少ないケミカルセンサ装置およびケミカルセンサモジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、ケミカルセンサ装置は、基板と、前記基板上に形成され、ミストに晒されるセンサ表面を含み、前記センサ表面に固定されたプローブ分子を有するケミカルセンサ素子と、前記基板上における前記センサ表面の周囲に設けられ、前記センサ表面を露出させる開口部を有する第１の吸水性部材と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態のケミカルセンサモジュールの構成を示す概略図である。

【図2】実施形態のケミカルセンサ装置の構成を示す概略図である。

【図3】実施形態のセンサチップの構成を示す概略図である。

【図4】実施形態のセンサチップの一部構成を示す概略図である。

【図5】実施形態のセンサチップの一部構成を示す概略図である。

【図6】実施形態のケミカルセンサ装置とセンサ搭載部との配置関係を示す概略図である。

【図7】実施形態のケミカルセンサモジュールにおけるミスト供給機構の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、適宜図面を参照しながら実施形態の説明を行っていく。説明の便宜のため、各図面の縮尺は必ずしも正確ではなく、相対的な位置関係などで示す場合がある。また、同一または同様の要素には、同じ符号を付している。

【0008】

図１は、実施形態のケミカルセンサモジュール１の構成を示す概略図である。

【0009】

実施形態のケミカルセンサモジュール１は、ミスト供給機構６０を備える。ミスト供給機構６０は、ミスト発生室６２と、ミスト発生室６２に検体雰囲気を供給する第２の配管５２と、ミスト発生室６２に配置された超音波発信器６４と、検体雰囲気が取り込まれたミストが流れる第１の配管５１とを有する。

【0010】

第１の配管５１は、ケミカルセンサ素子２１が搭載されるセンサ搭載部４４を有する。センサ搭載部４４は、ケミカルセンサ素子２１のセンサ表面２２を第１の配管５１の内部に露出させる開口部４５を有する。

【0011】

図２は、ケミカルセンサ素子２１を含むケミカルセンサ装置１０の構成を示す概略図である。

【0012】

ケミカルセンサ装置１０は、カートリッジ基板１１と、カートリッジ基板１１上に搭載されたセンサチップ２０とを有する。

【0013】

図３は、センサチップ２０の構成を示す概略図である。
図４及び図５は、センサチップ２０の一部構成を示す概略図である。

【0014】

センサチップ２０は、チップ基板３１と、ケミカルセンサ素子２１と、第１の吸水性部材３３とを有する。

【0015】

チップ基板３１は、例えばシリコン基板である。シリコン基板の表面には、例えばシリコン酸化膜が形成されている。図４に示すように、チップ基板３１上に、ケミカルセンサ素子２１が形成されている。チップ基板３１上に形成されたケミカルセンサ素子２１は、複数でも１つでもよい。

【0016】

ケミカルセンサ素子２１は、例えば、グラフェンまたはカーボンナノチューブを含む電荷検出素子である。ケミカルセンサ素子２１は、検体雰囲気が取り込まれたミストに晒されるセンサ表面２２と、ドレイン電極２４と、ソース電極２３とを有する。

【0017】

チップ基板３１上には、ドレイン電極２４と接続された金属配線２６と、ソース電極２３と接続された金属配線２５と、金属配線２５と接続された電極端子２７と、金属配線２６と接続された電極端子２８が形成されている。

【0018】

チップ基板３１上に図４に示す要素を形成した後、それら要素を覆うように図５に示す絶縁性の保護膜３２がチップ基板３１上に形成される。保護膜３２は、ケミカルセンサ素子２１のセンサ表面２２を露出させる開口部３２ａと、電極端子２７、２８の表面を露出させる開口部３２ｂとを有する。

【0019】

保護膜３２上には、図３に示すように第１の吸水性部材３３が形成される。第１の吸水性部材３３は、チップ基板３１上における少なくともセンサ表面２２の周囲に設けられ、センサ表面２２を露出させる開口部３３ａを有する。電極端子２７、２８の表面は、第１の吸水性部材３３から露出している。第１の吸水性部材３３は、例えば、セルロースまたはガラスファイバーの不織布である。

【0020】

ケミカルセンサ素子２１は、センサ表面２２に固定されたプローブ分子をさらに有してもよい。例えば、プローブ分子は、安息香酸メチルとエクゴニン誘導体とのいずれかに結合する。または、プローブ分子は、テルペン類と結合する。例えば、テルペン類は、カリオフィレン誘導体である。

【0021】

図３に示すセンサチップ２０は、図２に示すカートリッジ基板１１上に搭載される。カートリッジ基板１１上には、カートリッジ配線１２と、カートリッジ配線１２と接続されたコンタクト端子１３が形成されている。

【0022】

センサチップ２０の電極端子２７、２８とカートリッジ配線１２は、例えば金属ワイヤ１４で接続されている。したがって、ケミカルセンサ素子２１は、金属配線２５、２６、電極端子２７、２８、金属ワイヤ１４、およびカートリッジ配線１２を介して、コンタクト端子１３と電気的に接続されている。

【0023】

ケミカルセンサ素子２１は、図１に示すようにセンサ搭載部４４に取り付けられる。センサ搭載部４４は、第１の配管５１の内部を外部に露出させる開口部４５を有する。

【0024】

ケミカルセンサ素子２１は、センサ搭載部４４に対して着脱自在である。図６は、ケミカルセンサ装置１０とセンサ搭載部との配置関係を示す概略図である。

【0025】

第１の吸水性部材３３から露出したセンサ表面２２がセンサ搭載部４４の開口部４５に位置合わせされ、センサ表面２２が開口部４５を通じて第１の配管５１の内部に露出する。図１に示すように、ケミカルセンサ装置１０と第１の配管５１との間における開口部４５の周囲にシール部材４６が介在される。センサチップ２０におけるセンサ表面２２の周囲の部分がシール部材４６に密着する。

【0026】

また、センサチップ２０の第１の吸水性部材３３は、センサ搭載部４４に設けられた第２の吸水性部材７２に密着する。第２の吸水性部材７２は、第１の吸水性部材３３と同じ材料のものを用いることができる。第２の吸水性部材７２は、センサチップ２０上における第１の吸水性部材３３との接続部から、センサチップ２０の外側、さらにカートリッジ基板１１の外側に延在している。

【0027】

カートリッジ基板１１に形成されたコンタクト端子１３は、ソケットまたはプローブを介して、処理装置７４に接続される。

【0028】

第１の配管５１の一端は、ミスト発生室６２の上部を閉塞する天板６３を貫通して、ミスト発生室６２内に接続している。第１の配管５１の他端には、吸気装置として例えば吸気ファン６６が接続されている。

【0029】

第２の配管５２の一端には、雰囲気捕集口５２ａが形成されている。第２の配管５２の他端は、天板６３を貫通してミスト発生室６２内に接続している。

【0030】

ケミカルセンサモジュール１は、ミストを発生させるための液体（検体液）を貯留する検体液供給タンク６１と、検体液供給タンク６１とミスト発生室６２とを接続する第３の配管５３と、排水タンク６５と、排水タンク６５とミスト発生室６２とを接続する第４の配管５４とをさらに備える。

【0031】

検体液は、例えば、水または緩衝液である。検体液供給タンク６１から、第３の配管５３を介して新しい検体液がミスト発生室６２内に供給される。ミスト発生室６２内の検体液は、第４の配管５４を介して排水タンク６５に排出することができる。

【0032】

ケミカルセンサモジュール１は、第１の配管５１の内壁に結露した液滴を排出する排出機構をさらに備える。第１の配管５１は、ミスト発生室６２内に接続する一端と、開口部４５が形成されたセンサ搭載部４４との間にＵ字状の湾曲部４３を有する。湾曲部４３の底部は、開口部４５よりも低い位置に位置する。排出機構は、湾曲部４３の底部に設けられた第３の吸水性部材７３を有する。第３の吸水性部材７３は、第１の吸水性部材３３と同じ材料のものを用いることができる。

【0033】

第１の配管５１は、ミスト発生室６２内から天板６３を貫通してミスト発生室６２の上方に延在する第１部分４１と、第１部分４１と湾曲部４３とを接続する第２部分４２とを有する。第２部分４２は、湾曲部４３よりも高い位置に位置する。

【0034】

ケミカルセンサモジュール１は、ケミカルセンサ素子２１と電気的に接続され、ケミカルセンサ素子２１で検出された情報を処理する処理装置７４と、処理装置７４の処理結果等を出力する出力装置７５をさらに備える。出力装置７５は、例えば、表示装置やスピーカーなどである。

【0035】

次に、本実施形態のケミカルセンサモジュール１の動作について説明する。

【0036】

吸気ファン６６を駆動させることで、第２の配管５２の雰囲気捕集口５２ａから第２の配管５２内に検体雰囲気が取り込まれる。検体雰囲気は、第２の配管５２からミスト発生室６２内に導入される。

【0037】

ミスト発生室６２内には検体液（例えば水または緩衝液）が供給されており、ミスト発生室６２内に配置された超音波発信器６４を駆動させることで、検体液のミストをミスト発生室６２内に発生させる。ミストのサイズは、例えば、数μｍ以上数十μｍ以下である。

【0038】

ミスト発生室６２内で検体雰囲気とミストとが混合される。検体雰囲気中の化学物質はミストに取り込まれる。化学物質を取り込んだミストは、吸気ファン６６の駆動により、ミスト発生室６２から第１の配管５１内に搬送され、センサ搭載部４４に到達する。

【0039】

センサ搭載部４４において開口部４５を通じて第１の配管５１内に露出するケミカルセンサ素子２１のセンサ表面２２が、化学物質を取り込んだミストに晒される。例えばセンサ表面２２に固定されたプローブ分子に、ミストに取り込まれた特定の物質（標的物質）が会合することで、センサ表面２２の電気的特性が変化する。この電気的特性の変化により、ケミカルセンサ素子２１は特定の物質（標的物質）を検出する。

【0040】

液相に標的物質を取り込む場合、例えば難溶性の標的物質は、液相と他相（気相や固相）との界面に偏析しやすい。液相がミストの場合では、ミストの表面に難溶性の標的物質が偏析する。すなわち、ミストを用いれば、標的物質を取り込む液相の表面積を大きくして、効率よく標的物質を液相に取り込むことができる。また、ミストは、第１の配管５１内の空気中をセンサ搭載部４４まで搬送され、第１の配管５１の内壁に偏析しにくい。したがって、本実施形態によれば、ケミカルセンサ素子２１による標的物質の検出感度を高くすることができる。

【0041】

また、第１の配管５１の内壁にミストが凝集して、ミストよりもサイズが大きく、またサイズも制御できない液滴が第１の配管５１の内壁に付く結露が生じ、その液滴が第１の配管５１の内壁を流れてセンサ表面２２に到達すると、ケミカルセンサ素子２１の検出信号に対するノイズとなる。

【0042】

本実施形態によれば、センサ表面２２の周囲に第１の吸水性部材３３が設けられているため、第１の配管５１の内壁を流れてきた液滴は、センサ表面２２に落下するのではなく、第１の吸水性部材３３に落下し、吸収される。したがって、ケミカルセンサ素子２１の検出信号に対するノイズを少なくすることができる。

【0043】

第１の吸水性部材３３を、センサチップ２０のチップ基板３１上に予めパターニングして形成することで、センサ表面２２と、センサ表面２２を露出させる開口部３３ａとの位置合わせを容易にできる。センサチップ２０上の第１の吸水性部材３３には、センサチップ２０の外側に延在する第２の吸水性部材７２が接続されているため、第１の吸水性部材３３で吸収した水分を第２の吸水性部材７２でさらに吸収して、センサチップ２０上から排出することができる。

【0044】

また、第１の配管５１にＵ字状の湾曲部４３を設け、湾曲部４３の底部は第１配管５１における他の部分よりも局所的に低い位置にある。また、湾曲部４３の底部に第３の吸水性部材７３が設けられ、第３の吸水性部材７３の一部は湾曲部４３の底部において第１の配管５１の内部に露出している。したがって、第１の配管５１の内壁に結露した液滴を湾曲部４３の底部に集めて、第３の吸水性部材７３に吸収させることができる。これにより、第１の配管５１の内壁に結露した液滴がセンサ表面２２に流れることが抑制できる。

【0045】

また、標的物質が取り込まれた液滴が、第１の配管５１からミスト発生室６２内に流れ、検体液に混ざると、検体液中で標的物質が濃縮され、これはケミカルセンサ素子２１による標的物質の誤検出または検出精度の低下につながる。本実施形態によれば、第３の吸水性部材７３により第１の配管５１の内壁に結露した液滴を第１の配管５１内から排出することができるので、標的物質が取り込まれた液滴がミスト発生室６２に流れ落ちることも抑制できる。

【0046】

また、第３の配管５３を介して検体液供給タンク６１から新しい検体液をミスト発生室６２に供給し、且つ第４の配管５４を介してミスト発生室６２内の古い検体液を排水タンク６５に排水することができるため、ミスト発生室６２内の検体液中の標的物質の濃縮を抑制することができる。

【0047】

図７に示すように、例えば、ミスト発生室６２の外形は円柱状であり、ミスト発生室６２の水平断面は円形である。そのミスト発生室６２の上面からミスト発生室６２の中心軸Ｃに沿って第１の配管５１が接続されている。第１の配管５１は上面視で円形状の天板６３の中心を貫通している。このような構成において、複数（例えば２つ）の第２の配管５２を、中心軸Ｃに対して傾斜して上面からミスト発生室６２に接続させることができる。上面視において２つの第２の配管５２の間に第１の配管５１が位置する。例えば、第２の配管５２の中心軸Ｃに対する傾斜角度は１０°以上８０°以下である。

【0048】

中心軸Ｃに対して傾斜した２つの第２の配管５２からミスト発生室６２に導入された検体雰囲気は、ミスト発生室６２内で中心軸Ｃまわりに回転するような気流を形成する。そして、その検体雰囲気と混合されたミストも、中心軸Ｃまわりに回転するような流れを形成して、第１の配管５１へと流れ込む。これにより、ミスト発生室６２内で、検体雰囲気とミストとの撹拌効果が高まり、検体雰囲気中の標的物質を効率的にミストに取り込ませることができる。

【0049】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0050】

１…ケミカルセンサモジュール、１０…ケミカルセンサ装置、１１…カートリッジ基板、２０…センサチップ、２１…ケミカルセンサ素子、２２…センサ表面、３１…チップ基板、３２…保護膜、３２ａ…開口部、３３…第１の吸水性部材、３３ａ…開口部、４４…センサ搭載部、４５…開口部、５１…第１の配管、５２…第２の配管、５３…第３の配管、５４…第４の配管、６０…ミスト供給機構、６２…ミスト発生室、７２…第２の吸水性部材、７３…第３の吸水性部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】