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WO2019077814A1 - 電荷検出センサおよび電位計測システム - Google Patents

電荷検出センサおよび電位計測システム Download PDF

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WO2019077814A1
WO2019077814A1 PCT/JP2018/025666 JP2018025666W WO2019077814A1 WO 2019077814 A1 WO2019077814 A1 WO 2019077814A1 JP 2018025666 W JP2018025666 W JP 2018025666W WO 2019077814 A1 WO2019077814 A1 WO 2019077814A1
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detection sensor
charge detection
charge
sensor according
electrodes
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Sony Semiconductor Solutions Corp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/24—Arrangements for measuring quantities of charge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems

Definitions

  • the present technology relates to a charge detection sensor. More particularly, the present invention relates to a charge detection sensor and a potential measurement system using the charge detection sensor.
  • a charge detection sensor that arranges a plurality of electrodes in an array and detects charges generated in a solution on the electrodes has attracted attention.
  • a potential measurement device has been proposed that measures the potential at an action potential generation point generated due to a chemical change (see, for example, Patent Document 1).
  • the electrodes arranged in an array are immersed in a solution to detect the charge generated there.
  • it is conceivable to expand the area for sensing but when the area of the electrode itself is expanded, the area of the entire device is expanded to achieve miniaturization. It will be difficult.
  • the present technology is produced in view of such a situation, and aims to improve the sensing sensitivity in the charge detection sensor.
  • the present technology has been made to solve the above-mentioned problems, and the first aspect of the present technology has a plurality of detection electrodes arranged in an array to detect charges, and the plurality of detection electrodes isolated from each other. And a conductive particle group formed on the surface of the plurality of detection electrodes. As a result, the surface area of the detection electrode is expanded to reduce the resistance, and the sensing sensitivity is improved.
  • the particle group may be a nanoparticle group each having a size on the order of nanometers, and more specifically, may be a particle group of platinum nanoparticles. . This brings about the effect
  • the plurality of detection electrodes may be non-water-soluble electrodes made of metal, more specifically, electrodes made of platinum. This brings about the effect
  • the insulating portion may have a projecting shape at a portion separated by a predetermined distance from the surface of the detection electrode. This brings about the effect
  • the projecting shape of the insulating portion be provided at a position higher than the height of the particle group. Further, it is desirable that the projecting shape of the insulating portion has a projection longer than the height of the particle group. Thereby, the function of preventing the conductive film from being formed on the side wall of the insulating layer is made more reliable.
  • the projecting shape of the insulating portion may be formed of a material different from that of the other portion of the insulating portion. This has the effect of facilitating the formation of the projecting shape in the insulating layer.
  • each of the plurality of detection electrodes may be provided with a recess for connection with the wiring layer. This brings about the effect
  • the first side may further include a contact for connecting each of the plurality of detection electrodes to the wiring layer.
  • This contact may be a metal embedded plug type contact, or may be a through silicon type contact. This brings about the effect
  • the charge detection sensor may detect ions in a solution in contact with the detection electrode.
  • the charge detection sensor may be a biosensor that measures biological activity or identifies a biological substance by detecting the charge.
  • a plurality of detection electrodes arranged in an array to detect charges, an insulating portion insulating the plurality of detection electrodes from each other, and films formed on the surfaces of the plurality of detection electrodes
  • a charge detection sensor that performs potential measurement by including the conductive particles, a control unit that controls potential measurement in the charge detection sensor, and a measurement result processing unit that processes the measurement result by the charge detection sensor;
  • the potential measurement system may include a display unit that displays the processed measurement result. This brings about the effect
  • the present technology it is possible to exhibit the excellent effect that the sensing sensitivity in the charge detection sensor can be improved.
  • the effect described here is not necessarily limited, and may be any effect described in the present disclosure.
  • First embodiment (example in which a three-dimensional electrode is formed of platinum nanoparticles) 2.
  • Second embodiment (example in which the side wall of the insulating portion between the electrodes is wedge-shaped) 3.
  • Third embodiment (example of application to potential measurement system)
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an appearance of the charge detection sensor 10 according to the embodiment of the present technology viewed from above.
  • the charge detection sensor 10 is a sensor that detects a charge in a solution.
  • a detection area 11 is provided on the upper surface of the charge detection sensor 10, and a solution serving as a sample is immersed in the detection area 11.
  • the charge detection sensor 10 further includes a column selection unit 16, a row selection unit 17, an amplification unit 18, and an A / D conversion unit 19.
  • the detection region 11 has a plurality of cells 12 each including a detection element, and the plurality of cells 12 are arranged in a two-dimensional array to form an element array. Each of the plurality of cells 12 detects a charge.
  • this example shows an 8 ⁇ 8 element array, this is an example, and an element array of any size can be configured as needed.
  • the column selection unit 16 outputs a column selection signal for selecting a column of the two-dimensional array of cells 12 in the detection area 11.
  • the row selection unit 17 outputs a row selection signal for selecting a row of the two-dimensional array of cells 12 in the detection area 11.
  • One of the two-dimensional array of cells 12 is selected and identified by the column selection unit 16 and the row selection unit 17.
  • the amplification unit 18 amplifies the potential signal from the cell 12 selected by the column selection unit 16 and the row selection unit 17.
  • the A / D converter 19 converts the potential signal amplified by the amplifier 18 from an analog value to a digital value.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an appearance of the cell 12 according to the embodiment of the present technology when viewed from above.
  • the cell 12 includes a detection unit 13 that detects an electric charge, and the periphery thereof includes an insulating unit 14 that insulates the other cells 12 from each other.
  • the solution immersed in the detection area 11 is in contact with the detection unit 13.
  • each of the plurality of cells 12 detects the charge of the ions in the solution in contact with the detection unit 13.
  • the cell 12 may have the recess 15 in a part of the insulating portion 14. As described later, this is merely an example for connecting the detection unit 13 and the wiring below it, and various other realization methods can be considered.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional view of the charge detection sensor 10 according to the first embodiment of the present technology. Here, a cross section taken along the line AA 'in FIG. 2 is shown.
  • the charge detection sensor 10 includes a detection electrode 130 as the detection unit 13.
  • the detection electrode 130 is a non-water-soluble electrode made of a metal such as platinum (Pt), for example, on the surface of which conductive nanoparticles having a size on the order of nanometers are deposited. .
  • platinum nanoparticles are assumed as such a nanoparticle group.
  • the charge detection sensor 10 includes an insulating layer 140 as the insulating portion 14.
  • the insulating layer 140 mutually insulates the detection electrodes 130 arranged in an array.
  • silicon nitride SiN
  • the insulating layer 140 is an example of the insulating portion described in the claims.
  • An insulating layer 150 is provided under the detection electrode 130.
  • silicon monoxide (SiO), silicon nitride (SiN), or the like can be used as the material of the insulating layer 150.
  • the wiring layer 160 is provided below the insulating layer 150.
  • a material of the wiring layer 160 for example, titanium nitride (TiN), an aluminum copper alloy (AlCu), or the like can be used.
  • the detection electrode 130 is recessed downward along the recess 15 of the insulating layer 150, and is connected to the wiring layer 160 at this position.
  • the recess 15 may be filled with another material or the same material.
  • an electrode 170 for connecting to another layer is provided below the wiring layer 160.
  • an electrode 170 for connecting to another layer.
  • copper (Cu) etc. can be used, for example. This makes it possible to connect copper electrodes (Cu—Cu connection) with other layers.
  • FIG. 4 is a view showing an example of a cross-sectional view of the detection electrode 130 in the embodiment of the present technology.
  • the detection electrode 130 is formed by depositing the conductive nanoparticle group 132 on the surface of the electrode 131 made of metal.
  • the nanoparticle group 132 is three-dimensionally deposited as shown in the drawing, whereby the surface area can be expanded as compared with the case of only the flat electrode 131, and the resistance of the detection electrode 130 can be reduced. it can.
  • this nanoparticle group 132 is formed into a film by skin coating which sprays nanoparticles on the electrode 131.
  • film formation may be performed using a method such as vapor deposition film formation or sputtering.
  • the nanoparticle group 132 is an example of the particle group described in the claims.
  • Drawing 5 is a figure showing the 1st example of shape of insulating layer 140 in a 1st embodiment of this art.
  • the insulating layer 140 has a trapezoidal shape.
  • the side walls extend downward and the top is flat.
  • Drawing 6 is a figure showing the 2nd example of shape of insulating layer 140 in a 1st embodiment of this art.
  • the insulating layer 140 has a triangular shape.
  • the side walls extend downward and the top is acute.
  • FIG. 7 is a view showing a third example of the shape of the insulating layer 140 in the first embodiment of the present technology.
  • the insulating layer 140 has a reverse taper shape.
  • the side walls extend upward and the top is flat.
  • the surface area is expanded to reduce resistance. And the sensing sensitivity can be improved.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional view of the charge detection sensor 10 according to a modification of the first embodiment of the present technology.
  • a plug-type contact 180 in which a conductor such as an insulating film and a metal is embedded in a through hole penetrating the insulating layer 150 is provided for connection between the detection electrode 130 and the wiring layer 160.
  • a metal material for example, tungsten (W) or the like is assumed.
  • the contact 180 may be a drop-through TSV (Through-Silicon Via) type contact in which a conductor such as metal is attached to the bottom and the side wall of the hole.
  • TSV Three-Silicon Via
  • the detection electrode 130 can be formed in a planar shape, unlike the first embodiment described above.
  • the contact 180 can be provided under the detection electrode 130, the area of the detection unit 13 (the area where the detection electrode 130 is exposed) can be expanded, and the sensing sensitivity can be further improved.
  • Second embodiment> In the first embodiment described above, the surface area is expanded by three-dimensionally depositing the nanoparticle group 132 on the surface of the detection electrode 130. In this case, a conductive film is formed on the side wall of the insulating layer 140, and conductivity may occur between the adjacent detection electrodes 130 to prevent normal operation. Therefore, in the second embodiment, the insulation is applied so as not to cause continuous coating due to film formation.
  • the entire configuration of the charge detection sensor 10 is the same as that of the first embodiment described above, and thus the detailed description is omitted.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional view of the charge detection sensor 10 according to the second embodiment of the present technology. Here, a cross section taken along the line AA 'in FIG. 2 is shown.
  • the side wall of the insulating layer 140 has an eaves shape. That is, it has a projecting shape at a portion separated from the surface of the detection electrode 130 by a predetermined distance. This prevents the conductive film from being continuously formed between the detection electrodes 130.
  • FIG. 10 is a view showing an example of the cross-sectional shape of the side wall portion of the insulating layer 140 in the second embodiment of the present technology.
  • the insulating layer 140 is composed of three layers: a first layer 141, a second layer 142, and a third layer 143.
  • the first layer 141 is made of silicon nitride (SiN).
  • the second layer 142 is a layer that forms a projecting shape, and is made of silicon monoxide (SiO).
  • the third layer 143 is made of silicon nitride (SiN).
  • the use of such different materials is to facilitate the formation of a wedge shape on the sidewalls of the insulating layer 140.
  • the material illustrated here is an example and may be formed of other materials.
  • the protruding shape of the insulating layer 140 is provided at a position higher than the height of the nanoparticle group 132. That is, the thickness of the third layer 143 is formed to be thicker than the thickness of the nanoparticle group 132.
  • Each particle in the nanoparticle group 132 has a size on the order of nanometers, but the thickness of the nanoparticle group 132 in which these are sterically deposited is, for example, on the order of several tens of nanometers. Therefore, the thickness of the third layer 143 below the second layer 142 forming the projecting shape is larger than the order of several tens of nanometers.
  • the thickness of the third layer 143 is desirably about three times the thickness of the nanoparticle group 132 as an example.
  • the protruding length of the insulating layer 140 in the horizontal direction is longer than the height of the nanoparticle group 132. That is, the length by which the second layer 142 protrudes more than the third layer 143 is formed to be longer than the thickness of the nanoparticle group 132.
  • Drawing 11 is a figure showing an example of shape of insulating layer 140 in a 2nd embodiment of this art.
  • the insulating layer 140 has a trapezoidal shape and the side walls have a wedge shape. That is, since the side wall of the insulating layer 140 has a wedge shape, continuous coating across the insulating layer 140 can be prevented when the nanoparticles are sprayed in the film formation of the nanoparticle group 132.
  • the film formation of the nanoparticle group 132 is continuously covered across the insulating layer 140. Can be prevented.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional view of the charge detection sensor 10 according to a modification of the second embodiment of the present technology.
  • a conductor such as an insulating film and a metal is embedded in a through hole penetrating the insulating layer 150 to connect the detection electrode 130 and the wiring layer 160.
  • a plug-type contact 180 is provided.
  • a metal material in this case, for example, tungsten (W) or the like is assumed.
  • the contact 180 may be a through-silicon via (TSV) type contact in which a conductor such as metal is attached to the bottom and the side wall of the hole.
  • TSV through-silicon via
  • the effects of the modification of the second embodiment are similar to the effects of the modification of the first embodiment described above, whereby the sensing sensitivity can be further improved.
  • the charge detection sensor 10 can detect the charge in the solution.
  • the charge detection sensor 10 is applied to a potential measurement system.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a potential measurement system according to a third embodiment of the present technology.
  • This potential measurement system includes a control unit 20, a measurement result processing unit 40, and a display unit 50 in addition to the charge detection sensor 10 described in the above-described embodiment.
  • the charge detection sensor 10 detects charge in each of the plurality of cells 12 as described above. Thereby, the ions in the solution can be measured. In addition, this enables measurement of biological activity or identification of a biological substance to function as a biosensor.
  • the control unit 20 drives or controls the charge detection sensor 10.
  • the control unit 20 instructs, for example, the charge detection sensor 10 to start and end potential measurement, or controls selection of a measurement target.
  • the measurement result processing unit 40 processes the result measured by the charge detection sensor 10 based on a preset reference. For example, in order to display the measurement result, the measurement result processing unit 40 performs processing such as converting the measurement data or classifying numerical values of the measurement data in multiple stages.
  • the display unit 50 displays the measurement result processed by the measurement result processing unit 40.
  • the display unit 50 indicates the measurement result as the color or density of the pixel, arranges in two dimensions in the same manner as the element array, and displays the image as the distribution of charge or potential. Also, for example, by displaying the image obtained in such a manner along with the passage of time, it can be displayed as a moving image showing a transition of charge or potential.
  • the charge detection sensor 10 and the control unit 20 constitute a charge detection device 30.
  • the charge detection device 30 may be placed on a measurement target, the measurement result may be stored, and then the measurement result stored may be processed by the measurement result processing unit 40.
  • the measurement result by the charge detection sensor 10 can be remotely transmitted in real time and processed by the measurement result processing unit 40 located at a distance from the charge detection device 30. It is also good.
  • measurement can be performed using the charge detection sensor 10 described in the above-described embodiment, and the result can be displayed on the display unit 50.
  • the processing procedure described in the above embodiment may be regarded as a method having a series of these procedures, and a program for causing a computer to execute the series of procedures or a recording medium storing the program. You may catch it.
  • a recording medium for example, a CD (Compact Disc), an MD (Mini Disc), a DVD (Digital Versatile Disc), a memory card, a Blu-ray disc (Blu-ray (registered trademark) Disc) or the like can be used.
  • the present technology can also be configured as follows. (1) A plurality of detection electrodes arranged in an array to detect charges; An insulating portion which insulates the plurality of detection electrodes from each other; A charge detection sensor comprising conductive particles formed on the surfaces of the plurality of detection electrodes. (2) The charge detection sensor according to (1), wherein the particle group is a nanoparticle group each having a size of nanometer order. (3) The charge detection sensor according to (2), wherein the particle group is a particle group of platinum nanoparticles. (4) The charge detection sensor according to any one of (1) to (3), wherein the plurality of detection electrodes are non-water-soluble electrodes made of metal. (5) The charge detection sensor according to (4), wherein the plurality of detection electrodes are electrodes made of platinum.
  • each of the plurality of detection electrodes includes a recess for connection to a wiring layer.
  • the charge detection sensor according to (11), wherein the contact is a metal embedded plug type contact.
  • the charge detection sensor according to (11), wherein the contact is a through silicon contact.
  • the charge detection sensor according to any one of (1) to (14), which is a biosensor which measures biological activity or specifies a biological substance by detecting the charge.
  • a charge detection sensor for measuring the potential A control unit that controls potential measurement in the charge detection sensor;
  • a measurement result processing unit that processes the measurement result by the charge detection sensor;
  • a display unit configured to display the processed measurement result.

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Abstract

複数の電極をアレイ状に配置し、その電極上の溶液において発生する電荷を検出する電荷検出センサにおいて、センシング感度を向上させる。　電荷検出センサは、アレイ状に配列されて電荷を検出する複数の検出電極を備える。複数の検出電極は、絶縁部によって互いに絶縁される。複数の検出電極の表面には、導電性の粒子群が成膜される。これにより、検出電極の表面において立体電極が形成され、検出電極の表面積が拡大し、低抵抗化が図られる。

Description

電荷検出センサおよび電位計測システム
　本技術は、電荷検出センサに関する。詳しくは、電荷検出センサおよびその電荷検出センサを利用した電位計測システムに関する。
　従来、複数の電極をアレイ状に配置し、その電極上の溶液において発生する電荷を検出する電荷検出センサが注目されている。例えば、化学変化によって発生する活動電位発生点の電位を測定する電位測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
国際公開第２０１７／０６１１７１号
　上述の従来技術では、アレイ状に配置された電極を溶液に浸して、そこで発生する電荷を検出している。上述の電荷検出センサにおいてセンシング感度を向上させるためには、センシングのための面積を拡大することが考えられるが、電極自体の面積を拡大すると装置全体の面積が拡大して小型化を図ることが困難になる。
　本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、電荷検出センサにおけるセンシング感度を向上させることを目的とする。
　本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、アレイ状に配列されて電荷を検出する複数の検出電極と、上記複数の検出電極を互いに絶縁する絶縁部と、上記複数の検出電極の表面に成膜された導電性の粒子群とを具備する電荷検出センサである。これにより、検出電極の表面積を拡大させて低抵抗化を図り、センシング感度を向上させるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記粒子群は、それぞれがナノメートルオーダの大きさを有するナノ粒子群であってもよく、より具体的には、白金ナノ粒子の粒子群であってもよい。これにより、検出電極の表面にナノ粒子群を立体的に成膜して、表面積を拡大させるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記複数の検出電極は、金属を材料とする非水溶性の電極であってもよく、より具体的には、白金を材料とする電極であってもよい。これにより、ナノ粒子群を成膜する際に電荷検出センサを金属材料により封止するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記絶縁部は、上記検出電極の表面から所定距離離れた部分において突出形状を有してもよい。これにより、絶縁層の側壁に導電性膜が成膜されることを防止するという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記絶縁部の上記突出形状は、上記粒子群の高さよりも高い位置に設けられることが望ましい。また、上記絶縁部の上記突出形状は、上記粒子群の高さよりも長い突出を有することが望ましい。これにより、絶縁層の側壁に導電性膜が成膜されることを防止する作用をより確実にする。
　また、この第１の側面において、上記絶縁部の上記突出形状は、上記絶縁部の他の部分とは異なる材料により形成されてもよい。これにより、絶縁層における突出形状の形成を容易にするという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記複数の検出電極の各々は、配線層と接続するための窪み部を備えてもよい。これにより、検出電極を配線層に接続させるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記複数の検出電極の各々と配線層とを接続するためのコンタクトをさらに具備してもよい。このコンタクトは、金属埋め込みプラグ型コンタクトであってもよく、また、シリコン貫通電極型コンタクトであってもよい。これにより、コンタクトを用いて検出電極を配線層に接続させるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、電荷検出センサは、上記検出電極に接する溶液中のイオンを検出してもよい。
　また、この第１の側面において、電荷検出センサは、上記電荷を検出することにより生体活動の測定または生体物質の特定を行うバイオセンサであってもよい。
　また、本技術の第２の側面は、アレイ状に配列されて電荷を検出する複数の検出電極と、上記複数の検出電極を互いに絶縁する絶縁部と、上記複数の検出電極の表面に成膜された導電性の粒子群とを備えて電位計測を行う電荷検出センサと、上記電荷検出センサにおける電位計測を制御する制御部と、上記電荷検出センサによる計測結果を処理する計測結果処理部と、上記処理された計測結果を表示する表示部とを具備する電位計測システムであってもよい。これにより、電荷検出センサによる計測結果を処理して、画像や動画として表示するという作用をもたらす。
　本技術によれば、電荷検出センサにおけるセンシング感度を向上させることができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の実施の形態における電荷検出センサ１０を上面から見た外観の一例を示す図である。 本技術の実施の形態におけるセル１２を上面から見た外観の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。 本技術の実施の形態における検出電極１３０の断面図の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における絶縁層１４０の形状の第１の例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における絶縁層１４０の形状の第２の例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における絶縁層１４０の形状の第３の例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態の変形例における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態における絶縁層１４０の側壁部分の断面形状の一例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態における絶縁層１４０の形状の例を示す図である。 本技術の第２の実施の形態の変形例における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。 本技術の第３の実施の形態における電位計測システムの構成例を示す図である。
　以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
　１．第１の実施の形態（白金ナノ粒子により立体電極を形成した例）
　２．第２の実施の形態（電極間の絶縁部の側壁を庇形状とした例）
　３．第３の実施の形態（電位計測システムへの適用例）
　＜１．第１の実施の形態＞
　［電荷検出センサ］
　図１は、本技術の実施の形態における電荷検出センサ１０を上面から見た外観の一例を示す図である。
　この電荷検出センサ１０は、溶液中の電荷を検出するセンサである。この電荷検出センサ１０の上面には検出領域１１が設けられ、この検出領域１１に試料となる溶液が浸される。また、この電荷検出センサ１０は、列選択部１６と、行選択部１７と、増幅部１８と、Ａ／Ｄ変換部１９とを備える。
　検出領域１１は、それぞれが検出素子を備えるセル１２を複数有しており、その複数のセル１２は２次元アレイ状に配置されて素子アレイを形成する。複数のセル１２は、それぞれが電荷を検出する。なお、この例では８×８の素子アレイを示しているが、これは一例であり、必要に応じて任意のサイズの素子アレイを構成することができる。
　列選択部１６は、検出領域１１における２次元アレイ状のセル１２の列を選択する列選択信号を出力するものである。行選択部１７は、検出領域１１における２次元アレイ状のセル１２の行を選択する行選択信号を出力するものである。列選択部１６および行選択部１７によって、２次元アレイ状のセル１２のうち１つが選択されて特定される。
　増幅部１８は、列選択部１６および行選択部１７によって選択されたセル１２からの電位信号を増幅するものである。
　Ａ／Ｄ変換部１９は、増幅部１８によって増幅された電位信号をアナログ値からデジタル値に変換するものである。
　図２は、本技術の実施の形態におけるセル１２を上面から見た外観の一例を示す図である。
　セル１２は、電荷を検出する検出部１３を備えており、その周囲は他のセル１２と互いに絶縁する絶縁部１４を備えている。検出領域１１に浸された溶液は、検出部１３に接する。これにより、複数のセル１２の各々は、検出部１３に接する溶液中のイオンの電荷を検出する。
　なお、セル１２は、絶縁部１４の一部において窪み部１５を有する場合がある。これは、後述するように、検出部１３とその下部の配線との接続を図るための一例に過ぎず、他にも様々な実現手法が考えられる。
　［構造］
　図３は、本技術の第１の実施の形態における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。ここでは、図２のＡ－Ａ'に沿った断面を示している。
　この電荷検出センサ１０は、検出部１３として検出電極１３０を備える。検出電極１３０は、例えば白金（Ｐｔ）などの金属を材料とする非水溶性の電極であり、その表面にはそれぞれがナノメートルオーダの大きさを有する導電性のナノ粒子群が成膜される。このようなナノ粒子群としては、例えば白金ナノ粒子が想定される。
　この電荷検出センサ１０は、絶縁部１４として絶縁層１４０を備える。この絶縁層１４０は、アレイ状に配列される検出電極１３０を互いに絶縁するものである。この絶縁層１４０の材料としては、例えばシリコンナイトライド（ＳｉＮ）などを用いることができる。なお、絶縁層１４０は、特許請求の範囲に記載の絶縁部の一例である。
　検出電極１３０の下層には、絶縁層１５０が設けられる。この絶縁層１５０の材料としては、例えば一酸化シリコン（ＳｉＯ）や、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）などを用いることができる。
　絶縁層１５０の下層には、配線層１６０が設けられる。この配線層１６０の材料としては、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）や、アルミニウム銅合金（ＡｌＣｕ）などを用いることができる。
　図示したように、検出電極１３０は、絶縁層１５０の窪み部１５に沿って下方に窪んでおり、この位置において配線層１６０と接続するようになっている。なお、この窪み部１５は、他の材料または同じ材料によって埋められていてもよい。
　配線層１６０の下部には、他層と接続するための電極１７０が設けられる。この電極１７０の材料としては、例えば銅（Ｃｕ）などを用いることができる。これにより、他層との間で銅電極同士の接続（Ｃｕ－Ｃｕ接続）を行うことが可能になる。
　図４は、本技術の実施の形態における検出電極１３０の断面図の一例を示す図である。
　上述のように、検出電極１３０は、金属を材料とする電極１３１の表面に、導電性のナノ粒子群１３２を成膜したものである。ナノ粒子群１３２は、図示したように立体的に成膜されており、これにより平面の電極１３１のみの場合と比べて表面積を拡大することができ、検出電極１３０の低抵抗化を図ることができる。
　このナノ粒子群１３２は、電極１３１に対してナノ粒子を吹き付けるスキンコートにより成膜することが想定される。また、蒸着成膜やスパッタリングなどの手法を用いて成膜するようにしてもよい。なお、ナノ粒子群１３２は、特許請求の範囲に記載の粒子群の一例である。
　［絶縁層の形状］
　上述の実施の形態においては、絶縁部１４における絶縁層１４０の側壁は垂直であることを想定していた。これに対し、絶縁層１４０の形状は以下に例示するように様々な形状が適用可能である。
　図５は、本技術の第１の実施の形態における絶縁層１４０の形状の第１の例を示す図である。この第１の例では、絶縁層１４０は台形形状を有している。側壁は下方に広がっており、上部は平面となっている。
　図６は、本技術の第１の実施の形態における絶縁層１４０の形状の第２の例を示す図である。この第２の例では、絶縁層１４０は三角形状を有している。側壁は下方に広がっており、上部は鋭角となっている。
　図７は、本技術の第１の実施の形態における絶縁層１４０の形状の第３の例を示す図である。この第３の例では、絶縁層１４０は逆テーパ形状を有している。側壁は上方に広がっており、上部は平面となっている。
　このように、本技術の第１の実施の形態によれば、電荷検出センサにおける検出電極１３０の表面にナノ粒子群１３２を立体的に成膜することにより、表面積を拡大させて低抵抗化を図り、センシング感度を向上させることができる。
　［変形例］
　図８は、本技術の第１の実施の形態の変形例における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。
　この変形例では、検出電極１３０と配線層１６０との接続のために、絶縁層１５０を貫通するスルーホールに絶縁膜と金属などの伝導体を埋め込んだプラグ型のコンタクト１８０が設けられる。この場合の金属の材料としては、例えばタングステン（Ｗ）などが想定される。
　なお、コンタクト１８０は、ホールの底面と側壁に金属などの伝導体を付けた落とし込みＴＳＶ（Through-Silicon Via）型のコンタクトであってもよい。
　この変形例によれば、検出電極１３０は、上述の第１の実施の形態と異なり、平面形状として形成することができる。また、検出電極１３０の下にコンタクト１８０を設けることができるため、検出部１３の面積（検出電極１３０が露出している面積）を広げることができ、センシング感度をより向上させることができる。
　＜２．第２の実施の形態＞
　上述の第１の実施の形態においては、検出電極１３０の表面にナノ粒子群１３２を立体的に成膜することにより、表面積を拡大させていた。この場合、絶縁層１４０の側壁に導電性膜が成膜されてしまい、隣接する検出電極１３０の間で導電が生じて、正常な動作が妨げられるおそれがある。そこで、この第２の実施の形態においては、成膜により連続的な被覆が生じないように絶縁を施す。なお、電荷検出センサ１０の全体構成については上述の第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　［構造］
　図９は、本技術の第２の実施の形態における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。ここでは、図２のＡ－Ａ'に沿った断面を示している。
　この第２の実施の形態においては、絶縁層１４０の側壁が庇（ひさし）形状を有している。すなわち、検出電極１３０の表面から所定距離離れた部分において、突出形状を有している。これにより、検出電極１３０の間で導電性膜が連続的に成膜されることを回避する。
　図１０は、本技術の第２の実施の形態における絶縁層１４０の側壁部分の断面形状の一例を示す図である。
　この例では、絶縁層１４０は、第１層１４１、第２層１４２、第３層１４３の３つの層からなっている。第１層１４１は、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）を材料としている。第２層１４２は、突出形状を形成する層であり、一酸化シリコン（ＳｉＯ）を材料としている。第３層１４３は、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）を材料としている。このように異なる材料を用いているのは、絶縁層１４０の側壁において庇形状の形成を容易にするためである。ただし、同一種の材料によっても庇形状を形成することは可能である。また、ここで例示した材料は一例であり、他の材料によって形成されてもよい。
　絶縁層１４０の突出形状は、ナノ粒子群１３２の高さよりも高い位置に設けられる。すなわち、第３層１４３の厚みは、ナノ粒子群１３２の厚みよりも厚くなるように形成される。ナノ粒子群１３２における各々の粒子はナノメートルオーダの大きさを有するが、これらを立体的に成膜したナノ粒子群１３２の厚みは、例えば数十ナノメートルのオーダになる。したがって、突出形状を形成する第２層１４２の下方の第３層１４３の厚みは、数十ナノメートルのオーダよりも大きくなる。ナノ粒子群１３２における粒子の積み上げを考慮すると、第３層１４３の厚みは、一例としてナノ粒子群１３２の厚みの３倍程度であることが望ましい。
　また、絶縁層１４０の突出形状が水平方向に突出する長さは、ナノ粒子群１３２の高さよりも長く設けられる。すなわち、第２層１４２が第３層１４３よりも突出する長さは、ナノ粒子群１３２の厚みよりも長くなるように形成される。
　このように、絶縁層１４０における突出形状の高さや長さを適正に形成することにより、ナノ粒子群１３２の成膜において連続的な被覆が発生して、隣接する検出電極１３０の間で導電が生じることを防止することができる。
　［絶縁層の形状］
　図１１は、本技術の第２の実施の形態における絶縁層１４０の形状の例を示す図である。
　この例では、絶縁層１４０は台形形状を有するとともに、側壁が庇形状を有している。すなわち、絶縁層１４０の側壁が庇形状を有するため、ナノ粒子群１３２の成膜においてナノ粒子が吹き付けられた際に絶縁層１４０を跨って連続的に被覆されることを防止することができる。
　このように、本技術の第２の実施の形態によれば、絶縁層１４０の側壁が庇形状を有することにより、ナノ粒子群１３２の成膜が絶縁層１４０を跨って連続的に被覆されることを防止することができる。
　［変形例］
　図１２は、本技術の第２の実施の形態の変形例における電荷検出センサ１０の断面図の一例を示す図である。
　この変形例では、上述の第１の実施の形態と同様に、検出電極１３０と配線層１６０との接続のために、絶縁層１５０を貫通するスルーホールに絶縁膜と金属などの伝導体を埋め込んだプラグ型のコンタクト１８０が設けられる。この場合の金属の材料としては、例えばタングステン（Ｗ）などが想定される。また、コンタクト１８０は、ホールの底面と側壁に金属などの伝導体を付けた落とし込みＴＳＶ（Through-Silicon Via）型のコンタクトであってもよい。
　この第２の実施の形態の変形例による効果は、上述の第１の実施の形態の変形例による効果と同様であり、これによりセンシング感度をより向上させることができる。
　＜３．第３の実施の形態＞
　上述の実施の形態において説明したように、電荷検出センサ１０によって溶液中の電荷を検出することができる。この第３の実施の形態では、電荷検出センサ１０を電位計測システムに適用した場合の例について説明する。
　図１３は、本技術の第３の実施の形態における電位計測システムの構成例を示す図である。この電位計測システムは、上述の実施の形態において説明した電荷検出センサ１０に加えて、制御部２０と、計測結果処理部４０と、表示部５０とを備える。
　電荷検出センサ１０は、上述のように複数のセル１２のそれぞれにおいて電荷を検出する。これにより、溶液中のイオンを計測することができる。また、これにより、生体活動の測定または生体物質の特定を行うことができ、バイオセンサとして機能する。
　制御部２０は、電荷検出センサ１０を駆動もしくは制御するものである。この制御部２０は、例えば、電荷検出センサ１０に対して電位計測の開始および終了を指示し、または、計測対象の選定などを制御する。
　計測結果処理部４０は、電荷検出センサ１０によって計測された結果を、事前に設定された基準に基づいて処理するものである。この計測結果処理部４０は、例えば、計測結果を表示するために、その計測データを変換し、または、その計測データの数値を多段階に分類する等の処理を行う。
　表示部５０は、計測結果処理部４０によって処理された計測結果を表示するものである。この表示部５０は、例えば、計測結果を画素の色や濃淡として示し、素子アレイと同様に２次元に並べて、電荷または電位の分布を示す画像として表示する。また、例えば、そのようにして得られた画像を時間経過に沿って表示することにより、電荷または電位の遷移を示す動画として表示することができる。
　この例において、電荷検出センサ１０および制御部２０は、電荷検出装置３０を構成する。例えば、この電荷検出装置３０を測定対象に設置して、その計測結果を記憶しておいて、その後、記憶されていた計測結果を計測結果処理部４０により処理するようにしてもよい。また、電荷検出装置３０にネットワーク機能を備えることにより、電荷検出センサ１０による計測結果をリアルタイムに遠隔送信して、電荷検出装置３０から離れた場所にある計測結果処理部４０により処理するようにしてもよい。
　このように、本技術の第３の実施の形態によれば、上述の実施の形態において説明した電荷検出センサ１０を用いて計測を行い、その結果を表示部５０に表示することができる。
　なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
　また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray（登録商標）Disc）等を用いることができる。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）アレイ状に配列されて電荷を検出する複数の検出電極と、
　前記複数の検出電極を互いに絶縁する絶縁部と、
　前記複数の検出電極の表面に成膜された導電性の粒子群と
を具備する電荷検出センサ。
（２）前記粒子群は、それぞれがナノメートルオーダの大きさを有するナノ粒子群である
前記（１）に記載の電荷検出センサ。
（３）前記粒子群は、白金ナノ粒子の粒子群である
前記（２）に記載の電荷検出センサ。
（４）前記複数の検出電極は、金属を材料とする非水溶性の電極である
前記（１）から（３）のいずれかに記載の電荷検出センサ。
（５）前記複数の検出電極は、白金を材料とする電極である
前記（４）に記載の電荷検出センサ。
（６）前記絶縁部は、前記検出電極の表面から所定距離離れた部分において突出形状を有する
前記（１）から（５）のいずれかに記載の電荷検出センサ。
（７）前記絶縁部の前記突出形状は、前記粒子群の高さよりも高い位置に設けられる
前記（６）に記載の電荷検出センサ。
（８）前記絶縁部の前記突出形状は、前記粒子群の高さよりも長い突出を有する
前記（６）または（７）に記載の電荷検出センサ。
（９）前記絶縁部の前記突出形状は、前記絶縁部の他の部分とは異なる材料により形成される
前記（６）から（８）のいずれかに記載の電荷検出センサ。
（１０）前記複数の検出電極の各々は、配線層と接続するための窪み部を備える
前記（１）から（９）のいずれかに記載の電荷検出センサ。
（１１）前記複数の検出電極の各々と配線層とを接続するためのコンタクトをさらに具備する前記（１）から（１０）のいずれかに記載の電荷検出センサ。
（１２）前記コンタクトは、金属埋め込みプラグ型コンタクトである
前記（１１）に記載の電荷検出センサ。
（１３）前記コンタクトは、シリコン貫通電極型コンタクトである
前記（１１）に記載の電荷検出センサ。
（１４）前記検出電極に接する溶液中のイオンを検出する前記（１）から（１３）のいずれかに記載の電荷検出センサ。
（１５）前記電荷を検出することにより生体活動の測定または生体物質の特定を行うバイオセンサである前記（１）から（１４）のいずれかに記載の電荷検出センサ。
（１６）アレイ状に配列されて電荷を検出する複数の検出電極と、前記複数の検出電極を互いに絶縁する絶縁部と、前記複数の検出電極の表面に成膜された導電性の粒子群とを備えて電位計測を行う電荷検出センサと、
　前記電荷検出センサにおける電位計測を制御する制御部と、
　前記電荷検出センサによる計測結果を処理する計測結果処理部と、
　前記処理された計測結果を表示する表示部と
を具備する電位計測システム。
　１０　電荷検出センサ
　１１　検出領域
　１２　セル
　１３　検出部
　１４　絶縁部
　１５　窪み部
　１６　列選択部
　１７　行選択部
　１８　増幅部
　１９　Ａ／Ｄ変換部
　２０　制御部
　３０　電荷検出装置
　４０　計測結果処理部
　５０　表示部
　１３０　検出電極
　１３１　電極
　１３２　ナノ粒子群
　１４０～１４３、１５０　絶縁層
　１６０　配線層
　１７０　電極
　１８０　コンタクト

Claims (16)

  1. 　アレイ状に配列されて電荷を検出する複数の検出電極と、
    　前記複数の検出電極を互いに絶縁する絶縁部と、
    　前記複数の検出電極の表面に成膜された導電性の粒子群と
    を具備する電荷検出センサ。
  2. 　前記粒子群は、それぞれがナノメートルオーダの大きさを有するナノ粒子群である
    請求項１記載の電荷検出センサ。
  3. 　前記粒子群は、白金ナノ粒子の粒子群である
    請求項２記載の電荷検出センサ。
  4. 　前記複数の検出電極は、金属を材料とする非水溶性の電極である
    請求項１記載の電荷検出センサ。
  5. 　前記複数の検出電極は、白金を材料とする電極である
    請求項４記載の電荷検出センサ。
  6. 　前記絶縁部は、前記検出電極の表面から所定距離離れた部分において突出形状を有する
    請求項１記載の電荷検出センサ。
  7. 　前記絶縁部の前記突出形状は、前記粒子群の高さよりも高い位置に設けられる
    請求項６記載の電荷検出センサ。
  8. 　前記絶縁部の前記突出形状は、前記粒子群の高さよりも長い突出を有する
    請求項６記載の電荷検出センサ。
  9. 　前記絶縁部の前記突出形状は、前記絶縁部の他の部分とは異なる材料により形成される
    請求項６記載の電荷検出センサ。
  10. 　前記複数の検出電極の各々は、配線層と接続するための窪み部を備える
    請求項１記載の電荷検出センサ。
  11. 　前記複数の検出電極の各々と配線層とを接続するためのコンタクトをさらに具備する請求項１記載の電荷検出センサ。
  12. 　前記コンタクトは、金属埋め込みプラグ型コンタクトである
    請求項１１記載の電荷検出センサ。
  13. 　前記コンタクトは、シリコン貫通電極型コンタクトである
    請求項１１記載の電荷検出センサ。
  14. 　前記検出電極に接する溶液中のイオンを検出する請求項１記載の電荷検出センサ。
  15. 　前記電荷を検出することにより生体活動の測定または生体物質の特定を行うバイオセンサである請求項１記載の電荷検出センサ。
  16. 　アレイ状に配列されて電荷を検出する複数の検出電極と、前記複数の検出電極を互いに絶縁する絶縁部と、前記複数の検出電極の表面に成膜された導電性の粒子群とを備えて電位計測を行う電荷検出センサと、
    　前記電荷検出センサにおける電位計測を制御する制御部と、
    　前記電荷検出センサによる計測結果を処理する計測結果処理部と、
    　前記処理された計測結果を表示する表示部と
    を具備する電位計測システム。
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