WO2014045387A1

WO2014045387A1 - 蛍光センサ

Info

Publication number: WO2014045387A1
Application number: PCT/JP2012/074178
Authority: WO
Inventors: 亮太田
Original assignee: テルモ株式会社
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-03-27

Abstract

蛍光センサ４は、穴４０Ｘのある基板部３０と、穴４０Ｘの内部に配設された、励起光Ｅを受光してアナライト９の濃度に応じた強度の蛍光Ｆを発生するインジケータ１７と、励起光Ｅを発生する発光素子１５と、穴４０Ｘの開口を覆う、アナライト９が通過する貫通孔１８Ｘと蛍光Ｆを電気信号に変換するＰＤ素子１２とが形成された半導体材料からなるカバー部１８と、を有する。

Description

蛍光センサ

　本発明は、溶液中のアナライトの濃度を計測する蛍光センサに関し、特に、アナライト及び励起光により蛍光を発生するハイドロゲルからなるインジケータを具備する蛍光センサに関する。

　溶液中のアナライトすなわち被計測物質の濃度を測定するための様々な分析装置が開発されている。例えば、蛍光色素とアナライトとを含む被計測溶液とを透明容器に注入し、励起光を照射し蛍光色素からの蛍光強度を計測することによりアナライト濃度を計測する蛍光光度計が知られている。蛍光色素は、アナライトの存在によって性質が変化し励起光を受光するとアナライト濃度に対応した強度の蛍光を発生する。
　小型の蛍光光度計は、光源と光検出器と蛍光色素を含有したインジケータとを有している。そして、被計測溶液中のアナライトが出入り自在なインジケータに光源からの励起光を照射し、インジケータが発生する蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光強度に応じた電気信号を出力する。光検出器からの電気信号をもとに溶液中のアナライト濃度が算出される。

　微量試料中のアナライトを計測するために、半導体製造技術及びＭＥＭＳ技術を用いて作製される微小蛍光光度計が提案されている。以下、微小蛍光光度計のことを「蛍光センサ」という。

　図１及び図２に示す蛍光センサ１０４が国際公開第２０１０／１１９９１６号パンフレットに開示されている。蛍光センサ１０４の主機能部であるセンサ部１１０は、光電変換素子１１２が形成されているシリコン基板１１１と、透明中間層１１３と、フィルタ層１１４と、発光素子１１５と、透明保護層１１６と、インジケータ１１７と、遮光層１１８と、を有する。アナライト９は、遮光層１１８を通過して、インジケータ１１７に進入する。蛍光センサ１０４のフィルタ層１１４は励起光Ｅを遮断し蛍光Ｆを透過する。さらに、発光素子１１５は蛍光Ｆを透過する。

　蛍光センサ１０４では、発光素子１１５が発生した励起光Ｅがインジケータ１１７に入射すると、インジケータ１１７はアナライト濃度に応じた蛍光Ｆを発生する。

　インジケータ１１７が発生した蛍光Ｆの一部は、発光素子１１５とフィルタ層１１４とを通過し、光電変換素子１１２に入射し光電変換される。なお、発光素子１１５が光電変換素子１１２の方向（下方向）出射した励起光Ｅは、フィルタ層１１４により蛍光強度と比較して計測上問題ないレベルまで減光される。蛍光センサ１０４は、構成が単純で小型化が容易である。

　しかし、蛍光センサ１０４は光電変換素子１１２が発光素子１１５の下面にあるため、光電変換素子１１２による蛍光Ｆの受光効率が良いとはいえない。このため、より検出感度が高い蛍光センサが求められていた。

　本発明は、検出感度が高い蛍光センサを提供することを目的とする。

　本発明の一態様の蛍光センサは、穴のある基板部と、前記穴の内部に配設された、励起光を受光してアナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生するインジケータと、前記励起光を発生する発光素子と、前記穴の開口を覆う、前記アナライトが通過する貫通孔と、前記蛍光を電気信号に変換する光電変換素子とが形成された半導体材料からなるカバー部と、を有する。

従来の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。従来の蛍光センサの構造を示した分解図である。第１実施形態のセンサシステムの構成図である。第１実施形態の蛍光センサの先端部の斜視図である。第１実施形態の蛍光センサの先端部の、図４のＶ－Ｖ線に沿った分解断面図である。第１実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。第１実施形態の蛍光センサのカバー部の斜視図である。第２実施形態の蛍光センサの先端部の断面図である。第２実施形態の蛍光センサのカバー部の断面図である。第２実施形態の蛍光センサの変形例のカバー部の断面図である。第３実施形態の蛍光センサの先端部の断面図である。第３実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。第４実施形態の蛍光センサの先端部の断面図である。第４実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。第５実施形態の蛍光センサの先端部の断面図である。第５実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。第６実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。第７実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。第８実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。第９実施形態の蛍光センサの動作を説明するための断面模式図である。

　＜第１実施形態＞
　本発明の第１実施形態の蛍光センサ４及びセンサシステム１について説明する。図３に示すように、センサシステム１は、蛍光センサ４と、本体部２と、本体部２からの信号を受信し記憶するレシーバー３と、を有する。本体部２とレシーバー３との間の信号の送受信は無線または有線で行われる。

　蛍光センサ４は、被検体に穿刺される針部７と、針部７の後端部と接合されたコネクタ部８と、からなる。針部７は、細長い針本体部６と、主要機能部であるセンサ部１０を含む針先端部５と、を有する。針先端部５、針本体部６、コネクタ部８は、同一材料により一体形成されていてもよいし、別々に作製され接合されていてもよい。

　コネクタ部８は、本体部２の嵌合部２Ａと着脱自在に嵌合する。蛍光センサ４のセンサ部１０から延設された複数の配線６０は、コネクタ部８が本体部２の嵌合部２Ａと機械的に嵌合することにより、本体部２と電気的に接続される。

　蛍光センサ４は、センサ部１０を体内に挿入後、所定期間、例えば、１週間、継続して生体内の溶液（体液）のアナライト濃度を測定可能な針型センサである。しかし、センサ部１０を体内に挿入しないで、採取した体液、または体外の流路を介して体内と循環する体液を、体外においてセンサ部１０と接触させてもよい。

　本体部２は、センサ部１０の駆動及び制御などを行う制御部２Ｂと、センサ部１０から出力された信号を処理する演算部２Ｃと、を有する。なお、制御部２Ｂまたは演算部２Ｃの少なくともいずれかが、蛍光センサ４のコネクタ部８等に配設されていてもよいし、レシーバー３に配設されていてもよい。

　図示しないが、本体部２は、レシーバー３との間で無線信号を送受信するための無線アンテナと、電池等と、をさらに有する。レシーバー３との間の信号を有線にて送受信する場合には、本体部２は無線アンテナに代えて信号線を有する。なお、本体部２が必要な容量のメモリ部を有する場合にはレシーバー３はなくてもよい。

＜センサ部の構造＞
　次に、図４～図７を用いて、蛍光センサ４の主要機能部であるセンサ部１０の構造について説明する。なお、図は、いずれも説明のための模式図であり、縦横の寸法比等は実際とは異なっており、一部の構成要素を図示しない場合もある。また、図に示すＺ軸方向を上方向という。

　第１実施形態の蛍光センサ４は、被検体の体液中のグルコースを検出する。図４及び図５に示すように、センサ部１０は、貫通孔４０Ｘのある枠状基板部４０と配線基板部２０とが接合された接合基板部３０と、貫通孔４０Ｘに配設されたインジケータ１７及び発光素子１５と、貫通孔４０Ｘの上面の開口を覆うカバー部１８と、カバー部１８を覆う遮光層１９と、を有する。

　蛍光センサ４では、カバー部１８が、蛍光Ｆを電気信号に変換する光電変換素子であるフォトダイオード素子（以下「ＰＤ素子」という）１２が形成された、アナライト９が通過する半導体材料からなる。すなわち、図７に示すように、カバー部１８は微少貫通孔１８Ｘのある、例えばシリコン基板からなり、片面にＰＤ素子１２の受光部１２Ｔが形成されている。なお、ＰＤ素子１２は受光部１２Ｔと部分的に不純物を導入した導電率の高い低抵抗領域１２Ｈとから構成されているが、以下、受光部１２Ｔを、ＰＤ素子１２ということがある。

　カバー部１８の微少貫通孔１８Ｘは、アナライト９を含む体液がインジケータ１７に進入する進入経路である。すなわち、カバー部１８は体液が通過可能である。

　カバー部１８の微少貫通孔１８Ｘの大きさ、形状、位置、及び形成密度は、仕様により適宜、選択される。例えば、微少貫通孔１８Ｘは図７に示すように整然と配列している必要はない。また、微少貫通孔１８Ｘを上面から観察したときの開口部の形状は、円形、矩形、または多角形等のいずれでもよい。

　微少貫通孔１８Ｘが形成されたカバー部１８は、例えば、シリコン板またはシリコン膜等に、微少貫通孔１８Ｘをパターニング形成することにより作製される。具体的には、微少貫通孔１８Ｘは、シリコン板等の表面に、フォトリソグラフィまたは自己組織化膜等によりエッチングマスクを形成した後に、ＩＣＰ－ＲＩＥ等のドライエッチングにより作製できる。微少貫通孔１８Ｘの形成には、マイクロドリル等による機械加工法を用いてもよい。

　また、カバー部１８には、アナライトを含む溶液が通過可能な多孔質半導体を用いてもよい。なお、多孔質とは構造中に外部と接続された空隙およびと気孔をもつ材料を意味する。空隙／気孔の、大きさ、分布及び形状は、溶液が通過可能であれば、規則性を有している必要はない。

　カバー部１８の開気孔率は５～７５体積％が好ましく、特に好ましくは２０～５０体積％である。前記範囲以上であれば、体液が通過しやすく、前記範囲以下であれば所望の機械的強度が得られる。なお、開気孔率は、アルキメデス法により測定した値である。

　遮光層１９は、励起光Ｅ及び蛍光Ｆが外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光Ｇがインジケータ１７に進入することを防止する。

　遮光層１９は、アナライト９が、その内部を通過してインジケータ１７に到達するのを妨げない、例えば、サブミクロンサイズのポア構造である。遮光層１９には、金属、セラミック等の無機材料または、ポリイミドもしくはポリウレタン等の有機ポリマーの基材にカーボンブラックが混入されたハイドロゲル類とのコンポジット組成物、または、セルロース類もしくはポリアクリルアミド等のアナライト透過性ポリマーにカーボンブラックを混入した樹脂、または、それらを積層化した樹脂等を用いる。

　枠状基板部４０及び配線基板部２０には、ヤング率が数十ＧＰａから数百ＧＰａのシリコン、ガラスもしくは金属等、または、ヤング率が１ＧＰａ～５ＧＰａの程度のポリプロピレンもしくはポリスチレン等の樹脂材料を用いる。カバー部１８Ａの材料と同じシリコンが、特に好ましい。

　インジケータ１７及び発光素子１５が内部に収容されている貫通孔４０Ｘは、下面が配線基板部２０であり、上面がカバー部１８であり、側面が枠状基板部４０の凹部である。貫通孔４０Ｘの形状は直方体（四角柱状）であるが、円柱状、または多角柱状等であってもよい。

　なお、後述するように貫通孔４０Ｘの側面は主面に対して傾斜していてもよい。また、側面に蛍光を反射する反射膜が配設されていてもよい。

　配線基板部２０には、発光素子１５の外部電極１５Ｔと接続され駆動信号を供給する配線５１が配設されている。カバー部１８には、配線６０のうちＰＤ素子１２の信号を伝送する配線６１が形成されている。配線５１、６１は複数の配線６０の一部である。

　なお、ＰＤ素子１２に励起光Ｅが入射するのを防止するために、蛍光Ｆを透過し励起光Ｅを遮るフィルタを、ＰＤ素子１２の受光面、すなわち、カバー部１８の下面に配設してもよい。例えば、波長３７５ｎｍの励起光Ｅを遮断するが、波長４６０ｎｍの蛍光Ｆは透過する光吸収型フィルタを用いる。フィルタを配設する場合には、フィルタにもアナライトが通過可能な微少貫通孔が形成される。また、発光素子１５の下面の外部電極１５Ｔは絶縁性樹脂で封止されていることが好ましい。さらに、発光素子１５が上面まで透明中間層で封止されていてもよい。樹脂封止されている発光素子１５は、インジケータ１７の水分の影響を受けにくい。

　インジケータ１７は、アナライト９及び励起光Ｅにより、励起光Ｅよりも長波長の蛍光Ｆを発生する蛍光色素を有するハイドロゲルからなる。すなわちインジケータ１７は、試料中のアナライト濃度に応じた光量の蛍光Ｆを発生する蛍光色素が含まれる、励起光Ｅ及び蛍光Ｆが良好に透過するハイドロゲルから構成されている。なお、インジケータ１７が蛍光色素を含まず、蛍光Ｆを発生する蛍光色素が溶液中に存在するアナライト９そのものでもよい。

　ハイドロゲルは、メチルセルロースもしくはデキストラン等の多糖類、アクリルアミド、メチロールアクリルアミド、ヒドロキシエチルアクリレート等のモノマーを重合して作製するアクリル系ハイドロゲル、またはポリエチレングリコールとジイソシアネートから作製するウレタン系ハイドロゲル等の水を含みやすい材料に蛍光色素を内包することにより形成されている。

　ハイドロゲルは、カバー部１８及び遮光層１９を介してセンサ外に離脱することがない大きさであることが好ましい。このため、ハイドロゲルは、構成する分子が分子量１００万以上であるか、またはカバー部１８の孔径以上の例えば径５０ｎｍ以上の粒子状であるか、または架橋され流動しない形態であることが好ましい。

　一方、蛍光色素としては、グルコース等の糖類を測定する場合には、蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体等が適している。蛍光色素は、高分子量材料としたり、または、ハイドロゲルに化学的に固定したりすることにより、センサ外に離脱することが防止されている。

　蛍光色素と、ゲル骨格形成材と、重合開始剤と、を含むリン酸緩衝液を、窒素雰囲気下で１時間放置し、重合することにより、インジケータは作製される。例えば、蛍光色素としては、９、１０－ビス［Ｎ－［２－（５，５－ジメチルボリナン－２－イル）ベンジル］－Ｎ－［６‘－［（アクリロイルポリエチレングリコール－３４００）カルボニルアミノ］－ｎ－ヘキシルアミノ］メチル］－２－アセチルアントラセン（Ｆ－ＰＥＧ－ＡＡｍ）を、ゲル骨格形成材としては、アクリルアミドを、重合開始剤としては、ペルオキソ二硫酸ナトリウム及びＮ、Ｎ、Ｎ’、Ｎ‘－テトラメチルエチレンジアミンを用いる。

　発光素子１５としては、ＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、またはレーザーダイオード素子等の所望の励起光Ｅを発光する発光素子の中から、蛍光Ｆを透過する素子が選択される。

　なお、発光素子１５としては、蛍光透過率、光発生効率、励起光Ｅの波長選択性の広さ、及び励起作用のある波長以外の光を僅かしか発生しないこと等の観点から、ＬＥＤ素子が好ましい。さらにＬＥＤ素子の中でも、サファイア基板上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体よりなる紫外ＬＥＤ素子が、特に好ましい。

　発光素子１５は、例えば３０秒に１回の間隔で中心波長が３７５ｎｍ前後の励起光をパルス発光する。例えば、発光素子１５への駆動信号の電流は１ｍＡ～１００ｍＡであり、発光のパルス幅は１ｍｓ～１００ｍｓである。

　図６に示すように、蛍光センサ４では、インジケータ１７が発生した蛍光Ｆは、インジケータ１７の上面のＰＤ素子１２に入射する。このため、蛍光センサ４は従来の蛍光センサ１０４よりも高感度である。

＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態の蛍光センサ４Ａについて説明する。蛍光センサ４Ａは蛍光センサ４と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

　図８に示すように蛍光センサ４Ａは、蛍光センサ４と比較すると、カバー部１８ＡにＰＤ素子１２が形成されている点では同じであるが、遮光層１９を有していない点で異なっている。そして、蛍光センサ４Ａでは、カバー部１８Ａが遮光層１９の機能、すなわち、外光Ｇの進入を防止し、励起光Ｅ及び蛍光Ｆの漏光を防止する機能、を有する。

　図９Ａに示すように、蛍光センサ４Ａでは、カバー部１８Ａの微少貫通孔１８Ｘの大きさＤが励起光Ｅの波長以下であるために、漏光を防止できる。なお微少貫通孔１８Ｘの大きさＤの下限値は、アナライト９が通過できる大きさ以上である。このため、微少貫通孔１８Ｘの大きさＤは、例えばアナライト９がグルコースの場合には、１ｎｍ～３５０ｎｍが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ～３５０ｎｍ、さらに好ましくは１００ｎｍ～３００ｎｍである。なお、微少貫通孔１８Ｘの大きさＤとは開口の最大長であり、開口が円形の場合は直径であり、電子顕微鏡写真から算出した平均値である。

　また、図９Ｂに示すように第２実施形態の変形例の蛍光センサ４Ａ１のカバー部１８Ａ１では、カバー部１８ａとカバー部１８ｂとが、それぞれの微少貫通孔１８Ｘ１、１８Ｘ２が互い違いに配置されるように、所定の空隙１８ｃを介して積層されている。微少貫通孔が互い違いの積層構造のカバー部１８Ａ１は、外光Ｇ、励起光Ｅ及び蛍光Ｆを効率的に遮るとともに、体液が通過可能である。なお、カバー部１８Ａ１は、カバー部１８ａとカバー部１８ｂを積層しているが、３層以上のカバー部を積層してもよい。また空隙１８ｃに替えて、体液が通過可能な、例えば多孔質等を用いてもよい。

　カバー部１８Ａ１の微少貫通孔１８Ｘ１、１８Ｘ２の大きさＤ１、Ｄ２は、カバー部１８Ａと異なり励起光Ｅの波長を超えてもよい。大きな開口の微少貫通孔のあるカバー部であっても、微少貫通孔が互い違いの積層構造であれば、良好な遮光性を有するからである。特に、空隙１８ｃの厚さＴが励起光の波長より小さく、かつアナライト９の大きさより大きい積層構造のカバー部は、アナライト９が通過可能で、かつ、非常に良好な遮光性を有する。

　蛍光センサ４Ａ及び蛍光センサ４Ａ１は、蛍光センサ４の効果を有し、さらに構造が簡単である。

＜第３実施形態＞
　次に、第３実施形態の蛍光センサ４Ｂについて説明する。蛍光センサ４Ｂは蛍光センサ４と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

　図１０に示すように蛍光センサ４Ｂは、蛍光センサ４Ａと比較すると、カバー部１８ＡにＰＤ素子１２が形成されている点では同じである。しかし、蛍光センサ４Ｂには、インジケータ１７が充填された穴である有底の凹部３０Ｘの少なくとも一の側面（壁面）、すなわち、インジケータ１７の少なくとも一の側面側に第２の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｂが形成されており、凹部３０Ｘの底面に発光素子１５が配設されている。

　すなわち、シリコン等の半導体からなる基板部３０Ｂに形成された、開口部が矩形の凹部３０Ｘの４つの壁面に第２の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｂが形成され、凹部３０Ｘの底面に発光素子１５が配設されている。なお、凹部３０Ｘの開口面は底面よりも広く、側面は、底面に対して垂直（９０度）ではなく所定の角度θで傾斜している。

　なお、図示しないが、基板部３０Ｂの凹部３０Ｘの底面には複数の貫通配線が形成されており、貫通配線を介して発光素子１５に駆動信号を伝送するとともに、ＰＤ素子１２Ｂの信号を伝送する。

　次に、蛍光センサ４Ｂの製造方法について簡単に説明する。なお、１個の蛍光センサ４Ｂ毎に製造してもよいが、ウエハプロセスとして一括して多数のセンサを製造することが好ましい。

　最初に、複数の素子が作製可能な面積を有するシリコンウエハの第１の主面に複数の開口を有するマスク層が作製される。そして、エッチング法により、第１の主面と平行な底面のある複数の凹部３０Ｘが形成される。

　エッチング法としては、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを用いるウエットエッチング法が望ましいが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）などのドライエッチング法も用いてもよい
　例えば、シリコンウエハとしてシリコン（１００）面を用いた場合には、（１１１）面のエッチング速度が（１００）面に比べて遅い異方性エッチングとなるため、凹部の側面は（１１１）面となり、（１００）面（底面）との角度は、５４．７度となる。

　次に、それぞれの凹部３０Ｘの４側面にＰＤ素子１２Ｂが公知の半導体プロセスにより形成される。側面が傾斜している凹部３０Ｘは、側面が垂直な凹部に比べてＰＤ素子１２を形成できる面積が広いだけでなく、側面へのＰＤ素子１２Ｄの形成が容易である。なお側面の傾斜角度θが３０～７０度であれば、上記効果が顕著である。

　複数の凹部３０Ｘの底面に、それぞれ発光素子１５が配設される。さらに、凹部内にインジケータ１７が充填され、凹部３０Ｘの開口を塞ぐように、ＰＤ素子１２が形成されたカバー部１８が接合される。そして複数のセンサが形成されたシリコンウエハが個片化され蛍光センサ４Ｂが完成する。

　図１１に示すように蛍光センサ４Ｂでは、インジケータ１７から上側に出射される蛍光Ｆ１はＰＤ素子１２により受光され信号が配線６１を介して伝送される。また、インジケータ１７から横側に出射される蛍光Ｆ２はＰＤ素子１２Ｂにより受光され信号が、配線６２（６０）を介して伝送される。

　蛍光センサ４Ｂは蛍光センサ４Ａ等と同様の効果を有し、さらにインジケータ１７の側面側にも第２の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｂが、形成されているため、より高感度である。

＜第４実施形態＞
　次に、第４実施形態の蛍光センサ４Ｃについて説明する。蛍光センサ４Ｃは蛍光センサ４Ｂ等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

　図１２に示す蛍光センサ４Ｃは、蛍光センサ４Ｂと比較すると、カバー部１８ＡにＰＤ素子１２が形成されている点、及び、インジケータ１７が充填された穴の側面に第２の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｂが形成されている点で同じである。

　しかし、蛍光センサ４Ｃでは、穴は基板部３０Ｃに形成された貫通孔３０Ｘ１であり、貫通孔３０Ｘ１の下面の開口を覆うように発光素子１５が配設されている。基板部３０Ｃがシリコンからなる場合には、貫通孔３０Ｘ１はエッチングにより形成され、ＰＤ素子１２Ｂは公知の半導体プロセスにより形成される。基板部３０Ｃが半導体でない場合には、貫通孔形成後に壁面に、例えばＣＶＤ法によりシリコン膜が形成される。

　図示しないが、基板部３０Ｃの底面３０ＳＢには発光素子１５を実装する電極パッドが配設されており、電極パッドは底面３０ＳＢに配設された配線５１と接続されている。また、底面３０ＳＢにはＰＤ素子１２Ｂの信号を伝送する配線６２も配設されている。

　図１３に示すように蛍光センサ４Ｃは、蛍光センサ４Ｂと同様にインジケータ１７の側面側にも第２の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｂが形成されているため、より高感度である。さらに、貫通配線を形成する必要がないため、蛍光センサ４Ｂよりも製造が容易である。

＜第５実施形態＞
　次に、第５実施形態の蛍光センサ４Ｄについて説明する。蛍光センサ４Ｄは蛍光センサ４等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

　図１４に示す蛍光センサ４Ｄは、蛍光センサ４Ａと比較すると、カバー部１８ＡにＰＤ素子１２が形成されている点では同じである。しかし、蛍光センサ４Ｄの基板部３０Ｄは、穴となる第２の貫通孔４０Ｘの形成された枠状基板部４０Ｄと、第３の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｄが形成されたシリコン等の半導体からなる検出基板部２０Ｄと、が接合された接合基板部である。そして、貫通孔４０Ｘの底面を構成する検出基板部２０Ｄに発光素子１５が実装されている。

　図１５に示すように、蛍光センサ４Ｄでは、インジケータ１７から上側に出射される蛍光Ｆ１はＰＤ素子１２により受光され信号が配線６１を介して伝送される。また、インジケータ１７から下側に出射される蛍光Ｆ３はＰＤ素子１２Ｄにより受光され信号が配線６３（６０）を介して伝送される。

　蛍光センサ４Ｄは蛍光センサ４の効果を有し、さらに貫通孔４０Ｘの底面側にも第３の光電変換素子であるＰＤ素子１２Ｄが、形成されているため、より高感度である。

＜第６実施形態～第９実施形態＞
　次に、第６実施形態の蛍光センサ４Ｅ～第９実施形態の蛍光センサ４Ｈについて説明する。蛍光センサ４Ｅ～４Ｈは蛍光センサ４等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

　蛍光センサ４Ｅ～４Ｈは、いずれもＰＤ素子が形成されたカバー部を有する点で蛍光センサ４等と同じである。

　図１６に示すように第６実施形態の蛍光センサ４Ｅは、カバー部１８Ｅの略中央に１つの大きな貫通孔１８ＸＥが形成されている。すなわち、すでに説明したように、遮光層１９がある場合には、カバー部の貫通孔の大きさ及び数に制限はない。

　図１７に示すように第７実施形態の蛍光センサ４Ｆは、インジケータ１７の下側に配設された第３の受光部であるＰＤ素子１２Ｆの略中央に貫通孔１２Ｘが形成されている。そして、ＰＤ素子１２Ｆの下側に発光素子１５が配設されている。

　蛍光センサ４Ｆでは、インジケータ１７から上方向に出射する蛍光Ｆ１はＰＤ素子１２により検出され、下方向に出射する蛍光Ｆ２はＰＤ素子１２Ｆにより検出される。

　発光素子１５からの励起光Ｅは、貫通孔１２Ｘを介してインジケータ１７に入射する。なお、ＰＤ素子１２Ｆに複数の貫通孔１２Ｘが形成されていてもよい。

　詳細は説明しないが、蛍光センサ４Ｆは、活性層（ＳＯＩ層）が、埋め込みシリコン酸化膜（Buried　Ｏｘｉｄｅ：ＢＯＸ層）を介して、支持基板層（基板層）上に配設されているＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることで容易に作製できる。すなわち、ＳＯＩ基板の基板層に形成した貫通ビアにインジケータ１７を配設し、活性層に貫通ビア１２Ｘを形成するとともに貫通ビア１２Ｘを取り囲むようにＰＤ素子１２Ｆが形成される。

　図１８に示すように第８実施形態の蛍光センサ４Ｇは、図１３に示した蛍光センサ４Ｃと、図１５に示した蛍光センサ４Ｄと、を組み合わせた構造である。

　すなわち、蛍光センサ４Ｇでは、インジケータ１７から上方向に出射する蛍光Ｆ１はＰＤ素子１２により検出され、横方向に出射する蛍光Ｆ２はＰＤ素子１２Ｂにより検出され、下方向に出射する蛍光Ｆ２はＰＤ素子１２Ｄにより検出される。

　図１９に示すように第９実施形態の蛍光センサ４Ｈは、図１３に示した蛍光センサ４Ｃと、図１７に示した蛍光センサ４Ｆと、を組み合わせた構造である。

　すなわち、蛍光センサ４Ｈでは、インジケータ１７から上方向に出射する蛍光Ｆ１はＰＤ素子１２により検出され、横方向に出射する蛍光Ｆ２はＰＤ素子１２Ｂにより検出され、下方向に出射する蛍光Ｆ２はＰＤ素子１２Ｆにより検出される。

　蛍光センサ４Ｅ～４Ｈは、いずれも蛍光センサ４の効果を有し、さらに上方向に出射される蛍光を受光する、カバー部に形成されたＰＤ素子に加えて、さらに別の方向に出射される蛍光を受光するＰＤ素子を有しているため、より高感度である。

　なお、複数の上記実施形態において説明した蛍光センサのセンサ部の形状は直角柱形状であったが、台形形状、側面が湾曲した形状、または円柱状等であってもよい。

　また、グルコース等の糖類を検出するセンサを例に説明したが、蛍光センサは、蛍光色素の選択によって、酵素センサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、または微生物センサ等の多様な用途に対応している。

　すなわち、本発明は、上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。

Claims

　穴のある基板部と、
　前記穴の内部に配設された、励起光を受光してアナライトの濃度に応じた強度の蛍光を発生するインジケータと、
　前記励起光を発生する発光素子と、
　前記穴の開口を覆う、前記アナライトが通過する貫通孔と、前記蛍光を電気信号に変換する光電変換素子とが形成された半導体材料からなるカバー部と、を有することを特徴とする蛍光センサ。
　前記カバー部を覆う、前記アナライトが通過する遮光層を有することを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
　前記カバー部に、前記励起光の波長以下の大きさの複数の微少貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
　前記穴の側面に第２の光電変換素子が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
　前記基板部の前記穴が凹部であり、前記凹部の底面に前記発光素子が配設されていることを特徴とする請求項４に記載の蛍光センサ。
　前記基板部の前記穴が貫通孔であり、前記穴の下面の開口を覆うように前記発光素子が配設されていることを特徴とする請求項４に記載の蛍光センサ。
　前記基板部が、前記穴となる第２の貫通孔の形成された枠状基板部と、第３の光電変換素子が形成された検出基板部と、が接合された接合基板部であり、
　前記穴の底面に前記発光素子が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。