CN108291887A - 电位测量装置 - Google Patents

Abstract

根据本公开的电位测量装置包括多个读出电极，其以阵列形状布置并且配置为检测由于化学变化产生的电位生成点处的电位；和参考电极，其配置为检测参考电位。该参考电极布置在该读出电极的阵列内部。在这个配置下，其中获得其中可以降低叠加在从每个读出电极至放大器的配线上的噪声和叠加在从该参考电极至该放大器的配线上的噪声的低噪声电位测量装置。

Description

电位测量装置

技术领域

本公开涉及一种电位测量装置。

背景技术

一种电位测量装置具有以下配置：其中微小读出电极以阵列形状布置以电化学测量由于该读出电极上放置的溶液的化学变化产生的电位。例如，存在具有以下配置的电位测量装置：其中将活细胞置于装满培养液的读出电极上，从而测量活细胞产生的动作电位(例如，参见专利文献1)。特别地，具有以下配置的电位测量装置在最近引起人们的注意：其中靠使用互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路技术将电极、放大器、A/D转换器等整合在半导体基板(芯片)上，从而同时测量多个点的电位。

使用CMOS集成电路技术的电位测量装置大致分为两类。具体地，电位测量装置被分成通过动态地重新连接各读出电极的配线和将读出电极连接至独立的放大器来测量电位的电位测量装置(例如，参见非专利文献1)，和具有其中读出电极和放大器一一对应地设置的配置的电位测量装置(例如，参见非专利文献2)。

前一种电位测量装置具有可以增加各放大器的尺寸来降低噪声的优势。然而，放大器的数量是有限的，并且同时测量点的数量也是有限的。在后一种电位测量装置中，个体放大器是同时操作的，这导致同时测量点的数量的增加。然而，需要指出，在后一种电位测量装置中，存在同时测量点的数量和噪声间的权衡关系，具体地，例如各放大器的尺寸小，但是噪声大(例如，参见非专利文献3)。

这些电位测量装置在各读出电极的位置上是不同的，但是具有基本上相同的电位测量原则。具体地，电位测量装置被配置为通过取得远离细胞放置的液体溶剂中布置的每个参考电极测定的电位与接近细胞布置的每个读出电极测定的电位之间的电位差来测量局部电位变化。

参考目录

专利文献

专利文献1：日本专利申请特许No.2002-31617

非专利文献1：IEEEJournalofSolidStateCircuitsVol.45(2010)No.2pp.467-482

非专利文献2：LasonaChipVol.9(2009)pp.2647-2651

非专利文献3：FrontiersinNeuroScienceVol.8(2015)Article423

发明内容

本发明要解决的问题

如上所述，在其中通过使用CMOS集成电路技术增加同时测量点数量的电位测量装置中，存在同时测量点的数量和噪声间的权衡关系。这个的主要原因是，各放大器(最大的噪声源)的尺寸是有限的。然而，除了放大器以外的噪声源也存在，因而降低这些噪声源的噪声也是重要的。配线噪声是放大器以外的噪声源的一个实例。

在电位测量装置中，使用差分放大器获取远离动作电位生成点放置的溶液中的每个参考电极产生的电位和动作电位生成点附近布置的每个读出电极产生的电位之间的电位差，并且将放大器的两个输入终端用配线连接至各自的电极，从而获取电位差。如此，可以通过获取每个参考电极产生的电位和每个读出电极产生的电位之间的电位差来消除环境噪声。

然而，在使用CMOS集成电路技术的电位测量装置中，特别地，在具有其中为每个电极设置放大器的配置的电位测量装置中，在许多情况下将读出电极布置在放大器的附近，并且将参考电极布置在远离放大器的位置的位置，具体地，布置在电位变化小的位置上。因而，如果读出电极的位置和参考电极的位置与放大器的位置之间的距离有很大不同，则叠加在读出电极至放大器的配线上的噪声不同于叠加在参考电极至放大器的配线上的噪声。结果，叠加在两个配线上噪声(配线噪声)不能消除，这导致测量输出中包含的噪声增大。

因此，本公开的目的是降低配线噪声并且提供低噪声电位测量装置。

问题的解决方案

为了达到以上目的，根据本公开的电位测量装置包括：

多个读出电极，其以阵列形状布置并且配置为检测由于化学变化产生的动作电位生成点处的电位；

参考电极，其配置为检测参考电位；

放大单元，其配置为获得每个该读出电极检测的检测电位和该参考电极检测的检测电位之间的电位差，其中

该参考电极布置在该读出电极的阵列内部。

在具有上述配置的电位测量装置中，该参考电极布置在该读出电极的阵列的内部，以便将该参考电极布置在每个读出电极的附近，并且每个读出电极的位置和该参考电极的位置可以位于与该放大器的位置相同的距离处。通过这种配置，用于将该读出电极的每一个与该放大单元连接的配线和用于将该参考电极与该放大单元连接的配线具有大约电等价的配线电容和与环境的电容。因此，降低了在获取差值时包括在该放大器的输出中的噪声。结果，可以降低配线噪声。

本发明的效果

根据本公开，有可能降低配线噪声并且提供低噪声的电位测量装置。

请注意，有利的效果不是必须限于本文中所描述的那些，并且可以获得本文中所描述的任何一个有利效果。进一步地，本文中所描述的有利效果仅仅是实例，本公开不限于这些有利效果，并且可以获得额外的有利效果。

附图说明

图1是示意地示出根据实施方案1的电位测量装置的配置的配置图。

图2A是示出各自具有正方形电极形状的参考电极的电极布局的实例的平面图，图2B是示出每个读出电极和参考电极之间的配线结构和差分放大器的示意图。

图3是示意地示出根据实施方案2的电位测量装置的配置的配置图。

图4是示出根据实施方案3的每个读出电极和参考电极之间的配线结构和电位测量装置中的差分放大器的示意图。

图5是示意地示出根据实施方案4的电位测量装置的配置的示意图。

图6是根据实施方案4的修改实例的微小电极的阵列的电极布置图，以及大电极和小电极之间的关系。

图7是根据实施方案5的电位测量装置中读出电极的电极结构的实例的示意图。

具体实施方案

以下将参考附图详细描述实施根据本公开(以下简称"实施方案")的技术的方式。根据本公开的技术不限于实施方案，并且通过实例说明了实施方案中的各种值等。在以下描述中，通过同样的参考数字表示相同元件或具有相同功能的元件，省略元件的重复描述。请注意，按照下列次序进行以下描述。

1.根据本公开的电位测量装置的总体配置的描述

2.根据本公开的一个实施方案的电位测量装置

2-1.实施方案1(其中为多个读出电极共同提供放大器的实例)

2-2.实施方案2(实施方案1的修改实例)

2-3.实施方案3(实施方案1的修改实例)

2-4.实施方案4(实施方案1和实施方案3的修改实例)

2-5.实施方案5(实施方案1的修改实例)

<根据本公开的电位测量装置的总体配置的描述>

根据本公开的电位测量装置可以具有其中读出电极、参考电极和放大器集成在一个半导体基板上的配置。另外，电位测量装置可以具有其中各参考电极的电极尺寸大于各读出电极的电极尺寸，并且读出电极各自具有实质上等于动作电位生成点的尺寸的电极尺寸的模式。在这个时期，各参考电极可以在每一参考电极的平面内包括多个开口部分，并且读出电极可以如此布置使得读出电极分别位于每一参考电极的开口部分内。

包括如上所述的优选配置的根据本公开的电位测量装置可以包括A/D转换单元，其执行各放大器的输出的A/D转换并且形成为设置在其上形成有读出电极、参考电极和放大器的半导体基板上。另外，放大单元包括多个差分放大器。通常可以为多个读出电极设置多个差分放大器，或者可以为多个读出电极分别设置。

进一步地，包括如上所述的优选配置的根据本公开的电位测量装置可以包括具有相对大的电极尺寸的第一电极和具有相对小的电极尺寸的第二电极。进一步地，该电位测量装置可以配置为能够在其中第一电极被用作每个参考电极并且第二电极被用作每个读出的情况和其中第一电极被用作每个读出电极并且第二电极被用作每个参考电极的情况之间切换。在这种情况下，每个第二电极的检测电位可以设置为动作电位生成点处的检测电位，多个第一电极可以分组并且该多个第一电极的检测电位的平均值可以设置为参考电位。做为选择，多个第二电极可以分组，获取这些电极的检测电位的平均值，该平均值可以设置为参考电位，除了该多个第二电极的第二电极和第一电极可以分组并且除了该多个第二电极的第二电极和该第一电极的检测电位的平均值可以设置为动作电位生成点处的检测电位。进一步作为选择，多个微小电极可以布置在阵列形状中，可以将若干微小电极的检测电位的平均值设置为第二电极的检测电位，可以将数百或更多个微小电极的检测电位的平均值设置为第一电极的检测电位。

进一步地，在包括如上所述的优选配置的根据本公开的电位测量装置中，在其中每个读出电极的电极尺寸大于每个参考电极的电极尺寸的情况下，具有相同电容值的电位转换电容可以在串联连接在放大单元和读出电极和参考电极中的每一个之间，并且每个电位转换电容的电容值可以小于读出电极和该参考电极中的每一个的电极-溶剂电容值。

进一步地，在包括如上所述的优选配置的根据本公开的电位测量装置中，读出电极和参考电极的每一个的电极结构可以是平面构造。做为选择，每个参考电极的电极结构可以是平面构造，每个读出电极的电极结构可以是用于提高电极表面面积的立体结构。

<根据本公开的一个实施方案的电位测量装置>

依据这种实施方案的电位测量装置是具有以下配置的装置，其中以阵列形状中布置的多个读出电极、参考电极和各自配置为获得每个读出电极检测的检测电位和每个参考电极检测的检测电位之间的电位差的放大器优选集成在一个半导体基板上(半导体芯片)。多个读出电极各自通过同时测量检测由于化学变化产生的动作电位生成点处的电位。在获取参考电位和通过每个读出电极检测的在动作电位生成点处的电位之间的差值的情况下，参考电极各自检测用作标准的标准电位作为参考电位。

进一步地，依据这个实施方案的电位测量装置的特点在于具有其中各参考电极布置在读出电极的阵列内部的配置。因而，该读出电极的阵列内部的参考电极的布置使得参考电极能够布置在各读出电极附近并且还使得能够将读出电极的位置和参考电极的位置设置为位于距离相应放大器的位置相同的间隔处。因而，用于连接各读出电极和相应放大单元的配线和用于连接各参考电极和相应放大单元的配线具有大约电相等的配线电容和与环境的电容，并且因此叠加在这些配线中的一个上的噪声可以变得等于叠加在这些配线中的另一个上的噪声。因此，降低了获取差值时包括在放大器的输出中的噪声。结果，可以减少配线噪声。

顺便提及，通常，读出电极布置在产生活细胞的动作电位(以下也简称为"细胞")的动作电位生成点的附近，并且各参考电极布置在远离读出电极的位置以便不受到动作电位的影响，从而获得电极间的电位差。另一方面，在依据这个实施方案的电位测量装置中，如下所述，具有不同的尺寸和不同表面面积的电极用于读出电极和参考电极的每一个，并且可以使用电位测量位置的差异和电容的差异来获取电位差，从而使得能够将各参考电极布置在读出电极的附近。

通过读出由于细胞活动改变的离子的变化而获得细胞的动作电位。具体地，局部产生的离子数的变化引起电极单元的离子数(即，电荷量)的变化，并且该电荷的改变转换为待读出的电位差。该电位差是通过使电荷的变化除以各电极的电容而获得的值。

各电极的电荷量的变化通过动作电位生成点传送的离子的改变而确定。然而，由于溶剂充当电阻器，离子的变化与距离动作电位生成点的间隔成反比地降低。因此，在其中动作电位生成点的尺寸相对小并且动作电位生成点的数量少的情况下，电荷的变化不与电极尺寸的增加成比例地增加。另一方面，各电极的电容与电极尺寸成比例地增加，以便电位变化与电极尺寸成比例地减小。

在依据这个实施方案的电位测量装置中，每个读出电极的尺寸使用以上性质而尽可能减小，布置在读出电极周围的大电极被用作参考电极。利用这个配置，即使在参考电极布置在读出电极附近的状态下，可以测量各读出电极和参考电极间的电位差。

做为选择，在其中分散了很多动作电位生成源的情况中，在获得整个电位变化的情况下，输入电荷的量随着电极的面积的增加而增大，并且电位变化也增大。通过使用这一性质，各读出电极和参考电极间的电位差还可以通过使用作为各读出电极的大电极和使用位于读出电极附近作为参考电极的小电极来测量。

以下将描述依据这个实施方案的电位测量装置的具体的实施方案。

[实施方案1]

图1是示意地示出根据实施方案1的电位测量装置的配置的配置图。依据这个实施方案的电位测量装置10具有如下配置，其中使用CMOS集成电路技术制成的电极单元11、行选择单元12、列选择单元13、放大单元14A和14B和A/D转换单元15A和15B集成在一个半导体基板(半导体芯片)16上。本文中，使用其中放大单元14A和A/D转换单元15A，和放大单元14B和A/D转换单元15B分别布置在两侧而电极单元11插入其间的配置。做为选择，可以使用其中放大单元和A/D转换单元布置在电极单元11的一侧的配置。

在电极单元11中，各自配置为检测由于化学变化产生的动作电位生成点处的电位的多个读出电极21的m行和n列布置在阵列形状中。读出电极21具有例如实质上等于动作电位生成点的尺寸的电极尺寸。配置为检测参考电位的参考电极22的每一个布置在读出电极21的阵列的内部。

本文中，例如，各参考电极22如此布置使得布置9个读出电极21(即，行方向上3个读出电极21和列方向上3个读出电极21)，并且每个读出电极21的电极尺寸小于每一参考电极22的电极尺寸。换言之，每个参考电极22的电极尺寸大于每个读出电极21的电极尺寸。在获取参考电位和通过每个读出电极21检测的在动作电位生成点处的电位之间的差值时，通过每个参考电极检测的参考电位是用作标准的标准电位。每个读出电极21和参考电极22的电极结构是平面构造。

在m行和n列的读出电极21的布置中，将行选择线31_{_1}至31_{_m}配线给各行，将列选择线32_{_1}至32_{_n}和信号读出线33_{_1}至33_{_n}配线给各列。行选择线31_{_1}至31_{_m}的每个的一端连接至对应于行选择单元12的行的输出端。列选择线32_{_1}至32_{_n}的每个的一端连接至对应于列选择单元13的列的输出端。

读出电极21分别经由各自的开关23连接至信号读出线33_{_1}至33_{_n}。为附图的简便起见，图1示出了作为一个开关的各个开关23。然而，实际上，各开关23包括至少两个开关，即，用于行选择的开关和用于列选择的开关。另外，为了对应各自的开关，信号读出线33_{_1}至33_{_n}各自包括至少两个信号读出线。

在各开关23中，例如，驱动用于行选择的开关以通过经由行选择线31_{_1}至31_{_m}从行选择单元12施加的行选择信号而被关闭(闭合)，驱动用于列选择的开关以通过经由列选择线32_{_1}到32_{_n}从列选择单元13施加的列选择信号而被关闭。当用于行选择的开关和用于列选择的开关关闭时，将通过读出电极21检测的电位输出到信号读出线33_{_1}至33_{_n}并且通过信号读出线33_{_1}至33_{_n}传送至放大单元14A和14B。

请注意，读出电极21的电位读出系统在本文中作为主题描述，但是参考电极22的电位读出系统也具有与读出电极21的电位读出系统基本类似的配置。具体地，在包括行选择单元12、列选择单元13、行选择线31_{_1}至31_{_m}、列选择线32_{_1}至32_{_n}和信号读出线33_{_1}至33_{_n}的电位读出系统中，设置两个通道，用于读出读出电极21的电位的通道(channel)，和用于读出参考电极22的电位的通道。

将通过该两个通道的电位读出系统读出的每个读出电极21的检测电位和通过该两个通道的电位读出系统读出的每个参考电极22的检测电位提供给放大单元14A和14B。放大单元14A和14B各自包括通常为多个读出电极21设置的多个差分放大器，并且例如针对每个参考电极22，获取每个参考电极22的检测电位(参考电位)和属于参考电极22的9个读出电极21中每个的检测电位之间的差值。将这个差值提供给A/D转换单元15A和15B。A/D转换单元15A和15B执行从放大单元14A和14B输出的差值的A/D转换，并且输出对应于通过每个读出电极21检测的电位的数字值。

在具有如上所述的配置的根据实施方案1的电位测量装置10中，各参考电极22布置在读出电极21的附近，具体地，布置在读出电极21的阵列的内部。进一步地，每个参考电极22的尺寸大于各读出电极21的尺寸。可以使用各种形状的电极作为参考电极22。图2A示出了其中参考电极22各自具有正方形电极形状的实例。

根据与图1的对应关系，图2A示出了其中各参考电极22如此布置使得布置9个读出电极21(即，行方向上的3个读出电极21和3个列方向上的3个读出电极21)的实例。一个参考电极22包括位于与布置在参考电极的平面内部的矩阵形状中的9个读出电极21所对应的位置处的9个开口部分22A。进一步地，在各参考电极22中，布置在矩阵形状中的9个读出电极21分别位于9个开口部分22A。换言之，布置读出电极21以便位于每个参考电极22中的各开口部分22A内部。

如图2A示出的读出电极21和参考电极22的电极布局适合于读出局部电位变化。例如，为了读出尺寸大约5[μm]的活细胞的动作电位，布置各自具有大约5[μm]的电极尺寸的读出电极21和具有是读出电极的尺寸的10倍或更多倍尺寸(即，50[μm]或更大)的参考电极22。

在这种情况下，动作电位生成部分等于一个局部点。尺寸为50[μm]的参考电极22中的电位变化大约是尺寸为5[μm]的读出电极21中的10倍。另外，可以通过获取每个读出电极21检测的电位和每个参考电极22检测的电位之间的差值来测量活细胞的动作电位。

图2B示出了每个读出电极21和参考电极22以及放大单元14A和14B之间的配线的实例。如上所述，在参考电极22布置在读出电极21附近的配置下，更具体地说，在读出电极21的阵列的内部，各读出电极21的位置和各参考电极22的位置可以位于距离差分放大器24的位置实质上相等的间隔处。在这个配置下，用于将各读出电极21和各参考电极22连接至相应的差分放大器24的两个输入终端的两条配线具有大约电相等的配线电容和与环境的电容，并且因此叠加在这些配线中的一个上的噪声可以变得等于叠加在这些配线中的另一个上的噪声。因此，可以抑制获取差值时包括在差分放大器24的输出中的噪声。

[实施方案2]

实施方案2是实施方案1的修改实例。图3示意地示出根据实施方案2的电位测量的配置。根据实施方案1的电位测量装置10具有如下配置，其中通常为阵列形状中布置的多个读出电极21设置放大单元14A和14B的多个差分放大器24。另一方面，根据实施方案2的电位测量装置10具有如下配置，其中为阵列形状中布置的多个读出电极21分别设置差分放大器24。

进一步地，在多个读出电极21中的每一个，开关23各自设置在相应的差分放大器24的输出端和一个相应的信号读出线33_{_1}至33_{_n}之间。驱动各个开关23以通过经由行选择线31_{_1}至31_{_m}从行选择单元12施加的行选择信号而被接通。在这个配置下，将通过各读出电极21检测的电位经由相应的差分放大器24和相应的开关23输出到信号读出线33_{_1}至33_{_n}，并且通过信号读出线33_{_1}至33_{_n}传输至A/D转换器15。

前注意，为了附图的简化，图3示出了仅将各读出电极21的检测电位提供给差分放大器24。然而，也提供各读出电极21所属的每个参考电极22的检测电位。进一步地，在各差分放大器24中，获取电极21和22的检测电位间的差值。在行选择单元12的驱动下，针对每行顺序地读出通过差分放大器24获得的差值。A/D转换单元15对该差值进行A/D转换并输出与读出电极21检测的电位相对应的数值。

[实施方案3]

实施方案3是实施方案1的修改实例。图4示出了根据实施方案3的电位测量装置中读出电极21和参考电极22中的每一个与差分放大器24间的配线结构。实施方案1具有如下配置，其中将各参考电极22的电极尺寸配置为大于各读出电极21的电极尺寸(参见图2A)。另一方面，实施方案3具有如下配置，其中将各参考电极22的电极尺寸设置为小于各读出电极21的电极尺寸。

这种电极布局实例适合于其中细胞的尺寸大约与各读出电极的尺寸相同，或者细胞的尺寸大于各读出电极的尺寸的情况。在此情况下，电荷一律到达各电极的整个区域，以便电荷的量与电极的尺寸成比例。另外，依据这个实施方案的配线结构具有如下配置，其中电位转换电容25和电位转换电容26串联连接在读出电极21和参考电极22的每一个与差分放大器24的两个输入终端之间。

假定在本文中各读出电极21具有为参考电极22的A倍的面积(电极尺寸)和电极电容。还假定电位转换电容25和26具有相同的电容值。此处使用的短语"同样的电容值"不仅指示电容值完全相同的情况，也指示电容值基本上相同的情况。允许在设计或生产中引起的各种变化的存在。另外，可以使用用于读出电位而连接的晶体管的栅电容。

在此假定各参考电极22的电容值由C表示，输入至各参考电极22的电荷的量由Q表示，电位转换电容26的电容值由C'表示，参考电极22和电位转换电容26间产生的电位差ΔV2表示如下。

ΔV₂＝Q(1/C+1/C')……(1)

另一方面，读出电极21和电位转换电容25间产生的电位差ΔV1表示如下。

ΔV₁＝Q(1/C+A/C')……(2)

读出电极21中产生的电位大于参考电极22中产生的电位。

如果电位转换电容25和电位转换电容26中的每个的电容值较小，并且优选地，足够小于读出电极21和参考电极22的每一个的电容值(电极和溶剂间的电容值)，那么该电位差与电极的面积成比例。据知，例如，当读出电极21的面积是20[μm]□并且参考电极22的面积是1[μm]□时，电极电容大约是几[pF]。另一方面，例如，假定用于读出电位的连接的晶体管的栅电容分别由电位转换电容25和26表示，电极电容大约为几[fF]。因此，读出电极21中产生的电位等于面积比，即参考电极22中产生的电位的400倍。

[实施方案4]

实施方案4是实施方案1和实施方案3的修改实例。图5示意地示出根据实施方案4的电位测量装置的配置。如图5中所示，依据这个实施方案的电位测量装置包括具有不同的电极尺寸的第一和第二电极，即，具有相对大的电极尺寸的电极41(以下也简称为"大电极41")，和具有相对小的电极尺寸的电极42(以下也简称为"小电极42")。进一步地，依据这个实施方案的电位测量装置具有如下配置，其中大电极41和小电极布置在阵列形状中，为各电极设置差分放大器(见图3)，并且对A/D转换后获得的模拟输出或数据取平均值。

至于各大电极41的尺寸和各小电极42的尺寸间的关系，可以使用，例如，实施方案1(见图2A)中读出电极21和参考电极22间的关系，或实施方案3(见图4)中读出电极21和参考电极22间的关系。进一步地，在根据这个实施方案的电位测量装置中，根据测量的预定使用，不同地使用大电极41和小电极42。

具体地，如实施方案1中的情况一样，小电极42被用作读出电极21，大电极41被用作参考电极22。进一步地，每个小电极42的检测电位被用作动作电位生成点处的检测电位，而将多个大电极41分组并且获取该多个电极41的检测电位的平均值，使用该平均值作为参考电位。这个实例适合于测量以读出局部电位变化。

具体地，如实施方案3中的情况一样，大电极41被用作读出电极21，小电极42被用作参考电极22。进一步地，将多个小电极42分组，获取该多个电极42的检测电位的平均值，并使用该平均值作为参考电位。同时，将除了该多个小电极42和大电极41以外的小电极42分组，并获取这些电极的检测电位的平均值，使用该平均值作为动作电位生成点处的检测电位。这个实例适合于其中细胞的尺寸大约与各读出电极21的尺寸相同，或者细胞的尺寸大于各读出电极21的尺寸的情况。

通过切换为各行设置的两个开关SW1和SW2(例如，如图5中示意地示出)可以实现不同地使用前一个实例和后一个实例。请注意，为了附图的简便，图5仅仅示出了第一行中的两个开关SW1和SW2。两个开关SW1和SW2协调工作。进一步地，当开关SW1选择第一行的大电极41的检测电位作为参考电极22的检测电位时，则开关SW2选择第一行的小电极42的检测电位作为读出电极21的检测电位。相反地，当开关SW1选择第一行的小电极42的检测电位作为参考电极22的检测电位时，则开关SW2选择第一行的大电极41的检测电位作为读出电极21的检测电位。

作为实施方案4的修改实例，还可以使用下列配置。即，使用微小电极配置大电极(第一电极)41和小电极(第二电极)42，以便可以将具有恒定尺寸的很多微小电极布置在阵列形状中，并且可以获得实施方案1和实施方案3中如上所述的面积差值。各微小电极的电极尺寸没有限制，但是较小，并且优选地，足够地小于活细胞的尺寸(例如，大约5[μm])。

具体地，例如，通过举例描述与图2A的对应关系。如图6中所示，在微小电极43的阵列中，将若干微小电极43分组并且用作小电极42，并且将数百或更多的微小电极43分组并用作大电极41。在这个实例的情况下，在与图2A的对应关系中，小电极42被用作读出电极21，大电极41被用作参考电极22。进一步地，将构成小电极42的若干微小电极43的检测电位的平均值用作小电极42的检测电位，并且将构成大电极41的数百或更多微小电极43的检测电位的平均值用作大电极41的检测电位。

[实施方案5]

实施方案5是实施方案1的修改实例。图7示出了根据实施方案5的电位测量装置中读出电极21的电极结构的实例。在实施方案1中各读出电极21的电极结构是平面结构，而在这个实施方案中，使用立体结构。具体地，在这个实施方案中，使用立体结构作为读出电极21的电极结构，从而与使用平面结构的情况下相比提高表面面积。另一方面，使用平面结构作为参考电极22的电极结构，如在实施方案1的情况中一样。

如此，使用立体结构作为读出电极21的电极结构，使用平面结构作为参考电极22的电极结构，从而与使用平面结构作为读出电极21和参考电极22中的每一个的电极结构的情况(见实施方案1)相比，可以提高各读出电极21和各参考电极22间的表面面积比。如从上述描述中显而易见的，当各读出电极21和各参考电极22间的表面面积比较大时，可以提高通过各读出电极21检测的电位和通过各参考电极22检测的电位间的差。

图7示出了作为读出电极21的立体结构的三棱锥结构。

然而，电极结构不限于三棱锥结构。可以使用任何结构，例如四角锥结构、立方结构或球状构造，只要与平面结构相比该结构能够提高表面面积。

用于形成用于提高表面面积的立体结构的方法的实例包括使用铂黑的电镀法、通过腐蚀、自调位等等形成空穴或金字塔形状的纳米结构的方法，和将碳纳米管(CNT)、纳米线、量子点等等附接到电极上的方法。

请注意，本公开还可以有下列配置。

[1]一种电位测量装置，其包括：

多个读出电极，其以阵列形状布置并且配置为检测由于化学变化产生的动作电位生成点处的电位；

参考电极，其配置为检测参考电位；和

放大单元，其配置为获得通过所述读出电极的每一个检测的检测电位和通过所述参考电极检测的检测电位之间的电位差，

其中该参考电极布置在该读出电极的阵列内部。

[2]根据[1]的电位测量装置，其中所述读出电极、所述参考电极和所述放大器集成在半导体基板上。

[3]根据[1]或[2]的电位测量装置，其中该参考电极的电极尺寸大于每个读出电极的电极尺寸。

[4]根据[1]至[3]中任一个的电位测量装置，其中所述读出电极各自具有基本上等于所述动作电位生成点的尺寸的电极尺寸。

[5]根据[3]或[4]的电位测量装置，其中

所述参考电极包括所述参考电极的平面内的多个开口部分，并且

所述读出电极如此布置使得所述读出电极分别位于所述参考电极的所述开口部分内。

[6]根据[1]至[5]中任一个的电位测量装置，包括A/D转换单元，其配置为执行所述放大器的输出的A/D转换，所述A/D转换单元形成在其上形成有所述读出电极、所述参考电极和所述放大器的半导体基板上。

[7]根据[1]至[6]中任一个的电位测量装置，其中

该放大单元包括多个差分放大器，并且

针对所述多个读出电极共通地设置所述多个差分放大器。

[8]根据[1]至[6]中任一个的电位测量装置，其中

该放大单元包括多个差分放大器，并且

分别针对所述多个读出电极设置所述多个差分放大器。

[9]根据[1]的电位测量装置，包括具有相对大的电极尺寸的第一电极，和具有相对小的电极尺寸的第二电极，

其中该电位测量装置能够在其中第一电极被用作每个参考电极并且第二电极被用作每个读出的情况和其中第一电极被用作每个读出电极并且第二电极被用作每个参考电极的情况之间切换。

[10]根据[9]的电位测量装置，其中

将每个第二电极的检测电位设置为该动作电位生成点处的检测电位，并且

多个第一电极分组并且将该多个第一电极的检测电位的平均值设置为该参考电位。

[11]根据[9]的电位测量装置，其中

多个第二电极可以分组，将该多个第二电极的检测电位的平均值设置为参考电位，

除了该多个第二电极的第二电极和第一电极可以分组并且获取除了该多个第二电极的第二电极和该第一电极的检测电位的平均值并且将该平均值设置为该动作电位生成点处的检测电位。

[12]根据[9]的电位测量装置，其中

多个微小电极布置在阵列形状中，

将若干微小电极的检测电位的平均值设置为该第二电极的检测电位，并且将数百或更多个微小电极的检测电位的平均值设置为该第一电极的检测电位。

[13]根据[1]的电位测量装置，其中在其中每个读出电极的电极尺寸大于每个参考电极的电极尺寸的情况下，

具有相同电容值的电位转换电容串联连接在放大单元和读出电极和参考电极中的每一个之间，并且

每个电位转换电容的电容值小于读出电极和该参考电极中的每一个的电极-溶剂电容值。

[14]根据[1]的电位测量装置，其中该读出电极和该参考电极的每一个的电极结构是平面结构。

[15]根据[1]的电位测量装置，其中

该参考电极的电极结构是平面结构，并且

该读出电极的每一个的电极结构是立体结构。

参考符号列表

10 电位测量装置

11 电极单元

12 行选择单元

13 列选择单元

14A、14B 放大单元

15、15A、15B A/D转换单元

16 半导体基板(半导体芯片)

21 读出电极

22 参考电极

23 开关

24 差分放大器

25、26 电位转换电容

31_131_m 行选择线

32_1-32_n 列选择线

41 第一电极(大电极)

42 第二电极(小电极)

43 微小电极。

Claims (15)

1.一种电位测量装置，其包括：

多个读出电极，其以阵列形状布置并且配置为检测由于化学变化产生的动作电位生成点处的电位；

参考电极，其配置为检测参考电位；和

放大单元，其配置为获得通过所述读出电极的每一个检测的检测电位和通过所述参考电极检测的检测电位之间的电位差，

其中所述参考电极布置在所述读出电极的阵列内部。

2.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中所述读出电极、所述参考电极和所述放大器集成在半导体基板上。

3.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中所述参考电极的电极尺寸大于所述读出电极的每一个的电极尺寸。

4.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中所述读出电极各自具有基本上等于所述动作电位生成点的尺寸的电极尺寸。

5.根据权利要求3所述的电位测量装置，其中

所述参考电极包括所述参考电极的平面内的多个开口部分，并且

所述读出电极如此布置使得所述读出电极分别位于所述参考电极的所述开口部分内。

6.根据权利要求1所述的电位测量装置，包括A/D转换单元，其配置为执行所述放大器的输出的A/D转换，所述A/D转换单元形成在其上形成有所述读出电极、所述参考电极和所述放大器的半导体基板上。

7.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中

所述放大单元包括多个差分放大器，并且

针对所述多个读出电极共通地设置所述多个差分放大器。

8.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中

所述放大单元包括多个差分放大器，并且

分别针对所述多个读出电极设置所述多个差分放大器。

9.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中包括具有相对大的电极尺寸的第一电极，和具有相对小的电极尺寸的第二电极，

其中所述电位测量装置在其中所述第一电极被用作所述参考电极并且所述第二电极被用作所述读出电极的每一个的情况和其中所述第一电极被用作所述读出电极的每一个并且所述第二电极被用作所述参考电极的情况之间切换。

10.根据权利要求9所述的电位测量装置，其中

将所述第二电极的每一个的检测电位设置为所述动作电位生成点处的检测电位，并且多个第一电极分组并且将所述多个第一电极的检测电位的平均值设置为所述参考电位。

11.根据权利要求9所述的电位测量装置，其中

将多个第二电极分组，将所述多个第二电极的检测电位的平均值设置为所述参考电位，并且

将除了所述多个第二电极的第二电极和所述第一电极分组并且将除了所述多个第二电极的所述第二电极和所述第一电极的检测电位的平均值设置为所述动作电位生成点处的检测电位。

12.根据权利要求9所述的电位测量装置，其中

多个微小电极布置在阵列形状中，

将若干微小电极的检测电位的平均值设置为所述第二电极的检测电位，并且将数百或更多个微小电极的检测电位的平均值设置为所述第一电极的检测电位。

13.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中在其中所述读出电极的每一个的电极尺寸大于所述参考电极的电极尺寸的情况下，

具有相同电容值的电位转换电容串联连接在所述放大单元和所述读出电极和所述参考电极中的每一个之间，并且

所述电位转换电容的每一个的电容值小于所述读出电极和所述参考电极中的每一个的电极-溶剂电容值。

14.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中所述读出电极和所述参考电极的每一个的电极结构是平面结构。

15.根据权利要求1所述的电位测量装置，其中

所述参考电极的电极结构是平面结构，并且

所述读出电极的每一个的电极结构是立体结构。