CN109313158B - 半导体装置和细胞电位测量设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种能够高精度地放大并读取溶液的电位的半导体装置和细胞电位测量设备。读取电极读取溶液的电位。差分放大器包括电流镜电路。读取电极连接到差分放大器的第一输入端子，该第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，该第一输入晶体管连接到电流镜电路的二极管连接的pMOS晶体管。差分放大器的输出端子经由电容器连接到差分放大器的第二输入端子，该第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，该第二输入晶体管连接到电流镜电路的非二极管连接的pMOS晶体管。例如，本公开应用于细胞电位测量设备等。

Description

半导体装置和细胞电位测量设备
技术领域
本公开涉及一种半导体装置和细胞电位测量设备，具体地，涉及一种能够高精度地放大并读取溶液的电位的半导体装置和细胞电位测量设备。
背景技术
存在一种装置，该装置通过在包括活体细胞的培养液中将微电极设置为阵列并且电化学测量培养液的电位来测量从活体细胞发出的动作电位(action potential)(例如，参考专利文献1)。
在这种装置中，近年来，设计通过使用互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路技术来将大量电极、放大器、模/数(A/D)转换器等集成到单个芯片中，以同时测量多个点的电位。
在多个点处同时测量电位的方法包括通过将读取电极顺序连接到单个放大器来测量电位的方法和通过将读取电极连接到与读取电极一样多的放大器来测量电位的方法。
在前一种方法中，因为放大器的数量是一个，所以可以通过增大放大器的尺寸来降低噪声。然而，同时可测量的点的数量(下文中，被称为同时测量点的数量)是一个。
另一方面，在后一种方法中，可以通过同时操作多个放大器来在多个点处同时执行测量。然而，因为必须准备与读取电极一样多的放大器，所以各放大器的尺寸减小，并且噪声增大。如上所述，利用上述方法，噪声和同时测量点的数量处于折衷状态。
因此，代替放大器，后一种方法设计为提供一种开环式差分放大器，该差分放大器放大并且输出参考电极与读取电极之间的电位差，该参考电极设置在远离溶液中的电位生成点，该读取电极设置在电位生成点附近。在这种情况下，在差分放大器之后的电路中，噪声被抑制为差分放大器的放大增益的倒数倍数。因此，可以防止由于差分放大器的小尺寸引起的噪声的增大。因此，可以增加同时测量点的数量并防止噪声。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开2002-31617
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在开环式差分放大器中，不反馈输出信号作为输入信号。因此，放大增益增大，并且要操作的输入信号的范围(信号输入范围)变窄。因此，难以高精度地放大并且读取溶液的电位。
鉴于这种情况，本公开旨在以高精度地放大并读取溶液的电位。
技术方案
根据本公开的第一方面的半导体装置包括：读取电极，该读取电极读取溶液的电位；以及差分放大器，该差分放大器包括电流镜电路，其中，读取电极连接到差分放大器的第一输入端子，该第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，该第一输入晶体管连接到电流镜电路的二极管连接的晶体管(diode-connected transistor)，并且差分放大器的输出端子经由电容器连接到差分放大器的第二输入端子，该第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，该第二输入晶体管连接到电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
在本公开的第一方面中，包括：读取电极，该读取电极读取溶液的电位；以及差分放大器，该差分放大器包括电流镜电路，其中，读取电极连接到差分放大器的第一输入端子，该第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，该第一输入晶体管连接到电流镜电路的二极管连接的晶体管，并且差分放大器的输出端子经由电容器连接到差分放大器的第二输入端子，该第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，该第二输入晶体管连接到电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
根据本公开的第二方面的细胞电位测量设备包括：读取电极，该读取电极读取包含在溶液中的细胞的动作电位；以及差分放大器，该差分放大器包括电流镜电路，其中，读取电极连接到差分放大器的第一输入端子，该第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，该第一输入晶体管连接到电流镜电路的二极管连接的晶体管，并且差分放大器的输出端子经由电容器连接到差分放大器的第二输入端子，该第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，该第二输入晶体管连接到电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
在本公开的第二方面中，包括：读取电极，该读取电极读取包含在溶液中的细胞的动作电位；以及差分放大器，该差分放大器包括电流镜电路，其中，读取电极连接到差分放大器的第一输入端子，该第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，该第一输入晶体管连接到电流镜电路的二极管连接的晶体管，并且差分放大器的输出端子经由电容器连接到差分放大器的第二输入端子，该第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，该第二输入晶体管连接到电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
本发明的效果
根据本公开的第一和第二方面，可以高精度放大并且读取溶液的电位。
注意，这里描述的效果不必受限，并且效果可以为本公开中描述的任意效果。
附图说明
图1是应用了本公开的细胞电位测量设备的第一实施方式的示例性构造的图。
图2是图1中的传感器的示例性构造的图。
图3是图2中的差分放大器的详细构造的示例的图。
图4是用于说明图3中的差分放大器的信号输入范围的图。
图5是应用了本公开的细胞电位测量设备的第二实施方式的示例性构造的框图。
图6是图5中的传感器的详细构造的示例的图。
图7是应用了本公开的细胞电位测量设备的第三实施方式的传感器的示例性构造的图。
具体实施方式
以下将描述用于实施本公开的实施方式(以下称为实施方式)。注意，描述将按以下顺序进行。
1、第一实施方式：细胞电位测量设备(图1至图4)
2、第二实施方式：细胞电位测量设备(图5和图6)
3、第三实施方式：细胞电位测量设备(图7)
<第一实施方式>
(细胞电位测量设备的第一实施方式的示例性构造)
图1是应用了本公开的细胞电位测量设备的第一实施方式的示例性构造的图。
图1中的细胞电位测量设备10是半导体装置，在该半导体装置中，感测单元11、传感器驱动线12、垂直信号线13、垂直选择电路14、A/D转换电路15、水平选择电路16、输出端子17通过使用CMOS集成技术形成在未示出的半导体基板(芯片)上。
在细胞电位测量设备10的感测单元11中，用于读取包括活体细胞的培养液的电化学电位的传感器11A二维地设置为阵列(矩阵)。此外，在感测单元11中，对于设置成阵列的传感器11A的各行形成传感器驱动线12，并且对于各列形成垂直信号线13。
垂直选择电路14例如以行为单位驱动感测单元11的传感器11A。具体地，与各行对应的垂直选择电路14的输出端(未示出)连接到传感器驱动线12的一端。垂直选择电路14顺序选择各行，以便逐行地顺序读取来自传感器11A的传感器信号，并且从连接到所选行的传感器驱动线12的输出端输出选择信号等。通过该操作，所选行的传感器11A读取培养液的电位的电信号，作为传感器信号，并且将所读取信号提供给垂直信号线13。
A/D转换电路15包括感测单元11的各列的信号处理电路。A/D转换电路15的各信号处理电路对通过垂直信号线13从所选行的各传感器输出的传感器信号执行诸如A/D转换处理的信号处理。A/D转换电路15根据由水平选择电路16进行的选择扫描经由输出端子17输出由所选信号处理电路获得的信号处理后的传感器信号。
水平选择电路16顺序选择A/D转换电路15的信号处理电路。通过由水平选择电路16进行的选择扫描，将由A/D转换电路15的信号处理电路对其执行信号处理的传感器信号顺序输出到输出端子17。
(传感器的示例性构造)
图2是图1中的传感器11A的示例性构造的图。
在图2中，为了便于描述，仅例示了单个行中的传感器11A。
如图2例示，传感器11A包括读取电极31、差分放大器32、电容器33以及开关34。
图2中的传感器11A的读取电极31设置在包括活体细胞的培养液41中。读取电极31读取培养液41的电位的电信号，作为在培养液41中包括的活体细胞的动作电位的电信号。
差分放大器32接收由读取电极31读取的电信号，作为输入信号，并且经由电容器33接收从差分放大器32输出的输出信号，作为输入信号。差分放大器32放大两个输入信号之间的电位差，并且输出所放大的差，作为输出信号。输出信号被输入到电容器33和开关34。
开关34基于由图1中的传感器驱动线12输入的选择信号向垂直信号线13输出输出信号，作为传感器信号。具体地，在已经输入选择信号的情况下，即，在传感器11A的一行是所选行的情况下，开关34将输出信号作为传感器信号输出到垂直信号线13。另一方面，在未输入选择信号的情况下，即，在传感器11A的行不是所选行的情况下，开关34不将输出信号作为传感器信号输出到垂直信号线13。
(差分放大器的详细构造的示例)
图3是图2中的差分放大器32的详细构造的示例的图。
图3中的差分放大器32包括电流镜电路，该电流镜电路包括作为负载电阻彼此二极管连接的pMOS晶体管61和62。具体地，差分放大器32包括pMOS晶体管61和62、包含nMOS晶体管的输入晶体管63和64、恒流源65、输入端子66和67以及输出端子68。
pMOS晶体管61串联到输入晶体管63，并且pMOS晶体管62串联到输入晶体管64。此外，pMOS晶体管61和62连接到电源电位VDD，并且输入晶体管63和64经由恒流源65连接到地电位VSS。
在输入晶体管63和64中，输入晶体管63的栅极连接到输入端子66，输入端子66连接到读取电极31，输入晶体管63连接到二极管连接的pMOS晶体管61并且放大增益未施加到输入晶体管63上。此外，输入晶体管64的栅极连接到输入端子67，输入端子67通过电容器33连接到输出端子68，输入晶体管64连接到pMOS晶体管62，pMOS晶体管62是非二极管连接并且放大增益施加到输入晶体管64的栅极。通过这种连接，形成了用于反馈差分放大器32的输出信号作为输入信号的闭环。此外，输出端子68连接到PMOS晶体管62和输入晶体管64之间的连接点。
如上所述，差分放大器32形成用于反馈输出信号作为输入信号的闭环。因此，与开环式差分放大器相比，可以降低放大增益并拓宽信号输入范围。
此外，因为在差分放大器32中没有电路插入读取电极31与输入晶体管63之间，所以不向输入信号施加一个或更少的放大增益，并且信号/噪声(S/N)不劣化。
然而，在读取电极31和输入晶体管63之间插入任何电路的情况下，对输入信号施加一个或多个放大增益，并且S/N恶化。因此，为了防止S/N的劣化，需要在读取电极31附近布置大电容器。因此，很难减小读取电极31之间的间距并增加传感器11A的数量，即同时测量的点的数量。
此外，因为输出信号在差分放大器32中未反馈给读取电极31，所以可以防止由于输出信号的反馈引起的读取电极31的电位的波动影响活体细胞的活动，并且无法测量精确动作电位。
注意，在差分放大器32中，通过输入晶体管63的栅极与漏极之间的寄生电容器，有可能将输出信号反馈到读取电极31。然而，由于放大增益没有施加到输入晶体管63，所以由反馈引起的读取电极31的电位的波动小。
(信号输入范围的描述)
图4是用于说明图3中的差分放大器32的信号输入范围的图。
在图4中的图中，横轴表示输入到输入端子66的输入信号的电位Vin(+)与输入到输入端子67的输入信号的电位Vout(－)之间的电位差，并且纵轴表示差分放大器的放大增益。此外，实线表示差分放大器32相对于各电位差的放大增益，并且虚线表示开环式差分放大器相对于各电位差的放大增益。
如图4中的虚线所示，对于开环式差分放大器，放大增益增大，并且信号输入范围r’变窄。另一方面，由于差分放大器32形成闭环，所以对于差分放大器32，如图4中的实线所示，放大增益降低，信号输入范围r比信号输入范围r’宽。因此，差分放大器32可以高精度地放大输入信号的电位差。换言之，可以高精度地放大由读取电极31读取的培养液41的电位的电信号。
<第二实施方式>
(细胞电位测量设备的第二实施方式的示例性构造)
图5是应用了本公开的细胞电位测量设备的第二实施方式的示例性构造的框图。
与图1中的构造中的部件相同的图5所例示的部件用相同的附图标记来指示。重复的描述将适当省略。
图5中的细胞电位测量设备100的构造与图1中的细胞电位测量设备10的构造的不同在于设置传感器101，代替传感器11A，并且新设置参考电极102。在细胞电位测量设备100中，不仅读取电极31的电位的电信号输入到传感器101，而且参考电极102的电位的电信号输入到传感器101。
具体地，细胞电位测量设备100的传感器101通过使用读取电极31的电位的电信号和参考电极102的电位的电信号来生成传感器信号。参考电极102设置为远离培养液中的活体细胞，并且读取培养液的参考电位。参考电极102向各传感器101提供参考电位的所读取电信号。
(差分放大器的详细构造的示例)
图6是图5中的传感器101的详细构造的示例的图。
与图3中的构造中的部件相同的图6所例示的部件用相同的附图标记来指示。重复的描述将适当省略。
图5中的传感器101的构造与传感器11A的构造的不同在于参考电极102经由电容器121连接到输入端子67。
由于在传感器101中参考电极102经由电容器121连接到输入端子67，所以差分放大器32可以消除在相位上混合在读取电极31和参考电极102中的噪声分量。因此，可以降低从差分放大器32输出的输出信号的噪声。
<第三实施方式>
(细胞电位测量设备的第三实施方式的传感器的示例性构造)
应用了本公开的细胞电位测量设备的第三实施方式的构造除了传感器的构造之外与图5中的细胞电位测量设备100相同。因此，以下将描述传感器的构造。
图7是根据应用了本公开的细胞电位测量设备的第三实施方式的传感器的示例性构造的图。
与图6中的构造中的部件相同的图7所例示的部件用相同的附图标记来指示。重复的描述将适当省略。
图7中的传感器140的构造与图6中的传感器101的构造的不同在于重置开关141与电容器33并联地连接在输出端子68与输入端子67之间。
重置开关141基于从未示出的控制电路提供的重置信号Reset对输出端子68和输入端子67进行短路。通过该操作，差分放大器32的pMOS晶体管61的侧和pMOS晶体管62的侧上的电流是平衡的，并且输入信号的电位差为零(Vin(+)-Vin(－)＝0)的状态可以被采样并保持为参考电极102的输入电压。
换言之，可以消除输入晶体管63和64的阈值失配，并且重置差分放大器32的工作点。因此，可以防止由于输入晶体管63和64的阈值失配而对于各传感器140不同的偏移叠加在输入信号上，并且防止相对于相同输入信号的放大增益在传感器140之间变化。因此，可以防止在传感器140之间的传感器信号的值的变化。
注意，这里描述的效果仅是示例性的，并且不限于这些效果。可以存在另外的效果。
此外，本公开的实施方式不限于上述实施方式，并且可以在不偏离本公开的范围的情况下进行各种改变。
例如，在第一实施方式中，重置开关141可以与第三实施方式中相同地并联到电容器33。
注意，本公开可以具有以下的构造。
(1)
一种半导体装置，所述半导体装置包括：
读取电极，所述读取电极构造为读取溶液的电位；以及
差分放大器，所述差分放大器包括电流镜电路，其中，
所述读取电极连接到所述差分放大器的第一输入端子，所述第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，所述第一输入晶体管连接到所述电流镜电路的二极管连接的晶体管，并且
所述差分放大器的输出端子经由电容器连接到所述差分放大器的第二输入端子，所述第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，所述第二输入晶体管连接到所述电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
(2)
根据(1)所述的半导体装置，其中，
所述第二输入端子连接到用于读取所述溶液的参考电位的参考电极。
(3)
根据(2)所述的半导体装置，其中，
所述第二输入端子经由电容器连接到所述参考电极。
(4)
根据(1)至(3)中任意一项所述的半导体装置，其中，
开关与所述电容器并联地连接在所述输出端子与所述第二输入端子之间。
(5)
根据(1)至(4)中任意一项所述的半导体装置，其中，
所述输出端子连接到所述电流镜电路的非二极管连接的晶体管与所述第二输入晶体管之间的连接点。
(6)
根据(1)至(5)中任意一项所述的半导体装置，其中，
所述读取电极设置为阵列。
(7)
一种细胞电位测量设备，所述细胞电位测量设备包括：
读取电极，所述读取电极构造为读取包含在溶液中的细胞的动作电位；以及
差分放大器，所述差分放大器包括电流镜电路，其中，
所述读取电极连接到所述差分放大器的第一输入端子，所述第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，所述第一输入晶体管连接到所述电流镜电路的二极管连接的晶体管，并且
所述差分放大器的输出端子经由电容器连接到所述差分放大器的第二输入端子，所述第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，所述第二输入晶体管连接到所述电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
附图标记列表
10 细胞电位测量设备
31 读取电极
32 差分放大器
33 电容器
41 培养液
61、62 pMOS晶体管
63、64 输入晶体管
66、67 输入端子
68 输出端子
100 细胞电位测量设备
102 读取电极
121 电容器
141 重置开关。

Claims (7)

1.一种半导体装置，所述半导体装置包括：
读取电极，所述读取电极构造为读取溶液的电位；以及
差分放大器，所述差分放大器包括电流镜电路，其中，
所述读取电极连接到所述差分放大器的第一输入端子，所述第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，所述第一输入晶体管连接到所述电流镜电路的二极管连接的晶体管，并且
所述差分放大器的输出端子经由电容器连接到所述差分放大器的第二输入端子，所述第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，所述第二输入晶体管连接到所述电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述第二输入端子连接到用于读取所述溶液的参考电位的参考电极。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，
所述第二输入端子经由电容器连接到所述参考电极。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
开关与所述电容器并联地连接在所述输出端子与所述第二输入端子之间。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述输出端子连接到所述电流镜电路的非二极管连接的晶体管与所述第二输入晶体管之间的连接点。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
所述读取电极设置为阵列。
7.一种细胞电位测量设备，所述细胞电位测量设备包括：
读取电极，所述读取电极构造为读取包含在溶液中的细胞的动作电位；以及
差分放大器，所述差分放大器包括电流镜电路，其中，
所述读取电极连接到所述差分放大器的第一输入端子，所述第一输入端子连接到第一输入晶体管的栅极，所述第一输入晶体管连接到所述电流镜电路的二极管连接的晶体管，并且
所述差分放大器的输出端子经由电容器连接到所述差分放大器的第二输入端子，所述第二输入端子连接到第二输入晶体管的栅极，所述第二输入晶体管连接到所述电流镜电路的非二极管连接的晶体管。
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