CN110023746A - 半导体装置和电位测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及：当电极和放大器设置在同一基板上时能够在电极形成过程中防止静电击穿的半导体装置和电位测量装置。设置有这样的二极管：该二极管的负极连接至放大晶体管的前一级，该放大晶体管用于放大由用于读取电位的读取电极读取的信号，该读取电极与输入有样本的液体接触；并且该二极管的正极接地。使用该构造，通过使电极形成过程中的在电极和放大晶体管之间产生的负电荷从二极管旁通并且向地排出负电荷来防止静电击穿。本发明适用于生物电电位测量装置。
Description
技术领域
本发明涉及半导体装置和电位测量装置，更具体地，涉及能够防止在制造期间内发生静电击穿的半导体装置和电位测量装置。
背景技术
近年来，需要对神经细胞的动作电位进行测量且有助于有关神经动作的医学研究的技术。例如，已经提出了对神经细胞的动作电位进行测量和记录的电极装置(参见专利文献1和2)。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开第06-078889号
专利文献2：日本专利申请特开第2002-031617号
发明内容
本发明要解决的技术问题
在专利文献1和2所述的技术中，将电极测量出的测量电位输出到设置在装置外部的放大器，并对该测量电位进行放大输出。
然而，响应于近年来使装置小型化的要求，考虑使放大器(放大晶体管)小型化且将放大器和电极设置在同一基板上，以使装置小型化。
然而，如果使放大器小型化，那么输入电容会减小。因此，担心在制造期间内发生静电击穿。
本发明是鉴于上述情况而做出的，并且特别地，本发明能够防止由于与电位测量装置中的测量电位有关的放大器的小型化而造成的在制造期间内的静电击穿。
解决问题的技术方案
根据本发明的一个方面的半导体装置包括：参考电位产生单元和参考电位电极，这两者向液体供应参考电位；读取电极和放大器，这两者从所述液体读取信号；以及保护部，其在所述放大器的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响，其中，所述参考电位产生单元、所述参考电位电极、所述读取电极、所述放大器和所述保护部安装在同一基板上。
所述保护部可以使在用于形成所述读取电极和所述参考电位电极的电极形成过程时产生的所述负电荷旁通，以保护所述放大器，所述负电荷原本是经由与所述读取电极和所述参考电位电极连接的配线而通向所述放大器的。
所述放大器可以是放大晶体管，所述读取电极可以连接至所述放大晶体管的栅极，且所述保护部可以是保护二极管，所述保护二极管的负极连接至所述栅极的在用于连接所述读取电极和所述放大晶体管的所述配线上的前一级，并且所述保护二极管的正极接地。
可以包括附加保护部，所述附加保护部包括附加二极管，所述附加二极管的正极连接至所述保护二极管的所述负极，所述附加二极管的负极连接至预定电源，所述附加二极管具有与所述保护二极管相同的IV(电流电压)特性。
所述预定电源的电压可以高于所述参考电位。
所述预定电源可以是所述放大晶体管的电源。
可以包括另一保护部，所述另一保护部在所述参考电位产生单元的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响。
所述另一保护部可以使在用于形成所述读取电极和所述参考电位电极的所述电极形成过程时产生的所述负电荷旁通，以保护所述参考电位产生单元，所述负电荷原本是经由与所述参考电位电极和所述参考电位产生单元连接的配线而通向所述参考电位产生单元的。
所述另一保护部可以是另一保护二极管，所述另一保护二极管的负极连接至所述参考电位产生单元的在用于连接所述参考电位电极和所述参考电位产生单元的所述配线上的前一级，并且所述另一保护二极管的正极接地。
可以包括另一附加保护部，所述另一附加保护部包括另一附加二极管，所述另一附加二极管的正极连接至所述二极管的所述负极，所述另一附加二极管的负极连接至预定电源，所述另一附加二极管具有与所述另一保护二极管相同的IV(电流电压)特性。
所述预定电源的电压可以高于所述参考电位。
所述预定电源可以是所述放大晶体管的电源。
根据本发明的一个方面的电位测量装置包括：参考电位产生单元和参考电位电极，这两者向液体供应参考电位；读取电极和放大器，这两者从所述液体读取信号；以及保护部，其在所述放大器的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响，其中，所述参考电位产生单元、所述参考电位电极、所述读取电极、所述放大器和所述保护部安装在同一基板上。
根据本发明的一个方面，参考电位产生单元和参考电位电极向液体供应参考电位，读取电极和放大器从液体读取信号，保护部在放大器的前一级中保护放大器不受负电荷的影响，且参考电位产生单元、参考电位电极、读取电极、放大器和保护部安装在同一基板上。
本发明的有益效果
根据本发明的一个方面，可以防止由于电位测量装置中的测量电位的放大器的小型化而造成的在制造期间内的静电击穿。
附图说明
图1是用于说明一般电位测量装置的示例性构造的图。
图2是用于说明根据本发明的电位测量装置的示例性构造的图。
图3是用于说明图2中的电位测量装置的第一保护电路的示例性构造的图。
图4是用于说明图2中的电位测量装置的第一保护电路的操作的图。
图5是用于说明图2中的电位测量装置的第二保护电路的示例性构造的图。
图6是用于说明图2中的电位测量装置的第二保护电路的操作的图。
图7是用于说明图2中的电位测量装置的第三保护电路的示例性构造的图。
图8是用于说明图2中的电位测量装置的第三保护电路的操作的图。
图9是用于说明根据本发明的电位测量装置的变型例的图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细说明本发明的优选实施例。需要注意，在本说明书和附图中，使用相同的附图标记来标注具有大致相同功能构造的部件，以便省略重复说明。
<一般电位测量装置的示例性构造>
在根据本发明的电位测量装置的说明中，首先，将参照图1说明一般电位测量装置的示例性构造。图1的上部是电位测量装置1的示例性立体图，图1的中部是与培养皿11和电极基板12的俯视图对应的配线图，并且图1的下部是电位测量单元1的侧面横截面的配线图。
如图1的上部所示，电位测量装置1包括培养皿11、电极基板12和模数转换器(ADC：Analog Digital Converter)13。培养皿11包含模制树脂，且填充有诸如生理盐水等液体51，而且将作为样本的细胞输入到培养皿11。如图1的中部所示，在培养皿11的底面上设置有电极31-1至31-4，且电极31-1至31-4经由端子32-1至32-4分别将测量电位输出到放大器41-1至41-4。放大器42-1至42-4放大从电极31-1至31-4供应过来的测量电位且将测量电位输出到ADC13。ADC13将从放大器42-1至42-4供应过来的作为放大后的模拟信号的测量电位转换成数字信号且将数字信号输出到后续的装置。
换言之，由电极31-1至31-4检测出液体51中作为样本的细胞的动作电位的变化，且经由端子32-1至32-4和放大器41-1至41-4将该变化输出到ADC13，然后作为数字信号输出。
需要注意，在不需要特别地彼此区分电极31-1至31-4、端子32-1至32-4以及放大器41-1至41-4的情况下，将电极31-1至31-4、端子32-1至32-4以及放大器41-1至41-4分别简称为电极31、端子32和放大器41，且类似地称呼其他部件。
此外，如图1的下部所示，电极31-1和31-2分别包括例如电镀部61-1和61-2以及端子62-1和62-2，并且在端子62-1和62-2上进行电镀处理来添加电镀部61-1和61-2，且电镀部61-1和61-2与液体51接触。需要注意，虽然未图示，但是上述情况同样适用于电极31-3和31-4。
换言之，在测量电极31-1周围的局部电位变化的情况下，从端子32-2读取电极31-2的测量电位，且将平均电位与经由端子32-1从电极32-1供应过来的作为参考电位Vref的测量电位进行比较，以便测量电极31-1附近的局部电位变化。
然而，在响应于使装置小型化的要求而通过将放大器设置在电极31正下方(即，与电极31设置在同一基板上)来使装置构造小型化的情况下，例如，如果放大器是放大晶体管，那么需要减小放大晶体管的电容。因此，在制造期间内容易发生静电击穿。
因此，根据本发明的电位测量装置能够防止放大器在制造期间内发生静电击穿。
<本发明的电位测量装置的顶面的示例性构造>
将参照图2说明根据本发明的作为半导体装置的电位测量装置的示例性构造。需要注意，在图2中，图示了电位测量装置101的基板110的构造，且图示了与图1的中部中的电极基板12的俯视图对应的构造。
图2中的电位测量装置101包括电极111-1至111-4和111-11、放大器112-1至112-4、开关113-1至113-4、垂直传输线114-1和114-2、传输控制器115、输出单元116、端子117-1至117-4、端子118-1和118-2、以及参考电位产生单元119。
电极111-1至111-4和111-11设置在包含模制树脂的培养皿11中，且电极111-1至111-4分别对应于电极31-1至31-4。电极111-1至111-4与包含模制树脂的培养皿11中的液体131(图3)接触，电极111-1至111-4测量液体131中的样本的动作电位且将动作电位分别传输到放大器112-1至112-4。此外，电极111-11将参考电位产生单元119产生的参考电位供应到液体131。
在单个基板中，放大器112-1至112-4分别设置在电极111-1至111-4的正下方，并且放大器112-1至112-4分别放大由电极111-1至111-4检测到的电压并将检测到的电压输出到开关113-1至113-4。
开关113-1和113-2被传输控制器115控制着接通或断开。当接通时，开关113-1和113-2经由垂直传输线114-1将来自放大器112-1和112-2的输出输出到输出单元116。开关113-3和113-4被传输控制器115控制着接通或断开。当接通时，开关113-3和113-4经由垂直传输线114-2将来自放大器112-3和112-4的输出输出到输出单元116。
输出单元116将经由垂直传输线114-1和114-2从放大器112-1至112-4供应过来的放大后的信号转换成数字信号，且输出单元116从端子117-1至117-4输出该数字信号。
端子118-1和118-2接收从外部供应过来的电力等。
参考电位产生单元119产生参考电位，且通过电极111-11将参考电位供应到液体131。电极111-11与包含模制树脂的培养皿11中的液体131(图3)接触，且电极111-11将参考电位供应到液体131。
<电位测量装置的第一保护电路>
接着，将参照图3说明电位测量装置101中的放大器112的保护电路的示例性构造。图3图示了电位测量装置101的侧面横截面。
电极111-1和111-11分别包括含铂等的电镀部151-1和151-11、以及金属部152-1和152-11。电极111通常仅包括金属部152。然而，因为金属部152是与液体131接触的部分，所以设置电镀部151以防止腐蚀等。
电极111-1是这样的电极：其读取信号，连接至包括放大晶体管的放大器112的栅极，且传输液体131的电位。放大器112包括放大晶体管，且放大晶体管的源极和漏极连接至电源VDD。放大器112将与从电极111-1供应到栅极的电位V一致的电压输出到输出单元116。
输出单元116对来自放大器112的作为模拟信号的输出电压进行模数转换，且输出单元116从端子117输出该数字信号。
此外，电极111-11是这样的电极：其将从参考电位产生单元119输出的参考电位施加到液体131。
二极管171设置在参考电位产生单元119的附近，且在这样的状态下被连接：负极连接至电极111-11和参考电位产生单元119，且正极接地。
二极管171能够防止在形成电极111-1和111-11的电极形成过程时产生的负电荷流入参考电位产生单元119中，以便防止制造时参考电位产生单元119的静电击穿。
二极管172设置在放大器112的附近，且在这样的状态下被连接：负极连接至电极111-1和放大晶体管的栅极，且正极接地。
二极管172使在电极111-1和111-11的电极形成过程时产生的负电荷旁通至地面且排出该负电荷，以防止负电荷流入构成放大器112的放大晶体管的栅极中，以便防止制造时构成放大器112的放大晶体管的静电击穿。
结果，通过二极管171和172使在电极形成过程时的负电荷旁通至地面，可以防止参考电位产生单元119和构成放大器112的放大晶体管的静电击穿。
<电位测量装置的第二保护电路>
在上文中，已经说明了这样的示例：其中，通过将二极管171和172设置在参考电位产生单元119以及构成放大器112的放大晶体管的栅极的前一级，能够防止在电极形成过程时产生的负电荷从电极111-11和111-1流入参考电位产生单元119和构成放大器112的放大晶体管的栅极中，以便防止参考电位产生单元119和构成放大器112的放大晶体管的静电击穿。
然而，在图3的构造的情况下，如图4所示，因为参考电位产生单元119的阻抗小，所以当参考电位产生单元119产生参考电位以读取信号时，存在这样的可能：作为负电荷保护电路的二极管171产生由长短交替的点划线表示的漏电流Ib，并且漏电流Ib流入参考电位产生单元119中，液体131的外电阻r产生与参考电位的电位差，且构成放大器112的放大晶体管的栅极的输入电位不同于参考电位。在该操作的情况下，当漏电流Ib和外电阻r变化时，放大器112的栅极的输入电位变化。
因此，如图5所示，具有与二极管171和172相同的IV转换特性(电流电压转换特性)的二极管191-1和191-2的负极经由端子118连接至高于参考电位的电源。然后，二极管191-1的正极连接至电极111-1、构成放大器112的放大晶体管的栅极、和二极管172的负极。此外，二极管191-2的正极连接至电极111-11、参考电位产生单元119、和二极管171的负极。
使用该构造，具有相同特性的二极管191-1和172串联连接，同样，具有相同特性的二极管191-2和171串联连接。结果，如图6所示，当由长短交替的点划线表示的漏电流Ia和Ib彼此相等时，电极111-1和111-11的电位大致相同，且由虚线表示的漏电流不流过内电阻r。因此，能够使构成放大器112的放大晶体管的栅极的输入电压稳定。
需要注意，通过在同一半导体工艺中产生二极管171和172以及二极管191-1和191-2，可以抑制制造过程的工序数量的增加。
<电位测量装置的第三保护电路>
在上文中，已经说明了这样的示例：其中，二极管191-1和191-2的负极经由端子118连接至高于参考电位的电源。然而，可以通过将负极连接至电路中的放大器112的具有类似电压的电源VDD而不使用外部电源。
换言之，如图7所示，不经由端子118，二极管191-1和191-2的负极连接至放大器112的高于参考电位的电源VDD。
同样，使用该构造，具有相同特性的二极管191-1和172串联连接，且具有相同特性的二极管191-2和171串联连接。因此，如图8所示，当由长短交替的点划线表示的漏电流Ia和Ib彼此相等时，电极111-1和111-2的电位大致相同，且由虚线表示的漏电流不流过内电阻r。因此，能够使构成放大器112的放大晶体管的栅极的输入电压稳定。
<变型例>
在上文中，如图2所示，已经说明了这样的示例：其中，电极111-1至111-4和111-11、放大器112-1至112-4、和参考电位产生单元119形成在同一基板上。然而，如果电极111、放大器112和参考电位119形成在同一基板中，那么可以使用除了如图2所示的电极111-1至111-4以两行两列布置的构造以外的构造。例如，可以使用电极以n行m列布置的电极构造。此外，用于供应参考电位的电极111-11的数量可以等于或多于1个。
此外，如图9的上部所示，可以使用包括电极组111-31和放大器组112-31的构造，电极组111-31具有以三行三列的阵列布置的黑色电极，放大器组112-31的放大器分别连接至电极，电极组111-31和放大器组112-31连接至多路复用器(Mux)271，且多路复用器271以时分方式输出输出信号。
此外，如图9的中部所示，可以使用这样的构造：其中，包括以三行三列的阵列布置的电极的电极组111-41由传输控制器115以三行为单位进行控制，输出被传输至三个垂直传输线114-11至114-13、被包括分别设置在垂直传输线114-11至114-13上的放大器的放大器组112-41放大且被输出到输出单元116。然而，在图9的中部中，布置在图9的上级和下级中的三个灰色电极(gray electrode)被开关控制着接通或断开。然而，中间级中的三个黑色电极不具有开关，并且不断地进行输出。
此外，如图9的下部所示，可以使用这样的构造：其中，包括以三行两列的阵列布置的电极的电极组111-51中的左下黑色电极、左上电极和右上电极(即，一共三个电极)分别连接至放大器组112-51的三个放大器。需要注意，在图9的下部中，电极组111-51中所包括的各电极包括局部存储器，该存储器在图9中被标注为“m”。
需要注意，本发明可以具有下面的构造。
<1>半导体装置，其包括：
参考电位产生单元和参考电位电极，这两者被构造成向液体供应参考电位；
读取电极和放大器，这两者被构造成从所述液体读取信号；以及
保护部，所述保护部被构造成在所述放大器的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响，其中
所述参考电位产生单元、所述参考电位电极、所述读取电极、所述放大器和所述保护部安装在同一基板上。
<2>根据<1>所述的半导体装置，其中
所述保护部使在用于形成所述读取电极和所述参考电位电极的电极形成过程时产生的所述负电荷旁通，以保护所述放大器，所述负电荷原本是经由与所述读取电极和所述参考电位电极连接的配线而通向所述放大器的。
<3>根据<2>所述的半导体装置，其中
所述放大器是放大晶体管，
所述读取电极连接至所述放大晶体管的栅极，且
所述保护部是保护二极管，所述保护二极管的负极连接至所述栅极的在用于连接所述读取电极和所述放大晶体管的所述配线上的前一级，并且所述保护二极管的正极接地。
<4>根据<3>所述的半导体装置，其还包括：
附加保护部，所述附加保护部包括附加二极管，所述附加二极管的正极连接至所述保护二极管的所述负极，所述附加二极管的负极连接至预定电源，所述附加二极管具有与所述保护二极管相同的IV(电流电压)特性。
<5>根据<4>所述的半导体装置，其中
所述预定电源的电压高于所述参考电位。
<6>根据<5>所述的半导体装置，其中
所述预定电源是所述放大晶体管的电源。
<7>根据<3>至<6>中任一项所述的半导体装置，其还包括：
另一保护部，所述另一保护部被构造成在所述参考电位产生单元的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响。
<8>根据<7>所述的半导体装置，其中
所述另一保护部使在用于形成所述读取电极和所述参考电位电极的所述电极形成过程时产生的所述负电荷旁通，以保护所述参考电位产生单元，所述负电荷原本是经由与所述参考电位电极和所述参考电位产生单元连接的配线而通向所述参考电位产生单元的。
<9>根据<8>所述的半导体装置，其中
所述另一保护部是另一保护二极管，所述另一保护二极管的负极连接至所述参考电位产生单元的在用于连接所述参考电位电极和所述参考电位产生单元的所述配线上的前一级，并且所述另一保护二极管的正极接地。
<10>根据<9>所述的半导体装置，其还包括：
另一附加保护部，所述另一附加保护部包括另一附加二极管，所述另一附加二极管的正极连接至所述二极管的所述负极，所述另一附加二极管的负极连接至预定电源，所述另一附加二极管具有与所述另一保护二极管相同的IV(电流电压)特性。
<11>根据<10>所述的半导体装置，其中
所述预定电源的电压高于所述参考电位。
<12>根据<11>所述的半导体装置，其中
所述预定电源是所述放大晶体管的电源。
<13>电位测量装置，其包括：
参考电位产生单元和参考电位电极，这两者被构造成向液体供应参考电位；
读取电极和放大器，这两者被构造成从所述液体读取信号；以及
保护部，所述保护部被构造成在所述放大器的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响，其中
所述参考电位产生单元、所述参考电位电极、所述读取电极、所述放大器和所述保护部安装在同一基板上。
附图标记列表
101 电位测量装置
111、111-1至111-5、111-11 电极
112、112-1至112-4 放大器
113-1至113-4 开关
114、114-1至114-3 垂直传输线
115 传输控制器
116 输出单元
117、117-1至117-4 端子
118 端子
119 参考电位产生单元
131 液体
151、151-1、151-11 电镀部
152、152-1、152-11 金属部
171、171-1、171-2 二极管
191、191-1、191-2 二极管
231、231-1、231-2 二极管
251、251-1、251-2 二极管
Claims (13)
1.半导体装置，其包括：
参考电位产生单元和参考电位电极，这两者被构造成向液体供应参考电位；
读取电极和放大器，这两者被构造成从所述液体读取信号；以及
保护部，所述保护部被构造成在所述放大器的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响，其中
所述参考电位产生单元、所述参考电位电极、所述读取电极、所述放大器和所述保护部安装在同一基板上。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中
所述保护部使在用于形成所述读取电极和所述参考电位电极的电极形成过程时产生的所述负电荷旁通，以保护所述放大器，所述负电荷原本是经由与所述读取电极和所述参考电位电极连接的配线而通向所述放大器的。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中
所述放大器是放大晶体管，
所述读取电极连接至所述放大晶体管的栅极，且
所述保护部是保护二极管，所述保护二极管的负极连接至所述栅极的在用于连接所述读取电极和所述放大晶体管的所述配线上的前一级，并且所述保护二极管的正极接地。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其还包括：
附加保护部，所述附加保护部包括附加二极管，所述附加二极管的正极连接至所述保护二极管的所述负极，所述附加二极管的负极连接至预定电源，所述附加二极管具有与所述保护二极管相同的IV(电流电压)特性。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中
所述预定电源的电压高于所述参考电位。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中
所述预定电源是所述放大晶体管的电源。
7.根据权利要求3所述的半导体装置，其还包括：
另一保护部，所述另一保护部被构造成在所述参考电位产生单元的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中
所述另一保护部使在用于形成所述读取电极和所述参考电位电极的电极形成过程时产生的所述负电荷旁通，以保护所述参考电位产生单元，所述负电荷原本是经由与所述参考电位电极和所述参考电位产生单元连接的配线而通向所述参考电位产生单元的。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其中
所述另一保护部是另一保护二极管，所述另一保护二极管的负极连接至所述参考电位产生单元的在用于连接所述参考电位电极和所述参考电位产生单元的所述配线上的前一级，并且所述另一保护二极管的正极接地。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，其还包括：
另一附加保护部，所述另一附加保护部包括另一附加二极管，所述另一附加二极管的正极连接至所述二极管的所述负极，所述另一附加二极管的负极连接至预定电源，所述另一附加二极管具有与所述另一保护二极管相同的IV(电流电压)特性。
11.根据权利要求10所述的半导体装置，其中
所述预定电源的电压高于所述参考电位。
12.根据权利要求11所述的半导体装置，其中
所述预定电源是所述放大晶体管的电源。
13.电位测量装置，其包括：
参考电位产生单元和参考电位电极，这两者被构造成向液体供应参考电位；
读取电极和放大器，这两者被构造成从所述液体读取信号；以及
保护部，所述保护部被构造成在所述放大器的前一级中保护所述放大器不受负电荷的影响，其中
所述参考电位产生单元、所述参考电位电极、所述读取电极、所述放大器和所述保护部安装在同一基板上。
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