DE19857851A1 - Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen - Google Patents

Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen (Erscheinungen), das insbesondere mehrere physikalische und/oder chemische Größen nahezu gleichzeitig zu erfassen vermag.
Die physikalischen und chemischen Größen umfassen Temperatur, Licht im allgemeinen Sinn der Bedeutung (sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung, Infra­ rotstrahlung, Röntgenstrahlung, elektromagnetische Wellen usw.), Konzen­ tration, Magnetismus, Druck, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Schallwellen, Ultraschallwellen, Oxidations-Reduktionspotential, Reaktionsrate und andere verschiedene Größen bzw. Erscheinungen.
Diese physikalischen oder chemischen Größen werden bisher einzeln mittels Elementen, wie beispielsweise eines Temperatursensors, eines Photosensors, eines physikalischen Sensors und eines chemischen Sensors, und Umsetzen in verschiedene elektrische Signale (Strom, Spannung, Widerstand, Kapazität, Potential) beobachtet.
Wenn beispielsweise in dem Fall eines als typischer thermischer Sensor bekann­ ten pyroelektrischen Sensors sich die Temperatur ändert, wird eine elektrische Ladung in dem pyroelektrischen Element erzeugt, und dessen Potentialänderung wird durch einen FET (Feldeffekttransistor) verstärkt und gelesen. In dem Fall einer als beispielhaftem Photosensor bekannten Photodiode wird die durch Licht erzeugte elektrische Ladung als ein elektrischer Strom abgegriffen. Bei einem Drucksensor, der den piezoelektrischen Effekt ausnützt und als Beispiel eines physikalischen Sensors bekannt ist, wird die Widerstandsänderung durch Druck ausgelesen. Bei der Messung von pH mittels eines ISFET (ionensensitiver Feldeffekttransistor), der als ein repräsentativer chemischer Sensor üblich ist, ändert sich, da Wasserstoffionen auf einer Ansprechmembran absorbiert werden, der Kanalleitwert, und durch Messen des in dem FET fließenden Stromes wird der pH-Wert der Lösung gemessen.
Weiterhin wurde eine Abbildung versucht, indem diese verschiedenen Sensoren parallel in zweidimensionaler Richtung angeordnet werden und gleichzeitig die Ausgangsverteilung gewonnen wird. Ein repräsentatives Beispiel hiervon ist eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung. Bei dieser Vorrichtung ist eine Vielzahl von Photodioden zweidimensional angeordnet, die elektrische Ladung, die in den Photodioden abhängig von der Intensitätsverteilung des einfallenden Lichtes erzeugt wird, wird in der internen Kapazität für eine spezifische Zeit an­ gesammelt, und die Signale werden nach außen zeitseriell in spezifischen Zeitintervallen mittels einer Ladungsübertragungsvorrichtung oder einer MOS- Transistoranordnung ausgegeben.
Jedoch werden in keinem dieser Sensoren und Vorrichtungen Signale oder Verteilungen von mehreren physikalischen und/oder chemischen Größen gleichzeitig und an gleicher Stelle beobachtet.
Ausgehend von dieser Tatsache ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen bzw. Erschei­ nungen (im folgenden auch Größendetektionsgerät genannt) anzugeben, das in der Lage ist, mehrere physikalische und/oder chemische Größen bzw. Erschei­ nungen, die zur gleichen oder nahezu zur gleichen Zeit und am gleichen oder nahezu gleichen Ort auftreten, zu beobachten.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung ein Detektionsgerät vor, wie dieses im Patentanspruch 1 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Größendetektionsgerät umfaßt Größendetektions­ einheiten zum Detektieren physikalischer und/oder chemischer Größen zum Einschließen elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen und/oder chemischen Größen wenigstens nahezu gleichzeitig, wobei die Einheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates vorgesehen sind.
Gemäß dem so aufgebauten Größendetektionsgerät können elektrische Aus­ gangssignale (Strom, Spannung, Ladung, usw.) von mehreren physikalischen und/oder chemischen Größen, die zu einer gleichen oder nahezu gleichen Zeit und an einem gleichen oder nahezu gleichen Ort auftreten, erhalten werden, so daß die wechselseitigen Wirkungen von bisher unbekannten physikalischen und/oder chemischen Größen ermittelt werden können. Durch gleichzeitige Kenntnisnahme von zwei oder mehr physikalischen und/oder chemischen Größen können Erscheinungen oder Größen, die mit den bestehenden einzigen Detektionsvorrichtungen nicht gefunden sind, aufgedeckt werden.
Durch eindimensionales oder zweidimensionales Anordnen der Größendetek­ tionseinheiten kann eine Verteilung von mehreren physikalischen und/oder chemischen Größen ermittelt werden. Da weiterhin Ausgangssignale dieser Größendetektionseinheiten elektrische Ausgangssignale, wie beispielsweise Strom, Spannung und Ladung, sind, können durch Ansammeln der Ausgangs­ signale für eine spezifische Zeit die Ausgangssignale der einzelnen Größendetek­ tionseinheiten zeitseriell herausgenommen werden. Als ein Ergebnis ist es ein­ facher, die Ausgangssignale in dem Fernsehschirm oder einem Computer abzu­ arbeiten, so daß die zweidimensionale Verteilung der physikalischen und/oder chemischen Erscheinungen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Auflösung beobachtet werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein erstes Beispiel eines Größendetek­ tionsgerätes in einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 2 ist ein Beispiel einer Zeitkurvendarstellung zum Erläutern des Betriebs des Gerätes.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes veranschaulicht.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektions­ gerätes in einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektions­ gerätes in einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
Fig. 8 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes zeigt.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektions­ gerätes in einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Größendetektionsgerätes in einem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
Fig. 12 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
Anhand der Zeichnungen werden nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden in Einzelheiten erläutert.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel. Das Größendetektions­ gerät in diesem Ausführungsbeispiel ist in der Lage, gleichzeitig eine Lichtstärke (physikalische Erscheinung bzw. Größe) und eine Ionenkonzentration (chemi­ sche Erscheinung oder Größe) an gleicher Stelle zu erfassen.
Fig. 1 zeigt einen Größendetektionsgerät-Hauptkörper 1, der wie folgt aufgebaut ist. Ein Halbleitersubstrat 2 besteht beispielsweise aus einem p-Typ-Silizium­ substrat. Auf einer Seite (Oberseite in dem veranschaulichten Beispiel) dieses Siliziumsubstrates 2 sind drei n-Typ-Diffusionsregionen 3, 4, 5 in geeigneten In­ tervallen gebildet. Zwischen den Diffusionsregionen 3 und 4 sind über einen Dünnoxidfilm eine Barriere 6, eine Sensoreinheit 7 als Größendetektionseinheit zum Erfassen physikalischer und/oder chemischer Größen und eine Leseelek­ trode 8 ausgestaltet. Zwischen den Diffusionsregionen 4 und 5 ist über einen Dünnoxidfilm ein Rücksetzgatter 90 gebildet.
Die Sensoreinheit 7 ist mit einem Siliziumnitridfilm überzogen, um in der Lage zu sein, Wasserstoffionen zu erfassen. Diese Sensoreinheit 7, die aufgebaut ist, um auch Lichtstärke zu erfassen, kann daher auch als eine pH-Sensoreinheit (Detektor einer chemischen Größe) bezeichnet werden, die mit einer Licht­ sensoreinheit (Detektor einer physikalischen Größe) kombiniert ist.
Die Diffusionsregion 3 arbeitet als eine Eingangsdiode und ist unter einem posi­ tiven Potential vorgespannt, da eine positive Eingangsspannung (Veingang (ver­ gleiche Fig. 2 (A))) immer angelegt ist. Die Diffusionsregion 4 ist eine elektrisch schwimmende bzw. floatende Region und ist aufgebaut, um die Ionensignalladung oder eine Lichtsignalladung zu leiten, die in der Sensoreinheit 7 erhalten ist, indem ein Potential Vlese (vergleiche Fig. 2(B)) der Leseelektrode 8 ange­ hoben wird.
Das Anfangspotential der Diffusionsregion 4 wird durch die an die Diffusions­ region 5 angelegte Spannung und die an das Rücksetzgatter 9 angelegte Span­ nung Vrest (vergleiche Fig. 2(C)) bestimmt. Die Ladung in der Diffusionsregion 4 kann mittels einer Sourcefolgerschaltung 10 eines MOS-Transistors von dessen Ausgangsanschluß 11 abgegriffen werden. Die Sourcefolgerschaltung 10 des MOS-Transistors besteht aus einer Drainregion 12 und einer Sourceregion 13, die n-Typ-Diffusionsregionen sind, an die eine angemessene Spannung (beispielsweise etwa 5 V) angelegt ist, und einer Gateelektrode 14 sowie einem Widerstand 15, der elektrisch mit der Diffusionsregion 4 verbunden ist.
In Fig. 1 ist eine Bezugselektrode 16 mit einer geeigneten Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden. Außerdem sind Anschlüsse 17 bis 22 zum Anlegen von Spannung vorgesehen.
In dem so aufgebauten Größendetektionsgerät wird der Betrieb im folgenden anhand eines Zeitdiagrammes in Fig. 2 erläutert. Der Größendetektionsgerät- Hauptkörper 1 wird in eine (nicht gezeigte) Lösung gebracht. In diese Lösung wird die Bezugselektrode 16 eingetaucht, um deren Potential zu bestimmen. Das Siliziumsubstrat 2 wird geerdet. In diesem Zustand breitet sich unter der Sen­ soreinheit 7 des Siliziumsubstrates 2 eine Verarmungsschicht 23 abhängig von der an der Bezugselektrode 16 anliegenden Spannung und der pH-Konzentration In der Lösung aus.
Zunächst soll zur Erläuterung der Erfassung einer Lichtstärke angenommen werden, daß Licht in die obere Fläche des Siliziumsubstrates 2 eintritt. Wenn Licht in die Verarmungsschicht 23 eintritt, werden Elektronen-Loch-Paare gebil­ det und Löcher werden nach außen von dem Siliziumsubstrat 2 entladen, während Elektronen in der Verarmungsschicht 23 angesammelt werden. Die Diffusionsregion 4 ist bei einem Anfangspotential festgelegt, welches eine posi­ tive Spannung an dem Rücksetzgatter 9 anlegt, bevor die in der Verarmungs­ schicht 23 angesammelten Elektronen einfließen. Durch Anlegen einer positiven Spannung an die Leseelektrode 8 in einer Rechteck- bzw. Quadratwelle beginnen Elektronen in die Diffusionsregion 4 zu fließen, die vorläufig bei einem spezifi­ schen Potential festgelegt ist, und das Potential in dieser Diffusionsregion 4 wird verändert. Durch Lesen dieser Potentialänderung in der Sourcefolgerschaltung 10 kann die Intensität des Lichtes erfaßt werden.
Im folgenden wir die Erfassung des pH-Wertes der Lösung erläutert, wobei das Potential der Bezugselektrode 16 festgelegt ist, während das Potential der Verar­ mungsschicht 23 unter der Sensoreinheit 7 abhängig von der pH-Konzentration der Lösung schwankt. Die Eingangsdiode 3 ist immer bei einer positiven Span­ nung vorgespannt, und wenn dieses Potential niedriger als das Potential der Barriere 6 ist, springen Elektronen über die Barriere 6 und gelangen in die Ver­ armungsschicht 23 unter der Sensoreinheit 7. Wenn das Potential der Eingangs­ diode 3 wieder höher als das Potential der Barriere 6 angehoben wird (Rückkehr zum Potential in dem Anfangszustand), wird die elektrische Ladung abhängig von der pH-Konzentration der Lösung unter der Sensoreinheit 7 übriggelassen. Folglich werden, wie in Fig. 2(B) gezeigt ist, durch Anlegen einer positiven Span­ nung an die Leseelektrode 8 in einer Rechteck- bzw. Quadratwelle die Elektro­ nen rückgesetzt und fließen in die Diffusionsregion 4, die zuvor auf ein höheres Potential gesetzt ist, um dadurch das Potential in dieser Diffusionsregion 4 zu verändern. Durch Lesen dieser Potentialänderung in der Sourcefolgerschaltung 10 kann der pH-Wert der Lösung erfaßt werden.
Somit können gemäß dem Größendetektionsgerät von diesem Aufbau die Licht­ stärke und die pH-Konzentration nahezu gleichzeitig und an gleicher Stelle ermittelt werden. Bei diesem Größendetektionsgerät, das in Fig. 2(D) gezeigt ist, können ein Spannungssignal S1 bezüglich der Lichtstärke und ein Spannungs­ signal S2 bezüglich des pH-Wertes von dem gleichen Ausgangsanschluß 11 erhalten werden.
Fig. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Größendetektionsgerätes, und in dem in Fig. 3 dargestellten Aufbau sind mehrere Sensoreinheiten 7 in Linien und Reihen zweidimensional angeordnet, wobei die elektrische Ladung, die in der Leseelektrode 8 fließt, durch eine CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung) oder dergleichen übertragen und an den Ausgangsanschluß 11 durch die Source­ folgerschaltung 10 ausgelesen wird, so daß die zweidimensionale Information zeitseriell abgegriffen werden kann. Fig. 3 zeigt außerdem eine Horizontal-CCD 23 und eine Vertikal-CCD 24.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, können mehrere Sensoreinheiten 7 ebenfalls ein­ dimensional angeordnet werden.
Die Fig. 4 und 5 beziehen sich auf ein zweites Ausführungsbeispiel. Das Größen­ detektionsgerät gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Lichtstärke (physi­ kalische Größe) und die Ionenkonzentration (chemische Größe) an der gleichen Stelle zur gleichen Zeit erfassen.
In dem Größendetektionsgerät des Ausführungsbeispiels wird anstelle des Sili­ ziumsubstrates 2 ein SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrat als ein Halbleiter­ substrat verwendet, und ein Spannungssignal bezüglich einer Lichtstärke sowie ein Spannungssignal bezüglich eines pH-Wertes werden von verschiedenen Aus­ gangsanschlüssen erhalten.
Das heißt, in Fig. 4 bezeichnet ein Bezugszeichen 25 ein SOI-Substrat, in welchem eine SiO2-Schicht 27 als ein Isolator und ein einkristallines n-Typ-Sili­ ziumsubstrat 28 auf der Oberseite eines Siliziumsubstrates 26 gebildet sind. In diesen SOI-Substrat 25 ist eine p-Typ-Region 28P in der oberen Hälfte des n-Typ-Silizium­ substrates 28 vorgesehen, und notwendige Teile einschließlich der Sensoreinheiten 7, die die gleichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel sind, sind in dieser p-Typ-Region 28P vorgesehen. Eine n-Typ-Region 28N ist in der unteren Hälfte des n-Typ-Siliziumsubstrates angeordnet.
Weiterhin ist in Fig. 4 ein Signalausgangsanschluß 29 als eine Bauteilkompo­ nente der Sourcefolgerschaltung 10 vorgesehen, und ein Spannungssignal bezüglich des pH-Wertes wird zu diesem Anschluß 29 ausgegeben. Ein Signal­ ausgangsanschluß 30 ist mit der p-Typ-Region 28P verbunden, und ein Span­ nungssignal bezüglich der Lichtstärke wird zu diesem Anschluß 30 ausgegeben. Eine Vorspannungsquelle 31 legt eine Vorspannung an die p-Typ-Region 28P und die n-Typ-Region, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und deren Kathodenseite ist mit der Masseseite des Widerstandes 15 der Sourcefolgerschaltung 10 verbunden, während deren Anodenseite an den Signalausgangsanschluß 30 angeschlossen ist.
Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird anhand des Zeit­ diagrammes in Fig. 5 beschrieben. Der Größendetektionsgerät-Hauptkörper 1 und die Bezugselektrode 16 sind in einem Zustand installiert, in welchem sie in eine in dem Diagramm nicht gezeigte Lösung eingetaucht sind.
Wenn zunächst bei der Erläuterung der Erfassung der Lichtstärke das Licht in die Verarmungsschicht 23 unter der Sensoreinheit 7 eintritt, werden Elektro­ nen-Loch-Paare gebildet, und Löcher werden nach außen von dem Silizium­ substrat 2 entladen, während Elektronen in der Verarmungsschicht 23 ange­ sammelt werden. Nachdem die Signale für eine spezifische Zeit angesammelt sind, kann durch Erhöhen der Vorspannung Vsub für das Substrat 28 durch die Vorspannungsquelle 31 (vergleiche Fig. 5(D)) die elektrische Ladung in der Ver­ armungsschicht 23 in die n-Typ-Region 28N fließen, und ein Spannungssignal (vergleiche Fig. 5(F)) bezüglich der Lichtstärke wird von dem Ausgangsanschluß 30 erhalten. Dies beruht darauf, daß durch Erhöhen der Spannung Vsub an dem Substrat 28 das Barrierepotential zwischen der Sensoreinheit 7 und der Region 28P abgesenkt und ein Potentialgradient gebildet wird.
Sodann ist eine Erfassung des pH-Wertes der Lösung die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, und ein Ausgangssignal, wie dieses in Fig. 5(E) gezeigt ist, wird von dem Ausgangsanschluß 29 ausgegeben. Nebenbei zeigt Fig. 5(A) eine Eingangsspannung Veingang für die Eingangsdiode 3, Fig. 5(B) zeigt eine an der Leseelektrode liegende Spannung Vlese, und Fig. 5(C) gibt eine an dem Rücksetzgatter 9 liegende Rücksetzspannung Vrest an.
In dem Größendetektionsgerät des zweiten Ausführungsbeispiels können wie in dem ersten Ausführungsbeispiel mehrere Sensoreinheiten 7 entweder ein­ dimensional oder zweidimensional angeordnet sein.
In diesen Ausführungsbeispielen ist eine Sensoreinheit 7 ausgelegt, um den pH-Wert und Licht beide zu erfassen; jedoch kann sie auch gestaltet sein, um den pH-Wert und Licht durch verschiedene Sensoreinheiten zu ermitteln, wie dies unten an einem dritten Ausführungsbeispiel erläutert wird.
Die Fig. 6 und 7 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel, und in Fig. 6 sind n-Typ- Diffusionsregionen 34, 33 gezeigt, die in einem p-Typ-Siliziumsubstrat 2 unter einem geeigneten Intervall gebildet sind. Hier hat die Diffusionsregion 33 eine Photodiodenstruktur, und deren Oberseite ist eine Sensoreinheit für sichtbares Licht. Durch die Diffusionsregionen 4, 33 und die Leseelektrode 31 wird eine Lichtstärke-Detektionseinheit 34 gebildet. Der Teil 35 zwischen den Diffusions­ regionen 3, 4 wird als eine auf pH ansprechende pH-Sensoreinheit gestaltet. Der Aufbau der Sensoreinheit 35 ist der gleiche wie derjenige der Sensoreinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel. Durch die pH-Sensoreinheit 35 und die Diffusionsregionen 3, 4 wird die pH-Detektionseinheit 36 gebildet.
In Fig. 6 liegt ein gewöhnlich offener Schalter 37 zwischen der Diffusionsregion 3 und Massepotential, eine Strom- bzw. Spannungsquelle 38 ist mit einem Widerstand 15 verbunden, und außerdem ist ein Signalausgangsanschluß 39 vorgesehen.
Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird im folgenden anhand des Zeitdiagrammes in Fig. 7 beschrieben. Der Größendetektionsgerät- Hauptkörper 1 und die Bezugselektrode 16 sind in einem Zustand installiert, in welchem sie in eine in dem Diagramm nicht gezeigte Lösung eingetaucht sind.
Um zunächst die Lichtstärke zu erfassen, liegt eine positive Spannung VG (ver­ gleiche Fig. 7(B)), die gleich wie oder größer als die Schwellenwertspannung ist, an der Leseelektrode 9 über einen Anschluß 21, und sodann liegt eine inverse bzw. umgekehrte Vorspannung, die nahezu gleich zu der Spannung VD ist, die den Anschluß 38 beaufschlagt, an der Sensoreinheit 33 für sichtbare Strahlung, und wenn daher die Spannung der Leseelektrode 90 zu dem Massepotential zurückkehrt, bleibt die inverse Vorspannung, die nahezu gleich zu der Spannung VD ist, an der Sensoreinheit 33 für sichtbare Strahlung liegen, welche so in einem elektrisch floatenden Zustand ist.
Wenn in diesem Zustand Licht in die Sensoreinheit 33 für sichtbares Licht ein­ tritt, werden in der Verarmungsschicht Elektronen-Loch-Paare gebildet, die in der Sensoreinheit 33 für sichtbares Licht streuen, und elektrische Ladungen werden in der Kapazität angesammelt, die durch den pn-Übergang gebildet ist, der in der Sensoreinheit 33 für sichtbares Licht besteht, und die an der Sensoreinheit 33 für sichtbares Licht liegende inverse Vorspannung wird kleiner. Nach Ansammeln dieser Ladungen für eine spezifische Zeit fließt, wenn die Spannung VG wieder an der Leseelektrode 9 anliegt, die gesammelte Ladung durch den Widerstand 15 heraus, und ein Spannungsabfall entsprechend dem Lichtsignal tritt an dem Ausgangsanschluß 39 (S1 in Fig. 7(C)) auf. Zu dieser Zeit wird die Spannung der Sensoreinheit 33 für sichtbare Strahlung in den Anfangszustand nahezu gleich zu der Spannung VD wieder rückgesetzt, wenn der Strom fließt. Somit wird die Lichtintensität bzw. -stärke als ein Spannungs­ wert gewonnen.
Im folgenden wird die Erfassung eines pH-Wertes der Lösung erläutert, wobei diese pH-Erfassung realisiert wird, während Lichtsignale angesammelt werden, d. h., während die Spannung VG nicht an der Leseelektrode 9 anliegt, kann durch Einschalten des Schalters 37 das pH-Signal ausgelesen werden (S2 in Fig. 7(C)). Das heißt, der Leitwert des Kanales der in der Zwischenfläche des Siliziums unter der pH-Sensoreinheit 35 und des Oxidfilmes auftritt, hängt von der pH-Konzentration in der Lösung ab, und damit entspricht der in der Zwischenfläche fließende Strom der pH-Konzentration. Daher hängt die an dem Ausgangsanschluß 39 beobachtete Spannung von der pH-Konzentration der Lösung ab.
In dem Größendetektionsgerät des dritten Ausführungsbeispiels treten Signale der Lichtstärke und der pH-Konzentration abwechselnd an dem Ausgangs­ anschluß 39 auf, wie dies in Fig. 7(C) gezeigt ist, und sie können abwechselnd beobachtet werden. Durch Stoppen von entweder dem Schaltbetrieb des Schalters 37 oder der Spannungsanlegeoperation an die Leseelektrode 9 kann lediglich entweder die Lichtstärke oder die pH-Konzentration beobachtet werden.
Fig. 8 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Größendetektionsgerätes in dem dritten Ausführungsbeispiel, und bei dem in Fig. 8 dargestellten Aufbau sind mehrere Lichtstärke-Detektionseinheiten 34 und pH-Detektionseinheiten 36 in Linien und Reihen zweidimensional angeordnet, und sie werden sequentiell durch Schieberegister 40, 41 angesteuert, so daß das optische Bild und das pH-Kon­ zentrationsverteilungsbild in der nahezu gleichen Region und zu der nahezu gleichen Zeit beobachtet werden können.
Obwohl dies in dem Diagramm nicht gezeigt ist, können die mehreren Licht­ stärke-Detektionseinheiten 34 und pH-Detektionseinheiten 36 auch eindimen­ sional vorgesehen werden.
In den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist die pH-Konzentration als das Beispiel einer chemischen Erscheinung gezeigt jedoch können auch andere Ionenkonzentrationen erfaßt werden.
Die Fig. 9 und 10 beziehen sich auf ein viertes Ausführungsbeispiel, und das Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel ist ausgelegt, um Tem­ peratur und Druck zu erfassen. Das heißt, Fig. 9 zeigt ein SOI-Substrat 42, in welchem eine SIO2-Schicht 44 als ein Isolator und ein monokristallines n-Typ-Sili­ ziumsubstrat 45 auf der Oberseite eines Siliziumsubstrates 43 gebildet sind. Auf der Oberseite des SOI-Substrates 42 sind gewöhnlich n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 vorgesehen. Für eine Anpassung an die Kanäle der n-Kanal-Tran­ sistoren 46, 47, 48 wird das Substrat 43 durch Ätzen entfernt, und eine Membran 49 wird als eine Größendetektionseinheit gebildet. Weiterhin ist auf der Oberseite eines Gatters 50 der n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 ein pyro­ elektrisches Element 53 mit oberen und unteren Elektroden 51, 52 als eine Größendetektionseinheit vorgesehen. Dieses pyroelektrische Element 53 besteht beispielsweise aus PZT- oder PZLT-Keramiken oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid), oder dergleichen.
Fig. 9 zeigt eine Sourcefolgerschaltung 54, einen Ausgangsanschluß 55 und einen Widerstand 56. Außerdem ist ein Spannungsanlegeanschluß 57 vorge­ sehen.
Für das so aufgebaute Größendetektionsgerät wird der Betrieb im folgenden anhand des Zeitdiagrammes von Fig. 10 beschrieben. Wenn zuerst die Erfassung von Druck erläutert wird, so kann der Druck ermittelt werden, indem die Änderung des Kanalleitwertes der n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 abhängig vom Druck erfaßt wird. Das heißt, das pyroelektrische Element 53 erzeugt keine Spannung im stationären Zustand, und die Gatespannung ist nahezu Null, und das Ausgangssignal aufgrund des Druckes kann erhalten werden, indem der in den n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 fließende Strom beobachtet wird, und dieser Strom wird von der Sourcefolgerschaltung 54 gewonnen. In Fig. 10 bedeutet SP ein Drucksignal.
Hinsichtlich der Temperatur wird durch Zerhacken der Wärme (Infrarot­ strahlung), die in das pyroelektrische Element 53 eintritt, durch einen (nicht ge­ zeigten) Zerhacker eine Spannung entsprechend der Wärme bei dem pyroelektri­ schen Element 53 induziert, und die Gatespannung von n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 ändert sich, so daß sich der in den n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 fließende Strom verändert. Daher ist durch Messen des Stromes vor einem Zerhacken und Lesen der Differenz die Temperaturverteilung bekannt. In Fig. 10 bedeutet SP + Sir ein Drucksignal plus Temperatursignal.
Gemäß dem Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel ist bei einer Druckdetektion eine Temperaturkorrektur möglich.
Darüber hinaus kann durch eine eindimensionale oder zweidimensionale Konfiguration der Größendetektionsgerät-Hauptkörper in dem Ausführungsbeispiel eine räumliche Verteilung von Druck und Temperatur detektiert werden.
In den vorangehenden Ausführungsbeispielen sind die physikalischen Erschei­ nungen und/oder chemischen Erscheinungen als Objekte einer Erfassung jeweils zwei Erscheinungen; jedoch ist die Erfindung hierauf nicht begrenzt, und es können drei oder mehr Erscheinungen bzw. Größen detektiert werden. Ein Größendetektionsgerät zum Erfassen von drei Erscheinungen bzw. Größen wird im folgenden beschrieben.
Die Fig. 11 und 12 beziehen sich auf ein fünftes Ausführungsbeispiel, und das Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel kann drei Größen oder Erscheinungen, d. h., Temperatur, Druck und sichtbares Licht, erfassen. Mit an­ deren Worten, das in Fig. 11 gezeigte Größendetektionsgerät hat Regionen 58, 59, die dem in Fig. 9 gezeigten Aufbau beigefügt sind, wobei insbesondere die Region 59 eine Photodiode ist, die für sichtbare Strahlung empfindlich ist, und eine Detektionseinheit 60 für sichtbare Strahlung aus Bereichen 48, 58, 59 ist beigefügt. Sourcefolgerschaltungen 54A, 55A haben den gleichen Aufbau wie die Sourcefolgerschaltung 54 in dem vierten Ausführungsbeispiel, und ein Drucksi­ gnal sowie ein Temperatursignal werden an einem Ausgangsanschluß 55A von einer Sourcefolgerschaltung 54A ausgegeben, während ein Signal für sichtbare Strahlung zu einem Ausgangsanschluß 55B der anderen Sourcefolgerschaltung 54B abgegeben ist. Außerdem sind ein Spannungsanlegeanschluß 61 und eine mit einem Widerstand 56B der Sourcefolgerschaltung 54B verbundene Strom- bzw. Spannungsquelle 62 gezeigt.
Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird im folgenden anhand des Zeitdiagrammes von Fig. 12 beschrieben. Zunächst ist eine Erfassung von Druck und Temperatur die gleiche wie in dem Größendetektions­ gerät in dem vierten Ausführungsbeispiel, und in diesem Ausführungsbeispiel wird wie in Fig. 12(C) gezeigt ist, ein Drucksignal Sp oder ein Drucksignal Sp + ein Temperatursignal Sir zu dem Ausgangsanschluß 55A der Sourcefolger­ schaltung 54A ausgegeben.
Für das Signal für sichtbare Strahlung wird dieses durch Anlegen einer positi­ ven Spannung Vg (vergleiche Fig. 12(B)) an die Region 48, die als Leseelektrode wirkt, bei Eingabe von sichtbarer Strahlung erzeugt, und die in der Sensorein­ heit für sichtbare Strahlung angesammelte elektrische Ladung kann ausgelesen werden. Deren Ausgangssignal Sk wird zu dem Ausgangsanschluß 55B der Sourcefolgerschaltung 54B ausgegeben, wie dies in Fig. 12(D) gezeigt ist.
Darüber hinaus kann durch eindimensionale oder zweidimensionale Konfigurati­ on der Größendetektionsgerät-Hauptkörper in dem Ausführungsbeispiel eine räumliche Verteilung von Druck, Temperatur und sichtbarer Strahlung detek­ tiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Größendetektionsgerät können elektrische Ausgangssignale von mehreren physikalischen und/oder chemischen Erscheinungen bzw. Größen, die zur gleichen oder nahezu zur gleichen Zeit am gleichen oder nahezu am gleichen Ort auftreten, erhalten werden, und die Wechselwirkung von bisher unbekannten physikalischen und/oder chemischen Erscheinungen kann ermittelt werden. Indem so zwei oder mehr physikalische und/oder chemi­ sche Erscheinungen gleichzeitig detektiert werden, können Erscheinungen ent­ deckt werden, die mit bestehenden Einzel-Detektionselementen nicht zu ermit­ teln sind.
Durch Integrieren solcher Größendetektionsvorrichtungen mit hoher Dichte durch Verwenden der integrierten Schaltungstechnologie und Ansammeln in der Zeit wird ein Gerät hoher Auflösung und großer Empfindlichkeit erhalten, und eine zweidimensionale Verteilung von physikalischen Erscheinungen und/oder chemischen Erscheinungen kann mit hoher Empfindlichkeit und großer Genauigkeit beobachtet werden.

Claims (7)

1. Detektionsgerät für physikalische Erscheinung bzw. Größe und/oder chemische Erscheinung bzw. Größe, umfassend:
Größendetektionseinheiten zum Erfassen physikalischer Erscheinungen und/oder chemischer Erscheinungen zum Liefern elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen Erscheinungen und/oder chemischen Erscheinungen wenigstens nahezu gleichzeitig, wobei die Größendetektionseinheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (1) vorgesehen sind.
2. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten eindimensional angeordnet sind.
3. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten zweidimensional angeordnet sind.
4. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) ein SOI-Substrat ist.
5. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Halbleitersubstrat (1) eine Sourcefolgerschaltung nach­ geschaltet ist.
6. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die physikalischen und/oder chemischen Erscheinungen Größen wie Temperatur, Druck, pH-Wert. usw. sind.
7. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Größendetektionseinheiten (7) in das Halbleitersubstrat (1) eingebettet sind.
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