DE19857851B4 - Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen - Google Patents
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Abstract
Detektionsgerät für physikalische Größen und/oder chemische Gröten. umfassend:
Größendetektionseinheiten zum Erfassen physikalischer Größen und/ oder chemischer Größen zum Liefern elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen wenigstens nahezu gleichzeitig, dadurch gekennzeichnet, dass die Größendetektionseinheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (1) vorgesehen sind und Spannungssignale bezüglich der zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen von demselben Ausgangsanschluss (11) erhalten sind.
Größendetektionseinheiten zum Erfassen physikalischer Größen und/ oder chemischer Größen zum Liefern elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen wenigstens nahezu gleichzeitig, dadurch gekennzeichnet, dass die Größendetektionseinheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (1) vorgesehen sind und Spannungssignale bezüglich der zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen von demselben Ausgangsanschluss (11) erhalten sind.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Die physikalischen und chemischen Größen umfassen Temperatur, Licht im allgemeinen Sinn der Bedeutung (sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlung, Infrarotstrahlung, Röntgenstrahlung, elektromagnetische Wellen usw.), Konzentration, Magnetismus, Druck, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Schallwellen, Ultraschallwellen, Oxidations-Reduktionspotential, Reaktionsrate und andere verschiedene Größen.
- 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 bekannten 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 angesammelt, 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.
- In der WO 96/28311 A1 ist ein Detektionsgerät beschrieben, bei dem ein von einer Batterie über Leitungen versorgter Transponder auf einem elektrisch isolierten Substrat vorgesehen ist, das aus einem flexiblen Material besteht, so dass es der Form eines Reifens zu folgen vermag. Aus dieser Batterie werden verschiedene Spannungssignale für einen Drucksensor, einen Temperatursensor, einen Drehzahlmesser zsw. abgeleitet.
- Weiterhin beschreibt die
DE 196 26 083 A1 ein auf der Bestückungsoberfläche einer Leiterplatte montiertes Sensor-Bauelement, das zwei Halbleiterchips hat, die verschiedene Elektrodenanschlüsse aufweisen, deren Enden zu Anschlussflecken auf der Bestückungsoberfläche der Leiterplatte geführt sind. - In der
JP 54-107 759 - Schließlich sind aus
DE 38 21 460 A1 undEP 0 684 462 A2 bestimmte Strukturen von Halbleiterbauelementen bezw. Halbleitersensoren bekannt. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen (im folgenden auch Größendetektionsgerät genannt) anzugeben, das in der Lage ist, mehrere physikalische und/oder chemische Größen, 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 Größendetektionseinheiten 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 Ausgangssignale (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 Größen, die mit den bestehenden einzigen Detektionsvorrichtungen nicht gefunden sind, aufgedeckt werden.
- Durch eindimensionales oder zweidimensionales Anordnen der Größendetektionseinheiten 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 Ausgangssignale für eine spezifische Zeit die Ausgangssignale der einzelnen Größendetektionseinheiten zeitseriell herausgenommen werden. Als ein Ergebnis ist es einfacher, die Ausgangssignale in dem Fernsehschirm oder einem Computer abzuarbeiten, so daß die zweidimensionale Verteilung der physikalischen und/oder chemischen Größen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Auflösung beobachtet werden kann.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
-
1 ist ein Diagramm, das ein erstes Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt. -
2 ist ein Beispiel einer Zeitkurvendarstellung zum Erläutern des Betriebs des Gerätes. -
3 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes veranschaulicht. -
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. -
5 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes. -
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. -
7 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes. -
8 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes zeigt. -
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt. -
10 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes. -
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Größendetektionsgerätes in einem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht. -
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
1 und2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel. Das Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel ist in der Lage, gleichzeitig eine Lichtstärke (physikalische Größe) und eine Ionenkonzentration (chemische Größe) an gleicher Stelle zu erfassen. -
1 zeigt einen Größendetektionsgerät-Hauptkörper1 , der wie folgt aufgebaut ist. Ein Halbleitersubstrat2 besteht beispielsweise aus einem p-Typ-Silizium substrat. Auf einer Seite (Oberseite in dem veranschaulichten Beispiel) dieses Siliziumsubstrates2 sind drei n-Typ-Diffusionsregionen 3, 4, 5 in geeigneten Intervallen gebildet. Zwischen den Diffusionsregionen3 und4 sind über einen Dünnoxidfilm eine Barriere6 , eine Sensoreinheit7 als Größendetektionseinheit zum Erfassen physikalischer und/oder chemischer Größen und eine Leseelektrode8 ausgestaltet. Zwischen den Diffusionsregionen4 und5 ist über einen Dünnoxidfilm ein Rücksetzgatter9 gebildet. - Die Sensoreinheit
7 ist mit einem Siliziumnitridfilm überzogen, um in der Lage zu sein, Wasserstoffionen zu erfassen. Diese Sensoreinheit7 , die aufgebaut ist, um auch Lichtstärke zu erfassen, kann daher auch als eine pH-Sensoreinheit (Detektor einer chemischen Größe) bezeichnet werden, die mit einer Lichtsensoreiriheit (Detektor einer physikalischen Größe) kombiniert ist. - Die Diffusionsregion
3 arbeitet als eine Eingangsdiode und ist unter einem positiven Potential vorgespannt, da eine positive Eingangsspannung (Veingang (vergleiche2(A) )) immer angelegt ist. Die Diffusionsregion4 ist eine elektrisch schwimmende bzw. floatende Region und ist aufgebaut, um die Ionensignalladung oder eine Lichsignalladung zu leiten, die in der Sensoreinheit7 erhalten ist, indem ein Potential Vlese (vergleiche2(B) ) der Leseelektrode8 angehoben wird. - Das Anfangspotential der Diffusionsregion
4 wird durch die an die Diffusionsregion5 angelegte Spannung und die an das Rücksetzgatter9 angelegte Spannung Vrest (vergleiche2(C) ) bestimmt. Die Ladung in der Diffusionsregion4 kann mittels einer Sourcefolgerschaltung10 eines MOS-Transistors von dessen Ausgangsanschluß11 abgegriffen werden. Die Sourcefolgerschaltung10 des MOS-Transistors besteht aus einer Drainregion12 und einer Sourceregion13 , die n-Typ-Diffusionsregionen sind, an die eine angemessene Spannung (beispeilsweise etwa 5 V) angelegt ist, und einer Gateelektrode14 sowie einem Widerstand15 , der elektrisch mit der Diffusionsregion4 verbunden ist. - In
1 ist eine Bezugselektrode16 mit einer geeigneten Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden. Außerdem sind Anschlüsse17 bis 22 zum Anlegen von Spannung vorgesehen. - In dem so aufgebauten Größendetektionsgerät wird der Betrieb im folgenden anhand eines Zeitdiagrammes in
2 erläutert. Der Größendetektionsgerät-Hauptkörper1 wird in eine (nicht gezeigte) Lösung gebracht. In diese Lösung wird die Bezugselektrode16 eingetaucht, um deren Potential zu bestimmen. Das Siliziumsubstrat2 wird geerdet. In diesem Zustand breitet sich unter der Sensoreinheit7 des Siliziumsubstrates2 eine Verarmungsschicht23 abhängig von der an der Bezugselektrode16 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 Verarmungsschicht23 eintritt, werden Elektronen-Loch-Paare gebildet und Löcher werden nach außen von dem Siliziumsubstrat2 entladen, während Elektronen in der Verarmungsschicht23 angesammelt werden. Die Diffusionsregion4 ist bei einem Anfangspotential festgelegt, welches eine positive Spannung an dem Rücksetzgatter9 anlegt, bevor die in der Verarmungsschicht23 angesammelten Elektronen einfließen. Durch Anlegen einer positiven Spannung an die Leseelektrode8 in einer Rechteck- bzw. Quadratwelle beginnen Elektronen in die Diffusionsregion4 zu fließen, die vorläufig bei einem spezifischen Potential festgelegt ist, und das Potential in dieser Diffusionsregion4 wird verändert. Durch Lesen dieser Potentialänderung in der Sourcefolgerschaltung10 kann die Intensität des Lichtes erfaßt werden. - Im folgenden wird die Erfassung des pH-Wertes der Lösung erläutert, wobei das Potential der Bezugselektrode
16 festgelegt ist, während das Potential der Verarmungsschicht23 unter der Sensoreinheit7 abhängig von der pH-Konzentration der Lösung schwankt. Die als Eingangsdiode arbeitende Diffusionsregion3 ist immer bei einer positiven Spannung vorgespannt, und wenn dieses Potential niedriger als das Potential der Barriere6 ist, springen Elektronen über die Barriere6 und gelangen in die Verarmungsschicht23 unter der Sensoreinheit7 . Wenn das Potential der Eingangsdiode wieder höher als das Potential der Barriere6 angehoben wird (Rückkehr zum Potential in dem Anfangszustand), wird die elektrische Ladung abhängig von der pH-Konzentration der Lösung unter der Sensoreinheit7 übriggelassen. Folglich werden, wie in2(B) gezeigt ist, durch Anlegen einer positiven Spannung an die Leseelektrode8 in einer Rechteck- bzw. Quadratwelle die Elektronen rückgesetzt und fließen in die Diffusionsregion4 , die zuvor auf ein höheres Potential gesetzt ist, um dadurch das Potential in dieser Diffusionsregion4 zu verändern. Durch Lesen dieser Potentialän derung in der Sourcefolgerschaltung10 kann der pH-Wert der Lösung erfaßt werden. - Somit können gemäß dem Größendetektionsgerät von diesem Aufbau die Lichtstärke und die pH-Konzentration nahezu gleichzeitig und an gleicher Stelle ermittelt werden. Bei diesem Größendetektionsgerät, das in
2(D) gezeigt ist, können ein Spannungssignal S1 bezüglich der Lichtstärke und ein Spannungssignal S2 bezüglich des pH-Wertes von dem gleichen Ausgangsanschluß 11 erhalten werden. -
3 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Größendetektionsgerätes, und in dem in3 dargestellten Aufbau sind mehrere Sensoreinheiten7 in Linien und Reihen zweidimensional angeordnet, wobei die elektrische Ladung, die in der Leseelektrode8 fließt, durch eine CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung) oder dergleichen übertragen und an den Ausgangsanschluß11 durch die Sourcefolgerschaltung10 ausgelesen wird, so daß die zweidimensionale Information zeitseriell abgegriffen werden kann.3 zeigt außerdem eine Horizontal-CCD23 und eine Vertikal-CCD24 . - Obwohl dies nicht gezeigt ist, können mehrere Sensoreinheiten
7 ebenfalls eindimensional angeordnet werden. - Die
4 und5 beziehen sich auf ein zweites Ausführungsbeispiel. Das Größendetektionsgerät gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Lichtstärke (physikalische Größe) und die Ionenkonzentration (chemische Größe) an der gleichen Stelle zur gleichen Zeit erfassen. - In dem Größendetektionsgerät des Ausführungsbeispiels wird anstelle des Siliziumsubstrates
2 ein SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrat25 als ein Halbleitersubstrat verwendet, und ein Spannungssignal bezüglich einer Lichtstärke sowie ein Spannungssignal bezüglich eines pH-Wertes werden von verschiedenen Ausgangsanschlüssen erhalten. - Das heißt, in
4 sind in dem SOI-Substrat25 eine SiO2-Schicht27 als ein Isolator und ein einkristallines n-Typ-Siliziumsubstrat 28 auf der Oberseite eines Siliziumsubstrates26 gebildet. In diesem SOI-Substrat25 ist eine p-Typ-Region 28P in der oberen Hälfte des n-Typ-Siliziumsubstrates 28 vorgesehen, und notwendige Teile einschließlich der Sensoreinheiten7 , 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
4 ein Signalausgangsanschluß29 als eine Bauteilkomponente der Sourcefolgerschaltung10 vorgesehen, und ein Spannungssignal bezüglich des pH-Wertes wird zu diesem Anschluß29 ausgegeben. Ein Signalausgangsanschluß30 ist mit der p-Typ-Region 28P verbunden, und ein Spannungssignal bezüglich der Lichtstärke wird zu diesem Anschluß30 ausgegeben. Eine Vorspannungsquelle31 legt eine Vorspannung an die p-Typ-Region 28P und die n-Typ-Region, wie in4 gezeigt ist, und deren Kathodenseite ist mit der Masseseite des Widerstandes15 der Sourcefolgerschaltung10 verbunden, während deren Anodenseite an den Signalausgangsanschluß30 angeschlossen ist. - Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird anhand des Zeitdiagrammes in
5 beschrieben. Der Größendetektionsgerät-Hauptkörper1 und die Bezugselektrode16 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 Sensoreinheit7 eintritt, werden Elektronen-Loch-Paare gebildet, und Löcher werden nach außen von dem Siliziumsubstrat2 entladen, während Elektronen in der Verarmungsschicht23 angesammelt werden. Nachdem die Signale für eine spezifische Zeit angesammelt sind, kann durch Erhöhen der Vorspannung Vsub für das Substrat28 durch die Vorspannungsquelle31 (vergleiche5(D) ) die elektrische Ladung in der Verarmungsschicht23 in die n-Typ-Region 28N fliehen, und ein Spannungssignal (vergleiche5(F) ) bezüglich der Lichtstärke wird von dem Ausgangsanschluß30 erhalten. Dies beruht darauf, daß durch Erhöhen der Spannung Vsub an dem Substrat28 das Barrierepotential zwischen der Sensoreinheit7 und der Region28P 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
5(E) gezeigt ist, wird von dem Ausgangsanschluß29 ausgegeben. Nebenbei zeigt -
5(A) eine Eingangsspannung Veingang für die Eingangsdiode3 ,5(B) zeigt eine an der Leseelektrode liegende Spannung Vlese, und5(C) gibt eine an dem Rücksetzgatter9 liegende Rücksetzspannung Vrest an. - In dem Größendetektionsgerät des zweiten Ausführungsbeispiels können wie in dem ersten Ausführungsbeispiel mehrere Sensoreinheiten
7 entweder eindimensional 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
6 und7 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel, und in6 sind n-Typ-Diffusionsregionen4 ,33 gezeigt, die in einem p-Typ-Siliziumsubstrat 2 unter einem geeigneten Intervall gebildet sind. Hier hat die Diffusionsregion33 eine Photodiodenstruktur, und deren Oberseite ist eine Sensoreinheit für sichtbares Licht. Durch die Diffusionsregionen4 ,33 und die Leseelektrode31 wird eine Lichtstärke-Detektionseinheit34 gebildet. Ein Teil zwischen den Diffusionsregionen3 ,4 wird als eine auf pH ansprechende pH-Sensoreinheit 35 gestaltet. Der Aufbau der Sensoreinheit35 ist der gleiche wie derjenige der Sensoreinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel. Durch die pH-Sensoreinheit 35 und die Diffusionsregionen3 ,4 wird die pH-Detektionseinheit 36 gebildet. - In
6 liegt ein gewöhnlich offener Schalter37 zwischen der Diffusionsregion3 und Massepotential, eine Strom- bzw. Spannungsquelle38 ist mit einem Widerstand15 verbunden, und außerdem ist ein Signalausgangsanschluß39 vorgesehen. - Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird im folgenden anhand des Zeitdiagrammes in
7 beschrieben. Der Größendetektionsgerät-Hauptkörper1 und die Bezugselektrode16 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 (vergleiche
7(B) ), die gleich wie oder größer als die Schwellenwertspannung ist, an der Leseelektrode9 über einen Anschluß21 , und sodann liegt eine inverse bzw. umgekehrte Vorspannung, die nahezu gleich zu der Spannung VD ist, die den Anschluß38 beaufschlagt, an der Sensoreinheit33 für sichtbare Strahlung, und wenn daher die Spannung der Leseelektrode90 zu dem Massepotential zurückkehrt, bleibt die inverse Vorspannung, die nahezu gleich zu der Spannung VD ist, an der Sensoreinheit33 für sichtbare Strahlung liegen, welche so in einem elektrisch floatenden Zustand ist. - Wenn in diesem Zustand Licht in die Sensoreinheit
33 für sichtbares Licht eintritt, werden in der Verarmungsschicht Elektronen-Loch-Paare gebildet, die in der Sensoreinheit33 für sichtbares Licht streuen, und elektrische Ladungen werden in der Kapazität angesammelt, die durch den pn-Übergang gebildet ist, der in der Sensoreinheit33 für sichtbares Licht besteht, und die an der Sensoreinheit33 für sichtbares Licht liegende inverse Vorspannung wird kleiner. Nach Ansammeln dieser Ladungen für eine spezifische Zeit flieht, wenn die Spannung VG wieder an der Leseelektrode9 anliegt, die gesammelte Ladung durch den Widerstand15 heraus, und ein Spannungsabfall entsprechend dem Lichtsignal tritt an dem Ausgangsanschluß39 (S1 in7(C) ) auf. Zu dieser Zeit wird die Spannung der Sensoreinheit33 für sichtbare Strahlung in den Anfangszustand nahezu gleich zu der Spannung VD wieder rückgesetzt, wenn der Strom flieht. Somit wird die Lichtintensität bzw. -stärke als ein Spannungswert 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 Schalters37 das pH-Signal ausgelesen werden (S2 in7(C) ). Das heßit, 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 fliehende Strom der pH-Konzentration. Daher hängt die an dem Ausgangsanschluß39 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 Ausgangsanschluß
39 auf, wie dies in7(C) gezeigt ist, und sie können abwechselnd beobachtet werden. Durch Stoppen von entweder dem Schaltbetrieb des Schalters37 oder der Spannungsanlegeoperation an die Leseelektrode9 kann lediglich entweder die Lichtstärke oder die pH-Konzentration beobachtet werden. -
8 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Größendetektionsgerätes in dem dritten Ausführungsbeispiel, und bei dem in8 dargestellten Aufbau sind mehrere Lichtstärke-Detektionseinheiten34 und pH-Detektionseinheiten 36 in Linien und Reihen zweidimensional angeordnet, und sie werden sequentiell durch Schieberegister40 ,41 angesteuert, so daß das optische Bild und das pH-Konzentrationsverteilungsbild 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 Lichtstärke-Detektionseinheiten
34 und pH-Detektionseinheiten 36 auch eindimensional vorgesehen werden. - In den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist die pH-Konzentration als das Beispiel einer chemischen Größe gezeigt; jedoch können auch andere Ionenkonzentrationen erfaßt werden.
- Die
9 und10 beziehen sich auf ein viertes Ausführungsbeispiel, und das Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel ist ausgelegt, um Temperatur und Druck zu erfassen. Das heißt,9 zeigt ein SOI-Substrat42 , in welchem eine SiO2-Schicht44 als ein Isolator und ein monokristallines n-Typ-Siliziumsubstrat45 auf der Oberseite eines Siliziumsubstrates43 gebildet sind. Auf der Oberseite des SOI-Substrates42 sind gewöhnlich n-Kanal-Transistoren46 ,47 ,48 vorgesehen. Für eine Anpassung an die Kanäle der n-Kanal-Transistoren46 ,47 ,48 wird das Substrat43 durch Ätzen entfernt, und eine Membran49 wird als eine Größendetektionseinheit gebildet. Weiterhin ist auf der Oberseite eines Gatters50 der n-Kanal-Transistoren46 ,47 ,48 ein pyroelektrisches Element53 mit oberen und unteren Elektroden51 ,52 als eine Größendetektionseinheit vorgesehen. Dieses pyroelektrische Element53 besteht beispielsweise aus PZT- oder PZLT-Keramiken oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid), oder dergleichen. -
9 zeigt eine Sourcefolgerschaltung54 , einen Ausgangsanschluß55 und einen Widerstand56 . Außerdem ist ein Spannungsanlegeanschluß57 vorgesehen. - Für das so aufgebaute Größendetektionsgerät wird der Betrieb im folgenden anhand des Zeitdiagrammes von
10 beschrieben. Wenn zuerst die Erfassung von Druck erläutert wird, so kann der Druck ermittelt werden, indem die Änderung des Kanalleitwertes der n-Kanal-Transistoren46 ,47 ,48 abhängig vom Druck erfaßt wird. Das heißt, das pyroelektrische Element53 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 Sourcefolgerschaltung54 gewonnen. In10 bedeutet Sp ein Drucksignal. - Hinsichtlich der Temperatur wird durch Zerhacken der Wärme (Infrarotstrahlung), die in das pyroelektrische Element
53 eintritt, durch einen (nicht gezeigten) Zerhacker eine Spannung entsprechend der Wärme bei dem pyroelektrischen Element53 induziert, und die Gatespannung von n-Kanal-Transistoren46 ,47 ,48 ändert sich, so daß sich der in den n-Kanal-Transistoren46 ,47 ,48 fließende Strom verändert. Daher ist durch Messen des Stromes vor einem Zerhacken und Lesen der Differenz die Temperaturverteilung bekannt. In10 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 Größen und/oder chemischen Größen als Objekte einer Erfassung jeweils zwei Größen; jedoch ist die Erfindung hierauf nicht begrenzt, und es können drei oder mehr Größen detektiert werden. Ein Größendetektionsgerät zum Erfassen von drei Größen wird im folgenden beschrieben.
- Die
11 und12 beziehen sich auf ein fünftes Ausführungsbeispiel, und das Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel kann drei Größen, d.h., Temperatur, Druck und sichtbares Licht, erfassen. Mit anderen Worten, das in -
11 gezeigte Größendetektionsgerät hat Regionen58 ,59 , die dem in9 gezeigten Aufbau beigefügt sind, wobei insbesondere die Region59 eine Photodiode ist, die für sichtbare Strahlung empfindlich ist, und eine Detektionseinheit60 für sichtbare Strahlung aus Bereichen48 ,58 , -59 ist beigefügt. Sourcefolgerschaltungen54A ,55A haben den gleichen Aufbau wie die Sourcefolgerschaltung54 in dem vierten Ausführungsbeispiel, und ein Drucksignal sowie ein Temperatursignal werden an einem Ausgangsanschluß55A von einer Sourcefolgerschaltung54A ausgegeben, während ein Signal für sichtbare Strahlung zu einem Ausgangsanschluß55B der anderen Sourcefolgerschaltung54B abgegeben ist. Außerdem sind ein Spannungsanlegeanschluß61 und eine mit einem Widerstand56B der Sourcefolgerschaltung54B verbundene Strom- bzw. Spannungsquelle62 gezeigt. - Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird im folgenden anhand des Zeitdiagrammes von
12 beschrieben. Zunächst ist eine Erfassung von Druck und Temperatur die gleiche wie in dem Größendetektionsgerät in dem vierten Ausführungsbeispiel, und in diesem Ausführungsbeispiel wird wie in12(C) gezeigt ist, ein Drucksignal Sp oder ein Drucksignal Sp + ein Temperatursignal Sir zu dem Ausgangsanschluß55A der Sourcefolgerschaltung54A ausgegeben. - Für das Signal für sichtbare Strahlung wird dieses durch Anlegen einer positiven Spannung Vg (vergleiche
12(B) ) an die Region48 , die als Leseelektrode wirkt, bei Eingabe von sichtbarer Strahlung erzeugt, und die in der Sensoreinheit für sichtbare Strahlung angesammelte elektrische Ladung kann ausgelesen werden. Deren Ausgangssignal Sk wird zu dem Ausgangsanschluß55B der Sourcefolgerschaltung54B ausgegeben, wie dies in12(D) gezeigt ist. - Darüber hinaus kann durch eindimensionale oder zweidimensionale Konfiguration der Größendetektionsgerät-Hauptkörper in dem Ausführungsbeispiel eine räumliche Verteilung von Druck, Temperatur und sichtbarer Strahlung detektiert werden.
- Bei dem erfindungsgemäßen Größendetektionsgerät können elektrische Ausgangssignale von mehreren physikalischen und/oder chemischen Größen, die zur gleichen oder nahezu zur gleichen Zeit am gleichen oder nahezu am gleichen Ort auftreten, erhalten werden, und die Wechselwirkung von bisher unbekann ten physikalischen und/oder chemischen Größen kann ermittelt werden. Indem so zwei oder mehr physikalische und/oder chemische Größen gleichzeitig detektiert werden, können Erscheinungen entdeckt werden, die mit bestehenden Einzel-Detektionselementen nicht zu ermitteln 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 Größen und/oder chemischen Größen kann mit hoher Empfindlichkeit und großer Genauigkeit beobachtet werden.
Claims (7)
- Detektionsgerät für physikalische Größen und/oder chemische Gröten. umfassend: Größendetektionseinheiten zum Erfassen physikalischer Größen und/ oder chemischer Größen zum Liefern elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen wenigstens nahezu gleichzeitig, dadurch gekennzeichnet, dass die Größendetektionseinheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (
1 ) vorgesehen sind und Spannungssignale bezüglich der zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen von demselben Ausgangsanschluss (11 ) erhalten sind. - Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten eindimensional angeordnet sind.
- Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten zweidimensional angeordnet sind.
- Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (
1 ) ein SOI-Substrat ist. - Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleitersubstrat (
1 ) eine Sourcefolgerschaltung nachgeschaltet ist. - Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalischen und/oder chemischen Größen Größen wie Temperatur, Druck oder pH-Wert, sind.
- Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten (
7 ) in das Halbleitersubstrat (1 ) eingebettet sind.
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