JP2002511579A - アナライト検出のための電子技術 - Google Patents
アナライト検出のための電子技術Info
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Description
号および1998年7月14日出願の第60/092,707号;1998年8
月7日出願の米国特許出願番号第09/130,775号および1999年3月
26日出願の(TOWNSEND/18564−000620);ならびに、1
998年8月7日出願のPCT特許出願番号第PCT/US98/16527号
、の利益を主張する。これらはすべて、1998年4月9日出願の米国暫定出願
番号第60/081,182号および1997年8月8日出願の第60/055
,071号の利益を主張する。上記および本願に記載のすべての引例は、すべて
の目的のためにその全体がここに引用により援用される。
-1-0187)、DARPA(#DAAK60-97-K-9503)、および米国立科学財団(Nation
al Science Foundation, CHE 9202583)からの認可によってその一部が支援され
た。米国政府は、本願より発行される特許に権利を有し得る。
めの技術に関し、特定的な実施例においては電子嗅覚に関する。
り、人類はこれらの感覚を強化しかつ拡張するための技術および装置を求めてき
た。人間の知覚を拡張するために開発されてきた装置および機器の多くは、歴史
上最も革命的な発明であると考えられている。このような発明は、人類の文明化
に大きな影響をもたらし、また、多くの付加的な発展および発見を導いてきた。
人間の知覚の到達領域を拡張するために開発されてきた多くの機器のうちほんの
数例として、望遠鏡、顕微鏡、聴診器、X線、無線、音声増幅器、走査型電子顕
微鏡、暗視ゴーグル等がある。
な検出のための装置または機器を開発することは大きな関心事であり続けている
。アナライト検出器の一例として、臭い(smell)または臭気(odor)(すなわ
ち、空気中のアナライト)を感知するための装置がある。犬等の数種類の動物は
、人間よりも嗅覚に優れていることがよく知られている。その「鼻」のおかげで
、犬は、爆弾、鉱物、薬物、有毒ガスおよび違法な密輸品等の検出を含む、多く
の仕事に利用されている。犬はまた、人を探したり救助する助けも行なう。臭い
を感知する装置は、動物が使用されているような伝統的な応用に有益であろう。
また、動物が非実用的であるかまたは不適当な使用例も多数存在する。
な装置よりもより多くの応用例を潜在的に有する。たとえば、アナライト検出の
ための装置の使用例としては、化学物質の漏れ、食品処理における品質管理、医
学的診断および試験、商品および工業用品の製造、医薬の製造、あらゆる媒体(
たとえば燃料、油、ワイン、溶剤)における臭気物質(odorant)またはアナラ
イトの試験または評価、および他の多くの応用例がある。アナライトの検出のた
めの機器は、化学および石油化学セクタ、食品、香料、医療、自動車、軍事、環
境、健康安全、および室内空気の品質等の、業界および応用に非常に望ましいで
あろう。
しい。臭いを感知するための方法の1つは、表面音波(SAW)共振器を使用す
るものである。しかし、SAW装置は比較的複雑な電子技術を利用し、いくぶん
高コストなので、該装置のための信号変換機構は多くの欠点を有する。さらに、
SAW装置は一般に、質量および音響インピーダンス変化のいずれに対しても非
常に感度が高く、あらゆる環境において使用するのに好適であるとは言えない。
ストで製造が容易でありかつ素早い応答を得ることができ、さらに、異なるアナ
ライト間でまた同じアナライトの異なる濃度間で正確に差を表示することのでき
る、技術およびシステムが求められている。
ステムを提供する。アナライトを検出するセンサの製造技術もまた提供する。ア
ナライトは、臭い、味、蒸気(vapors)、臭気、ガス、流体、液体、化学物質な
どをとりわけ含み得る。アナライトは、空気、流体または他の媒体内に存在し得
る。本発明において、アナライトは、アナライトに応答して電気信号を出力する
センサによって感知される。電気信号はフィルタリングおよび増幅によって前処
理され得る。この前処理はまた、アナライトが存在する環境にセンサおよび電子
回路を適応させる処理も含み得る。電気信号は、アナライトの分類および特定の
ためにさらに処理され得る。
ynthetic nose")」を実現するのに使用される。このシステムは、哺乳類の嗅覚
システムと同様の機能を行なうが、この電子システムには付加的な能力がある。
このような電子鼻システムは、蒸気の特定および濃度を明らかにすることができ
る。本発明のアナライト検出システムの別の実施例は、味覚のための装置を実現
するのに使用される。この装置は、哺乳類の舌と同様の機能を果たす。本発明の
技術に対しては、他にも、ここにすべてを記載することが困難なほど数多くの応
用例が考えられ得る。
一実施例においては、センサは単一集積回路上に、半導体処理技術を使用して形
成される。該集積回路またはチップは複数のセンサを含み、その各々が各センサ
部位に収められる。センサ部位は行列に配され得る。基板上には、センサ材料を
各センサ部位に拘束するために、構造または他の手段が構築される。たとえば、
該センサ部位は、センサ材料を保持する複数のセンサウェルであってもよい。
ごとに異なる組成を有し得る。たとえば、アナライト検出システムにおけるセン
サは各々、互いにすべて異なる組成を有し得る。センサ材料は、カーボンブラッ
ク等の導電性材料と非導電性材料との混合物であり得る。この場合、カーボンブ
ラックの組成または濃度は、チップ上の各センサ毎に異なり得る。多様なセンサ
のシステムを提供することによって、任意のアナライトに対して各センサが異な
る応答特性を有し得る。あるアナライトに対するセンサの応答は、抵抗、キャパ
シタンスまたはインダクタンス等の電気的な特性における測定可能な変化によっ
て特徴付けられ得る。
へと経路付ける、電気接続が存在する。該回路は、それらのセンサとともにオン
チップであるか、または、別の集積回路上のようにオフチップであり得る。これ
らのセンサからのデータがコンピュータを使用して処理され得る。特定的な実施
例においては、各センサ部位のための回路は、集積回路上のセンサ部位の下方に
形成されるか、または、センサ部位とともに散在される。
れる。この処理用電子技術は、センサからの受信データを増幅しかつ増強する電
子回路を含み得る。各アナライトは、特定の「指紋("fingerprint")」を有し
得る。アナライトは、この指紋に基づいて特定される。アナライトの特定および
分類のための信号処理は、オンチップまたはオフチップの電子回路によって行な
われる。たとえば、分類は、多くの技術の中でもとりわけニューラルネットワー
ク(neural network)を用いて行なわれる。したがって、本発明の技術およびシ
ステムを使用して、アナライトを区別しかつ特定することが可能となる。
る。本発明のさらなる局面は、アナライトを検出するための、センサのアレイを
有する集積回路の使用に関する。本発明のさらに別の局面は、アナライトを特定
するのに使用されるセンサのアレイを有する集積回路を製造するための、半導体
プロセスの使用に関する。本発明は、アナライトを特定するための、複数のアナ
ライトセンサからの電気信号を処理する電子回路の使用を含み、各センサは、非
導電性の有機材料および導電性材料の混合物を含む。
を含む集積回路であって、各センサ部位がセンサ材料を拘束する。集積回路はさ
らに、センサ材料の電気的な特性を測定するよう形成された電気端子を含む。該
電気的特性とは、インピーダンス、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、ま
たは他の電気的特性である。センサ材料は、非導電性の有機材料および導電性材
料の混合物であり得る。
のセンサからデータを受信するステップを含む。各センサは、第1および第2の
出力端子を有する。センサの第1および第2出力端子から電気的データを受信す
るよう結合された、複数の電子回路が存在する。この電気的データはアナログの
重みであり得る。電気回路は、このアナログの重みを記憶するためのフラッシュ
(Flash)またはEEPROMセル等のフローティングゲートデバイスを含
み得る。(たとえばアナログの重み等の)電気的データはさらに、アナライトを
特定するのに使用される。この特定方法は、ニューラルネットワークの使用を含
み得る。
して検討することによって明らかとなるであろう。図面を通して、同様の参照符
号は同様の特徴を表わす。
ナライトは、本来液体または気体であり得る流体内に存在し得る。本発明の技術
はまた、アナライトに関する他の情報、たとえば、濃度、分級(classification
)、体積、流量、熱柱(plume)の進路の方向、アナライト源の場所、グラディ
エント(gradient)および他の特性、を提供するのにも使用され得る。たとえば
、本発明の技術は、混合物における第1のアナライトおよび第2のアナライトの
濃度の判定を可能にし得る。
分析用機器、携帯用装置、ロボット、ならびに他の多くの装置および道具内に実
現され得る。たとえば、本発明のシステムは、特定的な実現例においては、単一
の集積回路上に、または複数の集積回路上に存在し得る。しかし、本発明のシス
テムを実現する他の多くの方法が存在する。たとえば、本発明のシステムは、同
じ基板、集積回路またはプリント回路(PC)基板上に存在する場合のように、
互いに対して比較的近接する構成要素を有し得る。代替的に、アナライト検出シ
ステムの種々の構成要素は、異なる場所に存在して、ネットワークまたは他の通
信リンクによってリンクされていてもよい。このネットワークは、ローカルエリ
アネットワーク、ワイドエリアネットワーク、無線ネットワーク、携帯電話ネッ
トワーク、光学ネットワーク、インターネット、電線、および他の多くのネット
ワーク、ならびに、これらのネットワークの組合せを含み得る。
に、アナライト検出の電子システムは、複数のセンサを含み得る。さらに、該複
数のセンサのうち1つのセンサは、該複数のセンサのうち別のセンサとは異なる
特性を有し得る。またさらに別の実施例においては、複数のセンサのうち各セン
サはすべて、他のセンサとは互いに異なる特性を有し得る。米国特許第5,57
1,401号は、本発明のシステムにおいて使用することが可能なセンサおよび
センサ材料を記載しているが、他のセンサおよびセンサ材料もまた使用すること
が可能である。米国特許第5,571,401号は、すべての目的においてその
全体がここに引用により援用される。
本発明のアナライト検出用電子システムにも使用され得る。しかし、本発明は、
必ずしも集積回路技術に限定されるものではなく、本発明を実現することのでき
る他の多くの技術が存在する。たとえば、本発明のシステムは、プリント回路基
板上に集められた別個の電子構成要素を使用しても行なわれ得る。本発明のシス
テムは、携帯用電子装置内に収めることも可能である。
低コストで大量の装置を製造することが可能となる。集積回路は、今日の電子・
情報時代の脅威である。「チップ」と一般的に称される集積回路は、シリコン基
板上に形成された微細な電子回路である。チップは、電子市場に出回っており、
多くの業界で使用される大量の電子製品のための基本的要素である。集積回路を
使用する製品には、コンピュータ、コンピュータ周辺機器、消費者向け電子機器
、電気通信およびネットワーク機器、その他多種類の製品が含まれる。
し、本発明は、集積回路技術を使用する実現例に必ずしも限定されるものではな
く、他の技術もまた使用することが可能である。本発明はまた、電子嗅覚に限定
されるものではない。というのも、本発明に従ったシステムは、多種多様な媒体
および環境においてアナライトを検出、特定および分類するのに使用することが
可能なためである。
10は、多数のアナライト検出チップ120を有する。集積回路の製造の場合と
同様に、多くのアナライト検出チップ120が単一の基板上に形成され得る。1
つの基板上にはこのようなチップが数百個または数千個存在し得る。
ンであり得る。他の材料もまた基板として使用され得るが、ほんの数例を挙げる
と、他の半導電性材料、集積回路の製造に好適な他の材料、絶縁体、ダイアモン
ド、(サファイア等の)絶縁体の上のシリコン(または他の半導体材料)、プラ
スチック、溶融基板、およびポリマー等が使用され得る。
スを使用して、基板上に形成され得る。種々の材料からなる連続した層が、基板
上に形成されかつパターン化される。該層は、そのいくつかの例を挙げると、(
n型およびp型)拡散層、シリコン酸化物層、ゲート酸化物層、ポリシリコン層
、(金属の複数層を含む)金属層、コンタクト、およびビアを含み得る。これら
の層は、堆積、成長、イオン注入、スパッタリング、電気めっき、および他の技
術によって、基板上に形成され得る。基板上の特徴は、フォトレジストを使用し
てパターン化され得る。それらの特徴は、ドライエッチングまたはウェットエッ
チング技術を用いて、また、同じプロセス中にそれらの技術を組合せて、エッチ
ングされ得る。
術を使用して形成される。NMOS、BiCMOS、バイポーラおよび、他の多
くの技術もまた使用され得る。
個々のチップは、スクライブライン130によって互いに隔てられる。多くの場
合、各アナライト検出チップは、他のチップと実質的に同一である。しかし、1
つのウェハ上に、異なる種類または異なる設計の複数のアナライト検出チップを
製造することも可能である。ウェハ上には、テストダイまたは構造もまた存在し
得る。これらは、ウェハの製造中に、アナライト検出チップの特性および、種々
のプロセスパラメータを試験および評価することを可能にする。テスト構造はま
た、個々のダイ間のスクライブライン内に形成されてもよい。
えば、このセンサ材料は、基板上に堆積、コーティング、または他の方法で与え
られ得る。一実施例においては、センサ材料は、アナライトまたは臭気物質に対
して電気的応答を提供する材料とされる。電気応答は、たとえば、インピーダン
ス(Z)、抵抗(R)、インダクタンス(L)、キャパシタンス(C)、または
他の電気的な特性で定量化され得る。一実施例においては、センサ材料はポリマ
ーであり得る。この材料は、他の実施例においては有機または無機であり得る。
さらに、センサ材料は、非導電性の有機材料および導電性材料の領域を含み得る
。他の実施例においては、センサ材料は、キャパシタとして機能する絶縁有機膜
またはインダクタとして機能する複合膜であり得る。いくつかのセンサ材料およ
びその特性に関するより詳細な説明が米国特許第5,571,401号に記載さ
れている。しかし、本発明は、米国特許第5,571,401号に記載されてい
るセンサ材料に限定されるものではなく、他の材料もまた使用することが可能で
ある。
合体蒸気センサを含み得る。アナライトの存在は、たとえば、化学的に敏感なカ
ーボンベースの抵抗器の電気抵抗における変化を通じて検出され得る。上述のよ
うに、抵抗以外の電気的特性における変化もまた使用することが可能であり、そ
れらは、キャパシタンスおよびインダクタンスの変化の評価を含む。
材料は、基板上に膜状に位置付けられ得る。この複合体の有機的な非導電性ポリ
マーは、(蒸気であり得る)アナライトを吸収する。これは、センサ材料の電気
的特性に変化をもたらす。センサ材料はまた、膨潤等の物理的変化も受け得る。
アナライトが除去されると、電気的特性の変化はいずれも逆転する。たとえば、
抵抗、キャパシタンスおよびインダクタンスは、それらの元々の値に戻るであろ
う。物理的な変化もやはり逆転するであろう。この種のセンサの応答は、複数回
のアナライトの露出にわたって逆転し得、また、種々の周囲雰囲気条件下での多
数回にわたる試験にわたって再生が可能である。したがって、このような種類の
センサ材料を用いて製造された装置の寿命は、比較的長いであろう。
ンサ材料は温度に対して敏感になるであろう。温度に敏感なセンサを使用する場
合、該センサは、比較的一貫性のある結果を得るために比較的一定の温度に保た
れねばならない。たとえば、雰囲気よりも約5℃高い温度等がよい結果をもたら
すであろう。さらに、たとえば約100℃を上回るような非常に高い温度は、ポ
リマーセンサ材料を破壊するかまたはその寿命を急速に減じるので、避けられね
ばならない。この理由のために、非導電性ポリマー材料は、たとえば約300℃
から約400℃、またはそれを上回る非常に高温の特別な環境では、使用するこ
とが予期されない。ポリマーセンサ材料は、約0℃から約100℃の間の、通常
の温度範囲で使用可能である。
の、多種多様なセンサ材料の使用を可能にする。たとえば、カーボンブラック、
金属製コロイド、または有機導電性ポリマー、およびそれらの組合せを含むどの
ような導電性素子も、センサの導電フェーズとして使用することができ、また、
どのような有機材料も、センサの絶縁フェーズとして使用することができる。さ
らに、この種のセンサ材料の利点は、それらが導電性有機ポリマー材料の安定性
の限界を有しないことである。導体および絶縁体の複合体はまた、置換基の種類
からの限定や、純粋な有機導電性ポリマーのバックボーンの変形によってもたら
され得る、膨潤のばらつきの範囲の制限を受けることはない。
なダイ」の数および場所が判定される。1つのウェハ上の合計ダイ数に対して良
好なダイが占める割合を「歩留まり」と称する。個々のアナライト検出ダイは、
スクライブラインに沿って切断することによって分けられる。アナライト検出ダ
イはその後実装され、それらの適正な動作を確かめるためにさらにテストされ得
る。これらのダイは、セラミック、エポキシ、プラスチック、ガラスおよび他の
多くの材料を含む、種々の実装材料内に実装され得る。実装されたアナライト検
出ダイは、実装された集積回路チップと非常によく似ている。応用によっては、
セラミック等の、無孔かつ無反応性の材料を使用することも可能である。
ルで堆積または塗布される。他の実施例においては、センサ材料は、ダイが個別
化された後に塗布される。
例においては、本発明のアナライト検出チップは、センサ材料の複数のセンサ部
位210を含む。本発明においては、センサ材料は、各センサ部位において何ら
かの手段で拘束される。基板上の特定の部位にセンサ材料を拘束するための技術
は多数存在する。たとえば、センサ材料は、表面張力によって特定の部位に拘束
され得る。センサ材料はまた、電荷、電界、または磁界によっても拘束され得る
。さらに、センサ材料は、集積回路処理技術または他の技術(たとえば、ミクロ
機械加工またはミクロ電子機械システム(MEMS)等)によって形成された構
造を使用して拘束され得る。これらの構造の例としては、センサ部位にセンサ材
料を拘束する、センサウェル、リッジ、トレンチ、円形構造、タワーおよび他の
多くの構造があり、これらの構造は、基板上にまたは基板内に形成される。
料を拘束するのにセンサウェルが使用される。図2Bは、単一のセンサウェルの
より詳細な図である。典型的な場合、センサ材料は、チップがウェハから切離さ
れる前に、ウェハレベルで、アナライト検出チップのセンサウェル内に堆積され
るが、これに代えて、個々のチップがウェハから切離された後にセンサウェルを
充填することも可能である。上述のように、センサ部位を形成してセンサ材料を
拘束するのに、他の技術もまた使用することが可能であり、センサウェルは単に
一例として示されているのみである。センサ材料を拘束するのに、他の構造を同
様の態様で使用することも可能である。
センサ部位の行列を有するアレイに配されており、合計で121のセンサ部位が
設けられている。上述のように、図2Aにおけるセンサ部位はセンサウェルであ
る。センサ材料はこれらのセンサ部位に与えられ、それらが、アナライト検出セ
ンサとして機能することになる。
においては、アナライト検出チップは121よりも少ない数のセンサを有し得る
。たとえば、アナライト検出チップは、2つ、3つ、4つ、またはそれ以上の数
のセンサ部位を有し得る。アナライト検出チップは、センサに対して2、3、4
、5、6、7、またはそれ以上のセンサ部位を有し得る。チップは、10から2
0、20から30、30から40、40から50、および50から100のセン
サを有し得る。アナライト検出チップの特定的な実施例は、32のセンサ部位を
有する。それよりさらに複雑なアナライト検出チップは、何百または何千ものセ
ンサを有し得る。たとえば、1つのチップが(おそらくは1辺が100個のセン
サからなる行列のアレイに配された)1万個のセンサを有する場合もある。
しい数のセンサを有してもよい。複数のセンサ部位の配列は、特定の応用に対し
て適宜選択される。図2Aは、センサ部位の正方形のアレイ配列を示しているが
、センサ部位は、チップ上にどのような態様で配置されてもよい。たとえば、複
数のセンサ部位が、楕円形または長方形の構造、三角形の構造、円形または湾曲
した構造で配されてもよく、また他の多くの配列が可能である。センサ部位のア
レイは、そのほんの数例を挙げると、1部位×10以上の部位、2部位×10以
上の部位、3部位×10以上の部位、10部位×20部位、または30×175
のセンサ、等を有し得る。また、同じ基板上に、複数のアレイまたは複数のセン
サ部位のグループが存在し得る。さらに、単一の基板上に、2、3、4、5、ま
たはそれ以上の数のセンサのアレイもまた存在し得る。
21上に形成された単一の導電層のみで形成されている。この単一の導電層、典
型的にはアルミニウムおよびその化合物等の金属製の層は、簡単な半導体プロセ
スを有利に可能にする。より簡単な処理は、一方で、製造時間の短縮および欠陥
機構の数の減少に繋がるが、他方では、チップ220のレイアウトを制限し、ま
た、必然的に機能的な簡素化をチップに強いることになる。
備える。基板221の1隅のみが示されている。センサ230Aおよび230B
は2行に配されており、これらは、破線の円および2つの間隔を置かれた平行な
線分で表わされている。破線の円はセンサ材料を表わし、2本の線分は、アナラ
イトまたは臭気物質に対する該センサ材料の電気的パラメータの反応を受信する
、電気端子を表わす。各端子は、2つの導電性リード225および226のうち
一方に接続されており、一方のリード226が共通線240、すなわち基準線に
、他方のリード225がボンディングパッド241に接続されている。共通線2
40は、センサ221Aおよび221Bからなる周辺の行の内側に、基板221
を囲む環状リングとして配されている。共通線240の電圧レベルは、ボンディ
ングパッド242に繋がるリード接続228によって、固定されている。図2C
に示すように、センサ231Aおよび231Bの2つの行はジグザグに配され、
それにより、センサの最適な実装を可能にしている。各センサ230Aおよび2
30Bの破線の円はまた、先に記載したセンサ材料によってカバーされる可能性
のある領域を示している。
ングパッド241および共通ボンディングパッド242に進むようになる。これ
らの信号は、センサ材料の電気的特性から直接導出されるか、または、後述のよ
うに、各センサ230に関連する電気回路によって前処理された信号であり得る
。いずれの場合にも、この配置は、半導体産業において周知の用語である「単一
金属層("single-metal layer")」プロセスによって実現することができる。処
理およびレイアウトは有利に簡素化されている。今日容易に利用可能な半導体技
術によって、32個のセンサを有するチップが容易に製造される。またその表面
は、良好な接続を保証する金で処理される。
複数のセンサを使用することが可能である。たとえば、本発明のアナライト検出
システムは、生産ラインの様々な位置にまたは建物内の異なる部屋に位置付けら
れたセンサのように、異なる物理的場所に置かれた複数のセンサから、アナライ
トの情報を収集することが可能である。
示す。一実施例においては、複数のセンサが1つの基板上のそれぞれのセンサ部
位に形成されており、これらの部位は、上述のようにアレイ状に配されている。
センサは各々、漸進的に異なり得るものであって、各センサが特定のアナライト
に特定的に応答するものではない。たとえば、各センサは、他のすべてのセンサ
と実質的に異なる、(ポリマーAからポリマーIとして記される)ポリマー複合
体の抵抗変化を有し得る。たとえば臭気Aおよび臭気Bのような2つのアナライ
トを複数のセンサの集合を使用して評価する場合には、その結果は、2つの異な
る応答パターン340および350となるであろう。各アナライトは、特徴的な
「指紋」を有する。そこで、パターン認識処理を利用することによって、これら
のパターンに基づいてそれらのアナライトを特定することが可能となる。
異なるセンサ材料の組成を有する。これは、「センサの多様性」と称され得る。
本発明の他の実施例においては、しかし、センサアレイ内には同じセンサが複数
存在し得る。すなわち、その実施例においては、いくつかのセンサのグループは
全く同じ組成で製造され、他のセンサグループが別の組成を有し得る。1つのセ
ンサアレイ内に2つ以上の同じセンサを有することの利点は、とりわけ、冗長性
がもたらされることであり、これは生産高を高めるのに有益であり得る。センサ
における冗長性はまた、特に、厳しい環境(たとえば工業用)や非常に厳しい状
況(たとえば軍事、爆弾検出または運輸業者による使用)で使用される場合に、
アナライト検出チップの寿命または信頼性を高めるのに有益である。本発明のア
ナライト検出のための技術はまた、同様のセンサがセンサのアレイ内に存在する
場合にも適用される。
特性を有する複数のセンサの使用に関する。これらのセンサは、同じ基板上に形
成され得る。複数のセンサは、アナライトを特徴付けかつ分類するのに使用され
る多次元の応答を提供することができる。
サからの応答または信号は、1つのアナライトの組成における変化を検出するこ
とはできても、必ずしも、そのアナライトを特定することはできない。センサ素
子のアレイは、異なるアナライトに露出された場合、電気パラメータ(抵抗、キ
ャパシタンスまたはインダクタンス等)における変化の可逆な診断パターンを提
供する。多様な化学組成を有する多数のセンサを使用すれば、アナライトの、特
定的な指紋またはシグネチャを得られるであろう。
めに、3以上の多くのセンサを必要とし得る。通常、センサの数が多いほど、よ
り多くの数のアナライトの特定が可能になる。さらに、センサの数が多いほど、
2つのアナライトが類似のまたは同じ指紋を有する可能性が減じられる。アナラ
イト検出システムの感度は、部分的に、センサの数およびセンサの多様性に依存
する。本発明のアナライト検出システムは、生物学上の類似物、すなわち鼻と関
連付けられ得る。ヒトの嗅覚システムは、約103の異なる種類の受容体の、合
計約106個のセンサを有するものと考えられている。周知のように、イヌは、
ヒトよりも鋭い嗅覚を有する。イヌの鼻は、約108個のセンサを有し、これは
ヒトの鼻よりも位数が2つ大きい数である。
るノイズの制限により、同じ特性を多くの異なる方法で測定することは有益であ
り得る。たとえば、十分な精度が得られる場合には、どのような分子も、単に2
つのセンサを使用して38ビット測定から一意に特定することが可能であろう。
しかし実際には、そのような精度の高い測定を行なうことは実際的ではない場合
がある。このため、精度がより低い測定を用いる場合、アナライトの性質に関す
る有益な情報は、(たとえばセンサアレイにおける)多くの異なるセンサ素子か
らの多くの別個の判定を使用して測定を行なうことによって、得ることが可能で
ある。
行なうには、有限数のセンサで十分であり得る。しかし、バックグラウンドがわ
からない場合、混合物が存在する場合、またはバックグラウンドガスの濃度が変
化する場合には、はるかに多くのセンサが単に出力信号パターンの解釈における
曖昧さを避けるのに必要となり得る。任意のターゲットのシグネチャを、可能な
広範囲のバックグラウンドクラスタから最適に区別するような場合には、なおさ
らに多くのセンサが必要とされ得る。多数のセンサを有することはまた、冗長性
をもたらすことができ、これは、性能の劣るセンサの出力を拒絶または却下する
ことを可能にする。
、アナライトを特定するのに必要とされる時間が減じられる。所与の観察時間中
に多数のセンサにわたって平均をとることにより、信号対ノイズ比のゲインを得
ることが可能である。したがって、たとえば1万個のセンサでは、n1/2の信号
対ノイズ比のゲインが、1〜10のセンサの能力に対して、ほぼ2位数の有効感
度の向上をもたらすであろう。
まく感知しかつ特定するためのセンサの数は、最小値から急増され得る。アレイ
ベースの感知の主な目的は、どの2つのアナライトについてもそのアレイから同
じ指紋応答が得られないようにすることであり、また、所与のターゲットパター
ンが他の予期されないまたは未知のバックグラウンド成分の混合物と混同されな
いことである。したがって、アレイ構造内に多くの数のセンサを統合することが
一般的に望ましい。本発明は、低コストの並行プロセスによって、多数のセンサ
素子を製造することを可能にする。また、その処理は、センサ素子を化学的に多
様化することを可能にする。
レイで十分である。これは、センサとともに使用される電子回路が、非常に正確
なアナログデジタル(A/D)変換器等のように、十分な精度を提供する場合で
ある。センサの数が増加すると、上述のようにアナライト間の区別のために必要
とされるビットの精度はより小さくなる。たとえば、16〜20個のセンサの場
合には、電子回路に求められる正確さは低くなる。今日利用可能な集積回路技術
によれば、実際的な一実現例においてアナライト検出チップは、32個のセンサ
を有する。32個のセンサから得られる信号は、約20ビットの精度のアナログ
デジタル変換器を使用して電子回路によってデコードおよび処理され得る。これ
は、複雑さも実現するのにかかるコストもそれほど大きいものではない。集積回
路技術が向上するにしたがって、単一の集積回路上に32個よりも多くのセンサ
を形成して、これらのセンサからの信号を処理することが実際的になるであろう
と予測される。
パラメータとして測定され得る電気特性を有する。これらのパラメータは、抵抗
、キャパシタンスまたはインダクタンスであり得る。アナライトまたは臭気物質
の存在下では、化学センサ材料は測定可能な応答特性を有するであろう。センサ
アレイ内のセンサの電気的特性における変化または変化のパターンを測定するこ
とで、ある特定のアナライトを特定することが可能になる。
アナライト検出システムは、アナライトを特定することが可能である。特定的な
センサは、50Kオーム(R1)のベースライン抵抗を有し得る。しかし、この
センサが水蒸気またはヘキサン等のアナライトの存在下に位置づけられると、セ
ンサの抵抗は51Kオーム(R2)に変化し得る。このベースライン抵抗値に対
する抵抗の変化(すなわち、(R1−R2)÷R1)が、アナライトを特定する
のに使用され得る。ベースライン抵抗値は、基準点として使用される。ベースラ
イン抵抗の値は、圧力、温度および湿度等の、センサの動作条件に応じて変化し
得る。ベースライン抵抗はまた、バックグラウンド雰囲気が変化し得るために変
化し得る。たとえば、測定対象ではなくどのような測定中にも考慮されるべきで
はないバックグラウンドアナライトが、存在し得る。
析され得る。抵抗は、単に一例として説明したものである。センサ材料のキャパ
シタンスまたはインダクタンスにおける変化を測定して、アナライトを特定する
こともできる。アナライトの存在下で、センサ材料のキャパシタンスの変化(こ
れは、材料の物理的な膨潤が原因であり得る)が測定され得る。
ンサは、アレイの第2の位置における別のセンサとはわずかに異なる組成を有す
るであろう。これら2つのセンサは異なる応答特性を提供するであろう。そして
その差が、異なるアナライトまたは臭気物質を区別するのに使用され得る。たと
えば、非導電性および導電性ポリマーの混合物がセンサのアレイのためのセンサ
材料として使用される場合、それら複数のセンサの組成は異なり得る。カーボン
ブラックを使用する一実施例においては、各センサにおけるカーボンブラックの
組成または濃度が、アレイ内の他のセンサの組成または濃度とわずかに異なるよ
うにされる。
ップは、センサ部位におけるセンサ材料への電気的または他の接続を含み得る。
たとえば、センサの抵抗が評価されるべき場合には、半導体チップにおいて金属
配線が使用されるのと同様の態様で、金属等の導電層がセンサ材料との接続に使
用される。キャパシタンスが評価されるべき場合には、センサ材料の近傍に導電
性材料が位置づけられて、容量結合および感知が可能とされる。センサからの電
気信号は、その後、アナライト検出チップのボンディングパッドに経路づけされ
、ボンディングパッドを介してオフチップの回路に接続されて、さらなる処理お
よび分析が行なわれる。
材料を拘束する。図4は、センサウェルの一実現例の断面図を示す。このセンサ
ウェルは、CMOSプロセスを使用してシリコン基板上に形成され得る。センサ
材料がセンサウェル410に充填され、該ウェルによって拘束される。シリコン
基板415上には、フィールド酸化物(fox)層420、ポリシリコン(po
ly)層425、第1の酸化物(ox1)層430、金属−1(M1)層435
、第2の酸化物(ox2)層440、金属−2(M2)層445、および、パッ
シベーションまたはグラス(GLAS)層450、がパターン化され、それらの
層によってセンサウェル410が形成され得る。
がシリコン基板上に形成される。金属または導電層が酸化物層上に形成される。
金属層がパターン化されエッチングされる。結果として得られる金属が、センサ
材料のためのコンタクトとして使用される。酸化物層が基板上に形成される。セ
ンサウェルがパターン化されエッチングされる。センサ材料がセンサウェル内に
堆積され、パターン化された金属層と電気的に接続される。
プとして形成された後に(パッシベーション層の形成前に)センサウェルに与え
られる。たとえば、センサ材料は、半導体製造設備において与えられる。しかし
、本発明の他の実施例においては、センサ材料は、チップの形成後に後処理ステ
ップ内に与えられ得る。たとえば、センサ材料は、完成されたウェハが半導体製
造設備から受取られた後に与えられる。
ィールド酸化物層420は約0.6ミクロン厚さである。ポリシリコン層425
は約0.4ミクロン厚さである。第1の酸化物層430は約0.85ミクロン厚
さである。金属−1層435は約0.6ミクロン厚さである。第2の酸化物層4
40は約0.65ミクロン厚さである。金属−2層445は約1.15ミクロン
厚さである。パッシベーション層350は約1ミクロン厚さである。
は、単一層金属プロセスを使用しても形成することが可能であり、三層以上の金
属層を有するプロセスでも形成され得る。たとえば、本発明のセンサウェルは、
3、4、5またはそれ以上の数の金属層を有するプロセスにおいても形成され得
る。
との電気コンタクトとされる。これらの電気接続は、センサデータのさらなる処
理のためにセンサ信号を他の回路に経路づけるのに使用される。その回路は、オ
ンチップであってもオフチップであってもよい。接続460および470を形成
するのに使用される金属導体は、典型的に、金、プラチナ、アルミニウムまたは
銅等の導電性材料である。電気接続460および470のための材料は、それら
がセンサ材料と反応しないように選択されねばならない。センサ材料が後処理ス
テップ中に与えられる場合には、接続460および470が露出され、アルミニ
ウム等の導電性材料は容易に酸化するであろう。これは、センサ材料に対する電
気接続の不良に繋がる。
より重要である。たとえば、センサ材料の抵抗を測定する場合には良好な物理的
接続がより重要である。これは特に、センサ材料がコンタクトの抵抗と比べて比
較的低い抵抗を有する場合に特に当てはまる。他の場合、たとえばキャパシタン
スを測定する場合には、接続は容量性接続を使用して行なわれてもよく、この場
合、センサ材料と導電性材料または金属との間には物理的な接続は存在しない。
したがって、このような実施例においては、金属接続の酸化についてはあまり懸
念する必要はない。
回路の態様で仕上げられ得る。標準的な集積回路メタライゼーションの表面は、
通常、空気が形成する「天然の("native")」薄い酸化物層で覆われる。アルミ
ニウムといった、非常に一般的な標準的な金属が、空気に晒されたときに、その
表面上に非常に急速に連続的にアルミニウム酸化物を形成する。ポリマー/カー
ボンブラックの複合体の抵抗器は、高温にされてはならず、また、エネルギ的に
「天然の」酸化物を破断するような態様で形成されてはならない。そこで、金属
層に良好に接続するための手段が講じられねばならない。これは、露出した電極
を化学的または物理的にエッチングして、ポリマー複合体センサ材料を与えてい
る間、金属−1を酸素を含まない環境に保持することによって、達成することが
できるであろう。より特定的には、付加的な層、または、露出層が貴金属(酸化
しない金属)である複数層の積層が、任意の数の技術を使用して、金属−1の表
面上に堆積され得る。この技術は、とりわけ、物理気相成長、化学気相成長また
はめっき、であり得る。クロミウム接着層上に金のコンタクト層をスパッタリン
グし、その後、金属の積層を写真製版技術により規定する、という方法が特に有
効である。
てもオンチップであってもよい。他の回路は、センサデータの前処理、増幅およ
び分類を含み得る。使用される実装技術に応じて、ボンディングパッドは、チッ
プの周囲または縁部に沿って形成されるか、または、(たとえばフリップチップ
実装技術を使用する場合には)チップ内部に分散され得る。
に使用され得る。センサ材料は、センサウェル410に完全にまたは部分的に充
填されて、電気接続460および470を使用して抵抗が測定される。
。センサウェルの両側にそれぞれ電気接続520および530を作るのに、金属
が使用される。
スト構造のレイアウトを示す。これらのセンサウェルはサイズが互いに異なる。
特定的には、センサウェル620および640は1辺が200ミクロンの正方形
であり、センサウェル610および630は1辺が400ミクロンの正方形であ
る。ボンディングパッド650は、これら4つのセンサウェルを囲み、センサウ
ェルに電気的に接続されている。2つのボンディングパッドまたは電気接続を使
用して、1つの特定のセンサウェルに接続することが可能である。たとえば、パ
ッド660および670は、センサウェル620の2つの端子にそれぞれ接続さ
れている。1つのボンディングパッドまたは電気接続が、2つの異なるセンサウ
ェル間で共用される場合もある。
下方または下部に形成されている。この図は、1つのセンサ部位における電子装
置のレイアウトを示す平面図である。電気コンタクト710および715は、セ
ンサ材料と電子回路との間の電気コンタクトを形成する。この場合、電子装置は
前処理回路を実現する。
能を備える、自動ゼロ化適応回路を含み得る。個別の回路ブロックは、センサ読
出増幅器およびベースライン応答回路720と、信号増幅回路730、735お
よび740と、行/列選択および最終出力増幅回路750と、を含む。しかし、
本発明の他の実施例においては、あらゆる目的のための電子回路が、センサ部位
にまたはその下方に実現され得る。電子回路からの出力は、ボンディングパッド
を介して他のオンチップ回路またはオフチップ回路に経路づけられ得る。
しかし、上述のように、本発明の他の実施例においては、センサ材料はセンサウ
ェル以外の構造または技術を使用してセンサ部位に拘束され得る。さらに、本発
明の他の実施例においては、電子回路は必ずしもセンサ部位の下方に形成される
わけではなく、同じ集積回路チップ上のどこにでも位置づけられ得る。たとえば
、電子回路は、センサに隣接して形成されるか、または、チップ上の別の場所に
形成され得る。しかし、センサの下方に電子回路を形成すると、結果として得ら
れるレイアウトが比較的小型になる、という利点がある。
置は、金属−1層およびポリシリコン層を使用して形成されている。センサウェ
ルの下方に電子装置を形成することができるよう、第2の酸化物層はそれを通じ
てエッチングされることはなく、この第2の酸化物層が、センサウェルの「底部
」を形成する。金属−1層は、センサ部位におけるセンサ材料に電気的に接続す
るのに使用される。
。図8Aから図8Fに示される技術は、CMOS半導体プロセスの代わりであっ
てもよい。たとえば、このプロセスは、MEMSまたはミクロ電気製造プロセス
または他の特殊なVLSIプロセスであってもよい。このプロセスは、センサ材
料を拘束する構造を形成する、ミクロ機械加工を含み得る。
)であるか、または、図8Aから図8Fに付加的に示される層のシーケンスの下
方の、他の層との組合せとして行なわれ得る。開始時のウェハまたは基板を図8
Aに示す。この層は、絶縁基板であるか、または、絶縁膜が付加された開始ウェ
ハである。これは(シリコン基板の場合は)酸化、または堆積によって得ること
ができる。図8Bに示すように、導電膜が、物理的または化学的気相成長方法に
よって絶縁表面上に堆積され得る。図8Cにおいて、この金属または導電膜がパ
ターン化されて、1対の電極が残される。図8Dで付加的な絶縁膜が堆積され、
図8Eにおいてパターン化されて、非酸化金属構造の電極が露出される。上部絶
縁膜およびウェルの底部における2つの電極間に規定されるウェル内に、図8F
に示すようにセンサ材料が堆積される。
センサ部位にセンサ材料を与える技術は、多数存在する。たとえば、センサ材料
は、溶液のスピンコーティングまたはモノマーの堆積を利用し、その後それらを
重合することによって、センサ部位に堆積され得る。センサ材料がポリマーベー
スの化学抵抗器である一実施例においては、該ポリマーベースの化学抵抗器は、
化学抵抗器の成分の溶液または懸濁液で基板をスピンコーティングまたはディッ
プコーティングすることによって形成され得る。さらに、スピンコーティングさ
れる層またはディップコーティングされる層の場合には、多様化のために、第1
のセンサ材料をパターン化し、その後に、多くの後続の層を与えかつパターン化
することが求められる。実行できないことはないが、このプロセスが反復される
べき回数は、センサに求められる多様性の度合いによって左右される。
術は、時間的に連続してセンサ材料を堆積するものである。この技術は、ある部
位において第1の堆積を行ない、それが、第2、第3等の他の堆積とは区別され
る化学的組成を含むようにするステップを含み得る。
ット技術を使用するものである。インクジェット技術は、装置の形成においてま
すます広く使用されつつある。このような技術によれば、ポリマー構造を100
ミクロンのオーダで形成することが可能であり、また、このような構造のアレイ
を1平方センチメートルあたり15,000よりも大きい実装密度で製造するこ
とが可能である。ミクロジェットは、アナライト検出のための微細化されたセン
サの大きなアレイを製造するのに有益な道具である。
ムが使用され得る。というのも、「インク」(たとえば、化学ポリマーであり得
るセンサ材料)の組成を、連続的に変化させることができるためである。これに
よれば、モノマーまたはポリマーの有限の供給原料から、望みどおり、多様な組
成を有するセンサ材料の膜を製造することが可能になる。センサ部位に与えられ
たモノマーは、後続のステップでその位置で重合されるが、これは、ガンマ照射
、もしくは好適な遊離基の触媒に晒されるか、または、露光されることによって
行なわれる。このような態様で、相関関係のないモノマーの前駆物質から、何千
もの異なるポリマーのライブラリを調製することが可能となり、また、対象とな
るアナライトを区別するにあたってのそれらの有効性を迅速に評価することが可
能となる。
いようにすることが重要である。インクの粒子サイズは、ノズルのサイズよりも
小さいことが望ましい。特定的な実施例においては、ミクロジェット技術は、ポ
リマーにカーボンブラックを与えるのに使用され得る。実際に、伝統的な黒イン
ク(たとえば墨)は、カーボンブラックの懸濁物である。市販されているインク
ジェットのノズルサイズは、一般に、10ミクロンよりも大きい。1ミクロンよ
りも小さい粒子サイズの安定なカーボンブラックの懸濁物が形成され得るので、
ミクロジェット技術に利用可能なカーボンブラック懸濁物を形成することが可能
である。
に加えて、他のオプションもまた利用可能である。より大きなノズルを有する機
械制御のインクジェット、実質的に小さいスプレーガン、もまた使用可能である
。別のミクロジェット技術としては、複合インクジェット(compound ink jet)
がある。このような装置においては、いわゆる第1流体のジェットが、いわゆる
第2の流体に埋もれている10〜20ミクロンのオリフィスから発せられる。結
果として得られるジェットは両方の流体を含み、これが、標準的な静電制御の連
続インクジェットの場合と同様に利用され得る。複合ジェットは、カーボンブラ
ックベースのインク、たとえば墨、を第2の流体として利用することが可能であ
る。なぜなら、この流体のためのリザーバは任意のサイズで備えられ得るためで
ある。
アレイ内に多数のセンサ素子を含むような他の応用例においては、本発明の別の
実施例の方がより望ましい場合もある。
在を判定するのにセンサ材料のキャパシタンスを測定するものである。図9には
単一の対のセンサのみが示されているが、この回路は、センサのアレイまたはセ
ンサの対のアレイを含むようにも拡張され得る。アレイ内の各センサは、上述の
ように、他のセンサとは異なる種類のセンサ材料を含み得る。
の1つを示すが、キャパシタンスを測定するための他の回路もまた、ここに示す
回路の代わりに使用され得る。図示される実施例においては、2つのセンサ91
0および920が設けられている。センサ910および920は、互いに実質的
に同一に形成されたセンサである。しかし、センサ910は、アナライトがセン
サ材料に浸透してそれを膨張させることができるように露出されており、他方の
センサ920は、それがアナライトの影響を受けないように絶縁層によって覆わ
れている。このように、センサ920は基準センサであって、そのキャパシタン
スがセンサ910のキャパシタンスと比較され、それにより、センサ920がア
ナライトの存在によって膨張したかどうかが判定される。
生器930および932が、それぞれ、コンタクト940および942を介して
センサ910および920に結合されている。周波数発生器930および932
は、特定の周波数の発振信号を出力し、帰還信号f1およびf2を受信する。帰
還信号f1およびf2は、センサのキャパシタンスに応じて、位相偏移または周
波数偏移され得る。したがって、センサ910が膨張しなかった場合には、その
キャパシタンスはセンサ920のそれと同じであり、f1はf2と同じである。
アナライトが存在する場合には、センサ920のキャパシタンスがより大きくな
り、したがってf1がf2とは同じではなくなる。実際には、f1とf2との差
が、キャパシタンスにおける変化を判定するのに使用され得る。
力される。弁別ミクサは電子技術分野において、たとえば特に、位相同期ループ
の設計において、よく知られている。ミクサ950は、2つの周波数を受取り、
それら周波数が同じである場合にはゼロであるDC出力を出力し、それら周波数
が異なる場合にはゼロでないDC出力を出力する。周波数の差が大きくなるほど
、DC出力の値は高くなる。したがって、ミクサ950の出力がゼロである場合
には、2つのセンサのキャパシタンスは同じであって、アナライトは存在しない
と判断される。出力の大きさがゼロでない場合には、アナライトが存在し、それ
はDC出力の値によって特定され得る。
の同様のセンサを、それらが横方向に膨張する余裕を設けて隣接して形成するこ
とも可能である。これら2つのセンサは、各々が異なる導電性トレースに結合さ
れ、それら導電性トレースを通じてキャパシタンス測定回路に結合される。アナ
ライトが存在しない場合には、それらのセンサの間隔は公知であり、したがって
、公知のキャパシタンスを有する。アナライトが存在する場合には、それらのセ
ンサは膨張して、それらの間隔が短くなってキャパシタンスが変化する。キャパ
シタンスにおけるその変化を測定することによって、アナライトの存在を判定す
ることが可能となる。
例を示す。2つの同様のセンサ1010および1020が設けられる。特定的な
実施例においては、センサ1010および1020は実質的に同一である。容量
測定装置1030が、2つの導体1040および1042によって、コンタクト
その他を介してセンサ1010に結合される。容量測定装置は、センサ1010
のキャパシタンスを判定することが可能などのような装置であってもよい。同様
に、第2の容量測定装置が2つの導体1060および1062を介してセンサ1
020に結合される。センサ1020は、アナライトへの露出から絶縁されてお
り、これに対し、センサ1010はアナライトに露出されている。比較器107
0が2つのセンサ1010および1020から測定されたキャパシタンスを比較
する。これらの値は、上述の技術やその他の種々の技術によって分析され得る。
10を示す。複数のセンサを形成するには、単位セル1110が所望の回数だけ
反復される。たとえば、10個のセンサを有するアナライト検出チップのために
は、単位セルが10回反復される。30個のセンサを有するアナライト検出チッ
プのためには、単位セルが30回反復される。100個のセンサを有するチップ
のためには、単位セルが100回反復される。「n」個のセンサを有するチップ
のためには、単位セルが少なくとも「n」回だけ反復される。
20を含む。単位セルからの電気接続は、さらなる処理のために、オンチップま
たはオフチップの他の回路に接続される。たとえば、2チップのアナライト検出
チップセットが製造される場合には、それらのチップのうち第1のチップが、複
数のセンサ1120およびそれらそれぞれの電気接続を含み、第2のチップは、
第1のチップ上のセンサからの信号を処理するために、センサ1120に電気的
に結合され得る。
型電子回路1130を、同じチップまたは基板上に含む。適応型電子回路113
0は、図6に関連して上述したように、センサ1120のセンサ部位の下方に形
成され得る。適応型電子回路930は、接続1140および1150によってセ
ンサ1120に電気的に結合される。この適応型電子回路は、環境背景を無視す
るために、適応信号処理技術を使用し得る。
む。該適応型電子回路は、ベースラインのドリフトを補償し、かつ、正規化され
たゲインを提供する。単位セルの出力は、センサのアレイに対するこのセンサの
有効な正規化されたパーセンテージ変化であり得る。この適応型電子回路は、信
号線または抵抗格子ネットワーク(以下にさらに詳細に述べる)を介して、アレ
イ内の他のセルと通信し得る。通信ネットワークは、適応ゲインセッティングお
よび正規化のために必要とされるアナログ情報の受信および伝送の両方を容易に
することが可能である。
データをさらに処理しかつ分析するのに使用され得る。たとえば、図11に示し
た実施例においては、出力1160は、センサに入力された臭気またはアナライ
トの分類のために、分類段1170に結合される。この分類段は、コンピュータ
またはこのコンピュータで実行されるソフトウェアを含み得る。別の実施例にお
いては、出力1160上の信号を使用して可動装置を制御して、アナライトの熱
柱をそのソースへと追跡または辿ることが可能である。
チップであってもよい。たとえば、出力1160は、ネットワーク(たとえば、
ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、イントラネットまた
はインターネット)を介して、遠隔コンピュータに接続され得る。出力1160
は、オンチップマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ、信号処理ユニ
ット、ニューラルネットワーク処理回路および他のオンチップ回路等の、オンチ
ップ回路によって使用され得る。
プ内の他の単位セル1190に接続され得る。接続1180は、それら単位セル
間の通信を可能にする。単位セル間の通信は、受信されたセンサデータのより高
性能な処理を可能にし得る。
図11に示しかつ上述したような単位セル1110を使用して実現され得る。図
12においては、センサは行列に配置されているが、他のセンサ配列も可能であ
る。アレイは、どのような所望のサイズであってもよい。
って「アドレス」される。行マルチプレクサは、センサのアレイ内の特定の行を
選択する。たとえば、行マルチプレクサに入力される行アドレスに基づいて、対
応の行が選択される。センサのアレイの行には、各行につき一意の行アドレスが
存在する。同様に、センサの列は、列マルチプレクサ1230によってアドレス
される。
フトレジスタ、ランダムアクセスメモリまたは他の記憶装置内に保持され得る。
たとえば、センサのアレイ内の列を循環するのに、カウンタが反復的にインクリ
メントまたはデクリメントされて、すべての列がアドレスされるようにされる。
シフトレジスタが使用される場合には、特定のビットまたはビットの組が、反復
的にシフトされる。
得る。たとえば、複数のセンサからのデータは、複数の直列信号として、列マル
チプレクサからシフトアウトされる。該信号は、周波数、時間、コードその他が
多重化され得る。センサデータもまた、同時に、複数列から並列信号として出力
され得る。並列信号の各々は、周波数、時間、コードその他が多重化され得る。
マルチプレクサの出力は、アナログ信号であり得る。該出力はまた、各単位セル
が何らかのアナログデジタル変換技術を含む実施例においては、デジタル信号で
あってもよい。マルチプレクサの出力は、アナログ信号およびデジタル信号の両
方を含んでもよい。
したように、隣接するセンサと通信するように結合される。特定的には、センサ
1210は、抵抗器1240を介して、同じ行内の隣接する1または複数のセン
サに結合される。センサ1210は、抵抗器1250を介して、同じ列内の隣接
する1または複数のセンサに結合される。センサのアレイは、有効に、抵抗格子
を介して互いに通信する。
生抵抗または意図しない抵抗)を使用して形成され得る。抵抗器1240および
1250はまた、拡散もしくはポリシリコン抵抗器を形成するかまたはトランジ
スタを使用する等の、集積回路上で抵抗を得るのに使用される他の多くの技術の
うちの1つを使用しても、実現することが可能である。
は、その上および下の行にある2つの隣接するセンサセルと、その左および右の
列にある2つの隣接するセンサセルとに接続される。同様に、アレイの縁部の、
最初の行または最終行にあるセンサセルは、その上または下の行にある1つの隣
接するセンサセルと、その左および右の列にある2つの隣接するセンサセルとに
接続される。アレイの縁部の、最初の列または最後の列にあるセンサセルは、そ
の上および下にある行内の2つの隣接するセンサセルと、その左または右の列に
ある1つの隣接するセンサセルとに接続される。アレイの隅部におけるセンサセ
ルは、その上または下の行における1つの隣接するセンサセルと、その左または
右の列における1つの隣接するセンサセルとに接続される。
はまた、適応およびフィルタリングが効率的に並行して行なわれることを可能に
する。抵抗格子は、センサ間の局所空間の平均化の実現を可能にする。ネットワ
ーク内の抵抗値を制御することによって、この平均化の空間範囲を制御すること
ができる。さらに、これは、アレイ内の距離に基づいて、平均化された信号の重
みづけを行なう手段を提供する。信号入力値に基づいて抵抗値を修正することに
より、回路が、信号平均化の重みおよび空間平均化の範囲を動的に変更すること
が可能になる。したがって、比較的弱い信号については、局所空間的に重み付け
された平均化を増すことが可能となる。このような状況下では、アナライトを局
所化して追跡する能力は減じられるが、弱いアナライトの検出限界が大いに改善
される。これに対し、より強いアナライトについては、平均化の量を動的に減じ
ることで、臭いを局所化してアナライト追跡情報を提供する能力を大いに強化す
ることができる。したがって、すべての信号レベルの環境において、性能が改善
される。
優先的な応答を増す実現が容易になる。アナライト検出システムは、活性化レベ
ルのしきい値が異なる複数のアナライト検出セルを有することによって、アナラ
イト強度情報をエンコードすることが可能である。アナライトの濃度が増すにつ
れて、出力応答には、活性化レベルがより高いセルがより多く含まれることにな
る。局所空間的な平均化の量を制御する抵抗ネットワークを利用することによっ
て、より高い活性化しきい値を有するセンサの出力を組込む一方で、センサの過
失によって高濃度の活性を示し得る損傷を受けたセンサを保護する、手段が提供
される。
能である。抵抗格子はまた、ノードに容量性メモリ等のメモリを導入することに
よって、動的な応答を組込むことが可能である。したがって、非常に複雑な一時
的および空間的な信号処理を、非常に効率的な方法で実現することができる。加
えて、複数の抵抗格子をアーキテクチャ内に積み重ねることも可能である。この
場合、1つの格子が単位セル間のゲインを通信しかつフィルタリングする一方で
、別の格子がベースライン設定を通信することが可能である。このようにして、
抵抗格子アーキテクチャを使用して、並列適応によって、アレイにわたる効率的
な正規化を行なうことが可能となる。
が存在し得る。これは、形成されてはいるがセンサの活性な行および列としては
機能的に使用されない行または列である。たとえば、アレイの行および列の縁部
において、センサのダミー行および列が形成され得る。これらセンサのダミー行
および列は、センサ内の活性な行および列が比較的均一であることを確実にする
ために使用され得る。というのも、縁部におけるセンサは、内部のセンサと同数
の隣接するセンサを有しないことによって、何らかの縁部の影響を有し得るため
である。
lash、EEPROM、EPROM、またはアンチヒューズセル等の不揮発性
または一度のみプログラム可能なメモリ素子のレーザプログラミングまたはプロ
グラミングによって活性化されたときに、冗長式に使用され得る。これらダミー
行および列は、不良なまたは不良となった他の行および列の代わりに使用され得
る。たとえば、冗長方式は、良好なダイの歩留まりを改善するのに、または、ア
ナライト検出チップの寿命を延ばすのに役立ち得る。前処理回路は、化学センサ
における変化を評価する。アナライト検出システムにおいて使用される化学セン
サは、それらが特別に照準を定められたアナライトに晒された場合に、その抵抗
が変化する。アナログ回路を使用して抵抗の変化を直接測定するのは簡単な手順
ではない。しかし、電圧または電流の変化に応答する回路を作ることはできる。
また、オウムの法則(すなわち、V=I*R)によって、抵抗(R)における変
化は、電圧(V)または電流(I)のいずれかを一定に保つことによって測定可
能となる。そこで、抵抗における変化は、他の変数における変化を測定すること
によって判定可能となる。たとえば、電流が一定に保たれる場合には、抵抗にお
けるいかなる変化も、電圧の正比例の変化をもたらし、また、電圧が一定に保た
れる場合には、電流が抵抗の変化に反比例して変化することになる。
得る。加えて、自動ゼロ化方式を使用する回路を以下に説明する。これらの回路
は、湿度または温度における変化に起因するセンサの抵抗におけるゆっくりとし
た変化を除外(adapt out)し、また、より速いアナライト濃度の変化に焦点を
定めるために、信号の低周波数素子を除去する調整可能な手段を提供する。さら
に、この回路は、生物学的システムがアナライトの存在下で慣れていくのと同様
に、アナライトの長期的な存在を除外する。これらの回路は、分類用ハードウェ
アに入力するのにまたはオフチップの通信のために好適な、電圧、電流またはパ
ルス列の出力を生成する。
によって決定される時間期間にわたる、センサ抵抗における変化に比例する電流
出力を提供する。この回路は、電流における変化を測定する一方で、センサにか
かる電圧を一定に保つように試みる。
ランジスタM2およびM9は、VDDおよびノード1303の間に結合される。
M2のゲートは、M2のソースに結合される。M9のゲートは、センサ1305
の第1の端子(すなわち、V+)に結合される。センサ1305の第1の端子は
また、ノードiIoutに結合される。トランジスタM11は、ノード1303
および接地の間に結合され、iVbiasに結合されたゲートを有する。
トはM2のゲートに結合される。トランジスタM10は、Voutおよびノード
1303の間に結合され、そのゲートは、センサ1105の第2の端子(すなわ
ち、V−)に結合される。キャパシタC1は、VoutとVSSとの間に結合さ
れる。
される。トランジスタM4のゲートは、そのドレインに結合される。同様に、ト
ランジスタM6のゲートは、そのドレインに結合される。トランジスタM12の
ゲートは、Voutに結合される。
間に結合される。トランジスタM3のゲートは、M4のゲートに結合され、トラ
ンジスタM5のゲートは、M6のゲートに結合される。トランジスタM13は、
センサ1105の第2の端子とVSSとの間に結合され、そのゲートは、Ibi
asノードに結合される。トランジスタM14は、Ibiasおよび接地の間に
結合される。トランジスタM14のゲートはまた、Ibiasに結合される。
インドリフトの調節をする。電圧は、センサの電流が基準電流と等しくなるよう
にセンサにわたる電圧を一定に保つフィードバック回路によって維持される。ア
ナライトの分子がセンサ材料内に拡散して抵抗を変化させる場合には、Iが一定
に保たれているので、デルタRがセンサにわたる電流の変化に反映される。した
がって、基準電流とバイアス電流との差を、判定または計算することが可能とな
る。特定的には、この差は、複数のトランジスタを有するアナログ回路で容易に
計算され得る。バイアス電流がすべてのセンサについて同じである場合には、比
較的小さなハードウェアで、抵抗における正規化された変化を達成することが可
能である。
がら、神経形態学的に考えられた処理方法は、その電流をパルスニューロン回路
に入力し、それが今度はその変化を一連のパルス列として出力する。これは、生
物学的なシステムが情報を符号化するのに似た方法である。この表現は、多くの
センサのアレイを考えるときには有益であり得る。これについては以後により詳
細に説明する。適応型回路は、迅速に応答するよう設定することが可能であり、
これは、スパイク列周波数が消失するためである。実際に、回路はアナライトに
「慣れる」ようになる。これは、真の情報がアナライト濃度の変化に含まれるの
で、有益である。回路がどのようなアナライトが存在するかを一旦判定した後に
は、そのアナライトの存在を通信するのにエネルギおよび帯域幅を使用する必要
がなくなる。必要なのは、このアナライトが強くなったり弱くなったりする場合
のみである。
増幅器は、アナライト検出チップ等のように、正規化されるべき複数のセンサを
有する集積回路にとっては有益な基本的要素であり得る。この2つのトランジス
タを有する回路は、どのようなDCのオフセットも連続的に無効にするが、一方
では、0.1Hzのような遅い信号も妨害なしに通過させる。
VSS供給の間に直列に結合される。VoutノードはM1およびM2トランジ
スタの間に存在する。M2のゲートは、Vtauバイアス電圧入力に結合される
。Vin入力は、キャパシタC1を介してM1のゲートに結合される。キャパシ
タC2は、M1のゲートとVoutノードとの間に結合される。フローティング
ゲートデバイス1425がVtun入力およびM1のゲートの間に結合される。
フローティングゲートデバイス1425は、たとえば、フローティングゲートト
ランジスタまたはpFETデバイスであり得る。
幅器のコーナー(corner)周波数は、Vtauに印加されるバイアス電圧によっ
て設定される。
される。この実施例に従えば、アナライト検出チップ上の各センサに関連する1
つのメモリ素子が存在し得る。フローティングゲートデバイス1425は、不揮
発性記憶装置を提供する。本発明の実施においては、他のメモリまたは記憶素子
も使用され得るが、それらは、ダイナミック型メモリ、RAMメモリ、Flas
hセル、EEPROMセル、EPROMセル、レジスタ、カウンタ、フリップフ
ロップ、および他の素子を含み得る。
標準的なCMOSプロセスを使用して形成され、また、約14ビットまたはそれ
以上の精度でアナログ値を記憶することが可能である。このフローティングゲー
トデバイスは、14ビットよりも小さい精度のアナログ値も記憶し得る。フロー
ティングゲートデバイス1425は、「アナログメモリセル」と称され得る。こ
れは、1および0を記憶するデジタルメモリセルとの対照である。
トデバイスのフローティングゲート上に記憶される。換言すれば、フローティン
グゲートデバイスのしきい値電圧(VT)特性が、アナログ値を記憶するよう変
化される。フローティングゲートデバイス1425等のアナログメモリセルを使
用する利点は、それが単に、およそ単一のトランジスタのスペースのみを必要と
することである。フローティングゲートデバイスは、そのメモリを保持するのに
パワーを必要とはせず、リフレッシングも特別な製造技術も必要とはしない。こ
のような回路は、適応および学習を可能にする、アナライト検出システムの実現
に使用され得る。
動作する電流モードの回路は、出力電流として、入力された電流のパワーの積も
しくは商またはその両方を生成し得る。これらの回路は、容量分割器によって与
えられる、電圧合計およびサブしきい値MOSトランジスタの指数関数的な電流
/電圧の関係を利用する。パワー法(power law)の関係は、キャパシタの比に
よって設定されるので、非常に正確である。これらの回路内の1つにおけるフロ
ーティングゲート上に記憶される電荷の量は、多種多様なアナログニューラルネ
ットワークの実現例における重みとしてまたはデバイスのミスマッチを補償する
のに使用され得る、積の関係に対する電子的に修正可能である不揮発性のスケー
ルファクタを設定する。これらの回路は、センサアレイのアレイ検出時における
信号変化およびベースライン抵抗の絶対的な大きさにおけるセンサのミスマッチ
を処理するための機構を提供する。
な時間スケールで動作するという、別の利点を有する。これは、VLSIチップ
上においては、長期にわたる定数がオンチップキャパシタの比較的小さなサイズ
のために実現するのがときに難しい場合があるので重要である。フローティング
ゲート技術は、数ミリ秒から数日間にわたる時間定数の実現を可能にする。
構成は、図14のそれと幾分類似している。図15に示すセンサ回路は、2段を
有する。第1の段は、フローティングゲートデバイス1550(たとえばフロー
ティングゲートpFET)および2つのNPNトランジスタQ1およびQ2を含
む。NPNトランジスタは、電流増幅器として使用されて、フローティングゲー
トデバイスがしきい値以下で動作することができるようにする。C1およびC2
によって形成される容量分割器は、フローティングデバイスにおける指数関数的
な関係を弱める結果をもたらし、さらに、ソース電流における所与の変化に対す
る電圧の揺れを大きくする。最も大きな電圧の変化は、C2がフローティングゲ
ートからドレインへのオーバラップキャパシタンスのみである場合に生じる。ト
ランジスタQ2は、増幅器のゲインを増すために、抵抗センサに対するカスコー
ドとして機能する。
ト増幅器である。たとえば、バンドパスゲインは約52デシベルであり得、これ
は、1%の抵抗変化につき5ボルトの出力電圧変化を生む。第2の段におけるフ
ローティングゲートデバイスM1(たとえばpFETトランジスタ)は、センサ
動作に不可欠な部分である。ホットエレクトロン注入が、フローティングゲート
に電子を付加するのに使用され、ファウラー・ノルドハイム(Fowler-Nordheim
)トンネル現象が、フローティングゲートから電子を除去するのに使用される。
このトンネル現象接合は、一定電流ソースとして処理される。ホットエレクトロ
ン注入は、電子がゲート酸化物によって作られた3.1電子ボルトバリアを横切
るのに十分なエネルギを有する場合に生じる。pFETにおいては、正孔が過半
数キャリアであり、電子がドレイン空乏領域における衝撃イオン化中に形成され
る。このプロセスが、ホットエレクトロン注入のための電子を生成する。
電流はバランスされて、静止出力電圧が与えられる。M1のゲートは、トンネル
現象および注入電流のバランスによって、安定に保たれる。アナライトが検出さ
れた場合、センサの抵抗が増し、Q2における電流が減じられ、V1が増加する
。その結果、pFETにおけるドレイン−チャネル間の電圧が減じられ、これが
今度は注入を減じる。したがって、トンネル現象電流が注入電流よりも大きくな
り、出力電圧がその静止値へと戻されるようになる。適応はゆっくりと行なわれ
る。なぜなら、ホットエレクトロン注入およびトンネル現象電流は、静止pFE
Tソース電流の大きさよりも数位数小さいためである。
フィルタ応答を有し、これは、約1ヘルツ(またはそれ以下)からメガヘルツの
範囲にわたり得る。ゲインがキャパシタC1/C2の比によって決定されること
にも留意することが肝要である。これは、VSLIプロセスによく適合すること
がわかっている。Q2およびM1は、開ループのゲインがキャパシタによって提
供される閉ループゲインよりもはるかに大きくなるように設計される。
抗変化を電圧変化へと変換する。加えて、このセンサ回路は、回路の対数的な応
答およびセンサのパーセンテージ変化特性による、センサからの出力を正規化す
る。これにより、生物学的な嗅覚システムにおいて見られるような、長時間定数
が可能となる。
e-all)回路もまた、本発明のアナライト検出チップにおいて使用することが可
能である。伝統的なウィナーテイクオール回路は、入力のアレイをとり、最も大
きな入力のみの場所および大きさを表わす出力を有する。ウィナーテイクオール
回路は、フローティングゲートデバイスを使用して実現することが可能であり、
また、伝統的な回路に対してわずかな物理的なサイズの増加を要するのみであろ
う。この回路の適応例は、時間にわたって出力をゆっくりと無効にする。これは
、安定状態の入力の大きさにかかわらず入力の変化に応答する出力につながる。
このような回路は、ノイズおよび欠陥センサを抑制するためにセンサアレイにお
いて応用が可能である。
回路は、非常に数少ないトランジスタで、適応、抵抗感知およびゲインを行ない
、また、比較的小さなシリコン領域内でこれらの計算を行なうMOSトランジス
タの配置を利用する。適応型センサ測定回路1605は、化学センサ1608の
抵抗におけるパーセント変化に比例する出力を生成する。ゲイン段1610およ
び1615は、感度を高めるために付加される。ゲインまたは増幅段1610お
よび1615は、図13〜15に示しかつ上述したものと同様である。この回路
はまた、調整可能な時間スケール上でのセンサおよび回路における変化を除外す
る。
サ部位の下方の空間に配置される場合の、前処理回路のレイアウトの一例を示す
。このレイアウトは、標準的なCMOSプロセスのためのものであって、これは
、アレイ実現のためのX−Yデコーディング回路750を含む。710および7
15のためのコンタクトは、オンチップセンサ堆積に対する。ベースライン適応
を有するセンサ読出増幅器720および信号増幅730段が、適応型センサ測定
回路1605に対応し、信号増幅段736および740が、それぞれ、ゲイン段
1610および1615に対応する。
イポーラトランジスタQ1およびPMOSトランジスタM1を使用する自動ゼロ
化素子によって形成される。この回路の安定状態動作点は、センサの抵抗とは独
立している。センサの抵抗がアナライトの露出によって変化すると、適応素子の
平衡が崩れる。この変化は、抵抗のパーセンテージ変化に比例し、また、AC結
合されたフローティングゲート増幅器1610および1615によって増幅され
て、抵抗における小さな変化が検出できるようになる。
を補償するように変化する。センサのベースライン抵抗の長期的な変化は除外さ
れるであろうが、しかし、時間定数を制御することによって、望まれるアナライ
トによる短時間の変化が、増幅段に確実に渡されるようになる。オンチップのセ
ンサの大きなアレイでは、さらなる処理のためにオンチップまたはオフチップで
比較的大量の情報を転送することが必要となり得る。図12において、行および
列マルチプレクサ1220および1230が、センサから他のオンチップまたは
オフチップの回路へのデータの通信を容易にするように使用される。アレイがよ
り大きくなってより多くのセンサが存在すればするほど、転送すべきデータの量
ははるかに大きくなり、センサデータをさらなる処理のために通信および転送す
る性能を向上するのに、専門の技術が使用され得る。
電子回路が、単一チップ上に密に結合され得る。そして、センサからの情報が、
適応型電子回路による前処理の後に、オフチップで、ニューラルネットワーク分
類のための標準的なマイクロプロセッサへと通信される。この場合、オフチップ
で送信されるべき比較的多数の信号が存在するであろう。代替的に、センサ、適
応型電子回路および分類回路はすべて、1つのチップに存在し得る。これによれ
ば、オンチップで多数の信号が経路づけられることになる。
可能性は、チップ間およびチップ内の接続性を大いに制限する。アレイのサイズ
および処理に利用可能な時間に応じて、図12に示すアーキテクチャに示すよう
に、比較的小さなアレイについては、従来技術による多重化を使用することが可
能である。しかし、より大きなアレイについては、情報のはるかに高度な圧縮が
必要となる。チップ間通信のための通信プロトコルによって使用され得る多くの
技術のうちとりわけ1つの技術は、アドレス事象表現(address event represen
tation, AER)プロトコルである。アドレス事象表現は、通信における時分割
多重アクセス(TDMA)プロセスの成功によって考え出されたものであり、こ
のTDMA様のプロトコルは、強化されたチップ間およびチップ内接続を提供す
るのに使用され得る。
(すなわちトランジスタ)を使用して複数のノードに対処する。この方法は、配
線が高価であってスイッチが安価である場合に有益である。各ノードに一意の識
別子を割当てることによって、配線は、活性な複数ノードの間で共用することが
可能となり、各ノードが活性なときはいつでもワイヤを介して一意に標識が付さ
れたパケットを伝送することを可能にする。この方法は特に、一度に活性となる
部分が小さい場合に有効である。このような活性がまばらであるという仮定は、
ニューラルシステムにおけるスパイク活性に当てはまる。なぜなら、ニューロン
のスパイクは非常に短く、ニューロンは選択的に応答し、かつニューロンは適応
するためである。この方法は、センサのクラスタが特定的なアナライトを目標と
する、化学センサの大きなアレイに対して好適である。
ロンの場所を特定するアドレスを伝える。この符号化は、N本の配線の代わりに
log2(N)本の配線を必要とし、ここでNはニューロンまたはセンサの数で
ある。たとえば、アドレス事象表現を実現する場合、各々がニューロンの64×
64アレイを有する1つのアドレス事象送信チップおよび1つのアドレス事象受
信チップが必要とされ得る。通信チャネルは、これら2つのチップ上の対応する
場所におけるニューロン間のポイントツーポイントの仮想接続性を提供する。複
数のニューロンが同時に伝送を試みた場合に生じる衝突には、調停および待ち行
列機構で対処する。このアドレス事象表現技術は、チャネル内にピークスループ
ットの非常に高いデータ転送を生み出す。
的に通信することが可能な、アナライト検出センサの大きなアレイを配置するこ
とを可能にする。これはノイズに対してロバストであり、また、ハードウェアの
複雑さは低く維持しながらも利用可能なチャネル帯域幅を最大限にするよう試み
る。
かつターゲットアナライトの存在を特定するための、分類段またはシステムを含
む。アナライトを分類するための、1つの解決策は、ソフトウェアおよびハード
ウェアの両方においてニューラルネットワーク分類アルゴリズムを実現すること
である。センサアレイを有する分類ニューラルネットワークを単一のシリコンチ
ップ上に、または、先に述べたアドレス事象プロトコルを使用して通信するコン
パニオンチップ上に、統合することが望ましい。
使用され得る線形方式は、最も距離の近いユークリッド近傍の計算、弁別技術、
および、他の標準的な線形統計技術を含む。非線形方式は、ニューラルネットワ
ーク、遺伝子アルゴリズム、および、他の非線形の統計技術を含む。
ーラルネットワーク分類器に供給し、その後それが、アナライトを多数の前もっ
てトレーニングされたクラスのうち1つに分類するよう試みるステップを含む。
最も単純な場合、センサの最大の応答、抵抗変化のピークが、ネットワークに与
えられる。ネットワークはその後、特定のアナライトに対応する先のトレーニン
グに基づく決定を出力する。より複雑な分類器はまた、分類判定を行なうのに応
答の時間シグネチャ(time signature)を使用する場合もある。
まず、マイクロプロセッサにおけるように、分類がオフチップで行なわれる場合
には、標準的な逆伝搬フィードフォワードネットワークが、または、時間シグネ
チャが利用される場合には反復ネットワークが、使用され得る。しかし、専用の
アナログ集積回路を使用する分類によれば、逆伝搬の使用は排除され、他のトレ
ーニングおよび重み記憶方法を開発する必要があり得る。
は、先の層から入力を受信して上方の層に出力を伝搬する、複数ニューロンから
構成される。同じ層内のニューロンは、互いに通信する場合も通信しない場合も
あり、典型的にはそれらのニューロンは通信することはない。第1の層は、入力
層と称され、これは、外界から入力を受取る。最終層は出力層と称され、その値
がネットワークの結果と考えられる。入力および出力の間の複数層は、隠れた層
と称される。
出力を渡して、出力を生成する。適正な重みを選択することが、分類器として使
用され得るネットワークをもたらし得ることがわかっている。重みの選択は、所
与の入力の組のための望ましい出力以外の問題のどのような知識にも基づくもの
ではない。トレーニング手順が、エラーが最小に抑えられるまで、無作為に始め
られた重みを調整する。このトレーニングを行なうための多くの手順が存在する
が、ニューラルネットワークをトレーニングするのに最も一般的な方法の1つは
逆伝搬である。この学習アルゴリズムの目標は、シナプスの重みを調整すること
によって出力における誤差を最小限に抑えることである。
トワークに提示され、出力が計算される。次に、出力がトレーニングデータと比
較され、誤差が所望の誤差関数に従って計算される。この誤差は、ネットワーク
を介して逆方向に伝搬され、すべてのユニットからの重みデリバティブが計算さ
れる。重みデリバティブは累積されて、トレーニングデータの組の提示の後に印
加され得る。トレーニングセットを通じる各パスはエポックと呼ばれる。
によれば、正確さの度合いが低いグラディエントの下降を犠牲にして、高精度で
誤差を累積する必要が軽減される。トレーニング手順は対話型である。トレーニ
ングの組は、誤差が受入れ可能なレベルまで最小限に抑えられるまで、ネットワ
ークに対して提示される。誤差が最小化され得ない場合も存在する。これは、局
所的な最小値に陥ってしまう場合、または、ネットワークが有するユニットまた
は層が少なすぎる場合であり得る。可能な解決策としては、異なる組の当初の重
み、学習速度またはネットワークサイズで再び試みることである。
とに、実現されるセンサの数、および、分類されねばならないアナライトの数が
挙げられる。センサおよびクラスの数が小さければ、その数の入力をフィードフ
ォワード分類器に直接供給することを考えることが実用的である。
給することは不可能であり得る。なぜなら、そのようなネットワークは、過度に
パラメータ化されて、一般化することができなくなる可能性があるためである。
このようなネットワークは、トレーニングデータにおけるノイズに過剰に適合す
る結果として、分類において非常に高い誤り危険度を有し得る。たとえば、10
00個のセンサおよび10個のクラスを有する大きなネットワークが実現された
場合、典型的な3層のフィードフォワードネットワークは、たとえば、20の隠
されたユニットを含み得る。このネットワークにおける重みの数は、およそ2万
にもなるであろう。これは、重みをトレーニングするのに、少なくとも20万の
例の提示を必要とする。このような場合、入力の多元性を減じるために、データ
を低減する中間段を実現することが必要となるであろう。この段は、(たとえば
化学的に同類のセンサを分類することによって)問題の先行知識を利用したり、
管理されないクラスタリング、主要コンポーネントの分析、または、自動分類ク
ラスタリング等を利用することができる。
とを可能にすることであって、それにより、重みのトレーニングが、要求される
トレーニングの例の数、トレーニングの時間または、一般化かつしたがって良好
な分類を与えるのに必要とされるノイズに対する無感度の度合い、という点で、
実用的になるようにすることである。
のである。たとえば、オンチップの学習システムが、チップがその環境に適応す
るのを可能にするであろう。これは、化学感知における応用において特に重要で
ある。なぜならこれは、分類器が、化学センサにおける変化に、および、製造プ
ロセスにおける違いに、適応することができるようにするためである。上述の逆
伝搬アルゴリズムがこのタスクにとって好適ではあるが、それは、低パワーのア
ナログ集積回路における実現においては実用的でない場合があり得る。逆伝搬は
典型的に、特に誤差計算段において、高精度を必要とする。残念ながら、高精度
の計算は、一般に、デバイスおよびノイズの固有のミスマッチのために、アナロ
グ回路においては困難である。
の分類器のアナログVLSI応用を実現するのは以下の理由により困難である。
すなわち、(1)不揮発性で重みを変更しかつ記憶することが可能な、好適なメ
モリデバイスがないため、および、(2)分類アルゴリズムが、その場でのまた
はオンチップでの学習を行なうために、高精度を必要とするため、である。どの
ようなニューラル分類システムにおいても、アナログの重みを記憶することが必
要である。マイクロプロセッサまたはデジタル信号処理(DSP)チップにおけ
るデジタルの実現例は、これらの重みをデジタルで記憶して、コンピュータの算
術回路によって学習計算を行なう。(上述のフローティングゲートデバイスを用
いる技術等の)アナログ回路において重みを記憶し、重みのインクリメントをア
ナログで加減することによって、はるかにより効率的な学習ハードウェアを得る
ことが可能である。アナログVLSIで実現された分類システムを備えるアナラ
イト検出システムは、さらに、不揮発性アナログメモリ素子の使用によって強化
される。
いられたフローティングゲート技術について記載したのと同様の態様で実現され
得る。メモリセルは、絶縁されたゲート上に電荷を蓄積するのに、何百年もの間
電荷を保持することが可能なトンネル現象および注入プロセスを使用する。メモ
リは、値を記憶するのに静止パワーを何ら必要とはせず、したがって、メモリセ
ルへの電力供給がなくなった後にも、プログラムされた値を保持するであろう。
される学習アルゴリズムを使用し得る。摂動学習は、アナログハードウェアによ
り好適であって、アナログメモリを利用することが可能である。逆伝搬の場合の
ように誤差を計算するのではなく、この摂動学習回路は、実際に、誤差を測定す
る。各重みには、小さな摂動が与えられ、出力誤差における結果として得られる
変化が測定される。ネットワーク内のすべての重みは、無作為の符号を有する等
しい大きさの摂動によって擾乱される。重みの摂動の大きさを小さく保つことに
よって、また、摂動の符号を相関付けないことによって、この技術は、グラディ
エントを計算してそれをネットワークを会して逆方向に伝搬させるという、精度
を要するステップを行なうことなく、誤差の逆伝搬のアルゴリズムと同様の機能
を果たすことが可能である。
性である。グラディエントの計算は何ら行なわれず、ネットワークを介して誤差
を逆伝搬する必要もない。誤差は計算するよりも測定する方がはるかに容易であ
る。各重みは、無作為の値によって擾乱され、出力誤差が測定される。誤差が低
減すれば、摂動が減じられる。誤差が増せば、重みは変化しない。この手順は、
ネットワークの性能が受入れ可能なものとなるまで、すべてのトレーニングパタ
ーンについて繰返される。この方法の1つの欠点は、ネットワークにおけるすべ
ての重みを同時に擾乱することによって、各々個別の重みによる誤差が測定され
ず、ネットワーク内のすべての重みを原因とする誤差が測定されることである。
しかし、相関関係のない摂動を有することによって、統計的に、このアルゴリズ
ムは、トレーニングが進むにつれてグラディエントを下降する傾向にある。
、または、異なるアナライト間の区別をするために、センサのキャパシタンスを
測定する電子回路とともに使用することができる。上述のように、センサは、ア
ナライトが存在する場合に膨張する。センサのサイズか変化するにつれ、センサ
のキャパシタンスもまた変化する。したがって、キャパシタンスを測定すること
によって、アナライトの存在を判定することができる。センサのアレイによって
「指紋」を判定することに関して上述した技術が、動作変数としてキャパシタン
スの測定とともに使用され得る。
ステムとしてのブロック図が、アナライト検出システムブロック図およびシステ
ム設計において示されている。どのような完全なアナライトサンプリングシステ
ムも、対象となるアナライトをサンプリングするための手段を含まねばならない
。これは、簡単なものでは、センサに取付けるスティックおよび、対象となる蒸
気の近傍にそれを保持するための手段であり、また、複雑なものでは、複雑なサ
ンプリングルーチンを通じて順番に配されたポンプおよび弁のネットワークであ
り得る。アナライトが化学的に感度の高いトランスデューサのアレイに一旦提示
されると、信号が処理されA/Dコンバータに提示される。アレイにかかる応答
のパターンがその後、記憶されている応答パターンと比較され、簡単なものでは
配線から制御システム、複雑なものでは視覚表示システム等の、所与の数の可能
な入出力チャネルを介して、特定を行なうことが可能となる。
を示すブロック図である。アナライトまたは臭気物質1810が、センサ182
0に入力される。上述のようなアナライト検出センサチップが、アナライトの検
出に使用され得る。
前処理ステップまたは段は、多数のタスクを行なうが、これはたとえば、センサ
応答の電気信号への変換、適応性ゲインおよびベースラインの調整、フィルタリ
ングのためのセンサ間のアレイ処理、欠陥頑強性、および、グローバルゲインの
調整等がある。一実施例においては、前処理回路は、センサアレイから離れて位
置付けられた、オフチップのものであってもよい。別の実施例においては、電子
的前処理は、センサおよび全体としてのセンサのアレイと密接に結合されていて
もよい。たとえば、前処理回路は、センサアレイとともにオンチップであっても
よい。回路は散在されていてもよく、インタリーブされていてもよく、または、
センサとともにオンチップで統合されていてもよい。さらに、この前処理回路は
、上述のようにセンサ部位の下方に形成されてもよい。一実施例においては、こ
の前処理回路は、アナログVLSI回路を使用して実現される。
抗に影響を与え得る他の条件における変化に適応する能力を提供し得る。環境に
対してセンサおよび回路を適応させることは重要であって、さもなければ、長期
スケールの変化は、アナライトの存在として誤って報告されることになる。加え
て、前処理回路は、パーコレーションしきい値近傍の特性で形成されたセンサの
動作を安定化し得る。これは、必要であれば、感度を何位数も増すことを可能に
するであろう。
を処理するための早期段階は、一般に、データ駆動型であって、短期的な適応を
必要とする。この段階において、適応によってセンサおよび局所デバイスのばら
つきが補償され、大きく変化し得る信号レベルへの適応が可能となり、有益な情
報を含む信号の限られたダイナミックレンジを抽出することが可能となる。情景
分析および認識段階等の、処理における後期段階は、長期的適応および学習を使
用し得る。これらの後期段階は、先行知識を使用することが可能である。
ることが望ましい。そこで、センサの応答における長期的なドリフトは、不所望
であるために排除され得る。また、信号における大きなグラディエントを使用し
て、環境におけるアナライトまたは蒸気から生じる所望な変化検出信号に焦点を
当てることが可能となる。
抗またはキャパシタンス(または他の特性)信号は、リアルタイムでまたはほぼ
リアルタイムで読出すことが可能である。現時点において、厚さが1ミクロン程
度の膜では、平衡な膜の膨潤に対する膨潤の(かつしたがって抵抗およびキャパ
シタンスにおける変化の)応答時間は、アナライトおよび、アナライトがそれを
通じて拡散するセンサ材料に応じて、約0.1秒未満から、約100秒までの範
囲にわたる。
、時間に依存する膨潤特性はまた、対象となるアナライトに関する診断パターン
情報を提供するためである。このパターンは、一定の露出時間の後に読出すこと
が可能であり、そのアナライトの特徴的な指紋を得るために、すべてのセンサに
ついて平衡に達する必要はない。
じることによって得られ得る。拡散時間が(フィックの(Fickian)拡散に従う
場合には)膜厚の2乗に比例するので、膜厚を0.1ミクロンの範囲に減じるこ
とで、センサアレイを使用する場合ほとんどのアナライトに対してリアルタイム
の応答が提供されるであろう。なお、この応答時間は、たとえばガスクロマトグ
ラフィ方法、粒子または蒸気の液相への転換を必要とするバイオセンサ、または
、たとえば地雷のシグネチャを化学的に検出するような他のほとんどの方法等の
、他の検出方法を使用して達成され得る応答時間よりも、はるかに高速である。
する。この段は、オンチップ回路、または代替的には、オフチップ回路またはシ
ステムを使用して実現され得る。さらに、この段のある部分がオンチップである
一方で、他の部分がオフチップであってもよい。アナライトの特定および分類は
、アナログまたはデジタルのVLSI回路を使用して、または、アナログおよび
デジタルVLSI回路の組合せを使用して、行なうことが可能である。ソフトウ
ェアおよびコンピュータもまた、特定および分類を行なうのに使用され得る。
らに、多くの他の機能を実現または制御するのに使用され得る。たとえば、本発
明のアナライト検出技術は、アナライトの熱柱をそのソースへと追跡するロボッ
ト等の、可動または携帯電子装置によって、使用され得る。このロボットは、た
とえば、地雷の場所を特定することが可能であり得る。アナライト検出装置から
の出力に基づいて制御され得る機能および動作は他にも多数存在する。
び段は、別個の集積回路または電子サブシステム上に位置付けられ得る。これら
のサブシステムは、たとえば、プリント回路または基板上の相互配線、または、
(ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、衛星ネットワーク
、インターネット等の)ネットワークを介して、互いに通信する、別個の集積回
路であり得る。
る。たとえば、アナライト検出システムは、通常「チップセット("chipset")
」と称されるものの中に実現され得る。このチップセットは、2、3、4または
それ以上の数の集積回路を含み得る。オリジナル機器製造者(OEM)は、本発
明のアナライト検出チップセットを使用して、本発明のアナライト検出技術を組
込むシステムを構築することが可能である。
よい。集積回路技術が進むにつれ、集積回路は1チップ当りますます多くの機能
を提供する。このような単一の集積回路のアナライト検出システムにおいては、
システムの種々の構成要素が、チップの相互配線を介して通信するであろう。集
積回路上の相互接続は、アルミニウムまたは銅導体等の金属であり得る。
されたものである。これは、網羅的であることや、本発明を説明した特定の形に
限定することを意図するものではなく、多くの修正例および変形例が上述の教示
に鑑みて可能である。実施例は、本発明の原理およびその実際的な応用例を最も
よく説明するために選択されかつ記載されたものであって、それにより、当業者
が本発明を種々の実施例でかつ考えられる特定の用途に好適な種々の修正例で、
最もよく利用しかつ実践することができるようにするものである。本発明の範囲
は、前述の請求の範囲によって規定されるものと意図される。
形成されている実施例を示す図である。
使用する方法を示す図である。
る。
イアウトを示す平面図である。
ロセスの異なる段階を示す図である。
は測定するための技術を示すブロック図である。
実施例を示す図である。
図である。
す図である。
Claims (26)
- 【請求項1】 アナライト特定方法であって、 集積回路上に形成された複数のセンサ部位からデータを受取るステップを含み
、センサ材料は、該センサ部位に拘束され、かつ、非導電性の有機材料および導
電性材料の領域を有し、アナライトの存在下においては、該センサ材料が電気的
特性において測定可能な変化を有し、さらに、 該複数のセンサ部位からのアナログの重みを記憶するステップと、 該アナログの重みを使用してアナライトを特定するステップとを含む、方法。 - 【請求項2】 該アナログの重みはアナログメモリ内に記憶される、請求項
1に記載の方法。 - 【請求項3】 該アナログの重みは、デジタルメモリを使用して記憶される
、請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 該アナログの重みは、不揮発性アナログメモリセルを使用し
て記憶される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 等しい大きさの摂動によって該アナログの重みを擾乱するス
テップをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 該アナログの重みを擾乱した結果を使用して出力の誤差を測
定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 該摂動は無作為な符号を有する、請求項5に記載の方法。
- 【請求項8】 該電気的特性は抵抗である、請求項1に記載の方法。
- 【請求項9】 該電気的特性はキャパシタンスである、請求項1に記載の方
法。 - 【請求項10】 該電気的特性はインピーダンスである、請求項1に記載の
方法。 - 【請求項11】 該アナログの重みは、複数のフローティングゲートデバイ
スメモリセル内にアナログの形で記憶される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項12】 該アナログの重みを使用するステップは、記憶されたアナ
ログの重みを、先に特定されたアナライトのアナログの重みの組と比較するステ
ップを含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項13】 該アナログの重みを使用するステップはさらに、 該記憶されたアナログの重みが該先に特定されたアナライトのアナログの重み
の組と同様である場合に、先に特定されたアナライトのうちの1つとしてアナラ
イトを特定するステップを含む、請求項12に記載の方法。 - 【請求項14】 センサ部位を含み、センサ材料は該センサ部位に拘束され
かつ非導電性の有機材料および導電性材料の領域を有し、アナライトの存在下に
おいては、該センサ材料はその電気的な特性が測定可能な変化を有し、さらに、 該センサ部位に結合されたフローティングゲートデバイスを含み、該フローテ
ィングゲートデバイスは、該フローティングゲートデバイスのフローティングゲ
ート上の電荷の量に基づいたアナログ値を記憶する、回路。 - 【請求項15】 第1の供給電圧と第1のノードとの間に結合された第1の
トランジスタをさらに含み、該第1のトランジスタのゲートは該フローティング
ゲートデバイスに結合され、さらに、 該第1のノードと第2の供給電圧との間に結合された第2のトランジスタを含
み、該第2のトランジスタのゲートはバイアス電圧に結合される、請求項14に
記載の回路。 - 【請求項16】 該第1のトランジスタはPMOSデバイスであって、該第
2のトランジスタはNMOSデバイスである、請求項15に記載の回路。 - 【請求項17】 該第1のノードと該フローティングゲートデバイスとの間
に結合されたキャパシタをさらに含む、請求項15に記載の回路。 - 【請求項18】 非導電性の有機材料および導電性材料の領域を有する材料
を含むセンサを含み、該センサは、アナライトの存在下で電気的特性に変化をも
たらし、さらに、 第1の供給および第1のノードの間に結合された第1のトランジスタと、 該第1のノードと該センサの第1の端子との間に結合された第2のトランジス
タと、 該第1の端子と第2の供給との間に結合された第3のトランジスタとを含む、
回路。 - 【請求項19】 該第1の供給と第2のノードとの間に結合された第4のト
ランジスタと、 第2のノードと第3のノードとの間に結合された第5のトランジスタとをさら
に含み、該第5のトランジスタの制御電極は該第1の端子に結合され、さらに、 該第3のノードと該第2の供給との間に結合された第6のトランジスタをさら
に含む、請求項18に記載の回路。 - 【請求項20】 該第1の供給と第4のノードとの間に結合された第7のト
ランジスタと、 該第4のノードと該第3のノードとの間に結合された第8のトランジスタとを
さらに含み、該第8のトランジスタの制御電極は該センサの第2の端子に結合さ
れる、請求項19に記載の回路。 - 【請求項21】 該第1のトランジスタはPMOSであって、該第2のトラ
ンジスタはPMOSであって、該第3のトランジスタはNMOSであって、該第
4のトランジスタはPMOSであって、該第5のトランジスタはNMOSであっ
て、該第6のトランジスタはNMOSである、請求項19に記載の回路。 - 【請求項22】 該センサは、該センサがそれに対して露出されるアナライ
トに応じて変化する抵抗を有する、請求項18に記載の回路。 - 【請求項23】 アナライトを特定するための、複数の化学的に多様なセン
サの使用であって、該複数のセンサからの電気的なデータがニューラルネットワ
ークを使用して処理される、使用。 - 【請求項24】 アナライトを特定するための、複数のアナライトセンサか
らの電気信号を処理する電子回路の使用であって、各センサは、非導電性の有機
材料および導電性材料の混合物を含む、使用。 - 【請求項25】 該電子回路は、該電気信号を記憶する複数のフローティン
グゲートデバイスを含む、請求項24に記載の電子回路の使用。 - 【請求項26】 該電子回路は、MOSトランジスタを使用して設計された
増幅器を含む、請求項24に記載の電子回路の使用。
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