JP2003004697A - センサ・セル - Google Patents

センサ・セル

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    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】トランジスタの動作を利用して、センサ・セル
により受容されたサンプルの同定を提供する。 【解決手段】センサ・セルが受容手段を具備し、該受容
手段は、薄膜トランジスタＴ１と結合された電極１０の
形状を成すものであって、スイッチング・トランジスタ
Ｔ７を介してトランジスタＴ１のゲート電極へ供給され
る電圧は、同定対象サンプルの受容により電極で生じる
静電容量値ＣＡに従って制御される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明はセンサ・セル、及び、そのような
センサ・セルを一体化したセンサに関する。
【０００２】半導体トランジスタを含むセンサ・セルか
ら成るアレイが一体化された化学センサが知られてい
る。このようなセンサでは、基板材料として一般にシリ
コン・ウェーハが使用されてきた。しかし、シリコンは
相対的に高価な材料であり、さらに、バイオセンサのよ
うな或る種のタイプのセンサの場合、廃棄処分までにバ
イオセンサが１回しか使用できないため、使用後のセン
サの廃棄性が特に重要な問題となる。基板材料としてシ
リコンが使用される場合、使用済みバイオセンサの廃棄
処分はさらに厄介な問題となる。
【０００３】加えて、アレイ・サイズの増大と共に、シ
リコン基板上でのトランジスタ・アレイの製造に関連す
る難点が著しく増加することが知られている。このた
め、いずれの所定サイズのアレイの場合にもシリコン基
板を用いる高密度のデバイスが使用される傾向がある。
バイオセンサの場合この高い記録密度こそが問題となる
場合がある。というのは、多くのアプリケーションで
は、アレイを一体化したマイクロエレクトロニック・チ
ップのアクティブ部分がウェット環境で作動しなければ
ならないという要件があるからである。
【０００４】バイオセンサなどの多くの形の化学センサ
が提案されている。１つのタイプのマルチバイオセンサ
では、ソース・フォロワ回路として機能する４つの金属
酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）と組み合
わされた４つのイオン感応電界効果トランジスタ（ＩＳ
ＦＥＴ）から成るアレイ形のｐＨセンサが具備されてい
る。しかし、ＩＳＦＥＴ間で十分な絶縁を行うために、
提案されたアレイではサイズが相対的に嵩張ったものと
なる。さらに、ＩＳＦＥＴはトランジスタの１つの形で
あり、このようなデバイスを検査対象溶剤から絶縁する
際少なからぬ問題が生じる。この絶縁という問題を多少
とも解決するために、サファイア基板上に支持されたい
くつかの別々の領域の形でシリコン層上にＩＳＦＥＴと
ＭＯＳＦＥＴとを製造する方法が提案されている。サフ
ァイアが、その優れた電気絶縁特性のために基板材料と
して使用された。次いでＩＳＦＥＴゲート表面に保護膜
が形成され、検査対象化合物にそれぞれ感応する膜がそ
の後に続く。このように形成された個々のセンサはｐＨ
センサとして機能し、尿素、グルコース及びカリウムの
検出を行うために使用することも可能である。しかし、
上述のように、このセンサ・アレイはサイズが比較的大
きく、４センサ・アレイの場合ほぼ幅２ｍｍ、長さ６ｍ
ｍのサイズであった。さらに、サファイア基板は、或る
一定サイズまでしかアレイの製造には使用できず、アレ
イ・サイズが大きくなると共に、シリコン使用によるア
レイ製造に関連する問題が大幅に増えることは周知の事
実である。さらに、シリコン基板材料、及び、特にサフ
ァイアから成る基板材料は相対的に高価であるため、上
記タイプの化学センサは製造コストが非常に高いものと
なる。多くのタイプのセンサが廃棄処分までに１回しか
使用できないことを考え合わせると、このコストという
側面は特に厄介な問題である。さらに、これらの材料は
容易に廃棄できないため、使用後の廃棄処分に関して環
境上重大な問題を生じることになる。
【０００５】最近、ＤＮＡ分析用バイオセンサ・アレイ
として、サブミクロンＣＭＯＳ技術の利用が提案され
た。この技術によって、数平方ミリメートルオーダーの
サイズの基板上に約１０００個のセンサ・セルから成る
アレイの製造が可能となった。しかし、ＣＭＯＳデバイ
スはシリコン基板上に製造されるため、提案されたアレ
イは高い記録密度を持つことになる。ウェットな動作環
境からアクティブＣＭＯＳデバイスを絶縁するために、
２つの重ね合わされ、密閉封止されたプリント配線間に
配設されるキャビティ形の専用の統合型反応検査用チャ
ンバ（integratedreaction test chamber）が設けられ
る。分析対象ＤＮＡ材料は加熱によってその２本鎖に分
離され、次いで、生化学的処理を用いて蛍光分子により
標識がつけられる。次いで、ＤＮＡ鎖を含む検体がチッ
プと接触して配置される。１本のＤＮＡ鎖が、センサの
電極上に設けられた標的（target）の配列に一致する配
列を有する場合、ハイブリダイゼーション(hybridizati
on)が生じ、チップの適切な電極上へのＤＮＡサンプル
の物理的局在（localization）が結果として生じる。次
いで、チップはリンスされ、ＣＣＤカメラでセンサが読
み取られる。ＤＮＡ鎖は蛍光分子によって標識がつけら
れているため、デバイスの電極上の相対的輝度によって
結合（bonding）の発生個所が示される。ウェット・チ
ップ・コンセプト（wet-chip concept）を高い信頼性で
伝えるための材料の互換性、製造及び包装が、このよう
なデバイスの適用性に関する重要な問題点として認識さ
れている。これらの問題点は、シリコン基板材料上に高
い記録密度を達成しなければならないという要件によっ
て折衷的解決を図ることができる。また、上記説明から
明らかなように、このようなバイオセンサは相対的に製
造コストが高いものとなる。
【０００６】薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、ソーダガ
ラスやプラスチックなどの比較的安い非シリコン基板を
使用できるため相対的に製造コストが安くなる。相対的
に廃棄処分が可能な材料であるため、プラスチック基板
の利用により付加的利点を付与することができる。さら
に、ＴＦＴは、広い面積のアレイとして容易に製造する
ことが可能であり、このような技術は、例えばアクティ
ブ・マトリックス型液晶表示装置の製造などにおいて産
業の中ですでに広く利用されている。したがってその製
造工程は十分に証明されたものであり、特にシリコン基
板デバイスと比較して、相対的に低いコストで高い歩留
まりの動作可能なデバイスを高い信頼性で得ることがで
きる。シリコン基板から入手可能なアレイよりも広い面
積のアレイを高い信頼性で製造できることを考慮する
と、これらの利点はさらに高まる。このような広い面積
のアレイ用としてシリコン・ウェーハ基板を使用するこ
とには非常に大きな問題があると考えられている。その
理由として、必然的に採用しなければならない基板材料
自体と半導体製造技術とに起因して、アレイの製造がま
すます困難となりかつコストが高くなるということが挙
げられる。
【０００７】ある種の物質を検知するためにこのような
デバイスを使用する際そのデバイスの性能と関連して欠
点も存在する。ＭＯＳＦＥＴには、ドープされたシリコ
ン基板上に支持されたシリコン二酸化物（ＳｉＯ２）か
ら成る比較的薄い層が一般に含まれる。このＳｉＯ２層
は層の厚さに逆比例する固有静電容量を有する。約１０
０ｎｍの典型的厚さでＳｉＯ２層を設ける場合、デバイ
スから静電容量性信号のかなりの損失が生じる。この損
失はＳｉＯ２層の固有静電容量に起因するものである。
非常に薄い層としてＳｉＯ２層を設けて信号出力の改善
を図る場合、使用中デバイスが非常に不安定になる。検
知用電極を非常に小型にすればこれらの設計上の矛盾の
軽減が可能となる。しかし、検知用電極は、同定対象物
質を受容するために使用するものであるため、実際に使
用可能なサイズで検知用電極を製造する必要がある。し
たがってＭＯＳＦＥＴのゲート領域を比較的広くとる必
要があるが、比較的広いゲート領域を設けることによ
り、有限サイズのシリコン基板上に収容できるトランジ
スタの記録密度が大幅に減少し、この減少が今度はセン
サ・アレイ内に収容できるセンサ・セルの数を減らすこ
とになるという点で、化学センサ用としてのシリコント
ランジスタの利用に関わる基本的な製造上の問題が生じ
ることになる。
【０００８】特に化学センサやバイオセンサの場合、非
常に高い記録密度を達成する必要性がデバイス設計時の
支配的要因とはならないので、比較的安い価格で広い面
積のアレイとして容易にＴＦＴの製造が可能であること
は、従来使用されているシリコンデバイスと比較して著
しい利点を示す。したがって、同定対象サンプルを受容
するアレイの各センサ・セルに関連する領域は、必要な
場合アクティブな半導体の構成要素の在る場所から移す
ことが可能となり、現行のシリコン基板デバイスに関し
て存在する絶縁という問題が多少とも解決される。さら
に、同定対象サンプルを受容する検知領域（ＤＮＡセン
サ用電極の形をしたものであってもよい）は、比較的広
いサイズのものにすることが可能となり、検知領域が拡
大され、性能の改善が図られる。さらに、これらのデバ
イスを使用している現在の多くのアプリケーションで見
られる充填密度からＴＦＴの充填密度を減らすことが可
能となり、完全に機能するデバイスの歩留まりの上昇を
既存の製造工程から得ることができるという点で、この
拡大された検知領域の利用によって別の利点が付与され
ることになる。
【０００９】ＴＦＴはシリコン基板トランジスタより低
い移動度を示すことが知られており、バイオセンサの特
別の利点である広い面積のアレイから成るトランジスタ
・デバイスとしてＴＦＴを製造する場合、ＴＦＴはアレ
イ内のトランジスタ間での伝達特性の変動を示す可能性
がある。アレイ・サイズが大きくなるにつれてこれらの
変動は顕著になり、特に、１つのサンプルの同定を行う
ために一般に非常に多数のサンプルの分析が必要なＤＮ
Ａバイオセンサの場合、広い面積のアレイはサンプル分
析に必要な時間の低減に非常に意義のある利点となる。
【００１０】それ故、電極と、同定対象サンプルとの間
で生じる静電容量を測定手法として利用する場合、ＴＦ
Ｔの性能の変動性と関連する潜在的欠点が解決され、セ
ンサ・セルから成る広い面積のアレイの形の化学センサ
用アクティブ・デバイスとしてこのようなデバイスを容
易に使用可能とすることが本発明の好適な形態としてさ
らに理解される。
【００１１】化学センサ用としてＴＦＴを使用すること
により、シリコン基板デバイスの使用に優るコスト上の
利点が得られるのみならず、改善された検知領域を持つ
広い面積のアレイの製造能力も得られることになる。さ
らに、改善された廃棄性という有意義な付加的利点も生
じる。この利点は、上述のように、このようなデバイス
が廃棄処分までに１回しか使用されない可能性があると
いう理由で、バイオセンサ・デバイスや化学センサ・デ
バイスにとって特に重要な利点である。
【００１２】したがって、薄膜トランジスタを使用する
改善されたセンサ・セルを提供することが本発明の目的
である。さらに、同定対象サンプルを受容する電極から
生じる電極での静電容量の検出を測定手法として利用す
ること、さらに、薄膜トランジスタの動作を制御するた
めにこの静電容量を利用することが本発明の目的であ
る。
【００１３】本発明の第１の態様によれば、薄膜トラン
ジスタと、薄膜トランジスタのゲート電極と結合され
た、同定対象サンプルの受容手段とを具備するセンサ・
セルとが提供される。
【００１４】好適な構成では、上記センサ・セルは基準
コンデンサを具備し、サンプル用電極と基準コンデンサ
とは薄膜トランジスタのゲート電極と結合された静電容
量分割回路(capacitance divider circuit)として構成
され、この分割回路は、サンプル用電極で生じた静電容
量の値に従ってゲート電極へ出力される電圧パルスの振
幅の制御用として設けられる。
【００１５】センサ・セルの好適な構造では、基準コン
デンサは、ゲート電極と、絶縁体層によってこのゲート
電極から分離された、ゲート電極の下に在る埋込み領域
とを具備する。
【００１６】好適には、上記受容手段がサンプル用電極
を具備し、同定対象サンプルのサンプル用電極による受
容に応じてサンプル用電極において生じる静電容量値に
従って薄膜トランジスタの動作を制御するように構成さ
れることが望ましい。
【００１７】代替の構成では、センサ・セルは、導通状
態と非導通状態との間で切替えを行うスイッチング・ト
ランジスタを具備し、さらに、薄膜トランジスタにはゲ
ート電極が含まれ、スイッチング・トランジスタが非導
通状態へ切り替えられた場合、導通状態でスイッチング
・トランジスタによってゲート電極へ出力される電圧の
大きさが、サンプル用電極において生じる静電容量の値
に従って小さくなるように構成される。
【００１８】好適には、本発明のこの第１の態様では、
センサ・セルが、導通状態と非導通状態との間でスイッ
チング・トランジスタを切り替えるための選択用パルス
を出力する選択用ラインと、薄膜トランジスタのゲート
電極へ電圧を供給する書込み用ラインと、読出し(read)
電圧を薄膜トランジスタへ供給する読出し用ラインとを
有し、選択用パルスをスイッチング・トランジスタへ出
力することにより書込みサイクルが可能になり、この書
込みサイクルによってスイッチング・トランジスタを導
通状態へ切り替えて、薄膜トランジスタの制御ゲートへ
の電圧を供給可能とし、その場合、選択用パルスを終了
させることにより読出しサイクルが可能になり、この読
出しサイクルによってスイッチング・トランジスタの非
導通状態への切替えを行うことにより、薄膜トランジス
タのゲート電極における電圧の大きさが変化し、この変
化によって薄膜トランジスタが非導通状態へ切り替えら
れ、薄膜トランジスタからの出力信号の供給を終了させ
るように構成されることが望ましい。選択用パルスの終
了と、非導通状態への薄膜トランジスタの切替えとの間
で要する時間はサンプル用電極における静電容量の値に
依って決定される。
【００１９】好適には、センサ・セルは、フィルム・ト
ランジスタの中を流れるプリセットレベルの電流を供給
する定電流源を含む閾値電圧補償回路(threshold volta
ge compensation)と、この定電流源を薄膜トランジスタ
と選択的に結合するスイッチ手段とを含むことができる
ことが望ましい。
【００２０】最も好適には、センサ・セルが薄膜トラン
ジスタと結合された追加のトランジスタを具備し、電圧
パルスが薄膜トランジスタのゲート電極へ出力され、定
電流源が薄膜トランジスタから切断されたとき、薄膜ト
ランジスタからの出力電流の大きさが、定電流源によっ
て決定された第１のレベルから、サンプル用電極におい
て生じる静電容量の値に従う第２のレベルへ変化するよ
うに構成されることが望ましい。
【００２１】好適には、薄膜トランジスタとオーバーラ
ップしない位置に上記受容手段が構成され、薄膜トラン
ジスタのゲート領域を覆わない位置で受容手段がサンプ
ルを受容するような構成となることが望ましい。
【００２２】好適には、センサ・セルがプラスチック基
板上に製造されることが望ましい。本発明の第２の態様
によれば、本発明の第１の態様に従うセンサ・セルの行
と列とから成るアレイを具備するセンサが提供される。
【００２３】本発明の第３の態様によれば、薄膜トラン
ジスタと、サンプルを受容するサンプル用電極とを含む
センサ・セルを設けるステップと、サンプル用電極によ
るサンプル受容からサンプル用電極において生じる静電
容量の値に従って薄膜トランジスタの動作を制御するス
テップとを有するサンプルの同定方法が提供される。
【００２４】好適には、上記同定方法は、基準コンデン
サを設けるステップと、薄膜トランジスタのゲート電極
と結合された静電容量分割回路としてこの基準コンデン
サとサンプル用電極とを構成するステップと、サンプル
用電極において生じる静電容量の値に従ってゲート電極
へ出力される電圧パルスの振幅を制御するステップとを
有することが望ましい。
【００２５】好適には、本発明の上記第２の態様では、
上記方法は、導通状態と非導通状態との間の切替えを行
うスイッチング・トランジスタとサンプル用電極とを結
合するステップと、スイッチング・トランジスタを導通
状態にして薄膜トランジスタのゲート電極へ電圧を供給
するステップと、サンプル用電極をスイッチング・トラ
ンジスタと結合し、それによって、スイッチング・トラ
ンジスタが非導通状態へ切り替えられたとき、薄膜トラ
ンジスタのゲート電極へ供給される電圧の大きさがサン
プル用電極において生じる静電容量の値に従って変化す
るステップを有することが望ましい。
【００２６】好適には、選択用ラインからスイッチング
・トランジスタへ選択用パルスを出力することにより非
導通状態と導通状態との間でスイッチング・トランジス
タが切り替えられ、薄膜トランジスタのゲート電極へ電
圧を供給するための書込み用ラインと、薄膜トランジス
タへ読出し電圧を供給するための読出し用ラインとが設
けられ、スイッチング・トランジスタへ選択用パルスを
出力することにより書込みサイクルを可能にし、この書
込みサイクルによってスイッチング・トランジスタを導
通状態へ切り替え、この切替えによって、薄膜トランジ
スタの制御ゲートへ電圧を出力し、さらに、選択用パル
スを終了させることにより読出しサイクルを可能にし、
この読出しサイクルによってスイッチング・トランジス
タを非導通状態へ切り替え、この切替えにより、薄膜ト
ランジスタのゲート電極における電圧の大きさを変化さ
せ、その変化によって薄膜トランジスタを非導通状態へ
切り替え、薄膜トランジスタからの出力信号を終了さ
せ、選択用パルスの終了と、非導通状態への薄膜トラン
ジスタの切替えとの間で要する時間がサンプル用電極に
おける静電容量の値に依って決定されることが望まし
い。
【００２７】最も好適には、上記方法がプラスチック基
板上に薄膜トランジスタを設けるステップを有すること
が望ましい。
【００２８】好適には、上記方法が、追加のトランジス
タを薄膜トランジスタと結合し、薄膜トランジスタのゲ
ート電極へ電圧パルスを出力し、定電流源を薄膜トラン
ジスタから切断し、それにより、定電流源によって決定
された所定の第１のレベルから、サンプル用電極におい
て生じる静電容量の値に従って決定される第２のレベル
へ、薄膜トランジスタから得られる出力電流の大きさを
変えるステップも有することが望ましい。
【００２９】本発明の第４の態様によれば、本発明の第
１の態様に従うセンサ・セルを具備するバイオセンサま
たは本発明の第２の態様に従うセンサが提供される。
【００３０】本発明の第５の態様によれば、本発明の第
１の態様に従うセンサ・セルまたは本発明の第２の態様
に従うセンサを具備する指紋認識装置が提供される。
【００３１】本発明の第６の態様によれば、本発明の第
３の態様に従うバイオセンサまたは指紋認識装置の操作
方法が提供される。
【００３２】図１を参照すると、化学センサなどのセン
サ２は、行６、６ａ...６ｎと列８、８ａ...８ｎとで配
設されるセンサ・セル４ａ、４ｂ...４ｎから成るアレ
イを具備する。各センサ・セル４ａには薄膜トランジス
タ(TFT)Ｔ１、電極１０、さらなるトランジスタＴ６と
基準コンデンサＣｒとが含まれる。またセンサ２には、
列プリセット・レジスタ１２と、行選択レジスタ１４
と、列選択レジスタ１６と、以下に説明する作動も含ま
れる。別の列選択レジスタ２２の制御の下で作動する多
重化／増幅回路２０が、センサ・セルからの出力信号の
増幅と多重化とを行うために設けられ、出力ライン２４
でセンサ・アレイから出力信号が出力される。図１で
は、電極１０は指先を受ける平板電極として示されてい
るが、同様に電極１０は溶液中の電極を含むことも可能
である。アレイのセンサ・セルの各々には図１に図示の
センサ・セル４ａとして構成される回路が含まれる。
【００３３】図１に図示のセンサは定常状態検出モード
で作動し、トランジスタＴ１のゲート電極２６の電圧
は、基準コンデンサＣｒの値と組み合わされた、同定対
象サンプルを受容する電極１０から結果として生じる電
極１０（図１にコンデンサ記号Ｃｓで示す）で生じる静
電容量の値によって決定される。
【００３４】サイクルの開始時に、例えば列８などの列
内のセンサ・セルは、列プリセット・レジスタ１２から
の電圧をプリセット用ライン２８に印加することにより
予め設定される。各セルのトランジスタＴ６はＯＮにな
り、バイアス電圧ＶｐがトランジスタＴ１のゲート電極
２６に印加される。トランジスタＴ１がその特性曲線の
所定の動作点にセットされるようにこのバイアス電圧Ｖ
ｐは出力され、非導通状態から導通状態への切替え準備
ができる。また、以下に説明するように後続パルスがゲ
ート電極２６に印加されたとき、ゲート電極２６の電圧
があるレベルまで上昇しないことが上記切替えによって
保証される。そのようなレベルとはトランジスタＴ１を
通すことができないような高すぎる電流レベルであり、
おそらくトランジスタＴ１を破壊することになるような
レベルの電流である。
【００３５】行選択レジスタ１４の使用により、行選択
用パルスがライン３０で基準コンデンサＣｒを介してノ
ードＮへ出力される。列選択レジスタ１６の使用によ
り、列選択用パルスがライン３２で供給される。行選択
用パルスと列選択用パルスとは任意の時点に１つの行と
１つの列に対してしか出力されないので、図１のセンサ
・セル４ａなどの単一セルの選択が可能になる。例え
ば、同定の対象とする指紋を持つ指先をセンサ４ａが受
けると仮定する。電極１０が指先の一部を受容し、列８
ａ内のすぐ近くに隣接するセンサ・セル４ｂの電極１０
ａがその指先の隣接部分を受容する。指先の表面が電極
１０と１０ａとの協働電極として機能するため、指先と
電極１０と１０ａの各々との間の静電容量の値（図１に
Ｃｓとして示す）の読出しが可能となる。静電容量Ｃｓ
とＣｒとがＡＣ分割器を実質的につくりだすため、セン
サ・セル４ａがライン３０で行選択用パルスを受信した
とき、基準静電容量Ｃｒの値と、電極１０に接した指先
から生じる静電容量の値Ｃｓとに従ってノードＮにおけ
る電圧の大きさが変動する。
【００３６】上述のように、ゲート電極２６に対する電
圧Ｖｐの印加によってほとんど導通点までトランジスタ
Ｔ１にバイアスがかけられる。したがって、ライン３０
に対する行選択用パルスの印加と、ライン３２に対する
列選択用パルスの印加とによってセンサ・セル４ａが選
択された場合、ノードＰにおける初期値Ｖｐの電圧の大
きさは静電容量の相対値ＣｓとＣｒとによって決定され
る値まで上昇する。Ｃ ｒが固定値コンデンサであるた
め、この電圧の値は静電容量の値Ｃｓに比例するものに
なる。この当然の結果としてトランジスタＴ１から得ら
れる出力電流の値は静電容量の値Ｃｓに比例することに
なる。したがって、薄膜トランジスタＴ１は、同定対象
サンプル（指先の指紋の一部）のサンプル用電極による
受容の結果生じる、サンプル用電極１０で生じる静電容
量の値に従って制御されることになる。
【００３７】出力ライン３４の電流は多重化／増幅回路
２０へ送出される。多重化／増幅回路２０では、ライン
３２の列選択信号と同時に、第２の列選択レジスタ２２
からの選択信号がトランジスタＴ１に対して与えられ
る。バイアス電圧ＶｂｉａｓがトランジスタＴ５のゲー
ト電極へ出力される。このようにして、トランジスタＴ
１の適切な選択により、ライン３４の出力電流の出力部
２４上へ増幅と多重化とを行うことが可能となる。同様
に、他のセンサ・セルからの出力電流を出力部２４上へ
多重化することも可能である。
【００３８】センサ２が指紋認識装置を具備している場
合、センサと接触して置かれた指先には、或る一定のサ
ンプル用電極と接触した指紋パターンの山部が生じ、別
のサンプル用電極と接触した指紋パターンの谷部が生じ
る。電極１０によって指紋の山部が受容され、電極１０
ａによって指紋の谷部が受容されたと仮定すると、セン
サ・セル４ａの静電容量の値Ｃｓはセンサ・セル４ｂの
静電容量の値Ｃｓとは異なるものとなる。指紋パターン
の山部または谷部を受容するアレイ内の他のセンサ・セ
ルについても同じことが当てはまる。典型的には、セン
サ４は２００×３００のセンサ・セル・アレイを具備す
ることができる。したがって、行選択レジスタ１４、及
び、列選択レジスタ１６と２２からの信号の適切なタイ
ミングをとることによって、アレイのセンサ・セルを連
続的に走査し、出力部２４に現れるセンサ・セルの多重
化された出力信号を記憶装置へ送出することが可能とな
る。比較器によって、これらのサンプルの格納された値
を参照値と比較することが可能となり、このような比較
の結果、指紋の同定が可能となる。センサ２によって検
知されるような指紋画像の表示を行うための表示部へ出
力部２４の出力信号を送出することもできる。
【００３９】好適には、多重化／増幅回路２０をセンサ
２と一体的に製造することが望ましく、その場合、回路
のトランジスタ（その一部としてトランジスタＴ１〜Ｔ
５を図示）はセンサ２と共通の基板３６上にＴＦＴを具
備するものであってもよい。各センサ・セル用トランジ
スタＴ６はＴＦＴを具備するものであってもよい。基板
３６は任意の適切な支持材料を具有するものであっても
よいが、好適には、センサ２から成るすべてのトランジ
スタをＴＦＴとして製造する場合、基板３６がプラスチ
ック材料を含むことが望ましい。
【００４０】図１に図示の定常状態検出センサを指紋認
識装置と関連して説明したが、ＤＮＡや抗体などの液状
の生体材料の検出や認識を行うバイオセンサとしてこの
定常状態検出センサを利用することも可能である。この
場合、溶液中の物質を受容するいくつかの電極が設けら
れる。この物質から生じる静電容量の値を所定の参照値
と比較して特定物質の同定を行うことが可能となる。
【００４１】図２は本発明に従うセンサ・セルの代替実
施例を示す。図２に図示のセンサ・セルは‘変化検出(t
ransient detection)’モードで作動し、この‘変化検
出’モードで、例えば、同定の対象とするＤＮＡサンプ
ルを受容する電極から生じる静電容量の値によって決定
される時定数を利用してサンプルの同定が行われる。
【００４２】図２に図示のセンサ・セル４では、スイッ
チング・トランジスタＴ７が電極１０と結合され、トラ
ンジスタＴ７と電極１０との間に設けられたノードＰが
薄膜トランジスタのゲート電極Ｔ１と結合される。選択
用ライン４０、書込み用ライン４２及び読出し用ライン
４４が、それぞれ、選択信号Ｖｓｅｌｅｃｔ、プリセッ
ト信号Ｖｐｒｅｓｅｔ及び読出し信号Ｖｒｅａｄを出力
するために設けられる。出力部２４で出力信号を出力す
るために多重化／増幅回路２０が設けられる。
【００４３】液状のＤＮＡサンプルの同定と関連して図
２に図示の回路の動作を説明する。しかし、指紋認識の
場合についても図２に図示の変化検出回路は、図１を参
照して説明した方法と同じ方法で利用可能であると理解
すべきである。指紋検出の場合、図２の参照電極４６は
指先の表面によって構成され、図２の電圧Ｖｒｅｆは指
先の表面に発生する電荷によって出力されることにな
る。
【００４４】動作サイクルの開始時に、双方ともＴＦＴ
を具備することができるトランジスタＴ１とＴ７は非導
通すなわちＯＦＦ状態にある。電極３０は、好適な容器
内で電極として構成され、この容器の中へ液状のＤＮＡ
が入れられる。ＤＮＡは固定化が可能なため電極１０に
より受容され、その結果、静電容量値ＣＡがサンプル用
電極１０と参照電極４６との間に生じる。
【００４５】予め設定されたサイクルが開始され、トラ
ンジスタＴ７のゲート電極へ電圧Ｖ ｓｅｌｅｃｔを印加
することによりスイッチング・トランジスタＴ７が非導
通状態から導通状態へ切り替えられる。同時に、予め設
定された電圧ＶｐｒｅｓｅｔがトランジスタＴ７のソー
ス電極へ供給され、読出し電圧Ｖｒｅａｄがトランジス
タＴ１のソース電極へ印加される。トランジスタＴ７が
ＯＮに切り替えられると、ノードＰにおける電圧が予め
設定された電圧Ｖｐｒｅｓｅｔレベルまで上昇し、ノー
ドＰにおける電圧がトランジスタＴ１の閾値電圧を上回
ると、トランジスタＴ１はＯＮに切り替わり、トランジ
スタＴ１の出力部の電流はノードＰ（トランジスタＴ１
のゲート電極）における電圧の関数となる。
【００４６】次いで、選択電圧Ｖｓｅｌｅｃｔを終了さ
せることにより読出しサイクルが開始され、トランジス
タＴ７は元の非導通すなわちＯＦＦ状態へ切り替えられ
る。トランジスタＴ７がＯＦＦに切り替えられると、ノ
ードＰの電圧はトランジスタＴ７を介する漏洩によって
低下し、この漏洩が生じる速度すなわち時定数は静電容
量値ＣＡに依って決定され、さらに、この静電容量値は
サンプル用電極１０が受容するＤＮＡサンプルの同定量
に依って決定される。ノードＰにおける電圧の大きさが
小さくなるにつれて、薄膜トランジスタＴ１の出力部で
電流の相関的減少が生じ、この電流は多重化／増幅回路
２０へ送出される。ノードＰにおける電圧がトランジス
タＴ１の閾値電圧以下まで低下した場合、トランジスタ
Ｔ１はＯＦＦに切り替わり、多重化／増幅回路２０へ送
出される電流をトランジスタＴ１の中を流れる漏れ電流
のレベルまでさらに低下させる。トランジスタＴ７はデ
ジタル・スイッチング・トランジスタとして使用され、
一方、トランジスタＴ１はアナログ電圧から電流への変
換器として機能することが上記説明から理解される。し
たがって、静電容量値ＣＡに依って決定される電流をト
ランジスタＴ１の出力部でモニターすることにより、電
極１０が受容するサンプルの同定量を決定することが可
能となる。
【００４７】バイオセンサとして使用するために、図２
に図示のようなセンサ・セルの対を設けることができ
る。一対の一方のセルはサンプル用セルとして機能し、
対のもう一方は、反応が生じなかった参照セルとして機
能する。
【００４８】化学センサまたはバイオセンサ（ＤＮＡセ
ンサなど）として図１と図２に図示のセンサ・セルを使
用する場合、同定の対象とする化学材料や生体材料をま
ずセルの中へ書き込み、次いで参照電極上へ書き込む必
要がある。この書込みは、セルの書込みフェーズと考え
ることができ、デバイスの製造時に好適に行われる。イ
ンクジェット・ヘッドを都合よく使用して化学材料や生
体材料の付着を行うことが可能であり、電極に電荷を印
加する電磁付着によって電極上への付着を補助して、電
極の所望の付着個所へ付着物質を引きつけるようにする
ことができる。
【００４９】図３は、薄膜トランジスタＴ１と、電極１
０と、基準コンデンサＣｒとを設けるために利用可能な
半導体構造の実施態様を示す図である。
【００５０】図３のＴＦＴ構造にはポリシリコン４８か
ら成る層が含まれ、このポリシリコン層は好適にはプラ
スチックまたはソーダガラス材料から成る材料であるこ
とが望ましい基板３６によって支持される。ゲート電極
２６は、ポリシリコン層４８上に形成され、シリコン二
酸化物から成る絶縁層５０によってポリシリコン層から
分離される。ゲート電極２６は不動態化層(passivation
layer)５２、５４によって覆われる。
【００５１】絶縁層５０とゲート電極２６とはポリシリ
コン層４８の領域一帯を延在するように構成され、基板
３６上に形成された金属またはドープされたポリシリコ
ンから成る埋込み領域５６を覆う。不動態化層５２、５
４には下方へ延伸する井戸が設けられ、埋込み領域５６
を覆う領域でゲート電極２６の露出が行われる。金、銀
あるいはプラチナを含むものであってもよい電極１０が
下方へ延伸し、ゲート電極２６と接触する井戸の中に形
成される。このようにして、埋込み領域５６とゲート電
極２６との間に基準コンデンサが設けられる。例として
図３では基準コンデンサは点線で示されている。
【００５２】また、図３に図示の構造はＴＦＴを一体化
したものであって、シリコン基板トランジスタを一体化
したものではないため、高価なシリコン基板材料上に最
大の記録密度を達成する必要性と矛盾することなく、Ｔ
ＦＴとオーバーラップしないように電極１０の配置を行
うことが可能である。その結果ＴＦＴのゲート領域を覆
わないように電極１０は構成される。したがって、電極
１０は、デバイス感度の改善を図ることが可能な拡大サ
イズの電極とすることが可能となり、さらに電極におい
て生じるウェット環境からＴＦＴを絶縁するために必要
な封入容器をより容易に、かつ、より高い信頼性で製造
することが可能となる。なぜなら、デバイスの高い記録
密度を高価な基板上に達成しなければならないという要
件が存在しないからである。
【００５３】薄膜トランジスタＴ１と、電極１０と、基
準コンデンサＣｒとを一体化したコンパクトな構成がこ
の構造によって与えられることが図３から解る。この結
果、図１の定常状態検出センサ・セルの中にこの構造を
一体化することが可能となる。同定対象サンプルが電極
１０によって受容されると、電極１０とサンプルとの間
に生じる図３に図示の静電容量の値Ｃｓは、必須の基準
コンデンサＣｒと組み合わされて、図１を参照して説明
した静電容量分割回路が形成される。この分割回路によ
ってＴＦＴの動作が制御される。
【００５４】図２に図示の変化検出センサ・セルの場
合、基準コンデンサが不要なため、埋込み領域５６を省
くことができる。
【００５５】上述のように、ポリシリコンＴＦＴに関す
る１つの問題点として閾値電圧の変動がある。この変動
を補償し、ＴＦＴからの出力に匹敵する出力を広い面積
の基板にわたって供給するセンサ・セルの代替回路が図
４に例示されている。
【００５６】図４のセンサ・セルでは、薄膜トランジス
タＴ１はスイッチＳを介して定電流源Ｉｓｏｕｒｃｅま
たは出力ラインのいずれかと結合される。スイッチング
・トランジスタとして作動する追加トランジスタＴ８
が、薄膜トランジスタＴ１のゲートとドレーン電極との
間で接続され、基準コンデンサＣｒがトランジスタＴ１
のゲートとソース電極との間で接続される。同定対象サ
ンプルを受容する電極（図４には図示せず）もトランジ
スタＴ１のゲート電極と結合される。したがって、図１
を参照して説明した方法と同様の方法で、サンプル静電
容量Ｃｓによって、基準コンデンサＣｒを備えた静電容
量分割器が形成される。
【００５７】トランジスタＴ８がＯＮになると、トラン
ジスタＴ１の、ゲートからソースへの電圧ＶＧＳと、ド
レーンからソースへの電圧ＶＤＳとは等しくなる。この
ような条件の下で、トランジスタＴ１の動作特性は図５
に示すように単純化される。スイッチＳが位置“１”に
あるとき、定電流源Ｉｓｏｕｒｃｅからの電流がトラン
ジスタＴ１を介して引かれ、トランジスタＴ１の両端に
わたる電圧降下ＶＤＳ ｒｅｆという結果が生じる。トラ
ンジスタＴ８がＯＮになっている（したがってトランジ
スタＴ１の場合ＶＧＳはＶＤＳに等しい）ため、トラン
ジスタＴ１の両端にわたって生じる電圧降下Ｖ
ＤＳｒｅｆは基準コンデンサＣｒの中に蓄えられる。
【００５８】薄膜トランジスタＴ１における閾値変動
は、図６に図示のように、（ＶＧＳがＶＤＳに等しい場
合）トランジスタＴ１の単純化された動作特性曲線のシ
フトという結果を生じる可能性もある。トランジスタＴ
１の中を流れる電流の値は定電流源、Ｉｓｏｕｒｃｅか
ら供給されているので一定である。したがっていずれの
閾値変動の場合にも、トランジスタＴ１の電源とドレー
ン電極との間で生じる電圧降下ＶＤＳｒｅｆの変化とい
う結果を生じることになる。電圧ＶＤＳｒｅｆは基準コ
ンデンサＣｒの中に蓄えられる。したがって、トランジ
スタＴ１のゲート電極とソース電極との間の電圧ＶＧＳ
はこの値に予め充電される。このようにして、トランジ
スタＴ１はその特性曲線の所定の動作点にプリセットさ
れる。
【００５９】次に、スイッチＳは位置“２”へ動かさ
れ、Ｔ８がＯＦＦに切り替えられた場合、出力ラインの
電流Ｉｏｕｔは、ノードＰにおける電圧によって支配さ
れるので、最初、定電流源Ｉｓｏｕｒｃｅからの電流に
等しくなるが、次いで、基準コンデンサＣｒに格納され
た電圧によって支配される。次いで電圧源Ｖｒｅｆがパ
ルス出力を行った場合、ノードＰにおける電圧が上昇
し、電圧Ｖｒｅｆに応じてパルスが出力される。出力ラ
インの電流ＩｏｕｔもノードＰの電圧の上昇に応じてパ
ルスを出力する。
【００６０】基準コンデンサＣｒと静電容量Ｃｓとによ
って容量分割器が形成されるため、電圧源Ｖｒｅｆがパ
ルスを出力する場合のノードＰにおける電圧の上昇はＣ
ｒとＣｓの相対的静電容量値によって決定される。定電
流源Ｉｓｏｕｒｃｅからの電流に等しい出力電流の初期
値からの出力電流Ｉｏｕｔの上昇を測定して、サンプル
用電極が受容したサンプルを示す静電容量の値Ｃｓの定
量化を行うことができる。
【００６１】基板３６上の薄膜トランジスタのような半
導体素子によるスイッチ手段によってスイッチＳを設け
てもよいことが理解できる。
【００６２】図７は、このセンサをｐＨセンサとして使
用できる本発明の別の実施例を例示する。図７に図示の
構造は図３に図示の構造と非常に類似しているため、可
能なかぎり同様の参照番号を用いてこの構造の同様部分
を示すことにする。
【００６３】図７に図示の構造では、不動態化層５２に
井戸５８が設けられ、ゲート電極２６の露出が行われ
る。不動態化層５４が、不動態化層５２とゲート電極２
６上にわたって延在する連続層として井戸５８の中へ設
けられ、ゲート電極上にわたって、不動態化材料６０か
ら成る比較的薄い層が設けられる。尿素やグルコースな
どの溶液の形で同定が行われる対象サンプルが井戸５８
の中へ入れられ、層６０と接触して、溶液中のイオンが
層６０に近づき、図７で＋記号によって示されるプロト
ンが層６０の表面６２に吸収される。層６０は非常に薄
いので、この電荷はゲート電極６０へ移動し、その結
果、ゲート電極２６、ポリシリコン領域４８及びシリコ
ン二酸化物層５０によって構成されるＴＦＴトランジス
タの動作を制御する電圧が出力される。表面６２上への
イオンの吸着によって層６０の中につくり出された電荷
は井戸５８の中へ付着した溶液のｐＨに関連する。した
がって、ＴＦＴからの出力をモニターすることにより、
溶液中の物質の同定を行うことが可能となる。
【００６４】上記の説明は単なる例として行われたもの
であり、本発明の範囲から逸脱することなく修正を行う
ことが可能であることは当業者が理解するところであろ
う。
【００６５】例として、液状の化学材料や生体材料の検
出と関連してセンサ・セルについて説明を行った。しか
し、センサ・セルを利用して気体などの液体以外の流体
を分析することも可能であると理解すべきである。
【００６６】さらに、特定の化学材料や生体材料サンプ
ルの分析に使用する１つのセンサ・セルと関連して本発
明を説明した。しかし、ＴＦＴは、シリコン基板デバイ
スと比較して、高い信頼性で、非常に広い面積のアレイ
に製造することができるので、センサを構成するセンサ
・セルの行列に、参照電極上へ書き込まれた特定のＤＮ
Ａ列を各々が持ついくつかのセンサ・セルを設けること
ができる。アレイの両端にわたって離間して配置された
関係でこのようなセルが設けられている場合、参照電極
上へ書き込まれる、ＤＮＡ列などの共通の対照標準物質
を持つこれらのセンサ・セルから得られる出力信号が適
切な回路構成によって平均化され、高い分析精度を生む
ことが可能となる。ＴＦＴを用いてこの分析回路構成を
基板上に製造してもよい。このようにして、本質的に、
各々が共通のＤＮＡ文字列を同定するように構成される
いくつかの‘複製’センサ・セルをセンサに設けること
が可能となる。ＴＦＴを利用して以上のことが可能とな
るのは、非常に多数のセンサ・セルを非常に広い面積の
アレイの中に一体化することが可能であるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に従うセンサを例示す
る。
【図２】本発明の第２の実施例に従うセンサを例示す
る。
【図３】図１に図示のセンサで利用するセンサ・セルの
構造を例示する。
【図４】図１に図示のセンサで使用する閾値電圧の変動
を含むセンサ・セルを例示する。
【図５】図４に図示のセンサ・セルの薄膜トランジスタ
の単純化された動作特性を例示する。
【図６】薄膜トランジスタの閾値電圧が変動する、図５
に図示の単純化された動作特性の変動を例示する。
【図７】本発明に従うｐＨセンサとして使用されるセン
サ・セルの代替構造を例示する。
フロントページの続き (72)発明者 ネイサン バビッジ イギリス ケンブリッジ ＣＢ２ １ＳＪ ８ｃ キングス パレード エプソンケ ンブリッジ研究所内 (72)発明者 クリストファー ロウ イギリス ケンブリッジ ＣＢ２ １ＳＪ ８ｃ キングス パレード エプソンケ ンブリッジ研究所内 Ｆターム(参考） 5F110 BB09 CC01 DD01 DD02 EE09 FF02 GG02 GG13 NN72

Claims (47)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 薄膜トランジスタと、同定対象サンプル
    を受容するための、前記薄膜トランジスタのゲート電極
    と結合された受容手段とを有するセンサ・セル。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のセンサ・セルにおい
    て、前記受容手段がサンプル用電極を具備し、前記同定
    対象サンプルの前記サンプル用電極による受容に応じて
    前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従っ
    て、前記薄膜トランジスタの動作を制御するように構成
    されることを特徴とするセンサ・セル。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のセンサ・セルであっ
    て、基準コンデンサを有するセンサ・セルにおいて、前
    記サンプル用電極において生じる前記静電容量の値に従
    って、前記ゲート電極に対して出力される電圧パルスの
    振幅を制御するための、前記薄膜トランジスタのゲート
    電極と結合された静電容量分割回路として前記サンプル
    用電極と前記基準コンデンサとが構成されることを特徴
    とするセンサ・セル。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のセンサ・セルにおい
    て、前記基準コンデンサが、前記ゲート電極と、前記ゲ
    ート電極と接触して延在する金属層の下にあって、絶縁
    体層によって前記金属層から分離された埋込み領域とを
    有することを特徴とするセンサ・セル。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載のセンサ・セルにおい
    て、前記埋込み領域が金属またはドープされたポリシリ
    コンを含むことを特徴とするセンサ・セル。
  6. 【請求項６】 請求項３乃至５のいずれか１項に記載の
    センサ・セルにおいて、さらなるトランジスタへ出力さ
    れる選択用パルスに応じて前記薄膜トランジスタのゲー
    ト電極へ前記電圧パルスを出力するためのさらなるトラ
    ンジスタを具備することを特徴とするセンサ・セル。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載のセンサ・セルにおい
    て、前記さらなるトランジスタが薄膜トランジスタを含
    むことを特徴とするセンサ・セル。
  8. 【請求項８】 請求項２に記載のセンサ・セルにおい
    て、導通状態と非導通状態との間で切替えを行うための
    スイッチング・トランジスタを具備し、前記スイッチン
    グ・トランジスタが前記非導通状態へ切り替えられたと
    き、前記導通状態のスイッチング・トランジスタによっ
    て前記薄膜トランジスタのゲート電極へ供給される電圧
    の大きさが、前記サンプル用電極において生じる静電容
    量の値に従って変化するように構成されることを特徴と
    するセンサ・セル。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載のセンサ・セルにおい
    て、前記導体状態と前記非導通状態との間で前記スイッ
    チング・トランジスタを切り替えるための選択用パルス
    を前記スイッチング・トランジスタのゲート電極へ出力
    するための選択用ラインを具備することを特徴とするセ
    ンサ・セル。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載のセンサ・セルにおい
    て、前記薄膜トランジスタのゲート電極へ電圧を供給す
    るためのプリセット用ラインと、前記薄膜トランジスタ
    へ読出し電圧を供給するための読出し用ライン用とを具
    備し、前記スイッチング・トランジスタへ前記選択用パ
    ルスを出力することによりプリセット・サイクルを可能
    にし、それによって前記スイッチング・トランジスタを
    導通状態へ切り替えて前記薄膜トランジスタのゲート電
    極への前記電圧の供給を可能にし、次いで、前記選択用
    パルスを終了することにより読出しサイクルを可能に
    し、それによって前記スイッチング・トランジスタを前
    記非導通状態へ切り替えることにより、前記薄膜トラン
    ジスタのゲート電極での電圧の大きさが変化し、該変化
    により非導通状態へ前記薄膜トランジスタが切り替えら
    れることを特徴とし、前記選択用パルスの終了と、前記
    薄膜トランジスタの前記非導通状態への切替えとの間で
    要する時間が前記サンプル用電極における静電容量の値
    に依って決定されるように構成されることを特徴とする
    センサ・セル。
  11. 【請求項１１】 請求項３乃至７のいずれか１項に記載
    のセンサ・セルにおいて、前記薄膜トランジスタを介し
    てプリセット・レベルの電流を供給する定電流源を含む
    閾値電圧補償回路と、前記薄膜トランジスタと前記定電
    流源とを選択的に結合するスイッチ手段とを具備するこ
    とを特徴とするセンサ・セル。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載のセンサ・セルにお
    いて、前記薄膜トランジスタと結合された追加のトラン
    ジスタを具備し、前記薄膜トランジスタのゲート電極へ
    前記電圧パルスが出力され、次いで前記定電流源が前記
    薄膜トランジスタから切断されたとき、前記薄膜トラン
    ジスタからの出力電流の大きさが、前記定電流源により
    決定される第１のレベルから、前記サンプル用電極にお
    いて生じる静電容量の値に依って決定される第２のレベ
    ルへ変化するように構成されることを特徴とするセンサ
    ・セル。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載のセンサ・セルにお
    いて、前記薄膜トランジスタからの出力電流の前記第１
    のレベルと前記第２のレベルとの間の変化を決定する手
    段を具備することを特徴とするセンサ・セル。
  14. 【請求項１４】 請求項１１乃至１３のいずれか１項に
    記載のセンサ・セルにおいて、前記スイッチ手段が薄膜
    トランジスタ・スイッチ回路を具備することを特徴とす
    るセンサ・セル。
  15. 【請求項１５】 上記請求項のいずれか１項に記載のセ
    ンサ・セルにおいて、前記受容手段が金、銀あるいはプ
    ラチナを含むことを特徴とするセンサ・セル。
  16. 【請求項１６】 上記請求項のいずれか１項に記載のセ
    ンサ・セルにおいて、前記受容手段が前記薄膜トランジ
    スタとオーバーラップしない位置に設けられ、前記薄膜
    トランジスタのゲート領域を覆わない位置で前記受容手
    段が前記サンプルを受容するように構成されることを特
    徴とするセンサ・セル。
  17. 【請求項１７】 請求項１または２に記載のセンサ・セ
    ルにおいて、前記受容手段が前記薄膜トランジスタを覆
    う不動態化層の中に設けられる井戸部分を具備し、それ
    によって、前記ゲート電極と接触して延在する金属層を
    覆う不動態化材料から成る層が構成されることを特徴と
    し、不動態化材料から成る前記層が或る厚さを有し、そ
    の結果、前記同定対象サンプルの前記井戸部分による受
    容により前記井戸部分において生じる電荷によって、前
    記サンプルを示す電圧が前記薄膜トランジスタのゲート
    電極において生み出されるように為すことを特徴とする
    センサ・セル。
  18. 【請求項１８】 上記請求項のいずれか１項に記載のセ
    ンサ・セルにおいて、プラスチック基板またはガラス基
    板を含むことを特徴とするセンサ・セル。
  19. 【請求項１９】 上記請求項のいずれか１項に記載のセ
    ンサ・セルの行と列とから成るアレイを具備することを
    特徴とするセンサ。
  20. 【請求項２０】 請求項１９に記載のセンサにおいて、
    前記アレイのセンサ・セルの行を選択する行選択レジス
    タと、前記アレイのセンサ・セルの列を選択する列選択
    レジスタとを具備することを特徴とするセンサ。
  21. 【請求項２１】 請求項１９または２０に記載のセンサ
    において、前記センサ・セルからの出力信号を増幅する
    増幅手段を具備することを特徴とするセンサ。
  22. 【請求項２２】 請求項１９乃至２１のいずれか１項に
    記載のセンサにおいて、前記センサ・セルからの出力信
    号を多重化する多重化手段を具備することを特徴とする
    センサ。
  23. 【請求項２３】 請求項１９乃至２２のいずれか１項に
    記載のセンサにおいて、参照サンプルを示す参照値を格
    納する格納手段と、センサ・セルからの出力信号と前記
    参照値とを比較する比較手段と、同定対象サンプルが参
    照サンプルに一致するかどうかを示すように構成される
    表示手段とを具備することを特徴とするセンサ。
  24. 【請求項２４】 請求項１９乃至２３のいずれか１項に
    記載のセンサにおいて、各センサ・セルが参照電極を具
    備し、前記アレイを通じて離間した関係で配置される複
    数の参照電極が共通の対照標準物質を担持するように構
    成され、前記共通の対照標準物質を担持する前記複数の
    参照電極の中の１つを含むセンサ・セルから出力信号を
    受容し、平均化する回路手段をさらに有することを特徴
    とするセンサ。
  25. 【請求項２５】 サンプルを同定する方法において、薄
    膜トランジスタを含むセンサ・セルと、前記サンプルを
    受容する前記薄膜トランジスタのゲート電極と結合され
    た受容手段とを設けるステップを有することを特徴とす
    る方法。
  26. 【請求項２６】 請求項２５に記載の方法において、前
    記受容手段が、前記薄膜トランジスタのゲート領域を覆
    わない位置で前記サンプルを受容するために、前記薄膜
    トランジスタとオーバーラップしない位置に前記受容手
    段を設けるステップを有することを特徴とする方法。
  27. 【請求項２７】 請求項２５または２６に記載の方法で
    あって、サンプル用電極として前記受容手段を設けるス
    テップを有する方法において、前記サンプルのサンプル
    用電極による受容に応じて前記サンプル用電極において
    生じる静電容量の値に従って前記薄膜トランジスタの動
    作が制御されることを特徴とする方法。
  28. 【請求項２８】 請求項２７に記載の方法において、基
    準コンデンサを設け、前記薄膜トランジスタのゲート電
    極と結合された静電容量分割回路として前記基準コンデ
    ンサと前記サンプル用電極とを構成し、前記サンプル用
    電極において生じる前記静電容量の値に従って、前記ゲ
    ート電極へ出力される電圧パルスの振幅を制御するステ
    ップを有することを特徴とする方法。
  29. 【請求項２９】 請求項２８に記載の方法において、前
    記ゲート電極と接触して延在する金属層の下にあって、
    絶縁体層によって前記金属層から分離された埋込み領域
    として前記基準コンデンサを設けるステップを有するこ
    とを特徴とする方法。
  30. 【請求項３０】 請求項２９に記載の方法において、金
    属から成るまたはドープされたポリシリコンから成る領
    域として前記埋込み領域を設けるステップを有すること
    を特徴とする方法。
  31. 【請求項３１】 請求項２８に記載の方法において、さ
    らなるトランジスタを設けるステップと、前記さらなる
    トランジスタに対して選択用パルスを印加することによ
    り、前記ゲート電極へ出力される前記電圧パルスの制御
    を行うステップとを有することを特徴とする方法。
  32. 【請求項３２】 請求項３１に記載の方法において、薄
    膜トランジスタとして前記さらなるトランジスタを設け
    るステップを有することを特徴とする方法。
  33. 【請求項３３】 請求項２７に記載の方法において、導
    通状態と非導通状態との間の切替えを行うためのスイッ
    チング・トランジスタと前記サンプル用電極とを結合す
    るステップと、前記導通状態で前記スイッチング・トラ
    ンジスタが作動して前記薄膜トランジスタのゲート電極
    へ電圧を供給するステップと、前記サンプル用電極を前
    記スイッチング・トランジスタと結合し、それによっ
    て、前記スイッチング・トランジスタが前記非導通状態
    へ切り替えられたとき、前記薄膜トランジスタのゲート
    電極へ供給される電圧の大きさが、前記サンプル用電極
    において生じる静電容量の値に従って変化するステップ
    と、を有することを特徴とする方法。
  34. 【請求項３４】 請求項３３に記載の方法において、選
    択用ラインから前記スイッチング・トランジスタへ選択
    用パルスを出力することにより、前記非導通と前記導通
    状態との間で前記スイッチング・トランジスタを切り替
    えることを特徴とする方法。
  35. 【請求項３５】 請求項３４に記載の方法において、前
    記薄膜トランジスタのゲート電極へ電圧を供給するため
    のプリセット用ラインと、前記薄膜トランジスタへ読出
    し電圧を供給するための読出し用ラインとを設けるステ
    ップとを有し、これによって、前記選択用パルスを前記
    スイッチング・トランジスタへ出力することによりプリ
    セット・サイクルを可能にし、前記プリセット・サイク
    ルによって前記スイッチング・トランジスタを導通状態
    へ切り替えて、前記薄膜トランジスタのゲート電極へ前
    記電圧を供給し、次いで、前記選択用パルスを終了させ
    ることにより読出しサイクルを可能にし、該読出しサイ
    クルによって前記スイッチング・トランジスタを前記非
    導通状態へ切り替え、この切替えにより、前記薄膜トラ
    ンジスタのゲート電極における電圧の大きさが変化し、
    該変化によって前記薄膜トランジスタが非導通状態へ切
    り替えられるようになされることを特徴とし、前記選択
    用パルスの終了と、前記非導通状態への前記薄膜トラン
    ジスタの切替えとの間で要する時間が、前記サンプル用
    電極における静電容量の値に依って決定されることを特
    徴とする方法。
  36. 【請求項３６】 請求項２８乃至３０のいずれか１項に
    記載の方法において、前記薄膜トランジスタの中を流れ
    るプリセットされたレベルの電流を供給する定電流源
    と、前記定電流源を選択的に前記薄膜トランジスタと結
    合するスイッチ手段とを含む閾値電圧補償回路を設ける
    ステップを有することを特徴とする方法。
  37. 【請求項３７】 請求項３６に記載の方法において、追
    加のトランジスタを前記薄膜トランジスタと結合するス
    テップと、前記薄膜トランジスタのゲート電極へ前記電
    圧パルスを出力するステップと、前記薄膜トランジスタ
    から前記定電流源を切断し、該切断によって、前記定電
    流源によって決定された第１のレベルから、前記サンプ
    ル用電極において生じる静電容量の値に依って決定され
    る第２のレベルへ前記薄膜トランジスタからの出力電流
    の大きさを変化させるステップと、を有することを特徴
    とする方法。
  38. 【請求項３８】 請求項２５または２６に記載の方法に
    おいて、前記ゲート電極と接触して延在する金属層を覆
    う不動態化材料から成る層が設けられるように、前記薄
    膜トランジスタを覆う不動態化層の中に構成される井戸
    部分として前記受容手段を設けるステップを有すること
    を特徴とし、不動態化材料から成る前記層が或る厚さを
    有し、その結果、前記同定対象サンプルの前記井戸部分
    による受容により前記井戸部分において生じる電荷によ
    って、前記サンプルを示す電圧が前記薄膜トランジスタ
    のゲート電極において生み出されるように為すことを特
    徴とする方法。
  39. 【請求項３９】 請求項２５乃至３７のいずれか１項に
    記載の方法において、プラスチックまたはガラスから成
    る基板上に前記センサ・セルを製造するステップを有す
    ることを特徴とする方法。
  40. 【請求項４０】 請求項２５乃至３８のいずれか１項に
    記載の方法において、センサ・セルの行と列とから成る
    アレイとして構成される複数のセンサ・セルを設けるス
    テップを有することを特徴とする方法。
  41. 【請求項４１】 請求項４０に記載の方法において、セ
    ンサ・セルの前記行を選択する行選択レジスタを前記ア
    レイに設け、センサ・セルの列を選択する列選択レジス
    タを前記アレイに設けるステップを有することを特徴と
    する方法。
  42. 【請求項４２】 請求項４０または４１に記載の方法に
    おいて、前記センサ・セルからの出力信号を増幅する増
    幅手段を設けるステップを有することを特徴とする方
    法。
  43. 【請求項４３】 請求項４０乃至４２のいずれか１項に
    記載の方法において、前記センサ・セルからの出力信号
    を多重化する多重化手段を設けるステップを有すること
    を特徴とする方法。
  44. 【請求項４４】 請求項１乃至１８のいずれか１項に記
    載のセンサ・セル、または、請求項１９乃至２４のいず
    れか１項に記載のセンサを具備することを特徴とする化
    学センサ。
  45. 【請求項４５】 請求項１乃至１８のいずれか１項に記
    載のセンサ・セル、または、請求項１９乃至２４のいず
    れか１項に記載のセンサを具備することを特徴とする指
    紋認識装置。
  46. 【請求項４６】 請求項２５乃至４３のいずれか１項に
    記載の方法を有するバイオセンサの操作方法。
  47. 【請求項４７】 請求項２５乃至４３のいずれか１項に
    記載の方法を有することを特徴とする指紋認識装置の操
    作方法。
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