JP2006162567A - 物理現象または化学現象の測定方法および測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする。
【選択図】 図1A
Description
図1(A)および(B)は、この発明に係る物理現象または化学現象の測定装置の検出部の基本的な構成を例示し、図2は、それを斜視的に例示している(第1構成例)。
(1)p型Si基板Bを熱酸化し、酸化膜1(SiO2 )を形成する。
(2)その一部分をエッチングし、その部分を選択的に酸化する。その後、その選択的に酸化された部分のSiO2をエッチングし、さらに熱酸化することによりゲート酸化膜を形成する。このゲート酸化膜の膜厚は約500Åである。
(3)その上面の電荷供給調節部3、障壁部5、および電荷転送手段6にそれぞれ対応する部分にリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積させて電極を形成する。この電極の膜厚は約3000Åで、堆積させた後、約1000Å程度熱酸化する。
(4)その後、再びリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積し、電荷転送手段6の上面に電極を形成する。この電極の膜厚は前記電極のそれと同程度に堆積させた後、約1000Å程度熱酸化する。このように酸化することにより、電極同士の絶縁が保たれる。
(5)その後、Si3 N4 (Ta2 O3 またはAl2 O3 でもよい)を700Å程度堆積してセンシング部4を形成する。
(1)初期電位状態
当初は、電荷供給部2の電位は高く(矢印方向が高い)設定されており、センシング部4には電荷は供給されていない。
(2)電荷の供給
電荷供給部2の電位を下げることによって、センシング部4に電荷を供給する。
(3)電荷の蓄積
電荷供給部2の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調節部3によって制限された量の電荷がセンシング部4に蓄積される。
(4)電荷の転送1
障壁部5の電位を上げることによって、センシング部4に蓄積された電荷を電荷転送手段6aに転送する。
(5)電荷の転送2
障壁部5aの電位を上げることによって、電荷転送手段6aに蓄積された電荷を電荷転送手段6bに転送する。
(6)電荷の転送3
障壁部5bの電位を上げることによって、電荷転送手段6bに蓄積された電荷を電荷転送手段6cに転送する。
(7)電荷の転送4
障壁部5cの電位を上げることによって、電荷転送手段6cに蓄積された電荷を電荷転送手段6dに転送する。
(8)電荷の転送5
障壁部5dの電位を上げることによって、電荷転送手段6dに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン7に転送する。
(9)電荷の測定
センシング部4の電荷が全てフローティングディフュージョン7に転送されてから障壁部5dの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン7の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をMOS構造の出力トランジスタ10のゲート部に入力し、この出力トランジスタ10のドレイン電流を測定する。
(10)リセット
フローティングディフュージョン7の電位を読み取った後、リセットゲート8をオンにしてリセットドレイン9から電荷を供出し、フローティングディフュージョン7の電位をリセットドレイン9の電位にリセットする。
(11)検出サイクル
上記のリセットにより、再び(1)と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、(1)〜(10)の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部4での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
(1)初期電位状態
当初は、電荷供給部2の電位は低く、電荷供給調節部3の電位はそれ以下に設定されており、センシング部4には電荷は供給されていない。
(2)電荷の供給
電荷供給調節部3の電位を、電荷供給部2の電位以上に上げることによって、センシング部4に電荷を供給する。
(3)電荷の蓄積
電荷供給調節部3の電位を(1)の状態にまで下げることによって、供給された電荷がセンシング部4に蓄積される。
(4−1〜5)電荷の転送1〜5
上記と同様、障壁部5a〜5dの電位を上げることによって、センシング部4に蓄積された電荷を、電荷転送手段6a〜6dを介してフローティングディフュージョン7に転送する。
(5)電荷の測定
センシング部4の電荷が全てフローティングディフュージョン7に転送されてから障壁部5dの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン7の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をMOS構造の出力トランジスタ10のゲート部に入力し、この出力トランジスタ10のドレイン電流を測定する。
(6)リセット
フローティングディフュージョン7の電位を読み取った後、リセットゲート8をオンにしてリセットドレイン9から電荷を供出し、フローティングディフュージョン7の電位をリセットドレイン9の電位にリセットする。
(7)検出サイクル
上記のリセットにより、再び(1)と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、(1)〜(6)の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部4での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。図4(A)の方法の利点とともに、電荷供給部2の電位を基準とすることで一定電位を保持することが可能となり、さらに安定性の向上を図ることができる。
(1)初期電位状態
当初は、電荷供給部2の電位は高く(矢印方向が高い)設定されており、センシング部4には電荷は供給されていない。
(2)電荷の供給
電荷供給部2の電位を下げることによって、センシング部4に電荷を供給する。
(3)電荷の蓄積
電荷供給部2の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調節部3によって制限された量の電荷がセンシング部4に蓄積される。
(4)電荷の転送1
CCD電極6zの電位を上げることによって、センシング部4に蓄積された電荷をCCD電極6zに転送する。センシング部4に蓄積された電荷量が多い場合には、電極6zおよび6y、あるいは電極6z、6yおよび6xを上げることによって、相当する電荷の転送が可能となる。図5では、2つの電極を用いて転送する場合を例示し、電極6zおよび6yに転送している。
(5)電荷の転送2
CCD電極6xの電位を上げることによって、電極6zおよび6yに蓄積された電荷が電極6xにも転送される。
(6)電荷の転送3
CCD電極6xの電位を下げることによって、電極6z、6yおよび6xに蓄積された電荷が電極6yおよび6xに転送される。つまり、(4)において電極6zおよび6yに蓄積された電荷が、電極6yおよび6xに転送された状態となる。
(7)電荷の転送2
CCD電極6wの電位を上げることによって、電極6yおよび6xに蓄積された電荷が電極6wにも転送される。
(8)電荷の転送3
CCD電極6yの電位を下げることによって、電極6y、6xおよび6wに蓄積された電荷が電極6xおよび6wに転送される。つまり、(6)において電極6yおよび6xに蓄積された電荷が、電極6xおよび6wに転送された状態となる。
(9)電荷の転送5
障壁部5の電位を上げ、CCD電極6xおよび6wの電位を下げることによって、電極6xおよび6wに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン7に転送する。
(10)電荷の測定
センシング部4の電荷が全てフローティングディフュージョン7に転送されてから障壁部5の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン7の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をMOS構造の出力トランジスタ10のゲート部に入力し、この出力トランジスタ10のドレイン電流を測定する。
(11)リセット
フローティングディフュージョン7の電位を読み取った後、リセットゲート8をオンにしてリセットドレイン9から電荷を供出し、フローティングディフュージョン7の電位をリセットドレイン9の電位にリセットする。
(12)検出サイクル
上記のリセットにより、再び(1)と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、(1)〜(11)の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部4での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
(1)化学顕微鏡としての応用分野・化学;イオン濃度計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
(2)環境計測・環境;バイオリメディエーションへの適用
(3)食品検査・食品、微生物
(4)ME分野・医学・生態組織;組織細胞の表面イオン濃度計測、細胞表面電位計測、DNA計測
(5)バイオ分野
(6)動植物分野・植物;カルスの表面電位分布計測・生物・正面図動物
(7)腐蝕計測分野・金属;金属腐蝕と塗装・コーティング
(8)ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。
2 電荷供給部
3 電荷供給調整部
4 センシング部
5、5a、5b、5c、5d 障壁部
6、6A 電荷転送手段
6B CCD
6a、6b、6c、6d 電荷蓄積部
6z、6y、6x、6w CCD電極
7 フローティングディフュージョン
8 リセットゲート
9 リセットドレイン
10 出力トランジスタ
11 センサ部
12 n−型拡散層
13 フィードバック回路
B 半導体基板
Claims (7)
- 物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする物理現象または化学現象の測定方法。
- 前記センシング部の電荷容量をフローティングディフュージョンの電荷容量を超える大きさにするとともに、センシング部から複数の電荷転送手段を介してフローティングディフュージョンへの電荷転送に際し、各部位の電荷容量を徐々に小さくすることを特徴とする請求項1記載の物理現象または化学現象の測定方法。
- 電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部に供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、前記センシング部とフローティングディフュージョンの間に複数の電荷転送手段を直列的に配することを特徴とする物理現象または化学現象の測定装置。
- 前記電荷転送手段がn個の手段から構成され、センシング部よりも電荷容量の少ない第1電荷転送手段、第(n−1)電荷転送手段よりも電荷容量の少ない第n電荷転送手段、第n電荷転送手段よりも電荷容量の少ないフローティングディフュージョンから構成されることを特徴とする請求項3記載の物理現象または化学現象の測定装置。
- 前記センシング部および電荷転送手段が、1のフローティングディフュージョンに対し周回状に配設されていることを特徴とする請求項3または4記載の物理現象または化学現象の測定装置。
- 前記電荷転送手段が、電荷結合素子であることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の物理現象または化学現象の測定装置。
- 前記電荷結合素子が、バルク型のチャンネル構造によって形成されることを特徴とする請求項3〜6いずれかに記載の物理現象または化学現象の測定装置。
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