JP2006284225A - Potential measuring method and measuring instrument - Google Patents

Potential measuring method and measuring instrument

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JP2006284225A
JP2006284225A JP2005101496A JP2005101496A JP2006284225A JP 2006284225 A JP2006284225 A JP 2006284225A JP 2005101496 A JP2005101496 A JP 2005101496A JP 2005101496 A JP2005101496 A JP 2005101496A JP 2006284225 A JP2006284225 A JP 2006284225A
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JP2005101496A
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Japanese (ja)
Inventor
Susumu Mimura
享 三村
Original Assignee
Horiba Ltd
株式会社堀場製作所
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring method and measuring instrument of high measurement accuracy having excellent responsivity by converting a physical phenomenon or chemical phenomenon into electric charge information for quantifying a minute change while measuring both a wide measurement range and a narrow measurement range by one means correspondently to a measuring object or a measurement purpose. <P>SOLUTION: In this method, electric charge is supplied from an electric charge supply part 1 to a sensing part 3 to take out the supplied electric charge from the sensing part 3 by means of floating diffusion 5 and the amount of supplied electric charge is detected to measure potential related to the physical phenomenon or chemical phenomenon. This method is characterized in that a measurement range is set according to the size of a change in physical or chemical quantities to set the number of times of accumulating moving electric charge on the floating diffusion 5 while controlling the number of times of accumulation on the basis of the set measurement range. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、物理現象または化学現象を定量化する測定方法および装置に関し、例えば、溶液のpH、圧力、磁界、あるいは温度の二次元分布など、様々の物理現象または化学現象を定量化する測定方法および装置に関する。 The present invention relates to a measuring method and apparatus for quantifying the physical phenomena or chemical phenomena, eg, pH of the solution, pressure, magnetic field, or a two-dimensional distribution of the temperature measurement method for quantifying various physical phenomena or chemical phenomena and it relates to an apparatus.

物理現象または化学現象には、濃度、温度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音波、酸化還元電位、反応速度など様々な現象があるが、これらの現象は、様々な電気信号(電流、電圧、抵抗、電荷容量、電位)に変換することができる。 The physical phenomena or chemical phenomena, concentration, temperature, magnetism, pressure, acceleration, velocity, sound wave, ultrasonic wave, oxidation-reduction potential, but there are various phenomena such as reaction rate, these phenomena, various electrical signal (current it can be converted voltage, resistance, charge capacity, potential) to.

また、例えば、フォトダイオードのように、光を照射すると光量に応じた電子正孔対が生成し、光量を電荷量に変化してその電荷量を評価することにより光量を測定する方法などのように、物理現象または化学現象を電荷情報に変換して測定する方法があった。 Further, for example, as in the photodiode is irradiated with light electron-hole pairs are generated in response to the light quantity, such as a method of measuring the amount of light by evaluating its electric charge amount by changing the light amount to the charge amount to the physical phenomena or chemical phenomena there is a method of measuring by converting into charge information.

しかしながら、光以外のその他の物理・化学現象においては、ほとんどの場合、電荷量ではなく、電圧値、電流値、抵抗値などの電気信号に変換し、それらの値を読み取るようにしているため、電荷特有の取扱い方法である蓄積および転送を行うことができず、また複数点の情報を同時に取り込んで高速処理したり、測定結果を画像化するといったことが非常に困難であった。 However, the other physical and chemical phenomena other than light, in most cases, instead of the charge amount, and converts the voltage value, current value, an electric signal such as a resistance value, because it to read these values, can not be carried out accumulation and transfer the charge-specific handling, also or high-speed processing captures information from several points at the same time, be such to image the measurement result has been very difficult.

近年、環境あるいは医療の分野を含め各種の分野において、こうした物理現象または化学現象の高速処理化あるいは画像化の要請が高まり、例えば、物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換することによって、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送などを行い、様々な物理現象または化学現象を容易に画像化できるようにした方法および装置などが提案されている(例えば特許文献1参照)。 Recently, in various fields including the field of environmental or health, increases the demand for high speed processing of or image of such physical phenomena or chemical phenomena, for example, a depth corresponding to the magnitude of the physical or chemical quantity by supplying charge to the configured potential well so as to vary the, the physical or chemical quantity by converting the electric charge corresponding to the magnitude of the potential well, simultaneously captures information at a plurality of points, storing performs such transfer, including the methods and apparatus to easily image the various physical phenomena or chemical phenomena has been proposed (e.g. see Patent Document 1). 具体的には、デバイスとして、MOS形の電界効果型トランジスタ(MOS形FET)、イオン感応性電界効果型トランジスタ(ISFET)またはいわゆるケミカルCCDなどを用いた測定方法や装置が該当する。 Specifically, the device as, MOS-type field effect transistor (MOS type FET), measuring methods and apparatus are applicable to using an ion sensitive field effect transistor (ISFET) or so-called chemical CCD.

例えば、図10に示すように、半導体基板51の表面に、基板と逆型の拡散領域からなる入力ダイオード部52及び浮遊拡散部53と、入力ダイオード部から浮遊拡散部までの間の絶縁膜55上に固定された入力ゲート56及び出力ゲート57と、その入/出力ゲート間の絶縁膜上に固定されたイオン感応膜からなるセンシング部59と、浮遊拡散部の他の側部に連なる位置の絶縁膜上に固定されたリセットゲート58と、リセットゲートにおける浮遊拡散部と反対側に形成された基板と逆型の拡散領域からなるリセットダイオード部54とを備え、センシング部に作用するイオン濃度に応じて変化するポテンシャル井戸の深さと汲み出し回数に応じて浮遊拡散部が蓄積する電荷量を検出するFET型センサを用いて、イオン濃度検出及び塩 For example, as shown in FIG. 10, the surface of the semiconductor substrate 51, an input diode 52 and the floating diffusion region 53 consisting of the substrate opposite type diffusion region, isolation between the input diode unit to the floating diffusion layer 55 an input gate 56 and output gate 57 which is fixed to the upper, the sensing unit 59 comprising an ion sensitive film which is fixed on the insulating film between the input / output gate, a position continuous to the other side of the floating diffusion a reset gate 58 which is fixed on the insulating film, and a reset diode portion 54 of the substrate opposite type diffusion region formed on the opposite side of the floating diffusion portion in the reset gate, the ion concentration acting on the sensing unit depending floating diffusion in accordance with the number of times the depth and pumping of the potential well changes by using the FET type sensor for detecting the amount of electric charge stored, ion concentration detection and salt 配列の検出を行うFETセンサが提案されている(例えば特許文献2参照)。 FET sensor for detecting the sequences have been proposed (e.g. see Patent Document 2).
特開平10−332423号公報 JP 10-332423 discloses WO2003/042683号公報 WO2003 / 042683 JP

しかしながら、昨今の物理現象または化学現象の測定には、精緻な測定精度や応答の高速化が求められ、上記の方法や装置に対し、より優れた精度面あるいは応答面の改善の要請が強くなってきた。 However, the measurement of recent physical phenomena or chemical phenomena, precise measurement speed accuracy and response is obtained, with respect to the above-described method and apparatus, requests for greater precision surface or improved response surface becomes stronger to have. と同時に、幅広い用途への適用に伴い測定装置に対して、広い測定範囲つまりダイナミックレンジの拡大に対する要請が強くなってきた。 At the same time, the measuring device with the application to a wide range of applications, demands for expanding a wide measuring range, i.e. the dynamic range is becoming stronger. つまり、非常に微小な変化を検出する感度の高い測定装置である同時に、広い測定範囲を有する測定装置であることが重要な課題となってきた。 That has been very time a high measurement apparatus sensitive to detect minute changes, is an important issue to be a measuring apparatus having a wide measuring range. なお、ここでいう「物理的または化学的な量の変化に応じて設定された測定範囲」とは、いわゆる測定レンジをいい、例えば、水素イオン濃度(pH)の測定において基準値を0(ゼロ)、最大値を14とする場合にはpH0〜14となり、基準値を7.0、最大値を7.1とする場合にはpH7.0−7.1となる。 Here, the "physical or chemical quantities set measurement range in response to changes in" refers to so-called measurement range, for example, the reference value in the measurement of the hydrogen ion concentration (pH) 0 (Zero ), next pH0~14 in the case of the maximum value of 14, the reference value 7.0, and pH7.0-7.1 in the case of the maximum value 7.1.

具体的には、例えば、水素イオン濃度(pH)の測定において、通常の測定装置では、基準値を0(ゼロ)とし最大値を14とするpH0〜14を測定範囲とするが、プロセスにおける反応状態を精密に管理する場合などにおいては、基準値を6.8000とし最大0.0001の変化を測定できる測定装置(例えば、測定範囲pH6.8000±0.0001など)が求められている。 Specifically, for example, in the measurement of the hydrogen ion concentration (pH), in a conventional measuring apparatus, the pH0~14 to 14 the maximum value the reference value 0 (zero) and the measurement range, the reaction in the process in the example, to precisely manage the state, the reference value can be measured change in maximum 0.0001 and 6.8000 meter (e.g., such as the measurement range pH6.8000 ± 0.0001) is desired. 従来、こうした測定範囲が全く異なる場合には、異なる測定範囲を有する複数の測定装置によって対応していたが、同一プロセスにおいては、立上りには大きなpHの変化がある一方、安定した状態においてはpHの変化のないように管理する必要があることが多く、同一測定装置にて追跡することの要請は従前からも高く、昨今さらに強い要請となってきている。 Conventionally, when such a measurement range are completely different, which corresponded with a plurality of measurement devices having different measurement ranges, in the same process, whereas the rise is significant changes in pH, pH in the stable state often it is necessary to manage so as not to change, demand for keeping track at the same measuring device is higher from previously, it has become even stronger demand these days.

また、従来の方法にあっては、検出感度の高い測定のために、微小な物理現象または化学現象の変化を比較的大きな電荷の変化として捉えることのできる検出器を構成した場合、大きな物理現象または化学現象の変化が生じると過大な電荷を発生することになり、検出器の出力のサチュレーション(飽和現象)あるいは直線性の悪化を誘引することがあった。 Further, in the conventional method, case where the detector for high sensitivity measurements, can be regarded as a relatively large change in charge changes in minute physical phenomena or chemical phenomena, large physical phenomena or a change in the chemical phenomenon occurs will be generated excessive charge, the output of the detector saturation was able to attract the deterioration of (saturation phenomenon) or linearity. 逆に、大きな物理現象または化学現象の変化を精度よく検出できる条件に検出器を構成した場合には、微小な物理現象または化学現象の変化に対する検出精度が大きく低下するという不都合を回避することが難しかった。 Conversely, the case where the detector is a condition that can accurately detect a change in the large physical phenomena or chemical phenomena, is possible to avoid the disadvantage that detection accuracy is greatly reduced with respect to a minute change in the physical phenomena or chemical phenomena was difficult.

その他、検出感度の向上を図る方法として、「ポテンシャル井戸入口調整型センサにおいても、n回転送を行った場合、時間累積を行わない場合と比較してS/N比は√n倍に上昇し、感度が高くなることは明らかである。従って、センシング部の表面電位の変化に基づくセンシング部直下のポテンシャル井戸の深さの変化が微量であってもそれを確実に検出し、検体の固定体との反応若しくは結合に基づくイオン濃度の変化、又は固定体の触媒反応に基づくイオン濃度の変化を高感度に検出することができる。」(特許文献2参照)とあるように、転送回数を増加させることは知られているが、種々の対象に対して任意に測定範囲を設定することが可能な測定装置、あるいは上記のような広いダイナミックレンジを有するような測定装置の As other method to improve the detection sensitivity, even in the "potential well inlet adjustment sensor, when performing n times transfer, the S / N ratio as compared with the case without time accumulating increased to √n times , the sensitivity is clear that increases. Thus, changes in the depth of the potential well directly below the sensing unit based on the change in the surface potential of the sensing portion is reliably detected it be a trace amount, the analyte fixed body of can be detected with high sensitivity the change in ion concentration changes, or based on the catalytic reaction of the fixed body of the ion concentration based on the reaction or binding of the. "(see Patent Document 2) so phrase so, increasing the number of transfers Although it is known to be, for various measuring apparatus capable of setting an arbitrary measurement range to the target, or measuring devices such as those having a wide dynamic range as described above 現は非常に困難であった。 The current was very difficult.

そこで、この発明の目的は、物理現象または化学現象を電荷情報に変換することによって優れた応答性を有し微小な変化の定量化を行うことができると同時に、測定対象あるいは測定目的に対応して広い測定範囲と狭い測定範囲の両方を1つの手段で測定可能な、高い測定精度を有する測定方法あるいは測定装置を提供することにある。 It is an object of the present invention, at the same time the physical phenomena or chemical phenomena can perform quantification of small changes have excellent response by converting into charge information, corresponding to the measurement object or the measurement object wide both measuring range and a narrow measuring range Te measurable by one means is to provide a measuring method or measuring device having high measurement accuracy.

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す測定方法あるいは測定装置によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。 The present inventors have found that in order to solve the above problems, the results of extensive research, found that the object can be achieved by the measurement method or measurement apparatus described below, and have completed the present invention.

本発明は、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に係るポテンシャルを測定する方法であって、物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定し、移動する電荷のフローティングディフュージョンへの蓄積回数を設定するとともに、設定された測定範囲を基準に蓄積回数を制御することを特徴とする。 The present invention, in response to the magnitude of the physical or chemical quantity to supply charge from the charge supply section with respect to the sensing portion of varying potential, the electric charge supplied through the floating diffusion from the sensing unit extraction , a method of measuring the potential of the said physical phenomena or chemical phenomena by detecting the supplied amount of charge, sets a measurement range according to the size of the physical or chemical quantity of change, moving it sets the accumulation number of the floating diffusion of the charge, and controlling the accumulation times based on the set measurement range.

上記のように、通常測定における広い測定範囲と、微小変化の測定における狭い測定範囲の両方を、測定対象あるいは測定目的に対応して1つの手段で測定できることが要請されている。 As described above, a wide measurement range in the normal measurement, both narrow measurement range in the measurement of small changes have been requested to be able to measure in a single unit in response to measured or measurement purposes. 本発明は、ケミカルCCDなど電荷の蓄積を用いる半導体デバイスの特徴を利用し、物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定する手段および移動する電荷の蓄積回数を設定する手段を有し、測定範囲に応じた蓄積回数を制御することによって、広狭が大きく相違する測定範囲を1つの測定手段によってカバーすることが可能であることを見出した。 The present invention utilizes the characteristics of a semiconductor device using the accumulation of charges such as chemical CCD, setting the accumulation number of physical or chemical means for setting the measurement range in accordance with the magnitude of the amount of change and moving charges and means for, by controlling the accumulation number of times corresponding to the measurement range, it was found that it is possible to cover by a single measuring means measurement range wide or narrow differs greatly.

つまり、感度の低い場合(測定範囲が広い場合や高濃度測定の場合)には1回に転送する電荷の最大量が大きくなることから蓄積回数を少なくし、感度の高い場合(測定範囲が狭い場合や低濃度測定の場合)には1回に転送する電荷の最大量が小さくなることから蓄積回数を多くする。 In other words, to reduce the accumulation times because the maximum amount of charge to be transferred at one time when a low sensitivity (for when the measurement range is wide and high density measurement) is increased, if sensitive (measurement range is narrow If the case of or low density measurement) to increase the accumulation times because the maximum amount of charge to be transferred at one time is reduced. このように蓄積回数の制御を測定範囲に対応させることによって、広狭が大きく相違する測定範囲に適用可能な測定方法を提供することが可能となった。 By corresponding to the measurement range control of the accumulated number of times, it has become possible to provide the applicable measurement method to measure a range of wide and narrow differs greatly.

なお、ここでいう「フローティングディフュージョンへの蓄積回数」とは、センシング部から転送された電荷を直接フローティングディフュージョンに蓄積する回数だけではなく、広く、例えばセンシング部とフローティングディフュージョンの中間に設けた電荷蓄積部に蓄積する回数(電荷蓄積部に複数回転送され蓄積された後、該複数回分の蓄積電荷を纏めてフローティングディフュージョンに転送する)をも含む。 Here, the "accumulation number of the floating diffusion" not only the number of times accumulated in directly floating diffusion transferred charges from the sensing unit, broadly, for example, charge storage provided in the middle of the sensing unit and the floating diffusion (after being forwarded multiple times accumulated in the charge accumulation unit, and transferred to the floating diffusion collectively plurality several times the accumulated charge) number for storing the parts including a.

本発明は、上記ポテンシャルの測定方法であって、前記フローティングディフュージョンへの蓄積回数を、所定回数の転送によってフローティングディフュージョンに蓄積された電荷量に連動して変更可能とすることを特徴とする。 The present invention is the method of measuring the potential, the accumulation number to the floating diffusion, characterized in that the changeable in association with the amount of charge accumulated in the floating diffusion by the transfer of a predetermined number of times.

物理的または化学的な量の測定においては、例えば、化学反応プロセスにおけるpH測定のように予め測定範囲が推測できることが多い場合と、例えば、未知物質の特定イオン濃度測定のように予め測定範囲の推測が困難な場合がある。 In the measurement of the physical or chemical quantity, for example, the case can often be inferred advance measurement range as pH measurement in a chemical reaction process, for example, the previously measured range as specific unknowns ion concentration measurement there is a case guess is difficult. 前者にあっては、予め測定範囲に応じて蓄積回数あるいは制御する蓄積回数の範囲の設定が可能である。 In the former case, it is possible to set the range of the storage times or storage times controlled in accordance with the previously measured range. 本発明は、後者における対応を提案するもので、所定回数の転送によってフローティングディフュージョンに蓄積された電荷量に連動して蓄積回数を制御することによって、最適の蓄積回数あるいは制御する蓄積回数の範囲の設定が可能となる。 The present invention proposes a corresponding in the latter, by controlling the accumulation times in conjunction with the amount of charge accumulated in the floating diffusion by the transfer of a predetermined number of times, the range of accumulation times for accumulating the number or control of optimal Setup is possible.

ここでいう「所定回数の転送」とは、(1)予め検出感度つまり測定範囲を設定し、電荷の蓄積回数を自動的に設定する場合にあっては、その複数回の転送をいう。 The "transfer of a predetermined number of times" is (1) set in advance detection sensitivity, i.e. measuring range, in the case of automatically setting the accumulation number of charges, it refers to the plurality of times of transfer. 試料測定前に予め測定を実施して蓄積された電荷量を測定した結果を基に、その回数が設定され、当該予備的な測定は最終測定結果に反映しない。 Based on the results of measuring the pre-charge amount accumulated by performing measurements before sample measurement, the number is set, the preliminary measurement is not reflected in the final measurement result. (2)また、試料条件に最適の検出感度つまり測定範囲を設定し、電荷の蓄積回数を自動的に設定する場合にあっては、その複数回の転送をいう。 (2) Further, to set the detection sensitivity, i.e. the measurement range of the ideal sample conditions, in the case of automatically setting the accumulation number of charges, refers to the plurality of times of transfer. 試料測定時の初頭に行った複数回の測定の結果を基に、その回数が設定され、初頭に行った当該測定も最終測定結果に反映する。 Based on the results of multiple measurements taken early during sample measurement, the number is set, also reflected in the final measurement results the measurements made in the early.

また、本発明は、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ポテンシャルの測定装置であって、物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定する手段、移動する電荷のフローティングディフュージョンへの蓄積回数を設定する手段、および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中間に設けられた障壁部の動作を制御することによって、フローティングディフュージョンへの蓄積回数を変更可能とする制御手段を有することを特徴とする。 Further, the present invention is a floating diffusion to take out the charge supply unit for supplying charge to the sensing unit, the physical or chemical quantity of the sensing unit which changes the potential in response to the magnitude, which is supplied to the sensing unit charge a measuring apparatus of the potential having a detection unit consisting of a physical or means for setting a measurement range according to the size of the chemical amount of change, means for setting the accumulated number of times to the floating diffusion of a moving charge , and by controlling the operation of the barrier portion provided in the middle of the sensing portion and the floating diffusion, and having a control means for the changeable accumulation number to the floating diffusion.

本発明は、ケミカルCCDなど電荷の蓄積を用いる半導体デバイスの特徴を利用したもので、物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定する手段および移動する電荷の蓄積回数を設定する手段を有し、蓄積回数の制御を測定範囲に対応させることによって、広狭が大きく相違する測定範囲に適用可能な測定装置を提供することが可能となった。 The present invention utilizes the characteristics of a semiconductor device using the accumulation of charges such as chemical CCD, accumulation number of physical or chemical change in the amount of size charge means and move to set the measurement range in accordance with the and means for setting, by corresponding to the measurement range to control the accumulation times, it has become possible to provide an applicable measurement device to the measurement range of wide and narrow differs greatly. このとき、制御の対象となる要素あるいは部位は、極力電荷移動の前段であることが好ましい。 At this time, target element or the site of the control is preferably a preceding utmost charge transfer. 本発明においては、センシング部とフローティングディフュージョンの中間に設けられた障壁部とリセットゲートの動作を制御することによって、適正な蓄積回数の設定を迅速に行うことが可能となり、好適な制御の効果を得ることができる。 In the present invention, by controlling the operation of the provided barrier portion and the reset gate in the middle of the sensing unit and the floating diffusion, the setting of proper storage times it is possible to quickly perform the effect of a suitable control it is possible to obtain. 例えば、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷量を基にフィードバック制御を行う場合などに優位である。 For example, an advantage in a case of performing feedback control on the basis of the amount of charge accumulated in the floating diffusion.

本発明は、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、該センシング部から転送された電荷を蓄積するセンシング電荷蓄積部、該センシング電荷蓄積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ポテンシャルの測定装置であって、物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定する手段、移動する電荷のフローティングディフュージョンへの蓄積回数を設定する手段、および前記センシング電荷蓄積部とフローティングディフュージョンの中間に設けられた閾部の動作によって、フローティングディフュージョンへの蓄積回数を変更可能とする制御手段を有することを特徴とする。 The present invention is a charge supplier for supplying electric charge to the sensing unit, physical or chemical sensing unit potential corresponding to the magnitude changes in the amount, sensing the charge accumulation for accumulating the charge transferred from the sensing unit parts, a measuring device of the potential having a detecting section composed of the floating diffusion, taking out the charge supplied to the sensing charge storage unit, set the measurement range in accordance with the magnitude of the physical or chemical quantity of change It means, by the operation of 閾部 provided means for setting the accumulated number of times to the floating diffusion of the moving charge, and in the middle of the sensing charge accumulating portion and the floating diffusion to, and can change the accumulation number of the floating diffusion characterized in that it has a control means.

上記のように、本発明は、測定範囲を設定する手段および移動する電荷の蓄積回数を設定する手段を有し、蓄積回数の制御を測定範囲に対応させることによって、広狭が大きく相違する測定範囲に適用可能な測定装置を提供することが可能となった。 As described above, the present invention has a means for setting the accumulated number of times of charge means and move to set the measurement range, by corresponding to the measurement range to control the accumulation count, measurement range wide or narrow differs greatly it has become possible to provide the applicable measuring devices. このとき、センシング部の電位の変化が微小な場合、隣接する部位の電位が大きく変化するとセンシング部の測定電位に影響を及ぼすことがあり、センシング部とフローティングディフュージョンの中間に設けられたセンシング電荷蓄積部を設けるとともに、そのセンシング電荷蓄積部とフローティングディフュージョンの中間に設けられた閾部の動作を制御することによって、適正な蓄積回数の設定を迅速に行うことができ好適な制御の効果を得るとともに、微小変化の測定をさらに精度よく行うことが可能となった。 At this time, when the change in the potential of the sensing unit is small, it can affect the measured potential of the potential of the adjacent sites changes significantly sensing unit sensing the charge storage provided in the middle of the sensing unit and the floating diffusion provided with a section by controlling the operation of 閾部 provided in the middle of its sensing charge storage unit floating diffusion, with the advantages of suitable can be performed quickly set the proper storage count control , it becomes possible to perform more accurately measured minute change.

本発明は、同一の構造の前記電荷供給部、リセットゲート、およびセンシング電荷蓄積部を含む場合には当該センシング電荷蓄積部、からなる検出器を有する少なくとも一対の検出系を有するポテンシャルの測定装置であって、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を有する前記機能を有する検出系Aと、物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有しセンシング部以外の機能を同じくする検出系Bからなる一対の検出系を構成するとともに、検出系Aにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数と、検出系Bにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数を連動して変更することを特徴とする。 The present invention, the charge supply section of the same structure, the measurement device of the potential having at least a pair of detection system having a detector consisting of the sensing charge accumulation portion, if the reset gate, and comprising sensing charge storage section there are, a detection system a having the functions of a sensing unit that changes the potential in response to the magnitude of the physical or chemical quantity, the sensing portion which is not sensitive to changes in the physical or chemical quantity Yes together to constitute a pair of the detection system comprising a detection system B, with the same functions other than the sensing portion, changes in conjunction with the storage number to the floating diffusion in a detection system a, the accumulated count to the floating diffusion in the detection system B characterized in that it.

物理現象または化学現象を電荷情報に変換する場合において、高い測定精度を得るには検出系における測定成分に関する電荷量以外の成分を少なくすることが有効であると同時に、検出系に影響を及ぼす外部要素(外乱)の低減が必要となる。 In the case of converting the physical phenomena or chemical phenomena into charge information, at the same time to obtain a high measurement accuracy, it is effective to reduce components other than the charge amount for the measurement component in the detection system, influences the detection system outside reduction of elements (disturbance) is required. 本発明においては、検出系をデュアルタイプにし、一方の検出系Aにおいて測定に感応する電位を検出し、他方の検出系Bにおける測定に感応しない電位を検出し、両者の電位差を得ることによって、真に検出すべき電位を検出することができる。 By the present invention, that the detection system in a dual type, detects the potential which is sensitive to the measurement in one of the detection system A, it detects a potential which is not sensitive to the measurement in the other detection system B, to obtain a potential difference therebetween, it is possible to detect the potential to be detected true. さらに、検出系Aにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数と、検出系Bにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数を連動することによって、蓄積回数の増加に伴う両者の電位差の拡大を防止することができる。 Further, a storage number to the floating diffusion in a detection system A, by interlocking the accumulation number of the floating diffusion in the detection system B, it is possible to prevent the spread of the potential difference of both with increasing storage times. つまり、検出系の内部において差分機能を有することによって、補償時における外乱などの影響を防止し、測定精度の高い検出系を構成することができる。 In other words, by having a differential function in the interior of the detection system, it is possible to prevent the influence of the disturbance at the time of compensation, constitutes a high measurement accuracy detection system.

本発明は、上記ポテンシャルの測定装置であって、前記センシング電荷蓄積部とフローティングディフュージョンの中間に電荷転送手段が配設された測定装置であって、前記電荷転送手段が電荷結合素子であり、複数のセンシング電荷蓄積部の電荷を1つのフローティングディフュージョンに転送することを特徴とする。 The present invention provides a measurement device with the above potential, the a measuring apparatus in which the intermediate charge transfer unit is disposed in sensing the charge accumulating portion and the floating diffusion, said charge transfer means is a charge coupled device, a plurality and wherein the transfer of the sensing charge storage portion of the charge on a single floating diffusion.

物理現象または化学現象を検出する半導体デバイスにおいては、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の移動が迅速である程、検出系の応答速度が速い。 In the semiconductor devices for detecting a physical phenomenon or chemical phenomenon, extent transfer of charge from the sensing unit to the floating diffusion is rapid, a high response speed of the detection system. また、一般に、半導体デバイスにおける電荷転送手段には種々の方法があるが、電荷結合素子(CCD)はS/N比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有している。 In general, although the charge transfer section in the semiconductor device has a variety of ways, organic charge-coupled device (CCD) is the height of the S / N ratio, the transfer speed, excellent properties in terms of transfer efficiency and operability are doing. 本発明は、こうした特性を活かし、センシング部からフローティングディフュージョンの中間に電荷転送部を設けることによって応答速度の向上を図るとともに、1つのフローティングディフュージョンに対し電荷転送部を介して複数のセンシング部(より具体的にはセンシング電荷蓄積部)からの電荷を順次移動させるCCD機能を有することによって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することが可能となる。 The present invention, taking advantage of these characteristics, together with improved response speed by providing the intermediate charge transfer unit of the floating diffusion from the sensing unit, a plurality of sensing portion through the charge transfer section for one floating diffusion (more by having a CCD function of sequentially transferring charge from the sensing charge storage unit) in particular, it is possible to easily image the one-dimensional distribution or two-dimensional distribution of physical or chemical phenomena.

以上のように、本発明の物理現象または化学現象の測定方法あるいは測定装置によれば、対象となる物理現象または化学現象に伴う電荷あるいはそれによって生じる出力の増幅を可能としつつ、優れた応答性を有し微小な変化の定量化を行うことができると同時に、測定対象あるいは測定目的に対応して広い測定範囲と狭い測定範囲の両方を1つの手段で測定可能な、高い測定精度を確保することができる。 As described above, according to the measurement method or measurement apparatus of the physical phenomena or chemical phenomena of this invention, while enabling the amplification of the charge or output thereby creating accompanying physical phenomena or chemical phenomena of interest, excellent response at the same time it is possible to perform the quantification of small change has both a wide measuring range and a narrow measurement range in response to the measured or measurement purposes can be measured by one means, to ensure high measuring accuracy be able to.

特に、検出系をデュアルタイプにし、フローティングディフュージョンへの蓄積回数を連動することによって、フローティングディフュージョンへ転送する電荷量を、真に物理現象または化学現象に対応した電荷情報に変換することによって、さらなる高精度化および迅速化を図ることができる。 In particular, the detection system in a dual-type, by interlocking the accumulation number of the floating diffusion, by converting the amount of charge transferred to the floating diffusion, the charge information corresponding to the true physical phenomena or chemical phenomena, even higher it is possible to achieve the precision and faster. また、CCDなどを用いることにより物理的または化学的な現象の二次元分布を容易に画像化することができる。 Further, it is possible to easily image the two-dimensional distribution of physical or chemical phenomena by using such CCD.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<ポテンシャルの測定装置の基本的な構成> <Basic configuration of the measuring apparatus of the potential>
図1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基本的な構成(第1構成例)を例示する。 Figure 1 illustrates a basic configuration of a measuring apparatus of physical phenomena or chemical phenomena according to the present invention (first configuration example).

図1において、Bは例えばp型Si(シリコン)よりなる半導体基板で、厚さ500μm程度である。 In Figure 1, B is a semiconductor substrate made of, for example, p-type Si (silicon), and a thickness of 500μm approximately. 半導体基板Bは例えばシリコン酸化膜の絶縁膜Pを有し、それを挟むようにして、電荷供給部1、電荷供給調節部2、センシング部3、障壁部4、フローティングディフュージョン5、リセットゲート6、リセットドレイン7からなる検出系が形成される。 The semiconductor substrate B has an insulating film P of the silicon oxide film, for example, so as to sandwich it, charge supply unit 1, the charge supply regulation section 2, the sensing unit 3, the barrier unit 4, the floating diffusion 5, the reset gate 6, the reset drain detection system consisting of 7 is formed. そして、半導体基板Bは、樹脂モールドなどを施すことにより溶液試料などに対して耐性をもたせている。 Then, the semiconductor substrate B is imparted resistance to such solution sample by applying a resin mold. フローティングディフュージョン5には例えば出力トランジスタ(図示せず)が形成され、その出力が、制御手段(制御部)8に導入される。 The floating diffusion 5, for example the output transistor (not shown) is formed, the output is introduced to the control unit (control unit) 8.

検出系の具体的な形成は、例えば、次のようにして行われる。 Specific form of the detection system, for example, is performed as follows.
(1)p型Si基板Bを熱酸化し、酸化膜(SiO 2 )を形成する。 (1) a p-type Si substrate B is thermally oxidized to form an oxide film (SiO 2).
(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。 (2) a portion thereof is etched, selectively oxidizing the portion. その後、その選択的に酸化された部分のSiO 2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Pを形成する。 Thereafter, etching of SiO 2 selectively oxidized portions thereof, further to form a gate oxide film P by thermal oxidation. このゲート酸化膜の膜厚は約500Åである。 The thickness of the gate oxide film is approximately 500 Å.
(3)その上面の電荷供給調節部2や障壁部4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。 (3) forming the respective portions corresponding to the deposition of the low resistance of the polysilicon which is phosphorus-doped and the electrode to the charge supply regulation section 2 and the barrier portion 4 of the upper surface. 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。 The thickness of the electrode is about 3000 Å, after depositing, approximately 1000Å about thermal oxidation.
(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、センシング電荷蓄積部9の上面に電極を形成する。 (4) Then again deposited phosphorus-doped low-resistance poly-silicon, to form an electrode on the upper surface of the sensing charge storage unit 9. 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。 After the film thickness of the electrode is deposited on comparable to that of the electrode, to approximately 1000Å about thermal oxidation. 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。 By oxidizing in this manner, the insulation between the electrodes is maintained.
(5)その後、Si (Ta またはAl でもよい)を700Å程度堆積してセンシング部3を形成する。 (5) After that, a Si 3 N 4 (Ta 2 O 5 or Al 2 O 3 even better) was deposited to a thickness of about 700Å sensing part 3.

測定に際しては、電荷供給部1、障壁部4、リセットゲート6にパルス電圧を印加し、他の部位に直流電圧を印加し、p型半導体を用いたMOS構造において、正の電圧を加えることによって、半導体−絶縁膜界面近傍での電位状態を形成することができる。 In the measurement, a charge supply unit 1, the barrier unit 4, a pulse voltage is applied to the reset gate 6, by applying a DC voltage to the other parts, in the MOS structure using the p-type semiconductor, by applying a positive voltage the semiconductor - can form a potential state at the insulating layer near the interface. 電荷供給部1、障壁部4、リセットゲート6へのパルス電圧の印加の回数あるいは印加のタイミングは、制御部8によって制御される。 Charge supply unit 1, the barrier unit 4, the number or timing of the application of the application of the pulse voltage to the reset gate 6 is controlled by the control unit 8.

センシング部3は、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測定部位であり、例えばpH測定の場合には、水溶液や測定対象物などを導入するセルが設けられた電極部を形成し、試料中のpHに対応する電位を発生する。 Sensing part 3 is a measurement site that changes the potential in response to the magnitude of the physical or chemical quantity, for example in the case of pH measurement, the cell to introduce such as an aqueous solution or the measuring object is provided to form an electrode unit, for generating a potential corresponding to the pH of the sample. こうした電位あるいは電位の変化を電荷に変換し、検出部における電荷の変化を、MOS構造の出力トランジスタによって出力変換される。 These changes in potential or voltage is converted into electric charge, a change in the charge in the detection unit, and output converted by the output transistor of MOS structure.

ここで、電荷供給部1は、1のセンシング部3に対し1つに限定されるものではなく複数配設されていることが可能である。 Here, the charge supply unit 1 may be provided with a plurality disposed is not limited to the first sensing part 3 into one. 上述のように、測定対象あるいは用途によって、センシング部3の数量、形状あるいは配置関係が一義的に決定されることがあり、センシング部3全体への電荷の供給を迅速に行う必要がある場合において、センシング部3への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部1に分散することが好ましい。 As described above, the measurement object or application, the quantity of the sensing unit 3, may shape or positional relationship is determined uniquely, in the case where it is necessary to supply the sensing part 3 charge to the entire quick , it is preferable to distribute the load of the charge supply to the sensing part 3 to the plurality of the charge supply section 1.

また、フローティングディフュージョン5は、センシング部3の電荷が転送されることから、センシング部3との接触部分を基に大きさが設定される。 Also, the floating diffusion 5, since the charge of the sensing unit 3 is transferred, the size based on the contact portion between the sensing part 3 is set. 形状は問わないが、その面積を小さくするために、図1のように台形形状などを形成することも可能である。 The shape does not matter, in order to reduce its area, it is also possible to form a like trapezoidal shape as shown in FIG.

上記のような測定装置における測定方法について、(1)基本的な測定方法、(2)具体的な測定方法としてpHを測定する方法、の順に説明する。 The measuring method in the above-described measuring apparatus will be described (1) basic measurement methods, (2) a method of measuring pH as a specific measurement method, for sequentially.

(1)基本の測定方法 基本的な測定方法を、図2に示す電位図を参照しながら説明する。 (1) The basic method for measuring the basic method of measuring is described with reference to the potential diagram shown in FIG.
(1−1)初期電位状態 当初は、電荷供給部1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3には電荷は供給されていない。 (1-1) Initially initial potential, the potential of the charge supply section 1 is high (the arrow direction is high) setting, charge the sensing part 3 is not supplied.
(1−2)電荷の供給 電荷供給部1の電位を下げることによって、センシング部3に電荷を供給する。 (1-2) by lowering the potential of the feed charge supply unit 1 of the charge and supplies the charge to the sensing part 3.
(1−3)電荷の蓄積 電荷供給部1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2によって制限された量の電荷がセンシング部3に蓄積される。 (1-3) by raising the potential of the accumulated charge supply unit 1 of the charge, the amount of charge part of the supplied charge is limited by the charge supply adjusting unit 2 overflow is accumulated in the sensing part 3.
(1−4)電荷の転送 障壁部4の電位を上げることによって、センシング部3に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン5に転送し、障壁部4の電位を下げる。 (1-4) by raising the potential of the transfer barrier portion 4 of the charge, and transfers the charge accumulated in the sensing part 3 to the floating diffusion 5, lowering the potential of the barrier unit 4.
(1−5)蓄積のサイクル フローティングディフュージョン5に所定量の電荷が蓄積するまで、上記(1−2)〜(1−4)を繰り返す。 (1-5) to cycle the floating diffusion 5 of the accumulation until a predetermined amount of charge is accumulated, and repeats the above (1-2) to (1-4). こうした繰り返しが本構成例における「蓄積回数」であり、この検出系における実質的な増幅度となり、検出感度が決定される。 Such repetition is "accumulated count" in the present configuration example, be a substantial degree of amplification in the detection system, the detection sensitivity is determined. 増幅度の正確な表記は後述する。 The exact representation of the amplification degree will be described later.
(1−6)電荷の測定 この段階で、フローティングディフュージョン5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などによって測定する。 In (1-6) Measurement of charge this stage, since the potential of the floating diffusion 5 is determined by the amount of charge transferred, measuring this potential by including the output transistor of MOS structure.
(1−7)リセット フローティングディフュージョン5の電位を読み取った後、リセットゲート6をオンにしてリセットドレイン7から電荷を供出し、フローティングディフュージョン5の電位をリセットドレイン7の電位にリセットする。 (1-7) After reading the potential of the reset floating diffusion 5, and let out the charge from the reset drain 7 Check the reset gate 6 and resets the potential of the floating diffusion 5 to the potential of the reset drain 7.
(1−8)検出サイクル 上記のリセットにより、再び(1−1)と同じ状態に戻ることになる。 (1-8) by the detection cycle above reset, will return to the same state again (1-1). つまり、検出サイクルとは、このように、(1−1)〜(1−7)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3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。 That is, the detection cycle, thus, refers to repeating the operation of (1-1) to (1-7), thereby sequentially outputs a charge quantity corresponding to the state of the potential at the sensing part 3 be able to.

以上のように、この測定装置においては、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位を変化するように構成されたセンシング部3を半導体基板Bに形成し、このセンシング部3に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換するようにした電荷変換機構を用いている。 As described above, in the measuring apparatus, in response to the magnitude of the physical or chemical quantity to form a sensing part 3 that is configured to change the potential on the semiconductor substrate B, and the sensing part 3 supplying a charge, and a charge conversion mechanism that the physical or chemical amount to convert the charge corresponding to the magnitude of the sensing portion.

上記測定における増幅度Aは、正確には下式1で表わすことができる。 Amplification factor A in the above measurement is exactly can be represented by the following formula 1.
[式1] [Formula 1]

ここで、Q[C] :1回にフローティングディフュージョンに転送される電荷量 Here, Q [C]: The amount of charge transferred to the floating diffusion at a time
n[回] :蓄積回数 n [times]: accumulated number of times
FD [F] :フローティングディフュージョンの電荷容量 C FD [F]: charge capacity of the floating diffusion
ΔVs :センシング部の電位変化 。 ΔVs: the potential change of the sensing unit.

蓄積回数は、検出感度を調整するとともに、予め設定された測定範囲あるいはフローティングディフュージョンに蓄積された電荷に対応して設定される。 Storage number, as well as adjust the detection sensitivity, is set corresponding to the charges accumulated in the preset measuring range or floating diffusion. なお、センシング部3における同一の電位状態での検出を繰り返すことによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、実質的にランダムノイズを削減することができる。 Incidentally, by repeating the detection at the same potential state in the sensing part 3, it is possible to average the noise such as disturbance, it can be substantially reduced random noise.

(2)具体的な測定方法 上記の基本的な測定方法に基づき実際の測定例として、pH0〜14を測定する場合およびpH6.8000±0.0001を測定する場合の特徴を説明する。 (2) as an actual measurement example on the basis of the specific method for measuring the basic method of measuring, describing the characteristics when measuring the case and pH6.8000 ± 0.0001 measuring the PH0~14.

(2−1)pHの測定方法 一般に、pH測定においては、pHの標準溶液(通常pH1.68,4.01,6.86,7.413を用いる。)をセンシング部3に接液し、溶液に浸漬する比較電極によってセンシング部3の基準電位を設定した後、測定操作を行う。 (2-1) Measurement method ordinary pH, in pH measurement, and wetted the pH of the standard solution (usually used PH1.68,4.01,6.86,7.413.) To the sensing unit 3, after setting the reference potential of the sensing part 3 by comparison electrode is immersed in a solution, perform inspection operations. このとき、pHの変化による表面電位変化は、Nernstの式より59.16mV/pH(25℃)であることが知られている。 At this time, the surface potential change due to the change in pH is known to be an expression than 59.16MV / pH of Nernst (25 ℃). 従って、例えばpH0〜14を測定する場合には電位の変化は約840mVとなり、センシング部3におけるダイナミックレンジとして約840mVの電位の変化を捉えることが必要となる。 Therefore, it is necessary to capture the change in potential of about 840mV as a dynamic range in the variation of about 840mV, and the sensing part 3 of the potential in measuring example PH0~14. 一方、pH6.8000±0.0001を測定する場合つまり0.0001pHの分解能を得る場合には、5.9μVの分解能が必要となる。 On the other hand, in the case of obtaining a resolution for that is 0.0001pH measuring the pH6.8000 ± 0.0001, the resolution of 5.9μV is required.

そこで、例えば上記と同等の特性を示す物理化学現象測定センサとして、蓄積回数1回につき検出感度が8倍増幅できると仮定した場合の代表的な特性を図3(A)に示す。 Therefore, for example, as a physicochemical phenomenon measuring sensor indicating the equivalent characteristic shows a typical characteristic of the case where the detection sensitivity per accumulation count Once it was assumed that it 8-fold amplification in Figure 3 (A). 溶液pHの変更に代えて模擬的に比較電極の印加電圧を変更し、そのときのセンサ出力を表したもので、比較電極への印加電圧1Vの変化あたり約6.8Vの出力電圧の変化が得られている。 Instead of changing the solution pH changes the voltage applied to the simulated comparison electrode, a representation of the sensor output at that time, a change of approximately 6.8V of output voltage per change in the applied voltage of 1V to the reference electrode It has been obtained. ダイナミックレンジは、飽和出力電圧が約6.8Vで感度が8倍なので、6.8V(出力)/8倍(感度)=850mV(入力)となる。 Dynamic range, the saturation output voltage is 8 times more sensitive of about 6.8 V, the 6.8 V (output) / 8 times (sensitivity) = 850 mV (Input).

ここで、上記Nernstの式から導かれるpH0〜14を測定する場合のセンシング部3におけるダイナミックレンジが約800mVとして、次に、このセンサを用い高感度で測定するために蓄積回数を増加させる。 Here, as a dynamic range of about 800mV at the sensing part 3 in the case of measuring the pH0~14 derived from the above equation Nernst, then increasing the accumulation times for measurement with high sensitivity using this sensor. 例えば10回蓄積にすると、比較電極への印加電圧100mVあたり8Vの変化が得られ、10μVの変化が0.8mVの変化として捉えることができる。 For example, if 10 times accumulation, variation of 8V per applied voltage 100mV to the reference electrode is obtained, it is possible to change the 10μV is grasped as a change in 0.8 mV. つまり、蓄積回数を10回以上とすることで、0.0001pHの分解能を最大感度で得るためのダイナミックレンジとなる。 In other words, the accumulated number of times by at least 10 times, the dynamic range to obtain the maximum sensitivity resolution 0.0001PH. このように測定精度に応じたダイナミックレンジに、蓄積回数を変えることによって設定することができる。 In this way the dynamic range corresponding to the measurement accuracy can be set by changing the accumulation count. このときの蓄積回数10回の場合のセンサの特性と蓄積回数1回の場合のセンサの特性との相違を図3(B)に示す。 The difference between the characteristic of the sensor storage 10 times in the case of characteristics and the storage number one sensor when at this time is shown in Figure 3 (B).

(2−2)pH0〜14を測定する場合 図4(A)に示すように、測定範囲がpH0〜14の場合、センシング部3の電位は約840mV変化する。 (2-2) pH0~14 as shown in the case of measuring FIG 4 (A) to the measuring range if the PH0~14, the potential of the sensing unit 3 is changed by about 840 mV. 従って、最大840mVに対応する電荷がセンシング部3に注入されるとともに、障壁部4を介してフローティングディフュージョン5に転送される。 Therefore, the charge corresponding to the maximum 840mV is injected into the sensing part 3, is transferred to the floating diffusion 5 through the barrier unit 4.

このとき、電荷供給調節部2の電位はpH0の電位に設定する必要があるが、実際にはセンシング部3の特性のばらつきを考慮して低めに設定することが好ましい。 At this time, the potential of the charge supply regulation unit 2 needs to be set to the potential of pH 0, actually it is preferable to set low in consideration of variations in the characteristics of the sensing unit 3. pH0ではセンシング部3に注入される電荷はほとんどゼロに近く、pHの上昇によって電位が高くなる分の電荷が注入され、pH14のときに最も電荷注入量が多くなる。 Charge that is injected in the sensing part 3 pH 0 Most close to zero, the charge of the amount that the higher the potential is injected by an increase in pH, the greater the highest amount of charge injection when the pH 14. 従って、フローティングディフュージョン5はこの最大量を許容しうる電荷容量を必要とし、貯蓄回数は1回で十分な電荷量となる。 Thus, the floating diffusion 5 requires charge capacity acceptable this maximum amount, savings count becomes sufficient charge amount at a time.

また、移動する電荷量は大きくセンシング3からの転送時にあるいはフローティングディフュージョン5からリセットドレイン7への転送時の残留分がなくなるまでに所定の移動時間が必要となることから、1回の測定に要する転送速度は所定の値となる。 Further, since it is required predetermined moving time or from the floating diffusion 5 to residue upon transfer to the reset drain 7 is eliminated when transferring from the charge amount is large sensing 3 moving, required for one measurement transfer speed becomes a predetermined value.

さらに、実際のpH測定においては、pHの標準溶液(通常pH1.68,4.01,6.86,7.413を用いる。)をセンシング部3に接液し、溶液に浸漬する比較電極によって、センシング部3の基準電位を設定するとともに、このときの各液の電位を基にセンサとしての校正を行い、センサのバラツキを補正することができる。 Further, in the actual pH measurement, the reference electrode is wetted with pH standard solutions (usually used pH1.68,4.01,6.86,7.413.) To the sensing unit 3, it is immersed in a solution sets a reference potential of the sensing unit 3, to perform calibration of the sensor based on the potential of each liquid at this time, it is possible to correct the variation of the sensor.

(2−3)pH6.8000±0.0001を測定する場合 測定範囲がpHpH6.8000±0.0001の場合、センシング部3の電位は±約5.9μV変化する。 (2-3) pH6.8000 When measurement range for measuring the ± 0.0001 if the pHpH6.8000 ± 0.0001, the potential of the sensing unit 3 varies ± about 5.9MyuV. このとき、電荷供給調節部2の電位の設定は、測定範囲によって変更することが好ましい。 At this time, setting of the potential charge supply adjusting unit 2 is preferably changed by the measurement range. つまり、測定範囲がpH0〜14の場合と同様に電荷供給調節部2の電位をpH0の電位に設定すると、センシング部3の電位の変化量である約400mVに対応する電荷が転送されることになり、その中の5.9μV変化に相当する電荷を検出することは実質的に不可能である。 That is, when the measurement range is set as in the case potential of pH0 the potential of the charge supply regulation section 2 of PH0~14, that electric charge corresponding to approximately 400mV amount of change in the potential of the sensing unit 3 is transferred It becomes, it is virtually impossible to detect the charge corresponding to 5.9μV change therein. 従って、図4(B)に示すように、電荷供給調節部2の電位をpH6.8の電位の近傍に設定(実際には上記同様低めに設定することが好ましい。)することによって、実際の測定範囲のpHの変化幅に近い電荷が注入される。 Accordingly, as shown in FIG. 4 (B), by (set it to the same low is preferred. Actually) the potential of the charge supply adjusting unit 2 set in the vicinity of the potential of pH 6.8, the actual charge near the range of change in pH of the measurement range is injected. このように、電荷供給調節部2の電位を調整することによって、いわゆるオフセットとなる電荷量を低減することができるとともに、測定範囲に対応した電荷の転送速度を確保することができる。 Thus, by adjusting the potential of the charge supply regulation section 2, it is possible to reduce the amount of charge so-called offset, it is possible to ensure the transfer rate of the charge corresponding to the measurement range. 例えば、化学反応プロセスにおけるpH測定を例にとると、プロセスの始動時には強酸域にあり反応の進行に伴い徐々に中性域を経由して弱アルカリ域に到達する場合がある。 For example, taking the pH measurement in the chemical reaction process as an example, during start of the process may reach a weakly alkaline region via the gradual neutral region with the progress of the located reaction strongly acidic zone. こうした変化を追跡する場合には、本発明におけるダイナミックレンジの広狭の使い分けとともに、反応の進行にあわせて電荷供給調節部2の電位を調整することによって、従来にない精度の高いプロセス制御を行うことが可能となる。 In tracking these changes, along with proper use of the wide and narrow the dynamic range in the present invention, by adjusting the potential of the charge supply regulation unit 2 in accordance with the progress of the reaction, to perform the high process control with unprecedented accuracy it is possible.

ただし、pH±0.0001を検出する場合、転送される電荷量は微小であり、十分な検出感度を確保することが難しい。 However, when detecting the pH ± 0.0001, the amount of charge transferred is very small, it is difficult to secure sufficient detection sensitivity. つまり、1回の蓄積量では、5.9μVの変化に対応する電荷がセンシング部3に注入されるとともに、障壁部4を介してフローティングディフュージョン5に転送されるだけである。 That is, in the accumulation of one, together with the charge corresponding to a change in 5.9μV are injected into the sensing part 3 is only transferred to the floating diffusion 5 through the barrier unit 4. 従って、上述のように、蓄積回数を10回以上とすることで、0.0001pHの分解能を得るために必要なダイナミックレンジの分解能が得られることになる。 Therefore, as described above, by the accumulation times or more 10 times, so that the dynamic range resolution required to obtain a resolution of 0.0001pH is obtained. 例えば、約6μVの変化が0.5mVの変化として捉えることができる。 For example, it is possible to change of about 6μV is grasped as a change in 0.5 mV.

また、1回の蓄積に要する移動時間は非常に短いが、蓄積回数が多いことからトータルの転送速度は同様に所定の値となる。 The travel time required for a single storage is very short, the transfer rate of the total from the often accumulated number becomes a predetermined value as well.

なお、蓄積回数は、例えば、化学反応プロセスにおけるpH測定のように予め測定範囲が推測できることが多い場合には、その測定範囲に応じて蓄積回数あるいは制御する蓄積回数の範囲を制御部8に設定しておくことによって自動的に制御することが可能である。 Incidentally, the storage number, for example, when it is often pre-measurement range as pH measurement can be guessed in a chemical reaction process, setting the range of the accumulated count or accumulated number of times the control in accordance with the measurement range to the control unit 8 It can be automatically controlled by that you. 制御部8には、測定範囲を設定する手段および蓄積回数を設定する手段を内蔵することも可能であり、また、パソコン等に各機能あるいはプログラムを内蔵することもできる。 The control unit 8, it is also possible to built the means for setting the means and the storage number to set the measurement range, it can also be incorporated each function or program to a personal computer or the like.

また、例えば、未知物質の特定イオン濃度測定のように予め測定範囲の推測が困難な場合にあっては、所定回数(1回〜数回程度)の転送によってフローティングディフュージョン5に蓄積された電荷量を検出した信号を制御部8に入力し、予め設定された電荷量−蓄積回数の関連表あるいは関数に基づいて蓄積回数を制御することによって、最適の蓄積回数あるいは制御する蓄積回数の範囲の設定が可能となる。 Further, for example, in the case guessing advance measurement range as specific unknowns ion concentration measurement is difficult, the amount of charge accumulated in the floating diffusion 5 by the transfer of a predetermined number of times (about once to several times) the detected signal inputted to the control unit 8, pre-set amount of charge - by controlling the accumulation times based on the associated table or a function of the accumulated number, set in the range of accumulation times for accumulating the number or control of optimal it is possible. このとき、測定開始時点では蓄積回数を設定せずに、随時フローティングディフュージョン5に蓄積された電荷量を検出した信号をフィードバック制御し蓄積回数を任意に設定することによって、未知の試料に対する測定においても精度よく検出することが可能となる。 In this case, without setting the accumulated number of times at the start of measurement, by arbitrarily setting the accumulated number of times the feedback control of the detected signal charge amount accumulated in any time the floating diffusion 5, even in the measurement for the unknown sample it is possible to detect accurately.

<ポテンシャルの測定装置の他の構成例(第2構成例)> <Other configuration example of the measuring apparatus of the potential (second configuration example)>
図5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他の構成例(第2構成例)を示す。 Figure 5 shows another exemplary configuration of the measurement apparatus of physical phenomena or chemical phenomena according to the present invention (second configuration example).

半導体基板Bおよび半導体基板Bの形成は、第1構成例と同様であり、図5に示すように、電荷供給部1、電荷供給調節部2、センシング部3、障壁部4、センシング電荷蓄積部9、堰部10、フローティングディフュージョン5、リセットゲート6およびリセットドレイン7が形成される。 Formation of the semiconductor substrate B and the semiconductor substrate B is similar to the first configuration example, as shown in FIG. 5, the charge supply unit 1, the charge supply regulation section 2, the sensing unit 3, the barrier unit 4, the sensing charge storage section 9, dam portion 10, the floating diffusion 5, the reset gate 6 and the reset drain 7 is formed.

測定に際しては、電荷供給部1、障壁部4、堰部10、リセットゲート6にパルス電圧を印加し、他の部位に直流電圧を印加し、p型半導体を用いたMOS構造において、正の電圧を加えることによって、半導体−絶縁膜界面近傍での電位状態を形成する。 In the measurement, a charge supply unit 1, the barrier unit 4, weir 10, a pulse voltage is applied to the reset gate 6, by applying a DC voltage to the other parts, in the MOS structure using the p-type semiconductor, a positive voltage by adding, semiconductor - to form a potential state at the insulating layer near the interface. 電荷供給部1、障壁部4、堰部10、リセットゲート6へのパルス電圧の印加の回数あるいは印加のタイミングは、制御部8によって制御される。 Charge supply unit 1, the barrier unit 4, the dam portion 10, the number or timing of the application of the application of the pulse voltage to the reset gate 6, which is controlled by the control unit 8.

センシング電荷蓄積部9は、センシング部3の形状あるいはセンシング部3とセンシング電荷蓄積部9との電荷容量比などによって設定されるが、図5では、センシング部との接触部分を大きくするとともに、センシング電荷蓄積部9の面積を小さくするために台形形状を形成している。 Sensing the charge storage unit 9 is set by such as a charge capacity ratio between the shape or the sensing part 3 and the sensing charge storage portion 9 of the sensing unit 3, 5, with increasing the contact area of ​​the sensing portion, the sensing forming a trapezoidal shape in order to reduce the area of ​​the charge accumulation portion 9.

上記のような測定装置における測定方法について、図6に示す電位図を参照しながら説明する。 The measuring method in the above-mentioned measuring apparatus with reference to the potential diagram shown in FIG.
(1)初期電位状態 当初は、電荷供給部1の電位は高く設定されており、センシング部3には電荷は供給されていない。 (1) Initially initial potential, the potential of the charge supply section 1 is set high, the charge on the sensing part 3 is not supplied.
(2)電荷の供給 電荷供給部1の電位を下げることによって、センシング部3に電荷を供給する。 (2) by lowering the potential of the feed charge supply unit 1 of the charge and supplies the charge to the sensing part 3.
(3)電荷の蓄積 電荷供給部1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2によって制限された量の電荷がセンシング部3に蓄積される。 (3) by raising the potential of the accumulated charge supply unit 1 of the charge, the amount of charge part of the supplied charge is limited by the charge supply adjusting unit 2 overflow is accumulated in the sensing part 3.
(4)電荷の転送1 (4) transfer of charge 1
障壁部4の電位を上げることによって、センシング部3に蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部9に転送する。 By raising the potential of the barrier unit 4, it transfers the charge accumulated in the sensing part 3 to the sensing charge storage portion 9.
(5)電荷の転送2 (5) charge of the transfer 2
障壁部4の電位を下げ、堰部10の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部9に蓄積された電荷の一部をフローティングディフュージョン5に転送する。 Lowering the potential of the barrier unit 4, by raising the potential of the weir section 10, it transfers a portion of the charge accumulated in the sensing charge storage unit 9 to the floating diffusion 5.
ただし、堰部10の電位を一定にしておき、所定回数の蓄積を繰り返した後、堰部10の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部9に蓄積された電荷をフローティングディフュージョン5に転送することも可能である。 However, it leaves the potential of the weir portion 10 to be constant, after repeating the accumulation of a predetermined number of times, by raising the potential of the dam portion 10, to transfer the charges accumulated in the sensing charge storage unit 9 to the floating diffusion 5 it is also possible.
(6)蓄積のサイクル フローティングディフュージョン5に所定量の電荷が蓄積するまで、上記(2)〜(5)を繰り返す。 (6) to cycle the floating diffusion 5 of the accumulation until a predetermined amount of charge is accumulated, and repeats the above (2) to (5). こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。 By such repetition, it is possible to average the noise such as disturbance, so-called random noise can be substantially reduced in. また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。 Further, the number of repetition, is a substantial amplification degree of the detection system.
(7)電荷の測定 フローティングディフュージョン5に所定量の電荷が蓄積したときあるいは(6)蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部10の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。 (7) When the measured floating when diffusion 5 in a predetermined amount of charge is accumulated or the (6) storage cycle charge became preset number of times, to close down the potential of the weir portion 10, stopping the inflow of the charge . この段階で、フローティングディフュージョン5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等により測定する。 At this stage, the potential of the floating diffusion 5 is therefore determined by the amount of charge transferred, measuring the potential by the output transistor such as a MOS structure.
(8)リセット フローティングディフュージョン5の電位を読み取った後、リセットゲート6をオンにしてリセットドレイン7から電荷を供出し、フローティングディフュージョン5の電位をリセットドレイン7の電位にリセットする。 (8) After reading the potential of the reset floating diffusion 5, and let out the charge from the reset drain 7 Check the reset gate 6 and resets the potential of the floating diffusion 5 to the potential of the reset drain 7.
(9)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。 (9) by the detection cycle above reset, will return to the same state again (1). つまり、検出サイクルとは、このように、(1)〜(8)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3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。 That is, the detection cycle is thus (1) refers to repeating the operation to (8), thereby, the amount of charge corresponding to the state of the potential of the sensing portion 3 can be sequentially output.

以上のように、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位を変化するように構成されたセンシング部3に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換するようにした電荷変換機構を用いている。 As described above, the physical or chemical quantity of supplying the configured charge in the sensing part 3 so as to change the potential corresponding to the size, the physical or chemical quantity of the sensing unit and a charge conversion mechanism which is adapted to convert the charge corresponding to the magnitude. このとき、センシング電荷蓄積部9を設けることによって、センシング部の測定電位に及ぼす影響を軽減することによって、微小変化の測定をさらに精度よく行うことが可能となった。 In this case, by providing the sensing charge storage portion 9, by reducing the effect on the measurement potential of the sensing portion, it becomes possible to perform more accurately measured minute change.

また、本発明においては、センシング部3の電荷容量がフローティングディフュージョン5の電荷容量を超える大きさを有することが好ましい。 Further, in the present invention preferably has a size that charge capacity of the sensing unit 3 exceeds the charge capacity of the floating diffusion 5. 例えば、上記の検出サイクルを繰り返し、フローティングディフュージョン5にある程度の電荷量が蓄積されてから電荷を測定するようにすることで、検出感度を上げることが可能であるが、その蓄積時間分だけ応答時間が遅くなる。 For example, repeat the detection cycle, by a degree of charge amount in the floating diffusion 5 is to measure charge from being accumulated, it is possible to increase the detection sensitivity, the accumulated time period for its response time It is slow. センシング部3の電荷容量を大きくし蓄積される電荷を多くすることで、小電荷容量のフローティングディフュージョン5に転送された時のフローティングディフュージョン5での電位の変化率を上昇させることができることから、その変化率を検出することで、正確かつ感度の高い測定が可能となる。 By increasing the charge to be increased the charge capacity of the sensing unit 3 accumulation, since it is possible to increase the rate of change of the potential at the floating diffusion 5 when transferred to the floating diffusion 5 of the small-charge capacity, the by detecting the rate of change, it is possible to highly accurate and sensitive measurements. つまり、センシング部3と電荷転送手段であるフローティングディフュージョン5の間に電荷容量差を設けることによって、センシング部3のおける電位の変化の実質的に増幅機能を有することとなる。 That is, by providing the charge capacity difference between the floating diffusion 5 is a charge transfer means and the sensing part 3, will have a substantially amplification function of the change in the definitive sensing part 3 potential.

具体的にセンシング部3の電荷容量を大きくするには、(1)平面上での面積を大きくする、(2)センシング部3を複数にする、(3)電位を高くする、(4)電荷密度を上げる、などの手段があり、物理的または化学的な現象の対象となる試料の性状や濃度などによって選択することが可能である。 Specifically to increase the charge capacity of the sensing unit 3, to increase the area on (1) plane and a plurality of (2) sensing part 3, to increase the (3) potential, (4) charge increase the density, there is means such as can be selected, such as by physical or properties and concentration of the sample to be chemical phenomena.

<デュアル式の物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成> <Basic configuration of the measuring apparatus of the physical phenomena or chemical phenomena of a dual type>
次に、上記物理現象または化学現象の基本的な測定装置を応用した、デュアル式の測定装置について、説明する。 Then, by applying the basic measurement device with the above physical phenomena or chemical phenomena, for the dual type measuring device will be described. デュアル式の物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成を(第3構成例)を、図8に例示する。 The basic configuration of dual-type measuring device physics or chemical phenomena (third configuration example), illustrated in FIG.

基本的には、上記構成例の検出部を有する2つの並列する検出系を構成し、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を有する前記機能を有する検出系Aと、物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有しセンシング部以外の機能を同じくする検出系Bからなる一対の検出系を構成するとともに、検出系Aにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数と、検出系Bにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数を連動して変更することができる点に特徴を有している。 Basically, the detection having the functions of a sensing unit detecting unit constitute two parallel detection system having a potential corresponding to the magnitude of the physical or chemical quantity is changed in the above configuration example and the system a, with configuring the physical or chemical quantity pair of detection system composed of the detection system B which have the same functions other than the sensing portion has a sensing portion which is not sensitive to changes in, to the floating diffusion at the detection system a and accumulation times of, is characterized in that it can be changed accordingly accumulated number of times the floating diffusion in the detection system B. 1つの電荷供給部1および電荷供給調節部2を共用する2つの検出系からなり、一方の検出系Aは、物理現象または化学現象に対応して電位が変化するセンシング部3a、障壁部4a、フローティングディフュージョン5a、リセットゲート6a、およびリセットドレイン7aから構成される。 Consists of two detection systems that share a single charge supply unit 1 and the charge supply adjusting section 2, one detection system A, the sensing unit 3a which potential corresponds to the physical phenomena or chemical phenomena changes, the barrier portion 4a, floating diffusion 5a, composed of a reset gate 6a and the reset drain 7a,. 他方の検出系Bは、物理現象または化学現象に感応しないセンシング部3b、障壁部4b、フローティングディフュージョン5b、リセットゲート6b、およびリセットドレイン7bから構成される。 Other detection system B includes a sensing portion 3b which is not sensitive to the physical phenomena or chemical phenomena, the barrier portion 4b, the floating diffusion 5b, consists of a reset gate 6b and a reset drain 7b,.

電荷供給部1、障壁部4aおよび4b、リセットゲート6aおよび6bへのパルス電圧の印加の回数あるいは印加のタイミングは、制御部8によって制御される。 Charge supply unit 1, the barrier portion 4a and 4b, the number or the application of the timing of application of the pulse voltage to the reset gate 6a and 6b, are controlled by the control unit 8. 本構成例においては、さらに測定範囲に対応し設定された蓄積回数に即して、検出系Aと検出系Bとを連動して蓄積のサイクルが作動するように制御される。 In this configuration example, further with reference to the set accumulated count corresponding to the measurement range, the accumulation cycle in conjunction with a detection system B and the detection system A is controlled to operate. ここでいう連動とは、基本的には障壁部4aおよび4b、リセットゲート6aおよび6bへの電圧印加を同時に行うことをいうが、ダイナミックレンジが大きい場合などにおいて検出系での転送電荷が小さい方が好ましい場合には、検出系AとBの転送速度を変えること、あるいは電荷の転送を交互に行うことによって、センサ全体の安定性を向上させることが可能である。 The term work with is basically barrier portions 4a and 4b, but means that simultaneously perform the application of voltage to the reset gate 6a and 6b, towards the transfer charges in the detection system in a case large dynamic range is small If is preferred, varying the transfer rate of the detection system a and B, or by the transfer of charge alternately, it is possible to improve the stability of the entire sensor.

このとき、センシング部3aと3bは、基本的には同様の構造を形成し物理現象または化学現象に対して異なる感応特性を有する膜あるいは部位を設けることが好ましい。 At this time, the sensing unit 3a and 3b are preferably basically providing the film or sites having different sensitivity characteristics for physical phenomena or chemical phenomena to form a similar structure. オフセット電荷や外乱成分に対して同様の変化を生じることによって、検出系Bの補償機能を高めることができるためである。 By producing the same change with respect to the offset charge and the disturbance component is because it is possible to increase the compensation function of the detection system B.

測定に際して、検出系Aの電荷信号は「検出信号+オフセット信号+外乱信号」に相当し検出系Bの電荷信号は「オフセット信号+外乱信号」に相当する。 In the measurement, a charge signal of the detection system A charge signal of the detection system B corresponds to the "detection signal + offset signal + noise signal" corresponds to an "offset signal + disturbance signal". 従って、両者の差を求めることで、検出系Bの補償機能を有効に生かして、真に必要とされる検出信号のみを精度よく取り出すことができる。 Therefore, by obtaining the difference therebetween, and effectively utilizing the compensation function of the detection system B, it is possible to extract only the precisely detected signal that is truly needed.

<ケミカルCCD系の構成例(第4構成例)> <Configuration Example of the chemical CCD system (fourth configuration example)>
さらに、1つのフローティングディフュージョンに対し電荷転送部を介して複数のセンサ部からの電荷を順次移動させるCCD機能を有することによって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することができる。 Furthermore, by having a CCD function of sequentially transferring charge from a plurality of sensor units through a charge transfer section for one floating diffusion, easily one-dimensional distribution or two-dimensional distribution of physical or chemical phenomena it can be imaged. 本発明においては、複数のセンサ部における各電荷供給部や障壁部などの動作を制御するだけではなく、電荷転送部を制御することによって、各センサ部における検出信号に対応した蓄積回数の設定を行うことも可能となる。 In the present invention, not only controls the operation such as the charge supply unit and the barrier portion of the plurality of sensor units, by controlling the charge transfer section, a set of accumulated number of times corresponding to the detection signal in each sensor unit it is possible to perform. 特に、二次元分布の測定において局部的に高い精度を必要とする場合など、センサ毎の蓄積回数の設定を行うことによって、物理的または化学的な現象の重み付けされた二次元情報を得ることが可能となる。 In particular, a case that requires a locally high accuracy in the measurement of two-dimensional distribution, by performing the setting of the accumulation count for each sensor, to obtain a weighted two-dimensional information of a physical or chemical phenomena It can become.

具体的には、図8に例示するような第4構成例が可能である。 Specifically, it is possible to fourth configuration example, as illustrated in FIG. 8. つまり、複数のセンサ部12(a,a)、12(a,b)、・・・と、各センサ部において変換された電荷を矢印方向に転送する電荷転送部13と、転送されてきた電荷をさらに転送する1つのフローティングディフュージョン5と、転送されてきた電荷を出力信号に変換する出力トランジスタ11とからなる。 That is, a plurality of sensor units 12 (a, a), 12 (a, b), ··· and the charges and a charge transfer section 13 for transferring the converted charge in the arrow direction in each sensor unit, has been transferred Furthermore one of the floating diffusion 5 to be transferred, and an output transistor 11 for converting an output signal charges transferred to.

センサ部12(a,a)、12(a,b)、・・・を一次元的あるいは二次元的に配置してアレイ化することにより、複数点の情報を同時に取り込み、電荷転送部13および出力トランジスタ11によって、複数点の信号を秩序よく処理することができる。 Sensor portion 12 (a, a), 12 (a, b), by arraying arranged one-dimensionally or two-dimensionally to ..., simultaneously captures information at a plurality of points, the charge transfer section 13, and the output transistor 11 can be processed orderly better signal at a plurality of points. 出力された信号は、そのままCRTなどの画像出力装置(図示せず)に入力して画像出力したり、出力信号をAD変換してコンピュータに入力することができる。 The output signal can be directly input to input or image output to the image output apparatus (not shown) such as a CRT, or a output signal to the computer AD conversion.

つまり、各センサ部12(a,a)、12(a,b)、・・・と電荷転送部13との接合部におけるゲートを順次開として蓄積された電荷を供出し、CCD駆動電位を順にON−OFFすることによって電荷転送部13の転送路を経由して転送される。 In other words, each sensor unit 12 (a, a), 12 (a, b), ··· and to let out the charges accumulated in sequence as to open the gate at the junction between the charge transfer section 13, turn a CCD drive potential It is transferred via the transfer path of the charge transfer section 13 by ON-OFF. このとき、電荷転送部13におけるCCDの駆動は、一相駆動、二相駆動あるいは四相駆動など、転送される電荷量に応じて適宜選定することができる。 At this time, the CCD driving in the charge transfer section 13, one phase drive, such as a secondary phase drive or four-phase drive, can be appropriately selected depending on the amount of charge transferred. なお、センサ部12の数が多くなるに伴って転送効率が大きな問題となるが、その場合は、転送経路として転送効率の高いバルクチャンネルを用いるのが好ましい。 The transfer efficiency with the number of the sensor unit 12 is increased, but is a major issue, in that case, it is preferable to use a high bulk channel of transfer efficiency as a transfer path. 転送されてきた電位は、フローティングディフュージョン5に転送され、このフローティングディフュージョン5の電位を変化させる。 Potential that has been transferred is transferred to the floating diffusion 5, it changes the potential of the floating diffusion 5. この電位の変化を、出力トランジスタ11のゲートに入力し、検出出力とする。 This change in potential was inputted to the gate of the output transistor 11, a detection output.

CCDは、S/N比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有しており、複数の電極を作動させる場合において非常に有用である。 CCD is, S / N ratio of the height, the transfer rate, has excellent properties in terms of transfer efficiency and operability, it is very useful when operating the plurality of electrodes. つまり、CCDを構成する複数の電極が、上記のセンシング電荷蓄積部9あるいは障壁部4や堰部10の機能を果たすことが可能であり、転送の迅速化が可能である点においても優位である。 That is, a plurality of electrodes constituting the CCD is, it is possible to fulfill the function of the sensing charge storage unit 9 or the barrier portion 4 and the dam portion 10, is advantageous also in that it is possible to accelerate the transfer . さらに、各電極に印加する電圧に差を設ける必要がないことからセンシング部3とフローティングディフュージョン5間の電位差を制限したり、電極数を制限する必要がない点においても有用である。 Additionally, or limit the potential difference between the sensing part 3 and the floating diffusion 5 it is not necessary to provide a difference in voltages applied to the electrodes, it is also useful in that it is not necessary to limit the number of electrodes. また、CCDは、センシング部3に蓄積された電荷量に応じて、電荷転送時に、同時に稼動させる電極数を変更することによって、最適条件で電荷を転送することが可能である。 Moreover, CCD, depending on the amount of charge accumulated in the sensing part 3, at the time of charge transfer, by changing the number of electrodes to operate simultaneously, it is possible to transfer the charges in optimum conditions. つまり、転送する電荷量が多い場合には複数の電極を稼動することによって、電荷の未転送をなくすことができる。 That is, by running a plurality of electrodes in many cases the amount of charge transferred, it is possible to eliminate the non-transferred charges. さらに、転送する電荷量が少ない場合には1つの電極を稼動することによって、電極部における残留電荷をなくし、測定誤差要因をなくすことができる。 Furthermore, when a small amount of charge to be transferred by running one electrode, eliminating the residual charge at the electrode portion, it is possible to eliminate a measurement error factor.

上記では、各請求項に係る発明によって形成される機能を、一部組合せた構成例を挙げて説明したが、むろん、本発明はこれに限定されるものではなく、他の組合せ、あるいは本願に記載の事項との任意の組合せが可能であることはいうまでもない。 In the above, the function produced by the invention according to the claims, has been described by way of example structure of a combination part, of course, the present invention is not limited thereto, other combinations or in the present application, it goes without saying any combination is possible with the described matters.
<本発明に係る測定装置の応用> <Application of a measuring device according to the present invention>
本発明に係る測定方法あるいは測定装置は、実際に図9に例示するような計測装置あるいは評価装置として利用することができる。 Measuring method or measuring apparatus according to the present invention can be actually used as the measuring device or the evaluation device as illustrated in FIG. 上記のようなセンサデバイス14を測定手段とする計測装置からの出力を、例えば反応評価を行う評価装置15としてパソコン16に入力し、演算処理することによってデータおよび画像としてソフト画面17に表示することによって、試料の物理現象あるいは化学現象を定量的に把握することができる。 The output from the measuring device for the measuring means of the sensor device 14 as described above, input to the personal computer 16 as an evaluation device 15 for example the reaction evaluation, displaying the soft screen 17 as data and images by processing Accordingly, it is possible to quantitatively grasp the physical phenomena or chemical phenomena of a sample. また、センサデバイス14としてCCDを利用した場合には、ソフト画面17に表示された二次元画像によって、物理現象あるいは化学現象の二次元的な追跡が可能となる。 Also, when using a CCD as a sensor device 14, by a two-dimensional image displayed on the soft screen 17, it is possible to two-dimensional tracking of physical phenomena or chemical phenomena.

以上、この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の二次元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のような分野にも適用することができる。 Above, the present invention is, in addition to can be suitably used in the two-dimensional distribution measurement of ion concentration in wider solution such as the sample can be applied to the field as follows.
(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。 Ion concentration measurement and electrochemical field, two-dimensional dynamic observation and analysis of the gas distribution measurement field-titration (2) Environmental measurement and environment; (1) Applications & chemistry as chemical microscope application to bioremediation ( 3) food testing and food, microorganisms (4) ME field medical and ecological tissues; surface ion concentration measurement of tissue cells, cell surface potential measurement, DNA measurement (5) biotechnology (6) animal or vegetable fields and plants; the surface of the callus potential distribution measurement, biological and front views animals (7) corrosion measurement field and metals; metal corrosion and paint coating (8) zeta potential such surface analysis, powder, ceramics zeta potential.

また、測定対象(サンプル)は、気体、液体、固体、粉体のいずれであってもよく、センサ部の特定感応層により選択的に反応する化学センシングと、物理的接触による界面現象に電荷変動をするあらゆる現象に適用でき、例えば液の流れや一瞬の化学反応の過渡現象の分布を高感度、高画質の化学画像として得ることができる。 Moreover, the measurement object (sample) is a gas, liquid, solid, may be any of powder, a chemical sensing which selectively reacts by the specific sensitive layer of the sensor section, the charge variation at the interface phenomenon by physical contact can be obtained to be applied to any phenomenon, such as the distribution of transient phenomena of the liquid flow and momentary chemical reaction as a sensitive, high-quality chemical images. さらに、滴定現象のリアルタイム画像化から画像ソフトによる他の種類の解析、表示にも有用であり、携帯化カメラにも有効である。 Moreover, other types of analysis by the image software from the real-time imaging of titration phenomena, also be useful in the display, it is effective to carry of the camera.

本発明に係る検出部の基本的な構造(第1構成例)を示す説明図。 Explanatory view showing a basic structure (first configuration example) of the detection unit according to the present invention. 本発明の第1構成例に係る1の電位の変化を例示する説明図。 Explanatory diagram illustrating a change in the first potential of the first configuration example of the present invention. 本発明の第1構成例に係る出力特性を例示する説明図。 Explanatory diagram illustrating an output characteristic according to the first configuration example of the present invention. 本発明の第1構成例に係る他の電位の変化を例示する説明図。 Explanatory diagram illustrating a change in other potential according to the first configuration example of the present invention. 本発明に係る第2の構成例を示す説明図。 Explanatory view showing a second configuration example of the present invention. 第2構成例の測定方法に係る1つの電位の変化を例示する説明図。 Explanatory diagram illustrating a change in one of the potential of the measuring method of the second configuration example. 本発明に係る第3の構成例を示す説明図。 Explanatory view showing a third configuration example of the present invention. 本発明に係る第4の構成例を示す説明図。 Explanatory view showing a fourth configuration example of the present invention. 本発明に係る測定装置の概要を例示する説明図。 Explanatory diagram illustrating an outline of a measuring apparatus according to the present invention. 従来技術に係る構成例を示す説明図。 Explanatory view showing a configuration example according to the prior art.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 電荷供給部2 電荷供給調整部3、3a、3b センシング部4、4a、4b 障壁部5、5a、5b、フローティングディフュージョン6、6a、6b リセットゲート7、7a、7b リセットドレイン8 制御手段(制御部) 1 charge supply section 2 charge supply adjusting unit 3, 3a, 3b sensing portion 4, 4a, 4b barrier unit 5, 5a, 5b, the floating diffusion 6, 6a, 6b reset gate 7, 7a, 7b reset drain 8 control means (control part)
9 センシング電荷蓄積部10 堰部13 電荷転送部B 半導体基板P 絶縁膜 9 sensing the charge storage unit 10 weir 13 the charge transfer section B the semiconductor substrate P insulating film

Claims (6)

  1. 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に係るポテンシャルを測定する方法であって、 Corresponds to the magnitude of the physical or chemical quantity to supply charge from the charge supply section with respect to the sensing portion which changes the potential, taken out through the floating diffusion the supplied charge from the sensing unit, it is supplied a method of measuring the potential of the said physical phenomena or chemical phenomena by detecting the amount of charge,
    物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定し、移動する電荷のフローティングディフュージョンへの蓄積回数を設定するとともに、設定された測定範囲を基準に蓄積回数を制御することを特徴とするポテンシャルの測定方法。 Set the measurement range in accordance with the magnitude of the physical or chemical quantity of change, and sets the accumulation number of the floating diffusion of the moving electric charges, controlling the accumulated number of times based on the set measurement range method of measuring the potential of said.
  2. 前記フローティングディフュージョンへの蓄積回数を、所定回数の転送によってフローティングディフュージョンに蓄積された電荷量に連動して変更可能とすることを特徴とする請求項1記載のポテンシャルの測定方法。 The accumulation times of the floating diffusion, the measuring method of potential according to claim 1, characterized in that the changeable in association with the amount of charge accumulated in the floating diffusion by the transfer of a predetermined number of times.
  3. 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、 A charge supply unit for supplying charge to the sensing unit, a sensing unit which potential corresponds to the magnitude of the physical or chemical quantity is changed, the detection unit comprising a floating diffusion taking out the electric charge supplied to the sensing unit a measuring device,
    物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定する手段、移動する電荷のフローティングディフュージョンへの蓄積回数を設定する手段、および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中間に設けられた障壁部の動作を制御することによって、フローティングディフュージョンへの蓄積回数を変更可能とする制御手段を有することを特徴とするポテンシャルの測定装置。 Means for setting a physical or measurement range depending on the size of the chemical amount of change, it means for setting the accumulated number of times the floating diffusion charge moving, and provided in the middle of the sensing portion and the floating diffusion by controlling the operation of the barrier unit, the measuring apparatus of the potential, characterized in that it comprises a control means for the changeable accumulation number to the floating diffusion.
  4. 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、該センシング部から転送された電荷を蓄積するセンシング電荷蓄積部、該センシング電荷蓄積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、 Charge supply unit for supplying charge to the sensing unit, physical or chemical sensing unit potential corresponding to the magnitude changes in the amount, sensing the charge accumulating portion for accumulating the charge transferred from the sensing unit, the sensing a floating diffusion, measuring device having a detecting portion consisting of taking out the charge supplied to the charge storage unit,
    物理的または化学的な量の変化の大きさに応じて測定範囲を設定する手段、移動する電荷のフローティングディフュージョンへの蓄積回数を設定する手段、および前記センシング電荷蓄積部とフローティングディフュージョンの中間に設けられた閾部の動作によって、フローティングディフュージョンへの蓄積回数を変更可能とする制御手段を有することを特徴とするポテンシャルの測定装置。 It means for setting a measurement range according to the size of the physical or chemical quantity of change, provided means for setting the accumulated number of times to the floating diffusion of the moving charge, and in the middle of the sensing charge accumulating portion and the floating diffusion by the operation of 閾部 that is, the measuring apparatus of the potential, characterized in that it comprises a control means for the changeable accumulation number to the floating diffusion.
  5. 同一の構造の前記電荷供給部、リセットゲート、およびセンシング電荷蓄積部を含む場合には当該センシング電荷蓄積部、からなる検出器を有する少なくとも一対の検出系を有する測定装置であって、 The charge supply part of the same structure, a measuring device comprising at least a pair of detection system having a detector consisting of the sensing charge accumulation portion, if the reset gate, and comprising sensing charge storage unit,
    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を有する前記機能を有する検出系Aと、物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有しセンシング部以外の機能を同じくする検出系Bからなる一対の検出系を構成するとともに、検出系Aにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数と、検出系Bにおけるフローティングディフュージョンへの蓄積回数を連動して変更することを特徴とする請求項3または4記載のポテンシャルの測定装置。 Sensing unit has a detection system A having the functions of a sensing unit that changes the potential in response to the magnitude of the physical or chemical quantity, the sensing portion which is not sensitive to changes in the physical or chemical quantity thereby constituting a pair of the detection system comprising a detection system B, with the same functions other than the storage number to the floating diffusion in a detection system a, to change in conjunction accumulation number to the floating diffusion in the detection system B measuring apparatus of the potential of claim 3 or 4, wherein.
  6. 前記センシング電荷蓄積部とフローティングディフュージョンの中間に電荷転送手段が配設された測定装置であって、前記電荷転送手段が電荷結合素子であり、複数のセンシング電荷蓄積部の電荷を1つのフローティングディフュージョンに転送することを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載のポテンシャルの測定装置。 Wherein a measuring apparatus in which the intermediate charge transfer unit is disposed in sensing the charge accumulating portion and the floating diffusion, the a charge transfer unit charge coupled device, a plurality of sensing the charge accumulation portion of the charge on one of the floating diffusion measuring apparatus of the potential of any one of claims 3-5, characterized in that the transfer.
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