JP2008164359A - イオンセンサおよびこれを用いた分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外光による影響を受けずに、測定値に対する安定性と信頼性の確保することができ、かつ簡便な構成のイオンセンサおよびこれを用いた分析装置を提供すること。
【解決手段】 バックゲートＢとソースＳとの間、およびバックゲートＢとドレインＤとの間に発生するバックゲート光電流Ｉｂｐを取り出すためのゲート電極Ｇを持つイオン感応性電界効果トタンジスタ（ＩＳＦＥＴ）１０よりなるイオンセンサであって、バックゲート光電流Ｉｂｐを用いて、ソースＳやドレインＤにおいて発生する光電流Ｉｓｐ，Ｉｄｐを補正することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、イオンセンサおよびこれを用いた分析装置に関するもので、特に、溶液試料のｐＨ測定あるいは溶液中のイオン濃度測定などに用いるイオン感応性電界効果トタンジスタよりなるイオンセンサおよびこれを用いた分析装置に関するものである。

溶液試料のｐＨ（水素イオン濃度）測定あるいは溶液中のイオン濃度測定などには、従来からガラス電極とともに、イオン感応性電界効果型トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）を用いた検出手段が用いられ、溶液中のｐＨあるいは溶液中のイオン濃度の各種の分析・解析手段として有用されている。しかし、ＩＳＦＥＴは、半導体のＭＯＳ構造を持つがゆえに、ｐ−ｎ結合部分での外乱光による光電流が発生し、その起電力によって測定値のフラツキや経時的な変化（ドリフト）が生じることがある。そのため、直接日光の当たるような場所で使用する場合などは、測定の誤差要因として、光影響が大きく関与することがある。

従来、こうした場合には、以下の対応方法が考えられ、実用されている。
（１）イオン感応部とゲート部を金属膜で接続し、ゲート部を遮光モールドすることにより影響を回避する方法が考えられている。具体的には、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、ＭＯＳＦＥＴのゲート部１０４から導電性の電極１０５，１０６をゲート領域以外の基板１０１上に延設すると共に、この延設された導電性電極１０５，１０６の表面を、ゲート部１０４から離れたところにコンタクトホール１０６ｂが形成されるように、高絶縁膜１０７で被覆し、コンタクトホール１０６ｂ上にイオン感応膜１０８を設けた構造を有している（例えば特許文献１参照）。
（２）測定用ＩＳＦＥＴと比較用ＩＳＦＥＴを用いてその差をとることにより、誘導電圧もしくは温度の変動を相殺することが考えられている。具体的には、図７に示すように、細管２０１内に検知部が細管先端部から露出するように測定用ｐＨ−ＩＳＦＥＴ２０５を装着すると共に、細管先端部に測定用ｐＨ−ＩＳＦＥＴ２０５と液絡可能にｐＨ緩衝液を保持する保液部２０４を設け、この保液部に参照用ｐＨ−ＩＳＦＥＴ２０６及び擬似比較電極２０７を装着する。この擬似比較電極に対する測定用ｐＨ−ＩＳＦＥＴ２０５及び参照用ｐＨ−ＩＳＦＥＴ２０６の検知電圧の電圧差を検出させるように、測定用ｐＨ−ＩＳＦＥＴ２０５、参照用ｐＨ−ＩＳＦＥＴ２０６及び擬似比較電極２０７からリード線２０５ａ、２０６ａ、２０７ａを細管２０１の外部へ導出する（例えば特許文献２参照）。

特公平０３−１５９７４号公報 特開平０９−１７８６９７号公報

しかしながら、上記のようなＩＳＦＥＴでは、以下の課題が生じることがあった。例えば、上記（１）のような構成においては、延設部分の配設によって構造的に複雑となることがあり、また屋外などの使用において延設部分で誘導を受ける場合などには、必ずしも感応膜部の電位がゲート部へ反映できるとは限らない。また、上記（２）のような構成においては、測定溶液の温度変化に対する補正機能は高いが、測定用ＩＳＦＥＴと比較用ＩＳＦＥＴの光影響特性を揃えることは、非常に困難である。文献上は、双方ともｐＨ−ＩＳＦＥＴであり、その経時的ドリフト特性は類似するために、この種のドリフトも容易に相殺されるとされているが、実際上は、同一チップ上に形成する場合であっても困難である。また、光影響特性の調整機能を有する場合であっても、外光が強い場合と弱い場合の特性を補正することはさらに困難である。

また、感応膜にアルミナを使用することにより、ＩＳＦＥＴのチップ全体を光透過度の低い膜で結果的に覆うようにして光影響を低減させる方法も考えられるが、この方法では完全に遮光ができないために、むしろ単純な外光の強度と相関する光影響とは異なる特性の何らかの影響が現れることがあり、補正することは困難である。

そこで、本発明はこうした問題点を解決し、屋外など直接日光の当たるような場所において、溶液試料のｐＨ測定あるいは溶液中のイオン濃度測定などが可能な、簡便な構成のイオンセンサおよびこれを用いた分析装置を提供することを目的とする。つまり、外光による影響を受けずに、測定値に対する安定性と信頼性の確保することができ、かつ簡便な構成のイオンセンサおよびこれを用いた分析装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すイオンセンサおよびこれを用いた分析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。

本発明は、バックゲートとソースとの間、およびバックゲートとドレインとの間に発生するバックゲート光電流Ｉｂｐを取り出すためのゲート電極を持つイオン感応性電界効果トタンジスタよりなるイオンセンサであって、前記バックゲート光電流Ｉｂｐを用いて、前記ソースやドレインにおいて発生する光電流Ｉｓｐ，Ｉｄｐを補正することを特徴とする。

上述のように、ＭＯＳ構造を有するＦＥＴにおいては、ｐ−ｎ結合部分での外乱光による光電流が発生は避けられない。本発明者は、ＭＯＳ構造における４つ目の端子であるバックゲートとソースとの間、およびバックゲートとドレインとの間に生じる光電流Ｉｂｐ（以下「バックゲート光電流」といい、各々光電流Ｉｂｓｐと光電流Ｉｂｄｐとする）が、ソース電流Ｉｓに含まれる光電流分Ｉｓｐもしくはドレイン電流Ｉｄに含まれる光電流分Ｉｄｐと、それぞれ相関ある変化を生じることを見出したもので、さらに検証の結果、この相関を利用することによって、外光の変化に伴う光電流の発生を補正できることを見出した。また、こうした光電流の影響補正について、ＩＳＦＥＴから出力を取り出し外部で補正した場合には、上述のような外部からの誘導等の影響を受けることがあり、ＩＳＦＥＴ内部において補正することが好適であるとの知見を得た。具体的な構成の検討結果は後述するが、このように光電流Ｉｂｐを利用して補正することによって、従前のような複雑な方法を用いなくても、外光による影響を受けずに、測定値に対する安定性と信頼性の確保することができ、かつ簡便な構成のイオンセンサを提供することが可能となった。

本発明は、電気回路が組み込まれたイオンセンサであって、該電気回路内に（ａ）前記バックゲート光電流Ｉｂｐを検知し、ソース電流Ｉｓもしくはドレイン電流Ｉｄから光電流分Ｉｓｐ，Ｉｄｐを補正する回路、および／または（ｂ）前記バックゲート光電流Ｉｂｐとそれによるバックゲートとソース間電圧の光影響分を補正する回路、が形成されたことを特徴とする。

上記のように、イオンセンサに対する外光の影響はイオンセンサ内部で補正することが好ましく、バックゲート光電流Ｉｂｐを利用することによって精度よく補正できるとの知見を得た。本発明においては、これを具体化し、イオンセンサ内部に組み込まれた電気回路の機能を明示したもので、２つの補正回路から構成される。１つは（ａ）バックゲート光電流Ｉｂｐによるソース電流およびドレイン電流に対する補正回路、他の１つは（ｂ）バックゲート光電流Ｉｂｐの発生に伴うバックゲート−ソース間の電位の変化の影響を補正する回路である。

こうした電気回路の機能の詳細は後述するが、ＩＳＦＥＴにおいては、一般にドレインとソースの構造が同じであることから、理論的には、ここで発生する光電流分Ｉｓｐ，Ｉｄｐは同量である。従って、上記（ａ）の補正回路によって補正可能である。
しかし、ＭＯＳ構造の場合には必ずバックゲートが存在し、ＩＳＦＥＴにおいてはその一端子を形成することから、現実にバックゲート光電流Ｉｂｐが発生した場合、バックゲート−ソース間の電位が変化する。その結果ＩＳＦＥＴの本来の特性である（ゲート−ソース間の電位）〜（ソース−ドレイン間の電流）の関係に影響を及ぼすために、こうした影響分をも補正する必要がある。上記（ｂ）の補正回路は、係る補正機能を果たすものである。
本発明は、こうした２つの機能を有する補正回路をイオンセンサ内部に組み込むことによって、外光による影響を受けずに、測定値に対する安定性と信頼性の確保することができるイオンセンサを提供することが可能となった。

本発明は、センシング部に生じる電位の変化を、デジタル信号として演算処理装置に取り込む機能を有するイオンセンサであって、前記バックゲート光電流Ｉｂｐを、センシング部の出力信号と比較演算して光影響分を補正する機能を有することを特徴とする。

一般に、デジタル信号はアナログ信号と比較して、処理の安定性および迅速性に優れている。本発明は、上記イオンセンサに内蔵する補正回路について、センシング部に生じる電位をデジタル信号として処理し、合せてバックゲート光電流Ｉｂｐ発生の影響分についてもデジタル信号に変換し、補正処理を行うことによって、外光による影響を受けずに、さらに測定値に対する安定性と信頼性の確保することが可能となった。

本発明は、上記いずれかのイオンセンサを用いた分析装置であって、自然水や工業用水などの溶液を測定対象とし、これらのｐＨや所定のイオン濃度を測定項目として、屋外で測定することを特徴とする。

既述のように、従前のイオンセンサでは、屋外での使用においては、十分な測定精度が確保された測定は困難であった。従って、こうしたイオンセンサを用いた分析装置にあっては、外光による影響を受けずに分析するには、こうした影響を低減する何らかの対処が必要であった。本発明においては、上記いずれかのイオンセンサを用いることによって、屋外で測定する場合であっても、外光による影響を受けずに、十分な測定値に対する安定性と信頼性の確保することが可能であり、特に、自然水や工業用水などの溶液を測定対象とし、これらのｐＨや所定のイオン濃度を測定項目とする場合には、従前にない優位性および有用性を得ることができる。

以上のように、本発明によって、外光による影響を受けずに、測定値に対する安定性と信頼性の確保することが可能となった。従って、屋外など直接日光の当たるような場所において、溶液試料のｐＨ測定あるいは溶液中のイオン濃度測定などが可能な、簡便な構成のイオンセンサおよびこれを用いた分析装置を提供することが可能となった。

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。この発明に係るイオンセンサ（以下「本センサ」という。）は、ＭＯＳ構造を有するＩＳＦＥＴよりなるセンサであって、２つの補正回路が組み込まれた構成からなる。

＜本センサの構成例＞
図１は、本センサの構成例として、ＭＯＳ構造を有するＩＳＦＥＴの構造を例示する。高絶縁シリコンウエハ１内にｎ型領域２が形成され、その中にｐ型領域３が形成されてＭＯＳ内ＦＥＴが構成される。さらに、ｐ型領域３に、不純物拡散によってｎ＋拡散層が２ヶ所形成され、一方がソースＳとされ、他方がドレインＤとされる。ｎ型領域２はバックゲートＢ取り出しのバックゲート配線Ｂａと接続され、ソース配線Ｓａとドレイン配線Ｄａ、およびｐ型領域３の表面とともに、酸化皮膜（ＳｉＯ_２膜）４によって被覆される。さらに、ＳｉＯ_２膜４の表面にＳｉ_３Ｎ_４膜Ｇａ、Ｔａ_２Ｏ_５膜Ｇｂよりなるゲート電極Ｇが形成される。ｐＨセンサの場合には、該ゲート電極Ｇ部分がｐＨに感応するｐＨ感応膜を構成する。

ｎ型領域２とｐ型領域３の間には、バックゲートＢを除いて酸化膜で絶縁しておくと、バックゲート光電流Ｉｂｐを取り出すときの外乱による誤差を抑えることができる。バックゲート光電流Ｉｂｐは、ｎ型領域２を経由してウエハ表面のバックゲート配線Ｂａより取り出される。ソース配線Ｓａとドレイン配線Ｄａ、およびバックゲート配線Ｂａは、本センサに組み込まれた後述する電気回路と接続され、電源供給や電位の測定あるいは外光によって生じた光電流の補正などに供される。

ここで、ＩＳＦＥＴのソース電流をＩｓおよびドレイン電流をＩｄとすると、例えば、直接日光などの外光が照射された場合、ソース電流Ｉｓはｐ−ｎ結合部分において生じる光電流Ｉｓｐ分変化し、ドレイン電流Ｉｄは同じく光電流Ｉｄｐ分変化する。と同時に、バックゲートＢとソースＳとの間には光電流Ｉｂｓｐ（＝Ｉｓｐ）が発生し、バックゲートＢとドレインＤとの間には光電流Ｉｂｄｐ（＝Ｉｄｐ）が発生する。ここでは、説明上両者を加算してバックゲートＢに生じるバックゲート光電流Ｉｂｐとすることがある。

〔上記構成例における出力処理回路の基本的動作について〕
次に、本センサにおいて、ＩＳＦＥＴからの各出力を処理する電気回路の基本的動作について、図２に例示する電気回路を基に説明する。検出手段として、ＩＳＦＥＴ１０とともに比較電極１１を有し、溶液の電位をゲート電極Ｇにおいて生じる電位の変化として検出する場合を例示している。電気回路内には、（ａ）バックゲート光電流Ｉｂｐを検知し、ソース電流Ｉｓもしくはドレイン電流Ｉｄから光電流分Ｉｓｐ，Ｉｄｐを補正する回路、および／または（ｂ）バックゲート光電流Ｉｂｐとそれによるバックゲートとソース間電圧Ｖｂｓの光影響分を補正する回路、が含まれている。

（ａ）バックゲート光電流Ｉｂｐによる光電流Ｉｓｐおよび光電流Ｉｄｐを補正
（ａ−１）バックゲートＢとソースＳとの間に生じる光電流Ｉｂｓｐは、ＩＳＦＥＴのチャネル電流となるので、その分だけソース電流Ｉｓを減らす必要がある。バックゲートＢにはバックゲートＢとドレインＤとの間に生じる光電流Ｉｂｄｐも流れてくるが、ドレインＤとソースＳの形状が同じであれば，バックゲート光電流Ｉｂｐ合計の１／２が、光電流Ｉｂｓｐとなる。
（ａ−２）演算増幅器ＯＰ３によって変換されたバックゲートモニタ電位Ｖ３は、バックゲート光電流Ｉｂｐがゼロのとき０Ｖで、多くなるほどマイナス側に振れる。
（ａ−３）その結果，電流Ｖ３／Ｒ２が流れ、演算増幅器ＯＰ２によって変換されたソースモニタ電位Ｖ２が上昇し，ソース電流Ｉｓが減少する。
（ａ−４）この減少分ΔＩｓ＝光電流Ｉｂｓｐとなるように、各抵抗値を選べば光電流分をキャンセルできる。
（ａ−５）ここで、下式１および下式２が成立することから、各抵抗値を算出することができる。Ｖｒは、ソース電流Ｉｓを設定するための基準電圧である。
Ｉｓ＝［（Ｖｒ／Ｒ３）−（Ｖ３／Ｒ２）］×Ｒ４／Ｒ５・・（式１）
Ｖ２＝−［（Ｖｒ／Ｒ３）−（Ｖ３／Ｒ２）］×Ｒ４・・（式２）

（ｂ）バックゲート光電流Ｉｂｐの発生に伴うバックゲート−ソース間の電圧Ｖｂｓの変化の影響を補正
（ｂ−ｌ）バックゲート光電流Ｉｂｐの発生によって、バックゲートモニタ電位Ｖ３が持ち上がった場合、同じ電流を流すのに必要なゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓが小さくなるので、この効果を打ち消す必要がある。
（ｂ−２）補正は、バックゲート光電流Ｉｂｐが、バックゲートモニタ電位Ｖ３として電圧に変換されて出力されているのでこれを利用する。つまり、バックゲート持ち上がり電圧（光影響に伴う光起電力）Ｖｐは、分布定数的に考える必要があるが、ここでは簡単のため集中定数として考えると、バックゲート持ち上がり電圧＝光電流×Ｐウェル抵抗である。これとバックゲートモニタ電位Ｖ３が比例関係にあるとすると、バックゲートモニタ電位Ｖ３を抵抗Ｒ８，Ｒ９で抵抗分圧して演算増幅器ＯＰ４の非反転入力に接続すれば、原理的にキャンセル可能である。
（ｂ−３）本補正回路における補正動作の誤差要因としては、
１つには、抵抗ＲｌとＰウェル抵抗が抵抗の種類が異なるために、特性のばらつきや温度特性が異なることによる誤差を挙げることができる。この誤差は、抵抗ＲｌをＩＳＦＥＴチップに内蔵すれば小さくなるが、端子数が増加する。
２つには、バックゲートＢから見た相互コンダクタンスｇｍｂと本来のゲートから見たｇｍの比のばらつきによる誤差を挙げることができる。この誤差は、２個のサンプル測定では、ｇｍｂ／ｇｍ＝２７０ｕＳ／３３０ｕＳとなっている。
（ｂ−４）なお、（ａ）と（ｂ）の光影響は、正負反対の方向になっている。

〔上記構成例における出力処理回路の解析について〕
次に、上記出力処理回路の解析を、図３に例示した電気回路に基づき行う。図３に例示した電気回路は、上記図２と基本的に同一であり、上記（ａ）と（ｂ）の２つの補正回路を有している。また、検出手段として、図２同様ＩＳＦＥＴ１０とともに比較電極１１を有し、溶液のｐＨをゲート電極Ｇにおいて生じる電位の変化として検出する場合を例示している。

（１）光影響によるバックゲート電位の持ち上がりの補正を考える。
（１−１）補正回路からの出力をＶｏｕｔとし、ゲート電位に対して基準となり比較電極に印加される基準電圧をＶｒとすると、図３の回路において、下式３が成立する。
Ｖｏｕｔ＝Ｖ３×（１＋Ｒ７／Ｒ６）×Ｒ９×（Ｒ８＋Ｒ９）−Ｖｒ×Ｒ７／Ｒ６・・（式３）
ここで、抵抗Ｒ６＝抵抗Ｒ７，抵抗Ｒ８＝抵抗Ｒ９とすると、下式３は下式４となる。
Ｖｏｕｔ＝Ｖ３−Ｖｒ・・（式４）
（１−２）次に、溶液中での電解質の電位をＶｐＨ、ＩＳＦＥＴ１０のゲート−ソース間の電圧をＶｇｓとし、外光の影響を解析する。
（１−３）外光の影響がない場合は、バックゲートモニタ電位Ｖ３＝０として、下式５が成立する。
Ｖｒ＝Ｖｇｓ＋ＶｐＨ・・（式５）
（１−４）一方、外光の影響がある場合は、光影響に伴う光起電力をＶｐとすると、溶液測定をしていない状態のバックゲート−ソース間の電圧Ｖｂｓは、下式６のようになる。
Ｖｂｓ＝Ｖｇｓ＋Ｖｐ・・（式６）
つまり、外光の影響がある場合は、上式５のゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓをバックゲート−ソース間の電圧Ｖｂｓに置き換えればよく、下式７に示すように、
Ｖｒ＝Ｖｇｓ＋Ｖｐ＋ＶｐＨ・・（式７）
となる。すなわち上式４の値Ｖｏｕｔは、光起電力Ｖｐだけ減少する。
ここで、バックゲートモニタ電位Ｖ３は、バックゲート光電流Ｉｂｐに対し、下式８に示すように、
Ｖ３＝−Ｉｂｐ×Ｒ１・・（式８）
となる。
（１−５）従って、バックゲートモニタ電位Ｖ３＝−Ｖｐであるならば、上式４により光影響分がキャンセルされる。

（２）次に、光影響によるソース電流Ｉｓの補正を考える。
（２−１）光影響がない場合は、ＩＳＦＥＴ１０のドレイン電流Ｉｄ＝ソース電流Ｉｓであり、下式９が成立する。
Ｉｓ＝Ｖ２／Ｒ５・・（式９）
（２−２）ドレインＤとソースＳの構造が同じであれば、ソース電流Ｉｓに加わる光電流は、バックゲート光電流Ｉｂｐの１／２となる。従って、図３の回路で、バックゲート光電流Ｉｂｐの補正分を入れたソース電流Ｉｓは、下式１０と上式８を上式９に代入することによって、下式１１となる。
Ｖ２＝−（Ｒ４／Ｒ２）×Ｖ３−（Ｒ４／Ｒ３）×Ｖｒ・・（式１０）
＝Ｉｂｐ×Ｒ１×（Ｒ４／Ｒ２）−（Ｒ４／Ｒ３）×Ｖｒ
Ｉｓ＝Ｖ２／Ｒ５＝（Ｒ４／Ｒ５）×（Ｉｂｐ×Ｒ１／Ｒ２−Ｖｒ／Ｒ３）・・（式１１）
（２−３）ここで、抵抗Ｒ３＝抵抗Ｒ４とすると、ソース電流Ｉｓは、下式１２となる。
Ｉｓ＝［Ｒ１×Ｒ４／（Ｒ２×Ｒ５）］×Ｉｂｐ−Ｖｒ／Ｒ５・・（式１２）
従って、ソース電流Ｉｓに加わる光電流Ｉｓｐは、上式１２の前項分に相当し、バックゲート光電流Ｉｂｐの１／２に相当することから、下式１３が成立する。
［Ｒ１×Ｒ４／（Ｒ２×Ｒ５）］×Ｉｂｐ＝Ｉｂｐ／２・・（式１３）
つまり、下式１４が成立する。
Ｒ１×Ｒ４／（Ｒ２×Ｒ５）＝１／２
→ ２×Ｒ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ５・・（式１４）
この中で、抵抗Ｒ１，Ｒ４，Ｒ５は以前の式で決まってくるので、結局、下式１５が成立する。
Ｒ２＝２×Ｒ１×Ｒ４／Ｒ５・・（式１５）
で決められる。このとき、
Ｉｓ＝−Ｖｒ／Ｒ５＋Ｉｂｐ／２・・（式１６）
となる。
（２−４）よって、光影響のキャンセルのための設計は、式８より抵抗Ｒ１を求め、次に式１５より抵抗Ｒ２を求める。ただし、光影響のない場合の設計にて、抵抗Ｒ４，Ｒ５は決定されており、光影響の補正回路を形成することができる。
（２−５）また、バックゲート光電流Ｉｂｐと光起電力Ｖｐとの間にはリニアな関係があって、ＩＳＦＥＴ１０の温度ドリフトは、別途キャンセルすることができる。

＜他の出力処理回路について＞
図４は、バックゲート光電流Ｉｂｐを電圧に変換してＡＤＣ２０にてデジタル信号化し、ＣＰＵ２１に取り込み、別途取り込んだＩＳＦＥＴ１０の出力信号（ｐＨ信号）とＣＰＵ２１内で演算補正する場合の回路例を示す。図３と共通する事項については、説明を省略する。

具体的には、上記図３における演算増幅器ＯＰ４および抵抗６〜９に代えて、基準電圧Ｖｒに相当する演算増幅器ＯＰ１からの出力とバックゲートモニタ電位Ｖ３に相当する演算増幅器ＯＰ３からの出力を、ＡＤＣ２０にてデジタル信号化し、ＣＰＵ２１にて演算補正することによって、光影響の補正回路を形成することができる。

なお、図４では、ＩＳＦＥＴ１０のソース電流Ｉｓをバックゲート光電流Ｉｂｐで回路的に補正しているが、補正せずにＣＰＵ２１にて補正してもよい。

＜上記イオンセンサを用いた分析装置＞
上記イオンセンサを用いた本発明に係る分析装置（以下「本装置」という）を、図５に例示する。ＩＳＦＥＴセンシング部３１，比較電極３２および信号変換部３３を有するＩＳＦＥＴ電極部３０と、ＩＳＦＥＴ電極部３０からの出力信号を処理する演算表示部４０から構成される。演算表示部４０では、さらに、分析結果などの出力情報を外部と交信する演算処理部（図示せず）、出力情報などを表示するモニタ部４１、外部から処理入力が可能な入力部４２から構成される。信号変換部３３において、ＩＳＦＥＴ出力電圧が被測定溶液の電位に変換されるとともに、外光の影響が補正される。また、ＩＳＦＥＴ電極部３０と演算表示部４０は、無線で出力信号等のやり取りを行うことができる。本装置は、分析作業において、ＩＳＦＥＴセンシング部３１に対して色々な角度から直射日光を受けながら操作を行っても、外光による影響を受けずに、分析することができる。従前の分析装置では、ＩＳＦＥＴからなるセンシング部に対して外光の遮蔽等を行うことが難しく、試料水を採取して分析することから、河川水や海水の変化に追従するような分析はできなかったが、本装置は、こうした分析が可能な屋外型の分析装置としても有用である。

特に、本装置は、所定の距離範囲において、コードなしで演算表示部４０との交信が可能であることから、ＩＳＦＥＴ電極部３０を直接河川水や海水などに投入して測定可能な構造を有している点において特徴を有する。河川水や海水の変化を連続的に測定することができるとともに、河川水や海水中の任意の位置に移動することによって、各測定点における外光や温度などの影響を受けずに、連続性の高い二次元情報あるいは三次元情報を確保することができる。また、特定の測定点に設置して連続的に測定することができる分析装置とすることも可能であり、昼夜・気候など外光の強度を問わず、所定の測定精度を維持・確保した分析を行うことができる。

このように、本装置は、自然水や工業用水などの溶液を測定対象とし、これらのｐＨや所定のイオン濃度を測定項目として、屋外で測定する分析装置に用いることによって、非常に高い有用性を発揮する。

以上は、主としてｐＨ測定用のイオンセンサを中心に述べたが、他のイオン濃度測定用のイオンセンサについても適用可能である。屋外の水質検査などの用途において有用性の高いイオンセンサを提供することが可能となる。

また、イオンセンサを二次元に配列し、測定液中の濃度分布を二次元情報として取り出す構成に本発明を適用し、上記補正回路を有する複数のＩＳＦＥＴを二次元的に分布させて、外光の影響が補正された二次元画像を作成することも可能である。

本発明に係るＩＳＦＥＴからなるイオンセンサの構成例を示す説明図。 本発明に係るイオンセンサに組み込まれた電気回路を例示する説明図。 本発明に係る構成例における出力処理回路を例示する説明図。 本発明に係る構成例における他の出力処理回路を例示する説明図。 本発明に係るイオンセンサイオンセンサを用いた本発明に係る分析装置を例示する説明図。 従来技術に係るＩＳＦＥＴセンサの構成を例示する説明図。 従来技術に係るｐＨ―ＩＳＦＥＴを用いたｐＨセンサの構成を例示する説明図。

符号の説明

１ シリコンウエハ
２ ｎ型領域
３ ｐ型領域
４ 酸化皮膜（ＳｉＯ_２膜）
１０ ＩＳＦＥＴ
１１ 比較電極
Ｂ バックゲート
Ｂａ バックゲート配線
Ｄ ドレイン
Ｄａ ドレイン配線
Ｇ ゲート電極
Ｇａ Ｓｉ_３Ｎ_４膜
Ｇｂ Ｔａ_２Ｏ_５膜
Ｉｂｐ バックゲート光電流
Ｉｂｄｐ バックゲートＢとドレインＤとの間に生じる光電流
Ｉｂｓｐ バックゲートＢとソースＳとの間に生じる光電流
Ｉｄ ドレイン電流
Ｉｄｐ ドレインからの光電流
Ｉｓ ソース電流
Ｉｓｐ ソースからの光電流
ＯＰ１〜４ 演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ１０ 抵抗
Ｓ ソース
Ｓａ ソース配線
Ｖ２ ソースモニタ電位
Ｖ３ バックゲートモニタ電位
Ｖｂｓ バックゲートとソース間電圧
Ｖｒ 基準電圧

Claims (4)

1. バックゲートとソースとの間、およびバックゲートとドレインとの間に発生するバックゲート光電流Ｉｂｐを取り出すためのゲート電極を持つイオン感応性電界効果トタンジスタよりなるイオンセンサであって、前記バックゲート光電流Ｉｂｐを用いて、前記ソースやドレインにおいて発生する光電流Ｉｓｐ，Ｉｄｐを補正することを特徴とするイオンセンサ。
2. 電気回路が組み込まれたイオンセンサであって、該電気回路内に（ａ）前記バックゲート光電流Ｉｂｐを検知し、ソース電流Ｉｓもしくはドレイン電流Ｉｄから光電流分Ｉｓｐ，Ｉｄｐを補正する回路、および／または（ｂ）前記バックゲート光電流Ｉｂｐとそれによるバックゲートとソース間電圧の光影響分を補正する回路、が形成されたことを特徴とする請求項１記載のイオンセンサ。
3. センシング部に生じる電位の変化を、デジタル信号として演算処理装置に取り込む機能を有するイオンセンサであって、前記バックゲート光電流Ｉｂｐを、センシング部の出力信号と比較演算して光影響分を補正する機能を有することを特徴とする請求項１または２記載のイオンセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれかのイオンセンサを用いた分析装置であって、自然水や工業用水などの溶液を測定対象とし、これらのｐＨや所定のイオン濃度を測定項目として、屋外で測定することを特徴とするイオンセンサを用いた分析装置。

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