JP2009135967A - 電子装置及びその駆動方法並びに電子回路の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の電子回路は測定用容量素子Csを介して可変電圧源Vddから容量カップリングにより電流制御端子に供給される電圧変化に対応した電流を出力するトランジスタTr5と、参照電流を出力する定電流源22と、トランジスタTr5から出力される出力電流レベルを検出する電流検出回路23とを備える。トランジスタTr5に参照電流を通過させ、閾値電圧のばらつきを補償した後、スイッチング素子Tr2をオフ状態としてトランジスタTr5のゲート/ドレイン間の電流経路を非通電状態とし、可変電圧源Vddから測定用容量素子Csを介してゲート電極へ印加される電圧を変化させ、電流検出回路23で出力電流レベルを検出することにより、測定用容量素子Csの容量変化量を求める。
【選択図】図9
Description
<発明の実施の形態1>
図1は本実施形態に係わるバイオセンサのブロック図である。同センサは、基板11上に半導体製造プロセスを利用して形成された複数のセンサセル10と、センサセル10における生化学反応を電流レベルの変化量として検出するXドライバ20と、センサセル10を構成するFETのスイッチング制御を行うYドライバ30とを備えて構成されている。センサセル10は生化学反応に起因して容量が変化するキャパシタを含む容量型センサであり、基板11上にてN行M列のマトリクス状に配置されることにより、マルチセンサアレイを構成している。Xドライバ20からは各々のセル10に接続するM本のデータ線X1,X2,…,XMが基板11上に形成される一方、Yドライバ30からは各々のセル10に接続するN本の走査線Y1,Y2,…,YNが基板11上に形成されている。各々のデータ線Xm(1≦m≦M)は単位ドライバ21によって制御されている。
Vr=−CsΔVat/(Cs+Cr+Cg)−Vth …(1)
続いて、センシングステージTsに移行し、サブ走査線S2の信号をLレベルに保持しつつ、サブ走査線S1の信号をHレベルからLレベルに立ち下げ、サブ走査線S3の信号をLレベルからHレベルに立ち上げる。また、サブ走査線S3の信号の立ち上がりエッジよりもやや遅れて可変電圧源Vatの出力電圧をもとの電圧可Vatに戻す。このときの等価回路図は図5と同じであり、トランジスタTr4のドレイン端子から電流検出回路22に出力される出力電流Ioutの値は下式のように記述できることが知られている。
Iout=α(Vgs−Vth)2 …(2)
ここで、α=(WμCox)/(2L)であり、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、μは移動度、Coxは単位面積当たりのゲート酸化膜容量である。Vr=−Vgsであるから、(2)式においてVgsを消去し、β=Cs/(Cs+Cr+Cg)とすれば、下式が得られる。
Iout=αβ2(ΔVat)2 …(3)
(3)式に示すように、出力電流Ioutは閾値電圧Vthに関係なく、可変電圧源Vatの電圧変化量ΔVatの2乗に比例する。つまり、トランジスタTr4の閾値電圧Vthは参照キャパシタCr及びキャパシタCsに記憶された電圧により補償され、同トランジスタのチャネルを流れる出力電流Ioutは閾値電圧Vthの大きさに関係なく決定されるため、トランジスタTr4の特性のばらつきを補償することができる。さらに、出力電流Ioutの値を測定することにより、(3)式よりβの値を求めることができる。ここで、β=Cs/(Cs+Cr+Cg)であるから、Cr及びCgを既知とすれば、βの値からCsの値を求めることができる。
上記の第1の実施形態では、トランジスタの閾値電圧を補償することにより精度良く、電流量を検出する例について述べたが、トランジスタの閾値電圧のばらつきに加えて利得係数等のその他の特性のばらつきを補償するためには、参照電流を利用してトランジスタの特性のばらつきを補償することが好ましい。以下、具体的に述べる。
図13は第3実施形態におけるセンサセル10の回路構成図である。同図において、トランジスタTr5及びTr6は各々のゲート電極同士及びソース電極同士が接続しており、カレントミラー回路を構成している。カレントミラー回路においては、ミラーをなす一対のトランジスタを流れる電流比は利得係数の比に等しい。このため、トランジスタTr5及びTr6のチャネル長、チャネル幅、ゲート酸化膜容量等のデバイスパラメータを適当に設計することで、両者の電流比をk:1とすることができる。図中、スイッチングトランジスタTr1〜Tr4、キャパシタCs、及び参照キャパシタCrの各々の動作は実施形態2と同じであり、詳細な説明は省略する。また、トランジスタTr5及びTr6はpチャンネル型FETである。
これまで、トランジスタの特性ばらつきの補償を行う実施形態について述べたが、トランジスタの特性ばらつきが無視できるような測定、あるいは、トランジスタの特性ばらつきが十分小さい場合は、図14に示したような回路を用いることができる。以下、具体的に述べる。
ΔVgs=CsΔVdif/(Cs+Cr) …(4)
トランジスタTr3がピンチオフ領域で動作する場合には、ドレイン電流とゲート電位とは1対1の関係にあるため、トランジスタTr3の出力電流を測定すすることにより、(4)式からキャパシタCsの容量値を求めることができる。このように、本実施形態によれば、トランジスタのゲート電位を容量カップリングにより調整することで、センサの検出感度を高めることができるとともに、回路構成を比較的簡単にすることができるため、低コストでバイオチップを作製することができる。
本発明によれば、可変電圧源の電圧変化量を基に出力電流レベルの利得を調整できるため、微量な生化学反応を高精度に検出することができる。つまり、可変電圧を所望の電圧に調整することで、センサの検出感度を好適な範囲に設定できるため、感度調整が可能となる。また、本発明によれば、FETの閾値電圧のばらつきを補償することができるため、センサセル毎にばらつきのない高精度なセンシングを可能にできる。
Claims (24)
- トランジスタと第1の容量素子とを備えた電子回路の駆動方法であって、
前記トランジスタの第1の端子と前記トランジスタの電流制御端子とを電気的に接続する第1のステップと、
前記電流制御端子と前記第1の端子との電気的接続を切断する第2のステップと、
前記第1の容量素子に電圧信号を供給することにより、前記電流制御端子に印加される電圧を変化させる第3のステップを含む、電子回路の駆動方法。 - 前記第3のステップにおいて、前記電圧信号の電圧値を調整することにより、前記第1の端子と前記トランジスタの第2の端子との間に流れる電流レベル又は電流量の利得を調整する、請求項1に記載の電子回路の駆動方法。
- 前記第1の容量素子は、物質を担持することにより容量値が変化する、請求項1又は請求項2に記載の電子回路の駆動方法。
- 前記第1の容量素子は、前記物質を担持する受容体を含んで構成される、請求項3に記載の電子回路の駆動方法。
- 前記物質は蛋白質或いは核酸である、請求項3又は請求項4に記載の電子回路の駆動方法。
- 前記第1の容量素子又は前記第2の容量素子は、前記第1の容量素子又は前記第2の容量素子の、前記電流制御端子に接続する電極と物体又は物質とから構成される、請求項3に記載の電子回路の駆動方法。
- 被検査体と少なくとも1つの容量検出用電極との間に生ずる容量を検出するための電子回路の駆動方法であって、
前記少なくとも1つ容量検出用電極のうち一つの容量検出用電極に電流制御端子が接続されたトランジスタの前記電流制御端子とドレインとを電気的に接続することにより前記トランジスタの特性を補償し、
前記電子回路を通過する電流の電流量を計測する際に、前記電流制御端子の電圧値に応じた電流レベルを有する電流を前記トランジスタに通過させることを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 請求項7に記載の電子回路の駆動方法において、
前記電流レベルの調整は、前記電流制御端子に接続された参照用容量素子を介した容量カップリングにより前記電流制御端子の電圧値を設定することにより行うことを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 請求項7に記載の電子回路の駆動方法において、
前記被検査体と前記少なくとも1つの容量検出用電極とにより構成される容量素子を介した容量カップリングにより前記電流制御端子の電圧値を設定することにより行うことを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 被検査体と少なくとも1つの容量検出用電極との間に生ずる容量を検出するための電子回路の駆動方法であって、
前記少なくとも1つの容量検出用電極のうち一つの容量検出用電極に第1の電流制御端子が接続された第1のトランジスタの前記第1の電流制御端子と前記第1のトランジスタの第1のドレインとを電気的に接続した状態を用いることにより、当該一つの容量検出用電極に第2の電流制御端子が接続された第2のトランジスタの特性を補償し、
前記電子回路を通過する電流の電流量を計測する際に、前記第2の電流制御端子の電圧値に応じた電流レベルを有する電流を前記第2のトランジスタに通過させることを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 請求項10に記載の電子回路の駆動方法において、
前記電流レベルの調整は、前記第2の電流制御端子に接続された参照用容量素子を介した容量カップリングにより前記第2の電流制御端子の電圧値を設定することにより行うことを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 請求項10に記載の電子回路の駆動方法において、
前記被検査体と前記少なくとも1つの容量検出用電極とにより構成される容量素子を介した容量カップリングにより前記第2の電流制御端子の電圧値を設定することにより行うことを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 被検査体と少なくとも1つの容量検出用電極との間に生ずる容量を検出するための電子回路の駆動方法であって、
前記電子回路を通過する電流の電流量を計測する際に、前記少なくとも1つの容量検出用電極のうち一つの容量検出用電極に電流制御端子が接続されたトランジスタに、前記電流制御端子の電圧値に応じた電流レベルを有する電流を通過させ、
前記電流レベルの調整は、前記電流制御端子に接続された参照用容量素子を介した容量カップリングにより前記電流制御端子の電圧値を設定することにより行うことを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 被検査体と少なくとも1つの容量検出用電極との間に生ずる容量を検出するための電子回路の駆動方法であって、
前記電子回路を通過する電流の電流量を計測する際に、前記少なくとも1つの容量検出用電極のうち一つの容量検出用電極に電流制御端子が接続されたトランジスタに、前記電流制御端子の電圧値に応じた電流レベルを有する電流を通過させ、前記電流レベルの調整は、前記被検査体と前記少なくとも1つの容量検出用電極とにより構成される容量素子を介した容量カップリングにより前記電流制御端子の電圧値を設定することにより行うことを特徴とする、電子回路の駆動方法。 - 第1のトランジスタと前記第1のトランジスタの電流制御端子に接続された容量素子とを含む電子回路を備えた電子装置の駆動方法であって、
前記第1のトランジスタの特性ばらつきを補償する補償ステップと、
前記第1のトランジスタの第1のソースと第1のドレインとの間に流れる電流量を計測する計測ステップを含む、電子装置の駆動方法。 - 請求項15に記載の電子装置の駆動方法において、
前記補償ステップは前記第1のドレインと前記第1のトランジスタの第1の電流制御端子とを電気的に接続した状態で行うことを特徴とする、電子装置の駆動方法。 - 請求項15に記載の電子装置の駆動方法において、
前記補償ステップは、前記容量素子に第2の電流制御端子が接続された第2のトランジスタの第2のドレインと前記第2の電流制御端子とを電気的に接続した状態で行うことを特徴とする、電子装置の駆動方法。 - 請求項15乃至17のいずれかに記載の電子装置の駆動方法において、
前記計測ステップを行う際に、あるいは前記計測ステップを行う前に電圧信号を前記容量素子に供給し、容量カップリングにより前記第1の電流制御端子の電圧値を変化させることにより前記第1のソースと前記第1のドレインとの間に流れる電流量の調整することを特徴とする、電子装置の駆動方法。 - 一方の電極がトランジスタの電流制御端子に接続し、他方の電極が電圧信号供給手段に接続する第1の容量素子を含む電子装置の駆動方法であって、
前記トランジスタを通過する電流量を計測する計測ステップを含み、
前記計測ステップを行う際、あるいは前記計測ステップを行う前に前記電圧信号供給手段から出力される出力電圧の電圧値を変化させることにより、前記電流制御端子の電圧値を変化させることを特徴とする、電子装置の駆動方法。 - 請求項19に記載の電子装置の駆動方法において、
異なる電圧値を有する複数の出力電圧を出力して前記複数の出力電圧のそれぞれに対して、前記計測ステップを行うことを特徴とする、電子装置の駆動方法。 - 容量素子を構成する電極のうち少なくとも1つの電極に、電流制御端子が接続されたトランジスタと、
前記トランジスタを通過する電流の電流量を計測する電流検出回路と、
前記トランジスタの特性ばらつきを補償する補償手段を備えたことを特徴とする、電子装置。 - 容量素子を構成する電極のうち少なくとも1つの電極に、電流制御端子が接続されたトランジスタと、
前記トランジスタを通過する電流の電流量を計測する電流検出回路と、
前記容量素子を介して前記電流制御端子の電圧を調整するための電圧信号を出力する電圧信号供給手段を備えたことを特徴とする、電子装置。 - 請求項21に記載の電子装置において、
前記容量素子を介して前記電流制御端子の電圧を調整するための電圧信号を出力する電圧信号供給手段を備えたことを特徴とする、電子装置。 - 請求項22に記載の電子装置において、
前記トランジスタの特性ばらつきを補償する補償手段をさらに備えたことを特徴とする、電子装置。
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