JP2010122090A - Ion image sensor and damage measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イオンイメージセンサ及びダメージ計測装置に関し、特に、イオン濃度分布の２次元画像データを出力するイオンイメージセンサ及びダメージ計測装置に関する。 The present invention relates to an ion image sensor and a damage measurement device, and more particularly to an ion image sensor and a damage measurement device that output two-dimensional image data of ion concentration distribution.
近年、生化学分野では、その初期の研究が専ら光学顕微鏡に拠っていた歴史から、電圧・電流や各種分光スペクトルなど画像ではないデータを沢山解析してきた半導体分野などとは違い、主に蛍光や発光によるイメージングという、目で見てわかる２次元画像を得てそれらを解析するという実験手段が主に使われてきた。２００８年度ノーベル化学賞を受賞した下川先生の蛍光するタンパク質も、ある特定分子にそのタンパク質を標識として付与するか、あるいはそのタンパク質を合成するＤＮＡに組み込むことにより、対象とする生化学現象を発光によるイメージで捉えることが主たる使用目的である。この手法の開発にノーベル賞が与えられているところに生化学現象解析での発光・蛍光分析の重要性が現れている。 In recent years, in the field of biochemistry, unlike the semiconductor field, which has analyzed a lot of non-image data such as voltage / current and various spectroscopic spectra from the history that the initial research was exclusively based on optical microscopes, An experimental means of imaging by light emission, which is to obtain a two-dimensional image that can be seen with eyes and analyze them, has been mainly used. The fluorescent protein of Prof. Shimokawa, who won the Nobel Prize in Chemistry 2008, is also applied to a specific molecule as a label, or the protein is synthesized into DNA to synthesize the target biochemical phenomenon by luminescence. The main purpose of use is to capture the image. The importance of luminescence / fluorescence analysis in biochemical phenomenon analysis is shown where the Nobel Prize is given for the development of this method.
このような蛍光・発光分析は、その歴史が長く技術的に洗練されているともいえるが、検出する光が非常に弱いため、真空管をベースとする光電子倍増管が受光器として用いられている。しかし、光電子倍増管は大きさが大きい上に壊れやすく、光学部品が別途必要となり、光学部品がどうしても焦点距離分の空間を取らねばならないため、装置が大型で高価なものとなる。また、定期的なメンテナンスが必要で、そのため装置稼働率が悪く、生化学実験の進歩スピードを鈍らせている原因にもなっている。 Such fluorescence / luminescence analysis has a long history and is technically sophisticated. However, since light to be detected is very weak, a photomultiplier tube based on a vacuum tube is used as a light receiver. However, the photomultiplier tube is large and fragile, requires an optical component separately, and the optical component must occupy a space corresponding to the focal length, so that the apparatus becomes large and expensive. In addition, regular maintenance is required, so the equipment operation rate is poor, and this is the cause of slowing the progress of biochemical experiments.
一方、生化学に近い医療や美容の分野では、イオンセンシングに興味が持たれている。毛髪のダメージは水素イオン濃度（ｐＨ）との関連が知られており、そのｐＨを測定するのにイオンセンシングを行なうことが考えられる。（例えば、特許文献１参照。）。従来、イオンセンシングはガラス電極を使うｐＨセンサを基本としたセンサしかセンシングするものがない状態が続いていた。ガラス電極は壊れやすい上に、頻繁な洗浄も必要となり、測定が煩わしい割には、測定結果として数値が表示されるだけで、特に一般の人にとって分かりやすい形で情報を提供する装置がなかった。また測定精度が必ずしも十分ではないといった問題があった。 On the other hand, in the medical and beauty fields close to biochemistry, there is an interest in ion sensing. The damage of hair is known to be related to the hydrogen ion concentration (pH), and it is conceivable to perform ion sensing to measure the pH. (For example, refer to Patent Document 1). Conventionally, ion sensing has been in a state where only a sensor based on a pH sensor using a glass electrode senses. The glass electrode is fragile and needs frequent cleaning. Although the measurement is cumbersome, only the numerical value is displayed as the measurement result, and there is no device that provides information in an easy-to-understand manner for the general public. . There is also a problem that the measurement accuracy is not always sufficient.
ここで、大変な勢いで発達してきたエレクトロニクスをいわゆる家電製品に使うだけでなく、他分野へ適用しようという動きが近年活発で、特に医療分野への応用を揚げた医工連携という言葉が流行になってきている。その中でも、ベーシックなものとしてＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いたセンサの開発が挙げられる。このようなセンサとして、例えば、ＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field Effect Transistor：イオン感応性電界効果型トランジスター）によるイオンセンシング（例えば、特許文献２参照。）やＤＮＡセンシング等が知られている。 Here, in addition to using electronics that has been developed with great momentum in recent years, there has been an active movement to apply it to other fields as well as so-called home appliances. It has become to. Among them, the development of sensors using FETs (Field Effect Transistors) is a basic one. As such a sensor, for example, ion sensing (see, for example, Patent Document 2) using ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor), DNA sensing, and the like are known.
しかしながら、ＩＳＦＥＴにおいても、測定結果として数値が表示されるだけで、特に一般の人にとって分かりやすい形で情報を提供する装置がなかった。医療にしても美容にしても、結局は一般の人にわかりやすい形で説明できなければ、効果的な対策を納得の上で施すことが難しくなる。
本発明の目的は、毛髪や肌のダメージの程度を２次元画像として可視化することが可能なイオンイメージセンサ及びダメージ計測装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an ion image sensor and a damage measuring apparatus capable of visualizing the degree of damage to hair and skin as a two-dimensional image.
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、イオン濃度を検出するイオンイメージセンサであって、毛髪もしくは頭皮を含む肌に液体を介して接触するセンシング部を２次元状に配列して備え、該センシング部で検出したイオン濃度を２次元画像データとして出力することを特徴とするイオンイメージセンサである。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is an ion image sensor for detecting an ion concentration, and two-dimensionally arranging sensing portions that contact the skin including hair or scalp via a liquid. The ion image sensor is characterized in that the ion concentration detected by the sensing unit is output as two-dimensional image data.
また、請求項２に記載の発明は、前記イオン濃度は、水素イオン濃度であることを特徴とする請求項１に記載のイオンイメージセンサである。 The invention according to claim 2 is the ion image sensor according to claim 1, wherein the ion concentration is a hydrogen ion concentration.
また、請求項３に記載の発明は、前記イオン濃度は、カルシウムイオン濃度であることを特徴とする請求項１に記載のイオンイメージセンサである。 The invention according to claim 3 is the ion image sensor according to claim 1, wherein the ion concentration is a calcium ion concentration.
また、請求項４に記載の発明は、前記センシング部には、前記毛髪もしくは前記頭皮を含む肌に対向する単層もしくは複数の層からなるゲート絶縁層が少なくとも配置されており、前記ゲート絶縁層下の電荷を転送するためのフローティングディフュージョン領域が、前記センシング部のセンシング領域の近傍のシリコン基板表層に配置されているＣＭＯＳ型イメージセンサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオンイメージセンサである。 According to a fourth aspect of the present invention, the sensing unit includes at least a gate insulating layer composed of a single layer or a plurality of layers facing the skin including the hair or the scalp, and the gate insulating layer 4. The CMOS image sensor according to claim 1, wherein the floating diffusion region for transferring the lower charge is a CMOS image sensor disposed on a surface of the silicon substrate in the vicinity of the sensing region of the sensing unit. The ion image sensor described in the item.
また、請求項５に記載の発明は、前記センシング部は、前記イオン濃度を電荷に変換する電荷変換機構を有し、該電荷変換機構は前記フローティングディフュージョン領域に電荷を転送するための電荷転送機構と、前記フローティングディフュージョン領域をリセットするためのリセット機構とを有することを特徴とする請求項４に記載のイオンイメージセンサである。 According to a fifth aspect of the present invention, the sensing unit includes a charge conversion mechanism that converts the ion concentration into a charge, and the charge conversion mechanism transfers a charge to the floating diffusion region. The ion image sensor according to claim 4, further comprising a reset mechanism for resetting the floating diffusion region.
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオンイメージセンサは、金属もしくは多孔質物質からなる参照電極を、前記センシング部が少なくとも１つ以上配置されたチップ内に備えていることを特徴とするイオンイメージセンサである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the ion image sensor according to any one of the first to fifth aspects, a reference electrode made of a metal or a porous material is disposed, and at least one sensing unit is disposed. An ion image sensor is provided in the chip.
また、請求項７に記載の発明は、前記参照電極が前記チップ内に複数配置されていることを特徴とする請求項６に記載のイオンイメージセンサである。 The invention according to claim 7 is the ion image sensor according to claim 6, wherein a plurality of the reference electrodes are arranged in the chip.
また、請求項８に記載の発明は、前記参照電極の任意の一つは複数の前記センシング部に共有されており、前記チップ全体では複数個配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のイオンイメージセンサである。 The invention according to claim 8 is characterized in that any one of the reference electrodes is shared by a plurality of the sensing units, and a plurality of the reference electrodes are arranged in the whole chip. 7. The ion image sensor according to 7.
また、請求項９に記載の発明は、前記参照電極のそれぞれを基準電位とした時に得られる対応するイオン濃度を平均化した上で画像処理データとして出力することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のイオンイメージセンサである。 The invention according to claim 9 is characterized in that the corresponding ion concentration obtained when each of the reference electrodes is set to a reference potential is averaged and output as image processing data. It is an ion image sensor of any one of these.
また、請求項１０に記載の発明は、前記２次元画像データを２次元グラデーションイメージで表示する画像処理機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のイオンイメージセンサである。 The invention according to claim 10 further comprises an image processing mechanism for displaying the two-dimensional image data as a two-dimensional gradation image. It is an image sensor.
また、請求項１１に記載の発明は、前記画像処理機構が、前記シリコン基板上に前記センシング部と一緒に備えられたことを特徴とする請求項１０に記載のイオンイメージセンサである。 The invention according to claim 11 is the ion image sensor according to claim 10, wherein the image processing mechanism is provided on the silicon substrate together with the sensing unit.
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のイオンイメージセンサから出力されるイオン濃度の２次元画像データにより、毛髪もしくは頭皮を含む肌の健康状態を測定することを特徴とする毛髪もしくは頭皮を含む肌のダメージ計測装置である。 In addition, the invention according to claim 12 provides the health condition of the skin including hair or scalp based on the two-dimensional image data of the ion concentration output from the ion image sensor according to any one of claims 1 to 11. It is a damage measuring apparatus for skin including hair or scalp characterized by measuring.
本発明によれば、毛髪や肌のダメージの程度を２次元画像として可視化することが可能なイオンイメージセンサ及びダメージ計測装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the ion image sensor and damage measuring device which can visualize the extent of damage of hair and skin as a two-dimensional image can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なり、また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることに留意すべきである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, differ from actual ones, and also include portions having different dimensional relationships and ratios between the drawings.
[第１の実施の形態]
（基本構造）
本発明の第１の実施の形態に係るイオンイメージセンサについて、図１を参照して説明する。図１は、本実施の形態のイオンイメージセンサのセンシング部１を示しており、ｐ型シリコン基板２と、ｐ型シリコン基板２の表層に形成された、ｎ＋型フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域３及びｎ＋型拡散領域４と、ｐ型シリコン基板２上に配置されたゲート絶縁膜５と、ゲート絶縁膜５上に配置されたイオン感応膜６と、イオン感応膜６を挟んで配置された転送ゲート電極７及び供給調整電極８と、イオン感応膜６上の測定対象液体１０内に配置された参照電極９と、測定対象液体１０を取り囲むための対物枠１９と、ｎ＋型ＦＤ領域３に接続されたアンプ回路１１とを含むＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサである。
[First embodiment]
(Basic structure)
An ion image sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a sensing unit 1 of the ion image sensor of the present embodiment. A p-type silicon substrate 2 and an n + -type floating diffusion (FD) region 3 formed on the surface layer of the p-type silicon substrate 2 are shown. And the n + -type diffusion region 4, the gate insulating film 5 disposed on the p-type silicon substrate 2, the ion sensitive film 6 disposed on the gate insulating film 5, and the ion sensitive film 6. The transfer gate electrode 7 and the supply adjustment electrode 8, the reference electrode 9 disposed in the measurement target liquid 10 on the ion sensitive film 6, the objective frame 19 surrounding the measurement target liquid 10, and the n + -type FD region 3 A complementary metal oxide semiconductor (CMOS) type image sensor including an amplifier circuit 11 connected to the.
より詳細には、本実施形態のイメージセンサは、このセンシング部１を画素として２次元状に配列し、各画素の位置におけるイオン濃度を２次元画像データとして取得する。この構成に限るものではなく、例えばセンシング部１表面を親水化処理するか、センシング部１表面以外を疎水処理することにより、対物枠１９は省略できる。親水化処理にはオゾン処理によるＯＨ基の付与、疎水処理には−ＮＨ２やハロゲン炭素系の官能基(―ＣＦなど)をもつシランカップリング剤付与等によって達成される。もちろん手法はこれらだけではないが、センシング部１表面とセンシング部１表面以外で親水／疎水性を変化させられていればよい。 More specifically, the image sensor of the present embodiment arranges the sensing units 1 as pixels in a two-dimensional manner, and acquires the ion concentration at the position of each pixel as two-dimensional image data. The objective frame 19 can be omitted by, for example, subjecting the surface of the sensing unit 1 to a hydrophilic treatment or subjecting the surface other than the sensing unit 1 to a hydrophobic treatment. Hydrophilic treatment is achieved by adding an OH group by ozone treatment, and hydrophobic treatment by adding a silane coupling agent having —NH 2 or a halogen-carbon functional group (—CF or the like). Of course, the methods are not limited to these, but it is sufficient that the hydrophilicity / hydrophobicity is changed except for the surface of the sensing unit 1 and the surface of the sensing unit 1.
以下で、ｐ型シリコン基板２表層のｎ＋型ＦＤ領域３とｎ＋型拡散領域４に挟まれたチャネル領域をゲート下チャネル部、ゲート下チャネル部上の測定対象液体１０中のイオン感応膜６を介してゲート絶縁膜５に接する領域又はその近傍の領域をゲート部という。 Hereinafter, a channel region sandwiched between the n + -type FD region 3 and the n + -type diffusion region 4 on the surface layer of the p-type silicon substrate 2 is a channel region under the gate, and an ion sensitive film in the liquid 10 to be measured on the channel region under the gate. A region in contact with the gate insulating film 5 via 6 or a region in the vicinity thereof is referred to as a gate portion.
イオン感応膜６は、液体中の特定イオンを選択的に透過し、透過したイオンをゲート絶縁膜５表面に吸着させて、ゲート下チャネル部にイオン濃度に対応する電位を発生させるためのものである。材質としては、絶縁性を有し、液体中のイオンに選択的に透過するものであれば、特に限定されない。これに限らず、イオン感応膜６は、液体１０中の特定イオンをイオン感応膜６の表面に吸着させることによって、ゲート絶縁膜５を介して、ゲート下チャネル部にイオン濃度に対応する電位を発生させるものであってもよい。対象イオンが水素イオンの場合のイオン感応膜として、このような特性をもつものが用いられることがある。測定対象イオンが水素イオンの場合のイオン感応膜の例としては、ＳｉＯ２、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等が挙げられる。
カルシウム（Ｃａ）イオンの場合、図３に示すような分子構造を有する化合物、Ionophore-K23E1（図３（ａ））やHDOPP-Ca（図３（ｂ））等を用いればよい。
The ion sensitive film 6 is used for selectively transmitting specific ions in the liquid, adsorbing the transmitted ions on the surface of the gate insulating film 5 and generating a potential corresponding to the ion concentration in the channel part under the gate. is there. The material is not particularly limited as long as it has insulating properties and can selectively permeate ions in the liquid. The ion sensitive film 6 is not limited to this, and a specific ion in the liquid 10 is adsorbed on the surface of the ion sensitive film 6 so that a potential corresponding to the ion concentration is applied to the channel region below the gate via the gate insulating film 5. It may be generated. As the ion sensitive film when the target ions are hydrogen ions, a film having such characteristics may be used. Examples of the ion sensitive film when the measurement target ion is hydrogen ion include SiO 2 , silicon nitride (Si 3 N 4 ), alumina (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and the like.
In the case of calcium (Ca) ions, a compound having a molecular structure as shown in FIG. 3, such as Ionophore-K23E1 (FIG. 3 (a)) or HDOPP-Ca (FIG. 3 (b)) may be used.
ゲート絶縁膜５は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。 The gate insulating film 5 is made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
転送ゲート電極７は、ゲート下チャネル部の電荷をＦＤ領域３に転送するための電極であり、転送ゲート制御部ＴＧにより電圧が制御される。転送ゲート電極７の材質は、例えば、金属からなる。 The transfer gate electrode 7 is an electrode for transferring the charge of the channel below the gate to the FD region 3, and the voltage is controlled by the transfer gate control unit TG . The material of the transfer gate electrode 7 is made of metal, for example.
供給調整電極８は、ｎ＋型拡散領域４の電荷をゲート下チャネル部に供給するための電極であり、電荷供給制御部ＩＣＧにより電圧が制御される。供給調整電極８の材質は、例えば、金属からなる。上記ｎ＋型拡散領域４の電荷は電荷供給部ＩＤにより注入される。 The supply adjustment electrode 8 is an electrode for supplying the charge of the n + -type diffusion region 4 to the channel region under the gate, and the voltage is controlled by the charge supply control unit ICG . The material of the supply adjustment electrode 8 is made of metal, for example. The charges in the n + -type diffusion region 4 are injected by the charge supply unit ID .
参照電極９は、測定対象液体１０の基準電位を決めるためのものである。参照電極９は、電圧測定部ＲＥＦを介して電荷供給制御部ＩＣＧに接続されている。参照電極９の材質としては、以下に限定はされないが、例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌや、Ｐｔ、Ａｇ、Ｈｇ２ＳＯ４、Ｈｇ２Ｃｌ２等を挙げることができる。 The reference electrode 9 is for determining the reference potential of the liquid 10 to be measured. Reference electrode 9 is connected to the charge supply controller I CG via the voltage measuring unit REF. Examples of the material of the reference electrode 9 include, but are not limited to, Ag / AgCl, Pt, Ag, Hg 2 SO 4 , Hg 2 Cl 2, and the like.
アンプ回路１１は、ｎ＋型ＦＤ領域３に生じた電圧を増幅するためのものである。その等価回路の一例を図２に示した。ＶＦＤはｎ＋型ＦＤ領域３の電圧、ＶＤＤは電源電圧、ＶＧはゲート電圧、ＲＳＳは抵抗、ＣＳＳはコンデンサ、ＶＯＵＴは増幅されて出力される電圧、である。 The amplifier circuit 11 is for amplifying a voltage generated in the n + -type FD region 3. An example of the equivalent circuit is shown in FIG. V FD is a voltage of the n + -type FD region 3, V DD is a power supply voltage, V G is a gate voltage, R SS is a resistor, C SS is a capacitor, and VOUT is amplified and output.
本実施の形態に係る電荷変換機構は、ごく簡単に説明すると、シリコン基板表層に絶縁膜が形成されたゲート部からなり、該ゲート部にイオンが存在するとイオン濃度に見合った幅の空乏層がゲート直下の半導体層中に生じる。空乏層は電子のポテンシャルウェルとして働き、生じたポテンシャルウェルにＩＣＧを通じて電荷を注入する。この電荷量は当然生じたポテンシャルウェルの深さに対応して量が増減する。これをＴＧを通じてＦＤ領域３に転送し、ＦＤ領域３のもつキャパシタンス特性から電荷量がキャパシタンスの電圧に変換され、その電圧を読み出す、というものである。電圧の読み出しの際には、例えばソースフォロワで電圧として読み出しをする。 The charge conversion mechanism according to the present embodiment is simply described. The charge conversion mechanism includes a gate portion in which an insulating film is formed on the surface layer of a silicon substrate. When ions exist in the gate portion, a depletion layer having a width corresponding to the ion concentration is formed. It occurs in the semiconductor layer directly under the gate. Depletion layer serves as electron potential wells, the resulting potential well injecting charges through I CG. This amount of charge naturally increases or decreases according to the depth of the potential well generated. This is transferred to the FD region 3 through TG , the charge amount is converted into a capacitance voltage from the capacitance characteristic of the FD region 3, and the voltage is read out. When the voltage is read, for example, the voltage is read by a source follower.
（動作原理）
本発明の第１の実施の形態に係るイオンイメージセンサの動作原理は、通常のＣＭＯＳイメージセンサの動作と同様である。すなわち、ＭＯＳＦＥＴのゲート部にイオン感応膜６を表面に積層したゲート絶縁膜５を直接測定対象液体１０中に浸し、測定対象液体１０−ゲート部のイオン濃度に見合ったポテンシャルウェルをゲート下チャネル部に発生させる。このポテンシャルウェルにＩＣＧから電荷を注入し、その注入電荷をＦＤ領域３に転送し、ＦＤ領域３の電圧変化をアンプ回路１１で増幅することによりイオン濃度を測定するものである。以下に、詳細に説明をする。
(Operating principle)
The operation principle of the ion image sensor according to the first embodiment of the present invention is the same as that of a normal CMOS image sensor. That is, the gate insulating film 5 in which the ion sensitive film 6 is laminated on the gate portion of the MOSFET is directly immersed in the liquid 10 to be measured, and the potential well corresponding to the ion concentration of the liquid 10 to be measured is set to the channel region below the gate. To generate. Injecting charge from the I CG in this potential well, to transfer the injected charge to the FD region 3, and measures the ion concentration by amplifying the voltage change of the FD region 3 in the amplifier circuit 11. This will be described in detail below.
図４及び図５に、各部位における電位の変化及び電荷の移動を示した。図４では、イオン濃度に見合って発生した電荷をＦＤ領域３へ１回の転送を行う場合を示し、図５では、電荷の転送を２回行う場合を示した。 4 and 5 show the change in potential and the movement of charge in each part. FIG. 4 shows a case where the charge generated in accordance with the ion concentration is transferred to the FD region 3 once, and FIG. 5 shows a case where the charge is transferred twice.
（第１回目の転送）
（ａ）まず、図４（ａ）は、イオン濃度による電荷が発生する前の各部位の初期状態の電位を示しており、測定対象液体１０のイオン濃度により、そのイオン濃度に見合ったポテンシャルウェルがゲート下チャネル部に形成されている。
(First transfer)
(A) First, FIG. 4A shows the initial potential of each part before the charge due to the ion concentration is generated, and the potential well corresponding to the ion concentration according to the ion concentration of the liquid 10 to be measured. Is formed in the channel region under the gate.
（ｂ）次に、図４（ｂ）に示すように、参照電極９の基準電圧をもとに電荷供給制御部ＩＣＧで制御される供給調整電極８を介して、電荷供給部ＩＤから電荷が注入される。 (B) Next, as shown in FIG. 4 (b), the reference voltage of the reference electrode 9 through a supply adjusting electrode 8 which is controlled under the charge supply controller I CG, from the charge supply unit I D Charge is injected.
（ｃ）次に、図４（ｃ）に示すように、ｎ＋型拡散領域４の電位を上げることにより、すり切られた電荷がゲート下チャネル部に残る。つまり、ゲート下チャネル部の電位の変化が電荷量に変換される。 (C) Next, as shown in FIG. 4C, by raising the potential of the n + -type diffusion region 4, the worn charge remains in the channel under the gate. That is, a change in the potential of the channel region under the gate is converted into a charge amount.
（ｄ）次に、図４（ｄ）に示すように、ＦＤリセットゲート電極１２（不図示）の電位を上げてＦＤ領域３をＦＤリセットドレイン領域１３（不図示）の電位にリセットする。 (D) Next, as shown in FIG. 4D, the potential of the FD reset gate electrode 12 (not shown) is raised to reset the FD region 3 to the potential of the FD reset drain region 13 (not shown).
（ｅ）次に、図４（ｅ）に示すように、ＦＤリセットゲート電極１２の電位を下げてＦＤ領域３を閉じる。 (E) Next, as shown in FIG. 4E, the potential of the FD reset gate electrode 12 is lowered to close the FD region 3.
（ｆ）次に、図４（ｆ）に示すように、転送ゲート制御部ＴＧを介して転送ゲート電極７の電位を上げてイオン濃度に見合った電荷をＦＤ領域３に転送する。電荷を転送した後、転送ゲート電極７の電位を下げて図４（ａ）の状態に戻す。転送された電荷により、ＦＤ領域３の電圧が変化する。このＦＤ領域３の電圧変化をアンプ回路１１で増幅してイオン濃度を測定することができる。 (F) Next, as shown in FIG. 4F, the electric potential corresponding to the ion concentration is transferred to the FD region 3 by raising the potential of the transfer gate electrode 7 via the transfer gate controller TG . After the charge is transferred, the potential of the transfer gate electrode 7 is lowered to return to the state shown in FIG. The voltage of the FD region 3 changes due to the transferred charge. The voltage change in the FD region 3 can be amplified by the amplifier circuit 11 to measure the ion concentration.
（第２回目の転送）
（ｆ）次に、図５（ａ）は、第１回目のＦＤ領域３への電荷の転送が終わった状態を示す。ここでは、まだＦＤ領域３の電圧変化をアンプ回路１１には送らない。
(Second transfer)
(F) Next, FIG. 5A shows a state in which the first charge transfer to the FD region 3 is completed. Here, the voltage change in the FD region 3 is not yet sent to the amplifier circuit 11.
（ｇ）次に、図５（ｂ）に示すように、参照電極９の基準電圧をもとに電荷供給制御部ＩＣＧで制御される供給調整電極８を介して、電荷供給部ＩＤから電荷が注入される。 (G) Next, as shown in FIG. 5 (b), the reference voltage of the reference electrode 9 through a supply adjusting electrode 8 which is controlled by the charge supply controller I CG on the basis of the charge supply section I D Charge is injected.
（ｈ）次に、図５（ｃ）に示すように、ｎ＋型拡散領域４の電位を上げることにより、すり切られた電荷がゲート下チャネル部に残る。この電荷量は、ｎ＋型拡散領域４から第１回目に発生したイオン濃度に見合った電荷と同量の電荷となる。 (H) Next, as shown in FIG. 5C, by raising the potential of the n + -type diffusion region 4, the worn charge remains in the channel region under the gate. This amount of charge is the same amount as that corresponding to the ion concentration generated for the first time from the n + -type diffusion region 4.
（ｉ）次に、図５（ｄ）に示すように、転送ゲート電極７の電位を上げてゲート部の電荷をＦＤ領域３に転送し、電荷をＦＤ領域３に蓄積する。電荷を転送した後、転送ゲート電極７の電位を下げて図５（ａ）の状態に戻す。転送されて蓄積された電荷により、ＦＤ領域３の電圧が大きく変化する。このＦＤ領域３の電圧変化をアンプ回路１１で増幅してイオン濃度を測定する。 (I) Next, as shown in FIG. 5 (d), the potential of the transfer gate electrode 7 is raised to transfer the gate portion charge to the FD region 3, and the charge is stored in the FD region 3. After the charge is transferred, the potential of the transfer gate electrode 7 is lowered to return to the state of FIG. The voltage of the FD region 3 changes greatly due to the charge transferred and accumulated. The voltage change in the FD region 3 is amplified by the amplifier circuit 11, and the ion concentration is measured.
図５（ａ）から図５（ｅ）の動作をｎ回（ｎは３以上の整数）繰り返してもよい。多数回の転送を行うことにより、非常に低いイオン濃度により発生する電位でもより正確に測定することができる。 The operations from FIG. 5A to FIG. 5E may be repeated n times (n is an integer of 3 or more). By performing the transfer a number of times, even a potential generated by a very low ion concentration can be measured more accurately.
（全体構成）
図６に、図１に示す構造を画素１４に用いたイオンイメージセンサ全体構成の一例を示した。センシング部１で蓄積した信号電荷を画素１４ごとに電圧に変換してアンプ回路１１で出力する。変換した電圧は、金属の配線とそれを切り替えるスイッチによって出力端子に送られる。出力端子は垂直走査回路１６及び水平走査回路１７に接続されており、垂直走査回路１６により複数の画素１４を有する行をスキャンし、水平走査回路１７により列回路１５をスキャンして、ＸＹ−２次元画像データとして信号出力する。
(overall structure)
FIG. 6 shows an example of the entire configuration of an ion image sensor using the structure shown in FIG. The signal charge accumulated in the sensing unit 1 is converted into a voltage for each pixel 14 and output by the amplifier circuit 11. The converted voltage is sent to the output terminal by a metal wire and a switch for switching the metal wire. The output terminals are connected to the vertical scanning circuit 16 and the horizontal scanning circuit 17, and the vertical scanning circuit 16 scans a row having a plurality of pixels 14, and the horizontal scanning circuit 17 scans the column circuit 15 to obtain XY-2. A signal is output as dimensional image data.
本実施の形態に係るイオンイメージセンサは、公知の半導体製造プロセスにより製造することができる。 The ion image sensor according to the present embodiment can be manufactured by a known semiconductor manufacturing process.
本実施の形態に係るイオンイメージセンサを用いて、イオンイメージセンサから出力されるイオン濃度の２次元画像データにより、毛髪もしくは頭皮を含む肌の健康状態を測定するための、毛髪もしくは頭皮を含む肌のダメージ計測装置を構成してもよい。 Skin including hair or scalp for measuring the health state of skin including hair or scalp using the ion image sensor according to the present embodiment, based on two-dimensional image data of ion concentration output from the ion image sensor The damage measuring device may be configured.
本実施の形態において、信号出力された２次元画像データを取り込み、これらのデータをグラデーションイメージ、カラーイメージ、或いは数値表示するための加工を行い、画像表示データとして出力する画像処理機構をさらに備えてもよい。これにより、イオン濃度分布を２次元表示で可視化することが可能となる。 The present embodiment further includes an image processing mechanism that takes in two-dimensional image data output as a signal, processes the data to display a gradation image, a color image, or a numerical value, and outputs the data as image display data. Also good. This makes it possible to visualize the ion concentration distribution in a two-dimensional display.
また、図７に示すように、本実施の形態においては、ｐ型シリコン基板２上にセンシング部配置領域３１、画像処理機構２０、Ａ−Ｄコンバータ２１、及びＩ／Ｏ２２等を組み込んだシステムオンチップとして構成してもよい。この構成によれば、製造工程がＣＭＯＳの製造プロセスをベースにできるため、組み込みが容易になると共に、多機能を有するイオンイメージセンサをより小型化することが可能となる。 Further, as shown in FIG. 7, in the present embodiment, a system-on in which a sensing unit arrangement region 31, an image processing mechanism 20, an AD converter 21, an I / O 22 and the like are incorporated on a p-type silicon substrate 2. You may comprise as a chip | tip. According to this configuration, since the manufacturing process can be based on a CMOS manufacturing process, the integration can be facilitated, and the ion image sensor having multiple functions can be further downsized.
（イオン濃度測定例）
図８に、本発明の第１の実施の形態に係るイオンイメージセンサを用いて、毛髪の水素イオン濃度（ｐＨ）を測定した結果の一例を示した。図８に示すように、毛髪における水素イオン濃度分布が２次元表示されており、直感的に毛髪のダメージ程度を認識することが可能となる。
(Ion concentration measurement example)
FIG. 8 shows an example of the result of measuring the hydrogen ion concentration (pH) of hair using the ion image sensor according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the hydrogen ion concentration distribution in the hair is displayed two-dimensionally, and it becomes possible to intuitively recognize the degree of damage to the hair.
本実施の形態によれば、洗髪後の髪をイメージングすることでキューティクルの剥がれ、髪内部の破損などを２次元的に明らかにすることが可能となる。すなわち、水素イオンやカルシウムイオン等のイオン分布を２次元的に観察することにより髪のダメージ程度を直感することができる。 According to the present embodiment, it is possible to two-dimensionally clarify the peeling of the cuticle, the damage inside the hair, and the like by imaging the hair after washing. That is, the degree of hair damage can be intuitively observed by two-dimensionally observing an ion distribution such as hydrogen ions and calcium ions.
また、本実施の形態によれば、肌の潤い、イオン分布、或いは代謝物をイメージングすることで、肌の状態を簡単かつ直感的に把握することができる。すなわち、イオンイメージングセンサを肌に直接当ててイオンや代謝物の分布を観察することが可能となる。 In addition, according to the present embodiment, it is possible to easily and intuitively grasp the skin state by imaging skin moisture, ion distribution, or metabolites. That is, it is possible to observe the distribution of ions and metabolites by directly applying the ion imaging sensor to the skin.
[その他の実施の形態]
以上、上述した第１の実施の形態によって本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した第１の実施の形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described in detail according to the above-described first embodiment. However, for those skilled in the art, the present invention is not limited to the first embodiment described in this specification. Is clear. The present invention can be implemented as modifications and changes without departing from the spirit and scope of the present invention defined by the description of the scope of claims. Therefore, the description of the present specification is for illustrative purposes and does not have any limiting meaning to the present invention.
１・・・センシング部
２・・・ｐ型シリコン基板
３・・・ｎ＋型フローティングディフュージョン（ＦＤ）領域
４・・・ｎ＋型拡散領域
５・・・ゲート絶縁膜
６・・・イオン感応膜
７・・・転送ゲート電極
８・・・供給調整電極
９・・・参照電極
１０・・測定対象液体
１１・・アンプ回路
１２・・・ＦＤリセットゲート電極
１３・・・ＦＤリセットドレイン領域
１４・・・画素
１５・・・列回路
１６・・・垂直走査回路
１７・・・水平走査回路
１８・・・出力回路
１９・・・対物枠
２０・・・画像処理機構
２１・・・Ａ−Ｄコンバータ
２２・・・Ｉ／Ｏ
３１・・・センシング部配置領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensing part 2 ... p-type silicon substrate 3 ... n + type | mold floating diffusion (FD) area | region 4 ... n + type | mold diffusion area | region 5 ... Gate insulating film 6 ... Ion sensitive film | membrane 7 ... Transfer gate electrode 8 ... Supply adjustment electrode 9 ... Reference electrode 10 ... Liquid to be measured 11 ... Amplifier circuit 12 ... FD reset gate electrode 13 ... FD reset drain region 14 ... Pixel 15 ... Column circuit 16 ... Vertical scanning circuit 17 ... Horizontal scanning circuit 18 ... Output circuit 19 ... Objective frame 20 ... Image processing mechanism 21 ... AD converter 22 ... I / O
31 ... Sensing part arrangement area
Claims (12)
毛髪もしくは頭皮を含む肌に液体を介して接触するセンシング部を２次元状に配列して備え、
該センシング部で検出したイオン濃度を２次元画像データとして出力することを特徴とするイオンイメージセンサ。 An ion image sensor for detecting ion concentration,
A sensing unit that comes into contact with the skin including the hair or scalp via a liquid is arranged in two dimensions,
An ion image sensor, wherein the ion concentration detected by the sensing unit is output as two-dimensional image data.
前記ゲート絶縁層下の電荷を転送するためのフローティングディフュージョン領域が、前記センシング部のセンシング領域の近傍のシリコン基板表層に配置されているＣＭＯＳ型イメージセンサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオンイメージセンサ。 In the sensing part, at least a gate insulating layer consisting of a single layer or a plurality of layers facing the skin including the hair or the scalp is disposed,
4. A CMOS type image sensor in which a floating diffusion region for transferring electric charges under the gate insulating layer is disposed on a surface of a silicon substrate in the vicinity of a sensing region of the sensing unit. The ion image sensor according to any one of the above.
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