JP2013092437A - 複数の電極を備えたicチップ - Google Patents
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Abstract
【解決課題】ICチップ10は、スイッチ群12と、スイッチ群12に接続されるオペアンプ13と、オペアンプ13の入力の一端子と出力端子との間に接続されるコンデンサ17と、を作用電極11毎に備える。スイッチ群12が、オペアンプ13のオフセット電圧を測定するオフセット電圧測定モードと、作用電極11の電位を測定するモードと、作用電極11を所定の電位に設定した際に流れる電流を測定するモードと、作用電極11を所定の電位よりもオフセットした電位に設定した際に作用電極11に流れる電流を測定するモードと、に切り替える。
【選択図】図2
Description
第1の収集方法は、測定点分の台数の測定装置を用いて測定点と測定装置とを1:1に対応させるか、又は、測定点の数以上の測定チャネルを有する測定装置を用いて測定点とチャネルとを1:1に対応させる(非特許文献2)。
第2の収集方法では、マルチプレッサなどのスイッチングにより、各点の測定データを外部の測定装置に対して順次データを読み出す。ワンチャネルの測定装置を複数の測定点に対応させる(非特許文献3)。
第3の収集方法では、アクティブピクセル方式と呼ばれ、LSIの微細加工技術を用いて増幅器を各測定点に配置し、増幅器からのシグナルをマルチプレクサなどにより順次外部レコーダーへ読み出す(非特許文献4、5)。
第1の修飾方法:任意の電極のみ一旦アルカンチオールを還元離脱させて異なる蛋白質やDNAなどを修飾する方法。
第2の修飾方法:任意の作用電極に電解重合により、酵素−メディエーター膜、イオン選択性膜などの機能性分子膜を形成させる方法。
第3の修飾方法:任意の電極で水素イオンH+を電気化学的に発生させ、局所的にpHを下げることにより、合成反応をブロックしたり逆に合成反応を促進させて、選択的に電極修飾を行う方法。
上記構成において、スイッチ群及びオペアンプを構成するトランジスタ類の配置領域には、遮光メタルが設けられていることが好ましい。
上記構成において、複数の作用電極に交流信号が印加されることで誘電泳動によって、複数の作用電極が機能性分子により修飾されていることが好ましい。
ダイオードの接続により作用電極からのリーク電流が抑制されていたり、遮光メタルが配置されている場合にあっては、微弱な信号を測定することができ、電流の検出感度を高くすることができる。よって、化学修飾する際にも漏れ電流により不要な反応を生じないようにすることができる。
図1は本発明の実施形態に係るICチップ10を備えた電気化学センサの概略図である。図2は、図1に示すICチップ及びその周辺回路を示すブロック構成図である。本発明の実施形態に係る電気化学センサ1は、複数の作用電極11を備えたICチップ10と、ICチップ10を搭載した配線基板5と、配線基板5に立設され測定対象物を収容する収容部2と、電気化学計測で必要となる参照電極3、対極4の何れか一方又は双方と、を備えている。
第1の特徴:ESD(Electro-Static Discharge)保護素子の代わりにゲート保護用素子を設けたこと。これにより、リーク電流を小さくすることができ、ゲート保護用素子の寸法がESD保護素子のそれより小さいことから、コンデンサ17の配置面積を大きくすることができる。
第2の特徴:スイッチ群12及びオペアンプ13を構成するトランジスタ類を配置した領域上に遮光メタルを設けたこと。これにより、遮光メタルが光照射によるキャリアの発生を防ぐことができる。
コンデンサ17がオペアンプ13の出力端子と反転入力端子との間に接続されている。
オペアンプ13の反転入力端子には第1の抵抗19Aの一端が接続され、第1の抵抗19Aの他端に第1のスイッチ12Aの一端が接続されている。つまり、第1の抵抗19Aと第1のスイッチ12Aとが直列に、オペアンプ13の反転入力端子とパッド18との間に接続されている。
オペアンプ13の非反転入力端子に第2の抵抗19Bの一端が接続され、第2の抵抗19Bの他端に第2のスイッチ12B、第3のスイッチ12C、第4のスイッチ12Dの一端がそれぞれ接続されている。
第1の抵抗19Aと第2の抵抗19Bは、0〜100kΩの値を有するが、ショート(0Ω)されていてもよい。第1のスイッチ12Aの他端と第2のスイッチ12Bの他端がパッド18に並列に接続されている。第3のスイッチ12Cの他端は、図2に示す入出力部30内のD/A変換器に接続されて電圧V2が印加される状態となっている。第4のスイッチ12Dの他端は接地されている。第5のスイッチ12Eがコンデンサ17に並列に接続されている。
オフセット電圧測定モードでは、第4のスイッチ12Dと第5のスイッチ12EとをONにし、それ以外のスイッチをOFFとする。これによりオペアンプ13のオフセツト電圧を測定することができる。また、このモードを選択することにより、このモードと他のモードの測定結果から、過大電流が流れる電極、異常電位が発生する電極、オフセット電位が大きいオペアンプなど、異常電極その他の異常セルを人為的に特定して使用対象から除外することができる。
i=C*ΔV/Δt
ここで、iは電流値
Cはコンデンサ17の容量
ΔVはコンデンサ17の出力電位の変化分
Δtは時間変化分
ΔV/Δtはコンデンサ17の出力電圧の時間に対する傾き
そのため、コンデンサ17の充電量を超えると、オペアンプ13が飽和するので、飽和する前に第5のスイッチ12EをONにしてコンデンサ17に蓄えられた電荷を、第5のスイッチ12Eを介して、急速放電する。再度、第5のスイッチ12EをOFFにして、作用電極11に流れる電流を再度測定する。作用電極11に流れる電流が大きければ大きいほど、ΔV/Δtは大きく、短時間で飽和に達するため、第5のスイッチ12EをOFFにしてから放電のためにONにするまでの時間を短くする必要がある。
各セル10Aには、図6に示すように、第1乃至第3のAND素子51A,51B,51CとOR素子52と第1及び第2のラッチ53A,53Bとを含んでいる。
第1のAND素子51Aには、COLUMN選択信号と第6スイッチの開閉信号線48とWRITE信号とが入力され、第1のラッチ53A及び第2のラッチ53Bのクロックパルスとして出力される。
第1のラッチ53Aには、MD0信号線44からの信号が入力される。第2のラッチ53Bには、MD1信号線45からの信号が入力される。第2のAND素子51Bには、第1のラッチ53Aからの信号と第2のラッチ53Bからの信号とが入力され、第2のスイッチ12Bの開閉信号を出力する。第3のAND素子51Cには、第1のラッチ53Aからの信号と第2のラッチ53Bからの信号とが入力され、第3のスイッチ12Cの開閉信号を出力する。OR素子52は、第2のラッチ53Bからの信号とSW5信号線47からの信号が入力され、第5のスイッチ12Eの開閉信号を出力する。
ステップ1:各セルに含まれているスイッチ12Eの全てをONからOFFにして時間をリセットする。
ステップ2−1:時間2Δt経過すると、スイッチS1,1〜Sm,1(第1列目の各スイッチ)のみONにして、第1列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(1回目)を測定する。
ステップ2−2:さらに時間2Δt経過すると、スイッチS1,2〜Sm,2(第2列目の各スイッチ)のみONにして、第2列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(1回目)を測定する。
以下同様に、第3列目、第4列目、第n列目の各スイッチのみを順にONにして各セルのコンデンサ17の電圧V(1回目)を測定する。
ステップ3−1:2回目の計測の一つ前のスイッチ切換え時から時間2Δt経過したとき、スイッチS1,1〜Sm,1(第1列目の各スイッチ)のみONにして、第1列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(2回目)を測定する。
ステップ3−2:さらに時間2Δt経過すると、スイッチS1,2〜Sm,2(第2列目の各スイッチ)のみONにして、第2列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(2回目)を測定する。
以下同様に、第3列目、第4列目、第n列目の各スイッチのみを順にONにして各セルのコンデンサ17の電圧V(2回目)を測定する。
このような電圧測定を所定回数(例えば20回)繰り返す。
スイッチ12EをOFFからONにして時刻をリセットする。
そして、各セルのコンデンサ17の電圧V(1回目)の値と各セルのコンデンサ17の電圧V(20回目)の値から、各セルのコンデンサ17の容量をCとし、1回目の計測から20回目の計測までの時間をTとして、以下の(式1)から各セルに流れた電流を求める。
{C・V(20回目)−C・V(1回目)}/T (式1)
または、1回目から任意の回数目までのデータ、例えば1回目から20回目のデータを用いてフィッティングによって電流を算出してもよい。
ステップ1:各セルに含まれているスイッチ12Eの全てをOFFからONにして時間をリセットする。
ステップ2−1:時間2Δt経過すると、スイッチS1,1〜Sm,1(第1列目の各スイッチ)のみOFFにして、第1列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(1回目)を測定する。
ステップ2−2:さらに時間2Δt経過すると、第1列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(2回目)を測定する。
ステップ2−3:さらに時間2Δt経過すると、第1列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(3回目)を測定する。
ステップ2−4:さらに時間2Δt経過すると、第1列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(4回目)を測定する。
ステップ3:各セルに含まれるスイッチ12Eの全てをOFFからONにし、時間をリセットする。
ステップ4−1:時間2Δt経過すると、スイッチS1,2〜Sm,2(第2列目の各スイッチ)のみOFFにして第2列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(1回目)を測定する。
ステップ4−2:さらに時間2Δt経過すると、第2列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(2回目)を測定する。
ステップ4−3:さらに時間2Δt経過すると、第2列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(3回目)を測定する。
ステップ4−4:さらに時間2Δt経過すると、第2列目の各セルのコンデンサ17の電圧V(4回目)を測定する。
ステップ5:所定の時間だけ各セルに含まれるスイッチ12Eの全てをOFFからONにし、時刻をリセットする。
その後、第3列目の各セルのコンデンサ17の電圧についても、ステップ2−1〜ステップ2−4の要領でV(1回目)、V(2回目)、V(3回目)、V(4回目)として測定しスイッチ12EをOFFからONにする。
そして、各セルのコンデンサ17の電圧V(2回目)の値と各セルのコンデンサ17の電圧V(3回目)の値から、各セルのコンデンサ17の容量をCとし、2回目の計測から3回目の計測までの間の時間をTとして、以下の(式2)から各セルに流れた電流を求める。
{C・V(3回)−C・V(2回)}/T (式2)
第1の測定としては、或る作用電極には還元電位を印加しその周りの作用電極には酸化電位を印加することにより、還元された物質の拡散挙動を解析することが可能となり、例えば隣同士の作用電極が干渉し合うか否かを評価することができる。
第2の測定としては、或る作用電極は還元電位を印加したままで別の作用電極はある時刻に酸化電位に切り替えるといった測定を行うことにより、バックグランドとしての還元電流を測定しつつシグナルとして酸化電流をモニタリングすることができる。
第3の測定としては、作用電極を2種類の電位、即ち、所定の電位とこの所定の電位よりもオフセットした電位とを印加して測定することにより、同時に2種類の酸化還元電位の異なる化学種の測定を行うことができる。
第4の測定として、異常が発生していない作用電極の全てに対して、同じタイミングで例えば10〜200mV/sで作用電極に印加する電位を変化させ、その際流れる電流を測定する。これにより、電気化学センサ1を所謂サイクリックボルタンメトリとして利用することもできる。
本発明の実施形態に係るICチップ10は、微弱信号を検出することができるという点で電気化学センサへの適用を前提に説明したが、本発明の実施形態に係るICチップ10は電気化学測定のみならず、各種の電気化学反応を操作するための手段、誘電泳動現象を用いたマニピュレータへと適用することができる。
2:収容部
3:参照電極
4:対極
5:配線基板
10:ICチップ
10A:セル
11:作用電極(Working Electrode)
12:スイッチ群(測定モード切替用スイッチ群)
12A:第1のスイッチ
12B:第2のスイッチ
12C:第3のスイッチ
12D:第4のスイッチ
12E:第5のスイッチ
12F:第6のスイッチ
13:オペアンプ
14:バッファーアンプ(アンプ)
15A:第1のダイオード
15B:第2のダイオード
15:ダイオード
17:コンデンサ
18:パッド
19A:第1の抵抗
19B:第2の抵抗
30:入出力部
40:制御部
41:ROWデコーダ
42:COLUMNデコーダ
43:RESET信号線
44:MD0信号線(モード選択信号)
45:MD1信号線(モード選択信号)
46:WRITE信号線(書き込み信号)
47:第5スイッチの開閉信号線
48:第6のスイッチの開閉信号線
50:制御回路
51A:第1のAND素子
51B:第2のAND素子
51C:第3のAND素子
52:OR素子
53A:第1のラッチ
53B:第2のラッチ
61:オペアンプ
61a:コンデンサ
62:スイッチ
63:パッド
64:コンデンサ
65:ESD保護素子
66:ゲート保護用ダイオード素子
101:基板
102,102A:トランジスタ
17A,17B:金属層
103:遮光メタル
112:パッド
113:第1の絶縁膜
114:第2の絶縁膜
115:コンタクトホール
116:密着層
117:電極層
118:絶縁膜
119:作用電極部分として使用する部分
Claims (4)
- 複数の作用電極を設けたICチップであり、
上記ICチップが、スイッチ群と、該スイッチ群に接続されるオペアンプと、該オペアンプの入力の一端子と出力端子との間に接続されるコンデンサと、を上記作用電極毎に備えており、
上記スイッチ群が、上記オペアンプのオフセット電圧を測定するオフセット電圧測定モードと、上記作用電極の電位を測定する電極電位測定モードと、上記作用電極を所定の電位に設定した際に流れる電流を測定する電流電圧変換測定モードと、上記作用電極を上記所定の電位よりもオフセットした電位に設定した際に上記作用電極に流れる電流を測定するオフセット電流電圧変換測定モードとに切り替える、複数の作用電極を備えたICチップ。 - 前記作用電極と前記スイッチ群との間に電源の負極に接続したダイオードが接続され、該作用電極からのリーク電流がfAオーダーに抑制されている、請求項1に記載の複数の作用電極を備えたICチップ。
- 前記スイッチ群及び前記オペアンプを構成するトランジスタ類の配置領域には、遮光メタルが設けられている、請求項1又は2に記載の複数の作用電極を備えたICチップ。
- 前記複数の作用電極に交流信号が印加されることで誘電泳動によって、複数の作用電極が機能性分子により修飾されている、請求項1乃至3の何れかに記載の複数の作用電極を備えたICチップ。
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