JP2016102749A - 測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被試験デバイス20に流れる電流信号IDUTを測定する測定装置1が提供される。トランスインピーダンスアンプ110は、電流信号IDUTを電圧信号VOUTに変換する。デジタイザ114は、電圧信号VOUTを第1デジタルデータD1に変換する。デジタル信号処理部116は、第1デジタルデータD1を信号処理するとともに、測定装置1を制御する。測定装置1は、測定時に被試験デバイス20に近接するプローブモジュール2と、プローブモジュール2と少なくとも一本のケーブル8を介して接続されるバックエンドモジュール4に分離して構成される。トランスインピーダンスアンプ110は、プローブモジュール2に内蔵される。
【選択図】図5
Description
この態様によれば、信号ラインに混入するノイズをガードメタルによって遮蔽することができ、ノイズをさらに低減できる。またガードアンプによってガードメタルの電位を調節することで、ガードメタルと信号ラインを等電位とすることができ、それらの間の寄生容量の影響を低減でき、広帯域な電流測定が可能となる。
仮想接地電圧を規定する第1電圧を、トランスインピーダンスアンプの近傍で生成することにより、仮想接地電圧にノイズが重畳するのを防止でき、ひいては電流信号IDUTあるいは電圧信号VOUTのノイズ成分を低減できる。
この場合、デジタル信号処理部における観測結果を、第1電圧の電圧レベルに反映させることができ、被試験デバイスの状態に応じて、被試験デバイスに適切な電圧を与えることができる。また第1電圧をフィードバック制御する場合には、このフィードバックを、第2モジュールを介在せずに第1モジュール内で閉じて行うことで、高速制御が可能となるとともに、フィードバック制御に利用されるデータがケーブルを伝送しないため、放射ノイズを低減できる。
被試験デバイスに供給される第2電圧を、被試験デバイスの直近で生成することにより、第2電圧にノイズが重畳するのを防止でき、ひいては電流信号IDUTあるいは電圧信号VOUTのノイズ成分を低減できる。
この場合、デジタル信号処理部における観測結果を、第2電圧の電圧レベルに反映させることができ、被試験デバイスの状態に応じて、被試験デバイスに適切な電圧を与えることができる。第2電圧をフィードバック制御する場合には、このフィードバックを、第2モジュールを介在せずに第1モジュール内で閉じて行うことで、高速制御が可能となるとともに、フィードバック制御に利用されるデータがケーブルを伝送しないため、放射ノイズを低減できる。
この態様では、第2電圧を電極対のバイアス電圧として使用される。そしてバイアス電圧を被試験デバイスの直近で生成することにより、バイアス電圧にノイズが重畳するのを防止でき、ひいては電流信号IDUTあるいは電圧信号VOUTのノイズ成分を低減できる。
これにより、第1モジュールの内部に、ノイズ源となるスイッチング電源を搭載する必要がなくなるため、スイッチングノイズがトランスインピーダンスアンプの入力あるいはその他のノードに混入するのを防止できる。
被測定信号をデジタル化した後に伝送することで、アナログ伝送する場合に比べて、伝送過程におけるノイズ耐性を高めることができる。
これにより、第1モジュールから第2モジュールに伝送されるデータ容量が小さくなるため、データレートを落とすことができ、データ伝送にともなうノイズ放射を抑制できる。
波形発生器が生成するアナログ電圧は、被試験デバイスに搭載される電気泳動用の電極を駆動したり、ヒータの制御に利用してもよい。第3デジタル信号処理部と波形発生器の両方を第1モジュールに搭載することで、アナログ電圧の電圧レベル、振幅や波形をアクティブプローブモジュールの内部で高速制御できる。
たとえば所定のノードを、トランスインピーダンスアンプの出力とした場合、アナログ出力端子に、高精度なデジタイザを外付けし、それを用いて微小電流を測定してもよい。あるいは、アナログ出力端子の電圧を利用することで、第1モジュール内の回路のキャリブレーションや、被試験デバイスの診断が可能となる。
この態様によれば、アナログ入力端子に任意波形発生器やファンクションジェネレータなどの高精度な波形発生器を接続し、被試験デバイスのヒータや電気泳動用電極、バイアス状態を制御したり、第1モジュールの内部の回路のキャリブレーションが可能となる。
これにより、第1モジュールと第2モジュール内を伝送するクロック信号の周波数を低くできるため、放射ノイズを抑制できる。
この場合、デジタル信号処理部における観測結果を、ゲインに反映させることができる。またゲインをフィードバック制御する場合には、このフィードバックを、第2モジュールを介在せずに第1モジュール内で閉じて行うことで、高速制御が可能となるとともに、フィードバック制御に利用されるデータがケーブルを伝送しないため、放射ノイズを低減できる。
この態様によれば、プローブスルー入力端子に、外部の装置を接続することで、被試験デバイスと外部の装置との間で、被試験デバイス依存の固有の信号を送受信可能となる。これにより測定装置に、さまざまな種類の被試験デバイスを測定可能な汎用性をもたせることができる。
微小電流の測定中(デジタイザによるサンプリング中)は、データストレージへのアクセスを停止してもよい。これにより、電流測定中に発生するノイズをさらに低減できる。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図1は、実施の形態に係る測定装置1のブロック図である。本実施の形態において測定装置1は、塩基配列解析装置(シーケンサ)である。
測定装置1は、主としてアクティブプローブモジュール(第1モジュール、以下、単にプローブモジュールと称する)2およびデジタルバックエンドモジュール(第2モジュール、以下、単にバックエンドモジュールと称する)4に分割して構成される。プローブモジュール2は、測定時に被試験デバイス20に近接する。たとえばプローブモジュール2には、被試験デバイス20に形成されるパッドPDとコンタクトするプローブやピンが装着される。プローブモジュール2は昇降可能であってもよい。バックエンドモジュール4は、プローブモジュール2と少なくとも一本のケーブル8を介して接続される。プローブモジュール2には、主としてアナログフロントエンド回路が搭載され、バックエンドモジュール4には主としてデジタル回路が搭載される。
プローブモジュール2の内部に、ノイズ源となるスイッチング電源を搭載する必要がなくなるため、スイッチングノイズがトランスインピーダンスアンプ110の入力、あるいはその他のノードに混入するのを防止できる。
図5は、実施の形態に係る測定装置1の構成を示すブロック図である。図5において、プローブモジュール2では、主としてアナログ信号処理と、図2のデジタル信号処理部116によるデジタル信号処理の一部が行なわれる。プローブモジュール2とバックエンドモジュール4の間は、複数のケーブル8a〜8cを介して接続される。ケーブル8aは、デジタルインタフェース用のケーブルであり、ケーブル(クロックライン)8bはクロック信号CLKLを供給するためのケーブルであり、ケーブル(電源ライン)8cは、バックエンドモジュール4からプローブモジュール2に直流電源電圧VDDを供給するためのケーブルである。
これによりデジタル信号処理部116における観測結果(つまり第1デジタルデータD1)を、第1電圧V1の電圧レベルに反映させることができ、すなわち被試験デバイス20の状態に応じて、被試験デバイス20に適切な電圧を与えることができる。
この場合、デジタル信号処理部116における観測結果(つまり第1デジタルデータD1)を、第2電圧V2の電圧レベルに反映させることができ、被試験デバイス20の状態に応じて、被試験デバイス20に適切な電圧を与えることができる。
第2デジタル信号処理部116Bは、デジタイザ114が微小電流をサンプリングする期間を知っている。そこで第2デジタル信号処理部116Bは、微小電流の測定中は、データストレージ208へのアクセスを停止してもよい。これにより、電流測定中に発生するノイズをさらに低減できる。
実施の形態では、プローブモジュール2およびバックエンドモジュール4のデジタル信号処理部116において、塩基配列の決定まで行なったが本発明はそれには限定されない。第2デジタル信号処理部116Bにおいては、塩基配列の決定までは行なわずに途中までの処理を行ない、中間データをデータストレージ208に格納してもよい。そしてコンピュータ6において、塩基配列のための最終処理を実行してもよい。
実施の形態では、プローブモジュール2およびバックエンドモジュール4が、コンピュータ6の制御下で動作する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。すなわち測定装置1は、コンピュータ6を必要とせずにスタンドアロンで動作してもよい。
データストレージ208は、バックエンドモジュール4に着脱可能に接続されてもよい。この場合、測定装置1による一連の測定が完了した後に、ユーザがデータストレージ208を回収し、別の場所にあるコンピュータを用いてデータを解析してもよい。
プローブモジュール2は、電池を内蔵してもよい。プローブモジュール2の内部のアクティブデバイスは、電池を電源として動作してもよい。この場合も、電源によるノイズのない環境での電流測定が可能となる。
実施の形態では、ゲーティングナノポア方式のシーケンサを説明したが、測定装置1はMCBJ方式のシーケンサにも利用可能である。この場合、ナノポアチップに代えて、MCBJチップが使用される。MCBJチップには、ナノポアに代えて、金線などの導体と、導体を破断するための破断機構などが集積化される。この場合、プローブモジュール2には、破断機構を駆動するためのアンプ(信号発生回路118の一部)が設けられる。あるいは波形発生器120を、破断機構を駆動するためのアンプとして使用してもよい。
Claims (18)
- 被試験デバイスに流れる電流信号を測定する測定装置であって、
前記電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
前記電圧信号を第1デジタルデータに変換するデジタイザと、
前記第1デジタルデータを信号処理するとともに、前記測定装置を制御するデジタル信号処理部と、
を備え、
測定時に前記被試験デバイスに近接する第1モジュールと、前記第1モジュールと少なくとも一本のケーブルを介して接続される第2モジュールに分離して構成され、
前記トランスインピーダンスアンプは、前記第1モジュールに内蔵されることを特徴とする測定装置。 - 前記第1モジュールの内部に前記電流信号が伝搬する信号ラインと近接して形成されるガードメタルと、
前記第1モジュールに内蔵され、前記トランスインピーダンスアンプの仮想接地電圧を前記ガードメタルに印加するガードアンプと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 - 前記第1モジュールに内蔵され、前記トランスインピーダンスアンプの仮想接地電圧を規定する第1電圧を生成する第1電圧源をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の測定装置。
- 前記第1電圧源は、前記デジタル信号処理部により生成される第3制御信号に応じた電圧レベルの前記第1電圧を生成することを特徴とする請求項3に記載の測定装置。
- 前記第1モジュールに内蔵され、前記被試験デバイスに供給される第2電圧を生成する第2電圧源をさらに備えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の測定装置。
- 前記第2電圧源は、前記デジタル信号処理部により生成される第4制御信号に応じた電圧レベルの前記第2電圧を生成することを特徴とする請求項5に記載の測定装置。
- 前記被試験デバイスは、前記トランスインピーダンスアンプと接続される第1電極と、前記第1電極と対向する第2電極と、を含み、
前記測定装置は、前記第1電極および前記第2電極の間を流れる電流を測定対象とし、
前記トランスインピーダンスアンプの仮想接地電圧は、接地電圧であり、
前記第2電圧源は、前記第2電圧を、前記第2電極に供給することを特徴とする請求項5または6に記載の測定装置。 - 前記第1モジュールは、直流電源電圧を受けるための電源端子を備えることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の測定装置。
- 前記デジタイザは、前記第1モジュールに内蔵されることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の測定装置。
- 前記デジタル信号処理部は、
前記第1モジュールに内蔵され、前記第1デジタルデータのデータ容量を低減して第2デジタルデータを生成し、前記第2モジュールに伝送する第1デジタル信号処理部と、
前記第2モジュールに内蔵され、前記第1デジタル信号処理部から前記第2デジタルデータを受け、所定の信号処理を実行する第2デジタル信号処理部と、
を含むことを特徴とする請求項9に記載の測定装置。 - 前記第1モジュールに内蔵され、デジタル波形データを受け、前記デジタル波形データに応じたアナログ電圧を発生する波形発生器をさらに備え、
前記デジタル信号処理部は、前記第1モジュールに内蔵され、前記デジタル波形データを生成する第3デジタル信号処理部を含むことを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の測定装置。 - 前記第1モジュールに設けられたアナログ出力端子と、
前記第1モジュールに内蔵され、前記アナログ出力端子を介して、前記第1モジュールの内部の所定のノードの信号を外部に出力する第1アンプと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の測定装置。 - 前記第1モジュールに設けられたアナログ入力端子と、
前記第1モジュールに内蔵され、前記アナログ入力端子を介して入力されるアナログ信号を、前記被試験デバイスおよび/または第1モジュールの内部の所定のノードに供給する第2アンプと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の測定装置。 - 前記第2モジュールに内蔵され、所定の周波数のクロック信号を生成するオシレータと、
前記第1モジュールに内蔵され、前記クロック信号を逓倍する周波数逓倍器と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の測定装置。 - 前記トランスインピーダンスアンプのゲインは可変に構成され、
前記デジタル信号処理部は、前記第1モジュールに内蔵され、前記第1デジタルデータに応じて前記ゲインを制御するゲインコントローラを含むことを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の測定装置。 - 前記第1モジュールに設けられたプローブスルー入力端子と、
前記第1モジュールに設けられ、前記プローブスルー入力端子と接続されるプローブスルー出力端子と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1から15のいずれかに記載の測定装置。 - 前記第2モジュールに内蔵されるデータストレージをさらに備えることを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の測定装置。
- 前記第2モジュールに着脱可能に接続されるデータストレージをさらに備えることを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の測定装置。
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