JP2021196187A - 半導体装置及び細胞電位測定装置 - Google Patents

半導体装置及び細胞電位測定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】溶液の電位の測定精度を向上させる。【解決手段】半導体装置は、溶液の電位を読み出す読み出し電極と、差動増幅器と、前記差動増幅器の出力を前記読み出し電極からの第１の入力と異なる第２の入力に帰還するループ上に直列に接続されている第１の容量と、前記第１の容量と並列に接続されている抵抗素子と、基準電位を示す参照電極と前記第２の入力との間に接続されている第２の容量とを備える。本開示は、例えば、細胞電位測定装置等に適用できる。【選択図】図６

Description

本開示は、半導体装置及び細胞電位測定装置に関し、特に、溶液の電位の測定精度を向上できるようにした半導体装置及び細胞電位測定装置に関する。
従来、片側フィードバック型のオートゼロ差動増幅器を備える細胞電位測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の差動増幅器においては、負荷抵抗となるカレントミラー回路のダイオード接続されているｐＭＯＳトランジスタ側の入力トランジスタに読み出し電極が接続されるとともに、ダイオード接続されていないｐＭＯＳトランジスタ側の入力トランジスタに差動増幅器の出力を帰還する閉ループが構成されている。また、ダイオード接続されていないｐＭＯＳトランジスタ側の入力トランジスタに、サンプリング容量を介して参照電極が接続されている。そして、差動増幅器の動作点となる電位が、リセット動作によりサンプリング容量にサンプルホールドされる。また、サンプリング容量の電位がリーク電流により変動するのを防ぐために、周期的にリセット動作が行われる。
国際公開第２０１７／２２１７１４号
しかしながら、特許文献１の細胞電位測定装置においては、サンプリング容量のリセット動作の周期に基づく遮断周波数より低い周波数帯域の信号を検出できないため、溶液の電位の測定精度が低下するおそれがある。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、溶液の電位の測定精度を向上させるようにするものである。
本開示の第１の側面の半導体装置は、溶液の電位を読み出す読み出し電極と、差動増幅器と、前記差動増幅器の出力を前記読み出し電極からの第１の入力と異なる第２の入力に帰還するループ上に直列に接続されている第１の容量と、前記第１の容量と並列に接続されている抵抗素子と、基準電位を示す参照電極と前記第２の入力との間に接続されている第２の容量とを備える。
本開示の第２の側面の細胞電位測定装置は、溶液に含まれる細胞の電位を読み出す読み出し電極と、差動増幅器と、前記差動増幅器の出力を前記読み出し電極からの第１の入力と異なる第２の入力に帰還するループ上に直列に接続されている第１の容量と、前記第１の容量と並列に接続されている抵抗素子と、基準電位を示す参照電極と前記第２の入力との間に接続されている第２の容量とを備える。
本開示の第１の側面においては、溶液の電位が読み出され、読み出された電位を示す信号が出力される。
本開示の第２の側面においては、溶液に含まれる細胞の電位が読み出され、読み出された電位を示す信号が出力される。
特許文献１のセンサの構成を示す回路図である。 図１のセンサのリセット動作とサンプリング動作のタイミングの例を示す図である。 差動増幅器の周波数特性の例を示すグラフである。 本開示を適用した細胞電位測定装置の第１の実施の形態の構成例を示す回路図である。 図４のセンサの構成例を示す回路図である。 図５のセンサの詳細構成例を示す回路図である。 図６のセンサのリセット動作とサンプリング動作のタイミングの例を示す図である。 本開示を適用したセンサの第２の実施の形態の構成例を示す回路図である。 本開示を適用したセンサの第３の実施の形態の構成例を示す回路図である。 本開示を適用したセンシング部の第２の実施の形態の構成例を示す回路図である。 本開示を適用した細胞電位測定装置の第２の実施の形態の構成例を示す回路図である。
以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．本開示の背景（図１乃至図３）
２．第１の実施の形態：細胞電位測定装置（図４乃至図７）
３．第２の実施の形態：センサ（図８）
４．第３の実施の形態：センサ（図９）
５．第４の実施の形態：センシング部（図１０）
６．第５の実施の形態：細胞電位測定装置（図１１）
７．変形例
８．その他
＜＜１．本開示の背景＞＞
まず、図１乃至図３を参照して、本開示の背景について説明する。
図１は、上述した特許文献１の細胞電位測定装置を構成するセンサ１１の構成を示す回路図である。
センサ１１は、読み出し電極４１、差動増幅器４２、容量４３、容量４４、リセットスイッチ４５、及び、スイッチ４６を備える。差動増幅器４２は、ｐＭＯＳトランジスタからなる負荷トランジスタ６１及び負荷トランジスタ６２、ｎＭＯＳトランジスタからなる入力トランジスタ６３及び入力トランジスタ６４、定電流源６５、入力端子６６、入力端子６７、並びに、出力端子６８を備える。
読み出し電極４１は、生体細胞を含む溶液である培養液の中に配置され、培養液の電位を生体細胞の電位として読み出す。読み出し電極４１は、差動増幅器４２の入力端子６６に接続されており、読み出した電位を示す電気信号（以下、細胞電位信号と称する）を入力端子６６に入力する。
参照電極１２は、培養液内の生体細胞から離れた位置に配置され、培養液の基準電位を読み出す。参照電極１２は、容量４３を介して差動増幅器４２の入力端子６７に接続されており、読み出した基準電位を示す電気信号（以下、参照信号と称する）を、容量４３を介して入力端子６７に入力する。
差動増幅器４２の負荷トランジスタ６１及び負荷トランジスタ６２は、カレントミラー回路を構成する。
具体的には、負荷トランジスタ６１は、電位ＶＤＤの電源（以下、電源ＶＤＤと称する）と入力トランジスタ６３との間に直列に接続されている。すなわち、負荷トランジスタ６１のソースは電源ＶＤＤに接続され、ドレインは入力トランジスタ６３のドレインに接続されている。また、負荷トランジスタ６１のゲートは、負荷トランジスタ６２のゲートに接続されるとともに、負荷トランジスタ６１のドレインに接続されている。すなわち、負荷トランジスタ６１は、ダイオード接続されている。
負荷トランジスタ６２は、電源ＶＤＤと入力トランジスタ６４との間に直列に接続されている。すなわち、負荷トランジスタ６２のソースは電源ＶＤＤに接続され、ドレインは入力トランジスタ６４のドレインに接続されている。なお、負荷トランジスタ６２は、ダイオード接続されていない。
入力トランジスタ６３は、負荷トランジスタ６１と定電流源６５との間に直列に接続されている。すなわち、入力トランジスタ６３のドレインは、上述したように負荷トランジスタ６１のドレインに接続され、ソースは定電流源６５に接続されている。入力トランジスタ６３のゲートは、入力端子６６に接続され、読み出し電極４１からの細胞電位信号が入力される。なお、負荷トランジスタ６１がダイオード接続されているため、入力トランジスタ６３には増幅ゲインがかからない。
入力トランジスタ６４は、負荷トランジスタ６２と定電流源６５との間に直列に接続されている。すなわち、入力トランジスタ６４のドレインは、上述したように負荷トランジスタ６２のドレインに接続され、ソースは定電流源６５に接続されている。入力トランジスタ６３のゲートは、入力端子６７に接続され、容量４３を介して、参照電極１２からの参照信号が入力される。なお、負荷トランジスタ６２がダイオード接続されていないため、入力トランジスタ６４には増幅ゲインがかかる。
定電流源６５は、電位ＶＳＳの電源（以下、電源ＶＳＳと称する）に接続されている。電位ＶＳＳは、例えば、グラウンド（ＧＮＤ）である。
出力端子６８は、負荷トランジスタ６２のドレインと入力トランジスタ６４のドレインとの接続点に接続されている。
このように、差動増幅器４２は、負荷トランジスタ６１及び負荷トランジスタ６２からなるカレントミラー回路を負荷抵抗とする差動増幅器である。また、差動増幅器４２は、入力端子６６に入力される細胞電位信号と、入力端子６７に入力される参照信号の電位差を増幅し、増幅した電位差を示す出力信号を出力端子６８から出力する。
容量４３は、参照電極１２と差動増幅器４２の入力端子６７との間に接続されている。容量４３は、読み出し電極４１と参照電極１０２に同相で混入するノイズ成分がキャンセルする。また、容量４３は、差動増幅器４２の動作点となる電位をサンプルホールドするサンプリング容量となる。
容量４４は、差動増幅器４２の入力端子６７と出力端子６８との間に接続されている。これにより、出力端子６８から出力された出力信号を入力信号として入力端子６７に帰還する閉ループが形成され、閉ループ上に容量４４が接続されている。
リセットスイッチ４５は、差動増幅器４２の出力端子６８と入力端子６７との間に、容量４４と並列に接続されている。リセットスイッチ４５は、図示せぬ制御回路から供給されるリセット信号Ｒｅｓｅｔに基づいて、入力端子６７と出力端子６８を短絡する。これにより、差動増幅器４２の動作点のリセット動作が行われる。すなわち、差動増幅器４２の負荷トランジスタ６１と負荷トランジスタ６２を流れる電流を釣り合わせ、差動増幅器４２の入力信号の電位差をゼロ（Ｖｉｎ（＋）−Ｖｉｎ（−）＝０）にした状態における参照電極１２の電位が、差動増幅器４２の動作点として容量４３にサンプルホールドされる。
スイッチ４６は、センサ駆動線１３を介して入力される選択信号による制御の下に、差動増幅器４２からの出力信号をセンサ信号として垂直信号線１４に出力する。具体的には、スイッチ４６は、選択信号が入力された場合、オン状態になり、センサ信号を垂直信号線１４に出力する。これにより、生体細胞の電位を示す値がサンプリングされる。一方、スイッチ４６は、選択信号が入力されない場合、オフ状態になり、センサ信号を垂直信号線１４に出力しない。
図２は、センサ１１のリセット動作と生体細胞の電位のサンプリング動作のタイミングの例を示している。
上述したように、センサ１１では、リセット動作により差動増幅器４２の動作点が容量４３にサンプルホールドされる。しかし、容量４３にサンプルホールドされた電位は、リーク電流により徐々に低下する。そのため、細胞電位信号が変化しなくても、差動増幅器４２の出力信号が徐々に低下し、センサ１１から出力されるセンサ信号の値（サンプル値）にバラつきが生じる。
従って、周期的に動作点のリセット動作を行い、センサ１１をリフレッシュする必要が生じる。
一方、センサ１１は、リセット動作の周期ΔＴ（以下、リセット周期ΔＴと称する）に基づく遮断周波数より低い周波数帯域の信号を検出できなくなる。
図３は、リセット周期ΔＴに基づく遮断周波数ｆｃを１００Ｈｚとした場合の差動増幅器４２の周波数特性の例を示している。横軸は周波数（Ｈｚ）を示し、縦軸はゲイン（ｄＢ）を示している。差動増幅器４２の周波数特性は、実線で示されている。
生体細胞が発生する電位には、一般的に周波数帯域が３００Ｈｚ以上の信号からなる活動電位と、周波数帯域が３００Ｈｚ以下の信号からなるシナプス電位（ＬＦＰ：Local Field Potentialとも呼ばれる）の大きく２種類がある。遮断周波数ｆｃが１００Ｈｚの場合、周波数帯域の高い活動電位の測定は可能であるが、周波数帯域が低いシナプス電位の測定ができず、測定精度が低下する。
また、図２の出力信号の波形において破線で示されるように、リセット動作の直後に、リセットスイッチ４５のオン／オフの影響により出力信号に揺れが生じる。そのため、リセット動作直後にサンプリングしたセンサ信号にノイズが生じる。
さらに、リーク電流による出力信号の傾きを後段の信号処理で補正する必要が生じ、後段の処理負荷が増大する。
これに対して、本開示は、生体細胞を含む培養液等の溶液の電位の測定精度を向上させるようにするものである。
＜＜２．第１の実施の形態＞＞
次に、図４乃至図７を参照して、本開示の第１の実施の形態について説明する。
＜細胞電位測定装置１００の構成例）
図４は、本開示を適用した細胞電位測定装置１００の構成例を示す回路図である。
細胞電位測定装置１００は、センシング部１０１、参照電極１０２、センサ駆動線１０３、垂直信号線１０４、垂直選択回路１０５、Ａ／Ｄ変換回路１０６、水平選択回路１０７、及び、出力端子１０８が、ＣＭＯＳ集積化技術を用いて図示せぬ半導体基板（チップ）に形成された半導体デバイス（半導体装置）である。
細胞電位測定装置１００のセンシング部１０１には、生体細胞を含む培養液の電気化学的電位を読み出すセンサ１２１が、アレイ状（行列状）に２次元配置されている。また、センシング部１０１には、アレイ状のセンサ１２１に対して水平方向の行ごとにセンサ駆動線１０３が形成され、垂直方向の列ごとに垂直信号線１０４が形成されている。
参照電極１０２は、図１の参照電極１２に相当し、培養液内の生体細胞から離れた位置に配置され、培養液の基準電位を読み出す。参照電極１０２は、読み出された基準電位を示す電気信号である参照信号を各センサ１２１に供給する。
垂直選択回路１０５は、センシング部１０１の各センサ１２１を行単位等で駆動する。具体的には、垂直選択回路１０５の各行に対応した図示せぬ出力端には、センサ駆動線１０３の一端が接続されている。垂直選択回路１０５は、各センサ１２１からのセンサ信号を行単位で順に読み出すように、各行を順に選択し、選択行のセンサ駆動線１０３と接続される出力端から選択信号等を出力する。これにより、選択行のセンサ１２１は、培養液の電位を示す出力信号をセンサ信号として、垂直信号線１０４に供給する。
Ａ／Ｄ変換回路１０６は、センシング部１０１の列ごとに信号処理回路を備える。Ａ／Ｄ変換回路１０６の各信号処理回路は、選択行の各センサ１２１から垂直信号線１０４を介して出力されるセンサ信号に対して、Ａ／Ｄ変換処理等の信号処理を行う。Ａ／Ｄ変換回路１０６は、水平選択回路１０７の選択走査に従って、選択された信号処理回路により得られた信号処理後のセンサ信号を、出力端子１０８を介して出力する。
水平選択回路１０７は、Ａ／Ｄ変換回路１０６の信号処理回路を順番に選択する。この水平選択回路１０７による選択走査により、Ａ／Ｄ変換回路１０６の各信号処理回路で信号処理されたセンサ信号が順番に出力端子１０８に出力される。
＜センサ１２１の第１の実施の形態＞
図５は、図４のセンサ１２１の第１の実施の形態であるセンサ１２１Ａの構成例を示す図である。なお、図４では、説明の便宜上、１行分のセンサ１２１Ａのみが図示されている。
各センサ１２１Ａは、読み出し電極１４１、差動増幅器１４２、容量１４３、容量１４４、高抵抗１４５、及び、スイッチ１４６をそれぞれ備える。
読み出し電極１４１は、図１のセンサ１１の読み出し電極４１に相当する。読み出し電極１４１は、生体細胞を含む培養液Ｃの中に配置される。読み出し電極１４１は、培養液Ｃの電位を培養液Ｃに含まれる生体細胞の電位として読み出し、読み出した電位を示す電気信号である細胞電位信号を出力する。
差動増幅器１４２には、読み出し電極１４１から細胞電位信号が入力される。また、差動増幅器１４２には、参照電極１０２から容量１４３を介して参照信号が入力される。差動増幅器１４２は、この２つの入力信号の電位差を増幅した出力信号を出力する。
容量１４３は、図１のセンサ１１の容量４３に相当し、参照電極１０２と差動増幅器１４２の入力端子との間に接続されている。
容量１４４は、図１のセンサ１１の容量４４に相当し、差動増幅器１４２の参照電極１０２側の入力端子と出力端子との間に接続されている。
高抵抗１４５は、差動増幅器１４２の参照電極１０２側の入力端子と出力端子との間に、容量１４４と並列に接続されている。高抵抗１４５は、例えば、半導体プロセスにおいて用いられるポリシリコンやメタル配線を用いた、抵抗値が非常に高い（例えば、１ＧΩ以上）抵抗素子により構成される。
スイッチ１４６は、図１のセンサ１１のスイッチ４６に相当する。スイッチ１４６は、図４のセンサ駆動線１０３により入力される選択信号による制御の下に、差動増幅器１４２からの出力信号をセンサ信号として垂直信号線１０４に出力する。具体的には、スイッチ１４６は、選択信号が入力された場合、すなわちセンサ１２１が配置されている行が選択行である場合、オン状態になり、センサ信号を垂直信号線１０４に出力する。一方、スイッチ１４６は、選択信号が入力されない場合、すなわちセンサ１２１が配置されている行が選択行ではない場合、オフ状態になり、センサ信号を垂直信号線１０４に出力しない。
＜センサ１２１Ａの詳細構成例＞
図６は、図５のセンサ１２１Ａの構成をさらに詳細に示す回路図である。
センサ１２１Ａは、上述したように、読み出し電極１４１、差動増幅器１４２、容量１４３、容量１４４、高抵抗１４５、及び、スイッチ１４６を備える。差動増幅器１４２は、負荷トランジスタ１６１、負荷トランジスタ１６２、入力トランジスタ１６３、入力トランジスタ１６４、定電流源１６５、入力端子１６６、入力端子１６７、並びに、出力端子１６８を備える。
センサ１２１Ａを図１のセンサ１１と比較すると、リセットスイッチ４５が高抵抗１４５に置き換わっている点のみが異なる。すなわち、読み出し電極１４１乃至容量１４４及びスイッチ１４６は、図１の読み出し電極４１乃至容量４４及びスイッチ４６と同様に構成される。また、差動増幅器１４２の負荷トランジスタ１６１乃至出力端子１６８は、図１の差動増幅器４２の負荷トランジスタ１６１乃至出力端子６８と同様に構成される。
従って、センサ１２１Ａでは、図１のセンサ１１と同様に、片側フィードバック型のオートゼロ差動増幅器によりもたらされる効果を奏することができる。
すなわち、センサ１２１Ａの差動増幅器１４２では、出力信号を入力信号として帰還させる閉ループが形成されるため、オープンループ型の差動増幅器に比べて、増幅ゲインを抑制し、信号入力レンジを広くすることができる。
また、差動増幅器１４２では、読み出し電極１４１と入力トランジスタ１６３との間に回路等が挿入されないため、読み出し信号に１以下の増幅ゲインがかからず、Ｓ／Ｎ（Signal/Noise）が劣化しない。
さらに、差動増幅器１４２では、出力信号が読み出し電極１４１に帰還されない。これにより、出力信号の帰還による読み出し電極１４１の電位の変動が、生体細胞の活動に影響を及ぼし、生体細胞の正確な活動電位の測定が妨げられることを防止することができる。
加えて、リセットスイッチ４５を高抵抗１４５に置き換えることにより、片側フィードバック型の差動増幅器１４２の入力端子１６７側の入力を高抵抗１４５によりバイアスした構成となる。これにより、例えば、「R.R. Harrison, C. Charles, “A low-power low-noise CMOS amplifier for neural recording applications,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.38, pp. 958-965, 2003」に記載されているように、周波数帯域が低い電位の測定が可能になる。
具体的には、差動増幅器１４２の遮断周波数ｆｃは、次式（１）により求められる。
ｆｃ＝１／（２π×Ｒ×Ｃｇｄ） ・・・（１）
なお、Ｒは高抵抗１４５の抵抗値を示し、Ｃｇｄは容量１４４の容量を示す。
例えば、Ｃｇｄ＝１０Ｆの場合、Ｒ＝１０ＴΩに設定することにより、遮断周波数ｆｃ＝１．５Ｈｚとなる。これにより、先に示した図３の破線のグラフで示されるように、差動増幅器１４２の低周波側の周波数特性が、実線で示される差動増幅器４２（図１）の周波数特性と比較して向上する。この結果、周波数帯域が低いシナプス電位の測定が可能になり、生体細胞の電位の測定精度が向上する。
また、容量１４３のリーク電流による出力信号の変動が抑制されるため、リセット動作が不要になる。この結果、リセット動作による周期的な出力信号の揺れが防止され、生体細胞の電位の測定精度が向上する。
例えば、図７は、センサ１２１Ａの生体細胞の電位のサンプリング動作のタイミングの例を示している。このように、リセット動作を実行しなくても、出力信号の変動が抑制されるため、生体細胞の電位の測定精度が向上する。
＜＜３．第２の実施の形態＞＞
次に、図８を参照して、本開示の第２の実施の形態について説明する。
＜センサ１２１の第２の実施の形態＞
図８は、図４のセンサ１２１の第２の実施の形態であるセンサ１２１Ｂの構成例を示す回路図である。なお、図中、図６のセンサ１２１Ａと対応する部分には同じ符号を付しており、その説明は適宜省略する。
センサ１２１Ｂは、センサ１２１Ａと比較して、高抵抗１４５の代わりに、ｎＭＯＳトランジスタからなるトランジスタ２０１が設けられている点が異なる。
トランジスタ２０１は、差動増幅器１４２の入力端子１６７と出力端子１６８との間に、容量１４４と並列に接続されている。トランジスタ２０１のゲートには、トランジスタ２０１の閾値電圧より低いバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。これにより、トランジスタ２０１がサブスレッショルド領域で動作し、トランジスタ２０１を高抵抗として用いることができる。
なお、バイアス電圧Ｖｂｉａｓは、センシング部１０１内部のバイアス生成回路（不図示）において生成するようにしてもよいし、センシング部１０１の外部の電圧供給装置で生成したものを供給するようにしてもよい。
例えば、トランジスタ２０１に印加するバイアス電圧Ｖｂｉａｓを変更することで、トランジスタ２０１の抵抗値を自由に設定することができる。これにより、差動増幅器１４２の周波数特性を外部から自由に変更することが可能になる。例えば、差動増幅器１４２において、不要な周波数帯域をカットし、必要な周波数帯域に絞った出力信号を取得することができ、Ｓ／Ｎの向上（低ノイズ化）を実現することができる。
＜＜４．第３の実施形態＞＞
次に、図９を参照して、本開示の第３の実施の形態について説明する。
＜センサ１２１の第３の実施の形態＞
図９は、図４のセンサ１２１の第３の実施の形態であるセンサ１２１Ｃの構成例を示す図である。なお、図中、図６のセンサ１２１Ａと対応する部分には同じ符号を付しており、その説明は適宜省略する。
センサ１２１Ｃは、センサ１２１Ａと比較して、高抵抗１４５の代わりに、ｎＭＯＳトランジスタからなるトランジスタ２２１及びトランジスタ２２２が設けられている点が異なる。
トランジスタ２２１及びトランジスタ２２２は、直列に接続されるとともに、出力端子１６８と入力端子１６７との間に、容量１４４と並列に接続されている。また、トランジスタ２２１とトランジスタ２２２とは、電流が流れる方向が互いに逆になるようにダイオード接続されている。
そして、トランジスタ２２１及びトランジスタ２２２のドレイン−ソース間の電圧差がともに閾値未満の場合、トランジスタ２２１及びトランジスタ２２２に非常に小さい電流しか流れない。従って、トランジスタ２２１及びトランジスタ２２２を高抵抗として用いることができる。
これにより、外部からバイアス電圧を供給しなくても、高抵抗を実現することができる。
＜＜５．第４の実施の形態＞＞
次に、図１０を参照して、本開示の第４の実施の形態について説明する。
＜センシング部３０１の構成例＞
図１０は、図４のセンシング部１０１の変形例であるセンシング部３０１の構成例を示している。
センシング部３０１においては、図６のセンサ１２１Ａが、読み出しセル３２１と参照セル３２２とに分割されるとともに、センサ１２１Ａが備えていたカレントミラー回路及び定電流源が、各列で共有されている。
具体的には、センシング部３０１は、互いに分離された読み出しセル領域３１１及び参照セル領域３１２を備える。読み出しセル領域３１１と参照セル領域３１２とは、縦方向に並ぶように配置されている。読み出しセル領域３１１には、読み出しセル３２１がアレイ状に２次元配置されている。参照セル領域３１２は、参照セル３４１がアレイ状に２次元配置されている。読み出しセル領域３１１における読み出しセル３２１の配置と、参照セル領域３１２における参照セル３４１の配置とは同様であり、互いに同じ位置に配置されている読み出しセル３２１と参照セル３４１とが協調して動作する。
また、読み出しセル領域３１１及び参照セル領域３１２により構成される領域の列ごとに、ｐＭＯＳトランジスタからなる負荷トランジスタ３１３、負荷トランジスタ３１４、及び、定電流源３１５が設けられている。
負荷トランジスタ３１３及び負荷トランジスタ３１４は、図６のセンサ１２１Ａの負荷トランジスタ１６１及び負荷トランジスタ１６２に相当し、カレントミラー回路を構成する。負荷トランジスタ３１３のソースは電源ＶＤＤに接続され、ドレインは同じ列に配置されている各読み出しセル３２１に接続され、ゲートは負荷トランジスタ３１４のゲートに接続されている。また、負荷トランジスタ３１３はダイオード接続されている。すなわち、負荷トランジスタ３１３のドレインとゲートが接続されている。負荷トランジスタ３１４のソースは電源ＶＤＤに接続され、ドレインは同じ列に配置されている各参照セル３４１に接続されている。なお、負荷トランジスタ３１４はダイオード接続されていない。
定電流源３１５は、同じ列に配置されている各読み出しセル３２１及び各参照セル３４１と電源ＶＳＳ（不図示）との間に接続されている。
各読み出しセル３２１は、読み出し電極３３１、ｎＭＯＳトランジスタからなる入力トランジスタ３３２、及び、スイッチ３３３をそれぞれ備え、生体細胞の電位の読み出し回路を構成する。読み出し電極３３１及び入力トランジスタ３３２は、図６のセンサ１２１Ａの読み出し電極１４１及び入力トランジスタ１６３に相当する。
入力トランジスタ３３２のドレインは、スイッチ３３３を介して、負荷トランジスタ３１３のドレインに接続され、ソースは定電流源３１５に接続され、ゲートは、読み出し電極３３１に接続されている。
各参照セル３２２は、容量３５１、ｎＭＯＳトランジスタからなる入力トランジスタ３５２、容量３５３、高抵抗３５４、及び、スイッチ３５５をそれぞれ備え、基準電位の読み出し回路を構成する。容量３５１、入力トランジスタ３５２、容量３５３、及び、高抵抗３５４は、図６のセンサ１２１Ａの容量１４３、入力トランジスタ１６４、容量１４４、及び、高抵抗１４５に相当する。
入力トランジスタ３５２のドレインは、スイッチ３５５を介して負荷トランジスタ３１４のドレインに接続され、ソースは定電流源３１５に接続され、ゲートは、容量３５１を介して参照電極（不図示）に接続されている。容量３５３は、負荷トランジスタ３１４のドレインと入力トランジスタ３５２のゲートの間に接続されている。高抵抗３５４は、負荷トランジスタ３１４のドレインと入力トランジスタ３５２のゲートの間に、容量３５３と並列に接続されている。
各読み出しセル３２１のスイッチ３３３、及び、各参照セル３２２のスイッチ３５５は、図示せぬセンサ駆動線を介して入力される選択信号による制御の下に、オン又はオフする。例えば、選択行の各読み出しセル３２１のスイッチ３３３、及び、各参照セル３２２のスイッチ３５５に選択信号が入力されると、スイッチ３３３及びスイッチ３５５がオンされる。これにより、同じ列に配置されている、選択行の読み出しセル３２１及び参照セル３４１、負荷トランジスタ３１３、負荷トランジスタ３１４、並びに、定電流源３１５により、図６のセンサ１２１Ａと同様の回路が構成される。また、同じ列に配置されている、選択行の読み出しセル３２１の入力トランジスタ３３２及び参照セル３４１の入力トランジスタ３５２、負荷トランジスタ３１３、並びに、負荷トランジスタ３１４により、図６の差動増幅器１４２と同様の回路が構成される。
そして、負荷トランジスタ３１４のドレインと選択行の参照セル３４１の入力トランジスタ３５２のドレインとの間の接続点からセンサ信号（出力信号）が出力される。
このセンシング部３０１は、上述した図４のセンシング部１０１及び各センサ１２１Ａにより実現される効果に加えて、下記の効果を奏することができる。
例えば、カレントミラー回路及び定電流源３１５が共有されることにより、センシング部３０１を小型化することができる。又は、読み出しセル３２１及び参照セル３４１の数を増やすことにより、生体細胞の電位の分解能を上げる（測定ポイントを増やす）ことができる。
また、読み出しセル領域３１１と参照セル領域３１２とを分離することにより、読み出しセル３２１の面積を縮小して細胞電位の空間分解能を上げつつ、入力トランジスタ３３２のサイズを大きくすることができ、低ノイズ化を実現することができる。
さらに、高抵抗３５４の追加が各読み出しセル３２１に影響せず、各読み出しセル３２１は、読み出し電極３３１、入力トランジスタ３３２、及び、スイッチ３３３の３素子のみにより構成される。これにより、各読み出しセル３２１の面積を小さくすることができ、上述した効果をより高めることができる。
＜＜６．第５の実施の形態＞＞
次に、図１１を参照して、本開示の第５の実施の形態について説明する。
図１１は、図４の細胞電位測定装置１００の変形例である細胞電位測定装置４００の構成例を示している。なお、図中、細胞電位測定装置１００と対応する部分には同じ符号を付しており、その説明は適宜省略する。
細胞電位測定装置４００は、細胞電位測定装置１００と比較して、参照電極１０２、垂直信号線１０４、Ａ／Ｄ変換回路１０６、及び、出力端子１０８を備える点で一致する。なお、参照電極１０２の図示は省略している。一方、細胞電位測定装置４００は、細胞電位測定装置１００と比較して、センシング部１０１及び垂直選択回路１０５の代わりに、叙述した図１０のセンシング部３０１、及び、垂直選択回路４０１を備える点が異なる。
なお、この図においては、センシング部３０１の参照セル領域３１２の参照セル３４１の図示の一部を省略しているが、読み出しセル領域３１１の読み出しセル３２１と参照セル領域３１２の参照セル３４１とは、互いに同じ列及び行の数だけ設けられる。
垂直選択回路４０１は、センシング部３０１の読み出しセル領域３１１の各読み出しセル３２１、及び、参照セル領域３１２の各参照セル３４１を行単位で駆動する。具体的には、垂直選択回路４０１の読み出しセル領域３１１及び参照セル領域３１２の各行に対応した図示せぬ出力端には、図示せぬセンサ駆動線の一端が接続されている。
垂直選択回路１０５は、各読み出しセル３２１からのセンサ信号を行単位で順に読み出すように、読み出しセル領域３１１及び参照セル領域３１２の各行を順に選択し、選択行のセンサ駆動線と接続される出力端から選択信号等を出力する。これにより、選択行の読み出しセル３２１のスイッチ３３３及び参照セル３４１のスイッチ３５５がオンされる。この結果、負荷トランジスタ３１４のドレインと選択行の参照セル３４１の入力トランジスタ３５２のドレインとの間の接続点からセンサ信号が出力され、垂直信号線１０４を介してＡ／Ｄ変換回路１０６に供給される。そして、Ａ／Ｄ変換回路１０６から、生体細胞の電位を示すデジタルのセンサ信号が、出力端子１０８を介して、細胞電位測定装置４００の外部に出力される。
このようにして、低ノイズかつ高速にデジタルのセンサ信号を細胞電位測定装置４００の外部に出力することが可能になる。また、垂直選択回路４０１により読み出しセル３２１及び参照セル３４１を順次選択するようにすることにより、多数の読み出し電極３３１を配列することが可能になる。これにより、より広い範囲においてより高い分解能で生体細胞の電位を測定することが可能になる。
＜＜７．変形例＞＞
例えば、図６のセンサ１２１Ａ、図８のセンサ１２１Ｂ、及び、図９のセンサ１２１Ｃにおいて、参照電極１０２及び容量１４３を削除して、差動増幅器１４２の出力信号が容量１４４を介して入力端子１６７に帰還する構成にすることが可能である。
例えば、図１０のセンシング部３０１及び図１１の細胞電位測定装置４００において、高抵抗３５４の代わりに、図８のセンサ１２１Ｂのトランジスタ２０１、又は、図９のセンサ１２１Ｃのトランジスタ２２１及びトランジスタ２２２と同様の構成の抵抗素子を用いることが可能である。
例えば、図４等の参照電極１０２が、培養液の基準電位とは異なる基準電位を読み出すようにしてもよい。例えば、参照電極１０２をグラウンド（ＧＮＤ）に接続し、参照電極１０２がグラウンドを基準電位として読み出すようにしてもよい。
同様に、図１０等の容量３５１が接続されている参照電極（不図示）が、培養液の基準電位とは異なる基準電位を読み出すようにしてもよい。
＜＜８．その他＞＞
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
また、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
（１）
溶液の電位を読み出す読み出し電極と、
差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力を前記読み出し電極からの第１の入力と異なる第２の入力に帰還するループ上に直列に接続されている第１の容量と、
前記第１の容量と並列に接続されている抵抗素子と、
基準電位を示す参照電極と前記第２の入力との間に接続されている第２の容量と
を備える半導体装置。
（２）
前記差動増幅器は、
ダイオード接続されている第１の負荷トランジスタ、及び、ダイオード接続されていない第２の負荷トランジスタを備えるカレントミラー回路と、
前記第１の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記読み出し電極に接続されている第１の入力トランジスタと、
前記第２の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記第１の容量に接続されている第２の入力トランジスタと
を備える前記（１）に記載の半導体装置。
（３）
前記読み出し電極及び前記第１の入力トランジスタをそれぞれ備える複数の読み出しセルがアレイ状に配置されている読み出しセル領域と、
前記第２の入力トランジスタをそれぞれ備える複数の参照セルがアレイ状に配置され、前記読み出しセル領域と分離されている参照セル領域と
を備える前記（２）に記載の半導体装置。
（４）
前記参照セルは、
前記第１の容量と、
前記抵抗素子と、
前記参照電極と前記第２の入力トランジスタのゲートとの間に接続されている前記第２の容量と
をさらに備える前記（３）に記載の半導体装置。
（５）
前記カレントミラー回路が、前記読み出しセル領域及び前記参照セル領域により構成される領域の列ごとに配置されている
前記（３）又は（４）に記載の半導体装置。
（６）
前記読み出しセル及び前記参照セルを行単位で選択し、選択した行の前記読み出しセル及び前記参照セル、並びに、同じ列に配置されている前記カレントミラー回路により前記差動増幅器を構成させる垂直選択回路を
さらに備える前記（５）に記載の半導体装置。
（７）
前記第２の負荷トランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点から出力信号が出力される
さらに備える前記（２）乃至（６）のいずれかに記載の半導体装置。
（８）
前記差動増幅器は、
第１の入力端子と、
第２の入力端子と、
出力端子と
を備え、
前記読み出し電極は、前記第１の入力端子に接続され、
前記第１の容量は、前記第２の入力端子と前記出力端子との間に接続され、
前記抵抗素子は、前記第２の入力端子と前記出力端子との間に、前記第１の容量と並列に接続され、
前記第２の容量は、前記参照電極と前記第２の入力端子との間に接続されている
前記（１）に記載の半導体装置。
（９）
前記差動増幅器は、
ダイオード接続されている第１の負荷トランジスタ、及び、ダイオード接続されていない第２の負荷トランジスタを備えるカレントミラー回路と、
前記第１の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記第１の入力端子に接続されている第１の入力トランジスタと、
前記第２の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記第２の入力端子に接続されている第２の入力トランジスタと
を備える前記（８）に記載の半導体装置。
（１０）
前記出力端子は、前記第２の負荷トランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点に接続されている
を備える前記（９）に記載の半導体装置。
（１１）
前記抵抗素子は、メタル配線又はポリシリコンにより形成される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体装置。
（１２）
前記抵抗素子は、サブスレッショルド領域で動作させるバイアス電圧がゲートに印加されるトランジスタにより構成される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体装置。
（１３）
前記抵抗素子は、
ダイオード接続されている第１のトランジスタと、
ダイオード接続され、前記第１のトランジスタと電流が流れる方向が逆になるように、前記第１のトランジスタに直列に接続されている第２のトランジスタと
により構成される
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体装置。
（１４）
前記抵抗素子は、１ＧΩ以上である
前記（１）に記載の半導体装置。
（１５）
前記読み出し電極、前記差動増幅器、前記第１の容量、前記抵抗素子、及び、前記第２の容量を備えるセンサがアレイ状に配置されている
前記（１）、（２）、及び、（８）乃至（１４）のいずれかに記載の半導体装置。
（１６）
前記基準電位は、前記溶液の基準電位又はグラウンドである
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の半導体装置。
（１７）
溶液に含まれる細胞の電位を読み出す読み出し電極と、
差動増幅器と、
前記差動増幅器の出力を前記読み出し電極からの第１の入力と異なる第２の入力に帰還するループ上に直列に接続されている第１の容量と、
前記第１の容量と並列に接続されている抵抗素子と、
基準電位を示す参照電極と前記第２の入力との間に接続されている第２の容量と
を備える細胞電位測定装置。
１００ 細胞電位測定装置， １０１ センシング部， １０２ 参照電極， １０５ 垂直選択回路， １０６ Ａ／Ｄ変換回路， １０７ 水平選択回路， １２１，１２１Ａ乃至１２１Ｃ センサ， １４１ 読み出し電極， １４２ 差動増幅器， １４３，１４４ 容量， １４５ 高抵抗， １４６ スイッチ， １６１，１６２ 負荷トランジスタ， １６３，１６４ 入力トランジスタ， １６６，１６７ 入力端子， １６８ 出力端子， ２０１，２２１，２２２ トランジスタ， ３０１ センシング部， ３１１ 読み出しセル領域， ３１２ 参照セル領域， ３１３，３１４ 負荷トランジスタ， ３２１ 読み出しセル， ３３１ 読み出し電極， ３３２ 入力トランジスタ， ３４１ 参照セル， ３５１ 容量， ３５２ 入力トランジスタ， ３５３ 容量， ３５４ 高抵抗， ４００ 細胞電位測定装置， ４０１ 垂直選択回路

Claims (17)

  1. 溶液の電位を読み出す読み出し電極と、
    差動増幅器と、
    前記差動増幅器の出力を前記読み出し電極からの第１の入力と異なる第２の入力に帰還するループ上に直列に接続されている第１の容量と、
    前記第１の容量と並列に接続されている抵抗素子と、
    基準電位を示す参照電極と前記第２の入力との間に接続されている第２の容量と
    を備える半導体装置。
  2. 前記差動増幅器は、
    ダイオード接続されている第１の負荷トランジスタ、及び、ダイオード接続されていない第２の負荷トランジスタを備えるカレントミラー回路と、
    前記第１の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記読み出し電極に接続されている第１の入力トランジスタと、
    前記第２の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記第１の容量に接続されている第２の入力トランジスタと
    を備える請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記読み出し電極及び前記第１の入力トランジスタをそれぞれ備える複数の読み出しセルがアレイ状に配置されている読み出しセル領域と、
    前記第２の入力トランジスタをそれぞれ備える複数の参照セルがアレイ状に配置され、前記読み出しセル領域と分離されている参照セル領域と
    を備える請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記参照セルは、
    前記第１の容量と、
    前記抵抗素子と、
    前記参照電極と前記第２の入力トランジスタのゲートとの間に接続されている前記第２の容量と
    をさらに備える請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記カレントミラー回路が、前記読み出しセル領域及び前記参照セル領域により構成される領域の列ごとに配置されている
    請求項３に記載の半導体装置。
  6. 前記読み出しセル及び前記参照セルを行単位で選択し、選択した行の前記読み出しセル及び前記参照セル、並びに、同じ列に配置されている前記カレントミラー回路により前記差動増幅器を構成させる垂直選択回路を
    さらに備える請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記第２の負荷トランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点から出力信号が出力される
    さらに備える請求項２に記載の半導体装置。
  8. 前記差動増幅器は、
    第１の入力端子と、
    第２の入力端子と、
    出力端子と
    を備え、
    前記読み出し電極は、前記第１の入力端子に接続され、
    前記第１の容量は、前記第２の入力端子と前記出力端子との間に接続され、
    前記抵抗素子は、前記第２の入力端子と前記出力端子との間に、前記第１の容量と並列に接続され、
    前記第２の容量は、前記参照電極と前記第２の入力端子との間に接続されている
    請求項１に記載の半導体装置。
  9. 前記差動増幅器は、
    ダイオード接続されている第１の負荷トランジスタ、及び、ダイオード接続されていない第２の負荷トランジスタを備えるカレントミラー回路と、
    前記第１の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記第１の入力端子に接続されている第１の入力トランジスタと、
    前記第２の負荷トランジスタに直列に接続され、ゲートが前記第２の入力端子に接続されている第２の入力トランジスタと
    を備える請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記出力端子は、前記第２の負荷トランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点に接続されている
    を備える請求項９に記載の半導体装置。
  11. 前記抵抗素子は、メタル配線又はポリシリコンにより形成される
    請求項１に記載の半導体装置。
  12. 前記抵抗素子は、サブスレッショルド領域で動作させるバイアス電圧がゲートに印加されるトランジスタにより構成される
    請求項１に記載の半導体装置。
  13. 前記抵抗素子は、
    ダイオード接続されている第１のトランジスタと、
    ダイオード接続され、前記第１のトランジスタと電流が流れる方向が逆になるように、前記第１のトランジスタに直列に接続されている第２のトランジスタと
    により構成される
    請求項１に記載の半導体装置。
  14. 前記抵抗素子は、１ＧΩ以上である
    請求項１に記載の半導体装置。
  15. 前記読み出し電極、前記差動増幅器、前記第１の容量、前記抵抗素子、及び、前記第２の容量を備えるセンサがアレイ状に配置されている
    請求項１に記載の半導体装置。
  16. 前記基準電位は、前記溶液の基準電位又はグラウンドである
    請求項１に記載の半導体装置。
  17. 溶液に含まれる細胞の電位を読み出す読み出し電極と、
    差動増幅器と、
    前記差動増幅器の出力を前記読み出し電極からの第１の入力と異なる第２の入力に帰還するループ上に直列に接続されている第１の容量と、
    前記第１の容量と並列に接続されている抵抗素子と、
    基準電位を示す参照電極と前記第２の入力との間に接続されている第２の容量と
    を備える細胞電位測定装置。
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