JP2514280B2 - Integrated ion sensor - Google Patents

Integrated ion sensor

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JP2514280B2
JP2514280B2 JP3158487A JP15848791A JP2514280B2 JP 2514280 B2 JP2514280 B2 JP 2514280B2 JP 3158487 A JP3158487 A JP 3158487A JP 15848791 A JP15848791 A JP 15848791A JP 2514280 B2 JP2514280 B2 JP 2514280B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は集積化イオンセンサに係
り、特に、血液、尿、河川等の溶液中の電解質成分等を
測定する集積化イオンセンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an integrated ion sensor, and more particularly to an integrated ion sensor for measuring electrolyte components and the like in solutions such as blood, urine and rivers.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOSFETを利用したイオンセンサで
あるIS(Ion Sensitive)FETでは、ゲート絶縁膜の
上に、ゲート電極を形成しないで、直接的にイオン感応
膜を形成した構造が一般的である。この構造を有するI
SFETを利用した測定回路として、例えばIEEE Trans
actions on Electron Devices, vol.ED-26,No.12(1979)
pp1939-1944 に記載されたものがある。この文献に記載
された測定回路では、ISFETにおけるドレインとソ
ースの間の電圧と電流をそれぞれ一定にするための電源
と、信号処理のためのセンサ回路を能動状態にする目的
で付設される参照電極に適切な電圧を印加するための電
源を必要とした。
2. Description of the Related Art In an IS (Ion Sensitive) FET which is an ion sensor using a MOSFET, a structure in which an ion sensitive film is directly formed on a gate insulating film without forming a gate electrode is general. . I with this structure
As a measurement circuit using SFET, for example, IEEE Trans
actions on Electron Devices, vol.ED-26, No.12 (1979)
There is one described in pp1939-1944. In the measurement circuit described in this document, a power supply for keeping a voltage and a current between a drain and a source of an ISFET constant and a reference electrode attached for the purpose of activating a sensor circuit for signal processing are provided. A power supply was needed to apply the appropriate voltage to the.

【0003】他の従来のイオンセンサの構成例としては
Sensors and Actuators ,4,(1983),pp291-298 に開示さ
れたものがある。このイオンセンサでは、前記文献のFi
g.2に示されるように、イオン感応膜で検出されたイオ
ン濃度に関する信号を信号ラインを経由してMOSFE
Tのゲート電極に伝送するように構成される。
As another example of the configuration of the conventional ion sensor,
Sensors and Actuators, 4, (1983), pp 291-298. In this ion sensor,
As shown in g.2, the signal related to the ion concentration detected by the ion-sensitive film is sent to the MOSFE through the signal line.
It is configured to transmit to the gate electrode of T.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】前述のISFETの測
定回路の構成では、センサ回路用電源と参照電極用電源
の2つの電源が必要となり、そのために結線数が増し、
装置が複雑且つ大型となる。またそれぞれ異なるイオン
感応膜を備えた複数のセンサを用いて、溶液中の複数種
類のイオンを同時に測定するイオンセンサの場合には、
参照電極は1つであって共通に用いられるが、センサの
数と同じ個数の測定用センサ回路が必要となり、そのた
めにセンサの装置構成が更に複雑となる。特に、上記イ
オンセンサを作る場合に、生体中のin vivo 計測のよう
にセンサ回路と参照電極をカテーテルに組み込み、イオ
ンセンサをマイクロ化して構成する場合に、外部の電源
や計測回路と接続するためのリード配線が多くなるとい
う不具合が生じる。
In the configuration of the measuring circuit of the ISFET described above, two power sources, that is, the power source for the sensor circuit and the power source for the reference electrode are required, which increases the number of connections,
The device becomes complicated and large. In the case of an ion sensor that simultaneously measures multiple types of ions in a solution using multiple sensors with different ion-sensitive membranes,
Although one reference electrode is commonly used, the same number of measurement sensor circuits as the number of sensors are required, which further complicates the sensor device configuration. In particular, when making the above-mentioned ion sensor, in order to connect to an external power supply or measurement circuit when incorporating the sensor circuit and reference electrode into the catheter and micronizing the ion sensor for in vivo measurement in the living body. However, there is a problem in that the number of lead wires is increased.

【0005】また、イオン感応膜とMOSFETのゲー
ト電極との間を、例えばポリシリコンで形成された信号
ラインを介して電気的に接続した構造を有する従来のイ
オンセンサでは、イオンセンサを長期間使用すると、測
定溶液の水分子等がイオン感応膜を透過して信号ライン
やゲート電極の内部に侵入し、これらを酸化し、又は溶
解する。このため、イオン感応膜と信号ラインやゲート
電極との間の界面状態が不安定となり、イオンセンサの
応答特性において、経時的変化が大きくなるという欠点
が生じる。
Further, in the conventional ion sensor having a structure in which the ion sensitive film and the gate electrode of the MOSFET are electrically connected via a signal line formed of, for example, polysilicon, the ion sensor is used for a long time. Then, water molecules and the like of the measurement solution permeate the ion sensitive film and enter the inside of the signal line and the gate electrode to oxidize or dissolve them. For this reason, the interface state between the ion sensitive film and the signal line or the gate electrode becomes unstable, and there is a drawback that the response characteristics of the ion sensor greatly change with time.

【0006】ところで、従来、利得が1に設定された電
気回路構成としてボルテージフォロワ回路が知られてい
る。このボルテージフォロワ回路において、入力段に2
つのMOSFETを備える場合に、一方のMOSFET
をISFETで置き換えれば、ISFETを用いたイオ
ンセンサで利得を1とした出力を発生するものを作るこ
とができる。実際に、上記の出力を発生するボルテージ
フォロワ回路を実現可能とするためには、入力段に配設
されたMOSFETとISFETの構造上の各特性、す
なわちゲートの酸化膜の厚さ、チャンネルの長さ、チャ
ンネルの幅等のゲート構造を、互いに、厳密に一致させ
る必要がある。しかし、ゲート電極に対し信号ラインを
介してイオン感応膜を電気的に接続した従来のイオンセ
ンサでは、前述の如く、応答特性の経時変化が大きいの
で、ボルテージフォロワ回路を構成した場合において、
長期間使用すると、ISFETの特性が、MOSFET
の特性と一致しなくなる。この結果、回路の利得が1か
らずれるので、センサの出力を補正する必要が生じ、補
正回路のために回路構成が複雑となる。
By the way, conventionally, a voltage follower circuit is known as an electric circuit configuration in which a gain is set to 1. In this voltage follower circuit, 2
One MOSFET when equipped with two MOSFETs
If is replaced with ISFET, an ion sensor using ISFET that produces an output with a gain of 1 can be produced. Actually, in order to realize the voltage follower circuit that generates the above output, the structural characteristics of the MOSFET and ISFET arranged in the input stage, that is, the thickness of the oxide film of the gate and the length of the channel are set. The gate structures such as the width of the channel must be exactly matched with each other. However, in the conventional ion sensor in which the ion sensitive film is electrically connected to the gate electrode via the signal line, as described above, the change with time of the response characteristic is large, and therefore, when the voltage follower circuit is configured,
When used for a long time, the characteristics of ISFET are MOSFET
No longer matches the characteristics of. As a result, since the gain of the circuit deviates from 1, it becomes necessary to correct the output of the sensor, and the circuit configuration becomes complicated due to the correction circuit.

【0007】本発明の第1の目的は、参照電極を備える
イオンセンサにおいて、単一電源で動作させることがで
き、回路構成及び配線を簡略化し、コンパクトに構成す
ることができる集積化イオンセンサを提供することにあ
る。
A first object of the present invention is to provide an ion sensor equipped with a reference electrode, which can be operated by a single power source, which can simplify the circuit structure and wiring and can be compactly constructed. To provide.

【0008】本発明の第2の目的は、長時間の使用によ
っても測定特性の経時的変化がほとんどなく、安定して
且つ正確な測定動作を行う集積化イオンセンサを提供す
ることにある。
A second object of the present invention is to provide an integrated ion sensor which has stable and accurate measurement operation with little change in measurement characteristics over time even when used for a long time.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係る第1の集積
化イオンセンサは、測定対象に含まれるイオンに感応し
てイオンの濃度を検出する少なくとも1つのイオン感応
膜と、イオン感応膜で得られた検出信号を導電性部材を
介して入力し、前記検出信号を、入力段に含まれるMO
SFET等を介して取込み、処理する信号処理回路と、
測定対象で作られる測定環境に配置され、イオン感応膜
との間で所定の電圧関係に設定される参照電極と、正負
の2つの端子を有し、2つの端子を介して信号処理回路
に駆動電力を供給すると共に、2つの端子のいずれか一
方が前記参照電極に接続される電源とを備え、更に、信
号処理回路のMOSFET等の少なくとも1つのしきい
値を制御することにより、参照電極に設定された電圧に
おいて信号処理回路を能動状態にセットするように構成
される。
A first integrated ion sensor according to the present invention comprises at least one ion sensitive film which is sensitive to ions contained in a measurement object and detects the concentration of the ions, and an ion sensitive film. The obtained detection signal is input through a conductive member, and the detection signal is included in the MO included in the input stage.
A signal processing circuit for taking in and processing via SFET and the like,
It has a reference electrode that is placed in the measurement environment created by the measurement target and is set to have a predetermined voltage relationship with the ion-sensitive membrane, and has two terminals, positive and negative, and is driven by the signal processing circuit via the two terminals. By supplying power, one of two terminals is provided with a power source connected to the reference electrode, and further, by controlling at least one threshold value of the MOSFET or the like of the signal processing circuit, the reference electrode is connected to the reference electrode. It is configured to set the signal processing circuit to an active state at a set voltage.

【0010】本発明に係る集積化イオンセンサは、好ま
しくは、第1の構成において、イオン感応膜と信号処理
回路が1つの半導体集積回路デバイスとして形成され、
参照電極が別部材として形成される。
In the integrated ion sensor according to the present invention, preferably, in the first configuration, the ion sensitive film and the signal processing circuit are formed as one semiconductor integrated circuit device,
The reference electrode is formed as a separate member.

【0011】本発明に係る集積化イオンセンサは、更に
好ましくは、第1の構成において、イオン感応膜と信号
処理回路からなる電気回路部と、参照電極とを、同一の
カテーテル内に実装するように構成される。この構成に
おいて、更に、イオン感応膜と信号処理回路と参照電極
とを、1つのセンサデバイスとして形成することができ
る。
In the integrated ion sensor according to the present invention, more preferably, in the first configuration, the electric circuit section including the ion sensitive film and the signal processing circuit and the reference electrode are mounted in the same catheter. Is composed of. In this configuration, the ion sensitive film, the signal processing circuit, and the reference electrode can be further formed as one sensor device.

【0012】上記の各構成では、入力段のMOSFET
等のしきい値を例えば製造時に制御することにより、例
えばデプレッションタイプに作れば、参照電極の電源と
してセンサ回路用の電源を共通に用いることができ、セ
ンサ回路全体をコンパクトにし、リード線の本数を少な
くすることができる。
In each of the above configurations, the input stage MOSFET
For example, if the depletion type is made by controlling the threshold value of the sensor at the time of manufacturing, the power source for the sensor circuit can be commonly used as the power source of the reference electrode, the overall sensor circuit can be made compact, and the number of lead wires can be reduced. Can be reduced.

【0013】本発明に係る第2の集積化イオンセンサ
は、好ましくは、第1の構成において、信号処理回路
は、ボルテージフォロワ回路又は非反転増幅回路によっ
て構成される。
In the second integrated ion sensor according to the present invention, preferably, in the first configuration, the signal processing circuit is composed of a voltage follower circuit or a non-inverting amplifier circuit.

【0014】本発明に係る集積化イオンセンサは、好ま
しくは、前記第1の構成において、導電性部材に、イオ
ン感応膜が被覆され且つMOSFETのゲート電極に接
続された、白金族金属、金、銀、銀の合金のうちいずれ
か1つの金属膜、又は酸化パラジウム、酸化白金、酸化
イリジウムのうちいずれか1つの金属酸化膜が使用され
る。
In the integrated ion sensor according to the present invention, preferably, in the first configuration, the conductive member is covered with an ion sensitive film and is connected to a gate electrode of a MOSFET, a platinum group metal, gold, A metal film of one of silver and an alloy of silver, or a metal oxide film of one of palladium oxide, platinum oxide, and iridium oxide is used.

【0015】本発明に係る集積化イオンセンサは、好ま
しくは、前記第2の構成において、導電性部材に、イオ
ン感応膜が被覆され且つMOSFETのゲート電極に接
続された、白金族金属、金、銀、銀の合金のうちいずれ
か1つの金属膜、又は酸化パラジウム、酸化白金、酸化
イリジウムのうちいずれか1つの金属酸化膜が使用され
る。
In the integrated ion sensor according to the present invention, preferably, in the second configuration, the conductive member is covered with an ion sensitive film and is connected to the gate electrode of the MOSFET, a platinum group metal, gold, A metal film of one of silver and an alloy of silver, or a metal oxide film of one of palladium oxide, platinum oxide, and iridium oxide is used.

【0016】[0016]

【作用】本発明による集積化イオンセンサでは、イオン
感応膜と信号処理回路の入力段に設けたMOSFETの
ゲート電極との間を導電性部材で接続し且つMOSFE
Tのしきい値を制御することにより、参照電極に専用の
電源を用意せず、信号処理回路の電源を共用すること
で、検出動作を行うことが可能となる。従って、電源の
個数を減少させることができ、小型化に都合がよい。イ
オン感応膜と信号処理回路、更にはこれらと参照電極
を、1つの半導体デバイスとしてチップ化できる。
In the integrated ion sensor according to the present invention, the ion sensitive film and the gate electrode of the MOSFET provided in the input stage of the signal processing circuit are connected by a conductive member and MOSFE.
By controlling the threshold value of T, it is possible to perform the detection operation by not providing a dedicated power source for the reference electrode and sharing the power source of the signal processing circuit. Therefore, the number of power sources can be reduced, which is convenient for downsizing. The ion-sensitive film, the signal processing circuit, and these and the reference electrode can be made into a chip as one semiconductor device.

【0017】またイオン感応膜とMOSFETのゲート
電極との間に白金層等の保護層を設け、イオン感応膜を
経由して侵入する水分子等が信号ラインやゲート電極等
に影響を与えるのを阻止する。イオンセンサが、入力段
に複数個のMOSFET(又は絶縁ゲート構造のISF
ET素子)を有し、特にボルテージフォロワ回路又は非
反転増幅回路として構成される場合、イオン感応膜とM
OSFETのゲート電極との間に白金層等の保護層を設
け、これにより前記と同様にセンサデバイスに対し所要
の保護を行う。
Further, a protective layer such as a platinum layer is provided between the ion sensitive film and the gate electrode of the MOSFET, so that water molecules and the like penetrating through the ion sensitive film may affect the signal line and the gate electrode. Block. The ion sensor has multiple MOSFETs (or insulated gate structure ISF) in the input stage.
ET element), especially when configured as a voltage follower circuit or a non-inverting amplifier circuit, an ion sensitive film and an M
A protective layer, such as a platinum layer, is provided between the gate electrode of the OSFET and the protective layer to protect the sensor device as required.

【0018】[0018]

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0019】図1は本発明に係る集積化イオンセンサの
センサ回路を形成する各種要素の半導体素子の断面を示
す。センサ回路は検出された信号を処理する回路であ
る。図1において、1はシリコン基板であり、シリコン
基板1の上に複数の各種半導体素子が形成される。2
は、nMOS(2A)とpMOS(2B)からなるCM
OS素子であり、3は、後述するように、MOSFET
のゲート電極に導電性部材を介してイオン感応膜を設け
ることにより形成されるISFET素子である。前記p
MOS(2B)は、シリコン基板1に形成されたnWE
LL4によりその他の半導体素子から分離される。pM
OS(2B)のソースとドレインは、それぞれp+ 拡散
層5で形成され、そのゲート絶縁膜6にはSiO2 を用
いている。一方、nMOS(2A)とISFET素子3
は、シリコン基板1に形成されたpWELL7でその他
の半導体素子から分離され、これらのソースとドレイン
にはそれぞれn+ 拡散層8が用いられる。ISFET素
子3は、基本的にMOSFET素子と同じ構成を有す
る。また、ポリシリコンで形成したゲート電極9の上に
アルミニウム配線10aを形成し、このアルミニウム配
線10aをゲート電極9に接続し、更に、チタン層10
bを介してアルミニウム配線10aに接続される白金層
11を、アルミニウム配線10aの上に設けるようにし
ている。チタン層10bは接着層として作用する。
FIG. 1 shows a cross section of a semiconductor element of various elements forming a sensor circuit of an integrated ion sensor according to the present invention. The sensor circuit is a circuit that processes a detected signal. In FIG. 1, reference numeral 1 is a silicon substrate, and a plurality of various semiconductor elements are formed on the silicon substrate 1. Two
Is a CM composed of nMOS (2A) and pMOS (2B)
OS element, 3 is a MOSFET, as will be described later.
Is an ISFET element formed by providing an ion sensitive film on the gate electrode of the above through a conductive member. The p
The MOS (2B) is an nWE formed on the silicon substrate 1.
It is separated from other semiconductor elements by LL4. pM
The source and drain of the OS (2B) are each formed of the p + diffusion layer 5, and the gate insulating film 6 thereof is made of SiO 2 . On the other hand, nMOS (2A) and ISFET element 3
Are separated from other semiconductor elements by pWELL 7 formed on the silicon substrate 1, and n + diffusion layers 8 are used for their sources and drains, respectively. The ISFET element 3 basically has the same configuration as the MOSFET element. Further, an aluminum wiring 10a is formed on the gate electrode 9 formed of polysilicon, the aluminum wiring 10a is connected to the gate electrode 9, and the titanium layer 10 is further formed.
The platinum layer 11 connected to the aluminum wiring 10a via b is provided on the aluminum wiring 10a. The titanium layer 10b acts as an adhesive layer.

【0020】イオンセンサのデバイスの上面にはほぼ全
面にわたりポリイミド膜12が被覆され、デバイスの上
面全体はポリイミド膜12で保護される。またポリイミ
ド膜12の一部には、少なくとも1個の例えば円形の溝
を形成し、当該溝の中にイオン感応膜13を設けるよう
にしている。前記白金層11はポリイミド膜12に覆わ
れた状態で、円形溝の箇所、すなわちイオン感応膜13
の配設箇所まで延設されている。白金層11の先部はイ
オン感応膜13とほぼ同一の形状を有し、当該先部はイ
オン感応膜13で被覆されている。こうして白金層11
は、その先部がイオン感応膜13に被覆された状態に
て、実質的にゲート電極9に電気的に接続される。白金
層11が、ゲート電極9とイオン感応膜13の間に配設
される前述の導電性部材に相当する。
The upper surface of the device of the ion sensor is almost entirely covered with the polyimide film 12, and the entire upper surface of the device is protected by the polyimide film 12. At least one circular groove, for example, is formed in a part of the polyimide film 12, and the ion sensitive film 13 is provided in the groove. While the platinum layer 11 is covered with the polyimide film 12, the circular groove, that is, the ion sensitive film 13 is formed.
Is extended to the location where The tip portion of the platinum layer 11 has substantially the same shape as the ion sensitive film 13, and the tip portion is covered with the ion sensitive film 13. Thus the platinum layer 11
Is substantially electrically connected to the gate electrode 9 in a state where the tip portion thereof is covered with the ion sensitive film 13. The platinum layer 11 corresponds to the above-mentioned conductive member arranged between the gate electrode 9 and the ion sensitive film 13.

【0021】前記構造を有するイオンセンサデバイス内
に形成されるセンサ回路全体を表すと、図2に示す如く
なる。この電気回路図で明らかなように、イオンセンサ
のセンサ回路17は、CMOS素子2とISFET素子
3を用いてボルテージフォロワ回路として構成される。
このボルテージフォロワ回路において、入力段に、nM
OS(2A)とISFET素子3の2つの半導体素子が
配置され、ISFET素子3は非反転入力端子部として
形成され、nMOS(2A)は反転入力端子部として形
成される。図2に示されたボルテージフォロワ回路で
は、バッテリ等の直流電源を端子14と端子15との間
に接続し、出力端子16から、測定された出力電圧を取
出すようにしている。ここで14は電源端子、15はア
ース端子である。上記回路構成を有するセンサ回路は、
イオン感応膜13から出力される検出信号を処理する機
能を有する。
The entire sensor circuit formed in the ion sensor device having the above structure is shown in FIG. As is apparent from this electric circuit diagram, the sensor circuit 17 of the ion sensor is configured as a voltage follower circuit using the CMOS element 2 and the ISFET element 3.
In this voltage follower circuit, the input stage has nM
Two semiconductor elements, OS (2A) and ISFET element 3, are arranged, ISFET element 3 is formed as a non-inverting input terminal portion, and nMOS (2A) is formed as an inverting input terminal portion. In the voltage follower circuit shown in FIG. 2, a DC power source such as a battery is connected between the terminals 14 and 15, and the measured output voltage is taken out from the output terminal 16. Here, 14 is a power supply terminal and 15 is a ground terminal. The sensor circuit having the above circuit configuration is
It has a function of processing a detection signal output from the ion sensitive film 13.

【0022】図3は、イオンセンサの前述のデバイスの
外観を示す斜視図である。シリコン基板1の上に、CM
OS素子2とISFET素子3とを含んで構成される図
2に示したボルテージフォロワ回路部が、符号17で示
されるように、デバイス内部に形成され、更にその上面
に測定溶液からセンサ回路17を保護するためのポリイ
ミド膜12が被覆される。前述の通りポリイミド膜12
には所定箇所に円形開口部の溝が形成され、この溝にイ
オン感応膜13が設けられる。ISFET素子には、図
1で説明した通り、その基礎となるMOSFET素子の
ゲート電極に接続される白金層11を設け、この白金層
11を図3中手前に位置するイオン感応膜13の配設箇
所まで延設している。白金層11の先部の形状はイオン
感応膜13の形状とほぼ同じであり、イオン感応膜13
が白金層11の先部を被覆するような構造が形成されて
いる。このようにして、ISFET素子3のゲート電極
とイオン感応膜13は、白金層11を介して電気的に接
続される。また、前述の電源端子14、アース端子1
5、出力端子16は、シリコン基板1上イオン感応膜1
3が配設された端部とは反対側に位置する端部に、並べ
て配置される。
FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of the above-mentioned device of the ion sensor. CM on the silicon substrate 1
The voltage follower circuit portion shown in FIG. 2 including the OS element 2 and the ISFET element 3 is formed inside the device as indicated by reference numeral 17, and the sensor circuit 17 is further formed on the upper surface thereof from the measurement solution. A polyimide film 12 for protection is coated. As described above, the polyimide film 12
A groove having a circular opening is formed at a predetermined position on the substrate, and the ion sensitive film 13 is provided in this groove. As described with reference to FIG. 1, the ISFET element is provided with a platinum layer 11 connected to the gate electrode of the underlying MOSFET element, and the platinum layer 11 is provided with an ion-sensitive film 13 located on the front side in FIG. It is extended to the location. The shape of the tip of the platinum layer 11 is almost the same as the shape of the ion-sensitive film 13, and
Is formed so as to cover the tip of the platinum layer 11. In this way, the gate electrode of the ISFET element 3 and the ion sensitive film 13 are electrically connected via the platinum layer 11. In addition, the power supply terminal 14 and the ground terminal 1 described above.
5, the output terminal 16 is the ion sensitive film 1 on the silicon substrate 1.
3 are arranged side by side at the end located on the side opposite to the end on which 3 is arranged.

【0023】上記構成を有する集積化イオンセンサで
は、ISFET素子のゲート電極9とイオン感応膜13
との間にセンサ回路17を保護する機能を有した白金層
11を設け、イオン感応膜13を被覆した状態の白金層
11をゲート電極9に電気的に接続するようにしてい
る。かかる白金層11によれば、デバイスを長期間にわ
たって測定溶液に浸漬したとき、イオン感応膜13を透
過してセンサ回路内部に入ってくる可能性のあるアルカ
リイオンや水分子などを阻止し、ゲート絶縁膜等を保護
することができる。従って、白金層11によってイオン
感応膜13よりも下部のゲート電極やゲート絶縁膜等の
劣化を防止することができる。
In the integrated ion sensor having the above structure, the gate electrode 9 and the ion sensitive film 13 of the ISFET element are provided.
A platinum layer 11 having a function of protecting the sensor circuit 17 is provided between and, and the platinum layer 11 covered with the ion sensitive film 13 is electrically connected to the gate electrode 9. According to the platinum layer 11, when the device is immersed in the measurement solution for a long period of time, alkali ions, water molecules, etc., which may pass through the ion sensitive film 13 and enter the sensor circuit, are blocked, The insulating film and the like can be protected. Therefore, the platinum layer 11 can prevent deterioration of the gate electrode, the gate insulating film and the like below the ion sensitive film 13.

【0024】またセンサ回路はボルテージフォロワ回路
として構成され、その非反転入力端子部のISFET素
子3のゲート電極9に、高分子支持のイオン感応膜13
を被覆した白金層11を電気的に接続するようにしたた
め、測定溶液中の目的とするイオン濃度に対応したイオ
ン感応膜13における電位変化をそのまま直接に出力す
ることができる。またセンサ回路では、ボルテージフォ
ロワ回路とすることでセンサ出力を低インピーダンス化
できるため、雑音を低減することができ、外部の測定回
路として簡単な構成を有するものを使用することができ
る。なお、前記ボルテージフォロワ回路の代わりに非反
転増幅回路を用いることも可能である。この場合には、
イオン感応膜13から出力される検出信号は非反転増幅
回路で増幅されて、その後信号処理される。
Further, the sensor circuit is constructed as a voltage follower circuit, and the polymer-supported ion-sensitive film 13 is provided on the gate electrode 9 of the ISFET element 3 at the non-inverting input terminal portion thereof.
Since the platinum layer 11 coated with is electrically connected, the potential change in the ion sensitive film 13 corresponding to the target ion concentration in the measurement solution can be directly output as it is. Further, in the sensor circuit, since the sensor output can be made to have a low impedance by using the voltage follower circuit, noise can be reduced and an external measuring circuit having a simple structure can be used. A non-inverting amplifier circuit can be used instead of the voltage follower circuit. In this case,
The detection signal output from the ion sensitive film 13 is amplified by the non-inverting amplifier circuit, and then signal processed.

【0025】上記の実施例において、センサ回路を保護
する導電性部材として、前記白金層11の代わりに、同
様な特性を有するその他の金属膜又は金属酸化膜を用い
ることができる。その他の金属膜としては、例えば、白
金族金属、金、銀、銀の合金が用いられる。また金属酸
化膜としては、酸化パラジウム(PdO)、酸化白金
(Pt 2 )、酸化イリジウム(Ir 2 )が用いられ
る。
In the above embodiment, as the conductive member for protecting the sensor circuit, other metal film or metal oxide film having similar characteristics can be used instead of the platinum layer 11. As the other metal film, for example, a platinum group metal, gold, silver, or an alloy of silver is used. As the metal oxide film, palladium oxide (P d O), platinum oxide (P t O 2), iridium oxide (I r O 2) is used.

【0026】なお上記実施例において、臨床検査等のよ
うな高い精度の要求される測定でも用いることできるよ
うにするためには、イオン感応膜として、無機質材料で
はなく、例えば、イオン感応物質を可塑剤と共に高分子
中に分散させた高分子支持イオン感応膜を採用する必要
がある。
In the above-mentioned embodiment, in order to be able to use it in a measurement requiring high accuracy such as a clinical test, the ion-sensitive membrane is not made of an inorganic material but is made of, for example, an ion-sensitive substance. It is necessary to employ a polymer-supported ion-sensitive membrane dispersed in a polymer together with the agent.

【0027】次に、上記構造を有する集積化イオンセン
サの使用方法を図4を参照して説明する。図4は、本発
明による集積化イオンセンサの使用状態での装置構成を
示すものである。
Next, a method of using the integrated ion sensor having the above structure will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows the device configuration of the integrated ion sensor according to the present invention in use.

【0028】図4において、20は容器、21は容器2
0内に収容された測定溶液である。本発明によるイオン
センサを用いて、測定溶液21のイオン濃度を測定す
る。測定溶液21の中にはセンサ回路17を内蔵するセ
ンサデバイス22を、イオン感応膜13の部分が測定溶
液21の中に浸漬されるようにほぼ立設状態で配置し、
且つこのセンサデバイス22に所要の距離をあけて参照
電極23を配設する。このような使用状態におけるセン
サデバイス22は、実際上図3に示された構成を有する
ものにおいて、イオン感応膜13の部分のみを露出し且
つその他の部分はすべて隠れるように、パッケージ24
で実装されている。センサデバイス22のパッケージ上
面から3本のリード線14A,15A,16Aが引き出
されているが、リード線14Aは前記ボルテージフォロ
ワ回路の電源端子14から引き出されたもので、バッテ
リ25の正端子に接続され、リード線15Aはボルテー
ジフォロワ回路のアース端子15から引き出されたもの
で、バッテリ25の負端子に接続され、リード線16A
はボルテージフォロワ回路の出力端子16から引き出さ
れたもので、電圧計26の一方の入力端子26aに接続
されている。電圧計26はセンサデバイス22の出力信
号を入力し、これを電圧データとして表示するためのも
のである。参照電極23の電源端子からのリード線23
Aはバッテリ25の負端子に接続される。バッテリ25
の負端子は電圧計26の他方の入力端子26bに接続さ
れている。
In FIG. 4, 20 is a container and 21 is a container 2.
This is the measurement solution housed in 0. The ion concentration of the measurement solution 21 is measured using the ion sensor according to the present invention. In the measurement solution 21, a sensor device 22 having a built-in sensor circuit 17 is arranged in a substantially upright state so that the portion of the ion sensitive film 13 is immersed in the measurement solution 21,
In addition, the reference electrode 23 is arranged at a required distance from the sensor device 22. In such a usage state, the sensor device 22 actually has the configuration shown in FIG. 3, and in the package 24, only the portion of the ion-sensitive film 13 is exposed and the other portions are hidden.
It is implemented in. Three lead wires 14A, 15A, 16A are drawn from the upper surface of the package of the sensor device 22. The lead wire 14A is drawn from the power supply terminal 14 of the voltage follower circuit and is connected to the positive terminal of the battery 25. The lead wire 15A is drawn out from the ground terminal 15 of the voltage follower circuit and is connected to the negative terminal of the battery 25.
Is drawn out from the output terminal 16 of the voltage follower circuit, and is connected to one input terminal 26 a of the voltmeter 26. The voltmeter 26 inputs the output signal of the sensor device 22 and displays it as voltage data. Lead wire 23 from the power supply terminal of the reference electrode 23
A is connected to the negative terminal of the battery 25. Battery 25
The negative terminal of is connected to the other input terminal 26b of the voltmeter 26.

【0029】イオンセンサでは、信号処理を行うセンサ
回路17を含むセンサデバイス22だけでは測定動作を
行えず、参照電極23との組み合わせで測定動作が行わ
れる。すなわち、参照電極23との間に所定の電圧関係
を設定し、この参照電極23を用いることにより、はじ
めてセンサ回路17を能動状態にセットすることができ
る。
In the ion sensor, the measurement operation cannot be performed only by the sensor device 22 including the sensor circuit 17 that performs signal processing, but the measurement operation is performed in combination with the reference electrode 23. That is, the sensor circuit 17 can be set to the active state for the first time by setting a predetermined voltage relationship with the reference electrode 23 and using the reference electrode 23.

【0030】上記イオンセンサの装置構成では、センサ
デバイス22に電力を供給するためのバッテリ25の負
端子に参照電極23を接続するだけでイオンセンサとし
て動作させることができ、参照電極23のための専用の
電源を設ける必要はない。また、このように参照電極2
3をセンサ回路用のバッテリ25の負端子に接続するだ
けで、センサ回路が動作できるのは、センサデバイス2
2を製造する段階で、ボルテージフォロワ回路の入力段
に設けた前記nMOS(2A)及びISFET素子3の
いずれか一方又は両方のしきい値を制御することが可能
となり、適切な値に設定できるからである。このこと
を、図5を参照して、一般的に説明する。図5は集積化
イオンセンサの出力の静特性を示す。図中27はセンサ
デバイス22のしきい値を制御しない場合の参照電極電
圧に対するセンサの出力電圧の変化を示す。この場合、
センサ回路の電源電圧は5ボルトであり、測定溶液はp
H7.0のトリス・ホウ酸緩衝液を用いている。静特性
27から明らかなように、参照電極への印加電圧が0ボ
ルトであるときにはセンサ出力は生じない。そのため、
参照電極に専用の電源を設けることにより、参照電極の
印加電圧値をセンサ回路の電源電圧の中間値に設定しな
ければ、イオンセンサとして使用することができなかっ
た。これに対して、センサデバイス22を製造する段階
で前述の如く例えばISFET素子のしきい値を制御
し、ISFET素子をデプレッションタイプとして構成
すると、特性曲線が図中28に示す如く、負の側にシフ
トさせることができる。従って、このようにシフトさせ
た特性28によれば、参照電極の電圧が0ボルト、すな
わちアース電位であってもイオンセンサとして動作させ
ることが可能となる。つまり、本発明による集積化イオ
ンセンサでは、参照電極23に関し専用の電源を設ける
必要がなく、参照電極23をセンサデバイス22のバッ
テリ25の負端子に接続して0ボルトに設定しておけ
ば、センサ回路17を動作させることができ、これによ
り装置構成を簡単化することができる。特に、電源であ
るバッテリ25と、センサ回路17を含むセンサデバイ
ス22及び参照電極23との間のリード線の本数を少な
くすることができるので、インビボ計測を行う時に非常
に都合がよい。なお、前記のしきい値を制御に変更を加
えるだけで、バッテリ25の正端子に参照電極23を接
続してセンサ回路17を動作させることも可能である。
In the device configuration of the ion sensor, the reference electrode 23 can be operated by simply connecting the reference electrode 23 to the negative terminal of the battery 25 for supplying power to the sensor device 22. There is no need to provide a dedicated power source. Also, in this way, the reference electrode 2
3 is connected to the negative terminal of the battery 25 for the sensor circuit.
Since it is possible to control the threshold value of one or both of the nMOS (2A) and the ISFET element 3 provided at the input stage of the voltage follower circuit at the stage of manufacturing 2, it is possible to set to an appropriate value. Is. This will be generally described with reference to FIG. FIG. 5 shows the static characteristics of the output of the integrated ion sensor. Reference numeral 27 in the figure shows a change in the output voltage of the sensor with respect to the reference electrode voltage when the threshold value of the sensor device 22 is not controlled. in this case,
The power supply voltage of the sensor circuit is 5 volts, and the measurement solution is p
H7.0 Tris borate buffer is used. As is clear from the static characteristic 27, no sensor output occurs when the voltage applied to the reference electrode is 0 volt. for that reason,
Unless the applied voltage value of the reference electrode is set to an intermediate value of the power supply voltage of the sensor circuit by providing a dedicated power supply for the reference electrode, it cannot be used as an ion sensor. On the other hand, when the threshold value of the ISFET element is controlled and the ISFET element is configured as the depletion type as described above at the stage of manufacturing the sensor device 22, the characteristic curve becomes negative as shown by 28 in the figure. Can be shifted. Therefore, according to the characteristic 28 thus shifted, it is possible to operate as an ion sensor even when the voltage of the reference electrode is 0 volt, that is, the ground potential. That is, in the integrated ion sensor according to the present invention, it is not necessary to provide a dedicated power source for the reference electrode 23, and if the reference electrode 23 is connected to the negative terminal of the battery 25 of the sensor device 22 and set to 0 volt, The sensor circuit 17 can be operated, which can simplify the device configuration. In particular, the number of lead wires between the battery 25 as a power source and the sensor device 22 including the sensor circuit 17 and the reference electrode 23 can be reduced, which is very convenient when performing in vivo measurement. It is also possible to operate the sensor circuit 17 by connecting the reference electrode 23 to the positive terminal of the battery 25 simply by changing the control of the threshold value.

【0031】上記の如く、本発明に係る集積化イオンセ
ンサによれば、入力段における少なくともISFET素
子のしきい値をデバイス製造時に制御できるように構成
したため、参照電極とセンサ回路の電圧関係を調整し、
センサ回路用の電源を参照電極に併用でき、電源の削
減、回路構成の簡略化、リード線本数の低減を達成でき
る。また、ゲート電極とイオン感応膜との間に白金層等
を設けることにより、イオンセンサの測定を長期にわた
って安定させることができる。
As described above, according to the integrated ion sensor of the present invention, at least the threshold value of the ISFET element in the input stage can be controlled at the time of manufacturing the device. Therefore, the voltage relationship between the reference electrode and the sensor circuit is adjusted. Then
The power source for the sensor circuit can be used together with the reference electrode, and it is possible to reduce the power source, simplify the circuit configuration, and reduce the number of lead wires. Further, by providing a platinum layer or the like between the gate electrode and the ion sensitive film, the measurement of the ion sensor can be stabilized for a long period of time.

【0032】図6及び図7は本発明に係る集積化イオン
センサによる測定結果を示す。図6は、K+ イオン感応
膜を用いたK+ センサの応答特性である。K+ イオン感
応膜としてリガンドにバリノマイシン、可塑材にTOT
M、母材にPVCを用いた。測定結果から明らかなよう
に、本センサによれば、10-1〜10-5 mol/lの範囲で
直線応答が得られ、感度として59.4 mV/decadeが得
られた。図7はNa + イオン感応膜を用いたNa+
ンサの応答特性を示す。Na+ イオン感応膜としてリガ
ンドにビス(12−クラウン−4)エーテル、可塑材に
TOTM、母材にPVCを用いた。測定結果から明らか
なように、K+ よりやや直線範囲は狭かったが、10-1
〜10-4 mol/l の範囲で直線応答が得られ、感度とし
て56.5 mV/ decade が得られた。
6 and 7 show the measurement results by the integrated ion sensor according to the present invention. FIG. 6 shows the response characteristics of a K + sensor using a K + ion sensitive film. Valinomycin as a ligand and TOT as a plasticizer as a K + ion sensitive membrane
M, PVC was used as the base material. As is clear from the measurement results, according to this sensor, a linear response was obtained in the range of 10 -1 to 10 -5 mol / l, and a sensitivity of 59.4 mV / decade was obtained. FIG. 7 shows the response characteristics of the Na + sensor using the Na + ion sensitive membrane. Bis (12-crown-4) ether was used as the ligand, TOTM was used as the plastic material, and PVC was used as the base material as the Na + ion sensitive film. As is clear from the measurement results, the linear range was slightly narrower than K + , but 10 -1
A linear response was obtained in the range of -10 -4 mol / l, and a sensitivity of 56.5 mV / decade was obtained.

【0033】本発明に係る集積化イオンセンサの第2実
施例を、図8及び図9に基づいて説明する。前記実施例
で説明した要素と実質的に同一のものには、同一の符号
を付している。
A second embodiment of the integrated ion sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9. Elements that are substantially the same as the elements described in the above embodiments are assigned the same reference numerals.

【0034】図8において、センサデバイス22の先端
部にNaイオン感応膜29とKイオン感応膜30と参照
電極31が設けられている。従って、この実施例では、
2種類のイオン感応膜29,30と、参照電極31と
が、1つのセンサデバイス22の上に作られる。センサ
デバイス22の感応部の構造は、図9に示す如く、シリ
コン基板1の上に形成した酸化膜32に各種のイオン感
応膜29,30及び参照電極31を分離して形成してい
る。分離には、各種のイオン感応膜と参照電極用ゲルを
充填するための孔をパターニングしたポリイミド膜33
を用いる。イオン感応膜29,30のそれぞれは、ポリ
塩化ビニルを母材としてリガンド及び可塑材の混合材料
から形成される。また、Naイオン感応膜29とKイオ
ン感応膜30は、それぞれ、白金層11に被覆されてい
る。各白金層11は、シリコン酸化膜32には直接的に
つきにくいので、接着層としてチタン層10bを設けて
いる。
In FIG. 8, a Na ion sensitive film 29, a K ion sensitive film 30 and a reference electrode 31 are provided at the tip of the sensor device 22. Therefore, in this example,
Two kinds of ion-sensitive films 29 and 30 and a reference electrode 31 are formed on one sensor device 22. As shown in FIG. 9, the sensitive portion of the sensor device 22 has a structure in which various ion sensitive films 29 and 30 and a reference electrode 31 are separately formed on an oxide film 32 formed on a silicon substrate 1. For separation, a polyimide film 33 in which holes for filling various ion-sensitive films and gel for the reference electrode are patterned is used.
To use. Each of the ion-sensitive films 29 and 30 is formed of a mixed material of a ligand and a plastic material, using polyvinyl chloride as a base material. Further, the Na ion sensitive film 29 and the K ion sensitive film 30 are respectively coated on the platinum layer 11. Since each platinum layer 11 is hard to directly contact the silicon oxide film 32, the titanium layer 10b is provided as an adhesive layer.

【0035】一方、参照電極31では、塩化カリウムを
混ぜた電解質ゲル34を、表面に塩化銀35を形成した
銀電極36上に被覆した構造を有している。
On the other hand, the reference electrode 31 has a structure in which an electrolyte gel 34 mixed with potassium chloride is coated on a silver electrode 36 having silver chloride 35 formed on its surface.

【0036】上記の如く2つのイオン感応膜29,30
を、1つのセンサデバイス22に設けるようにしたた
め、センサデバイス22にはそれぞれ専用のセンサ回路
17が2つ設けられている。図8中、37,38はそれ
ぞれイオン感応膜29,30の各センサ回路17に対応
する出力端子である。また、センサデバイス22の中に
参照電極31を一体的に組み込むように構成したため、
参照電極31は、バッテリ25の負端子に接続されるセ
ンサデバイス22上のアース端子15に直接に接続され
る。なおアース端子15は、各センサ回路17のバッフ
ァアンプのアース端子になっている。
As described above, the two ion-sensitive films 29, 30
Since the sensor device 22 is provided in one sensor device 22, each sensor device 22 is provided with two dedicated sensor circuits 17. In FIG. 8, 37 and 38 are output terminals corresponding to the sensor circuits 17 of the ion sensitive films 29 and 30, respectively. Further, since the reference electrode 31 is integrally incorporated in the sensor device 22,
The reference electrode 31 is directly connected to the ground terminal 15 on the sensor device 22, which is connected to the negative terminal of the battery 25. The ground terminal 15 is the ground terminal of the buffer amplifier of each sensor circuit 17.

【0037】測定溶液に接触することにより、イオン感
応部で発生したイオン感応膜電位変化は、白金層11を
介して、それぞれのイオン感応膜に対応したセンサ回路
17における非反転入力端子部のISFET素子に伝送
される。各センサ回路17の電源は、センサデバイス2
2の電源端子14とアース端子15に接続された各リー
ド線を介して外部電源によって供給される。各センサ回
路17からの出力信号、すなわちセンサ検出信号は、各
出力端子37,38に接続されたリード線を介して外部
の測定回路に伝送され、測定溶液中のNaイオン及びK
イオンの各濃度が計算される。
The change in the potential of the ion-sensitive film generated in the ion-sensitive part by contacting the measurement solution is transmitted through the platinum layer 11 to the ISFET of the non-inverting input terminal part in the sensor circuit 17 corresponding to each ion-sensitive film. Is transmitted to the device. The power source of each sensor circuit 17 is the sensor device 2
It is supplied by an external power source through each lead wire connected to the second power supply terminal 14 and the ground terminal 15. An output signal from each sensor circuit 17, that is, a sensor detection signal is transmitted to an external measurement circuit via a lead wire connected to each output terminal 37, 38, and Na ions and K in the measurement solution are mixed.
Each concentration of ions is calculated.

【0038】前記実施例のイオンセンサは、第1実施例
のイオンセンサと同様に、Naセンサでは58.2 mV/
decadeが得られ、Kセンサでは59.3 mV/decadeが得
られ、ほぼ理論値に近い感度を得ることができ、更にセ
ンサ間のクロストーク等の問題は生じなかった。
As with the ion sensor of the first embodiment, the ion sensor of the above embodiment has a Na sensor of 58.2 mV /
Decade has been obtained, 59.3 mV / decade has been obtained with the K sensor, sensitivity close to the theoretical value can be obtained, and problems such as crosstalk between sensors have not occurred.

【0039】前記第2の実施例では、ISFET素子の
個数を一般的にnとすると、外部引出しに要するリード
線の本数はn+2本となる。また、従来の絶縁ゲート型
ISFETを用いた場合、各ISFETごとのドレイ
ン、ソース用のリード線が必要とされるため、センサデ
バイス22においてISFET用に2n本と参照電極用
に1本のリード線が必要とされた。従って、本発明の集
積化イオンセンサによれば、リード線の本数を大幅に少
なくすることができた。
In the second embodiment, when the number of ISFET elements is generally n, the number of lead wires required for external extraction is n + 2. Further, when the conventional insulated gate ISFET is used, a drain lead wire and a source lead wire are required for each ISFET. Therefore, in the sensor device 22, one lead wire for the ISFET and one lead wire for the reference electrode are required. Was needed. Therefore, according to the integrated ion sensor of the present invention, the number of lead wires can be significantly reduced.

【0040】上記実施例では、測定対象を溶液中の電解
質成分としたが、イオン感応部の上部に各種内部溶液層
を保持するように疎水性の多孔質膜を設ける構造とする
ことにより、アンモニアガス等の溶存ガス成分や、ある
いはイオン感応膜の代わりに固定化酵素膜を形成するこ
とによりグルコース等の生化学成分も同様に測定するこ
とができる。
In the above-mentioned embodiment, the electrolyte component in the solution was used as the object to be measured, but the structure is such that the hydrophobic porous membrane is provided on the upper part of the ion sensitive part so as to hold the various internal solution layers, so that ammonia can be obtained. Similarly, dissolved gas components such as gas or biochemical components such as glucose can be measured by forming an immobilized enzyme membrane instead of the ion-sensitive membrane.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、参照電極の専用電源を省略し単一電源で動作さ
せることができ、従って、イオンセンサを小型化でき、
引出し用のリード線の本数を少なくすることができ、全
体をコンパクトにすることができる。特に複数のイオン
感応膜を備えるイオンセンサにおいて、センサデバイス
としての集積化を高めることができ、かかる効果が顕著
に現われる。またイオン感応膜と信号処理回路の入力段
に設けたMOSFETのゲート電極との間に白金等によ
る保護用導電性部材を設けるようにしたため、イオン感
応膜を通して透過する水分子等によるゲート電極等への
影響を阻止し、イオンセンサの寿命を延命し、長期間に
わたって安定して且つ正確な測定動作を行うことができ
る。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the dedicated power source for the reference electrode can be omitted and the reference electrode can be operated by a single power source. Therefore, the ion sensor can be downsized,
The number of lead wires for pulling out can be reduced, and the overall size can be made compact. In particular, in an ion sensor having a plurality of ion sensitive films, the integration as a sensor device can be enhanced, and such an effect is remarkably exhibited. Further, since a protective conductive member such as platinum is provided between the ion sensitive film and the gate electrode of the MOSFET provided at the input stage of the signal processing circuit, the gate electrode, etc. due to water molecules that permeate through the ion sensitive film can be provided. Can be prevented, the life of the ion sensor can be extended, and stable and accurate measurement operation can be performed for a long period of time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る集積化イオンセンサの要部断面図
である。
FIG. 1 is a sectional view of a main part of an integrated ion sensor according to the present invention.

【図2】集積化イオンセンサの電気回路図である。FIG. 2 is an electric circuit diagram of an integrated ion sensor.

【図3】集積化イオンセンサの外観斜視図である。FIG. 3 is an external perspective view of an integrated ion sensor.

【図4】本発明による集積化イオンセンサの測定状態及
び結線関係を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a measurement state and a wiring relation of the integrated ion sensor according to the present invention.

【図5】参照電極電圧とセンサ出力との間の関係を示す
特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between a reference electrode voltage and a sensor output.

【図6】本発明に係る集積化イオンセンサの測定結果例
を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of measurement results of the integrated ion sensor according to the present invention.

【図7】本発明に係る集積化イオンセンサの測定結果例
を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of measurement results of the integrated ion sensor according to the present invention.

【図8】本発明に係る集積化イオンセンサの他の実施例
を示す電気回路図である。
FIG. 8 is an electric circuit diagram showing another embodiment of the integrated ion sensor according to the present invention.

【図9】他の実施例の集積化イオンセンサの感応部の断
面構造を示す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of a sensitive part of an integrated ion sensor of another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 CMOS素子 3 ISFET素子 9 ゲート電極 10a アルミニウム配線 11 白金層 12 ポリイミド膜 13 イオン感応膜 14 電源端子 15 アース端子 16 出力端子 17 センサ回路 20 容器 21 測定溶液 22 センサデバイス 23 参照電極 25 バッテリ 26 電圧計 29 イオン感応膜 30 イオン感応膜 31 参照電極 1 Silicon Substrate 2 CMOS Element 3 ISFET Element 9 Gate Electrode 10a Aluminum Wiring 11 Platinum Layer 12 Polyimide Film 13 Ion Sensitive Film 14 Power Terminal 15 Earth Terminal 16 Output Terminal 17 Sensor Circuit 20 Container 21 Measuring Solution 22 Sensor Device 23 Reference Electrode 25 Battery 26 Voltmeter 29 Ion Sensitive Membrane 30 Ion Sensitive Membrane 31 Reference Electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 吉雄 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社 日立製作所 中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−120240(JP,A) 特開 昭61−106649(JP,A) 特開 昭61−155851(JP,A) 特開 昭62−144059(JP,A) 特開 平2−32245(JP,A) 特開 昭62−185160(JP,A) 特開 昭63−210656(JP,A) 特開 平3−502135(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Yoshio Watanabe Yoshio Watanabe 1-280, Higashi Koikekubo, Kokubunji, Tokyo Inside Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) Reference JP-A-60-120240 (JP, A) JP-A-61 -106649 (JP, A) JP 61-155851 (JP, A) JP 62-144059 (JP, A) JP 2-32245 (JP, A) JP 62-185160 (JP, A) ) JP-A-63-210656 (JP, A) JP-A-3-502135 (JP, A)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 測定対象に含まれるイオンに感応して前
記イオンの濃度を検出する少なくとも1つのイオン感応
膜と、前記イオン感応膜で得られた検出信号を導電性部
材を介して入力し、前記検出信号を、入力段に含まれる
電界効果型半導体素子を介して取込み、処理する信号処
理回路と、前記測定対象で作られる測定環境に配置さ
れ、前記イオン感応膜との間で所定の電圧関係に設定さ
れる参照電極と、正負の2つの端子を有し、前記2つの
端子を介して前記信号処理回路に駆動電力を供給すると
共に、前記2つの端子のいずれか一方が前記参照電極に
接続される電源とから構成され、前記構成にて、前記信
号処理回路の前記電界効果型半導体素子の少なくとも1
つのしきい値を制御することにより、前記参照電極に設
定された電圧において前記信号処理回路を能動状態にセ
ットすることを特徴とする集積化イオンセンサ。
1. An at least one ion-sensitive film that detects the concentration of the ions in response to the ions contained in a measurement target, and a detection signal obtained by the ion-sensitive film is input via a conductive member, A predetermined voltage is provided between the signal processing circuit that receives and processes the detection signal via the field effect semiconductor element included in the input stage and the measurement environment created by the measurement target, and the ion sensitive film. A reference electrode that is set in a relationship, and two positive and negative terminals, supply drive power to the signal processing circuit via the two terminals, and one of the two terminals serves as the reference electrode. And at least one of the field effect semiconductor elements of the signal processing circuit, wherein
An integrated ion sensor, wherein the signal processing circuit is set to an active state at a voltage set on the reference electrode by controlling two threshold values.
【請求項2】 請求項1記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記イオン感応膜と前記信号処理回路は1つの半
導体集積回路デバイスとして形成され、前記参照電極は
別部材として形成されることを特徴とする集積化イオン
センサ。
2. The integrated ion sensor according to claim 1, wherein the ion sensitive film and the signal processing circuit are formed as one semiconductor integrated circuit device, and the reference electrode is formed as a separate member. Integrated ion sensor.
【請求項3】 請求項1記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記イオン感応膜と前記信号処理回路からなる電
気回路部と、前記参照電極とを、同一のカテーテル内に
実装したことを特徴とする集積化イオンセンサ。
3. The integrated ion sensor according to claim 1, wherein the electric circuit portion including the ion sensitive film and the signal processing circuit and the reference electrode are mounted in the same catheter. Integrated ion sensor.
【請求項4】 請求項3記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記イオン感応膜と前記信号処理回路と前記参照
電極とが、1つの半導体集積回路デバイスとして形成さ
れることを特徴とする集積化イオンセンサ。
4. The integrated ion sensor according to claim 3, wherein the ion sensitive film, the signal processing circuit, and the reference electrode are formed as one semiconductor integrated circuit device. Sensor.
【請求項5】 請求項1記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記信号処理回路はボルテージフォロワ回路によ
って構成されることを特徴とする集積化イオンセンサ。
5. The integrated ion sensor according to claim 1, wherein the signal processing circuit is composed of a voltage follower circuit.
【請求項6】 請求項1記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記信号処理回路は非反転増幅回路によって構成
されることを特徴とする集積化イオンセンサ。
6. The integrated ion sensor according to claim 1, wherein the signal processing circuit is composed of a non-inverting amplifier circuit.
【請求項7】 請求項1記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記導電性部材は、前記イオン感応膜が被覆され
且つ前記電界効果型半導体素子のゲート電極に接続され
た、白金族金属、金、銀、銀の合金のうちいずれか1つ
の金属膜であることを特徴とする集積化イオンセンサ。
7. The integrated ion sensor according to claim 1, wherein the conductive member is coated with the ion sensitive film and is connected to a gate electrode of the field effect semiconductor element, a platinum group metal, gold, An integrated ion sensor characterized by being a metal film of one of silver and a silver alloy.
【請求項8】 請求項1記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記導電性部材は、前記イオン感応膜が被覆され
且つ前記電界効果型半導体素子のゲート電極に接続され
た、酸化パラジウム、酸化白金、酸化イリジウムのうち
いずれか1つの金属酸化膜であることを特徴とする集積
化イオンセンサ。
8. The integrated ion sensor according to claim 1, wherein the conductive member is covered with the ion-sensitive film and is connected to a gate electrode of the field-effect semiconductor element, palladium oxide, platinum oxide, An integrated ion sensor characterized by being a metal oxide film of any one of iridium oxides.
【請求項9】 請求項5記載の集積化イオンセンサにお
いて、前記導電性部材は、前記イオン感応膜が被覆され
且つ前記電界効果型半導体素子のゲート電極に接続され
た、白金族金属、金、銀、銀の合金のうちいずれか1つ
の金属膜であることを特徴とする集積化イオンセンサ。
9. The integrated ion sensor according to claim 5, wherein the conductive member is coated with the ion sensitive film and is connected to a gate electrode of the field effect semiconductor element, a platinum group metal, gold, An integrated ion sensor characterized by being a metal film of one of silver and a silver alloy.
【請求項10】 請求項6記載の集積化イオンセンサに
おいて、前記導電性部材は、前記イオン感応膜が被覆さ
れ且つ前記電界効果型半導体素子のゲート電極に接続さ
れた、酸化パラジウム、酸化白金、酸化イリジウムのう
ちいずれか1つの金属酸化膜であることを特徴とする集
積化イオンセンサ。
10. The integrated ion sensor according to claim 6, wherein the conductive member is covered with the ion-sensitive film and is connected to a gate electrode of the field-effect semiconductor element, palladium oxide, platinum oxide, An integrated ion sensor characterized by being a metal oxide film of any one of iridium oxides.
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