JP3112599B2 - イオンセンサ及びイオン測定方法 - Google Patents
イオンセンサ及びイオン測定方法Info
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- JP3112599B2 JP3112599B2 JP05095478A JP9547893A JP3112599B2 JP 3112599 B2 JP3112599 B2 JP 3112599B2 JP 05095478 A JP05095478 A JP 05095478A JP 9547893 A JP9547893 A JP 9547893A JP 3112599 B2 JP3112599 B2 JP 3112599B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野の説明】本発明は半導体デバイスを
用いたイオンセンサ及びそのイオン測定方法に関するも
のである。
用いたイオンセンサ及びそのイオン測定方法に関するも
のである。
【０００２】
【従来技術】イオン感応電界効果トランジスタ(以下Ｉ
ＳＦＥＴ)の実用上の問題として、溶液の温度変化に対
して、ＩＳＦＥＴが温度変化することにより、その出力
電圧が誤差を生じる事である。従来、この解決策とし
て、（１）ＩＳＦＥＴのドレイン電流を温度変化のない
ような適当な値に設定するＩＱ法と呼ばれ （２） る方法、（２）あらかじめ、ドレイン電流をある値に設
定して、そこでのＦＥＴの温度係数を製品分布から推定
してある値を決定し、これとダイオ−ドの正方向電圧降
下の温度係数などを用いる温度センサからのデ−タを用
いて、ＣＰＵに計算させて結果として温度補償する方法
などがとられていた。
ＳＦＥＴ)の実用上の問題として、溶液の温度変化に対
して、ＩＳＦＥＴが温度変化することにより、その出力
電圧が誤差を生じる事である。従来、この解決策とし
て、（１）ＩＳＦＥＴのドレイン電流を温度変化のない
ような適当な値に設定するＩＱ法と呼ばれ （２） る方法、（２）あらかじめ、ドレイン電流をある値に設
定して、そこでのＦＥＴの温度係数を製品分布から推定
してある値を決定し、これとダイオ−ドの正方向電圧降
下の温度係数などを用いる温度センサからのデ−タを用
いて、ＣＰＵに計算させて結果として温度補償する方法
などがとられていた。
【０００３】
【従来技術の問題点】然し乍ら、上記の従来技術は個々
のＦＥＴの温度特性にバラツキがあるので（１）では温
度係数がゼロのドレイン電流を個々に測定しなければな
らず、また（２）のようなＣＰＵを用いたＩＳＦＥＴの
温度補償は、図１に示すような回路構成で、ＩＳＦＥＴ
と温度センサとを組み合わせあらかじめドレイン電流を
一定値に決定し、そこでのＩＳＦＥＴの温度係数をその
生産分布から見積もった値をＣＰＵにメモりさせ、上記
の温度センサの温度デ−タからすでにメモりされたそれ
ぞれの温度における温度特性曲線からＣＰＵが計算し、
その出力電圧に温度の補正を行うように構成されてい
る。しかし、この方法ではＩＳＦＥＴの特性は±０.５
ｍＶ／℃くらいのバラツキがあるので、±２５℃の温度
変化で、ＩＳＦＥＴ間で±０.２ｐＨも出力値が変化す
るので測定精度が低かった。したがって、このような方
法ではｐＨ計として０〜５０℃の範囲で±０.２ｐＨを
越える精度のｐＨ計を得るのは困難であった。
のＦＥＴの温度特性にバラツキがあるので（１）では温
度係数がゼロのドレイン電流を個々に測定しなければな
らず、また（２）のようなＣＰＵを用いたＩＳＦＥＴの
温度補償は、図１に示すような回路構成で、ＩＳＦＥＴ
と温度センサとを組み合わせあらかじめドレイン電流を
一定値に決定し、そこでのＩＳＦＥＴの温度係数をその
生産分布から見積もった値をＣＰＵにメモりさせ、上記
の温度センサの温度デ−タからすでにメモりされたそれ
ぞれの温度における温度特性曲線からＣＰＵが計算し、
その出力電圧に温度の補正を行うように構成されてい
る。しかし、この方法ではＩＳＦＥＴの特性は±０.５
ｍＶ／℃くらいのバラツキがあるので、±２５℃の温度
変化で、ＩＳＦＥＴ間で±０.２ｐＨも出力値が変化す
るので測定精度が低かった。したがって、このような方
法ではｐＨ計として０〜５０℃の範囲で±０.２ｐＨを
越える精度のｐＨ計を得るのは困難であった。
【０００４】
【発明の目的】本発明は、上記の温度補償の問題に簡単
な解決策を与えるものでｐＨ計の測定精度の向上したｐ
Ｈ計の製作に寄与するものである。また、本発明は、従
来のＩＳＦＥＴを用いたｐＨ計の測定精度を大幅に向上
させ、０〜５０℃の温度変化に対して±０.０１〜±０.
１ｐＨを実現しようとするもので、高精度のｐＨ計をＩ
ＳＦＥＴを用いて実現するのに大きく可能性を開くもの
である。
な解決策を与えるものでｐＨ計の測定精度の向上したｐ
Ｈ計の製作に寄与するものである。また、本発明は、従
来のＩＳＦＥＴを用いたｐＨ計の測定精度を大幅に向上
させ、０〜５０℃の温度変化に対して±０.０１〜±０.
１ｐＨを実現しようとするもので、高精度のｐＨ計をＩ
ＳＦＥＴを用いて実現するのに大きく可能性を開くもの
である。
【０００５】
【課題を解決するための本発明の手段】本発明は分離さ
れた島状シリコン内にＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴとダイ
オードをワンチップ化したデバイスのそれぞれに定電流
回路を接続し、定電圧電源からＦＥＴのドレインとダイ
オードに一定電圧を供給したソースフォロア回路で、Ｉ
ＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのそれぞれのソース電圧の差動
出力と共にダイオードなどの温度センサからの溶液温度
のデータをＡ／Ｄコンバータを通してＣＰＵにデータを
送り計算することにより、参照電極の電位とセンサ感度
の温度による誤差を補償することによりｐＨの測定精度
を向上させたことを特徴とする。
れた島状シリコン内にＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴとダイ
オードをワンチップ化したデバイスのそれぞれに定電流
回路を接続し、定電圧電源からＦＥＴのドレインとダイ
オードに一定電圧を供給したソースフォロア回路で、Ｉ
ＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのそれぞれのソース電圧の差動
出力と共にダイオードなどの温度センサからの溶液温度
のデータをＡ／Ｄコンバータを通してＣＰＵにデータを
送り計算することにより、参照電極の電位とセンサ感度
の温度による誤差を補償することによりｐＨの測定精度
を向上させたことを特徴とする。
【０００６】
【実施例】図２は本発明の一実施例構造を示す断面図
で、１はＰ型シリコン基体、２はＮ型領域で前記Ｐ型シ
リコン基体１と共にＰＮ接合Ｊにより分離された島状領
域Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3を形成する。次に３、４は夫々島状領
域Ｉ1、Ｉ2に形成されたソ−ス領域及びドレイン領域で
夫々領域上にソ−ス電極Ｓ1、Ｓ2及びドレイン電極Ｄ
1、Ｄ2が形成され、又領域Ｉ1のゲ−ト酸化膜５上には
イオン感応膜ＩＳが被着されてイオン感応電界効果トラ
ンジスタＩＳＦＥＴを形成し、領域Ｉ2のゲ−ト酸化膜
５上には金属又はポリシリコンＭを被着しメタルゲ−ト
（ＭＯＳ）形電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を
形成している。又島状領域Ｉ3にはＰ型拡数領域７及び
Ｎ型拡散領域８を設けて温度補償用素子としてのダイオ
−ドＤを形成する。
で、１はＰ型シリコン基体、２はＮ型領域で前記Ｐ型シ
リコン基体１と共にＰＮ接合Ｊにより分離された島状領
域Ｉ1、Ｉ2、Ｉ3を形成する。次に３、４は夫々島状領
域Ｉ1、Ｉ2に形成されたソ−ス領域及びドレイン領域で
夫々領域上にソ−ス電極Ｓ1、Ｓ2及びドレイン電極Ｄ
1、Ｄ2が形成され、又領域Ｉ1のゲ−ト酸化膜５上には
イオン感応膜ＩＳが被着されてイオン感応電界効果トラ
ンジスタＩＳＦＥＴを形成し、領域Ｉ2のゲ−ト酸化膜
５上には金属又はポリシリコンＭを被着しメタルゲ−ト
（ＭＯＳ）形電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を
形成している。又島状領域Ｉ3にはＰ型拡数領域７及び
Ｎ型拡散領域８を設けて温度補償用素子としてのダイオ
−ドＤを形成する。
【０００７】図３は本発明のイオンセンサを利用したイ
オン測定法を示す回路図で図３では温度補償用ダイオー
ドを除いた例を示す。図３に示すように、同一寸法のＩ
ＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴワンチップ上に配置し、ドレイ
ン電極共通とし、ＩＳＦＥＴのソース電極、メタルゲー
トＦＥＴのソース電極、メタルゲートの電極の４つの電
極を外部に取りだし、ドレイン電圧、ドレイン電流一定
のソースフォロア回路構成とする。ここで基準電極は内
部液形の銀一塩化銀電極を使用している。この回路でＩ
ＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのソース電位ＶＳはそれぞれ下
記の式で表される。Ｅｒｅｆは参照電極電位で、Ｖｔ
１、Ｖｔ２はそれぞれＦＥＴのしきい値電圧である。Ｉ
ＳＦＥＴでは
オン測定法を示す回路図で図３では温度補償用ダイオー
ドを除いた例を示す。図３に示すように、同一寸法のＩ
ＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴワンチップ上に配置し、ドレイ
ン電極共通とし、ＩＳＦＥＴのソース電極、メタルゲー
トＦＥＴのソース電極、メタルゲートの電極の４つの電
極を外部に取りだし、ドレイン電圧、ドレイン電流一定
のソースフォロア回路構成とする。ここで基準電極は内
部液形の銀一塩化銀電極を使用している。この回路でＩ
ＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのソース電位ＶＳはそれぞれ下
記の式で表される。Ｅｒｅｆは参照電極電位で、Ｖｔ
１、Ｖｔ２はそれぞれＦＥＴのしきい値電圧である。Ｉ
ＳＦＥＴでは
【数１】又メタルゲート（ＭＯＳ）では
【数２】但し、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファ
ラデー定数である。ここで、βはＦＥＴの構造に関係す
るもので同一とし、また、両者のドレイン電流を同一
（ＩＳ１＝ＩＳ２）とすると、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥ
Ｔのソース電位の差は次式となる。
ラデー定数である。ここで、βはＦＥＴの構造に関係す
るもので同一とし、また、両者のドレイン電流を同一
（ＩＳ１＝ＩＳ２）とすると、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥ
Ｔのソース電位の差は次式となる。
【数３】また、両者のしきい値電圧の差は一定とする
と、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのソース電位の差の温度
依存性は次式となる。
と、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのソース電位の差の温度
依存性は次式となる。
【数４】
【０００８】つまり、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのソ−
ス電位の差動出力電圧の温度特性はｐＨ感度と参照電極
の電位の温度依存性によることが解る。実際、ＩＳＦＥ
Ｔのソ−ス電位の温度による変化は±２５℃で±５０ｍ
Ｖ〜±６０ｍＶも変化する。一方、ＭＯＳＦＥＴの方も
ア−ス電位に固定されていながら同様の変化をする。し
かし、両者の差はドレイン電流の全領域で温度変化が±
２５℃の範囲で±１２ｍＶくらいになる。この変化は上
記で説明したように、ＩＳＦＥＴ単体で構成のときのｐ
Ｈ感度の温度依存性と参照電極の電位の温度依存性が合
わさったものである。以上の原理にもとづき個々のＩＳ
ＦＥＴの温度特性が違っていてもＩＳＦＥＴ／メタルゲ
−トＦＥＴのペア−をワンチップに配置することにより
温度特性の揃ったＦＥＴを作ることができるので、二つ
のＦＥＴ側の温度変化による出力変化は１／５に再現性
良く低減できる。図４は上記構成で温度を２５℃〜５０
℃にステップ状に変化させたときの各ＦＥＴとその差動
出力を比較したもので、温度に対し各センサはすばや （５） く応答している。
ス電位の差動出力電圧の温度特性はｐＨ感度と参照電極
の電位の温度依存性によることが解る。実際、ＩＳＦＥ
Ｔのソ−ス電位の温度による変化は±２５℃で±５０ｍ
Ｖ〜±６０ｍＶも変化する。一方、ＭＯＳＦＥＴの方も
ア−ス電位に固定されていながら同様の変化をする。し
かし、両者の差はドレイン電流の全領域で温度変化が±
２５℃の範囲で±１２ｍＶくらいになる。この変化は上
記で説明したように、ＩＳＦＥＴ単体で構成のときのｐ
Ｈ感度の温度依存性と参照電極の電位の温度依存性が合
わさったものである。以上の原理にもとづき個々のＩＳ
ＦＥＴの温度特性が違っていてもＩＳＦＥＴ／メタルゲ
−トＦＥＴのペア−をワンチップに配置することにより
温度特性の揃ったＦＥＴを作ることができるので、二つ
のＦＥＴ側の温度変化による出力変化は１／５に再現性
良く低減できる。図４は上記構成で温度を２５℃〜５０
℃にステップ状に変化させたときの各ＦＥＴとその差動
出力を比較したもので、温度に対し各センサはすばや （５） く応答している。
【０００９】図５はＰＮＰのダブルジャンクションによ
り分離された島状シリコン内にＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥ
Ｔとダイオ−ドをワンチップ化しこのチップ内のＩＳＦ
ＥＴ／ＭＯＳＦＥＴペアとダイオ−ドのそれぞれに定電
流回路を接続し、定電圧電源からＦＥＴのドレインとダ
イオ−ドに一定電圧を供給したソ−スフォロア回路とし
て、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのそれぞれのソ−ス電圧
とダイオ−ドの順方向降下電圧をＡ／Ｄコンバ−タを通
してＣＰＵにデ−タを送るように構成する。（３）、
（４）式に示すように、差動出力つまり感応膜の起電力
はｐＨに比例し、すなわち１ｐＨあたりの発生起電力ｍ
Ｖは表１に示すように、約０.２ｍＶ／℃の感度変化と
なる。
り分離された島状シリコン内にＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥ
Ｔとダイオ−ドをワンチップ化しこのチップ内のＩＳＦ
ＥＴ／ＭＯＳＦＥＴペアとダイオ−ドのそれぞれに定電
流回路を接続し、定電圧電源からＦＥＴのドレインとダ
イオ−ドに一定電圧を供給したソ−スフォロア回路とし
て、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴのそれぞれのソ−ス電圧
とダイオ−ドの順方向降下電圧をＡ／Ｄコンバ−タを通
してＣＰＵにデ−タを送るように構成する。（３）、
（４）式に示すように、差動出力つまり感応膜の起電力
はｐＨに比例し、すなわち１ｐＨあたりの発生起電力ｍ
Ｖは表１に示すように、約０.２ｍＶ／℃の感度変化と
なる。
【表１】 一方、一例として、銀一塩化銀電極における電位の温度
依存性は表２のように約０.７ｍＶ／℃の値であり、マ
イナスの温度係数を持っている。
依存性は表２のように約０.７ｍＶ／℃の値であり、マ
イナスの温度係数を持っている。
【表２】
【００１０】一定の工程で製作された銀一塩化銀電極の
温度特性は良く揃ったものが出来るので、製作された銀
一塩化銀電極の代表的な温度特性を求めることにより正
確に参照電極の温度係数を予測できる。上記のこれらの
デ−タをＣＰＵのＲＯＭに記憶しておく。ダイオ−ドの
順方向電圧降下の温度係数は約２.０ｍＶ／℃であるの
でその順方向電圧降下から温度センサとして利用できる
ので、ＩＳＦＥＴ／ＭＯＳＦＥＴペア−と同一チップ上
にあるダイオ−ドの順方向電圧降下をセンシングしてＡ
／Ｄコンバ−タを通してＣＰＵに温度デ−タを入れてや
ることにより上記のｐＨ感度の温度係数値である２.３
０３ＲＴ／Ｆを決定し、さらに参照電極の温度係数のデ
−タがＣＰＵのＲＯＭに入っているのでこれらのデ−タ
から高精度の温度補償ができる。この方法で±２５℃の
温度変化に対して±０.０１ｐＨ （６） のｐＨ測定精度を実現できる。
温度特性は良く揃ったものが出来るので、製作された銀
一塩化銀電極の代表的な温度特性を求めることにより正
確に参照電極の温度係数を予測できる。上記のこれらの
デ−タをＣＰＵのＲＯＭに記憶しておく。ダイオ−ドの
順方向電圧降下の温度係数は約２.０ｍＶ／℃であるの
でその順方向電圧降下から温度センサとして利用できる
ので、ＩＳＦＥＴ／ＭＯＳＦＥＴペア−と同一チップ上
にあるダイオ−ドの順方向電圧降下をセンシングしてＡ
／Ｄコンバ−タを通してＣＰＵに温度デ−タを入れてや
ることにより上記のｐＨ感度の温度係数値である２.３
０３ＲＴ／Ｆを決定し、さらに参照電極の温度係数のデ
−タがＣＰＵのＲＯＭに入っているのでこれらのデ−タ
から高精度の温度補償ができる。この方法で±２５℃の
温度変化に対して±０.０１ｐＨ （６） のｐＨ測定精度を実現できる。
【００１１】
【発明の効果】本発明により、ワンチップで差動構成が
できるので、ペア−特性の良く揃ったＦＥＴが製作で
き、組立製作が簡単で、大幅なコスト低減が実現でき
る。また０〜５０℃の間で、±０.２ｐＨを上回る精度
を全ての製作されたｐＨ計で実現できることは、測定精
度とその値の信頼性という点でも効果大である。本発明
により、ＩＳＦＥＴによるｐＨ測定が、ガラス電極並み
にできるので、従来より小形で安価にｐＨプロ−ブを製
作できその効果大である。将来この方法が大部分ガラス
電極から置き換えることができる。
できるので、ペア−特性の良く揃ったＦＥＴが製作で
き、組立製作が簡単で、大幅なコスト低減が実現でき
る。また０〜５０℃の間で、±０.２ｐＨを上回る精度
を全ての製作されたｐＨ計で実現できることは、測定精
度とその値の信頼性という点でも効果大である。本発明
により、ＩＳＦＥＴによるｐＨ測定が、ガラス電極並み
にできるので、従来より小形で安価にｐＨプロ−ブを製
作できその効果大である。将来この方法が大部分ガラス
電極から置き換えることができる。
【図１】従来の測定方法を示す回路図
【図２】本発明の一実施例構造を示す断面図
【図３】本発明の測定方法を示す構成例図
【図４】本発明による温度変化に対する出力変動を示す
特性図
特性図
【図５】本発明の他の測定方法を示す構成例図
ＩＳＦＥＴ イオン感応電界効果トランジスタ ＭＯＳＦＥＴ メタルゲ−ト電界効果トランジスタ Ｄ 温度補償用ダイオ−ド Ｉ1、Ｉ2、Ｉ2 島状領域 １ シリコン基体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/414
Claims (2)
- 【請求項１】ＰＮ接合により夫々分離された複数の島状
領域を備え、 該第１の島状領域に、ゲート絶縁膜上にイオン感応膜を
被着したイオン感応電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥ
Ｔ）を設け、該第２の島状領域に、ゲート絶縁膜上に金
属もしくはポリシリコンを被着したＭＯＳ電界効果トラ
ンジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を設け、また、該第３の島状
領域に温度検出素子を設けると共に該ＩＳＦＥＴと該Ｍ
ＯＳＦＥＴによりソースフォロア回路を構成し、且つ該
ＭＯＳＦＥＴのゲート電極を基準電極と共にアース電位
もしくは一定電位に接続したことを特徴とするイオンセ
ンサ。 - 【請求項２】ＰＮ接合により、夫々分離された複数の島
状領域を備え、該第１の島状領域に、ゲート絶縁膜上に
イオン感応膜を被着したイオン感応電界効果トランジス
タ（ＩＳＦＥＴ）を設け、該第２の島状領域に、ゲート
絶縁膜上に金属もしくはポリシリコンを被着したＭＯＳ
電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を設け、また、
該第３の島状領域に温度検出素子を設けると共に該ＩＳ
ＦＥＴと該ＭＯＳＦＥＴによりソースフォロア回路を構
成し、且つ該ＭＯＳＦＥＴのゲート電極を内部液形の銀
―塩化銀電極と共にアース電位もしくは一定電位に接続
し、該ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴの夫々ソース電圧の差
動出力を取り出すと共に、該ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴ
の夫々ソース電位の差動出力の温度変化を温度検出デー
タを用いてＣＰＵにより計算する事で、温度変化による
特性変動を補正するようにした事を特徴とするイオン測
定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05095478A JP3112599B2 (ja) | 1993-03-30 | 1993-03-30 | イオンセンサ及びイオン測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05095478A JP3112599B2 (ja) | 1993-03-30 | 1993-03-30 | イオンセンサ及びイオン測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06288972A JPH06288972A (ja) | 1994-10-18 |
| JP3112599B2 true JP3112599B2 (ja) | 2000-11-27 |
Family
ID=14138734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05095478A Expired - Fee Related JP3112599B2 (ja) | 1993-03-30 | 1993-03-30 | イオンセンサ及びイオン測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3112599B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3839224B2 (ja) * | 2000-06-29 | 2006-11-01 | 株式会社山武 | 集積化センサ素子及びこれを用いた計測システム |
| KR100742843B1 (ko) * | 2001-04-16 | 2007-07-25 | 주식회사 포스코 | 페하측정장치 및 방법 |
| KR100441663B1 (ko) * | 2001-08-11 | 2004-07-27 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 온도센서를 구비한 수소이온농도 측정센서 및 그측정센서를 구비한 수소이온농도 측정장치 |
| US11313827B2 (en) * | 2019-06-28 | 2022-04-26 | Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. | Sensor devices for detecting a pH change in a solution |
| JP7336983B2 (ja) * | 2019-12-26 | 2023-09-01 | Ｔｉａｎｍａ Ｊａｐａｎ株式会社 | イオンセンサ装置 |
-
1993
- 1993-03-30 JP JP05095478A patent/JP3112599B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06288972A (ja) | 1994-10-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070922 Year of fee payment: 7 |
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| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
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