JP3623728B2 - 累積型化学・物理現象検出装置 - Google Patents
累積型化学・物理現象検出装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3623728B2 JP3623728B2 JP2000293669A JP2000293669A JP3623728B2 JP 3623728 B2 JP3623728 B2 JP 3623728B2 JP 2000293669 A JP2000293669 A JP 2000293669A JP 2000293669 A JP2000293669 A JP 2000293669A JP 3623728 B2 JP3623728 B2 JP 3623728B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- floating diffusion
- potential
- physical phenomenon
- charge
- change
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、累積型化学・物理現象検出装置に関するものである。
【0002】
ここで、物理・化学現象とは、濃度・温度・磁気・圧力・加速度・速度・音波・超音波・酸化還元電位・反応速度など様々な現象を指す。特に、本発明はISFET(イオン検出電界効果型トランジスタ)に代表されるFET型と呼ばれているものの高感度化を目指したものである。
【0003】
【従来の技術】
現在、化学または物理現象を検出する装置(センサ)では、電界効果トランジスタ型(FET型)と呼ばれるものが広く使われている。この方式による検出の原理は、トランジスタのゲート電極に、化学・物理現象に感応する装置をつなぎ、その化学・物理現象の変化を、トランジスタに流れる電流もしくはトランジスタの閾値の変化などで出力するものであった。
【0004】
例えば、イオンセンシティブ電界効果トランジスタ(ISFET)を例に挙げて説明する。MOS型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート電極に、イオン感応膜の役割をする薄膜(水素イオンであればシリコン窒化膜が一般的である)を堆積した構造を持つISFETを、適当な防水を施した後に、イオン濃度を知りたい水溶液につける。
【0005】
その水溶液中には、さらにその水溶液の電位を決めるための参照電極が配置されており、シリコン窒化膜を設けたゲート電極を介して、水素イオン濃度に見合った電位の変化がシリコン基板表面に現れる。水素イオン濃度が変化し、その電位が変化する。このシリコン表面の電位変化をトランジスタの電流の変化、もしくは閾値電圧の変化として外部に取り出すことにより水溶液のイオン濃度を知ることができる。
【0006】
さらに、その他の例として、人体検出素子として一般的に用いられている焦電型赤外線検出素子を説明する。
【0007】
図10は従来の焦電型赤外センサの原理図であり、この図において、101は強誘電体素子、102は接合型FET(JFET)、103は赤外線、104は抵抗Rsである。
【0008】
この図に示すように、焦電型赤外線検出素子は強誘電体の自発分極値Psの温度勾配である焦電係数を利用している。すなわち、図10(a)に示すように、自発分極値Psはキュリー温度Tcまで次第に減少するが、特に、キュリー温度Tc近傍で大きな勾配で減少する。強誘電体素子101の温度変化によって自発分極値Psが減少し、その分電荷が余分もしくは過剰となる。この温度による電荷変動分を焦電係数と称するが、この電荷分を外部に信号として取り出すようにしたのが焦電型赤外線センサであり、広く用いられている。
【0009】
従来は、図10(b)に示すように、その焦電体素子101はJFET102のゲート電極につながれており、焦電体素子101の両端に発生する電圧により、JFET102に流れる電流を制御して、さらにソースフォロワ回路構成にすることにより、電圧として出力している。因みに、焦電体素子101両端に発生する電圧V0は、焦電体の電荷変動分をQ0、焦電体の容量をC0とすると、Q0/C0で表すことができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
これらのデバイスは、トランジスタのゲートに設けられているセンシング材料(ISFETではシリコン窒化膜、焦電型赤外線検出素子では焦電体)に発生する電位変化をそのままゲート電極に電気的に接続して、トランジスタに電流を流し、その電流値などを測定している。
【0011】
しかしながら、トランジスタのゲートに設けられているセンシング材料からの信号が微小な変化分のときは、トランジスタに流れる電流はほとんど変化せずに出力用のトランジスタの雑音などに埋もれてしまい、検出は不可能である。さらに、これらのデバイスは直流で駆動しているため、出力トランジスタの1/f雑音が大きい領域で駆動することになるので、ますます微少信号の検出が難しくなる。
【0012】
これらの問題を解決するためには、トランジスタのゲート電極に加える、センシング材料からの出力を大きくする必要がある。例えば、ISFETにおいては、センシング材料であるシリコン窒化膜の膜質の改善等で出力の増加が試みられているが、Nernstらにより導かれた理論上の限界を超えることは不可能である。焦電型赤外線検出素子においては、センシング材料である焦電体に効率よく赤外線を取り込むために、金ブラックと呼ばれるような特殊な電極を設けているが、赤外線を100%の効率で取り込んでしまえば、その効果も限界がある。
【0013】
したがって、FET型のセンサにおいては、センシング材料からの出力以上はゲート電極に加えることはできず、高感度化には限界がある。
【0014】
さらに、本願発明者の提案である特開平10−332423号公報に開示される発明がある。
【0015】
この先行技術は、物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を注入して、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換するようにしている。換言すれば、電荷を累積するために第2障壁層と電荷蓄積層が必要になる(これは拡散層ではなく電位の井戸層になっている)。これに基づいて、アレイデバイスを作るのに電荷転送手段としてCCDデバイスを用いている。このCCDデバイスの採用はアレイデバイスの作製上技術的に困難を伴うといった問題を有しており、MOSプロセスの導入が切望されている。
【0016】
本発明は、上記状況に鑑みて、従来の検出装置の高感度化の限界を凌駕する、更なる高感度化を図ることができる累積型化学・物理現象検出装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕累積型化学・物理現象検出装置において、センシング領域からの電圧出力を、酸化膜を介して半導体表面のポテンシャルの変化として入力させる手段と、このポテンシャルの変化を電荷に変換させ、この電荷を、あらかじめリセットされているフローティングディフュージョン領域に、複数回電荷転送を行う手段と、前記フローティングディフュージョン領域の電位変化をFETのゲートに入力して、このFETの電流変化に変換する手段とを具備することを特徴とする。
【0018】
〔2〕上記〔1〕記載の累積型化学・物理現象検出装置において、前記センシング領域の容量と前記フローティングディフュージョン領域の容量を変えて、前記フローティングディフュージョンの電位変化をコントロールする手段と、前記センシング領域の容量より前記フローティングディフュージョンの容量を小さくすることにより、前記フローティングディフュージョンの電位変化を大きくする手段とを具備することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【0020】
図1〜図5は本発明の第1実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の原理を示す図であり、図1はその状態1、図2はその状態2、図3はその状態3、図4はその状態4、図5はその状態5をそれぞれ示している。また、図6は本発明の累積型化学・物理現象検出装置の構成図、図7はその検出装置の一例のペーハの変換機構を示す部分拡大模式図である。
【0021】
図1〜図5において、1は電荷供給部、2は電荷注入調節部、3はセンシング部、4は障壁部、5はフローティングディフュージョン部(フローティングディフュージョン領域)、6はリセットゲート部、7はリセットドレイン部、8はすりきられた電荷である。
【0022】
また、図6において、11はp- 型半導体基板、12,13はn+ 型拡散層、14はセンシング部分、15,16はゲート金属電極、17はJFET、18は抵抗Rsである。
【0023】
さらに、図7において、21はp- 型半導体基板、22はシリコン酸化膜(SiO2 膜)、23は窒化シリコン膜(Si3 N4 膜)、24はサンプル(水溶液)、25はH+ (Hイオン)、26は参照電極である。
【0024】
これらの図において、センシング部3はイオン信号が入るような構造となっており、一般的にはMOS構造の金属電極の代わりにSi3 N4 膜23がSiO2 膜22上に堆積されており、その表面がイオン感応部として働く。さらに、水溶液24中には参照電極26が挿入され、水溶液24の電位は一定に保たれている。電荷供給部1、障壁部4、リセットゲート部6にはパルス電圧が印加され、その他のフローティングディフュージョン部5以外の電極には直流電圧が印加されている。電荷供給部1、フローティングディフュージョン部5とリセットドレイン部7は拡散層で作られており、その他の部分はMOS構造となっている。
【0025】
次に、その電圧値について説明する。
【0026】
図6に示すように、通常p- 型半導体基板11を用いたMOS構造においては、ゲート金属電極に+の電圧を加えることによって絶縁膜と半導体の界面からその電圧に応じて空乏層が広がる。この現象を用いて、図1〜図5に示すような半導体絶縁膜界面近傍での電位状態を作る。
【0027】
(1)状態1では、図1に示すような電位に設定されており、センシング部3に電荷は注入されていない。センシング部3はイオン量により電位が変化して、電荷注入調節部2の電位差が変化する。
【0028】
(2)状態2では、図2に示すように、電荷供給部1の電位を下げることによってセンシング部3に電荷を注入する。
【0029】
(3)状態3では、図3に示すように、電荷供給部1の電位を上げることによって、すりきられた電荷8がセンシング部3に残る。つまり、センシング部3の電位の変化が電荷量に変換できたことになる。
【0030】
(4)状態4では、図4に示すように、障壁部4の電位を上げることによって、センシング部3にあるすりきられた電荷8をフローティングディフュージョン部5に転送する。
【0031】
(5)状態5では、図5に示すように、センシング部3にあったすりきられた電荷8がすべてフローティングディフュージョン部5に転送されてから、障壁部4を閉じる。
【0032】
次に、再び状態2(図2)のように、電荷注入調節部2から電荷を注入してセンシング部3に電荷を蓄積し、状態3〜5(図3〜図5)を繰り返す。この転送回数を増やすことで、フローティングディフュージョン部5の電位の変化が大きくなる。つまり、センシング部3の電位変化をフローティングディフュージョン部5に蓄積して、この電位を別に設置したMOSトランジスタのゲート部に入力し、そのトランジスタのドレイン電流を測定する(図6を参照)。
【0033】
この構造で、フローティングディフュージョン部5の電位変化がISFETのゲート電位変化に相当し、トランジスタがISFETのトランジスタ部に相当する。
【0034】
フローティングディフュージョン部5の電位を読み取った後、リセットゲート部6をオンし、リセットドレイン部7の電位にリセットする。
【0035】
以上のように、電荷転送動作を複数回行うことでFETに入力されるセンシング出力を大きくすることはできるが、転送を行う時間分だけ時間的分解能は低下する。
【0036】
この原型で製作した、センサの平面図を図8に示す。
【0037】
図8において、31は入力ダイオード、32は入力ゲート、33はセンシング部(100μm×80μm)、34は出力ゲート、35はフローティング拡散層、36はリセット部、37は出力nMOS、38は出力端子である。
【0038】
また、図9に、5回、転送動作を行ったときの信号出力を1回の時と比較して示す。
【0039】
このような蓄積動作を行うことで、n回の転送を行うと、センシング出力の信号対雑音比は√n倍で上昇する。一般的に信号はn回転送されれば、信号量はn倍される。一方雑音は√n倍されるため、信号対雑音比は、√n倍上昇する。
【0040】
上記したように、本発明は、ISFETの検出部分にリセット及び出力ゲートを設け、センシング部のポテンシャル変化分の電荷を入力ダイオードより注入し、FDA(浮動拡散増幅器)を用いて出力する構造とする。
【0041】
そして、入力ダイオードからの電荷の注入を任意の回数行い、時間積分することにより、FETのゲート入力もその分増幅されることになる。積分回数をn回とすれば、信号はn倍、ノイズは√n倍になるため、S/N比は√n倍向上する。
【0042】
以上の構造をとることにより、出力増幅とS/N比の向上を図ることができ、化学・物理現象の検出装置が可能となる。
【0043】
また、第2実施例として、第1実施例のイオンセンシング部に、赤外光センシング材料を設ける場合を挙げることができる。例えば、赤外光線センシング材料としては、PZT薄板の両面に電極を設け、一方をセンシング部に配線などで電気的に接続し、片方を設置した構造である。
【0044】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0045】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0046】
(A)累積型化学・物理現象検出装置(FET型センサ)の高感度化を図ることができる。
【0047】
(B)入力ダイオードからの電荷の注入を任意の回数行い、時間積分することにより、FETのゲート入力もその分増幅されることになる。積分回数をn回とすれば、信号はn倍、ノイズは√n倍になるため、S/N比は√n倍に向上させることができる。
【0048】
以上の構造をとることにより、出力増幅とS/N比の向上を図ることができる、化学・物理現象の検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第1の状態を示す図である。
【図2】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第2の状態を示す図である。
【図3】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第3の状態を示す図である。
【図4】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第4の状態を示す図である。
【図5】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の第5の状態を示す図である。
【図6】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の構成図である。
【図7】本発明の累積型化学・物理現象検出装置の一例のペーハの変換機構を示す部分拡大模式図である。
【図8】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の平面図である。
【図9】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置の5回の転送動作を行ったときの信号出力を1回の転送動作時と比較した図である。
【図10】従来の焦電型赤外センサの原理図である。
【符号の説明】
1 電荷供給部
2 電荷注入調節部
3,33 センシング部
4 障壁部
5 フローティングディフュージョン部(フローティングディフュージョン領域)
6 リセットゲート部
7 リセットドレイン部
8 すりきられた電荷
11,21 p- 型半導体基板
12,13 n+ 型拡散層
14 センシング部分
15,16 ゲート金属電極
17 JFET
18 抵抗Rs
22 SiO2 膜
23 Si3 N4 膜
24 サンプル(水溶液)
25 H+ (Hイオン)
26 参照電極
31 入力ダイオード
32 入力ゲート
34 出力ゲート
35 フローティング拡散層
36 リセット部
37 出力nMOS
38 出力端子
Claims (2)
- センシング領域からの電圧出力を、酸化膜を介して半導体表面のポテンシャルの変化として入力させる手段と、該ポテンシャルの変化を電荷に変換させ、該電荷を、あらかじめリセットされているフローティングディフュージョン領域に、複数回電荷転送を行う手段と、前記フローティングディフュージョン領域の電位変化をFETのゲートに入力して、該FETの電流変化に変換する手段とを具備することを特徴とする累積型化学・物理現象検出装置。
- 請求項1記載の累積型化学・物理現象検出装置において、前記センシング領域の容量と前記フローティングディフュージョン領域の容量を変えて、前記フローティングディフュージョンの電位変化をコントロールする手段と、前記センシング領域の容量より前記フローティングディフュージョンの容量を小さくすることにより、前記フローティングディフュージョンの電位変化を大きくする手段とを具備することを特徴とする累積型化学・物理現象検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000293669A JP3623728B2 (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 累積型化学・物理現象検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000293669A JP3623728B2 (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 累積型化学・物理現象検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002098667A JP2002098667A (ja) | 2002-04-05 |
JP3623728B2 true JP3623728B2 (ja) | 2005-02-23 |
Family
ID=18776425
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000293669A Expired - Lifetime JP3623728B2 (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 累積型化学・物理現象検出装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3623728B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013008908A1 (ja) | 2011-07-14 | 2013-01-17 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 化学・物理現象検出方法及びその装置 |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003042683A1 (en) * | 2001-11-16 | 2003-05-22 | Bio-X Inc. | Fet type sensor, ion density detecting method comprising this sensor, and base sequence detecting method |
JP4678676B2 (ja) * | 2004-12-10 | 2011-04-27 | 株式会社堀場製作所 | 物理現象または化学現象の測定方法または測定装置 |
JP4171820B2 (ja) * | 2005-03-11 | 2008-10-29 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 累積型化学・物理現象検出装置 |
JP4641444B2 (ja) * | 2005-03-31 | 2011-03-02 | 株式会社堀場製作所 | 物理現象または化学現象に係るポテンシャル測定装置 |
JP5335415B2 (ja) * | 2006-03-20 | 2013-11-06 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 累積型化学・物理現象検出方法及びその装置 |
JP4852752B2 (ja) * | 2006-04-04 | 2012-01-11 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 化学・物理現象検出装置 |
JP5273742B2 (ja) | 2007-12-20 | 2013-08-28 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 複合検出装置 |
JP5077799B2 (ja) * | 2008-03-25 | 2012-11-21 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 化学・物理現象検出装置及びその制御方法 |
WO2010106800A1 (ja) * | 2009-03-18 | 2010-09-23 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 分光装置及びその制御方法 |
JP5773357B2 (ja) * | 2011-07-01 | 2015-09-02 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 化学・物理現象検出装置及び検出方法 |
DE102013220848A1 (de) | 2013-10-15 | 2015-04-16 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zum Betreiben eines chemisch sensitiven Feldeffekttransistors |
JP6228098B2 (ja) | 2014-10-20 | 2017-11-08 | シャープ株式会社 | 化学・物理現象検出装置及びその製造方法 |
EP3273233B8 (en) * | 2015-03-19 | 2022-08-03 | National University Corporation Toyohashi University Of Technology | Method for controlling a chemical/physical phenomenon detecting device |
JP6447925B2 (ja) | 2015-12-15 | 2019-01-09 | シャープ株式会社 | イオン濃度センサ |
WO2019225660A1 (ja) | 2018-05-25 | 2019-11-28 | 公立大学法人大阪 | 化学センサ |
-
2000
- 2000-09-27 JP JP2000293669A patent/JP3623728B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013008908A1 (ja) | 2011-07-14 | 2013-01-17 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 化学・物理現象検出方法及びその装置 |
JPWO2013008908A1 (ja) * | 2011-07-14 | 2015-02-23 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 化学・物理現象検出方法及びその装置 |
US9766202B2 (en) | 2011-07-14 | 2017-09-19 | National University Corporation Toyohashi University Of Technology | Method for detecting chemical and physical phenomenon, and device therefor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002098667A (ja) | 2002-04-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3623728B2 (ja) | 累積型化学・物理現象検出装置 | |
JP4231560B2 (ja) | 化学量の分布の電気化学的測定方法および装置 | |
JP4183789B2 (ja) | 物理現象および/または化学現象の検出装置 | |
US4429413A (en) | Fingerprint sensor | |
TWI465716B (zh) | 用於檢測及測量化學反應及化合物之電晶體電路 | |
US10378961B2 (en) | Thermal pattern sensor | |
EP1343111A2 (en) | Electrostatic capacitance detection device | |
TW201224478A (en) | Methods and apparatus for testing ISFET arrays | |
EP1041356A1 (en) | Uneveness detecting sensor, fingerprint ID system and personal ID system | |
TW201225304A (en) | Chemically sensitive sensor with lightly doped drains | |
Matsuo et al. | Charge Transfer Type pH Sensor with Super High Sensitivity | |
US10031101B2 (en) | Chemical/physical phenomenon detecting device and method of producing the same | |
JPH0518265B2 (ja) | ||
JPH0561966A (ja) | 指紋センサ | |
Nakazawa et al. | High-sensitivity charge-transfer-type pH sensor with quasi-signal removal structure | |
JPH033391B2 (ja) | ||
JP2001512836A (ja) | 非常に小さな容量を求めるための方法およびこれにより構想されたセンサ | |
JP2937192B1 (ja) | Ccdイメージセンサ | |
JP4308374B2 (ja) | 化学量の二次元分布測定装置 | |
EP4084468A1 (en) | An active thin-film charge sensor element | |
JP2982360B2 (ja) | 静電界検出素子および静電界測定装置 | |
Luo et al. | Improved pH Sensing Performance with Microarray ISFETs under Pulse AC Bias | |
EP4191870A1 (en) | Sensor weak signal reading circuit | |
Shah et al. | Special Session: Calibrating mismatch in an ISFET with a Floating-Gate | |
JPH083476B2 (ja) | Fet型センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20031210 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040409 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040420 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040528 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040817 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040927 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041124 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041125 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |