JP4133028B2 - 融合型化学・物理現象検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理化学現象の検出を行う検出装置の分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願発明者らが先に提案した特許出願（特願２０００−２９３６６９、特願２００１−１８９０４、特願２００１−１８９０５）においては、検出できる情報は１種類のみであり、複種類の物理化学現象を検出することはできなかった。特に光情報を検出することは不可能であった。
【０００３】
従来の化学ポテンシャルセンサは、１種類の物理化学現象を測定するために考えられたものであり、１つのセンシング領域で、複種類の物理化学現象を測定することはできなかった。
【０００４】
しかしながら、様々な現象を計測するためには複種類の現象を同時に計測することが必要になる。たとえば、ＤＮＡチップにおいては、計測対象のＤＮＡが相補的にＤＮＡチップ上でプローブＤＮＡと反応を起こすと化学ポテンシャルが変化するため、これを計測することができ、同時に計測対象のＤＮＡに蛍光ラベルをハイブリダイゼーションしておくことで、蛍光が観察できる。
【０００５】
従来はこのような化学ポテンシャル情報と光情報のうち、片方しか利用していなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明者らはＤＮＡなどの生化学計測の場合、ＣＣＤデバイスを用いて検出感度を遙かに上げることにより、同一場所の複数の情報を同時に取得することができると考えた。
【０００７】
また、第１８回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（平成１３年５月３０日：論文集発行日：５月２９日）において、光信号とイオン信号を同時に取得できる構造を発表した。これはセンシングした光信号強度により発生した電荷、およびｐＨの値に相当する電荷を、ＣＣＤ（電荷転送デバイス）により取り出す構造となっていた。
【０００８】
図９は従来の融合型化学・物理現象検出装置の模式図である。
【０００９】
図９において、４０１はセンシング部、４０２はイオン電荷注入部、４０３は光信号とイオン信号の分離を行う第１のセパレートゲート、４０４は光電荷蓄積部、４０５は遮光用アルミ部、４０６はＣＣＤからなる光電荷出力部、４０７は光信号とイオン信号の分離を行う第２のセパレートゲート、４０８はＣＣＤからなる化学ポテンシャル情報電荷蓄積部及びその出力部である。
【００１０】
ここでは、光で発生した電荷をＣＣＤからなる光電荷出力部４０６に運び、電荷を電圧に変換して出力するものである。一方、化学ポテンシャル情報は、ＣＣＤからなる化学ポテンシャル情報電荷蓄積部及びその出力部４０８に運び、出力するようにしている。つまり、光とイオンの測定を同時に行うことが出来るようにしている。
【００１１】
しかし、ＣＣＤで単体センサ、１次元、２次元のアレイデバイスを製作することは、技術上多くのノウハウを必要とするため、様々な半導体製造メーカでの製作は技術的に困難であり、ＣＣＤデバイスを製作するには製作コスト、製造装置など大きな投資を必要としていた。
【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みて、ＣＭＯＳ製造プロセスを用いて、安価に、しかも容易に製作ができる融合型化学・物理現象検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【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〕同一センシング領域に入ってくる、光情報と化学ポテンシャル情報を同時に取得して、前記光情報と化学ポテンシャル情報をその素子内で分離し、外部にそれぞれ出力する融合型化学・物理現象検出装置において、
同一センシング領域を有するセンシング部（１０１）と、このセンシング部（１０１）の一方側に配置されるセパレートゲート（１０２）と、このセパレートゲート（１０２）に接続される光電荷蓄積部（１０３）と、この光電荷蓄積部（１０３）に接続される第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）及び第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（１０５）と、前記センシング部（１０１）のもう一方側に配置されるトランスファーゲート（１０６）と、このトランスファーゲート（１０６）に接続される化学ポテンシャル情報電荷蓄積部（１０７）と、この化学ポテンシャル情報電荷蓄積部（１０７）に接続される第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）及び第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（１０９）とを備え、前記光情報は光量であり、この光量を電荷に変換し前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）のゲートを介して光電荷蓄積用拡散部となるドレイン領域に出力し、前記化学ポテンシャル情報は水素イオン量であり、この水素イオン量を前記第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）のゲートを介して水素イオン量蓄積用拡散部となるドレイン領域に出力し、前記同一センシング領域に入ってきた光量と水素イオン量を前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）と第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）に読み出して同時に出力することを特徴とする。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記第１及び第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）のゲートを介した出力操作を複数回行い、光量及び水素イオン量の電荷をそれぞれのドレイン領域に累積する手段を具備することを特徴とする。
【００１５】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記光量と水素イオン量の出力を第１及び第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）のゲートに入力して、このＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）の電流変化に変換する手段を具備することを特徴とする。
【００１６】
〔４〕上記〔３〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）および第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）に流れる電流の変化を電圧値で出力するソースフォロア回路を具備することを特徴とする。
【００１７】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の融合型化学・物理現象検出装置であって、前記融合型化学・物理現象検出装置の発生するリセット雑音を除去する回路を具備することを特徴とする。
【００１８】
〔６〕上記〔３〕、〔４〕又は〔５〕記載の融合型化学・物理現象検出装置であって、前記融合型化学・物理現象検出装置を複数個、少なくとも１次元以上に並べたことを特徴とする。
【００１９】
〔７〕上記〔６〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記リセット雑音を除去する回路は各検出装置毎に１個、または列に１個取り付けるようにしたことを特徴とする。
【００２０】
〔８〕上記〔６〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記融合型化学・物理現象検出装置の出力を、前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）および第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）で時間的に切り替えて、出力することを特徴とする。
【００２１】
〔９〕上記〔８〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記融合型化学・物理現象検出装置の切り替え用のＭＯＳＦＥＴの駆動回路が内蔵されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示す融合型化学・物理現象検出装置の構成図である。
【００２４】
この図において、１００は電荷注入部（ＩＤ）、１０１は光情報と化学ポテンシャル情報のセンシングを行うセンシング部、１０２はそのセンシング部１０１に接続される光信号とイオン信号の分離を行うセパレートゲート、１０３は光電荷を蓄える光電荷蓄積部、１０４は第１の出力用ＭＯＳＦＥＴであり、この第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲートに光電荷蓄積部１０３が接続され、ソース領域に電源ＶＤＤが、ドレイン領域に出力Ｖｏｕｔ１がそれぞれ接続されている。また、光電荷蓄積部１０３には第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０５が接続され、そのゲートにリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００２５】
また、センシング部１０１にはトランスファーゲート１０６が接続され、このトランスファーゲート１０６に化学ポテンシャル情報を蓄積する化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７が接続され、さらに、その化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７は第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ１０８に接続されている。この第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ１０８には、上述のようにゲートに化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７が接続され、ソース領域に電源ＶＤＤが、ドレイン領域に出力Ｖｏｕｔ２がそれぞれ接続されている。
【００２６】
更に、化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７には第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０９が接続され、この第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０９のゲートにリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００２７】
ここでセンシング部１０１は光を透過し、かつ化学ポテンシャルを半導体表面のポテンシャル変化に変換できるように、たとえばシリコン基板上に酸化膜を堆積させ、その上に感応膜である窒化膜を堆積させたＩＳＭＯＳ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ／Ｏｘｉｄｅ／Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造になっている。また、光電荷蓄積部１０３、及び化学ポテンシャル情報蓄積部１０７は、電子を蓄えるためにリンをドープしたｎ+ 拡散層になっており、電気的に浮いたフローティング状態にしてある。
【００２８】
まず、第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０５、第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０９のそれぞれのゲートにリセット信号Ｖｒｓｔがパルス的に印加されることにより、それぞれの蓄積部１０３，１０７は、ある電位にリセットされる。
【００２９】
次に、セパレートゲート１０２を開け、その状態で光がセンシング部１０１に入ることにより、光によって発生した電子である光電子が光電荷蓄積部１０３に蓄えられる。
【００３０】
また、化学ポテンシャルの変化により、センシング部１０１のシリコン表面にはポテンシャル井戸が形成される。そこで、セパレートゲート１０２を閉じ、その状態でこのポテンシャル井戸分の電子をインプットダイオード（ＩＤ）より注入することで、イオンによるポテンシャル変化分を電子量に置き換える。そして、トランスファーゲート１０６を開けて、置き換えた電子量を化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７に蓄える。それぞれの蓄積部１０３，１０７の電位変化量により、第１の出力用ＭＯＳＦＥＴおよび第２の出力用ＭＯＳＦＥＴに流れる電流の変化に変換され、その電流の変化はソースフォロアと呼ばれる回路で電圧値として出力される。
【００３１】
図２は実際にその融合型化学・物理現象検出装置を作製した図である。
【００３２】
このように、光電荷蓄積部１０３及び化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７からの出力部をＭＯＳＦＥＴで構成するようにしたので、ＣＣＤで構成する場合に比べて、以下のような利点を有する。
【００３３】
ここで、ＭＯＳＦＥＴとＣＣＤの違いを述べると、ＭＯＳＦＥＴは横方向から拡散層・ゲート・拡散層の順に構成される構造であるため、以下のセルフアラインのＭＯＳプロセスで汎用的に作ることが出来る（このプロセスのために必ずゲートの両側は拡散層である）。
【００３４】
基本的なＭＯＳプロセスは
１．アクティブ領域形成
２．ゲート酸化、ゲートポリシリコン形成
３．ソースドレインイオン注入
４．パッシベーション・コンタクト
５．配線形成
である。
【００３５】
一方、ＣＣＤプロセスは
１．アクティブ領域形成
２．第１ゲート領域酸化、第１層目ポリシリコン形成
３．ポリシリコンイオン注入
４．ポリシリコン酸化
５．第２ゲート領域酸化、第２層目ポリシリコン形成
６．拡散領域形成
７．パッシベーション
８．配線形成
の工程が必要である。
【００３６】
また、一般的なＭＯＳＦＥＴプロセスはマスク枚数が１０枚前後だが、ゲートとゲートの間に拡散層を設けることができないＣＣＤプロセスには２０枚程度のマスクが必要である。
【００３７】
以上のように、ＣＣＤプロセスでデバイスを作るには相当のリスクとノウハウが必要だが、その点ＣＭＯＳは容易に製造することができる。
【００３８】
さらに、ＣＣＤプロセスで製作したものは、メモリ、マイクロプロセッサとは同じチップ上に作ることができないが、ＣＭＯＳはメモリ、マイクロプロセッサが作られているプロセスであるので、ＣＭＯＳプロセスでセンサが製造できることは、今後、他の電子デバイスと融合するときに大きなメリットとなる。
【００３９】
次に、本発明による融合型化学・物理現象検出装置を用いて、化学ポテンシャルおよび光量を同時に測定した結果を示す。実験では、化学ポテンシャル信号として、水素イオン量（ｐＨ値）を用いて測定した。
【００４０】
図３は本発明の融合型化学・物理現象検出装置による光出力特性図であり、横軸に入力光強度（μＷ／ｃｍ2 ）、縦軸に光出力（Ｖ）を示している。
【００４１】
この図から明らかなように、光出力端子では、化学ポテンシャル〔この場合、水素イオン量（ｐＨ値）〕に依存せずに、光量が正確に測定できることを示している。
【００４２】
図４は本発明の融合型化学・物理現象検出装置による化学ポテンシャル出力特性図であり、横軸に水素イオン量（ｐＨ）、縦軸にイオンＨ出力（Ｖ）を示している。
【００４３】
その結果、化学ポテンシャル出力側においての信号特性（この場合ｐＨ値依存性）は、光強度に依存せず、正確に化学ポテンシャルの変化を得ることができることを示している。
【００４４】
次に、上記した本発明の融合型化学・物理現象検出装置を２次元に並べて構成したアレイデバイスの構成例を示す。
【００４５】
図５は本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の全体構成図である。
【００４６】
この図において、２０１は融合型化学・物理現象検出装置アレイ、２０２は雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）、２０３は水平選択器（Ｈ．ＳＣＡＮＮＥＲ）、２０４は垂直選択器（Ｖ．ＳＣＡＮＮＥＲ）、Ｖｓｅｌはセレクト信号、Ｖｓｉｇ１は光信号出力、Ｖｓｉｇ２は化学ポテンシャル信号出力、Ｖｒｅｓはリセット出力信号、ＶｂＮ，ＶｂＰは低電流駆動用バイアス電圧である。
【００４７】
上記した本発明の融合型化学・物理現象検出装置アレイ（以下、融合型センサアレイという）２０１の各センサは、ＭＯＳスイッチによりマトリックス駆動が可能になるように構成されており、さらにその駆動回路（水平選択器２０３，垂直選択器２０４）もＣＭＯＳ構成して内蔵するようにしている。
【００４８】
さらに、読み出し動作の時に生じるリセット雑音や固定パターン雑音を除去することが可能な雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２（詳細には図８で詳述する）を各列に１個配置している。
【００４９】
図６は本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置のＣＭＯＳで設計した全体レイアウトを示す図である。
【００５０】
融合型センサアレイ２０１の１つのセンサ部の構成は図７に示した。その要素を縦、横に並べ、信号を順次得るために、水平選択器２０３、垂直選択器２０４が付加されている。雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２は従来技術の１要素であるリセット雑音除去回路を、列状に並べたものであり、１つのセンサ部に１つ付加してもかまわない。
【００５１】
この実施例では、雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２を１列に１個入れたときの例を示す。出力は、リセット出力信号Ｖｒｅｓと光信号出力Ｖｓｉｇ１または化学ポテンシャル信号出力Ｖｓｉｇ２との差をとることで得ることができる。
【００５２】
単一融合型化学・物理現象検出装置の時と異なるところは、垂直選択器２０４により融合型センサアレイ２０１を順次駆動するために、セレクト信号Ｖｓｅｌによりセンサ部を選択して出力を得るような構成になっている点である。つまり、セレクト信号Ｖｓｅｌの信号が入ると、光および化学ポテンシャルの情報が同時に、雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２に送られ出力される。列の切り替えは雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２により行う。
【００５３】
次に、２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の構成を詳細に説明する。
【００５４】
図７は本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素の構成図である。
【００５５】
この図において、３００は電荷注入部（ＩＤ）、３０１は光情報と化学ポテンシャル情報のセンシングを行うセンシング部、３０２はそのセンシング部３０１に接続される光信号とイオン信号の分離を行うセパレートゲート、３０３は光電荷を蓄える光電荷蓄積部、３０４は第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（Ｖｏｕｔ１）であり、この第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０４のゲートに光電荷蓄積部３０３が接続され、この第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０４の電源ＶＤＤ側には第１のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｓｅｌ１）３０５が接続されている。その第１のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ３０５のゲートにはセレクト信号（垂直選択信号）Ｖｓｅｌ１が印加可能になっている。
【００５６】
また、光電荷蓄積部３０３には第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｒｓｔ１）３０６が接続され、その第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ３０６のゲートにはリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００５７】
更に、センシング部３０１にはトランスファーゲート３０７が接続され、このトランスファーゲート３０７に化学ポテンシャル情報を蓄積する化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８が接続され、さらにその化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８には第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０９（Ｖｏｕｔ２）が接続されている。この第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０９のゲートは、上述のように、化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８が接続され、その第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０９の電源ＶＤＤ側には、第２のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｓｅｌ２）３１０が接続されている。その第２のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ３１０のゲートにはセレクト信号（垂直選択信号）Ｖｓｅｌ２が印加可能になっている。
【００５８】
また、化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８には第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｒｓｔ２）３１１が接続され、その第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ３１１のゲートにはリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００５９】
次に、この２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素に接続されるコラムＣＤＳ回路（列並列雑音除去回路）の詳細な説明を行う。
【００６０】
図８はかかるコラムＣＤＳ回路（列並列雑音除去回路）の構成図である。
【００６１】
この図において、Ａは２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素（図６参照）、ＶｂＮ，ＶｂＰは低電流駆動用バイアス電圧である。出力Ｖｏｕｔは前述の単一融合型物理現象検出装置の構成と一致する。なお、融合型化学・物理現象検出装置にはＶｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の２つの出力が存在するので列並列雑音除去回路を２つ用意しておく。
【００６２】
Ｃｒｓｔはリセットレベル記憶用容量、Ｃｓｉｇは信号レベル記憶用容量、Ｖｒｓｔはリセット信号、Ｖｓｉｇは信号の出力、ＲＨ（ｉ）はｉ番目の容量リセット信号、ＳＨ（ｉ）はｉ番目のセンサ出力信号である。
【００６３】
以下、列並列雑音除去回路の動作の説明を行う。
【００６４】
（１）雑音除去回路２０２に信号を導く前にＲＨ（ｉ）をＯＮして、両容量Ｃｒｓｔ及びＣｓｉｇの電位をそろえ、その後、ＲＨ（ｉ）をＯＦＦする。
【００６５】
（２）融合型検出装置の第１、及び第２リセットトランジスタ３０６および３１１により、光電荷蓄積部３０３、および化学ポテンシャル蓄積部３０８をリセットした直後に、φＲをＯＮしてリセットレベル記憶用容量Ｃｒｓｔに記憶し、その後、φＲをＯＦＦする。
【００６６】
（３）融合型検出装置の光電荷蓄積部３０３、および化学ポテンシャル蓄積部３０８にそれぞれの信号を複数回信号を蓄積した後の信号を、φＳをＯＮして信号レベル記憶用容量Ｃｓｉｇに記憶させて、その後φＳをＯＦＦする。
【００６７】
（４）次いで、ＳＨ（ｉ）をＯＮにして、両容量Ｃｒｓｔ及びＣｓｉｇからの信号を出力させる。
【００６８】
（５）この両者の差分の信号を差動増幅器などで読みとることでリセットの雑音を除去した信号が得られる。
【００６９】
（６）次に、上記（１）から（５）番目の動作をＲＨ（ｉ＋１）の端子に与えて順次駆動する。
【００７０】
本発明によれば、次のような応用が考えられる。
【００７１】
（実施例１）ダイオキシン濃度測定チップ
ダイオキシンの濃度を測定するために、本発明の検出装置のセンシング領域上に抗体としてアンチダイオキシンを固定化しておく。その固定化された量に対応して、センシング領域の化学電位情報が変化して、検出装置からの出力が得られる。この出力によりセンシング領域上に固定化された抗体の数が把握できる。
【００７２】
次に、ＨＲＰなどで発光ラベルを施した検体を、アンチダイオキシンが固定化されているセンシング領域に触れさせて抗原抗体反応を起こさせる。その後検出装置表面をバッファ液で置換してルミノールを入れると、検体にダイオキシンが存在する場合、発光現象が確認され、その発光輝度が検体中のダイオキシン濃度に対応する。ただし、あらかじめセンシング領域に固定化されている抗体の量が変化すると、発光輝度ももちろん変化する。固定化した抗体の量で発光輝度を規格化することにより、輝度の変化がダイオキシンの濃度で変化したものか、固定化された抗体の量で変化したものかが判別でき、信頼性の高いダイオキシン濃度検出チップが製作できる。
【００７３】
また、発光ラベルの代わりに、蛍光ラベルを施した検体を用いてもよい。その場合には、センシング領域を蛍光の波長のみを透過させるような光学的フィルタ、もしくは蛍光の波長のみに感じるような光検出部にする。
【００７４】
（実施例２）癌領域観察用イメージセンサ
本発明のアレイ化した検出装置のセンシング領域にビメンチンの抗体を固定化しておく。癌化した細胞表面にはビメンチンが現れることがあらかじめ分かっているため、本発明のセンサアレイを癌細胞に接触させることで、抗原抗体反応が起こり、化学的な電位が変化する。さらに光センサアレイにより、２次元の光情報、つまり画像が得られる。
【００７５】
たとえば、この検出装置を内視鏡カメラのイメージセンサの代わりに用いることで、癌化した領域を可視化することができ、さらにその領域と一般的な画像の領域を対応付けすることができる。これを用いると癌化した領域のみを摘出できるなど、その効果は著大である。
【００７６】
（実施例３）ＤＮＡ試料の測定装置
本発明の融合型化学・物理現象検出装置をＤＮＡチップとすると、計測対象のＤＮＡがＤＮＡチップ上で相補的にプローブＤＮＡと反応を起こすと、化学ポテンシャルが変化するため、これを測定することができる。また、計測対象のＤＮＡに蛍光ラベルをハイブリダイゼーションしておくことで、蛍光が観察できる。
【００７７】
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、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７８】
【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。
【００７９】
（Ａ）同一場所の複種類の物理・化学現象を同時に取得し、高感度な計測が可能になる。さらにアレイ化することにより、その分布を同時に取得可能である。
【００８０】
（Ｂ）さらに、ダイオキシン濃度測定チップ、癌領域観察用イメージセンサやＤＮＡ試料の測定装置としての適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す融合型化学・物理現象検出装置の構成図である。
【図２】 本発明の実施例を示す実際に作製された融合型化学・物理現象検出装置を示す図である。
【図３】 本発明の融合型化学・物理現象検出装置による光出力特性図である。
【図４】 本発明の融合型化学・物理現象検出装置による化学ポテンシャル出力特性図である。
【図５】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の全体構成図である。
【図６】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の全体のＣＭＯＳで設計した全体のレイアウトを示す図である。
【図７】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素の構成図である。
【図８】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置のコラムＣＤＳ回路の構成図である。
【図９】 従来の融合型化学・物理現象検出装置の模式図である。
【符号の説明】
１００，３００ 電荷注入部（ＩＤ）
１０１，３０１ センシング部
１０２，３０２ セパレートゲート
１０３，３０３ 光電荷蓄積部
１０４，３０４ 第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ
１０５，３０６ 第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ
１０６，３０７ トランスファーゲート
１０７，３０８ 化学ポテンシャル情報電荷蓄積部
１０８，３０９ 第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ
１０９，３１１ 第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ
Ｖｒｅｓ リセット出力信号
ＶｂＮ，ＶｂＰ 低電流駆動用バイアス電圧
２０１ 融合型化学・物理現象検出装置アレイ（アレイ融合型センサ）
２０２ 雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）
２０３ 水平選択器（Ｈ．ＳＣＡＮＮＥＲ）
２０４ 垂直選択器（Ｖ．ＳＣＡＮＮＥＲ）
Ｖｓｅｌ，Ｖｓｅｌ１，Ｖｓｅｌ２ セレクト信号
Ｖｓｉｇ１ 光信号出力
Ｖｓｉｇ２ 化学ポテンシャル信号出力
ＶＤＤ 電源
３０５ 第１のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ
３１０ 第２のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ
Ｃｒｓｔ リセットレベル記憶用容量
Ｃｓｉｇ 信号レベル記憶用容量
Ｖｒｓｔ リセット信号
Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２ 出力
Ａ ２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素
Ｖｓｉｇ 信号の出力
ＲＨ（ｉ） ｉ番目の容量リセット信号
ＳＨ（ｉ） ｉ番目のセンサ出力信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理化学現象の検出を行う検出装置の分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願発明者らが先に提案した特許出願（特願２０００−２９３６６９、特願２００１−１８９０４、特願２００１−１８９０５）においては、検出できる情報は１種類のみであり、複種類の物理化学現象を検出することはできなかった。特に光情報を検出することは不可能であった。
【０００３】
従来の化学ポテンシャルセンサは、１種類の物理化学現象を測定するために考えられたものであり、１つのセンシング領域で、複種類の物理化学現象を測定することはできなかった。
【０００４】
しかしながら、様々な現象を計測するためには複種類の現象を同時に計測することが必要になる。たとえば、ＤＮＡチップにおいては、計測対象のＤＮＡが相補的にＤＮＡチップ上でプローブＤＮＡと反応を起こすと化学ポテンシャルが変化するため、これを計測することができ、同時に計測対象のＤＮＡに蛍光ラベルをハイブリダイゼーションしておくことで、蛍光が観察できる。
【０００５】
従来はこのような化学ポテンシャル情報と光情報のうち、片方しか利用していなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明者らはＤＮＡなどの生化学計測の場合、ＣＣＤデバイスを用いて検出感度を遙かに上げることにより、同一場所の複数の情報を同時に取得することができると考えた。
【０００７】
また、第１８回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（平成１３年５月３０日：論文集発行日：５月２９日）において、光信号とイオン信号を同時に取得できる構造を発表した。これはセンシングした光信号強度により発生した電荷、およびｐＨの値に相当する電荷を、ＣＣＤ（電荷転送デバイス）により取り出す構造となっていた。
【０００８】
図９は従来の融合型化学・物理現象検出装置の模式図である。
【０００９】
図９において、４０１はセンシング部、４０２はイオン電荷注入部、４０３は光信号とイオン信号の分離を行う第１のセパレートゲート、４０４は光電荷蓄積部、４０５は遮光用アルミ部、４０６はＣＣＤからなる光電荷出力部、４０７は光信号とイオン信号の分離を行う第２のセパレートゲート、４０８はＣＣＤからなる化学ポテンシャル情報電荷蓄積部及びその出力部である。
【００１０】
ここでは、光で発生した電荷をＣＣＤからなる光電荷出力部４０６に運び、電荷を電圧に変換して出力するものである。一方、化学ポテンシャル情報は、ＣＣＤからなる化学ポテンシャル情報電荷蓄積部及びその出力部４０８に運び、出力するようにしている。つまり、光とイオンの測定を同時に行うことが出来るようにしている。
【００１１】
しかし、ＣＣＤで単体センサ、１次元、２次元のアレイデバイスを製作することは、技術上多くのノウハウを必要とするため、様々な半導体製造メーカでの製作は技術的に困難であり、ＣＣＤデバイスを製作するには製作コスト、製造装置など大きな投資を必要としていた。
【００１２】
本発明は、上記状況に鑑みて、ＣＭＯＳ製造プロセスを用いて、安価に、しかも容易に製作ができる融合型化学・物理現象検出装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【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〕同一センシング領域に入ってくる、光情報と化学ポテンシャル情報を同時に取得して、前記光情報と化学ポテンシャル情報をその素子内で分離し、外部にそれぞれ出力する融合型化学・物理現象検出装置において、
同一センシング領域を有するセンシング部（１０１）と、このセンシング部（１０１）の一方側に配置されるセパレートゲート（１０２）と、このセパレートゲート（１０２）に接続される光電荷蓄積部（１０３）と、この光電荷蓄積部（１０３）に接続される第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）及び第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（１０５）と、前記センシング部（１０１）のもう一方側に配置されるトランスファーゲート（１０６）と、このトランスファーゲート（１０６）に接続される化学ポテンシャル情報電荷蓄積部（１０７）と、この化学ポテンシャル情報電荷蓄積部（１０７）に接続される第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）及び第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（１０９）とを備え、前記光情報は光量であり、この光量を電荷に変換し前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）のゲートを介して光電荷蓄積用拡散部となるドレイン領域に出力し、前記化学ポテンシャル情報は水素イオン量であり、この水素イオン量を前記第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）のゲートを介して水素イオン量蓄積用拡散部となるドレイン領域に出力し、前記同一センシング領域に入ってきた光量と水素イオン量を前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）と第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）に読み出して同時に出力することを特徴とする。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記第１及び第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）のゲートを介した出力操作を複数回行い、光量及び水素イオン量の電荷をそれぞれのドレイン領域に累積する手段を具備することを特徴とする。
【００１５】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記光量と水素イオン量の出力を第１及び第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）のゲートに入力して、このＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）の電流変化に変換する手段を具備することを特徴とする。
【００１６】
〔４〕上記〔３〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）および第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）に流れる電流の変化を電圧値で出力するソースフォロア回路を具備することを特徴とする。
【００１７】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の融合型化学・物理現象検出装置であって、前記融合型化学・物理現象検出装置の発生するリセット雑音を除去する回路を具備することを特徴とする。
【００１８】
〔６〕上記〔３〕、〔４〕又は〔５〕記載の融合型化学・物理現象検出装置であって、前記融合型化学・物理現象検出装置を複数個、少なくとも１次元以上に並べたことを特徴とする。
【００１９】
〔７〕上記〔６〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記リセット雑音を除去する回路は各検出装置毎に１個、または列に１個取り付けるようにしたことを特徴とする。
【００２０】
〔８〕上記〔６〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記融合型化学・物理現象検出装置の出力を、前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）および第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）で時間的に切り替えて、出力することを特徴とする。
【００２１】
〔９〕上記〔８〕記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記融合型化学・物理現象検出装置の切り替え用のＭＯＳＦＥＴの駆動回路が内蔵されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施例を示す融合型化学・物理現象検出装置の構成図である。
【００２４】
この図において、１００は電荷注入部（ＩＤ）、１０１は光情報と化学ポテンシャル情報のセンシングを行うセンシング部、１０２はそのセンシング部１０１に接続される光信号とイオン信号の分離を行うセパレートゲート、１０３は光電荷を蓄える光電荷蓄積部、１０４は第１の出力用ＭＯＳＦＥＴであり、この第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲートに光電荷蓄積部１０３が接続され、ソース領域に電源ＶＤＤが、ドレイン領域に出力Ｖｏｕｔ１がそれぞれ接続されている。また、光電荷蓄積部１０３には第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０５が接続され、そのゲートにリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００２５】
また、センシング部１０１にはトランスファーゲート１０６が接続され、このトランスファーゲート１０６に化学ポテンシャル情報を蓄積する化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７が接続され、さらに、その化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７は第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ１０８に接続されている。この第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ１０８には、上述のようにゲートに化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７が接続され、ソース領域に電源ＶＤＤが、ドレイン領域に出力Ｖｏｕｔ２がそれぞれ接続されている。
【００２６】
更に、化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７には第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０９が接続され、この第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０９のゲートにリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００２７】
ここでセンシング部１０１は光を透過し、かつ化学ポテンシャルを半導体表面のポテンシャル変化に変換できるように、たとえばシリコン基板上に酸化膜を堆積させ、その上に感応膜である窒化膜を堆積させたＩＳＭＯＳ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ／Ｏｘｉｄｅ／Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造になっている。また、光電荷蓄積部１０３、及び化学ポテンシャル情報蓄積部１０７は、電子を蓄えるためにリンをドープしたｎ+ 拡散層になっており、電気的に浮いたフローティング状態にしてある。
【００２８】
まず、第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０５、第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ１０９のそれぞれのゲートにリセット信号Ｖｒｓｔがパルス的に印加されることにより、それぞれの蓄積部１０３，１０７は、ある電位にリセットされる。
【００２９】
次に、セパレートゲート１０２を開け、その状態で光がセンシング部１０１に入ることにより、光によって発生した電子である光電子が光電荷蓄積部１０３に蓄えられる。
【００３０】
また、化学ポテンシャルの変化により、センシング部１０１のシリコン表面にはポテンシャル井戸が形成される。そこで、セパレートゲート１０２を閉じ、その状態でこのポテンシャル井戸分の電子をインプットダイオード（ＩＤ）より注入することで、イオンによるポテンシャル変化分を電子量に置き換える。そして、トランスファーゲート１０６を開けて、置き換えた電子量を化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７に蓄える。それぞれの蓄積部１０３，１０７の電位変化量により、第１の出力用ＭＯＳＦＥＴおよび第２の出力用ＭＯＳＦＥＴに流れる電流の変化に変換され、その電流の変化はソースフォロアと呼ばれる回路で電圧値として出力される。
【００３１】
図２は実際にその融合型化学・物理現象検出装置を作製した図である。
【００３２】
このように、光電荷蓄積部１０３及び化学ポテンシャル情報電荷蓄積部１０７からの出力部をＭＯＳＦＥＴで構成するようにしたので、ＣＣＤで構成する場合に比べて、以下のような利点を有する。
【００３３】
ここで、ＭＯＳＦＥＴとＣＣＤの違いを述べると、ＭＯＳＦＥＴは横方向から拡散層・ゲート・拡散層の順に構成される構造であるため、以下のセルフアラインのＭＯＳプロセスで汎用的に作ることが出来る（このプロセスのために必ずゲートの両側は拡散層である）。
【００３４】
基本的なＭＯＳプロセスは
１．アクティブ領域形成
２．ゲート酸化、ゲートポリシリコン形成
３．ソースドレインイオン注入
４．パッシベーション・コンタクト
５．配線形成
である。
【００３５】
一方、ＣＣＤプロセスは
１．アクティブ領域形成
２．第１ゲート領域酸化、第１層目ポリシリコン形成
３．ポリシリコンイオン注入
４．ポリシリコン酸化
５．第２ゲート領域酸化、第２層目ポリシリコン形成
６．拡散領域形成
７．パッシベーション
８．配線形成
の工程が必要である。
【００３６】
また、一般的なＭＯＳＦＥＴプロセスはマスク枚数が１０枚前後だが、ゲートとゲートの間に拡散層を設けることができないＣＣＤプロセスには２０枚程度のマスクが必要である。
【００３７】
以上のように、ＣＣＤプロセスでデバイスを作るには相当のリスクとノウハウが必要だが、その点ＣＭＯＳは容易に製造することができる。
【００３８】
さらに、ＣＣＤプロセスで製作したものは、メモリ、マイクロプロセッサとは同じチップ上に作ることができないが、ＣＭＯＳはメモリ、マイクロプロセッサが作られているプロセスであるので、ＣＭＯＳプロセスでセンサが製造できることは、今後、他の電子デバイスと融合するときに大きなメリットとなる。
【００３９】
次に、本発明による融合型化学・物理現象検出装置を用いて、化学ポテンシャルおよび光量を同時に測定した結果を示す。実験では、化学ポテンシャル信号として、水素イオン量（ｐＨ値）を用いて測定した。
【００４０】
図３は本発明の融合型化学・物理現象検出装置による光出力特性図であり、横軸に入力光強度（μＷ／ｃｍ2 ）、縦軸に光出力（Ｖ）を示している。
【００４１】
この図から明らかなように、光出力端子では、化学ポテンシャル〔この場合、水素イオン量（ｐＨ値）〕に依存せずに、光量が正確に測定できることを示している。
【００４２】
図４は本発明の融合型化学・物理現象検出装置による化学ポテンシャル出力特性図であり、横軸に水素イオン量（ｐＨ）、縦軸にイオンＨ出力（Ｖ）を示している。
【００４３】
その結果、化学ポテンシャル出力側においての信号特性（この場合ｐＨ値依存性）は、光強度に依存せず、正確に化学ポテンシャルの変化を得ることができることを示している。
【００４４】
次に、上記した本発明の融合型化学・物理現象検出装置を２次元に並べて構成したアレイデバイスの構成例を示す。
【００４５】
図５は本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の全体構成図である。
【００４６】
この図において、２０１は融合型化学・物理現象検出装置アレイ、２０２は雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）、２０３は水平選択器（Ｈ．ＳＣＡＮＮＥＲ）、２０４は垂直選択器（Ｖ．ＳＣＡＮＮＥＲ）、Ｖｓｅｌはセレクト信号、Ｖｓｉｇ１は光信号出力、Ｖｓｉｇ２は化学ポテンシャル信号出力、Ｖｒｅｓはリセット出力信号、ＶｂＮ，ＶｂＰは低電流駆動用バイアス電圧である。
【００４７】
上記した本発明の融合型化学・物理現象検出装置アレイ（以下、融合型センサアレイという）２０１の各センサは、ＭＯＳスイッチによりマトリックス駆動が可能になるように構成されており、さらにその駆動回路（水平選択器２０３，垂直選択器２０４）もＣＭＯＳ構成して内蔵するようにしている。
【００４８】
さらに、読み出し動作の時に生じるリセット雑音や固定パターン雑音を除去することが可能な雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２（詳細には図８で詳述する）を各列に１個配置している。
【００４９】
図６は本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置のＣＭＯＳで設計した全体レイアウトを示す図である。
【００５０】
融合型センサアレイ２０１の１つのセンサ部の構成は図７に示した。その要素を縦、横に並べ、信号を順次得るために、水平選択器２０３、垂直選択器２０４が付加されている。雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２は従来技術の１要素であるリセット雑音除去回路を、列状に並べたものであり、１つのセンサ部に１つ付加してもかまわない。
【００５１】
この実施例では、雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２を１列に１個入れたときの例を示す。出力は、リセット出力信号Ｖｒｅｓと光信号出力Ｖｓｉｇ１または化学ポテンシャル信号出力Ｖｓｉｇ２との差をとることで得ることができる。
【００５２】
単一融合型化学・物理現象検出装置の時と異なるところは、垂直選択器２０４により融合型センサアレイ２０１を順次駆動するために、セレクト信号Ｖｓｅｌによりセンサ部を選択して出力を得るような構成になっている点である。つまり、セレクト信号Ｖｓｅｌの信号が入ると、光および化学ポテンシャルの情報が同時に、雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２に送られ出力される。列の切り替えは雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）２０２により行う。
【００５３】
次に、２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の構成を詳細に説明する。
【００５４】
図７は本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素の構成図である。
【００５５】
この図において、３００は電荷注入部（ＩＤ）、３０１は光情報と化学ポテンシャル情報のセンシングを行うセンシング部、３０２はそのセンシング部３０１に接続される光信号とイオン信号の分離を行うセパレートゲート、３０３は光電荷を蓄える光電荷蓄積部、３０４は第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（Ｖｏｕｔ１）であり、この第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０４のゲートに光電荷蓄積部３０３が接続され、この第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０４の電源ＶＤＤ側には第１のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｓｅｌ１）３０５が接続されている。その第１のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ３０５のゲートにはセレクト信号（垂直選択信号）Ｖｓｅｌ１が印加可能になっている。
【００５６】
また、光電荷蓄積部３０３には第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｒｓｔ１）３０６が接続され、その第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ３０６のゲートにはリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００５７】
更に、センシング部３０１にはトランスファーゲート３０７が接続され、このトランスファーゲート３０７に化学ポテンシャル情報を蓄積する化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８が接続され、さらにその化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８には第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０９（Ｖｏｕｔ２）が接続されている。この第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０９のゲートは、上述のように、化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８が接続され、その第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ３０９の電源ＶＤＤ側には、第２のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｓｅｌ２）３１０が接続されている。その第２のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ３１０のゲートにはセレクト信号（垂直選択信号）Ｖｓｅｌ２が印加可能になっている。
【００５８】
また、化学ポテンシャル情報電荷蓄積部３０８には第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ ｒｓｔ２）３１１が接続され、その第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ３１１のゲートにはリセット信号Ｖｒｓｔが印加可能になっている。
【００５９】
次に、この２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素に接続されるコラムＣＤＳ回路（列並列雑音除去回路）の詳細な説明を行う。
【００６０】
図８はかかるコラムＣＤＳ回路（列並列雑音除去回路）の構成図である。
【００６１】
この図において、Ａは２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素（図６参照）、ＶｂＮ，ＶｂＰは低電流駆動用バイアス電圧である。出力Ｖｏｕｔは前述の単一融合型物理現象検出装置の構成と一致する。なお、融合型化学・物理現象検出装置にはＶｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の２つの出力が存在するので列並列雑音除去回路を２つ用意しておく。
【００６２】
Ｃｒｓｔはリセットレベル記憶用容量、Ｃｓｉｇは信号レベル記憶用容量、Ｖｒｓｔはリセット信号、Ｖｓｉｇは信号の出力、ＲＨ（ｉ）はｉ番目の容量リセット信号、ＳＨ（ｉ）はｉ番目のセンサ出力信号である。
【００６３】
以下、列並列雑音除去回路の動作の説明を行う。
【００６４】
（１）雑音除去回路２０２に信号を導く前にＲＨ（ｉ）をＯＮして、両容量Ｃｒｓｔ及びＣｓｉｇの電位をそろえ、その後、ＲＨ（ｉ）をＯＦＦする。
【００６５】
（２）融合型検出装置の第１、及び第２リセットトランジスタ３０６および３１１により、光電荷蓄積部３０３、および化学ポテンシャル蓄積部３０８をリセットした直後に、φＲをＯＮしてリセットレベル記憶用容量Ｃｒｓｔに記憶し、その後、φＲをＯＦＦする。
【００６６】
（３）融合型検出装置の光電荷蓄積部３０３、および化学ポテンシャル蓄積部３０８にそれぞれの信号を複数回信号を蓄積した後の信号を、φＳをＯＮして信号レベル記憶用容量Ｃｓｉｇに記憶させて、その後φＳをＯＦＦする。
【００６７】
（４）次いで、ＳＨ（ｉ）をＯＮにして、両容量Ｃｒｓｔ及びＣｓｉｇからの信号を出力させる。
【００６８】
（５）この両者の差分の信号を差動増幅器などで読みとることでリセットの雑音を除去した信号が得られる。
【００６９】
（６）次に、上記（１）から（５）番目の動作をＲＨ（ｉ＋１）の端子に与えて順次駆動する。
【００７０】
本発明によれば、次のような応用が考えられる。
【００７１】
（実施例１）ダイオキシン濃度測定チップ
ダイオキシンの濃度を測定するために、本発明の検出装置のセンシング領域上に抗体としてアンチダイオキシンを固定化しておく。その固定化された量に対応して、センシング領域の化学電位情報が変化して、検出装置からの出力が得られる。この出力によりセンシング領域上に固定化された抗体の数が把握できる。
【００７２】
次に、ＨＲＰなどで発光ラベルを施した検体を、アンチダイオキシンが固定化されているセンシング領域に触れさせて抗原抗体反応を起こさせる。その後検出装置表面をバッファ液で置換してルミノールを入れると、検体にダイオキシンが存在する場合、発光現象が確認され、その発光輝度が検体中のダイオキシン濃度に対応する。ただし、あらかじめセンシング領域に固定化されている抗体の量が変化すると、発光輝度ももちろん変化する。固定化した抗体の量で発光輝度を規格化することにより、輝度の変化がダイオキシンの濃度で変化したものか、固定化された抗体の量で変化したものかが判別でき、信頼性の高いダイオキシン濃度検出チップが製作できる。
【００７３】
また、発光ラベルの代わりに、蛍光ラベルを施した検体を用いてもよい。その場合には、センシング領域を蛍光の波長のみを透過させるような光学的フィルタ、もしくは蛍光の波長のみに感じるような光検出部にする。
【００７４】
（実施例２）癌領域観察用イメージセンサ
本発明のアレイ化した検出装置のセンシング領域にビメンチンの抗体を固定化しておく。癌化した細胞表面にはビメンチンが現れることがあらかじめ分かっているため、本発明のセンサアレイを癌細胞に接触させることで、抗原抗体反応が起こり、化学的な電位が変化する。さらに光センサアレイにより、２次元の光情報、つまり画像が得られる。
【００７５】
たとえば、この検出装置を内視鏡カメラのイメージセンサの代わりに用いることで、癌化した領域を可視化することができ、さらにその領域と一般的な画像の領域を対応付けすることができる。これを用いると癌化した領域のみを摘出できるなど、その効果は著大である。
【００７６】
（実施例３）ＤＮＡ試料の測定装置
本発明の融合型化学・物理現象検出装置をＤＮＡチップとすると、計測対象のＤＮＡがＤＮＡチップ上で相補的にプローブＤＮＡと反応を起こすと、化学ポテンシャルが変化するため、これを測定することができる。また、計測対象のＤＮＡに蛍光ラベルをハイブリダイゼーションしておくことで、蛍光が観察できる。
【００７７】
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、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７８】
【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。
【００７９】
（Ａ）同一場所の複種類の物理・化学現象を同時に取得し、高感度な計測が可能になる。さらにアレイ化することにより、その分布を同時に取得可能である。
【００８０】
（Ｂ）さらに、ダイオキシン濃度測定チップ、癌領域観察用イメージセンサやＤＮＡ試料の測定装置としての適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す融合型化学・物理現象検出装置の構成図である。
【図２】 本発明の実施例を示す実際に作製された融合型化学・物理現象検出装置を示す図である。
【図３】 本発明の融合型化学・物理現象検出装置による光出力特性図である。
【図４】 本発明の融合型化学・物理現象検出装置による化学ポテンシャル出力特性図である。
【図５】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の全体構成図である。
【図６】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置の全体のＣＭＯＳで設計した全体のレイアウトを示す図である。
【図７】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素の構成図である。
【図８】 本発明の実施例を示す２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置のコラムＣＤＳ回路の構成図である。
【図９】 従来の融合型化学・物理現象検出装置の模式図である。
【符号の説明】
１００，３００ 電荷注入部（ＩＤ）
１０１，３０１ センシング部
１０２，３０２ セパレートゲート
１０３，３０３ 光電荷蓄積部
１０４，３０４ 第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ
１０５，３０６ 第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ
１０６，３０７ トランスファーゲート
１０７，３０８ 化学ポテンシャル情報電荷蓄積部
１０８，３０９ 第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ
１０９，３１１ 第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ
Ｖｒｅｓ リセット出力信号
ＶｂＮ，ＶｂＰ 低電流駆動用バイアス電圧
２０１ 融合型化学・物理現象検出装置アレイ（アレイ融合型センサ）
２０２ 雑音除去回路（コラムＣＤＳ回路）
２０３ 水平選択器（Ｈ．ＳＣＡＮＮＥＲ）
２０４ 垂直選択器（Ｖ．ＳＣＡＮＮＥＲ）
Ｖｓｅｌ，Ｖｓｅｌ１，Ｖｓｅｌ２ セレクト信号
Ｖｓｉｇ１ 光信号出力
Ｖｓｉｇ２ 化学ポテンシャル信号出力
ＶＤＤ 電源
３０５ 第１のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ
３１０ 第２のセレクト用ＭＯＳＦＥＴ
Ｃｒｓｔ リセットレベル記憶用容量
Ｃｓｉｇ 信号レベル記憶用容量
Ｖｒｓｔ リセット信号
Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２ 出力
Ａ ２次元アレイ融合型化学・物理現象検出装置要素
Ｖｓｉｇ 信号の出力
ＲＨ（ｉ） ｉ番目の容量リセット信号
ＳＨ（ｉ） ｉ番目のセンサ出力信号
Claims (9)
- 同一センシング領域に入ってくる、光情報と化学ポテンシャル情報を同時に取得して、前記光情報と化学ポテンシャル情報をその素子内で分離し、外部にそれぞれ出力する融合型化学・物理現象検出装置において、
同一センシング領域を有するセンシング部（１０１）と、該センシング部（１０１）の一方側に配置されるセパレートゲート（１０２）と、該セパレートゲート（１０２）に接続される光電荷蓄積部（１０３）と、該光電荷蓄積部（１０３）に接続される第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）及び第１のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（１０５）と、前記センシング部（１０１）のもう一方側に配置されるトランスファーゲート（１０６）と、該トランスファーゲート（１０６）に接続される化学ポテンシャル情報電荷蓄積部（１０７）と、該化学ポテンシャル情報電荷蓄積部（１０７）に接続される第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）及び第２のリセット用ＭＯＳＦＥＴ（１０９）とを備え、前記光情報は光量であり、該光量を電荷に変換し前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）のゲートを介して光電荷蓄積用拡散部となるドレイン領域に出力し、前記化学ポテンシャル情報は水素イオン量であり、該水素イオン量を前記第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）のゲートを介して水素イオン量蓄積用拡散部となるドレイン領域に出力し、前記同一センシング領域に入ってきた光量と水素イオン量を前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）と第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）に読み出して同時に出力することを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。 - 請求項１記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記第１及び第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）のゲートを介した出力操作を複数回行い、光量及び水素イオン量の電荷をそれぞれのドレイン領域に累積する手段を具備することを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
- 請求項１又は２記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記光量と水素イオン量の出力を第１及び第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）のゲートに入力して、該ＭＯＳＦＥＴ（１０４，１０８）の電流変化に変換する手段を具備することを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
- 請求項３記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）および第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）に流れる電流の変化を電圧値で出力するソースフォロア回路を具備することを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
- 請求項３又は４記載の融合型化学・物理現象検出装置であって、前記融合型化学・物理現象検出装置の発生するリセット雑音を除去する回路を具備することを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
- 請求項３、４又は５記載の融合型化学・物理現象検出装置であって、前記融合型化学・物理現象検出装置を複数個、少なくとも１次元以上に並べたことを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
- 請求項６記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記リセット雑音を除去する回路は各検出装置毎に１個、または列に１個取り付けるようにしたことを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
- 請求項６記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記融合型化学・物理現象検出装置の出力を、前記第１の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０４）および第２の出力用ＭＯＳＦＥＴ（１０８）で時間的に切り替えて、出力することを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
- 請求項８記載の融合型化学・物理現象検出装置において、前記融合型化学・物理現象検出装置の切り替え用のＭＯＳＦＥＴの駆動回路が内蔵されていることを特徴とする融合型化学・物理現象検出装置。
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