JP4801064B2 - イオン感応電界効果トランジスタを含む信号処理回路および流体の性質をモニタするための方法 - Google Patents
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Description
本発明は、イオン感応電界効果トランジスタに関し、イオン感応電界効果トランジスタを利用する処理システムおよび制御システムに関する。
イオン感応電界効果トランジスタ(ISFET)は、化学感受性絶縁体の下に位置する遠隔ゲート(または「参照電極」)を有するMOSFETに基づく。絶縁体の表面は電解質に露出され、その上で測定がなされる。典型的なISFET使用のシナリオが図1に示される。絶縁体表面でのイオン電荷相互作用の電界効果は、図2に示されるように、ISFETドレイン電流対ゲート−ソース電圧(ID−VGS)特性にシフトを引起す。電解質に接触する絶縁体は、その化学的特性および特定のイオンに対する感度に従って選択される。
受性界面電位を直接に反映する。すなわち、
pH=pHcal+Vgs/S (1)
であって、ここでpHcalは、37oCの較正液のpHであり、SはISFETのpH感度である。この関係式の導出は、2003年10月トロントにおけるIEEEセンサ会議(IEEE Sensor Conference)のP バーグベルド(P. Bergveld)による「ISFET、理論および実践(ISFET, Theory and Practice)」にさらに詳述される。しかしながら、この手法は一定温度を仮定しており、いずれの実際の手法においても温度補償が適用されなければならない。
本発明の第1の局面によれば、1つ以上のイオン感応電界効果トランジスタと、弱反転領域で動作するよう前記または各々のイオン感応電界効果トランジスタにバイアスをかけるためのバイアス回路とを含む信号処理回路が与えられる。
信号処理回路のイオン感応電界効果トランジスタは、電流ミラー配列の金属酸化物半導体トランジスタに結合されてもよい。好ましくは、イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化物半導体トランジスタは実質的に電気的に整合され、双方が弱反転モードで動作する。
弱反転領域のイオン感応電界効果トランジスタにバイアスをかけるステップと、
イオン感応電界効果トランジスタを前記媒体に露出するステップと、
前記性質に依存して変動するイオン感応電界効果トランジスタの出力を分析するステップとを含む。
イオン感応電界効果トランジスタを論理回路のスイッチとして動作するよう構成するステップと、
イオン感応電界効果トランジスタを前記媒体に露出するステップとを含む。
図3に示されたようなn−チャネルFETは4端末装置であって、p−型シリコン基板(B)と、ソース(S)およびドレイン(D)として公知の、高度にドープされた2つのn−型ウェルとから構成される。シリコン表面は二酸化ケイ素絶縁体で覆われている。ポリシリコンゲート接触(G)は、チャネルとして公知の、ソースとドレインとの間の絶縁体表面下の領域内の電荷を制御する。
式は、以下によって与えられる。
いパラメータによって変化することを示す。
・リアルタイム反応モニタリングおよび分析的データ処理
・DNA塩基配列決定
・当量点に達するよりもかなり前の、求められる分析的な情報を抽出するための動力学モデルを用いた高速の酸塩基滴定
・調整可能なしきい値を備えた論理(真/偽)装置としてISFETおよび他のセンサを直接用いた「化学的決定木」の実現
・血液および尿の代謝物質比率のリアルタイムのモニタリングを用いた医学的診断
・神経ブリッジ
・不純物検出。
AND pHB≧pthBの場合にのみ高い。
Claims (8)
- イオン感応電界効果トランジスタと、イオン感応電界効果トランジスタのための参照電極と、ゲートが参照電極に接続された金属酸化膜半導体電界トランジスタと、弱反転領域で動作するよう、かつ出力電流信号を与えるよう、イオン感応電界効果トランジスタへのゲート電圧をイオン感応電界効果トランジスタのしきい値電圧より低く維持し、かつ金属酸化膜半導体電界トランジスタへのゲート電圧を金属酸化膜半導体電界トランジスタのしきい値電圧より低く維持することにより、イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化膜半導体電界トランジスタにバイアスをかけるためのバイアス回路とを含む、信号処理回路。
- イオン感応電界効果トランジスタ、金属酸化膜半導体電界トランジスタ、およびバイアス回路は、シングルチップ上に一体化される、請求項1に記載の回路。
- 信号処理回路は、使用中、イオン感応電界効果トランジスタが露出される媒体の水素イオン濃度を決定するよう構成される、請求項1または2のいずれかに記載の回路。
- 前記イオン感応電界効果トランジスタは、電流ミラー配列の前記金属酸化膜半導体トランジスタに結合される、請求項1から3のいずれかに記載の回路。
- イオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化膜半導体トランジスタは、実質的に電気的に整合する、請求項4に記載の回路。
- 信号処理回路は、電流ミラーの出力を受取るよう、かつ電流ミラーの出力信号を反転するよう配列された乗算器分周回路を含み、それにより、水素イオン濃度に正比例する出力信号を生成し、乗算器分周回路は、複数の金属酸化膜半導体トランジスタと、弱反転領域で動作するよう、イオン感応電界効果トランジスタへのゲート電圧をイオン感応電界効果トランジスタのしきい値電圧より低く維持し、かつ金属酸化膜半導体電界トランジスタへのゲート電圧を金属酸化膜半導体電界トランジスタのしきい値電圧より低く維持することにより、これらの金属酸化膜半導体トランジスタにバイアスをかけるためのバイアス回路とを含む、請求項1から5のいずれかに記載の回路。
- イオン感応電界効果トランジスタはゲート上に膜コーティングを含み、膜は、膜が露出される電解質中の水素イオン濃度に対して感受性を有する、請求項1から6のいずれかに記載の回路。
- イオン感応電界効果トランジスタを用いて媒体の性質をモニタする方法であって、
金属酸化膜半導体トランジスタのゲートをイオン感応電界効果トランジスタのための参照電極に接続するステップと、
弱反転領域のイオン感応電界効果トランジスタおよび金属酸化膜半導体トランジスタにバイアスをかけるステップと、
イオン感応電界効果トランジスタを前記媒体に露出するステップと、
前記性質に依存して異なるイオン感応電界効果トランジスタの出力電流を分析するステップとを含む、方法。
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