JP5712910B2 - Electrochemical measuring device - Google Patents

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Description

本発明は電気化学測定装置に関し、特に酸化還元反応を測定する電気化学測定装置に関する。   The present invention relates to an electrochemical measurement device, and more particularly to an electrochemical measurement device that measures an oxidation-reduction reaction.

電気化学反応を使って酸化還元反応を測定する方法にボルタンメトリがある。これは電解液と電極の電位をコントロールして、酸化還元反応により移動する電子を電流として測定するもので、測定方法が簡単な割には多くの情報が得られるので、広く利用されている。特にサイクリック・ボルタンメトリ(CV)という方法がよく知られている。   Voltammetry is a method for measuring redox reactions using electrochemical reactions. In this method, the potential of the electrolyte and the electrode is controlled, and the electrons moving by the oxidation-reduction reaction are measured as current. Since the measurement method is simple, a lot of information can be obtained, and it is widely used. In particular, a method called cyclic voltammetry (CV) is well known.

近年、このような電気化学測定は、少量の試料が測定できるように小型化が進んでおり、その理想的な形状として測定装置の1チップ化が進められている。これは回路を形成した半導体基板上に電解液を保持する領域を設け、さらに電解液に接するように電極を設け、半導体基板上に形成した回路を使って電気化学測定をできるようにしたものである。   In recent years, such electrochemical measurement has been reduced in size so that a small amount of sample can be measured, and the measurement apparatus has been made into one chip as its ideal shape. This is because a region for holding an electrolyte solution is provided on a semiconductor substrate on which a circuit is formed, and an electrode is provided so as to be in contact with the electrolyte solution so that an electrochemical measurement can be performed using the circuit formed on the semiconductor substrate. is there.

例えば、特許文献1には、基板上で電気化学的な測定し、その電流値により遺伝子の解析を行う方法が記載されている。特許文献1では基板は半導体に限っていないが、特許文献2では、電気化学測定は半導体のチップ上で行う方法が記載されている。電気化学的測定はサンプルが微量になるにつれて電流値が減ってくる。その結果、電流を増幅する機構が必要になる。特許文献2にはカレントミラー型の電流増幅回路を使って小さな電流値を測定する方法が記載されている。   For example, Patent Document 1 describes a method of performing electrochemical analysis on a substrate and analyzing a gene based on the current value. In Patent Document 1, the substrate is not limited to a semiconductor, but Patent Document 2 describes a method in which electrochemical measurement is performed on a semiconductor chip. In the electrochemical measurement, the current value decreases as the sample becomes very small. As a result, a mechanism for amplifying current is required. Patent Document 2 describes a method of measuring a small current value using a current mirror type current amplifier circuit.

特許第3917640号明細書Japanese Patent No. 3917640 特許第4177589号明細書Japanese Patent No. 4177589

カレントミラー型の電流増幅回路では、トランジスタが動作する電流値以上でないと増幅できないが、その値はnAオーダーである。したがって、これ以下の電流値、例えばpAオーダー、あるいはそれ以下のfAオーダーの電流値は測定が困難である。したがって、カレントミラー型の増幅回路を使った方法では、測定する電気化学反応のサンプルの大きさが電流値により規制されてしまい、ある大きさ以下に小さくすることが難しいという問題がある。   In a current mirror type current amplification circuit, amplification is not possible unless the current value is greater than the current at which the transistor operates, but the value is on the order of nA. Therefore, it is difficult to measure current values below this, for example, current values on the order of pA or below fA. Therefore, the method using the current mirror type amplifier circuit has a problem that the size of the electrochemical reaction sample to be measured is restricted by the current value, and it is difficult to reduce it to a certain size or less.

そこで、本発明では、
半導体基板上に形成された絶縁層に形成され測定対象の電解液を保持する反応領域(100)と、
対向電圧を前記電解液に与える対向電極(2)と、
前記電解液の電圧をモニタする参照電極(3)と、
前記電解液に接触するように形成された作用電極(4)と、
前記参照電極によりモニタされた参照電圧が外部から与えられる駆動電圧と一致するように前記対向電圧の電圧値を制御する制御回路(101)と、
前記作用電極と、低電位側電源配線との間に接続され、前記作用電極を介して流出する電荷を蓄積するコンデンサ(8)と、
前記コンデンサに生じる作用電圧を増幅して測定電圧を出力する増幅部(110)と、
前記作用電圧の変動を前記制御回路にフィードバックするフィードバック手段(103)と、を有し、
前記制御回路は、前記フィードバック手段により得た前記作用電圧の変動量に基づき前記対向電圧を制御して、前記参照電圧と前記作用電圧との電圧差を一定に維持する電気化学測定装置を提供する。
Therefore, in the present invention,
A reaction region (100) formed in an insulating layer formed on a semiconductor substrate and holding an electrolyte to be measured;
A counter electrode (2) for applying a counter voltage to the electrolyte;
A reference electrode (3) for monitoring the voltage of the electrolyte;
A working electrode (4) formed in contact with the electrolyte;
A control circuit (101) for controlling the voltage value of the counter voltage so that the reference voltage monitored by the reference electrode coincides with a driving voltage given from the outside;
A capacitor (8) connected between the working electrode and a low-potential-side power supply line and storing electric charge flowing out through the working electrode;
An amplifying unit (110) for amplifying a working voltage generated in the capacitor and outputting a measurement voltage;
Feedback means (103) for feeding back the fluctuation of the working voltage to the control circuit,
The control circuit provides an electrochemical measurement device that maintains the voltage difference between the reference voltage and the working voltage constant by controlling the counter voltage based on a variation amount of the working voltage obtained by the feedback means. .

上記電気化学測定装置において、
前記制御回路(110)は、
反転入力端子と、非反転入力端子と、出力端子とを有し、前記出力端子から前記対向電圧を出力する差動アンプ(102)と、
前記参照電圧を伝達するバッファ回路(104)と、
前記バッファ回路の出力と、前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第1の抵抗(105)と、
前記駆動電圧が与えられる外部入力端子と前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第2の抵抗(106)と、を有し、
前記差動アンプの前記非反転入力端子には前記作用電圧が入力される電気化学測定装置を提供する。
In the electrochemical measurement apparatus,
The control circuit (110)
A differential amplifier (102) having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, and outputting the counter voltage from the output terminal;
A buffer circuit (104) for transmitting the reference voltage;
A first resistor (105) connected between the output of the buffer circuit and the inverting input terminal of the differential amplifier;
A second resistor (106) connected between an external input terminal to which the drive voltage is applied and the inverting input terminal of the differential amplifier;
An electrochemical measurement device is provided in which the working voltage is input to the non-inverting input terminal of the differential amplifier.

また、上記電気化学測定装置において、
前記制御回路(110)は、
反転入力端子と、非反転入力端子と、出力端子とを有し、前記非反転入力端子には定電圧が与えられ、前記出力端子から前記対向電圧を出力する差動アンプと、
前記参照電圧を伝達するバッファ回路(104)と、
前記バッファ回路の出力と、前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第1の抵抗(105)と、
前記駆動電圧が与えられる外部入力端子と前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第2の抵抗(106)と、を有し、
前記駆動電圧は、前記測定電圧の変動に応じて電圧値が制御される電気化学測定装置を提供する。
In the above electrochemical measurement apparatus,
The control circuit (110)
A differential amplifier having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, a constant voltage is applied to the non-inverting input terminal, and the counter voltage is output from the output terminal;
A buffer circuit (104) for transmitting the reference voltage;
A first resistor (105) connected between the output of the buffer circuit and the inverting input terminal of the differential amplifier;
A second resistor (106) connected between an external input terminal to which the drive voltage is applied and the inverting input terminal of the differential amplifier;
The driving voltage provides an electrochemical measurement device in which a voltage value is controlled in accordance with a change in the measurement voltage.

また、上記電気化学測定装置において、
前記コンデンサと並列して設けられるリセットスイッチ(115)を有し、
前記リセットスイッチは、半導体基板上に形成され、機械的な動作により導通状態が切り換えられる電気化学測定装置を提供する。
In the above electrochemical measurement apparatus,
A reset switch (115) provided in parallel with the capacitor;
The reset switch is formed on a semiconductor substrate and provides an electrochemical measurement device in which a conduction state is switched by a mechanical operation.

また、上記電気化学測定装置において、
前記リセットスイッチは、バイメタル材料で形成され、熱反応により接点の導通状態が切り換えられる電気化学測定装置を提供する。
In the above electrochemical measurement apparatus,
The reset switch is formed of a bimetallic material, and provides an electrochemical measurement device in which a contact state is switched by a thermal reaction.

また、上記電気化学測定装置において、
前記リセットスイッチは、静電界による引力及び反発力により接点の導通状態が切り換えられる電気化学測定装置を提供する。
In the above electrochemical measurement apparatus,
The reset switch provides an electrochemical measurement device in which a contact state is switched by an attractive force and a repulsive force due to an electrostatic field.

また、上記電気化学測定装置において、
前記電気化学測定装置は、一の半導体基板上に形成される電気化学測定装置を提供する。
In the above electrochemical measurement apparatus,
The electrochemical measurement device provides an electrochemical measurement device formed on one semiconductor substrate.

本発明にかかる電気化学測定装置によれば、少量の試料に対する測定の精度を向上させることができる。   According to the electrochemical measurement apparatus according to the present invention, it is possible to improve the measurement accuracy for a small amount of sample.

実施の形態1にかかる半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる電気化学測定装置のブロック図である。1 is a block diagram of an electrochemical measurement apparatus according to a first embodiment. 実施の形態2にかかる電気化学測定装置のブロック図である。It is a block diagram of the electrochemical measuring device concerning Embodiment 2. FIG. 実施の形態4にかかる電気化学測定装置のブロック図である。It is a block diagram of the electrochemical measuring device concerning Embodiment 4.

実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。実施の形態1にかかる電気化学測定装置は、1つの半導体基板上に測定試料(例えば、電解液)を入れる反応領域と電解液の電気化学反応を測定する測定回路とが形成される。そこで、実施の形態1にかかる電気化学測定装置が形成される半導体装置の断面図を図1に示す。
Embodiment 1
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the electrochemical measurement apparatus according to the first embodiment, a reaction region in which a measurement sample (for example, an electrolytic solution) is put on one semiconductor substrate and a measurement circuit that measures an electrochemical reaction of the electrolytic solution are formed. Therefore, FIG. 1 shows a cross-sectional view of a semiconductor device in which the electrochemical measurement apparatus according to the first embodiment is formed.

図1に示すように、実施の形態1にかかる電気化学測定装置は、半導体基板23の表面に回路素子が形成される。半導体基板23は、例えばシリコンで形成される。また、図1に示す断面図では、回路素子としてMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)20〜22を示した。しかし、実施の形態1にかかる電気化学測定装置は、図1に示したMOSFET20〜22以外のトランジスタ等の回路素子を有する。   As shown in FIG. 1, in the electrochemical measurement apparatus according to the first embodiment, a circuit element is formed on the surface of a semiconductor substrate 23. The semiconductor substrate 23 is made of, for example, silicon. In the cross-sectional view shown in FIG. 1, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) 20 to 22 are shown as circuit elements. However, the electrochemical measurement apparatus according to the first embodiment has circuit elements such as transistors other than the MOSFETs 20 to 22 shown in FIG.

半導体基板23の上層には、絶縁層13が形成される。そして、絶縁層13には、配線層10〜12が形成される。配線層10〜12に形成される配線は、ビア配線9を介して回路素子又は他の配線層の配線と接続される。また、図1に示す例では、配線と絶縁層13とによりコンデンサ8が形成される。   An insulating layer 13 is formed on the upper layer of the semiconductor substrate 23. Then, wiring layers 10 to 12 are formed on the insulating layer 13. Wirings formed in the wiring layers 10 to 12 are connected to circuit elements or wirings of other wiring layers through via wirings 9. In the example shown in FIG. 1, the capacitor 8 is formed by the wiring and the insulating layer 13.

絶縁層13の上層には、別の絶縁層6が形成される。絶縁層6には窪みが形成される。この窪みは、反応領域100となる。反応領域100には、電解液1が入れられる。反応領域100の底部には、対向電極2、参照電極3、及び、作用電極4が形成される。そして、対向電極2、参照電極3、及び、作用電極4は、ビア配線7を介して絶縁層13に形成された配線に接続される。なお、対向電極2、参照電極3、及び、作用電極4は、それぞれ、表面が白金、カーボン等の電気化学測定に適した材料で形成される。対向電極2は、電解液1に電圧を与える電極であるため、MOSFET20のドレインと接続される。参照電極3は、電解液1の電圧を測定するものであるためMOSFET21のゲートに接続される。作用電極4は、電解液1からの電流を流す電極であるためMOSFET22のゲートに接続される。   Another insulating layer 6 is formed on the insulating layer 13. A depression is formed in the insulating layer 6. This depression becomes the reaction region 100. In the reaction region 100, the electrolytic solution 1 is placed. A counter electrode 2, a reference electrode 3, and a working electrode 4 are formed at the bottom of the reaction region 100. The counter electrode 2, the reference electrode 3, and the working electrode 4 are connected to the wiring formed in the insulating layer 13 through the via wiring 7. The counter electrode 2, the reference electrode 3, and the working electrode 4 are each formed of a material suitable for electrochemical measurement such as platinum or carbon. Since the counter electrode 2 is an electrode for applying a voltage to the electrolytic solution 1, it is connected to the drain of the MOSFET 20. Since the reference electrode 3 is for measuring the voltage of the electrolytic solution 1, it is connected to the gate of the MOSFET 21. Since the working electrode 4 is an electrode through which a current from the electrolytic solution 1 flows, it is connected to the gate of the MOSFET 22.

このように、実施の形態1にかかる電気化学測定装置は、1つの半導体基板上に反応領域と測定回路とが一体に形成される。このように、反応領域と測定回路とを一体に形成することで、少量の試料に対する測定を精度よく行い、かつ、装置を小型化することができる。   As described above, in the electrochemical measurement apparatus according to the first embodiment, the reaction region and the measurement circuit are integrally formed on one semiconductor substrate. In this way, by forming the reaction region and the measurement circuit integrally, it is possible to accurately measure a small amount of sample and downsize the apparatus.

続いて、実施の形態1にかかる電気化学測定装置の構成について詳細に説明する。そこで、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201のブロック図を図2に示す。図2に示すように、電気化学測定装置201は、反応領域100、制御回路101、コンデンサ8、及び、増幅部110を有する。また、電気化学測定装置201は、外部入力端子120、及び、外部出力端子121を有する。さらに、図2に示すように、電気化学測定装置201は、外部に設けられる駆動信号制御回路130から駆動電圧が入力される。この駆動電圧は、外部入力端子120を介して電気化学測定装置201に与えられる。   Next, the configuration of the electrochemical measurement device according to the first embodiment will be described in detail. A block diagram of the electrochemical measurement apparatus 201 according to the first embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the electrochemical measurement apparatus 201 includes a reaction region 100, a control circuit 101, a capacitor 8, and an amplification unit 110. The electrochemical measurement apparatus 201 includes an external input terminal 120 and an external output terminal 121. Furthermore, as shown in FIG. 2, the electrochemical measuring apparatus 201 receives a drive voltage from a drive signal control circuit 130 provided outside. This drive voltage is applied to the electrochemical measurement apparatus 201 via the external input terminal 120.

反応領域100は、図1に示した反応領域100であり、対向電極2、参照電極3、及び、作用電極4が設けられる。対向電極2は、電解液1に対向電圧を与える電極である。参照電極3は、電解液1の電圧をモニタする電極である。作用電極4は、電解液1に接触するように形成され、電解液1からの電流を測定回路に抽出するための電極である。   The reaction region 100 is the reaction region 100 shown in FIG. 1, and is provided with the counter electrode 2, the reference electrode 3, and the working electrode 4. The counter electrode 2 is an electrode that applies a counter voltage to the electrolytic solution 1. The reference electrode 3 is an electrode that monitors the voltage of the electrolytic solution 1. The working electrode 4 is formed so as to be in contact with the electrolytic solution 1 and is an electrode for extracting a current from the electrolytic solution 1 to a measurement circuit.

制御回路101は、参照電極3によりモニタされた参照電圧が、外部から与えられる駆動電圧と一致するように対向電極2の電圧値を制御する。より具体的には、制御回路101は、差動アンプ102、フィードバック配線103、バッファ回路104、第1の抵抗105、及び、第2の抵抗106を有する。   The control circuit 101 controls the voltage value of the counter electrode 2 so that the reference voltage monitored by the reference electrode 3 matches the drive voltage given from the outside. More specifically, the control circuit 101 includes a differential amplifier 102, a feedback wiring 103, a buffer circuit 104, a first resistor 105, and a second resistor 106.

差動アンプ102は、反転入力端子と、非反転入力端子と、出力端子とを有し、出力端子から対向電圧を出力する。差動アンプ102の非反転入力端子には、フィードバック配線103が接続される。フィードバック配線103は、コンデンサ8に蓄積された電荷により生じる電圧を差動アンプ102の非反転入力端子に与える。つまり、フィードバック配線103が実施の形態1におけるフィードバック手段となる。   The differential amplifier 102 has an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, and outputs a counter voltage from the output terminal. A feedback wiring 103 is connected to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 102. The feedback wiring 103 applies a voltage generated by the electric charge accumulated in the capacitor 8 to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 102. That is, the feedback wiring 103 becomes the feedback means in the first embodiment.

バッファ回路104の非反転入力端子には、参照電極3から参照電圧が与えられる。また、バッファ回路104の反転入力端子は、バッファ回路104の出力端子と接続される。そして、バッファ回路104は、参照電極3が測定した参照電圧を第1の抵抗105に出力する。   A reference voltage is applied from the reference electrode 3 to the non-inverting input terminal of the buffer circuit 104. The inverting input terminal of the buffer circuit 104 is connected to the output terminal of the buffer circuit 104. Then, the buffer circuit 104 outputs the reference voltage measured by the reference electrode 3 to the first resistor 105.

差動アンプ102の反転入力端子は、第2の抵抗106を介して外部入力端子120に接続され、第1の抵抗105を介してバッファ回路104の出力端子に接続される。つまり、差動アンプ102の反転入力端子には、参照電圧と駆動電圧との電圧差を第1の抵抗105及び第2の抵抗106により分圧した電圧が与えられる。なお、第1の抵抗105と第2の抵抗106は、同一の抵抗値に設定される。   The inverting input terminal of the differential amplifier 102 is connected to the external input terminal 120 through the second resistor 106, and is connected to the output terminal of the buffer circuit 104 through the first resistor 105. That is, a voltage obtained by dividing the voltage difference between the reference voltage and the drive voltage by the first resistor 105 and the second resistor 106 is applied to the inverting input terminal of the differential amplifier 102. The first resistor 105 and the second resistor 106 are set to the same resistance value.

コンデンサ8は、作用電極4と低電位側電源配線(例えば、接地配線)との間に接続される。そして、コンデンサ8は、作用電極4から与えられる電荷を蓄積して作用電圧を生成する。   The capacitor 8 is connected between the working electrode 4 and the low potential side power supply wiring (for example, ground wiring). The capacitor 8 accumulates the electric charge given from the working electrode 4 and generates a working voltage.

増幅部110は、コンデンサ8に生じた作用電圧を増幅して測定電圧を生成し、外部出力端子121を介して測定電圧を出力する。この測定電圧を外部の測定器で測定することで電解液1の反応を測定することができる。   The amplifying unit 110 amplifies the working voltage generated in the capacitor 8 to generate a measurement voltage, and outputs the measurement voltage via the external output terminal 121. The reaction of the electrolytic solution 1 can be measured by measuring this measurement voltage with an external measuring instrument.

増幅部110は、MOSFET22、抵抗111、及び、増幅器112を有する。MOSFET22は、例えば、NMOSトランジスタである。MOSFET22のドレインには、定電圧Vconst1が供給される。MOSFET22のソースは、抵抗111を介して定電圧Vconst2が供給される。定電圧Vconst1は、例えば、電源電圧であり、定電圧Vconst2は、例えば、接地電圧である。MOSFET22は、ソースフォロワアンプとして機能する。増幅器112は、MOSFET22のソースに生じた電圧を増幅して出力する。   The amplifying unit 110 includes a MOSFET 22, a resistor 111, and an amplifier 112. The MOSFET 22 is, for example, an NMOS transistor. A constant voltage Vconst1 is supplied to the drain of the MOSFET 22. A constant voltage Vconst2 is supplied to the source of the MOSFET 22 via the resistor 111. The constant voltage Vconst1 is, for example, a power supply voltage, and the constant voltage Vconst2 is, for example, a ground voltage. The MOSFET 22 functions as a source follower amplifier. The amplifier 112 amplifies the voltage generated at the source of the MOSFET 22 and outputs the amplified voltage.

続いて、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201の動作について説明する。電気化学測定装置201では、コンデンサ8に電荷が蓄積されていない場合、作用電圧として0Vが生成される。このとき、駆動電圧をa(V)とすると、制御回路101は、参照電圧がa(V)となるように対向電圧を制御する。   Subsequently, the operation of the electrochemical measurement apparatus 201 according to the first embodiment will be described. In the electrochemical measuring device 201, 0V is generated as the working voltage when no charge is accumulated in the capacitor 8. At this time, if the drive voltage is a (V), the control circuit 101 controls the counter voltage so that the reference voltage is a (V).

このように、制御回路101が対向電極2を駆動することで、電解液1に電圧が印加される。これにより、作用電極4から電流e−が流れる。電流e−は、コンデンサ8に蓄積され、コンデンサ8には作用電圧が発生する。このとき、作用電圧がb(V)である場合、制御回路101は、参照電圧がa+b(V)となるように対向電圧を制御する。つまり、制御回路101により、電解液1には常にa(V)が印加されるように制御される。このように、作用電圧の変動によらず、電解液1に印加される電圧を一定に維持することで、電解液1の酸化還元反応を安定して継続させることができる。   As described above, the control circuit 101 drives the counter electrode 2, whereby a voltage is applied to the electrolytic solution 1. As a result, a current e− flows from the working electrode 4. The current e− is accumulated in the capacitor 8, and an operating voltage is generated in the capacitor 8. At this time, when the working voltage is b (V), the control circuit 101 controls the counter voltage so that the reference voltage becomes a + b (V). That is, the control circuit 101 performs control so that a (V) is always applied to the electrolytic solution 1. Thus, the oxidation-reduction reaction of the electrolytic solution 1 can be stably continued by keeping the voltage applied to the electrolytic solution 1 constant regardless of the fluctuation of the working voltage.

また、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201は、コンデンサ8に生じた作用電圧を増幅部110により増幅して測定電圧(外部出力端子121の電圧)を出力する。電気化学測定装置201において、増幅部110の増幅率(ソースフォロワアンプと増幅器112の合計増幅率)をAとすると、作用電極4に流れる電流e−の電流値は、測定電圧の微分値(ΔV/Δt)の1/A倍に等しくなる。つまり、電気化学測定装置201では、作用電圧を増幅することで微少な電流変化の観測を容易にし、計測された測定電圧から電流値を計算することで、微少な電流の測定を実現する。   In addition, the electrochemical measurement apparatus 201 according to the first embodiment amplifies the working voltage generated in the capacitor 8 by the amplifying unit 110 and outputs the measurement voltage (voltage of the external output terminal 121). In the electrochemical measurement apparatus 201, when the amplification factor of the amplification unit 110 (the total amplification factor of the source follower amplifier and the amplifier 112) is A, the current value of the current e− flowing through the working electrode 4 is a differential value (ΔV / Δt) equal to 1 / A times. That is, the electrochemical measurement apparatus 201 facilitates observation of a minute current change by amplifying the working voltage, and realizes a minute current measurement by calculating a current value from the measured measurement voltage.

上記説明より、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201では、作用電極4からの微少な電流によりコンデンサ8に生じる作用電圧を増幅部110で増幅して出力する。このようなコンデンサに電荷を蓄積する方式では、トランジスタによるリーク電流の問題を生じることなく、電流値に応じた電圧を生成することができる。また、作用電圧を増幅して測定電圧を生成することで、微少な電圧変化を的確に測定することができる。これにより、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201は、カレントミラー型の電流増幅回路を採用した従来の方式ではトランジスタのリーク電流等の影響により測定の困難な微量な電流を測定可能になる。   From the above description, in the electrochemical measurement apparatus 201 according to the first embodiment, the amplifying unit 110 amplifies and outputs the working voltage generated in the capacitor 8 by the minute current from the working electrode 4. In such a system in which electric charge is accumulated in the capacitor, a voltage corresponding to the current value can be generated without causing a problem of leakage current due to the transistor. In addition, a minute voltage change can be accurately measured by amplifying the working voltage and generating a measurement voltage. As a result, the electrochemical measurement apparatus 201 according to the first embodiment can measure a very small amount of current that is difficult to measure due to the influence of the leakage current of the transistor and the like in the conventional method employing the current mirror type current amplification circuit. .

なお、コンデンサ8に生じる作用電圧はある範囲に収まっていなくてはならないため、作用電圧がその範囲を超えた場合にはリセット処理を行う必要がある。図2に示した電気化学測定装置201のブロック図では、リセットスイッチは入っていない。この場合は、電解液1を介して対向電極2からコンデンサ8の電荷を引き抜く。このリセット作業は、測定の前に行うほうがよい。コンデンサ8にリセット用の回路が入っていないのは、MOSFETを使ったスイッチにはリーク電流があり、雑音となって微量な電流を測れなくなるためである。   In addition, since the working voltage generated in the capacitor 8 must be within a certain range, it is necessary to perform a reset process when the working voltage exceeds the range. In the block diagram of the electrochemical measurement apparatus 201 shown in FIG. 2, the reset switch is not turned on. In this case, the electric charge of the capacitor 8 is extracted from the counter electrode 2 through the electrolytic solution 1. This resetting operation is better performed before measurement. The reason why the reset circuit is not included in the capacitor 8 is that a switch using a MOSFET has a leakage current, and it becomes a noise and a minute amount of current cannot be measured.

また、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201では、コンデンサ8に生じる作用電圧が上昇することに応じて作用電極4の電圧が上昇する。そのため、制御回路101の差動アンプ102の非反転入力端子に与えられる電圧が固定されていた場合、作用電極4の電圧が上昇するのに伴って、参照電極3の電圧と、作用電極4の電圧と、の電圧差が小さくなり、電解液1の酸化還元反応が不安定になる問題がある。しかし、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201では、制御回路101の差動アンプ102の非反転入力端子に作用電極4の電圧(例えば、作用電圧)が与えられる。そのため、作用電圧が変動した場合であっても、制御回路101は作用電圧の変動に応じて、参照電極3と作用電極4との電圧差を一定に維持することができる。このような制御を行うことで、実施の形態1にかかる電気化学測定装置201では、作用電極4の電圧変動がなかったのと同様の酸化還元反応を維持することができる。   Further, in the electrochemical measurement device 201 according to the first embodiment, the voltage of the working electrode 4 increases as the working voltage generated in the capacitor 8 increases. Therefore, when the voltage applied to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 102 of the control circuit 101 is fixed, the voltage of the reference electrode 3 and the voltage of the working electrode 4 are increased as the voltage of the working electrode 4 increases. There is a problem that the voltage difference from the voltage becomes small, and the oxidation-reduction reaction of the electrolytic solution 1 becomes unstable. However, in the electrochemical measurement apparatus 201 according to the first embodiment, the voltage of the working electrode 4 (for example, working voltage) is applied to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 102 of the control circuit 101. Therefore, even when the working voltage fluctuates, the control circuit 101 can keep the voltage difference between the reference electrode 3 and the working electrode 4 constant according to the fluctuation of the working voltage. By performing such control, the electrochemical measurement apparatus 201 according to the first embodiment can maintain the same oxidation-reduction reaction as when there was no voltage fluctuation of the working electrode 4.

実施の形態2
実施の形態2にかかる電気化学測定装置202のブロック図を図3に示す。図3に示すように、実施の形態2にかかる電気化学測定装置202は、フィードバック配線103を削除して差動アンプ102の非反転入力端子に低電圧Vconst3を与える。加えて、実施の形態2にかかる電気化学測定装置202は、外部出力端子121から出力される測定電圧をフィードバック配線131を介して駆動信号制御回路130に与える。つまり、実施の形態2にかかる電気化学測定装置202は、作用電圧のフィードバックを外部に設けられる駆動信号制御回路130を介して行う。つまり、フィードバック配線131及び駆動信号制御回路130が実施の形態1におけるフィードバック手段となる。
Embodiment 2
FIG. 3 shows a block diagram of the electrochemical measurement apparatus 202 according to the second embodiment. As shown in FIG. 3, the electrochemical measurement apparatus 202 according to the second embodiment applies the low voltage Vconst3 to the non-inverting input terminal of the differential amplifier 102 by deleting the feedback wiring 103. In addition, the electrochemical measurement apparatus 202 according to the second embodiment applies the measurement voltage output from the external output terminal 121 to the drive signal control circuit 130 via the feedback wiring 131. That is, the electrochemical measurement apparatus 202 according to the second embodiment performs feedback of the working voltage via the drive signal control circuit 130 provided outside. That is, the feedback wiring 131 and the drive signal control circuit 130 serve as feedback means in the first embodiment.

駆動信号制御回路130は、測定電圧から作用電極4の電圧を判断し、作用電圧の電圧値を加えた電圧を新たな駆動電圧として出力する。例えば、当初の駆動電圧がa(V)であった状態で作用電圧がb(V)となった場合、新たな駆動電圧をa+b(V)とする。このように、駆動信号制御回路130を介して作用電圧をフィードバックするメリットは、駆動信号制御回路130が作用電圧の変化を監視することで、測定系が不安定になりそうか否かを判断できることである。例えば、作用電圧の変化が大きすぎるようなら、測定を中断するという判断を行うことができる。   The drive signal control circuit 130 determines the voltage of the working electrode 4 from the measured voltage, and outputs a voltage obtained by adding the voltage value of the working voltage as a new drive voltage. For example, when the working voltage is b (V) in a state where the initial driving voltage is a (V), the new driving voltage is set to a + b (V). Thus, the merit of feeding back the working voltage via the drive signal control circuit 130 is that the drive signal control circuit 130 can determine whether the measurement system is likely to become unstable by monitoring the change of the working voltage. It is. For example, if the change in the working voltage is too large, it can be determined that the measurement is interrupted.

上記説明より、実施の形態2にかかる電気化学測定装置202で示したように、作用電圧のフィードバックは、外部の駆動信号制御回路130を介して行うこともできる。また、駆動信号制御回路130を介して作用電圧をフィードバックすることで、測定系の安定度を判断することもできる。   From the above description, as shown in the electrochemical measurement apparatus 202 according to the second embodiment, the feedback of the working voltage can also be performed via the external drive signal control circuit 130. In addition, the stability of the measurement system can be determined by feeding back the working voltage via the drive signal control circuit 130.

実施の形態3
実施の形態3にかかる電気化学測定装置203のブロック図を図4に示す。図4に示すように、実施の形態3にかかる電気化学測定装置203は、実施の形態2にかかる電気化学測定装置202にリセットスイッチ115を追加したものである。
Embodiment 3
FIG. 4 shows a block diagram of the electrochemical measurement apparatus 203 according to the third embodiment. As shown in FIG. 4, an electrochemical measurement device 203 according to the third embodiment is obtained by adding a reset switch 115 to the electrochemical measurement device 202 according to the second embodiment.

リセットスイッチ115は、コンデンサ8と並列に設けられる。リセットスイッチ115は、半導体基板上に形成される機械的な接点により導通状態を制御するものである。リセットスイッチ115は、導通した状態でコンデンサ8の電荷の引き抜きを行い、作用電圧を接地電圧にリセットする。リセットスイッチ115は、例えば、バイメタル材料、磁性材料等で形成することができる。   The reset switch 115 is provided in parallel with the capacitor 8. The reset switch 115 controls the conduction state by a mechanical contact formed on the semiconductor substrate. The reset switch 115 extracts the electric charge of the capacitor 8 in a conductive state, and resets the working voltage to the ground voltage. The reset switch 115 can be formed of, for example, a bimetal material or a magnetic material.

リセットスイッチ115をバイメタル材料で形成した場合、熱反応により接点の導通状態が切り換えられる。また、リセットスイッチ115を磁性材料により形成した場合、静電界による引力及び反発力により接点の導通状態が切り換えられる。   When the reset switch 115 is formed of a bimetal material, the conduction state of the contact is switched by a thermal reaction. Further, when the reset switch 115 is formed of a magnetic material, the conduction state of the contact is switched by the attractive force and the repulsive force due to the electrostatic field.

このように、半導体基板上に、機械的な動作により接点の導通状態を切り換えられるリセットスイッチ115を利用することで、リセットスイッチを介して流れるリーク電流の影響を防ぎながらコンデンサ8のリセットを行うことができる。また、リセットスイッチ115を設けることで、測定系が不安定になった場合にリセット動作を行い、測定を継続することができる。   As described above, the capacitor 8 is reset while preventing the influence of the leakage current flowing through the reset switch by using the reset switch 115 that can switch the conduction state of the contact by mechanical operation on the semiconductor substrate. Can do. Further, by providing the reset switch 115, when the measurement system becomes unstable, a reset operation can be performed and measurement can be continued.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、第1および第2の抵抗の抵抗値は同じ値としたがが、参照電極の電圧の影響の程度を変えたい場合はそれに応じて第1および第2の抵抗の抵抗値の比率を変えてもよい。また第1および第2の抵抗にコンデンサなどを組み合わせ、ローパスフィルタなどの周波数特性を持つような構成にしてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, the resistance values of the first and second resistors are the same, but if the degree of influence of the reference electrode voltage is to be changed, the ratio of the resistance values of the first and second resistors is changed accordingly. May be. Further, the first and second resistors may be combined with a capacitor or the like to have a frequency characteristic such as a low-pass filter.

1 電解液
2 対向電極
3 参照電極
4 作用電極
6、13 絶縁層
7 ビア配線
8 コンデンサ
9 ビア配線
10〜12 配線層
13 絶縁層
20〜22 MOSFET
23 半導体基板
100 反応領域
101 制御回路
102 差動アンプ
103、131 フィードバック配線
104 バッファ回路
105、106 抵抗
110 増幅部
111 抵抗
112 増幅器
115 リセットスイッチ
120 外部入力端子
121 外部出力端子
130 駆動信号制御回路
201〜203 電気化学測定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolytic solution 2 Counter electrode 3 Reference electrode 4 Working electrode 6, 13 Insulating layer 7 Via wiring 8 Capacitor 9 Via wiring 10-12 Wiring layer 13 Insulating layer 20-22 MOSFET
23 Semiconductor substrate 100 Reaction region 101 Control circuit 102 Differential amplifier 103, 131 Feedback wiring 104 Buffer circuit 105, 106 Resistor 110 Amplifier 111 Resistor 112 Amplifier 115 Reset switch 120 External input terminal 121 External output terminal 130 Drive signal control circuit 201- 203 Electrochemical measuring device

Claims (7)

半導体基板上に形成された絶縁層に形成され測定対象の電解液を保持する反応領域と、
対向電圧を前記電解液に与える対向電極と、
前記電解液の電圧をモニタする参照電極と、
前記電解液に接触するように形成された作用電極と、
前記参照電極によりモニタされた参照電圧が外部から与えられる駆動電圧と一致するように前記対向電圧の電圧値を制御する制御回路と、
前記作用電極を介して流出する電荷を蓄積するコンデンサと、
前記コンデンサに生じる作用電圧を増幅して測定電圧を出力する増幅部と、
前記作用電圧の変動を前記制御回路にフィードバックするフィードバック手段と、を有し、
前記制御回路は、前記フィードバック手段により得た前記作用電圧の変動量に基づき前記対向電圧を制御して、前記参照電圧と前記作用電圧との電圧差を一定に維持する電気化学測定装置。
A reaction region formed on an insulating layer formed on a semiconductor substrate and holding an electrolyte to be measured;
A counter electrode for applying a counter voltage to the electrolyte;
A reference electrode for monitoring the voltage of the electrolyte;
A working electrode formed in contact with the electrolyte;
A control circuit that controls the voltage value of the counter voltage so that the reference voltage monitored by the reference electrode matches the drive voltage applied from the outside;
A capacitor for accumulating charge flowing out through the working electrode ;
An amplifying unit for amplifying the working voltage generated in the capacitor and outputting a measurement voltage;
Feedback means for feeding back the fluctuation of the working voltage to the control circuit,
The control circuit is an electrochemical measurement device that maintains the voltage difference between the reference voltage and the working voltage constant by controlling the counter voltage based on a variation amount of the working voltage obtained by the feedback means.
前記制御回路は、
反転入力端子と、非反転入力端子と、出力端子とを有し、前記出力端子から前記対向電圧を出力する差動アンプと、
前記参照電圧を伝達するバッファ回路と、
前記バッファ回路の出力と、前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第1の抵抗と、
前記駆動電圧が与えられる外部入力端子と前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第2の抵抗と、を有し、
前記差動アンプの前記非反転入力端子には前記作用電圧が入力される請求項1に記載の電気化学測定装置。
The control circuit includes:
A differential amplifier having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, and outputting the counter voltage from the output terminal;
A buffer circuit for transmitting the reference voltage;
A first resistor connected between the output of the buffer circuit and the inverting input terminal of the differential amplifier;
A second resistor connected between an external input terminal to which the drive voltage is applied and the inverting input terminal of the differential amplifier;
The electrochemical measurement device according to claim 1, wherein the working voltage is input to the non-inverting input terminal of the differential amplifier.
前記制御回路は、
反転入力端子と、非反転入力端子と、出力端子とを有し、前記非反転入力端子には定電圧が与えられ、前記出力端子から前記対向電圧を出力する差動アンプと、
前記参照電圧を伝達するバッファ回路と、
前記バッファ回路の出力と、前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第1の抵抗と、
前記駆動電圧が与えられる外部入力端子と前記差動アンプの前記反転入力端子との間に接続される第2の抵抗と、を有し、
前記駆動電圧は、前記測定電圧の変動に応じて電圧値が制御される請求項1に記載の電気化学測定装置。
The control circuit includes:
A differential amplifier having an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal, a constant voltage is applied to the non-inverting input terminal, and the counter voltage is output from the output terminal;
A buffer circuit for transmitting the reference voltage;
A first resistor connected between the output of the buffer circuit and the inverting input terminal of the differential amplifier;
A second resistor connected between an external input terminal to which the drive voltage is applied and the inverting input terminal of the differential amplifier;
The electrochemical measurement device according to claim 1, wherein a voltage value of the drive voltage is controlled according to a change in the measurement voltage.
前記コンデンサと並列して設けられるリセットスイッチを有し、
前記リセットスイッチは、半導体基板上に形成され、機械的な動作により導通状態が切り換えられる請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電気化学測定装置。
A reset switch provided in parallel with the capacitor;
The electrochemical measurement device according to any one of claims 1 to 3, wherein the reset switch is formed on a semiconductor substrate and the conduction state is switched by a mechanical operation.
前記リセットスイッチは、バイメタル材料で形成され、熱反応により接点の導通状態が切り換えられる請求項4に記載の電気化学測定装置。   The electrochemical measurement device according to claim 4, wherein the reset switch is formed of a bimetal material, and a contact state is switched by a thermal reaction. 前記リセットスイッチは、静電界による引力及び反発力により接点の導通状態が切り換えられる請求項4に記載の電気化学測定装置。   The electrochemical measurement device according to claim 4, wherein the reset switch has a contact conducting state switched by an attractive force and a repulsive force due to an electrostatic field. 前記電気化学測定装置は、一の半導体基板上に形成される請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の電気化学測定装置。   The electrochemical measurement apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrochemical measurement apparatus is formed on a single semiconductor substrate.
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