JP5773357B2

JP5773357B2 - 化学・物理現象検出装置及び検出方法

Info

Publication number: JP5773357B2
Application number: JP2011147641A
Authority: JP
Inventors: 文博太齋; 澤田　和明; 和明澤田
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: JP2013015379A

Description

この発明は化学・物理現象検出装置及び検出方法の改良に関する。

化学・物理現象検出装置（この明細書で「検出装置」略することがある）として、フローティングディフュージョン（この明細書で「ＦＤ」と略することがある）を利用したものが提案されている（特許文献１〜８参照）。
この検出装置は、例えば図１に示すように、センシング部１０、電荷供給部２０、電荷移動・蓄積部３０、電荷量検出部４０及び電荷除去部５０を備えてなる。
センシング部１０は検出対象に応じて電位を変化させる感応膜１２と標準電極１３を備える。感応膜１２の電位変化に応じ、シリコン基板７１において対向する領域（ｐ拡散領域７２）のポテンシャル井戸１５の深さが変化する。

電荷供給部２０はインジェクションダイオード（この明細書で「ＩＤ」と略することがある）部２１、インプットコントロールゲート（この明細書で「ＩＣＧ」と略することがある）部２３を備える。ＩＤ部２１を電荷でチャージし、かつＩＣＧ部２３の電位を制御することでＩＤ部２１の電荷をセンシング部１０のポテンシャル井戸１５へ供給する。
電荷移動・蓄積部３０はトランスファーゲート（この明細書で「ＴＧ」と略することがある）部３１、フローティングディフュージョン（この明細書で「ＦＤ」と略することがある）部３２を備える。ＴＧ部３１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、センシング部１０のポテンシャル井戸１５に充填された電荷をＦＤ部３３へ移送し、そこに蓄積する。

ＦＤ部３３に蓄積された電荷は電荷量検出部４０で検出される。かかる電荷量検出部４０としてソースフォロア型の信号増幅器を用いることができる。
電荷除去部５０はリセットゲート（この明細書で、「ＲＧ」と略することがある）部５１、リセットドレイン（この明細書で、「ＲＤ」と略することがある）部５３を備える。ＲＧ部５１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、ＦＤ部３３に蓄積された電荷をＲＤ部５３へ移送し、そこから排出する。

この検出装置の詳細構造及びその動作を、水素イオン濃度を検出対象とするｐＨセンサを例に採り説明する。以下の説明では電荷として電子を採用し、この電子の移送に適するように基板７１の対象部分を適宜ドープしている。

ｐＨセンサとしての検出装置１はｎ型のシリコン基板７１を備え、そのセンシング部１０に対応する部分はｐ型拡散層７２とされる。ｐ型拡散層７２の表面はｎ型にドープされる（ｎ領域７３）。
シリコン基板７１においてＩＤ部２１、ＦＤ部３３及びＲＤ部５３にはｎ^＋領域７４、７５及び７７が形成される。
シリコン基板７１の表面には酸化シリコンからなる保護膜８１が形成され、その上にＩＣＧ部２３の電極、ＴＧ部３１の電極及びＲＧ部５１の電極が積層される。各電極へ電圧が印加されるとそれに対向する部分のシリコン基板７１のポテンシャルが変化する。
センシング部１０においては保護膜８１の上に窒化シリコン製の感応膜１２が積層される。

このように構成された検出装置１の基本動作を以下に説明する（図２参照）。
検出対象である水溶液にセンシング部１０を接触させると、水溶液の水素イオン濃度に応じてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５の深さが変化する（Ａ図参照）。即ち、水素イオン濃度が大きくなればポテンシャル井戸１５が深くなる（底のポテンシャルが高くなる）。
一方、ＩＤ部２１の電位を下げてここへ電荷をチャージする（Ｂ図参照）。このとき、ＩＤ部２１へチャージされた電荷はＩＣＧ部２３を超えてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５を充填する。なお、ＴＧ部３１のポテンシャルはＩＣＧ部２３より低く、ポテンシャル井戸１５へ充填される電荷がＴＧ部３１を乗り越えてＦＤ３３へ達することはない。

次に、ＩＤ部２１の電位をあげてＩＤ部２１から電荷を引き抜くことで、ＩＣＧ部２３ですりきられた電荷がポテンシャル井戸１５に残される（Ｃ図参照）。ここに、ポテンシャル井戸１５に残された電荷量は、ポテンシャル井戸１５の深さ、即ち検出対象の水素イオン濃度に対応している。
次に、ＴＧ部３１の電位を上げて、ポテンシャル井戸１５に残された電荷をＦＤ部３３へ移送する（Ｄ図参照）。このようにしてＦＤ部３３に蓄積された電荷量を電荷量検出部４０で検出する（Ｅ図参照）。その後、ＲＧ部５１の電位を上げてＦＤ部３３の電荷をＲＤ部５３へ排出する（Ｆ図参照）。このＲＤ部５３はＶＤＤに接続され、負にチャージされた電荷を吸い上げる。

特許４１７１８２０号公報特開２００８−７９３０６号公報特許４０７３８３１号公報特許４１８３７８９号公報特許４１３３０２８号公報ＷＯ／２００９／０８１８９０Ａ１号公報ＷＯ／２０１０／１０６８００Ａ１号公報ＷＯ／２００９／１５１００４号公報

上記ｐＨ検出装置はシリコン基板上に各種電極や感応膜を形成した構成であるので、これを二次元的に集積することが可能となる。これによりｐＨの分布を二次元的に検出し、これをイメージとして出力できる。
かかるｐＨイメージを形成するに際し、各ｐＨ検出装置が１−ピクセルを構成するので、ｐＨ検出装置の高集積化が望まれる。
図１に示すｐＨ検出装置の回路構成を図３に示す。図３から明らかなように、１−ピクセル毎に、センシング部：１、トランジスタ：５、入出力配線：７が要求される。
このように１−ピクセル毎に要求される多数の要素は高集積化の妨げになる。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、検出装置から電荷供給部２０を省略し、その代わりに、ＦＤ部３３側から電荷を供給すればよいことに気づき、この発明に想到した。
電荷供給部２０が省略できれば、１つのトランジスタと２本の入出力線が削除され、高集積化に対する負担が軽減する。
以上より、この発明の局面は次のように規定される。即ち、
検出対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部ポテンシャルを変化させるセンシング部を備え、
ＴＧ部を介して前記センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
前記ポテンシャル井戸へ、前記ＴＧ部を介して、前記ＦＤ部側から電荷を注入する、化学・物理現象検出装置の制御方法。

この発明は、次のように規定することもできる。
検出対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部ポテンシャルを変化させるセンシング部と、
該センシング部に連続して配置されるＴＧ部及びＦＤ部と、
前記ＦＤ部へ電荷を供給する電荷供給部と、
前記ＦＤ部へ供給された電荷が前記ポテンシャル井戸に注入されるよう前記ＴＧ部の電位を制御するＴＧ制御部と、
を備える化学・物理現象検出装置。

図１は従来のｐＨ検出装置構成を模式的に示す。図２は同じく従来のｐＨ検出装置の動作フローを示す。図３は同じく従来のｐＨ検出装置の配線図である。図４はこの発明の実施形態のｐＨ検出装置の構成を模式的に示す。図５は図４のｐＨ検出装置の配線図である。図６は図４のｐＨ検出装置の動作フローを示す。図７は図６の動作フローを実行するタイミングチャートである。図８は図４のｐＨ検出装置を光量検出に用いたときの動作フローを示す。図９は図８の動作フローを実行するタイミングチャートである。

この発明の化学・物理現象検出装置の例としてのｐＨ検出装置１００を図４に、その回路構成を図５に示す。
図４において図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。図１との比較から明らかな通り、この図４ではＩＣＧ部２３とＩＤ部２１が省略されている。

図５に示す回路構成を、図３に示す回路構成と比較すると、電荷供給部に対応して、１つのトランジスタ（ＩＣＧ部用）と２本の入出力配線（ＩＤ部用及びＩＣＧ部用）が省略されていることがわかる。
図４に示す検出装置１００の動作を図６及び図７に示す。
図６（Ａ）において、ポテンシャル井戸１５は検出対象のｐＨに応じてその電位が定まっている。
その後、ＲＧ部５１を高電位とするとともに、ＲＤ部５３へ電荷をチャージする。電荷の最低ポテンシャルは、ポテンシャル井戸１５がとり得る最低ポテンシャルより低いものとする。これにより、ＲＤ部５３からの電荷でポテンシャル井戸１５が満たされる（Ｂ図参照）。
次に、ＲＤ部５３の電荷を排出してＴＧ部３１において電荷をすり切り、ポテンシャル井戸１５のみへ電荷を残した後、ＲＧ部５１の電位をもとに戻す（Ｃ図参照）。その後、ＴＧ部３１の電位を上げてポテンシャル井戸１５に残された電荷をＦＤ部３３へ移送する（Ｄ図参照）。なお、ＦＤ部３３の電荷量の検出及びその排出は、図２のＥ図及びＦ図と同様の処理となる。

図７はタイミングチャートであって、各要素の動作のタイミングを示す。
図４に示す検出装置１００には独立した構成の電荷供給部が存在せず、電荷移送・蓄積部と電荷排出部とが電荷供給部として動作するので、装置が簡素化されて高集積化に適したものとなる。

検出感度を向上するため、図２の（Ａ）〜（Ｄ）のステップを繰り返して、累積的に蓄積されたＦＤ部３３の電荷量を検出することができる（特許３６２３７２８号参照）。
他方、ＴＧ部３１による電荷すり切り時に（図６のＢ〜Ｃ参照）、ＴＧ部３１とポテンシャル井戸１５との界面に、感応膜１２の幅に対応して、小さなポテンシャルのこぶが形成されるおそれがある。このポテンシャルのこぶが存在すると、ポテンシャルのこぶの高さに対応して余計な電荷がセンシング部に残ることとなる。ポテンシャルのこぶの高さが小さくても、既述のように累積的な検出を実行すると、ポテンシャルのこぶに起因して残存した電荷量が無視できなる。そこで、センシング部に隣接して、若しくはセンシング部内に除去井戸を形成し、ポテンシャルのこぶによりセンシング部に残存する電荷を当該除去井戸へ逃がす。これにより、センシング部よりＦＤ部へ移送される電荷量はｐＨ値に対応したもののみとなり、即ちポテンシャルのこぶに起因して残存する電荷は移送されなくなり、もって正確な検出が可能となる。
なお、この除去井戸に対応してこのポテンシャルを制御するための制御電極が更に設けられ、この制御電極はＴＧ部３１と独立して制御される。
以上、特許４１７１８２０号公報を参照されたい。

ｐＨ検出に用いられる窒化シリコン製の感応膜１２及び酸化シリコン製の保護膜８１はともに透光性である。従って、センシング部１０を開放した空間等で使用したときには、これらの膜１２、８１を透過した光がシリコン基板７１において電荷（電子）を発生させる。この電荷が、センシング部１０へ供給された電荷と一緒になって、ＦＤ部３３へ蓄積されると、検出誤差の原因となりかねない。
そこでセンシング部１０への電荷供給が無い状態で、センシング部１０からＦＤ部３３へ電荷が転送可能なようにＴＧ部３１の電位を調節し、ＦＤ部３３へ移送された第１の電荷量を検出して保存する手段と、センシング部１０への電荷の供給がなされた状態で、ＴＧ部３１の電位を調節して、センシング部２の電荷をＦＤ部３３へ転送し、ＦＤ部３３へ移送された第２の電荷量を検出して保存する手段と、前記第２の電荷量と前記第１の電荷量との差を演算し、得られた電荷量の差にもとづき、検出装置の出力を補正し、もって検出装置の検出結果から光の影響を除去することができる。
以上、特開２００８−７９３０６号公報を参照されたい。

（光の検出）
センシング部１０が光に対して活性であることを利用して、光量を検出することができる。
即ち、光の照射によりセンシング部１０で生成した電荷をＦＤ部３３へ転送するタイミングを制御することにより、センシング部１０へ入射した光量を特定できる。この場合、センシング部１０へ電荷を供給する動作は不要である。
この検出装置１００を用いる光量の検出動作を図８及び図９に示す。
センシング部１０へ入射された光の量に応じてポテンシャル井戸１５の電荷が蓄積される（図８Ａ〜Ｂ）。
ＴＧ部３１の電位を上げてポテンシャル井戸１５の電荷をＦＤ部３３へ移送する（Ｄ）。光量に応じては、（Ｄ）のステップを繰り返す。
ＦＤ部３３に蓄積された電荷量の検出及びＦＤ部３３に蓄積された電荷の排出はｐＨ検出の場合と同じである。

（ｐＨ・光の検出）
ｐＨ検出装置の基本構造を用いて光量の検出が可能であるので、検出に時間差を設けることにより、一つのチップでｐＨと光量の両者の検出が可能となる（特許４１８３７８９号公報参照）。
電荷移送・蓄積部をｐＨ検出用と光量検出用にそれぞれ配設してもよい（特許４１３３０２８号公報）。
ｐＨと光量の同時計測を可能とする装置がＷＯ／２００９／０８１８９０Ａ１号公報に開示されている。この装置では、電荷としての電子を利用するｐＨ検出用の電荷移動・蓄積部と、光入射によるセンシング部１０で発生したホールを利用する光量検出用の電荷移動・蓄積部とが並設される。

複数のｐＨ検出装置を用いると、それぞれのセンシング部において感度のバラツキが生じる。感度のバラツキの原因として感応膜のチャージアップ等が考えられる。
一般的に、感度のバラツキを校正するには、標準溶液に対する各センシング部の出力信号を求め、その出力信号が正規の出力信号となるように、これをソフトウェア的なデータ処理で校正する。しかしながら、センシング部の数が増えるとデータ処理用ＰＣにかかる負担が大きくなるので、高集積化の阻害要因となる。
そこで、本発明者らは、感度のバラツキをハードウエア的に校正することを考えた。即ち、標準溶液に対する各センシング部の移送電荷量（出力信号）を求め、この移送電荷量と標準センシング部による標準移送電荷量（標準出力信号）との差を求める。ここに、標準センシング部は任意に若しくは理論的に選択することができ、このセンシング部を標準溶液に接触させたときに移送される電荷量を一義的に標準移送電荷量として、全てのセンシング部の出力の基準とする。
各センシング部の移送電荷量と標準移送電荷量との差が相殺されるように、センシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させるか、若しくは電荷移送時のＴＧ部のポテンシャルを変化させる。これにより、標準溶液に対して標準センシング部がＦＤ部へ移送させる電荷量と同じ電荷量が校正対象のセンシング部からＦＤ部へ対して移送されることとなる。
ポテンシャル井戸の容量の変化は、参照電極の電位及び／又はポテンシャル井戸の底部の電位をハードウエア的に調整することで行なえる。ＴＧ部の電位調整も同様である。
なお、検出装置に要求される感度によっては、各センシング部を個々に校正する必要はない。例えば、校正対象のセンシング部からの移送電荷量と標準移送電荷量の差を予め定められた範囲（電荷量帯）に分類し、当該範囲毎に校正値を予め定めておく。そして校正対象のポテンシャル井戸の容量を当該校正値で校正する。これにより、ハードウエア的な調整作業が簡素化される。

以上をまとめると、次のように規定できる。
検出対象のｐＨ値に対応してポテンシャル井戸の底部ポテンシャルを変化させる第１のセンシング部及び第２のセンシング部を備え、
ＴＧ部を介して各センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき検出対象のｐＨを検出する装置の制御方法であって、
検出対象が第１の状態のとき、第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸及び第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸からそれぞれ第１の量の電荷が対応するＦＤへ移送されるように、検出対象において少なくとも一方のセンシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させる、及び／又は電荷移送時にＴＧ部の電位を変化させる、ｐＨ検出装置の制御方法。

上記において、ｐＨ検出装置を検出装置の例に取り上げ説明してきた。感応膜を選択することにより測定対象を任意の化学現象、物理現象とすることができる。
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

１，１０ｐＨ検出装置
１０センシング部、１２感応膜、１３参照電極、１５ポテンシャル井戸
２０電荷供給部、２１ＩＤ部、２３ＩＣＧ部
３０電荷移動・蓄積部、３１ＴＧ部、３３ＦＤ部
４０電荷量検出部
５０電荷除去部、５１ＲＧ部、５３ＲＤ部
７１基板、７２ｐ拡散領域、７３ｎ領域、７４，７５，７７ｎ^＋領域

Claims

測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部ポテンシャルを変化させるセンシング部を備え、
ＴＧ部を介して前記センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定し、前記ＦＤ部の電荷をＲＤ部より排出する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
前記ポテンシャル井戸へ、前記ＴＧ部を介して、前記ＦＤ部側から電荷を注入する際に、前記ＲＤ部へチャージされた電荷の最低ポテンシャルを、前記ＴＧの電位より低くかつ前記ポテンシャル井戸が取りうる最低ポテンシャルより低くして、かつ前記ＴＧ部の電位を変化させずに、前記ＲＤ部からの電荷で前記ポテンシャル井戸を満たす化学・物理現象検出装置の制御方法。
測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部ポテンシャルを変化させるセンシング部と、
該センシング部に連続して配置されるＴＧ部及びＦＤ部と、
前記ＦＤ部の電荷を排出するＲＤ部と、を備え、
前記ＲＤ部へチャージされた電荷の最低ポテンシャルを、前記ＴＧの電位より低くかつ前記ポテンシャル井戸が取りうる最低ポテンシャルより低くして、かつ前記ＴＧ部の電位を変化させずに、前記ＲＤ部からの電荷で前記ポテンシャル井戸を満たす化学・物理現象検出装置。