JP6016460B2 - 化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための方法、および装置 - Google Patents

Description

先行技術
本発明は、化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求める方法、化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置、および、対応するコンピュータプログラム製品に関する。

化学物質を感知するセンサでは、出力信号は、試料または分析対象の媒質に含まれる該化学物質の濃度に依存する。しかし、この化学物質を感知するセンサが出力する信号は、濃度を表す絶対的な信号ではなく、むしろこの信号には、持続的でありかつ顕著でない（schleichend）変化またはドリフトが生じる。このような変化またはドリフトに対応するために、別のセンサを参照用センサとして使用することができる。理想的には、この参照用センサに生じる経時変化プロセスおよび環境の影響は、前記センサに生じる経時変化プロセスおよび環境の影響と同じであり、よって、参照用センサの変化またはドリフトは前記センサと同じである。センサの信号と参照信号とから、試料中の化学物質の濃度を推定することができる。

ＵＳ６７０３２４１Ｂ１に、複数のセンサの構成体を備えた人工嗅覚装置において信号ドリフトを低減させる方法が記載されている。

ＵＳ６７０３２４１Ｂ１

上述の従来技術を背景として、本発明の課題は、化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求める方法を改善することである。

本発明では、独立請求項に記載された、化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求める方法を開示し、さらに、独立請求項に記載された、化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置と、最後に、これに対応するコンピュータプログラム製品とを開示する。各従属請求項および明細書の以下の記載から、有利な実施形態を導き出すことができる。

本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置の回路図である。 本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置の回路図である。 本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置の回路図である。 本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求める方法のフローチャートである。 本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置のブロック回路図である。

試料中の物質を測定するためにセンサと参照用センサとを使用することにより、不確実な信号が出力されるが、この信号の不確実さは、制御回路を使用し、かつ、制御回路の制御器から出力された信号を使用することによって補償できるという認識が、本発明の基礎となっている。この信号はノイズを含み、とりわけ低周波の場合、いわゆる１／ｆノイズが優勢となる。さらに、測定対象である物質の濃度が変化することによって生じる信号の変化は、信号全体のレベルと比較して最小限のみであることが多い。それゆえ、測定結果を求めるために有利なのは、間接的なパラメータを使用することであり、たとえば、前記信号と直接関連する制御されるフィードバック値を使用することにより、実際の測定結果を推定することができる。制御器パラメータを適切に選択することにより、前記フィードバック値は前記信号を高精度で、無視できる程度の偏差で表すことができる。また、フィードバック値の電圧領域を完全に利用することもできるようになり、このことにより、高い測定精度で濃度を表すことができる。

化学感応性電界効果トランジスタ方式の化学センサの測定感度は、信号雑音比を改善し周辺影響を低減するための本発明の手段によって、低コストで改善することができる。

化学センサは、２つの化学感応性電界効果トランジスタ（ＣｈｅｍＦＥＴ）と、このＣｈｅｍＦＥＴの出力でタイミング同期される差分測定を行うための本発明の回路とから構成することができる。有利には、ＣｈｅｍＦＥＴ方式の化学センサの信号の測定における根本的な問題を、１つの簡単な回路によって解決することができる。本発明により、本来の測定信号であるチャネル電流の変化が、バックグラウンド信号であるチャネル電流より小さいオーダになってしまうという問題を簡単に解決することができる。さらに、測定帯域幅を縮小することにより、信号雑音比を改善することもできる。本発明の回路は、「スイッチングバイアス」（switched biasing）ノイズ抑圧と併用することができる。

本発明は、化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求める方法を開示するものであり、該方法は以下のステップを有する：
第１の信号と第２の信号とを準備し、少なくとも該第１の信号をある増幅率で増幅する準備ステップ。
測定流体が供給される前記化学感応性電界効果トランジスタに前記第１の信号を供給することにより出力情報が得られ、基準環境内にある参照用トランジスタに第２の信号を供給することにより参照情報が得られる供給ステップ。
前記出力情報と前記参照情報との比較を行い、該比較の結果に応じて前記増幅率を適合する、比較ステップ。
前記測定値を得るために、前記増幅率を評価する、評価ステップ。

本発明はさらに、化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置を開示するものであり、該装置は以下の構成を有する：
第１の信号と第２の信号とを準備するための、準備装置。少なくとも、前記第１の信号はある増幅率で増幅される。
出力情報を得るために、測定流体が供給される前記化学感応性電界効果トランジスタに前記第１の信号を供給し、かつ、参照情報を得るために、基準環境内にある参照用トランジスタに第２の信号を供給するための、供給装置。
前記出力情報と前記参照情報との比較を行い、該比較の結果に応じて前記増幅率を適合するための、比較装置。
前記測定値を得るために、前記増幅率を評価するための、評価装置。

本発明の実施形態は装置としても、本発明の基礎となる課題を迅速かつ効率的に解決することができる。

測定値とは、測定流体中の測定対象である物質の濃度を表すものを意味することができ、たとえば、前記測定値を電流または電圧とすることができる。その際には、この電流または電圧の値が前記濃度を表す。また、前記測定値はデータワードとすることができる。その際には、値（ビット）の列が濃度を表す。化学感応性電界効果トランジスタは半導体素子とすることができ、たとえば、化学感応性電界効果トランジスタはソースコンタクトとドレインコンタクトとゲート電極とを有することができ、該ゲート電極は、特別な電気化学的特性および／または触媒特性を有する電極とすることができる。このことにより、測定流体中の測定対象である物質の検出対象である分子または原子と、測定対象である物質の、ゲート電極に吸着した分子または原子との間の平衡状態が、該ゲート電極における電位に影響を与えることができる。電圧を印加することによっても、ゲート電極における電位を変化させることができる。ゲート電極における電位は、ソースコンタクトとドレインコンタクトとの間のチャネル電流に影響を与えることができる。このチャネル電流は、測定流体中の測定対象である物質の濃度を表すことができる。このチャネル電流は、電位の変化に依存しない成分を含むことができる。第１の信号は電圧とすることができ、第２の信号を電圧とすることができる。前記第１の信号または該第１の信号から導出される信号の供給は少なくとも、前記化学感応性電界効果トランジスタのゲート電極にて行うことができ、前記第２の信号または該第２の信号から導出される信号の供給もまた、少なくとも、前記参照用トランジスタのゲート電極にて行うことができる。前記第１の信号の供給は、前記化学感応性電界効果トランジスタのドレインコンタクトでも行うことができ、第２の信号の供給もまた、参照用トランジスタのドレインコンタクトでも行うことができる。増幅率は、前記第１の信号の電圧のレベルに影響を与えることができる。前記第２の信号を別の増幅率で増幅することができる。前記別の増幅率は、参照電位を基準として前記増幅率に対して反転した増幅率とすることができる。この場合にはたとえば、第１の信号の振幅をより大きくし、第２の信号の振幅をより小さくすることができる。出力情報は前記チャネル電流を表すことができ、たとえば前記出力情報は、分流抵抗等である測定抵抗における電圧降下とすることができる。

参照用トランジスタは半導体素子とすることができ、たとえば参照用トランジスタは、ソースコンタクトとドレインコンタクトとゲート電極とを有する電界効果トランジスタとすることができ、該ゲート電極は、特別な電気化学的特性および／または触媒特性を有する電極とすることができる。前記参照用トランジスタが電気化学的特性および／または触媒特性を有さない場合、基準環境として前記測定流体を該参照用トランジスタにも供給することができ、および／または、前記化学感応性電界効果トランジスタがさらされるのと同じ環境条件にさらすために、該参照用トランジスタを同一の支持部材に配置することができる。この構成により、測定流体中の濃度の変化によって参照情報が変化することがなくなる。たとえば、前記参照用トランジスタはパッシベーション層を有することができる。すなわち、参照用トランジスタがたとえばパッシベーションされている場合、該参照用トランジスタを同じ測定環境内に置くことができる。というのも、パッシベーション層によって、測定環境から分離された基準環境が形成されるからである。前記参照用トランジスタが電気化学的特性および／または触媒特性を有する場合、たとえば、該参照用トランジスタを、基準環境である参照流体にさらすことができる。前記参照流体は、既知の濃度の、測定対象である物質を含むことができる。環境条件が同じまたは類似する場合、参照信号は、前記参照流体中の測定対象である流体の濃度を表す。評価は、公知のアルゴリズムを用いた計算とすることができ、また評価を、測定値を得るための格納されたテーブルを用いて求めることとすることもできる。

ここで、装置とは、センサ信号を処理し、処理したセンサ信号に依存して制御信号を出力する電子機器を含むことができる。前記装置はインタフェースを有することができ、このインタフェースは、ハードウェアおよび／ソフトウェアで構成してもよい。ハードウェアで実現される場合には、インタフェースはたとえば、前記装置の種々の機能を含むいわゆるシステムＡＳＩＣの一部とすることができる。しかし、インタフェースは独立した集積回路であることも、少なくとも部分的にディスクリート素子から構成されていることも可能である。ソフトウェアで構成される場合、上記のインタフェースは、例えばマイクロコントローラ上に別のソフトウェアモジュールと並列して設けられるソフトウェアモジュールとすることができる。

さらに、前記比較ステップにおいて、前記出力情報と前記参照情報とが適合（angleichen）されるように前記増幅率を適合することができる。この増幅率の適合では、前記出力情報が前記参照情報に相当するように少なくとも前記第１の信号を適合することができる。その際には前記増幅率を、測定流体中の測定対象である物質の濃度を表す測定値と見なすことができる。このことにより、出力情報のうち濃度に起因しない成分を除去することができる。

さらに、本発明の方法は較正ステップを含むことができる。この較正ステップでは、前記化学感応性電界効果トランジスタと前記参照用トランジスタとが較正環境内におかれる。較正環境は既知の環境条件を有することができ、この既知の環境条件で、前記出力信号の少なくとも１つの期待値、または該出力信号および前記参照信号の期待値を格納することができる。たとえば、測定対象である物質の濃度を既知とすることができる。またたとえば、前記較正環境内に前記測定対象である物質は含まれない。また、前記較正環境における前記測定対象である物質の割合を既知とすることもできる。このことにより、前記出力信号および前記参照信号が前記少なくとも１つの期待値に相当するように、前記増幅率を調整することができる。前記較正は少なくとも１つの動作点において、前記化学感応性電界効果トランジスタの測定値を保証することができる。

さらに前記準備ステップにおいて、該第１の信号の振幅を交番振幅とし、該第２の信号を、参照電位を基準として該第１の信号に対して反転した信号として準備することができ、前記比較ステップにおいて、該第１の信号または第２の信号を使用して、前記出力情報と前記参照情報とを比較することができる。振幅とは信号の実際の値を指すことができ、たとえば信号の電圧値を指すことができる。交番振幅により、化学感応性電界効果トランジスタおよび参照用トランジスタを複数の異なる動作点で動作させることができる。前記出力情報および前記参照情報を適切に評価するためには、前記第１の信号または前記第２の信号を補助パラメータとして使用するか、またはタイミング信号として使用することができる。前記第２の信号が、前記第１の信号に対して反転した信号である場合、前記化学感応性電界効果トランジスタが量を測定しない場合には前記参照用トランジスタは量を測定することができ、またその逆が可能である。

さらに、前記供給ステップにおいて、前記第１の信号が第１の振幅を有する場合には、前記出力情報は前記測定流体中の少なくとも１つの物質の濃度を表すことができ、前記第１の信号が第２の振幅を有する場合には、前記化学感応性電界効果トランジスタのゲート電極の電位の変化および／またはチャネルの反転が行われる。その際には、前記第１の振幅は前記第２の振幅と異なることができ、たとえば、前記ゲート電極に低い電圧を印加した場合、前記化学感応性電界効果トランジスタの半導体基板内において空孔を再生することができる。とりわけ、前記第１の信号と前記第２の信号とが参照電位を基準として反転している場合、前記参照用トランジスタが測定を行っている間、前記化学感応性電界効果トランジスタは再生することができる。

さらに本発明の方法は、前記出力情報と前記参照情報とを含む全体情報を生成する統合ステップを有することもでき、その際には前記比較ステップにおいて、前記出力情報を表す第１の部分と、前記参照情報を表す第２の部分とに、前記全体情報を分離することができる。前記化学感応性電界効果トランジスタが再生する間は、前記出力情報は測定関連の成分を含まない。全体情報はたとえば、前記出力情報と前記参照情報との和とすることができる。また、前記全体情報は、前記出力情報と前記参照情報とを交互に表すこともできる。その際には、タイミング信号に応答して前記出力情報と前記参照情報とに切り換えることができる。このことにより、参照情報を伝送するための別個の伝送線路を削減し、前記出力情報を伝送するための伝送線路を共用することができる。その際には、前記比較ステップにおいて前記タイミング信号に応答して前記全体信号中の複数の成分を簡単に分離することができる。

さらに、本発明の一実施形態では、前記評価ステップにおいて増幅情報に応じて前記増幅率に影響を与えると有利である。増幅情報はたとえば、（外部の）制御装置からの信号とすることができる。前記増幅率に影響を与えることは、前記比較ステップにおいて該増幅率が適合された後に該増幅率を変化させることとすることができる。このことによってたとえば、別の測定領域において測定するために前記化学感応性電界効果トランジスタの感度を変化させるように、該化学感応性電界効果トランジスタに影響することができる。

また前記準備装置は、該第１の信号および該第２の信号を出力するように構成されたタイミングジェネレータと、該第１の信号を前記増幅率で増幅するように構成された少なくとも１つの増幅器とを含むことができる。さらに前記供給装置は、前記第１の信号または該第１の信号から導出された信号を前記化学感応性電界効果トランジスタの少なくとも１つのゲート電極および／またはソース電極において印加するように構成することもできる。また、前記供給装置は、前記第２の信号または該第２の信号から導出された信号を前記参照用トランジスタの少なくとも１つのゲート電極および／またはソース電極において印加するように構成することもできる。さらに、前記出力情報は前記化学感応性電界効果トランジスタのドレインコンタクトとソースコンタクトとの間に流れる電流を表すことができ、前記参照情報は前記参照用トランジスタのドレインコンタクトとソースコンタクトとの間に流れる電流を表すことができる。さらに、前記比較装置は制御器を含むことができる。タイミングジェネレータは、周期的なタイミングを出力するように構成することができる。その際には、タイミング信号をたとえばバイナリ方式で、方形波信号の形態で出力することができる。また前記タイミング信号は、最小値と最大値との間で振動する信号とすることもできる。個別部品を使用して、本発明の基礎となる課題を迅速かつ効率的に解決することもできる。

また、コンピュータに相当する機器上でプログラムを実行させるときに本発明の方法の上述の実施形態を実施するために使用される、該プログラムのプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品も有利である。このコンピュータプログラム製品は、たとえば半導体メモリ、ハードディスク記憶装置または光学式記憶装置等である機械読み取り可能な担体上に記憶することができる。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施例をより詳細に説明する。

本発明の有利な実施例を以下で説明するにあたり、異なる図中で示され同様の機能を有する要素には同一または同様の参照符号を使用しており、このような要素の説明を繰り返すことは省略する。

化学感応性電界効果トランジスタ（ＣｈｅｍＦＥＴ）は、気相または液相の分析物を測定するための新たな技術である。この化学感応性電界効果トランジスタでは通常、検出対象である被検種をトランジスタゲートに供給することによりゲート電極の電位が変化し、このゲート電極の電位の変化により、トランジスタのチャネル電流が変化する。電界効果トランジスタのチャネル電流は、選択された動作点において、被検種が供給されることによって生じるチャネル電流の変化より数オーダ高くなることが多い。このことにより、電流測定に厳しい要求が課される。外乱影響はたとえば温度変化またはセンサ劣化であり、これらによってチャネル電流が変化し、被検種の存在に起因するものではない。外乱影響を補償するためにはたとえば、検出対象である物質に比して感応性を有さない参照用トランジスタを使用することができる。有利には、前記参照用素子の半導体構造、幾何学的寸法および電気的特性は、測定センサとして機能する電界効果トランジスタの半導体構造、幾何学的寸法および電気的特性と同じである。これら双方の電界効果トランジスタが空間的に僅かに分離されている場合にはさらに、良好な熱結合が実現される。このことはたとえば、両素子を１つのチップ上に集積することによって実現される。その際には理想的には、測定センサとして機能する電界効果トランジスタと参照用素子として機能する電界効果トランジスタとのチャネル電流の差が、検出対象である物質の存在にのみ起因するようになる。こうするためには、両電界効果トランジスタが受ける外乱影響を同じにしなければならない。電界効果トランジスタではさらに、たとえばチャネルノイズや１／ｆノイズ等である内因的な妨害影響も発生する。このような内因的な妨害影響は、参照用センサと測定センサとで異なる場合があるため、上述のように補償することができない。信号雑音比（ＳＮＲ）を改善するための一手段として、測定帯域幅を縮小する手段がある。特に小さい測定帯域幅を実現するためには、たとえばロックイン増幅器を使用する。さらに、ＦＥＴを使用する場合にはいわゆる「スイッチングバイアス」により、物理的な原因に直接影響を与えることによって１／ｆノイズを所期のように低減することができる。その際には、方形波の交流電圧を用いるか、ないしは駆動制御電圧を反転スイッチングまたはスイッチオフすることにより、トランジスタを駆動制御する。このようにして、トランジスタは２つの異なる動作点で交互に動作し、すなわち、大きな積算と大きな反転とで交互に動作し、このことによって局所的な欠陥の影響が低減する。

図１は、本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求めるための装置１００の回路図である。装置１００は、タイミング信号を出力するためのタイミングジェネレータ１０２を有する。タイミングジェネレータ１０２は第１の出力端と第２の出力端とを有し、該タイミングジェネレータ１０２は、該第１の出力端において第１のタイミング信号を出力し、また、参照電位を基準として該第１のタイミング信号に対して反転した第２のタイミング信号を該第２の出力端において出力するように構成されている。前記タイミングジェネレータ１０２の第１の出力端は、第１の可変増幅器１０４の増幅器入力端に接続されており、該タイミングジェネレータ１０２の第２の出力端は、第２の可変増幅器１０６の増幅器入力端に接続されている。前記第１の可変増幅器１０４および前記第２の可変増幅器１０６は、各増幅器入力端においてそれぞれ信号を、ここではタイミング信号を受け取り、該信号をある増幅率で増幅し、各増幅器出力端において出力するように構成されている。こうするために、前記可変増幅器１０４および１０６はそれぞれ、増幅率を受け取るための制御入力端を有する。前記第１の可変増幅器１０４の増幅器出力端は第１の抵抗Ｒ_Ｓ １０８を介して前記化学感応性電界効果トランジスタ１１０（ＣＦ Ｍｅｓｓ）のドレインコンタクトＤに接続されている。前記第２の可変増幅器１０６の増幅器出力端は第２の抵抗Ｒ_Ｓ １１２を介して第２の化学感応性電界効果トランジスタ１１４（ＣＦ Ｒｅｆ）のドレインコンタクトＤに接続されている。化学感応性電界効果トランジスタ１１０は、測定流体中の少なくとも１つの所定の分析物を検出するように構成されており、第２の化学感応性電界効果トランジスタ１１４は、参照流体中の少なくとも１つの所定の分析物を検出するように構成されている。第２の化学感応性電界効果トランジスタが参照流体中の分析物を検出しないように構成することも可能である。ＣＦ Ｍｅｓｓ １１０のソースコンタクトＳは接地されている。ＣＦ Ｒｅｆ １１４のソースコンタクトＳも同様に接地されている。ＣＦ Ｍｅｓｓ １１０のゲート電極Ｇは、測定流体の所定の分析物の種の吸着により、電界効果トランジスタ１１０の電位に影響を与え、このことにより、ＣＦ Ｍｅｓｓ １１０のソースコンタクトＳとドレインコンタクトＤとの間のチャネル電流に影響を与えるように構成されている。ＣＦ Ｒｅｆ １１４のゲート電極Ｇは、参照流体の所定の分析物の種の吸着により、電界効果トランジスタ１１４の電位に影響を与え、このことにより、ＣＦ Ｒｅｆ １１４のソースコンタクトＳとドレインコンタクトＤとの間のチャネル電流に影響を与えるように構成されている。動作点に調整するため、前記化学感応性電界効果トランジスタ１１０，１１４のゲート電極Ｇに制御電圧によってバイアスをかけることができる。このことは図１には示されていない。演算増幅器１２０の反転入力端が抵抗１１６を介してＣＦ Ｍｅｓｓ １１０のドレインコンタクトＤに接続されている。演算増幅器１２０の反転入力端は、抵抗１１８を介してＣＦ Ｒｅｆ １１４のドレインコンタクトＤにも接続されている。この演算増幅器１２０は、前記反転入力端と、正入力端（すなわち非反転入力端）と、出力端とを有する。前記演算増幅器１２０の非反転入力端は接地されている。抵抗１２２が、（演算増幅器１２０に対して並列に）演算増幅器１２０の反転入力端と出力端とに接続されている。演算増幅器１２０と抵抗１２２とが組み合わさって、反転加算器１２４を構成する。前記反転加算器１２４の出力端は、反転増幅器１２６またはインバータ１２６の入力端に接続されている。インバータ１２６の出力端は同期復調器１２８の入力端に接続されている。

さらに、前記反転加算器１２４に信号を供給するためにより簡単な回路ないしは構成を使用することも考えられる。図１に破線で、この回路ないしは構成を示す。この構成では、抵抗１０８および１１２の電圧が、抵抗１１６および１１８と抵抗Ｒとに流れる電流としてまとめられる。この抵抗Ｒは、抵抗１１６および１１８間の接続点と、接地電位接続端との間に接続されている。このような構成により、容量より前の加算点（すなわち接続点）における電圧Ｖが、抵抗１０８における電圧と抵抗１１２における電圧との和となる。キャパシタ（すなわち容量）Ｃは直流成分を分離する。この場合、演算増幅器１２０は図１と異なり、増幅率が１である正の増幅器（すなわちインピーダンス変換器）として動作するか、または１を超える正の増幅器として動作する。この場合、インバータ１２６も図１と異なって省略される。

同期復調器１２８はさらに、タイミング入力端と第１の出力端と第２の出力端とを有する。同期復調器１２８のタイミング入力端は前記タイミングジェネレータ１０２のタイミング出力端に接続されている。同期復調器１２８は、タイミング入力端に入力されたタイミング信号に同期して、入力端に入力された信号を第１の信号成分と第２の信号成分とに分離し、該第１の信号成分を第１の出力端において出力し、該第２の信号成分を第２の出力端において出力するように構成されている。前記同期復調器１２８の第１の出力端は抵抗１３０を介して積分比較器１３２の負入力端に接続されており、該同期復調器１２８の第２の出力端は別の抵抗１３０を介して積分比較器１３２の非反転入力端に接続されている。前記積分比較器１３２の反転入力端はキャパシタ１３４を介して、該積分比較器１３２の出力端に接続されており、該積分比較器１３２の非反転入力端はキャパシタ１３６を介して接地されている。積分比較器１３２は、出力端において制御値を出力するように構成されており、該積分比較器１３２の出力端は、第１の可変増幅器１０４の制御入力端に接続されている。前記積分比較器１３２の出力端は、インバータ１３６の入力端にも接続されている。前記インバータ１３６の出力端は第２の可変増幅器１０６の制御入力端に接続されている。前記第１の可変増幅器１０４の制御入力端は、マイクロプロセッサμＰ １３８の第１の入力端にも接続されており、前記第２の可変増幅器１０６の制御入力端は、該マイクロプロセッサμＰ １３８の第２の入力端に接続されている。マイクロプロセッサμＰ １３８は、該マイクロプロセッサの第１の入力端を介して前記第１の可変増幅器１０４の出力量に影響を与え、該マイクロプロセッサの第２の入力端を介して前記第２の可変増幅器１０６の出力量に影響を与えるように構成されている。さらに、前記マイクロプロセッサμＰ １３８はたとえば、出力端において、前記制御値から求められた測定値を出力するように構成されている。

換言すると図１には、信号雑音比が改善され妨害影響が低減された、ＣｈｅｍＦＥＴ１１０を含む測定回路１００を示しており、この測定回路１００は、２つのＣｈｅｍＦＥＴの出力でタイミング同期により差分測定を行うための回路で構成されている。センサは、２つのＣｈｅｍＦＥＴ（ＣＦ Ｍｅｓｓ，ＣＦ Ｒｅｆ）１１０，１１４と、両ＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４のタイミング同期される差分制御および測定を行うための回路とから成る。両ＣｈｅｍＦＥＴのうち一方（ＣＦ Ｍｅｓｓ）１１０は測定環境内にあり、他方は基準環境内にある。有利には、測定環境と基準環境との相違点は、該基準環境内に存在する測定対象の物質の量／濃度が決まっていることのみである。図１には、ＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４と測定回路１００とから成るセンサが示されている。タイミングジェネレータ１０２は、周波数ｆを有する方形波信号Ａ（または別の周期的な信号）を生成する。前記タイミングジェネレータ１０２はまた、１８０°位相シフトされた信号Ｂも生成する。別個に制御可能である可変増幅器１０４，１０６を介して、信号Ａは抵抗Ｒ_Ｓ １０８を介してＣＦ Ｍｅｓｓ １１０のドレインに印加され、信号Ｂは相応に、抵抗Ｒ_Ｓ １１２を介してＣＦ Ｒｅｆ １１４のドレインに印加される。ソースはそれぞれ接地電位に接続されている。ＣＦ Ｍｅｓｓ １１０のドレインに印加された電圧とＣＦ Ｒｅｆ １１４のドレインに印加された電圧とは、（たとえば、反転加算器１２４として構成された演算増幅器ＯＰ １２０によって）加算される。この加算によって得られた信号は、オプションである増幅器／インピーダンス変換器１２６を介して、同期復調器１２８によって復調される。両半波に対応する信号成分が、たとえば積分比較器１３２によって相互に比較される。この比較により、前記可変増幅器１０４，１０６に対する制御値が導出され、この制御値により、前記同期復調器１２８の入力端におけるタイミング信号に同期する成分が消失するように、信号ＡおよびＢの振幅が追従制御される。この制御値は、本来の測定値と見なされる。マイクロコントローラ１３８を組み込むと有利である。というのも、測定値を直接、さらに処理することが可能になり、制御回路１００においてさらなる介入手段が可能になるからである。

図２は、本発明の別の実施例の化学感応性電界効果トランジスタ１１０の測定値を求めるための装置１００の回路図である。図１に示された装置の構成との相違点として、図２に示された装置１００は、第１の可変増幅器１０４の増幅器出力端と前記化学感応性電界効果トランジスタ１１０のゲート電極Ｇとを接続する接続部を有する。この接続部には、シュミットトリガＳＴ ２００と抵抗Ｒ ２０２とが配置されている。シュミットトリガの代わりに通常の比較器を使用することもできる。すなわち、ヒステリシスを有さないシュミットトリガＳＴを使用することもできる。ここでは、シュミットトリガＳＴ ２００の入力端は第１の可変増幅器１０４の増幅器出力端に接続されている。シュミットトリガＳＴ ２００の出力端は抵抗Ｒ ２０２を介して、前記化学感応性電界効果トランジスタ１１０のゲート電極Ｇに接続されている。前記装置１００はさらに、前記第２の可変増幅器１０６の増幅器出力端と化学感応性電界効果トランジスタ１１４のゲート電極Ｇとを接続する接続部を有する。この接続部には、シュミットトリガＳＴ ２０４と抵抗Ｒ ２０６とが配置されている。ここでは、シュミットトリガＳＴ ２０４の入力端は第１の可変増幅器１０６の増幅器出力端に接続されている。シュミットトリガＳＴ ２０４の出力端は抵抗Ｒ ２０６を介して、前記化学感応性電界効果トランジスタ１１４のゲート電極Ｇに接続されている。

図１に示された回路との相違点として、図２に示された回路により、方形波信号ＡおよびＢにタイミング同期してＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４のゲートにバイアスをかけることによって、「スイッチングバイアス」方式を実施することができる。特に有利なのは、「スイッチングバイアス」による１／ｆノイズ成分の抑圧との組み合わせである。ＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４のゲート電極にまずバイアスをかけることにより、該ＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４は動作点になる（「動作可能状態」になる）。信号ＡおよびＢは２つの半波から成り、各半波の期間中にのみ、ＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４のドレインとソースとの間に、０と異なるソース‐ドレイン電圧が印加される。それゆえこの期間中には、いずれにしてもＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４は動作状態でなくなる。これに同期して、ＦＥＴ １１０，１１４の動作点は適切にシフトされ、該ＦＥＴ １１０，１１４は「静止状態（rest-state）」になる。「動作可能状態」と「静止状態」との間で切替えるときには、ＦＥＴ １１０，１１４は大きな反転と大きな積算との間で切り換えられる。このことは図２から理解できる。同図では、方形波信号Ａないしはが可変増幅器１０４，１０６の後に取り出され、オプションである前置抵抗Ｒ ２０２，２０６を介してＣｈｅｍＦＥＴ １１０，１１４のゲート電極に印加されるのが分かる。所定のレベルを維持するためには、たとえばシュミットトリガ（ＳＴ）２００，２０４を前置接続するか、またはインバータを前置接続することもできる。その代わりに代替的に、方形波信号を可変増幅器１０４，１０６より上流ですでに（すなわちタイミングジェネレータ１０２において直接）取り出すこともできる。

図３は、本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタ１１０の測定値を求めるための装置１００の回路図である。同図では図１と異なり、化学感応性電界効果トランジスタＣＦ Ｍｅｓｓ １１０のドレインコンタクトＤは抵抗Ｒ_Ｓを介して電圧源Ｖ_ＤＳ ３００に接続されている。さらに、化学感応性電界効果トランジスタＣＦ Ｒｅｆ １１４のドレインコンタクトＤは抵抗Ｒ_Ｓを介して電圧源Ｖ_ＤＳ ３０２に接続されている。図１に示された装置の構成との相違点として、図３の回路図の装置１００は、抵抗Ｒ ２０２を介して第１の可変増幅器１０４の増幅器出力端と前記化学感応性電界効果トランジスタ１１０のゲート電極Ｇとを接続する接続部を有する。前記装置１００はさらに、抵抗Ｒ ２０６を介して前記第２の可変増幅器１０６の増幅器出力端と化学感応性電界効果トランジスタ１１４のゲート電極Ｇとを接続する接続部を有する。

したがって図３には、「スイッチングバイアス」が暗黙的に実現される別の駆動制御構成が、一方または両方のトランジスタのコンタクトＳおよびＤ間に一定の電圧Ｖ_ＤＳを印加する「スイッチングバイアス」方式を実現するための回路で開示されている。方形波信号Ａ，Ｂによってソース‐ドレイン電圧を決定する代わりに、ＳとＤとの間に一定の電圧Ｖ_ＤＳが印加される。図２に示された実施例と同様に、方形波信号は、オプションである前置抵抗Ｒ ２０２，２０６を介してゲート電極に印加される。この方形波信号の振幅に依存してソース‐ドレイン電流Ｉ_ＤＳは変化し、ひいては、分流抵抗１０８，１１２において測定される電圧が変化する。ソース‐ドレイン電流はさらに、従来と同様に、測定対象である化学物質にも依存する。このような制御により、測定対象である化学物質がＣＦ Ｍｅｓｓ １１０に存在する場合、該測定対象の化学物質の濃度に依存して、分流抵抗１０８，１１２において測定される電圧の差が消失するように、前記方形波信号の振幅が適合される。

図４は、本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタの測定値を求める方法４００のフローチャートである。この方法４００は、たとえば図１に示されたような本発明の実施例による装置上で実施することができる。本方法は、準備ステップ４０２と、供給ステップ４０４と、比較ステップ４０４と、評価ステップ４０８とを含む。準備ステップ４０２では、第１の信号と第２の信号とを準備する。少なくとも前記第１の信号を、ある増幅率で増幅する。供給ステップ４０４において前記化学感応性電界効果トランジスタに前記第１の信号を供給することにより、出力情報が得られる。前記化学感応性電界効果トランジスタには測定流体を供給する。さらに、参照情報を得るために、参照用トランジスタに前記第２の信号を供給する。前記参照用トランジスタは基準環境内にある。比較ステップ４０６において、前記出力情報と前記参照情報との比較を行い、該比較の結果に応じて前記増幅率を適合する。その際にはたとえば、前記出力情報と前記参照情報との偏差が大きくなるほど、前記増幅率を大きく変化させる。前記評価ステップ４０８において、前記測定値を得るために前記増幅率を評価する。その際には、前記増幅率から前記測定値を求めるか、または、格納された比較テーブルとの比較により該測定値を求める。

図５は、本発明の実施例の化学感応性電界効果トランジスタ１１０の測定値を求めるための装置１００のブロック回路図である。前記装置１００は準備装置５０２と供給装置５０４と比較装置５０６と評価装置５０８とを有する。前記準備装置５０２は、第１の信号および第２の信号を準備するように構成されている。少なくとも前記第１の信号が、ある増幅率で増幅される。供給装置５０４は、出力情報を得るために、前記化学感応性電界効果トランジスタ１１０に前記第１の信号を供給するように構成されている。前記化学感応性電界効果トランジスタには測定流体が供給される。供給装置５０４はさらに、参照情報を得るために、参照用トランジスタ１１４に前記第２の信号を供給するように構成されている。前記参照用トランジスタは基準環境内にある。前記比較装置５０６は、前記出力情報と前記参照情報との比較結果に依存して前記増幅率を適合するために、該出力情報と該参照情報との比較を行うように構成されている。その際にはたとえば、前記出力情報と前記参照情報との偏差が大きくなるほど、前記増幅率を大きく変化させることができる。前記評価装置５０８は、前記測定値を得るために前記増幅率を評価するように構成されている。その際には、前記増幅率から前記測定値を直接求めるか、または、格納された比較テーブルとの比較により該測定値を求める。

図面に示し上述した実施例は、一例として選択しただけであり、種々の実施例を完全に、または個々の特徴ごとに相互に組み合わせることができる。また、１つの実施例に別の実施例の特徴を補足することもできる。

また、本発明の方法のステップを繰り返して、かつここで記載された順序と異なる順序で実施することもできる。

１０２ タイミングジェネレータ
１０４ 第１の可変増幅器
１０６ 第２の可変増幅器
１０８ 第１の抵抗Ｒ_Ｓ
１１０ 化学感応性電界効果トランジスタ（ＣＦ Ｍｅｓｓ）
１１２ 第２の抵抗Ｒ_Ｓ
１１４ 第２の化学感応性電界効果トランジスタ（ＣＦ Ｒｅｆ）
１１６，１１８，１２２，１３０ 抵抗
１２０ 演算増幅器
１２４ 反転加算器
１２６ 反転増幅器／インバータ
１２８ 同期復調器
１３２ 積分比較器

Claims (9)

1. 化学感応性電界効果トランジスタ（１１０）の測定値を得る方法（４００）であって、
   前記方法（４００）は、
   第１の信号と第２の信号とを準備し、少なくとも該第１の信号をある増幅率で増幅する、準備ステップ（４０２）と、
   測定流体が供給される前記化学感応性電界効果トランジスタ（１１０）に前記第１の信号を供給することにより出力情報が得られ、基準環境内にある参照用トランジスタ（１１４）に前記第２の信号を供給することにより参照情報が得られる、供給ステップ（４０４）と、
   前記出力情報と前記参照情報との比較を行い、該比較の結果に応じて前記増幅率を変化させる、比較ステップ（４０６）と、
   前記測定値を得るために、前記増幅率を評価する、評価ステップ（４０８）と
   を有することを特徴とする方法。
2. 前記比較ステップ（４０６）において、前記出力情報と前記参照情報との偏差が大きくなるほど前記増幅率を大きく変化させる、
   請求項１記載の方法（４００）。
3. 前記化学感応性電界効果トランジスタ（１１０）と前記参照用トランジスタ（１１４）とを較正環境におく、較正ステップを有する、
   請求項２記載の方法（４００）。
4. 前記準備ステップ（４０２）において、前記第１の信号の振幅を交番振幅とし、前記第２の信号を、参照電位を基準として該第１の信号に対して反転した信号として準備し、
   前記比較ステップ（４０６）において、前記第１の信号または前記第２の信号を使用して、前記出力情報と前記参照情報とを比較する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法（４００）。
5. 前記供給ステップ（４０４）において、
   前記第１の信号が第１の振幅を有する場合には、前記出力情報は前記測定流体中の少なくとも１つの物質の濃度を表し、
   前記第１の信号が第２の振幅を有する場合には、前記化学感応性電界効果トランジスタのゲート電極の電位の変化および／またはチャネルの反転が行われる、
   請求項４記載の方法（４００）。
6. 前記方法（４００）は、前記出力情報と前記参照情報とを含む全体情報を生成する統合ステップを、前記供給ステップ（４０４）と前記比較ステップ（４０６）との間に有し、
   前記比較ステップ（４０６）において、前記出力情報を表す第１の部分と、前記参照情報を表す第２の部分とに、前記全体情報を分離する、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法（４００）。
7. 化学感応性電界効果トランジスタ（１１０）の測定値を得るための装置（１００）であって、
   前記装置（１００）は、
   第１の信号と第２の信号とを準備するための、準備装置（５０２）と、
   出力情報を得るために、測定流体が供給される前記化学感応性電界効果トランジスタ（１１０）に前記第１の信号を供給し、かつ、参照情報を得るために、基準環境内にある参照用トランジスタ（１１４）に前記第２の信号を供給するための、供給装置（５０４）と
   を有し、
   少なくとも前記第１の信号は、ある増幅率によって増幅され、
   前記装置（１００）はさらに、
   前記出力情報と前記参照情報との比較を行い、該比較の結果に応じて前記増幅率を変化させるための、比較装置（５０６）と、
   前記測定値を得るために、前記増幅率を評価するための、評価装置（５０８）と
   を有することを特徴とする、装置（１００）。
8. 前記準備装置（５０２）は、
   前記第１の信号および前記第２の信号を出力するように構成されたタイミングジェネレータ（１０２）と、
   前記第１の信号を前記増幅率で増幅するように構成された少なくとも１つの増幅器（１０４，１０６）と
   を有し、
   前記供給装置（５０４）は、
   前記第１の信号もしくは該第１の信号から導出された信号を、前記化学感応性電界効果トランジスタ（１１０）の少なくとも１つのゲート電極（Ｇ）および／またはソース電極（Ｓ）に印加し、および／または、
   前記第２の信号もしくは該第２の信号から導出された信号を、少なくとも、前記参照用トランジスタ（１１４）のゲート電極（Ｇ）および／またはソース電極（Ｓ）に印加する
   ように構成されており、
   前記出力情報は、前記化学感応性電界効果トランジスタ（１１０）のドレインコンタクト（Ｄ）とソースコンタクト（Ｓ）との間に流れる電流を表し、
   前記参照情報は、前記参照用トランジスタ（１１４）のドレインコンタクト（Ｄ）とソースコンタクト（Ｓ）との間に流れる電流を表し、
   前記比較装置（５０６）は制御器を有する、
   請求項７記載の装置（１００）。
9. コンピュータプログラムを信号処理装置上で実行させたときに請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実施するためのプログラムコードを有する、コンピュータプログラム。

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