JP6345094B2 - measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測定装置に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus.
DNA(デオキシリボ核酸)やRNA(リボ核酸)などの塩基配列を解析するために、塩基配列解析装置(シーケンサ)が用いられる。次世代(第4世代)のシーケンサとしてさまざまな手法が研究機関や企業により模索されており、その中のひとつとして、ゲーティングナノポアシーケンス技術が注目を集めている。 In order to analyze a base sequence such as DNA (deoxyribonucleic acid) or RNA (ribonucleic acid), a base sequence analyzer (sequencer) is used. Various methods are being sought by research institutions and companies as next-generation (fourth generation) sequencers, and gating nanopore sequencing technology is attracting attention as one of them.
ゲーティングナノポアシーケンス技術では、ナノメートルオーダーの1対の電極(ナノ電極)の間をDNAやRNAが通過するときに電極間に流れるトンネル電流が、塩基の種類(A,G,T,C)に応じて変化することを利用して、塩基配列を決定する。この手法によれば、非常に安価でかつ小型な装置により、塩基配列の解析が可能となることが期待されている。なお本明細書において、ナノ電極とは、それよりも大きなサブマイクロ電極やマイクロ電極を包含するものとして用いる。 In gating nanopore sequencing technology, when DNA or RNA passes between a pair of nanometer-order electrodes (nanoelectrodes), the tunnel current that flows between the electrodes is the type of base (A, G, T, C) The base sequence is determined by utilizing the change depending on. According to this method, it is expected that the base sequence can be analyzed with a very inexpensive and small device. In this specification, the nanoelectrode is used as including a sub-microelectrode or microelectrode larger than that.
またゲーティングナノポアシーケンス技術と同様にトンネル電流を利用する手法として、MCBJ法(Mechanically Controllable Break Junction)が開発されている。MCBJ法では、金属線を破断することによりナノ電極を形成する。 Similarly to the gating nanopore sequencing technology, the MCBJ method (Mechanically Controllable Break Junction) has been developed as a method using a tunnel current. In the MCBJ method, a nanoelectrode is formed by breaking a metal wire.
これらのシーケンサにおいて重要な要素技術のひとつに、ナノ電極間に流れるトンネル電流を十分な精度で測定可能な電流測定器が挙げられる。すなわちトンネル電流のオーダーは数十pAであり、塩基の種類を判定するためには、数pSのオーダーのコンダクタンスの差を検出しなければならない。 One of the important elemental technologies in these sequencers is a current measuring device that can measure the tunnel current flowing between nanoelectrodes with sufficient accuracy. That is, the order of the tunnel current is several tens of pA, and in order to determine the type of base, a difference in conductance of the order of several pS must be detected.
本発明者等は、微弱電流測定器として、トランスインピーダンスアンプを利用することを検討した。図1は、トランスインピーダンスアンプ800を備える電流測定装置900の回路図である。トランスインピーダンスアンプ800は、オペアンプ802と、オペアンプ802の反転入力(−)と出力の間に設けられた抵抗RFと、を備える。オペアンプ802の非反転入力端子(+)には所定電位VREF(たとえば接地電圧)が入力される。キャパシタCFは、回路の安定性のために、抵抗RFと並列に接続される。
The present inventors examined using a transimpedance amplifier as a weak current measuring device. FIG. 1 is a circuit diagram of a current
DUT(被試験デバイス)810は、DNAやRNA(以下、DNAと総称する)などのサンプルと、サンプルを収容するチップを含む。チップには、サンプルから分離されたDNA分子が通過するナノ流路およびナノピラー、電極対などが形成される。ケーブル820は、DUT810とトランスインピーダンスアンプ800の間を接続する。
A DUT (device under test) 810 includes a sample such as DNA or RNA (hereinafter collectively referred to as DNA) and a chip that accommodates the sample. The chip is formed with nanochannels and nanopillars through which DNA molecules separated from the sample pass, electrode pairs, and the like. A
このようなトランスインピーダンスアンプ800を用いて、トンネル電流を高精度に測定するためには、抵抗やオペアンプの入力オフセット等のばらつきをキャンセルするために、キャリブレーションが必要となる。
In order to measure the tunnel current with high accuracy using such a
また、被測定デバイスが正常にコンタクトしているかのチェック(コンタクトチェック)も重要であるが、被試験デバイス自体が初期状態においてハイインピーダンスである場合には、容易ではない。あるいは、MCBJ方式では、金属線が正確に破断されているか否かをチェックする機構も必要である。 It is also important to check whether the device under test is in normal contact (contact check), but it is not easy when the device under test itself has a high impedance in the initial state. Alternatively, in the MCBJ method, a mechanism for checking whether or not the metal wire is correctly broken is also required.
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、少ない付加回路で、コンタクトの良否や破断の良否、被試験デバイスの状態等を判定可能な測定装置の提供にある。 The present invention has been made in view of such problems, and one of the exemplary purposes of one aspect thereof is measurement that can determine the quality of a contact, the quality of a break, the state of a device under test, etc. with a small number of additional circuits. In providing equipment.
本発明のある態様は、測定装置に関する。測定装置は、被試験デバイスが接続される第1端子および第2端子と、その入力端子が第1端子と接続され、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、基準抵抗および電圧源を含む電圧発生器と、を備える。測定装置は、(i)被試験デバイスが発生する電流を測定するモードと、(ii)基準抵抗を介して、トランスインピーダンスアンプの入力端子に既知の電圧信号を印加し、トランスインピーダンスアンプを校正するモードと、(iii)基準抵抗を介さずに、第2端子に既知の電圧信号を印加する第1モードと、(iv)基準抵抗を介して、第2端子に既知の電圧信号を印加し、コンタクトをチェックする第2モードと、(v)基準抵抗を介してまたは介さずに、第2端子に既知の交流成分を含む電圧信号を印加する第3モードと、が切りかえ可能に構成される。 One embodiment of the present invention relates to a measurement apparatus. The measuring apparatus includes a first terminal and a second terminal to which a device under test is connected, a transimpedance amplifier whose input terminal is connected to the first terminal, which converts a current signal into a voltage signal, a reference resistor, and a voltage source. Including a voltage generator. The measuring device (i) calibrates the transimpedance amplifier by applying a known voltage signal to the input terminal of the transimpedance amplifier via the reference resistance (i) a mode for measuring the current generated by the device under test. Mode, (iii) a first mode in which a known voltage signal is applied to the second terminal without passing through the reference resistor, and (iv) a known voltage signal is applied to the second terminal through the reference resistor, The second mode for checking the contact and (v) the third mode in which a voltage signal including a known AC component is applied to the second terminal with or without the reference resistor are switchable.
この態様によると、被試験デバイスの種類に応じて、第1モード〜第3モードを選択することにより、異なる被試験デバイスに関して、適切にコンタクトの良否および/または被試験デバイスの状態を判定できる。 According to this aspect, by selecting the first mode to the third mode according to the type of the device under test, it is possible to appropriately determine the quality of the contact and / or the state of the device under test for different devices under test.
本発明の別の態様もまた、測定装置である。この装置は、被試験デバイスが接続される第1端子および第2端子と、その入力端子が第1端子と接続され、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、コンタクトチェック工程において、第1端子と第2端子の間に被試験デバイスが接続された状態で、第2端子に既知の電圧信号を印加する電圧発生器と、コンタクトチェック工程において、トランスインピーダンスアンプの出力電圧を測定し、トランスインピーダンスアンプから、トランスインピーダンスアンプの仮想接地電位が出力されるか否かにもとづき、コンタクトの良否を判定するコンタクト判定部と、を備える。 Another embodiment of the present invention is also a measurement device. This apparatus includes a first terminal and a second terminal to which a device under test is connected, a transimpedance amplifier that has an input terminal connected to the first terminal and converts a current signal into a voltage signal, and a contact check step. In the state where the device under test is connected between the first terminal and the second terminal, a voltage generator that applies a known voltage signal to the second terminal, and in the contact check process, the output voltage of the transimpedance amplifier is measured, A contact determination unit that determines whether the contact is good or not based on whether or not the virtual ground potential of the transimpedance amplifier is output from the transimpedance amplifier.
被試験デバイスが抵抗性あるいは半導体である場合に、コンタクト不良であれば、トランスインピーダンスアンプからは、仮想接地電位(非反転入力に基準電圧が印加される場合、その電圧)が出力され、コンタクトが良好であれば、電圧信号に応じて電流が流れ、トランスインピーダンスアンプの出力が変化する。したがって、コンタクトの良否を判定できる。 If the device under test is resistive or semiconductor and the contact is defective, the transimpedance amplifier outputs a virtual ground potential (the voltage when a reference voltage is applied to the non-inverting input) and the contact is If it is good, current flows according to the voltage signal, and the output of the transimpedance amplifier changes. Therefore, the quality of the contact can be determined.
本発明のさらに別の態様もまた、測定装置である。この測定装置は、被試験デバイスが接続される第1端子および第2端子と、その入力端子が第1端子と接続され、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、基準抵抗を含み、チェック工程において、第1端子と第2端子の間に被試験デバイスが接続された状態で、基準抵抗を介して、第2端子に既知の電圧信号を印加する電圧発生器と、チェック工程において、トランスインピーダンスアンプの出力電圧にもとづいて、コンタクトの良否および/または被試験デバイスの状態を判定する判定部と、を備える。 Yet another embodiment of the present invention is also a measurement device. The measuring apparatus includes a first terminal and a second terminal to which a device under test is connected, a transimpedance amplifier that has an input terminal connected to the first terminal and converts a current signal into a voltage signal, and a reference resistor. In the check process, in a state where the device under test is connected between the first terminal and the second terminal, a voltage generator that applies a known voltage signal to the second terminal via the reference resistor, and in the check process, And a determination unit that determines the quality of the contact and / or the state of the device under test based on the output voltage of the transimpedance amplifier.
第1端子と第2端子から被試験デバイス側を望んだインピーダンスが高い場合、トランスインピーダンスアンプからは、仮想接地電位(非反転入力に基準電圧が印加される場合、その電圧)が出力される。反対に、第1端子と第2端子から被試験デバイス側を望んだインピーダンスが低くなると、基準抵抗とトランスインピーダンスアンプにより反転増幅器が形成され、トランスインピーダンスアンプからは、既知の電圧信号に応じた電圧が出力される。この態様によれば、コンタクトの良否および/または被試験デバイスの状態を判定できる。 When the impedance desired from the first terminal and the second terminal to the device under test side is high, the transimpedance amplifier outputs a virtual ground potential (the voltage when a reference voltage is applied to the non-inverting input). On the contrary, when the impedance desired from the first terminal and the second terminal to the device under test side becomes low, an inverting amplifier is formed by the reference resistor and the transimpedance amplifier, and the transimpedance amplifier generates a voltage corresponding to a known voltage signal. Is output. According to this aspect, the quality of the contact and / or the state of the device under test can be determined.
被試験デバイスは、第1端子と第2端子を接続する導体および導体を破断する破断機構を含んでもよい。判定部は、導体の破断前の第1のチェック工程において、トランスインピーダンスアンプの出力電圧にもとづいて、コンタクトの良否を判定してもよい。 The device under test may include a conductor connecting the first terminal and the second terminal and a breaking mechanism for breaking the conductor. The determination unit may determine whether the contact is good or not based on the output voltage of the transimpedance amplifier in the first check step before the conductor breaks.
被試験デバイスは、第1端子と第2端子を接続する導体および導体を破断する破断機構を含んでもよい。判定部は、破断機構による導体の破断処理の後の第2のチェック工程において、トランスインピーダンスアンプの出力電圧にもとづいて、導体の破断の良否を判定してもよい。 The device under test may include a conductor connecting the first terminal and the second terminal and a breaking mechanism for breaking the conductor. The determination unit may determine whether or not the conductor is broken based on the output voltage of the transimpedance amplifier in the second check step after the conductor breaking process by the breaking mechanism.
ある態様の測定装置は、基準抵抗と並列に設けられたバイパススイッチをさらに備えてもよい。
バイパススイッチをオンすることにより、基準抵抗を介さずに、既知の電圧信号を第2端子に供給可能となる。したがって、被試験デバイスが抵抗性あるいは半導体である場合に、トランスインピーダンスアンプの仮想接地電位が出力されるか否かにもとづき、コンタクトの良否を判定できる。
The measuring device according to an aspect may further include a bypass switch provided in parallel with the reference resistor.
By turning on the bypass switch, a known voltage signal can be supplied to the second terminal without using a reference resistor. Therefore, when the device under test is resistive or semiconductor, the quality of the contact can be determined based on whether the virtual ground potential of the transimpedance amplifier is output.
本発明のさらに別の態様もまた、測定装置である。この測定装置は、微小ギャップを有し、DC経路を有しない被試験デバイスが接続される第1端子および第2端子と、その入力端子が第1端子と接続され、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、チェック工程において、第1端子と第2端子の間に被試験デバイスが接続された状態で、第2端子に既知の交流成分を含む電圧信号を印加する電圧発生器と、チェック工程において、トランスインピーダンスアンプの出力電圧にもとづいて、コンタクトの良否、および/または、微小ギャップの良否を判定する判定部と、を備える。 Yet another embodiment of the present invention is also a measurement device. This measuring apparatus converts a current signal into a voltage signal by connecting a first terminal and a second terminal to which a device under test having a minute gap and having no DC path is connected, and an input terminal thereof to the first terminal. A transimpedance amplifier, and a voltage generator for applying a voltage signal including a known alternating current component to the second terminal in a state in which the device under test is connected between the first terminal and the second terminal in the checking step; In the check step, a determination unit is provided that determines whether the contact is good and / or the fine gap is good based on the output voltage of the transimpedance amplifier.
微小ギャップは容量を形成し、この容量とトランスインピーダンスアンプによって、微分回路(ハイパスフィルタ)が形成される。コンタクトエラーが存在する場合、微小ギャップと直列な寄生容量として観測されるため、微分係数あるいはカットオフ周波数が変化する。あるいは微小ギャップに異常があれば、微小ギャップの容量が変化し、微分係数あるいはカットオフ周波数が変化する。この態様によれば、コンタクトの良否、および/または、微小ギャップの良否を判定できる。 The minute gap forms a capacitor, and a differential circuit (high-pass filter) is formed by the capacitor and the transimpedance amplifier. When a contact error exists, it is observed as a parasitic capacitance in series with a minute gap, so that the differential coefficient or the cut-off frequency changes. Alternatively, if there is an abnormality in the minute gap, the capacity of the minute gap changes, and the differential coefficient or the cut-off frequency changes. According to this aspect, the quality of the contact and / or the quality of the minute gap can be determined.
微小ギャップは、導体を破断機構により破断して形成されたものであってもよいし、予め形成された電極対であってもよい。 The minute gap may be formed by breaking a conductor by a breaking mechanism, or may be a previously formed electrode pair.
微小ギャップの容量と、トランスインピーダンスアンプの帰還抵抗および演算増幅器が微分回路を形成してもよい。判定部は、微分回路のカットオフ周波数にもとづいてコンタクトの良否、および/または、微小ギャップの良否を判定してもよい。判定部は、微分回路の微分係数にもとづいてコンタクトの良否、および/または、微小ギャップの良否を判定してもよい。 The capacitance of the minute gap, the feedback resistor of the transimpedance amplifier, and the operational amplifier may form a differentiation circuit. The determination unit may determine the quality of the contact and / or the quality of the minute gap based on the cutoff frequency of the differentiation circuit. The determination unit may determine the quality of the contact and / or the quality of the minute gap based on the differential coefficient of the differentiation circuit.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other between methods and apparatuses are also effective as an aspect of the present invention.
本発明のある態様によれば、少ない付加回路で、コンタクトの良否や破断の良否、被試験デバイスの状態等を判定できる。 According to an aspect of the present invention, it is possible to determine the quality of a contact, the quality of a fracture, the state of a device under test, and the like with few additional circuits.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are electrically connected in addition to the case where the member A and the member B are physically directly connected. It includes the case of being indirectly connected through another member that does not affect the connection state.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as an electrical condition. It includes the case of being indirectly connected through another member that does not affect the connection state.
(第1の実施の形態)
図2は、第1の実施の形態に係る測定装置100のブロック図である。測定装置100は、第1端子P1、第2端子P2、トランスインピーダンスアンプ110、電圧測定器114、データ処理部116、電圧発生器120を備える。
(First embodiment)
FIG. 2 is a block diagram of the measuring
第1端子P1と第2端子P2の間には、被試験デバイス102が接続される。通常のテスト工程において、測定装置100は、被試験デバイス102が発生する電流IDUTを測定する。
The device under
トランスインピーダンスアンプ110の入力端子は、第1端子P1と接続される。トランスインピーダンスアンプ110は、通常のテスト工程において、測定対象の電流IDUTを電圧信号VOUTに変換する。トランスインピーダンスアンプ110は、反転型の増幅回路112および帰還抵抗RFを含む。帰還抵抗RFと並列に、帰還キャパシタCFが設けられてもよいが、以下での理解の容易化、説明の簡潔化のため省略する。増幅回路112は、単一のオペアンプであってもよい。あるいは増幅回路112を、反転アンプと後段のバッファ(非反転アンプ)の2段構成としてもよい。
The input terminal of the
電圧測定器114は、トランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTをデジタルデータDOUTに変換する。たとえば電圧測定器114は、デジタイザあるいはA/Dコンバータであり得る。データ処理部116は、デジタルデータDOUTに対して様々な信号処理を行なう。データ処理部116は、CPU(Central Processing Unit)やDSP(Digital Signal Processor)、マイクロコントローラであってもよし、PCやワークステーションであってもよい。
The
データ処理部116は、測定処理部118を含む。測定処理部118は、被試験デバイス102を検査・試験する通常のテスト工程において、デジタルデータDOUTを処理する。本実施の形態において測定装置100は、塩基配列解析装置であり、被試験デバイス102は、ナノポアチップ(マイクロポアチップ等を含む)あるいはMCBJチップである。被試験デバイス102には、電極対が形成され、電極対の間を通過する塩基の種類に応じたトンネル電流IDUTが観測される。測定処理部118は、トンネル電流IDUTにもとづいたデジタルデータDOUTを統計的に処理することにより、塩基の種類を特定する。
The
測定装置100は、塩基配列を決定する通常のテスト工程に先立って、被試験デバイス102と第1端子P1、第2端子P2の間のコンタクトの良否を判定するコンタクトチェック工程を実行する。このコンタクトチェック工程(コンタクトチェック機能)のために、データ処理部116は、測定処理部118に加えて、判定処理部132を備える。判定処理部132は、電圧測定器114とともにコンタクト判定部130を構成する。
Prior to the normal test process for determining the base sequence, the measuring
コンタクトチェック工程において、第1端子P1と第2端子P2の間には被試験デバイス102が接続される。このコンタクトチェック工程において、電圧発生器120は、第2端子P2に既知の電圧信号VTESTを印加する。
In the contact check process, the device under
電圧発生器120は、D/Aコンバータ122とコントローラ124を含む。コントローラ124はコンタクトチェック工程において、電圧信号VTESTを指示するデジタル値DTESTをD/Aコンバータ122に出力する。コントローラ124は、データ処理部116の内部に構成されてもよい。
The
コンタクト判定部130は、コンタクトチェック工程において、トランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTを測定し、トランスインピーダンスアンプ110から、(i)トランスインピーダンスアンプ110の仮想接地電位VREFが出力されるか、(ii)既知の電圧信号VTESTに応答して、何らかの異なる電圧が出力されるか、にもとづき、コンタクトの良否を判定する。前者(i)の場合、コンタクト不良であり、後者(ii)の場合、コンタクトが正常と判定される。判定処理部132は、出力電圧VOUTに応じたデジタル値DOUTが、仮想接地電圧VREFに応じた値DREFと実質的に一致するか否かを判定してもよい。
In the contact check process, the
測定処理部118や判定処理部132をはじめとする機能ブロックは、ソフトウェアプログラムとハードウェアの組み合わせにより構成してもよいし、ハードウェアのみで構成してもよい。
The functional blocks including the
以上が測定装置100の構成である。続いてその動作を説明する。
被試験デバイス102が抵抗性あるいは半導体である場合を考える。コンタクト不良であれば、トランスインピーダンスアンプ110からは、仮想接地電位(非反転入力に基準電圧が印加される場合、その電圧)VREFが出力される。反対に、コンタクトが良好であれば、電圧信号VOUTが被試験デバイス102の電極対に印加され、それに応じて電流IOUTが流れ、トランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTが、仮想接地電圧VREFから変化する。
したがって、コンタクト判定部130によって、トランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTが、仮想接地電圧VREFの近傍を維持するか、それから乖離するかを判定することで、コンタクトの良否を判定することができる。
The above is the configuration of the measuring
Consider the case where the device under
Therefore, the
ここで、電圧測定器114およびデータ処理部116は、通常のテスト工程で必要なハードウェア資源であり、電圧発生器120についても同様である。したがって、この態様によれば、データ処理部116に、判定処理部132の機能を追加することにより、コンタクトの良否を判定することができる。
Here, the
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態では、被試験デバイス102のコンタクトの良否や、被試験デバイス102の状態を判定可能な測定装置100aを説明する。図3は、第2の実施の形態に係る測定装置100aのブロック図である。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a measuring
第2の実施の形態において電圧発生器120aは、D/Aコンバータ122、コントローラ124に加えてさらに基準抵抗126を備え、電圧発生器120aは、チェック工程において基準抵抗126を介して既知の電圧信号VTESTを第2端子P2に印加可能となっている。
In the second embodiment, the
判定部140は、チェック工程において、トランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTにもとづいて、コンタクトの良否および/または被試験デバイス102の状態を判定する。具体的には判定処理部142は、チェック工程において取得されたデジタルデータDOUTにもとづいて、コンタクトの良否および/または被試験デバイス102の状態を判定する。
In the check process, the
以上が測定装置100aの構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the measuring
第1端子P1と第2端子P2から被試験デバイス102側を望んだインピーダンスZが高い場合、トランスインピーダンスアンプ110からは、仮想接地電位(非反転入力に基準電圧が印加される場合、その電圧)VREFが出力される。
When the impedance Z desired from the first terminal P1 and the second terminal P2 to the device under
反対に、第1端子P1と第2端子P2から被試験デバイス102側を望んだインピーダンスZが低くなると、基準抵抗126とトランスインピーダンスアンプ110により反転増幅器が形成され、トランスインピーダンスアンプ110からは、既知の電圧信号VTESTに応じた電圧VOUTが出力される。
基準抵抗126の抵抗値をRREF、第1端子P1と第2端子P2間の被試験デバイス102を含むインピーダンスをRDUTとするとき、式(1)を得る。
VOUT=−RF/(RREF+RDUT)×VTEST …(1)
On the other hand, when the impedance Z desired from the first terminal P1 and the second terminal P2 to the device under
When the resistance value of the
V OUT = −R F / (R REF + R DUT ) × V TEST (1)
この測定装置100aによれば、出力電圧VOUTにもとづいて、第1端子P1と第2端子P2の間のインピーダンスZが高い状態と、低い状態を判定することができる。
According to the
たとえば、被試験デバイス102の内部のインピーダンスが低い場合に、VOUT≒VREFであったとすれば、コンタクト不良と判定することができる。反対に、式(1)に示すように、電圧信号VTESTに依存した電圧VOUTが観測された場合、判定処理部142は、コンタクトが正常であると判定することができる。
For example, if the internal impedance of the device under
さらには、判定処理部142は、式(1)からRDUTを計算してもよい。
Furthermore, the
正常な被試験デバイス102のインピーダンスRDUTの取るべき範囲がRMIN〜RMAXであるとする。この場合、出力電圧VOUTが取るべき範囲は、VMIN〜VMAXであり、式(1)から導かれる。
VMAX=−RF/(RREF+RMIN)×VTEST
VMIN=−RF/(RREF+RMAX)×VTEST
Assume that the range of the impedance R DUT of the normal device under
V MAX = −R F / (R REF + R MIN ) × V TEST
V MIN = −R F / (R REF + R MAX ) × V TEST
したがって判定部140は、出力電圧VOUTが、VMIN〜VMAXに含まれるか否かによって、被試験デバイス102の良否を判定してもよい。
Therefore, the
第2の実施の形態について、塩基配列解析装置を例に詳しく説明する。
被試験デバイス102は、MCBJデバイスであってもよい。被試験デバイス102は、第1端子P1と第2端子P2を接続する導体104および導体104を破断する破断機構106を含む。
The second embodiment will be described in detail using a base sequence analyzer as an example.
The device under
導体104の破断前において、導体104のインピーダンスRDUTは実質的にゼロである。判定部140は、導体104の破断前の第1のチェック工程において、トランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTを測定する。コンタクトが正常であれば、式(2)の出力電圧VOUTが観測され、異常であれば、仮想接地電位VREFが観測される。
VOUT=−RF/RREF×VTEST …(2)
したがって破断前の第1のチェック工程によって、コンタクトの良否が判定できる。
Before the
V OUT = −R F / R REF × V TEST (2)
Therefore, the quality of the contact can be determined by the first check process before breaking.
測定装置100aは、第1のチェック工程によりコンタクトの正常が確認されると、破断機構106に導体104を指示する。そして破断機構106による導体104の破断処理の後に判定部140は、第2のチェック工程を行なう。具体的には、判定部140はトランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTにもとづいて、導体104の破断の良否を判定する。
When the normality of the contact is confirmed by the first check process, the measuring
破断が失敗していれば、RDUT≒0であるから、式(2)の出力電圧VOUTが観測される。反対に破断が成功すれば、被試験デバイス102は第1端子P1と第2端子P2の間に、導体104のギャップに応じた非ゼロのインピーダンス(抵抗値)RDUTを有することとなり、したがって出力電圧VOUTは破断前に比べて低下する。
If the rupture has failed, since R DUT ≈0, the output voltage VOUT of Equation (2) is observed. On the other hand, if the break is successful, the device under
このように測定装置100aによれば、第2のチェック工程において、導体104の破断の良否を判定することができる。
Thus, according to the
電圧発生器120aは、基準抵抗126と並列に設けられたバイパススイッチ128をさらに備える。コントローラ124は、バイパススイッチ128のオン、オフを制御する。
バイパススイッチ128をオンすることにより、基準抵抗126を介さずに、既知の電圧信号VTESTを第2端子P2に供給可能となる。つまり、図2に示す第1の実施の形態に係る測定装置100として動作させることが可能となり、したがって、被試験デバイス102が抵抗性あるいは半導体である場合のコンタクトの良否を判定できる。
The
By turning on the
(第3の実施の形態)
図4は、第3の実施の形態に係る測定装置100bのブロック図である。この測定装置100bは、微小ギャップ108を有する被試験デバイス102を対象として、コンタクトの良否および/または、微小ギャップの良否を判定する機能を備える。微小ギャップ108は、図3に示したMCBJチップのように導体104を破断機構106により破断して形成されたものであってもよい。あるいは微小ギャップ108は、ナノポアチップのように、予め形成された電極対であってもよい。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a block diagram of a measuring
被試験デバイス102は、第1端子P1と第2端子P2の間に、微小ギャップ108を有し、DC経路を有しない。DC経路を有しないとは、第1端子P1と第2端子P2間の直流インピーダンスが十分に大きいことを意味する。
The device under
電圧発生器120bの構成は、図3の電圧発生器120aと同様である。電圧発生器120bは、チェック工程において、第1端子P1と第2端子P2の間に被試験デバイス102が接続された状態で、第2端子P2に既知の交流成分を含む電圧信号VACを印加する。具体的には、コントローラ124は、電圧信号VACを指示するデジタル値DACを生成する。後述のようにバイパススイッチ128は、オンであってもオフであってもよい。
The configuration of the
判定部150は、電圧測定器114および判定処理部152を含み、チェック工程において、トランスインピーダンスアンプ110の出力電圧VOUTにもとづいて、コンタクトの良否、および/または、微小ギャップ108の良否を判定する。
The
以上が測定装置100bの構成である。続いてその動作を説明する。
はじめにバイパススイッチ128がオンの状態を考える。微小ギャップ108は容量CSを形成し、この容量CSとトランスインピーダンスアンプ110によって、微分回路(ハイパスフィルタ)が形成され、出力電圧VOUTは式(3)で与えられる。
VOUT=−CS・RF×dVAC/dt …(3)
The above is the configuration of the measuring
First, consider a state in which the
V OUT = −C S · R F × dV AC / dt (3)
この微分回路のカットオフ周波数fCは、式(4)で与えられる。
fC=1/(2πRFCS) …(4)
The cut-off frequency f C of this differentiating circuit is given by equation (4).
f C = 1 / (2πR F C S ) (4)
コンタクトエラーが存在する場合、微小ギャップ108と直列な寄生容量CERRとして観測されるため、微分係数(−CS・RF)あるいはカットオフ周波数fCが変化する。また微小ギャップ108に異常があれば、微小ギャップ108の容量CSが変化し、微分係数あるいはカットオフ周波数fCが変化する。
When a contact error exists, since it is observed as a parasitic capacitance C ERR in series with the
このように判定部150によれば、出力電圧VOUTにもとづいて微分回路のカットオフ周波数fCの変動を監視することにより、コンタクトの良否、および/または、微小ギャップの良否を判定できる。
As described above, according to the
カットオフ周波数fCの変動は、以下の方法により検出可能である。
1. 電圧発生器120bは、電圧信号VACの周波数を連続的、あるいは離散的にスイープし、判定部150は各周波数ごとの出力電圧VOUTを測定し、周波数特性からカットオフ周波数fCを取得してもよい。
The fluctuation of the cut-off frequency f C can be detected by the following method.
1.
2. 電圧発生器120bは、所定の単一(もしくは複数の)周波数を含む電圧信号VACを生成してもよい。判定部150は、その出力電圧VOUTに含まれるその所定周波数成分の振幅の変動にもとづいて、カットオフ周波数fcの変動を検出してもよい。
2.
3. 電圧発生器120bは、複数の周波数を含むマルチトーン信号VACを生成してもよい。判定部150は、その結果得られる出力電圧VOUTの波形を測定してもよい。そして判定部150は、出力電圧VOUTの波形をFFT(高速フーリエ変換)することで周波数スペクトルデータに変換し、カットオフ周波数fCを取得してもよい。
3.
4. 電圧発生器120bは、ステップ波形あるいはインパルス波形の電圧信号VACを出力してもよい。判定部150は、その結果観測される出力電圧VOUTの波形、もしくはそのスペクトルから、カットオフ周波数fCを取得してもよい。
4).
続いてバイパススイッチ128がオフの状態を考える。この場合、容量CSと直列に基準抵抗126が接続される。電圧発生器120bは、f2=1/(2πRREFCS)より高い所定の周波数を有する電圧信号VACを生成する。f2より高い周波数において、電圧信号VACと出力電圧VOUTの関係は式(5)で与えられる。
VOUT=−RF/RREF×VAC …(5)
Next, consider a state in which the
V OUT = −R F / R REF × V AC (5)
コンタクトエラーが存在する場合、基準抵抗126と直列な寄生抵抗RERRが挿入されることとなり、出力電圧VOUTは、式(6)で与えられる。
VOUT=−RF/(RREF+RERR)×VAC …(5)
つまりコンタクトエラーが存在すると、測定される出力電圧VOUTの振幅が小さくなる。
If a contact error exists, a parasitic resistance R ERR in series with the
V OUT = −R F / (R REF + R ERR ) × V AC (5)
That is, when a contact error exists, the amplitude of the measured output voltage VOUT decreases.
このように、バイパススイッチ128をオフした状態では、f2=1/(2πRREFCS)より高い所定の周波数を有する電圧信号VACを用いることで、コンタクトの良否を判定できる。 Thus, in the state in which off the bypass switch 128, by using a voltage signal V AC having a predetermined frequency higher than f 2 = 1 / (2πR REF C S), can determine the quality of the contact.
(第4の実施の形態)
図5は、第4の実施の形態に係る測定装置100cのブロック図である。この測定装置100cは、図2、図3、図4の測定装置100の組み合わせである。測定装置100cは、図4の測定装置100bに加えて、第2スイッチSW2、第3スイッチSW3をさらに備える。またバイパススイッチ128を、第1スイッチSW1とも称する。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a block diagram of a measuring
第2スイッチSW2は、第1端子P1と第2端子P2の間に設けられる。第3スイッチSW3は、D/Aコンバータ122の出力とトランスインピーダンスアンプ110の出力の間に設けられる。
The second switch SW2 is provided between the first terminal P1 and the second terminal P2. The third switch SW3 is provided between the output of the D /
さらに測定装置100cは、第4スイッチSW4、校正器160を備える。校正器160は、校正された高精度な電圧・電流計である。第4スイッチSW4は、D/Aコンバータ122の出力と校正器160の間に設けられる。なお校正器160は、必要に応じて測定装置100cに着脱可能であってもよく、この場合、第4スイッチSW4は省略してもよい。
Furthermore, the measuring
以上が測定装置100cの構成である。続いてその動作を説明する。
The above is the configuration of the measuring
測定装置100cは、スイッチSW1〜SW4の状態に応じて、複数のモードが選択可能である。
The measuring
(通常測定モード)
SW1=ON、SW2〜SW4=OFF
被試験デバイス102が生成する電流IDUTを測定することができる。
(Normal measurement mode)
SW1 = ON, SW2-SW4 = OFF
The current I DUT generated by the device under
また上記通常測定モードに加えて、第1〜第3の実施の形態に係る測定装置100に対応する第1〜第3モードで動作させることができる。
Further, in addition to the normal measurement mode, it is possible to operate in first to third modes corresponding to the
(第1モード)
SW1=ON,SW2〜SW4=OFF
このモードによれば、図2の第1の実施の形態で説明したコンタクトチェックを行なうことができる。
(First mode)
SW1 = ON, SW2-SW4 = OFF
According to this mode, the contact check described in the first embodiment of FIG. 2 can be performed.
(第2モード)
SW1〜SW4=OFF
このモードによれば、図3の第2の実施の形態で説明したコンタクトチェックおよび/または、被試験デバイス102の状態の判定を行なうことができる。
(Second mode)
SW1-SW4 = OFF
According to this mode, the contact check described in the second embodiment of FIG. 3 and / or the state of the device under
(第3モード)
SW1=ON or OFF、SW2〜SW4=OFF
このモードによれば、図4の第3の実施の形態で説明したコンタクトチェックおよび/または、被試験デバイス102の状態の判定を行なうことができる。
(Third mode)
SW1 = ON or OFF, SW2-SW4 = OFF
According to this mode, the contact check and / or determination of the state of the device under
さらに測定装置100cは、以下のモードで動作可能である。
Furthermore, the measuring
(第4モード) D/Aコンバータ校正
SW4=ON、SW1〜SW3=OFF
このモードでは、D/Aコンバータ122の出力電圧VTEST(VAC)が校正器160により測定される。コントローラ124は、校正器160を利用してD/Aコンバータ122の入出力特性を測定し、その結果を保持する。通常測定モード、あるいはその他のモードでは、測定した入出力特性を用いて、デジタル値DTESTあるいはDACを補正する。
(4th mode) D / A converter calibration SW4 = ON, SW1 to SW3 = OFF
In this mode, the output voltage V TEST (V AC ) of the D /
(第5モード) 電圧測定器校正
SW3=ON、SW1,SW2,SW4=OFF
第4モードによりD/Aコンバータ122を校正した後に、第5モードが実行される。第5モードにおいて、コントローラ124は、校正された電圧測定器114にデジタル値DTESTを与え、電圧信号VTESTを発生し、電圧測定器114によりD/Aコンバータ122の出力を測定する。コントローラ124は、デジタル値DTESTと電圧測定器114の出力DOUTの関係にもとづいて、電圧測定器114を校正する。校正から得られたパラメータはデータ処理部116に与えられる。データ処理部116は、このパラメータを用いて電圧測定器114の出力DOUTを補正する。
(Fifth mode) Voltage meter calibration SW3 = ON, SW1, SW2, SW4 = OFF
After calibrating the D /
(第6モード) トランスインピーダンスアンプ校正
SW2=ON,SW1,SW3,SW4=OFF
このモードでは、電圧発生器120cは、基準抵抗126を介して既知の電圧信号VTESTをトランスインピーダンスアンプ110に入力する。トランスインピーダンスアンプ110と基準抵抗126により、反転増幅器が形成される。電圧信号VTESTと出力電圧VOUTの関係により、トランスインピーダンスアンプ110のゲイン、オフセットが測定される。具体的にはコントローラ124は、電圧信号VTESTの元となったデジタル値DTESTと、電圧測定器114により測定されたデジタル値DOUTにもとづき、ゲイン、オフセットを取得し、補正のためのパラメータを保持する。データ処理部116は、このパラメータを用いて、電圧測定器114の出力DOUTから、正しい電流量IDUTを演算する。
(6th mode) Transimpedance amplifier calibration SW2 = ON, SW1, SW3, SW4 = OFF
In this mode, the voltage generator 120 c inputs a known voltage signal V TEST to the
このように、図5の測定装置100cによれば、さまざまな種類の被試験デバイス102のチェックが可能であるとともに、測定装置100c自身を校正することが可能となる。
As described above, according to the
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.
(用途)
最後に、測定装置100の用途について説明する。実施の形態に係る測定装置100は、塩基配列解析装置(DNAシーケンサあるいはRNAシーケンサ)300に用いることができる。図6は、測定装置100cを備える塩基配列解析装置300のブロック図である。ナノポアチップ302は、上述の被試験デバイス102に対応する。なお図6のチップは模式図であり、各部材のサイズは実際のそれとは異なることに留意されたい。
(Use)
Finally, the use of the measuring
ナノポアチップ302は、電極対310、ナノポア312、電気泳動用電極対314および図示しないナノ流路およびナノピラーなどを備えたチップである。ナノ流路をDNAサンプルが通過することにより、1分子のDNAが分離、抽出される。このDNA分子がナノピラーを通過すると、DNA分子が直線化される。
The
測定装置100cは、トランスインピーダンスアンプ110、電圧測定器114、データ処理部116、電圧発生器120に加えて、駆動アンプ316をさらに備える。電気泳動用電極対314および駆動アンプ316は、DNA分子204の位置を制御する位置制御装置320を形成する。位置制御装置320は、DNA分子に電界を印加することにより、DNA分子を移動させ、ナノポア312に形成された電極対310の間を通過させる。
The measuring
電極対310の間には、そのとき通過するDNA分子の塩基の種類に応じたトンネル電流IDUTが流れる。測定装置100は、このトンネル電流(電流信号)IDUTにもとづいて塩基の種類を特定する。
Between the
この塩基配列解析装置300によれば、トンネル電流IDUTの測定に先立ち、(i)ナノポアチップ302のコンタクトの良否、(ii)微小ギャップ108である電極対310の良否などを判定することができる。
According to this base
図6では、ゲーティングナノポア方式のシーケンサを説明したが、測定装置100はMCBJ方式のシーケンサにも利用可能である。この場合、ナノポアチップ302に代えて、MCBJチップが使用される。MCBJチップには、ナノポア312に代えて、金線などの導体104と、導体104を破断するための破断機構106などが集積化される。
Although the gating nanopore sequencer has been described with reference to FIG. 6, the measuring
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described based on the embodiments, the embodiments merely show the principle and application of the present invention, and the embodiments depart from the idea of the present invention defined in the claims. Many modifications and changes in the arrangement are allowed within the range not to be performed.
100…測定装置、102…被試験デバイス、104…導体、106…破断機構、108…微小ギャップ、110…トランスインピーダンスアンプ、112…反転型増幅回路、114…電圧測定器、116…データ処理部、118…測定処理部、120…電圧発生器、122…D/Aコンバータ、124…コントローラ、126…基準抵抗、128…バイパススイッチ、130…コンタクト判定部、132…判定処理部、140…判定部、142…判定処理部、150…判定部、152…判定処理部、160…校正器、P1…第1端子、P2…第2端子、SW1…第1スイッチ、SW2…第2スイッチ、SW3…第3スイッチ、SW4…第4スイッチ、300…塩基配列解析装置、302…ナノポアチップ、310…電極対、312…ナノポア。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
その入力端子が前記第1端子と接続され、電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプと、
基準抵抗および電圧源を含む電圧発生器と、
を備え、
(i)前記被試験デバイスが発生する電流を測定するモードと、(ii)前記基準抵抗を介して、前記トランスインピーダンスアンプの入力端子に既知の電圧信号を印加し、前記トランスインピーダンスアンプを校正するモードと、(iii)前記基準抵抗を介さずに、前記第2端子に既知の電圧信号を印加する第1モードと、(iv)前記基準抵抗を介して、前記第2端子に既知の電圧信号を印加する第2モードと、(v)前記基準抵抗を介してまたは介さずに、前記第2端子に既知の交流成分を含む電圧信号を印加する第3モードと、が切りかえ可能に構成されることを特徴とする測定装置。 A first terminal and a second terminal to which the device under test is connected;
A transimpedance amplifier having an input terminal connected to the first terminal and converting a current signal into a voltage signal;
A voltage generator including a reference resistor and a voltage source;
With
(I) a mode for measuring a current generated by the device under test; and (ii) applying a known voltage signal to the input terminal of the transimpedance amplifier via the reference resistor to calibrate the transimpedance amplifier. A mode, (iii) a first mode in which a known voltage signal is applied to the second terminal without passing through the reference resistor, and (iv) a known voltage signal at the second terminal via the reference resistor. And (v) a third mode in which a voltage signal including a known alternating current component is applied to the second terminal with or without the reference resistance. A measuring device.
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