JP6670432B2 - 統合型イオン検出装置および方法 - Google Patents

Description

本願は、統合型イオン感応性プローブに関する。

イオン濃度を測定するための典型的な「ゴールドスタンダード」は、ガラス電極である。ガラス電極システムは、特定のイオンに対して感応性を有するドープされたガラス膜で形成された、一種のイオン選択性またはイオン感応性の電極を有する測定装置である。

図１は一般に、ガラス電極システム１００のブロック図を示している。ガラス電極システム１００は、水素イオン（Ｈ^＋）等の対象イオンを検出するための電極１０２と、基準を提供するための電極１０１とからなる二つの電極を含むことができる。図１の実施形態において、二つの電極１０１，１０２はガラス電極プローブ１０３の内部の液体中に配置されている。両電極１０１，１０２は試験下の液体の界面において電圧を提供する。基準電極１０１は対象イオンの濃度とは無関係のほぼ一定の電圧を提供し、検出または指示電極１０２は対象イオンの濃度とともに変化する電圧を提供する。このような電圧は有線媒体１０５を介して増幅システム１０４に伝達され、その後、表示またはデータ収集のために処理される。特定の状況において、例えばこのような電圧をアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１１１を介してデジタル値に変換し、デジタル処理を追加で行うことができる。

測定の妨害となり得るガラス電極システムの特性として、２０メガオーム（ＭΩ）〜８００ＭΩオーダーの出力インピーダンス、有線媒体１０５におけるカップリングノイズ、有線媒体およびプローブ１０３の費用が挙げられる。ガラス電極に加えて、対象イオンの濃度に応じて色が変化する紙片である、低性能で使い捨てのリトマス紙が知られている。リトマス紙を用いる場合、色の主観的な読み取りが行われること、紙自体が小さなサンプルの妨害となり得ること、イオン濃度範囲を完全にカバーする紙を製造することは困難となり得ること等の理由から、リトマス紙を用いた測定においては、精度を考慮することができない。

（非ネルンストの）ｐＨ指数に関連した出力ソース−ドレイン電流を提供し得るアクティブＦＥＴゲートに基づいたイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）として知られる、比較的新しい半導体技術が出現してきている。この技術はＤＮＡ配列の決定や食品プロセスの制御に用いられているが、一方で、幅広い用途に適用するには制限となり得る電荷トラップ、ヒステリシス、およびドリフトの問題を有する場合がある。また、ＩＳＦＥＴは指示電極のみを提供するものであるから、通常、追加の外部基準電極が必要とされる。

本明細書は、イオン感応性プローブについて説明し、統合型イオン感応性プローブを提供するものである。一実施形態において、イオン感応性プローブは半導体基板と、半導体基板に取り付けられた第一パッシブ電極とを含むことができる。第一パッシブ電極は溶液に接触して、溶液中のイオン濃度の関数に従った第一電圧を提供するように構成することができる。特定の実施形態において、パッシブ基準電極を半導体基板上に共同設置することができる。いくつかの実施形態において、処理用の電子部品を半導体基板上に集積することができる。

本要約は本願の主題の概要を提供することを意図しており、本発明の排他的または網羅的な説明を提供することは意図していない。詳細な説明は、本願についてのさらなる情報を提供するものである。

必ずしも一定の縮尺では描かれていない図面において、異なる図中の類似する構成要素には、類似する参照符号が付けられている。異なる添え字の付いた類似する参照符号は、類似する構成要素の異なるインスタンスを表している。図面は一般に、本明細書において説明された様々な実施形態を例として、しかしながら非限定的に示すものである。

一般に、ガラス電極システムのブロック図を示す。 一般に、パッシブ、固体（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ）、イオン感応性電極２０１の一実施形態を示す図である。 一般に、統合型固体イオンプローブの一実施形態を示す図である。 一般に、イオンプローブの一実施形態のブロック図を示す。 一般に、基準電極の構成の一実施形態を示す図である。 一般に、基準電極の構成の一実施形態を示す図である。 一般に、基準電極と一つ以上の指示電極とを含むプローブレイアウトの一実施形態を示す図である。 一般に、基準電極と一つ以上の指示電極とを含むプローブレイアウトの一実施形態を示す図である。 一般に、半導体基板上に集積されたパッシブ電極を含むイオン感応性プローブの動作方法の一実施形態を示す図である。

本発明者らは、固体イオン感応性電極についての装置および方法や、パッシブ、固体、イオン感応性電極を含むシステムを利用することによって、サイズおよびコストの大幅な削減が可能であるということを認識している。また、他の固体イオン検出機能を有するものと比較して、本発明の主題である実施形態は、ドリフトを低減することもできる。いくつかの実施形態において、例えばｐＨ値を正確に把握するための補助試験を行うこと等の目的のため、温度検出をイオン検出電極と同じ位置で行うことができる。このような実施形態において、共同設置された電極および温度センサは非常に小さな熱質量を有し得るため、より高速の温度均衡反応を提供することができる。これはまた、小さなサンプルの温度による破損を低減する助けとなり得る。特定の実施形態において、増幅システムおよびメモリを電極と共同設置することができ、各電極またはセンサは工場において現場校正を一回行うだけで十分となり得る。これは、増幅器およびセンサが統合されていないガラス電極においては困難であるかもしれない。最後に、大幅に縮小されたサイズおよびコストに見合うように、本主題である実施形態によって、これに限定されないが、例えば高性能で使い捨てのイオン検出プローブへの展望として、現在ガラス電極が使用されていない新しい市場を開拓することもできる。

図２は一般に、パッシブ、固体、イオン感応性電極２０１の一実施形態を示している。電極２０１はイオン感応性部材２０７と、トレース２０８と、絶縁体２０９とが、その上に例えば半導体製造プロセスを用いて一体的に形成された基板の一部を含むことができる。特定の実施形態において、基板には、シリコンベースの基板等の半導体基板２０６が含まれ得る。これに限定されないが、ガラスまたはポリマー基板等の他の基板材料を含むこともできる。「パッシブ（ｐａｓｓｉｖｅ）」電極２０１とは、電極２０１が半導体基板に統合されているが、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または他のトランジスタの一部として組み込まれているわけではないということを意味している。従って、電極２０１は（電極２０１がトランジスタの本体端子または領域として機能する基板２０６上に製造され得るにもかかわらず）ＦＥＴのトランジスタゲート領域、トランジスタドレイン領域、またはトランジスタソース領域の一部とはなっていない。電極２０１はトランジスタのゲート、ソース、ドレイン端子、またはこれと同等の端子の一部とはなっていないため、動作可能な増幅器等のＦＥＴ入力装置のゲートのような、アクティブなトランジスタ装置と（例えば、集積半導体配線パターンによって）相互に接続可能であったとしても、「パッシブ」電極とみなすことができる。

溶液中のイオン濃度を検出する方法の一部として、イオン感応性部材２０７を溶液サンプル２１０に対して露出させ、これに接触させることができる。イオン感応性部材２０７の周りにおいて電気的ポテンシャルが生じるように、イオン感応性部材２０７はイオンを引きつけたり、引き離したりすることができる。トレース２０８は、処理や検出のための電子部品または回路に、電圧を提供または通信するための低インピーダンス導体を提供することができる。絶縁体２０９は、イオン感応性部材２０７のトレース２０８との接触と、トレース２０８のサンプル溶液２１０からの絶縁とを許容する構造を提供することができる。特定の実施形態において、イオン感応性部材２０７は酸化イリジウム、窒化シリコン、五酸化タンタル、または対象イオンに対して反応する他の材料を含み得るが、これらに限定されない。特定の実施形態において、トレース２０８は金、銀、白金、または他の導電性材料を含み得るが、これらに限定されない。特定の実施形態において、絶縁体２０９は酸化シリコン、窒化シリコン、ポリマー、または液体に対して実質的に不浸透性である他の絶縁材料を含み得るが、これらに限定されない。

図３は一般に、統合型固体イオンプローブ３０３の一実施形態を示している。特定の実施形態において、統合型固体イオンプローブ３０３は指示電極３０１と、基準電極３０２と、統合型電子部品３１１と、基板３０６とを含むことができ、基板３０６の上に電極３０１，３０２、および電子部品３１１をそれぞれ形成することができる。特定の実施形態において、統合型固体イオンプローブ３０３の幅および長さは、２ｍｍ以下のオーダーとすることができる。特定の実施形態において、電子部品３１１は電極３０１，３０２によって提供された信号を受信し、かつ、プローブのコネクタ３１２に接続された電子部品に増幅された信号を提供するための一つ以上の増幅器を含むことができる。図３に示す統合型固体イオンプローブ３０３の利点は、電極３０１，３０２によって提供された低電力または低電圧の信号を、電極３０１，３０２と共同設置された増幅器によって処理または前処理することができるということにある。これにより、増幅器までの導体のリード長が著しく短い長さのオーダーとなるという点において、特定の電子プローブに対して明確な利点を有し得る。リード長が短くなることによって、電気的な干渉による影響を受けた電極３０１，３０２からの信号に対する感応性が低減され、迷走する漏れ電流に対する感応性もまた低減される。特定の実施形態において、電子部品３１１は増幅器を含むことができる。いくつかの実施形態において、電子部品３１１はアナログ−デジタル変換器を含むことができる。いくつかの実施形態において、電子部品３１１は無線送信機、無線受信機、またはトランシーバを含むこれらの組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、統合型固体イオンプローブ３０３の電子部品３１１および終端３１２の少なくとも一方は、測定される溶液サンプルと接触しないように密封することができる。

図４は一般に、統合型固体イオンプローブ４０３の一実施形態のブロック図を示している。統合型固体イオンプローブ４０３は基板４０６および回路基板４１６の少なくとも一方、またはメータのためのトレース４０８および終端４１２を含むポリマーまたは他の材料で形成されたストリップを含むことができる。基板４０６は基準電極４０２と、指示電極４０１と、増幅器４１３とを含むことができる。特定の実施形態において、指示電極４０１および基準電極４０２は、基準電圧端子と増幅器４１３への入力との間に直列に接続することができる。指示電極と基準電極との間の電気的接続は、対象溶液におけるイオン濃度の測定中に、対象溶液によって形成することができる。図示の実施形態において、増幅器４１３は電圧フォロワ構成とすることができる。このような構成は、電極４０１，４０２において検出された電圧に対する高インピーダンス増幅器入力と、例えば既存のガラスプローブほどのノイズ破壊のリスクを有することなく、効果的にメータ装置に電圧を伝達する低インピーダンス出力とを提供することができる。基板４０６に統合された他の増幅器構成を用いることもできる。統合型固体イオンプローブ４０３の一つ以上の電極４０１，４０２と共同設置された増幅器または増幅システムを有することによって、例えばガラス電極等と比較して、統合型固体イオンプローブ４０３の出力インピーダンスを大幅に低減可能であるということに留意されたい。

また、電極４０１，４０２と基板４０６との統合や、これと個別または一緒の、一つ以上の電極４０１，４０２と基板４０６上の増幅器４１３または増幅システムとの統合によって、イオン感応性プローブ等のための新しい用途を開拓することができる。例えば、電極４０１，４０２は比較的小さく形成することができ、非常に小さいサイズの溶液サンプルを用いて正確なイオン測定を提供することができる。特定の実施形態において、指示電極４０１は小容量の容器の底部に形成され、また、シリコン基板上に集積されることで、溶液の液滴を含むことができ、これは測定目的のために指示電極４０１を完全に覆うことができる。小さいサイズの形式においては、統合型固体イオンプローブ４０３を小さい領域において使用することも可能となる。このような統合型固体イオンプローブ４０３はまた、大量の溶液に沈められた時に正確なイオン測定を提供することもできる。統合型固体イオンプローブ４０３が実現可能な他の用途として、使い捨てまたは半使い捨てのプローブが挙げられる。上述のようなパッシブ電極構成、後述する基準電極とのさらなる統合、および統合型電子部品を製造するための現在の知識により、プローブを一貫して大量に、他の技術のコストのほんの一部で製造することができる。特定の実施形態において、このようなプローブは、使い捨てプローブまたは単回使用プローブとみなすことができる。

図５Ａおよび５Ｂは一般に、基準電極５０２の構成についての実施形態を示している。図５Ａは一般に、指示電極５０１および基準電極５０２を含む統合型固体イオンプローブ５０３の一実施形態の断面を示している。指示電極５０１は、対象溶液に接触可能な外面を有する第一イオン感応性部材５０７を含む。特定の実施形態において、基準電極５０２は、基準電極５０２が基準またはベース電圧を提供するように、既知のイオン濃度を有する基準部材５１８に接触可能であるか、または接触している第二イオン感応性部材５１７を有している。指示電極５０１は、イオン測定が望まれる材料または溶液に対して露出された電極である。基準電極５０２は制御されたイオン濃度を有する標準溶液に第二イオン感応性部材５１７を接触させることによって、基準またはベース電圧を提供する。特定の実施形態において、基準電極５０２は、第二イオン感応性部材５１７の露出面を囲む封じ込めバリア５１９を含むことができる。封じ込めバリア５１９は、標準溶液５１８のための容器を提供することができる。いくつかの実施形態において、封じ込めバリア５１９の上部に結合された上部多孔膜５２０は、基準電極の第二イオン感応性部材５１７、電極を指示する基板５０６、封じ込めバリア５１９、および上部膜５２０を含む容器内に標準溶液５１８を実質的に密封することができるように、上部バリアを提供することができる。いくつかの実施形態において、標準溶液５１８は液体を含むことができる。いくつかの実施形態において、標準溶液５１８は長期間含有することがより容易となり得るゲルを含むことができる。特定の実施形態において、基準電極５０２は、指示電極５０１で用いられたものと同様のイオン感応性材料を含むことができる。いくつかの実施形態において、基準電極５０２の第二イオン感応性部材５１７は、指示電極５０１の第一イオン感応性部材５０７とは異なっている。プローブは、イオンが指示電極５０１と基準電極５０２との間の電気的接続を形成することを可能にする液絡に基づいている。液絡は、対象溶液と基準電極５０２の標準溶液５１８との間のインタフェースである。標準溶液５１８と対象溶液との間の接触を許容するチャネルまたは機構によって、基準電極５０２の第二イオン感応性部材５１７と対象溶液との間の電気伝導を可能とすることができる。特定の実施形態において、このようなチャネルまたは機構は、例えば多孔膜５２０またはミクロ細孔部材を含み得るが、これらに限定されない。特定の実施形態において、封じ込めバリア５１９によって形成された容器、および上部膜５２０は、第二イオン感応性部材５１７の周りに制御された環境を確保し、かつ、基準電極５０２が対象溶液の特性にかかわらず一定の電圧を生成することができるようにするため、基準電極５０２の第二イオン感応性部材５１７の周りに標準溶液５１８を封入することができる。特定の実施形態において、この容器は、対象溶液と標準溶液５１８との間のイオンの流れを許容することによって対象溶液との電気的接続を許容すると同時に、結合部を超えた流体の交換を最小限に抑えることが可能ないくつかの種類の多孔性結合を組み込むことができる。

図５Ｂは、例示的な基準電極５０２の別の構成を示している。基準電極５０２は基板５０６と、金等の導電性の第一部材５０８と、イオン感応性部材５０７と、パッケージング部材５０９と、基準部材５１０とを含む。特定の実施形態において、基板５０６は半導体基板であり、第一部材５０８は電気信号を基板５０６の異なる領域に伝達するトレースを提供する。特定の実施形態において、パッケージング部材５０９は基板５０６および第一部材５０８を保護することができるとともに、基準部材５１０を収容するための容器を提供することができる。特定の実施形態において、基準電極５０２のイオン感応性部材５０７は、この容器の内面の少なくとも一部を提供することができる。特定の実施形態において、基準部材５１０はゲルの形態とすることができる。いくつかの実施形態において、上部膜５２０は容器にわたって延びており、パッケージング部材５０９、イオン感応性部材５０７、および上部膜５２０によって形成された容器内の基準部材５１０を密封するように、パッケージング部材５０９に接続することができる。いくつかの実施形態において、基板５０６はアクティブな電子部品５１１を含むことができ、基準電極５０２からの信号を、基準電極５０２にできるだけ近くに処理することができる。このような設計は、ガラス電極と比較して潜在的な干渉信号に曝される、基準電極５０２、またいくつかの場合においては共同設置された指示電極からの、導電性媒体の長さを制限する。いくつかの実施形態において、アクティブな電子部品５１１はイオン感応性部材５０７の反対側の基板５０６の側面上に配置することができ、Ｓｉ貫通電極（ＴＳＶ）５２１を用いて信号をアクティブな電子部品５１１に伝達することができる。

図６Ａおよび６Ｂは一般に、基準電極６０２と一つ以上の指示電極６０１とを含むプローブレイアウト６０３の一実施形態を示している。図６Ａは一般に、基準電極６０２と三つの指示電極６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃとを含むプローブレイアウト６０３の一実施形態を示している。各電極６０１ｘ，６０２は、プローブレイアウト６０３の基板６０６のトレース６０８に電気的に接続されている。各トレース６０８は、基板６０６のコネクタ６１２または他のいくつかの終端に電極の電圧または信号を伝達する。いくつかの実施形態において、各トレース６０８は、基板６０６に統合されたアクティブな電子部品（図示略）に電圧または信号を伝達することができる。いくつかの実施形態において、各トレース６０８は、ＴＳＶを介して基板の反対側に一体的に配置されたアクティブな電子部品に電圧または信号を伝達することができる。特定の実施形態において、アクティブな電子部品は例えば増幅器を含むことができ、トレース６０８および電極６０１ｘ，６０２を介して受信された信号をバッファリングし、またはよりノイズ耐性のある信号に変換することができる。

特定の実施形態において、基準電極６０２は基準部材を保持するためのウェルを含むことができる。プローブレイアウト６０３は、例えば容器の一部を形成可能な封じ込めバリアの位置を示すサークル６１４を含む。特定の実施形態において、電極６０１ｘ，６０２の直径は、プローブを用いることが予想されてプローブが設計された環境を含む、いくつかの要因に応じて変化し得る。例えば、プローブが非常に小さいサンプルを測定するために用いられる場合、電極もまた、比較的小さいものとすることができる。いくつかの実施形態において、基準電極６０２および指示電極６０１ｘの両方の電極は、２５０マイクロメートル（μｍ）〜１ミリメートル（ｍｍ）、またはそれ以上の範囲の直径を有していてもよい。良好な結果は、直径５００μｍおよび３００μｍの電極によって得られた。特定の実施形態において、封じ込めバリアの直径は１ｍｍ〜６ｍｍの間とすることができるが、他の直径とすることもできる。

図６Ｂは一般に、基準電極６０２と三つの指示電極６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃとを有する例示的なプローブレイアウト６０３を示しており、各電極は約５００μｍの電極直径を有している。各電極６０１ｘ，６０２は、プローブレイアウト６０３の基板６０６の導体またはトレース６０８に接続されている。また、各トレース６０８および各電極６０１ｘ，６０２は、基板６０６のシールドトレース６１５に囲まれている。シールドトレース６１５は典型的には、例えば接地等の基準電位に接続されている。いくつかの実施形態において、各トレース６０８および各電極６０１ｘ，６０２は、個々の電位に接続可能な個々のシールドトレース６１５を有していてもよい。各シールドトレース６１５は、電極６０１ｘ，６０２および電極導体またはトレース６０８を、接地への干渉の伝達による迷走電気干渉から保護するように設計される。

図７は一般に、半導体基板上に集積されたパッシブ電極を含むイオン感応性プローブの例示的な動作方法７００を示している。７０１において、基板上において統合されたパッシブなイオン感応性プローブは、溶液に接触することができる。７０３において、第一パッシブ電極の第一電圧は、溶液中のイオン濃度を示す指示電圧を提供するように増幅させることができる。特定の実施形態において、増幅器の出力電圧のノイズ耐性がパッシブ電極からの信号よりも著しく高くなるように、増幅器をシリコンベース基板上に集積することができる。いくつかの実施形態において、基準電極は基板上のパッシブ電極に近接して配置することができる。

様々な注釈と実施形態
実施形態１において、溶液中のイオン濃度を測定するためのイオン感応性プローブは、半導体基板と、半導体基板に統合されるとともに、溶液に接触して、溶液中のイオン濃度の関数に従った第一電圧を提供するように構成された第一パッシブ電極とを含む。

実施形態２において、実施形態１に記載のプローブは必要に応じて、第一パッシブ電極に電気的に接続された入力を有する増幅器を含む。
実施形態３において、実施形態１および２の一つ以上に記載の増幅器は必要に応じて、基板に統合されている。

実施形態４において、実施形態１〜３の一つ以上に記載のプローブは必要に応じて、溶液のための封じ込めバリアを含み、溶液は標準溶液であり、封じ込めバリアは標準溶液の電極との一定の接触を維持するように構成される。

実施形態５において、実施形態１〜４の一つ以上に記載の標準溶液は必要に応じて、ゲルである。
実施形態６において、実施形態１〜３の一つ以上に記載の第一パッシブ電極は必要に応じて、封じ込めバリアと、電圧を提供するように構成された第一検出部材とを含む。封じ込めバリアは必要に応じて、半導体基板に取り付けられるとともに、溶液と検出部材との間の接触位置の周りにバリアを形成するように構成される。封じ込めバリアおよび半導体基板は必要に応じて、標準溶液のための細孔容器の少なくとも一部を形成するように構成される。

実施形態７において、実施形態１〜６の一つ以上に記載のプローブは必要に応じて、基板に統合された第二パッシブ電極を含む。
実施形態８において、実施形態１〜７の一つ以上に記載の第二パッシブ電極は必要に応じて、標準溶液に接触するように構成される。

実施形態９において、実施形態１〜８の一つ以上に記載の標準溶液は必要に応じて、ゲルを含む。
実施形態１０において、実施形態１〜９の一つ以上に記載のプローブは必要に応じて、第一パッシブ電極および第二パッシブ電極に電気的に接続された増幅器を含む。

実施形態１１において、実施形態１〜１０の一つ以上に記載の増幅器は必要に応じて、基板に統合されている。
実施形態１２において、実施形態１〜１１の一つ以上に記載の第一電極は必要に応じて、溶液と接触した時に電圧を生成するように構成された第一検出部材を含み、実施形態１〜１１の一つ以上に記載の第一検出部材は必要に応じて、水素イオンを検出するように構成されたイリジウム酸化物を含む。

実施形態１３において、実施形態１〜１２の一つ以上に記載の第二電極は必要に応じて、細孔封じ込めバリアと、電圧を生成するように構成された第一検出部材とを含む。実施形態１〜１２の一つ以上に記載の封じ込めバリアは必要に応じて、半導体基板に取り付けられるとともに、溶液と検出部材との間の接触点の周りにリングを形成するように構成される。封じ込めバリアおよび基板は、標準溶液のための容器の少なくとも一部を形成する。

実施形態１４において、実施形態１〜１３の一つ以上に記載の第一パッシブ電極の接触領域の直径は必要に応じて、２５０マイクロメートル（μｍ）〜１ミリメートル（ｍｍ）である。

実施形態１５において、実施形態１〜１４の一つ以上に記載の半導体基板は必要に応じて、第一パッシブ電極に接続された第一トレースを含み、トレースは電圧を検出回路に通信するように構成される。

実施形態１６において、実施形態１〜１５の一つ以上に記載の半導体基板は必要に応じて、第一パッシブ電極および第一トレースを囲むシールドトレースを含み、シールドトレースはノイズから電圧を遮蔽するように構成される。

実施形態１７において、実施形態１〜３の一つ以上に記載の第一パッシブ電極と溶液との接触位置は必要に応じて、イオンを検出するように構成されたトランジスタを含まない。

実施形態１８において、溶液中のイオン濃度を検出する方法は、第一パッシブ電極の検出部材を溶液に接触させる工程を含むことができ、第一パッシブ電極は第一半導体基板を含み、イオン濃度の指示を提供するため、第一パッシブ電極の第一電圧に基づいて指示電圧を増幅させる工程を含むことができる。

実施形態１９において、実施形態１〜１８の一つ以上に記載の方法は必要に応じて、第二パッシブ電極の検出部材を標準溶液に接触させる工程を含み、第二パッシブ電極は第二半導体基板を含み、指示電圧を提供するため、第一パッシブ電極の第一電極に第二パッシブ電極の第二電圧を加算する工程を含む。

実施形態２０において、実施形態１〜１９の一つ以上に記載の第一半導体基板および第二半導体基板は必要に応じて、単一の基板構造を形成する。
実施形態２１において、実施形態１〜２０の一つ以上に記載の指示電圧を増幅させる工程は必要に応じて、第一半導体基板に統合された増幅回路を用いて指示電圧を増幅させることを含む。

実施形態２２において、溶液中のイオン濃度を測定するためのイオン感応性プローブは、半導体基板と、半導体基板に統合されるとともに、溶液に接触するように構成された第一パッシブ電極と、半導体基板に統合されるとともに、イオンの特定の濃度を有する標準溶液に接触するように構成された第二パッシブ電極と、同じ半導体基板に統合されるとともに、第一パッシブ電極および第二パッシブ電極に接続された増幅回路とを含み、増幅回路は溶液中のイオン濃度の関数に従った第一電圧を提供するように構成される。

これらの非限定的な実施形態の各々は、単体で成り立たせることも、他の実施形態の一つ以上と様々な組み合わせおよび置換で組み合わせることもできる。
上記の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する添付の図面への参照を含む。図面は例示によって、本発明を実施することのできる特定の実施形態を示している。これらは本明細書において、「実施形態（ｅｘａｍｐｌｅｓ）」と呼ばれる。このような実施形態は、図示または説明されたものに追加した要素を含むことができる。しかしながら、本発明は、図示または説明された要素のみが設けられた実施形態をも企図している。また、本発明者らは特定の実施形態（またはその一つ以上の態様）、または本明細書において図示または説明された他の実施形態（またはその一つ以上の態様）のいずれかに関して、図示または説明された要素の任意の組み合わせまたは置換を用いた実施形態（またはその一つ以上の態様）をも企図している。

参照により組み込まれている他の文書と本明細書との間で用法が一貫していない場合には、本明細書の用法を採用することとする。
本明細書において、「一つの（ａ，ａｎ）」等の用語は、特許文献において一般的であるように、「少なくとも一つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」または「一つ以上の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」等の用語の存在の有無にかかわらず、一つ以上の対象を含むとして用いられる。本明細書において、「または（ｏｒ）」等の用語は、別段の指示の有無にかかわらず、「ＡまたはＢ」が「ＡではなくＢ」、「ＢではなくＡ」、「ＡおよびＢ」のすべてを含むように、非排他的な論理和を指すとして用いられる。本明細書において、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「〜において（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」等の用語はそれぞれ、「〜を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「〜において（ｗｈｅｒｅｉｎ）」等の用語の平易な英語の同義語として用いられる。また、以下の特許請求の範囲において、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の用語はオープンエンドである。すなわち、特許請求の範囲においてそのような用語の後に列記された要素に追加した要素を含むシステム、装置、物品、組成物、調合物、またはプロセスもまた、特許請求の範囲内にあるとみなされる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第一（ｆｉｒｓｔ）」、「第二（ｓｅｃｏｎｄ）」、「第三（ｔｈｉｒｄ）」等の用語は単にラベルとして使用されるものであり、それらの対象に対して数値要件を課すことを意図するものではない。

本明細書に記載された方法の実施形態は、少なくとも部分的に機械またはコンピュータによって実現することができる。いくつかの実施形態は、上記実施形態に記載の方法を実行するように電子装置を構成可能な命令で符号化されたコンピュータ可読媒体または機械可読媒体を含むことができる。このような方法の実装には、マイクロコード、アセンブリ言語コード、高水準言語コード等のコードが含まれ得る。このようなコードには、様々な方法を実行するためのコンピュータ可読命令が含まれ得る。コードは、コンピュータプログラム製品の一部を形成していてもよい。また、一実施形態において、コードは実行中または他の期間中に、一つ以上の揮発性、非一時的、または不揮発性の有形のコンピュータ可読媒体上に有形的に格納することができる。これらの有形のコンピュータ可読媒体の実施形態はハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、リムーバブル光ディスク（例えば、コンパクトディスクおよびデジタルビデオディスク）、磁気カセット、メモリカードまたはメモリスティック、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）等を含み得るが、これらに限定されない。

上記説明は例示であり、限定的ではないことが企図される。例えば、上記実施形態（またはその一つ以上の態様）は、互いに組み合わせて使用することができる。他の実施形態は、例えば当業者が上記説明を検討することによって使用することができる。読み手が迅速に技術的開示内容の本質を認識できるように、要約書は米国特許法施行規則（３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．）第１．７２条（ｂ）を遵守するように提供されている。要約書は特許請求の範囲またはその意味を解釈または限定するためには用いられないという了解の下、提供されている。また、上記の詳細な説明において、開示を合理化するため、様々な特徴がグループ化されていてもよい。これは、権利請求されていない開示された特徴が任意の請求項にとって必須であるということを意図するものとして解釈されるべきではない。むしろ本発明の主題は、特定の開示された実施形態の必ずしもすべての特徴に存在していなくてもよい。従って、以下の特許請求の範囲は実施例または実施形態として本明細書の詳細な説明に組み込まれ、各請求項は別個の実施形態として独立しており、また、そのような実施形態は様々な組み合わせまたは置換によって互いに組み合わせ可能であることを意図している。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲、ならびに、係る特許請求の範囲が権利を享受する均等形態の全範囲を参照して決定されるべきである。

Claims (10)

1. 溶液中のイオン濃度を測定するためのイオン感応性のプローブにおいて、イオン感応性の前記プローブは、
   半導体基板と、
   前記半導体基板に統合されるとともに、前記溶液に接触して、前記溶液中のイオン濃度の関数に従った第一電圧を提供するように構成された第一パッシブ電極と、
   標準溶液のための封じ込めバリア及び第二パッシブ電極と、
   前記第一パッシブ電極を取り囲み、接地の基準電位に接続され、前記第一パッシブ電極を迷走電気干渉から保護する第一シールドトレースと、
   前記第二パッシブ電極を取り囲み、接地の基準電位に接続され、前記第二パッシブ電極を迷走電気干渉から保護する第二シールドトレースと、を含むプローブ。
2. 請求項１に記載のプローブにおいて、前記第一パッシブ電極に電気的に接続された入力を有する増幅器を含むプローブ。
3. 請求項２に記載のプローブにおいて、前記増幅器は前記半導体基板に統合されているプローブ。
4. 請求項１に記載のプローブにおいて、前記封じ込めバリアは前記標準溶液の前記第二パッシブ電極との一定の接触を維持するように構成されるプローブ。
5. 請求項４に記載のプローブにおいて、前記第二パッシブ電極は、
   封じ込めバリアと、
   電圧を提供するように構成された第一検出部材とを含み、
   前記封じ込めバリアは前記半導体基板に取り付けられるとともに、前記標準溶液と前記検出部材との間の接触位置の周りにバリアを形成し、
   前記封じ込めバリアおよび前記半導体基板は、前記標準溶液のための容器の少なくとも一部を形成するプローブ。
6. 請求項５に記載のプローブにおいて、前記第二パッシブ電極は、前記半導体基板に統合された、プローブ。
7. 請求項６に記載のプローブにおいて、前記第二パッシブ電極は標準溶液に接触するように構成されるプローブ。
8. 溶液中のイオン濃度を検出する方法において、前記方法は、
   第一パッシブ電極の検出部材を前記溶液に接触させる工程であって、前記第一パッシブ電極は第一半導体基板を含む、第一パッシブ電極の検出部材を前記溶液に接触させる行程と、
   第二パッシブ電極の検出部材を標準溶液に接触させる工程であって、前記第二パッシブ電極は第二半導体基板を含む、第二パッシブ電極の検出部材を前記溶液に接触させる行程と、
   前記イオン濃度の指示を提供するため、前記第一パッシブ電極の第一電圧に基づいて指示電圧を増幅させる工程と、を含む方法であって、
   前記第一パッシブ電極は、接地の基準電位に接続され、前記第一パッシブ電極を迷走電気干渉から保護する第一シールドトレースに取り囲まれ、
   前記第二パッシブ電極は、接地の基準電位に接続され、前記第二パッシブ電極を迷走電気干渉から保護する第二シールドトレースに取り囲まれた、方法。
9. 請求項８に記載の方法において、
   前記指示電圧を提供するため、前記第一パッシブ電極の前記第一電圧から前記第二パッシブ電極の第二電圧を減算する工程を含む方法。
10. 請求項８に記載の方法において、指示電圧を増幅させる工程は、前記第一半導体基板に統合された増幅回路を用いて前記指示電圧を増幅させることを含む方法。