JP6919651B2 - 半導体装置および細胞電位測定装置 - Google Patents

半導体装置および細胞電位測定装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6919651B2
JP6919651B2 JP2018523695A JP2018523695A JP6919651B2 JP 6919651 B2 JP6919651 B2 JP 6919651B2 JP 2018523695 A JP2018523695 A JP 2018523695A JP 2018523695 A JP2018523695 A JP 2018523695A JP 6919651 B2 JP6919651 B2 JP 6919651B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
differential amplifier
input
transistor
signal
potential
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018523695A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2017221714A1 (ja
Inventor
祐理 加藤
祐理 加藤
祐輔 大池
祐輔 大池
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Sony Group Corp
Original Assignee
Sony Corp
Sony Group Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp, Sony Group Corp filed Critical Sony Corp
Publication of JPWO2017221714A1 publication Critical patent/JPWO2017221714A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6919651B2 publication Critical patent/JP6919651B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/4161—Systems measuring the voltage and using a constant current supply, e.g. chronopotentiometry
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45179—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using MOSFET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45183—Long tailed pairs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/42—Apparatus for the treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48728—Investigating individual cells, e.g. by patch clamp, voltage clamp
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48735—Investigating suspensions of cells, e.g. measuring microbe concentration
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45179—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using MOSFET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45183—Long tailed pairs
    • H03F3/45188—Non-folded cascode stages
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • G01N27/3273—Devices therefor, e.g. test element readers, circuitry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4148—Integrated circuits therefor, e.g. fabricated by CMOS processing
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/129—Indexing scheme relating to amplifiers there being a feedback over the complete amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/156—One or more switches are realised in the feedback circuit of the amplifier stage
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/228—A measuring circuit being coupled to the input of an amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/396—Indexing scheme relating to amplifiers the output of an amplifier can be switched on or off by a switch to couple the output signal to a load
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/48—Indexing scheme relating to amplifiers the output of the amplifier being coupled out by a capacitor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45156—At least one capacitor being added at the input of a dif amp
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45512—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising one or more capacitors, not being switched capacitors, and being coupled between the LC and the IC
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45536—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising a switch and being coupled between the LC and the IC

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Description

本開示は、半導体装置および細胞電位測定装置に関し、特に、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことができるようにした半導体装置および細胞電位測定装置に関する。
生体細胞を含む培養液内に微小電極をアレイ状に配置し、培養液の電位を電気化学的に計測することにより、生体細胞が発する活動電位を測定するデバイスが存在する(例えば、特許文献１参照)。
このようなデバイスにおいて、近年、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)集積回路技術を用いて、多数の電極、増幅器、A/D（Analog/Digital）変換器などを１つのチップにまとめ、多点で同時に電位を測定することが考案されている。
多点で同時に電位を測定する方法としては、各読み出し電極を１つの増幅器に順に接続して測定する方法と、各読み出し電極を、読み出し電極と同数の各増幅器に接続して測定する方法とがある。
前者の方法では、増幅器の数が１つで済むため、増幅器のサイズを大きくしてノイズを削減することができる。しかしながら、同時に測定可能な測定点の数(以下、同時測定点数という)は１つである。
これに対して、後者の方法では、複数の増幅器を同時に動作させることにより、同時測定点数を複数にすることができる。しかしながら、読み出し電極の数だけ増幅器を用意する必要があるため、各増幅器のサイズが小さくなり、ノイズが大きくなる。以上のように、上述した方法では、ノイズと同時測定点数とがトレードオフになる。
そこで、後者の方法において、増幅器の代わりに、溶液内の電位発生点から離れた位置に配置された参照電極と、電位発生点近傍に配置された読み出し電極との電位差を増倍して出力するオープンループ型の差動増幅器を設けることが考案されている。この場合、差動増幅器以降の回路において、ノイズが差動増幅器の増幅ゲインの逆数倍に抑制される。従って、差動増幅器のサイズが小さいことによるノイズの増大を抑制することができる。よって、同時測定点数の増加とノイズの抑制の両立を図ることができる。
特開2002-31617号公報
しかしながら、オープンループ型の差動増幅器では、出力信号が入力信号として帰還しないため、増幅ゲインが大きくなり、動作する入力信号のレンジ（信号入力レンジ）が狭くなる。従って、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことは困難である。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことができるようにするものである。
本開示の第１の側面の半導体装置は、溶液の電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とを備え、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に、他の回路の挿入なく、直接接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続され、前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にリセットスイッチが接続されるように構成された半導体装置である。
本開示の第１の側面においては、溶液の電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とが備えられ、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に、他の回路の挿入なく、直接接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続され、前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にリセットスイッチが接続される。
本開示の第２の側面の細胞電位測定装置は、溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とを備え、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に、他の回路の挿入なく、直接接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続され、前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にリセットスイッチが接続されるように構成された細胞電位測定装置である。
本開示の第２の側面においては、溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とが備えられ、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に、他の回路の挿入なく、直接接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続され、前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にリセットスイッチが接続される。
本開示の第１および第２の側面によれば、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本開示を適用した細胞電位測定装置の第１実施の形態の構成例を示す図である。 図１のセンサの構造例を示す図である。 図２の差動増幅器の詳細構成例を示す図である。 図３の差動増幅器における信号入力レンジを説明する図である。 本開示を適用した細胞電位測定装置の第２実施の形態の構成例を示すブロック図である。 図５のセンサの詳細構成例を示す図である。 本開示を適用した細胞電位測定装置の第３実施の形態におけるセンサの構成例を示す図である。
以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１実施の形態：細胞電位測定装置（図１乃至図４）
２．第２実施の形態：細胞電位測定装置（図５および図６）
３．第３実施の形態：細胞電位測定装置（図７）
＜第１実施の形態＞
（細胞電位測定装置の第１実施の形態の構成例）
図１は、本開示を適用した細胞電位測定装置の第１実施の形態の構成例を示す図である。
図１の細胞電位測定装置１０は、センシング部１１、センサ駆動線１２、垂直信号線１３、垂直選択回路１４、A/D変換回路１５、水平選択回路１６、および出力端子１７が、CMOS集積化技術を用いて図示せぬ半導体基板(チップ)に形成された半導体デバイス（半導体装置）である。
細胞電位測定装置１０のセンシング部１１には、生体細胞を含む培養液の電気化学的電位を読み出すセンサ１１Ａが、アレイ状(行列状)に２次元配置される。また、センシング部１１には、アレイ状のセンサ１１Ａに対して行ごとにセンサ駆動線１２が形成され、列ごとに垂直信号線１３が形成される。
垂直選択回路１４は、センシング部１１の各センサ１１Ａを行単位等で駆動する。具体的には、垂直選択回路１４の各行に対応した図示せぬ出力端には、センサ駆動線１２の一端が接続されている。垂直選択回路１４は、各センサ１１Ａからのセンサ信号を行単位で順に読み出すように、各行を順に選択し、選択行のセンサ駆動線１２と接続する出力端から選択信号等を出力する。これにより、選択行のセンサ１１Ａは、培養液の電位の電気信号をセンサ信号として読み出し、垂直信号線１３に供給する。
A/D変換回路１５は、センシング部１１の列ごとに信号処理回路を有する。A/D変換回路１５の各信号処理回路は、選択行の各センサから垂直信号線１３を通して出力されるセンサ信号に対して、A/D変換処理等の信号処理を行う。A/D変換回路１５は、水平選択回路１６の選択走査にしたがって、選択された信号処理回路により得られた信号処理後のセンサ信号を、出力端子１７を介して出力する。
水平選択回路１６は、A/D変換回路１５の信号処理回路を順番に選択する。この水平選択回路１６による選択走査により、A/D変換回路１５の各信号処理回路で信号処理されたセンサ信号が順番に出力端子１７に出力される。
（センサの構造例）
図２は、図１のセンサ１１Ａの構造例を示す図である。
図２では、説明の便宜上、１行分のセンサ１１Ａのみが図示してある。
図２に示すように、センサ１１Ａは、読み出し電極３１、差動増幅器３２、容量３３、およびスイッチ３４により構成される。
図２のセンサ１１Ａの読み出し電極３１は、生体細胞を含む培養液４１の中に配置される。読み出し電極３１は、培養液４１の電位の電気信号を、培養液４１に含まれる生体細胞の活動電位の電気信号として読み出す。
差動増幅器３２には、読み出し電極３１から読み出された電気信号が入力信号として入力されるとともに、差動増幅器３２から出力された出力信号が容量３３を介して入力信号として入力される。差動増幅器３２は、この２つの入力信号の電位差を増倍して出力信号として出力する。この出力信号は、容量３３とスイッチ３４に入力される。
スイッチ３４は、図１のセンサ駆動線１２により入力される選択信号に基づいて、出力信号をセンサ信号として垂直信号線１３に出力する。具体的には、スイッチ３４は、選択信号が入力された場合、即ちセンサ１１Ａの行が選択行である場合、出力信号をセンサ信号として垂直信号線１３に出力する。一方、選択信号が入力されない場合、即ちセンサ１１Ａの行が選択行ではない場合、スイッチ３４は、出力信号をセンサ信号として垂直信号線１３に出力しない。
（差動増幅器の詳細構成例）
図３は、図２の差動増幅器３２の詳細構成例を示す図である。
図３の差動増幅器３２は、ダイオード接続されたpMOSトランジスタ６１とpMOSトランジスタ６２からなるカレントミラー回路を負荷抵抗とする差動増幅器である。具体的には、差動増幅器３２は、pMOSトランジスタ６１、pMOSトランジスタ６２、nMOSトランジスタからなる入力トランジスタ６３および入力トランジスタ６４、定電流源６５、入力端子６６、入力端子６７、並びに出力端子６８により構成される。
pMOSトランジスタ６１は入力トランジスタ６３と直列に接続され、pMOSトランジスタ６２は入力トランジスタ６４と直列に接続される。また、pMOSトランジスタ６１とpMOSトランジスタ６２は電源電位VDDに接続され、入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４は、定電流源６５を介してアース電位VSSに接続される。
入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４のうちの、ダイオード接続されたpMOSトランジスタ６１と接続する、増幅ゲインがかからない入力トランジスタ６３のゲートには、読み出し電極３１と接続する入力端子６６が接続される。また、ダイオード接続されていないpMOSトランジスタ６２と接続する、増幅ゲインがかかる入力トランジスタ６４のゲートには、容量３３を介して出力端子６８と接続する入力端子６７が接続される。これにより、差動増幅器３２の出力信号を入力信号として帰還させる閉ループが形成される。また、出力端子６８は、pMOSトランジスタ６２と入力トランジスタ６４との接続点に接続される。
以上のように、差動増幅器３２は、出力信号を入力信号として帰還させる閉ループを形成する。従って、オープンループ型の差動増幅器に比べて、増幅ゲインを抑制し、信号入力レンジを広くすることができる。
また、差動増幅器３２では、読み出し電極３１と入力トランジスタ６３と間に何等の回路も挿入されないため、入力信号に１以下の増幅ゲインがかからず、S/N（Signal/Noise）が劣化しない。
これに対して、読み出し電極３１と入力トランジスタ６３と間に何等かの回路が挿入される場合、入力信号に１以下の増幅ゲインがかり、S/Nが劣化する。従って、S/Nの劣化を防止するために、大きな容量を読み出し電極３１の近傍に配置する必要がある。よって、読み出し電極３１間のピッチを縮小し、センサ１１Ａの数、即ち同時測定点数を増加させることが困難である。
また、差動増幅器３２は、出力信号が読み出し電極３１に帰還されないため、出力信号の帰還による読み出し電極３１の電位の変動が、生体細胞の活動に影響を及ぼし、正確な活動電位を測定することができなくなることを防止することができる。
なお、差動増幅器３２においても、入力トランジスタ６３のゲートとドレインの間の寄生容量によって、出力信号が読み出し電極３１に帰還する可能性はある。しかしながら、入力トランジスタ６３は、増幅ゲインがかからない入力トランジスタであるため、帰還による読み出し電極３１の電位の変動は小さい。
（信号入力レンジの説明）
図４は、図３の差動増幅器３２における信号入力レンジを説明する図である。
図４のグラフにおいて、横軸は、入力端子６６に入力される入力信号の電位Vin(+)と入力端子６７に入力される入力信号の電位Vout（-）の電位差を示し、縦軸は、差動増幅器の増幅ゲインを示す。また、実線は、各電位差に対する差動増幅器３２の増幅ゲインを示し、点線は、各電位差に対するオープンループ型の差動増幅器の増幅ゲインを示す。
図４の点線で示すように、オープンループ型の差動増幅器では、増幅ゲインが大きくなり、信号入力レンジｒ´が狭くなる。これに対して、差動増幅器３２は、閉ループを形成するため、差動増幅器３２では、図４の実線で示すように、増幅ゲインが小さくなり、信号入力レンジｒが、信号入力レンジｒ´に比べて広くなる。その結果、差動増幅器３２は、入力信号の電位差を高精度で増幅することができる。即ち、読み出し電極３１により読み出された培養液４１の電位の電気信号を高精度で増幅することができる。
＜第２実施の形態＞
（細胞電位測定装置の第２実施の形態の構成例）
図５は、本開示を適用した細胞電位測定装置の第２実施の形態の構成例を示すブロック図である。
図５に示す構成のうち、図１の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図５の細胞電位測定装置１００の構成は、センサ１１Ａの代わりにセンサ１０１が設けられる点、および、参照電極１０２が新たに設けられる点が、図１の細胞電位測定装置１０の構成と異なる。細胞電位測定装置１００では、センサ１０１に読み出し電極３１の電位の電気信号だけでなく、参照電極１０２の電位の電気信号も入力される。
具体的には、細胞電位測定装置１００のセンサ１０１は、読み出し電極３１の電位の電気信号と参照電極１０２の電位の電気信号を用いて、センサ信号を生成する。参照電極１０２は、培養液内の生体細胞から離れた位置に配置され、培養液の基準電位を読み出す。参照電極１０２は、読み出された基準電位の電気信号を各センサ１０１に供給する。
（差動増幅器の詳細構成例）
図６は、図５のセンサ１０１の詳細構成例を示す図である。
図６に示す構成のうち、図３の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図５のセンサ１０１の構成は、入力端子６７に容量１２１を介して参照電極１０２が接続される点が、センサ１１Ａの構成と異なる。
センサ１０１では、入力端子６７に容量１２１を介して参照電極１０２が接続されるので、差動増幅器３２は、読み出し電極３１と参照電極１０２に同相で混入するノイズ成分をキャンセルすることができる。その結果、差動増幅器３２から出力される出力信号のノイズを低減することができる。
＜第３実施の形態＞
（細胞電位測定装置の第３実施の形態におけるセンサの構成例）
本開示を適用した細胞電位測定装置の第３実施の形態の構成は、センサの構成を除いて、図５の細胞電位測定装置１００と同一であるので、以下では、センサの構成についてのみ説明する。
図７は、本開示を適用した細胞電位測定装置の第３実施の形態におけるセンサの構成例を示す図である。
図７に示す構成のうち、図６の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
図７のセンサ１４０の構成は、出力端子６８と入力端子６７の間に、容量３３と並列にリセットスイッチ１４１が接続される点が、図６のセンサ１０１の構成と異なる。
リセットスイッチ１４１は、図示せぬ制御回路から供給されるリセット信号Resetに基づいて、出力端子６８と入力端子６７を短絡する。これにより、差動増幅器３２のpMOSトランジスタ６１側とpMOSトランジスタ６２側の電流を釣り合わせ、入力信号の電位差がゼロ（Vin(+)-Vin(-)=0）の状態を参照電極１０２の入力電圧としてサンプルホールドすることができる。
即ち、入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４の閾値のミスマッチをキャンセルし、差動増幅器３２の動作点をリセットすることができる。従って、入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４の閾値のミスマッチにより各センサ１４０で異なるオフセットが入力信号に重畳され、センサ１４０間で同一の入力信号に対する増幅ゲインがばらつくことを防止することができる。その結果、センサ１４０間のセンサ信号の値のばらつきを抑制することができる。
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
また、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば、第１実施の形態において、第３実施の形態と同様に、容量３３と並列にリセットスイッチ１４１が接続されるようにしてもよい。
なお、本開示は、以下のような構成もとることができる。
（１）
溶液の電位を読み出す読み出し電極と、
カレントミラー回路を有する差動増幅器と
を備え、
前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、
前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される
ように構成された
半導体装置。
（２）
前記第２の入力端子には、前記溶液の基準電位を読み出す参照電極が接続される
ように構成された
前記（１）に記載の半導体装置。
（３）
前記第２の入力端子には、前記参照電極が容量を介して接続される
ように構成された
前記（２）に記載の半導体装置。
（４）
前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にスイッチが接続される
ように構成された
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（５）
前記出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点に接続される
ように構成された
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体装置。
（６）
前記読み出し電極はアレイ状に配置される
ように構成された
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体装置。
（７）
溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、
カレントミラー回路を有する差動増幅器と
を備え、
前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、
前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される
ように構成された
細胞電位測定装置。
１０ 細胞電位測定装置, ３１ 読み出し電極, ３２ 差動増幅器, ３３ 容量, ４１ 培養液， ６１，６２ pMOSトランジスタ, ６３，６４ 入力トランジスタ, ６６，６７ 入力端子, ６８ 出力端子, １００ 細胞電位測定装置, １０２ 参照電極， １２１ 容量， １４１ リセットスイッチ

Claims (6)

  1. 溶液の電位を読み出す読み出し電極と、
    カレントミラー回路を有する差動増幅器と
    を備え、
    前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に、他の回路の挿入なく、直接接続され、
    前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続され、
    前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にリセットスイッチが接続される
    ように構成された
    半導体装置。
  2. 前記第２の入力端子には、前記溶液の基準電位を読み出す参照電極が接続される
    ように構成された
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第２の入力端子には、前記参照電極が容量を介して接続される
    ように構成された
    請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点に接続される
    ように構成された
    請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記読み出し電極はアレイ状に配置される
    ように構成された
    請求項１に記載の半導体装置。
  6. 溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、
    カレントミラー回路を有する差動増幅器と
    を備え、
    前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に、他の回路の挿入なく、直接接続され、
    前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続され、
    前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にリセットスイッチが接続される
    ように構成された
    細胞電位測定装置。
JP2018523695A 2016-06-21 2017-06-07 半導体装置および細胞電位測定装置 Active JP6919651B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016122563 2016-06-21
JP2016122563 2016-06-21
PCT/JP2017/021193 WO2017221714A1 (ja) 2016-06-21 2017-06-07 半導体装置および細胞電位測定装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017221714A1 JPWO2017221714A1 (ja) 2019-04-11
JP6919651B2 true JP6919651B2 (ja) 2021-08-18

Family

ID=60783845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018523695A Active JP6919651B2 (ja) 2016-06-21 2017-06-07 半導体装置および細胞電位測定装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10866211B2 (ja)
JP (1) JP6919651B2 (ja)
CN (1) CN109313158B (ja)
WO (1) WO2017221714A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019232127A1 (en) * 2018-06-01 2019-12-05 The Johns Hopkins University Sensor that detects an analyte in the presence of an interfering stimulus
CN114324538B (zh) * 2021-12-31 2024-06-07 上海天马微电子有限公司 检测器件及其检测方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0749423Y2 (ja) * 1989-11-20 1995-11-13 株式会社堀場製作所 導電率測定検出回路
JPH11187865A (ja) * 1997-12-25 1999-07-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd 細胞電位測定電極及びこれを用いた測定装置
JP3909738B2 (ja) 2000-07-13 2007-04-25 松下電器産業株式会社 細胞外記録用一体化複合電極
ATE399993T1 (de) 2001-07-18 2008-07-15 Suisse Electronique Microtech Mikroelektrodenanordnung mit hoher dichte
US8025779B2 (en) * 2003-11-14 2011-09-27 Tanita Corporation Water quality analyzer
JP4673747B2 (ja) 2003-11-14 2011-04-20 株式会社タニタ 水質計
WO2005080956A1 (ja) * 2004-02-20 2005-09-01 Tanita Corporation 塩素計
DE102009043527B4 (de) * 2009-09-30 2021-06-10 Boehringer Ingelheim Vetmedica Gmbh Anordnung und Verfahren unter Verwendung von Mikrosensoren zum Messen von Zell-Vitalitäten
JP5764855B2 (ja) * 2010-10-27 2015-08-19 博男 今村 物理量検出回路、及び物理量検出方法
JP5688731B2 (ja) * 2010-12-10 2015-03-25 国立大学法人徳島大学 静電容量型水分計および水位計
US9351653B1 (en) * 2012-11-29 2016-05-31 Intan Technologies, LLC Multi-channel reconfigurable systems and methods for sensing biopotential signals
WO2014146019A2 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Alfred E. Mann Foundation For Scientific Research High voltage monitoring successive approximation analog to digital converter
US9071209B1 (en) * 2013-07-26 2015-06-30 Intan Technologies, LLC Systems and methods for a current sensing patch-clamp amplifier
JP6382561B2 (ja) * 2014-04-17 2018-08-29 新日本無線株式会社 電気化学計測装置
JP5850121B2 (ja) * 2014-10-07 2016-02-03 セイコーエプソン株式会社 物理量測定装置及び電子機器

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2017221714A1 (ja) 2019-04-11
US20190293597A1 (en) 2019-09-26
WO2017221714A1 (ja) 2017-12-28
CN109313158B (zh) 2021-09-17
US10866211B2 (en) 2020-12-15
CN109313158A (zh) 2019-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6943875B2 (ja) サンプルホールドに基づく時間コントラスト視覚センサ
JP5175168B2 (ja) 電流サンプリング方法と回路
US7662341B2 (en) Sensor arrangement and method for operating a sensor arrangement
JP5188221B2 (ja) 固体撮像装置
US9066031B2 (en) Solid-state imaging device and imaging apparatus
JP6164797B2 (ja) 信号受信部テスト回路、撮像装置、信号受信部テスト方法、撮像装置のテスト方法
US20060170795A1 (en) Data read circuit of solid-state imaging device, imaging apparatus, and data read method for solid-state imaging device
JP5235814B2 (ja) 固体撮像装置
US10212373B2 (en) Semiconductor integrated circuit and image capturing apparatus
JP7198309B2 (ja) 高分解能サーモパイル型赤外線センサアレイ
CN105490651B (zh) 半导体集成电路、可变增益放大器以及传感系统
JP2011196992A (ja) 赤外線固体撮像素子
CN107005659B (zh) 放射线检测器
JP6919651B2 (ja) 半導体装置および細胞電位測定装置
JP4935227B2 (ja) 温度検出回路およびその動作方法、並びに半導体装置
JP2018531399A (ja) モノリシックに集積された信号処理部を有する高解像度のサーモパイル赤外線センサアレイ
US20140320685A1 (en) Imaging apparatus and imaging system
US8357900B2 (en) Thermal infrared detecting device
TW201106688A (en) Clamp circuit and solid-state image sensing device having the same
JP5264418B2 (ja) 熱型赤外線検出素子
WO2021251155A1 (ja) 半導体装置及び細胞電位測定装置
US20230333040A1 (en) Potential measuring device
Selby et al. A 0.18 µm CMOS Switched-capacitor amplifier using current-starving inverter based op-amp for low-power biosensor applications
Mulberry et al. A half-shared transimpedance amplifier architecture for high-throughput CMOS bioelectronics
CN110392219B (zh) 图像感测装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200508

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20201006

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201109

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210302

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210423

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210622

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210705

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6919651

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151