JP7088541B2

JP7088541B2 - 測定装置及び測定方法

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Publication number: JP7088541B2
Application number: JP2018099729A
Authority: JP
Inventors: 健一郎草野; 敦彦岡田; 博明佐野; 将生沖原
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Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2022-06-21
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Description

本発明は、イオン感応素子を備えた測定装置及び測定方法に関する。

イオン感応素子を備えた測定装置に関する技術として、以下のものが知られている。例えば、特許文献１には、支持基板と、検体のイオンに感応する複数のセルと、各セルが感応したイオンの量に応じた信号を読み出して転送する複数のトランジスタと、トランジスタから転送されるアナログの信号をデジタルに変換するアナログ／デジタル変換回路とを備えたイオンセンサが記載されている。

また、非特許文献１には、イオン感応素子としてのＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field Effect Transistor：イオン感応性電界効果型トランジスタ）におけるドリフト補償技術が記載されている。

特開２０１７－１１０９７８号公報

IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 34, NO. 3, MARCH2013 David Welch, Sahil Shah, Sule Ozev, and Jennifer Blain Christen "Experimental and Simulated Cycling of ISFET Electric Fields for Drift Rese"

イオン感応素子を備えた測定装置は、測定対象の酸性またはアルカリ性の程度を表す物理量である水素イオン指数（以下ｐＨ値と称する）を示す電気信号を出力する。イオン感応素子を備えた測定装置においては、出力が時間経過に伴って変動するドリフト現象が問題となっている。

図１は、ＩＳＦＥＴを備えた測定装置を用いて、ｐＨ６．８６の標準液のｐＨ値を測定した場合の、出力電圧の初期値からの変動量ΔＶｏの時間推移の一例を示すグラフである。図１に示すように、ＩＳＦＥＴを備えた測定装置においては、測定対象のｐＨ値が一定であるにもかかわらず、測定装置の出力が時間経過に伴って変動する。この現象を、ドリフト現象と呼ぶ。

イオン感応素子を備えた測定装置は、例えば、農業圃場管理において重要な土壌環境情報を取得するための土壌センサとして利用されている。土壌センサの利用形態として、例えば、土壌センサを土壌に埋設し、土壌のｐＨ値を定期的に取得し、取得したデータを無線通信によりネットワーク上のサーバーに送信するといった、ＩｏＴ（Internet of Things）土壌環境モニタリングが想定される。このような利用形態が想定される土壌センサにおいては、長期間（例えば１年間）に亘り、継続して正確なｐＨ値を定期的に測定することが求められることから、ドリフト現象による出力変動の問題を解消することが望まれる。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、イオン感応素子を備えた測定装置において、ドリフト現象による出力変動を抑制することを目的とする。

本発明に係る測定装置は、イオン感応膜、ドレイン及びソースを有するイオン感応性電界効果型トランジスタと、前記イオン感応膜との間に測定対象物を介在させた状態で配置される参照電極と、前記ドレインに電圧を印加して前記イオン感応性電界効果型トランジスタに電流を流す第１の状態を所定期間毎に形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの各期間内において、前記ドレイン及び前記ソースにグランド電位を印加して前記イオン感応膜の表面電位を初期状態にする第２の状態を形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの期間である第１の期間の長さに基づいて、前記第２の状態を維持する期間である第２の期間の長さを制御する制御部と、を含む。

本発明に係る測定方法は、イオン感応膜、ドレイン及びソースを有するイオン感応性電界効果型トランジスタと、前記イオン感応膜との間に測定対象物を介在させた状態で配置される参照電極と、を含む測定装置を用いて前記測定対象物の特性を測定する測定方法であって、前記ドレインに電圧を印加して前記イオン感応性電界効果型トランジスタに電流を流す第１の状態を所定期間毎に形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの各期間内において、前記ドレイン及び前記ソースにグランド電位を印加して前記イオン感応膜の表面電位を初期状態にする第２の状態を形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの期間である第１の期間の長さに基づいて、前記第２の状態を維持する期間である第２の期間の長さを制御することを含む。

本発明によれば、イオン感応素子を備えた測定装置において、ドリフト現象による出力変動が抑制される、という効果を奏する。

ＩＳＦＥＴを備えた測定装置を用いて測定対象のｐＨ値を測定した場合の、出力電圧の初期値からの変動量の時間推移の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る測定装置の構成の一例を示す断面図である。本発明の実施形態に係る測定装置の電気的な構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定対象の測定状態の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定装置１のリフレッシュ状態の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る測定シーケンスの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定シーケンスの他の例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定装置において、測定対象のｐＨ値を測定した場合の、出力電圧の初期値からの変動量の時間推移の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る測定シーケンスの一例を示す図である。リフレッシュ期間を固定期間とした場合の測定シーケンスの一例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定装置の電気的な構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係るテーブルの構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る測定装置の構成の一例を示す断面図である。本発明の実施形態に係る測定装置の電気的な構成の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係るテーブルの構成の一例を示す図である。測定対象の温度と、ドリフト現象による出力電圧の単位時間当たりの変動量との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素および部分には同一の参照符号を付与している。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の実施形態に係る測定装置１の構成の一例を示す断面図である。測定装置１は、測定対象のｐＨ値を示す電気信号を出力する機能を有する。

測定装置１は、筐体１０の内部に収容された参照電極２０を有する。参照電極２０は、内部液２１を収容する容器２２と、容器２２の先端に設けられた液絡部２３と、その一部が、容器２２内の内部液２１に浸漬された内部電極２４と、を含んで構成されている。内部液２１として、例えば塩化カリウム（ＫＣｌ）溶液または塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液を用いることができる。液絡部２３は、例えば、多孔質のガラスで構成されている。容器２２内に収容された内部液２１は、液絡部２３から測定装置１の外部に滲出する。内部電極２４は、例えば銀（Ａｇ）または塩化銀（ＡｇＣｌ）を含んで構成されている。

測定装置１は、筐体１０に取り付けられたセンサ基板２５を有し、センサ基板２５上には、イオン感応素子の一例であるＩＳＦＥＴ３０が設けられている。ＩＳＦＥＴ３０はイオン感応膜３１（図３参照）を備えており、測定対象のイオン活量によって発生する、イオン感応膜３１の表面電位によってドレイン－ソース間電流が制御される。

容器２２の上面には、制御基板４０が取り付けられている。制御基板４０には、制御部４１、アナログデジタル変換器４２、電源４３、４４等が搭載されている。内部電極２４は、制御基板４０を貫通し、その先端部が制御基板４０の上面にまで達している。

図３は、測定装置１の電気的な構成の一例を示す図である。測定装置１による測定対象１００のｐＨ値の測定は、参照電極２０と、ＩＳＦＥＴ３０のイオン感応膜３１とを測定対象１００に接触させた状態で行われる。参照電極２０は電源４３に接続されており、参照電極２０には、電源４３から出力される参照電圧Ｖｒが内部電極２４を介して印加される。

ＩＳＦＥＴ３０のソース－ドレイン間には、スイッチ５０Ａが設けられている。スイッチ５０Ａがオン状態となることで、ＩＳＦＥＴ３０のソース－ドレイン間が短絡され、スイッチ５０Ａがオフ状態となることで、ＩＳＦＥＴ３０のソース－ドレイン間が開放される。ＩＳＦＥＴ３０のドレインには、スイッチ５０Ｂが接続されている。スイッチ５０Ｂは、ＩＳＦＥＴ３０のドレインを、電源４４またはグランドに選択的に接続する。ＩＳＦＥＴ３０のソースには、電流源４５及びアナログデジタル変換器４２が接続されている。

制御部４１は、制御信号Ｓｃを出力することによって、スイッチ５０Ａ及び５０Ｂの切り替え制御及び電流源４５のオンオフ制御を行う。なお、スイッチ５０Ａ、５０Ｂ及び電流源４５は、センサ基板２５または制御基板４０のいずれかに搭載される。また、図３に示す各構成要素を接続する配線は、センサ基板２５及び制御基板４０に形成される導体パターン（図示せず）、及びセンサ基板２５と制御基板４０とを接続するワイヤーハーネス等によって構成される。

図４Ａは、測定対象１００のｐＨ値を測定する場合における、測定装置１の状態（以下、測定状態という）の一例を示す図である。制御部４１は、スイッチ５０Ａをオフ状態とし、スイッチ５０Ｂを電源４４側に切り替え、電流源４５をオン状態とすることで、測定装置１の状態を測定状態とする。また、測定状態において参照電極２０には、電源４３から出力される参照電圧Ｖｒが印加される。測定状態において、参照電圧Ｖｒが、参照電極２０を介して測定対象１００に印加されると、測定対象１００に含まれる水素イオン（Ｈ^＋）がＩＳＦＥＴ３０のイオン感応膜３１の表面に集まる。これにより、イオン感応膜３１の表面電位が測定対象１００のｐＨ値に応じた大きさとなり、ＩＳＦＥＴ３０に測定電流Ｉｍが流れる。その結果、ＩＳＦＥＴ３０のソース電圧のレベルは、測定対象１００のｐＨ値に応じたレベルとなる。ＩＳＦＥＴ３０のソース電圧は、測定対象１００のｐＨ値を示す出力電圧Ｖｏは、アナログデジタル変換器４２によってデジタル値に変換され出力端子４６から出力される。制御部４１は、所定期間毎に、図４Ａに示す測定状態を形成することで、測定対象１００のｐＨ値を所定期間毎に測定する制御を行う。なお、測定状態においては、ＩＳＦＥＴ３０に測定電流Ｉｍを流すことで、測定対象１００のｐＨ値に応じた出力が得られる状態が形成されていればよく、測定状態における回路接続の形態は、図４Ａに限定されるものではない。

ここで、ＩＳＦＥＴ３０を備えた測定装置１においては、出力電圧Ｖｏが時間経過に伴って変動するドリフト現象（図１参照）が問題となる。ドリフト現象は、イオン感応膜３１の表面電位の変化が継続することで生じる。そこで、測定装置１においては、イオン感応膜３１の表面電位を初期状態にリフレッシュさせることでドリフト現象の影響を緩和している。

図４Ｂは、イオン感応膜３１の表面電位をリフレッシュさせる場合における、測定装置１の状態（以下、リフレッシュ状態という）の一例を示す図である。制御部４１は、スイッチ５０Ａをオン状態とし、スイッチ５０Ｂをグランド側に切り替え、電流源４５をオフ状態とすることで、測定装置１の状態をリフレッシュ状態とする。リフレッシュ状態において、参照電極２０には、測定状態におけるレベルと同じレベルの参照電圧Ｖｒが印加される。リフレッシュ状態においては、ＩＳＦＥＴ３０のソース及びドレインの電位がグランド電位となることで、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が、測定状態におけるＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差よりも高くなる。その結果、イオン感応膜３１の表面電位が、初期状態にリフレッシュされ、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動が抑制される。なお、リフレッシュ状態においては、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が、測定状態におけるＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差よりも大きくなる状態が形成されていればよく、リフレッシュ状態における回路接続の形態は、図４Ｂに示されるものに限定されるものではない。

図５は、制御部４１のハードウェア構成の一例を示す図である。制御部４１は、例えばマイクロコンピュータによって構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０１、一時記憶領域としての主記憶装置４０２、不揮発性の補助記憶装置４０３、外部からの信号を受け付けるインターフェース部（Ｉ／Ｆ部）４０４、制御信号Ｓｃを出力する出力部４０５を含んで構成されている。ＣＰＵ４０１、主記憶装置４０２、補助記憶装置４０３、Ｉ／Ｆ部４０４及び出力部４０５は、それぞれ、バス４０６に接続されている。補助記憶装置４０３には、測定装置１における測定処理の手順を記述した測定プログラム４０７が格納されている。制御部４１は、ＣＰＵ４０１が測定プログラム４０７を実行することで測定処理を行う。

図６は、測定対象１００のｐＨ値の測定を行う場合に、制御部４１において実施される測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオフ状態とし、スイッチ５０Ｂを電源４４側に切り替え、電流源４５をオン状態とすることで、測定状態（図４Ａ参照）を形成する。これにより、測定対象１００のｐＨ値を示す出力電圧Ｖｏが、アナログデジタル変換器４２によってデジタル値に変換され出力端子４６から出力される。

ステップＳ２において、制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したか否かを判定する。制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したと判定した場合、処理をステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオン状態とし、スイッチ５０Ｂをグランド側に切り替え、電流源４５をオフ状態とすることで、リフレッシュ状態（図４Ｂ参照）を形成する。リフレッシュ状態においては、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が、測定状態におけるＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差よりも高くなる。その結果、イオン感応膜３１の表面電位が初期状態にリフレッシュされ、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動が抑制される。

ステップＳ４において、制御部４１は、リフレッシュ状態を形成してから所定期間が経過したか否かを判定する。リフレッシュ状態を形成したことによる出力電圧Ｖｏの変動の抑制効果は、リフレッシュ状態の継続期間（以下、リフレッシュ期間という）に応じて変化する。上記所定期間は、出力電圧Ｖｏの変動を抑制するのに十分な効果が得られる期間に設定される。制御部４１は、リフレッシュ状態を形成してから所定期間が経過したと判定すると、処理をステップＳ１に戻す。

図７Ａは、図６に示す測定処理を実施した場合における測定シーケンスの一例を示す図である。本実施形態に係る測定処理によれば、所定期間毎に測定状態が形成され、測定対象１００のｐＨ値の測定が、所定期間毎に行われる。また、測定状態が形成された後、次に測定状態が形成されるまでの各期間内において、リフレッシュ状態が形成される。すなわち、測定後、次の測定が開始される前に、イオン感応膜３１の表面電位がリフレッシュされる。従って、次の測定において、測定対象１００のｐＨ値の測定を、ドリフト現象の影響が緩和された状態で行うことが可能となる。

図８は、測定装置１において、ｐＨ６．８６の標準液のｐＨ値を測定した場合の、出力電圧Ｖｏの初期値からの変動量ΔＶｏの時間推移の一例を示すグラフである。図８において、実線は、図６に示される測定処理を実施した場合、すなわち、測定後、次の測定の前に、リフレッシュ状態が形成される場合に対応し、点線は、比較例であり、リフレッシュ状態が形成されない場合に対応する。リフレッシュ状態が形成されない場合には、出力電圧Ｖｏの変動量ΔＶｏは、時間経過に伴って大きくなる。一方、本発明の実施形態に係る測定装置１によれば、測定状態が形成された後、次に測定状態が形成されるまでの各期間内において、リフレッシュ状態が形成されるので、測定前にイオン感応膜３１の表面電位がリフレッシュされる。これにより、時間経過に伴う出力電圧Ｖｏの変動量ΔＶｏを小さくすることができる。すなわち、測定装置１によれば、ドリフト現象による出力変動を抑制することが可能となる。

図７Ｂは、測定シーケンスの他の例を示す図である。図７Ｂに示すように、測定が開始される直前までの所定期間を、リフレッシュ期間としてもよい。すなわち、制御部４１は、測定状態が形成される直前までの所定期間に亘り、リフレッシュ状態を形成してもよい。測定装置１において、リフレッシュ状態を解除してから測定状態に移行するまでの期間は、待機状態とされる。待機状態では、ＩＳＦＥＴ３０のソース及びドレイン、並びに参照電極２０は、回路から切り離され、それぞれ、フローティング状態とされる。この待機状態においても、ドリフト現象によって出力電圧Ｖｏの変動が進行する。また、この待機状態の継続期間（以下、待機期間という）が長くなる程、出力電圧Ｖｏの変動量が大きくなる。図７Ｂに示すように、測定が開始される直前までの所定期間をリフレッシュ期間とすることで、上記の所定期間を待機期間とする場合と比較して、出力電圧Ｖｏの変動を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係る測定装置１は、例えば、土壌環境情報を取得するための土壌センサとして使用することが可能である。測定装置１を土壌センサとして使用する場合、測定装置１は土壌に埋設され、土壌のｐＨ値を定期的に取得する。測定装置１によって取得されたデータは、測定装置１に搭載された通信モジュール（図示せず）によって、無線通信によりネットワーク上のサーバーに送信されてもよい。測定装置１によれば、ドリフト現象による出力変動を抑制することができるので、長期間（例えば１年間）に亘り、継続して正確なｐＨ値を測定することが可能となる。

［第２の実施形態］
図９は、制御部４１において実施される、本発明の第２の実施形態に係る測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１１において、制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値を測定する測定間隔を取得する。測定間隔は、測定状態が形成された後、次に測定状態が形成されるまでの期間に相当する。測定間隔は、測定プログラム４０７に記述されており、制御部４１は、測定プログラム４０７を主記憶装置４０２に展開することで、測定間隔を取得する。なお、制御部４１は、ユーザ操作によって入力された測定間隔を取得してもよい。

ステップＳ１２において、制御部４１は、ステップＳ１１において取得した測定間隔に基づいて、リフレッシュ期間の長さを導出する。制御部４１は、リフレッシュ期間が、測定間隔に相当する期間内に収まるように、リフレッシュ期間の長さを導出する。例えば、制御部４１は、測定間隔に対するリフレッシュ期間の割合が、所定値となるように、リフレッシュ期間の長さを導出してもよい。また、制御部４１は、リフレッシュ期間の終了後、次の測定が開始されるまでの期間が、所定期間よりも短くなるようにリフレッシュ期間の長さを導出してもよい。制御部４１は、測定間隔とリフレッシュ期間との組み合わせを、測定間隔毎に記録したテーブルを参照して、測定間隔に応じたリフレッシュ期間の長さを導出してもよい。

ステップＳ１３において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオフ状態とし、スイッチ５０Ｂを電源４４側に切り替え、電流源４５をオン状態とすることで、測定状態（図４Ａ参照）を形成する。これにより、測定対象１００のｐＨ値を示す出力電圧Ｖｏが、アナログデジタル変換器４２によってデジタル値に変換され出力端子４６から出力される。

ステップＳ１４において、制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したか否かを判定する。制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したと判定した場合、処理をステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオン状態とし、スイッチ５０Ｂをグランド側に切り替え、電流源４５をオフ状態とすることで、リフレッシュ状態（図４Ｂ参照）を形成する。リフレッシュ状態においては、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が、測定状態におけるＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差よりも高くなる。その結果、イオン感応膜３１の表面電位が、初期状態にリフレッシュされ、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動が抑制される。

ステップＳ１６において、制御部４１は、リフレッシュ状態を形成してから、ステップＳ１２において導出した長さのリフレッシュ期間が経過した否かを判定する。制御部４１は、リフレッシュ期間が経過したと判定すると、処理をステップＳ１３に戻す。

図１０Ａは、図９に示す測定処理を実施した場合における測定シーケンスの一例を示す図である。本実施形態に係る測定処理によれば、第１の実施形態に係る測定処理と同様、所定期間毎に測定状態が形成され、測定対象１００のｐＨ値の測定が、所定期間毎に行われる。また、測定状態が形成された後、次に測定状態が形成されるまでの各期間内において、リフレッシュ状態が形成される。また、本実施形態に係る測定処理によれば、リフレッシュ期間の長さが、測定間隔に基づいて定められる。

ここで、図１０Ｂは、リフレッシュ期間を固定期間とした場合の測定シーケンスの一例を示す図である。リフレッシュ期間を固定期間とした場合において、測定間隔が比較的長い場合には、図１０Ｂに示すように、リフレッシュ期間の終了後、次の測定が開始されるまでの待機期間が、比較的長くなる場合がある。この場合、上記のように、待機期間においてもドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動が進行することから、リフレッシュ効果が損なわれるおそれがある。一方、本実施形態に係る測定処理によれば、リフレッシュ期間の長さが測定間隔に基づいて定められるので、待機期間を短くすることができる。従って、リフレッシュ期間の終了後、次に測定が開始されるまでの期間における、出力電圧Ｖｏの変動の進行を抑制することができる。

［第３の実施形態］
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る測定装置１Ａの電気的な構成の一例を示す図である。測定装置１Ａは、電源４３の出力電圧が可変とされており、これにより、参照電極２０に印加される参照電圧Ｖｒが可変とされている。参照電圧Ｖｒのレベルは、制御部４１から出力される制御信号Ｓｃによって制御される。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る制御部４１のハードウェア構成の一例を示す図である。補助記憶装置４０３には、測定プログラム４０７に加え、テーブル４０８が格納されている。

図１３は、テーブル４０８の構成の一例を示す図である。テーブル４０８は、リフレッシュ状態において参照電極２０に印加される参照電圧Ｖｒのレベルを、リフレッシュ期間の長さに対応付けて記録したデータベースである。テーブル４０８は、リフレッシュ期間の長さが短くなる程、参照電圧Ｖｒのレベルが高くなるように構成されている。

図１４は、制御部４１において実施される、本発明の第３の実施形態に係る測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップＳ２１において、制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値を測定する測定間隔を取得する。測定間隔は、測定状態が形成された後、次に測定状態が形成されるまでの期間に相当する。

ステップＳ２２において、制御部４１は、ステップＳ２１において取得した測定間隔に基づいて、リフレッシュ期間の長さを導出する。制御部４１は、リフレッシュ期間の長さが、測定間隔に相当する期間内に収まるように、リフレッシュ期間の長さを導出する。

ステップＳ２３において、制御部４１は、テーブル４０８（図１３参照）を参照し、ステップＳ２２において導出したリフレッシュ期間の長さに対応する参照電圧Ｖｒのレベルを導出する。

ステップＳ２４において、制御部４１は、電源４３に制御信号Ｓｃを供給することで、参照電圧Ｖｒのレベルを、予め定められた測定用の標準レベルに制御する。

ステップＳ２５において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオフ状態とし、スイッチ５０Ｂを電源４４側に切り替え、電流源４５をオン状態とすることで、測定状態（図４Ａ参照）を形成する。これにより、測定対象１００のｐＨ値を示す出力電圧Ｖｏが、アナログデジタル変換器４２によってデジタル値に変換され出力端子４６から出力される。

ステップＳ２６において、制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したか否かを判定する。制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したと判定した場合、処理をステップＳ２７に移行する。

ステップＳ２７において、制御部４１は、電源４３に制御信号Ｓｃを供給することで、参照電圧Ｖｒのレベルを、ステップＳ２３において導出したレベルに制御する。

ステップＳ２８において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオン状態とし、スイッチ５０Ｂをグランド側に切り替え、電流源４５をオフ状態とすることで、リフレッシュ状態（図４Ｂ参照）を形成する。これにより、ＩＳＦＥＴ３０のソース及びドレインは、グランド電位に接続され、参照電極２０には、ステップＳ２３において導出されたレベルの参照電圧Ｖｒが印加される。リフレッシュ状態においては、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が、測定状態におけるＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差よりも高くなる。その結果、イオン感応膜３１の表面電位が、初期状態にリフレッシュされ、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動が抑制される。ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差は、参照電圧Ｖｒのレベルに応じた大きさとなる。

ステップＳ２９において、制御部４１は、リフレッシュ状態を形成してから、ステップＳ２２において導出した長さのリフレッシュ期間が経過した否かを判定する。制御部４１は、リフレッシュ期間が経過したと判定すると、処理をステップＳ２４に戻す。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係る測定処理によれば、リフレッシュ期間の長さに基づいて、リフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベル、すなわち、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が制御される。ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動の抑制効果は、リフレッシュ期間において、参照電圧Ｖｒのレベルが高くなる程、すなわち、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が大きくなる程、促進される。

ここで、測定間隔が比較的短い場合には、ドリフト現象の影響を緩和するのに十分な長さのリフレッシュ期間を確保することが困難となることが想定される。本実施形態に係る測定処理によれば、リフレッシュ期間の長さが短くなる程、リフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルが高くなるように制御される。これにより、測定間隔に応じてリフレッシュ期間が短くなる場合でも、出力電圧Ｖｏの変動の抑制効果は、参照電圧Ｖｒのレベル制御によって補償される。

なお、本実施形態では、リフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルの導出を、テーブル４０８を用いて行う場合を例示したが、この態様に限定されない。例えば、リフレッシュ期間の長さと参照電圧Ｖｒのレベルとの関係を示す関数を用いて、リフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルを導出してもよい。また、測定間隔に基づいて導出されたリフレッシュ期間が、予め定められた下限期間を下回る場合に、リフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルを、標準レベルに対して高めるように制御してもよい。また、本実施形態では、測定間隔に基づいて導出されたリフレッシュ期間に基づいて、参照電圧Ｖｒのレベル制御を行う場合を例示したが、リフレッシュ期間を固定とし測定間隔に基づいて参照電圧Ｖｒのレベル制御を行ってもよい。この場合、測定間隔が短くなる程、参照電圧Ｖｒのレベルが高くなるように制御することが好ましい。

［第４の実施形態］
図１５は、本発明の第４の実施形態に係る測定装置１Ｂの構成の一例を示す断面図である。図１６は、測定装置１Ｂの電気的な構成の一例を示す図である。測定装置１Ｂは、温度センサ６０を備えている。温度センサ６０は、図１５に示すように、センサ基板２５上において、ＩＳＦＥＴ３０に隣接して設けられている。測定装置１ＢによるｐＨ値の測定は、参照電極２０、イオン感応膜３１、及び温度センサ６０を測定対象１００に接触させた状態で行われる。温度センサ６０は、測定対象１００の温度を検出し、検出した温度を示す温度検出信号Ｄｔを制御部４１に供給する。

図１７は、制御部４１において実施される、本発明の第４の実施形態に係る測定処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップＳ３１において、制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値を測定する測定間隔を取得する。測定間隔は、測定状態が形成された後、次に測定状態が形成されるまでの期間に相当する。

ステップＳ３２において、制御部４１は、温度センサ６０から出力される温度検出信号Ｄｔを取得する。温度検出信号Ｄｔは、Ｉ／Ｆ部４０４を介してＣＰＵ４０１に入力される（図１２参照）。

ステップＳ３３において、制御部４１は、ステップＳ３１において取得した測定間隔、及びステップＳ３２において取得した温度検出信号Ｄｔによって示される測定対象１００の温度に基づいて、リフレッシュ期間の長さ及びリフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルを導出する。制御部４１は、例えば、図１８に示すテーブル４０９を参照してリフレッシュ期間の長さ及びリフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルを導出してもよい。テーブル４０９は、リフレッシュ期間の長さ及びリフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルの組み合わせを、測定間隔及び測定対象１００の温度の組み合わせに対応付けて記録したデータベースである。テーブル４０９は、測定対象１００の温度が高くなる程、リフレッシュ期間の長さが長くなると共に、参照電圧Ｖｒのレベルが高くなるように構成されている。また、テーブル４０９は、測定間隔が長くなる程、リフレッシュ期間の長さが長くなるように構成されている。テーブル４０９は、制御部４１を構成するマイクロコンピュータの補助記憶装置４０３（図１２参照）に格納される。

ステップＳ３４において、制御部４１は、電源４３に制御信号Ｓｃを供給することで、参照電圧Ｖｒのレベルを予め定められた測定用の標準レベルに制御する。

ステップＳ３５において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオフ状態とし、スイッチ５０Ｂを電源４４側に切り替え、電流源４５をオン状態とすることで、測定状態（図４Ａ参照）を形成する。これにより、測定対象１００のｐＨ値を示す出力電圧Ｖｏが、アナログデジタル変換器４２によってデジタル値に変換され出力端子４６から出力される。

ステップＳ３６において、制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したか否かを判定する。制御部４１は、測定対象１００のｐＨ値の測定が完了したと判定した場合、処理をステップＳ３７に移行する。

ステップＳ３７において、制御部４１は、電源４３に制御信号Ｓｃを供給することで、参照電圧Ｖｒのレベルを、ステップＳ３３において導出したレベルに制御する。

ステップＳ３８において、制御部４１は、スイッチ５０Ａをオン状態とし、スイッチ５０Ｂをグランド側に切り替え、電流源４５をオフ状態とすることで、リフレッシュ状態（図４Ｂ参照）を形成する。これにより、ＩＳＦＥＴ３０のソース及びドレインには、グランド電位に接続され、参照電極２０には、テップＳ３３において導出されたレベルの参照電圧Ｖｒが印加される。リフレッシュ状態においては、ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差が、測定状態におけるＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差よりも高くなる。その結果、イオン感応膜３１の表面電位が、初期状態にリフレッシュされ、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動が抑制される。ＩＳＦＥＴ３０と参照電極２０との間の電位差は、参照電圧Ｖｒのレベルに応じた大きさとなる。

ステップＳ３９において、制御部４１は、リフレッシュ状態を形成してから、ステップＳ３３において導出した長さのリフレッシュ期間が経過した否かを判定する。制御部４１は、リフレッシュ期間が経過したと判定すると、処理をステップＳ３４に戻す。

図１９は、測定対象１００の温度と、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの、単位時間当たりの変動量ΔＶｏとの関係の一例を示すグラフである。図１９に示すように、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの単位時間当たりの変動量ΔＶｏは、測定対象１００の温度上昇に対して指数関数的に増加することが、本発明者らによって明らかにされた。従って、仮に測定対象１００の温度を考慮することなく、リフレッシュ期間の長さ及び参照電圧Ｖｒのレベルを設定した場合には、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動を、十分に抑制することができない場合がある。本実施形態に係る測定装置１Ｂによれば、測定対象１００の温度が高くなる程、リフレッシュ期間の長さが長くなると共に参照電圧Ｖｒのレベルが高くなるように制御されるので、ドリフト現象による出力電圧Ｖｏの変動を、効果的に抑制することが可能となる。

なお、本実施形態では、リフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルの導出を、テーブル４０９を用いて行う場合を例示したが、この態様に限定されない。例えば、リフレッシュ期間の長さと温度と参照電圧Ｖｒのレベルとの関係を示す関数を用いて、リフレッシュ期間における参照電圧Ｖｒのレベルを導出してもよい。また、測定間隔と温度に基づいて導出されたリフレッシュ期間が、予め定められた下限期間を下回る場合に、リフレッシュ期間と温度における参照電圧Ｖｒのレベルを、標準レベルに対して高めるように制御してもよい。また、本実施形態では、測定間隔と温度に基づいて導出されたリフレッシュ期間に基づいて、参照電圧Ｖｒのレベル制御を行う場合を例示したが、リフレッシュ期間を固定とし測定間隔と温度に基づいて参照電圧Ｖｒのレベル制御を行ってもよい。この場合、測定間隔が短くなる程、あるいは温度が高くなる程、参照電圧Ｖｒのレベルが高くなるように制御することが好ましい。

なお、測定状態は、本発明における第１の状態の一例である。リフレッシュ状態は、本発明における第２の状態の一例である。測定間隔に相当する期間は、本発明における第１の期間の一例である。リフレッシュ期間は、本発明における第２の期間の一例である。

１、１Ａ、１Ｂ測定装置
２０参照電極
３０ＩＳＦＥＴ
３１イオン感応膜
４１制御部
４３４４電源
４５電流源
５０Ａ、５０Ｂスイッチ
６０温度センサ
１００測定対象
４０１ＣＰＵ
４０７測定プログラム

Claims

イオン感応膜、ドレイン及びソースを有するイオン感応性電界効果型トランジスタと、
前記イオン感応膜との間に測定対象物を介在させた状態で配置される参照電極と、
前記ドレインに電圧を印加して前記イオン感応性電界効果型トランジスタに電流を流す第１の状態を所定期間毎に形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの各期間内において、前記ドレイン及び前記ソースにグランド電位を印加して前記イオン感応膜の表面電位を初期状態にする第２の状態を形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの期間である第１の期間の長さに基づいて、前記第２の状態を維持する期間である第２の期間の長さを制御する制御部と、
を含む測定装置。
前記制御部は、前記第１の状態が形成される直前までの所定期間に亘り、前記第２の状態を形成する
請求項１に記載の測定装置。
前記制御部は、前記第１の期間の長さまたは前記第２の期間の長さに基づいて、前記第２の期間において前記参照電極に印加される電圧のレベルを制御する
請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
温度センサを更に含み、
前記制御部は、前記第１の期間の長さ及び前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記第２の期間の長さ及び前記第２の期間において前記参照電極に印加する電圧のレベルを制御する
請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
イオン感応膜、ドレイン及びソースを有するイオン感応性電界効果型トランジスタと、前記イオン感応膜との間に測定対象物を介在させた状態で配置される参照電極と、を含む測定装置を用いて前記測定対象物の特性を測定する測定方法であって、
前記ドレインに電圧を印加して前記イオン感応性電界効果型トランジスタに電流を流す第１の状態を所定期間毎に形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの各期間内において、前記ドレイン及び前記ソースにグランド電位を印加して前記イオン感応膜の表面電位を初期状態にする第２の状態を形成し、前記第１の状態が形成された後、次に前記第１の状態が形成されるまでの期間である第１の期間の長さに基づいて、前記第２の状態を維持する期間である第２の期間の長さを制御する
測定方法。