JPH0422220B2 - - Google Patents
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- JPH0422220B2 JPH0422220B2 JP58113298A JP11329883A JPH0422220B2 JP H0422220 B2 JPH0422220 B2 JP H0422220B2 JP 58113298 A JP58113298 A JP 58113298A JP 11329883 A JP11329883 A JP 11329883A JP H0422220 B2 JPH0422220 B2 JP H0422220B2
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-
- 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
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、たとえば、人体のPHを測定するイ
オン感応性電界効果トランジスタの使用方法およ
びイオンモニタ装置に関するものである。
オン感応性電界効果トランジスタの使用方法およ
びイオンモニタ装置に関するものである。
従来、この種の電界効果トランジスタ（以下、
FETと称する。）を用いた装置として、たとえ
ば、第１図に示す特開昭56−72340号公報および
特開昭57−6353号公報のものが知られている。同
図において、１は絶縁ゲート形のFETのゲート
部に、電解性の被測定液Ｍのイオン活性量に応じ
た界面電位を生じるイオン選択膜を設けたイオン
感応性FET（以下、ISFETと称する。）で、Vd−
Vss電圧が印加されて電圧利得が１のソースフオ
ロアで作動するように設定されている。２は
ISFET１のゲート電圧を付加するための比較電
極であり、通常、液絡式のAg−AgCl電極が用い
られている。この比較電極２は、基準電極として
働くようになつており、上記ISFET１とともに
センサ回路３を構成している。４はISFET１の
ソース電極に接続された定電流回路、５は被測定
液Ｍ（もしくは生体）を容する容器（もしくは生
体）である。６はセンサ回路３の出力段に接続さ
れたイオン濃度演算回路、７はイオン濃度表示回
路である。
FETと称する。）を用いた装置として、たとえ
ば、第１図に示す特開昭56−72340号公報および
特開昭57−6353号公報のものが知られている。同
図において、１は絶縁ゲート形のFETのゲート
部に、電解性の被測定液Ｍのイオン活性量に応じ
た界面電位を生じるイオン選択膜を設けたイオン
感応性FET（以下、ISFETと称する。）で、Vd−
Vss電圧が印加されて電圧利得が１のソースフオ
ロアで作動するように設定されている。２は
ISFET１のゲート電圧を付加するための比較電
極であり、通常、液絡式のAg−AgCl電極が用い
られている。この比較電極２は、基準電極として
働くようになつており、上記ISFET１とともに
センサ回路３を構成している。４はISFET１の
ソース電極に接続された定電流回路、５は被測定
液Ｍ（もしくは生体）を容する容器（もしくは生
体）である。６はセンサ回路３の出力段に接続さ
れたイオン濃度演算回路、７はイオン濃度表示回
路である。
上記構成の作動について説明する。まず、被測
定液Ｍの濃度変化に基づくISFET１のゲート絶
縁膜と被測定液Ｍの界面電位の変化をソース電位
Vsとして取り出す。このソース電位Vsはイオン
濃度の対数と直線関係にあるため、この電位Vs
を検出し、上記演算回路６および表示回路７によ
り処理することにより被測定液Ｍのイオン濃度を
測定している。
定液Ｍの濃度変化に基づくISFET１のゲート絶
縁膜と被測定液Ｍの界面電位の変化をソース電位
Vsとして取り出す。このソース電位Vsはイオン
濃度の対数と直線関係にあるため、この電位Vs
を検出し、上記演算回路６および表示回路７によ
り処理することにより被測定液Ｍのイオン濃度を
測定している。
しかし、上記構成では、被測定液Ｍの温度変化
に対して零点補償をするための手段として、定電
流回路４により、ISFET１のチヤンネルの電気
導電度の温度依存性が比較電極２の電極界面とイ
オン感応部界面の温度依存性の和と等しくなるよ
うなドレイン電流を流すことにより行なつてい
る。
に対して零点補償をするための手段として、定電
流回路４により、ISFET１のチヤンネルの電気
導電度の温度依存性が比較電極２の電極界面とイ
オン感応部界面の温度依存性の和と等しくなるよ
うなドレイン電流を流すことにより行なつてい
る。
しかしながら、この方法は零点の温度補償法と
しては、あくまでも近似的方法であり、狭い温度
範囲でしか適用できない。また、この方法では、
感度の温度補償が行なわれていないという欠点が
あつた。
しては、あくまでも近似的方法であり、狭い温度
範囲でしか適用できない。また、この方法では、
感度の温度補償が行なわれていないという欠点が
あつた。
この温度変化に対する２条件を補償した装置と
して、特開昭53−109690号公報のものがある。第
２図において、イオンセンサ１ａと通常のFET
（MOSFET）１ｂを有する１対のセンサ回路３
を被測定液Ｍに接触させ、センサ回路３の差動出
力を差動増幅器９ａにより得て、ついで、この差
動出力を温度センサ９ｂからの出力により、温度
に応じて増幅度を低下させる機能を有する補正回
路９ｃで上記差動出力を処理することにより感度
補償をしている。ところが、この構成では、上記
両FET１ａ，１ｂとして同一特性のものを得る
ことを前提として、次式(1)により零点補償を行な
つている。
して、特開昭53−109690号公報のものがある。第
２図において、イオンセンサ１ａと通常のFET
（MOSFET）１ｂを有する１対のセンサ回路３
を被測定液Ｍに接触させ、センサ回路３の差動出
力を差動増幅器９ａにより得て、ついで、この差
動出力を温度センサ９ｂからの出力により、温度
に応じて増幅度を低下させる機能を有する補正回
路９ｃで上記差動出力を処理することにより感度
補償をしている。ところが、この構成では、上記
両FET１ａ，１ｂとして同一特性のものを得る
ことを前提として、次式(1)により零点補償を行な
つている。
［PH］＝Vs−Ｃ／RT／Ｆ＋７ ……(1)
［PH］：被測定液のPH
Vs：ソース電位
Ｃ：零点補正値
Ｒ：ガス定数
Ｔ：絶対温度
Ｆ：フアラデイ定数
しかしながら、同一特性のFET１ａ，１ｂを
得ることは、一般に困難であるため、高精度な零
点補償ができなかつた。しかも、式(1)から明らか
なように、分母の感度補償について絶対温度Ｔに
比例する値により補償をしているため、連続モニ
タリングに際して高精度な測定値が得られないと
いう欠点があつた。
得ることは、一般に困難であるため、高精度な零
点補償ができなかつた。しかも、式(1)から明らか
なように、分母の感度補償について絶対温度Ｔに
比例する値により補償をしているため、連続モニ
タリングに際して高精度な測定値が得られないと
いう欠点があつた。
この発明は、上記従来の欠点を解消するために
なされたもので、被測定液のイオン濃度の連続モ
ニタリングに際して、イオン活量についての感
度、および零点の両温度補償を高精度に行なうイ
オン感応性電界効果トランジスタの使用方法およ
びモニタ装置を提供することを目的とする。
なされたもので、被測定液のイオン濃度の連続モ
ニタリングに際して、イオン活量についての感
度、および零点の両温度補償を高精度に行なうイ
オン感応性電界効果トランジスタの使用方法およ
びモニタ装置を提供することを目的とする。
ここで、発明の構成の説明に先だつて、その原
理についてPHセンサを例に説明する。
理についてPHセンサを例に説明する。
いま、第１図に示すタイプのISFETについて、
ドレイン電流の一定下でPH測定を行なつた場合、
基準温度To、基準PH値（PH）ｏでのソース電位
をVsooとし、測定温度Ｔ、基準PH値（PH）ｏで
のソース電位をVsoとし、測定温度Ｔ、測定PHで
のソース電位をVsとすると、Vsoo−Vsoは温度
の関数である。すなわち、 ΔVso≡Vso−Vsoo＝ｆ（Ｔ） ……(2) また、Vs−Vsoは（PH）−（PH）ｏに比例するこ
とが知られている。すなわち、 ΔVs≡Vs−Vso＝Ｋ｛（PH）−（PH）ｏ｝ ……(3) 式(2)と(3)とにより、 Vs＝Ｋ｛（PH）−（PH）ｏ｝ ＋ｆ（Ｔ）＋Vsoo ……(4) ＫはいわゆるPH感度で、絶対温度Ｔに比例するこ
とが知られている。すなわち、ΔT＝Ｔ−Toとす
ると、 Ｋ＝Ko（Ｔ／To）＝Ko（１＋ΔT／To）……(5) ここで、Koは基準温度ToにおけるPH感度であ
る。
ドレイン電流の一定下でPH測定を行なつた場合、
基準温度To、基準PH値（PH）ｏでのソース電位
をVsooとし、測定温度Ｔ、基準PH値（PH）ｏで
のソース電位をVsoとし、測定温度Ｔ、測定PHで
のソース電位をVsとすると、Vsoo−Vsoは温度
の関数である。すなわち、 ΔVso≡Vso−Vsoo＝ｆ（Ｔ） ……(2) また、Vs−Vsoは（PH）−（PH）ｏに比例するこ
とが知られている。すなわち、 ΔVs≡Vs−Vso＝Ｋ｛（PH）−（PH）ｏ｝ ……(3) 式(2)と(3)とにより、 Vs＝Ｋ｛（PH）−（PH）ｏ｝ ＋ｆ（Ｔ）＋Vsoo ……(4) ＫはいわゆるPH感度で、絶対温度Ｔに比例するこ
とが知られている。すなわち、ΔT＝Ｔ−Toとす
ると、 Ｋ＝Ko（Ｔ／To）＝Ko（１＋ΔT／To）……(5) ここで、Koは基準温度ToにおけるPH感度であ
る。
いま、仮にＡを定数として
ｆ（Ｔ）＝Ａ・ΔT ……(6)
となるような条件が見出されたとすると、式(4)、
(5)、(6)より式(7)が得られ、 Vs＝Ko（１＋ΔT／To）｛（PH）−（PH）ｏ｝ ＋Ａ・ΔT＋Vsoo ……(7) これを変形すると、 （PH）＝Vs−Vsoo−AΔT／Ko（１＋ΔT／To）＋（PH
）ｏ……(8) となる。式(8)の右辺第１項の分子、分母のΔTを
含む項はそれぞれ零点および感度の温度補償に関
する項である。式(6)が成立する場合、両温度補償
とも温度差ΔTの１次式であるので電気回路を用
いて容易に自動補償をすることができる。
(5)、(6)より式(7)が得られ、 Vs＝Ko（１＋ΔT／To）｛（PH）−（PH）ｏ｝ ＋Ａ・ΔT＋Vsoo ……(7) これを変形すると、 （PH）＝Vs−Vsoo−AΔT／Ko（１＋ΔT／To）＋（PH
）ｏ……(8) となる。式(8)の右辺第１項の分子、分母のΔTを
含む項はそれぞれ零点および感度の温度補償に関
する項である。式(6)が成立する場合、両温度補償
とも温度差ΔTの１次式であるので電気回路を用
いて容易に自動補償をすることができる。
そこで、ISFETにおいて式(6)が成立する条件、
すなわち、一定PH下におけるソース電位が温度変
化に比例して変化する条件を見出す研究を行なつ
た。その結果、ISFETのドレイン電流Idを小さ
くして、｜Id／β｜≦0.10volt2の範囲でISFETを
動作させると式(6)が成立することを見出した。こ
こで、βはISFETのチヤンネル特性値で、 β＝μew／BL ……(9) μ：電子およびホール移動度 ｅ：誘電率 Ｗ：チヤンネル幅 Ｌ：チヤンネル長 Ｂ：ゲート絶縁膜の厚み これをPHのISFETの場合について、VsoとΔT
との関係を各々のIdについて測定した結果を第３
図に示す。この場合、基準温度Toを313K（40
℃）、基準PHを6.84とした。すなわち、PHを6.84
に固定し、313Kにおけるソース電位をVsooと
し、温度を変化させながらソース電位Vsoを測定
した。第３図で横軸は測定温度、縦軸は−ΔVso
＝−Vso＋Vsooである。第３図から明らかなよ
うに、｜Id／β｜≦0.10の範囲において、ΔVsoが
線形性を有しているが、Id／β＞0.10の範囲にお
いてはΔVsoが温度に関して非線形性となる。な
お、通常のISFETではβは200〜1000μA／V2で
あるのでId≦20〜100μAの範囲で測定することに
なる。なお、ここではPHを6.84に固定したが、上
記の現象は、他のPH値においてもPHを一定に保持
して温度のみを変化させたときに普遍的に見られ
る。
すなわち、一定PH下におけるソース電位が温度変
化に比例して変化する条件を見出す研究を行なつ
た。その結果、ISFETのドレイン電流Idを小さ
くして、｜Id／β｜≦0.10volt2の範囲でISFETを
動作させると式(6)が成立することを見出した。こ
こで、βはISFETのチヤンネル特性値で、 β＝μew／BL ……(9) μ：電子およびホール移動度 ｅ：誘電率 Ｗ：チヤンネル幅 Ｌ：チヤンネル長 Ｂ：ゲート絶縁膜の厚み これをPHのISFETの場合について、VsoとΔT
との関係を各々のIdについて測定した結果を第３
図に示す。この場合、基準温度Toを313K（40
℃）、基準PHを6.84とした。すなわち、PHを6.84
に固定し、313Kにおけるソース電位をVsooと
し、温度を変化させながらソース電位Vsoを測定
した。第３図で横軸は測定温度、縦軸は−ΔVso
＝−Vso＋Vsooである。第３図から明らかなよ
うに、｜Id／β｜≦0.10の範囲において、ΔVsoが
線形性を有しているが、Id／β＞0.10の範囲にお
いてはΔVsoが温度に関して非線形性となる。な
お、通常のISFETではβは200〜1000μA／V2で
あるのでId≦20〜100μAの範囲で測定することに
なる。なお、ここではPHを6.84に固定したが、上
記の現象は、他のPH値においてもPHを一定に保持
して温度のみを変化させたときに普遍的に見られ
る。
以下この発明における上記方法を実施した装置
を図面にしたがつて説明する。
を図面にしたがつて説明する。
第４図は溶液のPHを測定するイオンモニタ装置
のブロツク図である。同図において、１０はセン
サ回路で、このセンサ回路１０はISFET１１と、
比較電極１２と、温度検出用ダイオード１３とか
ら構成されており、上記ISFET１１とダイオー
ド１３とは半導体集積回路として集積されてい
る。１４は容器、Ｍはこの容器１４に入れられた
被測定液である。
のブロツク図である。同図において、１０はセン
サ回路で、このセンサ回路１０はISFET１１と、
比較電極１２と、温度検出用ダイオード１３とか
ら構成されており、上記ISFET１１とダイオー
ド１３とは半導体集積回路として集積されてい
る。１４は容器、Ｍはこの容器１４に入れられた
被測定液である。
２０はISFET１１のドレインーソース間に介
挿された定電圧装置で、たとえばツエナーダイオ
ードのような素子からなり、被測定液Ｍのイオン
濃度によるソース電位Vsが変化してもソースー
ドレイン電圧を一定に保持する機能を有するもの
である。
挿された定電圧装置で、たとえばツエナーダイオ
ードのような素子からなり、被測定液Ｍのイオン
濃度によるソース電位Vsが変化してもソースー
ドレイン電圧を一定に保持する機能を有するもの
である。
３０は定電流回路で、ISFET１１が事故によ
り短絡した場合に、ISFET１１に所定以上の過
電流を供給しない機能を有し、たとえば、人体の
PHを測定する装置に利用する場合に特に必要であ
る。
り短絡した場合に、ISFET１１に所定以上の過
電流を供給しない機能を有し、たとえば、人体の
PHを測定する装置に利用する場合に特に必要であ
る。
４０は零調回路であり、イオン濃度を補正する
補正係数器４１、差動増幅器４２およびアイソレ
ーシヨン増幅器４３から構成されている。この零
調回路４０は、ISFET１１の測定温度Ｔ、測定
PHでのソース電位Vsに対して、上記補正係数器
４１からの基準電圧で基準温度To、基準PH値
（PH）ｏでのソース電位Vsooを差動増幅器４２に
より減算し、数十倍〜数百倍に増幅することによ
り、零調および増幅するとともに、後段のアイソ
レーシヨン増幅器４３の温度ドリフトによる許容
誤差（数mV〜数十mV）にまで改善するもので
ある。すなわち、測定温度Ｔにおける測定PHでの
ソース電位Vsと基準温度Toにおける基準（PH）
ｏでのソース電位Vsoの偏差信号を作つている。
補正係数器４１、差動増幅器４２およびアイソレ
ーシヨン増幅器４３から構成されている。この零
調回路４０は、ISFET１１の測定温度Ｔ、測定
PHでのソース電位Vsに対して、上記補正係数器
４１からの基準電圧で基準温度To、基準PH値
（PH）ｏでのソース電位Vsooを差動増幅器４２に
より減算し、数十倍〜数百倍に増幅することによ
り、零調および増幅するとともに、後段のアイソ
レーシヨン増幅器４３の温度ドリフトによる許容
誤差（数mV〜数十mV）にまで改善するもので
ある。すなわち、測定温度Ｔにおける測定PHでの
ソース電位Vsと基準温度Toにおける基準（PH）
ｏでのソース電位Vsoの偏差信号を作つている。
５０は定電流回路であり、上記イオン濃度を
ISFET１１のソース電位Vsとして取り出すため
のものである。この定電流回路５０の電流値は、
第３図に示すように、Id≦20〜100μAであり、
ISFET１１の上記チヤンネル特性値βに対して、
｜Id／β｜≦0.10の範囲になるように設定されて
いる。
ISFET１１のソース電位Vsとして取り出すため
のものである。この定電流回路５０の電流値は、
第３図に示すように、Id≦20〜100μAであり、
ISFET１１の上記チヤンネル特性値βに対して、
｜Id／β｜≦0.10の範囲になるように設定されて
いる。
６０はダイオード１３からの温度信号Ｄとソー
ス電位Vsとを入力とする零点温度補償回路であ
り、差動増幅器６１、補正係数器６２、人体と絶
縁して安全性を確保しているアイソレーシヨン増
幅器６３、この増幅器６３からの出力を温度差信
号ΔTに換算する温度信号換算器６７、この温度
差信号ΔTに所定値Ａを乗算して温度差換算信号
AΔTに換算する温度差信号換算器６４および加
算器６５とから構成されている。上記差動増幅器
６１では、ダイオード１３の測定温度Ｔでの順方
向電位に対して上記補正計数器６２からの基準電
圧で基準温度Toにおける順方向電位を減算する
とともに50〜60倍に増幅しており、この増幅によ
り後段のアイソレーシヨン増幅器６２の温度ドリ
フトを解消している。
ス電位Vsとを入力とする零点温度補償回路であ
り、差動増幅器６１、補正係数器６２、人体と絶
縁して安全性を確保しているアイソレーシヨン増
幅器６３、この増幅器６３からの出力を温度差信
号ΔTに換算する温度信号換算器６７、この温度
差信号ΔTに所定値Ａを乗算して温度差換算信号
AΔTに換算する温度差信号換算器６４および加
算器６５とから構成されている。上記差動増幅器
６１では、ダイオード１３の測定温度Ｔでの順方
向電位に対して上記補正計数器６２からの基準電
圧で基準温度Toにおける順方向電位を減算する
とともに50〜60倍に増幅しており、この増幅によ
り後段のアイソレーシヨン増幅器６２の温度ドリ
フトを解消している。
７０はイオンの活量に対する温度勾配を補正す
る感度温度補償回路であり、温度感度換算器７
１、加算器７２、基準温度Toに対するイオン感
度補正係数Koを設定するセンサ感度設定回路７
３と、除算器７４とから構成されている。
る感度温度補償回路であり、温度感度換算器７
１、加算器７２、基準温度Toに対するイオン感
度補正係数Koを設定するセンサ感度設定回路７
３と、除算器７４とから構成されている。
７５は温度演算回路であり、上記温度信号変換
器６７からの温度差信号ΔTが温度補正計数器７
７の基準温度Toと加算器７６で加算され、最終
的に温度信号として出力される。
器６７からの温度差信号ΔTが温度補正計数器７
７の基準温度Toと加算器７６で加算され、最終
的に温度信号として出力される。
８０はイオン濃度演算回路であり、イオン濃度
換算器８１と加算器８２とから構成されている。
換算器８１と加算器８２とから構成されている。
つぎに、動作について、ISFET１１からの、
ソース電位Vsが上記構成により、上記式(8)のPH
濃度信号に処理されていく過程を説明する。
ソース電位Vsが上記構成により、上記式(8)のPH
濃度信号に処理されていく過程を説明する。
第４図において、ソース電位Vsが零調回路４
０の差動増幅器４２と温度零点補償回路６０の差
動増幅器６１に送出され、上記差動増幅器４２で
補正係数器４１からの基準温度To、基準PH値
（PH）ｏでのソース電位Vsooにより零調補正さ
れ、さらにアイソレーシヨン増幅器４３で増幅さ
れて、偏差出力（Vs−Vsoo）が出力される。一
方、差動増幅器６１において、ダイオード１３の
出力Ｄと、ソース電位Vsと、補正係数器６２か
らの基準温度Toにおけるダイオード１３の出力
Ｄが差動増幅され、さらにアイソレーシヨン増幅
器６３で増幅されて偏差信号となり、温度信号変
換器６４で温度差信号ΔTが出力される。この温
度差信号ΔTに温度差信号換算器６４で所定値Ａ
が乗算され、ついで加算器６５で上記偏差出力
（Vs−Vsoo）と加算されることにより、式(8)の
第１項分子の値になる。
０の差動増幅器４２と温度零点補償回路６０の差
動増幅器６１に送出され、上記差動増幅器４２で
補正係数器４１からの基準温度To、基準PH値
（PH）ｏでのソース電位Vsooにより零調補正さ
れ、さらにアイソレーシヨン増幅器４３で増幅さ
れて、偏差出力（Vs−Vsoo）が出力される。一
方、差動増幅器６１において、ダイオード１３の
出力Ｄと、ソース電位Vsと、補正係数器６２か
らの基準温度Toにおけるダイオード１３の出力
Ｄが差動増幅され、さらにアイソレーシヨン増幅
器６３で増幅されて偏差信号となり、温度信号変
換器６４で温度差信号ΔTが出力される。この温
度差信号ΔTに温度差信号換算器６４で所定値Ａ
が乗算され、ついで加算器６５で上記偏差出力
（Vs−Vsoo）と加算されることにより、式(8)の
第１項分子の値になる。
一方、温度信号変換器６７からの温度差信号
ΔTは、感度温度補償回路７０で温度変化に伴な
うイオン活量の変動に対する感度補正を行なえる
ように処理される。すなわち、温度差信号ΔT
は、温度感度換算器７１においてKoΔT／Toの
出力に変換される。この信号KoΔT／Toは、加
算器７２でセンサ感度設定器７３からの基準温度
Toでのセンサ感度Koの値に加算されて式(8)第１
項の分母の値になる。ここで、温度感度換算器７
１と感度設定器７３のKo値設定は連動させてお
くことが重要である。この分子と分母の値とを除
算器７４で除算することにより式(8)の第１項のPH
信号が得られる。このPH信号は、イオン濃度演算
回路８０で、イオン濃度換算器８１の基準温度
Toの基準PH値（PH）ｏと加算器８２で加算され、
最終的にPH信号として出力される。
ΔTは、感度温度補償回路７０で温度変化に伴な
うイオン活量の変動に対する感度補正を行なえる
ように処理される。すなわち、温度差信号ΔT
は、温度感度換算器７１においてKoΔT／Toの
出力に変換される。この信号KoΔT／Toは、加
算器７２でセンサ感度設定器７３からの基準温度
Toでのセンサ感度Koの値に加算されて式(8)第１
項の分母の値になる。ここで、温度感度換算器７
１と感度設定器７３のKo値設定は連動させてお
くことが重要である。この分子と分母の値とを除
算器７４で除算することにより式(8)の第１項のPH
信号が得られる。このPH信号は、イオン濃度演算
回路８０で、イオン濃度換算器８１の基準温度
Toの基準PH値（PH）ｏと加算器８２で加算され、
最終的にPH信号として出力される。
上記構成における効果はつぎの通りである。
(1) １つのISFET１１だけを用いて定電流回路
５０によりソース電位Vsを得て、これを温度
に対して零点補償および感度補償をしているの
で、第２図に示した１対のFETを用いた従来
例より零点補償が高精度である。
５０によりソース電位Vsを得て、これを温度
に対して零点補償および感度補償をしているの
で、第２図に示した１対のFETを用いた従来
例より零点補償が高精度である。
(2) 連続モニタリングの際のセンサ回路の周囲温
度変化に追随しての零点補償および感度補償に
おいて、所定温度、たとえば37℃からの温度偏
差ΔTを得て、この値に基づいて両温度補償を
しているので、たとえば従来例の第２図に示す
ような絶対温度に対して比例した値による補償
より、高精度なPH測定ができる。
度変化に追随しての零点補償および感度補償に
おいて、所定温度、たとえば37℃からの温度偏
差ΔTを得て、この値に基づいて両温度補償を
しているので、たとえば従来例の第２図に示す
ような絶対温度に対して比例した値による補償
より、高精度なPH測定ができる。
(3) 定電圧回路３０を設け、ゲートーソース間の
電圧を一定に保持しているので、イオン濃度変
化に対して、精度の高い安定したソース電圧
Vsが得られる。
電圧を一定に保持しているので、イオン濃度変
化に対して、精度の高い安定したソース電圧
Vsが得られる。
(4) 温度零点補償回路６０は（Vs−Vsoo−
AΔT）を算出し、温度感度補償回路７０はKo
（１＋ΔT／To）を算出し、イオン濃度演算回
路８０は〔Vs−Vsoo−AΔT〕／〔Ko（１＋
ΔT／To）〕＋（PH）ｏを算出するので、これら
回路６０，７０，８０を簡単な線形アナログ回
路で構成することができる。
AΔT）を算出し、温度感度補償回路７０はKo
（１＋ΔT／To）を算出し、イオン濃度演算回
路８０は〔Vs−Vsoo−AΔT〕／〔Ko（１＋
ΔT／To）〕＋（PH）ｏを算出するので、これら
回路６０，７０，８０を簡単な線形アナログ回
路で構成することができる。
(5) ２つのアイソレーシヨン増幅器４３，６３を
設けているので、センサ回路１０が故障した場
合に、該センサ１０に過大な電流を流さないの
で、人体のPH測定に特に有用である。
設けているので、センサ回路１０が故障した場
合に、該センサ１０に過大な電流を流さないの
で、人体のPH測定に特に有用である。
なお、上記実施例では、温度を検出する温度素
子として、ダイオード１３を用いているが、これ
に限らず、トランジスタやアバランシユダイオー
ドなどの素子を用いてもよい。この場合におい
て、ISFET１１とともに半導体基板に集積でき
るものであれば、製造上およびコストの点から有
利である。
子として、ダイオード１３を用いているが、これ
に限らず、トランジスタやアバランシユダイオー
ドなどの素子を用いてもよい。この場合におい
て、ISFET１１とともに半導体基板に集積でき
るものであれば、製造上およびコストの点から有
利である。
また、この発明は、上記実施例のように、PHの
測定だけでなく、上記ISFET１１におけるゲー
ト絶縁膜を他のイオン選択性膜を有する物質に置
換することにより、たとえば、免疫や酵素などの
イオン濃度を選択的に測定できる。
測定だけでなく、上記ISFET１１におけるゲー
ト絶縁膜を他のイオン選択性膜を有する物質に置
換することにより、たとえば、免疫や酵素などの
イオン濃度を選択的に測定できる。
また、この発明において、ISFETとともに用
いた比較電極として液絡式比較電極を用いたもの
を説明したが、さらに特開昭56−153247号公報に
記載されているような、FET比較電極を用いて
もよい。FET比較電極を用いる場合には、比較
電極側のFETのドレイン電流を｜Idr／βr｜≦
0.10volt2を満足する領域で動作させることが必要
である。ここでIdr、βrはそれぞれFET比較電極
のドレイン電流およびチヤンネル特性値である。
いた比較電極として液絡式比較電極を用いたもの
を説明したが、さらに特開昭56−153247号公報に
記載されているような、FET比較電極を用いて
もよい。FET比較電極を用いる場合には、比較
電極側のFETのドレイン電流を｜Idr／βr｜≦
0.10volt2を満足する領域で動作させることが必要
である。ここでIdr、βrはそれぞれFET比較電極
のドレイン電流およびチヤンネル特性値である。
さらに、上記実施例では、アナログ方式で処理
しているが、マイクロプロセツサを使用してデジ
タル処理することもできる。
しているが、マイクロプロセツサを使用してデジ
タル処理することもできる。
また、使用温度範囲および適用イオン濃度範囲
を限定すれば、たとえば、除算器７４により除算
するかわりに、１次近似して加算処理することも
可能である。
を限定すれば、たとえば、除算器７４により除算
するかわりに、１次近似して加算処理することも
可能である。
以上説明したように、この発明によれば、被測
定溶液のイオン濃度の測定に対して、イオン活量
についての感度、および零点の両温度補償を高精
度に行なう機能を有するIS電界効果トランジスタ
の使用方法およびモニター装置を提供することが
できる。
定溶液のイオン濃度の測定に対して、イオン活量
についての感度、および零点の両温度補償を高精
度に行なう機能を有するIS電界効果トランジスタ
の使用方法およびモニター装置を提供することが
できる。
第１図は従来のイオンモニタ装置を示すブロツ
ク図、第２図は従来の他のイオンモニタ装置を示
すブロツク図、第３図はこの発明の一実施例によ
るIS電界効果トランジスタの特性を示す特性図、
第４図はこの発明の一実施例を示すブロツク図で
ある。 １０……センサ回路、１１……IS電界効果トラ
ンジスタ、１３……温度素子（ダイオード）、４
０……零調回路、５０……定電流回路、６０……
温度零点補償回路、７０……感度温度補償回路。
ク図、第２図は従来の他のイオンモニタ装置を示
すブロツク図、第３図はこの発明の一実施例によ
るIS電界効果トランジスタの特性を示す特性図、
第４図はこの発明の一実施例を示すブロツク図で
ある。 １０……センサ回路、１１……IS電界効果トラ
ンジスタ、１３……温度素子（ダイオード）、４
０……零調回路、５０……定電流回路、６０……
温度零点補償回路、７０……感度温度補償回路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ イオン感応性電界効果トランジスタ１１の動
作におけるチヤンネル特性値をβ、ドレイン電流
をIdでそれぞれ表したとき、｜Id／β｜≦
0.10volt2なる条件を満たすId領域で使用し、その
ソース電位Vsに、温度変化に対する零点補償お
よび感度補償を加えて被測定液のイオン濃度を測
定するイオン感応性電界効果トランジスタの使用
方法。 ２ 被測定液Ｍのイオン濃度を検出するイオン感
応性電界効果トランジスタ１１と上記被測定液Ｍ
の温度を検出する温度素子１３とを有する半導体
装置１０と、 上記イオン感応性電界効果トランジスタ１１の
動作におけるチヤンネル特性値をβ、ドレイン電
流をIdで表したとき、｜Id／β｜≦0.10volt2なる
条件を満たすドレイン電流Idを上記イオン感応性
電界効果トランジスタ１１に流す定電流回路５０
と、 上記イオン感応性電界効果トランジスタ１１の
ソース電位をVs、基準温度をTo、測定温度を
Ｔ、基準PH値を（PH）ｏ、基準温度Toでかつ基
準PH値（PH）ｏでのソース電位をVsoo、基準温
度ToにおけるPH感度をKo、温度差Ｔ−Toを
ΔT、定数をＡとしたとき、上記ソース電位Vsと
上記温度素子１３からの温度信号Ｄとにより、
Vs−Vsoo−AΔTを算出して零点補償をする温
度零点補償回路６０と、 上記ソース電位Vsと温度信号Ｄとにより、Ko
（１＋ΔT／To）を算出してイオンの活量に対す
る感度を補正する温度感度補償回路７０と、 上記温度零点補償回路６０および温度感度補償
回路７０からの演算結果を受けて、測定温度Ｔで
のPH値である〔Vs−Vsoo−AΔT〕／〔Ko（１＋
ΔT／To）〕＋（PH）ｏを算出するイオン濃度演算
回路８０とを具備したことを特徴とするイオンモ
ニタ装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58113298A JPS604851A (ja) | 1983-06-22 | 1983-06-22 | イオン感応性電界効果トランジスタの使用方法およびイオンモニタ装置 |
| US06/622,250 US4641249A (en) | 1983-06-22 | 1984-06-19 | Method and device for compensating temperature-dependent characteristic changes in ion-sensitive FET transducer |
| DE8484107120T DE3485624D1 (de) | 1983-06-22 | 1984-06-20 | Verfahren und einrichtung zur kompensation von temperaturabhaengigen eigenschaftsaenderungen in ionenempfindlichen feldeffekttransistor-sensoren. |
| EP84107120A EP0129852B1 (en) | 1983-06-22 | 1984-06-20 | Method and device for compensating temperature-dependent characteristic changes in ion-sensitive fet transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58113298A JPS604851A (ja) | 1983-06-22 | 1983-06-22 | イオン感応性電界効果トランジスタの使用方法およびイオンモニタ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS604851A JPS604851A (ja) | 1985-01-11 |
| JPH0422220B2 true JPH0422220B2 (ja) | 1992-04-16 |
Family
ID=14608660
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58113298A Granted JPS604851A (ja) | 1983-06-22 | 1983-06-22 | イオン感応性電界効果トランジスタの使用方法およびイオンモニタ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS604851A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60225056A (ja) * | 1984-04-24 | 1985-11-09 | Kuraray Co Ltd | イオンモニタ装置 |
-
1983
- 1983-06-22 JP JP58113298A patent/JPS604851A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS604851A (ja) | 1985-01-11 |
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