JPH0682115B2

JPH0682115B2 - イオンモニタ装置

Info

Publication number: JPH0682115B2
Application number: JP62181898A
Authority: JP
Inventors: 英則 ▲ぎ▼園
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPS6425055A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、イオン感応性電界効果トランジスタを用い
て、たとえば人体のpHや、免疫または酵素などのイオン
活量を測定する、イオンモニタ装置に関するものであ
る。

［従来技術］イオン感応性電界効果トランジスタ（以下、「ISFET」
と称する。）を用いて、たとえば人体のpHを測定する装
置は、従来から知られており、この装置の原理は、ISFE
Tのソース・ドレイン間に定電流もしくは定電圧を付加
しておき、ゲートの電位が人体中のＨイオンに感応して
変化するのを利用して、ソースの電位を変化させ、この
ソースの電位からpH値を測定するものである。ところ
が、上記ISFETは、人体のH⁺イオンに感応するだけでな
く、周囲の温度にも感応するので、正確な測定を行なう
には、温度補償が必要になる。

そこで、本件発明者は、すでに、特願昭58−113298号
（特開昭60−4851号）において、上記温度補償を正確に
行なう装置を提案した。この先願の装置は、ISFETのド
レイン電流が一定範囲内にあるとき、測定信号であるソ
ース電位が、温度に関して線形性を有することを見い出
したうえで、この線形性を利用して、アナログ的に測定
信号に一定の係数を掛けることにより、測定信号の温度
補償を行なうものである。

ここで、上記係数は、個々のISFETにより異なるので、
実際の測定にあたっては、測定開始前に、上記係数を決
定するための校正を行なう必要がある。ところが、上記
装置は、測定信号の温度補償をアナログ的に行なってい
るので、上記校正の際に、アナログ演算器のボリューム
を微調整する必要があり、操作が面倒である。しかも、
アナログ演算器のボリュームの目盛、たとえばポテンシ
ョメータの目盛と、上記係数との対応付けを精度よく行
なうのが、回路構成上困難であり、これを精度よく行な
おうとすると、回路が極めて複雑になり、製造上および
コスト面で不利が大きい。

上記問題点を解消するために、本件発明者は、特願昭59
-82698号（特開昭60-225056号）において、上記温度補
償の原理は同じであるが、デジタル的に測定信号を演算
処理し、温度補償を行なう装置を提案した。この装置
は、個々のISFETにより異なるセンサの係数を測定開始
前に記憶しておく一方で、基準温度Toにおける基準pH値
（pH）ｏで測定信号Vs,Dを零調（目盛りを零に合せる）
しておいてから、測定信号をデジタル値として取り込
み、上記記憶した係数を用いてデジタル演算器でデジタ
ル演算することにより、測定信号の温度補償を行なうも
のである。

［発明が解決しようとする問題点］ところが、上記デジタル式の装置は、ISFETごとに異な
るセンサ係数をデジタル演算器内で算出したうえで、こ
れらセンサ係数を用いて所定の演算式によりpH値を算出
しているので、必然的に演算内容が複雑になり、それだ
けデジタル演算器の要求される容量が大きくなつて、コ
ストアツプを招くとともに、電力の消費量が増大する。

また、上記演算内容が複雑なことから、精度のよいpH測
定を行なうには、ISFETの出力および温度補償用の温度
素子の出力をデジタル演算器に極めて高い精度で読み込
ませる必要があるので、上記デジタル演算器へ出力する
ための回路、たとえば零調回路やA/D変換器に高精度な
ものが要求され、コストアツプを招く。

この発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、ISFET
の温度補償が高精度でなされることによりイオン活量の
測定が精度よく行なわれ、しかも、デジタル演算器の演
算内容が簡略化されて、消費電力と製造コストの低いイ
オンモニタ装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］上記目的を達成するためのこの発明の構成を第１図に示
す。

同図において、この発明のイオンモニタ装置の先端のセ
ンサ10は、被測定液Ｍのイオン活量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とを有している。

50は定電流回路で、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、ドレン電
流Idで表わしたとき、|Id/β｜≦0.10volt²なる条件を
満たすドレン電流を上記イオン感応性電界効果トランジ
スタ11に流す。ドレン電流が上記範囲内にあるとき、イ
オン活量（たとえばpH値）を示す信号であるソース電位
Vsが、温度に関して線形性を有するので、アナログ的に
上記イオン活量信号Vsに一定の係数を掛けることによ
り、イオン活量信号Vsの温度補償を行なうことができ
る。

上記イオン感応性電界効果トランジスタ11からのイオン
活量信号Vsはイオン活量零調回路40に入力され、予め設
定された基準イオン活量信号Vsooとの差に対応したイオ
ン活量偏差信号Vs−Vsooが出力される。

60は温度零調回路で、上記センサ10からの信号Vsおよび
Dtに基づいて温度信号Ｄを生成し、この温度信号Ｄと予
め設定された基準温度信号D01との差に対応した温度偏
差信号Ｄ−D01を出力する。

上記イオン活量零調回路40からのイオン活量偏差信号Vs
−Vsooはイオン活量感度調回路70に入力され、基準温度
Toにおけるイオン活量感度Koで除した見掛けのイオン活
量偏差信号（Vs−Vsoo）/Koが出力される。

他方、上記温度零調回路60からの温度偏差信号Ｄ−D01
は温度演算回路80に入力され、ここで被測定液Ｍの温度
が算出されて、測定温度信号Ｔが出力される。

上記見掛けのイオン活量偏差信号（Vs−Vsoo）/Koおよ
び測定温度信号Ｔは、デジタル演算器100の補償手段102
に入力される。ここでは、ISFETの温度係数をＡ、温度
偏差をＴ−Toとしたとき、見掛けのイオン活量偏差信号
（Vs−Vsoo）/Koから、Ａ（Ｔ−To）/Koを減算すること
により、見掛けのイオン活量偏差信号（Vs−Vsoo）/Ko
の零点が、被測定液Ｍの温度偏差Ｔ−Toおよびイオン活
量感度Koに対応して変化するのを補償する。

上記零点補償された信号は、さらにイオン活量演算手段
103に入力される。ここでは、基準温度Toと測定温度Ｔ
との比To/Tを乗算したのち、上記基準イオン活量信号Vs
ooに対応した基準イオン活量を加算して、被測定液Ｍの
イオン活量を出力する。

なお、12は被測定液Ｍを一定の電位に保持するための比
較電極である。

［作用］上記構成によれば、イオン活量の測定において、イオン
活量に対する零点および感度の温度補償がなされるか
ら、イオン活量の測定が精度よくなされる。

また、見掛けのイオン活量偏差値（Vs−Vsoo）/Koと、
測定温度Ｔとを直接デジタル演算器100に取り込み、補
償手段102およびイオン活量演算手段103により、単純な
減算および乗算を行なうだけで、イオン活量を算出でき
るので、温度補償計算が簡略化される。

［発明の実施例］ここでは、発明の実施例の説明に先立つて、まず、その
前提となる測定方法についてpHセンサを例に説明する。
以下において、（pH）はpH値を示す。また、信号とその
信号が表わす量とは、便宜上同一符号で示す。例えば、
測定温度信号とその温度は同一符号Ｔで示す。

いま、第１図に示すタイプのISFET11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、測定温度Ｔ、
基準pH値（pH）ｏでのソース電位をVso、測定温度Ｔ、
測定pHでのソース電位（イオン活量信号）をVsとする
と、ISFETは温度に感応する性質があるので、Vsoo−Vso
は温度関数となる。すなわち、 ΔVso≡Vso−Vsoo＝ｆ（Ｔ）・・・（１）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、比例定数Ｋを用いて、 ΔVs≡Vs−Vso＝Ｋ｛（pH）−（pH）ｏ｝・・・（２）式（１）と（２）とにより、 Vs＝Ｋ｛（pH）−（pH）ｏ｝＋ｆ（Ｔ）＋Vsoo ・・・
（３）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）・・・（４）ここで、Koは基準温度ToにおけるpH感度である。

いま、仮にISFET11の温度係数Ａを定数としてｆ（Ｔ）＝Ａ・ΔＴ・・・（５）となるような零点補償の条件が見い出されたとすると、
式（４）および（５）を式（３）に代入することによ
り、つぎの式（６）が得られる。

Vs＝Ko（１＋ΔT/To）｛（pH）−（pH）ｏ｝＋Ａ・ΔＴ
＋Vsoo ・・・（６）これを変形すると、となる。

式（７）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（５）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、（７）式に基づき、電気回路を用い
て容易に自動補償することができる。

そこで、発明者らは、ISFETにおいて式（５）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（５）
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、 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そこで、この発明では、上記範囲で測定を行なう。

上記範囲は発明者らの実験によつて見い出されたのであ
るが、その実験結果については前述の特願昭58-113298
号に詳述されている。

前述の特願昭58-113298号（アナログ式）および特願昭5
9-82698号（デジタル式）の各発明では、上記（７）式
によりpH値を求めていたが、この発明では、デジタル演
算器での演算を容易化するために、上記（７）式を次の
ように変形した。

上記Δ（pH）＊は見掛けのpH（イオン活量）偏差信号で
あり、（pH）ｚは、上記見掛けのpH偏差信号Δ（pH）＊
の零点が、温度偏差ΔＴ（＝Ｔ−To）およびpH感度Koに
対応して変化する量を示す。

以下、上記測定方法を利用したこの発明の一実施例に係
る装置を図面にしたがつて説明する。

第２図は溶液のPHを測定するイオンモニタ装置の概略構
成を示す系統図である。

同図において、デジタル演算器100は補償手段102とイオ
ン活量演算手段103に加えて、イオン活量零点制御手段1
04と温度零点制御手段105とを備えており、イオン活量
零点制御手段104からのデータ信号ａにより、イオン活
量零調回路40の基準イオン活量信号Vsooのレベルを自動
的に制御して、イオン活量感度調回路70からの見掛けの
イオン活量偏差信号（Vs-Vsoo）/Koの零点合せ（オート
ゼロ調）を行なうとともに、温度零点制御手段105から
のデータ信号ｂにより、温度零調回路60の基準温度信号
Doのレベルを自動的に制御して、測定温度信号Ｔの零点
合せ（オートゼロ調）を行なつている。さらに、上記デ
ジタル演算器100は感度制御手段106も備え、この感度制
御手段106からのデータ信号ｃにより、上記見掛けのイ
オン活量偏差信号（Vs−Vsoo）/Koのスパンを自動的に
所定値に調整して（オートスパン調）、適切なスパンが
常に得られるようにしている。これらオートゼロ調およ
びオートスパン調については、後段で第４図を用いて詳
述する。

第３図は第２図の装置の具体的な回路を示す回路図であ
る。

同図において、10はセンサで、このセンサ10はISFET11
と、比較電極12と、温度検出用ダイオード（温度素子）
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、たとえば、人
間の体液である。

20はISFET11のドレイン・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のイオン活量に応じてソース電位Vsが
変化しても、ソース・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。

50も定電流回路であり、上記イオン活量を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、前述した線形性が得られる範囲で
あるId≦20〜100μＡにあり、ISFET11の上記チヤンネル
特性値βに対して、|Id/β｜≦0.10volt²の範囲になる
ように設定されている。

40はpHの零調を行なうイオン活量零調回路であり、イオ
ン活量に対応したソース電位Vsを補正するD/A変換器か
らなる基準イオン活量設定器41と、差動増幅器42とから
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値（pH）でのソース電位Vsに対し、基準電
圧V_REFと基準イオン活量設定器41とにより得られた基準
温度To、基準pH値（pH）ｏでのソース電位Vsooを、差動
増幅器42により減算及び増幅する。すなわち、測定温度
Ｔにおける測定pH値（pH）でのソース電位Vsと、基準温
度Toにおける基準pH値（pH）ｏでのソース電位Vsooとの
偏差信号Vs−Vsooを作つている。

60はダイオード13のカソード電位Ｄとアノード電位（IS
FET11のソース電位に等しい）Vsと入力する温度零調回
路であり、D/A変換器からなる基準温度設定器61と差動
増幅器62とから構成されている。この零調回路60は上記
DtとVsから、ダイオード13の測定温度Ｔでの順方向零位
Ｄ＝Dt−Vsに等しい温度信号を生成し、この温度信号Ｄ
に対して、基準電圧V_REFと基準温度設定器61とにより得
られた基準温度To1における順方向電位Do1を、作動増幅
器62により減算および増幅する。すなわち、測定温度Ｔ
での順方向電位Ｄと基準温度To1における順方向零位Do
との偏差信号Ｄ−Do1を作つている。

70はイオン活量感度調回路であり、D/A変換器からなる
基準感度設定器71と、演算増幅器72とより構成される。
この回路70は、イオン活量零調回路40からのpH偏差信号
（Vs−Vsoo）に対し、基準感度設定器71により、基準温
度Toにおけるイオン活量感度Koに対応した増幅度を設定
し、さらに、演算増幅器72で（Vs−Vsoo）/Koを算出し
て増幅する。すなわち、測定温度Ｔにおける測定pHと、
基準温度Toにおける基準pHとの差である。見掛けのpH偏
差信号Δ（pH）＊を作つている。

80は温度演算回路であり、上記温度零調回路60からの温
度偏差信号（Ｄ−Do1）に対し、ダイオード13の温度係
数DKを乗じ、さらに増幅して、温度の偏差（Ｔ−To1）
を作つている。つまり、ΔＴ＝Ｔ−To1＝DK（Ｄ−Do1）
の演算増幅を行なつている。具体的にはTo1＝０℃とす
ることにより、測定温度信号Ｔを得ている。

90はアナログ入力装置であり、見掛けのpH偏差信号Δ
（pH）＊と温度信号Ｔとを切り換えるための切換スイツ
チ91、およびアナロク信号をデジタル信号に変換するA/
D変換器92から構成されている。

100は、上記見掛けのpH偏差Δ（pH）＊と測定温度信号
Ｔとを受けて、被測定液Ｍのイオン活量を算出するデジ
タル演算器であり、第２図で示した補償手段102、イオ
ン活量演算手段103、イオン活量および温度の零点制御
手段104,105および感度制御手段106を内蔵しており、た
とえばマイクロプロセツサで構成される。このデジタル
演算器100は、第３図に示すように、入出力インターフ
エース101、演算回路110および出力部120を有してい
る。

上記入力インターフエース101は、上記A/D変換器92から
のデータの入力、上記各基準測定器41,61,71へのデータ
a,b,cの出力、切換スイツチ91への切換信号ｄの出力、
レコーダーとデイスプレイへのデータ出力、デジタル演
算回路110へのデータの取り込み・取り出しを行なう機
能を有している。

上記演算回路110は、プログラムを内蔵したROM111、デ
ータを記憶するRAM112、および演算処理を行なうCPU113
から構成される。上記CPU113は、後述する構成時にセン
サの固有定数（Ko）を自動的に算出するとともに、測定
時には、上記固有定数を使つてpH及び温度を算出する。

上記出力部120は、イオン活量に関するデジタル信号を
アナログ信号に変換して出力するイオンD/A変換器121、
温度に関するデジタル信号をアナログ信号に変換する温
度D/A変換器122、および、表示するための陰極線管また
は液晶等の表示器123を備えている。

次に、動作について、ISFET11からのソース電位Vsが上
記構成によりpH信号に処理されていく過程を説明する。

ΔＴ＝Ｔ−Toを（９）式に代入すると、（11）式を用い、デジタル演算器100によりpH値を求め
ている。

第１項は、であり、感度調回路70の出力より直接求めている。

第２項は、であり、デジタル演算器100により、デジタル演算して
求めている。これについては後述する。

第４図は、デジタル演算器100内の処理を示すフローチ
ヤートである。図中、P1〜P15はプローチヤートの各ス
テツプを示す。処理の流れとしては、測定開始前に各セ
ンサの固有定数を決定するための校正処理と測定処理と
に大別される。先ず、校正処理について説明する。

校正の方法としては、信号Vs,Dの零調のみを行なう１点
校正と、信号Vs,Dの零調とpH感度Koの校正とを行なう２
点校正とがある。ISFET11の固有特性値としては、温度
係数Ａと感度Koがあり、これらは通常、センサの収納ケ
ースに表示されている。しかしながら、温度係数Ａは、
その経時変化が小さいので、特に高い測定精度が要求さ
れる場合を除いて、上記表示された値をそのまま用いて
も差し支えないが、感度Koは経時変化が大きいので、測
定前に校正する必要がある。

まず、予め外部からの入力操作で、校正処理か測定処理
かを選択しておく。P1でスタートして、P2で入力および
出力のイニシヤライズを行なったのち、P3で校正処理
か、測定処理かを確かめ、校正処理であれば、P4でISFE
T11の温度計数Ａ値を一定の数値として与える。つづい
て、P5で基準温度To（例えば37℃）および基準PH値（p
H）ｏ（例えば7.27）を入力する。この値は、後述のP14
での演算に利用される。

つぎに、P6で、１点校正か２点校正かを確かめ、２点校
正である場合には、P8へ進んで、仮のKo値を測定する。
仮のKo値の設定は、デジタル演算器100への入力操作に
よつて行なわれる。この入力操作により、入出力インタ
ーフエース101からデータｃが出力され、このデータｃ
によつて、第３の基準設定器71のゲインが、Koに対応し
た大きさに調整される。１点校正である場合には、P7で
Koを一定の数値として入力する。

P9では、イオン活量信号であるソース電位Vsの零調と、
温度信号であるダイオード順方向電位Ｄの零調を行な
う。Vsの零調は第２図の零調回路40で自動的に行なわれ
る（オートゼロ調）。つまり、センサ10を基準温度To
（例えば37℃）、基準pH値（PH）ｏ（例えば7.27）の第
１バツフア液に入れると、第２のイオン活量零点制御手
段104が動作し、まず、第３図の入出力インターフエー
ス101からの切換信号ｄによつて、切換スイツチ91の接
点91aがON、接点91bがOFFに設定されて、イオン活量感
度調回路70の出力（Vs-Vsoo）/KoがA/D変換器92を経て
デジタル演算器100に入力される。一定時間経過後にこ
の出力（Vs-Vsoo）/Koが一定値以内か否か、例えば±0.
01以内か否かを判別し、＋0.01を越えていれば、入出力
インターフエース101から出力するデータａを変更し
て、基準イオン活量設定器41のゲインが大きくなるよう
に自動調整し、逆に、−0.01以下であれば、上記データ
ａを変更して、基準イオン活量設定器41のゲインが小さ
くなるように自動調整する。その後、上記判別とデータ
ａの変更とを繰り返し、イオン活量感度調回路70の出力
（Vs-Vsoo）/Koが±0.01以内になると、PHの零調を終了
する。

温度の零調についても同様に行なわれる。すなわち、第
１図の温度零点制御手段105が動作し、まず、第３図の
入出力インターフエース101からの切換信号ｄによつ
て、切換スイツチ91の接点91aがOFF、接点91bがONに設
定され、温度演算回路80からの出力ＴがA/D変換器92を
経てデジタル演算器100に入力され、一定時間経過後に
この出力Ｔが一定範囲内に入っているか否かを判別し、
一定範囲内になるように入出力インターフエース101か
らの出力データｂを変更する。ただし、温度の零調にお
いては、基準温度設定器61からの基準信号D01は０℃（2
73゜Ｋ）に対応しているから、温度零調回路60からの温
度偏差信号はDo-D01となり、この信号が温度演算回路80
を経て温度信号Ｔ（＝To）となる。この温度信号Ｔが37
℃のレベルに対して±0.1℃以内となるように、入出力
インターフエース101からのデータｂを変更して、基準
温度設定器61のゲインを調整し、37℃±0.1℃以内とな
つた時点で温度の零調を終了する。

つぎに、P10で２点校正か１点校正かを確かめ、１点校
正であればP3に戻って、その後の測定処理に備える。２
点校正であれば、P11へ進み、PH感度Koの調整を行な
う。すなわち、センサ10を上記基準温度To、基準PH値
（pH）ｓ（例えば3.84）の第２バツフア液に入れると、
第２図の感度制御手段106が動作し、第３図のイオン活
量感度調回路70の出力が上記基準PH値（pH）ｓ（フルス
パン）に対応するように、イオン活量感度調回路70の第
３の基準設定器71のゲインを自動調整して（オートスパ
ン調）、感度調整、すなわち1/Koの調節を行なう。

つまり、（11）式から、（pH）ｓ＝Δ（pH）＊＋（pH）ｏ・・・（12）であり、一方、イオン活量感度調回路70の出力（Vs-Vso
o）/Koは、（10）式より、（Vs-Vsoo）/Ko＝Δ（pH）＊であるから、結局、これに（12）式を代入して、（Vs-Vsoo）/Ko＝Δ（pH）＊＝（pH）s-（pH）ｏ＝3.84
−7.27＝−3.43 となる。つまり、一定時間経過後に、イオン活量感度調
回路70の出力（Vs-Vsoo）/Koが−3.43（フルスパン）に
対して、±0.01以内であるか否かが判定される。この範
囲外であれば、入出力インターフエース101から出力す
るデータｃを変更して第３の基準設定器71のゲインを自
動調整し、−3.43±0.01の範囲内になつた時点で感度調
整を終了する。

つづいて、P12で、設定したゲインに相当する感度Koを
次式から算出しておき、P3に戻って、その後の測定処理
に備える。

Ko＝−3.43/（Vs-Vsoo）つぎに、測定処理について説明する。

イオン活量信号であるソース電位Vsと、温度信号である
ダイオード順方向電位Ｄはそれぞれ、第３図の零調回路
40,60において、基準温度To、基準pH値（pH）ｏでのソ
ース電位Vsooと、０℃でのダイオード順方向電位D01と
により減算され、上記各零調回路40,60のそれぞれか
ら、Vs-Vsoo,D−D01として出力される。つづいて、Vs-V
soo,D−D01はそれぞれ、回路70,80を経て、見掛けのPH
偏差値Δ（pH）＊、測定温度Ｔとして出力される。これ
らの信号Δ（pH）＊,Tが、P13でデジタル演算器100に読
み込まれる。

P14では、上記読み込まれた信号Δ（pH）＊,Tと、P4で
与えられたＡと、P5で与えられたTo,（pH）ｏと、p12で
算出されたKoとを用い、（11）式より零点とPH感度の温
度補償をして、PH値を算出する。この算出は第２図のデ
ジタル演算器100の補償手段102とイオン活量演算手段10
3とでなされる。つまり、（11）式の［］内の減算が補
償手段102で行なわれ、この減算された［］内の値にTo/
Tを乗算したのち（pH）ｏを減算する計算が、イオン活
量演算手段103で行なわれる。ここで、上記補償手段102
とイオン活量演算手段103では、単純な減算と乗算がな
されるだけであるから、演算は極めて容易である。

算出されたPH値は、第４図のP15で、第３図の表示器123
に表示され、また、必要に応じて他の機器へ、イオンD/
A変換器121からPH値（pH）が、温度D/A変換器122から温
度Ｔがそれぞれ出力される。

上記実施例によればつぎの効果がある。

（１）イオン活量（PH）の測定において、イオン活量に
対する零点および感度の温度補償がなされるから、イオ
ン活量の測定が精度よくなされる。

（２）見掛けのイオン活量偏差値（Vs-Vsoo）/Koと、測
定温度Ｔとを直接デジタル演算器100に取り込み、補償
手段およびイオン活量演算手段により、単純な減算およ
び乗算を行なうだけでイオン活量を算出できるので、温
度補償計算が簡略化される。したがつて、複雑な温度補
償計算をデジタル的に行なっていた従来のもの（特願昭
59-82698号）と比較して、デジタル演算器の消費電力が
低減される。また、デジタル演算器が小容量で済むの
で、製造コストも低減される。

（３）零調回路40,60における零調、およびイオン活量
感度調回路70における感度調は全て、デジタル演算器10
0により自動的になされるので、操作が極めて容易であ
る。

（４）イオン活量感度調回路70において感度Koを自動調
整する際に、オートスパンがとられるので、スパン調整
の手間が省け、一層操作が容易になる。

（５）零調回路40,60については、入力信号がそれぞれ
０〜2V,425〜525mVであるのに対し、必要分解能はそれ
ぞれ0.4mV,0.2mVであるから、計算上は、それぞれ0.4/2
000＝1/5000,0.2/（425〜525）＝1/2125〜1/2625もの高
い精度が必要になる。しかし、実際には、前回オートゼ
ロ調した後のオフセツト量をデジタル演算器100で記憶
しておき、今回のオートゼロ調の際に、前回のオフセツ
ト量との差だけ修正するようにすれば、上記よりはるか
に低い精度、たとえば1/200程度で済み、したがつて、
その基準設定器（D/A変換器）41,61は、８ビツト（精度
1/256に相当）程度の安価なもので済む。

また、イオン活量感度調回路70については、感度の調整
幅が40.0〜60.0mV/pHであるのに対し、必要分解能は0.1
mVであるから、感度調整幅に関する精度は、0.1/（60.0
-40.0）＝1/200程度になる。したがつて、その基準感度
設定器71は、やはり８ビツト程度の安価なもので済む。

さらに、A/D変換器92は、イオン活量感度調回路70でpH
値（無次元数）に変換された信号と、温度演算回路80で
温度Ｔ（単位℃）に変換された信号とを読み取るもので
あり、pH値の幅は０〜10、温度Ｔの幅は０〜50℃である
のに対し、pH値の分解能は0.01、温度Ｔの分解能は0.1
℃であるから、精度は、高いほうのpHについてさえ、0.
01/10＝1/1000で済むので、やはり安価である。

（６）校正処理では、要求精度に応じて、１点校正と２
点校正を選択できるので、実用上有利である。

なお、上記実施例では、温度を検出する温度素子13とし
て、ダイオードを用いているが、これに限らず、トラン
ジスタやアバランシェ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活量を選択的に測定でき
る。

さらに、上記実施例では、比較電極12として、液絡式比
較電極を用いたが、これとは異なり、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F
ETのドレイン電流Idr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、βｒ
はFET比較電極のチャンネル特性値である。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、イオン活量の
測定において、イオン活量に対する零点および感度の温
度補償がなされるから、イオン活量の測定が精度よくな
される。

また、見掛けのイオン活量偏差値（Vs-Vsoo）/Koと、測
定温度Ｔとを直接デジタル演算器に取り込み、補償手段
およびイオン活量演算手段により、単純な減算および乗
算を行なうだけで、イオン活量を算出できるので、温度
補償計算が簡略化される。したがつて、デジタル演算器
の消費電力が低減される。また、デジタル演算器が小容
量で済むので、製造コストも低減される。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示す系統図、第２図はこの発
明の一実施例を示す系統図、第３図は同実施例の回路構
成を示す回路図、第４図は同実施例の動作を示すフロー
チヤートである。 10……センサ、11……ISFET、13……温度素子、40……
イオン活量零調回路、50……定電流回路、60……温度零
調回路、70……イオン活量感度調回路、80……温度演算
回路、100……デジタル演算器、102……補償手段、103
……イオン活量演算手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定液Ｍのイオン活量を検出するイオン
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とを有するセンサ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、ドレン電流をIdで表わしたと
き、|Id/β｜≦0.10volt²なる条件を満たすドレン電流
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、上記センサ10のイオン感応性電界効果トランジスタ11か
らのイオン活量信号Vsと、予め設定された基準イオン活
量信号Vsooとの差に対応したイオン活量偏差信号Vs-Vso
oを出力するイオン活量零調回路40と、上記センサ10からの信号に基づいて温度信号Ｄを生成
し、この温度信号Ｄと予め設定された基準温度信号D01
との差に対応した温度偏差信号Ｄ−D01を出力する温度
零調回路60と、上記イオン活量零調回路からのイオン活量偏差信号Vs−
Vsooを基準温度Toにおけるイオン活量感度Koで除した見
掛けのイオン活量偏差信号（Vs−Vsoo）/Koを出力する
イオン活量感度調回路70と、上記温度零調回路60からの温度偏差信号Ｄ−D01より被
測定液Ｍの温度を算出して測定温度信号Ｔを出力する温
度演算回路80と、上記見掛けのイオン活量偏差信号（Vs-Vsoo）/Koと測定
温度信号Ｔとを受けて、イオン活量を算出するデジタル
演算器100とを備え、上記デジタル演算器100は、上記ISFET11の温度係数をＡ、温度偏差をＴ−Toとした
とき、見掛けのイオン活量偏差信号（Vs−Vsoo）/Koか
ら、Ａ（Ｔ−To）/Koを減算することにより、見掛けの
イオン活量偏差信号（Vs−Vsoo）/Koの零点が、被測定
液Ｍの温度偏差Ｔ−Toおよび上記イオン活量感度Koに対
応して変化するのを補償する補償手段102と、上記零点補償された信号に、基準温度Toと測定温度Ｔと
の比To/Tを乗算したのち、上記基準イオン活量信号Vsoo
に対応した基準イオン活量を加算して、被測定液のイオ
ン活量を出力するイオン活量演算手段103とを具備して
なるイオンモニタ装置。