JPH0765983B2 - 液体中のイオンの活性度を測定する装置および方法 - Google Patents

液体中のイオンの活性度を測定する装置および方法

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JPH0765983B2
JPH0765983B2 JP59175289A JP17528984A JPH0765983B2 JP H0765983 B2 JPH0765983 B2 JP H0765983B2 JP 59175289 A JP59175289 A JP 59175289A JP 17528984 A JP17528984 A JP 17528984A JP H0765983 B2 JPH0765983 B2 JP H0765983B2
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    • 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

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、液体中のイオンの活性度（pIon）を測定する
装置に関するものである。本装置は、イオン検出電界効
果型トランジスタ（ISFET）を有する測定回路、基準電
極、増幅器、温度検出器、メモリ、および演算回路を含
む。この測定回路は、ISFETの動作を制御する３つのパ
ラメータのうちの２つ、すなわちVgs（ゲート・ソース
電位）、Vds（ドレーン・ソース電位）を一定値に保持
することによって温度補償の形をとる。第３のパラメー
タはイオン活性度の測定に使用される。
従来技術の説明 液体中のイオン活性度を測定する装置が従来知られてい
る。たとえば、英国特許出願第2,077,439号には、液体
中のイオン活性度測定にISFETを使用する場合の利点が
記載されている。しかしこの特許出願では、イオン活性
度の正確な測定は、ゲート電位および基準電極の電位が
温度（すなわち温度の差または変化）によって影響を受
けるため、阻害されることが指摘されている。また、こ
れらの電位が温度によって影響を受ける程度はISFETに
よってもばらつく。
ISFETの特性変動、およびこの英国特許出願の記載を考
慮すると、次の式が得られる。
Ｖ＝ｆ（Ｃ）＋∂Eg/∂Ｔ＋∂Es/∂Ｔ−∂Ｅｒ／∂Ｔ ただし、Ｖは測定した電圧、ｆ（ｃ）は測定すべきパラ
メータて、これはイオン活性度の関数である。また他の
項はそれぞれ、温度によるゲート電位の変化分、ゲート
電位対ソース電位の変化分、および基準電極電極電位の
変化分を表わす。
この式の利用に際し、ドレーン・ソース電流は、上式に
よって与えられる各項に対する温度効果が相殺されるよ
うに所定の値に設定される。この英国特許出願によれ
ば、ドレーン・ソース電流を選択された値に設定するこ
とは、１つ以上の直列接続された固定抵抗および可変抵
抗を使用して行なわれる。
英国特許出願第2,077,439号に記載の装置の好ましい実
施例によれば、この装置には２つの互いに電気的に接続
されたISFETが設けられ、温度変化を修正している。し
かし、温度によるpIon感度の修正は、この好適実施例で
は不可能である。
米国特許第4,267,504号には、電界効果型トランジスタ
によって値を測定する際、測定結果における温度の影響
を中和することは、その電界効果型トランジスタの近傍
に設けた第２の温度検出素子を使用して別な温度表示を
得ることによって行なうことができると記載されてい
る。しかし同時にこの特許では、この特徴に関して、こ
れら２つの温度検出素子が常に同じ温度であるか、また
これらが温度変化に同じように反応するかについて不確
定であるので、この方法では正確で信頼性のある測定が
できないと記載されている。後に詳細に述べるように、
本発明の装置は、温度変化を補償する問題に対して別な
解法を提供し、米国特許4,267,504号で提案されている
よりも信頼性のある正確な測定値を得ている。
西ドイツ特許出願DE 3,144,459にはまた、イオン検出電
界効果型トランジスタの温度補償方式が提案され、この
方式は、本発明の温度補償方式と異なる。
後に詳細に説明するように、本発明は、イオン測定の結
果における温度の影響が、上述の従来技術で提案されて
いる温度補償方式とは異り、より柔軟性のある方法で、
すなわち以前に提案された温度補償方式より選択の幅が
広く、適用範囲の広い方法で除去される。
発明の概要 本発明によれば、次の装置が提案される。すなわち、液
体中のイオンの活性度（pIon）を測定する装置は、イオ
ンを検出する電界効果型トランジスタ（ISFET）を有す
る測定回路と、該ISFETの近傍の基準電極と、該ISFETの
近傍の温度検出器と、該ISFETおよび温度検出器に接続
された増幅手段と、前記基準電極および前記増幅手段の
出力に接続された制御回路と、該制御回路に接続されイ
オン活性度を示す温度補償された信号を出力する出力を
有する演算回路およびメモリとを含み、該装置は、ISFE
Tの動作を制御する次の３つのパラメータ、すなわちVgs
（ゲート・ソース電位）、Vds（ドレーン・ソース電
位）およびID（ドレーン・ソース電流）のうちの２つを
一定値に保持して第３のパラメータをイオン活性度すな
わちpIonの測定に使用できるように動作し、温度の関数
としての該装置のpIon感度、および（または）温度の関
数としてのドレーン・ソース電流の変動は、Vgsを制御
することによって補償され、これによって、pIonは該装
置の前記メモリに蓄積されている式から算出することが
でき、該式は、 であり、ただし、pIoncal.はpIonの較正値、すなわち所
定の温度TCにおける前記液体のpIon値、T.C.はpIoncal.
における温度によるVgsの変化率であり、 Ｓは温度TCにおけるpIon感度、（dS/dT）は温度によりp
Ion感度の変化率であり、ΔＴは実際の温度と所定の温
度TCとの差である。
好ましい実施例の説明 第１図を参照すると、液体中のイオンの活性度（pIon）
を測定する装置10が概略的に示され、装置10は本発明の
原理に従って構成されている。
装置10はイオン検出電界効果型トランジスタすなわちIS
FET 12を有し、これは、液体16中に出し入れするゲート
領域14を有する。ISFET 12は、ドレーン18が増幅器22の
一つの入力20に結合され、ソース24が増幅器22の別の入
力26に結合されている。増幅器22の出力28には制御回路
30が接続されている。
基準電極32もゲート領域14付近で液体16に出し入れさ
れ、これは制御回路30に接続されている。本発明の原理
によれば、温度検出器34もISFET 12の付近で液体16中に
挿入され、増幅器38の一つの入力36に直接結合されてい
る。ISFET 12のソース24は増幅器38の別の入力40に接続
されている。増幅器38の出力42は制御回路30に結合され
ている。
制御回路30はマイクロプロセッサ44に接続され、これに
はメモリ46が接続され、また、「イオン測定」出力50を
有する。
検出器34で検出された温度は、電気信号として制御回路
30に供給され、これは、マイクロプロセッサ44とともに
使用して基準電極32の電圧を調整（温度補償）し、ドレ
ーン電流IDが温度、および温度変化に依存しないように
している。
本発明の方式は、ISFET 12の動作の温度依存性がpIon感
応材料と液体16との界面における効果によって部分的に
影響されるという認識に基づいている。
電界効果に基づいて動作する装置10のイオン感度を規定
する最も重要なパラメータ、すなわち平坦なバンド電圧
VFBは、１つのISFETについて次の式にて記述できる。
ただし、 Erは、基準電極の電位、 Φｂ−Φｄは、液体バルクとpIon感応材料・液体の界面
との間の電位差、 oxｘelは液体とpIon感応材料との界面における双極子配
向の結果としての電位差、 ΦSiはシリコン仕事関数、 Qssは表面状態における単位面積当りの固定電荷、 QoxはSi/SiO2界面に位置するとした場合の単位面積当り
の酸化物における電荷Coxは単位面積当りの酸化物の容
量である。
（オランダでEl sevier Sequoia S.A.Lausanneにより印
刷されたBergvoldおよびN.F.de Rooyによる“The Histo
ry of Chemically Sensitive Semi−Conductors",Senso
rs and Actuators第５〜16頁参照） そこで、pIon感応材料がたとえばAl2O3からなる特定のp
H検出ISFET 12（したがってこの場合、pIonはpH）で
は、前掲の項Φb-Φｄは、 となる。ただし、 Ｒは気体定数、 Ｔは絶対温度、 Ｆはファラデー定数、 Ｂ′は感度パラメータ、すなわち、pHpzcの値についてp
H感度を特徴づけるパラメータ、pHpzcは０電荷状態にお
けるpH（たとえばAl2O3ではＢ′＝4.8）である。
上述の式は、ドレーン・ソース電流IDの式と組み合わせ
ると（上述の文献Sensors and Actuators第１巻（1981
年）（5-15）参照）次の式が得られる。
ただし、 Ｂ＝μxW/LxCox （μは反転層における電荷の移動度、およびW/L＝反転
層の幅／長さ）、 Vtは閾値電圧である。
さて、増幅器22および38によって、ドレーン・ソース電
流IDは、液体のpHおよび温度が変動しても電位Vgsを調
整することで一定に保持することができる。すなわち、 dID＝（（∂ID）／（∂pHT））xdpH ＋（（∂ID）／（∂Ｔ））PHxdT＝０ ・・・・
（２） 式（１）および（２）から、一定温度Ｔ＝Tcの場合、電
位VgsのpH依存度は、次の式として導出される。
ただし、STCは温度TCにおける装置10のpH感度を示す。
式（３）はpHpzc付近の２つのpH単位の範囲において有
効であることを示すことができる。絶縁材料が、たとえ
ばpHpzcが８のAl2O3であると、式（３）はこれによって
６から10のpH範囲で有効である。
（３）の積分から次の式が得られる。
pHisoの意味は以下に説明する。
電位Vgsの温度依存性について、式（１）および（２）
を組み合わせると最終的に次式が得られる。
この式は、TC付近の温度範囲に適用され、pHisoは、６
〜10のpH範囲において、与えられたドレーン・ソース電
流で（dVgs/dT）pH＝０となるTC付近の温度でのpHとし
て規定される。
実際上、温度検出器34を使用してpH感度の温度による変
動を修正することが今や可能であるのは、ISFET 12がそ
の等温度点で動作する場合であり、等温度点とは、与え
られたpH＝pHisoおよび与えられた基準電極32につい
て、ドレーン・ソース電流IDを温度に依存しない値に設
定できることを意味する。すなわち、 基準電極32が制御回路30に接続され、これによってソー
ス電極24に対する電位Vgsが基準電極32に印加される。
この電位には、ISFET 12のゲート領域14に属するイオン
感応層に発生する電位が加わる。これらの電位の組合せ
によって、基板表面におけるソース24とドレーン18との
間のチャネルのコンダクタンスが左右される。
Vgsを変化させると、ドレーンからソースに流れるドレ
ーン電流IDを再調整することができる。たとえば、Vgs
の変化に連動して液体16中のイオン活性度の結果として
電位が変化すると、IDはIDsetの選択された値に等しく
なる。IDsetは、IDの任意の値である。しかしIDsetを最
良に選べば、上掲の式を満足する。すなわち、本発明の
目的に適うIDisoとなる。増幅器22は、ドレーンとソー
スとの間に電位Vdsを印加する。これにより、ドレーン
電流IDがソースとドレーンとの間に流れ、その電流値
は、IDisoの値によって決まる。
ある固定のVds電位でVgs電位を調整することによってソ
ース・ドレーン電流IDisoを一定に保持すると、被測定
液体のpHは次式から得られる。
測定中、ISFETが等温度点で動作しないときは、温度検
出器によって温度に対するpH感度の変動（dS/dT）およ
び温度に対するドレーン・ソース電流の変動（dID/dT）
を修正する必要がある。増幅器によってドレーン・ソー
ス電流が固定値に保持されると、被測定液体のpHは次式
から得られる。
ただし、pHcal.はT.C.を判定するpH値、T.C.はpIoncal.
での温度によるVgsであり、Ｓは温度TCにおけるpIon感
度（dS/dT）は温度によるpIon感度の変動であり、ΔＴ
は実際の温度と所定の温度TCとの差である。
ドレーン電流IDは、増幅器22を通して制御回路30に供給
され、最終的にはマイクロプロセッサ44に至る。マイク
ロプロセッサ44は、制御回路30と共同動作する。
マイクロプロセッサ44はそこで、メモリ46からIDsetを
読み出してその値を実際のIDと比較する。差が存在する
と、マイクロプロセッサ44は制御回路に信号を送り、Vg
sを再調整してIDをIDsetに等しくする。つまり、短時間
の調整中以外はdIDが０に等しくなる。この関係は、式
（２）に示されている。ΔVgsの値は、IDをIDsetに再調
整するのに必要であるが、これを使用して測定値pIonを
算出する。ΔVgsは、マイクロプロセッサ44に供給さ
れ、このpIon値の算出に使用される。
温度検出器34で検出された実際の温度は、電気信号とし
て増幅器38および制御回路30を通してマイクロプロセッ
サ44に供給される。マイクロプロセッサ44は、測定値Δ
VgsおよびΔＴを使用して、メモリ46に蓄積されマイク
ロプロセッサ44で使用される第11頁の式に従ってpIonを
算出する。算出したpIon値はそこで、出力50に出力され
る。
pHと同様に、他のイオン、たとえば金属イオンの活性
度、たとえばpKを算出する同様の式を導出することがで
きる。そこで、pKについては下記の式が導き出される。
および 効果 本発明による装置10において温度検出器34を使用する利
点は次の通りである。
ａ）装置10がその等温度点で動作するときは、温度検出
器34によって温度によるpIon感度の変動を修正すること
ができる。
ｂ）装置10が等温度点で動作せず測定が実際に不正確に
行なわれたときは、温度検出器34によって温度によるpI
on感度の変動および温度によるドレーン・ソース電流の
変動の両方を修正することができる。
ｃ）測定を行なう液体のpIonを変えることによって、お
よび（または）装置10の基準電極32を替えることによっ
てID＝IDisoなる等温度点を変えることができる。
メモリ46に蓄積されている式（たとえば式（１），
（２），（３），（４）および（または）（５））か
ら、マイクロプロセッサ44は、これらの式、および制御
回路30から受けた信号値を使用して、基準電極32の電圧
またはドレーン・ソース電流IDを調整して正確なイオン
活性度の測定値を得ることができることがわかる。
以上の記載から明らかなように、本発明の装置10と上述
の装置を使用する方法は多くの利点を有し、そのいくつ
かはこれまでに説明したが、他のものも本発明に固有で
ある。とりわけ、装置10とその使用方法によれば、ISFE
Tを有する測定装置においてイオン活性度の温度補償値
を出力する正確で簡略な、しかも柔軟性のある手段が提
供される。
以上の記載からさらに明らかなように、本発明の教示を
離れることなく本発明の装置10とそれを使用する方法に
は様々な変形が可能である。したがって、本発明の範囲
は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。
要約すると、本発明によれば、液体16中のイオンの活性
度（pIon）を測定する装置10は、イオン検出電界効果型
トランジスタISFET 12を有する測定回路10、ISFET 12の
近傍の基準電極32、ISFET 12の近傍の温度検出器34、IS
FET 12および温度検出器34に接続された増幅器22および
38、ならびに増幅器に接続され次の３つのパラメータ、
すなわちVgs（ゲート・ソース電位）、Vds（ドレーン・
ソース電位）およびID（ドレーン・ソース電流）のうち
の２つの一定値に保持して第３のパラメータをイオン活
性度すなわちpIonの測定に使用できるように動作する制
御、演算、記憶回路30、44、46を含む。温度の関数とし
ての装置10のpIon感度、および（または）温度の関数と
してのドレーン・ソース電流の変動は、メモリ46に蓄積
されている式からpIonを算出することができるようにVg
sを制御することによって制御される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による液体中のイオン活性度（pIon）
の正確な測定、すなわち温度依存性のない、つまり温度
補償されたイオン測定を行なう装置の概略回路図であ
る。 主要部分の符号の説明 10……イオン活性度測定装置 12……イオン検出電界効果型トランジスタ 16……液体 22,38……増幅器 30……制御回路 32……基準電極 34……温度検出器 44……演算回路 46……メモリ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−136396（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−141395（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−14148（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】液体中のイオンの活性度（pIon）を測定す
    る装置において、該装置は、 イオンを検出する電界効果型トランジスタ（ISFET）を
    有する測定回路と、 該ISFETの近傍の基準電極と、 該ISFETの近傍の温度検出器と、 該ISFETおよび温度検出器に接続された増幅手段と、 前記基準電極および前記増幅手段の出力に接続された制
    御回路と、 該制御回路に接続され、イオン活性度を示す温度補償さ
    れた信号を出力する出力を有する演算回路およびメモリ
    とを含み、 前記制御回路は、前記ISFETの動作を制御する３つのパ
    ラメータにより、ドレーン・ソース電位Vdsを一定に保
    ちながらゲート・ソース電位Vgsを制御してドレーン・
    ソース電流IDを一定に保持し、ゲート・ソース電位Vgs
    をイオン活性度すなわちpIonの測定に使用し、 前記演算回路は、該装置の温度依存性のあるpIon感度に
    応じて、通常誘起される温度依存性のあるIDの変動を補
    償し、 これによって前記演算回路は、pIonの値を該装置の前記
    メモリに蓄積されている式から算出し、 該式は、 pIon＝pIoncal.＋（ΔVgs＋T.C.ΔＴ）／｛Ｓ＋（dS/d
    T）ΔＴ｝ であり、ただし、 pIoncal.はpIonの較正値、すなわちある温度TCにおける
    前記液体のpIon値、T.C.はpIoncal.における温度による
    Vgsの変化率であり、Ｓは温度TCにおけるpIon感度、（d
    S/dT）は温度によるpIon感度の変化率であり、ΔＴは実
    際の温度と所定の温度TCとの差であることを特徴とする
    液体中のイオンの活性度を測定する装置。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の装置におい
    て、前記回路は、ドレーン・ソース電流IDを温度に依存
    しない値ID.isoに調整可能であり、そのため該値ID.iso
    について、 であり、 ただし、 pIonisoは、一連のpIonの値のうち前記ISFETで使用され
    るpIon感応材料に依存しある温度TCの付近の温度におけ
    るpIonの値であり、 あるドレーン・ソース電流の値IDについて ((dVgs)/(dT))pIon＝０ であり、 該装置の温度の関数としてのpIon感度はVgsを制御する
    ことによって修正でき、pIonは前記メモリに蓄積された
    次の式によって算出でき、 pIon＝pIoniso＋ΔVgs／｛Ｓ＋（dS/dT）ΔＴ｝ であることを特徴とする液体中のイオンの活性度を測定
    する装置。
  3. 【請求項３】基準電極および温度検出器を有し、液体中
    に挿入する電界効果型トランジスタ（ISFET）を含む装
    置を使用して液体中のイオンの活性度を測定する方法に
    おいて、該方法は、 前記ISFETのゲート・ソース電位Vgsを検出する工程と、 前記ISFETのドレーン・ソース電位Vdsを検出する工程
    と、 前記ISFETのドレーン・ソース電流IDを検出する工程
    と、 前記ISFETの動作を制御する３つのパラメータにより、
    ドレーン・ソース電位Vdsを一定に保ちながらゲート・
    ソース電位Vgsを制御してドレーン・ソース電流IDを一
    定に保持し、ゲート・ソース電位Vgsをイオン活性度す
    なわちpIonの測定に使用する工程と、 該装置の温度依存性のあるpIon感度に応じて、通常誘起
    される温度依存性のあるIDの変動を補償する工程と、 次の式を使用してpIonを算出する工程とを含み、 pIon＝pIoncal.＋（ΔVgs＋T.C.ΔＴ）／｛Ｓ＋（dS/d
    T）ΔＴ｝ ただし、pIoncal.はpIonの較正値、すなわちある温度TC
    における前記液体のpIon値、T.C.はpIoncal.における温
    度によるVgsの変化率であり、Ｓは温度TCにおけるpIon
    感度、（dS/dT）は温度によるpIon感度の変化率であ
    り、ΔＴは実際の温度と所定の温度TCとの差であること
    を特徴とする液体中のイオンの活性度を測定する方法。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の方法におい
    て、該方法は、ドレーン・ソース電流IDを温度に依存し
    ない値ID.isoに調整する工程を含み、 そのため該値ID.isoについて、 であり、 さらに、Vgsを制御して該装置の温度の関数としてのpIo
    n感度を修正する工程と、 次の式を使用してpIonを算出する工程とを含み、 pIon＝pIoniso＋ΔVgs／｛Ｓ＋（dS/dT）ΔＴ｝ ただし、 pIonisoは、一連のpIonの値のうち前記ISFETで使用され
    るpIon感応材料に依存しある温度TCの付近の温度におけ
    るpIonの値であり、 あるドレーン・ソース電流の値IDについて ((dVgs)/(dT))pIon＝０ であることを特徴とする液体中のイオンの活性度を測定
    する方法。
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