JPS59208450A - 電界効果型半導体化学センサ - Google Patents
電界効果型半導体化学センサInfo
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- JPS59208450A JPS59208450A JP58083754A JP8375483A JPS59208450A JP S59208450 A JPS59208450 A JP S59208450A JP 58083754 A JP58083754 A JP 58083754A JP 8375483 A JP8375483 A JP 8375483A JP S59208450 A JPS59208450 A JP S59208450A
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- JP
- Japan
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- silicon
- metal silicide
- layer
- sensor
- wiring
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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
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は電界効果型半導体化学センサの特性の改善に関
する。
する。
従来、溶液中の化学物質の検出には種々の機器分析的手
法が使用されてきた。その中には、炎光光度法、原子吸
光法、プラズマ発光法、原子蛍光法等の様に試料溶液を
ガス状にして光学的計測を行なうものや、吸光光度法、
溶液蛍光法、比濁分析法等の様に試料溶液をそのままの
溶液状態に保って光学的計測を行なうものなどがあり広
く利用されている。
法が使用されてきた。その中には、炎光光度法、原子吸
光法、プラズマ発光法、原子蛍光法等の様に試料溶液を
ガス状にして光学的計測を行なうものや、吸光光度法、
溶液蛍光法、比濁分析法等の様に試料溶液をそのままの
溶液状態に保って光学的計測を行なうものなどがあり広
く利用されている。
しかし一般的に、この種の光学計測を行なう手法では、
分光器、光源などを含む高級な光学系が要求され、簡易
型の分析に、は不向きなばかりでなく測定の迅速性とい
う面でも不利であった。
分光器、光源などを含む高級な光学系が要求され、簡易
型の分析に、は不向きなばかりでなく測定の迅速性とい
う面でも不利であった。
一方、電極型の分析装置を用いれば、より単純なシステ
ムを構成することが可能になり、測定の迅速さという点
からみても試料の前処理の省略がしやすい等有利な面が
多い。
ムを構成することが可能になり、測定の迅速さという点
からみても試料の前処理の省略がしやすい等有利な面が
多い。
そのため、これまでに種々の電極型分析法が開発され、
多くの装置が市販されかつその比重は益益増大している
。この電極型は大別すると電流あるいは電量を測定する
電荷型と、電位変化を検出する電位型とがあり、前者の
電荷型の例としてはポーラログラフイー法やこの原理を
利用した酸素電極、クーロメトリ−、フエロケムなどが
あり、後者の電位型の例としてはp H電極などがある
。
多くの装置が市販されかつその比重は益益増大している
。この電極型は大別すると電流あるいは電量を測定する
電荷型と、電位変化を検出する電位型とがあり、前者の
電荷型の例としてはポーラログラフイー法やこの原理を
利用した酸素電極、クーロメトリ−、フエロケムなどが
あり、後者の電位型の例としてはp H電極などがある
。
近年、該電位型の電極型分析装置として電界効果型トラ
ンジスタを用いる電界効果型半導体化学センサが提案さ
れ(P 、 Bergveld、 I EEETran
s。
ンジスタを用いる電界効果型半導体化学センサが提案さ
れ(P 、 Bergveld、 I EEETran
s。
BME、17.70、(1970))、p H周電極な
どが試作された( T 、 Matsuo and K
、D Wise。
どが試作された( T 、 Matsuo and K
、D Wise。
TEEE Trans、 BME、 21.485(
1974))。
1974))。
前記電界効果型トランジスタのセンサ(以後FETセン
サと呼ぶ)は、MOS(金属−酸化物一半導体)型に代
表され集積回路等に極めて幅広く使用されているFET
(電界効果型トランジスタ)が電位の変化によって電流
を制御されているということと、p Hガラス電極がガ
ラス表面と溶液との界面に発生するネルンスト応答に基
く電位変化を測定しているということとを結合して、そ
の上に考え出された優れたセンサである。
サと呼ぶ)は、MOS(金属−酸化物一半導体)型に代
表され集積回路等に極めて幅広く使用されているFET
(電界効果型トランジスタ)が電位の変化によって電流
を制御されているということと、p Hガラス電極がガ
ラス表面と溶液との界面に発生するネルンスト応答に基
く電位変化を測定しているということとを結合して、そ
の上に考え出された優れたセンサである。
所で溶液中の化学物質の検出の主要な応用分野としては
臨床医学分野が考えられ、その場合、測定の迅速性、大
量処理能力、多項目処理能力などが望まれるため、電極
型分析装置の利用率が最近増大している。そしてその中
でも、センサの微小化が容易なことから、少量の試料で
の測定ができ、生体内に挿入した測定にも有利であり、
また半導体技術特有の集積化技術により複数センサの集
積化が可能なFETセンサが大いに注目されている。
臨床医学分野が考えられ、その場合、測定の迅速性、大
量処理能力、多項目処理能力などが望まれるため、電極
型分析装置の利用率が最近増大している。そしてその中
でも、センサの微小化が容易なことから、少量の試料で
の測定ができ、生体内に挿入した測定にも有利であり、
また半導体技術特有の集積化技術により複数センサの集
積化が可能なFETセンサが大いに注目されている。
しかし乍ら、該FETセンサは溶液中に浸漬して使用す
るため、該溶液との間の電気的絶縁が必須の条件となり
、電極や配線の構造に特殊な注意や工夫が必要であった
。特にこの電気的絶縁の目的からセンサ部分と外部との
入出力端子電極との間は従来、シリコン基板への不純物
拡散層を形成することで電気的接続をとっていたが該拡
散層の比抵抗が金属に比べて102〜10’程度も大き
く、直列抵抗成分として寄与してしまい測定上の障害と
なっていた。
るため、該溶液との間の電気的絶縁が必須の条件となり
、電極や配線の構造に特殊な注意や工夫が必要であった
。特にこの電気的絶縁の目的からセンサ部分と外部との
入出力端子電極との間は従来、シリコン基板への不純物
拡散層を形成することで電気的接続をとっていたが該拡
散層の比抵抗が金属に比べて102〜10’程度も大き
く、直列抵抗成分として寄与してしまい測定上の障害と
なっていた。
本発明はかがる配線抵抗の問題を金属シリサイド配線を
用いることにより除去し、測定を容易に行なえるように
するものである。
用いることにより除去し、測定を容易に行なえるように
するものである。
第1図はFETセンサの基本構造を説明するための一例
であり、p1]測定に用いられるものである。ここでは
、nチャンネルトランジスタについて書いてあり、P型
シリコン基板11にn型ソース12とn型ドレイン13
の不純物拡散領域があり、該ソースと該ドレインとの間
のチャンネル上には絶縁層として500〜100OA程
度の厚さの酸化シリコン層(以後酸化膜と呼ぶ)14が
ある。該酸化膜は通常のシリコン集積回路の場合と同じ
に形成できるもので、例えば1100 ’C1100%
酸素雰囲気下で、30分間シリコンを酸化して900人
の酸化膜を成長させる。
であり、p1]測定に用いられるものである。ここでは
、nチャンネルトランジスタについて書いてあり、P型
シリコン基板11にn型ソース12とn型ドレイン13
の不純物拡散領域があり、該ソースと該ドレインとの間
のチャンネル上には絶縁層として500〜100OA程
度の厚さの酸化シリコン層(以後酸化膜と呼ぶ)14が
ある。該酸化膜は通常のシリコン集積回路の場合と同じ
に形成できるもので、例えば1100 ’C1100%
酸素雰囲気下で、30分間シリコンを酸化して900人
の酸化膜を成長させる。
そして、該酸化膜の上には化学物質感応層として約10
00人の窒化シリコン層(以後窒化膜と呼ぶ)15が通
常のシリコン集積回路製造プロセスで繁用される減圧C
VD (気相化学堆積)法、常圧CVD法、プラズマC
VD法等のCVD法で形成される。
00人の窒化シリコン層(以後窒化膜と呼ぶ)15が通
常のシリコン集積回路製造プロセスで繁用される減圧C
VD (気相化学堆積)法、常圧CVD法、プラズマC
VD法等のCVD法で形成される。
尚、チャンネル部分以外は例えば5000八程度の厚い
シリコン酸化膜(以後フィールド酸化膜と呼ぶ)16に
よりおおわれており、窒化膜は該フィールド酸化膜上に
も約1000人の厚さで堆積している場合がある。
シリコン酸化膜(以後フィールド酸化膜と呼ぶ)16に
よりおおわれており、窒化膜は該フィールド酸化膜上に
も約1000人の厚さで堆積している場合がある。
またソース及びドレインの電気的接続はアルミニウムな
どの金属17でとる。このFETセンサをpH用センサ
として用いる場合、窒化膜15の表面を被検溶液に浸す
。この時、該窒化膜表面と該被検溶液との界面には電気
二重層が発生し、該電気二重層に起因する電位により変
調された前記ソースと前記ドレイン間に流れる電流を計
測して前記被検溶液のpH値を知るものである。ここで
被検溶液のpH値と前記電気二重層電位との関係はネル
ンストの式により与えられ、その変化量はpH変化1に
つき常温で59mVである。
どの金属17でとる。このFETセンサをpH用センサ
として用いる場合、窒化膜15の表面を被検溶液に浸す
。この時、該窒化膜表面と該被検溶液との界面には電気
二重層が発生し、該電気二重層に起因する電位により変
調された前記ソースと前記ドレイン間に流れる電流を計
測して前記被検溶液のpH値を知るものである。ここで
被検溶液のpH値と前記電気二重層電位との関係はネル
ンストの式により与えられ、その変化量はpH変化1に
つき常温で59mVである。
尚測定時に前記FETセンサの被検溶液に浸された部分
は全て絶縁性の被膜でおおわれている必要があることは
言うまでも無く、例えば基板11やアルミニウム17が
直接被検溶液と接触する様なことがあってはならない。
は全て絶縁性の被膜でおおわれている必要があることは
言うまでも無く、例えば基板11やアルミニウム17が
直接被検溶液と接触する様なことがあってはならない。
従って実際のFETセンサの構造と測定時の配置とを模
式的に示せば第2図の様になっている。
式的に示せば第2図の様になっている。
すなわち被検溶液20にはFETセンサのチャンネル領
域上の絶縁層(ゲート層)の窒化膜15が浸る様にFE
Tセンサを浸漬するが、該センサの一部は被検溶液でぬ
れることが無いようにしてあり、このぬれない領域で金
属17S、17B、17Dによる電気的接続をとる。
域上の絶縁層(ゲート層)の窒化膜15が浸る様にFE
Tセンサを浸漬するが、該センサの一部は被検溶液でぬ
れることが無いようにしてあり、このぬれない領域で金
属17S、17B、17Dによる電気的接続をとる。
そしてソース12と金属17Sより成るソース電極との
間は、またドレイン13と金属17Dより成るドレイン
電極との間はそれぞれ該ソースあるいはドレインと同型
の不純物拡散層(ここでは同型)21で電気的に接続さ
れており、いわば拡散層による配線がなされている。
間は、またドレイン13と金属17Dより成るドレイン
電極との間はそれぞれ該ソースあるいはドレインと同型
の不純物拡散層(ここでは同型)21で電気的に接続さ
れており、いわば拡散層による配線がなされている。
また被検溶液の電位はカロメル電極などの比較電極26
によって定められ、ソース、基板、ドレイン、比較電極
にはそれぞれ22.23.24.25の端子で適当な電
位が与えられる。
によって定められ、ソース、基板、ドレイン、比較電極
にはそれぞれ22.23.24.25の端子で適当な電
位が与えられる。
前述した様にソースとソース電極、ドレインとドレイン
電極の間は不純物拡散層による配線が行なわれているが
、その理由は、被検溶液との絶縁をフィールド酸化膜1
6などにより容易に確保できることにある。これに対し
て、アルミニウムの様な金属で配線することを考えると
、絶縁体層として比較的低温で扱える例えば有機高分子
膜などを用いることになるが、この様にして形成したF
ETセンサを被検溶液に浸すと、前記有機高分子膜のハ
ク離といった問題が発生する。
電極の間は不純物拡散層による配線が行なわれているが
、その理由は、被検溶液との絶縁をフィールド酸化膜1
6などにより容易に確保できることにある。これに対し
て、アルミニウムの様な金属で配線することを考えると
、絶縁体層として比較的低温で扱える例えば有機高分子
膜などを用いることになるが、この様にして形成したF
ETセンサを被検溶液に浸すと、前記有機高分子膜のハ
ク離といった問題が発生する。
従って、前記の不純物拡散層を配線として用いなければ
ならないが通常のFETセンサの該配線長は10mm程
度あり仮に該拡散層の幅を100μm、深さを10μm
、不純物濃度を10”cm ’としても配線抵抗は5に
Ωとかなり大きな値となる。そして、この様に大きな配
線抵抗が避げられないため、FETセンサを用いる測定
では種々の制約、例えば該配線抵抗での電圧降下の補正
などが必要となり一実用上の障害となっていた。この障
害を除去することが本発明の目的である。
ならないが通常のFETセンサの該配線長は10mm程
度あり仮に該拡散層の幅を100μm、深さを10μm
、不純物濃度を10”cm ’としても配線抵抗は5に
Ωとかなり大きな値となる。そして、この様に大きな配
線抵抗が避げられないため、FETセンサを用いる測定
では種々の制約、例えば該配線抵抗での電圧降下の補正
などが必要となり一実用上の障害となっていた。この障
害を除去することが本発明の目的である。
第3図には本発明によるFETセンサの構造を模式的に
示した。ここでは従来型のFETセンサの第2図との比
較の意味から測定時のFETセンサの配置も示してあり
、共通する部分については同一の番号が記入されている
。
示した。ここでは従来型のFETセンサの第2図との比
較の意味から測定時のFETセンサの配置も示してあり
、共通する部分については同一の番号が記入されている
。
ここで両者の異なる点は従来の不純物拡散層21により
ソース12あるいはドレイン13からの配線がなされそ
の表面を絶縁体層であるフィールド酸化膜16が被って
いたのに対し、本発明ではモリブデン−シリコンあるい
はタングステン−シリコンの様な金属シリサイド31に
よる配線がなされ、該シリサイドを酸化してできる酸化
シリコン層32が絶縁体層を形成していることである。
ソース12あるいはドレイン13からの配線がなされそ
の表面を絶縁体層であるフィールド酸化膜16が被って
いたのに対し、本発明ではモリブデン−シリコンあるい
はタングステン−シリコンの様な金属シリサイド31に
よる配線がなされ、該シリサイドを酸化してできる酸化
シリコン層32が絶縁体層を形成していることである。
通詣金属シリサイドの比抵抗値は金属単体のものより1
桁程度大きいが、それでもシリコンへの不純物拡散を行
なった時の比抵抗値の10−1〜10−2と小さく、本
発明を用いることで従来のFETセンサで問題となって
いた配線抵抗の値を数十〜数百Ωとすることができる。
桁程度大きいが、それでもシリコンへの不純物拡散を行
なった時の比抵抗値の10−1〜10−2と小さく、本
発明を用いることで従来のFETセンサで問題となって
いた配線抵抗の値を数十〜数百Ωとすることができる。
しかも、金属シリサイドは酸化により絶縁体層を容易に
形成できるので従来、シリコンを酸化してフィールド酸
化膜を成長させていたのとほぼ同じ製造工程をとること
ができる。この様に本発明により、従来の酸化による絶
縁体層形成という利点を失うことなく、FETセンサの
使用上の重大な問題点であった、ソースとソース電極、
ドレインとドレイン電極との間の配線抵抗を大幅に減す
ることができた。
形成できるので従来、シリコンを酸化してフィールド酸
化膜を成長させていたのとほぼ同じ製造工程をとること
ができる。この様に本発明により、従来の酸化による絶
縁体層形成という利点を失うことなく、FETセンサの
使用上の重大な問題点であった、ソースとソース電極、
ドレインとドレイン電極との間の配線抵抗を大幅に減す
ることができた。
本発明を適用とするFETセンサとして、これまでにp
Hセンサを例に説明を行ったが、他のFETセンサにも
同様に有効である。この場合、FETセンサのゲート層
を構成する前記絶縁体層と前記化学物質感応層とは何れ
も複数の薄層の積層構造であっても構わない。
Hセンサを例に説明を行ったが、他のFETセンサにも
同様に有効である。この場合、FETセンサのゲート層
を構成する前記絶縁体層と前記化学物質感応層とは何れ
も複数の薄層の積層構造であっても構わない。
例えば、該絶縁体層が酸化シリコンと窒化シリコンの複
合積層となっていて、該複合積層上に該化学物質感応層
としてNAS(ナトリウムアルミノシリケート)ガラス
(Na”、I(土用センサ)、パリノマイシン含有pv
c (ポリ塩化ビニル)膜(K”用センサ)、リン酸エ
ステルのカルシウム塩含有PVC膜(Ca2+用センサ
)等の選択的イオン感応層の何れかを設けたものでもよ
い。
合積層となっていて、該複合積層上に該化学物質感応層
としてNAS(ナトリウムアルミノシリケート)ガラス
(Na”、I(土用センサ)、パリノマイシン含有pv
c (ポリ塩化ビニル)膜(K”用センサ)、リン酸エ
ステルのカルシウム塩含有PVC膜(Ca2+用センサ
)等の選択的イオン感応層の何れかを設けたものでもよ
い。
更に該選択的イオン感応層に換えて、抗原あるいは抗体
を固定した高分子膜を設け、免疫反応により生化学物質
を測定するものでもよい。
を固定した高分子膜を設け、免疫反応により生化学物質
を測定するものでもよい。
更にまた、前記化学物質感応層の構造として、前記選択
的イオン感応層の上に、酵素あるいは微生物を有機高分
子膜中に固定した膜を設けたものでもよい。この場合、
これら酵素や微生物の触媒作用により、被検溶液中の特
定の化学物質が化学変化を起こし、この時前記選択的イ
オン感応層が検知しつるイオン種が生成する様に酵素や
微生物を選択すれば、前記特定の化学物質用センサとな
る。
的イオン感応層の上に、酵素あるいは微生物を有機高分
子膜中に固定した膜を設けたものでもよい。この場合、
これら酵素や微生物の触媒作用により、被検溶液中の特
定の化学物質が化学変化を起こし、この時前記選択的イ
オン感応層が検知しつるイオン種が生成する様に酵素や
微生物を選択すれば、前記特定の化学物質用センサとな
る。
これまでの説明では全てシリコン基板を用いたものであ
ったが、絶縁体基板上に半導体層を持つ例えばSOS
(シリコン・オン・サファイア)基板を用いても本発明
の効果はいささかも減じるものではない。むしろ− F
ETセンサとしては該絶縁体基板を用いた方が、被検溶
液中での絶縁性が優れ有利である。
ったが、絶縁体基板上に半導体層を持つ例えばSOS
(シリコン・オン・サファイア)基板を用いても本発明
の効果はいささかも減じるものではない。むしろ− F
ETセンサとしては該絶縁体基板を用いた方が、被検溶
液中での絶縁性が優れ有利である。
以上、本発明によればFETセンサの被検溶液との絶縁
性を損うことなく、配線抵抗を減じることができ、FE
Tセンサの実用という見地から、極めて効果が大きい。
性を損うことなく、配線抵抗を減じることができ、FE
Tセンサの実用という見地から、極めて効果が大きい。
第1図はFETセンサの基本構造の断面図、第2図、第
3図はそれぞれ従来と本発明のFETセンサについての
構造と測定の配置とを示す断面図である。 11・・・・・・シリコン基板、 12・・・・・・ソース、13・・・・・・ドレイン。 14.16.32・・・・・・絶縁体層、15・・・・
・・化学物質感応層、 21・・・・・・不純物拡散層配線、 第3図
3図はそれぞれ従来と本発明のFETセンサについての
構造と測定の配置とを示す断面図である。 11・・・・・・シリコン基板、 12・・・・・・ソース、13・・・・・・ドレイン。 14.16.32・・・・・・絶縁体層、15・・・・
・・化学物質感応層、 21・・・・・・不純物拡散層配線、 第3図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (11半導体に形成されたソース領域およびドレイン領
域と前記2つの領域の間のチャンネル領域上に少なくと
も絶縁体層、化学物質感応層の順で形成されたゲート層
とを有し、該ゲート層の表面が接した溶液中にある化学
物質を検知する化学物質感応性電界効果屋トランジスタ
において、該トランジスタのソース領域およびドレイン
領域とソース電極およびドレイン電極との間をそれぞれ
金属シリサイド配線で接続することを特徴とする電界効
果型半導体化学センサ。 (2)化学物質感応性電界効果型トランジスタは絶縁体
基板上に形成された半導体層からなるトランジスタであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の電界効
果型半導体化学センサ。 (3) 化学物質感応性電界効果型トランジスタは、
イオン感応性電界効果型トランジスタであることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の電界効果型半導体化
学センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP58083754A JPS59208450A (ja) | 1983-05-13 | 1983-05-13 | 電界効果型半導体化学センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP58083754A JPS59208450A (ja) | 1983-05-13 | 1983-05-13 | 電界効果型半導体化学センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS59208450A true JPS59208450A (ja) | 1984-11-26 |
Family
ID=13811325
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP58083754A Pending JPS59208450A (ja) | 1983-05-13 | 1983-05-13 | 電界効果型半導体化学センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS59208450A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7256498B2 (en) | 2004-03-23 | 2007-08-14 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Resistance-reduced semiconductor device and methods for fabricating the same |
KR20200017428A (ko) * | 2017-06-22 | 2020-02-18 | 유니버시타 디글리 스투디 디 바리 알도 모로 | 전계 효과 트랜지스터 센서(a field-effect transistor sensor) |
-
1983
- 1983-05-13 JP JP58083754A patent/JPS59208450A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7256498B2 (en) | 2004-03-23 | 2007-08-14 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Resistance-reduced semiconductor device and methods for fabricating the same |
KR20200017428A (ko) * | 2017-06-22 | 2020-02-18 | 유니버시타 디글리 스투디 디 바리 알도 모로 | 전계 효과 트랜지스터 센서(a field-effect transistor sensor) |
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