JPS6073353A - 化学ｆｅｔセンサ - Google Patents
化学ｆｅｔセンサInfo
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- JPS6073353A JPS6073353A JP58180235A JP18023583A JPS6073353A JP S6073353 A JPS6073353 A JP S6073353A JP 58180235 A JP58180235 A JP 58180235A JP 18023583 A JP18023583 A JP 18023583A JP S6073353 A JPS6073353 A JP S6073353A
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- JP
- Japan
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- chemical
- sensor
- oxide film
- film
- chemical fet
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- Pending
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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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- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (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】
〔発明の利用分野〕
本発明は血液成分分析装置用センサなど、試料溶液中の
化学物質の濃度を測定するための化学センサに関する。
化学物質の濃度を測定するための化学センサに関する。
同一の半導体基板上に化学ＦＥＴセンサとＭＯＳＦＥＴ
を形成してその差動増幅をとったものに［Ａ、ＨＡＥｌ
ｖｉＭＥＲＬＩ ａｎｄ Ｊ、ＪＡＮＡＴＡ。
を形成してその差動増幅をとったものに［Ａ、ＨＡＥｌ
ｖｉＭＥＲＬＩ ａｎｄ Ｊ、ＪＡＮＡＴＡ。
Ａｎａｌ、 Ｃｈｉｍｃａ、、 Ａｃｔａ、 １４４（
１９８２） １１５−１２１Ｊがある。 これはノイズ
の削減及び温度補償という点が改善されたものであるが
、回路の出力が被測定物質の濃度変化によって起こる界
面電位変化にリニヤでない。また回路もオペアンプを多
く使用している等の欠点があった。
１９８２） １１５−１２１Ｊがある。 これはノイズ
の削減及び温度補償という点が改善されたものであるが
、回路の出力が被測定物質の濃度変化によって起こる界
面電位変化にリニヤでない。また回路もオペアンプを多
く使用している等の欠点があった。
本発明の目的は、化学ＦＥＴセンザから得られる信号を
処理する回路を化学ＦＥＴセンサと一諸に同一半導体基
板上に形成することにより、出力の温度補償及び微弱な
界面電位変化の増幅を可能とする素子構成を提供するこ
とにある。
処理する回路を化学ＦＥＴセンサと一諸に同一半導体基
板上に形成することにより、出力の温度補償及び微弱な
界面電位変化の増幅を可能とする素子構成を提供するこ
とにある。
血液検査などにおける化学量の測定では広い測定範囲は
心安とならない。たとえばｐＨはｐ）１６〜８程度の測
定ができれば十分であり、むしろ狭い範囲での分解能が
高いセンサを特徴とする特許こで化学Ｆ Ｅ ’ｌ”セ
ンサの出力を増幅して出力するためにＭＯ８ＦＥＴ構成
による差動増幅回路の入力側の一方を化学ＦＥＴに置き
換える方法を採用することとした。ここでＭＯＳＦＥＴ
と化学ＦＥＴとの動作特性を同じようにするには、ゲー
ト部分の寸法を変化させればよいことが分った。
心安とならない。たとえばｐＨはｐ）１６〜８程度の測
定ができれば十分であり、むしろ狭い範囲での分解能が
高いセンサを特徴とする特許こで化学Ｆ Ｅ ’ｌ”セ
ンサの出力を増幅して出力するためにＭＯ８ＦＥＴ構成
による差動増幅回路の入力側の一方を化学ＦＥＴに置き
換える方法を採用することとした。ここでＭＯＳＦＥＴ
と化学ＦＥＴとの動作特性を同じようにするには、ゲー
ト部分の寸法を変化させればよいことが分った。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ｐ形
Ｓｉ基板上に形成した化学ＦＥＴセンザ及びＭＯＳＦＥ
Ｔの素子の断面を示したのが第１図である。ｐ形Ｓ１基
板１上に化学ＦｇＴセンザとＭｏ５Ｐ″ＥＴを分離して
形成するためｐ膨拡散層３及び分離部分だけに酸化膜５
を厚く形成するＬＯＣＯ８（Ｌｏｃａｌ ０ｘｉｄｉｚ
ａｔｉｏｎ ｏｆ ５ｉｌｉｃｏｎ ）により素子分離
をおこなった。ＭＯＳＦＥＴのゲート電極をｐｏｌｙ−
８ｉゲート電極６とし、さらにＭ ＯＳ Ｆ’ Ｅ Ｔ
どうしまたはＭＯＳＦＥＴと化学ＦＥＴセンザとの電気
的継続をｐｏｌｙ−８ｉ配線４によりおこなった。各素
子ともソース・ドレインがｎ＋拡散層２よりなるｎチャ
ンネルＦ’ Ｅ Ｔなのでりんをドープしたｐｏｌｙ−
８ｉを使用した。図の右側の素子の化学ＦＥＴセンザの
ゲート部分は、第一層目に酸化膜５を６００人、第二層
目に耐水絶縁膜としてのＳｉ３Ｎ４膜７を６００人、
第三層目にここではｐＨ応答する感応膜としてＴａ２０
５膜８を１０００λとした。図の左側の素子のＭＯＳＦ
ＥＴでは第一層中にｐｏｌｙ−８ｉよりなるゲート電極
を形成してあり、ゲート電極とＳｉ基板♂にはさまれた
酸化膜の厚みを６００人とした。
Ｓｉ基板上に形成した化学ＦＥＴセンザ及びＭＯＳＦＥ
Ｔの素子の断面を示したのが第１図である。ｐ形Ｓ１基
板１上に化学ＦｇＴセンザとＭｏ５Ｐ″ＥＴを分離して
形成するためｐ膨拡散層３及び分離部分だけに酸化膜５
を厚く形成するＬＯＣＯ８（Ｌｏｃａｌ ０ｘｉｄｉｚ
ａｔｉｏｎ ｏｆ ５ｉｌｉｃｏｎ ）により素子分離
をおこなった。ＭＯＳＦＥＴのゲート電極をｐｏｌｙ−
８ｉゲート電極６とし、さらにＭ ＯＳ Ｆ’ Ｅ Ｔ
どうしまたはＭＯＳＦＥＴと化学ＦＥＴセンザとの電気
的継続をｐｏｌｙ−８ｉ配線４によりおこなった。各素
子ともソース・ドレインがｎ＋拡散層２よりなるｎチャ
ンネルＦ’ Ｅ Ｔなのでりんをドープしたｐｏｌｙ−
８ｉを使用した。図の右側の素子の化学ＦＥＴセンザの
ゲート部分は、第一層目に酸化膜５を６００人、第二層
目に耐水絶縁膜としてのＳｉ３Ｎ４膜７を６００人、
第三層目にここではｐＨ応答する感応膜としてＴａ２０
５膜８を１０００λとした。図の左側の素子のＭＯＳＦ
ＥＴでは第一層中にｐｏｌｙ−８ｉよりなるゲート電極
を形成してあり、ゲート電極とＳｉ基板♂にはさまれた
酸化膜の厚みを６００人とした。
この素子構造により、ｐＨ測定用化学ＦＥＴセンサとＭ
ＯＳＦＥＴによって構成した差動増幅回路を第２図に示
す。この回路はゲート電圧が零のときドレイン電流が流
れないエンハンスメント形のＮＭＯ８によって構成され
た差動増幅回路であり％ Ｑ、とＱ２がダイナミック負
荷用ＭＯ８ＦＥＴで％ Ｑ３とＱ４が増幅用であるが、
Ｑ３だけ化学ＦＥＴセンサとしている。ＭＯＳＦＥＴの
電圧−電流特性は一般に ＶＤ８＜ Ｖ。５−ＶＴ’Ｔ： ２ Ｉ、−βＣ（ＶＯ２’Ｔ ） ＶＤＩｌ ２ｖＤ８ ）
・・・・・・（１）式 ％式％ ■ ＝ゲート・ソース間電位。
ＯＳＦＥＴによって構成した差動増幅回路を第２図に示
す。この回路はゲート電圧が零のときドレイン電流が流
れないエンハンスメント形のＮＭＯ８によって構成され
た差動増幅回路であり％ Ｑ、とＱ２がダイナミック負
荷用ＭＯ８ＦＥＴで％ Ｑ３とＱ４が増幅用であるが、
Ｑ３だけ化学ＦＥＴセンサとしている。ＭＯＳＦＥＴの
電圧−電流特性は一般に ＶＤ８＜ Ｖ。５−ＶＴ’Ｔ： ２ Ｉ、−βＣ（ＶＯ２’Ｔ ） ＶＤＩｌ ２ｖＤ８ ）
・・・・・・（１）式 ％式％ ■ ＝ゲート・ソース間電位。
８
ｖＴニジきい値電圧。
■ｏ８： ドレイン・ソース間電圧
ここで■ゎを表現するパラメータβは
μＳ：表面移動度
Ｃ：単位面積あたりのゲート容量
Ｗ ：チャンネルの幅
Ｌ ：チャンネルの長さ
である。
ここでこの回路構成において差動増幅特性をもたせるた
めにはＱ工とＱ２のβ値は等しく、Ｑ３とＱ４のβ値も
等しくなるように設計するがＱ３とＱ４においてはＱ３
は化学ＦＥＴセンサでＱ４はＭＯＳＦＥＴであるので、
第１図に示したように単位面積あたりのゲート容量Ｃは
ゲート部分の構造が違うため異なる値をもつ。ＭＯ８Ｆ
Ｅ”ｒでは酸化膜だけであるが、ｐＨ測定用化学ＦＥＴ
センサでは酸化膜、Ｓｉ３Ｎ４膜、及びＴａ２Ｏ，膜が
容量成分となる。このためＱ３とＱ４の及値を同じにす
るためには２通りありＱ３々Ｑ４の単位面積あたりのゲ
ート容量を等しくするが、またはＷ／Ｌの寸法を変化さ
せればよい。実際、容量を等しくするためにはＱ３とＱ
４のゲート下の酸化膜の厚さを変化させなければならな
いので、後者のＷ／Ｌを変化さぜたほうが、素子製造の
点では容易である。
めにはＱ工とＱ２のβ値は等しく、Ｑ３とＱ４のβ値も
等しくなるように設計するがＱ３とＱ４においてはＱ３
は化学ＦＥＴセンサでＱ４はＭＯＳＦＥＴであるので、
第１図に示したように単位面積あたりのゲート容量Ｃは
ゲート部分の構造が違うため異なる値をもつ。ＭＯ８Ｆ
Ｅ”ｒでは酸化膜だけであるが、ｐＨ測定用化学ＦＥＴ
センサでは酸化膜、Ｓｉ３Ｎ４膜、及びＴａ２Ｏ，膜が
容量成分となる。このためＱ３とＱ４の及値を同じにす
るためには２通りありＱ３々Ｑ４の単位面積あたりのゲ
ート容量を等しくするが、またはＷ／Ｌの寸法を変化さ
せればよい。実際、容量を等しくするためにはＱ３とＱ
４のゲート下の酸化膜の厚さを変化させなければならな
いので、後者のＷ／Ｌを変化さぜたほうが、素子製造の
点では容易である。
本実施例では、ＭＯ８ＦＥＩ：Ｔのゲート酸化膜の厚み
及びｐＨ測定用化学ＦＥＴセンサのゲート部分の酸化膜
の厚みを６００人、５１３Ｎ４膜の厚みを６００人、Ｔ
ａ２０５膜の厚みを１０００人としたので、Ｗ／Ｌをそ
れぞれＱｏ、Ｑ２では３、Ｑ３を５４、Ｑ４を３０、Ｑ
５、Ｑ７は６、Ｑ６を１２として設計した。ここで＋Ｖ
＝ ７．５ Ｖ−Ｖ、ｃ−ＯＶ。
及びｐＨ測定用化学ＦＥＴセンサのゲート部分の酸化膜
の厚みを６００人、５１３Ｎ４膜の厚みを６００人、Ｔ
ａ２０５膜の厚みを１０００人としたので、Ｗ／Ｌをそ
れぞれＱｏ、Ｑ２では３、Ｑ３を５４、Ｑ４を３０、Ｑ
５、Ｑ７は６、Ｑ６を１２として設計した。ここで＋Ｖ
＝ ７．５ Ｖ−Ｖ、ｃ−ＯＶ。
Ｄ
イー■８＝４０Ｖ１ ＋ＶＢ−４，ＯＶとして、コ（Ｄ
センサチップを各種のｐ）ｌ値からなる被測定溶液に
接触させ、参照電極の電位を、この増幅動作領域にもっ
てきて一定電位にしたのち、ｐＨ値の測定をおこなった
結果を第３図に示す。センサ出力としてｐＨ７付近では
７８ｍＶ／ｐＨが得られ、ネルンストの理論式より得ら
れる界面電位変化５８ｍＶ／ｐｌｔ（（２０°Ｃ）がこ
の差動増幅回路により約１．４倍増幅されて得られた。
センサチップを各種のｐ）ｌ値からなる被測定溶液に
接触させ、参照電極の電位を、この増幅動作領域にもっ
てきて一定電位にしたのち、ｐＨ値の測定をおこなった
結果を第３図に示す。センサ出力としてｐＨ７付近では
７８ｍＶ／ｐＨが得られ、ネルンストの理論式より得ら
れる界面電位変化５８ｍＶ／ｐｌｔ（（２０°Ｃ）がこ
の差動増幅回路により約１．４倍増幅されて得られた。
次に被測定溶液の温度変化に対するセンサの出力変化を
第４図に示す。温度２０′Ｏのききｐ Ｈ７，２のトリ
ス−１（Ｃ／緩衝液を使用した。温度１°０につき０．
２８ｍＶの変化がありセンサの増幅度が１．４倍である
ので１°Ｃあたり人力′屯田が０．２ ｒｎ Ｖの変化
であり、これはネルンストの理論式より得られる界面電
位の温度変化にほぼ等しい。このことよりセンサの温間
補償がなされていることが分った。
第４図に示す。温度２０′Ｏのききｐ Ｈ７，２のトリ
ス−１（Ｃ／緩衝液を使用した。温度１°０につき０．
２８ｍＶの変化がありセンサの増幅度が１．４倍である
ので１°Ｃあたり人力′屯田が０．２ ｒｎ Ｖの変化
であり、これはネルンストの理論式より得られる界面電
位の温度変化にほぼ等しい。このことよりセンサの温間
補償がなされていることが分った。
本発明によれば、従来の化学ＦＥＴセンサに比べ出力が
′東圧値として読みとれ、かつセンサのイオン感応膜で
の界面電位変化を増幅すること力Ｓできるので、測定精
度をあげることができた。溶液の温ｉｆ化による素子動
作の変化も補償できるため界面゛電位の温度変化を検出
できる効果がある。
′東圧値として読みとれ、かつセンサのイオン感応膜で
の界面電位変化を増幅すること力Ｓできるので、測定精
度をあげることができた。溶液の温ｉｆ化による素子動
作の変化も補償できるため界面゛電位の温度変化を検出
できる効果がある。
第１図は化学ＦＥＴセンサとＭＯＳＦＥＴを１句−Ｓ
ｉ基板上に形成したセンサチップの断面図、第２図は化
学ＦＥＴセンサとＭＯＳＦＥＴによって構成された差動
増幅回路、第３図は測定溶液のｐＨ値変化に対する第２
図の回路の出力変化を示した図、第４図は測定溶液の温
度変化に対する第２図の回路の出力変化を示した図であ
る。 １・・・ｐ形Ｓｉ基板、２・・・ｎ＋拡散層、３・・・
ｐ拡散層、４・・ｐｏｌｙ−３ｉ配線、５・・・酸化膜
、６・・・ｐｏｌｙ−８ｔゲート電極、 ７ ＝−Ｓｉ
３Ｎ４膜、８・、Ｔａ２Ｏ，膜。 第１図 １３図 業ケ図
ｉ基板上に形成したセンサチップの断面図、第２図は化
学ＦＥＴセンサとＭＯＳＦＥＴによって構成された差動
増幅回路、第３図は測定溶液のｐＨ値変化に対する第２
図の回路の出力変化を示した図、第４図は測定溶液の温
度変化に対する第２図の回路の出力変化を示した図であ
る。 １・・・ｐ形Ｓｉ基板、２・・・ｎ＋拡散層、３・・・
ｐ拡散層、４・・ｐｏｌｙ−３ｉ配線、５・・・酸化膜
、６・・・ｐｏｌｙ−８ｔゲート電極、 ７ ＝−Ｓｉ
３Ｎ４膜、８・、Ｔａ２Ｏ，膜。 第１図 １３図 業ケ図
Claims (1)
- １、同一半導体基板にＭＯＳＦＥＴと化学ＦＥＴセンサ
とを構成する差動増幅形ＦＥＴ化学センサにおいて、前
記化学ＦＥＴセンサのゲート部分に形成されている全て
の絶縁膜による単位面積当りの静電容量をＣＩ、チャン
ネル長をＬｌ チャンネル幅をＷとしたときのＣＩＷ／
Ｌの値を、前記一方のＭＯ８ＦＦＥＴのゲート電極すＳ
ｉの間にはさまれた酸化膜の単位面積当りの静電容屋Ｃ
３ｘ１チャンネル長１１チャンネル幅ＷからなるＣ３ｘ
Ｗ／ｌの値とほぼ等しくすることを特徴とする化学Ｆ
Ｅ Ｔセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58180235A JPS6073353A (ja) | 1983-09-30 | 1983-09-30 | 化学ｆｅｔセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58180235A JPS6073353A (ja) | 1983-09-30 | 1983-09-30 | 化学ｆｅｔセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6073353A true JPS6073353A (ja) | 1985-04-25 |
Family
ID=16079731
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58180235A Pending JPS6073353A (ja) | 1983-09-30 | 1983-09-30 | 化学ｆｅｔセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6073353A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01201152A (ja) * | 1988-02-05 | 1989-08-14 | Seitai Kinou Riyou Kagakuhin Shinseizou Gijutsu Kenkyu Kumiai | 差動型半導体化学センサ |
-
1983
- 1983-09-30 JP JP58180235A patent/JPS6073353A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01201152A (ja) * | 1988-02-05 | 1989-08-14 | Seitai Kinou Riyou Kagakuhin Shinseizou Gijutsu Kenkyu Kumiai | 差動型半導体化学センサ |
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