JPS6089744A - 液体中のイオンを選択的に測定する装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、液体中のイオンを選択的に測定する測定装置
に、より詳細には、該測定装置のイオンセンサを保護す
るための保護装置に関する。

測定装置は、イオン感知型電界効果トランジスタ（ＩＳ
　ＦＥＴないしはイオン感知型ＦＥＴ　）の形態の、化
学的に選択性のイオンセンサ、参照電極及び増幅器を含
む測定回路を備えている。

イオン感知型電界効果トランジスタ（ＩＳ　ＦＥＴ）を
使用した液体中のイオンを測定する装置は、従来から知
られている（例えば米国特許第４０２０８３０号参照）
。この測定装置は、液中のイオン活性を選択的に測定す
るために液中に浸漬されたイオン感知型電界効果トラン
ジスタ及び測定回路を備えている。いろいろのイオン活
性例えば声＋　ＰＫ　＋　ｐＮａを測定するために、い
ろいろのイオン感知型電界効果トランジスタが使用され
る。

この測定装置において、イオン感知型電界効果トランジ
スタを使用することは、特に医学及び生物医学の分野に
おいてイオンを測定するうえに有用なことがわかってい
るが、この有用さは実際には制限される。この点につい
て、イオン感知型電界効果トランジスタのデート絶縁部
の表面とその下方の主要部（バルク部分）との間に生ず
る電圧は、ダート絶縁部に電界を発生させ、この電界は
、イオン感知型電界効果トランジスタの動作に影響する
。

外部からの影響によって発生する電界が最大値を超過し
た場合、ダート絶縁域に誘電降伏を生じ、イオン感知型
電界効果トランジスタが破壊される。ダート絶縁部が多
層系（例えば５ｔ０２−３ｔ５Ｎ４又は５ｉＯ２−Ａｔ
２０３の組合せ）から成る場合には、異常に強い電界に
よって、別の効果、即ちイオン感知型電界効果トランジ
スタの閾値の偏移を生ずる。この偏移は恒久的であるか
、又は短時間後に単に修正される。この場合測定装置は
、較正が不正確になるため、恒久的又は一時的に不調に
なる。

そのため、前記電界の成立を阻止し、またその電界によ
って測定装置の較正が乱れることを防止するために、な
んらかの形の保護構造又は保護回路を設けることが望ま
しい。なお電界は、電気外科装置、心臓デフイブリレー
ション装置。

誘導素子のオンオフによる電磁作用、並びに、イオン感
知型電界効果トランジスタセンサの製造中又は測定装置
の使用中に生ずる静電圧に基づく外部的な影響ないしは
効果によって生ずる。

従って、高電圧による損傷からイオン感知型電界効果ト
ランジスタセンサを保護するための処置を取ることが従
来から提案されている（例えば１９８２年６月、米国ユ
タ大学、ローズマリー・スミスの論文”　Ｉｏｎ　５ｅ
ｎｓｉｔｉｖｅ　Ｆ、Ｅ、Ｔ、　ｗｉｔｈＰｏｌｙｓｉ
ｌｉｃｏｎ　Ｇａｔｅｓ”参照）。この論文は、イオン
感知型電界効果トランジスタのソース電極にツェナーダ
イオード又はＭＯ８型電界効果トランジスタを介し接続
された導電性ポリ７リコン層をダート絶縁部に適用する
ことを教示している。、ｆｆ　＋７シリコン層は、検査
するべき液と接触されるイオン感知性の材料層を備えて
いる。しかしこの保護装置によれば、イオン活性の急速
な変化のみをモニタする場合にしかセンサを適用できな
いことがわかっている。

金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯ８型ＦＥ
Ｔ　）を含む、ＭＯ８型ＦＥＴ用保護回路もこれまでに
提案されている（例えば米国特許第４−０８６６４２号
参照）。

電子回路保護用のシリコンＰＮ接合サージ電流抑止装置
も提案されている（英国特許第２０６０２５５号参照）
。しかしイオン感知型ＦＥＴは、ＭＯ８型ＦＥＴとは異
なって、保護素子を接続し得る金属ケ゛−ト電極を備え
ていない。

発明の概要 本発明による測定装置は、外部的外影響又は効果又はイ
オン感知型ＦＥＴを含む測定回路に対するその影響を実
質的に完全に消去し得るように接続され構成された保護
装置を有し、この保護装置は、普通の作動条件の下では
、イオン感知型ＦＥＴのふるまいに対して有害な効果を
もたない。

本発明により、イオン感知型電界効果トランジスタの形
態の化学感知型イオンセンサ、参照電極及び増幅器を含
む測定回路を有する液体中のイオンを選択的に測定する
測定装置において、該測定回路が、低インーーダンス接
点を介し該液に接続された少くとも１つの電極を含む保
護装置に接続されており、該少くとも１つの電極は、高
電圧に対し低インピーダンスを示し低電圧に対し高抵抗
を示す保護要素によって、該イオン感知型電界効果トラ
ンジスタに接続されていることを特徴とする測定装置が
提供される。

また、本発明により、イオン感知型電界効果トランジス
タのダート領域の可及的に近くにこれから隔てられた電
極を形成したことを特徴とするイオン感知型電界効果ト
ランジスタチップも提供される。

次に図面を参照して説明すると、第１図において、測定
回路１０は、本発明の教示に従って形成された測定装置
１４（第１図、第２図、第３図）のための保護装置１２
を備えている。

測定回路１０は、イオン感知型電界効果トランジスタセ
ンサ即ちイオン感知型ＦＥＴセンサ１６を有し、センサ
１６のドレーン１８は、増幅器２２０１つの入力部２０
に接続されており、ソース２４は増幅器２２の別の入力
部２６に接続されている。増幅器２２の出力部２８から
は、液３０（例えば血液）中のイオン濃度を表わす出力
信号が送出される。

測定回路１０は更に、参照電極３２を有し、この参照電
極は、液３０に参照電圧を印加してケ゛−ト領域３４を
増幅器２２に電気的に接続し、ＭＯ８型電界効果トラン
ジスタを使用する場合と同様に、センサ１６のドレーン
・ソース電流Ｉｎｓを制御可能とする。センサ１６の受
ける電圧は、センサ１６が特定的に感知する液３０中の
イオンの活性に依存する部分と、外部から印加される電
圧ｖＲｆｌとから成っている。イオン濃度の変化はドレ
ーン・ソース電流を変化させる。

ドレーン・ソース電流のこの変化は、外部から印加され
る電圧ｖＲＢの調節によって補償される。

イオンの活性と発生電圧との関係は既知である。

従って、イオン濃度の変化は、電圧ｖＲＢの修正分から
計算できる。増幅器２２は、ドレーン。

ソース電流を常時測定し、この電流を一定に保つように
、この電流値の変化について電圧ｖＲＲを修正する。増
幅器２２の出力電圧は、電圧ｖＲＢの変化に比例する。

本発明の教示に従って、保護回路４０が、ソース２４と
液３０との間に結合されており、第１保護回路４４を介
しソース２４に接続された第１電極４２と、第２保護回
路４８を介しソース２４に接続された第２電極４６とを
有し、これらは共に、低電圧に対し高抵抗を示すと共に
、高電圧に対し低インピーダンスを示す。

本発明の教示に従って、第１電極４２は好ましくは金属
例えば血液との適合性の良いステンレス鋼、又はチタン
からできている。即ち第１電極４２は、センサ１６と参
照電極３２とを検査すべき液３０に浸漬させた時に液３
０との低インピーダンスの接触を与えるに足シる表面積
を有し血液との適合性の良い導電性の材料からできてい
るべきである。

第１電極４２は、例えば電気外科装置を使用した場合に
生ずる高い交流電圧からセンサ１６を保護するために用
いられる。このために第１電極４２はダイオード５０．
２個の逆極性の直列ダイオード即ちバッキングダイオー
ド５１゜５２及び（又は）　ＭＯ８型電界効果トランジ
スタ５４（例えばセンサ１６の動作範囲外において導通
する）、ツェナーダイオード又はアバランシュダイオー
ド、測定回路に対し高閾値電圧を有するＭＯ８型電界効
果トランジスタ、及び（又は）コンデンサ５６のような
、保護回路４４内の１以上の保護要素によって、ソース
２４に接続されている。第１電極４２は、保護要素とし
て用いられる機械的スイッチ５８によってソース２４に
接続してもよい。もちろん前記保護素子５０〜５８は、
センサ１６のソース２４に低インピーダンス接続された
他の接点例えばドレン１８又はバルク接点３６に接続し
てもよい。

第２電極４６は導電性フォーク、ストリ、ゾ又はリング
、好ましくは、導電材料例えばアルミニウム又は、Ｊ？
　ＩＪシリコン製のリング６２（第３図）の形態として
もよく、このり゛ングは、センサ１６のダート領域３４
の回シに適用され、保護回路４８内の１以上の保護素子
例えばダイオード６４．２個の逆極性の直列ダイオード
６５．６６及び（又は）例えばセンサ１６の動作領域外
において導通するＭＯ８型電界効果トランジスタ６８、
ツェナーダイオード又はアバライシュダイオード、又は
測定回路１ｏに対する高閾値電圧を有するＭＯ３型電界
効果トランジスタによシ結合されている。

第２電極４６は、図示したように、センサ１６のダート
領域３４に可及的に近く配置されている。

本発明の教示に従った保護素子の選定は、センサ１６の
動作領域内に存゛雀し得るいがなる漏洩電流も、漏洩電
流とインピーダンスとの積に等しい基準電極電位の偏移
を生ずるという条件に基づいてなされる。この偏移は、
センサ１６の受ける電圧に寄与し、従って測定精度に負
の効果をもち、漏洩電流が承認可能な限界を超過し、例
えば１０　ｎＡよシ大きくなった場合には、その測定は
認容できなくなる。従ってセンサ１６の動作領域内にお
いて、前記保護素子を通過し得る直流電流は、認容可能
な限界値よりも低い値とするべきである。

本発明の教示に従って使用するべきダイオード５０．５
１．５２．６４．６５．６６又はセンサ１６の動作領域
外において導通するＭＯ３型電界効果トランジスタ５４
．６８は、損傷を生ずる効果が発現される電圧よシも低
い降伏電圧を有しておシ、測定回路１０にこのように接
続された第２電極４６は、センサ１６の製造中又はその
使用時に起こシ得る静電圧からセンサ１６を保護する。

電気外科処置が行なわれているのと同時に測定装置１４
が使用される場合には、測定装置１４の参照電極３２、
液３０、電極４６、ダイオード６４及び（又は）ダイオ
ード６８、センサ１６及び増幅器２２によって形成され
た回路を通って直流の脈流が流れることがあり得る。

この電流は、参照電極３２の電位に影響すると共に、ク
ーロタ）　ＩＪ効果も生ずるため、測定すべき液３０の
ＰＨに影響する。この問題は、測定装置１４の回路への
第２電極４６を、２個の逆極性の直列ダイオード６５．
６６に接続することによって克服される。保護回路４４
の場合も同様である。

更に、保護素子がダイオード６４、ＭＯ３型電界効果ト
ランジスタ６８及び（又は）ダイオード６５．６６であ
る場合、これらの素子は、第１電極４２及び第２電極４
６と組合せて使用してよく、またイオン感知型ＦＥＴの
チップ上に配設することができる。

コンデンサ５６の選択に際しては、スジリアス交流電圧
（例えば電気外科手術の際に加えられる電圧）の周波数
に対してインピーダンスが十分に低くなるように、コン
デンサ５６のキャｔＪ？シタンスを十分に高くすること
がたいせつである。このためには一般に１００　ｎＦ以
上のキャパシタンスとすることが好ましい。

所望ならばコンデンサ５６は増幅器２２に含めることが
できる。

機械的なスイッチ５８を使用する場合には、操作源から
付勢されて操作中付勢状態に保たれるリレースイッチ（
図示しない）をこの目的に使用することが好ましい。

一例として、本発明の教示に従う測定装置１４において
、第１電極４２がコンデンサ５６に接続され、第２電極
４６がダイオード６４、ＭＯ３型電界効果トランジスタ
６８及び（又は）ダイオード６５．６６に接続されるよ
うに、保護回路４０を構成することができる。

第２図に示すように、参照電極３２をチップ部分即ち先
端部分８２に取付けて、カテーテル８０の内部に測定装
置１４を取付けることができる。第１電極４２は、先端
部分８２の少し後方に隔てられた金属製リングとして形
成する。

このリング状の第１電極４２の表面積は約１　ｃｍ２と
し、これによって、カテーテル８０をその内部に浸漬さ
せるべき液３０（第１図）との低インピーダンス接触を
形成する。リング状の第１電極４２は、キャパシタンス
が１００　ｎＦのポリプロピレン製コンデンサ５６を介
して、イオン感知型ＦＥＴチップ９０　（ＩＳ　ＦＥＴ
チップ、第３図）に電気的に接続することができる。セ
ンサ１６は、リング状の電極４２の後方に配置されたカ
テーテル８０のハウジング部分８４内に、エポキシ樹脂
により収納され取付けられている。

カテーテル８０のハウジング部分８４内に取付は可能な
センサ１６を収納したチップ９０は、第３図に平面図に
よシ図示されている。チップ９０は、チップ９０の主要
部ないしはバルク９３内に拡散形成されたソース９１と
ドレーン９２とを含み、ソース・バルク接点要素２４．
３６及びドレーン接点要素１８を備えている。

保護電極即ち第２電極４６は、アルミリング６２によっ
て形成否れ−（このアルミリングは、チップ９０のバル
ク９３内に拡散形成された保護回路４８に電気的に接続
されている。第２電極４６／アルミリング６２は、チッ
プ９０上のケ゛−ト領域３４の回りに適用されている。

第４図のグラフにおいて、センサ１６のバルク３６に対
する参照電極３２の電圧ｖＲＢは横軸に、また電流は縦
軸に、それぞれグロットされ、Ｉ、はダイオード電流を
、また■Ｄ［ｌはドレーン・ソース電流を、それぞれ表
わしている。図の斜線部分は、センサ１６の動作域であ
る。またＡは、ダイオードの降伏点を、Ｂはその導通特
性をそれぞれ表わしている。

保護要素は前述したように、逆直列ないしは互に逆極性
に接続した２個のダイオード（５１゜５ｚ又は６５．６
６）の組合せとしてもよい。

これらのダイオードは、第５Ａ図に示すように接続した
２個のツェナーダイオード１０１．１０２又は第５Ｂ図
に示すように接続した２個のツェナーダイオード１０３
．１０４とすることができる。

これらの保護要素を用いた場合、第４図に示したダイオ
ード電流■。は、第４図に破線で示した曲線のように変
更される。

発明の効果 本発明の教示に従った保護回路４０は、生医学又は産業
において、例えばセンサ１６及び測定装置１４が電気外
科装置又は心臓のデフイブリレーション装置に用いられ
た場合に生じ得る操作電磁源からの影響ないしは外部作
用からの適切な保護を与える。この保護は、センサ１６
の製造中又は測定装置１４の使用中に起こり得る静電圧
の発生に対しても向けられる。更に、本発明に従う保護
回路４０によって供与される保護は、全ての形式のセン
サ１６のハウジング、例えばカテーテル先端センサ、フ
ローセル及ヒその他の形式のハウジングにも有効である
。

以上に説明し且つ図面に示した測定装置１４及びセンサ
１６のチップ９０は、本発明の範囲内で種々変更でき、
前述した特定の構成は、単なる例示であシ、本発明を限
定するものではない。

本発明により、イオン感知型ＦＥＴの形態の、化学−感
知型イオンセンサ、参照電極及び増幅器を含む測定回路
を備えた液体中のイオンを選択的に測定する測定装置が
提供される。測定回路は、低インピーダンス接点を介し
液体に接続された少くとも１つの電極を含む保護回路に
接続されており、この少くとも１つの電極は、高電圧に
対し低インピーダンスを示し低電圧に対し高抵抗を示す
保護要素によって、イオン感知型電界効果トランジスタ
に接続されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、液体中のイオンを測定するための本発明の教
示に従って形成された保護装置を含む測定装置の概略回
路図、 第２図は第１図に略示されたセンサを取付けた測定装置
の一実施例を示す斜視図、 第３図は本発明の測定装置に特に使用するようにした保
護電極を含むＦｇＴチッゾの平面図、第４図は、本発明
の保護装置にダイオードを使用した場合において、保護
ダイオード及びイオン感知型ＦＥＴセンサに流れる電流
を示す電流対電圧線図、 第５Ａ図および第５Ｂ図は、本発明の保護装置の一部と
なシ得る逆直列ダイオード即ち互に逆極性の２個のダイ
オードの直列接続回路の概略回路図である。 １０・・測定装置 １２・・・保護装置 １６・・・センサ（イオン感知型電界効果トランジスタ
）２２・・・増幅器 ３０・・・液体 ３２・・・参照電極 ４２．４６・・・電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　イオン感知型電界効果トランジスタの形態の化学
   感知型イオンセンサ、参照電極及び増幅器を含む測定回
   路を有する液体中のイオンを選択的に測定する装置にお
   いて、該測定回路は、低インピーダンス接点を介し該液
   体に接続された少くとも１つの電極を含む保護装置に接
   続されており、該少くとも１つの電極は、高電圧に対し
   低インピーダンスを示し低電圧に対し高抵抗を示す保護
   要素によって、該イオン感知型電界効果トランジスタに
   接続されていることを特徴とする液体中のイオンを選択
   的に測定する装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の測定装置において、該
   保護装置は第１電極を有し、該第１電極は、測定装置を
   検査すべき液中に浸漬させた時にこの液と低インピーダ
   ンス接触され、前記保護装置は更に、前記イオン感知型
   電界効果トランジスタのダートに可及的に近く配置され
   た第２電極を有し、該第１及び第２電極は、対応する保
   護素子を介し該イオン感知型電界効果トランジスタの低
   インピーダンス接点に各々接続されたことを特徴とする
   測定装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載の測定装置において、第
   １電極は、導電材料からできており、測定装置を前記液
   中に浸漬させた時に検査するべき液との低インピーダン
   ス接触を形成するに足りる表面積を備えたことを特徴と
   する測定装置０ ４　特許請求の範囲第２項記載の測定装置において、第
   １電極は該測定回路に、ダイオード及び（又は）イオン
   感知型電界効果トランジスタの動作域外において導通す
   るＭＯ８型電界効果トランジスタによって、コンデンサ
   及び（又は）機械的スイッチによってイオン感知型電界
   効果型トランジスタのバルクに低インピーダンス接続さ
   れた接点に接続されたことを特徴とする特定装置。 ５．特許請求の範囲第２項記載の測定装置において、前
   記第２電極は、イオン感知型電界効果トランジスタ≧ゲ
   ート域の回シに適用された金属製リングの形態を有し、
   ダイオード及び（又は）イオン感知型電界効果トランジ
   スタの動作域外において導通するＭＯ８型電界効果トラ
   ンジスタによって該測定回路に接続されたことを特徴と
   する測定装置。 ６　特許請求の範囲第５項記載の測定装置において、前
   記第２電極は、逆直列即ち互に逆極性に接続された２個
   のダイオードによって該測定回路に接続されたことを特
   徴とする測定装置。 ７、特許請求の範囲第５項又は第６項記載の測定装置に
   おいて、１個以上のダイオード又はＭＯ３型電界効果ト
   ランジスタをイオン感知型電界効果トランジスタチップ
   上に配設したことを特徴とする測定装置。 ８、特許請求の範囲第４項記載の測定装置において、前
   記コンデンサはキヤ・ぐシタンスを約１００ｎＦ以上と
   したことを特徴とする測定装置。 ９、特許請求の範囲第４項記載の測定装置において、前
   記コンデンサは前記増幅器に含寸れることを特徴とする
   測定装置。 １０、特許請求の範囲第４項記載の測定装置において、
   前記機械的スイッチは、操作源により操作時間中付勢さ
   れるリレースイッチとして形成されていることを特徴と
   する測定装置。 １１、特許請求の範囲第４項記載の測定装置において、
   該第１電極は該コンデンサに接続され、該第２電極は、
   ダイオード及び（又は）　ＭＯ８型電界効果トランジス
   タに接続されたことを特徴とする測定装置。 １２、イオン感知型電界効果トランジスタのダート領域
   の可及的に近くにこれから隔てられた電極をチップ上に
   形成したことを特徴とするイオン感知型電界効果トラン
   ジスタチップ。 １３、特許請求の範囲第１２項記載のイオン感知型電界
   効果トランジスタチップにおいて、該電極は、イオン感
   知型電界効果トランジスタのケ゛−ト領域の回りに適用
   された金属リングの形態をとることを特徴とするイオン
   感知型電界′効果トランジスタチップ。 １４　特許請求の範囲第１２項記載のイオン感知型電界
   効果トランジスタチップにおいて、前記電極は、チップ
   上に配されたダイオード及び（又は）ＭＯ８型電界効果
   トランジスタに接続され、イオン感知型電界効果トラン
   ジスタの動作領域外において導通可能となっていること
   を特徴とするイオン感知型電界効果トランジスタチップ
   。 １５　特許請求の範囲第１４項記載のイオン感知型電界
   効果トランジスタチップにおいて、前記電極は、逆直列
   に、即ち互に極性が逆になるように接続された２個のダ
   イオードによってイオン感知型電界効果トランジスタに
   接続されていることを特徴とするイオン感知型電界効果
   トランジスタチップ。