KR100199928B1 - Semiconductor chemical sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차동형 반도체 화학센서에 관한 것으로, 특히 측정용액(50)과의 접촉면을 갖는 반도체 기판전극(60)과, 이 반도체 기판전극(60)과 p-n접합에 의하여 절연 분리되어 있으며 측정용액(50)중의 특정한 이온 또는 생체물질의 농도변화에만 감응하는 ISFET(10)와, 상기 반도체 기판전극(60)과는 p-n접합에 의하여 절연 분리되어 있으며 상기 ISFET(10)에 감응되는 특정한 이온 또는 생체물질의 농도변화에 감응하지 않는 REFET(20)와, 상기 ISFET(10)와 REFET(20)의 출력을 증폭하는 증폭기(OP1)(OP2)와, 이 증폭기(OP1)(OP2)의 출력을 차동 증폭하는 차동증폭기(OP3)로 구성되어, 상용기준전극을 반도체 전극으로 대체함으로서 센서를 소형화 할수 있을 뿐만 아니라 불안정한 동작특성을 개선하는 차동형 반도체 화학센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a differential semiconductor chemical sensor, and more particularly, to a semiconductor substrate electrode 60 having a contact surface with the measurement solution 50, and insulated and separated by the pn junction with the semiconductor substrate electrode 60. The ISFET 10 is sensitive only to a change in concentration of a specific ion or biomaterial and the semiconductor substrate electrode 60 is insulated and separated by a pn junction, and the specific ion or biomaterial is sensitive to the ISFET 10. The REFET 20 which is not sensitive to the change in density, the amplifier OP1 (OP2) for amplifying the outputs of the ISFET 10 and the REFET 20, and the differential amplification of the outputs of the amplifier OP1 (OP2). It is composed of a differential amplifier (OP3), and by replacing the commercial reference electrode with a semiconductor electrode relates to a differential type semiconductor chemical sensor that can not only miniaturize the sensor but also improve the unstable operating characteristics.
Description
제1도는 본 발명에 의한 반도체 화학센서의 구조 단면도.1 is a structural cross-sectional view of a semiconductor chemical sensor according to the present invention.
제2도은 제1도의 등가회로도.2 is an equivalent circuit diagram of FIG.
제3도은 본발명의 구성회로도.3 is a structural circuit diagram of the present invention.
제4도는 본 발명의일시시예인 차동형 반도체 수소이온농도센서의 특성을 나타낸 선도.4 is a diagram showing the characteristics of a differential semiconductor hydrogen ion concentration sensor as one example of the present invention.
제5도는 차동형 반도체 수소이온농도센서의 시간의 변화에 다른 안정도를 나타낸 선도.5 is a diagram showing the stability of the differential semiconductor hydrogen ion concentration sensor with the change of time.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : ISFET 10 : REFET10: ISFET 10: REFET
30,30' : 감지막 40,40' : 전기절연측30,30 ': Sensor film 40,40': Electrical insulation side
50 : 측정용액 60 : 기판전극50 measurement solution 60 substrate electrode
70,70' : 정전류회로 D1,D2 : 다이오드70,70 ': Constant current circuit D1, D2: Diode
OP1~OP3 : 선형증폭기OP1 ~ OP3: Linear Amplifier
본 발명은 차동형 반도체 화학센서에 관한 것으로, 특히 이온감지 전계효과 트랜지스터(ISFET)와 기준 전계효과 트랜지스터(REFET)의 몸체부를 기판과 p-n접합하여 절연 분리하고 상기 전계효과 트랜지스터(ISFET)(REFET)의 출력을 차동증폭함으로써 상용기준전극을 반도체 전극으로 대체할 수 있어 센서를 소형화할 뿐만 아니라 불안정한 동작 특성이 개선된 차동형 반도체 화학센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a differential semiconductor chemical sensor, and in particular, to isolate and isolate a body portion of an ion sensing field effect transistor (ISFET) and a reference field effect transistor (REFET) from a substrate by pn junction. By differentially amplifying the output, it is possible to replace the commercial reference electrode with a semiconductor electrode, and to provide a miniaturized sensor and a differential semiconductor chemical sensor with improved unstable operation characteristics.
일반적으로, 이온감지 전계효과 트랜지스터(ISFET)는 측정용액내의 특정물질에만 감응하는 감지막을 적절히 선택함으로서 H+,Na+,K+등의각종 이온 뿐만아니라 포도당, 요소질소와 같은 생체내 물질의 농도를 측정하는 센서로 사용할 수 있다.In general, an ion sensing field effect transistor (ISFET) selects a sensing membrane that is sensitive only to a specific substance in a measurement solution, and thus the concentration of in vivo substances such as glucose and urea nitrogen as well as various ions such as H + , Na + , and K + . It can be used as a sensor to measure.
그러나, 상기와 같은 이온감지 전계효과 트랜지스터(ISFET)를 센서로 사용하기 위해서는 감이온 게이트를 제외한 나머지 부분이 측정용액에 접촉되지 않도록 보호막을 형성하여야 하는데 종래에는 이러한 보호막을 수작업을 통해 형성하였다.However, in order to use the above-described ion-sensing field effect transistor (ISFET) as a sensor, a protective film must be formed such that the rest of the gate except for the ion ion gate does not come into contact with the measurement solution.
따라서, 보호막을 형성하기 위하여 많은 시간과 숙달된 기술이 요구되고 또한, 완벽한 절연이 어려워 안정된 동작특성을 얻을 수 없었다.Therefore, a lot of time and skill is required to form a protective film, and perfect insulation is difficult, and thus stable operation characteristics cannot be obtained.
또한, ISFET칩(Chip)의 크기는 소형이나 기준전극은 반도체화되지 않아 반도체센서로서의 장점을 얻을수 없었다.In addition, although the size of the ISFET chip is small, the reference electrode is not semiconductorized, and thus, the advantages of the semiconductor sensor cannot be obtained.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 이온감지 전계효과 트렌지스터(ISFET)와 기준 전계효과 트랜지스터(REFET)의 몸체부를 기판과 p-n접합하여 절연 분리하고 상기 전계효과 트랜지스터(ISFET)(REFET)의 출력을 차동 증폭하여 상용기준전극을 반도체 전극으로 대체할 수 있는 차동형 반도체 화학센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the body portion of the ion sensing field effect transistor (ISFET) and the reference field effect transistor (REFET) is insulated and separated from the substrate by pn junction and the field effect transistor (ISFET) It is an object of the present invention to provide a differential semiconductor chemical sensor capable of differentially amplifying the output of a REFET to replace a commercial reference electrode with a semiconductor electrode.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 측정용액과의 접촉면을 갖는 반도체 기판전극과, 이 반도체 기판전극과 p-n접합에 의하여 절연 분리되며 측정용액중의 특정한 이온 또는 생체물질의 농도 변화에만 감응하는 ISFET와, 상기 반도체 기판전극과는 p-n접합에 의하여 절연 분리되며 상기 ISFET에 감응되는 특정한 이온 또는 생체물질의 농도변화에 감응하지 않는 REFET와, 상기 ISFET와REFET 의 출력을 증폭하는 증폭기와, 이 증폭기의 출력을 차동 증폭하는 차동증폭기로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate electrode having a contact surface with a measurement solution, and is insulated and separated by a pn junction with the semiconductor substrate electrode and responds only to a change in the concentration of a specific ion or biological material in the measurement solution. An ISFET, an REFET that is insulated from the semiconductor substrate electrode by a pn junction, and which does not respond to changes in the concentration of specific ions or biomaterials sensitive to the ISFET, an amplifier that amplifies the outputs of the ISFET and the REFET; It is characterized by consisting of a differential amplifier for differential amplifying the output of the amplifier.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명에 의한 반도체 화학센서칩의 단면구조를 나타낸 것으로, n형 반도체 기판위에 전계효과 트랜지스터(ISFET)(10)(REFET)(20)의 몸체부 즉, p영역(p-well)을 형성하고, 상기 n형 반도체 기판과 전계효과 트랜지스터(ISFET)(REFET)의 몸체부(p-well)사이에 전기절연층(40)(40')을 형성하도록 구성되어 있다.1 shows a cross-sectional structure of a semiconductor chemical sensor chip according to the present invention, wherein a body portion of an field effect transistor (ISFET) 10 (REFET) 20, that is, a p region (p-well), is formed on an n-type semiconductor substrate. And an electrical insulating layer 40 (40 ') between the n-type semiconductor substrate and the p-well of the field effect transistor (ISFET) (REFET).
상기의 경우는 n형 반도체 기판을 이용한 경우를 나타내었는데, p형 반도체 기판을 사용하는 경우에는 제1도의 n을 p로, p를 n으로 치환하면 된다.In the above case, an n-type semiconductor substrate is used. In the case of using a p-type semiconductor substrate, n in FIG. 1 may be replaced by p and p by n.
그리고, n+,p+는 각각 불손물 농도가 높은 n 및 p영역을 나타내고, 도면번호 1은 ISFET(10)의 P영역 전극(p+)과 소오스 전극(n+)을 결함한 단자이며, 2는 ISFET(10)의 드레인 전극단자이고, 3은 REFET(20)의 드레인 전극단자이며, 4는 REFET(20)의 P영역 전극(p+)과 소오스 전극(n+)을 결하반 단자이며, 5는 기판전극 단자이다.And n + and p + each represent n and p regions having a high fluoride concentration, and reference numeral 1 is a terminal in which the P region electrode p + and the source electrode n + of the ISFET 10 are defective. 2 is a drain electrode terminal of the ISFET 10, 3 is a drain electrode terminal of the REFET 20, 4 is a half-half terminal between the P region electrode p + and the source electrode n + of the REFET 20; And 5 are substrate electrode terminals.
제2도는 제1도의 등가회로를 나타낸 것이다.2 shows an equivalent circuit of FIG.
제3도는 본 발명의 구성을 나타낸 것으로 본 발명은, 측정용액(50)과의 접촉면을 갖는 반도체 기판전극(60)과, 이 반도체 기판전극(60)과 p-n접합에 의하여 절연 분리되며 측정용액(50)중의 특정한 이온 또는 생체물질의 농도변화에만 감응하는 ISFET(10)와, 상기 반도체 기판전극(60)과는 p-n접합에 의하여 절연 분리되며 상기 ISFET(10)에 감응되는 특정한 이온 또는 생체물질의 농도변화에 감응하지 않는 REFET(20)와, 상기 ISFET(10)와 REFET(20)의 출력을 증폭하는 증폭기(OP1)(OP2)와, 이 증폭기(OP1)(OP2)의 출력을 차동증폭하는 차동증폭기(OP3)로 구성되어 있다.3 shows a configuration of the present invention, in which the semiconductor substrate electrode 60 having a contact surface with the measurement solution 50 is insulated and separated by pn junction with the semiconductor substrate electrode 60. The ISFET 10 which responds only to a change in the concentration of a particular ion or biomaterial in 50 and the semiconductor substrate electrode 60 are separated from each other by pn junction and are separated from the specific ion or biomaterial that is sensitive to the ISFET 10. REFET 20 which is not sensitive to changes in concentration, amplifiers OP1 and OP2 that amplify the outputs of the ISFETs 10 and REFET 20, and differentially amplify the outputs of the amplifiers OP1 and OP2. It consists of a differential amplifier (OP3).
다음에는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.Next will be described the operation and effect of the present invention having the configuration as described above.
ISFET(10)와 REFET(20)의 소오스-드레인간에는 정전류회로(70)(70')에 의하여 항상 일정한 크기의 전류가 흐르고 이에 따라 상기 소오스-드레인간에는 일정한 전기전도도를 유지한다.The constant current flows constantly between the source and drain of the ISFET 10 and the REFET 20 by the constant current circuits 70 and 70 ', thereby maintaining a constant electrical conductivity between the source and the drain.
그러나, ISFET(10)의 감지막(30)이 용액중의 특정물질에 감응하면 소오스-드레인간의 전기전도도를 변화시키고 한편, REFET(20)의 감지막(30')은 상기 물질에 감응하지 않으므로 이 REFET(20)의 소오스-드레인간에는 일정한 전기전도도를 유지한다.However, if the sensing film 30 of the ISFET 10 is sensitive to a specific material in solution, the electrical conductivity between the source and drain is changed, while the sensing film 30 'of the REFET 20 is not sensitive to the material. A constant electrical conductivity is maintained between the source and the drain of the REFET 20.
상기와 같이 전기전도도가 변하면 이러한 변화는 전압의 변화로 나타나고, 이 전압은 증폭기(OP1)(OP2)에 의해 증폭된 후 다시 차동증폭기(OP3)에 의해 차동증폭되어 순수한 이온 또는 생체물질 농도만의 함수로 나타나 용액내의 이온 또는 생체물질 농도를 측정할 수 있다.As described above, when the electrical conductivity changes, this change appears as a change in voltage, which is amplified by the amplifiers OP1 and OP2, and then differentially amplified by the differential amplifier OP3 to obtain only pure ion or biomaterial concentrations. It can be expressed as a function to determine the concentration of ions or biomaterials in a solution.
한편, 불안정 요소들, 예를 들어 기판전극(60)과 측정요액(50)간의 액계면 전위의 변화와 측정용액(50)의 온도변화, 측정용액중에서의 전계효과 트랜지스터(ISFET)(REFET)의 문턱전압(Threshold Voltage)의 변화등은 ISFET(10)와 REFET(20)에 동일한 영향을 미치나 차동증폭을 통해 이 불안정한 요소들은 상쇄되어 감지막(30)(30')을 통해 선택된 물질의 용액중 농도만이 선택적으로 증폭되어 출력됨에 따라 용액내의 이온 또는 생체물질 농도를 측정할 수 있다.On the other hand, unstable elements, for example, the change of the liquid interface potential between the substrate electrode 60 and the measuring liquid 50, the temperature change of the measuring solution 50, and the field effect transistor (ISFET) (REFET) in the measuring solution. The change in the threshold voltage has the same effect on the ISFET 10 and the REFET 20, but through the differential amplification these unstable elements are canceled out in the solution of the selected material through the sensing film 30, 30 '. As the concentration is selectively amplified and output, the concentration of ions or biomaterials in the solution can be measured.
제4도는 본 발명에 의한 차동형 반도체 화학센서의 일실시예인 차동형반도체 수소이온농도센서의 특성을 나타낸 선도로, 드레인-소오스간의 전압(Vds)은 3V이고 전류(Ids)는 120이며 기준전극으로 n형 반도체 기판 전극을 사용하고 감지막(30')으로는 Si3N4막과 수화겔막 및 엑폭시막의 3층 구조를 사용하였다. ISFET(10)와 REFET(20)의 출력은 수소이온 농도의 변화에 따라 불안정한 특성을 보이나 그 차동출력은 직선성을 나타내고 있으며 그 감도는 56/pH로 이상적인 값과 근사하다.4 is a diagram showing the characteristics of a differential semiconductor hydrogen ion concentration sensor, which is an embodiment of a differential semiconductor chemical sensor according to the present invention. The voltage Vds between the drain and the source is 3V and the current Ids is 120. The n-type semiconductor substrate electrode was used as the reference electrode, and the three-layer structure of the Si 3 N 4 film, the hydrogel film, and the epoxy film was used as the sensing film 30 '. The outputs of ISFET 10 and REFET 20 show unstable characteristics according to the change of hydrogen ion concentration, but the differential output shows linearity and the sensitivity is 56 / pH approximates the ideal value
제5도는 본 발명에 의한 차동형 반도체 화학센서의 일실시예인 차동형 반도체 수소이온농도센서의 시간의 변화에 다른 특성을 타나낸 것으로, pH 7.00용액속에서 드레인-소오스간의 전압(Vds)은 3V이고 전류(Ids)는 120이며 기준전극으로 n형 반도체 기판전극을 사용하였다. pH 7.00의 용액속에 센서를 넣으면 3~4분동안 ISFET(10)와 REFET(20)의 출력이 급격히 상승한 후 30분 까지는 서서히 감소한다.FIG. 5 shows another characteristic of the time difference of the differential semiconductor hydrogen ion concentration sensor, which is an embodiment of the differential semiconductor chemical sensor according to the present invention. In the pH 7.00 solution, the drain-source voltage (Vds) is 3V and the current is (Ids) is 120 The n-type semiconductor substrate electrode was used as the reference electrode. When the sensor is placed in a solution of pH 7.00, the output of the ISFET 10 and the REFET 20 rapidly increases for 3 to 4 minutes, and then gradually decreases until 30 minutes.
그러나, 상기 ISFET(10)와 REFET(20)의 차동출력은 처음부터 pH7.00을 가리키고 있으며 30분까지의 변동은0.01pH미만으로 안정된 특성을 보인다.However, the differential outputs of the ISFET 10 and the REFET 20 point to pH7.00 from the beginning and the variation up to 30 minutes Less than 0.01pH shows stable properties.
상기의 실시예는 이온센서의 경우를 설명하였으나 감지막(30)으로 Si3N4와 요소기질고정화 막의 2중 구조를, 감지막(30')으로 Si3N4의 단층구조를 사용하면 차동형 반도체 요소질소센서로 사용할 수 있으며, 이와 같이 감지막(30)(30')을 적절히 선택함에 따라 다른 이온들은 물론 생체물질의 농도 측정센서로 사용할 수 있다.The above embodiment has been described in the case of the ion sensor, but if the dual structure of Si 3 N 4 and urea substrate fixing film as the sensing film 30, and the single layer structure of Si 3 N 4 as the sensing film 30 'is differential It can be used as a semiconductor urea nitrogen sensor, and according to the appropriate selection of the detection film (30, 30 ') can be used as a sensor for measuring the concentration of the biological material as well as other ions.
상기와 같이 본 발명은 이온감지 전계효과 트랜지스터(ISFET)와 기준 전계효과 트랜지스터(REFET)의 몸체부를 기판과 p-n접합하여 절연 분리하고 상기 전계효과 트랜지스터(ISFET)(REFET)의 출력을 차동 증폭함으로써 상용 기준전극을 반도체 전극으로 대체할 수 있어 정밀한 농도측정을 할 수 있고, 불안정한 동작 특성을 개선하며, 센서를 소형화할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention is commercially available by separating and separating the body parts of an ion sensing field effect transistor (ISFET) and a reference field effect transistor (REFET) from a substrate by pn junction and differentially amplifying the output of the field effect transistor (ISFET) (REFET). Since the reference electrode can be replaced by a semiconductor electrode, accurate concentration measurement can be performed, unstable operation characteristics can be improved, and the sensor can be miniaturized.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019940005119A KR100199928B1 (en) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | Semiconductor chemical sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1019940005119A KR100199928B1 (en) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | Semiconductor chemical sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR100199928B1 true KR100199928B1 (en) | 1999-06-15 |
Family
ID=19378922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019940005119A KR100199928B1 (en) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | Semiconductor chemical sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100199928B1 (en) |
-
1994
- 1994-03-15 KR KR1019940005119A patent/KR100199928B1/en not_active IP Right Cessation
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