TWI773731B - 離子濃度分布測定裝置 - Google Patents

離子濃度分布測定裝置 Download PDF

Info

Publication number
TWI773731B
TWI773731B TW107105188A TW107105188A TWI773731B TW I773731 B TWI773731 B TW I773731B TW 107105188 A TW107105188 A TW 107105188A TW 107105188 A TW107105188 A TW 107105188A TW I773731 B TWI773731 B TW I773731B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
ion concentration
unit
concentration distribution
distribution measuring
signal
Prior art date
Application number
TW107105188A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201831893A (zh
Inventor
澤田和明
山本洋夫
水野誠一郎
若森俊樹
Original Assignee
國立大學法人豐橋技術科學大學
日商濱松赫德尼古斯股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立大學法人豐橋技術科學大學, 日商濱松赫德尼古斯股份有限公司 filed Critical 國立大學法人豐橋技術科學大學
Publication of TW201831893A publication Critical patent/TW201831893A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI773731B publication Critical patent/TWI773731B/zh

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/227—Sensors changing capacitance upon adsorption or absorption of fluid components, e.g. electrolyte-insulator-semiconductor sensors, MOS capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

離子濃度分布測定裝置具備：單位檢測部10m,n ，其輸出與離子濃度相應之量之電荷；及積分電路20n ，其輸出與自單位檢測部輸出之電荷之量相應之信號值。單位檢測部10m,n 包含：MOS電晶體11、離子感應部12、第1電容部13及傳送用開關14。積分電路20n 包含：放大器21、第2電容部22及重設用開關23。藉此可實現不易受雜訊之影響之離子濃度分布測定裝置。

Description

離子濃度分布測定裝置
本發明係關於一種測定離子濃度之分布之裝置。
作為測定溶液中之離子濃度之離子感測器，已知有使用離子感應性場效電晶體(ISFET：Ion Sensitive Field Effect Transistor)之感測器。該離子感測器包含具有由離子感應膜覆蓋之閘極電極之FET。該離子感測器根據藉由溶液中之離子活度產生之離子感應膜之表面電位控制FET之汲極與源極之間之電流，藉由檢測該電流值而可測定離子濃度。
又，在專利文獻1、2及非專利文獻1中，記載了排列有分別檢測離子濃度之複數個單位檢測部之離子濃度分布測定裝置(離子影像感測器)。各單位檢測部包含具有供離子感應膜電性連接之閘極電極的MOS電晶體。該離子濃度分布測定裝置使與離子感應膜之表面電位相應之量之電荷在各單位檢測部產生，藉由檢測與該電荷量相應之電壓值而可測定離子濃度分布。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2016/114202號
[專利文獻2]國際公開第2016/147798號
[非專利文獻]
[非專利文獻1]S. Watanabe et al., "Realized pH Imaging with 1.15μM Pitch by New Structure 2Tr.Type Sensor", APCOT2016, 3d.5, pp.135-136
專利文獻1、2及非專利文獻1所記載之離子濃度分布測定裝置與ISFET相比具有更優異之特性。然而，根據本發明人之見解，該離子濃度分布測定裝置具有容易受雜訊之影響之問題點。
本發明係為了解決上述問題點而完成者，其目的在於提供一種不易受雜訊之影響之離子濃度分布測定裝置。
本發明之離子濃度分布測定裝置具備：檢測部，其在半導體基板上一維狀或二維狀地排列有分別輸出與離子濃度相應之量之電荷的複數個單位檢測部而形成；及信號處理部，其包含輸出與自單位檢測部輸出之電荷之量相應之信號值的1個或2個以上之積分電路。
單位檢測部包含：(1)MOS電晶體，其具有第1電極、第2電極及閘極電極；(2)離子感應部，其與MOS電晶體之閘極電極電性連接，而對閘極電極供予與離子濃度相應之電位；(3)第1電容部，其設置於MOS電晶體之第2電極與基準電位輸入端子之間，蓄積與閘極電極之電位相應之量之電荷；(4)傳送用開關，其具有第1端及第2端，第1端與MOS電晶體之第2電極電性連接，且將蓄積於第1電容部之電荷自第2端輸出。又，MOS電晶體之第1電極及第2電極中，一個為汲極電極，另一個為源極電極。
積分電路包含：(1)放大器，其具有：輸入自複數個單位檢測部中任一個單位檢測部輸出之電荷之第1輸入端子，供輸入基準電位之第2輸入端 子，及輸出信號值之輸出端子；(2)第2電容部，其設置於放大器之第1輸入端子與輸出端子之間，蓄積輸入至放大器之第1輸入端子之電荷；(3)重設用開關，其相對於第2電容部並聯設置，而重設第2電容部之電荷蓄積。積分電路將與蓄積於第2電容部之電荷之量相應之信號值從放大器之輸出端子輸出。
本發明之離子濃度分布測定裝置不易受雜訊之影響，而可高精度地測定離子濃度分布。
1A:濃度分布測定裝置
1B:濃度分布測定裝置
1C:濃度分布測定裝置
2A:檢測部
2B:檢測部
2C:檢測部
3A:信號處理部
3B:信號處理部
3C:信號處理部
4A:控制部
4B:控制部
4C:控制部
101,1~10M,N:單位檢測部
10m,n:單位檢測部
11:MOS電晶體
12:離子感應部
13:第1電容部/電容部
14:傳送用開關
201~20N:積分電路
20n:積分電路
21:放大器
22:第2電容部/電容部
23:重設用開關
301~30N:累積電路
30n:累積電路
31:放大器
32:電容部
33:重設用開關
34:電容部
35:開關
36:開關
37:開關
38:開關
401~40N:開關
101:P型半導體基板
111:N+型區域
112:N+型區域
113:N+型區域
121:絕緣膜
131:閘極電極
132:閘極電極
141:絕緣層
151:導電材
152:導電材
153:導電材
A:電位
hold:保持
ID(m):信號
inp:電位(基準電位)/信號
out:輸出
out 1:輸出1
out 2:輸出2
read:讀出
reset:重設
reset 2:重設2
sel:信號
t1~t7:時刻
TG(m):信號
圖1係顯示第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之整體構成之圖。
圖2係顯示第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之單位檢測部10m,n及積分電路20n之電路構成例之圖。
圖3係示意性地顯示各單位檢測部10m,n之剖面構成例之圖。
圖4係顯示第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之單位檢測部10m,n及積分電路20n之動作例之時序圖。
圖5係顯示模擬第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之單位檢測部10m,n及積分電路20n之動作之結果之圖。
圖6係顯示第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B之整體構成之圖。
圖7係顯示第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B之單位檢測部10m,n及積分電路20n之電路構成例之圖。
圖8係顯示第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B之單位檢測部 10m,n及積分電路20n之動作例之時序圖。
圖9係顯示第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C之整體構成之圖。
圖10係顯示第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C之單位檢測部10m,n、積分電路20n及累積電路30n之電路構成例之圖。
圖11係顯示模擬第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C之單位檢測部10m,n、積分電路20n及累積電路30n之動作之結果之圖。
以下，參照附圖，針對用於實施本發明之形態進行詳細地說明。並且，在圖式之說明中對相同的要素標註相同之符號，並省略重複之說明。本發明並不限定於該等之例示。
(第1實施形態)
圖1係顯示第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之整體構成之圖。離子濃度分布測定裝置1A具備：檢測部2A、信號處理部3A及控制部4A。檢測部2A形成於半導體基板上。較佳者係在該半導體基板上亦形成信號處理部3A，又，較佳者係除此以外還形成控制部4A。
檢測部2A包含M×N個單位檢測部101,1~10M,N。M×N個單位檢測部101,1~10M,N具有共通之構成，二維排列成M列N行。各單位檢測部10m,n位於第m列第n行。各單位檢測部10m,n基於從控制部4A供予之ID(m)信號及TG(m)信號而動作，將與離子濃度相應之量之電荷朝信號處理部3A輸出。又，M及N為2以上之整數，m為1以上M以下之各整數，n為1以上N以下之各整數。
信號處理部3A包含N個積分電路201~20N及N個開關401~40N。N個積 分電路201~20N具有共通之構成。各積分電路20n與檢測部2A之第n行之M個單位檢測部101,n~10M,n連接。各積分電路20n基於從控制部4A供予之reset(重設)信號而動作，輸入分別自第n行之M個單位檢測部101,n~10M,n依次輸出之電荷並蓄積，且輸出與該蓄積電荷量相應之信號值。
各開關40n連接於積分電路20n之輸出端子，基於從控制部4A供予之sel(n)信號而動作。N個開關401~40N藉由依次成為導通狀態，而將分別從N個積分電路201~20N輸出之信號值依次朝共通之輸出線輸出。
控制部4A控制檢測部2A及信號處理部3A各自之動作。控制部4A輸出用於控制檢測部2A之各單位檢測部10m,n之動作之ID(m)信號及TG(m)信號。又，控制部4A輸出用於控制信號處理部3A之各積分電路20n之動作之reset信號，且輸出用於控制信號處理部3A之各開關40n之動作之sel(n)信號。
圖2係顯示第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之單位檢測部10m,n及積分電路20n之電路構成例之圖。在該圖中，代表性地顯示M×N個單位檢測部101,1~10M,N之中第m列第n行之單位檢測部10m,n，且，代表性地顯示N個積分電路201~20N之中連接於單位檢測部10m,n之積分電路20n。
各單位檢測部10m,n包含：MOS電晶體11、離子感應部12、電容部(第1電容部)13及傳送用開關14。
MOS電晶體11係例如NMOS電晶體，具有汲極電極(第1電極)、源極電極(第2電極)及閘極電極。MOS電晶體11之汲極電極輸入從控制部4A供予之ID(m)信號。
離子感應部12與MOS電晶體11之閘極電極電性連接，對該閘極電極供予與離子濃度相應之電位。作為離子感應部12係使用例如Si3N4或Ta2O5 等。離子感應部12較佳者係覆蓋MOS電晶體11及傳送用開關14之二者或任一者之至少一部分，該情形下可減小半導體基板上之各單位檢測部10m,n之配置面積。
電容部13設置於MOS電晶體11之源極電極與基準電位輸入端子(例如接地電位輸入端子)之間，蓄積與MOS電晶體11之閘極電極之電位相應之量之電荷。電容部13較佳者為寄生電容，該情形下可減小半導體基板上之各單位檢測部10m,n之配置面積。又，電容部13可為有目的地製作者，例如若為MIM(Metal-Oxide-Metal，金屬-氧化物-金屬)電容，則可減小半導體基板上之各單位檢測部10m,n之配置面積。
傳送用開關14具有第1端及第2端。傳送用開關14之第1端與MOS電晶體11之源極電極電性連接。傳送用開關14基於從控制部4A供予之TG(m)信號而動作。各單位檢測部10m,n之傳送用開關14在導通狀態時，將蓄積於電容部13之電荷自第2端朝積分電路20n輸出。傳送用開關14可由例如NMOS電晶體構成。
又，以下將MOS電晶體11之源極電極之電位，亦即傳送用開關14之第1端之電位稱為A電位。該A電位成為與蓄積於電容部13之電荷之量相應者。
各積分電路20n包含：放大器21、電容部(第2電容部)22及重設用開關23，具有電容反饋跨阻抗放大器(CTIA：Capacitive Trans-Impedance Amplifier，電容跨阻抗放大器)之構成。各積分電路20n將與蓄積於電容部22之電荷之量相應之信號值，從放大器21之輸出端子輸出。
放大器21具有反轉輸入端子(第1輸入端子)、非反轉輸入端子(第2輸入端子)及輸出端子。各積分電路20n之放大器21之反轉輸入端子，輸入自 單位檢測部10m,n之傳送用開關14輸出之電荷。放大器21之非反轉輸入端子則輸入inp電位(基準電位)。放大器21之輸出端子，輸出out(輸出)信號。
電容部22設置於放大器21之反轉輸入端子與輸出端子之間，蓄積被輸入至放大器21之反轉輸入端子之電荷。重設用開關23相對於電容部22並聯設置。重設用開關23基於從控制部4A供予之reset信號而動作。在重設用開關23為導通狀態時，重設電容部22之電荷蓄積。在重設用開關23為關閉狀態時，電容部22能夠進行電荷蓄積。
圖3係示意性地顯示各單位檢測部10m,n之剖面構成例之圖。如該圖所示般，在P型半導體基板101之一個主面上形成有N+型區域111~113，在該等之上形成有絕緣膜121，進而在絕緣膜121之上形成有閘極電極131、132。N+型區域112之寄生電容被用作電容部13。
閘極電極131位於N+型區域111與N+型區域112之間，由該等構成MOS電晶體11。N+型區域111從控制部4A被供予ID(m)信號。
閘極電極132位於N+型區域112與N+型區域113之間，由該等構成傳送用開關14。閘極電極132從控制部4A被供予TG(m)信號。N+型區域113與積分電路20n電性連接。
在該等之上形成有絕緣層141，在該絕緣層141之上形成有膜狀之離子感應部12。離子感應部12與閘極電極131藉由導電材151~153彼此電性連接。
圖4係顯示第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之單位檢測部10m,n及積分電路20n之動作例之時序圖。在該圖中，顯示M×N個單位檢測部101,1~10M,N中之第m列第n行之單位檢測部10m,n、及N個積分電路 201~20N中之積分電路20n之動作例。
又，在該圖中，自上而下順次顯示有：對單位檢測部10m,n之傳送用開關14供予之TG(m)信號、對積分電路20n之重設用開關23供予之reset信號、對單位檢測部10m,n之MOS電晶體11之汲極電極供予之ID(m)信號、單位檢測部10m,n之MOS電晶體11之源極電極之A電位、及自積分電路20n之放大器21之輸出端子輸出之out信號。
時刻t1前為重設期間。時刻t1前之reset信號為H位準，在積分電路20n中，重設用開關23為導通狀態，電容部22之電荷蓄積被初始化，且out信號成為初始值。又，由於傳送用開關14為導通狀態，且因放大器21之反轉輸入端子與非反轉輸入端子具有虛短路之關係，因此A電位被重設為inp電位位準。
時刻t1~t2之期間為待機期間。當在時刻t1而reset信號變為L位準時，在積分電路20n中，重設用開關23成為關閉狀態，而電容部22能夠進行電荷蓄積。TG(m)信號為H位準，ID(m)信號為inp電位位準，A電位為inp電位位準之原樣不發生變化，且out信號為初始值之原樣。其後即便TG(m)信號變為L位準，該out信號仍維持初始值之狀態。
時刻t2~t3之期間為電荷注入期間。由於TG(m)信號為L位準，傳送用開關14為關閉狀態，故out信號為初始值原樣。在時刻t2後之一定期間內，ID(m)信號成為接地電位位準，一定量之電荷注入電容部13。而後，當ID(m)信號返回inp電位位準時，A電位(亦即蓄積於電容部13之電荷之量)成為與MOS電晶體11之閘極電極之電位(亦即與離子感應部12相接之被測定對象之離子濃度)相應者。
時刻t3~t4之期間為電荷傳送期間。在時刻t3後之一定期間內，由於 TG(m)信號成為H位準，傳送用開關14為導通狀態，故蓄積於電容部13之電荷經由傳送用開關14被輸入至積分電路20n，且蓄積於積分電路20n之電容部22。又，由於放大器21之反轉輸入端子與非反轉輸入端子具有虛短路之關係，故A電位返回inp電位位準。
此後，藉由重複電荷注入期間(時刻t4~t5)及電荷傳送期間(時刻t5~t6)，而在積分電路20n之電容部22中，與離子濃度相應之量之電荷累積且不斷蓄積。與在電容部22累積且蓄積之電荷之量相應之電壓值自積分電路20n輸出。
時刻t7後為重設期間。reset信號成為H位準，在積分電路20n中，重設用開關23成為導通狀態，電容部22之電荷蓄積被初始化，out信號成為初始值。
圖5係顯示模擬第1實施形態之離子濃度分布測定裝置1A之單位檢測部10m,n及積分電路20n之動作之結果之圖。此處，將inp電位位準設為1.5V，將電容部22之電容值設為0.1pF，將MOS電晶體11之閘極電極之電位設為0.5V、1.0V、1.5V、2.0V之各值。將在某重設期間與下一重設期間之間，電荷注入期間及電荷傳送期間之重複次數(亦即朝積分電路20n之電容部22傳送電荷之次數)設為3次。
在本實施形態之離子濃度分布測定裝置1A中，與離子濃度相應之量之電荷自單位檢測部10m,n朝積分電路20n被傳送，該電荷在積分電路20n中蓄積，且與該蓄積之電荷之量相應之值之out信號自積分電路20n輸出。因此，離子濃度分布測定裝置1A即便自單位檢測部10m,n至積分電路20n之信號線為長，該信號線之寄生電容為大，由於無損增益，故不易受雜訊之影響，而可高精度地測定離子濃度分布。
又，在非專利文獻1中記載之先前之離子濃度分布測定裝置中，在自單位檢測部10m,n讀出與離子濃度相應之電壓值時，由於該電壓值為小，且因輸出信號線之電容而有損增益，故容易受雜訊之影響。
又，在本實施形態之離子濃度分布測定裝置1A中，由於與離子濃度相應之量之電荷在積分電路20n之電容部22累積且蓄積，且可將與累積地蓄積於該電容部22之電荷之量相應之信號值自積分電路20n輸出，故可改善SN比(Signal-Noise ratio、訊噪比)。
又，在本實施形態之離子濃度分布測定裝置1A中，藉由將離子感應部12設置為覆蓋MOS電晶體11及傳送用開關14之二者或任一者之至少一部分，而可減小半導體基板上之各單位檢測部10m,n之配置面積。藉此，可減小半導體基板上之單位檢測部之排列節距，而可提高離子濃度分布測定之空間解析度。
又，可行的是，本實施形態之離子濃度分布測定裝置1A就檢測部2A之每一列依次在單位檢測部10m,n中將與離子濃度相應之量之電荷蓄積於電容部13，且在其後自單位檢測部10m,n朝積分電路20n傳送電荷。
或者，可行的是，本實施形態之離子濃度分布測定裝置1A在檢測部2A之全部單位檢測部101,1~10M,N中將與離子濃度相應之量之電荷同時蓄積於電容部13，其後，就檢測部2A之每一列依次自單位檢測部10m,n朝積分電路20n傳送電荷且自積分電路20n輸出out信號。
(第2實施形態)
圖6係顯示第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B之整體構成之圖。離子濃度分布測定裝置1B具備：檢測部2B、信號處理部3B及控制部4B。若與第1實施形態之構成相比較，則可知第2實施形態之離子濃度分 布測定裝置1B在各單位檢測部10m,n之構成之點上不同，且在從控制部4B不朝檢測部2B部分供予ID(m)信號之點上不同，並且，在從控制部4B朝各積分電路20n供予之inp信號之位準非為一定之點上不同。
圖7係顯示第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B之單位檢測部10m,n及積分電路20n之電路構成例之圖。若與第1實施形態之構成相比較，則可知在第2實施形態中，於在各單位檢測部10m,n中，MOS電晶體11之汲極電極(第1電極)與傳送用開關14之第2端(與積分電路20n連接之端)彼此電性連接之點上不同。又，若與第1實施形態之構成相比較，則可知在第2實施形態中，在輸入至各積分電路20n之放大器21之非反轉輸入端子之inp電位之位準脈衝性變化之點上不同。
圖8係顯示第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B之單位檢測部10m,n及積分電路20n之動作例之時序圖。在該圖中，自上而下順次顯示有：對單位檢測部10m,n之傳送用開關14供予之TG(m)信號、對積分電路20n之重設用開關23供予之reset信號、輸入至積分電路20n之放大器21之非反轉輸入端子之inp電位、單位檢測部10m,n之MOS電晶體11之源極電極之A電位、及自積分電路20n之放大器21之輸出端子輸出之out信號。
時刻t1前為重設期間。時刻t1前之reset信號為H位準，在積分電路20n中，重設用開關23為導通狀態，電容部22之電荷蓄積被初始化，而out信號成為初始值。TG(m)信號為H位準，且傳送用開關14為導通狀態。又，由於inp信號為H位準，且放大器21之反轉輸入端子與非反轉輸入端子具有虛短路之關係，故A電位為與inp信號相同之H位準。
時刻t1~t2之期間為待機期間。雖然TG(m)信號變為L位準，且傳送用開關14成為關閉狀態，但A電位仍為與inp信號相同之H位準之原樣，且 out信號為初始值之原樣。
時刻t2~t3之期間為電荷注入期間。在該期間內，由於inp信號成為L位準，且放大器21之反轉輸入端子與非反轉輸入端子具有虛短路之關係，故對MOS電晶體11之汲極電極供予之電壓成為inp信號之L位準，而一定量之電荷注入至電容部13。
時刻t3~t4之期間為電荷保持期間。在該期間內，inp信號成為H位準，A電位(亦即蓄積於電容部13之電荷之量)成為與MOS電晶體11之閘極電極之電位(亦即與離子感應部12相接之被測定對象之離子濃度)相應者。
時刻t4~t5之期間為待機期間。當在時刻t4，reset信號變成L位準時，在積分電路20n中，重設用開關23成為關閉狀態，電容部22能夠進行電荷蓄積。
時刻t5~t6之期間為電荷傳送期間。由於TG(m)信號成為H位準，且傳送用開關14成為導通狀態，故蓄積於電容部13之電荷經由傳送用開關14被輸入至積分電路20n，蓄積於積分電路20n之電容部22。與蓄積於電容部22之電荷之量相應之電壓值從積分電路20n輸出。又，由於放大器21之反轉輸入端子與非反轉輸入端子具有虛短路之關係，故A電位返回inp電位之H位準。
時刻t6後為重設期間。reset信號成為H位準，在積分電路20n中，重設用開關23成為導通狀態，電容部22之電荷蓄積被初始化，out信號成為初始值。
第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B，除了發揮與第1實施形態之情形相同之效果以外，亦發揮如下述之效果。在第2實施形態中，由於無須從控制部4B朝檢測部2B供予ID(m)信號，故可省略為此之信號線，而 可與其相應地減小半導體基板上之單位檢測部之排列節距，從而可進一步提高離子濃度分布測定之空間解析度。
又，在第2實施形態之離子濃度分布測定裝置1B中，由於在電荷注入期間注入至單位檢測部10m,n之電容部13之電荷之量，係由輸入至積分電路20n之放大器21之非反轉輸入端子之inp電位規定，故可抑制放大器偏移之偏差之影響。
(第3實施形態)
圖9係顯示第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C之整體構成之圖。離子濃度分布測定裝置1C具備檢測部2C、信號處理部3C及控制部4C。若與第2實施形態之構成相比較，則可知第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C，在信號處理部3C進而包含N個累積電路301~30N之點上不同，並且，在從控制部4C朝各累積電路30n供予read(讀出)信號、hold(保持)信號及reset 2信號之點上不同。第3實施形態之檢測部2C具有與第2實施形態之檢測部2B相同之構成。
在信號處理部3C中，各累積電路30n設置於積分電路20n與開關40n之間。各累積電路30n基於從控制部4C供予之read信號、hold信號及reset 2信號而動作。各累積電路30n將自積分電路20n輸出之信號值累積相加，且將該累積相加後之信號值朝開關40n輸出。
圖10係顯示第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C之單位檢測部10m,n、積分電路20n及累積電路30n之電路構成例之圖。第3實施形態之單位檢測部10m,n具有與第2實施形態之單位檢測部10m,n相同之構成。第3實施形態之積分電路20n具有與第2實施形態之積分電路20n相同之構成。
各累積電路30n包含：放大器31、電容部32、重設用開關33、電容部 34及開關35~38。累積電路30n之放大器31、電容部32及重設用開關33具有與積分電路20n之放大器21、電容部22及重設用開關23相同之構成(亦即CTIA之構成)。重設用開關33基於從控制部4C供予之reset 2信號而動作。
電容部34及開關35~38構成開關電容電路。電容部34之一端經由開關35與積分電路20n之放大器21之輸出端子連接，且經由開關36與基準電位輸入端子連接。電容部34之另一端經由開關37與放大器31之反轉輸入端子連接，且經由開關38與基準電位輸入端子連接。
開關35及開關38基於從控制部4C供予之hold信號而動作。開關36及開關37基於從控制部4C供予之read信號而動作。開關35、38與開關36、37不會同時成為導通狀態。各累積電路30n在開關35、38為導通狀態時，將與自積分電路20n輸出之out 1信號之值相應之量之電荷蓄積於電容部34，且，在開關36、37為導通狀態時，將蓄積於電容部34之電荷朝放大器31之反轉輸入端子傳送且使其累積地蓄積於電容部32。
圖11係顯示模擬第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C之單位檢測部10m,n、積分電路20n及累積電路30n之動作之結果之圖。在該圖中，自上而下順次顯示有：對積分電路20n之重設用開關23供予之reset信號、對單位檢測部10m,n之傳送用開關14供予之TG(m)信號、輸入至積分電路20n之放大器21之非反轉輸入端子之inp電位、單位檢測部10m,n之MOS電晶體11之源極電極之A電位、及自積分電路20n之放大器21之輸出端子輸出之out 1信號。進而，顯示有：對累積電路30n之重設用開關33供予之reset 2信號、對累積電路30n之開關35、38供予之hold信號、對累積電路30n之開關36、37供予之read信號、及自累積電路30n之放大器31之輸出端子輸出之out 2信號。
此處，將對開關36、38之一端供予之基準電位設為1.5V，將電容部22之電容值設為0.1pF，將MOS電晶體11之閘極電極之電位設為1.8V、1.9V、2.0V、2.1V之各值。將在某重設期間與下一重設期間之間，電荷注入期間及電荷傳送期間之重複次數(亦即朝積分電路20n之電容部22傳送電荷之次數)設為4次。
第3實施形態之離子濃度分布測定裝置1C除了發揮與第2實施形態之情形相同之效果以外，由於可將與離子濃度相應之量之電荷累積地蓄積於累積電路30n之電容部32，且可將與累積地蓄積於該電容部32之電荷之量相應之信號值自累積電路30n輸出，故可改善SN比。
(變化例)
本發明並非係限定於上述實施形態及構成例者，可進行各種變化。例如，在檢測部中，複數個單位檢測部既可二維狀地排列，亦可一維狀地排列。在上述實施形態中係與排列為M列N行之複數個單位檢測部中之各行之M個單位檢測部對應而設置1個積分電路，但一般而言，既可與2個以上之單位檢測部對應而設置1個積分電路，亦可與1個單位檢測部對應而設置1個積分電路。
在上述實施形態之離子濃度分布測定裝置中，係採用具備下述部分之構成，即：檢測部，其在半導體基板上一維狀或二維狀地排列有分別輸出與離子濃度相應之量之電荷的複數個單位檢測部而形成；及信號處理部，其包含輸出與自單位檢測部輸出之電荷之量相應之信號值的1個或2個以上之積分電路。
在上述構成之離子濃度分布測定裝置中，單位檢測部包含：(1)MOS電晶體，其具有第1電極、第2電極及閘極電極；(2)離子感應部，其與 MOS電晶體之閘極電極電性連接，而對閘極電極供予與離子濃度相應之電位；(3)第1電容部，其設置於MOS電晶體之第2電極與基準電位輸入端子之間，蓄積與閘極電極之電位相應之量之電荷；(4)傳送用開關，其具有第1端及第2端，第1端與MOS電晶體之第2電極電性連接，且將蓄積於第1電容部之電荷自第2端輸出。又，MOS電晶體之第1電極及第2電極中，一個為汲極電極，另一個為源極電極。
在上述構成之離子濃度分布測定裝置中，積分電路包含：(1)放大器，其具有：輸入自複數個單位檢測部中任一個單位檢測部輸出之電荷之第1輸入端子，供輸入基準電位之第2輸入端子，及輸出信號值之輸出端子；(2)第2電容部，其設置於放大器之第1輸入端子與輸出端子之間，蓄積輸入至放大器之第1輸入端子之電荷；(3)重設用開關，其相對於第2電容部並聯設置，而重設第2電容部之電荷蓄積。積分電路將與蓄積於第2電容部之電荷之量相應之信號值從放大器之輸出端子輸出。
在上述構成之離子濃度分布測定裝置中，離子感應部可採用設置為覆蓋MOS電晶體及傳送用開關之二者或任一者之至少一部分之構成。
在上述構成之離子濃度分布測定裝置中，可採用與複數個單位檢測部之中之2個以上之單位檢測部對應而設置1個積分電路之構成。
在上述構成之離子濃度分布測定裝置中，可採用下述構成，即：複數個單位檢測部二維排列為M列N行(其中，M、N為2以上之整數)，信號處理部包含N個積分電路，與複數個單位檢測部之中之各行之M個單位檢測部對應而設置有1個積分電路。
在上述構成之離子濃度分布測定裝置中，單位檢測部可採用MOS電晶體之第1電極與傳送用開關之第2端彼此電性連接之構成。又，此時，信 號處理部可採用進一步包含將自積分電路輸出之信號值累積相加之累積電路之構成。
[產業上之可利用性]
本發明可用作不易受雜訊之影響之離子濃度分布測定裝置。
10m,n‧‧‧單位檢測部
11‧‧‧MOS電晶體
12‧‧‧離子感應部
13‧‧‧第1電容部/電容部
14‧‧‧傳送用開關
20n‧‧‧積分電路
21‧‧‧放大器
22‧‧‧第2電容部/電容部
23‧‧‧重設用開關
A‧‧‧電位
ID(m)‧‧‧信號
inp‧‧‧電位(基準電位)/信號
out‧‧‧輸出
reset‧‧‧重設
TG(m)‧‧‧信號

Claims (8)

  1. 一種離子濃度分布測定裝置，其包含：檢測部，其係由分別輸出與離子濃度相應之量之電荷的複數個單位檢測部，在半導體基板上排列成一維狀或二維狀而形成；及信號處理部，其包含輸出與自前述單位檢測部輸出之電荷之量相應之信號值的1個或2個以上之積分電路；前述單位檢測部包含：MOS電晶體，其包含第1電極、第2電極及閘極電極；離子感應部，其與前述MOS電晶體之前述閘極電極電性連接，對前述閘極電極供予與離子濃度相應之電位；第1電容部，其設置於前述MOS電晶體之前述第2電極與基準電位輸入端子之間，蓄積與前述閘極電極之電位相應之量之電荷；及傳送用開關，其具有第1端及第2端，前述第1端與前述MOS電晶體之前述第2電極電性連接，且將蓄積於前述第1電容部之電荷自前述第2端輸出；前述積分電路包含：放大器，其具有：輸入自前述複數個單位檢測部中任一個單位檢測部輸出之電荷之第1輸入端子，供輸入基準電位之第2輸入端子，及輸出信號值之輸出端子；第2電容部，其設置於前述放大器之前述第1輸入端子與前述輸出端子之間，蓄積輸入至前述放大器之前述第1輸入端子之電荷；及重設用開關，其相對於前述第2電容部並聯設置，重設前述第2電容 部之電荷蓄積；且將與蓄積於前述第2電容部之電荷之量相應之信號值，自前述放大器之前述輸出端子輸出。
  2. 如請求項1之離子濃度分布測定裝置，其中前述離子感應部設置為覆蓋前述MOS電晶體及前述傳送用開關之二者或任一者之至少一部分。
  3. 如請求項1之離子濃度分布測定裝置，其中與前述複數個單位檢測部之中之2個以上之單位檢測部對應而設置有1個前述積分電路。
  4. 如請求項2之離子濃度分布測定裝置，其中與前述複數個單位檢測部之中之2個以上之單位檢測部對應而設置有1個前述積分電路。
  5. 如請求項1之離子濃度分布測定裝置，其中前述複數個單位檢測部二維排列成M列N行(其中M、N為2以上之整數)，前述信號處理部包含N個前述積分電路，與前述複數個單位檢測部之中之各行之M個單位檢測部對應而設置有1個前述積分電路。
  6. 如請求項2之離子濃度分布測定裝置，其中前述複數個單位檢測部二維排列成M列N行(其中M、N為2以上之整數)，前述信號處理部包含N個前述積分電路，與前述複數個單位檢測部之中之各行之M個單位檢測部對應而設置 有1個前述積分電路。
  7. 如請求項1至6中任一項之離子濃度分布測定裝置，其中前述單位檢測部之前述MOS電晶體之前述第1電極與前述傳送用開關之前述第2端，彼此電性連接。
  8. 如請求項7之離子濃度分布測定裝置，其中前述信號處理部進一步包含將自前述積分電路輸出之信號值累積相加之累積電路。
TW107105188A 2017-02-16 2018-02-13 離子濃度分布測定裝置 TWI773731B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017027234A JP6837639B2 (ja) 2017-02-16 2017-02-16 イオン濃度分布測定装置
JP2017-027234 2017-02-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201831893A TW201831893A (zh) 2018-09-01
TWI773731B true TWI773731B (zh) 2022-08-11

Family

ID=63169400

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW107105188A TWI773731B (zh) 2017-02-16 2018-02-13 離子濃度分布測定裝置

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10845329B2 (zh)
JP (1) JP6837639B2 (zh)
CN (1) CN110100176B (zh)
DE (1) DE112018000864T5 (zh)
TW (1) TWI773731B (zh)
WO (1) WO2018151012A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022101978A (ja) * 2020-12-25 2022-07-07 浜松ホトニクス株式会社 イオンセンサ及びイオンセンサの製造方法
CN114354723A (zh) * 2021-12-30 2022-04-15 上海天马微电子有限公司 一种检测装置及其检测方法
CN115184436A (zh) * 2022-07-29 2022-10-14 上海天马微电子有限公司 一种检测装置及其检测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080180555A1 (en) * 2007-01-12 2008-07-31 Sony Corporation Solid-state imaging device and imaging device
TW201229506A (en) * 2010-06-30 2012-07-16 Life Technologies Corp Transistor circuits for detection and measurement of chemical reactions and compounds
CN103928486A (zh) * 2014-05-08 2014-07-16 格科微电子（上海）有限公司 图像传感器及其形成方法
WO2016114202A1 (ja) * 2015-01-14 2016-07-21 国立大学法人豊橋技術科学大学 化学・物理現象検出装置
US9404920B2 (en) * 2006-12-14 2016-08-02 Life Technologies Corporation Methods and apparatus for detecting molecular interactions using FET arrays
TW201629480A (zh) * 2014-12-18 2016-08-16 生命技術公司 用於使用大規模fet陣列量測分析物之方法及設備

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4866291A (en) * 1987-06-30 1989-09-12 Canon Kabushiki Kaisha Photosensor with charge storage unit and switch unit formed on a single-crystal semiconductor film
JPH10122957A (ja) * 1996-10-22 1998-05-15 Nikon Corp 熱型赤外線イメージセンサ
JP4268492B2 (ja) * 2003-10-02 2009-05-27 浜松ホトニクス株式会社 光検出装置
WO2016147798A1 (ja) 2015-03-19 2016-09-22 国立大学法人豊橋技術科学大学 化学・物理現象検出装置
US10054563B2 (en) * 2015-03-31 2018-08-21 Rge Smart Pte. Ltd. Optoelectronic pixel sensor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9404920B2 (en) * 2006-12-14 2016-08-02 Life Technologies Corporation Methods and apparatus for detecting molecular interactions using FET arrays
US20080180555A1 (en) * 2007-01-12 2008-07-31 Sony Corporation Solid-state imaging device and imaging device
TW201229506A (en) * 2010-06-30 2012-07-16 Life Technologies Corp Transistor circuits for detection and measurement of chemical reactions and compounds
JP2013540259A (ja) * 2010-06-30 2013-10-31 ライフ テクノロジーズ コーポレーション アレイ列積分器
CN103928486A (zh) * 2014-05-08 2014-07-16 格科微电子（上海）有限公司 图像传感器及其形成方法
TW201629480A (zh) * 2014-12-18 2016-08-16 生命技術公司 用於使用大規模fet陣列量測分析物之方法及設備
WO2016114202A1 (ja) * 2015-01-14 2016-07-21 国立大学法人豊橋技術科学大学 化学・物理現象検出装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20190391110A1 (en) 2019-12-26
CN110100176B (zh) 2021-08-17
JP2018132448A (ja) 2018-08-23
US10845329B2 (en) 2020-11-24
WO2018151012A1 (ja) 2018-08-23
CN110100176A (zh) 2019-08-06
DE112018000864T5 (de) 2019-10-31
JP6837639B2 (ja) 2021-03-03
TW201831893A (zh) 2018-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4351632B2 (ja) センサ配置およびセンサ配置の駆動方法
US7332717B2 (en) Infrared sensor and infrared sensor array
US8711259B2 (en) Solid-state imaging apparatus
TWI773731B (zh) 離子濃度分布測定裝置
US8760213B2 (en) Ramp signal output circuit, analog-to-digital conversion circuit, imaging device, method for driving ramp signal output circuit, method for driving analog-to-digital conversion circuit, and method for driving imaging device
CN105282462B (zh) 图像传感器及其驱动方法
JP6164797B2 (ja) 信号受信部テスト回路、撮像装置、信号受信部テスト方法、撮像装置のテスト方法
US9715617B2 (en) Fingerprint sensor
JP4854410B2 (ja) 半導体装置
JP6100443B2 (ja) Ｃｍｏｓ撮像センサのために適合された増幅器
US20170180667A1 (en) High scanning frequency COMS-TDI image sensor
US20220260519A1 (en) Smell detection device and smell detection method
JP2009186457A (ja) 熱型赤外線検出素子
JP7405653B2 (ja) イメージセンサ
JP6447925B2 (ja) イオン濃度センサ
Miscourides et al. A linear programmable-gate ISFET array operating in velocity saturation
JP6239665B2 (ja) 半導体装置
JP2013069201A (ja) 光センサーとその駆動方法、及び静脈センサー、指紋センサー
Moser et al. Scaling ISFET instrumentation with in-pixel quantisation to deep submicron technologies
JP2004239808A (ja) 表面電位センサ
JP6852168B2 (ja) 裏面照射型グローバルシャッターイメージングアレイ
JP6242118B2 (ja) スイッチ回路、サンプルホールド回路、および固体撮像装置
WO2022168545A1 (ja) 撮像装置および撮像装置の駆動方法
KR101913650B1 (ko) 디스플레이 영역에서의 생체 이미지 판독 장치
CN113972914A (zh) 处理电路以及取样电路的信号处理方法