WO2013024791A1 - 化学・物理現象検出装置及び検出方法 - Google Patents

化学・物理現象検出装置及び検出方法 Download PDF

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WO2013024791A1
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文博 太齋
澤田　和明
寛一 中澤
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国立大学法人豊橋技術科学大学
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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
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/4163—Systems checking the operation of, or calibrating, the measuring apparatus
    • G01N27/4165—Systems checking the operation of, or calibrating, the measuring apparatus for pH meters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references

Definitions

  • the present invention relates to an improvement in a chemical / physical phenomenon detection apparatus and detection method.
  • the detection device includes a sensing unit 10, a charge supply unit 20, a charge transfer / accumulation unit 30, a charge amount detection unit 40, and a charge removal unit 50.
  • the sensing unit 10 includes a sensitive film 12 and a standard electrode 13 that change a potential according to a detection target. In accordance with the potential change of the sensitive film 12, the depth of the potential well 15 in the opposing region (p diffusion region 72) in the silicon substrate 71 changes.
  • the charge supply unit 20 includes an injection diode (sometimes abbreviated as “ID part” in this specification) 21 and an input control gate (sometimes abbreviated as “ICG part” in this specification) 23.
  • the charge of the ID unit 21 is supplied to the potential well 15 of the sensing unit 10 by charging the ID unit 21 with charges and controlling the potential of the ICG unit 23.
  • the charge transfer / accumulation unit 30 includes a transfer gate (sometimes abbreviated as “TG part” in this specification) 31 and a floating diffusion (sometimes abbreviated as “FD part” in this specification) 33. .
  • TG part transfer gate
  • FD part floating diffusion
  • the charge accumulated in the FD unit 33 is detected by the charge amount detection unit 40.
  • a source follower type signal amplifier can be used as the charge amount detection unit 40.
  • the charge removing unit 50 includes a reset gate (sometimes abbreviated as “RG” in this specification) 51 and a reset drain (sometimes abbreviated as “RD” in this specification) 53. By changing the voltage of the RG unit 51, the potential of the opposing region in the silicon substrate 71 is changed, so that the charge accumulated in the FD unit 33 is transferred to the RD unit 53 and discharged therefrom.
  • this detection apparatus will be described by taking a pH sensor whose detection target is the hydrogen ion concentration as an example.
  • electrons are used as charges, and the target portion of the substrate 71 is appropriately doped so as to be suitable for the transfer of the electrons.
  • the detection device 1 as a pH sensor includes an n-type silicon substrate 71, and a portion corresponding to the sensing unit 10 is a p-type diffusion layer 72.
  • the surface of the p-type diffusion layer 72 is doped n-type (n region 73).
  • n + regions 74, 75 and 77 are formed in the ID portion 21, the FD portion 33 and the RD portion 53.
  • a protective film 81 made of silicon oxide is formed on the surface of the silicon substrate 71, and an electrode of the ICG portion 23, an electrode of the TG portion 31, and an electrode of the RG portion 51 are laminated thereon. When a voltage is applied to each electrode, the potential of the silicon substrate 71 at the portion facing it changes.
  • a sensitive film 12 made of silicon nitride is laminated on the protective film 81.
  • step (A) When the sensing unit 10 is brought into contact with the aqueous solution to be detected, the depth of the potential well 15 of the sensing unit 10 changes according to the hydrogen ion concentration of the aqueous solution (step (A)). That is, as the hydrogen ion concentration increases, the potential well 15 becomes deeper (the bottom potential increases).
  • step (B) the potential of the ID portion 21 is lowered to charge here (see step (B)). At this time, the charge charged in the ID unit 21 exceeds the ICG unit 23 and fills the potential well 15 of the sensing unit 10. Note that the potential of the TG part 31 is lower than that of the ICG part 23, and the charge charged in the potential well 15 does not get over the TG part 31 and reach the FD part 33.
  • the electric potential of the ID part 21 and extracting the charge from the ID part 21 the electric charge scraped by the ICG part 23 remains in the potential well 15 (see step (C)).
  • the amount of charge left in the potential well 15 corresponds to the depth of the potential well 15, that is, the concentration of hydrogen ions to be detected.
  • the potential of the TG unit 31 is raised, and the charge remaining in the potential well 15 is transferred to the FD unit 33 (see step (D)).
  • the charge amount accumulated in the FD unit 33 in this way is detected by the charge amount detection unit 40 (see step (E)).
  • the potential of the RG unit 51 is raised, and the charge of the FD unit 33 is discharged to the RD unit 53 (see step (F)).
  • the RD unit 53 is connected to VDD and sucks up negatively charged charges.
  • FIG. 3 shows the circuit configuration of the pH detector shown in FIG.
  • the electric charge in the FD portion is converted into a voltage signal (output signal) by the source floor circuit 41 and output from the output line (OUT).
  • Japanese Patent No. 4171820 JP 2008-79306 A Japanese Patent No. 4073831 Japanese Patent No. 4183789 Japanese Patent No. 4133028 WO / 2009 / 081890A1 WO / 2010 / 106800A1 publication WO / 2009/151004
  • the pH detector Since the pH detector has a configuration in which various electrodes and a sensitive film are formed on a silicon substrate, it can be integrated two-dimensionally. As a result, the pH distribution can be detected two-dimensionally and output as an image. In forming such a pH image, each pH detection device constitutes a 1-pixel, and thus high integration of the pH detection device is desired.
  • each pH detection device constitutes a 1-pixel, and thus high integration of the pH detection device is desired.
  • sensitivity variation occurs in each sensing unit. As a cause of the variation in sensitivity, the sensitive film may be charged up.
  • an output signal of each sensing unit with respect to a standard solution is obtained, and this is calibrated by software data processing so that the output signal becomes a normal output signal.
  • the burden on the data processing PC increases, which is an obstacle to high integration.
  • the present inventors considered to calibrate the sensitivity variation in hardware. That is, the transfer charge amount (output signal) of each sensing unit with respect to the standard solution is obtained, and the difference between this transfer charge amount and the standard transfer charge amount (standard output signal) by the standard sensing unit is obtained.
  • the standard sensing unit can be arbitrarily or theoretically selected, and the amount of charge transferred when this sensing unit is brought into contact with the standard solution is uniquely defined as the standard transfer charge amount. As the output standard.
  • the capacity of the potential well of the sensing unit is changed or the potential of the TG unit during charge transfer is changed so that the difference between the transfer charge amount of each sensing unit and the standard transfer charge amount is offset.
  • the same amount of charge that the standard sensing unit transfers to the FD unit with respect to the standard solution is transferred from the sensing unit to be calibrated to the FD unit.
  • the first aspect of the present invention is derived from the above examination results, and is defined as follows. That is, A first sensing unit and a second sensing unit that change the bottom potential of the potential well in response to a chemical or physical phenomenon to be measured; A method for controlling a chemical / physical phenomenon detection apparatus that transfers the charge of each sensing unit to a corresponding FD unit via a TG unit and identifies the chemical / physical phenomenon based on the charge accumulated in the FD unit. , When the chemical / physical phenomenon is in the first state, the first amount of charge corresponding to the first potential well of the first sensing unit and the second potential well of the second sensing unit respectively correspond to the first potential well. A chemical that changes the potential well capacity of the at least one sensing unit when detecting the chemical / physical phenomenon and / or changes the potential of the TG unit during the charge transfer so as to be transferred to the FD unit. -Control method of physical phenomenon detection device.
  • the charge is transferred to the FD section.
  • the amount of charge transferred (first amount) is adjusted by a so-called hardware method of changing the capacitance of the potential well of the sensing unit and / or the potential of the TG unit. Therefore, the increase in the burden on data processing is small, and real-time data processing is practically possible even when the number of detectors integrated is increased.
  • FIG. 1 schematically shows a configuration of a conventional detection apparatus.
  • FIG. 2 shows the operation flow of the conventional detection device.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of the detection device of FIG.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the detection apparatus of FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the calibration apparatus.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example in which the potential well capacity is made the same as that of a standard pH detector (shown by a dotted line in the figure) by raising the potential of the ICG section during sensing.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an example in which the amount of charge transferred from the potential well to the FD portion is adjusted by adjusting the potential of the TG portion.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example in which the potential well capacity is made the same as that of a standard pH detector (shown by a dotted line in the figure) by raising the potential of the ICG section during sensing.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of the output calibration method of the pH detection device.
  • FIG. 9 is an operation flow showing another example of charge supply.
  • FIG. 10 is an operation flow showing another example of charge supply.
  • FIG. 11 is a basic circuit diagram of the pH detector.
  • FIG. 12 is a circuit diagram when a pH detection charge transfer / storage unit and a light amount detection charge transfer / storage unit are provided side by side.
  • FIG. 13 is a basic circuit diagram of an integrated pH detecting device.
  • FIG. 14 is a circuit diagram suitable for high integration.
  • FIG. 15 is a circuit diagram suitable for integration when a charge transfer / storage unit for pH detection and a charge transfer / storage unit for light amount detection are provided.
  • FIG. 5 shows a calibration apparatus 100 according to the embodiment of the present invention.
  • the output of the pH detector corresponds to the amount of charge transferred from the sensing unit 10 to the FD unit 33.
  • the design physical structure of the pH detection device (including the standard pH detection device) is the same.
  • step 3 the output of the pH detection device to be calibrated is detected, and the output comparison unit 103 compares the detection output with the standard output (step 5).
  • step 7 the voltage applied to each element of the pH detection device 1 to be calibrated is changed based on the comparison result in step 5 so that the output from the calibration target pH detection device 1 for the standard solution matches the standard output. . Details of step 7 will be described later. Steps 5 and 7 are performed for all of the N pH detecting devices to be integrated (steps 8 and 9).
  • step 7 details of step 7 will be described.
  • the following measures (A) and / or (B) can be adopted as a calibration method for matching the output of the standard solution with the standard output in the pH detection device to be calibrated.
  • the detection apparatus can be calibrated by adjusting the sensing time.
  • the potential of the potential well 15 is defined by the lowest potential barrier. This is because the charge in the potential well 15 exceeding the minimum height overflows from the potential well 15 and is not detected. Adjustment of the potential barrier (particularly its minimum height) constituting the potential well 15 can be performed by the ICG portion 23 and the TG portion 31. In order to discharge the electric charge of the potential well 15, it is preferable to set the potential of the ICG portion 23 higher than that of the TG portion 31. When the electric charge of the potential well 15 is discharged from the TG unit 31 side, the discharged electric charge is accumulated in the FD unit 33.
  • Another electrode is continuously provided in the sensing portion, and the potential of the potential barrier constituting the potential well in the sensing portion can be controlled by adjusting the potential of the electrode.
  • the potential of the potential well 15 is made the same as that of the standard pH detector (shown by the dotted line in the figure) by raising the potential of the ICG unit 23 during sensing.
  • the capacity of the potential well 15 of the pH detection device to be calibrated is equal to or greater than the capacity of the potential well 15 of the standard pH detection device, the potential of either the ICG unit 23 or the TG unit 31 may be increased. Is simplified. In order to execute such a simplified process, it is preferable that the capacity of the potential well 15 of the standard pH detecting device is equal to or less than the capacity of the potential well 15 of the pH detecting devices to be calibrated. Therefore, the outputs (that is, the amount of transferred charges) of all the integrated pH detection devices are detected, the one having the smallest output is set as the standard pH detection device, and the output is set as the standard output.
  • the capacity of the potential well 15 can be adjusted by the potential at the bottom.
  • the potential at the bottom of the potential well 15 can be controlled by the potential of the standard electrode 13.
  • the amount of charge transferred from the potential well 15 to the FD portion 33 is adjusted by adjusting the potential of the TG portion.
  • the potential of the TG portion 31 is made higher than the potential at the bottom of the potential well 15 to transfer all of the charge in the potential well 15 to the FD portion 33.
  • the charge transfer amount can be controlled by making the potential of the TG portion lower than the potential of the bottom portion of the potential well.
  • the capacity of the potential well of the standard pH detector is indicated by a dotted line.
  • ⁇ T be a potential difference corresponding to the difference between this and the capacity of the potential well 15 of the pH detection device to be calibrated.
  • the capacity of the potential well in the standard pH detector needs to be less than or equal to the capacity of the potential well 15 of the pH detector to be calibrated. Therefore, it is preferable to detect the outputs (that is, the amount of transferred charges) of all the integrated pH detection devices, and in this example, the output with the smallest output is used as the output (standard output) of the standard pH detection device.
  • the calibration of the output of the pH detection device to be calibrated is performed by comparing with the standard output.
  • the difference between the output (transfer charge amount) from the sensing unit to be calibrated and the standard output (standard transfer charge amount) is classified into a predetermined range (charge amount band), and a calibration value is predetermined for each range. Keep it. Then, the capacity of the potential well to be calibrated is calibrated with the calibration value. This simplifies hardware adjustment work.
  • FIG. 8A shows the distribution of the output before calibration with respect to the standard solution of the integrated pH detector.
  • the outputs are grouped into a predetermined width (output band).
  • the median value P0 of the center output band L0 is set as the standard output, and the difference ⁇ p ⁇ 1 to ⁇ p ⁇ N between the median value P ⁇ n of each output band L ⁇ n and the standard output P0 is obtained.
  • the amount of change in potential well capacity according to each difference is specified.
  • the capacity of the potential well of the pH detection device that outputs all the outputs included in the output band Ln is adjusted according to the difference ⁇ p ⁇ n between the median value P ⁇ n of the output band L ⁇ n and the standard output P0.
  • potential adjustment of the ICG unit 23 can be adopted. The result of such adjustment is shown in FIG. According to FIG. 8 (B), the output of the integrated pH detection device falls within a certain range.
  • a control electrode for controlling the potential is further provided corresponding to the removal well, and the control electrode is controlled independently of the ICG portion 23 and the TG portion 31. As described above, refer to Japanese Patent No. 4171820.
  • the potential of the ICG part 23 is lowered, and the charge of the ID part 21 and the charge of the potential well 15 are cut and separated by the ICG part 23 (see step (C)). Then, the potential of the TG part 31 is raised to transfer the charge of the potential well 15 to the FD part 33 (see step (D)). It should be noted that the detection of the charge amount of the FD unit 33 and the discharge thereof are the same processing as steps (E) and (F) of FIG.
  • the influence of the potential hump can be eliminated. Further, the potential of the ICG unit 23 can be increased and decreased faster than the method of FIG. 2 in which the charge and discharge of the ID unit 21 are required. According to the study by the present inventors, the time required for separating the charge of the ID portion 21 and the charge of the potential well 15 (the time required for steps (B) to (C) in FIG. 9) is as shown in FIG. The time required for the cutting shown in steps (B) to (C) is reduced to 1/2 to 1/5.
  • a potential gradient (high on the ID unit 21 side and low on the sensing unit 10 side) is provided on the electrode of the ICG unit 23 in the left-right direction in the drawing, so that the charges existing in the electrode facing region of the ICG unit 23 can be quickly transferred. It is preferable to move to the side.
  • FIG. 10 shows another charge supply method.
  • the charge supply unit 20 is omitted from the detection device, and instead, charges are supplied from the FD unit 33 side.
  • step (A) of FIG. 10 the potential of the potential well 15 is determined according to the pH of the detection target. Thereafter, the RG unit 51 is set to a high potential and the RD unit 53 is charged. It is assumed that the minimum potential of charge is lower than the minimum potential that the potential well 15 can take. As a result, the potential well 15 is filled with charges from the RD portion 53 (see step (B)).
  • the electric charge of the RD part 53 is discharged, the electric charge is cut off in the TG part 31, and the electric charge is left only in the potential well 15, and then the electric potential of the RG part 51 is restored (see step (C)). Thereafter, the potential of the TG part 31 is raised and the charge remaining in the potential well 15 is transferred to the FD part 33 (see step (D)).
  • the detection of the charge amount of the FD unit 33 and the discharge thereof are the same processing as steps (E) and (F) of FIG.
  • the device shown in FIG. 10 does not have an independent charge supply unit, and the charge transfer / accumulation unit and the charge discharge unit operate as the charge supply unit. Therefore, the device is simplified and suitable for high integration. It will be a thing.
  • Both the silicon nitride sensitive film 12 and the silicon oxide protective film 81 used for pH detection are translucent. Therefore, when the sensing unit 10 is used in an open space or the like, the light transmitted through these films 12 and 81 generates charges (electrons) in the silicon substrate 71. If this charge is accumulated in the FD unit 33 together with the charge supplied from the charge supply unit 20 to the sensing unit 10, it may cause a detection error. Therefore, the potential of the TG unit 31 is adjusted so that the charge can be transferred from the sensing unit 10 to the FD unit 33 in the state where the charge supply unit 20 does not supply the sensing unit 10, and is transferred to the FD unit 33.
  • the potential of the TG unit 31 is adjusted to transfer the charge of the sensing unit 2 to the FD unit 33.
  • the amount of light can be detected using the fact that the sensing unit 10 is active with respect to light. That is, the amount of light incident on the sensing unit 10 can be specified by controlling the timing at which the charge generated by the sensing unit 10 by light irradiation is transferred to the FD unit 33. In this case, the charge supply unit 20 is not necessary.
  • a charge transfer / accumulation unit may be provided for pH detection and light quantity detection, respectively (Japanese Patent No. 4133028).
  • An apparatus that enables simultaneous measurement of pH and light quantity is disclosed in WO / 2009 / 081890A1. In this apparatus, a charge transfer / storage unit for pH detection using electrons as charges and a charge transfer / storage unit for light amount detection using holes generated in the sensing unit 10 by light incidence are arranged side by side. .
  • the same state as when the potential applied to the sensing unit 10 is changed by controlling the potential of the TG unit 23 without using any translucent electrode See WO / 2010 / 106800A1.
  • This spectroscopic device is configured as follows. That is, a sensing unit that generates charges by incident light, a first state that captures charges generated from the surface of the sensing unit to a first depth, and a load that is generated from the surface to a second depth.
  • the charge generation control unit includes a charge generation control unit that controls the sensing unit to be in a second state to be captured, and an FD unit that outputs a signal according to the amount of charge captured by the charge generation unit.
  • a TG portion that is formed adjacent to the portion and defines a minimum potential of the charge charged in the potential well of the sensing portion, and controls the potential of the TG portion to control the minimum of the charge charged in the potential well.
  • the sensing unit is set to the first state or the second state, and the charge generated in the sensing unit by incident light overflows the gate unit and is transferred to the FD unit.
  • a spectroscopic device Here, the potential of the TG portion is preferably higher than the potential of the ICG portion.
  • a first FD part and a second FD part are provided in order from the sensing part side, and the first FD is provided.
  • the capacitance of the first FD portion is made larger than that of the second FD portion, and the first FD portion is always full due to the charge transferred from the sensing portion, and the charge that has passed through the first FD portion is accumulated.
  • the intensity of each light is specified based on the charge amount of the second FD portion. Since the second FD section has a small capacity, the detection sensitivity is improved. As described above, refer to WO / 2009/151004.
  • FIG. 11 shows a basic circuit configuration of the pH detection device.
  • the unit detection device sometimes referred to as “1-pixel”
  • five transistors and seven input / output wirings are required for one sensing unit.
  • the pH and the light quantity can be detected by the circuit shown in FIG.
  • FIG. 12 shows a circuit configuration when the pH detection charge transfer / accumulation unit and the light quantity detection charge transfer / accumulation unit are provided side by side in order to measure both simultaneously. In this case, nine transistors and nine input / output wirings are required for one sensing unit.
  • FIG. 13 shows a basic circuit configuration of the integrated pH detector.
  • a sensing unit: 1, a transistor: 5, and an input / output wiring: 7 are required for each 1-pixel.
  • a large number of elements required for each 1-pixel hinders high integration. Therefore, a method for reducing the number of transistors and wirings and miniaturizing pixels, and thus increasing the integration will be described below.
  • FIG. 14 shows an example of a circuit configuration suitable for high integration.
  • the FD unit 333 of the first sensing unit 110 and the second sensing unit 210, the source follower circuit 340 as the charge amount detection unit, the RG unit 351, the RD unit 353 and the TG unit 331, and the output line 360 are provided. It is common. Since the TG unit 331 is shared, charge transfer from the first sensing unit 110 and the second sensing unit 210 to the RD unit 331 is always performed at the same timing. In other words, the charges of the sensing units 110 and 210 cannot be selected and transferred to the FD unit 333.
  • the selection of the sensing units 110 and 210 uses transistors attached to the sensing units 110 and 210, in this example, ICG units 123 and 223, in addition to the TG unit 331. That is, at the time of reading the TG unit 331, the charge exists only in the sensing unit 110 or 210 to be selected. For this purpose, the charge may be supplied only to the sensing unit 110 or 210 to be selected, or the charge may be supplied once to all the sensing units 110 or 210, and the charge may be supplied from the unselected sensing unit to the ID unit 121. 221 is released to empty the sensing part. According to the circuit configuration shown in FIG.
  • the transistor: 3 and the input / output wiring: 5 are required as common parts, but for each 1-pixel, the sensing unit: 1, the transistor 2, and the input / output wiring: 2 are integrated. As the circuit becomes higher, the number of transistors and input / output wirings can be reduced.
  • FIG. 15 shows a circuit configuration example suitable for integration when a charge transfer / storage unit for pH detection and a charge transfer / storage unit for light amount detection are provided.
  • the same elements as those in FIG. 14 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the pH TG unit 331, the light amount TG unit 431, the pH output line 360, and the light amount output line 470 are shared.
  • the same operation as in FIG. 14 is performed.
  • the first sensing unit 110 and the second sensing unit 210 are regarded as one sensing unit. Therefore, it is preferable to arrange the sensing units as close as possible. For example, it is preferable that the sensing unit be arranged with the input / output lines of the RG unit 351, the RD unit 353, and the TG unit 331 as the center.
  • the pH detection device has been described as an example of the detection device.
  • the measurement object can be any chemical or physical phenomenon.
  • the present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
  • the contents of the prior literature described in this specification can be incorporated as a part of the description of this specification.
  • the embodiments of the chemical / physical phenomenon detection apparatus described above can be described as the following (9) to (15).
  • (9) at least a first sensing unit and a second sensing unit that change the bottom potential of the potential well in response to a chemical / physical phenomenon to be measured;
  • An FD unit corresponding to at least the first sensing unit and the second sensing unit, which transfers and accumulates charges of each sensing unit via a TG unit;
  • a chemical / physical phenomenon detection apparatus for identifying the chemical / physical phenomenon based on the electric charge accumulated in the FD unit, When the chemical / physical phenomenon is in the first state, the first amount of charge corresponding to the first potential well of the first sensing unit and the second potential well of the second sensing unit respectively corresponds to the first state.
  • a control unit that changes the capacity of the potential well of the at least one sensing unit during the detection of the chemical / physical phenomenon and / or changes the potential of the TG unit during the charge transfer so as to be transferred to the FD unit
  • the third charge amount and the fourth charge amount are classified into predetermined charge amount bands, and the capacitance of the potential well and / or the potential of the TG portion is changed based on the charge amount band.
  • At least a first sensing unit and a second sensing unit that change the bottom potential of the potential well in response to a chemical / physical phenomenon to be measured At least a first sensing unit and a second sensing unit that change the bottom potential of the potential well in response to a chemical / physical phenomenon to be measured;
  • An FD unit corresponding to at least the first sensing unit and the second sensing unit, which transfers and accumulates charges of each sensing unit via a TG unit;
  • a chemical / physical phenomenon detection apparatus for identifying the chemical / physical phenomenon based on the electric charge accumulated in the FD unit, When the chemical / physical phenomenon is in the first state, the first amount of charge corresponding to the first potential well of the first sensing unit and the second potential well of the second sensing unit respectively correspond to the first potential well.
  • a chemical / physical phenomenon detection apparatus including a fifth control unit that changes sensing time in the first potential well and the second potential well so as to be transferred to an FD unit.

Abstract

　高集積化に適した化学・物理現象検出装置及びその制御方法を提供する。複数のｐＨ検出装置を用いると、それぞれのセンシング部において感度のバラツキが生じる。この感度のバラつきを簡易な方法で校正する。　標準溶液に対する各センシング部の移送電荷量（出力信号）を求め、この移送電荷量と標準センシング部による標準移送電荷量（標準出力信号）との差を求める。この差が相殺されるように、センシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させるか、若しくは電荷移送時のＴＧ部のポテンシャルを変化させる。

Description

化学・物理現象検出装置及び検出方法
　この発明は化学・物理現象検出装置及び検出方法の改良に関する。
　化学・物理現象検出装置（この明細書で「検出装置」略することがある）として、フローティングディフュージョン（この明細書で「ＦＤ部」と略することがある）を利用したものが提案されている（特許文献１～８参照）。
　この検出装置は、例えば図１に示すように、センシング部１０、電荷供給部２０、電荷移動・蓄積部３０、電荷量検出部４０及び電荷除去部５０を備えてなる。
　センシング部１０は検出対象に応じて電位を変化させる感応膜１２と標準電極１３を備える。感応膜１２の電位変化に応じ、シリコン基板７１において対向する領域（ｐ拡散領域７２）のポテンシャル井戸１５の深さが変化する。
　電荷供給部２０はインジェクションダイオード（この明細書で「ＩＤ部」と略することがある）部２１、インプットコントロールゲート（この明細書で「ＩＣＧ部」と略することがある）部２３を備える。ＩＤ部２１を電荷でチャージし、かつＩＣＧ部２３の電位を制御することでＩＤ部２１の電荷をセンシング部１０のポテンシャル井戸１５へ供給する。
　電荷移動・蓄積部３０はトランスファーゲート（この明細書で「ＴＧ部」と略することがある）部３１、フローティングディフュージョン（この明細書で「ＦＤ部」と略することがある）部３３を備える。ＴＧ部３１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、センシング部１０のポテンシャル井戸１５に充填された電荷をＦＤ部３３へ移送し、そこに蓄積する。
　ＦＤ部３３に蓄積された電荷は電荷量検出部４０で検出される。かかる電荷量検出部４０としてソースフォロア型の信号増幅器を用いることができる。
　電荷除去部５０はリセットゲート（この明細書で、「ＲＧ」と略することがある）部５１、リセットドレイン（この明細書で、「ＲＤ」と略することがある）部５３を備える。ＲＧ部５１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、ＦＤ部３３に蓄積された電荷をＲＤ部５３へ移送し、そこから排出する。
　この検出装置の詳細構造及びその動作を、水素イオン濃度を検出対象とするｐＨセンサを例に採り説明する。以下の説明では電荷として電子を採用し、この電子の移送に適するように基板７１の対象部分を適宜ドープしている。
　ｐＨセンサとしての検出装置１はｎ型のシリコン基板７１を備え、そのセンシング部１０に対応する部分はｐ型拡散層７２とされる。ｐ型拡散層７２の表面はｎ型にドープされる（ｎ領域７３）。
　シリコン基板７１においてＩＤ部２１、ＦＤ部３３及びＲＤ部５３にはｎ＋領域７４、７５及び７７が形成される。
　シリコン基板７１の表面には酸化シリコンからなる保護膜８１が形成され、その上にＩＣＧ部２３の電極、ＴＧ部３１の電極及びＲＧ部５１の電極が積層される。各電極へ電圧が印加されるとそれに対向する部分のシリコン基板７１のポテンシャルが変化する。
　センシング部１０においては保護膜８１の上に窒化シリコン製の感応膜１２が積層される。
　このように構成された検出装置１の基本動作を以下に説明する（図２参照）。
　検出対象である水溶液にセンシング部１０を接触させると、水溶液の水素イオン濃度に応じてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５の深さが変化する（ステップ（Ａ））。即ち、水素イオン濃度が大きくなればポテンシャル井戸１５が深くなる（底のポテンシャルが高くなる）。
　一方、ＩＤ部２１の電位を下げてここへ電荷をチャージする（ステップ（Ｂ）参照）。このとき、ＩＤ部２１へチャージされた電荷はＩＣＧ部２３を超えてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５を充填する。なお、ＴＧ部３１のポテンシャルはＩＣＧ部２３より低く、ポテンシャル井戸１５へ充填される電荷がＴＧ部３１を乗り越えてＦＤ部３３へ達することはない。
　次に、ＩＤ部２１の電位をあげてＩＤ部２１から電荷を引き抜くことで、ＩＣＧ部２３ですりきられた電荷がポテンシャル井戸１５に残される（ステップ（Ｃ）参照）。ここに、ポテンシャル井戸１５に残された電荷量は、ポテンシャル井戸１５の深さ、即ち検出対象の水素イオン濃度に対応している。
　次に、ＴＧ部３１の電位を上げて、ポテンシャル井戸１５に残された電荷をＦＤ部３３へ移送する（ステップ（Ｄ）参照）。このようにしてＦＤ部３３に蓄積された電荷量を電荷量検出部４０で検出する（ステップ（Ｅ）参照）。その後、ＲＧ部５１の電位を上げてＦＤ部３３の電荷をＲＤ部５３へ排出する（ステップ（Ｆ）参照）。このＲＤ部５３はＶＤＤに接続され、負にチャージされた電荷を吸い上げる。
　図１に示すｐＨ検出装置の回路構成を図３に示す。ＦＤ部の電荷はソースフロア回路４１で電圧信号（出力信号）に変換され、出力線（ＯＵＴ）から出力される。
特許４１７１８２０号公報 特開２００８－７９３０６号公報 特許４０７３８３１号公報 特許４１８３７８９号公報 特許４１３３０２８号公報 ＷＯ／２００９／０８１８９０Ａ１号公報 ＷＯ／２０１０／１０６８００Ａ１号公報 ＷＯ／２００９／１５１００４号公報
　上記ｐＨ検出装置はシリコン基板上に各種電極や感応膜を形成した構成であるので、これを二次元的に集積することが可能となる。これによりｐＨの分布を二次元的に検出し、これをイメージとして出力できる。
　かかるｐＨイメージを形成するに際し、各ｐＨ検出装置が１－ピクセルを構成するので、ｐＨ検出装置の高集積化が望まれる。
　複数のｐＨ検出装置を用いると、それぞれのセンシング部において感度のバラツキが生じる。感度のバラツキの原因として感応膜のチャージアップ等が考えられる。
　一般的に、感度のバラツキを校正するには、標準溶液に対する各センシング部の出力信号を求め、その出力信号が正規の出力信号となるように、これをソフトウェア的なデータ処理で校正する。しかしながら、センシング部の数が増えるとデータ処理用ＰＣにかかる負担が大きくなるので、高集積化の阻害要因となる。
　そこで、本発明者らは、感度のバラツキをハードウエア的に校正することを考えた。即ち、標準溶液に対する各センシング部の移送電荷量（出力信号）を求め、この移送電荷量と標準センシング部による標準移送電荷量（標準出力信号）との差を求める。ここに、標準センシング部は任意に若しくは理論的に選択することができ、このセンシング部を標準溶液に接触させたときに移送される電荷量を一義的に標準移送電荷量として、全てのセンシング部の出力の基準とする。
　各センシング部の移送電荷量と標準移送電荷量との差が相殺されるように、センシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させるか、若しくは電荷移送時のＴＧ部のポテンシャルを変化させる。これにより、標準溶液に対して標準センシング部がＦＤ部へ移送させる電荷量と同じ電荷量が校正対象のセンシング部からＦＤ部へ対して移送されることとなる。
　この発明の第１の局面は上記の検討結果から導き出されたものであり、次のように規定される。即ち、
　測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる第１のセンシング部及び第２のセンシング部を備え、
　ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
　前記化学・物理現象が第１の状態のとき、前記第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸及び前記第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸からそれぞれ第１の量の電荷が対応する前記ＦＤ部へ移送されるように、前記化学・物理現象検出時において前記少なくとも一方の前記センシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させる、及び／又は前記電荷移送時に前記ＴＧ部の電位を変化させる、化学・物理現象検出装置の制御方法。
　このように規定される第１の局面の制御方法によれば、同一の化学・物理現象（第１の状態）に対し、第１及び第２のセンシング部から同一量（第１の量）の電荷がＦＤ部へ移送される。ここにおいて、センシング部のポテンシャル井戸の容量、及び／又はＴＧ部の電位を変化させるという、いわゆるハードウエア的な方法で移送される電荷量（第１の量）を調整する。よって、データ処理にかかる負担増が小さく、検出装置の集積数が増大してもリアルタイムでのデータ処理が実質的に可能となる。
図１は従来の検出装置構成を模式的に示す。 図２は同じく従来の検出装置の動作フローを示す。 図３は図１の検出装置の回路図を示す。 図４は図１の検出装置の動作を示すフローチャートである。 図５は校正装置の構成を示すブロック図である。 図６はセンシング時におけるＩＣＧ部の電位を上げることにより、ポテンシャル井戸の容量を標準ｐＨ検出装置（図中点線で示す）のそれと同一とする例を示す模式図である。 図７はＴＧ部の電位を調整して、ポテンシャル井戸からＦＤ部へ移送される電荷量を調整する例を示す模式図である。 図８はｐＨ検出装置の出力の校正方法の原理を説明する図である。 図９は電荷供給の他の例を示す動作フローである。 図１０は電荷供給の他の例を示す動作フローである。 図１１はｐＨ検出装置の基本的な回路図である。 図１２はｐＨ検出用電荷移送・蓄積部と光量検出用電荷移送・蓄積部とを併設するときの回路図である。 図１３は集積したｐＨ検出装置の基本的な回路図である。 図１４は高集積化に適した回路図である。 図１５はｐＨ検出用の電荷移送・蓄積部と光量検出用の電荷移送・蓄積部とを設けるときの、集積化に適した回路図である。
　以下、この発明の実施の形態を、図１に示した構造のｐＨ検出装置１を集積する場合を例にとり、説明する。
　この発明は、集積されたｐＨ検出装置１の出力を効率よく校正するものであり、まず、図４のステップ１に示すように、標準溶液に対する標準ｐＨ検出装置の出力（以下「標準出力」ということがある）を特定し、標準出力保存部１０１に保存する。なお、図５に、この発明の実施形態の校正装置１００を示す。
　なお、ｐＨ検出装置の出力はセンシング部１０からＦＤ部３３へ移送される電荷量に対応する。ｐＨ検出装置（標準ｐＨ検出装置も含めて）の設計上の物理的構造は全て同じものとする。即ち、理論上は、標準溶液を検出したとき、各ｐＨ検出装置のセンシング部１０におけるポテンシャル井戸１５の深さは同じであり、もってそこからＦＤ部３３へ移送される電荷量も同じとなる。しかしながら、事実上は、各ｐＨ検出装置の出力にバラつきがあることは既述の通りである。
　ステップ３では、校正対象となるｐＨ検出装置の出力を検出し、出力比較部１０３において検出出力と標準出力とを比較する（ステップ５）。
　ステップ７では、ステップ５の比較結果に基づき、校正対象となるｐＨ検出装置１の各要素へ印加する電圧を変化させて、標準溶液に対する校正対象ｐＨ検出装置１からの出力を標準出力と一致させる。ステップ７の詳細は後述する。
　ステップ５及びステップ７の処理を集積されるべきＮ個のｐＨ検出装置の全てに対して行なう（ステップ８、９）。
　次に、ステップ７の詳細につき説明する。
　校正対象のｐＨ検出装置において標準溶液に対する出力を標準出力に一致させる校正方法として、下記の方策（Ａ）及び／又は（Ｂ）を採用できる。
（Ａ）センシング部１０におけるポテンシャル井戸１５の容量を調整すること。
（Ｂ）ＴＧ部３１の電位を調整して、ポテンシャル井戸１５からＦＤ部３３へ移送される電荷量を調整すること。
　なお、化学量又は物理量を検出する際に、当該検出対象量がセンシング時間により変化するときは、当該センシング時間を調整することにより、検出装置の校正が可能である。
　（Ａ）センシング部１０におけるポテンシャル井戸１５の容量を調整すること
　ポテンシャル井戸１５を構成する電位障壁の高さを調整することによりポテンシャル井戸１５の容量を調整できる。この電位障壁において最低高さのものでポテンシャル井戸１５の容量が規定される。ポテンシャル井戸１５の電荷において当該最低高さを超えるものは、ポテンシャル井戸１５からあふれ出して検出されなくなるからである。
　ポテンシャル井戸１５を構成する電位障壁（特にその最低高さ）の調整はＩＣＧ部２３及びＴＧ部３１により行える。ポテンシャル井戸１５の電荷を排出するには、ＩＣＧ部２３の電位をＴＧ部３１のそれより高くすることが好ましい。ポテンシャル井戸１５の電荷をＴＧ部３１側から排出すると、排出された電荷はＦＤ部３３に蓄積されるので、検出実行前に、当該電荷をキャンセルする必要がある。
　センシング部に連続して他の電極を設け、その電極の電位を調整してセンシング部におけるポテンシャル井戸を構成する電位障壁の最低高さを制御することができる。
　図６の例では、センシング時におけるＩＣＧ部２３の電位を上げることにより、ポテンシャル井戸１５の容量を標準ｐＨ検出装置（図中点線で示す）のそれと同一としている。
　校正対象のｐＨ検出装置のポテンシャル井戸１５の容量が標準ｐＨ検出装置のポテンシャル井戸１５の容量以上のときは、ＩＣＧ部２３及びＴＧ部３１のうちのいずれか一方の電位を上げればよいので、処理が簡素化される。
　かかる簡素化された処理を実行するため、標準ｐＨ検出装置のポテンシャル井戸１５の容量を全ての校正対象のｐＨ検出装置のポテンシャル井戸１５の容量以下とすることが好ましい。そのため、集積された全てのｐＨ検出装置の出力（即ち移送電荷量）を検出して、その出力が最も小さいものを標準ｐＨ検出装置とし、その出力を標準出力とする。
　ポテンシャル井戸１５の容量はその底部の電位によっても調整できる。ポテンシャル井戸１５の底部の電位は標準電極１３の電位により制御可能である。
　（Ｂ）ＴＧ部の電位を調整して、ポテンシャル井戸１５からＦＤ部３３へ移送される電荷量を調整すること。
　ポテンシャル井戸１５の電荷をＦＤ部３３へ移送する際、一般的には、ＴＧ部３１の電位をポテンシャル井戸１５の底部の電位より高くしてポテンシャル井戸１５の電荷の全部をＦＤ部３３へ移送する。
　これに対し、ＴＧ部の電位をポテンシャル井戸の底部の電位より低くすることより、電荷の移送量を制御することができる。
　図７の例において、標準ｐＨ検出装置のポテンシャル井戸の容量を点線で示す。これと校正対象のｐＨ検出装置のポテンシャル井戸１５の容量との差に対応する電位差をΔＴとする。この場合、電荷移送時にＴＧ部の最低電位をポテンシャル井戸１５の底部電位よりΔＴ低くすることにより、移送される電荷の量は標準ｐＨ検出装置のそれと同一となる。
　この例においては、標準ｐＨ検出装置におけるポテンシャル井戸の容量が校正対象のｐＨ検出装置のポテンシャル井戸１５の容量以下である必要がある。そのため、集積された全てのｐＨ検出装置の出力（即ち移送電荷量）を検出して、この例では、その出力が最も小さいものを標準ｐＨ検出装置の出力（標準出力）とすることが好ましい。
　上記の例では、校正対象のｐＨ検出装置の出力の校正を標準出力と比較して行なっていた。
　しかしながら、集積された装置に要求される感度によっては、各ｐＨ検出装置の出力を個別に校正する必要はない。例えば、校正対象のセンシング部からの出力（移送電荷量）と標準出力（標準移送電荷量）の差を予め定められた範囲（電荷量帯）に分類し、当該範囲毎に校正値を予め定めておく。そして校正対象のポテンシャル井戸の容量を当該校正値で校正する。これにより、ハードウエア的な調整作業が簡素化される。
　図８（Ａ）は、集積されたｐＨ検出装置の標準溶液に対する校正前の出力の分布を示す。図８（Ａ）の例では、出力を所定の幅（出力帯）にグルーピングする。
　この例では、中央の出力帯Ｌ０の中央値Ｐ０を標準出力とし、各出力帯Ｌ±ｎの中央値Ｐ±ｎと標準出力Ｐ０との差Δｐ±１～Δｐ±Ｎを求める。各差に応じたポテンシャル井戸の容量の変化量を特定する。そして、出力帯Ｌｎに含まれる全ての出力を出力したｐＨ検出装置のポテンシャル井戸の容量を、出力帯Ｌ±ｎの中央値Ｐ±ｎと標準出力Ｐ０との差Δｐ±ｎに対応して調整する。調整方法としてＩＣＧ部２３の電位調整を採用できる。
　かかる調整の結果を図８（Ｂ）に示す。図８（Ｂ）によれば、集積されるｐＨ検出装置の出力が一定幅に収まることとなる。
　検出装置の感度、検出速度及び集積化などを向上するため下記の変形態様を採ることができる。
（センシング部について）
　検出感度を向上するため、図２の（Ａ）～（Ｄ）のステップを繰り返して、累積的に蓄積されたＦＤ部３３の電荷量を検出することができる（特許３６２３７２８号参照）。
　他方、ＩＣＧ部２３による電荷すり切り時に（図２のステップ（Ｃ）参照）、ＩＣＧ部２３とポテンシャル井戸１５との界面に、感応膜１２の幅に対応して、小さなポテンシャルのこぶが形成されるおそれがある。このポテンシャルのこぶが存在すると、ポテンシャルのこぶの高さに対応して余計な電荷がセンシング部に残ることとなる。ポテンシャルのこぶの高さが小さくても、既述のように累積的な検出を実行すると、ポテンシャルのこぶに起因して残存した電荷量が無視できなる。そこで、センシング部に隣接して、若しくはセンシング部内に除去井戸を形成し、ポテンシャルのこぶによりセンシング部に残存する電荷を当該除去井戸へ逃がす。これにより、センシング部よりＦＤ部へ移送される電荷量はｐＨ値に対応したもののみとなり、即ちポテンシャルのこぶに起因して残存する電荷は移送されなくなり、もって正確な検出が可能となる。
　なお、この除去井戸に対応してこのポテンシャルを制御するための制御電極が更に設けられ、この制御電極はＩＣＧ部２３やＴＧ部３１と独立して制御される。
　以上、特許４１７１８２０号公報を参照されたい。
（電荷供給部）について
　電荷供給の他の方法について図９を参照にして説明する。
　図９の例では、ＩＤ部２１には常に電荷がチャージされているものとする。このとき、電荷の最低ポテンシャルは、ポテンシャル井戸１５がとり得る最低ポテンシャルより低く、かつＴＧ部３１の最低ポテンシャルより高いものとする（ステップ（Ａ）参照）。
　次に、ＩＣＧ部２３の電位をポテンシャル井戸１５の底の電位より高くして、ＩＤ部２１の電荷でポテンシャル１５を満たす（ステップ（Ｂ）参照）。なお、ＩＤ部２１には絶えず電荷が供給状態にあり、電荷の最低ポテンシャルは維持されている。
　次に、ＩＣＧ部２３の電位を低くして、ＩＤ部２１の電荷とポテンシャル井戸１５の電荷とをＩＣＧ部２３で切り裂いて分離する（ステップ（Ｃ）参照）。そして、ＴＧ部３１の電位を上げてポテンシャル井戸１５の電荷をＦＤ部３３へ移送する（ステップ（Ｄ）参照）。
　なお、ＦＤ部３３の電荷量の検出及びその排出は、図２のステップ（Ｅ）及び（Ｆ）と同様の処理となる。
　図９に示した電荷の供給方法によれば、図２ステップ（Ｂ）～（Ｃ）にかけてのいわゆるすり切り動作がないので、ポテンシャルのこぶの影響を排除できる。
　また、ＩＤ部２１に対する電荷のチャージ、ディスチャージが必要であった図２の方法に比べて、ＩＣＧ部２３のポテンシャルの上げ下げは高速に実行できる。本発明者らの検討によれば、ＩＤ部２１の電荷とポテンシャル井戸１５の電荷とを分離するのに要する時間（図９のステップ（Ｂ）～（Ｃ）に要する時間）は、図２のステップ（Ｂ）～（Ｃ）に示すり切りに要する時間の１／２～１／５に短縮される。
　なお、ＩＣＧ部２３の電極に図示左右方向に電位傾斜（ＩＤ部２１側で高く、センシング部１０側で低くする）を設け、ＩＣＧ部２３の電極対向領域に存在する電荷をより素早くＩＤ部２１側へ移動させることが好ましい。
　図１０に他の電荷供給方法を示す。
　この電荷供給方法では、検出装置から電荷供給部２０を省略し、その代わりに、ＦＤ部３３側から電荷を供給する。
　図１０のステップ（Ａ）において、ポテンシャル井戸１５は検出対象のｐＨに応じてその電位が定まっている。
　その後、ＲＧ部５１を高電位とするとともに、ＲＤ部５３へ電荷をチャージする。電荷の最低ポテンシャルは、ポテンシャル井戸１５がとり得る最低ポテンシャルより低いものとする。これにより、ＲＤ部５３からの電荷でポテンシャル井戸１５を満たす（ステップ（Ｂ）参照）。
　次に、ＲＤ部５３の電荷を排出してＴＧ部３１において電荷をすり切り、ポテンシャル井戸１５のみへ電荷を残した後、ＲＧ部５１の電位をもとに戻す（ステップ（Ｃ）参照）。その後、ＴＧ部３１の電位を上げてポテンシャル井戸１５に残された電荷をＦＤ部３３へ移送する（ステップ（Ｄ）参照）。なお、ＦＤ部３３の電荷量の検出及びその排出は、図２のステップ（Ｅ）及び（Ｆ）と同様の処理となる。
　図１０に示す装置には独立した構成の電荷供給部が存在せず、電荷移送・蓄積部と電荷排出部とが電荷供給部として動作するので、装置が簡素化されて高集積化に適したものとなる。
　ｐＨ検出に用いられる窒化シリコン製の感応膜１２及び酸化シリコン製の保護膜８１はともに透光性である。従って、センシング部１０を開放した空間等で使用したときには、これらの膜１２、８１を透過した光がシリコン基板７１において電荷（電子）を発生させる。この電荷が、電荷供給部２０からセンシング部１０へ供給された電荷と一緒になって、ＦＤ部３３へ蓄積されると、検出誤差の原因となりかねない。
　そこで電荷供給部２０からセンシング部１０への電荷供給が無い状態で、センシング部１０からＦＤ部３３へ電荷が転送可能なようにＴＧ部３１の電位を調節し、ＦＤ部３３へ移送された第１の電荷量を検出して保存する手段と、電荷供給部２０からセンシング部１０へ電荷の供給がなされた状態で、ＴＧ部３１の電位を調節して、センシング部２の電荷をＦＤ部３３へ転送し、ＦＤ部３３へ移送された第２の電荷量を検出して保存する手段と、前記第２の電荷量と前記第１の電荷量との差を演算し、得られた電荷量の差にもとづき、検出装置の出力を補正し、もって検出装置の検出結果から光の影響を除去することができる。
　以上、特開２００８－７９３０６号公報を参照されたい。
（光の検出）
　センシング部１０が光に対して活性であることを利用して、光量を検出することができる。
　即ち、光の照射によりセンシング部１０で生成した電荷をＦＤ部３３へ転送するタイミングを制御することにより、センシング部１０へ入射した光量を特定できる。この場合、電荷供給部２０は不要である。
　なお、特許４０７３８３１号公報に示す分光検出を実行するにはセンシング部１０へ透光性電極膜を積層することが好ましい。透光性電極膜を感応膜上に積層すると感応膜が検出対象へ接触せず、ｐＨ検出ができない。
（ｐＨ・光の検出）
　ｐＨ検出装置の基本構造を用いて光量の検出が可能であるので、検出に時間差を設けることにより、一つのチップでｐＨと光量の両者の検出が可能となる（特許４１８３７８９号公報参照）。
　電荷移送・蓄積部をｐＨ検出用と光量検出用にそれぞれ配設してもよい（特許４１３３０２８号公報）。
　ｐＨと光量の同時計測を可能とする装置がＷＯ／２００９／０８１８９０Ａ１号公報に開示されている。この装置では、電荷としての電子を利用するｐＨ検出用の電荷移動・蓄積部と、光入射によるセンシング部１０で発生したホールを利用する光量検出用の電荷移動・蓄積部とが並設される。
　特許４０７３８３１号公報に基本動作を示す分光装置において、ＴＧ部２３の電位を制御することにより、透光性電極を何ら用いなくても、センシング部１０へ印加する電位を変化させたときと同じ状態が得られる（ＷＯ／２０１０／１０６８００Ａ１号公報参照）。
　この分光装置は次のように構成される。即ち、入射光により電荷を発生するセンシング部と、前記センシング部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した荷を捕獲する第２の状態とになるようセンシング部を制御する電荷発生制御部と、前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するＦＤ部と、を備え
　電荷発生制御部はセンシング部に隣接して形成され、センシング部のポテンシャル井戸に充填されている電荷の最低電位を規定するＴＧ部を備え、このＴＧ部の電位を制御して前記ポテンシャル井戸に充填されている電荷の最低電位を制御することによりセンシング部を第１の状態又は第２の状態として、入射光によりセンシング部で発生した電荷がゲート部をオーバーフローして前記ＦＤ部へ移送される、分光装置。ここに、ＴＧ部の電位はＩＣＧ部の電位より高くすることが好ましい。
　かかる分光装置により、励起光とこの励起光で励起された蛍光と含む光を分光する場合には、センシング部側から順に第１のＦＤ部と第２のＦＤ部とを設け、第１のＦＤ部の容量を第２のＦＤ部の容量より大きくし、前記センシング部から移送される電荷により第１のＦＤ部は常に満杯の状態となり、該第１のＦＤ部を通過した電荷が蓄積される第２のＦＤ部の電荷量に基づき各光の強さを特定する。第２のＦＤ部は容量が小さいので、検出感度が向上する。
　以上、ＷＯ／２００９／１５１００４号公報を参照されたい。
（回路構成）
　ｐＨ検出装置の基本的な回路構成を図１１に示している。
　図から明らかなように、単位検出装置（「１－ピクセル」ということがある）を機能させるために、１つのセンシング部に対して５つのトランジスタと７本の入出力配線が必要とされる。ｐＨ検出と光量検出とにタイムラグを設ければ図３に示す回路でｐＨと光量との検出が可能である。
　両者の同時計測をはかるために、ｐＨ検出用電荷移送・蓄積部と光量検出用電荷移送・蓄積部とを併設するときの回路構成は図１２に示すようになる。この場合、１つのセンシング部に対して９個のトランジスタと９本の入出力配線が必要となる。
　上で説明してきたｐＨ検出装置を構成するセンシング部、トランジスタ及び入出力配線はシリコン基板に作り込まれるものであるので、その集積化が可能であり、集積化を達成することによりｐＨの分布をイメージとして出力可能となる。
　集積したｐＨ検出装置の基本的な回路構成を図１３に示す。この例では、図１１の場合と同様に、１－ピクセル毎に、センシング部：１、トランジスタ：５、入出力配線：７が要求される。
　このように１－ピクセル毎に要求される多数の要素は高集積化の妨げになる。
　そこで、トランジスタや配線数を低減し、ピクセルの微細化ひいては高集積化の方策を以下に説明する。
（高集積化）
　図１４には高集積化に適した回路構成の例を示す。
　この回路構成では、第１のセンシング部１１０と第２のセンシング部２１０のＦＤ部３３３、電荷量検出部としてのソースフォロア回路３４０、ＲＧ部３５１、ＲＤ部３５３及びＴＧ部３３１、出力線３６０を共通化している。
　ＴＧ部３３１を共通化したため、第１のセンシング部１１０と第２のセンシング部２１０からＲＤ部３３１への電荷移送は常に同じタイミングで実行される。換言すれば、各センシング部１１０、２１０の電荷を選択してＦＤ部３３３へ移送することができない。
　そのため、センシング部１１０、２１０の選択はＴＧ部３３１以外に当該センシング部１１０、２１０へ付設されたトランジスタ、この例ではＩＣＧ部１２３、２２３を用いる。即ち、ＴＧ部３３１読み出し時に、選択すべきセンシング部１１０又は２１０のみに電荷を存在させる。そのためには、選択すべきセンシング部１１０又は２１０へのみ電荷を供給してもよいし、一旦は全てのセンシング部１１０又は２１０へ電荷を供給し、非選択対象のセンシング部から電荷をＩＤ部１２１、２２１側へ逃がして当該センシング部の電荷を空にする。
　図１４に示す回路構成によれば、共通部分として、トランジスタ：３、入出力配線：５が必要となるが、１－ピクセル毎ではセンシング部：１、トランジスタ２、入出力配線：２となり、集積化を高める程、トランジスタや入出力配線の数の低減を図れる。
　図１５にはｐＨ検出用の電荷移送・蓄積部と光量検出用の電荷移送・蓄積部とを設けるときの、集積化に適した回路構成例を示す。
　なお、図１４と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この例では第１のセンシング部１１０と第２のセンシング部２１０のＦＤ部３３３、電荷量検出部としてのソースフォロア回路３４０（ｐＨ用）及び４４０（光量用）、ＲＧ部３５１、ＲＤ部３５３、ｐＨ用ＴＧ部３３１、光量用ＴＧ部４３１、ｐＨ用出力線３６０並びに光量用出力線４７０を共通化している。
　ｐＨ検出用には図１４と同じ動作を行なう。
　光量検出においては、センシング部１１０、２１０より同時にＦＤ部３３３に対して電荷が移送される。従って、第１のセンシング部１１０と第２のセンシング部２１０とは一つのセンシング部とみなされることとなる。よって、各センシング部はなるべく接近して配置させることが好ましい。例えば、ＲＧ部３５１、ＲＤ部３５３及びＴＧ部３３１、の入出力線を中心にセンシング部を対象的に配置することが好ましい。
　上記において、ｐＨ検出装置を検出装置の例に取り上げ説明してきた。感応膜を選択することにより測定対象を任意の化学現象、物理現象とすることができる。
　この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
　この明細書に記載した先行文献の記載内容を、この明細書の記載の一部として取り込むことができる。
　以上に記載した化学・物理現象検出装置の実施形態は次の（９）～（１５）のように記載できる。
（９）　測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる少なくとも第１のセンシング部及び第２のセンシング部と、
　ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を移送し蓄積する、少なくとも前記第１のセンシング部及び第２のセンシング部と対応するＦＤ部とを備え、
　該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置であって、
　前記化学・物理現象が第１の状態のとき、前記第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸及び前記第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸からそれぞれ第１の量の電荷が対応する前記ＦＤ部へ移送されるように、前記化学・物理現象検出時において前記少なくとも一方の前記センシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させる、及び／又は前記電荷移送時に前記ＴＧ部の電位を変化させる制御部を備える、化学・物理現象検出装置。
（１０）　前記制御部は前記各ポテンシャル井戸を構成する電位障壁の高さを変化させることで前記各ポテンシャル井戸の容量を変化させる、（９）に記載の検出装置。
（１１）　前記制御部において前記ポテンシャル井戸の容量を変化させるには、該ポテンシャル井戸の底部電位を変化させる、（９）に記載の検出装置。
（１２）　前記制御部は前記ポテンシャル井戸の底部電位を参照電極により変化させる、（１１）に記載の検出装置。
（１３）　前記化学・物理現象が第１の状態のとき、前記第１のポテンシャル井戸を構成する電位障壁の最低高さと前記第２のポテンシャル井戸を構成する電位障壁の最低高さとを同じくして、前記第１のポテンシャル井戸から前記ＦＤ部へ移送される第３の電荷量及び前記第２のポテンシャル井戸から前記ＦＤ部へ移送される第４の電荷量を検出する第２の制御部と、
　前記第３の電荷量及び前記第４の電荷量に基づいて、前記ポテンシャル井戸の容量及び／又は前記ＴＧ部の電位を変化させる第３の制御部と、を備える（９）に記載の検出装置。
（１４）　前記第３の電荷量及び前記第４の電荷量は予め定められた電荷量帯に分類され、該電荷量帯に基づいて前記ポテンシャル井戸の容量及び／又は前記ＴＧ部の電位を変化させる第４の制御部が備えられる、請求項（１３）に記載の検出装置。
（１５）　測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる少なくとも第１のセンシング部及び第２のセンシング部と、
　ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を移送し蓄積する、少なくとも前記第１のセンシング部及び第２のセンシング部と対応するＦＤ部とを備え、
　該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置であって、
　前記化学・物理現象が第１の状態のとき、前記第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸及び前記第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸からそれぞれ第１の量の電荷が対応する前記ＦＤ部へ移送されるように、前記第１のポテンシャル井戸及び前記第２のポテンシャル井戸におけるセンシング時間を変化させる第５の制御部を備える、化学・物理現象検出装置。
１　ｐＨ検出装置
１０　センシング部、１２　感応膜、１３　参照電極、１５　ポテンシャル井戸
２０　電荷供給部、２１　ＩＤ部、２３　ＩＣＧ部
３０　電荷移動・蓄積部、３１　ＴＧ部、３３　ＦＤ部
４０　電荷量検出部
５０　電荷除去部、５１　ＲＧ部、５３　ＲＤ部
７１　基板、７２　ｐ拡散領域、７３　ｎ領域、７４，７５，７７　ｎ＋領域

Claims (15)

  1. 　測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる第１のセンシング部及び第２のセンシング部を備え、
    　ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
    　前記化学・物理現象が第１の状態のとき、前記第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸及び前記第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸からそれぞれ第１の量の電荷が対応する前記ＦＤ部へ移送されるように、前記化学・物理現象検出時において前記少なくとも一方の前記センシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させる、及び／又は前記電荷移送時に前記ＴＧ部の電位を変化させる、化学・物理現象検出装置の制御方法。
  2. 　前記各ポテンシャル井戸を構成する電位障壁の高さを変化させることで前記各ポテンシャル井戸の容量を変化させる、請求項１に記載の制御方法。
  3. 　前記電位障壁の高さをＩＣＧ部により制御する、請求項２に記載の制御方法。
  4. 　前記ポテンシャル井戸の容量を変化させるには、該ポテンシャル井戸の底部電位を変化させる、請求項１に記載の制御方法。
  5. 　前記ポテンシャル井戸の底部電位を参照電極により変化させる、請求項４に記載の制御方法。
  6. 　前記化学・物理現象が第１の状態のとき、前記第１のポテンシャル井戸を構成する電位障壁の最低高さと前記第２のポテンシャル井戸を構成する電位障壁の最低高さとを同じくして、前記第１のポテンシャル井戸から前記ＦＤ部へ移送される第３の電荷量及び前記第２のポテンシャル井戸から前記ＦＤ部へ移送される第４の電荷量を検出し、
    　前記第３の電荷量及び前記第４の電荷量に基づいて、前記ポテンシャル井戸の容量及び／又は前記ＴＧ部の電位を変化させる、請求項１に記載の制御方法。
  7. 　前記第３の電荷量及び前記第４の電荷量は予め定められた電荷量帯に分類され、該電荷量帯に基づいて前記ポテンシャル井戸の容量及び／又は前記ＴＧ部の電位を変化させる、請求項１に記載の制御方法。
  8. 　測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる第１のセンシング部及び第２のセンシング部を備え、
    　ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
    　前記化学・物理現象が第１の状態のとき、前記第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸及び前記第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸からそれぞれ第１の量の電荷が対応する前記ＦＤ部へ移送されるように、前記第１のポテンシャル井戸及び前記第２のポテンシャル井戸におけるセンシング時間を変化させる、化学・物理現象検出装置の制御方法。
  9. 　測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる少なくとも第１のセンシング部及び第２のセンシング部と、
    　ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を移送し蓄積する、少なくとも前記第１のセンシング部及び第２のセンシング部と対応するＦＤ部とを備え、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置であって、
    　標準センシング部の標準移送電荷量を保持し、前記各センシング部の前記ＦＤ部に対する各移送電荷量を検出し、各移送電荷量と前記標準移送電荷量とを比較する検出比較部と、
    　検出された各移送電荷量と前記標準移送電荷量の差に基づいて各移送電荷量を所定値とし、所定値の各移送電荷量の電荷を前記各センシング部から前記ＦＤ部に移送するように、各ポテンシャル井戸の容量、及び／又はＴＧ部の電位を制御する制御部を備える化学・物理現象検出装置。
  10. 　前記制御部が、検出された各移送電荷量と前記標準移送電荷量の差に基づいて各移送電荷量と前記標準移送電荷量の差を０とし、各移送電荷量として前記標準移送電荷量の電荷を前記各センシング部から前記ＦＤ部に移送するように、各ポテンシャル井戸の容量、及び／又はＴＧ部の電位を制御する第２の制御部を含む請求項９に記載の化学・物理現象検出装置。
  11. 　前記制御部が、検出された各移送電荷量と前記標準移送電荷量の差に基づいて各移送電荷量を予め定められた前記標準移送電荷量を中心とする電荷量帯に分類し、前記電荷量帯と対応する電荷を前記各センシング部から前記ＦＤ部に移送するように、各ポテンシャル井戸の容量、及び／又はＴＧ部の電位を制御する第３の制御部を含む請求項９に記載の化学・物理現象検出装置。
  12. 　前記制御部は前記各ポテンシャル井戸を構成する電位障壁の高さを変化させることで前記各ポテンシャル井戸の容量を変化させる、請求項９～１１に記載の検出装置。
  13. 　前記制御部において前記ポテンシャル井戸の容量を変化させるには、該ポテンシャル井戸の底部電位を変化させる、請求項９～１１に記載の検出装置。
  14. 　前記制御部は、ＩＣＧ部の電位を変えて前記各ポテンシャル井戸を構成する電位障壁の高さを変化させることで前記各ポテンシャル井戸の容量を変化させる、請求項９～１１に記載の検出装置。
  15. 　測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる少なくとも第１のセンシング部及び第２のセンシング部と、
    　ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を移送し蓄積する、少なくとも前記第１のセンシング部及び第２のセンシング部と対応するＦＤ部とを備え、
    　該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置であって、
    　標準センシング部の標準移送電荷量を保持し、前記各センシング部の前記ＦＤ部に対する各移送電荷量を検出し、各移送電荷量と前記標準移送電荷量とを比較する検出比較部と、
    　検出された各移送電荷量と前記標準移送電荷量に基づいて、前記標準移送電荷量の電荷を前記各センシング部から前記ＦＤ部に移送するように、各ポテンシャル井戸のセンシング時間を制御する制御部を備える化学・物理現象検出装置。
    　
    　
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