物理現象または化学現象の測定方法および測定装置
【課題】 物理現象または化学現象を電荷情報に変換することによって定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定方法および測定装置を提供すること。
【解決手段】 物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする。
【解決手段】 物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理現象または化学現象を定量化する測定方法および測定装置に関し、例えば、溶液のｐＨ、圧力、磁界、あるいは温度の二次元分布など、様々の物理現象または化学現象を定量化する測定方法および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理現象または化学現象には、濃度、温度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音波、酸化還元電位、反応速度など様々な現象があるが、これらの現象は、様々な電気信号（電流、電圧、抵抗、電荷容量、電位）に変換することができる。
【０００３】
また、例えば、フォトダイオードのように、光を照射すると光量に応じた電子正孔対が生成し、光量を電荷量に変化してその電荷量を評価することにより光量を測定する方法などのように、物理現象または化学現象を電荷情報に変換して測定する方法があった。
【０００４】
しかしながら、光以外のその他の物理・化学現象においては、ほとんどの場合、電荷量ではなく、電圧値、電流値、抵抗値などの電気信号に変換し、それらの値を読み取るようにしているため、電荷特有の取扱い方法である蓄積および転送を行うことができず、また複数点の情報を同時に取り込んで高速処理したり、測定結果を画像化するといったことが非常に困難であった。
【０００５】
近年、環境あるいは医療の分野を含め各種の分野において、こうした物理現象または化学現象の高速処理化あるいは画像化の要請が高まり、例えば、物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換することによって、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送などを行い、様々な物理現象または化学現象を容易に画像化できるようにした方法および装置などが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−３３２４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、昨今の物理現象または化学現象の測定には、従来以上に精緻な測定精度や応答の高速化が求められ、上記の方法や装置に対し、より優れた精度面あるいは応答面の改善の要請が強くなってきた。
【０００７】
つまり、物理現象または化学現象を電荷情報として変換するに際し、精度面あるいは応答面に対しては、電荷の移動をより効率的にかつ迅速に行うために電荷移動手段をどのような構成あるいは構造とすることが好ましいかが大きな課題となってきた。
【０００８】
また、物理現象または化学現象の測定においては、大きな変化による大量の電荷移動がある場合と物理現象または化学現象としての変化がほとんどなく小さな電荷移動しか発生しない場合がある。実際の測定においては、いずれの場合においても現象変化に対応した所定の測定精度を要求されるが、同一構成の検出器において、そのいずれの電荷移動条件においても同一精度を確保することは非常に難しい。つまり、検出器にとって広い範囲での直線性確保は大きな課題である。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、物理現象または化学現象を電荷情報に変換することによって定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定方法および測定装置を提供することにある。また、複数点の電荷情報を同時に取り込み様々な物理現象または化学現象を容易に画像化できる測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す測定方法あるいは測定装置によって、本発明を完成するに到った。
【００１１】
上記目的を達成するため、この発明の物理現象または化学現象の測定方法は、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする。
【００１２】
また、上記目的を達成するため、この発明の物理現象または化学現象の測定装置は、電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部に供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、前記センシング部とフローティングディフュージョンの間に複数の電荷転送手段を直列的に配することを特徴とする。
【００１３】
物理現象または化学現象を検出する半導体デバイスに関し、センシング部とフローティングディフュージョンの面積比を大きくすると、実質的な増幅機能を有し検出感度は大きくなるが、センシング部の長さを長くし過ぎると、転送しきれない電荷が残る。本発明者は、センシング部の長さを短くし、フローティングディフュージョンまでの電荷転送を段階的に行うことによって、センシング部からフローティングディフュージョンの構造的な制限を緩和するとともに、検出感度を大きく保ちながらセンシング部の残留電荷を減らすことができることを見出した。その結果、総合的にＳ／Ｎ（信号／ノイズ）比が向上し、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定方法および測定装置を提供することができる。
【００１４】
また、こうした構成に加え、複数のセンシング部を有し、各センシング部からの電荷を順次移動させる電荷転送手段を複数直列的に有することによって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することが可能となる。
【００１５】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定方法であって、前記センシング部の電荷容量をフローティングディフュージョンの電荷容量を超える大きさにするとともに、センシング部から複数の電荷転送手段を介してフローティングディフュージョンへの電荷転送に際し、各部位の電荷容量を徐々に小さくすることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷転送手段がｎ個の手段から構成され、センシング部よりも電荷容量の少ない第１電荷転送手段、第（ｎ−１）電荷転送手段よりも電荷容量の少ない第ｎ電荷転送手段、第ｎ電荷転送手段よりも電荷容量の少ないフローティングディフュージョンから構成されることを特徴とする。
【００１７】
上記のように、センシング部からフローティングディフュージョンまでの電荷転送を段階的に行うことによって、感度を大きく保ちながらセンシング部の残留電荷を減らすことが可能となる。本発明者は、さらに、各部位の電荷容量を徐々に小さくすることにより残留電荷を減少させ、転送効率の向上を図ることができることを見出した。
【００１８】
つまり、検出感度の面では、センシング部とフローティングディフュージョンの面積比を大きいことが好ましく、応答速度の面では、センシング部と電荷転送手段、電荷転送手段間、および電荷転送手段とフローティングディフュージョンの接触部分が大きいことが好ましい反面、両者を満足するには、構造的に限界がある。本発明は、複数の電荷転送手段を設け、徐々に電荷容量を小さくすることで、両者の要求を満たすことを可能にしたものであり、高い測定精度および優れた応答性を有する測定方法および測定装置を提供することができる。
【００１９】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記センシング部および電荷転送手段が、１のフローティングディフュージョンに対し周回状に配設されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明におけるセンシング部の構造は、検出部の検出感度向上の面からは蓄積量を多くできるように大電荷容量であることが好ましい一方、検出部の応答性の面からはセンシング部から電荷転送手段へ、および電荷転送手段からフローティングディフュージョンへの迅速な電荷の移動が好ましい。そこで、センシング部および電荷転送手段を１のフローティングディフュージョンに対し周回状に配設し、フローティングディフュージョンからの放射線上のセンシング部の空間距離を短くすることによって、こうした両面を満足する構造を実現可能としたものである。センシング部に蓄積された電荷が、同一電荷容量のセンシング部との比較において最も素早く電荷転送手段へ、さらにフローティングディフュージョンへ流出することが可能となることから、実質的に電荷がセンシング部を通過する時間を短縮することができ、電荷による検出サイクルを上げることができるために応答が速い検出が可能となる。
【００２１】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷転送手段が、電荷結合素子であることを特徴とする。
【００２２】
一般に、半導体デバイスにおける電荷転送手段には種々の方法があるが、電荷結合素子（ＣＣＤ）はＳ／Ｎ比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有している。従って、本発明のように、複数の電荷転送手段を直列的に作動させる場合にあっては、こうした特性を有効に活かし、優れた測定装置の提供が可能となる。具体的には、センシング部とフローティングディフュージョンとの間にＣＣＤを複数配列し、順次作動させることによって、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定装置とすることができる。
【００２３】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷結合素子が、バルク型のチャンネル構造によって形成されることを特徴とする。
【００２４】
一般に、電荷測定装置に用いる半導体デバイスにおいては、サーフィス型あるいはバルク型のチャンネルが多用されている。前者は、電荷量を多く処理することが可能である反面、転送ロスが発生する場合がある。一方、後者は、基板のバルク内（ｎ−型拡散層）を介してチャンネル間の電荷移送を行うことから、前者におけるに転送ロスがない。従って、本発明においては、バルク型のチャンネル構造を形成することで転送ロスの少なくし、かつ複数の電荷転送手段を直列的に設けることで電荷転送の迅速化を測ることによって、高い測定精度および優れた応答性を有する測定装置を可能とした。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の物理現象または化学現象の測定方法あるいは測定装置によれば、対象となる物理現象または化学現象に伴う電荷あるいはそれによって生じる出力の増幅を可能としつつ、検出精度の向上および応答の高速化を図ることが可能となる。また、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送などを行うことにより、様々な物理現象または化学現象を容易に画像化することができる。
【００２６】
また、電荷転送手段の構成や構造を工夫することによって、さらなる高精度化および迅速化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（Ａ）および（Ｂ）は、この発明に係る物理現象または化学現象の測定装置の検出部の基本的な構成を例示し、図２は、それを斜視的に例示している（第１構成例）。
【００２８】
図１（Ａ）および（Ｂ）または図２において、Ｂは例えばｐ型Ｓｉ（シリコン）よりなる半導体基板で、厚さ５００μｍ程度である。半導体基板Ｂは例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ）の絶縁膜１を有し、それを挟むようにして、電荷供給部２、電荷供給調節部３、センシング部４、障壁部５、電荷転送手段６（図１（Ａ）では電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと障壁部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる複数の電荷転送手段６Ａを、図１（Ｂ）では複数の電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂを例示している）、フローティングディフュージョン７、リセットゲート８、リセットドレイン９、出力トランジスタ１０が形成される。そして、電荷供給部２、電荷供給調節部３、センシング部４および障壁部５の各部材によってセンサ部１１が形成され、センサ部１１、電荷転送手段６、フローティングディフュージョン７、リセットゲート８およびリセットドレイン９によって検出部が形成される。半導体基板Ｂは、樹脂モールドなどを施すことにより溶液試料などに対して耐性をもたせている。
【００２９】
測定に際しては、電荷供給部２、障壁部５、電荷転送手段６およびリセットゲート８にパルス電圧を印加し、他の部位に直流電圧を印加し、ｐ型半導体を用いたＭＯＳ構造において、正の電圧を加えることによって、半導体−絶縁膜界面近傍での電位状態を形成することができる。
【００３０】
センサ部１１は、例えば、次のようにして形成される。
（１）ｐ型Ｓｉ基板Ｂを熱酸化し、酸化膜１（ＳｉＯ2 ）を形成する。
（２）その一部分をエッチングし、その部分を選択的に酸化する。その後、その選択的に酸化された部分のＳｉＯ2をエッチングし、さらに熱酸化することによりゲート酸化膜を形成する。このゲート酸化膜の膜厚は約５００Åである。
（３）その上面の電荷供給調節部３、障壁部５、および電荷転送手段６にそれぞれ対応する部分にリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積させて電極を形成する。この電極の膜厚は約３０００Åで、堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。
（４）その後、再びリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積し、電荷転送手段６の上面に電極を形成する。この電極の膜厚は前記電極のそれと同程度に堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。このように酸化することにより、電極同士の絶縁が保たれる。
（５）その後、Ｓｉ3 Ｎ4 （Ｔａ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 でもよい）を７００Å程度堆積してセンシング部４を形成する。
【００３１】
センシング部４は、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化する測定部位であり、例えばｐＨ測定の場合には、水溶液や測定対象物などを導入するセルが設けられた電極部を形成し、試料中のｐＨに対応する電位を発生する。こうした電位あるいは電位の変化を電荷に変換し、検出部における電荷の変化を、ＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０によって出力変換される。
【００３２】
ここで、電荷供給部２は、１のセンシング部４に対し１つに限定されるものではなく複数配設されていることが可能である。上述のように、測定対象あるいは用途によって、センシング部４の数量、形状あるいは配置関係が一義的に決定されることがあり、センシング部４全体への電荷の供給を迅速に行う必要がある場合において、センシング部４への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部２に分散することが好ましい。
【００３３】
電荷転送は、種々の方法をとることが可能であるが、図１（Ａ）に例示するような電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと障壁部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる複数の電荷転送手段６Ａによって構成され各電荷蓄積部の電位差によって電荷を転送する場合や、図１（Ｂ）に例示するような複数の電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂによって構成される場合が挙げられる。各々の機能や動作の詳細は後述する。
【００３４】
特に、ＣＣＤ６Ｂは、Ｓ／Ｎ比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有しており、複数の電荷転送手段６を直列的に作動させる本発明の場合において非常に有用である。
【００３５】
また、ＣＣＤ電極６ｚまたは６ｗが障壁部５の機能を果たすことが可能であり、障壁部５を省略することができ、転送の迅速化が可能である点においても優位である。ただし、微小電荷を扱う場合には、他の部位からの誘導影響を防止しフローティングディフュージョン７の電位を安定化する観点から、障壁部５あるいはこれに代わるゲート（例えばアウトプットゲートなど）を設けることが好ましい。
【００３６】
さらに、各電極に印加する電圧に差を設ける必要がないことからセンシング部４とフローティングディフュージョン７間の電位差を制限したり、電極数を制限する必要がない点においても有用である。
【００３７】
また、ＣＣＤ６Ｂは、センシング部４に蓄積された電荷量に応じて、電荷転送時に、同時に稼動させる電極数を変更することによって、最適条件で電荷を転送することが可能である。つまり、転送する電荷量が多い場合には多数の電極を稼動することによって、電荷の未転送をなくすことができる。さらに、転送する電荷量が少ない場合には１つの電極を稼動することによって、電極部における残留電荷をなくし、測定誤差要因をなくすことができる。
【００３８】
また、各電荷転送手段６の電荷転送効率が１００％であれば、理論的には電荷転送手段６の段数を限りなく大きくすることができるが、転送効率が１００％未満であれば、段数を多くすればするほど信号電荷量が減少してしまう。また、応答速度の面では少ない段数が少ない方が好ましく、増幅率の向上やセンサ部の構造的制限の緩和の面では段数が多い方が好ましい。実質的にはセンサとしての要求仕様にあった段数が選択される。
【００３９】
フローティングディフュージョン７は、センシング部４の形状あるいはセンシング部４とフローティングディフュージョン７との電荷容量比などによって設定されるが、図１では、センシング部４との接触部分を大きくするとともに、フローティングディフュージョン７の面積を小さくするために台形形状を形成している。
【００４０】
上記のセンサ部１１の構成は、半導体デバイスにおいて一般なサーフィス型のチャンネル構造を用いた場合を例示している。サーフィス型のチャンネル構造は、上記のように基板ＢのＳｉ相と絶縁膜１のＳｉＯ相との界面において生じる最も電位の低い部分を利用して電荷の転送を行い、電荷転送手段６としてＣＣＤ６Ｂを用いた場合には、各電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗへの印加電圧は、一般には０〜−５ＶをＯＮ−ＯＦＦする。電荷量を多く処理することができるという優れた特性を有する反面、上記界面において両相の材質の相違があることから、これに基づく不整合部分におけるトラップ準位によって、転送ロスが発生することがある。従って、多段のＣＣＤを用いた場合には、転送ロスが無視できなくなる場合がある。具体的には、ＣＣＤ６Ｂの転送効率、転送回数、信号の減少率についての関係を以下の表に示す。
【００４１】
【表１】
転送効率が１００％未満であれば、ＣＣＤ６Ｂの電極数を多くすればするほど信号電荷量が減少してしまうので、実質的にはどこまでＣＣＤ６Ｂの電極数を多くできるかは、ＣＣＤ６Ｂの性能に依存する。
【００４２】
ここで、本発明に係るセンサ部１１においては、バルク型のチャンネル構造を用いることがより好ましい。バルク型は、図３に例示するように、Ｓｉ−ＳｉＯ界面のＳｉ相側にｎ−型拡散層１２を設け、チャンネル構造を形成する。ｎ−型拡散層１２の中央部付近が最も電位が低くなり、その部分で電荷の転送を行うが、ｎ−型拡散層１２はＳｉの単結晶であり歪がないことから、転送ロスが非常に少ない点に大きなメリットがある。ＣＣＤ電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗへの印加電圧は、一般には０〜−１０ＶをＯＮ−ＯＦＦする。また、ｎ−型拡散層１２は、上記酸化膜１の形成後に基板Ｂの表層部にリンや砒素（Ａｓ）などのイオン注入を行うことによって形成することができる。特にＡｓは熱拡散係数が小さいことから、サブミクロンオーダーの微細加工を必要とするデバイスなどに対して有用である。
【００４３】
上記のような測定装置における測定方法について、電位図を参照しながら説明する。図１（Ａ）に示す電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと障壁部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる複数の電荷転送手段６Ａを用いた場合を図４（Ａ）（Ｂ）に示し、図１（Ｂ）に示す複数の電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂを用いた場合を図５に示す。
【００４４】
図４（Ａ）（Ｂ）で用いる電荷転送手段の特徴は、段階的に電位を上げた複数の電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを有する電荷転送手段６Ａを形成することで、順に電荷の転送を容易にした点にある。基本的には、各電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを順番に使用する方法が採られるが、センシング部４に蓄積された電荷量が多い場合には、複数の電荷蓄積部を同時に使用することも可能である。
【００４５】
図４（Ａ）においては、以下の順に移動する電荷を検出することによって、センシング部における電位の変化を検出し、それに対応する物理的または化学的な量を測定することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部２の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部４には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部２の電位を下げることによって、センシング部４に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部２の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調節部３によって制限された量の電荷がセンシング部４に蓄積される。
（４）電荷の転送１
障壁部５の電位を上げることによって、センシング部４に蓄積された電荷を電荷転送手段６ａに転送する。
（５）電荷の転送２
障壁部５ａの電位を上げることによって、電荷転送手段６ａに蓄積された電荷を電荷転送手段６ｂに転送する。
（６）電荷の転送３
障壁部５ｂの電位を上げることによって、電荷転送手段６ｂに蓄積された電荷を電荷転送手段６ｃに転送する。
（７）電荷の転送４
障壁部５ｃの電位を上げることによって、電荷転送手段６ｃに蓄積された電荷を電荷転送手段６ｄに転送する。
（８）電荷の転送５
障壁部５ｄの電位を上げることによって、電荷転送手段６ｄに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン７に転送する。
（９）電荷の測定
センシング部４の電荷が全てフローティングディフュージョン７に転送されてから障壁部５ｄの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１０のドレイン電流を測定する。
（１０）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート８をオンにしてリセットドレイン９から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン９の電位にリセットする。
（１１）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（１０）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部４での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
【００４６】
なお、図４（Ａ）では、電荷供給部２の電位を上げ下げしてセンシング部４に蓄積された電荷をすりきるようにしているが、これに代えて、図４（Ｂ）に示すように、電荷供給部２の電位を一定に保持し、電荷供給調節部３の高さを上げ下げしてセンシング部４に電荷を蓄積するようにしてもよい。つまり、以下の操作によって、安定的に前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部２の電位は低く、電荷供給調節部３の電位はそれ以下に設定されており、センシング部４には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給調節部３の電位を、電荷供給部２の電位以上に上げることによって、センシング部４に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給調節部３の電位を（１）の状態にまで下げることによって、供給された電荷がセンシング部４に蓄積される。
（４−１〜５）電荷の転送１〜５
上記と同様、障壁部５ａ〜５ｄの電位を上げることによって、センシング部４に蓄積された電荷を、電荷転送手段６ａ〜６ｄを介してフローティングディフュージョン７に転送する。
（５）電荷の測定
センシング部４の電荷が全てフローティングディフュージョン７に転送されてから障壁部５ｄの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１０のドレイン電流を測定する。
（６）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート８をオンにしてリセットドレイン９から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン９の電位にリセットする。
（７）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（６）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部４での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。図４（Ａ）の方法の利点とともに、電荷供給部２の電位を基準とすることで一定電位を保持することが可能となり、さらに安定性の向上を図ることができる。
【００４７】
図５に例示するように、電荷転送手段６として、電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂを用い、以下の順に移動する電荷を検出することによって、センシング部における電位の変化を検出し、それに対応する物理的または化学的な量を測定することができる。ここでは、図４（Ａ）と同様、電荷供給部２の電位を上げ下げしてセンシング部４に蓄積された電荷をすりきる方法を基に説明するが、これに代えて、図４（Ｂ）に示すように、電荷供給部２の電位を一定に保持し、電荷供給調節部３の高さを上げ下げしてセンシング部４に電荷を蓄積する方法を適用することも可能である。また、基本的には、電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを順番に使用する方法が採られるが、センシング部４に蓄積された電荷量が多い場合には、複数の電極を同時に使用することも可能である。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部２の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部４には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部２の電位を下げることによって、センシング部４に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部２の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調節部３によって制限された量の電荷がセンシング部４に蓄積される。
（４）電荷の転送１
ＣＣＤ電極６ｚの電位を上げることによって、センシング部４に蓄積された電荷をＣＣＤ電極６ｚに転送する。センシング部４に蓄積された電荷量が多い場合には、電極６ｚおよび６ｙ、あるいは電極６ｚ、６ｙおよび６ｘを上げることによって、相当する電荷の転送が可能となる。図５では、２つの電極を用いて転送する場合を例示し、電極６ｚおよび６ｙに転送している。
（５）電荷の転送２
ＣＣＤ電極６ｘの電位を上げることによって、電極６ｚおよび６ｙに蓄積された電荷が電極６ｘにも転送される。
（６）電荷の転送３
ＣＣＤ電極６ｘの電位を下げることによって、電極６ｚ、６ｙおよび６ｘに蓄積された電荷が電極６ｙおよび６ｘに転送される。つまり、（４）において電極６ｚおよび６ｙに蓄積された電荷が、電極６ｙおよび６ｘに転送された状態となる。
（７）電荷の転送２
ＣＣＤ電極６ｗの電位を上げることによって、電極６ｙおよび６ｘに蓄積された電荷が電極６ｗにも転送される。
（８）電荷の転送３
ＣＣＤ電極６ｙの電位を下げることによって、電極６ｙ、６ｘおよび６ｗに蓄積された電荷が電極６ｘおよび６ｗに転送される。つまり、（６）において電極６ｙおよび６ｘに蓄積された電荷が、電極６ｘおよび６ｗに転送された状態となる。
（９）電荷の転送５
障壁部５の電位を上げ、ＣＣＤ電極６ｘおよび６ｗの電位を下げることによって、電極６ｘおよび６ｗに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン７に転送する。
（１０）電荷の測定
センシング部４の電荷が全てフローティングディフュージョン７に転送されてから障壁部５の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１０のドレイン電流を測定する。
（１１）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート８をオンにしてリセットドレイン９から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン９の電位にリセットする。
（１２）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（１１）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部４での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
【００４８】
以上のように、この測定装置においては、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位を変化するように構成されたセンシング部４を半導体基板Ｂに形成し、このセンシング部４に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換するようにした電荷変換機構を用いている。
【００４９】
このとき、センシング部４の電荷容量がフローティングディフュージョン７の電荷容量を超える大きさを有することが好ましい。例えば、上記の図４（Ａ）の検出サイクルの（１）〜（１０）を繰り返し、フローティングディフュージョン７にある程度の電荷量が蓄積されてから電荷を測定するようにすることで、検出感度を上げることが可能であるが、その蓄積時間分だけ応答時間が遅くなる。本発明では、センシング部４の電荷容量を大きくし蓄積される電荷を多くすることで、小電荷容量のフローティングディフュージョン７に転送された時のフローティングディフュージョン７での電位の変化率を上昇させることができることから、その変化率を検出することで、正確かつ感度の高い測定が可能となる。つまり、センシング部４と電荷転送手段であるフローティングディフュージョン７の間に電荷容量差を設けることによって、センシング部４のおける電位の変化の実質的に増幅機能を有することとなる。
【００５０】
具体的にセンシング部４の電荷容量を大きくするには、（１）平面上での面積を大きくする、（２）センシング部４を複数にする、（３）電位を高くする、（４）電荷密度を上げる、などの手段があり、物理的または化学的な現象の対象となる試料の性状や濃度などによって選択することが可能である。なお、センシング部４の形状についても、同様の選択が可能である。
【００５１】
図６は、本発明における第２構成例を示す。センシング部４、電荷転送手段６、フローティングディフュージョン７の順に接触部分の長さを短くしていくことによって、センシング部４とフローティングディフュージョン７の面積比を大きくしている。検出感度に対応したセンシング部４の面積を任意に設定するとともに、電荷転送手段６を数あるいは径方向の距離を調整することによって、動作速度あるいは転送速度を設定することができることから、汎用性も高い。特に、電位あるいは電荷密度を上げる場合には測定対象によってはセンシング部４の絶縁性を考慮する必要があるが、こうした構成では電荷転送手段６との接触部分の長さを長くすることによって面積を拡大し、電荷転送手段６の数を増やすことで対応できる点優位である。長い線上で接する構成によって、素早くセンシング部４の電荷を移動することができる点において、測定の迅速化の要請に対応することができることからも優れている。つまり、電荷がセンシング部４および電荷転送手段６を通過する空間距離を短くし、実質的に電荷がセンシング部４および電荷転送手段６を通過する時間を短縮することができ、電荷による検出サイクルを上げることができるために応答が速い検出が可能となる。ここで、電荷転送手段６としては、ＣＣＤによって構成される場合を例示しているが、これに限定されるものではない。
【００５２】
なお、１のセンシング部４に対して複数の電荷供給部２を配設することも可能である（図示せず）。センシング部４の面積拡大に伴い、１の電荷供給部２からの供給ではセンシング部４全体に電荷が行き渡るのに所定の時間を必要とし迅速な対応が難しい場合がある。こうした場合に、センシング部４への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部２に分散することで、センシング部４への供給を容易にし、センシング部４での電荷の迅速な蓄積が可能となる。
【００５３】
図７（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明における第３構成例を示す。センシング部４の面積を大きくするためにフローティングディフュージョン７に対し周回状に配設され、センシング部４の電荷容量を大きくしている。同時に、電荷転送手段６もセンシング部４と同心円状に接しながらフローティングディフュージョン７に対し周回状に配設されている。ここで、電荷転送手段６としては、ＣＣＤによって構成される場合を例示しているが、これに限定されるものではない。
【００５４】
図７（Ａ）の径方向の距離ｄを調整することによって、センシング部４の面積を任意に設定することができることから、汎用性も高い。また、電位あるいは電荷密度を上げる場合には測定対象によってはセンシング部４の絶縁性を考慮する必要があるが、こうした構成では面積を拡大することで対応できる点優位である。さらに、センシング部４とフローティングディフュージョン７との間に電荷転送手段６を介在させることによって、両者の面積比を大きくすることが可能となり、電荷転送手段６を数あるいは径方向の距離を調整することによって、任意の面積比つまり増幅度を設定することができる。
【００５５】
また、センシング部４と電荷転送手段６と長い線上で接しながら、電荷転送手段６が順次接線の距離を短くする構成によって、電荷がセンシング部を通過する空間距離ｄを短くし、実質的に電荷がセンシング部を通過する時間を短縮することができ、電荷による検出サイクルを上げることができるために応答が速い検出が可能となる。
【００５６】
ここで、センシング部４および電荷転送手段６が、図７（Ｂ）に示すような半周回状に配設されている場合も含まれる。電荷転送手段６として多数の電極を有する場合などにおいて、配線や出力トランジスタ１０等の配設が容易になり、また、各手段の相互影響などを防止することができる。
【００５７】
なお、図７（Ｃ）に例示するように、１のセンシング部４に対して複数の電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃを配設する構成することも好適である。センシング部４の面積拡大に伴い、１の電荷供給部２からの供給ではセンシング部４全体に電荷が行き渡るのに所定の時間を必要とし迅速な対応が難しい場合がある。こうした場合に、センシング部４への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃに分散することで、センシング部４への供給を容易にし、センシング部４での電荷の迅速な蓄積が可能となる。また、各電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃの電荷供給量を個別に調整しセンシング部４の形状などに適した電荷の供給が可能となる。さらに、電荷供給調整部３を各電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃごとに別々に設け電荷供給量を個別に調整することも可能となる。なお、ここでは、複数を３つとして説明しているが、２以上いくつでも可能であることはいうまでもない。以下同様である。
【００５８】
図８は、本発明における第４構成例を示す。１つのフローティングディフュージョン７に対し、電荷転送手段６を介して複数のセンシング部４ａ，４ｂ，４ｃを周回状に設けており、全体としてセンシング部の面積を大きくし電荷容量を大きくしている。第３構成例と同様、センシング部面積の任意設定、フローティングディフュージョン７との周回接触、電荷の通過時間の短縮化の機能を有し、検出感度の向上および測定の迅速化の要請に対応し、かつ汎用性の高い検出手段とすることができる。
【００５９】
加えて、本発明では、各センシング部４ａ，４ｂ，４ｃが独立性を有することで、さらに、従来とは異なる使用方法が可能となる。具体的には、例えば、各センシング部４ａ，４ｂ，４ｃの表面を適当な応答物質で修飾することにより選択性のあるイオン電極を形成し、同一試料について複数のイオン（例えば、ｐＨ、Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、あるいは塩素など）の濃度測定を行うことや、温度、磁気、圧力検出機能を形成し同一試料についての各項目の検出を同時に行うこと、など異なった物理現象または化学現象の同時測定が可能となる。また、同一機能を有するセンシング部４ａ，４ｂ，４ｃを設け、異なる試料を同時に測定することで、複数試料の同一項目の測定を同時に行うことができる。
【００６０】
さらに、１つのフローティングディフュージョンに対し電荷転送手段を介して複数のセンサ部からの電荷を順次移動させる構成によって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することができる。具体的には、図９に例示するような第５構成例が可能である。つまり、複数のセンサ部１１（ａ，ａ）、１１（ａ，ｂ）、・・・と、各センサ部において変換された電荷を矢印方向に転送する電荷転送手段６と、転送されてきた電荷をさらに転送する１つのフローティングディフュージョン７と、転送されてきた電荷を出力信号に変換する出力トランジスタ１０とからなる。電荷転送手段６としては、複数のセンサ部からの電荷を順次フローティングディフュージョン７に転送すると同時に位置情報を含めた処理を必要とすることからＣＣＤが好ましい。
【００６１】
センサ部１１（ａ，ａ）、１１（ａ，ｂ）、・・・を一次元的あるいは二次元的に配置してアレイ化することにより、複数点の情報を同時に取り込み、電荷転送部６および出力トランジスタ１０によって、複数点の信号を秩序よく処理することができる。出力された信号は、そのままＣＲＴなどの画像出力装置（図示せず）に入力して画像出力したり、出力信号をＡＤ変換してコンピュータに入力することができる。
【００６２】
つまり、各センサ部１１（ａ，ａ）、１１（ａ，ｂ）、・・・と電荷転送部６との接合部におけるゲートを順次開として蓄積された電荷を供出し、ＣＣＤ駆動電位を順にＯＮ−ＯＦＦすることによって電荷転送部６の転送路を経由して転送される。このとき、電荷転送部６におけるＣＣＤの駆動は、１相駆動、２相駆動あるいは４相駆動など、転送される電荷量に応じて適宜選定することができる。なお、上記のようにセンサ部１１の数が多くなるに伴って転送効率が大きな問題となるが、その場合は、転送経路として転送効率の高いバルクチャンネルを用いるのが好ましい。転送されてきた電位は、フローティングディフュージョン７に転送され、このフローティングディフュージョン７の電位を変化させる。この電位の変化を、出力トランジスタ１０のゲートに入力し、検出出力とする。
【００６３】
本発明における第６の構成例を図１０に例示する。出力トランジスタ１０の出力側にフィードバック回路１３（制御部）を設け、出力トランジスタ１０の出力が一定になるように電荷供給調整部３の電位を制御し、その制御量を測定値に変換する場合を表している。
【００６４】
つまり、物理現象または化学現象を電荷情報に変換して定量化を行う場合においては、センシング部４あるいはフローティングディフュージョン７に残留する電荷の影響が無視できないことがある。具体的には、センシング部４からフローティングディフュージョン７までの電荷移動距離が長い場合あるいは検出サイクルの時間が短い場合では、電荷の移動が追いつかず電荷の一部がセンシング部４に残留することがある。このとき微小な電荷の移動を追跡する高感度測定においては、直線性、特にゼロ付近での直線性が悪くなることがある。そこで、本発明では、こうしたセンシング部４への電荷の残留を防止する、あるいは電荷の残留があっても検出特性に影響しないような電荷移動量に設定して、電荷移動量を一定にするように電荷供給調整部３の電位を調整するものである。
【００６５】
すなわち、電荷供給調整部３とセンシング部４との電位差を一定にすれば、センシング部４に供給される電荷供給量を一定にすることができ、電荷移動量が一定となる。このとき、電荷移動量を所定範囲にすれば、上記の電荷の残留の影響は無視することができる。つまり、時間的にみれば、所定量を超える場合、転送パワーが落ちることから電荷の残留する（転送ロスの）確率が増加する。一方、実際の転送時に一定量の転送ロスが生じるとすれば、所定量よりも少ない場合には、その影響を無視することができない。
【００６６】
また、センシング部４からフローティングディフュージョン７に移動する電荷量が一定となり、その結果フローティングディフュージョン７の電位が一定となる。つまり、フローティングディフュージョン７に設けられた出力トランジスタ１０の出力が一定となるように、物理現象または化学現象に伴うセンシング部４の電位の変化に対応して、電荷供給調整部３の電位を調整した場合、その調整量が物理現象または化学現象の変化に対応する測定量とすることができ、直線性を有する優れた検出特性を得ることができる。
【００６７】
また、センサ部１１における電荷移動量を一定とすることで、センサ部１１の変動要素を少なくし機能の安定化を図ることができる。
【００６８】
さらに、センシング部４の特性にバラツキがあっても、同一試料についてのセンシング部４と電荷供給調整部３の電位差を一定にするように調節された電荷供給調整部３の電位を基準に、上記動作を行うことができる。従って、センシング部４の特性を厳格に規制することなく、同等の出力特性を得ることができる。
【００６９】
上記では、各請求項に係る発明によって形成される機能を、一部組合せた構成例を挙げて説明したが、むろん、本発明はこれに限定されるものではなく、他の組合せ、あるいは本願に記載の事項との任意の組合せが可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上、この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の二次元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のような分野にも適用することができる。
（１）化学顕微鏡としての応用分野・化学；イオン濃度計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
（２）環境計測・環境；バイオリメディエーションへの適用
（３）食品検査・食品、微生物
（４）ＭＥ分野・医学・生態組織；組織細胞の表面イオン濃度計測、細胞表面電位計測、ＤＮＡ計測
（５）バイオ分野
（６）動植物分野・植物；カルスの表面電位分布計測・生物・正面図動物
（７）腐蝕計測分野・金属；金属腐蝕と塗装・コーティング
（８）ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。
【００７１】
また、測定対象（サンプル）は、気体、液体、固体、粉体のいずれであってもよく、センサ部の特定感応層により選択的に反応する化学センシングと、物理的接触による界面現象に電荷変動をするあらゆる現象に適用でき、例えば液の流れや一瞬の化学反応の過渡現象の分布を高感度、高画質の化学画像として得ることができる。さらに、滴定現象のリアルタイム画像化から画像ソフトによる他の種類の解析、表示にも有用であり、携帯化カメラにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１Ａ】本発明に係る測定装置検出部の基本的な構造（第１構成例の１）を示す説明図。
【図１Ｂ】本発明に係る測定装置検出部の基本的な構造（第１構成例の２）を示す説明図。
【図２】本発明に係る測定装置検出部の要部を概略的に例示する説明図。
【図３】本発明に係る測定装置検出部のセンサ部の他の構造を例示する説明図。
【図４】本発明の測定方法に係る電位の変化を示す説明図。
【図５】本発明の他の測定方法に係る電位の変化を例示する説明図。
【図６】本発明に係る第２の構成例を示す説明図。
【図７Ａ】本発明に係る第３の構成例の１を示す説明図。
【図７Ｂ】本発明に係る第３の構成例の２および３を示す説明図。
【図８】本発明に係る第４の構成例を示す説明図。
【図９】本発明に係る第５の構成例を示す説明図。
【図１０】本発明に係る第６の構成例を示す説明図。
【符号の説明】
【００７３】
１ 絶縁膜
２ 電荷供給部
３ 電荷供給調整部
４ センシング部
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 障壁部
６、６Ａ 電荷転送手段
６Ｂ ＣＣＤ
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 電荷蓄積部
６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗ ＣＣＤ電極
７ フローティングディフュージョン
８ リセットゲート
９ リセットドレイン
１０ 出力トランジスタ
１１ センサ部
１２ ｎ−型拡散層
１３ フィードバック回路
Ｂ 半導体基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理現象または化学現象を定量化する測定方法および測定装置に関し、例えば、溶液のｐＨ、圧力、磁界、あるいは温度の二次元分布など、様々の物理現象または化学現象を定量化する測定方法および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理現象または化学現象には、濃度、温度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音波、酸化還元電位、反応速度など様々な現象があるが、これらの現象は、様々な電気信号（電流、電圧、抵抗、電荷容量、電位）に変換することができる。
【０００３】
また、例えば、フォトダイオードのように、光を照射すると光量に応じた電子正孔対が生成し、光量を電荷量に変化してその電荷量を評価することにより光量を測定する方法などのように、物理現象または化学現象を電荷情報に変換して測定する方法があった。
【０００４】
しかしながら、光以外のその他の物理・化学現象においては、ほとんどの場合、電荷量ではなく、電圧値、電流値、抵抗値などの電気信号に変換し、それらの値を読み取るようにしているため、電荷特有の取扱い方法である蓄積および転送を行うことができず、また複数点の情報を同時に取り込んで高速処理したり、測定結果を画像化するといったことが非常に困難であった。
【０００５】
近年、環境あるいは医療の分野を含め各種の分野において、こうした物理現象または化学現象の高速処理化あるいは画像化の要請が高まり、例えば、物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換することによって、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送などを行い、様々な物理現象または化学現象を容易に画像化できるようにした方法および装置などが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−３３２４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、昨今の物理現象または化学現象の測定には、従来以上に精緻な測定精度や応答の高速化が求められ、上記の方法や装置に対し、より優れた精度面あるいは応答面の改善の要請が強くなってきた。
【０００７】
つまり、物理現象または化学現象を電荷情報として変換するに際し、精度面あるいは応答面に対しては、電荷の移動をより効率的にかつ迅速に行うために電荷移動手段をどのような構成あるいは構造とすることが好ましいかが大きな課題となってきた。
【０００８】
また、物理現象または化学現象の測定においては、大きな変化による大量の電荷移動がある場合と物理現象または化学現象としての変化がほとんどなく小さな電荷移動しか発生しない場合がある。実際の測定においては、いずれの場合においても現象変化に対応した所定の測定精度を要求されるが、同一構成の検出器において、そのいずれの電荷移動条件においても同一精度を確保することは非常に難しい。つまり、検出器にとって広い範囲での直線性確保は大きな課題である。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、物理現象または化学現象を電荷情報に変換することによって定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定方法および測定装置を提供することにある。また、複数点の電荷情報を同時に取り込み様々な物理現象または化学現象を容易に画像化できる測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す測定方法あるいは測定装置によって、本発明を完成するに到った。
【００１１】
上記目的を達成するため、この発明の物理現象または化学現象の測定方法は、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする。
【００１２】
また、上記目的を達成するため、この発明の物理現象または化学現象の測定装置は、電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部に供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、前記センシング部とフローティングディフュージョンの間に複数の電荷転送手段を直列的に配することを特徴とする。
【００１３】
物理現象または化学現象を検出する半導体デバイスに関し、センシング部とフローティングディフュージョンの面積比を大きくすると、実質的な増幅機能を有し検出感度は大きくなるが、センシング部の長さを長くし過ぎると、転送しきれない電荷が残る。本発明者は、センシング部の長さを短くし、フローティングディフュージョンまでの電荷転送を段階的に行うことによって、センシング部からフローティングディフュージョンの構造的な制限を緩和するとともに、検出感度を大きく保ちながらセンシング部の残留電荷を減らすことができることを見出した。その結果、総合的にＳ／Ｎ（信号／ノイズ）比が向上し、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定方法および測定装置を提供することができる。
【００１４】
また、こうした構成に加え、複数のセンシング部を有し、各センシング部からの電荷を順次移動させる電荷転送手段を複数直列的に有することによって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することが可能となる。
【００１５】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定方法であって、前記センシング部の電荷容量をフローティングディフュージョンの電荷容量を超える大きさにするとともに、センシング部から複数の電荷転送手段を介してフローティングディフュージョンへの電荷転送に際し、各部位の電荷容量を徐々に小さくすることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷転送手段がｎ個の手段から構成され、センシング部よりも電荷容量の少ない第１電荷転送手段、第（ｎ−１）電荷転送手段よりも電荷容量の少ない第ｎ電荷転送手段、第ｎ電荷転送手段よりも電荷容量の少ないフローティングディフュージョンから構成されることを特徴とする。
【００１７】
上記のように、センシング部からフローティングディフュージョンまでの電荷転送を段階的に行うことによって、感度を大きく保ちながらセンシング部の残留電荷を減らすことが可能となる。本発明者は、さらに、各部位の電荷容量を徐々に小さくすることにより残留電荷を減少させ、転送効率の向上を図ることができることを見出した。
【００１８】
つまり、検出感度の面では、センシング部とフローティングディフュージョンの面積比を大きいことが好ましく、応答速度の面では、センシング部と電荷転送手段、電荷転送手段間、および電荷転送手段とフローティングディフュージョンの接触部分が大きいことが好ましい反面、両者を満足するには、構造的に限界がある。本発明は、複数の電荷転送手段を設け、徐々に電荷容量を小さくすることで、両者の要求を満たすことを可能にしたものであり、高い測定精度および優れた応答性を有する測定方法および測定装置を提供することができる。
【００１９】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記センシング部および電荷転送手段が、１のフローティングディフュージョンに対し周回状に配設されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明におけるセンシング部の構造は、検出部の検出感度向上の面からは蓄積量を多くできるように大電荷容量であることが好ましい一方、検出部の応答性の面からはセンシング部から電荷転送手段へ、および電荷転送手段からフローティングディフュージョンへの迅速な電荷の移動が好ましい。そこで、センシング部および電荷転送手段を１のフローティングディフュージョンに対し周回状に配設し、フローティングディフュージョンからの放射線上のセンシング部の空間距離を短くすることによって、こうした両面を満足する構造を実現可能としたものである。センシング部に蓄積された電荷が、同一電荷容量のセンシング部との比較において最も素早く電荷転送手段へ、さらにフローティングディフュージョンへ流出することが可能となることから、実質的に電荷がセンシング部を通過する時間を短縮することができ、電荷による検出サイクルを上げることができるために応答が速い検出が可能となる。
【００２１】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷転送手段が、電荷結合素子であることを特徴とする。
【００２２】
一般に、半導体デバイスにおける電荷転送手段には種々の方法があるが、電荷結合素子（ＣＣＤ）はＳ／Ｎ比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有している。従って、本発明のように、複数の電荷転送手段を直列的に作動させる場合にあっては、こうした特性を有効に活かし、優れた測定装置の提供が可能となる。具体的には、センシング部とフローティングディフュージョンとの間にＣＣＤを複数配列し、順次作動させることによって、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定装置とすることができる。
【００２３】
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷結合素子が、バルク型のチャンネル構造によって形成されることを特徴とする。
【００２４】
一般に、電荷測定装置に用いる半導体デバイスにおいては、サーフィス型あるいはバルク型のチャンネルが多用されている。前者は、電荷量を多く処理することが可能である反面、転送ロスが発生する場合がある。一方、後者は、基板のバルク内（ｎ−型拡散層）を介してチャンネル間の電荷移送を行うことから、前者におけるに転送ロスがない。従って、本発明においては、バルク型のチャンネル構造を形成することで転送ロスの少なくし、かつ複数の電荷転送手段を直列的に設けることで電荷転送の迅速化を測ることによって、高い測定精度および優れた応答性を有する測定装置を可能とした。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明の物理現象または化学現象の測定方法あるいは測定装置によれば、対象となる物理現象または化学現象に伴う電荷あるいはそれによって生じる出力の増幅を可能としつつ、検出精度の向上および応答の高速化を図ることが可能となる。また、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送などを行うことにより、様々な物理現象または化学現象を容易に画像化することができる。
【００２６】
また、電荷転送手段の構成や構造を工夫することによって、さらなる高精度化および迅速化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１（Ａ）および（Ｂ）は、この発明に係る物理現象または化学現象の測定装置の検出部の基本的な構成を例示し、図２は、それを斜視的に例示している（第１構成例）。
【００２８】
図１（Ａ）および（Ｂ）または図２において、Ｂは例えばｐ型Ｓｉ（シリコン）よりなる半導体基板で、厚さ５００μｍ程度である。半導体基板Ｂは例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ）の絶縁膜１を有し、それを挟むようにして、電荷供給部２、電荷供給調節部３、センシング部４、障壁部５、電荷転送手段６（図１（Ａ）では電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと障壁部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる複数の電荷転送手段６Ａを、図１（Ｂ）では複数の電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂを例示している）、フローティングディフュージョン７、リセットゲート８、リセットドレイン９、出力トランジスタ１０が形成される。そして、電荷供給部２、電荷供給調節部３、センシング部４および障壁部５の各部材によってセンサ部１１が形成され、センサ部１１、電荷転送手段６、フローティングディフュージョン７、リセットゲート８およびリセットドレイン９によって検出部が形成される。半導体基板Ｂは、樹脂モールドなどを施すことにより溶液試料などに対して耐性をもたせている。
【００２９】
測定に際しては、電荷供給部２、障壁部５、電荷転送手段６およびリセットゲート８にパルス電圧を印加し、他の部位に直流電圧を印加し、ｐ型半導体を用いたＭＯＳ構造において、正の電圧を加えることによって、半導体−絶縁膜界面近傍での電位状態を形成することができる。
【００３０】
センサ部１１は、例えば、次のようにして形成される。
（１）ｐ型Ｓｉ基板Ｂを熱酸化し、酸化膜１（ＳｉＯ2 ）を形成する。
（２）その一部分をエッチングし、その部分を選択的に酸化する。その後、その選択的に酸化された部分のＳｉＯ2をエッチングし、さらに熱酸化することによりゲート酸化膜を形成する。このゲート酸化膜の膜厚は約５００Åである。
（３）その上面の電荷供給調節部３、障壁部５、および電荷転送手段６にそれぞれ対応する部分にリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積させて電極を形成する。この電極の膜厚は約３０００Åで、堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。
（４）その後、再びリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積し、電荷転送手段６の上面に電極を形成する。この電極の膜厚は前記電極のそれと同程度に堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。このように酸化することにより、電極同士の絶縁が保たれる。
（５）その後、Ｓｉ3 Ｎ4 （Ｔａ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 でもよい）を７００Å程度堆積してセンシング部４を形成する。
【００３１】
センシング部４は、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化する測定部位であり、例えばｐＨ測定の場合には、水溶液や測定対象物などを導入するセルが設けられた電極部を形成し、試料中のｐＨに対応する電位を発生する。こうした電位あるいは電位の変化を電荷に変換し、検出部における電荷の変化を、ＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０によって出力変換される。
【００３２】
ここで、電荷供給部２は、１のセンシング部４に対し１つに限定されるものではなく複数配設されていることが可能である。上述のように、測定対象あるいは用途によって、センシング部４の数量、形状あるいは配置関係が一義的に決定されることがあり、センシング部４全体への電荷の供給を迅速に行う必要がある場合において、センシング部４への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部２に分散することが好ましい。
【００３３】
電荷転送は、種々の方法をとることが可能であるが、図１（Ａ）に例示するような電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと障壁部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる複数の電荷転送手段６Ａによって構成され各電荷蓄積部の電位差によって電荷を転送する場合や、図１（Ｂ）に例示するような複数の電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂによって構成される場合が挙げられる。各々の機能や動作の詳細は後述する。
【００３４】
特に、ＣＣＤ６Ｂは、Ｓ／Ｎ比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有しており、複数の電荷転送手段６を直列的に作動させる本発明の場合において非常に有用である。
【００３５】
また、ＣＣＤ電極６ｚまたは６ｗが障壁部５の機能を果たすことが可能であり、障壁部５を省略することができ、転送の迅速化が可能である点においても優位である。ただし、微小電荷を扱う場合には、他の部位からの誘導影響を防止しフローティングディフュージョン７の電位を安定化する観点から、障壁部５あるいはこれに代わるゲート（例えばアウトプットゲートなど）を設けることが好ましい。
【００３６】
さらに、各電極に印加する電圧に差を設ける必要がないことからセンシング部４とフローティングディフュージョン７間の電位差を制限したり、電極数を制限する必要がない点においても有用である。
【００３７】
また、ＣＣＤ６Ｂは、センシング部４に蓄積された電荷量に応じて、電荷転送時に、同時に稼動させる電極数を変更することによって、最適条件で電荷を転送することが可能である。つまり、転送する電荷量が多い場合には多数の電極を稼動することによって、電荷の未転送をなくすことができる。さらに、転送する電荷量が少ない場合には１つの電極を稼動することによって、電極部における残留電荷をなくし、測定誤差要因をなくすことができる。
【００３８】
また、各電荷転送手段６の電荷転送効率が１００％であれば、理論的には電荷転送手段６の段数を限りなく大きくすることができるが、転送効率が１００％未満であれば、段数を多くすればするほど信号電荷量が減少してしまう。また、応答速度の面では少ない段数が少ない方が好ましく、増幅率の向上やセンサ部の構造的制限の緩和の面では段数が多い方が好ましい。実質的にはセンサとしての要求仕様にあった段数が選択される。
【００３９】
フローティングディフュージョン７は、センシング部４の形状あるいはセンシング部４とフローティングディフュージョン７との電荷容量比などによって設定されるが、図１では、センシング部４との接触部分を大きくするとともに、フローティングディフュージョン７の面積を小さくするために台形形状を形成している。
【００４０】
上記のセンサ部１１の構成は、半導体デバイスにおいて一般なサーフィス型のチャンネル構造を用いた場合を例示している。サーフィス型のチャンネル構造は、上記のように基板ＢのＳｉ相と絶縁膜１のＳｉＯ相との界面において生じる最も電位の低い部分を利用して電荷の転送を行い、電荷転送手段６としてＣＣＤ６Ｂを用いた場合には、各電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗへの印加電圧は、一般には０〜−５ＶをＯＮ−ＯＦＦする。電荷量を多く処理することができるという優れた特性を有する反面、上記界面において両相の材質の相違があることから、これに基づく不整合部分におけるトラップ準位によって、転送ロスが発生することがある。従って、多段のＣＣＤを用いた場合には、転送ロスが無視できなくなる場合がある。具体的には、ＣＣＤ６Ｂの転送効率、転送回数、信号の減少率についての関係を以下の表に示す。
【００４１】
【表１】
転送効率が１００％未満であれば、ＣＣＤ６Ｂの電極数を多くすればするほど信号電荷量が減少してしまうので、実質的にはどこまでＣＣＤ６Ｂの電極数を多くできるかは、ＣＣＤ６Ｂの性能に依存する。
【００４２】
ここで、本発明に係るセンサ部１１においては、バルク型のチャンネル構造を用いることがより好ましい。バルク型は、図３に例示するように、Ｓｉ−ＳｉＯ界面のＳｉ相側にｎ−型拡散層１２を設け、チャンネル構造を形成する。ｎ−型拡散層１２の中央部付近が最も電位が低くなり、その部分で電荷の転送を行うが、ｎ−型拡散層１２はＳｉの単結晶であり歪がないことから、転送ロスが非常に少ない点に大きなメリットがある。ＣＣＤ電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗへの印加電圧は、一般には０〜−１０ＶをＯＮ−ＯＦＦする。また、ｎ−型拡散層１２は、上記酸化膜１の形成後に基板Ｂの表層部にリンや砒素（Ａｓ）などのイオン注入を行うことによって形成することができる。特にＡｓは熱拡散係数が小さいことから、サブミクロンオーダーの微細加工を必要とするデバイスなどに対して有用である。
【００４３】
上記のような測定装置における測定方法について、電位図を参照しながら説明する。図１（Ａ）に示す電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと障壁部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄからなる複数の電荷転送手段６Ａを用いた場合を図４（Ａ）（Ｂ）に示し、図１（Ｂ）に示す複数の電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂを用いた場合を図５に示す。
【００４４】
図４（Ａ）（Ｂ）で用いる電荷転送手段の特徴は、段階的に電位を上げた複数の電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを有する電荷転送手段６Ａを形成することで、順に電荷の転送を容易にした点にある。基本的には、各電荷蓄積部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを順番に使用する方法が採られるが、センシング部４に蓄積された電荷量が多い場合には、複数の電荷蓄積部を同時に使用することも可能である。
【００４５】
図４（Ａ）においては、以下の順に移動する電荷を検出することによって、センシング部における電位の変化を検出し、それに対応する物理的または化学的な量を測定することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部２の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部４には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部２の電位を下げることによって、センシング部４に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部２の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調節部３によって制限された量の電荷がセンシング部４に蓄積される。
（４）電荷の転送１
障壁部５の電位を上げることによって、センシング部４に蓄積された電荷を電荷転送手段６ａに転送する。
（５）電荷の転送２
障壁部５ａの電位を上げることによって、電荷転送手段６ａに蓄積された電荷を電荷転送手段６ｂに転送する。
（６）電荷の転送３
障壁部５ｂの電位を上げることによって、電荷転送手段６ｂに蓄積された電荷を電荷転送手段６ｃに転送する。
（７）電荷の転送４
障壁部５ｃの電位を上げることによって、電荷転送手段６ｃに蓄積された電荷を電荷転送手段６ｄに転送する。
（８）電荷の転送５
障壁部５ｄの電位を上げることによって、電荷転送手段６ｄに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン７に転送する。
（９）電荷の測定
センシング部４の電荷が全てフローティングディフュージョン７に転送されてから障壁部５ｄの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１０のドレイン電流を測定する。
（１０）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート８をオンにしてリセットドレイン９から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン９の電位にリセットする。
（１１）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（１０）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部４での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
【００４６】
なお、図４（Ａ）では、電荷供給部２の電位を上げ下げしてセンシング部４に蓄積された電荷をすりきるようにしているが、これに代えて、図４（Ｂ）に示すように、電荷供給部２の電位を一定に保持し、電荷供給調節部３の高さを上げ下げしてセンシング部４に電荷を蓄積するようにしてもよい。つまり、以下の操作によって、安定的に前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部２の電位は低く、電荷供給調節部３の電位はそれ以下に設定されており、センシング部４には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給調節部３の電位を、電荷供給部２の電位以上に上げることによって、センシング部４に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給調節部３の電位を（１）の状態にまで下げることによって、供給された電荷がセンシング部４に蓄積される。
（４−１〜５）電荷の転送１〜５
上記と同様、障壁部５ａ〜５ｄの電位を上げることによって、センシング部４に蓄積された電荷を、電荷転送手段６ａ〜６ｄを介してフローティングディフュージョン７に転送する。
（５）電荷の測定
センシング部４の電荷が全てフローティングディフュージョン７に転送されてから障壁部５ｄの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１０のドレイン電流を測定する。
（６）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート８をオンにしてリセットドレイン９から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン９の電位にリセットする。
（７）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（６）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部４での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。図４（Ａ）の方法の利点とともに、電荷供給部２の電位を基準とすることで一定電位を保持することが可能となり、さらに安定性の向上を図ることができる。
【００４７】
図５に例示するように、電荷転送手段６として、電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを有するＣＣＤ６Ｂを用い、以下の順に移動する電荷を検出することによって、センシング部における電位の変化を検出し、それに対応する物理的または化学的な量を測定することができる。ここでは、図４（Ａ）と同様、電荷供給部２の電位を上げ下げしてセンシング部４に蓄積された電荷をすりきる方法を基に説明するが、これに代えて、図４（Ｂ）に示すように、電荷供給部２の電位を一定に保持し、電荷供給調節部３の高さを上げ下げしてセンシング部４に電荷を蓄積する方法を適用することも可能である。また、基本的には、電極６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗを順番に使用する方法が採られるが、センシング部４に蓄積された電荷量が多い場合には、複数の電極を同時に使用することも可能である。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部２の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部４には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部２の電位を下げることによって、センシング部４に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部２の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調節部３によって制限された量の電荷がセンシング部４に蓄積される。
（４）電荷の転送１
ＣＣＤ電極６ｚの電位を上げることによって、センシング部４に蓄積された電荷をＣＣＤ電極６ｚに転送する。センシング部４に蓄積された電荷量が多い場合には、電極６ｚおよび６ｙ、あるいは電極６ｚ、６ｙおよび６ｘを上げることによって、相当する電荷の転送が可能となる。図５では、２つの電極を用いて転送する場合を例示し、電極６ｚおよび６ｙに転送している。
（５）電荷の転送２
ＣＣＤ電極６ｘの電位を上げることによって、電極６ｚおよび６ｙに蓄積された電荷が電極６ｘにも転送される。
（６）電荷の転送３
ＣＣＤ電極６ｘの電位を下げることによって、電極６ｚ、６ｙおよび６ｘに蓄積された電荷が電極６ｙおよび６ｘに転送される。つまり、（４）において電極６ｚおよび６ｙに蓄積された電荷が、電極６ｙおよび６ｘに転送された状態となる。
（７）電荷の転送２
ＣＣＤ電極６ｗの電位を上げることによって、電極６ｙおよび６ｘに蓄積された電荷が電極６ｗにも転送される。
（８）電荷の転送３
ＣＣＤ電極６ｙの電位を下げることによって、電極６ｙ、６ｘおよび６ｗに蓄積された電荷が電極６ｘおよび６ｗに転送される。つまり、（６）において電極６ｙおよび６ｘに蓄積された電荷が、電極６ｘおよび６ｗに転送された状態となる。
（９）電荷の転送５
障壁部５の電位を上げ、ＣＣＤ電極６ｘおよび６ｗの電位を下げることによって、電極６ｘおよび６ｗに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン７に転送する。
（１０）電荷の測定
センシング部４の電荷が全てフローティングディフュージョン７に転送されてから障壁部５の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１０のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１０のドレイン電流を測定する。
（１１）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート８をオンにしてリセットドレイン９から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン９の電位にリセットする。
（１２）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（１１）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部４での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
【００４８】
以上のように、この測定装置においては、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位を変化するように構成されたセンシング部４を半導体基板Ｂに形成し、このセンシング部４に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換するようにした電荷変換機構を用いている。
【００４９】
このとき、センシング部４の電荷容量がフローティングディフュージョン７の電荷容量を超える大きさを有することが好ましい。例えば、上記の図４（Ａ）の検出サイクルの（１）〜（１０）を繰り返し、フローティングディフュージョン７にある程度の電荷量が蓄積されてから電荷を測定するようにすることで、検出感度を上げることが可能であるが、その蓄積時間分だけ応答時間が遅くなる。本発明では、センシング部４の電荷容量を大きくし蓄積される電荷を多くすることで、小電荷容量のフローティングディフュージョン７に転送された時のフローティングディフュージョン７での電位の変化率を上昇させることができることから、その変化率を検出することで、正確かつ感度の高い測定が可能となる。つまり、センシング部４と電荷転送手段であるフローティングディフュージョン７の間に電荷容量差を設けることによって、センシング部４のおける電位の変化の実質的に増幅機能を有することとなる。
【００５０】
具体的にセンシング部４の電荷容量を大きくするには、（１）平面上での面積を大きくする、（２）センシング部４を複数にする、（３）電位を高くする、（４）電荷密度を上げる、などの手段があり、物理的または化学的な現象の対象となる試料の性状や濃度などによって選択することが可能である。なお、センシング部４の形状についても、同様の選択が可能である。
【００５１】
図６は、本発明における第２構成例を示す。センシング部４、電荷転送手段６、フローティングディフュージョン７の順に接触部分の長さを短くしていくことによって、センシング部４とフローティングディフュージョン７の面積比を大きくしている。検出感度に対応したセンシング部４の面積を任意に設定するとともに、電荷転送手段６を数あるいは径方向の距離を調整することによって、動作速度あるいは転送速度を設定することができることから、汎用性も高い。特に、電位あるいは電荷密度を上げる場合には測定対象によってはセンシング部４の絶縁性を考慮する必要があるが、こうした構成では電荷転送手段６との接触部分の長さを長くすることによって面積を拡大し、電荷転送手段６の数を増やすことで対応できる点優位である。長い線上で接する構成によって、素早くセンシング部４の電荷を移動することができる点において、測定の迅速化の要請に対応することができることからも優れている。つまり、電荷がセンシング部４および電荷転送手段６を通過する空間距離を短くし、実質的に電荷がセンシング部４および電荷転送手段６を通過する時間を短縮することができ、電荷による検出サイクルを上げることができるために応答が速い検出が可能となる。ここで、電荷転送手段６としては、ＣＣＤによって構成される場合を例示しているが、これに限定されるものではない。
【００５２】
なお、１のセンシング部４に対して複数の電荷供給部２を配設することも可能である（図示せず）。センシング部４の面積拡大に伴い、１の電荷供給部２からの供給ではセンシング部４全体に電荷が行き渡るのに所定の時間を必要とし迅速な対応が難しい場合がある。こうした場合に、センシング部４への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部２に分散することで、センシング部４への供給を容易にし、センシング部４での電荷の迅速な蓄積が可能となる。
【００５３】
図７（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、本発明における第３構成例を示す。センシング部４の面積を大きくするためにフローティングディフュージョン７に対し周回状に配設され、センシング部４の電荷容量を大きくしている。同時に、電荷転送手段６もセンシング部４と同心円状に接しながらフローティングディフュージョン７に対し周回状に配設されている。ここで、電荷転送手段６としては、ＣＣＤによって構成される場合を例示しているが、これに限定されるものではない。
【００５４】
図７（Ａ）の径方向の距離ｄを調整することによって、センシング部４の面積を任意に設定することができることから、汎用性も高い。また、電位あるいは電荷密度を上げる場合には測定対象によってはセンシング部４の絶縁性を考慮する必要があるが、こうした構成では面積を拡大することで対応できる点優位である。さらに、センシング部４とフローティングディフュージョン７との間に電荷転送手段６を介在させることによって、両者の面積比を大きくすることが可能となり、電荷転送手段６を数あるいは径方向の距離を調整することによって、任意の面積比つまり増幅度を設定することができる。
【００５５】
また、センシング部４と電荷転送手段６と長い線上で接しながら、電荷転送手段６が順次接線の距離を短くする構成によって、電荷がセンシング部を通過する空間距離ｄを短くし、実質的に電荷がセンシング部を通過する時間を短縮することができ、電荷による検出サイクルを上げることができるために応答が速い検出が可能となる。
【００５６】
ここで、センシング部４および電荷転送手段６が、図７（Ｂ）に示すような半周回状に配設されている場合も含まれる。電荷転送手段６として多数の電極を有する場合などにおいて、配線や出力トランジスタ１０等の配設が容易になり、また、各手段の相互影響などを防止することができる。
【００５７】
なお、図７（Ｃ）に例示するように、１のセンシング部４に対して複数の電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃを配設する構成することも好適である。センシング部４の面積拡大に伴い、１の電荷供給部２からの供給ではセンシング部４全体に電荷が行き渡るのに所定の時間を必要とし迅速な対応が難しい場合がある。こうした場合に、センシング部４への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃに分散することで、センシング部４への供給を容易にし、センシング部４での電荷の迅速な蓄積が可能となる。また、各電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃの電荷供給量を個別に調整しセンシング部４の形状などに適した電荷の供給が可能となる。さらに、電荷供給調整部３を各電荷供給部２ａ，２ｂ，２ｃごとに別々に設け電荷供給量を個別に調整することも可能となる。なお、ここでは、複数を３つとして説明しているが、２以上いくつでも可能であることはいうまでもない。以下同様である。
【００５８】
図８は、本発明における第４構成例を示す。１つのフローティングディフュージョン７に対し、電荷転送手段６を介して複数のセンシング部４ａ，４ｂ，４ｃを周回状に設けており、全体としてセンシング部の面積を大きくし電荷容量を大きくしている。第３構成例と同様、センシング部面積の任意設定、フローティングディフュージョン７との周回接触、電荷の通過時間の短縮化の機能を有し、検出感度の向上および測定の迅速化の要請に対応し、かつ汎用性の高い検出手段とすることができる。
【００５９】
加えて、本発明では、各センシング部４ａ，４ｂ，４ｃが独立性を有することで、さらに、従来とは異なる使用方法が可能となる。具体的には、例えば、各センシング部４ａ，４ｂ，４ｃの表面を適当な応答物質で修飾することにより選択性のあるイオン電極を形成し、同一試料について複数のイオン（例えば、ｐＨ、Ｃａ、Ｎａ、Ｋ、あるいは塩素など）の濃度測定を行うことや、温度、磁気、圧力検出機能を形成し同一試料についての各項目の検出を同時に行うこと、など異なった物理現象または化学現象の同時測定が可能となる。また、同一機能を有するセンシング部４ａ，４ｂ，４ｃを設け、異なる試料を同時に測定することで、複数試料の同一項目の測定を同時に行うことができる。
【００６０】
さらに、１つのフローティングディフュージョンに対し電荷転送手段を介して複数のセンサ部からの電荷を順次移動させる構成によって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することができる。具体的には、図９に例示するような第５構成例が可能である。つまり、複数のセンサ部１１（ａ，ａ）、１１（ａ，ｂ）、・・・と、各センサ部において変換された電荷を矢印方向に転送する電荷転送手段６と、転送されてきた電荷をさらに転送する１つのフローティングディフュージョン７と、転送されてきた電荷を出力信号に変換する出力トランジスタ１０とからなる。電荷転送手段６としては、複数のセンサ部からの電荷を順次フローティングディフュージョン７に転送すると同時に位置情報を含めた処理を必要とすることからＣＣＤが好ましい。
【００６１】
センサ部１１（ａ，ａ）、１１（ａ，ｂ）、・・・を一次元的あるいは二次元的に配置してアレイ化することにより、複数点の情報を同時に取り込み、電荷転送部６および出力トランジスタ１０によって、複数点の信号を秩序よく処理することができる。出力された信号は、そのままＣＲＴなどの画像出力装置（図示せず）に入力して画像出力したり、出力信号をＡＤ変換してコンピュータに入力することができる。
【００６２】
つまり、各センサ部１１（ａ，ａ）、１１（ａ，ｂ）、・・・と電荷転送部６との接合部におけるゲートを順次開として蓄積された電荷を供出し、ＣＣＤ駆動電位を順にＯＮ−ＯＦＦすることによって電荷転送部６の転送路を経由して転送される。このとき、電荷転送部６におけるＣＣＤの駆動は、１相駆動、２相駆動あるいは４相駆動など、転送される電荷量に応じて適宜選定することができる。なお、上記のようにセンサ部１１の数が多くなるに伴って転送効率が大きな問題となるが、その場合は、転送経路として転送効率の高いバルクチャンネルを用いるのが好ましい。転送されてきた電位は、フローティングディフュージョン７に転送され、このフローティングディフュージョン７の電位を変化させる。この電位の変化を、出力トランジスタ１０のゲートに入力し、検出出力とする。
【００６３】
本発明における第６の構成例を図１０に例示する。出力トランジスタ１０の出力側にフィードバック回路１３（制御部）を設け、出力トランジスタ１０の出力が一定になるように電荷供給調整部３の電位を制御し、その制御量を測定値に変換する場合を表している。
【００６４】
つまり、物理現象または化学現象を電荷情報に変換して定量化を行う場合においては、センシング部４あるいはフローティングディフュージョン７に残留する電荷の影響が無視できないことがある。具体的には、センシング部４からフローティングディフュージョン７までの電荷移動距離が長い場合あるいは検出サイクルの時間が短い場合では、電荷の移動が追いつかず電荷の一部がセンシング部４に残留することがある。このとき微小な電荷の移動を追跡する高感度測定においては、直線性、特にゼロ付近での直線性が悪くなることがある。そこで、本発明では、こうしたセンシング部４への電荷の残留を防止する、あるいは電荷の残留があっても検出特性に影響しないような電荷移動量に設定して、電荷移動量を一定にするように電荷供給調整部３の電位を調整するものである。
【００６５】
すなわち、電荷供給調整部３とセンシング部４との電位差を一定にすれば、センシング部４に供給される電荷供給量を一定にすることができ、電荷移動量が一定となる。このとき、電荷移動量を所定範囲にすれば、上記の電荷の残留の影響は無視することができる。つまり、時間的にみれば、所定量を超える場合、転送パワーが落ちることから電荷の残留する（転送ロスの）確率が増加する。一方、実際の転送時に一定量の転送ロスが生じるとすれば、所定量よりも少ない場合には、その影響を無視することができない。
【００６６】
また、センシング部４からフローティングディフュージョン７に移動する電荷量が一定となり、その結果フローティングディフュージョン７の電位が一定となる。つまり、フローティングディフュージョン７に設けられた出力トランジスタ１０の出力が一定となるように、物理現象または化学現象に伴うセンシング部４の電位の変化に対応して、電荷供給調整部３の電位を調整した場合、その調整量が物理現象または化学現象の変化に対応する測定量とすることができ、直線性を有する優れた検出特性を得ることができる。
【００６７】
また、センサ部１１における電荷移動量を一定とすることで、センサ部１１の変動要素を少なくし機能の安定化を図ることができる。
【００６８】
さらに、センシング部４の特性にバラツキがあっても、同一試料についてのセンシング部４と電荷供給調整部３の電位差を一定にするように調節された電荷供給調整部３の電位を基準に、上記動作を行うことができる。従って、センシング部４の特性を厳格に規制することなく、同等の出力特性を得ることができる。
【００６９】
上記では、各請求項に係る発明によって形成される機能を、一部組合せた構成例を挙げて説明したが、むろん、本発明はこれに限定されるものではなく、他の組合せ、あるいは本願に記載の事項との任意の組合せが可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上、この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の二次元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のような分野にも適用することができる。
（１）化学顕微鏡としての応用分野・化学；イオン濃度計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
（２）環境計測・環境；バイオリメディエーションへの適用
（３）食品検査・食品、微生物
（４）ＭＥ分野・医学・生態組織；組織細胞の表面イオン濃度計測、細胞表面電位計測、ＤＮＡ計測
（５）バイオ分野
（６）動植物分野・植物；カルスの表面電位分布計測・生物・正面図動物
（７）腐蝕計測分野・金属；金属腐蝕と塗装・コーティング
（８）ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。
【００７１】
また、測定対象（サンプル）は、気体、液体、固体、粉体のいずれであってもよく、センサ部の特定感応層により選択的に反応する化学センシングと、物理的接触による界面現象に電荷変動をするあらゆる現象に適用でき、例えば液の流れや一瞬の化学反応の過渡現象の分布を高感度、高画質の化学画像として得ることができる。さらに、滴定現象のリアルタイム画像化から画像ソフトによる他の種類の解析、表示にも有用であり、携帯化カメラにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１Ａ】本発明に係る測定装置検出部の基本的な構造（第１構成例の１）を示す説明図。
【図１Ｂ】本発明に係る測定装置検出部の基本的な構造（第１構成例の２）を示す説明図。
【図２】本発明に係る測定装置検出部の要部を概略的に例示する説明図。
【図３】本発明に係る測定装置検出部のセンサ部の他の構造を例示する説明図。
【図４】本発明の測定方法に係る電位の変化を示す説明図。
【図５】本発明の他の測定方法に係る電位の変化を例示する説明図。
【図６】本発明に係る第２の構成例を示す説明図。
【図７Ａ】本発明に係る第３の構成例の１を示す説明図。
【図７Ｂ】本発明に係る第３の構成例の２および３を示す説明図。
【図８】本発明に係る第４の構成例を示す説明図。
【図９】本発明に係る第５の構成例を示す説明図。
【図１０】本発明に係る第６の構成例を示す説明図。
【符号の説明】
【００７３】
１ 絶縁膜
２ 電荷供給部
３ 電荷供給調整部
４ センシング部
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 障壁部
６、６Ａ 電荷転送手段
６Ｂ ＣＣＤ
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 電荷蓄積部
６ｚ、６ｙ、６ｘ、６ｗ ＣＣＤ電極
７ フローティングディフュージョン
８ リセットゲート
９ リセットドレイン
１０ 出力トランジスタ
１１ センサ部
１２ ｎ−型拡散層
１３ フィードバック回路
Ｂ 半導体基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする物理現象または化学現象の測定方法。
【請求項２】
前記センシング部の電荷容量をフローティングディフュージョンの電荷容量を超える大きさにするとともに、センシング部から複数の電荷転送手段を介してフローティングディフュージョンへの電荷転送に際し、各部位の電荷容量を徐々に小さくすることを特徴とする請求項１記載の物理現象または化学現象の測定方法。
【請求項３】
電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部に供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、前記センシング部とフローティングディフュージョンの間に複数の電荷転送手段を直列的に配することを特徴とする物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項４】
前記電荷転送手段がｎ個の手段から構成され、センシング部よりも電荷容量の少ない第１電荷転送手段、第（ｎ−１）電荷転送手段よりも電荷容量の少ない第ｎ電荷転送手段、第ｎ電荷転送手段よりも電荷容量の少ないフローティングディフュージョンから構成されることを特徴とする請求項３記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項５】
前記センシング部および電荷転送手段が、１のフローティングディフュージョンに対し周回状に配設されていることを特徴とする請求項３または４記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項６】
前記電荷転送手段が、電荷結合素子であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項７】
前記電荷結合素子が、バルク型のチャンネル構造によって形成されることを特徴とする請求項３〜６いずれかに記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項１】
物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、前記センシング部からフローティングディフュージョンへの電荷転送を、複数の電荷転送手段を介して直列的に行うことを特徴とする物理現象または化学現象の測定方法。
【請求項２】
前記センシング部の電荷容量をフローティングディフュージョンの電荷容量を超える大きさにするとともに、センシング部から複数の電荷転送手段を介してフローティングディフュージョンへの電荷転送に際し、各部位の電荷容量を徐々に小さくすることを特徴とする請求項１記載の物理現象または化学現象の測定方法。
【請求項３】
電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部に供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、前記センシング部とフローティングディフュージョンの間に複数の電荷転送手段を直列的に配することを特徴とする物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項４】
前記電荷転送手段がｎ個の手段から構成され、センシング部よりも電荷容量の少ない第１電荷転送手段、第（ｎ−１）電荷転送手段よりも電荷容量の少ない第ｎ電荷転送手段、第ｎ電荷転送手段よりも電荷容量の少ないフローティングディフュージョンから構成されることを特徴とする請求項３記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項５】
前記センシング部および電荷転送手段が、１のフローティングディフュージョンに対し周回状に配設されていることを特徴とする請求項３または４記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項６】
前記電荷転送手段が、電荷結合素子であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【請求項７】
前記電荷結合素子が、バルク型のチャンネル構造によって形成されることを特徴とする請求項３〜６いずれかに記載の物理現象または化学現象の測定装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１６２５６７（Ｐ２００６−１６２５６７Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５８７２９（Ｐ２００４−３５８７２９）
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【Ｆターム（参考）】
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