JPH05312778A - イオン濃度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ゲートに感応膜を備えるイオン感応性トランジ
スタを用いるイオン濃度センサを小形化し検出感度の安
定性を高める。 【構成】ｎ形とｐ形のサブストレート２と３の表面上に
それぞれ感応膜７を備えるｐチャネル形トランジスタ21
とｎチャネル形トランジスタ22および両者に共通なゲー
ト電極30を半導体チップ10内に作り込み、感応膜７とゲ
ート電極30を電解液等の検出対象40に接触させ，かつゲ
ート電極30に極性が正負に切り換わるゲート電圧Vgを与
えた状態でトランジスタ21と22によるイオン検出信号S1
とS2の差信号をイオン濃度信号Soとして取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水素イオン濃度pH等のイ
オン濃度を検出するためのセンサであって、とくに小形
化に適するイオン濃度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からイオン濃度，とくに水素イオン
濃度は周知のようにガラス電極と比較ないし参照電極を
用いて測定することが多いが、測定が正確な利点をもつ
反面,小形化が困難で測定値にドリフトが生じないよう
参照電極内の電解液を管理するのが厄介な問題があり、
例えば生体用に使用できる程度に構造が簡単で小形化が
容易な新しいイオン濃度センサが要望されている。

【０００３】かかる要望に沿い得るものとして、絶縁ゲ
ート電界効果トランジスタのゲート絶縁膜にイオン感応
性をもつ膜を用いることによりトランジスタにセンサ機
能をもたせたISFET(Ion Sensitive Field-Effect Trans
istor)と呼ばれるイオン濃度センサが知られており、こ
れと組み合わせる参照電極にも種々の工夫がなされてい
るが、この参照電極にも電界効果トランジスタを利用す
る従来例を図４を参照して以下に簡単に説明する。

【０００４】図４(a) に容器41内のイオン濃度を検出す
べき電解液等の検出対象40に上述のISFET 71と参照ゲー
トトランジスタ72を浸漬した状態とその関連回路とを示
す。ISFET 71は感応膜73を, 参照ゲートトランジスタ72
は参照電極74をゲートにそれぞれ備える。感応膜73は絶
縁膜なのでISFET 71にゲート電圧を与えるため例えば白
金の擬比較電極であるゲート電極75を検出対象40に浸漬
する。両トランジスタ71と72に電源80から直流電圧を掛
けて定電流回路81と82によりそれぞれに流れる電流を一
定に保ち、ゲート電極75には例えば電源80の電圧を与え
る。感応膜73をもつISFET 71のソース・ドレイン間抵抗
が検出対象40のイオン濃度に応じて変化するので、イオ
ン濃度が基準濃度，例えば水素イオン濃度pHが７の時に
両トランジスタ71と72とのソース・ドレイン間電圧を互
いに逆向きに均衡させて置けば、両者の電圧差を図のよ
うに検出対象40のイオン濃度を表す検出電圧Voとして取
り出して測定回路60に与えることができる。

【０００５】図４(b) に参照ゲートトランジスタ72の参
照電極74の構造例を断面図で示す。半導体チップ10の例
えばｐ形の基板11の表面にトランジスタ72のソース層72
ａとドレイン層72ｂがｎ形で拡散され、絶縁膜12上に配
設された電極膜13がそれらと接続され、電極膜13は検出
対象40と接触しないように保護膜14で覆われている。参
照電極74はこのトランジスタ72のサブストレートである
基板11の表面上に配設した絶縁層74ａに明けた小穴に塩
化カリウム等の緩衝電解液74ｂを保持する寒天ゲル等を
充填し、かつその上に電解液74ｂが検出対象40と液絡す
るよう多孔性の例えば金属の膜74ｃを被せてなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図４のように、通常の
ガラス電極に当たるISFET 71と通常の参照電極に当たる
参照ゲートトランジスタ72を用い、上述の参照電極74を
備える参照ゲートトランジスタ72のソース・ドレイン間
の抵抗が一定であるのに対し、感応膜73を備えるISFET
71のソース・ドレイン間の抵抗がゲート電極75に所定ゲ
ート電圧を掛けた状態で検出対象40のイオン濃度に応じ
変化することを利用してこのイオン濃度を検出でき、か
つISFET 71と参照ゲートトランジスタ72を同じ半導体チ
ップに作り込むことによってイオン濃度センサを数mm角
程度にまでは小形化できるが、参照電極74の構造が図４
(b) のようにまだかなり複雑であるためそれ以上の小形
化は非常に困難なのが実情である。

【０００７】さらに、参照電極74の緩衝電解液74ｂが検
出対象40と液絡ないし流通しているので長期の使用後に
はそのイオン濃度が次第に変化してイオン濃度検出値に
誤差ないしはドリフトが生じる問題がある。もちろん、
通常のイオン濃度計と同様に参照電極内の電解液を交換
すれば検出精度は元どおりに回復するが、図４(b) のよ
うに参照電極74が１mm以下のサイズになると電解液の交
換が非常に厄介なのでイオン濃度センサは実際には使い
捨てになり、とくに小形センサを生体内に挿入ないしは
埋め込んで使用するような用途ではセンサ自体は安価な
ものであっても簡単には交換できない。かかる現状に鑑
み、本発明は小形化が容易で検出精度の安定性が高いイ
オン濃度センサを得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的は本発明のイオ
ン濃度センサによれば、イオン感応膜を表面に備えるサ
ブストレートに互いに逆の導電形を賦与した１対の電界
効果形トランジスタとそれらに共通なゲート電極とを設
け、検出対象に感応膜とゲート電極を接触させかつ正負
に順次交替するゲート電圧をゲート電極に掛けた状態で
両トランジスタによるイオン検出信号の差信号を検出対
象のイオン濃度を表すイオン濃度信号として取り出すこ
とによって達成される。

【０００９】なお、上記構成にいう感応膜には窒化シリ
コン, アルミナ, 酸化タンタル等をＣＶＤ法により成膜
した薄膜を用いるのがよく、かかる感応膜をゲートに備
える１対のトランジスタをゲート電極とともに単一の半
導体チップ内に作り込むのがセンサの小形化に有利であ
る。本発明のイオン濃度センサはもちろんその１対のト
ランジスタにそれぞれ電流を流した状態で使用するが、
両トランジスタに流す電流比を可調整にして置くのが検
出感度を高める上で望ましい。また、両トランジスタと
ゲート電極との間に与えるゲート電圧は、少なくとも数
Hz, 望ましくは数十Hz以上の周波数でその正負の極性を
交替させるのがよい。

【００１０】また、本発明のイオン濃度センサはその１
対のトランジスタの感応膜とゲート電極を電解液等の検
出対象に必ず接触させた状態で使用されるが、この際に
検出対象の感応膜やゲート電極との界面にそれぞれ若干
の電圧降下が発生するので、ゲート電圧をこれら電圧降
下の和より大きく設定するのが検出動作を確実にする上
で非常に有利である。さらに、上述のようにサブストレ
ートが逆導電形であるトランジスタの対を２組設け、各
対のトランジスタを１対の電源点間に直列に,かつ異な
る組のサブストレートが逆導電形であるトランジスタが
互いに対応するよう接続し、各組のトランジスタ対の相
互接続点からイオン濃度信号を取り出すようにするのが
検出感度と検出特性の線形を高める上で有利である。

【００１１】

【作用】図４で説明した従来のイオン濃度センサはISFE
T と参照ゲートトランジスタを用いてそれぞれ固有の役
割を果たさせるいわば固定動作形であったが、本発明は
感応膜を備えるトランジスタないしはISFET を１対用い
て両者を互いに逆導電形とし、かつそれらに共通なゲー
ト電極に正負が順次交替するゲート電圧を与えて両トラ
ンジスタが従来のISFET と参照ゲートトランジスタの役
割を交互に果たすいわば交互動作形とすることにより、
従来の問題の主な原因であった参照ゲートトランジスタ
の参照電極を省いてセンサの小形化を容易にしかつイオ
ン濃度値のドリフトをなくすことに成功したものであ
る。

【００１２】すなわち、本発明のイオン濃度センサで
は、ゲート電圧の正負の極性に応じてその１対の互いに
逆導電形のトランジスタ中の一方がイオン濃度に応じた
電流を流す本来のISFET として動作し、他方がほぼ非導
通ないしは小電流を流す状態のいわば従来の参照ゲート
トランジスタとして動作する。このように、本発明では
その１対のトランジスタがいわば差動的に動作するので
両トランジスタのイオン検出信号の差信号をイオン濃度
信号として取り出すことができる。

【００１３】

【実施例】以下、図を参照しながら本発明の実施例を具
体的に説明する。図１は本発明のイオン濃度センサを作
り込んだ半導体チップの断面図とその関連回路図、図２
は図１の実施例の動作例を示す主な信号の波形図、図３
は本発明の異なる実施例を示すイオン濃度センサとその
関連回路図である。これらの実施例ではイオン濃度セン
サの小形化のため１対のトランジスタとゲート電極が単
一の半導体チップに作り込まれ、ゲート電極に与えるゲ
ート電圧は数十Hz程度の周波数でその正負の極性が交替
されるものとする。

【００１４】図１(a) において、半導体チップ10は通常
のＣＭＯＳ集積回路装置用と同様に例えばｐ形の半導体
基板１の上にエピタキシャル層２をｎ形で成長させたも
のであり、本発明のイオン濃度センサに用いられる１対
のトランジスタ21と22の内のｐチャネルトランジスタ21
はエピタキシャル層をｎ形のサブストレート２とし、ｎ
チャネルトランジスタ22はエピタキシャル層に拡散され
たウエルをｐ形のサブストレート３としてそれぞれ作り
込まれる。トランジスタ21の方にはｎ形のサブストレー
ト２の表面からソース層21ａとドレイン層21ｂがｐ形で
拡散され、かつ図の例ではサブストレート接続層21ｃが
ｎ形で拡散される。同様にトランジスタ22の方にはｐ形
のサブストレート３の表面からソース層22ａとドレイン
層22ｂがｎ形で拡散され、かつサブストレート接続層22
ｃがｐ形で拡散される。これらの拡散層は通常の電界効
果トランジスタと同様な要領で作り込むことでよく、サ
ブストレート接続層21ｃや22ｃは必ずしも必要ではな
い。

【００１５】両トランジスタ21と22用の配線も通常の集
積回路装置におけると同様な要領で施すことでよく、ま
ず半導体チップ10の表面を絶縁膜４で覆った上で要所に
窓を明け、その上側に窓の中で両トランジスタのソース
・ドレイン層にそれぞれ接続するアルミの配線膜５を図
示のように配設する。なお、絶縁膜４の窓明けの際に後
で感応膜７を設けるべき個所にも開口を設け、図の例で
は配線膜５を配設する際にトランジスタ21と22のサブス
トレート接続層21c,22c をソース層21a,22a とそれぞれ
短絡する。さらに、配線膜５が検出対象40である電解液
等に接触しないように配線膜５の上側に窒化シリコン等
の緻密な膜質の保護膜７を成膜し、かつこれに感応膜７
用の開口とゲート電極30用の窓を設ける。

【００１６】感応膜７は窒化シリコン, アルミナ, 酸化
タンタル等の薄膜とするのがよく、この実施例では窒化
シリコン膜を上述の開口内のサブストレート２や３の表
面と接触するよう例えばプラズマＣＶＤ法により成膜し
かつフォトエッチングを施すことによって図のように周
縁が保護膜６と重なるパターンに形成する。この窒化シ
リコンの感応膜７は水素イオン濃度の検出にとくに適す
る。ゲート電極30用の金属には図４(a) の場合と同様に
白金を用いるのがよく、これを保護膜２の上にスパッタ
法や蒸着法で成膜してフォトエッチングを施すことによ
り、図のように両トランジスタ21と22の相互間の保護膜
６上に両者に共用のパターンに形成し、かつ保護膜６に
明けられた上述の窓を介して下側の配線膜６と接続す
る。

【００１７】図１(a) のイオン濃度センサは例えば図１
(b) に示す検出回路50に組み込んで感応膜７とゲート電
極30をもちろん検出対象40に接触させた状態で使用され
る。図１(b) ではゲート電極30が感応膜７と向き合った
姿勢で示されている。トランジスタ21と22はそれぞれ調
整抵抗51と52と直列に１対の電源電位点ＶとＥの間に接
続され、パルス発生回路55により発生させた極性が正負
に順次交替するゲート電圧Vgがゲート電極30に賦与され
る。トランジスタ21, 22と抵抗51, 52との相互接続点か
らそれぞれイオン検出信号S1, S2が導出され、両信号の
差信号がイオン濃度信号Soとして測定回路60に与えられ
る。

【００１８】図２にイオン濃度センサに同図(a) の波形
のゲート電圧Vgを与えた時の上述のイオン検出信号S1,
S2とイオン濃度信号Soの波形を示す。同図(b) 〜(d) は
検出対象40の陽イオン濃度が高い場合に, 同図(e) 〜
(g) は陽イオン濃度が低い場合ないしは陽イオン濃度よ
り陰イオン濃度が高い場合にそれぞれ相当する。まず、
陽イオン濃度が高い場合から説明する。ｐチャネル形の
トランジスタ21はゲート電圧Vgが正の時にトランジスタ
21が導通状態となってイオン濃度に応じた電流が流れる
が、ゲート電圧Vgが負の時にはほとんど電流が流れない
から、図２(b) のトランジスタ21によるイオン検出信号
S1は図のように電圧Vgが正の時間内に低い値をとる波形
になる。

【００１９】これに対しｎチャネル形のトランジスタ22
の方は陽イオン濃度が高い場合にはほとんど導通せず、
前述のようにいわば参照ゲートトランジスタとして動作
するので、図２(c) のトランジスタ21によるイオン検出
信号S2は変化が少なくゲート電圧Vgが負の時間内に僅か
に下がる波形となる。これらイオン検出信号S1とS2の差
信号である図２(d) のイオン濃度信号Soは図のように正
のパルス状で電圧Vgが負の時間内でやや負値をとる波形
となる。かかるイオン濃度信号Soを受ける測定回路60は
例えばそのパルス波形の正負のピーク値をディジタル値
に変換してその平均値からイオン濃度値を計算するよう
構成するのがよい。

【００２０】陰イオン濃度が高い場合は、図２(e) のイ
オン検出信号S1はほぼ平坦でゲート電圧Vgが負の時間内
に僅かに下がる波形となり、図２(f) のイオン検出信号
S2は電圧Vgが負の時間内に低い値をとる波形となり、両
者の差信号である図２(g) のイオン濃度信号Soは負のパ
ルス状で電圧Vgが正の時間内にやや正値をとる波形とな
る。この場合にはトランジスタ21の方がいわば参照ゲー
トトランジスタとして動作することになり、イオン濃度
信号Soが負のパルス状波形をとることから検出対象40内
の陰イオンが陽イオンより優勢なことがわかる。なお、
図１(b) の調整抵抗51と52は例えば水素イオン濃度pHが
７の時にイオン濃度信号Soから得られるイオン濃度値が
０になるよう調整して置くのがよい。

【００２１】図３に本発明の異なる実施例を図１(b) に
対応する回路図で示す。この実施例ではそれぞれ感応膜
７をもつ互いに逆導電形のトランジスタないしISFET の
対を２組用い、第１の対のトランジスタ21, 22と調整抵
抗53の直列回路と第２の対のトランジスタ23, 24と調整
抵抗54の直列回路を電源電位点ＶとＥの間に接続し、か
つ図示のようにｐチャネルトランジスタ21と24がｎチャ
ネルトランジスタ23と22にそれぞれ対応するよう配置す
る。さらに、図の例では各対ごとに設けられたゲート電
極31と32にパルス発生回路55による正負に順次交替する
ゲート電圧Vgを共通に与えた状態で、第１の対のトラン
ジスタ21, 22の相互接続点と第２の対のトランジスタ2
3, 24の相互接続点からそれぞれイオン検出信号S3, S4
を導出し、両者の差信号をイオン濃度信号Soとして測定
回路50に与える。

【００２２】容易にわかるように、この実施例では４個
のトランジスタ21〜24が一種の変形ブリッジ回路を構成
しているので、調整抵抗53と54によって第１と第２のト
ランジスタ対を流れる電流のバランスをとることにより
イオン濃度の検出感度を前の実施例より高めることがで
き、かつ各トランジスタ対のイオン濃度の検出特性の非
線形を補償して線形性を向上することができる。なお、
図１の実施例でもこの図３の実施例でもゲート電圧Vgを
検出対象の感応膜とゲート電極との界面付近に生じ得る
電圧降下の和より高く設定するのが有利であるが、とく
に図３の実施例では図１の実施例の場合よりも若干高め
に設定するのが望ましい。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明のイオン濃度センサ
では、イオンに対する感応膜を表面に備えるサブストレ
ートに互いに逆の導電形を賦与した１対の電界効果形の
トランジスタとそれらに共通なゲート電極を設け、感応
膜とゲート電極をイオン濃度を検出すべき電解液等の検
出対象に接触させかつ正負に順次交替するゲート電圧を
ゲート電極に掛けた状態で両トランジスタによるイオン
検出信号の差信号を検出対象のイオン濃度を表すイオン
濃度信号として取り出すことにより、次の効果を上げる
ことができる。

【００２４】(a) 導電形が異なる１対のイオン感応性の
トランジスタがゲート電圧の正負に応じて参照ゲートト
ランジスタの役目を交互に果たすので従来のよう参照電
極を設ける必要がなくなり、トランジスタ対とゲート電
極を２〜３mm角以下の半導体チップ内に作り込んでイオ
ン濃度センサを小形化することができる。 (b) 従来は参照電極に保持させていた検出対象と液絡す
る電解液が不要になるのでイオン濃度検出値にドリフト
が生じる原因がなくなり、イオン濃度センサの検出感度
を長期に亘り安定に維持することができる。

【００２５】(c) １対のイオン感応性トランジスタを差
動的に動作させてイオン濃度信号を取り出すので、各ト
ランジスタがもつ検出特性の非線形が自動補償されてイ
オン濃度を良好な線形特性で正確に検出することがで
き、かつイオン濃度検出範囲も従来より広げることがで
きる。 (d) 感応膜を含むトランジスタ対とゲート電極をすべて
半導体プロセス技術を利用して半導体チップ内に作り込
めるので性能のよく揃ったイオン濃度センサを安価に提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン濃度センサの一実施例を示し、
同図(a) はイオン濃度センサを作り込んだ半導体チップ
の断面図、同図(b) はその関連回路図である。

【図２】図１の実施例に関連する主な信号を示し、同図
(a) はゲート電圧、同図(b) は陽イオン濃度が高い場合
のｐチャネル形のトランジスタによるイオン検出信号、
同図(c) は同じ場合のｎチャネル形のトランジスタによ
るイオン検出信号、同図(d) は同じ場合のイオン濃度信
号、同図(e) は陰イオン濃度が高い場合のｐチャネル形
のトランジスタによるイオン検出信号、同図(f) は同じ
場合のｎチャネル形のトランジスタによるイオン濃度信
号、同図(g) は同じ場合のイオン濃度信号の波形図であ
る。

【図３】本発明のイオン濃度センサの異なる実施例を示
すその関連回路図である。

【図４】従来のイオン濃度センサを示し、同図(a) はそ
の関連回路図、同図(b) は参照ゲートトランジスタの参
照電極の断面図である。

【符号の説明】

２ サブストレートとしてのエピタキシャル層 ３ サブストレートとしてのウエル ７ 感応膜 10 イオン濃度センサが作り込まれた半導体チップ 21 ｐチャネル形のトランジスタないしはISFET 22 ｎチャネル形のトランジスタないしはISFET 23 ｎチャネル形のトランジスタないしはISFET 22 ｐチャネル形のトランジスタないしはISFET 30 ゲート電極 31 ゲート電極 32 ゲート電極 40 検出対象ないしは電解液 S1 ｐチャネル形のトランジスタによるイオン検出
信号 S2 ｎチャネル形のトランジスタによるイオン検出
信号 S0 イオン濃度信号 Vg ゲート電圧

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオンに対する感応膜を表面に備えるサブ
   ストレートに互いに逆の導電形を賦与した１対の電界効
   果形のトランジスタとそれらに共通なゲート電極を備
   え、検出対象に感応膜とゲート電極を接触させかつ正負
   に順次交替するゲート電圧をゲート電極に掛けた状態で
   両トランジスタによるイオン検出信号の差信号を検出対
   象のイオン濃度を表すイオン濃度信号として取り出すよ
   うにしたことを特徴とするイオン濃度センサ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のセンサにおいて、ゲート
   電圧を検出対象中にその感応膜とゲート電極との界面付
   近にそれぞれ生じる電圧降下の和より大きく設定するよ
   うにしたことを特徴とするイオン濃度センサ。
3. 【請求項３】請求項１に記載のセンサにおいて、サブス
   トレートが逆導電形のトランジスタの対を２組設け、各
   対のトランジスタを１対の電源点間に直列にかつ異なる
   組のサブストレートが逆導電形のトランジスタが互いに
   対応するよう接続し、各組のトランジスタ対の相互接続
   点からイオン濃度信号を取り出すようにしたことを特徴
   とするイオン濃度センサ。