JPH0418625B2 - - Google Patents
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- JPH0418625B2 JPH0418625B2 JP58235134A JP23513483A JPH0418625B2 JP H0418625 B2 JPH0418625 B2 JP H0418625B2 JP 58235134 A JP58235134 A JP 58235134A JP 23513483 A JP23513483 A JP 23513483A JP H0418625 B2 JPH0418625 B2 JP H0418625B2
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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
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体イオンセンサを用いるイオン
濃度測定装置に関するものである。
濃度測定装置に関するものである。
従来技術
半導体の電界効果を利用いた半導体イオンセン
サ（Ion Sensitive Field Effect Transistor；以
下頭文字をとつてISFETと略称する）は、特開
昭51−139289号、同52−26292号公報等に開示さ
れ既知である。かかるISFETは、IC技術を用い
て作製された絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
のゲート部に、イオン交換物質、酵素等を含む化
学選択性の膜を形成した極めて小形なもので、こ
の化学選択性の膜表面における電解質との界面電
位の変化を検出して、電解質中の特定イオン濃度
や酵素に働く特定物質等を測定するものである。
サ（Ion Sensitive Field Effect Transistor；以
下頭文字をとつてISFETと略称する）は、特開
昭51−139289号、同52−26292号公報等に開示さ
れ既知である。かかるISFETは、IC技術を用い
て作製された絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
のゲート部に、イオン交換物質、酵素等を含む化
学選択性の膜を形成した極めて小形なもので、こ
の化学選択性の膜表面における電解質との界面電
位の変化を検出して、電解質中の特定イオン濃度
や酵素に働く特定物質等を測定するものである。
本願人もこのようなISFETを用いるイオン濃
度測定装置を開発している。第１図は本願人が特
開昭54−136396号公報において提案したISFET
を用いるイオン濃度測定装置の一例の構成を示す
線図で、被検液中の特定イオン濃度に感応する
ISFETのソース−ドレイン間に所定の電流が流
れるように、比較電極に印加するバイアス電圧を
制御し、そのバイアス電圧値に基いて被検液中の
特定イオン濃度や活量を検出するようにしたもの
である。第１図において、容器１に収容された被
検液２中には、ISFET３を少く共そのゲート部
４を比較電極５と共に浸漬して配置されている。
ISFET３のドレイン端子６と接地との間には、
定電圧源７を接続して一定電圧を印加すると共
に、ソース端子８およびISFET３を構成する半
導体基板９は基準抵抗１０を経て接地する。ま
た、比較電極５にはバイアス電源を含む電位制御
回路１１が接続され、この電位制御回路１１によ
りソース端子８の電位が所定の電位となるよう
に、すなわちソース−ドレイン間に所定の電流が
流れるようにバイアス電圧が制御され、そのとき
の電圧値を出力端子１２，１３間においてバルボ
ル等で検出するよう構成されている。
度測定装置を開発している。第１図は本願人が特
開昭54−136396号公報において提案したISFET
を用いるイオン濃度測定装置の一例の構成を示す
線図で、被検液中の特定イオン濃度に感応する
ISFETのソース−ドレイン間に所定の電流が流
れるように、比較電極に印加するバイアス電圧を
制御し、そのバイアス電圧値に基いて被検液中の
特定イオン濃度や活量を検出するようにしたもの
である。第１図において、容器１に収容された被
検液２中には、ISFET３を少く共そのゲート部
４を比較電極５と共に浸漬して配置されている。
ISFET３のドレイン端子６と接地との間には、
定電圧源７を接続して一定電圧を印加すると共
に、ソース端子８およびISFET３を構成する半
導体基板９は基準抵抗１０を経て接地する。ま
た、比較電極５にはバイアス電源を含む電位制御
回路１１が接続され、この電位制御回路１１によ
りソース端子８の電位が所定の電位となるよう
に、すなわちソース−ドレイン間に所定の電流が
流れるようにバイアス電圧が制御され、そのとき
の電圧値を出力端子１２，１３間においてバルボ
ル等で検出するよう構成されている。
元来、FETはドレイン−ソース間電圧と、ゲ
ート−ソース間電圧の二つの要素によりドレイン
電流が変化する。更に、ドレイン−ソース間電圧
をある一定値以上にして用いると、ドレイン電流
はほゞゲート−ソース間電圧によつてのみ変化す
る性質を持つている。このような駆動領域を飽和
領域という。第１図に示すイオン濃度測定装置に
おいては、ISFET３を飽和領域で駆動して、ゲ
ート−ソース間電圧によつてのみドレイン電流が
変化するようにしている。
ート−ソース間電圧の二つの要素によりドレイン
電流が変化する。更に、ドレイン−ソース間電圧
をある一定値以上にして用いると、ドレイン電流
はほゞゲート−ソース間電圧によつてのみ変化す
る性質を持つている。このような駆動領域を飽和
領域という。第１図に示すイオン濃度測定装置に
おいては、ISFET３を飽和領域で駆動して、ゲ
ート−ソース間電圧によつてのみドレイン電流が
変化するようにしている。
ここで、第１図においてISFET３のゲート電
位VGは比較電極５によつて設定される被検液２
の電位ERと、被検液２中の特定イオンの活量に
応じてゲート部４の化学選択性膜に発生する界面
電位EGとの和（VG＝ER＋EG）となり、またドレ
イン−ソース間電圧VDSは、基準抵抗１０の抵抗
値をＲ、定電圧源７の電圧をEB、ドレイン電流
をIDとすると、VDS＝EB−IDＲとなり、ドレイン
電流IDの変化dIDは dID＝∂ID／∂VDSdVDS＋∂ID／∂VGdVG で表わされる。しかし、先に説明したように、
ISFET３を飽和領域で駆動すれば、ドレイン−
ソース間電圧VDSの変化はドレイン電流IDの変化
に影響しないから、上式において∂ID／∂VDS＝０とな り、 dID＝∂ID／∂VGｄ（ER＋EG） で表わされる。すなわち、ER＋EGが一定であれ
ばドレイン電流IDも一定になる。
位VGは比較電極５によつて設定される被検液２
の電位ERと、被検液２中の特定イオンの活量に
応じてゲート部４の化学選択性膜に発生する界面
電位EGとの和（VG＝ER＋EG）となり、またドレ
イン−ソース間電圧VDSは、基準抵抗１０の抵抗
値をＲ、定電圧源７の電圧をEB、ドレイン電流
をIDとすると、VDS＝EB−IDＲとなり、ドレイン
電流IDの変化dIDは dID＝∂ID／∂VDSdVDS＋∂ID／∂VGdVG で表わされる。しかし、先に説明したように、
ISFET３を飽和領域で駆動すれば、ドレイン−
ソース間電圧VDSの変化はドレイン電流IDの変化
に影響しないから、上式において∂ID／∂VDS＝０とな り、 dID＝∂ID／∂VGｄ（ER＋EG） で表わされる。すなわち、ER＋EGが一定であれ
ばドレイン電流IDも一定になる。
このような、飽和領域の駆動において、被検液
２のイオン活量が変化すると、それに応じてゲー
ト部４の化学選択性膜に発生する界面電位EGが
EG＋ΔEGに変化し、それに従つてドレイン電流ID
が変化して基準抵抗１０の両端に発生する電圧ID
Ｒも変化する。電位制御回路１１は、この電圧変
化に応じてドレイン電流IDが元の値に戻るよう
に、比較電極５を介して被検液２の電位ERを変
化させる。このときの被検液２の電位の変化ΔER
は、dID＝０よりΔ（ER＋EG）＝０にするための変
化であるため、ΔER＝−ΔEGである。この被検液
２の電位の変化ΔER、すなわち比較電極５の電位
の変化を出力端子１２，１３間において測定する
ことにより、−ΔEGを知ることができ、これによ
りイオン活量の変化を知ることができる。
２のイオン活量が変化すると、それに応じてゲー
ト部４の化学選択性膜に発生する界面電位EGが
EG＋ΔEGに変化し、それに従つてドレイン電流ID
が変化して基準抵抗１０の両端に発生する電圧ID
Ｒも変化する。電位制御回路１１は、この電圧変
化に応じてドレイン電流IDが元の値に戻るよう
に、比較電極５を介して被検液２の電位ERを変
化させる。このときの被検液２の電位の変化ΔER
は、dID＝０よりΔ（ER＋EG）＝０にするための変
化であるため、ΔER＝−ΔEGである。この被検液
２の電位の変化ΔER、すなわち比較電極５の電位
の変化を出力端子１２，１３間において測定する
ことにより、−ΔEGを知ることができ、これによ
りイオン活量の変化を知ることができる。
第１図に示すイオン濃度測定装置においては、
ISFET３を定電流で動作させるもので、電気的
に過負荷の状態になることがないから、動作が安
定である。しかし、他方では被検液２の電位ER
を変化させてイオン活量の変化を検出するため、
被検液２を収容する容器１を電気的に確実に絶縁
する必要があると共に、複数のISFETによる同
時測定が原理的に不可能である。
ISFET３を定電流で動作させるもので、電気的
に過負荷の状態になることがないから、動作が安
定である。しかし、他方では被検液２の電位ER
を変化させてイオン活量の変化を検出するため、
被検液２を収容する容器１を電気的に確実に絶縁
する必要があると共に、複数のISFETによる同
時測定が原理的に不可能である。
発明の目的
本発明の目的は、被検液の電位を一定としたま
まで、イオン濃度を測定し得るよう適切に構成し
たイオン濃度測定装置を提供しようとするもので
ある。
まで、イオン濃度を測定し得るよう適切に構成し
たイオン濃度測定装置を提供しようとするもので
ある。
更に、本発明の目的は、被検液の電位を一定と
したままで、複数のISFETによる測定を同時に
行ない得るよう適切に構成したイオン濃度測定装
置を提供しようとするものである。
したままで、複数のISFETによる測定を同時に
行ない得るよう適切に構成したイオン濃度測定装
置を提供しようとするものである。
発明の概要
本発明は、特定イオンに感応する半導体イオン
センサと比較電極とを用いて被検物質中の特定イ
オン濃度を測定するイオン濃度測定装置におい
て、前記半導体イオンセンサのドレイン−ソース
間に一定電圧を印加する接地されていない定電圧
源と、この定電圧源とドレインまたはソースとの
間に接続した基準抵抗と、この基準抵抗の両端の
電位差が所定の値となるようにドレインまたはソ
ース電位を制御する電位制御回路とを具え、前記
比較電極を定電位に保持して前記ドレインまたは
ソース電位に基いて前記被検物質中の特定イオン
濃度を測定し得るよう構成したことを特徴とする
ものである。
センサと比較電極とを用いて被検物質中の特定イ
オン濃度を測定するイオン濃度測定装置におい
て、前記半導体イオンセンサのドレイン−ソース
間に一定電圧を印加する接地されていない定電圧
源と、この定電圧源とドレインまたはソースとの
間に接続した基準抵抗と、この基準抵抗の両端の
電位差が所定の値となるようにドレインまたはソ
ース電位を制御する電位制御回路とを具え、前記
比較電極を定電位に保持して前記ドレインまたは
ソース電位に基いて前記被検物質中の特定イオン
濃度を測定し得るよう構成したことを特徴とする
ものである。
更に本発明は、同一またはそれぞれ異なるイオ
ンに感応する複数の半導体イオンセンサと比較電
極とを用いて被検物質中の同一またはそれぞれ異
なるイオン濃度を測定するイオン濃度測定装置に
おいて、前記複数の半導体イオンセンサの各々の
ドレイン−ソース間に一定電圧を印加する接地さ
れていない定電圧源と、各定電圧源と対応する半
導体イオンセンサのドレインまたはソースとの間
に接続した基準抵抗と、各基準抵抗の両端の電位
差がそれぞれ所定の値となるように対応する半導
体イオンセンサのドレインまたはソース電位を制
御する電位制御回路とを具え、前記比較電極を定
電位に保持して前記複数の半導体イオンセンサの
各々のドレインまたはソース電位に基いて前記被
検物質中の同一またはそれぞれ異なるイオン濃度
を同時に測定し得るよう構成したことを特徴とす
るものである。
ンに感応する複数の半導体イオンセンサと比較電
極とを用いて被検物質中の同一またはそれぞれ異
なるイオン濃度を測定するイオン濃度測定装置に
おいて、前記複数の半導体イオンセンサの各々の
ドレイン−ソース間に一定電圧を印加する接地さ
れていない定電圧源と、各定電圧源と対応する半
導体イオンセンサのドレインまたはソースとの間
に接続した基準抵抗と、各基準抵抗の両端の電位
差がそれぞれ所定の値となるように対応する半導
体イオンセンサのドレインまたはソース電位を制
御する電位制御回路とを具え、前記比較電極を定
電位に保持して前記複数の半導体イオンセンサの
各々のドレインまたはソース電位に基いて前記被
検物質中の同一またはそれぞれ異なるイオン濃度
を同時に測定し得るよう構成したことを特徴とす
るものである。
実施例
第２図は本発明の一実施例を示す図である。本
例では、容器２１に収容された被検液２２中に、
特定イオンに感応する１本のISFET２３を少く
共そのゲート部２４を比較電極２５と共に浸漬し
て配置する。比較電極２５には定電圧源２６を接
続して被検液２２の電位を所定の値に保持する。
ISFET２３のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間に
は、基準抵抗２７を経て定電圧源２８を接続し
て、ISFET２３を飽和領域で駆動する一定の電
圧を印加する。本例では、基準抵抗２７の両端の
電位差を電位制御回路２９により検出し、その電
位差が所定の値となるように、すなわちドレイン
電流が予じめ定めた設定値となるように該電位制
御回路２９によりISFET２３のソースＳの電位
を制御する。このようにして、ISFET２３のゲ
ート部２４に発生するイオン濃度に基く界面電位
の変化をソース電位の変化としてとらえて、その
ソース電位の変化を電圧計３０で測定してイオン
濃度を求める。
例では、容器２１に収容された被検液２２中に、
特定イオンに感応する１本のISFET２３を少く
共そのゲート部２４を比較電極２５と共に浸漬し
て配置する。比較電極２５には定電圧源２６を接
続して被検液２２の電位を所定の値に保持する。
ISFET２３のドレイン（Ｄ）−ソース（Ｓ）間に
は、基準抵抗２７を経て定電圧源２８を接続し
て、ISFET２３を飽和領域で駆動する一定の電
圧を印加する。本例では、基準抵抗２７の両端の
電位差を電位制御回路２９により検出し、その電
位差が所定の値となるように、すなわちドレイン
電流が予じめ定めた設定値となるように該電位制
御回路２９によりISFET２３のソースＳの電位
を制御する。このようにして、ISFET２３のゲ
ート部２４に発生するイオン濃度に基く界面電位
の変化をソース電位の変化としてとらえて、その
ソース電位の変化を電圧計３０で測定してイオン
濃度を求める。
第３図は本発明の他の実施例を示す図である。
本例では容器３１内に収容された被検液３２中の
３項目のイオン濃度を測定するものである。容器
３１内には、本例では同一半導体基板に形成さ
れ、それぞれ異なる３種のイオンに選択的に感応
するISFET３３ａ，３３ｂ，３３ｃの各ゲート
部３４ａ，３４ｂおよび３４ｃを被検液３２に接
触させて配置すると共に比較電極３５を被検液３
２内に浸漬して配置する。比較電極３５には第２
図と同様に定電圧源３６を接続して被検液３２の
電位を所定の値に保持する。また、各ISFET３
３ａ，３３ｂ，３３ｃのゲート部３４ａ，３４
ｂ，３４ｃに対応するドレイン−ソース間には、
基準抵抗３７ａ，３７ｂ，３７ｃを経て定電圧源
３８ａ，３８ｂ，３８ｃを接続して各ISFET３
３ａ，３３ｂ，３３ｃを飽和領域で駆動する一定
の電圧を印加すると共に、各基準抵抗３７ａ，３
７ｂ，３７ｃの両端の電位差が所定の値となるよ
うにそれぞれ電位制御回路３９ａ，３９ｂ，３９
ｃにより対応するISFET３３ａ，３３ｂ，３３
ｃのソース電位を制御するよう構成する。このよ
うにして、各ISFET３３ａ，３３ｂ，３３ｃの
ソース電位の変化をそれぞれ電圧計４０ａ，４０
ｂ，４０ｃで同時に測定して３種のイオン濃度を
求める。
本例では容器３１内に収容された被検液３２中の
３項目のイオン濃度を測定するものである。容器
３１内には、本例では同一半導体基板に形成さ
れ、それぞれ異なる３種のイオンに選択的に感応
するISFET３３ａ，３３ｂ，３３ｃの各ゲート
部３４ａ，３４ｂおよび３４ｃを被検液３２に接
触させて配置すると共に比較電極３５を被検液３
２内に浸漬して配置する。比較電極３５には第２
図と同様に定電圧源３６を接続して被検液３２の
電位を所定の値に保持する。また、各ISFET３
３ａ，３３ｂ，３３ｃのゲート部３４ａ，３４
ｂ，３４ｃに対応するドレイン−ソース間には、
基準抵抗３７ａ，３７ｂ，３７ｃを経て定電圧源
３８ａ，３８ｂ，３８ｃを接続して各ISFET３
３ａ，３３ｂ，３３ｃを飽和領域で駆動する一定
の電圧を印加すると共に、各基準抵抗３７ａ，３
７ｂ，３７ｃの両端の電位差が所定の値となるよ
うにそれぞれ電位制御回路３９ａ，３９ｂ，３９
ｃにより対応するISFET３３ａ，３３ｂ，３３
ｃのソース電位を制御するよう構成する。このよ
うにして、各ISFET３３ａ，３３ｂ，３３ｃの
ソース電位の変化をそれぞれ電圧計４０ａ，４０
ｂ，４０ｃで同時に測定して３種のイオン濃度を
求める。
なお、本発明は上述した例にのみ限定されるも
のではなく、幾多の変形または変更が可能であ
る。例えば、基準抵抗はソース側に接続してもよ
い。また、電位制御回路による基準抵抗の両端で
の電位差を所定の値にする制御、すなわちドレイ
ン−ソース間を流れる電流を予じめ定めた設定値
にする制御はドレイン電位を変化させて行なつて
もよく、この場合にはそのドレイン電位の変化を
検出して所定のイオン濃度を求めることができ
る。更に、複数のISFETを用いる場合には、そ
れらを別々の基板に形成してもよいし、また各
ISFETが同一のイオンに感応するものでもよい。
のではなく、幾多の変形または変更が可能であ
る。例えば、基準抵抗はソース側に接続してもよ
い。また、電位制御回路による基準抵抗の両端で
の電位差を所定の値にする制御、すなわちドレイ
ン−ソース間を流れる電流を予じめ定めた設定値
にする制御はドレイン電位を変化させて行なつて
もよく、この場合にはそのドレイン電位の変化を
検出して所定のイオン濃度を求めることができ
る。更に、複数のISFETを用いる場合には、そ
れらを別々の基板に形成してもよいし、また各
ISFETが同一のイオンに感応するものでもよい。
発明の効果
本発明によれば、被検液の電位を一定にしたま
まで、しかもISFETを定電流で動作させるもの
であるから、動作が安定であると共に、イオン濃
度に応じた界面電位の微小な変化を高精度で検出
することができる。また、被検液の電位を一定に
して測定するものであるから、同一または異なる
イオンに感応する複数のISFETによる同時測定
が可能となり、したがつて複数のISFETが異な
るイオンに感応する場合においてはその異なる複
数のイオン濃度を同時に短時間で得ることがで
き、また同一イオンに感応する場合においてはそ
のイオン濃度の平均値を一回の同時測定で得るこ
とができる。また、比較電極を接地したり、ある
いは被検液を収容する容器を導電性として接地し
て比較電極の作用を兼ねさせることもできるか
ら、容易に構成できる利点もある。
まで、しかもISFETを定電流で動作させるもの
であるから、動作が安定であると共に、イオン濃
度に応じた界面電位の微小な変化を高精度で検出
することができる。また、被検液の電位を一定に
して測定するものであるから、同一または異なる
イオンに感応する複数のISFETによる同時測定
が可能となり、したがつて複数のISFETが異な
るイオンに感応する場合においてはその異なる複
数のイオン濃度を同時に短時間で得ることがで
き、また同一イオンに感応する場合においてはそ
のイオン濃度の平均値を一回の同時測定で得るこ
とができる。また、比較電極を接地したり、ある
いは被検液を収容する容器を導電性として接地し
て比較電極の作用を兼ねさせることもできるか
ら、容易に構成できる利点もある。
第１図は従来のイオン濃度測定装置の構成を示
す図、第２図は本発明の一実施例を示す図、第３
図は同じく他の実施例を示す図である。 ２１，３１……容器、２２，３２……被検液、
２３，３３ａ〜３３ｃ……ISFET、２４，３４
ａ〜３４ｃ……ゲート部、２５，３５……比較電
極、２６，２８，３６，３８ａ〜３８ｃ……定電
圧源、２７，３７ａ〜３７ｃ……基準抵抗、２
９，３９ａ〜３９ｃ……電位制御回路、３０，４
０ａ〜４０ｃ……電圧計。
す図、第２図は本発明の一実施例を示す図、第３
図は同じく他の実施例を示す図である。 ２１，３１……容器、２２，３２……被検液、
２３，３３ａ〜３３ｃ……ISFET、２４，３４
ａ〜３４ｃ……ゲート部、２５，３５……比較電
極、２６，２８，３６，３８ａ〜３８ｃ……定電
圧源、２７，３７ａ〜３７ｃ……基準抵抗、２
９，３９ａ〜３９ｃ……電位制御回路、３０，４
０ａ〜４０ｃ……電圧計。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 特定イオンに感応する半導体イオンセンサと
比較電極とを用いて被検物質中の特定イオン濃度
を測定するイオン濃度測定装置において、 前記半導体イオンセンサのドレイン−ソース間
に一定電圧を印加する接地されていない定電圧源
と、この定電圧源とドレインまたはソースとの間
に接続した基準抵抗と、この基準抵抗の両端の電
位差が所定の値となるようにドレインまたはソー
ス電位を制御する電位制御回路とを具え、前記比
較電極を定電位に保持して前記ドレインまたはソ
ース電位に基いて前記被検物質中の特定イオン濃
度を測定し得るよう構成したことを特徴とするイ
オン濃度測定装置。 ２ 同一またはそれぞれ異なるイオンに感応する
複数の半導体イオンセンサと比較電極とを用いて
被検物質中の同一またはそれぞれ異なるイオン濃
度を測定するイオン濃度測定装置において、 前記複数の半導体イオンセンサの各々のドレイ
ン−ソース間に一定電圧を印加する接地されてい
ない定電圧源と、各定電圧源と対応する半導体イ
オンセンサのドレインまたはソースとの間に接続
した基準抵抗と、各基準抵抗の両端の電位差がそ
れぞれ所定の値となるように対応する半導体イオ
ンセンサのドレインまたはソース電位を制御する
電位制御回路とを具え、前記比較電極を定電位に
保持して前記複数の半導体イオンセンサの各々の
ドレインまたはソース電位に基いて前記被検物質
中の同一またはそれぞれ異なるイオン濃度を同時
に測定し得るよう構成したことを特徴とするイオ
ン濃度測定装置。 ３ 前記複数の半導体イオンセンサを同一基板上
に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第２
項記載のイオン濃度測定装置。
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| JP58235134A JPS60128345A (ja) | 1983-12-15 | 1983-12-15 | イオン濃度測定装置 |
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