DE112020003573T5

DE112020003573T5 - Geruchsdetektionsvorrichtung und Geruchsdetektionsverfahren

Info

Publication number: DE112020003573T5
Application number: DE112020003573.5T
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Mizuno; Hiroo Yamamoto; Sho Morita; Toshiki Wakamori
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2022-04-28
Also published as: US20220260519A1; JP2021021613A; CN114174815A; WO2021019870A1

Abstract

Eine Geruchs-Detektionsvorrichtung beinhaltet einen Ionensensor mit einem sensitiven Film, der ein Ausgangssignal entsprechend einer Potentialänderung des sensitiven Films ausgibt, einen Substanz-Adsorptionsfilm, der auf dem sensitiven Film angeordnet ist und seinen Zustand durch Adsorbieren einer zu detektierenden Geruchssubstanz ändert, um die Potentialänderung des sensitiven Films zu verursachen, und einen Justierer, der das Ausgangssignal des Ionensensors erfasst und ein Antriebssignal zum Antreiben des Ionensensors justiert, um einen Versatz gegenüber einem vorbestimmten Referenzwert im Ausgangssignal zu reduzieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Geruchs-Detektionsvorrichtung und Geruchs-Detektionsverfahren.
Hintergrund
Patentdokument 1 offenbart, dass eine Spannungsversatzkompensation in einer Detektionsschaltung durchgeführt wird in Bezug auf ein Ausgangssignal eines Halbleiter-Biosensors. Patentdokument 2 offenbart, dass eine Stromversatzkompensation in einer Detektionsschaltung in Bezug auf ein Ausgangssignal eines Sensors zum Detektieren von DNA durchgeführt wird.
Zitateliste
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, JP 53-5255 A
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung (Übersetzung von PCT-Anmeldung), JP 2004-511799 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Das in Patentdokumenten 1 und 2 beschriebene Versatzkompensationsverfahren korrigiert ein Ausgangssignal aus einem Sensor. Das heißt, dass im obigen Verfahren, nachdem ein Ausgangssignal, das eine Versatzkomponente beinhaltet, erhalten wird, eine Korrekturverarbeitung zum Entfernen der Versatzkomponente ex post facto durchgeführt wird. In einem solchen Verfahren besteht das Problem, dass ein Dynamikbereich der Ausgabe aufgrund der Versatzkomponente, die im Ausgangssignal enthalten ist, reduziert ist.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Geruchs-Detektionsvorrichtung und ein Geruchs-Detektionsverfahren bereitzustellen, die zum effektiven unterdrücken eines Absinkens beim Dynamikbereich in der Lage sind.
Problemlösung
Eine Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet: einen Ionensensor, der einen ionensensitiven Bereich aufweist und konfiguriert ist, ein Ausgangssignal gemäß einer Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs auszugeben; einen Substanz-Adsorptionsfilm, der auf dem ionensensitiven Bereich angeordnet ist und konfiguriert ist, einen Zustand des Substanz-Adsorptionsfilms durch Adsorbieren einer zu detektierenden Geruchssubstanz zu ändern und die Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs zu verursachen; und einen Justierer, welcher konfiguriert ist, das Ausgangssignal des Ionensensors zu erfassen und ein Antriebssignal zum Antreiben des Ionensensors zu justieren, um einen Versatz gegenüber einem vorbestimmten Referenzwert im Ausgangssignal zu reduzieren.
Die Geruchs-Detektionsvorrichtung beinhaltet einen Justierer, der konfiguriert ist, ein Antriebssignal zum Antreiben des Ionensensors zum Reduzieren eines Versatzes eines Ausgangssignals des Ionensensors zu justieren. Daher, beispielsweise in einem Zustand, bei dem das Potential des ionensensitiven Bereichs nicht verändert ist (das heißt in einem Zustand, bei dem die Geruchssubstanz nicht an dem Substanz-Adsorptionsfilm adsorbiert ist), kann die Versatzkomponente des Ausgangssignals des Ionensensors durch Justieren des Antriebssignals durch den Justierer reduziert werden. Die Versatzkomponente des Ausgangssignals kann unterdrückt werden, indem das Antriebssignal, welches ein Eingangssignal an den Ionensensor ist, justiert wird. Daher ist es gemäß der Geruchs-Detektionsvorrichtung möglich, effektiv ein Absinken im Dynamikbereich aufgrund der Versatzkomponente des Ausgangssignals zu unterdrücken.
Der Justierer kann konfiguriert sein, in der Lage zu sein, zwischen einem ersten Betriebsmodus, in welchem das Antriebssignal auf Basis des Ausgangssignals justiert wird, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchen das Antriebssignal, das im ersten Betriebsmodus justiert ist, aufrechterhalten wird, umzuschalten. Gemäß der obigen Konfiguration ist es möglich, angemessen zwischen dem ersten Betriebsmodus zum Justieren des Antriebssignals und dem zweiten Betriebsmodus zum Durchführen von Geruchsdetektion unter Verwendung des justierten Antriebssignals entsprechend der Situation umzuschalten.
Die Geruchs-Detektionsvorrichtung kann weiter beinhalten eine Elektrode, welche konfiguriert ist, eine Referenzspannung an den Substanz-Adsorptionsfilm anzulegen, und das Antriebssignal kann die Referenzspannung sein. Gemäß der obigen Konfiguration kann die Versatzkomponente des Ausgangssignals angemessen unterdrückt werden, indem die an den Substanz-Adsorptionsfilm angelegte Referenzspannung justiert wird.
Der Ionensensor kann einen ID-Bereich beinhalten, welcher konfiguriert ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die in einen Potentialnapf zu injizieren ist, dessen Tiefe sich entsprechend der Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs ändert, und einen ICG-Bereich, der konfiguriert ist, einen Betrag der elektrischen Ladung, der aus dem ID-Bereich injiziert wird, an den Potentialnapf zu steuern. Der Ionensensor kann konfiguriert sein, die elektrische Ladung aus dem ID-Bereich in den Potentialnapf zu injizieren, indem ein Potential des ICG-Bereichs geändert wird, während ein Potential des ID-Bereichs konstant gehalten wird, und das Antriebssignal kann eine an den ID-Bereich angelegte Spannung sein. Gemäß der obigen Konfiguration kann im Ionensensor, welcher konfiguriert ist, die elektrische Ladung in den Potentialnapf zu injizieren, durch Ändern des Potentials des ICG-Bereichs, während das Potential des ID-Bereichs konstant gehalten wird, die Versatzkomponente des Ausgangssignals geeignet unterdrückt werden, indem die Spannung des ID-Bereichs, der einen Injektionsbetrag der elektrischen Ladung bestimmt, justiert wird.
Der Ionensensor kann einen ID-Bereich beinhalten, der konfiguriert ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die in einen Potentialnapf zu injizieren ist, dessen Tiefe sich entsprechend der Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs ändert, und einen ICG-Bereich, der konfiguriert ist, einen Betrag der elektrischen Ladung, die aus dem ID-Bereich an den Potentialnapf injiziert wird, zu steuern. Der Ionensensor kann konfiguriert sein, die elektrische Ladung aus dem ID-Bereich in den Potentialnapf zu injizieren, durch Änderung eines Potentials des ID-Bereichs, während ein Potential der ICG-Elektrode konstant gehalten wird, und das Antriebssignal kann eine Spannung sein, die an den ICG-Bereich angelegt wird. Gemäß der obigen Konfiguration kann im Ionensensor, der konfiguriert ist, die elektrische Ladung in den Potentialnapf zu injizieren, indem das Polarität des ID-Bereichs geändert wird, während das Potential des ICG-Bereichs gehalten wird, die Versatzkomponente des Ausgangssignals angemessen unterdrückt werden, indem die Spannung des ICG-Bereichs, der eine sogenannte Nivellierungshöhe der elektrischen Ladung bestimmt, justiert wird.
Der Justierer kann einen ersten Justierer beinhalten, der konfiguriert ist, das Ausgangssignal zu empfangen und ein Signal auszugeben, das in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Versatzrichtung des Ausgangssignals justiert ist, und einen zweiten Justierer, der konfiguriert ist, das Antriebssignal durch Justieren einer Verstärkung des Signals, das durch den ersten Justierer ausgegeben wird, zu erzeugen. Gemäß der obigen Konfiguration ist es möglich, das Antriebssignal, das in der Richtung des Reduzierens des Versatzes des Ausgangssignals durch den ersten Justierer justiert wird, und auf eine angemessene Größe durch den zweiten Justierer justiert wird, zu erhalten.
Der Ionensensor kann eine Vielzahl von Pixelgruppen beinhalten. Jede Pixelgruppe der Vielzahl von Pixelgruppen kann ein oder mehrere Pixel beinhalten, die den ionensensitiven Bereich unabhängig aufweisen. Der Justierer kann für jede Pixelgruppe vorgesehen sein. Der Justierer, der in einer Pixelgruppe vorgesehen ist, kann konfiguriert sein, das Antriebssignal zu justieren, das jedem Pixel gemein ist, das in der Pixelgruppe enthalten ist, auf Basis des Ausgangssignals jedes Pixels, das in der einen Pixelgruppe enthalten ist. Gemäß der obigen Konfiguration ist es möglich, individuell das Antriebssignal gemäß den Charakteristika jeder Pixelgruppe zu justieren, im Vergleich zu einem Fall, bei dem das Antriebssignal kollektiv für alle Pixel, die im Ionensensor enthalten sind, justiert wird.
Der Substanz-Adsorptionsfilm kann für jede Pixelgruppe vorgesehen sein. Gemäß der obigen Konfiguration kann das Antriebssignal angemessen gemäß den Charakteristika jedes Substanz-Adsorptionsfilms justiert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Geruchs-Detektionsverfahren durch eine Geruchs-Detektionsvorrichtung bereitgestellt, die beinhaltet: einen Ionensensor, der einen Ionensensitivbereich aufweist und konfiguriert ist, ein Ausgangssignal gemäß einer Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs auszugeben; und einen Substanz-Adsorptionsfilm, der auf dem ionensensitiven Bereich angeordnet ist und konfiguriert ist, einen Zustand des Substanz-Adsorptionsfilms durch Adsorbieren einer zu detektierenden Geruchssubstanz zu ändern, und die Potential-Änderung des ionensensitiven Bereichs zu verursachen. Das Geruchs-Detektionsverfahren beinhaltet: einen ersten Schritt des Erfassens eines Ausgangssignals des Ionensensors und Justierens eines Antriebssignals zum Antreiben des Ionensensors so, dass ein Versatz gegenüber einem vorbestimmten Referenzwert im Ausgangssignal reduziert wird, in einem Zustand, bei dem der Geruchs-Detektionssensor in einer Atmosphäre angeordnet ist, in welcher die zu detektierende Geruchssubstanz nicht existiert; einen zweiten Schritt des Einführens einer zu inspizierenden Luft in die Geruchs-Detektionsvorrichtung, während das im ersten Schritt justierte Antriebssignal aufrechterhalten wird; und einen dritten Schritt des Detektierens der Geruchssubstanz auf Basis des Ausgangssignals des Ionensensors, das nach dem zweiten Schritt ermittelt wird.
Gemäß dem Geruchs-Detektionsverfahren ist es möglich, angemessen das Antriebssignal in einer Atmosphäre zu justieren, in welcher die Geruchssubstanz nicht vorhanden ist (das heißt in einer Umgebung, in welcher das Ausgangssignal des Ionensensors ideal mit dem Referenzwert koinzidiert). Dann, indem die Geruchs-Detektion zur Verwendung des justierten Antriebssignals durchgeführt wird, kann die Versatzkomponente des Ausgangssignals unterdrückt werden. Daher ist es gemäß dem Geruchs-Detektionsverfahren möglich, effektiv ein Absinken im Dynamikbereich zu unterdrücken, das durch die Versatzkomponente des Ausgangssignals verursacht wird.
Beim Geruchs-Detektionsverfahren kann die Verarbeitung des ersten Schrittes wieder ausgeführt werden, nachdem eine vorbestimmte Periode verstrichen ist, seit die Verarbeitung des zweiten Schritts ausgeführt wurde. Wenn einmal das Antriebssignal justiert ist, steigt die Versatzkomponente des Ausgangssignals des Ionensensors über die Zeit graduell an, aufgrund von Änderungen über die Zeit bei der Umgebung (zum Beispiel Temperatur, Feuchte, etc.) um den Ionensensor herum. Entsprechend der obigen Konfiguration, durch periodisches Justieren des Antriebssignals ist es möglich, kontinuierlich Geruchsdetektion in einem Zustand durchzuführen, in welchem die Versatzkomponente des Ausgangssignals auf einen vorbestimmten Wert oder weniger unterdrückt wird.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Geruchs-Detektionsvorrichtung und ein Geruchs-Detektionsverfahren, die zum effektiven Unterdrücken eines Absinkens im Dynamikbereich in der Lage sind, bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Aufsicht einer Geruchs-Detektionsvorrichtung der ersten Ausführungsform.
2 ist ein Diagramm, welches schematisch eine Querschnitts-Konfiguration einer Detektionseinheit zeigt.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Betriebs der Detektionseinheit durch das ID-Antriebssystem illustriert.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Betriebs der Detektionseinheit durch das ICG-Antriebssystem zeigt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Konfiguration eines Justierers zeigt.
6 ist ein Timing-Diagramm, das ein Beispiel des Betriebs der Geruchs-Detektionsvorrichtung zeigt.
7 ist ein Diagramm, welches schematisch eine Querschnitt-Konfiguration einer Detektionseinheit der Geruchs-Detektionsvorrichtung der zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnitts-Konfiguration einer Detektionseinheit der Geruchs-Detektionsvorrichtung der dritten Ausführungsform zeigt.
9 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnitts-Konfiguration einer Detektionseinheit der Geruchs-Detektionsvorrichtung der vierten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Betriebs der in 9 gezeigten Detektionseinheit 5A zeigt.
11 ist ein Diagramm, das eine Modifikation des Justierers zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung der Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für dieselben oder äquivalente Elemente verwendet und eine redundante Beschreibung wird weggelassen.
[Erste Ausführungsform]
1 ist eine schematische Aufsicht der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform. Der rechte Teil von 1 zeigt schematisch ein Layout-Beispiel, das den jeweiligen Detektionseinheiten 5 gemein ist. 2 zeigt schematisch eine Querschnitts-Konfiguration der Detektionseinheit 5 längs Linie II-II in 1. Die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 beinhaltet einen Ionensensor 2, einen Substanzadsorptionsfilm 3, der auf dem Ionensensor 2 bereitgestellt ist, eine Elektrode 4, einen Detektor 6 und einen Justierer 7.
Der Ionensensor 2 ist ein Sensor, in dem eine Vielzahl von Detektionseinheiten 5, die zweidimensional angeordnet sind, auf einem Substrat 100 gebildet sind. Der Ionensensor 2 ist ein sogenannter Ladungstransfertyp-CMOS-Bildsensor. Die Vielzahl von Detektionseinheiten 5 sind zweidimensional in M Reihen und N Spalten (beispielsweise 256 Reihen und 256 Spalten) in einer auf einem Chip des Ionensensors 2 vorgesehenen Pixelformationsregion R angeordnet (in der vorliegenden Ausführungsform, eine in einem Zentrum des Chips vorgesehene rechteckige Region), wodurch eine Pixel-Anordnung gebildet wird. M und N sind beide eine Ganzzahl von zwei oder mehr. Eine Detektionseinheit 5 entspricht einer Detektionseinheit (Pixel). Die Größe (Pixelgröße) einer Detektionseinheit 5 ist beispielsweise 30 µm × 30 µm.
Jeder Substanzadsorptionsfilm 3 ist so angeordnet (gebildet), dass er sich über eine Vielzahl von Detektionseinheiten 5 in der Pixelformationsregion R erstreckt. Der Substanzadsorptionsfilm 3 ist ein Dünnfilm, der seinen Zustand (beispielsweise elektrische Charakteristika) ändert, indem eine Geruchssubstanz, die zu detektieren ist, adsorbiert wird. Die durch den Substanzadsorptionsfilm 3 zu detektierende Geruchssubstanz (das heißt die durch den Substanzadsorptionsfilm 3 detektierbare Geruchssubstanz) variiert abhängig vom Material und der Zusammensetzung des Substanzadsorptionsfilms 3. Hier ist der „Geruch“ etwas, das den Geruchssinn eines Organismus wie etwa eines Menschen oder eines Tiers stimuliert und ist die „Geruchssubstanz“ eine chemische Substanz (beispielsweise eine Substanz, in der ein spezifisches Einzelmolekül oder eine spezifische Gruppe von Molekülen bei einer vorbestimmten Konzentration zusammengefügt sind), die den Geruch verursacht. Als der Substanzadsorptionsfilm 3 kann beispielsweise ein polyanilinsensitiver Film oder dergleichen mit sensitiv gegenüber Sensitivität gegenüber Ammoniak oder dergleichen verwendet werden. Von den in der Pixelformationsregion R angeordneten Detektionseinheiten 5 fungiert die mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 versehene Detektionseinheit 5 als ein Einheits-Detektionselement, das zum Detektieren des Geruchs in der Lage ist. Der Substanzadsorptionsfilm 3 kann in der gesamten Pixelformationsregion R (das heißt allen Detektionseinheiten 5, die in der Pixelformationsregion R angeordnet sind) bereitgestellt werden oder es kann eine Detektionseinheit 5 geben, in der der Substanzadsorptionsfilm 3 nicht vorgesehen ist.
Wie in 1 gezeigt, werden in dieser Ausführungsform eine Vielzahl von (hier fünf) Substanzadsorptionsfilmen 3, die voneinander getrennt sind, auf einem Chip vorgesehen. Die Vielzahl auf dem einen Ionensensor 2 vorgesehenen Substanzadsorptionsfilmen 3 kann eine Vielzahl von Distanzadsorptionsfilmen sein, die zueinander unterschiedliche Komponentenmengen (Gehalte) desselben Materials (beispielsweise Polyanilin) aufweisen oder können eine Vielzahl von Substanz-Adsorptionsfilmen sein, die aus zueinander unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Unter Verwendung einer Vielzahl von Substanzadsorptionsfilmen 3 mit unterschiedlichen Komponentenmengen oder Materialien ist es möglich, verschiedene Geruchssubstanzen auf Basis einer Kombination von Messergebnissen der jeweiligen Substanzadsorptionsfilme 3 zu detektieren. Wenn beispielsweise Tabellen-Information (Geruchsdatenbank), in welcher eine Kombination von Messergebnissen einer Vielzahl von Substanzadsorptionsfilmen mit eine spezifischen Geruchssubstanz assoziiert ist, vorab vorbereitet wird, kann die Geruchssubstanz, die der Kombination von Messergebnissen jeder der Vielzahl von Substanzadsorptionsfilmen 3 entspricht, unter Bezugnahme auf die Tabellen-Information abgeschätzt werden.
Wie in 1 und 2 gezeigt, wird jede Detektionseinheit 5 auf einer Hauptoberflächenseite des Substrats 100 gebildet. Das Substrat 100 ist ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise n-Typ), beispielsweise aus Silizium gebildet. In jeder Detektionseinheit 5 werden ein Injektionsdiodenbereich 21 (nachfolgend als „ID-Bereich 21“ bezeichnet) ein Flotierdiffusionsbereich 31 (nachfolgend als ein „FD-Bereich 31“ bezeichnet) und ein Rücksetzdrainbereich 41 (nachfolgend als „RD-Bereich 41“ bezeichnet), die alle von einer ersten Leitfähigkeitstyp-Region sind, längs der Hauptoberfläche des Substrats 100 gebildet. Eine Diffusionsschicht 11 des zweiten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise p-Typ) wird zwischen dem ID-Bereich 21 und dem FD-Bereich 31 des Substrats 100 gebildet. Eine erste Leitfähigkeitsregion 12, die mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist, wird auf der Oberfläche der Diffusionsschicht 11 gebildet.
Eine Eingangssteuergatterelektrode 22 (nachfolgend als „ICG-Bereich 22“ bezeichnet), eine Übertragungsgatterelektrode 32 (nachfolgend als „TG-Bereich 32“ bezeichnet) und eine Rücksetz-Gatterelektrode 42 (nachfolgend als „RG-Bereich 42“ bezeichnet) werden auf der Hauptoberfläche des Substrats 100 über einen isolierenden Schutzfilm 110 gebildet. Als Schutzfilm 110 kann beispielsweise SiO₂ oder dergleichen verwendet werden. Auf der Hauptoberfläche des Substrats 100 sind ein Verstärker (Signalverstärker) 33, der ein Aus-Signal entsprechend der in dem FD-Bereich 31 akkumulierten elektrischen Ladungsmenge verstärkt, und eine Ausgangsschaltung 34, die eine Quellfolgeschaltung ist, die das Aus-Signal, das durch den Verstärker 33 verstärkt ist, ausgibt, bereitgestellt.
Ein sensitiver Film 13 (ionensensitiver Bereich) ist in einer Region zwischen dem ICG-Bereich 22 und dem TG-Bereich 32 via einen Schutzfilm 110 vorgesehen. Der sensitive Film 13 ist ein ionensensitiver Film mit einer Eigenschaft des Änderns eines Potentials (Membranpotential) gemäß einem Zustand des Substanzadsorptionsfilms 3, der auf dem sensitiven Film 13 angeordnet ist. Beispielsweise können Si₃N₄ oder dergleichen als der sensitive Film 13 verwendet werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird der sensitive Film 13 kontinuierlich aus dem ICG-Bereich 22 bis zum TG-Bereich 32 gebildet, um so einen Teil des ICG-Bereichs 22 und des TG-Bereichs 32 so abzudecken, dass der ICG-Bereich 22 und der TG-Bereich 32 nicht in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 gelangen. Jedoch kann der sensitive Film 13 nur zwischen dem ICG-Bereich 22 und dem TG-Bereich 32 vorgesehen sein oder kann so ausgebildet sein, dass er einen Teil des ICG-Bereichs 22 und des TG-Bereichs 32 nicht abdeckt. Das heißt, dass der sensitive Film 13 nur auf dem Schutzfilm 110 zwischen dem ICG-Bereich 22 und dem TG-Bereich 32 ausgebildet werden mag.
Eine Isolationspassivierungsschicht 120 ist auf der Hauptoberfläche des Substrats 100 so ausgebildet, dass sie diese Bauteile, die auf der Hauptoberfläche des Substrats 100 vorgesehen sind, abdeckt. Beispielsweise kann Si₃N₄ als die Passivierungsschicht 120 verwendet werden. Der Substanzadsorptionsfilm 3 ist so vorgesehen, dass er die Passivierungsschicht 120 abdeckt. Eine Öffnung 120a zum Exponieren der oberen Oberfläche des sensitiven Films 13 nach außerhalb wird in der Passivierungsschicht 120 gebildet. Der sensitive Film 13 steht in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 über die Öffnung 120a Das heißt, dass ein Teil des Substanzadsorptionsfilms 3 in das Innere der Öffnung 120a eindringt. Innerhalb der Öffnung 120a steht eine innere Oberfläche 3a des Substanzadsorptionsfilms 3 auf der Seite des Substrats 100 in Kontakt mit dem sensitiven Film 13.
Die Elektrode 4 legt eine Referenzspannung Vref an den Substanzadsorptionsfilm 3 an. Form, Anordnung und dergleichen der Elektrode 4 sind nicht auf eine spezifische Form beschränkt. Beispielsweise kann die Elektrode 4 eine eingebaute Elektrode (beispielsweise eine Metallverdrahtung, die durch einen CMOS-Prozess gebildet ist), die innerhalb des Substanzadsorptionsfilms 3 angeordnet ist, sein. Alternativ kann die Elektrode 4 eine externe Elektrode (beispielsweise eine durch einen MEMS-Prozess gebildete Membranelektrode) sein, die entlang der äußeren Oberfläche 3b (Oberfläche entgegengesetzt der Innenoberfläche 3a) des Substanzadsorptionsfilms 3 angeordnet ist. Die Elektrode 4 kann aus einem Material gebildet sein, das in der Lage ist, in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 zu stehen, und eine Spannung an den Substanzadsorptionsfilm 3 anzulegen. Als die Elektrode 4 kann beispielsweise Al-Si-Cu oder dergleichen verwendet werden.
Ein Detektor 6 überwacht ein Aus-Signal, das ein Ausgangssignal des Ionensensors 2 ist, gemäß dem Potential des sensitiven Films 13. Dann detektiert der Detektor 6 die Geruchssubstanz durch Detektieren einer Änderung in dem Aus-Signal entsprechend der Potentialänderung des sensitiven Films 13. Spezifisch kann durch kontinuierliches Anlegen einer konstanten Referenzspannung Vref an den Substanzadsorptionsfilm 3 die Geruchssubstanz wie folgt detektiert werden. Wenn die Potentialänderung des sensitiven Films 13 nicht auftritt (das heißt, wenn die Geruchssubstanz nicht an den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbiert wird), wird das Aus-Signal (Spannungswert) eine Standard-Spannung (Referenzwert) entsprechend der Referenzspannung Vref. Daher kann der Detektor 6 bestimmen, dass die Geruchssubstanz nicht detektiert wird, während die Standardspannung als das Aus-Signal ausgegeben wird. Wenn andererseits die Geruchssubstanz an den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbiert wird und das Potential des sensitiven Films 13 sich gemäß der Änderung im Zustand des Substanzadsorptionsfilms 3 ändert, ändert sich das Aus-Signal entsprechend der Potentialänderung. Daher kann der Detektor 6 die Geruchssubstanz detektieren (das heißt die Tatsache, dass die Geruchssubstanz an den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbiert wird), basierend auf der Differenz (Änderungsbetrag) zwischen dem Aus-Signal und der Standardspannung. Beispielsweise kann der Detektor 6 die Geruchssubstanz durch Detektieren, dass der Änderungsbetrag einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, detektieren. Der Detektor 6 kann eine Änderung gegenüber einem Zustand mit einem Geruch (einem Zustand, in welchem die Geruchssubstanz an den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbiert wird) zu einem Zustand ohne einen Geruch detektieren, basierend auf der Potentialänderung. Weiter kann der Detektor 6 die Geruchssubstanz auf Basis des Musters (beispielsweise Geschwindigkeit) der Potentialänderung abschätzen. Der Detektor 6 kann beispielsweise als eine Computer-Vorrichtung konfiguriert sein, die einen Prozessor, einen Speicher, einen Massenspeicher, eine Kommunikationsvorrichtung und dergleichen beinhaltet.
Als Nächstes wird die Funktionskonfiguration und das Betriebsprinzip der Detektionseinheit 5 beschrieben. Die Detektionseinheit 5 beinhaltet einen Erfassungsabschnitt 10, einen Zufuhrabschnitt 20, einen Bewegungs-/Akkumulierungsabschnitt 30 und einen Entfernungsabschnitt 40. In der vorliegenden Ausführungsform ist die elektrische Ladung ein Elektron.
Der Erfassungsabschnitt 10 ist eine Region, wo der sensitive Film 13 nach außen (das heißt zum Substanzadsorptionsfilm 3) durch die Öffnung 120a der Passivierungsschicht 120 exponiert wird. Spezifischer ist der Erfassungsabschnitt 10 eine Region, wo der sensitive Film 13 zur Erst-LeitfähigkeitsRegion 12 über dem Schutzfilm 110 zwischen dem ICG-Bereich 22 und dem TG-Bereich 32 weist. Das heißt, dass der Erfassungsabschnitt 10 eine Erfassungsregion ist, die durch Stapeln der Diffusionsschicht 11, der Erst-LeitfähigkeitsRegion 12, des Schutzfilms 110 und des sensitiven Films 13 gebildet wird. Wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 die zu detektierende Geruchssubstanz adsorbiert, ändert sich der Zustand (beispielsweise Ionenkonzentration) des Substanzadsorptionsfilms 3. Im sensitiven Film 13 tritt eine Potentialänderung entsprechend der Änderung im Zustand des Substanzadsorptionsfilms 3 auf. Die Tiefe des Potentialnapfs 14 der Diffusionsschicht 11, die zum sensitiven Film 13 weist, ändert sich gemäß der Potentialänderung des sensitiven Films 13.
Der Zufuhrabschnitt 20 beinhaltet den ID-Bereich 21 und den ICG-Bereich 22. Der ID-Bereich 21 ist ein Bereich zum Speichern einer in den Potentialnapf 14 zu injizierenden elektrischen Ladung. Der ICG-Bereich 22 ist ein Teil zum Steuern der Menge der elektrischen Ladungen, die aus dem ID-Bereich 21 zum Potentialnapf 14 injiziert werden.
Der Bewegungs-/Akkumulierungsabschnitt 30 beinhaltet den TG-Bereich 32 und den FD-Bereich 31. Der TG-Bereich 32 ist ein Bereich zum Übertragen der elektrischen Ladung aus dem Potentialnapf 14 zum FD-Bereich 31. Der FD-Bereich 31 ist ein Bereich zum Akkumulieren der aus dem Potentialnapf 14 übertragenen elektrischen Ladung. Spezifisch, indem die Spannung des TG-Bereichs 32 verändert wird, wird das Potential einer Region (nachfolgend als „TG-Region“ bezeichnet), die zum TG-Bereich 32 im Substrat 100 weist, verändert und kann die in den Potentialnapf 14 gefüllte elektrische Ladung in den FD-Bereich 31 transferiert und akkumuliert werden.
Der Entfernungsabschnitt 40 beinhaltet den RG-Bereich 42 und den RD-Bereich 41. Der Entfernungsabschnitt 40 ist ein Abschnitt zum Rücksetzen (Entfernen) der im FD-Bereich 31 akkumulierten elektrischen Ladung. Spezifisch kann die in dem FD-Bereich 31 akkumulierte elektrische Ladung an den RD-Bereich 41 abgegeben werden (VDD), indem die Spannung des RG-Bereichs 42 zum Ändern des Potentials einer Region (nachfolgend als eine „RG-Region“ bezeichnet), die zum RG-Bereich 42 im Substrat 100 weist, geändert wird.
Als Nächstes wird ein Betriebsbeispiel der Detektionseinheit 5 beschrieben. 3 zeigt ein Betriebsbeispiel eines Verfahrens des Injizierens einer elektrischen Ladung aus dem ID-Bereich 21 in den Potentialnapf 14 durch Ändern des Potentials des ID-Bereichs 21 in einem Zustand, bei dem das Potential des ICG-Bereichs 22 konstant ist (nachfolgend als „ID-Antriebssystem“ bezeichnet). 4 zeigt ein Betriebsbeispiel eines Verfahrens des Injizierens einer elektrischen Ladung aus dem ID-Bereich 21 in den Potentialnapf durch Ändern des Potentials des ICG-Bereichs 22 in einem Zustand, bei dem das Potential des ID-Bereichs 21 konstant ist (nachfolgend als „ICG-Antriebssystem“ bezeichnet).
(ID-ANTRIEBSSYSTEM)
Das ID-Antriebssystem wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Zuerst, wie in (A) von 3 gezeigt, wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 eine Geruchssubstanz adsorbiert und eine Änderung beim Zustand des Substanzadsorptionsfilms 3 auftritt, tritt eine Potentialänderung im sensitiven Film 13 auf, der unmittelbar unter dem Substanzadsorptionsfilm 3 lokalisiert ist, und ändert sich die Tiefe des X-Achsen-Rotationsbauteils 14 gemäß der Potentialänderung. Nachfolgend, wie in (B) von 3 gezeigt, wird die elektrische Ladung im ID-Bereich 21 akkumuliert, indem das Potential des ID-Bereichs 21 gesenkt wird. Die im ID-Bereich 21 akkumuliert elektrische Ladung wird in den Potentialnapf 14 jenseits einer Region (nachfolgend als eine „ICG-Region“ bezeichnet), die zum ICG-Bereich 22 im Substrat 100 weist, injiziert. Zu dieser Zeit wird das Polarität der TG-Region so gesteuert, dass es niedriger als das Potential des ID-Bereichs 21 ist. Daher erreicht die in den Potentialnapf 14 injizierte elektrische Ladung den FD-Bereich 31 jenseits der TG-Region nicht.
Nachfolgend, wie in (C) von 3 gezeigt, wird die elektrische Ladung aus dem ID-Bereich 21 durch Wiederherstellen (Anheben) des Potentials des ID-Bereichs 21 extrahiert. Als Ergebnis verbleibt eine bei einem vorbestimmten Potential-Niveau des ICG-Bereichs abgekratzte elektrische Ladung im Potentialnapf 14. Der im Potentialnapf 14 gelassene elektrische Ladungsbetrag entspricht der Tiefe des Potentialnapfs 14.
Nachfolgend, wie in (D) von 3 gezeigt, wird die Spannung des TG-Bereichs 32 angehoben, wodurch die in dem Potentialnapf 14 verbleibende elektrische Ladung an den FD-Bereich 31 übertragen wird. Danach wird die Spannung des TG-Bereichs 32 zur Originalspannung zurückgeführt, und wird der in (E) von 3 gezeigte Zustand ermittelt. In diesem Zustand wird ein der in dem FD-Bereich 31 akkumulierten elektrischen Lademenge entsprechendes Out-Signal über den Verstärker 33 und die Ausgangsschaltung 34 an den Detektor 6 ausgegeben. Entsprechend wird im Detektor 6 der in den Substanzadsorptionsfilm 3 detektierte Geruch (das heißt die durch den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbierte Geruchssubstanz) basierend auf der Ladungsmenge des Aus-Signals aus der Standardspannung detektiert. Nachfolgend, wie in (F) von 3 gezeigt, wird die Spannung des RG-Bereichs 42 erhöht, wodurch die in dem FD-Bereich 31 akkumulierte elektrische Ladung an den RD-Bereich 41 entladen wird. Der RD-Bereich 41 ist mit der VDD-Stromversorgung verbunden. Als Ergebnis wird die negativ geladene elektrische Ladung im RD-Bereich 41 absorbiert.
Die oben beschriebenen Operationen von (B) bis (E) von 3 können mehrmals wiederholt werden. Als Ergebnis kann die in dem FD-Bereich 31 akkumulierte elektrische Lademenge erhöht werden und kann das Aus-Signal durch die Anzahl von Wiederholungen verstärkt werden. Weiter kann der Verstärker 33 weggelassen werden, indem das Aus-Signal durch so eine repetitive Operation verstärkt wird. Durch Ausführen der Operation (Akkumulierungsoperation) des Wiederholens von (B) bis (E) von 3 kann die Auflösung verbessert werden. Die oben beschriebene Akkumulationsoperation ist besonders effektiv in einem Geruchssensor, in welchem eine momentane Zustandsänderung nicht wahrscheinlich auftritt, wie etwa der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1. Zusätzlich, gemäß dem Ionensensor 2, der ein CMOS-Bildsensor ist, da es möglich ist, Lesen bei einer höheren Geschwindigkeit als derjenigen des ISFET-Typ-Ionensensors 2A der später beschriebenen vierten Ausführungsform durchzuführen, ist es möglich, vorzugsweise Geruchsdetektion selbst dann durchzuführen, wenn die Akkumulierungsoperation durchgeführt wird. Wenn die kumulative Anzahl (die Anzahl von Wiederholungen) auf N mal eingestellt wird, wird die Verstärkung N Mal. Jedoch kann die Verstärkung beispielsweise auf 1/N Mal durch einen Verstärkungsjustierer 72, der später beschrieben wird, justiert werden, oder ein Verhältnis von Kondensatoren C1 und C2, die in der später beschriebenen Rückkopplungsschaltung 71 enthalten sind, kann justiert werden.
(ICG-ANTRIEBSSYSTEM)
Als Nächstes wird das ICG-Antriebssystem unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Im ICG-Antriebssystem werden die Operationen von (A) bis (C) von 3 durch die Operationen von (A) bis (C) von 4 ersetzt. Zuerst, wie in (A) von 4 gezeigt, wird das Potential des ID-Bereichs 21 auf einen Konstantwert niedriger als das Potential des Potentialnapfs 14 und höher als das Potential der TG-Region eingestellt. Andererseits wird das Potential der ICG-Region niedriger gemacht als das Potential des ID-Bereichs 21. Nachfolgend, wie in (B) von 4 gezeigt, wird die elektrische Ladung aus dem ID-Bereich 21 dem Potentialnapf 14 zugeführt, indem das Potential der ICG-Region höher als das Potential des Potentialnapfs 14 gemacht wird. Nachfolgend, wie in (C) von 4 gezeigt, wird das Potential der ICG-Region wieder niedriger eingestellt als das Potential des ID-Bereichs 21, so dass elektrische Ladungen bis zum voreingestellten Potential des Wellenleiterstabs 21 ID-Bereich 21 in dem Potentialnapf 14 verbleiben. Als Ergebnis werden die elektrischen Ladungen mit einem Potential äquivalent zu dem des ID-Bereichs 21 im Potentialnapf 14 akkumuliert. Nachfolgende Operationen im ICG-Antriebssystem sind die gleichen wie die Operationen (D) bis (F) von 3.
Als Nächstes wird der Justierer 7 beschrieben. Der Justierer 7 justiert ein Antriebssignal zu Antreiben des Ionensensors 2. Hier ist das Antriebssignal ein Eingangssignal, welches für den Betrieb der Detektionseinheit 5 notwendig ist, um Messung des Aus-Signals (Geruchsmessung) wie oben beschrieben durchzuführen. In der obigen Ausführungsform ist das Antriebssignal eine AD-Referenzspannung Vref, die an den Substanzadsorptionsfilm 3 durch die Elektrode 4 angelegt wird. Der Justierer 7 kann in jedem Pixel (Detektionseinheit 5) im CMOS-Chip des Ionensensors 2 vorgesehen sein oder kann in Einheiten von Reihen, Spalten oder spezifischen Flächen vorgesehen sein. Der Justierer 7 kann auf einem (nicht gezeigten) Steuersubstrat oder dergleichen außerhalb des CMOS-Chips bereitgestellt werden. In diesem Fall kann eine Signalverarbeitungseinheit oder dergleichen zwischen dem Justierer 7 und der Elektrode 4 vorgesehen sein. Wenn ein einzelner Justierer 7 als der Justierer 7 verwendet wird, der einer Vielzahl von Pixeln gemein ist, kann eine Pixel-Auswahlschaltung, ein Pufferverstärker und dergleichen zwischen der Ausgangsschaltung 34 jedes Pixels und dem Justierer 7 vorgesehen sein.
Zuerst wird der Grund beschrieben, warum das Antriebssignal durch den Justierer 7 zu justieren ist. Wie oben beschrieben, detektiert der Detektor 6 die Geruchssubstanz auf Basis der Differenz zwischen dem Aus-Signal und der vorbestimmten Standardspannung. Das heißt, dass der Detektor 6 die Geruchssubstanz auf Basis der Charakteristik detektiert, dass das Aus-Signal in einem Zustand, bei dem die Geruchssubstanz nicht an dem Substanzadsorptionsfilm 3 absorbiert wird (nachfolgend als ein „Standardzustand“ bezeichnet), im Wesentlichen mit der Standardspannung übereinstimmt und dass das Aus-Signal in einem Zustand, bei dem die Geruchssubstanz am Substanzabsorptionsfilm 3 absorbiert wird, relativ stark von der Standardspannung abweicht. Daher, um die Geruchssubstanz angemessen und mit hoher Genauigkeit zu detektieren, muss die Vorbedingung, dass das Aus-Signal in dem Standardzustand im Wesentlichen mit der Standardspannung koinzidiert, erfüllt sein. Jedoch, in der Praxis, wenn die Messung durch die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 über eine lange Periode (beispielsweise mehrere Stunden oder mehr) fortgesetzt wird, kann ein Ausgabedrift aufgrund einer zeitlichen Änderung bei der Umgebung (beispielsweise Temperatur, Feuchte und dergleichen) um den Ionensensor 2 herum auftreten. Aufgrund des Einflusses einer solchen Ausgangsdrift kann das Aus-Signal im Standardzustand graduell stark von der vorbestimmten Standardspannung abweichen. Daher justiert der Justierer 7 das Antriebssignal (Referenzspannung Vref in der vorliegenden Ausführungsform), so dass die Differenz (Versatz) zwischen dem Aus-Signal und der Standardspannung im Standardzustand sinkt (idealerweise wird der Versatz 0).
5 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel des Justierers 7 justiert. Der Justierer 7 beinhaltet eine Rückkopplungsschaltung 71 (erster Justierer) und einen Verstärkungsjustierer 72 (zweiter Justierer). Die Rückkopplungsschaltung 71 empfängt das Aus-Signal und gibt ein in einer Richtung entgegengesetzter Versatzrichtung des Aus-Signals justiertes Signal an den Verstärkungsjustierer 72 aus. In der vorliegenden Ausführungsform ist als ein Beispiel die Rückkopplungsschaltung 71 konfiguriert, ein durch dieselbe Größe wie der Versatz des Aus-Signals justiertes Signal in einer Richtung entgegengesetzt zur Versatzrichtung des Aus-Signals auszugeben.
Die Rückkopplungsschaltung 71 ist eine Schaltung, in der ein Schalter SW1, ein Kondensator C1 und eine Integrierungsschaltung (ein Verstärker A, ein Kondensator C2 und ein Schalter SW2) in Reihe in dieser Reihenfolge ab der Eingangsseite des Aus-Signals verbunden sind. Der Kondensator C2 und der Schalter SW2 sind parallel miteinander verbunden und zwischen das Eingangsende und das Ausgangsende des Verstärkers A gerichtet. Wenn der Schaltung SW2 in dem Ein-Zustand ist, wird die Lade-Akkumulierung des Kondensators C2 initialisiert und gibt die Rückkopplungsschaltung 71 einen Spannungswert entsprechend der Eingangsspannung des Verstärkers A aus. Wenn andererseits der Schalter SW2 im Aus-Zustand ist, akkumuliert der Kondensator C2 elektrische Ladung und gibt die Rückkopplungsschaltung 71 einen Spannungswert entsprechend dem Lade-Akkumulierungsbetrag im Kondensator C2 aus. Gemäß der Rückkopplungsschaltung 71 kann ein in einer Richtung entgegengesetzt der Versatzrichtung des Aus-Signals justiertes Signal durch Einschalten des Schalters SW1 ausgegeben werden und kann das justierte Signal ausgegeben werden, während das Ausschalten des Schalters SW2 aufrechterhalten wird.
Der Verstärkungsjustierer 72 erzeugt ein Antriebssignal durch Justieren der Verstärkung des durch die Rückkopplungsschaltung 71 ausgegebenen Signals. Das aus dem Verstärkungsjustierer 72 ausgegebene Antriebssignal wird an der Elektrode 4 eingegeben. Hier ist die Beziehung zwischen dem Aus-Signal und dem Antriebssignal nicht notwendigerweise eins zu eins (1:1). Das heißt, dass das Aus-Signal nicht notwendigerweise um denselben Betrag ansteigen (oder fallen) muss, um den das Antriebssignal (Spannung) erhöht (oder gesenkt) wird. Beispielsweise kann es einen Fall geben, bei dem es notwendig ist, das Antriebssignal um „v1 × a“ zu erhöhen, um das Aus-Signal um „v1“ zu vergrößern. Der Verstärkungsjustierer 72 justiert das aus der Rückkopplungsschaltung 71 ausgegebene Signal gemäß der Beziehung zwischen dem Aus-Signal und dem Antriebssignal, das vorab erfasst wird, wodurch ein Endantriebssignal erhalten wird. Der Verstärkungsjustierer 72 kann weggelassen werden, wenn das aus der Rückkopplungsschaltung 71 ausgegebene Signal so wie es vorliegt als das Antriebssignal verwendet werden kann, wie etwa, wenn die Beziehung zwischen dem Aus-Signal und dem Antriebssignal 1:1 ist.
Der Betrieb des Justierers 7 wird im Detail unter Bezugnahme auf das in 6 gezeigte Timing-Diagramm beschrieben. Es ist anzumerken, dass das in 6 gezeigte Timing-Diagramm ein Beispiel des Falls ist, bei dem das Aus-Signal durch das oben beschriebene ICG-Antriebssystem extrahiert wird. Aus Gründen der Einfachheit ist der Verstärkungsjustierer 72 weggelassen. Das heißt, dass das aus der Rückkopplungsschaltung 71 ausgegebene Signal direkt als das Antriebssignal (Vref) verwendet wird.
Die Periode P1 ist eine Rückkopplungsperiode, in welcher der Schalter SW1 eingeschaltet wird, um das Aus-Signal der Rückkopplungssignal 71 einzugeben, wodurch das Antriebssignal justiert wird. Die Justierung des Antriebssignals in der Periode P1 wird im Standardzustand durchgeführt. Im Beispiel von 6 beinhaltet das durch das ICG-Antriebssystem extrahierte Aus-Signal (Ausgangsspannung) eine Versatzkomponente OC (Abweichung in positiver Richtung) von der Standardspannung. In der Rückkopplungsschaltung 71, indem der Schalter SW2 im Aus-Zustand gehalten wird, wenn das Aus-Signal eingegeben wird, wird das Antriebssignal, das justiert ist, die Versatzkomponente OC im Aus-Signal aufzuheben, erhalten. Das heißt, dass das Antriebssignal um denselben Betrag wie die Versatzkomponente OC des Aus-Signals in einer Richtung entgegengesetzt zur Versatzrichtung des Aus-Signals verschoben wird. Im Beispiel von 6 wird das Antriebssignal um zwei Rahmen (zweimal Extraktion des Aus-Signals durch das ICG-Antriebssystem) justiert, aber das Antriebssignal kann um einen Rahmen oder drei Rahmen oder mehr justiert werden.
Die Periode P2 ist eine Messperiode, in der Geruchsmessung unter Verwendung des justierten Antriebssignals durchgeführt wird. Spezifisch, nachdem das Antriebssignal justiert ist, werden die Schalter SW1 und der Schalter SW2 im Aus-Zustand gehalten, so dass das justierte Antriebssignal aufrechterhalten wird. das heißt, dass der Justierer 7 (Rückkopplungsschaltung 71) weiterhin das justierte Antriebssignal ausgibt. Somit wird die Versatzkomponente OC aus dem Aus-Signal ausgeschlossen. Als Ergebnis wird die Standardspannung kontinuierlich als das Aus-Signal im Standardzustand ausgegeben. Spezifisch wird in der vorliegenden Ausführungsform das Potential des Potentialnapfs 14 des Batteriepacks 10 durch Justieren der AD-Referenzspannung Vref, die ein Antriebssignal ist, wie oben beschrieben, justiert. Als Ergebnis wird die in den Potentialnapf 14 gefüllte elektrische Ladungsmenge so justiert, dass die Versatzkomponente OC des Aus-Signals aufgehoben wird. Beispielsweise, wie im in 6 gezeigten Beispiel, wenn das Aus-Signal die Versatzkomponente OC in der Positivrichtung beinhaltet (die Richtung, in welcher die Spannung steigt (= die Richtung, in welcher die aus dem FD-Bereich 31 extrahierte elektrische Ladungsmenge sinkt)), wird die AD-Referenzspannung Vref justiert, niedriger zu sein, durch den Justierer 7. Als Ergebnis steigt das Potential des Potentialnapfs 14 an, und wird die elektrische Ladungsmenge, die in den Potentialnapf 14 gefüllt und aus dem FD-Bereich 31 extrahiert wird, justiert, so dass sie ansteigt. Dies unterdrückt die Versatzkomponente OC des Aus-Signals. Im Beispiel von 6 wird die Geruchssubstanz nicht in der Periode P2 detektiert und wird der Standardzustand aufrechterhalten.
Die oben beschriebene Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 beinhaltet einen Justierer 7, der das Antriebssignal (AD-Referenzspannung Vref) in der vorliegenden Ausführungsform) zum Antreiben des Ionensensors 2 so justiert, dass der Versatz des Aus-Signals des Ionensensors 2 reduziert wird. Daher, wie oben beschrieben, kann die Versatzkomponente OC des Aus-Signals durch Justieren des Antriebssignals durch den Justierer 7 beispielsweise im Standardzustand reduziert werden. Die Versatzkomponente OC des Aus-Signals kann unterdrückt werden durch Justieren des Antriebssignals, welches ein Eingangssignal an den Ionensensor 2 ist. Daher ist es gemäß der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 möglich, ein Absinken beim Dynamikbereich aufgrund der Versatzkomponente OC des Aus-Signals zu unterdrücken. Das heißt, dass der Dynamikbereich der Ausgabe im Vergleich mit dem Fall gesteigert werden kann, bei dem die Versatzkomponente OC des Aus-Signals durch nachfolgende Korrektur des Aus-Signals entfernt wird.
Der Justierer 7 ist konfiguriert, in der Lage zu sein, zwischen einem ersten Betriebsmodus, in welchem das Antriebssignal auf Basis des Aus-Signals justiert ist, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchem das im ersten Betriebsmodus justierte Antriebssignal aufrechterhalten wird, umzuschalten. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Operation der Kopplungsperiode (Periode P1), die oben beschrieben ist (das heißt der Betrieb des Haltens des Schalters SW1 im Ein-Zustand und Halten des Schalters SW2 im Aus-Zustand, wenn das Aus-Signal eingegeben wird, um das Antriebssignal zu justieren) dem ersten Betriebsmodus. Der Betrieb in der oben beschriebenen Messperiode (Periode P2) (das heißt, die Operation des Haltens jedes der Schalter SW1 und SW2 im Aus-Zustand, was das justierte Antriebssignal aufrecht erhält) entspricht dem zweiten Betriebsmodus. Entsprechend der obigen Konfiguration ist es möglich, angemessen zwischen dem ersten Betriebsmodus zum Justieren des Antriebssignals und dem zweiten Betriebsmodus zum Durchführen von Geruchsdetektion unter Verwendung des justierten Antriebssignals entsprechend der Situation umzuschalten. Weiter können in der vorliegenden Ausführungsform der erste Betriebsmodus und der zweite Betriebsmodus leicht umgeschaltet werden, durch die Schaltverarbeitung der Schalter SW1 und SW2.
Die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 beinhaltet die Elektrode 4 zum Anlegen einer AD-Referenzspannung Vref an den Substanzadsorptionsfilm 3 und das durch den Justierer 7 zu justierende Antriebssignal ist die AD-Referenzspannung Vref. Gemäß der obigen Konfiguration kann die Versatzkomponente OC des Aus-Signals angemessen durch Justieren der an den Substanzadsorptionsfilm 3 angelegten AD-Referenzspannung Vref unterdrückt werden.
Wie oben beschrieben, kann der Justierer 7 den Verstärkungsjustierer 72 zusätzlich zur Rückkopplungsschaltung 71 beinhalten. Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration ist es möglich, das Antriebssignal zu erhalten, welches in der Richtung des Reduzierens des Versatzes des Aus-Signals durch die Rückkopplungsschaltung 71 justiert wird und auf eine angemessene Größenordnung durch den Verstärkungsjustierer 72 justiert wird.
Die Justierung des Antriebssignals durch den Justierer 7 kann kollektiv für alle in dem Ionensensor 2 enthaltenen Pixel durchgeführt werden. Beispielsweise kann der gemeinsam allen Pixeln bereitgestellte Justierer 7 das Antriebssignal auf Basis eines Signals (beispielsweise eines Signals, das ermittelt wird durch Durchschnittsbildung der Aus-Signale der Vielzahl von Pixeln) justieren, erhalten durch Erfassen des Aus-Signals der Vielzahl von Pixeln und statistisches Prozessieren der Aus-Signale. In diesem Fall muss nur eine Elektrode 4 und nur ein Justierer 7 im Ionensensor 2 vorgesehen sein, so dass der Schaltungsmaßstab reduziert werden kann.
Weiter kann die Justierung des Antriebssignals durch den Justierer 7 in einer beliebigen Pixelgruppeneinheit durchgeführt werden. Die Pixelgruppe ist eine Einheit, die ein oder mehrere Pixel aufweist, die alle einen unabhängigen sensitiven Film 13 aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform bilden als ein Beispiel eine Vielzahl von Pixeln (Detektionseinheiten 5), die demselben Substanzadsorptionsfilm 3 entsprechen, eine Pixelgruppe. Das heißt, dass der Substanzadsorptionsfilm 3 für jede Pixelgruppe vorgesehen ist. In der vorliegenden Ausführungsform weist der Ionensensor 2 fünf Pixelgruppen auf. In diesem Fall ist der Justierer 7 für jede Pixelgruppe vorgesehen. Weiter ist ein Objekt (hier die Elektrode 4), an welchem das Antriebssignal, das aus dem Justierer 7 ausgegeben wird, eingegeben wird, auch für jede Pixelgruppe vorgesehen. Der in jeder Pixelgruppe vorgesehene Justierer 7 justiert das Antriebssignal, das jedem Pixel gemein ist, der in der einen Pixelgruppe enthalten ist, basierend auf dem Aus-Signal jedes in der einen Pixelgruppe enthaltenen Pixels. Wie oben beschrieben, indem das Antriebssignal für jede Pixelgruppe justiert wird, ist es möglich, individuell das Antriebssignal gemäß den Charakteristika jeder Pixelgruppe zu justieren, im Vergleich zu einem Fall, bei dem das Antriebssignal kollektiv für alle in dem Ionensensor 2 enthaltenen Pixel justiert wird. Insbesondere in dem Fall, bei dem eine Vielzahl von (fünf) unterschiedlichen Substanzadsorptionsfilmen 3 vorgesehen sind, wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann die durch die oben beschriebene Ausgabedrift oder dergleichen verursachte Charakteristik-Veränderung sich für jeden Substanzadsorptionsfilm 3 unterscheiden. Daher kann eine Versatzkomponente OC mit einer anderen Größe für jeden Substanzadsorptionsfilm 3 erzeugt werden. Daher ist es nicht bevorzugt, das Antriebssignal durch den Justierer 7, der der Vielzahl von Pixelgruppen gemein ist, zu justieren. Andererseits, indem das Antriebssignal für jede Pixelgruppe justiert wird, wie oben beschrieben, kann das Antriebssignal angemessen gemäß den Charakteristika jedes Substanzadsorptionsfilms 3 justiert werden.
Als Nächstes wird das Geruchs-Detektionsverfahren durch die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 beschrieben. Zuerst wird ein Aus-Signal des Ionensensors 2 in einem Zustand erfasst, bei dem die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 in einer Atmosphäre angeordnet ist, in welcher die zu detektierende Geruchssubstanz nicht existiert, und wird das Antriebssignal so justiert, dass ein Versatz gegenüber der Standardspannung im Aus-Signal reduziert wird (erster Schritt). Das heißt, dass die Verarbeitung des ersten Schrittes eine Verarbeitung des Justierens des Antriebssignals, wie in der in 6 gezeigten Periode P1 ist, basierend auf dem Aus-Signal in dem oben beschriebenen Standardzustand. Das Verfahren des Anordnens der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 in einer Atmosphäre, in welcher die Geruchssubstanz nicht vorhanden ist, ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann die Verarbeitung des ersten Schrittes durch Anordnen der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 in einem geschlossenen Raum realisiert werden, der konfiguriert ist, in der Lage zu sein, sowohl das Ansaugen von Luft im Inneren als auch das Einführen jeglicher Luft in das Innere durchzuführen, und Einführen von sauberer Luft, die keine Geruchssubstanz enthält, in den geschlossenen Raum nach Ansaugen der Luft in dem geschlossenen Raum.
Nachfolgend wird die zu inspizierende Luft in die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 eingeführt, während das im ersten Schritt justierte Antriebssignal aufrechterhalten wird (zweiter Schritt). In dieser Ausführungsform wird der Betriebsmodus des Justierers 7 von dem ersten Betriebsmodus, welcher der in 6 gezeigten Periode P1 entspricht, zum zweiten Betriebsmodus, welcher der Periode P2 entspricht, umgeschaltet. Als Ergebnis setzt der Justierer 7 die Eingabe des justierten Antriebssignals (AD-Referenzspannung Vref) an die Elektrode 4 fort. Ein Verfahren des Einführens von zu inspizierender Luft in die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann Luft im geschlossenen Raum im Zustand gesaugt werden, bei dem die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 in dem oben beschriebenen geschlossenen Raum angeordnet ist und kann dann zu inspizierende Luft in den geschlossenen Raum eingeleitet werden.
Nachfolgend wird die Geruchssubstanz auf Basis des Aus-Signals des Ionensensors detektiert, der nach dem zweiten Schritt erhalten wird (dritter Schritt). In der vorliegenden Ausführungsform, wie oben beschrieben, detektiert der Detektor 6 die Geruchssubstanz auf Basis des Unterschieds (Änderungsbetrag) zwischen dem Ausgangswert des Aus-Signals und der Standardspannung.
Gemäß dem Geruchs-Detektionsverfahren ist es möglich, angemessen das Antriebssignal in einer Atmosphäre einzustellen, in welcher die Geruchssubstanz nicht vorhanden ist (das heißt in einer Umgebung, in welcher das Aus-Signal des Ionensensors 2 idealerweise mit der Standardspannung koinzidiert). Dann, indem die Geruchsdetektion unter Verwendung des justierten Antriebssignals durchgeführt wird, kann die Versatzkomponente OC des Aus-Signals unterdrückt werden. Daher ist es gemäß dem Geruchs-Detektionsverfahren möglich, effektiv einen Abfall beim Dynamikbereich zu unterdrücken, welcher durch die Versatzkomponente OC des Aus-Signals verursacht wird.
Weiter kann die Verarbeitung des ersten Schrittes wieder ausgeführt werden, nachdem eine vorbestimmte Periode verstrichen ist, seit die Verarbeitung des oben beschriebenen zweiten Schrittes ausgeführt wurde. Wenn einmal das Antriebssignal justiert ist, steigt die Versatzkomponente OC des Aus-Signals graduell über die Zeit aufgrund von Änderungen über die Zeit bei der Umgebung (zum Beispiel Temperatur, Feuchte etc.) um den Ionensensor 2 herum. Entsprechend der obigen Konfiguration, durch periodisches Justieren des Antriebssignals, ist es möglich, kontinuierlich Geruchsdetektion in einem Zustand durchzuführen, in welchem die Versatzkomponente OC des Aus-Signals auf einen vorbestimmten Wert oder weniger unterdrückt wird.
Obwohl die obige Ausführungsform unter Fokussierung auf den Fall des Detektierens einer Änderung gegenüber einem Zustand beschrieben worden ist, in welchem die Geruchssubstanz nicht vorhanden ist, zu einem Zustand, in welchem die Geruchssubstanz vorhanden ist, ist es gemäß dem Geruchs-Detektionsverfahren, welches die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 verwendet, auch möglich, einen Zustand zu detektieren (zu beobachten), in welchem die Geruchssubstanz von dem Zustand, in welchem die Geruchssubstanz vorhanden ist (Zustand, in welchem die Geruchssubstanz eingefüllt wird) sinkt.
[Zweite Ausführungsform]
7 ist ein Diagramm, welches schematisch eine Querschnitts-Konfiguration der Detektionseinheit 5 einer Geruchs-Detektionsvorrichtung 1A der zweiten Ausführungsform zeigt. In der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1A ist der Ionensensor 2 konfiguriert, jede Detektionseinheit 5 durch das oben beschriebene ICG-Antriebssystem zu betreiben (siehe 4). Weiter, wie in 7 gezeigt, unterscheidet sich die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1A von der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 darin, dass ein Justierer 7A zum Justieren der an den ID-Bereich 21 angelegten Spannung vorgesehen ist, statt des Justierers 7 zum Justieren der AD-Referenzspannung Vref. Das heißt, dass in der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1A die an den ID-Bereich 21 angelegte Spannung als das zu justierende Antriebssignal verwendet wird, so dass der Versatz des Aus-Signals sinkt.
Konfiguration und Betrieb des Justierers 7A ähneln jenen von 5 und 6, in welchen „Vref“ durch „an den ID-Bereich 21 angelegte Spannung“ ersetzt wird. In der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1A wird eine AD-Referenzspannung Vref an der Elektrode 4 aus einer anderen Stromversorgung als dem Justierer 7A eingegeben.
Gemäß der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1A wird die an den ID-Bereich 21 angelegte Spannung (das heißt das Potential des ID-Bereichs 21) so justiert, dass die Versatzkomponente OC des Aus-Signals aufgehoben wird. Beispielsweise, wie in dem in 6 gezeigten Beispiel, wenn das Aus-Signal die Versatzkomponente OC in der Positivrichtung beinhaltet (Richtung, in welcher die Spannung wächst (= die Richtung in welcher der aus dem FD-Bereich 31 extrahierte elektrische Ladebetrag sinkt)), wird das Potential des ID-Bereich 21 justiert, niedriger zu sein, durch den Justierer 7A. Als Ergebnis wird die in den Potentialnapf 14 gefüllte und aus dem FD-Bereich 31 entnommene elektrische Ladungsmenge justiert, zu steigen. Dies unterdrückt die Versatzkomponente OC des Aus-Signals.
Gemäß der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1A kann im Ionensensor 2, der konfiguriert ist, die elektrische Ladung in den Potentialnapf 14 zu injizieren, durch Ändern des Potentials des ICG-Bereichs 22, während das Potential des ID-Bereichs 21 konstant gehalten wird, die Versatzkomponente OC des Aus-Signals angemessen unterdrückt werden, indem die Spannung des ID-Bereichs 21, der die Injektionsmenge der elektrischen Ladung bestimmt, justiert wird.
[Dritte Ausführungsform]
8 ist ein Diagramm, welches schematisch eine Querschnitts-Konfiguration der Detektionseinheit 5 einer Geruchs-Detektionsvorrichtung 1B der dritten Ausführungsform zeigt. In der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1B ist der Ionensensor 2 konfiguriert, jede Detektionseinheit 5 durch das oben beschriebene ID-Antriebssystem zu betreiben (siehe 3). Wie in 8 gezeigt, unterscheidet sich die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1B von der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 darin, dass ein Justierer 7B zum Justieren der an den ICG-Bereich 22 angelegten Spannung statt des Justierers 7 zum Justieren der AD-Referenzspannung Vref vorgesehen ist. Das heißt, dass in der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1B die an den ICG-Bereich 22 angelegte Spannung als das zu justierende Antriebssignal verwendet wird, um so den Versatz des Aus-Signals zu reduzieren.
Die Konfiguration und der Betrieb des Justierers 7B sind die gleichen wie jene in 5 und 6, in welchen „Referenzspannung Vref“ durch „an ICG-Bereich 22 angelegte Spannung“ ersetzt wird. In der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1B wird eine AD-Referenzspannung Vref an der Elektrode 4 aus einer anderen Stromversorgung als dem Justierer 7B eingegeben.
Gemäß der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1B wird die an den ICG-Bereich 22 angelegte Spannung (das heißt das Potential der ICG-Region) so justiert, dass die Versatzkomponente OC des Aus-Signals aufgehoben wird. Beispielsweise, wie in dem in 6 illustrierten Beispiel, wenn das Aus-Signal die Versatzkomponente OC in der Positivrichtung (der Richtung, in welcher die Spannung steigt (= die Richtung, in welcher die elektrische Ladungsmenge, die aus dem FD-Bereich 31 extrahiert wird, sinkt)) beinhaltet, wird das Potential der ICG-Region justiert, niedriger zu sein, durch den Justierer 7B. Als Ergebnis wird die in den Potentialnapf 14 gefüllte und aus dem FD-Bereich 31 entnommene elektrische Ladungsmenge so justiert, dass sie ansteigt. Dies unterdrückt die Versatzkomponente OC des Aus-Signals.
Gemäß der obigen Konfiguration, im Ionensensor 2, der konfiguriert ist, die elektrische Ladung in den Potentialnapf 14 durch Ändern des ID-Bereichs 21 in einem Zustand zu injizieren, bei dem das Potential des ICG-Bereichs 22 konstant ist, kann die Versatzkomponente OC des Aus-Signals angemessen unterdrückt werden, indem die Spannung des ICG-Bereichs 22, der die sogenannte Nivellierungshöhe der elektrischen Ladung bestimmt, justiert wird.
Es ist anzumerken, dass es eine relativ lange Zeit erfordert, um die Scheibenschneid-Operation des ID-Antriebssystems durchzuführen (das heißt die Operation von B bis C von 3). Daher wird es vom Standpunkt des Beschleunigens der Detektionsoperation pro ein Zyklus soweit wie möglich bevorzugt, die erste Ausführungsform anzunehmen, in welcher die AD-Referenzspannung Vref justiert wird, oder die zweite Ausführungsform, in welcher die an den ID-Bereich 21 angelegte Spannung nach Verwenden des ICG-Antriebssystems justiert wird. Weiter, in einem Fall, bei dem es schwierig ist, die Elektrode 4 für jede Pixelgruppe zu trennen (beispielsweise in einem Fall, bei dem die Elektrode 4 als die oben beschriebene externe Elektrode konfiguriert ist) und es gewünscht wird, das Antriebssignal für jede Pixelgruppe zu justieren, wird es bevorzugt, die zweite Ausführungsform zu adaptieren, nach Bereitstellen des ID-Bereichs 21 für jede Pixelgruppe.
[Vierte Ausführungsform]
9 ist ein Diagramm, welches schematisch eine Querschnitts-Konfiguration einer Detektionseinheit 5A einer Geruchs-Detektionsvorrichtung 1C der vierten Ausführungsform zeigt. Die Geruchs-Detektionsvorrichtung 1C unterscheidet sich von der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1 darin, dass ein sogenannter ISFET-Typ-Ionensensor 2A statt des Ionensensors 2 vorgesehen ist, der ein sogenannter Ladungstransfertyp-CMOS-Bildsensor ist. Andere Konfigurationen ähneln jenen der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1. Der Ionensensor 2A unterscheidet sich vom Ionensensor 2 darin, dass die Detektionseinheit 5A, die ein ISFET-Typ-Messverfahren einsetzt, als ein Einheits-Detektionselement (Pixel) vorgesehen ist, statt der Detektionseinheit 5, die ein Ladungstransfertyp-Messverfahren einsetzt.
In der Detektionseinheit 5A sind drei n⁺-Typ-Regionen 131 bis 133 des ersten Leitfähigkeitstyp (hier n-Typ) auf einer Hauptoberflächenseite des Substrats 100 gebildet. Zwei Gatter-Elektroden 134 und 135 sind auf der Hauptoberfläche des Substrats 100 über einen isolierenden Schutzfilm 110 gebildet. Die Gatter-Elektrode 134 ist zwischen der n⁺-Typ-Region 131 und der n⁺-Typ-Region 132 positioniert. Die n⁺-Typ-Region 131, die n⁺-Typ-Region 132 und die Gatter-Elektrode 134 bilden einen MOS-Transistor. Die n⁺-Typ-Region 131 wird mit einem ID-Signal (Spannung) aus einer (nicht gezeigten) Steuerung versorgt. Die Gatterelektrode 135 ist zwischen der n⁺-Typ-Region 132 und der n⁺-Typ-Region 133 positioniert. Die Gatterelektrode 135 wird mit einem TG-Signal (Spannung) aus einer (nicht gezeigten) Steuerung versorgt. Die n⁺-Typ-Region 133 ist mit dem Detektor 6 elektrisch verbunden. Ein leitfähiges Bauteil 136, auf welchem der sensitive Film 13 platziert wird, ist elektrisch mit der Gatter-Elektrode 134 über ein leitfähiges Verbindungsbauteil 137 verbunden. Ein Bereich, wo der sensitive Film 13 auf dem leitfähigen Bauteil 136 vorgesehen ist, fungiert als ein Erfassungsabschnitt 10A. Der Erfassungsabschnitt 10A ist eine Region, wo der sensitive Film 13 nach außen exponiert ist (das heißt zum Substanzadsorptionsfilm 3) über eine Öffnung 120a der Passivierungsschicht 120, was später beschrieben wird. Das leitfähige Bauteil 136 weist beispielsweise eine rechteckige Form auf, die im Wesentlichen dieselbe Größe wie der sensitive Film 13 aufweist, bei Sicht aus der hin weisenden Richtung D, in welcher der sensitive Film 13 und der Substanzadsorptionsfilm 3 zueinander hinweisen. Der sensitive Film 13 wird auf der oberen Oberfläche des leitfähigen Bauteils 136 gebildet.
Ähnlich zur Detektionseinheit 5 der ersten Ausführungsform wird die isolierende Passivierungsschicht 120 auf der Hauptoberfläche des Substrats 100 so gebildet, dass sie die auf der Hauptoberfläche des Substrats 100 vorgesehenen Bauteile wie oben beschrieben abdeckt. Der Substanzadsorptionsfilm 3 wird so vorgesehen, dass er die Passivierungsschicht 120 abdeckt. Eine Öffnung 120a zum Exponieren der oberen Oberfläche des sensitiven Films 13 nach außerhalb wird in der Passivierungsschicht 120 gebildet. Der sensitive Film 13 steht in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 über die Öffnung 120a. Die Standardspannung wird an dem Substanzadsorptionsfilm 3 durch die Elektrode 4 angelegt. Im Beispiel von 9 ist die obere Oberfläche des sensitiven Films 13 an einer Position lokalisiert, die von der oberen Oberfläche der Passivierungsschicht 120 zum Substrat 100 zurückgesetzt ist, aber der sensitive Film 13 kann so vorgesehen sein, dass die obere Oberfläche des sensitiven Films 13 kontinuierlich ist mit (flach verbunden mit) einem Bereich der Passivierungsschicht 120, wo die Öffnung 120a nicht gebildet ist.
Als Nächstes wird das Betriebsprinzip der Detektionseinheit 5A beschrieben. Wenn die Geruchssubstanz an dem Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbiert wird, ändert sich die Eigenschaft des Substanzadsorptionsfilms 3 und wird das Membranpotential des sensitiven Films 13 entsprechend verändert. Als Ergebnis ändert sich das Potential der elektrisch mit dem sensitiven Film 13 verbundenen Gatter-Elektrode 134. Der durch den Substanzadsorptionsfilm 3 detektierte Geruch (das heißt die durch den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbierte Geruchssubstanz) wird basierend auf der Differenz zwischen dem Ausgangssignal (Aus-Signal) entsprechend der Potentialänderung der Gatter-Elektrode 134 und der Standardspannung detektiert. Ein Beispiel des Betriebs der Detektionseinheit 5A (Antriebsverfahren) wird unten beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform detektiert als ein Beispiel der Ionensensor 2A allgemein den Geruch durch ein Verfahren, in welchem eine Region (nachfolgend als eine „Gatterregion“ bezeichnet), die zur Gatter-Elektrode 134 im Substrat 100 weist, als die ICG-Region in der oben beschriebenen Ladungstransfertyp-Detektionseinheit 5 fungiert, und die n⁺-Typ-Region 132 als der FD-Bereich 31 in der Detektionseinheit 5 fungiert. Bezug nehmend auf 10 wird ein Betriebsbeispiel der Detektionseinheit 5A als ein Beispiel im Detail beschrieben. Wie in (A) von 10 gezeigt, ändert sich die Tiefe des Potentialnapfs der Gatterregion gemäß der Potentialänderung des sensitiven Films 13. Wie in (B) von 10 gezeigt, wird das Potential der n⁺-Typ-Region 131 „ID“ in 10) durch Steuern des ID-Signals gesenkt. Entsprechend wird elektrische Ladung in der n⁺-Typ-Region 131 akkumuliert. Die in der n⁺-Typ-Region 131 akkumulierte elektrische Ladung wird in die n⁺-Typ-Region 132 jenseits der Gatterregion injiziert. Zu dieser Zeit wird das Potential der TG-Region so gesteuert, dass es niedriger als das Potential der n⁺-Typ-Region 131 ist. Daher erreicht die in die n⁺-Typ-Region 132 injizierte elektrische Ladung nicht die n⁺-Typ-Region 133 („aus“ in 10) jenseits der TG-Region.
Nachfolgend, wie in (C) von 10 gezeigt, wird die elektrische Ladung aus der n⁺-Typ-Region 131 durch Wiederherstellen (Anheben) des Potentials der n⁺-Typ-Region 131 extrahiert. Als Ergebnis verbleibt die durch die Gatterregion abgeschabte elektrische Ladung in der n⁺-Typ-Region 132. Die elektrische Ladungsmenge, die in der n⁺-Typ-Region 132 bleibt, entspricht der Tiefe des Potentialnapfes der Gatterregion.
Nachfolgend, wie in (D) von 10 gezeigt, wird die Spannung der Gatterelektrode 135 angehoben, so dass die in der n⁺-Typ-Region 132 verbleibende elektrische Ladung an die n⁺-Typ-Region 133 transferiert wird. Danach wird die Spannung der Gatterelektrode 135 zur Originalspannung zurückgeführt, so dass der in (E) von 10 gezeigte Zustand erhalten wird. In diesem Zustand wird ein Signal, welches der in der n⁺-Typ-Region 133 akkumulierten elektrischen Ladungsmenge entspricht (das heißt ein Signal entsprechend dem Potential des sensitiven Films 13) als ein Aus-Signal an den Detektor 6 und den Justierer 7C ausgegeben.
Wie der Justierer 7 justiert der Justierer 7C die AD-Referenzspannung Vref (Antriebssignal) auf Basis des Aus-Signals. Die Konfiguration und Operation des Justierers 7C ähnelt der Konfiguration (siehe 5) und Operation (siehe 6) des Justierers 7. Entsprechend der Geruchs-Detektionsvorrichtung 1D wird die AD-Referenzspannung Vref, die ein Antriebssignal ist, wie oben beschrieben justiert, wodurch das Potential der oben beschriebenen Gatterregion justiert wird. Entsprechend wird die in der n⁺-Typ-Region 132 zurückgelassene elektrische Lademenge so justiert, dass die Versatzkomponente OC des Aus-Signals aufgehoben wird. Beispielsweise, wie in dem in 6 gezeigten Beispiel, wenn das Aus-Signal eine Versatzkomponente OC in der Positivrichtung (der Richtung, in welcher die Spannung steigt (= die Richtung, in welcher die aus der n⁺-Typ-Region 132 extrahierte elektrische Lademenge sinkt)) beinhaltet, die AD-Referenzspannung Vref justiert wird, niedriger zu sein, durch den Justierer 7C. Als Ergebnis sinkt das Potential der Gatterregion und wird die aus der n⁺-Typ-Region 132 extrahierte elektrische Lademenge justiert, so dass sie steigt. Dies unterdrückt die Versatzkomponente OC des Aus-Signals.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben worden sind, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise kann in den Ionensensoren 2A und 2B die Vielzahl von Detektionseinheiten zweidimensional oder eindimensional angeordnet sein. Der Ionensensor kann nur eine Detektionseinheit beinhalten. Weiter ist das Substrat 100 nicht notwendigerweise ein Halbleitersubstrat und kann beispielsweise ein anderes Substrat als ein Halbleiter sein, wobei eine Halbleiterregion (zum Beispiel ein Halbleiterfilm) auf einer Oberfläche des Substrats gebildet ist.
Wie oben beschrieben, ist gemäß der Konfiguration des in 5 gezeigten Justierer 7, wenn der Schalter SW2 im Ein-Zustand ist, die Ladungs-Akkumulierung des Kondensators C2 initialisiert und kann die Rückkopplungsschaltung 71 einen Spannungswert entsprechend der Eingangsspannung des Verstärkers A ausgeben. Daher kann die Ausgabe (Antriebssignal) der Rückkopplungsschaltung 71 durch manuelles Justieren der Eingangsspannung des Verstärkers A durch Einschalten des Schalters SW2 im Justierer justiert werden. Das heißt, dass durch den Schaltprozess des Schalters SW2 die Justierung (Rückkopplungsjustierung) des Antriebssignals auf Basis des Aus-Signals und die manuelle Justierung des Antriebssignals leicht geschaltet werden können.
Wie oben beschrieben, muss der in 5 illustrierte Justierer 7 (und die Justierer 7A, 7B und 7C) nicht notwendigerweise den Verstärkungsjustierer 72 beinhalten. Beispielsweise kann der Verstärkungsjustierer 72 weggelassen werden, durch angemessenes Entwerfen der Rückkopplungsschaltung 71. Wenn beispielsweise die Kapazität der Erst-Leitfähigkeitsregion 12 durch Csens repräsentiert wird, die Kapazität des Luftklimatisierungsgebläses 31 FD-Bereichs 31 durch Cfg repräsentiert wird und die Verstärkung des Verstärkers 33 durch Gsf repräsentiert wird (siehe 2), kann der Verstärkungsjustierer 72 weggelassen werden, indem die Kapazitäten des Kondensators C1 und des Kondensators C2 so eingestellt werden, dass sie den nachfolgenden Ausdruck (1) erfüllen. $\begin{array}{l} Kapazit \ddot{a} t von Komdensator C1: Kapazit \ddot{a} t von Kondensator C2 = \\ Gsf×Csens: Cfd \end{array}$
Wie in 11 gezeigt, kann der Justierer 7 eine Rückkopplungsschaltung 71A statt der Rückkopplungsschaltung 71 beinhalten. Die Rückkopplungsschaltung 71A beinhaltet einen Widerstand R1 statt des Kondensators C1 und einen Widerstand R2 statt des Kondensators C2. Die Rückkopplungsschaltung 71A beinhaltet einen Haltekondensator C3, der parallel zwischen der Signalleitungseingabe aus dem Schalter SW1 und der Standardspannung vorgesehen ist. In der Rückkopplungsschaltung 71A wird die in dem Haltekondensator C3 gespeicherte elektrische Ladung in eine Spannung umgewandelt und wird die Spannung an einer invertierenden Verstärkerschaltung (einen Bereich, wo der Verstärker A und der Widerstand R2 parallel verbunden sind) eingegeben. In diesem Fall kann der Verstärkungsjustierer 72 durch Einstellen der Registerwerte des Widerstands R1 und des Widerstands R2 weggelassen werden, um so den nachfolgenden Ausdruck (2) zu erfüllen. $\begin{array}{l} Widerstandswert von Widerstand R1 : Widerstandswert von \\ Widerstand R2 = Gsv \times Csens : Cfd \end{array}$
Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B, 1C: Geruchs-Detektionsvorrichtung
2, 2A, 2B: Ionensensor
3: Substanzadsorptionsfilm
4: Elektrode
5, 5A: Detektionseinheit (Pixel)
7, 7A, 7B, 7C: Justierer
13: Sensitiver Film (ionensensitiver Bereich)
14: Potentialnapf
21: ID-Bereich
22: ICG-Bereich
71: Rückkopplungsschaltung (erster Justierer)
72: Verstärkungsjustierer (zweiter Justierer)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 53005255 A [0002]
JP 2004511799 A [0002]

Claims

Geruchs-Detektionsvorrichtung, umfassend: einen Ionensensor, der einen ionensensitiven Bereich aufweist und konfiguriert ist, ein Ausgangssignal gemäß einer Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs auszugeben; einen Substanz-Adsorptionsfilm, der auf dem ionensensitiven Bereich angeordnet ist und konfiguriert ist, einen Zustand des Substanz-Absorptionsfilms durch Adsorbieren einer zu detektierenden Geruchssubstanz zu ändern und die Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs zu verursachen; und einen Justierer, welcher konfiguriert ist, das Ausgangssignal des Ionensensors zu erfassen und ein Antriebssignal zum Antreiben des Ionensensors zu justieren, um einen Versatz gegenüber einem vorbestimmten Referenzwert im Ausgangssignal zu reduzieren.
Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Justierer konfiguriert ist, in der Lage zu sein, zwischen einem ersten Betriebsmodus, in welchem das Antriebssignal auf Basis des Ausgangssignals justiert wird, und einem zweiten Betriebsmodus, in welchen das Antriebssignal, das im ersten Betriebsmodus justiert ist, aufrechterhalten wird, umzuschalten.
Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend eine Elektrode, welche konfiguriert ist, eine Referenzspannung an den Substanz-Adsorptionsfilm anzulegen, wobei das Antriebssignal die Referenzspannung ist.
Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Ionensensor beinhaltet: einen ID-Bereich, welcher konfiguriert ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die in einen Potentialnapf zu injizieren ist, dessen Tiefe sich entsprechend der Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs ändert, und einen ICG-Bereich, der konfiguriert ist, einen Betrag der elektrischen Ladung, der aus dem ID-Bereich injiziert wird, an den Potentialnapf zu steuern, wobei der Ionensensor konfiguriert ist, die elektrische Ladung aus dem ID-Bereich in den Potentialnapf zu injizieren, indem ein Potential des ICG-Bereichs geändert wird, während ein Potential des ID-Bereichs konstant gehalten wird, und wobei das Antriebssignal eine an den ID-Bereich angelegte Spannung ist.
Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Ionensensor beinhaltet: einen ID-Bereich, der konfiguriert ist, eine elektrische Ladung zu speichern, die in einen Potentialnapf zu injizieren ist, dessen Tiefe sich entsprechend der Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs ändert, und einen ICG-Bereich, der konfiguriert ist, einen Betrag der elektrischen Ladung, die aus dem ID-Bereich an den Potentialnapf injiziert wird, zu steuern, wobei der Ionensensor konfiguriert ist, die elektrische Ladung aus dem ID-Bereich in den Potentialnapf zu injizieren, durch Änderung eines Potentials des ID-Bereichs, während ein Potential der ICG-Elektrode konstant gehalten wird, wobei das Antriebssignal eine Spannung ist, die an den ICG-Bereich angelegt wird.
Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Justierer beinhaltet: einen ersten Justierer, der konfiguriert ist, das Ausgangssignal zu empfangen und ein Signal auszugeben, das in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Versatzrichtung des Ausgangssignals justiert ist, und einen zweiten Justierer, der konfiguriert ist, das Antriebssignal durch Justieren einer Verstärkung des Signals, das durch den ersten Justierer ausgegeben wird, zu erzeugen.
Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Ionensensor eine Vielzahl von Pixelgruppen beinhaltet, wobei jede Pixelgruppe der Vielzahl von Pixelgruppen ein oder mehrere Pixel beinhaltet, die den ionensensitiven Bereich unabhängig aufweisen, wobei der Justierer für jede Pixelgruppe vorgesehen ist, und wobei der Justierer, der in einer Pixelgruppe vorgesehen ist, konfiguriert ist, das Antriebssignal zu justieren, das jedem Pixel gemein ist, das in der einen Pixelgruppe enthalten ist, auf Basis des Ausgangssignals jedes Pixels, das in der einen Pixelgruppe enthalten ist.
Geruchs-Detektionsvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der Substanz-Adsorptionsfilm für jede Pixelgruppe vorgesehen ist.
Geruchs-Detektionsverfahren durch eine Geruchs-Detektionsvorrichtung, die umfasst: einen Ionensensor, der einen Ionensensitivbereich aufweist und konfiguriert ist, ein Ausgangssignal gemäß einer Potentialänderung des ionensensitiven Bereichs auszugeben; und einen Substanz-Adsorptionsfilm, der auf dem ionensensitiven Bereich angeordnet ist und konfiguriert ist, einen Zustand des Substanz-Adsorptionsfilms durch Adsorbieren einer zu detektierenden Geruchssubstanz zu ändern, und die Potential-Änderung des ionensensitiven Bereichs zu verursachen, umfassend: einen ersten Schritt des Erfassens eines Ausgangssignals des Ionensensors und Justierens eines Antriebssignals zum Antreiben des Ionensensors so, dass ein Versatz gegenüber einem vorbestimmten Referenzwert im Ausgangssignal reduziert wird, in einem Zustand, bei dem der Geruchs-Detektionssensor in einer Atmosphäre angeordnet ist, in welcher die zu detektierende Geruchssubstanz nicht existiert; einen zweiten Schritt des Einführens einer zu inspizierenden Luft in die Geruchs-Detektionsvorrichtung, während das im ersten Schritt justierte Antriebssignal aufrechterhalten wird; und einen dritten Schritt des Detektierens der Geruchssubstanz auf Basis des Ausgangssignals des Ionensensors, das nach dem zweiten Schritt ermittelt wird.
Geruchs-Detektionsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Verarbeitung des ersten Schrittes wieder ausgeführt wird, nachdem eine vorbestimmte Periode verstrichen ist, seit die Verarbeitung des zweiten Schritts ausgeführt wurde.