JP3648162B2

JP3648162B2 - Reset noise elimination circuit for cumulative chemical / physical phenomenon detector

Info

Publication number: JP3648162B2
Application number: JP2001018905A
Authority: JP
Inventors: 和明澤田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP2002221435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、累積型化学・物理現象検出装置（ＡＭＩＳ）のリセット雑音除去回路に関するものである。
【０００２】
ここで、化学・物理現象とは、濃度・温度・磁気・圧力・加速度・速度・音波・超音波・酸化還元電位・反応速度など様々な現象を指す。特に、本発明はＩＳＦＥＴ（イオン検出電界効果型トランジスタ）に代表されるＦＥＴ型と呼ばれているものの高感度化を目指したものである。
【０００３】
【従来の技術】
現在、化学または物理現象を検出する装置（センサ）では、電界効果トランジスタ型（ＦＥＴ型）と呼ばれるものが広く使われている。この方式による検出の原理は、トランジスタのゲート電極に、化学・物理現象に感応する装置をつなぎ、その化学・物理現象の変化を、トランジスタに流れる電流もしくはトランジスタの閾値の変化などで出力するものであった。
【０００４】
図２は従来のＡＭＩＳの構成図である。
【０００５】
この図において、Ｉ_Dはインプットダイオード、Ｉ_Gはインプットゲート、ＳＰはセンシング部、Ｏ_Gはアウトプットゲート、ＦＤはフローティングダイオード、Ｖ_DDは電源電圧端子、Ｖ_RSTはリセット端子、Ｖ_OUTは出力端子、Ｖ_bNはバイアス電圧設定端子である。
【０００６】
例えば、イオンセンシティブ電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）を例に挙げて説明する。ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲート電極に、イオン感応膜の役割をする薄膜（水素イオンであればシリコン窒化膜が一般的である）を堆積した構造を持つＩＳＦＥＴを、適当な防水を施した後に、イオン濃度を知りたい水溶液につける。
【０００７】
その水溶液中には、さらにその水溶液の電位を決めるための参照電極が配置されており、シリコン窒化膜を設けたゲート電極を介して、水素イオン濃度に見合った電位の変化がシリコン基板表面に現れる。すると、水素イオン濃度が変化し、その電位が変化する。このシリコン表面の電位変化をトランジスタの電流の変化、もしくは閾値電圧の変化として外部に取り出すことにより水溶液のイオン濃度を知ることができる。
【０００８】
従来、ＡＭＩＳ構成では、リセット端子Ｖ_RSTにリセット信号が加わることで、ＦＤ部がある電位に固定され、そこにセンシング部ＳＰからの信号電荷を累積する構造になっていた。
【０００９】
なお、本願発明者によって、既に、ＩＳＦＥＴ（イオン検出電界効果型トランジスタ）に代表されるＦＥＴ型と呼ばれているものの高感度化を目指したタイプのものが、特願２０００−２９３６６９号として提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＡＭＩＳやＩＳＦＥＴでは、リセットを行ったときの電位がリセットの度に微妙に変化すると考えられ、最初のレベルが揺れてしまうために、せっかくの高感度検出手法を用いても極微量の信号の検出は不可能であった。
【００１１】
本発明は、上記問題点を除去し、リセット雑音消去回路を累積センサに付加することにより、超高感度の検出が可能な累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕累積型化学・物理現象検出装置内の要素（Ａ）とバイアス電圧設定端子がゲートに接続されるＭＯＳトランジスタ（３）とが接続される後段に設けられる累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路において、フローティングディフュージョン領域をリセットしたときの電位のレベルをあらかじめ記憶する容量（Ｃ _rst ）と、化学物理現象の変化に伴う信号を前記フローティングディフュージョン領域に複数回累積した後の信号により変化した電位を記憶する容量（Ｃ _sig ）と、前記信号を導く前に容量リセット信号を印加して前記二つの容量の電位を揃える回路とを備え、その後に信号を累積する前と累積した後の電位レベルの差を読み取ることにより、リセットの雑音を除去することを特徴とする。
【００１３】
〔２〕上記〔１〕記載の累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路において、リセット信号、センシング信号、容量リセット信号によりそれぞれオンし、その後オフするスイッチング素子（１５）を具備することを特徴とする。
【００１４】
〔３〕上記〔２〕記載の累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路において、前記スイッチング素子（１５）がＭＯＳトランジスタであることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置（ＡＭＩＳ）のリセット雑音除去回路の構成図である。
【００１７】
この図において、１はアレイ化された累積型センサ（累積型化学・物理現象検出装置）、２はそのアレイ化された累積型センサ１内の要素Ａ、３はバイアス電圧設定端子Ｖ_bNがゲートに接続されるＭＯＳトランジスタ（この部分は定電流回路として働いている）、１０はリセット雑音除去回路、１１はφＲがゲートに印加されるＭＯＳトランジスタ、１２はφＳがゲートに印加されるＭＯＳトランジスタ、１３はリセットレベル記憶用容量Ｃ_rst、１４は信号レベル記憶用容量Ｃ_sig、１５は容量リセット信号Ｖ_RST1がゲートに印加されるＭＯＳトランジスタ、Ｖ_rstはリセット信号、Ｖ_sigは信号の出力である。
【００１８】
以下、この累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路（ＣＤＳ回路：相関２重サンプリング回路）１０の動作について説明する。
【００１９】
リセット雑音除去回路１０は、
（１）リセット雑音除去回路１０に信号を導く前に、Ｖ_RST1をＭＯＳトランジスタ１５のゲートをオンしてリセットレベル記憶用容量Ｃ_rstと信号レベル記憶用容量Ｃ_sigの両容量の電位をそろえ、その後、ＭＯＳトランジスタ１５をオフにする。
（２）ＡＭＩＳ（アレイ化された累積型センサ）１の要素ＡとしてのＦＤ部（図２参照）をリセットした直後の出力を、φＲ〔リセット信号〕でＭＯＳトランジスタ１１のゲートをオンしてリセットレベル記憶用容量Ｃ_rstに記憶し、ＭＯＳトランジスタ１１をオフする。
（３）ＡＭＩＳ（アレイ化された累積型センサ）１の要素ＡとしてのＦＤ部（図２参照）に複数回信号を蓄積した後の信号を、φＳ〔センシング信号〕でＭＯＳトランジスタ１３のゲートをオンして信号レベル記憶用容量Ｃ_sigに記憶させて、ＭＯＳトランジスタ１２をオフする。
（４）この両者の差分の信号を差動増幅器などで読み取ることでリセットの雑音を除去した信号が得られる。
【００２０】
このように、累積型化学・物理現象検出装置としての累積型センサの出力には、リセット行為に伴うリセット雑音が含まれる可能性があり、そのリセット雑音を除去する回路を累積型センサの後段に設ける。すなわち、累積型センサの出力を１次元、もしくは２次元に並べアレイ状の累積型センサ１にする。リセットを除去する回路は、説明の都合上、図１に示すように、各列に１つだけ設けたコラムパラレル型を図示する。もちろん、各センサ部に１つずつ設けても構わないし、アレイ全体で１つだけでも構わない。しかしながら、１列に１つずつ設けるのが現実的だと考えられる。
【００２１】
アレイ化を行うときの１画素の構成だが、行の選択は垂直選択器で行い、そのための選択トランジスタを画素中に挿入した。一方、列の選択はリセット除去回路の中に挿入している。
【００２２】
また、この累積型センサのアレイ化手法はＣＭＯＳプロセスにより実現可能である。
【００２３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、リセット雑音消去回路を累積センサに付加することにより、リセットのレベルのばらつきを補うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す累積型化学・物理現象検出装置（ＡＭＩＳ）のリセット雑音除去回路の構成図である。
【図２】従来の累積型化学・物理現象検出装置（ＡＭＩＳ）の構成図である。
【符号の説明】
１アレイ化された累積型センサ（累積型化学・物理現象検出装置）
２アレイ化された累積型センサ内の要素Ａ
３バイアス電圧設定端子Ｖ_bNがゲートに接続されるＭＯＳトランジスタ
１０リセット雑音除去回路
１１ φＲがゲートに印加されるＭＯＳトランジスタ
１２ φＳがゲートに印加されるＭＯＳトランジスタ
１３リセットレベル記憶用容量Ｃ_rst
１４信号レベル記憶用容量Ｃ_sig
１５容量リセット信号Ｖ_RST1がゲートに印加されるＭＯＳトランジスタＶ_rst リセット信号
Ｖ_sig 信号の出力[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reset noise removal circuit of a cumulative chemical / physical phenomenon detector (AMIS).
[0002]
Here, the chemical / physical phenomenon refers to various phenomena such as concentration, temperature, magnetism, pressure, acceleration, velocity, sound wave, ultrasonic wave, oxidation-reduction potential, reaction rate. In particular, the present invention aims to increase the sensitivity of what is called an FET type typified by ISFET (ion detection field effect transistor).
[0003]
[Prior art]
Currently, a device called a field effect transistor type (FET type) is widely used as an apparatus (sensor) for detecting a chemical or physical phenomenon. The principle of detection by this method is to connect a device sensitive to chemical / physical phenomena to the gate electrode of the transistor, and output the change of the chemical / physical phenomenon as the current flowing through the transistor or the change of the threshold value of the transistor. there were.
[0004]
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional AMIS.
[0005]
In this figure, I _D is input diode, I _G is an input gate, SP is a sensing unit, O _G is output gate, FD floating diode, V _DD power supply voltage terminal, V _RST is a reset terminal, V _OUT is output A terminal, V _bN, is a bias voltage setting terminal.
[0006]
For example, an ion sensitive field effect transistor (ISFET) will be described as an example. A structure in which a thin film (a silicon nitride film is generally used for hydrogen ions) serving as an ion-sensitive film is deposited on a gate electrode of a MOS field effect transistor (MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). The ISFET is attached to an aqueous solution whose ion concentration is desired after appropriate waterproofing.
[0007]
A reference electrode for determining the potential of the aqueous solution is further disposed in the aqueous solution, and a potential change corresponding to the hydrogen ion concentration appears on the surface of the silicon substrate through the gate electrode provided with the silicon nitride film. . Then, the hydrogen ion concentration changes and its potential changes. By extracting this potential change on the silicon surface to the outside as a change in transistor current or a change in threshold voltage, the ion concentration of the aqueous solution can be known.
[0008]
Conventionally, in the AMIS configuration, when a reset signal is applied to the reset terminal V _RST , the FD portion is fixed at a certain potential, and signal charges from the sensing portion SP are accumulated there.
[0009]
The inventor of the present application has already proposed an FET type typified by ISFET (Ion Detection Field Effect Transistor) as a type aiming at high sensitivity as Japanese Patent Application No. 2000-293669. ing.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional AMIS and ISFET, the potential at the time of resetting is considered to change slightly each time the reset is performed, and the initial level fluctuates. It was impossible to detect this signal.
[0011]
The present invention provides a reset noise removal circuit for an accumulation type chemical / physical phenomenon detection device capable of detecting ultra-high sensitivity by eliminating the above-mentioned problems and adding a reset noise elimination circuit to the accumulation sensor. Objective.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] Cumulative type chemical / physical phenomenon detection device provided in the subsequent stage where the element (A) in the cumulative type chemical / physical phenomenon detection device and the MOS transistor (3) whose bias voltage setting terminal is connected to the gate are connected In the reset noise elimination circuit, a capacitance (C _rst ) for storing in advance the potential level when the floating diffusion region is reset, and a signal after accumulating a signal accompanying a change in chemical physics phenomenon a plurality of times in the floating diffusion region A capacitor (C _sig ) for storing the potential changed by the above and a circuit for applying a capacitance reset signal to align the potentials of the two capacitors before leading the signal, and then accumulating the signal before and after accumulating the signal. It is characterized in that reset noise is removed by reading a difference in potential level later.
[0013]
[2] In the reset noise elimination circuit of the cumulative chemical / physical phenomenon detection device according to [1], a switching element (15) that is turned on by a reset signal, a sensing signal, and a capacitance reset signal and then turned off is provided. It is characterized by.
[0014]
[3] In the reset noise elimination circuit of the cumulative chemical / physical phenomenon detection device according to [2], the switching element (15) is a MOS transistor.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a configuration diagram of a reset noise removal circuit of an accumulation type chemical / physical phenomenon detection apparatus (AMIS) showing an embodiment of the present invention.
[0017]
In this figure, 1 is an arrayed cumulative sensor (cumulative chemical / physical phenomenon detector) , 2 is an element A in the arrayed cumulative sensor 1, and 3 is a gate of a bias voltage setting terminal V _bN. (This part functions as a constant current circuit), 10 is a reset noise elimination circuit, 11 is a MOS transistor in which φR is applied to the gate, 12 is a MOS transistor in which φS is applied to the gate, 13 is a reset level storage capacitor C _rst , 14 is a signal level storage capacitor C _sig , 15 is a MOS transistor to which a capacitor reset signal V _RST1 is applied to the gate, V _rst is a reset signal, and V _sig is a signal output. .
[0018]
Hereinafter, the operation of the reset noise removal circuit (CDS circuit: correlated double sampling circuit) 10 of this cumulative chemical / physical phenomenon detection apparatus will be described.
[0019]
The reset noise removal circuit 10
(1) Before introducing a signal to the reset noise elimination circuit 10, V _RST1 is turned on to align the potentials of both the reset level storage capacitor C _rst and the signal level storage capacitor C _sig by turning on the gate of the MOS transistor 15; Thereafter, the MOS transistor 15 is turned off.
(2) AMIS (arrayed accumulation type sensor) The output immediately after resetting the FD section (see FIG. 2) as the element A of 1 is reset by turning on the gate of the MOS transistor 11 with φR [reset signal]. The data is stored in the level storage capacitor C _rst and the MOS transistor 11 is turned off.
(3) AMIS (arrayed cumulative type sensor) The signal after accumulating the signal multiple times in the FD section (see FIG. 2) as the element A of 1 is the gate of the MOS transistor 13 with φS [sensing signal]. It is turned on and stored in the signal level storage capacitor C _sig , and the MOS transistor 12 is turned off.
(4) the signal to remove noise reset by reading the differential signal of both in such differential amplifier is obtained.
[0020]
As described above, the output of the accumulation type sensor as the accumulation type chemical / physical phenomenon detection device may include reset noise associated with the reset action, and a circuit for removing the reset noise is provided at the subsequent stage of the accumulation type sensor. Provide. That is, the output of the accumulation type sensor is arranged one-dimensionally or two-dimensionally to form an accumulation-type sensor 1 in an array form. As a circuit for removing reset, for convenience of explanation, as shown in FIG. 1, only one column parallel type provided in each column is shown. Of course, one sensor unit may be provided or only one in the entire array. However, it is considered realistic to provide one in a row.
[0021]
Although the configuration of one pixel when arraying is performed, selection of a row is performed by a vertical selector, and a selection transistor for that purpose is inserted into the pixel. On the other hand, the column selection is inserted in the reset removal circuit.
[0022]
Further, this method of arraying cumulative sensors can be realized by a CMOS process.
[0023]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
[0024]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to compensate for variations in the reset level by adding the reset noise canceling circuit to the cumulative sensor.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a reset noise removal circuit of an accumulation type chemical / physical phenomenon detection apparatus (AMIS) showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional cumulative chemical / physical phenomenon detector (AMIS).
[Explanation of symbols]
1 Accumulated sensor ( arrayed chemical / physical phenomenon detector)
2 Element A in an arrayed cumulative sensor
3 MOS transistor whose bias voltage setting terminal V _bN is connected to the gate 10 Reset noise elimination circuit 11 MOS transistor to which φR is applied to the gate 12 MOS transistor to which φS is applied to the gate 13 Reset level storage capacitor C _rst
14 Signal level storage capacity C _sig
15 MOS transistor to which the capacitance reset signal V _RST1 is applied to the gate V _rst reset signal V _sig signal output

Claims

累積型化学・物理現象検出装置内の要素とバイアス電圧設定端子がゲートに接続されるＭＯＳトランジスタとが接続される後段に設けられる累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路において、
（ａ）フローティングディフュージョン領域をリセットしたときの電位のレベルをあらかじめ記憶する容量（Ｃ _rst ）と、
（ｂ）化学物理現象の変化に伴う信号を前記フローティングディフュージョン領域に複数回累積した後の信号により変化した電位を記憶する容量（Ｃ _sig ）と、
（ｃ）前記信号を導く前に容量リセット信号を印加して前記二つの容量の電位を揃える回路とを備え、
（ｄ）その後に信号を累積する前と累積した後の電位レベルの差を読み取ることにより、リセットの雑音を除去することを特徴とする累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路。 In the reset noise elimination circuit of the cumulative chemical / physical phenomenon detection device provided in the subsequent stage where the elements in the cumulative chemical / physical phenomenon detection device and the MOS transistor whose bias voltage setting terminal is connected to the gate are connected,
(A) a capacity (C _rst ) for storing in advance a potential level when the floating diffusion region is reset;
(B) a capacity (C _sig ) for storing a potential changed by a signal after accumulating a signal accompanying a change in chemical physics phenomenon in the floating diffusion region a plurality of times;
(C) including a circuit for applying a capacitance reset signal to align the potentials of the two capacitors before leading the signal,
(D) A reset noise removal circuit for a cumulative chemical / physical phenomenon detection apparatus, wherein reset noise is removed by reading a difference in potential level before and after signal accumulation.

請求項１記載の累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路において、リセット信号、センシング信号、容量リセット信号によりそれぞれオンし、その後オフするスイッチング素子（１５）を具備することを特徴とする累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路。The reset noise elimination circuit of the cumulative chemical / physical phenomenon detection device according to claim 1, further comprising a switching element (15) that is turned on by a reset signal, a sensing signal, and a capacitance reset signal, and then turned off. Reset noise removal circuit for cumulative chemical / physical phenomenon detector.

請求項２記載の累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路において、前記スイッチング素子（１５）がＭＯＳトランジスタであることを特徴とする累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路。3. The reset noise removal circuit for a cumulative chemical / physical phenomenon detection device according to claim 2, wherein the switching element (15) is a MOS transistor.