JPH10332423A - 物理現象または化学現象の測定方法および装置 - Google Patents
物理現象または化学現象の測定方法および装置Info
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- JPH10332423A JPH10332423A JP9157716A JP15771697A JPH10332423A JP H10332423 A JPH10332423 A JP H10332423A JP 9157716 A JP9157716 A JP 9157716A JP 15771697 A JP15771697 A JP 15771697A JP H10332423 A JPH10332423 A JP H10332423A
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0098—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means using semiconductor body comprising at least one PN junction as detecting element
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- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送
などを行うことにより、様々な物理現象または化学現象
を容易に画像化できるようにした方法および装置を提供
すること。 【解決手段】 物理的または化学的な量の大きさに対応
して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸
６に電荷１５を注入して、前記物理的または化学的な量
をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換す
るようにした。
などを行うことにより、様々な物理現象または化学現象
を容易に画像化できるようにした方法および装置を提供
すること。 【解決手段】 物理的または化学的な量の大きさに対応
して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸
６に電荷１５を注入して、前記物理的または化学的な量
をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換す
るようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、様々な物理現象
または化学現象を定量化する測定方法および装置に関す
る。
または化学現象を定量化する測定方法および装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術およびその問題点】従来より、物理現象ま
たは化学現象を電荷に変換して測定を行っていたものと
して光がある。フォトダイオードに光を照射すると、そ
の光量に応じた電子正孔対が生成し、光量を電荷量に変
化してその電荷量を評価することにより光量を測定して
いた。
たは化学現象を電荷に変換して測定を行っていたものと
して光がある。フォトダイオードに光を照射すると、そ
の光量に応じた電子正孔対が生成し、光量を電荷量に変
化してその電荷量を評価することにより光量を測定して
いた。
【０００３】しかしながら、光以外のその他の物理・化
学現象においては、ほとんどの場合、電荷量ではなく、
電圧値、電流値、抵抗値などの電気信号に変換し、それ
らの値を読み取るようにしていた。
学現象においては、ほとんどの場合、電荷量ではなく、
電圧値、電流値、抵抗値などの電気信号に変換し、それ
らの値を読み取るようにしていた。
【０００４】例えば、ある金属線の両端に異なった温度
が与えられると、その両端で電位差が発生するゼーベッ
ク効果を用いた熱電対がある。これは２種の異なった金
属を接合し、その接合部分の温度を両端で発生する電位
差から求めるというものである。また、ＩＳＦＥＴ（イ
オン感応性電界効果トランジスタ）を用いたｐＨの測定
は、そのゲート上の応答膜に水素イオンが吸着すること
によって、応答膜の下のチャンネルコンダクタンスが変
化して、その変化に応じてその部分を流れるドレイン電
流を測定することにより溶液のｐＨ値を測定している。
が与えられると、その両端で電位差が発生するゼーベッ
ク効果を用いた熱電対がある。これは２種の異なった金
属を接合し、その接合部分の温度を両端で発生する電位
差から求めるというものである。また、ＩＳＦＥＴ（イ
オン感応性電界効果トランジスタ）を用いたｐＨの測定
は、そのゲート上の応答膜に水素イオンが吸着すること
によって、応答膜の下のチャンネルコンダクタンスが変
化して、その変化に応じてその部分を流れるドレイン電
流を測定することにより溶液のｐＨ値を測定している。
【０００５】前記例示したいずれの測定方法において
も、電荷特有の取扱い方法である蓄積および転送が行え
ないとともに、複数点の情報を同時に取り込んで高速処
理したり、測定結果を画像化するといったことが非常に
困難である。
も、電荷特有の取扱い方法である蓄積および転送が行え
ないとともに、複数点の情報を同時に取り込んで高速処
理したり、測定結果を画像化するといったことが非常に
困難である。
【０００６】ところで、物理現象または化学現象には、
濃度、温度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音
波、酸化還元電位、反応速度など様々な現象があるが、
これらの現象は、従来技術を用いることにより様々な電
気信号（電流、電圧、抵抗、容量、電位）に変換するこ
とができるが、この発明の目的は、これらの現象を電荷
に変換することにより、電荷特有の取扱いを行い、電荷
特有の定量化を行うようにすることが目的であり、より
詳しくは、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送
などを行うことにより、様々な物理現象または化学現象
を容易に画像化できるようにした方法および装置を提供
することを目的としている。
濃度、温度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音
波、酸化還元電位、反応速度など様々な現象があるが、
これらの現象は、従来技術を用いることにより様々な電
気信号（電流、電圧、抵抗、容量、電位）に変換するこ
とができるが、この発明の目的は、これらの現象を電荷
に変換することにより、電荷特有の取扱いを行い、電荷
特有の定量化を行うようにすることが目的であり、より
詳しくは、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送
などを行うことにより、様々な物理現象または化学現象
を容易に画像化できるようにした方法および装置を提供
することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の物理現象または化学現象の測定方法は、
物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化
するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を注入し
て、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井
戸の大きさに応じた電荷に変換するようにしている。
め、この発明の物理現象または化学現象の測定方法は、
物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化
するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を注入し
て、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井
戸の大きさに応じた電荷に変換するようにしている。
【０００８】そして、この発明の物理現象または化学現
象の測定装置は、物理的または化学的な量の大きさに対
応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井
戸を複数個一次元的または二次元的に配置し、これらの
ポテンシャル井戸に電荷を注入して、前記物理的または
化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電
荷に変換するように構成されている。
象の測定装置は、物理的または化学的な量の大きさに対
応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井
戸を複数個一次元的または二次元的に配置し、これらの
ポテンシャル井戸に電荷を注入して、前記物理的または
化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電
荷に変換するように構成されている。
【０００９】上記構成によれば、異なる複数の位置にお
ける現象を同時に測定することができる。物理的または
化学的な量を電荷に変換しているので、ＣＣＤ（電荷結
合素子）などを用いることにより物理的または化学的な
現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化する
ことができる。
ける現象を同時に測定することができる。物理的または
化学的な量を電荷に変換しているので、ＣＣＤ（電荷結
合素子）などを用いることにより物理的または化学的な
現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化する
ことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。まず、図１は、この発明の物理現象ま
たは化学現象を測定する装置１の基本的な構造を示すも
ので、この図において、２は例えばｐ型Ｓｉ（シリコ
ン）よりなる半導体基板で、厚さ５００μｍ程度であ
る。
ながら説明する。まず、図１は、この発明の物理現象ま
たは化学現象を測定する装置１の基本的な構造を示すも
ので、この図において、２は例えばｐ型Ｓｉ（シリコ
ン）よりなる半導体基板で、厚さ５００μｍ程度であ
る。
【００１１】前記半導体基板２には、チャンネルストッ
パー３、電荷供給部４、電荷注入調節部５、電荷変換部
としてのセンシング部６、障壁部７、電荷転送部８、フ
ローティングディフュージョン９、リセットゲート１
０、リセットドレイン１１、ＭＯＳ構造の出力トランジ
スタ１２が形成されている。
パー３、電荷供給部４、電荷注入調節部５、電荷変換部
としてのセンシング部６、障壁部７、電荷転送部８、フ
ローティングディフュージョン９、リセットゲート１
０、リセットドレイン１１、ＭＯＳ構造の出力トランジ
スタ１２が形成されている。
【００１２】そして、電荷供給部４、電荷注入調節部
５、センシング部６および障壁部７の各部材によってセ
ンサ部１３が形成されており、センシング部６は、後に
詳しく説明するように、物理的または化学的な量の大き
さに対応して深さを変化するように構成されたポテンシ
ャル井戸からなる。また、フローティングディフュージ
ョン９、リセットゲート１０、リセットドレイン１１お
よび出力トランジスタ１２の各部材によって出力部１４
が形成されている。
５、センシング部６および障壁部７の各部材によってセ
ンサ部１３が形成されており、センシング部６は、後に
詳しく説明するように、物理的または化学的な量の大き
さに対応して深さを変化するように構成されたポテンシ
ャル井戸からなる。また、フローティングディフュージ
ョン９、リセットゲート１０、リセットドレイン１１お
よび出力トランジスタ１２の各部材によって出力部１４
が形成されている。
【００１３】そして、前記センサ部１３を、図７に示す
ように、二次元的に配置してアレイ化することにより、
複数点の情報を同時に取り込み、電荷転送部８および出
力部１３によって、複数点の信号を秩序よく処理するこ
とができる。なお、この処理手順については後に実施例
において詳しく説明する。また、前記センサ部１３は、
一次元的に配置してあってもよい。
ように、二次元的に配置してアレイ化することにより、
複数点の情報を同時に取り込み、電荷転送部８および出
力部１３によって、複数点の信号を秩序よく処理するこ
とができる。なお、この処理手順については後に実施例
において詳しく説明する。また、前記センサ部１３は、
一次元的に配置してあってもよい。
【００１４】図２は、前記センサ部１３およびこれに連
なる部分の平面構成を概略的に示す図で、この図におい
て、５ａは電荷注入調節部電極、７ａは障壁部電極であ
る。
なる部分の平面構成を概略的に示す図で、この図におい
て、５ａは電荷注入調節部電極、７ａは障壁部電極であ
る。
【００１５】次に、上記測定装置による測定原理につい
て、図３に示す電位図を参照しながら説明する。測定に
際しては、電荷供給部４、障壁部７およびリセットゲー
ト１０にパルス電圧を印加する一方、フローティングデ
ィフュージョン９を除く他の電極に直流電圧を印加す
る。
て、図３に示す電位図を参照しながら説明する。測定に
際しては、電荷供給部４、障壁部７およびリセットゲー
ト１０にパルス電圧を印加する一方、フローティングデ
ィフュージョン９を除く他の電極に直流電圧を印加す
る。
【００１６】ところで、通常、ｐ型半導体を用いたＭＯ
Ｓ構造においては、金属電極に正の電圧を加えることに
よって、その電圧に応じて絶縁膜と半導体の界面に空乏
層が形成されることが知られている。そこで、この現象
を用いて、図３に示すように、半導体−絶縁膜界面近傍
での電位状態を作るのである。
Ｓ構造においては、金属電極に正の電圧を加えることに
よって、その電圧に応じて絶縁膜と半導体の界面に空乏
層が形成されることが知られている。そこで、この現象
を用いて、図３に示すように、半導体−絶縁膜界面近傍
での電位状態を作るのである。
【００１７】状態１においては、電荷供給部４の電位は
高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部
６には電荷１５は注入されてない。
高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部
６には電荷１５は注入されてない。
【００１８】状態２においては、図３（Ｂ）に示すよう
に、電荷供給部４の電位を下げることによって、センシ
ング部６に電荷１５を注入する。
に、電荷供給部４の電位を下げることによって、センシ
ング部６に電荷１５を注入する。
【００１９】状態３においては、図３（Ｃ）に示すよう
に、電荷供給部４の電位を上げることによって、電荷注
入調節部５によってすりきられた電荷１５ａがセンシン
グ部６に蓄積される。
に、電荷供給部４の電位を上げることによって、電荷注
入調節部５によってすりきられた電荷１５ａがセンシン
グ部６に蓄積される。
【００２０】状態４においては、図３（Ｄ）に示すよう
に、障壁部７の電位を上げることによって、センシング
部６に蓄積された電荷１５ａをフローティングディフュ
ージョン９に転送する。
に、障壁部７の電位を上げることによって、センシング
部６に蓄積された電荷１５ａをフローティングディフュ
ージョン９に転送する。
【００２１】状態５においては、図３（Ｅ）に示すよう
に、センシング部６の電荷１５ａが全てフローティング
ディフュージョン９に転送されてから障壁部７を閉じ、
電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディ
フュージョン９の電位は転送されてきた電荷１５ａの量
で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジス
タ１２のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１２
のドレイン電流を、図５に示すようなソースフォロア回
路１７で測定する。
に、センシング部６の電荷１５ａが全てフローティング
ディフュージョン９に転送されてから障壁部７を閉じ、
電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディ
フュージョン９の電位は転送されてきた電荷１５ａの量
で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジス
タ１２のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１２
のドレイン電流を、図５に示すようなソースフォロア回
路１７で測定する。
【００２２】状態６においては、図３（Ｆ）に示すよう
に、フローティングディフュージョン９の電位を読み取
った後、リセットゲート１０をオンし、リセットドレイ
ン１１の電位にリセットする。このリセットにより、再
び状態１と同じ状態に戻る。つまり、状態１〜状態６の
動作を繰り返すことにより、電荷を外に出力することが
できる。
に、フローティングディフュージョン９の電位を読み取
った後、リセットゲート１０をオンし、リセットドレイ
ン１１の電位にリセットする。このリセットにより、再
び状態１と同じ状態に戻る。つまり、状態１〜状態６の
動作を繰り返すことにより、電荷を外に出力することが
できる。
【００２３】図４は、測定装置の他の実施の形態を示す
もので、この測定装置においては、センシング部６の後
段に、第１障壁部７Ａ、電荷蓄積部１６および第２障壁
部７Ｂを設けており、数ターム分の電荷１５ｂを電荷蓄
積部１６に蓄積し、ある程度の電荷量が蓄積されてから
第２障壁部７Ｂの電位を上げて、電荷蓄積部１６に蓄積
された電荷を電荷転送部８に転送するようにしている。
このように構成された測定装置においては、感度が数倍
となり、より精度の高い測定を行うことができる。
もので、この測定装置においては、センシング部６の後
段に、第１障壁部７Ａ、電荷蓄積部１６および第２障壁
部７Ｂを設けており、数ターム分の電荷１５ｂを電荷蓄
積部１６に蓄積し、ある程度の電荷量が蓄積されてから
第２障壁部７Ｂの電位を上げて、電荷蓄積部１６に蓄積
された電荷を電荷転送部８に転送するようにしている。
このように構成された測定装置においては、感度が数倍
となり、より精度の高い測定を行うことができる。
【００２４】上記図３および図４に関する説明から理解
されるように、この測定装置においては、物理的または
化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構
成されたポテンシャル井戸（センシング部６）を半導体
基板２に形成し、このポテンシャル井戸６にに電荷１５
を注入して、前記物理的または化学的な量をこのポテン
シャル井戸の大きさに応じた電荷に変換するようにした
電荷変換機構を用いている。
されるように、この測定装置においては、物理的または
化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構
成されたポテンシャル井戸（センシング部６）を半導体
基板２に形成し、このポテンシャル井戸６にに電荷１５
を注入して、前記物理的または化学的な量をこのポテン
シャル井戸の大きさに応じた電荷に変換するようにした
電荷変換機構を用いている。
【００２５】なお、図３および図４に示すものにおいて
は、電荷供給部４の電位を上げ下げして、センシング部
６に蓄積された電荷をすりきるようにしているが、これ
に代えて、電荷供給部４の電位を一定に保持し、電荷注
入調節部５の高さを上げ下げしてセンシング部６に蓄積
された電荷をすりきるようにしてもよい。
は、電荷供給部４の電位を上げ下げして、センシング部
６に蓄積された電荷をすりきるようにしているが、これ
に代えて、電荷供給部４の電位を一定に保持し、電荷注
入調節部５の高さを上げ下げしてセンシング部６に蓄積
された電荷をすりきるようにしてもよい。
【００２６】図５は、ソースフォロワ回路１７の一例を
示す図で、抵抗１８と出力端子１９とグラウンド端子２
０とからなり、この回路１７における出力信号は、図１
３に示すように、接続される抵抗１８の大きさによって
大きく異なるが、出力電流に対して直線的な電圧信号を
得ることができる。なお、２１は出力端子１９に接続さ
れるデータ処理機能や画像処理機能を備えたモニターで
ある。
示す図で、抵抗１８と出力端子１９とグラウンド端子２
０とからなり、この回路１７における出力信号は、図１
３に示すように、接続される抵抗１８の大きさによって
大きく異なるが、出力電流に対して直線的な電圧信号を
得ることができる。なお、２１は出力端子１９に接続さ
れるデータ処理機能や画像処理機能を備えたモニターで
ある。
【００２７】以下、上記電荷変換機構を組み込んだ各種
の測定装置について、図６以下を参照しながら説明す
る。
の測定装置について、図６以下を参照しながら説明す
る。
【００２８】
〔第１実施例〕第１実施例として、溶液のｐＨの二次元
分布を測定する装置について説明する。まず、図６は、
溶液のｐＨの二次元分布測定装置を概略的に示すもの
で、この図において、２２は基板で、その上面には、溶
液などのサンプル２３を収容するセル２４が形成されて
いる。この基板２２は樹脂モールドを施すことによりサ
ンプル２３に対して耐水性をもたせている。２５はサン
プル２３に浸漬される比較電極で、この比較電極２５
は、基板２２との間に直流電源２６によって所定の電圧
を印加することにより、サンプル２３の電位を基板２２
に対して一定の高い電位になるようにするものである。
前記印加電圧は、センシング部６が空乏状態になる大き
さである。
分布を測定する装置について説明する。まず、図６は、
溶液のｐＨの二次元分布測定装置を概略的に示すもの
で、この図において、２２は基板で、その上面には、溶
液などのサンプル２３を収容するセル２４が形成されて
いる。この基板２２は樹脂モールドを施すことによりサ
ンプル２３に対して耐水性をもたせている。２５はサン
プル２３に浸漬される比較電極で、この比較電極２５
は、基板２２との間に直流電源２６によって所定の電圧
を印加することにより、サンプル２３の電位を基板２２
に対して一定の高い電位になるようにするものである。
前記印加電圧は、センシング部６が空乏状態になる大き
さである。
【００２９】上記構成のｐＨ二次元分布測定装置におい
ては、出力された信号をそのままテレビジョンなどの画
像出力装置２７に入力して画像出力したり、出力信号を
ＡＤ変換してコンピュータに入力することができる。
ては、出力された信号をそのままテレビジョンなどの画
像出力装置２７に入力して画像出力したり、出力信号を
ＡＤ変換してコンピュータに入力することができる。
【００３０】図７は、前記基板２２の上面の構成を概略
的に示すもので、ｐＨを電荷に変換する複数のセンサ部
１３と、センサ部１３において変換された電荷を矢印方
向に転送する電荷転送部８と、転送されてきた電荷を出
力信号に変換する出力部１４とからなる。そして、電荷
転送部８は、水平ＣＣＤ８Ｈと、垂直ＣＣＤ８Ｖとから
なる。
的に示すもので、ｐＨを電荷に変換する複数のセンサ部
１３と、センサ部１３において変換された電荷を矢印方
向に転送する電荷転送部８と、転送されてきた電荷を出
力信号に変換する出力部１４とからなる。そして、電荷
転送部８は、水平ＣＣＤ８Ｈと、垂直ＣＣＤ８Ｖとから
なる。
【００３１】図８は、前記センサ部１３の構造を示すも
のである。そして、このセンサ部１３は、次のようにし
て形成される。すなわち、基板２２となるｐ型Ｓｉ基板
２を熱酸化し、酸化膜（ＳｉＯ2 ）２８を形成し、その
一部分をエッチングし、その後、さらに熱酸化すること
によりゲート酸化膜２９を形成する。このゲート酸化膜
２９の膜厚は約５００Åで、その上面の電荷注入調節部
５と障壁部７にそれぞれ対応する部分にｐドープされた
低抵抗のポリシリコンを堆積させて電極３０，３１を形
成する。この電極３０，３１の膜厚は約３０００Åで、
堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。その後、
再びｐドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積し、電
荷転送部８の上面に電極３２を形成する。この電極３２
の膜厚は前記電極３０，３１のそれと同程度に堆積させ
た後、約１０００Å程度熱酸化する。このように酸化す
ることにより、電極どうしの絶縁が保たれる。その後、
Ｓｉ3 Ｎ4 （Ｔａ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 でもよい）を
７００Å程度堆積してセンシング部６を形成する。な
お、３３はアルミニウムよりなる電極である。
のである。そして、このセンサ部１３は、次のようにし
て形成される。すなわち、基板２２となるｐ型Ｓｉ基板
２を熱酸化し、酸化膜（ＳｉＯ2 ）２８を形成し、その
一部分をエッチングし、その後、さらに熱酸化すること
によりゲート酸化膜２９を形成する。このゲート酸化膜
２９の膜厚は約５００Åで、その上面の電荷注入調節部
５と障壁部７にそれぞれ対応する部分にｐドープされた
低抵抗のポリシリコンを堆積させて電極３０，３１を形
成する。この電極３０，３１の膜厚は約３０００Åで、
堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。その後、
再びｐドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積し、電
荷転送部８の上面に電極３２を形成する。この電極３２
の膜厚は前記電極３０，３１のそれと同程度に堆積させ
た後、約１０００Å程度熱酸化する。このように酸化す
ることにより、電極どうしの絶縁が保たれる。その後、
Ｓｉ3 Ｎ4 （Ｔａ2 Ｏ3 またはＡｌ2 Ｏ3 でもよい）を
７００Å程度堆積してセンシング部６を形成する。な
お、３３はアルミニウムよりなる電極である。
【００３２】図９は、センサ部１３の他の実施態様を示
すもので、この図に示すセンサ部１３においては、比較
電極を組み込んでいる。すなわち、このセンサ部１３に
おいては、図８に示した電荷注入調節部５の電極３０に
代えて、ｐＨに対して非感応性な膜３４を設けている。
そして、センシング６のしきい値を調整し、電荷注入調
節部５と比較してセンシング６のポテンシャル井戸を深
くしておく。また、サンプルと基板との電気的接続をと
るために白金などの不活性金属よりなる電極３５を設け
る。電荷注入調節部５とセンシング６は、ｐＨに対して
はセンシング６のみ応答し、電荷注入調節部５は応答し
ないが、外部ノイズや電極３５とサンプルの間の界面電
位変動などによる影響を等しく受ける。つまり、電荷注
入調節部５とセンシング６とのポテンシャルの差がｐＨ
値を反映することになる。したがって、その部分に電荷
を注入することにより、ｐＨ値を電荷に変換することが
できる。
すもので、この図に示すセンサ部１３においては、比較
電極を組み込んでいる。すなわち、このセンサ部１３に
おいては、図８に示した電荷注入調節部５の電極３０に
代えて、ｐＨに対して非感応性な膜３４を設けている。
そして、センシング６のしきい値を調整し、電荷注入調
節部５と比較してセンシング６のポテンシャル井戸を深
くしておく。また、サンプルと基板との電気的接続をと
るために白金などの不活性金属よりなる電極３５を設け
る。電荷注入調節部５とセンシング６は、ｐＨに対して
はセンシング６のみ応答し、電荷注入調節部５は応答し
ないが、外部ノイズや電極３５とサンプルの間の界面電
位変動などによる影響を等しく受ける。つまり、電荷注
入調節部５とセンシング６とのポテンシャルの差がｐＨ
値を反映することになる。したがって、その部分に電荷
を注入することにより、ｐＨ値を電荷に変換することが
できる。
【００３３】前記電極３０〜３３，３５やセンシング部
６の幅について説明すると、まず、電極３０〜３３，３
５については、電荷注入調節部５は、電荷供給部４から
送られてくる電荷をセンシング部６にすりきるだけの働
きをする部分であるので、１０μｍ程度でよい。また、
障壁部７もセンシング部６にすりきられる電荷を電荷転
送部８に無造作に流入するのを防ぐだけのものであるか
ら、１０μｍ程度の幅があればよい。
６の幅について説明すると、まず、電極３０〜３３，３
５については、電荷注入調節部５は、電荷供給部４から
送られてくる電荷をセンシング部６にすりきるだけの働
きをする部分であるので、１０μｍ程度でよい。また、
障壁部７もセンシング部６にすりきられる電荷を電荷転
送部８に無造作に流入するのを防ぐだけのものであるか
ら、１０μｍ程度の幅があればよい。
【００３４】そして、センシング部６に関しては、測定
精度を向上させるため、すりきられる電荷量はある程度
必要であるので、そのための最小限の面積を確保してお
り、数１０μｍ×数１０μｍ〜１００μｍ×１００μｍ
程度の大きさを有している。このセンシング部６の大き
さについては、電荷転送部８、フローティングディフュ
ージョン９との兼ね合いもあり、種々の大きさのものに
設定される。実験的には、センシング部６、電荷転送部
８およびフローティングディフュージョン９の大きさ
を、それぞれ、１００μｍ×１００μｍ、５０μｍ×２
００μｍ、２１０００μｍ2 で設計して測定を行ったと
ころ、１２０ｋΩの抵抗１８を用いたソースフォロア回
路１７（図５参照）において、出力信号が１ｐＨあたり
約８０ｍＶ程度得られた。
精度を向上させるため、すりきられる電荷量はある程度
必要であるので、そのための最小限の面積を確保してお
り、数１０μｍ×数１０μｍ〜１００μｍ×１００μｍ
程度の大きさを有している。このセンシング部６の大き
さについては、電荷転送部８、フローティングディフュ
ージョン９との兼ね合いもあり、種々の大きさのものに
設定される。実験的には、センシング部６、電荷転送部
８およびフローティングディフュージョン９の大きさ
を、それぞれ、１００μｍ×１００μｍ、５０μｍ×２
００μｍ、２１０００μｍ2 で設計して測定を行ったと
ころ、１２０ｋΩの抵抗１８を用いたソースフォロア回
路１７（図５参照）において、出力信号が１ｐＨあたり
約８０ｍＶ程度得られた。
【００３５】図１０は、電荷転送部８の構成の一例を示
すもので、同図（Ａ）は断面構造を、同図（Ｂ）は上面
構造をそれぞれ示している。この図１０に示される電荷
転送部８は、４相構造のＣＣＤよりなり、酸化膜２９の
上面にｐドープされた低抵抗のポリシリコンを３０００
Å程度の厚みで２層堆積させて４つの電極３６Ａ，３６
Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄを形成している。そして、各電極３
６Ａ〜３６Ｄは、互いに絶縁をとるため１０００Å程度
酸化させている。
すもので、同図（Ａ）は断面構造を、同図（Ｂ）は上面
構造をそれぞれ示している。この図１０に示される電荷
転送部８は、４相構造のＣＣＤよりなり、酸化膜２９の
上面にｐドープされた低抵抗のポリシリコンを３０００
Å程度の厚みで２層堆積させて４つの電極３６Ａ，３６
Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄを形成している。そして、各電極３
６Ａ〜３６Ｄは、互いに絶縁をとるため１０００Å程度
酸化させている。
【００３６】図１１および図１２は、前記電荷転送部８
の駆動原理を説明するための図で、特に、図１１は電荷
転送部８のＣＣＤ駆動電位を示したものであり、図１２
はＣＣＤ駆動電圧のタイミングチャートである。これら
の図における符号φ１〜φ４は前記３６Ａ〜３６Ｄにそ
れぞれ対応している。
の駆動原理を説明するための図で、特に、図１１は電荷
転送部８のＣＣＤ駆動電位を示したものであり、図１２
はＣＣＤ駆動電圧のタイミングチャートである。これら
の図における符号φ１〜φ４は前記３６Ａ〜３６Ｄにそ
れぞれ対応している。
【００３７】前記電荷転送部８におけるＣＣＤの駆動
は、４相に限られるものではなく、１相駆動、２相駆動
などであってもよく、転送される電荷量に応じて適宜選
定することができる。なお、センサ部１３の数が多くな
るに伴って転送効率が大きな問題となるが、その場合
は、転送経路として転送効率の高いバルクチャンネルを
用いるのが好ましい。
は、４相に限られるものではなく、１相駆動、２相駆動
などであってもよく、転送される電荷量に応じて適宜選
定することができる。なお、センサ部１３の数が多くな
るに伴って転送効率が大きな問題となるが、その場合
は、転送経路として転送効率の高いバルクチャンネルを
用いるのが好ましい。
【００３８】前記電荷転送部８によって転送されてきた
電位は、出力部１４のフローティングディフュージョン
９（図７参照）に転送され、このフローティングディフ
ュージョン９の電位を変化させる。この電位の変化を、
出力トランジスタ１２のゲートに入力し、出力トランジ
スタ１２のドレイン電流をソースフォロワ回路１７（図
５参照）で読み出す。
電位は、出力部１４のフローティングディフュージョン
９（図７参照）に転送され、このフローティングディフ
ュージョン９の電位を変化させる。この電位の変化を、
出力トランジスタ１２のゲートに入力し、出力トランジ
スタ１２のドレイン電流をソースフォロワ回路１７（図
５参照）で読み出す。
【００３９】図１３は、前記ソースフォロワ回路１７の
特性を示すもので、このデータは、チャンネル幅２００
μｍ、チャンネル長さ５０μｍのＭＯＳトランジスタを
出力トランジスタ１２として用い、抵抗１８の値を種々
設定したときに得られたデータである。この図から、ソ
ースフォロワ回路１７における抵抗１８の値を変えるこ
とにより、ソースフォロワ回路１７の出力値がかなり変
わってくることがわかる。
特性を示すもので、このデータは、チャンネル幅２００
μｍ、チャンネル長さ５０μｍのＭＯＳトランジスタを
出力トランジスタ１２として用い、抵抗１８の値を種々
設定したときに得られたデータである。この図から、ソ
ースフォロワ回路１７における抵抗１８の値を変えるこ
とにより、ソースフォロワ回路１７の出力値がかなり変
わってくることがわかる。
【００４０】ところで、ｐＨを測定する際、その測定精
度を上げるには、フローティングディフュージョン９に
転送されてくる電荷の量の変化に対して、大きな出力の
変化を得られればよい。そのためには、フローティング
ディフュージョン９の面積をできるだけ小さくすればよ
いが、これが小さすぎると、流入してくる電荷が多すぎ
るとすぐに飽和してしまい測定ができなくなる。したが
って、フローティングディフュージョン９の面積とソー
スフォロワ回路１７における抵抗１８についても、セン
シング部６の面積や電荷転送部８の駆動電圧によって定
めるのが好ましい。
度を上げるには、フローティングディフュージョン９に
転送されてくる電荷の量の変化に対して、大きな出力の
変化を得られればよい。そのためには、フローティング
ディフュージョン９の面積をできるだけ小さくすればよ
いが、これが小さすぎると、流入してくる電荷が多すぎ
るとすぐに飽和してしまい測定ができなくなる。したが
って、フローティングディフュージョン９の面積とソー
スフォロワ回路１７における抵抗１８についても、セン
シング部６の面積や電荷転送部８の駆動電圧によって定
めるのが好ましい。
【００４１】図１４は、ソースフォロワ回路１７の出力
信号パルスを、アウトプットゲートパルスとリセットゲ
ートパルスとともに示したもので、出力信号パルスは、
図１４に示すように、複雑な形式で出力されるが、真の
信号は、図中の符号IVで表される部分である。すなわ
ち、符号Ｉの部分は、リセットゲートをオンしたときに
生ずるパルス信号で、リセットゲート１０がフローティ
ングディフュージョン９に重なっている限り生ずる信号
である。そして、符号IIの部分は、フローティングディ
フュージョン９がリセットされた後、電気的に浮いてい
る状態での信号である。また、符号III の信号は、アウ
トプットゲートをオンしたときに生ずるパルス信号であ
る。
信号パルスを、アウトプットゲートパルスとリセットゲ
ートパルスとともに示したもので、出力信号パルスは、
図１４に示すように、複雑な形式で出力されるが、真の
信号は、図中の符号IVで表される部分である。すなわ
ち、符号Ｉの部分は、リセットゲートをオンしたときに
生ずるパルス信号で、リセットゲート１０がフローティ
ングディフュージョン９に重なっている限り生ずる信号
である。そして、符号IIの部分は、フローティングディ
フュージョン９がリセットされた後、電気的に浮いてい
る状態での信号である。また、符号III の信号は、アウ
トプットゲートをオンしたときに生ずるパルス信号であ
る。
【００４２】そして、符号IVで表される信号は、アウト
プットゲートが閉じ、転送されてきた電荷が全てフロー
ティングディフュージョン９に流入したときの信号で、
このタイミングの信号が真の信号となる。この信号IV
は、サンプルアンドホールド回路（図示してない）を用
いることにより、真の信号のみの出力信号に変形し、外
部に出力される。この外部出力は、モニター２７（図６
参照）に入力されて、画像化される。
プットゲートが閉じ、転送されてきた電荷が全てフロー
ティングディフュージョン９に流入したときの信号で、
このタイミングの信号が真の信号となる。この信号IV
は、サンプルアンドホールド回路（図示してない）を用
いることにより、真の信号のみの出力信号に変形し、外
部に出力される。この外部出力は、モニター２７（図６
参照）に入力されて、画像化される。
【００４３】次に、二次元ｐＨ分布測定装置の製造プロ
セスを、図１５および図１６を参照しながら説明する。
このプロセスはあくまでも一例であり、また、このプロ
セスで製作したデバイスは、表面チャンネルの電荷転送
方式を用いるものである。
セスを、図１５および図１６を参照しながら説明する。
このプロセスはあくまでも一例であり、また、このプロ
セスで製作したデバイスは、表面チャンネルの電荷転送
方式を用いるものである。
【００４４】（１）まず、抵抗率が１０Ωｃｍ程度のｐ
型Ｓｉウェーハ４１を、酸化炉を用いて１１００℃で９
０分程度ウエット酸化を行い、上下両面に６０００Å程
度の酸化膜（フィールド酸化膜）４２を形成する（図１
５（Ａ）参照）。
型Ｓｉウェーハ４１を、酸化炉を用いて１１００℃で９
０分程度ウエット酸化を行い、上下両面に６０００Å程
度の酸化膜（フィールド酸化膜）４２を形成する（図１
５（Ａ）参照）。
【００４５】（２）次いで、チャンネルストッパー３を
形成する（図１５（Ｂ）参照）。このチャンネルストッ
パー３の形成方法は、これを形成すべき箇所をフッ酸
（ＨＦ）を用いてフィールド酸化膜４２をエッチング
し、その箇所にボロン（Ｂ）を拡散させる。このボロン
の拡散方法は、例えば固体の拡散源をウェーハ４１とと
もに１１００℃で１５分プレデポジションし、その後、
ボロンガラスを除去した後、１１４０℃で１時間程度ド
ライブイン酸化し、１０分程度窒素ガス雰囲気中でアニ
ールする。
形成する（図１５（Ｂ）参照）。このチャンネルストッ
パー３の形成方法は、これを形成すべき箇所をフッ酸
（ＨＦ）を用いてフィールド酸化膜４２をエッチング
し、その箇所にボロン（Ｂ）を拡散させる。このボロン
の拡散方法は、例えば固体の拡散源をウェーハ４１とと
もに１１００℃で１５分プレデポジションし、その後、
ボロンガラスを除去した後、１１４０℃で１時間程度ド
ライブイン酸化し、１０分程度窒素ガス雰囲気中でアニ
ールする。
【００４６】（３）電荷供給部４、フローティングディ
フュージョン９、出力トランジスタ１２のソース、ドレ
インはｎ型拡散領域（図１５（Ｃ）参照）であり、これ
らの形成方法は、拡散源として液体のリン拡散源を用い
る以外は、上記チャンネルストッパー３の形成方法と同
様であり、プレデポジション、ドライブイン酸化、アニ
ールの順で形成する。
フュージョン９、出力トランジスタ１２のソース、ドレ
インはｎ型拡散領域（図１５（Ｃ）参照）であり、これ
らの形成方法は、拡散源として液体のリン拡散源を用い
る以外は、上記チャンネルストッパー３の形成方法と同
様であり、プレデポジション、ドライブイン酸化、アニ
ールの順で形成する。
【００４７】（４）電荷注入調節部５、センシング部
６、障壁部７、電荷転送部８は、電極の電位を酸化膜、
半導体界面に大きく影響させるために、酸化膜を薄くす
る必要がある。そのため、図１５（Ｄ）に示すように、
それらの部分に対応するフィールド酸化膜４２をフッ酸
でエッチングし、その後、１０５０℃で２．５時間程度
酸化し、２０分程度窒素ガス雰囲気中でアニールしてゲ
ート酸化膜４３を１０００Å程度の厚みに形成する。
６、障壁部７、電荷転送部８は、電極の電位を酸化膜、
半導体界面に大きく影響させるために、酸化膜を薄くす
る必要がある。そのため、図１５（Ｄ）に示すように、
それらの部分に対応するフィールド酸化膜４２をフッ酸
でエッチングし、その後、１０５０℃で２．５時間程度
酸化し、２０分程度窒素ガス雰囲気中でアニールしてゲ
ート酸化膜４３を１０００Å程度の厚みに形成する。
【００４８】（５）電極には、既に説明しているよう
に、ｐドープされた低抵抗のポリシリコンを用いる。ま
ず、ＣＶＤを用いて、ｐドープされた低抵抗のポリシリ
コンを３０００Å程度堆積する。そして、フォトリソを
用いて電極形成部分以外のポリシリコンを反応性イオン
エッチング装置を用いてエッチングする。その後、１１
４０℃で４５分程度酸化し、電極形成部分のポリシリコ
ン電極４４を約１０００Å程度の酸化膜４５で被覆する
（図１５（Ｅ）参照）。なお、この酸化膜４５は、次の
プロセス（図１６（Ａ）参照）でもう一層ポリシリコン
を堆積して形成される別のポリシリコン電極４６と絶縁
するためのものである。
に、ｐドープされた低抵抗のポリシリコンを用いる。ま
ず、ＣＶＤを用いて、ｐドープされた低抵抗のポリシリ
コンを３０００Å程度堆積する。そして、フォトリソを
用いて電極形成部分以外のポリシリコンを反応性イオン
エッチング装置を用いてエッチングする。その後、１１
４０℃で４５分程度酸化し、電極形成部分のポリシリコ
ン電極４４を約１０００Å程度の酸化膜４５で被覆する
（図１５（Ｅ）参照）。なお、この酸化膜４５は、次の
プロセス（図１６（Ａ）参照）でもう一層ポリシリコン
を堆積して形成される別のポリシリコン電極４６と絶縁
するためのものである。
【００４９】（６）次いで、ポリシリコンを上述と同様
のプロセスで堆積しパターニングを行って電極４６を形
成し、さらに、このポリシリコン電極４６を酸化膜４７
で被覆する（図１６（Ａ）参照）。なお、この酸化膜４
７は、後ほど行うプロセス（図１６（Ｃ）参照）で良好
に窒化膜（Ｓｉ3 Ｎ4 ）４８を密着させるためのもので
ある。
のプロセスで堆積しパターニングを行って電極４６を形
成し、さらに、このポリシリコン電極４６を酸化膜４７
で被覆する（図１６（Ａ）参照）。なお、この酸化膜４
７は、後ほど行うプロセス（図１６（Ｃ）参照）で良好
に窒化膜（Ｓｉ3 Ｎ4 ）４８を密着させるためのもので
ある。
【００５０】（７）ところで、センシング部６が形成さ
れる部分の酸化膜４３は、ゲート酸化した後、様々なプ
ロセスを経ているため、その状態が悪化している。そこ
で、一旦、この酸化膜４３をフッ酸を用いて除去し、新
たに１０００Å程度のゲート酸化膜４３Ａを形成する
（図１６（Ｂ）参照）。
れる部分の酸化膜４３は、ゲート酸化した後、様々なプ
ロセスを経ているため、その状態が悪化している。そこ
で、一旦、この酸化膜４３をフッ酸を用いて除去し、新
たに１０００Å程度のゲート酸化膜４３Ａを形成する
（図１６（Ｂ）参照）。
【００５１】（８）ｐＨ応答性および耐水性をもたせる
ため、ＣＶＤを用いて窒化膜４８を８００Å程度堆積す
る（図１６（Ｃ）参照）。
ため、ＣＶＤを用いて窒化膜４８を８００Å程度堆積す
る（図１６（Ｃ）参照）。
【００５２】（９）それぞれの電極、ｎ拡散層に外部か
ら電圧をかけることができるように、コンタクトホール
４９を開ける（図１６（Ｄ）参照）。
ら電圧をかけることができるように、コンタクトホール
４９を開ける（図１６（Ｄ）参照）。
【００５３】（１０）コンタクトホール４９が形成され
た部分に、アルミニウムを１μｍ程度堆積して電極５０
を形成するため、電極のパターンをフィトリソで形成し
て、それ以外の部分をエッチングする（図１６（Ｅ）参
照）。
た部分に、アルミニウムを１μｍ程度堆積して電極５０
を形成するため、電極のパターンをフィトリソで形成し
て、それ以外の部分をエッチングする（図１６（Ｅ）参
照）。
【００５４】上記製作方法においては、電荷転送が酸化
膜、半導体４１界面で行われる表面チャンネルであるた
め、転送効率が９８％程度あったが、画素数が多くなれ
ば転送ロスが問題となる。そこで、画素数が多くなる場
合には、電荷転送を半導体４１内部で行うバルクチャン
ネル方式を用いる方がより好ましい。
膜、半導体４１界面で行われる表面チャンネルであるた
め、転送効率が９８％程度あったが、画素数が多くなれ
ば転送ロスが問題となる。そこで、画素数が多くなる場
合には、電荷転送を半導体４１内部で行うバルクチャン
ネル方式を用いる方がより好ましい。
【００５５】上記構成のｐＨ二次元分布装置装置によれ
ば、溶液の異なる複数の位置におけるｐＨを同時に測定
することができる。そして、同時に測定したｐＨを電荷
に変換しているので、この電荷信号をＣＣＤなどの技術
を用いることにより、ｐＨの二次元分布を容易に画像化
することができる。
ば、溶液の異なる複数の位置におけるｐＨを同時に測定
することができる。そして、同時に測定したｐＨを電荷
に変換しているので、この電荷信号をＣＣＤなどの技術
を用いることにより、ｐＨの二次元分布を容易に画像化
することができる。
【００５６】なお、上述の実施例では、ｐＨの二次元分
布を測定するようにしていたが、前記センシング部６の
表面を適当な応答物質で修飾することにより、ｐＨ以外
の他のイオン濃度を定量化することができる。つまり、
この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の二次
元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のよ
うな分野にも適用することができる。
布を測定するようにしていたが、前記センシング部６の
表面を適当な応答物質で修飾することにより、ｐＨ以外
の他のイオン濃度を定量化することができる。つまり、
この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の二次
元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のよ
うな分野にも適用することができる。
【００５７】 化学顕微鏡としての応用分野 ・化学；イオン濃度計測 ・電気化学的分野、ガス分布計測分野 ・滴定の二次元的動的観察および解析 環境計測 ・環境；バイオリメディエーションへの適用 食品検査 ・食品、微生物 ＭＥ分野 ・医学・生態組織；組織細胞の表面イオン濃度計測、細
胞表面電位計測 動植物分野 ・植物；カルスの表面電位分布計測 ・生物・正面図動物 腐蝕計測分野 ・金属；金属腐蝕と塗装・コーティング ゼータ電位等表面解析 ・粉体、セラミックスのゼータ電位
胞表面電位計測 動植物分野 ・植物；カルスの表面電位分布計測 ・生物・正面図動物 腐蝕計測分野 ・金属；金属腐蝕と塗装・コーティング ゼータ電位等表面解析 ・粉体、セラミックスのゼータ電位
【００５８】また、測定対象（サンプル）は、気体、液
体、固体、粉体のいずれであってもよく、センサ部の特
定感応層により選択的に反応する化学センシングと、物
理的接触による界面現象に電荷変動をするあらゆる現象
に適用でき、例えば液の流れや一瞬の化学反応の過渡現
象の分布を高感度、高画質の化学画像として得ることが
できる。さらに、滴定現象のリアルタイム画像化から画
像ソフトによる他の種類の解析、表示にも有用であり、
携帯化カメラにも有効である。
体、固体、粉体のいずれであってもよく、センサ部の特
定感応層により選択的に反応する化学センシングと、物
理的接触による界面現象に電荷変動をするあらゆる現象
に適用でき、例えば液の流れや一瞬の化学反応の過渡現
象の分布を高感度、高画質の化学画像として得ることが
できる。さらに、滴定現象のリアルタイム画像化から画
像ソフトによる他の種類の解析、表示にも有用であり、
携帯化カメラにも有効である。
【００５９】〔第２実施例〕第２実施例として、圧力セ
ンサを用いた圧力二次元分布測定を説明する。図１７
は、圧力二次元分布測定装置の一例を概略的に示す図
で、この図１７において、６０はｐ型Ｓｉ基板で、６１
は基板６０の表面近傍に形成される１μｍ以下のｎウェ
ル領域である。６２はこのｎウェル領域６１内に形成さ
れるｐ＋拡散層で、基板６０における濃度よりも高濃度
にドープされているエミッタ部である。そして、このｐ
＋拡散層６２上に、１μｍ程度の厚い酸化膜領域を設
け、このｐｎｐトランジスタのエミッタ上に応力を集中
させている。
ンサを用いた圧力二次元分布測定を説明する。図１７
は、圧力二次元分布測定装置の一例を概略的に示す図
で、この図１７において、６０はｐ型Ｓｉ基板で、６１
は基板６０の表面近傍に形成される１μｍ以下のｎウェ
ル領域である。６２はこのｎウェル領域６１内に形成さ
れるｐ＋拡散層で、基板６０における濃度よりも高濃度
にドープされているエミッタ部である。そして、このｐ
＋拡散層６２上に、１μｍ程度の厚い酸化膜領域を設
け、このｐｎｐトランジスタのエミッタ上に応力を集中
させている。
【００６０】そして、前記ｐ＋拡散層６２にコンタクト
ホールを形成して金属電極６３を設け、センシング部６
４のゲート部まで掃引し、ｐ＋拡散層６２の電位をセン
シング部６４に印加させている。このセンシング部６４
の酸化膜のみを１０００Åの厚みとし、その周囲の酸化
膜は５０００Åの厚みとする。これは、その金属電極６
３の電位によってセンシング部６４のみ半導体、酸化膜
界面近傍の電位を大きく変化させるためである。６５は
センシング部６４の周囲を囲むようにして形成されるチ
ャンネルストッパーで、センシング部６４を周囲から電
位的に隔離している。６６は絶縁物、６７はコレクタで
ある基板６０とベースであるｎウェル領域６１との間を
逆方向にバイアスする電源である。なお、図示してない
が、紙面と垂直方向に電荷供給部、障壁部などが設けら
れている。
ホールを形成して金属電極６３を設け、センシング部６
４のゲート部まで掃引し、ｐ＋拡散層６２の電位をセン
シング部６４に印加させている。このセンシング部６４
の酸化膜のみを１０００Åの厚みとし、その周囲の酸化
膜は５０００Åの厚みとする。これは、その金属電極６
３の電位によってセンシング部６４のみ半導体、酸化膜
界面近傍の電位を大きく変化させるためである。６５は
センシング部６４の周囲を囲むようにして形成されるチ
ャンネルストッパーで、センシング部６４を周囲から電
位的に隔離している。６６は絶縁物、６７はコレクタで
ある基板６０とベースであるｎウェル領域６１との間を
逆方向にバイアスする電源である。なお、図示してない
が、紙面と垂直方向に電荷供給部、障壁部などが設けら
れている。
【００６１】上記圧力二次元分布測定装置においては、
ｐｎｐトランジスタにｐｎｐ接合面に垂直な方向に機械
的応力６７がかかると、エミッタ、ベース間の電圧が変
化し、エミッタ部６２の電位が変化する。その電位変化
を金属電極６３を用いてセンシング部６４に掃引する。
この掃引された電位の変化によってセンシング部６４の
酸化膜、半導体界面の電位が変化し、そこに電荷を注入
することによって電荷量に変換するのである。
ｐｎｐトランジスタにｐｎｐ接合面に垂直な方向に機械
的応力６７がかかると、エミッタ、ベース間の電圧が変
化し、エミッタ部６２の電位が変化する。その電位変化
を金属電極６３を用いてセンシング部６４に掃引する。
この掃引された電位の変化によってセンシング部６４の
酸化膜、半導体界面の電位が変化し、そこに電荷を注入
することによって電荷量に変換するのである。
【００６２】〔第３実施例〕第３実施例として、磁界二
次元分布測定装置を説明する。この磁界測定にはホール
効果を利用している。まず、図１８は二次元磁界分布の
測定原理を概略的に説明するための図で、半導体基板７
０の上面に絶縁物７１を堆積し、さらにその上面に半導
体７２を堆積させて、この半導体７２に矢印７３方向に
電流を流す。そして、磁界方向７４が、前記電流７３の
方向に対して直交しかつ基板７０に対して平行になるよ
うに基板７０を設定すると、基板７０の面に垂直な方向
に電圧が発生する。この電圧の大きさを上述した電荷変
換機構によって電荷に変換することにより、磁界の二次
元分布を測定することができる。
次元分布測定装置を説明する。この磁界測定にはホール
効果を利用している。まず、図１８は二次元磁界分布の
測定原理を概略的に説明するための図で、半導体基板７
０の上面に絶縁物７１を堆積し、さらにその上面に半導
体７２を堆積させて、この半導体７２に矢印７３方向に
電流を流す。そして、磁界方向７４が、前記電流７３の
方向に対して直交しかつ基板７０に対して平行になるよ
うに基板７０を設定すると、基板７０の面に垂直な方向
に電圧が発生する。この電圧の大きさを上述した電荷変
換機構によって電荷に変換することにより、磁界の二次
元分布を測定することができる。
【００６３】図１９は、上記測定原理に基づいて構成し
た磁界二次元分布測定装置のセンサ部の構成を概略的に
示すもので、同図（Ａ）は断面構造を、同図（Ｂ）は平
面構成をそれぞれ示している。この図１９において、７
４は半導体基板、７５は電荷供給部、７６は電荷注入調
節部、７７はセンシング部、７８は障壁部、７９は電荷
転送部である。
た磁界二次元分布測定装置のセンサ部の構成を概略的に
示すもので、同図（Ａ）は断面構造を、同図（Ｂ）は平
面構成をそれぞれ示している。この図１９において、７
４は半導体基板、７５は電荷供給部、７６は電荷注入調
節部、７７はセンシング部、７８は障壁部、７９は電荷
転送部である。
【００６４】そして、８０はセンシング部７７の上面に
のみ堆積させたエピタキシャル成長のＳｉ層、８１はポ
リシリコンよりなる電極、８２はエピタキシャル成長の
Ａｌ2 Ｏ3 よりなる絶縁層である。このＡｌ2 Ｏ3 層８
２の厚みは、Ｓｉ層８０およびポリシリコン電極８１の
それぞれ下部において１０００Å程度に設定され、電位
の変動が確実に生ずるように構成されている。
のみ堆積させたエピタキシャル成長のＳｉ層、８１はポ
リシリコンよりなる電極、８２はエピタキシャル成長の
Ａｌ2 Ｏ3 よりなる絶縁層である。このＡｌ2 Ｏ3 層８
２の厚みは、Ｓｉ層８０およびポリシリコン電極８１の
それぞれ下部において１０００Å程度に設定され、電位
の変動が確実に生ずるように構成されている。
【００６５】今、磁界が矢印８３で示すような向きであ
るとすると、Ｓｉ層８０において電流を矢印８４で示す
ように流すと、磁界８３による電圧が半導体基板７４に
対して直角な方向に発生し、半導体７０とＡｌ2 Ｏ3 よ
りなる絶縁層８２との界面近傍の電位が変動する。この
電位変動を、上述の電荷変換機構を用いて電荷に変換す
ることにより、磁界の二次元分布を測定することができ
る。
るとすると、Ｓｉ層８０において電流を矢印８４で示す
ように流すと、磁界８３による電圧が半導体基板７４に
対して直角な方向に発生し、半導体７０とＡｌ2 Ｏ3 よ
りなる絶縁層８２との界面近傍の電位が変動する。この
電位変動を、上述の電荷変換機構を用いて電荷に変換す
ることにより、磁界の二次元分布を測定することができ
る。
【００６６】〔第４実施例〕第４実施例として、温度二
次元分布測定装置を説明する。この測定装置において
は、温度が変化することによって、ｐｎｐトランジスタ
のエミッタ、ベース間の電圧が変化することを利用して
おり、この点、第２実施例（図１７参照）の圧力二次元
分布測定装置とほぼ同様である。したがって、温度二次
元分布測定装置を概略的に示す図２０においては、図１
７におけるものと同様の符号を付している。唯、異なる
点は、エミッタ部６２に熱伝導性の良好な金属９０をコ
ンタクトさせることにより、エミッタ部６２に微小部分
での温度を与えるようにしたことである。そこで、発生
した電圧をセンシング部６４に供給し、上述の電荷変換
機構を用いて電荷に変換することにより、温度の二次元
分布を測定することができる。
次元分布測定装置を説明する。この測定装置において
は、温度が変化することによって、ｐｎｐトランジスタ
のエミッタ、ベース間の電圧が変化することを利用して
おり、この点、第２実施例（図１７参照）の圧力二次元
分布測定装置とほぼ同様である。したがって、温度二次
元分布測定装置を概略的に示す図２０においては、図１
７におけるものと同様の符号を付している。唯、異なる
点は、エミッタ部６２に熱伝導性の良好な金属９０をコ
ンタクトさせることにより、エミッタ部６２に微小部分
での温度を与えるようにしたことである。そこで、発生
した電圧をセンシング部６４に供給し、上述の電荷変換
機構を用いて電荷に変換することにより、温度の二次元
分布を測定することができる。
【００６７】なお、その他の物理現象または化学現象に
ついても、そのほとんどの場合、電圧や電流といった電
気信号に変換することができ、これを上述の電荷変換機
構を用いて電荷に変換することにより、電荷特有の取扱
いをすることができる。
ついても、そのほとんどの場合、電圧や電流といった電
気信号に変換することができ、これを上述の電荷変換機
構を用いて電荷に変換することにより、電荷特有の取扱
いをすることができる。
【００６８】上述の各実施例は、そのいずれもが同一の
センサをアレイ化してある特定の物理現象または化学現
象についてその二次元分布を測定するものであったが、
この発明はこれに限られるものではなく、複数の種類の
異なるセンサをアレイ化することにより、複数の物理現
象または化学現象について同時に測定することができ
る。
センサをアレイ化してある特定の物理現象または化学現
象についてその二次元分布を測定するものであったが、
この発明はこれに限られるものではなく、複数の種類の
異なるセンサをアレイ化することにより、複数の物理現
象または化学現象について同時に測定することができ
る。
【００６９】例えば、図２１に示すように、ｐＨを測定
するセンサ部９１と、温度を測定するセンサ部９２とを
できるだけ近接してそれぞれ複数個配置し、それぞれの
センサ部９１，９２によって得られる電荷を互いに独立
した電荷転送部９３，９４を用いて転送を行うことによ
り、ｐＨと温度との二次元上を同時に得ることができ
る。
するセンサ部９１と、温度を測定するセンサ部９２とを
できるだけ近接してそれぞれ複数個配置し、それぞれの
センサ部９１，９２によって得られる電荷を互いに独立
した電荷転送部９３，９４を用いて転送を行うことによ
り、ｐＨと温度との二次元上を同時に得ることができ
る。
【００７０】また、図２２に示すように、デバイス９５
の上面に全面にわたって電極９６を設け、この電極９６
とデバイス９５との間に、状態によって抵抗率が変化す
るサンプル９７（これは固体、液体、気体のいずれでも
よい）をサンドイッチ状態に設け、この状態でデバイス
９５と電極９６との間に電圧を印加する。これにより、
抵抗率が異なるサンプル９７は、それぞれの位置で異な
った電位をデバイス９５に与えるので、この電圧を電荷
に変換することにより、サンプル９７の二次元分布を検
出することができる。なお、９８はバイアス電源であ
る。
の上面に全面にわたって電極９６を設け、この電極９６
とデバイス９５との間に、状態によって抵抗率が変化す
るサンプル９７（これは固体、液体、気体のいずれでも
よい）をサンドイッチ状態に設け、この状態でデバイス
９５と電極９６との間に電圧を印加する。これにより、
抵抗率が異なるサンプル９７は、それぞれの位置で異な
った電位をデバイス９５に与えるので、この電圧を電荷
に変換することにより、サンプル９７の二次元分布を検
出することができる。なお、９８はバイアス電源であ
る。
【００７１】
【発明の効果】この発明の物理現象または化学現象の測
定方法によれば、異なる複数の位置における現象を同時
に検出することができる。そして、物理的または化学的
な量を電荷に変換しているので、ＣＣＤなどを用いるこ
とにより物理的または化学的な現象の二次元分布を容易
に画像化することができる。また、データ処理の方法に
よっては三次元分布をも得ることができる。
定方法によれば、異なる複数の位置における現象を同時
に検出することができる。そして、物理的または化学的
な量を電荷に変換しているので、ＣＣＤなどを用いるこ
とにより物理的または化学的な現象の二次元分布を容易
に画像化することができる。また、データ処理の方法に
よっては三次元分布をも得ることができる。
【００７２】複数点の情報を表す電荷を蓄積することに
より微弱な信号の増幅が可能であるから、現象の微小な
変化をも確実に把握することができる。
より微弱な信号の増幅が可能であるから、現象の微小な
変化をも確実に把握することができる。
【図１】この発明の物理現象または化学現象を測定する
装置の基本的な構造を示す図である。
装置の基本的な構造を示す図である。
【図２】前記装置の要部を概略的に示す図である。
【図３】前記装置における測定原理を説明するための図
である。
である。
【図４】他の測定原理を説明するための図である。
【図５】前記装置に接続されるソースフォロワ回路の一
例を示す図である。
例を示す図である。
【図６】第１実施例の装置を概略的に示す縦断面図であ
る。
る。
【図７】前記装置の要部の構成を概略的に示す平面図で
ある。
ある。
【図８】前記装置のセンサ部の一例を示す縦断面図であ
る。
る。
【図９】前記装置のセンサ部の他の例を示す縦断面図で
ある。
ある。
【図１０】前記装置の電荷転送部の一例を示し、（Ａ）
は縦断面図、（Ｂ）は平面図である。
は縦断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図１１】前記電荷転送部のＣＣＤ駆動電位図である。
【図１２】前記電荷転送部のＣＣＤ駆動電圧のタイミン
グチャートである。
グチャートである。
【図１３】前記ソースフォロワ回路の特性を示す図であ
る。
る。
【図１４】前記ソースフォロワ回路の各部の信号を示す
図である。
図である。
【図１５】第１実施例の装置の製造プロセスの一例を図
１６とともに示す図である。
１６とともに示す図である。
【図１６】第１実施例の装置の製造プロセスの一例を図
１５とともに示す図である。
１５とともに示す図である。
【図１７】第２実施例の装置を概略的に示す縦断面図で
ある。
ある。
【図１８】二次元磁界分布の測定原理を概略的に説明す
るための図である。
るための図である。
【図１９】第３実施例の装置を概略的に示す図で、
（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図である。
（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図２０】第４実施例の装置を概略的に示す縦断面図で
ある。
ある。
【図２１】他の実施例を示す図である。
【図２２】さらに他の実施例を示す図である。
６…ポテンシャル井戸（センシング部）、１５…電荷。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｎ 27/416 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｘ Ｇ０１Ｒ 33/10 Ｇ０１Ｎ 27/30 ３０１Ｘ Ｈ０１Ｌ 21/66 27/46 ３５３Ｚ (72)発明者 田邉 裕貴 京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地 株式会社堀場製作所内 (72)発明者 三村 享 京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地 株式会社堀場製作所内
Claims (2)
- 【請求項１】 物理的または化学的な量の大きさに対応
して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸
に電荷を注入して、前記物理的または化学的な量をこの
ポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換するよう
にしたことを特徴とする物理現象または化学現象の測定
方法。 - 【請求項２】 物理的または化学的な量の大きさに対応
して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸
を複数個一次元的または二次元的に配置し、これらのポ
テンシャル井戸に電荷を注入して、前記物理的または化
学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷
に変換するように構成したことを特徴とする物理現象ま
たは化学現象の測定装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15771697A JP4231560B2 (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 化学量の分布の電気化学的測定方法および装置 |
| US09/085,693 US6255678B1 (en) | 1997-05-29 | 1998-05-27 | Apparatus for measuring physical and chemical phenomena |
| DE69837060T DE69837060T2 (de) | 1997-05-29 | 1998-05-28 | Verfahren zur Messung von physikalischen Phänomenen oder chemischen Phänomenen und Vorrichtung dafür |
| EP98109769A EP0881486B1 (en) | 1997-05-29 | 1998-05-28 | Method for measuring physical phenomena or chemical phenomena and equipment thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15771697A JP4231560B2 (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 化学量の分布の電気化学的測定方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10332423A true JPH10332423A (ja) | 1998-12-18 |
| JP4231560B2 JP4231560B2 (ja) | 2009-03-04 |
Family
ID=15655821
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15771697A Expired - Lifetime JP4231560B2 (ja) | 1997-05-29 | 1997-05-29 | 化学量の分布の電気化学的測定方法および装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6255678B1 (ja) |
| EP (1) | EP0881486B1 (ja) |
| JP (1) | JP4231560B2 (ja) |
| DE (1) | DE69837060T2 (ja) |
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