特許 6074770 化学・物理現象検出方法及びその装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6074770

(24)【登録日】2017年1月20日

(45)【発行日】2017年2月8日

(54)【発明の名称】化学・物理現象検出方法及びその装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/00 20060101AFI20170130BHJP

   G01N 27/414 20060101ALI20170130BHJP

   G01N 21/64 20060101ALN20170130BHJP

   G01J 1/02 20060101ALN20170130BHJP

   G01J 1/44 20060101ALN20170130BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/00 Z

   G01N27/414 301V

   !G01N21/64 Z

   !G01J1/02 B

   !G01J1/44 A

【請求項の数】12

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-523996(P2013-523996)

(86)(22)【出願日】2012年7月13日

(86)【国際出願番号】JP2012067908

(87)【国際公開番号】WO2013008908

(87)【国際公開日】20130117

【審査請求日】2015年6月30日

(31)【優先権主張番号】特願2011-155688(P2011-155688)

(32)【優先日】2011年7月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100095577

【弁理士】

【氏名又は名称】小西 富雅

(72)【発明者】

【氏名】太齋 文博

(72)【発明者】

【氏名】澤田 和明

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４１７１８２０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第４１８３７８９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第４１３３０２８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 国際公開第２００９／０８１８９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特許第３６２３７２８（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００９−２３６５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／１０８４６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−２２１５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２８７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Takeshi Hizawa 他，Fabrication of a two-dimensional pH image sensor using a charge transfer technique，Sensors and Actuators B: Chemical，２００６年１０月１２日，Volume 117, Issue 2，Pages 509-515

【文献】 Seung-Ro Lee 他，Fabrication of a highly sensitive penicillin sensor based on charge transfer techniques，Biosensors and Bioelectronics，２００９年 ３月１５日，Volume 24, Issue 7，Pages 1877-1882

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／００−２７／２４

Ｇ０１Ｎ ２７／４１４

Ｈ０１Ｌ ２７／１４

ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる複数のセンシング部を備え、
ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
前記複数のセンシング部において選択された第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸は電荷をホールドし、選択されない第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸は電荷が空の状態とし、
前記第１のポテンシャル井戸及び前記第２のポテンシャル井戸から同時に一つの前記ＦＤ部へ電荷を移送可能状態とする、化学・物理現象検出装置の制御方法。

【請求項2】

測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる複数のセンシング部を備え、
ＩＤ部からＩＣＧ部を介して電荷を前記各センシング部のポテンシャル井戸へ注入する注入ステップと、
該ポテンシャル井戸の電荷を対応するＦＤ部へ移送する移送ステップと、を含み、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
前記注入ステップでは、前記複数のセンシング部の全てに前記ＩＤ部から電荷を注入した後、選択された第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸の電荷はホールドして、選択されない第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸の電荷を排出し、
前記移送ステップでは、前記第１のポテンシャル井戸及び前記第２のポテンシャル井戸から同時に一つの前記ＦＤ部へ電荷を移動可能状態とする、化学・物理現象検出装置の制御方法。

【請求項3】

前記第２のポテンシャル井戸の電荷の排出は前記ＩＤ部へ行なわれる、請求項２に記載の制御方法。

【請求項4】

前記注入ステップでは、前記第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸に対し、対応する第１のＩＣＧ部の電位を制御して前記ＩＤ部からの電荷注入を許容し、
前記第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸に対し、対応する第２のＩＣＧ部の電位を制御して前記ＩＤ部からの電荷注入を拒絶し、
前記移送ステップでは、前記第１のポテンシャル井戸及び前記第２のポテンシャル井戸から同時にそれぞれの対応する前記ＦＤ部へ電荷を移動可能状態とする、請求項２に記載の化学・物理現象検出装置の制御方法。

【請求項5】

前記注入ステップでは、前記ＩＤ部における電荷の最低電位を一定として、前記ＩＣＧ部の電位を前記ＩＤ部における電荷の最低電位よりも高くすることにより、前記ＩＤ部より前記第１のポテンシャル井戸へ電荷を注入し、前記ＩＣＧ部の電位を前記ＩＤ部における電荷の最低電位より低くすることで、前記ＩＤ部より前記第２のポテンシャル井戸へ電荷が注入されないようにする、請求項４に記載の制御方法。

【請求項6】

前記注入ステップでは、前記ＩＤ部における電荷の最低電位を一定として、前記第１のＩＣＧ部の電位を前記ＩＤ部における電荷の最低電位よりも高くすることにより、前記ＩＤ部から前記第１のセンシング部へ電荷を供給し、その後、前記第１のＩＣＧ部の電位を第１のＴＧ部の電位以下として前記第１のセンシング部に電荷をホールドさせ、
前記第２のＩＣＧ部の電位を前記ＩＤ部における電荷の最低電位より低くして、前記ＩＤ部から前記第２のセンシング部への電荷の供給を拒絶する、請求項４に記載の制御方法。

【請求項7】

測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる少なくとも第１のセンシング部及び第２のセンシング部と、ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を移送し蓄積するＦＤ部とを備え、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置あって、
前記第１のセンシング部及び前記第２のセンシング部に共通に設けられた一つのＦＤ部に蓄積された電荷を検出する検出回路と、
前記第１のセンシング部と前記ＦＤ部との間に配置される第１のＴＧ部と、前記第２のセンシング部と前記ＦＤ部との間に配置される第２のＴＧ部と、
前記第１のＴＧ部と前記第２のＴＧ部とを同一のタイミングで開くＴＧ部制御部と、
前記第１のＴＧ部及び前記第２のＴＧ部を開く直前において、前記第１のセンシング部のポテンシャル井戸に電荷をホールドし、前記第２のセンシング部のポテンシャル井戸は電荷を空の状態とする、センシング部制御部と、
を備える化学・物理現象検出装置。

【請求項8】

前記第１のセンシング部にはＩＤ部から第１のＩＣＧ部を介して電荷が供給可能であり、
前記第２のセンシング部には前記ＩＤ部から第２のＩＣＧ部を介して電荷が供給可能であり、
前記センシング部制御部は電荷供給制御部を備え、該電荷供給制御部は前記第１のＩＣＧ部を前記第１のセンシング部より低い電位として、前記ＩＤ部から供給された電荷を該第１のセンシング部にホールドし、前記第２のＩＣＧ部を前記第２のセンシング部より高い電位として、前記ＩＤ部から供給された電荷を該第２のセンシング部より前記ＩＤ部へ排出する、請求項７に記載の化学・物理現象検出装置。

【請求項9】

前記第１のセンシング部にはＩＤ部から第１のＩＣＧ部を介して電荷が注入可能であり、
前記第２のセンシング部には前記ＩＤ部から第２のＩＣＧ部を介して電荷が注入可能であり、
前記センシング部制御部は電荷供給制御部を備え、該電荷供給制御部は前記第１のＩＣＧ部を制御して前記ＩＤ部から前記第１のセンシング部に電荷を供給し、前記第２のＩＣＧ部を制御して前記ＩＤ部から前記第２のセンシング部への電荷の供給を拒絶する、請求項７に記載の化学・物理現象検出装置。

【請求項10】

前記電荷供給制御部は、前記ＩＤ部における電荷の最低電位を一定として、前記第１のＩＣＧ部の電位を前記ＩＤ部における電荷の最低電位よりも高くすることにより、前記ＩＤ部から前記第１のセンシング部へ電荷を供給し、
前記第１のＩＣＧ部の電位を前記第１のＴＧ部の電位以下として前記第１のセンシング部に電荷をホールドさせ、
前記第２のＩＣＧ部の電位を前記ＩＤ部における電荷の最低電位より低くして、前記ＩＤ部から前記第２のセンシング部への電荷の供給を拒絶する、請求項９に記載の化学・物理現象検出装置。

【請求項11】

前記センシング部制御部は電荷排出制御部を備え、該電荷排出制御部は各センシング部の底部電位より高い電位のドレイン部と、該ドレイン部と前記各センシング部との間にそれぞれ介在される第２のゲート部を備え、
前記第１のセンシング部に連続する第２のゲート部は第１のゲート部より低い電位とし、前記第２のセンシング部に連続する第２のゲート部は前記第２のセンシング部より高い電位とする、請求項７に記載の化学・物理現象検出装置。

【請求項12】

前記第１のＴＧ部及び前記第２のＴＧ部は一つの信号線に連結される、請求項７〜１１にいずれかに記載の化学・物理現象検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は化学・物理現象検出装置及び検出方法の改良に関する。

【背景技術】

【0002】

化学・物理現象検出装置（この明細書で「検出装置」略することがある）として、フローティングディフュージョン（この明細書で「ＦＤ部」と略することがある）を利用したものが提案されている（特許文献１〜８参照）。
この検出装置は、例えば図１に示すように、センシング部１０、電荷供給部２０、電荷移動・蓄積部３０、電荷量検出部４０及び電荷除去部５０を備えてなる。
センシング部１０は検出対象に応じて電位を変化させる感応膜１２と標準電極１３を備える。感応膜１２の電位変化に応じ、シリコン基板７１において対向する領域（ｐ拡散領域７２）のポテンシャル井戸１５の深さが変化する。

【0003】

電荷供給部２０はインジェクションダイオード（この明細書で「ＩＤ部」と略することがある）部２１、インプットコントロールゲート（この明細書で「ＩＣＧ部」と略することがある）部２３を備える。ＩＤ部２１を電荷でチャージし、かつＩＣＧ部２３の電位を制御することでＩＤ部２１の電荷をセンシング部１０のポテンシャル井戸１５へ供給する。
電荷移動・蓄積部３０はトランスファーゲート（この明細書で「ＴＧ部」と略することがある）部３１、フローティングディフュージョン（この明細書で「ＦＤ部」と略することがある）部３３を備える。ＴＧ部３１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、センシング部１０のポテンシャル井戸１５に充填された電荷をＦＤ部３３へ移送し、そこに蓄積する。

【0004】

ＦＤ部３３に蓄積された電荷は電荷量検出部４０で検出される。かかる電荷量検出部４０としてソースフォロア型の信号増幅器を用いることができる。
電荷除去部５０はリセットゲート（この明細書で、「ＲＧ」と略することがある）部５１、リセットドレイン（この明細書で、「ＲＤ」と略することがある）部５３を備える。ＲＧ部５１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、ＦＤ部３３に蓄積された電荷をＲＤ部５３へ移送し、そこから排出する。

【0005】

この検出装置の詳細構造及びその動作を、水素イオン濃度を検出対象とするｐＨセンサを例に採り説明する。以下の説明では電荷として電子を採用し、この電子の移送に適するように基板７１の対象部分を適宜ドープしている。

【0006】

ｐＨセンサとしての検出装置１はｎ型のシリコン基板７１を備える。このシリコン基板７１の所定領域がｐ型にドープされ（p-wellの形成）、センシング部１０に対応する部分（ｐ型拡散層７２）が構成される。p-well領域において、ｐ型拡散領域７２を挟むように、ｎ型ドーパントが拡散されて、ｎ^＋領域７４、７５が形成され、更にｎ^＋領域７５から所定の距離をおいてｎ^＋領域７７が形成される。ｎ^＋領域７４、７５、７７はそれぞれＩＤ部２１、ＦＤ部３３及びＲＤ部５３となる。
ｐ型拡散層７２の表面はｎ型にドープされる（ｎ領域７３）。
シリコン基板７１の表面には酸化シリコンからなる保護膜８１が形成され、その上にＩＣＧ部２３の電極、ＴＧ部３１の電極及びＲＧ部５１の電極が積層される。各電極へ電圧が印加されるとそれに対向する部分のシリコン基板７１のポテンシャルが変化する。
センシング部１０においては保護膜８１の上に窒化シリコン製の感応膜１２が積層される。

【0007】

このように構成された検出装置１の基本動作を以下に説明する（図２参照）。
検出対象である水溶液にセンシング部１０を接触させると、水溶液の水素イオン濃度に応じてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５の深さが変化する（ステップ（Ａ））。即ち、水素イオン濃度が大きくなればポテンシャル井戸１５が深くなる（底のポテンシャルが高くなる）。
一方、ＩＤ部２１の電位を下げてここへ電荷をチャージする（ステップ（Ｂ）参照）。このとき、ＩＤ部２１へチャージされた電荷はＩＣＧ部２３を超えてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５を充填する。なお、ＴＧ部３１のポテンシャルはＩＣＧ部２３より低く、ポテンシャル井戸１５へ充填される電荷がＴＧ部３１を乗り越えてＦＤ部３３へ達することはない。

【0008】

次に、ＩＤ部２１の電位をあげてＩＤ部２１から電荷を引き抜くことで、ＩＣＧ部２３ですりきられた電荷がポテンシャル井戸１５に残される（ステップ（Ｃ）参照）。ここに、ポテンシャル井戸１５に残された電荷量は、ポテンシャル井戸１５の深さ、即ち検出対象の水素イオン濃度に対応している。
次に、ＴＧ部３１の電位を上げて、ポテンシャル井戸１５に残された電荷をＦＤ部３３へ移送する（ステップ（Ｄ）参照）。このようにしてＦＤ部３３に蓄積された電荷量を電荷量検出部４０で検出する（ステップ（Ｅ）参照）。その後、ＲＧ部５１の電位を上げてＦＤ部３３の電荷をＲＤ部５３へ排出する（ステップ（Ｆ）参照）。このＲＤ部５３はＶＤＤに接続され、負にチャージされた電荷を吸い上げる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特許４１７１８２０号公報

【特許文献2】特開２００８−７９３０６号公報

【特許文献3】特許４０７３８３１号公報

【特許文献4】特許４１８３７８９号公報

【特許文献5】特許４１３３０２８号公報

【特許文献6】ＷＯ／２００９／０８１８９０Ａ１号公報

【特許文献7】ＷＯ／２０１０／１０６８００Ａ１号公報

【特許文献8】ＷＯ／２００９／１５１００４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上記ｐＨ検出装置はシリコン基板上に各種電極や感応膜を形成した構成であるので、これを二次元的に集積することが可能となる。これによりｐＨの分布を二次元的に検出し、これをイメージとして出力できる。
かかるｐＨイメージを形成するに際し、各ｐＨ検出装置が１−ピクセルを構成するので、ｐＨ検出装置の高集積化が望まれる。
図１に示すｐＨ検出装置の回路構成を図３に示す。図３から明らかなように、１−ピクセル毎に、センシング部：１、トランジスタ：５、入出力配線：７が要求される。
このように１−ピクセル毎に要求される多数の要素は高集積化の妨げになる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、まず、各ピクセルにおいて、ソースフロア回路４１及びリセット回路５３に関連するトランジスタの共通化を検討した。その結果、図４に示すとおり、ソースフロア回路４１、リセット回路５３を構成するトランジスタを共通化することにより、実効的に１−ピクセル当たりのトランジスタ数の低減を図ることができる。
即ち、各ピクセル（センシング部）からＦＤ部へ移送された電荷は共通化されたソースフロア回路１４１へ送られ、その電荷量に応じた出力が出力線ＯＵＴへ出力される。なお、出力のタイミングは読出し線ＷＬに入力される読出し信号に同期する。ＦＤ部に蓄積された電荷は、リセット回路１５３を介してＶＤＤ（ＲＤ）へ排出される。リセット回路１５３はＲＧ制御線の信号でオンオフ制御される。
例えば、従来では１−ピクセルあたり５つのトランジスタの実装が必要であったが、２つのピクセルで上記ソースフロア回路等を共通化したとき、実装合計のトランジスタを１ピクセル当たりに換算すると、トランジスタ数が３．５個となる。同様に、４つのピクセルで上記ソースフロア回路等を共通化したとき、実装合計のトランジスタを１ピクセル当たりに換算すると、トランジスタ数は２．７５個となる。
よって、実装すべきトランジスタの量が削減されて高集積化に適した構成となる。

【0012】

しかしながら、共通化されたピクセルを協働させると画素密度が低下するので、ピクセル単位での電荷量を検出することが望まれる場合がある。
そのときには、選択されたピクセルのセンシング部のみから電荷がＦＤ部へ移送されるように、ＴＧ部を制御することが好ましい。
そのためには、ＴＧ部信号を各ピクセルへ割り振ることとなり、その必要上、各ピクセルのＴＧ部へ接続されるＴＧ部制御線を独立させることとなる（図４参照）。

【0013】

独立したＴＧ部制御線を各ピクセルのＴＧ部へ接続させることは、配線領域の増加につながり、高集積化の支障になりかねない。
本発明者らは、電荷測定が必要なピクセルの選択をＴＧ部信号で行なうことをやめて、ＴＧ部の開閉タイミング（センシング部からＦＤ部への電荷の移動のタイミング）は全てのピクセルで同一タイミングとし、他方、センシング部への電荷の注入、排出を別途制御することにより、電荷測定が必要なピクセルのセンシング部のみに電荷をホールド（存在）させ、他方、電荷測定が不要なピクセルは電荷を空の状態にしておけばよいと考えた。
この状態において、全ピクセルのＴＧ部を一斉に開けば、電荷がホールドされているセンシング部のみから電荷がＦＤ部へ移送され、そのピクセルの電荷量が検出される。
このように、ＴＧ部の開閉タイミングを同一とすれば、ピクセル毎に独立したＴＧ部制御線を配線する必要が無くなり、もって配線領域の増加を抑制できる。また、センシング部への電荷の注入、排出は電荷供給部２０の制御で賄えるので、トランジスタや配線量の増加をきたすことはない。

【0014】

この発明の第１の局面は上記の検討結果から導き出されたものであり、次のように規定される。即ち、
測定対象の化学・物理現象に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる複数のセンシング部を備え、
ＴＧ部を介して前記各センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき前記化学・物理現象を特定する化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
前記複数のセンシング部において選択された第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸は電荷をホールドし、選択されない第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸は電荷が空の状態とし、
前記第１のポテンシャル井戸及び前記第２のポテンシャル井戸から同時に一つの前記ＦＤ部へ電荷を移送可能状態とする、化学・物理現象検出装置の制御方法。

【0015】

このように規定される第１の局面の制御方法によれば、ＴＧ部を同一タイミングで開閉するにあたり、選択されたピクセルのセンシング部（第１のセンシング部）のポテンシャル井戸（第１のポテンシャル井戸）には電荷をホールドさせ、選択されないピクセルのセンシング部（第２のセンシング部）のポテンシャル井戸（第２のポテンシャル井戸）は電荷が空の状態としておくので、全てのＴＧ部を同時に開いても、選択されたピクセルの第１のセンシング部のみより電荷がＦＤ部へ送られ、当該第１のセンシング部の電荷量が検出される。
これにより、ピクセル毎に独立制御されるＴＧ部制御線が不要となり（図５参照）、配線に要する領域の増大を抑制できる。なお、図５において、図４と同一の要素には同一の符号を付してのその説明を省略する。

【0016】

換言すれば、２つのセンシング部のうち一方のセンシング部からの電荷の移送を制御する第１のＴＧ部と他方のセンシング部からの電荷の移送を制御する第２のＴＧ部を同一のタイミングで開くと各センシング部からＦＤ部へ電荷が移送されるので、２つのセンシング部を備える意味がない。
そこで、最初は一方のセンシング部をアクティブとし他方はノンアクティブとし、次には一方をノンアクティブとし他方をアクティブとすれば、第１及び第２のＴＧ部を同時に開いても、それぞれのセンシング部の電荷量を測定することができる。
この発明では、ＴＧ部が同一のタイミングで開閉されることを前提として、センシング部を選択的にアクティブ、ノンアクティブとする。なお、アクティブなセンシング部を第１のセンシング部と規定し、ノンアクティブなセンシング部を第２のセンシング部と規定する。物理的に同一のセンシング部であっても、その状態によって第１及び第２のいずれかのセンシング部と規定される。

【0017】

従来の検出装置はセンシング部を常にアクティブにしており、この発明においてもセンシング部をアクティブする方法は従来の技術を用いることができる。
所望の（選択されなかった）センシング部をノンアクティブにする方法は今回新たに提案するものであり、その第１の方法として、一旦は全てのセンシング部へ電荷を供給し、その後、ＩＣＧ部の電位を高くして所望の（選択されなかった）センシング部から電荷を排出し、もってそのセンシング部ノンアクティブとする。
他の方法として、所望の（選択されなかった）センシング部に対応するＩＣＧ部の電位を低くして、ＩＤ部から当該センシング部へ電荷が供給されること自体を禁止する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は従来の検出装置構成を模式的に示す。

【図2】図２は同じく従来の検出装置の動作フローを示す。

【図3】図３は同じく従来の検出装置の配線図である。

【図4】図４はこの発明の検討例の検出装置の配線図である。

【図5】図５はこの発明の実施の形態の検出装置の配線図である。

【図6】図６は図５の検出装置の動作フローを示す。

【図7】図７は図５の検出装置の他の動作フローを示す。

【図8】図８は光量検出機能を備えた検出装置の配線図を示す。

【図9】図９は実施例の検出装置のアレイ構成を示すブロック図である。

【図10】図１０は実施例の検出装置の動作を示すタイミンググチャートである。

【図11】図１１は検出装置の動作フローを示す。

【図12】図１２は図１１に示す動作フローの各段階における検出装置の各部位の電位状態を示す。

【図13】図１３は実施例の検出装置の他の動作を示すタイミンググチャートである。

【図14】図１４は検出装置の他の動作フローを示す。

【図15】図１５は図１４に示す動作フローの各段階における検出装置の各部位の電位状態を示す。

【図16】図１６は実施例の検出装置の更に他の動作を示すタイミンググチャートである。

【図17】図１７は検出装置の更に他の動作フローを示す。

【図18】図１８は図１７に示す更に他の動作フローの各段階における検出装置の各部位の電位状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、第１のセンシング部にのみ電荷を与え、第２のセンシング部は電荷が空の状態とする方策を説明する。

（第１のセンシング部及び第２のセンシング部へ共に電荷を供給し、その後第２のセンシング部のみから電荷を除去する）

図６によれば、第１及び第２のセンシング部へは、図２と同様にして、電荷供給部から電荷を供給する（ステップ（Ａ）〜（Ｃ））。
その後、第２のセンシング部に対応するＩＣＧ部の電位をあげて、第２のセンシング部の電荷をＩＤ部側へ排出する（ステップ（Ｇ））。これにより、第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸の電荷は空の状態になるので、その後、図２と同様のステップ（Ｄ）〜（Ｆ）を実行しても、ＦＤ部には何ら電荷は移送されない。
図６の例では、ＩＣＧ部を制御して第２のセンシング部の電荷をＩＤ部側へ排出していたが、第２のセンシング部へ別途ドレインを設けて、第２のセンシング部から電荷を当該ドレインへ排出若しくは退避させ、その電荷を空とすることができる。かかる排出用ドレインとして、特許４１７１８２０号に記載されているこぶ対策用の除去井戸（容量を充分大きくする）を利用することができる。

【0020】

（第１のセンシング部へのみ選択的に電荷を供給し、第２のセンシング部へは電荷を供給しない）

電荷供給ステップ（図２のステップ（Ａ）〜（Ｃ）参照）を次のように実行する。
(i) 選択されたピクセルにおいてのみ図２のステップ（Ａ）〜（Ｃ）を実行する。
このとき、(i-i)全てのピクセルにおいてＩＣＧ部を同じ動作とし、選択されたピクセルのみのＩＤ部を選択的に動作させ、これから電荷を供給してもよい。
また、(i-ii)全てのピクセルにおいてＩＤ部を同じ動作とし、選択されなかった、即ち第２のセンシング部を有するピクセルに対応するＩＣＧ部の電位を制御（低下させる）することにより、ステップ（Ｂ）においてＩＤ部からセンシング部への電荷の供給を阻止するようにしてもよい。
上記(i-i)、(i-ii)の動作を実行するとき、ＩＣＧ部制御ライン又はＩＤ部制御ラインを各ピクセルにおいて共通化することができる。

【0021】

図７には他の電荷供給方法を示す。
図７の例では、ＩＤ部２１には常に電荷がチャージされているものとする。このとき、電荷の最低ポテンシャルは、ポテンシャル井戸１５がとり得る最低ポテンシャルより低く、かつＴＧ部の最低ポテンシャルより高いものとする（Ａ図参照）。
次に、ＩＣＧ部の電位をポテンシャル井戸１５の底の電位より高くして、ＩＤ部の電荷でポテンシャル井戸１５を満たす（Ｂ図参照）。なお、ＩＤ部には絶えず電荷が供給状態にあり、電荷の最低ポテンシャルは維持されている。
次に、ＩＣＧ部の電位を低くして、ＩＤ部の電荷とポテンシャル井戸１５の電荷とをＩＣＧ部で切り裂いて分離する（Ｃ図参照）。そして、ＴＧ部の電位を上げてポテンシャル井戸１５の電荷をＦＤ部へ移送する（Ｄ図参照）。
なお、ＦＤ部の電荷量の検出及びその排出は、図２のステップ（Ｅ）及び（Ｆ）同様の処理となる。

【0022】

図７に示した電荷の供給方法によれば、図２のステップ（Ｂ）〜（Ｃ）にかけてのいわゆるすり切り動作がないので、ポテンシャルのこぶの影響を排除できる。
また、ＩＤ部に対する電荷のチャージ、ディスチャージが必要であった図２の方法に比べて、ＩＣＧ部のポテンシャルの上げ下げは高速に実行できる。本発明者らの検討によれば、ＩＤ部の電荷とポテンシャル井戸１５の電荷とを分離するのに要する時間（図７のステップ（Ｂ）〜（Ｃ）に要する時間）は、図２の（Ｂ）〜（Ｃ）に示すり切りに要する時間の１／２〜１／５に短縮される。
なお、ＩＣＧ部の電極に図示左右方向に電位傾斜（ＩＤ部側で高く、センシング部側で低くする）を設け、ＩＣＧ部の電極対向領域に存在する電荷をより素早くＩＤ部側へ移動させることが好ましい。

【0023】

図７のステップ（Ａ）〜（Ｃ）で示す電荷の供給を、選択されたピクセルに対してのみ実行すれば、センシング領域のポテンシャル井戸が電荷で満たされたもの（活性化されたアクティブなピクセル）と、ポテンシャル井戸の電荷が空のもの（活性化されないノンアクティブなピクセル）とが仕分けられる。
このとき、図７に記載の方法において、ＩＤ部は常に一定電位に保たれるので、ＩＤ部制御線を各ピクセルで共通化できる。
なお、図７のステップ（Ｃ）の後に、図５のステップ（Ｇ）、（Ｄ）〜（Ｆ）を続けてもよい。

【0024】

以上のようにして、ポテンシャル井戸に電荷がホールドされている第１のセンシング領域を有するピクセル及びポテンシャル井戸の電荷が空の状態の第２のセンシング領域を有するピクセルのＴＧ部を同時に開いて各センシング部から共通化されたソースフロア回路１４１へ電荷が供給される。
ピクセルの集積体において、ソースフロア回路１４１を共通化するピクセルは任意に選択できるものであるが、集積体において共通化したピクセルのグループを均等に分配することが好ましい。
共通化した各ピクセルは共通化要素（ソースフロア回路等）を中心にして、更にそこから延出される配線領域を中心にして、対称的に配置することが好ましい。
このように共通化したピクセルに対して、ＴＧ部制御線も共通化して、配線領域の増大を防止する。

【0025】

上記では、ソースフロア回路等を共通化することを前提に説明を進めてきた。しかしながら、当該回路の共通化の有無に拘わらず、ＴＧ部制御線を共通化して各ピクセルのＴＧ部の制御を同期化し、センシング部における電荷の有無に基づき、各ピクセルの活性化状態を制御することは、集積化に適した制御方法となる。

【0026】

次のこの発明の実施例について説明をする。
ＴＧ制御線を共通化してＴＧが同一タイミングで開閉する２つのセンシング部を備えた検出装置を単位ユニットＵとして、当該単位ユニットを４つ（Ｕ１１、Ｕ１２、Ｕ２１、Ｕ２２）を備えたアレイ回路を図９に示す。各単位ユニットＵの回路構成は図５に示すものである。図８に示す回路で単位ユニットを構成するとき２本のOUTラインが電荷量検出制御部へ連結されることとなる。
図９において、符号３０１はセンシング部制御部を示し、このセンシング部制御部３０１は電荷供給制御部３０３、ＴＧ制御部３０５、電荷量検出制御部３１１、電荷除去制御部３１３を備える。センシング制御部３０１は汎用的なコンピュータ装置で構成することができる。
電荷供給制御部３０３はＩＣＧ１、ＩＣＧ２及びＩＤに印加する電位を制御する。これにより、各ユニットにおいて、いずれか一方のセンシング部（pixel）をアクティブ（若しくはノンアクティブ）にできる。
ＴＧ制御部３０５はＴＧラインに接続され、このＴＧラインは全てのユニットのセンシング部とソースフォロア回路（ＦＤ部）と間に配置されるゲート部に接続されてこれらを同一タイミングで開閉する。
電荷量検出制御部３１１は各センシング部の読出し線ＷＬ１、ＷＬ２へ読出し信号を印加して、対応する出力ラインＯＵＴ１、ＯＵＴ２の出力を読み取る。出力ラインＯＵＴ１，ＯＵＴ２へソースフォロア回路の出力が出力される。
電荷除去制御部３１５はＲＧラインとＶＤＤラインの電位を制御してソースフォロア回路（ＦＤ部）に蓄積された電荷を除去する。

【0027】

実施例の検出装置３００の動作について説明する。
図１０は検出装置３００のタイミングチャートであり、図１１は検出装置の動作フローを示し、図１２は、図１１に示す動作フローの各段階における各部位の電位の詳細を示す。
この例では、各ユニットのセンシング部（pixel）へともに電荷を供給し（図１１のステップ（２）、（７）参照）、その後、所望の（選択されなかった）センシング部のみから電荷を除去し（同じくステップ（３）、（８）参照）、これをノンアクティブ（第２のセンシング部）とする。
ステップ（４）、（９）において同時にＴＧを開いてセンシング部の電荷を読出し部（ＦＤ部、ソースフォロアー回路）へ移送する。

【0028】

上記において、図１０に示すセンシング動作１ではpixel (1,1),(1,3),(2,1),(2,3)の電荷をＦＤへ転送し、センシング動作２ではpixel (1,2),(1,4),(2,2),(2,4)の電荷をＦＤへ転送する。センシング動作後の読出し動作期間ではＷＬｎを順次highとしてＦＤに転送された信号がＯＵＴｎから順次出力される。
図１１において、ＦＤに転送されたpixel 1(2)の電荷がpixel 2(1)を乗り越えないようにＦＤの電位がＴＧ＝highのポテンシャル以下にならないようにして、クロストークを防止している。

【0029】

実施例の検出装置３００の他の動作例を説明する。
図１３は検出装置３００のタイミングチャートであり、図１４は検出装置の動作フローを示し、図１５は、図１４に示す動作フローの各段階における各部位の電位の詳細を示す。
この例では、各ユニットにおいて選択されたセンシング部（pixel）のみ電荷を供給し（図１４のステップ（２）（３）、（７）（８）参照）、電荷の供給が拒絶されたセンシング部をノンアクティブ（第２のセンシング部）とする。
ステップ（４）、（９）において同時にＴＧを開いてセンシング部の電荷を読出し部（ＦＤ部、ソースフォロアー回路）へ移送する。

【0030】

上記において、図１３に示すセンシング動作１ではpixel (1,1),(1,3),(2,1),(2,3)の電荷をＦＤへ転送し、センシング動作２ではpixel (1,2),(1,4),(2,2),(2,4)の電荷をＦＤへ転送する。センシング動作後の読出し動作期間ではＷＬｎを順次highとしてＦＤに転送された信号がＯＵＴｎから順次出力される。
図１４において、ＴＧがＯＮの状態では非選択のpixelには電荷が蓄積されていないため、クロストークは発生しない。
ＩＤ＝Ｌｏｗ時に非選pixelに電荷が注入されないように非選択pixelのＩＣＧポテンシャルをＩＤ＝Ｌｏｗのポテンシャルよりも低く設定する。

【0031】

実施例の検出装置３００の他の動作例を説明する。
図１６は検出装置３００のタイミングチャートであり、図１７は検出装置の動作フローを示し、図１８は、図１７に示す動作フローの各段階における各部位の電位の詳細を示す。
この例では、各ユニットにおいて選択されたセンシング部（pixel）のみに電荷を供給する際に、ＩＣＧの電位を低くすることによりＩＤからの電荷が選択されなかったセンシング部へ供給されないようにしている（図１７のステップ（２）、（７）参照）。他方、選択されたセンシング部の電位よりＩＣＧの電位を高くして選択されたセンシング部へ電荷を供給するとともに（ステップ（３）、（８）参照）、その後、ＩＣＧの電位を低くして選択されたセンシング部の電荷とＩＤ部の電荷を堰分ける。
次にステップ（４）、（９）において同時にＴＧを開いてセンシング部の電荷を読出し部（ＦＤ部、ソースフォロアー回路）へ移送する。

【0032】

上記において、図１６に示すセンシング動作１ではpixel (1,1),(1,3),(2,1),(2,3)の電荷をＦＤへ転送し、センシング動作２ではpixel (1,2),(1,4),(2,2),(2,4)の電荷をＦＤへ転送する。センシング動作後の読出し動作期間ではＷＬｎを順次highとしてＦＤに転送された信号がＯＵＴｎから順次出力される。
図１７において、ＴＧがＯＮの状態では非選択のpixelには電荷が蓄積されていないため、クロストークは発生しない。
ＩＤの電位を一定にしてＩＣＧトランジスタをＯＮ−ＯＦＦさせて電荷の注入を制御する。

【0033】

化学・物理現象検出装置の感度、検出速度及び集積化などを向上するため下記の変形態様を採ることができる。
（センシング部について）
検出感度を向上するため、図２の（Ａ）〜（Ｄ）のステップを繰り返して、累積的に蓄積されたＦＤ部３３の電荷量を検出することができる（特許３６２３７２８号参照）。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。
他方、ＩＣＧ部による電荷すり切り時に（図２のステップ（Ｃ）参照）、ＩＣＧ部とポテンシャル井戸との界面に、感応膜の幅に対応して、小さなポテンシャルのこぶが形成されるおそれがある。このポテンシャルのこぶが存在すると、ポテンシャルのこぶの高さに対応して余計な電荷がセンシング部に残ることとなる。ポテンシャルのこぶの高さが小さくても、既述のように累積的な検出を実行すると、ポテンシャルのこぶに起因して残存した電荷量が無視できなる。そこで、センシング部に隣接して、若しくはセンシング部内に除去井戸を形成し、ポテンシャルのこぶによりセンシング部に残存する電荷を当該除去井戸へ逃がす。これにより、センシング部よりＦＤ部へ移送される電荷量は検出対称値に対応したもののみとなり、即ちポテンシャルのこぶに起因して残存する電荷は移送されなくなり、もって正確な検出が可能となる。
なお、この除去井戸に対応してこのポテンシャルを制御するための制御電極が更に設けられ、この制御電極はＩＣＧ部やＴＧ部と独立して制御される。
以上、特許４１７１８２０号公報を参照されたい。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。

【0034】

化学量としてのｐＨ検出に用いられる窒化シリコン製の感応膜及び酸化シリコン製の保護膜はともに透光性である。従って、センシング部を開放した空間等で使用したときには、これらの膜を透過した光がシリコン基板において電荷（電子）を発生させる。この電荷が、電荷供給部からセンシング部へ供給された電荷と一緒になって、ＦＤ部へ蓄積されると、検出誤差の原因となりかねない。
そこで電荷供給部からセンシング部への電荷供給が無い状態で、センシング部からＦＤ部へ電荷が転送可能なようにＴＧ部の電位を調節し、ＦＤ部へ移送された第１の電荷量を検出して保存する手段と、電荷供給部からセンシング部へ電荷の供給がなされた状態で、ＴＧ部の電位を調節して、センシング部２の電荷をＦＤ部へ転送し、ＦＤ部へ移送された第２の電荷量を検出して保存する手段と、前記第２の電荷量と前記第１の電荷量との差を演算し、得られた電荷量の差にもとづき、検出装置の出力を補正し、もって検出装置の検出結果から光の影響を除去することができる。
以上、特開２００８−７９３０６号公報を参照されたい。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。

【0035】

（光の検出）
センシング部が光に対して活性であることを利用して、光量を検出することができる。
即ち、光の照射によりセンシング部で生成した電荷をＦＤ部へ転送するタイミングを制御することにより、センシング部へ入射した光量を特定できる。この場合、電荷供給部は不要である。
なお、特許４０７３８３１号公報に示す分光検出を実行するにはセンシング部へ透光性電極膜を積層することが好ましい。透光性電極膜を感応膜上に積層すると感応膜が検出対象へ接触せず、ｐＨ検出ができない。

【0036】

（ｐＨ・光の検出）
ｐＨ検出装置の基本構造を用いて光量の検出が可能であるので、検出に時間差を設けることにより、一つのチップでｐＨと光量の両者の検出が可能となる（特許４１８３７８９号公報参照）。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。
電荷移送・蓄積部をｐＨ検出用と光量検出用にそれぞれ配設してもよい（特許４１３３０２８号公報）。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。
ｐＨと光量の同時計測を可能とする装置がＷＯ／２００９／０８１８９０Ａ１号公報に開示されている。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。この装置では、電荷としての電子を利用するｐＨ検出用の電荷移動・蓄積部と、光入射によるセンシング部で発生したホールを利用する光量検出用の電荷移動・蓄積部とが並設される。

【0037】

特許４０７３８３１号公報に基本動作を示す分光装置において、ＴＧ部の電位を制御することにより、透光性電極を何ら用いなくても、センシング部１０へ印加する電位を変化させたときと同じ状態が得られる（ＷＯ／２０１０／１０６８００Ａ１号公報参照）。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。
この分光装置は次のように構成される。即ち、入射光により電荷を発生するセンシング部と、前記センシング部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した荷を捕獲する第２の状態とになるようセンシング部を制御する電荷発生制御部と、前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するＦＤ部と、を備え
電荷発生制御部はセンシング部に隣接して形成され、センシング部のポテンシャル井戸に充填されている電荷の最低電位を規定するＴＧ部を備え、このＴＧ部の電位を制御して前記ポテンシャル井戸に充填されている電荷の最低電位を制御することによりセンシング部を第１の状態又は第２の状態として、入射光によりセンシング部で発生した電荷がゲート部をオーバーフローして前記ＦＤ部へ移送される、分光装置。ここに、ＴＧ部の電位はＩＣＧ部の電位より高くすることが好ましい。
かかる分光装置により、励起光とこの励起光で励起された蛍光と含む光を分光する場合には、センシング部側から順に第１のＦＤ部と第２のＦＤ部とを設け、第１のＦＤ部の容量を第２のＦＤ部の容量より大きくし、前記センシング部から移送される電荷により第１のＦＤ部は常に満杯の状態となり、該第１のＦＤ部を通過した電荷が蓄積される第２のＦＤ部の電荷量に基づき各光の強さを特定する。第２のＦＤ部は容量が小さいので、検出感度が向上する。
以上、ＷＯ／２００９／１５１００４号公報を参照されたい。そしてこの文献の記載の内容はこの明細書の内容としてインコーポレートされる。

【0038】

図８にはｐＨ検出用の電荷移送・蓄積部と光量検出用の電荷移送・蓄積部とを備えたときの、集積化に適した回路構成例を示す。
なお、図５と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この例では第１のセンシング部１１０と第２のセンシング部２１０のそれぞれについて、ソースフロア回路１４３（ｐＨ検出用）及びリセット回路１５３（ｐＨ検出用）、並びにソースフロア回路２４３（光量検出用）及びリセット回路２５３（光量検出用）が共通化されている。
ｐＨ検出用には図５と同じ動作を行なう。
光量検出も、ｐＨ検出と同一構造の電荷移動蓄積部、電荷量検出部及び電荷除去部を備える。光量検出においてはセンシング部へ電荷を供給する必要はない。センシング部が光に反応して生成した電荷をＦＤへ移送し、その電荷量に応じて光量を特定する。

【0039】

複数のｐＨ検出装置を用いると、それぞれのセンシング部において感度のバラツキが生じる。感度のバラツキの原因として感応膜のチャージアップ等が考えられる。
一般的に、感度のバラツキを校正するには、標準溶液に対する各センシング部の出力信号を求め、その出力信号が正規の出力信号となるように、これをソフトウェア的なデータ処理で校正する。しかしながら、センシング部の数が増えるとデータ処理用ＰＣにかかる負担が大きくなるので、高集積化の阻害要因となる。
そこで、本発明者らは、感度のバラツキをハードウエア的に校正することを考えた。即ち、標準溶液に対する各センシング部の移送電荷量（出力信号）を求め、この移送電荷量と標準センシング部による標準移送電荷量（標準出力信号）との差を求める。ここに、標準センシング部は任意に若しくは理論的に選択することができ、このセンシング部を標準溶液に接触させたときに移送される電荷量を一義的に標準移送電荷量として、全てのセンシング部の出力の基準とする。
各センシング部の移送電荷量と標準移送電荷量との差が相殺されるように、センシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させるか、若しくは電荷移送時のＴＧ部のポテンシャルを変化させる。これにより、標準溶液に対して標準センシング部がＦＤ部へ移送させる電荷量と同じ電荷量が校正対象のセンシング部からＦＤ部へ対して移送されることとなる。
ポテンシャル井戸の容量の変化は、例えばＩＣＧ部の電位、参照電極の電位及び／又はポテンシャル井戸の底部の電位をハードウエア的に調整することで行なえる。ＴＧ部の電位調整も同様である。
なお、検出装置に要求される感度によっては、各センシング部を個々に校正する必要はない。例えば、校正対象のセンシング部からの移送電荷量と標準移送電荷量の差を予め定められた範囲（電荷量帯）に分類し、当該範囲毎に校正値を予め定めておく。そして校正対象のポテンシャル井戸の容量を当該校正値で校正する。これにより、ハードウエア的な調整作業が簡素化される。

【0040】

以上をまとめると、次のように規定できる。
検出対象のｐＨ値に対応してポテンシャル井戸の底部電位を変化させる第１のセンシング部及び第２のセンシング部を備え、
ＴＧ部を介して各センシング部の電荷を対応するＦＤ部へ移送し、該ＦＤ部に蓄積された電荷に基づき検出対象のｐＨを検出する装置の制御方法であって、
検出対象が第１の状態のとき、第１のセンシング部の第１のポテンシャル井戸及び第２のセンシング部の第２のポテンシャル井戸からそれぞれ第１の量の電荷が対応するＦＤ部へ移送されるように、検出対象において少なくとも一方のセンシング部のポテンシャル井戸の容量を変化させる、及び／又は電荷移送時にＴＧ部の電位を変化させる、ｐＨ検出装置の制御方法。

【0041】

上記において、ｐＨ検出装置を検出装置の例に取り上げ説明してきた。感応膜を選択することにより測定対象を任意の化学現象、物理現象とすることができる。
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
この明細書に記載した先行文献の記載内容を、この明細書の記載の一部として取り込むことができる。

【符号の説明】

【0042】

１ ｐＨ検出装置
１０ センシング部、１２ 感応膜、１３ 参照電極、１５ ポテンシャル井戸
２０ 電荷供給部、２１ ＩＤ部、２３ ＩＣＧ部
３０ 電荷移動・蓄積部、３１ ＴＧ部、３３ ＦＤ部
４０ 電荷量検出部
５０ 電荷除去部、５１ ＲＧ部、５３ ＲＤ部
７１ 基板、７２ ｐ拡散領域、７３ ｎ領域、７４，７５，７７ ｎ^＋領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】