特許 7336983 イオンセンサ装置

(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】

(24)【登録日】2023-08-24

(45)【発行日】2023-09-01

(54)【発明の名称】イオンセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/414 20060101AFI20230825BHJP

【ＦＩ】

G01N27/414 301X

G01N27/414 301V

G01N27/414 301K

G01N27/414 301L

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019236925

(22)【出願日】2019-12-26

(65)【公開番号】P2021105564

(43)【公開日】2021-07-26

【審査請求日】2022-11-22

(73)【特許権者】

【識別番号】303018827

【氏名又は名称】Ｔｉａｎｍａ Ｊａｐａｎ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001678

【氏名又は名称】藤央弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】関根 裕之

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１９０８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１６２２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平４－１８１１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－５８３２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／２６－２７／４９

Ｈ０１Ｌ ２９／７６－２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボトムゲート及びトップゲートを含む電界効果トランジスタと、
参照電極と、
前記参照電極及び前記トップゲートが浸される被測定溶液のイオン濃度を測定する、駆動回路と、
を含み、
前記駆動回路は、
前記電界効果トランジスタのドレインに定電流を与える定電流源と、
前記ドレインの電位が入力されるボルテージフォロワと、
を含み、
前記参照電極に一定の基準電位を与え、
前記ボルテージフォロワの出力と前記ボトムゲートとの間に、一定電圧を印加し、
前記ボルテージフォロワの出力電位を出力する、
イオンセンサ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記駆動回路は、前記電界効果トランジスタを飽和領域において動作させる、
イオンセンサ装置。

【請求項3】

請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記トップゲートの絶縁膜の単位面積当たりの静電容量は、前記ボトムゲートの絶縁膜の単位面積当たりの静電容量より大きい、
イオンセンサ装置。

【請求項4】

請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記被測定溶液における特定の物質と作用するプローブ膜が、前記トップゲートに装着されている、
イオンセンサ装置。

【請求項5】

請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
複数の電界効果トランジスタを含み、
前記複数の電界効果トランジスタのそれぞれは、ボトムゲート及びトップゲートを含み、
前記複数の電界効果トランジスタは、前記トップゲートに装着された、前記被測定溶液内の異なる物質と相互作用する異なるプローブ膜を含み、
前記駆動回路は、前記複数の電界効果トランジスタそれぞれに対応する回路を含み、
前記対応する回路の各回路は、
対応する電界効果トランジスタのドレインに定電流を与える、対応定電流源と、
前記対応する電界効果トランジスタの前記ドレインの電位が入力される、対応ボルテージフォロワと、
を含み、
前記対応ボルテージフォロワの出力と前記対応する電界効果トランジスタの前記ボトムゲートとの間に、一定電圧を印加し、
前記対応ボルテージフォロワの出力電位を出力する、
イオンセンサ装置。

【請求項6】

請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記電界効果トランジスタは、酸化物半導体薄膜トランジスタである、
イオンセンサ装置。

【請求項7】

被測定溶液のイオン濃度を測定するため、ボトムゲート及びトップゲートを含む電界効果トランジスタと、参照電極と、を駆動する方法であって、
前記参照電極及び前記トップゲートが前記被測定溶液に浸された状態において、
前記電界効果トランジスタのドレインに定電流を与え、
前記ドレインの電位をボルテージフォロワに入力し、
前記参照電極に一定の基準電位を与え、
前記ボルテージフォロワの出力と前記ボトムゲートとの間に、一定電圧を印加し、
前記ボルテージフォロワの出力電位出力する、
方法。

【請求項8】

請求項７に記載の方法であって、
前記電界効果トランジスタを飽和領域において動作させる、
方法。

【請求項9】

請求項７に記載の方法であって、
前記トップゲートの絶縁膜の単位面積当たりの静電容量は、前記ボトムゲートの絶縁膜の単位面積当たりの静電容量より大きい、
方法。

【請求項10】

請求項７に記載の方法であって、
前記電界効果トランジスタは、複数の電界効果トランジスタの一つであり、
前記複数の電界効果トランジスタのトップゲートのそれぞれに、異なる物質と相互作用するプローブ膜が装着され、
前記方法は、
前記参照電極及び前記複数の電界効果トランジスタそれぞれの前記トップゲートが前記被測定溶液に浸された状態において、
前記複数の電界効果トランジスタそれぞれのドレインに定電流を与え、
前記複数の電界効果トランジスタのドレインの電位を、それぞれ、異なるボルテージフォロワに入力し、
前記異なるボルテージフォロワの出力と前記複数の電界効果トランジスタそれぞれのボトムゲートとの間に、一定電圧を印加し、
前記異なるボルテージフォロワのそれぞれの出力電位を出力する、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、イオンセンサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ｐＨ測定や、バイオセンシングの分野等で、電界効果トランジスタを使用するイオンセンサ（ＩＳＦＥＴ：Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が利用されている。ＩＳＦＥＴにおいて電界効果トランジスタのゲート電極は取り除かれている。ＩＳＦＥＴによるイオン濃度の測定は、参照電極を被測定溶液内に挿入し、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜を被測定溶液内で露出させる。被測定溶液とＩＳＦＥＴの絶縁膜との界面に電気二重層が形成され、電気二重層の電圧が、ＩＳＦＥＴのチャネル界面電位を変化させる。

【0003】

ＩＳＦＥＴでイオン濃度を評価する方法は、以下のようにまとめることができる。
（１）ゲート絶縁膜を被測定溶液に浸す。被測定溶液は参照電極にも接している。
（２）ＩＳＦＥＴのソース－ドレイン間に一定の電圧を印加する。
（３）ドレイン電流が一定になるように、参照電極に対するソース電位を変化させる。

【0004】

被測定溶液のイオン濃度に応じて、参照電極－ゲート間の電圧は変動する。また、参照電極－ゲート間の電圧変化に応じて、ソース電位が変化する。ソース電位がＩＳＦＥＴの出力であり、ソース電位から被測定溶液イオン濃度を求めることができる。ＩＳＦＥＴの感度はＮｅｒｎｓｔの式に従い、理論的に最大５８．１６ｍＶ／ｍｏｌ（Ｔ＝２９３．１５Ｋ）となる。

【0005】

ＩＳＦＥＴの感度を向上する技術が、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１に開示されている駆動回路は、トランジスタのドレイン電流を抵抗で電圧に変換・検出し、マイクロプロセッサでドレイン電流が一定になるように、ボトムゲート－ソース間電圧を制御する。結果として、ボトムゲート－ソース間電圧がイオン濃度に依存したトップゲート電圧の変動量として得られる。特許文献２に開示されている駆動回路は、マイクロプロセッサを用いずにアナログ回路だけで構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００８２５７０号

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２７６６６３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に開示されている駆動回路は、マイクロプロセッサによる帰還回路と見なせる。そのため、マイクロプロセッサの入力（ドレイン電流の電流電圧変換及びアナログデジタル変換）の精度が、測定精度に大きく影響を及ぼす。

【0008】

特許文献２に開示されている駆動回路はアナログ回路だけで構成されており、ドレイン電流の電流電圧変換、アナログデジタル変換の精度が、測定精度に大きく影響を及ぼすことはない。しかし、被測定溶液に浸される参照電極の電位が、トランジスタのソース電位と等しくしなければならない。つまり、被測定溶液の電位が測定により変化する。例えば、測定対象を単一のイオン濃度ではなく、複数の種類のイオン濃度を同時に並列で測定するという応用を考えた場合、問題となり得る。

【0009】

従って、トランジスタを使用するイオンセンサ装置において、参照電極電位を固定し、出力精度を向上させる技術が望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示の一態様に係るイオンセンサ装置は、ボトムゲート及びトップゲートを含む電界効果トランジスタと、参照電極と、前記参照電極及び前記トップゲートが浸される被測定溶液のイオン濃度を測定する、駆動回路と、を含む。前記駆動回路は、前記電界効果トランジスタのドレインに定電流を与える定電流源と、前記ドレインの電位が入力されるボルテージフォロワと、を含む。前記駆動回路は、前記参照電極に一定の基準電位を与え、前記ボルテージフォロワの出力と前記ボトムゲートとの間に、一定電圧を印加し、前記ボルテージフォロワの出力電位を出力する。

【発明の効果】

【0011】

本開示の一態様によれば、トランジスタを使用するイオンセンサ装置において、参照電極電位を固定し、出力精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態のイオンセンサ装置に含まれるセンサトランジスタの構成例を模式的に示す断面図である。

【図2】コントローラに含まれる駆動回路の構成例を示す。

【図3】特定イオンのイオン濃度を選択的に測定するためのセンサトランジスタの構成例を示す。

【図4】イオンセンサ装置に含まれる、センサトランジスタアレイの構成例を模式的に示す。

【図5】図４に示すセンサトランジスタを駆動するアレイ駆動回路の構成例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照して実施形態を説明する。実施形態は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。説明をわかりやすくするため、図示した物の寸法、形状については、誇張して記載している場合もある。

【0014】

以下において、イオンセンサ装置の構成例を説明する。イオンセンサ装置は、被測定溶液に浸される参照電極及びセンサトランジスタ、並びに、これらを駆動する駆動回路を含む。駆動回路は、参照電極に一定の基準電位を与える。駆動回路は、センサトランジスタのドレインに定電流を与え、センサトランジスタのドレインの電位をボルテージフォロワに入力し、ボルテージフォロワの出力とボトムゲートとの間に一定電圧を印加する。ボルテージフォロワの出力は、被測定溶液のイオン濃度を示す値として出力される。この構成により、参照電極の電位を固定することができ、また、駆動回路の出力精度を向上させることができる。

【0015】

図１は、本実施形態のイオンセンサ装置に含まれるセンサトランジスタの構成例を模式的に示す断面図である。イオンセンサ装置は、図１に示すセンサトランジスタ１０に加え、センサトランジスタ１０によりイオン濃度を測定するコントローラ（不図示）を含む。コントローラは、センサトランジスタ１０を駆動する駆動回路を含み、当該駆動回路の詳細は後述する。

【0016】

図１に示すセンサトランジスタ１０の構成例は、薄膜トランジスタである。センサトランジスタ１０は、絶縁基板１０１上に形成されたボトムゲート電極１０３を含む。絶縁基板１０１は、例えば、ガラス又は樹脂で形成される。ボトムゲート電極１０３は、例えば、アルミニウムを主成分とする合金材料で形成される。

【0017】

ボトムゲート絶縁膜１０５が、ボトムゲート電極１０３を覆うように、絶縁基板１０１上及びボトムゲート電極１０３上に形成されている。ボトムゲート絶縁膜１０５は、例えば、酸化シリコン膜である。

【0018】

島状の半導体膜１０７が、ボトムゲート絶縁膜１０５上に形成されている。半導体膜１０７は、例えば酸化物半導体で形成されている。酸化物半導体の例は、非晶質ＩｎＧａＺｎＯ（ａ－ＩｎＧａＺｎＯ）や微結晶ＩｎＧａＺｎＯである。この他、ａ－ＩｎＳｎＺｎＯ、ａ－ＩｎＧａＺｎＳｎＯ、ＺｎＯ等の酸化物半導体を使用することができる。酸化物半導体は、他の薄膜半導体材料よりも飽和特性の優れたトランジスタを実現できる。

【0019】

ソース電極１０９及びドレイン電極１１１が、半導体膜１０７の上面の一部に接するように形成されている。ソース電極１０９及びドレイン電極１１１の材料として、例えば、チタンやモリブデンを使用することができる。

【0020】

トップゲート絶縁膜（イオン感応絶縁膜）１１３が、半導体膜１０７並びにソース電極１０９及びドレイン電極１１１の一部を覆うように、これらと接触して形成されている。トップゲート絶縁膜１１３は、例えば、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム等の高誘電体材料で形成される。

【0021】

これら高誘電体材料の比誘電率は、酸化シリコン膜の比誘電率より大きい。したがって、トップゲート絶縁膜１１３の単位面積当たりの静電容量は、ボトムゲート絶縁膜１０５の単位面積当たりの静電容量よりも大きい。

【0022】

保護膜１１５が、トップゲート絶縁膜１１３の一部を露出させるように、半導体膜１０７の他の一部並びにソース電極１０９及びドレイン電極１１１を覆うように形成されている。半導体膜１０７のチャネルに相当する領域上のトップゲート絶縁膜１１３が、保護膜１１５から露出している。保護膜１１５は、絶縁材料で形成され、例えば、エポキシ樹脂を使用することができる。

【0023】

上記構造を有するセンサトランジスタ１０は、保護膜１１５から露出しているトップゲート絶縁膜１１３が被測定溶液１５に浸されるように、参照電極１３と共に、被測定溶液１５内に配置される。コントローラは、参照電極１３及びセンサトランジスタ１０を駆動し、センサトランジスタ１０から得られる信号から、被測定溶液１５のイオン濃度を測定する。

【0024】

図１は、センサトランジスタ１０の一例を示すものであって、本実施形態のイオンセンサ装置は、任意の構造（材料を含む）の電界効果トランジスタを使用することができる。例えば、絶縁基板１０１を省略し、ボトムゲート電極１０３に代えてシリコン基板を使用してもよい。半導体膜１０７は、酸化物半導体に限らず、アモルファスシリコン、ポリシコン、結晶シリコン等を使用してもよい。

【0025】

上述のように、参照電極１３と、センサトランジスタ１０のトップゲート絶縁膜（イオン感応絶縁膜）１１３は、被測定溶液１５内で露出されている。被測定溶液１５とトップゲート絶縁膜１１３との界面に電気二重層が形成され、電気二重層の電圧が、センサトランジスタ１０のチャネル界面電位を変化させる。電気二重層は、被測定溶液１５中のイオン濃度に依存する。そのため、センサトランジスタ１０からの信号を参照することで、被測定溶液１５中のイオン濃度を測定できる。

【0026】

以下において、参照電極１３及びセンサトランジスタ１０を使用したイオン濃度の測定方法を説明する。図２は、コントローラに含まれる駆動回路２０の構成例を示す。駆動回路２０は、参照電極１３に対して基準電位を与える。図２の構成例において、基準電位は接地電位（ＧＮＤ）である。参照電極１３とセンサトランジスタ１０のトップゲートとの間に、被測定溶液１５のイオン濃度に応じた電圧Ｖｓｉｇが発生している。

【0027】

駆動回路２０は、センサトランジスタ１０のドレインに接続された定電流源２０１と、定電流源２０１に、基準電位から一定の電圧Ｖｐｗを与える定電圧源２０３を含む。駆動回路２０は、センサトランジスタ１０のドレインに定電流Ｉｒｅｆを与える。センサトランジスタ１０のドレイン電流Ｉｄは、定電流Ｉｒｅｆに等しい。

【0028】

図２の構成例において、基準電位は接地電位（ＧＮＤ）であり、定電流源２０１は基準電位に対して一定の電位に維持される。また、センサトランジスタ１０のソースは、一定の基準電位に維持される。図２の構成例において、その基準電位は接地電位である。

【0029】

駆動回路２０は、さらに、演算増幅器２０５を含む。演算増幅器２０５は、ボルテージフォロワを構成している。定電流源２０１とセンサトランジスタ１０のドレインとの間のノードの電位が、演算増幅器２０５の非反転入力（＋）に入力される。演算増幅器２０５の出力と反転入力（－）が接続され、負帰還が演算増幅器２０５にかけかれている。

【0030】

駆動回路２０は、さらに、演算増幅器２０５の出力とセンサトランジスタ１０のボトムゲートと間に、定電圧源２０７を含む。定電圧源２０７は、演算増幅器２０５の出力に対して一定の電圧Ｖｂｔだけ異なる電位を、センサトランジスタ１０のボトムゲートに与える。なお、図２に示す構成例において全ての基準電位が接地電位であるが、上記基準電位は一定であれば、それぞれ異なる値であってもよい。

【0031】

駆動回路２０の動作を説明する。センサトランジスタ１０のトップゲートとソースとの間の電圧Ｖｔｇｓは、被測定溶液１５のイオン濃度に応じた値となる。したがって、ソース電位を基準とするトップゲート電位Ｖｔｇｓを測定することで、被測定溶液１５のイオン濃度を測定できる。

【0032】

センサトランジスタ１０のドレインとソースとの間の電圧（ソース電位を基準とするドレイン電位）Ｖｄｓ、及び、センサトランジスタ１０のバックゲートとソースとの間の電圧（ソース電位を基準とするバックゲート電位）Ｖｂｇｓは、各々以下のようになる。
Ｖｄｓ＝Ｖｏｕｔ （１）
Ｖｂｇｓ＝Ｖｏｕｔ－Ｖｂｔ （２）
Ｖｏｕｔは、演算増幅器２０５の出力とセンサトランジスタ１０のソースとの間の電圧（ソース電位を基準とする演算増幅器２０５の出力電位）である。

【0033】

演算増幅器２０５には負帰還がかけられており、反転入力と非反転入力との間の電位差はゼロである。したがって、センサトランジスタ１０のドレイン電位Ｖｄｓは、演算増幅器２０５の出力電位Ｖｏｕｔと等しい。また、定電圧源２０７が、演算増幅器２０５の出力電位から電圧Ｖｂｔだけ低い電位を、センサトランジスタ１０のバックゲートに与える。

【0034】

ここで、センサトランジスタ１０のドレイン電流Ｉｄは、所定の関数ｆで表わすことができる。
Ｉｄ＝ｆ（Ｖｂｇｓ－（ｃｔｇ／ｃｂｇ）Ｖｔｇｓ，Ｖｄｓ） （３）
ｃｔｇはトップゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電量であり、ｃｂｇはボトムゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量である。上述のように、トップゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電量がボトムゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量大きい例においては、センサトランジスタ１０の感度を上げることができる。

【0035】

駆動回路２０は、センサトランジスタ１０のドレイン電流Ｉｄを、定電流源２０１により定電流Ｉｒｅｆに制限する。上述のように、センサトランジスタ１０のドレインとソースとの間の電圧Ｖｄｓは変化し得るが、ドレイン電流Ｉｄは、ドレイン電位Ｖｄｓよりも、バックゲート電位Ｖｂｇｓ及びトップゲート電位Ｖｔｇｓに大きく依存する。したがって、バックゲート電位Ｖｂｇｓは、トップゲート電位Ｖｔｇｓの一次式で表わされ、以下の関係が成立する。
Ｖｂｇｓ－（Ｃｔｇ／Ｃｂｇ）Ｖｔｇｓ＝一定 （４）

【0036】

式２が示すように、バックゲート電位Ｖｂｇｓは、演算増幅器２０５の出力電位Ｖｏｕｔの一次式で表わされる。したがって、演算増幅器２０５の出力電位Ｖｏｕｔは、トップゲート電位Ｖｔｇｓの一次式で表わされる。トップゲート電位Ｖｔｇｓは、被測定溶液１５のイオン濃度に応じた値となるため、演算増幅器２０５の出力電位Ｖｏｕｔは、被測定溶液１５のイオン濃度を示す。コントローラは、演算増幅器２０５の出力電位Ｖｏｕｔから、所定の関数に従って、イオン濃度を決定することができる。コントローラは、例えば、イオン濃度の測定値を表示装置において表示する。

【0037】

一例において、駆動回路２０は、センサトランジスタ１０を飽和領域において動作させる。これにより、ドレイン電流Ｉｄのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓへの依存度をより小さくすることができ、その結果、トップゲート電位Ｖｔｇｓをより正確に測定することができる。

【0038】

上述のように、駆動回路２０は、マイクロプロセッサを使用せず、アナログ回路だけで構成されている。そのため、マイクロプロセッサを使用する構成のように、アナログデジタル変換の為の回路要素が不要であり、測定精度を劣化させる要因を少なくできる。また、参照電極１３の電位は任意の基準電位に固定することができ、被測定溶液１５の電位が、測定中に変化することがない。そのため、例えば、一つの参照電極１３と複数のセンサトランジスタとにより、被測定溶液１５内の複数種類のイオンの濃度を同時に並列で測定できる。

【0039】

以下において、被測定溶液１５内の特定の物質によるイオン濃度を選択的に測定するイオンセンサ装置の例を説明する。図３は、特定イオンのイオン濃度を選択的に測定するためのセンサトランジスタ１７の構成例を示す。図１に示すセンサトランジスタ１０との相違点を主に説明する。

【0040】

センサトランジスタ１７は、図１に示すセンサトランジスタ１０の構成に加え、トップゲート絶縁膜１１３の露出している部分を覆うように、トップゲート絶縁膜１１３に形成されたプローブ膜１１７を含む。プローブ膜１１７は、例えば、特定のイオン種と相互作用（例えば吸着）を行うイオン選択膜や、特定の物質と相互作用（例えば吸着）し、特定のイオンの濃度を増加させる有機膜（酵素膜や抗体膜等）である。

【0041】

例えば、特定の酵素膜は、膜内において、特定の物質との酵素反応により特定のイオン種の濃度を増加させる。センサトランジスタ１７は、特定の物質の濃度に比例した電気信号を得ることができる。

【0042】

このように、センサトランジスタ１７により、被測定溶液１５内の特定物質（イオンを含む）の濃度に応じたイオン濃度を選択的に測定することができる。なお、図１の構成例において、トップゲート絶縁膜１１３を特定の材料で形成することで、特定イオン種の濃度を選択的に測定できる。このようなセンサ装置は、様々な分野、例えば、バイオテクノロジや医療分野等で利用することができる。

【0043】

図４は、イオンセンサ装置に含まれる、センサトランジスタアレイ１９の構成例を模式的に示す。センサトランジスタアレイ１９は、基板面に配置された複数のセンサトランジスタを含む。図４は、例として、二つのセンサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂを示す。センサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂの構造は、図３に示すセンサトランジスタ１７と同様である。そのため、一部の構成要素の符号は省略されている。

【0044】

センサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂは、異なる物質と相互作用を行うプローブ膜１１７Ａ及び１１７Ｂを含む。センサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂにより、被測定溶液１５内の異なる物質の濃度をそれぞれ測定することができる。また、本実施形態の駆動回路を使用することで、センサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂに対して共通の参照電極１３を使用することができる。

【0045】

図５は、図４に示すセンサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂを駆動するアレイ駆動回路２５の構成例を示す。アレイ駆動回路２５は、センサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂそれぞれに対応するトランジス駆動回路を含む。各トランジスタ駆動回路は、図２を参照して説明した駆動回路と同様の構成を有している。

【0046】

具体的には、図５において、参照電極１３とセンサトランジスタ１７Ａのトップゲートとの間に、被測定溶液１５の特定物質に起因するイオン濃度に応じた電圧ＶｓｉｇＡが発生している。アレイ駆動回路２５は、センサトランジスタ１７Ａのドレインに接続された定電流源２０１Ａと、定電流源２０１Ａに基準電位から一定の電圧Ｖｐｗを与える定電圧源２０３とを含む。アレイ駆動回路２５は、センサトランジスタ１７Ａのドレインに定電流ＩｒｅｆＡを与える。センサトランジスタ１７Ａのドレイン電流ＩｄＡは、定電流ＩｒｅｆＡに等しい。定電流源２０１Ａは基準電位に対して一定の電位に維持される。また、センサトランジスタ１７Ａのソースは、一定の基準電位に維持される。

【0047】

アレイ駆動回路２５は、さらに、演算増幅器２０５Ａを含む。演算増幅器２０５Ａは、ボルテージフォロワを構成している。定電流源２０１Ａとセンサトランジスタ１７Ａのドレインとの間のノードの電位が、演算増幅器２０５Ａの非反転入力（＋）に入力される。演算増幅器２０５Ａの出力と反転入力（－）が接続され、負帰還が演算増幅器２０５Ａにかけかれている。

【0048】

アレイ駆動回路２５は、さらに、演算増幅器２０５Ａの出力とセンサトランジスタ１７Ａのボトムゲートと間に、定電圧源２０７Ａを含む。定電圧源２０７Ａは、演算増幅器２０５の出力に対して一定の電圧ＶｂｔＡだけ異なる電位を、センサトランジスタ１７Ａのボトムゲートに与える。

【0049】

さらに、参照電極１３とセンサトランジスタ１７Ｂのトップゲートとの間に、被測定溶液１５の特定物質に起因するイオン濃度に応じた電圧ＶｓｉｇＢが発生している。定電圧源２０３は、センサトランジスタ１７Ｂのドレインに接続された定電流源２０１Ｂに、基準電位から一定の電圧Ｖｐｗを与える。アレイ駆動回路２５は、センサトランジスタ１７Ｂのドレインに定電流ＩｒｅｆＢを与える。センサトランジスタ１７Ｂのドレイン電流ＩｄＢは、定電流ＩｒｅｆＢに等しい。定電流源２０１Ｂは基準電位に対して一定の電位に維持される。また、センサトランジスタ１７Ｂのソースは、一定の基準電位に維持される。

【0050】

アレイ駆動回路２５は、さらに、演算増幅器２０５Ｂを含む。演算増幅器２０５Ｂは、ボルテージフォロワを構成している。定電流源２０１Ｂとセンサトランジスタ１７Ｂのドレインとの間のノードの電位が、演算増幅器２０５Ｂの非反転入力（＋）に入力される。演算増幅器２０５Ｂの出力と反転入力（－）が接続され、負帰還が演算増幅器２０５Ｂにかけかれている。

【0051】

アレイ駆動回路２５は、さらに、演算増幅器２０５Ｂの出力とセンサトランジスタ１７Ｂのボトムゲートと間に、定電圧源２０７Ｂを含む。定電圧源２０７Ｂは、演算増幅器２０５の出力に対して一定の電圧ＶｂｔＢだけ異なる電位を、センサトランジスタ１７Ｂのボトムゲートに与える。

【0052】

センサトランジスタ１７Ａ及び１７Ｂそれぞれを駆動する回路の動作は、図２を参照して説明した駆動回路２０の動作と同様であり、説明を省略する。アレイ駆動回路２５は、他のセンサトランジスタそれぞれの同様の駆動回路を含む。なお、図５に示す構成例において全ての基準電位が接地電位であるが、上記基準電位は一定であれば、それぞれ異なる値であってもよい。

【0053】

以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本開示の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。

【符号の説明】

【0054】

１０ センサトランジスタ、１３ 参照電極、１５ 被測定溶液、１７ センサトランジスタ、１９ センサトランジスタアレイ、２０ 駆動回路、２５ アレイ駆動回路、１０１ 絶縁基板、１０３ ボトムゲート電極、１０５ ボトムゲート絶縁膜、１０７ 半導体膜、１０９ ソース電極、１１１ ドレイン電極、１１３ トップゲート絶縁膜、１１５ 保護膜、１１７ プローブ膜、２０１ 定電流源、２０５ 演算増幅器、２０７ 定電圧源、Ｉｄ ドレイン電流、Ｉｒｅｆ 定電流、Ｖｏｕｔ 演算増幅器出力、Ｖｓｉｇ 参照電極－トップゲート間電圧、Ｖｂｔ 定電圧、Ｖｐｗ 定電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】