▶ テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-30
(54)【発明の名称】ＰＨセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/414 20060101AFI20230623BHJP
G01N 27/00 20060101ALI20230623BHJP
G01N 27/22 20060101ALI20230623BHJP
G01N 27/416 20060101ALI20230623BHJP
【ＦＩ】
G01N27/414 301U
G01N27/00 J
G01N27/22 B
G01N27/414 301X
G01N27/414 301P
G01N27/416 353Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022573223
(86)(22)【出願日】2021-05-25
(85)【翻訳文提出日】2023-01-19
(86)【国際出願番号】 US2021033975
(87)【国際公開番号】W WO2021242720
(87)【国際公開日】2021-12-02
(31)【優先権主張番号】17/105,142
(32)【優先日】2020-11-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/030,062
(32)【優先日】2020-05-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】507107291
【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】230129078
【弁護士】
【氏名又は名称】佐藤 仁
(72)【発明者】
【氏名】スコット ロバート サマーフェルト
(72)【発明者】
【氏名】アーンスト ジョルグ ミュルナー
(72)【発明者】
【氏名】セバスティナ メイヤー
(72)【発明者】
【氏名】マルクス ヘフェル
【テーマコード（参考）】
2G060
【Ｆターム（参考）】
2G060AA05
2G060AE18
2G060AF10
2G060AF20
2G060DA02
2G060DA07
2G060DA10
2G060DA19
2G060HC04
2G060KA06
(57)【要約】
流体のｐＨを感知するために、半導体ダイの加熱装置（１０２、１０５、１０７）が流体（１１４）の温度を第１の温度に制御する。流体の温度が第１の温度である間に、半導体ダイのフローティングゲートトランジスタ（１２０）のゲート（１２２）の第１の電圧が測定される。また加熱装置は、流体の温度を、第１の温度とは異なる第２の温度に制御する。流体の温度が第２の温度である間に、ゲートの第２の電圧が測定される。流体のｐＨは、第１及び第２の電圧、第１の温度、及び第２の温度に基づいて判定される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
センサであって、感知側、半導体基板、金属化構造、及び誘電体層を有する半導体ダイであって、前記金属化構造が、前記半導体基板上の第１のレベル、及び、前記第１のレベルと前記感知側との間の第２のレベル、及び、前記感知側と前記第２のレベルとの間の前記誘電体層を含む、前記半導体ダイと、
ゲート、ドレイン、及びソースを有するトランジスタと、
前記第２のレベルにおける第１の電極であって、前記第１の電極が、前記感知側上の流体への前記誘電体層内の第１の開口を介して露出される第１の表面を有する、前記第１の電極と、
前記第２のレベルにおける第２の電極であって、前記第２の電極が、前記感知側上の前記流体への前記誘電体層内の第２の開口を介して露出される第２の表面を有し、前記第２の電極が前記第１の電極から離間される、前記第２の電極と、
前記第２のレベルにおける第３の電極であって、前記第３の電極が、前記第１及び第２の電極から離間され、前記第３の電極が前記ゲートに結合され、前記第３の電極が、前記流体と前記ゲートとの間にキャパシタを形成するために前記誘電体層によって前記感知側から分離される、前記第３の電極と、
前記金属化構造における金属抵抗器と、
前記金属抵抗器に結合される出力を有する加熱器回路であって、前記加熱器回路が、前記流体を選択的に加熱するために電流信号を前記金属抵抗器に搬送するように構成される、前記加熱器回路と、
を含む、センサ。
【請求項2】
請求項１に記載のセンサであって、前記第２のレベルにおける第４の電極であって、前記第４の電極が、前記第１、第２、及び第３の電極から離間され、前記第４の電極が前記誘電体層によって前記感知側から分離される、前記第４の電極と、
前記第４の電極に結合される温度感知回路と、
を更に含む、センサ。
【請求項3】
請求項２に記載のセンサであって、前記第１、第２、第３、及び第４の電極がプラチナであるか又はプラチナを含む、センサ。
【請求項4】
請求項１に記載のセンサであって、入力及び出力を有する流体電位感知回路であって、前記流体電位感知回路の前記入力が前記トランジスタに結合され、前記流体電位感知回路の前記出力が前記流体の電位を表す出力信号を提供するように構成される、前記流体電位感知回路と、
コントローラ入力及びコントローラ出力を有するコントローラと、
を更に含み、
前記コントローラ入力が前記流体電位感知回路の前記出力に結合され、前記コントローラが、前記コントローラ入力に応答して前記コントローラ出力においてｐＨ信号を提供するように構成され、前記ｐＨ信号が前記流体のｐＨを表す、
センサ。
【請求項5】
請求項４に記載のセンサであって、前記ゲートに結合される出力を有するゲート制御回路であって、前記ゲート制御回路が前記ゲートに調整信号を提供するように構成される、前記ゲート制御回路、
を更に含む、センサ。
【請求項6】
請求項５に記載のセンサであって、前記コントローラが前記加熱器回路に結合され、
前記コントローラが、
前記電流信号を前記金属抵抗器に搬送するのを控えるため、及び、前記加熱器回路が前記電流信号を前記金属抵抗器に搬送するのを控えている間、前記流体電位感知回路から前記出力信号を受信するために、第１のモードにおいて前記加熱器回路を制御するように構成され、
前記電流信号を前記金属抵抗器に搬送するため、及び、前記加熱器回路が前記電流信号を前記金属抵抗器に搬送する間に、前記流体電位感知回路から第２の出力信号を受信するために、第２のモードにおいて前記加熱器回路を制御するように構成され、
前記流体電位感知回路からの前記出力信号及び前記第２の出力信号に基づいて、前記ｐＨ信号を提供する、
ように構成される、
センサ。
【請求項7】
請求項６に記載のセンサであって、前記第２のレベルにおける第４の電極であって、前記第４の電極が、前記第１、第２、及び第３の電極から離間され、前記第４の電極が前記誘電体層によって前記感知側から分離される、前記第４の電極と、
前記第４の電極に結合される入力を有する温度感知回路と、
を更に含み、
前記コントローラが、前記温度感知回路に結合され、
前記第１又は第２のモードの少なくとも１つにおいて、前記温度感知回路から温度フィードバック信号を受信するように構成され、
（ａ）前記温度フィードバック信号に基づいて前記金属抵抗器への前記電流信号の振幅又はタイミングを制御すること、（ｂ）前記温度フィードバック信号に基づいて前記流体電位感知回路からの前記出力信号のサンプリング又は前記第２の出力信号のサンプリングを制御すること、或いは、（ｃ）前記流体電位感知回路からの前記出力信号、前記第２の出力信号、及び前記温度フィードバック信号に基づいて、前記ｐＨ信号を提供すること、のうちの１つを行うように構成される、
センサ。
【請求項8】
請求項１に記載のセンサであって、前記ゲートに結合される出力を有するゲート制御回路を更に含み、前記ゲート制御回路が前記ゲートに調整信号を提供するように構成される、センサ。
【請求項9】
請求項８に記載のセンサであって、前記ゲート制御回路が、第１の制御ゲート、第１の制御ドレイン、及び第１の制御ソースを有する第１の制御トランジスタであって、前記第１の制御ゲートが前記ゲートに結合され、前記第１の制御ドレインが第１の電圧源に結合される、前記第１の制御トランジスタと、
第２の制御ゲート、第２の制御ドレイン、及び第２の制御ソースを有する第２の制御トランジスタであって、前記第２の制御ゲートが前記ゲートに結合され、前記第２の制御ドレインが第２の電圧源に結合される、前記第２の制御トランジスタと、
を含む、センサ。
【請求項10】
請求項８に記載のセンサであって、前記ゲート制御回路が、制御入力と、
ｐチャネルトランジスタ及びｎチャネルトランジスタを有するトランスファゲートであって、前記ｐチャネルトランジスタが、第１のゲート、第１のドレイン、第１のソース、及び第１の本体接続１０１４を有し、前記ｎチャネルトランジスタが、第２のゲート、第２のドレイン、第２のソース、及び第２の本体接続１０１４を有し、前記ｎチャネルトランジスタの前記第２のゲートが前記制御入力に結合され、前記pチャネルトランジスタの前記第１のドレインが前記ゲートに結合され、前記ｎチャネルトランジスタの前記第２のドレインが前記ゲートに結合される、前記トランスファゲートと、
出力を有する電圧源であって、前記電圧源の前記出力が前記pチャネルトランジスタの前記第１のソースに結合され、前記電圧源の前記出力が前記ｎチャネルトランジスタの前記第２のソースに結合される、前記電圧源と、
前記制御入力に結合される入力を有するインバータであって、出力が前記pチャネルトランジスタの前記第２のゲートに結合される、前記インバータと、
を含む、センサ。
【請求項11】
請求項１に記載のセンサであって、前記第２のレベル内の第４の電極であって、前記第４の電極が前記第１、第２、及び第３の電極から離間され、前記第４の電極が前記誘電体層によって前記感知側から分離される、前記第４の電極と、
前記第４の電極に結合される温度感知回路と、
前記第２のレベル内の第５の電極であって、前記第５の電極が前記第１、第２、及び第４の電極から離間され、前記第５の電極が前記誘電体層によって前記感知側から分離され、前記第５の電極が前記第３の電極に結合される、前記第５の電極と、
前記第２のレベル内の第６の電極であって、前記第６の電極が前記第１、第２、第３、第４、及び第５の電極から離間され、前記第６の電極が前記流体に結合されるべき前記誘電体層内の第３の開口を介して露出される第３の表面を有する、前記第６の電極と、
を更に含み、
前記第４及び第５の電極が、前記第２のレベルにおいて第１の方向に沿って延在する細長いセクションを備える蛇行形状を有し、
前記第１の電極が、前記第２のレベルにおいて前記第４の電極を横方向に囲み、
前記第１の電極が、前記第４の電極の前記細長いセクションのうちの隣接するセクション間で前記第１の方向に沿って延在する、内側に延在する分岐部分を有し、
前記第６の電極が、前記第２のレベルにおいて前記第５の電極を横方向に囲み、
前記第６の電極が、前記第１の電極の前記細長いセクションのうちの隣接するセクション間で前記第１の方向に沿って延在する、内側に延在する分岐部分を有する、
センサ。
【請求項12】
請求項１１に記載のセンサであって、前記第１及び第４の電極が、前記第２のレベルにおける第１の領域内にあり、
前記第５及び第６の電極が、前記第２のレベルにおける第２の領域内にあり、前記第２の領域が前記第１の領域から離間されており、
前記第２の電極が前記第１及び第２の領域を横方向に囲む、
センサ。
【請求項13】
請求項１１に記載のセンサであって、前記金属抵抗器が、それぞれの第１及び第２の端部と、前記第１及び第２の端部間のタップとを有する縦断面を含み、前記それぞれの縦断面が、前記第２のレベルにおいて第２の方向に沿って延在し、前記第２の方向が前記第１の方向に直交し、
前記加熱器回路が、前記それぞれの縦断面の前記タップに結合される第１の出力と、前記それぞれの縦断面の前記第１の端部に結合される第２の出力と、前記それぞれの縦断面の前記第２の端部に結合される第３の出力とを含み、
前記加熱器回路の前記第２の出力が、前記加熱器回路の前記第１の出力の電圧に関して正である第１の電圧信号を提供するように構成され、前記加熱器回路の前記第３の出力が、前記加熱器回路の前記第１の出力の前記電圧に関して負である第２の電圧信号を提供するように構成される、
センサ。
【請求項14】
センサであって、感知側、半導体基板、金属化構造、及び誘電体層を有する半導体ダイであって、前記感知側が流体に結合されるように適合され、前記金属化構造が、
前記誘電体層において第１の開口を介して露出される第１の表面を有する第１の電極と、
前記誘電体層において第２の開口を介して露出される第２の表面を有する第２の電極であって、前記第２の電極が前記第１の電極から離間される、前記第２の電極と、
前記第１及び第２の電極から離間され、前記誘電体層によって前記感知側から分離される、前記第３の電極と、
を含む、前記半導体ダイと、
前記半導体ダイにおけるトランジスタであって、前記トランジスタがゲート、ドレイン、及びソースを有し、前記ゲートが、前記流体と前記第３の電極との間に前記誘電体層によって形成されるキャパシタを介して前記流体の電位を感知するために前記第３の電極に結合される、前記トランジスタと、
前記金属化構造内の金属抵抗器、及び前記半導体ダイ内の加熱器回路を有する加熱装置であって、前記加熱器回路が、前記金属抵抗器に結合される出力を有し、前記加熱装置が、前記流体を選択的に加熱するために電流信号を前記金属抵抗器に搬送するように構成される、前記加熱装置と、
前記半導体ダイにおける流体電位感知回路であって、前記流体電位感知回路が前記トランジスタに結合され、前記流体電位感知回路が前記流体の電位を表す出力信号を提供するように構成される、前記流体電位感知回路と、
前記半導体ダイにおけるコントローラと、
を含み、
前記コントローラが、
前記流体の温度を第１の温度に制御するように前記加熱器回路を制御し、
前記流体の温度が前記第１の温度である間に、前記流体電位感知回路からの前記出力信号の第１のサンプルを受信し、
前記流体の温度を前記第１の温度とは異なる第２の温度に制御するために前記加熱器回路を制御し、
前記流体の前記温度が前記第２の温度である間に、前記流体電位感知回路からの前記出力信号の第２のサンプルを受信し、
前記出力信号の前記第１及び第２のサンプル、前記第１の温度、及び前記第２の温度に基づいて、前記流体のｐＨを表すｐＨ信号を提供する、
ように構成される、
センサ。
【請求項15】
請求項１４に記載のセンサであって、温度感知装置を更に含み、前記温度感知装置が、
前記金属化構造における第４の電極であって、前記第４の電極が前記第１、第２、及び第３の電極から離間され、前記第４の電極が前記感知側から前記誘電体層によって分離されている、前記第４の電極と、
前記第４の電極に結合される温度感知回路と、
を含み、
前記コントローラが、前記温度感知回路からの温度フィードバック信号に基づいて、前記流体の前記温度を検証又は制御するように構成される、
センサ。
【請求項16】
請求項１５に記載のセンサであって、前記ゲートに結合される出力を有するゲート制御回路であって、前記ゲート制御回路が前記ゲートに調整信号を提供するように構成される、前記ゲート制御回路を更に含み、
前記コントローラが、前記流体電位感知回路から前記出力信号をサンプリングする前又は後に、前記ゲートの電圧を設定又は調整するために、前記ゲート制御回路を制御するように構成される、
センサ。
【請求項17】
請求項１４に記載のセンサであって、前記ゲートに結合される出力を有するゲート制御回路であって、前記ゲート制御回路が前記ゲートに調整信号を提供するように構成される、前記ゲート制御回路を更に含み、
前記コントローラが、前記流体電位感知回路から前記出力信号をサンプリングする前又は後に、前記ゲートの電圧を設定又は調整するために、前記ゲート制御回路を制御するように構成される、
センサ。
【請求項18】
流体のｐＨを感知する方法であって、半導体ダイの感知側を流体に結合することと、
前記半導体ダイの加熱装置を用いて、前記流体の温度を第１の温度に制御することと、
前記流体の前記温度が前記第１の温度である間に、前記半導体ダイのフローティングゲートトランジスタのゲートの第１の電圧を測定することと、
前記半導体ダイの前記加熱装置を用いて、前記流体の前記温度を前記第１の温度とは異なる第２の温度に制御することと、
前記流体の温度が前記第２の温度である間に、前記フローティングゲートトランジスタの前記ゲートの第２の電圧を測定することと、
前記ゲートの前記第１及び第２の電圧、前記第１の温度、及び前記第２の温度に基づいて、前記流体のｐＨを判定することと、
を含む、方法。
【請求項19】
請求項１８に記載の方法であって、ゲート制御回路を用いて、前記ゲートの前記電圧を測定する前又は後に、前記ゲートの電圧を設定又は調整することを更に含む、方法。
【請求項20】
請求項１８に記載の方法であって、前記半導体ダイの電極からの温度フィードバック信号に基づいて、前記流体の前記温度を検証又は制御することを更に含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
センサは、水又は他の流体（例えば、液体）のｐＨを感知するために有用である。いくつかのｐＨセンサは、電解質絶縁体半導体電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）、及び、銀（Ａｇ）／塩化銀（ＡｇＣｌ）などの化学リファレンスを用いる。これらのセンサは、感知された流体のｐＨを特徴付けるために用いることが可能な、電気測定値を取得するために、感知された流体内に配置されたリファレンス電極を用いる。しかしながら、リファレンスは複雑であり製造するために費用がかかる。更に、リファレンスは、ＡｇＣｌでコーティングされ、リファレンスと感知された流体との間のガラスフリットを用いて塩化カリウム（ＫＣｌ）＋ＡｇＣｌを含む溶液中に懸濁されている、銀線などの、液体を含む。プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）などの、よりシンプルな費用効率の高いリファレンスを用いることは、電極と流体との間の電圧が時間と共に不規則にドリフトすることになるため、問題である。
【発明の概要】
【0002】
一態様において、センサが、半導体ダイ、トランジスタ、第１の電極、第２の電極、第３の電極、金属レジスタ、及び加熱器回路を含む。半導体ダイは、感知側、半導体基板、金属化構造、及び誘電体層を有する。金属化構造は、半導体基板上の第１のレベル、及び第１のレベルと感知側との間の第２のレベルを含む。誘電体層は、感知側と第２のレベルとの間に配置される。第１の電極は、流体に結合される誘電体層において第１の開口を介して露出される第１の表面を有する。第２の電極は、流体に結合される誘電体層において第２の開口を介して露出される第２の表面を有する。第３の電極は、トランジスタゲートに結合され、流体とゲートとの間にキャパシタを形成するために誘電体層によって感知側から分離される。加熱器回路は、金属レジスタに結合される出力を有し、加熱器回路は流体を選択的に加熱するために電流信号を金属レジスタに搬送するように構成される。
【0003】
別の態様において、センサが、半導体ダイ、トランジスタ、加熱装置、流体電位感知回路、及びコントローラを含む。半導体ダイは、感知側、半導体基板、金属化構造、及び誘電体層を有する。金属化構造は、第１の電極、第２の電極、及び第３の電極を含む。第１の電極は、誘電体層において第１の開口を介して露出される第１の表面を有する。第２の電極は、誘電体層において第２の開口を介して露出される第２の表面を有する。第３の電極は、第１及び第２の電極から離間され、誘電体層によって感知側から分離される。トランジスタは、ゲート、ドレイン、及びソースを有する。ゲートは、流体と第３の電極との間に誘電体層によって形成されたキャパシタを介して、流体の電位を感知するために第３の電極に結合される。加熱装置は、金属化構造内の金属レジスタ、及び半導体ダイ内の加熱器回路を有する。加熱器回路は金属レジスタに結合される出力を有し、加熱器回路は、流体を選択的に加熱するために電流信号を金属レジスタに搬送するように構成される。流体電位感知回路は、流体の電位を表す出力信号を提供するために、トランジスタに結合される。コントローラは、流体の温度を第１の温度に制御するために加熱器回路を制御し、流体の温度が第１の温度である間に、流体電位感知回路からの出力信号の第１のサンプルを受信し、流体の温度を第１の温度とは異なる第２の温度に制御するために加熱器回路を制御し、流体の温度が第２の温度である間に、流体電位感知回路からの出力信号の第２のサンプルを受信し、並びに、出力信号の第１及び第２のサンプル、第１の温度、及び第２の温度に基づいて、流体のｐＨを表すｐＨ信号を提供するように構成される。
【0004】
更なる態様において、或る方法が、半導体ダイの加熱装置を用いて流体の温度を第１の温度に制御することと、流体の温度が第１の温度である間に、半導体ダイのフローティングゲートトランジスタのゲートの第１の電圧を測定することとを含む。この方法は更に、半導体ダイの加熱装置を用いて流体の温度を第１の温度とは異なる第２の温度に制御することと、流体の温度が第２の温度である間に、フローティングゲートトランジスタのゲートの第２の電圧を測定することと、ゲートの第１及び第２の電圧、第１の温度、及び第２の温度に基づいて、流体のｐＨを判定することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】リファレンスフリーｐＨセンサの部分側面立断面図及び概略図である。
【0006】
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
図において、同様の参照番号は全体を通じて同様の要素を指し、様々な特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、「結合」という単語は、間接的又は直接的な電気的又は機械的接続、或いはそれらの組み合わせを含む。例えば、第１のデバイスが第２のデバイスに結合するか又は第２のデバイスと結合される場合、その接続は、直接的電気接続を介し得るか、或いは、一つ又は複数の介在するデバイス及び接続を介した間接的電気接続を介し得る。様々な回路、システム、及び／又は構成要素の一つ又は複数の動作特徴は、以下で、回路要素が電力投入されて動作するときに、場合によっては様々な構造の構成及び／又は相互接続によって生じる機能との関連において記述される。
【0016】
初めに図１及び図２を参照すると、図１は、図２における線１－１に沿って取られた概略的回路構成要素及び部分側面立断面図を含む、リファレンスフリー（例えば、リファレンスの無い）センサ１００を示し、図２は、図１のｐＨセンサの平面図を示す。一例におけるセンサ１００は、流体のｐＨを感知するために用いられる。センサ１００は、他の応用例において、流体のｐＨ又は別の電気的状態を感知するために用いることができる。センサ１００は、感知側１０１を有する半導体ダイを含み、例示された例では、感知側１０１は、センサ１００の頂部上の概して平面的な感知面である。センサ１００は、例えば軽くドープされたｎ型又はｐ型シリコン構造を有する、半導体基板１０２を備える半導体ダイ、逆向きにドープされたウェル１０３、及び、それらの頂部側の誘電体層１０４を含む。半導体ダイは、誘電体層１０４の上に形成される金属化構造も含む。金属化構造は、誘電体層１０４の上方の半導体基板上に延在するプリメタル誘電体（ＰＭＤ）１０６を備える第１のレベル１０５を含む。金属化構造は、第１のレベル１０５と感知側１０１との間に配置される第２のレベル１０７も含む。別の例において、金属化構造は２つより多くのレベルを含む。図１における第２のレベル１０７は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの第１のレベル間誘電体（ＩＬＤ）層１０８を含む。例示された例は、下にあるＰＭＤ層１０６の頂部側上に導電アルミニウムから形成され、ＩＬＤ材料１０８で覆われる、パターン化された特徴１０９を備える、単一のＩＬＤレベル１０７を含む。他の例において、金属化構造は、信号配路及び／又は構成要素相互接続のための、導電ルーティング特徴及び導電コンタクト又はバイアを備える、任意の整数のレベルを含む。
【0017】
導電パターン化された電極層１１０が、下記で更に説明するように、様々な導電電極特徴を形成するためにＩＬＤ層１０８の頂部側上で延在する。一例において、パターン化された電極層１１０は、プラチナであるか又はプラチナを含む。動作において、流体の電位は、パターン化された電極層１１０の一つ又は複数の電極との接触によって設定され、露出された電極は、好ましくは、流体、例えば、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）、パラジウム（Ｐｄ）などを備える、非反応性材料であるか又は非反応性材料を含む。溶液電位は、理想的には加熱器の外側に接続されて、加熱感知電極の電圧電位が変化しないようにする。パターン化された電極層１１０の特定の電極は、例えば、図１及び図２において１１１及び１１２と示されるような、露出された上側表面又は側部を有する。残りのパターン化された電極層１１０、及びＩＬＤ層１０８の頂部側は、金属化構造の感知側１０１と第２のレベル１０７との間に延在する誘電体層１１３によって覆われる。一例において、誘電体層１１３は、流体１１４との直接接触するときに安定している、一つ又は複数の材料であるか又はそれを含む。水のｐＨ感知の応用例にとって適切な例には、五酸化タンタル(Ｔａ２Ｏ５)、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、及び二酸化シリコン（ＳｉＯ２）窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が含まれる。
【0018】
ｐＨ感知応用例に設置された用途において、誘電体層１１３の頂部側又は表面は、被覆された電極と流体１１４との間に絶縁バリアを形成する。感知側１０１は、ｐＨ又は他の流体特性を感知するために、水又は他の液体又は気体などの流体１１４に結合され、センサ１００は、半導体ダイを保護し、流体１１４をセンサ１００の感知側１０１に結合（例えば、直接露出）させ得る、エンクロージャ（図示せず）などのパッケージ構造を含むことができる。
【0019】
金属化構造の第２のレベル１０７も、パターン化された電極層１１０の選択特徴と、ＰＭＤ層１０６の頂部側上の選択パターン化された特徴１０９との間に、電気接続を形成するための導電バイアを含む。図１は、電極特徴１１０を配路特徴１０９と電気的に相互接続するバイア１１５、及び、フローティングゲート電極特徴１１０をトランジスタゲート配路特徴１０９と相互接続する別のバイア１１６を含む、２つの例を示す。第１のレベル１０５のＰＭＤ層１０６は、半導体ダイにおける電極、他の構成要素、又は回路への配路及び結合のために、選択構成要素端子（例えば、トランジスタゲート、ドレイン、及びソースなど）を、それぞれのパターン化された特徴１０９に電気的に相互接続する、導電バイア（例えば、タングステン（Ｗ））を含む。
【0020】
図１は、センサ１００の３つの部分１１７、１１８、及び１１９の選択側部断面図を示し、３つの部分の位置は、図２の上面図において対応する切断線１－１に沿って示される。部分１１７は、センサ１００の温度感知領域（図１では「温度感知」、図２では「温度感知（サーミスタ）」と標示される）の特徴及び態様を示す。部分１１８は、センサ１００の流体電位感知領域（図１及び図２では「流体電位感知」と標示）の特徴及び態様を示す。部分１１９は、センサ１００の流体電位感知領域の特徴及び態様を示す。図２に更に示されるように、例示のセンサ１００は更に、各々が全般的に図１に示され下記で更に説明する特徴を有する２つの部分１１９を備える流体電位感知領域の２つのインスタンスを含む。
【0021】
図１において最も良く示されるように、センサ１００の流体電位感知部分１１９は、ゲート誘電体１２１と、ゲート誘電体１２１の上に配置されるゲート１２２と、ドレイン１２４と、ソース１２６とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１２０を含む。この例において、ドレイン１２４及びソース１２６は、基板１０２の下線部分の極性とは逆の極性を有するドーパントを有する、複数の高度にドープされた注入領域を含む。例示された例において、トランジスタ１２０はｎチャネルトランジスタである。他の例において、トランジスタ１２０はｐチャネルトランジスタである。一例において、トランジスタ１２０は拡張ゲートＩＳＦＥＴである。金属化構造の第１のレベル１０５は、第２のレベル１０７におけるパターン化された特徴１０９に対応する、トランジスタ１２０のそれぞれのゲート１２２、ドレイン１２４、及びソース１２６からの電気的接続を形成するタングステンコンタクトを含む。センサ１００の動作において、下記で更に説明するように、流体１１４のｐＨを感知するためにトランジスタゲート１２２のゲート電圧ＶＧが測定される。図１に示されるように、センサ１００の部分１１８は、流体１１４に結合するために、誘電体層１１３内の第３の開口を介して露出される第３の表面１３０を有する、パターン化された電極特徴１１０を含む。
【0022】
金属化構造は、流体１１４のｐＨを感知するために用いられる様々な電極１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、及び１３６を形成する、パターン化された特徴１１０を含む。温度感知部分１１７において、第１の電極１３１が第２のレベル１０７内の第１の電極１３１から離間され、流体１１４に結合されるべき誘電体層１１３内の第１の開口を介して露出される第１の表面１１１を含む。
【0023】
第２の電極１３２が、図１に示される流体電位感知部分１１９における第２のレベル１０７内の第１の電極１３１から離間されている。第２の電極１３２は、流体１１４に結合されるべき誘電体層１１３内の第２の開口を介して露出される第２の表面１１２を含む。流体電位感知部分１１９において、第３の電極１３３が、第２のレベル１０７内の第１及び第２の電極１３１、１３２から離間されている。第３の電極１３３は、流体１１４の電位を感知するためのゲート１２２に結合される。第３の電極１３３は、流体１１４とゲート１２２との間にキャパシタを形成するために、誘電体層１１３によって感知側１０１から分離される。第３の電極１３３は、流体１１４との直接接触を有さない。本例において、第３の電極１３３の上方の流体１１４は上側キャパシタプレートを形成し、第３の電極１３３は下側キャパシタプレートを形成し、これらのキャパシタプレートは、介在する誘電体材料の層１１３によって分離されてキャパシタ１３８を形成する。
【0024】
第４の電極１３４が、温度感知部分１１７における第２のレベル１０７内に配置される。第４の電極１３４は、図１に示されるように、導電バイア１１５によって温度感知回路に結合されるサーミスタとして動作する。第４の電極１３４は、第１、第２、及び第３の電極１３１、１３２、及び１３３から離間される。第４の電極１３４は感知側１０１から誘電体層１１３によって分離され、第４の電極１３４は流体１１４との直接接触を有さない。
【0025】
部分１１８において、第５の電極１３５が、金属化構造の第２のレベル１０７内のそれぞれの第１、第２、及び第４の電極１３１、１３２、及び１３４から離間されている。第５の電極１３５は、例えば、図１及び図２において破線１３７によって示される、第１及び第２のレベル１０５及び１０７内の導電相互接続配路トレース及びバイア（図示せず）によって、第３の電極１３３に電気的に結合される。第５の電極１３５は、誘電体層１１３によって感知側１０１から分離され、第５の電極１３５は流体１１４との直接接触を有さない。第６の電極１３６が、流体電位感知部分１１８における第２のレベル１０７内の、それぞれの第１、第２、第３、第４、及び第５の電極１３１、１３２、１３３、１３４、及び１３５から離間されている。第６の電極１３６は、流体１１４に結合されるべき誘電体層１１３における第３の開口を介して露出される第３の表面１３０を有する。
【0026】
センサ１００は、半導体ダイにおける流体電位感知回路１４０を含む。流体電位感知回路１４０は、トランジスタ１２０に結合され、流体１１４の電位を表す出力信号を提供するように構成される。トランジスタゲート１２２は、流体１１４と第３の電極１３３との間に誘電体層１１３によって形成されるキャパシタ１３８を介して流体１１４の電位を感知するために、第３の電極１３３に結合される。流体電位感知回路１４０は、トランジスタ１２０のドレイン１２４に結合される第１の入力１４１と、トランジスタ１２０のソース１２６に結合される第２の入力１４２と、トランジスタ１２０の本体接続に結合される第３の入力１４３と、出力とを有する。流体電位感知回路の出力は、下記で更に説明するようにコントローラに結合され、出力は、流体１１４の電位を表す出力信号を提供するように構成される。
【0027】
センサ１００は、半導体ダイ内に出力１５１、１５２、及び１５３を備える加熱器回路１５０を有する加熱装置を含む。加熱装置は、金属化構造の第２のレベル１０７内に金属レジスタ１５４も含む。加熱器回路１５０の出力１５１、１５２、及び１５３は、金属レジスタ１５４に結合される。加熱器回路１５０は、流体１１４を選択的に間接的に加熱するために、金属レジスタ１５４に電流信号を搬送するように構成される。金属レジスタ１５４は、一例において、金属化構造の第２のレベル１０７の、それぞれの温度感知及び流体電位感知の部分１１７及び１１８において延在する、相互接続されたアルミニウム加熱フィン構造１０９によって形成される。金属レジスタ特徴は、金属化構造の第２のレベル１０７内の電極１３１、１３４、１３５、及び１３６の部分の下方に近接して延在するが、これらの部分から離間されている。
【0028】
図６に関連して下記で更に表示及び説明するように、加熱器回路１５０は、金属レジスタ１５４のそれぞれの縦断面のタップに結合される第１の出力１５１を含む。加熱器回路１５０の第２の出力１５２は、金属抵抗器１５４のそれぞれの縦断面の第１の端部に結合され、第３の出力１５３は、金属抵抗器１５４のそれぞれの縦断面の第２の端部に結合される。本例において、加熱器回路１５０の第２の出力１５２は、加熱器回路１５０の第１の出力１５１の電圧ＶＭに関して正の、第１の電圧信号ＶＰを提供するように構成される。また、加熱器回路１５０の第３の出力は、第１の出力１５１の電圧ＶＭに関して負の、第２の電圧信号ＶＮを提供するように構成される。金属抵抗器１５４を感知側１０１に近接して置くことにより、加熱器回路１５０が、特に感知側１０１近くの流体１１４の温度を制御できるようにする。この温度制御により、流体温度が異なる温度である間、フローティングゲート１２２のゲート電圧ＶＧを測定及びサンプリングすることによって、流体１１４のｐＨの正確な評価が可能になる。
【0029】
センサ１００は、サーミスタとして動作する第４の電極１３４と、温度感知回路１６０とを含む温度感知装置を有する。温度感知回路１６０は、図１に示されるように、センサ１００の温度感知部分１１７において、導体（例えば、アルミニウム）配路特徴１０９及び導電バイア１１５を介して第４の電極１３４に結合される入力１６１を含む。一例における加熱（例えば、温度上昇）は、流体１１４及び半導体ダイの両方において非常に局所的である。一実装において、加熱器／温度センサの組み合わせは、所与の制御信号についての温度上昇を判定するか、又は、目標の温度上昇を達成するための必要とされる制御信号を判定する。流体電位感知回路１４０は、この情報を用いて、一例における加熱と共に及び加熱無しに、異なる電位を得る。更に一例において、チップ及び流体１１４の永続的な加熱を軽減又は回避するため、及び電力消費を低減させるために、加熱は短パルスで生じる。一例において、加熱器のデフォルト状態は、加熱器がオフの状態で閉じるトランスファゲートを有する。一例において、センサは、ΔＴ又は加熱器制御値（加熱器オン対加熱器オフ）を判定するために温度センサを用いる第１の段階、及び、トランスファゲートが開の状態で流体電位を感知するための第２の段階を含む、２つの段階を実装し、センサは、２つの電位サンプル及び温度変化に従って流体ｐＨを計算する。動作において、温度感知回路１６０は、第４の電極１３４の温度を判定するために、第４の電極１３４の抵抗を感知する。一例において、温度感知回路１６０は電流源を含み、電流源は、第４の電極１３４の一方の端部に所定の電流を選択的に印加し、電極抵抗を判定するために第４の電極１３４の第１の端部と第２の端部の間の電圧を感知する。この例において、温度感知回路１６０は、電圧感知回路要素を含み、第４の電極１３４の温度と相関され得る出力電圧信号を提供する。第４の電極１３４が流体１１４に近接することに起因して、出力電圧信号は流体１１４の温度を表す。
【0030】
一実装において、温度感知回路１６０からの出力電圧信号は、２つ又はそれ以上の既知の温度における流体電位感知出力をサンプリングするために、流体電位感知回路１４０の出力のサンプリングのタイミングを制御するために、流体温度を検証するコントローラに提供される。別の実装において、温度感知回路１６０からの出力電圧信号は、温度フィードバック信号としてコントローラに提供され、コントローラは、第４の電極１３４の温度及び閉ループ様式を調節するために、加熱器回路１５０の動作を修正する。
【0031】
一例におけるセンサ１００は、ゲート制御回路１７０（図１では「フローティングゲート制御」と標示）も含む。ゲート制御回路１７０はゲート１２２に結合される出力１７１を含み、ゲート制御回路１７０は調整信号をゲート１２２に提供するように構成される。一例において、ゲート制御回路１７０は、図１に示されるトランジスタ１２０の本体接続に結合される出力１７２も含む。動作において、ゲート制御回路１７０は、特定の例において、流体電位感知測定の前又は後に、トランジスタゲート１２２のゲート電圧ＶＧをリセット又は安定させるために用いられる。ゲート制御回路１７０の例示の実装は、図９及び図１０に関連して下記で更に図示及び説明する。
【0032】
センサ１００は、半導体ダイ内のコントローラ１８０を更に含む。コントローラ１８０は、電気接続によって、流体電位感知回路１４０、加熱器回路１５０、温度感知回路１６０、及びゲート制御回路１７０に動作可能に結合される。一例において、コントローラ１８０は、例えば、回路１４０、１５０、１６０、及び／又は１７０に制御信号を送信するため、及び、これらの回路からデジタル信号を受信するために、状態機械を実装するため、又は、他の論理動作を実行するための、論理回路要素を含む。一例において、コントローラ１８０は、バッファ、増幅器、アナログデジタル変換器などの、一つ又は複数のアナログインタフェース回路も含む。コントローラ１８０は、論理回路構成及び／又はプログラミングによって、下記で更に説明するような様々な動作及び機能を実施するように構成される。一実装において、コントローラ１８０は、異なる温度において一連のフローティングゲート電圧測定を繰り返すことによって、流体１１４のｐＨを連続的に感知するように、回路１４０、１５０、１６０、及び／又は１７０を制御する、及び／又は、これらの回路とインタフェースする。本実装におけるコントローラ１８０は、出力１８１においてｐＨ信号（図１では「ＰＨ」と標示）を提供する。
【0033】
センサ１００は、図１において第１の横方向Ｘ及び縦方向Ｚを伴う側面図で示される。図２は、第１及び第２の横方向Ｘ及びＹの平面におけるｐＨセンサ１００の一例の平面図を示す。図２の下向き平面図は感知側を示し、感知側は、誘電体層１１３の頂部表面と、誘電体層１１３のそれぞれの第１、第２、及び第３の開口を介して露出される、電極１３１、１３２、及び１３６の電極表面とを含む。図２は、誘電体層１１３によって覆われる、破線内の、下にある特徴及び構造も示す。図２におけるこれらの破線の構造は、第３の電極１３３、領域２０２及び２０４内の第４の電極１３４、領域２０１及び２０３内の第５の電極１３５、並びに、加熱器回路１５０の出力１５１、１５２、及び１５３への番号が付けられた接続を伴う、パターン化されたアルミニウム特徴１０９を含む。
【0034】
図２におけるセンサ実装は、第２の電極１３２によって横方向に囲まれた、４つの概して正方形の内部領域２０１、２０２、２０３、及び２０４を含む。この例において、領域２０３は領域２０１の第２のインスタンスであり、領域２０４は領域２０２の第２のインスタンスである。他の実装は、４つのこうした領域又は異なる数の領域の配置を含む。領域２０１～２０４は概して正方形であるが、異なる例では他の形状を用いることができる。この例では、それぞれの第１及び第４の電極１３１及び１３４は、第２のレベル１０７における第１の領域２０１（及び第３の領域２０３）内にある。また、第５及び第６の電極１３５、１３６は、金属化構造の第２のレベル１０７における第２の領域２０２（及び領域２０１）内にある。領域２０１～２０４はすべて、図２に示されるように互いに離間され、第２の領域は第１の領域から離間されている。第２の電極１３２は、領域２０１～２０４を横方向に囲み、概して長方形の形状を有するが、これはすべての可能な実装の厳密な要件ではない。
【0035】
この例におけるそれぞれの第１及び第６の電極１３１及び１３６は、それぞれの第５及び第４の電極１３５及び１３６を囲む外側の長方形構造を有する。例えば、第１の電極１３１は、第２及び第４の領域２０２及び２０４の第２の金属化レベル１０７において第４の電極１３４を横方向に囲む。同様に、第６の電極１３６は、領域２０１及び２０３の第２のレベル１０７において第５の電極１３５を横方向に囲む。また、それぞれの第４及び第５の電極１３４及び１３５は、第１の方向Ｘに沿って延在する細長い部分を備える蛇行形状を有する。第１及び第６の電極１３１及び１３６は、それぞれの蛇行形状の電極１３４及び１３５の分岐間で第１の方向Ｘに沿って延在する、逆方向に配置され、内側に延在する分岐部分を有する。例えば、第１の電極１３１は、領域２０２及び２０４における第４の電極１３４の細長い部分のうちの隣接する部分間で第１の方向Ｘに沿って延在する、内側に延在する分岐部分を有し、第６の電極１３６は、領域２０１及び２０３における第１の電極１３１の細長い部分のうちの隣接する部分の間で第１の方向Ｘに沿って延在する、内側に延在する分岐部分を有する。図２に示されるように、或る実装が、流体電位感知部分１１９の２つ又はそれ以上のインスタンスを含み、各々が、図１に関連して上記で説明したようなフローティングゲートトランジスタ１２０及び関連付けられた回路要素を有する。貫通（encircling）電極１３１及び１３６は、それぞれの貫通蛇行電極１３４及び１３５からほぼ等しく離間される。他の例において、電極は異なる量だけ離間される。図１及び図２における電極１３１、１３４、１３５、及び１３６は、概して等しい横幅である。他の例において、電極１３１及び１３４～１３６は異なる幅を有する。
【0036】
図３は、図１及び図２のセンサ１００を用いてｐＨを感知するための方法３００を示すフローチャートである。一例におけるコントローラ１８０は、図１における回路１４０、１５０、１６０、及び／又は１７０のうちの一つ又は複数を用いて方法３００を実施するように構成される。図１に示されるように、半導体ダイ１０２、１０５、１０７の感知側１０１が流体１１４に結合された状態で、コントローラ１８０は一つ又は複数の測定サイクルにおいて方法３００を実装し、そのうちの１つが図３に示されている。一実装において、方法３００は、ゲート１２２の電圧ＶＧの測定前又は測定後に、３０２及び３０４におけるフローティングゲート電圧ＶＧを設定又は調整することを含む。図３の例において、コントローラ３０２は、ゲート制御回路１７０を用いて、ゲート電圧ＶＧを３０２においてターゲット電圧に設定する。一例において、コントローラ１８０は、３０２において、ゲート電圧ＶＧをターゲットレベルに設定するために、トランジスタゲート１２２を電圧基準に一時的に結合するように、ゲート制御回路にトランスファゲートを閉じさせる（例えば、図１０に関連して下記で更に説明する）。この例では次いで、３０４において、コントローラ１８０はトランスファゲートを開き、トランジスタゲート１２２は電気的に浮遊したままである。
【0037】
次いでコントローラ１８０は、２つのそれぞれの温度において２つのフローティングゲート電圧測定のシーケンスを実装し、２つの温度及びそれぞれのゲート電圧測定に基づいて、流体のｐＨを計算する。一例では、３０６において、コントローラ１８０は、加熱装置（例えば、加熱器回路１５０）を用いて、流体１１４の温度を第１の温度Ｔ１に制御する。一例において、これは、例えば加熱電力をオフにすることによって、流体温度をＴ１に設定することを含む。別の実装において、コントローラ１８０は、流体１１４の温度を第１の温度Ｔ１に設定するために、加熱器回路１５０による非ゼロレベルへの電力の印加を制御する。図３の３０８において、一例ではコントローラ１８０は、温度感知回路１６０を用いて、流体１１４の温度が所望の第１の温度Ｔ１又はその近くであるかどうかを検証する。この例において、温度がＴ１周辺の所定の許容範囲内にない場合（３０８において「いいえ」）、コントローラ１８０は、３０８において、測定された温度の監視を続行する。
【0038】
温度が第１の温度Ｔ１の許容範囲内にあると（３０８において「はい」）、コントローラ１８０は、３１０において、流体電位感知回路１４０を用いてフローティングゲート電圧ＶＧを測定する。一例では、コントローラ１８０は、流体１１４の温度がＴ１である間に、流体電位感知回路１４０から出力信号の第１のサンプルを受信する。一例において、これは、流体１１４の温度が第１の温度Ｔ１である間に、ゲート１２２の第１の電圧ＶＧを測定することを含む。一実装において、ゲート電圧は、例えばバッファ増幅器回路を用いて、直接感知される。別の例において、流体電位感知回路１４０は、トランジスタ１２０のチャネルを介して電流信号を提供し、結果として生じるトランジスタドレイン１２４とソース１２６との間のドレイン－ソース電圧を測定してドレイン－ソースインピーダンスを判定し、感知されたドレイン－ソースインピーダンスに基づいて対応するフローティングゲート電圧ＶＧを計算する。
【0039】
一例において、コントローラ１８０は次いで、加熱器回路１５０に流体１１４の温度を第２の温度Ｔ２へと制御させる。一実装において、これは、３１２において加熱器回路１５０に加熱電力をオンにさせること、及び、３１４において、温度感知回路１６０を用いて、測定したサーミスタ温度が異なる第２の温度Ｔ２に等しいかどうかを判定することを含む。一例においてコントローラ１８０は、３１４において、温度感知回路１６０を用いて、流体１１４の温度が所望の第２の温度Ｔ２又はそれに近いかどうかを検証する。この例において、温度がＴ２周辺の所定の許容範囲内にない場合（３１４において「いいえ」）、コントローラ１８０は、３１４において、測定された温度の監視を続行する。温度がＴ２の許容範囲内にあるとき（３１４において「はい」）、コントローラ１８０は、流体１１４の温度が第２の温度Ｔ２である間に、３１６において、流体電位感知回路１４０を用いて第２のゲート電圧ＶＧを測定する。
【0040】
３１８において、コントローラは、ゲート１２２の第１及び第２の電圧ＶＧ、第１の温度Ｔ１、及び第２の温度Ｔ２に基づいて、流体１１４のｐＨを計算する。その後、この方法は３０２に戻り、コントローラ１８０は、次の測定サイクルのために方法３００を繰り返す。一実装において、コントローラ１８０は、方法３００を繰り返すために概して連続して動作する。別の実装において、コントローラ１８０は、例えばホスト回路（図示せず）からの要求信号に応答して、図３に示されるような測定サイクルをオンデマンドで実装する。一例において、コントローラ１８０は、図１の出力１８１において出力信号ＰＨを提供し、一例において出力信号ＰＨは、流体１１４のｐＨを表す振幅を備えるアナログ電圧又は電流信号である。別の実装において、出力信号ＰＨは流体１１４のｐＨを表すデジタル値である。一例において、センサ１００は、ｐＨ値の連続読み出しを提供するディスプレイ又は他のユーザインタフェース（図示せず）を含み、ｐＨ値はオンデマンドで、又は３１８において計算される直近のｐＨ値を用いて連続的に更新される。
【0041】
一例における動作において、コントローラ１８０は、流体１１４のｐＨを計算するための計算回路要素（例えば、プログラム済み、又は構成済み、又はプログラマブル論理の論理演算ユニット（ＡＬＵ）、又はそれらの組み合わせ）を含む。センサ１００は、感知側１０１の一部に沿った誘電体層１１３の感知導電体インタフェースにおいて、流体１１４の局所温度を変更するためにトランジスタゲート１２２に結合される、感知第３電極１３３の下方のオンダイ加熱装置を含む。２つの異なる温度における同じ流体１１４のためのトランジスタ電圧を測定することによって、コントローラ１８０は、２つの温度Ｔ１及びＴ２並びにそれぞれの第１及び第２のゲート電圧ＶＧに基づいて、ネルンストの式を用いてｐＨを計算又は算出する。ネルンストの式は、還元電位を標準電極電位、温度、及び濃度に関連付けるものであり、セル電位Ｅｃｅｌｌ＝Ｅ０ｃｅｌｌ－Ｒ×Ｔ×ＬＮ（ＸＨ＋／Ｘ０Ｈ＋）／Ｆであって、この式で、Ｘは濃度であり、Ｘ０はＸＨ＋と共に変動しない基準濃度である。結果として、一例においてコントローラ１８０は、式ｐＨ＝ＬＯＧ（ＸＨ＋）＝ＬＯＧ（ｅ）×ＬＮ（ＸＨ＋）に従って流体ｐＨを計算し、計算されたｐＨに従い、出力１８１において出力信号（例えば、アナログ電圧又は電流又はデジタル値）を提供する。センサ１００の特定の実装は、費用の掛かる複雑なリファレンスを必要としないｐＨ感知ソリューションを提供し、センサ１００は、２つの温度において拡張ゲートＩＳＦＥＴ又は他のトランジスタ１２０を用いてソリューション電位を測定する。一実装において、サンプル間の時間は短く、例えば２つの温度間の遷移を可能にする。一例において、センサ１００は、キャパシタ１４４及び誘電体層１１３によって容量的に結合されたフローティングゲート１２２と共に、流体電位を感知するためのリファレンスとして、プラチナ（Ｐｔ）電極１３１～１３６を用いる。例示された例では、更に、流体１１４の電位は、誘電体層１１３内の対応する開口を介して流体１１４に晒される貫通第１及び第６電極１３１及び１３６によって感知される。
【0042】
上記の例において、コントローラ１８０は、流体１１４の温度を第１及び第２の所定の温度値Ｔ１及びＴ２へと制御するように加熱器回路１５０を動作させる。例示された例では、コントローラ１８０は、感知された温度が所望の値に到達する時点を検証するため、及び／又は、感知された流体温度を所望の値Ｔ１又はＴ２へと制御するために加熱器回路１５０を用いて閉ループ制御のための温度フィードバック信号を提供するために、温度感知回路１６０、及び第４の電極１３４によって実装されるサーミスタも利用する。
【0043】
別の可能な実装において、第１及び第２の温度は事前に決定されず、コントローラ１８０は、２つの異なる温度において第１及び第２のゲート電圧値ＶＧを測定するために、加熱器回路１５０の制御と組み合わせて温度感知回路１６０からの温度フィードバックを用いる。この実装において、温度感知回路１６０からのフィードバックを用いて、所与の測定サイクルについて異なる温度Ｔ１及びＴ２の実際の値を確認し、３１８において、これらの値をそれぞれの第１及び第２のゲート電圧値ＶＧと共に用いて、流体ｐＨを計算する。一例において、コントローラ１８０は、流体電位感知回路１４０からの出力信号の第１及び第２のサンプル、第１の温度Ｔ１、及び第２の温度Ｔ２に基づいて、流体１１４のｐＨを表す信号ＰＨを出力１８１において提供する。
【0044】
特定の実装において、コントローラ１８０は、ゲート制御回路１７０を用いて測定サイクル間でフローティングゲートトランジスタ１２０のゲート電圧ＶＧを安定化又は設定し、各測定サイクルは、例えば各ｐＨ測定サイクルの始まりの、２つ又はそれ以上の異なる温度における測定を含む。別の例において、コントローラ１８０は、ゲート制御回路１７０を用いて、所与のｐＨ測定サイクルの終わりにゲート電圧ＶＧを設定又は調整する。別の可能な実装において、コントローラ１８０は、ゲート制御回路１７０を用いて、異なる間隔で、例えば整数ＮのｐＨ測定サイクルの後毎に、ゲート電圧ＶＧを設定又は調整する。
【0045】
また、いくつかの実装において、コントローラ１８０は、個々の測定サイクル中に、閉ループの制御及び／又は加熱器回路１５０の流体温度バイアの検証を提供するために、温度感知回路１６０からの感知された流体温度信号又は情報を使用する。この点で、コントローラ１８０は、特定の例において、温度感知回路１６０からのフィードバックが、所望の値を含む特定の非ゼロの許容範囲内にあるとき、流体温度が所望の値であるものと決定する。
【0046】
例示された例において、コントローラ１８０は、電流信号を金属抵抗器１５４に搬送するのを控える（加熱電力は印加されない）ように、及び、加熱器回路１５０が電流信号を金属抵抗器１５４に搬送するのを控えている間、流体電位感知回路１４０から出力信号を受信するように、第１のモード（例えば、図３の３０６）において加熱器回路１５０を制御することによって、オン又はオフ温度制御を実装する。第２のモード（例えば、図３の３１２）において、コントローラ１８０は、加熱器回路１５０が電流信号を金属抵抗器１５４に搬送するように制御し、加熱器回路１５０が電流信号を金属抵抗器１５４に搬送する間に、流体電位感知回路１４０から出力信号を受信する。他の実装において、加熱器回路は、コントローラ１８０による閉ループ制御をサンプリングするか又は用いる前に、温度検証（例えば、図３の３０８及び３１４）と共に開ループ制御を用いるかどうかにかかわらず、２つの異なる流体温度を達成するために２つの異なる振幅の電流信号を印加すること、２つの異なる流体温度を達成するために電流信号のパルス幅変調を使用すること、などによって、異なる加熱制御技法を実装する。一例において、コントローラ１８０は、第１又は第２のモードの少なくとも１つにおいて、温度感知回路１６０から温度フィードバック信号を受信し、（ａ）温度フィードバック信号に基づいて、金属抵抗器１５４への電流信号の振幅又はタイミングを制御すること、（ｂ）温度フィードバック信号に基づいて、流体電位感知回路１４０からの出力信号のサンプリング又は第２の出力信号のサンプリングを制御すること、或いは、（ｃ）流体電位感知回路１４０からの出力信号、第２の出力信号、及び、温度フィードバック信号に基づいてｐＨ信号を提供すること、のうちの１つを実施する。
【0047】
また、特定の実装において、コントローラ１８０は、２つ又はそれ以上の異なる温度において取得された感知された流体電位信号サンプルに基づいて、及び、異なる温度値に基づいて、流体１１４のｐＨを計算する。例えば、別の実装においてコントローラ１８０は、流体温度を３つ又はそれ以上の異なる温度値に設定又は制御し、第１、第２、及び第３（又はそれ以上）のそれぞれのゲート電圧値ＶＧを測定し、３１８において、これら３つ又はそれ以上の異なる温度値と対応するゲート電圧値とを用いて流体のｐＨを計算する。
【0048】
このようにして、センサ１００は、流体１１４における外部リファレンスを必要とせずに、流体１１４のｐＨを感知する。これにより、有利なことに、外部リファレンスを用いるｐＨセンサに比べて費用及び複雑さが低減される。特定の例において、ゲート制御回路１７０を選択的な使用することで、ドリフト及び他の影響を弱めることによって、経時的な流体電位の安定性が容易となる。
【0049】
図４は、図１及び図２のｐＨセンサにおける容量結合の概略的表現を示す。概略的に表されているため、流体電位感知キャパシタ１４４は、トランジスタ１２０のフローティングゲート１２２への他の容量結合よりも大きい。感知キャパシタ１４４は、フローティングゲート１２２と、図４では電圧ソース４０２であると表される流体電位との間に、容量結合を提供する。流体１１４は、誘電体層１１３内の対応する開口を介した直接接続によって、露出電極１３１及び１３６の電位に保持され、これは図４において、電極電圧源４０４（例えば、プラチナ電極１３１及び１３６の電圧ＶＰｔ）として表される。一実装において、加熱器回路１５０は、正の第１の加熱器電圧ＶＨ＋を金属抵抗器１５４の一方の端部（図４では第１の電圧源４０６として表される）に提供し、負の第２の加熱器電圧ＶＨ－を金属抵抗器１５４の他方の端部（第２の電圧源４０８として表される）に提供する。これらの電圧は、小さなキャパシタによってトランジスタ１２０のフローティングゲート１２２に容量的に結合される。
【0050】
図４に更に示されるように、別の小さなキャパシタは、電圧Ｖｓｓをフローティングゲート１２２に結合する半導体ダイの寄生容量を表す（更なる電圧源４１０として表される）。こういったセンサ構成は、一例においてフローティングゲート１２２への加熱器容量結合を軽減又は防止する。例示された例において、金属抵抗器１５４は、大きな結合容量を備えるプラチナ／流体感知キャパシタ１４４の直下に配置される。一実装において、加熱器回路１５０は、検出される信号がｍＶの範囲内にある間に、ボルトの範囲内で
電圧ステップ（ＶＨ＋、ＶＨ－）を金属抵抗器１５４に提供する。図６に関して下記で更に説明するように、一例において加熱器回路１５０は、有利なことに、加熱中に電流信号を金属抵抗器１５４に搬送するために、対称電圧ステップＶＨ＋及びＶＨ－を印加する。
電圧ステップ（ＶＨ＋、ＶＨ－）を金属抵抗器１５４に提供する。図６に関して下記で更に説明するように、一例において加熱器回路１５０は、有利なことに、加熱中に電流信号を金属抵抗器１５４に搬送するために、対称電圧ステップＶＨ＋及びＶＨ－を印加する。
【0051】
図５は、図１及び図２のｐＨセンサ１００において流体電位感知回路１４０として用いることが可能な、例示の流体電位感知回路５４０を示す。この例は、フローティングゲート１２２の電圧ＶＧを表す出力電圧信号を提供するために、一定のチャネル電荷をバッファ回路に提供する。バッファ回路は、供給電圧ＶＳを有する供給電圧端子５０３に結合される、第１の回路分岐５０１及び第２の回路分岐５０２を含む。第１の回路分岐５０１は、第１のカスコードトランジスタ（例えば、ｎチャネルＦＥＴ）と直列に結合される、この例ではｐチャネルＦＥＴである第１の電流ミラートランジスタ５０４と、供給電圧端子５０３とテール電流端子との間の感知トランジスタ１２０とを含む。第２の回路分岐５０２は、供給電圧端子５０３とテール電流端子との間で第２のカスコードトランジスタ５１０（例えば、ｎチャネルＦＥＴ）と直列に結合される、第２のｐチャネル電流ミラートランジスタ５０８と、半導体ダイ内に感知トランジスタ１２０としてマッチング寸法を有するように構築されたｎチャネルトランジスタ５００とを含む。カスケード電圧リファレンス５１２は、カスコードトランジスタ５０６及び５１０のゲートにリファレンス電圧ＶＣＡＳを提供する。流体電位感知回路５４０は、感知トランジスタ１２０のドレイン１２４、ソース１２６、及び本体接続との相互接続のための、図１及び図２における流体電位感知回路１４０のそれぞれの入力１４１、１４２、及び１４３に対応する、入力５４１、５４２、及び５４３を含む。この例の流体電位感知回路５４０は、感知増幅器からフローティングゲート１２２へ戻る容量結合を軽減する。この例において、トランジスタ１２０の動作条件（例えば、ドレイン電流Ｉｄ、ドレイン－ソース電圧Ｖｄｓ）を変更することで、フローティングゲート内で反映可能であり、エラーを生じさせる可能性がある、チャネル電荷における変化を生じさせる。例示のバッファ回路５４０及び図５は、負のフィードバックを伴う差動増幅器としての動作によって、感知トランジスタ１２０に対して、概して一定のドレイン電流Ｉｄ及び概して一定のドレイン－ソース電圧Ｖｄｓを提供する。このようにして、一定のテール電流ＩＴＡＩＬは、フローティングゲート感知トランジスタ１２０とリファレンストランジスタ５００との間で実質的に等しく分配され、感知トランジスタ１２０を介して概して一定のドレイン電流Ｉｄを与える。カスコードトランジスタ５０６及び５１０は、トランジスタ１２０及び５００の両方にわたって、ドレイン－ソース電圧Ｖｄｓを一定値に調節するように動作する。リファレンス電圧源５１２は、一定のドレイン－ソース電圧Ｖｄｓを設定する。この回路ミラートランジスタ５０４及び５０８の出力は、フローティングゲート電圧を設定し、デバイスパラメータの変動は、センサ１００の製造及び動作におけるプロセス、温度、及び電圧の変動を軽減するために、良好なマッチングを用いて完全に又は実質的に相殺される。
【0052】
図６～図８を参照すると、図６は、図１及び図２のｐＨセンサ１００の第１の金属化レベル１０５における、図１及び図２の金属抵抗器１５４の例示の構造の平面図を示す。図７は、電極構造１３１、１３２、１３３、１３４、１３５、及び１３６、並びに第２の金属化レベル１０７の平面図を示し、図８は、図１及び図２のｐＨセンサにおける誘電体層内のそれぞれの開口を介して露出される、特定の電極の感知側面及び表面の平面図を示す。この例における例示の領域２０１～２０４の各々において、金属抵抗器１５４（図６）は、導電金属（例えば、アルミニウム）のパターン化された特徴１０９及び第１の金属化レベル１０５の６つの折り返しの蛇行パターンとして構築される。これらのパターンの各々は、電圧ＶＰを有する加熱器回路１５０の第２の出力１５２に結合される第１の端部、第３の出力１５３（電圧ＶＮを有する）に結合される第２の端部、及び、中間電圧ＶＭを有する第１の出力１５１に結合される中央タップ又は中間接続を有する。金属抵抗器１５４（例えば、図１）は、第３の電極１３３及び感知キャパシタ１３８に関連付けられた感知エリアの直下を含む、加熱のためのプラチナ電極の直下に配置される。実際には一例において、流体１１４（例えば、水）は、センサ１００の感知側１０１の近く、例えば、感知エリアの表面からおよそ１０ｍｍ以内で、加熱されるだけで良い。金属抵抗器１５４の折り返しの間隔に微細なピッチを使用することで、より均一な熱分布が与えられる。プラチナ電極及び感知エリアの熱伝導性も、均一な熱分布を容易にする。導電金属の蛇行パターンの折り返し間をより微細なピッチ間隔にすることは、所与の供給電圧内にとどめるために、加熱器を平行な加熱器セグメントに分割することと組み合わせることができる。一例において、中間タップは、ゲート１２２のフローティングノード内への低容量結合を容易にする。
【0053】
図２に関連して上記で説明したように、例示の金属抵抗器１５４は、それぞれの第１及び第２の端部と、第１及び第２の端部間のタップとを有する縦断面を含む。それぞれの縦断面は、第２のレベル１０７内で第２の方向Ｙに沿って延在する。加熱器回路１５０は、それぞれの縦断面のタップに結合される第１の出力１５１、それぞれの縦断面の第１の端部に結合される第２の出力１５２、及び、それぞれの縦断面の第２の端部に結合される第３の出力１５３を含む。加熱器回路１５０の第２の出力１５２は、第１の出力１５１の電圧（ＶＭ）に関して正である第１の電圧信号（ＶＰ）を提供し、加熱器回路１５０の第３の出力１５３は、第１の出力１５１の電圧ＶＭに関して負である第２の電圧信号（ＶＮ）を提供する。この加熱器構成は、トランジスタ１２０の金属抵抗器１５４及びフローティングゲート１２２の容量結合の影響を軽減する。
【0054】
一実装において、加熱器回路１５０は、それぞれ、第２及び第３の出力１５２及び１５３において、ＶＨ＋における正の電圧ステップ、及び、ＶＨ－における同じサイズの負の電圧ステップを印加する。この例では、第１の出力１５１において中間タップを使用すること、及び、正（ＶＨ＋）及び負（ＶＨ－）のピンにおいてプルアップ及びプルダウントランジスタを使用することによって、対称電圧ステップが達成される。プルアップ及びプルダウントランジスタがオフにされているとき、結合キャパシタの電圧は中間電圧ＶＭによって決定される。プルアップ及びプルダウントランジスタが対称的にオンにされているとき、中間ノードは欠陥によって生じる少量の電流のみを引き出さなければならず、半導体ダイの製造時のいずれのこうした欠陥も、例えば、金属抵抗器１５４の蛇行折り返し部分とプラチナ電極の感知エリアとが互いに直交する、プラチナ電極及び金属抵抗器のレイアウトを使用することによって、ＶＨ＋及びＶＨ－に対して同じ結合容量を有する。この例において、金属抵抗器１５４の折り返しは概してＹ方向に沿って延在し、蛇行感知電極１３４及び１３５の細長い部分はＸ方向に沿って延在する。
【0055】
このようにして、正の分岐と負の分岐との結合容量間の差は、デフォルトで最小となる。結合容量間のいかなる非対称性の影響も、ＶＨ－における正の電圧ステップ及びＶＨ＋における負の電圧ステップの印加を伴う第２の測定を実施すること、並びに２つの結果を平均化することによって相殺することができる。非対称性相殺は、たとえ結合が実際に分散されても保持される。
【0056】
図９は、上記図１及び図２のｐＨセンサにおいてゲート制御回路１７０として用いることが可能な、例示のゲート制御回路９７０を示す。ゲート制御回路９７０は、半導体ダイにおいて感知トランジスタ１２０の薄膜ゲート酸化物１２１（図１）におけるトンネル効果を介してフローティングゲート電圧ＶＧを設定又は調整する、第１及び第２の制御トランジスタ９０１及び９０２の形態で、アナログフローティングゲート構造を実装する。この例において、コントローラ１８０は、流体電位感知回路１４０から出力信号をサンプリングする前又は後にゲート電圧ＶＧを設定又は調整するために、ゲート制御回路９７０を制御する。図９のゲート制御回路９７０は、第１の制御トランジスタ９０１、第２の制御トランジスタ９０２、第１の電圧源９１０、及び第２の電圧源９２０を含む。第１の制御トランジスタ９０１は、第１の制御ゲート９１１、第１の制御ドレイン９１２、及び第１の制御ソース９１３を有する。第１の制御ゲート９１１は、図９に示すようにフローティングゲートトランジスタ１２０のフローティングゲート１２２に結合され、第１の制御ドレイン９１２は第１の電圧源９１０に結合される。第２の制御トランジスタ９０２は、第２の制御ゲート９２１、第２の制御ドレイン９２２、及び第２の制御ソース９２３を有する。第２の制御ゲート９２１はゲート１２２に結合され、第２の制御ドレイン９２２は第２の電圧源９２０に結合される。ゲート誘電体又はゲート酸化物１２１は、一例において、およそ７０ｍｍの厚みを有し、半導体ダイは、図９に示されるように結合される第１及び第２の制御トランジスタ９０１及び９０２を含み、制御トランジスタのゲートはフローティングゲート１２２に結合される。トンネル効果は、フローティングゲート１２２からの電荷を加えるか又は減じる。例示された例では、電圧源９２０の正のプログラミング電圧ｐｒｏｇｐがフローティングゲート１２２に電荷を加え、電圧源９１０の負のプログラミング電圧ｐｒｏｇｎがフローティングゲート１２２から電荷を減じる。一実装において、フローティングゲート電圧ＶＧの予想される安定性は何年にもわたる範囲内にあり、およそ１２Ｖのプログラミング電圧の絶対値である。
【0057】
図１０は、上記図１及び図２のｐＨセンサにおいてゲート制御回路１７０として用いることが可能な、別の例示のゲート制御回路１０７０を示す。この実装は、トランスファゲート１０００を用いて、フローティングゲート電圧ＶＧを設定又は調整するために、フローティングゲート１２２をターゲット電圧値における電圧リファレンスに選択的に結合する。トランスファゲート１０００は、pチャネルトランジスタ１００１及びｎチャネルトランジスタ１００２を含む。ｐチャネルトランジスタ１００１は、第１のゲート１０１１、第１のドレイン１０１２、第１のソース１０１３、及び第１の本体接続１０１４を有する。
【0058】
ｎチャネルトランジスタ１００２は、第２のゲート１０２１、第２のドレイン１０２２、第２のソース１０２３、及び第２の本体接続１０２４を有する。ｎチャネルトランジスタ１００２の第２のゲート１０２１は、コントローラ１８０から制御信号を受信する制御入力１０４０に結合され、制御信号は、トランジスタ１００１及び１００２をオンにするアクティブ高状態と、トランジスタ１００１及び１００２をオフにする低状態とを有する。ｐチャネルトランジスタ１００１の第１のドレイン１０１２はゲート１２２に結合され、ｎチャネルトランジスタ１００２の第２のドレイン１０２２はゲート１２２に結合される。この例において、ゲート制御回路１０７０は更に、ｐチャネルトランジスタ１００１の第１のソース１０１３及びｎチャネルトランジスタ１００２の第２のソース１０２３に結合される出力１０３１を備える電圧源１０３０を含む。回路１０７０は更に、制御入力１０４０に結合される入力１０４３と、ｐチャネルトランジスタ１００１の第２のゲート１０１１に結合される出力１０４４とを備えるインバータ１０４２を含む。トランスファゲート１０００がオンにされているとき、電圧源１０３０の出力１０３１は、フローティングゲート電圧ＶＧを設定又は調整するためにフローティングゲート１２２に結合される。ｐＨ測定サイクル中、コントローラ１８０は、電圧源１０３０をフローティングゲート１２２から切断するために、トランスファゲート１０００をオフにする。
【0059】
また、例示された例において、トランスファゲート１０００のトランジスタ１００１及び１００２のバックゲート又は本体接続は、トランジスタ１００１及び１００２のソースに接続される。イネーブル信号ｅｎ＝０である非アクティブ状態において、バックゲート相互接続は、フローティングゲート電圧ＶＧがターゲット電圧ＶＴＡＲＧＥＴと異なるときに伝導するように構成される、逆平行ダイオードを作る。およそ＋／－１０ｍＶの範囲内でのデルタ温度測定について予想されるフローティングゲート電圧変動に対し、結果として生じるダイオード電流は、バックゲートが供給及び接地に接続された状態での漏れ電流よりも小さい。
【0060】
図２に関連して上述したように、特定の実装は、複数の感知トランジスタ及び関連する流体電位感知部分１１９を含む。これにより、例えばノイズを低減させるための、複数のセンサの同時測定が容易になる。一例において、コントローラ１８０は、感知部分１１９のそれぞれの感知トランジスタに結合される、２つの流体電位感知回路１４０から測定サンプル信号を取得する。一例において、コントローラ１８０は、ノイズ及び／又はオフセット効果を軽減又は相殺するために、１つの測定サイクルで、温度Ｔ１において第１のセンサを測定し、温度Ｔ２において第２のセンサを測定した後、次の測定サイクルで、温度Ｔ１において第２のセンサを測定し、温度Ｔ２において第１のセンサを測定する。
【0061】
いくつかの例は、費用対効果が高く複雑さの低い、リファレンス無しｐＨセンサ１００を提供し、リファレンスベースセンサよりも小さな信号レベルで動作する。記載される例は、追加のデータを収集するために高速感知を実装し得、したがってノイズ低減手法を利用することができる。図１及び図２の例において、感知トランジスタ１２０は金属抵抗器１５４から横方向に離間され、感知トランジスタ１２０の温度が加熱器温度変化によって強く影響されることはない。第１及び第２の感知トランジスタ１２０（例えば、上記図２に示されるような複数の流体電位感知部分１１９）の使用により、たとえ感知トランジスタ１２０が金属抵抗器１５４から横方向に離れて離間されていない場合であっても、加熱によって生じる局所温度差の補償を助けるために、感知トランジスタの隣でマッチングリファレンストランジスタ使用することが可能になる。特定の実装において、レイアウト構成及びアーキテクチャを用いて、感知電極１３３における熱が感知トランジスタに最小限に結合されることを保証できる。
【0062】
一実装において、電気的相互接続を長くすることは、寄生相互接続容量を潜在的に増加させることができるが、例えば、相互接続導電構造近くに冷却金属を配置することにより、又は、加熱器領域の外側の半導体ダイのポリシリコン及び／又はオンフィールド酸化物上の導電性相互接続構造を配路することにより、フローティングゲートへの第３の電極１３３の相互接続を冷却することによって、熱インパクトを軽減することができる。例示された例は、金属化構造の第２のレベル１０７内に金属抵抗器１５４を含む。他の例において、半導体ダイは、例えば、ＰＭＤ又はポリシリコンレベル、第１の利用レベル、第２の金属化レベル、第３の金属化レベルなどのいずれかにおいて加熱器金属を備える多層金属化構造を含み、金属抵抗器１５４は、好ましくは、感知誘導体層１１３に近接して下方に配置される。また、金属抵抗器１５４と感知電極１３３との間の寄生容量結合は、２つの層の間の空間に依存し、いずれか厚い方の誘電体層１０８によって、又は２つの層の間の複数の空の金属層を使用することによって、結合を増加させることができる。
【0063】
一例において、パターン化された電極層１１０は、プラチナであるか又はプラチナを含む。動作において、流体の電位は、パターン化された電極層１１０の一つ又は複数の電極との接触によって設定され、露出された電極は、例えば、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）、パラジウム（Ｐｄ）などの、流体を備える非反応材料であるか又はこれを含む。流体１１４の電位は、理想的には加熱器エリアの外に接続されるため、感知電極の加熱の電圧電位は変化しない。例えば上記図１、図２、及び図８に示されるような、流体１１４に触れる複数の電極は、流体１１４のＥＳＤ抵抗を強化する。特定の実装は、センサ１００の改良されたＥＳＤ保護を容易にするために、加熱器の下及び感知電極１３３の隣に配置される電極を含む。こうした追加の電極は、一例において、ＥＳＤセルを用いて接続されるため、小さな電圧の場合、この電極は浮遊しているが、フローティングゲート１２２をＥＳＤ事象から保護するために、大きな電圧は接地に接続される。特定の例において、センサは相対的に小さな温度差（例えば、１℃から３０℃）の差を測定するので、ｐＨを感知するための信号レベルは相対的に小さい。例えば、Ｔ１とＴ２との間の１０℃の差は、外部リファレンスを用いるセンサで生成される信号と比べて、ｐＨ当たりおよそ５％の信号を生成することになる。
【0064】
水流体１１４のｐＨを感知するための一例において、水は、安定しているべきであるフローティングゲート誘電体層１１３の隣に組み込み電位を有する。水はプラチナ電極の露出部分に触れ（例えば、上記図８におけるサービス１１１、１１２、及び１３０）、水電位は理想的には安定している。水とプラチナとの間の接触は、水とＰｔとの間に局所電位を生成する。水／Ｐｔ電圧は時間と共にドリフトするが、短い時間期間（例えば、数秒から数分の範囲）にわたって安定している。Ｐｔ電極電位の変化は水の電位をシフトさせる。Ｐｔ電極も、特定の実装において、フローティングゲート１２２を保護するためにＥＳＤ回路に接続される。説明する例は、異なる温度におけるｐＨ測定を容易にし、同じか又は同様の（例えば、上記図２に示されるような櫛形／蛇行）レイアウトを有し、これらの領域の下に直交金属抵抗器構造を備える、個別の温度センサ及びｐＨ感知エリアを含むことができる。特定の実装は、個別の温度センサ及びｐＨ感知エリア又は領域（例えば、上記図２における温度感知領域２０２及び２０４、流体電位感知領域２０１及び２０３、並びに流体電位感知部分１１９）に、異なるレイアウト（例えば、蛇行及び正方形）及び各々の下方の加熱器を提供する。特定の実装は、ｐＨ感知エリアと温度センサとの組み合わせ（例えば、並列蛇行＋櫛形）を提供する。金属抵抗器構造の端部及び中央タップに印加される制御されたステップ信号を用いることは、加熱器電力がフローティングゲート電圧ＶＧを変化させるのを軽減又は保護する。また、説明する例は、加熱及び感知（例えば、温度及びｐＨの両方を感知）のための直交蛇行構造、並びに、加熱装置と感知電極との間の容量結合を軽減するために中央タップと共に駆動する差動加熱器を用いる。電極１３１及び１３６の櫛形構造は、例えば、感知蛇行構造及び直交加熱構造と交互の櫛形構造を用いて、感知電極の近くの感知された流体電位の制御を容易にする。これにより、感知された流体電位の制御、及びフローティングゲート１２２のＥＳＤ保護を容易にすることが可能になる。
【0065】
特定の例は、例えば、ミリ秒範囲内で、加熱器回路１５０によって提供される短い加熱器パルスを用いて、温度制御と組み合わせて即時感知を容易にする。特定の実装は、電解質電位、光などの、同相ノイズ信号に対する耐性を容易にするために、独立して加熱可能な、同時に測定される複数のｐＨセンサも採用した。いくつかの例は、より低コスト及びより一層高い柔軟性で、基板の隔離も可能にする。また、所与の設計のための隔離の電圧能力は、半導体全体にわたるレイアウト（例えば、トレンチ幅）によって変更可能であり、バックサイド隔離は、ポリマーの厚みを変えることによって変更可能である。容量接続は、ウェハを介する隔離にとっては、特殊金属／誘電体スタックを用いる標準接続に比べて安価である。
【0066】
特許請求の範囲内で、説明した例における改変が可能であり、他の実装が可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】