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【発明の名称】 物理現象および／または化学現象の検出装置
【発明者】 【氏名】澤田 和明

【氏名】冨田 勝彦

【氏名】中西 剛

【氏名】田邉 裕貴

【氏名】三村 享

【氏名】宇野 敏彦
【要約】 【課題】同一またはほぼ同一の時刻で、同一またはほぼ同一の場所において生じている複数の物理現象および／または化学現象を把握することができる物理現象および／または化学現象の検出装置を提供すること。

【解決手段】半導体基板２の一方の面に、二以上の物理現象および／または化学現象の電気的信号を少なくともほぼ同時に取り込むための物理現象および／または化学現象を検出する現象検出部７を設けている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体基板の一方の面に、二以上の物理現象および／または化学現象の電気的信号を少なくともほぼ同時に取り込むための物理現象および／または化学現象を検出する現象検出部を設けたことを特徴とする物理現象および／または化学現象の検出装置。
【請求項２】 物理現象および／または化学現象を検出する現象検出部を複数個一次元的に配置してなる請求項１に記載の物理現象および／または化学現象の検出装置。
【請求項３】 物理現象および／または化学現象を検出する現象検出分を複数個二次元的に配置してなる請求項１に記載の物理現象および／または化学現象の検出装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、物理現象および／または化学現象の検出装置に関し、特に、複数の物理現象および／または化学現象を少なくともほぼ同時に検出することができるようにした物理現象および／または化学現象の検出装置に関する。
【０００２】前記物理現象または化学現象とは、温度、広義の光（可視光、紫外光、赤外光、Ｘ線、電磁波など）、濃度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音波、酸化還元電位、反応速度など様々な現象を指す。
【０００３】
【従来の技術】上記物理現象または化学現象は、従来、温度センサ、光センサ、物理センサ、化学センサと呼ばれる素子を用いて、種々の電気信号（電流、電圧、抵抗、容量、電位）に変換され、個別に観測されていた。
【０００４】例えば、代表的な温度センサである焦電型センサの場合、温度が変化すると、焦電体に電荷が生成され、その電位変化をＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などにより増幅して読み取るようにしている。また、代表的な光センサであるフォトダイオードは、光により発生する電荷を電流の形で取り出している。そして、代表的な物理センサであるピエゾ抵抗効果を用いた圧力センサは、圧力による抵抗変化を読み取るようにしている。さらに、代表的な化学センサである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、その応答膜に水素イオンが吸着されることによってチャネルコンダクタンスが変化し、ＦＥＴを流れる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】さらに、前記各種のセンサを二次元方向に並列的に並べ、その出力分布を同時に取得し、画像化することが試みられている。この代表的なものとして、固体撮像素子が挙げられる。この素子は、フォトダイオードを二次元的に複数個並べ、入射光の強度分布に依存したフォトダイオード内で発生する電荷を一定時間その内部の容量に蓄積し、電荷転送デバイスまたはＭＯＳトランジスタアレイを用いて一定時間間隔で時系列的に信号を外部に出力するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記いずれのセンサや素子においても、同じ時刻の、同じ場所における複数の物理現象および／または化学現象の信号または分布を観測することはできなかった。
【０００７】この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、同一またはほぼ同一の時刻で、同一またはほぼ同一の場所において生じている複数の物理現象および／または化学現象を把握することができる物理現象および／または化学現象の検出装置（以下、単に現象検出装置という）を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明の現象検出装置は、半導体基板の一方の面に、二以上の物理現象および／または化学現象の電気的信号を少なくともほぼ同時に取り込むための物理現象および／または化学現象を検出する現象検出部を設けている。
【０００９】上記構成の現象検出装置によれば、同一またはほぼ同一の時刻で、同一またはほぼ同一の場所において生じている複数の物理現象および／または化学現象の電気的出力信号（電流、電圧、電荷など）を得ることができ、これまで未知であった物理現象および／または化学現象の相互作用を知ることができる。そして、二以上の物理現象および／または化学現象を同時に知ることにより、これまでに開発された単独の検出素子では、分からなかった現象を見つけることも可能になる。
【００１０】そして、前記現象検出部を一次元または二次元的に並べることにより、複数の物理現象および／または化学現象の分布を知ることができる。さらに、前記現象検出部の出力は、電流、電圧、電荷などの電気的出力信号であるから、その出力をある一定時間蓄積して、それぞれの現象検出部の出力を時系列で取り出すことができる。そうすることにより、その出力をテレビ画面やコンピュータに取り込むことが容易になり、高感度、高詳細に物理現象および／または化学現象の二次元分布の観察も可能になる。
【００１１】
【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および図２は、第１の実施の形態を示す。この実施の形態における現象検出装置は、同じ部位における光強度（物理現象）とイオン濃度（化学現象）を同時に検出することができる。
【００１２】図１において、１は現象検出装置本体で、次のように構成されている。すなわち、２は半導体基板で、例えばｐ型のシリコン基板である。このシリコン基板２の一方の表面（図示例では上面）側には３つのｎ型の拡散領域３，４，５が適宜の間隔をおいて形成されている。拡散領域３，４間には薄い酸化膜を介して障壁部６、物理現象および／または化学現象を検出する現象検出部としての感応部７および読み出し電極８が形成されている。また、拡散領域４，５間には薄い酸化膜を介してリセットゲート９が形成されている。
【００１３】前記感応部７は、水素イオンを感ずることができるように、シリコン窒化膜で被覆されている。そして、この感応部７は、光強度も検出できるように構成されており、ｐＨ感応部（化学現象の検出部）兼光感応部（物理現象の検出部）とも称すべき部分である。
【００１４】また、前記拡散領域３は、インプットダイードとして機能し、正のインプット電圧Ｖinput （図２（Ａ）参照）が常に印加され正電位にバイアスされている。そして、拡散領域４は電気的に浮いた領域で、感応部７で得られるイオン信号電荷または光信号電荷を、読み出し電極８の電位Ｖread（図２（Ｂ）参照）を上げることによって導くように構成されている。
【００１５】前記拡散領域４の最初の電位は、拡散領域５に対する印加電圧およびリセットゲート９に対する印加電圧Ｖrest（図２（Ｃ）参照）により決定される。そして、この拡散領域４の電荷は、ＭＯＳトランジスタのソースフォロア回路１０を用いてその出力端子１１から取り出すことができる。このＭＯＳトランジスタのソースフォロア回路１０は、ｎ型拡散領域で適宜の電圧（例えば５Ｖ程度）が印加されるドレイン領域１２、ソース領域１３、拡散領域４と電気的に接続されたゲート電極１４および抵抗１５で構成される。
【００１６】なお、図１において、１６は参照電極で、適宜の電源に接続されている。そして、１７〜２２は電圧印加用端子である。
【００１７】次に、上記構成の現象検出装置の動作について、タイミングチャートである図２をも参照しながら説明する。現象検出装置本体１を溶液（図示してない）中に設置する。そして、この溶液中に、その電位を決定するために参照電極１６を浸漬する。シリコン基板２は接地される。この状態においては、シリコン基板２の感応部７の下方には、参照電極１６に印加される電圧と溶液中のｐＨ濃度に依存した空乏層２３が広がっている。
【００１８】まず、光強度の検出について説明すると、今、光がシリコン基板２の上面に対して入射しているものとする。前記空乏層２３に対して光が入ってくると、電子・正孔対が生成され、正孔はシリコン基板２から外部に排出され、電子は空乏層２３内に蓄えられる。拡散領域４は、空乏層２３に蓄えられた電子が流れ込む以前にリセットゲート９に正の電圧を印加してある初期電位に固定しておく。そして、読み出し電極８に正の電圧を矩形波上に印加することにより、前記電子は予め一定の電位に固定されている拡散領域４に流れ込み、この拡散領域４の電位を変える。この電位変化をソースフォロア回路１０で読み取ることにより、光の強度を検出することができる。
【００１９】次に、溶液のｐＨの検出について説明すると、参照電極１６の電位は固定されているので、感応部７の下方の空乏層２３の電位は、溶液のｐＨ濃度によって変化する。そして、インプットダイオード３は、常に正電圧にバイアスされているが、この電位を障壁部６の電位よりも低くすると、電子は障壁部６を乗り越えて感応部７の下方の空乏層２３に入ってくる。そして、インプットダイオード３の電位を再び障壁部６の電位より高くする（初期状態の電位に戻す）と、感応部７の下方には溶液のｐＨ濃度に依存した電荷が残る。次に、読み出し電極８に、図２（Ｂ）に示すように、正の電圧を矩形波状に印加することにより、前記電子は、リセットされ予め高い電位に固定されている拡散領域４に流れ込み、この拡散領域４の電位を変える。この電位変化をソースフォロア回路１０で読み取ることにより、溶液のｐＨを検出することができる。
【００２０】上述のように、上記構成の現象検出装置によれば、ほぼ同時刻の同じ場所における光強度とｐＨ濃度を知ることができる。そして、この現象検出装置は、図２（Ｄ）に示すように、光強度に関する電圧信号Ｓ1 およびｐＨに関する電圧信号Ｓ2 を同じ出力端子１１から得ることができる。
【００２１】図３は、上記現象検出装置の応用例を示すもので、この図に示すものにおいては、感応部７を二次元的に縦横に複数個並べており、読み出し電極８に流れる電荷をＣＣＤ（電荷結合素子）などで転送し、ソースフォロア回路１０で出力端子１１から読み出すことにより、二次元の情報を時系列で取り出せるように構成されている。この図３において、２３は水平ＣＣＤ、２４は垂直ＣＣＤである。
【００２２】なお、図示は省略するが、感応部７を一次元的に複数個並べるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００２３】次に、図４および図５は、第２の実施の形態を示す。この実施の形態における現象検出装置は、同じ部位における光強度（物理現象）とイオン濃度（化学現象）を同時に検出することができる。
【００２４】この実施の形態における現象検出装置においては、シリコン基板２に代えて、半導体基板としてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いるとともに、光強度に関する電圧信号とｐＨに関する電圧信号を別の出力端子から得るようにしている。
【００２５】すなわち、図４において、２５はＳＯＩ基板で、シリコン基板２６の上面に絶縁物としてのＳｉＯ2 層２７およびｎ型の単結晶のシリコン基板２８を形成してなるものである。そして、このＳＯＩ基板２５は、ｎ型のシリコン基板２８の上半分にｐ型領域２８Ｐ形成し、このｐ型領域２８Ｐに、前記第１の実施の形態と同様構成の感応部７を始めとする各部を形成している。２８Ｎはｎ型のシリコン基板２８の下半分のｎ型領域である。
【００２６】そして、図４において、２９はソースフォロア回路１０の一構成部材である信号出力端子で、この端子２９にはｐＨに関する電圧信号が出力される。また、３０はｐ型領域２８Ｐに接続された信号出力端子で、この端子３０には光強度に関する電圧信号が出力される。３１はｐ型領域２８Ｐおよびｎ型領域に図４に示すようにバイアス電圧を印加するバイアス電源で、その負極側はソースフォロア回路１０の抵抗１５の接地側と接続されており、正極側は信号出力端子３０に接続されている。
【００２７】次に、上記構成の現象検出装置の動作について、タイミングチャートである図５をも参照しながら説明する。現象検出装置本体１および参照電極１６を、図示してない溶液中に浸漬した状態で設置する。
【００２８】まず、光強度の検出について説明すると、感応部７の下方の空乏層２３に対して光が入ってくると、電子・正孔対が生成され、正孔はシリコン基板２から外部に排出され、電子は空乏層２３内に蓄えられる。一定の時間、信号の蓄積を行った後に、バイアス電源３１による基板２８へのバイアス電圧Ｖsub （図５（Ｄ）参照）を大きくすることにより、前記空乏層２３内の電荷をｎ型領域２８Ｎに流すことができ、出力端子３０から光強度に関する電圧信号（図５（Ｆ）参照）を得ることができる。これは、基板２８に対する電圧Ｖsub を大きくすることによって、感応部７と領域２８Ｐとの間にある障壁電位が低くなり、電位勾配ができるためである。
【００２９】そして、溶液のｐＨの検出については、上記第１の実施の形態と変わるところはなく、図５（Ｅ）に示すような出力信号が出力端子２９から出力される。なお、同図（Ａ）はインプットダイード３に対するインプット電圧Ｖinput を、同図（Ｂ）は読み出し電極に印加される電圧Ｖreadを、同図（Ｃ）はリセットゲート９に印加されるリセット電圧Ｖrestを、それぞれ示している。
【００３０】上記第２の実施の形態における現象検出装置においても、第１の実施の形態と同様に、感応部７を複数個一次元的または二次元的に設けるようにしてもよい。
【００３１】上述の各実施の形態においては、一つの感応部７がｐＨおよび光の双方を検出するように構成されていたが、ｐＨと光とを別々の感応部で検出するようにしてもよく、これを第３の実施の形態として説明する。
【００３２】図６および図７は、第３の実施の形態を示すもので、まず、図６において、３４，３３はｐ型シリコン基板２に適宜の間隔をおいて形成されるｎ型拡散領域である。ここで、拡散領域３３はフォトダイオード構造で、その上面が可視光感応部となる。そして、拡散領域４，３３および読み出し電極３１によって光強度検出部３４が形成される。また、拡散領域３，４の間の部分３５はｐＨに感応するｐＨ感応部に形成されている。この感応部３５の構成は、上記第１実施の形態における感応部１と同様である。そして、このｐＨ感応部３５および拡散領域３，４によってｐＨ検出部３６が形成される。
【００３３】なお、図６において、３７は拡散領域３と接地電位との間に介装される常開スイッチ、３８は抵抗１５に接続される電源、３９は信号出力端子である。
【００３４】上記構成の現象検出装置の動作について，タイミングチャートである図７をも参照しながら説明する。現象検出装置本体１および参照電極１６を、図示してない溶液中に浸漬した状態で設置する。
【００３５】まず、光強度を検出するには、読み出し電極９にしきい値電圧以上の大きな正の電圧ＶG （図７（Ｂ）参照）を端子２１を介して印加すると、可視光感応部３３には端子３８に印加される電圧ＶD にほぼ等しい逆バイアス電圧が印加され、読み出し電極９の電圧を接地電位に戻しても、可視光感応部３３には電圧ＶD にほぼ等しい逆バイアス電圧が印加されたままとなり、電気的に浮いた状態になる。
【００３６】前記状態において可視光感応部３３に光が入射すると、可視光感応部３３に広がっている空乏層の中で電子・正孔対が生成し、可視光感応部３３に存在するｐｎ接合により形成されている容量に電荷が蓄積され、可視光感応部３３に印加されていた逆バイアス電圧が小さくなる。ある一定時間それらの電荷を蓄積した後、読み出し電極９に電圧ＶG を再び印加すると、前記蓄積されていた電荷は抵抗１５を介して流れ、出力端子３９には光信号に見合った電圧降下が現れる（図７（Ｃ）における符号Ｓ1 ）。このとき、可視光感応部３３の電圧は、電流が流れることで再び電圧ＶD にほぼ等しい初期状態にリセットされる。このようにして、光強度が電圧値として求められる。
【００３７】次に、溶液のｐＨの検出について説明すると、このｐＨ検出は、前記光信号を蓄積している間に行うことができる。すなわち、読み出し電極９に電圧ＶG が印加されていないときに、スイッチ３７をオンすることにより、ｐＨ信号を読み出すことができる（図７（Ｃ）における符号Ｓ2 ）。すなわち、ｐＨ感応部３５の下方のシリコンと酸化膜との界面に生ずるチャネルのコンダクタンスは、溶液中のｐＨ濃度に依存するので、前記界面を流れる電流値はｐＨ濃度を反映している。したがって、出力端子３９で観測される電圧は溶液のｐＨ濃度に依存したものとなっている。
【００３８】上記第３の実施の形態における現象検出装置においては、光強度とｐＨ濃度の信号は、図７（Ｃ）に示すように出力端子３９に交互に現れ、これらを交互に観察することができる。また、スイッチ３７の開閉動作および読み出し電極９への電圧印加動作のいずれか一方をやめることで、光強度またはｐＨ濃度のいずれか一方のみを行うようにすることができる。
【００３９】図８は、上記第３の実施の形態の現象検出装置の応用例を示すもので、この図に示すものにおいては、光強度検出部３４とｐＨ検出部３６とを二次元的に縦横に複数個並べ、これらをシフトレジスタ４０，４１によって順次駆動することにより、ほぼ同一領域におけるほぼ同時刻の光学像とｐＨ濃度分布像とを観察できるようにしている。
【００４０】なお、上記において、図示は省略するが、光強度検出部３４とｐＨ検出部３６とを一次元的に複数個並べるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００４１】上述の各実施の形態においては、化学現象としてｐＨ濃度を例示しているが、これ以外の他のイオン濃度を検出するようにしてもよい。
【００４２】図９および図１０は、第４の実施の形態を示すもので、この実施の形態における現象検出装置は、温度と圧力を検出できるように構成されている。すなわち、図９において、４２はＳＯＩ基板で、シリコン基板４３の上面に絶縁物としてのＳｉＯ2 層４４およびｎ型の単結晶のシリコン基板４５を形成してなるものである。このＳＯＩ基板４２の上面には、通常のｎチャネルトランジスタ４６，４７，４８がデプレション型で形成されている。そして、このｎチャネルトランジスタ４６，４７，４８のチャネル部に整合するように、基板４３をエッチングによって除去して、ダイヤフラム４９が現象検出部として形成されている。また、ｎチャネルトランジスタ４６，４７，４８のゲート５０の上部には、上下に電極５１，５２を有する焦電体５３が現象検出部として設けられている。この焦電体５３は、例えばＰＺＴ，ＰＺＬＴ系セラミックスまたはＰＶＤＦ（ポリビニリデンフロライド）などよりなる。
【００４３】なお、図９において、５４はソースフォロア回路で、５５は出力端子、５６は抵抗である。また、５７は電圧印加端子である。
【００４４】上記構成の現象検出装置の動作について、タイミングチャートである図１０をも参照しながら説明する。まず、圧力の検出について説明すると、圧力は、前記ｎチャネルトランジスタ４６，４７，４８のチャネルコンダクタンスが圧力により変化することを利用して検出することができる。すなわち、焦電体５３は、定常状態では電圧を発生しないため、ゲート電圧はほとんど０となり、圧力による出力がｎチャネルトランジスタ４６，４７，４８に流れる電流を観察することにより得られ、この電流は、ソースフォロア回路５４によって得ることができる。図１０において、Ｓp は圧力信号である。
【００４５】そして、温度については、焦電体５３に入射する熱（赤外光）をチョッパ（図示してない）でチョッピングすることによって、その熱に見合った電圧が焦電体５３に誘起し、ｎチャネルトランジスタ４６，４７，４８のゲート電圧が変化することにより、ｎチャネルトランジスタ４６，４７，４８に流れる電流が変化する。したがって、チョッピングしていないときの電流値を予め調べておき、その差分を読み取ることで、温度分布を知ることができる。図１０において、Ｓp ＋Ｓirは圧力信号＋温度信号である。
【００４６】そして、この実施の形態における現象検出装置によれば、圧力検出において温度補正を行うことができる。
【００４７】また、上記実施の形態における現象検出装置本体を、一次元または二次元的に配置することにより、圧力や温度の空間的な分布を検出することができる。
【００４８】上述した各記実施の形態においては、検出対象の物理現象および／または化学現象はいずれも二つであったが、この発明はこれに限られるものではなく、３以上であってもよい。次に、３つの現象を検出する現象検出装置について説明する。
【００４９】図１１および図１２は、第５の実施の形態を示し、この実施の形態の現象検出装置は、温度、圧力および可視光の３つの現象を検出することができる。すなわち、図１１に示す現象検出装置は、図９に示したものに、領域５８，５０を加え、特に、領域５９を可視光に感ずるフォトダイオードとし、領域４８，５８，５９からなる可視光検出部６０を付加している。５４Ａ，５５Ａは前記第４の実施の形態におけるソースフォロア回路５４と同様構成のソースフォロア回路で、一方のソースフォロア回路５４Ａの出力端子５５Ａには、圧力信号および温度信号が、また、他方のソースフォロア回路５４Ｂの出力端子５５Ｂには、可視光信号が出力される。６１は電圧印加端子、６２はソースフォロア回路５４Ｂの抵抗５６Ｂに接続される電源である。
【００５０】上記構成の現象検出装置の動作について、タイミングチャートである図１２を参照しながら説明する。まず、圧力および温度の検出については、上記第４の実施の形態における現象検出装置と同様であり、この実施の形態においては、ソースフォロア回路５４Ａの出力端子５５Ａに、図１２（Ｃ）に示すように、圧力信号Ｓp あるいは圧力信号Ｓp ＋温度信号Ｓirが出力される。
【００５１】そして、可視光信号は、読み出し電極として機能する領域４８に正の電圧Ｖg（図１２（Ｂ）参照）を印加することにより、可視光の入射によって生成し可視光感応部５９に蓄積された電荷を読み出すことができ、その出力Ｓk は、ソースフォロア回路５４Ｂの出力端子５５Ｂに、図１２（Ｄ）に示すように、出力される。
【００５２】上記実施の形態における現象検出装置本体を、一次元または二次元的に配置することにより、圧力、温度および可視光の空間的な分布を検出することができる。
【００５３】
【発明の効果】この発明の現象検出装置によれば、同一またはほぼ同一の時刻で、同一またはほぼ同一の場所において生じている複数の物理現象および／または化学現象の電気的出力信号を得ることができ、これまで未知であった物理現象および／または化学現象の相互作用を知ることができる。そして、二以上の物理現象および／または化学現象を同時に知ることにより、これまでに開発された単独の検出素子では、分からなかった現象を見つけることも可能になる。
【００５４】そして、上記現象検出装置を、集積回路技術を用いることにより高密度に集積し、時間的蓄積を行うことにより、高解像度かつ高感度の装置を得ることができ、高感度、高詳細に物理現象および／または化学現象の二次元分布の観察をすることができる。
【出願人】 【識別番号】０００１５５０２３
【氏名又は名称】株式会社堀場製作所
【出願日】 平成１０年（１９９８）１月１４日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】藤本 英夫
【公開番号】 特開平１１−２０１７７５
【公開日】 平成１１年（１９９９）７月３０日
【出願番号】 特願平１０−１７８２１