(57)【要約】【課題】薄膜トランジスタを使用するセンサ装置における外部環境要因による測定誤差を小さくする。【解決手段】センサ装置は、モニタ薄膜トランジスタと、リファレンス薄膜トランジスタと、制御部と、を含む。前記制御部は、前記リファレンス薄膜トランジスタの出力電流とサンプルを測定している前記モニタ薄膜トランジスタの出力電流との相違量に基づき、前記サンプルの測定値を決定する。これにより、外部環境要因による出力ドリフトを小さくすることができる。【選択図】図３
2020122775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モニタ薄膜トランジスタと、
リファレンス薄膜トランジスタと、
前記リファレンス薄膜トランジスタの出力電流とサンプルを測定している前記モニタ薄膜トランジスタの出力電流との相違量に基づき前記サンプルの測定値を決定する制御部と、
を含むセンサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記制御部は、
前記リファレンス薄膜トランジスタの出力電流と前記サンプルを測定している前記モニタ薄膜トランジスタの出力電流との相違量に基づき、前記サンプルの測定による前記モニタ薄膜トランジスタの閾値電圧のシフト量を決定し、
前記シフト量に基づき前記サンプルの測定値を決定する、
センサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
前記制御部は、
前記リファレンス薄膜トランジスタ及び前記モニタ薄膜トランジスタの出力電流が一致するように、前記リファレンス薄膜トランジスタ及び前記モニタ薄膜トランジスタの一方のゲート電位を変化させることにより、前記シフト量を決定する、
センサ装置。
【請求項４】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
前記制御部は、
前記サンプルの測定前に、前記リファレンス薄膜トランジスタ及び前記モニタ薄膜トランジスタの一方に基準電位を与え、前記リファレンス薄膜トランジスタの出力電流と前記モニタ薄膜トランジスタの出力電流出力が一致するように、前記リファレンス薄膜トランジスタ及び前記モニタ薄膜トランジスタの他方のゲート電位を調整する、
センサ装置。
【請求項５】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
前記制御部は、
前記サンプルの測定前に、測定値が既知のサンプルを測定することで、前記シフト量とサンプルの測定値との間の関係を特定する、
センサ装置。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記制御部は、
前記リファレンス薄膜トランジスタ及び前記モニタ薄膜トランジスタをサブスレッショルド領域で動作させる、
センサ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のセンサ装置であって、
前記リファレンス薄膜トランジスタ及び前記モニタ薄膜トランジスタは、酸化物半導体薄膜トランジスタである、
センサ装置。
【請求項８】
請求項７に記載のセンサ装置であって、
前記制御部は、
前記リファレンス薄膜トランジスタ及び前記モニタ薄膜トランジスタの出力電流を入力する対数オペアンプを含む、
センサ装置。
【請求項９】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記モニタ薄膜トランジスタ及び前記リファレンス薄膜トランジスタを覆うイオン感応膜と、
前記感応膜と前記モニタ薄膜トランジスタとの間及び前記感応膜と前記リファレンス薄膜トランジスタとの間に挿入されているアルミナ膜と、をさらに含む、
センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジススタ（ＴＦＴ）のゲート閾値電圧Ｖｔｈのシフト（Ｖｔｈシフト）を利用したＴＦＴイオンセンサが、例えば、米国特許出願公開第２０１５／０２７６６６３号（特許文献１）に開示されている。開示されているＴＦＴセンサは、ゲート電極と参照電極を有し、ゲート絶縁膜の静電容量よりもイオン感応絶縁膜の静電容量が大きい。ＴＦＴセンサは、ゲート−ソース間電圧対ソース−ドレイン間電流特性の閾値電圧シフトからセンシング対象物質中のイオン濃度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
上記ＴＦＴセンサは、単一のＴＦＴを高誘電率材料のイオン感応膜で覆う構造を有する。ＴＦＴのＶｔｈは、温度や光等の外部環境要因によって変化し得る。したがって、単一のＴＦＴのみにより測定を行うＴＦＴセンサにおいて、外部環境要因による発生するＴＦＴの出力ドリフトにより、測定誤差が発生し得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様のセンサ装置は、モニタ薄膜トランジスタと、リファレンス薄膜トランジスタと、前記リファレンス薄膜トランジスタの出力電流とサンプルを測定している前記モニタ薄膜トランジスタの出力電流との相違量に基づき前記サンプルの測定値を決定する制御部と、を含む。
【発明の効果】
【０００６】
本開示の一態様によれば、薄膜トランジスタを使用するセンサ装置における外部環境要因による測定誤差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態のＴＦＴセンサ装置の概要を示す。
【図２】サブスレッショルド領域におけるドレイン電流のゲート電圧依存性を示す。
【図３】ＴＦＴセンサ装置の構成例の詳細を示すブロック図である
【図４Ａ】センサ部の構成例の断面図を示す。
【図４Ｂ】センサ部の他の構成例の断面図を示す。
【図５】センサ部の構成例の平面図を示す。
【図６】測定対象物質（未知サンプル）のｐＨを測定するＴＦＴセンサ装置を示す。
【図７】ＴＦＴセンサ装置１の全体動作のフローチャートである。
【図８】センサ部２０のゼロ点調整処理の詳細のフローチャートである。
【図９】センサ部２０の感度較正処理の詳細のフローチャートである。
【図１０】ｐＨが未知のサンプルの測定の詳細のフローチャートである。
【図１１】対数オペアンプに代えてリニアオペアンプを含むＴＦＴセンサ装置の構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。本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ことに注意すべきである。
【０００９】
本開示のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）センサ装置は、モニタＴＦＴと、リファレンスＴＦＴと、からなるＴＦＴペアを含む。モニタＴＦＴはサンプルにさらされ、リファレンスＴＦＴはサンプルから隔離される。ＴＦＴセンサ装置は、モニタＴＦＴと、リファレンスＴＦＴの出力電流の相違量に基づき、サンプルの測定値を決定する。
【００１０】
相違量は、減算により得られる差や除算により得られる比等、任意の関数で表現できる。測定値は、例えば、ｐＨ値や光強度である。本構成によりＴＦＴセンサ装置における外部環境要因による出力ドリフトを小さくし、測定誤差を低減できる。以下において、図を参照して実施形態の詳細を説明する。
【００１１】
［ＴＦＴセンサ装置の全体構成］
図１は、本実施形態のＴＦＴセンサ装置の概要を示す。ＴＦＴセンサ装置１は、センサ部２０及び制御部４０を含む。本実施形態のセンサ部２０は、二つのＴＦＴを含む。一方はモニタＴＦＴ２１であり、もう一方はリファレンスＴＦＴ２２である。モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２は、電源Ｖｃｃと制御部４０との間で並列に接続されている。
【００１２】
モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２のドレインに電源電圧Ｖｃｃが与えられている。モニタＴＦＴ２１のソースから出力される電流Ｉｄ（ｍｏｎ）及びリファレンスＴＦＴ２２のソースから出力される電流Ｉｄ（ｒｅｆ）は、制御部４０に入る。
【００１３】
制御部４０は、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２を制御すると共に、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２からの出力電流に基づき、測定対象の特定の値を測定する。以下において、測定対象物（サンプル）のｐＨを測定する例を説明するが、本開示の特徴は、ｐＨと異なる物理値、例えば、光や接触を検出するＴＦＴセンサ装置に適用することができる。
【００１４】
ＴＦＴセンサ装置１は、未知サンプルに起因するモニタＴＦＴ２１のゲート閾値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量に基づいて、未知サンプルのｐＨを決定する。モニタＴＦＴ２１はサンプルにさらされ（接触し）、リファレンスＴＦＴ２２はサンプルにさらされない（隔離される）。
【００１５】
制御部４０は、例えば、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流（ドレイン電流）が一致するように、モニタＴＦＴ２１又はリファレンスＴＦＴ２２のゲート電圧を調整することで、未知サンプルに起因するモニタＴＦＴ２１のゲート閾値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量を決定する。
【００１６】
制御部４０は、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流の相違量とＶｔｈシフト量の関係を示す情報を予め保持し、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流並びに当該情報に基づいて、モニタＴＦＴ２１のＶｔｈシフト量を決定してもよい。
【００１７】
図２は、サブスレッショルド領域におけるドレイン電流のゲート電圧依存性を示す。横軸はゲート電位を示し、縦軸はドレイン電流Ｉｄの対数を示す。以下に説明する例において、制御部４０は、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２をサブスレッショルド領域（弱反転領域）で動作させる（ゲート電位を制御する）。これにより、センサ部２０の感度を上げることができる。サブスレッショルド係数Ｓが小さい半導体、例えば、酸化物半導体を使用することで、感度をより高めることができる。
【００１８】
図２のグラフにおいて、実線７１はサンプルから隔離されているリファレンスＴＦＴ２２の特性を示す。一点鎖線７２は、小さいｐＨ値のサンプルにさらされているモニタＴＦＴ２１の特性を示す。破線７３は、大きいｐＨ値のサンプルにさらされているモニタＴＦＴ２１の特性を示す。
【００１９】
図２に示すように、モニタＴＦＴ２１のＶｔｈは、測定ｐＨが低下すると低下し、測定ｐＨが増加すると増加する。モニタＴＦＴ２１のＶｔｈシフト量は、リファレンスＴＦＴ２２のゲート電位と、リファレンスＴＦＴ２２の出力電流Ｉｄと同じ値を出力するためのモニタＴＦＴ２１のゲート電位との差である。図２は、小さいｐＨ値のシフト量７２１及び大きいｐＨ値のシフト量７３１を示す。
【００２０】
モニタＴＦＴ２１のゲート電位（ゲートバイアス）を変化させることで、モニタＴＦＴ２１の出力電流Ｉｄを、リファレンスＴＦＴ２２の出力電流Ｉｄに近づけることができる。具体的には、小さいｐＨのサンプルにさらされているモニタＴＦＴ２１のゲート電位を上げ、大きいｐＨのサンプルにさらされているモニタＴＦＴ２１ゲート電位を下げる。このモニタＴＦＴ２１のゲート電位の調整量が、サンプルに起因するモニタＴＦＴ２１のＶｔｈシフト量に一致する。
【００２１】
［制御部の構成］
図３は、ＴＦＴセンサ装置１の構成例の詳細を示すブロック図である。図３において、後述するリファレンス電極は省略されている。制御部４０は、スイッチＳ０、Ｓ１及びＳ２、制御回路４１及び４２、表示回路４３、表示器４４、演算器４５及び４８、アナログデジタル変換機（ＡＤＣ）４６及び５０を含む。制御部４０は、さらに、対数オペアンプ４７、不揮発性メモリ４９、デジタルポテンショメータ５１及び５２、クロックジェネレータ５３及び５４を含む。なお、制御部４０は、不図示の制御回路をさらに含んでよい。
【００２２】
スイッチＳ０は、基準ゲート電位を与えるグランドとモニタＴＦＴ２１のゲートとの接続を開閉する。モニタＴＦＴ２１のゲートに与えられる基準ゲート電位はグランド電位と異なっていてもよい。デジタルポテンショメータ５１は可変抵抗器であり、モニタＴＦＴ２１のゲートに対して、−Ｖ〜＋Ｖの間の電位を与える。デジタルポテンショメータ５１は、クロックジェネレータ５３からのクロック信号に同期して、出力電位を変化させる。デジタルポテンショメータ５１は、制御回路４１により制御される。
【００２３】
アナログデジタル変換器５０は、デジタルポテンショメータ５１がモニタＴＦＴ２１のゲートに与える電位のアナログ値をデジタル値に変換する。演算器４８は、不揮発性メモリ４９に格納されている情報とアナログデジタル変換器５０からの出力値Ｄｏｕｔ２に基づき、ｐＨ値を算出する。
【００２４】
後述するように、演算器４８は、アナログデジタル変換器５０からの出力値とｐＨ値との関係を特定し、その情報を不揮発性メモリ４９に格納する。この関係の特定のための処理において、アナログデジタル変換器５０からの出力値が不揮発性メモリ４９に格納される。表示回路４３は、演算器４８からｐＨ値のデータを受信し、その値を表示器４４において表示する。
【００２５】
デジタルポテンショメータ５２は可変抵抗器であり、リファレンスＴＦＴ２２のゲートに対して、−Ｖ〜＋Ｖの間の電位を与える。デジタルポテンショメータ５２は、クロックジェネレータ５４からのクロック信号に同期して、出力電位を変化させる。デジタルポテンショメータ５１は、制御回路５２により制御される。
【００２６】
対数オペアンプ４７は、モニタＴＦＴ２１からの出力電流Ｉｄ（ｍｏｎ）及びリファレンスＴＦＴ２２からの出力電流Ｉｄ（ｒｅｆ）を受信する。対数オペアンプ４７は、２入力の相違量に基づく値を出力する。具体的には、対数オペアンプ４７は、２入力の比の対数に比例する値を出力する。対数オペアンプ４７の出力Ｖｏｕｔは、Ａｌｏｇ（Ｉｄ（ｍｏｎ）／Ｉｄ（ｒｅｆ））と表わすことができる。Ａは所定の定数である。
【００２７】
図３の例においては、対数オペアンプ４７の１入力と出力との間にキャパシタＣｆｂが接続されている。Ｃｆｂは、出力電圧Ｖｏｕｔのノイズを低減してＳ／Ｎ比を改善する働きを有し、Ｃｆｂを大きくするとＳ／Ｎ比が改善される一方で、測定に要する時間が長くなる。Ｃｆｂを小さくすると測定速度は速くなるがＳ／Ｎ比が低下する。Ｃｆｂの値は、計測時間や必要とされるＳ／Ｎ比に鑑みて最適な値を選択すればよい。
【００２８】
上述のように、本例のＴＦＴセンサ装置１は、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２をサブスレッショルド領域で動作させる。ＴＦＴの出力電流Ｉｄの対数は、ゲート電圧に比例する。モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２との間のＶｔｈの差ΔＶｔｈは、サブスレッショルド係数Ｓを使用して、以下の式で表わされる。
ΔＶｔｈ＝Ｓ＊ｌｏｇ（Ｉｄ（ｍｏｎ）／Ｉｄ（ｒｅｆ））
【００２９】
上述のように、対数オペアンプ４７の出力は、モニタＴＦＴ２１の出力電流値とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流値の比の対数に比例する。したがって、ΔＶｔｈは、対数オペアンプ４７の出力に比例する。
ΔＶｔｈ＝Ｓ＊（Ｖｏｕｔ／ｋ）
対数オペアンプ４７を使用することで、簡便な回路構成で、測定サンプルに起因するモニタＴＦＴ２１のＶｔｈシフト量を直接測定することができる。
【００３０】
アナログデジタル変換器４６は、対数オペアンプ４７のアナログ出力Ｖｏｕｔをデジタル値に変換する。演算器４５は、アナログデジタル変換器４６からの出力値Ｄｏｕｔ１と基準データＤｒｅｆとの相違量に基づく値を出力する。図３の例において、基準データＤｒｅｆは０である。
【００３１】
スイッチＳ１は、演算器４５と制御回路４１との接続を開閉する。スイッチＳ２は、演算器４５と制御回路４２との接続を開閉する。制御回路４１は、演算器４５からの出力に応じて、デジタルポテンショメータ５１の出力を制御する。制御回路４２は、演算器４５からの出力に応じて、デジタルポテンショメータ５２の出力を制御する。
【００３２】
［センサ部の構成］
図４Ａは、センサ部２０の構成例の断面図を示す。図４Ａは、イオンセンサにおけるセンサ部２０の構成例を示す。センサ部２０は、基板３１上に配置された、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２を含む。モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２は同一構造を有する。つまり、構成要素の形状、サイズ及び材料は同一であり、これらは略同一の特性値を有する。
【００３３】
本例において、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２はボトムゲート構造を有する。より具体的には、モニタＴＦＴ２１は、絶縁基板３１上のゲート電極２１１と、ゲート電極２１１を覆うゲート絶縁層３２（の一部）を含む。モニタＴＦＴ２１は、さらに、ゲート絶縁層３２上に配置された半導体膜２１２と、半導体膜２１２の両端それぞれに接触するソース電極２１３及びドレイン電極２１４を含む。
【００３４】
ゲート電極２１１、ソース電極２１３及びドレイン電極２１４の材料として、それぞれ、例えば、タンタル、モリブデン、タングステン、アルミニウム等を使用することができる。ゲート絶縁層３２は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン、あるいはそれらを複数積層した複合膜で形成される。半導体膜２１２は、例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン又は酸化物半導体で形成されている。
【００３５】
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。
【００３６】
リファレンスＴＦＴ２２は、絶縁基板３１上のゲート電極２２１と、ゲート電極２２１を覆うゲート絶縁層３２（の一部）を含む。リファレンスＴＦＴ２２は、さらに、ゲート絶縁層３２上に配置された半導体膜２２２と、半導体膜２２２の両端それぞれに接触するソース電極２２３及びドレイン電極２２４を含む。
【００３７】
ゲート電極２２１、ソース電極２２３及びドレイン電極２２４の材料として、例えば、タンタル、モリブデン、タングステン、アルミニウム等を使用することができる。ゲート絶縁層３２は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコンで形成される。半導体膜２２２は、例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン又は酸化物半導体で形成されている。
【００３８】
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。なお、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２は、トップゲート構造を有していてもよい。
【００３９】
モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２は、イオン感応膜３３で覆われている。イオン感応膜３３は、例えば、酸化タンタルからなる。リファレンスＴＦＴ２２は、さらに、保護絶縁膜３４で覆われている。保護絶縁膜３４は、例えば、感光性ポリイミドやアクリル樹脂等の有機絶縁膜や、これらの有機絶縁膜上に酸化シリコンや窒化シリコン、アルミナ等の無機絶縁膜を積層した複合膜で形成される。
【００４０】
図４Ｂは、センサ部２０の他の構成例の断面図を示す。図４Ａが示す構成例との差異を説明する。センサ部２０は、図４Ａが示す構成例に加え、イオン感応膜３３とモニタＴＦＴ２１との間及びイオン感応膜３３とリファレンスＴＦＴ２２との間に挿入され、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２を覆う、アルミナ膜２０３を含む。アルミナ膜２０３は、例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法は、緻密なアルミナ膜２０３を形成することができる。センサ部２０は主に液体に浸漬された環境で使用される。アルミナ膜２０３は、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２の特性への水分の影響を低減することができる。
【００４１】
図５は、センサ部２０の構成例の平面図を示す。図５に示すように、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２は、マルチフィンガー型のソース、ドレイン電極パターンを有し、同一の形状、同一のチャネル長、チャネル幅を持つ。２つのＴＦＴのチャネル幅は、
検出に用いる電流値を与える時のＴＦＴの動作点がサブスレショルド動作領域になるように決定される。
【００４２】
モニタＴＦＴ２１は、保護絶縁膜３４に形成されている開口３４１から露出している。このため、モニタＴＦＴ２１は測定対象物質と接触する。一方、保護絶縁膜３４に覆われているリファレンスＴＦＴ２２は、測定対象物質と接触することなく隔離される。
【００４３】
図６は、測定対象物質（未知サンプル）のｐＨを測定するＴＦＴセンサ装置１を示す。図６において、ＴＦＴセンサ装置１の一部構成は省略されている。また、未知サンプル６１は容器６３内に収容されている。センサ部２０は、未知サンプル６１に浸漬されている。上述のように、モニタＴＦＴ２１のみがイオン感応膜３３を介して未知サンプル６１に接触しており、リファレンスＴＦＴ２２は保護絶縁膜３４により未知サンプル６１から隔離されている。
【００４４】
リファレンス電極６２は、イオン感応膜３３から離れた位置に配置されている。リファレンス電極６２は、未知サンプル６１に浸漬されており、イオン感応膜３３からリファレンス電極６２までの空間は、未知サンプル６１で満たされている。リファレンス電極６２は、所定の電位が与えられる。図６の例において、グランド電位がリファレンス電極６２に与えられているが、与えられる電位はセンサ部２０の特性に合わせて適切に設定される。
【００４５】
図６において、デジタルポテンショメータ５１及び５２は、それぞれ、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２にゲート電位を与える。モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２の出力電流（ドレイン電流）が、対数オペアンプ４７に与えられる。対数オペアンプ４７の出力値は、出力電流の相違量に応じた値を示す。
【００４６】
未知サンプル６１の測定において、デジタルポテンショメータ５１がモニタＴＦＴ２１に与えるゲート電位は、対数オペアンプ４７の出力値に応じて調整される。具体的には、モニタＴＦＴ２１に与えられるゲート電位は、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２の出力電流値が一致するように調整される。
【００４７】
［ＴＦＴセンサ装置の全体動作］
以下において、図３、図７〜１０を参照して、ＴＦＴセンサ装置１の動作を説明する。図７は、ＴＦＴセンサ装置１の全体動作のフローチャートである。ＴＦＴセンサ装置１は、未知サンプルの測定を行う前に、初期設定処理を実行する。具体的には、ＴＦＴセンサ装置１は、センサ部２０のゼロ点調整を行い（Ｓ１０）、さらに、センサ部２０の感度を較正する（Ｓ２０）。センサ部２０のゼロ点調整（Ｓ１０）及び感度較正（Ｓ２０）の後、ＴＦＴセンサ装置１は、未知サンプルのｐＨを測定する（Ｓ３０）。
【００４８】
［ゼロ点調整］
まず、センサ部２０のゼロ点調整処理（Ｓ１０）を説明する。ゼロ点調整処理（Ｓ１０）は、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２との間のＶｔｈ等の特性のミスマッチを除去するために実施する。
【００４９】
図８は、センサ部２０のゼロ点調整処理の詳細のフローチャートである。制御部４０は、まず、リファレンスＴＦＴ２２のフィードバックループをＯＮにする（Ｓ１０１）。具体的には、制御部４０は、スイッチＳ１を開き、そして、スイッチＳ２を閉じる。これにより、リファレンスＴＦＴ２２のフィードバックループが動作可能となる。
【００５０】
次に、制御部４０は、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を基準ゲート電位に固定する（Ｓ１０２）。具体的には、制御部４０は、スイッチＳ０を閉じる。基準ゲート電位は、図３の構成例においてグランド電位（０ｍＶ）である。さらに、制御部４０は、演算器４５の基準データＤｒｅｆを０Ｖに設定する。この基準ゲート電位において、２つのＴＦＴの動作点はサブスレショルド領域にあるものとする。
【００５１】
もし、２つのＴＦＴのＶｔｈが正または負に大きくずれていて０Ｖにおいて動作点がサブスレショルドにならない場合には、基準ゲート電位Ｄｒｅｆを正または負の値に適宜調整して、動作点がサブスレショルド領域となるようにする。モニタＴＦＴ２１は何もセンシングしない状態に配置される。つまり、モニタＴＦＴ２１は、リファレンスＴＦＴ２２と同一の状態に配置される。
【００５２】
次に、制御部４０は、モニタＴＦＴ２１の出力電流Ｉｄ（ｍｏｎ）とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流Ｉｄ（ｒｅｆ）が一致するように、リファレンスＴＦＴ２２のゲート電位を調整する（Ｓ１０３）。制御部４０は、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔがゼロとなるようフィードバック系を働かせて、デジタルポテンショメータ５２の出力電圧を調整する。
【００５３】
具体的には、演算器４５は、ＡＤＣ４６によりデジタル値に変換された対数オペアンプ４７の出力電圧Ｄｏｕｔ１と、基準データＤｒｅｆとを比較し、その相違量に応じた値を出力する。例えば、演算器４５は、ＡＤＣ４６によりデジタル値に変換された対数オペアンプ４７の出力電圧Ｄｏｕｔ１と基準データＤｒｅｆとが一致するまで、制御回路４２に信号を出力する。ＡＤＣ４６によりデジタル値に変換された対数オペアンプ４７の出力電圧Ｄｏｕｔ１と基準データＤｒｅｆのいずれが大きいかに応じて、出力される信号（値）が異なる。
【００５４】
演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＞Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４２は、ＵＰ信号をデジタルポテンショメータ５２に出力する。演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＜Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４２は、ＤＯＷＮ信号をデジタルポテンショメータ５２に出力する。
【００５５】
デジタルポテンショメータ５２は、制御回路４２の指示に応じて、クロックジェネレータ５４からのクロック信号に同期して内部の半導体スイッチを切り替えて、リファレンスＴＦＴ２２のゲートへの出力（ゲート電位）を増加又は減少させる。デジタルポテンショメータ５２の出力はリファレンスＴＦＴ２２のゲート電位であるため、リファレンスＴＦＴ２２の出力電流値が変化する。リファレンスＴＦＴ２２とモニタＴＦＴ２１の出力電流値が等しくなり、対数オペアンプ４７の出力がゼロとなるまでフィードバックループが働き続ける。
【００５６】
なお、演算器４５は、ＡＤＣ４６によりデジタル値に変換された対数オペアンプ４７の出力電圧Ｄｏｕｔ１と基準データＤｒｅｆの差の大きさに応じて異なる値を出力してもよい。制御回路４２は、演算器４５の出力に基づいて、デジタルポテンショメータ５２の出力の調整量（正負の符号を含む）を決定する。制御回路４２は、演算器４５の出力と調整量との関係を示す情報を予め保持している。
【００５７】
対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０となるデジタルポテンショメータ５２の出力（リファレンスＴＦＴ２２のゲート電位）が、測定サンプルの測定におけるリファレンスＴＦＴ２２の基準ゲート電位である。測定サンプルの測定の間、リファレンスＴＦＴ２２のゲート電位は、基準ゲート電位に維持される。なお、制御部４０は、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０を含む所定範囲にある場合に、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０であると見なしてもよい。
【００５８】
［感度較正］
次に、センサ部２０の感度較正処理（Ｓ２０）を説明する。感度較正処理（Ｓ２０）は、モニタＴＦＴ２１のＶｔｈシフト量とｐＨ測定値との間の関係を同定する。図９は、センサ部２０の感度較正処理（Ｓ２０）の詳細のフローチャートである。制御部４０は、まず、モニタＴＦＴのフィードバックループをＯＮにする（Ｓ２０１）。具体的には、制御部４０は、スイッチＳ１を閉じ、スイッチＳ２を開く。制御部４０は、スイッチＳ０を開いて、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を変化させることができるようにする。
【００５９】
次に、制御部４０は、リファレンスＴＦＴ２２のゲート電位を基準ゲート電位に固定する（Ｓ２０２）。具体的には、制御回路４２は、ゼロ点調整処理（Ｓ１０）で決定した基準ゲート電位がリファレンスＴＦＴ２２に与えられるように、デジタルポテンショメータ５２を制御する。
【００６０】
次に、モニタＴＦＴ２１は、ｐＨが既知の第１サンプル内に配置される（Ｓ２０３）。第１サンプルのｐＨは、例えば、不揮発性メモリ４９に格納されている。制御部４０は、モニタＴＦＴ２１の出力電流Ｉｄ（ｍｏｎ）とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流Ｉｄ（ｒｅｆ）が一致するように、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を調整する（Ｓ２０４）。
【００６１】
具体的には、演算器４５は、ＡＤＣ４６によりデジタル値に変換された対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔと、基準データＤｒｅｆとを比較し、その相違量に応じた値を出力する。演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＞Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４１は、ＵＰ信号をデジタルポテンショメータ５１に出力する。演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＜Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４１は、ＤＯＷＮ信号をデジタルポテンショメータ５１に出力する。
【００６２】
デジタルポテンショメータ５１は、制御回路４１の指示に応じて、クロックジェネレータ５３からのクロック信号に同期して内部の半導体スイッチを切り替えて、モニタＴＦＴ２１のゲートへの出力（ゲート電位）を増加又は減少させる。フィードバックループによるデジタルポテンショメータ５１の出力調整は、リファレンスＴＦＴ２２とモニタＴＦＴ２１の出力電流値が等しくなり、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０となるまで続けられる。
【００６３】
対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０となるデジタルポテンショメータ５１の出力（モニタＴＦＴ２１のゲート電位）とゼロ点調整におけるモニタＴＦＴ２１の基準ゲート電位との差が、測定サンプルに起因するモニタＴＦＴ２１のＶｔｈシフト量を表す。本例において、この基準ゲート電位はグランド電位（０ｍＶ）であるが、２つのＴＦＴのＶｔｈ値に応じて０ｍＶ以外の値に調整される。なお、制御部４０は、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０を含む所定範囲にある場合に、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０であると見なしてもよい。
【００６４】
制御部４０は、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０となる時にモニタＴＦＴ２１に与えられているゲート電位（第１ゲート電位）を、不揮発性メモリ４９に格納する（Ｓ２０５）。具体的には、ＡＤＣ５０は、デジタルポテンショメータ５１のアナログ出力値をデジタル値に変換し、そのデジタル値を出力する。ＡＤＣ５０の出力（Ｄｏｕｔ２）は、デジタルポテンショメータ５１の出力、つまり、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を、デジタル値で表わす。モニタＴＦＴ２１のゲート電位を表すＡＤＣ５０の出力（Ｄｏｕｔ２）は、不揮発性メモリ４９に格納される。
【００６５】
次に、モニタＴＦＴ２１は、ｐＨが既知の第２サンプル内に配置される（Ｓ２０６）。第２サンプルのｐＨは、例えば、不揮発性メモリ４９に格納されている。制御部４０は、モニタＴＦＴ２１の出力電流Ｉｄ（ｍｏｎ）とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流Ｉｄ（ｒｅｆ）が一致するように、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を調整する（Ｓ２０７）。
【００６６】
具体的には、第１サンプルの測定と同様に、演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＞Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４１は、ＵＰ信号をデジタルポテンショメータ５１に出力する。演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＜Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４１は、ＤＯＷＮ信号をデジタルポテンショメータ５１に出力する。
【００６７】
デジタルポテンショメータ５１は、制御回路４１の指示に応じて、クロックジェネレータ５３からのクロック信号に同期して、モニタＴＦＴ２１のゲートへの出力（ゲート電位）を増加又は減少させる。フィードバックループによるデジタルポテンショメータ５１の出力調整は、リファレンスＴＦＴ２２とモニタＴＦＴ２１の出力電流値が等しくなり、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０となるまで続けられる。なお、制御部４０は、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０を含む所定範囲にある場合に、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０であると見なしてもよい。
【００６８】
制御回路４１は、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０となる時にモニタＴＦＴ２１に与えられているゲート電位（第２ゲート電位）を、不揮発性メモリ４９に格納する（Ｓ２０８）。第１ゲート電位と同様に、モニタＴＦＴ２１の第２ゲート電位を表すＡＤＣ５０の出力（Ｄｏｕｔ２）は、不揮発性メモリ４９に格納される。
【００６９】
次に、制御部４０は、第１及び第２サンプルの既知のｐＨ並びに第１及び第２ゲート電位から、換算係数Ｋ（ｍＶ／ｐＨ）を決定し、不揮発性メモリ４９に格納する（Ｓ２０９）。例えば、制御回路４１は、不揮発性メモリ４９からステップＳ２０５及びＳ２０８でそれぞれ格納した第１ゲート電位及び第２ゲート電位を取得する。
【００７０】
制御回路４１は、さらに、不揮発性メモリ４９から、第１サンプル及び第２サンプルのｐＨの値を取得する。制御回路４１は、これら４つの値から、換算係数Ｋ（ｍＶ／ｐＨ）を決定する。換算係数Ｋ（ｍＶ／ｐＨ）は、ゲート電位とｐＨの空間（グラフ）における４つの値で決まる２点の傾きである。以後、換算係数ＫとＤｏｕｔ２の値から演算器４８によりｐＨ値を計算することができる。
【００７１】
なお、ゼロ点調整においてスイッチＳ０を介してモニタＴＦＴ２１に与えられる基準ゲート電位がグランド電位と異なる場合、第１ゲート電位及び第２ゲート電位それぞれと、モニタＴＦＴ２１の基準ゲート電位との差が、第１ゲート電位及び第２ゲート電位に代えて使用される。３以上のサンプルのゲート電位を測定し、近似直線から換算係数Ｋ（ｍＶ／ｐＨ）を決定してもよい。特定のゲート電位とｐＨのペアが既知であれば、１つのｐＨ既知サンプルのゲート電位の測定結果から、換算係数を決定してもよい。
【００７２】
［未知サンプル測定］
次に、ｐＨが未知のサンプルの測定方法を説明する。図１０は、ｐＨが未知のサンプルの測定（Ｓ３０）の詳細のフローチャートである。まず、制御部４０は、モニタＴＦＴ２１のフィードバックループをＯＮにする（Ｓ３０１）。具体的には、制御部４０は、スイッチＳ１を閉じ、スイッチＳ２を開く。制御部４０は、スイッチＳ０を開いて、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を変化させることができるようにする。
【００７３】
次に、制御部４０は、リファレンスＴＦＴ２２のゲート電位を基準ゲート電位に固定する（Ｓ３０２）。具体的には、制御回路４２は、ゼロ点調整処理（Ｓ１０）で決定した基準ゲート電位がリファレンスＴＦＴ２２に与えられるように、デジタルポテンショメータ５２を制御する。
【００７４】
次に、モニタＴＦＴ２１は、ｐＨが未知のサンプル内に配置される（Ｓ３０３）。制御部４０は、モニタＴＦＴ２１の出力電流Ｉｄ（ｍｏｎ）とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流Ｉｄ（ｒｅｆ）が一致するように、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を調整する（Ｓ３０４）。
【００７５】
具体的には、演算器４５は、ＡＤＣ４６によりデジタル値に変換された対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔと、基準データＤｒｅｆとを比較し、その相違量に応じた値を出力する。演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＞Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４１は、ＵＰ信号をデジタルポテンショメータ５１に出力する。演算器４５の出力がＤｏｕｔ１＜Ｄｒｅｆを示す場合、制御回路４１は、ＤＯＷＮ信号をデジタルポテンショメータ５１に出力する。
【００７６】
デジタルポテンショメータ５１は、制御回路４１の指示に応じて、クロックジェネレータ５３からのクロック信号に同期して内部の半導体スイッチを切り替えて、モニタＴＦＴ２１のゲートへの出力（ゲート電位）を増加又は減少させる。フィードバックループによるデジタルポテンショメータ５１の出力調整は、リファレンスＴＦＴ２２とモニタＴＦＴ２１の出力電流値が等しくなり、対数オペアンプ４７の出力電圧Ｖｏｕｔが０となるまで続けられる。
【００７７】
次に、制御部４０は、不揮発性メモリ４９から取得した換算係数Ｋ（ｍＶ／ｐＨ）と、モニタＴＦＴ２１のゲート電位とから、未知サンプルのｐＨ測定値を決定する（Ｓ３０５）。具体的には、演算器４８は、不揮発性メモリ４９から取得した換算係数Ｋ（ｍＶ／ｐＨ）と、ＡＤＣ５０の出力収束値Ｄｏｕｔ２から、未知サンプルのｐＨ測定値を計算する。ポテンショメータ５１の収束値(Ｄｏｕｔ２)は、モニタＴＦＴ２１のゲート電位である。
【００７８】
なお、ゼロ点調整においてスイッチＳ０を介してモニタＴＦＴ２１に与えられる基準ゲート電位がグランド電位と異なる場合、ＡＤＣ５０の出力収束値Ｄｏｕｔ２とモニタＴＦＴ２１の基準ゲート電位との差が、ＡＤＣ５０の出力収束値Ｄｏｕｔ２に代えて使用される。
【００７９】
次に、制御部４０は、未知サンプルのｐＨ測定値を表示器４４において表示する（Ｓ３０６）。表示回路４３は、演算器４８から出力されたｐＨ値を示すデータから画像データを生成し、表示器４４に出力する。
【００８０】
上述のように、ＴＦＴペアによる差動検出により、ｐＨ測定に対する測定中の周囲環境の変動の影響を低減することができる。上記例は、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流が一致するように、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を変更する。これにより、より正確にサンプルのｐＨを測定することができる。これと異なり、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流の差異と、予め用意されている変換情報とから、ゲート電位シフト量又はサンプルのｐＨ値を計算してもよい。
【００８１】
感度較正処理（Ｓ２０）及び／又は未知サンプルの測定（Ｓ３０）において、モニタＴＦＴ２１のゲート電位を固定し、リファレンスＴＦＴ２２のゲート電位を、モニタＴＦＴ２１とリファレンスＴＦＴ２２の出力電流が一致するように変更してもよい。これによっても、正確にサンプルのｐＨを測定することができる。
【００８２】
［他の構成例］
上記構成例は、対数オペアンプ４７により、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２の出慮電流の差を測定する。ＴＦＴセンサ装置１は、対数オペアンプ４７に代えて、リニアオペアンプを使用してもよい。
【００８３】
図１１は、対数オペアンプ４７に代えてリニアオペアンプ５５を含むＴＦＴセンサ装置１の構成例を示す。リニアオペアンプ５５は、２入力の相違量に基づき値を出力する。具体的には、２入力の差に応じた値を出力する。抵抗が、モニタＴＦＴ２１の出力とリニアオペアンプ５５の入力との間のノードとグランドとの間に接続されている。同様に、抵抗が、リファレンスＴＦＴ２２の出力とリニアオペアンプ５５の入力との間のノードとグランドとの間に接続されている。他の構成は、図３を参照して説明した構成と同様である。
【００８４】
図３を参照して説明した構成例は、サブスレッショルド領域（弱反転領域）においてモニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２を動作させる。本構成例は、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２を強反転領域において動作させる。これにより感度を上げることができる。なお、モニタＴＦＴ２１及びリファレンスＴＦＴ２２をサブスレッショルド領域で動作させてもよい。本構成例では、リニアオペアンプの出力電圧ＶｏｕｔはセンサＴＦＴのＶｔｈシフト量と一致しないため、測定値からの換算が必要である。
【００８５】
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】
【００８６】
１  ＴＦＴセンサ装置、２０  センサ部、２１  モニタＴＦＴ、２２  リファレンスＴＦＴ、３１  絶縁基板、３２  ゲート絶縁層、３３  イオン感応膜、３４  保護絶縁膜、４０  制御部、４１、４２  制御回路、４３     表示回路、４４  表示器、４５、４８  演算器、４６、５０  アナログデジタル変換器、４７  対数オペアンプ、４９  不揮発性メモリ、５１、５２  デジタルポテンショメータ、５３、５４  クロックジェネレータ、５５  リニアオペアンプ、６１  未知サンプル、６２  リファレンス電極、６３  容器、２１１  ゲート電極、２１２  半導体膜、２１３  ソース電極、２１４  ドレイン電極、２２１  ゲート電極、２２２  半導体膜、２２３  ソース電極、２２４       ドレイン電極、３４１  開口、７２１、７３１  シフト量、Ｄｏｕｔ１、Ｄｏｕｔ２  出力値、Ｄｒｅｆ  基準データ、Ｉｄ（ｍｏｎ）、Ｉｄ（ｒｅｆ）  ドレイン電流、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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