(57)【要約】  基準電極、カウンタ電極、および作用電極を有する電流測定センサを動作させるための回路。この回路は、正の入力と負の入力と出力とを有する増幅器を含む。正の入力は基準電圧源に結合され、負の入力および出力は負帰還ループを介して互いに結合される。この回路は、電流測定センサを増幅器の前記負帰還ループ内に結合するための手段を含み、第１の構成ではカウンタ電極が前記出力に結合され、かつ基準電極が前記負の入力に結合され、第２の構成では作用電極が前記出力に結合され、かつ基準電極が前記負の入力に結合される。
2009526966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電極、カウンタ電極、および作用電極を有する電流測定センサを動作させるための回路であって、
正の入力と負の入力と出力とを有する増幅器であって、前記正の入力が基準電圧源に結合され、前記負の入力および前記出力が、負帰還ループを介して互いに結合される、増幅器と、
前記電流測定センサを前記増幅器の前記負帰還ループ内に結合するための手段であって、第１の構成においては、前記カウンタ電極が前記出力に結合され、かつ前記基準電極が前記負の入力に結合され、第２の構成においては、前記作用電極が前記出力に結合され、かつ前記基準電極が前記負の入力に結合される、手段と、
を含むことを特徴とする回路。
【請求項２】
前記増幅器の前記負の入力に結合される出力を有する減算器を含み、使用時に、
前記第１の構成においては、前記減算器の正の入力が前記基準電極に結合され、かつ前記減算器の負の入力が前記作用電極に結合され、
前記第２の構成においては、前記減算器の前記正の入力が前記作用電極に結合され、かつ前記減算器の前記負の入力が前記基準電極に結合されることを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記第１および第２の構成の間において前記回路を切換えるためのスイッチング手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の回路。
【請求項４】
前記スイッチング手段は、前記減算器の前記正および負の入力をトグルするように選択可能であることを特徴とする請求項２に従属するときの請求項３に記載の回路。
【請求項５】
使用時に前記作用電極およびカウンタ電極のうちの一方に結合され、それらから受取ったセンサ電流を積分するように構成されるキャパシタンスと、前記キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定出力に与えるための手段とを含むことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項６】
使用時に前記キャパシタンスを予め定める時間期間にわたって前記作用電極およびカウンタ電極のうちの一方に結合するように構成されたコントローラを含み、前記キャパシタンス上に蓄積された前記電圧を測定出力に与えるための手段は、前記電圧を前記予め定める時間期間の終了時に与えるように動作することを特徴とする請求項５に記載の回路。
【請求項７】
センサ測定の実行に先立って、前記キャパシタンス上に蓄積された電荷を放電するために、前記キャパシタンスの電流受取り側をグラウンドに選択的に結合するための放電スイッチを含むことを特徴とする請求項５または６に記載の回路。
【請求項８】
前記キャパシタンス上に蓄積された前記電圧を測定出力に与えるための手段は、前記キャパシタンスの前記電流受取り側に結合される正の入力を有する単位利得バッファ増幅器を含むことを特徴とする請求項５〜７のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項９】
前記キャパシタンスは、可変キャパシタンスであることを特徴とする請求項５〜８のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１０】
前記キャパシタンスに定電流を供給するように選択可能な１または複数の定電流源と、定電流源による前記キャパシタンスの充電中にセンサから前記キャパシタンスを分離するためのスイッチ手段とを含み、定電流によって前記キャパシタンスに印加される前記電圧の測定が回路およびセンサの較正を可能にすることを特徴とする請求項５〜９のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１１】
使用時にセンサ測定の実行に先立って、センサ・キャパシタンスを放電するために、少なくとも１つのセンサ電極をグラウンドに接続する第２のスイッチング手段を含むことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１２】
自動的に、またはユーザの指示の下に、前記結合するための手段と任意のスイッチング手段とを設定するためのコントローラを含むことを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１３】
前記回路は、単一の半導体チップ内に集積されることを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１４】
外部電流測定センサの電極に結合するための複数の端子を含むことを特徴とする請求項１０に記載の回路。
【請求項１５】
前記供給電圧は、１Ｖ以下であることを特徴とする請求項１〜１４のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１６】
電流測定センサと組み合わせた請求項１〜１５のうちのいずれか１項に記載の回路を含むことを特徴とするセンサ・システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載のセンサ・システムを動作させる方法であって、
前記結合するための手段を前記第１または第２の構成に設定することと、
センサによって生成された電流をキャパシタンスにわたって積分することと、
予め定める時間期間が経過した後に、前記キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定することと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
センサをバイアスするための回路であって、増幅器と減算器とを含み、前記減算器が、前記増幅器の負帰還ループ内に結合され、かつ使用時にはその正および負の入力が、それぞれ前記センサの第１および第２の端子に結合され、前記増幅器の出力が、使用時にはセンサ端子に結合され、前記増幅器の正の入力が基準電圧に結合され、前記第１および第２の端子の間の電圧が実質的に前記基準電圧にクランプされることを特徴とする回路。
【請求項１９】
電流測定センサとともに使用され、前記第１の端子は基準電極および作用電極のうちの一方であり、前記第２の端子は前記基準電極および前記作用電極のうちの他方であり、前記増幅器の前記出力は、カウンタ電極および前記作用電極のうちの一方に結合されることを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２０】
イオン感応性電界効果トランジスタとともに使用され、前記第１および第２の端子は、イオン感応性電界効果トランジスタのソースおよびドレインであり、前記増幅器の前記出力は、前記ソース端子に結合されることを特徴とする請求項１８に記載の回路。
【請求項２１】
センサからの電流出力を検出するための回路であって、使用時に前記センサの出力に結合されるように構成されたキャパシタンスと、前記キャパシタンスにわたる電圧を、測定サイクルに先立って放電させるための手段と、前記キャパシタンス上に蓄積された前記電圧を測定サイクルの後に測定するための手段とを含むことを特徴とする回路。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明はセンサ回路に関し、特に、必然性はないが、電流測定センサのためのバイアス回路に関する。
【０００２】
発明の背景
電流測定センサは、２０年以上にわたって特定の分析物、たとえば液体中の酵素の存在の検出に使用されてきた。基本原理は、標本中の被検出分析物とセンサ表面との間に反応をもたらすことである。その結果として生成される電荷が、その後、測定可能なセンサ電流に変換される。電流の大きさは、概して、存在する分析物の量に関係する。
【０００３】
図１は、典型的なセンサ内において使用される単純化したバイアス回路を示している。この回路は、３つの電極、すなわちカウンタ電極Ｃ、作用電極Ｗ、および基準電極Ｒから成る。カウンタ電極Ｃおよび基準電極Ｒは、図１に示されるように、作用電位設定増幅器Ａｍｐ１、および出力バッファ増幅器Ａｍｐ２、および電流検知抵抗Ｒｓｅｎｓに接続される。
【０００４】
作用電極Ｗには、選択された分析物と反応する反応誘導コーティングが被覆される。たとえばグルコース・センサであれば、作用電極Ｗ上にグルコースオキシダーゼを有してもよい。反応は、電位差が与えられると、カウンタ電極Ｃから作用電極Ｗへの電流の流れを生じさせるイオンを生成する。この電流は、電流検知抵抗Ｒｓｅｎｓを通っても流れ、当該抵抗にわたる電圧降下Ｖｏｕｔをもたらす。典型的なセンサ電流は１０ｎＡと見てよく、Ｒｓｅｎｓ＝１ＭΩであれば、Ｖｏｕｔは、グラウンドを基準にして１０ｎ×１Ｍ＝１０ｍＶになる。すでに触れたとおり、カウンタ電極Ｃから作用電極Ｗに流れる電流の大きさ、したがってＲｓｅｎｓにわたる出力電圧Ｖｏｕｔは、分析物の濃度に依存する。
【０００５】
基準電極上の電位が、最適なセンサ性能を達成するための鍵となる。作用電極Ｗにおける反応効率は、作用電位ＶＲＷに依存する。いろいろなセンサが、いろいろな作用電位ＶＲＷ値において最も良好に動作する。たとえばグルコース・センサは、酸素センサに対するＶＲＷ＝−０．６Ｖと比較して、ＶＲＷ＝０．６Ｖにおいて最適に動作する。作用電位設定増幅器の役割は、反応条件が最適化される値に作用電位ＶＲＷを維持することである。これは、作用電位設定増幅器の正端子をＶｒｅｆ＝ＶＲＷ＋Ｖｏｕｔに設定し、かつ作用電位設定増幅器の負端子をＶＲＷに設定することによってなされる。上述のように、Ｖｏｕｔは、センサ電流に起因する電流検知抵抗Ｒｓｅｎｓにわたる電位降下であり、通常は１０ｍＶの値を有する。グルコース・センサによって電流検知抵抗にわたって生成可能な最大電圧が、たとえば１００ｍＶであるとすれば、Ｖｒｅｆが、反応条件が最適化されることを確保するために、Ｖｒｅｆ＝０．６Ｖ＋１００ｍＶに設定されたであろう。しかしながらＶｏｕｔが、たとえば分析物の濃度および時間に伴って変動するので、作用電位ＶＲＷは変動を受けやすい。Ｖｒｅｆから離れる作用電位ＶＲＷの変動は、図１のようなセンサ回路設計にとって問題である。なぜなら、変動は作用電極Ｗにおける効率的な反応に有害であり、また出力信号の整合性に影響を与えることからである。
【０００６】
センサの実用的応用においては、ユーザが、同一のセンサ・システムを使用して、たとえばグルコースおよび酸素両方のレベルの測定を欲することがある。すでに述べたように、グルコースおよび酸素センサは、異なる作用電位ＶＲＷ、すなわち０．６Ｖおよび−０．６Ｖにおいてそれぞれ動作する。したがって、センサ・システムは、両方の作用電位に適応できる必要がある。図１に示されるタイプの単一の回路が使用される場合には、回路の電圧供給源に１．２Ｖを超えるヘッドルームが必要になる。しかしながらこれは、１Ｖ以下の低電圧で動作する単一チップの低電力集積回路設計にとって大きすぎたであろう。
【０００７】
以上で言及した電圧制限問題に対する可能性のある解決手段は、単一チップ上に２つの並列回路を設計することによって多重センサを作ることである。これが図２に示される。この解決手段を実施するには、グラウンドに対するＶｒｅｆおよびＶｏｕｔの再参照を必要とする。しかしながら、２つの並列回路の使用は、使用されるチップ面積を、したがってチップの製造のコストを増加させる。このことに加えて、図２の設計は、作用電位ＶＲＷ内の変動によって引き起こされる問題を依然として解決するものではない。
【０００８】
図１および図２の設計に伴って生じる追加の問題は、電流検知抵抗に起因するショット・ノイズの存在である。このノイズは抵抗の値に比例し、出力電圧に関して有意なものとなる。
【０００９】
発明の要約
本発明の第１の態様によれば、基準電極、カウンタ電極、および作用電極を有する電流測定センサを動作させるための回路であって、
正の入力と負の入力と出力とを有する増幅器であって、正の入力が基準電圧源に結合され、負の入力および出力が、負帰還ループを介して互いに結合される増幅器と、
電流測定センサを増幅器の前記負帰還ループ内に結合するための手段とを含み、第１の構成ではカウンタ電極が前記出力に結合され、かつ基準電極が前記負の入力に結合され、第２の構成では作用電極が前記出力に結合され、かつ基準電極が前記負の入力に結合される、回路が提供される。
【００１０】
好ましくは、この回路が、増幅器の負の入力に結合される出力を有する減算器を含み、使用時に、
前記第１の構成においては、減算器の正の入力が基準電極に結合され、かつ減算器の負の入力が作用電極に結合され、
前記第２の構成においては、減算器の正の入力が作用電極に結合され、かつ減算器の負の入力が基準電極に結合される。
【００１１】
好ましくは、この回路が、前記第１および第２の構成の間において回路を切換えるためのスイッチング手段を含む。
【００１２】
好ましくは、前記スイッチング手段が、減算器の正および負の入力をトグルするように選択可能である。
【００１３】
好ましくは、この回路が、使用時に作用電極およびカウンタ電極のうちの一方に結合され、それらから受取ったセンサ電流を積分するように構成されるキャパシタンスと、キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定出力に与えるための手段とを含む。
【００１４】
好ましくは、この回路が、使用時に前記キャパシタンスを予め定める時間期間にわたって作用電極およびカウンタ電極のうちの一方に結合するように構成されたコントローラを含み、前記キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定出力に与えるための手段は、前記電圧を前記予め定める時間期間の終了時に与えるように動作する。
【００１５】
好ましくは、この回路が、センサ測定の実行に先立って、キャパシタンス上に蓄積された電荷を放電するために、前記キャパシタンスの電流受取り側をグラウンドに選択的に結合するための放電スイッチを含む。
【００１６】
好ましくは、前記キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定出力に与えるための手段が、前記キャパシタンスの前記電流受取り側に結合される正の入力を有する単位利得バッファ増幅器を含む。
【００１７】
好ましくは、前記キャパシタンスが、可変キャパシタンスである。
好ましくは、この回路が、前記キャパシタンスに定電流を供給するように選択可能な１または複数の定電流源と、定電流源による前記キャパシタンスの充電中にセンサからキャパシタンスを分離するためのスイッチ手段とを含み、定電流によって前記キャパシタンスに印加される電圧の測定が回路およびセンサの較正を可能にする。
【００１８】
好ましくは、この回路が、使用時にセンサ測定の実行に先立って、センサ・キャパシタンスを放電するように少なくとも１つのセンサ電極をグラウンドに接続する第２のスイッチング手段を含む。
【００１９】
好ましくは、この回路が、自動的に、またはユーザの指示の下に、前記結合するための手段と任意のスイッチング手段とを設定するためのコントローラを含む。
【００２０】
好ましくは、この回路が単一の半導体チップ内に集積される。
好ましくは、この回路が、外部電流測定センサの電極に結合するための複数の端子を含む。
【００２１】
好ましくは、この回路が、１Ｖ以下の供給電圧を有する。
本発明の第２の態様によれば、電流測定センサと組み合わせた上記の本発明の第１の態様の回路を含むセンサ・システムが提供される。
【００２２】
本発明の第３の態様によれば、上記の本発明の第２の態様のセンサ・システムを動作させる方法であって、
前記結合するための手段を前記第１または第２の構成に設定することと、
センサによって生成された電流をキャパシタンスにわたって積分することと、
予め定める時間期間が経過した後に、キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定することと、を含む方法が提供される。
【００２３】
本発明の第４の態様によれば、センサをバイアスするための回路であって、増幅器と減算器とを含み、前記減算器が、前記増幅器の負帰還ループ内に結合され、かつ使用時にはその正および負の入力が、それぞれ前記センサの第１および第２の端子に結合され、前記増幅器の出力が、使用時にはセンサ端子に結合され、かつ前記増幅器の正の入力が基準電圧に結合され、前記第１および第２の端子の間の電圧が実質的に前記基準電圧にクランプされる、回路が提供される。
【００２４】
好ましくは、この回路は、電流測定センサとともに使用するためのものであり、前記第１の端子が基準電極および作用電極のうちの一方であり、前記第２の端子が基準電極および作用電極のうちの他方であり、前記増幅器の前記出力がカウンタ電極および作用電極のうちの一方に結合される。
【００２５】
好ましくは、この回路は、イオン感応性電界効果トランジスタとともに使用するためのものであり、前記第１および第２の端子がイオン感応性電界効果トランジスタのソースおよびドレインであり、前記増幅器の前記出力が前記ソース端子に結合される。
【００２６】
本発明の第５の態様によれば、センサからの電流出力を検出するための回路であって、使用時にセンサの出力に結合されるように構成されたキャパシタンスと、前記キャパシタンスにわたる電圧を、測定サイクルに先立って放電させるための手段と、前記キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定サイクルの後に測定するための手段とを含む、。
【００２７】
発明の実施形態の詳細な説明
説明しようとしている電流測定センサのバイアスおよび出力回路は、先行技術設計の外部電流検知抵抗（図１および２のＲｓｅｎｓ）をオンチップ可変キャパシタで置き換える。その種の回路が図３に示される。ここでは、回路が、わずか１ボルト以下の供給電圧しか利用できないことが前提となっている。
【００２８】
この回路は、シリコン基板１内に、それと適切に接続される２つの外部センサ、すなわちＳｅｎｓ１（参照符２）およびＳｅｎｓ２（参照符３）とともに集積化されることが仮定されている。たとえばセンサＳｅｎｓ１は、最適作用電位が０．６Ｖのグルコース・センサであってもよく、センサＳｅｎｓ２は、最適作用電位が−０．６Ｖの酸素センサであってもよい。しかしながら、センサ２，３が必ずしもオフチップである必要はなく、それに代えてオンチップで集積化されてもよい。各センサは、作用電極Ｗ、基準電極Ｒ、およびカウンタ電極Ｃを有する。
【００２９】
作用電位設定回路４は、作用電位設定増幅器Ａｍｐ１および減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１を含む。電位設定増幅器Ａｍｐ１の正端子は、設定可能な基準電圧Ｖｒｅｆに接続される。スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３の適切なポジション設定が２つのセンサ２，３のうちの一方をアクティブセンサとして選択する。センサＳｅｎｓ１が選択される場合には、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３が図３に示されるように接続されて以下のとおりに回路を構成する。
・作用電極Ｗにおける電位が、基準電極Ｒに関して適切な正の電位に設定される。
・増幅器Ａｍｐ１の負端子が、減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の出力端子に接続され、当該増幅器の出力端子がセンサＳｅｎｓ１のカウンタ電極Ｃに接続される。
・減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の正端子が、スイッチＳ２を介してセンサＳｅｎｓ１の基準電極Ｒに接続される。
・減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の負端子が、スイッチＳ３を介してセンサＳｅｎｓ１の作用電極Ｗに接続される。
【００３０】
センサＳｅｎｓ２が選択される場合には、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３が、図３に示されるようなスイッチＳ１〜Ｓ３のポジションに関して反対となるポジションに設定される。この構成においては、作用電位設定増幅器Ａｍｐ１の出力端子がセンサＳｅｎｓ２の作用電位電極Ｗに接続され、当該作用電位設定増幅器の負端子が減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の出力端子に接続される。減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の負端子はセンサＳｅｎｓ２の基準電極Ｒに接続され、減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の正端子は、センサＳｅｎｓ２の作用電極Ｗに接続される。
【００３１】
参照符５は、スイッチＳ４，Ｓ５，Ｓ６と、一端がグラウンドに接続された可変キャパシタＣ１とを含む電流検出回路である。参照符６は、バッファ増幅器Ａｍｐ２と、一端がグラウンドに接続されたキャパシタＣ２と、キャパシタ放電スイッチＳ９とを含む出力回路である。参照符７は、後述のような、センサシステムを較正するために使用される基準電流源Ｉｒｅｆ１，Ｉｒｅｆ２を含む較正回路である。
【００３２】
コントローラ８は、ユーザ入力および／または予めプログラムされた指示に従って、スイッチＳ１〜Ｓ９の設定、回路のタイミング、可変キャパシタＣ１の値、Ｖｒｅｆの値、および電流源Ｉｒｅｆ１，Ｉｒｅｆ２を制御する。
【００３３】
この回路が、選択されたセンサのためのセンサ電流Ｉｓｅｎｓをどのように測定するかについて考察する。これが図４のフローチャート内に示されている。回路内の多数のポイントでの電圧が、３つの異なる測定サイクルにわたって図５に示される。測定を得るためにユーザによって起動されると、コントローラ８は、キャパシタＣ１，Ｃ２をはじめ、あらゆるセンサ・キャパシタンスの完全放電によって測定プロセスを開始する。これは、スイッチＳ４を開き、スイッチＳ５，Ｓ６，Ｓ９を閉じることによってなされる。センサＳｅｎｓ１が選択される場合には、コントローラ８が、その後、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を図３に示されるポジションに設定し、センサＳｅｎｓ１の作用電極上において基準電極Ｒに関して適切な正の電圧を確保する。コントローラ８は、タイマを開始する。
【００３４】
図３から明らかであるように、減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１は、作用電位設定増幅器Ａｍｐ１の負端子に、作用電位ＶＲＷに等しい電圧を与える。作用電位設定増幅器Ａｍｐ１は、負帰還ループを介して、その負端子電圧を正の入力電圧Ｖｒｅｆにまで駆動しようとする。したがって、電位ＶＲＷが、コントローラ８によって選択された基準電圧Ｖｒｅｆにクランプされ、反応条件が最適化されることを確保する。
【００３５】
分析物、たとえばグルコースは、作用電極Ｗにおいて反応してイオン電荷を生じさせる。この電荷は、作用電極とカウンタ電極との間の経路の導電性を変更し、それらの電極間を流れる電流Ｉｓｅｎｓを結果としてもたらす。センサ電流Ｉｓｅｎｓは、作用電極ＷからスイッチＳ３，Ｓ５を介してキャパシタＣ１に流れ、キャパシタＣ１にわたって電位差を作り出す。タイマが予め定める値Ｔ１に到達した後、コントローラ８は、スイッチＳ５を開く。キャパシタＣ１上に保持される電圧は、Ｖｓｅｎｓ＝Ｉｓｅｎｓ×（Ｔ１／Ｃ１）である。
【００３６】
コントローラ８は、第２のタイマを開始する。電圧Ｖｓｅｎｓがバッファ増幅器Ａｍｐ２の正端子に印加される。増幅器Ａｍｐ２上の負帰還ループは、当該増幅器上の出力電圧を電圧Ｖｓｅｎｓに等しくさせる。キャパシタＣ１，Ｃ２は、その後、上述のようにリセットされ、さらなる測定サイクルのための準備が整えられる。
【００３７】
スイッチＳ９を使用してキャパシタＣ２上の電圧を分離し、新たな測定を実行するためにキャパシタＣ１上においてセンサ電流が積分されている間、その電圧を処理に利用できるようにする。この場合においては、スイッチＳ９が、２番目の測定サイクルの開始前、センサＳｅｎｓ１およびキャパシタＣ１の放電に先立って開かれる。したがって、キャパシタＣ２上において電圧が分離される。キャパシタＣ２は、さらなる出力電圧をラッチするためにスイッチＳ９が閉じられる直前にだけ放電される。
【００３８】
ユーザ（またはコントローラ）が、負の作用電位ＶＲＷを必要とする分析物を測定することを選択した場合には、コントローラ８が、センサＳｅｎｓ２をアクティブセンサとして選択する。作用電極Ｗが、上述の同一の駆動メカニズムによって基準電圧Ｖｒｅｆにまで駆動される。しかしながら、作用電位ＶＲＷは、減算器に対してセンサＳｅｎｓ２が接続される手法がＳｅｎｓ１と比べて異なるため、−Ｖｒｅｆになる。この場合においてもまた、測定段階の間に、センサ電流ＩｓｅｎｓがスイッチＳ３，Ｓ５を通ってキャパシタＣ１上に流れ、キャパシタにわたって電位差を作り出し、時間Ｔ１が経過した後に、出力回路６によって出力電圧を生成することができる。
【００３９】
図３の回路は、広範多様なセンサ・タイプおよびセンサ感度を取り扱うように、また製造許容誤差によって誘導されるもの等のエラーを補償するように動作の構成が可能となることを確保する多くの特徴を有する。たとえば、コントローラ８は、検知キャパシタＣ１の充電時間Ｔ１または可変キャパシタＣ１の値を動的に調整する（切換え可能なキャパシタのバンクによって提供されてもよい）ことが可能である。また、コントローラ８は、センサがオフのとき（すなわち、分析物溶液中に浸漬されていないとき）にセンサ電流を測定して漏れ電流を測定し、したがって、センサがオンになったときにセンサ測定において補償することを可能にすることによって較正を実行するように構成できる。
【００４０】
コントローラ８によってコントロールされる較正サイクルの間においては、電流測定回路が標準オンチップ定電流を参照することが可能であり、製造許容誤差、オフセット、およびドリフトの影響が補償されることを可能にする。これは、スイッチＳ５，Ｓ６を開いた状態でスイッチＳ７，Ｓ８を介して基準電流源Ｉｒｅｆ１，Ｉｒｅｆ２を選択的に測定回路に接続することによってなされる。コントローラ８は、スイッチＳ４を閉じてセンサ上の電荷を放電させ、検知キャパシタＣ１にわたる電圧を放電させ、その後、検知キャパシタＣ１および充電時間Ｔ１のために設定された値に適するように基準電流源のうちの一方または両方を選択する。たとえば、Ｉｒｅｆ１だけが印加される場合には、出力において結果としてもたらされる電圧は、Ｖｒｅｆ１＝Ｉｒｅｆ１×（Ｔ１／Ｃ１）である。その後に続く測定サイクルにおいて、電圧Ｖｓｅｎｓ＝Ｉｓｅｎｓ×（Ｔ１／Ｃ１）が出力に獲得される。これら２つの電圧の比Ｖｒｅｆ１／Ｖｓｅｎｓ＝Ｉｒｅｆ１／Ｉｓｅｎｓは、キャパシタの値とは独立している。
【００４１】
図３の回路は、先行技術のセンサ回路設計を越える多くの重要な利点を提供する。特に、この回路は、先行技術の設計の検知抵抗に起因するショット・ノイズを排除する。検知キャパシタＣ１に起因するノイズは、排除されるショット・ノイズより有意に小さい。検知抵抗の排除は、チップ面積も縮小する。改善された作用電位の電圧クランプに起因して、反応速度が最適値に維持され、電流検知回路にわたる電圧降下の結果として変動しなくなる。
【００４２】
ここで本発明のさらなる態様を考察すると、図３の作用電位設定回路４を、イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）センサ回路内の電位設定回路としても使用できることが理解されるであろう。これが図６に示されており、ここで、電位設定回路が参照符９によって、ＩＳＦＥＴセンサが参照符１０によって、出力回路が参照符１１によって示される。ＩＳＦＥＴのソース端子は、電位設定増幅器Ａｍｐ１の出力に接続される。ＩＳＦＥＴのドレイン端子は、減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の負端子に接続され、減算器Ｓｕｂｔｒａｃｔ１の正端子は、電位設定増幅器Ａｍｐ１の出力端子に接続される。電位設定増幅器の正端子は、基準電圧Ｖｒｅｆにされる。
【００４３】
電位設定回路１は、図３を参照して述べた原理と同一の原理で動作し、換言するとソース−ドレイン電圧ＶＳＤがＶｒｅｆにクランプされる。バイアス電圧Ｖｂｉａｓが分析物を含む溶液に印加されると、ゲート電極における反応がＩＳＦＥＴのゲート下側のチャンネル内の電荷の量を、したがって、たとえば抵抗または図３の電流検出回路５であってもよい電流センサＣｓｅｎｓを通って流れるソース−ドレイン電流を変更する。
【００４４】
本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態に対して種々の変更を行うことができることは、当業者によって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】周知の電流測定センサのバイアスおよび出力回路を示す概略図である。
【図２】多重センサのバイアスおよび出力回路を示す概略図である。
【図３】本発明に従った電流測定センサのバイアスおよび出力回路の第１の実施形態を示す概略図である。
【図４】図３の回路を使用する電流測定センサからの電流の測定に関係するステップを示すフローチャートである。
【図５】３つの異なるセンサ電流に対応する測定サイクルについて図３の回路にわたる電圧を示した信号図である。
【図６】イオン感応性電界効果トランジスタのためのバイアスおよび出力回路を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年3月18日(2008.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電極、カウンタ電極、および作用電極をそれぞれ有する２つの電流測定センサを動作させるための回路であって、
正の入力と負の入力と出力とを有する増幅器であって、前記正の入力が基準電圧源に結合され、前記負の入力および前記出力が、負帰還ループを介して互いに結合される、増幅器と、
前記負帰還ループ内にあり、前記増幅器の前記負の入力に結合される出力を有する減算器と、
スイッチング手段であって、第１の構成に設定されるとき、前記カウンタ電極が前記出力に結合され、前記減算器の正の入力が前記基準電極に結合され、前記減算器の負の入力が前記作用電極に結合されるように、前記２つのセンサのうちの第１のセンサを前記増幅器の負帰還ループ内に結合し、第２の構成に設定されるとき、前記作用電極が前記出力に結合され、前記減算器の前記正の入力が前記作用電極に結合され、前記減算器の前記負の入力が前記基準電極に結合されるように、前記２つのセンサのうちの第２のセンサを前記負帰還ループ内に結合するスイッチング手段と、
を含むことを特徴とする回路。
【請求項２】
前記作用電極に結合され、そこから受取ったセンサ電流を積分するキャパシタンスと、前記キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定出力に与えるための手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の回路。
【請求項３】
使用時に前記キャパシタンスを予め定める時間期間にわたって前記作用電極に結合するように構成されたコントローラを含み、前記キャパシタンス上に蓄積された前記電圧を測定出力に与えるための手段は、前記電圧を前記予め定める時間期間の終了時に与えるように動作することを特徴とする請求項２に記載の回路。
【請求項４】
センサ測定の実行に先立って、前記キャパシタンス上に蓄積された電荷を放電するために、前記キャパシタンスの電流受取り側をグラウンドに選択的に結合するための放電スイッチを含むことを特徴とする請求項２または３に記載の回路。
【請求項５】
前記キャパシタンス上に蓄積された前記電圧を測定出力に与えるための手段は、前記キャパシタンスの前記電流受取り側に結合される正の入力を有する単位利得バッファ増幅器を含むことを特徴とする請求項２〜４のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項６】
前記キャパシタンスは、可変キャパシタンスであることを特徴とする請求項２〜５のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項７】
前記キャパシタンスに定電流を供給するように選択可能な１または複数の定電流源と、定電流源による前記キャパシタンスの充電中にセンサから前記キャパシタンスを分離するためのスイッチ手段とを含み、定電流によって前記キャパシタンスに印加される前記電圧の測定が回路およびセンサの較正を可能にすることを特徴とする請求項２〜６のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項８】
使用時にセンサ測定の実行に先立って、センサ・キャパシタンスを放電するために、少なくとも１つのセンサ電極をグラウンドに接続するように設定可能な第２のスイッチング手段を含むことを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項９】
前記スイッチング手段を前記第１または第２の構成に自動的に設定するためのコントローラを含むことを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１０】
前記回路は、単一の半導体チップ内に集積されることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１１】
外部電流測定センサの電極に結合するための複数の端子を含むことを特徴とする請求項１０に記載の回路。
【請求項１２】
前記供給電圧は、１Ｖ以下であることを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１項に記載の回路。
【請求項１３】
電流測定センサと組み合わせた請求項１〜１２のうちのいずれか１項に記載の回路を含むことを特徴とするセンサ・システム。
【請求項１４】
請求項２に従属するときの請求項１３に記載のセンサ・システムを動作させる方法であって、
前記スイッチング手段を前記第１または第２の構成に設定することと、
センサによって生成された電流をキャパシタンスにわたって積分することと、
予め定める時間期間が経過した後に、前記キャパシタンス上に蓄積された電圧を測定することと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
センサをバイアスするための回路であって、増幅器と減算器とを含み、前記減算器が、前記増幅器の負帰還ループ内に結合され、かつ使用時にはその正および負の入力が、それぞれ前記センサの第１および第２の端子に結合され、前記増幅器の出力が、使用時にはセンサ端子に結合され、前記増幅器の正の入力が基準電圧に結合され、前記第１および第２の端子の間の電圧が実質的に前記基準電圧にクランプされることを特徴とする回路。
【請求項１６】
電流測定センサとともに使用され、前記第１の端子は基準電極および作用電極のうちの一方であり、前記第２の端子は前記基準電極および前記作用電極のうちの他方であり、前記増幅器の前記出力は、カウンタ電極および前記作用電極のうちの一方に結合されることを特徴とする請求項１５に記載の回路。
【請求項１７】
イオン感応性電界効果トランジスタとともに使用され、前記第１および第２の端子は、イオン感応性電界効果トランジスタのソースおよびドレインであり、前記増幅器の前記出力は、前記ソース端子に結合されることを特徴とする請求項１５に記載の回路。
【請求項１８】
センサからの電流出力を検出するための回路であって、使用時に前記センサの出力に結合されるように構成されたキャパシタンスと、前記キャパシタンスにわたる電圧を、測定サイクルに先立って放電させるための手段と、前記キャパシタンス上に蓄積された前記電圧を測定サイクルの後に測定するための手段とを含むことを特徴とする回路。
【国際調査報告】
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2009526966.tif 000011
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