(57)【要約】【課題】化学センサにおいて、被検出物質の安定した検出ができるようにする。【解決手段】第１ドレイン領域と第１ソース領域との間に第１チャネル領域が形成された第１半導体領域と、第１チャネル領域上に形成された第１ゲート絶縁膜と、第１ゲート絶縁膜上に形成された第１ゲート電極と、第１ゲート電極上に形成された感応膜と、を含む感応素子、及び、感応素子の第１ゲート電極の電位を制御し且つフローティング化する制御機構を具備する。【選択図】図１
2011215105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ドレイン領域と第１ソース領域との間に第１チャネル領域が形成された第１半導体領域と、前記第１チャネル領域上に形成された第１ゲート絶縁膜と、前記第１ゲート絶縁膜上に形成された第１ゲート電極と、前記第１ゲート電極上に形成された感応膜と、を含む感応素子と、
前記感応素子の第１ゲート電極の電位を制御し、且つフローティング化する制御機構と、
を具備する化学センサ。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御機構は、第２ドレイン領域と第２ソース領域との間に第２チャネル領域が形成された第２半導体領域と、前記第２チャネル領域上に形成された第２ゲート絶縁膜と、前記第２ゲート絶縁膜上に形成された第２ゲート電極と、を含み、
前記第２ドレイン領域及び第２ソース領域の内の一方は、前記感応素子の第１ゲート電極に電気的に接続され、前記第２ドレイン領域及び第２ソース領域の内の他方は、電源装置に電気的に接続された化学センサ。
【請求項３】
請求項２において、
前記制御機構の第２半導体領域が絶縁層上に形成されている化学センサ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
被検出物質が含まれる液体の電位を制御する参照電極をさらに具備する化学センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の化学センサを用いて、前記参照電極と前記感応膜とに接触する液体中の被検出物質を検出する方法において、
前記感応素子の第１ゲート電極を前記制御機構によって所定電位に接続するステップ（ａ）と、
前記感応素子の第１ゲート電極を前記制御機構によってフローティング化するステップ（ｂ）と、
前記感応素子の第１ゲート電極がフローティング化された状態で、前記参照電極の電位と前記感応素子のドレイン・ソース間電圧とが所定条件である場合の前記感応素子のドレイン電流を計測するステップ（ｃ）と、
を具備する検出方法。
【請求項６】
請求項５において、
ステップ（ｃ）において前記参照電極の電位を掃引変化させながら、前記感応素子のドレイン電流を計測する検出方法。
【請求項７】
請求項４に記載の化学センサを用いて、前記参照電極と前記感応膜とに接触する液体中の被検出物質を検出する方法において、
前記参照電極を第１の電位に、前記感応素子の第１ゲート電極を前記制御機構によって第２の電位に、それぞれ接続するステップ（ａ）と、
前記参照電極が第１の電位に接続された状態で、前記感応素子の第１ゲート電極を前記制御機構によって第２の電位と異なる第３の電位に所定時間接続するステップ（ｂ）と、
前記所定時間の経過時に、前記参照電極が第１の電位に接続された状態で、前記感応素子の第１ゲート電極を前記制御機構によってフローティング化するステップ（ｃ）と、
前記参照電極が第１の電位に接続され、前記感応素子の第１ゲート電極がフローティング化された状態で、前記感応素子のドレイン・ソース間電圧が所定条件である場合の前記感応素子のドレイン電流を計測するステップ（ｄ）と、
を具備する検出方法。
【請求項８】
請求項７において、
ステップ（ｂ）における前記所定時間を変化させてステップ（ａ）〜（ｄ）を複数回実行し、前記所定時間の変化に応じた前記感応素子のドレイン電流の変化に基づいて被検出物質を検出する検出方法。
【請求項９】
請求項７又は請求項８において、
前記第２の電位は、被検出物質を酸化する酸化電位、又は、被検出物質を還元する還元電位であり、
前記第３の電位は、前記第２の電位が酸化電位である場合には還元電位、前記第２の電位が還元電位である場合には酸化電位である検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学センサ及び検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検出物質を捉えて電気信号を出力する化学センサとして、電界効果トランジスタを応用したＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field-Effect Transistor：イオン感応性電界効果トランジスタ）やＣＨＥＭＦＥＴ（Chemical Field-Effect Transistor：化学的電界効果トランジスタ）が提案されている。これらの化学センサは、例えば、電界効果トランジスタのゲートに感応膜が形成されたものであり、被検出物質によって引き起こされるゲート電位の変化に応じたドレイン電流に基づいて、被検出物質を検出する。
【０００３】
下記の特許文献１には、ドレイン拡散層及びソース拡散層が形成された半導体基板と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極に接続されたコンデンサ電極と、コンデンサ電極に絶縁膜を介して積層されたイオン感応膜とを備えたＩＳＦＥＴが記載されている。この構成においては、コンデンサ電極がフローティング状態であるため、ゲート電極もフローティング状態となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１５９７４号公報（段落０００７〜００１２、図１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のように、ゲート電極をフローティング状態とする場合には、ＩＳＦＥＴの製造中にゲート電極に電荷が蓄積して、その蓄積電荷量のばらつきによって素子の特性がばらついてしまう場合がある。また、ＩＳＦＥＴの使用時にゲート電極に電荷が蓄積して、その蓄積電荷量の経時変化によって素子の特性が変化してしまう場合がある。
【０００６】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、化学センサにおいて、被検出物質の安定した検出ができるようにすることに関連している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の幾つかの態様において、化学センサは、第１ドレイン領域と第１ソース領域との間に第１チャネル領域が形成された第１半導体領域と、第１チャネル領域上に形成された第１ゲート絶縁膜と、第１ゲート絶縁膜上に形成された第１ゲート電極と、第１ゲート電極上に形成された感応膜と、を含む感応素子と、感応素子の第１ゲート電極の電位を制御し、且つフローティング化する制御機構と、を具備する。
この態様によれば、感応素子の第１ゲート電極の電位を制御し、且つフローティング化することにより、被検出物質の安定した検出ができる。
【０００８】
上述の態様において、制御機構は、第２ドレイン領域と第２ソース領域との間に第２チャネル領域が形成された第２半導体領域と、第２チャネル領域上に形成された第２ゲート絶縁膜と、第２ゲート絶縁膜上に形成された第２ゲート電極と、を含み、第２ドレイン領域及び第２ソース領域の内の一方は、感応素子の第１ゲート電極に電気的に接続され、第２ドレイン領域及び第２ソース領域の内の他方は、電源装置に電気的に接続されることが望ましい。
これによれば、制御機構がトランジスタを含むことにより、感応素子の第１ゲート電極の電位の制御及びフローティング化を簡易な構成で行うことができる。
【０００９】
上述の態様において、制御機構の第２半導体領域が絶縁層上に形成されていることが望ましい。
これによれば、感応素子の第１ゲート電極に接続された制御機構の第２ソース領域又は第２ドレイン領域の寄生容量が小さいため、被検出物質による感応膜の電位の変化に伴う感応素子のドレイン電流の変化を大きくすることができる。
【００１０】
上述の態様において、被検出物質が含まれる液体の電位を制御する参照電極をさらに具備することが望ましい。
これによれば、感応膜における被検出物質の捕獲感度を制御することができる。
【００１１】
本発明の他の態様において、上述の化学センサを用いて参照電極と感応膜とに接触する液体中の被検出物質を検出する方法は、感応素子の第１ゲート電極を制御機構によって所定電位に接続するステップ（ａ）と、感応素子の第１ゲート電極を制御機構によってフローティング化するステップ（ｂ）と、感応素子の第１ゲート電極がフローティング化された状態で、参照電極の電位と感応素子のドレイン・ソース間電圧とが所定条件である場合の感応素子のドレイン電流を計測するステップ（ｃ）と、を具備する。
この態様によれば、感応素子の第１ゲート電極を所定電位に制御し、この電位を保持できるので、安定した検出が可能となる。
【００１２】
上述の態様において、ステップ（ｃ）において参照電極の電位を掃引変化させながら、感応素子のドレイン電流を計測することが望ましい。
これによれば、参照電極の電位の変化に応じたドレイン電流の変化に基づいて、より精密な検出ができる。
【００１３】
本発明の他の態様において、上述の化学センサを用いて参照電極と感応膜とに接触する液体中の被検出物質を検出する方法は、参照電極を第１の電位に、感応素子の第１ゲート電極を制御機構によって第２の電位に、それぞれ接続するステップ（ａ）と、参照電極が第１の電位に接続された状態で、感応素子の第１ゲート電極を制御機構によって第２の電位と異なる第３の電位に所定時間接続するステップ（ｂ）と、上記所定時間の経過時に、参照電極が第１の電位に接続された状態で、感応素子の第１ゲート電極を制御機構によってフローティング化するステップ（ｃ）と、参照電極が第１の電位に接続され、感応素子の第１ゲート電極がフローティング化された状態で、感応素子のドレイン・ソース間電圧が所定条件である場合の感応素子のドレイン電流を計測するステップ（ｄ）と、を具備する。
この態様によれば、感応膜における酸化還元の反応速度を検出することができる。例えば、第３の電位を還元電位とした場合に、還元反応の速度が早いイオンと遅いイオンとでは上記所定時間内に還元されるイオンの量が異なるので、感応素子の第１ゲート電極をフローティング化した状態におけるドレイン電流に基づいて還元反応の速度を検出することができる。
【００１４】
上述の態様において、ステップ（ｂ）における上記所定時間を変化させてステップ（ａ）〜（ｄ）を複数回実行し、上記所定時間の変化に応じた感応素子のドレイン電流の変化に基づいて被検出物質を検出することが望ましい。
これによれば、上記所定時間を変化させることによって、酸化還元の反応速度をより正確に検出することができる。
【００１５】
上述の態様において、第２の電位は、被検出物質を酸化する酸化電位、又は、被検出物質を還元する還元電位であり、第３の電位は、第２の電位が酸化電位である場合には還元電位、第２の電位が還元電位である場合には酸化電位であることが望ましい。
これによれば、第１ゲート電極を第２の電位に接続することによって酸化又は還元の反応を予め十分に行っておき、第１ゲート電極を第３の電位に接続することによって逆の反応を行うので、より正確な反応速度の検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る化学センサを示す模式図
【図２】上記化学センサの具体的構成を示す平面図
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図及びＢ−Ｂ線断面図
【図４】上記化学センサを用いた第１の検出方法を説明する図
【図５】上記化学センサを用いた第２の検出方法を説明する図
【図６】第２の検出方法において第１ゲート電極に接続する電位を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００１８】
＜１．化学センサの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る化学センサを示す模式図である。図１に示す化学センサ１は、感応素子２と制御機構３とを具備している。
感応素子２は、第１ドレイン領域２１と、第１ソース領域２２と、第１ドレイン領域２１と第１ソース領域２２との間のチャネル領域上に形成された第１ゲート電極２４と、第１ゲート電極２４上に形成された感応膜２５とを含むＩＳＦＥＴである。
制御機構３は、トランジスタ３０を含んでいる。トランジスタ３０のソース端子は感応素子２の第１ゲート電極２４に接続されており、トランジスタ３０のドレイン端子は可変電源装置３８の出力電極に接続されている。
【００１９】
化学センサ１は、制御機構３のトランジスタ３０をＯＮにすることにより、感応素子２の第１ゲート電極２４の電位を制御し、制御機構３のトランジスタ３０をＯＦＦにすることにより、感応素子２の第１ゲート電極２４をフローティング化することができる。
【００２０】
図２は、上記化学センサの具体的構成を示す平面図である。また、図３（Ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図であり、図３（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ線断面図である。
図２に示すように、化学センサ１は、感応素子２のドレイン・ソース間のチャネルにおける電荷の移動方向（Ａ−Ａ方向）に対して、トランジスタ３０のドレイン・ソース間のチャネルにおける電荷の移動方向（Ｂ−Ｂ方向）が直交するように配置されている。
【００２１】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、化学センサ１は、基板１０上に、第１絶縁層１１、半導体層１２、第２絶縁層１３、ゲート電極層１４が順次積層された構成を有している。
基板１０及び半導体層１２は、例えば単結晶シリコンによって形成されている。第１絶縁層１１及び第２絶縁層１３は、例えば酸化シリコン膜によって形成されている。ゲート電極層１４は、例えば多結晶シリコン膜によって形成されている。
【００２２】
次に、図３（Ａ）を参照しながら、感応素子２について説明する。
図３（Ａ）に示すように、半導体層１２には、例えばＮ型不純物がドープされた第１ドレイン領域２１及び第１ソース領域２２が形成されている。また、半導体層１２には、第１ドレイン領域２１と第１ソース領域２２との間に、例えばＰ型不純物がドープされた第１チャネル領域２３が形成されている。
半導体層１２の周辺には素子分離膜１２０が形成されている。
【００２３】
第２絶縁層１３のうち、半導体層の第１チャネル領域２３に対応する領域は、感応素子２の第１ゲート絶縁膜を構成する。ゲート電極層１４には、少なくとも半導体層の第１チャネル領域２３に対応する領域に第１ゲート電極２４が形成されている。第１ゲート電極２４を構成する多結晶シリコンには、例えばＮ型不純物がドープされている。
【００２４】
第１ゲート電極２４上には、感応膜２５が形成されている。感応膜２５は、検出しようとする物質（被検出物質）に応じて、例えば次に示すものを用いることができる。
【００２５】
検出するイオンを水素イオン（Ｈ＋）とするならば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）や酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ２）を用いることができる。検出するイオンをカリウムイオン（Ｋ＋）とするならば、バリノマイシンを用いることができる。検出するイオンをナトリウムイオン（Ｎａ＋）とするならば、ビスクラウンエーテル誘導体を用いることができる。検出するイオンをカルシウムイオン（Ｃａ２＋）とするならば、非環状ポリエーテルアミド誘導体を用いることができる。検出するイオンをアンモニウムイオン（ＮＨ４＋）とするならば、ノナクチンや塩化テトラセチルアンモニウムを用いることができる。
【００２６】
また、検出するイオンをフッ素イオン（Ｆ−）とするならば、フッ化ランタン（ＬａＦ３）を用いることができる。検出するイオンを銀イオン（Ａｇ＋）や鉛イオン（Ｐｂ２＋）とするならば、カリックスアレンなどを用いることができる。また、感応膜２５を液膜型イオンセンサ溶媒とすることもでき、その場合は、ニトロベンゼンやニトロフェニルオチルエーテルなどを用いることができる。
また、種々の蛋白質やＤＮＡ（deoxyribonucleic acid）などの生体分子検出では、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の表面を感応化処理した膜を用いることができる。
【００２７】
化学センサ１の基板１０には、素子分離膜１２０に対応する第２絶縁層１３上の領域に、参照電極４０が一体に形成されていても良い。図２に示すように、参照電極４０は、半導体層１２を取り囲むように形成することにより、液体内の電位分布を均一化することができる。参照電極４０は、白金（Ｐｔ）等の導電性材料で形成され、図示しない外部電極に接続される。これにより、被検出物質が含まれる液体の電位を制御し、感応膜２５における被検出物質の捕獲感度を制御することができる。また、参照電極４０は、基板１０とは別体に設けられても良い。
【００２８】
第１ドレイン領域２１は所定の電位（例えば正電位）に接続される。第１ソース領域２２は、第１ドレイン領域２１と異なる所定の電位（例えばアース電位）に接続される。
【００２９】
以上説明した感応素子２において、イオンなどの被検出物質が感応膜２５に捕獲されたとき、感応膜２５に電荷が蓄積される。感応膜２５に例えば正の電荷が蓄積されると、半導体層１２のチャネル領域２３に存在する正孔が第１絶縁層１１側に移動し、電子が第２絶縁層１３側に移動する。これにより、チャネル領域２３の第２絶縁層１３側に、感応膜２５における電荷量に応じたチャネルが形成され、第１ドレイン領域２１と第１ソース領域２２との間の電気抵抗が変化し、ドレイン電流が変化する。これにより、被検出物質が検出される。
【００３０】
次に、図３（Ｂ）を参照しながら、トランジスタ３０について説明する。
図３（Ｂ）に示すように、半導体層１２には、例えばＮ型不純物（第１ゲート電極２４の不純物と同じ型の不純物）がドープされた第２ドレイン領域３１及び第２ソース領域３２が形成されている。また、半導体層１２には、第２ドレイン領域３１と第２ソース領域３２との間に、例えばＰ型不純物がドープされた第２チャネル領域３３が形成されている。
これらの第２ドレイン領域３１、第２ソース領域３２及び第２チャネル領域３３を含む第２半導体領域は、素子分離膜１２０によって、感応素子２の第１ドレイン領域２１、第１ソース領域２２及び第１チャネル領域２３を含む第１半導体領域から遮断されている。
【００３１】
第２絶縁層１３のうち、半導体層の第２チャネル領域３３に対応する領域は、トランジスタ３０の第２ゲート絶縁膜を構成する。ゲート電極層１４には、少なくとも半導体層の第２チャネル領域３３に対応する領域に第２ゲート電極３４が形成されている。第２ゲート電極３４は、パシベーション膜１６によって、感応素子２の第１ゲート電極２４及び感応膜２５から遮断されている。
【００３２】
以上説明したトランジスタ３０において、第２ドレイン領域３１は可変電源装置３８（図１参照）の出力電極に接続される。第２ソース領域３２は、第２絶縁層１３を一部除去して形成されたコンタクト部１３１を介して、感応素子２の第１ゲート電極２４に接続される。コンタクト部１３１は、例えばＮ型不純物（第１ゲート電極２４の不純物と同じ型の不純物）がドープされた多結晶シリコン膜を含んでいる。第２ゲート電極３４は、トランジスタ３０のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号の出力端子に接続される。
【００３３】
なお、本実施形態において、トランジスタ３０としてＮチャネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタを用いる例を示したが、ＰチャネルＭＯＳトランジスタを用いても良い。ＰチャネルＭＯＳトランジスタを用いる場合には、第１ゲート電極２４及びコンタクト部１３１は、導電性を確保するためＰ型不純物をドープしたシリコン膜によって形成する。
また、本実施形態において、制御機構３としてトランジスタ３０を可変電源装置３８に接続した例を示したが、トランジスタ３０の代わりに、他のスイッチング素子を用いても良い。
【００３４】
上述の構成によれば、感応素子２の第１ゲート電極２４の電位を制御し、且つフローティング化できるようにすることにより、第１ゲート電極２４の蓄積電荷量を制御することができる。従って、仮に化学センサ１の製造中に第１ゲート電極２４に電荷が蓄積し、その蓄積電荷量にばらつきがあったとしても、また、仮に化学センサ１の使用時に第１ゲート電極２４に電荷が蓄積したとしても、その蓄積電荷量を制御することにより、被検出物質の安定した検出ができる。
また、制御機構３がトランジスタ３０を含むことにより、感応素子２の第１ゲート電極２４の電位の制御及びフローティング化を簡易な構成で行うことができる。
また、感応素子２の第１ゲート電極２４に接続された制御機構３の第２ソース領域３２又は第２ドレイン領域３１の寄生容量が小さいため、被検出物質による感応膜２５の電位の変化に伴う感応素子２のドレイン電流の変化を大きくすることができる。
【００３５】
＜２．第１の検出方法＞
図４は、上記化学センサを用いた第１の検出方法を説明する図である。第１の検出方法においては、感応素子２の第１ゲート電極２４を所定電位に初期設定した後、感応素子２の第１ゲート電極２４をフローティング化して、感応素子２のドレイン電流を計測する。
【００３６】
まず、図４（Ａ）に示すように、トランジスタ３０をＯＮにして、感応素子２の第１ゲート電極２４を所定電位（例えばアース電位）に接続する。
次に、図４（Ｂ）に示すように、トランジスタ３０をＯＦＦにして、感応素子２の第１ゲート電極２４をフローティング化する。これにより、第１ゲート電極２４に蓄積していた電荷をほぼ０にした状態でフローティング化することができる。
【００３７】
そして、参照電極４０と感応膜２５とを液体に接触させ、図４（Ｃ）に示すように、ドレイン電位Ｖｄを正の一定電位に、ソース電位Ｖｓをアース電位にそれぞれ接続し、感応素子２のドレイン電流を計測する。
このとき、参照電位Ｖｒｅｆを例えば０から正電位に掃引変化させながらドレイン電流を計測すると、参照電位Ｖｒｅｆが上昇するにつれて、より多くの正イオンが感応膜２５に捕獲され、それに応じてドレイン電流が変化する。
【００３８】
以上のようにして得られた参照電位Ｖｒｅｆとドレイン電流との間の関係に基づいて、目的とするイオンや生体分子を検出することができる。また、水には水素イオン（Ｈ＋）や水酸化物イオン（ＯＨ−）が含まれるので、何れかのイオンを検出することによって水分の検出もできる。
また、以上のようにして得られた参照電位Ｖｒｅｆとドレイン電流との間の関係を、別途得られた基礎データと比較することにより、目的とするイオン又は生体分子の濃度を測定することができる。また、水素イオン（Ｈ＋）又は水酸化物イオン（ＯＨ−）の濃度から、水溶液やコンクリートのｐＨを測定することもできる。
【００３９】
＜３．第２の検出方法＞
図５は、上記化学センサを用いた第２の検出方法を説明する図である。第２の検出方法においては、参照電極４０を第１の電位Ｖ１に接続した状態で、感応素子２の第１ゲート電極２４を第２の電位Ｖ２に接続した後、第１ゲート電極２４を第３の電位Ｖ３に接続して所定時間経過時にフローティング化し、感応素子２のドレイン電流を計測する。
【００４０】
まず、参照電極４０と感応膜２５とを液体に接触させる。そして、図５（Ａ）に示すように、参照電位Ｖｒｅｆを第１の電位Ｖ１に、感応素子２の第１ゲート電極２４をトランジスタ３０及び可変電源装置３８によって第２の電位Ｖ２にそれぞれ接続する。これにより、第１の電位Ｖ１及び第２の電位Ｖ２に応じて被検出物質が感応膜２５に捕獲される。例えば、参照電位Ｖｒｅｆに接続される第１の電位Ｖ１が正の電位であれば、正イオンが捕獲され易くなり、第１ゲート電極２４に接続される第２の電位Ｖ２が正の電位であれば、負イオンが捕獲され易くなる。これらの電位に接続する時間は、これらの電位に応じた感応膜２５における反応が安定するまでの時間とする。反応が安定したか否かは、感応素子２のドレイン電流が安定したか否かを実際に計測することによって判定しても良いし、一定時間が経過したか否かによって判定しても良い。
【００４１】
次に、図５（Ｂ）に示すように、感応素子２の第１ゲート電極２４をトランジスタ３０及び可変電源装置３８によって第２の電位Ｖ２と異なる第３の電位Ｖ３に接続する。例えば、第２の電位Ｖ２が酸化（正）電位である場合に、第３の電位Ｖ３として還元（負）電位に接続する。また、例えば、第２の電位Ｖ２が還元電位である場合に、第３の電位Ｖ３として絶対値のより高い還元電位に接続しても良い。感応素子２の第１ゲート電極２４を還元電位に接続すると、感応膜２５から負イオンが離脱し、正イオンが捕獲される。この還元反応速度は、反応するイオンによって異なる。従って、第３の電位Ｖ３に接続する時間が同じでも、イオンが異なれば反応の量が異なってくる。
【００４２】
第３の電位Ｖ３に接続して所定時間（第２の電位Ｖ２への接続時間より短い時間）経過した時に、図５（Ｃ）に示すように、感応素子２の第１ゲート電極２４をトランジスタ３０によってフローティング化する。これにより、第３の電位Ｖ３に接続したことによるイオンの反応が停止する。そして、感応素子２の第１ゲート電極２４がフローティング化された状態で、ドレイン電位Ｖｄを正の一定電位に、ソース電位Ｖｓをアース電位にそれぞれ接続し、感応素子２のドレイン電流を計測する。
【００４３】
このとき、仮に、イオン又は生体分子の反応速度が速ければ、感応素子２の第１ゲート電極２４を第３の電位Ｖ３に接続したときのドレイン電流と、第３の電位Ｖ３に接続してフローティング化したときのドレイン電流とは大幅に異なる。これに対し、イオン又は生体分子の反応速度が遅ければ、これらのドレイン電流はあまり変わらないことになる。従って、これらのドレイン電流を比較することにより、反応速度を検出することができる。また、以上のようにして得られた反応速度を、別途得られた基礎データと比較することにより、目的とするイオン又は生体分子の種類を同定することができる。
【００４４】
本実施形態においては、感応素子２の第１ゲート電極２４の電位を、参照電位Ｖｒｅｆとは独立に制御し、トランジスタ３０によって任意のタイミングでフローティング化してイオン又は生体分子の反応を停止できるので、反応速度を正確に検出することができる。
【００４５】
以上説明した第２の検出方法においては、感応素子２の第１ゲート電極２４を第３の電位Ｖ３に接続する時間を種々変更して、上述の測定を複数回実行することが望ましい。
図６は、第２の検出方法において第１ゲート電極に接続する電位を説明する図である。図６（Ａ）に示すように、感応素子２の第１ゲート電極２４を第２の電位Ｖ２（酸化電位）に比較的長い時間接続した後、第３の電位Ｖ３（還元電位）に短時間接続してフローティング化することを繰り返し、その都度、感応素子２のドレイン電流を測定する。第３の電位Ｖ３への接続時間を少しずつ変化させ、接続時間の変化に応じたドレイン電流の変化を検出することにより、イオンの還元反応の速度をより正確に測定することができる。また、予め第２の電位Ｖ２として酸化電位に接続しておくことにより、酸化反応を予め十分に行っておけば、還元反応の速度をより正確に検出することができる。
【００４６】
図６（Ａ）においては第２の電位Ｖ２を酸化電位とし、第３の電位Ｖ３を還元電位とする例を示したが、図６（Ｂ）に示すように、第２の電位Ｖ２を還元電位とし、第３の電位Ｖ３を酸化電位としても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１…化学センサ、２…感応素子、３…制御機構、１０…基板、１１…第１絶縁層、１２…半導体層、１３…第２絶縁層（第１ゲート絶縁膜、第２ゲート絶縁膜）、１４…ゲート電極層、１６…パシベーション膜、２１…第１ドレイン領域、２２…第１ソース領域、２３…第１チャネル領域、２４…第１ゲート電極、２５…感応膜、３０…トランジスタ、３１…第２ドレイン領域、３２…第２ソース領域、３３…第２チャネル領域、３４…第２ゲート電極、３８…可変電源装置、４０…参照電極、１２０…素子分離膜、１３１…コンタクト部、Ｖ１…第１の電位、Ｖ２…第２の電位、Ｖ３…第３の電位、Ｖｄ…ドレイン電位、Ｖｒｅｆ…参照電位、Ｖｓ…ソース電位
【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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