(57)【要約】【課題】センサ用トランジスタの性能の信頼性を向上させる技術を提供する。【解決手段】絶縁ゲート部上に試料溶媒が配置されるとともにその試料溶媒に参照電極が浸漬して用いられるセンサ用トランジスタの駆動回路であって、前記参照電極と前記センサ用トランジスタのベース電極の間の電圧を調整する電圧調整回路部を備えており、前記電圧調整回路部は、実計測に先立って、前記センサ用トランジスタの出力電圧が設定電圧に一致するように、前記参照電極と前記センサ用トランジスタの前記ベース電極の間の電圧を調整するように構成されている。【選択図】図２
2019002820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁ゲート部上に試料溶媒が配置されるとともにその試料溶媒に参照電極が浸漬して用いられるセンサ用トランジスタの駆動回路であって、
前記参照電極と前記センサ用トランジスタのベース電極の間の電圧を調整する電圧調整回路部を備えており、
前記電圧調整回路部は、実計測に先立って、前記センサ用トランジスタの出力電圧が設定電圧に一致するように、前記参照電極と前記センサ用トランジスタの前記ベース電極の間の電圧を調整するように構成されている、駆動回路。
【請求項２】
前記参照電極の材料が、銅又はアルミニウムである、請求項１に記載の駆動回路。
【請求項３】
前記電圧調整回路部は、前記参照電極と前記センサ用トランジスタの前記ベース電極の間に接続されている調整用トランジスタを有しており、
前記電圧調整回路部は、前記調整用トランジスタのゲート電圧を制御することにより、前記参照電極と前記センサ用トランジスタの前記ベース電極の間の電圧を調整するように構成されている、請求項１又は２に記載の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、センサ用トランジスタの駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象に依存して変化するチャネル抵抗に基づいて電気信号を出力するように構成されているセンサ用トランジスタが開発されている。例えば、特許文献１は、絶縁ゲート部上に配置された試料溶媒内に含まれるターゲット生分子を検出するセンサ用トランジスタを開示する。このセンサ用トランジスタでは、ターゲット生分子に特異的に結合するプローブ生分子が絶縁ゲート部の表面に固定されている。プローブ生分子にターゲット生分子が結合すると、ターゲット分子の電荷に依存してセンサ用トランジスタのチャネル抵抗が変化する。このセンサ用トランジスタでは、そのチャネル抵抗の変化を測定することで、ターゲット生分子を検出することができる。また、特許文献２は、絶縁ゲート部上に配置された試料溶媒のｐＨを測定するセンサ用トランジスタを開示する。このセンサ用トランジスタでは、ゲート絶縁膜がイオン感応膜として作用し、試料溶媒のｐＨに依存してセンサ用トランジスタのチャネル抵抗が変化する。このセンサ用トランジスタでは、そのチャネル抵抗の変化を測定することで、試料溶媒のｐＨを測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３０４０８９号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０２８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらのセンサ用トランジスタでは、例えば接地電位に固定された参照電極が試料溶媒に浸漬され、参照電極とセンサ用トランジスタのベース電極の間に固定電源が接続されて用いられる。これにより、参照電極とセンサ用トランジスタのベース電極の間の電圧は、固定電源の電圧に初期設定される。しかしながら、このように参照電極とセンサ用トランジスタのベース電極の間の電圧を初期設定しても、例えばセンサ用トランジスタの性能バラツキ（例えば、閾値電圧等）により、センサ用トランジスタを意図した領域（例えば線形領域）で動作させることができない事態が生じ得る。この結果、センサ用トランジスタの性能の信頼性が悪化する。本明細書は、センサ用トランジスタの性能の信頼性を向上させる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書は、絶縁ゲート部上に試料溶媒が配置されるとともにその試料溶媒に参照電極が浸漬して用いられるセンサ用トランジスタの駆動回路を開示する。本明細書が開示するセンサ用トランジスタは、様々な用途に用いられ、その用途を特に限定するものではない。例えば、センサ用トランジスタは、試料溶媒内の細胞の活動の様子を観察する目的で用いられ得る。また、センサ用トランジスタは、絶縁ゲート部上にプローブ生分子を固定することで、試料溶媒内のターゲット生分子を検出する目的で用いられ得る。この駆動回路は、参照電極とセンサ用トランジスタのベース電極の間の電圧を調整する電圧調整回路部を備えることができる。電圧調整回路部は、実計測に先立って、センサ用トランジスタの出力電圧が設定電圧に一致するように、参照電極とセンサ用トランジスタのベース電極の間の電圧を負帰還制御するように構成されている。このような負帰還制御によって、センサ用トランジスタの出力電圧が設定電圧、即ち、初期電圧に一致することができる。これにより、例えばセンサ用トランジスタの性能バラツキ（例えば、閾値電圧等）が存在しても、センサ用トランジスタを意図した領域（例えば線形領域）で動作させることを保証でき、センサ用トランジスタの性能の信頼性を向上させることができる。
【０００６】
参照電極の材料が、銅又はアルミニウムであってもよい。試料溶媒の電位を安定させるためには、試料溶媒中のイオンに対して不活性材料である例えば銀又は白金が参照電極に用いられるのが望ましい。しかしながら、このような材料は高価であり、センサ用トランジスタのコストを増加させる。一方、本願明細書が開示する駆動回路は、参照電極が試料溶媒中のイオンに反応して試料溶媒の電位が変動する結果、センサ用トランジスタの出力電圧が変動するような場合でも、負帰還制御によってそのセンサ用トランジスタの出力電圧を実計測に先立って補正することができる。換言すれば、本願明細書が開示する駆動回路は、試料溶媒中のイオンに反応するような参照電極の材料、銅又はアルミニウムの使用を許容することができる。このように、本願明細書が開示する駆動回路は、安価な参照電極を備えるセンサ用トランジスタに好適に用いることができる。
【０００７】
電圧調整回路部は、参照電極とセンサ用トランジスタのベース電極の間に接続されている調整用トランジスタを有していてもよい。電圧調整回路部は、調整用トランジスタのゲート電圧を制御することにより、参照電極とセンサ用トランジスタのベースの間の電圧を負帰還制御するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】センサ用トランジスタの要部断面図の概略を示す。
【図２】センサ用トランジスタに接続される回路構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に、細胞の活動の様子を観察するためのセンサ用トランジスタ１０を示す。センサ用トランジスタ１０は、シリコン基板２０、ベース電極３２、ソース電極３４、ドレイン電極３６、絶縁膜３７、ゲート絶縁膜３８、容器４２及び参照電極４４を備える。
【００１０】
シリコン基板２０は、ｐ型のドリフト領域２２、ｎ+型のソース領域２４及びｎ+型のドレイン領域２６を有する。ソース領域２４及びドレイン領域２６は、シリコン基板２０の表層部に設けられており、相互に離れて配置されている。ソース領域２４とドレイン領域２６の間にはドリフト領域２２の一部が配置されており、このドリフト領域２２の一部を特にチャネル領域ＣＨという。
【００１１】
ベース電極３２は、シリコン基板２０の裏面を被覆しており、ドリフト領域２２に接触している。ソース電極３４は、シリコン基板２０の表面の一部を被覆しており、ソース領域２４に接触している。ドレイン電極３６は、シリコン基板２０の表面の一部を被覆しており、ドレイン領域２６に接触している。
【００１２】
絶縁膜３７は、シリコン基板２０の表面の一部を被覆しており、ソース電極３４とドレイン電極３６の間に配置されている。換言すると、絶縁膜３７の一部に開口が形成されており、その開口を介してソース電極３４がソース領域２４に接触し、ドレイン電極３６がドレイン領域２６に接触する。ゲート絶縁膜３８は、シリコン基板２０の表面の一部を被覆しており、チャネル領域ＣＨに接触している。ゲート絶縁膜３８の厚みは、例えば０．５〜５ｎｍである。ゲート絶縁膜３８の材料は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）又は過酸化亜鉛（ＺｎＯ2）である。このように、シリコン基板２０には、ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴが構成されている。
【００１３】
容器４２は、ゲート絶縁膜３８の周囲を一巡するように絶縁膜３７上に設けられており、筒状の形態を有する。容器４２は、その一端が絶縁膜３７の表面に固定されており、培養液５２を充填するための空間を画定する。複数の細胞が、ゲート絶縁膜３８の表面３８ａに接着している。培養液５２は、本願明細書が開示する試料溶媒の一例である。
【００１４】
参照電極４４は、容器４２内に満たされている培養液５２に浸漬して配置されている。参照電極４４の材料は、化学的に安定な不活性材料であり、例えば銀又は白金が用いられている。参照電極４４は、接地電位に固定されている。
【００１５】
ゲート絶縁膜３８の表面３８ａに接着している細胞が特定の刺激を受けて活性化すると、細胞の生体膜のイオンチャネルが開いて培養液５２に含まれるイオンが細胞内に流入し、細胞の膜電位が変化する。これにより、チャネル領域ＣＨのチャネル抵抗が変化する。センサ用トランジスタ１０では、このチャネル抵抗の変化が出力電圧の変化として測定される。このようにして、センサ用トランジスタ１０は、細胞の活動の様子を観察することができる。
【００１６】
図２に、センサ用トランジスタ１０に接続される駆動回路１００を示す。駆動回路１００は、ボルテージフォロア回路部６０及び電圧調整回路部７０を有する。ここで、図中「Ｂ」は図１に示すセンサ用トランジスタ１０のベース電極３２及びソース電極３４に対応しており、図中「Ｄ」は図１に示すセンサ用トランジスタ１０のドレイン電極３６に対応しており、図中「Ｇ」は図１に示す参照電極４４に対応している。センサ用トランジスタ１０のドレイン電極３６（Ｄ）は第１抵抗素子Ｒ１を介して電源の正極端子に接続されており、センサ用トランジスタ１０のベース電極３２（Ｂ）は第２抵抗素子Ｒ２を介して電源の負極端子に接続されている。第１抵抗素子Ｒ１とセンサ用トランジスタ１０が分圧回路を構成しており、その中間ノードから第１出力電圧ＶＯＵＴ１が出力される。第１出力電圧ＶＯＵＴ１はボルテージフォロア回路部６０でインピーダンス変換され、第２出力電圧ＶＯＵＴ２として出力端子に出力される。
【００１７】
電圧調整回路部７０は、コンパレータ７１、カウンタ回路７２、ラッチ回路７３、ＤＡ変換器７４、調整用トランジスタ７５及び第２抵抗素子Ｒ２を有する。コンパレータ７１は、非反転入力端子に第１出力電圧ＶＯＵＴ１が入力し、反転入力端子に設定電圧ＶＲＥＦが入力し、出力端子がカウンタ回路７２に接続されるように構成されている。カウンタ回路７２は、コンパレータ７１の出力信号がローのときにクロック信号ＣＬＫに同期してカウントアップし、カウンタ値を示すＮビットの第１デジタル信号Ｄ１を出力する。ラッチ回路７３は、コンパレータ７１の出力信号がローからハイに切り替わったときのカウンタ回路７２の第１デジタル信号Ｄ１を保持する。ラッチ回路７３は、後述するように、保持する第１デジタル信号Ｄ１に相当する第２デジタル信号Ｄ２を実計測モードにおいてＤＡ変換器７４に出力する。ＤＡ変換器７４は、第１デジタル信号Ｄ１又は第２デジタル信号Ｄ２を入力し、その第１デジタル信号Ｄ１又は第２デジタル信号Ｄ２をアナログ信号の調整用電圧ＶＡに変換し、調整用トランジスタ７５のゲートに出力する。調整用トランジスタ７５は、ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴであり、参照電極４４（Ｇ）とセンサ用トランジスタ１０のベース電極３２（Ｂ）の間に接続されている。さらに、調整用トランジスタ７５と第２抵抗素子Ｒ２は、参照電極４４（Ｇ）と電源の負極端子の間で直列に接続されており、分圧回路を構成している。この分圧回路の中間ノードがセンサ用トランジスタ１０のベース電極３２（Ｂ）に接続されている。
【００１８】
次に、駆動回路１００の動作について説明する。駆動回路１００は、電圧調整モードと実計測モードの２モードで動作する。電圧調整モードは、実計測モードに先立って実施される。まず、電圧調整モードでは、カウンタ回路７２の第１デジタル信号Ｄ１のカウンタ値が「０」又は所定値にリセットされ、ＤＡ変換器７４が出力する調整用電圧ＶＡが小さく調整される。このため、ｎ型チャネルのＭＯＳＦＥＴである調整用トランジスタ７５は高抵抗である。これにより、参照電極４４（Ｇ）とセンサ用トランジスタ１０のベース電極３２（Ｂ）の間の電圧が大きくなり、センサ用トランジスタ１０が低抵抗に調整される。この結果、センサ用トランジスタ１０の第１出力電圧ＶＯＵＴ１は小さく調整される。したがって、コンパレータ７１はローを出力するので、カウンタ回路７２はクロック信号ＣＬＫに同期してカウントアップする。カウンタ回路７２の第１デジタル信号Ｄ１が増加すると、ＤＡ変換器７４が出力する調整用電圧ＶＡも増加し、これに伴って、センサ用トランジスタ１０の第１出力電圧ＶＯＵＴ１が上昇する。センサ用トランジスタ１０の第１出力電圧ＶＯＵＴ１が設定電圧ＶＲＥＦに達すると、コンパレータ７１の出力信号がローからハイに切り替わり、カウンタ回路７２のカウントアップが停止し、ラッチ回路７３が第１デジタル信号Ｄ１をラッチし、電圧調整モードが終了する。このように、電圧調整モードでは、センサ用トランジスタ１０のＶＯＵＴ１が設定電圧ＶＲＥＦに一致するように負帰還制御される。
【００１９】
次に、電圧調整モードが終了後に、実計測モードが実施される。実計測モードでは、カウンタ回路７２の動作が停止しており、ラッチ回路７３の第２デジタル信号Ｄ２がＤＡ変換器７４に入力する。ＤＡ変換器７４は、第２デジタル信号Ｄ２に相当する調整用電圧ＶＡを調整用トランジスタ７５のゲートに入力する。実計測モードでは、調整用トランジスタ７５のゲートに調整用電圧ＶＡを印加した状態で実施される。
【００２０】
センサ用トランジスタ１０は、実計測モードにおいて、例えば線形領域で動作するように保証されることが望まれる。一方、センサ用トランジスタ１０は、性能バラツキ（例えば、閾値電圧等）を含んでいる。例えば、センサ用トランジスタ１０の閾値電圧が設計値よりも高くなった場合、参照電極４４とセンサ用トランジスタ１０のベース電極３２（Ｂ）の間の電圧が予め決められた固定値であると、センサ用トランジスタ１０が飽和領域で動作してしまうことが懸念される。しかしながら、上記の駆動回路１００は、実計測モードに先立って電圧調整モードを実施し、センサ用トランジスタ１０の第１出力電圧ＶＯＵＴ１が設定電圧ＶＲＥＦに一致するように負帰還制御し、参照電極４４とセンサ用トランジスタ１０のベース電極３２（Ｂ）の間の電圧を相対的に高い値に補正する。これにより、センサ用トランジスタ１０の閾値電圧が設計値よりも高くなった場合でも、センサ用トランジスタ１０が線形領域で動作することが保証される。このように、上記の駆動回路１００によると、センサ用トランジスタ１０の性能バラツキを補正してセンサ用トランジスタ１０が線形領域で動作することを保証することができ、センサ用トランジスタ１０の性能の信頼性が向上する。
【００２１】
また、上記の駆動回路１００は、参照電極４４の性能バラツキも補正してセンサ用トランジスタ１０が線形領域で動作することを保証することができる。参照電極４４は、そのインピーダンス及び容量成分に係る性能バラツキを含んでいる。この結果、参照電極４４が浸漬される培養液５２の電位がセンサ用トランジスタ１０毎にバラツキ、センサ用トランジスタ１０を意図した線形領域で動作させることができない事態が生じ得る。このような場合でも、駆動回路１００の負帰還制御によって、センサ用トランジスタ１０が線形領域で動作することを保証することができる。
【００２２】
また、上記実施形態では、参照電極４４の材料が化学的に安定な不活性材料である銀又は白金であった。この例に代えて、参照電極４４は、より安価な材料のアルミニウム又は銅であってもよい。アルミニウム又は銅の参照電極４４を用いると、参照電極４４が培養液５２中のイオンに反応して培養液５２の電位が変動する。駆動回路１００は、実計測モードに先立って電圧調整モードを実施することにより、このような培養液５２の電位の変動を抑えることができる。換言すれば、駆動回路１００は、培養液５２中のイオンに反応するような参照電極４４の材料、銅又はアルミニウムの使用を許容することができる。このように、駆動回路１００は、安価な参照電極４４を備えるセンサ用トランジスタ１０に好適に用いることができる。
【００２３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２４】
１０：センサ用トランジスタ、  ２０：シリコン基板、  ２２：ドリフト領域、  ２４：ソース領域、  ２６：ドレイン領域、  ３２：ベース電極、  ３４：ソース電極、  ３６：ドレイン電極、  ３７：絶縁膜、  ３８：ゲート絶縁膜、  ４２：容器、  ４４：参照電極、  ５２：培養液、  ６０：ボルテージフォロア回路部、  ７０：電圧調整回路部、  ７１：コンパレータ、  ７２：カウンタ回路、  ７３：ラッチ回路、  ７４：ＤＡ変換器、  ７５：調整用トランジスタ、  １００：駆動回路
【図１】
2019002820.tif 000003
【図２】
2019002820.tif 000004