(57)【要約】  本開示は、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことができるようにする半導体装置および細胞電位測定装置に関する。読み出し電極は、溶液の電位を読み出す。差動増幅器は、カレントミラー回路を有する。読み出し電極は、カレントミラー回路のダイオード接続されたpMOSトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、差動増幅器の第１の入力端子に接続される。差動増幅器の出力端子は、カレントミラー回路のダイオード接続されていないpMOSトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される。本開示は、例えば、細胞電位測定装置等に適用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液の電位を読み出す読み出し電極と、
カレントミラー回路を有する差動増幅器と
を備え、
前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、
前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される
ように構成された
半導体装置。
【請求項２】
前記第２の入力端子には、前記溶液の基準電位を読み出す参照電極が接続される
ように構成された
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の入力端子には、前記参照電極が容量を介して接続される
ように構成された
請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にスイッチが接続される
ように構成された
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点に接続される
ように構成された
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記読み出し電極はアレイ状に配置される
ように構成された
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、
カレントミラー回路を有する差動増幅器と
を備え、
前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、
前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される
ように構成された
細胞電位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体装置および細胞電位測定装置に関し、特に、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことができるようにした半導体装置および細胞電位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体細胞を含む培養液内に微小電極をアレイ状に配置し、培養液の電位を電気化学的に計測することにより、生体細胞が発する活動電位を測定するデバイスが存在する(例えば、特許文献１参照)。【０００３】
このようなデバイスにおいて、近年、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)集積回路技術を用いて、多数の電極、増幅器、A/D（Analog/Digital）変換器などを１つのチップにまとめ、多点で同時に電位を測定することが考案されている。【０００４】
多点で同時に電位を測定する方法としては、各読み出し電極を１つの増幅器に順に接続して測定する方法と、各読み出し電極を、読み出し電極と同数の各増幅器に接続して測定する方法とがある。【０００５】
前者の方法では、増幅器の数が１つで済むため、増幅器のサイズを大きくしてノイズを削減することができる。しかしながら、同時に測定可能な測定点の数(以下、同時測定点数という)は１つである。【０００６】
これに対して、後者の方法では、複数の増幅器を同時に動作させることにより、同時測定点数を複数にすることができる。しかしながら、読み出し電極の数だけ増幅器を用意する必要があるため、各増幅器のサイズが小さくなり、ノイズが大きくなる。以上のように、上述した方法では、ノイズと同時測定点数とがトレードオフになる。【０００７】
そこで、後者の方法において、増幅器の代わりに、溶液内の電位発生点から離れた位置に配置された参照電極と、電位発生点近傍に配置された読み出し電極との電位差を増倍して出力するオープンループ型の差動増幅器を設けることが考案されている。この場合、差動増幅器以降の回路において、ノイズが差動増幅器の増幅ゲインの逆数倍に抑制される。従って、差動増幅器のサイズが小さいことによるノイズの増大を抑制することができる。よって、同時測定点数の増加とノイズの抑制の両立を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2002-31617号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、オープンループ型の差動増幅器では、出力信号が入力信号として帰還しないため、増幅ゲインが大きくなり、動作する入力信号のレンジ（信号入力レンジ）が狭くなる。従って、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことは困難である。【００１０】
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の第１の側面の半導体装置は、溶液の電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とを備え、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続されるように構成された半導体装置である。【００１２】
本開示の第１の側面においては、溶液の電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とが備えられ、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される。【００１３】
本開示の第２の側面の細胞電位測定装置は、溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とを備え、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続されるように構成された細胞電位測定装置である。【００１４】
本開示の第２の側面においては、溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、カレントミラー回路を有する差動増幅器とが備えられ、前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される。
【発明の効果】
【００１５】
本開示の第１および第２の側面によれば、溶液の電位を高精度で増幅して読み出すことができる。【００１６】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示を適用した細胞電位測定装置の第１実施の形態の構成例を示す図である。
【図２】図１のセンサの構造例を示す図である。
【図３】図２の差動増幅器の詳細構成例を示す図である。
【図４】図３の差動増幅器における信号入力レンジを説明する図である。
【図５】本開示を適用した細胞電位測定装置の第２実施の形態の構成例を示すブロック図である。
【図６】図５のセンサの詳細構成例を示す図である。
【図７】本開示を適用した細胞電位測定装置の第３実施の形態におけるセンサの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１実施の形態：細胞電位測定装置（図１乃至図４）
２．第２実施の形態：細胞電位測定装置（図５および図６）
３．第３実施の形態：細胞電位測定装置（図７）
【００１９】
＜第１実施の形態＞
（細胞電位測定装置の第１実施の形態の構成例）
図１は、本開示を適用した細胞電位測定装置の第１実施の形態の構成例を示す図である。
【００２０】
図１の細胞電位測定装置１０は、センシング部１１、センサ駆動線１２、垂直信号線１３、垂直選択回路１４、A/D変換回路１５、水平選択回路１６、および出力端子１７が、CMOS集積化技術を用いて図示せぬ半導体基板(チップ)に形成された半導体デバイス（半導体装置）である。
【００２１】
細胞電位測定装置１０のセンシング部１１には、生体細胞を含む培養液の電気化学的電位を読み出すセンサ１１Ａが、アレイ状(行列状)に２次元配置される。また、センシング部１１には、アレイ状のセンサ１１Ａに対して行ごとにセンサ駆動線１２が形成され、列ごとに垂直信号線１３が形成される。
【００２２】
垂直選択回路１４は、センシング部１１の各センサ１１Ａを行単位等で駆動する。具体的には、垂直選択回路１４の各行に対応した図示せぬ出力端には、センサ駆動線１２の一端が接続されている。垂直選択回路１４は、各センサ１１Ａからのセンサ信号を行単位で順に読み出すように、各行を順に選択し、選択行のセンサ駆動線１２と接続する出力端から選択信号等を出力する。これにより、選択行のセンサ１１Ａは、培養液の電位の電気信号をセンサ信号として読み出し、垂直信号線１３に供給する。
【００２３】
A/D変換回路１５は、センシング部１１の列ごとに信号処理回路を有する。A/D変換回路１５の各信号処理回路は、選択行の各センサから垂直信号線１３を通して出力されるセンサ信号に対して、A/D変換処理等の信号処理を行う。A/D変換回路１５は、水平選択回路１６の選択走査にしたがって、選択された信号処理回路により得られた信号処理後のセンサ信号を、出力端子１７を介して出力する。
【００２４】
水平選択回路１６は、A/D変換回路１５の信号処理回路を順番に選択する。この水平選択回路１６による選択走査により、A/D変換回路１５の各信号処理回路で信号処理されたセンサ信号が順番に出力端子１７に出力される。
【００２５】
（センサの構造例）
図２は、図１のセンサ１１Ａの構造例を示す図である。
【００２６】
図２では、説明の便宜上、１行分のセンサ１１Ａのみが図示してある。
【００２７】
図２に示すように、センサ１１Ａは、読み出し電極３１、差動増幅器３２、容量３３、およびスイッチ３４により構成される。
【００２８】
図２のセンサ１１Ａの読み出し電極３１は、生体細胞を含む培養液４１の中に配置される。読み出し電極３１は、培養液４１の電位の電気信号を、培養液４１に含まれる生体細胞の活動電位の電気信号として読み出す。
【００２９】
差動増幅器３２には、読み出し電極３１から読み出された電気信号が入力信号として入力されるとともに、差動増幅器３２から出力された出力信号が容量３３を介して入力信号として入力される。差動増幅器３２は、この２つの入力信号の電位差を増倍して出力信号として出力する。この出力信号は、容量３３とスイッチ３４に入力される。
【００３０】
スイッチ３４は、図１のセンサ駆動線１２により入力される選択信号に基づいて、出力信号をセンサ信号として垂直信号線１３に出力する。具体的には、スイッチ３４は、選択信号が入力された場合、即ちセンサ１１Ａの行が選択行である場合、出力信号をセンサ信号として垂直信号線１３に出力する。一方、選択信号が入力されない場合、即ちセンサ１１Ａの行が選択行ではない場合、スイッチ３４は、出力信号をセンサ信号として垂直信号線１３に出力しない。
【００３１】
（差動増幅器の詳細構成例）
図３は、図２の差動増幅器３２の詳細構成例を示す図である。
【００３２】
図３の差動増幅器３２は、ダイオード接続されたpMOSトランジスタ６１とpMOSトランジスタ６２からなるカレントミラー回路を負荷抵抗とする差動増幅器である。具体的には、差動増幅器３２は、pMOSトランジスタ６１、pMOSトランジスタ６２、nMOSトランジスタからなる入力トランジスタ６３および入力トランジスタ６４、定電流源６５、入力端子６６、入力端子６７、並びに出力端子６８により構成される。
【００３３】
pMOSトランジスタ６１は入力トランジスタ６３と直列に接続され、pMOSトランジスタ６２は入力トランジスタ６４と直列に接続される。また、pMOSトランジスタ６１とpMOSトランジスタ６２は電源電位VDDに接続され、入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４は、定電流源６５を介してアース電位VSSに接続される。
【００３４】
入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４のうちの、ダイオード接続されたpMOSトランジスタ６１と接続する、増幅ゲインがかからない入力トランジスタ６３のゲートには、読み出し電極３１と接続する入力端子６６が接続される。また、ダイオード接続されていないpMOSトランジスタ６２と接続する、増幅ゲインがかかる入力トランジスタ６４のゲートには、容量３３を介して出力端子６８と接続する入力端子６７が接続される。これにより、差動増幅器３２の出力信号を入力信号として帰還させる閉ループが形成される。また、出力端子６８は、pMOSトランジスタ６２と入力トランジスタ６４との接続点に接続される。
【００３５】
以上のように、差動増幅器３２は、出力信号を入力信号として帰還させる閉ループを形成する。従って、オープンループ型の差動増幅器に比べて、増幅ゲインを抑制し、信号入力レンジを広くすることができる。
【００３６】
また、差動増幅器３２では、読み出し電極３１と入力トランジスタ６３と間に何等の回路も挿入されないため、入力信号に１以下の増幅ゲインがかからず、S/N（Signal/Noise）が劣化しない。
【００３７】
これに対して、読み出し電極３１と入力トランジスタ６３と間に何等かの回路が挿入される場合、入力信号に１以下の増幅ゲインがかり、S/Nが劣化する。従って、S/Nの劣化を防止するために、大きな容量を読み出し電極３１の近傍に配置する必要がある。よって、読み出し電極３１間のピッチを縮小し、センサ１１Ａの数、即ち同時測定点数を増加させることが困難である。
【００３８】
また、差動増幅器３２は、出力信号が読み出し電極３１に帰還されないため、出力信号の帰還による読み出し電極３１の電位の変動が、生体細胞の活動に影響を及ぼし、正確な活動電位を測定することができなくなることを防止することができる。
【００３９】
なお、差動増幅器３２においても、入力トランジスタ６３のゲートとドレインの間の寄生容量によって、出力信号が読み出し電極３１に帰還する可能性はある。しかしながら、入力トランジスタ６３は、増幅ゲインがかからない入力トランジスタであるため、帰還による読み出し電極３１の電位の変動は小さい。
【００４０】
（信号入力レンジの説明）
図４は、図３の差動増幅器３２における信号入力レンジを説明する図である。
【００４１】
図４のグラフにおいて、横軸は、入力端子６６に入力される入力信号の電位Vin(+)と入力端子６７に入力される入力信号の電位Vout（-）の電位差を示し、縦軸は、差動増幅器の増幅ゲインを示す。また、実線は、各電位差に対する差動増幅器３２の増幅ゲインを示し、点線は、各電位差に対するオープンループ型の差動増幅器の増幅ゲインを示す。
【００４２】
図４の点線で示すように、オープンループ型の差動増幅器では、増幅ゲインが大きくなり、信号入力レンジｒ´が狭くなる。これに対して、差動増幅器３２は、閉ループを形成するため、差動増幅器３２では、図４の実線で示すように、増幅ゲインが小さくなり、信号入力レンジｒが、信号入力レンジｒ´に比べて広くなる。その結果、差動増幅器３２は、入力信号の電位差を高精度で増幅することができる。即ち、読み出し電極３１により読み出された培養液４１の電位の電気信号を高精度で増幅することができる。
【００４３】
＜第２実施の形態＞
（細胞電位測定装置の第２実施の形態の構成例）
図５は、本開示を適用した細胞電位測定装置の第２実施の形態の構成例を示すブロック図である。
【００４４】
図５に示す構成のうち、図１の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
【００４５】
図５の細胞電位測定装置１００の構成は、センサ１１Ａの代わりにセンサ１０１が設けられる点、および、参照電極１０２が新たに設けられる点が、図１の細胞電位測定装置１０の構成と異なる。細胞電位測定装置１００では、センサ１０１に読み出し電極３１の電位の電気信号だけでなく、参照電極１０２の電位の電気信号も入力される。
【００４６】
具体的には、細胞電位測定装置１００のセンサ１０１は、読み出し電極３１の電位の電気信号と参照電極１０２の電位の電気信号を用いて、センサ信号を生成する。参照電極１０２は、培養液内の生体細胞から離れた位置に配置され、培養液の基準電位を読み出す。参照電極１０２は、読み出された基準電位の電気信号を各センサ１０１に供給する。
【００４７】
（差動増幅器の詳細構成例）
図６は、図５のセンサ１０１の詳細構成例を示す図である。
【００４８】
図６に示す構成のうち、図３の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
【００４９】
図５のセンサ１０１の構成は、入力端子６７に容量１２１を介して参照電極１０２が接続される点が、センサ１１Ａの構成と異なる。
【００５０】
センサ１０１では、入力端子６７に容量１２１を介して参照電極１０２が接続されるので、差動増幅器３２は、読み出し電極３１と参照電極１０２に同相で混入するノイズ成分をキャンセルすることができる。その結果、差動増幅器３２から出力される出力信号のノイズを低減することができる。
【００５１】
＜第３実施の形態＞
（細胞電位測定装置の第３実施の形態におけるセンサの構成例）
本開示を適用した細胞電位測定装置の第３実施の形態の構成は、センサの構成を除いて、図５の細胞電位測定装置１００と同一であるので、以下では、センサの構成についてのみ説明する。
【００５２】
図７は、本開示を適用した細胞電位測定装置の第３実施の形態におけるセンサの構成例を示す図である。
【００５３】
図７に示す構成のうち、図６の構成と同じ構成には同じ符号を付してある。重複する説明については適宜省略する。
【００５４】
図７のセンサ１４０の構成は、出力端子６８と入力端子６７の間に、容量３３と並列にリセットスイッチ１４１が接続される点が、図６のセンサ１０１の構成と異なる。
【００５５】
リセットスイッチ１４１は、図示せぬ制御回路から供給されるリセット信号Resetに基づいて、出力端子６８と入力端子６７を短絡する。これにより、差動増幅器３２のpMOSトランジスタ６１側とpMOSトランジスタ６２側の電流を釣り合わせ、入力信号の電位差がゼロ（Vin(+)-Vin(-)=0）の状態を参照電極１０２の入力電圧としてサンプルホールドすることができる。
【００５６】
即ち、入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４の閾値のミスマッチをキャンセルし、差動増幅器３２の動作点をリセットすることができる。従って、入力トランジスタ６３と入力トランジスタ６４の閾値のミスマッチにより各センサ１４０で異なるオフセットが入力信号に重畳され、センサ１４０間で同一の入力信号に対する増幅ゲインがばらつくことを防止することができる。その結果、センサ１４０間のセンサ信号の値のばらつきを抑制することができる。
【００５７】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
【００５８】
また、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００５９】
例えば、第１実施の形態において、第３実施の形態と同様に、容量３３と並列にリセットスイッチ１４１が接続されるようにしてもよい。
【００６０】
なお、本開示は、以下のような構成もとることができる。
【００６１】
（１）
溶液の電位を読み出す読み出し電極と、
カレントミラー回路を有する差動増幅器と
を備え、
前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、
前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される
ように構成された
半導体装置。
（２）
前記第２の入力端子には、前記溶液の基準電位を読み出す参照電極が接続される
ように構成された
前記（１）に記載の半導体装置。
（３）
前記第２の入力端子には、前記参照電極が容量を介して接続される
ように構成された
前記（２）に記載の半導体装置。
（４）
前記出力端子と前記第２の入力端子の間には、前記容量と並列にスイッチが接続される
ように構成された
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（５）
前記出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと前記第２の入力トランジスタとの接続点に接続される
ように構成された
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体装置。
（６）
前記読み出し電極はアレイ状に配置される
ように構成された
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体装置。
（７）
溶液に含まれる細胞の活動電位を読み出す読み出し電極と、
カレントミラー回路を有する差動増幅器と
を備え、
前記読み出し電極は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されたトランジスタと接続する第１の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第１の入力端子に接続され、
前記差動増幅器の出力端子は、前記カレントミラー回路のダイオード接続されていないトランジスタと接続する第２の入力トランジスタのゲートに接続される、前記差動増幅器の第２の入力端子に、容量を介して接続される
ように構成された
細胞電位測定装置。
【符号の説明】
【００６２】
１０  細胞電位測定装置,  ３１  読み出し電極,  ３２  差動増幅器,  ３３  容量,  ４１  培養液，  ６１，６２  pMOSトランジスタ,  ６３，６４  入力トランジスタ,  ６６，６７  入力端子,  ６８  出力端子,  １００  細胞電位測定装置,  １０２  参照電極，  １２１  容量，  １４１  リセットスイッチ
【図１】
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【図２】
2017221714.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017221714.tif 000009
【国際調査報告】
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2017221714.tif 000011
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