(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のゲート電極を備えた第１のトランジスタと、
前記第１のゲート電極に接続されたサンプル用電極と、
前記第１のゲート電極に接続された基準コンデンサと、を有し、
前記サンプル用電極と前記基準コンデンサとは、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って、前記第１のゲート電極に対して出力される電圧パルスの振幅を制御するための静電容量分割回路を構成し、
前記基準コンデンサは、前記第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と接触して延在する金属層の下にあって、絶縁体層によって前記金属層から分離された埋込み領域とを有することを特徴とするセンサ・セル。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ・セルにおいて、
前記埋込み領域が金属またはドープされたポリシリコンを含むことを特徴とするセンサ・セル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のセンサ・セルにおいて、
第２のゲート電極を有し、前記第１のゲート電極へ電圧パルスを出力する第２のトランジスタをさらに具備することを特徴とするセンサ・セル。
【請求項４】
請求項３に記載のセンサ・セルにおいて、
前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とするセンサ・セル。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサ・セルにおいて、
第３のゲート電極を有し、オン状態とオフ状態との間で切替えを行うためのスイッチング・トランジスタをさらに具備し、
前記スイッチング・トランジスタが前記オン状態のときに前記スイッチング・トランジスタを介して前記第１のゲート電極へ供給された電圧の大きさが、前記スイッチング・トランジスタが前記オフ状態へ切り替えられたときに、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って変化するように構成されたことを特徴とするセンサ・セル。
【請求項６】
請求項５に記載のセンサ・セルにおいて、
前記スイッチング・トランジスタの前記オン状態と前記オフ状態とを切り替えるための選択用パルスを前記第３のゲート電極へ出力するための選択用ラインを具備することを特徴とするセンサ・セル。
【請求項７】
請求項６に記載のセンサ・セルにおいて、
前記第１のゲート電極へ所定電圧を供給するためのプリセット用ラインと、
前記第１のトランジスタへ読出し電圧を供給するための読出し用ライン用と、をさらに具備し、
前記スイッチング・トランジスタへ前記選択用パルスを出力することにより前記スイッチング・トランジスタを介して前記第１のゲート電極のゲート電圧は、前記所定電圧に設定され、
前記スイッチング・トランジスタを前記オフ状態へ切り替えることにより、前記第１のゲート電極の前記ゲート電圧が前記所定電圧から変化して、前記第１のトランジスタがオフ状態となり、
前記選択用パルスの終了から前記第１のトランジスタの前記オフ状態となるまでに要する時間が前記サンプル用電極における静電容量の値に依って決定されるように構成されることを特徴とするセンサ・セル。
【請求項８】
請求項１又は２に記載のセンサ・セルにおいて、
前記第１のトランジスタを介してプリセット・レベルの電流を供給する定電流源を含む閾値電圧補償回路と、
前記第１のトランジスタと前記定電流源とを選択的に結合するスイッチ手段と、
をさらに具備することを特徴とするセンサ・セル。
【請求項９】
請求項８に記載のセンサ・セルにおいて、
前記第１のトランジスタと結合された第３のトランジスタを具備し、
前記第１のゲート電極に前記電圧パルスが出力され、
次いで前記定電流源が前記第１のトランジスタから切断されたとき、前記第１のトランジスタからの出力電流の大きさが、前記定電流源により決定された第１のレベルから、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に依って決定される第２のレベルへ変化するように構成されることを特徴とするセンサ・セル。
【請求項１０】
請求項９に記載のセンサ・セルにおいて、
前記出力電流の前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間の変化を決定する手段を具備することを特徴とするセンサ・セル。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンサ・セルにおいて、
前記サンプル用電極が金、銀あるいはプラチナを含むことを特徴とするセンサ・セル。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のセンサ・セルにおいて、
前記第１のトランジスタのゲート領域を覆わない位置で前記サンプル用電極がサンプルを受容するように構成されることを特徴とするセンサ・セル。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載のセンサ・セルにおいて、
前記金属層を覆う不動態化材料から成る不動態化材料層をさらに含み、
前記不動態化材料層の井戸部分において生じる電荷によって、前記サンプルを示す電圧が前記第１のゲート電極に出力されることを特徴とするセンサ・セル。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のセンサ・セルにおいて、
プラスチック基板またはガラス基板をさらに含むことを特徴とするセンサ・セル。
【請求項１５】
複数の、請求項１乃至１４のいずれかに記載のセンサ・セルを具備することを特徴とするセンサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のセンサにおいて、
前記アレイのセンサ・セルの行を選択する行選択レジスタと、前記アレイのセンサ・セルの列を選択する列選択レジスタとを具備することを特徴とするセンサ。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載のセンサにおいて、
前記センサ・セルからの出力信号を増幅する増幅手段をさらに具備することを特徴とするセンサ。
【請求項１８】
請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
前記センサ・セルからの出力信号を多重化する多重化手段を具備することを特徴とするセンサ。
【請求項１９】
請求項１５乃至１８のいずれかに記載のセンサにおいて、
参照サンプルを示す参照値を格納する格納手段と、
センサ・セルからの出力信号と前記参照値とを比較する比較手段と、
同定対象サンプルが参照サンプルに一致するか否かを示すように構成される表示手段と、
をさらに具備することを特徴とするセンサ。
【請求項２０】
請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載のセンサにおいて、
さらに複数のセンサ・セルの各々は参照電極を具備し、
前記参照電極が共通の対象標準物質を担持するように構成されており、
前記複数のセンサ・セルから出力信号を受容し、平均化する回路手段をさらに有することを特徴とするセンサ。
【請求項２１】
サンプルを同定する方法であって、
第１のゲート電極を備えた第１のトランジスタと、サンプルを受容する前記第１のゲート電極に結合された受容手段とを含むセンサ・セルを設ける第１のステップ、を含み、
前記受容手段は、前記第１のトランジスタのゲート領域を覆わない位置で前記サンプルを受容するために、前記第１のトランジスタと重ならない位置に前記受領手段は設けられ、
前記受容手段はサンプル用電極を含み、前記サンプルの前記サンプル用電極による受容に応じて前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って前記第１のトランジスタの動作が制御されることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、
前記センサ・セルには基準コンデンサを設けられ、
前記基準コンデンサと前記サンプル用電極とは、前記第１のゲート電極と結合された静電容量分割回路として構成され、
前記サンプル用電極において生じる前記静電容量の値に従って、前記第１のゲート電極へ出力される電圧パルスの振幅を制御する第２のステップをさらに有することを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、
前記基準コンデンサは、前記第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と接触して延在する金属層と絶縁体層によって前記金属層から分離された埋込み領域とにより構成されていることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の方法において、
金属またはドープされたポリシリコンから成る領域として前記埋込み領域を設けられていることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２１乃至２４のいずれかに記載の方法において、
前記センサ・セルは、さらに第２のトランジスタを含み、
前記第２のトランジスタに対して選択用パルスを印加することにより、前記第１のゲート電極に対する電圧パルスの出力の制御が行われることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２１乃至２５のいずれかに記載の方法において、
前記センサ・セルは、オン状態とオフ状態との間で切替えを行うためのスイッチング・トランジスタをさらに具備し、
前記スイッチング・トランジスタが前記オン状態のときに前記スイッチング・トランジスタを介して前記第１のゲート電極へ供給された電圧の大きさが、前記スイッチング・トランジスタが前記オフ状態へ切り替えられたときに、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って変化することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、
前記センサ・セルは、前記第１のゲート電極へ所定電圧を供給するためのプリセット用ラインと、
前記第１のトランジスタへ読出し電圧を供給するための読出し用ライン用と、をさらに具備し、
前記スイッチング・トランジスタへ前記選択用パルスを出力することにより前記スイッチング・トランジスタをオン状態に切り替えて前記第１のゲート電極のゲート電圧を前記所定電圧に設定し、
前記スイッチング・トランジスタをオフ状態へ切り替えることにより、前記第１のゲート電極の前記ゲート電圧が前記所定電圧から変化し、前記第１のトランジスタがオフ状態に切り替えられ、
前記選択用パルスの終了から前記第１のトランジスタの前記オフ状態となるまでに要する時間が前記サンプル用電極における静電容量の値に依って決定されるように構成されることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２１乃至２７のいずれか１項に記載の方法において、
センサ・セルは、前記第１のトランジスタを流れるプリセットされたレベルの電流を供給する定電流源と、
前記定電流源と前記第１のトランジスタとを選択的に結合するスイッチ手段と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法において、
前記定電流源によって決定された第１のレベルから、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に依って決定される第２のレベルへ前記第１のトランジスタからの出力電流の大きさを変化させる第３のステップと、を有することを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２１乃至２９のいずれかに記載の方法において、
前記センサ・セルからの出力信号を多重化する多重化手段を設ける第４のステップを、さらに有することを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ・セル、または、請求項１５乃至２０のいずれか１項に記載のセンサを具備することを特徴とする化学センサ。
【請求項３２】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のセンサ・セル、または、請求項１５乃至２０のいずれか１項に記載のセンサを具備することを特徴とする指紋認識装置。
【請求項３３】
請求項２１乃至３０のいずれか１項に記載の方法を有するバイオセンサの操作方法。
【請求項３４】
請求項２１乃至３０のいずれか１項に記載の方法を有することを特徴とする指紋認識装置の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はセンサ・セル、及び、そのようなセンサ・セルを一体化したセンサに関する。
【０００２】
半導体トランジスタを含むセンサ・セルから成るアレイが一体化された化学センサが知られている。このようなセンサでは、基板材料として一般にシリコン・ウェーハが使用されてきた。しかし、シリコンは相対的に高価な材料であり、さらに、バイオセンサのような或る種のタイプのセンサの場合、廃棄処分までにバイオセンサが１回しか使用できないため、使用後のセンサの廃棄性が特に重要な問題となる。基板材料としてシリコンが使用される場合、使用済みバイオセンサの廃棄処分はさらに厄介な問題となる。
【０００３】
加えて、アレイ・サイズの増大と共に、シリコン基板上でのトランジスタ・アレイの製造に関連する難点が著しく増加することが知られている。このため、いずれの所定サイズのアレイの場合にもシリコン基板を用いる高密度のデバイスが使用される傾向がある。バイオセンサの場合この高い記録密度こそが問題となる場合がある。というのは、多くのアプリケーションでは、アレイを一体化したマイクロエレクトロニック・チップのアクティブ部分がウェット環境で作動しなければならないという要件があるからである。
【０００４】
バイオセンサなどの多くの形の化学センサが提案されている。１つのタイプのマルチバイオセンサでは、ソース・フォロワ回路として機能する４つの金属酸化膜電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）と組み合わされた４つのイオン感応電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）から成るアレイ形のｐＨセンサが具備されている。しかし、ＩＳＦＥＴ間で十分な絶縁を行うために、提案されたアレイではサイズが相対的に嵩張ったものとなる。さらに、ＩＳＦＥＴはトランジスタの１つの形であり、このようなデバイスを検査対象溶剤から絶縁する際少なからぬ問題が生じる。この絶縁という問題を多少とも解決するために、サファイア基板上に支持されたいくつかの別々の領域の形でシリコン層上にＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴとを製造する方法が提案されている。サファイアが、その優れた電気絶縁特性のために基板材料として使用された。次いでＩＳＦＥＴゲート表面に保護膜が形成され、検査対象化合物にそれぞれ感応する膜がその後に続く。このように形成された個々のセンサはｐＨセンサとして機能し、尿素、グルコース及びカリウムの検出を行うために使用することも可能である。しかし、上述のように、このセンサ・アレイはサイズが比較的大きく、４センサ・アレイの場合ほぼ幅２ｍｍ、長さ６ｍｍのサイズであった。さらに、サファイア基板は、或る一定サイズまでしかアレイの製造には使用できず、アレイ・サイズが大きくなると共に、シリコン使用によるアレイ製造に関連する問題が大幅に増えることは周知の事実である。さらに、シリコン基板材料、及び、特にサファイアから成る基板材料は相対的に高価であるため、上記タイプの化学センサは製造コストが非常に高いものとなる。多くのタイプのセンサが廃棄処分までに１回しか使用できないことを考え合わせると、このコストという側面は特に厄介な問題である。さらに、これらの材料は容易に廃棄できないため、使用後の廃棄処分に関して環境上重大な問題を生じることになる。
【０００５】
最近、ＤＮＡ分析用バイオセンサ・アレイとして、サブミクロンＣＭＯＳ技術の利用が提案された。この技術によって、数平方ミリメートルオーダーのサイズの基板上に約１０００個のセンサ・セルから成るアレイの製造が可能となった。しかし、ＣＭＯＳデバイスはシリコン基板上に製造されるため、提案されたアレイは高い記録密度を持つことになる。ウェットな動作環境からアクティブＣＭＯＳデバイスを絶縁するために、２つの重ね合わされ、密閉封止されたプリント配線間に配設されるキャビティ形の専用の統合型反応検査用チャンバ（integrated reaction test chamber）が設けられる。分析対象ＤＮＡ材料は加熱によってその２本鎖に分離され、次いで、生化学的処理を用いて蛍光分子により標識がつけられる。次いで、ＤＮＡ鎖を含む検体がチップと接触して配置される。１本のＤＮＡ鎖が、センサの電極上に設けられた標的（target）の配列に一致する配列を有する場合、ハイブリダイゼーション(hybridization)が生じ、チップの適切な電極上へのＤＮＡサンプルの物理的局在（localization）が結果として生じる。次いで、チップはリンスされ、ＣＣＤカメラでセンサが読み取られる。ＤＮＡ鎖は蛍光分子によって標識がつけられているため、デバイスの電極上の相対的輝度によって結合（bonding）の発生個所が示される。ウェット・チップ・コンセプト（wet-chip concept）を高い信頼性で伝えるための材料の互換性、製造及び包装が、このようなデバイスの適用性に関する重要な問題点として認識されている。これらの問題点は、シリコン基板材料上に高い記録密度を達成しなければならないという要件によって折衷的解決を図ることができる。また、上記説明から明らかなように、このようなバイオセンサは相対的に製造コストが高いものとなる。
【０００６】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、ソーダガラスやプラスチックなどの比較的安い非シリコン基板を使用できるため相対的に製造コストが安くなる。相対的に廃棄処分が可能な材料であるため、プラスチック基板の利用により付加的利点を付与することができる。さらに、ＴＦＴは、広い面積のアレイとして容易に製造することが可能であり、このような技術は、例えばアクティブ・マトリックス型液晶表示装置の製造などにおいて産業の中ですでに広く利用されている。したがってその製造工程は十分に証明されたものであり、特にシリコン基板デバイスと比較して、相対的に低いコストで高い歩留まりの動作可能なデバイスを高い信頼性で得ることができる。シリコン基板から入手可能なアレイよりも広い面積のアレイを高い信頼性で製造できることを考慮すると、これらの利点はさらに高まる。このような広い面積のアレイ用としてシリコン・ウェーハ基板を使用することには非常に大きな問題があると考えられている。その理由として、必然的に採用しなければならない基板材料自体と半導体製造技術とに起因して、アレイの製造がますます困難となりかつコストが高くなるということが挙げられる。
【０００７】
ある種の物質を検知するためにこのようなデバイスを使用する際そのデバイスの性能と関連して欠点も存在する。ＭＯＳＦＥＴには、ドープされたシリコン基板上に支持されたシリコン二酸化物（ＳｉＯ２）から成る比較的薄い層が一般に含まれる。このＳｉＯ２層は層の厚さに逆比例する固有静電容量を有する。約１００ｎｍの典型的厚さでＳｉＯ２層を設ける場合、デバイスから静電容量性信号のかなりの損失が生じる。この損失はＳｉＯ２層の固有静電容量に起因するものである。非常に薄い層としてＳｉＯ２層を設けて信号出力の改善を図る場合、使用中デバイスが非常に不安定になる。検知用電極を非常に小型にすればこれらの設計上の矛盾の軽減が可能となる。しかし、検知用電極は、同定対象物質を受容するために使用するものであるため、実際に使用可能なサイズで検知用電極を製造する必要がある。したがってＭＯＳＦＥＴのゲート領域を比較的広くとる必要があるが、比較的広いゲート領域を設けることにより、有限サイズのシリコン基板上に収容できるトランジスタの記録密度が大幅に減少し、この減少が今度はセンサ・アレイ内に収容できるセンサ・セルの数を減らすことになるという点で、化学センサ用としてのシリコントランジスタの利用に関わる基本的な製造上の問題が生じることになる。
【０００８】
特に化学センサやバイオセンサの場合、非常に高い記録密度を達成する必要性がデバイス設計時の支配的要因とはならないので、比較的安い価格で広い面積のアレイとして容易にＴＦＴの製造が可能であることは、従来使用されているシリコンデバイスと比較して著しい利点を示す。したがって、同定対象サンプルを受容するアレイの各センサ・セルに関連する領域は、必要な場合アクティブな半導体の構成要素の在る場所から移すことが可能となり、現行のシリコン基板デバイスに関して存在する絶縁という問題が多少とも解決される。さらに、同定対象サンプルを受容する検知領域（ＤＮＡセンサ用電極の形をしたものであってもよい）は、比較的広いサイズのものにすることが可能となり、検知領域が拡大され、性能の改善が図られる。さらに、これらのデバイスを使用している現在の多くのアプリケーションで見られる充填密度からＴＦＴの充填密度を減らすことが可能となり、完全に機能するデバイスの歩留まりの上昇を既存の製造工程から得ることができるという点で、この拡大された検知領域の利用によって別の利点が付与されることになる。
【０００９】
ＴＦＴはシリコン基板トランジスタより低い移動度を示すことが知られており、バイオセンサの特別の利点である広い面積のアレイから成るトランジスタ・デバイスとしてＴＦＴを製造する場合、ＴＦＴはアレイ内のトランジスタ間での伝達特性の変動を示す可能性がある。アレイ・サイズが大きくなるにつれてこれらの変動は顕著になり、特に、１つのサンプルの同定を行うために一般に非常に多数のサンプルの分析が必要なＤＮＡバイオセンサの場合、広い面積のアレイはサンプル分析に必要な時間の低減に非常に意義のある利点となる。
【００１０】
それ故、電極と、同定対象サンプルとの間で生じる静電容量を測定手法として利用する場合、ＴＦＴの性能の変動性と関連する潜在的欠点が解決され、センサ・セルから成る広い面積のアレイの形の化学センサ用アクティブ・デバイスとしてこのようなデバイスを容易に使用可能とすることが本発明の好適な形態としてさらに理解される。
【００１１】
化学センサ用としてＴＦＴを使用することにより、シリコン基板デバイスの使用に優るコスト上の利点が得られるのみならず、改善された検知領域を持つ広い面積のアレイの製造能力も得られることになる。さらに、改善された廃棄性という有意義な付加的利点も生じる。この利点は、上述のように、このようなデバイスが廃棄処分までに１回しか使用されない可能性があるという理由で、バイオセンサ・デバイスや化学センサ・デバイスにとって特に重要な利点である。
【００１２】
したがって、薄膜トランジスタを使用する改善されたセンサ・セルを提供することが本発明の目的である。さらに、同定対象サンプルを受容する電極から生じる電極での静電容量の検出を測定手法として利用すること、さらに、薄膜トランジスタの動作を制御するためにこの静電容量を利用することが本発明の目的である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るセンサ・セルは、第１のゲート電極を備えた第１のトランジスタと、前記第１のゲート電極に接続されたサンプル用電極と、前記第１のゲート電極に接続された基準コンデンサと、を有し、前記サンプル用電極と前記基準コンデンサとは、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って、前記第１のゲート電極に対して出力される電圧パルスの振幅を制御するための静電容量分割回路を構成し、前記基準コンデンサは、前記第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と接触して延在する金属層の下にあって、絶縁体層によって前記金属層から分離された埋込み領域とを有することを特徴とする。
上記のセンサ・セルにおいて、前記埋込み領域が金属またはドープされたポリシリコンを含むようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、第２のゲート電極を有し、前記第１のゲート電極へ電圧パルスを出力する第２のトランジスタをさらに具備するようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタは薄膜トランジスタであってもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、第３のゲート電極を有し、オン状態とオフ状態との間で切替えを行うためのスイッチング・トランジスタをさらに具備し、前記スイッチング・トランジスタが前記オン状態のときに前記スイッチング・トランジスタを介して前記第１のゲート電極へ供給された電圧の大きさが、前記スイッチング・トランジスタが前記オフ状態へ切り替えられたときに、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って変化するように構成されていてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記スイッチング・トランジスタの前記オン状態と前記オフ状態とを切り替えるための選択用パルスを前記第３のゲート電極へ出力するための選択用ラインを具備するようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記第１のゲート電極へ所定電圧を供給するためのプリセット用ラインと、前記第１のトランジスタへ読出し電圧を供給するための読出し用ライン用と、をさらに具備し、前記スイッチング・トランジスタへ前記選択用パルスを出力することにより前記スイッチング・トランジスタを介して前記第１のゲート電極のゲート電圧は、前記所定電圧に設定され、前記スイッチング・トランジスタを前記オフ状態へ切り替えることにより、前記第１のゲート電極の前記ゲート電圧が前記所定電圧から変化して、前記第１のトランジスタがオフ状態となり、前記選択用パルスの終了から前記第１のトランジスタの前記オフ状態となるまでに要する時間が前記サンプル用電極における静電容量の値に依って決定されるように構成されるようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記第１のトランジスタを介してプリセット・レベルの電流を供給する定電流源を含む閾値電圧補償回路と、前記第１のトランジスタと前記定電流源とを選択的に結合するスイッチ手段と、をさらに備えていてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記第１のトランジスタと結合された第３のトランジスタを具備し、前記第１のゲート電極に前記電圧パルスが出力され、次いで前記定電流源が前記第１のトランジスタから切断されたとき、前記第１のトランジスタからの出力電流の大きさが、前記定電流源により決定された第１のレベルから、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に依って決定される第２のレベルへ変化するように構成されるようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記出力電流の前記第１のレベルと前記第２のレベルとの間の変化を決定する手段を具備するようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記サンプル用電極が金、銀あるいはプラチナを含むようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記第１のトランジスタのゲート領域を覆わない位置で前記サンプル用電極がサンプルを受容するように構成されるようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、前記金属層を覆う不動態化材料から成る不動態化材料層をさらに含み、前記不動態化材料層の井戸部分において生じる電荷によって、前記サンプルを示す電圧が前記第１のゲート電極に出力されるようにしてもよい。
上記のセンサ・セルにおいて、プラスチック基板またはガラス基板をさらに含むようにしてもよい。
本発明に係るセンサは、複数の上記のセンサ・セルを具備することを特徴とする。
上記のセンサにおいて、前記アレイのセンサ・セルの行を選択する行選択レジスタと、前記アレイのセンサ・セルの列を選択する列選択レジスタとを具備するようにしてもよい。
上記のセンサにおいて、前記センサ・セルからの出力信号を増幅する増幅手段をさらに具備するようにしてもよい。
上記のセンサにおいて、前記センサ・セルからの出力信号を多重化する多重化手段を具備するようにしてもよい。
上記のセンサにおいて、参照サンプルを示す参照値を格納する格納手段と、センサ・セルからの出力信号と前記参照値とを比較する比較手段と、同定対象サンプルが参照サンプルに一致するか否かを示すように構成される表示手段と、をさらに具備するようにしてもよい。
上記のセンサにおいて、さらに複数のセンサ・セルの各々は参照電極を具備し、  前記参照電極が共通の対象標準物質を担持するように構成されており、前記複数のセンサ・セルから出力信号を受容し、平均化する回路手段をさらに有するようにしてもよい。
本発明に係るサンプルを同定する方法は、第１のゲート電極を備えた第１のトランジスタと、サンプルを受容する前記第１のゲート電極に結合された受容手段とを含むセンサ・セルを設ける第１のステップ、を含み、前記受容手段は、前記第１のトランジスタのゲート領域を覆わない位置で前記サンプルを受容するために、前記第１のトランジスタと重ならない位置に前記受領手段は設けられ、前記受容手段はサンプル用電極を含み、前記サンプルの前記サンプル用電極による受容に応じて前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って前記第１のトランジスタの動作が制御されることを特徴とする。
上記の方法において、前記センサ・セルには基準コンデンサを設けられ、前記基準コンデンサと前記サンプル用電極とは、前記第１のゲート電極と結合された静電容量分割回路として構成され、前記サンプル用電極において生じる前記静電容量の値に従って、前記第１のゲート電極へ出力される電圧パルスの振幅を制御する第２のステップをさらに有するようにしてもよい。
上記の方法において、前記基準コンデンサは、前記第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極と接触して延在する金属層と絶縁体層によって前記金属層から分離された埋込み領域とにより構成されているようにしてもよい。
上記の方法において、金属またはドープされたポリシリコンから成る領域として前記埋込み領域を設けられていてもよい。
上記の方法において、前記センサ・セルは、さらに第２のトランジスタを含み、
前記第２のトランジスタに対して選択用パルスを印加することにより、前記第１のゲート電極に対する電圧パルスの出力の制御が行われるようにしてもよい。
上記の方法において、前記センサ・セルは、オン状態とオフ状態との間で切替えを行うためのスイッチング・トランジスタをさらに具備し、前記スイッチング・トランジスタが前記オン状態のときに前記スイッチング・トランジスタを介して前記第１のゲート電極へ供給された電圧の大きさが、前記スイッチング・トランジスタが前記オフ状態へ切り替えられたときに、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って変化するようにしてもよい。
上記の方法において、前記センサ・セルは、前記第１のゲート電極へ所定電圧を供給するためのプリセット用ラインと、前記第１のトランジスタへ読出し電圧を供給するための読出し用ライン用と、をさらに具備し、前記スイッチング・トランジスタへ前記選択用パルスを出力することにより前記スイッチング・トランジスタをオン状態に切り替えて前記第１のゲート電極のゲート電圧を前記所定電圧に設定し、
前記スイッチング・トランジスタをオフ状態へ切り替えることにより、前記第１のゲート電極の前記ゲート電圧が前記所定電圧から変化し、前記第１のトランジスタがオフ状態に切り替えられ、前記選択用パルスの終了から前記第１のトランジスタの前記オフ状態となるまでに要する時間が前記サンプル用電極における静電容量の値に依って決定されるように構成されるようにしてもよい。
上記の方法において、センサ・セルは、前記第１のトランジスタを流れるプリセットされたレベルの電流を供給する定電流源と、前記定電流源と前記第１のトランジスタとを選択的に結合するスイッチ手段と、を含むようにしてもよい。
上記の方法において、前記定電流源によって決定された第１のレベルから、前記サンプル用電極において生じる静電容量の値に依って決定される第２のレベルへ前記第１のトランジスタからの出力電流の大きさを変化させる第３のステップと、を有するようにしてもよい。
上記の方法において、前記センサ・セルからの出力信号を多重化する多重化手段を設ける第４のステップを、さらに有するようにしてもよい。
本発明に係る化学センサは、上記のセンサ・セル、またはは、上記のセンサを具備することを特徴とする。
本発明に係る指紋認証装置は、上記のセンサ・セル、またはは、上記のセンサを具備することを特徴とする。
本発明に係るバイオセンサの操作方法は、上記の方法を有する。
本発明に係る指紋認識装置の操作方法は、上記の方法を有する。
本発明の第１の態様によれば、薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタのゲート電極と結合された、同定対象サンプルの受容手段とを具備するセンサ・セルが提供される。
【００１４】
好適な構成では、上記センサ・セルは基準コンデンサを具備し、サンプル用電極と基準コンデンサとは薄膜トランジスタのゲート電極と結合された静電容量分割回路(capacitance divider circuit)として構成され、この分割回路は、サンプル用電極で生じた静電容量の値に従ってゲート電極へ出力される電圧パルスの振幅の制御用として設けられる。
【００１５】
センサ・セルの好適な構造では、基準コンデンサは、ゲート電極と、絶縁体層によってこのゲート電極から分離された、ゲート電極の下に在る埋込み領域とを具備する。
【００１６】
好適には、上記受容手段がサンプル用電極を具備し、同定対象サンプルのサンプル用電極による受容に応じてサンプル用電極において生じる静電容量値に従って薄膜トランジスタの動作を制御するように構成されることが望ましい。
【００１７】
代替の構成では、センサ・セルは、導通状態と非導通状態との間で切替えを行うスイッチング・トランジスタを具備し、さらに、薄膜トランジスタにはゲート電極が含まれ、スイッチング・トランジスタが非導通状態へ切り替えられた場合、導通状態でスイッチング・トランジスタによってゲート電極へ出力される電圧の大きさが、サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って小さくなるように構成される。
【００１８】
好適には、本発明のこの第１の態様では、センサ・セルが、導通状態と非導通状態との間でスイッチング・トランジスタを切り替えるための選択用パルスを出力する選択用ラインと、薄膜トランジスタのゲート電極へ電圧を供給する書込み用ラインと、読出し(read)電圧を薄膜トランジスタへ供給する読出し用ラインとを有し、選択用パルスをスイッチング・トランジスタへ出力することにより書込みサイクルが可能になり、この書込みサイクルによってスイッチング・トランジスタを導通状態へ切り替えて、薄膜トランジスタの制御ゲートへの電圧を供給可能とし、その場合、選択用パルスを終了させることにより読出しサイクルが可能になり、この読出しサイクルによってスイッチング・トランジスタの非導通状態への切替えを行うことにより、薄膜トランジスタのゲート電極における電圧の大きさが変化し、この変化によって薄膜トランジスタが非導通状態へ切り替えられ、薄膜トランジスタからの出力信号の供給を終了させるように構成されることが望ましい。選択用パルスの終了と、非導通状態への薄膜トランジスタの切替えとの間で要する時間はサンプル用電極における静電容量の値に依って決定される。
【００１９】
好適には、センサ・セルは、フィルム・トランジスタの中を流れるプリセットレベルの電流を供給する定電流源を含む閾値電圧補償回路(threshold voltage compensation)と、この定電流源を薄膜トランジスタと選択的に結合するスイッチ手段とを含むことができることが望ましい。
【００２０】
最も好適には、センサ・セルが薄膜トランジスタと結合された追加のトランジスタを具備し、電圧パルスが薄膜トランジスタのゲート電極へ出力され、定電流源が薄膜トランジスタから切断されたとき、薄膜トランジスタからの出力電流の大きさが、定電流源によって決定された第１のレベルから、サンプル用電極において生じる静電容量の値に従う第２のレベルへ変化するように構成されることが望ましい。
【００２１】
好適には、薄膜トランジスタとオーバーラップしない位置に上記受容手段が構成され、薄膜トランジスタのゲート領域を覆わない位置で受容手段がサンプルを受容するような構成となることが望ましい。
【００２２】
好適には、センサ・セルがプラスチック基板上に製造されることが望ましい。本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様に従うセンサ・セルの行と列とから成るアレイを具備するセンサが提供される。
【００２３】
本発明の第３の態様によれば、薄膜トランジスタと、サンプルを受容するサンプル用電極とを含むセンサ・セルを設けるステップと、サンプル用電極によるサンプル受容からサンプル用電極において生じる静電容量の値に従って薄膜トランジスタの動作を制御するステップとを有するサンプルの同定方法が提供される。
【００２４】
好適には、上記同定方法は、基準コンデンサを設けるステップと、薄膜トランジスタのゲート電極と結合された静電容量分割回路としてこの基準コンデンサとサンプル用電極とを構成するステップと、サンプル用電極において生じる静電容量の値に従ってゲート電極へ出力される電圧パルスの振幅を制御するステップとを有することが望ましい。
【００２５】
好適には、本発明の上記第２の態様では、上記方法は、導通状態と非導通状態との間の切替えを行うスイッチング・トランジスタとサンプル用電極とを結合するステップと、スイッチング・トランジスタを導通状態にして薄膜トランジスタのゲート電極へ電圧を供給するステップと、サンプル用電極をスイッチング・トランジスタと結合し、それによって、スイッチング・トランジスタが非導通状態へ切り替えられたとき、薄膜トランジスタのゲート電極へ供給される電圧の大きさがサンプル用電極において生じる静電容量の値に従って変化するステップを有することが望ましい。
【００２６】
好適には、選択用ラインからスイッチング・トランジスタへ選択用パルスを出力することにより非導通状態と導通状態との間でスイッチング・トランジスタが切り替えられ、薄膜トランジスタのゲート電極へ電圧を供給するための書込み用ラインと、薄膜トランジスタへ読出し電圧を供給するための読出し用ラインとが設けられ、スイッチング・トランジスタへ選択用パルスを出力することにより書込みサイクルを可能にし、この書込みサイクルによってスイッチング・トランジスタを導通状態へ切り替え、この切替えによって、薄膜トランジスタの制御ゲートへ電圧を出力し、さらに、選択用パルスを終了させることにより読出しサイクルを可能にし、この読出しサイクルによってスイッチング・トランジスタを非導通状態へ切り替え、この切替えにより、薄膜トランジスタのゲート電極における電圧の大きさを変化させ、その変化によって薄膜トランジスタを非導通状態へ切り替え、薄膜トランジスタからの出力信号を終了させ、選択用パルスの終了と、非導通状態への薄膜トランジスタの切替えとの間で要する時間がサンプル用電極における静電容量の値に依って決定されることが望ましい。
【００２７】
最も好適には、上記方法がプラスチック基板上に薄膜トランジスタを設けるステップを有することが望ましい。
【００２８】
好適には、上記方法が、追加のトランジスタを薄膜トランジスタと結合し、薄膜トランジスタのゲート電極へ電圧パルスを出力し、定電流源を薄膜トランジスタから切断し、それにより、定電流源によって決定された所定の第１のレベルから、サンプル用電極において生じる静電容量の値に従って決定される第２のレベルへ、薄膜トランジスタから得られる出力電流の大きさを変えるステップも有することが望ましい。
【００２９】
本発明の第４の態様によれば、本発明の第１の態様に従うセンサ・セルを具備するバイオセンサまたは本発明の第２の態様に従うセンサが提供される。
【００３０】
本発明の第５の態様によれば、本発明の第１の態様に従うセンサ・セルまたは本発明の第２の態様に従うセンサを具備する指紋認識装置が提供される。
【００３１】
本発明の第６の態様によれば、本発明の第３の態様に従うバイオセンサまたは指紋認識装置の操作方法が提供される。
【００３２】
図１を参照すると、化学センサなどのセンサ２は、行６、６ａ...６ｎと列８、８ａ...８ｎとで配設されるセンサ・セル４ａ、４ｂ...４ｎから成るアレイを具備する。各センサ・セル４ａには薄膜トランジスタ(TFT)Ｔ１、電極１０、さらなるトランジスタＴ６と基準コンデンサＣｒとが含まれる。またセンサ２には、列プリセット・レジスタ１２と、行選択レジスタ１４と、列選択レジスタ１６と、以下に説明する作動も含まれる。別の列選択レジスタ２２の制御の下で作動する多重化／増幅回路２０が、センサ・セルからの出力信号の増幅と多重化とを行うために設けられ、出力ライン２４でセンサ・アレイから出力信号が出力される。図１では、電極１０は指先を受ける平板電極として示されているが、同様に電極１０は溶液中の電極を含むことも可能である。アレイのセンサ・セルの各々には図１に図示のセンサ・セル４ａとして構成される回路が含まれる。
【００３３】
図１に図示のセンサは定常状態検出モードで作動し、トランジスタＴ１のゲート電極２６の電圧は、基準コンデンサＣｒの値と組み合わされた、同定対象サンプルを受容する電極１０から結果として生じる電極１０（図１にコンデンサ記号Ｃｓで示す）で生じる静電容量の値によって決定される。
【００３４】
サイクルの開始時に、例えば列８などの列内のセンサ・セルは、列プリセット・レジスタ１２からの電圧をプリセット用ライン２８に印加することにより予め設定される。各セルのトランジスタＴ６はＯＮになり、バイアス電圧ＶｐがトランジスタＴ１のゲート電極２６に印加される。トランジスタＴ１がその特性曲線の所定の動作点にセットされるようにこのバイアス電圧Ｖｐは出力され、非導通状態から導通状態への切替え準備ができる。また、以下に説明するように後続パルスがゲート電極２６に印加されたとき、ゲート電極２６の電圧があるレベルまで上昇しないことが上記切替えによって保証される。そのようなレベルとはトランジスタＴ１を通すことができないような高すぎる電流レベルであり、おそらくトランジスタＴ１を破壊することになるようなレベルの電流である。
【００３５】
行選択レジスタ１４の使用により、行選択用パルスがライン３０で基準コンデンサＣｒを介してノードＮへ出力される。列選択レジスタ１６の使用により、列選択用パルスがライン３２で供給される。行選択用パルスと列選択用パルスとは任意の時点に１つの行と１つの列に対してしか出力されないので、図１のセンサ・セル４ａなどの単一セルの選択が可能になる。例えば、同定の対象とする指紋を持つ指先をセンサ４ａが受けると仮定する。電極１０が指先の一部を受容し、列８ａ内のすぐ近くに隣接するセンサ・セル４ｂの電極１０ａがその指先の隣接部分を受容する。指先の表面が電極１０と１０ａとの協働電極として機能するため、指先と電極１０と１０ａの各々との間の静電容量の値（図１にＣｓとして示す）の読出しが可能となる。静電容量ＣｓとＣｒとがＡＣ分割器を実質的につくりだすため、センサ・セル４ａがライン３０で行選択用パルスを受信したとき、基準静電容量Ｃｒの値と、電極１０に接した指先から生じる静電容量の値Ｃｓとに従ってノードＮにおける電圧の大きさが変動する。
【００３６】
上述のように、ゲート電極２６に対する電圧Ｖｐの印加によってほとんど導通点までトランジスタＴ１にバイアスがかけられる。したがって、ライン３０に対する行選択用パルスの印加と、ライン３２に対する列選択用パルスの印加とによってセンサ・セル４ａが選択された場合、ノードＰにおける初期値Ｖｐの電圧の大きさは静電容量の相対値ＣｓとＣｒとによって決定される値まで上昇する。Ｃｒが固定値コンデンサであるため、この電圧の値は静電容量の値Ｃｓに比例するものになる。この当然の結果としてトランジスタＴ１から得られる出力電流の値は静電容量の値Ｃｓに比例することになる。したがって、薄膜トランジスタＴ１は、同定対象サンプル（指先の指紋の一部）のサンプル用電極による受容の結果生じる、サンプル用電極１０で生じる静電容量の値に従って制御されることになる。
【００３７】
出力ライン３４の電流は多重化／増幅回路２０へ送出される。多重化／増幅回路２０では、ライン３２の列選択信号と同時に、第２の列選択レジスタ２２からの選択信号がトランジスタＴ１に対して与えられる。バイアス電圧ＶｂｉａｓがトランジスタＴ５のゲート電極へ出力される。このようにして、トランジスタＴ１の適切な選択により、ライン３４の出力電流の出力部２４上へ増幅と多重化とを行うことが可能となる。同様に、他のセンサ・セルからの出力電流を出力部２４上へ多重化することも可能である。
【００３８】
センサ２が指紋認識装置を具備している場合、センサと接触して置かれた指先には、或る一定のサンプル用電極と接触した指紋パターンの山部が生じ、別のサンプル用電極と接触した指紋パターンの谷部が生じる。電極１０によって指紋の山部が受容され、電極１０ａによって指紋の谷部が受容されたと仮定すると、センサ・セル４ａの静電容量の値Ｃｓはセンサ・セル４ｂの静電容量の値Ｃｓとは異なるものとなる。指紋パターンの山部または谷部を受容するアレイ内の他のセンサ・セルについても同じことが当てはまる。典型的には、センサ４は２００×３００のセンサ・セル・アレイを具備することができる。したがって、行選択レジスタ１４、及び、列選択レジスタ１６と２２からの信号の適切なタイミングをとることによって、アレイのセンサ・セルを連続的に走査し、出力部２４に現れるセンサ・セルの多重化された出力信号を記憶装置へ送出することが可能となる。比較器によって、これらのサンプルの格納された値を参照値と比較することが可能となり、このような比較の結果、指紋の同定が可能となる。センサ２によって検知されるような指紋画像の表示を行うための表示部へ出力部２４の出力信号を送出することもできる。
【００３９】
好適には、多重化／増幅回路２０をセンサ２と一体的に製造することが望ましく、その場合、回路のトランジスタ（その一部としてトランジスタＴ１〜Ｔ５を図示）はセンサ２と共通の基板３６上にＴＦＴを具備するものであってもよい。各センサ・セル用トランジスタＴ６はＴＦＴを具備するものであってもよい。基板３６は任意の適切な支持材料を具有するものであってもよいが、好適には、センサ２から成るすべてのトランジスタをＴＦＴとして製造する場合、基板３６がプラスチック材料を含むことが望ましい。
【００４０】
図１に図示の定常状態検出センサを指紋認識装置と関連して説明したが、ＤＮＡや抗体などの液状の生体材料の検出や認識を行うバイオセンサとしてこの定常状態検出センサを利用することも可能である。この場合、溶液中の物質を受容するいくつかの電極が設けられる。この物質から生じる静電容量の値を所定の参照値と比較して特定物質の同定を行うことが可能となる。
【００４１】
図２は本発明に従うセンサ・セルの代替実施例を示す。図２に図示のセンサ・セルは‘変化検出(transient detection)’モードで作動し、この‘変化検出’モードで、例えば、同定の対象とするＤＮＡサンプルを受容する電極から生じる静電容量の値によって決定される時定数を利用してサンプルの同定が行われる。
【００４２】
図２に図示のセンサ・セル４では、スイッチング・トランジスタＴ７が電極１０と結合され、トランジスタＴ７と電極１０との間に設けられたノードＰが薄膜トランジスタのゲート電極Ｔ１と結合される。選択用ライン４０、書込み用ライン４２及び読出し用ライン４４が、それぞれ、選択信号Ｖｓｅｌｅｃｔ、プリセット信号Ｖｐｒｅｓｅｔ及び読出し信号Ｖｒｅａｄを出力するために設けられる。出力部２４で出力信号を出力するために多重化／増幅回路２０が設けられる。
【００４３】
液状のＤＮＡサンプルの同定と関連して図２に図示の回路の動作を説明する。しかし、指紋認識の場合についても図２に図示の変化検出回路は、図１を参照して説明した方法と同じ方法で利用可能であると理解すべきである。指紋検出の場合、図２の参照電極４６は指先の表面によって構成され、図２の電圧Ｖｒｅｆは指先の表面に発生する電荷によって出力されることになる。
【００４４】
動作サイクルの開始時に、双方ともＴＦＴを具備することができるトランジスタＴ１とＴ７は非導通すなわちＯＦＦ状態にある。電極３０は、好適な容器内で電極として構成され、この容器の中へ液状のＤＮＡが入れられる。ＤＮＡは固定化が可能なため電極１０により受容され、その結果、静電容量値ＣＡがサンプル用電極１０と参照電極４６との間に生じる。
【００４５】
予め設定されたサイクルが開始され、トランジスタＴ７のゲート電極へ電圧Ｖｓｅｌｅｃｔを印加することによりスイッチング・トランジスタＴ７が非導通状態から導通状態へ切り替えられる。同時に、予め設定された電圧ＶｐｒｅｓｅｔがトランジスタＴ７のソース電極へ供給され、読出し電圧ＶｒｅａｄがトランジスタＴ１のソース電極へ印加される。トランジスタＴ７がＯＮに切り替えられると、ノードＰにおける電圧が予め設定された電圧Ｖｐｒｅｓｅｔレベルまで上昇し、ノードＰにおける電圧がトランジスタＴ１の閾値電圧を上回ると、トランジスタＴ１はＯＮに切り替わり、トランジスタＴ１の出力部の電流はノードＰ（トランジスタＴ１のゲート電極）における電圧の関数となる。
【００４６】
次いで、選択電圧Ｖｓｅｌｅｃｔを終了させることにより読出しサイクルが開始され、トランジスタＴ７は元の非導通すなわちＯＦＦ状態へ切り替えられる。トランジスタＴ７がＯＦＦに切り替えられると、ノードＰの電圧はトランジスタＴ７を介する漏洩によって低下し、この漏洩が生じる速度すなわち時定数は静電容量値ＣＡに依って決定され、さらに、この静電容量値はサンプル用電極１０が受容するＤＮＡサンプルの同定量に依って決定される。ノードＰにおける電圧の大きさが小さくなるにつれて、薄膜トランジスタＴ１の出力部で電流の相関的減少が生じ、この電流は多重化／増幅回路２０へ送出される。ノードＰにおける電圧がトランジスタＴ１の閾値電圧以下まで低下した場合、トランジスタＴ１はＯＦＦに切り替わり、多重化／増幅回路２０へ送出される電流をトランジスタＴ１の中を流れる漏れ電流のレベルまでさらに低下させる。トランジスタＴ７はデジタル・スイッチング・トランジスタとして使用され、一方、トランジスタＴ１はアナログ電圧から電流への変換器として機能することが上記説明から理解される。したがって、静電容量値ＣＡに依って決定される電流をトランジスタＴ１の出力部でモニターすることにより、電極１０が受容するサンプルの同定量を決定することが可能となる。
【００４７】
バイオセンサとして使用するために、図２に図示のようなセンサ・セルの対を設けることができる。一対の一方のセルはサンプル用セルとして機能し、対のもう一方は、反応が生じなかった参照セルとして機能する。
【００４８】
化学センサまたはバイオセンサ（ＤＮＡセンサなど）として図１と図２に図示のセンサ・セルを使用する場合、同定の対象とする化学材料や生体材料をまずセルの中へ書き込み、次いで参照電極上へ書き込む必要がある。この書込みは、セルの書込みフェーズと考えることができ、デバイスの製造時に好適に行われる。インクジェット・ヘッドを都合よく使用して化学材料や生体材料の付着を行うことが可能であり、電極に電荷を印加する電磁付着によって電極上への付着を補助して、電極の所望の付着個所へ付着物質を引きつけるようにすることができる。
【００４９】
図３は、薄膜トランジスタＴ１と、電極１０と、基準コンデンサＣｒとを設けるために利用可能な半導体構造の実施態様を示す図である。
【００５０】
図３のＴＦＴ構造にはポリシリコン４８から成る層が含まれ、このポリシリコン層は好適にはプラスチックまたはソーダガラス材料から成る材料であることが望ましい基板３６によって支持される。ゲート電極２６は、ポリシリコン層４８上に形成され、シリコン二酸化物から成る絶縁層５０によってポリシリコン層から分離される。ゲート電極２６は不動態化層(passivation layer)５２、５４によって覆われる。
【００５１】
絶縁層５０とゲート電極２６とはポリシリコン層４８の領域一帯を延在するように構成され、基板３６上に形成された金属またはドープされたポリシリコンから成る埋込み領域５６を覆う。不動態化層５２、５４には下方へ延伸する井戸が設けられ、埋込み領域５６を覆う領域でゲート電極２６の露出が行われる。金、銀あるいはプラチナを含むものであってもよい電極１０が下方へ延伸し、ゲート電極２６と接触する井戸の中に形成される。このようにして、埋込み領域５６とゲート電極２６との間に基準コンデンサが設けられる。例として図３では基準コンデンサは点線で示されている。
【００５２】
また、図３に図示の構造はＴＦＴを一体化したものであって、シリコン基板トランジスタを一体化したものではないため、高価なシリコン基板材料上に最大の記録密度を達成する必要性と矛盾することなく、ＴＦＴとオーバーラップしないように電極１０の配置を行うことが可能である。その結果ＴＦＴのゲート領域を覆わないように電極１０は構成される。したがって、電極１０は、デバイス感度の改善を図ることが可能な拡大サイズの電極とすることが可能となり、さらに電極において生じるウェット環境からＴＦＴを絶縁するために必要な封入容器をより容易に、かつ、より高い信頼性で製造することが可能となる。なぜなら、デバイスの高い記録密度を高価な基板上に達成しなければならないという要件が存在しないからである。
【００５３】
薄膜トランジスタＴ１と、電極１０と、基準コンデンサＣｒとを一体化したコンパクトな構成がこの構造によって与えられることが図３から解る。この結果、図１の定常状態検出センサ・セルの中にこの構造を一体化することが可能となる。同定対象サンプルが電極１０によって受容されると、電極１０とサンプルとの間に生じる図３に図示の静電容量の値Ｃｓは、必須の基準コンデンサＣｒと組み合わされて、図１を参照して説明した静電容量分割回路が形成される。この分割回路によってＴＦＴの動作が制御される。
【００５４】
図２に図示の変化検出センサ・セルの場合、基準コンデンサが不要なため、埋込み領域５６を省くことができる。
【００５５】
上述のように、ポリシリコンＴＦＴに関する１つの問題点として閾値電圧の変動がある。この変動を補償し、ＴＦＴからの出力に匹敵する出力を広い面積の基板にわたって供給するセンサ・セルの代替回路が図４に例示されている。
【００５６】
図４のセンサ・セルでは、薄膜トランジスタＴ１はスイッチＳを介して定電流源Ｉｓｏｕｒｃｅまたは出力ラインのいずれかと結合される。スイッチング・トランジスタとして作動する追加トランジスタＴ８が、薄膜トランジスタＴ１のゲートとドレーン電極との間で接続され、基準コンデンサＣｒがトランジスタＴ１のゲートとソース電極との間で接続される。同定対象サンプルを受容する電極（図４には図示せず）もトランジスタＴ１のゲート電極と結合される。したがって、図１を参照して説明した方法と同様の方法で、サンプル静電容量Ｃｓによって、基準コンデンサＣｒを備えた静電容量分割器が形成される。
【００５７】
トランジスタＴ８がＯＮになると、トランジスタＴ１の、ゲートからソースへの電圧ＶＧＳと、ドレーンからソースへの電圧ＶＤＳとは等しくなる。このような条件の下で、トランジスタＴ１の動作特性は図５に示すように単純化される。スイッチＳが位置“１”にあるとき、定電流源Ｉｓｏｕｒｃｅからの電流がトランジスタＴ１を介して引かれ、トランジスタＴ１の両端にわたる電圧降下ＶＤＳｒｅｆという結果が生じる。トランジスタＴ８がＯＮになっている（したがってトランジスタＴ１の場合ＶＧＳはＶＤＳに等しい）ため、トランジスタＴ１の両端にわたって生じる電圧降下ＶＤＳｒｅｆは基準コンデンサＣｒの中に蓄えられる。
【００５８】
薄膜トランジスタＴ１における閾値変動は、図６に図示のように、（ＶＧＳがＶＤＳに等しい場合）トランジスタＴ１の単純化された動作特性曲線のシフトという結果を生じる可能性もある。トランジスタＴ１の中を流れる電流の値は定電流源、Ｉｓｏｕｒｃｅから供給されているので一定である。したがっていずれの閾値変動の場合にも、トランジスタＴ１の電源とドレーン電極との間で生じる電圧降下ＶＤＳｒｅｆの変化という結果を生じることになる。電圧ＶＤＳｒｅｆは基準コンデンサＣｒの中に蓄えられる。したがって、トランジスタＴ１のゲート電極とソース電極との間の電圧ＶＧＳはこの値に予め充電される。このようにして、トランジスタＴ１はその特性曲線の所定の動作点にプリセットされる。
【００５９】
次に、スイッチＳは位置“２”へ動かされ、Ｔ８がＯＦＦに切り替えられた場合、出力ラインの電流Ｉｏｕｔは、ノードＰにおける電圧によって支配されるので、最初、定電流源Ｉｓｏｕｒｃｅからの電流に等しくなるが、次いで、基準コンデンサＣｒに格納された電圧によって支配される。次いで電圧源Ｖｒｅｆがパルス出力を行った場合、ノードＰにおける電圧が上昇し、電圧Ｖｒｅｆに応じてパルスが出力される。出力ラインの電流ＩｏｕｔもノードＰの電圧の上昇に応じてパルスを出力する。
【００６０】
基準コンデンサＣｒと静電容量Ｃｓとによって容量分割器が形成されるため、電圧源Ｖｒｅｆがパルスを出力する場合のノードＰにおける電圧の上昇はＣｒとＣｓの相対的静電容量値によって決定される。定電流源Ｉｓｏｕｒｃｅからの電流に等しい出力電流の初期値からの出力電流Ｉｏｕｔの上昇を測定して、サンプル用電極が受容したサンプルを示す静電容量の値Ｃｓの定量化を行うことができる。
【００６１】
基板３６上の薄膜トランジスタのような半導体素子によるスイッチ手段によってスイッチＳを設けてもよいことが理解できる。
【００６２】
図７は、このセンサをｐＨセンサとして使用できる本発明の別の実施例を例示する。図７に図示の構造は図３に図示の構造と非常に類似しているため、可能なかぎり同様の参照番号を用いてこの構造の同様部分を示すことにする。
【００６３】
図７に図示の構造では、不動態化層５２に井戸５８が設けられ、ゲート電極２６の露出が行われる。不動態化層５４が、不動態化層５２とゲート電極２６上にわたって延在する連続層として井戸５８の中へ設けられ、ゲート電極上にわたって、不動態化材料６０から成る比較的薄い層が設けられる。尿素やグルコースなどの溶液の形で同定が行われる対象サンプルが井戸５８の中へ入れられ、層６０と接触して、溶液中のイオンが層６０に近づき、図７で＋記号によって示されるプロトンが層６０の表面６２に吸収される。層６０は非常に薄いので、この電荷はゲート電極６０へ移動し、その結果、ゲート電極２６、ポリシリコン領域４８及びシリコン二酸化物層５０によって構成されるＴＦＴトランジスタの動作を制御する電圧が出力される。表面６２上へのイオンの吸着によって層６０の中につくり出された電荷は井戸５８の中へ付着した溶液のｐＨに関連する。したがって、ＴＦＴからの出力をモニターすることにより、溶液中の物質の同定を行うことが可能となる。
【００６４】
上記の説明は単なる例として行われたものであり、本発明の範囲から逸脱することなく修正を行うことが可能であることは当業者が理解するところであろう。
【００６５】
例として、液状の化学材料や生体材料の検出と関連してセンサ・セルについて説明を行った。しかし、センサ・セルを利用して気体などの液体以外の流体を分析することも可能であると理解すべきである。
【００６６】
さらに、特定の化学材料や生体材料サンプルの分析に使用する１つのセンサ・セルと関連して本発明を説明した。しかし、ＴＦＴは、シリコン基板デバイスと比較して、高い信頼性で、非常に広い面積のアレイに製造することができるので、センサを構成するセンサ・セルの行列に、参照電極上へ書き込まれた特定のＤＮＡ列を各々が持ついくつかのセンサ・セルを設けることができる。アレイの両端にわたって離間して配置された関係でこのようなセルが設けられている場合、参照電極上へ書き込まれる、ＤＮＡ列などの共通の対照標準物質を持つこれらのセンサ・セルから得られる出力信号が適切な回路構成によって平均化され、高い分析精度を生むことが可能となる。ＴＦＴを用いてこの分析回路構成を基板上に製造してもよい。このようにして、本質的に、各々が共通のＤＮＡ文字列を同定するように構成されるいくつかの‘複製’センサ・セルをセンサに設けることが可能となる。ＴＦＴを利用して以上のことが可能となるのは、非常に多数のセンサ・セルを非常に広い面積のアレイの中に一体化することが可能であるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に従うセンサを例示する。
【図２】本発明の第２の実施例に従うセンサを例示する。
【図３】図１に図示のセンサで利用するセンサ・セルの構造を例示する。
【図４】図１に図示のセンサで使用する閾値電圧の変動を含むセンサ・セルを例示する。
【図５】図４に図示のセンサ・セルの薄膜トランジスタの単純化された動作特性を例示する。
【図６】薄膜トランジスタの閾値電圧が変動する、図５に図示の単純化された動作特性の変動を例示する。
【図７】本発明に従うｐＨセンサとして使用されるセンサ・セルの代替構造を例示する。
【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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【図７】
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