"サンプルのイオン濃度の変化を検知するための半導体装置であって、共通のフローティングゲートに結合された複数の電界効果トランジスタFETと、前記サンプルに露出し、かつ前記フローティングゲートに結合された、イオン感応性層を備えてなる半導体装置。使用の際に、トランジスタを通過する電流が、スイッチング閾値と比較して、前記イオン感応性層近傍の前記サンプルのイオン濃度の大きさに依存してオンまたはオフに切り替えられてなる請求項1に記載の半導体装置。前記サンプルに露出された参照電極をさらに含む請求項1または2に記載の半導体装置。前記参照電極に結合された入力電圧は複数のFETのスイッチング閾値を設定するために配列されてなる請求項2に従属する、請求項3に記載の半導体装置。前記複数のFETが、コンパレーターの形態で配列されたP型FETおよびN型FETを含む請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。前記複数のFETが、インバータの形態で配列されたP型FETおよびN型FETを含む請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。前記複数のFETが、前記サンプルのイオン濃度に従って、論理1又は論理0の出力信号を有するインバータの形態で配列されたP型FETおよびN型FETを含む請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。前記FETが弱い反転でバイアスをかけられる請求項1乃至7のいずれかに記載の半導装置。前記FETが飽和とカットオフの間で切り替わるようにバイアスがかけられる請求項1乃至8のいずれかに記載の半導体装置。前記複数の電界効果トランジスタのためのスイッチング閾値を設定するために、電荷を除去するか、或いは前記フローティングゲートに電荷を追加するための前記フローティングゲートに結合された1以上の第1の電気的入力信号を含んでなる請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体装置。1以上の第1の電気的入力信号が、スイッチング閾値を設定するためにフローティングゲートに結合され、かつスイッチング閾値を設定しないときに、離脱されるように配列されてなる請求項1乃至10のいずれかに記載の半導体装置。前記第1の電気的入力信号は、正電圧に接続された1つの信号、および負電圧に接続された1つの信号を含んでなる請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体装置。前記フローティングゲートに結合された第2の電気的入力信号をさらに含み、前記第2の電気的入力信号は複数の電界効果トランジスタを切り替えるように大きさを変化させるために配列されてなる請求項1乃至12のいずれかに記載の半導体装置。前記イオン感応性層が第1のキャパシタンスによってフローティングゲートに結合され、かつ前記第2の電気的入力信号が第2のキャパシタンスによってフローティングゲートに結合されてなる請求項1乃至13のいずれかに記載の半導体装置。前記第2のキャパシタンスに対する前記第1のキャパシタンスの比率が1を超え、好ましくは10を超え、50を超え、100を超え、500を超え、或いは1000を超える請求項1乃至14のいずれかに記載の半導体装置。複数の化学反応を検知し、その入力として前記複数の化学反応のおのおのの結果を有する論理関数を評価するための回路であって、前記回路は、前記複数の化学反応のおのおののために、少なくとも1つの反応チャンバーを含み、前記化学反応は反応チャンバーのイオン濃度を変更し、ここで、おのおのの反応チャンバーに、請求項1乃至15のいずれかに従う装置が設けられ、おのおのの装置は、デジタル出力信号を提供し、当該デジタル出力信号の状態は、そのチャンバーのイオン濃度に依存し、かつ論理関数の評価のため、デジタル信号処理回路を形成するために、当該デジタル出力信号の出力は互いに結合されてなる回路。請求項1乃至15に従う複数の装置を含む回路。可能な論理関数AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR、およびそれらの組み合わせを実行するために、前記複数の装置が互いに接続されてなる請求項18に記載の回路。サンプル中の標的イオン濃度を表す出力を提供する方法であって、前記方法は、フローティングゲートに結合された複数の電界効果トランジスタFETと、前記フローティングゲートに露出され、かつ前記フローティングゲートに結合された感応性層とを備えるCMOSスイッチを設ける工程と、前記CMOSスイッチの状態をオンまたはオフに切り替えるために、前記サンプルにイオン感応性層を露出する工程と、および前記CMOSスイッチから信号を出力する工程を含んでなる方法。前記フローティングゲートに電荷を設定するために、前記フローティングゲートに結合された第1の電気的入力信号電圧を設定する工程をさらに含み、前記電荷は好ましくは零ボルトである請求項19に記載の方法。前記CMOSスイッチのスイッチング閾値を設定し、前記複数のFETにバイアスをかけるために、前記サンプルに前記参照電極を露出する工程をさらに含む請求項19又は20に記載の方法。予め定められたイオン濃度に対応するCMOSスイッチのスイッチング閾値を設定するために前記参照電極に接続された参照電圧を設定する工程をさらに含む請求項19乃至21のいずれかに記載の方法。現在のイオン濃度を測定するために前記参照電圧を変化させ、しかる後に、前記イオン濃度が予め定めされた量を越えて変化する場合に、前記CMOSスイッチが状態を切り替えるように、前記参照電圧を設定する工程をさらに含む請求項21又は22に記載の方法。前記CMOSスイッチの状態を切り替えるために、フローティングゲートに結合された第2の電気的入力の電圧を変化させる工程さらに含む請求項19乃至23のいずれかに記載の方法。出力信号は、デジタル信号である請求項19乃至24のいずれかに記載の方法。化学反応を開始する工程をさらに含み、そのプロダクトが標的イオンを含む請求項19乃至25のいずれかに記載の方法。下記の説明において、ISFETは化学信号に容量的に結合されたFETとして見られ得る。トランジスタ部品は通常のFGMOSとして扱われ得る。システムは、参照電極、電解質、感応性膜および金属を備え、これらは、下方で、ひとまとめにして、イオン感応性キャパシタンスISCAPと呼ばれ得る1つの実体を形成している。この観点から、従来のISFETは、基本的に1つのFGMOSに対する入力部としての一つのISCAPである。しかし、一般に、1つ以上のISCAPは、n個のFGMOSトランジスタのフローティングゲートのネットワークに対する入力部であり得る。図5のVin1およびVin2によって示されるように、多くの他の容量的に結合された入力部が可能である。フローティングゲート電圧は、それに容量的に結合される電圧の重みが加えられた和として表現され得る。すなわち、Cg1とCg2は、図で2つのトランジスタのゲート酸化物キャパシタンスである。反転で、かつチャネルが形成され場合、それらはトランジスタのキャパシタンスのよい近似であり得る。簡略化のために、それらは一定であると仮定され、ゲートの寸法は十分に大きいので、寄生キャパシタンスに取って代わる。フローティングゲートには容量的に多くの入力を結合することができ、そのポテンシャルは、入力ゲートの電圧13の重みが加えられた和によって定義される。それゆえ、図5のISFETは、唯一の入力部を有するFG-MOSであり、パッシベーションイオン感応性層によって容量的に結合されたVrefとVchemの重畳である。そのフローティングゲート電圧Vfgは次によって与えられる。ここで、Cpassはパッシベーションキャパシタンスであり、Ctotはフローティングゲート15によって見られた全キャパシタンスである。そしてVGD、VGS、VGB、CGD、CGS、CGBは、トランジスタのゲート-ドレインの、ゲート-ソースの、およびゲートバルクの、連続的な電圧とキャパシタンスである。係数Cpass/Ctotは、Vchemの効果を縮小し、その結果pH感度を縮小する。しかしながら、Cpass/Ctot比を最大化することは、電気的ゲートよりはるかに大きな化学的ゲートを設計して最大化することで、単一性に近似させることができる。これは標準CMOSプロセスで構築されたISFETの公知の準Nernstian感度の1つの理由である。標準FGインバータは、図6-Aに概略的に示された標準等級ABの反転増幅器におけるフローティングゲートNMOSトランジスタとPMOSトランジスタから構成される。このインバータの単一の入力は、2つのフローティングゲートに容量的に結合される。本発明の実施形態において、複数のISFETが、同じイオン感応性膜と、フローティングゲートを共有している。インバータを提供する好ましい実施形態において、図6-Bで示されるように、2つのISFET、1つのNMOSおよび1つのPMOSが配列される。図6-Cは、そのようなインバータのための等価回路の概略図である。この回路は、反応チャンバのための反応の監視と、pHの閾値の動作を実行するために使用され得る。それは、反応チャンバのアレイに露出されたISFETのアレイからの信号を処理するために使用され得る。各チャンバは、大域的又は局所的のいずれかのVrefを備えたISFETペアインバータの上に置かれる。当該アレイのピクセルは、それぞれ、アナログ-デジタル変換の必要なしに、同じICでラッチ処理されるか、或いはデジタル処理され得るデジタル出力部を与える。これは、完全にデジタルISFETに基づいたラブオンチップの構成を促進する。pH感度を向上させるために、増幅器は、Vchemを増幅し得る。当該Vchemは、有効に試験中の電解質に浸された、フローティングゲートと参照電極の間の有効な差である。図7における回路は実現可能である。電圧[V3=2A1A2Vchem]は、ISCAPに亘る電圧の増幅されたものであり、電解質のpHを反映する。その出力はSchmittTrigger回路に供給される。その出力Voutは、溶液のpHが閾値より大きな変更を受ける場合、状態を切り替えるデジタル信号である。結果:図6-BのISFETで、入力は単一のトランジスタ増幅器のフローティングゲートに供給される。動作の領域に依存して、それは、式1のId-Vgsの関係の1つに従う。通常は、IdまたはVdsのいずれかが一定にされ、他方は出力を表す。図6Cのインバータについて、スイッチング閾値電圧を見つけるために、その回路は2つの部分Vfgを見つけるために使用される入力部分と、標準インバータに分割される。Vfgは第2の部分標準インバータへの入力部である。電荷保存によって、Vfgは次によって与えられる。ここで、VCxMos=VGDXCGDxVGSXCGSXVGBXCGBX及びxはn-MOSのnであり、およびp-MOSのpである。標準インバータについては、入力フローティングゲート電圧Vfgが出力V0に等しい場合、スイッチング閾値電圧Vsthは点である。したがって、両方のトランジスタは、Vgs=Vdsのとおりに、飽和している。両方のトランジスタを通る電流を均等化し、それは、この点を解決することにより見出される。それは、18-p.186においてつぎのとおりに見出された。ここで、VtnとVtpは閾値電圧であり、一方、KnとKpは、それぞれ、NMOSとPMOSの{移動度μ×ゲート酸化物キャパシタンスCOX}である。これは、両方のトランジスタが速度飽和に達しないような、強い反転および低いVddのためである。したがって、Vfg=Vsthの時、スイッチングが起こり、つぎの式を与える18。スイッチングはVchemとVrefの和が引き金となって起きる。式5にみられるように、第1項はpHに依存する。それは、VQpassを含んでおり、スイッチング点のシフトとして現われる。Vrefはユーザーによって決定され、かつ結合キャパシタンスの差に留意すれば、FGインバータのVinに類似している。Vrefが入力されると、Vchemは、スイッチング閾値電圧をシフトする効果を有する。同じ方法で、Vchemが入力されると、Vrefはスイッチング点をシフトするであろう。[結果]装置の例証的な実施形態は、方法の例証的な実施形態におけるその使用の結果を含めて、以下に詳述する。トランジスタは、0.35μmの長さを有するが、それらの幅はそれぞれnとpの装置用で、4μmと12μmであった。図において、VrefはISFETのために掃引され、スイッチング点は、4.0、7.0および10.0のpH値に対して見出された。スイッチング点は、それぞれ、1.49V、1.63Vおよび1.76Vであった。これは、44.52mV/pHの感度を与える。2.2VのVddが使用された。出力は、ボンドパッドとテストPCBによって導入された負荷を駆動するために充分な電流を提供するために大きさが増大されて2つのMOSインバータによってバッファ処理された。化学的感応性領域は35x200μm2であった。単一接合Ag/AgClガラス参照電極はVrefを印加するためにテスト下で電解質に浸された。その安定した接合電圧ゆえに、それが選ばれました。3つの異なるpH緩衝液4.0、7.0および10.0がテストされた。参照電圧は異なるpH値に対してスイッチングを引き起こした値を見つけるために各実例に対して掃引された。スイッチング電圧のシフトとして測定された感度は28.33mV/pHであることが見出された。スイッチング動作は、pHの変更だけで駆動され得る。Vrefは現在のpHのスイッチング点に接近して固定され得る。これは論理1の初期条件である。溶液のpHを6.5±0.1へpHを低下させるために、0.1Mの塩酸を滴定することにより、溶液のpHが変更されるか否かということである。これは、論理0を与えた。その後、0.1MのNaOHは7.0±0.1にpHを戻すために滴定することができる。図に示されるように、本発明の第3の態様に係る実施形態は、ISFETのフローティングゲートに第2の入力部を提供する。この配置はインバータに2つの入力部を提供する。すなわち、パッシベーションキャパシタンスを介して結合されたイオン感応性の入力部と、キャパシタンスC2を介して結合された第2の入力部Vin2である。合成のフローティングゲート電圧はこれらの2つの入力の重みが加えられた和である。パッシベーションキャパシタンスCpassと比較して、第2の入力部のキャパシタンスC2を非常に小さくすることによって、化学信号を制御ゲートとして使用しつつ、電気的なインバータ入力としてこの入力Vin2を使用することができる。したがって、Vin2を指されたスイッチング点は、pHの変更に非常に敏感になる。実際、それはVrefに言及されたpH感度のスケール処理された値である。スケール係数は比率Cpass/C2である。この比率の選択は、適用に依存して、好ましくは10を超え、より好ましくは、50を超え、100を超え、500を超えるか、或いは1000を超えることが好ましい。多くのノードがフローティングゲートに容量的に結合されるので、そのポテンシャルは入力の重みが加えられた和によって定義される。フローティングゲート電圧Vfgは次式から与えられる。ここで、VCnMosはnMOSのフローティングゲート電圧への寄与である。それは、ゲートドレインキャパシタンスCGDnを乗じたドレイン電圧VDn、そのゲートソースキャパシタンスCGsnを乗じたその電源電圧VSn、およびゲートボディキャパシタンスCGBnを乗じたボディ電圧VBnである。すべての電圧は、接地を指す。添え字nはnMOSを表わす。VCpMosはpMOSのフローティングゲート電圧への寄与である。それは同様の方法で計算される。Cpassはパッシベーションキャパシタンスであり、Vchemは、式11から与えられる、pH依存性の化学的電圧である。Vrefは参照電極電圧である。また、Ctotはフローティングゲートに見られた全キャパシタンスである。それは、ここでは別に扱われない他のすべての寄生キャパシタンスを含む。フローティングゲートが電荷を有しておらず、それゆえに零の初期電圧を有していると仮定することは慣習的である。しかしながら、これは、フローティングゲートの初期の電圧のシフトとして、それら自身を明示する現実の実例ではない可能性がある。式11から、係数Cpass/Ctotは、Vchemの効果を縮小し、それゆえpH感度の効果を縮小する。しかしながら、それはCpass/Ctotの比率を最大化することにより単一性に近くし得る。それは回路中のすべてのキャパシタンスの和よりもはるかに大きくパッシベーションキャパシタンスを設計することによる。これは、標準CMOSプロセスで構築されたISFETの準Nernstian感度の1つの理由である。式11の第2項はC2/Cpassで縮小された第2の入力部である。この比率の逆数はVin2を指されたpH感度の増幅である。したがって、その選択は、適用要件と、同時に化学的感度に対してより多くの余地を能にするためにC2を最小化することを考慮するべきである。両方のトランジスタが同じ電流を有するとき、弱い反転で動作するインバータは、そのスイッチング閾値電圧Vsthを有する。VtnとVtpは閾値電圧である一方で、IsnとIspは、それぞれNMOSトランジスタとPMOSトランジスタのソース電流である。Vddは電源電圧である。式3のスイッチング閾値電圧はMOSパラメータのみに依存する。VfgがVstより高くなったり、低くなったり交互に変化すると、スイッチングが生じる。フローティングゲート電圧が式1におけるような結合された電圧の関数であるので、これらの入力はそのスイッチング点に影響を及ぼす。したがって、そのpH感度を定義することは、単一のISFETの場合ほど簡単ではない。pHが誘発したVfgにシフトすると定義され得る。しかし、それに直接アクセスすることができないので、測定することは難しい。しかし、入力部のうちの1つ、すなわちVrefまたはVin2のいずれかにそれを帰することは可能である。したがって、それらいずれかを掃引する一方で他の一つを一定に保つことによって見られるように、pH感度はpHの変化によるスイッチング電圧の際のシフトとして明示される。Vin2を一定にしている間に、pHをVrefに帰するようにするためのこのインバータのフローティングゲートの感度は、次式によって見出される。したがって、Vfgに対するVrefの効果がCpass/Ctotの比率によって縮小されるという事実にもかかわらず、Vrefに帰するpHの感度は、Vchemが同じ比率だけ縮小したときには縮小しない。縮小が相殺される。しかしながら、Vin2が、Vfgをシフトするために使用される一方で、Vrefが固定されると、したがって、Vin2が入力として使用され、Vrefが定数で、かつ化学的ゲートがスイッチング点をシフトするコントロールゲートの役割を果たす場合、Vin2に関しての回路のpHの感度はCpass/C2に拡大される。設計によって、Cpass=AC2とすることは可能である。その後、pH感度は任意のタイプの増幅器を必要とすることなく、比率Aだけ拡大される。したがって、インバータの電気的入力としてVin2を使用することによって、結合の重みはpH感度を向上させるために使用される。当業者は、Vin2がその全範囲にわたって掃引されたとき、観察し得るpH値に相当するように、その適用に応じて増幅率を選択するであろう。例えば、予期されたpHの変化が2つのpHの単位にまたがり例えば、pH6~pH8の変化、かつVin2が0~1Vまでに及び、Vrefに帰する予期されたpH感度が30mV/pHであるとき、Cpass/C2の値A=1V/30mV/2≒16である。Vrefは、所望の初期論理で回路の出力を設定し、かつスイッチングの直前に、インバータをしぼませるように選択されるべきである。これは、pHの変化がVin2によって容易に検知可能であることを可能にする。例えば、例示的な実施形態において、N-MOSデバイスの閾値電圧は0.59Vである。また、PMOSデバイスの閾値電圧は-0.72Vである。故に、0.5VのVddの使用は、トランジスタがその閾値電圧未満に見る最大電圧をしのぐことにより、準スレッショルド動作を保証する。その後、VrefはスイッチングVref,sthを引き起こす値を見つけるために掃引され得る。電解質のpHは、pH4.0からpH7.0、そしてpH10.0まで階段状に変化する。Vin2は、零ボルトに設定された。出力が図示される。故に、シミュレートされた感度は、ΔVrefsth/ΔpH=33.9mV/pHである。Cpass=420fFと、C2=3fFとが、Cpass/C2=140のスケーリング係数を与える。したがって、Vin2に対するpH感度は、{Cpass/C2×0.0339}=4.7V/pHである。Vrefは、スイッチングの直前で一定に保たれている一方で、Vin2はpHのためのスイッチング点Vin2,sthを見つけるために掃引される。0.1pHの変化を検知するために、インバータの配列を使用することができる。その一方で、任意に大きいスケーリング係数によってフローティングゲートに結合された付加的なVin2信号は、さらにより小さい変化例えば0.001を検知することができる。高い感度は、ISFETの物理的な感度の改善によっては達成できない。その代わりに、pH感度は、修正されていないCMOSプロセスによって構築されたISFETのフローティングゲートの本質を利用することで、非常に高くされ得る。増幅器を使用して、同様の結果が到達可能である一方で、これは面積、出力およびノイズの追加の費用をきたす。本発明の利点はこれらの関連する問題のない高いゲインである。この回路は、ピクセルを形成する、pHスイッチのアレイのための基本的なビルディングブロックとしての役割を果たし得る。それらは、化学的或いは生物学的入力からデジタル出力を提供することができる。参照電極へのフィードバックで、必要とされるpHの関心領域を反映するスイッチング閾値電圧を変更することは可能である。好ましくは、感応性層は、標的イオンの濃度を有するチャンバに露出される。イオン濃度は、ISFETスイッチの出力信号が一定になるように一定であり得る。ISFETスイッチの出力信号がイオン濃度の変化を検知するように、イオン濃度は経時的に、或いは化学反応の結果として変化し得る。好ましくは、化学反応は、陽子が放出されるような核酸上へのヌクレオチドの取り込みである。核酸は未知であり得、そしてヌクレオチド試薬は既知であり、その結果、回路の出力は、未知の核酸に相補的な或いは、相補的でない核酸試薬によって観察されるpHの変化その欠如を示す。幾つかの実施形態では、複数のチャンバが存在し、そのおのおのが、標的イオンの濃度を検知するか、或いは標的イオンの濃度の変化を検知するために、本発明の装置に露出される。当該装置の出力はAND、NAND、OR、NOR、XOR、XNORなどの論理演算、またそれらの組み合わせを行なうために接続することができる。当業者は、これがどのように実行されるかを認識するであろう。例証的な回路が図12に示される。本発明は上述された通りの好ましい実施形態の用語で記述したが、これらの実施形態があくまでも例証であり、特許請求の範囲がこれらの実施形態に限定されないことは理解されるべきである。当業者は、添付された特許請求の範囲以内にあると意図される開示に照らして修正及び代替を作ることができるであろう。本明細書に開示或いは例証されたおのおのの特徴は、単独であれ、本明細書に開示又は例証された任意の組み合わせであれ、本発明に組み込まれ得る。<参考文献>"