JP4678676B2 - 物理現象または化学現象の測定方法または測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、物理現象または化学現象を定量化する測定方法および装置に関し、例えば、溶液のｐＨ、圧力、磁界、あるいは温度の二次元分布など、様々の物理現象または化学現象を定量化する測定方法および装置に関する。
物理現象または化学現象には、濃度、温度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音波、酸化還元電位、反応速度など様々な現象があるが、これらの現象は、様々な電気信号（電流、電圧、抵抗、電荷容量、電位）に変換することができる。
また、例えば、フォトダイオードのように、光を照射すると光量に応じた電子正孔対が生成し、光量を電荷量に変化してその電荷量を評価することにより光量を測定する方法などのように、物理現象または化学現象を電荷情報に変換して測定する方法があった。
しかしながら、光以外のその他の物理・化学現象においては、ほとんどの場合、電荷量ではなく、電圧値、電流値、抵抗値などの電気信号に変換し、それらの値を読み取るようにしているため、電荷特有の取扱い方法である蓄積および転送を行うことができず、また複数点の情報を同時に取り込んで高速処理したり、測定結果を画像化するといったことが非常に困難であった。
近年、環境あるいは医療の分野を含め各種の分野において、こうした物理現象または化学現象の高速処理化あるいは画像化の要請が高まり、例えば、物理的または化学的な量の大きさに対応して深さを変化するように構成されたポテンシャル井戸に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのポテンシャル井戸の大きさに応じた電荷に変換することによって、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送などを行い、様々な物理現象または化学現象を容易に画像化できるようにした方法および装置などが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開平１０−３３２４２３号公報
しかしながら、昨今の物理現象または化学現象の測定には、従来以上に精緻な測定精度や応答の高速化が求められ、上記の方法や装置に対し、より優れた精度面あるいは応答面の改善の要請が強くなってきた。
つまり、物理現象または化学現象を電荷情報として変換するに際し、精度面あるいは応答面に対しては、電荷の移動をより効率的にかつ迅速に行うために電荷移動手段をどのような構成あるいは構造とすることが好ましいかが大きな課題となってきた。
また、物理現象または化学現象の測定においては、大きな変化による大量の電荷移動がある場合と物理現象または化学現象としての変化がほとんどなく小さな電荷移動しか発生しない場合がある。実際の測定においては、いずれの場合においても現象変化に対応した所定の測定精度を要求されるが、同一構成の検出器において、そのいずれの電荷移動条件においても同一精度を確保することは非常に難しい。つまり、検出器にとって広い範囲での直線性確保は大きな課題である。
そこで、この発明の目的は、物理現象または化学現象を電荷情報に変換することによって定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定方法あるいは測定装置を提供することにある。また、複数点の電荷情報を同時に取り込み様々な物理現象または化学現象を容易に画像化できる測定方法および測定装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す測定方法あるいは測定装置によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
本発明は、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、
前記センシング部からの電荷をフローティングディフュージョンの前段で蓄積し、その一部を放出するとともに、物理的または化学的な量の大きさに対応する電位に相当する電荷を含む電荷量をフローティングディフュージョンに転送すること、および前記放出量を変更可能とすることを特徴とする。
前記センシング部からの電荷をフローティングディフュージョンの前段で蓄積し、その一部を放出するとともに、物理的または化学的な量の大きさに対応する電位に相当する電荷を含む電荷量をフローティングディフュージョンに転送すること、および前記放出量を変更可能とすることを特徴とする。
また、本発明は、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部を閾として電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、
前記センシング部からの電荷をフローティングディフュージョンの前段で蓄積し、その一部を放出するとともに、物理的または化学的な量の大きさに対応する電位に相当する電荷を含む電荷量をフローティングディフュージョンに転送すること、および前記放出量を変更可能とすることを特徴とする。
前記センシング部からの電荷をフローティングディフュージョンの前段で蓄積し、その一部を放出するとともに、物理的または化学的な量の大きさに対応する電位に相当する電荷を含む電荷量をフローティングディフュージョンに転送すること、および前記放出量を変更可能とすることを特徴とする。
さらに、本発明は、電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部に供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、
前記センシング部とフローティングディフュージョンの中間に、
該センシング部から転送された電荷を蓄積するセンシング電荷蓄積部、該センシング電荷蓄積部に蓄積された電荷の一部を放出するリセットゲート、
および残りの電荷をフローティングディフュージョンに転送する堰部を有することを特徴とする。
前記センシング部とフローティングディフュージョンの中間に、
該センシング部から転送された電荷を蓄積するセンシング電荷蓄積部、該センシング電荷蓄積部に蓄積された電荷の一部を放出するリセットゲート、
および残りの電荷をフローティングディフュージョンに転送する堰部を有することを特徴とする。
また、本発明は、電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部を閾として供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、
前記センシング部とフローティングディフュージョンの中間に、
該センシング部から転送された電荷を蓄積するセンシング電荷蓄積部、該センシング電荷蓄積部に蓄積された電荷の一部を放出するリセットゲート、
および残りの電荷をフローティングディフュージョンに転送する堰部を有することを特徴とする。
前記センシング部とフローティングディフュージョンの中間に、
該センシング部から転送された電荷を蓄積するセンシング電荷蓄積部、該センシング電荷蓄積部に蓄積された電荷の一部を放出するリセットゲート、
および残りの電荷をフローティングディフュージョンに転送する堰部を有することを特徴とする。
物理的または化学的な量の大きさに対応して電位（以下「検出電位」という。）が変化するセンシング部を有し、電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法は、現象を電荷信号に変換することによって、加除が容易で蓄積を行うことができることから、信号の平均化によるノイズを低減することができる。また、蓄積回数を増やすことによって、微小信号の検出が可能となり、検出精度の向上を図ることができる点において優れている。さらには、物理的または化学的な量の変化に対応した電荷量（以下「測定電荷量」という。）のみを検出することが好ましい。
しかし、現実には、それに加え、測定に関係しない電荷（オフセット電荷）や、検出系の周辺あるいは電荷処理系からの影響、例えば、温度や磁場あるいは電場などの影響により発生する電荷（外乱）を検出することになる。特に、センシング部からの電荷あるいはセンシング部を閾として転送した電荷が転送されるフローティングディフュージョンには容量の限界があり、検出感度を上げるために増やす蓄積回数にも限界があった。
そこで、本発明は、こうした測定電荷量以外の電荷を排除すべく検討した結果、センシング部からの電荷あるいはセンシング部を閾として転送した電荷を蓄積し、その一部を放出した後にフローティングディフュージョンに転送することが、外乱影響を削減し、かつＳ／Ｎ比を向上させるのに有効であることを見出した。つまり、フローティングディフュージョンに転送される電荷中の測定電荷量以外の成分を少なくすることによって、従来よりもはるかに多くの蓄積が可能となりノイズが軽減されＳ／Ｎ比が向上される。従って、測定精度の向上と併せて、検出特性の直線性の改善を図ることができる。
ここで、フローティングディフュージョンの前段に蓄積された電荷の放出量は、通常、予め確認された特性からリセットゲートによって一定量に設定することも可能であるが、後述するように、リセットゲートあるいは堰部によって調整ができるようにすることが有用である。
従って、物理現象または化学現象を電荷情報に変換することによって定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れた直線性を有する測定方法あるいは測定装置を提供することが可能となった。
本発明は、上記物理現象または化学現象の測定方法であって、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部を有する前記機能を有する検出系Ａと、物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有しセンシング部以外の機能を同じくする検出系Ｂからなる一対の検出系によって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、検出系Ａにおける前記放出量を、検出系Ｂにおいてフローティングディフュージョンの前段で蓄積された電荷量に連動して変更することを特徴とする。
また、本発明は、同一の構造の前記電荷供給部、センシング電荷蓄積部、およびリセットゲートを有する少なくとも一対の検出系を有する測定装置であって、
物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部を有し、センシング部に供給された電荷の一部がセンシング電荷蓄積部および障壁部を介してフローティングディフュージョンに転送される検出系Ａと、
物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有し、センシング部以外の機能を検出系Ａと同じくする検出系Ｂからなるとともに、
検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部に蓄積された電荷量に連動して、検出系Ａの障壁部から転送する電荷量を変化させることを特徴とする。
物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部を有し、センシング部に供給された電荷の一部がセンシング電荷蓄積部および障壁部を介してフローティングディフュージョンに転送される検出系Ａと、
物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有し、センシング部以外の機能を検出系Ａと同じくする検出系Ｂからなるとともに、
検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部に蓄積された電荷量に連動して、検出系Ａの障壁部から転送する電荷量を変化させることを特徴とする。
物理現象または化学現象を電荷情報に変換する場合において、測定精度および検出特性の直線性の改善を図るには、測定電荷量以外の成分を少なくすることが有効であると同時に、その成分の変化に連動した補償を図ることが好ましい。本発明においては、検出系をデュアルタイプにし、一方の検出系Ｂにおいて測定に関係しない電位を検出し、他方の検出系Ａの検出電位との差を得ることによって、真に検出すべき電位を検出することができる。つまり、検出系の内部において差分機能を有することによって、補償時における更なる外乱かたの影響を防止することができる。
具体的には、検出系Ｂにセンシング電荷蓄積部に蓄積された電荷量（つまり、オフセット電荷と外乱成分）に連動して検出系Ａの堰部の電位を変動させ、フローティングディフュージョンに転送する電荷量（つまり、リセットゲートからの放出量）を変化させることによって、測定電荷量以外の成分の影響を有効に排除することができる。従って、高い測定精度および優れた応答性、さらに優れたＳ／Ｎ比を有する測定方法あるいは測定装置を提供することが可能となった。
本発明は、前記センシング電荷蓄積部とフローティングディフュージョンの中間に電荷転送手段が配設された物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷転送手段が電荷結合素子であり、複数のセンシング電荷蓄積部の電荷を１つのフローティングディフュージョンに転送することを特徴とする。
物理現象または化学現象を検出する半導体デバイスに関しては、「センシング部の電荷容量」／「フローティングディフュージョンの電荷容量」が大きい程、フローティングディフュージョンのポテンシャルを上昇させることができる。従って、その分増幅率を高くすることができ、正確かつ感度の高い測定が可能となる。その反面、構造上の制限から限界がある。本発明では、その中間に電荷転送部を設けることによって、センシング部とフローティングディフュージョンを任意の形状あるいは配置に構成することが可能となり、容易に検出感度あるいは応答速度の向上を図ることができる。
また、一般に、半導体デバイスにおける電荷転送手段には種々の方法があるが、電荷結合素子（ＣＣＤ）はＳ／Ｎ比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有している。従って、こうした特性を活かし、１つのフローティングディフュージョンに対し電荷転送部を介して複数のセンシング部（より具体的にはセンシング電荷蓄積部）からの電荷を順次移動させるＣＣＤ機能を有することによって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することができる。
以上のように、本発明の物理現象または化学現象の測定方法あるいは測定装置によれば、対象となる物理現象または化学現象に伴う電荷あるいはそれによって生じる出力の増幅を可能としつつ、複数点の情報を同時に取り込み、蓄積、転送などを行うことにより、検出精度の向上および応答の高速化を図り、様々な物理現象または化学現象を容易に画像化することができる。
特に、フローティングディフュージョンへ転送する電荷量を、真に物理現象または化学現象に対応した電荷情報に変換することによって、さらなる高精度化および迅速化を図ることができる。また、ＣＣＤなどを用いることにより物理的または化学的な現象の二次元分布を容易に画像化することができる。特に、微弱な信号の増幅が可能であるから、複数点の情報から物理的または化学的な現象の微小な変化をも確実に把握することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
＜物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成＞
図１は、この発明に係る物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成を例示し、図２は、それを斜視的に例示している（第１構成例）。
図１は、この発明に係る物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成を例示し、図２は、それを斜視的に例示している（第１構成例）。
図１または図２において、Ｂは例えばｐ型Ｓｉ（シリコン）よりなる半導体基板で、厚さ５００μｍ程度である。半導体基板Ｂは例えばシリコン酸化膜の絶縁膜Ａを有し、それを挟むようにして、電荷供給部１、電荷供給調整部２、センシング部３、障壁部４、センシング電荷蓄積部５、堰部６、フローティングディフュージョン７、リセットゲート８ａおよび９、リセットドレイン８ｂおよび１０、出力トランジスタ１１が形成される。そして、電荷供給部１、電荷供給調整部２、センシング部３、障壁部４、リセットゲート８ａ、リセットドレイン８ｂ、センシング電荷蓄積部５および堰部６の各部材によってセンサ部１２が形成され、センサ部１２、フローティングディフュージョン７、リセットゲート９およびリセットドレイン１０によって検出部が形成される。半導体基板Ｂは、樹脂モールドなどを施すことにより溶液試料などに対して耐性をもたせている。
測定に際しては、電荷供給部１、障壁部４、堰部６、リセットゲート８ａおよび９にパルス電圧を印加し、他の部位に直流電圧を印加し、ｐ型半導体を用いたＭＯＳ構造において、正の電圧を加えることによって、半導体−絶縁膜界面近傍での電位状態を形成することができる。
センサ部１２は、例えば、次のようにして形成される。
（１）ｐ型Ｓｉ基板Ｂを熱酸化し、酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する。
（２）その一部分をエッチングし、その部分を選択的に酸化する。その後、その選択的に酸化された部分のＳｉＯ２をエッチングし、さらに熱酸化することによりゲート酸化膜Ａを形成する。このゲート酸化膜の膜厚は約５００Åである。
（３）その上面の電荷供給調整部２や障壁部４あるいは堰部６にそれぞれ対応する部分にリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積させて電極を形成する。この電極の膜厚は約３０００Åで、堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。
（４）その後、再びリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積し、センシング電荷蓄積部５の上面に電極を形成する。この電極の膜厚は前記電極のそれと同程度に堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。このように酸化することにより、電極同士の絶縁が保たれる。この電極は、Ａｌ，Ｗ，Ｔｉなどの金属電極でも代用できる。ただし、センシング電荷蓄積部５に電極が必要となるのは、半導体部分がｐ型基板の場合であり、図１に示すようなｎ拡散層の場合、この電極は必要ない。
（５）その後、Ｓｉ３Ｎ４（Ｔａ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３でもよい）を７００Å程度堆積してセンシング部３を形成する。
（１）ｐ型Ｓｉ基板Ｂを熱酸化し、酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する。
（２）その一部分をエッチングし、その部分を選択的に酸化する。その後、その選択的に酸化された部分のＳｉＯ２をエッチングし、さらに熱酸化することによりゲート酸化膜Ａを形成する。このゲート酸化膜の膜厚は約５００Åである。
（３）その上面の電荷供給調整部２や障壁部４あるいは堰部６にそれぞれ対応する部分にリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積させて電極を形成する。この電極の膜厚は約３０００Åで、堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。
（４）その後、再びリンドープされた低抵抗のポリシリコンを堆積し、センシング電荷蓄積部５の上面に電極を形成する。この電極の膜厚は前記電極のそれと同程度に堆積させた後、約１０００Å程度熱酸化する。このように酸化することにより、電極同士の絶縁が保たれる。この電極は、Ａｌ，Ｗ，Ｔｉなどの金属電極でも代用できる。ただし、センシング電荷蓄積部５に電極が必要となるのは、半導体部分がｐ型基板の場合であり、図１に示すようなｎ拡散層の場合、この電極は必要ない。
（５）その後、Ｓｉ３Ｎ４（Ｔａ２Ｏ３またはＡｌ２Ｏ３でもよい）を７００Å程度堆積してセンシング部３を形成する。
センシング部３は、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化する測定部位であり、例えばｐＨ測定の場合には、水溶液や測定対象物などを導入するセルが設けられた電極部を形成し、試料中のｐＨに対応する電位を発生する。こうした電位あるいは電位の変化を電荷に変換し、検出部における電荷の変化を、ＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１によって出力変換される。
ここで、電荷供給部１は、１のセンシング部３に対し１つに限定されるものではなく複数配設されていることが可能である。上述のように、測定対象あるいは用途によって、センシング部３の数量、形状あるいは配置関係が一義的に決定されることがあり、センシング部３全体への電荷の供給を迅速に行う必要がある場合において、センシング部３への電荷供給の負荷を複数の電荷供給部１に分散することが好ましい。
センシング電荷蓄積部５は、センシング部３の形状あるいはセンシング部３とセンシング電荷蓄積部５との電荷容量比などによって設定されるが、図１では、センシング部との接触部分を大きくするとともに、センシング電荷蓄積部５の面積を小さくするために台形形状を形成している。また、センシング電荷蓄積部５は、ｎ拡散層でも、ｐ型基板そのままの状態でもよい。ただし、半導体部分がｐ型基板の場合は、上部に電極を設ける。
また、フローティングディフュージョン７は、センシング電荷蓄積部５との接触部分を基に大きさが設定され、センシング電荷蓄積部５において放出される電荷を除く電荷が転送されることから、従来と比べ大幅に縮小することが可能となる。さらに、図１では、方形状となっているが、センシング電荷蓄積部５の形状が方形状であれば、センシング電荷蓄積部５との接触部分を大きくするとともにフローティングディフュージョン７の面積を小さくするために、台形形状などを形成することも可能である。
上記のような測定装置における測定方法について、図３（Ａ）に示す電位図を参照しながら説明する。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部３には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部１の電位を下げることによって、センシング部３に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部１の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調整部２によって制限された量の電荷がセンシング部３に蓄積される。
このとき、センシング部３に蓄積された電荷量は、図３（Ｂ）に示すように、測定電荷量ｘ以外にオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚが含まれる。
（４）電荷の転送１
障壁部４の電位を上げることによって、センシング部３に蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５に転送する。
（５）電荷の転送２
障壁部４の電位を下げ、堰部６の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷の一部をフローティングディフュージョン７に転送する。このとき、転送された電荷量は主として測定電荷量ｘであるが、それ以外にオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。
（６）電荷の放出
センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷は、リセットゲート８ａの電位を上げることによってリセットドレイン８ｂを介して外部に放出する。
（７）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（６）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。増幅度の正確な表記は後述する。
なお、堰部６は、電荷を繰り返し蓄積している間は同一状態とすることが可能である。その間のオフセット電荷の変動が少なければ、外乱ノイズの平均化およびオフセット電荷の補正が可能となる。
（８）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（７）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（９）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１０）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（９）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部３には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部１の電位を下げることによって、センシング部３に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部１の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調整部２によって制限された量の電荷がセンシング部３に蓄積される。
このとき、センシング部３に蓄積された電荷量は、図３（Ｂ）に示すように、測定電荷量ｘ以外にオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚが含まれる。
（４）電荷の転送１
障壁部４の電位を上げることによって、センシング部３に蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５に転送する。
（５）電荷の転送２
障壁部４の電位を下げ、堰部６の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷の一部をフローティングディフュージョン７に転送する。このとき、転送された電荷量は主として測定電荷量ｘであるが、それ以外にオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。
（６）電荷の放出
センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷は、リセットゲート８ａの電位を上げることによってリセットドレイン８ｂを介して外部に放出する。
（７）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（６）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。増幅度の正確な表記は後述する。
なお、堰部６は、電荷を繰り返し蓄積している間は同一状態とすることが可能である。その間のオフセット電荷の変動が少なければ、外乱ノイズの平均化およびオフセット電荷の補正が可能となる。
（８）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（７）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（９）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１０）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（９）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
以上のように、この測定装置においては、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位を変化するように構成されたセンシング部３を半導体基板Ｂに形成し、このセンシング部３に電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換するようにした電荷変換機構を用いている。このとき、センシング電荷蓄積部５に設けられたリセットゲート８ａによって、オフセット電荷あるいは外乱成分を放出することができ、測定電荷量の検出にとってノイズとなる要素が極力少ない条件で検出することが可能となる。
上記測定における増幅度Ａは、正確には下式１で表わすことができる。
〔式１〕
〔式１〕
ここで、Ｑ［Ｃ］ ：１回にフローティングディフュージョンに転送される電荷量
ｎ［回］ ：蓄積回数
ＣＦＤ［Ｆ］ ：フローティングディフュージョンの電荷容量
ΔＶｓ ：センシング部の電位変化
ｎ［回］ ：蓄積回数
ＣＦＤ［Ｆ］ ：フローティングディフュージョンの電荷容量
ΔＶｓ ：センシング部の電位変化
なお、図３（Ａ）では、電荷供給部１の電位を上げ下げしてセンシング部３に蓄積された電荷をすりきるようにしているが、これに代えて、図４に示すように、電荷供給部１の電位を一定に保持し、電荷供給調整部２の高さを上げ下げしてセンシング部３に電荷を蓄積するようにしてもよい。つまり、以下の操作によって、安定的に前記物理的または化学的な量をこのセンシング部の大きさに応じた電荷に変換することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位はセンシング部３より低く、電荷供給調整部２の電位はそれ以下に設定されており、センシング部３には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給調整部２の電位を、電荷供給部１の電位以上に上げることによって、センシング部３に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給調整部２の電位を（１）の状態にまで下げることによって、供給された電荷がセンシング部３に蓄積される。
（４）電荷の転送１
障壁部４の電位を上げることによって、センシング部３に蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５に転送する。
（５）電荷の転送２
堰部６の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷の一部をフローティングディフュージョン７に転送する。このとき、転送された電荷量は主として測定電荷量であるが、それ以外にいくらかのオフセット電荷あるいは外乱成分が含まれる。
（６）電荷の放出
センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷は、リセットゲート９の電位を上げることによって外部に放出する。
（７）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（６）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。
なお、堰部６は、電荷を繰り返し蓄積している間は同一状態とすることが可能である。その間のオフセット電荷の変動が少なければ、外乱ノイズの平均化およびオフセット電荷の補正が可能となる。
（８）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（７）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（９）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１０）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（９）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。図３（Ａ）の方法の利点とともに、電荷供給部１の電位を基準とすることで一定電位を保持することが可能となり、さらに安定性の向上を図ることができる。また、図３（Ａ）と同様、センシング部３に蓄積された電荷から、実質的に化学現象あるいは物理現象のみに対応する電荷量に近い電荷がフローティングディフュージョン７に転送されることによって、ノイズ成分の少ない電荷信号として処理することが可能となる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位はセンシング部３より低く、電荷供給調整部２の電位はそれ以下に設定されており、センシング部３には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給調整部２の電位を、電荷供給部１の電位以上に上げることによって、センシング部３に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給調整部２の電位を（１）の状態にまで下げることによって、供給された電荷がセンシング部３に蓄積される。
（４）電荷の転送１
障壁部４の電位を上げることによって、センシング部３に蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５に転送する。
（５）電荷の転送２
堰部６の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷の一部をフローティングディフュージョン７に転送する。このとき、転送された電荷量は主として測定電荷量であるが、それ以外にいくらかのオフセット電荷あるいは外乱成分が含まれる。
（６）電荷の放出
センシング電荷蓄積部５に蓄積された電荷は、リセットゲート９の電位を上げることによって外部に放出する。
（７）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（６）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。
なお、堰部６は、電荷を繰り返し蓄積している間は同一状態とすることが可能である。その間のオフセット電荷の変動が少なければ、外乱ノイズの平均化およびオフセット電荷の補正が可能となる。
（８）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（７）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（９）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１０）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（９）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。図３（Ａ）の方法の利点とともに、電荷供給部１の電位を基準とすることで一定電位を保持することが可能となり、さらに安定性の向上を図ることができる。また、図３（Ａ）と同様、センシング部３に蓄積された電荷から、実質的に化学現象あるいは物理現象のみに対応する電荷量に近い電荷がフローティングディフュージョン７に転送されることによって、ノイズ成分の少ない電荷信号として処理することが可能となる。
また、本発明においては、センシング部３の電荷容量がフローティングディフュージョン７の電荷容量を超える大きさを有することが好ましい。例えば、上記の検出サイクルを繰り返し、フローティングディフュージョン７にある程度の電荷量が蓄積されてから電荷を測定するようにすることで、検出感度を上げることが可能であるが、その蓄積時間分だけ応答時間が遅くなる。センシング部３の電荷容量を大きくし蓄積される電荷を多くすることで、小電荷容量のフローティングディフュージョン７に転送された時のフローティングディフュージョン７での電位の変化率を上昇させることができることから、その変化率を検出することで、正確かつ感度の高い測定が可能となる。つまり、センシング部３と電荷転送手段であるフローティングディフュージョン７の間に電荷容量差を設けることによって、センシング部３のおける電位の変化の実質的に増幅機能を有することとなる。
具体的にセンシング部３の電荷容量を大きくするには、（１）平面上での面積を大きくする、（２）センシング部３を複数にする、（３）電位を高くする、（４）電荷密度を上げる、などの手段があり、物理的または化学的な現象の対象となる試料の性状や濃度などによって選択することが可能である。
また、上記半導体部分がｐ型基板の場合であって、センシング電荷蓄積部に電極を設けた場合を図４Ａに例示する。第１構成例では、センシング電荷蓄積部５はｎ拡散層であり、電極は必要なかったが、図４Ａの構成にあっては、ｎ拡散層を形成せずｐ型基板のままで上部に電極を設け、センシング電荷蓄積部５３を形成することによって、同様の動作ができる。この際の上部金属は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗなどの金属でも、ｐｏｌｙ−Ｓｉでもよい。なお、測定方法は、図３（Ａ）と同様であり、省略する。
次に、本発明における第２の構成例を説明する。第１構成例において、センシング部３の電位が予め設定された値よりも大きく低下（負の変化）する場合には、センシング電荷蓄積部５に蓄積される電荷量が小さく、閾部６からフローティングディフュージョン７に転送される電荷が測定電荷量ｘを下回る場合があり得る。このときセンシング部３の電位に対応した電荷をセンシング電荷蓄積部５に蓄積するために、図１における電荷供給調整部２に代えてセンシング部３を閾とし物理的または化学的な現象に対応して電荷蓄積量を可変できるようにしたものである。
具体的には、図５に示すように、センシング部３の電位を閾とすることによって、センシング部３の電位が負の変化を生じた場合であっても、電荷供給部１からセンシング電荷蓄積部５１に供給される電荷量を、センシング部３において生じる化学現象あるいは物理現象に対応して変化を取出すことができる。障壁部４、センシング電荷蓄積部５２以降の構成および機能は第１構成例と同様である。なお、センシング部３の電位が安定的に変化する場合には、センシング電荷蓄積部５１および障壁部４を省略し直接センシング電荷蓄積部５２に電荷を蓄積することも可能である。
上記のような測定装置における測定方法について、図６に示す電位図を参照しながら説明する。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部電荷蓄積部５１には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部１の電位を下げることによって、センシング部３を閾としてセンシング部電荷蓄積部５１に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部１の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローしセンシング部３を閾として制限された量の電荷がセンシング部電荷蓄積部５１に蓄積される。このとき、センシング部電荷蓄積部５１に蓄積された電荷量は、測定電荷量ｘ以外にオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚが含まれる。
（４）電荷の転送１
障壁部４の電位を上げることによって、センシング部電荷蓄積部５１に蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５２に転送する。
（５）電荷の転送２
障壁部４の電位を下げ、堰部６の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部５２に蓄積された電荷の一部をフローティングディフュージョン７に転送する。このとき、転送された電荷量は主として測定電荷量ｘであるが、それ以外にオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。
（６）電荷の放出
センシング電荷蓄積部５２に蓄積された電荷は、リセットゲート８ａの電位を上げることによってリセットドレイン８ｂを介して外部に放出する。
（７）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（６）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。
（８）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（７）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（９）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１０）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（９）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部電荷蓄積部５１には電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部１の電位を下げることによって、センシング部３を閾としてセンシング部電荷蓄積部５１に電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部１の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローしセンシング部３を閾として制限された量の電荷がセンシング部電荷蓄積部５１に蓄積される。このとき、センシング部電荷蓄積部５１に蓄積された電荷量は、測定電荷量ｘ以外にオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚが含まれる。
（４）電荷の転送１
障壁部４の電位を上げることによって、センシング部電荷蓄積部５１に蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５２に転送する。
（５）電荷の転送２
障壁部４の電位を下げ、堰部６の電位を上げることによって、センシング電荷蓄積部５２に蓄積された電荷の一部をフローティングディフュージョン７に転送する。このとき、転送された電荷量は主として測定電荷量ｘであるが、それ以外にオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。
（６）電荷の放出
センシング電荷蓄積部５２に蓄積された電荷は、リセットゲート８ａの電位を上げることによってリセットドレイン８ｂを介して外部に放出する。
（７）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（６）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。
（８）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（７）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６の電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（９）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１０）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（９）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３での電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
以上のように、この測定装置においては、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位を変化するように構成されたセンシング部３を半導体基板Ｂに形成し、このセンシング部３を閾として電荷を供給して、前記物理的または化学的な量をこの電荷移動量に変換するようにした電荷変換機構を用いている。このとき、センシング電荷蓄積部５２に設けられたリセットゲート８ａによって、オフセット電荷あるいは外乱成分を放出することができ、測定電荷量の検出にとってノイズとなる要素が極力少ない条件で検出することが可能となる。
なお、図５では、電荷供給部１の電位を上げ下げしてセンシング部３に蓄積された電荷をすりきるようにしているが、これに代えて、電荷供給部１の電位を一定に保持し、センシング部３の電位に対応してセンシング電荷蓄積部５１に電荷を蓄積するようにしてもよい（図示せず）。
本発明における第３の構成例を図７に例示する。出力トランジスタ１１の出力側にフィードバック回路１３（制御部）を設け、出力トランジスタ１１の出力が一定になるように電荷供給調整部２の電位を制御し、その制御量を測定値に変換する場合を表している。
つまり、物理現象または化学現象を電荷情報に変換して定量化を行う場合においては、センシング部３あるいはフローティングディフュージョン７に残留する電荷の影響が無視できないことがある。具体的には、センシング部３からフローティングディフュージョン７までの電荷移動距離が長い場合あるいは検出サイクルの時間が短い場合では、電荷の移動が追いつかず電荷の一部がセンシング部３に残留することがある。このとき微小な電荷の移動を追跡する高感度測定においては、直線性、特にゼロ付近での直線性が悪くなることがある。そこで、本発明では、こうしたセンシング部３への電荷の残留を防止する、あるいは電荷の残留があっても検出特性に影響しないような電荷移動量に設定して、電荷移動量を一定にするように電荷供給調整部２の電位を調整するものである。
すなわち、電荷供給調整部２とセンシング部３との電位差を一定にすれば、センシング部３に供給される電荷供給量を一定にすることができ、電荷移動量が一定となる。このとき電荷移動量を所定値以上にすれば、上記の電荷の残留の影響は無視することができる。つまり、時間的にみれば、所定量を超える場合、転送パワーが落ちることから電荷の残留する（転送ロスの）確率が増加する。一方、実際の転送時に一定量の転送ロスが生じるとすれば、所定量よりも少ない場合には、その影響を無視することができない。
また、センシング部３からフローティングディフュージョン７に移動する電荷量が一定となり、その結果フローティングディフュージョン７の電位が一定となる。つまり、フローティングディフュージョン７に設けられた出力トランジスタ１１の出力が一定となるように、物理現象または化学現象に伴うセンシング部３の電位の変化に対応して、電荷供給調整部２の電位を調整した場合、その調整量が物理現象または化学現象の変化に対応する測定量とすることができ、直線性を有する優れた検出特性を得ることができる。
また、センサ部１２における電荷移動量を一定とすることで、センサ部１２の変動要素を少なくし機能の安定化を図ることができる。さらに、センシング部３の特性にバラツキがあっても、同一試料についてのセンシング部３と電荷供給調整部２の電位差を一定にするように調節された電荷供給調整部２の電位を基準に、上記動作を行うことができる。従って、センシング部３の特性を厳格に規制することなく、同等の出力特性を得ることができる。
＜デュアル式の物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成＞
次に、上記物理現象または化学現象の基本的な測定装置を応用した、デュアル式の測定装置について、説明する。デュアル式の物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成を（第４構成例）を、図８に例示する。
次に、上記物理現象または化学現象の基本的な測定装置を応用した、デュアル式の測定装置について、説明する。デュアル式の物理現象または化学現象の測定装置の基本的な構成を（第４構成例）を、図８に例示する。
基本的には、上記構成例の検出部を有する２つの並列する検出系を構成し、一方の堰部６ａを他方のセンシング電荷蓄積部５ｂと接続し同電位にしている点に特徴を有している。１つの電荷供給部１および電荷供給調整部２を共用する２つの検出系からなり、一方の検出系Ａは、物理現象または化学現象に対応して電位が変化するセンシング部３ａ、障壁部４ａ、センシング電荷蓄積部５ａ、堰部６ａ、フローティングディフュージョン７、リセットゲート８ａおよび９、リセットドレイン８ｂおよび１０、出力トランジスタ１１から構成される。他方の検出系Ｂは、物理現象または化学現象に感応しないセンシング部３ｂ、障壁部４ｂ、センシング電荷蓄積部５ｂ、堰部６ｂから構成される。このとき、センシング部３ａと３ｂは、基本的には同様の構造を形成し物理現象または化学現象に対して異なる感応特性を有する膜あるいは部位を設けることが好ましい。オフセット電荷や外乱成分に対して同様の変化を生じることによって、検出系Ｂの補償機能を高めることができるためである。
測定に際して、検出系Ａの電荷信号は「検出信号＋オフセット信号＋外乱信号」に相当し検出系Ｂの電荷信号は「オフセット信号＋外乱信号」に相当する。従って、両者の差を求めることで、真の「検出信号」を得ることができる。つまり、本発明においては、検出系Ａのセンシング電荷蓄積部５ａに蓄積されるべき電荷量が、上記検出系Ａの電荷信号に相当し、検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５ｂに蓄積された電荷量が、上記検出系Ｂの電荷信号に相当する。ここで、検出系Ａの堰部６ａと検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５ｂとが同電位に接続されていることから、検出系Ａのセンシング電荷蓄積部５ａに蓄積されるべき電荷量のうち、検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５ｂに蓄積された電荷量を超える電荷量、つまり上記検出信号に相当する電荷量のみが、検出系Ａの堰部６ａを経由してフローティングディフュージョン７に転送されることになる。従って、検出系Ｂの補償機能を有効に生かして、真に必要とされる検出信号のみを精度よく取り出すことができる。
第４構成例における測定方法について、図９に示す電位図を参照しながら説明する。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部３ａおよび３ｂには電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部１の電位を下げることによって、センシング部３ａおよび３ｂに電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部１の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調整部２によって制限された量の電荷がセンシング部３ａおよび３ｂに蓄積される。このとき、検出系Ａのセンシング部３ａに蓄積された電荷量は、図３（Ｂ）に示すように、測定電荷量ｘ以外にオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚが含まれ、検出系Ｂのセンシング部３ｂにはオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚに相当する電荷量が蓄積される。
（４）電荷の転送１
障壁部４ａおよび４ｂの電位を上げることによって、センシング部３ａおよび３ｂに蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５ａおよび５ｂに転送する。
このとき、検出系Ａの障壁部４ａの電位を検出系Ｂの障壁部４ｂよりも少し遅れて上げることが好ましい。堰部６ａの電位はセンシング電荷蓄積部５ｂの電位と同じレベルとなることから、センシング電荷蓄積部５ｂに蓄積する電荷量の増加に合せて堰部６ａの電位が徐々に低下する。従って、障壁部４ａの電位が障壁部４ｂよりも少し遅れて上がることによって、まず検出系Ａの堰部６ｂの電位が上昇し、センシング部３ａからの電荷を蓄積するスペースを作ることによって、フローティングディフュージョン７に漏れて転送されることを防止することができる。遅延時間は、予め測定電荷量ｘ、オフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚを測定あるいは予測することで設定することができる。
（５）電荷の蓄積
障壁部４ａおよび４ｂの電位を下げることによって、転送された電荷がセンシング電荷蓄積部５ａおよび５ｂに蓄積される。このとき、検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５ｂの電荷量には、オフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。一方、検出系Ａのセンシング電荷蓄積部５ａに蓄積される電荷量は、本来的には、測定電荷量ｘに加えオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれることになる。
（６）電荷の転送２
しかし、堰部６ａの電位がセンシング電荷蓄積部５ｂの電位以下になることがないことから、測定電荷量ｘが堰部６ａをオーバーフローすることによって、フローティングディフュージョン７に転送する。
（７）電荷の放出
検出系Ａのセンシング電荷蓄積部５ａに蓄積された電荷は、リセットゲート８ａの電位を上げることによって外部に放出する。検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５ｂに蓄積された電荷は、堰部６ｂの電位を上げることによって外部に放出する。
（８）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（７）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。特に、本発明においては、検出電荷量のみを抽出して蓄積できることから、Ｓ／Ｎ比は非常に向上する。
（９）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（８）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６ａの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（１０）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１１）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（１０）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３ａでの電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
（１）初期電位状態
当初は、電荷供給部１の電位は高く（矢印方向が高い）設定されており、センシング部３ａおよび３ｂには電荷は供給されていない。
（２）電荷の供給
電荷供給部１の電位を下げることによって、センシング部３ａおよび３ｂに電荷を供給する。
（３）電荷の蓄積
電荷供給部１の電位を上げることによって、供給された電荷の一部がオーバーフローし電荷供給調整部２によって制限された量の電荷がセンシング部３ａおよび３ｂに蓄積される。このとき、検出系Ａのセンシング部３ａに蓄積された電荷量は、図３（Ｂ）に示すように、測定電荷量ｘ以外にオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚが含まれ、検出系Ｂのセンシング部３ｂにはオフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚに相当する電荷量が蓄積される。
（４）電荷の転送１
障壁部４ａおよび４ｂの電位を上げることによって、センシング部３ａおよび３ｂに蓄積された電荷をセンシング電荷蓄積部５ａおよび５ｂに転送する。
このとき、検出系Ａの障壁部４ａの電位を検出系Ｂの障壁部４ｂよりも少し遅れて上げることが好ましい。堰部６ａの電位はセンシング電荷蓄積部５ｂの電位と同じレベルとなることから、センシング電荷蓄積部５ｂに蓄積する電荷量の増加に合せて堰部６ａの電位が徐々に低下する。従って、障壁部４ａの電位が障壁部４ｂよりも少し遅れて上がることによって、まず検出系Ａの堰部６ｂの電位が上昇し、センシング部３ａからの電荷を蓄積するスペースを作ることによって、フローティングディフュージョン７に漏れて転送されることを防止することができる。遅延時間は、予め測定電荷量ｘ、オフセット電荷ｙおよび外乱成分ｚを測定あるいは予測することで設定することができる。
（５）電荷の蓄積
障壁部４ａおよび４ｂの電位を下げることによって、転送された電荷がセンシング電荷蓄積部５ａおよび５ｂに蓄積される。このとき、検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５ｂの電荷量には、オフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。一方、検出系Ａのセンシング電荷蓄積部５ａに蓄積される電荷量は、本来的には、測定電荷量ｘに加えオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれることになる。
（６）電荷の転送２
しかし、堰部６ａの電位がセンシング電荷蓄積部５ｂの電位以下になることがないことから、測定電荷量ｘが堰部６ａをオーバーフローすることによって、フローティングディフュージョン７に転送する。
（７）電荷の放出
検出系Ａのセンシング電荷蓄積部５ａに蓄積された電荷は、リセットゲート８ａの電位を上げることによって外部に放出する。検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５ｂに蓄積された電荷は、堰部６ｂの電位を上げることによって外部に放出する。
（８）蓄積のサイクル
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積するまで、上記（２）〜（７）を繰り返す。こうした繰り返しによって、外乱等のノイズの平均化を図ることができ、いわゆるランダムノイズについては実質的に削減することができる。また、この繰り返しの回数が、この検出系における実質的な増幅度となる。特に、本発明においては、検出電荷量のみを抽出して蓄積できることから、Ｓ／Ｎ比は非常に向上する。
（９）電荷の測定
フローティングディフュージョン７に所定量の電荷が蓄積したときあるいは（８）蓄積のサイクルが予め設定した回数となったとき、堰部６ａの電位を下げて閉じ、電荷の流入を止める。この段階で、フローティングディフュージョン７の電位は転送されてきた電荷の量で決まるので、この電位をＭＯＳ構造の出力トランジスタ１１のゲート部に入力し、この出力トランジスタ１１のドレイン電流を測定する。
（１０）リセット
フローティングディフュージョン７の電位を読み取った後、リセットゲート９をオンにしてリセットドレイン１０から電荷を供出し、フローティングディフュージョン７の電位をリセットドレイン１０の電位にリセットする。
（１１）検出サイクル
上記のリセットにより、再び（１）と同じ状態に戻ることになる。つまり、検出サイクルとは、このように、（１）〜（１０）の動作を繰り返すことをいい、これによって、センシング部３ａでの電位の状態に対応した電荷量を順次出力することができる。
以上のように、この測定装置においては、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位を変化するように構成されたセンシング部３ａからの電荷から、ノイズ成分であるオフセット電荷および外乱成分を除去した電荷量を取り出すことによって、測定電荷量の検出にとってノイズとなる要素が極力少ない条件で検出することが可能となる。
なお、図９では、電荷供給部１の電位を上げ下げしてセンシング部３に蓄積された電荷をすりきるようにしているが、これに代えて、電荷供給部１の電位を一定に保持し、電荷供給調整部２の高さを上げ下げしてセンシング部３ａおよび３ｂに電荷を蓄積するようにしてもよい（図示せず）。
また、第４構成例では各検出系を第１構成例の構成を基本としているが、各検出系を第２構成例の構成を基本にした場合を第５構成例として説明する。
図１０に例示するように、基本構成は第４構成例と同様であるが、電荷供給調整部２に代えて、２つの検出系ＡおよびＢの対となるセンシング部３ａおよび３ｂを閾としてセンシング電荷蓄積部５１ａおよび５１ｂに供給する電荷量を決定する構成を有する点において相違する。
図１０に例示するように、基本構成は第４構成例と同様であるが、電荷供給調整部２に代えて、２つの検出系ＡおよびＢの対となるセンシング部３ａおよび３ｂを閾としてセンシング電荷蓄積部５１ａおよび５１ｂに供給する電荷量を決定する構成を有する点において相違する。
つまり、センシング部３ａおよび３ｂの電位が、化学現象あるいは物理現象に対応してあるいはオフセットの変化や外乱によって負の変化を生じた場合であっても、電荷供給部１からセンシング電荷蓄積部５１ａおよび５１ｂに供給される電荷量を、検出系Ａではセンシング部３ａを閾とすることで化学現象あるいは物理現象に対応して変化を取出すことができ、検出系Ｂではセンシング部３ｂを閾とすることで化学現象あるいは物理現象に対応しない変化を取出すことができる。
このとき、図１０に示すように、センシング電荷蓄積部５１ａおよび５１ｂが同電位であることが好ましい。各検出系のオフセット電荷ｙを等しくすることができることから、補正機能を高めることができるためである。
具体的には、検出系Ａにおいてセンシング電荷蓄積部５１ａに供給された電荷量は主として測定電荷量ｘであるが、それ以外にオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。他方、検出系Ｂにおいてセンシング電荷蓄積部５１ａに供給された電荷量はオフセット電荷ｙあるいは外乱成分ｚが含まれる。従って、センシング電荷蓄積部５１ａおよび５１ｂから転送された各々の電荷量について、検出系Ａの堰部６ａと検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５２ｂとが同電位に接続されていることから、検出系Ａのセンシング電荷蓄積部５２ａに蓄積されるべき電荷量のうち、検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部５２ｂに蓄積された電荷量を超える電荷量、つまり上記測定電荷量ｘのみが、検出系Ａの堰部６ａを経由してフローティングディフュージョン７に転送されることになる。従って、検出系Ｂの補償機能を有効に生かして、真に必要とされる測定電荷量ｘつまり測定における検出信号のみを精度よく取り出すことができる。
さらに、１つのフローティングディフュージョンに対し電荷転送部を介して複数のセンサ部からの電荷を順次移動させるＣＣＤ機能を有することによって、物理的または化学的な現象の一次元分布または二次元分布を容易に画像化することができる。具体的には、図１１に例示するような第６構成例が可能である。
つまり、複数のセンサ部１２（ａ，ａ）、１２（ａ，ｂ）、・・・と、各センサ部において変換された電荷を矢印方向に転送する電荷転送部１６と、転送されてきた電荷をさらに転送する１つのフローティングディフュージョン７と、転送されてきた電荷を出力信号に変換する出力トランジスタ１１とからなる。
センサ部１２（ａ，ａ）、１２（ａ，ｂ）、・・・を一次元的あるいは二次元的に配置してアレイ化することにより、複数点の情報を同時に取り込み、電荷転送部１６および出力トランジスタ１１によって、複数点の信号を秩序よく処理することができる。出力された信号は、そのままＣＲＴなどの画像出力装置（図示せず）に入力して画像出力したり、出力信号をＡＤ変換してコンピュータに入力することができる。
つまり、各センサ部１２（ａ，ａ）、１２（ａ，ｂ）、・・・と電荷転送部１６との接合部におけるゲートを順次開として蓄積された電荷を供出し、ＣＣＤ駆動電位を順にＯＮ−ＯＦＦすることによって電荷転送部１６の転送路を経由して転送される。このとき、電荷転送部１６におけるＣＣＤの駆動は、一相駆動、二相駆動あるいは四相駆動など、転送される電荷量に応じて適宜選定することができる。なお、センサ部１２の数が多くなるに伴って転送効率が大きな問題となるが、その場合は、転送経路として転送効率の高いバルクチャンネルを用いるのが好ましい。転送されてきた電位は、フローティングディフュージョン７に転送され、このフローティングディフュージョン７の電位を変化させる。この電位の変化を、出力トランジスタ１１のゲートに入力し、検出出力とする。
ＣＣＤは、Ｓ／Ｎ比の高さ、転送速度、転送効率および操作性の点で優れた特性を有しており、複数の電極を作動させる場合において非常に有用である。つまり、ＣＣＤを構成する複数の電極が、上記のセンシング電荷蓄積部５あるいは障壁部４や堰部６の機能を果たすことが可能であり、転送の迅速化が可能である点においても優位である。さらに、各電極に印加する電圧に差を設ける必要がないことからセンシング部３とフローティングディフュージョン７間の電位差を制限したり、電極数を制限する必要がない点においても有用である。また、ＣＣＤは、センシング部３に蓄積された電荷量に応じて、電荷転送時に、同時に稼動させる電極数を変更することによって、最適条件で電荷を転送することが可能である。つまり、転送する電荷量が多い場合には複数の電極を稼動することによって、電荷の未転送をなくすことができる。さらに、転送する電荷量が少ない場合には１つの電極を稼動することによって、電極部における残留電荷をなくし、測定誤差要因をなくすことができる。
上記では、各請求項に係る発明によって形成される機能を、一部組合せた構成例を挙げて説明したが、むろん、本発明はこれに限定されるものではなく、他の組合せ、あるいは本願に記載の事項との任意の組合せが可能であることはいうまでもない。
以上、この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の二次元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のような分野にも適用することができる。
（１）化学顕微鏡としての応用分野・化学；イオン濃度計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
（２）環境計測・環境；バイオリメディエーションへの適用
（３）食品検査・食品、微生物
（４）ＭＥ分野・医学・生態組織；組織細胞の表面イオン濃度計測、細胞表面電位計測、ＤＮＡ計測
（５）バイオ分野
（６）動植物分野・植物；カルスの表面電位分布計測・生物・正面図動物
（７）腐蝕計測分野・金属；金属腐蝕と塗装・コーティング
（８）ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。
（１）化学顕微鏡としての応用分野・化学；イオン濃度計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
（２）環境計測・環境；バイオリメディエーションへの適用
（３）食品検査・食品、微生物
（４）ＭＥ分野・医学・生態組織；組織細胞の表面イオン濃度計測、細胞表面電位計測、ＤＮＡ計測
（５）バイオ分野
（６）動植物分野・植物；カルスの表面電位分布計測・生物・正面図動物
（７）腐蝕計測分野・金属；金属腐蝕と塗装・コーティング
（８）ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。
また、測定対象（サンプル）は、気体、液体、固体、粉体のいずれであってもよく、センサ部の特定感応層により選択的に反応する化学センシングと、物理的接触による界面現象に電荷変動をするあらゆる現象に適用でき、例えば液の流れや一瞬の化学反応の過渡現象の分布を高感度、高画質の化学画像として得ることができる。さらに、滴定現象のリアルタイム画像化から画像ソフトによる他の種類の解析、表示にも有用であり、携帯化カメラにも有効である。
１ 電荷供給部
２ 電荷供給調整部
３、３ａ、３ｂ センシング部
４、４ａ、４ｂ 障壁部
５、５ａ、５ｂ、５１、５１ａ、５１ｂ、５２、５２ａ、５２ｂ センシング電荷蓄積部
６、６ａ、６ｂ 堰部
７ フローティングディフュージョン
８ａ、９ リセットゲート
８ｂ、１０ リセットドレイン
１１ 出力トランジスタ
１２ センサ部
１３ フィードバック回路
１４ 導体
１５ 電極部
１６ 電荷転送部
Ａ 絶縁膜
Ｂ 半導体基板
２ 電荷供給調整部
３、３ａ、３ｂ センシング部
４、４ａ、４ｂ 障壁部
５、５ａ、５ｂ、５１、５１ａ、５１ｂ、５２、５２ａ、５２ｂ センシング電荷蓄積部
６、６ａ、６ｂ 堰部
７ フローティングディフュージョン
８ａ、９ リセットゲート
８ｂ、１０ リセットドレイン
１１ 出力トランジスタ
１２ センサ部
１３ フィードバック回路
１４ 導体
１５ 電極部
１６ 電荷転送部
Ａ 絶縁膜
Ｂ 半導体基板
Claims (7)
- 物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部に対して電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、
前記センシング部からの電荷をフローティングディフュージョンの前段で蓄積し、その一部を放出するとともに、物理的または化学的な量の大きさに対応する電位に相当する電荷を含む電荷量をフローティングディフュージョンに転送すること、および前記放出量を変更可能とすることを特徴とする物理現象または化学現象の測定方法。 - 物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部を閾として電荷供給部から電荷を供給し、供給された電荷をセンシング部からフローティングディフュージョンを介して取出し、供給された電荷量を検出することによって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、
前記センシング部からの電荷をフローティングディフュージョンの前段で蓄積し、その一部を放出するとともに、物理的または化学的な量の大きさに対応する電位に相当する電荷を含む電荷量をフローティングディフュージョンに転送すること、および前記放出量を変更可能とすることを特徴とする物理現象または化学現象の測定方法。 - 物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部を有する前記機能を有する検出系Ａと、物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有しセンシング部以外の機能を同じくする検出系Ｂからなる一対の検出系によって該物理現象または化学現象を測定する方法であって、検出系Ａにおける前記放出量を、検出系Ｂにおいてフローティングディフュージョンの前段で蓄積された電荷量に連動して変更することを特徴とする請求項１または２記載の物理現象または化学現象の測定方法。
- 電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部に供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、
前記センシング部とフローティングディフュージョンの中間に、
該センシング部から転送された電荷を蓄積するとともに、蓄積された電荷の一部を放出するリセットゲートを有するセンシング電荷蓄積部、
および残りの電荷をフローティングディフュージョンに転送する堰部、
を有することを特徴とする物理現象または化学現象の測定装置。 - 電荷をセンシング部に供給する電荷供給部、物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部、該センシング部を閾として供給された電荷を取出すフローティングディフュージョンからなる検出部を有する測定装置であって、
前記センシング部とフローティングディフュージョンの中間に、
該センシング部から転送された電荷を蓄積するとともに、蓄積された電荷の一部を放出するリセットゲートを有するセンシング電荷蓄積部、
および残りの電荷をフローティングディフュージョンに転送する堰部、
を有することを特徴とする物理現象または化学現象の測定装置。 - 同一の構造の前記電荷供給部、センシング電荷蓄積部、およびリセットゲートを有する少なくとも一対の検出系を有する測定装置であって、
物理的または化学的な量の大きさに対応して電位が変化するセンシング部を有し、センシング部に供給された電荷の一部がセンシング電荷蓄積部および堰部を介してフローティングディフュージョンに転送される検出系Ａと、
物理的または化学的な量の変化に感応しないセンシング部を有し、センシング部以外の機能を検出系Ａと同じくする検出系Ｂからなるとともに、
検出系Ｂのセンシング電荷蓄積部に蓄積された電荷量に連動して、検出系Ａの堰部から転送する電荷量を変化させることを特徴とする請求項４または５記載の物理現象または化学現象の測定装置。 - 前記センシング電荷蓄積部とフローティングディフュージョンの中間に電荷転送手段が配設された物理現象または化学現象の測定装置であって、前記電荷転送手段が電荷結合素子であり、複数のセンシング電荷蓄積部の電荷を１つのフローティングディフュージョンに転送することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の物理現象または化学現象の測定装置。
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