JPS6217703B2 - - Google Patents
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- JPS6217703B2 JPS6217703B2 JP54149140A JP14914079A JPS6217703B2 JP S6217703 B2 JPS6217703 B2 JP S6217703B2 JP 54149140 A JP54149140 A JP 54149140A JP 14914079 A JP14914079 A JP 14914079A JP S6217703 B2 JPS6217703 B2 JP S6217703B2
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- temperature dependence
- fet
- sensor
- ion
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
(FET)構造を有するFETセンサーのゲート部と
液絡タイプの標準電極を電解液に接触せしめ該液
のイオン活量を測定するに際し、FETの電気伝
導チヤネルの伝導度の温度依存性が標準電極の温
度依存性とネルンストの式の温度依存性の和に等
しくなるドレイン電流を操作点として用いて行う
事を特徴とするFETセンサーの使用方法に関す
るものである。[Detailed Description of the Invention] The present invention measures the ionic activity of an electrolytic solution by bringing the gate part of an FET sensor having an insulated gate field effect transistor (FET) structure and a liquid junction type standard electrode into contact with an electrolytic solution. A FET sensor characterized in that the temperature dependence of the conductivity of the FET's electrical conduction channel is equal to the sum of the temperature dependence of the standard electrode and the temperature dependence of the Nernst equation as an operating point. It is about how to use.
FETを用いたイオンセンサーは1970年の
Bergveldの発表〔IEEE Trans.Bio−Med.Eng.
Vol.BME−17、1970(1970)〕、1978年の松尾・
江刺の発表〔IEEE Trans.Bio−Med.Eng.Vol.
BME−25、184(1978)〕、また特開昭51−139289
号などに提案され、次のような特徴を有すること
が認められている。 Ion sensors using FETs were introduced in 1970.
Bergveld's presentation [IEEE Trans.Bio−Med.Eng.
Vol.BME−17, 1970 (1970)], Matsuo, 1978
Esashi's presentation [IEEE Trans.Bio−Med.Eng.Vol.
BME-25, 184 (1978)], and JP-A-51-139289
It has been proposed in the No. 1 and recognized as having the following characteristics.
(イ) IC製造技術を用いて製造するので小型化、
複合化が容易である。(b) Manufactured using IC manufacturing technology, making it smaller;
Easy to combine.
(ロ) 増産化が容易であり、したがつて経済的に安
価なものとなる。(b) It is easy to increase production, and therefore it is economically inexpensive.
(ハ) ゲート感応膜を変えることにより種々のイオ
ンについて測定が可能となる。(c) By changing the gate sensitive membrane, it becomes possible to measure various ions.
(ニ) 小型化してもセンサー自身が増巾素子として
の機能を持つているため出力インピーダンスが
低く、簡単な回路で安定な測定が可能である。
また、電極間及び電極と測定回路間の絶縁が通
常の微小電極のように高い程度を要求されない
のでセンサーのパツケージングが容易である。(d) Even if the sensor is miniaturized, the output impedance is low because the sensor itself functions as an amplifying element, and stable measurement is possible with a simple circuit.
Furthermore, packaging of the sensor is easy because the insulation between the electrodes and between the electrodes and the measurement circuit is not required to be as high as in ordinary microelectrodes.
このような特徴のために、FETからなるイオ
ンセンサーは生体のモニタリングや血液分析等の
医療用、生化学や生理学等の実験用、または安価
なデイスポーザブル用のセンサーとして期待され
ている。 Because of these characteristics, ion sensors made of FETs are expected to be used as sensors for medical purposes such as biological monitoring and blood analysis, for experiments such as biochemistry and physiology, or as inexpensive disposable sensors.
しかしながら、かかる測定用システムの被測定
電解液に接する部分において、FETの電気伝導
チヤネルの電気伝導度及び標準電極の界面電位
(VR)及びFETゲート部のイオン感応面の界面
電位(VN)の三要素が温度変化に敏感に感応す
る。ここでチヤネルの電気伝導度はドレイン−ソ
ース間を流れる操作電流によつて異つた温度依存
性を示すが、標準電極の界面電位の温度依存性
(∂VR/∂TN)及びゲート部のイオン感応面の界面
電
位の温度依存性∂VN/∂T)の両者は操作電流に無関
係
な温度依存性を有している。ここでチヤネルの電
気伝導度の温度依存性は、素子によつて又製造法
によつて差があるがイオン感応面の界面電位の温
度依存性は、いわゆるネルンストの式の温度頂に
対応し、温度によつて一定の値である。標準電極
の界面電位の温度依存性は、例えば化学便覧、基
礎編(日本化学会編1966、丸善株式会社、9.9
電池)に詳細に述べられている様に電極の材質及
び内部液のイオン濃度に依存するものであり、電
極の材質及び内部液のイオン濃度を特定化して
も、製造方法によつて温度依存性に多少の差異が
認められる。この様な温度依存性のある素子の組
合わせによつて、電解液のイオン活量を測定する
ために、個々のFETセンサーの温度補償が極め
て困難である。本発明者等はこれらの問題点を解
決すべく、同一FETセンサー上にダイオードを
形成せしめ、そのダイオードの温度依存性がほぼ
一定である事を用い温度測定用センサーとし測定
系の温度測定を同時に行い、あらかじめ測定して
あるFETセンサー――標準電極系の温度依存性
値を用い電気回路自身に温度補償を行う事を試み
た。しかしながら、ダイオードを同時に組み込む
事による種々のはん雑さすなわち、(1)パターンが
複雑になるために素子が大きくなる。(2)リード線
が増す。(3)温度検出部の回路が必要なためセンサ
ー検出回路が極めて複雑になる等の問題がある。
さらに、また、ダイオードの温度依存性はFET
に比してコントロールが容易であるが依然とし
て、性能に分布があるため誤差が生じる。この誤
差を通常の測定条件において無視出来る値以下に
するためには、一般に電子回路用に製造されてい
るダイオードに比較して厳密な品質管理を必要と
するばかりでなく、FETセンサーの操作電流値
における測定系温度依存性が極めて小さく制御さ
れていなければならない。たとえば、ある操作電
流値におけるその測定系の温度依存性が1mV/
℃であり、ダイオードの温度依存性の通常の許容
誤差が0.15mV/℃である場合、常温と体温の間で
は、最高約0.03程度のΩ値の誤差を与える。 However, in the part of such a measurement system that is in contact with the electrolyte to be measured, the electrical conductivity of the electrical conduction channel of the FET, the interfacial potential of the standard electrode (V R ), and the interfacial potential of the ion-sensitive surface of the FET gate part (V N ) These three elements are sensitive to temperature changes. Here, the electrical conductivity of the channel shows different temperature dependence depending on the operating current flowing between the drain and the source, but the temperature dependence of the interfacial potential of the standard electrode (∂V R /∂TN) and the ion Both the temperature dependence of the interfacial potential of the sensitive surface (∂V N /∂T) have a temperature dependence that is independent of the operating current. Here, the temperature dependence of the electrical conductivity of the channel varies depending on the device and manufacturing method, but the temperature dependence of the interfacial potential of the ion-sensitive surface corresponds to the temperature peak of the so-called Nernst equation, It is a constant value depending on the temperature. The temperature dependence of the interfacial potential of standard electrodes can be found, for example, in Chemistry Handbook, Basic Edition (edited by the Chemical Society of Japan, 1966, Maruzen Co., Ltd., 9.9).
As described in detail in ``Batteries'', it depends on the electrode material and the ion concentration of the internal solution, and even if the electrode material and the ion concentration of the internal solution are specified, the temperature dependence will depend on the manufacturing method. Some differences are observed. Due to such a combination of temperature-dependent elements, it is extremely difficult to compensate for the temperature of each individual FET sensor in order to measure the ionic activity of the electrolyte. In order to solve these problems, the present inventors formed a diode on the same FET sensor, and using the fact that the temperature dependence of the diode is almost constant, used it as a temperature measurement sensor and simultaneously measured the temperature of the measurement system. We attempted to perform temperature compensation on the electric circuit itself using the temperature dependence value of the FET sensor-standard electrode system that had been measured in advance. However, there are various complications caused by incorporating diodes at the same time, namely: (1) The pattern becomes complicated and the element becomes large. (2) Increased number of lead wires. (3) Since a circuit for the temperature detection section is required, there are problems such as the sensor detection circuit becomes extremely complicated.
Furthermore, the temperature dependence of the diode is also
Although it is easier to control than , errors still occur due to the distribution of performance. In order to reduce this error to a value that can be ignored under normal measurement conditions, not only does it require strict quality control compared to diodes generally manufactured for electronic circuits, but also the operating current value of the FET sensor. The measurement system temperature dependence must be controlled to be extremely small. For example, the temperature dependence of the measurement system at a certain operating current value is 1 mV/
℃, and the normal tolerance of the temperature dependence of a diode is 0.15 mV/℃, then between room temperature and body temperature, it will give an error of Ω value of about 0.03 at most.
上記方法で十分の測定精度を得るためには、実
質的に実行困難な品質管理と、不必要に複雑な測
定回路などの不利を負わなければならないという
問題があつた。本発明者らはかかる問題を解決し
て、簡便に、容易な方法で、簡単な回路で、より
容易な品質管理により、そしてより正確にFET
センサーを用いて測定するために鋭意検討を行つ
た結果、本発明に到達したものである。すなわ
ち、本発明は絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
構造を有するFETセンサーにより電解液中のイ
オン活量を測定するに際し、電界効果トランジス
タのチヤネルの電気伝導度の温度依存性が比較電
極の電極界面の温度依存性及びFETセンサーの
イオン感応部界面の温度依存性との和に等しくな
るドレイン電流を操作点として用いて行うことを
特徴とするFETセンサーの使用方法である。 In order to obtain sufficient measurement accuracy with the above method, there are problems in that quality control that is practically difficult to implement and disadvantages such as unnecessarily complicated measurement circuits must be incurred. The present inventors have solved this problem by simply and easily using a simple circuit, with easier quality control, and with a more accurate FET.
The present invention was arrived at as a result of extensive research into measurements using sensors. That is, when measuring the ion activity in an electrolytic solution using an FET sensor having an insulated gate field effect transistor structure, the present invention provides that the temperature dependence of the electrical conductivity of the channel of the field effect transistor is determined by the temperature of the electrode interface of the reference electrode. This is a method of using an FET sensor characterized by using a drain current equal to the sum of the dependence and the temperature dependence of the interface of the ion sensitive part of the FET sensor as an operating point.
次に図面により本発明方法を説明する。第1図
はドレイン接地によつてFETセンサーを使用し
た場合の出力(VS−ソース電圧)の温度依存性
(∂Vs/〓T)と比較電極の電極界面の温度依存性
(∂VR/∂T)およびFETセンサーのイオン感応部界
面
の温度依存性(∂VN/∂T)との関係を示す模式図で
あ
る。第1図において1,2,3は各々の温度依存
性∂Vs/∂T、∂VR/∂T、∂VN/∂Tを示して
いる。但しここでVs
はゲート電圧に対するソースの電位、VRは液面
に対する比較電極の、VNは液面に対するイオン
感応膜の電位である。ここであるドレイン電流I
における∂Vs/∂T、∂VR/∂T、∂VN/∂Tを
各々a,b,cとし
たときa+b+c=0になる点すなわち三要素の
温度依存性が相互に打ち消し合う点が存在し、そ
の電流値を三重点電流値ITと呼ぶ事にする。も
ちろん、ここで曲線1が大きく(−)側にづれて
いる時及び大きく(+)側にづれている時にはそ
の様なIT点を見出す事は不可能又は困難である
が、このIT点には実用上かなりのばらつきを許
容する事が出来るので適当な位置に性能を制御す
る事は現在の半導体製造技術では極めて容易であ
る。ちなみに、操作電流Iは余りに低過ぎる場合
と余りに高過ぎる場合以外は如何なる値でもよい
が長時間安定に連続運転をするため及び生体中で
使用する場合の安全性の点から、5μAから1μ
Aの間であるのが望ましいが、特に望ましくは20
μAから600μAであり、20μA以下では比較的
ノイズが入りやすく、600μA以上では、生体に
対する危険性、電池運転する場合の短寿命性、発
熱等の点から不利であると言える。 Next, the method of the present invention will be explained with reference to the drawings. Figure 1 shows the temperature dependence (∂V s /〓T) of the output (V S −source voltage) when using a FET sensor with the drain grounded and the temperature dependence of the electrode interface of the reference electrode (∂V R FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between temperature dependence (∂V N /∂T) of the ion-sensing part interface of the FET sensor (∂V N /∂T). In FIG. 1, numerals 1, 2, and 3 indicate the temperature dependencies ∂V s /∂T, ∂V R /∂T, and ∂V N /∂T, respectively. Here, V s is the potential of the source with respect to the gate voltage, V R is the potential of the reference electrode with respect to the liquid level, and V N is the potential of the ion-sensitive membrane with respect to the liquid level. Here, the drain current I
When ∂V s /∂T, ∂V R /∂T, and ∂V N /∂T are a, b, and c, respectively, the point where a+b+c=0, that is, the point where the temperature dependence of the three elements cancel each other out exists, and the current value will be called the triple point current value I T . Of course, it is impossible or difficult to find such an I T point when curve 1 is largely shifted to the (-) side or to the (+) side, but this I T point In practice, considerable variation can be tolerated, so controlling performance to an appropriate position is extremely easy with current semiconductor manufacturing technology. By the way, the operating current I can be any value unless it is too low or too high, but from the viewpoint of stable continuous operation for a long time and safety when used in living organisms, it should be 5 μA to 1 μA.
It is preferable that it is between A, but especially preferably 20
μA to 600 μA, and if it is less than 20 μA, noise is relatively likely to enter, and if it is more than 600 μA, it can be said to be disadvantageous in terms of danger to living organisms, short life when operating on batteries, heat generation, etc.
本発明におけるIT点を用いてFETセンサーを
測定する方法の一例を図2によつて述べる。図2
はドレイン接地法による回路であり図2中FET
はFETセンサー、Refは標準電極、VDはドレイ
ン電圧、VRは可変抵抗、であり、RefとFETの
ゲート部は電解液によつて電気的に接続してい
る。まずAの電流計とVRにより操作電流Iをあ
らかじめ測定されているIT点に設定し、しかる
後電圧計VによつてVsを測定する。ここでTT点
をあらかじめ設定するためには、実際に使用する
標準電極と同一の温度依存性を有する標準電極を
用いて、図3に示す回路によつて行う事が出来
る。すなわち、FETセンサーFETと標準電極Ref
をΩ7のリン酸緩衝液に接触せしめて電流Iのゲ
ート電圧VGS依存性を異る温度例えば15℃と45℃
で行うと、図4のようなカーブが得られるその関
係曲線が交叉する点をIT点とする。ここでEは
図2のVDと同じである必要はなく飽和領域で測
定できるような電圧であればよい。この様な測定
操作は、いずれにしても製造後のFETセンサー
の静特性の検定に必要な測定操作であるために、
通常の検定操作に比べてほとんど同じ程度の手間
で行う事が出来る。 An example of a method of measuring an FET sensor using the I T point according to the present invention will be described with reference to FIG. Figure 2
is a circuit using the drain grounding method, and the FET in Figure 2
is a FET sensor, Ref is a standard electrode, V D is a drain voltage, and V R is a variable resistance, and Ref and the gate of the FET are electrically connected by an electrolyte. First, the operating current I is set to the previously measured I T point using the ammeter A and V R , and then V s is measured using the voltmeter V. Here, in order to set the T T point in advance, it is possible to use a standard electrode having the same temperature dependence as the standard electrode actually used and use the circuit shown in FIG. 3. i.e. FET sensor FET and standard electrode Ref
The dependence of the current I on the gate voltage VGS at different temperatures, for example 15°C and 45°C, is brought into contact with a phosphate buffer solution of Ω7.
When doing this, a curve as shown in Figure 4 is obtained.The point where the relationship curves intersect is defined as the I T point. Here, E does not need to be the same as V D in FIG. 2, and may be any voltage that can be measured in the saturation region. In any case, this kind of measurement operation is necessary for verifying the static characteristics of the FET sensor after manufacturing.
It can be done with almost the same amount of effort compared to normal testing operations.
本発明によるIT点によつてFETセンサーを使
用する方法はドレイン接地法のみでなくソース接
地でも可能である。しかし、ソース接地法は測定
中にドレイン電流が変化すること、シグナルがΩ
等被測定量と直線性のないこと等のためにドレイ
ン接地法に比べて劣る。 The method of using the FET sensor with the I T point according to the present invention is possible not only by the drain grounding method but also by the source grounding method. However, the common source method suffers from the fact that the drain current changes during measurement and that the signal
It is inferior to the drain grounding method due to the same quantity to be measured and lack of linearity.
以上のように本発明方法は簡単な方法により正
確な測定が可能となり、実用上非常に有用な方法
である。また上述の説明ではFETイオンセンサ
ーの測定について述べたが、イオンセンサー以外
に炭酸ガス、アンモニアガス等のFETガスセン
サー、酵素を利用したFET酵素センサー等は
FETイオンセンサーとしての性質を利用したも
のであり、これらに対して本発明方法が適用でき
ることは容易に理解できるであろう。 As described above, the method of the present invention enables accurate measurement using a simple method, and is a very useful method in practice. Also, in the above explanation, we talked about measurements using FET ion sensors, but in addition to ion sensors, there are also FET gas sensors such as carbon dioxide and ammonia gas, FET enzyme sensors that use enzymes, etc.
It utilizes the properties of FET as an ion sensor, and it is easy to understand that the method of the present invention can be applied to these.
第1図はドレン接地によつてFETセンサーを
使用した場合の出力の温度依存性と標準電極とイ
オン感応面の界面電位の温度依存性を示す図であ
り、第2図は本発明方法による測定回路の例であ
り、第3図はIT点を設定するための回路の例で
あり、第4図は電流とゲート電圧との関係を示す
グラフである。
Figure 1 shows the temperature dependence of the output when using a FET sensor with a drain grounded and the temperature dependence of the interfacial potential between the standard electrode and the ion-sensitive surface, and Figure 2 shows the temperature dependence of the interfacial potential between the standard electrode and the ion-sensitive surface. FIG. 3 is an example of a circuit for setting the I T point, and FIG. 4 is a graph showing the relationship between current and gate voltage.
Claims (1)
するFETセンサーにより電解液中のイオン活量
を測定するに際し、電界効果トランジスタのチヤ
ネルの電気伝導度の温度依存性が比較電極の電極
界面の温度依存性及びFETセンサーのイオン感
応部界面の温度依存性との和に等しくなるドレイ
ン電流を操作点として用いて行う事を特徴とする
FETセンサーの使用方法。1 When measuring the ion activity in an electrolyte using a FET sensor having an insulated gate field effect transistor structure, the temperature dependence of the electrical conductivity of the channel of the field effect transistor is different from the temperature dependence of the electrode interface of the reference electrode and the FET sensor. It is characterized by using the drain current equal to the sum of the temperature dependence of the ion-sensitive interface of the sensor as the operating point.
How to use FET sensors.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14914079A JPS5672340A (en) | 1979-11-16 | 1979-11-16 | Usage of fet sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14914079A JPS5672340A (en) | 1979-11-16 | 1979-11-16 | Usage of fet sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5672340A JPS5672340A (en) | 1981-06-16 |
| JPS6217703B2 true JPS6217703B2 (en) | 1987-04-18 |
Family
ID=15468623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14914079A Granted JPS5672340A (en) | 1979-11-16 | 1979-11-16 | Usage of fet sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5672340A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0697258B2 (en) * | 1983-11-18 | 1994-11-30 | 日本電池株式会社 | Method for detecting specific gravity of electrolyte in lead acid battery |
-
1979
- 1979-11-16 JP JP14914079A patent/JPS5672340A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5672340A (en) | 1981-06-16 |
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