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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Detektionsgerät
für physikalische
und/oder chemische Größen nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Die physikalischen und chemischen
Größen umfassen
Temperatur, Licht im allgemeinen Sinn der Bedeutung (sichtbares
Licht, Ultraviolettstrahlung, Infrarotstrahlung, Röntgenstrahlung,
elektromagnetische Wellen usw.), Konzentration, Magnetismus, Druck,
Beschleunigung, Geschwindigkeit, Schallwellen, Ultraschallwellen,
Oxidations-Reduktionspotential, Reaktionsrate und andere verschiedene
Größen.
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Diese physikalischen oder chemischen
Größen werden
bisher einzeln mittels Elementen, wie beispielsweise eines Temperatursensors,
eines Photosensors, eines physikalischen Sensors und eines chemischen
Sensors, und Umsetzen in verschiedene elektrische Signale (Strom,
Spannung, Widerstand, Kapazität,
Potential) beobachtet.
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Wenn beispielsweise in dem Fall eines
als typischer thermischer Sensor bekannten pyroelektrischen Sensors
sich die Temperatur ändert,
wird eine elektrische Ladung in dem pyroelektrischen Element erzeugt,
und dessen Potentialänderung
wird durch einen FET (Feldeffekttransistor) verstärkt und
gelesen. In dem Fall einer als beispielhaftem Photosensor bekannten
Photodiode wird die durch Licht erzeugte elektrische Ladung als
ein elektrischer Strom abgegriffen. Bei einem Drucksensor, der den
piezoelektrischen Effekt ausnützt
und als Beispiel eines physikalischen Sensors bekannt ist, wird
die Widerstandsänderung
durch Druck ausgelesen. Bei der Messung von pH mittels eines ISFET
(ionensensitiver Feldeffekttransistor), der als ein repräsentativer chemischer
Sensor üblich
ist, ändert
sich, da Wasserstoffionen auf einer Ansprechmembran absorbiert werden,
der Kanalleitwert, und durch Messen des in dem FET fließenden Stromes
wird der pH-Wert der Lösung
gemessen.
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Weiterhin wurde eine Abbildung versucht,
indem diese verschiedenen Sensoren parallel in zweidimensionaler
Richtung angeordnet werden und gleichzeitig die Ausgangsverteilung
gewonnen wird. Ein repräsentatives
Beispiel hiervon ist eine Festkörper-Abbildungsvorrichtung.
Bei dieser Vorrichtung ist eine Vielzahl von Photodioden zweidimensional
angeordnet, die elektrische Ladung, die in den Photodioden abhängig von
der Intensitätsverteilung
des einfallenden Lichtes erzeugt wird, wird in der internen Kapazität für eine spezifische
Zeit angesammelt, und die Signale werden nach außen zeitseriell in spezifischen
Zeitintervallen mittels einer Ladungsübertragungsvorrichtung oder
einer MOS-Transistoranordnung
ausgegeben.
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Jedoch werden in keinem dieser Sensoren und
Vorrichtungen Signale oder Verteilungen von mehreren physikalischen
und/oder chemischen Größen gleichzeitig
und an gleicher Stelle beobachtet.
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In der WO 96/28311 A1 ist ein Detektionsgerät beschrieben,
bei dem ein von einer Batterie über Leitungen
versorgter Transponder auf einem elektrisch isolierten Substrat
vorgesehen ist, das aus einem flexiblen Material besteht, so dass
es der Form eines Reifens zu folgen vermag. Aus dieser Batterie werden
verschiedene Spannungssignale für
einen Drucksensor, einen Temperatursensor, einen Drehzahlmesser
zsw. abgeleitet.
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Weiterhin beschreibt die
DE 196 26 083 A1 ein
auf der Bestückungsoberfläche einer
Leiterplatte montiertes Sensor-Bauelement, das zwei Halbleiterchips
hat, die verschiedene Elektrodenanschlüsse aufweisen, deren Enden
zu Anschlussflecken auf der Bestückungsoberfläche der
Leiterplatte geführt
sind.
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In der
JP 54-107 759 in patents of Japan, Seit
E, Vol. 3 (1979), Nr. 131 (E - 148) ist ein Sensor für Temperatur
und Feuchtigkeit beschrieben, der über verschiedene Elektrodenpaare
verfügt,
während
die Zeitschrift Elektronik 9/6.5, 1983, Seiten 86 bis 90, eine Anordnung
von verschiedenen Sensoren mit Widerstandsgebieten auf einem Substrat
zeigt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Detektionsgerät
für physikalische
und/oder chemische Größen (im
folgenden auch Größendetektionsgerät genannt)
anzugeben, das in der Lage ist, mehrere physikalische und/oder chemische
Größen, die
zur gleichen oder nahezu zur gleichen Zeit und am gleichen oder
nahezu gleichen Ort auftreten, zu beobachten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die
vorliegende Erfindung ein Detektionsgerät vor, wie dieses im Patentanspruch
1 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Größendetektionsgerät umfaßt Größendetektionseinheiten
zum Detektieren physikalischer und/oder chemischer Größen zum
Einschließen
elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen und/oder
chemischen Größen wenigstens
nahezu gleichzeitig, wobei die Einheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates
vorgesehen sind.
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Gemäß dem so aufgebauten Größendetektionsgerät können elektrische
Ausgangssignale (Strom, Spannung, Ladung, usw.) von mehreren physikalischen
und/oder chemischen Größen, die
zu einer gleichen oder nahezu gleichen Zeit und an einem gleichen
oder nahezu gleichen Ort auftreten, erhalten werden, so daß die wechselseitigen
Wirkungen von bisher unbekannten physikalischen und/oder chemischen
Größen ermittelt
werden können.
Durch gleichzeitige Kenntnisnahme von zwei oder mehr physikalischen
und/oder chemischen Größen können Größen, die
mit den bestehenden einzigen Detektionsvorrichtungen nicht gefunden
sind, aufgedeckt werden.
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Durch eindimensionales oder zweidimensionales
Anordnen der Größendetektionseinheiten
kann eine Verteilung von mehreren physikalischen und/oder chemischen
Größen ermittelt
werden. Da weiterhin Ausgangssignale dieser Größendetektionseinheiten elektrische
Ausgangssignale, wie beispielsweise Strom, Spannung und Ladung,
sind, können
durch Ansammeln der Ausgangssignale für eine spezifische Zeit die
Ausgangssignale der einzelnen Größendetektionseinheiten
zeitseriell herausgenommen werden. Als ein Ergebnis ist es einfacher,
die Ausgangssignale in dem Fernsehschirm oder einem Computer abzuarbeiten,
so daß die
zweidimensionale Verteilung der physikalischen und/oder chemischen
Größen mit
hoher Empfindlichkeit und hoher Auflösung beobachtet werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Zeichnungen näher
erläutert.
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1 ist
ein Diagramm, das ein erstes Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem
ersten Ausführungsbeispiel
zeigt.
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2 ist
ein Beispiel einer Zeitkurvendarstellung zum Erläutern des Betriebs des Gerätes.
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3 ist
ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes veranschaulicht.
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4 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem
zweiten Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
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5 ist
ein Zeitdiagramm zum Erläutern des
Betriebes des Gerätes.
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6 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem
dritten Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
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7 ist
ein Zeitdiagramm zum Erläutern des
Betriebes des Gerätes.
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8 ist
ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes zeigt.
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9 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem
vierten Ausführungsbeispiel
zeigt.
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10 ist
ein Zeitdiagramm zum Erläutern des
Betriebes des Gerätes.
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11 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel des Größendetektionsgerätes in einem
fünften
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht.
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12 ist
ein Zeitdiagramm zum Erläutern des
Betriebes des Gerätes.
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Anhand der Zeichnungen werden nunmehr bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung im folgenden in Einzelheiten erläutert.
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Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel.
Das Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel
ist in der Lage, gleichzeitig eine Lichtstärke (physikalische Größe) und
eine Ionenkonzentration (chemische Größe) an gleicher Stelle zu erfassen.
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1 zeigt
einen Größendetektionsgerät-Hauptkörper 1,
der wie folgt aufgebaut ist. Ein Halbleitersubstrat 2 besteht
beispielsweise aus einem p-Typ-Silizium substrat. Auf einer Seite
(Oberseite in dem veranschaulichten Beispiel) dieses Siliziumsubstrates 2 sind
drei n-Typ-Diffusionsregionen 3, 4, 5 in geeigneten Intervallen
gebildet. Zwischen den Diffusionsregionen 3 und 4 sind über einen Dünnoxidfilm
eine Barriere 6, eine Sensoreinheit 7 als Größendetektionseinheit
zum Erfassen physikalischer und/oder chemischer Größen und
eine Leseelektrode 8 ausgestaltet. Zwischen den Diffusionsregionen 4 und 5 ist über einen
Dünnoxidfilm
ein Rücksetzgatter 9 gebildet.
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Die Sensoreinheit 7 ist
mit einem Siliziumnitridfilm überzogen,
um in der Lage zu sein, Wasserstoffionen zu erfassen. Diese Sensoreinheit 7,
die aufgebaut ist, um auch Lichtstärke zu erfassen, kann daher
auch als eine pH-Sensoreinheit (Detektor einer chemischen Größe) bezeichnet
werden, die mit einer Lichtsensoreiriheit (Detektor einer physikalischen Größe) kombiniert
ist.
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Die Diffusionsregion 3 arbeitet
als eine Eingangsdiode und ist unter einem positiven Potential vorgespannt,
da eine positive Eingangsspannung (Veingang (vergleiche 2(A))) immer angelegt ist. Die
Diffusionsregion 4 ist eine elektrisch schwimmende bzw.
floatende Region und ist aufgebaut, um die Ionensignalladung oder
eine Lichsignalladung zu leiten, die in der Sensoreinheit 7 erhalten
ist, indem ein Potential Vlese (vergleiche 2(B)) der Leseelektrode 8 angehoben
wird.
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Das Anfangspotential der Diffusionsregion 4 wird
durch die an die Diffusionsregion 5 angelegte Spannung
und die an das Rücksetzgatter 9 angelegte
Spannung Vrest (vergleiche 2(C)) bestimmt. Die Ladung in der Diffusionsregion 4 kann
mittels einer Sourcefolgerschaltung 10 eines MOS-Transistors von
dessen Ausgangsanschluß 11 abgegriffen
werden. Die Sourcefolgerschaltung 10 des MOS-Transistors
besteht aus einer Drainregion 12 und einer Sourceregion 13,
die n-Typ-Diffusionsregionen sind, an die eine angemessene Spannung
(beispeilsweise etwa 5 V) angelegt ist, und einer Gateelektrode 14 sowie
einem Widerstand 15, der elektrisch mit der Diffusionsregion 4 verbunden
ist.
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In 1 ist
eine Bezugselektrode 16 mit einer geeigneten Strom- bzw.
Spannungsquelle verbunden. Außerdem
sind Anschlüsse 17 bis
22 zum Anlegen von Spannung vorgesehen.
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In dem so aufgebauten Größendetektionsgerät wird der
Betrieb im folgenden anhand eines Zeitdiagrammes in 2 erläutert.
Der Größendetektionsgerät-Hauptkörper 1 wird
in eine (nicht gezeigte) Lösung
gebracht. In diese Lösung
wird die Bezugselektrode 16 eingetaucht, um deren Potential
zu bestimmen. Das Siliziumsubstrat 2 wird geerdet. In diesem
Zustand breitet sich unter der Sensoreinheit 7 des Siliziumsubstrates 2 eine
Verarmungsschicht 23 abhängig von der an der Bezugselektrode 16 anliegenden
Spannung und der pH-Konzentration in der Lösung aus.
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Zunächst soll zur Erläuterung
der Erfassung einer Lichtstärke
angenommen werden, daß Licht
in die obere Fläche
des Siliziumsubstrates 2 eintritt. Wenn Licht in die Verarmungsschicht 23 eintritt,
werden Elektronen-Loch-Paare gebildet und Löcher werden nach außen von
dem Siliziumsubstrat 2 entladen, während Elektronen in der Verarmungsschicht 23 angesammelt
werden. Die Diffusionsregion 4 ist bei einem Anfangspotential
festgelegt, welches eine positive Spannung an dem Rücksetzgatter 9 anlegt, bevor
die in der Verarmungsschicht 23 angesammelten Elektronen
einfließen.
Durch Anlegen einer positiven Spannung an die Leseelektrode 8 in
einer Rechteck- bzw. Quadratwelle beginnen Elektronen in die Diffusionsregion 4 zu
fließen,
die vorläufig
bei einem spezifischen Potential festgelegt ist, und das Potential
in dieser Diffusionsregion 4 wird verändert. Durch Lesen dieser Potentialänderung
in der Sourcefolgerschaltung 10 kann die Intensität des Lichtes
erfaßt
werden.
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Im folgenden wird die Erfassung des pH-Wertes
der Lösung
erläutert,
wobei das Potential der Bezugselektrode 16 festgelegt ist,
während
das Potential der Verarmungsschicht 23 unter der Sensoreinheit 7 abhängig von
der pH-Konzentration der Lösung
schwankt. Die als Eingangsdiode arbeitende Diffusionsregion 3 ist
immer bei einer positiven Spannung vorgespannt, und wenn dieses
Potential niedriger als das Potential der Barriere 6 ist,
springen Elektronen über
die Barriere 6 und gelangen in die Verarmungsschicht 23 unter
der Sensoreinheit 7. Wenn das Potential der Eingangsdiode
wieder höher
als das Potential der Barriere 6 angehoben wird (Rückkehr zum
Potential in dem Anfangszustand), wird die elektrische Ladung abhängig von
der pH-Konzentration der Lösung
unter der Sensoreinheit 7 übriggelassen. Folglich werden,
wie in 2(B) gezeigt
ist, durch Anlegen einer positiven Spannung an die Leseelektrode 8 in
einer Rechteck- bzw. Quadratwelle die Elektronen rückgesetzt
und fließen
in die Diffusionsregion 4, die zuvor auf ein höheres Potential
gesetzt ist, um dadurch das Potential in dieser Diffusionsregion 4 zu
verändern.
Durch Lesen dieser Potentialän derung
in der Sourcefolgerschaltung 10 kann der pH-Wert der Lösung erfaßt werden.
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Somit können gemäß dem Größendetektionsgerät von diesem
Aufbau die Lichtstärke
und die pH-Konzentration nahezu gleichzeitig und an gleicher Stelle
ermittelt werden. Bei diesem Größendetektionsgerät, das in 2(D) gezeigt ist, können ein Spannungssignal
S1 bezüglich
der Lichtstärke
und ein Spannungssignal S2 bezüglich des
pH-Wertes von dem gleichen Ausgangsanschluß 11 erhalten werden.
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3 zeigt
ein Anwendungsbeispiel des Größendetektionsgerätes, und
in dem in 3 dargestellten
Aufbau sind mehrere Sensoreinheiten 7 in Linien und Reihen
zweidimensional angeordnet, wobei die elektrische Ladung, die in
der Leseelektrode 8 fließt, durch eine CCD (ladungsgekoppelte
Vorrichtung) oder dergleichen übertragen
und an den Ausgangsanschluß 11 durch
die Sourcefolgerschaltung 10 ausgelesen wird, so daß die zweidimensionale
Information zeitseriell abgegriffen werden kann. 3 zeigt außerdem eine Horizontal-CCD 23 und
eine Vertikal-CCD 24.
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Obwohl dies nicht gezeigt ist, können mehrere
Sensoreinheiten 7 ebenfalls eindimensional angeordnet werden.
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Die 4 und 5 beziehen sich auf ein zweites
Ausführungsbeispiel.
Das Größendetektionsgerät gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
kann die Lichtstärke
(physikalische Größe) und
die Ionenkonzentration (chemische Größe) an der gleichen Stelle
zur gleichen Zeit erfassen.
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In dem Größendetektionsgerät des Ausführungsbeispiels
wird anstelle des Siliziumsubstrates 2 ein SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrat 25 als
ein Halbleitersubstrat verwendet, und ein Spannungssignal bezüglich einer
Lichtstärke
sowie ein Spannungssignal bezüglich
eines pH-Wertes werden von verschiedenen Ausgangsanschlüssen erhalten.
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Das heißt, in 4 sind in dem SOI-Substrat 25 eine
SiO2-Schicht 27 als ein Isolator
und ein einkristallines n-Typ-Siliziumsubstrat 28 auf der Oberseite
eines Siliziumsubstrates 26 gebildet. In diesem SOI-Substrat 25 ist
eine p-Typ-Region 28P in der oberen Hälfte des n-Typ-Siliziumsubstrates
28 vorgesehen, und notwendige Teile einschließlich der Sensoreinheiten 7,
die die gleichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel sind, sind in
dieser p-Typ-Region 28P vorgesehen. Eine n-Typ-Region 28N ist in
der unteren Hälfte
des n-Typ-Siliziumsubstrates angeordnet.
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Weiterhin ist in 4 ein Signalausgangsanschluß 29 als
eine Bauteilkomponente der Sourcefolgerschaltung 10 vorgesehen,
und ein Spannungssignal bezüglich
des pH-Wertes wird zu diesem Anschluß 29 ausgegeben. Ein
Signalausgangsanschluß 30 ist
mit der p-Typ-Region 28P verbunden, und ein Spannungssignal bezüglich der
Lichtstärke wird
zu diesem Anschluß 30 ausgegeben.
Eine Vorspannungsquelle 31 legt eine Vorspannung an die p-Typ-Region
28P und die n-Typ-Region, wie in 4 gezeigt
ist, und deren Kathodenseite ist mit der Masseseite des Widerstandes 15 der
Sourcefolgerschaltung 10 verbunden, während deren Anodenseite an
den Signalausgangsanschluß 30 angeschlossen
ist.
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Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird
anhand des Zeitdiagrammes in 5 beschrieben.
Der Größendetektionsgerät-Hauptkörper 1 und
die Bezugselektrode 16 sind in einem Zustand installiert,
in welchem sie in eine in dem Diagramm nicht gezeigte Lösung eingetaucht sind.
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Wenn zunächst bei der Erläuterung
der Erfassung der Lichtstärke
das Licht in die Verarmungsschicht 23 unter der Sensoreinheit 7 eintritt,
werden Elektronen-Loch-Paare gebildet, und Löcher werden nach außen von
dem Siliziumsubstrat 2 entladen, während Elektronen in der Verarmungsschicht 23 angesammelt
werden. Nachdem die Signale für
eine spezifische Zeit angesammelt sind, kann durch Erhöhen der
Vorspannung Vsub für das Substrat 28 durch die
Vorspannungsquelle 31 (vergleiche 5(D)) die elektrische Ladung in der Verarmungsschicht 23 in die
n-Typ-Region 28N fliehen, und ein Spannungssignal (vergleiche 5(F)) bezüglich der
Lichtstärke wird
von dem Ausgangsanschluß 30 erhalten.
Dies beruht darauf, daß durch
Erhöhen
der Spannung Vsub an dem Substrat 28 das
Barrierepotential zwischen der Sensoreinheit 7 und der
Region 28P abgesenkt und ein Potentialgradient gebildet
wird.
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Sodann ist eine Erfassung des pH-Wertes der
Lösung
die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, und ein Ausgangssignal,
wie dieses in 5(E) gezeigt
ist, wird von dem Ausgangsanschluß 29 ausgegeben. Nebenbei
zeigt
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5(A) eine
Eingangsspannung Veingang für die Eingangsdiode 3, 5(B) zeigt eine an der Leseelektrode
liegende Spannung Vlese, und 5(C) gibt eine an dem Rücksetzgatter 9 liegende
Rücksetzspannung
Vrest an.
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In dem Größendetektionsgerät des zweiten Ausführungsbeispiels
können
wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
mehrere Sensoreinheiten 7 entweder eindimensional oder
zweidimensional angeordnet sein.
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In diesen Ausführungsbeispielen ist eine Sensoreinheit 7 ausgelegt,
um den pH-Wert und Licht
beide zu erfassen; jedoch kann sie auch gestaltet sein, um den pH-Wert
und Licht durch verschiedene Sensoreinheiten zu ermitteln, wie dies
unten an einem dritten Ausführungsbeispiel
erläutert
wird.
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Die 6 und 7 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel,
und in 6 sind n-Typ-Diffusionsregionen 4, 33 gezeigt,
die in einem p-Typ-Siliziumsubstrat 2 unter einem geeigneten Intervall
gebildet sind. Hier hat die Diffusionsregion 33 eine Photodiodenstruktur,
und deren Oberseite ist eine Sensoreinheit für sichtbares Licht. Durch die
Diffusionsregionen 4, 33 und die Leseelektrode 31 wird
eine Lichtstärke-Detektionseinheit 34 gebildet.
Ein Teil zwischen den Diffusionsregionen 3, 4 wird
als eine auf pH ansprechende pH-Sensoreinheit 35 gestaltet. Der
Aufbau der Sensoreinheit 35 ist der gleiche wie derjenige der
Sensoreinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel.
Durch die pH-Sensoreinheit 35 und die Diffusionsregionen 3, 4 wird
die pH-Detektionseinheit 36 gebildet.
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In 6 liegt
ein gewöhnlich
offener Schalter 37 zwischen der Diffusionsregion 3 und
Massepotential, eine Strom- bzw. Spannungsquelle 38 ist
mit einem Widerstand 15 verbunden, und außerdem ist
ein Signalausgangsanschluß 39 vorgesehen.
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Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird
im folgenden anhand des Zeitdiagrammes in 7 beschrieben. Der Größendetektionsgerät-Hauptkörper 1 und
die Bezugselektrode 16 sind in einem Zustand installiert,
in welchem sie in eine in dem Diagramm nicht gezeigte Lösung eingetaucht
sind.
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Um zunächst die Lichtstärke zu erfassen, liegt
eine positive Spannung VG (vergleiche 7(B)), die gleich wie oder
größer als
die Schwellenwertspannung ist, an der Leseelektrode 9 über einen
Anschluß 21,
und sodann liegt eine inverse bzw. umgekehrte Vorspannung, die nahezu
gleich zu der Spannung VD ist, die den Anschluß 38 beaufschlagt, an
der Sensoreinheit 33 für
sichtbare Strahlung, und wenn daher die Spannung der Leseelektrode 90 zu dem
Massepotential zurückkehrt,
bleibt die inverse Vorspannung, die nahezu gleich zu der Spannung
VD ist, an der Sensoreinheit 33 für sichtbare
Strahlung liegen, welche so in einem elektrisch floatenden Zustand
ist.
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Wenn in diesem Zustand Licht in die
Sensoreinheit 33 für
sichtbares Licht eintritt, werden in der Verarmungsschicht Elektronen-Loch-Paare
gebildet, die in der Sensoreinheit 33 für sichtbares Licht streuen,
und elektrische Ladungen werden in der Kapazität angesammelt, die durch den
pn-Übergang
gebildet ist, der in der Sensoreinheit 33 für sichtbares Licht
besteht, und die an der Sensoreinheit 33 für sichtbares
Licht liegende inverse Vorspannung wird kleiner. Nach Ansammeln
dieser Ladungen für
eine spezifische Zeit flieht, wenn die Spannung VG wieder an der
Leseelektrode 9 anliegt, die gesammelte Ladung durch den
Widerstand 15 heraus, und ein Spannungsabfall entsprechend
dem Lichtsignal tritt an dem Ausgangsanschluß 39 (S1 in 7(C)) auf. Zu dieser Zeit
wird die Spannung der Sensoreinheit 33 für sichtbare
Strahlung in den Anfangszustand nahezu gleich zu der Spannung VD wieder rückgesetzt, wenn der Strom flieht.
Somit wird die Lichtintensität bzw.
-stärke
als ein Spannungswert gewonnen.
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Im folgenden wird die Erfassung eines pH-Wertes
der Lösung
erläutert,
wobei diese pH-Erfassung realisiert wird, während Lichtsignale angesammelt
werden, d.h., während
die Spannung VG nicht an der Leseelektrode 9 anliegt, kann
durch Einschalten des Schalters 37 das pH-Signal ausgelesen werden
(S2 in 7(C)).
Das heßit,
der Leitwert des Kanales der in der Zwischenfläche des Siliziums unter der
pH-Sensoreinheit 35 und des Oxidfilmes auftritt, hängt von
der pH-Konzentration in der Lösung ab,
und damit entspricht der in der Zwischenfläche fliehende Strom der pH-Konzentration.
Daher hängt die
an dem Ausgangsanschluß 39 beobachtete Spannung
von der pH-Konzentration der Lösung
ab.
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In dem Größendetektionsgerät des dritten Ausführungsbeispiels
treten Signale der Lichtstärke und
der pH-Konzentration abwechselnd an dem Ausgangsanschluß 39 auf,
wie dies in 7(C) gezeigt ist,
und sie können
abwechselnd beobachtet werden. Durch Stoppen von entweder dem Schaltbetrieb
des Schalters 37 oder der Spannungsanlegeoperation an die
Leseelektrode 9 kann lediglich entweder die Lichtstärke oder
die pH-Konzentration beobachtet werden.
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8 zeigt
ein Anwendungsbeispiel des Größendetektionsgerätes in dem
dritten Ausführungsbeispiel,
und bei dem in 8 dargestellten Aufbau
sind mehrere Lichtstärke-Detektionseinheiten 34 und
pH-Detektionseinheiten 36 in Linien und Reihen zweidimensional angeordnet,
und sie werden sequentiell durch Schieberegister 40, 41 angesteuert,
so daß das
optische Bild und das pH-Konzentrationsverteilungsbild
in der nahezu gleichen Region und zu der nahezu gleichen Zeit beobachtet
werden können.
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Obwohl dies in dem Diagramm nicht
gezeigt ist, können
die mehreren Lichtstärke-Detektionseinheiten 34 und
pH-Detektionseinheiten 36 auch eindimensional vorgesehen werden.
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In den vorangehenden Ausführungsbeispielen
ist die pH-Konzentration als das Beispiel einer chemischen Größe gezeigt;
jedoch können
auch andere Ionenkonzentrationen erfaßt werden.
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Die 9 und 10 beziehen sich auf ein
viertes Ausführungsbeispiel,
und das Größendetektionsgerät in diesem
Ausführungsbeispiel
ist ausgelegt, um Temperatur und Druck zu erfassen. Das heißt, 9 zeigt ein SOI-Substrat 42,
in welchem eine SiO2-Schicht 44 als
ein Isolator und ein monokristallines n-Typ-Siliziumsubstrat 45 auf der
Oberseite eines Siliziumsubstrates 43 gebildet sind. Auf
der Oberseite des SOI-Substrates 42 sind gewöhnlich n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 vorgesehen.
Für eine
Anpassung an die Kanäle
der n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 wird
das Substrat 43 durch Ätzen entfernt,
und eine Membran 49 wird als eine Größendetektionseinheit gebildet.
Weiterhin ist auf der Oberseite eines Gatters 50 der n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 ein
pyroelektrisches Element 53 mit oberen und unteren Elektroden 51, 52 als
eine Größendetektionseinheit
vorgesehen. Dieses pyroelektrische Element 53 besteht beispielsweise
aus PZT- oder PZLT-Keramiken oder PVDF (Polyvinyliden-Fluorid), oder
dergleichen.
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9 zeigt
eine Sourcefolgerschaltung 54, einen Ausgangsanschluß 55 und
einen Widerstand 56. Außerdem ist ein Spannungsanlegeanschluß 57 vorgesehen.
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Für
das so aufgebaute Größendetektionsgerät wird der
Betrieb im folgenden anhand des Zeitdiagrammes von 10 beschrieben. Wenn zuerst die Erfassung
von Druck erläutert
wird, so kann der Druck ermittelt werden, indem die Änderung
des Kanalleitwertes der n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 abhängig vom
Druck erfaßt
wird. Das heißt,
das pyroelektrische Element 53 erzeugt keine Spannung im stationären Zustand,
und die Gatespannung ist nahezu Null, und das Ausgangssignal aufgrund
des Druckes kann erhalten werden, indem der in den n-Kanal-Transistoren
46, 47, 48 fließende
Strom beobachtet wird, und dieser Strom wird von der Sourcefolgerschaltung 54 gewonnen.
In 10 bedeutet Sp ein
Drucksignal.
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Hinsichtlich der Temperatur wird
durch Zerhacken der Wärme
(Infrarotstrahlung), die in das pyroelektrische Element 53 eintritt,
durch einen (nicht gezeigten) Zerhacker eine Spannung entsprechend der
Wärme bei
dem pyroelektrischen Element 53 induziert, und die Gatespannung
von n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 ändert sich,
so daß sich
der in den n-Kanal-Transistoren 46, 47, 48 fließende Strom
verändert.
Daher ist durch Messen des Stromes vor einem Zerhacken und Lesen
der Differenz die Temperaturverteilung bekannt. In 10 bedeutet Sp + Sir ein
Drucksignal plus Temperatursignal.
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Gemäß dem Größendetektionsgerät in diesem
Ausführungsbeispiel
ist bei einer Druckdetektion eine Temperaturkorrektur möglich.
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Darüber hinaus kann durch eine
eindimensionale oder zweidimensionale Konfiguration der Größendetektionsgerät-Hauptkörper in
dem Ausführungsbeispiel
eine räumliche
Verteilung von Druck und Temperatur detektiert werden.
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In den vorangehenden Ausführungsbeispielen
sind die physikalischen Größen und/oder
chemischen Größen als
Objekte einer Erfassung jeweils zwei Größen; jedoch ist die Erfindung
hierauf nicht begrenzt, und es können
drei oder mehr Größen detektiert
werden. Ein Größendetektionsgerät zum Erfassen
von drei Größen wird
im folgenden beschrieben.
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Die 11 und 12 beziehen sich auf ein
fünftes
Ausführungsbeispiel,
und das Größendetektionsgerät in diesem
Ausführungsbeispiel
kann drei Größen, d.h.,
Temperatur, Druck und sichtbares Licht, erfassen. Mit anderen Worten,
das in
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11 gezeigte
Größendetektionsgerät hat Regionen 58, 59,
die dem in 9 gezeigten
Aufbau beigefügt
sind, wobei insbesondere die Region 59 eine Photodiode
ist, die für
sichtbare Strahlung empfindlich ist, und eine Detektionseinheit 60 für sichtbare
Strahlung aus Bereichen 48, 58, -59 ist beigefügt. Sourcefolgerschaltungen 54A, 55A haben
den gleichen Aufbau wie die Sourcefolgerschaltung 54 in dem
vierten Ausführungsbeispiel,
und ein Drucksignal sowie ein Temperatursignal werden an einem Ausgangsanschluß 55A von
einer Sourcefolgerschaltung 54A ausgegeben, während ein
Signal für sichtbare
Strahlung zu einem Ausgangsanschluß 55B der anderen
Sourcefolgerschaltung 54B abgegeben ist. Außerdem sind
ein Spannungsanlegeanschluß 61 und
eine mit einem Widerstand 56B der Sourcefolgerschaltung 54B verbundene
Strom- bzw. Spannungsquelle 62 gezeigt.
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Der Betrieb des so aufgebauten Größendetektionsgerätes wird
im folgenden anhand des Zeitdiagrammes von 12 beschrieben. Zunächst ist eine Erfassung von
Druck und Temperatur die gleiche wie in dem Größendetektionsgerät in dem
vierten Ausführungsbeispiel,
und in diesem Ausführungsbeispiel
wird wie in 12(C) gezeigt
ist, ein Drucksignal Sp oder ein Drucksignal
Sp + ein Temperatursignal Sir zu
dem Ausgangsanschluß 55A der
Sourcefolgerschaltung 54A ausgegeben.
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Für
das Signal für
sichtbare Strahlung wird dieses durch Anlegen einer positiven Spannung
Vg (vergleiche 12(B)) an die Region 48, die
als Leseelektrode wirkt, bei Eingabe von sichtbarer Strahlung erzeugt,
und die in der Sensoreinheit für
sichtbare Strahlung angesammelte elektrische Ladung kann ausgelesen
werden. Deren Ausgangssignal Sk wird zu
dem Ausgangsanschluß 55B der
Sourcefolgerschaltung 54B ausgegeben, wie dies in 12(D) gezeigt ist.
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Darüber hinaus kann durch eindimensionale oder
zweidimensionale Konfiguration der Größendetektionsgerät-Hauptkörper in
dem Ausführungsbeispiel
eine räumliche
Verteilung von Druck, Temperatur und sichtbarer Strahlung detektiert
werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Größendetektionsgerät können elektrische
Ausgangssignale von mehreren physikalischen und/oder chemischen
Größen, die
zur gleichen oder nahezu zur gleichen Zeit am gleichen oder nahezu
am gleichen Ort auftreten, erhalten werden, und die Wechselwirkung
von bisher unbekann ten physikalischen und/oder chemischen Größen kann
ermittelt werden. Indem so zwei oder mehr physikalische und/oder
chemische Größen gleichzeitig
detektiert werden, können
Erscheinungen entdeckt werden, die mit bestehenden Einzel-Detektionselementen
nicht zu ermitteln sind.
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Durch Integrieren solcher Größendetektionsvorrichtungen
mit hoher Dichte durch Verwenden der integrierten Schaltungstechnologie
und Ansammeln in der Zeit wird ein Gerät hoher Auflösung und
großer Empfindlichkeit
erhalten, und eine zweidimensionale Verteilung von physikalischen
Größen und/oder
chemischen Größen kann
mit hoher Empfindlichkeit und großer Genauigkeit beobachtet
werden.