DE19857851B4 - Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen - Google Patents

Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen Download PDF

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Abstract

Detektionsgerät für physikalische Größen und/oder chemische Gröten. umfassend:
Größendetektionseinheiten zum Erfassen physikalischer Größen und/ oder chemischer Größen zum Liefern elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen wenigstens nahezu gleichzeitig, dadurch gekennzeichnet, dass die Größendetektionseinheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (1) vorgesehen sind und Spannungssignale bezüglich der zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen von demselben Ausgangsanschluss (11) erhalten sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Detektionsgerät für physikalische und/oder chemische Größen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Jedoch werden in keinem dieser Sensoren und Vorrichtungen Signale oder Verteilungen von mehreren physikalischen und/oder chemischen Größen gleichzeitig und an gleicher Stelle beobachtet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Schließlich sind aus DE 38 21 460 A1 und EP 0 684 462 A2 bestimmte Strukturen von Halbleiterbauelementen bezw. Halbleitersensoren bekannt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • 1 ist ein Diagramm, das ein erstes Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
  • 2 ist ein Beispiel einer Zeitkurvendarstellung zum Erläutern des Betriebs des Gerätes.
  • 3 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes veranschaulicht.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
  • 5 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
  • 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
  • 7 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
  • 8 ist ein Diagramm, das ein Anwendungsbeispiel des Gerätes zeigt.
  • 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Größendetektionsgerätes in einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt.
  • 10 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
  • 11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Größendetektionsgerätes in einem fünften Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
  • 12 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebes des Gerätes.
  • Anhand der Zeichnungen werden nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden in Einzelheiten erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In 1 ist eine Bezugselektrode 16 mit einer geeigneten Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden. Außerdem sind Anschlüsse 17 bis 22 zum Anlegen von Spannung vorgesehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Obwohl dies nicht gezeigt ist, können mehrere Sensoreinheiten 7 ebenfalls eindimensional angeordnet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • In dem Größendetektionsgerät des zweiten Ausführungsbeispiels können wie in dem ersten Ausführungsbeispiel mehrere Sensoreinheiten 7 entweder eindimensional oder zweidimensional angeordnet sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Obwohl dies in dem Diagramm nicht gezeigt ist, können die mehreren Lichtstärke-Detektionseinheiten 34 und pH-Detektionseinheiten 36 auch eindimensional vorgesehen werden.
  • In den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist die pH-Konzentration als das Beispiel einer chemischen Größe gezeigt; jedoch können auch andere Ionenkonzentrationen erfaßt werden.
  • 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.
  • 9 zeigt eine Sourcefolgerschaltung 54, einen Ausgangsanschluß 55 und einen Widerstand 56. Außerdem ist ein Spannungsanlegeanschluß 57 vorgesehen.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß dem Größendetektionsgerät in diesem Ausführungsbeispiel ist bei einer Druckdetektion eine Temperaturkorrektur möglich.
  • Darüber hinaus kann durch eine eindimensionale oder zweidimensionale Konfiguration der Größendetektionsgerät-Hauptkörper in dem Ausführungsbeispiel eine räumliche Verteilung von Druck und Temperatur detektiert werden.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. Detektionsgerät für physikalische Größen und/oder chemische Gröten. umfassend: Größendetektionseinheiten zum Erfassen physikalischer Größen und/ oder chemischer Größen zum Liefern elektrischer Signale von zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen wenigstens nahezu gleichzeitig, dadurch gekennzeichnet, dass die Größendetektionseinheiten auf einer Seite eines Halbleitersubstrates (1) vorgesehen sind und Spannungssignale bezüglich der zwei oder mehr physikalischen Größen und/oder chemischen Größen von demselben Ausgangsanschluss (11) erhalten sind.
  2. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten eindimensional angeordnet sind.
  3. Detektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten zweidimensional angeordnet sind.
  4. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (1) ein SOI-Substrat ist.
  5. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Halbleitersubstrat (1) eine Sourcefolgerschaltung nachgeschaltet ist.
  6. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalischen und/oder chemischen Größen Größen wie Temperatur, Druck oder pH-Wert, sind.
  7. Detektionsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größendetektionseinheiten (7) in das Halbleitersubstrat (1) eingebettet sind.
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