圖11是表示根據(jù)第九示例性實(shí)施方式的TFT離子傳感器裝置110的電路圖。在第九示例性實(shí)施方式中，對(duì)參照電極17施加用于源極電位的規(guī)定電位(在圖11中對(duì)參照電極17施加與源極電位相同的電位)，并控制柵電極13g與源電極13s之間的電位差，使得規(guī)定的電流流經(jīng)源電極13s和漏電極13d之間(在圖11中，柵電極13g的電位固定，源電極13s的電位波動(dòng))，并讀取由感測(cè)對(duì)象物質(zhì)中的離子濃度引起的柵電極13g和源電極13s之間的電位差，來(lái)檢測(cè)感測(cè)對(duì)象物質(zhì)中的離子濃度。
[0181]TFT離子傳感器72相當(dāng)于從第一至第八示例性實(shí)施方式中所述的TFT離子傳感器中移除電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元、電壓控制單元及電流控制單元得到的結(jié)構(gòu)。從TFT離子傳感器裝置110移除TFT離子傳感器72得到的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于所附權(quán)利要求的范圍中“檢測(cè)電路”的示例。電位計(jì)37和恒定電流電路73分別相當(dāng)于圖1等中所示的電壓檢測(cè)單元41和電壓控制單元43的例子。
[0182](實(shí)施例7)
[0183]參照?qǐng)D11對(duì)將第九示例性實(shí)施方式進(jìn)一步具體化的實(shí)施例7進(jìn)行說(shuō)明。
[0184]恒定電壓電路71包括第一運(yùn)算放大器32和作為恒定電壓源的第一齊納二極管33，并使TFT離子傳感器72的源電極13s和漏電極13d之間的電位差固定。在此，源電極13s和漏電極13d之間的電位差被固定于第一齊納二極管33的反向擊穿電壓VI。
[0185]恒定電流電路73連接到源電極13s，使流經(jīng)TFT離子傳感器72的源電極13s和漏電極13d之間的電流固定。恒定電流電路73的主要構(gòu)成元件是第二運(yùn)算放大器34、第二齊納二極管35、晶體管36以及第一電阻器81。在此，流經(jīng)源電極13s和漏電極13d之間的電流值被固定于電流值II，電流值Il是第二齊納二極管35的反向擊穿電壓V2除以第一電阻器81的電阻值Rl得到的值。
[0186]具體的電路結(jié)構(gòu)如下所述。TFT離子傳感器72的柵電極13g連接到直流電壓源74(柵極電壓Vg)的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直流電壓源74的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到地。TFT離子傳感器72的源電極13s連接到參照電極17。TFT離子傳感器72的漏電極13d通過(guò)第二電阻器82 (電阻值R2)連接到直流電壓源75 (供給電壓Vdd)。TFT離子傳感器72的源電極13s連接到第一運(yùn)算放大器32的非反相輸入節(jié)點(diǎn)，第一運(yùn)算放大器32的反相輸入節(jié)點(diǎn)連接到第一運(yùn)算放大器32的輸出節(jié)點(diǎn)。由此，第一運(yùn)算放大器32作為電壓跟隨器電路進(jìn)行動(dòng)作。第一運(yùn)算放大器32的輸出節(jié)點(diǎn)用作TFT離子傳感器裝置110的輸出端子。為了讀取該輸出電壓Vout，連接電位計(jì)37。第一運(yùn)算放大器32的反相輸入節(jié)點(diǎn)連接到第一齊納二極管33的正極，第一齊納二極管33的負(fù)極連接到TFT離子傳感器72的漏電極13d。
[0187]TFT離子傳感器72的源電極13s連接到晶體管36的漏極節(jié)點(diǎn)，晶體管36的源極節(jié)點(diǎn)通過(guò)第一電阻器81 (電阻值Rl)連接到地。晶體管36的柵電極連接到第二運(yùn)算放大器34的輸出節(jié)點(diǎn)，第二運(yùn)算放大器34的反相輸入節(jié)點(diǎn)連接到晶體管36的源極節(jié)點(diǎn)。第二運(yùn)算放大器的非反相輸入節(jié)點(diǎn)連接到第二齊納二極管35的負(fù)極節(jié)點(diǎn)，第二齊納二極管35的正極節(jié)點(diǎn)連接到地，第二齊納二極管35的負(fù)極節(jié)點(diǎn)通過(guò)第三電阻器83 (電阻值R3)連接到直流電壓源75。
[0188]對(duì)將TFT離子傳感器72的源電極13s的電位作為基準(zhǔn)而使用TFT離子傳感器裝置110執(zhí)行的測(cè)量法進(jìn)行描述。圖12的橫軸表示將源電極13s的電位作為基準(zhǔn)的柵極-源極電壓Vgs，作為柵電極13g的電位。另外，縱軸表示流經(jīng)源電極13s和漏電極13d之間的源極-漏極電流Id。即，在此示意性表示Vgs — Id特性。
[0189]在此，要注意到，源電極13s和漏電極13d之間的電位差如上所述被固定在VI。當(dāng)感測(cè)對(duì)象物質(zhì)中的離子濃度變化并且感測(cè)對(duì)象物質(zhì)和離子敏感絕緣膜14之間的界面、即離子敏感絕緣膜表面14a上的雙電層電位差Vedl變化為+0.1V、0V、一 0.1V時(shí)，為了流經(jīng)被恒定電流電路73固定的電流值II，柵極-源極電壓Vgs變化為1.5V、1V、0.5V。TFT離子傳感器裝置110的輸出電壓Vout與源極電壓Vs相等。另外，柵極-源極電壓Vgs與柵極電壓Vg和源極電壓Vs之差相等。因此，輸出電壓Vout與柵極電壓Vg和柵極-源極電壓Vgs之差相等。
[0190]因此，在各種離子濃度中，用電位計(jì)37讀取為了流經(jīng)恒定電流Il輸出電壓Vout如何變化與讀取為了流經(jīng)恒定電流Il柵極-源極電壓VgS如何變化是相同的。這正是檢測(cè)各種離子濃度中的Vg -1d特性的漂移量(如圖2中所示)。
[0191]在實(shí)施例7中，源電極13s和漏電極13d之間的電壓固定。因此，還實(shí)現(xiàn)了在飽和區(qū)域和線性區(qū)域這兩者中高精度測(cè)量TFT的輸出特性的這樣的效果。
[0192]當(dāng)使用TFT的飽和區(qū)域的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化圖11中所示的電路。例如，可將圖11中所示的第一齊納二極管33刪除，可將恒定電壓源75經(jīng)由第二電阻器82連接到漏電極13d?；蛘?，可將圖11中所示的第一齊納二極管33和第二電阻器82刪除，并可將恒定電壓源75直接連接到漏電極13d。
[0193]如上所述，通過(guò)將在第一至第八示例性實(shí)施方式中所述的TFT離子傳感器用于圖11中所示的第九示例性實(shí)施方式的TFT離子傳感器72，可實(shí)現(xiàn)展現(xiàn)比相關(guān)技術(shù)的敏感度更高的敏感度的TFT離子傳感器裝置110。
[0194]接下來(lái)，說(shuō)明在根據(jù)第九示例性實(shí)施方式的TFT離子傳感器中通過(guò)底柵電場(chǎng)和頂柵電場(chǎng)之間的相互作用和電容差來(lái)放大雙電層電位差的現(xiàn)象。
[0195]設(shè)源極-漏極電流為Id，源自底柵電場(chǎng)的源極-漏極電流為Idl，源自頂柵電場(chǎng)的源極-漏極電流為Id2，漏極電壓為Vd，柵極-源極電壓為Vgs，載流子引起的閾值電壓為Vt，雙電層電位差為Vedl，柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容為C，離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容為nC(其中η > I)，載流子的迀移率為μ，溝道寬度為W，溝道長(zhǎng)度為L(zhǎng)，源極-漏極電流Id、Idl、Id2分別由下式近似。
[0196]Id = Idl+Id2...(I)
[0197]Idl= (ffy C/L) {(Vgs — Vt) Vd — Vd2/2}...(2)
[0198]Id2 = n(ff μ C/L) {(Vedl — Vt) Vd — Vd2/2}...(3)
[0199]當(dāng)將式(2)、(3)帶入到式(I)中并整理時(shí)，可得到下式。
[0200]Id= (ffy C/L) {(Vgs — Vt) Vd — Vd2/2} +n (W μ C/L) {(Vedl — Vt) Vd — Vd2/2}
[0201]...Id/(Wy C/L) = Vd (Vgs+nVedl) — Vt.Vd (n+1) — Vd2 (n+l)/2
[0202]...Vgs+nVedl = Id/ (Vdff μ C/L) +Vt (n+1) +Vd (n+1) /2...(4)
[0203]在第九示例性實(shí)施方式中，公式(4)的右邊為常數(shù)，因此下式成立。
[0204]Vgs+nVedl =常數(shù)…(5)
[0205]當(dāng)雙電層電位差Vedl變化AV時(shí)，由上式(5)顯而易見(jiàn)的是，柵極-源極電壓Vgs變化“一 Λ V”的η倍。
[0206]在圖12中所示的例子中，當(dāng)Vedl = O時(shí)，Vgs = I。因此，式(5)的右邊始終為“I”。在這種情況下，假設(shè)在式(5)中η = 5，則如圖12所示Vedl = 0.1時(shí)Vgs = 0.5,Vedl=—0.1 時(shí) Vgs = 1.5。
[0207]另外，在柵極-源極電壓Vgs固定并且源極-漏極電流Id可變的情況下，可得到下式。
[0208]Id = Idl+Id2
[0209]= Idl (常數(shù))+n(Wy C/L) {(Vedl — Vt)Vd — Vd2/2}...(6)
[0210]由式(6)顯而易見(jiàn)的是，通過(guò)使離子敏感絕緣膜的靜電電容為柵極絕緣膜的靜電電容的η倍，與將離子敏感絕緣膜的靜電電容設(shè)為與柵極絕緣膜的靜電電容相等的情況相比，能夠相對(duì)于雙電層電位差Vedl的變化，將源極-漏極電流Id的變化(即，敏感度)提高η倍。
[0211]雖然參照各示例性實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不僅僅限于上述各實(shí)施方式。可對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)施加對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言能夠想到的各種變化和變更。另外，本發(fā)明包括通過(guò)將上述的各示例性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的一部分或全部相互適當(dāng)組合得到的結(jié)構(gòu)。
[0212]雖然示例性實(shí)施方式的一部分或全部可總結(jié)為以下的附錄，但本發(fā)明不僅僅限于以下的結(jié)構(gòu)。
[0213][附錄I]
[0214]一種TFT離子傳感器，包括:
[0215]半導(dǎo)體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導(dǎo)體活性層；
[0216]柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導(dǎo)體活性層的一個(gè)表面上；
[0217]離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導(dǎo)體活性層的另一表面上；以及
[0218]參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上，
[0219]其中:
[0220]所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大；并且
[0221]所述TFT離子傳感器還包括電壓檢測(cè)單元，所述電壓檢測(cè)單元用于讀取所述源電極和所述柵電極之間的電位差。
[0222][附錄2]
[0223]一種TFT離子傳感器，包括:
[0224]半導(dǎo)體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導(dǎo)體活性層；
[0225]柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導(dǎo)體活性層的一個(gè)表面上；
[0226]離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導(dǎo)體活性層的另一表面上；以及
[0227]參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上，
[0228]其中:
[0229]所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，并且
[0230]所述TFT離子傳感器還包括電流檢測(cè)單元，所述電流檢測(cè)單元用于讀取流經(jīng)所述源電極或所述漏電極的電流。
[0231][附錄3]
[0232]如附錄I所述的TFT離子傳感器，其中，
[0233]所述源電極與所述柵電極之間的電位差是通過(guò)使所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容除以所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容得到的比值、乘以所述離子敏感絕緣膜與設(shè)置在所述離子敏感絕緣膜上的感測(cè)對(duì)象物質(zhì)之間產(chǎn)生的電位差得到的電位差。
[0234][附錄4]
[0235]如附錄I或3所述的TFT離子傳感器，還包括電壓控制單元，所述電壓控制單元控制所述源電極和所述柵電極之間的電位差，使得恒定電流流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間。
[0236][附錄5]
[0237]如附錄2所述的TFT離子傳感器，還包括電流控制單元，所述電流控制單元控制流經(jīng)所述源電極和所述漏電極之間的電流，使得所述柵電極和所述源電極之間的電位差變得恒定。
[0238][附錄6]
[0239]如附錄I至5中任一項(xiàng)所述的TFT離子傳感器，其中，
[0240]在基板上依次設(shè)置有所述柵電極、所述柵極絕緣膜、所述半導(dǎo)體活性層、所述源電極和所述漏電極、以及所述離子敏感絕緣膜。
[0241][附錄7]
[0242]如附錄I至5中任一項(xiàng)所述的TFT離子傳感器，其中，
[0243]在硅基板上依次設(shè)置有熱氧化膜、所述源電極和所述漏電極、所述半導(dǎo)體活性層、所述柵極絕緣膜、以及所述柵電極，并且
[0244]在所述硅基板中設(shè)置有開(kāi)口部，以使位于所述半導(dǎo)體活性層的下面的所述熱氧化膜露出。
[0245][附錄8]
[0246]如附錄I至5中任一項(xiàng)所述的TFT離子傳感器，其中，
[0247]在絕緣基板上依次設(shè)置有所述半導(dǎo)體活性層、所述源電極和所述漏電極、所述柵極絕緣膜、以及所述柵電極，并且
[0248]在所述絕緣基板上，在所述半導(dǎo)體活性層的相反側(cè)設(shè)置凹部，使得所述絕緣基板的薄部露出。
[0249][附錄9]
[0250]如附錄I至8中任一項(xiàng)所述的TFT離子傳感器，其中，
[0251 ] 所述離子敏感絕緣膜是由從氧化鉭、氧化鉿、氧化鋁、鈦酸鋇、鈦酸鍶和氮化硅中選擇的一者形成的單層膜、或者是由氧化鉭、氧化鉿、氧化鋁、鈦酸鋇、鈦酸鍶和氮化硅中的兩者或更多者形成的層疊膜。
[0252][附錄10]
[0253]如附錄I至9中任一項(xiàng)所述的TFT離子傳感器，其中，
[0254]在所述離子敏感絕緣膜上層疊對(duì)特定離子敏