イオン感応性電界効果トランジスタ

イオン感応性電界効果トランジスタについて

イオン感応性電界効果トランジスタ（ISFET）は、溶液中の特定のイオンに選択的に反応し、その濃度に基づいた電気信号を生成するセンサー技術です。従来のイオン電極と高入力抵抗増幅器の機能を一つに集約したもので、特に小型化と応答性能の向上が求められています。

従来技術の課題

化学工業や臨床医療の分野では、従来からイオンセンサーの使用が広まっていますが、その小型化に関しては多くの課題がありました。単純にサイズを縮小すると、電極のインピーダンスが高くなり、結果として熱雑音が増え、信号が不安定になります。さらに、インピーダンスが大きいと時定数も増大し、応答時間が長くなるため商業的な使用には耐えないのです。このような背景から、ISFETの開発に至りました。

ISFETの動作原理

ISFETでは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）のゲート電極として金属を使う代わりに、ゲート絶縁膜を直接液体中に浸すという全く新しいアプローチが採用されています。液体と絶縁膜の間に生じる界面電位の変化からドレイン電流が変わり、ここからイオンの濃度を測定する仕組みです。

ISFETの特徴

この新しいセンサーにはいくつかの特長があります。まず、超小型（数十～数百μm）であるため、非常に複雑な環境の中でも使用が可能です。また、応答時間も極めて短く、100ms未満で測定が可能です。さらに、出力インピーダンスが数kΩ程度と非常に低く、他の電子回路との接続が容易です。これにより、より高精度な測定が実現します。また、イオン感応膜として理想的な絶縁膜を用いることができ、従来以上の性能を発揮します。

具体的な構造

ISFETは、シリコン基板を特別に加工し、プローブ状に形成された先端にFETセンサーを設置しています。その上には、耐水性の高いシリコンナイトライド膜（Si3N4、厚さ約1000Å）が被覆され、この膜の上にイオン感応膜が追加されています。このような構造により、ISFETは非常に高い耐久性と機能性を保持します。

文献と研究

ISFET技術に関しては、多くの研究が行われており、文献も充実しています。例えば、Ohtaら（1981）はナトリウムおよびカリウムに対する微細ISFETのプロトタイプにおける研究を発表しています。また、庄子（1984）は生体用マイクロISFETの試作に関する研究を行い、実用化に向けた成果を示しました。これらの研究は、ISFETの実用化やさらなる技術開発の基盤となっています。

関連技術

ISFETは、バイオセンサーやFETセンサー、FETバイオセンサーとの関連も深く、様々な応用が期待される技術です。これにより、医療現場や環境モニタリングなど、多くの分野での利用が見込まれています。

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