JP2016194462A

JP2016194462A - センサ装置

Info

Publication number: JP2016194462A
Application number: JP2015074748A
Authority: JP
Inventors: 成亘小松; Shigenobu Komatsu; 洋小貫; Hiroshi Konuki; 準二小野塚; Junji Onozuka; 高橋　司; Tsukasa Takahashi; 司高橋
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-04-01
Also published as: JP6506592B2

Abstract

【課題】
センサＦＥＴの電圧しきい値変化の許容範囲が広く、かつ回路規模が小さいセンサ装置を提供すること。
【解決手段】
検出対象の物理量の変化によってしきい値電圧が変化するセンサＦＥＴと、検出対象の物理量が変化によってしきい値電圧が変化しない参照ＦＥＴと、を有し、前記センサＦＥＴと前記参照ＦＥＴのドレイン電圧が等しくなり、かつ、前記センサＦＥＴのドレイン電流と前記参照ＦＥＴのドレイン電流が等しくなるように前記センサＦＥＴのゲートとソース間の電圧を制御し、前記センサＦＥＴの検出対象の物理量変化によるしきい値電圧の変化を前記参照ＦＥＴのゲート電圧と前記センサＦＥＴのゲート電圧との差として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体式センサＦＥＴの信号検出回路に関する。

水素濃度に応じてしきい値電圧(Ｖｔｈ）が変化する水素センサＦＥＴ(特許文献１及び非特許文献１を参照)が開発されている。水素センサＦＥＴを利用して水素濃度を検出するには、水素センサＦＥＴのＶｔｈの変化を検出する検出回路が必要となる。一般的な検出回路として非特許文献２の回路(p.160, Figure3)及び非特許文献３(p.52, Figure3.3)の回路が知られている。

特開２０１３−２４２２７１号公報

T.Usagawa, et al., "Pt-Ti-O Gate Si-MISFET Hydrogen Gas Sensors-Dvices and Packagings", IEEE Sensors Journal, vol.12, No 6, June 2012 S.Nakano, et al., "Hydrogen gas detection system prototype with wireless sensor networks", In Proceedings of IEEE Sensors 2005, California, p.159-162, October 2005 James A.Covington, "CMOS and SOI CMOS FET-based Gas Sensors", In A thesis submitted to the University of Warwick for the degree of Doctor of Philosophy, September 2001

非特許文献２の検出回路は、水素センサＦＥＴのゲート電圧を固定し、ソースに定電流を印加し、ソースとドレイン間の電圧が一定になるように制御する。水素センサＦＥＴが水素を検知して電圧しきい値が変化すると、ソースとドレイン間の電圧が一定でかつゲート電圧も一定なので、定電流を流すためにソース電圧が電圧しきい値の変化量と同量変化する。ソース電圧の変化量から電圧しきい値の変化量を検出する。ソースとドレインの電圧を一定に制御するので、精度の良い検出ができるが、定電圧源が１つ、定電流源が２つ、オペアンプが２つと回路規模が大きく、コスト及び小面積での実装が難しくなるという課題がある。

前記非特許文献３の検出回路は、ダイオード接続した水素センサＦＥＴと参照用の水素に反応しないＦＥＴに定電流を印加する。水素センサＦＥＴが水素を検知して電圧しきい値が変化すると、定電流を流すためにゲートとドレインの電圧が変化する。参照ＦＥＴのゲート電圧は変化しないため、参照ＦＥＴのドレイン電圧とセンサＦＥＴのドレイン電圧に電圧差が生じる。ソースとドレイン間の電圧が変化するが、ＦＥＴが飽和領域で動作している間は、ソースとドレイン間の変化に対する電流の変化量が微小なため、センサＦＥＴのドレイン電圧の変化量はほぼしきい値電圧の変化量に等しくなる。しかし、しきい値電圧の変化量がある一定以上になると、センサＦＥＴが飽和領域ではなく線形領域で動作することになり、ソースとドレイン間の電圧変化の影響が大きくなり精度が悪化する。このため、検出できる水素濃度の最大値、もしくは、センサＦＥＴの感度を下げる必要がある。また、定電流源２つとオペアンプ１つが必要になり回路規模が比較的大きい。

本発明の目的は、センサＦＥＴの電圧しきい値変化の許容範囲が広く、かつ回路規模が小さいセンサ装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のセンサ装置は、検出対象の物理量の変化によってしきい値電圧が変化するセンサＦＥＴと、検出対象の物理量が変化によってしきい値電圧が変化しない参照ＦＥＴと、を有し、前記センサＦＥＴと前記参照ＦＥＴのドレイン電圧が等しくなり、かつ、前記センサＦＥＴのドレイン電流と前記参照ＦＥＴのドレイン電流が等しくなるように前記センサＦＥＴのゲートとソース間の電圧を制御し、前記センサＦＥＴの検出対象の物理量変化によるしきい値電圧の変化を前記参照ＦＥＴのゲート電圧と前記センサＦＥＴのゲート電圧との差として出力する。

本発明によれば、センサＦＥＴの電圧しきい値変化の許容範囲が広く、かつ回路規模が小さいセンサ装置を提供することが可能である。

実施例１の検出回路実施例１の検出回路の動作波形図実施例２の検出回路実施例３の検出回路実施例３の検出回路の動作波形図実施例４の検出回路実施例４の検出回路の動作波形図

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施例の構成を図１に示す。水素センサは、センサＦＥＴ１と、参照ＦＥＴ２と、オペアンプ３と、抵抗４と、抵抗５と、信号処理回路６から構成される。

参照ＦＥＴ２は、センサＦＥＴ１と同じ材料、サイズで構成されており、センサＦＥＴ１と同じＦＥＴ特性を有するが、保護膜に覆われており外部の気体と接触しないため、外部の水素濃度が変化しても特性は変化しない。また、抵抗４と抵抗５の抵抗値は等しい。

図２の波形図で動作を説明する。まず、外部の水素濃度が0%の時の動作について説明する。参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３の電圧は、参照ＦＥＴ２のＶｇｓ(ソースとゲート間の電圧)-Ｉｄｓ(ドレインとソース間の電流)特性と抵抗４の抵抗値で一定値に決まる。図２ではこの電圧を仮に３Ｖとしている。オペアンプ３の反転入力には、参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３が入力され、非反転入力にはセンサＦＥＴ１のドレイン端子１０２が入力されている。オペアンプ３の出力はセンサＦＥＴ１のゲート端子１０４に入力されている。オペアンプ３の出力は、抵抗５とセンサＦＥＴ１によって反転してオペアンプ３の非反転入力に入力される。結果、オペアンプ３の出力の反転信号が、非反転入力に入力されるため、オペアンプ３の出力は、参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３とセンサＦＥＴ１のドレイン端子１０４が同電位となる電圧３Ｖで安定する。参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３の電圧とセンサＦＥＴ１のドレイン電圧１０２が等しく、抵抗４と５の抵抗値が等しいので、抵抗４と抵抗５に流れる電流は等しくなり、参照ＦＥＴ２とセンサＦＥＴ１のドレイン端子に流れる電流も等しくなる。正確には参照ＦＥＴ２のゲート電流も流れるが、ドレイン電流がゲート電流に対して十分大きくなるように回路構成を選択することで、ゲート電流の影響は無視できる。センサＦＥＴ１の特性は参照ＦＥＴ２と等しく、ソースとドレイン間の電圧（Ｖｄｓ）も等しいので、参照ＦＥＴ２と等しい電流を流すためには、ソースとゲート間の電圧（Ｖｇｓ）が参照ＦＥＴ２のＶｇｓと等しい必要がある。センサＦＥＴ１のソース端子と参照ＦＥＴ２のソース端子は短絡されており同電圧なので、オペアンプ３は、参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン電圧１０３と等しい電圧３Ｖを、センサＦＥＴ１のゲート端子１０４に出力する。次に外部の水素濃度が上昇し、センサＦＥＴ１のＶｔｈが変化した場合の動作を説明する。図２では、水素濃度の上昇によってしきい値電圧が１Ｖ下がると仮定している。センサＦＥＴ１のＩｄｓは、(Ｖｇｓ-Ｖｔｈ)^２に比例するので、センサＦＥＴ１のＶｔｈが低下するとＩｄｓは増加する。Ｉｄｓが増加すると、抵抗５の電流量が増加し、抵抗値による電圧低下が増加するため、センサＦＥＴ１のドレイン端子１０４の電圧は低下する。センサＦＥＴ１のドレイン電圧が低下するとオペアンプ３の出力も低下し、参照ＦＥＴ２のＩｄｓとセンサＦＥＴ１のＩｄｓが等しくなる電圧で安定する。センサＦＥＴ１のＩｄｓが参照ＦＥＴのＩｄｓと等しくなるのは、センサＦＥＴのＶｇｓがＶｔｈと同じ１Ｖだけ下がった場合で、センサＦＥＴ１のゲート端子１０４は、３Ｖから１Ｖ低下した２Ｖに変化する。以上のように外部の水素濃度の変化によるセンサＦＥＴ１のＶｔｈが変化すると、センサＦＥＴ１のゲート端子１０４の電圧がＶｔｈの変化量と同じだけ変化し、センサＦＥＴのＶｔｈ変化を検出することができる。

参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３とセンサＦＥＴのゲート端子１０４の電圧を信号処理回路６に入力し、電圧差を水素濃度の検出信号として、感度やオフセット等の信号処理を行う。センサＦＥＴ１と参照ＦＥＴ２の温度変化及び電源電圧に対するＶｇｓ−Ｉｄｓの特性変化は等しいので、参照ＦＥＴ２のドレイン端子１０３の電圧とセンサＦＥＴ１のゲート端子１０４の電圧差を水素濃度に対する検出信号とすることで、温度変化や電圧変化による検出電圧の変動を低減し、検出精度を上げることができる。
本実施例を適用することで、オペアンプ１つと抵抗２つという、小規模な回路で水素センサＦＥＴのＶｔｈ変化を検出することができる。また、センサＦＥＴ１のＶｄｓ電圧は、センサＦＥＴ１のＶｔｈ変化に関係なく一定に保たれるので、Ｖｔｈ変化が大きくなってもセンサＦＥＴ１は飽和領域で動作しつづけ、非特許文献２の回路のようにＶｔｈの変化量によって精度が悪化することはない。これにより、より高い水素濃度まで検出することが可能である。

図３に本発明の第２の実施例を示す。第２の実施例は第１の実施例と構成はほぼおなじであり、抵抗７が追加されているのが異なる。抵抗７は、一方の端子が、センサＦＥＴと参照ＦＥＴのソース端子１０５に接続され、もう一方の端子はグラウンド線に接続されている。抵抗７の抵抗値を調整することで、参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３の電圧と、センサＦＥＴ１のゲート端子１０４の電圧を調整することができる。

例えば実施例１では、参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３の電圧とセンサＦＥＴ１のゲート端子１０４の電圧を上げたい場合抵抗４と５の抵抗値を下げてセンサＦＥＴ１及び参照ＦＥＴ２に流れる電流量を増加させる必要がある。しかし、これはセンサＦＥＴ１及び参照ＦＥＴ２に印加する電流が、参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１０３及びセンサＦＥＴ１のゲート端子１０４に出力したい電圧で制限されることになる。また、回路の動作電流も出力したい電圧で制限されることになる。抵抗７で調整することができれば、所望の電流値を設定し、かつ所望の出力電圧を設定することができる。

図４に本発明の第３の実施例を示す。第３の実施例の検出回路は、センサＦＥＴ１と、参照ＦＥＴ２と、ＦＥＴ１１と、ＦＥＴ１２と、抵抗１３と、抵抗１４と、信号処理回路６から構成される。ＦＥＴ１１とＦＥＴ１２はカレントミラー回路を構成し、センサＦＥＴ１のＩｄｓを参照ＦＥＴ２に印加する。抵抗１３と抵抗１４は抵抗分割比によりセンサＦＥＴ１のゲート端子１１３に定電圧を印加する。信号処理回路６はセンサＦＥＴ１のゲート端子１１３の電圧と参照ＦＥＴ２のドレイン端子１１１の電圧差を水素濃度の検出信号として処理する。

図５の波形図で動作を説明する。まず、外部の水素濃度が0%の時の動作について説明する。センサＦＥＴ１のゲート端子１１３の電圧は抵抗１３と１４の抵抗比できまる。図５では１Ｖとしている。センサＦＥＴ１のドレイン端子１１２の電圧は、センサＦＥＴ１のゲート電圧とＶｄｓ−Ｉｄｓ特性とＦＥＴ１２のＶｇｓ−Ｉｄｓ特性で決まる。図５では、３Ｖとしている。参照ＦＥＴ２にはセンサＦＥＴ１のＩｄｓと同じ電流がドレイン端子１１１に印加される。センサＦＥＴ１が飽和領域で動作していれば、センサＦＥＴ１と参照ＦＥＴ２の特性は同じなので、参照ＦＥＴのゲート及びドレイン端子１１１は、センサＦＥＴ１のゲート端子１１３と同じ電圧１Ｖになる。次に水素濃度が上昇しセンサＦＥＴ１のＶｔｈが低下した場合の動作について説明する。センサＦＥＴ１のＶｔｈが低下すると、センサＦＥＴ１のＶｇｓは増加するためＩｄｓは増加する。カレントミラー回路によって参照ＦＥＴ２に印加される電流量もセンサＦＥＴ１の電流の増加量と同じだけ増加する。参照ＦＥＴ２の電流量を増加させるためには、参照ＦＥＴ２のＶｇｓが増加する必要があり、増加参照ＦＥＴ２のゲート及びドレイン端子１１１の電圧は増加する。センサＦＥＴ１と参照ＦＥＴ２の特性は同じであり、参照ＦＥＴのＶｔｈは水素濃度に関係なく一定なので、Ｖｇｓ−ＶｔｈをセンサＦＥＴ１と同じにするために、センサＦＥＴ２のＶｇｓはセンサＦＥＴのＶｔｈの低下量１Ｖと同じだけ増加し、１Ｖから２Ｖに増加する。以上のように、参照ＦＥＴのゲート及びドレイン端子１１１には、センサＦＥＴ１のＶｔｈ変化量と同量の電圧変化が現れるので、水素濃度変化によるセンサＦＥＴのＶｔｈ変化を検出することができる。センサＦＥＴ１のドレイン電圧１１２と参照ＦＥＴ２のドレイン電圧１１１は異なる電圧値になるが、センサＦＥＴ１及び参照ＦＥＴ２が飽和領域で動作していれば、Ｖｄｓ変化によるＩｄｓの変化は微小である。参照ＦＥＴ２はダイオード接続されており、Ｖｔｈも０以上で、変化しないので、Ｖｄｓの変化に関係なく飽和領域で動作する。センサＦＥＴ１はドレインＶｔｈの低下によりＶｄｓが低下し、線形領域での動作になる可能性がある。検出する最大水素濃度に対して飽和領域で動作できるように、センサＦＥＴのゲート電圧を下げたり、ＦＥＴ１１のＷサイズを十分大きくしたりするなどの設計が必要ある。

本実施例によれば、ＦＥＴ２つと抵抗２つという小規模な回路で水素センサＦＥＴのＶｔｈ変化を検出することができ、オペアンプを使用しないため実施例１に対してコストを低減できる可能性がある。また、オペアンプを使用する場合に必要な発振対策の必要がない。

図６に本発明の第４の実施例を示す。第４の実施例は、オペアンプ回路８と、信号処理回路６と、抵抗２６と、抵抗２７から構成されている。オペアンプ回路８は、水素センサＦＥＴと、参照ＦＥＴ２と、ＦＥＴ２１，ＦＥＴ２２，ＦＥＴ２３、ＦＥＴ２４，ＦＥＴ２５から構成される。オペアンプ回路８の端子１２７は電源端子、端子１２８はグラウンド端子、端子１２９は出力端子、端子１３０は反転入力端子、端子１３１は非反転入力端子である。非反転入力端子１３１はセンサＦＥＴ１のゲート端子に入力されており、反転入力端子１３０は、参照ＦＥＴ２のゲート端子に入力されている。ＦＥＴ２５は、定電流源として動作し、ゲート端子１２５にはバイアス用の定電圧が入力される。また、ＦＥＴ２４は出力段の負荷電流源として動作し、ゲート端子１２６にはバイアス用の定電圧が入力される。

次に図７の波形図を用いて第４の実施例の回路の動作を説明する。まず、水素濃度が0%の時の動作について説明する。電源電圧と抵抗２６と抵抗２７の抵抗比によって決まる電圧が、オペアンプ８の非反転入力端子１３１に入力されている。本説明では、非反転入力端子１３１の電圧を２Ｖとする。また、非反転入力端子１３０は出力端子１２９に短絡されており、オペアンプ８は、非反転入力に対するユニティゲインバッファとして動作する。水素濃度が０％の場合に、水素センサＦＥＴ１と参照ＦＥＴ２のしきい値電圧（Ｖｔｈ）を含めた電気特性が等しいため、オペアンプ８の出力端子１２９には、非反転入力端子１３１の入力電圧と等しい２Ｖが出力される。次に水素濃度が上昇した場合は、水素センサＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）が低下する。本説明では、Ｖｔｈの低下量を１Ｖとする。Ｖｔｈが１Ｖ低下すると、水素センサＦＥＴのソースとドレイン間の電流（Ｉｄｓ）は、ゲートとソース間の電圧（Ｖｇｓ）が１Ｖ増加した時と同じ値になる。オペアンプ８の出力は、水素センサＦＥＴ１と参照ＦＥＴ２のＩｄｓが等しい時に安定動作となるので、出力端子１２９の電圧は参照ＦＥＴのＶｇｓが１Ｖ増加するように、２Ｖから３Ｖに増加する。このように、水素濃度による水素センサＦＥＴのＶｔｈ変化は、オペアンプ回路８の出力電圧の変化として出力される。非反転入力端子１３１の入力電圧と出力端子１２９の出力電圧の差電圧を検出することで、電源変動による出力信号の変動の影響低減できる。

本実施例を用いることで、プロセス、電源電圧、温度変化による出力変動誤差の小さい水素センサＦＥＴのＶｔｈ変化検出回路を実現することができる。この回路は特に、水素センサＦＥＴや参照ＦＥＴと同じシリコンチップ上に回路構成するためのＦＥＴを製造可能な場合に、シリコンチップと抵抗と信号処理回路のみで水素濃度検出回路を構成でき、低コストかつ低面積で製造が可能となる。

なお、オペアンプ８の回路構成は一例であり、本実施例の構成に限らない。

１・・・センサＦＥＴ
２・・・参照ＦＥＴ
３・・・オペアンプ
４、５、７、１３、１４、２６、２７・・・抵抗
６・・・信号処理回路
８・・・オペアンプ
１１、１２、２１、２２、２３、２４、２５・・・ＦＥＴ
１０２、１１１・・・センサＦＥＴドレイン端子
１０３・・・参照ＦＥＴゲート及びドレイン端子
１０４、１１３・・・センサＦＥＴゲート端子
１０５、１１２・・・センサＦＥＴ及び参照ＦＥＴソース端子
１２７・・・オペアンプ８の電源端子
１２８・・・オペアンプ８のグラウンド端子
１２９・・・オペアンプ８の出力端子
１３０・・・オペアンプ８の反転入力端子
１３１・・・オペアンプ８の非反転入力端子

Claims

検出対象の物理量の変化によってしきい値電圧が変化するセンサＦＥＴと、
検出対象の物理量が変化によってしきい値電圧が変化しない参照ＦＥＴと、を有し、
前記センサＦＥＴと前記参照ＦＥＴのドレイン電圧が等しくなり、かつ、前記センサＦＥＴのドレイン電流と前記参照ＦＥＴのドレイン電流が等しくなるように前記センサＦＥＴのゲートとソース間の電圧を制御し、
前記センサＦＥＴの検出対象の物理量変化によるしきい値電圧の変化を前記参照ＦＥＴのゲート電圧と前記センサＦＥＴのゲート電圧との差として出力することを特徴とするセンサ装置。
請求項１に記載のセンサ装置において、
前記参照ＦＥＴのドレイン端子は、第１の抵抗の第１の端子に接続され、
前記参照ＦＥＴのドレイン電圧は、前記第１の抵抗の抵抗値と前記参照ＦＥＴのドレイン電圧に対するドレイン電流特性によって決まることを特徴とするセンサ装置。
請求項２に記載のセンサ装置において、
前記第１の抵抗の第２の端子と第２の抵抗の第２の端子とが接続される電源と、
前記第１の抵抗の第１の端子が非反転入力され、前記第２の抵抗の第１の端子が反転入力されるオペアンプと、を有し、
前記第２の抵抗の第１の端子は、前記センサＦＥＴのドレイン端子に接続され、
前記オペアンプの出力端子は、前記センサＦＥＴのゲート端子に接続されることを特徴とするセンサ装置。
請求項３に記載のセンサ装置において、
前記参照ＦＥＴのゲート端子はドレイン端子に接続されていることを特徴とするセンサ装置。
請求項３に記載のセンサ装置において、
前記参照ＦＥＴのゲート端子には定電圧が接続されていることを特徴とするセンサ装置。
検出対象の物理量の変化によってしきい値電圧が変化するセンサＦＥＴと、
検出対象の物理量が変化によってしきい値電圧が変化しない参照ＦＥＴと、を有し、
前記センサＦＥＴのゲート端子は、定電圧が入力され、
前記参照ＦＥＴのゲート端子は、ドレイン端子に短絡され、
前記センサＦＥＴのドレイン電流と等しい電流が前記参照ＦＥＴのドレイン端子に印加され、
前記センサＦＥＴの検出対象の物理量変化によるしきい値電圧の変化を前記参照ＦＥＴのゲート電圧と前記センサＦＥＴのゲート電圧との差として出力することを特徴とするセンサ装置。
検出対象の物理量の変化によってしきい値電圧が変化するセンサＦＥＴと、
検出対象の物理量が変化によってしきい値電圧が変化しない参照ＦＥＴと、を有し、
前記センサＦＥＴと前記参照ＦＥＴを入力差動対のＦＥＴとしてオペアンプを構成し、
前記オペアンプの出力端子は、前記オペアンプの反転入力に接続され、
前記センサＦＥＴの検出対象の物理量変化によるしきい値電圧の変化を前記オペアンプの出力端子と前記オペアンプの非反転入力端子の電圧差として出力することを特徴とするセンサ装置。
請求項１または６または７のいずれかに記載のセンサ装置において、
前記センサＦＥＴと前記参照ＦＥＴとは素子特性が同一であることを特徴とするセンサ装置。