JP6838517B2 - ガスセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、ガスセンサに関し、例えば電界効果型センサを備えたガスセンサに関する。
ガスセンサは、雰囲気中のガス濃度に応じたガス濃度検知信号（以下、単にガス濃度検知出力とも称する）を出力する。このようなガスセンサは、水素やメタンなどの可燃性ガスの爆発、および酸化窒素、硫化水素並びに一酸化炭素などの有毒ガスによる人体への悪影響を防止するためのガス濃度計や漏えい検知器などに利用されている。
検知するガスとして、水素を例にして利用例を挙げると次のようなものがある。例えば、地球環境保全の観点から、自動車のＣＯ２の排出量を抑制するため、燃焼しても水しか排出しない、水素を燃料とする燃料電池自動車（ＦＣＶ）の開発が進んでいる。ＦＣＶでは、特に水素燃焼時の水素濃度制御、配管からの水素漏えい検知のための水素濃度計の搭載が必須である。また、原子力発電機用途でも水素検知器が利用されている。
水素は、空気中の濃度が３．９％に達すると爆発することが知られているため、水素の漏えい検知用途では上記爆発限界濃度（３．９％）に達する前に水素濃度計によりアラートを発するといった安全対策が必要である。また、ＦＣＶにおいては燃焼時の水素濃度を最適化することで燃費性能を向上できるため、燃焼条件にフィードバックをかける目的でも水素濃度の監視が必要である。
一方、最近では５００℃を越える高温環境でも動作可能な半導体材料としてシリコンカーバイドを用いた電界効果型（以下、ＦＥＴ型とも称する）ガスセンサが提案されている。高温環境でも動作可能なガスセンサは、ディーゼル車のＮＯｘ排出量を検知する応用が期待されている。すなわち、ガスセンサが高温で動作が可能となることで、排気ガスの温度を低下させるための付加的な装置無しにセンサを実装することが可能となる。また、ガスセンサの表面に付着した煤汚れを、高温にすることにより、取り除く（除去する）ことが可能となるといった利点が考えられる。この結果として、ガスセンサを実装する際の実装コストおよびＮＯｘを中和するための装置コストを低減できる可能性がある。
ガスセンサの方式として、接触燃焼式、半導体式、気体熱伝導式など、いくつかの方式が知られているが、近年、半導体方式のうちのＦＥＴ型ガスセンサが注目されている。これは、ＦＥＴ型ガスセンサは、低濃度のガスを精度良く検知可能で、半導体ウエハを用いたプロセスで製造を行えるため低コスト化、小型化、低消費電力化が実現出来るためである。特に、車載用途では、ＦＥＴ型ガスセンサが、環状シロキサンに対する耐性が高いとして注目されている。環状シロキサンは、道路の舗装に用いるアスファルトやシリコン製品から環境雰囲気に放出され、高温では電気製品の接点の導通不良の原因になりうることが知られているが、ＦＥＴ型ガスセンサは環状シロキサン雰囲気中でも触媒活性（触媒作用の活性）がほとんど変化しない。
ＦＥＴ型ガスセンサを用いてガスを検知する技術は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１では、ＦＥＴ型ガスセンサを構成するＦＥＴデバイスのしきい値電圧が、ガスによって変化することを利用して、ガスの検知が行われている。
また、特許文献２には、バイオセンサに向けられたセンサＩＣが記載されている。このセンサＩＣにおいては、可変容量素子とインダクタによって、共振周波数の信号を発生する発振器が構成され、サンプルの透磁率や誘電率の変化を検知することが示されている。
特開２０１１−１８５９３３号公報 特開２０１６−２０８１５号公報
ＦＥＴ型ガスセンサは、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）のようなＦＥＴデバイスと同様に、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えている。例えば、５００℃を越えるような高温環境においてＦＥＴデバイスを動作させる場合、ＦＥＴの電流電圧特性に大きな影響を与えるソース電極およびドレイン電極の拡散層部に対するコンタクト状態を良好に保つことが困難であることが知られている。
ソース電極およびドレイン電極のコンタクト部分においては、ソース電極およびドレイン電極を形成する金属層（例えば、アルミニウム層）と半導体層（拡散層）とが接合することになる。良好なコンタクト状態とは、この接合がオーミック接合になっている場合を指している。オーミック接合の場合、接合部の電流電圧特性は比例関係にある。しかしながら、高温環境においては、接合は、オーミック接合とはならず、ショットキー接合（コンタクト）に代表されるような接合となる。すなわち、接合部の電流電圧特性に非線形性が現れる。
接合部の電流電圧特性に非線形性が表れるため、ＦＥＴ型ガスセンサの電流電圧特性も非線形となり、補正を行うことが必要となる。さらに、電流電圧特性の非線形性は、環境温度に依存して変化するため、温度変化に応じて補正を行うことも必要となる。これらの補正を行うためのデータ処理に要するコストが増大することになる。このような課題から、特許文献１のようにＦＥＴデバイスの電流電圧特性に基づいてしきい値電圧の変化を検知する方法は、高温環境におけるＦＥＴ型ガスセンサの動作という観点で最適な方法ではない。
また、特許文献２に示す共振周波数の変化を検知する技術の場合、別途、共振周波数の変動を検知する回路を構成する必要がある。さらに、ＦＥＴ型ガスセンサのように、電荷蓄積によってセンサ出力がドリフト（変化）する懸念がある用途においては、適用が困難である。
さらに、特許文献１および２では、高温環境において生じる接合部の非線形性による課題は認識されていない。
本発明の目的は、高温環境においても、安定して、信頼性の高いガス濃度検知が可能なガスセンサを提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態に係わるガスセンサは、ガス濃度に従って容量値が変化するエレメント部と、エレメント部と接続され、エレメント部の容量とで共振回路を形成するインダクタと、共振回路の共振周波数と基準周波数との位相差を検出する位相検出回路と、位相検出回路によって検出された位相差に応じた電圧を、エレメント部に供給するフィードバック部を備える。ここで、共振周波数と基準周波数との間の位相差が減少するように、エレメント部の容量値がフィードバック部からの電圧によって制御され、位相差に基づいたガス濃度検知出力が出力される。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
高温環境において、コンタクト状態が劣化しても、信頼性の高いガス濃度の検知が可能なガスセンサを提供することができる。また、エレメント部の容量が一定になるように、フィードバック制御が行われるため、電荷蓄積によるドリフトが起こりにくくなり、安定性の高いガス濃度検知を行うことが可能なガスセンサを提供することができる。フィードバックによって、容量が一定になるように制御されるため、エレメント部に蓄積された電荷の影響を最小化することが可能なガスセンサを提供することができる。
（Ａ）および（Ｂ）は、参照ＦＥＴおよびセンサＦＥＴの構造を示す断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、水素検知メカニズムを説明するための説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、センサＦＥＴを高温環境で動作させた場合の課題を説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係わるガス検知の原理を説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係わる共振回路の状態を説明するための図である。 実施の形態１に係わる検知ガスセンサの構成を示す回路図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係わる検知ガスセンサの共振回路が共振状態を維持することを説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係わるセンサＦＥＴおよび参照ＦＥＴの構造を示す断面図である。 実施の形態２に係わる検知ガスセンサの構成を示す回路図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態２に係わる検知ガスセンサの動作原理を説明するための図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態３に係わる検知ガスセンサの構成を示す図である。 実施の形態４に係わる検知ガスセンサの構成を示す回路図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態４に係わる検知ガスセンサの動作を説明するための図である。 実施の形態４に係わる検知ガスセンサの変形例を示す回路図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態５に係わる検知ガスセンサの構成を示す図である。 実施の形態１に係わるガスセンサシステムの構成を示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部分には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は、原則として省略する。
以下では、ＦＥＴ型ガスセンサの一例として、ＦＥＴ型水素センサを基に説明を行うが、ＦＥＴ型ガスセンサでは、触媒金属の種類を変更することにより、様々なガス検知が可能であるため、以下の説明は水素に限定されるわけではない。また、以下では、ＦＥＴ型ガスセンサとしてＮチャンネル型のＦＥＴを用いる場合を例として説明を行うが、当然、Ｐチャンネル型のＦＥＴを用いる場合には、印加電圧の向きを逆転するのみであるため、同様に適用可能である。
（実施の形態１）
＜水素検知メカニズム＞
まず、ＦＥＴ型水素センサによる水素検知メカニズムを説明しておく。特に制限されないが、実施の形態に係わるＦＥＴ型水素センサ（ＦＥＴ型ガスセンサ）は、参照ＦＥＴ型センサ（以下、単に参照ＦＥＴとも称する）と検知ＦＥＴ型センサ（以下、単にセンサＦＥＴとも称する）を備えている。このように、参照ＦＥＴとセンサＦＥＴを備えたＦＥＴ型水素センサの例は、あとで図１６を用いて詳しく説明するが、センサＦＥＴと参照ＦＥＴから出力された水素濃度検知出力の差分が求められ、差分が、ＦＥＴ型水素センサからの水素濃度検知出力として上位システムに通知される。
図１は、参照ＦＥＴおよびセンサＦＥＴの構造を示す断面図である。ここで、図１（Ａ）は、参照ＦＥＴの構造の概略を示す断面図であり、図１（Ｂ）は、センサＦＥＴの構造の概略を示す断面図である。図１において、１０８＿ｒは参照ＦＥＴを示し、１０８＿ｓはセンサＦＥＴを示している。同図では、参照ＦＥＴ１０８＿ｒとセンサＦＥＴ１０８＿ｓが別々（分離して）に示されているが、参照ＦＥＴ１０８＿ｒとセンサＦＥＴ１０８＿ｓは、周知の半導体プロセスによって、同一のシリコン基板（ＳＵＢ）１０７に形成されている。また、参照ＦＥＴ１０８＿ｒとセンサＦＥＴ１０８＿ｓとは、サイズや膜および層の構成を含めて、互いにほぼ同じ構成となるように形成されている。主な相異点は、後で説明する検出対象遮断膜を有しているか否かである。
１個のシリコン基板１０７が、図１（Ａ）および図１（Ｂ）間で連続しており、繋がっている。シリコン基板１０７には、ウェル領域（ＷＥＬＬ）１０６が形成されおり、特に制限されないがこのウェル領域１０６も図１（Ａ）と図１（Ｂ）の間で、連続しており、繋がっている。ウェル領域１０６において、互いに隣接した領域に、参照ＦＥＴ１０８＿ｒとセンサＦＥＴ１０８＿ｓが形成されている。すなわち、シリコン基板１０７に形成されたウェル領域１０６において、互いに隣接するように、参照ＦＥＴ１０８＿ｒとセンサＦＥＴ１０８＿ｓが形成されている。
参照ＦＥＴ１０８＿ｒおよびセンサＦＥＴ１０８＿ｓのそれぞれは、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えている。ソース電極はウェル領域１０６に形成されたソース半導体層（拡散層）に接合され、ドレイン電極はウェル領域１０６に形成されたドレイン半導体層（拡散層）に接合されている。特に制限されないが、ソース電極およびドレイン電極は、アルミニウムで構成された金属電極であり、この金属電極がソース半導体層およびドレイン半導体層と接合している。
図１（Ａ）では、１０４（ＤＲＥＦ）が参照ＦＥＴ１０８＿ｒのドレイン半導体層を示し、１０５（ＳＲＥＦ）が参照ＦＥＴ１０８＿ｒのソース半導体層を示している。同様に、図１（Ｂ）において、１５２（ＤＳＥＮ）がセンサＦＥＴ１０８＿ｓのドレイン半導体層を示し、１５３（ＳＳＥＮ）がセンサＦＥＴ１０８＿ｓのソース半導体層を示している。
ガスを検知する触媒金属が、参照ＦＥＴ１０８＿ｒおよびセンサＦＥＴ１０８＿ｓのそれぞれのゲート電極１００として用いられている。実施の形態においては、ゲート電極１００は、水素ガスに対して活性を有する電極であり、例えば、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏ（プラチナ−チタニウム−オキサイド）の積層膜あるいはＰｄ（パラジウム）膜によって形成されている。なお、ゲート電極１００は、以降、触媒ゲート電極（ＣＡＴＧＡＴＥ）１００とも称する。ウェル領域１０６と触媒ゲート電極１００との間に介在するゲート絶縁膜（ＯＸＩＤＥ）１０１は、通常のＦＥＴと同様に、ＳｉＯ２（酸化シリコン）膜で形成されている。
参照ＦＥＴ１０８＿ｒとセンサＦＥＴ１０８＿ｓとを比較すると、参照ＦＥＴ１０８＿ｒの触媒ゲート電極１００は、検出対象遮断膜１５０（ＰＡＳＳＩ）で覆われている。この検出対象遮断膜１５０は、検出対象ガスの透過性が低い膜によって形成されている。この実施の形態においては、水素ガスが検出対象ガスであるため、検出対象遮断膜１５０としては、水素透過性が低い、望ましくは水素透過性の無い膜を選択する。検出対象遮断膜１５０としては、例えばＳｉＮ（シリコンナイトライド）膜が用いられている。参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいては、触媒ゲート電極１００が検出対象遮断膜１５０によって覆われているため、水素ガスは触媒ゲート電極１００まで到達しない。これにより、参照ＦＥＴ１０８＿ｒは、センサＦＥＴ１０８＿ｓと類似した構造を有しているが、水素感応性を持たないようにされている。
勿論、参照ＦＥＴ１０８＿ｒおよびセンサＦＥＴ１０８＿ｓを構成する材料は、上記したものに限定されるものではない。
次に、センサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒを動作させるときのバイアス条件を説明する。なお、本明細書では、以降、半導体層とそれに接合した電極とを区別せずに、纏めて表すとき、端子と称する場合がある。例えば、ドレイン半導体層とそれに接合したドレイン電極とを合わせて述べる場合、ドレイン端子とも称し、ソース半導体層とそれに接合したソース電極とを合わせて述べる場合、ソース端子とも称する。
センサＦＥＴ１０８＿ｓと参照ＦＥＴ１０８＿ｒのドレイン端子とソース端子間には、同じ電圧値のドレインソース電圧ＶＤＳが供給される。これにより、センサＦＥＴ１０８＿ｓにおいては、ドレイン半導体層ＤＳＥＮとソース半導体層ＳＳＥＮとの間を、チャンネル電流ＩＤＳが流れる。同様に、参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいても、ドレイン半導体層ＤＲＥＦとソース半導体層ＳＲＥＦとの間を、チャンネル電流ＩＤＳが流れる。
また、センサＦＥＴ１０８＿ｓと参照ＦＥＴ１０８＿ｒの触媒ゲート電極１００には、同じ電圧値のゲート電圧ＶＧが供給される。この場合、ゲート電圧ＶＧは、接地電圧Ｖｓを基準とした電位（ゲート電位）であり、ソース端子における電位に対する電位ではない。
ウェル領域１０６には、このウェル領域と同じ導電型の半導体層１０３（ＢＲＥＦ）、１５１（ＢＳＥＮ）が形成されている。これらの半導体層１０３（ＢＲＥＦ）、１５１（ＢＳＥＮ）も金属電極と接合し、ウェル端子が形成される。ここでは、半導体層１０３（ＢＲＥＦ）とこれに接合した金属電極をウェル端子１０３（ＢＲＥＦ）と称する。同様に、半導体層１５１（ＢＳＥＮ）とこれに接合した金属電極をウェル端子１５１（ＢＳＥＮ）と称する。センサＦＥＴ１０８＿ｓにおいて、ゲート絶縁膜１０１を介して触媒ゲート電極１００に対向するウェル領域１０６の領域部分は、センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極として機能する。同様に、参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいて、ゲート絶縁膜１０１を介して触媒ゲート電極１００に対向するウェル領域１０６の領域部分は、参照ＦＥＴ１０８＿ｒの基板ゲート電極として機能する。ウェル端子１０３（ＢＲＥＦ）と参照ＦＥＴ１０８＿ｒの基板ゲート電極とは同じ電位となるため、ウェル端子１０３（ＢＲＥＦ）は、参照ＦＥＴ１０８＿ｒの基板ゲート電極と見なされる。同様に、ウェル端子１５１（ＢＳＥＮ）は、センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極と見なされる。
特に制限されないが、センサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒの基板ゲート電極（ウェル端子１５１および１０３）には、基板電圧ＶＢが供給されている。同図では、基板電圧ＶＢは、接地電圧Ｖｓに対する電位となっている。すなわち、ソース端子における電位を基準とした電位ではない。勿論、ウェル端子１５１および１０３に基板電圧ＶＢを供給せずに、センサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒのソース端子に接続するようにしてもよい。このようにした場合、基板ゲート電極とソース半導体層ＳＳＥＮ、ＳＲＥＦとの間の電位差が無くなるため、センサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいて基板効果が生じるのを防ぐことが可能となる。
水素ガスの雰囲気中に、センサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒがおかれると、センサＦＥＴ１０８＿ｓにおいては、図１（Ｂ）に示すように、触媒ゲート電極１００の触媒作用によって、水素ガス（Ｈ２）は、水素原子（Ｈ）または水素イオンに分解される。この分解された水素原子または水素イオンは、触媒ゲート電極１００に吸蔵され、触媒ゲート電極１００とゲート絶縁膜１０１との界面付近に双極子（ＤＩＰＯＬＥ）１０２を形成する。この双極子１０２の作用によって、センサＦＥＴ１０８＿ｓにおいては、しきい値電圧が、ΔＶｔｈ変化することになる。センサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧は、センサＦＥＴ１０８＿ｓの出力電圧ＶＳＥＮとして出力される。そのため、水素ガスを検知すると、センサＦＥＴ１０８＿ｓの出力電圧ＶＳＥＮは、ΔＶｔｈ変化することになる。
これに対して、参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいては、触媒ゲート電極１００が検出対象遮断膜１５０によって覆われているため、水素ガスは触媒作用によって分解されず、双極子１０２は形成されない。そのため、参照ＦＥＴ１０８＿ｒは、水素ガスの雰囲気中におかれても、しきい値電圧は変化しない。参照ＦＥＴ１０８＿ｒのしきい値電圧は、参照ＦＥＴ１０８＿ｒの出力電圧（基準電圧または参照電圧）ＶＲＥＦとして出力されるが、参照ＦＥＴ１０８＿ｒが水素ガスの雰囲気中におかれても、変化しない。
参照ＦＥＴ１０８＿ｒとセンサＦＥＴ１０８＿ｓは、互いに同じサイズで類似した構造を有しており、互いに近接して配置されている。これにより、センサＦＥＴ１０８＿ｓが水素ガスを検知していない時のしきい値電圧は、参照ＦＥＴ１０８＿ｒのしきい値電圧とほぼ等しくなる。そのため、センサＦＥＴ１０８＿ｓが水素ガスを検知したときのしきい値電圧は、参照ＦＥＴ１０８＿ｒのしきい値電圧を基準として、双極子の作用により、水素ガスの濃度に応じた電圧分（ΔＶｔｈ）変化していることになる。
従って、上記した出力電圧ＶＳＥＮと基準電圧ＶＲＥＦとを比較することにより、水素濃度を同定することができる。
図２は、水素検知メカニズムを説明するための説明図である。ここで、図２（Ａ）は、参照ＦＥＴおよびセンサＦＥＴの電流電圧特性を取得する構成を示す回路図であり、図２（Ｂ）は、センサＦＥＴの電流電圧特性を示す特性図である。図２において、１０８は、センサＦＥＴまたは参照ＦＥＴを示している。センサＦＥＴの電流電圧特性を取得する場合、センサＦＥＴ１０８＿ｓが図２（Ａ）のＦＥＴ１０８として用いられ、参照ＦＥＴの電流電圧特性を取得する場合、参照ＦＥＴ１０８＿ｒが図２（Ａ）のＦＥＴ１０８として用いられる。ここでは、センサＦＥＴ１０８＿ｓをＦＥＴ１０８とした場合を説明する。以降、特別に明示しない限り、図２（Ａ）の示したＦＥＴ１０８もセンサＦＥＴ１０８と称する。
図２（Ａ）において、ＧはセンサＦＥＴ１０８のゲート電極を示し、ＤはセンサＦＥＴ１０８のドレイン電極を示し、ＳはセンサＦＥＴ１０８のソース電極を示し、ＢはセンサＦＥＴ１０８の基板ゲート電極（ウェル端子１５１）を示している。また、図２（Ａ）において、ドレインソース電圧ＶＤＳは、接地電圧Ｖｓを基準として、ドレイン電極Ｄに供給されている。同様に、ゲート電圧ＶＧおよび基板電圧ＶＢも、接地電圧Ｖｓを基準として、ゲート電極Ｇおよび基板ゲート電極Ｂに供給されている。図２（Ａ）において、Ｉｓは、センサＦＥＴ１０８のソース電極Ｓと接地電圧Ｖｓとの間に接続された電流源を示している。ドレインソース電圧ＶＤＳ、ゲート電圧ＶＧおよび基板電圧ＶＢを供給した状態で、電流源ＩｓをＩｄｓ０で示すドレイン電流が流れるようにする。このときのセンサＦＥＴ１０８のソース電極Ｓにおけるソース電圧が、図２（Ａ）のＶＳとして示されている。このソース電圧ＶＳも、接地電圧Ｖｓを基準とした電位である。
電流源Ｉｓを流れるドレイン電流がＩｄｓ０となるときの、ゲート電圧ＶＧとソース電圧ＶＳの差分からセンサＦＥＴ１０８のゲートソース間電圧を求め、ドレイン電流とゲートソース間電圧との関係を示す電流電圧特性を取得する。図２（Ｂ）は、このようにして取得した電流電圧特性を示している。
図２（Ｂ）には、水素ガスを検知したとき（“Ｗｉｔｈ ｇａｓ”：以降、ガス検知時とも称する）と、水素ガスを検知していないとき（“Ｗｉｔｈｏｕｔ ｇａｓ”：以降、通常時とも称する）の電流電圧特性が示されている。すなわち、図２（Ｂ）において、実線はガス検知時の特性を示し、破線は通常時の特性を示している。ここで、横軸は、センサＦＥＴ１０８のゲートソース間電圧Ｖｇｓを示しており、縦軸はドレイン電流ＩＤＳ（対数表記）を示している。
ガス検知時と通常時とで、同じ値のドレイン電流ＩＤＳが流れるように、電流源Ｉｓで制御を行う。これにより、センサＦＥＴ１０８の動作電流は、ガス検知時と通常時とで同じになる。また、ガス検知時と通常時とで、同じ値のゲート電圧ＶＧと同じ値のドレインソース電圧ＶＤＳが、センサＦＥＴ１０８に供給されるようにする。これにより、ガス検知時と通常時とで、電流電圧特性は、互いに同様な形状となる。しかしながら、ガス検知時には、双極子１０２が生じるため、この双極子１０２に起因して、センサＦＥＴ１０８のしきい値電圧がΔＶｔｈだけ変化する。すなわち、ガス検知時の電流電圧特性（実線）は、通常時の電流電圧特性（破線）に対して、電圧Ｖｇｓの負側へシフトした形状となる。このシフトする電圧量が、ΔＶｔｈとなる。
ドレイン電流ＩＤＳの値がＩｄｓ０となるように制御している場合を例にして説明すると、ガスに起因したしきい値電圧の電圧変化ΔＶｔｈが、通常時におけるゲートソース間電圧Ｖｇｓ０と、ガス検知時におけるゲートソース間電圧Ｖｇｓ１の差分として表れることになる。上記したように、ガス検知時と通常時とで、ゲート電圧ＶＧは同じ値にしているため、ゲートソース間電圧Ｖｇｓ０、Ｖｇｓ１のそれぞれは、ゲート電圧ＶＧとソース電圧ＶＳとの差分（Ｖｇｓ＝ＶＧ−ＶＳ）で求めることができ、電圧変化ΔＶｔｈは、ガス検知時と通常時のソース電圧ＶＳの差分として最終的に検知される。
参照ＦＥＴ１０８＿ｒを図２（Ａ）のＦＥＴ１０８として用いた場合、検出対象遮断膜１５０が存在するため、ガスに起因した電圧変化ΔＶｔｈは発生しない。そのため、ガス検知時および通常時の両方において、ＦＥＴ１０８の電流電圧特性は、図２（Ｂ）の破線で示した特性となる。従って、参照ＦＥＴ１０８＿ｒのソース電圧ＶＳとセンサＦＥＴ１０８＿ｓのソース電圧ＶＳを比較することにより、水素ガスを検知することが可能となる。
以上が、実施の形態に係わる水素検知のメカニズムである。
実施の形態に係わるガスセンサは、種々の用途に用いられ、種々の場所に設置される。水素ガスセンサを例にして説明すると、水素ガスセンサは、燃料電池自動車の用途に用いられる。この場合、水素ガスセンサは、自動車の水素供給口付近、水素貯蔵タンクの出入口付近、動力装置の水素供給口付近、排気装置内および／または車室内等に設置することが考えられる。また、水素ガスセンサは、原子力発電の原子炉用の用途もある。この場合、ガスセンサは、原子炉建屋内や原子炉補助建屋である制御室等の内部に設置することが考えられる。さらに、水素ガスセンサは、水素インフラ一般の水素検知に利用が可能で、例えば、水素ステーションへの設置、水素ディスペンサの供給口付近に設置することもできる。
また、ＮＯｘセンサを例にとると、例えばディーゼル自動車の排気装置に設置して排出されるＮＯｘ濃度を検出し、この情報をもとにディーゼルエンジンの混合気制御や、ＮＯｘの中和装置制御などを行う応用が考えられる。
前述したように、高温環境でガスセンサを動作させることにより、ガスセンサを実装する際の実装コストおよび装置コストを低減できる可能性がある。また、ガスセンサを高温にすることにより、上記した触媒作用をより活性化することが可能となり、例えば検知速度の高速化を図ることも可能となる。次に、図１および図２で説明したセンサＦＥＴを高温環境で動作させた時に生じる課題を、より詳しく説明する。
＜高温環境での課題＞
図３は、センサＦＥＴを高温環境で動作させた場合の課題を説明するための図である。ここで、図３（Ａ）は、センサＦＥＴ１０８＿ｓの構成を示す断面図である。実施の形態に係わるセンサＦＥＴ１０８＿ｓは、Ｎチャンネル型のＦＥＴ（デバイス）であるため、ソース半導体層ＳＳＥＮおよびドレイン半導体層ＤＳＥＮはＮ型半導体層（Ｎ＋）によって形成されている。また、特に制限されないが、シリコン基板１０７およびウェル領域１０６はＰ型半導体層（Ｐ−ＳＵＢ、Ｐ−ｗｅｌｌ）である。ウェル領域１０６内に形成され、ウェル端子を形成する半導体層ＢＳＥＮも、ウェル領域１０６と同じＰ型半導体層（Ｐ＋）である。なお、同図において符号＋が付された半導体層は、この符号が付されていない半導体層に比べて高濃度であることを示している。また、同図において、Ｐｔ／Ｔｉは、ゲート電極１００がＰｔ−Ｔｉの積層膜であることを示している。
センサＦＥＴ１０８＿ｓのドレイン端子は、ドレイン半導体層ＤＳＥＮとこのドレイン半導体層ＤＳＥＮに接合したドレイン電極とを備え、ソース端子は、ソース半導体層ＳＳＥＮとこのソース半導体層ＳＳＥＮに接合したソース電極とを備えている、また、センサＦＥＴ１０８＿ｓのウェル端子は、半導体層ＢＳＥＮとこの半導体層ＢＳＥＮに接合した電極を備えており、このウェル端子は、センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート端子として機能する。図３（Ａ）において、１０９は、上記した半導体層と金属で形成された電極とが接合される接合部（コンタクト部）を示している。例えば、ドレイン半導体層ＤＳＥＮとドレイン電極（金属電極）との接合部が、符号１０９の○で囲まれている。同図において、符号Ｇは、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極を示しているが、ゲート端子を示していると見なしてもよい。同様に、符号Ｄ、ＳおよびＢは、センサＦＥＴ１０８＿ｓのドレイン電極、ソース電極および基板ゲート電極を示しているが、ドレイン端子、ソース端子および基板ゲート端子を示していると見なしてもよい。
接合部１０９においては、金属電極と半導体層との接合が、オーミックコンタクトとなっていることが望ましい。しかしながら、センサＦＥＴ１０８＿ｓを高温環境で動作させると、接合部１０９での接合は、ショットキーコンタクトになってしまう。図３（Ｂ）は、ショットキーコンタクトの電流電圧特性を示す模式的な特性図である。図３（Ｂ）において横軸は、ショットキーコンタクトした金属電極と半導体層に印加される印加電圧Ｖを示し、縦軸は金属電極と半導体層を流れる電流Ｉを示している。図３（Ｂ）に示すように、ショットキーコンタクトの電流電圧特性１５５は、印加電圧Ｖが特定の電圧を超えると、電流Ｉが急激に変化する非線形である。すなわち、電圧Ｖと電流Ｉとの関係が非線形である。
印加電圧Ｖを、例えばＶｓ１からＶｓ２に変化させた場合、電圧Ｖｓ１からＶｓ２への変化に対して、電流Ｉは直線的に変化しない。すなわち、電圧Ｖｓ１の時には、破線１５７との交点における電流Ｉｓ１が流れ、電圧Ｖｓ２の時には、破線１５７とは異なる傾きの破線１５６との交点における電流Ｉｓ２が流れることになる。ショットキーコンタクトの場合、印加電圧Ｖに依存して電流Ｉは非線形に変化することになる。これに対して、接合部１０９がオーミックコンタクトであれば、破線１５７と破線１５６は同じ傾きを持ち、重なることになる。すなわち、印加電圧Ｖに依存して電流Ｉは線形に変化することになる。
図３（Ｃ）は、接合部１０９がショットキーコンタクトになった場合に、センサＦＥＴ１０８＿ｓにどのように影響するかを説明するための図である。同図は、図２（Ａ）に類似しているが、説明を容易にするために、基板電圧ＶＢが省略されている。図３（Ｃ）においては、接合部１０９は等価的に抵抗素子として記述されている。接合部１０９がオーミックコンタクトであれば、等価抵抗素子１０９の抵抗値は、印加電圧に依存せずに一定となり、図３（Ｂ）で述べたように、破線１５６と１５７は重なる。これに対して、接合部１０９がショットキーコンタクトの場合、等価抵抗素子１０９の抵抗値は、印加電圧によって変化し、図３（Ｂ）に示したように、破線１５６と１５７は異なる傾きを有することになる。
一定のドレインソース電圧ＶＤＳ、一定のゲート電圧ＶＧが、センサＦＥＴ１０８＿ｓに供給され、一定のドレイン電流Ｉｓが流れるように制御されている状態で、センサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧が、ガス濃度に従って変化する場合を考える。ショットキーコンタクトを表す等価抵抗素子１０９の抵抗値が、それに印加される電圧によって非線形に変化するため、等価抵抗素子１０９の抵抗値変化に伴ってソース電圧ＶＳが変化することになる。そのため、しきい値電圧による電圧変化に対して、ショットキーコンタクトが有する電流電圧特性の非線形性に起因する電圧の変化が重畳され、ソース電圧ＶＳの変化として表れることが考えられる。また、ショットキーコンタクトの電流電圧特性１５５は、センサＦＥＴ１０８＿ｓのおかれている周囲の環境温度の変動によっても変化する。環境温度変動によって変化した電流電圧特性の非線形性に起因する電圧の変化も、しきい値電圧の変化に対して重畳され、ソース電圧ＶＳの変化として表れることが考えられる。要約すると、ショットキーコンタクトによる電気伝導の非線形性が、しきい値電圧の変化に重畳され、ソース電圧ＶＳの変化として表れることが考えられる。
ソース電圧ＶＳの変化から、これらの重畳された電流電圧特性の非線形性に起因する変化や環境温度変動に起因する変化と、ガス濃度の変化に起因して変化したしきい値電圧の変化とを区別することは困難である。その結果、ガスセンサによる検知の信頼性が低下することが考えられる。
＜静電容量によるガス検知の原理＞
ショットキーコンタクトによる電気伝導の非線形性による影響を回避するために、実施の形態１においては、センサＦＥＴ１０８＿ｓの空乏層が、検知対象のガス（実施の形態では、水素ガス）の濃度に従って変化することを利用して、ガス濃度の検知が行われる。センサＦＥＴ１０８＿ｓの空乏層の変化は、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇとソース電極Ｓまたは／およびドレイン電極Ｄ間の静電容量の変化として把握することができる。この静電容量は、所謂、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子に該当する。
図４は、実施の形態１に係わるガス検知の原理を説明するための図である。図４（Ａ）は、ガス検知の原理を説明するための回路図であり、図４（Ｂ）は、ガス検知の原理を説明するための特性図である。次に、図４を用いて原理を説明する。
センサＦＥＴ１０８＿ｓをＭＯＳ容量素子として動作させるために、センサＦＥＴ１０８＿ｓのソース電極Ｓとドレイン電極Ｄは互いに接続されている。同図において、１０９は図３で説明した等価抵抗素子であり、センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極Ｂを構成するウェル領域は、等価抵抗素子１０９を介して直流電圧源ＶＢに接続されている。この直流電圧源ＶＢは、接地電圧Ｖｓを基準とした基板電圧ＶＢを、等価抵抗素子１０９を介してセンサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極Ｂを構成するウェル領域に供給する。また、１０９ｄも等価抵抗素子を示しており、この等価抵抗素子１０９ｄは、センサＦＥＴ１０８＿ｓのソース電極Ｓに付随している等価抵抗素子１０９（図３（Ｃ）参照）とドレイン電極Ｄに付随している等価抵抗素子１０９（図３（Ｃ）参照）の合成の等価抵抗素子を表している。
センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇと接地電圧Ｖｓとの間には、直流電圧源Ｖｄｃと交流電圧源Ｖａｃが直列的に接続されている。直流電圧源Ｖｄｃは、接地電圧Ｖｓを基準として直流電圧（ゲートソース間電圧）Ｖｄｃを発生する。また、交流電圧源Ｖａｃは、所定の周波数の交流電圧Ｖａｃを発生する。この交流電圧Ｖａｃは、直流電圧Ｖｄｃに重畳され、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇに供給される。すなわち、ゲート電極Ｇには、接地電圧Ｖｓを基準として、直流電圧Ｖｄｃと交流電圧Ｖａｃの和の電圧（Ｖａｃ＋Ｖｄｃ）が印加されることになる。言い換えるならば、接地電圧Ｖｓを基準として、直流電圧Ｖｄｃがオフセット電圧となり、交流電圧Ｖａｃの周波数で変化する信号が、ＭＯＳ容量素子のゲート電極Ｇに供給されることになる。同図において、Ｃｓは、センサＦＥＴ１０８＿ｓにより構成されたＭＯＳ容量素子の容量を示しており、ＯＵＴはセンサＦＥＴ１０８＿ｓの出力信号を示している。
直流電圧源Ｖｄｃによって発生する直流電圧Ｖｄｃを変化させながら、出力信号ＯＵＴの電位の交流振幅から、容量Ｃｓを計測する。ゲート電極Ｇに供給される直流電圧Ｖｄｃの電圧成分とセンサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧に基づいて、センサＦＥＴ１０８＿ｓの空乏層の広がりが定まる。簡単に述べると、直流電圧Ｖｄｃとしきい値電圧との差の電圧あるいは和の電圧に基づいて、空乏層の広がりが定まる。センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、空乏層の広がりにより定まるため、容量Ｃｓは、しきい値電圧を一定とした場合、直流電圧Ｖｄｃの変化に従って変化することになる。ＭＯＳ容量素子のゲート電極Ｇには、所定の周波数の交流電圧Ｖａｃが供給されるため、交流電圧ＶａｃはＭＯＳ容量素子を介してソース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄに伝達し、出力信号ＯＵＴに含まれる交流成分の振幅（交流振幅）として計測することにより、そのときの直流電圧Ｖｄｃの電圧値に応じた容量Ｃｓを求めることができる。
図４（Ｂ）には、センサＦＥＴ１０８＿ｓにより構成されたＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓと直流電圧Ｖｄｃとの関係が示されている。図４（Ｂ）において、横軸は直流電圧Ｖｄｃを示し、縦軸はＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓの絶対値Ａｂｓを示している。図４（Ｂ）は、所謂、ＭＯＳ容量素子の静電容量−直流電圧特性（以下、容量電圧特性とも称する）を示しており、直流電圧Ｖｄｃを大きくすると、容量Ｃｓは大きくなる。
例えば図２（Ｂ）で示したように、通常時に比べると、ガス検知時はガス濃度に応じて、センサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧が変化する（電圧変化ΔＶｔｈ）。これは、通常時に比べて、ガス検知時にＭＯＳ容量素子に供給されている直流電圧Ｖｄｃが、電圧変化ΔＶｔｈに応じた電圧変化ΔＶｄｃ分だけ変化していることに相当する。
図４（Ｂ）において、ＣＶ１は、通常時の容量電圧特性を示しており、ＣＶ２は、ガス検知時の容量電圧特性を示している。ガス検知時には、ガス濃度に従ったしきい値電圧の電圧変化ΔＶｔｈに応じた電圧変化ΔＶｄｃ分だけ、ゲート電極Ｇに供給されている直流電圧Ｖｄｃの電圧値が変化することになる。そのため、容量電圧特性ＣＶ２は、容量電圧特性ＣＶ１の形状を保持した状態で、横軸Ｖｄｃに沿って移動したような特性となる。
通常時とガス検知時の両方において、直流電圧Ｖｄｃを電圧Ｖｄｃ０に保った状態にした場合、通常時からガス検知時に変わった場合、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、容量値Ｃｓ０から容量値Ｃｓ１へ変化することになる。この容量値Ｃｓ０とＣｓ１と間の差分ΔＣｓが、ガス濃度を表すことになる。例えば、この差分ΔＣｓをガス濃度検知出力として出力する。
一方、通常時とガス検知時の両方において、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓが容量値Ｃｓ０を維持するように、フィードバック制御によってＭＯＳ容量素子に供給される直流電圧Ｖｄｃを制御するようにしてもよい。この場合、通常時では、ＭＯＳ容量素子に供給されている直流電圧Ｖｄｃの電圧値はＶｄｃ０となっているが、ガス検知時には、フィードバック制御により、ＭＯＳ容量素子に供給される直流電圧Ｖｄｃの電圧値はＶｄｃ１に変化することになる。この電圧値Ｖｄｃ０とＶｄｃ１との間の差電圧ΔＶｄｃが、ガス濃度を表すことになるため、この差電圧ΔＶｄｃをガス濃度検知出力として出力する。
以降で説明する実施の形態に係わるガスセンサとしては、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓが通常時とガス検知時とで同じになるようにして、ガス濃度検知出力を出力する例を説明する。以降の実施の形態で説明するが、ガスセンサは、センサＦＥＴによって構成されたＭＯＳ容量素子を備えた共振回路を備えている。通常時とガス検知時において、共振回路が、同じ周波数で共振状態となるようにフィードバック制御を行うことにより、通常時とガス検知時の両方において、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓが同じ容量値となるように制御される。
図５は、実施の形態１に係わる共振回路の状態を説明するための図である。共振回路は、上記したセンサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子とインダクタを備えている。ここでは、共振回路としてインダクタとＭＯＳ容量素子が直列接続されたＬＣ（インダクタ・容量）共振回路を例として説明する。
図５（Ａ）は、ＭＯＳ容量素子の容量電圧特性を示す図である。この図５（Ａ）には、先に説明した図４（Ｂ）と同様に、ＭＯＳ容量素子に供給される直流電圧ＶｄｃとＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓとの関係が示されている。
図５（Ｂ）は、共振回路のゲイン特性と位相特性を示す特性図である。図５（Ｂ）の上側はゲイン特性図を示し、横軸は周波数を示し、縦軸がゲインを示している。また、図５（Ｂ）の下側は位相特性図を示しており、横軸は周波数を示し、縦軸は位相を示している。直流電圧Ｖｄｃが電圧値Ｖｄｃ１の場合、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは容量値Ｃｓ１となる。このときの共振回路の共振周波数が、図５（Ｂ）のゲイン特性図に示した周波数ｆａｃであったとする。共振回路のゲインは、共振周波数において最も高くなる。そのため、容量値Ｃｓ１のときのゲイン特性を示すゲイン特性Ｃｓ１は、図５（Ｂ）のゲイン特性図に示すように、共振周波数ｆａｃにおいてピークとなっており、共振周波数ｆａｃを外れると、ゲインは低下する。
ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、それに供給される直流電圧Ｖｄｃの電圧値をＶｄｃ０からＶｄｃ２へ上昇させると、容量値Ｃｓ０からＣｓ２へと増大する。これにより、共振回路の共振周波数は、低周波数側へ移動する。これは共振周波数が、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓの平方根に反比例するためである。共振周波数が低周波数側へ移動するため、容量Ｃｓが容量値Ｃｓ０のときの共振周波数のゲインは、図５（Ｂ）のゲイン特性図においてゲイン特性Ｃｓ０で示すように、共振周波数ｆａｃよりも高い周波数でゲインがピークとなっている。反対に、容量Ｃｓが容量値Ｃｓ２のときの共振周波数のゲインは、図５（Ｂ）のゲイン特性図においてゲイン特性Ｃｓ２で示すように、共振周波数ｆａｃよりも低い周波数でゲインがピークとなっている。
また、共振回路が共振状態になっているとき、共振回路の位相は０度となり、共振状態から外れると、共振回路の位相は０度からずれ、＋９０度または−９０度となる。図５（Ｂ）の位相特性図には、容量Ｃｓが容量値Ｃｓ０のときの位相特性Ｃｓ０、容量値Ｃｓ１のときの位相特性Ｃｓ１および容量値Ｃｓ２のときの位相特性Ｃｓ２が示されている。共振回路の位相をモニタリングし、位相が０度か０度から外れているかを検出することにより、共振回路が共振状態か否かを検出することが可能である。
＜ガスセンサシステムの構成＞
図１６は、実施の形態１に係わるガスセンサシステムの構成を示すブロック図である。ガスセンサシステム２１０は、ガスセンサ２００とガスセンサ２００からガス濃度検知出力ＯＵＴが供給される上位システム２０１とを備えている。上位システム２０１は、ガス濃度検知出力ＯＵＴによってガス濃度が通知され、通知されたガス濃度に応じた処理を実行する。ガスセンサ２００は、特に制限されないが、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎ、参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆ、基準クロック（参照クロック）発生回路２０２および差動回路２０５を備えている。
検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎは、センサＦＥＴを含むエレメント部２０３＿１および制御回路２０４＿１を備えている。制御回路２０４＿１は、エレメント部２０３＿１からの信号と基準クロック発生回路２０２からの基準クロック（参照クロック）信号ｆａｃとの位相差を検出し、検出した位相差に応じた電圧と基準クロック信号ｆａｃに応じた信号を、エレメント部２０３＿１に供給する。また、制御回路２０４＿１は、センサＦＥＴによって検知されたガス濃度に応じたガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎを出力する。
参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆは、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎと同様な構成を有している。相違点は、エレメント部２０３＿２がセンサＦＥＴの代わりに参照ＦＥＴを備えていることである。制御回路２０４＿２は、制御回路２０４＿１と同様な動作を実行するが、センサＦＥＴの代わりに、参照ＦＥＴによって検知されたガス濃度に応じたガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｒｅｆを出力する。
参照ＦＥＴは、図１で説明したように、触媒ゲート電極が検出対象遮断膜１５０によって覆われている。そのため、水素ガス雰囲気中に、エレメント部２０３＿２がおかれても、エレメント部２０３＿２は、水素ガスに依存しない信号を出力する。従って、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｒｅｆは、水素ガスに依存しない値となる。すなわち、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｒｅｆは、上記した通常時の濃度を示すことになる。
一方、センサＦＥＴは、図１で説明したように、触媒ゲート電極が検出対象遮断膜１５０によって覆われていない。そのため、水素ガス雰囲気中に、エレメント部２０３＿１がおかれた場合、エレメント部２０３＿１は、水素ガスに応じた信号を出力する。従って、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎは、水素ガスの濃度に応じた値となる。すなわち、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎは、上記したガス検知時の濃度を示すことになる。
差動回路２０５は、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとＯＵＴ＿ｒｅｆを入力し、同相成分を除いたガス濃度検知出力ＯＵＴを出力する。ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとＯＵＴ＿ｒｅｆにおける同相成分が取り除かれるため、上位システム２０１にはノイズ等が除かれたガス濃度検知出力ＯＵＴが供給されることになり、信頼性の向上を図ることが可能となる。
次に、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎについて、詳しく説明する。なお、参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆについては、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎとの相異点のみを説明する。
＜検知ガスセンサの構成＞
図６は、実施の形態１に係わる検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎの構成を示す回路図である。検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎは、センサＦＥＴ１０８＿ｓ、インダクタ（Ｌ）１１２、トランスインピーダンスアンプ（Ｉ／Ｖ）１１３、位相検出回路１１４、コントローラ（ＰＩ）１１５、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１１６、アンプ１１７、直流電圧源１１８、交流電圧源１１９および基板用直流電圧源１２０を備えている。図１６に示した検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎとの対応関係を述べると、センサＦＥＴ１０８が、エレメント部２０３＿１に設けられている。特に制限されないが、インダクタ１１２、トランスインピーダンスアンプ１１３、位相検出回路１１４、コントローラ１１５、ローパスフィルタ１１６、アンプ１１７、直流電圧源１１８、交流電圧源１１９および基板用直流電圧源１２０は、制御回路２０４＿１に設けられている。勿論、これは一例であって、制御回路２０４に設けられている構成の一部が、エレメント部２０３＿１に設けられるようにしてもよい。
センサＦＥＴ１０８＿ｓは、図４で説明したのと同様に、ソース電極Ｓとドレイン電極Ｄが互いに接続され、ＭＯＳ容量素子を構成している。以降、ＦＥＴにより構成されたＭＯＳ容量素子は、単にＦＥＴのＭＯＳ容量素子とも称する。また、センサＦＥＴ１０８＿ｓは、図３（Ａ）等で示した構造を備えている。符号１０９および１０９ｄは、図４で説明した等価抵抗素子である。この等価抵抗素子１０９および１０９ｄは、ショットキーコンタクトを等価的に表しているため、以下の説明では、ショットキー抵抗とも称する。
センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇは、交流電圧源１１９および直流電圧源１１８を介して接地電圧Ｖｓに接続されている。ここで、交流電圧源１１９は、図１６で説明した基準クロック発生回路２０２で形成された基準クロック信号ｆａｃの周波数（基準周波数）に基づいた周波数を有する交流電圧Ｖａｃを形成する。例えば、基準クロック信号ｆａｃの周波数と同じ周波数を有する交流電圧Ｖａｃを形成する。また、直流電圧源１１８は、フィードバック電圧ＦＢに従った直流電圧Ｖｄｃを形成する。これにより、接地電圧Ｖｓを基準として、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇには、フィードバック電圧ＦＢに従って変化する直流電圧Ｖｄｃに基準クロック信号ｆａｃの周波数で変化する交流電圧Ｖａｃが重畳されて、供給されることになる。
センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極Ｂを構成する半導体層は、ショットキー抵抗１０９を介して、基板用直流電圧源１２０に接続されている。この基板用直流電圧源１２０は、接地電圧Ｖｓを基準として、直流の基板電圧ＶＢを形成し、ショットキー抵抗を通して基板ゲート電極Ｂに供給する。また、センサＦＥＴ１０８＿ｓのソース端子Ｓを構成する半導体層とドレイン端子Ｄを構成する半導体層は、ショットキー抵抗１０９ｄを介してインダクタ１１２の一方の端子が接続されている。
インダクタ１１２の他方の端子は、トランスインピーダンスアンプ１１３の入力に接続されている。このトランスインピーダンスアンプ１１３は、インダクタ１１２の他方の端部から入力される電流信号を電圧信号に変換（Ｉ／Ｖ変換）して、出力する。トランスインピーダンスアンプ１１３から出力された電圧信号は、位相検出回路１１４に供給される。位相検出回路１１４は、基準クロック発生回路２０２で形成された基準クロック信号ｆａｃとトランスインピーダンスアンプ１１３からの電圧信号との間で位相比較を行い、位相差を検出して、検出した位相差を出力する。
位相検出回路１１４によって検出された位相差は、コントローラ１１５に供給される。コントローラ１１５は、位相検出回路１１４によって検出される位相差が減少し、望ましくはゼロとなるように、直流電圧源１１８によって形成される直流電圧Ｖｄｃを制御する。この実施の形態１においては、コントローラ１１５としてＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）コントローラが用いられている。コントローラ１１５の出力はローパスフィルタ１１６に供給されている。一般的な位相検出回路１１４の出力は、基準クロック信号ｆａｃの２倍の高調波成分２ｆａｃと直流成分の和で構成されている。ローパスフィルタ１１６を設けることにより、高周波成分である高調波成分２ｆａｃが除去される。
ローパスフィルタ１１６の出力が、この実施の形態１においては、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとなり、図１６に示した差動回路２０５へ供給される。そのため、ローパスフィルタ１１６によって、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎからの出力であるガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎに不要な高調波成分が含まれるのが抑制されていると見なすこともできる。
また、ローパスフィルタ１１６の出力は、アンプ１１７に供給される。アンプ１１７の出力がフィードバック電圧ＦＢとして直流電圧源１１８に供給される。アンプ１１７は、ローパスフィルタ１１６からの出力を増幅して、フィードバック電圧ＦＢを形成するが、直流電圧源１１８に適した電圧となるように、アンプ１１７によってゲインが調整される。
センサＦＥＴ１０８＿ｓおよびインダクタ１１２を除いた他の回路部は、デジタル化することも可能である。例えば、トランスインピーダンスアンプ１１３、位相検出回路１１４、コントローラ１１５およびローパスフィルタ１１６をデジタル回路によって構成することが可能である。この場合、アンプ１１７は、デジタル回路からのデジタル信号をアナログ信号へ変換する機能を備えるようにする。
直流電圧源１１８は、供給されたフィードバック電圧ＦＢに従った直流電圧Ｖｄｃを形成する。フィードバック電圧ＦＢに従った直流電圧Ｖｄｃを形成するため、直流電圧源１１８は、可変直流電圧源とも見なすことができる。交流電圧源１１９には、基準クロック発生回路２０２からの基準クロック信号ｆａｃが供給され、この基準クロック信号ｆａｃの周波数と同じ周波数の交流電圧Ｖａｃを形成して、直流電圧Ｖｄｃに加算（Ｖａｃ＋Ｖｄｃ）する。この電圧Ｖａｃ＋Ｖｄｃが、エレメント部２０３＿１内のセンサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇに供給される。
これにより、位相検出回路１１４によって検出された位相差を減少する方向に、直流電圧源１１８により形成される直流電圧Ｖｄｃをフィードバック制御するフィードバック系が構築される。すなわち、位相検出回路１１４によって検出された位相差に応じた電圧を、エレメント部２０３＿１に供給するフィードバック部が、コントローラ１１５、ローパスフィルタ１１６、アンプ１１７、直流電圧源１１８および交流電圧源１１９によって構成されていることになる。この場合、ローパスフィルタ１１６およびアンプ１１７は、設けることが望ましいが、高調波を考慮せず、ゲインの調整も不要であれば、フィードバック部は、ローパスフィルタおよびアンプを備えていなくてもよい。
センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されるＭＯＳ容量素子の容量は、主として直流電圧源１１８によって形成される直流電圧Ｖｄｃによって定まる。そのため、センサＦＥＴ１０８＿ｓとインダクタ１１２によって構成される共振回路ＲＳＣの共振周波数は、フィードバック電圧ＦＢに従って変化することになる。この共振回路ＲＳＣに基準クロック信号ｆａｃと同じ周波数の交流信号（交流電圧Ｖａｃ）が供給され、共振回路ＲＳＣを伝播した交流信号の周波数と基準クロック信号ｆａｃとの位相差が、位相検出回路１１４によって求められることになる。位相検出回路１１４によって求められた位相差が減少するように、ＭＯＳ容量素子の容量値が変更され、共振回路ＲＳＣの共振周波数が、基準クロック信号ｆａｃの周波数を維持するように制御される。このとき、位相検出回路１１４によって求められた位相差に応じた信号が、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとして出力されることになる。
センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されるＭＯＳ容量素子の容量値は、前記したように、ガス濃度に従って変化するが、共振回路ＲＳＣの共振周波数が基準クロック信号ｆａｃの周波数と一致するように、フィードバック制御によるフィードバック電圧ＦＢによって、ＭＯＳ容量素子の容量値が制御されることになる。すなわち、ガス濃度に従って容量値が変化した場合、共振周波数（基準クロック信号ｆａｃの周波数）に合わせた容量値になるように、フィードバック制御され、一定の容量値に向けて変化することになる。ガス濃度に従った容量値と共振周波数に合わせた容量値との差分に応じた値が、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとして出力されることになる。
参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆにおいては、エレメント部２０３＿２（図１６）内のＦＥＴが、図６に示したセンサＦＥＴ１０８＿ｓから、参照ＦＥＴ１０８＿ｒに変更されている。制御回路２０４＿２（図１６）の構成は、図６で説明した構成と同じである。参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいては、触媒ゲート電極が検出対象遮断膜１５０によって覆われているため、水素ガス雰囲気中においても、参照ＦＥＴ１０８＿ｒのしきい値電圧は変化せず、参照ＦＥＴ１０８＿ｒによって構成されたＭＯＳ容量素子の容量値は変化しない。そのため、参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆにおけるフィードバック電圧ＦＢは、参照ＦＥＴ１０８＿ｒによって構成されたＭＯＳ容量素子とインダクタ１１２によって構成された共振回路ＲＳＣの共振周波数を、基準クロック信号ｆａｃの周波数と一致させるための電圧（基準電圧）となり、水素ガス濃度に依存しない一定のオフセット電圧となる。そのため、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｒｅｆは、水素ガス濃度に依存しない値となる。
図１６に示したように、差動回路２０５が、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとＯＵＴ＿ｒｅｆとの差分を求め、ガス濃度検知出力ＯＵＴを上位システム２０１へ通知している。差分を求めることにより、基準クロック信号ｆａｃの温度特性と言ったガス検知に無関係で、センサＦＥＴ１０８＿ｓと参照ＦＥＴ１０８＿ｒに共通の環境因子を除去することが可能である。そのため、より信頼性の高いガス濃度検知結果を、ガス濃度検知出力ＯＵＴとして上位システムに通知することが可能となる。
基準クロック信号ｆａｃは、図１６に示したように基準クロック発生回路２０２によって形成される。この実施の形態１においては、基準クロック発生回路２０２は水晶振動子を備え、この水晶振動子によって定まる周波数に基づいた基準クロック信号ｆａｃが形成される。検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎおよび参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆは、基準クロック信号ｆａｃに同期し、この基準クロック信号ｆａｃの周波数に整合するように共振回路ＲＳＣの共振周波数等が制御される。エレメント部２０３＿１、２０３＿２および制御回路２０４＿１、２０４＿２の外部から供給される基準クロック信号は、温度特性等が安定していることが望ましいため、この実施の形態１においては、水晶振動子を用いて基準クロック信号ｆａｃが形成されている。
さらに、基準クロック信号ｆａｃは、温度に対して校正された周波数特性を備えることが望ましい。これにより、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎおよびＯＵＴ＿ｒｅｆに対して、追加の温度補正が不要となり、コスト低減を図ることが可能となる。
また、この実施の形態１においては、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎと参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆのそれぞれが、共振回路ＲＳＣと位相検出回路１１４を備えている。それぞれの位相検出回路１１４には、共通の基準クロック発生回路２０２によって形成された基準クロック信号ｆａｃが供給されている。さらに、それぞれの共振回路ＲＳＣへ供給される交流信号も共通の基準クロック発生回路２０２で形成された基準クロック信号に基づいている。上記したように基準クロック信号ｆａｃの周波数特性を温度に対して校正しても、温度依存性が残っていることが考えられ、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎおよびＯＵＴ＿ｒｅｆに変動が残ることが考えられる。この場合、変動は差動回路２０５の入力に対してはコモンモードとして表れるため、差動回路２０５によって変動を除去することが可能である。
コントローラ１１５をＰＩコントローラによって構成する場合、比例項（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｎａｌ）に乗算される制御乗数と、積分項（Ｉｎｔｅｇｒａｌ）に乗算される制御乗数が、ガスセンサ２００の外部から適切に設定できるようにすることが望ましい。これにより、ガスセンサ２００毎に、制御乗数を設定することが可能となり、ガスセンサ２００の不良率を低減するのに役立つ。この場合、ガスセンサシステム２１０またはガスセンサ２００に不揮発性メモリを設け、この不揮発性メモリに制御乗数を予め設定し、例えばシステムの起動時に、不揮発性メモリに格納されている制御乗数をＰＩコントローラ設定するようにしてもよい。
＜ガス検知時の動作＞
次に、図６に示した共振回路ＲＳＣが、ガス検知時に共振状態を維持することを説明する。図７は、実施の形態１に係わる検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎ内の共振回路ＲＳＣが共振状態を維持することを説明するための図である。図７（Ａ）は、図５（Ａ）と同様に、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子の容量電圧特性を示す図であり、横軸はＭＯＳ容量素子に供給される電圧を示し、縦軸はＭＯＳ容量素子の容量値を示している。また、図７（Ｂ）は、図５（Ｂ）と同様に、上側には共振回路ＲＳＣのゲイン特性が示されており、下側には共振回路ＲＳＣの位相特性が示されている。図７（Ｂ）の横軸は周波数を示し、上側の縦軸はゲインを示し、下側の縦軸は位相を示している。
図５で説明したように、ＭＯＳ容量素子とインダクタで構成された共振回路の共振周波数は、ＭＯＳ容量素子の容量値に依存して変化する。例えば、図５（Ａ）のように容量Ｃｓが容量値Ｃｓ０、Ｃｓ１、Ｃｓ２と変化すると、図５（Ｂ）に示すように、共振周波数が変化する。一方、センサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧は、水素ガス濃度に従って変化する。このセンサＦＥＴ１０８＿ｓの空乏層の広がりは、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇに供給されている直流電圧ＶｄｃとセンサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧によって変化する。そのため、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、通常時は、図７（Ａ）に示した容量電圧特性ＣＶ１に沿って変化するが、ガス検知時には、図７（Ａ）に示した容量電圧特性ＣＶ２に沿って変化することになる。すなわち、容量電圧特性は、水素ガスに従って変化したしきい値電圧ΔＶｔｈ分、直流電圧Ｖｄｃの軸に沿って負側へ移動する。
通常時、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓが、図７に示すように、容量値Ｃｓ０のとき、このＭＯＳ容量素子とインダクタ１１２によって構成された共振回路ＲＳＣの共振周波数がｆａｃとなっていたとする。このとき直流電圧源１１８は直流電圧Ｖｄｃとして電圧Ｖｄｃ０を形成しているものとする。ガス検知時に、水素ガス濃度によって、センサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧がΔＶｔｈ変化すると、ＭＯＳ容量素子の容量電圧特性はＣＶ１からＣＶ２へ変化することになる。このときに、直流電圧源１１８が電圧Ｖｄｃ０を形成していると、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、増加（ｕｐ）し、容量値Ｃｓ０よりも大きくなる。これにより、共振回路ＲＳＣから位相検出回路１１４へ供給される電圧信号と基準クロック信号ｆａｃとの間に位相差が発生する。
この位相差が位相検出回路１１４によって検出される。フィードバック部によって、この位相差を減少する方向のフィードバック電圧ＦＢが形成され、直流電圧源１１８に供給される。直流電圧源１１８は、フィードバック電圧ＦＢに従って直流電圧Ｖｄｃの電圧値を変化させ、Ｖｄｃ０−ΔＶｔｈにする。これにより、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、容量電圧特性ＣＶ２に沿って、容量値が減少（ｄｏｗｎ）する方向に変化し、容量値Ｃｓ０に到達し、共振回路ＲＳＣの共振周波数は基準クロック信号ｆａｃの周波数となる。すなわち、フィードバック部は、共振回路ＲＳＣの共振周波数を基準クロック信号ｆａｃの周波数と一致させるように、共振状態を維持する。
言い換えるならば、ガス検知時には、ガス濃度に従って変化するＭＯＳ容量素子の容量値の変化を打ち消す方向の直流電圧Ｖｄｃが、フィードバック制御によって形成され、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇに供給されることになる。これにより、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子は、通常時と同じ容量値Ｃｓ０となり、基準クロック信号ｆａｃの周波数と一致した共振周波数の状態が維持される。位相検出回路１１４によって検出される位相差およびフィードバック電圧ＦＢは、ガス濃度に従ってセンサＦＥＴ１０８＿ｓにおいて誘起されたしきい値電圧の電圧変化ΔＶｔｈに相当する。そのため、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎは、位相差またはフィードバック電圧ＦＢを、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとして出力する。実施の形態１においては、位相差に従ってコントローラ１１５およびローパスフィルタ１１６からの出力が、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとして出力されているが、アンプ１１７から出力されているフィードバック電圧ＦＢをガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとして出力してもよい。
ガス検知時、フィードバック部によって、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子は容量値Ｃｓ０となるようにフィードバック制御されるため、図７（Ｂ）に示すように、基準クロック信号ｆａｃの周波数において、共振回路ＲＳＣのゲインはピークとなる。また、基準クロック信号ｆａｃの周波数において、共振回路ＲＳＣの位相は０度となる。すなわち、共振回路ＲＳＣは、基準クロック信号ｆａｃの周波数を共振周波数として維持するように動作する。
ガス検知時に、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎの環境温度が高温状態になり、センサＦＥＴ１０８＿ｓにおいて半導体層と金属電極との間のコンタクト状態が悪化して、ショットキー抵抗が発生しても、または／およびショットキー抵抗が変化しても、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子の容量値は、ショットキー抵抗に依存しないため、信頼性の高いガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎを得ることができる。また、実施の形態１においては、フィードバック制御によって、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子の値が一定となるように制御が行われる。これはセンサＦＥＴ１０８＿ｓを構成する半導体内の空乏層の状態を一定に保つことと同義であり、不要なキャリア蓄積を防ぐ効果が期待できる。その結果として、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子の値の変化を許容するようなオープンループ制御に比べて、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎを安定化することが可能である。
検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎおよび参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆから出力されるガス濃度検知出力の信頼性を向上させ、安定化させることが可能であるため、ガスセンサ２００およびガスセンサシステム２１０の信頼性の向上と、安定化を図ることが可能である。
＜センサＦＥＴおよび参照ＦＥＴの構造＞
次に、上記したセンサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒの構造を説明する。図８は、実施の形態１に係わるセンサＦＥＴおよび参照ＦＥＴの構造を示す断面図である。図８（Ａ）はセンサＦＥＴ１０８＿ｓの断面を示し、図８（Ｂ）は参照ＦＥＴ１０８＿ｒの断面を示している。上記したように、センサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒは、それぞれＮチャンネル型のＦＥＴである。
図８（Ａ）および図８（Ｂ）において、ＳＵＢは、半導体基板を示しており、例えばＰ型の半導体基板である。この半導体基板ＳＵＢは、シリコン基板であってもよいし、シリコンカーバイト基板であってもよい。Ｐ型半導体基板ＳＵＢは、図８（Ａ）と図８（Ｂ）とに分けて描かれているが、図８（Ａ）と図８（Ｂ）においてＰ型半導体基板ＳＵＢは連続しており、一体となっている。一体となっているＰ型半導体基板ＳＵＢにおいて、互いに近接した領域に、図８（Ａ）と図８（Ｂ）に示したＰ型のウェル領域ＰＷＥＬＬが形成されている。図１（Ａ）および（Ｂ）では、ウェル領域も連続していたが、この実施の形態１においては、ウェル領域ＰＷＥＬＬは別々に形成されている。これにより、センサＦＥＴ１０８＿ｓと参照ＦＥＴ１０８＿ｒの基板ゲート電極Ｂは電気的に分離されている。
まず、図８（Ａ）に示したセンサＦＥＴ１０８＿ｓについて説明する。Ｐ型のウェル領域ＰＷＥＬＬ内に、Ｐ型の半導体層ＢＳＥＮと、センサＦＥＴのソース半導体層となるＮ型の半導体層ＳＳＥＮと、センサＦＥＴのドレイン半導体層となるＮ型の半導体層ＤＳＥＮが形成されている。また半導体基板ＳＵＢには、Ｐ型の半導体層ＳＵＢ＿Ｃが形成されている。また、半導体層ＢＳＥＮとＳＳＥＮとの間および半導体層ＤＳＥＮとＳＵＢ＿Ｃとの間には、素子分離膜ＯＸ１が形成されている。Ｐ型のウェル領域ＰＷＥＬＬにおいて、ソース半導体層ＳＳＥＮとドレイン半導体層ＤＳＥＮとの間の領域上には、ゲート酸化膜ＯＸＩＤＥを介して触媒ゲート電極ＳＣＡＴＧＡＴＥが形成されている。この触媒ゲート電極ＳＣＡＴＧＡＴＥは、例えばＰｔ−Ｔｉ−Ｏ（プラチナ−チタニウム−オキサイド）の積層膜あるいはＰｄ（パラジウム）膜である。
ソース半導体層ＳＳＥＮは、絶縁性の層間膜ＯＸ２に形成されたスルーホールを介して金属配線層（例えばアルミニウム配線層）ＣＮＣＤに接続され、さらに金属配線層ＣＮＣＤは遮断膜ＰＡＳＳＩに形成されたスルーホールを介してソースパッドＳＳＥＮＰＡＤに接続されている。特に制限されないが、このソースパッドＳＳＥＮＰＡＤと金属配線層ＣＮＣＤによってソース電極が構成される。金属配線層ＣＮＣＤとソース半導体層ＳＳＥＮとの接合部が、符号１０９＿Ｓで示されており、高温環境ではショットキーコンタクトとなる。
ドレイン半導体層ＳＤＥＮも、ソース半導体層ＳＳＥＮと同様に、絶縁性の層間膜ＯＸ２に形成されたスルーホールを介して金属配線層ＣＮＣＤに接続され、さらに金属配線層ＣＮＣＤは遮断膜ＰＡＳＳＩに形成されたスルーホールを介してドレインパッドＤＲＡＩＮＰＡＤに接続されている。このドレインパッドＤＲＡＩＮＰＡＤと金属配線層ＣＮＣＤによってドレイン電極が構成される。金属配線層ＣＮＣＤとドレイン半導体層ＤＳＥＮとの接合部が、符号１０９＿Ｄで示されており、高温環境ではショットキーコンタクトとなる。
また、半導体層ＢＳＥＮも、絶縁性の層間膜ＯＸ２に形成されたスルーホールを介して金属配線層ＣＮＣＤに接続され、さらに金属配線層ＣＮＣＤは遮断膜ＰＡＳＳＩに形成されたスルーホールを介してボディパッドＢＳＥＮＰＡＤに接続されている。このボディパッドＢＳＥＮＰＡＤと金属配線層ＣＮＣＤによって基板ゲート電極が構成される。金属配線層ＣＮＣＤと半導体層ＢＳＥＮとの接合部が、符号１０９＿Ｂで示されており、高温環境ではショットキーコンタクトとなる。
なお、触媒ゲート電極ＳＣＡＴＧＡＴＥはゲートパッドＳＣＡＴＧＡＴＥＰＡＤに、半導体基板ＳＵＢは基板電位パッドＳＵＢＰＡＤに、それぞれ接続されている。触媒ゲート電極ＳＣＡＴＧＡＴＥとゲートパッドＳＣＡＴＧＡＰＡＤとによって、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極が構成されていると見なしてもよい。
図８（Ａ）に示したゲートパッドＳＣＡＴＧＡＴＥＰＡＤには、図６に示した電圧Ｖａｃ＋Ｖｄｃが供給される。また、ドレインパッドＤＲＡＩＮＰＡＤおよびソースパッドＳＳＥＮＰＡＤは互いに接続され、インダクタンス１１２の一方の端子に接続され、ボディパッドＢＳＥＮＰＡＤは、基板用直流電圧源１２０に接続される。これにより、高温環境では、図６に示したようにショットキー抵抗１０９ｄが、ドレイン半導体層ＤＳＥＮおよびソース半導体層ＳＳＥＮとインダクタンス１１２の間に接続されることになる。また、ショットキー抵抗１０９が、基板ゲート電極を構成する半導体層ＢＳＥＮと基板用直流電圧源１２０との間に接続されることになる。
図８（Ｂ）に示した参照ＦＥＴ１０８＿ｒの構造も、センサＦＥＴ１０８＿ｓの構造と同様である。参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおける触媒ゲート電極は符号ＲＣＡＴＧＡＴＥ、ソース半導体層は符号ＳＲＥＦ、ドレイン半導体層は符号ＤＲＥＦ、ウェル領域に形成された半導体層は符号ＢＲＥＦで示されている。また、参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおけるソースパッドは符号ＳＲＥＦＰＡＤ、ドレインパッドは符号ＤＲＡＩＮＰＡＤ、ボディパッドは符号ＢＲＥＦＰＡＤ、ゲートパッドは符号ＲＣＡＴＧＡＴＥＰＡＤで示されている。
センサＦＥＴ１０８＿ｓにおいては、触媒ゲート電極ＳＣＡＴＧＡＴＥ上の遮断膜ＰＡＳＳＩにスルーホールが形成され、触媒ゲート電極ＳＣＡＴＧＡＴＥが露出している。これに対して、参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいては、触媒ゲート電極ＲＣＡＴＧＡＴＥ上の遮断膜ＰＡＳＳＩにスルーホールが形成されておらず、触媒ゲート電極ＲＣＡＴＧＡＴＥが遮断膜ＰＡＳＳＩによって覆われている。この遮断膜ＰＡＳＳＩが、上記した検出対象遮断膜１５０に相当し、参照ＦＥＴ１０８＿ｒの触媒ゲート電極ＲＣＡＴＧＡＴＥは、水素に対して触媒作用をしない。
参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいても、センサＦＥＴ１０８＿ｓと同様に、ゲートパッドＲＣＡＴＧＡＴＥＰＡＤには、電圧Ｖａｃ＋Ｖｄｃが供給され、ドレインパッドＤＲＡＩＮＰＡＤおよびソースパッドＳＲＥＦＰＡＤは互いに接続され、インダクタンスの一方の端子に接続され、ボディパッドＢＲＥＦＰＡＤは、基板用直流電圧源１２０に接続される。
（実施の形態２）
図９は、実施の形態２に係わる検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎの構成を示す回路図である。図９は、図６と類似しているので、相異点を説明する。図６では、フィードバック電圧ＦＢが直流電圧源１１８に供給され、直流の基板電圧ＶＢがショットキー抵抗１０９を介して基板ゲート電極Ｂに供給されていた。これに対して、図９では、基板電圧ＶＢの代わりに、フィードバック電圧ＦＢがショットキー抵抗１０９を介して基板ゲート電極Ｂに供給され、直流電圧源１１８は、直流電圧Ｖｄｃを形成する。この場合、直流電圧源１１８は、所定の固定（一定）の直流電圧Ｖｄｃを形成する。
これにより、実施の形態２においては、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇの電圧は、一定の固定の直流電圧Ｖｄｃに維持され、この直流電圧Ｖｄｃに交流電圧Ｖａｃが重畳された電圧（Ｖａｃ＋Ｖｄｃ）となる。一方、センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極Ｂには、水素ガス濃度に従って変化するフィードバック電圧ＦＢが供給される。すなわち、ショットキー抵抗１０９を介して、基板ゲート電極Ｂを構成する半導体層（図８（Ａ）の半導体層ＢＳＥＮおよびウェル領域ＰＷＥＬＬ）に、フィードバック電圧ＦＢが供給されることになる。ゲート電極Ｇに供給される直流電圧Ｖｄｃが一定の電圧値に維持されていても、ウェル領域ＰＷＥＬＬに供給される直流電圧を変えることにより、空乏層の広がりが変化する。この実施の形態２においては、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓがガス濃度に従って変化するのを打ち消すように、フィードバック電圧ＦＢによってウェル領域ＰＷＥＬＬの電圧が変更される。
すなわち、実施の形態１では、一定の固定的な基板電圧ＶＢがショットキー抵抗１０９を介してウェル領域ＰＷＥＬＬに供給されていたが、この実施の形態２ではガス濃度に従って変化するフィードバック電圧ＦＢがウェル領域ＰＷＥＬＬに供給される。また、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎは、実施の形態１と同様に、コントローラ１１５からの出力に基づいている。すなわち、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎは、フィードバック電圧ＦＢの基になる信号に基づいている。
図１０は、実施の形態２に係わる検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎの動作原理を説明するための図である。図１０（Ａ）は、図７（Ａ）と同様に、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されるＭＯＳ容量素子の容量電圧特性を示しており、図１０（Ｂ）は、図７（Ｂ）と同様に、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子とインダクタ１１２により構成される共振回路ＲＳＣのゲイン特性および位相特性を示している。
図１０（Ａ）には、３個の容量電圧特性が示されている。一番上側の容量電圧特性ＣＶ１は、通常時の特性を示し、二番目の容量電圧特性ＣＶ２は、ガス検知時の特性を示している。最も下側の容量電圧特性ＣＶ３（＝ＣＶ１）は、ガス検知時にフィードバック制御によって変更された特性を示している。通常時およびガス検知時の両方において、直流電圧源１１８が形成する直流電圧Ｖｄｃは一定の電圧値Ｖｄｃ０に維持されている。通常時においては、フィードバック電圧ＦＢの電圧値はＶＢ０となっており、通常時では、ＭＯＳ容量素子の容量ＣｓがＣｓ０となっており、共振回路ＲＳＣの共振周波数は、基準クロック信号ｆａｃの周波数と同じになっている。
ガスを検知すると、ガス濃度に従ってセンサＦＥＴ１０８＿ｓのしきい値電圧がΔＶｔｈ変化する。しきい値電圧がΔＶｔｈ変化すると、ＭＯＳ容量素子の容量電圧特性は、ＣＶ１からＣＶ２へ変化する。すなわち、ＭＯＳ容量素子の容量電圧特性は、図１０（Ａ）に示すように、横軸Ｖｄｃに沿ってシフトする。ゲート電極Ｇに供給されている直流電圧Ｖｄｃの電圧値は、Ｖｄｃ０を維持しているため、ＭＯ容量素子の容量Ｃｓは、容量値Ｃｓ０から容量値Ｃｓ１へと増大する。これに伴い、共振回路ＲＳＣの共振周波数は、基準クロック信号ｆａｃの周波数よりも低い周波数へ移動しようとするため、位相検出回路１１４によって位相差が検出されることになる。コントローラ１１５は、この位相差をゼロとする方向にフィードバック制御を行う。すなわち、ガス検知時の容量電圧特性ＣＶ２を、通常時の容量電圧特性ＣＶ１へ戻すようなフィードバック制御を行う。
このフィードバック制御により、ウェル領域ＰＷＥＬＬに供給されるフィードバック電圧ＦＢの電圧値は、ＶＢ０からＶＢ１へと変化し、容量電圧特性はＣＶ３となる。この容量電圧特性ＣＶ３は、通常時の容量電圧特性ＣＶ１と同じである。これにより、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子の容量値はＣｓ０となり、共振回路ＲＳＣの共振周波数は基準クロック信号ｆａｃの周波数と同じになる。すなわち、フィードバック制御により、共振回路ＲＳＣの共振周波数は、基準クロック信号ｆａｃの周波数と同じ周波数を維持することになる。通常時に、ウェル領域ＰＷＥＬＬに供給されているフィードバック電圧ＦＢの電圧値をＶＢ０とすると、ガス検知時にフィードバック制御によって形成されたフィードバック電圧ＦＢの電圧値ＶＢ１は、電圧値ＶＢ０と、ガス濃度に従ったしきい値電圧の電圧変化分ΔＶｔｈとの和の電圧値（ＶＢ１＝ＶＢ０＋ΔＶｔｈ）となる。従って、フィードバック電圧ＦＢの変化分ΔＶＢ（ΔＶＢ＝ＶＢ１−ＶＢ０）がしきい値電圧の電圧変化分ΔＶｔｈとして出力することができ、ガス濃度に応じたガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎを出力することができる。
図１０（Ｂ）に示すように、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子とインダクタ１１２によって構成された共振回路ＲＳＣは、基準クロック信号ｆａｃの周波数において、そのゲインがピークとなり、また位相は０度となる。そのため、基準クロック信号ｆａｃの周波数が共振周波数として維持されることになる。
検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎを例にして説明したが、参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆも、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎと同様な構成にされている。すなわち、参照ＦＥＴ１０８＿ｒのゲート電極Ｇには、固定的な直流電圧Ｖｄｃが供給され、基板ゲート電極Ｂにはフィードバック電圧ＦＢが供給される。
（実施の形態３）
図１１は、実施の形態３に係わる検知ガスセンサの構成を示す図である。ここで、図１１（Ａ）は、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎの構成を示す回路図である。また、図１１（Ｂ）は、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎで用いられる半導体装置の平面図である。図１１（Ａ）は、図６と類似しているため、相異点を主に説明する。
図１１（Ａ）において、１２１は、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎに用いられる半導体装置（以下、チップとも称する）を示している。この実施の形態３においては、センサＦＥＴ１０８＿ｓとインダクタが１個の共通のチップに形成されている。同図において、ＧＨ、ＢＨ、ＳＨおよびＨ１〜Ｈ２は、チップ１２１の端子を示している。なお、ショットキー抵抗１０９および１０９ｄは、半導体層と金属電極との接合に付随しているため、図１１（Ａ）では、ショットキー抵抗１０９および１０９ｄは、チップ１２１に含まれるように描かれている。
センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇはチップ１２１の端子ＧＨに接続され、基板ゲート電極Ｂはチップ１２１の端子ＢＨに接続され、ドレイン電極Ｄとソース電極Ｓは互いに接続されて、チップ１２１の端子ＳＨに接続されている。ショットキー抵抗１０９および１０９ｄを考慮して接続を述べると、ショットキー抵抗１０９を介して、基板ゲート電極Ｂを構成するウェル領域が端子ＢＨに接続され、ショットキー抵抗１０９ｄを介して、ドレイン端子を構成するドレイン半導体層およびソース端子を構成するソース半導体層が、端子ＳＨに接続されていることになる。ゲート電極Ｇには、端子ＧＨを介して、図６と同様に電圧Ｖａｃ＋Ｖｄｃが供給されており、基板ゲート電極Ｂを構成するウェル領域には、端子ＢＨおよびショットキー抵抗１０９を介して基板電圧ＶＢが供給されている。
この実施の形態３においては、チップ１２１にヒータ線が形成され、ヒータ線による発熱によって、チップ１２１が加熱され、高温に昇温するように構成されている。チップ１２１を高温にすることにより、センサＦＥＴ１０８＿ｓの触媒ゲート電極による触媒作用をより活性化させることが可能となる。チップ１２１に形成されたヒータ線は、この実施の形態３においては、２個のヒータ線１２２および１２３によって構成されている。ヒータ線（第１ヒータ線）１２２の一方の端子は、端子ＳＨに接続され、他方の端子は、端子（第１端子）Ｈ１に接続されている。また、ヒータ線（第２ヒータ線）１２３の一方の端子も、端子ＳＨに接続され、他方の端子は、端子（第２端子）Ｈ２に接続されている。チップ１２１の端子Ｈ２は接地電圧Ｖｓに接続され、端子Ｈ１と接地電圧Ｖｓとの間にはヒータ（昇温）用直流電圧源１２４が接続されている。ヒータ用直流電圧源１２４によって形成された直流電圧ＶＨが、端子Ｈ１に供給され、ヒータ線１２２および１２３を介して接地電圧Ｖｓへ直流電流が流れることにより、ヒータ線１２２および１２３が発熱し、チップ１２１が加熱され、昇温が行われる。
一般的に、インダクタを小面積でチップ１２１上に形成するのは難しい。この実施の形態３においては、ヒータ線１２２および１２３が有するインダクタ成分が、共振回路ＲＳＣを構成する共振用のインダクタとして用いられる。同図において、１２２＿Ｌはおよび１２３＿Ｌは、ヒータ線１２２および１２３が備えるインダクタ成分を示している。また、符号１２２＿Ｒおよび１２３＿Ｒは、ヒータ線１２２および１２３が備える抵抗成分を示しており、発熱は主として、この抵抗成分１２２＿Ｒおよび１２３＿Ｒに直流電流が流れることにより生じる。ヒータ線１２２は、端子ＳＨと端子Ｈ１との間に直列接続されたインダクタ成分１２２＿Ｌと抵抗成分１２２＿Ｒによって構成されていることになる。同様に、ヒータ線１２３は、端子ＳＨと端子Ｈ２との間に直列接続されたインダクタ成分１２３＿Ｌと抵抗成分１２３＿Ｒによって構成されていることになる。
センサＦＥＴ１０８＿ｓによってＭＯＳ容量素子が構成されているため、ゲート電極Ｇに供給されている電圧Ｖａｃ＋Ｖｄｃのうち、直流電圧Ｖｄｃは端子ＳＨに伝達されない。しかしながら、ヒータ線１２２と１２３とによってヒータ用直流電圧ＶＨが分圧され、分圧電圧が端子ＳＨに供給されることになる。そのため、端子ＳＨからトランスインピーダンスアンプ１１３に出力される信号の波形は、交流電圧Ｖａｃに基づいた交流信号成分と直流電圧成分（分圧電圧）を含むことになる。図１１では省略されているが、この直流電圧成分を除去するために、端子ＳＨとトランスインピーダンスアンプ１１３の入力との間には、直流成分カット用の容量素子（直流成分カット用容量素子）が接続されている。
また、直流電圧源１１８が形成する直流電圧Ｖｄｃの電圧値は、上記した分圧電圧を考慮して定める。例えば、図６に示した直流電圧源１１８と同じ電圧値を、図１１に示した直流電圧源１１８が形成した場合、ＭＯＳ容量素子に供給される電圧は、分圧電圧に相当する分だけ小さくなる。例えば、分圧電圧が直流電圧ＶＨの半分の電圧（ＶＨ／２）であった場合、ＭＯＳ容量素子に供給される電圧は、この電圧（ＨＶ／２）分小さくなる。この実施の形態３においては、直流電圧源１１８が、この電圧（ＨＶ／２）を固定オフセット電圧として含み、フィードバック電圧ＦＢに従って変化する直流電圧Ｖｄｃを形成する。実施の形態１と比較すると、実施の形態３に係わる直流電圧源１１８は、電圧（ＨＶ／２）分高い直流電圧Ｖｄｃを形成することになる。
図１１（Ｂ）において、ＳＣＡＴＧＡＴＥは、センサＦＥＴ１０８＿ｓの触媒ゲート電極を示し、ＤＳＥＮはドレイン半導体層を示し、ＳＳＥＮはソース半導体層を示している。また、ＧＨ、ＢＨ、ＳＨおよびＨ１〜Ｈ２は、上記した端子を示しており、チップ１２１に形成されている。ヒータ線１２２および１２３は、平面視で見たとき、チップ上に渦巻き状に形成された金属配線層により構成されている。
ヒータ線１２２および１２３は、互いに同じ値のインダクタ成分１２２＿Ｌ、１２３＿Ｌと互いに同じ値の抵抗成分１２２＿Ｒ、１２３＿Ｒを有するように配置することが望ましい。また、チップ１２１の昇温効果を上げ、低電力化を図るためには、ヒータ線１２２および１２３は、チップ１２１の全体をカバーするように配置することが望ましい。ヒータ線１２２および１２３を構成する金属配線層の材料は、チップ１２１の昇温目標とヒータ線で利用可能な電圧値によって定められる。５００℃のような高温環境にする場合には、金属配線層の材料としてプラチナ（Ｐｔ）が考えられる。
ヒータ線１２２および１２３によって、チップ１２１を加熱するだけであれば、ヒータ線１２２および１２３は、平面視で見たとき直線状の金属配線層によって形成することも可能である。この実施の形態３においては、ヒータ線１２２および１２３が備えるインダクタ成分を積極的に共振用のインダクタとして用いる。そのため、インダクタ成分を生じさせるように、ヒータ線１２２および１２３は、図１１（Ｂ）に示すように渦巻き状に形成されている。平面視で見たときに、渦巻き状に金属配線層を配置する場合、例えば図１１（Ｂ）に示した領域ＣＲＡにおいて金属配線層が交差することになる。この実施の形態３においては、領域ＣＲＡにおいて、交差する配線のうちの一つはチップ１２１に形成された拡散層（半導体層）等で形成されている。これにより、金属配線層の層数が２層に増えるのを防ぎながら、インダクタ成分を積極的に利用することが可能なヒータ線１２２、１２３を形成することができる。
この実施の形態３においては、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子と、インダクタ成分１２２＿Ｌ、１２３＿Ｌによって共振回路ＲＳＣが構成される。ガス濃度に従って、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子の容量値が変化すると、共振回路ＲＳＣの共振周波数が、基準クロック信号ｆａｃの周波数から変化することになる。これにより、端子ＳＨから出力される交流信号の周波数が変わり、位相検出回路１１４で位相差が検出され、フィードバック制御により、実施の形態１と同様にフィードバック電圧ＦＢが変更される。また、位相差に応じたガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎが出力される。この実施の形態３によれば、ヒータ線によって昇温が行われるため、触媒作用の活性化を図ることが可能である。さらに、ヒータ線のインダクタ成分を共振用のインダクタとして用いるため、小型化が可能である。
検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎを例にして説明したが、参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆも図１１（Ａ）と同様な構成にされている。この場合、参照ＦＥＴ１０８＿ｒおよびヒータ線は、図１１（Ｂ）に示した構成と同様の構成を有するチップを別途用意してもよいし、図１１（Ｂ）に示したチップ１２１に参照ＦＥＴ１０８＿ｒおよびヒータ線を形成するようにしてもよい。例えば、１個のチップに、図１１（Ｂ）に示したようなチップ１２１を２個並べるようにしてもよい。この場合、センサＦＥＴ１０８＿ｓおよび参照ＦＥＴ１０８＿ｒにおいて、インダクタを共有にするようなレイアウトも可能である。
また、図１１では、直流電圧源１１８にフィードバック電圧ＦＢを供給する例を示したが、実施の形態２で述べたように、フィードバック電圧ＦＢを基板ゲート電極Ｂに供給するようにしてもよい。この場合も、基板ゲート電極Ｂに供給されるフィードバック電圧ＦＢは、端子ＳＨにおける直流電圧（分圧電圧）を考慮して、固定のオフセット電圧を含むようにすることが望ましい。
この実施の形態３においては、チップ１２１がエレメント部と見なされる。図１６に示したエレメント部２０３＿１と２０３＿２を別々のチップによって構成する場合、エレメント部２０３＿１に対応するチップ１２１には、図１１（Ａ）に示したセンサＦＥＴ１０８＿ｓとヒータ線１２２、１２３が形成されることになる。一方、エレメント部２０３＿２に対応するチップ１２１には、参照ＦＥＴ１０８＿ｒと、このチップ用のヒータ線（１２２，１２３）が形成されることになる。また、１個のチップにエレメント部２０３＿１と２０３＿２を形成する場合には、このチップにセンサＦＥＴ１０８＿ｓ、参照ＦＥＴ１０８＿ｒおよびヒータ線１２２、１２３が形成されることになる。
チップを構成する半導体基板は、シリコン基板でもシリコンカーバイト基板であってもよく、シリコン基板またはシリコンカーバイト基板に、センサＦＥＴ１０８＿ｓ、参照ＦＥＴ１０８＿ｒ、ヒータ線１２２、１２３が形成される。
（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４に係わる検知ガスセンサの構成を示す回路図である。実施の形態１〜３においては、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子とインダクタによって共振回路ＲＳＣが構成され、共振回路ＲＳＣを伝播する交流電圧信号と基準クロック信号ｆａｃとの間の位相差に基づいたガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎが出力されていた。そのため、共振回路ＲＳＣへ供給する交流電圧信号を形成する交流電圧源１１９が設けられていた。
これに対して、実施の形態４に係わる検知ガスセンサには、センサＦＥＴ１０８＿ｓのＭＯＳ容量素子とインダクタによって構成された共振回路ＲＳＣを用いた発振回路が設けられ、発振回路の発信周波数と基準クロック信号ｆａｃとの位相差が検出され、位相差に基づいたガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎが出力される。この場合、共振回路ＲＳＣの共振周波数が、基準クロック信号ｆａｃの周波数と一致するように、ＭＯＳ容量素子の容量値が、検出された位相差に従ってフィードバック制御される。
検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎは、発振回路ＯＳＣ、発振回路ＯＳＣの出力（発振）ノードＮ０に接続された直流電圧成分を除去する直流成分カット用の容量素子Ｃ１、位相検出回路１１４、コントローラ１１５、ローパスフィルタ１１６およびアンプ１１７を備えている。発振回路ＯＳＣの出力ノードＮ０からの出力である発振信号は、直流成分カット用容量素子Ｃ１を介して、位相検出回路１１４に供給される。位相検出回路１１４は、基準クロック信号ｆａｃと発振信号との間の位相差を検出し、位相差に応じた信号をコントローラ１１５へ出力する。コントローラ１１５の出力はローパスフィルタ１１６に供給され、ローパスフィルタ１１６の出力は、ガス濃度検知出力ＯＵＴ＿ｓｅｎとして出力されるとともに、アンプ１１７に供給される。アンプ１１７は、ローパスフィルタ１１６の出力に応じた直流電圧Ｖｄｃを、発振回路ＯＳＣに供給する。位相検出回路１１４、コントローラ１１５、ローパスフィルタ１１６およびアンプ１１７は、実施の形態１〜３で説明しているので、これ以上の説明は省略する。
発振回路ＯＳＣは、共振回路ＲＳＣと、共振回路ＲＳＣに接続された駆動回路１２６を備えている。共振回路ＲＳＣは、共振用インダクタ１２５と共振用容量素子を備えている。共振用容量素子は、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子と、このＭＯＳ容量素子と直列的に接続された容量素子Ｃ０とを備えている。実施の形態１〜３と同様に、センサＦＥＴ１０８＿ｓのドレイン電極Ｄとソース電極Ｓとが互いに接続され、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇと共通接続されたドレイン電極Ｄ・ソース電極Ｓを電極としたＭＯＳ容量素子が構成されている。また、センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極Ｂは、実施の形態１と同様に、基板用直流電圧源１２０に接続され、基板電圧ＶＢが供給される。なお、センサＦＥＴ１０８＿ｓには、実施の形態１〜３で説明したショットキー抵抗１０９、１０９ｄが付随しているが、図１２では省略している。容量素子Ｃ０は、調整用の容量素子であり、その一方の端子ノードＮＣ＿１がＭＯＳ容量素子の電極（ゲート電極Ｇ）に接続されている。
共振用インダクタ１２５は、直列的に接続された２個のインダクタ１２５＿１と１２５＿２を備えている。すなわち、インダクタ１２５＿１と１２５＿２のそれぞれの一方の端子ノードＮＬ１＿１、ＮＬ２＿１が互いに接続されている。インダクタ１２５＿１および１２５＿２の端子ノードＮＬ１＿１およびＮＬ２＿１には、電源電圧Ｖｄが供給される。インダクタ１２５＿１と１２５＿２のそれぞれは、インダクタ成分Ｌと抵抗成分Ｒを備えている。
上記した共振用インダクタ１２５と共振用容量素子が、並列接続され、共振回路ＲＳＣが構成されている。すなわち、インダクタ１２５＿１の他方の端子ノードＮＬ１＿２と容量素子Ｃ０の他方の端子ノードＮＣ＿２とが接続され、インダクタ１２５＿２の他方の端子ノードＮＬ２＿２とＭＯＳ容量素子の電極（ドレイン電極Ｄ、ソース電極Ｓ）とが接続されている。
駆動回路１２６は、電流源ＩＣｎｔと２個のＮチャンネル型のＦＥＴＴｒ１、Ｔｒ２を備えている。ＦＥＴＴｒ１およびＴｒ２のそれぞれのソース電極は、電流源ＩＣｎｔを介して接地電圧Ｖｓに接続され、ＦＥＴＴｒ１のゲート電極とＦＥＴＴｒ２のドレイン電極は、駆動回路１２６の入出力ノードＮＤ＿２に接続され、ＦＥＴＴｒ２のゲート電極とＦＥＴＴｒ１のドレイン電極は、駆動回路１２６の入出力ノードＮＤ＿１に接続されている。すなわち、ＦＥＴＴｒ１とＴｒ２はクロスカップル接続されている。なお、ＦＥＴＴｒ１およびＴｒ２のそれぞれの基板ゲート電極は、ソース電極に接続されている。
駆動回路１２６の入出力ノードＮＤ＿２は、共振回路ＲＳＣの一方の端子（端子ノードＮＬ１＿２およびＮＣ＿２）と出力ノードＮ０に接続され、入出力ノードＮＤ＿１は、共振回路ＲＳＣの他方の端子（ＭＯＳ容量素子の電極（Ｄ、Ｓ）およびＮＬ２＿２）に接続されている。
共振回路ＲＳＣの共振周波数で、入出力ノードＮＤ＿１およびＮＤ＿２の電圧が相補的に変化する。すなわち、入出力ノードＮＤ＿１における電圧は、共振周波数の周期で電源電圧Ｖｄ側と接地電圧Ｖｓ側に向かって、交互に（交流的に）変化する。同様に、入出力ノードＮＤ＿２における電圧も、共振周波数の周期で電源電圧Ｖｄ側と接地電圧Ｖｓ側に向かって、交互に（交流的に）変化する。入出力ノードＮＤ＿１とＮＤ＿２における電圧の変化方向が、相補的になっている。
駆動回路１２６におけるＦＥＴＴｒ１は、入出力ノードＮＤ＿２が電源電圧Ｖｄ側に向かって変化するとき、オン状態となり、入出力ノードＮＤ＿１を接地電圧Ｖｓ側に向かって変化させる。同様に、ＦＥＴＴｒ２は、入出力ノードＮＤ＿１が電源電圧Ｖｄ側に向かって変化するとき、オン状態となり、入出力ノードＮＤ＿２を接地電圧Ｖｓ側に向かって変化させる。すなわち、クロスカップル接続されたＦＥＴＴｒ１およびＴｒ２を備える駆動回路１２６によって、共振周波数での発振が継続するように補助される。
この実施の形態４においては、アンプ１１７からの直流電圧Ｖｄｃが、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇに供給されている。すなわち、ＭＯＳ容量素子のゲート電極に供給されている。これにより、位相差に従って変化する直流電圧Ｖｄｃにより、ＭＯＳ容量素子の容量値が変化し、共振周波数が変化し、発振信号の周波数が変化することになる。
次に、図１２に示した検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎの動作を、図１３を用いて説明する。図１３は、実施の形態４に係わる検知ガスセンサの動作を説明するための図である。図１３（Ａ）は、図５（Ａ）と同様に、センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子の電荷電圧特性を示す図であり、図１３（Ｂ）は、図５（Ｂ）と同様に、共振回路ＲＳＣのゲイン特性および位相特性を示す図である。
ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、ゲート電極Ｇに供給される直流電圧Ｖｄｃの電圧値に応じて、図１３（Ａ）に示すように変化する。すなわち、直流電圧Ｖｄｃが、電圧値Ｖｄｃ０、Ｖｄｃ１、Ｖｄｃ２と変化すると、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓは、容量値Ｃｓ０、Ｃｓ１、Ｃｓ２と変化する。ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓが変化することにより、共振回路ＲＳＣの共振周波数が変化し、発振回路ＯＳＣが発生する発振信号の周波数も変化する。
例えば、直流電圧Ｖｄｃの電圧値がＶｄｃ０のとき、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓの値は、Ｃｓ０となり、共振回路ＲＳＣの共振周波数は、ｆｒ０となる。直流電圧Ｖｄｃの電圧値がＶｄｃ１へ上昇すると、容量Ｃｓの値は、Ｃｓ１と上昇し、共振回路ＲＳＣの共振周波数は、ｆｒ１と低くなる。さらに、直流電圧Ｖｄｃの電圧値がＶｄｃ２へ上昇すると、容量Ｃｓの値は、Ｃｓ２と上昇し、共振回路ＲＳＣの共振周波数は、ｆｒ２とさらに低くなる。
位相検出回路１１４は、直流成分カット用容量素子Ｃ１を介して供給された発振信号の周波数と基準クロック信号ｆａｃの周波数ｆａｃとの位相差を、コントローラ１１５へ供給する、コントローラ１１５は位相差に従った直流電圧Ｖｄｃをアンプ１１７から出力させる。基準クロック信号ｆａｃの周波数ｆａｃに、発振回路ＯＳＣの発振周波数をロックさせる場合、フィードバック制御により、現在の発振信号と基準クロック信号ｆａｃとの間の位相差に従った直流電圧Ｖｄｃが、ＭＯＳ容量素子のゲート電極Ｇに供給されることになる。この直流電圧Ｖｄｃによって、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓが変化し、共振回路ＲＳＣの共振周波数が、例えば図１３（Ｂ）に示したｆｒ０またはｆｒ２からｆｒ１に向かって変化することになる。すなわち、フィードバック制御により、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓの値が、Ｃｓ１となるように制御される。フィードバック制御により、位相検出回路１１４によって検出された位相差がゼロとなるように制御されることにより、共振回路ＲＳＣの共振周波数が、基準クロック信号ｆａｃの周波数と一致させることが可能となり、発振回路ＯＳＣの発信周波数は基準クロック信号ｆａｃの周波数にロックされることになる。
なお、図１３（Ｂ）に示すように、共振回路ＲＳＣは、共振周波数ｆｒ０、ｆｒ１、ｆｒ２でゲインがピークとなり、位相は０℃となる。
実施の形態４における共振回路ＲＳＣの共振周波数は、図１３（Ｃ）に示した式によって表される。ここで、ｆｒは共振回路ＲＳＣの共振周波数を示し、Ｃ０は容量素子Ｃ０の容量値、ＣｓはセンサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されるＭＯＳ容量素子の容量値、Ｌはインダクタ１２５の値（インダクタンス）を示している。
＜変形例＞
図１４は、実施の形態４に係わる検知ガスセンサの変形例を示す回路図である。図１２に示した検知ガスセンサと異なる点は、直流電圧Ｖｄｃが、センサＦＥＴ１０８＿ｓのゲート電極Ｇ、すなわちＭＯＳ容量素子のゲート電極Ｇではなく、基板ゲート電極Ｂに供給されていることである。実施の形態２で説明したように、基板ゲート電極Ｂに供給する電圧を変化させることによっても、ＭＯＳ容量素子の容量Ｃｓを変化させることが可能である。
実施の形態４において、発振回路ＯＳＣを構成するセンサＦＥＴ１０８＿ｓ、ＦＥＴＴｒ１、Ｔｒ２等は、図１１（Ｂ）で説明したような１個のチップ（センサチップ）に形成し、他の回路ブロック（１１４〜１１７）は図１６に示した制御回路２０４＿１に設けることが望ましい。この場合、センサチップは、５００℃のような高温環境において動作させるため、ＦＥＴＴｒ１、Ｔｒ２等はシリコンではなく、シリコンカーバイトで形成することが望ましい。
また、センサＦＥＴ１０８＿ｓを含むエレメント部２０３＿１のみをセンサチップに形成し、発振回路ＯＳＣを構成する他の回路素子（Ｔｒ１、Ｔｒ２等）および他の回路ブロックは、制御回路２０４＿１に設けるようにしてもよい。この場合、他の回路素子および他の回路ブロックが設けられた制御回路２０４＿１は、シリコンを材料としたチップで形成し、一般的な半導体装置が設置される温度環境（例えば、−４０℃〜８５℃等）と同様な環境で動作させる。これにより、安価な材料によって制御回路２０４＿１を構成することができるとともに、動作を保証する温度環境も低いため、コスト低減を図ることが可能である。しかしながら、この場合には、センサチップと制御回路２０４＿１とを結ぶ配線が必要となり、配線に付随する寄生成分を考慮することが要求される。
図１２〜図１４では、検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎを例にして説明したが、参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆも同様な構成にされている。すなわち、この実施の形態４においては、参照ＦＥＴ１０８＿ｒによって構成されたＭＯＳ容量素子とインダクタによって構成された共振回路ＲＳＣを用いて発振回路ＯＳＣが構成される。なお、実施の形態４においては、発振回路ＯＳＣが、クロスカップル接続のＦＥＴを備えているため、クロスカップル型の発振回路とも称する。
（実施の形態５）
図１５は、実施の形態５に係わる検知ガスセンサの構成を示す図である。図１５（Ａ）は、実施の形態５に係わる検知ガスセンサの構成を示す回路図であり、図１５（Ｂ）は、実施の形態５の変形例を示す回路図である。図１５（Ａ）は、図１２と類似している。また、図１５（Ｂ）は、図１４と類似している。
図１２に示した検知ガスセンサと比較すると、発振回路ＯＳＣを構成する駆動回路が変更されている。すなわち、図１２では、駆動回路１２６がクロスカップル接続されたＦＥＴＴｒ１、Ｔｒ２を備えていた。これに対して、図１５（Ａ）に示す検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎにおいては、駆動回路１２６が直列的に接続された２個のインバータ回路ＩＶ１、ＩＶ２によって構成されている。インダクタ１２５は、インダクタ成分Ｌと抵抗成分Ｒによって構成されている。
インバータ回路ＩＶ１の出力が駆動回路１２６の第１出力ノードＮＤ＿４となり、共振回路ＲＳＣの一方の端子に接続され、インバータ回路ＩＶ１の入力が駆動回路１２６の入力ノードＮＤ＿３となり、共振回路ＲＳＣの他方の端子に接続されている。またインバータ回路ＩＶ１の出力はインバータ回路ＩＶ２によって反転され、駆動回路１２６の第２出力ノードＮＤ＿５に供給されている。この第２出力ノードＮＤ＿５が、図１２に示した出力ノードＮ０に相当する。
共振周波数で、入力ノードＮＤ＿３の電圧が変化すると、インバータ回路ＩＶ１は、反転した信号を第１出力ノードＮＤ＿４へ供給する。これにより、駆動回路１２６は、共振回路ＲＳＣの共振周波数で発振が継続するように補助することになる。また入力ノードＮＤ＿３における電圧の変化に同期して変化する交流信号が、第２出力ノードＮＤ＿５から出力され、直流成分カット用容量素子Ｃ１を介して位相検出回路１１４に供給される。駆動回路１２６による補助の動作が、実施の形態４の検知ガスセンサと異なるだけで、他の構成および動作は、実施の形態４と同様である。
図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）と異なり、直流電圧Ｖｄｃが、センサＦＥＴ１０８＿ｓの基板ゲート電極Ｂに供給されている。駆動回路１２６の構成は図１５（Ａ）と同じである。なお、この実施の形態においても、参照ガスセンサ２１１＿ｒｅｆは、図１５（Ａ）または（Ｂ）に示した検知ガスセンサ２１１＿ｓｅｎと同様な構成にされている。
センサＦＥＴ１０８＿ｓによって構成されたＭＯＳ容量素子を構成要素として含み、インダクタ等と組み合わせて発振回路ＯＳＣを構成し、発振回路ＯＳＣの発信周波数をフィードバック制御により制御する形態は、多種類の発振回路と組み合わせることが可能である。例えば、コルピッツ発振回路、差動コルピッツ発振回路、ハートレー発振回路、クラップ発振回路、マルチバイブレータ型発振回路、リングオシレータ等の良く知られた発振回路の周波数調整部にセンサＦＥＴ１０８＿ｓをＭＯＳ容量素子として組み込んだ構成が考えられる。これらの発振回路において、フィードバック制御によりＭＯＳ容量素子の容量値を制御して、発振周波数を基準クロック発生回路２０２からの基準クロック信号の基準周波数にロックさせ、その時のフィードバック電圧をガス濃度検知出力として出力する構成も、本発明に含まれるものである。
実施の形態１〜３では、共振回路ＲＳＣの出力がトランスインピーダンスアンプ１１３に供給される例を説明したが、共振回路ＲＳＣとトランスインピーダンスアンプ１１３との間に直流成分カット用容量素子を接続してもよい。
また、実施の形態１〜５では、基板ゲート電極Ｂがソース電極Ｓと分離した例を説明したが、基板ゲート電極Ｂとソース電極Ｇとが接続されていてもよい。このようにすることにより、基板効果を低減することが可能である。また、実施の形態１〜３においては、交流電圧源１１９が、基準クロック信号ｆａｃと同じ周波数の交流電圧Ｖａｃを形成するように説明したが、これに限定されるものではない。位相比較であるため、基準クロック信号ｆａｃの周波数と交流電圧源１１９が形成する交流電圧Ｖａｃの周波数との間の関係が整数倍になっておればよい。
実施の形態１〜５においては、ガス濃度に従って変化する容量の変化を基に、ガス検知を実行するため、実施の形態１〜５に係わるガスセンサは容量検出型ガスセンサとも見なすことができる。
センサＦＥＴ１０８＿ｓ、参照ＦＥＴ１０８＿ｒを備えるエレメント部２０３＿１、２０３＿２は、半導体基板に形成されるが、半導体基板としては、シリコン基板でもよいし、シリコンカーバイト基板であってもよい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
１００ ゲート電極
１０１ ゲート絶縁膜
１０２ 双極子
１０４、１５２ ドレイン半導体層
１０５、１５３ ソース半導体層
１０８＿ｒ 参照ＦＥＴ
１０８＿ｓ センサＦＥＴ
１１２、１２５ インダクタ
１１４ 位相検出回路
１１５ コントローラ
１１８ 直流電圧源
１１９ 交流電圧源
１２０ 基板用直流電圧源
１２２、１２３ ヒータ線
１２６ 駆動回路
１５０ 検出対象遮断膜
２００ ガスセンサ
２０１ 上位システム
２１０ ガスセンサシステム
２０２ 基準クロック発生回路
２０３＿１、２０３＿２ エレメント部
ＦＢ フィードバック電圧
ＯＳＣ 発振回路
ＲＳＣ 共振回路

Claims (5)

  1. ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を有し、ガス濃度に従って容量値が変化する電界効果型センサと、ヒータ線とを備えるエレメント部と、
    前記電界効果型センサの容量と前記ヒータ線が有するインダクタにより形成される共振回路の共振周波数と基準周波数の位相差を検出する位相検出回路と、
    前記位相検出回路によって検出された位相差に応じた電圧を、前記電界効果型センサに供給するフィードバック部と、
    を備え、
    前記共振周波数と前記基準周波数との位相差が減少するように、前記フィードバック部からの電圧によって、前記電界効果型センサの容量が制御され、
    前記ヒータ線による発熱で加熱される、ガスセンサ。
  2. 請求項１に記載のガスセンサにおいて、
    前記ヒータ線は、第１電圧が供給される第１端子と前記電界効果型センサのソース電極およびドレイン電極との間に接続された第１ヒータ線と、前記第１電圧とは異なる電圧が供給される第２端子と前記電界効果型センサの前記ソース電極および前記ドレイン電極との間に接続された第２ヒータ線とを備えている、ガスセンサ。
  3. 請求項２に記載のガスセンサにおいて、
    前記フィードバック部からの電圧は、前記電界効果型センサの前記ゲート電極に供給され、前記フィーバック部からの電圧が、ガス濃度検知出力として出力される、ガスセンサ。
  4. 請求項１に記載のガスセンサにおいて、
    前記電界効果型センサは、前記フィードバック部からの電圧が供給される基板ゲート電極を備え、前記ゲート電極には固定的な電圧が供給されている、ガスセンサ。
  5. ゲート電極を有し、ガス濃度に従って容量値が変化するエレメント部と、前記エレメント部に接続され、前記エレメント部の容量とで共振回路を形成するインダクタと、リングオシレータとを備え、前記共振回路の共振周波数で発振を行う発振回路と、
    前記発振回路で発生した発振信号と基準信号との間の位相差を検出する位相検出回路と、
    前記位相検出回路によって検出された位相差に応じた電圧を、前記エレメント部に供給するフィードバック部と、
    を備え、
    前記共振周波数と前記基準信号との間の位相差が減少するように、前記フィードバック部からの電圧によって、前記エレメント部の容量値が制御され、前記発振信号と前記基準信号との間の位相差に応じたガス濃度検知出力が出力される、ガスセンサ。
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