JPH0376860B2 - - Google Patents
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- JPH0376860B2 JPH0376860B2 JP59099320A JP9932084A JPH0376860B2 JP H0376860 B2 JPH0376860 B2 JP H0376860B2 JP 59099320 A JP59099320 A JP 59099320A JP 9932084 A JP9932084 A JP 9932084A JP H0376860 B2 JPH0376860 B2 JP H0376860B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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Description
【発明の詳細な説明】
＜発明の技術分野＞
本発明は、MOS型或はMIS型等の電界効果型
トランジスタ（以下単にFETと略す）素子のゲ
ート絶縁膜上に外的要因によつて電気的特性の変
化する感応体を形成し、該感応体で外的要因の変
化をFETのゲート作用変化として把えるいわゆ
る電界効果型センサ（以下FET型センサと称す）
に関するものである。
トランジスタ（以下単にFETと略す）素子のゲ
ート絶縁膜上に外的要因によつて電気的特性の変
化する感応体を形成し、該感応体で外的要因の変
化をFETのゲート作用変化として把えるいわゆ
る電界効果型センサ（以下FET型センサと称す）
に関するものである。
＜発明の技術的背景とその問題点＞
検出しようとする物理量との化学的或は物理的
相互作用によつて静電容量や電気伝導度或は静電
電位等の電気的変化を生ずる感応体とFET素子
とを組み合せて、検出しようとする物理量を
FET素子のゲート作用変化として把えるいわゆ
るFET型センサは、FET素子の有する高い入力
インピーダンスとその増幅作用を巧みに利用する
ことにより高出力でかつ小形のセンサとなるもの
であり、、実用上好ましいセンサである。
相互作用によつて静電容量や電気伝導度或は静電
電位等の電気的変化を生ずる感応体とFET素子
とを組み合せて、検出しようとする物理量を
FET素子のゲート作用変化として把えるいわゆ
るFET型センサは、FET素子の有する高い入力
インピーダンスとその増幅作用を巧みに利用する
ことにより高出力でかつ小形のセンサとなるもの
であり、、実用上好ましいセンサである。
特に、FET素子のゲート絶縁膜の上に感応体
を形成した構造からなるFET型センサは、素子
寸法も小さく設定することができ、かつ同一基板
上に極めて多くの素子を形成することが可能であ
るため、実用上も、コスト面でも好ましい形態で
ある。
を形成した構造からなるFET型センサは、素子
寸法も小さく設定することができ、かつ同一基板
上に極めて多くの素子を形成することが可能であ
るため、実用上も、コスト面でも好ましい形態で
ある。
しかしこの場合通常の単体FET素子の場合以
上にFET素子の動作安定性ひいてはFET型セン
サとしての出力の安定性や特性の再現性の確保に
留意する必要がある。
上にFET素子の動作安定性ひいてはFET型セン
サとしての出力の安定性や特性の再現性の確保に
留意する必要がある。
即ち、目的とするセンサの種類によつて、感応
体の材料は勿論作製方法も大きく異なるために、
通常の単体FET素子の形体とは違つた配慮が必
要であり、FET素子の動作特性も感応体材料及
びその作製方法によつて大幅に変化する。
体の材料は勿論作製方法も大きく異なるために、
通常の単体FET素子の形体とは違つた配慮が必
要であり、FET素子の動作特性も感応体材料及
びその作製方法によつて大幅に変化する。
特に、感応体材料によつては、多量の不純物や
イオンを含有していること、あるいはFET素子
上に感応体を形成する工程において、感応体とゲ
ート絶縁膜等の界面に不純物やイオンが混入する
可能性が通常の単体FET素子を形成する場合に
比べて極めて高いことなどが原因となつて、
FET素子の動作特性更にはFET型センサの出力
特性が不安定となり易い。
イオンを含有していること、あるいはFET素子
上に感応体を形成する工程において、感応体とゲ
ート絶縁膜等の界面に不純物やイオンが混入する
可能性が通常の単体FET素子を形成する場合に
比べて極めて高いことなどが原因となつて、
FET素子の動作特性更にはFET型センサの出力
特性が不安定となり易い。
更に、ガスセンサや湿度センサ等のいわゆる雰
囲気センサをFET型センサとして構成する場合
には、外雰囲気に直接センサ素子がさらされるこ
とから、外雰囲気からの不純物の混入や拡散によ
つても、FET特性の変動や劣化を招く。このよ
うに感応体材料中の不純物やイオン或は作製工程
中もしくは使用中に混入する不純物やイオンが
FET素子の動作特性やセンサ出力に与える影響
を抑制し、長期間安定した出力特性を呈する
FET型センサとすることは、ガスセンサ、湿度
センサ、イオンセンサ、バイオセンサまたは赤外
線センサ等々の各種センサのFET化における共
通課題である。特に、FET型のガスセンサ、湿
度センサ、イオンセンサ及びバイオセンサにおい
ては、感応体と被検知体との直接的な相互作用が
必要であるためパツケージ等によつてセンサ素子
を覆うことができないだけに、上記問題の解決は
極めて重要である。
囲気センサをFET型センサとして構成する場合
には、外雰囲気に直接センサ素子がさらされるこ
とから、外雰囲気からの不純物の混入や拡散によ
つても、FET特性の変動や劣化を招く。このよ
うに感応体材料中の不純物やイオン或は作製工程
中もしくは使用中に混入する不純物やイオンが
FET素子の動作特性やセンサ出力に与える影響
を抑制し、長期間安定した出力特性を呈する
FET型センサとすることは、ガスセンサ、湿度
センサ、イオンセンサ、バイオセンサまたは赤外
線センサ等々の各種センサのFET化における共
通課題である。特に、FET型のガスセンサ、湿
度センサ、イオンセンサ及びバイオセンサにおい
ては、感応体と被検知体との直接的な相互作用が
必要であるためパツケージ等によつてセンサ素子
を覆うことができないだけに、上記問題の解決は
極めて重要である。
上記問題の解決策の１つとしてイオンや水分の
拡散係数の小さい窒化シリコン膜をゲート絶縁膜
として使用したりFET素子表面を窒化シリコン
膜で被覆する等の素子構造が開発されているが、
長期間の安定性の点で問題があり、必ずしも充分
ではない。
拡散係数の小さい窒化シリコン膜をゲート絶縁膜
として使用したりFET素子表面を窒化シリコン
膜で被覆する等の素子構造が開発されているが、
長期間の安定性の点で問題があり、必ずしも充分
ではない。
以上のような問題点を解決するために、本出願
人は先に二重ゲート電極構造のFET型センサを
特願昭59−23598号「電界効果型センサ」として
提案している。
人は先に二重ゲート電極構造のFET型センサを
特願昭59−23598号「電界効果型センサ」として
提案している。
本出願人の先に提案した二重ゲート電極構造の
FET型センサは長期間にわたる安定性の面で、
特に優れているが、次の二つの問題点は依然とし
て残されていることが判明した。
FET型センサは長期間にわたる安定性の面で、
特に優れているが、次の二つの問題点は依然とし
て残されていることが判明した。
即ち、一つはFET素子特性にばらつきがある
ため、センサ出力にばらつきがあり、これを補正
するために素子の選別あるいは回路の調整を必要
とする点である。またもう一つはFET素子特性
が温度に依存するため、出力が温度によつて変動
し、これを補正するための回路が必要であるとい
う点である。
ため、センサ出力にばらつきがあり、これを補正
するために素子の選別あるいは回路の調整を必要
とする点である。またもう一つはFET素子特性
が温度に依存するため、出力が温度によつて変動
し、これを補正するための回路が必要であるとい
う点である。
これらの点の理解のため本出願人が先に提案し
たFET型センサの動作原理について、やや詳し
い説明を次に行う。
たFET型センサの動作原理について、やや詳し
い説明を次に行う。
第５図は本出願人が先に提案した二重ゲート電
極構造を有するFET型湿度センサの構造断面図
であり、第６図は同センサの動作原理を説明する
ための等価回路図である。
極構造を有するFET型湿度センサの構造断面図
であり、第６図は同センサの動作原理を説明する
ための等価回路図である。
第５図におけるFET素子は、MOS型のｎチヤ
ンネルFETで、ｐ型のシリコン基板１表面付近
に燐を拡散することによつてｎ型のソース２とド
レイン３を並設して形成している。シリコン基板
１上にはソース２及びドレイン３でスルホールを
有する二酸化シリコン膜５が被覆されている。ゲ
ート絶縁膜は、ソース２とドレイン３を結ぶシリ
コン基板１上に堆積された二酸化シリコン膜
（SiO2）５と窒化シリコン膜（Si3N4）７との２
重積層膜からなり、窒化シリコン膜７は更にソー
ス２及びドレイン３に片端が接触してシリコン基
板１及び二酸化シリコン膜５上に堆積された電極
用導体膜６の上面をも被覆し、FET素子の保護
膜としての機能も兼ねている。
ンネルFETで、ｐ型のシリコン基板１表面付近
に燐を拡散することによつてｎ型のソース２とド
レイン３を並設して形成している。シリコン基板
１上にはソース２及びドレイン３でスルホールを
有する二酸化シリコン膜５が被覆されている。ゲ
ート絶縁膜は、ソース２とドレイン３を結ぶシリ
コン基板１上に堆積された二酸化シリコン膜
（SiO2）５と窒化シリコン膜（Si3N4）７との２
重積層膜からなり、窒化シリコン膜７は更にソー
ス２及びドレイン３に片端が接触してシリコン基
板１及び二酸化シリコン膜５上に堆積された電極
用導体膜６の上面をも被覆し、FET素子の保護
膜としての機能も兼ねている。
ゲート絶縁膜５，７上には感湿体９と透湿性の
ゲート電極膜１０が積層されるが、ここで感湿体
９と窒化シリコン膜７との界面には導電性膜から
成るブロツキング膜（補助電極膜）８を挿入した
構造となつている。ブロツキング膜８は感湿体９
に対してドリフト解除用の電圧を印加する補助電
極となるものである。
ゲート電極膜１０が積層されるが、ここで感湿体
９と窒化シリコン膜７との界面には導電性膜から
成るブロツキング膜（補助電極膜）８を挿入した
構造となつている。ブロツキング膜８は感湿体９
に対してドリフト解除用の電圧を印加する補助電
極となるものである。
次に第６図の等価回路図に従つて上記構成を有
するFET型湿度センサの動作原理を説明する。
するFET型湿度センサの動作原理を説明する。
等価回路図に於いて、容量Cs及びCiは夫々第
５図に於ける感湿体９と２層ゲート絶縁膜５，７
の静電容量を示す。又、RLはドレイン電極６と
直列に結合したロード抵抗を示し、RBはブロツ
キング膜８と直列に結合した抵抗を示す。
５図に於ける感湿体９と２層ゲート絶縁膜５，７
の静電容量を示す。又、RLはドレイン電極６と
直列に結合したロード抵抗を示し、RBはブロツ
キング膜８と直列に結合した抵抗を示す。
まず、FET型湿度センサの基本動作に関する
説明を容易にするために、ブロツキング膜８が無
く感湿体９が直接ゲート絶縁膜５，７に接して形
成されている場合、即ち等価回路図に於いて抵抗
体RBがない場合について述べる。
説明を容易にするために、ブロツキング膜８が無
く感湿体９が直接ゲート絶縁膜５，７に接して形
成されている場合、即ち等価回路図に於いて抵抗
体RBがない場合について述べる。
透湿性のゲート電極膜１０に印加する電圧を
VAとし、FET素子の閾値電圧をVthとすると、
ドレイン電流IDは次式によつて与えられる。
VAとし、FET素子の閾値電圧をVthとすると、
ドレイン電流IDは次式によつて与えられる。
ID＝β／２（VA−Vth）2、β＝μoCW／Ｌ ……(1)
但し、(1)式に於いてμoはキヤリア移動度、Ｌ及
びＷは夫々FET素子のチヤンネル長及びチヤン
ネル幅を示す。また、Ｃはゲート絶縁膜の静電容
量Ciと感湿体９の静電容量Csを直列結合した場
合の静電容量であり、 Ｃ＝Cs・Ci／Cs＋Ci ……(2) と書き表わされる。
びＷは夫々FET素子のチヤンネル長及びチヤン
ネル幅を示す。また、Ｃはゲート絶縁膜の静電容
量Ciと感湿体９の静電容量Csを直列結合した場
合の静電容量であり、 Ｃ＝Cs・Ci／Cs＋Ci ……(2) と書き表わされる。
従つて、感湿体９の静電容量Csが外雰囲気中
の湿度に応じて変化することによつて、ゲート電
圧VAが一定の条件下で、ドレイン電流IDの変化
として湿度を検知することができる。
の湿度に応じて変化することによつて、ゲート電
圧VAが一定の条件下で、ドレイン電流IDの変化
として湿度を検知することができる。
次にブロツキング膜（補助電極膜）８と抵抗
RBの役割について述べる。
RBの役割について述べる。
第６図の等価回路図に示すようにブロツキング
膜８と感湿体９の表面に被着した透湿性ゲート電
極膜１０とを抵抗RBを介して結合し、印加電圧
VAを直流電圧VA（DC）とこれに重畳する周波数
の交流電圧VA（AC）とすることによつて、
FET素子の駆動を行なう。直流の印加電圧VA
（DC）がゲート絶縁膜の耐圧より充分小さく、ゲ
ート絶縁膜によるリーク電流がない場合には、ブ
ロツキング膜８にかかる実効的なゲート電圧VG
の直流成分VG（DC）はVA（DC）と等しくなつて
感湿体９の両面に直流的な電位差は生じない。そ
して直流印加電圧VA（DC）は、FET素子のID−
VG特性において最適バイアス電圧を与える機能
を果すように設定し、湿度センサとして駆動する
ため、即ち感湿体の静電容量Csの湿度による変
化を検知するために交流の印加電圧VA（AC）を
与える。
膜８と感湿体９の表面に被着した透湿性ゲート電
極膜１０とを抵抗RBを介して結合し、印加電圧
VAを直流電圧VA（DC）とこれに重畳する周波数
の交流電圧VA（AC）とすることによつて、
FET素子の駆動を行なう。直流の印加電圧VA
（DC）がゲート絶縁膜の耐圧より充分小さく、ゲ
ート絶縁膜によるリーク電流がない場合には、ブ
ロツキング膜８にかかる実効的なゲート電圧VG
の直流成分VG（DC）はVA（DC）と等しくなつて
感湿体９の両面に直流的な電位差は生じない。そ
して直流印加電圧VA（DC）は、FET素子のID−
VG特性において最適バイアス電圧を与える機能
を果すように設定し、湿度センサとして駆動する
ため、即ち感湿体の静電容量Csの湿度による変
化を検知するために交流の印加電圧VA（AC）を
与える。
この場合の交流電圧は次の通りである。
周波数における感湿体のインピーダンス；
（2πCs）-1に比べて充分大きな抵抗値を有する抵
抗RBをブロツキング膜８と透湿性ゲート電極膜
１０との間に結合した場合には、RBは無視する
ことができ、VGの交流成分VG（AC）は次式によ
つて与えられる。
（2πCs）-1に比べて充分大きな抵抗値を有する抵
抗RBをブロツキング膜８と透湿性ゲート電極膜
１０との間に結合した場合には、RBは無視する
ことができ、VGの交流成分VG（AC）は次式によ
つて与えられる。
VG（AC）＝Cs／Cs＋CiVA（AC） ……(3)
即ち、一定の振幅をもつたVA（AC）の印加条
件下に於いて、VG（AC）は、感湿体の静電容量
Csの値によつて変化するため、湿度センサとし
ての出力信号をドレイン電流IDの交流振幅として
取り出すことができる。
件下に於いて、VG（AC）は、感湿体の静電容量
Csの値によつて変化するため、湿度センサとし
ての出力信号をドレイン電流IDの交流振幅として
取り出すことができる。
以上より、ゲート電極膜１０にVA（AC）を印
加した状態でソース２からドレイン３に流れる電
流の変調を電極用導体膜６より検出信号として得
ることが出来る。
加した状態でソース２からドレイン３に流れる電
流の変調を電極用導体膜６より検出信号として得
ることが出来る。
この時、ドレイン３から取り出す出力信号は次
式で表わされる。
式で表わされる。
VOUT（AC）＝−gmRLCs／Cs＋CiVA（AC） ……(4)
この第４式から明らかな様に、出力信号は、
FET素子の相互コンダクタンスgmに依存する。
ここで、gmは一般に温度の上昇に伴つて減少す
る事が知られている。またgmは、素子間におい
て若干のばらつきを有する。
FET素子の相互コンダクタンスgmに依存する。
ここで、gmは一般に温度の上昇に伴つて減少す
る事が知られている。またgmは、素子間におい
て若干のばらつきを有する。
以上の事より、本出願人が先に提案したFET
型湿度センサにおいても、素子間のばらつきの回
路による調整、及び出力信号の温度補償を必要と
し、信号処理回路が補雑かつ高価なものになると
いう問題点が見出された。
型湿度センサにおいても、素子間のばらつきの回
路による調整、及び出力信号の温度補償を必要と
し、信号処理回路が補雑かつ高価なものになると
いう問題点が見出された。
＜発明の目的及び構成＞
本発明は、以上のような背景に基づいてなされ
たものであり、FET素子特性のばらつき、ある
いは温度依存の出力に与える変動を大幅に抑制し
て安定した出力特性を得ることの出来るFET型
センサを提供することを目的として成されたもの
であり、この目的を達成するため、本発明は、被
検知体との物理的または化学的相互作用によつて
電気的変化を生ずる感応体を電界効果型トランジ
スタ素子のゲート絶縁膜とゲート電極間に配置し
て成るFET型センサにおいて、前記のゲート絶
縁膜と感応体との間に補助電極膜を介在せしめ、
この補助電極膜が前記の電界効界型トランジスタ
素子のドレイン領域に重なる部分を有するように
構成されている。
たものであり、FET素子特性のばらつき、ある
いは温度依存の出力に与える変動を大幅に抑制し
て安定した出力特性を得ることの出来るFET型
センサを提供することを目的として成されたもの
であり、この目的を達成するため、本発明は、被
検知体との物理的または化学的相互作用によつて
電気的変化を生ずる感応体を電界効果型トランジ
スタ素子のゲート絶縁膜とゲート電極間に配置し
て成るFET型センサにおいて、前記のゲート絶
縁膜と感応体との間に補助電極膜を介在せしめ、
この補助電極膜が前記の電界効界型トランジスタ
素子のドレイン領域に重なる部分を有するように
構成されている。
＜発明の実施例＞
以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細
に説明する。
に説明する。
第１図は本発明の一実施例を示すFET型湿度
センサの構造断面図であり、第２図は同センサの
動作原理を説明するための等価回路図である。
センサの構造断面図であり、第２図は同センサの
動作原理を説明するための等価回路図である。
第１図に示す本実施例におけるFET素子は、
MOS型のｎチヤンネルFETで、ｐ型のシリコン
基板１表面付近に燐を拡散することによつてｎ型
のソース２とドレイン３を並設して形成してい
る。シリコン基板１上にはソース２及びドレイン
３でスルホールを有する二酸化シリコン膜５が被
覆されている。ゲート絶縁膜は、ソース２とドレ
イン３を結ぶシリコン基板１上に堆積された二酸
化シリコン膜（SiO2）５と窒化シリコン膜
（Si3N4）７との２重積層膜からなり、窒化シリ
コン膜７は更にソース２及びドレイン３に片端が
接触してシリコン基板１及び二酸化シリコン膜５
上に堆積された電極用導体膜６の上面をも被覆
し、FET素子の保護膜としての機能も兼ねてい
る。
MOS型のｎチヤンネルFETで、ｐ型のシリコン
基板１表面付近に燐を拡散することによつてｎ型
のソース２とドレイン３を並設して形成してい
る。シリコン基板１上にはソース２及びドレイン
３でスルホールを有する二酸化シリコン膜５が被
覆されている。ゲート絶縁膜は、ソース２とドレ
イン３を結ぶシリコン基板１上に堆積された二酸
化シリコン膜（SiO2）５と窒化シリコン膜
（Si3N4）７との２重積層膜からなり、窒化シリ
コン膜７は更にソース２及びドレイン３に片端が
接触してシリコン基板１及び二酸化シリコン膜５
上に堆積された電極用導体膜６の上面をも被覆
し、FET素子の保護膜としての機能も兼ねてい
る。
ゲート絶縁膜５，７上には感湿体９と透湿性の
ゲート絶縁膜１０が積層されるが、ここで感湿体
９と窒化シリコン膜７との界面には導電性膜から
成るブロツキング膜（補助電極膜）８を挿入した
構造となつている。
ゲート絶縁膜１０が積層されるが、ここで感湿体
９と窒化シリコン膜７との界面には導電性膜から
成るブロツキング膜（補助電極膜）８を挿入した
構造となつている。
本発明における特徴は、上記のブロツキング膜
８をドレイン領域３の上部にまで延設して、ブロ
ツキング膜８とドレイン領域３との間に適度な静
電容量が得られるように成した点にある。
８をドレイン領域３の上部にまで延設して、ブロ
ツキング膜８とドレイン領域３との間に適度な静
電容量が得られるように成した点にある。
このブロツキング膜８は感湿体９に対して後述
するドリフト解除用の電圧を印加する補助電極と
なるものである。
するドリフト解除用の電圧を印加する補助電極と
なるものである。
本実施例の湿度センサに於いては感湿体９を熱
焼成によつて結晶化したポリビニルアルコール膜
又はアセチルセルロース膜で形成したが有機若し
くは無機の固体電解質膜または酸化アルミニウム
等の金属酸化膜を用いてもよい。また透湿性ゲー
ト電極膜１０としては厚さ約100Åの金蒸着膜を、
またブロツキング膜８としては厚さ約2000Åの金
又はアルミニウム蒸着膜を用いた。但し、これら
素子構造材料は必ずしも上述のものに限定される
ものではなく、その他の適当な材料に代替するこ
とは当然に可能である。また感湿体９以外にも感
ガス体、感イオン体、その他化学物質や熱・光等
に感応するものを使用できFET素子はMOS型以
外のMIS型等を使用することもできる。
焼成によつて結晶化したポリビニルアルコール膜
又はアセチルセルロース膜で形成したが有機若し
くは無機の固体電解質膜または酸化アルミニウム
等の金属酸化膜を用いてもよい。また透湿性ゲー
ト電極膜１０としては厚さ約100Åの金蒸着膜を、
またブロツキング膜８としては厚さ約2000Åの金
又はアルミニウム蒸着膜を用いた。但し、これら
素子構造材料は必ずしも上述のものに限定される
ものではなく、その他の適当な材料に代替するこ
とは当然に可能である。また感湿体９以外にも感
ガス体、感イオン体、その他化学物質や熱・光等
に感応するものを使用できFET素子はMOS型以
外のMIS型等を使用することもできる。
また、ブロツキング膜８の位置は必ずしも窒化
シリコン膜７と感湿体９との間である必要はな
く、例えば二酸化シリコン膜５と窒化シリコン膜
７との間であつても良い。
シリコン膜７と感湿体９との間である必要はな
く、例えば二酸化シリコン膜５と窒化シリコン膜
７との間であつても良い。
次に第２図の等価回路図に従つて上記構成を有
するFET型湿度センサの動作原理と特徴を説明
する。
するFET型湿度センサの動作原理と特徴を説明
する。
等価回路図に於いて、容量Cs及びCiは夫々第
１図に於ける感湿体９と２層ゲート絶縁膜５，７
の静電容量を示す。又、RLはドレイン電極６と
直列に結合したロード抵抗を示し、RBはブロツ
キング膜８と直列に結合した抵抗を示す。
１図に於ける感湿体９と２層ゲート絶縁膜５，７
の静電容量を示す。又、RLはドレイン電極６と
直列に結合したロード抵抗を示し、RBはブロツ
キング膜８と直列に結合した抵抗を示す。
更に、容量Cgdはブロツキング膜８とドレイン
領域３との重なりによつて形成される静電容量で
あつて、本発明に係るFET型センサの特徴構造
部分である。
領域３との重なりによつて形成される静電容量で
あつて、本発明に係るFET型センサの特徴構造
部分である。
ブロツキング膜８における交流信号電圧VG
（AC）と、出力Vout（AC）との関係は次式で表
わされる。
（AC）と、出力Vout（AC）との関係は次式で表
わされる。
Vput（AC）＝gmRL／１＋gmRLVA（AC） ……(5)
ここで、gmはFET素子の相互コンダクタンス
であつて、gmRLを十分大きくなる様に設定すれ
ば、Vout（AC）にほとんどVG（AC）に等しくな
り、出力がgmに依存しなくなる。
であつて、gmRLを十分大きくなる様に設定すれ
ば、Vout（AC）にほとんどVG（AC）に等しくな
り、出力がgmに依存しなくなる。
以上が第２図の踏価回路における動作の出力安
定化の原理である。
定化の原理である。
しかし、従来型の素子では、この動作を行つた
場合、出力信号Vout（AC）が感応膜容量Csに依
存しなくなり、センサとして作動しないという根
本的な問題点を有していた。
場合、出力信号Vout（AC）が感応膜容量Csに依
存しなくなり、センサとして作動しないという根
本的な問題点を有していた。
これは、ゲート絶縁膜容量Ciが等価的に非常に
小さなものとなるためである。
小さなものとなるためである。
この事を式で表わすと、次の様になる。
VG（AC）＝Cs／Cs＋Ci（１−Av）VA（AC）
Av＝gmRL／１＋gmRL ……(6)
ただし、ここでAvはFET素子の電圧増幅率で
ある。
ある。
この２式から明らかな様に、出力安定化のため
gmRLを十分大きな値に設定すれば、FETの電圧
増幅率Avがほぼ１となり、これを第６式に代入
すると、Csの値によらず、VG（AC）≒VA（AC）
という結果が得られる。
gmRLを十分大きな値に設定すれば、FETの電圧
増幅率Avがほぼ１となり、これを第６式に代入
すると、Csの値によらず、VG（AC）≒VA（AC）
という結果が得られる。
以上の事より、従来のFET型センサでは、出
力を相互コンダクタンスgmに依存しない様にす
れば、出力信号の変化分も減少するという予盾を
有していた。
力を相互コンダクタンスgmに依存しない様にす
れば、出力信号の変化分も減少するという予盾を
有していた。
以上の問題を解決するため、本発明になる
FET型センサにおいては、ブロツキング膜８と
ドレイン領域３の間に静電容量Cgdを意図的に増
やしてある。
FET型センサにおいては、ブロツキング膜８と
ドレイン領域３の間に静電容量Cgdを意図的に増
やしてある。
この場合、第６式に代わるVA（AC）とVG（AC）
の関係は次の式で表わされる VG（AC）＝Cs／Cs＋CgdVA（AC） ……(7) ただしここで、FET素子の電圧増幅率は十分
１に近いものとした。このことは、第２図におけ
るRLを定電流回路に置きかえる事によつて容易
に達成できる。
の関係は次の式で表わされる VG（AC）＝Cs／Cs＋CgdVA（AC） ……(7) ただしここで、FET素子の電圧増幅率は十分
１に近いものとした。このことは、第２図におけ
るRLを定電流回路に置きかえる事によつて容易
に達成できる。
第７式から明らかな様に、静電容量Csの値が
変化するとVG（AC）、ひいてはVOUT（AC）が変化
する事から、センサとして動作する事が言える。
しかも、VOUT（AC）とVG（AC）との値が等しく
なるため、本発明になるFET型センサはgmのば
ららつき、または温度依存による変化に対して出
力が変化しないことになる。
変化するとVG（AC）、ひいてはVOUT（AC）が変化
する事から、センサとして動作する事が言える。
しかも、VOUT（AC）とVG（AC）との値が等しく
なるため、本発明になるFET型センサはgmのば
ららつき、または温度依存による変化に対して出
力が変化しないことになる。
ただしここで最適感度を得るためには、Cgdの
値を状況に応じて以下の値に設定する事が望まし
い。感応体の容量Csが最小値Cs（min）をとる時
の出力をVout（min）、最大値Cs（max）をとる時
の出力をVout（max）とすると、Vout（max）−
Vout（min）が最大値をとるためにはCgd＝√
（min）・Cs（max）でなければならない。
値を状況に応じて以下の値に設定する事が望まし
い。感応体の容量Csが最小値Cs（min）をとる時
の出力をVout（min）、最大値Cs（max）をとる時
の出力をVout（max）とすると、Vout（max）−
Vout（min）が最大値をとるためにはCgd＝√
（min）・Cs（max）でなければならない。
これが最大感応量を与える条件である。
またVout（max）／Vout（min）が最大になる
ためには、CgdがCsより十分大きければよい。
ためには、CgdがCsより十分大きければよい。
これが最大感度比を与える条件である。
従つて感応体の性質あるいは信号処理の必要性
に応じて、Cgdが√（）・（）あ
るい
はそれよりも適度に大きい値をとる様にFET型
センサを設計する事が望ましい。
に応じて、Cgdが√（）・（）あ
るい
はそれよりも適度に大きい値をとる様にFET型
センサを設計する事が望ましい。
なお、本発明になる素子の駆動例として、第３
図に示すようなものも可能である。
図に示すようなものも可能である。
この場合、出力Voutは次式で表わす事ができ
る。
る。
Vout＝Cs／Cs＋Ci＋（１＋Av）CgdAv・VG（AC）
Av＝gmRL ……(8)
この場合もgmRLを十分大きくした場合には出
力はほぼ（Cs／Cgd）VG（AC）となりgmの値の
変動に対して安定化される事がわかる。
力はほぼ（Cs／Cgd）VG（AC）となりgmの値の
変動に対して安定化される事がわかる。
第４図に、上記実施例になる湿度センサの第２
図の回路における出力の温度依存性をＡ、また先
に提案したFET型センサの第６図の回路におけ
る出力の温度依存性をＢとして示す。
図の回路における出力の温度依存性をＡ、また先
に提案したFET型センサの第６図の回路におけ
る出力の温度依存性をＢとして示す。
ただし、縦軸は、25℃における出力を1.0とし
た時の交流出力の相対値を示す。
た時の交流出力の相対値を示す。
尚、第４図は感湿体９として熱焼成したアセチ
ルセルロース膜を用い、相対湿度60％における出
力を実測したものである。また、実施例の出力Ａ
においては、第２図における負荷抵抗RLを、
100μAの定電流回路に置きかえて測定を行つた。
第４図より明らかなように、本実施例において、
出力の温度依存性が顕著に抑制される事が実証さ
れた。
ルセルロース膜を用い、相対湿度60％における出
力を実測したものである。また、実施例の出力Ａ
においては、第２図における負荷抵抗RLを、
100μAの定電流回路に置きかえて測定を行つた。
第４図より明らかなように、本実施例において、
出力の温度依存性が顕著に抑制される事が実証さ
れた。
＜発明の効果＞
以上に説明したように、本発明のFET型セン
サは、交流信号を印加する場合に適したセンサと
なり、従来、交流動作上問題になつていたドレイ
ン、ゲート間の迷容量を逆に利用して安定なセン
サの出力を得ることが可能になるものである。
サは、交流信号を印加する場合に適したセンサと
なり、従来、交流動作上問題になつていたドレイ
ン、ゲート間の迷容量を逆に利用して安定なセン
サの出力を得ることが可能になるものである。
また、上記のような構成によりFET素子のば
らつきや温度依存性によらず一定の出力が得られ
る事は、処理回路の大幅な簡素化及びFET型セ
ンサの低価格化につながるものであり、FET型
湿度センサのみならず、ガス、イオン、赤外線、
圧力、バイオセンサ等、考えられるあらゆる型の
FET型センサに対して多大の効果をもたらすも
のである。
らつきや温度依存性によらず一定の出力が得られ
る事は、処理回路の大幅な簡素化及びFET型セ
ンサの低価格化につながるものであり、FET型
湿度センサのみならず、ガス、イオン、赤外線、
圧力、バイオセンサ等、考えられるあらゆる型の
FET型センサに対して多大の効果をもたらすも
のである。
第１図は本発明の一実施例を示すFET型湿度
センサの構造断面図、第２図は同FET型湿度セ
ンサの等価回路図、第３図は第１図に示した本発
明の一実施例のFET型湿度センサの他の駆動例
になる等価回路図、第４図はセンサ出力の温度依
存性を示す特性図、第５図は本出願人が先に提案
したFET型湿度センサの構造断面図、第６図は
その等価回路図である。 １……シリコン基板、２……ソース、３……ド
レイン、５……二酸化シリコン膜、７……窒化シ
リコン膜、８……ブロツキング膜、９……感湿
体、１０……ゲート電極膜。
センサの構造断面図、第２図は同FET型湿度セ
ンサの等価回路図、第３図は第１図に示した本発
明の一実施例のFET型湿度センサの他の駆動例
になる等価回路図、第４図はセンサ出力の温度依
存性を示す特性図、第５図は本出願人が先に提案
したFET型湿度センサの構造断面図、第６図は
その等価回路図である。 １……シリコン基板、２……ソース、３……ド
レイン、５……二酸化シリコン膜、７……窒化シ
リコン膜、８……ブロツキング膜、９……感湿
体、１０……ゲート電極膜。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 被検知体との物理的または化学的相互作用に
よつて電気的変化を生ずる感応体を電界効果型ト
ランジスタ素子のゲート絶縁膜とゲート電極間に
配置して成り、前記ゲート絶縁膜と感応体との間
に補助電極膜を介在せしめ、該補助電極膜が前記
電界効果型トランジスタ素子のドレイン領域に重
なる部分を有するように成したFET型センサに
おいて、 前記補助電極膜と前記ドレイン領域との重なり
部分が出力安定化のための静電容量を形成するよ
うに成すと共に印加する信号が交流信号であるこ
とを特徴とするFET型センサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59099320A JPS60242354A (ja) | 1984-05-16 | 1984-05-16 | Ｆｅｔ型センサ |
| GB08512145A GB2160356B (en) | 1984-05-16 | 1985-05-14 | A field effect transistor-type sensor |
| DE19853517590 DE3517590A1 (de) | 1984-05-16 | 1985-05-15 | Feldeffekttransistor-sensor |
| US07/129,339 US4849798A (en) | 1984-05-16 | 1987-12-03 | Field effect transistor type sensor with an auxiliary electrode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59099320A JPS60242354A (ja) | 1984-05-16 | 1984-05-16 | Ｆｅｔ型センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60242354A JPS60242354A (ja) | 1985-12-02 |
| JPH0376860B2 true JPH0376860B2 (ja) | 1991-12-06 |
Family
ID=14244343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59099320A Granted JPS60242354A (ja) | 1984-05-16 | 1984-05-16 | Ｆｅｔ型センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4849798A (ja) |
| JP (1) | JPS60242354A (ja) |
| DE (1) | DE3517590A1 (ja) |
| GB (1) | GB2160356B (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| WO2009005166A1 (ja) * | 2007-07-05 | 2009-01-08 | Olympus Corporation | Ｃｎｔ－ｆｅｔバイオセンサ装置及びそれによる蛋白質又はｄｎａの濃度測定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4849798A (en) | 1989-07-18 |
| DE3517590A1 (de) | 1985-11-21 |
| GB2160356A (en) | 1985-12-18 |
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| JPS60242354A (ja) | 1985-12-02 |
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