JPH04503112A - 容量素子の容量―電圧特性への影響量を測定する回路及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する回路及び方法技術分野 本発明は、請求項１による容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する回路 及び請求項９による容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する方法に関す る。

背景技術 容量性ＭＯ３構造は、電圧依存容量値を有する。例えば容量性ＭＯ３構造におけ る容量−電圧曲線の特性は、金属層が触媒金属で構成されるかまたは少なくとも 一定割合の触媒金属を含む場合には、添加量に影響される。このような容量性Ｍ ＯＳ構造の電圧対する各々の影響量を検出するために使用されるセンサを作成す るのに利用できる。

このような容量素子のよく知られた利用分野としては、例えば特定ガスに反応す るガスセンサがあり、例えば水素センサがある。

電圧依存容量曲線が周囲湿度により変化するこのような水素センサの一例が、Ｇ 、　Ｊ、　Ｍａｃｌａｙによる科学刊行物“ＭＯＳ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　５ｅｎ ｓｏｒＳ　ｗｉｔｈｕｌｔｒａｔｈｉｎ　１ａｙｅｒｓ　ｏｆ　ｐａｌｌａｄｉ ｕｍ”、　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　ｖｏ ｌ、　ＥＤ−３２，１１５８−１１６４頁、１９８５年に開示されている。

現在では、容量−電圧特性における変化を検出し、その結果容量−電圧特性への 影響量を決定するための、２つの異なる技術が使用されている。

第１の技術では、予め定めた振幅の高周波電圧信号を重畳した一定のバイアス電 圧を容量性ＭＯ３素子に印加する。測定される量により容量−電圧特性が変位す る場合には、容量はバイアス電圧で決定される動作点で変化する。この容量変化 は、測定ブリッジで検出できる。

第２の技術では、フィードバック制御回路における容量性ＭＯ８素子は、前記容 量性ＭＯＳ素子が一定の容量値を有するような特性のバイアス電圧を加えられる 。制御されたバイアス電圧及び電圧動作点の変位は、各々容量−電圧特性の影響 量を決定するのに用いられる。

上記第１及び第２の技術では、容量−電圧特性に影響する量を検出するには、比 較的複雑な回路使用する必要がある。両技術では、イオン移動が容量性ＭＯＳ構 造の内部及び表面上で生じるため、容量−電圧特性への影響量の検出に関する限 り、長時間の安定性を損なうこととなる。両技術は、動作点における比較的小さ な信号変化の検出に基づくものである。これは、両技術が決定量、即ち湿度また はガス濃度等に関し充分なＳ／Ｎ比を有していないということになる。

これらの公知技術から得られる測定結果の歪みは、容量性ＭＯ３素子の容量−電 圧特性が通常１つの測定量に依存するだけではな（、ある程度追加干渉量に影響 される結果生じる。

この先行技術と比較して、本発明は、影響量を決定する際に達成される正確さが より改良されるように、容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定するのに使 用される回路及び方法を更に改良するための課題に基づく。

請求項１の回路において、請求項１の特徴部分に開示された特徴によりこの課題 は解決され、請求項９の方法の場合は、請求項９の特徴部分に開示された特徴に より課題は解決される。

発明の開示 本発明は、容量素子の容量−電圧特性の変位に影響する量を決定する上記方法の 不正確さを見出すことに基づいており、特に電圧容量特性曲線下の領域を、前記 影響量を検出する基礎としての所定域に用いると、上記公知技術による前記影響 量決定の際の不十分なＳ／Ｎ比を回避することができる。このような測定は、所 定振幅の周期電圧信号を容量素子に与えることにより簡便に回路で実施でき、積 分回路は所定周期時間を超える容量素子の出力電流を積分する。積分結果値は影 響量に所定の依存性を示すので、例えば前記積分値の表を読み取ることができ、 表の出力値が影響量となる。上記測定方法を実施するのに用いられる本発明によ る測定回路は、実質的に電圧源及び帰還路内の電子スイッチを介して放電される ように適用される容量素子を有する積分回路で構成されるので、回路を非常に簡 便な構造にできる。本発明による影響量検出モードの場合は、動的測定が動作点 周囲を移動する交流構成要素を用いて実施される。従って、容量素子表面上と同 様にその内部でもイオン移動を抑制できるので、測定結果を長時間安定させるこ とができる。上記記載からは逸れるが、影響量は変位した容量−電圧曲線の積分 に基づいて決定されるが、単一の電圧又は容量点における曲線変化の検出に基づ いてのみ決定されるわけではない。従来技術と比較すると、本件発明は、容量− 電圧特性の変位を引き起こす検出量のＳ／Ｎ比を実質的に改良することとなる。

本発明の更に好ましい改良例が従属項の主題に示される。

図面の簡単な説明 第１図は、２つの異なる影響量がある場合の容量素子の容量−電圧特性を示すグ ラフである。

第２図は、容量−電圧特性への影響量を測定するのに使用される本発明による回 路の回路図である。

第３図は、第２図の回路内で生じる電圧信号の信号波形を示す図である。

第４図は、第２図の回路の場合の積分電圧の影響量への依存度を示す図である。

第５図は、バイアス電圧に対応する容量性ＭＯ３構造の代表的な容量特性を示す 図である。

第６図（ａ）から（Ｃ）は電圧及び容量特性を示す図である。

発明を実施するための最良の形態 本発明による回路の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

第１図から明らかなように、その金属層が触媒金属を有する容量性ＭＯ３構造の 電圧依存容量特性は、例えば雰囲気中のＨ，１１度又は特定ガス濃度等の影響量 に応じて変位する。上述したように、従来技術文献では、バイアス電圧一定の場 合には容量変化ΔＣを測定することにより、或いは、容量値を一定に維持しなが らバイアス電圧変化ΔＶを測定することにより、容量−電圧特性のこの変位を検 出する。しかしながら、本発明では回路及び方法に関する下記の詳細な説明から 明らかなように、影響量は所定域内の容量−電圧曲線の領域から得られる。

第２図は、容量素子Ｃ１の容量−電圧特性への影響量を測定するのに使用される 本発明による回路の好ましい実施例を示す。前記影響量は例えば水素濃度等のガ ス濃度又は液体中のイオン濃度等である。本実施例における容量素子Ｃ５は、金 属層がパラジウムで構成される容量性ＭＯ３素子であって、ＭＯＳパラジウムゲ ートセンサと呼ばれる。前記容量素子Ｃ６は、第１電圧源Ｖ　Ｓ　ｌ：よって方 形波電圧が供給され、本実施例の場合、前記方形波電圧の振幅はデユーティ・フ ァクタが５０％の時に±１．５Ｖに相当する。

容量素子Ｃ，の出力側は、演算増幅器ＯＰｖの反転入力端子と接続する。第２電 圧源ＶＲは、第１方形波信号に対応する第２方形波信号を発生させるが、第２方 形波信号は第１方形波信号に対して反転している。この第２方形波電圧信号はリ ファレンスコンデンサＣ７に供給され、このリファレンスコンデンサＣ１の出力 側もまた、演算増幅器ＯＰＶの反転入力側に接続する。リファレンスコンデンサ Ｃ１の容量は、演算増幅器の出力時に生じるオフセット電圧が補償されるように 選択され、その時容量素子Ｃ１の容量−電圧特性が測定量の影響を受けない。

積分コンデンサＣＩは、演算増幅器ＯＰｖの帰還路、即ち出力側と反転入力側と の間、に配置され、電子スイッチＳが前記積分コンデンサＣｒと並列に接続され る。前記電子スイッチＳは、リセット信号（第３図参照）により第１方形波信号 の位相と特定の予め定めた位相関係で動作し、それによって、積分が終了し、出 力電圧値ΔＶＡがリセットされる。リセット前の演算増幅器ＯＰＶの出力値ΔＶ Ａは、サンプルホールド回路１に送られる。この出力値は、影響量、本実施例の 場合はＨ３濃度を取り出すのに使用でき、出力電圧ΔＶＡに対するＨ７濃度の指 示を表を介して行う際に好都合である。この指示は、Ｄ／Ａ変換器及び第４図に 示されるような問題の依存量を記憶するＲＯＭ２により実行される。

第４図の曲線はパラジウムセンサを使用した測定結果であり、前記パラジウムセ ンサは、厚さ３４ｎｍの酸化ケイ素層上に厚さ２１．１ｎｎのパラジウム層から なる触媒金属層が配置されている。厚さ３４ｎｍの酸化ケイ素絶縁層上に厚さ１ ０４．５ｎｍ金ゲートを存する容量性ＭＯ３構造は、リファレンスコンデンサと して選択される。積分コンデンサＣｔの容量は１ｎＦである。

上記のように、本発明による回路は、容量素子の容量−電圧曲線の領域を決定す るために、前記曲線の積分により、影響量を検出する。これは次式により表され る。

（１）Ｑ＝ｆＣ，（Ｕ）ｄＵ 容量センサ素子Ｃ６を通る電流は、 （２１ｉ　、　＝　ｄＱ／ｄｔ　＝　ｄ／ｄｔ　ｆＣ，（Ｕ）　ｄＵで得られる 。

フィードバックコンデンサＣＩにおける時間積分の結果は下記出力電圧となる。

（３）ｖＡ＝ｔ／Ｃｒ　、ｒ　ｉ、ｄｔ＝１／ＣＩｆ　（Ｃ−（Ｕ）　Ｃ１）ｄ Ｕ容量値ＣＩは、測定量が最大可能値を存した時に演算増幅器ＯＰＶが過励振し ないように選択する必要がある。

第５図にはリファレンス素子Ｃ２及びセンサ素子Ｃ１の２つの電圧依存容量曲線 が示される。この図から明らかなように、２つの曲線の非最適適応（？）は約２ ｖのオフセット電圧となる。このオフセット電圧は、第４図の曲線を考慮に入れ ている。

第２図の回路を見ると、容量−電圧特性への影響量を測定するのに用いられる本 発明の方法が、リファレンスコンデンサＣ７と共に実際のセンサ素子又は容量素 子Ｃ１に、各々の容量−電圧特性に関して影響を与える干渉量の補償をさせるこ とは明らかである。例えば、容量（センサ）素子Ｃ８がその容量−電圧特性に関 して干渉ｆｆ１Ｂと共に量Ａに依存する場合には、リファレンスコンデンサとし て前記干渉量Ｂに対してのみ感応する容量性ＭＯ８を使用することにより、前記 干渉量Ｂにこの望ましくない感度を補償できる。充分な寸法の２つの容量素子に 基づいて、前記干渉量Ｂに関する完全な補償できる。複数のリファレンス素子に より相当数の望ましくない横感度を補償できる。

方形波信号の周波数は、ｋＨｚ範囲内であるのが好ましい。このため、方形波電 圧信号の周期は、少数キャリア反応時間より長いので少数キャリア蓄積の平衡状 態が生じるが、少数キャリア発生再結合時間より短いので、ＭＯ３構造は平衡反 転領域に入らない。これは、電圧依存容量曲線が深いキャリア空乏領域内に下が るため、信号の増幅を招く。

周期を固定する際には、深いキャリア空乏領域内のＭＯＳコンデンサ特性を考慮 する必要がある。ステップ電圧の採用後、ＭＯＳコンデンサだけが特定時間Ｔだ け深いキャリア空乏領域内に止まり、その後曲線はＨＦ反転曲線に変わる。

Ｔ＝２τＮ　ｍ　／　ｎ　＋ τは少数キャリア寿命、Ｎｌｌはドーピング、ｎ、は問題のＭＯＳコンデンサ用 の真性濃度である。

クロックレイトは、ＨＦ反転曲線に向かう方向に生じ、正確さに影響する動きが 起きないように高く選択するか又はＨＦ反転曲線が必ず届くように選択できる。

より明確にするために、第６図を参照すると、 第６［Ｎ（ａ）は、ＭＯＳコンデンサにおける時間依存ゲート電圧を示し、 第６図（ｂ）は第６図（ａ）による時間１．　２．　３における前記ＭＯＳコン デンサの電圧依存容量を示し、 第６図（Ｃ）は時間依存容量特性を示す。

本実施例の場合では、パラジウムゲートを備えた容量性ＭＯ３構造が、湿度セン サとして用いられる。しかしながら、本発明による方法はまた、容量素子の容量 −電圧特性に影響を与える他の量を測定するのと同様にガス濃度を評価するため のＭＯ３構造を有するガスセンサとして使用できる。

バイ了ス電几 第２ＶＺＩ ΔＶＡ（ｍＶ） 補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 平成３年１１月１２日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．容量素子（Ｃｓ）と接続し、所定振幅の第１周期電圧信号を発生させるのに 使用する第１電圧源（Ｖｓ）と容量素子（Ｃｓ）と接続し、少なくとも第１周期 電圧信号の周期部分を超えて前記容量素子（Ｃｓ）の出力電流を積分し、測定量 が所定関係により積分値から引き出される積分回路（ＯＰＶ，Ｃｆ） で構成されることを特徴とする容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する 回路。
2. ２．容量素子がＭＯＳ構造（Ｃｓ）であって、その金属層が触媒金属で構成され るか又は少なくとも一定割合の触媒金属を含むこと を特徴とする請求項１に記載の容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する 回路。
3. ３．容量素子（Ｃｓ）が容量性ＭＯＳガスセンサ、容量性ＭＯＳ湿度センサ又は 液体中のイオン濃度を測定する容量性ＭＯＳセンサであること を特徴とする請求項２に記載の容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する 回路。
4. ４．第１電圧源（Ｖｓ）が周期的方形波信号を発生させることを特徴とする請求 項１〜３のいずれか１つに記載の容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定す る回路。
5. ５．第１周期信号の周期を少数キャリア蓄積の平衡状態が生じるように容量素子 （Ｃｓ）における少数キャリア反応時間より長くし、また少数キャリア発生再結 合時間より短くするように決定すること を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の容量素子の容量−電圧特性へ の影響量を測定する回路。
6. ６．積分回路（ＯＰＶ，Ｃｒ）が、演算増幅器（ＯＰＶ）と、演算増幅器（ＯＰ Ｖ）の帰還路に配置され互いに並列接続される積分コンデンサ（Ｃｆ）と電子ス イッチ（Ｓ）とを含み、電子スイッチ（Ｓ）は、第１電圧源（ＶＳ）による周期 信号位相と固定位相関係で制御され、また、 前記第１電圧源（ＶＳ）から離れている側の容量素子（Ｃｓ）の端子は演算増幅 器（ＯＰＶ）の入力端子（−）と接続することを特徴とする請求項１〜５のいず れか１つに記載の容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する回路。
7. ７．第１電圧信号に対して反転する第２電圧信号を発生させる第２電圧源（ＶＲ ）と、 容量素子（Ｃ６）の容量−電圧特性が測定量に影響されない時は積分回路（ＯＰ Ｖ，Ｃｒ）の出力時にオフセット電圧が補償されるようにその容量が選択され、 一方が第２電圧源（ＶＲ）と接続し他方は積分回路（ＯＰＶ，Ｃｒ）と接続する リファレンスコンデンサ（Ｃｆ） を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の容量素子の容量 −電圧特性への影響量を測定する回路。
8. ８．容量−電圧特性が容量素子（Ｃｓ）の容量−電圧特性と実質的に同程度の干 渉量に影響されるが、測定量に依存しない容量リファレンス素子（Ｃｒ）及び前 記第１電圧信号に対して反転する第２電圧信号を発生させるのに使用され、他方 の端子が積分回路（ＯＰＶ，Ｃｒ）と接続するリファレンス素子（Ｃｒ）の一方 の端子と接続する第２電圧源（ＶＲ） で構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の容量素子の 容量−電圧特性への影響量を測定する回路。
9. ９．所定振幅の周期電圧信号を容量素子（Ｃｓ）に与え、所定域内の容量−電圧 特性曲線下の領域を検出し、更に、測定量と前記領域との所定関係により検出領 域に基づいて測定量を決定すること を特徴とする容量素子の容量−電圧特性への影響量を測定する方法。
10. １０．領域が少なくとも電圧信号の周期部分を超えて容量素子（Ｃｓ）の出力電 流の積分により検出されることを特徴とする請求項９に記載の容量素子の容量− 電圧特性への影響量を測定する方法。