JPS58129239A - 流体内成分の濃度測定装置及び濃度測定方法 - Google Patents

流体内成分の濃度測定装置及び濃度測定方法

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JPS58129239A
JPS58129239A JP58001833A JP183383A JPS58129239A JP S58129239 A JPS58129239 A JP S58129239A JP 58001833 A JP58001833 A JP 58001833A JP 183383 A JP183383 A JP 183383A JP S58129239 A JPS58129239 A JP S58129239A
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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】 本発明は流体内の各種成分の濃度を測定する装置及び方
法に関するものであり、更に詳細には化学的１／ｃ反応
する電界効果形トラン・シスターに間するものである。
各種の応用例に対し開発された異なった型式の電界効果
形トランジスター（通常は′ＦＥＴ、と称している）が
多数存在しているが、その中で化学的に反応するものは
僅かである。化学的に反応するこれらのＦＥＴはしばし
ば’　ＣＨＥＭＦＥＴ、＋と称されている。ＣＨＥＭＦ
ＥＴの線型式はイオン含有液体内のイオン活量とイオン
濃度といった化学的特性を測定する目的で開発されたイ
オン反応トランジスターである。例えば、１９７７年５
月３日付けでジョンソン氏等に発行された１選択的化学
反応ＦＥＴ変換器−と題する米国特許第４．ｏ２へ８３
０号を参照されたい。当該特許は参考例として本明細書
に記載しである。
その他の電気的１（応答する装置が同様の目的例えば金
属酸化物の半導体電界効果形トランジスター即ち’ＭＯ
８ＦＥＴ、装置として開発されている。例えばＩ　ＥＥ
Ｅの臨床医学技術紀要（ＩｇＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉ
ｏｎｓｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
ｉｎｇ）の３４２−５１（１９７２年９月）のビイ−エ
ツト・パーグ々ルド氏の１イオン反応電界効果形トラン
ジスターの電気生理学の手段としての開発、動作及び応
用Ｊを参照されたい。米国特許第４，０２０，８３０号
に開示されている如きイオン反応型ＣＨＥＭＦＥＴ装置
は前掲のパーグ々ルド氏の論文に開示されているＭＯ８
ＦＥＴ装置で経験した多くの問題を解決しているが、こ
れらのイオン反応型ＣＨＥＭＦＥＴ装置とＭＯ８ＦＥＴ
装置は両者共、電流を流し得る液体の分析に限定される
ものである。
非導電性液体内の各種成分の濃度を測定し得る装置に対
する必要があることは容易に理解される。
例えば、石油内に含まれている不純物の量を決定するた
め当該液体状の石油を分析することが望ましいものであ
る。導電性液体は一般にイオン反応型トランジスターの
動作を必要とし、石油製品は一般に非導電性であるとこ
ろから先行技術のイオン反応型トランジスターはこの型
式の分析には有用ではないと思われる。
従って、当技術で必要とされるものは、非導電性液体内
の成分の濃度を測定する装置であることが容嶋に理解さ
れよう。こうした装置について本発明で具体化してあり
、当該装置は先行技術で達成不可能であったものを実施
することにより先行技術を補ない、即ち非導電性液体内
の成分の濃度を測定するよう作用する。
当技術で知られているＦＥＴ装置のその他の制限事項は
不純物及び気体性流体内のその他の成分の濃度を測定す
る際その応用面が限定されることである。現存の装置は
一般に検出し得る気体性成分の種類に対して極めて特異
のものであり、そのため当該装置の多様性が著しく制限
されることになる。
例えば気体性サンプル内の水素の濃度を測定する成る装
置が開発されている。（応用物理紀要（Ａｐｐｌｉｅｄ
　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）　２６号５５−５
７（１９７５年１月１５日）の■・ランドストローム氏
の１水素反応型ＭＯ８電界効果形トランノスターＪを参
照）この装置は気体性サンプル内の水素を吸着して分解
させるパラジウム層を含むＭＯＳＦＥＴである。分子状
水素ガスのパラノウム被膜内への吸着及び分解後に水素
分子は原子状の水素に分離し、水素原子のダイポールφ
モーメントが・母ラジウム金属の仕事関数に変化を生せ
しめる○従って、こうした装置の電位差の変化を測定す
ることによってサンプル内の水素ガスの濃度を決定する
ことが出来る。前述した水素測定Ｆ　ＥＴ　装置は・七
ラジウム層を浸透出来るような気体性５ｉ分のみ即ち水
素を検出することに限定されることが容易に明らかとな
ろうのこうした装置は明らか）でその他の気体性成分の
＃に度の測定といっただに一般的な適用例には適してい
ないものである。
吸着導電体の仕事関数における変化に基づいて気体性成
分の濃度を測定するその他の型式の装４１も開発されて
いる。この装置は振動するコンデンサーによりいわゆる
デルタ電位差として仕事関数における変化の大きさを測
定するものである。例えば、２８−　Ｊ、Ｓｃｉ、　Ｉ
ｎ５ｔ、３４２−４７　（１９５１年）の０１１フイリ
ツプス著「空気中の不純物を検出する電子的方法−を参
照されたい。
還元可能な各種気体性成分の濃度を測定するため使用さ
れる更にその他の型式の装置は導電率測定装置である。
こうした装置の一例が米国特許第３．７１９．５６４号
に開示されている。当該特許に開示されている装置には
一対の電極と、当該両電極の間に挾まれた希土類フッ化
物電解液を備えたソリッド・ステー、ト電気化学電池が
含まれている。
成る還元可能な気体の濃度は当該濃度を気体性サンゾル
に露呈させて還元可能な気体の濃度の関数となっている
電池の電流を記録することにより測定される。
米国特許第３，７１９，５６４号に説明された如き装置
は還元性気体の濃度測定に限定されるだけでなく、電解
液材料に浸入出来る還元性気体にも限定される。従′つ
て電解液に十分浸入出来ないような気体１１全て検出さ
れないこと【なる。その上、汁析する気体性サンプル内
：（多くの還元性気体が存在する場合には、当該装置Ｉ
メｉ１キ々個々のへ体性４分の、１度を選択内に１１１
定することが出来ない。
従って、当り支術に今いて′は各＋４の買なった゛・Ｉ
、体［・ニド１１に分の・濃度を；、ｌ１１１定出来る
・：志・−１を提供すもよう気体律サンプルの装ナベ内
て存イ″＋三する材斗内へ７）浸入全必要としないよう
な装置を１是供し、一般に適用可能とすることも当技術
における進歩であることが理解されよう。気体性サンプ
ル内ｌである１種類以上の個々の気体性成分の濃度全選
択的に測定す、Ｓよう適合可能な袈置全提洪することも
当伎術に分ける更に別の、用歩となろう。気体性流体と
液体性流体の両方′で、＋？ける成分の／４１１を測定
する装置及び方法シこついて本明訓書に開示し且つ特許
清求する。
本呼明、・ま゛を体性及び液体性流体の両方にある各−
４１，部分の濃度を印１定するＣＪ（晃ＭＦＥＴ装堰及
びその測定り法１て関するものである。（本明細−１外
で使用する１流体−という用語は、気体性流体と液体性
流体の両方を含むことを理解すべきである。）本装置に
はドーピング極性を基体に与えるよう処理される半導体
基体が含まれている。当該基体の表面には一対の拡散領
域が形成され、当該領域の一方の領域は電源側として作
用し、他方の領域は電気的ドレーンとして作用する。２
個の拡散領域の間における半導体基体の領域は導電性チ
ャンネルを定める。半導体基体の上面に隣接して電気絶
縁層が設けられる。
流体を貫流させるブリッジ部材が絶縁性層に設置され、
金属又はその他の導電性材料で作成されている。ブリッ
・ゾ部材は絶縁性層と共にギャップを形成するよう曲げ
てあり、当該ギャップはブリッジ部材内の穿孔即ち孔に
より周りの流体環墳に接近出来るようにされている。
電圧源がブリツノ部材に接続されブリツノ部材に電荷を
与えるよう作用する。その他の電圧源がドレーン部分と
ソース部分の間に電位差を与えるよう当該画部分の間に
接続される。ドレーン電流の検出及び測定のため回路内
に電流計が含まれる。
その他に化学的選択率を提供し且つ分析する気体性成分
の吸着を高める目的から化学的な選択吸着層がブリツノ
部材又は絶縁層のいずれか一方に適用可能である。
本発明の新規な装置の動作と本発明の新規な方法の実施
にあたって分析すべき流体が流体を貫流せしめるブリッ
ジ部材を通ってギャップ内に導入される。ダイポール・
モーメントを有する流体成分は荷電されたブリッジ部材
の下面又は絶縁層の上面のいずれか一方に引き付けられ
る傾向がある。
これらの表面において吸着されるこれらの流体成分はそ
のギャップ内における電界を改変することになる。
導電性チャンネル内では電界の変化も感じられ、そのた
めソース側とドレーン側の間の電流の流れが高められる
か又は妨害されることとなる。ドレーン側とソース側の
間の電流の流れの変化は全て電流計によって検出され且
つ測定され、一方、電流の流れにおける測定後の変化は
ブリッジ部材の内側面（即ち、ギャツ７″２９に隣接し
ているブリッジ部材の表面）ｌてて吸着される流体酸゛
分の濃度を計算する手段を提供するものである。
化学的な選択吸着層がブリッジ部材又は絶縁、層のいず
れか一方に適用される場合、当該層はブリッジ部材の吸
着特性を高めるよう作用する。当該吸着層は本装置を伐
る特定の流体構成分に対１７てのみ化学的に選択吸着さ
れるように特に選択することが出来る。
従って、本発明の目的は、非導電性液体内の各種の成分
の濃度を測定する装置及び方法を提（ｔｅすることにあ
る。
本発明の別の目的は、気体性流体の各種成分の濃度を測
定する装置及び方法を提供することＫあり、本装置及び
本方法では本装置内の材料への気体性成分の浸入を必要
とせず、そのため各種の異なった気体性成分の分析が可
能となるものでめるっ本発明の更に別の目的は流体内の
成分の濃Ｆｆｃを測定する装置及び方法であって、本装
置及び方法が成る特定の流体成分を化学的に選択するよ
う適合可能となっているような装置及び方法を提供する
ことにある。
本発明のこれらの目的及びその他の目的については添附
図面を参照し乍ら行なわれる以下の説明から一層完全に
明らかとなろう。
ξこで同様の部分が図面全体を通じて同様の番号で表わ
されている図面を参照する。
本発明の化学的に反応する′眠界効果型トランノスター
（ＣＩ（ＥＭＦ’ＥＴ　）の−好適実施態様を第１図で
全体的に１０で示す。トランジスター１０には典型的に
はｐ型上−ピング極性を有するケイ素から成る半導体基
体１２が含まれている。公知のドーピング法によれば、
ｎ型ドーピング極性を有する２個の隔置された拡散領域
１４．１６が半導体基体１２の衣面内に、例えば約１ミ
クロンから約２ミクロンの深さ迄拡散され、約２０ミク
ロン隔置された状態にすることが出来る。ｎ型拡散領域
の一方（ハ（第１図で拡散領域１４として図解されてい
る）ソースと称１７、他方は（第１図の拡散領域１６）
ドレーンと称する。
２個の拡散領域の間に位置付けられた半導体°、１：体
１２体表２０表面領域当該基体と絶縁体の境界面を定め
る部分は通常ケ゛−ト領域と称し、ここでは１８で表わ
す。（典型的には、二酸化ケイ素、窒化ケイ素又は二曜
化ケイ素／窒化ケイ素のサンドインチ構造といった）電
気絶縁体材料２０が半導体基体１２の一艮面、拡散領域
１４．１６の部分、特にダート領域１８上で熱作用の下
に成長し、又はその他の方法により析出される。
２個の拡散領域の間の絶縁体材料シまケ゛−）＋１１’
！縁体２２として知られている。（アルミニウム、ｎ型
ケイ素等といった）電気的に導電性の材料が各々電気絶
縁体材料２０及びソース領域たる拡散領域１４とドレー
ン領域たる拡散領域１６上に析出され、拡散領域１４．
１６との外部４気接点２４゜２６を提供する。
ブリッジ部材２８を含む別の電気的に導電性の材料をそ
の両側の少なくとも一方の側で゛電気’Ｎ’２４体材料
２０の表面に固定してトランジスター１０のダート領域
１８上に延在させ、ブリッジ部材２８の下面とケ゛−ト
絶縁体２２の上面の間にギャップ２９を形成する。ブリ
ッジ部材２８はアルミニウム、銀、金、°白金又はこれ
らの材料の任意の材料から成る合金を含むその他の電気
的に導電性のある材料で作成可能である。ブリッジ部材
２８の下面とｆ−）絶縁体の上面の間のギャップ距離は
約０．０５ミクロン乃至約１０ミクロンの範囲にあるこ
とが好ましく、現在量も好ましい範囲は、約０．１ミク
ロン乃至約１ミクロンの範囲である。
ブリッジ部材２８は流体を通過させるよう構成され、か
くして液体と気体の双方若しくは一方をギャップ２９に
対して流出入可能とする。電気的に導電性のブリッジ部
材は典型的には格子、メツシュ、スクリーンとして構成
され又はその他の方法では孔２７を有する有孔板である
ところから、電気がブリッジ部材２８上を流れることが
出来る一方、同時に流体が孔２７を通ってギャップ２９
内へ流入出来る。
ブリッジ部材２８は更に所望の基準電圧を発生する電圧
源３０に接続されている。ソースたる拡散領域１４とド
レーンたる拡散領域１６の間に電位差を生じさせるよう
電気的に導電性の材料である外部電気接点２４．２６の
間にも第２電圧源３２が接続されている。この電位差は
各々ソースたる拡散領域１４とドレーンたる拡散領域１
６の間に延在する半導体基体１２の該当部分から成る導
電性チャンネル３４内に電流の流れを生じさせるのに十
分な値にすべきである。導電性チャンネルｕ内の電流の
値を検出して測定し、即ちｌ°レーン電流の値を測定す
るため第２電圧源３２とドレーン領域たる拡散領域１６
の間の回路に電流計３６も接続されている。
本発明の動作及び方法の理解のため、最初に電気的に導
電性の材料又は極性を有する物質の無い環境下での機能
について考察することが有用である。これらの状態下に
おいては、ギャツ７°２９は電気的に非導電性の材料で
充填され、ギャップ内の当該材料はプリツノ部材２８と
半導体基体１２の間の付加的な電気的に絶縁の層として
機能するものとする。従って、電荷が電圧源３０からプ
リリッジ部材２８と半導体基体１２の間に発生する。
プリツノ部材２８上の電荷がソースたる拡散領域１４上
の電荷に対して相対的に正とされる場合には、半導体基
体１２内の正孔がｆ−ト領域１８の半導体基体と絶縁体
の境界部分から反発され、一方、電子は当該境界部分に
引き付けられる。
電子の集中化が境界面に沿って増加するのに伴ない、前
述の導電性チャンネル３４が２個の拡散領域１４．１６
の間に形成される。拡散領域１４゜１６の電圧の値開に
電位差が存在する場合には、ゲート領域１８の半導体基
体と絶縁体の境界面に沿った電子の集中化が電流をこれ
らの拡散領域の間に流し得ることになる。
導電性チャンネル３４のコンダクタンス、従って当該導
電性チャンネルを流れる電流の値は境界面たるｒ−）領
域１８における電荷の値即ちプリツノ部材２８とソース
たる拡散領域１４の間の電位差に依存している。換言す
れば、ブリッジ部材２８上の電圧の値は・電子密度従っ
て導電性チャンネル３４内の電流の流れを制御する。そ
の結果、導電性チャンネル３４内の電流の値はプリン・
ゾ部材２８上の電圧の値を示すことになる。以前詳細に
説明した如く、導電性チャンネル内の電流の値をプリン
・り部材２８上の電圧の値に関係付け、更にその変化を
監視する能力は本発明の驚くべき結果を達成する重要な
因子である。
導電性チャンネル３４内の電流の値はドレーンたる拡散
領域１６で測定したドレーン電流（ＩＤ）を含む。ドレ
ーン電流（■　　数式的には以下のＤ）は 式で表わすことが出来る。
但し、ｖＤｓ＜　’ＤＳＡ？ ここで、μ、は導電性チャンネル３４内の電子の移動度
、ｑはダート絶縁体２２のキャノ母シタンス、Ｗ、Ｌは
各々導電性チャンネル３４の幅及び長さ、ｖｇ８はｆ−
）の電圧源３０の値、ｖＦＢはフラット−・バンド電圧
、φ、は半導体基体１２のフェルミ準位、ＱＢは導電性
チャンネル３４内の空乏電荷、ｖｄ８は第２電圧源３２
に対するドレーンの値である。
検出すべき流体成分のダイポールの吸着により修正され
る式（１）内の項はｖＦＢ　、である。この項は以下の
如く定められる。
ここで、〜はブリッジ部材２８の仕事関数、φ８は半導
体基体１２の仕事関数、Ｑ８Ｂは表面状態の電荷密度を
表わす。
フラット・バンド電圧（ｖＦＢ）はブリッジ部材２８の
仕事関数に依存しており、これは以下の如く表わすとと
が出来る。
〜＝　ｔｔｅ−４ｙｃＦｎ、　ｃ　ｏ　ｓα　　　　　
（３）ここで、μ８はブリッジ部材２８のフェルミ準位
、Ｆはファラデ一定数、ｎは吸着されたダイポール（ε
）の個数、αは吸着されたダイポールの角度である。
ここで第１図に図解されたＣＨＥＭＦＥＴ装置の動作に
移ると、液体又は気体を含む流体がブリッジ部材２８内
の孔２７を通過し、ギャップ２９内に移動可能である。
ギャップ２９内の流体が純粋に非導電性で且つ極性を有
しない場合には、トランジスター１０は前述の如き様式
く機能する。然し乍ら、極性を有する物質がブリツノ部
材２Ｂとｒ　−ト絶縁体２２の間のギャップ２９内に入
ると、ブリッジ部材２８から出る電荷が影響を受ける。
更に詳細に説明すれば、ギャップ２９内の流体の分子が
当該ギャップを定める電荷面に引き寄せられる。これら
の表面に吸着されたこれらの流体分子はブリッジ部材２
８に正の電荷が存在する場合に極性を有する分子の負の
端子がブリツノ部材２８に面し、一方、正の端子が一般
に当該ブリッジ部材から離れて向けられるようそれ自体
で整合する傾向がある。
整合した極性を有する分子の集中する度合いがギャップ
２９内の表面に沿って増加するのに伴ない、これらのダ
イポール参モーメントがギャップ内で乱雑に移動する極
性を有する分子の場合の如く相互に打ち消し合う作用を
有する代わりにギャップ２９内での全体的な電界に貢献
し始める。吸着された分子のグイポールを整合させる純
粋の効果はブリッジ部材２８上に作り出されている正の
電荷を増加させることにある。従って、整合したグイポ
ールの正の端子が導電性チャンネル３４に向って面する
際、導電性チャンネル３４に存在する正の電荷が増加し
、その結果、別の正孔が当該チャンネルから反発され、
一方、付加的な電子が当該チャンネルに引き寄せられる
。
前述した状態の下においては、導電性チャンネル３４内
の電界の強さがブリッジ部材２８上の電荷とギャップ２
９を定める面に付着する整合したグイポールの濃度の両
方に依存していることが明らかとなる。電圧源３０が一
定状態に保持されている際、ギャップ２９の表面に吸着
された整合しているダイポールの濃度は導電性チャンネ
ル３４を通る電流の流れの大きさ全制御するものである
０ドレーンたる拡散領域の電流の値を制御するのは、こ
の整合されたダイポール濃度である。導電体たる外部電
気接点２６を通ってドレーン領域たる拡散領域１６から
伝達されたドレーン電流は電流計３６によって測定され
、かくしてギャップ２９内の流体におけるダイポール濃
度の測定値を与える。
勿論、本明細書で開示した実施態様は全てスイッチング
装置として動作可能であり、スイッチ位置は導電性チャ
ンネル３４を流れる電流の関数であることが理解されよ
う。従って、この電流を監視するため、電流計３６を使
用することは本発明の特徴になる。
前述の説明からトランジスター１０は流体の特別の領域
内におけるダイポール濃度を測定する目的に使用可能で
あることが明らかとなる。従って、例えば、トラン・シ
スター１０は、特定の構成成分の可変濃度を有する流体
内の各種の位置における当該構成成分の濃度を測定する
の、に特に役立つ０このトランジスターの利用分野につ
いては先行技術の装置とは異なって非導電性液体と非導
電性気体の両者を分析するのに利用可能であることが更
に理解されよう。
第１図に図解した如く構成されているＣＨＥＭＦＥＴ装
置たるトランジスター１０はその応用分野が広いが、特
に特別の物質を含むグイポールの検出全可能とすること
も出来る。これは特にその特別の物質を特別に吸着する
材料で作成されたブリツノ部材２８を作成することによ
り達成可能である。
ブリッジ部材２８によって吸着することが出来ないこれ
らの付加的な流体構成成分を選択的に確認する更に優れ
た能力を達成するには本装置のトランジスターを僅かに
改変するだけでよい。この改変内容は第２図及び第３図
に図解された実施態様に関する以下の説明に述べられた
如く、吸着層を追加することに関係がある。
特に第２図を参照すると、装置たるトランジスター１０
は吸着層３８を直接ｆ−）絶縁体２２の上面上に析出さ
せることにより選択的になし得ることに注目されたい。
吸着層３８の化学的組成は確認と測定が行なわれる流体
の成分に依存することが理解されよう。成る流体の構成
成分の吸着に対し化学的に特殊であることが知られてい
る組成を吸着層に利用して装置たるトランジスター１゜
をその特別の構成成分に対し化学的に特定のものにする
ことが出来る。
例えば、ステアリン酸は成るエステル成分を吸着するこ
とが知られている。従って、吸着層３８をステアリン酸
を含有する材料で作成すれば、ＣＨＥＭＦＥＴ装置たる
トランジスター１０は流体のす／ゾル内てこれらのエス
テル成分を検出して測定する目的に適用される。
その他の例として、（銀等の）一部の金属は硫化水素（
Ｈ２Ｓ）を吸着する作用があることが知られている。従
って、ブリッジ部材２８を銀で作成するか又は吸着層３
８を銀で作成することによりＣＨＥＭＦＥＴ装置たるト
ランジスター１０は硫化水素に対し化学的に固有のもの
とされる。
吸着層３８の化学的組成に関する前述の例は一例として
のみ与えられたものであり、所望の化学的選択性に従っ
て吸着層３８の構造にその他の多数の材料を使用可能で
あることが理解されよう。
吸着層３８の構造に対し適当な材料を選択するにあたり
、その材料の吸着特性及び測定さるべき流察事項にすべ
きである。各種の流体組成分に対し化学的に選択される
各種の装置を作成するため積なる材料の公知の化学的吸
着特性を利用することが出来る。
前述の内容から吸着層３８は装置たるトランジスター１
０の吸着特性を高め、従って流体の物質の特定の組成分
の大量の量をギャップ２９を形成するブリッジ部材２８
の下面とケ°−ト絶縁体２２の上面の周りに蓄積させ得
ることが理解されよう。
従って、装置たるトランジスター１０を吸着面を含むよ
う改変することにより成る与えられた流体内の特定の成
分の濃度を確認し且つ測定することが出来る。この特徴
により、装置たるトランジスター１０は多数の異なった
形態の適用例での流体の分析に選択的に使用可能である
。更にその上、各々異なった流体成分に対し化学的に特
異なものとされた多数の装置たるトランジスター１０を
１つのユニットに結合して個々の成分の各成分の濃度を
選択的に確認する装置を提供することが出来る０ 吸着層をダート絶縁体２２上に付着させる代替例として
、第３図は吸着層４０をブリッジ部材２８の下面に付着
させる状態を図解している。勿論、吸着層４０はサンプ
ル流体がギャップ２９内に自由に流入出来るようブリッ
ジ部材２８と実質上同一に構成する必要があることが理
解されよう０その他の全ての点については、第３図の装
置は機能上及び動作上第２図の装置と類似している。
前述した選択性の特徴により第２図又は第３図のいずれ
か一方に具体化されている装置は実質的に全ての気体又
は実質的に全ての非導電性液体内での極性を有する流体
の濃度の確認と測定を行なう目的に利用可能である。本
発明の第１図乃至第３図の実施態様は、電気的に非導電
性の環境内で使用されるところから、ダート絶縁体２２
はギャップ２９内の非導電性流体で構成可能であること
も理解されよう。
ＣＨＥＭＦＥＴ装置のその他の好適実施態様について第
４図を参照し乍ら説明する。第４図の装置は電気的に導
電性の材料で作成された層４２が半導体基体１２との接
触から絶縁されるようダート絶縁体２２の上面上に付着
されることを除いて第１図の装置と実質的に同一である
ことが注目されよう。導電性層４２は拡散領域１４．１
６の間でダート領域１８の表面に対し実質的に平行に延
在している。導電性層４２はそれ自体でアースの如き電
気基準点に接続されている第３電圧源４４に一端部が接
続されている。
当技術の熟知者にとっては第４図の装置は電圧源３０を
オフに切換え、ソースたる拡散領域１４とドレーンたる
拡散領域１６の間に電位差を生じさせるため第２電圧源
３２を利用し、又、導電性層４２上に基準電圧を作り出
すため第３電圧源４４を使用することにより典型的なＭ
ＯＳＦＥＴとして動作させ得ることが容易に叩らかとな
る。代替的に、第３電圧源４４を切離し、電圧源３０を
動作させて基準電圧を生ぜしめる状態では第４図の装置
は実質的に第１図の装置と同様の様式で機能する。
従って、第４図に図解された実施態様はユーザーの希望
に従って典型的なＭＯＳＦＥＴ及び本発明のＣＨＥＭＦ
ＥＴ装置としての適用例を有する極めて多様性のある装
置を呈している０ 第４図の装置は更に電圧源を２個のみ必要とするよう改
変可能である。この改変を達成する１つの方法として、
第３電圧源４４を除去してスイッチを電圧源３０とブリ
ッジ部材２８の間に装備し、電圧源３０をスイッチの位
置に従ってブリッジ部材２８又は導電性層４２のいずれ
か一方に接続させる。この装置によって電圧源３０は電
荷をブリッジ部材２８に供給する基準電圧として又は電
荷を導電性層４２に供給する基準電圧として選択的に利
用可能である。
又、第４図の実施態様は第２図及び第３図に関連して前
述した且つ図解した様式を以って吸着層をブリッジ部材
２８の下面又は導電性層４２の上面のいずれか一方に付
着させることにより１種類以上の特別の物質に対して更
に選択度の高いものになし得ることも認識すべきである
。従って、第４図の装置は、多数の応用例に対し特に多
様化され且つ有用となるものである。
本明細書で開示した新規のＦＥＴは（１）非導電性流体
を分析するのに使用可能なＣＨＥＭＦＥＴを提供し、（
２）分析すべき気体性成分により材料を装置内に侵入さ
せる必要が構造上無くなるＣＨＥＭＦＥＴを提供し、（
３）その応用例及びその化学的選択率の点で一般化又は
特異化が可能となるＣＨＥＭＦＥＴを提供することによ
り、当技術分野で永年の間問題となっていた多くの問題
を明らかに克服することが前掲の説明から理解されよう
。
本発明はその技術思想又はその本質的な特徴から逸脱す
ることなくその他特定の形態を以って具体化出来るもの
である。前述の実施態様は全ての点で単なる例示的なも
のであり制限的なものとして考えるべきではない。従っ
て本発明の範囲は前掲の説明よりもむしろ前述の特許請
求の範囲により示されるものである。特許請求の範囲の
意味とその等価な範囲内に入る全ての変更例は特許請求
の範囲内に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明のＣＨＥＭＦＥＴの一好適実施態様の
横断面図。 第２図は、本発明のギャップ内の絶縁体の上面にある吸
着層を含む、本発明のＣＨＥＭＦＥＴの好適実施態様の
横断面図。 第３図は、本発明のブリッジ部材の下面に吸着層を使用
した状態全図解する本発明のＣＨＤＭＦＥＴの好適実施
態様の横断面図。 第４図は、標準型ＭＯ８ＦＥＴ装置又はＣＨＥＭＦＥＴ
装ｆｌｔとして本発明の使用を可能にする構造及び回路
を含む本発明のその他の好適実施態様の横断面図。 １２・・・半導体基体　１４．１６・・・拡散領域２２
・・・ケ゛−ト絶縁体　２８・・・ブリッジ部材３０・
・・電圧源　　　３２・・・第２電圧源特許出願人　　
ユニヴアーシティ　オヴユータ：￥４Ａネｍ！Ｉ　−− 属１和５８訂３月８１’（ 狛４１Ｉ艮官　菩杉和夫　殿 １、！［’ｌの入車　　特願昭５８−１８３３号ｚ　ｆ
ｔ閑の名称　　流体内成分の濃度測定装置及び濃を良測
定ｈ？人 ：１．？ｄｉ＋ｌを４る石 Ｊｉ　ＩＩＩとの関係　特許出願人 （１所　Ｐメリカ合衆国　コ、−タ州　８４’ｌ１２ソ
ルト　レイク　シティ　ｌ−ヴノ７−シライイヴ　」−
タ　バーク　じル１゛ｃング　３０４と、　称　１’ｌ
ツノ・−シティ　オヴ　１−タ代入古　ジｌイムズ　ジ
ェイ、Ｉツノイー１１４　　藉　ノノメリノＪ合衆国 ・１代理人 ｔｉ、補ＩＩの対象　　　明細１ｌｌ（浄１）　耕御嚇
珊噛１、補ＩＩの内容　　　別紙のとおり

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 ｌ）流体白成分の濃度を検出する装置であって、ドーピ
    ング極性を有する半導体基体と、前記基体の表面に位置
    付けられた少なくとも２個の拡散領域と、 前記拡散領域の間で前記基体の表面に重なる電気絶縁層
    と、 前記絶縁層と共にギャップを形成するよう当該絶縁層に
    設置され流体を前記ギャップ内に流入せしめることが出
    来、更に加えられる電荷を有することが出来るブリッジ
    部材と、 前記ブリツノ部材上に電荷を加える装置と、前記拡散領
    域の間に電位差を加える装置から成る流体白成分の濃度
    検出装置。 ２）前記絶縁層に加えられる吸着層を含み、前記吸着層
    が流体の一部の成分を選択的に吸着出来ゐようにした特
    許請求の範囲１）項に記載の流体白成分の濃度検出装置
    。 ３）前記ブリッジ部材に適用される吸着層を含み、前記
    吸着層が流体の一部の成分を選択的に吸着出来るように
    した特許請求の範囲１）項に記載の流体白成分の濃度検
    出装置０ ４）前記基体から絶縁されるよう前記絶縁層に隣接して
    位置付けられた導電体であって、電流を導通させ得る導
    電体と、 前記導電体に電荷を加える装置から成る特許請求の範囲
    １）項に記載の流体白成分の濃度検出装置０５）前記導
    電体に加えられる吸着層を含み、前記吸着層が流体の一
    部の成分を選択的に吸着出来るようにした特許請求の範
    囲ｖ項に記載の流体白成分の濃度検出装置。 ６）前記ブリッジ部材に加えられる吸着層を含み、前記
    吸着層が流体の一部の成分を選択的に吸着出来るように
    した特許請求の範囲４）項に記載の流体白成分の濃度検
    出装置。 ７）前記ギャップを形成する前記ブリッジ部材と絶縁層
    の間の距離が約ｏ、ｏｓミクロン乃至約１０ミクロンあ
    るようにした特許請求の範囲１）項に記載の流体白成分
    の濃度検出装置。 ８）前記ギャップを形成する前記ブリッジ部材と絶縁層
    の間の距離が約０．１　ミクロン乃至約１ミクロンの範
    囲内にあるようにした特許請求の範囲υ項に記載の流体
    白成分の濃度検出装置。 ９）前記拡散領域の間の電流の流れを検出する装置を含
    むようにした特許請求の範囲１）項に記載の流体白成分
    の濃度検出装置。 １０）前記ブリッジ部材が金、白金、銀、アルミニウム
    のグループより選択された金属並びに前掲の任意の金属
    の合金で作成されている特許請求の範囲１〕項に記載の
    流体白成分の濃度検出装置。 １υ　前記絶縁層が二酸化ケイ素を含むようにしだ特許
    請求の範囲１）項に記載の流体白成分の濃度検出装置。 １２）前記絶縁層が窒化ケイ素を含むようにした特許請
    求の範囲１）項に記載の流体白成分の濃度検出装置。 求の範囲１）項に記載の流体白成分の！１度検出装置。 １４）ドーぎング極性を備えた半導体基体と、（有配基
    体の表面に位置付けられた少なくとも２１周の拡散領域
    と、前記拡散領域の間の前記基体の表面に重なる電気絶
    縁層と、前記拡散領域の間で前記絶縁層の表面に重なる
    導電性層と、前記導電性層上に電荷を加える装置と、前
    記拡散領域の間に電位差を加える装置を備えた型式の改
    良型電界効果形トランジスターであって、前記ブリツノ
    部材と前記導電性層の間にギャップを形成するよう絶縁
    層に設置されて導電性層の上方に延在し、流体を貫流亡
    しめることが出来、更に電荷を加え得るようにしたブリ
    ツノ部材と、電荷をブリツ・ゾ部材に加える装置を含む
    ようにして成る改良型電界効宋形トランジスター。 １５）前記拡散領域の間の電流の流れを検出する装置を
    含むようにして成る特許請求の範囲１４）項に記載の改
    良型電界効果形トランジスター。 １６）導電性層に電荷を加える装置とブリツノ部材上に
    電荷を加える装置がスイッチ装置により前記導電性層と
    前記ブリッジ部材に選択的に接疎される単一電圧源を含
    むようにして成る特許請求の範囲１５頭に記載の改良型
    電界効果形トランジスター　〇 １７）　電荷を導電性層上に加える装置と電荷をブリツ
    ノ部材上に加える装置がスイッチ装置により前記導電性
    層と前記ブリツノ部材に選択的に接続される単−電圧源
    を含むようにした特許請求の範囲１４）項に記載の改良
    型電界効果形トランジスター　〇 １８）前記導電性層に加えられる吸着層を含み前記吸着
    層が流体の一部の成分を選択的に吸着出来るようにした
    特許請求の範囲１４）項に記載の改良型電界効果形トラ
    ン・シスター。 １９）前記ブリッジ部材に加えられる吸着層を含み、前
    記吸着層が流体の一部の成分を選択的に吸着出来るよう
    にした特許請求の範囲１４）項に記載の改良型電界効果
    形トランゾスター。 ２０）流体白成分の濃度を検出する方法であって、ドー
    ピング極性を半導体基体に加えるよう当該基体をドーピ
    ングする段階と、 当該基体の表面に少なくとも２個の拡散領域を形成する
    段階と、 電気絶縁層を当該基体に隣接して設置すること（（（よ
    り拡散領域の間の当該基体の表面を絶縁する段階と、 ブリッジ部材と絶縁層の間にギャツｆを形、成するよう
    絶縁層にブリツ・ゾ部材を設置する段階と、前記流体を
    ブリツノ部材を通してギャップ内に通過せしめる段階と
    、 電荷をブリッジ部材に加える段階と、 電荷を拡散領域の間に加える段階と、 流体をブリツノ部材を通ってブリツノ部材と絶縁層の間
    のギャップに導入する段階と、拡散領域の間の電流の流
    れを検出する段階から成る流体白成分のγｉｔ検出方法
    。 ２１）前記絶縁層に吸着層を加える段階を含む特許請求
    の範囲２０〕項に記載の流体白成分の濃度検出方法。 ２２）前記吸着層をブリッジ部材に加える段階を含む特
    許請求の範囲２０）項に記載の流体白成分の濃度検出方
    法。
JP58001833A 1982-01-12 1983-01-11 流体内成分の濃度測定装置及び濃度測定方法 Granted JPS58129239A (ja)

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