JPH0321063B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の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
学的に反応する電界効果形トランジスターに関す
るものである。

各種の応用例に対し開発された異なつた型式の
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
学式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。CHEMFETの一型式はイオン含
有液体内のイオン活量とイオン濃度といつた化学
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
けでジヨンソン氏等に発行された『選択的化学反
応FET変換器』と題する米国特許第4020830号を
参照されたい。当該特許は参考例として本明細書
に記載してある。

その他の電気的に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『MOSFET』装置として開発されてい
る。例えばIEEEの臨床医学技術紀要（IEEE
Transactions of Biomedical Engineering）の
342−51（1972年９月）のピイーエツト・バーグベ
ルド氏の『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』を参照されたい。米国特許第4020830号に開
示されている如きイオン反応型CHEMFET装置
は前掲のバーグベルト氏の論文に開示されている
MOSFET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MOSFET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。

従つて、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
が容易に理解されよう。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
成不可能であつ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
る或る装置が開発されている。（応用物理紀要
（Applied Physics Letters）26号55−57（1975年
１月15日）のＩ・ランドストローム氏の『水素反
応型MOS電界効果形トランジスター』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ジ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・モーメントがパラジウム金属
の仕事関数に変化を生ぜしめる。従つて、こうし
た装置の電位差の変化を測定することによつてサ
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FET装置はパラジウム層
を浸透出来るような気体性成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。こうした装置は明らかにその他の気体性成
分の濃度の測定といつた更に一般的の適用例には
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置
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ボ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.Inst.342−47（1951年）のＧ・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
3719564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ツ化物電解液を備えたソリツ
ド・ステート電気化学電池が含まれている。或る
還元可能な気体の濃度は当該濃度を気体性サンプ
ルに露呈させて還元可能な気体の濃度の関数とな
つ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3719564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
は全て検出されないことになる。その上、分析す
る気体性サンプル内に多くの還元性気体が存在す
る場合には、当該装置は各々個々の気体性成分の
濃度を選択的に測定することが出来ない。

従つて、当技術においては各種の異なつた気体
性成分の濃度を測定出来る装置を提供するよう気
体性サンプルの装置内に存在する材料内への浸入
を必要としないような装置を提供し、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。気体性サンプル内にある１種類
以上の個々の気体性成分の濃度を選択的に測定す
るよう適合可能な装置を提供することも当技術に
おける更に別の進歩となろう。気体性流体と液体
性流体の両方における成分の濃度を測定する装置
及び方法について本明細書に開示し且つ特許請求
する。

本発明は気体性及び液体性流体の両方にある各
種成分の濃度を測定するCHEMFET装置及びそ
の測定方法に関するものである。（本明細書で使
用する『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ヤンネ
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ツ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。ブリツジ部材は絶縁性層と共にギヤツプ
を形成するよう曲げてあり、当該ギヤツプはブリ
ツジ部材内の穿孔即ち孔により周りの流体環境に
接近出来るようにされている。

電圧源がブリツジ部材に接続されブリツジ部材
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
よう当該両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
吸着層がブリツジ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
法の実施例にあたつて分析すべき流体が流体を貫
流せしめるブリツジ部材を通つてギヤツプ内に導
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ツ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
体成分はそのギヤツプ内における電界を改変する
ことになる。

導電性チヤ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
全て電流計によつ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ツジ
部材の内側面（即ち、ギヤツプ２９に隣接してい
るブリツジ部材の表面）にて吸着される流体成分
の濃度を計算する手段を提供するものである。

科学的な選択吸着層がブリツジ部材又は絶縁層
のいずれか一方に適用される場合、当該層はブリ
ツジ部材の吸着特性を高めるよう作用する。当該
吸着層は本装置を或る特定の流体構成分に対して
のみ科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。

従つて、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供す
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にあ
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
なつた気体性成分の分析が可能となるものであ
る。

本発明の更に別の目的は流体内の成分の濃度を
測定する装置及び方法であつて、本装置及び方法
が或る特定の流体成分を化学的に選択するよう適
合可能となつ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。

こ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。

本発明の科学的に反応する電界効果型トランジ
スター（CHEMFET）の一好適実施態様を第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型ドー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の表面内に、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
の一方は（第１図で拡散領域１４として図解され
ている）ソースと称し、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基
体１２の表面領域、特に当該基体と絶縁体の境界
面を定める部分は通常ゲート領域と称し、ここで
は１８で表わす。（典型的には、二酸化ケイ素、
窒化ケイ素又は二酸化ケイ素／窒化ケイ素のサン
ドイツチ構造といつた）電気絶縁体材料２０が半
導体基体１２の表面、拡散領域１４，１６の部
分、特にゲート領域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はゲート絶縁
体２２として知られている。（アルミニウム、ｎ
型ケイ素等といつた）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上に折
出され、拡散領域１４，１６との外部電気接点２
４，２６を提供する。

ブリツジ部材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絶縁
体材料２０の表面に固定してトランジスター１０
のゲート領域１８上に延在させ、ブリツジ部材２
８の下面とゲート絶縁体２２の上面の間にギヤツ
プ２９を形成する。ブリツジ部材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。ブリツジ部材２８の
下面とゲート絶縁体の上面の間のギヤツプ距離は
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、現在最も好ましい範囲は、約0.1
ミクロン乃至約１ミクロンの範囲である。

ブリツジ部材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
ギヤツプ２９に対して流出入可能とする。電気的
に導電性のブリツジ部材は典型的には格子、メツ
シユ、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、
電気がブリツジ部材２８上を流れることが出来る
一方、同時に流体が孔２７を通つてギヤツプ２９
内へ流入出来る。

ブリツジ部材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３
２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１６の間
に延在する半導体基体１２の該当部分から成る導
電性チヤンネル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。導電性チヤンネル
３４内の電流の値を検出して測定し、即ちドレー
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３
６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
環境下での状態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、ギヤツプ２９は
電気的に非導電性の材料で充填され、ギヤツプ内
の当該材料はブリツジ部材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。従つて、電荷が電圧源３０からブリ
ツジ部材２８上に加えられると、所定の電界がブ
リツジ部材２８と半導体基体１２の間に発生す
る。ブリツジ部材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内の正孔がゲート領域１
８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つて増加するのに伴
ない、前述の導電性チヤンネル３４が２個の拡散
領域１４，１６の間に形成される。拡散領域１
４，１６の電圧の値間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
面に沿つ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。

導電性チヤンネル３４のコンダクタンス、従つ
て当該導電性チヤンネルを流れる電流の値は境界
面たるゲート領域１８における電荷の値即ちブリ
ツジ部材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、ブリツジ部材
２８上の電圧の値は電子密度従つて導電性チヤン
ネル３４内の電流の流れを制御する。その結果、
導電性チヤンネル３４内の電流の値はブリツジ部
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、導電性チヤンネル内の電流の値
をブリツジ部材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
果を達成する重要の因子である。

導電性チヤンネル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（I_D）
を含む。ドレーン電流（I_D）は数式的には以下の
式で表わすことが出来る。

I_D＝μ_NC_OＷ／Ｌ〔V_gs−V_FB−2φ_F＋Q_B／C_O）V_ds−Vs²
／_C｜／２〕(1) 但し、V_DS＜V_DSAT ここで、μ_Nは導電性チヤンネル３４内の電子の
移動度、C_Oはゲート絶縁体２２のキヤパシタン
ス、Ｗ、Ｌは各々導電性チヤンネル３４の幅及び
長さ、V_gsはゲートの電圧源３０の値、V_FBはフ
ラツト・バンド電圧、φ_Fは半導体基体１２のフ
エルミ準位、Q_Bは導電性チヤンネル３４内の空
乏電荷、V_ds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V_FBである。この項は以
下の如く定められる。

V_FB＝φ_M−φ_S−Q_ss／C_O (2) ここで、φ_Mはブリツジ部材２８の仕事関数、
φ_Sは半導体基体１２の仕事関数、Q_ssは表面状態
の電荷密度を表わす。

フラツド・バンド電圧（V_FB）はブリツジ部材
２８の仕事関数に依存しており、これは以下の如
く表わすことが出来る。

φ_M＝μ_e−4πFn〓cosα (3) ここで、μ_eはブリツジ部材２８のフエルミ準
位、Ｆはフアラデー定数、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ツ
ジ部材２８内の孔２７を通過し、ギヤツプ２９内
に移動可能である。ギヤツプ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は前述の如き様式で機能する。然
し乍ら、極性を有する物質がブリツジ部材２８と
ゲート絶縁体２２の間のギヤツプ２９内に入る
と、ブリツジ部材２８から出る電荷が影響を受け
る。

更に詳細に説明すれば、ギヤツプ２９内の流体
の分子が当該ギヤツ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
分子はブリツジ部材２８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ジ部材
２８に面し、一方、正の端子が一般に当該ブリツ
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
ギヤツプ２９内の表面に沿つて増加するのに伴な
い、これらのダイポール・モーメントがギヤツプ
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ヤ
ツプ２９内での全体的な電界に貢献し始める。吸
着された分子のダイポールを整合させる純粋の効
果はブリツジ部材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。従つて、整合した
ダイポールの正の端子が導電性チヤンネル３４に
向つて面する際、導電性チヤンネル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
チヤンネルから反発され、一方、付加的な電子が
当該チヤンネルに引き寄せられる。

前述した状態の下においては、導電性チヤンネ
ル３４内の電界の強さがブリツジ部材２８上の電
荷とギヤツプ２９を定める面に付着する整合した
ダ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、ギヤツプ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ヤンネル３４
を通る電流の流れの大きさを制御するものであ
る。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を通つてドレーン領域
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によつて測定され、かくしてギヤツプ
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
ツチング装置として動作可能であり、スイツチ位
置は導電性チヤンネル３４を流れる電流の関数で
あることが理解されよう。従つて、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。従つ
て、例えば、トランジスター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。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つて費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ダイポ
ールの検出を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
れたブリツジ部材２８を作成することにより達成
可能である。ブリツジ部材２８によつて吸着する
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を直接ゲート絶縁体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。或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１０
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、ステアリン酸は或るエステル成分を吸
着することが知られている。従つて、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の流体
のサンプル内に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。従つて、ブリツジ部材２８を銀で作成
するか又は吸着層３８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
的選択性に従つて吸着層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
体組成分に対するその特異性の度合いを主たる考
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異
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１０の吸着特性を高め、従つて流体の物質
の特定の組成分の大量の量をギヤツプ２９を形成
するブリツジ部材２８の下面面とゲート絶縁体２
２の上面の周りに蓄積させ得ることが理解されよ
う。従つて、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或る与えられた
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は多数の異なつ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、各々異なつ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つのユニツ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。

吸着層をゲート絶縁体２２上に付着させる代替
例として、第３図は吸着層４０をブリツジ部材２
８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ヤツプ２９内
に自由に流入出来るようブリツジ部材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。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、ゲート絶縁体２２はギヤ
ツプ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ゲート
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１４，１６の間で
ゲート領域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つては第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を利用して、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MOSFETと
して動作させ得ることが容易に明らかとなる。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。従つて、第４図に図解された実施態様は
ユーザーの希望に従つて典型的なMOSFET及び
本発明のCHEMFET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。

第４図の装置は更に電圧源を２個のみ必要とす
る改変可能である。この改変を達成する１つの方
法として、第３電圧源４４を除去してスイツチを
電圧源３０とブリツジ部材２８の間に装備し、電
圧源３０をスイツチの位置に従つてブリツジ部材
２８又は導電性層４２のいずれか一方に接続させ
る。この装置によつて電圧源３０は電荷をブリツ
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つて吸着層
をブリツジ部材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。従つて、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つ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つて具
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。従つ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、本発明のギヤツプ内
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、本発明のブリツジ部材の下面に吸着層を使用
した状態を図解する本発明のCHEMFETの好適
実施態様の横断面図。第４図は、標準型
MOSFET装置又はCHEMFET装置として本発明
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……ゲート絶縁体、２８……ブリツジ部
材、３０……電圧源、３２……第２電圧源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体内成分の濃度を検出する装置であつて、
   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ヤツプを形成するよう当該
   絶縁層に設置され流体を前記ギヤツプ内に流入せ
   しめることが出来、更に加えられる電荷を有する
   ことが出来る導電性のブリツジ部材と、 前記ブリツジ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
   る流体内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る
   ようにした特許請求の範囲第１項に記載の流体内
   成分の濃度検出装置。 ３ 前記ブリツ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第１項に記載
   の流体内成分の濃度検出装置。 ４ 前記ギヤツプを形成する前記ブリツジ部材と
   絶縁層の間の距離が約0.05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第１項に記載
   の流体内成分の濃度検出装置。 ５ 前記ギヤツプを形成する前記ブリツジ部材と
   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第
   １項に記載の流体内成分の濃度検出装置。 ６ 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第１項に記載
   の流体内成分の濃度検出装置。 ７ 前記ブリツジ部材が金、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
   囲第１項に記載の流体内成分の濃度検出装置。 ８ 前記絶縁層が二酸化ケイ素を含むようにした
   特許請求の範囲第１項に記載の流体内成分の濃度
   検出装置。 ９ 前記絶縁層が窒化ケイ素を含むようにした特
   許請求の範囲第１項に記載の流体内成分の濃度検
   出装置。 １０ 前記基体がケイ素を含むようにした特許請
   求の範囲第１項に記載の流体内成分の濃度検出装
   置。 １１ ドーピング極性を備えた半導体基体と、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つて、ブリツジ部材と前記
   導電性層の間にギヤツ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
   せしめることが出来、更に電荷を加え得るように
   した導電性の該ブリツジ部材と、電荷をブリツジ
   部材に加える装置を含むようにして成る改良型電
   界効果形トランジスター。 １２ 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第１１
   項に記載の改良型電界効果形トランジスター。 １３ 導電性層に電荷を加える装置とブリツジ部
   材上に電荷を加える装置がスイツチ装置により前
   記導電性層と前記ブリツジ部材に選択的に接続さ
   れる単一電圧源を含むようにして成る特許請求の
   範囲第１２項に記載の改良型電界効果形トランジ
   スター。 １４ 電荷を導電性層上に加える装置と電荷をブ
   リツジ部材上に加える装置がスイツチ装置により
   前来導電性層と前記ブリツジ部材に選択的に接続
   される単一電圧源を含むようにした特許請求の範
   囲第１１項に記載の改良型電界効果形トランジス
   ター。 １５ 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第１１項に記載の改
   良型電界効果形トランジスター。 １６ 前記ブリツ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第１１項に記
   載の改良型電界効果形トランジスター。 １７ 流体内成分の濃度を検出する方法であつ
   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
   により拡散領域の間の当該基体の表面を絶縁する
   段階と、 ブリツジ部材と絶縁層の間にギヤツプを形成す
   るよう絶縁層に導電性のブリツジ部材を設置する
   段階と、 前記流体をブリツジ部材を通してギヤツプ内に
   通過せしめる段階と、 電荷をブリツ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、 流体をブリツジ部材を通つてブリツジ部材と絶
   縁層の間のギヤツ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FETを用いた濃度検出方法。 １８ 前記絶縁層に吸着層を加える段階を含む特
   許請求の範囲第１７項に記載のFETを用いた濃
   度検出方法。 １９ 前記吸着層をブリツジ部材に加える段階を
   含む特許請求の範囲第１７項に記載の『FET』
   を用いた濃度検出方法。