JPH0740057B2 - 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
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Info
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- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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-
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- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、請求項１に記載のように、濃度依存容量−電
圧特性を有する容量性半導体素子によりガス混合物内の
ガス濃度又は液体内のイオン濃度を測定する方法に関す
るとともに、請求項４に記載のように濃度依存容量−電
圧特性を有する容量性半導体素子によりガス混合物内の
ガス濃度又は液体内のイオン濃度を上記の方法を用いて
測定するための回路装置に関する。
圧特性を有する容量性半導体素子によりガス混合物内の
ガス濃度又は液体内のイオン濃度を測定する方法に関す
るとともに、請求項４に記載のように濃度依存容量−電
圧特性を有する容量性半導体素子によりガス混合物内の
ガス濃度又は液体内のイオン濃度を上記の方法を用いて
測定するための回路装置に関する。
背景技術 容量性MOS構造は、電圧依存容量値を有する。例えば容
量性MOS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MOS構造の電圧依存容量特性に対する特定量
による影響は、電圧依存容量特性に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。
量性MOS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MOS構造の電圧依存容量特性に対する特定量
による影響は、電圧依存容量特性に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 sensors withultrathin l
ayers of palladium",IEEE Trans.Electron Devices,vo
l.ED−32,1158−1164頁、1985年に開示されている。
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 sensors withultrathin l
ayers of palladium",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、この
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。
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。
「Sensors and Actuators」第１巻,1981年,403−426頁
に開示される第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MOS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。
に開示される第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MOS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MOS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。
性MOS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。
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MOS素子の容量−電圧特性が通常１つの測定量に依存
するだけではなく、ある程度追加干渉量に影響される結
果生じる。
性MOS素子の容量−電圧特性が通常１つの測定量に依存
するだけではなく、ある程度追加干渉量に影響される結
果生じる。
イギリス特許公開2078970号は、真空チャンバ内の磁気
テープの位置を検出する容量センサを開示している。こ
の容量センサは後続の評価回路を備えて、前記磁気テー
プの位置を表示する容量依存電圧出力信号を供給するの
に用いられる。この容量センサは電圧非依存容量値を有
する。評価回路は、容量センサ及びリファレンスコンデ
ンサに与える方形波電圧信号を発生させる入力発振器を
有する。演算増幅器及び演算増幅器の帰還路に配置され
た積分コンデンサを含んで構成される積分回路は、容量
センサ内に蓄積された荷電とリファレンスコンデンサ内
に蓄積された荷電との差から生じる出力電圧を発生させ
る。スイッチは積分コンデンサと並列に接続し、このス
イッチは方形波電圧信号の各周期毎に容量センサの容量
電流を検出できるように周期的に閉成する。電圧出力信
号は低域通過フィルタにより平滑される。要するに、本
文献は容量位置センサの電圧非依存容量値を決定するた
めの容量測定回路とともに特性の容量位置センサを論じ
たものである。
テープの位置を検出する容量センサを開示している。こ
の容量センサは後続の評価回路を備えて、前記磁気テー
プの位置を表示する容量依存電圧出力信号を供給するの
に用いられる。この容量センサは電圧非依存容量値を有
する。評価回路は、容量センサ及びリファレンスコンデ
ンサに与える方形波電圧信号を発生させる入力発振器を
有する。演算増幅器及び演算増幅器の帰還路に配置され
た積分コンデンサを含んで構成される積分回路は、容量
センサ内に蓄積された荷電とリファレンスコンデンサ内
に蓄積された荷電との差から生じる出力電圧を発生させ
る。スイッチは積分コンデンサと並列に接続し、このス
イッチは方形波電圧信号の各周期毎に容量センサの容量
電流を検出できるように周期的に閉成する。電圧出力信
号は低域通過フィルタにより平滑される。要するに、本
文献は容量位置センサの電圧非依存容量値を決定するた
めの容量測定回路とともに特性の容量位置センサを論じ
たものである。
技術刊行物「Transaction of the Institute of Electr
onics Information」E70巻11号,1987年の1049及び1050
頁には、容量センサのインターフェース回路が開示され
ている。この回路はリファレンスコンデンサ及び測定コ
ンデンサに固定電圧信号を送る入力側交流電圧源で動作
し、出力側電流は出力信号を生じるように積分増幅器の
フィードバックブランチ内のインテグレーションコンデ
ンサで積分される。積分により生じた出力信号は周期的
にサンプルされる。この公知のインターフェース回路
は、しかしながら、その容量値が電圧依存である容量素
子の容量の非常に小さな時間変化を検出するだけであ
る。
onics Information」E70巻11号,1987年の1049及び1050
頁には、容量センサのインターフェース回路が開示され
ている。この回路はリファレンスコンデンサ及び測定コ
ンデンサに固定電圧信号を送る入力側交流電圧源で動作
し、出力側電流は出力信号を生じるように積分増幅器の
フィードバックブランチ内のインテグレーションコンデ
ンサで積分される。積分により生じた出力信号は周期的
にサンプルされる。この公知のインターフェース回路
は、しかしながら、その容量値が電圧依存である容量素
子の容量の非常に小さな時間変化を検出するだけであ
る。
技術刊行物「NTIS TECH NOTES」1987年８月，アメリカ
合衆国，バージニア，スプリングフィールド,729及び73
0頁には、積分増幅器を使用した容量変位センサの容量
値検出が開示されている。容量変位センサの入力側には
オシレータによる所定電圧振幅が供給され、瀬分増幅器
はその帰還路に積分コンデンサを含む。積分増幅器の出
力電圧の振幅変化は容量センサの容量値に比例する。要
するに、この公知技術は電圧非依存容量素子の容量値に
比例する交流振幅の出力信号を発生させるものである。
合衆国，バージニア，スプリングフィールド,729及び73
0頁には、積分増幅器を使用した容量変位センサの容量
値検出が開示されている。容量変位センサの入力側には
オシレータによる所定電圧振幅が供給され、瀬分増幅器
はその帰還路に積分コンデンサを含む。積分増幅器の出
力電圧の振幅変化は容量センサの容量値に比例する。要
するに、この公知技術は電圧非依存容量素子の容量値に
比例する交流振幅の出力信号を発生させるものである。
この先行技術と比較して本発明は、改良された長期安定
性及びS/N比により濃度測定が行えるような方法及び回
路を更に改良するための課題に基づく。
性及びS/N比により濃度測定が行えるような方法及び回
路を更に改良するための課題に基づく。
請求項１の前段部分の方法において、請求項１の特徴部
分に開示された方法ステップによりこの課題は解決さ
れ、請求項３の前段部分の回路の場合は、請求項３の特
徴部分に開示された特徴により課題は解決される。
分に開示された方法ステップによりこの課題は解決さ
れ、請求項３の前段部分の回路の場合は、請求項３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以上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。
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以上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。
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。
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。
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。
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。
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MOS構造の代
表的な容量特性を示す図である。
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。
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。
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MOS構造の電圧依存容量特性は、例えば雰囲
気中のH2濃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。
する容量性MOS構造の電圧依存容量特性は、例えば雰囲
気中のH2濃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Cs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Csは、金属層がパラジウムで構成される容量性MOS
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Csは、第１電圧源VSによって方形波電
圧が供給され、本実施例の場合、前記方形波電圧の振幅
はデューティ・ファクタが50％の時に±1.5Vに相当す
る。容量素子Cs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Crに供給され、こ
のリファレンスコンデンサCr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Cr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Csの
容量−電圧特性が測定量の影響を受けない。
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Csは、金属層がパラジウムで構成される容量性MOS
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Csは、第１電圧源VSによって方形波電
圧が供給され、本実施例の場合、前記方形波電圧の振幅
はデューティ・ファクタが50％の時に±1.5Vに相当す
る。容量素子Cs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Crに供給され、こ
のリファレンスコンデンサCr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Cr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Cs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Cr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H2濃度を取り出すのに使
用でき、出力電圧ΔVAに対するH2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21.1nm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104.5nm金ゲートを有する容量性MOS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Crの容量は1nFである。
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H2濃度を取り出すのに使
用でき、出力電圧ΔVAに対するH2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21.1nm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104.5nm金ゲートを有する容量性MOS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Cr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。
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＝∫Cs（Ｕ）dU 容量センサ素子Csを通る電流は、 （２） is＝dQ/dt＝d/dt∫Cs（Ｕ）dU で得られる。
フィードバックコンデンサCfにおける時間積分の結果は
下記出力電圧となる。
下記出力電圧となる。
（３） VA＝1/Cf∫isdt＝1/Cf∫（Cs（Ｕ）−Cr）dU 容量値Crは、測定量が最大可能値を有した時に演算増幅
器OPVが過励振しないように選択する必要がある。
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Cr及びセンサ素子Cs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2V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。
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2V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Crと共に実際のセンサ素子又は容量素子Cs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Csがその容量−電圧特性に関して干渉量Ｂ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MOS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。
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Crと共に実際のセンサ素子又は容量素子Cs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Csがその容量−電圧特性に関して干渉量Ｂ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MOS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、MO
S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。
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、MO
S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。
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＝２τNB/ni τは少数キャリア寿命、NBはドーピング、niは問題のMO
Sコンデンサ用の真性濃度である。
S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図（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。
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図（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
MOS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MOS構造を有するガスセンサとして使
用できる。
MOS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MOS構造を有するガスセンサとして使
用できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マクレイ，ジョーダン アメリカ合衆国，イリノイ 60153，メイ ウッド，エヌ．４ アベニュー，316 (72)発明者 ジンマー，ギュンター ドイツ連邦共和国，4100 デュイスブルグ 29，アム シュタインベルト 10
Claims (10)
- 【請求項１】所定振幅の周期的電圧信号を容量性半導体
素子（Cs）に与えるステップと、 前記電圧信号と所定の位相関係で容量性半導体素子の電
流を周期的に積分することにより容量−電圧特性曲線下
の領域を検出するステップ、及び 測定濃度と前記領域との間の容量半導体素子（Cs）用に
予め決定された関係による検出領域に基づいて測定濃度
を検出するステップ を含んで構成されることを特徴とする濃度依存容量−電
圧特性を有する容量性半導体素子によりガス混合気内の
ガス濃度又は液体内のイオン濃度を測定する方法。 - 【請求項２】前記領域は、少なくとも電圧信号の周期以
上に容量性半導体素子（Cs）の出力電流を積分すること
により検出されること を特徴とする請求項１に記載の濃度依存容量−電圧特性
を有する容量性半導体素子によりガス混合気内のガス濃
度又は液体内のイオン濃度を測定する方法。 - 【請求項３】電圧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性半導体素子（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こと を特徴とする請求項１または２に記載の濃度依存容量−
電圧特性を有する容量性半導体素子によりガス混合気内
のガス濃度又は液体内のイオン濃度を測定する方法。 - 【請求項４】容量性半導体素子（Cs）の一方の電極と接
続し、所定振幅の周期的第１電圧信号を発生させるのに
使用される第１電圧源（Vs）と、 容量性半導体素子（Cs）の他方の電極と接続し、第１電
圧信号と所定の位相関係で前記容量性半導体素子（Cs）
の出力電流を積分し、予め決められた積分値と測定濃度
との関係により測定濃度を得る積分回路（OPV,Cf） で構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
１つに記載の方法による濃度依存容量−電圧特性を有す
る容量性半導体素子によりガス混合気内のガス濃度又は
液体内のイオン濃度を測定する回路。 - 【請求項５】容量性半導体素子（Cs）がMOS構造であっ
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４に記載の濃度依存容量−電圧特性
を有する容量性半導体素子によりガス混合気内のガス濃
度又は液体内のイオン濃度を測定する回路。 - 【請求項６】容量性半導体素子（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５に記載の濃度依存容量−電圧特性
を有する容量性半導体素子によりガス混合気内のガス濃
度又は液体内のイオン濃度を測定する回路。 - 【請求項７】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４〜６のいずれか１つに記載の濃度
依存容量−電圧特性を有する容量性半導体素子によりガ
ス混合気内のガス濃度又は液体内のイオン濃度を測定す
る回路。 - 【請求項８】積分回路（OPV,Cf）が演算増幅器（OPV）
と、演算増幅器（OPV）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
号位相との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（C
s）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４〜７のいずれか１つに記載の濃度
依存容量−電圧特性を有する容量性半導体素子によりガ
ス混合気内のガス濃度又は液体内のイオン濃度を測定す
る回路。 - 【請求項９】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、 容量性半導体素子（Cs）の容量−電圧特性が測定量に影
響されない時は積分回路（OPV,Cf）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,Cf）と
接続するリファレンスコンデンサ（Cr） で構成されることを特徴とする請求項４〜８のいずれか
１つに記載の濃度依存容量−電圧特性を有する容量性半
導体素子によりガス混合気内のガス濃度又は液体内のイ
オン濃度を測定する回路。 - 【請求項１０】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,Cf）
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４〜９のいずれか
１つに記載の濃度依存容量−電圧特性を有する容量性半
導体素子によりガス混合気内のガス濃度又は液体内のイ
オン濃度を測定する回路。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3915563.3 | 1989-05-12 | ||
| DE3915563A DE3915563C1 (ja) | 1989-05-12 | 1989-05-12 | |
| PCT/EP1990/000612 WO1990013793A1 (de) | 1989-05-12 | 1990-04-17 | Schaltung und verfahren zum messen einer die kapazitats-spannungs-charakteristik eines kapazitiven elementes beeinflussenden grosse |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04503112A JPH04503112A (ja) | 1992-06-04 |
| JPH0740057B2 true JPH0740057B2 (ja) | 1995-05-01 |
Family
ID=6380539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2505963A Expired - Lifetime JPH0740057B2 (ja) | 1989-05-12 | 1990-04-17 | 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 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5235267A (ja) |
| EP (1) | EP0471684B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0740057B2 (ja) |
| KR (1) | KR930011421B1 (ja) |
| DE (2) | DE3915563C1 (ja) |
| WO (1) | WO1990013793A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007248065A (ja) * | 2006-03-13 | 2007-09-27 | Denso Corp | 容量式湿度センサ |
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| DK167823B1 (da) * | 1991-06-18 | 1993-12-20 | Asger Gramkow | Apparat til registrering af et koelemiddels fugtigheds- og syreindhold |
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| DE10134680A1 (de) * | 2001-07-20 | 2003-02-06 | Endress & Hauser Gmbh & Co Kg | Schaltungsanrdnung für einen kapazitiven Sensor |
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| US8962242B2 (en) | 2011-01-24 | 2015-02-24 | Genia Technologies, Inc. | System for detecting electrical properties of a molecular complex |
| US8986629B2 (en) | 2012-02-27 | 2015-03-24 | Genia Technologies, Inc. | Sensor circuit for controlling, detecting, and measuring a molecular complex |
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-
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-
1990
- 1990-04-17 KR KR1019900702097A patent/KR930011421B1/ko not_active Expired - Fee Related
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- 1990-04-17 US US07/768,440 patent/US5235267A/en not_active Expired - Fee Related
- 1990-04-17 EP EP90906167A patent/EP0471684B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1990-04-17 WO PCT/EP1990/000612 patent/WO1990013793A1/de not_active Ceased
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