(57)【要約】【課題】短時間でガス濃度を測定することが可能なガスセンサを提供すること。【解決手段】センサ部に第１のＦＥＴセンサを用いたガスセンサにおいて、ガス濃度測定部は、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない場合に、第１のソース−ドレイン電流が第１の閾値電流Ｉｃ（０）であるときに第１のゲート層に印加される第１の閾値電圧ＶＧＳ（０）と、雰囲気中に検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において第１のソース−ドレイン電流が第１の閾値電流Ｉｃ（０）であるときに第１のゲート層に印加される第２の閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）と、の差分である第１の閾値変化量と、第１の閾値変化量の時間微分と、に基づいて所定の時刻における検出対象ガスのガス濃度を測定する。【選択図】図５
2018072146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板上に形成された第１のウェルと、
前記第１のウェル上に形成された第１のソース拡散層と、
前記第１のウェル上に形成された第１のドレイン拡散層と、
前記第１のソース拡散層及び前記第１のドレイン拡散層上に形成された第１のゲート絶縁膜と、
前記第１のゲート絶縁膜上に形成され、雰囲気と対向する面の少なくとも一部の領域が露出した第１のゲート層と、
を備えた第１のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）型センサを有するセンサ部と、
前記第１のソース拡散層と前記第１のドレイン拡散層との間に流れる第１のソース−ドレイン電流を測定する電流測定部と、
前記雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定部と、
を備え、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第１のソース−ドレイン電流が第１の閾値電流であるときに前記第１のゲート層に印加される第１の閾値電圧と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において前記第１のソース−ドレイン電流が前記第１の閾値電流であるときに前記第１のゲート層に印加される第２の閾値電圧と、の差分である第１の閾値変化量と、前記第１の閾値変化量の時間微分と、に基づいて前記所定の時刻における前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度は、以下に示すラングミュアの式で示され、
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］
ここで、ΔＶｇ（Ｘ）は前記第１の閾値変化量、ΔＶｇｍａｘ、ｋ１、ｋ２はパラメータ、ｎは前記検出対象ガスに応じて規定される指数であり、
前記ガス濃度測定部は、前記ラングミュアの式に基づいて前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度測定部は、
前記検出対象ガスの種類に応じて前記ラングミュアの式における前記指数を設定し前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項４】
請求項３に記載のガスセンサにおいて、
前記第１のゲート層は、酸化チタンからなる電極支持層と、白金からなる電極層と、が積層されて構成されており、
前記ガス濃度測定部は、前記検出対象ガスの分子中における水素原子の個数に応じて前記ラングミュアの式における前記指数を設定する、
ガスセンサ。
【請求項５】
請求項３に記載のガスセンサにおいて、
前記第１のゲート層は、イットリア安定化ジルコニアからなる電極支持層と、白金からなる電極層と、が積層されて構成されており、
前記ガス濃度測定部は、前記検出対象ガスの分子中における酸素原子の個数に応じて前記ラングミュアの式における前記指数を設定する、
ガスセンサ。
【請求項６】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ部は、ヒータを備えている、
ガスセンサ。
【請求項７】
請求項８に記載のガスセンサにおいて、
前記ヒータは、前記第１のＦＥＴ型センサの付着物を燃焼させるリフレッシュ動作を行う、
ガスセンサ。
【請求項８】
請求項２に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ部の使用時間を計測する使用時間計測部と、
前記センサ部の使用時間に対応する前記パラメータとを記録するパラメータ記録部を備え、
前記ガス濃度測定部は、前記センサ部の使用時間及び前記センサ部の使用時間に対応する前記パラメータに基づいて前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項９】
請求項２に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ部の温度を測定するセンサ温度計と、
前記センサ部の温度に対応する前記パラメータを記録するパラメータ記録部と、を備え、
前記ガス濃度測定部は、前記センサ部の温度及び前記センサ部の温度に対応する前記パラメータに基づいて前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ温度計は、温度により抵抗値が変化する配線で構成されている、
ガスセンサ。
【請求項１１】
請求項２に記載のガスセンサにおいて、
前記検出対象ガスの前記ガス濃度の測定に影響を与える妨害ガスのガス濃度を測定する妨害ガス濃度計と、
前記妨害ガスの前記ガス濃度に対応する前記パラメータを記録するパラメータ記録部と、を備え、
前記ガス濃度測定部は、前記妨害ガスの前記ガス濃度及び前記妨害ガスの前記ガス濃度に対応する前記パラメータに基づいて前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度測定部は、所定の間隔で前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項１３】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ部は、
第２の半導体基板と、
前記第２の半導体基板上に形成された第２のウェルと、
前記第２のウェル上に形成された第２のソース拡散層と、
前記第２のウェル上に形成された第２のドレイン拡散層と、
前記第２のソース拡散層及び前記第２のドレイン層上に形成された第２のゲート絶縁膜と、
前記第２のゲート絶縁膜上に形成された第２のゲート層と、
前記第２のゲート層の前記雰囲気と対向する面の全域を覆うように形成された第１のゲート保護膜と、
を備えた第２のＦＥＴ型センサを備え、
前記電流測定部は、前記第２のソース拡散層と前記第２のドレイン拡散層との間に流れる第２のソース−ドレイン電流を測定し、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第２のソース−ドレイン電流が前記第１の閾値電流であるときに前記第２のゲート層に印加される第３の閾値電圧と、前記第１の閾値電圧と、の差分である第１のセンサ間電位差と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、前記所定の時刻において前記第２のソース−ドレイン電流が前記第１の閾値電流であるときに前記第２のゲート層に印加される第４の閾値電圧と、前記第２の閾値電圧と、の差分である第２のセンサ間電位差と、の差分である第２の閾値変化量と、前記第２の閾値変化量の時間微分と、に基づいて前記所定の時刻における前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度は、以下に示すラングミュアの式で示され、
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］
ここで、ΔＶｇ（Ｘ）は前記第２の閾値変化量、ΔＶｇｍａｘ、ｋ１、ｋ２はパラメータ、ｎは前記検出対象ガスに応じて規定される指数であり、
前記ガス濃度測定部は、前記ラングミュアの式に基づいて前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記電流測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合において、前記第１のゲート層に前記第１の閾値電圧が印加されたときの前記第１のソース−ドレイン電流としての所定の電流を測定し、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合における前記第１のソース−ドレイン電流が前記所定の電流であるときに、前記第１のゲート層に印加される所定の電圧を検出し、前記所定の電圧と、前記第１の閾値電圧と、に基づいて前記第１の閾値変化量を算出する、
ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、ガス濃度計、漏洩検知器等に設けられており、例えば、水素、メタン、酸化窒素、硫化水素、一酸化炭素等のガス濃度を測定する。ガスセンサには、例えば、接触燃焼式、気体熱伝導式等と呼ばれる方式が知られている。
【０００３】
また、近年は、これら以外にも、半導体プロセスで製造されたガスセンサの実用化が進められている。例えば、非特許文献１には、水素ガス用のガスセンサとして、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）型、キャパシタ型、ダイオード型のセンサを用いたガスセンサが開示されている。また、特許文献１には、放射線の影響を補正して、水素ガス濃度を正確に測定できるガスセンサが開示されている。また、非特許文献２には、酸素ガスのガス濃度を測定するＦＥＴ型のガスセンサが開示されている。
【０００４】
ＦＥＴ型、キャパシタ型、ダイオード型のガスセンサは、半導体ウエハを用い、半導体プロセスで製造することが可能である。このため、これらのガスセンサは、他の方式のガスセンサと比較して低コスト化、小型化、低消費電力化が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−８５１２４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「Sensors and Actuators」,2011,B157,p.329-352
【非特許文献２】「Journal of Applied Physics」,1988,63,p.2431-2434
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多くの場合、ガスセンサには、短い応答時間で検出対象ガスの濃度変化を測定することが要求される。例えば、燃料電池自動車向けの水素漏洩検知器に設けられたガスセンサでは、水素ガスの濃度変化に対して１秒以内に応答することが要求される。前述した接触燃焼式、気体熱伝導式のガスセンサは、熱を利用してガス濃度を検出するものであり、検出対象ガスの濃度変化に対して短い時間で応答することが可能である。
【０００８】
一方、半導体プロセスで製造されるガスセンサでは、材料層において検知対象ガスの吸着・分解といった化学反応が行われることにより、材料層の仕事関数が変化する。その結果生じるガスセンサの閾値変化量に基づいて、ガス濃度が測定される。材料層における化学反応は平衡状態に達するまで進み、平衡状態における閾値変化量に基づいて、ガス濃度が測定される。
【０００９】
ところが、化学反応が平衡状態に達するまでには数秒以上、環境によっては数十秒、数百秒以上の時間を要する場合がある。このため、平衡状態に達するまで待っていたのでは、ガスセンサは、短時間でガス濃度を測定することができない。
【００１０】
そこで、本発明は、短時間でガス濃度を測定することが可能なガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１２】
本発明の代表的な実施の形態によるガスセンサは、第１の半導体基板と、第１の半導体基板上に形成された第１のウェルと、第１のウェル上に形成された第１のソース拡散層と、第１のウェル上に形成された第１のドレイン拡散層と、第１のソース拡散層及び第１のドレイン拡散層上に形成された第１のゲート絶縁膜と、第１のゲート絶縁膜上に形成され、雰囲気と対向する面の少なくとも一部の領域が露出した第１のゲート層と、を備えた第１のＦＥＴ型センサを有するセンサ部と、第１のソース拡散層と第１のドレイン拡散層との間に流れる第１のソース−ドレイン電流を測定する電流測定部と、雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定部と、を備え、ガス濃度測定部は、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない場合に、第１のソース−ドレイン電流が第１の閾値電流であるときに第１のゲート層に印加される第１の閾値電圧と、雰囲気中に検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において第１のソース−ドレイン電流が第１の閾値電流であるときに第１のゲート層に印加される第２の閾値電圧と、の差分である第１の閾値変化量と、第１の閾値変化量の時間微分と、に基づいて所定の時刻における検出対象ガスのガス濃度を測定する。
【発明の効果】
【００１３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１４】
すなわち、短時間でガス濃度を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るガスセンサの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るセンサ部の構成の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るセンサ部におけるゲート層の構成の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るセンサの電流−電圧特性の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るゲート層の構成と応答時間との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係るゲート層と水素ガスとの反応の様子を示す図である。
【図８】平衡状態における閾値変化量とガス濃度との関係の一例を示す図である。
【図９】平衡状態におけるガス濃度の変化に対する応答特性を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係るガス濃度の測定結果の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係るガス濃度の測定方法を説明する図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係るセンサの電流−電圧特性の一例を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係るセンサ部の構成の一例を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に係るセンサの電圧−静電容量特性の一例を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態５に係るセンサ部の構成の一例を示す断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態５に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態５に係るセンサのゲート電圧−電流特性の一例を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態６に係るゲート層と酸素ガスとの反応の様子を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態７、８に係るガスセンサの構成の一例を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態９に係るガスセンサの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全ての図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１７】
（実施の形態１）
＜ガスセンサの構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るガスセンサの構成の一例を示す図である。図２は、本発明の実施の形態１に係るセンサ部の構成の一例を示す断面図である。図２（ａ）は、センサ（第１のＦＥＴ型センサ）１０Ｓの断面図であり、図２（ｂ）は、センサ（第２のＦＥＴ型センサ）１０Ｒの断面図である。図３は、本発明の実施の形態１に係るセンサ部におけるゲート層の構成の一例を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。図４（ａ）は、センサ１０Ｓの接続構造の一例を示す図である。図４（ｂ）は、センサ１０Ｒの接続構造の一例を示す図である。図４（ｃ）は、ヒータ１９の接続構造の一例を示す図である。
【００１８】
ガスセンサ１は、図１に示すように、センサ部１０、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０、データ入出力部（Ｉ／Ｏ）９０等を備えている。センサ部１０は、図１に示すように、センサ１０Ｓ、１０Ｒ、ヒータ１９等を備えている。
【００１９】
センサ１０Ｓは、図２（ａ）に示すように、半導体基板（第１の半導体基板）１１Ｓ、ウェル（第１のウェル）１２Ｓ、ソース拡散層（第１のソース拡散層）１３Ｓ、ドレイン拡散層（第１のドレイン拡散層）１４Ｓ、ゲート絶縁膜（第１のゲート絶縁膜）１５Ｓ、ゲート層（第１のゲート層）１６Ｓ、ゲート保護膜（第１のゲート保護膜）１７Ｓ等を備えている。半導体基板１１Ｓは、例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等で構成されている。
【００２０】
ウェル１２Ｓは、図２（ａ）に示すように、半導体基板１１Ｓの主面１１Ｓａ側に形成されている。ウェル１２Ｓは、センサ１０Ｓの特性を規定する所定の不純物が注入されて形成された層である。ウェル１２Ｓは、例えば、Ｎ型又はＰ型の層である。ウェル１２Ｓは、平面視（Ｙ軸方向）において、例えば、後述するソース拡散層１３Ｓ、ドレイン拡散層１４Ｓ、ゲート絶縁膜１５Ｓ、ゲート層１６Ｓ、ゲート保護膜１７Ｓを取り囲むように形成されている。
【００２１】
ソース拡散層１３Ｓは、図２（ａ）に示すように、半導体基板１１Ｓ上に形成されている。ソース拡散層１３Ｓは、例えば、図２（ａ）に示すように、平面視（Ｙ軸方向）において、ウェル１２Ｓの一部の領域を覆うように形成されている。例えば、ソース拡散層１３Ｓは、図示でウェル１２Ｓの左側（Ｘ軸の負側）の領域を覆うように形成されている。ソース拡散層１３Ｓは、センサ１０Ｓの特性を規定する所定の不純物が注入されて形成された層である。ソース拡散層１３Ｓは、例えば、Ｎ型又はＰ型の層でウェル１２Ｓと異なる導電型である。例えば、ウェル１２ＳがＮ型であれば、ソース拡散層１３ＳはＰ型である。また、ウェル１２ＳがＰ型であれば、ソース拡散層１３ＳはＮ型である。
【００２２】
ドレイン拡散層１４Ｓは、図２（ａ）に示すように、半導体基板１１Ｓ上に形成されている。ドレイン拡散層１４Ｓは、例えば、図２（ａ）に示すように、平面視（Ｙ軸方向）において、ウェル１２Ｓの一部の領域を覆うように形成されている。例えば、ドレイン拡散層１４Ｓは、図示でウェル１２Ｓの右側（Ｘ軸の正側）の領域を覆うように形成されている。ドレイン拡散層１４Ｓは、センサ１０Ｓの特性を規定する所定の不純物が注入されて形成された層である。ドレイン拡散層１４Ｓは、例えば、Ｎ型又はＰ型の層でウェル１２Ｓと異なる導電型である。例えば、ウェル１２ＳがＮ型であれば、ドレイン拡散層１４ＳはＰ型である。また、ウェル１２ＳがＰ型であれば、ドレイン拡散層１４ＳはＮ型である。
【００２３】
ゲート絶縁膜１５Ｓは、図２（ａ）に示すように、ウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓ、ドレイン拡散層１４Ｓ上に形成されている。ゲート絶縁膜１５Ｓは、平面視（Ｙ軸方向）において、ウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓ、及びドレイン拡散層１４Ｓを覆うように形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜１５Ｓは、ウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓ及びドレイン拡散層１４Ｓと、後述するゲート層１６Ｓとを電気的に絶縁させている。ゲート絶縁膜１５Ｓは、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）等で構成されている。
【００２４】
ゲート層１６Ｓは、図２（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１５Ｓ上に形成されている。ゲート層１６Ｓは、例えば、図２（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１５Ｓの主面１５Ｓａに形成されている。詳しくは、ゲート層１６Ｓは、例えば、図２（ａ）に示すように、ソース拡散層１３Ｓの一部の領域、ウェル１２Ｓの一部の領域、ドレイン拡散層１４Ｓの一部の領域を覆うように形成されている。具体的には、ゲート層１６Ｓは、ソース拡散層１３Ｓのドレイン拡散層１４Ｓ側（Ｘ軸の正側）の領域、ウェル１２Ｓのソース拡散層１３Ｓとドレイン拡散層１４Ｓとの間の領域、ドレイン拡散層１４Ｓのソース拡散層１３Ｓ側（Ｘ軸の負側）の領域を覆うように形成されている。
【００２５】
ゲート層１６Ｓは、図３に示すように、ゲート絶縁膜１５Ｓ側から、例えば酸化チタン（ＴｉＯｘ）からなる電極支持層１６Ｓａと、例えば白金（Ｐｔ）からなる電極層１６Ｓｂとが積層された構成となっている。電極層１６Ｓｂでは、水素原子の解離・吸着が行われる。電極層１６Ｓｂで解離された水素原子（Ｈ＋）の一部は、電極層１６Ｓｂから電極支持層１６Ｓａへ移動する。また、電極支持層１６Ｓａの水素原子（Ｈ＋）の一部は、電極層１６Ｓｂへ移動する。
【００２６】
ゲート保護膜１７Ｓは、図２（ａ）に示すように、雰囲気と対向するゲート層１６Ｓの一部の領域、ゲート絶縁膜１５Ｓの一部の領域を覆うように形成されている。例えば、ゲート保護膜１７Ｓは、平面視（Ｙ軸方向）において、ゲート層１６Ｓの周縁部、ゲート絶縁膜１５Ｓのゲート層１６Ｓに覆われた領域以外の領域を覆うように形成されている。すなわち、ゲート層１６Ｓは、雰囲気と対向する面の少なくとも一部の領域が露出している。
【００２７】
センサ１０Ｓのウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓ、ドレイン拡散層１４Ｓ、ゲート層１６Ｓは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）等の金属からなる、図示しない配線層を介して、図１に示す電源部４０、電流測定部２０等と接続されている。また、センサ１０Ｒのウェル１２Ｒ、ソース拡散層１３Ｒ、ドレイン拡散層１４Ｒ、ゲート層１６Ｒも、図示しない配線層を介して、電源部４０、電流測定部２０等と接続されている。
【００２８】
例えば、センサ１０Ｓのウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓは、図４（ａ）に示すように、接地されている。また、ドレイン拡散層１４Ｓは、図４（ａ）に示すように、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されている。また、ドレイン拡散層１４Ｓは、図４（ａ）に示すように、電流測定部２０と接続されている。また、ゲート層１６Ｓは、図４（ａ）に示すように、可変電圧を印加する電源４１と接続されている。
【００２９】
図５は、本発明の実施の形態１に係るセンサの電流−電圧特性の一例を示す図である。図５（ａ）は、センサ１０Ｓの電流−電圧特性を示す図である。図５（ｂ）は、センサ１０Ｒの電流−電圧特性を示す図である。ゲート層１６Ｓにガス（例えば、水素イオン等）が吸着すると、ゲート層１６Ｓの仕事関数が変化する。そうすると、図５（ａ）に示すように、ガス濃度が高くなると、センサ１０Ｓの電流−電圧特性は、図示で左方向に平行移動する。すなわち、ドレイン拡散層１４Ｓに閾値電流（第１の閾値電流）Ｉｃ（０）が流れる場合におけるゲート層１６Ｓの電圧は、ガス濃度が高くなるごとに低くなる。
【００３０】
センサ（第２のＦＥＴ型センサ）１０Ｒは、図２（ｂ）に示すように、半導体基板（第２の半導体基板）１１Ｒ、ウェル（第２のウェル）１２Ｒ、ソース拡散層（第２のソース拡散層）１３Ｒ、ドレイン拡散層（第２のドレイン拡散層）１４Ｒ、ゲート絶縁膜（第２のゲート絶縁膜）１５Ｒ、ゲート層（第２のゲート層）１６Ｒ、ゲート保護膜１７Ｒ等を備えている。
【００３１】
センサ１０Ｒを構成する要素の多くは、前述したセンサ１０Ｓと同様である。例えば、センサ１０Ｒの半導体基板１１Ｒ、ウェル１２Ｒ、ソース拡散層１３Ｒ、ドレイン拡散層１４Ｒ、ゲート絶縁膜１５Ｒ、ゲート層１６Ｒは、センサ１０Ｓの半導体基板１１Ｓ、ウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓ、ドレイン拡散層１４Ｓ、ゲート絶縁膜１５Ｓ、ゲート層１６Ｓのそれぞれと同様の構成である。このため、これらについての詳細な説明は省略する。
【００３２】
ゲート保護膜１７Ｒは、図２（ｂ）に示すように、平面視（Ｙ軸方向）において、ゲート層１６Ｒの雰囲気と対向する面の全域、ゲート絶縁膜１５Ｒを覆うように形成されている。すなわち、ゲート層１６Ｒは、雰囲気から隔離されている。
【００３３】
ウェル１２Ｒ、ソース拡散層１３Ｒ、ドレイン拡散層１４Ｒ、ゲート層１６Ｒは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）等の金属からなる、図示しない配線層を介して、図１に示す電源部４０、電流測定部２０等と接続されている。
【００３４】
例えば、ウェル１２Ｒ、ソース拡散層１３Ｒは、図４（ｂ）に示すように、接地されている。また、ドレイン拡散層１４Ｒは、図４（ｂ）に示すように、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されている。また、ドレイン拡散層１４Ｒは、図４（ｂ）に示すように、電流測定部２０と接続されている。また、ゲート層１６Ｒは、図４（ｂ）に示すように、可変電圧を印加する電源４１と接続されている。
【００３５】
センサ１０Ｒでは、ゲート層１６Ｒが、ゲート保護膜１７Ｒで覆われている。このため、ゲート層１６Ｒにガスが吸着しないので、ゲート層１６Ｒの仕事関数は変化しない。したがって、図５（ｂ）に示すように、センサ１０Ｒの電流−電圧特性は、ガス濃度によって変動しない。
【００３６】
なお、以下では、センサ１０Ｓ、１０ＲがＮ型ＦＥＴで構成されているものとして説明する。ただし、センサ１０Ｓ、１０ＲがＰ型で構成されてもよいし、一方のセンサがＮ型、他方のセンサがＰ型で構成されてもよい。
【００３７】
ヒータ１９は、例えば、半導体基板等の基板上に形成されている。ヒータ１９は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）等の金属からなる配線で構成されている。ヒータ１９は、電源部４０と接続されており、両端間に電圧が印加されることによりジュール熱を発生させ、発生させたジュール熱によりセンサ部１０の温度を調整する。ヒータ１９は、例えば、図４（ｃ）に示すように、一方の端部が接地され、他方の端部が電圧ＶＨＬを印加する電源４１と接続されている。また、ヒータ部１９は、センサ部１０の温度を測定するセンサ温度計としても機能する。このとき、ヒータ１９は、例えば、電流測定部２０と接続される。
【００３８】
センサ１０Ｓ、センサ１０Ｒは、それぞれ異なる半導体基板に形成されてもよいし、同一の半導体基板に形成されてもよい。また、ヒータ１９は、センサ１０Ｓやセンサ１０Ｒと一体で構成されてもよいし、これらとは別体で構成されてもよい。
【００３９】
電流測定部２０は、センサ１０Ｓ、１０Ｒ等の電流を測定する。電流測定部２０は、例えば、センサ１０Ｓのソース拡散層１３Ｓとドレイン拡散層１４Ｓとの間に流れるソース−ドレイン電流（第１のソース−ドレイン電流）を測定する。また、電流測定部２０は、例えば、センサ１０Ｒのソース拡散層１３Ｒとドレイン拡散層１４Ｒとの間に流れるソース−ドレイン電流（第２のソース−ドレイン電流）を測定する。電流測定部２０は、測定したセンサ１０Ｓ、１０Ｒの電流データを、後述する制御部５０へ出力する。また、電流測定部２０は、ヒータ１９の電流を測定する。電流測定部２０は、測定したヒータ１９の電流データを、後述する制御部５０へ出力する。
【００４０】
ガス濃度測定部３０は、雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定する。例えば、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない場合に、第２のソース−ドレイン電流が閾値電流（第１の閾値電流）Ｉｃ（０）であるときにゲート層１６Ｒに印加される閾値電圧（第３の閾値電圧）ＶＧＲ（０）と、第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層１６Ｓに印加される閾値電圧（第１の閾値電圧）ＶＧＳ（０）と、の差分であるセンサ間電位差（第１のセンサ間電位差）ＶＧＲＳ（０）（＝ＶＧＲ（０）−ＶＧＳ（０））と、雰囲気中に検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において、第２のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流ＩＣ（０）であるときにゲート層１６Ｒに印加される閾値電圧（第４の閾値電圧）ＶＧＲ（Ｘ）（＝ＶＧＲ（０））と、第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層１６Ｓに印加される閾値電圧（第２の閾値電圧）ＶＧＳ（Ｘ）と、の差分であるセンサ間電位差（第２のセンサ間電位差）ＶＧＲＳ（Ｘ）（＝ＶＧＲ（Ｘ）−ＶＧＳ（Ｘ））と、の差分である閾値変化量（第２の閾値変化量）ΔＶｇ（Ｘ）と、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の時間微分と、に基づいて所定の時刻における検出対象ガスのガス濃度を測定する。ガス濃度の測定方法の詳細については後述する。
【００４１】
電源部４０は、ガスセンサ１を構成する各部へ電源を供給する。電源部４０は、図１に示すように、複数の電源４１を備えている。電源部４０は、一定の電圧を印加する電源４１、可変電圧を印加する電源４１、周期的に変動する電圧を印加する電源４１等で構成されている。
【００４２】
電源４１の個数は、図１に示す個数（４個）に限定されるものではなく、センサ部１０等の印加される電圧の種類に応じて、５個以上であってもよいし、３個以下であってもよい。
【００４３】
制御部５０は、ガスセンサ１を構成する各部の制御を行う。制御部５０は、例えば、各部のオンオフの切り替えに係る制御を行う。また、制御部５０は、電流測定部２０から出力された電流データに基づいて、センサ１０Ｓのゲート層１６Ｓと接続された電源４１を制御する。例えば、制御部５０は、センサ１０Ｓのドレイン拡散層１４Ｓの電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）となるよう電源４１の電圧を調整する。また、制御部５０は、電流測定部２０から出力された電流データに基づいて、センサ１０Ｒのゲート層１６Ｒと接続された電源４１を制御する。例えば、制御部５０は、ガス濃度の測定時にセンサ１０Ｒのドレイン拡散層１４Ｒの電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）となるよう、電源４１の電圧を調整する。
【００４４】
また、制御部５０は、電流測定部２０から出力されたヒータ１９の電流データに基づいてセンサ１０Ｓ、１０Ｒの温度を測定する。制御部５０は、例えば、ヒータ１９の両端間の電圧とヒータ１９の電流データとからヒータ１９の抵抗値を算出する。そして、制御部５０は、例えば、抵抗値と温度とを関連付けた温度データを参照することにより温度を測定する。また、制御部５０は、ヒータ１９と接続された電源４１を制御する。具体的には、制御部５０は、ガス濃度の測定時にセンサ１０Ｓ、１０Ｒの温度が一定となるよう、電源４１の電圧を調整する。
【００４５】
データ入出力部（Ｉ／Ｏ）９０は、ガスセンサ１と接続される外部装置との間でデータの入出力を行う。例えば、ガスセンサ１は、データ入出力部９０を介して、外部装置から出力された各種データの入力を受け付ける。また、ガスセンサ１は、データ入出力部９０を介して、測定したガス濃度、温度等に関するデータを外部装置へ出力する。データ入出力部９０は、有線で外部装置と接続されてもよいし、例えば、赤外線通信や近距離無線等で外部装置と接続されてもよい。また、データ入出力部９０は、ネットワークを介して外部装置と接続されてもよい。
【００４６】
＜ガス濃度の測定方法＞
次に、本実施の形態に係るガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について説明する。なお、以下では、検出対象ガスの一例として水素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【００４７】
まず、制御部５０は、センサ部１０の温度を調整する。例えば、制御部５０は、ヒータ１９と接続された電源４１をオンすることにより、ヒータ１９の両端間に電圧を印加する。
【００４８】
次に、制御部５０は、センサ１０Ｓ、１０Ｒの各部と接続された電源４１をオンする。そして、電源４１は、センサ１０Ｓ、１０Ｒの各部に所定の電圧を印加する。例えば、センサ１０Ｓのウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓと接続された電源４１は、０Ｖの電圧を印加する。また、センサ１０Ｓのゲート層１６Ｓと接続された電源４１は、第１のソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ（０）となるよう、所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。また、センサ１０Ｒのウェル１２Ｒ、ソース拡散層１３Ｒと接続された電源４１は、０Ｖの電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１４Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、センサ１０Ｒのゲート層１６Ｒと接続された電源４１は、第２のソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ（０）となるよう、所定の閾値電圧ＶＧＲ（０）を印加する。
【００４９】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサ１０Ｓ、１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。制御部５０は、例えば、予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）のデータを、図示しないデータ格納部から必要に応じて読み出すようにしてもよい。制御部５０は、閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）のデータを、例えば、ガス濃度測定部３０へ出力する。
【００５０】
次に、制御部５０は、水素ガスが雰囲気中に含まれている場合のセンサ１０Ｓ、１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。制御部５０は、例えば、電流測定部２０から出力される電流データを参照しながら、ゲート層１６Ｓ、１６Ｒと接続された電源４１の電圧を調整することにより、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。なお、センサ１０Ｒのゲート層１６Ｒは、ゲート保護膜１７Ｒにより雰囲気から隔離されているので、センサ１０Ｒの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０）と同じである。制御部５０は、測定した閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）のデータを、例えば、ガス濃度測定部３０へ出力する。
【００５１】
次に、ガス濃度測定部３０は、制御部５０から出力された閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）に基づき、センサ１０Ｓの閾値変化量を算出する。例えば、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に水素ガスが存在しない場合のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（０）、雰囲気中に水素ガスが存在する場合のセンサ間電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）との差分により、センサ１０Ｓの閾値変化量を算出する。すなわち、センサ１０Ｓの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、次のように表される。
【００５２】
ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＧＲＳ（０）−ＶＧＲＳ（Ｘ）      …（式１）
（式１）で示す閾値変化量は、センサ１０Ｒの閾値電圧ＶＧＲ（０）、ＶＧＲ（Ｘ）が考慮されている。これは、温度変化等のセンサ部１０に発生するノイズの影響を抑えるためである。
【００５３】
なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳの変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサ１０Ｓのみを用いてガス濃度を測定してもよい。この場合、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に水素ガスが存在しない場合に、第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層１６Ｓに印加される閾値電圧（第１の閾値電圧）ＶＧＳ（０）と、雰囲気中に水素ガスが存在する場合に、所定の時刻において第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層１６Ｓに印加される閾値電圧（第２の閾値電圧）ＶＧＳ（Ｘ）と、の差分である閾値変化量（第１の閾値変化量）Ｖｇ（Ｘ）と、閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）の時間微分と、に基づいて所定の時刻における水素ガスのガス濃度を測定する。したがって、この場合の閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、次のように表される。
【００５４】
ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＧＳ（０）−ＶＧＳ（Ｘ）      …（式２）
次に、非平衡状態において、ゲート層１６Ｓと水素ガスとが化学反応を行う際のラングミュアの解離吸着過程について考察する。センサ１０Ｓのゲート層１６Ｓにおいて、すべての水素吸着サイトに対する、水素に占有された水素吸着サイトの割合を、占有率θ（０≦θ≦１）とする。水素吸着サイトでは、平衡状態、非平衡状態に関わらず、吸着現象及び脱着現象が常に生じている。平衡状態では、水素ガスの吸着速度と脱着速度とが等しい。一方、非平衡状態では、水素ガスの吸着速度と脱着速度とが異なる。水素ガスの吸着速度Ｖ１、脱着速度Ｖ２は、占有率θ、水素ガス濃度Ｘを用いて次のように表される。
【００５５】
Ｖ１＝ｋ１×（１−θ）２×Ｘ      …（式３）
Ｖ２＝ｋ２×θ２      …（式４）
なお、ｋ１、ｋ２は、ガス濃度測定時の温度、ゲート層１６Ｓの材料、材質等に依存するパラメータである。占有率θの時間微分ｄθ／ｄｔは、（式３）〜（式４）を用いて次のように表される。
【００５６】
ｄθ／ｄｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝ｋ１×（１−θ）２×Ｘ−ｋ２×θ２      …（式５）
そして、（式５）により、水素ガス濃度Ｘは次のラングミュアの式で表される。
【００５７】
Ｘ＝［ｄθ／ｄｔ＋ｋ２×θ２］／［ｋ１×（１−θ）２］      …（式６）
［ガス濃度の変化に対する閾値変化量の律速過程の検討］
ここで、水素ガス濃度Ｘとセンサ１０Ｓの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）との関係について説明する。図６は、本発明の実施の形態１に係るゲート層の構成と応答時間との関係を示す図である。図６（ａ）は、ガス濃度Ｘの変化に対する閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の応答時間について、ゲート層１６Ｓの電極層１６Ｓｂの膜厚との関係を示す図である。図６（ｂ）は、ガス濃度Ｘの変化に対する閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の応答時間について、ゲート層１６Ｓの電極支持層１６Ｓａの膜厚との関係を示す図である。図７は、本発明の実施の形態１に係るゲート層と水素ガスとの反応の様子を示す図である。閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の応答時間は、図６（ａ）に示すように、電極層１６Ｓｂの膜厚にほとんど依存しない。また、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の応答時間は、図６（ｂ）に示すように、電極支持層１６Ｓａの膜厚にほとんど依存しない。
【００５８】
そこで、水素ガス濃度Ｘの変化に対する閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の時間変化の律速過程を検討する。ゲート層１６Ｓでは、図７に示すように、例えば、［１］電極層１６Ｓｂにおける水素ガス（Ｈ２）の解離吸着過程、［２］電極層１６Ｓｂにおいて水素ガス（Ｈ＋）が移動する過程、［３］電極支持層１６Ｓａにおいて水素ガス（Ｈ＋）が移動する過程、が行なわれているものと考えられる。これら［１］〜［３］の各過程と図６（ａ）、（ｂ）とを比較すると、［２］〜［３］の各過程は、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の応答時間に対してほとんど影響を与えていないことがわかる。これは、ゲート層１６Ｓの水素吸着サイトの占有率θが変化すると、速やかに［２］〜［３］の各過程が行われ、占有率θの変化が閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）に速やかに反映されることを意味する。この結果から、非平衡状態であっても、平衡状態と同様に、ゲート層１６Ｓの水素吸着サイトの占有率θと閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、比例関係にあるといえる。
【００５９】
［ガス濃度の測定］
そこで、ゲート層１６Ｓのすべての水素吸着サイトが水素ガスによって占有された状態（θ＝１）における閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の値をパラメータΔＶｇｍａｘとすれば、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は次の式で表される。
【００６０】
ΔＶｇ（Ｘ）＝θ×ΔＶｇｍａｘ      …（式７）
そして、（式６）〜（式７）により、水素ガス濃度Ｘは、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）と、閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔとを用いて次のように表される。
【００６１】
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））２］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））２］      …（式８）
なお、ΔＶｇｍａｘは、ガス濃度測定時の温度、ゲート層１６Ｓの材料、材質等に依存するパラメータである。
【００６２】
したがって、ガス濃度測定部３０は、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）と、閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔと、を測定し、（式８）に基づいて水素ガス濃度Ｘを算出する。
【００６３】
ガス濃度測定部３０は、所定の間隔で検出対象ガスのガス濃度を測定する。例えば、ガス濃度測定部３０は、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の時間変化を、雰囲気中における水素濃度の変化の時間スケールよりも短い間隔で取得する。したがって、ガス濃度測定部３０は、例えば、０．１秒以下の間隔でガス濃度を測定する。これにより、センサにＦＥＴを用いたガスセンサにおいても、ガスセンサの応答時間が短縮される。また、ガス濃度測定部３０は、ガスセンサが起動してから、例えば、１秒以内にガス濃度の測定を開始する。
【００６４】
＜本実施の形態による効果＞
本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ１０Ｓ、１０Ｒにおける閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（０）、ＶＧＲ（Ｘ）から算出された閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）、閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔに基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、センサ１０Ｓにおける検出対象ガスとの化学反応が非平衡状態でガス濃度が測定されるので、短時間でガス濃度が測定される。
【００６５】
また、本実施の形態によれば、例えば（式８）で示すラングミュアの式に基づいてガス濃度が測定される。この構成によれば、環境に応じてパラメータや指数が適宜選択されるので、検出対象ガスの正確なガス濃度が測定される。また、この構成によれば、センサ部１０に発生するノイズの影響が抑えられるので、ノイズの多い環境下においても正確なガス濃度が測定される。
【００６６】
また、本実施の形態によれば、ラングミュアの式は、ゲート層１６Ｓの吸着サイトにおける検出対象ガスの占有率が閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）に比例することに基づいて導出されている。この構成によれば、ラングミュアの式が簡潔な形で表されるので、ガス濃度の測定が容易となる。また、ガス濃度測定時におけるガス濃度測定部３０の負荷が軽減される。また、これにより、ガス濃度の測定に要する時間が短縮される。
【００６７】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、検出対象ガスの種類に応じてラングミュアの式における指数ｎを設定する。この構成によれば、環境に応じて種類が異なるガスのガス濃度が測定される。
【００６８】
また、本実施の形態によれば、ゲート層１６Ｓは、酸化チタンからなる電極支持層１６Ｓａと、白金からなる電極層１６Ｓｂと、が積層されて構成されており、ガス濃度測定部３０は、検出対象ガス分子中における水素原子の個数に応じてラングミュアの式における指数を設定する。この構成によれば、検出対象ガスの種類に応じたラングミュアの式が用いられるので、水素原子を有するガスのガス濃度が正確に測定される。
【００６９】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、ラングミュアの式における指数を２に設定し、水素ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、水素ガスに合わせたラングミュアの式が用いられるので、水素ガスの正確なガス濃度が測定される。
【００７０】
また、本実施の形態によれば、センサ部１０はヒータ１９を備えている。この構成によれば、センサ部１０が所定の温度に設定された状態でガス濃度が測定されるので、より正確なガス濃度が測定される。
【００７１】
また、ヒータ１９は、雰囲気の温度に応じて発熱量が調整される。この構成によれば、雰囲気の温度が変化した場合でも、センサ部１０の温度の変化が抑えられるので、正確なガス濃度が測定される。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、ノイズの影響が小さい環境下では、センサ１０Ｓのみでガス濃度が測定される。この構成によれば、センサ部１０の構成が簡略化されるので、センサ部１０が小型化される。これにより、ガスセンサ１が小型化される。
【００７３】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、所定の間隔で検出対象ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、所定の間隔で継続してガス濃度が測定されるので、ガス濃度の変化が検出される。
【００７４】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、０．１秒以下の間隔でガス濃度を測定する。この構成よれば、短期間でガス濃度が測定されるので、ガス濃度の変化が即座に検出される。
【００７５】
＜平衡状態におけるガス濃度測定方法＞
ここで、平衡状態におけるガス濃度測定方法について説明する。センサにおける化学反応は、いずれ平衡状態に達する。そうすると、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、ガス濃度Ｘに応じた所定の値に収束する。特許文献１によれば、ガス濃度Ｘと、収束した閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）との間には、ラングミュアの解離吸着に従い、次に示される関係がある。
【００７６】
ΔＶｇ（Ｘ）＝ΔＶｇｍａｘ×［（Ｘ／Ｘ０）０．５／（１＋（Ｘ／Ｘ０）０．５）］  …（式９）
なお、Ｘ０は、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）がΔＶｇｍａｘの１／２となる時のガス濃度である。
【００７７】
図８は、平衡状態における閾値変化量とガス濃度との関係の一例を示す図である。図９は、平衡状態におけるガス濃度の変化に対する応答特性を示す図である。図９（ａ）は、試験装置からガスセンサへ供給される雰囲気中の水素ガス濃度の時間変化を示している。図９（ｂ）は、ガスセンサで測定された閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）に基づき、図８の関係により換算して測定された水素ガス濃度の時間変化を示している。
【００７８】
雰囲気中の水素ガス濃度は、図９（ａ）に示すように、時刻Ｔｏｎにおいて０％から１％へ変化している。一方、換算水素ガス濃度は、図９（ｂ）に示すように、時刻Ｔｏｎから増加し始める。その後、換算ガス濃度は、図９（ｂ）に示すように、緩やかに増加を続けながら１％へ収束する。また、雰囲気中の水素ガス濃度は、図９（ａ）に示すように、時刻Ｔｏｆｆにおいて１％から０％へ変化している。一方、換算ガス濃度は、図９（ｂ）に示すように、時刻Ｔｏｆｆから減少し始める。その後、換算ガス濃度は、図９（ｂ）に示すように、緩やかに減少を続けながら０％へ収束する。
【００７９】
ここで、水素ガス濃度が上昇した場合、換算ガス濃度が、実際の水素ガス濃度の１０％（すなわち水素ガス濃度０．１％）から９０％（すなわち水素ガス濃度０．９％）まで上昇する時間をガスセンサの応答速度Ｔｒｅｓｐｏｎｓｅとすれば、Ｔｒｅｓｐｏｎｓｅは、数秒から数百秒以上となる。また、水素ガス濃度が下降した場合、換算ガス濃度が、実際の水素ガス濃度の９０％（すなわち水素ガス濃度０．９％）から１０％（すなわち水素ガス濃度０．１％）まで下降する時間をガスセンサの応答速度Ｔｒｅｓｐｏｎｓｅとすれば、Ｔｒｅｓｐｏｎｓｅは、数秒から数百秒以上となる。したがって、ＦＥＴ型のセンサは、接触燃焼式センサや気体熱伝導式センサの応答時間よりも長くなる。
【００８０】
＜水素ガス濃度の測定結果の比較＞
ここで、（式８）を用いたガス濃度の測定結果について説明する。図１０は、本発明の実施の形態１に係るガス濃度の測定結果の一例を示す図である。図１０（ａ）は、雰囲気中における実際の水素ガス濃度の時間変化を示す図である。図１０（ｂ）は、ガス濃度測定部３０が、（式８）を用いて測定した水素ガス濃度と、（式９）を用いて測定した水素ガス濃度とを重ねて示す図である。ここでは、雰囲気中の実際の水素ガス濃度が、図１０（ａ）に示すように、時刻Ｔｏｎにおいて０％から１．０％まで瞬間的に上昇した場合における水素ガス濃度の測定結果が示されている。
【００８１】
まず、（式９）を用いて測定した水素ガス濃度は、図１０（ｂ）に示すように、時刻Ｔｏｎからやや遅れて上昇している。そして、水素ガス濃度は、図１０（ｂ）に示すように、約０．９％まで緩やかに上昇している。このように、（式９）を用いて測定した水素ガス濃度は、ガス濃度の変化に対する応答時間が長い。
【００８２】
これに対して、（式８）を用いて測定した水素ガス濃度は、時刻Ｔｏｎから短時間で約０．９％程度まで上昇している。その後、水素ガス濃度は１．０％まで上昇している。このように、（式８）を用いて測定した水素ガス濃度は、ガス濃度の変化に対する応答時間が短くなっている。
【００８３】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、前述の実施の形態とは異なる方法でガス濃度を測定するガスセンサについて説明する。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。図１１は、本発明の実施の形態２に係るガス濃度の測定方法を説明する図である。
【００８４】
本実施の形態では、電流測定部２０は、雰囲気中に検出対象ガスが存在する場合において、ゲート層１６Ｓに閾値電圧ＶＧＳ（０）が印加されたときの第１のソース−ドレイン電流としての所定の電流Ｉｃ（Ｘ）を測定する。ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない場合における第１のソース−ドレイン電流が所定の電流Ｉｃ（Ｘ）であるときに、ゲート層１６Ｓに印加される所定の電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）を検出し、所定の電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）と、閾値電圧ＶＧＳ（０）と、に基づいて閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。
【００８５】
例えば、ガスセンサ１が起動すると、ゲート層１６Ｓには、閾値電圧ＶＧＳ（０）が印加される。そして、ガス濃度の測定開始後も、ゲート層１６Ｓの電圧は、閾値電圧ＶＧＳ（０）で保持される。
【００８６】
その間、電流測定部２０は、センサ１０Ｓのソース−ドレイン電流を測定し、測定した電流値に関する電流データを、制御部５０を介してガス濃度測定部３０へ出力する。
【００８７】
そして、ガス濃度測定部３０は、電流測定部２０から出力された電流データに基づいて、ガス濃度Ｘにおける電流Ｉｃ（Ｘ）に関する情報を取得する。そして、ガス濃度測定部３０は、制御部５０を介して、図１１に示す電圧−電流特性に基づき、ガス濃度０のときに電流がＩｃ（Ｘ）となるゲート層１６Ｓの電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）を検出する。
【００８８】
そして、ガス濃度測定部３０は、電圧ＶＧＣＳ（Ｘ）と閾値電圧ＶＧＳ（０）との差分により、ガス濃度Ｘのときの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。すなわち、本実施の形態における閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、次のように表される。
【００８９】
ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＧＳＣ（Ｘ）−ＶＧＳ（０）      …（式１０）
このように算出された閾値変化量は、実施の形態１の方法で算出した閾値変化量と一致する。そして、ガス濃度測定部３０は、（式８）、（式１０）に基づいて、ガス濃度Ｘを算出する。
【００９０】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ１０Ｓのゲート層１６Ｓへ印加する電圧を閾値電圧ＶＧＳ（０）に保持したときのソース−ドレイン電流を測定することにより閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。この構成によれば、ガス濃度の測定中、ゲート層１６Ｓに印加する電圧を変化させる必要がないので、ガス濃度の測定に係る負荷が軽減される。
【００９１】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態では、これまでの実施の形態とは異なる方法でガス濃度を測定する方法を説明する。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。図１２は、本発明の実施の形態３に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。図１３は、本発明の実施の形態３に係るセンサの電流−電圧特性の一例を示す図である。図１３には、ウェル１２Ｓ及びソース拡散層１３Ｓの電圧ＶＳＳが変化したときの、電流（第１のソース−ドレイン電流）−ゲート電圧特性が示されている。図１３では、ガス濃度が０、ウェル１２Ｓ及びソース拡散層１３Ｓの電圧が０Ｖ（ＶＳＳ＝０Ｖ）のときの電流−ゲート電圧特性が示されている。また、図１３では、ガス濃度が０、Ｘ、ウェル１２Ｓ及びソース拡散層１３Ｓの電圧が０Ｖより大きい（ＶＳＳ＞０Ｖ）ときのそれぞれの電流−ゲート電圧特性が示されている。
【００９２】
ウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３Ｓには、図１２に示すように、可変電圧ＶＳＳを印加する電源４１が接続されている。
【００９３】
本実施の形態では、ゲート層１６Ｓに閾値電圧ＶＧＳ（０）が印加される。また、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に検出対象ガスが存在しない場合に、第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）であるときにウェル１２Ｓに印加される第１のウェル電圧ＶＳＳ１と、雰囲気中に検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ（０）であるときにウェル１２Ｓに印加される第２のウェル電圧ＶＳＳ２と、に基づいて閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。
【００９４】
例えば、ガスセンサ１が起動すると、ゲート層１６Ｓには閾値電圧ＶＧＳ（０）が印加される。ウェル１２Ｓ、ソース拡散層１３と接続された電源４１は、可変電圧ＶＳＳを印加する。その間、電流測定部２０は、センサ１０Ｓのソース−ドレイン電流を測定し、測定した電流値に関する電流データを、制御部５０を介してガス濃度測定部３０へ出力する。この電源４１の電圧は、電流データに基づいて、第１のソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ（０）となるよう調整される。
【００９５】
制御部５０は、ガス濃度０の場合におけるウェル１２Ｓの電圧（第１のウェル電圧）ＶＳＳ１、ガス濃度Ｘの場合におけるウェル１２Ｓの電圧（第２のウェル電圧）ＶＳＳ２を測定する。制御部５０は、測定した第１のウェル電圧ＶＳＳ１、第２のウェル電圧ＶＳＳ２に関する情報をガス濃度測定部３０へ出力する。
【００９６】
ガス濃度測定部３０は、測定された第１のウェル電圧ＶＳＳ１、第２のウェル電圧ＶＳＳ２に基づいて閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。例えば、ガス濃度測定部３０は、以下に表す示す式により閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。
【００９７】
ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＳＳ２−ＶＳＳ１
例えば、第１のウェル電圧ＶＳＳ１＝０、第２のウェル電圧ＶＳＳ２＝ＶＳＳの場合には、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＳＳである。
【００９８】
ガス濃度が０の場合において、ウェル１２Ｓ及びソース拡散層１３Ｓの電圧が０から正電圧に変化すると（Ｖｓｓ＞０）、センサ１０Ｓの電流−ゲート電圧特性の波形は、例えば、図１３に示すように、ゲート電圧の正方向（図示で右側）に移動する。ただし、波形の移動は、例えば、図１１に示すような平行移動ではなく、波形の変化を伴った移動となっている。このような波形の変化が生じるのは、ガス濃度に応じてソース拡散層１３Ｓとドレイン拡散層１４Ｓとの間の電圧が変化するからである。なお、図１３に示すように、第１のソース−ドレイン電流が大きくなると波形の変化は大きくなる。このため、ガス濃度測定時における波形の変化の影響が抑えられるよう、閾値電流Ｉｃ（０）として適切な値が選択されることが望ましい。
【００９９】
一方、ウェル１２Ｓに印加される電圧が一定に保持された状態で、水素濃度が０からＸに変化すると、電流−ゲート電圧特性の波形は、図１３に示すように、ゲート電圧の負方向（図示で左側）に平行移動する。これは、例えば図５と同様である。
【０１００】
なお、ソース拡散層１３Ｓ、ウェル１２Ｓに対し、一方に一定の電圧が印加され、他方に可変電圧が印加されてもよい。ただし、この場合には、電流−ゲート電圧特性の波形の変化が大きくなる。このため、ガス濃度０において第１のソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ（０）となるときの、ゲート層１６Ｓ、ソース拡散層１３Ｓ、ウェル１２Ｓに印加される電圧に関するデータをあらかじめ取得し、データベースを生成しておくことが望ましい。
【０１０１】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ１０Ｓのゲート層１６Ｓへ印加する電圧を閾値電圧ＶＧＳ（０）に保持し、第１のソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ（０）となるときのウェル１２Ｓに印加される電圧に基づいて閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。この構成によれば、ゲート層１６Ｓに印加される電圧を変化させずに、ガス濃度が測定される。
【０１０２】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。本実施の形態では、センサ部にキャパシタを用いたガスセンサについて説明する。
【０１０３】
図１４は、本発明の実施の形態４に係るセンサ部の構成の一例を示す断面図である。図１４（ａ）は、センサ１１０Ｓの断面図であり、図１４（ｂ）は、センサ１１０Ｒの断面図である。図１５は、本発明の実施の形態４に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。図１５（ａ）は、センサ１１０Ｓの接続構造の一例を示す図である。図１５（ｂ）は、センサ１１０Ｒの接続構造の一例を示す図である。図１５（ｃ）は、ヒータ１９の接続構造の一例を示す図である。なお、本実施の形態のヒータ１９は、例えば、図４（ｃ）に示すヒータ１９と同様の構成を備えているため、ここでは、詳細な説明を省略する。
【０１０４】
本実施の形態のガスセンサ１０１は、図１に示すように、センサ部１１０、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０、データ入出力部（Ｉ／Ｏ）９０等を備えている。
【０１０５】
センサ部１１０は、図１に示すように、センサ（第１のキャパシタ型センサ）１１０Ｓ、センサ（第２のキャパシタ型センサ）１１０Ｒ、ヒータ１９等を備えている。センサ１１０Ｓは、図１４（ａ）に示すように、半導体基板（第３の半導体基板）１１１Ｓ、ウェル（第３のウェル）１１２Ｓ、ゲート絶縁膜（第３のゲート絶縁膜）１１５Ｓ、ゲート層（第３のゲート層）１１６Ｓ、ゲート保護膜１１７Ｓ等を備えている。また、センサ１１０Ｓは、図１４（ａ）に示すように、半導体基板１１１Ｓに、ウェル１１２Ｓ、ゲート絶縁膜１１５Ｓ、ゲート層１１６Ｓ、ゲート保護膜１１７Ｓが順次積層された構成となっている。
【０１０６】
半導体基板１１１Ｓ、ウェル１１２Ｓ、ゲート絶縁膜１１５Ｓ、ゲート層１１６Ｓ、ゲート保護膜１１７Ｓは、図２（ａ）に示す半導体基板１１Ｓ、ウェル１２Ｓ、ゲート絶縁膜１５Ｓ、ゲート層１６Ｓ、ゲート保護膜１７Ｓのそれぞれと同様の構成である。すなわち、センサ１１０Ｓにおいても、ゲート層１１６Ｓの表面の一部は、雰囲気に対して露出している。
【０１０７】
センサ１１０Ｒは、図１４（ｂ）に示すように、半導体基板（第４の半導体基板）１１１Ｒ、ウェル（第４のウェル）１１２Ｒ、ゲート絶縁膜（第４のゲート絶縁膜）１１５Ｒ、ゲート層（第４のゲート層）１１６Ｒ、ゲート保護膜（第２のゲート保護膜）１１７Ｒ等を備えている。また、センサ１１０Ｒは、図１４（ｂ）に示すように、半導体基板１１１Ｒに、ウェル１１２Ｒ、ゲート絶縁膜１１５Ｒ、ゲート層１１６Ｒ、ゲート保護膜１１７Ｒが順次積層された構成となっている。
【０１０８】
半導体基板１１１Ｒ、ウェル１１２Ｒ、ゲート絶縁膜１１５Ｒ、ゲート層１１６Ｒ、ゲート保護膜１１７Ｒは、図２（ｂ）に示す半導体基板１１Ｒ、ウェル１２Ｒ、ゲート絶縁膜１５Ｒ、ゲート層１６Ｒ、ゲート保護膜１７Ｒのそれぞれと同様の構成である。すなわち、センサ１１０Ｒにおいても、ゲート層１１６Ｒの表面は、ゲート保護膜１１７Ｒで被覆され、雰囲気に対して露出していない。
【０１０９】
センサ１１０Ｓのウェル１１２Ｓ、ゲート層１１６Ｓは、図示しない配線層を介して、図１に示す電源部４０、電流測定部２０等と接続されている。また、センサ１１０Ｒのウェル１１２Ｒ、ゲート層１１６Ｒも、図示しない配線層を介して、電源部４０、電流測定部２０等と接続されている。
【０１１０】
なお、以下では、ウェル１１２Ｓ、１１２ＲがＮ型で構成されているものとして説明する。ただし、ウェル１１２Ｓ、１１２ＲがＰ型で構成されてもよいし、一方のウェルがＮ型、他方のウェルがＰ型で構成されてもよい。
【０１１１】
例えば、センサ１１０Ｓ、１１０Ｒのウェル１１２Ｓ、１１２Ｒは、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、正弦波等のように電圧が周期的に変化する交流電圧を印加する電源４１とそれぞれ接続されている。センサ１１０Ｓ、１１０Ｒのゲート層１１６Ｓ、１１６Ｒは、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、可変電圧を印加する電源４１とそれぞれ接続されている。また、ゲート層１１６Ｓ、１１６Ｒは、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、電流測定部２０とそれぞれ接続されている。
【０１１２】
センサ１１０Ｓの静電容量（第１の静電容量）は、ゲート層１１６Ｓに印加される電圧、ウェル１１２Ｓに印加される電圧（例えば、交流電圧）、及びゲート層１１６Ｓに流れる電流（第１のゲート電流：例えば、交流電流）に基づいて測定される。また、センサ１１０Ｒの静電容量（第２の静電容量）は、ゲート層１１６Ｒに印加される電圧、ウェル１１２Ｒに印加される交流電圧、及びゲート層１１６Ｒに流れる電流（第２のゲート電流：例えば、交流電流）に基づいて測定される。これらの静電容量は、例えば、ガス濃度測定部３０等で測定される。
【０１１３】
電流測定部２０は、例えば、センサ１１０Ｓのゲート層１１６Ｓに流れる電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば、センサ１１０Ｒのゲート層１１６Ｒに流れる電流を測定する。
【０１１４】
ガス濃度測定部３０は、例えば、ゲート層１１６Ｓに印加される電圧、ウェル１１２Ｓに印加される電圧（例えば、交流電圧）、及びゲート層１１６Ｓに流れる、例えば交流電流等の電流に基づいて、センサ１１０Ｓの静電容量（第１の静電容量）を測定する。
【０１１５】
また、ガス濃度測定部３０は、例えば、ゲート層１１６Ｒに印加される電圧、ウェル１１２Ｒに印加される、例えば交流電圧等の電圧、及びゲート層１１６Ｒに流れる、例えば交流電流等の電流に基づいて、センサ１１０Ｒの静電容量（第２の静電容量）を測定する。
【０１１６】
図１６は、本発明の実施の形態４に係るセンサの電圧−静電容量特性の一例を示す図である。図１６（ａ）は、センサ１１０Ｓのゲート電圧−静電容量特性を示す図である。図１６（ｂ）は、センサ１１０Ｒのゲート電圧−静電容量特性を示す図である。センサ１１０Ｓでは、ゲート層１１６Ｓの表面が露出しているため、図１６（ａ）に示すように、ガス濃度が高くなると、センサ１１０Ｓのゲート電圧−静電容量特性は、図示で左方向に平行移動する。すなわち、センサ１１０Ｓの静電容量が閾値静電容量Ｃ（０）となるときのゲート層１１６Ｓの電圧は、閾値電圧（第５の閾値電圧）ＶＧＳ（０）から閾値電圧（第６の閾値電圧）ＶＧＳ（Ｘ）へと変化し、ガス濃度が高くなるごとに低くなる。
【０１１７】
＜ガス濃度の測定方法＞
次に、本実施の形態に係るガス濃度の測定方法について説明する。なお、以下では、検出対象ガスの一例として水素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【０１１８】
まず、制御部５０は、センサ部１１０の温度を調整する。そして、制御部５０は、センサ１１０Ｓ、１１０Ｒの各部に電圧を印加する。例えば、電源４１は、ウェル１１２Ｓに所定の交流電圧を印加する。また、センサ１１０Ｓの静電容量が閾値静電容量Ｃ（０）となるよう、ゲート層１１６Ｓに所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。また、電源４１は、ウェル１１２Ｒに所定の交流電圧を印加する。また、センサ１１０Ｒの静電容量が閾値静電容量Ｃ（０）となるよう、ゲート層１１６Ｒに所定の閾値電圧（第７の閾値電圧）ＶＧＲ（０）を印加する。
【０１１９】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサ１１０Ｓ、１１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。制御部５０は、例えば、予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）のデータを、図示しないデータ格納部から必要に応じて読み出すようにしてもよい。制御部５０は、閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）のデータを、例えば、ガス濃度測定部３０へ出力する。
【０１２０】
次に、制御部５０は、水素ガス雰囲気中におけるセンサ１１０Ｓ、１１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。なお、センサ１１０Ｒのゲート層１１６Ｒは、ゲート保護膜１１７Ｒにより雰囲気から隔離されているので、センサ１１０Ｒの閾値電圧（第８の閾値電圧）ＶＧＲ（Ｘ）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０）と一致する。制御部５０は、各センサ１１０Ｓ、１１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）のデータを、例えば、ガス濃度測定部３０へ出力する。
【０１２１】
次に、ガス濃度測定部３０は、水素ガスのガス濃度を測定する。例えば、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に水素ガスが存在しない場合に、センサ１１０Ｒの静電容量が閾値静電容量Ｃ（０）であるときにゲート層１１６Ｒに印加される閾値電圧ＶＧＲ（０）と、センサ１１０Ｓの静電容量が閾値静電容量Ｃ（０）であるときにゲート層１１６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０）と、の差分であるセンサ間電位差（第３のセンサ間電位差）と、雰囲気中に水素ガスが存在する場合に、所定の時刻においてセンサ１１０Ｒの静電容量が閾値静電容量Ｃ（０）であるときにゲート層１１６Ｒに印加される閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）と、雰囲気中に水素ガスが存在する場合に、所定の時刻においてセンサ１１０Ｓの静電容量が閾値静電容量Ｃ（０）であるときにゲート層１１６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）と、の差分であるセンサ間電位差（第４のセンサ間電位差）と、の差分である閾値変化量（第４の閾値変化量）ΔＶｇ（Ｘ）と、この閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔと、に基づいて所定の時刻における水素ガスのガス濃度を測定する。
【０１２２】
具体的には、ガス濃度測定部３０は、制御部５０から出力された閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）、ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）、前述の（式１）〜（式８）に基づき、雰囲気中のガス濃度Ｘを測定する。
【０１２３】
なお、本実施の形態においても、ノイズによるセンサ１１０Ｓの閾値電圧の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサ１１０Ｓのみを用いてガス濃度を測定してもよい。例えば、ガス濃度測定部３０は、センサ１１０Ｓの閾値電圧ＶＧＳ（０）と、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）と、の差分である閾値変化量（第３の閾値変化量）ΔＶｇ（Ｘ）と、この閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔと、に基づいて所定の時刻における水素ガスのガス濃度を測定する。
【０１２４】
［その他のガス濃度測定方法］
また、本実施の形態では、前述した実施の形態２と同様の手法を用いて雰囲気中のガス濃度を測定してもよい。電源４１は、例えば、図１６（ａ）に示すように、ガス濃度の測定が開始された後も、ゲート層１１６Ｓに閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加し続ける。
【０１２５】
その間、例えば、ガス濃度測定部３０は、水素ガス雰囲気中におけるセンサ１１０Ｓの静電容量Ｃ（Ｘ）を測定する。そして、ガス濃度測定部３０は、図１６（ａ）に示すゲート電圧−静電容量特性に対応するデータベースを参照し、ガス濃度０のときに静電容量がＣ（Ｘ）となるゲート層１１６Ｓの電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）を検出する。
【０１２６】
そして、ガス濃度測定部３０は、センサ１１０Ｓに関する電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）、閾値電圧ＶＧＳ（０）、（式１０）に基づいて、ガス濃度Ｘのときの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。そして、ガス濃度測定部３０は、（式８）、（式１０）に基づいて、ガス濃度Ｘを算出する。
【０１２７】
なお、センサ１１０Ｓのゲート電圧−静電容量特性についての波形が、ガス濃度に応じて変形する場合には、ゲート電圧を一定に保持した状態で検出した、ガス濃度Ｘのときの電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）と、静電容量を一定に保持した状態で検出した、ガス濃度Ｘのときの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）とを対応づけたデータベースを作成しておくことが好ましい。これにより、ガス濃度測定部３０は、データベースを参照することにより、測定された電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）に基づいて閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）を検出することができ、ガス濃度を正確に測定することが可能となる。
【０１２８】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ１１０Ｓ、１１０Ｒにおける閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（０）、ＶＧＲ（Ｘ）から算出された閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）、閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔに基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、センサ１１０Ｓにおける検出対象ガスとの化学反応が非平衡状態でもガス濃度が測定されるので、センサ１１０Ｓ、１１０Ｒにキャパシタが用いられた場合にも短時間でガス濃度が測定される。
【０１２９】
また、本実施の形態によれば、ウェル１１２Ｓ及びウェル１１２Ｒには、電圧が周期的に変化する交流電圧がそれぞれ印加されている。この構成によれば、ゲート層１１６Ｓ、１１６Ｒに交流電流が流れるので、センサ１１０Ｓ、１１０Ｒの静電容量が容易に測定される。
【０１３０】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ１１０Ｓのゲート層１１６Ｓへ印加する電圧を閾値電圧ＶＧＳ（０）に保持したときの静電容量Ｃ（Ｘ）を測定することにより閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。この構成によれば、ガス濃度の測定中、ゲート層１１６Ｓに印加する電圧が一定に保持されるので、ガス濃度の測定に係る負荷が軽減される。
【０１３１】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。本実施の形態では、センサ部にダイオードを用いたガスセンサについて説明する。
【０１３２】
図１７は、本発明の実施の形態５に係るセンサ部の構成の一例を示す断面図である。図１７（ａ）は、センサ２１０Ｓの断面図であり、図１７（ｂ）は、センサ２１０Ｒの断面図である。図１８は、本発明の実施の形態５に係るセンサ部の接続構造の一例を示す図である。図１８（ａ）は、センサ２１０Ｓの接続構造の一例を示す図である。図１８（ｂ）は、センサ２１０Ｒの接続構造の一例を示す図である。図１８（ｃ）は、ヒータ１９の接続構造の一例を示す図である。なお、本実施の形態のヒータ１９は、例えば、図４（ｃ）に示すヒータ１９と同様の構成を備えているため、ここでは、詳細な説明を省略する。
【０１３３】
本実施の形態のガスセンサ２０１は、図１に示すように、センサ部２１０、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０、データ入出力部（Ｉ／Ｏ）９０等を備えている。
【０１３４】
センサ部２１０は、図１に示すように、センサ（第１のダイオード型センサ）２１０Ｓ、センサ（第２のダイオード型センサ）２１０Ｒ、ヒータ１９等を備えている。センサ２１０Ｓは、図１７（ａ）に示すように、半導体基板（第５の半導体基板）２１１Ｓ、ウェル（第５のウェル）２１２Ｓ、ゲート層（第５のゲート層）２１６Ｓ、ゲート保護膜２１７Ｓ等を備えている。また、センサ２１０Ｓは、図１７（ａ）に示すように、半導体基板２１１Ｓに、ウェル２１２Ｓ、ゲート層２１６Ｓ、ゲート保護膜２１７Ｓが順次積層された構成となっている。
【０１３５】
半導体基板２１１Ｓ、ウェル２１２Ｓ、ゲート層２１６Ｓ、ゲート保護膜２１７Ｓは、図２（ａ）に示す半導体基板１１Ｓ、ウェル１２Ｓ、ゲート層１６Ｓ、ゲート保護膜１７Ｓのそれぞれと同様の構成である。すなわち、センサ２１０Ｓにおいても、ゲート層２１６Ｓの表面の一部は、雰囲気に対して露出している。
【０１３６】
センサ２１０Ｒは、図１７（ｂ）に示すように、半導体基板（第６の半導体基板）２１１Ｒ、ウェル（第６のウェル）２１２Ｒ、ゲート層（第６のゲート層）２１６Ｒ、ゲート保護膜（第２のゲート保護膜）２１７Ｒ等を備えている。センサ２１０Ｒは、図１７（ｂ）に示すように、半導体基板２１１Ｒに、ウェル２１２Ｒ、ゲート層２１６Ｒ、ゲート保護膜１７Ｒが順次積層された構成となっている。
【０１３７】
半導体基板２１１Ｒ、ウェル２１２Ｒ、ゲート層２１６Ｒ、ゲート保護膜２１７Ｒは、図２（ｂ）に示す半導体基板１１Ｒ、ウェル１２Ｒ、ゲート層１６Ｒ、ゲート保護膜１７Ｒのそれぞれと同様の構成である。すなわち、センサ２１０Ｒにおいても、ゲート層２１６Ｒの表面は、ゲート保護膜２１７Ｒで被覆され、雰囲気に対して露出していない。
【０１３８】
なお、以下では、ウェル２１２Ｓ、２１２ＲがＮ型で構成されているものとして説明する。ただし、ウェル２１２Ｓ、２１２ＲがＰ型で構成されてもよいし、一方のウェルがＮ型、他方のウェルがＰ型で構成されてもよい。
【０１３９】
センサ２１０Ｓのウェル２１２Ｓ、ゲート層２１６Ｓは、図示しない配線層を介して、図１に示す電源部４０、電流測定部２０等と接続されている。また、センサ２１０Ｒのウェル２１２Ｒ、ゲート層２１６Ｒも、図示しない配線層を介して、電源部４０、電流測定部２０等と接続されている。
【０１４０】
例えば、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒのウェル２１２Ｓ、２１２Ｒは、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、所定の電圧を印加する電源４１とそれぞれ接続されている。なお、ウェル２１２Ｓ、２１２Ｒは、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように接地されてもよい。センサ２１０Ｓ、２１０Ｒのゲート層２１６Ｓ、２１６Ｒは、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、可変電圧を印加する電源４１とそれぞれ接続されている。また、ゲート層２１６Ｓ、２１６Ｒは、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、電流測定部２０とそれぞれ接続されている。
【０１４１】
電流測定部２０は、例えば、センサ２１０Ｓのゲート層２１６Ｓとウェル２１２Ｓとの間に流れるダイオード電流（第１のダイオード電流）を測定する。また、電流測定部２０は、例えば、センサ２１０Ｒのゲート層２１６Ｒとウェル２１２Ｒとの間に流れるダイオード電流（第２のダイオード電流）を測定する。
【０１４２】
図１９は、本発明の実施の形態５に係るセンサのゲート電圧−電流特性の一例を示す図である。図１９（ａ）は、センサ２１０Ｓのゲート電圧−電流特性を示す図である。図１９（ｂ）は、センサ２１０Ｒのゲート電圧−電流特性を示す図である。なお、図１９は、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒに順バイアスが印加された場合のゲート電圧−電流特性を示している。
【０１４３】
センサ２１０Ｓではゲート層２１６Ｓの表面が露出しているため、図１９（ａ）に示すように、ガス濃度が高くなると、センサ２１０Ｓのゲート電圧−電流特性は、図示で左方向に平行移動するとともに、波形が変形している。すなわち、センサ２１０Ｓのダイオード電流が閾値電流（第２の閾値電流）Ｉｃ（０）となるときのゲート層２１６Ｓの電圧は、ガス濃度０のときの閾値電圧（第９の閾値電圧）ＶＧＳ（０）からガス濃度Ｘのときの閾値電圧（第１０の閾値電圧）ＶＧＳ（Ｘ）へと変化し、ガス濃度が高くなるごとに低くなる。
【０１４４】
＜ガス濃度の測定方法＞
次に、本実施の形態に係るガス濃度の測定方法について説明する。なお、以下では、検出対象ガスの一例として水素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【０１４５】
まず、制御部５０は、センサ部２１０の温度を調整する。そして、制御部５０は、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒの各部に電圧を印加する。例えば、電源４１は、ウェル２１２Ｓに所定の電圧を印加する。また、センサ２１０Ｓのダイオード電流が閾値電流Ｉｃ（０）となるよう、ゲート層２１６Ｓに所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。また、電源４１は、ウェル２１２Ｒに所定の電圧を印加する。また、センサ２１０Ｒのダイオード電流が閾値電流（第２の閾値電流）Ｉｃ（０）となるよう、ゲート層２１６Ｒに所定の閾値電圧（第１１の閾値電圧）ＶＧＲ（０）を印加する。
【０１４６】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサ２１０Ｓ、２１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。制御部５０は、例えば、予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）のデータを、図示しないデータ格納部から必要に応じて読み出すようにしてもよい。制御部５０は、閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）のデータを、例えば、ガス濃度測定部３０へ出力する。
【０１４７】
次に、制御部５０は、水素ガス雰囲気中におけるセンサ２１０Ｓ、２１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。なお、センサ２１０Ｒのゲート層２１６Ｒは、ゲート保護膜２１７Ｒにより雰囲気から隔離されているので、センサ２１０Ｒの閾値電圧（第１２の閾値電圧）ＶＧＲ（Ｘ）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０）と一致する。制御部５０は、各センサ２１０Ｓ、２１０Ｒの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）のデータを、例えば、ガス濃度測定部３０へ出力する。
【０１４８】
次に、ガス濃度測定部３０は、水素ガスのガス濃度を測定する。例えば、ガス濃度測定部３０は、雰囲気中に水素ガスが存在しない場合に、センサ２１０Ｒのダイオード電流が閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層２１６Ｒに印加される閾値電圧ＶＧＲ（０）と、センサ２１０Ｓのダイオード電流が閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層２１６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０）と、の差分であるセンサ間電位差（第５のセンサ間電位差）と、雰囲気中に水素ガスが存在する場合に、所定の時刻においてセンサ２１０Ｒのダイオード電流が閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層２１６Ｒに印加される閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）と、センサ２１０Ｓのダイオード電流が閾値電流Ｉｃ（０）であるときにゲート層２１６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）と、の差分であるセンサ間電位差（第６のセンサ間電位差）と、の差分である閾値変化量（第６の閾値変化量）ΔＶｇ（Ｘ）と、この閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔと、に基づいて所定の時刻における水素ガスのガス濃度を測定する。
【０１４９】
具体的には、ガス濃度測定部３０は、制御部５０から出力された閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＲ（０）、ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（Ｘ）、前述の（式１）〜（式８）に基づき、雰囲気中のガス濃度Ｘを測定する。
【０１５０】
なお、本実施の形態においても、ノイズによるセンサ２１０Ｓの閾値電圧の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサ２１０Ｓのみを用いてガス濃度を測定してもよい。例えば、ガス濃度測定部３０は、センサ２１０Ｓの閾値電圧ＶＧＳ（０）と、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）と、の差分である閾値変化量（第５の閾値変化量）ΔＶｇ（Ｘ）と、この閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔと、に基づいて所定の時刻における水素ガスのガス濃度を測定する。
【０１５１】
なお、閾値電流Ｉｃ（０）を適切な値とすることにより、温度変化などによるノイズの影響が抑えられる。この場合にも、ガス濃度測定部３０は、センサ２１０Ｓのみを用いてガス濃度を測定することが可能である。
【０１５２】
なお、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒに逆バイアスが印加されてもよい。逆バイアスが印加されると、ゲート層１６Ｓとウェル１２Ｓとの間には電流がほとんど流れない。しかしながら、この場合には、ダイオードの空乏層容量が水素濃度により変化する現象を利用して、ガス濃度を測定することができる。
【０１５３】
例えば、ガス濃度ごとに、逆バイアスが印加されたときの、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒのゲート電圧−静電容量特性をデータベース化しておく。そして、前述のキャパシタを使用したガスセンサと同様に、ガス濃度測定部３０は、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒのゲート電圧−静電容量特性の変化に基づいて閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を測定する。
【０１５４】
［その他のガス濃度測定方法］
また、本実施の形態では、前述した実施の形態２と同様の手法を用いて雰囲気中のガス濃度を測定してもよい。電源４１は、例えば、図１９に示すように、ガス濃度の測定が開始された後も、ゲート層２１６Ｓに閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加し続ける。
【０１５５】
その間、例えば、ガス濃度測定部３０は、水素ガス雰囲気中におけるセンサ２１０Ｓのダイオード電流に関する情報を取得する。そして、ガス濃度測定部３０は、図１９に示すゲート電圧−電流特性に対応するデータベースを参照し、ガス濃度０のときにダイオード電流がＩｃ（Ｘ）となるゲート層２１６Ｓの電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）を検出する。
【０１５６】
そして、ガス濃度測定部３０は、センサ２１０Ｓに関する電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）、閾値電圧ＶＧＳ（０）、（式１０）に基づいて、ガス濃度Ｘのときの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。そして、ガス濃度測定部３０は、（式８）、（式１０）に基づいて、ガス濃度Ｘを算出する。
【０１５７】
なお、センサ２１０Ｓのゲート電圧−静電容量特性についての波形が、ガス濃度により変形している場合には、ゲート電圧を一定に保持した状態で検出した、ガス濃度Ｘのときの電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）と、ダイオード電流を閾値電流Ｉｃ（０）に保持した状態で検出した、ガス濃度Ｘのときの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）とを対応づけたデータベースを作成しておくことが好ましい。これにより、ガス濃度測定部３０は、データベースを参照することにより、測定された電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）に基づいて閾値電圧ＶＧＳＣ（Ｘ）を検出することができ、ガス濃度を正確に測定することが可能となる。
【０１５８】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒにおける閾値電圧ＶＧＳ（０）、ＶＧＳ（Ｘ）、ＶＧＲ（０）、ＶＧＲ（Ｘ）から算出された閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）、閾値変化量の時間微分ｄΔＶｇ（Ｘ））／ｄｔに基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、センサ２１０Ｓにおける検出対象ガスとの化学反応が非平衡状態でもガス濃度が測定されるので、センサ２１０Ｓ、２１０Ｒにダイオードが用いられた場合にも短時間でガス濃度が測定される。
【０１５９】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ２１０Ｓのゲート層２１６Ｓへ印加する電圧を閾値電圧ＶＧＳ（０）に保持したときのダイオード電流Ｉｃ（Ｘ）を測定することにより閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）を算出する。この構成によれば、ガス濃度の測定中、ゲート層２１６Ｓに印加する電圧が一定に保持されるので、ガス濃度の測定に係る負荷が軽減される。
【０１６０】
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６について説明する。上述の実施の形態では、水素ガスのガス濃度を測定する場合について説明した。本実施の形態では、水素ガス以外のガス濃度を測定するガスセンサについて説明する。
【０１６１】
ここでは、酸素ガスのガス濃度を測定するガスセンサについて説明する。図２０は、本発明の実施の形態６に係るゲート層と酸素ガスとの反応の様子を示す図である。本実施の形態では、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、２１０Ｓ）のゲート層１６Ｓ（１１６Ｓ、２１６Ｓ）の電極支持層１６Ｓａ（１１６Ｓａ、２１６Ｓａ）は、例えば、図２０に示すように、イットリアがドープされたジルコニア、すなわち、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ：ｙｔｔｒｉａ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｚｉｒｃｏｎｉａ）で構成されている。
【０１６２】
ゲート層１６Ｓ（１１６Ｓ、２１６Ｓ）の電極層１６Ｓｂ（１１６Ｓｂ、２１６Ｓｂ）では、図２０に示すように、酸素分子の解離・吸着が行われる。電極層１６Ｓｂ（１１６Ｓｂ、２１６Ｓｂ）で解離された酸素原子（Ｏ２−）の一部は、電極層１６Ｓｂ（１１６Ｓｂ、２１６Ｓｂ）から電極支持層１６Ｓａ（１１６Ｓａ、２１６Ｓａ）へ移動する。また、電極支持層１６Ｓａ（１１６Ｓａ、２１６Ｓａ）の酸素原子（Ｏ２−）の一部は、電極層１６Ｓｂ（１１６Ｓｂ、２１６Ｓｂ）へ移動する。そして、一定時間が経過すると、電極層１６Ｓｂ（１１６Ｓｂ、２１６Ｓｂ）における酸素分子の解離・吸着は平衡状態に達する。酸素分子が解離して生成された酸素イオンは負電荷である。酸素イオンの電荷の符号は、水素イオンとは逆である。このため、酸素ガスの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、ガス濃度が高くなるにつれて正側にシフトする。すなわち、（式２）の酸素ガスにおける閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の符号が、水素ガスとは逆になる。しかし、酸素ガスでは、閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）の絶対値を用いることにより、前述した解離吸着式に基づき、酸素ガスのガス濃度が測定される。
【０１６３】
次に、これら以外の検出対象ガスのガス濃度を測定するガスセンサについて説明する。前述の（式３）〜（式５）は、ラングミュアの解離吸着現象を説明する式であるが、これらの式が成り立つのは、検出対象ガスが、例えば、水素ガス、酸素ガスのような同種原子からなる２原子分子の場合である。
【０１６４】
一般的に、吸着速度Ｖ１、脱着速度Ｖ２は、吸着サイトの占有率θ、雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度Ｘにより次のように表される。
【０１６５】
Ｖ１＝ｋ１×（１−θ）ｎ×Ｘ      …（式１１）
Ｖ２＝ｋ２×θｎ      …（式１２）
占有率θの時間微分ｄθ／ｄｔは、（式１１）〜（式１２）を用いて次のように表される。
【０１６６】
ｄθ／ｄｔ＝Ｖ１−Ｖ２＝ｋ１×（１−θ）ｎ×Ｘ−ｋ２×θｎ      …（式１３）
この（式１３）によれば、ガス濃度Ｘは次のラングミュアの式で表される。
【０１６７】
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］      …（式１４）
なお、ΔＶｇｍａｘ、ｋ１、ｋ２は、ガス濃度測定時の温度、ゲート層１６Ｓ（１１６Ｓ、２１６Ｓ）の材料、材質等に依存するパラメータである。また、指数ｎは、検出対象ガスのガス分子に含まれる水素や酸素の個数を表している。
【０１６８】
例えば、検出対象ガスが同種原子からなる２原子分子である場合には、指数ｎは２となる。この場合、（式１１）〜（式１４）は（式３）〜（式５）、（式８）と同一である。また、検出対象ガスが単原子分子である場合には、指数ｎは１である。
【０１６９】
また、電極支持層１６Ｓａ（１１６Ｓａ、２１６Ｓａ）が、ＹＳＺ等の酸素イオンを吸着することが可能な材料で構成されている場合には、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、２１０Ｓ）では、例えば、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の酸素原子を含有するガスに対しても閾値電圧が変化する。例えば、検出対象ガスＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３、ＮＯ、ＮＯ２に対し、それぞれの指数ｎを１、２、３、１、２とすることにより、それぞれのガス濃度が測定される。
【０１７０】
一方、電極支持層１６Ｓａ（１１６Ｓａ、２１６Ｓａ）が酸化チタン等の水素イオンを吸着することが可能な材料で構成されている場合には、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、２１０Ｓ）では、水素原子を含有するガスに対しても閾値電圧が変化する。例えば、フッ化水素（ＨＦ）、塩化水素（ＨＣｌ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、アンモニア（ＮＨ３）に対し、それぞれの指数ｎを１、１、２、３とすることにより、それぞれのガス濃度が測定される。
【０１７１】
なお、一酸化窒素（ＮＯ）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、アンモニア（ＮＨ３）等は、人の呼気に含まれ、病気を検出するためのマーカーとして用いられることがある。
【０１７２】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、検出対象ガスに応じてパラメータや指数が設定されるので、１つのガスセンサのみで複数種類の検出対象ガスのガス濃度が測定される。
【０１７３】
また、本実施の形態によれば、ゲート層１６Ｓ（１１６Ｓ、２１６Ｓ）は、イットリア安定化ジルコニアからなる電極支持層１６Ｓａ（１１６Ｓａ、２１６Ｓａ）と、白金からなる電極層１６Ｓｂ（１１６Ｓｂ、２１６Ｓｂ）と、が積層されて構成されており、ガス濃度測定部３０は、検出対象ガス分子中における酸素原子の個数に応じてラングミュアの式における指数を設定する。この構成によれば、検出対象ガスの種類に応じたパラメータや指数が用いられるので、酸素原子を有するガスのガス濃度が正確に測定される。
【０１７４】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、ラングミュアの式における指数を２に設定し、酸素ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、酸素ガスに合わせたラングミュアの式が用いられるので、酸素ガスの正確なガス濃度が測定される。
【０１７５】
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７について説明する。これまでの実施の形態では、予め設定されたパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘを用いてガス濃度を測定する方法について説明した。しかし、多くの場合、ガスセンサ１（１０１、２０１）では、時間の経過とともにセンサ１０Ｓ（１１０Ｓ、２１０Ｓ）の応答性能が劣化する経時劣化が発生する。このような経時劣化は、例えば、ゲート層１６Ｓ（１１６Ｓ、２１６Ｓ）の吸着サイトの表面に可燃性の付着部が堆積すること等により発生する。この場合には、例えば、制御部５０は、ヒータ１９に通常より大きな電圧を印加させ、センサ部１０（１１０、２１０）を高温度にする。これにより、ゲート層１６Ｓ（１１６Ｓ、２１６Ｓ）の付着物は燃焼し、吸着サイトから除去される。このように、ヒータ１９は、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、２１０Ｓ）の付着物を燃焼させるリフレッシュ動作を行う。
【０１７６】
これに対して、付着物が燃焼物ではない場合や、雰囲気中に支燃性ガスが存在せず、付着物を燃焼させることができない場合には、経時劣化を考慮してパラメータを変更する必要がある。そこで、本実施の形態では、応答特性の経時劣化に対応させたガスセンサについて説明する。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。
【０１７７】
図２１は、本発明の実施の形態７、８に係るガスセンサの構成の一例を示す図である。本実施の形態のガスセンサ１００１は、図２１に示すように、センサ部１０（１１０、２１０）、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０、データ入出力部（Ｉ／Ｏ）９０、パラメータ記録部１０６０等を備えている。
【０１７８】
パラメータ記録部１０６０は、例えば、不揮発性メモリ等の記憶媒体で構成されている。パラメータ記録部１０６０には、センサ部１０（１１０、２１０）の経時劣化情報が記録されている。例えば、パラメータ記録部１０６０には、センサ部１０（１１０、２１０）の使用時間等が、経時劣化情報として記録されている。また、パラメータ記録部１０６０には、センサ部１０（１１０、２１０）の使用時間等の経時劣化情報に対応するパラメータが記録されている。例えば、パラメータ記録部１０６０には、経時劣化情報と、予め行われた劣化試験に基づいて経時劣化情報と対応させたパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘと、を対応させたテーブル、データベース等が記録されている。
【０１７９】
なお、制御部５０やガス濃度測定部３０が、センサ部１０（１１０、２１０）の使用時間を計測する使用時間計測部として使用時間を計測してもよい。また、ガスセンサ１００１は、センサ部１０（１１０、２１０）の使用時間を計測する使用時間計測部を別途備えていてもよい。使用時間計測部は、例えば、計時機能を備えたカウンターやタイマー等で構成される。
【０１８０】
ガス濃度測定部３０は、センサ部１０（１１０、２１０）の使用時間及びセンサ部１０（１１０、２１０）の使用時間に対応するパラメータに基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。例えば、制御部５０は、計測された使用時間に対応するパラメータを、パラメータ記録部１０６０から読み出す。そして、制御部５０は、読み出したパラメータを、例えば、ガス濃度測定部３０へ出力する。ガス濃度測定部３０は、制御部５０から出力されたパラメータに基づいてガス濃度を測定する。
【０１８１】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、ヒータ１９は、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、１２０Ｓ）の付着物を燃焼させるリフレッシュ動作を行う。この構成によれば、吸着サイトの付着物が除去されるので、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、１２０Ｓ）の応答速度が維持される。これにより、ガス濃度に対する応答性能が維持される。
【０１８２】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、センサ部１０（１１０、２１０）の使用時間に応じたパラメータに基づいてガス濃度を測定する。この構成によれば、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、２１０Ｓ）の応答性能が劣化状況に応じたパラメータが設定されるので、応答性能が劣化しても正確にガス濃度が測定される。
【０１８３】
（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８について説明する。上述の実施の形態では、ガス濃度の測定時に、センサの温度が一定に保たれていることを前提としている。すなわち、所定の温度に対応するパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値を用いてガス濃度が測定される。
【０１８４】
しかし、検出対象ガスの温度等、雰囲気の環境が急激に変化する場合がある。この場合、ガスセンサは、ヒータの電圧を制御しても、センサの温度を一定に保持することができない場合もあり得る。そうすると、ガス濃度が正確に測定されなくなる。
【０１８５】
そこで、本実施の形態では、センサの温度が変動する場合にもガス濃度を正確に測定するガスセンサについて説明する。本実施の形態は、上述したいずれのガスセンサにおいても適用される。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。
【０１８６】
本実施の形態のガスセンサ１００１は、図２１に示すように、センサ部１０（１１０、２１０）、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０、データ入出力部（Ｉ／Ｏ）９０、パラメータ記録部１０６０等を備えている。
【０１８７】
本実施の形態では、センサ部１０（１１０、２１０）の温度を測定する図示しないセンサ温度計が設けられている。センサ温度計は、例えば、温度により抵抗値が変化する配線等で構成されている。例えば、ヒータ１９は、センサ温度計としても機能することができる。
【０１８８】
パラメータ記録部１０６０には、予め行った試験で取得したパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの温度依存性に関する情報が記録されている。例えば、パラメータ記録部１０６０には、センサ部１０（１１０、２１０）の温度情報と、パラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘと、を対応させたテーブル、データベース等が、温度依存性に関する情報として記録されている。また、パラメータ記録部１０６０には、温度情報とセンサ温度計（例えば、ヒータ１９）の抵抗値とを対応させたテーブル、データベース等が記録されている。また、パラメータ記録部１０６０には、温度と、センサ温度計の抵抗値と、パラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値と、を対応させたテーブル、データベース等が記録されてもよい。
【０１８９】
ガス濃度の測定時において、例えば、ガス濃度測定部３０は、ヒータ１９の両端間に印加される電圧、電流測定部２０で測定されたヒータ１９の電流に基づいて、ヒータ１９の抵抗値を測定する。そして、ガス濃度測定部３０は、ヒータ１９の抵抗値に関する情報を制御部５０へ出力する。制御部５０は、ガス濃度測定部３０から出力された抵抗値に関する情報に基づいて、ヒータ１９の抵抗値に対応する温度情報を、パラメータ記録部１０６０から読み出す。また、制御部５０は、読み出した温度情報に基づいて、対応するパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値を読み出す。制御部５０は、読み出したパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値をガス濃度測定部３０へ出力する。そして、ガス濃度測定部３０は、出力されたパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値に基づいてガス濃度を測定する。
【０１９０】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、センサ部１０（１１０、２１０）の温度を測定するセンサ温度計が設けられ、ガス濃度測定部３０は、センサ部１０（１１０、２１０）の温度及びセンサ部１０（１１０、２１０）の温度に対応するパラメータに基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、センサ部１０（１１０、２１０）の温度に応じてパラメータが設定されるので、温度が変化する環境においても正確なガス濃度が測定される。
【０１９１】
また、本実施の形態によれば、センサ温度計は、温度により抵抗値が変化する配線で構成されている。この構成によれば、センサ温度計の構成が簡略化されるので、センサ温度計に要するコストが抑えられる。
【０１９２】
また、本実施の形態によれば、ヒータ１９がセンサ温度計として機能する。この構成によれば、センサ温度計を別途設けなくてもよいので、センサ部１０（１１０、２１０）の規模の増大が抑えられる。
【０１９３】
（実施の形態９）
次に、本発明の実施の形態９について説明する。上述の実施の形態では、ガス濃度測定時における、検出対象ガス以外のガスの影響について考慮されていなかった。しかし、一般的には、ガスセンサによる検出対象ガスの検出特性に影響を与える、いわゆる妨害ガスが雰囲気中に存在する。例えば、検出対象ガスが水素の場合、酸素ガス、水蒸気等は、水素ガスの検出特性に影響を与える妨害ガスの例である。そこで、本実施の形態では、雰囲気中に妨害ガスが存在していても、検出対象ガスのガス濃度を正確に測定するガスセンサについて説明する。本実施の形態は、上述したいずれのガスセンサにおいても適用される。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。
【０１９４】
図２２は、本発明の実施の形態９に係るガスセンサの構成の一例を示す図である。本実施の形態のガスセンサ２００１は、図２２に示すように、センサ部１０（１１０、２１０）、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０、データ入出力部（Ｉ／Ｏ）９０、パラメータ記録部１０６０、妨害ガス濃度計２０７０等を備えている。
【０１９５】
パラメータ記録部１０６０には、例えば、予め行った試験で取得したパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの妨害ガス濃度依存性に関する情報が記録されている。例えば、パラメータ記録部１０６０には、妨害ガス濃度情報と、パラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値と、を対応させたテーブル、データベース等が、妨害ガス濃度依存性に関する情報として記録されている。
【０１９６】
妨害ガス濃度計２０７０は、例えば、上述の実施形態で示すガスセンサ等で構成される。妨害ガス濃度計２０７０は、雰囲気中の妨害ガスのガス濃度を測定する。そして、妨害ガス濃度計２０７０は、測定した妨害ガスのガス濃度に関する情報を妨害ガス濃度情報として、例えば制御部５０へ出力する。制御部５０は、出力された妨害ガス濃度情報に対応するパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値を、パラメータ記録部１０６０から読み出す。そして、制御部５０は、読み出したパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値をガス濃度測定部３０へ出力する。ガス濃度測定部３０は、出力されたパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値に基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。なお、妨害ガス濃度計２０７０は、例えば、ガス濃度測定部３０と接続され、ガス濃度測定部３０へ妨害ガス濃度情報を出力してもよい。この場合、制御部５０は、ガス濃度測定部３０から出力された妨害ガス濃度情報に基づいて、パラメータ記録部１０６０からパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値を読み出す。
【０１９７】
また、パラメータ記録部１０６０には、例えば、予め行った試験で取得したパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの、温度依存性、妨害ガス濃度依存性に関する情報が記録されてもよい。例えば、パラメータ記録部１０６０には、温度情報、ヒータ１９の抵抗値、妨害ガス濃度情報、パラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値をそれぞれ対応させたテーブル、データベース等が、妨害ガス濃度依存性に関する情報として記録される。
【０１９８】
この場合、制御部５０は、測定されたヒータ１９の抵抗値に対応する温度情報を、パラメータ記録部１０６０から読み出す。そして、制御部５０は、読み出した温度情報及び妨害ガス濃度情報に対応するパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値を、パラメータ記録部１０６０から読み出し、ガス濃度測定部３０へ出力する。そして、ガス濃度測定部３０は、出力されたパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値に基づいてガス濃度を測定する。
【０１９９】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、ガス濃度の測定に影響を与える妨害ガスのガス濃度を測定する妨害ガス濃度計２０７０を備えている。そして、ガス濃度測定部３０は、妨害ガスのガス濃度及び妨害ガスのガス濃度に対応するパラメータに基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、妨害ガスの影響が考慮されるので、妨害ガスが存在していても検出対象ガスの正確なガス濃度が測定される。
【０２００】
また、本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、温度情報及び妨害ガス濃度情報に対応するパラメータに基づいて検出対象ガスのガス濃度を測定する。この構成によれば、センサ部１０（１１０、２１０）の温度及び妨害ガスの影響が考慮されるので、妨害ガスが存在していても検出対象ガスのより正確なガス濃度が測定される。
【０２０１】
（実施の形態１０）
次に、本発明の実施の形態１０について説明する。上述の実施の形態では、ガスセンサの応答時間を短縮する方法について説明した。しかし、ガスセンサにおいて、起動時間は、応答時間とも関係する。
【０２０２】
ガスセンサ１（１０１、２０１、１００１、２００１）が起動すると、センサ１０Ｓ（１１０Ｓ、２１０Ｓ）、１０Ｒ（１１０Ｒ、２１０Ｒ）、ヒータ１９への給電が開始される。このとき、センサ部１０（１１０、２１０）の熱容量が大きいと、ヒータ１９からジュール熱を発生させても、センサ部１０（１１０、２１０）が所定の温度で安定するまでに時間が掛かる場合がある。そうすると、ガスセンサ１（１０１、２０１、１００１、２００１）の起動時間が長くなる。例えば、燃料電池自動者向けの水素検知器では、起動されてから水素ガス濃度が正確に測定されるまでの起動時間が、例えば１秒以内であることが要求されている。
【０２０３】
そこで、本実施の形態では、ガスセンサの起動時間を短縮させるガスセンサについて説明する。本実施の形態は、上述したいずれのガスセンサにおいても適用される。なお、以下では、前述の実施の形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。
【０２０４】
ここでは、図２１、２２に示すガスセンサ１００１（２００１）について説明する。ガスセンサ１００１（２００１）が起動され、センサ部１０（１１０、２１０）の各部への給電が開始されると、ヒータ１９の抵抗値が測定される。例えば、制御部５０は、測定された抵抗値と対応する温度情報を、パラメータ記録部１０６０から読み出す。また、制御部５０は、読み出した温度情報と対応するパラメータｋ１、ｋ２、ΔＶｇｍａｘの値を、パラメータ記録部１０６０から読み出す。なお、制御部５０は、ヒータ１９の抵抗値を温度情報とし、抵抗値と対応するパラメータの値を、パラメータ記録部１０６０から読み出してもよい。制御部５０は、読み出したパラメータの値をガス濃度測定部３０へ出力する。そして、ガス濃度測定部３０は、出力されたパラメータに基づいてガス濃度を測定する。このように、ガスセンサ１００１（２００１）は、起動直後からガス濃度を測定する。
【０２０５】
本実施の形態によれば、前述の実施の形態による効果に加え以下の効果が得られる。本実施の形態によれば、ガス濃度測定部３０は、ガスセンサ１が起動してから１秒以内にガス濃度の測定を開始する。この構成によれば、ガスセンサ１の起動直後からガス濃度が測定されるので、起動してからガス濃度が測定されるまでのタイムラグが低減される。また、これにより、例えば、燃料電池自動車向けの水素検知器等、起動時間の短縮が要求されている各種装置に対するガスセンサの利用が拡大される。
【０２０６】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０２０７】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【０２０８】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる場合がある。
【０２０９】
以下に、本発明の好ましい主な態様について付記する。
【０２１０】
［付記１］
第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板上に形成された第１のウェルと、
前記第１のウェル上に形成された第１のソース拡散層と、
前記第１のウェル上に形成された第１のドレイン拡散層と、
前記第１のソース拡散層及び前記第１のドレイン拡散層上に形成された第１のゲート絶縁膜と、
前記第１のゲート絶縁膜上に形成され、雰囲気と対向する面の少なくとも一部の領域が露出した第１のゲート層と、
を備えた第１のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）型センサを有するセンサ部と、
前記第１のソース拡散層と前記第１のドレイン拡散層との間に流れる第１のソース−ドレイン電流を測定する電流測定部と、
前記雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定部と、
を備え、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流であるときに前記第１のゲート層に印加される第１の閾値電圧と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において前記第１のソース−ドレイン電流が前記所定の閾値電流であるときに前記第１のゲート層に印加される第２の閾値電圧と、の差分である第１の閾値変化量と、前記第１の閾値変化量の時間微分と、に基づいて前記所定の時刻における前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２１１】
［付記２］
付記１に記載のガスセンサにおいて、
前記第１のゲート層に前記第１の閾値電圧が印加され、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第１のソース−ドレイン電流が所定の閾値電流であるときに前記第１のウェルに印加される第１のウェル電圧と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において前記第１のソース−ドレイン電流が前記所定の閾値電流であるときに前記第１のウェルに印加される第２のウェル電圧と、に基づいて前記第１の閾値変化量を算出する、
ガスセンサ。
【０２１２】
［付記３］
第３の半導体基板と、
前記第３の半導体基板上に形成された第３のウェルと、
前記第３のウェル上に形成された第３のゲート絶縁膜と、
前記第３のゲート絶縁膜上に形成され、雰囲気と対向する面の少なくとも一部の領域が露出した第３のゲート層と、
を備えた第１のキャパシタ型センサを有するセンサ部と、
前記第３のゲート層に流れる第１のゲート電流を測定する電流測定部と、
前記第１のゲート電流と前記第３のゲート層に印加される電圧に基づいて前記第１のキャパシタ型センサの第１の静電容量を測定し、前記第１の静電容量に基づいて前記雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定部と、
を備え、
前記第３のウェルには、所定の電圧が印加され、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第１の静電容量が所定の閾値静電容量であるときに前記第３のゲート層に印加される第５の閾値電圧と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において前記第１の静電容量が前記所定の閾値静電容量であるときに前記第３のゲート層に印加される第６の閾値電圧と、の差分である第３の閾値変化量と、前記第３の閾値変化量の時間微分と、に基づいて前記所定の時刻における前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２１３】
［付記４］
付記３に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度は、以下に示すラングミュアの式で示され、
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］
ここで、ΔＶｇ（Ｘ）は前記第３の閾値変化量、ΔＶｇｍａｘ、ｋ１、ｋ２はパラメータ、ｎは前記検出対象ガスに応じて規定される指数であり、
前記ガス濃度測定部は、前記ラングミュアの式に基づいて前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２１４】
［付記５］
付記４に記載のガスセンサにおいて、
前記ラングミュアの式は、前記第３のゲート層の吸着サイトにおける前記検出対象ガスの占有率が前記第３の閾値変化量に比例することに基づいて導出されている、
ガスセンサ。
【０２１５】
［付記６］
付記３に記載のガスセンサにおいて、
前記第３のウェルには、電圧が周期的に変化する交流電圧が印加されている、
ガスセンサ。
【０２１６】
［付記７］
付記３に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ部の使用時間を計測する使用時間計測部と、
前記センサ部の使用時間に対応する前記パラメータとを記録するパラメータ記録部を備え、
前記ガス濃度測定部は、前記センサ部の使用時間及び前記センサ部の使用時間に対応するパラメータに基づいて前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２１７】
［付記８］
付記３に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ部は、
第４の半導体基板と、
前記第４の半導体基板上に形成された第４のウェルと、
前記第４のウェル上に形成された第４のゲート絶縁膜と、
前記第４のゲート絶縁膜上に形成された第４のゲート層と、
前記第４のゲート層の前記雰囲気と対向する面の全域を覆うように形成された第２のゲート保護膜と、
を備えた第２のキャパシタ型センサを備え、
前記電流測定部は、前記第４のゲート層に流れる第２のゲート電流を測定し、
前記ガス濃度測定部は、前記第２のゲート電流と前記第４のゲート層に印加される電圧に基づいて前記第２のキャパシタ型センサの第２の静電容量を測定し、前記第１の静電容量及び前記第２の静電容量に基づいて前記雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定し、
前記第４のウェルには、前記所定の電圧が印加され、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第２の静電容量が前記所定の閾値静電容量であるときに前記第４のゲート層に印加される第７の閾値電圧と、前記第５の閾値電圧と、の差分である第３のセンサ間電位差と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において前記第２の静電容量が前記所定の閾値静電容量であるときに前記第４のゲート層に印加される第８の閾値電圧と、前記第６の閾値電圧と、の差分である第４のセンサ間電位差と、の差分である第４の閾値変化量と、前記第４の閾値変化量の時間微分と、に基づいて前記所定の時刻における前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２１８】
［付記９］
付記８に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度は、以下に示すラングミュアの式で示され、
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］
ここで、ΔＶｇ（Ｘ）は前記第４の閾値変化量、ΔＶｇｍａｘ、ｋ１、ｋ２はパラメータ、ｎは前記検出対象ガスに応じて規定される指数であり、
前記ガス濃度測定部は、前記ラングミュアの式に基づいて前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２１９】
［付記１０］
付記８に記載のガスセンサにおいて、
前記第３のウェル及び前記第４のウェルには、電圧が周期的に変化する交流電圧がそれぞれ印加されている、
ガスセンサ。
【０２２０】
［付記１１］
第５の半導体基板と、
前記第５の半導体基板上に形成された第５のウェルと、
前記第５のウェル上に形成され、雰囲気と対向する面の少なくとも一部の領域が露出した第５のゲート層と、
を備えた第１のダイオード型センサを有するセンサ部と、
前記第５のゲート層と前記第５のウェルとの間に流れる第１のダイオード電流を測定する電流測定部と、
前記雰囲気中の検出対象ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定部と、
を備え、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第１のダイオード電流が第２の閾値電流であるときに前記第５のゲート層に印加される第９の閾値電圧と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において前記第１のダイオード電流が前記第２の閾値電流であるときに前記第５のゲート層に印加される第１０の閾値電圧と、の差分である第５の閾値変化量と、前記第５の閾値変化量の時間微分と、に基づいて前記所定の時刻における前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２２１】
［付記１２］
付記１１に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度は、以下に示すラングミュアの式で示され、
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］
ここで、ΔＶｇ（Ｘ）は前記第５の閾値変化量、ΔＶｇｍａｘ、ｋ１、ｋ２はパラメータ、ｎは前記検出対象ガスに応じて規定される指数であり、
前記ガス濃度測定部は、前記ラングミュアの式に基づいて前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２２２】
［付記１３］
付記１２に記載のガスセンサにおいて、
前記ラングミュアの式は、前記第５のゲート層の吸着サイトにおける前記検出対象ガスの占有率が前記第５の閾値変化量に比例することに基づいて導出されている、
ガスセンサ。
【０２２３】
［付記１４］
付記１１に記載のガスセンサにおいて、
前記センサ部は、
第６の半導体基板と、
前記第６の半導体基板上に形成された第６のウェルと、
前記第６のウェル上に形成された第６のゲート層と、
前記第６のゲート層の前記雰囲気と対向する面の全域を覆うように形成された第２のゲート保護膜と、
を備えた第２のダイオード型センサを備え、
前記電流測定部は、前記第６のゲート層と前記第６のウェルとの間に流れる第２のダイオード電流を測定し、
前記ガス濃度測定部は、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在しない場合に、前記第２のダイオード電流が前記第２の閾値電流であるときに前記第６のゲート層に印加される第１１の閾値電圧と、前記第９の閾値電圧と、の差分である第５のセンサ間電位差と、前記雰囲気中に前記検出対象ガスが存在する場合に、前記所定の時刻において前記第２のダイオード電流が前記第２の閾値電流であるときに前記第６のゲート層に印加される第１２の閾値電圧と、前記第１０の閾値電圧と、の差分である第６のセンサ間電位差と、の差分である第６の閾値変化量と、前記第６の閾値変化量の時間微分と、に基づいて前記所定の時刻における前記検出対象ガスの前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２２４】
［付記１５］
付記１４に記載のガスセンサにおいて、
前記ガス濃度は、以下に示すラングミュアの式で示され、
Ｘ＝［ΔＶｇｍａｘ×（ｄΔＶｇ（Ｘ）／ｄｔ）＋ｋ２×（ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］／［ｋ１×（ΔＶｇｍａｘ−ΔＶｇ（Ｘ））ｎ］
ここで、ΔＶｇ（Ｘ）は前記第６の閾値変化量、ΔＶｇｍａｘ、ｋ１、ｋ２はパラメータ、ｎは前記検出対象ガスに応じて規定される指数であり、
前記ガス濃度測定部は、前記ラングミュアの式に基づいて前記ガス濃度を測定する、
ガスセンサ。
【０２２５】
［付記１６］
付記１５に記載のガスセンサにおいて、
前記ラングミュアの式は、前記第５のゲート層の吸着サイトにおける前記検出対象ガスの占有率が前記第６の閾値変化量に比例することに基づいて導出されている、
ガスセンサ。
【符号の説明】
【０２２６】
１…ガスセンサ、１０…センサ部、１０Ｓ、１０Ｒ…センサ、１１Ｓ、１１Ｒ…半導体基板、１２Ｓ、１２Ｒ…ウェル、１３Ｓ、１３Ｒ…ソース拡散層、１４Ｓ、１４Ｒ…ドレイン拡散層、１５Ｓ、１５Ｒ…ゲート絶縁膜、１６Ｓ、１６Ｒ…ゲート層、１６Ｓａ…電極支持層、１６Ｓｂ…電極層、１７Ｓ、１７Ｒ…ゲート保護膜、２０…電流測定部、３０…ガス濃度測定部、１０１…ガスセンサ、１１０…センサ部、１１０Ｓ、１１０Ｒ…センサ、１１１Ｓ、１１１Ｒ…半導体基板、１１２Ｓ、１１２Ｒ…ウェル、１１５Ｓ、１１５Ｒ…ゲート絶縁膜、１１６Ｓ、１１６Ｒ…ゲート層、１１７Ｓ、１１７Ｒ…ゲート保護膜、２０１…ガスセンサ、２１０…センサ部、２１０Ｓ、２１０Ｒ…センサ、２１１Ｓ、２１１Ｒ…半導体基板、２１２Ｓ、２１２Ｒ…ウェル、２１６Ｓ、２１６Ｒ…ゲート層、２１７Ｓ、２１７Ｒ…ゲート保護膜、１００１…ガスセンサ、１０６０…パラメータ記録部、２００１…ガスセンサ、２０７０…妨害ガス濃度計
【図１】
2018072146.tif 000003
【図２】
2018072146.tif 000004
【図３】
2018072146.tif 000005
【図４】
2018072146.tif 000006
【図５】
2018072146.tif 000007
【図６】
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【図７】
2018072146.tif 000009
【図８】
2018072146.tif 000010
【図９】
2018072146.tif 000011
【図１０】
2018072146.tif 000012
【図１１】
2018072146.tif 000013
【図１２】
2018072146.tif 000014
【図１３】
2018072146.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2018072146.tif 000019
【図１８】
2018072146.tif 000020
【図１９】
2018072146.tif 000021
【図２０】
2018072146.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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