(57)【要約】【課題】シールド材の寄生容量の揺らぎに対して安定したセンサ出力を得ることの可能なシールド材を備えた電界効果トランジスタ型イオン活量センサを提供する。【解決手段】電界効果トランジスタ３と、イオン感応膜１２を有する伸張ゲート２と、電界効果トランジスタ３のゲート電極２５と伸張ゲート２とを接続する伸張配線１４と、参照電極１と、参照電極１に所定電位を与える定電圧源Ｖｒｅｆと、伸張配線１４を電磁波及び静電誘導の少なくとも一方からシールドするシールド材４と、を設け、イオン感応膜１２及び参照電極１を、電解質溶液に接するように配置し、シールド材４を、電解質溶液の電位と一致するように設定された電位を有する定電圧源Ｖｓｈ、または参照電極１、または電界効果トランジスタ３のドレイン電極２３に接続する。【選択図】      図１
2018096778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスタと、
イオン感応膜を有する伸張ゲートと、
前記電界効果トランジスタのゲート電極と前記伸張ゲートとを接続する伸張配線と、
参照電極と、
当該参照電極に所定電位を与える第一定電圧源と、
前記伸張配線を電磁波及び静電誘導の少なくとも一方からシールドするシールド材と、を備え、
前記イオン感応膜及び前記参照電極を、電解質溶液に接するように配置し、
前記シールド材を、前記電解質溶液の電位と一致するように設定された電位を有する第二定電圧源、または前記参照電極、または前記電界効果トランジスタのドレイン電極に接続した電界効果トランジスタ型イオン活量センサ。
【請求項２】
前記伸張ゲートの静電容量は、前記電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の静電容量よりも大きい請求項１に記載の電界効果トランジスタ型イオン活量センサ。
【請求項３】
前記第二定電圧源の電位は、前記参照電極の電位と、前記参照電極と前記電解質溶液界面との間の電位差との差分値と一致するように設定される請求項１又は請求項２に記載の電界効果トランジスタ型イオン活量センサ。
【請求項４】
前記参照電極の電位は、前記参照電極と前記電解質溶液界面との間の電位差と、前記イオン感応膜と前記電解質溶液界面との間の電位差と、に対してより大きくなるように設定される請求項１又は請求項２に記載の電界効果トランジスタ型イオン活量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界効果トランジスタ型イオン活量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解質溶液中のイオン活量を測定する装置として、図９に示す電界効果トランジスタ型イオン活量センサ（以下、イオン活量センサともいう。）１１１が提案されている。このイオン活量センサ１１１は、参照電極５１と電界効果トランジスタ５２とを備える。電界効果トランジスタ５２は、シリコン基板５２ａ上にソース電極５２ｂと、ドレイン電極５２ｃと、イオン感応膜５２ｄとしてのゲート絶縁膜が形成され、イオン感応膜５２ｄは封止材５２ｅにより封止されている。
【０００３】
このイオン活量センサ１１１は、イオン感応性のあるイオン感応膜５２ｄ上に予め設定したイオンを含む電解質溶液が接触すると、イオン感応膜５２ｄと電解質溶液の界面との間に電解質溶液中のイオン活量を反映した電位差が発生し、電界効果トランジスタ５２のドレイン電流が変化することを利用して、イオン活量を電気信号として出力している。
ところで、図９に示すイオン活量センサ１１１においてＳ／Ｎ比を向上させるためには、ノイズに対して堅牢であることが望ましい。しかしながら、イオン活量センサ１１１では、電界効果トランジスタ５２に印加された電圧に起因する電解質溶液の電位揺らぎによって、測定誤差が生まれることから、電界効果トランジスタ５２のソース電極５２ｂ、ドレイン電極５２ｃやシリコン基板５２ａ等に電気シールドを施すことにより、電位揺らぎを抑制するようにした半導体化学センサが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、イオン活量センサにおいては、電界効果トランジスタのチャネルに光が入射するとノイズが発生するため、イオン活量センサの使用環境においてもイオン感応膜を介してチャネルに光が入射し、ノイズが発生する。そのため、電界効果トランジスタへの外光を遮光する遮光膜を設けること（例えば、特許文献２）、また、光及び温度などの測定環境条件に対するドレイン電流の変化が低減される構成とすること（例えば、特許文献３）により、ノイズを抑制するようにしたイオン活量センサも提案されている。
【０００５】
また、電位揺らぎの問題や、光による影響等を共に解決することの可能なイオン活量センサとして、図１０に示す伸張ゲート電界効果トランジスタ型イオン活量センサ（以下、伸張ゲート活量センサという。）１１２の利用が有効である。伸張ゲート活量センサ１１２は、参照電極５１と、伸張ゲート５３と、電界効果トランジスタ５４と、伸張ゲート５３と電界効果トランジスタ５４とを接続する伸張配線５５とを備える。
【０００６】
伸張ゲート５３は、伸張ゲート電極５３ａと、伸張ゲート電極５３ａ上に配置されたイオン感応膜５３ｂと、イオン感応膜５３ｂを封止する封止材５３ｃとを備える。電界効果トランジスタ５４は、シリコン基板５４ａ、ソース電極５４ｂ、ドレイン電極５４ｃ、ゲート絶縁膜５４ｄ、ゲート電極５４ｅを備え、ゲート電極５４ｅと伸張ゲート電極５３ａとが伸張配線５５で接続される。
【０００７】
伸張ゲート活量センサ１１２は、伸張ゲート５３を設けることでイオン感応膜５３ｂと電界効果トランジスタ５４のゲート絶縁膜５４ｄとが伸張配線５５を介して分離されているため、電界効果トランジスタ５４と電解質溶液との間の距離を大きくとることができ、電界効果トランジスタ５４への印加電圧による電解質溶液の電位揺らぎを防ぐことができる。同時に、電界効果トランジスタ５４のみを遮光し、測定部であるイオン感応膜５３ｂを露光環境に置くことでチャネルへの光の入射を防ぐこともできる。
【０００８】
図１１は図１０に示した伸張ゲート活量センサ１１２の等価回路であり、Ｖｒｅｆが参照電極５１の電位、ΔＶｒｅｆが参照電極５１と電解質溶液の界面との電位差、ΔＶが電解質溶液のイオン活量を反映したイオン感応膜５３ｂと電解質溶液界面との間に発生する電位差、Ｃｅｘｔがイオン感応膜５３ｂの静電容量、Ｖｇが電界効果トランジスタ５４のゲート電極５４ｅの電位、Ｃｇが電界効果トランジスタ５４のゲート絶縁膜５４ｄの静電容量、である。なお、Ｖｄは電界効果トランジスタ５４のドレイン電極５４ｃの電位である。また、参照電極５１と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶｒｅｆは電解質溶液のイオン活量に依存しない。
【０００９】
ところで、伸張ゲート活量センサ１１２はノイズへの耐性を有するが、図１１からわかるように、イオン感応膜５３ｂとゲート電極５４ｅとを接続する伸張配線５５が浮遊状態となるため、伸張配線５５に対する電磁波及び静電誘導等の外乱が新たなノイズ源となる。これを回避するために、電界効果トランジスタとイオンセンサとを一体化して形成することにより、測定環境の影響を低減するようにしたイオンセンサも提案されている（例えば、特許文献４参照）。また、伸張配線に対する外乱の影響を除去する方法として、伸張配線に電磁シールドを設け、ノイズに対して堅牢な構成とすることも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５９−２０４７５３号公報
【特許文献２】特開２０００−１８７０１７号公報
【特許文献３】特開平８−９４５７７号公報
【特許文献４】特開２００８−２１５９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、伸張配線に電磁シールドを設ける場合、例えば、グランド電位に接続された電磁シールドを追加することは、図１２に示すように、伸張配線とグランド電位との間に接続された寄生容量ΔＣを生む。本発明者の調査に依れば、この寄生容量ΔＣを制御することは困難であり、寄生容量ΔＣは経時的に変化し得る。その結果、イオン活量を反映したイオン感応膜と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶと参照電極の電位Ｖｒｅｆ、参照電極と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶｒｅｆに対して、（式１）で表される電界効果トランジスタのゲート電位Ｖｇ（ＧＮＤ）は、経時的に変化する。これは伸張ゲート活量センサの出力が経時的に変化することを意味する。
【００１２】
【数１】
2018096778.tif 000003
（式１）より、静電シールドの寄生容量ΔＣに対するＶｇの感度は、（式２）で表すことができる。
【００１３】
【数２】
2018096778.tif 000004
この感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを「０」に近づけるためには、イオン感応膜の静電容量Ｃｅｘｔまたはゲート絶縁膜の静電容量Ｃｇを大きな値に設定しなければならないが、このような設計は伸張ゲート活量センサの大面積化を招くため好ましくない。さらに、ゲート絶縁膜の静電容量Ｃｇはイオン感応膜の静電容量Ｃｅｘｔと比較して容易に感度∂Ｖｇ／∂ΔＣの感度を「０」に収束させることができるが、ゲート絶縁膜の静電容量Ｃｇを大きな値に設定した場合、（式３）で表されるイオン感応膜と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶに対するゲート電位Ｖｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＶが低下し、伸張ゲート活量センサのＳ／Ｎ比が低下する。
【００１４】
【数３】
2018096778.tif 000005
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、伸張ゲート活量センサの伸張配線に電磁シールドを設けても、電磁シールドの寄生容量の揺らぎに対して安定したセンサ出力を得ることの可能な電界効果トランジスタ型イオン活量センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサは、電界効果トランジスタと、イオン感応膜を有する伸張ゲートと、前記電界効果トランジスタのゲート電極と前記伸張ゲートとを接続する伸張配線と、参照電極と、当該参照電極に所定電位を与える第一定電圧源と、前記伸張配線を電磁波及び静電誘導の少なくとも一方からシールドするシールド材と、を備え、前記イオン感応膜及び前記参照電極を、電解質溶液に接するように配置し、前記シールド材を、前記電解質溶液の電位と一致するように設定された電位を有する第二定電圧源、または前記参照電極、または前記電界効果トランジスタのドレイン電極に接続したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様によれば、伸張ゲートを有するイオン活量センサの伸張配線にシールド材を備えたイオン活量センサにおいて、シールド材の寄生容量の揺らぎの影響を受けることを回避し安定したセンサ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一実施形態に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサの構成の一例を示す断面図である。
【図２】第一実施形態に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサの等価回路の一例である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサの構成の一例を示す断面図である。
【図４】第二実施形態に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサの等価回路の一例である。
【図５】本発明の第三実施形態に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサの構成の一例を示す断面図である。
【図６】第三実施形態に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサの等価回路の一例である。
【図７】本発明に係る電界効果トランジスタ型イオン活量センサの変形例の構成を示す断面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ′断面図である。
【図９】従来の電界効果トランジスタ型イオン活量センサの構成の一例を示す断面図である。
【図１０】従来の伸張ゲート電界効果トランジスタ型イオン活量センサの構成の一例を示す断面図である。
【図１１】従来の伸張ゲート電界効果トランジスタ型イオン活量センサの等価回路の一例である。
【図１２】シールド材を有する伸張ゲート電界効果トランジスタ型イオン活量センサの等価回路の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかである。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一部分には同一符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。
まず、本発明の第一実施形態を説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係るイオン活量センサ１００の構成の一例を示す断面図である。
【００２０】
第一実施形態に係るイオン活量センサ１００は、参照電極１と、伸張ゲート２と、電界効果トランジスタ３と、シールド材４と、を備える。
参照電極１は、定電圧源（第一定電圧源）Ｖｒｅｆに接続され、定電圧源Ｖｒｅｆは接地電位（以下、ＧＮＤ電位ともいう。）に接続される。なお、定電圧源Ｖｒｅｆは、電界効果トランジスタ３のバイアス点を定めるための電位を与えるものであって、電界効果トランジスタ３がＰチャネル型である場合には、定電圧源Ｖｒｅｆの電位は負値をとることもある。
【００２１】
伸張ゲート２は、伸張ゲート電極１１と、伸張ゲート電極１１の一方の面上に配置されたイオン感応膜１２と、伸張ゲート電極１１上にイオン感応膜１２を封止する封止材１３と、伸張ゲート電極１１及び後述の電界効果トランジスタ３のゲート電極２５を接続する伸張配線１４と、を備える。
電界効果トランジスタ３は、シリコン基板２１と、シリコン基板２１上に形成されるソース電極２２及びドレイン電極２３と、シリコン基板２１上にゲート絶縁膜２４を介して積層されるゲート電極２５とを備える。ソース電極２２はＧＮＤ電位に接続され、ドレイン電極２３は、定電圧源Ｖｄに接続され、定電圧源ＶｄはＧＮＤ電位に接続される。
【００２２】
シールド材４は、伸張配線１４に対する静電誘導及び電磁波の少なくとも一方の外乱からシールドすること、つまり、伸張配線１４に対するこれら外乱を低減することの可能なシールド材であり、伸張配線１４の周囲の一部又は全体を覆うように設けられる。シールド材４は定電圧源（第二定電圧源）Ｖｓｈの一端に接続され、定電圧源Ｖｓｈの他端はＧＮＤ電位に接続される。
【００２３】
イオン活量センサ１００では、参照電極１とイオン感応膜１２とを、イオン感応膜１２に対応するイオンを含む電解質溶液に接触させることにより、イオン感応膜１２と電解質溶液界面との間に電解質溶液中のイオン活量を反映した電位差が発生し、これにより変化する電界効果トランジスタ３のドレイン電流を検出することにより、イオン活量を電気信号として検出するようになっている。
【００２４】
図２は、図１に示すイオン活量センサ１００の等価回路である。図２中、Ｖｒｅｆは参照電極１の電位、つまり、定電圧源Ｖｒｅｆの電位、ΔＶｒｅｆは参照電極１と測定対象物である電解質溶液界面との間の電位差、ΔＶはイオン活量を反映したイオン感応膜１２と測定対象物である電解質溶液界面との間の電位差、Ｃｅｘｔはイオン感応膜１２の静電容量、Ｖｇは電界効果トランジスタ３のゲート電極２５の電位、Ｃｇは電界効果トランジスタ３のゲート絶縁膜２４の静電容量、Ｖｄは電界効果トランジスタ３のドレイン電極２３の電位、つまり定電圧源Ｖｄの電位、ΔＣはシールド材４による寄生容量、Ｖｓｈはシールド材４の電位、つまり定電圧源Ｖｓｈの電位を表す。
【００２５】
図２に示すイオン活量センサ１００の等価回路において、ゲート電極２５の電位Ｖｇは（式４）で表すことができる。なお、Ｖｇ（ＳＨ）は、シールド材４の電位がＶｓｈであるときのゲート電極２５の電位Ｖｇであることを表す。
【００２６】
【数４】
2018096778.tif 000006
さらに、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度は（式５）で表すことができる。
【００２７】
【数５】
2018096778.tif 000007
（式５）から、シールド材４の電位Ｖｓｈ、参照電極１の電位Ｖｒｅｆ、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔ及びゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇを適切に設計することで、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを低減することができることがわかる。すなわち、シールド材４の電位Ｖｓｈつまり定電圧源Ｖｓｈの電位を、イオン活量に依存しない電位「Ｖｒｅｆ−ΔＶｒｅｆ」すなわち電解質溶液の電位に近づける。具体的には、定電圧源Ｖｓｈの電位を、「Ｖｒｅｆ−ΔＶｒｅｆ」と一致するように設定する。さらに、参照電極１の電位Ｖｒｅｆを、「Ｖｒｅｆ−ΔＶｒｅｆ」の絶対値がイオン感応膜１２と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶの絶対値に対して十分大きくなるようにし、またさらにイオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔを電界効果トランジスタ３のゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して十分大きく設定する。例えば、「Ｖｒｅｆ−ΔＶｒｅｆ」の絶対値を、イオン感応膜１２と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶの絶対値に対して２倍程度となるように設定する。また、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔを、電界効果トランジスタ３のゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して２倍程度となるように設定する。
【００２８】
これにより、（式５）は（式６）と表すことができ、感度∂Ｖｇ（ＳＨ）／∂ΔＣを「０」に近づけることができることがわかる。
【００２９】
【数６】
2018096778.tif 000008
この設計方法によれば、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔをゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して相対的に大きくすればよいため、イオン活量センサ１００自体の大型化を伴うことはない。さらに、イオン感応膜１２と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶに対するゲート電位Ｖｇの感度は（式７）で表すことができる。
【００３０】
【数７】
2018096778.tif 000009
このため、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔをゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して相対的に大きくしたとしてもＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
【００３１】
つまり、イオン活量センサ１００自体の大型化を伴うことなく、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度の低下を抑制することができ、シールド材４を備えたイオン活量センサ１００においてＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
次に、本発明の第二実施形態を説明する。
図３は、本発明の第二実施形態に係るイオン活量センサ１０１の構成の一例を示す断面図である。
【００３２】
第二実施形態に係るイオン活量センサ１０１は、図１に示す第一実施形態に係るイオン活量センサ１００において、シールド材４を参照電極１の電位Ｖｒｅｆに接続したものである。イオン活量センサ１００において、定電圧源Ｖｓｈを設けずに、シールド材４を定電圧源（第一定電圧源）Ｖｒｅｆに接続したこと以外は、同等であるので、同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
図４は、図３に示すイオン活量センサ１０１の等価回路である。
図３に示すイオン活量センサ１０１において、電界効果トランジスタ３のゲート電極２５の電位Ｖｇは、（式８）で表すことができる。なお、Ｖｇ（ＲＥＦ）は、シールド材４の電位が定電圧源Ｖｒｅｆの電位Ｖｒｅｆであるときのゲート電極２５の電位Ｖｇであることを表す。
【００３４】
【数８】
2018096778.tif 000010
（式８）から、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度は（式９）で表すことができる。
【００３５】
【数９】
2018096778.tif 000011
（式９）から、参照電極１の電位Ｖｒｅｆ、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔ及びゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇを適切に設計することで、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを低減することができることがわかる。すなわち、参照電極１の電位Ｖｒｅｆの絶対値を「ΔＶｒｅｆ＋ΔＶ」の絶対値に対して十分大きくなるようにし、さらにイオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔを電界効果トランジスタ３のゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して十分大きく設定する。例えば、参照電極１の電位Ｖｒｅｆの絶対値を「ΔＶｒｅｆ＋ΔＶ」の絶対値に対して２倍程度となるように設定する。また、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔを電界効果トランジスタ３のゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して２程度となるように設定する。
【００３６】
これにより、（式９）は（式１０）と表すことができ、感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを「０」に近づけることができることがわかる。
【００３７】
【数１０】
2018096778.tif 000012
したがって、第二実施形態におけるイオン活量センサ１０１においても、イオン活量センサ１０１の大型化を伴うことなく、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを低減することができる。そのため、イオン感応膜１２と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶに対するゲート電位Ｖｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＶの低下を抑制することができ、イオン活量センサ１０１のＳ／Ｎ比の低下を回避することができる。
【００３８】
また、第二実施形態におけるイオン活量センサ１０１は、シールド材４を、定電圧源Ｖｒｅｆに接続しているため、シールド材４に接続するための定電圧源（例えば、図１のイオン活量センサ１０１の定電圧源Ｖｓｈ）を別途設けることなく実現することができる。
次に、本発明の第三実施形態を説明する。
図５は、本発明の第三実施形態に係るイオン活量センサ１０２の構成の一例を示す断面図である。
【００３９】
第三実施形態に係るイオン活量センサ１０２は、図１に示す第一実施形態に係るイオン活量センサ１００において、シールド材４を電界効果トランジスタ３のドレイン電極２３の電位Ｖｄに接続したものである。イオン活量センサ１００において、定電圧源Ｖｓｈを設けずに、シールド材４の接続先を定電圧源Ｖｄに接続したこと以外は、同等であるので、同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
図６は、図５に示すイオン活量センサ１０２の等価回路である。
図５に示すイオン活量センサ１０２において、電界効果トランジスタ３のゲート電極２５の電位Ｖｇは、（式１１）で表すことができる。なお、Ｖｇ（ＤＲＡＩＮ）は、シールド材４の電位が定電圧源Ｖｄの電位Ｖｄであるときのゲート電極２５の電位Ｖｇであることを表す。
【００４１】
【数１１】
2018096778.tif 000013
（式１１）からシールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度は（式１２）で表すことができる。
【００４２】
【数１２】
2018096778.tif 000014
（式１２）から、ドレイン電極２３の電位Ｖｄ、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔ及びゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇを適切に設定することで、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを低減することができることがわかる。すなわち、ドレイン電極２３の電位Ｖｄをイオン活量に依存しない電位Ｖｒｅｆ−ΔＶｒｅｆに近づけ、参照電極１の電位Ｖｒｅｆを「Ｖｒｅｆ−ΔＶｒｅｆ」の絶対値が、イオン感応膜１２と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶの絶対値に対して十分大きくなるようにし、さらにイオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔを電界効果トランジスタ３のゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して十分大きく設定することで、（式１２）は（式１３）と表すことができる。例えば、参照電極１の電位Ｖｒｅｆの絶対値を、「Ｖｒｅｆ−ΔＶｒｅｆ」の絶対値が、イオン感応膜１２と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶの絶対値に対して２倍程度となるように設定する。また、イオン感応膜１２の静電容量Ｃｅｘｔを電界効果トランジスタ３のゲート絶縁膜２４の静電容量Ｃｇに対して２倍程度となるように設定する。これによって、（式１２）は（式１３）と表すことができる。（式１３）から感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを「０」に近づけることができることがわかる。
【００４３】
【数１３】
2018096778.tif 000015
したがって、第三実施形態におけるイオン活量センサ１０２においても、イオン活量センサ１０２の大型化を伴うことなく、シールド材４の寄生容量ΔＣの揺らぎに対するＶｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＣを低減することができる。そのため、イオン感応膜１２と電解質溶液界面との間の電位差ΔＶに対するゲート電位Ｖｇの感度∂Ｖｇ／∂ΔＶの低下を抑制することができ、イオン活量センサ１０１のＳ／Ｎ比の低下を回避することができる。
【００４４】
また、第三実施形態におけるイオン活量センサ１０２は、シールド材４を、定電圧源Ｖｄに接続しているため、シールド材４に接続するための定電圧源（例えば、図１のイオン活量センサ１０１の定電圧源Ｖｓｈ）を別途設けることなく実現することができる。
また、（式１３）が成り立つとき、（式１１）は（式１４）と表すことができる。そのため、第三実施形態におけるイオン活量センサ１０２は、電界効果トランジスタ３を定電流駆動させたい場合に適していることがわかる。
【００４５】
【数１４】
2018096778.tif 000016
なお、上記各実施形態は、集積回路上に形成したイオン活量センサに対しても適用することができる。図７及び図８は、集積回路上に形成したイオン活量センサ１０３の構成の一例を示す断面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ′断面図である。
【００４６】
図８に示すように、イオン活量センサ１０３は、シリコン基板２１の上に形成されたソース電極２２、ドレイン電極２３、ゲート絶縁膜２４及びゲート電極２５を含む電界効果トランジスタ３ａと、電界効果トランジスタ３ａを含んでシリコン基板２１上に形成される配線層絶縁体３１と、配線層絶縁体３１の上部に形成される参照電極１ａ及び伸張ゲート２ａとを備える。
【００４７】
伸張ゲート２ａは、配線層絶縁体３１の上面に、一方の面が露出して形成される配線３２と、配線３２の上に形成されるイオン感応膜３３と、イオン感応膜３３を封止する封止材３４とを備える。
配線層絶縁体３１内には、ビア３５ａと複数の層に形成された配線３５ｂとからなる伸張配線３５が形成される。また、配線層絶縁体３１内には、参照電極１ａに電位Ｖｒｅｆを印加する図示しない定電圧源と参照電極１ａとを接続する配線や、電界効果トランジスタ３ａのソース電極２２、ドレイン電極２３と接続される配線等が形成されている。
【００４８】
さらに、配線層絶縁体３１内には、伸張配線３５の配線３５ｂの上側及び下側にシールド材としての配線３７が形成されている。
なお、参照電極１は、集積回路上に形成することも可能である。
また、図７及び図８において、ゲート絶縁膜２４と配線層絶縁体３１とは例えば酸化シリコンで形成される。ゲート電極２５は例えば多結晶シリコンで形成される。配線３２は例えばアルミニウムで形成される。ビア３５ａは例えばタングステンで形成される。イオン感応膜３３は例えば窒化シリコンで形成される。封止材３４は例えばエポキシ樹脂で形成される。参照電極１は例えば塩化銀で形成される。
【００４９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１、１ａ  参照電極
２、２ａ  伸張ゲート
３、３ａ  電界効果トランジスタ
４  シールド材
１１  伸張ゲート電極
１２  イオン感応膜
１４  伸張配線
２５  ゲート電極
３１  配線層絶縁体
３３  イオン感応膜
３５  伸張配線
５１  参照電極
５２  電界効果トランジスタ
５３  伸張ゲート
５４  電界効果トランジスタ
５５  伸張配線
１００〜１０３  電界効果トランジスタ型イオン活量センサ
Ｖｄ  定電圧源
Ｖｒｅｆ  定電圧源
Ｖｓｈ  定電圧源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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