(57)【要約】      （修正有）【課題】低コスト、小型および低消費電力を実現でき、かつ、妨害ガスの影響を抑制することのできるガスセンサを提供する。【解決手段】半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜１０５Ｓ上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層１０６Ｓｆと、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層１０６Ｓａと、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層１０６Ｓｂと、外部電源に接続された第２の貴金属層１０６Ｓｃを含む積層膜からなる第１のゲート層を具備する仕事関数型ガスセンサが開示される。第１の貴金属層１０６Ｓｆと第２の貴金属層１０６Ｓｃは第１の金属酸化物層１０６Ｓａに対してそれぞれ下側と上側に形成され、第２の金属酸化物層１０６Ｓｂは第１の金属酸化物層１０６Ｓａの上側もしくは下側の一方の側に形成され、第１の貴金属層の表面と第２の貴金属層の表面が直接または第２金属酸化物層を介して雰囲気に露出している。【選択図】図３
2019090743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備し、
前記第１の貴金属層と前記第２の貴金属層は前記第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、前記第２の金属酸化物層は前記第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、
前記第１の貴金属層の表面と前記第２の貴金属層の表面が直接または前記第２金属酸化物層を介して雰囲気に露出していることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【請求項２】
前記第１の貴金属層の表面と前記第２の貴金属層の表面が直接または前記第２の金属酸化物層を介して露出している前記雰囲気と、外界の雰囲気との間に、触媒を担持した多孔質な金属酸化物を具備することを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項３】
前記第１の貴金属層と前記第２の貴金属層が共に白金であることを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項４】
前記第１の金属酸化物層がジルコニアを含み、前記第２の金属酸化物層が酸化ニッケルを含むことを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項５】
前記第１のゲート絶縁膜と前記第１のゲート層の間に接着層となる金属酸化物層を有することを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項６】
第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項７】
第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項８】
第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であり、前記第１の貴金属層は直接に前記雰囲気に露出していることを特徴とする請求項７に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項９】
第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であり、前記第１の貴金属層は前記第２の金属酸化物層を介して前記雰囲気に露出していることを特徴とする請求項７に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項１０】
第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第２層目が前記第１の貴金属層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項１１】
第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第３層目が第２の貴金属層、下層から第４層目が前記第２の金属酸化物層であることを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項１２】
前記第１の貴金属層と前記第２の貴金属層が共に酸素に対する触媒作用を持つことを特徴とする請求項１に記載の仕事関数型ガスセンサ。
【請求項１３】
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第１の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を有し、第１の貴金属層の表面が雰囲気に露出している第１の仕事関数型ガスセンサと、
前記半導体基板の主面上に形成された第２のゲート絶縁膜上に形成された、第３の金属酸化物層と外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第２のゲート層を有し、前記第２の貴金属層の上表面が前記雰囲気に露出している第２の仕事関数型ガスセンサと、を有することを特徴とするガスセンサモジュール。
【請求項１４】
前記第３の金属酸化物層が前記第１の金属酸化物層と同一の金属酸化物で形成され、前記第２の貴金属層が前記第１の貴金属層と同一の貴金属で形成されていることを特徴とする請求項１３に記載のガスセンサモジュール。
【請求項１５】
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備し、前記第１の貴金属層と前記第２の貴金属層は前記第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、前記第２の金属酸化物層は前記第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、前記第１の貴金属層の表面と前記第２の貴金属層の表面が直接または前記第２の金属酸化物層を介して雰囲気に露出している第１の仕事関数型ガスセンサと、
前記半導体基板の主面上に形成された第２のゲート絶縁膜上に形成された、第３の金属酸化物層と外部電源に接続された第３の貴金属層を含む積層膜からなる第２のゲート層を有し、前記第３の貴金属層の上表面が前記雰囲気に露出している第２の仕事関数型ガスセンサと、を有することを特徴とするガスセンサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ、特にガス濃度に応じて閾値変化が生じる仕事関数型ガスセンサ、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）型ガスセンサ、キャパシタ型ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、特開２００８−１４５１２８号公報（特許文献１）、Journal of The Electrochemical Society, 154 8 J246-J252 2007.（非特許文献１）がある。
【０００３】
特開２００８−１４５１２８号公報（特許文献１）には、センサＦＥＴのゲート電極を外部から給電された電極とその上層に形成されたイオン伝導膜と更にその上層に形成され外部から給電された電極で形成したガスセンサが記載されている。イオン伝導膜の上下に形成された電極間に電位差を与えることで、雰囲気中のガス濃度に応じて発生するイオン伝導膜中のイオンを速く動かし、センサの応答時間を短縮することを意図している。
【０００４】
Journal of The Electrochemical Society, 154 8 J246-J252 2007.（非特許文献１）には、混成電位方式のＮＯｘセンサについて記載されている。イットリアを８％ドープしたジルコニアで形成された基板の両面のうち、一方には白金電極を形成し、もう一方には酸化ニッケルを成膜した上層に白金電極を形成し、２つの白金電極間の電位差がＮＯｘ濃度に応じて変化することを利用してＮＯｘ濃度を測定することを意図している。
【０００５】
特開平８−２７１４７６号公報（特許文献２）には、第一の内部空所と、第二の内部空所と、第一の内部空所内の酸素分圧を制御せしめる第一の酸素ポンプ手段と、第二の内部空所内の酸素を汲み出す第二の酸素ポンプ手段と、第２の酸素ポンプ手段の作動により流れるポンプ電流を検出する電流検出手段と、を備えるガス成分の測定装置が記載されている。この測定装置では、電流検出手段により検出されるポンプ電流の値から被測定ガス成分量が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４５１２８号公報
【特許文献２】特開平−２７１４７６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Journal of The Electrochemical Society, 154 8 J246-J252 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ガスセンサの実使用環境では、検知対象ガス以外のガスが存在し、そのガスの中には検知対象ガスと同様にガスセンサが応答を示す妨害ガスが含まれる。このため、例えば車載用の排気ガスセンサに用いられるＮＯｘセンサでは、水素、一酸化炭素、炭化水素などの排気ガス中の未燃焼成分を酸素と反応させて燃焼させた後に残存した酸素を除去するプロセスを経た後にＮＯｘ濃度をセンサで検出するという方法を用いている。
【０００９】
酸素を除去する部位はジルコニアを含む金属酸化物を貴金属電極で挟んだ構造を持っていて、酸素イオンポンプと呼ばれる。しかし、半導体基板上に形成するＦＥＴ（Field Effect Transistor）型ガスセンサ、キャパシタ型ガスセンサといった仕事関数型ガスセンサに別部品としてイオンポンプを組み合わせると、低コスト、小型および低消費電力という仕事関数型ガスセンサの特長が失われるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面は、半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備する仕事関数型ガスセンサである。第１の貴金属層と第２の貴金属層は第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、第２の金属酸化物層は第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、第１の貴金属層の表面と第２の貴金属層の表面が直接または第２金属酸化物層を介して雰囲気に露出していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の一側面は、第１と第２の仕事関数型ガスセンサを持つガスセンサモジュールである。第１の仕事関数型ガスセンサは、半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第１の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を有し、第１の貴金属層の表面が雰囲気に露出している。第２の仕事関数型ガスセンサは、半導体基板の主面上に形成された第２のゲート絶縁膜上に形成された、第３の金属酸化物層と外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第２のゲート層を有し、第２の貴金属層の上表面が前記雰囲気に露出している。
【００１２】
本発明の他の一側面は、第１と第２の仕事関数型ガスセンサを持つガスセンサモジュールである。第１の仕事関数型ガスセンサは、半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備し、第１の貴金属層と第２の貴金属層は第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、第２の金属酸化物層は第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、第１の貴金属層の表面と第２の貴金属層の表面が直接または第２の金属酸化物層を介して雰囲気に露出している。第２の仕事関数型ガスセンサは、半導体基板の主面上に形成された第２のゲート絶縁膜上に形成された、第３の金属酸化物層と外部電源に接続された第３の貴金属層を含む積層膜からなる第２のゲート層を有し、第３の貴金属層の上表面が雰囲気に露出している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低コスト、小型を実現でき、かつ、妨害ガスの影響を抑制することのできるガスセンサを提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。
【図２】実施例１によるガスセンサのセンサ部の構成の一例を示す平面図である。
【図３】（ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ´線に沿った断面図、（ｂ）は、参照ＦＥＴのＡＲ−ＡＲ´線に沿った断面図である。
【図４】（ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＢ−Ｂ´線に沿った断面図、図４（ｂ）は、参照ＦＥＴのＣ−Ｃ´線に沿った断面図である。
【図５】実施例１によるセンサＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す断面図である。
【図６】実施例１によるセンサＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す平面図である。
【図７】実施例１によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図である。（ａ）は、センサＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、（ｂ）は、参照ＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。
【図８】実施例１によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、センサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、参照ＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【図９】実施例１の第１変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図である。（ａ）は、センサキャパシタの接続構造の一例を示す回路図、（ｂ）は、参照キャパシタの接続構造の一例を示す回路図、（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。
【図１０】実施例１の第１変形例によるガスセンサの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、センサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、参照キャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【図１１】実施例１の変形例の1例を示す断面図である。図２のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ‘線に沿った断面図である。
【図１２】実施例１の変形例の1例を示す断面図である。図２のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ‘線に沿った断面図である。
【図１３】実施例１の変形例の1例を示す断面図である。図２のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ‘線に沿った断面図である。
【図１４】実施例１の変形例の1例を示す断面図である。図２のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ‘線に沿った断面図である。
【図１５】実施例２によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。
【図１６】（ａ）は実施例２の第１のセンサＦＥＴの断面図、（ｂ）は実施例２の第１の参照ＦＥＴの断面図である。
【図１７】（ａ）は実施例２の第２のセンサＦＥＴの断面図、（ｂ）は実施例２の第２の参照ＦＥＴの断面図である。
【図１８】実施例２によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、第１のセンサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、第２のセンサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【図１９】実施例２の第１変形例によるガスセンサの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、第１のセンサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、第２のセンサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【図２０】実施例３によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。
【図２１】実施例３によるガスセンサのセンサ部の構成の一例を示す平面図である。
【図２２】（ａ）は、図２１のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ´線に沿った断面図、（ｂ）は、参照ＦＥＴのＡＲ−ＡＲ´線に沿った断面図である。
【図２３】（ａ）は、図２１のセンサＦＥＴのＢ−Ｂ´線に沿った断面図、（ｂ）は、参照ＦＥＴのＣ−Ｃ´線に沿った断面図である。
【図２４】実施例３によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図である。（ａ）は、センサＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、（ｂ）は、参照ＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。
【図２５】実施例３によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、センサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、参照ＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【図２６】実施例３の第１変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図である。（ａ）は、センサキャパシタの接続構造の一例を示す回路図、（ｂ）は、参照キャパシタの接続構造の一例を示す回路図、（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。
【図２７】実施例３の第１変形例によるガスセンサの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。（ａ）は、センサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図、（ｂ）は、参照キャパシタの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【図２８】実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。
【図２９】実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の第１例を示す断面図である。（ａ）は図２８のＡ１−Ａ１’線に沿った断面図、（ｂ）はＡ２−Ａ２’線に沿った断面図である。
【図３０】実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の第１例を示す断面図である。（ａ）は図２８のＢ１−Ｂ１’線に沿った断面図、（ｂ）はＢ２−Ｂ２’線に沿った断面図である。
【図３１】実施例３の変形例の断面図である。図２１のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ´線に沿った断面図である。
【図３２】実施例３の変形例の断面図である。図２１のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ´線に沿った断面図である。
【図３３】実施例４によるガスセンサの構成の第１例を示す断面図である。（ａ）（ｂ）はセンサＦＥＴ、参照ＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す断面図である。
【図３４】実施例４によるガスセンサの構成の第１例を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）はセンサＦＥＴ、参照ＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す断面図である。
【図３５】実施例４によるガスセンサの構成の第１例を示す断面図である。イオンポンプ１５０Ｓの一部断面図である。
【図３６】実施例５によるガスセンサの構成の第１例を示す断面図である。（ａ）はセンサＦＥＴ、参照ＦＥＴの半導体基板へのコンタクト部と外部からの給電のための接続部の一例を示す断面図である。（ｂ）はセンサＦＥＴ、参照ＦＥＴの半導体基板へのコンタクト部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、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図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、複数の類似の部材（部位）が存在する場合には、総称の符号に記号を追加し個別または特定の部位を示す場合がある。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００１６】
また、以下の実施の形態においては、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向を用いる。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交し、水平面を構成する方向であり、Ｚ方向は水平面に対して鉛直の方向である。
【００１７】
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
【００１８】
また、断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。
【００１９】
ガスセンサは、可燃性ガス（水素またはメタンなど）の爆発や、有毒ガス（酸化窒素、硫化水素または一酸化炭素など）による人体への悪影響を防止することを目的とし、例えばガス濃度の計測または漏洩検知などに使用されている。また、エンジン自動車においては、ガスセンサは、燃費向上および有害ガス低減のためのエンジン制御、浄化装置制御へのフィードバックまたは故障検知などに使用されている。
【００２０】
近年、水素センサについて、ＦＥＴ型ガスセンサの開発が実用化に向けて進められている（前記特許文献１）。ＦＥＴ型ガスセンサは、検知対象ガスのガス濃度に応じて閾値が変化するガスセンサである。ＦＥＴ型ガスセンサと同様に、ガス濃度に応じて閾値が変化するガスセンサにキャパシタ型ガスセンサがある。ＦＥＴ型ガスセンサ、およびキャパシタ型ガスセンサを総称して仕事関数型ガスセンサと呼ぶ。
【００２１】
仕事関数型ガスセンサは半導体ウエハを用いたプロセスで製造できるため、他のガスセンサ、例えば限界電流方式のガスセンサ（前記特許文献２）と比べて低コスト、小型および低消費電力が実現できる。水素以外にも、例えば酸素についてＦＥＴ型ガスセンサの報告がある。また、珪素（Ｓｉ）基板を用いた仕事関数型ガスセンサに加えて、高温まで動作が可能な炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いた仕事関数型ガスセンサも報告されている。
【００２２】
前述したように、ＦＥＴ型ガスセンサ、およびキャパシタ型ガスセンサは低コスト化、小型化および低消費電力化に適している。一方、ガスセンサの実使用環境では検知対象ガス以外のガスが存在し、そのガスの中には検知対象ガスと同様にガスセンサが応答を示す妨害ガスが含まれている。妨害ガス対策としては、イオンポンプを用いた方式が有効である。前記特許文献２では、限界電流方式のガスセンサにおいて、イオン伝導膜となるセラミック基板の両面に電極を形成することにより、妨害ガスとなる酸素を雰囲気から除去する技術が開示されている。しかしながら、前記特許文献２のガスセンサは、低コスト化、小型化および低消費電力化の面でＦＥＴ型ガスセンサなどの仕事関数型ガスセンサに対して不利である。
【００２３】
本実施例で提案する構成の一例では、酸素による仕事関数型センサへの影響をセンサ内部で相殺し酸素によるしきい電圧シフトを生じさせないために、ゲート絶縁膜上のガス検知電極を、酸素触媒となる第１、第２の貴金属層と、イオン導電性の金属酸化物層(ＹＳＺなど)、ＮＯｘ触媒となる金属酸化物層(ＮｉＯなど)を含む積層体で形成する。２層の貴金属層はイオン導電性膜を挟んで上下に形成され、ＮＯｘ触媒金属酸化物層はイオン導電性膜の一方の側に形成し、２層の貴金属層はそれぞれ直接またはＮＯｘ触媒となる金属酸化物層を介して雰囲気に露出し、下層は浮遊状態、上層は外部から給電されるようにした。上下の貴金属層の触媒効果で生じる酸素イオン起因の電界が２層の貴金属層の間で相殺するので酸素による貴金属層間の電位差を抑圧する。すなわちしきい電圧のシフトを低減できる。その結果、ＮＯｘによるしきい電圧を選択的に測定できる。センサ素子のゲートが曝露される排気ガスは、前段で未燃焼成分を酸素と反応させてセンサ素子に反応しない水と二酸化炭素に変化させておくことが望ましい。
【実施例１】
【００２４】
＜ガスセンサの構成＞
図１〜図８を用いて、本実施例１によるガスセンサの構成について説明する。図１は、本実施例１によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。図２は、本実施例１によるガスセンサのセンサ部の構成の一例を示す平面図である。図３（ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ´線に沿った断面図、図３（ｂ）は、参照ＦＥＴのＡＲ−ＡＲ´線に沿った断面図である。図４（ａ）は、図２のセンサＦＥＴのＢ−Ｂ´線に沿った断面図、図４（ｂ）は、参照ＦＥＴのＣ−Ｃ´線に沿った断面図である。図５は、本実施例１によるセンサＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す断面図である。図６は、本実施例１によるセンサＦＥＴのゲート層の構成の一例を示す平面図である。図７は、本実施例１によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図であり、図７（ａ）は、センサＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、図７（ｂ）は、参照ＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、図７（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。図８は、本実施例１によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図であり、図８（ａ）は、センサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図８（ｂ）は、参照ＦＥＴの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。
【００２５】
図１に示すように、ガスセンサ１は、センサ部１００、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０およびデータ入出力部９０などを備えている。センサ部１００は、センサ素子１００Ｓ、参照素子１００Ｒおよびヒータ１９０などを備えており、センサ素子１００Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆからなり、参照素子１００Ｒは、参照ＦＥＴ１００Ｒｆからなる。
【００２６】
センサＦＥＴ１００Ｓｆは、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓ、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓ、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１０８Ｓおよびガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓなどを備えている。半導体基板１０１Ｓは、例えば珪素（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）などからなる。
【００２７】
ウェル１０２Ｓは、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されている。主面とは半導体基板１０１の素子が形成されている側の面を言うものとする。ウェル１０２Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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１０２Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層である。ウェル１０２Ｓは、平面視において、例えばソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓおよびゲート層１０６Ｓを取り囲むように形成されている。
【００２８】
絶縁膜１０８Ｓは、図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されており、トレンチアイソレーションとして機能する。絶縁膜１０８Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆのチャネル幅方向（Ｙ方向）にチャネル領域を確定している。また、絶縁膜１０８Ｓが形成された領域の半導体基板１０１Ｓの主面ではゲート層１０６に印加する電圧によらず電流が流れず、いわゆる寄生トランジスタによるリーク電流などによるＦＥＴ特性の不具合が絶縁膜１０８Ｓによって抑制される。チャネル幅方向（Ｙ方向）にチャネル領域を確定する方法は、他にもＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）を用いる方法、フィールドプレートアイソレーションを用いる方法またはゲート絶縁膜を厚くする方法などがあり、本実施例１において、これらを用いることも可能である。ここでチャネル幅は、例えば１００μｍとした。
【００２９】
ソース拡散層１０３Ｓは、図２および図３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されており、平面視において、例えばウェル１０２Ｓの一部領域に形成されている。ソース拡散層１０３Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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１０３Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層であり、ウェル１０２Ｓと異なる導電型である。
【００３０】
ドレイン拡散層１０４Ｓは、図２および図３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されており、平面視において、例えばウェル１０２Ｓの一部領域に形成されている。ドレイン拡散層１０４Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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１０４Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層であり、ウェル１０２Ｓと異なる導電型である。
【００３１】
ゲート絶縁膜１０５Ｓは、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面上に形成されている。ゲート絶縁膜１０５Ｓは、平面視において、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを覆うように形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜１０５Ｓは、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓと、ゲート層１０６Ｓとを電気的に絶縁させている。ゲート絶縁膜１０５Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）などからなる。
【００３２】
ゲート層１０６Ｓは、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓの上面に形成されている。詳しくは、ゲート層１０６Ｓは、例えばソース拡散層１０３Ｓの一部領域、ウェル１０２Ｓの一部領域およびドレイン拡散層１０４Ｓの一部領域を覆うように形成されている。具体的には、ゲート層１０６Ｓは、ソース拡散層１０３Ｓのドレイン拡散層１０４Ｓ側の一部領域、ウェル１０２Ｓのソース拡散層１０３Ｓとドレイン拡散層１０４Ｓとの間の領域、ドレイン拡散層１０４Ｓのソース拡散層１０３Ｓ側の一部領域を覆うように形成されている。
【００３３】
ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓは、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓおよびゲート層１０６Ｓの上層に形成されている。絶縁膜１１１Ｓおよび絶縁膜１１３Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）からなり、絶縁膜１１２Ｓおよび絶縁膜１１４Ｓは、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。
【００３４】
ゲート層１０６Ｓは一部表面が絶縁膜１１１Ｓに覆われており、残りの部分（露出部１０７Ｓ）では絶縁膜１１１Ｓが除去されてゲート層１０６Ｓの表面が露出して、空洞１３０Ｓと接している。空洞１３０Ｓの周囲は、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓ、および触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓで覆われている。
【００３５】
図５はゲート層１０６部分の拡大断面図である。ゲート層１０６Ｓは、図５に示すように、例えばゲート絶縁膜１０５Ｓの上面側から、貴金属とゲート絶縁膜１０５Ｓの接着層となるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やチタニア(ＴｉＯ２)、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆ、第１金属酸化物層１０６Ｓａと、第２金属酸化物層１０６Ｓｂと、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃとが積層された構成となっている。
【００３６】
第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、厚さ２００ｎｍとした。第２金属酸化物層１０６Ｓｂは、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）などからなり、厚さ５０ｎｍとした。電極層１０６Ｓｆ、１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなり、厚さ１００ｎｍとした。充分な強度でゲート絶縁膜１０５Ｓと貴金属層１０６Ｓｆが接着できる場合にはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やチタニア(ＴｉＯ２)などからなる接着層は不要である。
【００３７】
また、ゲート層１０６Ｓは、図６に示すように、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆの上表面と、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃの上表面の両方が雰囲気に露出している。チャネル領域ACHAN上にはゲート絶縁膜１０５Ｓを介して全体に金属電極層１０６Ｓｆが形成されている。なお、本明細書では、半導体基板１０１を基準として電極層１０６のある方向を上側（上方）、逆の方向を下側（下方）と称することにする。
【００３８】
電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆでは、酸素（Ｏ２）ガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいて、酸化窒素（ＮＯｘ）ガスの分解またはイオン化が行われる。酸素ガスと酸化窒素の分解で生じた酸素イオン（Ｏ２−）は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動する。雰囲気中の酸素ガスから生じる酸素イオンは、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆで同じように生成され第１金属酸化物層１０６Ｓａへそれぞれ上面側と下面側から移動する。第１金属酸化物層１０６Ｓａの上面と下面には等量の酸素イオンが蓄積するため雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆの間に電位差は生じない。
【００３９】
すなわちセンサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧は雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって変化しない。一方、酸化窒素の分解で生じた酸素イオンは第２金属酸化物層１０６Ｓｂが形成されている上面側で生じて第１金属酸化物層１０６Ｓａに移動し、第１金属酸化物層１０６Ｓａの上表面に蓄積する。その結果、電極層１０６Ｓｃが１０６Ｓｆに対して負電位になり、センサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧が正電位側にシフトする。すなわち、本実施例１のセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート１０６を用いることで酸素ガスと酸化窒素ガスの両方が含まれる雰囲気の酸化窒素ガスの濃度を選択的に測定することができる。
【００４０】
センサＦＥＴ１００Ｓｆを構成するウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓおよびゲート層１０６Ｓの貴金属層１０６Ｓｃは、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）など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などと接続されている。
【００４１】
図７（ａ）に示すように、センサＦＥＴ１００Ｓｆを構成するウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓは、可変電圧ＶＳを印加する電源４１に接続されている。ドレイン拡散層１０４Ｓは、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されており、また、電流測定部２０と接続されている。ゲート層１０６Ｓは、可変電圧ＶＧＳを印加する電源４１と接続されている。
【００４２】
図８（ａ）は、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。ゲート層１０６Ｓ（例えば図２、図３（ａ）および図４（ａ）参照）にガス（例えば酸化窒素ガス）が触れると、ゲート層１０６Ｓの仕事関数が変化する。そうすると、図７（ａ）に示すように、ガス濃度に応じて、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流−ゲート電圧特性は、図示で右方向に平行移動する。すなわち、ドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２および図３（ａ）参照）に閾値電流Ｉｃが流れる場合におけるゲート層１０６Ｓの電圧は、ガス濃度が高くなるに従って高くなる。
【００４３】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆは、図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、半導体基板１０１Ｒ、ウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒ、ゲート絶縁膜１０５Ｒ、ゲート層１０６Ｒおよび絶縁膜１０８Ｒおよび絶縁膜１１１Ｒなどを備えている。
【００４４】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成する要素の多くは、前述したセンサＦＥＴ１００Ｓｆと同様である。例えば参照ＦＥＴ１００Ｒｆの半導体基板１０１Ｒ、ウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒ、ゲート絶縁膜１０５Ｒ、ゲート層１０６Ｒ、絶縁膜１０８Ｒおよび絶縁膜１１１Ｒは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの半導体基板１０１Ｓ、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓ、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１０８Ｓおよび絶縁膜１１１Ｓ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。
【００４５】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆには、図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、絶縁膜１１４Ｒ上に触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓが積層されていない。しかし、センサＦＥＴ１００Ｓｆにおいて絶縁膜１１４Ｓ上に積層されている触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓと同じ層を、絶縁膜１１４Ｒ上に積層させることも可能である。参照ＦＥＴ１００Ｒｆのゲート１０６Ｒを雰囲気から隔離し、雰囲気中のガス濃度が変化しても参照ＦＥＴ１００Ｒｆしきい電圧が変化しないようにできれば良い。ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒが、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、ゲート層１０６Ｒの上面および側面を覆うように、ゲート絶縁膜１０５Ｒの上面に形成されている。すなわち、ゲート層１０６Ｒは、雰囲気から隔離されている。
【００４６】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成するウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒおよびゲート層１０６Ｒは、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）など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などと接続されている。
【００４７】
図７（ｂ）に示すように、参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成するウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒは、可変電圧ＶＳを印加する電源４１に接続されている。ドレイン拡散層１０４Ｒは、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されており、また、電流測定部２０と接続されている。ゲート層１０６Ｒは、可変電圧ＶＧＲを印加する電源４１と接続されている。
【００４８】
図８（ｂ）は、参照ＦＲＴ１００Ｒｆの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。ゲート層１０６Ｒ（例えば図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）が、ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）に覆われているため、ゲート層１０６Ｒにガスが吸着しないので、ゲート層１０６Ｒの仕事関数は変化しない。従って、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流−ゲート電圧特性は、ガス濃度によって変動しない。
【００４９】
なお、以下では、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００ＲｆはＮ型ＦＥＴで構成されているものとして説明する。但し、両者はＰ型で構成されてもよいし、一方のＦＥＴがＮ型、他方のＦＥＴがＰ型で構成されてもよい。
【００５０】
ヒータ１９０は、図１に示すように、電源部４０と接続しており、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１００の温度を調整する。ヒータ１９０は、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）などの金属からなる配線で構成されている。
【００５１】
また、ヒータ１９０は、図８（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１９０は、センサ部１００（例えば図１参照）の温度を測定するセンサ温度計としても機能し、このとき、ヒータ１９０は、例えば電流測定部２０と接続される。
【００５２】
センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆ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１９０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆまたは参照ＦＥＴ１００Ｒｆ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。
【００５３】
電流測定部２０は、図１に示すように、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流を測定する。電流測定部２０は、例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆのソース拡散層１０３Ｓとドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２、図３（ａ）参照）との間に流れる第１ソース−ドレイン電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば参照ＦＥＴ１００Ｒｆのソース拡散層１０３Ｒとドレイン拡散層１０４Ｒ（例えば図２および図３（ｂ）参照）との間に流れる第２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ＦＥＴ１００Ｓｆの電流データおよび参照ＦＥＴ１００Ｒの電流データを制御部５０へ出力する。
【００５４】
また、電流測定部２０は、ヒータ１９０の電流を測定する。電流測定部２０は、測定したヒータ１９０の電流データを制御部５０へ出力する。
【００５５】
ガス濃度測定部３０は、雰囲気中の検知対象ガスのガス濃度を測定する。例えば雰囲気中に酸化窒素と酸素が存在しない場合に、参照ＦＥＴに流れる第２ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｒ（例えば図８（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ（０,０）とする。また、センサＦＥＴに流れる第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｓ（例えば図８（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ（０,０）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ（０,０）と閾値電圧ＶＧＳ（０,０）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ（０,０）（＝ＶＧＲ（０,０）−ＶＧＳ（０,０））とする。
【００５６】
また、雰囲気中に酸化窒素（濃度ＰＮＯｘ）と酸素（濃度ＰＯ２）が存在する場合に、所定の時刻において、参照ＦＥＴに流れる第２ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｒ（例えば図８（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ（０,０））とする。また、センサＦＥＴに流れる第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｓ（例えば図８（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）と閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））とする。
【００５７】
そして、センサ間電位差ＶＧＲＳ（０,０）（＝ＶＧＲ（０,０）−ＶＧＳ（０,０））と、センサ間電位差ＶＧＲＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））との差分である閾値変化量
ΔＶｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）＝ＶＧＲＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＲＳ（０,０）
に基づいて所定の時刻における検知対象ガスのガス濃度を測定する。
【００５８】
電源部４０は、図１に示すように、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、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および周期的に変動する電圧を印加する電源４１などで構成されている。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い。
【００５９】
制御部５０は、図１に示すように、ガスセンサ１を構成する各部の制御を行う。例えば制御部５０は、各部のオンオフの切り替えに係る制御を行う。
【００６０】
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ＦＦＴ１００Ｓｆのゲート層１０６Ｓと接続された電源４１を制御する（例えば図７（ａ）参照）。制御部５０は、ガス濃度の測定時にセンサＦＥＴ１００Ｓｆのドレイン拡散層１０４Ｓの電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるように、電源４１の電圧を調整する（例えば図７（ａ）および図７（ａ）参照）。
【００６１】
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、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのゲート層１０６Ｒと接続された電源４１を制御する（例えば図７（ｂ）参照）。制御部５０は、ガス濃度の測定時に参照ＦＥＴ１００Ｒｆのドレイン拡散層１０４Ｒの電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるように、電源４１の電圧を調整する（例えば図７（ｂ）および図８（ｂ）参照）。
【００６２】
また、制御部５０は、電流測定部２０から出力されたヒータ１９０の電流データに基づいてセンサＦＥＴ１００Ｓｆの温度および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの温度を測定する。制御部５０は、ヒータ１９０の両端間の電圧とヒータ１９０の電流データとからヒータ１９０の抵抗値を算出する。そして、制御部５０は、例えばその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。制御部５０は、ヒータ１９０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ＦＥＴ１００Ｓｆの温度および参照ＦＥＴ１００Ｒの温度が一定となるように、電源４１の電圧を調整する。
【００６３】
データ入出力部９０は、図１に示すように、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。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、測定したガス濃度および温度などに関するデータを外部装置へ出力する。
【００６４】
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、赤外線通信または近距離無線など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。
【００６５】
＜ガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例１によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図１、図２および図７（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例示して、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【００６６】
図１を参照し、まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。例えば制御部５０は、ヒータ１９０と接続された電源４１をオンすることにより、ヒータ１９０の両端間に電圧を印加する。
【００６７】
次に、制御部５０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆのそれぞれ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ＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆのそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。
【００６８】
例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆのウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｓと接続された電源４１は、第１ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃとなるよう、所定の閾値電圧ＶＧＳ（０,０）を印加する。
【００６９】
また、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｒと接続された電源４１は、第２ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃとなるよう、所定の閾値電圧ＶＧＲ（０,０）を印加する。
【００７０】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値電圧ＶＧＳ（０,０）および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（０,０）は、予め測定されていてもよい。また、制御部５０は、例えば予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０,０），ＶＧＲ（０,０）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（０,０），ＶＧＲ（０,０）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。
【００７１】
次に、制御部５０は、酸化窒素ガス（濃度ＰＮＯｘ）と酸素（濃度ＰＯ２）が雰囲気中に含まれている場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）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１０６Ｓ，１０６Ｒ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（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）を測定する。なお、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのゲート層１０６Ｒは、ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０,０）と同じである。
【００７２】
制御部５０は、測定した閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。
【００７３】
図３に示したように、雰囲気中に妨害ガスとして含まれている場合でも雰囲気ガス中に含まれる検知対象ガス以外の妨害ガスに含まれる未燃焼ガスを、触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓで雰囲気ガス中の残留酸素と反応させて、センサ素子のゲートに触れるガス成分をゲート層の材料に反応する酸化窒素（ＮＯまたはＮＯ２）と酸素、およびセンサ素子に反応しないＨ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ２、その他の不活性ガス成分にすることができる。酸化窒素と酸素とゲート層に反応しない成分からなるガスが、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓを持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆに接触する。
【００７４】
雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、その濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の両方が含まれていることが多い。センサ素子の温度をヒータ１９０で適切に設定すると触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓで、二酸化窒素（ＮＯ２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。また別の温度を設定すると、一酸化窒素（ＮＯ）は二酸化窒素（ＮＯ２）に変換される。ゲート層１０６Ｓを持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆでは、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の混合ガスのうち、一方だけを測定するようにできる。
【００７５】
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（０,０），ＶＧＲ（０,０），ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）に基づいて、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスと酸素ガスが存在しない場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆと参照ＦＥＴ１００Ｒｆとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（０,０）、雰囲気中に酸化窒素ガスと酸素ガスが存在する場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆと参照ＦＥＴ１００Ｒｆとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分により、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量を算出する。また前述した通り、センサＦＥＴ１００Ｓｆは酸素ガスには応答せず、酸化窒素ガスには応答する。すなわち、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量ΔＶｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、次のように表される。
【００７６】
ΔＶｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）
＝ＶＧＲＳ（０,０）−ＶＧＲＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）
＝（ＶＧＲ（０,０）−ＶＧＳ（０,０））−（ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））
＝ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ（０,０）
＝ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,０）−ＶＧＳ（０,０）                      （式１）
【００７７】
（式１）で示す閾値変化量は、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（０,０），ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。
【００７８】
なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ（０,０），ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０,０）と、雰囲気中に酸化窒素ガス（濃度ＰＮＯｘ）と酸素（濃度ＰＯ２）が存在する場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分である閾値変化量△Ｖｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）に基づいて、所定の時刻における酸化窒素ガスのガス濃度を測定する。
【００７９】
ここで、閾値電圧ＶＧＳ（０,０）は、雰囲気中に酸化窒素ガスと酸素が存在しない場合に、第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また、閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合に、所定の時刻において第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また前述した通り、センサＦＥＴ１００Ｓｆは酸素ガスには応答せず、酸化窒素ガスには応答する。
【００８０】
従って、この場合の閾値変化量ΔＶｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、次のように表される。
ΔＶｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）＝ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ（０,０）
＝ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,０）−ＶＧＳ（０,０）                      （式２）
【００８１】
＜仕事関数型素子の第１変形例＞
図９および図１０を用いて、本実施例１の第１変形例による仕事関数型センサについて説明する。図９は、本実施例１の第１変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図であり、図９（ａ）は、センサキャパシタの接続構造の一例を示す回路図、図９（ｂ）は、参照キャパシタの接続構造の一例を示す回路図、図９（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。図１０は、本実施例１の第１変形例によるガスセンサの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図であり、図１０（ａ）は、センサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図１０（ｂ）は、参照キャパシタの静電容量−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。
【００８２】
第１変形例によるガスセンサは、センサ素子１００Ｓにセンサキャパシタ１００Ｓｃ、参照素子１００Ｒに参照キャパシタ１００Ｒｃを用いている。センサキャパシタ１００Ｓｃおよび参照キャパシタ１００Ｒｃには、図２〜図６に示したデバイス構造およびゲート層構造とほぼ同じものを用いることができる。センサキャパシタ１００Ｓｃでは、ゲート層１０６Ｓとウェル１０２Ｓとの間の容量、あるいはゲート層１０６Ｓとソース拡散層１０３Ｓまたはドレイン拡散層１０４Ｓとの間の容量のゲート電圧依存性が検知対象ガスのガス濃度に応じて変化する現象を利用して、ガス濃度を検知することができる。
【００８３】
参照キャパシタ１００Ｒｃでは、ゲート層１０６Ｒがガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）により覆われているため、雰囲気中の検知対象ガスのガス濃度が変化しても容量のゲート電圧依存性は変化しない。
【００８４】
ゲート層１０６Ｓとウェル１０２Ｓとの間の容量を用いる場合には、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２、図３（ａ）および図４（ａ）参照）は、センサキャパシタ１００Ｓｃのデバイス構造から省くことができる。参照キャパシタ１００Ｒｃも対応して、ゲート層１０６Ｒとウェル１０２Ｒとの間の容量を用いる場合には、ソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒ（例えば図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）は、参照キャパシタ１００Ｒｃのデバイス構造から省くことができる。ソース拡散層１０３Ｓ，１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｓ，１０４Ｒをデバイス構造から省くことができるので、センサ素子１００Ｓおよび参照素子１００Ｒの製造工程数を減らすことができる。また、センサＦＥＴ１００Ｓｆ（参照ＦＥＴ１００Ｒｆ）を用いる場合にはゲート層１０６Ｓ（１０６Ｒ）がソース拡散層１０３Ｓ（１０３Ｒ）とドレイン拡散層１０４Ｓ（１０４Ｒ）と重なりを持つように形成する必要があったが、センサキャパシタ１００Ｓｃ（参照キャパシタ１００Ｒｃ）でゲート層１０６Ｓ（１０６Ｒ）とウェル１０２Ｓ（１０２Ｒ）の間の容量を用いてガス濃度を検知する場合にはその制限は無い。
【００８５】
以下では、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示したセンサＦＥＴ１００Ｓｆからソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを除いたセンサキャパシタ１００Ｓｃ、および図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示した参照ＦＥＴ１００Ｒｆからソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒを省いた参照キャパシタ１００Ｒｆについて説明する。センサキャパシタ１００Ｓｃのデバイス構造は、図２、図３（ａ）および図４（ａ）に示したセンサＦＥＴ１００Ｓｆのデバイス構造からソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを省いただけなので詳しい説明は省く。同様に、参照キャパシタ１００Ｒｃのデバイス構造は、図２、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示した参照ＦＥＴ１００Ｒｆのデバイス構造からソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒを省いただけなので詳しい説明は省く。
【００８６】
なお、以下では、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＮ型で構成されているものとして説明する。但し、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＰ型で構成されてもよく、または、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。
【００８７】
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、センサキャパシタ１００Ｓｃのウェル１０２Ｓおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのウェル１０２Ｒは、例えば正弦波など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。
【００８８】
センサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓは、可変電圧ＶＧＳを印加する電源４１と接続されており、参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、可変電圧ＶＧＲを印加する電源４１と接続されている。また、センサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、電流測定部２０とそれぞれ接続されている。
【００８９】
センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量は、ゲート層１０６Ｓに印加される電圧、ウェル１０２Ｓに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｓに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて測定される。また、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量は、ゲート層１０６Ｒに印加される電圧、ウェル１０２Ｒに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｒに流れる電流（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（例えば図１参照）などで測定される。
【００９０】
電流測定部２０は、例えばセンサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓに流れる電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒに流れる電流を測定する。
【００９１】
例えばゲート層１０６Ｓに印加される電圧、ウェル１０２Ｓに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｓに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量は、図１に示したガス濃度測定部３０によって測定される。
【００９２】
また、例えばゲート層１０６Ｒに印加される電圧、ウェル１０２Ｒに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｒに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量は、図１に示したガス濃度測定部３０によって測定される。
【００９３】
図１０（ａ）は、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。図１０（ｂ）は、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【００９４】
センサキャパシタ１００Ｓｃでは、ゲート層１０６Ｓ（例えば図３（ａ）および図４（ａ）参照）の表面が露出している。このため、図９（ａ）に示すように、ガス濃度（例えば酸化窒素ガスのガス濃度）が高くなると、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量−ゲート電圧特性は、図示で右方向に平行移動する。すなわち、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときのゲート層１０６Ｓの電圧は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＳ（０,０）からガス濃度Ｘのときの閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）へと変化し、ガス濃度が高くなるに従って高くなる。
【００９５】
＜第１変形例におけるガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例１の第１変形例によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図１、図２および図９（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例として、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【００９６】
まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。
次に、制御部５０は、センサキャパシタ１００Ｓｃおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。
【００９７】
例えば電源４１は、ウェル１０２Ｓに所定の交流電圧を印加し、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるように、ゲート層１０６Ｓに所定の閾値電圧ＶＧＳ（０,０）を印加する。また、電源４１は、ウェル１０２Ｒに所定の交流電圧を印加し、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるように、ゲート層１０６Ｒに所定の閾値電圧ＶＧＲ（０,０）を印加する。
【００９８】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサキャパシタ１００Ｓｃの閾値電圧ＶＧＳ（０,０）および参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（０,０）は、予め測定されていてもよい。また、制御部５０は、例えば予め測定された閾値電圧ＶＧＳ（０,０），ＶＧＲ（０,０）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（０,０），ＶＧＲ（０,０）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。
【００９９】
次に、制御部５０は、酸化窒素ガスと酸素ガスが雰囲気中に含まれている場合におけるセンサキャパシタ１００Ｓｃの閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）および参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）を測定する。なお、参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒ（例えば図３（ｂ）および図４（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ（０,０）と同じである。
【０１００】
制御部５０は、測定した閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。
【０１０１】
雰囲気中に妨害ガスとして含まれている場合でも雰囲気ガス中に含まれる検知対象ガス以外の妨害ガスに含まれる未燃焼ガスを、触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓで雰囲気ガス中の残留酸素と反応させて、センサ素子のゲートに触れるガス成分をゲート層の材料に反応する酸化窒素（ＮＯまたはＮＯ２）と酸素、およびセンサ素子に反応しないＨ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ２、その他の不活性ガス成分にすることができる。酸化窒素と酸素とゲート層に反応しない成分からなるガスが、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓを持つセンサキャパシタ１００Ｓｃに接触する。
【０１０２】
雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、そのガス濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の両方が含まれていることが多い。センサ素子の温度をヒータ１９０で適切に設定すると触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓで、二酸化窒素（ＮＯ２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。また別の温度を設定すると、一酸化窒素（ＮＯ）は二酸化窒素（ＮＯ２）に変換される。ゲート層１０６Ｓを持つセンサキャパシタ１００Ｓｃでは、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の混合ガスのうち、一方だけを測定するようにできる。
【０１０３】
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（０,０），ＶＧＲ（０,０），ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）に基づいて、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合のセンサキャパシタ１００Ｓｃと参照キャパシタ１００Ｒｃとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（０,０）、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合のセンサキャパシタ１００Ｓｃと参照キャパシタ１００Ｒｃとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分により、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量を算出する。また前述した通り、センサキャパシタ１００Ｓｃは酸素ガスには応答せず、酸化窒素ガスには応答する。すなわち、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量ΔＶｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、前述の（式１）で表される。
（式１）で示す閾値変化量は、参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（０,０），ＶＧＲ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。
【０１０４】
なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ（０,０），ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサキャパシタ１００Ｓｃ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、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０,０）と、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分である閾値変化量△Ｖｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）に基づいて、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する。ここで、閾値電圧ＶＧＳ（０,０）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合に、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。
【０１０５】
また、閾値電圧ＶＧＳ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合に、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また前述した通り、センサキャパシタ１００Ｓｃは酸素ガスには応答せず、酸化窒素ガスには応答する。従って、この場合の閾値変化量ΔＶｇ（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、前述の（式２）のように表される。
【０１０６】
＜ゲート構造の変形例１＞
図１１にゲート構造の変形例１を示す。ゲート層１０６Ｓは、図１１に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓの上面側から、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆ、第２金属酸化物層１０６Ｓｂと、第１金属酸化物層１０６Ｓａと、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃとが積層された構成となっている。第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、第２金属酸化物層１０６Ｓｂは、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）などからなり、電極層１０６Ｓｆ、１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。図５のようにゲート絶縁膜１０５Ｓと貴金属層１０６Ｓｆの間にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やチタニア(ＴｉＯ２)などからなる接着層を用いても良い。
【０１０７】
また、ゲート層１０６Ｓは、図１１に示すように、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆの上表面と、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃの上表面の両方が雰囲気に露出している。図６と同様にチャネル領域ACHAN上にはゲート絶縁膜１０５Ｓを介して全体に金属電極層１０６Ｓｆが形成されている。
【０１０８】
電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆでは、酸素（Ｏ２）ガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいて、酸化窒素（ＮＯｘ）ガスの分解またはイオン化が行われる。酸素ガスと酸化窒素の分解で生じた酸素イオン（Ｏ２−）は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動する。雰囲気中の酸素ガスから生じる酸素イオンは、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆで同じように生成され第１金属酸化物層１０６Ｓａへそれぞれ上面側と下面側から移動する。第１金属酸化物層１０６Ｓａの上面と下面には等量の酸素イオンが蓄積するため雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆの間に電位差は生じない。すなわちセンサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧は雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって変化しない。
【０１０９】
一方、酸化窒素の分解で生じた酸素イオンは第２金属酸化物層１０６Ｓｂが形成されている下面側で生じて第１金属酸化物層１０６Ｓａに移動し、第１金属酸化物層１０６Ｓａの下表面に蓄積する。その結果、電極層１０６Ｓｃが１０６Ｓｆに対して正電位になり、センサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧が負電位側にシフトする。すなわち、本実施例１のセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート１０６を用いることで酸素ガスと酸化窒素ガスの両方が含まれる雰囲気の酸化窒素ガスの濃度を選択的に測定することができる。センサキャパシタ１００Ｓｃに本変形例１のゲートを適用した場合も同様である。図３〜６の構造のゲートの場合と酸化窒素によるしきい電圧シフトの極性が逆になることが特徴である。
【０１１０】
＜ゲート構造の変形例２＞
図１２にゲート構造の変形例２を示す。ゲート層１０６Ｓは、図１２に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓの上面側から、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆ、第２金属酸化物層１０６Ｓｂと、第１金属酸化物層１０６Ｓａと、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃとが積層された構成となっている。第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、第２金属酸化物層１０６Ｓｂは、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）などからなり、電極層１０６Ｓｆ、１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。図５のようにゲート絶縁膜１０５Ｓと貴金属層１０６Ｓｆの間にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やチタニア(ＴｉＯ２)などからなる接着層を用いても良い。
【０１１１】
また、ゲート層１０６Ｓは、図１２に示すように、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆの上表面が第２金属酸化物１０６Ｓｂを介して雰囲気に露出している。外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃの上表面が雰囲気に露出している。図６と同様にチャネル領域ACHAN上にはゲート絶縁膜１０５Ｓを介して全体に金属電極層１０６Ｓｆが形成されている。
【０１１２】
電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆでは、酸素（Ｏ２）ガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいて、酸化窒素（ＮＯｘ）ガスの分解またはイオン化が行われる。酸素ガスと酸化窒素の分解で生じた酸素イオン（Ｏ２−）は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動する。雰囲気中の酸素ガスから生じる酸素イオンは、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆで同じように生成され第１金属酸化物層１０６Ｓａへそれぞれ上面側と下面側から移動する。第１金属酸化物層１０６Ｓａの上面と下面には等量の酸素イオンが蓄積するため雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆの間に電位差は生じない。すなわちセンサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧は雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって変化しない。
【０１１３】
一方、酸化窒素の分解で生じた酸素イオンは第２金属酸化物層１０６Ｓｂが形成されている下面側で生じて第１金属酸化物層１０６Ｓａに移動し、第１金属酸化物層１０６Ｓａの下表面に蓄積する。
【０１１４】
その結果、電極層１０６Ｓｃが１０６Ｓｆに対して正電位になり、センサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧が負電位側にシフトする。すなわち、本実施例１のセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート１０６を用いることで酸素ガスと酸化窒素ガスの両方が含まれる雰囲気の酸化窒素ガスの濃度を選択的に測定することができる。センサキャパシタ１００Ｓｃに本変形例２のゲートを適用した場合も同様である。ゲート構造の変形例１と比較して第２金属酸化物層が広く露出しているので酸化窒素に対する応答が高速になることが特徴である。
【０１１５】
＜ゲート構造の変形例３＞
図１３にゲート構造の変形例３を示す。ゲート層１０６Ｓは、図１３に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓの上面側から、第２金属酸化物層１０６Ｓｂと、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆと、第１金属酸化物層１０６Ｓａと、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃとが積層された構成となっている。第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、第２金属酸化物層１０６Ｓｂは、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）などからなり、電極層１０６Ｓｆ、１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。図５で示したゲート絶縁膜１０５Ｓと貴金属層１０６Ｓｆの間にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やチタニア(ＴｉＯ２)などからなる接着層を、ゲート絶縁膜１０５Ｓと第２金属酸化物層１０６Ｓｂの界面に用いることもできるが、ＳｉＯ２膜（ゲート絶縁膜１０５Ｓ）とＮｉＯ層（第２金属酸化物層１０６Ｓｂ）は良好な接着が得られるためあまり必要ではない。
【０１１６】
また、ゲート層１０６Ｓは、図１３に示すように、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆの上表面と、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃの上表面の両方が雰囲気に露出している。チャネル領域ACHAN上にはゲート絶縁膜１０５Ｓと第２金属酸化物１０６Ｓｂを介して全体に金属電極層１０６Ｓｆが形成されている。
【０１１７】
電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆでは、酸素（Ｏ２）ガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいて、酸化窒素（ＮＯｘ）ガスの分解またはイオン化が行われる。酸素ガスと酸化窒素の分解で生じた酸素イオン（Ｏ２−）は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動する。雰囲気中の酸素ガスから生じる酸素イオンは、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆで同じように生成され第１金属酸化物層１０６Ｓａへそれぞれ上面側と下面側から移動する。第１金属酸化物層１０６Ｓａの上面と下面には等量の酸素イオンが蓄積するため雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆの間に電位差は生じない。すなわちセンサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧は雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって変化しない。
【０１１８】
一方、酸化窒素の分解で生じた酸素イオンは第２金属酸化物層１０６Ｓｂが形成されている下面側で生じて第１金属酸化物層１０６Ｓａに移動し、第１金属酸化物層１０６Ｓａの下表面に蓄積する。その結果、電極層１０６Ｓｃが１０６Ｓｆに対して正電位になり、センサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧が負電位側にシフトする。すなわち、本実施例１のセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート１０６を用いることで酸素ガスと酸化窒素ガスの両方が含まれる雰囲気の酸化窒素ガスの濃度を選択的に測定することができる。センサキャパシタ１００Ｓｃに本変形例３のゲートを適用した場合も同様である。図３〜６の構造のゲート、変形例１、２と比較して、ゲート絶縁膜１０５Ｓ上の接着層が無くても積層ゲートを高い強度でゲート絶縁膜１０５Ｓ上に形成できることが特徴である。
【０１１９】
＜ゲート構造の変形例４＞
図１４にゲート構造の変形例２を示す。ゲート層１０６Ｓは、図１４に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓの上面側から、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆ、第１金属酸化物層１０６Ｓａと、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃと、第２金属酸化物層１０６Ｓｂとが積層された構成となっている。第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、第２金属酸化物層１０６Ｓｂは、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）などからなり、電極層１０６Ｓｆ、１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。図５のようにゲート絶縁膜１０５Ｓと貴金属層１０６Ｓｆの間にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やチタニア(ＴｉＯ２)などからなる接着層を用いても良い。
【０１２０】
また、ゲート層１０６Ｓは、図１４に示すように、電気的に浮遊状態の貴金属電極層１０６Ｓｆの上表面が雰囲気に露出している。外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃの上表面が第２金属酸化物１０６Ｓｂを介して雰囲気に露出している。図６と同様にチャネル領域ACHAN上にはゲート絶縁膜１０５Ｓを介して全体に金属電極層１０６Ｓｆが形成されている。
【０１２１】
電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆでは、酸素（Ｏ２）ガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいて、酸化窒素（ＮＯｘ）ガスの分解またはイオン化が行われる。酸素ガスと酸化窒素の分解で生じた酸素イオン（Ｏ２−）は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動する。雰囲気中の酸素ガスから生じる酸素イオンは、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆで同じように生成され第１金属酸化物層１０６Ｓａへそれぞれ上面側と下面側から移動する。第１金属酸化物層１０６Ｓａの上面と下面には等量の酸素イオンが蓄積するため雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって、電極層１０６Ｓｃ、１０６Ｓｆの間に電位差は生じない。すなわちセンサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧は雰囲気中の酸素ガス起因の酸素イオンによって変化しない。
【０１２２】
一方、酸化窒素の分解で生じた酸素イオンは第２金属酸化物層１０６Ｓｂが形成されている上面側で生じて第１金属酸化物層１０６Ｓａに移動し、第１金属酸化物層１０６Ｓａの上表面に蓄積する。その結果、電極層１０６Ｓｃが１０６Ｓｆに対して負電位になり、センサＦＥＴ１００Ｓｆのしきい電圧が正電位側にシフトする。すなわち、本実施例１のセンサＦＥＴ１００Ｓｆのゲート１０６を用いることで酸素ガスと酸化窒素ガスの両方が含まれる雰囲気の酸化窒素ガスの濃度を選択的に測定することができる。センサキャパシタ１００Ｓｃに本変形例４のゲートを適用した場合も同様である。ゲート構造の変形例２と同様に第２金属酸化物層が広く露出しているので酸化窒素に対する応答が高速になることが特徴である。
【０１２３】
＜本実施例１による効果＞
本実施例１によれば、酸素に応答せず酸化窒素に応答する仕事関数型ガスセンサを実現できる。雰囲気ガス中に含まれる検知対象ガス以外の妨害ガスに含まれる未燃焼ガスを触媒を担持した多孔質な金属酸化物層で雰囲気ガス中の残留酸素と反応させて、センサ素子のゲートに触れるガス成分を酸化窒素（ＮＯまたはＮＯ２）、およびセンサ素子に反応しないＨ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ２、その他の不活性ガス成分にすることで、酸化窒素の濃度を選択的に測定することが可能となる。その結果、低コスト化、小型化および低消費電力化と、妨害ガス除去による高精度なガスセンシングとを両立させることができる。
【実施例２】
【０１２４】
＜ガスセンサの構成＞
図１５〜図１８を用いて、本実施例２によるガスセンサの構成について説明する。
【０１２５】
図１５は、本実施例２によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。図１６（ａ）は、第１センサＦＥＴ（１００Ｓｆ−１）の断面図、図１６（ｂ）は、第１参照ＦＥＴ（１００Ｒｆ−１）の断面図である。図１７（ａ）は、第２センサＦＥＴ（１００Ｓｆ−２）の断面図、図１７（ｂ）は、第２参照ＦＥＴ（１００Ｒｆ−２）の断面図である。
図１８は、本実施例２によるガスセンサのセンサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図であり、図８（ａ）は、第１センサＦＥＴ（１００Ｓｆ−１）の電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図８（ｂ）は、第２センサＦＥＴ（１００Ｓｆ−２）の電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。センサＦＥＴ、参照ＦＥＴの搭載数と、ゲートの積層構造を除くとデバイス構造は実施例１と類似しているので詳しい説明は省く。
【０１２６】
第１センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１のゲート層１０６Ｓ−１は、図１６（ａ）に示すように、例えばゲート絶縁膜１０５Ｓの上面側から、第１金属酸化物層１０６Ｓａ−１と、第２金属酸化物層１０６Ｓｂ−１と、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃ−１とが積層された構成となっている。第１金属酸化物層１０６Ｓａ−１は、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、第２金属酸化物層１０６Ｓｂ−１は、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）などからなり、電極層１０６Ｓｃ−１は、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。
【０１２７】
電極層１０６Ｓｃ−１では、酸素（Ｏ２）ガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいて、酸化窒素（ＮＯｘ）ガスの分解またはイオン化が行われる。酸素ガスと酸化窒素の分解で生じた酸素イオン（Ｏ２−）は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動し第１金属酸化物層１０６Ｓａ−１の上表面に蓄積する。酸素イオンの負電荷により第１センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１のしきい電圧が正電位側にシフトする。酸素ガスと酸化窒素ガスの両方が含まれる雰囲気では酸化窒素ガスと酸素ガスの両方から生じる酸素イオンの影響でしきい電圧がシフトするので第１センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１だけでは選択的な測定はできない。
【０１２８】
第２センサＦＥＴ１００Ｓｆ−２のゲート層１０６Ｓ−２は、図１７（ａ）に示すように、例えばゲート絶縁膜１０５Ｓの上面側から、第１金属酸化物層１０６Ｓａ−２と、外部から給電される貴金属電極層１０６Ｓｃ−２とが積層された構成となっている。第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、電極層１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。
【０１２９】
電極層１０６Ｓｃ−２では、酸素（Ｏ２）ガスの分解またはイオン化が行われる。酸素ガスの分解で生じた酸素イオン（Ｏ２−）は、第１金属酸化物層１０６Ｓａ−２へ移動し第１金属酸化物層１０６Ｓａ−２の上表面に蓄積する。酸素イオンの負電荷により第１センサＦＥＴ１００Ｓｆ−２のしきい電圧が正電位側にシフトする。酸素ガスと酸化窒素ガスの両方が含まれる雰囲気で酸素ガスから生じる酸素イオンの影響でしきい電圧がシフトするので第１センサＦＥＴ１００Ｓｆ−２だけで酸素の濃度を選択的に測定できる。
【０１３０】
ガス濃度測定部３０は、雰囲気中の検知対象ガスのガス濃度を測定する。例えば雰囲気中に酸化窒素と酸素が存在しない場合に、第１参照ＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ１であるときにゲート層１０６Ｒ−１（例えば図１６（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ１（０,０）とする。また、第１センサＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ１であるときにゲート層１０６Ｓ−１（例えば図１６（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ１（０,０）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ１（０,０）と閾値電圧ＶＧＳ１（０,０）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ１（０,０）（＝ＶＧＲ１（０,０）−ＶＧＳ１（０,０））とする。
【０１３１】
また、例えば雰囲気中に酸化窒素と酸素が存在しない場合に、第２参照ＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ２であるときにゲート層１０６Ｒ−２（例えば図１７（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ２（０,０）とする。また、第２センサＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ２であるときにゲート層１０６Ｓ−２（例えば図１７（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ２（０,０）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ２（０,０）と閾値電圧ＶＧＳ２（０,０）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ２（０,０）（＝ＶＧＲ２（０,０）−ＶＧＳ２（０,０））とする。
【０１３２】
また、雰囲気中に酸化窒素（濃度ＰＮＯｘ）と酸素（濃度ＰＯ２）が存在する場合に、所定の時刻において、第１参照ＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ１であるときにゲート層１０６Ｒ―１（例えば図１６（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ１（０,０））とする。また、第１センサＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ１であるときにゲート層１０６Ｓ−１（例えば図１６（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）と閾値電圧ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））とする。
【０１３３】
そして、センサ間電位差ＶＧＲＳ１（０,０）（＝ＶＧＲ１（０,０）−ＶＧＳ１（０,０））と、センサ間電位差ＶＧＲＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））との差分である閾値変化量
ΔＶｇ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）＝ＶＧＲＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＲＳ１（０,０）
に基づいて所定の時刻における検知対象ガスのガス濃度を測定する。
【０１３４】
また、雰囲気中に酸化窒素（濃度ＰＮＯｘ）と酸素（濃度ＰＯ２）が存在する場合に、所定の時刻において、第２参照ＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ２であるときにゲート層１０６Ｒ―２（例えば図１７（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ２（０,０））とする。また、第２センサＦＥＴに流れるソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃ２であるときにゲート層１０６Ｓ−２（例えば図１７（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）と閾値電圧ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））とする。
【０１３５】
そして、センサ間電位差ＶＧＲＳ２（０,０）（＝ＶＧＲ２（０,０）−ＶＧＳ２（０,０））と、センサ間電位差ＶＧＲＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）（＝ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））との差分である閾値変化量
ΔＶｇ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）＝ＶＧＲＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＲＳ２（０,０）
に基づいて所定の時刻における検知対象ガスのガス濃度を測定する。
【０１３６】
＜ガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例２によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図１５、１８を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例示して、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【０１３７】
まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。例えば制御部５０は、ヒータ１９０と接続された電源４１をオンすることにより、ヒータ１９０の両端間に電圧を印加する。
【０１３８】
次に、制御部５０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２および参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２のそれぞれ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ＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２および参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２のそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。
【０１３９】
例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１のウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｓ−１と接続された電源４１は、ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ１となるよう、所定の閾値電圧ＶＧＳ１（０,０）を印加する。
【０１４０】
また、参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１のウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｒ−１と接続された電源４１は、ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ１となるよう、所定の閾値電圧ＶＧＲ１（０,０）を印加する。また、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−２のウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｓ−２と接続された電源４１は、ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ２となるよう、所定の閾値電圧ＶＧＳ２（０,０）を印加する。
【０１４１】
また、参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−２のウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｒ−２と接続された電源４１は、ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃ２となるよう、所定の閾値電圧ＶＧＲ２（０,０）を印加する。
【０１４２】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２の閾値電圧ＶＧＳ１（０,０）、ＶＧＳ２（０,０）、および参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２の閾値電圧ＶＧＲ１（０,０）、ＶＧＲ２（０,０）は、予め測定されていてもよい。また、制御部５０は、例えば予め測定された閾値電圧ＶＧＳ１（０,０），ＶＧＳ２（０,０），ＶＧＲ１（０,０）ＶＧＲ２（０,０）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ＶＧＳ１（０,０），ＶＧＳ２（０,０），ＶＧＲ１（０,０）ＶＧＲ２（０,０）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。
【０１４３】
次に、制御部５０は、酸化窒素ガス（濃度ＰＮＯｘ）と酸素（濃度ＰＯ２）が雰囲気中に含まれている場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２の閾値電圧ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）、ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）および参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２の閾値電圧ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）、ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）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１０６Ｓ−１，１０６Ｓ−２、１０６Ｒ−１、１０６Ｒ−２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ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）を測定する。なお、参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２のゲート層１０６Ｒ−１、１０６Ｒ−２は、ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒ（例えば図１６（ｂ）および図１７（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２の閾値電圧ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）、ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、それぞれガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＲ１（０,０）、ＶＧＲ２（０,０）と同じである。
【０１４４】
制御部５０は、測定した閾値電圧ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）のデータを、例えばガス濃度測定部３０へ出力する。
【０１４５】
雰囲気中に妨害ガスとして含まれている場合でも雰囲気ガス中に含まれる検知対象ガス以外の妨害ガスに含まれる未燃焼ガスを、触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓで雰囲気ガス中の残留酸素と反応させて、センサ素子のゲートに触れるガス成分をゲート層の材料に反応する酸化窒素（ＮＯまたはＮＯ２）と酸素、およびセンサ素子に反応しないＨ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ２、その他の不活性ガス成分にすることができる。酸化窒素と酸素とゲート層に反応しない成分からなるガスが、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓ−１、１０６Ｓ−２を持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２に接触する。
【０１４６】
雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、その濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）、ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の両方が含まれていることが多い。センサ素子の温度をヒータ１９０で適切に設定すると触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓで、二酸化窒素（ＮＯ２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。また別の温度を設定すると、一酸化窒素（ＮＯ）は二酸化窒素（ＮＯ２）に変換される。ゲート層１０６Ｓ−１、１０６Ｓ−２を持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２では、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の混合ガスのうち、一方だけを測定するようにできる。
【０１４７】
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ＶＧＳ１（０,０），ＶＧＳ２（０,０），ＶＧＲ１（０,０），ＶＧＲ２（０,０），ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）に基づいて、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２の閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスと酸素ガスが存在しない場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２と参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１――Ｒｆ−２との間のゲート電位差ＶＧＲＳ１（０,０）、ＶＧＲＳ２（０,０）、雰囲気中に酸化窒素ガスと酸素ガスが存在する場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２と参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２との間のゲート電位差ＶＧＲＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）、ＶＧＲＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）との差分により、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２の閾値変化量を算出する。
【０１４８】
また前述した通り、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１は酸素ガスと酸化窒素ガスに応答し、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−２は酸素ガスには応答するが酸化窒素ガスには応答しない。
する。すなわち、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２の閾値変化量ΔＶｇ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）、ΔＶｇ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）は、次のように表される。
【０１４９】
ΔＶｇ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）
＝ＶＧＲＳ１（０,０）−ＶＧＲＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）
＝（ＶＧＲ１（０,０）−ＶＧＳ１（０,０））−（ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））
＝ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ１（０,０）
＝[ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ１（０,ＰＯ２）]
＋[ＶＧＳ１（０,ＰＯ２）−ＶＧＳ１（０,０）]                      （式３）
ΔＶｇ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）
＝ＶＧＲＳ２（０,０）−ＶＧＲＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）
＝（ＶＧＲ２（０,０）−ＶＧＳ２（０,０））−（ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２））
＝ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）−ＶＧＳ２（０,０）
＝ＶＧＳ２（０,ＰＯ２）−ＶＧＳ２（０,０）                      （式４）
【０１５０】
第２センサＦＥＴ１００Ｓｆ−２について予め取得しておく閾値変化の酸素濃度依存性と（式４）から酸素濃度を検出できる。第１センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１について予め取得しておく各酸素濃度におけるしきい電圧シフトの酸化窒素濃度（ＰＮＯｘ）依存性と、酸化窒素濃度０における閾値変化の酸素濃度（ＰＯ２）依存性と、（式３）と、式４から導かれる雰囲気中の酸素濃度（ＰＯ２）から、酸化窒素濃度（ＰＮＯｘ）を算出できる。
【０１５１】
（式３）、（式４）で示す閾値変化量は、参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２の閾値電圧ＶＧＲ１（０,０），ＶＧＲ２（０,０），ＶＧＲ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２），ＶＧＲ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。
【０１５２】
なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ１（０,０），ＶＧＳ２（０,０），ＶＧＳ１（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）、ＶＧＳ２（ＰＮＯｘ,ＰＯ２）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２のみを用いてガス濃度を測定してもよい。これは実施例１と同様である。実施例１と同様に、センサキャパシタ１００Ｓｃ−１、１００Ｓｃ−２、参照キャパシタ１００Ｒｃ−１、１００Ｒｃ−２を用いることもできる。
【０１５３】
図１９に示すように、センサキャパシタ１００Ｓｃ−１の静電容量―印加電圧特性のしきい電圧は図１８のセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１と同様に酸素ガス濃度（ＰＯ２）、酸化窒素ガス濃度（ＰＮＯｘ）に応答し、センサキャパシタ１００Ｓｃ−２の静電容量―印加電圧特性のしきい電圧は図１８のセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−２と同様に酸素ガス濃度（ＰＯ２）、酸化窒素ガス濃度（ＰＮＯｘ）に応答する。従って上述のセンサＦＥＴ１００Ｓｆ−１、１００Ｓｆ−２、参照ＦＥＴ１００Ｒｆ−１、１００Ｒｆ−２を用いる方法と同様の方法で、雰囲気中の酸素濃度（ＰＯ２）と酸化窒素濃度（ＰＮＯｘ）を算出できる。
【０１５４】
＜センサＦＥＴの変形例＞
図１６〜１８では、第２センサＦＥＴが酸素ガス濃度（ＰＯ２）を選択的に測定できたが、第１センサＦＥＴは酸素ガス濃度（ＰＯ２）と酸化窒素ガス濃度（ＰＮＯｘ）の両方に影響を受けていた。このため、酸化窒素濃度の算出には予め複雑なデータを取得しておく必要があり、また測定時にも複雑な演算が必要であった。
【０１５５】
本変形例では、第１センサＦＥＴに実施例１の図３（ａ）、図４（ａ）に示されるセンサＦＥＴを用いる。また第１参照ＦＥＴに実施例１の図３（ｂ）、図４（ｂ）に示されるセンサＦＥＴを用いる。実施例１で説明した通り、このようにすることで、第１センサＦＥＴと第１参照ＦＥＴから酸化窒素濃度（ＰＮＯｘ）が算出できるようになる。その結果、第１センサＦＥＴと第１参照ＦＥＴから酸化窒素濃度（ＰＮＯｘ）を算出し、第２センサＦＥＴと第２参照ＦＥＴから酸素濃度（ＰＯ２）を算出できるようになる。
【０１５６】
酸素濃度と酸化窒素濃度を算出するために、予め複雑なデータを取得する必要がなくなり、また測定時の演算が簡易になる。
【実施例３】
【０１５７】
＜ガスセンサの構成＞
図２０〜図２５を用いて、本実施例３によるガスセンサの構成について説明する。
【０１５８】
図２０は、本実施例３によるガスセンサの構成の一例を示す概略図である。図２１は、本実施例３によるガスセンサのセンサ部の構成の一例を示す平面図である。図２２（ａ）は、図２１のセンサＦＥＴのＡＳ−ＡＳ´線に沿った断面図、図２２（ｂ）は、参照ＦＥＴのＡＲ−ＡＲ´線に沿った断面図である。図２３（ａ）は、図２１のセンサＦＥＴのＢ−Ｂ´線に沿った断面図、図２３（ｂ）は、参照ＦＥＴのＣ−Ｃ´線に沿った断面図である。図２４は、本実施例３によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図であり、図２４（ａ）は、センサＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、図２４（ｂ）は、参照ＦＥＴの接続構造の一例を示す回路図、図２４（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。図２５は、本実施例１によるガスセンサの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図であり、図２５（ａ）は、センサＦＥＴの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図２５（ｂ）は、参照ＦＥＴの電流−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。
【０１５９】
図２０に示すように、ガスセンサ１は、センサ部１００、電流測定部２０、ガス濃度測定部３０、電源部４０、制御部５０およびデータ入出力部９０などを備えている。センサ部１００は、センサ素子１００Ｓ、参照素子１００Ｒおよびヒータ１９０などを備えており、センサ素子１００Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよびイオンポンプ１５０Ｓからなり、参照素子１００Ｒは、参照ＦＥＴ１００Ｒｆからなる。
【０１６０】
センサＦＥＴ１００Ｓｆは、図２１、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓ、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓ、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１０８Ｓおよびガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓなどを備えている。半導体基板１０１Ｓは、例えば珪素（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）などからなる。
【０１６１】
ウェル１０２Ｓは、図２１、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されている。ウェル１０２Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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１０２Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層である。ウェル１０２Ｓは、平面視において、例えばソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓおよびゲート層１０６Ｓを取り囲むように形成されている。
【０１６２】
絶縁膜１０８Ｓは、図２３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されており、トレンチアイソレーションとして機能する。絶縁膜１０８Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆのチャネル幅方向（Ｙ方向）にチャネル領域を確定している。また、絶縁膜１０８Ｓが形成された領域の半導体基板１０１Ｓの主面ではゲート層１０６に印加する電圧によらず電流が流れず、いわゆる寄生トランジスタによるリーク電流などによるＦＥＴ特性の不具合が絶縁膜１０８Ｓによって抑制される。チャネル幅方向（Ｙ方向）にチャネル領域を確定する方法は、他にもＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）を用いる方法、フィールドプレートアイソレーションを用いる方法またはゲート絶縁膜を厚くする方法などがあり、本実施例１において、これらを用いることも可能である。
【０１６３】
ソース拡散層１０３Ｓは、図２１および図２２（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されており、平面視において、例えばウェル１０２Ｓの一部領域に形成されている。ソース拡散層１０３Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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１０３Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層であり、ウェル１０２Ｓと異なる導電型である。
【０１６４】
ドレイン拡散層１０４Ｓは、図２１および図２２（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面側に形成されており、平面視において、例えばウェル１０２Ｓの一部領域に形成されている。ドレイン拡散層１０４Ｓは、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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１０４Ｓは、例えば導電型がＮ型またはＰ型の層であり、ウェル１０２Ｓと異なる導電型である。
【０１６５】
ゲート絶縁膜１０５Ｓは、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示すように、半導体基板１０１Ｓの主面上に形成されている。ゲート絶縁膜１０５Ｓは、平面視において、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを覆うように形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜１０５Ｓは、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓと、ゲート層１０６Ｓとを電気的に絶縁させている。ゲート絶縁膜１０５Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）などからなる。
【０１６６】
ゲート層１０６Ｓは、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓの上面上に形成されている。詳しくは、ゲート層１０６Ｓは、例えばソース拡散層１０３Ｓの一部領域、ウェル１０２Ｓの一部領域およびドレイン拡散層１０４Ｓの一部領域を覆うように形成されている。具体的には、ゲート層１０６Ｓは、ソース拡散層１０３Ｓのドレイン拡散層１０４Ｓ側の一部領域、ウェル１０２Ｓのソース拡散層１０３Ｓとドレイン拡散層１０４Ｓとの間の領域、ドレイン拡散層１０４Ｓのソース拡散層１０３Ｓ側の一部領域を覆うように形成されている。
【０１６７】
また、ゲート層１０６Ｓは、実施例１の図５、６、１１〜１４に示した構造や、実施例２の図１６、１７で示した構造を用いることができる。
【０１６８】
ここでは例えば図１６の構造を使った場合を考える。第１金属酸化物層１０６Ｓａは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなり、第２金属酸化物層１０６Ｓｂは、例えば酸化ニッケル（ＮｉＯ）などからなり、電極層１０６Ｓｃは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。電極層１０６Ｓｃでは、酸素、酸化窒素または水素などのガスの分解またはイオン化が行われる。第２金属酸化物層１０６Ｓｂにおいても、検知対象ガスと金属酸化物材料との組合せによってはガスの分解またはイオン化が行われる。イオン化した酸素または水素は、第１金属酸化物層１０６Ｓａへ移動する。
【０１６９】
ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓは、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示すように、ゲート絶縁膜１０５Ｓおよびゲート層１０６Ｓの上層に形成されている。絶縁膜１１１Ｓおよび絶縁膜１１３Ｓは、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ２）からなり、絶縁膜１１２Ｓおよび絶縁膜１１４Ｓは、例えば窒化珪素（ＳｉＮ）からなる。
【０１７０】
ゲート層１０６Ｓは一部表面が絶縁膜１１１Ｓに覆われており、残りの部分では絶縁膜１１１Ｓが除去されてゲート層１０６Ｓの表面が露出して、空洞１３０Ｓと接している。空洞１３０Ｓの周囲は、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１１１Ｓ〜１１４Ｓおよびイオンポンプ１５０Ｓで覆われており、ガス拡散抵抗膜１３１Ｓを備える開口であるガス導入部１３２Ｓを介して空洞１３０Ｓは雰囲気と繋がっている。
【０１７１】
イオンポンプ１５０Ｓは、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示すように、イオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓを備えている。すなわち、イオンポンプ電極１５１Ｓ上に、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓが積層されており、イオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓによってイオンポンプ１５０Ｓが形成されている。イオンポンプ電極１５１Ｓ，１５３Ｓは、例えば白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）またはパラジウム（Ｐｄ）などからなる。イオン伝導膜１５２Ｓは、例えばイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを添加したジルコニア（ＺｒＯ２）などからなる。
【０１７２】
イオンポンプ１５０Ｓは、イオンポンプ電極１５１Ｓとイオンポンプ電極１５３Ｓとの間に電圧を印加することによりイオン電流を流すことができる。例えばイオン伝導膜１５２Ｓにイットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）を用いた場合、イオン伝導膜１５２Ｓは酸素イオン伝導体となる。イオンポンプ電極１５１Ｓに、イオンポンプ電極１５３Ｓを基準にした負電圧を印加すると、イオンポンプ電極１５１Ｓの下面で酸素分子（Ｏ２）が酸素イオン（Ｏ２−）に分解し、酸素イオン（Ｏ２−）がイオン伝導膜１５２Ｓを介してイオンポンプ電極１５３Ｓ側に移動する。イオンポンプ電極１５３Ｓに移動した酸素イオン（Ｏ２−）は電子をイオンポンプ電極１５３Ｓに渡して中性となり、酸素分子となってイオンポンプ電極１５３Ｓの上面から放出される。
【０１７３】
センサＦＥＴ１００Ｓｆを構成するウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓおよびゲート層１０６Ｓは、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）など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などと接続されている。
【０１７４】
図２４（ａ）に示すように、センサＦＥＴ１００Ｓｆを構成するウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓは、可変電圧ＶＳを印加する電源４１に接続されている。ドレイン拡散層１０４Ｓは、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されており、また、電流測定部２０と接続されている。ゲート層１０６Ｓは、可変電圧ＶＧＳを印加する電源４１と接続されている。イオンポンプ電極１５１Ｓは、電流測定部２０と接続されている。また、イオンポンプ電極１５３Ｓは、イオンポンプ１５０Ｓを動作させる電圧ＶＰＵＭＰを印加する電源４１と接続されている。
【０１７５】
図２５（ａ）は、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。ゲート層１０６Ｓ（例えば図２１、図２２（ａ）および図２３（ａ）参照）にガス（例えば酸化窒素ガス）が触れると、ゲート層１０６Ｓの仕事関数が変化する。そうすると、図２５（ａ）に示すように、ガス濃度に応じて、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流−ゲート電圧特性は、図示で右方向に平行移動する。すなわち、ドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２１および図２２（ａ）参照）に閾値電流Ｉｃが流れる場合におけるゲート層１０６Ｓの電圧は、ガス濃度が高くなるに従って高くなる。
【０１７６】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆは、図２１、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）に示すように、半導体基板１０１Ｒ、ウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒ、ゲート絶縁膜１０５Ｒ、ゲート層１０６Ｒおよび絶縁膜１０８Ｒおよび絶縁膜１１１Ｒなどを備えている。
【０１７７】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成する要素の多くは、前述したセンサＦＥＴ１００Ｓｆと同様である。例えば参照ＦＥＴ１００Ｒｆの半導体基板１０１Ｒ、ウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒ、ゲート絶縁膜１０５Ｒ、ゲート層１０６Ｒ、絶縁膜１０８Ｒおよび絶縁膜１１１Ｒは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの半導体基板１０１Ｓ、ウェル１０２Ｓ、ソース拡散層１０３Ｓ、ドレイン拡散層１０４Ｓ、ゲート絶縁膜１０５Ｓ、ゲート層１０６Ｓ、絶縁膜１０８Ｓおよび絶縁膜１１１Ｓ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。
【０１７８】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆには、図２１、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）に示すように、絶縁膜１１４Ｒ上にイオンポンプ電極、イオン伝導膜が積層されていない。しかし、センサＦＥＴ１００Ｓｆにおいて絶縁膜１１４Ｓ上に積層されているイオンポンプ電極１５１Ｓ、イオン伝導膜１５２Ｓおよびイオンポンプ電極１５３Ｓと同じ層を、絶縁膜１１４Ｒ上に積層させることも可能である。
【０１７９】
ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒは、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）に示すように、ゲート層１０６Ｒの上面および側面を覆うように、ゲート絶縁膜１０５Ｒの上面１０５Ｒａ上に形成されている。すなわち、ゲート層１０６Ｒは、雰囲気から隔離されている。
【０１８０】
参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成するウェル１０２Ｒ、ソース拡散層１０３Ｒ、ドレイン拡散層１０４Ｒおよびゲート層１０６Ｒは、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）などの金属からなる図示しない配線層を介して、図２０に示す電源部４０、電流測定部２０などと接続されている。
【０１８１】
図２４（ｂ）に示すように、参照ＦＥＴ１００Ｒｆを構成するウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒは、可変電圧ＶＳを印加する電源４１に接続されている。ドレイン拡散層１０４Ｒは、一定の電圧ＶＤを印加する電源４１と接続されており、また、電流測定部２０と接続されている。ゲート層１０６Ｒは、可変電圧ＶＧＲを印加する電源４１と接続されている。
【０１８２】
図２５（ｂ）は、参照ＦＲＴ１００Ｒｆの電流−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。ゲート層１０６Ｒ（例えば図２１、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）参照）が、ガス拡散防止膜となる絶縁膜１１１Ｒ（例えば図２２（ｂ）および図２３（ｂ）参照）に覆われているため、ゲート層１０６Ｒにガスが吸着しないので、ゲート層１０６Ｒの仕事関数は変化しない。従って、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流−ゲート電圧特性は、ガス濃度によって変動しない。
【０１８３】
なお、以下では、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００ＲｆはＮ型ＦＥＴで構成されているものとして説明する。但し、両者はＰ型で構成されてもよいし、一方のＦＥＴがＮ型、他方のＦＥＴがＰ型で構成されてもよい。
【０１８４】
ヒータ１９０は、図２０に示すように、電源部４０と接続しており、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１００の温度を調整する。ヒータ１９０は、例えばチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または白金（Ｐｔ）などの金属からなる配線で構成されている。
【０１８５】
また、ヒータ１９０は、図２５（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１９０は、センサ部１００（例えば図１参照）の温度を測定するセンサ温度計としても機能し、このとき、ヒータ１９０は、例えば電流測定部２０と接続される。
【０１８６】
センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆ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１９０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆまたは参照ＦＥＴ１００Ｒｆ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。
【０１８７】
電流測定部２０は、図２０に示すように、センサＦＥＴ１００Ｓｆの電流および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの電流を測定する。電流測定部２０は、例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆのソース拡散層１０３Ｓとドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２１、図２２（ａ）参照）との間に流れる第１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ＦＥＴ１００Ｓｆのイオンポンプ電極１５１Ｓとイオンポンプ電極１５３Ｓ（例えば図２２（ａ）および図２３（ａ）参照）との間に流れるイオン電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば参照ＦＥＴ１００Ｒｆのソース拡散層１０３Ｒとドレイン拡散層１０４Ｒ（例えば図２１および図２２（ｂ）参照）との間に流れる第２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ＦＥＴ１００Ｓｆの電流データおよび参照ＦＥＴ１００Ｒの電流データを制御部５０へ出力する。
【０１８８】
また、電流測定部２０は、ヒータ１９０の電流を測定する。電流測定部２０は、測定したヒータ１９０の電流データを制御部５０へ出力する。
【０１８９】
ガス濃度測定部３０は、雰囲気中の検知対象ガスのガス濃度を測定する。例えば雰囲気中に検知対象ガスと妨害ガスが存在しない場合に、参照ＦＥＴに流れる第２ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｒ（例えば図２４（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ（０）とする。また、センサＦＥＴに流れる第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｓ（例えば図２４（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ（０）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ（０）と閾値電圧ＶＧＳ（０）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ（０）（＝ＶＧＲ（０）−ＶＧＳ（０））とする。
【０１９０】
また、雰囲気中に検知対象ガスが存在する場合に、所定の時刻において、参照ＦＥＴに流れる第２ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｒ（例えば図２４（ｂ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）（＝ＶＧＲ（０））とする。また、センサＦＥＴに流れる第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃであるときにゲート層１０６Ｓ（例えば図２４（ａ）参照）に印加される電圧を閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）とする。そして、閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）と閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）との差分をセンサ間電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）（＝ＶＧＲ（Ｘ）−ＶＧＳ（Ｘ））とする。
【０１９１】
そして、センサ間電位差ＶＧＲＳ（０）（＝ＶＧＲ（０）−ＶＧＳ（０））と、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ΔＶｇ（Ｘ）（＝ＶＧＲＳ（Ｘ）−ＶＧＲＳ（０））に基づいて所定の時刻における検知対象ガスのガス濃度を測定する。
【０１９２】
電源部４０は、図２０に示すように、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、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および周期的に変動する電圧を印加する電源４１などで構成されている。電源４１の個数は、図２０に示す個数（４個）に限定されるものではない。
【０１９３】
制御部５０は、図２０に示すように、ガスセンサ１を構成する各部の制御を行う。
例えば制御部５０は、各部のオンオフの切り替えに係る制御を行う。
【０１９４】
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ＦＦＴ１００Ｓｆのゲート層１０６Ｓと接続された電源４１を制御する（例えば図２４（ａ）参照）。制御部５０は、ガス濃度の測定時にセンサＦＥＴ１００Ｓｆのドレイン拡散層１０４Ｓの電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるように、電源４１の電圧を調整する（例えば図２４（ａ）および図２５（ａ）参照）。制御部５０は、電流測定部２０から出力されたイオンポンプ１５０Ｓの電流に基づいて、電源４１によるイオンポンプ１５０Ｓへの給電電圧ＶＰＵＭＰを制御する（例えば図２４（ａ）参照）。
【０１９５】
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、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのゲート層１０６Ｒと接続された電源４１を制御する（例えば図２４（ｂ）参照）。制御部５０は、ガス濃度の測定時に参照ＦＥＴ１００Ｒｆのドレイン拡散層１０４Ｒの電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるように、電源４１の電圧を調整する（例えば図２４（ｂ）および図２５（ｂ）参照）。
【０１９６】
また、制御部５０は、電流測定部２０から出力されたヒータ１９０の電流データに基づいてセンサＦＥＴ１００Ｓｆの温度および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの温度を測定する。制御部５０は、ヒータ１９０の両端間の電圧とヒータ１９０の電流データとからヒータ１９０の抵抗値を算出する。そして、制御部５０は、例えばその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。制御部５０は、ヒータ１９０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ＦＥＴ１００Ｓｆの温度および参照ＦＥＴ１００Ｒの温度が一定となるように、電源４１の電圧を調整する。
【０１９７】
データ入出力部９０は、図２０に示すように、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。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、測定したガス濃度および温度などに関するデータを外部装置へ出力する。
【０１９８】
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、赤外線通信または近距離無線など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。
【０１９９】
＜ガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例３によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図２０、図２１および図２４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例示して、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【０２００】
まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。例えば制御部５０は、ヒータ１９０と接続された電源４１をオンすることにより、ヒータ１９０の両端間に電圧を印加する。
【０２０１】
次に、制御部５０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆのそれぞれ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ＦＥＴ１００Ｓｆおよび参照ＦＥＴ１００Ｒｆのそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。
【０２０２】
例えばセンサＦＥＴ１００Ｓｆのウェル１０２Ｓおよびソース拡散層１０３Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｓと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｓと接続された電源４１は、第１ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃとなるよう、所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。イオンポンプ１５０Ｓの下部側のイオンポンプ電極１５１Ｓが上部側のイオンポンプ電極１５３Ｓを基準にして負電圧となるように、イオンポンプ１５０Ｓに電圧ＶＰＵＭＰを印加する。
【０２０３】
また、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのウェル１０２Ｒおよびソース拡散層１０３Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＳ（０Ｖ）の電圧を印加する。また、ドレイン拡散層１０４Ｒと接続された電源４１は、電圧ＶＤを印加する。また、ゲート層１０６Ｒと接続された電源４１は、第２ソース−ドレイン電流が閾値電流Ｉｃとなるよう、所定の閾値電圧ＶＧＲ（０）を印加する。
【０２０４】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値電圧ＶＧＳ（０）および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。また、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。
【０２０５】
次に、制御部５０は、酸化窒素ガスが雰囲気中に含まれている場合におけるセンサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）および参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧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１０６Ｓ，１０６Ｒ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、参照ＦＥＴ１００Ｒｆのゲート層１０６Ｒは、絶縁膜１１１Ｒ（例えば図２２（ｂ）および図２３（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照ＦＥＴ１００Ｒｆ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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
雰囲気中に酸素ガスが妨害ガスとして含まれている場合でもイオンポンプ１５０Ｓにより空洞１３０Ｓ（例えば図２２（ａ）および図２３（ａ）参照）中の酸素ガスのガス濃度は閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）に影響しないように充分に低減することができる。雰囲気中のガスはガス拡散抵抗膜１３１Ｓ（例えば図２３（ａ）参照）を介して空洞１３０Ｓに導入され、イオンポンプ１５０Ｓで酸素ガスが除去され、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓを持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆに接触する。
【０２０８】
雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、その濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の両方が含まれていることが多い。イオンポンプ１５０Ｓに上記電圧を印加する場合、二酸化窒素（ＮＯ２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。ゲート層１０６Ｓを持つセンサＦＥＴ１００Ｓｆでは、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の混合ガスのうち、酸素が除去されて二酸化窒素（ＮＯ２）が一酸化窒素（ＮＯ）に変換されたガスにおいて一酸化窒素（ＮＯ）ガスのガス濃度が測定される。
【０２０９】
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），ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）に基づいて、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆと参照ＦＥＴ１００Ｒｆとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（０）、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合のセンサＦＥＴ１００Ｓｆと参照ＦＥＴ１００Ｒｆとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）との差分により、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量を算出する。すなわち、センサＦＥＴ１００Ｓｆの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、次のように表される。
【０２１０】
ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＧＲＳ（０）−ＶＧＲＳ（Ｘ）                  （式５）
（式５）で示す閾値変化量は、参照ＦＥＴ１００Ｒｆの閾値電圧ＶＧＲ（０），ＶＧＲ（Ｘ）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。
【０２１１】
なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＳ（Ｘ）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサＦＥＴ１００Ｓｆ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、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０）と、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）との差分である閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）、および閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）の時間微分に基づいて、所定の時刻における酸化窒素ガスのガス濃度を測定する。ここで、閾値電圧ＶＧＳ（０）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合に、第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合に、所定の時刻において第１ソース−ドレイン電流が所定の閾値電流Ｉｃとなるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。
【０２１２】
従って、この場合の閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、次のように表される。
ΔＶｇ（Ｘ）＝ＶＧＳ（０）−ＶＧＳ（Ｘ）                      （式２）
【０２１３】
＜仕事関数型素子の第１変形例＞
図２６および図２７を用いて、本実施例１の第１変形例による仕事関数型センサについて説明する。図２６は、本実施例３の第１変形例によるセンサ部の接続構造の一例を示す回路図であり、図２６（ａ）は、センサキャパシタの接続構造の一例を示す回路図、図２６（ｂ）は、参照キャパシタの接続構造の一例を示す回路図、図２６（ｃ）は、ヒータの接続構造の一例を示す回路図である。図２７は、本実施例３の第１変形例によるガスセンサの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図であり、図２７（ａ）は、センサキャパシタの静電容量−ゲート電圧特性を示すグラフ図、図２７（ｂ）は、参照キャパシタの静電容量−ゲート電圧特性を示すグラフ図である。
【０２１４】
第１変形例によるガスセンサは、センサ素子１００Ｓにセンサキャパシタ１００Ｓｃ、参照素子１００Ｒに参照キャパシタ１００Ｒｃを用いている。センサキャパシタ１００Ｓｃおよび参照キャパシタ１００Ｒｃには、図２２〜図２３に示したデバイス構造およびゲート層構造とほぼ同じものを用いることができる。
【０２１５】
センサキャパシタ１００Ｓｃでは、ゲート層１０６Ｓとウェル１０２Ｓとの間の容量、あるいはゲート層１０６Ｓとソース拡散層１０３Ｓまたはドレイン拡散層１０４Ｓとの間の容量のゲート電圧依存性が検知対象ガスのガス濃度に応じて変化する現象を利用して、ガス濃度を検知することができる。
【０２１６】
参照キャパシタ１００Ｒｃでは、ゲート層１０６Ｒが絶縁膜１１１Ｒ（例えば図２２（ｂ）および図２３（ｂ）参照）により覆われているため、雰囲気中の検知対象ガスのガス濃度が変化しても容量のゲート電圧依存性は変化しない。
【０２１７】
ゲート層１０６Ｓとウェル１０２Ｓとの間の容量を用いる場合には、ソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓ（例えば図２１、図２２（ａ）および図２３（ａ）参照）は、センサキャパシタ１００Ｓｃのデバイス構造から省くことができる。参照キャパシタ１００Ｒｃも対応して、ゲート層１０６Ｒとウェル１０２Ｒとの間の容量を用いる場合には、ソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒ（例えば図２１、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）参照）は、参照キャパシタ１００Ｒｃのデバイス構造から省くことができる。ソース拡散層１０３Ｓ，１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｓ，１０４Ｒをデバイス構造から省くことができるので、センサ素子１００Ｓおよび参照素子１００Ｒの製造工程数を減らすことができる。
【０２１８】
以下では、図２１、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示したセンサＦＥＴ１００Ｓｆからソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを除いたセンサキャパシタ１００Ｓｃ、および図２１、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）に示した参照ＦＥＴ１００Ｒｆからソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒを省いた参照キャパシタ１００Ｒｆについて説明する。センサキャパシタ１００Ｓｃのデバイス構造は、図２１、図２２（ａ）および図２３（ａ）に示したセンサＦＥＴ１００Ｓｆのデバイス構造からソース拡散層１０３Ｓおよびドレイン拡散層１０４Ｓを省いただけなので詳しい説明は省く。同様に、参照キャパシタ１００Ｒｃのデバイス構造は、図２１、図２２（ｂ）および図２３（ｂ）に示した参照ＦＥＴ１００Ｒｆのデバイス構造からソース拡散層１０３Ｒおよびドレイン拡散層１０４Ｒを省いただけなので詳しい説明は省く。
【０２１９】
なお、以下では、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＮ型で構成されているものとして説明する。但し、ウェル１０２Ｓ，１０２Ｒは、導電型がＰ型で構成されてもよく、または、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。
【０２２０】
図２６（ａ）、（ｂ）に示すように、センサキャパシタ１００Ｓｃのウェル１０２Ｓおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのウェル１０２Ｒは、例えば正弦波など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。
【０２２１】
センサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓは、可変電圧ＶＧＳを印加する電源４１と接続されており、参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、可変電圧ＶＧＲを印加する電源４１と接続されている。また、センサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、電流測定部２０とそれぞれ接続されている。
【０２２２】
図２６（ａ）に示すように、イオンポンプ電極１５１Ｓは、電流測定部２０と接続されている。また、イオンポンプ電極１５３Ｓは、イオンポンプ１５０Ｓを動作させる電圧ＶＰＵＭＰを印加する電源４１と接続されている。
【０２２３】
センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量は、ゲート層１０６Ｓに印加される電圧、ウェル１０２Ｓに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｓに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて測定される。また、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量は、ゲート層１０６Ｒに印加される電圧、ウェル１０２Ｒに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｒに流れる電流（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（例えば図２０参照）などで測定される。
【０２２４】
電流測定部２０は、例えばセンサキャパシタ１００Ｓｃのゲート層１０６Ｓに流れる電流を測定する。また、電流測定部２０は、例えば参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒに流れる電流を測定する。
【０２２５】
例えばゲート層１０６Ｓに印加される電圧、ウェル１０２Ｓに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｓに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量は、図１に示したガス濃度測定部３０によって測定される。
【０２２６】
また、例えばゲート層１０６Ｒに印加される電圧、ウェル１０２Ｒに印加される電圧（例えば交流電圧）およびゲート層１０６Ｒに流れる電流（例えば交流電流）に基づいて、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量は、図２０に示したガス濃度測定部３０によって測定される。
【０２２７】
図２７（ａ）は、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。図２７（ｂ）は、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量−ゲート電圧特性の一例を示すグラフ図である。
【０２２８】
センサキャパシタ１００Ｓｃでは、ゲート層１０６Ｓ（例えば図２２（ａ）および図２３（ａ）参照）の表面が露出している。このため、図２７（ａ）に示すように、ガス濃度（例えば酸化窒素ガスのガス濃度）が高くなると、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量−ゲート電圧特性は、図示で右方向に平行移動する。すなわち、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときのゲート層１０６Ｓの電圧は、ガス濃度０のときの閾値電圧ＶＧＳ（０）からガス濃度Ｘのときの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）へと変化し、ガス濃度が高くなるに従って高くなる。
【０２２９】
＜第１変形例におけるガス濃度の測定方法＞
次に、本実施例３の第１変形例によるガスセンサを用いたガス濃度の測定方法について図０、図２１および図２６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。以下では、検知対象ガスとして酸化窒素ガスを例示し、妨害ガスとして酸素ガスを例示して、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する場合について説明する。
【０２３０】
まず、制御部５０は、センサ部１００の温度を調整する。次に、制御部５０は、センサキャパシタ１００Ｓｃおよび参照キャパシタ１００Ｒｃのそれぞれの各部に所定の電圧を印加する。
【０２３１】
例えば電源４１は、ウェル１０２Ｓに所定の交流電圧を印加し、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるように、ゲート層１０６Ｓに所定の閾値電圧ＶＧＳ（０）を印加する。また、電源４１は、ウェル１０２Ｒに所定の交流電圧を印加し、参照キャパシタ１００Ｒｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるように、ゲート層１０６Ｒに所定の閾値電圧ＶＧＲ（０）を印加する。
【０２３２】
なお、ガス濃度０の場合におけるセンサキャパシタ１００Ｓｃの閾値電圧ＶＧＳ（０）および参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（０）は、予め測定されていてもよい。また、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。
【０２３３】
次に、制御部５０は、酸化窒素ガスが雰囲気中に含まれている場合におけるセンサキャパシタ１００Ｓｃの閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）および参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（Ｘ）を測定する。なお、参照キャパシタ１００Ｒｃのゲート層１０６Ｒは、絶縁膜１１１Ｒ（例えば図２２（ｂ）および図２３（ｂ）参照）により雰囲気から隔離されているので、参照キャパシタ１００Ｒｃ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。
【０２３４】
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。
【０２３５】
雰囲気中に酸素ガスが妨害ガスとして含まれている場合でもイオンポンプ１５０Ｓにより空洞１３０Ｓ（例えば図２２（ａ）および図２３（ａ）参照）中の酸素ガスのガス濃度は閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）に影響しないように充分に低減することができる。雰囲気中のガスはガス拡散抵抗膜１３１Ｓ（例えば図２３（ａ）参照）を介して空洞１３０Ｓに導入され、イオンポンプ１５０Ｓで酸素ガスが除去され、空洞１３０Ｓに露出されたゲート層１０６Ｓを持つセンサキャパシタ１００Ｓｃに接触する。
【０２３６】
雰囲気中のガスに酸化窒素ガスが含まれている場合には、そのガス濃度に応じて閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）が変化する。例えばエンジン自動車の排気ガスの場合、酸化窒素ガスには一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の両方が含まれていることが多い。イオンポンプ１５０Ｓに上記電圧を印加する場合、二酸化窒素（ＮＯ２）は一酸化窒素（ＮＯ）に変換される。ゲート層１０６Ｓを持つセンサキャパシタ１００Ｓｃでは、一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ２）の混合ガスのうち、酸素が除去されて二酸化窒素（ＮＯ２）が一酸化窒素（ＮＯ）に変換されたガスにおいて一酸化窒素（ＮＯ）ガスのガス濃度が測定される。
【０２３７】
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），ＶＧＳ（Ｘ），ＶＧＲ（Ｘ）に基づいて、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量を算出する。例えばガス濃度測定部３０は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合のセンサキャパシタ１００Ｓｃと参照キャパシタ１００Ｒｃとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（０）、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合のセンサキャパシタ１００Ｓｃと参照キャパシタ１００Ｒｃとの間のゲート電位差ＶＧＲＳ（Ｘ）との差分により、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量を算出する。すなわち、センサキャパシタ１００Ｓｃの閾値変化量ΔＶｇ（Ｘ）は、前述の（式５）で表される。
【０２３８】
（式５）で示す閾値変化量は、参照キャパシタ１００Ｒｃの閾値電圧ＶＧＲ（０），ＶＧＲ（Ｘ）が考慮されている。これは、温度変化などのセンサ部１００に発生するノイズの影響を抑えるためである。
【０２３９】
なお、ノイズによる閾値電圧ＶＧＳ（０），ＶＧＳ（Ｘ）の変動が小さければ、ガス濃度測定部３０は、センサキャパシタ１００Ｓｃ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、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（０）と、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合にゲート層１０６Ｓに印加される閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）との差分である閾値変化量Ｖｇ（Ｘ）に基づいて、酸化窒素ガスのガス濃度を測定する。ここで、閾値電圧ＶＧＳ（０）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在しない場合に、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。また、閾値電圧ＶＧＳ（Ｘ）は、雰囲気中に酸化窒素ガスが存在する場合に、センサキャパシタ１００Ｓｃの静電容量が閾値静電容量Ｃ０となるときにゲート層１０６Ｓに印加される電圧である。
【０２４０】
＜ガスセンサの構成１＞
図２８〜３０を用いて、本実施例３によるガスセンサの詳細な構成について説明する。図２８は、本実施例３によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す平面図である。図２９（ａ）（ｂ）は、図２８のＡ１−Ａ１´線、Ａ２−Ａ２´線に沿った断面図である。図３０（ａ）（ｂ）は、図２８のＢ１−Ｂ１´線、Ｂ２−Ｂ２´線に沿った断面図である。なお、図２８では、イオンポンプ１５０Ｓを透過した平面図を示している。
【０２４１】
センサ素子１００Ｓでは、センサＦＥＴ１００Ｓｆの空洞１３０ＳのＸ方向とＹ方向の寸法が数１００μｍ程度よりも大きくなる場合がある。この場合、応力で空洞１３０Ｓの上面側の膜と下面側の膜が歪んで、空洞１３０Ｓの上面と下面とが接触して空洞１３０Ｓが潰れるおそれがある。空洞１３０Ｓは、ガス導入部１３２Ｓからゲート層１０６Ｓの露出部１０７Ｓへのガスの通路なので、空洞１３０Ｓが潰れるとガス濃度の測定ができなくなる。
【０２４２】
そこで、図２８に示すように、本実施例３によるセンサ素子１００Ｓでは、空洞１３０Ｓの内部にガス導入部１３２ＳからセンサＦＥＴ１００Ｓｆに至る方向に沿って、ストライプ状の複数の柱状部１４０Ｓを形成し、これら柱状部１４０Ｓによって空洞１３０Ｓの上面と下面との間を繋ぐことで空洞１３０Ｓを補強している。しかしこれだけでは温度上昇時のイオンポンプ電極層の熱膨張により、やはり空洞１３０Ｓの上面と下面とが接触して空洞１３０Ｓが潰れるおそれがある。そのため、更に柱状部１４０Ｓの上層に形成される絶縁膜１１４Ｓ層の開口部を図２８のように格子状に形成し、網目状に絶縁膜１１４Ｓが残るようにし、絶縁膜１１４Ｓの開口部１１４ＳＯが柱状部１４０Ｓのスペース部に配置されるようにする。これにより、イオンポンプ１５０ＳをＸ方向には柱状部１４０Ｓと絶縁膜１１４Ｓが支え、Ｙ方向には絶縁膜１１４Ｓが支えるようにできる。柱状部１４０Ｓのスペース部の個々の寸法を充分に小さくし、絶縁膜１１４Ｓの開口部１１４ＳＯの個々の寸法を充分に小さくすることで、空洞１３０Ｓが潰れるのを防止することができる。絶縁膜１１４Ｓの開口部１１４ＳＯで空洞１３０Ｓの天井がイオンポンプと接してイオンポンプが機能することになる。個々の開口部１１４ＳＯが小さくても、数を多くすることでイオンポンプの酸素除去能力を確保できる。
【０２４３】
＜ガスセンサの構成２＞
図３１を用いて、本実施例３によるガスセンサの別の構成について説明する。前述のガスセンサの構成１に構造を加える構成である。図２８〜３０の構成ではイオンポンプの電極１５３Ｓは雰囲気に露出されていた。雰囲気の酸素濃度は不定なので、イオンポンプ電流から空洞１３０Ｓ内の酸素濃度を算出することはできない。特許文献２では、大気雰囲気を参照雰囲気として用いる方法が用いられている。しかしながら、センサの使用環境によっては必ずしも大気を参照雰囲気として用いることができるとは限らない。本構成２では、大気を参照雰囲気として用いない方法について述べる。図３１のようにセンサＦＥＴ上の空洞１３０と接続されたイオンポンプ１５０Ｓ−１の上部に、空洞１３４Ｓを形成する。空洞１３４Ｓは雰囲気から密閉されているか、ガス拡散抵抗の高い流路（図示はしていない）で雰囲気と繋がっている。空洞１３４Ｓは更にイオンポンプ１５０Ｓ−１とは別のイオンポンプ１５０Ｓ−２で空洞１３５Ｓと繋がり、空洞１３５Ｓはガス出入口を介して雰囲気と繋がっている。イオンポンプ１５０Ｓ−２の電極１５１Ｓ−２に電極１５３−２に対して正電位を印加すると空洞１３４Ｓから空洞１３５Ｓに酸素イオン電流が流れる。充分大きな電流を保つと空洞１３４Ｓの酸素濃度は極めて低濃度に保つことができる。このようにして形成された低酸素濃度の空洞１３４をイオンポンプ１５１Ｓの参照雰囲気とすると、大気を参照雰囲気とする必要がなくイオンポンプ電流から空洞１３０Ｓ内の酸素濃度を算出することができる。ガスセンサ１を使って酸化窒素濃度（ＰＮＯｘ）に加えて酸素濃度（ＰＯ２）も検出できるようになる。
【０２４４】
＜ガスセンサの構成３＞
図３２を用いて、本実施例３によるガスセンサの別の構成について説明する。前述のガスセンサの構成１に構造にも変更を加える構成である。図２８〜３０の構成ではイオンポンプの電極１５１は空洞１３０Ｓと接する面積を小さくする必要があった。しかしながら、空洞１３０Ｓに多孔質の金属酸化物１３７Ｓ−１、１３７Ｓ−２、１３７Ｓ−３などを充填するとこれらがイオンポンプ電極１５１Ｓを支えるので空洞１３０Ｓの上面と下面とが接触して空洞１３０Ｓが潰れるおそれがなくなる。１３７Ｓ−１、１３７Ｓ−２、１３７Ｓ−３にはゼオライトなどを用いることもできる。
【０２４５】
＜センサゲートの構造とその他のバリエーション＞
前述の通り、ゲート層１０６Ｓは、実施例１の図５、６、１１〜１４に示した構造や、実施例２の図１６、１７で示した構造を用いることができる。図５，６、１１〜１４の構造を用いると触媒を担持した多孔質な金属酸化物１９９Ｓを用いなくても未燃焼の成分を燃焼させて酸化窒素と酸素以外の成分はゲート材料に反応しないようにでき、イオンポンプの電圧条件によって二酸化窒素を一酸化窒素に変換して濃度を測できる。図１６のゲート構造については、前述したとおりである。図１７の構造をゲートに用いるとＮＯｘに応答しないのでＮＯｘ濃度の測定はできないが、酸素に応答する特徴を活かしてイオンポンプによって酸素濃度がどこなで低下しているかを確認するために使うことができる。
【０２４６】
＜本実施例３による効果＞
本実施例３によれば、雰囲気ガス中に含まれる検知対象ガス以外の妨害ガスを除去するイオンポンプ機能を半導体チップ上で実現することができる。その結果、低コスト化、小型化および低消費電力化と、妨害ガス除去による高精度なガスセンシングとを両立させることができる。また、イオン伝導膜の薄膜形成ができるので、イオンポンプによる妨害ガスの除去を高効率に実現することができる。イオン伝導膜中の拡散による妨害ガスのゲート層の露出部への浸入は、ガス拡散防止膜を配置することで抑制される。
【実施例４】
【０２４７】
図３３〜３５を用いて、本実施例４によるガスセンサの構成について説明する。実施例４では、センサを使用する高温の環境でも剥離の問題を解決する積層膜の構造を示す。図３３（ａ）（ｂ）は、本実施例４によるガスセンサのセンサ部（センサ素子）の構成の一例を示す断面図である。実施例１のゲート構造の例では下層の白金と上層のＹＳＺを積層する構造があった。貴金属と金属酸化物の界面は高温環境で剥れる可能性があるが、図３３（ａ）（ｂ）のように白金層（貴金属電極層１０６Ｓｃ，１０６Ｓｆ）とＹＳＺ層（第１金属酸化物層１０６Ｓａ）の界面に両材料の混在層ＭＸ（ＹＳＺ、Ｐｔ）を形成することで、高温環境でも剥れにくい積層膜を形成できる。
【０２４８】
図３４に示すように、白金層（貴金属電極層１０６Ｓｃ，１０６Ｓｆ）とＮｉＯ層（第２金属酸化物層１０６Ｓｂ）の場合も同様に、図３４（ａ）〜（ｄ）のように白金層とＮｉＯ層の界面に両材料の混在層ＭＸ（ＮｉＯ、Ｐｔ）を形成することで、高温環境でも剥れにくい積層膜を形成できる。
【０２４９】
図３５に示すように、実施例３で説明したイオンポンプの白金とＹＳＺの界面も混在層ＭＸ（ＹＳＺ、Ｐｔ）を形成することで、高温環境でも剥れにくい積層膜を形成できる。
【実施例５】
【０２５０】
図３６を用いて、本実施例５によるガスセンサの構成について説明する。図３６（ａ）は、本実施例５によるガスセンサのセンサ部の構成の一例を示す断面図である。センサ素子、参照素子では半導体基板（ＳｉＣ基板）へのコンタクト部、外部からの給電部がある。１１１Ｓ，１１２Ｓ，１１３Ｓ，１１４Ｓ，１７９Ｓは絶縁膜である。図３６（ｂ）はＰｔからなる白金電極層ＥＬＥＣとソース拡散層１０３Ｓとの境界部の部分拡大断面図である。
【０２５１】
排気ガスセンサのような高温腐食環境での使用に耐えるためには、ＳｉＣコンタクトが高温で劣化しないように高融点金属でコンタクトを形成する必要がある。図３６（ｂ）に示すようにＴｉＮ、Ｗ、ＴｉＮとＷの積層などが高温に耐えるＳｉＣコンタクト形成に好適である。また外部からの給電部に用いる金属は例えば白金などの貴金属が好適である。白金は高温酸素雰囲気などの過酷環境でも腐食しないが、外部からの給電を行うために露出させた開口部の白金表面から酸素などが拡散し、半導体基板（ＳｉＣ）へのコンタクト部などを酸化させて導通不良を生じさせることがある。これを防ぐために、図３６（ａ）に示すように外部から給電される白金電極層の厚さ（ＤＥＬＥＣ）と比較して半導体基板（ＳｉＣ）へのコンタクト部までの距離ＬＥＬＥＣが大きくなる、すなわち
ＤＥＬＥＣ  ＜  ＬＥＬＥＣ    （式６）
となるように白金電極層ＥＬＥＣを形成するのが好適である。
【０２５２】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記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いうまでもない。例えば、ある実施例の構成の一部、例えばゲート層を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【０２５３】
トランジスタの「ソース」や「ドレイン」の機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書においては、「ソース」や「ドレイン」の用語は、入れ替えて用いることができる。
【０２５４】
本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
【０２５５】
本発明は少なくとも以下の実施の形態を含む。
【０２５６】
〔付記１〕
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備し、第１の貴金属層と第２の貴金属層は前記第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、前記第２の金属酸化物層は前記第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、前記第１の貴金属層の上表面と前記第２の貴金属層の表面が直接または前記第２金属酸化物層を介して雰囲気に露出し、前記雰囲気は外界の雰囲気と第１の流路を経由して直接またはガス拡散抵抗層を介して接続され、前記第１の流路の壁面の少なくとも一部が、第３の貴金属層からなる下部イオンポンプ電極層と接し、前記下部イオンポンプ電極層上にはイオンポンプイオン伝導層と、上部イオンポンプ電極層が形成され、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層にはそれぞれ異なる電位を給電可能な外部電極に接続されていることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（実施例３を参照）。
【０２５７】
〔付記２〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層共に白金であり、前記イオンポンプイオン伝導層がジルコニアを含む金属酸化物層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２５８】
〔付記３〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記第１の貴金属層と前記第２の貴金属層が共に白金であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２５９】
〔付記４〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記第１の金属酸化物層がジルコニアを含み、前記第２の金属酸化物層が酸化ニッケルを含むことを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６０】
〔付記５〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記第１のゲート絶縁膜と前記第１のゲート層の間に接着層となる金属酸化物層を有することを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６１】
〔付記６〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６２】
〔付記７〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６３】
〔付記８〕
付記７記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であり、前記第１の貴金属層は直接に前記雰囲気に露出していることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６４】
〔付記９〕
付記７記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であり、前記第１の貴金属層は前記第２の金属酸化物層を介して前記雰囲気に露出していることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６５】
〔付記１０〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第２層目が前記第１の貴金属層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６６】
〔付記１１〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第３層目が第２の貴金属層、下層から第４層目が前記第２の金属酸化物層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６７】
〔付記１２〕
付記１記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第３層目が第２の貴金属層、下層から第４層目が前記第２の金属酸化物層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２６８】
〔付記１３〕
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第１の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を有し、第１の貴金属層の上表面が雰囲気に露出している第１の仕事関数型ガスセンサと、前記半導体基板の主面上に形成された第２のゲート絶縁膜上に形成された、第３の金属酸化物層と外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第２のゲート層を有し、前記第２の貴金属層の上表面が前記雰囲気に露出している第２の仕事関数型ガスセンサと、を有し、前記雰囲気は外界の雰囲気と第１の流路を経由して直接またはガス拡散抵抗層を介して接続され、前記第１の流路の壁面の少なくとも一部が、第３の貴金属層からなる下部イオンポンプ電極層と接し、前記下部イオンポンプ電極層上にはイオンポンプイオン伝導層と、上部イオンポンプ電極層が形成され、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層にはそれぞれ異なる電位を給電可能な外部電極に接続されていることを特徴とするガスセンサモジュール（実施例３を参照）。
【０２６９】
〔付記１４〕
付記１３記載のガスセンサモジュールにおいて、前記第３の金属酸化物層が前記第１の金属酸化物層と同一の金属酸化物で形成され、前記第２の貴金属層が前記第１の貴金属層と同一の貴金属で形成されていることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２７０】
〔付記１５〕
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備し、第１の貴金属層と第２の貴金属層は前記第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、前記第２の金属酸化物層は前記第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、前記第１の貴金属層の上表面と前記第２の貴金属層の表面が直接または前記第２金属酸化物層を介して雰囲気に露出している仕事関数型ガスセンサと、前記半導体基板の主面上に形成された第２のゲート絶縁膜上に形成された、第３の金属酸化物層と外部電源に接続された第３の貴金属層を含む積層膜からなる第２のゲート層を有し、前記第３の貴金属層の上表面が前記雰囲気に露出している第２の仕事関数型ガスセンサと、を有し前記雰囲気は外界の雰囲気と第１の流路を経由して直接またはガス拡散抵抗層を介して接続され、前記第１の流路の壁面の少なくとも一部が、第３の貴金属層からなる下部イオンポンプ電極層と接し、前記下部イオンポンプ電極層上にはイオンポンプイオン伝導層と、上部イオンポンプ電極層が形成され、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層にはそれぞれ異なる電位を給電可能な外部電極に接続されていることを特徴とするガスセンサモジュール（実施例３を参照）。
【０２７１】
〔付記１６〕
付記１３記載のガスセンサモジュールにおいて、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層共に白金であり、前記イオンポンプイオン伝導層がジルコニアを含む金属酸化物層であることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２７２】
〔付記１７〕
付記１５記載のガスセンサモジュールにおいて、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層共に白金であり、前記イオンポンプイオン伝導層がジルコニアを含む金属酸化物層であることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２７３】
〔付記１８〕
半導体基板の主面上に形成された第1のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第1の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備し、第１の貴金属層と第２の貴金属層は前記第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、前記第２の金属酸化物層は前記第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、前記第１の貴金属層の上表面と前記第２の貴金属層の表面が直接または前記第２金属酸化物層を介して雰囲気に露出し、前記雰囲気は外界の雰囲気と第１の流路を経由して直接またはガス拡散抵抗層を介して接続され、前記第１の流路は前記雰囲気に露出した前記第１のゲート層から前記外界の雰囲気に沿って１つまたは複数本が形成され、前記第１の流路の側壁と底面は絶縁膜で形成され、前記第１の流路の上面は第１の流路上面絶縁膜が形成され、前記第１の流路上面絶縁膜には流路上面に沿って複数の孔部が形成され、前記複数の孔部が第３の貴金属層からなる下部イオンポンプ電極層と接し、前記下部イオンポンプ電極層上にはイオンポンプイオン伝導層と、上部イオンポンプ電極層が形成され、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層にはそれぞれ異なる電位を給電可能な外部電極に接続されていることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（実施例３を参照）。
【０２７４】
〔付記１９〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層共に白金であり、前記イオンポンプイオン伝導層がジルコニアを含む金属酸化物層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２７５】
〔付記２０〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記第１の貴金属層と前記第２の貴金属層が共に白金であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２７６】
〔付記２１〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記第１の金属酸化物層がジルコニアを含み、前記第２の金属酸化物層が酸化ニッケルを含むことを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２７７】
〔付記２２〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記第１のゲート絶縁膜と前記第１のゲート層の間に接着層となる金属酸化物層を有することを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（図５を参照）。
【０２７８】
〔付記２３〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（図３を参照）。
【０２７９】
〔付記２４〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（図１１または図１２を参照）。
【０２８０】
〔付記２５〕
付記２４記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であり、前記第１の貴金属層は直接に前記雰囲気に露出していることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（図１１を参照）。
【０２８１】
〔付記２６〕
付記２４記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であり、前記第１の貴金属層は前記第２の金属酸化物層を介して前記雰囲気に露出していることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（図１２を参照）。
【０２８２】
〔付記２７〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第２の金属酸化物層、下層から第２層目が前記第１の貴金属層、下層から第３層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第４層目が第２の貴金属層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（図１３を参照）。
【０２８３】
〔付記２８〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、第１のゲート絶縁膜上に形成された前記第１のゲート層が、下層から第１層目が前記第１の貴金属層、下層から第２層目が前記第１の金属酸化物層、下層から第３層目が第２の貴金属層、下層から第４層目が前記第２の金属酸化物層であることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（図１４を参照）。
【０２８４】
〔付記２９〕
付記１８記載の仕事関数型ガスセンサにおいて、前記第１の貴金属層と前記第２の貴金属層が共に酸素に対する触媒作用を持つことを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【０２８５】
〔付記３０〕
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、外部電源に接続された第１の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を有し、第１の貴金属層の上表面が雰囲気に露出している第１の仕事関数型ガスセンサを有し、前記雰囲気は外界の雰囲気と第１の流路を経由して直接またはガス拡散抵抗層を介して接続され、前記第１の流路は前記雰囲気に露出した前記第１のゲート層から前記外界の雰囲気に沿って１つまたは複数本が形成され、前記第１の流路の側壁と底面は絶縁膜で形成され、前記第１の流路の上面は第１の流路上面絶縁膜が形成され、前記第１の流路上面絶縁膜には流路上面に沿って複数の孔部が形成され、前記複数の孔部が第３の貴金属層からなる下部イオンポンプ電極層と接し、前記下部イオンポンプ電極層上にはイオンポンプイオン伝導層と、上部イオンポンプ電極層が形成され、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層にはそれぞれ異なる電位を給電可能な外部電極に接続されていることを特徴とするガスセンサモジュール（実施例３を参照）。
【０２８６】
〔付記３１〕
付記３０記載のガスセンサモジュールにおいて、前記第３の金属酸化物層が前記第１の金属酸化物層と同一の金属酸化物で形成され、前記第２の貴金属層が前記第１の貴金属層と同一の貴金属で形成されていることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２８７】
〔付記３２〕
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、電気的に浮遊状態の第１の貴金属層と、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第２の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を具備し、第１の貴金属層と第２の貴金属層は前記第１の金属酸化物層に対してそれぞれ下側と上側に形成され、前記第２の金属酸化物層は前記第１の金属酸化物層の上側もしくは下側の一方の側に形成され、前記第１の貴金属層の上表面と前記第２の貴金属層の表面が直接または前記第２金属酸化物層を介して雰囲気に露出している仕事関数型ガスセンサと、前記半導体基板の主面上に形成された第２のゲート絶縁膜上に形成された、第３の金属酸化物層と外部電源に接続された第３の貴金属層を含む積層膜からなる第２のゲート層を有し、前記第３の貴金属層の上表面が前記雰囲気に露出している第２の仕事関数型ガスセンサと、を有し前記雰囲気は外界の雰囲気と第１の流路を経由して直接またはガス拡散抵抗層を介して接続され、前記第１の流路は前記雰囲気に露出した前記第１のゲート層から前記外界の雰囲気に沿って１つまたは複数本が形成され、前記第１の流路の側壁と底面は絶縁膜で形成され、前記第１の流路の上面は第１の流路上面絶縁膜が形成され、前記第１の流路上面絶縁膜には流路上面に沿って複数の孔部が形成され、前記複数の孔部が第３の貴金属層からなる下部イオンポンプ電極層と接し、前記下部イオンポンプ電極層上にはイオンポンプイオン伝導層と、上部イオンポンプ電極層が形成され、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層にはそれぞれ異なる電位を給電可能な外部電極に接続されていることを特徴とするガスセンサモジュール（実施例３を参照）。
【０２８８】
〔付記３３〕
付記３０記載のガスセンサモジュールにおいて、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層共に白金であり、前記イオンポンプイオン伝導層がジルコニアを含む金属酸化物層であることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２８９】
〔付記３４〕
付記３２記載のガスセンサモジュールにおいて、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層共に白金であり、前記イオンポンプイオン伝導層がジルコニアを含む金属酸化物層であることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２９０】
〔付記３５〕
半導体基板の主面上に形成された第１のゲート絶縁膜上に形成された、イオン導電性をもつ第１の金属酸化物層と、酸化窒素に対する触媒作用を持つ第２の金属酸化物層と、外部電源に接続された第１の貴金属層を含む積層膜からなる第１のゲート層を有し、第１の貴金属層の上表面が雰囲気に露出している第１の仕事関数型ガスセンサを有し、前記雰囲気は外界の雰囲気と第１の流路を経由して直接またはガス拡散抵抗層を介して接続され、前記第１の流路は前記雰囲気に露出した前記第１のゲート層から前記外界の雰囲気に沿って１つまたは複数本が形成され、前記第１の流路の側壁と底面は絶縁膜で形成され、前記第１の流路の上面は第１の流路上面絶縁膜が形成され、前記第１の流路上面絶縁膜には流路上面に沿って複数の孔部が形成され、前記複数の孔部が第３の貴金属層からなる下部イオンポンプ電極層と接し、前記下部イオンポンプ電極層上にはイオンポンプイオン伝導層と、上部イオンポンプ電極層が形成され、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層にはそれぞれ異なる電位を給電可能な外部電極に接続されていることを特徴とするガスセンサモジュール（実施例３を参照）。
【０２９１】
〔付記３６〕
付記３５記載のガスセンサモジュールにおいて、前記第３の金属酸化物層が前記第１の金属酸化物層と同一の金属酸化物で形成され、前記第２の貴金属層が前記第１の貴金属層と同一の貴金属で形成されていることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２９２】
〔付記３７〕
付記３５記載のガスセンサモジュールにおいて、前記下部イオンポンプ電極層と前記上部イオンポンプ電極層共に白金であり、前記イオンポンプイオン伝導層がジルコニアを含む金属酸化物層であることを特徴とするガスセンサモジュール。
【０２９３】
〔付記３８〕
付記１〜３７のいずれかに記載の前記仕事関数型ガスセンサにおいて、前記イオンポンプ下部電極層が前記第１のゲート電極が露出している前記雰囲気に接し、前記イオンポンプ下部電極層上に前記前記イオンポンプイオン伝導層を介して形成された前記イオンポンプ上部電極層が第２の空洞に接し、前記第２の空洞は第２のイオンポンプ上部電極と接し、前記第２のイオンポンプ上部電極の下部には第２のイオンポンプイオン伝導層を介して第２のイオンポンプ下部電極層と接続され、前記第２のイオンポンプ下部電極層は外界と接続された第３の空洞に接続されていることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（実施例３を参照）。
【０２９４】
〔付記３９〕
付記１〜３８のいずれかに記載の前記仕事関数型ガスセンサにおいて、前記センサ素子の前記第１ゲートの積層体で、前記第１の金属酸化物層と前記第１の貴金属層が接する界面に前記第１の金属酸化物層と前記第１の貴金属層の材料の混在層、前記第１の金属酸化物層と前記第２の貴金属層が接する界面に前記第１の金属酸化物層と前記第２の貴金属層の材料の混在層、前記第２の金属酸化物層と前記第１の貴金属層が接する界面に前記第２の金属酸化物層と前記第１の貴金属層の材料の混在層、前記第２の金属酸化物層と前記第２の貴金属層が接する界面に前記第２の金属酸化物層と前記第２の貴金属層の材料の混在層、の少なくともいずれかが形成されていることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（実施例４を参照）。
【０２９５】
〔付記４０〕
付記１〜３８のいずれかに記載の前記仕事関数型ガスセンサにおいて、前記イオンポンプ下部電極層と前記イオンポンプイオン伝導層の界面に前記イオンポンプ下部電極層と前記イオンポンプイオン伝導層の材料の混在層、前記イオンポンプイオン伝導層と前記イオンポンプ上部電極層の界面に前記イオンポンプイオン伝導層と前記イオンポンプ上部電極層の材料の混在層、の少なくともいずれかが形成されていることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（実施例４を参照）。
【０２９６】
〔付記４１〕
付記１〜４０のいずれかに記載の前記仕事関数型ガスセンサにおいて、前記半導体基板と第１のコンタクト電極層のコンタクト部を有し、前記第１のコンタクト電極層が窒化チタン、またはタングステンであることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（実施例５を参照）。
【０２９７】
〔付記４２〕
付記４１に記載の前記仕事関数型ガスセンサにおいて、前記外界の雰囲気に露出する電極部と、前記コンタクト部と前記外界の雰囲気に露出する電極部とを電気的に接続する配線部とを有し、前記配線部の前記半導体基板の主面垂直方向の厚さと比較して、前記コンタクト部と前記外界の雰囲気に露出する電極部の間の前記半導体基板の主面内方向の距離が大きいことを特徴とする仕事関数型ガスセンサ（実施例５を参照）。
【０２９８】
〔付記４３〕
付記１〜３８のいずれかに記載の前記仕事関数型ガスセンサにおいて、前記イオンポンプ下部電極層の底部が多孔質の金属酸化物、もしくはゼオライトに接していることを特徴とする仕事関数型ガスセンサ。
【符号の説明】
【０２９９】
１  ガスセンサ
２０  電流測定部
３０  ガス濃度測定部
４０  電源部
４１  電源
５０  制御部
９０  データ入出力部
１００  センサ部
１００Ｒ  参照素子
１００Ｒｃ,  １００Ｒｃ−１,  １００Ｒｃ−２  参照キャパシタ
１００Ｒｆ,  １００Ｒｆ−１,  １００Ｒｆ−２  参照ＦＥＴ
１００Ｓ  センサ素子
１００Ｓｃ,  １００Ｓｃ−１,  １００Ｓｃ−２  センサキャパシタ
１００Ｓｆ，１００Ｓｆ−１，１００Ｓｆ−２  センサＦＥＴ
１０１Ｒ，１０１Ｓ  半導体基板
１０２Ｒ，１０２Ｓ  ウェル
１０３Ｒ，１０３Ｓ  ソース拡散層
１０４Ｒ，１０４Ｓ  ドレイン拡散層
１０５Ｒ，１０５Ｓ  ゲート絶縁膜
１０６Ｒ，１０６Ｓ  ゲート層
１０６Ｓａ  第１金属酸化物層
１０６Ｓｂ  第２金属酸化物層
１０６Ｓｃ  外部から給電される貴金属電極層
１０６Ｓｆ  電気的に浮遊状態の貴金属電極層
１０８Ｒ，１０８Ｓ  絶縁膜
１１１Ｒ，１１１Ｓ，１１２Ｓ，１１２Ｒ,  １１３Ｓ，１１３Ｒ,  １１４Ｓ,  １１４Ｒ  絶縁膜
１１４ＳＯ  絶縁膜の開口部
１１５Ｓ，１１５Ｒ,  １１６Ｓ，１１６Ｒ,  １１７Ｓ，１１７Ｒ,  １１８Ｓ,  １１８Ｒ  絶縁膜
１１９Ｓ  封止膜
１３０Ｓ，１３０−１Ｓ，１３０−２Ｓ,  １３４Ｓ,  １３５Ｓ  空洞
１３１Ｓ，１３１−１Ｓ，１３１−２Ｓ  ガス拡散抵抗膜
１３２Ｓ  ガス導入部
１３６Ｓ  ガス出入口
１３７Ｓ−１,  １３７Ｓ−２,  １３７Ｓ−３  多孔質な絶縁膜、ゼオライト
１４０Ｓ  柱状部
１５０Ｓ，１５０−１Ｓ，１５０−２Ｓ  イオンポンプ
１５１Ｓ，１５１−１Ｓ，１５１−２Ｓ  イオンポンプ電極
１５２Ｓ，１５２−１Ｓ，１５２−２Ｓ  イオン伝導膜
１５３Ｓ，１５３−１Ｓ，１５３−２Ｓ  イオンポンプ電極
１７１Ｓ  コンタクト部
１７９Ｓ,  １７０Ｒ  絶縁膜
１９０  ヒータ
１９８Ｓ  封し部
１９９Ｓ  触媒を担持した多孔質な金属酸化物
ACHAN  センサＦＥＴ、参照ＦＥＴのチャネル領域
CONT106Sc  ゲート電極へのコンタクト部
MX（YSZ, Pt）  ＹＳＺとＰｔの混在層
MX（NiO, Pt）  ＮｉＯとＰｔの混在層
【図１】
2019090743.tif 000003
【図２】
2019090743.tif 000004
【図３】
2019090743.tif 000005
【図４】
2019090743.tif 000006
【図５】
2019090743.tif 000007
【図６】
2019090743.tif 000008
【図７】
2019090743.tif 000009
【図８】
2019090743.tif 000010
【図９】
2019090743.tif 000011
【図１０】
2019090743.tif 000012
【図１１】
2019090743.tif 000013
【図１２】
2019090743.tif 000014
【図１３】
2019090743.tif 000015
【図１４】
2019090743.tif 000016
【図１５】
2019090743.tif 000017
【図１６】
2019090743.tif 000018
【図１７】
2019090743.tif 000019
【図１８】
2019090743.tif 000020
【図１９】
2019090743.tif 000021
【図２０】
2019090743.tif 000022
【図２１】
2019090743.tif 000023
【図２２】
2019090743.tif 000024
【図２３】
2019090743.tif 000025
【図２４】
2019090743.tif 000026
【図２５】
2019090743.tif 000027
【図２６】
2019090743.tif 000028
【図２７】
2019090743.tif 000029
【図２８】
2019090743.tif 000030
【図２９】
2019090743.tif 000031
【図３０】
2019090743.tif 000032
【図３１】
2019090743.tif 000033
【図３２】
2019090743.tif 000034
【図３３】
2019090743.tif 000035
【図３４】
2019090743.tif 000036
【図３５】
2019090743.tif 000037
【図３６】
2019090743.tif 000038