(57)【要約】  本発明は、流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する装置に関しており、この装置は、測定センサとしての少なくとも１つの電界効果トランジスタ（３）と、基準素子として機能する少なくとも１つの電界効果トランジスタ（１）とを含んでおり、上記の電界効果トランジスタ（１，３）はそれぞれ少なくとも１つのソース電極（Ｓ）と、ドレイン電極（Ｄ）と、ゲート電極（Ｇ）とを有している。測定センサとして機能する電界効果トランジスタ（３）のゲート電極（Ｇ）は、少なくとも１つの検出すべき物質を感知し、基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）は、少なくとも１つの検出すべき物質に対して実質的に感知しない。上記の複数の電界効果トランジスタ（１，３）のうちの１つの電界効果トランジスタのソース電極（Ｓ）と、複数の電界効果トランジスタ（１，３）のうちの別の１つの電界効果トランジスタのドレイン電極（Ｄ）とが互いに接続されかつ１つの信号線路（５）に接続されている。さらに本発明は、上記の装置を使用して、流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する方法に関しており、上記の信号線路（５）に０Ｖの電位が加えて、この信号線路（５）に流れる電流を測定する。
2010534326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する装置であって、
該装置は、測定センサとしての少なくとも１つの電界効果トランジスタ（３）と、基準素子として機能する少なくとも１つの電界効果トランジスタ（１）とを含んでおり、
前記の電界効果トランジスタ（１，３）はそれぞれ少なくとも１つのソース電極（Ｓ）と、ドレイン電極（Ｄ）と、ゲート電極（Ｇ）とを有しており、
測定センサとして機能する電界効果トランジスタ（３）のゲート電極は、少なくとも１つの検出すべき物質を感知し、
基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）は前記の少なくとも１つの検出すべき物質を感知しない形式の装置において、
前記の複数の電界効果トランジスタ（１，３）のうちの１つの電界効果トランジスタのソース電極（Ｓ）と、前記の複数の電界効果トランジスタ（１，３）のうちの別の１つの電界効果トランジスタのドレイン電極（Ｄ）とは互いに接続されておりかつ信号線路（５）に接続されていることを特徴とする、
流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する装置。
【請求項２】
前記の基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）および測定センサとして機能する電界効果トランジスタ（３）は、ＭＯＳＦＥＴ，ＭＩＳＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ，またはＨＥＭＴまたはサスペンデッドゲートＦＥＴである、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記の基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）と、電圧源（９）の電位端子とが接続されている。
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記の測定センサとして機能する電界効果トランジスタ（３）のゲート電極（Ｇ）と、電圧源（１１）の電位端子とが接続されている。
請求項１から３までのいずれか１に記載の装置。
【請求項５】
前記の基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）は、セラミック、金属、有機ポリマまたは当該の材料の混合物からなるパッシベーション層が被着されており、
前記材料は、少なくとも１つの検出すべき物質を通さないかまたは拡散遮断部として機能する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記のパッシベーション層は複数の材料層を有する、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記の基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）は、非多孔性の厚いゲートメタライゼーションを有しており、
当該ゲートメタライゼーションは、少なくとも１つの検出すべき物質を通さないかまたは拡散遮断部として機能する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記の基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）は、少なくとも１つの検出すべき物質を感知しない材料から作製されている、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する方法において、
前記の信号線路（５）に一定の電位を加えて、
当該の信号線路（５）に流れる電流を測定することを特徴とする
請求項１から８までのいずれか１項に記載の装置を使用して、流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する方法。
【請求項１０】
前記の基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）に接続されている電圧源（９）は、補償電圧を有する、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記の測定センサとして機能する電界効果トランジスタ（３）のゲート電極（Ｇ）に接続されている電圧源（１１）と、基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）に接続されている電圧源（９）とは、０Ｖとは異なる電圧を有しており、
基準素子として機能する電界効果トランジスタ（１）のゲート電極（Ｇ）に接続されている電圧源（９）は付加的に補償電圧（ＵKomp）を有し得る、
請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記の基準センサとして機能する電界効果トランジスタ（１）または測定センサとして機能する電界効果トランジスタ（３）のゲート電極（Ｇ）のうちの１つのゲート電極（Ｇ）に接続されている複数の電圧源（９，１１）のうちの１つの電圧源（９，１１）の電圧を変化させることにより、付加的に前記の信号線路（５）における電流を一定に保ち、
前記の電圧の変化を測定信号とする、
請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する方法において、
前記の信号線路（５）における電流を一定に保ち、
測定信号として、前記の電流を一定に保つために必要な信号線路（５）の電位を測定することを特徴とする、
請求項１から８までのいずれか１項に記載の装置を使用して、流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載された流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する装置を出発点とする。さらに本発明は、上記の装置を使用して、流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する方法を出発点とする。
【０００２】
流体流に含まれる物質、例えばガス流におけるガスを検出するため、半導体ベースのガス感知形電界効果トランジスタを使用する。一般的には、検出すべき物質、例えばガスまたは液体ないしはガスまたは液体の混合物を供給することによってチャネルインピーダンスが変化し、ひいてはソース電極からドレイン電極に電界効果トランジスタを通って流れる電流、いわゆるチャネル電流が変化する。バンドギャップの大きな半導体材料、すなわち３ｅＶ以上のバンドギャップの大きな材料、例えばガリウム窒化物または炭化ケイ素を使用する場合、これにより、基本的には８００℃までの温度でのセンサ応用に対し、ガス感知形電界効果トランジスタを使用することができる。
【０００３】
上記のガス感知形電界効果トランジスタの選択した動作点において、検出すべき物質が加えられていないチャネル電流、いわゆるゼロ信号またはオフセットは、これが加えられたチャネル電流変化（信号）よりもふつう１０3のオーダだけ大きいことが多い。このことにより、良好でない信号オフセット比に起因して、電流測定に高い要求が課される。これに加えて、上記のオフセットが、障害を与える外部からの影響によって影響を受け得るという問題が発生する。上記の障害を与える外部からの影響は、例えば、検出すべき物質が存在することによるものではないセンサの劣化または温度変化によって発生する。与えられた信号−オフセット比に起因して、障害を与える影響によるチャネル電流の変化は、検出すべき物質が存在することによって生じる変化と同じオーダになるか、または不利なケースでは、検出すべき物質が存在することによって生じる変化よりも大きくなり得る。上記の障害を与える影響を完全に除外することはできないため、これに結び付いた測定信号の誤差は大きく、また不利なケースでは、検出すべき物質の有効な測定を妨げるのである。
【０００４】
US-B 6,883,364から公知であるのは、ガスを検出するハンドヘルド装置において、ガスを検出するための好適なセンサとして、例えば電界効果トランジスタを使用することである。しかしながらここではふつう、ガス感知性の抵抗、いわゆるケモ抵抗（Chemo-Resistor）を使用する。可能な限り温度ドリフトの小さい基準抵抗により、分圧器および電流制限部が実現される。しかしながらこの回路は、ドリフト補償およびケモ抵抗のオフケット補償には適していない。
【０００５】
電界効果トランジスタベースでありかつガス感知層および基準層からなるガスセンサの使用はWO-A 2005/103667から公知であり、ここでは仕事関数変化によって電界効果構造が駆動制御される。上記の基準層は、横感度（Querempfindlichkeit）、すなわち所望の目的ガスとは異なるガスに対する感度を取り除くのに使用される。上記のオフセットがチャネル電流変化よりも数オーダ大きく、このために場合によっては、障害を与える影響による変化よりもこのチャネル電流変化が大きくないという問題は、WO-A 2005/103667によっては解決されない。
【０００６】
発明の開示内容
発明の利点
本発明にしたがって構成される、流体流に含まれる少なくとも１つの物質を検出する装置には、測定センサとしての少なくとも１つの電界効果トランジスタと、基準素子として機能する電界効果トランジスタとが含まれる。これらの電界効果トランジスタはそれぞれ少なくとも１つのソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有する。測定センサとして機能する電界効果トランジスタのゲート電極は、少なくとも１つの検出すべき物質に感知し、基準素子として機能する電界効果トランジスタのゲート電極は、少なくとも１つの検出すべき物質に対して実質的に感知しない。本発明では、上記の電界効果トランジスタのうち１つの電界効果トランジスタのソース電極と、電界効果トランジスタのうちの別の１つの電界効果トランジスタのドレイン電極とを互いに接続しかつ１つの信号線路に接続する。さらに第１の電界効果トランジスタのドレイン電極と、第２の電界効果トランジスタのソース電極との間に電圧を加える。したがって上記の信号線路を通る電流は、２つの電界効果トランジスタのチャネル電流の差分である（差分電流）。
【０００７】
本発明による回路の利点は、基準素子として機能する電界効果トランジスタと、測定センサとして機能する電界効果トランジスタとが同一の、障害を与える影響、例えば温度変動または圧力変動を受けることである。一方の電界効果トランジスタのドレイン電極の電圧と、信号線路の電圧と、他方の電界効果トランジスタのソース電極の電圧と、２つの電界効果トランジスタのゲート電極における電圧を適切に選択した場合、これによって、測定センサの測定信号（チャネル電流）の１次の補償が可能になる。すなわち、検出すべき物質を感知する１つまたは複数の電界効果トランジスタと、基準素子して機能する１つまたは複数の電界効果トランジスタとを接続することにより、上記の補償がセンサにおいて直接行われ、殊にオフセットだけではなく、障害を与える影響も補償されるのである。これによって障害が測定信号に与える影響が低減され、また格段に改善されたＳＮ比が得られる。
【０００８】
これに対して０次の補償の際には評価電子回路において、測定センサとして機能する電界効果トランジスタのゼロ信号に適合させた一定の電流を減算する。ここで０次の補償は、検出すべき物質が存在するか否かには依存しないが、これによってＳＮ比は改善されない。それはオフセットの変動は、上記の影響に起因して誤った補償になり、ひいては測定信号の同じ絶対的な誤差になるからである。本発明による回路およびこれによって実現される１次の補償において、信号測定は簡単になり、またＳＮ比が格段に改善される。それは、障害は、２次だけにおいて、すなわちセンサ応答が検出すべき物質に与える影響だけにおいて測定信号に影響を与えるが、もはや１次においては、すなわちオフセットの変化においては影響を与えないからである。
【０００９】
これにより、測定センサとして機能する電界効果トランジスタの測定信号が、不所望の成分ないしは障害を与える影響に対して補償される。不所望の成分ないしは障害を与える影響とは、検出すべき物質と、測定センサとして機能する電界効果トランジスタのゲート電極との相互作用によって生じるものでない、測定信号に与えるすべての影響のことである。不所望の成分とは、例えば、信号オフセット、信号電流の温度依存性およびトランジスタ作製時のプロセスの違いに起因する同じ構造の電界効果トランジスタの信号電流の偏差などである。補償すべき量の１つは、測定センサとして機能する電界効果トランジスタの動作持続時間にわたる経年変化および／または形態的／構造的な劣化である。検出すべき物質に対応しない物質の存在に対する横感度も望ましくない。補償には、測定信号における不所望成分の割合を低減することも含まれる。
【００１０】
基準素子として機能する電界効果トランジスタおよび測定センサとして機能する電界効果トランジスタは、有利にはＭＯＳＦＥＴ，ＭＩＳＦＥＴ，ＭＥＳＦＥＴ，ＨＥＭＴまたはサスペンデッドゲートＦＥＴである。上記の基準素子として機能する電界効果トランジスタおよび測定センサとして機能する電界効果トランジスタは、別の任意のガス感知式電界効果トランジスタで実施することも可能である。上記の測定センサとして機能する電界効果トランジスタは、有利にはＩＩＩ族およびＶ族の元素ないしはＩＶ族元素のエピタキシャル成長させた材料組成物から、好適にはケイ素、ＧａＡｓ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮまたは対象となる別の任意の半導体材料から作製される。
【００１１】
有利な実施形態では、測定センサとして機能する電界効果トランジスタと、基準素子として機能する電界効果トランジスタとは構造が同じである。さらに上記の電界効果トランジスタは、基準素子のパッシベーション層を除いて、同じ比率と、同じサイズおよびドーピング／ドーピング濃度ならびにドーピング経過を有する。さらに２つの電界効果トランジスタは、有利には並んでおよび／または熱伝導的に互い結合される。基準素子として機能する電界効果トランジスタは、理想には、測定センサとして機能する電界効果トランジスタと同じ特性を有する。基準素子として機能する電界効果トランジスタは理想的には、検出すべき物質に感知せず、感知するにしても測定センサとして機能する電界効果トランジスタよりも格段に感度が低い。
【００１２】
１実施形態では、基準素子として機能する電界効果トランジスタは、構造的には測定センサとして機能しかつ使用される電界効果トランジスタと同じであるが、基準素子として機能する電界効果トランジスタは、検出すべき物質の存在に反応しない。この不感性は、本発明において、基準素子として機能する電界効果トランジスタの触媒作用をする活性なゲート電極を付加的にパッシベーションすることによって得られる。これにより、検出すべき物質はもはや上記のゲート電極と相互作用することがない。上記のパッシベーションのため、基準素子として機能する電界効果トランジスタのゲート電極を、誘電体ないしはガスを透過しない材料からなるパッシベーション層でコーティングする。ここでこの材料は、少なくとも１つの検出すべき物質を通さないかまたは拡散遮断部として機能する。層厚は例えば、１ｎｍ〜１００μｍであり、有利には１０ｎｍ〜１μｍの範囲である。材料としてセラミックも有機ポリマも共に使用することができるが、有利には窒化ケイ素、炭化ケイ素、２酸化ケイ素、酸化アルミニウムおよび／または酸化ジルコニウムまたはこれらの材料の混合物を使用することができる。さらにセラミック／セラミックないしはセラミック／ポリマ原材料からなる複合材料も使用可能である。当業者には公知である、パッシベーションに好適な別の任意の材料も使用可能である。上記のパッシベーションは、基準素子として機能する電界効果トランジスタの電気特性にできるかぎり影響を及ぼさないか、ないしは全く影響を及ぼさないようにする。
【００１３】
基準素子として機能する電界効果トランジスタのゲート電極のパッシベーションは、例えば、半導体技術において確立されているマイクロ構造薄膜法、例えば蒸着またはスパッタリングを用いたパッシベーション材料をデポジットすることによって行われる。場合によっては、パッシベーションの緻密焼結（Dichtsintern）をサポートする熱処理ステップ（Temperschritt）を加える。同様にパッシベーション材料の湿式化学デポジットおよびこれに続く温度処理も可能である。上記の温度処理において温度を上げることにより、第１には液体状の溶媒が蒸発し、第２にはデポジットしたパッシベーション材料が緻密焼結される。上記のパッシベーション材料のデポジットは、構造化を行う圧膜法において、例えばパッシベーション材料を含むペーストをプリントすることによっても行い得る。後続の熱処理ステップにより、パッシベーション材料の緻密焼結がサポートされる。
【００１４】
別の１実施形態では上記のパッシベーション層は複数の材料層を有する。これは、１デポジットステップおいて、またはパッシベーション材料の複数回の被着によって作製可能である。上記のパッシベーション層が複数の材料層を有する場合、これらを種々異なる材料から作製することができ、または同じ材料の複数のパッシベーション層を被着することも可能である。
【００１５】
基準素子として機能する電界効果トランジスタのゲート電極におけるパッシベーション層が、検出すべき物質を通し、拡散阻止部として機能する場合、この場合も同様に、基準素子として機能する電界効果トランジスタのゲート電極と、検出すべき物質とは相互に作用しないことになる。それはこれらが実質的な電極材料に達しないからである。
【００１６】
パッシベーションの被着とは択一的に、少なくとも１つの検出すべき物質に対して不感の材料から上記のゲート電極を作製することも可能である。これは例えば、ゲート電極に対して別の材料を使用することにより、および／またはゲート材料ないしはゲート電極全体の多孔性を調整することによって得られる。例えば、上記のゲート電極は、これが十分に厚くかつ非多孔性のメタライゼーションを有する場合には不感性である。ゲート電極に対して別の材料を使用する場合には、これが、検出すべき物質に対して不感であるが、流体流に含まれる別の物質に対して不感ではないようにすることも可能である。
【００１７】
有利な１実施形態において本発明では、複数の電界効果トランジスタのうちの１つの電界効果トランジスタ（以下ではＦＥＴ１）のソース電極と、複数の電界効果トランジスタのうちの別の１つの電界効果トランジスタ（以下ではＦＥＴ２）のドレイン電極とを互いに接続しかつ１つの信号線路に接続する。ＦＥＴ１のドレイン電極とＦＥＴ２のソース電極との間には一定の電圧Ｕ1が加えられる。上記の信号線路の電位は、ＦＥＴ１のドレイン電極の電位と、ＦＥＴ２のソース電極の電位との間のちょうど真ん中である。これにより、ＦＥＴ１のソース−ドレイン電圧と、ＦＥＴ２のソース−ドレイン電圧とが等しくなり、電圧Ｕ1は、電界効果トランジスタＦＥＴ１またはＦＥＴ２のうちの１つの電界効果トランジスタのソース−ドレイン電圧のうちの１つのソース−ドレイン電圧のちょうど２倍になる。ここで説明した実施形態では、それぞれの電界効果トランジスタのソース電極およびゲート電極間において同じゲート電圧ＵGが２つの電界効果トランジスタに加わる。電界効果トランジスタがデプレッション形トランジスタの場合、すなわち０Ｖのゲート電圧の際に半導体チャネルが遮断されない場合にはゲート電圧は０Ｖとすることができる。しかしながらふつうゲート電圧は０Ｖとは異なる。ここで説明している実施形態では、２つの電界効果トランジスタは理想的には同じ電気特性を有する。２つの電界効果トランジスタに対してゲート電圧が等しくまたソース−ドレイン電圧が等しいことに起因して、これらの電界効果トランジスタが流体流によって影響を受けていない場合、２つの電界効果トランジスタにおいて、ソース電極とドレイン電極との間に同じ電流が流れる（オフセット電流）。したがってこの特殊なケースでは信号線路を通って電流が流れない。ここで説明している実施形態ではさらに一方の電界効果トランジスタは測定センサとして、また別の電界効果トランジスタは基準素子として機能する。流体流に物質が存在することにより、測定センサとして機能する電界効果トランジスタのチャネル電流が影響を受ける場合、２つの電界効果トランジスタ間にチャネル電流の違いが生じる。この差分電流は信号線路を通って流れる。２つの電界効果トランジスタが、障害を与える影響に同じように反応する場合、障害を与える影響により、２つの電界効果トランジスタのチャネル電流に差は生じない。ここで説明する実施形態では、上記の信号線路における電流を測定信号として使用する。この測定信号は、上記のようにオフセットおよび障害を与える影響が１次において補償される。
【００１８】
プロセスの不正確さによって発生し、また基準素子として機能する電界効果トランジスタのゲート電極のガスを通さないパッシベーションによって発生する、基準素子として機能する電界効果トランジスタと、測定センサとして機能する電界効果トランジスタとの間の偏差を補正するため、有利な１実施形態において、基準素子として機能する電界効果トランジスタのゲート電圧と、測定センサとして機能する電界効果トランジスタのゲート電圧とを相違させる。２つの電界効果トランジスタのゲート電圧におけるこの差分を以下では補償電圧と称する。上記の補償電圧を調整して、所望の外部条件において、すなわち温度、圧力その他において、また少なくとも１つの検出すべき物質が存在しない際に信号線路を通って電流が流れないようにする。この場合に発生する測定信号はここでも、検出すべき物質が存在することに起因するか、または２次の障害に起因するものとみなすことができる。
【００１９】
本発明の方法の別の変化形態では、信号線路を通る電流を測定信号として使用するのではなく、信号線路における電流を一定に保つ。ここでこれは、基準センサとして機能する電界効果トランジスタのゲート電極に接続されている電圧源の電圧を変化させることによって行われる。測定センサのゲート電圧は一定に保たれる。上記の基準素子のゲート電圧の変化が、測定信号を表す。別の変形実施形態では、測定センサとして機能する電界効果トランジスタのゲート電圧を変化させて、上記の信号線路の電流を一定保つことも可能である。この場合、基準素子のゲート電圧を一定に保ち、また測定センサとして機能する電界効果トランジスタのゲート電圧の変化が測定信号を表す。
【００２０】
上記の方法の択一的な１変形実施形態では、信号線路の電位を相応に変更することにより、上記の信号線路における電流を一定に保つ。この際に２つの電界効果トランジスタのゲート電圧は一定のままである。上記の測定信号は、上記の電流を一定に保つために必要な信号線路の電位の変化である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による装置の第１実施形態の回路図である。
【図２】本発明による装置の第２実施形態の回路図である。
【図３】本発明による装置の第３実施形態の回路図である。
【図４】図１に示した実施形態の択一的な回路を示す図である。
【図５】図２に示した実施形態の択一的な回路を示す図である。
【００２２】
本発明の実施例を図示し、以下の説明において詳述する。
【００２３】
本発明の実施形態
図１には、本発明による装置の第１実施形態の回路図が示されている。
【００２４】
図１に示した実施形態では、第１の電界効果トランジスタ１と、第２の電界効果トランジスタ３とが接続されている。このために第２の電界効果トランジスタ３のソース電極Ｓと、第１の電界効果トランジスタ１のドレイン電極Ｄとが互いに接続されている。さらに上記の第１の電界効果トランジスタ１のドレイン電極Ｄと、第２の電界効果トランジスタ３のソース電極Ｓとは信号線路５に接続されている。
【００２５】
有利には第１の電界効果トランジスタ１は基準素子として機能する電界効果トランジスタであり、第２の電界効果トランジスタ３は測定センサとして機能する電界効果トランジスタである。基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１においてふつうゲート電極Ｇは、（上で説明したように）流体流の検出すべき物質には不感である。これは例えばゲート電極Ｇのパッシベーションによって行われる。
【００２６】
流体流に含まれる検出すべき物質の検出は、０Ｖのソース−ゲート電圧と、一定のソース−ドレイン電圧ＵSDとにおいて行われる。０Ｖのソース−ゲート電圧は、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のゲート電極Ｇとソース電極Ｓとを接続することによって得られる。上記のソース−ドレイン電圧は、第２の電界効果トランジスタ３のドレイン電極Ｄに０Ｖとは異なる電圧ＵSDを加えることによって得られる。
【００２７】
基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のソース電極Ｓには、−ＵSDの電圧が加えられる。したがって基準素子として機能する電界効果トランジスタ１のソース−ドレイン電圧は、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のソース−ドレイン電圧と同じ大きさである。基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のソース−ゲート電圧も同様に０Ｖである。測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３の場合と同様に、これもソース電極とゲート電極とを接続することによって得られる。
【００２８】
信号測定は、信号線路５を流れる電流を測定することによって行われる。このため、信号線路５に電流を測定する手段７が設けられる。電流測定手段７として、当業者には公知のあらゆる任意の測定装置を使用することができる。これはふつう信号評価ユニットにおいて行われる。
【００２９】
測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３と、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１とが、検出すべき物質の感度を除いて同じ場合、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のチャネルを通るゼロ信号電流は、基準素子として機能する電界効果トランジスタ１のチャネル電流と等しい。検出すべき物質が、流体流に含まれていないかぎり、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のチャネルを通してゼロ信号電流だけ流れる。したがってキルヒホッフの電流則によれば、信号線路５を通って電流が流れることがない。２つの電界効果トランジスタ１，３が、障害を与える影響に同様に応答する場合、検出すべき物質が存在しなければ、上記の信号線路を通る電流は、外部のパラメタには依存せずにつねに０のままである。検出すべき物質が存在する場合、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のチャネル電流が変化する。しかしながら基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のチャネル電流は変化しない。ゼロ信号電流についてのこの差分は、信号線路５を通して流れるはずである。したがって信号線路５において測定した電流は、少なくとも１つの検出すべき物質が存在することだけに依存し、また基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１を有する図１に示した回路により、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のオフセットが補償され、したがって例えば温度または圧力変化によって発生し得る、障害を与える影響によるオフセットの変化にも依存しないのである。
【００３０】
基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１が、パッシベーション層を備えたゲート電極Ｇを有する場合、第１の電界効果トランジスタ１と第２の電界効果トランジスタ３との完全な一致を得ることができないことを仮定すべきである。したがって測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のオフセット電流と、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のチャネル電流との間に偏差がある。この誤差は補償誤差とも称される。上記の偏差は、信号線路５を通る電流にも寄与するが、しかしながら元々のゼロ信号よりも格段に小さい。したがって測定信号は、上記の補償誤差だけについて、障害を与える影響に依存し、もはやゼロ信号そのものについて、障害を与える影響に依存しない。このため、上記の測定信号は、２次の誤差だけを有するのである。
【００３１】
図２には、本発明にしたがって構成された装置の第２の実施形態が示されている。
【００３２】
図２に示された実施形態では、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のゲート電極と、第１の電圧源９の電位端子とが接続されている。第１電圧源９においては、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のゲート電極に付加的な補償電圧ＵKompを加えることができる。この補償電圧ＵKompによって可能になるのは、基準素子として機能する電界効果トランジスタ１のゲート電極のパッシベーションおよびプロセスの不正確さによって生じる偏差、すなわち、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のチャネル電圧と、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３との間の偏差を補正することである。上記の補償電圧ＵKompを調整して、温度、圧力その他の所望の外部条件の場合に、また少なくとも１つの検出すべき物質が存在しない場合に信号線路５を通って電流が流れないようにする。この場合に信号線路５における測定信号はここでも、少なくとも１つの検出すべき物質が存在することまたは２次の障害だけに起因するものと考えることができる。
【００３３】
補償電圧ＵKompが、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のゲート電極Ｇに加わっている図２に示した実施形態の他に、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のゲート電極Ｇに補償電圧ＵKompを加えることも可能である。
【００３４】
少なくとも１つの電界効果トランジスタ１，３が０Ｖのソース−ゲート電圧で作動される図１および２に示した実施形態の他に、ゼロとは異なるソース−ゲート電圧ＵSGで、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３を作動させることも可能である。このために第２の電界効果トランジスタ３のゲート電極Ｇに第２の電圧源１１を接続する。測定センサとして機能する電界効果トランジスタ３が０Ｖとは異なるソース−ゲート電圧ＵSGによって作動される場合、上記のオフセットの完全な補償のために必要であるのは、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１も、０Ｖとは異なるソース−ゲート電圧ＵSGで作動させることである。基準素子として機能する電界効果トランジスタ１および測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のソース−ゲート電圧は、有利には、プロセスの不正確さを補償するための付加的な補償電圧ＵKompだけについて異なる。ここでこのプロセスの不正確さは、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のゲート電極Ｇのパッシベーションによって生じ得るものである。
【００３５】
図４に示した図１の実施形態の択一的な接続では、信号検出は、信号線路５における電流の変化によってではなく、信号線路５における電圧の変化によって行われる。図１に示した実施形態と同様に、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のソース電極Ｓの電圧は固定の電圧−ＵSDであり、また測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のドレイン電極Ｄの電圧は、絶対値は同じだが正の電圧＋ＵSDである。信号線路５に加わる電圧ＵSigを変化させることより、信号線路５を通る電流は０Ａで一定に保たれる。検出すべき物質が流体流に含まれない場合、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のチャネルインピーダンスと、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のチャネルインピーダンスとは同じであり、信号線路５の必要な電位は０Ｖである。測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３に、少なくとも１つの検出すべき物質を加えることにより、チャネルインピーダンスが変化する。それでもなお信号線路５における電流を一定に保つために必要であるのは、信号電圧ＵSigを変化させることである。これによって電界効果トランジスタ１，３を介して異なる電圧が降下して、異なるチャネルインピーダンスがバランスされる。外部の障害を与える影響は、理想的なケースにおいて、測定センサとして機能する電界効果トランジスタ３のチャネルインピーダンスも、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のチャネルインピーダンスも共に同じだけ変化させるため、これらが、結果的に得られる信号電圧ＵSigに影響を与えることはない。信号線路５における電流を一定に保つために必要な信号電圧ＵSigは、測定信号として使用され、また１次において、少なくとも１つの検出すべき物質だけに依存する。
信号線路５において電流が一定に保たれる図４に示した実施形態においても可能であるのは、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１と、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３との間に場合によっては発生する違いを調整することであり、ここでこれは、非対称の電圧ＵSDを選択するか、すなわち、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のソース電極Ｓにおける−ＵSDの絶対値と、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のドレイン電極Ｄにおける＋ＵSDの絶対値とが異なるか、または信号線路５においてゼロと等しくない一定の電流を選択することによって行われる。
さらに２つの電界効果トランジスタ１，３に対して別の動作点、すなわちゼロと等しくないソース−ゲート電圧を選択することも可能である。このためには（図３に示したように）上記のゲート電極Ｇに電圧源９，１１を接続し、これらの電圧源により、ゼロとは異なる電圧をゲート電極に加えることができる。
【００３６】
図５には、図２に示した実施形態とは択一的な回路が示されている。
【００３７】
図４に示した実施形態と同様に、図５に示した実施形態においても信号線路５における電流を一定に保つ。同時に信号線路５に０Ｖの電位を加える。
【００３８】
信号線路５の電流を一定に保つため、基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のゲート電極に電圧源９を接続する。電圧源９における電圧を変えることによって信号線路５の電流を一定に保つ。そのために第１の電圧源９において信号電圧ＵSigを取り出す。ソース−ゲート電圧が変化することにより、基準素子として機能する電界効果トランジスタ１のチャネルインピーダンスが変化するため、これは可能である。基準素子として機能する第１の電界効果トランジスタ１のチャネルのインピーダンスと、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３のチャネルのインピーダンスとが同じである場合、信号線路５を通って電流は流れない。このような理由から、基準素子として機能する電界効果トランジスタ１のソース−ゲート電圧は、基準素子として機能するこの電界効果トランジスタ１におけるチャネルインピーダンスを正確に同じに変化させなければならない。ここでこの変化は、測定センサとして機能する電界効果トランジスタ３において、検出すべき物質が行う変化であり、これによって電流を一定に保つ。基準素子として機能する電界効果トランジスタ１において必要なソース−ゲート電圧は、測定量として、すなわち信号電圧ＵSigとして取り出すことができる。
【００３９】
障害を与える影響は、ふつう２つの電界効果トランジスタ１，３のチャネルインピーダンスを同様に変化させ、このために信号電圧ＵSigを変化させない。
【００４０】
ここで示した実施形態の他に、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３に０Ｖとは異なるソース−ゲート電圧を加えることも可能である。しかしながらこれにより、測定信号において相応する１つの信号オフセットしか得られない。さらに、基準素子として機能する電界効果トランジスタ１を一定のソース−ゲート電圧で作動させ、測定センサとして機能する第２の電界効果トランジスタ３における可変のソース−ゲート電圧を介して信号線路５における電流を制御することも可能である。
【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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【国際調査報告】
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