(57)【要約】ｐＨセンサ１は、計測イオン１０２と非計測イオン１０３とを含む計測対象１０１に設置されて、計測イオン１０２の濃度を得る。ｐＨセンサ１は、計測対象１０１の計測対象電圧（ＶＴ）を制御する計測対象電源１６と、計測イオン１０２を選択的に捕捉して、捕捉した計測イオン１０２の数に対応するｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）を生じさせる計測イオン感応膜７を含む計測ＩＳＦＥＴ２と、計測イオン感応膜７の膜制御電圧（ＶＣ）を制御する計測膜電源１８と、計測対象電源１６及び計測膜電源１８のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部１９と、を備える。
2019230917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、前記計測イオンの濃度を得るイオン濃度計測装置であって、
前記計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせる計測イオン感応膜を含む計測センサ部と、
前記計測イオン感応膜の電圧を制御する計測膜電源と、
前記計測対象電源及び前記計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、を備える、イオン濃度計測装置。
【請求項２】
前記計測膜電源に接続され、前記計測イオン感応膜に埋め込まれた計測膜電極をさらに備える、請求項１に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項３】
前記計測膜電極は、複数の電極リッジを含む、請求項２に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項４】
前記計測センサ部は、基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた前記計測イオン感応膜と、を有するイオン選択性電界効果型トランジスタである、請求項３に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項５】
前記電極リッジは、前記基板に形成されたソースとドレインとの間に流れる電流の方向と交差する方向に延びると共に、前記電流の方向に沿って互いに離間する、請求項４に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項６】
前記計測センサ部は、基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた前記計測イオン感応膜と、を有するイオン選択性電界効果型トランジスタであり、
前記基板の電圧を制御する基板電源をさらに備え、
前記電源制御部は、前記基板電源を制御する、請求項２又は３に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項７】
前記電源制御部は、前記非計測イオンの極性が負であるときに、前記計測イオン感応膜の電圧が前記計測対象の電圧よりも小さくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御する、請求項１〜６の何れか一項に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項８】
前記電源制御部は、前記非計測イオンの極性が正であるときに、前記計測イオン感応膜の電圧が前記計測対象の電圧よりも大きくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御する、請求項１〜６の何れか一項に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項９】
前記電源制御部は、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン感応膜の電圧との差分が小さくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測イオン感応膜への前記非計測イオンの浸潤を抑制する抑制動作と、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン感応膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測センサ部より捕捉された前記計測イオンの数に対応する電圧を得る計測動作と、を繰り返し行う、請求項１〜６の何れか一項に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項１０】
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせる補正イオン感応膜を含む補正センサ部と、
前記補正イオン感応膜の電圧を制御する補正膜電源と、をさらに備え、
前記電源制御部は、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン感応膜の電圧との差分が小さくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測イオン感応膜への前記非計測イオンの浸潤を抑制する第１の抑制動作と、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン感応膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測センサ部より捕捉された前記計測イオンの数に対応する電圧を得る第１の計測動作と、を繰り返し行い、
前記計測対象の電圧と前記補正イオン感応膜の電圧との差分が小さくなるように、前記計測対象電源及び前記補正膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記補正イオン感応膜への前記非計測イオンの浸潤を抑制する第２の抑制動作と、
前記計測対象の電圧と前記補正イオン感応膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、前記計測対象電源及び前記補正膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記補正センサ部より前記計測イオンの数に対応する電圧を得る第２の計測動作と、を繰り返し行い、
前記第２の計測動作は、前記第１の計測動作がｎ回（ｎは２以上の整数）実行されるごとに行われる、請求項１〜６の何れか一項に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項１１】
計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、前記計測イオンの濃度を得るイオン濃度計測装置であって、
前記計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせるイオン捕捉膜を含む計測センサ部と、
前記イオン捕捉膜の電圧を制御する計測膜電源と、
前記計測対象電源及び前記計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、を備える、イオン濃度計測装置。
【請求項１２】
前記計測膜電極は、ストライプ型である、請求項３〜５の何れか一項に記載のイオン濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン濃度計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素イオン指数（以下「ｐＨ」と呼ぶ）は、農業分野及び水質検査分野において重要な物理量である。ｐＨを計測する手段として、リトマス試験紙を用いる手段、ガラス電極を用いる手段及びイオン選択性電界効果型トランジスタ（Ion Sensitive Field Effect Transistor：ISFET）を用いる手段が知られている。例えば、非特許文献１は、ＩＳＦＥＴに関する技術を開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】タダユキ マツオ、マサヨシ エサシ（TADAYUKI MATSUO, MASAYOSHI ESASHI）、「ISFETの製造方法」（METHODS OF ISFET FABRICATION）、センサー・アンド・アクチュエーターズ（Sensors and Actuators）、 オランダ（Netherlands）、エルゼビア セコイア エス・エー（Elsevier Sequoia S.A.）、1981年、pp.77-96。
【非特許文献２】シャフリヤール ヤマス、スコット コリン、ローズマリー エル スミス（Shahriar Jamasb, Scott Collins, Rosemary L. Smith）、「pH ISFETにおけるドリフトの物理モデル」（A Physical model for drift in pH ISFETs）、センサー・アンド・アクチュエーターズ（Sensors and Actuators）、1998年、pp.146-155。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、農業分野においては、作物ごとに適した土壌のｐＨの値が存在することが知られている。そこで、土壌などの細かな粒子が混在する対象物のｐＨを長期間に亘って連続的に計測する技術が望まれている。リトマス試験紙を用いる計測手段は、連続的な計測には不向きである。ガラス電極を用いる手段は、ガラス電極と比較電極とを有する。比較電極は、被計測液と電極との電気的接続を確保するための液落部を有する。この液落部は、詰まりやすい。非特許文献２は、ＩＳＦＥＴの出力が経時的な特性変動（ドリフト）を含むことを開示する。従って、いずれの手段においても、イオン濃度に応じた信号を長期間に亘って連続的に安定して得ることが難しかった。【０００５】
本発明は、イオン濃度を長期間に亘って連続的に安定して得ることが可能なイオン濃度計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態のイオン濃度計測装置は、計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、計測イオンの濃度を得る。イオン濃度計測装置は、計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した計測イオンの数に対応する電圧を生じさせる計測イオン感応膜を含む計測センサ部と、計測イオン感応膜の電圧を制御する計測膜電源と、計測対象電源及び計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、を備える。【０００７】
このイオン濃度計測装置では、計測対象の計測対象電圧は計測対象電源から与えられる電圧に基づく。計測イオン感応膜の電圧は、捕捉した計測イオンに対応する電圧と計測膜電源から与えられる計測膜電圧とに基づく。電源制御部は、計測対象電源が出力する電圧と計測膜電源が出力する電圧との関係を制御する。例えば、電源制御部が計測対象電源及び計測膜電源を制御することにより、計測対象電圧に対する計測膜電圧の極性を非計測イオンの極性と同じにすることができる。また、電源制御部の制御によれば、計測対象電圧と計測膜電圧との差分を小さくすることもできる。このような計測対象電圧と計測膜電圧との関係によれば、非計測イオンを計測イオン感応膜に引き寄せることがない。その結果、非計測イオンが計測イオン感応膜に作用することで生じる計測イオン選択感応膜の出力におけるドリフトを抑制することができる。従って、イオン濃度計測装置は、イオン濃度に応じた信号を長期間に亘って連続的に安定して得ることができる。【０００８】
一形態において、イオン濃度計測装置は、計測膜電源に接続され、計測イオン感応膜に埋め込まれた計測膜電極をさらに備えてもよい。計測イオン感応膜の内部には、電界が生じる。この構成によれば、当該電界の勾配を大きくすることができる。電界の勾配が大きくなると、非計測イオンが計測イオン感応膜により近づきにくくなる。その結果、非計測イオンに起因するイオン選択性電界効果型トランジスタの出力が含むドリフトをさらに抑制することができる。【０００９】
一形態において、計測膜電極は、複数の電極リッジを含んでもよい。この構成によれば、非計測イオンの計測イオン感応膜への浸潤が抑制される。さらに、この構成によれば、イオン濃度を計測することができる。【００１０】
一形態において、センサ部は、基板と、基板上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられた計測イオン感応膜と、を有するイオン選択性電界効果型トランジスタであってもよい。この構成によれば、イオン濃度の変化を好適に捉えることができる。【００１１】
一形態において、電極リッジは、基板に形成されたソースとドレインとの間に流れる電流の方向と交差する方向に延びると共に、電流の方向に沿って互いに離間してもよい。この構成によれば、計測イオン感応膜が生じる電位差を好適に捉えることができる。【００１２】
一形態において、センサ部は、基板と、基板上に設けられた絶縁膜と、絶縁膜上に設けられた計測イオン感応膜と、を有するイオン選択性電界効果型トランジスタであり、基板の電圧を制御する基板電源をさらに備えてもよい。また、電源制御部は、基板電源を制御してもよい。この構成によれば、計測対象電圧と計測膜電圧との関係を非計測イオンの計測イオン感応膜への浸潤を抑制し得る関係に設定できる。さらに、イオン選択性電界効果型トランジスタの閾値制御を行うことができる。【００１３】
一形態において、電源制御部は、非計測イオンの極性が負であるときに、計測イオン感応膜の電圧が計測対象の電圧よりも小さくなるように、計測対象電源及び計測膜電源の少なくとも一方を制御してもよい。この構成によれば、極性が負である非計測イオンに起因するイオン選択性電界効果型トランジスタの出力が含むドリフトを抑制することができる。【００１４】
一形態において、電源制御部は、非計測イオンの極性が正であるときに、計測イオン感応膜の電圧が計測対象の電圧よりも大きくなるように、計測対象電源及び計測膜電源の少なくとも一方を制御してもよい。この構成によれば、極性が正である非計測イオンに起因するイオン選択性電界効果型トランジスタの出力が含むドリフトを抑制することができる。【００１５】
一形態において、電源制御部は、計測対象の電圧と計測イオン感応膜の電圧との差分が小さくなるように、計測対象電源及び計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、計測イオン感応膜への非計測イオンの浸潤を抑制する抑制動作と、計測対象の電圧と計測イオン感応膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、計測対象電源及び計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、計測センサ部より捕捉された計測イオンの数に対応する電圧を得る計測動作と、を繰り返し行ってもよい。この構成によれば、極性が正又は負である非計測イオンに起因するイオン選択性電界効果型トランジスタの出力が含むドリフトを抑制することができる。【００１６】
一形態におけるイオン濃度計測装置は、計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した計測イオンの数に対応する電圧を生じさせる補正イオン感応膜を含む補正センサ部と、補正イオン感応膜の電圧を制御する補正膜電源と、をさらに備え、電源制御部は、計測対象の電圧と計測イオン感応膜の電圧との差分が小さくなるように、計測対象電源及び計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、計測イオン感応膜への非計測イオンの浸潤を抑制する第１の抑制動作と、計測対象の電圧と計測イオン感応膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、計測対象電源及び計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、計測センサ部より捕捉された計測イオンの数に対応する電圧を得る第１の計測動作と、を繰り返し行い、計測対象の電圧と補正イオン感応膜の電圧との差分が小さくなるように、計測対象電源及び補正膜電源の少なくとも一方を制御することにより、補正イオン感応膜への非計測イオンの浸潤を抑制する第２の抑制動作と、計測対象の電圧と補正イオン感応膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、計測対象電源及び補正膜電源の少なくとも一方を制御することにより、補正センサ部より計測イオンの数に対応する電圧を得る第２の計測動作と、を繰り返し行い、第２の計測動作は、第１の計測動作がｎ回（ｎは２以上の整数）実行されるごとに行われてもよい。【００１７】
この構成によれば、補正センサ部は、第２の計測動作を第１の計測動作がｎ回（ｎは２以上の整数）実行されるごとに行う。つまり、第２の計測動作を行わない期間は、第２の抑制動作を行っている。そうすると、補正センサ部は、計測センサ部と比べて、抑制動作を行う時間が長くなる。従って、補正センサ部によれば、ドリフトの影響がより抑制されたデータを得ることができる。一方、計測センサ部は、補正センサ部よりも計測動作の回数が多いので、補正センサ部と比べてより多くのデータを得ることができる。しかし、計測動作の回数が増加すると、ドリフトの影響を含んでしまう。そこで、上記の構成では、ドリフトの影響を含むがより多くの計測データが得られる計測センサ部の出力を、ドリフトの影響が小さい計測データが得られる補正センサ部の出力を使って補正することが可能である。従って、長期間に亘って、ドリフトの影響が抑制された多数の計測データを得ることができる。【００１８】
また、別の形態におけるイオン濃度計測装置は、計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、計測イオンの濃度を得る。イオン濃度計測装置は、計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した計測イオンの数に対応する電圧を生じさせるイオン捕捉膜を含む計測センサ部と、イオン捕捉膜の電圧を制御する計測膜電源と、計測対象電源及び計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、を備えてもよい。【００１９】
一形態において、計測膜電極は、ストライプ型としてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、イオン濃度を長期間に亘って連続的に安定して得ることが可能なイオン濃度計測装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、第１実施形態のｐＨセンサの構成を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す計測イオン感応膜を拡大して示す図である。
【図３】図３は、計測対象電圧と膜電圧との関係を示す図である。
【図４】図４の（ａ）部は膜電極を模式的に示す図である。図４の（ｂ）部は図４の（ａ）部に示す構成の等価回路を示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態のｐＨセンサの構成を示す図である。
【図６】図６は、第３実施形態のｐＨセンサの動作を説明するための図である。
【図７】図７は、第４実施形態のｐＨセンサの構成を示す図である。
【図８】図８は、第４実施形態のｐＨセンサの動作を説明するための図である。
【図９】図９は、第４実施形態のｐＨセンサの動作フローを説明するための図である。
【図１０】図１０は、変形例１のｐＨセンサの構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実験例１及び参考例１の結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実験例２及び参考例２における装置構成を模式的に示す図である。
【図１３】図１３は、実験例２及び参考例２の結果を示すグラフである。
【図１４】図１４の（ａ）部は変形例２のｐＨセンサが備える電極を示す図であり、図１４の（ｂ）部は変形例３のｐＨセンサが備える電極を示す図である。
【図１５】図１５の（ａ）部は変形例４のｐＨセンサが備える電極を示す図であり、図１５の（ｂ）部は変形例５のｐＨセンサが備える電極を示す図である。
【図１６】図１６の（ａ）部は変形例６のｐＨセンサが備える電極を示す図であり、図１６の（ｂ）部は変形例７のｐＨセンサが備える電極を示す図である。
【図１７】図１７の（ａ）部は第１実施形態のｐＨセンサが備える計測ＩＳＦＥＴを示す図であり、図１７の（ｂ）部は変形例８のｐＨセンサが備える計測ＩＳＦＥＴを示す図である。
【図１８】図１８の（ａ）部は変形例９のｐＨセンサが備える計測ＩＳＦＥＴを示す図であり、図１８の（ｂ）部は変形例１０のｐＨセンサが備える計測ＩＳＦＥＴを示す図である。
【図１９】図１９の（ａ）部は変形例１１のｐＨセンサが備える計測ＩＳＦＥＴを示す図であり、図１９の（ｂ）部は変形例１２のｐＨセンサが備える計測ＩＳＦＥＴを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２３】
［第１実施形態］
図１に示すイオン濃度計測装置は、例えば、土壌である計測対象１０１に配置される。以下の説明では、イオン濃度計測装置を「ｐＨセンサ１」と呼ぶ。ｐＨセンサ１は、計測イオン１０２である水素イオンの濃度を直接且つ連続的に得る。以下の説明では、水素イオンの濃度を「ｐＨ」と呼ぶ。計測対象１０１は、計測イオン１０２と非計測イオン１０３とを含む。計測イオン１０２は、上述したように水素イオンが例示される。非計測イオン１０３は、水酸化物イオンなどが例示される。ｐＨセンサ１は、イオン選択性電界効果型トランジスタ（Ion Sensitive Field Effect Transistor：ISFET）を備える。ＩＳＦＥＴを備えるｐＨセンサ１は、計測イオン１０２が特異的に吸着する材料をＭＯＳＦＥＴのゲート部に感応膜として接続する。そして、ｐＨセンサ１は、計測イオン１０２の吸着密度の違いで発生する電圧変化を読み取る。この構成によれば、ｐＨセンサ１を土壌に直接に配置することが可能である。また、この構成によれば、ｐＨセンサ１の小型化及び高精度化を図ることもできる。
【００２４】
ｐＨセンサ１は、主要な構成要素として、計測ＩＳＦＥＴ２（計測センサ部）と、電源部３と、を有する。
【００２５】
計測ＩＳＦＥＴ２は、基板４と、絶縁膜６と、計測イオン感応膜７（イオン捕捉膜）と、保護膜８と、を有する。基板４は、例えばｎ型シリコンにより構成されている。基板４の一部には、ソース９及びドレイン１１が設けられている。ソース９は、ｐ型である。ドレイン１１も、ｐ型である。ソース９は、線路Ｌ１を介して基板４と電気的に接続されている。この接続によれば、ソース９は、基板４と同電位である。一方、ドレイン１１は、基板電源１２を有する線路Ｌ２を介して基板４と電気的に接続されている。基板電源１２は、ドレイン電圧を計測ＩＳＦＥＴ２に提供する。ソース９とドレイン１１との間の電位差は、ドレイン電圧である。
【００２６】
例えば、計測膜電源１８を接続しない構成であるとき、計測ＩＳＦＥＴ２の動作（閾値電圧）は、計測対象電源１６と基板４との電位差により決まる。計測ＩＳＦＥＴ２がＯＮ状態であるとき、ドレイン１１とソース９との間に電流が流れる。従って、チャネル１３の電圧は、ドレイン１１の電圧とソース９の電圧との中間値である。このとき、基板電源１２の電圧は、計測対象電源１６の電圧より大きい（閾値電圧＜計測対象電源１６の電圧＜基板電源１２の電圧）。その結果、計測ＩＳＦＥＴ２は、後述するドリフトを充分に抑制できない可能性が生じる。
【００２７】
計測膜電源１８によれば、後述する出力電圧のドリフトを抑制する条件と、計測ＩＳＦＥＴ２を動作させる条件と、を両立させることができる。出力電圧のドリフトを抑制する条件とは、計測膜電源１８の電圧が計測対象電源１６の電圧より小さい（計測膜電源１８の電圧＜計測対象電源１６の電圧）というものである。計測ＩＳＦＥＴ２を動作させる条件とは、閾値電圧が計測膜電源１８の電圧より小さく、計測膜電源１８の電圧が基板電源１２の電圧より小さい（閾値電圧＜計測膜電源１８の電圧＜基板電源１２の電圧）というものである。従って、計測膜電源１８によれば、計測イオン感応膜７における不均一さが解消される。その結果、ドリフトの抑制が容易になるので、ドリフトを充分に抑制することができる。さらに、ドレイン１１の電圧としての基板電源１２の電圧を所望の値に設定できる。
【００２８】
基板４の主面には、絶縁膜６が設けられている。この主面は、ソース９、ドレイン１１及びチャネル１３のそれぞれの主面を含む。絶縁膜６は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）により構成されている。絶縁膜６は、計測イオン感応膜７と、保護膜８と、に覆われている。つまり、絶縁膜６の主面には、計測イオン感応膜７と保護膜８とが設けられている。計測イオン感応膜７は、絶縁膜６を介してチャネル１３上に設けられている。つまり、計測イオン感応膜７は、ＦＥＴにおけるゲートとして機能する。計測イオン感応膜７は、計測対象１０１に対して直接に接触する。計測イオン感応膜７は、計測対象１０１に含まれる計測イオン１０２を選択的に捕捉する。計測イオン１０２は、水素イオンである。従って、計測イオン感応膜７には、水素イオンに対して特異的な吸着を促すＯＨ基を膜表面に有する材料が用いられる。例えば、計測イオン感応膜７には、Ｓｉ３Ｎ４又はＴａ２Ｏ５などを用いてよい。計測イオン感応膜７に覆われていない絶縁膜６の主面には、保護膜８が設けられている。保護膜８として、例えば、酸化シリコン膜８ａ（ＳｉＯｘ）及び窒化シリコン膜８ｂ（ＳｉＮｘ）を用いてよい。
【００２９】
電源部３は、計測対象電極１４と、計測対象電源１６と、計測膜電極１７と、計測膜電源１８と、電源制御部１９と、を有する。
【００３０】
計測対象電源１６は、線路Ｌ３によって計測対象電極１４と電気的に接続されている。計測対象電源１６は、線路Ｌ４によってソース９と電気的に接続されている。従って、計測対象電源１６の電圧の基準は、ソース９の電位或いは基板４の電位である。以下の説明では、計測対象電源１６の電圧の基準は、ソース９の電位であるとして説明する。
【００３１】
計測対象電極１４及び計測対象電源１６は、ソース９の電位と計測対象１０１の電位との差を一定に保つ。換言すると、計測対象電極１４及び計測対象電源１６は、ソース９の電位を基準とした計測対象１０１の電位を一定に保つ。以下の説明において、ソース９の電位と計測対象１０１の電位の差を「計測対象電圧（ＶＴ）」と称する。計測対象電圧（ＶＴ）は、参照電圧と称してもよい。計測対象電極１４は、計測対象１０１に配置される。例えば、計測対象１０１が土壌である場合には、計測対象電極１４は土壌に配置される。計測対象電極１４は、計測対象１０１に対して計測対象電圧（ＶＴ）を印加する。計測対象電圧（ＶＴ）は、計測対象電極１４に接続された計測対象電源１６から出力される。計測対象電源１６は、電源制御部１９から出力される制御信号に応じて、計測対象電圧（ＶＴ）を制御する。つまり、計測対象電圧（ＶＴ）は、可変である。
【００３２】
計測膜電源１８は、線路Ｌ５によって計測膜電極１７と電気的に接続されている。また、計測膜電源１８は、線路Ｌ６によってソース９と電気的に接続されている。従って、計測膜電源１８が生じる電圧の基準は、ソース９の電位又は基板４の電位である。計測膜電源１８が出力する電圧の基準は、計測対象電源１６の電位であってもよい。
【００３３】
計測膜電極１７及び計測膜電源１８は、計測イオン感応膜７の電圧を制御する。つまり、実施形態に係るｐＨセンサ１は、計測イオン感応膜７の電圧を能動的に制御する。計測イオン感応膜７の電圧とは、計測対象１０１の電位と計測イオン感応膜７の電位との差である。以下の説明において、計測対象１０１の電位と計測イオン感応膜７の電位との差を「膜電圧（ＶＦ）」と称する。計測イオン感応膜７の電位は、計測膜電極１７から与えられる電位と、計測イオン感応膜７に計測イオン１０２が捕捉されることにより生じる電位との和である。以下の説明において、計測膜電極１７から与えられる電位を「膜制御電圧（ＶＣ）」と称する。膜制御電圧（Ｖｃ）の基準は、ソース９の電位である。計測膜電極１７及び計測膜電源１８は、膜制御電圧（ＶＣ）を制御する。
【００３４】
計測膜電極１７は、計測イオン感応膜７の内部に配置されている。計測膜電極１７は、計測イオン感応膜７に埋め込まれている。計測膜電極１７は、縞状を呈する。換言すると、計測膜電極１７は、ストライプ状を呈する。計測膜電極１７は、複数の電極リッジ１７ａを含む。複数の電極リッジ１７ａは、互いに電気的に接続されている。複数の電極リッジ１７ａは、互いに同電位である。電極リッジ１７ａは、絶縁膜６の主面に接する。電極リッジ１７ａは、所定の方向に延びる。この所定の方向は、ソース９からドレイン１１へ向けて流れるドレイン電流２００の向きと直交する。電極リッジ１７ａは、ドレイン電流２００の向きに沿って、互いに離間している。つまり、計測イオン感応膜７の一部および電極リッジ１７ａは、ドレイン電流２００の向きに沿って交互に配置されている。例えば、互いに隣接する電極リッジ１７ａの間隔は、６００ｎｍである。電極リッジ１７ａの先端面は、計測イオン感応膜７に覆われている。電極リッジ１７ａの先端面は、計測対象１０１に対して露出しない。電極リッジ１７ａの先端面は、計測対象１０１に直接に接触しない。
【００３５】
以下、後述する第２実施形態のｐＨセンサ１Ａ（図５参照）について説明した後に、上記の構成を有する第１実施形態のｐＨセンサ１の作用効果について詳細に説明する。以下の説明では、計測対象１０１として溶液を例示する。また、計測イオン１０２として水素イオンを例示する。さらに、非計測イオン１０３として水酸化物イオンを例示する。
【００３６】
ｐＨセンサ１Ａは、計測膜電極１７及び計測膜電源１８を有しない点で、実施形態のｐＨセンサ１と相違する。ｐＨセンサ１Ａは、能動的に計測イオン感応膜の膜電圧（ＶＦ）を制御しない。換言すると、ｐＨセンサ１Ａは、独立して計測イオン感応膜の膜電圧（ＶＦ）を制御しない。ｐＨセンサ１Ａにおける計測膜電極１７及び計測膜電源１８を除くその他の構成は、ｐＨセンサ１と共通である。
【００３７】
ｐＨセンサ１Ａは、計測対象電極１４から計測対象電圧（ＶＴ）を溶液に印加する。従って、計測対象１０１は、計測対象電圧（ＶＴ）を有する。計測イオン感応膜７に水素イオンが選択的に捕捉されると、膜電位が変化する。具体的には、正の電荷を有する水素イオンによって、膜電位は、正極性の側に高くなる。計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）とを比較すると、計測対象電圧（ＶＴ）より膜電圧（ＶＦ）が高い（ＶＴ＜ＶＦ）。計測対象１０１を基準とすると、計測イオン感応膜７は、正に帯電しているように見える。計測対象１０１に含まれている水酸化物イオンは、負の電荷を有する。その結果、水酸化物イオンは、計測イオン感応膜７に引き寄せられる。さらには、水酸化物イオンは、計測イオン感応膜７に浸潤する。そして、水酸化物イオンは、計測対象電圧（ＶＴ）よりも高い電圧であるドレイン電圧に引き寄せられる。その結果、計測イオン感応膜７の中へ水酸化物イオンが浸潤する。計測イオン感応膜７への水酸化物イオンの浸潤によれば、膜電位が低下する。水酸化物イオンの計測イオン感応膜７への浸潤は、時間の経過と共に進行する。そして、水酸化物イオンの計測イオン感応膜７への浸潤は、徐々に収束する。
【００３８】
ところで、ｐＨセンサ１Ａの出力は、ゲート電圧（ＶＧ）に基づく。ゲート電圧（ＶＧ）は、下記式（１）によって示される。つまり、ゲート電圧（ＶＧ）は、計測対象電圧（ＶＴ）と、膜電圧（ＶＦ）との和である。
【数１】
2019230917.tif 000003
【００３９】
そして、膜電圧（ＶＦ）は、計測イオン感応膜７に水素イオンが捕捉されることによって生じる電位に基づく。この電位に基づいて「ｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）」を規定する。ｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）の基準は、例えばソース９の電位としてよい。そうすると、式（１）は、式（２）として示される。
【数２】
2019230917.tif 000004
【００４０】
上述のように、計測イオン感応膜７に水酸化物イオンが浸潤すると、水酸化物イオンの数に応じて、計測イオン感応膜７の電位が変化する。この浸潤した水酸化物イオンに起因する電位に基づいて、「ドリフト電圧（ＶＤ）」を規定する。ここで「ドリフト」とは、時間の経過と共に非計測イオン１０３が計測イオン感応膜７に浸透し、当該膜に電荷が蓄積されて、計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧が変化することを意味する。ドリフト電圧（ＶＤ）の基準は、例えばソース９の電位としてよい。ドリフト電圧（ＶＤ）を考慮すると、ゲート電圧（ＶＧ）は、式（３）として示される。
【数３】
2019230917.tif 000005
【００４１】
ドリフト電圧（ＶＤ）は、浸潤した水酸化物イオンの数に応じる。つまり、時間の経過と共に浸潤する水酸化物イオンの数が増えると、ドリフト電圧（ＶＤ）は大きくなる。その結果、計測対象電圧（ＶＴ）及びｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）が一定であっても、ドリフト電圧（ＶＤ）の変動に起因して、ゲート電圧（ＶＧ）が変化する。つまり、ｐＨセンサ１Ａの出力が変化する。このドリフト電圧（ＶＤ）に起因するｐＨセンサ１Ａの出力の変化を、「ドリフト」と呼ぶ。
【００４２】
上記の問題に対し、発明者らが鋭意検討した結果、ドリフトの要因が非計測イオン１０３の浸潤であるとすれば、非計測イオン１０３の浸潤を抑制することによってドリフトを抑制できるという着想を得た。そこで、実施形態に係るｐＨセンサ１は、計測イオン感応膜７の膜電圧（ＶＦ）を能動的に制御することにより、非計測イオン１０３の浸潤を抑制する。
【００４３】
図２に示すように、ｐＨセンサ１は、計測イオン感応膜７に埋め込まれた計測膜電極１７を有する。計測膜電極１７は、膜制御電圧（ＶＣ）を提供する。計測膜電極１７は、ドレイン電極より計測対象１０１に近い。従って、膜電圧（ＶＦ）は、当該膜制御電圧（ＶＣ）とｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）との和（ＶＦ＝ＶＣ＋ＶＰＨ）と規定できる（図３参照）。図３によれば、膜制御電圧（ＶＣ）は、ゲート電圧（ＶＧ）の基準を能動的に設定するバイアス電圧である。計測ＩＳＦＥＴ２は、ゲート電圧（ＶＧ）が閾値電圧（ＶＴＨ）以上である場合に動作する。従って、膜制御電圧（ＶＣ）は、閾値電圧（ＶＴＨ）以上に設定される。膜制御電圧（ＶＣ）を基準とした電圧の変動分は、ｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）である。ｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）は、捕捉した計測イオン１０２に対応する。
【００４４】
この規定の元に、膜制御電圧（ＶＣ）は、下記式（４）を満たす値に設定される。換言すると、膜制御電圧（ＶＣ）は、計測対象電圧（ＶＴ）より小さい。さらに換言すると、膜制御電圧（ＶＣ）は、計測対象電圧（ＶＴ）より小さい。また、計測対象１０１を基準とすれば、計測イオン感応膜７は、負に帯電している。例えば、計測対象電圧（ＶＴ）を５００ｍＶであるとき、膜制御電圧（ＶＣ）は０ｍＶである。
【数４】
2019230917.tif 000006
【００４５】
計測膜電極１７が埋め込まれた計測イオン感応膜７は、感応領域Ｓ１と、電極領域Ｓ２と、を含む。感応領域Ｓ１は、電極リッジ１７ａの間に形成される。感応領域Ｓ１は、計測イオン感応膜７の厚み方向において電極リッジ１７ａを含まない。感応領域Ｓ１によれば、感応領域Ｓ１の主面に計測イオン１０２が捕捉されて発生する電位の変化を、得ることができる。この電位の変化は、ｐＨ起因電圧（ＶＰＨ）の変化である。
【００４６】
電極領域Ｓ２は、電極リッジ１７ａを含む。電極領域Ｓ２は、計測イオン感応膜７の厚み方向において計測イオン感応膜７の一部と、電極リッジ１７ａとを含む。電極リッジ１７ａに膜制御電圧（ＶＣ）が印加されると、図２の破線矢印に示す電界が計測イオン感応膜７の内部に生じる。具体的には、電界は、電極リッジ１７ａの主面上における計測イオン感応膜７の部分と、感応領域Ｓ１と、に生じる。
【００４７】
膜制御電圧（ＶＣ）が上記式（４）を満たすとき、膜制御電圧（ＶＣ）に起因する電界は、負の電荷を有する非計測イオン１０３に対して斥力を及ぼす。この斥力は、計測イオン感応膜７への非計測イオン１０３の近接を阻害する。つまり、非計測イオン１０３は、計測イオン感応膜７に近寄り難くなる。従って、計測イオン感応膜７への非計測イオン１０３の浸潤が抑制される。その結果、式（３）におけるドリフト電圧（ＶＤ）が変化しなくなるので、ドリフトが生じなくなる。従って、ゲート電圧（ＶＧ）が安定化する。
【００４８】
要するに、このｐＨセンサ１における溶液３０３の電圧は、計測対象電源１６から与えられる計測対象電圧（ＶＴ）に基づく。計測イオン感応膜７の膜電圧（ＶＦ）は、捕捉した計測イオン１０２に対応するｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）と計測膜電源１８から与えられる膜制御電圧（ＶＣ）とに基づく。電源制御部１９は、計測対象電源１６が出力する計測対象電圧（ＶＴ）と計測膜電源１８が出力する膜制御電圧（ＶＣ）との関係を制御する。具体的には、電源制御部１９は、計測対象電圧（ＶＴ）に対する膜制御電圧（ＶＣ）の極性が非計測イオン１０３の極性と同じとなるように計測膜電源１８を制御する。このような計測対象電圧（ＶＴ）と膜制御電圧（ＶＣ）との関係によれば、非計測イオン１０３を計測イオン感応膜７に対して引き寄せることがない。その結果、非計測イオン１０３が計測イオン感応膜７に作用することで生じる計測ＩＳＦＥＴ２の出力におけるドリフトを抑制することができる。従って、ｐＨセンサ１は、ｐＨを長期間に亘って連続的に安定して得ることができる。
【００４９】
換言すると、非計測イオン１０３の浸潤を抑制する電界を生じさせる計測膜電極１７の電極リッジ１７ａは、計測イオン感応膜７において、計測対象１０１の電位とソース９の電位との電位差を捉える感応領域Ｓ１に隣接するように設けられる。ｐＨセンサ１は、計測対象１０１と計測イオン感応膜７との間の電位差を制御する。その結果、計測イオン感応膜７への非計測イオン１０３の浸潤が抑制される。さらに、ｐＨの計測が可能な閾値電圧（ＶＴＨ）の電位を保つことも可能である。非計測イオン１０３の浸潤の抑制によって、ドリフトが抑制される。その結果、ｐＨの計測を行いつつ、計測イオン感応膜７に対する非計測イオン１０３の浸潤を抑制することができる。従って、長期間に亘って安定した計測を実現できる。
【００５０】
電源制御部１９は、非計測イオン１０３の極性が負であるときに、膜制御電圧（ＶＣ）が計測対象電圧（ＶＴ）よりも小さくなるように、計測膜電源１８を制御する。この構成によれば、極性が負である非計測イオン１０３に起因するドリフトを抑制することができる。
【００５１】
ｐＨセンサ１は、計測膜電源１８と接続され、計測イオン感応膜７に埋め込まれた計測膜電極１７をさらに備える。計測イオン感応膜７の内部には、電界が生じる。この構成によれば、当該電界の勾配を大きくすることができる。従って、非計測イオン１０３が計測イオン感応膜７により近づきにくくなる。その結果、非計測イオン１０３に起因するドリフトをさらに抑制することができる。
【００５２】
計測膜電極１７は、複数の電極リッジ１７ａを含むストライプ型の電極である。この構成によれば、非計測イオン１０３の計測イオン感応膜７への浸潤を抑制することができる。さらに、この構成によれば、ｐＨを計測することができる。
【００５３】
図４の（ａ）部に示すように、電極リッジ１７ａは、計測ＩＳＦＥＴ２のソース９とドレイン１１との間に流れるドレイン電流２００の方向と交差する方向に延びる。また、電極リッジ１７ａは、ドレイン電流の方向に沿って互いに離間する。この構成によれば、計測イオン感応膜７が生じる電位差を好適に捉えることができる。
【００５４】
図４の（ｂ）部は、図４の（ａ）部に示す構成を電気回路の等価モデルである。計測イオン感応膜７は、計測イオン１０２の捕捉に応じてｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）が変化する。その結果、ゲート電圧（ＶＧ）が変化する（式（３）参照）。そして、当該ゲート電圧（ＶＧ）に応じて、ソース９とドレイン１１との間のチャネル１３におけるドレイン電流の流れやすさ（つまり電気抵抗）が変化する。従って、図４の（ｂ）部に示すように、図４の（ａ）部に示す構成は、ソース９とドレイン１１と電気的接続において、複数の抵抗成分Ｒが直列に接続されたものとしてモデル化できる。抵抗成分Ｒは、電極リッジ１７ａを含まない感応領域Ｓ１に対応する。
【００５５】
図４の（ｂ）部に示す直列接続モデルでは、各抵抗成分Ｒの大きさの変化が、ドレイン電流に敏感に反映される。従って、ｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）の変化を好適に捉えられる。その結果、精度の良いｐＨを得ることができる。
【００５６】
［第２実施形態］
図５を参照しつつ、第２実施形態のｐＨセンサ１Ａについて説明する。第２実施形態のｐＨセンサ１Ａは、計測膜電源１８及び計測膜電極１７を備えない点で、第１実施形態のｐＨセンサ１と相違する。ｐＨセンサ１Ａのその他の構成は、第１実施形態に係るｐＨセンサ１の構成と同じである。
【００５７】
第１実施形態の作用効果に説明では、ｐＨセンサ１Ａが膜電圧（ＶＦ）を制御しない動作を例示した。しかし、非計測イオン１０３の浸潤は、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）との差に基づく。そこで、計測対象電圧（ＶＴ）を能動的に制御することにより、浸潤を抑制し得る条件を満たしてもよい。第２実施形態のｐＨセンサ１Ａは、計測対象電圧（ＶＴ）を能動的に制御することにより、非計測イオン１０３の浸潤を抑制する。
【００５８】
ｐＨセンサ１Ａの電源制御部１９は、計測対象電源１６から出力する計測対象電圧（ＶＴ）を制御する。電源制御部１９は、第１動作を行う。第１動作では、第１計測対象電圧（ＶＴ１）が計測対象電極１４を介して計測対象１０１に提供される。第１動作は、予め設定された所定時間だけ継続される。第１計測対象電圧（ＶＴ１）が計測対象１０１に提供された状態では、計測ＩＳＦＥＴ２から出力電圧が得られる。従って、第１動作は、計測動作である。出力電圧は、計測イオン感応膜７への計測イオン１０２の捕捉の程度に応じる。第１計測対象電圧（ＶＴ１）は、計測ＩＳＦＥＴ２の閾値電圧（ＶＴＨ）より大きい。このとき、第１計測対象電圧（ＶＴ１）と膜電圧（ＶＦ）との関係は、式（５）により示される。膜電圧（ＶＦ）は、第１計測対象電圧（ＶＴ１）より大きい。
【数５】
2019230917.tif 000007
【００５９】
所定時間の経過後、電源制御部１９は、第２動作を行う。第２動作において、電源制御部１９は、計測対象電極１４を介して第２計測対象電圧（ＶＴ２）を計測対象１０１に提供する。第２動作は、ドレイン１１の電極の電圧とソース９の電極の電圧との差分を小さくする。換言すると、第２動作は、ドレイン１１の電極とソース９の電極とを互いに同電位とする。さらに、第２動作は、ドレイン１１の電極の電圧と基板４の電極の電圧との差分を小さくする。換言すると、第２動作は、ドレイン１１の電極と基板４の電極とを互いに同電位にする。第２計測対象電圧（ＶＴ２）は、ソース電圧（ＶＳ）と同電位である。第２動作であるとき、ソース電圧（ＶＳ）と第２計測対象電圧（ＶＴ２）との間には、電圧差が生じない。換言すると、この状態は、ソース９を計測対象電極１４に直結した状態である。この状態では、ゲート電圧（ＶＧ）が計測ＩＳＦＥＴ２の閾値電圧（ＶＴＨ）を満たさない。従って、計測ＩＳＦＥＴ２からの出力は得られない。一方、この状態では、第２計測対象電圧（ＶＴ２）と膜電圧（ＶＦ）との関係は、式（６）により示される。
【数６】
2019230917.tif 000008
【００６０】
つまり、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）とは互いに同電位となる。この状態では、正の電荷又は負の電荷を有する非計測イオン１０３に対して、非計測イオン１０３を計測イオン感応膜７に引き寄せる力が生じない。従って、計測イオン感応膜７へ非計測イオン１０３が浸潤し難くなる。その結果、ドリフトの程度を低減することができる。
【００６１】
［第３実施形態］
図６を参照しつつ、第３実施形態のｐＨセンサ１Ｂについて説明する。ｐＨセンサ１Ｂの装置構成は、ｐＨセンサ１の装置構成と同じである。一方、ｐＨセンサ１Ｂは、その動作がｐＨセンサ１と相違する。具体的には、ｐＨセンサ１Ｂは、非計測イオン１０３の浸潤を抑制する態様として、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）とを互いに同電位とする。換言すると、ｐＨセンサ１Ｂは、非計測イオン１０３の浸潤を抑制する態様として、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）との差分を小さくする。
【００６２】
図６の（ａ）部は、計測対象電圧（ＶＴ）（グラフＧ６ａ）と膜電圧（ＶＦ）（グラフＧ６ｂ）との関係を示す。縦軸は、電圧を示す。横軸は時間を示す。ｐＨセンサ１Ｂの電源制御部１９は、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）とを同電位とする動作（抑制動作）と、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）とを異ならせる動作（計測動作）と、繰り返す。
【００６３】
具体的には、電源制御部１９は、計測対象電圧（ＶＴ）が一定となるように計測対象電源１６を制御する（グラフＧ６ａ参照）。これに対して、電源制御部１９は、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）とが互いに異なる電位（ＶＴ＞ＶＦ）となるように計測膜電源１８を制御する（グラフＧ６ｂの区間Ｋ１参照）。この制御によって、計測動作が実行される。より詳細には、計測膜電源１８の膜電圧（ＶＦ）は、計測イオン感応膜７に提供する膜制御電圧（ＶＣ）によって制御される。その結果、図６の（ｂ）部に示すように、出力電圧が得られる。さらに、電源制御部１９は、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電位（ＶＦ）とが同電位（ＶＴ＝ＶＦ）となるように、計測膜電源１８を制御する（グラフＧ６ｂの区間Ｋ２参照）。この制御によって、抑制動作が実行される。この場合には、図６の（ｂ）部に示すように、出力電圧は得られない。
【００６４】
このような動作によっても、ドリフトの程度が低減されたデータを得ることができる。
【００６５】
［第４実施形態］
ところで、第３実施形態のｐＨセンサ１Ｂの動作において、計測動作のときには、計測ＩＳＦＥＴ２から出力が得られる（図６の（ｂ）部、区間Ｋ１参照）。しかし、計測イオン感応膜７への非計測イオン１０３の浸潤は、抑制されない。一方、ｐＨセンサ１Ｂが抑制動作を行うときには、計測イオン感応膜７への非計測イオン１０３の浸潤が抑制される。しかし、計測ＩＳＦＥＴ２から出力が得られない（図６の（ｂ）部、区間Ｋ２参照）。つまり、ドリフトを抑制しようとすると、計測動作での動作回数（動作時間）が制限されてしまう。一方、より多くの計測ＩＳＦＥＴ２から出力を得ようとすると、ドリフトの抑制が不足する。
【００６６】
そこで、第４実施形態のｐＨセンサは、ドリフトの影響を低減すると共により多くのデータが得られる構成を採用する。
【００６７】
図７に示すように、第４実施形態のｐＨセンサ１Ｃは、計測ＩＳＦＥＴ２と、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃ（補正センサ部）と、電源部３Ｃと、データ処理部３０と、を有する。ｐＨセンサ１Ｃは、計測ＩＳＦＥＴ２を用いて、より多くの出力を得る。しかし、この出力は、ドリフトの影響を含んでいる。そこで、ｐＨセンサ１Ｃは、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力を利用して、計測ＩＳＦＥＴ２の出力に含まれるドリフト成分を補正する。この構成によれば、ドリフトの進行状況を把握することができる。そのうえ、ドリフトを補正するためのデータを取得することができる。さらに、この構成によれば、より長期間の計測を可能とする。
【００６８】
計測ＩＳＦＥＴ２及び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃは、それぞれ、第１実施形態の計測ＩＳＦＥＴ２と同様の構成を有する。一方、電源部３Ｃは、計測対象電源１６と、計測膜電源１８と、補正膜電源１８Ｃと、基板電源１２、１２Ｃと、を有する。補正膜電源１８Ｃは、補正膜電極１７Ｃに接続されている。補正膜電極１７Ｃは、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃが備える補正イオン感応膜７Ｃに埋め込まれている。
【００６９】
データ処理部３０は、電圧センサ３１を介して計測ＩＳＦＥＴ２に接続されている。データ処理部３０は、電圧センサ３２を介して補正ＩＳＦＥＴ２Ｃに接続されている。データ処理部３０は、計測ＩＳＦＥＴ２及び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧に基づいて、計測対象１０１のｐＨを算出する。より具体的には、データ処理部３０は、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧を利用して、計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧に含まれるドリフト成分を補正する。そして、データ処理部３０は、補正された計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧を利用して、計測対象１０１のｐＨを得る。データ処理部３０は、例えば、パーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータといったコンピュータにおいて、以下に示す動作を行うように記述されたプログラムを実行することにより実現される。
【００７０】
データ処理部３０は、計測ＩＳＦＥＴ２及び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃから出力電圧に関するデータを受ける。これらの接続態様は、特に制限はない。データ処理部３０は、計測ＩＳＦＥＴ２及び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃに対して有線接続されてもよい。データ処理部３０は、計測ＩＳＦＥＴ２及び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃに対して無線接続されてもよい。また、データ処理部３０は、計測ＩＳＦＥＴ２及び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃに対してインターネット回線などを介して接続されてもよい。さらに、出力電圧に関するデータは、計測ＩＳＦＥＴ２及び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃに接続されたデータ記録媒体に一時的に記録されてもよい。そして、出力電圧に関するデータは、当該データ記録媒体を介して、データ処理部３０に出力電圧に関するデータが提供されてもよい。
【００７１】
以下、図８及び図９を参照しながら、ｐＨセンサ１Ｃの動作について説明する。ｐＨセンサ１Ｃの動作は、電源制御部１９Ｂ及びデータ処理部３０によって行われる。
【００７２】
ｐＨセンサ１Ｃを計測対象１０１に設置する（ステップＴ１０）。このとき、計測ＩＳＦＥＴ２の計測イオン感応膜７と補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの補正イオン感応膜７Ｃとは、同じ計測対象１０１に触れている。計測ＩＳＦＥＴ２と補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力特性は、既知である。例えば、出力特性は、ｐＨの変化に対する計測ＩＳＦＥＴ２等の出力電圧の変化を含んでもよい。また、出力特性は、計測ＩＳＦＥＴ２に接続される回路の増幅率を含んでもよい。
【００７３】
次に、計測開始時における初期状態値を得る（ステップＴ２０）。初期状態値には、イオン濃度、計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ）、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ）を含んでもよい。例えば、イオン濃度は、計測ＩＳＦＥＴ２を用いて得てもよい。イオン濃度は、その他のイオン濃度計測装置を用いて得てもよい。また、計測開始時における初期状態値が既知の場合には、ステップＴ２０を省略してもよい。
【００７４】
計測データと補正データとを取得する（ステップＴ３０）。電源制御部１９Ｂは、計測対象電源１６を制御して、計測対象電圧（ＶＴ）を一定値に保つ（図８の（ａ）部グラフＧ８ａ参照）。電源制御部１９Ｂは、計測ＩＳＦＥＴ２を計測動作とする制御と、抑制動作とする制御と、を繰り返し実行する（図８の（ａ）部グラフＧ８ｂ参照）。例えば、計測ＩＳＦＥＴ２では、１５秒の計測動作と、３０分の抑制動作とが、繰り返される。
【００７５】
上記の計測ＩＳＦＥＴ２の動作と並行して、電源制御部１９Ｂは、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃを制御する。具体的には、電源制御部１９Ｂは、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃを計測動作とする制御と、抑制動作とする制御と、を繰り返し実行する（図８の（ｂ）部グラフＧ８ｃ参照）。
【００７６】
一方、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの計測動作及び抑制動作の周期は、計測ＩＳＦＥＴ２の周期と異なっている。ｐＨセンサ１Ｃは、計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作と補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの計測動作とが同時に行われたときを基準として、ｎ回目（ｎは２以上の整数）の計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作であるときに、再び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの計測動作を実行する。
【００７７】
ｐＨセンサ１Ｃは、計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作をカウントするパラメータとして符号（ｎ）を用いる。例えば、ｎ＝１は、１回目の計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作であることを示す。ｎ＝１０は、１０回目の計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作であることを示す。
【００７８】
補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの計測動作と同時に行われた計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作の数をｎ＝１とする。そして、計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作の回数がｎ＝１０であるとき、再び補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの計測動作を実行する。換言すると、計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作の回数がｎ＝２〜９であるとき、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃは抑制動作を維持し続ける。
【００７９】
上述の動作により、計測データ及び補正データが得られる。なお、計測動作の継続時間（１５秒）、計測ＩＳＦＥＴ２における抑制動作の継続時間（３０分）、計測ＩＳＦＥＴ２の計測動作と同期する補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの計測動作のタイミング（ｎ＝１０、２０、３０…）などの条件は、例示であって、本発明の内容を限定するものではない。
【００８０】
例えば、計測ＩＳＦＥＴ２は、３０分の抑制動作と１５秒の計測動作とを切り替えながら動作させてよい。補正ＩＳＦＥＴ２Ｃは、１か月の連続的な抑制動作と、１５秒の計測動作と、を切り替えながら動作させる。補正ＩＳＦＥＴ２Ｃを計測動作として動作させるとき、計測ＩＳＦＥＴ２も同時に計測動作となるように、動作タイミングを制御する。
【００８１】
例えば、計測ＩＳＦＥＴ２では、その動作を計測動作と抑制動作とで相互に切り替えている。しかし、原理的には、計測ＩＳＦＥＴ２を抑制動作に切り替える必要はなく、常に計測動作として動作させてもよい。その一方で、計測ＩＳＦＥＴ２を計測動作と抑制動作とで相互に切り替えることにより、ドリフトの進行を遅らせることができる。従って、より長期間に亘ってイオン濃度を計測し続けることが可能となる。
【００８２】
次に、補正データを用いて計測データを補正する（ステップＴ４０）。ステップＴ４０は、少なくとも以下のステップＴ４１〜Ｔ４４を含む。
【００８３】
計測開始時（計測回数：ｎ＝１）に得た計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ：ｎ＝１）と、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ：ｎ＝１）と、の差分（ΔＶｎ＝１＝ＶＭ：ｎ＝１−ＶＲ：ｎ＝１）を得る（ステップＴ４１）。
【００８４】
次に、ドリフトの大きさを算出する（ステップＴ４２）。例えば、計測回数：ｎ＝１０であるときの計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ：ｎ＝１０）と、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ：ｎ＝１０）と、の差分（ΔＶｎ＝１０）を得る。そして、当該差分（ΔＶｎ＝１０）と、計測開始時の差分（ΔＶｎ＝１）との変化量（ΔＶｎ＝１０−ΔＶｎ＝１）を得る。この変化量が、計測回数：ｎ＝１〜１０において生じたドリフトを示す。
【００８５】
次に、計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ：ｎ＝１０）を補正する（ステップＴ４３）。すなわち、変化量（ΔＶｎ＝１０−ΔＶｎ＝１）を用いて、計測回数：ｎ＝１０であるときの計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ：ｎ＝１０）を補正する（ＶＭＲ：ｎ＝１０＝ＶＭ：ｎ＝１０＋（ΔＶｎ＝１０−ΔＶｎ＝１））。この計算によって得られる値が、ドリフト補正がなされた計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭＲ：ｎ＝１０）である。
【００８６】
補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ）を同時に計測しないときの計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ）は、直近に得た差分データを用いて補正してよい。例えば、計測回数：ｎ＝２〜９における出力電圧（ＶＭ：ｎ＝２〜９）は、１回目の差分データ（ΔＶｎ＝１）又は１０回目の差分データ（ΔＶｎ＝１０）を用いて補正してよい。ドリフトと計測積算時間との関係はある程度予測することが可能である。この予想可能な時間の範囲に基づいて、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ）を得るタイミングを決定してよい。例えば、計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ）を１０回取得するごとに、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ）を得てもよい。また、計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ）を１００回取得するごとに、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ）を得てもよい。例えば、ｐＨ感度（例えば５９ｍＶ／ｐＨ）に対し十分小さなドリフト量（例えば１ｍＶなど）であれば補正の必要性は相対的に低くなる。つまり、補正ＩＳＦＥＴ２Ｃの出力電圧（ＶＲ）を得る間隔を長く設定してよい（例えばｎ＝１００ごとなど）。
【００８７】
そして、計測ＩＳＦＥＴ２の出力電圧（ＶＭ）について、測定開始時（ｎ＝１）と、所定の計測点（ｎ＝１０）との差分を得る（ステップＴ４４）。ドリフト補正がなされたときの、初期状態からの変化量を得る（ΔＶＭＲ：ｎ＝１０＝ＶＭ：ｎ＝１−ＶＭＲ：ｎ＝１０）。
【００８８】
最後に、計測ＩＳＦＥＴ２の出力特性を用いて、当該補正された出力電圧（ΔＶＭＲ：ｎ＝１０）をイオン濃度（ｐＨ）に換算する（ステップＴ５０）。
【００８９】
以上の動作により、ドリフトの影響が抑制されると共により多くの補正計測データが得られる。
【００９０】
［変形例１］
本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【００９１】
例えば、イオン濃度計測装置は、計測ＩＳＦＥＴ２を有しなくてもよい。例えば、図１０の（ａ）部及び同（ｂ）部に示すように、ｐＨセンサ１Ｄは、単純な構造を有していてもよい。ｐＨセンサ１Ｄは、プリント基板２２と、計測イオン感応膜２Ｄと、計測対象電極１４Ｄと、計測対象電源１６Ｄと、を有する。プリント基板２２は、電圧計２０と接続された平板電極２４を有する。計測イオン感応膜２Ｄは、当該平板電極２４の上に設けられる。計測イオン感応膜２Ｄの内部には、電源２１に接続された電極２５が埋め込まれている。このようなｐＨセンサ１Ｄによっても、第１実施形態に係るｐＨセンサ１のように、電源２１及び電極２５によって、計測対象１０１の計測対象電圧（ＶＴ）と、計測イオン感応膜２Ｄの膜電圧（ＶＦ）と、の関係を所望の関係に制御できる。従って、非計測イオン１０３が計測イオン感応膜２Ｄへ浸潤しないような電圧の関係に制御することにより、非計測イオン１０３の浸潤に起因するドリフトの発生を抑制できる。
【００９２】
また、例えば、上記第１実施形態では、非計測イオン１０３は、負の電荷を有する。非計測イオン１０３は、正の電荷を有してもよい。この場合には、電源制御部１９は、膜制御電圧（ＶＣ）が計測対象電圧（ＶＴ）よりも大きくなるように、計測対象電源１６及び計測膜電源１８の少なくとも一方を制御する。この構成によれば、極性が正である非計測イオン１０３に起因するドリフトを抑制することができる。
【００９３】
また、イオン濃度計測装置の適用は、土壌のｐＨ計測に限定されない。例えば、イオン濃度計測装置は、培地又はコンクリートにおけるｐＨ計測の計測に適用されてもよい。
【００９４】
さらに、イオン濃度計測装置の適用は、ｐＨ計測に限定されることもない。例えば、土壌中のカリウム（Ｋ）イオンセンサのように、イオンの吸着及び脱着を行うセンサに対して好適に適用できる。
【００９５】
［実験例１］
実験例１では、式（４）を満たす条件であるとき、ドリフトを抑制できることを確認した。つまり、非計測イオン１０３の極性が負であるときに、膜電圧（ＶＦ）を計測対象電圧（ＶＴ）よりも低く設定する。この設定によれば、ドリフトを抑制できることを確認した。実験例１の条件は以下のとおりである。実験例１では、計測対象１０１を所定のｐＨを有する溶液とした。
膜制御電圧（ＶＣ）：０Ｖ。
計測対象電圧（ＶＴ）：０．５Ｖ。
ソース・ドレイン間電圧：１．５Ｖ。
溶液のｐＨ：６．８６。
計測イオン：水素イオン。
非計測イオン：水酸化物イオン。
ｐＨセンサのタイプ：ディプレッション型ｎチャネルタイプ。
【００９６】
図１１は、ｐＨセンサ１の出力を示す。図１１において、横軸は経過時間を示す。縦軸は、膜電圧（ＶＦ）を示す。グラフＧ１１ａに示すように、計測開始時の膜電圧（ＶＦ）は約６５ｍＶであった。そして、計測開始から６時間経過後の膜電圧（ＶＦ）も約６５ｍＶであった。つまり、ドリフトは確認されなかった。従って、式（４）に示す条件を満たすことより、ドリフトを抑制できることがわかった。
【００９７】
［参考例１］
参考例１では、式（４）を満たす条件でないとき、ドリフトを抑制できないことを確認した。つまり、膜電圧（ＶＦ）が計測対象電圧（ＶＴ）よりも大きい場合に、ドリフトが生じることを確認した。参考例１の条件は以下のとおりである。なお、膜電圧（ＶＦ）は、ｐＨ依存電圧（ＶＰＨ）と膜制御電圧（ＶＣ）との和である。従って、膜電圧（ＶＦ）は、膜制御電圧（ＶＣ）である０Ｖよりも大きい。参考例１も実験例１と同様に、計測対象１０１を所定のｐＨを有する溶液とした。溶液は、計測イオン１０２としての水素イオンと、非計測イオン１０３としての水酸化物イオンを含む。
膜制御電圧（ＶＣ）：０Ｖ。
計測対象電圧（ＶＴ）：０Ｖ。
ソース・ドレイン間電圧：１．５Ｖ。
溶液のｐＨ：６．８６。
計測イオン：水素イオン。
非計測イオン：水酸化物イオン。
ｐＨセンサのタイプ：ディプレッション型ｎチャネルタイプ。
【００９８】
図１１のグラフＧ１１ｂに示すように、計測開始時の膜電圧（ＶＦ）は約５０ｍＶであった。そして、計測開始から６時間経過後の膜電圧（ＶＦ）は約４５ｍＶであった。つまり、膜電圧（ＶＦ）が計測対象電圧（ＶＴ）よりも大きい場合に、０．８３ｍＶ／ｈ程度のドリフトが確認できた。
【００９９】
［実験例２］
実験例２では、計測対象電圧（ＶＴ）と膜電圧（ＶＦ）とを等しくすることにより、ドリフトが低減されることを確認した。実験例２では、図１２に示す回路構成を有するｐＨセンサ３００を用いた。ｐＨセンサ３００は、計測対象電極３０１と、計測対象電源３０２と、計測ＩＳＦＥＴ３０４と、電流計３０６と、を有する。計測対象電源３０２の一端は接地されている。計測対象電源３０２の他端は、スイッチ３０７を介して計測対象電極３０１に接続されている。計測ＩＳＦＥＴ３０４のソースは、スイッチ３０８を介して計測対象電極３０１と接続されている。また、計測ＩＳＦＥＴ３０４のソースは、スイッチ３０９を介して所定の電位３１３に接続されている。さらに、計測ＩＳＦＥＴ３０４のドレインは、スイッチ３１２を介して電流計３０６に接続されている。また、計測ＩＳＦＥＴ３０４のドレインは、スイッチ３１１を介してソースに接続されている。
【０１００】
ｐＨセンサ３００は、スイッチ３０７、３０８、３０９、３１１、３１２の動作により、計測動作と、抑制動作とを、相互に切替可能である。例えば、図１２の（ａ）部に示すように、ｐＨセンサ３００は、スイッチ３０７、３０９、３１２をＯＮとし、スイッチ３０８、３１１をＯＦＦとすることにより、計測動作を行う。また、図１２の（ｂ）部に示すように、ｐＨセンサ３００は、スイッチ３０７、３０９、３１２をＯＦＦとし、スイッチ３０８、３１１をＯＮとすることにより、抑制動作を行う。この接続構成では、計測対象電極３０１は、計測ＩＳＦＥＴ３０４と同電位となる。そして、１分間の計測動作と、１２時間の抑制動作とを含むサイクルを、複数回繰り返し、計測ＩＳＦＥＴ３０４の出力電圧を得た。上記以外の実験条件は以下のとおりである。
【０１０１】
計測対象電圧（ＶＴ）：０Ｖ。
ソース・ドレイン間電圧：抑制動作は０Ｖ、計測動作は１．５Ｖ。
溶液のｐＨ：６．８６。
計測イオン：水素イオン。
非計測イオン：水酸化物イオン。
ｐＨセンサのタイプ：ディプレッション型ｎチャネルタイプ。
【０１０２】
図１３のグラフＧ１３ａは、実験例２の結果を示す。グラフＧ１３ａによれば、ドリフトの度合いは、−０．１ｍＶ／ｈであった。つまり、抑制動作を導入することにより、ドリフトの程度を好適に低減できることがわかった。
【０１０３】
［参考例２］
実験例２との比較のため、参考例２の実験も行った。参考例２では、抑制動作に切り替えることなく、計測動作を継続した場合の出力を得た。その他の実験条件は、実験例２と同じである。
【０１０４】
図８のグラフＧ１３ｂは、参考例２の結果を示す。参考例２によれば、時間の経過と共に明らかなドリフトが生じていることが確認できた。例えば、６０時間から１００時間の期間に注目すると、参考例２のドリフトは−０．６３ｍＶ／ｈであった。
【０１０５】
本発明のｐＨセンサは、さらに、以下の変形例を採用してもよい。
【０１０６】
例えば、計測膜電極は、図４に示すストライプ型に限定されない。計測イオン感応膜７及び後述するイオン選択性膜６１Ｆ、６１Ｇ、６５Ｋ、６５Ｌの電位の制御には、変形例２〜７の電極５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｅ、５１Ｆ及び電極ユニット５１Ｄを採用してもよい。
【０１０７】
［変形例２］
図１４の（ａ）部に示すように、変形例２の電極５１Ａは、複数の電極リッジ５２と、電極リッジ５２を互いに電気的に接続するリッジ接続部５３と、を有する。変形例２の電極５１Ａは、いわゆる櫛歯型の電極である。電極リッジ５２の基端は、リッジ接続部５３に連結されている。電極リッジ５２は、リッジ接続部５３から離間する方向に直線状に延びる。電極リッジ５２は、ソース９からドレイン１１に向かう方向に対して交差するように配置される。このような電極５１Ａは、同一の電極で計測イオン感応膜７等の電位を制御できる。また、電極５１Ａによれば、電流経路を感度良くｐＨ変化をとらえることができる。
【０１０８】
［変形例３］
図１４の（ｂ）部に示すように、変形例３の電極５１Ｂは、複数の電極リッジ５２Ｂと、電極リッジ５２Ｂを互いに電気的に接続するリッジ接続部５３と、を有する。電極リッジ５２Ｂの基端は、リッジ接続部５３に連結されている。電極リッジ５２Ｂは、リッジ接続部５３から離間する方向に延びる。一方、変形例３の電極５１Ｂは、変形例２の電極５１Ａとは異なり、リッジ接続部５３から離間する方向に全体に亘って直線状に延びていない。電極５１Ｂは、リッジ接続部５３から離間する方向に延びる部分と、リッジ接続部５３から離間する方向と交差する方向に延びる部分と、を含む。これらの部分は、リッジ接続部５３から離間する方向に沿って交互に配置されている。このような電極５１Ｂは、不均一な状態の計測対象物に効率よく電圧を印可できる。
【０１０９】
［変形例４］
図１５の（ａ）部に示すように、変形例４の電極５１Ｃは、複数の電極リッジ５２Ｃと、電極リッジ５２Ｃを互いに電気的に接続するリッジ接続部５３Ｃと、を有する。電極リッジ５２Ｃは、ソース９からドレイン１１に向かう方向に直線状に延びるように配置される。つまり、変形例４の電極５１Ｃは、電極リッジ５２Ｃの方向が変形例２の電極リッジ５２の方向と異なっている。このような電極５１Ｃは、電流の流入方向に対し一様な電界分布を形成できる。その結果、電極５１Ｃは、シリコンと酸化膜との界面のノイズを低減できる。
【０１１０】
［変形例５］
図１５の（ｂ）部に示すように、変形例５の電極ユニット５１Ｄは、一対の電極５１ａ、５１ｂを有する。電極５１ａ、５１ｂは、それぞれ電気的に絶縁されている。そして、電極５１ａ、５１ｂには、それぞれ電源１８が接続される。電極５１ａは、複数の電極リッジ５２ａと、電極リッジ５２ａを互いに電気的に接続するリッジ接続部５３ａと、を有する。同様に、電極５１ｂは、複数の電極リッジ５２ｂと、電極リッジ５２ｂを互いに電気的に接続するリッジ接続部５３ｂと、を有する。電極リッジ５２ａ、５２ｂは、ソース９からドレイン１１に向かう方向に対して交差するように配置される。そして、一方の電極５１ａの一対の電極リッジ５２ａの間に、他方の電極５１ｂの１本の電極リッジ５２ｂが配置される。つまり、ソース９からドレイン１１に向かって、一方の電極５１ａの電極リッジ５２ａと、他方の電極５１ｂの電極リッジ５２ｂと、が交互に配置される。このような電極ユニット５１Ｄは、異なる電圧を電極５１ａと電極５１ｂに印可できる。その結果、電極ユニット５１Ｄは、イオンの浸潤を抑制する動作とセンサの閾値電圧を制御する動作と、を別々に行うことができる。なお、電極リッジ５２ａ、５２ｂが延びる方向は、図１５の（ａ）部のように電流と同一の向きでも良い。
【０１１１】
［変形例６］
図１６の（ａ）部に示すように、変形例６の電極５１Ｅは、複数の電極リッジ５２Ｅと、電極リッジ５２Ｅを互いに電気的に接続する複数のリッジ連結部５４Ｅと、を有する。電極リッジ５２Ｅは、ソース９からドレイン１１に向かう方向に対して交差するように配置される。リッジ連結部５４Ｅは、ソース９からドレイン１１に向かう方向に沿って配置される。つまり、電極リッジ５２Ｅは、リッジ連結部５４Ｅに対して直交する。その結果、電極５１Ｅは、平面視して、格子状を呈する。電極リッジ５２Ｅとリッジ連結部５４Ｅとに囲まれた部分は、センシング用の穴として用いられる。このような電極５１Ｅは、センシング用の穴を囲うように四方から電界を印可できる。その結果、電極５１Ｅは、より効率よくイオンの浸潤を抑制するための電圧を印可できる。
【０１１２】
［変形例７］
図１６の（ｂ）部に示すように、変形例７の電極５１Ｆは、複数の電極チップ５５と、配線５６と、を有する。複数の電極チップ５５は、ソース９からドレイン１１に向かう方向に沿って互いに離間する。同様に、複数の電極チップ５５は、ソース９からドレイン１１に向かう方向と交差する方向にも互いに離間する。複数の電極チップ５５には、それぞれ配線５６が電気的に接続されている。複数の電極チップ５５は、この配線５６を介して、電源１８から電圧を受ける。このような電極５１Ｆは、イオンの浸潤を抑制するための電界を広範囲に印可できる。また、電極５１Ｆによれば、計測溶液の入れ替わりが容易になる。
【０１１３】
また、例えば、計測センサ部は、図１等に示す構造に限定されない。計測センサ部は、図１７、図１８及び図１９に示す変形例８〜１３の計測ＩＳＦＥＴ２Ｆ、２Ｇ、２Ｈ、２Ｋ、２Ｌを採用してもよい。なお、図１７、図１８及び図１９は、計測ＩＳＦＥＴ２、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈ、２Ｋ、２Ｌのみを図示する。つまり、図１７、図１８及び図１９は、ｐＨセンサ１、１Ｆ、１Ｇ、１Ｈ、１Ｋ、１Ｌを構成するその他の構成要素の図示を省略する。
【０１１４】
ここで、第１実施形態のｐＨセンサ１の構造について、図１７の（ａ）部を参照しながら、再度簡単に説明する。ｐＨセンサ１は、計測ＩＳＦＥＴ２と、電源部３（図１等参照）を有する。計測ＩＳＦＥＴ２は、基板４と、絶縁膜６と、計測イオン感応膜７と、保護膜８と、を有する。
【０１１５】
基板４の主面には、ゲート酸化膜である絶縁膜６が設けられている。この主面は、ソース９、ドレイン１１及びチャネル１３のそれぞれの主面を含む。絶縁膜６は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）により構成されている。絶縁膜６は、計測イオン感応膜７及び保護膜８に覆われている。
【０１１６】
計測イオン感応膜７は、例えば、水素イオンに感応する水素感応膜である。計測イオン感応膜７は、絶縁膜６を介してチャネル１３の上に形成されている。計測イオン感応膜７の主面には、保護膜８が設けられていない。換言すると、計測イオン感応膜７は、保護膜８に設けられた開口８ｈから露出する。つまり、計測イオン感応膜７は、計測対象１０１に対して直接に接触する。
【０１１７】
電極１７は、計測イオン感応膜７の内部に配置されている。より詳細には、電極１７は、計測イオン感応膜７に埋め込まれている。電極１７の構成は、縞状を採用してもよいし、上述した変形例２〜７に示す構成を採用してもよい。電極１７の先端面は、計測イオン感応膜７に覆われている。電極１７の先端面は、計測対象１０１に対して露出しない。
【０１１８】
［変形例８］
図１７の（ｂ）部に示すように変形例８のｐＨセンサ１Ｆは、計測ＩＳＦＥＴ２Ｆと、電源部３（図１等参照）を有する。変形例８のｐＨセンサ１Ｆは、変形例８のｐＨセンサ１の構成に加えて、さらにイオン選択性膜６１Ｆ（イオン捕捉膜）を有する。
【０１１９】
イオン選択性膜６１Ｆは、計測イオン感応膜７Ｅとは異なる原理によってイオンを捉える。計測イオン感応膜７Ｅは、上述したように、イオンが特異的に吸着する性質を利用して、イオンを捕捉する。一方、イオン選択性膜６１Ｆは、イオンを物理的な小さい孔（ボア）に捉える。具体的には、イオン選択性膜６１Ｆは、物理的な小さい孔（ボア）を有する。この孔の直径は、検出対象であるイオンのイオン半径に対応する。つまり、孔の直径を所定の寸法とすることにより、所望のイオンを選択的に検出できる。例えば、イオン選択性膜６１Ｆの計測対象として、カリウム（Ｋ）イオン、ナトリウム（Ｎａ）イオン、マグネシウム（Ｍｇ）イオン、硝酸態窒素（nitrate nitrogen）、リン（Ｐ）イオンなどが挙げられる。
【０１２０】
イオン選択性膜６１Ｆは、計測イオン感応膜７に設けられている。より詳細には、イオン選択性膜６１Ｆは、保護膜８の開口８ｈから露出した計測イオン感応膜７の主面に設けられている。つまり、基板４のチャネル１３の上には、絶縁膜６、計測イオン感応膜７及びイオン選択性膜６１Ｆが積層されている。
【０１２１】
変形例８のｐＨセンサ１Ｆは、イオン選択性膜６１Ｆを有する点で変形例８のｐＨセンサ１と相違する。変形例８の構成によれば、図１７の（ａ）部に示す計測ＩＳＦＥＴ２の製造工程を終えた素子に、イオン選択性膜６１Ｆを追加することにより容易にセンサを形成できる。
【０１２２】
ところで、イオンを捕捉する構成として、特異な吸着を利用する計測イオン感応膜７を備える場合、及び、孔によりイオンを捉えるイオン選択性膜６１Ｆを備える場合のいずれであっても、選択対象のイオンが有する極性に対して逆極性のイオンが膜に浸潤すると、ドリフトが生じることがある。ドリフトが生じると、検出電位にずれが生じる。変形例８のｐＨセンサ１Ｆは、電位を制御するための電極１７を備えている。その結果、変形例８のｐＨセンサ１Ｆは、ドリフトの発生を抑制することができる。
【０１２３】
［変形例９］
図１８の（ａ）部に示すように変形例９のｐＨセンサ１Ｇは、計測ＩＳＦＥＴ２Ｇと、電源部３（図１等参照）を有する。計測ＩＳＦＥＴ２Ｇは、基板４と、絶縁膜６と、保護膜８と、イオン選択性膜６１Ｇと、を有する。つまり、変形例９のｐＨセンサ１Ｇは、計測イオン感応膜７を備えていない。従って、ｐＨセンサ１Ｇは、イオン選択性膜６１Ｇによって選択対象であるイオンを捕捉する。
【０１２４】
基板４の主面には、ゲート酸化膜である絶縁膜６が設けられている。絶縁膜６の主面には、保護膜８と、イオン選択性膜６１Ｇと、が設けられている。イオン選択性膜６１Ｇは、基板４のチャネル１３の上に設けられている。このイオン選択性膜６１Ｇの内部には、電極１７Ｇが埋め込まれている。
【０１２５】
変形例９のｐＨセンサ１Ｇは、第１実施形態のｐＨセンサ１の計測イオン感応膜７をイオン選択性膜６１Ｇに置き換えたものである点で、第１実施形態のｐＨセンサ１と相違する。変形例９の構成は、絶縁膜６に対して直接にイオン選択性膜６１Ｇを設けている。その結果、変形例９の構成は、イオン選択性膜６１Ｇに電極１７Ｇの電界を強く与えることができる。
【０１２６】
［変形例１０］
図１８の（ｂ）部に示すように変形例１０のｐＨセンサ１Ｈは、計測ＩＳＦＥＴ２Ｈと、電源部３（図１等参照）を有する。計測ＩＳＦＥＴ２Ｈは、基板４と、絶縁膜６と、計測イオン感応膜７Ｈと、保護膜８と、を有する。さらに、計測ＩＳＦＥＴ２Ｈは、埋め込み膜６２と、検出部６３と、電極６４と、を有する。
【０１２７】
基板４の主面には、ゲート酸化膜である絶縁膜６が設けられている。絶縁膜６の主面には、埋め込み膜６２が設けられている。埋め込み膜６２の主面には、保護膜８と、計測イオン感応膜７Ｈの一部と、が設けられている。保護膜８の主面には、計測イオン感応膜７Ｈの別の一部が設けられている。
【０１２８】
埋め込み膜６２を設ける工程は、半導体素子の最上層部にイオンを検出するための検出膜を設けるための追加工程である。この工程は、多層配線を含む素子では特に有効である。埋め込み膜６２には、検出部６３と、電極６４と、が埋め込まれている。埋め込み膜６２は、計測イオン感応膜７Ｈとは異なる膜である。つまり、電極６４は、計測イオン感応膜７Ｈには埋め込まれていない。電極６４は、埋め込み膜６２の主面側に設けられている。より詳細には、埋め込み膜６２は、保護膜８の開口８ｈから露出する計測主面６２ａを有する。電極６４の上面は、計測主面６２ａから露出している。そして、電極６４の上面は、計測イオン感応膜７Ｈに接している。電極６４の下面は、絶縁膜６まで達しない。
【０１２９】
埋め込み膜６２において、電極６４と絶縁膜６との間の領域には、検出部６３が設けられている。検出部６３は、イオンの変化に起因する計測イオン感応膜７Ｈの電位の変化を受けて、絶縁膜６にこの電位変化を伝える。検出部６３は、拡張型のセンシング部である。検出部６３は、基板４のチャネル１３の上に設けられている。つまり、基板４のチャネル１３の上には、絶縁膜６、検出部６３、電極６４及び計測イオン感応膜７Ｈが積層されている。
【０１３０】
検出部６３は、第１の部分６３ａと、第２の部分６３ｂと、連結部６３ｃと、を有する。第１の部分６３ａは、絶縁膜６の主面に接する。また、第１の部分６３ａは、チャネル１３を覆っている。第１の部分６３ａの中央付近には、連結部６３ｃの基端が設けられている。連結部６３ｃは、第１の部分６３ａから電極６４に向けて延びる。連結部６３ｃの先端には、第２の部分６３ｂが設けられている。第２の部分６３ｂは、第１の部分６３ａと同様に、チャネル１３を覆っている。第２の部分６３ｂと電極６４との間には、埋め込み膜６２の一部が存在する。また、第１の部分６３ａと第２の部分６３ｂとの間にも、埋め込み膜６２の一部が存在する。
【０１３１】
変形例１０のｐＨセンサ１Ｈは、埋め込み膜６２を有しており、当該埋め込み膜６２には、電極６４及び検出部６３が埋め込まれている。このような構成によれば、検出部の段差が小さくなる。また、計測対象物の交換が容易になる。さらに、計測イオン感応膜７Ｈを製膜しやすくなる。
【０１３２】
［変形例１１］
図１９の（ａ）部に示すように変形例１１のｐＨセンサ１Ｋは、計測ＩＳＦＥＴ２Ｋと、電源部３（図１等参照）を有する。変形例１１のｐＨセンサ１Ｋは、変形例１０のｐＨセンサ１Ｈの構成に加えて、さらにイオン選択性膜６５Ｋを有する。
【０１３３】
イオン選択性膜６５Ｋは、計測イオン感応膜７Ｈの主面に設けられている。計測イオン感応膜７Ｈは、埋め込み膜６２の上に設けられた部分と、保護膜８の上に設けられた部分と、で高さが異なっている。つまり、計測イオン感応膜７Ｈの膜厚は一定であり、保護膜８の高さに対応する段差を含む。一方、イオン選択性膜６５Ｋは、段差を有しない。イオン選択性膜６５Ｋの主面は、おおむね平坦である。つまり、イオン選択性膜６５Ｋの膜厚は一定ではない。イオン選択性膜６５Ｋにおいて埋め込み膜６２の上に形成された領域の膜厚は、保護膜８の上に形成された領域の膜厚よりも大きい。
【０１３４】
変形例１１のｐＨセンサ１Ｋは、変形例１０のｐＨセンサ１Ｈの構成に加えて、さらに、イオン選択性膜６５Ｋを有している。このような構成によれば、図１８の（ｂ）部に示す計測ＩＳＦＥＴ２Ｈを製造したのちに、検出対象とするイオンの種類を変更できる。
【０１３５】
［変形例１２］
図１９の（ｂ）部に示すように変形例１２のｐＨセンサ１Ｌは、計測ＩＳＦＥＴ２Ｌと、電源部３（図１等参照）を有する。変形例１２のｐＨセンサ１Ｌは、変形例１０のｐＨセンサ１Ｈにおいて計測イオン感応膜７Ｈをイオン選択性膜６５Ｌに置き換えた構成を有する。
【０１３６】
イオン選択性膜６５Ｌは、埋め込み膜６２及び保護膜８の主面に設けられている。つまり、イオン選択性膜６５Ｌは、埋め込み膜６２及び保護膜８に接している。より詳細には、イオン選択性膜６５Ｌは、電極６４に接している。イオン選択性膜６５Ｌの主面は、段差を有しない。つまり、イオン選択性膜６５Ｌの膜厚は一定ではない。イオン選択性膜６５Ｌにおいて埋め込み膜６２に接する領域の膜厚は、保護膜８に接する膜厚よりも大きい。
【０１３７】
変形例１２のｐＨセンサ１Ｌは、変形例１０のｐＨセンサ１Ｈの計測イオン感応膜７Ｈに代えて、イオン選択性膜６５Ｌを有している。このような構成によれば、電極６４に起因する電界を強くイオン選択性膜６５Ｌに伝えることができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…ｐＨセンサ（イオン濃度計測装置）、２…計測ＩＳＦＥＴ（イオン選択性電界効果型トランジスタ、計測センサ部）、３…電源部、４…基板、６…絶縁膜、７…計測イオン感応膜、７Ｃ…補正イオン感応膜、８…保護膜、８ａ…酸化シリコン膜、８ｂ…窒化シリコン膜、９…ソース、１１…ドレイン、１２…基板電源、１３…チャネル、１４…計測対象電極、１６…計測対象電源、１７…計測膜電極、１７ａ…電極リッジ、１７Ｃ…補正膜電極、１８…計測膜電源、１８Ｃ…補正膜電源、１９…電源制御部、３０…データ処理部、１０１…計測対象、１０２…計測イオン、１０３…非計測イオン、２００…ドレイン電流、Ｓ１…感応領域、Ｓ２…電極領域、Ｒ…抵抗成分。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月27日(2019.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、前記計測イオンの濃度を得るイオン濃度計測装置であって、
前記計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせるイオン捕捉膜を含む計測センサ部と、
前記イオン捕捉膜の電圧を制御する計測膜電源と、
前記計測対象電源及び前記計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、を備え、
前記電源制御部は、前記非計測イオンの極性が負であるときに、前記計測イオン捕捉膜の電圧が前記計測対象の電圧よりも小さくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御するイオン濃度計測装置。
【請求項８】
計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、前記計測イオンの濃度を得るイオン濃度計測装置であって、
前記計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせるイオン捕捉膜を含む計測センサ部と、
前記イオン捕捉膜の電圧を制御する計測膜電源と、
前記計測対象電源及び前記計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、を備え、
前記電源制御部は、前記非計測イオンの極性が正であるときに、前記計測イオン捕捉膜の電圧が前記計測対象の電圧よりも大きくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御するイオン濃度計測装置。
【請求項９】
計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、前記計測イオンの濃度を得るイオン濃度計測装置であって、
前記計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせるイオン捕捉膜を含む計測センサ部と、
前記イオン捕捉膜の電圧を制御する計測膜電源と、
前記計測対象電源及び前記計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、を備え、
前記電源制御部は、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン捕捉膜の電圧との差分が小さくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測イオン捕捉膜への前記非計測イオンの浸潤を抑制する抑制動作と、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン捕捉膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測センサ部より捕捉された前記計測イオンの数に対応する電圧を得る計測動作と、を繰り返し行うイオン濃度計測装置。
【請求項１０】
計測イオンと非計測イオンとを含む計測対象に設置されて、前記計測イオンの濃度を得るイオン濃度計測装置であって、
前記計測対象の電圧を制御する計測対象電源と、
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせるイオン捕捉膜を含む計測センサ部と、
前記イオン捕捉膜の電圧を制御する計測膜電源と、
前記計測対象電源及び前記計測膜電源のそれぞれから出力される電圧の大きさを制御する電源制御部と、
前記計測イオンを選択的に捕捉して、捕捉した前記計測イオンの数に対応する電圧を生じさせる補正イオン捕捉膜を含む補正センサ部と、
前記補正イオン捕捉膜の電圧を制御する補正膜電源と、を備え、
前記電源制御部は、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン捕捉膜の電圧との差分が小さくなるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測イオン捕捉膜への前記非計測イオンの浸潤を抑制する第１の抑制動作と、
前記計測対象の電圧と前記計測イオン捕捉膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、前記計測対象電源及び前記計測膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記計測センサ部より捕捉された前記計測イオンの数に対応する電圧を得る第１の計測動作と、を繰り返し行い、
前記計測対象の電圧と前記補正イオン捕捉膜の電圧との差分が小さくなるように、前記計測対象電源及び前記補正膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記補正イオン捕捉膜への前記非計測イオンの浸潤を抑制する第２の抑制動作と、
前記計測対象の電圧と前記補正イオン捕捉膜の電圧とが互いに異なる電位となるように、前記計測対象電源及び前記補正膜電源の少なくとも一方を制御することにより、前記補正センサ部より前記計測イオンの数に対応する電圧を得る第２の計測動作と、を繰り返し行い、
前記第２の計測動作は、前記第１の計測動作がｎ回（ｎは２以上の整数）実行されるごとに行われるイオン濃度計測装置。
【請求項１１】
（削除）
【請求項１２】
（削除）
【請求項１３】
前記計測膜電源に接続され、前記計測イオン捕捉膜に埋め込まれた計測膜電極をさらに備える、請求項６〜１０の何れか一項に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項１４】
前記計測膜電極は、複数の電極リッジを含む、請求項１３に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項１５】
前記計測センサ部は、基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた前記イオン捕捉膜と、を有するイオン選択性電界効果型トランジスタである、請求項１４に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項１６】
前記電極リッジは、前記基板に形成されたソースとドレインとの間に流れる電流の方向と交差する方向に延びると共に、前記電流の方向に沿って互いに離間する、請求項１５に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項１７】
前記計測センサ部は、基板と、前記基板上に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に設けられた前記イオン捕捉膜と、を有するイオン選択性電界効果型トランジスタであり、
前記基板の電圧を制御する基板電源をさらに備え、
前記電源制御部は、前記基板電源を制御する、請求項１３又は１４に記載のイオン濃度計測装置。
【請求項１８】
前記計測膜電極は、ストライプ型である、請求項１４〜１６の何れか一項に記載のイオン濃度計測装置。
【国際調査報告】
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