特許 6518095 センサ測定誤差のトリミングおよび自己補正を可能にするＩＳＦＥＴベースのセンサの磁気的刺激

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6518095

(24)【登録日】2019年4月26日

(45)【発行日】2019年5月22日

(54)【発明の名称】センサ測定誤差のトリミングおよび自己補正を可能にするＩＳＦＥＴベースのセンサの磁気的刺激

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/26 20060101AFI20190513BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20190513BHJP

   G01N 27/414 20060101ALI20190513BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/26 371A

   G01N27/416 353F

   G01N27/414 301X

【請求項の数】3

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-52966(P2015-52966)

(22)【出願日】2015年3月17日

(65)【公開番号】特開2015-190980(P2015-190980A)

(43)【公開日】2015年11月2日

【審査請求日】2018年3月14日

(31)【優先権主張番号】14/227,368

(32)【優先日】2014年3月27日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100146710

【弁理士】

【氏名又は名称】鐘ヶ江 幸男

(72)【発明者】

【氏名】ドナルド・ホークハイマー

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 韓国公開特許第１０−２０１２−００４２２３６（ＫＲ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２２７７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０８８３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０４５９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５０４４６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／２６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオンセンサ装置であって、
液体に曝されるように構成された少なくとも１つのイオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）デバイスと、
前記ＩＳＦＥＴデバイスが曝される前記液体と接触するように構成された参照電極と、
前記ＩＳＦＥＴデバイスを磁場に間欠的に曝すように構成された少なくとも１つの磁石と、
前記ＩＳＦＥＴデバイスおよび前記参照電極に作動的に接続されたプロセッサと、を備え、
前記プロセッサが前記磁場を調整して、前記ＩＳＦＥＴデバイスの抵抗における対応する調整された出力を生成し、また前記イオンセンサ装置の報告される出力値の調整をもたらす、
イオンセンサ装置。

【請求項2】

前記ＩＳＦＥＴデバイスが、
上側表面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の対向する側方部分に配置された複数の接点と、
前記半導体基板の上側中央部分において前記接点同士の間に配置されたイオン感応型チャネルと、を備え、
前記接点が互いとは別個であり、かつ前記半導体基板の前記上側表面の下に配置される、
請求項１に記載のセンサ装置。

【請求項3】

イオンセンサの測定誤差を補正する方法であって、
前記イオンセンサは、イオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）デバイスを有し、
液体を前記ＩＳＦＥＴデバイスの一部と接触させるステップと、
前記ＩＳＦＥＴデバイスを調整された磁場に曝して前記ＩＳＦＥＴデバイスの抵抗における対応する調整された出力を生成するステップと、
前記調整された出力と前記調整された磁場に基づいて予想される出力との間に差があるかを判定するために前記調整された出力を監視するステップと、
前記調整された出力と前記予想される出力との間に差がある場合に誤差補正値を決定するステップと、
前記誤差補正値を適用してある時間期間の経過とともに前記調整された出力と前記予想される出力との間の前記差をゼロにすることでイオンセンサ測定の安定性を維持するステップと、を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、センサ測定誤差のトリミングおよび自己補正を可能にするＩＳＦＥＴベースのセンサの磁気的刺激に関する。

【背景技術】

【0002】

[0001]イオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）デバイスは、典型的には溶液中のイオン濃度の測定のために使用されるｐＨセンサにおいて実装される。溶液中の（Ｈ^＋などの）イオン濃度が変化すると、それに応じてＩＳＦＥＴデバイスを流れる電流が変化する。溶液はＩＳＦＥＴデバイスによって形成されるトランジスタのゲート電極として使用される。

【0003】

[0002]深海ｐＨ検知の環境では、深さに全体にわたる周期的な大きな圧力変化が、ＩＳＦＥＴセンサダイを含むｐＨセンサパッケージングの変形およびクリープをもたらし得る。ｐＨセンサパッケージングのこの機械的変化はセンサダイ上の応力を変動させ得、ピエゾ抵抗効果によってその抵抗を変化させる。これらの変化は容易には予測可能でなく、また工場でのｐＨセンサの初期較正では補正され得ない。加えて、ｐＨセンサにおける変化は通常は時間の経過とともに直接的に観察可能ではなく、このことはｐＨセンサの耐用期間にわたり不十分な性能をもたらし得る。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

[0003]イオンセンサ装置は、液体に曝されるように構成された少なくとも１つのイオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）デバイスと、ＩＳＦＥＴデバイスが曝される液体と接触するように構成された参照電極と、ＩＳＦＥＴデバイスを磁場に間欠的に曝すように構成された少なくとも１つの磁石と、を備える。プロセッサはＩＳＦＥＴデバイスおよび参照電極に作動的に接続される。プロセッサは磁場を調整して、ＩＳＦＥＴデバイスの抵抗における対応する調整された出力を生成し、またイオンセンサ装置の報告される出力値の調整をもたらす。

【0005】

[0004]本発明の特徴は、図面を参照して以下の説明から当業者に明らかになるであろう。図面は典型的な実施形態のみを示しており、したがって範囲を限定するものと見なされるべきでないことを理解して、本発明は添付の図面の使用によってさらに具体的かつ詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】[0005]一実施形態によるイオンセンサ装置の概略図である。

【図2】[0006]別の実施形態によるイオンセンサ装置の概略図である。

【図3】[0007]さらなる実施形態によるイオンセンサ装置の概略図である。

【図4A】[0008]一実施形態によるイオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）ダイとして実装され得る半導体デバイスの概略的な斜視図である。

【図4B】[0009]図４Ａの半導体デバイスの概略的な上面図である。

【図5】[0010]一実施形態によるイオンセンサ装置において実装され得る半導体デバイスの概略的な斜視図である。

【図6】[0011]別の実施形態によるイオンセンサ装置において実装され得る半導体デバイスの概略的な斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

[0012]以下の詳細な説明では、実施形態は当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明される。本発明の範囲から逸脱せずに他の実施形態が利用され得ることを理解されたい。以下の詳細な説明はしたがって、限定的な意味において解釈されるべきではない。

【0008】

[0013]センサ測定誤差のトリミングおよび自己補正を可能にするためにイオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）技術を磁気的刺激と併せて利用するイオンセンサ装置が提供される。一実施形態では、イオンセンサ装置は液体用のｐＨセンサとして実装され得る。

【0009】

[0014]イオンセンサ装置は、少なくとも１つのパッケージングされたＩＳＦＥＴダイと、参照電極と、任意選択の対電極と、ＩＳＦＥＴダイに電力を提供するための電圧／電流供給部と、を全体的に含む。プロセッサはｐＨ測定を行うためにＩＳＦＥＴダイと電極とを接続する。イオンセンサ装置は、ＩＳＦＥＴダイに磁気的刺激を適用するための磁石をさらに含む。磁気的刺激に基づいてセンサ誤差に関する補正を適用するための誤差補正ソフトウェアが、プロセッサによって実装される。

【0010】

[0015]一実施形態では、磁石は少なくとも１つの線材コイルを有する電磁石である。ＩＳＦＥＴダイが曝される電磁場を作り出すための線材コイルを駆動するための、電力供給部が設けられ得る。

【0011】

[0016]別の実施形態では、磁場を発生させるための１つまたは複数の永久磁石が採用される。磁場のオンおよびオフを行うことが可能な「チョッパー」効果を生成するために、およびＩＳＦＥＴダイの反応を測定するために、磁場の大きさを変動させるように、永久磁石はＩＳＦＥＴダイのより近くにまたはそれから離れてより遠くに移動され得るか、あるいは磁石とＩＳＦＥＴダイとの間に磁気シールドが周期的に配置され得る。永久磁石は制御可能性に劣るが、電気エネルギーを消費せず、このことは制限された電力しか利用できない応用例では有益である。

【0012】

[0017]加えて、磁場の大きさ／状態についてのフィードバックを提供するための、密封された磁場センサ（たとえば、液体または圧力に曝されていない）が採用され得る。磁気的刺激の適用によって、本質的に一定のレベルのｐＨが測定され得、また、温度、圧力、および機械的変化のようなＩＳＦＥＴダイに悪影響を与えるものを、トリミングして除くことができる。

【0013】

[0018]半導体分野の当業者には、電子および正孔が半導体を通って移動する速度が半導体材料のキャリア移動度に比例することが知られている。異なる半導体は異なる固有のレベルの移動度を有する。半導体の導電率／電気抵抗率がその半導体の移動度に比例することも知られている。機械的応力および温度を変化させることがキャリアの移動度に影響を与え、抵抗に変化をもたらす場合があり、このことは測定されるｐＨの変化をもたらす。

【0014】

[0019]磁場が材料および特に半導体を通るキャリアの流れに影響を与えることも知られている。この効果はホール効果センサを作り出すために活用される。ホール効果は、ある軸に沿ったキャリアの流れとこの第１の軸に直交する軸の周りに適用される磁場とが与えられると、このキャリアは第３の直交軸に向かって流れ始めるという現象に依拠する。このキャリアの流れの曲がりによって、この第３の軸に沿って測定され得るホール電位電圧がもたらされる。キャリアが元から優勢に流れていた軸において、キャリアの流れの曲がりは、この軸に沿って抵抗の明らかな増加を生じさせる。

【0015】

[0020]本発明の技法は軸外で発生されるホール電位については関与せず、キャリアがゲート接続を介してソースからドレインへと（すなわち、キャリアの通常の流れの方向）、ＩＳＦＥＴデバイスを通って流れる際に生じる抵抗の変化に関与する。電圧の変化は、ＩＳＦＥＴデバイスのソースからドレインへの抵抗の変化によって測定され得る。

【0016】

[0021]本発明の手法では、調整された磁場が適用されて、ＩＳＦＥＴデバイスの抵抗における対応する調整された出力を生成し、また報告されるｐＨ値の調整をもたらす。適用される磁場は、予想される出力を生成することになる、知られている入力励起を提供するための「チョッパー」信号として使用され得る。実際の出力と予想される出力との間に差がある場合、補正が適用されてこの差を時間の経過とともにゼロにすることができ、このことによってセンサの安定性を維持し得る。

【0017】

[0022]磁気的刺激の１つの特徴は、それがＩＳＦＥＴダイにおいて発生させる信号が、信号調節構成要素（たとえば、マイクロプロセッサ、アナログ−デジタル変換器、増幅器、等）上に渡されることである。加えて、経年変化によるこれらの構成要素の時間に伴う性能の変化は、ＩＳＦＥＴチャネルでのｐＨ検知における誤差の中に取り込まれる。したがって、本発明の手法はまた、通常は補正可能でないこれらの他のドリフト項をトリミングするためにも使用され得る。

【0018】

[0023]一実装形態では、イオンセンサ装置は深海／海洋計測研究用のｐＨセンサとして採用され得る。この実装形態では、ｐＨセンサは、優れた安定性とセンサ精度を維持しながら、約６０００ｍの深さにおいて最長約５年間動作するのに十分な強固さを有するものとなされ得る。

【0019】

[0024]本発明のイオンセンサ装置のさらなる詳細は、図面を参照して以下に説明される。
[0025]図１は、一実施形態による、液体中のイオンを検知するためのセンサ装置１００を示す。センサ装置１００は、液体に曝されるように構成された少なくとも１つのＩＳＦＥＴデバイス１１０と、液体と接触するように構成された参照電極１１２と、少なくとも１つの磁石１２０と、ＩＳＦＥＴデバイス１１０および参照電極１１２に作動的に接続されたプロセッサ１３０と、を全体的に含む。磁石１２０は、ＩＳＦＥＴデバイス１１０を磁場に間欠的に曝すように構成される。

【0020】

[0026]一実施形態では、ＩＳＦＥＴデバイス１１０は、矢印１５０によって指定された流れる液体を受容するように構成されたフロー管１４０の内部に配設される。参照電極１１２もまた、フロー管１４０の内側の液体と連絡している。

【0021】

[0027]プロセッサ１３０は磁場を調整して、ＩＳＦＥＴデバイス１１０の抵抗における対応する調整された出力を生成し、またセンサ装置１００の報告される出力値の調整をもたらす。

【0022】

[0028]例示的な実装形態では、イオンセンサ装置１００は、深海ｐＨ検知のためなど、海水中に沈められるように構成される。したがって、イオンセンサ装置１００の様々な構成要素が、深海条件に耐えることのできる水密筐体構造１５０内にパッケージングされ得る。センサ装置１００の他の例示的な実装形態は、地下水、工業化学物質、精製された化学物質、原油などのイオン検知を含む。

【0023】

[0029]センサ装置１００におけるイオンセンサの測定誤差を補正する方法では、ＩＳＦＥＴデバイス１１０は、液体と接触しつつ、磁石１２０からの磁場に曝される。このことは、ＩＳＦＥＴデバイス１１０の抵抗における対応する出力を生成する。ＩＳＦＥＴデバイス１１０のこの実際の出力は、実際の出力と磁場に基づいて予想される出力との間に差があるかを判定するためにプロセッサ１３０によって監視され、出力の差が検出される場合に誤差補正値が決定される。次いで誤差補正値が適用されてある時間期間の経過とともに実際の出力と予想される出力との間の差をゼロにして、イオンセンサ測定の安定性を維持する。

【0024】

[0030]図２は別の実施形態によるイオンセンサ装置２００を示す。センサ装置２００は、液体に曝されるように構成されたＩＳＦＥＴダイ２１０と、ＩＳＦＥＴダイ２１０を磁場に曝すように構成された電磁石２２０と、ＩＳＦＥＴダイ２１０および電磁石２２０に作動的に接続されたプロセッサユニット２３０と、を全体的に含む。

【0025】

[0031]ＩＳＦＥＴダイ２１０は、シリコン基板などの半導体基板２１１を含む。ソース２１２、ドレイン２１４、およびイオン感応型ゲートチャネル２１６が、従来の技法を用いて半導体基板２１１に形成される。ソース２１２は、基準電圧源２１８に電気的に接続され、基準電圧源２１８は、プロセッサユニット２３０に結合される。ドレイン２１４はプロセッサユニット２３０に電気的に接続される。ＩＳＦＥＴダイ２１０は、センサ装置２００の動作中に、図２に示されるように、理論上のキャリア方向が第１の方向にあり、磁場が第１の方向に直交する第２の方向にあり、ホール効果が第１および第２の方向に直交する第３の方向にあるように構成される。

【0026】

[0032]別の実施形態では、ＩＳＦＥＴダイ上のドレインの接続およびソースの接続は、スイッチを用いて逆転され得、その結果キャリアが流れる理論上の方向は逆転され得る。このことを磁場ベクトルの符号を変化させるための様々な戦略と組み合わせることが、センサ出力におけるバイアスを取り消すために使用され得る。エッチングスハウゼン効果による誤差、ペルチェ効果による誤差、ジュール加熱よる誤差などのいくつかの誤差は、この方法によって低減され得る。

【0027】

[0033]電磁石２２０は、電力が適用されると電磁場を発生させる、少なくとも１つの線材コイル２２２を含む。一実施形態では、線材コイルは電磁場を生成するようにＩＳＦＥＴダイ２１０の周りに配置され得る。線材コイル２２２を駆動するための安定的な交流または直流電力供給部が提供され得、また線材コイル２２２全体にわたる電流または電力を測定するための高精度の電流計または電圧計が実装され得る。一実施形態では、電圧制御信号線２２４は、プロセッサユニット２３０を線材コイル２２２に結合された電圧計２２６に接続する。電磁石２２０は、電磁石２１６によって生成される電磁場にＩＳＦＥＴダイ２１０を間欠的に曝すように、プロセッサユニット２３０によって選択的に作動される。

【0028】

[0034]別の実施形態では、電磁石２２０は２つ以上のコイルを含み得る。たとえば、同軸の平行にずらされた２つのコイルが、均一な強い磁場を作り出すために使用され得る。直交する軸に位置合わせされたこれらのコイルの対は、空間中で任意の磁気ベクトル配向を有する磁場が発生されることを可能にする、多軸のヘルムホルツコイルを作り出すことができる。このことは、ＩＳＦＥＴダイ２１０中のキャリアが曲げられる方向およびこのことが抵抗に対して有する影響を制御することを可能にする。

【0029】

[0035]交流で発生された磁場の特徴は、ＩＳＦＥＴの出力において発生される刺激もまた交流であることである。高周波信号ではこれらの回路において発生するフリッカノイズまたは１／ｆノイズによって影響されることがより少なくなり、このことはより高い信号対ノイズ比をもたらす。周波数の手法はまた、直流測定値と比較して良好な信号対ノイズ比を提供する復調技法にも適用できる。

【0030】

[0036]プロセッサユニット２３０は、信号調節器、増幅器、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、マイクロプロセッサのアルゴリズムなどのような、ＩＳＦＥＴ２１０から受信された信号を処理してｐＨ測定値を生成するための様々な構成要素を含む。

【0031】

[0037]センサ装置２００は、参照電極２３２および対電極２３４をさらに含み、これらはＩＳＦＥＴダイ２１０が曝される液体に接触するように構成される。参照電極２３２および対電極２３４の両方がプロセッサユニット２３０に電気的に接続される。対電極２３４は、寄生効果を接地することおよびセンサ測定値に干渉し得るノイズをフィルタリングして除去することを提供する。

【0032】

[0038]ホールセンサまたは他の種類の磁力計などの密封された磁場センサ２３６が、電磁石２２０に隣接して配置されプロセッサユニット２３０に電気的に接続され得る。磁場センサ２３６は、電磁石２２０によって生成される電磁場の大きさまたは状態についてのフィードバックをプロセッサユニット２３０に提供する。

【0033】

[0039]動作中にＩＳＦＥＴダイ２１０に全体にわたって液体を流すためのポンプが採用され得る。ＩＳＦＥＴダイ２１０は、矢印２４０によって指定された流れる液体を受容するように構成されたフロー管の内部に配置され得る。

【0034】

[0040]例示的な実装形態では、イオンセンサ装置２００は、深海ｐＨ検知のためなど、海水中に沈められるように構成される。したがって、イオンセンサ装置２００の様々な構成要素が、深海の圧力および温度条件に耐えることのできる密封された筐体構造内にパッケージングされ得る。センサ装置２００の他の例示的な実装形態は、地下水、工業化学物質、精製された化学物質、原油などのイオン検知を含む。

【0035】

[0041]センサ装置２００におけるイオンセンサの測定誤差を補正する方法では、ＩＳＦＥＴダイ２１０は、海水などの液体と接触しつつ、電磁石２２０からの磁場に曝される。このことはＩＳＦＥＴダイ２１０の抵抗における対応する出力を生成し、この出力は、この実際の出力と磁場に基づいて予想される出力との間に差があるかを判定するためにプロセッサユニット２３０によって監視され、出力の差が検出される場合に誤差補正値が決定される。次いで誤差補正値が適用されて、実際の出力と予想される出力との間の差をゼロにする。

【0036】

[0042]図３は別の実施形態によるイオンセンサ装置３００を示す。センサ装置３００は、液体に曝されるように構成されたＩＳＦＥＴダイ３１０と、ＩＳＦＥＴダイ３１０を磁場に曝すように構成された少なくとも１つの永久磁石３２０と、ＩＳＦＥＴダイ３１０に作動的に接続されたプロセッサユニット３３０と、を全体的に含む。

【0037】

[0043]ＩＳＦＥＴダイ３１０は、シリコン基板などの半導体基板３１１を含む。ソース３１２、ドレイン３１４、およびイオン感応型ゲートチャネル３１６が、従来の技法を用いて半導体基板３１１に形成される。ソース３１２は、基準電圧源３１８に電気的に接続され、基準電圧源３１８は、プロセッサユニット３３０に結合される。ドレイン３１４も、プロセッサユニット３３０に電気的に接続される。ＩＳＦＥＴダイ３１０は、矢印３５０によって指定された、流れる液体を受容するように構成されたフロー管３４０の内部に配置される。

【0038】

[0044]永久磁石３２０はフロー管３４０の外側に配置されるが、ＩＳＦＥＴダイ３１０が永久磁石３２０の磁場に曝され得るように位置決めされる。磁気シールド３４２が、ＩＳＦＥＴダイ３１０が配置されるフロー管３４０の外側を取り囲む。磁気シールド３４２は、ＩＳＦＥＴダイ３１０を永久磁石３２０の磁場に間欠的に曝すように構成される。

【0039】

[0045]一実施形態では、磁気シールド３４２は、ＩＳＦＥＴダイ３１０を永久磁石３２０の磁場に曝すための穴３４４を有する、円盤形状の構造を有する。磁場を遮断する閉じられた位置から、穴３４４が南北の磁極（ＮおよびＳ）と位置合わせされたときＩＳＦＥＴダイ３１０が永久磁石３２０の磁場に曝されることを可能にする開いた位置への、磁気シールド３４２の回転を提供するためのロータリーアクチュエータ３４６が、磁気シールド３４２に結合され得る。ロータリーアクチュエータ３４６の動作は、プロセッサユニット３３０によって従来技法を用いて制御され得る。

【0040】

[0046]別の実施形態では、永久磁石の対が、ＩＳＦＥＴダイ３１０が各磁石の対向する極に曝されるように、センサ装置３００において実装され得る。たとえば、ＩＳＦＥＴダイ３１０は、一方の磁石のＮ極と他方の磁石のＳ極との間で生成された磁場に曝され得る。

【0041】

[0047]プロセッサユニット３３０は、信号調節器、増幅器、Ａ／Ｄ変換器、アルゴリズムなどのような、ＩＳＦＥＴダイ３１０から受信された信号を処理してｐＨ測定値を生成するための様々な構成要素を含む。

【0042】

[0048]センサ装置３００は、参照電極３３２および対電極３３４をさらに含み、これらはフロー管３４０内の液体と連絡している。参照電極３３２および対電極３３４の両方が、Ａ／Ｄ変換器を通してプロセッサユニット３３０に電気的に接続される。

【0043】

[0049]磁場センサ３３６が、永久磁石３２０の磁場に一致して配置され、プロセッサユニット３３０に電気的に接続される。磁場センサ３３６は、永久磁石３２０の磁場の大きさまたは状態についてのフィードバックをプロセッサユニット３３０に提供する。

【0044】

[0050]ＩＳＦＥＴダイ３１０上を流れる液体に関して、磁気的刺激の間は流れが止まることが望ましい場合がある。たとえば、流れる導電性の水（たとえば、海水）と磁場との組み合わせは、付近の電極またはＩＳＦＥＴダイ３１０上に磁気流体力学的作用により電流の流れまたは電位を発生させ得る。したがって、流量制御弁３４８は、ＩＳＦＥＴダイ３１０の磁気的刺激の間、水の流れを止めるように、フロー管３４０の開口部の近くに位置付けられ得る。流量制御弁３４８は、必要に応じて弁を開閉するようにコントローラ３４９によって操作され得る。

【0045】

[0051]センサ装置３００はまた、フロー管３４０内の液体と連絡する、少なくとも１つの温度センサ３５２および圧力センサ３５４も含み得る。温度センサ３５２および圧力センサ３５４の両方は、Ａ／Ｄ変換器を通してプロセッサユニット３３０に電気的に接続される。一実施形態では、熱勾配を判定できるようにＩＳＦＥＴダイ３１０の周りに２つ以上の温度センサが空間的に配置され得、熱勾配は誤差補正のために使用され得る。

【0046】

[0052]一実装形態では、イオンセンサ装置３００は、深海ｐＨ検知のためなど、海水中に沈められるように構成される。したがって、イオンセンサ装置３００の様々な構成要素が、深海の圧力および温度条件に耐えることのできる密封された筐体構造内にパッケージングされ得る。センサ装置３００の他の例示的な実装形態は、地下水、工業化学物質、精製された化学物質、原油などのイオン検知を含む。

【0047】

[0053]センサ装置３００におけるイオンセンサの測定誤差を補正する方法では、ＩＳＦＥＴダイ３１０は、海水などの液体と接触しつつ、電磁石３２０からの磁場に曝される。このことはＩＳＦＥＴダイ３１０の抵抗における対応する出力を生成し、この出力は、この実際の出力と磁場に基づいて予想される出力との間に差があるかを判定するためにプロセッサユニット３３０によって監視され、出力の差が検出された場合に誤差補正値が決定される。次いで誤差補正値が適用されて、実際の出力と予想される出力との間の差をゼロにする。

【0048】

[0054]図４Ａおよび４Ｂは、本発明のイオンセンサ装置におけるＩＳＦＥＴダイとして実装され得る、代替実施形態による半導体デバイス４００を示す。デバイス４００は、上側表面４０８を有する、シリコン基板などの半導体基板４０４を含む。ソース４１２およびドレイン４１４が、上側表面４０８の下の基板４０４の対向する側方部分に配置される。別個の電気的ホール接点４２０および４２２の対が、上側表面４０８の下の基板４０４の対向する側方部分に、ソース４１２およびドレイン４１４が配置された側方部分に隣接して配置される。液体中のイオンに感応するゲートチャネル４２６が、基板４０４の上側中央部分においてソース４１２とドレイン４１４との間かつホール接点４２０、４２２の間に配置される。デバイス４００は、従来の半導体加工技法を使用して製造され得る。

【0049】

[0055]ソース４１２、ドレイン４１４、およびホール接点４２０、４２２は、互いとは別個であり、かつ、イオンセンサ装置におけるデバイス４１０の動作中に液体媒体との接触を回避するように、基板４１１の上側表面４０８の下に配置される。デバイス４１０は２つの電圧の測定を可能にし、一方の電圧測定値はホール接点４２０、４２２からであり、他方の電圧測定値はソース４１２およびドレイン４１４からである。

【0050】

[0056]図５は、本発明のイオンセンサ装置において実装され得る、代替実施形態による半導体デバイス５００を示す。デバイス５００は、上側表面５０６を有する、シリコン基板などの半導体基板５０４を備えるイオン感応型ダイ５０２を含む。接点５０８ａ〜５０８ｄなどの複数の接点が、上側表面５０６の下の基板５０４の対向する側方部分に配置される。イオン感応型チャネル５１０は、基板５０４の上側中央部分において接点同士の間に配置される。接点は互いとは別個であり、かつ、イオンセンサ装置におけるデバイス５００の動作中に液体に触れることを回避するように、基板５０４の上側表面５０６の下に配置される。基板５０４は円形形状を有するものとして描かれているが、基板５０４は他の幾何学形状を有するように製造され得る。ダイ５０２は、従来の半導体加工技法を使用して製造され得る。

【0051】

[0057]接点５０８ａ〜５０８ｄのそれぞれは、ロータリースイッチ５１４の一部である接点パッド５１２ａ〜５１２ｄにそれぞれ結合される。接点パッド５１２ａ〜５１２ｄのそれぞれは、基準電圧源（Ｖｒｅｆ）５１６にまたはプロセッサユニット５２０に切り替え可能に接続することができ、プロセッサユニット５２０はＩＳＦＥＴのｐＨ処理を行うように構成され得る。

【0052】

[0058]動作中、イオン感応型ダイ５０２の異なる接点は、ソースおよびドレインとして働くように、ロータリースイッチ５１４を通して選択的に接続され得る。たとえば、Ｖｒｅｆ５１６がロータリースイッチ５１４を通してパッド５１２ａに結合されるとき、接点５０８ａはＶｒｅｆ５１６に電気的に接続されソースとして働く。また、プロセッサユニット５２０がロータリースイッチ５１４を通してパッド５１２ｃに結合されるとき、接点５０８ｃはプロセッサユニット５２０に電気的に接続されドレインとして働く。別の構成では、Ｖｒｅｆ５１６がロータリースイッチ５１４を通してパッド５１２ｂに結合されるとき、接点５０８ｂはＶｒｅｆ５１６に電気的に接続され、ソースとして働く。この構成では、プロセッサユニット５２０がロータリースイッチ５１４を通してパッド５１２ｄに結合されるとき、接点５０８ｄはプロセッサユニット５２０に電気的に接続され、ドレインとして働く。

【0053】

[0059]図６は、本発明のイオンセンサ装置において実装され得る、別の代替実施形態による半導体デバイス６００を示す。デバイス６００は、ダイ５０２（図５）と同様の特徴を有するイオン感応型ダイ６０２を含む。したがって、ダイ６０２は、上側表面６０６を有する半導体基板６０４を含む。接点６０８ａ〜６０８ｄなどの複数の接点が、上側表面６０６の下の基板６０４の対向する側方部分に配置される。イオン感応型チャネル６１０は、基板６０４の上側中央部分において接点同士の間に配置される。接点は互いとは別個であり、かつ、試験されている液体に触れることを回避するように、基板６０４の上側表面６０６の下に配置される。

【0054】

[0060]接点６０８ａ〜６０８ｄのそれぞれは、ロータリースイッチ６１４の一部である接点パッド６１２ａ〜６１２ｄにそれぞれ結合される。接点パッド６１２ａ〜６１２ｄのそれぞれは、Ｖｒｅｆ６１６にまたはプロセッサユニット６２０に切り替え可能に接続することができ、プロセッサユニット６２０はＩＳＦＥＴのｐＨ処理を行うように構成され得る。加えて、接点６０８ａ〜６０８ｄのそれぞれは、ロータリースイッチ６２４の一部である接点パッド６２２ａ〜６２２ｄにそれぞれ結合され、ロータリースイッチ６２４はホール効果電位の測定を行うように構成される。

【0055】

[0061]デバイス６００の動作中、ｐＨ測定および／またはホール電位測定を行うときに、対向する直交する接点が接続される。したがって、イオン感応型ダイ６０２の異なる接点は、ソースおよびドレインとして働くように、ロータリースイッチ６１４を通して選択的に接続され得る。たとえば、Ｖｒｅｆ６１６がロータリースイッチ６１４を通してパッド６１２ａに結合されるとき、接点６０８ａはＶｒｅｆ６１６に電気的に接続されソースとして働く。また、プロセッサユニット６２０がロータリースイッチ６１４を通してパッド６１２ｃに結合されるとき、接点６０８ｃはプロセッサユニット６２０に電気的に接続され、ドレインとして働く。

【0056】

[0062]加えて、ソースおよびドレインとして使用されないダイ６０２の接点は、ホール効果電位を測定できるようにロータリースイッチ６２４によって電圧計に選択的に接続され得る。たとえば、電圧計がロータリースイッチ６２４を通してパッド６２２ｂに結合されるとき、接点６０８ｂは電圧計に電気的に接続されホール接点として働く。同様に、電圧計がロータリースイッチ６２４を通してパッド６２２ｄに結合されるとき、接点６０８ｄは電圧計に電気的に接続され、やはりホール接点として働く。

【0057】

[0063]図５および６の実施形態におけるダイは４つの接点を備えて描かれているが、ｐＨ測定および／またはホール電位測定を行うときに対向する直交する接点が接続される限りは、より多くの接点がダイに追加され得る。

【0058】

[0064]図５および６のダイは、採用されると、様々な誤差緩和の利益を提供し得る。たとえば、これらのダイは、ダイ中の材料の異質物によって導入される誤差を緩和し得る。加えて、これらのダイは、製造中にダイの特徴部をパターニングするときの、シリコンウエハと半導体加工用マスクとの間の意図されない位置合わせ不良ならびに沈着物によって導入される誤差を、緩和し得る。さらに、これらのダイは、ピエゾ抵抗効果、ピエゾ・ホール効果、および熱電効果に対する、熱勾配または機械的勾配の効果ならびに関連付けられる影響を緩和し得るとともに、１／周波数ノイズを低減し得る。

【0059】

[0065]本発明のセンサ装置および方法において使用されるプロセッサは、当業者に知られているような、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの任意の適切な組み合わせを使用して実装され得る。これらは、特別に設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）によって補足されるか、あるいはそれに組み込まれ得る。本発明の方法は、プロセッサによって実行されるプログラムモジュールなどの、コンピュータ実行可能命令によって実施され得る。全体的に、プログラムモジュールは、ルーチン、オブジェクト、データコンポーネント、データ構造、アルゴリズムなどを含む。

【0060】

[0066]様々な処理タスク、計算、および本明細書で説明された方法の動作において使用される他のデータの生成を実行するための命令は、ソフトウェア、ファームウェア、または他のコンピュータもしくはプロセッサ可読命令において実施され得る。これらの命令は典型的には、コンピュータもしくはプロセッサ可読命令またはデータ構造の格納のために使用される任意の適切な機械可読媒体上に格納される。

【0061】

[0067]適当なプロセッサ可読媒体は、ストレージまたは磁気媒体もしくは光学媒体などの記憶媒体を含み得る。たとえば、ストレージまたは記憶媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリなどの揮発性もしくは不揮発性媒体、あるいは、コンピュータ実行可能命令もしくはデータ構造の形態の所望されるプログラムコードを搬送または格納するために使用され得る任意の他の媒体を含み得る。

【0062】

[0068]実施例１は、液体に曝されるように構成された少なくとも１つのイオン感応型電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）デバイスと、ＩＳＦＥＴデバイスが曝される液体と接触するように構成された参照電極と、ＩＳＦＥＴデバイスを磁場に間欠的に曝すように構成された少なくとも１つの磁石と、ＩＳＦＥＴデバイスおよび参照電極に作動的に接続されたプロセッサと、を備えるイオンセンサ装置を含み、プロセッサは磁場を調整して、ＩＳＦＥＴデバイスの抵抗における対応する調整された出力を生成し、またイオンセンサ装置の報告される出力値の調整をもたらす。

【0063】

[0069]実施例２は、実施例１のセンサ装置を含み、少なくとも１つの磁石は電磁石を備える。
[0070]実施例３は、実施例２のセンサ装置を含み、電磁石は、電磁石によって生成される磁場にＩＳＦＥＴデバイスを間欠的に曝すように、プロセッサによって選択的に作動される。

【0064】

[0071]実施例４は、実施例１のセンサ装置を含み、少なくとも１つの磁石は永久磁石を備える。
[0072]実施例５は、実施例４のセンサ装置を含み、永久磁石によって生成された磁場にＩＳＦＥＴデバイスを間欠的に曝すように構成された磁気シールドをさらに備える。

【0065】

[0073]実施例６は、実施例１〜５のいずれかのセンサ装置を含み、磁石に隣接しかつ磁場の大きさまたは状態を測定するように構成された、磁場センサをさらに備える。
[0074]実施例７は、実施例１〜６のいずれかのセンサ装置を含み、ＩＳＦＥＴデバイスが曝される液体に接触するように構成された対電極をさらに備え、プロセッサは対電極に作動的に接続される。

【0066】

[0075]実施例８は、実施例１〜７のいずれかのセンサ装置を含み、少なくとも１つの温度センサおよび圧力センサをさらに備え、温度センサおよび圧力センサはＩＳＦＥＴデバイスが曝される液体に接触するように構成される。

【0067】

[0076]実施例９は、実施例１〜８のいずれかのセンサ装置を含み、液体を受容するように構成されたフロー管をさらに備え、ＩＳＦＥＴデバイスはこのフロー管の内部に配設される。

【0068】

[0077]実施例１０は、実施例９のセンサ装置を含み、フロー管に入る液体の流れを制御するフロー弁をさらに備える。
[0078]実施例１１は、実施例１〜１０のいずれかのセンサ装置を含み、ＩＳＦＥＴデバイスは、上側表面を有する半導体基板と、半導体基板の対向する側方部分に配置されたソースおよびドレインと、ソースおよびドレインが配置された側方部分に隣接する、半導体基板の対向する側方部分にそれぞれ配置された電気的ホール接点の対と、半導体基板の上側中央部分においてソースとドレインとの間かつ電気的ホール接点の対の間に配置された、液体中のイオンに感応するゲートチャネルと、を備え、ソース、ドレイン、および電気的ホール接点は互いとは別個であり、かつ半導体基板の上側表面の下に配置される。

【0069】

[0079]実施例１２は、実施例１〜１１のいずれかのセンサ装置を含み、報告される出力値は液体のｐＨ測定値である。
[0080]実施例１３は、イオンセンサの測定誤差を補正する方法を含み、方法は、液体をＩＳＦＥＴデバイスの一部と接触させることと、ＩＳＦＥＴデバイスを調整された磁場に曝してＩＳＦＥＴデバイスの抵抗における対応する調整された出力を生成することと、調整された出力と調整された磁場に基づいて予想される出力との間に差があるかを判定するために調整された出力を監視することと、調整された出力と予想される出力との間に差がある場合に誤差補正値を決定することと、誤差補正値を適用してある時間期間の経過とともに調整された出力と予想される出力との間の差をゼロにすることでイオンセンサ測定の安定性を維持することと、を含む。

【0070】

[0081]実施例１４は、実施例１３の方法を含み、調整された磁場は電磁石からのものである。
[0082]実施例１５は、実施例１４の方法を含み、電磁石はＩＳＦＥＴデバイスを調整された磁場に曝すようにプロセッサによって選択的に作動される。

【0071】

[0083]実施例１６は、実施例１３の方法を含み、調整された磁場は少なくとも１つの永久磁石からのものである。
[0084]実施例１７は、実施例１３〜１６のいずれかの方法を含み、液体は海水、地下水、工業化学物質、精製された化学物質、または原油を含む。

【0072】

[0085]実施例１８は、実施例１３〜１７のいずれかの方法を含み、ＩＳＦＥＴデバイスは液体のｐＨを測定するように構成される。
[0086]実施例１９は、上側表面を有する半導体基板と、半導体基板の対向する側方部分に配置された複数の接点と、半導体基板の上側中央部分において接点同士の間に配置されたイオン感応型チャネルと、を備える半導体デバイスを含み、接点は互いとは別箇でありかつ半導体基板の上側表面の下に配置される。

【0073】

[0087]実施例２０は、実施例１９のデバイスを含み、また、半導体デバイスがイオンセンサ装置において採用される場合に接点がｐＨ測定またはホール効果電位の測定を行うよう電気的に構成されるように、接点を１つもしくは複数の電圧源に選択的に結合する１つまたは複数のロータリースイッチをさらに備える。

【0074】

[0088]本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態において具現化され得る。説明された実施形態は、あらゆる点において単に例示的なものと見なされるべきであり、制限的なものと見なされるべきではない。本発明の範囲はしたがって、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の等価な意味および領域内にあるあらゆる変更は、それらの範囲内に包含されるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】