特許 7611795 測定装置、測定方法、イオン感応半導体デバイス

(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】

(24)【登録日】2024-12-26

(45)【発行日】2025-01-10

(54)【発明の名称】測定装置、測定方法、イオン感応半導体デバイス

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/414 20060101AFI20241227BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20241227BHJP

【ＦＩ】

G01N27/414 301X

G01N27/414 301V

G01N27/416 353Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021160096

(22)【出願日】2021-09-29

(65)【公開番号】P2023049992

(43)【公開日】2023-04-10

【審査請求日】2024-06-21

(73)【特許権者】

【識別番号】308033711

【氏名又は名称】ラピスセミコンダクタ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】沖原 将生

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１２２７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５１１２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０５４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２３０９１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－１０５５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３００２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３３０９４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／２６－２７／４９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

特性値が測定されるべき媒体に接触可能に配置された第１イオン感応半導体素子と、
前記媒体に接触可能に配置された第２イオン感応半導体素子と、
前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子との間で前記媒体が位置し当該媒体に接触可能に配置された参照電極と、
前記第１イオン感応半導体素子からの第１信号及び前記第２イオン感応半導体素子からの第２信号を受けると共にセンサ信号を生成する信号入力部と、
前記信号入力部に結合されており前記センサ信号を処理する信号処理部と、
前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の経時的変動に係る第１データを格納し、前記信号処理部と相互に通信可能に結合されたメモリと、
を含み、
前記信号処理部は、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の積算通電時間及び前記第１データを用いて前記センサ信号を処理して、前記媒体の前記特性値のための出力信号を生成し、
前記第１イオン感応半導体素子の第１感応膜は、第１材料を含み、
前記第２イオン感応半導体素子の第２感応膜は、第２材料を含み、
前記第１材料は、前記第２材料と異なる、
測定装置。

【請求項2】

前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子に通電している通電時間を測定するタイマを更に含み、
前記信号処理部は、前記通電時間に基づき前記積算通電時間を更新し、
前記メモリは、前記信号処理部からの更新された積算通電時間を格納する、
請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の温度をモニタするための温度センサを更に含み、
前記温度センサは、前記温度を示す温度信号を生成し、
前記メモリは、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の前記経時的変動の、温度に対する変化に係る第２データを格納しており、
前記信号処理部は、前記第２データ及び前記温度信号を用いて前記センサ信号を処理して、前記出力信号を生成する、
請求項１又は請求項２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記特性値は、前記媒体の水素イオン濃度を含み、
前記第１イオン感応半導体素子の前記第１感応膜は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、及びタンタル酸化物の少なくとも１つを含み、
前記第２イオン感応半導体素子の前記第２感応膜は、前記第１感応膜と異なるように、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、及びタンタル酸化物の少なくとも１つを含む、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項5】

媒体の特性を測定する測定方法であって、
第１材料の第１感応膜を有する第１イオン感応半導体素子、及び前記第１材料と異なる第２材料の第２感応膜を有する第２イオン感応半導体素子を含むイオン感応半導体デバイスを、特性値が測定されるべき媒体に接触させることと、
前記イオン感応半導体デバイスとの間で前記媒体が位置するように当該媒体に接触させた参照電極に通電することと、
前記参照電極に通電すると共に前記イオン感応半導体デバイスを前記媒体に接触させた後に、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子から前記媒体に係るセンサ信号を得ることと、
前記特性値のための出力信号を生成するように、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の経時的変動に係る第１データ、及び前記イオン感応半導体デバイスの積算通電時間に基づき前記センサ信号を処理すること、
を含む、測定方法。

【請求項6】

前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の通電時間を測定すると共に、前記通電時間を用いて前記積算通電時間を更新すること、
前記積算通電時間をメモリに格納することと、
を更に含む、
請求項５に記載の測定方法。

【請求項7】

前記イオン感応半導体デバイスの温度を検知して、温度信号を生成すること、
を更に含み、
センサ信号を得ることは、前記経時的変動における温度変化に係る第２データ、及び前記温度信号を更に用いて前記センサ信号を処理して、前記出力信号を生成することを含む、
請求項５又は請求項６に記載の測定方法。

【請求項8】

第１導電型の半導体領域を有する基板と、
第１センサ窓及び第２センサ窓を有し、前記基板の上に設けられた絶縁膜と、
前記半導体領域の第１部分と前記第１センサ窓との間に設けられ第１材料を含む第１感応膜と、
前記半導体領域に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型の第１ソース領域と、
前記半導体領域に設けられた前記第２導電型の第１ドレイン領域と、
前記半導体領域の第２部分と前記第２センサ窓との間に設けられ第２材料を含む第２感応膜と、
前記半導体領域に設けられた前記第２導電型の第２ソース領域と、
前記半導体領域に設けられた前記第２導電型の第２ドレイン領域と、
を含み、
前記第１センサ窓は、前記第１感応膜に到達し、
前記第２センサ窓は、前記第２感応膜に到達し、
前記半導体領域の前記第１部分は、前記第１ソース領域と前記第１ドレイン領域との間にあり、
前記半導体領域の前記第２部分は、前記第２ソース領域と前記第２ドレイン領域との間にあり、
前記第１感応膜の前記第１材料は、前記第２感応膜の前記第２材料と異なる、
イオン感応半導体デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定装置、測定方法、及びイオン半導体デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、電気化学センサを開示する。電気化学センサは、電界効果トランジスタを備えるセンサ部を含む。電気化学センサは、センサ部で測定された特性値とセンサ部の特性値の目標値を比較する比較回路と、比較の結果から電荷蓄積膜に電荷を注入する電圧条件を算出する回路と、この回路で算出された条件の電圧をセンサ部に印加するよう制御する制御回路を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１８０７１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

イオン感応半導体素子、例えば、特許文献１のイオン感応性電界効果トランジスタでは、その感応膜がｐＨ測定のための水溶液に浸けられていると、イオン感応半導体素子の出力電圧が変動していく。

【0005】

具体的には、イオン感応半導体素子は、例えば土壌又は水溶液といった媒体の常時モニタリングのために長い時間にわたって連続的に使用されることがある。この場合には、イオン感応半導体素子、具体的には、ｐＨセンサの出力にドリフトが現れる。このドリフトによって、ｐＨセンサの測定精度が悪くなる。

【0006】

ｐＨセンサの出力ドリフトは、また、媒体の特性値の測定毎にキャリブレーションのための追加測定を行うことによって除去され又は低減されることができる。しかしながら、この追加測定は、特性値測定に要する時間に加えて更なる測定時間を必要として、また、この追加時間は、特性値の測定回数に従って累積される。

【0007】

本発明は、特性値の測定毎の追加測定を回避できる測定装置、測定方法、イオン感応半導体デバイスを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１態様に係る測定装置は、特性値が測定されるべき媒体に接触可能に配置された第１イオン感応半導体素子と、前記媒体に接触可能に配置された第２イオン感応半導体素子と、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子との間で前記媒体が位置し当該媒体に接触可能に配置された参照電極と、前記第１イオン感応半導体素子からの第１信号及び前記第２イオン感応半導体素子からの第２信号を受けると共にセンサ信号を生成する信号入力部と、前記信号入力部に結合されており前記センサ信号を処理する信号処理部と、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の経時的変動に係る第１データを格納し、前記信号処理部と相互に通信可能に結合されたメモリと、を含み、前記信号処理部は、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の積算通電時間及び前記第１データを用いて前記センサ信号を処理して、前記媒体の前記特性値のための出力信号を生成し、前記第１イオン感応半導体素子の第１感応膜は、第１材料を含み、前記第２イオン感応半導体素子の第２感応膜は、第２材料を含み、前記第１材料は、前記第２材料と異なる。

【0009】

この測定装置によれば、第１感応膜を有する第１イオン感応半導体素子及び第２感応膜を有する第２イオン感応半導体素子は異なる経時的変化を示す。この経時的変化の違いを表す第１データに基づいて、信号処理部は、第１イオン感応半導体素子及び第２イオン感応半導体素子からのセンサ信号を処理する。この処理により、信号処理部は、媒体のイオンに係る特性値（例えば、ｐＨ）のための出力信号を生成できる。第１データ、第１イオン感応半導体素子及び第２イオン感応半導体素子を用いると、第１イオン感応半導体素子及び第２イオン感応半導体素子の経時的変化の影響が出力信号において低減されている。また、測定装置は、経時的変化の補償をするために媒体の特性値の測定毎に行う測定を回避可能である。

【0010】

本発明の第１態様に係る測定装置は、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子に通電している通電時間を測定するタイマを更に含み、前記信号処理部は、前記通電時間に基づき前記積算通電時間を更新し、前記メモリは、前記信号処理部からの更新された積算通電時間を格納する。

【0011】

この測定装置によれば、測定装置内のタイマの通電時間は、例えば、第１イオン感応半導体素子及び第２イオン感応半導体素子の通電終了毎に更新される。メモリは、更新された積算通電時間を格納する。

【0012】

本発明の第１態様に係る測定装置は、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の温度をモニタするための温度センサを更に含み、前記温度センサは、前記温度を示す温度信号を生成し、前記メモリは、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の前記経時的変動の、温度に対する変化に係る第２データを格納しており、前記信号処理部は、前記第２データ及び前記温度信号を用いて前記センサ信号を処理して、前記出力信号を生成する。

【0013】

この測定装置によれば、第１感応膜の第１イオン感応半導体素子及び第２感応膜の第２イオン感応半導体素子の経時的変動は、温度依存性を示す。この温度依存性を表す第２データに基づき、信号処理部は、センサ信号を処理する。この処理により、信号処理部は、媒体の特性値のための出力信号を生成でき、この出力信号において、温度に対する経時的変動の影響が低減される。

【0014】

本発明の第１態様に係る測定装置では、前記特性値は、前記媒体の水素イオン濃度（ｐＨ）を含み、前記第１イオン感応半導体素子の前記第１感応膜は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、及びタンタル酸化物の少なくとも１つを含み、前記第２イオン感応半導体素子の前記第２感応膜は、前記第１感応膜と異なるように、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、及びタンタル酸化物の少なくとも１つを含む。

【0015】

この測定装置によれば、第１イオン感応半導体素子は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、及びタンタル酸化物の少なくとも１つを含む第１感応膜を有する。また、第２イオン感応半導体素子は、第１感応膜と異なるように、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、及びタンタル酸化物の少なくとも１つを含む第２感応膜を有する。これらの材料の組み合わせによれば、第１イオン感応半導体素子及び第２イオン感応半導体素子に、明確な経時的変動の差を生じさせる。

【0016】

本発明の第２態様に係る媒体の特性を測定する測定方法は、第１材料の第１感応膜を有する第１イオン感応半導体素子、及び前記第１材料と異なる第２材料の第２感応膜を有する第２イオン感応半導体素子を含むイオン感応半導体デバイスを、特性値が測定されるべき媒体に接触させることと、前記イオン感応半導体デバイスとの間で前記媒体が位置するように当該媒体に接触させた参照電極に通電することと、前記参照電極に通電すると共に前記イオン感応半導体デバイスを前記媒体に接触させた後に、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子から前記媒体に係るセンサ信号を得ることと、前記特性値のための出力信号を生成するように、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の経時的変動に係る第１データ、及び前記イオン感応半導体デバイスの積算通電時間に基づき前記センサ信号を処理すること、を含む。

【0017】

この測定方法によれば、第１感応膜の第１イオン感応半導体素子及び第２感応膜の第２イオン感応半導体素子が異なる経時的変動を示す。この経時的変動の違いを表す第１データに基づき、第１イオン感応半導体素子及び第２イオン感応半導体素子からのセンサ信号が、媒体の特性値（例えば、ｐＨ）に係る出力信号を生成するように処理される。この処理により、媒体の特性値のための信号を生成でき、この信号では経時的変動の影響を低減できる。また、測定方法は、経時的変化の補償をするために媒体の特性値の測定毎に行う測定を回避可能である。

【0018】

本発明の第２態様に係る方法は、前記第１イオン感応半導体素子及び前記第２イオン感応半導体素子の通電時間を測定すると共に、前記通電時間を用いて前記積算通電時間を更新すること、前記積算通電時間をメモリに格納することと、を更に含む。

【0019】

この測定方法によれば、イオン感応半導体デバイスの測定された通電時間の積算値は、例えば、第１イオン感応半導体素子及び第２イオン感応半導体素子の通電終了毎に更新される。

【0020】

本発明の第２態様に係る方法は、前記イオン感応半導体デバイスの温度を検知して、温度信号を生成することを更に含み、センサ信号を得ることは、前記経時的変動における温度変化に係る第２データ、及び前記温度信号を更に用いて前記センサ信号を処理して、前記出力信号を生成することを含む。

【0021】

この測定方法によれば、第１感応膜の第１イオン感応半導体素子及び第２感応膜の第２イオン感応半導体素子の経時的変動は、温度依存性を示す。この温度依存性を示す第２データを追加的に用いて、媒体の特性値のための出力信号を生成するようにセンサ信号を処理する。この処理により、媒体の特性値（例えば、ｐＨ）のための信号を生成でき、この信号では経時的変動おける温度依存性の影響を低減できる。

【0022】

本発明の第３態様に係るイオン感応半導体デバイスは、第１導電型の半導体領域を有する基板と、第１センサ窓及び第２センサ窓を有し、前記基板の上に設けられた絶縁膜と、前記半導体領域の第１部分と前記第１センサ窓との間に設けられ第１材料を含む第１感応膜と、前記半導体領域に設けられ前記第１導電型と異なる第２導電型の第１ソース領域と、前記半導体領域に設けられた前記第２導電型の第１ドレイン領域と、前記半導体領域の第２部分と前記第２センサ窓との間に設けられ第２材料を含む第２感応膜と、前記半導体領域に設けられた前記第２導電型の第２ソース領域と、前記半導体領域に設けられた前記第２導電型の第２ドレイン領域と、を含み、前記第１センサ窓は、前記第１感応膜に到達し、前記第２センサ窓は、前記第２感応膜に到達し、前記半導体領域の前記第１部分は、前記第１ソース領域と前記第１ドレイン領域との間にあり、前記半導体領域の前記第２部分は、前記第２ソース領域と前記第２ドレイン領域との間にあり、前記第１感応膜の前記第１材料は、前記第２感応膜の前記第２材料と異なる。

【0023】

このイオン感応半導体デバイスによれば、同一基板上に、少なくとも２個の電界効果型のイオン感応半導体素子を設ける。これらのイオン感応半導体素子は、感応膜の材料の点で互いに異なると共に、ほぼそろった他の特性を有する。これによれば、感応膜の違いに起因する経時的変化の違いを際立たせることができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、特性値測定毎の追加測定を回避できる測定装置、測定方法、イオン感応半導体デバイスを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、本実施の形態に係る測定装置を概略的に示す図面である。

【図2】図２は、本実施の形態に係るイオン感応半導体デバイスを模式的に示す図面である。

【図3】図３は、図２に示されたＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って取られた断面を模式的に示す図面である。

【図4】図４は、本実施の形態に係る測定方法の例示的なステップを示す図面である。

【図5】図５は、イオン感応半導体素子の経時的変動を示すグラフである。

【図6】図６は、イオン感応半導体素子の経時的変動の温度依存性を示すグラフである。

【図7】図７は、図６の温度特性のアウレニウスプロットを示すグラフである。

【図8】図８は、図１に示された処理部のハードウェア構成の一例を示す図面である。

【図9】図９は、本発明の一実施の形態に係るイオン感応半導体デバイスを模式的に示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して本発明を実施するための各実施の形態について説明する。同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して、重複的な説明を省略する。

【0027】

図１は、本実施の形態に係る測定装置の例示を概略的に示す図面である。

【0028】

測定装置１１は、イオン感応半導体デバイス１３、参照電極１５、信号入力部１７、信号処理部１９、及びメモリ２１を備える。

【0029】

イオン感応半導体デバイス１３は、第１イオン感応半導体素子２５、及び第２イオン感応半導体素子２７を含む。具体的には、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の各々は、電界効果型の構造を有する。イオン感応半導体デバイス１３は、具体的には第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７は、特性値が測定されるべき媒体１００に接触可能に配置される。特性値は、媒体１００の水素イオン濃度（ｐＨ）であることができる。第１イオン感応半導体素子２５は、第１材料を含む第１感応膜２５ａを有し、また第２イオン感応半導体素子２７は、第２材料を含む第２感応膜２７ａを有する。第１材料は、第２材料と異なる。

【0030】

参照電極１５が第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７のために設けられている。参照電極１５も、媒体１００に接触可能に配置される。

【0031】

信号入力部１７は、第１イオン感応半導体素子２５からの第１信号Ｓ１及び第２イオン感応半導体素子２７からの第２信号Ｓ２を受けると共に、センサ信号Ｓ_ＳＥＮを生成する。信号処理部１９は、信号入力部１７に結合されておりセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理する。メモリ２１は、信号処理部１９と相互に通信可能な結合される。メモリ２１は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７それぞれの経時的変動に係る第１データ２１ａを格納する。

【0032】

信号処理部１９は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の第１データ２１ａ及び積算通電時間２１ｂを用いてセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理して、媒体１００の特性値のための出力信号Ｓ_ＯＵＴを出力４６に生成する。

【0033】

測定装置１１によれば、第１感応膜２５ａを有する第１イオン感応半導体素子２５及び第２感応膜２７ａを有する第２イオン感応半導体素子２７は、互いに異なる経時的変化を示す。この経時変化の違いを表す第１データ２１ａに基づき、信号処理部１９は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７からのセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理する。この処理により、信号処理部１９は、媒体１００のイオンに係る特性値（例えば、ｐＨ）のための出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成できる。第１データ２１ａ、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７を用いると、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の経時的変化の影響が出力信号Ｓ_ＯＵＴにおいて低減される。また、測定装置１１は、経時的変化を補償するために媒体１００の特性値の測定毎に行うキャリブレーション測定を回避できる。さらに、測定装置１１は、長期間キャリブレーション無しで媒体１００の特性値を取得できる。

【0034】

信号入力部１７は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の各々の一端子Ｓに接続される。具体的には、信号入力部１７は、電流源４５ａ、４５ｂを含むことができ、電流源４５ａ、４５ｂは、それぞれ、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の一端子Ｓと接地線との間に接続される。電流源４５ａ、４５ｂは、イオン感応半導体素子（２５、２７）に対してバイアス電流を提供する。また、信号入力部１７は、変換部４７を含むことができ、変換部４７は、第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２のそれぞれを処理して、センサ信号Ｓ_ＳＥＮを生成する。変換部４７は、一又は複数のＡ／Ｄ変換器を含むことができる。制限ではなく例示として、変換部４７は、Ａ／Ｄ変換器４７ａ、４７ｂを含む。第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２は、それぞれのＡ／Ｄ変換器４７ａ、４７ｂによって処理されることができる。本実施例では、信号処理部１９、及びメモリ２１は、処理部３３に含まれる。また、メモリ２１は、第１データ２１ａ及び積算通電時間２１ｂの値（データ）を格納するそれぞれのエリアを有する。

【0035】

測定装置１１は、タイマ３１を更に含むことができる。タイマ３１は、例えば第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７に通電している通電時間を測定することができる。信号処理部１９は、通電時間に基づき積算通電時間２１ｂを更新することができ、メモリ２１は、信号処理部１９からの更新された積算通電時間２１ｂを格納することができる。

【0036】

この測定装置１１によれば、処理部３３内のタイマ３１によって測定される通電時間は、例えば、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の通電終了の毎に更新される。メモリ２１は、更新された積算通電時間２１ｂを格納する。

【0037】

具体的には、測定装置１１は、第１電源４３及び第２電源４４を含むことができる。第１電源４３は、第１スイッチ５０ａを介して第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の各々の他端子Ｄに接続されることができる。第１スイッチ５０ａは、制御部４１からの信号に応答して、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の他端子Ｄを接地線又は第１電源４４に切り替える。第２電源４４は、参照電圧Ｖｒを提供しており、第２スイッチ５０ｂを介して参照電極１５に接続されることができる。第２スイッチ５０ｂは、第１スイッチ５０ａと同様の構造を有することができる。

【0038】

タイマ３１は、例えば第１スイッチ５０ａの開閉を制御する信号（制御部４１が第１スイッチ５０ａに与える信号）に応答して、第１スイッチ５０ａの閉から開までの期間を特定することができる。本実施例では、第２スイッチ５０ｂの開閉は、第１スイッチ５０ａの開閉と同期している。

【0039】

第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の特性は、環境温度の変化に応答して変動する。温度補償のために、測定装置１１は、サーミスタ、熱電対や半導体のPNダイオードといった温度センサ２９を更に含むことができる。温度センサ２９は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の温度をモニタするために設けられる。このために、温度センサ２９は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の近傍に配置されることができる。温度センサ２９は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７のための温度モニタに基づき温度を示す温度信号Ｓ_ＴＥＭＰを生成する。温度信号Ｓ_ＴＥＭＰは、処理部３３に提供される。

【0040】

メモリ２１は、第２データ２１ｃを格納しており、第２データ２１ｃは、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の経時的変動が温度に対して変化することに係る補正（温度補正）に係る値を含む。

【0041】

信号処理部１９は、第２データ２１ｃ及び温度信号Ｓ_ＴＥＭＰを用いてセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理して、温度補償された出力信号Ｓ_ＯＵＴを出力４６に生成する。

【0042】

測定装置１１によれば、第１感応膜２５ａの第１イオン感応半導体素子２５及び第２感応膜２７ａの第２イオン感応半導体素子２７の経時的変動は、温度依存性を示す。この温度依存性を表す第２データ２１ｃに基づき、信号処理部１９は、センサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理する。この処理により、信号処理部１９は、媒体１００の特性値のための出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成でき、この出力信号Ｓ_ＯＵＴにおいて、経時的変動における環境温度による影響が低減されている。

【0043】

図２は、本実施の形態に係るイオン感応半導体デバイスを模式的に示す図面である。図３は、図２に示されたＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って取られた断面を模式的に示す図面である。

【0044】

図２を参照すると、イオン感応半導体デバイス１３は、半導体チップの形態として提供され、この半導体チップが、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７を含む。限定ではなく例示として、半導体チップには、温度センサ２９、例えば抵抗体が、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７と一緒に集積されることができる。限定では無く例示として、イオン感応半導体デバイス１３では、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７が同じ向きに並列的に配列されている。

【0045】

第１イオン感応半導体素子２５の第１感応膜２５ａの第１材料は、シリコン酸化物（例えば、ＳｉＯ_２）、シリコン窒化物（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミニウム酸化物（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、及びタンタル酸化物（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）の少なくとも１種を含むことができる。第２イオン感応半導体素子２７の第２感応膜２７ａの第２材料は、第１感応膜２５ａと異なるように、シリコン酸化物（例えば、ＳｉＯ_２）、シリコン窒化物（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミニウム酸化物（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、及びタンタル酸化物（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）の少なくとも１種を含むことができる。限定ではなく例示として、第１感応膜２５ａは、シリコン窒化物（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４）であることができ、第２感応膜２７ａは、タンタル酸化物（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）であることができる。

【0046】

この測定装置１１によれば、これらの材料の組み合わせによれば、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７に、明確な経時的変動の差が現れる。

【0047】

図３を参照すると、図２に示された第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７のための半導体デバイス構造が示される。第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７は、同一の構造を有するので、引き続く記述では、第１イオン感応半導体素子２５を説明すると共に、丸括弧内に、第２イオン感応半導体素子２７のための参照符号を記す。

【0048】

イオン感応半導体デバイス１３は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７のための共通の基板５１を含む。基板５１は、第１導電型（例えば、ｐ型）の半導体領域を有し、例えばｐ型シリコン基板であることができる。基板５１は、第１イオン感応半導体素子２５のチャネルＣＨのための第１部分５１ａ（第２イオン感応半導体素子２７のチャネルＣＨのための第２部分５１ｂ）を含む。イオン感応半導体デバイス１３は、更に、絶縁膜５３、第１感応膜２５ａ（第２感応膜２７ａ）、第１ソース領域５５ａ（第２ソース領域５７ａ）、第１ドレイン領域５５ｂ（第２ドレイン領域５７ｂ）を含む。第１ソース領域５５ａ（第２ソース領域５７ａ）は、図１において「Ｓ」で示されており、第１ドレイン領域５５ｂ（第２ドレイン領域５７ｂ）は、図１において「Ｄ」で示されている。

【0049】

絶縁膜５３は、基板５１を覆っており、第１イオン感応半導体素子２５のための第１センサ窓５３ａ（第２イオン感応半導体素子２７のための第２センサ窓５３ｂ）を有する。第１センサ窓５３ａ（第２センサ窓５３ｂ）が、基板５１の第１部分５１ａ（第２部分５１ｂ）上に設けられる。第１センサ窓５３ａ（第２センサ窓５３ｂ）は、絶縁膜５３に設けられ第１感応膜２５ａ（第２感応膜２７ａ）に到達する。第１感応膜２５ａ（第２感応膜２７ａ）は、基板５１の半導体領域の第１部分５１ａ（第２部分５１ｂ）と第１センサ窓５３ａ（第２センサ窓５３ｂ）との間に設けられる。絶縁膜５３は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物を含む。

【0050】

第１ソース領域５５ａ（第２ソース領域５７ａ）は、基板５１に設けられた第２導電型半導体（例えば、ｎ型半導体）を含み、第１ドレイン領域５５ｂ（第２ドレイン領域５７ｂ）は、基板５１に設けられた第２導電型半導体を含む。半導体領域の第１部分５１ａ（第２部分５１ｂ）は、第１ソース領域５５ａ（第２ソース領域５７ａ）と第１ドレイン領域５５ｂ（第２ドレイン領域５７ｂ）との間に位置する。

【0051】

イオン感応半導体デバイス１３によれば、同一の基板５１上に、少なくとも２個の電界効果型のイオン感応半導体素子２５、２７を設ける。一方、イオン感応半導体デバイス１３内のこれらのイオン感応半導体素子２５、２７は、感応膜（２５ａ、２７ａ）の材料の点で互いに異なると共に、ほぼそろった他の特性を有する。これによれば、感応膜（２５ａ、２７ａ）の違いに起因する経時的変化の違いを際立たせることができる。

【0052】

限定ではなく例示として、第１センサ窓５３ａ及び第２センサ窓５３ｂは、基板５１上の絶縁膜５３内において、同じ方向に延在する。

【0053】

第１センサ窓５３ａ及び第２センサ窓５３ｂは、各々、絶縁膜５３を貫通する貫通孔を含んでおり、基板５１の半導体領域の第１部分５１ａにおけるチャネルＣＨを制御するために利用される。具体的には、図１に示される媒体１００が、この貫通孔に進入して第１感応膜２５ａ（第２感応膜２７ａ）に接触を成す。

【0054】

参照電極１５の電位及び媒体１００の電気的特性に応じて、第１センサ窓５３ａ（第２センサ窓５３ｂ）の直下には、チャネルＣＨが形成される。第１センサ窓５３ａ（第２センサ窓５３ｂ）の直下のチャネルＣＨは、第１ソース領域５５ａ（第２ソース領域５７ａ）と第１ドレイン領域５５ｂ（第２ドレイン領域５７ｂ）とを互いに接続することができる。

【0055】

限定ではなく例示として、第１センサ窓５３ａ（第２センサ窓５３ｂ）は、基板５１の半導体領域からゲート絶縁膜によって隔てられる。本実施例では、良好なチャネルＣＨを得るために、第１イオン感応半導体素子２５（２７）のゲート絶縁膜は、第１感応膜２５ａ（２７ａ）とシリコン酸化膜５９（例えば、熱酸化膜）とを含み、該シリコン酸化膜５９が基板５１の半導体領域と界面を形成する。

【0056】

イオン感応半導体デバイス１３は、例えば、以下のように製造されることができる。ｐ型シリコンウエハを準備する。複数のイオン感応半導体素子を分離するための素子分離シリコン酸化領域をｐ型シリコンウエハ上に形成する。素子分離シリコン酸化領域は、イオン感応半導体素子（２５、２７）の各々の素子エリアを規定する。熱酸化により、ｐ型シリコンウエハの素子エリアにゲート酸化膜を形成する。一の素子エリアにおいてゲート酸化膜上に、堆積、フォトリソグラフ、及びエッチングを用いて第１感応膜（例えば、シリコン窒化膜）を形成する。別の素子エリアにおいてゲート酸化膜上に、堆積、フォトリソグラフ、及びエッチングを用いて第２感応膜（例えば、タンタル酸化膜）を形成する。これらの形成の後に、フォトリソグラフィ及びイオン注入により、ｎ型ソース領域及びｎ型ドレイン領域のためのドーパントを両素子エリアに導入する。この導入の後に、シリコンウエハの全面に絶縁膜を堆積する。この絶縁膜にフォトリソグラフ、及びエッチングを用いてセンサ窓を形成する。センサ窓を形成した後に、電極形成のためのメタライズを行う。

【0057】

限定ではなく例示として、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７は、異なる半導体基板に設けられることができる。

【0058】

図４は、本実施の形態に係る測定方法の例示的なステップを示す図面である。測定方法の一例として、媒体１００の特性を測定する方法が説明される。引き続く説明において、理解を容易にするために、可能な場合には、図１から図３において使用された参照符号が用いられる。

【0059】

ステップＳ１１では、第１感応膜２５ａを有する第１イオン感応半導体素子２５、及び第２感応膜２７ａを有する第２イオン感応半導体素子２７が準備される。これらのイオン感応半導体素子２５、２７の準備は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の作製、又は作製以外の他の方法によって第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７を入手することを含む。限定ではなく例示として、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７は、イオン感応半導体デバイス１３内に設けられる。

【0060】

ステップＳ１２では、特性が測定されるべき媒体１００に、参照電極１５、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７を接触させる。例えば、容器内において参照電極１５から間隔を置いて第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７を配置した状態で、該容器に媒体１００、例えば液体を入れる。或いは、容器内において参照電極１５から間隔を置いて第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７を配置した状態で、該容器を媒体１００、例えば土壌に差し込む。

【0061】

ステップＳ１３では、イオン感応半導体デバイス１３、及び参照電極１５に通電する。例えば、図１に示された測定装置１１においてスイッチ５０ａ及びスイッチ５０ｂを導通させる。

【0062】

ステップＳ１４では、通電に応答して、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の通電時間の測定を開始する。この測定には、例えば測定装置１１のタイマ３１を用いることができる。

【0063】

ステップＳ１５では、媒体１００への接触及び上記の通電後に、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７から、媒体１００に係るセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを得る。

【0064】

具体的には、媒体１００の特性に応じて、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７のそれぞれにチャネルＣＨが生成される。第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７は、それぞれの生成されたチャネルＣＨに応じた第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２を提供する。第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７とそれぞれの電流源４５ａ、４５ｂとの直列接続の回路によって生成される。第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２は、Ａ／Ｄ変換部４７では、例えば単一のＡ／Ｄ変換器によってデジタル値にシリアルに変換されることができ、或いは、Ａ／Ｄ変換器４７ａ、４７ｂによってデジタル値にパラレルに変換されることができる。このように生成されたデジタル値が、センサ信号Ｓ_ＳＥＮとして提供される。

【0065】

ステップＳ１６では、必要な場合には、センサ信号Ｓ_ＳＥＮの取得に先立って、又は取得の後に、イオン感応半導体デバイス１３の温度を検知して、温度信号Ｓ_ＴＥＭＰを生成することができる。

【0066】

ステップＳ１７では、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の経時的変動に係る第１データ２１ａ、及びイオン感応半導体デバイス１３の積算通電時間２１ｂをメモリ２１から読み出す。読み出された第１データ２１ａ及び積算通電時間２１ｂに基づきセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理して、媒体１００の特性値のための出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成する。

【0067】

既に説明したように、イオン感応半導体デバイス１３の検知特性は、不可避的に、使用時間に応じて変化する（つまり、経時的に変化する）。第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７からの第１信号Ｓ１及び第２信号Ｓ２の違いから第１データ２１ａを用いて経時的変動の量を特定できる。

【0068】

必要な場合には、センサ信号Ｓ_ＳＥＮの処理に際して、経時的変動における温度変化に係る第２データ２１ｃ、及び温度信号Ｓ_ＴＥＭＰを温度補償のために用いることができる。第１データ２１ａに追加して、第２データ２１ｃ及び温度信号Ｓ_ＴＥＭＰをセンサ信号Ｓ_ＳＥＮの処理に用いて、温度補償された出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成してもよい。

【0069】

この測定方法によれば、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の経時的変動は、温度依存性を示す。この温度依存性を示す第２データ２１ｃを基づき、媒体１００の特性値のための温度補償された出力信号Ｓ_ＯＵＴを提供するようにセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理する。この処理により、イオン感応半導体素子２５、２７の経時的変動及び該変動における温度依存性が、例えば媒体１００のｐＨの測定値に影響することを低減できる。

【0070】

ステップＳ１８では、必要な場合には、測定を繰り返すことができる。

【0071】

ステップＳ１９では、測定が完了した場合に、イオン感応半導体デバイス１３及び参照電極１５への通電を切断する。例えば、図１に示された測定装置１１においてスイッチ５０ａ及びスイッチ５０ｂを開放する。

【0072】

ステップＳ２０では、通電の終了に応答して、ステップＳ１４において動作を開始させたタイマ３１による経時値を読み取る。測定された通電時間を用いて積算通電時間２１ｂを更新する。この更新された積算通電時間２１ｂをメモリ２１に格納する。この測定方法によれば、イオン感応半導体デバイス１３の測定された通電時間の積算値は、例えば、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の通電終了の毎に更新される。

【0073】

具体的には、この測定方法によれば、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７が異なる経時的変動を示す。この経時的変動の違いを表す第１データ２１ａに基づき、センサ信号Ｓ_ＳＥＮが、媒体１００の特性値に係る出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するように処理される。この処理により、特性値（例えば、ｐＨ）を示す出力信号を生成でき、この信号では経時的変動の影響が低減されている。また、測定方法は、経時的変動を補償するために媒体１００の特性値の測定毎に行う繰り返しを回避可能である。さらに、長期間キャリブレーション無しで媒体１００の特性値を取得できる。

【0074】

測定装置１１は、キャリブレーション測定モード、及びキャリブレーション測定モードと異なるフィールド測定モードを含むことができる。これらのモードの切り替えは、例えば、外部からの入力に応答して制御部４１によって実現される。

【0075】

フィールド測定モードは、測定装置１１に、媒体１００の測定を可能にする。キャリブレーション測定モードは、測定装置１１に、第１データ２１ａ及び第２データ２１ｃのための測定を可能にすると共に、測定装置１１は、標準媒体の特性値に係る測定値の信号、例えば信号Ｓ_ＳＥＮを外部に出力することを可能にする。

【0076】

出力された測定値から、第１データ２１ａ及び第２データ２１ｃのためのデータを作成することができる。このように作成され第１データ２１ａ及び第２データ２１ｃは、メモリ２１に格納される。測定装置１１は、キャリブレーション測定モードにおいて、第１データ２１ａの保存のためにメモリ２１内の第１エリア（２１ａ）を選択的に書き込み可能にする。この測定装置１１によれば、キャリブレーション測定モード以外のモードにおいて、メモリ２１内の第１エリア（２１ａ）を意図しない書き込みから保護できる。

【0077】

測定装置１１は、キャリブレーション測定モードにおいて、第２データ２１ｃの保存のためにメモリ２１内の第２エリア（２１ｃ）を選択的に書き込み可能にする。この測定装置１１によれば、キャリブレーション測定モード以外のモードにおいて、メモリ２１内の第２エリア（２１ｃ）を意図しない書き込みから保護できる。

【0078】

測定装置１１は、フィールド測定モードにおいて、積算通電時間のデータの保存のためにメモリ２１内の第３エリアを書き込み可能にする。この測定装置１１によれば、フィールド測定モード以外のモードにおいて、積算通電時間のデータを保護することができる。

【0079】

図５は、イオン感応半導体素子の経時的変動を示すグラフである。第１イオン感応半導体素子２５として、シリコン窒化物（Ｓｉ_３Ｎ_４）感応膜を有するイオン感応半導体素子が準備される。また、第２イオン感応半導体素子２７として、タンタル酸化物（Ｔａ_２Ｏ_５）感応膜を有するイオン感応半導体素子が準備される。

【0080】

図５において、縦軸は、イオン感応半導体素子の出力の変動率（初期値からの変化分）を電圧値として示し、また横軸は、通電時間を示す。測定において、種類の感応膜を有するそれぞれイオン感応半導体素子は、標準媒体（例えば、摂氏４０度、ｐＨ６．８６）に浸漬されている。ドレイン電圧は、例えば1.0から2.5ボルトであり、参照電極の電圧は、例えば0から3ボルト程度である。

【0081】

図６は、イオン感応半導体素子の出力値の経時的変動率の温度依存性を示すグラフである。横軸は、標準媒体の温度を示し、縦軸は、イオン感応半導体素子の出力値の変動率を示す。図７は、図６の温度特性のアウレニウスプロットを示すグラフである。図６において、縦軸は、変動率を対数スケールで示し、また横軸は、標準媒体の温度の逆数を示す。

【0082】

図５を参照すると、２つの特性線ＧＴ１、ＧＴ２が描かれている。特性線ＧＴ１は、シリコン窒化物感応膜のイオン感応半導体素子の特性を示し、特性線ＧＴ２は、タンタル酸化物感応膜のイオン感応半導体素子の特性を示す。

【0083】

実施例に係るイオン感応半導体素子の特性は、限定ではなく例示として時間ｔの多項式として近似されることができる。

【0084】

例えば、一次の近似式は、以下のものである。
特性１：Ｖｓａ（ｔ）＝Ｖｓａ０＋［ｐＨ］×Ｓａ＋ｔ×Ｄｓａ・・・（１）
特性２：Ｖｓｂ（ｔ）＝Ｖｓｂ０＋［ｐＨ］×Ｓｂ＋ｔ×Ｄｓｂ・・・（２）
Ｖｓａ及びＶｓｂ：測定において得られる値。
ｔ：積算通電時間。
［ｐＨ］：水素イオン濃度。
Ｓｓ及びＳｂ：水素イオン濃度に係る係数。
Ｄｓａ及びＤｓｂ：時間当たりの経時的変動の係数。
Ｖｓａ０及びＶｓｂ０：時間及び水素イオン濃度に依存しない項（定数項）。

【0085】

特性１の初期値：Ｖｓａ（ｔ＝０）＝Ｖｓａ０＋［ｐＨ］×Ｓａ
特性２の初期値：Ｖｓｂ（ｔ＝０）＝Ｖｓｂ０＋［ｐＨ］×Ｓｂ

【0086】

図５のグラフは、特性線ＧＴ１、ＧＴ２は、以下の式の時間に係る係数により表される。
特性線ＧＴ１：△Ｖｓａ（ｔ）＝Ｖｓａ（ｔ）－Ｖｓａ（ｔ＝０）＝ｔ×Ｄｓａ
特性線ＧＴ２：△Ｖｓｂ（ｔ）＝Ｖｓｂ（ｔ）－Ｖｓｂ（ｔ＝０）＝ｔ×Ｄｓｂ

【0087】

キャリブレーションの際には［ｐＨ］が既知であるので、測定値Ｖｓａ及びＶｓｂの時間依存性に基づき、水素イオン濃度に対する係数Ｓｓ及びＳｂ、経時的変動の係数Ｄｓａ及びＤｓｂ、並びに定数項Ｖｓａ０及びＶｓｂ０を特定できる。また、温度依存性の主要部分は、経時的変動の係数Ｄｓａ及びＤｓｂにある。

【0088】

経時的変動の電圧差△Ｖ（ｔ）、つまり時間に対する変動率は、特性線ＧＴ１と特性線ＧＴ２との差分を示す。ここで、一般性を失うことなく、△Ｖｓａ（ｔ）＞△Ｖｓｂ（ｔ）を仮定できる。

【0089】

△Ｖ（ｔ）＝△Ｖｓａ（ｔ）－△Ｖｓｂ（ｔ）
＝ｔ×（Ｄｓａ－Ｄｓｂ）
図１を参照すると、測定装置１１では、信号入力部１７は、経時的変動を表す式（１）及び（２）によって近似可能な信号Ｓ１、Ｓ２を受ける。具体的には、当該時間ｔにおいて測定値Ｓ１及びＳ２は、以下のように表される。
測定値１：Ｓ１（ｔ）＝Ｖｓａ０＋［ｐＨ］×Ｓａ＋ｔ×Ｄｓａ
測定値２：Ｓ２（ｔ）＝Ｖｓｂ０＋［ｐＨ］×Ｓｂ＋ｔ×Ｄｓｂ
（Ｓ１（ｔ）－Ｓ２（ｔ））＝（Ｖｓａ０－Ｖｓｂ０）
＋［ｐＨ］×（Ｓａ－Ｓｂ）
＋ｔ×（Ｄｓａ－Ｄｓｂ）

【0090】

水素イオン濃度［ｐＨ］は、以下の式によって表される。
［ｐＨ］＝（（Ｓ１－Ｓ２）－（Ｖｓａ０－Ｖｓｂ０）－ｔ×（Ｄｓａ－Ｄｓｂ））／（Ｓａ－Ｓｂ）・・・（３）

【0091】

（第１データ２１ａの例示１）
限定ではなく例示として、メモリ２１は、水素イオン濃度に対する係数（Ｓｓ及びＳｂ）、経時的変動の係数（Ｄｓａ及びＤｓｂ）、及び定数項（Ｖｓａ０及びＶｓｂ０）を含む第１データ２１ａを格納することができる。

【0092】

信号処理部１９は、第１データ２１ａ及び積算通電時間２１ｂを用いて、近似式（３）に従って特性値（例えば、ｐＨ）を計算できる。

【0093】

（第１データ２１ａの例示２）
限定ではなく例示として、メモリ２１は、水素イオン濃度に対する係数（Ｓａ－Ｓｂ）、経時的変動の係数（Ｄｓａ－Ｄｓｂ）、及び定数項（Ｖｓａ０－Ｖｓｂ０）を含む第１データ２１ａを格納することができる。

【0094】

信号処理部１９は、第１データ２１ａ及び積算通電時間２１ｂを用いて、近似式（３）に従って特性値（例えば、ｐＨ）を計算する。

【0095】

（第１データ２１ａの例示３）
限定ではなく例示として、メモリ２１は、複数の時間（ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎ）と、これらの時間に関連付けられた値（△Ｖ（ｔ１）、△Ｖ（ｔ２）、・・・△Ｖ（ｔｎ））を含むテーブル、及び定数項（Ｖｓａ０－Ｖｓｂ０）を格納することができる。

【0096】

信号処理部１９は、当該測定における積算通電時間２１ｂに最も近い時間をテーブルの時間（ｔ１、ｔ２、・・・ｔｎ）から特定すると共に、最も近い時間における測定値（Ｖｓａ及びＶｓｂ）並びに定数項（Ｖｓａ０－Ｖｓｂ０）を用いて、近似式（３）に従って特性値（例えば、ｐＨ）を計算する。

【0097】

第１データ２１ａは、上記の例示に限定されるものではなく、特性線ＧＴ１及びＧＴ２（又は特性１及び特性２）が示す傾向を表す任意の数値を含むことができる。例えば、第１データ２１ａは、特性１及び特性２の近似式を特定するために用いられた生の測定値のテーブルを排除しない。

【0098】

イオン感応半導体素子の特性の近似式は、時間の多項式に限定されることなく、例えば時間ｔの超越関数を含むことができ、或いは、時間ｔの多項式及び時間ｔの超越関数の両方を含むことができる。

【0099】

第２データ２１ｃは、アウレニウスプロットに従う特性１及び特性２の活性化エネルギーのための値を含むことができる。信号処理部１９は、第２データ２１ｃ及び温度信号Ｓ_ＴＥＭＰを用いてセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理して、センサ信号Ｓ_ＳＥＮの温度補償を行う。

【0100】

第２データ２１ｃは、上記の例示に限定されるものではなく、特性線ＧＴ１及びＧＴ２（又は特性１及び特性２）が示す温度に係る傾向を表す任意の数値を含むことができる。更には、第２データ２１ｃは、特性線ＧＴ１及びＧＴ２（又は特性１及び特性２）が示す温度依存性の生の測定値のテーブルを排除しない。

【0101】

図８は、図１に示された処理部のハードウェア構成の一例を示す図面である。処理部３３は、例えばマイクロコンピュータによって構成され、プロセッサ（Central Processing Unit：ＣＰＵ）４０１、一時記憶領域としての主記憶装置４０２、不揮発性の補助記憶装置４０３、外部からの信号を受け付けるインターフェース部（Ｉ／Ｆ部）４０４、制御信号を出力する出力部４０５を含む。ＣＰＵ４０１、主記憶装置４０２、補助記憶装置４０３、インターフェース部４０４及び出力部４０５は、それぞれ、バス４０６に接続されている。補助記憶装置４０３には、測定装置１１における測定処理の手順を記述した測定プログラム４０７が格納されている。処理部３３は、例えば、ＣＰＵ４０１が第１プログラム４０７ａを実行することによってキャリブレーション測定モードを提供すると共にＣＰＵ４０１が第２プログラム４０７ｂを実行することによってフィールド測定モードを提供することを可能にする。プロセッサ４０１の主要な動作を以下に示す。

【0102】

プロセッサ４０１は、イオン感応半導体デバイス１３、及び参照電極１５の通電のためにスイッチ５０ａ及びスイッチ５０ｂの開閉を制御するように構成されることができる。

【0103】

プロセッサ４０１は、通電の制御に応答して、タイマ３１を用いて第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の通電時間の測定を開始するように構成されることができる。

【0104】

プロセッサ４０１は、媒体１００への接触及び通電後に、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７から、媒体１００に係るセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを受けるように構成されることができる。

【0105】

プロセッサ４０１は、センサ信号Ｓ_ＳＥＮの取得に先立って、取得の後に、又は同時に、イオン感応半導体デバイス１３の温度を検知するために、温度センサを用いて温度信号Ｓ_ＴＥＭＰを受けるように構成されることができる。

【0106】

プロセッサ４０１は、第１イオン感応半導体素子２５及び第２イオン感応半導体素子２７の経時的変動に係る第１データ２１ａ、及びイオン感応半導体デバイス１３の積算通電時間２１ｂをメモリ２１から読み出すように構成されることができる。プロセッサ４０１は、読み出された第１データ２１ａ及び積算通電時間２１ｂも用いてセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理して、媒体１００の特性値のための出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するように構成されることができる。

【0107】

プロセッサ４０１は、経時的変動における温度変化に係る第２データ２１ｃ及び温度信号Ｓ_ＴＥＭＰを更に用いてセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理して、温度補償された出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するように構成されることができる。

【0108】

プロセッサ４０１は、測定（センサ信号Ｓ_ＳＥＮを受信すること、及びセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理して出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するように構成されること）を繰り返すように構成されることができる。

【0109】

プロセッサ４０１は、イオン感応半導体デバイス１３及び参照電極１５への通電の切断のためにスイッチ５０ａ及びスイッチ５０ｂを開放するように構成されること）を繰り返すように構成されることができる。

【0110】

プロセッサ４０１は、通電の終了に応答して、タイマ３１を読み取ると共に、測定された通電時間を用いて積算通電時間２１ｂを更新するように構成されることができる。また、プロセッサ４０１は、更新された積算通電時間２１ｂをメモリ２１に格納するように構成されることができる。

【0111】

図９は、本発明の別の実施の形態に係るイオン感応半導体デバイス集積回路を模式的に示す図面である。

【0112】

イオン感応半導体デバイス集積回路１４は、複数のイオン感応半導体デバイス１３を備えることができる。本実施例では、複数のイオン感応半導体デバイス１３は、第１イオン感応半導体デバイス６１、第２イオン感応半導体デバイス６２、第３イオン感応半導体デバイス６３、及び第４イオン感応半導体デバイス６４として参照される。イオン感応半導体デバイス集積回路１４は、基板５１及び絶縁膜５３を含む。第１イオン感応半導体デバイス６１、第２イオン感応半導体デバイス６２、第３イオン感応半導体デバイス６３、及び第４イオン感応半導体デバイス６４は、第１導電型の半導体領域を有する共通の基板５１に集積される。図３に示されるように、絶縁膜５３が、基板５１上に設けられる。

【0113】

第１イオン感応半導体デバイス６１は、近接して並列に配置された第１イオン感応半導体素子６１ａ及び第２イオン感応半導体素子６１ｂを含む。第２イオン感応半導体デバイス６２は、近接して並列に配置された第３イオン感応半導体素子６２ａ及び第４イオン感応半導体素子６２ｂを含む。第３イオン感応半導体デバイス６３は、近接して並列に配置された第５イオン感応半導体素子６３ａ及び第６イオン感応半導体素子６３ｂを含む。第４イオン感応半導体デバイス６４は、近接して並列に配置された第７イオン感応半導体素子６４ａ及び第８イオン感応半導体素子６４ｂを含む。

【0114】

第１イオン感応半導体素子６１ａ、第３イオン感応半導体素子６２ａ、第５イオン感応半導体素子６３ａ及び第７イオン感応半導体素子６４ａの各々のための第１感応膜２５ａが、図３に示されるように、基板５１の半導体領域の第１部分５１ａ上に設けられる。また、これらのイオン感応半導体素子６１ａ～６４ａは、第１感応膜２５ａと、第１感応膜２５ａに到達するように絶縁膜５３に設けられた第１センサ窓５３ａとを含む。さらに、イオン感応半導体素子６１ａ～６４ａの各々は、基板５１に設けられた第２導電型半導体の第１ソース領域５５ａ及び第１ドレイン領域５５ｂを含む。第１部分５１ａは、第１ソース領域５５ａと第１ドレイン領域５５ｂとの間に設けられる。

【0115】

第２イオン感応半導体素子６１ｂ、第４イオン感応半導体素子６２ｂ、第６イオン感応半導体素子６３ｂ及び第８イオン感応半導体素子６４ｂの各々のための第２感応膜２７ａが、図３に示されるように、基板５１の半導体領域の第２部分５１ｂ上に設けられる。また、これらのイオン感応半導体素子６１ｂ～６４ｂは、第２感応膜２７ａに到達するように絶縁膜５３に設けられた第２センサ窓５３ｂを含む。さらに、イオン感応半導体素子６１ｂ～６４ｂの各々は、基板５１に設けられた第２導電型半導体の第２ソース領域５７ａ及び第２ドレイン領域５７ｂを含む。第２部分５１ｂは、第２ソース領域５７ａと第２ドレイン領域５７ｂとの間に設けられる。第１感応膜２５ａの第１材料は、第２感応膜２７ａの第２材料と異なる。

【0116】

イオン感応半導体デバイス集積回路１４は、第１イオン感応半導体デバイス６１、第２イオン感応半導体デバイス６２、第３イオン感応半導体デバイス６３、及び第４イオン感応半導体デバイス６４のいずれか１つを選択するスイッチ６５を備える。

【0117】

例えば、スイッチ６５は、第１イオン感応半導体デバイス６１、第２イオン感応半導体デバイス６２、第３イオン感応半導体デバイス６３、及び第４イオン感応半導体デバイス６４のいずれか１つを信号入力部１７に接続することができる。

【0118】

信号入力部１７は、第１イオン感応半導体デバイス６１、第２イオン感応半導体デバイス６２、第３イオン感応半導体デバイス６３、及び第４イオン感応半導体デバイス６４からのそれぞれの信号を受けると共にセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを生成する。信号処理部１９は、信号入力部１７に結合されておりセンサ信号Ｓ_ＳＥＮを処理する。

【0119】

限定ではなく例示として、イオン感応半導体デバイス集積回路１４によれば、イオン感応半導体デバイス６１、６２、６３、６４から選択された少なくとも２つのデバイスを用いて媒体１００を測定して、複数の特性値（例えば、複数のｐＨ値）を得ることができる。信号処理部１９は、これらの特性値を処理して、例えば相加平均により、出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成できる。

【0120】

或いは、イオン感応半導体デバイス集積回路１４によれば、イオン感応半導体デバイス６１、６２、６３、６４から順に選択された単一のデバイスを用いて媒体を測定して単一の特性値を得ることができる。このような測定は、個々のデバイスの積算通電時間を減らすことができる。

【0121】

或いは、メモリ２１は、イオン感応半導体デバイス６１、６２、６３、６４のそれぞれに対して、互いに異なる近似式に基づく第１データ２１ａ及び第２データ２１ｃを格納することができる。

【0122】

或いは、測定されるべき媒体１００の種類に応じて、イオン感応半導体デバイス６１、６２、６３、６４から一のデバイスを選択することができる。

【0123】

本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。そして、それらはすべて、本発明の技術思想に含まれるものである。

【符号の説明】

【0124】

１１・・・測定装置、１３・・・イオン感応半導体デバイス、１４・・・イオン感応半導体デバイス集積回路、１５・・・参照電極、１７・・・信号入力部、１９・・・信号処理部、２１・・・メモリ、２１ａ・・・第１データ、２１ｂ・・・積算通電時間、２１ｃ・・・第２データ、２５・・・第１イオン感応半導体素子、２５ａ・・・第１感応膜、２７・・・第２イオン感応半導体素子、２７ａ・・・第２感応膜、２９・・・温度センサ、３１・・・タイマ、３３・・・処理部、４１・・・制御部、４３・・・電源、４４・・・電源、４５ａ、４５ｂ・・・電流源、４６・・・出力、４７・・・Ａ／Ｄ変換部、４７ａ、４７ｂ・・・変換器、５０ａ、５０ｂ・・・スイッチ、５１・・・基板、５１ａ・・・第１部分、５１ｂ・・・第２部分、５３・・・絶縁膜、５３ａ、５３ｂ・・・センサ窓、５５ａ、５７ａ・・・ソース領域、５５ｂ、５７ｂ・・・ドレイン領域、５９・・・シリコン酸化膜、６１・・・イオン感応半導体デバイス、６１ａ、６１ｂ・・・イオン感応半導体素子、６２・・・イオン感応半導体デバイス、６２ａ、６２ｂ・・・イオン感応半導体素子、６３・・・イオン感応半導体デバイス、６３ａ、６３ｂ・・・イオン感応半導体素子、６４・・・イオン感応半導体デバイス、６４ａ、６４ｂ・・・イオン感応半導体素子、６５・・・スイッチ、１００・・・媒体、４０１・・・プロセッサ、４０２・・・主記憶装置、４０３・・・補助記憶装置、４０４・・・インターフェース部、４０５・・・出力部、４０６・・・バス、４０７・・・測定プログラム、４０７ａ、４０７ｂ・・・プログラム、Ｓ・・・一端子、Ｄ・・・他端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】