DE112020002634T5

DE112020002634T5 - Geruchssensor und Geruchserfassungsverfahren

Info

Publication number: DE112020002634T5
Application number: DE112020002634.5T
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Mizuno; Hiroo Yamamoto; Sho Morita; Toshiki Wakamori
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2022-03-03
Also published as: JP7391540B2; US20220196593A1; CN113874718A; WO2020240942A1; JP2020197414A

Abstract

Ein Geruchssensor umfasst einen Ionensensor mit einem empfindlichen Film, einem Substanzadsorptionsfilm, der auf dem empfindlichen Film angeordnet ist und konfiguriert ist, eine zu detektierende Geruchssubstanz zu adsorbieren, und eine Elektrode, die konfiguriert ist, eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm anzulegen. Der Substanzadsorptionsfilm befindet sich in einem Zustand, in dem er in Reaktion auf die Absorption der Geruchssubstanz ein Proton freisetzt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Geruchssensor und ein Geruchserfassungsverfahren.
Hintergrund der Erfindung
Der im Nicht-Patentdokument 1 offenbarte Sensor ist als Geruchssensor mit Geruchsempfindlichkeit bekannt. In dem obigen Sensor ist ein Polyanilin-empfindlicher Film (ein Geruchsstoffadsorptionsfilm) auf einem ionenempfindlichen Film (Si₃N₄) eines sogenannten pH-Bildsensors vom Ladungstransfertyp ausgebildet. Das Nicht-Patentdokument 1 beschreibt, dass die Gasdetektion (Geruchsdetektion) auf der Grundlage einer Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante eines Polyanilin-empfindlichen Films durchgeführt wird, die durch Gasexposition des Polyanilin-empfindlichen Films verursacht wird.
Zitierliste
Nicht-Patentdokument
[Nicht-Patentdokument 1] Naoya Shinmyo, Tatsuya Iwata, Kenichi Hashizume, Shunichiro Kuroki, Kazuaki Sawada (2017), Gas distribution imaging by charge transfer type sensor arrays using polyaniline sensitive film, 64th JSAP Spring Meeting, 16p-416-6.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die relative Dielektrizitätskonstante des Substanzadsorptionsfilms kann sich jedoch möglicherweise durch Gasexposition nicht ändern. Selbst wenn sich die relative Dielektrizitätskonstante des Substanzadsorptionsfilms aufgrund von Gaseinwirkung ändert, besteht die Möglichkeit, dass die Detektionsempfindlichkeit der Geruchssubstanz verbessert werden kann, indem man sich auf andere Faktoren als die Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante des Substanzadsorptionsfilms konzentriert.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, einen Geruchssensor und ein Geruchserfassungsverfahren bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Geruchssubstanz in geeigneter Weise zu erfassen.
Lösung des Problems
Ein Geruchssensor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Ionensensor mit einem ionenempfindlichen Abschnitt, einen Substanzadsorptionsfilm, der auf dem ionenempfindlichen Abschnitt angeordnet ist und konfiguriert ist, eine zu detektierende Geruchssubstanz zu adsorbieren, und eine Elektrode, die konfiguriert ist, eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm anzulegen. Der Substanzadsorptionsfilm befindet sich in einem Zustand, in dem er in Reaktion auf die Adsorption der Geruchssubstanz ein Proton freisetzt.
In dem oben erwähnten Geruchssensor befindet sich der Substanzadsorptionsfilm in einem Zustand der Protonenfreisetzung, wenn die Geruchssubstanz adsorbiert wird. Wenn der Substanzadsorptionsfilm die Geruchssubstanz adsorbiert, kann der ionenempfindliche Abschnitt dementsprechend eine durch die Protonenfreisetzung verursachte Änderung der elektrischen Eigenschaften feststellen. Da die Elektrode die Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm anlegt, kann der Ionensensor außerdem eine geringfügige Änderung der elektrischen Eigenschaften von einem stabilen Zustand (d. h. einem Zustand, in dem die Geruchssubstanz nicht an den Substanzadsorptionsfilm adsorbiert ist und die Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm angelegt ist) detektieren. Daher kann der Geruchssensor die Geruchssubstanz in geeigneter Weise detektieren, indem er das Phänomen der Protonenabgabe des Substanzadsorptionsfilms nutzt.
Der Substanzadsorptionsfilm kann Polyanilin in einem Smaragdin-Salz-Zustand enthalten. Gemäß dieser Konfiguration kann ein Substanzadsorptionsfilm, der ein Proton freisetzt, wenn eine Geruchssubstanz adsorbiert wird, in geeigneter Weise aus Polyanilin gebildet werden.
Der ionenempfindliche Abschnitt kann konfiguriert sein, ein Potential des ionenempfindlichen Abschnitts in Reaktion auf eine Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts aufgrund der Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm zu ändern. Wenn der Substanzadsorptionsfilm die Geruchssubstanz adsorbiert, wird davon ausgegangen, dass eine Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm erfolgt, um die Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts zu ändern. Das heißt, es wird davon ausgegangen, dass das aus dem Substanzadsorptionsfilm freigesetzte Proton (oder die durch das Proton ionisierte Geruchssubstanz) in der Nähe des ionenempfindlichen Bereichs verbleibt, so dass die Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Bereichs zunimmt. Gemäß der obigen Konfiguration kann eine solche Änderung der Ionenkonzentration als eine Änderung des Potentials des ionenempfindlichen Abschnitts erkannt werden. Darüber hinaus tritt die Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts tendenziell zuverlässiger auf als die Änderung der Dielektrizitätskonstante des Substanzadsorptionsfilms. Daher kann die Geruchssubstanz gemäß der obigen Konfiguration genauer und früher erkannt werden als in dem Fall, in dem die Geruchssubstanz auf der Grundlage der Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante des Substanzadsorptionsfilms erkannt wird.
Der Geruchssensor kann ferner einen Detektor umfassen, der konfiguriert ist, die Geruchssubstanz zu detektieren, indem er einen Ausgangswert des Ionensensors in Übereinstimmung mit einem Potential des ionenempfindlichen Abschnitts überwacht und eine Änderung des Ausgangswertes des Ionensensors in Übereinstimmung mit einer Potentialänderung des ionenempfindlichen Abschnitts detektiert. Gemäß der obigen Konfiguration kann die Geruchssubstanz sofort durch den Detektor erfasst werden.
Der Substanzadsorptionsfilm kann faserig oder porös sein. Gemäß dieser Konfiguration kann die Geruchssubstanz den Substanzadsorptionsfilm durchdringen und in die Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts gelangen. Dementsprechend kann das Proton aus dem Substanzadsorptionsfilm in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts freigesetzt werden, und der ionenempfindliche Abschnitt kann in geeigneter Weise eine durch die Protonenfreisetzung verursachte Änderung der Ionenkonzentration wahrnehmen. Infolgedessen kann die Geruchssubstanz in geeigneter Weise nachgewiesen werden.
Die Dicke des Substanzadsorptionsfilms in einer Richtung, in der der ionenempfindliche Abschnitt und der Substanzadsorptionsfilm einander gegenüberliegen, kann 5 µm oder weniger seen. Durch die dünne Ausbildung des Substanzadsorptionsfilms auf dem ionenempfindlichen Abschnitt ist es möglich, dass die Geruchssubstanz leicht in die Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts gelangt.
Der Geruchssensor kann außerdem eine Passivierungsschicht enthalten, die den Ionensensor bedeckt. Der Substanzadsorptionsfilm kann vorgesehen sein, um die Passivierungsschicht zu bedecken. Die Passivierungsschicht kann mit einer Öffnung versehen sein, die den ionenempfindlichen Abschnitt nach außen hin freilegt. Der ionenempfindliche Abschnitt kann durch die Öffnung mit dem Substanzadsorptionsfilm in Kontakt sein. Der Substanzadsorptionsfilm kann entlang einer Form der Öffnung vorgesehen sein. Wenn der ionenempfindliche Abschnitt an einer vertieften Position in der Öffnung der Passivierungsschicht angeordnet ist, kann die Dicke des auf dem ionenempfindlichen Abschnitt befindlichen Substanzadsorptionsfilms entsprechend dieser Konfiguration effektiv reduziert werden. Dadurch kann die Geruchssubstanz leichter in die Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts gelangen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Geruchserfassungsverfahren unter Verwendung eines Geruchssensors bereitgestellt, der einen Ionensensor mit einem ionenempfindlichen Abschnitt und einem Substanzadsorptionsfilm umfasst, der auf dem ionenempfindlichen Abschnitt angeordnet ist und konfiguriert ist, eine zu detektierende Geruchssubstanz zu adsorbieren. Das Geruchsdetektionsverfahren umfasst einen Schritt des Überwachens eines Ausgangswerts des Ionensensors in Übereinstimmung mit einem Potential des ionenempfindlichen Abschnitts in einem Zustand, in dem eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm angelegt ist, einen Schritt, in dem der Substanzabsorptionsfilm ein Proton in Reaktion auf die Adsorption der Geruchssubstanz freisetzt einen Schritt, in dem der ionenempfindliche Abschnitt ein Potential des ionenempfindlichen Abschnitts in Reaktion auf eine Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts aufgrund der Freisetzung von Protonen aus dem Substanzadsorptionsfilm ändert, und einen Schritt des Erfassens der Geruchssubstanz durch Erfassen einer Änderung eines Ausgangswerts des Ionensensensors in Übereinstimmung mit einer Potentialänderung des ionenempfindlichen Abschnitts.
In dem oben beschriebenen Geruchsdetektionsverfahren kann eine geringfügige Änderung der elektrischen Eigenschaften (Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts) von einem stabilen Zustand, in dem eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm angelegt wird, durch Überwachen des Ausgabewerts des Ionensensors detektiert werden. Wenn der Substanzadsorptionsfilm die Geruchssubstanz adsorbiert, kommt es zu einer Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm, so dass sich die Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Bereichs ändert. Gemäß dem Geruchserfassungsverfahren kann die Geruchssubstanz in geeigneter Weise erkannt werden, indem eine solche Änderung der Ionenkonzentration auf der Grundlage des Ausgangswertes des Ionensensors erkannt wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung können ein Geruchssensor und ein Geruchserfassungsverfahren bereitgestellt werden, die in der Lage sind, eine Geruchssubstanz in geeigneter Weise zu erfassen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Draufsicht auf den Geruchssensor einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittskonfiguration einer Detektionseinheit zeigt.
3 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Hypothese über ein Phänomen, das auftritt, wenn eine Geruchssubstanz an einem Substanzadsorptionsfilm adsorbiert wird.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für den Betrieb der Detektionseinheit zeigt.
5 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel für den Betrieb der Detektionseinheit darstellt.
6 ist ein Diagramm, das eine Modifikation des Substanzadsorptionsfilms zeigt.
7 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittskonfiguration einer Detektionseinheit des Geruchssensors einer zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Diagramm, das ein drittes Beispiel für den Betrieb der in 7 dargestellten Detektionseinheit 5A zeigt.
9 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Geruchssensors einer dritten Ausführungsform zeigt.
10 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren Hypothese über ein Phänomen, das auftritt, wenn eine Geruchssubstanz an einem Substanzadsorptionsfilm adsorbiert wird.

Beschreibung der Ausführungsformen
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In der Beschreibung der Zeichnungen werden dieselben Referenzzeichen für dasselbe oder ein gleichwertiges Element verwendet, und redundante Beschreibungen werden weggelassen.
[Erste Ausführungsform]
1 ist eine schematische Draufsicht auf den Geruchssensor 1 der ersten Ausführungsform. Wie in 1 dargestellt, umfasst der Geruchssensor 1 einen Ionensensor 2, eine Vielzahl von (in diesem Fall fünf) Substanzadsorptionsfilmen 3, die auf dem Ionensensor 2 vorgesehen sind, eine Elektrode 4 zum Anlegen einer Referenzspannung an die Substanzadsorptionsfilme 3 und einen Detektor 6.
Der Ionensensor 2 ist ein Sensor, bei dem auf einem Halbleitersubstrat 100 eine Vielzahl von zweidimensional angeordneten Detektionseinheiten 5 ausgebildet sind. Der Ionensensor 2 ist ein sogenannter CMOS-Bildsensor vom Ladungstransfertyp. Die mehreren Detektionseinheiten 5 sind zweidimensional in einem Pixelausbildungsbereich A, der auf einem Chip des Ionensensors 2 vorgesehen ist (in der vorliegenden Ausführungsform ein rechteckiger Bereich, der in einem zentralen Abschnitt des Chips vorgesehen ist), in M Zeilen und N Spalten (z. B. 256 Zeilen und 256 Spalten) angeordnet, um ein Pixelarray zu bilden. M und N sind ganze Zahlen von 2 oder mehr. Eine Detektionseinheit 5 entspricht einer Detektionseinheit (Pixel). Die Größe (Pixelgröße) einer Detektionseinheit 5 beträgt beispielsweise 30 µm × 30 µm.
Jeder Substanzadsorptionsfilm 3 ist in der Pixelbildungsregion A so angeordnet (gebildet), dass er sich über eine Vielzahl von Detektionseinheiten 5 erstreckt. Der Substanzadsorptionsfilm 3 befindet sich in einem Zustand, der die Eigenschaft hat, ein Proton als Reaktion auf die Adsorption einer zu detektierenden Geruchssubstanz freizusetzen. Hier ist der „Geruch“ etwas, das den Geruchssinn eines Lebewesens wie eines Menschen oder eines Tieres anregt, und die „Geruchssubstanz“ ist eine chemische Substanz, die den Geruch verursacht (zum Beispiel eine Substanz, in der ein bestimmtes einzelnes Molekül oder eine bestimmte Gruppe von Molekülen in einer vorbestimmten Konzentration zusammengesetzt sind). Der Substanzadsorptionsfilm 3 ist beispielsweise ein Film in einem Zustand, in dem ein Proton im Voraus injiziert wird, um eine Reaktion der Protonenfreisetzung (Deprotonierung) zu bewirken, wenn eine Geruchssubstanz adsorbiert wird. Die Protonenimplantation kann z. B. durch eine Technik wie chemische Polymerisation, Elektropolymerisation oder Ionenimplantation erfolgen, wie in Verweis 1 unten beschrieben.
(Referenz 1: Imparting conductivity to polyaniline by proton injection, Tiri News 2010 vol. 046, February 2010)
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Substanzadsorptionsfilm 3 beispielsweise ein Polyanilinfilm, die Polyanilin in einem Smaragdin-Salz-Zustand enthält. Die zu detektierende Geruchssubstanz ist z.B. Ammoniak, Stickoxid oder ähnliches. Wie in Referenz 2 beschrieben, hat Polyanilin in Form von Smaragdin-Salz beispielsweise eine „N⁺-H“-Einheit. Wenn dann die oben beschriebene Geruchssubstanz (z. B. Ammoniakgas oder ähnliches) dem Polyanilin im Smaragdin-Salz-Zustand ausgesetzt wird, entzieht Ammoniak (NH₃) dem Polyanilin im Smaragdin-Salz-Zustand Proton (H⁺) und wird zu Ammoniak-Ion (NH4⁺). Durch die Freisetzung von Protonen wird das Polyanilin in Form eines Smaragdin-Salzes in die Form einer Smaragdin-Base umgewandelt. Infolgedessen nimmt die Lochdichte des Polyanilinfilms ab und der Widerstandswert steigt.
(Referenz 2: Highly sensitive and selective chemiresistor gas/vapor sensors based on polyaniline nanocomposite: A comprehensive review (2016))
Unter den Detektionseinheiten 5, die in der Pixelbildungsregion A angeordnet sind, fungiert die mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 versehene Detektionseinheit 5 als ein Erfassungselement, das den Geruch erfassen kann. Der Substanzadsorptionsfilm 3 kann im gesamten Pixelbildungsbereich A (d.h. in allen im Pixelbildungsbereich A angeordneten Detektionseinheiten 5) vorgesehen sein, oder es kann eine Detektionseinheit 5 vorhanden sein, auf der der Substanzadsorptionsfilm 3 nicht vorgesehen ist.
Der rechte Teil von 1 zeigt schematisch ein Anordnungsbeispiel, das für jede Detektionseinheit 5 gilt. 2 ist eine Ansicht, die schematisch eine Querschnittskonfiguration der Detektionseinheit 5 entlang der Linie II-II in 1 zeigt. Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist jede Detektionseinheit 5 auf einer Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats 100 (ein Substrat) ausgebildet. Das Halbleitersubstrat 100 ist ein Halbleitersubstrat eines ersten leitenden Typs (z. B. ein n-Typ), das z. B. aus Silizium besteht. In jeder Detektionseinheit 5 sind entlang der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 ein Injektionsdiodenabschnitt 21 (im Folgenden als „ID-Abschnitt 21“ bezeichnet), ein schwebender Diffusionsabschnitt 31 (im Folgenden als „FD-Abschnitt 31“ bezeichnet) und ein Reset-Drain-Abschnitt 41 (im Folgenden als „RD-Abschnitt 41“ bezeichnet) ausgebildet, die jeweils einen Bereich vom ersten Leitfähigkeitstyp darstellen. Zwischen dem ID-Abschnitt 21 und dem FD-Abschnitt 31 des Halbleitersubstrats 100 wird eine Diffusionsschicht 11 eines zweiten Leitfähigkeitstyps (z. B. ein p-Typ) gebildet. Ein Bereich 12 vom ersten Leitfähigkeitstyp, der mit einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiert ist, wird auf einer Oberfläche der Diffusionsschicht 11 ausgebildet.
Eine Eingangssteuerungs-Gate-Elektrode 22 (im Folgenden als „ICG-Elektrode 22“ bezeichnet), eine Übertragungs-Gate-Elektrode 32 (im Folgenden als „TG-Elektrode 32“ bezeichnet) und eine Reset-Gate-Elektrode 42 (im Folgenden als „RG-Elektrode 42“ bezeichnet) sind auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 über eine isolierende Schutzschicht 110 ausgebildet. Als Schutzfilm 110 kann z.B. SiO₂ oder ähnliches verwendet werden. Ferner sind auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 ein Verstärker (ein Signalverstärker) 33, der ein Ausgangssignal entsprechend der Menge der im FD-Abschnitt 31 angesammelten Ladungen verstärkt, und eine Ausgangsschaltung 34, die das durch den Verstärker 33 verstärkte Ausgangssignal an den Detektor 6 ausgibt, vorgesehen.
Ein empfindlicher Film 13 (ionenempfindlicher Abschnitt) ist in einem Bereich zwischen der ICG-Elektrode 22 und der TG-Elektrode 32 über den Schutzfilm 110 vorgesehen. Der empfindliche Film 13 ist ein ionenempfindlicher Film, der die Eigenschaft hat, ein Potential (Membranpotential) in Übereinstimmung mit einem Zustand des auf dem empfindlichen Film 13 angeordneten Substanzadsorptionsfilms 3 zu ändern. Wie oben beschrieben, wird bei der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 die Geruchssubstanz adsorbiert, das Proton aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 freigesetzt. Dadurch ändert sich die Ionenkonzentration in der Umgebung des empfindlichen Films 13. Der empfindliche Film 13 ändert ihr Potential entsprechend der Änderung der Ionenkonzentration. Als empfindlicher Film 13 kann beispielsweise Si₃N₄ oder ähnliches verwendet werden.
Der empfindliche Film 13 bedeckt einen Teil der ICG-Elektrode 22 und der TG-Elektrode 32, so dass die ICG-Elektrode 22 und die TG-Elektrode 32 nicht in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 kommen. Somit ist der empfindliche Film 13 einstückig über der ICG-Elektrode 22 und der TG-Elektrode 32 ausgebildet. Der empfindliche Film 13 kann jedoch auch nur zwischen der ICG-Elektrode 22 und der TG-Elektrode 32 vorgesehen sein, oder er kann so ausgebildet sein, dass er einen Teil der ICG-Elektrode 22 und der TG-Elektrode 32 nicht bedeckt. Das heißt, der empfindliche Film 13 kann nur auf dem Schutzfilm 110 zwischen der ICG-Elektrode 22 und der TG-Elektrode 32 ausgebildet sein.
Eine isolierende Passivierungsschicht 120 wird auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 gebildet, um diese auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 vorgesehenen Elemente zu bedecken. Als Passivierungsschicht 120 kann zum Beispiel Si₃N₄ verwendet werden. Die Substanzadsorptionsschicht 3 ist so vorgesehen, dass sie die Passivierungsschicht 120 bedeckt. In der Passivierungsschicht 120 ist eine Öffnung 120a zum Freilegen der Oberseite des empfindlichen Films 13 nach außen ausgebildet. Der empfindliche Film 13 steht durch die Öffnung 120a in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 3. Das heißt, ein Teil des Substanzadsorptionsfilms 3 tritt in das Innere der Öffnung 120a ein, und die innere Oberfläche 3a des Substanzadsorptionsfilms 3 auf der Seite des Halbleitersubstrats 100 ist in Kontakt mit dem empfindlichen Film 13 innerhalb der Öffnung 120a.
Die Elektrode 4 legt eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm 3 an. Die Form, Anordnung und dergleichen der Elektrode 4 sind nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. Beispielsweise kann die Elektrode 4 eine eingebaute Elektrode sein (z. B. eine durch ein CMOS-Verfahren hergestellte Metallleitung), die innerhalb der Substanzadsorptionsschicht 3 angeordnet ist. Alternativ kann die Elektrode 4 eine externe Elektrode sein (z. B. eine durch ein MEMS-Verfahren gebildete Membranelektrode), die entlang der Außenfläche 3b (der Innenfläche 3a gegenüberliegende Fläche) der Substanzadsorptionsschicht 3 angeordnet ist. Die Elektrode 4 kann aus einem Material bestehen, das in Kontakt mit der Substanzabsorptionsschicht 3 stehen und eine Spannung an die Substanzabsorptionsschicht 3 anlegen kann. Als Elektrode 4 kann zum Beispiel Al-Si-Cu oder ähnliches verwendet werden.
Der Detektor 6 überwacht einen Ausgangswert (in der vorliegenden Ausführungsform ein später beschriebenes Ausgangssignal) in Übereinstimmung mit dem Potential des empfindlichen Films 13 vom Ionensensor 2. Der Detektor 6 detektiert die Geruchssubstanz, indem er eine Änderung des Ausgangswerts in Übereinstimmung mit der Potentialänderung des empfindlichen Films 13 feststellt. Gemäß der später beschriebenen Hypothese des gegenwärtigen Erfinders erhöht sich, wenn das Proton aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 freigesetzt wird, eine Menge von Kationen, die von dem aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 freigesetzten Proton stammen, in der Nähe des empfindlichen Films 13. Dementsprechend kann der Detektor 6 feststellen, dass die Geruchssubstanz durch den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbiert wird, wenn die Änderung des Ausgabewerts in Übereinstimmung mit der Potentialänderung des empfindlichen Films 13 einen Anstieg der Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 anzeigt (z. B. einen Anstieg, der gleich oder größer ist als ein Schwellenwert in einer vorgegebenen Zeiteinheit). Der Detektor 6 kann beispielsweise als Computervorrichtung mit einem Prozessor, einem Speicher, einem Speicher, einer Kommunikationseinrichtung und dergleichen konfiguriert sein.
Als nächstes werden der funktionelle Aufbau und das Funktionsprinzip der Detektionseinheit 5 beschrieben. Die Detektionseinheit 5 umfasst einen Erfassungsabschnitt 10, einen Versorgungsabschnitt 20, einen Bewegungs-/Akkumulationsabschnitt 30 und einen Entnahmeabschnitt 40. In der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei den Ladungen um Elektronen.
Der Erfassungsabschnitt 10 ist ein Bereich, in dem der empfindliche Film 13 durch die Öffnung 120a der Passivierungsschicht 120 der Außenseite (d.h. dem Substanzadsorptionsfilm 3) ausgesetzt ist. Genauer gesagt ist der Sensorabschnitt 10 ein Bereich, in dem der empfindliche Film 13 dem ersten leitfähigen Bereich 12 über den Schutzfilm 110 zwischen der ICG-Elektrode 22 und der TG-Elektrode 32 gegenüberliegt. Das heißt, der Abtastabschnitt 10 ist ein Abtastbereich, der durch Stapeln der Diffusionsschicht 11, des ersten leitfähigen Bereichs 12, der Schutzschicht 110 und dem empfindlichen Film 13 gebildet wird.
Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Hypothese des vorliegenden Erfinders in Bezug auf ein Phänomen beschrieben, das auftritt, wenn eine Geruchssubstanz an dem Substanzadsorptionsfilm 3 auf dem empfindlichen Film 13 adsorbiert wird. Wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 auf dem empfindlichen Film 13 die zu detektierende Geruchssubstanz adsorbiert, kommt es zu einer Protonenabgabe (Deprotonierung) aus dem Substanzadsorptionsfilm 3. Infolgedessen wird in der Nähe des empfindlichen Films 13 das Kation 50 aufgrund der Protonenfreisetzung erzeugt und angesammelt. Bei dem Kation 50 handelt es sich um ein Proton, das von der Substanzadsorptionsschicht 3 freigesetzt wird, oder um ein Ion (z. B. ein Ammoniak-Ion oder ähnliches), das durch Bindung des Protons und der Geruchssubstanz erzeugt wird. Infolgedessen wird die Ionenkonzentration (Kationenmenge) in der Nähe des empfindlichen Films 13 im Vergleich zu dem Zustand vor der Adsorption der Geruchssubstanz durch den Substanzadsorptionsfilm 3 erhöht. In dem empfindlichen Film 13 kommt es dann zu einer der Erhöhung der Ionenkonzentration entsprechenden Potentialänderung. Die Tiefe der Potentialmulde 14 der Diffusionsschicht 11, die dem empfindlichen Film 13 zugewandt ist, ändert sich in Abhängigkeit von der Potentialänderung des empfindlichen Films 13.
Der Versorgungsabschnitt 20 umfasst den ID-Abschnitt 21 und die ICG-Elektrode 22. Der ID-Abschnitt 21 ist ein Abschnitt zur Injektion von Ladungen in der Potentialmulde 14. Die ICG-Elektrode 22 ist ein Abschnitt, der die Menge der Ladungen steuert, die vom ID-Abschnitt 21 in die Potentialmulde 14 injiziert werden. Beispielsweise können durch Absenken des Potentials des ID-Abschnitts 21 der Potentialmulde 14 Ladungen zugeführt werden.
Der Bewegungs-/Akkumulationsabschnitt 30 umfasst die TG-Elektrode 32 und den FD-Abschnitt 31. Die TG-Elektrode 32 ist ein Abschnitt zum Übertragen von Ladungen von der Potentialmulde 14 zum FD-Abschnitt 31. Der FD-Abschnitt 31 ist ein Abschnitt zur Akkumulation der vor Potentialmulde 14 übertragenen Ladungen. Insbesondere kann durch Ändern der Spannung der TG-Elektrode 32 das Potential eines Bereichs (im Folgenden als „TG-Bereich“ bezeichnet) des Halbleitersubstrats 100, der der TG-Elektrode 32 zugewandt ist, geändert werden, und die in die Potentialmulde 14 eingefüllten Ladungen können in den FD-Bereich 31 übertragen und dort akkumuliert werden.
Der Entnahmeabschnitt 40 umfasst eine RG-Elektrode 42 und einen RD-Abschnitt 41. Der Entnahmeabschnitt 40 ist ein Abschnitt zum Zurücksetzen (Entfernen) der in dem FD-Abschnitt 31 angesammelten Ladungen. Insbesondere kann durch Ändern der Spannung der RG-Elektrode 42 das Potential eines der RG-Elektrode 42 zugewandten Bereichs (im Folgenden „RG-Bereich“) im Halbleitersubstrat 100 geändert werden, und die im FD-Abschnitt 31 angesammelten Ladungen können in den RD-Abschnitt 41 (VDD) entladen werden.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Grundbetrieb der Detektionseinheit 5 zeigt. Wie in (A) von 4 gezeigt, ändert sich die Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13, wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 die Geruchssubstanz adsorbiert und das Proton freisetzt. Infolgedessen ändert sich das Potential des empfindlichen Films 13, und die Tiefe der Potentialmulde 14 ändert sich entsprechend der Potentialänderung. Anschließend wird, wie in (B) von 4 gezeigt, das Potential des ID-Abschnitts 21 gesenkt, um den ID-Abschnitt 21 aufzuladen. Die im ID-Abschnitt 21 aufgeladenen elektrischen Ladungen werden in die Potentialmulde 14 jenseits eines Bereichs (im Folgenden „ICG-Bereich“) des Halbleitersubstrats 100 injiziert, der der ICG-Elektrode 22 gegenüberliegt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Potential des TG-Bereichs so gesteuert, dass es niedriger ist als das Potential des ID-Abschnitts 21. Daher erreichen die in die Potentialmulde 14 injizierten Ladungen nicht den FD-Abschnitt 31 jenseits des TG-Bereichs.
Anschließend wird, wie in (C) von 4 gezeigt, das Potential des ID-Abschnitts 21 in den ursprünglichen Zustand (angehoben) zurückgeführt, wodurch die Ladungen aus dem ID-Abschnitt 21 extrahiert werden. Infolgedessen verbleiben die Ladungen, die bei einem vorbestimmten Potentialniveau des ICG-Bereichs abgeschnitten wurden, in der Potentialmulde 14. Die Menge der in der Potentialmulde 14 verbliebenen Ladungen entspricht der Tiefe der Potentialmulde 14 (d. h. der Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13).
Anschließend wird, wie in (D) von 4 gezeigt, die Spannung der TG-Elektrode 32 erhöht, so dass die in der Potentialmulde 14 verbliebenen Ladungen auf den FD-Abschnitt 31 übertragen werden. Danach wird die Spannung der TG-Elektrode 32 auf die ursprüngliche Spannung zurückgeführt, und es wird der in (E) von gezeigte Zustand erreicht. In diesem Zustand wird ein Signal (Ausgangssignal), das der Menge der im FD-Abschnitt 31 angesammelten Ladungen entspricht, über den Verstärker 33 und die Ausgangsschaltung 34 an den Detektor 6 ausgegeben. Dementsprechend wird in dem Detektor 6 der in dem Substanzadsorptionsfilm 3 detektierte Geruch (d.h. die von dem Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbierte Geruchssubstanz) auf der Grundlage der Änderung der Ausgangsspannung detektiert. Anschließend wird, wie in (F) von 4 gezeigt, die Spannung der RG-Elektrode 42 erhöht, wodurch die im FD-Abschnitt 31 angesammelten Ladungen in den RD-Abschnitt 41 entladen werden. Der RD-Abschnitt 41 ist an eine VDD-Stromversorgung angeschlossen. Dementsprechend werden negativ geladene Ladungen in den RD-Abschnitt 41 gesaugt.
Die oben beschriebenen Vorgänge von (B) bis (E) von 4 können mehrmals wiederholt werden. Dementsprechend kann die Menge der im FD-Abschnitt 31 angesammelten Ladungen erhöht werden, und das Ausgangssignal kann durch die Anzahl der Wiederholungen verstärkt werden. Ferner kann der Verstärker 33 durch die Verstärkung des Ausgangssignals durch einen solchen wiederholten Vorgang entfallen.
Das Verfahren zur Injektion von Ladungen in die Potentialmulde 14 ist nicht auf das Beispiel von 4 beschränkt. Zum Beispiel kann, wie in 5 gezeigt, das Potential des ID-Abschnitts 21 konstant gehalten werden, und die Spannung der ICG-Elektrode 22 kann eingestellt werden, um die elektrischen Ladungen mit dem gleichen Potential wie der ID-Abschnitt 21 in die Potentialmulde 14 zu injizieren. Wie in (A) von 5 gezeigt, wird das Potential des ID-Abschnitts 21 auf einen konstanten Wert eingestellt, der niedriger als das Potential der Potentialmulde 14 und höher als das Potential des TG-Bereichs ist. Andererseits wird das Potential des ICG-Bereichs niedriger eingestellt als das Potential des ID-Abschnitts 21. Anschließend werden, wie in (B) von 5 gezeigt, Ladungen von dem ID-Abschnitt 21 zu der Potentialmulde 14 geleitet, indem das Potential des ICG-Bereichs höher als das Potential der Potentialmulde 14 gemacht wird. Anschließend wird, wie in (C) von 5 gezeigt, das Potential des ICG-Bereichs wieder niedriger als das Potential des ID-Abschnitts 21 eingestellt, so dass Ladungen bis zum voreingestellten Potential des ID-Abschnitts 21 in der Potentialmulde 14 verbleiben. Infolgedessen werden elektrische Ladungen mit einem Potential, das dem des ID-Abschnitts 21 entspricht, in der Potentialmulde 14 akkumuliert. Die nachfolgenden Vorgänge in dem Beispiel von 5 sind die gleichen wie die Vorgänge von (D) bis (F) von 4.
Als nächstes wird die Struktur des Substanzadsorptionsfilms 3 beschrieben. Wie oben beschrieben, ist es für eine wirksame Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 (in dieser Ausführungsform eine Erhöhung des Kations 50) notwendig, eine Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 in der Nähe des empfindlichen Films 13 zu bewirken. Zu diesem Zweck muss der Geruchsstoff in die Nähe des empfindlichen Films 13 gelangen. Daher kann der Substanzadsorptionsfilm 3 in einer faserigen oder porösen Form ausgebildet sein, so dass die Geruchssubstanz durch sie hindurchtreten kann. Das heißt, der Substanzadsorptionsfilm 3 kann eine Struktur aufweisen, die einen Innenraum (Pore oder ähnliches) enthält, durch den die Geruchssubstanz hindurchtreten kann, anstatt eine Struktur, in der die Substanzen dicht gepackt sind. In diesem Fall kann der Geruchsstoff durch der Substanzadsorptionsfilm 3 hindurchtreten und in die Nähe des empfindlichen Films 13 gelangen. Das heißt, die Geruchssubstanz kann in geeigneter Weise von der Außenfläche 3b zur Innenfläche 3a des Substanzadsorptionsfilms 3 geleitet werden. Infolgedessen können, wie in 3 gezeigt, Protonen aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 in der Nähe des empfindlichen Films 13 freigesetzt werden, und der empfindliche Film 13 kann in geeigneter Weise eine durch die Protonenfreisetzung verursachte Änderung der Ionenkonzentration wahrnehmen. Infolgedessen kann die Geruchssubstanz in geeigneter Weise nachgewiesen werden.
Ferner ist der Substanzadsorptionsfilm 3 vorzugsweise so dünn wie möglich. Beispielsweise beträgt die Dicke d des Substanzadsorptionsfilms 3 in der Richtung D, in der der empfindliche Film 13 und der Substanzadsorptionsfilm 3 einander zugewandt sind (d.h. die Dicke des Substanzadsorptionsfilms 3 in dem den empfindlichen Film 13 überlappenden Abschnitt) vorzugsweise 5 µm oder weniger. Durch die dünne Ausbildung des Substanzadsorptionsfilms 3 auf dem empfindlichen Film 13 ist es möglich, dass die Geruchssubstanz leicht in die Nähe des empfindlichen Films 13 gelangen kann. Das in dem Substanzadsorptionsfilm 3 der vorliegenden Ausführungsform enthaltene Polyanilin im Smaragdin-Salz-Zustand ist leitfähig. Wenn der Widerstandswert des Substanzadsorptionsfilms 3 (d. h. der Widerstandswert des zwischen der Elektrode 4 und dem empfindlichen Film 13 angeordneten Substanzadsorptionsfilms 3) zu niedrig ist, besteht die Möglichkeit, dass die durch die Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 verursachte Potentialänderung des empfindlichen Films 13 (d. h. die Änderung aus dem stabilen Zustand, in dem die Referenzspannung angelegt ist) nicht angemessen erfasst werden kann. Daher hat der zwischen der Elektrode 4 und dem empfindlichen Film 13 eingefügte Substanzadsorptionsfilm 3 vorzugsweise einen etwas hohen Widerstandswert. Unter diesem Gesichtspunkt ist es vorzuziehen, dass der Substanzadsorptionsfilm 3 auf dem empfindlichen Film 13 dünn ausgebildet ist, so dass die Dicke d 5 µm oder weniger beträgt.
6 ist eine Ansicht, die eine Modifikation des Substanzadsorptionsfilms (Substanzadsorptionsfilm 3A) zeigt. Wie in 6 gezeigt, ist der Substanzadsorptionsfilm 3A entlang der Form der Öffnung 120a vorgesehen. In dem oben beschriebenen Substanzadsorptionsfilm 3 (siehe 2) ist, da die Öffnung 120a mit dem Substanzadsorptionsfilm 3 gefüllt ist, die äußere Oberfläche 3b des Abschnitts, der die Öffnung 120a überlappt, bündig mit der äußeren Oberfläche 3b des Abschnitts, der die Öffnung 120a nicht überlappt, wenn man sie aus der Blickrichtung D betrachtet. Dementsprechend ist die Dicke d1 des Substanzadsorptionsfilms 3A in der Mitte der Öffnung 120a bei Betrachtung aus der zugewandten Richtung D (d.h. der Abstand entlang der zugewandten Richtung D von der Außenfläche 3b2, die sich in der Mitte der Öffnung 120a befindet, zur Oberfläche des empfindlichen Films 13) kleiner als der Abstand d2 entlang der zugewandten Richtung D von der Außenfläche 3b1, die die Öffnung 120a nicht überlappt, zur Oberfläche des empfindlichen Films 13. Das heißt, der Substanzadsorptionsfilm 3A hat eine Vertiefung 3c, die entlang der Form der Öffnung 120a ausgespart ist. Gemäß dieser Konfiguration kann, wenn der empfindliche Film 13 an einer vertieften Position in der Öffnung 120a der Passivierungsschicht 120 angeordnet ist, die Dicke d1 des Substanzadsorptionsfilms 3A, der auf dem empfindlichen Film 13 vorgesehen ist, effektiv reduziert werden. Dadurch kann der Geruchsstoff leicht in die Nähe des empfindlichen Films 13 gelangen. Selbst wenn beispielsweise der Abstand d2 (entsprechend der Tiefe d des Substanzadsorptionsfilms 3) größer als 5 µm ist, kann der Substanzadsorptionsfilm 3A so ausgebildet werden, dass die Tiefe d1 5 µm oder weniger beträgt, indem der Substanzadsorptionsfilm 3A entlang der Form der Öffnung 120a ausgebildet wird. Da der Substanzadsorptionsfilm 3A außerdem die Vertiefung 3c aufweist, kann der Abschnitt des Substanzadsorptionsfilms 3A, der auf dem empfindlichen Film 13 angeordnet ist, und der Abschnitt entlang der Seitenfläche der Öffnung 120a ausgedünnt werden. Dementsprechend kann der Widerstandswert des Substanzadsorptionsfilms 3A, der zwischen der Elektrode 4 und dem empfindlichen Film 13 angeordnet ist, effektiv erhöht werden, wenn eine Referenzspannung von der Elektrode 4 an einen Abschnitt (z. B. einen Abschnitt auf der Passivierungsschicht 120) des Substanzadsorptionsfilms 3A angelegt wird, der die Öffnung 120a nicht überlappt. Es ist auch vorzuziehen, dass die Dicke d3 des Abschnitts des Substanzadsorptionsfilms 3A entlang der Seitenfläche der Öffnung 120a 5 µm oder weniger beträgt, wie der Abschnitt d1. Dementsprechend kann der Widerstandswert des Substanzadsorptionsfilms 3A, der zwischen der Elektrode 4 und dem empfindlichen Film 13 liegt, effektiver erhöht werden.
In dem oben beschriebenen Geruchssensor 1 befindet sich der Substanzadsorptionsfilm 3 (oder der Substanzadsorptionsfilm 3A) in einem Zustand der Protonenfreisetzung, wenn die Geruchssubstanz adsorbiert wird. Wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 die Geruchssubstanz adsorbiert, kann der empfindliche Film 13 daher eine durch die Protonenfreisetzung verursachte Änderung der elektrischen Eigenschaften wahrnehmen. Da die Referenzspannung durch die Elektrode 4 an den Substanzadsorptionsfilm 3 angelegt wird, kann außerdem eine geringfügige Änderung der elektrischen Eigenschaften gegenüber einem stabilen Zustand (d. h. einem Zustand, in dem die Geruchssubstanz nicht an den Substanzadsorptionsfilm 3 adsorbiert ist und die Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm 3 angelegt ist) durch den Ionensensor 2 erfasst werden. Daher kann der Geruchssensor 1 die Geruchssubstanz in geeigneter Weise detektieren, indem er das Phänomen der Protonenfreisetzung des Substanzadsorptionsfilms 3 nutzt. Darüber hinaus können bei der Geruchsdetektion unter Verwendung des oben beschriebenen Protonenfreisetzungsphänomens zum Beispiel Geruchsstoffe wie Ammoniak und Stickoxide in geeigneter Weise detektiert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Substanzadsorptionsfilm 3 ein Polyanilinfilm, die Polyanilin in einem Smaragdin-Salz-Zustand enthält. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Substanzadsorptionsfilm 3, der ein Proton freisetzt, wenn er eine Geruchssubstanz adsorbiert, vorzugsweise aus Polyanilin gebildet werden.
Darüber hinaus ändert der empfindliche Film 13 das Potential als Reaktion auf eine Änderung der Ionenkonzentration in der Umgebung des empfindlichen Films 13 aufgrund der Protonenabgabe aus dem Substanzadsorptionsfilm 3. Wie oben beschrieben, wird davon ausgegangen, dass, wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 die Geruchssubstanz adsorbiert, die Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 erfolgt, so dass sich die Ionenkonzentration in der Umgebung des empfindlichen Films 13 ändert. Das heißt, es wird davon ausgegangen, dass das aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 freigesetzte Proton (oder die durch das Proton ionisierte Geruchssubstanz) in der Nähe des empfindlichen Films 13 verbleibt, so dass die Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 zunimmt. Gemäß der obigen Konfiguration kann eine solche Änderung der Ionenkonzentration als eine Änderung des Potentials des empfindlichen Films 13 erkannt werden. Außerdem tritt die Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 tendenziell zuverlässiger auf als die Änderung der Dielektrizitätskonstante der Substanzadsorptionsschicht 3. Daher kann die Geruchssubstanz gemäß der obigen Konfiguration genauer und früher erkannt werden als in dem Fall, in dem die Geruchssubstanz auf der Grundlage der Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante des Substanzadsorptionsfilms 3 erkannt wird. Darüber hinaus hat die Detektion des Geruchsstoffs auf der Grundlage der Protonenfreisetzung wie in der vorliegenden Ausführungsform die folgenden Vorteile. Um die Geruchssubstanz auf der Grundlage der Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante des Substanzadsorptionsfilms 3 zu detektieren (d.h. um eine signifikante Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante in einem solchen Ausmaß zu bewirken, dass die Geruchssubstanz detektiert werden kann), wird davon ausgegangen, dass eine sehr hohe Genauigkeit für die Gleichförmigkeit des Substanzadsorptionsfilms 3 auf dem empfindlichen Film 13 erforderlich ist. Andererseits wird in dem Fall, in dem die Geruchssubstanz auf der Grundlage der Protonenfreisetzung wie in der vorliegenden Ausführungsform nachgewiesen wird, davon ausgegangen, dass die Gleichförmigkeit der Dicke des Substanzadsorptionsfilms 3 nicht so genau sein muss wie in dem Fall, in dem die Geruchssubstanz auf der Grundlage der Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante nachgewiesen wird.
Der Geruchssensor 1 umfasst den oben beschriebenen Detektor 6. Der Geruchsstoff kann von dem Detektor 6 sofort detektiert werden. Wenn der Detektor 6 einen Geruchsstoff detektiert, kann der Detektor 6 automatisch einen Alarm ausgeben oder ein Steuersignal zur Aktivierung eines anderen Systems (z. B. eines Belüftungssystems) übertragen. So ist es möglich, nach dem Detektieren des Geruchsstoffes sofort Maßnahmen zu ergreifen.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Geruchserfassung mit dem Geruchssensor 1 beschrieben. Der Detektor 6 überwacht den Ausgangswert des Ionensensors 2 in Übereinstimmung mit dem Potential des empfindlichen Films 13 in einem Zustand, in dem eine Referenzspannung durch die Elektrode 4 an den Substanzadsorptionsfilm 3 angelegt wird. Wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 unter dieser Überwachung die Geruchssubstanz adsorbiert, wird das Proton freigesetzt. Anschließend ändert der empfindliche Film 13 das Potential entsprechend der Änderung der Ionenkonzentration in der Umgebung des empfindlichen Films 13 aufgrund der Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm 3. Dann detektiert der Detektor 6 eine Änderung des Ausgangswerts des Ionensensors 2 in Übereinstimmung mit der Potentialänderung des empfindlichen Films 13, wodurch der Geruchsstoff detektiert wird. Bei dem oben beschriebenen Geruchsdetektionsverfahren kann eine geringfügige Änderung der elektrischen Eigenschaften von einem stabilen Zustand, in dem eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm 3 angelegt wird (Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13), durch Überwachung des Ausgangswerts des Ionensensors 2 erkannt werden. Wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 die Geruchssubstanz adsorbiert, kommt es zur Freisetzung von Protonen aus dem Substanzadsorptionsfilm 3, so dass sich die Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 ändert. Gemäß dem Geruchsdetektionsverfahren kann die Geruchssubstanz in geeigneter Weise detektiert werden, indem eine solche Änderung der Ionenkonzentration auf der Grundlage des Ausgangswerts des Ionensensors 2 erkannt wird.
[Zweite Ausführungsform]
7 ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittskonfiguration der Detektionseinheit 5A des Geruchssensors 1A der zweiten Ausführungsform zeigt. Der Geruchssensor 1A unterscheidet sich von dem Geruchssensor 1 der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein sogenannter ISFET-Ionensensor 2A anstelle des Ionensensors 2 vorgesehen ist, der ein sogenannter CMOS-Bildsensor vom Ladungstransfertyp ist. Die anderen Konfigurationen des Geruchssensors 1A sind die gleichen wie die des Geruchssensors 1. Der Ionensensor 2A unterscheidet sich von dem Ionensensor 2 dadurch, dass eine Detektionseinheit 5A, die ein ISFET-Messverfahren verwendet, als Erfassungselement anstelle der Detektionseinheit 5, die ein Ladungstransfer-Messverfahren verwendet, vorgesehen ist.
In der Detektionseinheit 5A sind drei n⁺-Typ-Bereiche 131 bis 133 eines ersten Leitfähigkeitstyps (hier n-Typ) auf einer Hauptoberflächenseite des Halbleitersubstrats 100 ausgebildet. Ferner sind zwei Gate-Elektroden 134 und 135 auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 über eine isolierende Schutzschicht 110 ausgebildet. Die Gate-Elektrode 134 befindet sich zwischen dem n⁺-Typ-Bereich 131 und dem n⁺-Typ-Bereich 132. Der n⁺-Typ-Bereich 131, der n⁺-Typ-Bereich 132 und die Gate-Elektrode 134 bilden einen MOS-Transistor. Ein ID-Signal (Spannung) wird von einer Steuereinheit (nicht dargestellt) an den n⁺-Typ-Bereich 131 angelegt. Die Gate-Elektrode 135 befindet sich zwischen dem n⁺-Typ-Bereich 132 und dem n⁺-Typ-Bereich 133. Ein TG-Signal (Spannung) wird von einer Steuereinheit (nicht dargestellt) an die Gate-Elektrode 135 angelegt. Der n⁺-Typ-Bereich 133 ist elektrisch mit dem Detektor 6 verbunden. Ein leitendes Element 136, auf dem der empfindliche Film 13 angeordnet ist, ist über ein leitendes Verbindungselement 137 elektrisch mit der Gate-Elektrode 134 verbunden. Ein Abschnitt, in dem der empfindliche Film 13 auf dem leitenden Element 136 angeordnet ist, fungiert als Abtastabschnitt 10A. Der Abtastabschnitt 10A ist ein Bereich, in dem der empfindliche Film 13 durch eine Öffnung 120a der Passivierungsschicht 120, die später beschrieben wird, nach außen (d.h. zur Substanzadsorptionsschicht 3) hin freiliegt. Das leitende Element 136 hat beispielsweise eine rechteckige Form, die im Wesentlichen die gleiche Größe wie der empfindliche Film 13 hat, wenn man ihn von der Richtung D aus betrachtet.
Ähnlich wie bei der Detektionseinheit 5 der ersten Ausführungsform ist die isolierende Passivierungsschicht 120 auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 so ausgebildet, dass sie die auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 100 vorgesehenen Elemente, wie oben beschrieben, abdeckt. Der Substanzadsorptionsfilm 3 ist so vorgesehen, dass er die Passivierungsschicht 120 bedeckt. In der Passivierungsschicht 120 ist eine Öffnung 120a zum Freilegen der Oberseite der empfindlichen Schicht 13 nach außen ausgebildet. Der empfindliche Film 13 ist durch die Öffnung 120a in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 3. Eine Referenzspannung wird über eine Elektrode 4 an die Substanzadsorptionsschicht 3 angelegt. Im Beispiel von 7 befindet sich die obere Fläche des empfindlichen Films 13 an einer Position, die von der oberen Fläche der Passivierungsschicht 120 in Richtung des Halbleitersubstrats 100 zurückgesetzt ist, aber der empfindliche Film 13 kann so vorgesehen werden, dass die obere Fläche des empfindlichen Films 13 mit einem Abschnitt der Passivierungsschicht 120, in dem die Öffnung 120a nicht ausgebildet ist, durchgehend (flach verbunden) ist.
Als nächstes wird das Funktionsprinzip der Detektionseinheit 5A beschrieben. Zunächst wird das Funktionsprinzip in groben Zügen beschrieben. Wie bei der ersten Ausführungsform ändert sich die Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13, wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 eine Geruchssubstanz adsorbiert und ein Proton freisetzt. Infolgedessen ändert sich das Potential des empfindlichen Films 13 und das Potential der Gate-Elektrode 134, die elektrisch mit dem empfindlichen Film 13 verbunden ist. Der in der Substanzadsorptionsschicht 3 detektierte Geruch (d.h. die von der Substanzadsorptionsschicht 3 adsorbierte Geruchssubstanz) wird auf der Grundlage der Änderung des Stroms oder der Spannung des Signals (Ausgangssignal) in Übereinstimmung mit der Potentialänderung der Gate-Elektrode 134 detektiert. Im Folgenden werden erste bis dritte Beispiele für den Betrieb (Ansteuerungsverfahren) der Detektionseinheit 5A beschrieben. Als Verfahren zur Ansteuerung der Detektionseinheit 5A kann jedoch auch ein anderes Verfahren als diese Beispiele verwendet werden.
(Erstes Beispiel)
Ein erstes Beispiel ist ein häufig verwendetes Ansteuerungsschema in einem ISFET. Das erste Beispiel ist ein Ansteuerungsverfahren, das auf dem Phänomen beruht, dass sich die Größe des Stroms, der zwischen dem n⁺-Bereich 131 und dem n⁺-Bereich 132 fließt, in Abhängigkeit von der oben beschriebenen Änderung des Potentials der Gate-Elektrode 134 ändert. Das heißt, wenn sich das Potential der Gate-Elektrode 134 in Übereinstimmung mit der Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 ändert, die durch die Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 verursacht wird, ändert sich die Größe des Stroms, der zwischen dem n⁺-Bereich 131 und dem n⁺-Bereich 132 fließt. Hier wird die Gate-Elektrode 135 als Schalter verwendet, und der Schalter wird durch Änderung des an die Gate-Elektrode 135 angelegten TG-Signals eingeschaltet. Das heißt, die Ladungen des n⁺-Bereichs 132 werden in einen Zustand umgeschaltet, in dem sie durch einen der Gate-Elektrode 135 zugewandten Bereich (im Folgenden als „TG-Bereich“ bezeichnet) in den n⁺-Bereich 133 fließen. Dementsprechend wird ein Strom, der zwischen dem n⁺-Typ-Bereich 131 und dem n⁺-Typ-Bereich 132 fließt, als Ausgangssignal durch den TG-Bereich und den n⁺-Typ-Bereich 133 ausgegeben. Danach wird das Ausgangssignal zum Beispiel im Detektor 6 in eine Spannung umgewandelt. Infolgedessen wird die Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 (d.h. die Adsorption der Geruchssubstanz durch den Substanzadsorptionsfilm 3) auf der Grundlage der Spannungsänderung des Ausgangssignals erkannt.
(Zweites Beispiel)
Im zweiten Beispiel wird das ID-Signal, das dem n⁺-Typ-Bereich 131 zugeführt wird, in einem Zustand geändert, in dem der Schalter der Gate-Elektrode 135 auf EIN geschaltet ist, und somit werden die Ladungen in den n⁺-Typ-Bereich 131 injiziert. Danach wird die Injektion von Ladungen in den n⁺-Typ-Bereich 131 gestoppt, und die Spannung des Ausgangssignals, wenn die Injektion von Ladungen gestoppt ist, wird durch den Detektor 6 überwacht. Infolgedessen wird im Detektor 6 die Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 (d.h. die Adsorption der Geruchssubstanz durch den Substanzadsorptionsfilm 3) auf der Grundlage der Spannungsänderung des Ausgangssignals erfasst.
(Drittes Beispiel)
Schematisch gesehen ist das dritte Beispiel ein Verfahren, bei dem ein Bereich des Halbleitersubstrats 100, der der Gate-Elektrode 134 zugewandt ist (im Folgenden als „Gate-Bereich“ bezeichnet), dazu veranlasst wird, als ICG-Bereich in der oben beschriebenen Detektionseinheit 5 vom Ladungstransfertyp zu fungieren, und der n⁺-Bereich 132 dazu veranlasst wird, als FD-Abschnitt 31 in der Detektionseinheit 5 zu funktionieren. Das dritte Beispiel wird unter Bezugnahme auf 8 im Detail beschrieben. Wie in (A) von 8 gezeigt, ändert sich die Tiefe der Potentialmulde des Gate-Bereichs in Übereinstimmung mit der Potentialänderung des empfindlichen Films 13. Wie in (B) von 8 gezeigt, wird das Potential des n⁺-Typ-Bereichs 131 („ID“ in 8) durch Steuerung des ID-Signals gesenkt. Dementsprechend wird der n⁺-Typ-Bereich 131 aufgeladen. Die im n⁺-Bereich 131 geladenen Ladungen werden in den n⁺-Bereich 132 jenseits des Gate-Bereichs injiziert. Zu diesem Zeitpunkt wird das Potential des TG-Bereichs so gesteuert, dass es niedriger ist als das Potential des n⁺-Bereichs 131. Daher erreichen die in den n⁺-Typ-Bereich 132 injizierten Ladungen nicht den n⁺-Typ-Bereich 133 („out“ in 8) jenseits des TG-Bereichs.
Anschließend wird, wie in (C) von 8 gezeigt, das Potential des n⁺-Typ-Bereichs 131 in den ursprünglichen Zustand zurückgeführt (angehoben), wodurch die Ladungen aus dem n⁺-Typ-Bereich 131 extrahiert werden. Infolgedessen verbleiben die vom Gate-Bereich abgeschöpften Ladungen im n⁺-Typ-Bereich 132. Die Menge der im n⁺-Bereich 132 verbliebenen Ladungen entspricht der Tiefe der Potentialmulde des Gate-Bereichs (d. h. der Impedanzänderung des Substanzadsorptionsfilms 3).
Anschließend wird, wie in (D) von 8 gezeigt, die Spannung der Gate-Elektrode 135 erhöht, so dass die im n⁺-Typ-Bereich 132 verbliebenen Ladungen in den n⁺-Typ-Bereich 133 übertragen werden. Danach wird die Spannung der Gate-Elektrode 135 auf die ursprüngliche Spannung zurückgeführt, so dass der in (E) von 8 gezeigte Zustand erreicht wird. In diesem Zustand wird ein Signal, das der Menge der im n⁺-Bereich 133 angesammelten Ladungen entspricht (d.h. ein Signal, das dem Potential des empfindlichen Films 13 entspricht), als Ausgangssignal an den Detektor 6 ausgegeben.
Wie oben beschrieben, erzielt der Geruchssensor 1A mit dem Ionensensor 2A, der mit der Detektionseinheit 5A als einheitliches Erfassungselement versehen ist, auch denselben Effekt wie der oben beschriebene Geruchssensor 1.
[Dritte Ausführungsform]
9 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Geruchssensors 1B der dritten Ausführungsform zeigt. Der Geruchssensor 1B hat einen Ionensensor 2B, an dem eine sogenannte Glaselektroden-Ionenmessvorrichtung angebracht ist. In 9 enthält ein Behälter 61 eine zu prüfende Testlösung L. Der Ionensensor 2B enthält eine Vergleichselektrode 62 und eine Glaselektrode 63. Die Vergleichselektrode 62 hat einen Behälter 62a zur Aufnahme der internen Lösung L1. Eine interne Elektrode E1 ist in der internen Lösung L1 angeordnet. Der Behälter 62a ist mit einem Flüssigkeitsübergang 64 zur elektrischen Kontaktierung der internen Lösung L1 und der Testlösung L versehen. Die Glaselektrode 63 hat einen Behälter 63a zur Aufnahme der internen Lösung L2. Eine interne Elektrode E2 ist in der internen Lösung L2 angeordnet. Eine Glasmembran 65 (ionenempfindlicher Abschnitt) ist an einem distalen Ende des Behälters 63a vorgesehen. Auf der Glasmembran 65 (Außenfläche der Glasmembran 65) ist ein Substanzadsorptionsfilm 66 angebracht. Der Substanzadsorptionsfilm 66 ist ein Filmmaterial ähnlich dem oben beschriebenen Substanzadsorptionsfilm 3. Das heißt, der Substanzadsorptionsfilm 66 adsorbiert eine zu detektierende Geruchssubstanz (Geruchssubstanz, die in der Testlösung L vorhanden oder vermischt sein kann). Außerdem befindet sich der Substanzadsorptionsfilm 66 in einem Zustand, in dem er ein Proton freisetzt, wenn er eine zu detektierende Geruchssubstanz adsorbiert. Der Substanzadsorptionsfilm 66 ist zum Beispiel ein Polyanilinfilm, der Polyanilin in einem Smaragdin-Salz-Zustand enthält.
Die Glasmembran 65 erzeugt eine elektromotorische Kraft in Abhängigkeit von der Ionenkonzentration (Wasserstoffionenkonzentration) der Testlösung L. In dieser Ausführungsform ist auf der Außenfläche der Glasmembran 65 ein Substanzadsorptionsfilm 66 gebildet. Wenn der Substanzadsorptionsfilm 66 die Geruchssubstanz adsorbiert und das Proton freisetzt, ändert sich daher die Ionenkonzentration in der Nähe der Glasmembran 65. Das heißt, die Glasmembran 65 ändert ihr Potential entsprechend einer Änderung der Ionenkonzentration in der Umgebung der Glasmembran 65, die durch die Freisetzung von Protonen aus dem Substanzadsorptionsfilm 66 verursacht wird. Die Testlösung L steht über den Flüssigkeitsübergang 64 in elektrischem Kontakt mit der internen Lösung L1. Daher kann die interne Elektrode E1 als Elektrode zum Anlegen einer Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm 66 über die interne Lösung L1 und die Testlösung L dienen. Alternativ kann die Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm 66 angelegt werden, indem eine Metallleitung in direkten Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm 66 gebracht wird. In diesem Fall fungiert die Metallleitung als Elektrode zum Anlegen einer Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm 66. Eine solche Metallleitung kann entlang des Behälters 63a der Glaselektrode 63 oder als separates System von der Glaselektrode 63 vorgesehen sein.
Das außerhalb der Glasmembran 65 (Testlösung L) erzeugte Potential wird von der internen Elektrode E1 der Vergleichselektrode 62 gemessen, und das innerhalb der Glasmembran 65 (interne Lösung L2) erzeugte Potential wird von der internen Elektrode E2 der Glaselektrode 63 gemessen. Insbesondere wird die Potentialdifferenz zwischen der Außenseite der Glasmembran 65 und der Innenseite der Glasmembran 65 mit dem Voltmeter 67 gemessen, das mit der inneren Elektrode E1 und der inneren Elektrode E2 verbunden ist. Das heißt, der Messwert des Voltmeters 67 wird als Ausgangswert des Ionensensors 2B erhalten. Der Geruchssensor 1B enthält einen Detektor 68, der den Messwert des Voltmeters 67 überwacht. Wie oben beschrieben, ändert (erhöht) sich die Ionenkonzentration in der Umgebung der Glasmembran 65 aufgrund der Freisetzung des Protons aus der Substanzadsorptionsschicht 66, wenn die Substanzadsorptionsschicht 66 die Geruchssubstanz adsorbiert und das Proton freisetzt. Die Glasmembran 65 ändert ihr Potential entsprechend der Änderung der Ionenkonzentration. Der Detektor 68 detektiert die Geruchssubstanz in der Testlösung L, indem er eine Änderung des Messwerts des Voltmeters 67 entsprechend der Potentialänderung der Glasmembran 65 feststellt.
Wie oben beschrieben, weist der Geruchssensor 1B mit dem Ionensensor 2B, bei dem der Substanzadsorptionsfilm 66 auf der Außenfläche der Glasmembran 65 des so genannten Ionenzählers vom Glaselektrodentyp gebildet wird, auch die gleiche Wirkung wie der oben beschriebene Geruchssensor 1 auf.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel kann in den Ionensensoren 2A und 2B die Vielzahl der Detektionsabschnitte (Detektionseinheiten) zweidimensional oder eindimensional angeordnet sein. Der Ionensensor kann auch nur einen Detektionsabschnitt (Detektionseinheit) enthalten.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform wird das Halbleitersubstrat 100 als das Substrat verwendet, auf dem der Erfassungsabschnitt 10 ausgebildet ist. Das Substrat, auf dem der Abtastabschnitt 10 ausgebildet ist, ist jedoch nicht notwendigerweise ein Halbleitersubstrat und kann beispielsweise ein anderes Substrat als ein Halbleiter sein, auf dem ein Halbleiterbereich (z. B. ein Halbleiterfilm oder dergleichen) ausgebildet ist.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Hypothese (d.h. der Hypothese, dass ein Kation, das durch ein von der Substanzadsorptionsschicht 3 freigesetztes Proton verursacht wird, in der Nähe des empfindlichen Films 13 verbleibt, um die Ionenkonzentration in der Nähe des empfindlichen Films 13 zu verändern), kann die folgende Hypothese für das Phänomen in Betracht gezogen werden, das auftritt, wenn die Substanzadsorptionsschicht 3 die Geruchssubstanz adsorbiert. Das heißt, wie in 10 gezeigt, wird auch angenommen, dass das Kation 50, das durch das aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 freigesetzte Proton verursacht wird, an die Außenseite (Seite der Außenfläche 3b) des Substanzadsorptionsfilms 3 abgegeben wird, ohne in der Nähe des empfindlichen Films 13 zu bleiben. Selbst wenn eine solche Hypothese richtig ist, kann die Geruchssubstanz in geeigneter Weise nachgewiesen werden, indem der Substanzadsorptionsfilm 3 verwendet wird, der sich in einem Zustand der Freisetzung eines Protons befindet, wenn die Geruchssubstanz adsorbiert wird. Der Grund dafür ist der folgende. Das heißt, wenn der Substanzadsorptionsfilm 3 auf dem empfindlichen Film 13 die Geruchssubstanz adsorbiert und das Proton freisetzt, tritt eine Zustandsänderung des Substanzadsorptionsfilms 3 in der Nähe des empfindlichen Films 13 auf. Das heißt, wie oben beschrieben, wird Polyanilin in einem Smaragdin-Salz-Zustand durch Freisetzung eines Protons in einen Smaragdin-Basis-Zustand geändert. Infolgedessen ändert der empfindliche Film 13 sein Potential entsprechend der Zustandsänderung des Substanzadsorptionsfilms 3 in der Nähe des empfindlichen Films 13. Wie oben beschrieben, kann die Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm 3 auch dann, wenn die letztgenannte Hypothese zutrifft, als Potentialänderung des empfindlichen Films 13 nachgewiesen werden.
Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B: Geruchssensor
2, 2A, 2B: Ionensensor
3 ,3A, 66: Substanzadsorptionsfilm
4: Elektrode
13: empfindlicher Film (ionenempfindlicher Abschnitt)
65: Glasmembran (ionenempfindlicher Abschnitt)
120: Passivierungsschicht
120a: Öffnung

Claims

Ein Geruchssensor, umfassend: einen Ionensensor mit einem ionenempfindlichen Abschnitt; einen Substanzadsorptionsfilm, der auf dem ionenempfindlichen Abschnitt angeordnet ist und konfiguriert ist, eine zu detektierende Geruchssubstanz zu adsorbieren; und eine Elektrode, die konfiguriert ist, eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm anzulegen, wobei sich der Substanzadsorptionsfilm in einem Zustand befindet, in dem er in Reaktion auf die Adsorption der Geruchssubstanz ein Proton freisetzt.
Der Geruchssensor nach Anspruch 1, wobei der Substanzadsorptionsfilm Polyanilin in einem Smaragdin-Salz-Zustand enthält.
Der Geruchssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der ionenempfindliche Abschnitt konfiguriert ist, um ein Potential des ionenempfindlichen Abschnitts in Reaktion auf eine Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts aufgrund einer Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm zu ändern.
Der Geruchssensor nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Detektor, der konfiguriert ist, die Geruchssubstanz zu detektieren, indem er einen Ausgangswert des Ionensensors in Übereinstimmung mit einem Potential des ionenempfindlichen Abschnitts überwacht und eine Änderung des Ausgangswertes des Ionensensensors in Übereinstimmung mit einer Potentialänderung des ionenempfindlichen Abschnitts detektiert.
Der Geruchssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Substanzadsorptionsfilm faserig oder porös ist.
Geruchssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke des Substanzadsorptionsfilms in einer Richtung, in der der ionenempfindliche Abschnitt und der Substanzadsorptionsfilm einander gegenüberliegen, 5 µm oder weniger beträgt.
Der Geruchssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend eine Passivierungsschicht, die den Ionensensor bedeckt, wobei der Substanzadsorptionsfilm vorgesehen ist, um die Passivierungsschicht zu bedecken, wobei die Passivierungsschicht mit einer Öffnung versehen ist, die den ionenempfindlichen Abschnitt nach außen hin freilegt, wobei der ionenempfindliche Abschnitt durch die Öffnung in Kontakt mit dem Substanzadsorptionsfilm steht, und wobei der Substanzadsorptionsfilm entlang einer Form der Öffnung vorgesehen ist.
Ein Geruchserfassungsverfahren unter Verwendung eines Geruchssensors, der einen Ionensensor umfasst, der einen ionenempfindlichen Abschnitt und einen Substanzadsorptionsfilm enthält, der auf dem ionenempfindlichen Abschnitt angeordnet ist und konfiguriert ist, eine zu detektierende Geruchssubstanz zu adsorbieren, umfassend: einen Schritt des Überwachens eines Ausgangswerts des Ionensensors in Übereinstimmung mit einem Potential des ionenempfindlichen Abschnitts in einem Zustand, in dem eine Referenzspannung an den Substanzadsorptionsfilm angelegt ist; einen Schritt, in dem der Substanzabsorptionsfilm ein Proton in Reaktion auf die Adsorption der Geruchssubstanz freisetzt; einen Schritt, in dem der ionenempfindliche Abschnitt ein Potential des ionenempfindlichen Abschnitts in Reaktion auf eine Änderung der Ionenkonzentration in der Nähe des ionenempfindlichen Abschnitts aufgrund der Protonenfreisetzung aus dem Substanzadsorptionsfilm ändert; und einen Schritt zum Erfassen der Geruchssubstanz durch Erfassen einer Änderung eines Ausgangswerts des Ionensensors in Übereinstimmung mit einer Potentialänderung des ionenempfindlichen Abschnitts.