JP2002365200A - 帯電粒子検出装置 - Google Patents
帯電粒子検出装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型、軽量で各種機器に組み込みが容易な帯
電粒子検出装置を提供する 【解決手段】 シリコン基板２の表層部にソース領域３
とドレイン領域４とを備え、ソース領域３とドレイン領
域４との間をチャネルとすると、チャネルの上に絶縁膜
５を介して浮遊ゲート６を配置する。そして、浮遊ゲー
ト６を中央としてその側壁にトンネル膜７を配置すると
共にコントロールゲート８を配置する。このような構成
において、ソース領域３とドレイン領域４との間の電流
ＩDSが一定となるようにコントロールゲート８の電位を
調整すれば、コントロールゲート８の電位に基づいて帯
電粒子の濃度を求めることができる。このような電界効
果トランジスタ型の帯電粒子検出装置とすることで、小
型、軽量とすることができる。
電粒子検出装置を提供する 【解決手段】 シリコン基板２の表層部にソース領域３
とドレイン領域４とを備え、ソース領域３とドレイン領
域４との間をチャネルとすると、チャネルの上に絶縁膜
５を介して浮遊ゲート６を配置する。そして、浮遊ゲー
ト６を中央としてその側壁にトンネル膜７を配置すると
共にコントロールゲート８を配置する。このような構成
において、ソース領域３とドレイン領域４との間の電流
ＩDSが一定となるようにコントロールゲート８の電位を
調整すれば、コントロールゲート８の電位に基づいて帯
電粒子の濃度を求めることができる。このような電界効
果トランジスタ型の帯電粒子検出装置とすることで、小
型、軽量とすることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果を利用し
て帯電粒子（例えば、液中のマイナスイオン、プラスイ
オン、ウィルス、細菌等）の濃度等を求める帯電粒子検
出装置に関するものである。
て帯電粒子（例えば、液中のマイナスイオン、プラスイ
オン、ウィルス、細菌等）の濃度等を求める帯電粒子検
出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の帯電粒子検出装置を図４に示す。
この図に示すように、帯電粒子検出装置は、円柱形状の
棒状電極Ｊ１と、この棒状電極Ｊ１と同心円を成すよう
に棒状電極Ｊ１から絶縁して設置された円筒電極Ｊ２と
を備えて構成される。
この図に示すように、帯電粒子検出装置は、円柱形状の
棒状電極Ｊ１と、この棒状電極Ｊ１と同心円を成すよう
に棒状電極Ｊ１から絶縁して設置された円筒電極Ｊ２と
を備えて構成される。
【０００３】このような装置では電圧や電流に基づいて
帯電粒子の濃度等が求められる。例えば、電圧に基づい
て求める場合には、まず一方の電極を接地し、スイッチ
Ｊ３をＯＮすることで両電極間に予め電荷を蓄える。そ
して、スイッチＪ３をＯＦＦしたあと一定時間円筒内に
帯電粒子を流通させることで、時間に対する電圧の変
化、つまり帯電粒子による電荷の中和量分の電位降下を
測り、帯電粒子の濃度を求めるようになっている。逆
に、電流に基づいて求める場合には、電圧が一定になる
ように補充電流を加えれば補充電流と帯電粒子とが１：
１の関係となることから、加えた補充電流を測ることで
帯電粒子の濃度を求めるようになっている。
帯電粒子の濃度等が求められる。例えば、電圧に基づい
て求める場合には、まず一方の電極を接地し、スイッチ
Ｊ３をＯＮすることで両電極間に予め電荷を蓄える。そ
して、スイッチＪ３をＯＦＦしたあと一定時間円筒内に
帯電粒子を流通させることで、時間に対する電圧の変
化、つまり帯電粒子による電荷の中和量分の電位降下を
測り、帯電粒子の濃度を求めるようになっている。逆
に、電流に基づいて求める場合には、電圧が一定になる
ように補充電流を加えれば補充電流と帯電粒子とが１：
１の関係となることから、加えた補充電流を測ることで
帯電粒子の濃度を求めるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
帯電粒子検出装置は体格が大きく、重いことから各種機
器への組み込みが容易ではなく、また、コストも高いと
いう問題があった。
帯電粒子検出装置は体格が大きく、重いことから各種機
器への組み込みが容易ではなく、また、コストも高いと
いう問題があった。
【０００５】本発明は上記点に鑑みて、小型、軽量で各
種機器に組み込みが容易な帯電粒子検出装置を提供する
ことを目的とする。
種機器に組み込みが容易な帯電粒子検出装置を提供する
ことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１乃至３に記載の発明では、半導体基板
（２）と、半導体基板の表層部において互いに離間する
ように形成されたソース領域（３）およびドレイン領域
（４）と、ソース領域とドレイン領域との間をチャネル
とすると、該チャネルの上に外気に触れる露出部分が備
えられて形成された浮遊ゲート（６）と、浮遊ゲートの
電位を制御するコントロールゲート（８）と、浮遊ゲー
トとコントロールゲートとの間に配置されたトンネル膜
（７）とを備えていることを特徴としている。
め、請求項１乃至３に記載の発明では、半導体基板
（２）と、半導体基板の表層部において互いに離間する
ように形成されたソース領域（３）およびドレイン領域
（４）と、ソース領域とドレイン領域との間をチャネル
とすると、該チャネルの上に外気に触れる露出部分が備
えられて形成された浮遊ゲート（６）と、浮遊ゲートの
電位を制御するコントロールゲート（８）と、浮遊ゲー
トとコントロールゲートとの間に配置されたトンネル膜
（７）とを備えていることを特徴としている。
【０００７】このような構成によれば、小型、軽量で各
種機器に組み込みが容易な構造で帯電粒子検出装置を実
現することができる。例えば、請求項３に示すように、
ソース領域とドレイン領域との間の電流（ＩDS）が一定
となるようにコントロールゲートの電位を調整すること
で、コントロールゲートの電位に基づいて帯電粒子の濃
度を求めることが可能である。
種機器に組み込みが容易な構造で帯電粒子検出装置を実
現することができる。例えば、請求項３に示すように、
ソース領域とドレイン領域との間の電流（ＩDS）が一定
となるようにコントロールゲートの電位を調整すること
で、コントロールゲートの電位に基づいて帯電粒子の濃
度を求めることが可能である。
【０００８】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
【０００９】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、本発明
の一実施形態を適用した電界効果トランジスタ型の帯電
粒子検出装置１の断面構成を示す。以下、図１に基づい
て帯電粒子検出装置１の構成についての説明を行なう。
の一実施形態を適用した電界効果トランジスタ型の帯電
粒子検出装置１の断面構成を示す。以下、図１に基づい
て帯電粒子検出装置１の構成についての説明を行なう。
【００１０】図１に示すように、帯電粒子検出装置１
は、シリコン基板２を用いて形成されている。シリコン
基板２の表層部には、互いに離間するようにソース領域
３、ドレイン領域４が形成されており、これらソース領
域３、ドレイン領域４の表面には、それぞれソース電極
３ａ、ドレイン電極４ａが形成されている。
は、シリコン基板２を用いて形成されている。シリコン
基板２の表層部には、互いに離間するようにソース領域
３、ドレイン領域４が形成されており、これらソース領
域３、ドレイン領域４の表面には、それぞれソース電極
３ａ、ドレイン電極４ａが形成されている。
【００１１】また、ソース領域３およびドレイン領域４
の間をチャネル領域とすると、このチャネル領域上には
絶縁膜５がパターニングされている。この絶縁膜５の表
面上には金等で構成される浮遊ゲート６、トンネル膜
７、金やアルミニウム等で構成されるコントロールゲー
ト８および側壁酸化膜９が備えられ、絶縁膜５の中央部
に外部に露出するように浮遊ゲート６が配置されると共
に、その浮遊ゲート６の両側壁にトンネル膜７、コント
ロールゲート８、側壁酸化膜９が順に配置された構成と
なっている。
の間をチャネル領域とすると、このチャネル領域上には
絶縁膜５がパターニングされている。この絶縁膜５の表
面上には金等で構成される浮遊ゲート６、トンネル膜
７、金やアルミニウム等で構成されるコントロールゲー
ト８および側壁酸化膜９が備えられ、絶縁膜５の中央部
に外部に露出するように浮遊ゲート６が配置されると共
に、その浮遊ゲート６の両側壁にトンネル膜７、コント
ロールゲート８、側壁酸化膜９が順に配置された構成と
なっている。
【００１２】このように構成された帯電粒子検出装置１
により、以下のように帯電粒子の濃度等の検出を行なう
ことができる。
により、以下のように帯電粒子の濃度等の検出を行なう
ことができる。
【００１３】まず、コントロールゲート−ソース間電圧
ＶCGSが正となるように電圧を印加すると、浮遊ゲート
６の電子が引き抜かれて浮遊ゲート６が正に帯電され
る。この時の浮遊ゲート−ソース間電圧をＶFGS、浮遊
ゲート６の帯電量をｑとし、コントロールゲート−ソー
ス間の電気容量がｃであるとすると、数１に示す関係が
成り立つ。
ＶCGSが正となるように電圧を印加すると、浮遊ゲート
６の電子が引き抜かれて浮遊ゲート６が正に帯電され
る。この時の浮遊ゲート−ソース間電圧をＶFGS、浮遊
ゲート６の帯電量をｑとし、コントロールゲート−ソー
ス間の電気容量がｃであるとすると、数１に示す関係が
成り立つ。
【００１４】
【数１】 ＶFGS＝ｑ／ｃ この状態においては、ドレイン−ソース間にチャネルが
形成され、一定の電流ＩDSが流れる。そして、コントロ
ールゲート−ソース間の電位ＶCGSを０にしても浮遊ゲ
ート６に電荷が蓄えられており、浮遊ゲート６は正に帯
電し続ける。
形成され、一定の電流ＩDSが流れる。そして、コントロ
ールゲート−ソース間の電位ＶCGSを０にしても浮遊ゲ
ート６に電荷が蓄えられており、浮遊ゲート６は正に帯
電し続ける。
【００１５】このような状態において、外気中に負の電
荷を持つ粒子が存在すると、その粒子が浮遊ゲート６に
吸着され、浮遊ゲート６における電荷が中和される。こ
れにより浮遊ゲート−ソース間電圧ＶFGSが低下する。
このときの電圧ＶGSの低下量δＶFGSは、吸着した電荷
量をｑ’とすると数２のように表される。
荷を持つ粒子が存在すると、その粒子が浮遊ゲート６に
吸着され、浮遊ゲート６における電荷が中和される。こ
れにより浮遊ゲート−ソース間電圧ＶFGSが低下する。
このときの電圧ＶGSの低下量δＶFGSは、吸着した電荷
量をｑ’とすると数２のように表される。
【００１６】
【数２】 δＶFGS＝（ｑ−ｑ’）／ｃ そして、浮遊ゲート６に吸着される帯電粒子量は、大気
中に存在する荷電粒子の量に関係するので、浮遊ゲート
−ソース間電圧ＶFGSの減少とそれに起因する電流ＩDS
の減少が荷電粒子の量を示すことになる。
中に存在する荷電粒子の量に関係するので、浮遊ゲート
−ソース間電圧ＶFGSの減少とそれに起因する電流ＩDS
の減少が荷電粒子の量を示すことになる。
【００１７】一方、電圧ＶGSの低下量δＶFGSが０とな
るようにコントロールゲート８に対して電圧を印加し続
ければ、このときのコントロールゲート−ソース間電圧
ＶCG Sは、単位時間当りに吸着した帯電粒子の電荷量に
比例することになるため、電圧ＶCGSに基づいて帯電粒
子の電荷量を求めることもできる。
るようにコントロールゲート８に対して電圧を印加し続
ければ、このときのコントロールゲート−ソース間電圧
ＶCG Sは、単位時間当りに吸着した帯電粒子の電荷量に
比例することになるため、電圧ＶCGSに基づいて帯電粒
子の電荷量を求めることもできる。
【００１８】このような場合には、浮遊ゲート６ではな
くコントロールゲート８そのものを吸着電極とすること
もできるが、上述のように浮遊ゲート６を吸着電極とす
れば、トンネル現象により浮遊ゲート６からコントロー
ルゲート８への電荷の移動が起こり、その移動電荷量が
指数関数的に変化するため、低濃度の吸着荷電粒子に対
する感度を大きくすることができるという効果が得られ
る。
くコントロールゲート８そのものを吸着電極とすること
もできるが、上述のように浮遊ゲート６を吸着電極とす
れば、トンネル現象により浮遊ゲート６からコントロー
ルゲート８への電荷の移動が起こり、その移動電荷量が
指数関数的に変化するため、低濃度の吸着荷電粒子に対
する感度を大きくすることができるという効果が得られ
る。
【００１９】すなわち、トンネル電流は、大きな電圧を
加えなければ流れないが電圧に応じた大きさで流れ、加
える電圧を増加させると指数関数的に大きくなるという
特性を有していることから、大きな電圧によって小さな
トンネル電流を制御でき、上述したように感度が大きく
なる。
加えなければ流れないが電圧に応じた大きさで流れ、加
える電圧を増加させると指数関数的に大きくなるという
特性を有していることから、大きな電圧によって小さな
トンネル電流を制御でき、上述したように感度が大きく
なる。
【００２０】続いて、図２に、図１に示す帯電粒子検出
装置１を用いた帯電粒子検出回路の一例を示す。この検
出回路は、帯電粒子検出装置１のコントロールゲート−
ソース間電圧ＶCGSに基づいて帯電粒子の電荷量を検出
するものであり、ソース−ドレイン間電流ＩDSを一定に
しつつ電圧ＶCGSを出力する低電流回路１０に対して、
抵抗１１を介してローパスフィルタ１２を接続し、ノイ
ズ対策等を施したものである。
装置１を用いた帯電粒子検出回路の一例を示す。この検
出回路は、帯電粒子検出装置１のコントロールゲート−
ソース間電圧ＶCGSに基づいて帯電粒子の電荷量を検出
するものであり、ソース−ドレイン間電流ＩDSを一定に
しつつ電圧ＶCGSを出力する低電流回路１０に対して、
抵抗１１を介してローパスフィルタ１２を接続し、ノイ
ズ対策等を施したものである。
【００２１】低電流回路１０には定電圧源１３が備えら
れており、コントロールゲート８およびドレイン電極４
ａに対して所望の電圧が印加されるようになっている。
また、コントロールゲート８への電圧印加を制御するス
イッチ用のトランジスタ１４、荷電粒子検出装置１のソ
ース−ドレイン間電流ＩDSに基づいてトランジスタ１４
のＯＮ／ＯＦＦを制御する抵抗１５が備えられており、
抵抗１５での電圧降下分に基づいてトランジスタ１４を
制御するようになっている。
れており、コントロールゲート８およびドレイン電極４
ａに対して所望の電圧が印加されるようになっている。
また、コントロールゲート８への電圧印加を制御するス
イッチ用のトランジスタ１４、荷電粒子検出装置１のソ
ース−ドレイン間電流ＩDSに基づいてトランジスタ１４
のＯＮ／ＯＦＦを制御する抵抗１５が備えられており、
抵抗１５での電圧降下分に基づいてトランジスタ１４を
制御するようになっている。
【００２２】ローパスフィルタ１２は、オペアンプ１
６、コンデンサ１７および抵抗１８、１９によって構成
されている。オペアンプ１６の非反転入力端子は抵抗１
９を介して仮想ＧＮＤに接続され、オペアンプ１６が仮
に片電源であったとしても０Ｖ以下が出力できるような
構成になっている。
６、コンデンサ１７および抵抗１８、１９によって構成
されている。オペアンプ１６の非反転入力端子は抵抗１
９を介して仮想ＧＮＤに接続され、オペアンプ１６が仮
に片電源であったとしても０Ｖ以下が出力できるような
構成になっている。
【００２３】このような構成の帯電粒子検出回路は以下
のように作動する。まず、電流ＩDSが大きくなってソー
ス電極３ａに接続された抵抗１５での電圧降下がほぼ
０.７Ｖになると、トランジスタ１４がＯＮし、電圧Ｖ
CGSが減少して電流ＩDSも減少する。そして、電流ＩDS
が減少して抵抗１５での電圧降下が０．７Ｖを下回る
と、トランジスタ１４がＯＦＦとなり、電圧ＶCGSが増
加して電流ＩDSも増加する。このようにして電流ＩDSが
一定に保たれ、電圧ＶGSの低下量δＶGSが０となるよう
に制御されるため、このときの電圧ＶCGSを測ることで
帯電粒子の単位時間あたりの吸着量、すなわち帯電粒子
量を検出することができる。
のように作動する。まず、電流ＩDSが大きくなってソー
ス電極３ａに接続された抵抗１５での電圧降下がほぼ
０.７Ｖになると、トランジスタ１４がＯＮし、電圧Ｖ
CGSが減少して電流ＩDSも減少する。そして、電流ＩDS
が減少して抵抗１５での電圧降下が０．７Ｖを下回る
と、トランジスタ１４がＯＦＦとなり、電圧ＶCGSが増
加して電流ＩDSも増加する。このようにして電流ＩDSが
一定に保たれ、電圧ＶGSの低下量δＶGSが０となるよう
に制御されるため、このときの電圧ＶCGSを測ることで
帯電粒子の単位時間あたりの吸着量、すなわち帯電粒子
量を検出することができる。
【００２４】例えば、帯電粒子検出回路の出力に基づい
て想定される電圧ＶCGSと帯電粒子量との関係をグラフ
に表すと図３のようになり、電圧ＶCGSと帯電粒子量と
の相関関係に基づき、電圧ＶCGSに基づいて帯電粒子量
を検出することが可能となる。
て想定される電圧ＶCGSと帯電粒子量との関係をグラフ
に表すと図３のようになり、電圧ＶCGSと帯電粒子量と
の相関関係に基づき、電圧ＶCGSに基づいて帯電粒子量
を検出することが可能となる。
【００２５】以上説明したように、本実施形態に示す帯
電粒子検出装置１は、小型で軽量な電界効果トランジス
タ型のセンサ構造により、帯電粒子量の検出を可能とし
ている。このため、小型、軽量で各種機器に組み込みが
容易なものとすることができる。
電粒子検出装置１は、小型で軽量な電界効果トランジス
タ型のセンサ構造により、帯電粒子量の検出を可能とし
ている。このため、小型、軽量で各種機器に組み込みが
容易なものとすることができる。
【００２６】なお、本実施形態のように構成される帯電
粒子検出装置１は、シリコン基板１に対して所定パター
ンのマスクを用いたイオン注入によってソース領域３お
よびドレイン領域４の形成を行なったあと、絶縁膜５を
パターニングし、この絶縁膜５の上に浮遊ゲート６を搭
載したのちトンネル膜７の成膜、コントロールゲート８
の搭載および側壁酸化膜９の形成等を行なうことで形成
される。
粒子検出装置１は、シリコン基板１に対して所定パター
ンのマスクを用いたイオン注入によってソース領域３お
よびドレイン領域４の形成を行なったあと、絶縁膜５を
パターニングし、この絶縁膜５の上に浮遊ゲート６を搭
載したのちトンネル膜７の成膜、コントロールゲート８
の搭載および側壁酸化膜９の形成等を行なうことで形成
される。
【図１】本発明の第１実施形態における帯電粒子検出装
置の全体構成を示す図である。
置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示す帯電粒子検出装置を適用した帯電粒
子検出回路の一例を示した図である。
子検出回路の一例を示した図である。
【図３】電圧ＶCGSと荷電粒子量との関係を示した図で
ある。
ある。
【図４】従来の帯電粒子検出装置の全体構成を示した図
である。
である。
１…帯電粒子検出装置、２…シリコン基板、３…ソース
領域、４…ドレイン領域、５…絶縁膜、６…浮遊ゲー
ト、７…トンネル膜、８…コントロールゲート、９…側
壁絶縁膜、１０…低電流回路、１２…ローパスフィル
タ。
領域、４…ドレイン領域、５…絶縁膜、６…浮遊ゲー
ト、７…トンネル膜、８…コントロールゲート、９…側
壁絶縁膜、１０…低電流回路、１２…ローパスフィル
タ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/792
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体基板（２）と、 半導体基板の表層部において互いに離間するように形成
されたソース領域（３）およびドレイン領域（４）と、 前記ソース領域と前記ドレイン領域との間をチャネルと
すると、該チャネルの上に外気に触れる露出部分が備え
られて形成された浮遊ゲート（６）と、 前記浮遊ゲートの電位を制御するコントロールゲート
（８）と、 前記浮遊ゲートと前記コントロールゲートとの間に配置
されたトンネル膜（７）とを備えていることを特徴とす
る帯電粒子検出装置。 - 【請求項２】 前記浮遊ゲート、前記コントロールゲー
トおよび前記トンネル膜は絶縁膜（５）を介して前記チ
ャネル上に形成されており、前記浮遊ゲートを中央に配
置して、前記トンネル膜と前記コントロールゲートとが
順に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の
帯電粒子検出装置。 - 【請求項３】 前記ソース領域と前記ドレイン領域との
間の電流（ＩDS）が一定となるように前記コントロール
ゲートの電位を調整すると共に、該コントロールゲート
の電位に基づいて帯電粒子の濃度を求めるように構成さ
れていることを特徴とする請求項１又は２に記載の帯電
粒子検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001170014A JP4461643B2 (ja) | 2001-06-05 | 2001-06-05 | 帯電粒子検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001170014A JP4461643B2 (ja) | 2001-06-05 | 2001-06-05 | 帯電粒子検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002365200A true JP2002365200A (ja) | 2002-12-18 |
| JP4461643B2 JP4461643B2 (ja) | 2010-05-12 |
Family
ID=19012009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001170014A Expired - Fee Related JP4461643B2 (ja) | 2001-06-05 | 2001-06-05 | 帯電粒子検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4461643B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006275659A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Okayama Univ | イオンセンサ及びこのイオンセンサを用いた検出器 |
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| JP2006524822A (ja) * | 2003-04-22 | 2006-11-02 | モレキュラー テクノロジーズ インコーポレイテッド | マイクロ流体デバイス用固体ベータ線検出器 |
| CN108352338A (zh) * | 2015-11-06 | 2018-07-31 | 应用材料公司 | 颗粒监控装置 |
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2001
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