JP2010066234A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2つの電界効果型トランジスタからなり、該2つの電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜24上にゲート電極を設け、該ゲート電極によりガスを検知するガスセンサ30であって、一方の電界効果型トランジスタに設けられた第一ゲート電極5と、他方の電界効果型トランジスタに設けられた第二ゲート電極6と、前記第一ゲート電極5と前記第二ゲート電極6との間を配線により接続して同電位あるいは一定電圧差の直流電圧あるいは交流電圧を印加する電圧印加手段と、を備え、前記第一ゲート電極5と前記第二ゲート電極6とは、それぞれ異なる金属からなるとともに、一方の電界効果型トランジスタと他方の電界効果型トランジスタの構造を同じにする。
【選択図】図1
Description
一方の電界効果型トランジスタに設けられた第一ゲート電極と、
他方の電界効果型トランジスタに設けられた第二ゲート電極と、
前記第一ゲート電極と前記第二ゲート電極との間を配線により接続して同電位あるいは一定電圧差の直流電圧あるいは交流電圧を印加する電圧印加手段と、を備え、
前記第一ゲート電極と前記第二ゲート電極とは、それぞれ異なる金属からなるとともに、一方の電界効果型トランジスタと他方の電界効果型トランジスタの構造が同じであるガスセンサである。
一方の電界効果型トランジスタである触媒金属ゲート電界効果型トランジスタ25(以下、触媒金属ゲート型トランジスタという)には、第一ゲート電極としてPtゲート電極5が形成されている。触媒金属ゲート型トランジスタ25は、第一ゲート電極のゲート電極材料が、触媒金属の一例であるPt(白金)であることにより水素に応答するガスセンサとなっている。水素がPt(白金)に触れると水素イオン(プロトン)と電子に解離して、水素イオンがPt(白金)に吸着する。このため、Pt(白金)の仕事関数が変化することになる。また、この解離反応は水素濃度に依存するため、仕事関数もまた水素濃度依存性をもつことになる。仕事関数の変化は電界効果型トランジスタの動作点を変えるので、触媒金属ゲート型トランジスタ25は水素応答できることになる。また、触媒金属ゲート型トランジスタ25には、Si基板1に形成されたp型ウェル領域であるp−well4−1を備えており、該p−well4−1に埋設されたドレイン2−1とソース3−1との間にチャンネルが形成されていて、その上にはゲート絶縁膜24が形成されている。このゲート絶縁膜24は、SiO2膜10およびその上にSi3N4膜11の絶縁材料からなる2層構造となっている。このゲート絶縁膜24の上には前記Ptゲート電極5が形成されている。さらに、Ptゲート電極5には一定の電圧をかけるためのゲート配線9−1が接続されている。また、ドレイン2−1の上端部には、ドレイン配線7−1が接続されており、ソース3−1の上端部には、ソース配線8−1が接続されている。
また、Ptゲート電極5は、ゲート電極としてPt(白金)を使っているので、水素イオンと水素ガスとの間で解離平衡反応が起こり、白金の仕事関数が変化する。この仕事関数の変化は水素濃度に関係するので、前述したPtゲート電極5を具備する触媒金属ゲート型トランジスタ25は水素濃度を検出することができる。
また、Tiゲート電極6は、ゲート電極としてTi(チタン)を使っているので、水素イオンと水素ガスとの間で解離平衡反応が起こらず、つまり、水素に対して解離応答は生じない。
つまり、図1に示したガスセンサ30は、水素に対して解離応答を生じる触媒金属であるPtをゲート電極とした触媒金属ゲート型トランジスタ25と、水素に対して解離応答を生じないTiをゲート電極とした非触媒金属ゲート型トランジスタ26とをSi基板1上に集積化して、Ptゲート電極5とTiゲート電極6とを配線により接続して、Ptゲート電極5とTiゲート電極6の各々に対して同じ電圧をかけることができるように構成されている。
なお、触媒金属としては、例えば、白金、パラジウムあるいはこれらを主成分とする合金等を用いることが可能である。また、非触媒金属としては、例えば、チタン、ニッケル、アルミニウム等用いることが可能である。
なお、上述したような高分子電解質の他、リン酸電解質など水素イオンを透過する膜を用いた場合においても、選択性の高い水素センサを実現することが可能である。
2−1 ドレイン
2−2 ドレイン
3−1 ソース
3−2 ソース
4−1 p−well
4−2 p−well
5 Ptゲート電極
6 Tiゲート電極
7−1 ドレイン配線
7−2 ドレイン配線
8−1 ソース配線
8−2 ソース配線
9−1 ゲート配線
9−2 ゲート配線
10 SiO2膜
11 Si3N4膜
12 イオン導伝性膜
20−1 ボルテージフォロワー回路
20−2 ボルテージフォロワー回路
21 差動アンプ
22 電圧源
23 交流電圧源
24 ゲート絶縁膜
25 触媒金属ゲート型トランジスタ
26 非触媒金属ゲート型トランジスタ
30 ガスセンサ
Claims (6)
- 2つの電界効果型トランジスタからなり、該2つの電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜上にゲート電極を設け、該ゲート電極によりガスを検知するガスセンサであって、
一方の電界効果型トランジスタに設けられた第一ゲート電極と、
他方の電界効果型トランジスタに設けられた第二ゲート電極と、
前記第一ゲート電極と前記第二ゲート電極との間を配線により接続して同電位あるいは一定電圧差の直流電圧あるいは交流電圧を印加する電圧印加手段と、を備え、
前記第一ゲート電極と前記第二ゲート電極とは、それぞれ異なる金属からなるとともに、一方の電界効果型トランジスタと他方の電界効果型トランジスタの構造が同じであることを特徴とするガスセンサ。 - 前記第一ゲート電極として触媒金属を、前記第二ゲート電極として非触媒金属を用いたことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記2つの電界効果型トランジスタの出力の差を計測することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のガスセンサ。
- 前記2つの電界効果型トランジスタに変調信号を入力して、前記2つの電界効果型トランジスタの出力の差を計測することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載のガスセンサ。
- 前記2つの電界効果型トランジスタを1つのSi基板上に集積化したことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載のガスセンサ。
- 前記2つの電界効果型トランジスタの前記各ゲート電極上に共通のイオン導伝性膜を形成したことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載のガスセンサ。
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