JP2020197414A - 匂いセンサ及び匂い検出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1実施形態の匂いセンサ1の概略平面図である。同図に示されるように、匂いセンサ1は、イオンセンサ2と、イオンセンサ2上に設けられた複数(ここでは5つ)の物質吸着膜3と、物質吸着膜3に基準電圧を印加する電極4と、検知部6と、を備える。
(参考文献1:ポリアニリンへのプロトン注入による導電性の付与,Tiri News 2010 vol.046,2010年2月号)
(参考文献2:Highly sensitive and selective chemiresistor gas/vapor sensors based on polyaniline nanocomposite: A comprehensive review(2016))
図7は、第2実施形態の匂いセンサ1Aの検出部5Aの断面構成を模式的に示す図である。匂いセンサ1Aは、いわゆる電荷転送型のCMOSイメージセンサであるイオンセンサ2に代えて、いわゆるISFET型のイオンセンサ2Aを備える点で、第1実施形態の匂いセンサ1と相違している。その他の構成については、匂いセンサ1と同様である。イオンセンサ2Aは、単位検出素子として、電荷転送型の測定方式が採用された検出部5に代えてISFET型の測定方式が採用された検出部5Aを備える点で、イオンセンサ2と相違している。
第1の例は、ISFETにおいて一般に採用される駆動方法である。第1の例は、上述したゲート電極134の電位変化に応じてn+型領域131とn+型領域132との間に流れる電流の大きさが変化することに着目した駆動方法である。すなわち、上述した物質吸着膜3からのプロトン放出に起因する感応膜13の近傍のイオン濃度の変化に応じて、ゲート電極134の電位が変化すると、n+型領域131とn+型領域132との間に流れる電流の大きさが変化する。ここで、ゲート電極135をスイッチとして使用し、ゲート電極135に与えるTG信号を変化させることにより、スイッチをONにする。すなわち、n+型領域132の電荷がゲート電極135と対向する領域(以下「TG領域」)を介してn+型領域133に流れる状態に切り替えられる。これにより、n+型領域131とn+型領域132との間に流れる電流は、TG領域及びn+型領域133を介してout信号として出力される。その後、例えば、out信号は検知部6において電圧に変換される。その結果、物質吸着膜3からのプロトン放出(すなわち、物質吸着膜3による匂い物質の吸着)が、out信号の電圧変化に基づいて検知される。
第2の例では、ゲート電極135のスイッチをONにした状態で、n+型領域131に与えるID信号を変化させることにより、n+型領域131に対して電荷が注入される。その後、n+型領域131への電荷の注入が停止され、電荷の注入が停止された際のout信号の電圧が検知部6によって監視される。その結果、検知部6において、物質吸着膜3からのプロトン放出(すなわち、物質吸着膜3による匂い物質の吸着)が、out信号の電圧変化に基づいて検知される。
第3の例は、概略的には、半導体基板100においてゲート電極134と対向する領域(以下「ゲート領域」)を、上述した電荷転送型の検出部5におけるICG領域として機能させると共に、n+型領域132を、検出部5におけるFD部31として機能させる方式である。図8を参照して、第3の例について詳細に説明する。図8の(A)に示されるように、ゲート領域のポテンシャル井戸の深さは、感応膜13の電位変化に応じて変化する。図8の(B)に示されるように、ID信号を制御することにより、n+型領域131(図8における「ID」)のポテンシャルが下げられる。これにより、n+型領域131に電荷がチャージされる。n+型領域131にチャージされた電荷は、ゲート領域を超えてn+型領域132へと注入される。このとき、TG領域のポテンシャルは、n+型領域131のポテンシャルよりも低くなるように制御される。従って、n+型領域132へ注入される電荷がTG領域を超えてn+型領域133(図8における「out」)に達することはない。
図9は、第3実施形態の匂いセンサ1Bの概略構成を示す図である。匂いセンサ1Bは、いわゆるガラス電極型イオン計を応用したイオンセンサ2Bを有する。図9において、容器61は、検査対象の被検査溶液Lを保持している。イオンセンサ2Bは、比較電極62と、ガラス電極63と、を備える。比較電極62は、内部溶液L1を保持する容器62aを有する。内部溶液L1内には、内部電極E1が配置されている。容器62aには、内部溶液L1と被検査溶液Lとを電気的に接触させるための液絡部64が設けられている。ガラス電極63は、内部溶液L2を保持する容器63aを有する。内部溶液L2内には、内部電極E2が配置されている。容器63aの先端部には、ガラス膜65(イオン感応部)が設けられている。ガラス膜65上(ガラス膜65の外表面)には、物質吸着膜66が設けられている。物質吸着膜66は、上述した物質吸着膜3と同様の膜物質である。すなわち、物質吸着膜66は、検出対象の匂い物質(被検査溶液L中に存在又は混入する可能性がある匂い物質)を吸着する。また、物質吸着膜66は、検出対象の匂い物質を吸着した際に、プロトンを放出する状態となっている。物質吸着膜66は、例えば、エメラルディン塩の状態であるポリアニリンを含むポリアニリン膜である。
Claims (8)
- イオン感応部を有するイオンセンサと、
前記イオン感応部上に配置され、検出対象の匂い物質を吸着する物質吸着膜と、
前記物質吸着膜に基準電圧を印加する電極と、を備え、
前記物質吸着膜は、前記匂い物質を吸着した際にプロトンを放出する状態となっている、匂いセンサ。 - 前記物質吸着膜は、エメラルディン塩の状態であるポリアニリンを含む、請求項1に記載の匂いセンサ。
- 前記イオン感応部は、前記物質吸着膜からのプロトン放出に起因する前記イオン感応部の近傍におけるイオン濃度の変化に応じて電位を変化させる、請求項1又は2に記載の匂いセンサ。
- 前記イオン感応部の電位に応じた前記イオンセンサの出力値を監視し、前記イオン感応部の電位変化に応じた前記イオンセンサの出力値の変化を検出することにより、前記匂い物質を検知する検知部を更に備える、請求項3に記載の匂いセンサ。
- 前記物質吸着膜は、繊維状又は多孔質状である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の匂いセンサ。
- 前記イオン感応部と前記物質吸着膜とが対向する対向方向における前記物質吸着膜の厚さは、5μm以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の匂いセンサ。
- 前記イオンセンサを覆うように設けられたパッシベーション層を更に備え、
前記物質吸着膜は、前記パッシベーション層を覆うように設けられており、
前記パッシベーション層には、前記イオン感応部を外部に露出させる開口が設けられており、
前記イオン感応部は、前記開口を介して前記物質吸着膜と接触しており、
前記物質吸着膜は、前記開口の形状に沿って設けられている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の匂いセンサ。 - イオン感応部を有するイオンセンサと、前記イオン感応部上に配置され、検出対象の匂い物質を吸着する物質吸着膜と、を備える匂いセンサによる匂い検出方法であって、
前記物質吸着膜に基準電圧が印加された状態で、前記イオン感応部の電位に応じた前記イオンセンサの出力値を監視するステップと、
前記物質吸着膜が、前記匂い物質を吸着した際に、プロトンを放出するステップと、
前記イオン感応部が、前記物質吸着膜からのプロトン放出に起因する前記イオン感応部の近傍におけるイオン濃度の変化に応じて電位を変化させるステップと、
前記イオン感応部の電位変化に応じた前記イオンセンサの出力値の変化を検出することにより、前記匂い物質を検知するステップと、を含む匂い検出方法。
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