JP3181719B2 - ガスセンサ - Google Patents
ガスセンサInfo
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- JP3181719B2 JP3181719B2 JP26077892A JP26077892A JP3181719B2 JP 3181719 B2 JP3181719 B2 JP 3181719B2 JP 26077892 A JP26077892 A JP 26077892A JP 26077892 A JP26077892 A JP 26077892A JP 3181719 B2 JP3181719 B2 JP 3181719B2
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- gas sensor
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Description
【０００１】
【発明の属する分野の説明】本発明は生物化学センサの
１種であるガスセンサの構造に関するものである。
１種であるガスセンサの構造に関するものである。
【０００２】人間の鼻や舌のように臭いや味を検知でき
るセンサの実現は、化学センサ研究の大きな目標の一つ
である。これらは、一般的には、ガスと溶液をセンシン
グするスマ−ト化学センサで、この有力な候補としては
シリコンＩＣテクノロジ−によるＭＯＳＦＥＴとＭＯＳ
Ｄiodeを基礎にしたシリコン化学センサが最も注目さ
れている。過去２０年間のシリコン化学センサの歴史を
振り返ると、実用化を目指し、多くの研究報告がでた
が、実用化に成功した例はほとんど無い。特に、化学セ
ンサに関しては、シリコンをベ−スにしたマルチセン
サ、スマ−トセンサが予想されたほど、容易ではないこ
とが明らかになってきた。 （２）
るセンサの実現は、化学センサ研究の大きな目標の一つ
である。これらは、一般的には、ガスと溶液をセンシン
グするスマ−ト化学センサで、この有力な候補としては
シリコンＩＣテクノロジ−によるＭＯＳＦＥＴとＭＯＳ
Ｄiodeを基礎にしたシリコン化学センサが最も注目さ
れている。過去２０年間のシリコン化学センサの歴史を
振り返ると、実用化を目指し、多くの研究報告がでた
が、実用化に成功した例はほとんど無い。特に、化学セ
ンサに関しては、シリコンをベ−スにしたマルチセン
サ、スマ−トセンサが予想されたほど、容易ではないこ
とが明らかになってきた。 （２）
【０００３】
【従来技術とその問題点】ＭＯＳＦＥＴを用いてマルチ
センサを制作する場合、多数のＦＥＴを同一シリコン基
板上に配置しなければならない。このため、ＦＥＴに接
続する配線数がＦＥＴセンサの増加と共に飛躍的に増
す。この一般的な解決法はマルチプレクサ−を多段に構
成することで解決している。しかし、これは大がかりな
集積回路になってしまう。また、センサに種々の感応膜
を付けることによりマルチセンサを構成する場合、セン
サチップ上の集積回路が種々の感応膜を付ける工程で影
響を受け易い欠点を持っている。一方、ＭＯＳダイオ−
ドを用いた場合も上記と同様にゲ−ト端子の処理が問題
となり、センサの構造と製作の工程の選択幅を制限して
しまう。
センサを制作する場合、多数のＦＥＴを同一シリコン基
板上に配置しなければならない。このため、ＦＥＴに接
続する配線数がＦＥＴセンサの増加と共に飛躍的に増
す。この一般的な解決法はマルチプレクサ−を多段に構
成することで解決している。しかし、これは大がかりな
集積回路になってしまう。また、センサに種々の感応膜
を付けることによりマルチセンサを構成する場合、セン
サチップ上の集積回路が種々の感応膜を付ける工程で影
響を受け易い欠点を持っている。一方、ＭＯＳダイオ−
ドを用いた場合も上記と同様にゲ−ト端子の処理が問題
となり、センサの構造と製作の工程の選択幅を制限して
しまう。
【０００４】
【発明の目的】本発明は、上記欠点を解決し、マルチセ
ンサ化が容易で、加工が容易で量産に適し安価で、取り
扱いが容易であるようなガスセンサを実現するのが目的
である。
ンサ化が容易で、加工が容易で量産に適し安価で、取り
扱いが容易であるようなガスセンサを実現するのが目的
である。
【０００５】
【課題を解決するための本発明の手段】本発明は半導体
基板上に絶縁層を設けこの上部にガス感応膜を設けたＭ
ＩＳ（Ｍetal-Ｉnsulator-Ｓemiconduc-tor）の基本的
構成で、その周囲に白金などの 参照極が配置され、こ
れとガス感応膜部の両方を被うように導電体を形成し、
導電体、作用極、参照極、絶縁層、半導体、のＭＩＳの
基本的構成を取る半導体装置の表面又は裏面より断続光
を照射することにより、半導体の表面近傍に発生する電
子、正孔対のフォトキャリアに起因する交流表面光電圧
現象を利用したことを特徴とするものである。
基板上に絶縁層を設けこの上部にガス感応膜を設けたＭ
ＩＳ（Ｍetal-Ｉnsulator-Ｓemiconduc-tor）の基本的
構成で、その周囲に白金などの 参照極が配置され、こ
れとガス感応膜部の両方を被うように導電体を形成し、
導電体、作用極、参照極、絶縁層、半導体、のＭＩＳの
基本的構成を取る半導体装置の表面又は裏面より断続光
を照射することにより、半導体の表面近傍に発生する電
子、正孔対のフォトキャリアに起因する交流表面光電圧
現象を利用したことを特徴とするものである。
【０００６】
【実施例】半導体の表面又は裏面よりその禁制帯エネル
ギ−以上のエネルギ−をもつ断 （３） 続光を局部的に照射することにより生じる表面電位変化
を交流（ＡＣ）表面光電圧（surface photovoltage=SP
V）と呼ばれている。本発明は、このＡＣＳＰＶ現象を
ガスセンサに適用したものである。図１は本発明の光ア
ドレス電位応答ガスセンサ（ＬＡＰ Ｇas Ｓensor=Ｌig
ht、Ａddressable Ｐotentiometric Ｇas Ｓensor）の説
明図で導電体１、作用極２、参照極３、絶縁層４、半導
体５の構成であり、基本的には、ＭＩＳ（Ｍetal-Ｉnsu
lator-Ｓemiconductor）構造である。ここで、Ｖｂはバ
イアス電圧、Ａは交流電流計で、導電体としては、ｐＨ
一定の溶液、ゲル状電解質、固体電解質などである。こ
の系で、半導体基板５の裏面より禁制帯エネルギ−以上
のエネルギ−をもつ断続光６を局部的に照射すると、絶
縁層４、半導体５の界面に電子、正孔対のフォトキャリ
アが生じる。ここで、半導体表面が、反転、又は、空乏
状態の場合、上記の電子、正孔対は、表面空間電荷層７
の存在によりその電場に引き付けられて電場誘起電圧を
生じる。電場誘起電圧は断続光を照射しているので、表
面光電圧と電流は、交流となり、絶縁膜４を通して流れ
る。一方、半導体表面が蓄積状態の場合は、表面空間電
荷層は存在せず表面光電圧も電流も生じない。従って、
参照極に直流バイアス電圧を印加すると交流光電流はバ
イアス電圧によりある極大値を取る電流−電圧特性を示
す。上記ＭＩＳの構成で、外部のガス濃度が変化する
と、導電体、作用電極の界面で電位変化を起こし、上記
の電流−電圧特性曲線はガス濃度に応じてシフトする。
従って、交流表面光電圧と電流のバイアス電圧依存性を
調べることにより、ガスセンサとして作用する。
ギ−以上のエネルギ−をもつ断 （３） 続光を局部的に照射することにより生じる表面電位変化
を交流（ＡＣ）表面光電圧（surface photovoltage=SP
V）と呼ばれている。本発明は、このＡＣＳＰＶ現象を
ガスセンサに適用したものである。図１は本発明の光ア
ドレス電位応答ガスセンサ（ＬＡＰ Ｇas Ｓensor=Ｌig
ht、Ａddressable Ｐotentiometric Ｇas Ｓensor）の説
明図で導電体１、作用極２、参照極３、絶縁層４、半導
体５の構成であり、基本的には、ＭＩＳ（Ｍetal-Ｉnsu
lator-Ｓemiconductor）構造である。ここで、Ｖｂはバ
イアス電圧、Ａは交流電流計で、導電体としては、ｐＨ
一定の溶液、ゲル状電解質、固体電解質などである。こ
の系で、半導体基板５の裏面より禁制帯エネルギ−以上
のエネルギ−をもつ断続光６を局部的に照射すると、絶
縁層４、半導体５の界面に電子、正孔対のフォトキャリ
アが生じる。ここで、半導体表面が、反転、又は、空乏
状態の場合、上記の電子、正孔対は、表面空間電荷層７
の存在によりその電場に引き付けられて電場誘起電圧を
生じる。電場誘起電圧は断続光を照射しているので、表
面光電圧と電流は、交流となり、絶縁膜４を通して流れ
る。一方、半導体表面が蓄積状態の場合は、表面空間電
荷層は存在せず表面光電圧も電流も生じない。従って、
参照極に直流バイアス電圧を印加すると交流光電流はバ
イアス電圧によりある極大値を取る電流−電圧特性を示
す。上記ＭＩＳの構成で、外部のガス濃度が変化する
と、導電体、作用電極の界面で電位変化を起こし、上記
の電流−電圧特性曲線はガス濃度に応じてシフトする。
従って、交流表面光電圧と電流のバイアス電圧依存性を
調べることにより、ガスセンサとして作用する。
【０００７】図２は、本発明のセンサシステムの全体構
成例である。図に示すように、ロックインアンプ、ポテ
ンシオスタット、Ｉ／Ｖコンバ−タ、ファンクションジ
ェネレ−タ−、赤外発光ダイオ−ド電源ＬＤ、ＧＰ−Ｉ
Ｂボ−ド、センサセルＳＳから成っている。ロックイン
アンプはＩ／Ｖコンバ−タを経た信号の中で赤外発光ダ
イオ−ド電源に同期した信号だけ取り出す。ポテンシオ
スタットとファンクションジェネレ−タ−は、参照極３
に直流のバイアス電位 （４） を与えている。一つ一つのセンサはＧＰ−ＩＢボ−ドを
介してコンピュ−タ（ＣＰＵ）により、順次、赤外発光
ダイオ−ド電源ＬＤを切り換えることにより作動しコン
ピュ−タにセンサ信号を送るようになっている。
成例である。図に示すように、ロックインアンプ、ポテ
ンシオスタット、Ｉ／Ｖコンバ−タ、ファンクションジ
ェネレ−タ−、赤外発光ダイオ−ド電源ＬＤ、ＧＰ−Ｉ
Ｂボ−ド、センサセルＳＳから成っている。ロックイン
アンプはＩ／Ｖコンバ−タを経た信号の中で赤外発光ダ
イオ−ド電源に同期した信号だけ取り出す。ポテンシオ
スタットとファンクションジェネレ−タ−は、参照極３
に直流のバイアス電位 （４） を与えている。一つ一つのセンサはＧＰ−ＩＢボ−ドを
介してコンピュ−タ（ＣＰＵ）により、順次、赤外発光
ダイオ−ド電源ＬＤを切り換えることにより作動しコン
ピュ−タにセンサ信号を送るようになっている。
【０００８】図３は本発明のセンサデバイスの実施例図
で（ａ）は平面図、（ｂ）は同（ａ）図Ａ−Ａ′断面図
で、まず、両面鏡面研磨のＰ形シリコン基板５の一方の
面上に約１μｍの二酸化シリコン膜を付ける。次に、受
光部以外の二酸化シリコン膜を除去し高濃度不純物をド
−プする。次に、島状の受光シリコン部の二酸化シリコ
ン膜を除去し、清浄な二酸化シリコン膜を１０００Ａ
゜、シリコンナイトライド膜を１０００Ａ゜より成る絶
縁膜４を形成する。最後に、受光部から離れた所に位置
する高濃度不純物ド−プ部に基板５への電極８を形成す
る。図中には、同一基板上に５個のセンサを配置した例
を示している。ガス感応膜としてＭＩＳダイオ−ドのゲ
−ト膜上全面にシリコンナイトライド膜、半分づつのシ
リコンナイトライド膜とゲ−ト材料（電極−１）とした
もの、全面にゲ−ト材料（電極−２）としたものなどで
５個のＭＩＳダイオ−ドが構成され、その周囲には白金
などの参照極３が配置されている。 さらに、ゲ−ト
部と、参照極の両方を被うように導電体１を形成し、さ
らに 汚れを防止するためガス透過膜９を取り付ける
様にした。ここで、導電体１ としては、ゲル状電解
質、有機導電体、固体電解質など導電性材料が利用で
きる。
で（ａ）は平面図、（ｂ）は同（ａ）図Ａ−Ａ′断面図
で、まず、両面鏡面研磨のＰ形シリコン基板５の一方の
面上に約１μｍの二酸化シリコン膜を付ける。次に、受
光部以外の二酸化シリコン膜を除去し高濃度不純物をド
−プする。次に、島状の受光シリコン部の二酸化シリコ
ン膜を除去し、清浄な二酸化シリコン膜を１０００Ａ
゜、シリコンナイトライド膜を１０００Ａ゜より成る絶
縁膜４を形成する。最後に、受光部から離れた所に位置
する高濃度不純物ド−プ部に基板５への電極８を形成す
る。図中には、同一基板上に５個のセンサを配置した例
を示している。ガス感応膜としてＭＩＳダイオ−ドのゲ
−ト膜上全面にシリコンナイトライド膜、半分づつのシ
リコンナイトライド膜とゲ−ト材料（電極−１）とした
もの、全面にゲ−ト材料（電極−２）としたものなどで
５個のＭＩＳダイオ−ドが構成され、その周囲には白金
などの参照極３が配置されている。 さらに、ゲ−ト
部と、参照極の両方を被うように導電体１を形成し、さ
らに 汚れを防止するためガス透過膜９を取り付ける
様にした。ここで、導電体１ としては、ゲル状電解
質、有機導電体、固体電解質など導電性材料が利用で
きる。
【０００９】図４は上記の発明例で、シリコンナイトラ
イド膜と銀薄膜をゲ−ト材料としたマルチセンサの応答
特性である。図中、交流光電流は規格化してある。全て
のセンサは、負の直流バイアス電圧を増すに従い光電流
が減少するＩ−Ｖ曲線を示している。図中、（イ）はシ
リコンナイトライド膜で、（ロ）と（ハ）は銀薄膜で、
ゲ−ト部がシリコンナイトライド膜（イ）の場合は酸素
ガスに対して応答しないが、銀薄膜の場合は酸素ガスの
増加と共にプラス側にシフトし酸素センサとして動作し
ている。この場合、上記２つのセンサの （５） 差を取ることにより信号のＳ／Ｎ比が飛躍的に上昇す
る。上記例は２個の例であるが、このように本発明は多
種多数のＭＩＳダイオ−ドの平面的配置により容易にマ
ルチガスセンサが実現できる。さらに、多数のセンサ出
力信号の処理は、情報処理技術の発達により容易である
ので、人間の鼻のような臭覚センサも実現できる。
イド膜と銀薄膜をゲ−ト材料としたマルチセンサの応答
特性である。図中、交流光電流は規格化してある。全て
のセンサは、負の直流バイアス電圧を増すに従い光電流
が減少するＩ−Ｖ曲線を示している。図中、（イ）はシ
リコンナイトライド膜で、（ロ）と（ハ）は銀薄膜で、
ゲ−ト部がシリコンナイトライド膜（イ）の場合は酸素
ガスに対して応答しないが、銀薄膜の場合は酸素ガスの
増加と共にプラス側にシフトし酸素センサとして動作し
ている。この場合、上記２つのセンサの （５） 差を取ることにより信号のＳ／Ｎ比が飛躍的に上昇す
る。上記例は２個の例であるが、このように本発明は多
種多数のＭＩＳダイオ−ドの平面的配置により容易にマ
ルチガスセンサが実現できる。さらに、多数のセンサ出
力信号の処理は、情報処理技術の発達により容易である
ので、人間の鼻のような臭覚センサも実現できる。
【００１０】
【発明の効果】本発明により、本センサの最大の利点は
ＰＮ接合がなく、構造がシンプルで、デバイス製作が容易
であり、電極端子が２本又は３本でだけで、センサをア
レ−状に配置したシリコン基板とアレ−状に配置された
発光ダイオ−ドとの組み合せで、局部的に発光すること
により容易にセンサアレ−を実現できることであり、量
産可能で安価で高機能のセンサが容易に実現でき、実用
上、たいへん有意義である。
ＰＮ接合がなく、構造がシンプルで、デバイス製作が容易
であり、電極端子が２本又は３本でだけで、センサをア
レ−状に配置したシリコン基板とアレ−状に配置された
発光ダイオ−ドとの組み合せで、局部的に発光すること
により容易にセンサアレ−を実現できることであり、量
産可能で安価で高機能のセンサが容易に実現でき、実用
上、たいへん有意義である。
【図１】本発明の光アドレス電位応答ガスセンサの説明
図
図
【図２】本発明のセンサシステム全体の構成例図
【図３】本発明の一実施例によるセンサデバイスの構成
例図
例図
【図４】本発明による酸素センサの応答特性図である。
１ 導電体 ２ 作用極 ３ 参照極 ４ 絶縁膜 ５ 半導体基板 （６） ９ ガス透過膜 ＳＳ センサセル ＬＤ 発光ダイオ−ド電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/416 H01L 49/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＣＡ（ＳＴＮ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体基板上に絶縁層を設け、この上部
にガス感応膜と、参照極及び作用極を配置し、これとガ
ス感応膜部の両方を被うように導電体を形成した基本的
構成を取る半導体装置の表面又は裏面より断続光を照射
することにより、半導体基体の表面近傍に発生する電
子、正孔対のフォトキャリアに起因する交流表面光電圧
現象を利用したことを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項２】 導電体として、ｐＨ一定の溶液、ゲル状
電解質、有機導電体、固体電解質などを用いたことを特徴
とする特許請求の範囲１項記載のガスセンサ。 - 【請求項３】 半導体基板上に複数個のセンサを配置し
たことを特徴とする特許請求の範囲１項記載のガスセン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26077892A JP3181719B2 (ja) | 1992-09-03 | 1992-09-03 | ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26077892A JP3181719B2 (ja) | 1992-09-03 | 1992-09-03 | ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0682419A JPH0682419A (ja) | 1994-03-22 |
| JP3181719B2 true JP3181719B2 (ja) | 2001-07-03 |
Family
ID=17352600
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26077892A Expired - Fee Related JP3181719B2 (ja) | 1992-09-03 | 1992-09-03 | ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3181719B2 (ja) |
-
1992
- 1992-09-03 JP JP26077892A patent/JP3181719B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0682419A (ja) | 1994-03-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |