JP3288801B2 - ガスセンサ - Google Patents
ガスセンサInfo
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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 （２） る。
１種であるガスセンサの構造に関するものであ （２） 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。
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。
【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、センサの構造と制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、センサの構造と制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】 （３）
【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検
知電極｜ガス感応層｜絶縁層｜半導体のＭＩＳ（Ｍetal
-Ｉnsulator-Ｓemiconductor）基本的構成、または、検
知電極｜ガス感応層｜半導体のＭＳ（Ｍetal-Ｓemicond
uctor）基本的構成において、絶縁層｜半導体界面、ま
たは、半導体表面に空乏層又は反転層を有するように
し、上記半導体の表面又は裏面より断続光を照射して半
導体内に電子、正孔対のフォトキャリアを発生させるこ
とにより半導体の表面近傍の空乏層又は反転層に交流表
面光電圧を生じさせる。この系で、ガス濃度に応じてガ
ス感応膜が電位変化し、その結果表面光電圧が変化する
のを検出するのに上記センサと非接触にすることにより
容量結合で結ぶことを特徴とする。
基板上に絶縁層を設けこの上部にガス感応膜を設けた検
知電極｜ガス感応層｜絶縁層｜半導体のＭＩＳ（Ｍetal
-Ｉnsulator-Ｓemiconductor）基本的構成、または、検
知電極｜ガス感応層｜半導体のＭＳ（Ｍetal-Ｓemicond
uctor）基本的構成において、絶縁層｜半導体界面、ま
たは、半導体表面に空乏層又は反転層を有するように
し、上記半導体の表面又は裏面より断続光を照射して半
導体内に電子、正孔対のフォトキャリアを発生させるこ
とにより半導体の表面近傍の空乏層又は反転層に交流表
面光電圧を生じさせる。この系で、ガス濃度に応じてガ
ス感応膜が電位変化し、その結果表面光電圧が変化する
のを検出するのに上記センサと非接触にすることにより
容量結合で結ぶことを特徴とする。
【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=SPV）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=Light、Addressable PotentiometricG
as Sensor）の一実施例図で、ここでは、検知極１、エ
アギャップ２、感応膜３、絶縁層４、半導体基体５の構
成であり、基本的には、ＣＩＳ（Conductor-Insulator-
Semiconductor）構造である。ここで、半導体基体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、この検知極１、エアギャップ
２、感応膜３、絶縁層４、半導体５の系は、エアギャッ
プを介して容量結合し、表面光電圧と電流は交流とな
る。従って、検知極１、エアギャップ２、 （４） 感応膜３、絶縁層４、半導体５の構成で、ガス濃度の変
化に対応し感応膜の電位が変化するので、交流表面光電
圧の変化を調べることにより新規のガスセンサとして作
用する。
ギ−以上のエネルギ−をもつ断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=SPV）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=Light、Addressable PotentiometricG
as Sensor）の一実施例図で、ここでは、検知極１、エ
アギャップ２、感応膜３、絶縁層４、半導体基体５の構
成であり、基本的には、ＣＩＳ（Conductor-Insulator-
Semiconductor）構造である。ここで、半導体基体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、この検知極１、エアギャップ
２、感応膜３、絶縁層４、半導体５の系は、エアギャッ
プを介して容量結合し、表面光電圧と電流は交流とな
る。従って、検知極１、エアギャップ２、 （４） 感応膜３、絶縁層４、半導体５の構成で、ガス濃度の変
化に対応し感応膜の電位が変化するので、交流表面光電
圧の変化を調べることにより新規の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７、赤
外発光ダイオ−ド電源、ＧＰ−ＩＢボ−ド、センサセル
から成っている。ロックインアンプはセンサ信号の中で
赤外発光ダイオ−ド電源６に同期した信号だけ取り出
す。一つ一つのセンサはＧＰ−ＩＢボ−ド８を介してコ
ンピュ−タ９により、順次、赤外発光ダイオ−ド電源を
切り換えることにより作動しコンピュ−タにセンサの信
号を送り処理す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７、赤
外発光ダイオ−ド電源、ＧＰ−ＩＢボ−ド、センサセル
から成っている。ロックインアンプはセンサ信号の中で
赤外発光ダイオ−ド電源６に同期した信号だけ取り出
す。一つ一つのセンサはＧＰ−ＩＢボ−ド８を介してコ
ンピュ−タ９により、順次、赤外発光ダイオ−ド電源を
切り換えることにより作動しコンピュ−タにセンサの信
号を送り処理するようになっている。
【０００８】図３は本発明のマルチセンサシステムの１
例で、単一のセンサプロ−ブでマルチセンサをスキャン
する場合である。多数のガス感応特性の異なる感応膜３
ａ〜３ｅをシリコン基板上に配列し、一個のスポット状
の断続光で照射し、同時に、検知用透明電極１とガス感
応膜間のエアギャップ２を調整し、これらをスキャンし
ながらセンサ信号を取り出すようにした構成例である。
例で、単一のセンサプロ−ブでマルチセンサをスキャン
する場合である。多数のガス感応特性の異なる感応膜３
ａ〜３ｅをシリコン基板上に配列し、一個のスポット状
の断続光で照射し、同時に、検知用透明電極１とガス感
応膜間のエアギャップ２を調整し、これらをスキャンし
ながらセンサ信号を取り出すようにした構成例である。
【０００９】図４、図５は本発明の他の実施例を示し、
夫々断続光６と検知電極１とを分離した例である。セン
サ基板５の裏面よりスポット状の断続光を順次照射し、
表面の多数のガス感応膜３ａ〜３ｅとエアギャップ２を
介して検知電極１が接するように構成しセンサ信号を取
り出すものである。本例ではガス感応膜全体を被うよう
な単一の固定したセンサ信号検出プロ−ブで複数のセン
サを単一、または、複数の発光ダイオ−ドでスキャンす
る場合である。図４はセンサ基板表面上にガス感応膜３
ａ〜３ｃを多数配置した例を示す。又、図５は、半導体
基体５上に絶縁層４を設け、一方基板１０等に支持され
た検知電極１に多数のガス感応膜３ａ〜３ｅを配置しエ
アギャップ２を介して対向した例を示す。 （５）
夫々断続光６と検知電極１とを分離した例である。セン
サ基板５の裏面よりスポット状の断続光を順次照射し、
表面の多数のガス感応膜３ａ〜３ｅとエアギャップ２を
介して検知電極１が接するように構成しセンサ信号を取
り出すものである。本例ではガス感応膜全体を被うよう
な単一の固定したセンサ信号検出プロ−ブで複数のセン
サを単一、または、複数の発光ダイオ−ドでスキャンす
る場合である。図４はセンサ基板表面上にガス感応膜３
ａ〜３ｃを多数配置した例を示す。又、図５は、半導体
基体５上に絶縁層４を設け、一方基板１０等に支持され
た検知電極１に多数のガス感応膜３ａ〜３ｅを配置しエ
アギャップ２を介して対向した例を示す。 （５）
【００１０】図６は本発明の一定のエアギャップを有す
る構成の一実施例であり、一方の半導体基体５にガス導
入口５ａとガス感応膜３ａ〜３ｃを設け又他方の半導体
基体１０の周辺部に酸化膜１１、中心部に検知電極１を
夫々設け、前記夫々半導体基体５、１０を酸化膜１１を
介して接合するようにしたものである。
る構成の一実施例であり、一方の半導体基体５にガス導
入口５ａとガス感応膜３ａ〜３ｃを設け又他方の半導体
基体１０の周辺部に酸化膜１１、中心部に検知電極１を
夫々設け、前記夫々半導体基体５、１０を酸化膜１１を
介して接合するようにしたものである。
【００１１】図中、上部から白金金属電極１、固定エア
ギャップ２、ガス感応膜３ａ〜３ｃ半導体５からなる構
成を取っている。ここでガス感応膜３ａ〜３ｃでガスに
より化学的に反応すると、それが半導体５の表面電位が
変化するので、上記例と同様のセンサが構成できる。容
量結合はエアギャップ２により、図中下部の半導体５と
上部の白金金属１の間で行われ、ＬＥＤなどのパルス光
６により、半導体の裏面より照射することにより、ま
た、照射する場所を変えることにより、その場所の信号
を得ることができる。この構成で空気ギャップ２はシリ
コン酸化膜１１などを介してシリコン基板同志を接合す
るアノ−ディックボンディング（陽極接合）技術などが
利用でき１０ｎｍ〜２０００ｎｍまで調整できる。上記
の例は、ＬＥＤの断続光を例にしているが、レ−ザ−光
ももちろん利用できることは明白であり、この光源の方
が微小領域の照射に向いているので、レ−ザ−光をスキ
ャンニングすることにより、ガス感応特性の精密な二次
元像を得るのに好都合である。
ギャップ２、ガス感応膜３ａ〜３ｃ半導体５からなる構
成を取っている。ここでガス感応膜３ａ〜３ｃでガスに
より化学的に反応すると、それが半導体５の表面電位が
変化するので、上記例と同様のセンサが構成できる。容
量結合はエアギャップ２により、図中下部の半導体５と
上部の白金金属１の間で行われ、ＬＥＤなどのパルス光
６により、半導体の裏面より照射することにより、ま
た、照射する場所を変えることにより、その場所の信号
を得ることができる。この構成で空気ギャップ２はシリ
コン酸化膜１１などを介してシリコン基板同志を接合す
るアノ−ディックボンディング（陽極接合）技術などが
利用でき１０ｎｍ〜２０００ｎｍまで調整できる。上記
の例は、ＬＥＤの断続光を例にしているが、レ−ザ−光
ももちろん利用できることは明白であり、この光源の方
が微小領域の照射に向いているので、レ−ザ−光をスキ
ャンニングすることにより、ガス感応特性の精密な二次
元像を得るのに好都合である。
【００１２】
【発明の効果】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。また、この構造はガス
センサの低温動作化のために用いられる触媒材料をガス
感応膜からなる部分と分離できるので、性能の改善や様
々な組み合わせが可能となり、特徴ある信号が取り出せ
る利点がある。
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。また、この構造はガス
センサの低温動作化のために用いられる触媒材料をガス
感応膜からなる部分と分離できるので、性能の改善や様
々な組み合わせが可能となり、特徴ある信号が取り出せ
る利点がある。
（６）
【図１】本発明の一実施例図
【図２】本発明の説明図
【図３】本発明の他の実施例図
【図４】本発明の他の実施例図
【図５】本発明の他の実施例図
【図６】本発明の他の実施例図
１ 検知電極 ２ エアギャップ ３、３ａ〜３ｅ ガス感応膜 ４ 絶縁層 ５ 半導体基体 ５ａ ガス導入口 ６ 断続光源 １０ 基板 １１ 酸化膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/00 - 27/49
Claims (3)
- 【請求項１】半導体基体上に絶縁膜を設け、該絶縁膜上
に複数のガス感応膜を設け、該ガス感応膜とエアギャッ
プを設けて検知電極を対向配置し、該検知電極の表面も
しくは半導体基体の裏面より断続光を照射することによ
り、該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を生じせし
め、該エアギャップに被検知ガスを介在せしめることに
より該交流表面光電圧の変化を該半導体基体と検知電極
間の容量結合により検出するようにしたことを特徴とす
るマルチガスセンサ。 - 【請求項２】一方の半導体基体にガス導入口とガス感応
膜を設け、又、他方の半導体基体の周辺部に酸化膜、中
心部に検知電極を夫々設け、該夫々半導体基体を酸化膜
を介して接合してエアギャップを設けたことを特徴とす
る請求項１のマルチガスセンサ。 - 【請求項３】半導体基体上に絶縁層を設け、又、検知電
極上に１乃至複数のガス感応膜を設けて、該絶縁層と該
ガス感応膜をエアギャップを設けて対向せしめ、該検知
電極の表面もしくは半導体基体の裏面より断続光を照射
することにより、該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
を生じせしめ、該エアギャップに被検知ガスを介在せし
めることにより該交流表面光電圧の変化を該半導体基体
と検知電極間の容量結合により検出するようにしたこと
を特徴とするガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12536493A JP3288801B2 (ja) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12536493A JP3288801B2 (ja) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06313759A JPH06313759A (ja) | 1994-11-08 |
| JP3288801B2 true JP3288801B2 (ja) | 2002-06-04 |
Family
ID=14908309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12536493A Expired - Fee Related JP3288801B2 (ja) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3288801B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3530471B2 (ja) * | 2000-09-01 | 2004-05-24 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 光電流増幅現象等を利用したガス検知方法及びガスセンサー |
| US7081368B2 (en) | 2000-09-01 | 2006-07-25 | Japan Science And Technology Corporation | Method for detecting gas with the use of photocurrent amplification and the like and gas sensor |
| CN106153690B (zh) * | 2016-07-28 | 2018-08-14 | 电子科技大学 | 一种用于酒精检测的自供能传感器及其制备方法 |
| CN106018498B (zh) * | 2016-07-28 | 2018-07-10 | 电子科技大学 | 一种用于汽车尾气检测的自供能传感器及其制备方法 |
| KR102249665B1 (ko) * | 2019-05-10 | 2021-05-10 | 한양대학교 산학협력단 | 바이어스를 이용한 가스 감지 능력 향상 장치 및 그 방법 |
-
1993
- 1993-04-28 JP JP12536493A patent/JP3288801B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｚｈａｎｇ Ｂａｏ−ｗｅｎ他２名編，"Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｐ．５８ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06313759A (ja) | 1994-11-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |