JP6548178B2 - ガスセンサ及びガスセンシングシステム - Google Patents

Description

本開示は、ガスセンサ及びそれを用いたガスセンシングシステムに関する。

ガスセンサは、半導体工場、化学プラントなどの工業分野だけでなく、家庭にも導入され、ガス事故を未然に防ぐデバイスとして、幅広く用いられている。ガス事故を未然に防ぐデバイスは、検出するガスの種類がＨ_２、フロン、一酸化炭素（ＣＯ）、一酸化窒素（ＮＯ）など使用用途によって限られており、さらに検出に必要な濃度もｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ：１００万分の１）オーダー〜％オーダーと高いため、既に様々な方式のガスセンサが商品化されている（例えば、酸化スズ（ＳｎＯ_２）を用いた半導体式、触媒を用いた接触燃焼式、電気化学式など）。

近年は、ガス事故の未然防止用途だけではなく、環境保全に向けた環境モニタリング用途や、呼気に含まれる疾病と関連する揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）の検出用途の開発が進められている。当該用途においては、検出すべきガス種が多く、さらに検出に必要な濃度がｐｐｔ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｔｒｉｌｌｉｏｎ：１兆分の１）オーダー〜ｐｐｂ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｂｉｌｌｉｏｎ：１０億分の１）オーダーと低く、高感度の検出が必要である。

特許文献１には、金属酸化物の抵抗値の変動を算出することによって、目的化学物質の有無及び含有量を検出するセンサ素子が開示されている。

また、特許文献２には、絶縁膜ゲート電界効果トランジスタのゲート絶縁膜上に金属ゲートを設け、その延長上にイオン感応膜を形成したイオンセンサが開示されている。

また、特許文献３には、ゲート電極上に炭素元素線状構造体が構成された電界効果トランジスタを利用した化学センサが開示されている。

特開２０１２−１１２６５１号公報 特開昭５９−１４２４５２号公報 特開２００４−０８５３９２号公報

特許文献１に開示されているセンサ素子では、目的化学物質に対する十分な検出感度を得るために、温度制御手段が設けられる。これは、抵抗値変化が大きい環境、すなわち、反応が多い環境を作るために、センサ素子を目的化学物質の反応に適した温度に制御する必要があるからである。また、特許文献１のセンサ素子では、リセット動作をするために、可逆反応の平衡状態を保つ必要があり、リセット動作も温度制御手段によって行っていると考えられる。

従って、温度制御手段の必要な特許文献１のガスセンサは、サイズが大きくなり、持ち運びが可能な小型な製品を作ることは困難である。さらに、温度制御をするための電力コストもかかる。

また特許文献２に開示されているセンサ素子では、イオン感応膜の表面にイオン濃度に見合った電気二重層（電位差）が形成され、その電位差の変化に応じたソースドレイン間の電流の変化を読み取る。電流の熱ノイズ成分に対して信号成分を高くするため、電位差を大きくする必要があり、イオン感応膜、つまりはセンサの面積を大きくする必要がある。従って、特許文献２のセンサの構造を用いた場合も、特許文献１のセンサの構造と同様にサイズが大きくなり、持ち運びが可能な小型製品を作ることは困難になる。

また、特許文献３に開示されているセンサ素子は、ゲート電極の平面的な表面積を増大することなく検出感度を実効的に上昇させるため、アスペクト比が非常に大きいナノ材料であるカーボンナノチューブに代表される炭素元素線状構造体をゲート電極上に用いている。特許文献３のセンサの構造を用いた場合も、ゲート電極の平面的な表面積は大きくはならないが、十分な感度を得るため、一定の面積が必要であり、さらに小型化を図ることは困難になる。

本開示は、上記従来技術の実情に鑑みてなされたものであり、低コスト、且つ、小型なガスセンサを提供することを目的とする。

上記従来技術の課題を解決するために、本開示の一形態に係るガスセンサは、行列状に配置された複数のセルを有するセルアレイと、前記複数のセルからの信号を読み出す読み出し回路と、読み出された前記信号を処理する信号処理部と、第１の制御回路と、を備え、前記複数のセルは、それぞれ、隣接するセル間で電気的に分離されたガス分子検出部と、前記ガス分子検出部と電気的に接続されたアンプ回路とを有し、前記セルアレイは、前記複数のセルのうち少なくとも１つの第１セルを含む第１領域と、前記第１セルとは異なる少なくとも１つの第２セルを含む第２領域とを有し、前記第１の制御回路は、前記第１セルの前記ガス分子検出部と、前記第２セルの前記ガス分子検出部とに異なる極性の電位を与える。

本開示によれば、低コスト、且つ、小型なガスセンサを提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係るガスセンサの構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係るガスセンサのセル構成の一例を示す回路図である。 図３は、第１の実施形態の変形例に係るガスセンサのセル構成の一例を示す回路図である。 図４は、第１の実施形態に係るガスセンサの３セル分の領域の構造の一例を示す断面図である。 図５Ａは、第２の実施形態に係るガスセンサのセル構成の一例を示す回路図である。 図５Ｂは、第２の実施形態に係るガスセンサのセル構成の一例を示す回路図である。 図６Ａは、第３の実施形態に係るガスセンサのセル構成の一例を示す回路図である。 図６Ｂは、第３の実施形態に係るガスセンサのセル構成の一例を示す回路図である。 図６Ｃは、第３の実施形態に係るガスセンサの３セル分の領域の構造の一例を示す断面図である。 図７は、第４の実施形態に係るガスセンサのセル構成の一例を示す回路図である。 図８Ａは、第４の実施形態に係るガスセンサの３セル分の領域の構造の一例を示す断面図である。 図８Ｂは、第４の実施形態の変形例に係るガスセンサの３セル分の領域の構造の一例を示す断面図である。 図８Ｃは、第４の実施形態の変形例に係るガスセンサのガス分子検出部の一例を示す平面図である。 図９Ａは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図９Ｂは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図９Ｃは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図９Ｄは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図９Ｅは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図９Ｆは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図９Ｇは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図９Ｈは、第４の実施形態に係るガスセンサの中空部の形成方法の一例を示す断面図である。 図１０Ａは、セルアレイにおける複数のセルの配置の一例を示す平面図である。 図１０Ｂは、複数のセルのリセットトランジスタの電源電位の極性を示すタイミングチャートである。 図１１は、第５の実施形態に係るガスセンシングシステムの構成の一例を示すブロック図である。

以下、本開示に係るガスセンサ及びそれを用いたガスセンシングシステムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示について、以下の実施の形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本開示がこれらに限定されることを意図しない。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本開示は、請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本開示の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るガスセンサについて説明する。

図１は、ガスセンサの機能的な構成の一例を示すブロック図である。ガスセンサ１００は、ガス分子検出部１０１ａとアンプ回路１０１ｂとで構成されたセル１０が行列状に複数個（例えば、１０行１０列から１０００行１０００列程度の規模で）配置されたセルアレイ１０１と、各セル１０から出力された信号を読み出す読み出し回路１０２と、読み出した信号を処理する信号処理部１０３とを備えている。セル１０の数に特に制限はなく、必要に応じて適宜調整すればよい。

セル１０では、ガス分子検出部１０１ａにガス分子が吸着された際の電荷の授受による出力の変化をアンプ回路１０１ｂで増幅する。増幅された信号は、行と列に配置された読み出し回路１０２によって読み出され、読み出された信号は、信号処理部１０３によって、所望のデータとして出力される。例えば、信号処理部１０３が画像処理部の場合は、読み出された信号を画像化することができる。

図２は、セル１０の構成の一例を示す回路図である。各セル１０は、ガス分子検出部１０１ａと、ガス分子検出部１０１ａと電気的に接続された電荷蓄積領域２００と、電荷蓄積領域２００をリセットするリセットトランジスタ２０１とを備えている。ガス分子検出部１０１ａの電位は、リセットトランジスタ２０１の電源電位に設定される。

図２の例では、アンプ回路１０１ｂの一例として増幅トランジスタ２０２を用いている。ガス分子検出部１０１ａにガス分子が吸着された際に授受された電荷は、電荷蓄積領域２００に蓄積される。電荷蓄積領域２００に蓄積された電荷量の変化による電圧の変化を、増幅トランジスタ２０２が増幅し、信号として出力する。出力された信号は、列信号線（図示せず）によって、信号処理部１０３へ送られる。列信号線は、列ごとに１本であってもよいし、セル１０ごとに１本の列信号線を設けてもよいし、同列の複数のセル１０ごとに１本の列信号線を設けてもよい。

電荷蓄積領域２００に蓄積された電荷は、リセットトランジスタ２０１によって、リセットされる。隣接するセル１０間でガス分子検出部１０１ａは、電気的に分離されている。各セル１０からの出力を読み出す場合、セル１０内に選択トランジスタをさらに備えていてもよい。読み出し回路１０２によって、出力するセル１０を特定することができる。

ガス分子検出後は、リセットトランジスタ２０１をオンし、ガス分子検出部１０１ａの電位を変化させる。その結果、ガス分子とガス分子検出部１０１ａとのクーロン斥力によって、ガス分子を脱離させることができるため、特許文献１のような温度制御手段がなくともリセット動作が可能になる。

以上のように、本実施形態に係るガスセンサ１００によるガス分子の検出方法は、特許文献１のような抵抗値変化型ではなく、電荷読み出し型である。従って、ガスセンサ１００では、ガス分子に応じた温度に制御する必要がないため、特許文献１のような温度制御手段は不要であり、ガスセンサ１００の小型化、及び、低コスト化が可能になる。また、リセットトランジスタ２０１に印加する電圧パルスの制御でリセットをするため、従来の温度制御によるリセットに対して、時間を短縮することができる。

また、出力を大きくするためには、電荷蓄積領域２００の容量を小さくすればよいため、特許文献２のように感応部を大きくする必要や、特許文献３のように構造体を追加する必要はなく、小型化が可能となる。

なお、セル１０が複数個ある場合だけでなく、セル１０単体でも同様にガス分子の検出および脱離が可能であることは言うまでもない。

図３は、変形例に係るセル１１の構成の一例を示す回路図である。セル１１は、ガス分子検出部１０１ａと、電荷蓄積領域２００と、リセットトランジスタ２０１と、増幅トランジスタ２０２と、選択トランジスタ３００と、フィードバックアンプ回路３０１と、列信号線３０２と、帰還線３０３とを備える。

選択トランジスタ３００のソース端子は、増幅トランジスタ２０２のソース端子に接続され、選択トランジスタ３００のドレイン端子は、列信号線３０２に接続されている。リセットトランジスタ２０１のソース端子は、電荷蓄積領域２００に接続され、リセットトランジスタ２０１のドレイン端子は、帰還線３０３に接続されている。

列ごとに配置されたフィードバックアンプ回路３０１に関しては、反転入力が列信号線３０２に接続され、非反転入力が固定電圧に接続され、出力が帰還線３０３に接続されているため、セルからの信号を反転増幅して得られるフィードバック信号を出力する。この構成であれば、電荷蓄積領域２００に蓄積された信号電荷をリセットトランジスタ２０１によってリセットする際に、フィードバックアンプ回路３０１を介してリセットトランジスタ２０１のドレイン端子に出力信号に応じたフィードバック信号を供給する。その結果、リセットトランジスタ２０１の熱ノイズに起因するｋＴＣノイズが抑制され、高感度検出が可能となる。

図４は、ガスセンサ１００の３セル分の領域の構造の一例を示す断面図である。図４を用いて、セル１０の断面構造を説明する。同様の断面構造は、セル１１に適用されてもよい。半導体基板４００上に、電荷蓄積領域２００と、電荷蓄積領域２００をリセットするリセットトランジスタ２０１と、電荷蓄積領域２００に蓄積された電荷を増幅する増幅トランジスタ２０２とを備えている。電荷蓄積領域２００は、リセットトランジスタ２０１のソース部２０１ａとしても機能する。電荷蓄積領域２００は、コンタクトプラグ４０１を介して、増幅トランジスタ２０２のゲート端子２０２ａ、及び、ガス分子検出部１０１ａと電気的に接続されている。図示はされていないが、セル１１では、同一セル内に選択トランジスタ３００を備えていてもよい。

各トランジスタは、例えば、ＳｉＯ_２よりなるシャロウトレンチ分離（ＳＴＩ）領域である素子分離領域４０２によって電気的に分離されている。また、ガス分子検出部１０１ａと各トランジスタとの間には、層間絶縁膜４０３が配置されている。コンタクトプラグ４０１は、銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）等の金属又はポリシリコン等の半導体で構成される。コンタクトプラグ４０１をポリシリコンで構成する場合、コンタクトプラグ４０１の導電型は、電荷蓄積部２００の導電型と同一であってもよい。この場合、コンタクトプラグ４０１から電荷蓄積部２００へ不純物が拡散し、オーミックコンタクトをとることが可能となる。また、電荷蓄積部２００の不純物濃度を低くすれば、リークを抑制することができる。

また、コンタクトプラグ４０１を高抵抗の材料で構成した場合、ガス検出時にコンタクトプラグ４０１が温度制御手段として機能することも可能となる。単位時間あたりの発熱量（Ｑ）と抵抗値（Ｒ）の関係はＱ＝Ｒ×Ｉ×Ｉ（Ｉ：電流量）となる。

ガス分子検出部１０１ａは、平坦化された絶縁膜４０４（一例として窒化シリコン（ＳｉＮ））上に配置されている。ガス分子検出部１０１ａの上面と絶縁膜４０４の上面は同一の面であっても、ガス分子検出部１０１ａの上面が絶縁膜４０４の上面より高い位置にあってもよい。ここで、「同一」とは、製造上の誤差を含む実質同一を含む意味である。ガス分子検出部１０１ａは、隣接するセルのガス分子検出部と電気的に分離されている。

ガス分子検出部１０１ａは、ガス分子吸着時に酸化還元反応で電荷の授受がおきる材料で構成されており、例えば、ＳｎＯ_２、ＷＯ_３、ＺｎＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＮなどの酸化物や窒化物からなる。この構成であれば、ガス分子検出部１０１ａにガス分子が吸着された際に、酸化還元反応により、ガス分子とガス分子検出部１０１ａとの間で電荷が授受される。電荷蓄積領域２００に蓄積された電荷量の変化による電圧の変化を信号出力として検出することができる。

ガス分子検出部１０１ａの表面には、成膜時の物理的な表面処理により、凹凸が形成されていることが望ましい。この構成であれば、ガス分子の吸着表面積が拡大し、感度を高くすることができる。

ガス分子検出部１０１ａがＴｉＮの場合、通常の使用環境下では、最表面のＴｉは酸化されているため、酸化チタン（ＴｉＯ_２）となっている。ガス分子が最表面のＴｉＯ_２を通過できない場合、当該ガス分子は検出されない。よって、最表面のＴｉＯ_２は、検出すべきガス分子を分別するフィルタとして用いることができる。

絶縁膜４０４は、例えば、シリカやアルミナなどの酸化物からなる吸着材であることが好ましい。一例として、検出すべきガス分子がマイナスに電離しており、同一空間内に検出不要ガスがプラスに電離して存在しているケースを考える。絶縁膜４０４がシリカの場合、シリカの表面はマイナスに帯電しているため、検出すべきガス分子は、絶縁膜４０４には吸着されず、プラスに帯電したガス分子検出部１０１ａに吸着される可能性が高くなる。検出不要ガスはプラスに帯電しているため、ガス分子検出部１０１ａに吸着されず、絶縁膜４０４に吸着される可能性が高くなる。

その結果、検出不要ガスによる出力変化を抑制し、検出すべきガスの検出感度が高くなる。アルミナの表面はプラスに帯電しているため、検出すべきガス分子がプラスに電離しており、検出不要ガスがマイナスに電離している場合、絶縁膜４０４としてアルミナを用いれば、検出すべきガス分子の検出感度が高くなる。

このように、検出すべきガスの電離状態により、絶縁膜４０４の材料を選択することで、検出するガス分子を特定することができる。絶縁膜４０４自体が吸着材として機能する構成に限らず、絶縁膜４０４上のガス分子検出部１０１ａ間に別途、吸着材を形成しても同様の効果を得ることができる。

絶縁膜４０４は、金属酸化物などから構成される触媒であってもよい。例えば、ＴｉＯ_２は、酸化力の強い活性酸素を形成する。検出すべきガス分子の結合が、活性酸素で酸化分解されにくく、検出不要なガス分子の結合が活性酸素で酸化分解されやすい場合であって、それぞれのガスが同一環境内に存在している場合を考える。酸化チタンが形成した活性酸素によって、検出不要なガス分子は酸化分解されるため、ガス分子検出部１０１ａに吸着されにくくなり、検出すべきガス分子の検出感度が高くなる。

絶縁膜４０４自体が触媒として機能する構成に限らず、絶縁膜４０４上のガス分子検出部１０１ａ間に別途、触媒を形成しても同様の効果を得ることができる。さらに、ガス分子検出部間に触媒を形成する構成に限らず、少なくとも１つのセルのガス分子検出部１０１ａが触媒と同様な効果を持つ材料（例えばＴｉＯ_２）から構成されていても同様の効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
図５Ａ及び図５Ｂは、第２の実施形態に係るガスセンサ１００ａ及び１００ｂの構成の一例を示すブロック図である。各セル１０は、ガス分子検出部１０１ａと、増幅トランジスタ２０２と、電荷蓄積領域２００と、リセットトランジスタ２０１とを有し、ガスセンサ１００ａ及び１００ｂは、リセットトランジスタ２０１と接続された電源電位制御回路（第１の制御回路）５００を備えている。

図５Ａに示すように、電源電位制御回路５００は、各セル１０のリセットトランジスタ２０１のドレイン端子に接続されているため、電源電位制御回路５００によって、セル１０ごとに所望のリセット電位を設定することができる。図５Ｂに示すように、リセットトランジスタ２０１のドレイン端子と電源電位制御回路５００との接続配線を列ごとに共通にした場合、列ごとに所望のリセット電位を設定することができる。

上記の構成であれば、電荷蓄積領域２００と電気的に接続されているガス分子検出部１０１ａの電位をセル１０ごと、又は、列ごとに制御できる。セル１０ごとに制御する場合、列ごとに制御する場合よりも配線数は増加するものの、セルアレイ１０１のリセット電位設定の自由度が上がる。

電源電位制御回路５００によるリセット電位の設定例について説明する。

（例１）
検出すべきガス分子が、例えば、マイナスに帯電しており、同一環境内にプラスに帯電した検出不要なガス分子が存在している場合を考える。セルアレイ１０１のうち、検出に用いる少なくとも１つのセル１０を含む第１領域におけるガス分子検出部１０１ａの電位をプラスとし、それ以外のセル１０を含む第２領域におけるガス分子検出部１０１ａの電位をマイナスとすると、検出不要なガス分子は当該第２領域におけるガス分子検出部１０１ａにクーロン力でひきつけられ、検出すべきガス分子は当該第１領域におけるガス分子検出部１０１ａにクーロン力でひきつけられる。よって、このケースでは、検出すべきガス分子に対する検出感度を高くすることができる。

マイナス極性のガス分子の中に、検出不要なガス分子が含まれている場合は、以下の方法で分離する。ガス分子をガス分子検出部１０１ａへ引き付けるクーロン力は、分子の構成に応じて、ガス分子ごとに差がある。よって、ガス分子検出部１０１ａの電位をプラス側にわずかに変化させ、ガス分子を検出するタイミングを可能な限り短くすると、クーロン力が強い分子は、先にガス分子検出部１０１ａに引き寄せられ、出力変化に寄与する。これに対して、クーロン力が弱い分子は、ガス分子検出部１０１ａに引き寄せられて出力変化に寄与するまでに、より時間がかかるため、出力変化のピークに差が発生する。検出すべき分子の出力変化時間のデータを事前に取得することで、分子を特定することができる。ガス同定方法の他の例としては、ガスセンサのパッケージにガス分子を選択するフィルタを備えていてもよい。

（例２）
酸化還元反応を繰り返すガス分子（一例として、ｐ−アミノフェノール）を検出する場合、プラスに帯電したガス分子検出部１０１ａにガス分子が吸着されると、ガス分子は酸化され、別のガス分子（ｐ−キノンイミン）となる。別のガス分子（ｐ−キノンイミン）は、マイナスに帯電したガス分子検出部１０１ａに吸着された際に還元され、元のガス分子（ｐ−アミノフェノール）に変化する。

この構成であれば、ガス分子は、一度のガス分子検出部１０１ａへの吸着で終わることなく、酸化還元反応が継続的におこるため、ガス分子１個あたりの電荷変化量を増加させ、感度を高くすることができる。

この場合、隣接する列ごと、又は、隣接するセルごとでリセットトランジスタの電源電位の極性が異なる、すなわち、ガス分子検出部１０１ａの電位の極性が異なることが好ましい。近傍のセルとの間で酸化還元反応を繰り返することができれば、検出に必要な量の電荷を短時間で蓄積することができる。

（第３の実施形態）
図６Ａは、第３の実施形態に係るガスセンサ１００ｃのセル１２の構成の一例を示すブロック図である。各セル１２は、リセットトランジスタ２０１の動作時にガス分子検出部１０１ａの電荷の移動を抑制するための電荷転送制御手段６００を有している。

ガスセンサ１００ｃの具体例に関して、図６Ｂにセル１２の回路構成、図６Ｃに３セル分の領域の断面構造を示す。各セル１２は、ガス分子検出部１０１ａと電荷蓄積部２００との間に電荷転送制御手段６００の一例としての転送トランジスタ６０１を備える。ガス分子検出部１０１ａは、転送トランジスタ６０１の拡散領域６０１ａと、導電性のコンタクトプラグ４０１により接続されている。リセットトランジスタ２０１がオン状態のとき、転送トランジスタ６０１はオフ状態に制御される。電荷転送制御手段６００は、転送トランジスタ６０１に限らず、リセットトランジスタ２００の動作時にガス分子検出部１０１ａの電荷の移動が抑制できれば、他の素子を用いてもよい。

この構成であれば、リセット動作終了後だけでなく、リセット動作開始からリセット動作終了までのガス分子検出部１０１ａにおける電荷変化も検出することができるため、検出したいガス分子が低濃度である場合に特に有効である。また、相関二重サンプリングを用いれば、ノイズを除去することもできる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係るガスセンサ１００ｄのセル１３の構成の一例を示す回路図である。

セル１３は、ガス分子検出部１０１ａと電気的に接続した電荷蓄積領域２００と、電荷蓄積領域２００をリセットするリセットトランジスタ２０１と、出力を増幅する増幅トランジスタ２０２と、ガス分子検出部１０１ａの上方に対向する上部電極７００と、上部電極（第１の電極）７００の電位を制御する電極電位制御回路（第２の制御回路）７０１とを備えている。

図８Ａは、ガスセンサ１００ｄの３セル分の領域の構造の一例を示す断面図である。ガスセンサ１００ｄは、図４に示すガスセンサ１００に、電極７００を追加して構成される。電極７００は、図８Ａには示されない別断面に設けられた支持部で支えられている。ガス分子検出部１０１ａと上部電極７００との間の領域（中空部７１０）は、中空であり検出すべきガス分子が存在する環境と連通している。

検出すべきガス分子がマイナスに帯電し、検出不要なガス分子がプラスに帯電しており、それぞれのガス分子が同一環境内に存在するとする。セルアレイ１０１の外周部に配置されたセル１３のリセットトランジスタ２０１の電源電位と上部電極７００の電位とをプラス極性とすると、検出すべきガス分子はマイナスに帯電しているため、中空部７１０に誘導される。これに対して、検出不要のプラス極性のガス分子は、クーロン斥力により、中空部７１０への導入をブロックされる。

図８Ｂ、図８Ｃは、それぞれ、本実施形態の変形例に係るガスセンサ１００ｅの断面図及び平面図である。ガスセンサ１００ｅは、平面視において、上部電極７００を囲み、上部電極７００と電気的に分離（絶縁）されている外周電極（第２の電極）７００ａをさらに備えている。上部電極７００、及び、外周電極７００ａは、それぞれ電極電位制御回路７０１との接続のための接続配線を有する。

この構成であれば、例えば、プラスに帯電させた上部電極７００に、マイナスに帯電した検出すべきガス分子を吸着した後、上部電極７００の電位をプラスからマイナスに変更し、吸着されているガス分子をクーロン斥力で脱離させることで、ガス分子検出部１０１ａに吸着する分子数を増やし、感度を上げることができる。その間、外周電極７００ａはプラス極性を維持しておけば、マイナスに帯電した検出すべきガス分子を、継続的に中断することなく、中空部７１０に導入することができる。

ガスセンサ１００ｄ及び１００ｅにおける中空部７１０の形成方法について説明する。

図９Ａから図９Ｈは、ガスセンサ１００ｄ及び１００ｅにおける中空部７１０の形成方法の一例を示すプロセスフロー図である。中空部７１０は、例えば図９Ａから図９Ｈに従って、次のようにして形成される。

第１の実施形態に係るガスセンサ１００を形成する（図９Ａ）。ガスセンサ１００の形成方法は、特には限定しない。ガスセンサ１００は、例えば、一般的なイメージセンサの製造方法を用いて形成され得る。

ガス分子検出部１０１ａ上に、犠牲層７１１（例えば、アモルファスシリコン）を形成する（図９Ｂ）。犠牲層７１１は、後にエッチングによって除去される。犠牲層７１１が除去された領域が中空部７１０を構成する。上部電極７００を支える支持部を形成するために、図９Ｂには示されない別断面における犠牲層７１１の一部（例えば、セルのコーナー部分）を除去する。

犠牲層７１１上及び犠牲層７１１を除去した部分に保護膜７１２（例えば、シリコン酸化膜）を形成（平坦化を含む）する（図９Ｃ）。このとき、別断面において犠牲層７１１を除去した部分に埋め込まれた保護膜が、後に支持部７１２ａとなる。

保護膜７１２上に電極材料７０２としてＡｌ等を成膜する（図９Ｄ）。

電極材料７０２をパターニングすることによって、上部電極７００を形成する。ガスセンサ１００ｅでは、上部電極７００を囲む外周電極７００ａも形成する（図９Ｅ）。

上部電極７００（及び外周電極７００ａ）の上に、保護膜７１３（例えば窒化膜）を成膜する（図９Ｆ）。

保護膜７１３及び保護膜７１２を貫通する導入孔７１３ａをリソグラフィで形成する（図９Ｇ）。

導入孔７１３ａを介して、犠牲層７１１の材料と保護膜７１２の材料とに選択比のあるガスエッチャント（例えば、ＣｌＦ_３）を導入して、犠牲層７１１を除去し、中空部７１０を形成する（図９Ｈ）。このとき、上部電極７００（及び外周電極７００ａ）の下面は、保護膜７１２によって、ガスエッチングから保護される。上部電極７００（及び外周電極７００ａ）は、支持部７１２ａによって支えられる。中空部７１０は、導入孔７１３ａ及びガスセンサ１００ｅの側面に形成された開口で、検出すべきガス分子が存在する環境と連通する。

以上の工程を経て、中空部７１０、上部電極７００（及び外周電極７００ａ）を有するガスセンサ１００ｄ、１００ｅが形成される。

中空部７１０を有するガスセンサ１００ｄ、１００ｅでは、隣接するセルごとにリセットトランジスタの電源電位の極性を時間変化させることで、中空部７１０におけるガス分子の動きを操作することができる。ガスセンサ１００ｄ、１００ｅにおけるガス分子の動きの操作について、説明する。

図１０Ａは、セルアレイ１０１のＸ−Ｘ’ライン上における９つのセル（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ）の配置を示す平面図である。Ｘ−Ｘ’方向に、セルａがセルアレイ１０１の外周部側に位置し、セルｉがセルアレイ１０１の中央部側に位置する。

図１０Ｂは、時刻ｔ０〜ｔ１４における、当該９つのセル（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ）のリセットトランジスタ２０１の電源電位の極性、すなわち、セルａ〜ｉのガス分子検出部１０１ａの電位の極性の変化を示したタイミングチャートの一例である。当該タイミングチャートによれば、ｔ７以降、外周部側のセルａのリセットトランジスタ２０１の電源電位はマイナス極性であり、プラスに帯電した検出すべきでないガス分子に対してブロック状態となる。

検出すべきガス分子を中空部７１０に誘導後、外周部側のセルａのリセットトランジスタ２０１の電源電位を、検出すべきガス分子と同一極性にすることで、ガス分子を中空部７１０に継続的に滞留させることが可能となる。

その後、セルアレイ１０１の外周部から中央部に向かって、リセットトランジスタ２０１の電源電位の極性を順に変化させる。この構成であれば、クーロン引力とクーロン斥力の発生タイミングが変わり、最外周から導入したガス分子をセルアレイ１０１の中央部に誘導することができる。その結果、ポンプなどのガス導入のための設備が不要となるため、ガスセンサの小型化を実現することができる。

（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態に係るガスセンシングシステムの構成の一例を示すブロック図である。ガスセンシングシステム１０００は、ガスセンサ１００２と、ガスセンサ１００２のセルアレイ１０１に層流で被検出ガス１００９を導入する整流装置１００１と、ガスセンサ１００２の出力を表示する表示装置１００３とを備える。ガスセンサ１００２には、上記の実施形態のガスセンサ１００、１００ａ〜１００ｅの何れを用いてもよい。

整流装置１００１は、層流を作り出すことができるため、遠方の被検出ガス１００９を、ガス分子の分布を崩さず、ガスセンサ１００２に導入することができる。その結果、ガスセンシングシステム１０００は、ガス分子の空間分布を検出することができる。層流は、レイノルズ数Ｒｅを２０００以下にすることで作ることができる。レイノルズ数Ｒｅは、流体の密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）、流体の速度ｖ（ｍ／ｓ）、直径Ｌ（ｍ）、流体の粘性係数μ（ｋｇ／ｍｓ）を用いて、Ｒｅ＝ρｖＬ／μと表される。

以上、本開示の実施の形態に係るガスセンサ及びそれを用いたガスセンシングシステムについて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。

また、上記実施の形態に係るガスセンサに含まれる各処理部は典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように１チップ化されてもよい。

また、集積回路化はＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

また、上記の断面図において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本開示に含まれる。

また、上記実施の形態に係る、ガスセンサ１００、１００ａ〜１００ｅ、及びそれらの変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。

また、上記で用いた数字は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ／ローにより表される論理レベル又はオン／オフにより表されるスイッチング状態は、本開示を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベル又はスイッチング状態の異なる組み合わせにより、同等な結果を得ることも可能である。また、上記で示した各構成要素の材料は、全て本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示は例示された材料に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本開示を具体的に説明するために例示するものであり、本開示の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。

また、上記説明では、ＭＯＳトランジスタを用いた例を示したが、他のトランジスタを用いてもよい。

更に、本開示の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本開示に含まれる。

本開示は、ガスセンサ、及びそれを用いたガスセンシングシステムに適用できる。

１０〜１３ セル
１００、１００ａ〜１００ｅ ガスセンサ
１０１ セルアレイ
１０１ａ ガス分子検出部
１０１ｂ アンプ回路
１０２ 読み出し回路
１０３ 信号処理部
２００ 電荷蓄積領域
２０１ リセットトランジスタ
２０２ 増幅トランジスタ
３００ 選択トランジスタ
３０１ フィードバックアンプ回路
３０２ 列信号線
３０３ 帰還線
４００ 半導体基板
４０１ コンタクトプラグ
４０２ 素子分離領域
４０３ 層間絶縁膜
４０４ 絶縁膜
５００ 電源電位制御回路
６００ リセット時電荷蓄積手段
６０１ 転送トランジスタ
７００ 上部電極
７００ａ 外周電極
７０１ 電極電位制御回路
７０２ 電極材料
７１０ 中空部
７１１ 犠牲層
７１２ 保護膜
７１２ａ 支持部
７１３ 保護膜
７１３ａ 導入孔
１０００ ガスセンシングシステム
１００１ 整流装置
１００２ ガスセンサ
１００３ 表示装置
１００９ 被検出ガス

Claims (17)

1. 行列状に配置された複数のセルを有するセルアレイと、
   前記複数のセルからの信号を読み出す読み出し回路と、
   読み出された前記信号を処理する信号処理部と、
   第１の制御回路と、を備え、
   前記複数のセルは、それぞれ、
   隣接するセル間で電気的に分離されたガス分子検出部と、
   前記ガス分子検出部と電気的に接続されたアンプ回路とを有し、
   前記セルアレイは、少なくとも１つのセルを含む第１領域と、それ以外のセルを含む第２領域とを有し、
   前記第１の制御回路は、前記第１領域におけるセルの前記ガス分子検出部と、前記第２領域におけるセルの前記ガス分子検出部とに、異なる極性の電位を与える、
   ガスセンサ。
2. 前記複数のセルは、それぞれ、
   前記ガス分子検出部と電気的に接続された電荷蓄積領域と、
   前記電荷蓄積領域をリセットするリセットトランジスタと、を備え、
   前記アンプ回路は、前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷を増幅する増幅トランジスタである
   請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記ガス分子検出部は、前記電荷蓄積領域の上方に配置されており、且つ、前記電荷蓄積領域と導電性のコンタクトプラグにより接続されている
   請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記ガス分子検出部と前記電荷蓄積領域とを電気的に接続し、又は、分離するスイッチを更に備える
   請求項２に記載のガスセンサ。
5. 前記スイッチは、転送トランジスタであり、
   前記ガス分子検出部は、前記電荷蓄積領域の上方に配置されており、且つ、前記転送トランジスタの拡散領域と導電性のコンタクトプラグにより接続されている
   請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記第１の制御回路は、前記セルアレイの列ごとに前記リセットトランジスタの電源電位を制御する
   請求項２から５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記第１の制御回路は、前記セルアレイの隣接する列ごとの前記ガス分子検出部に異なる極性の電位を与える
   請求項６に記載のガスセンサ。
8. 前記第１の制御回路は、前記セルアレイのセルごとに前記リセットトランジスタの電源電位を制御する
   請求項２から５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
9. 前記第１の制御回路は、前記セルアレイの隣接するセルごとの前記ガス分子検出部に異なる極性の電位を与える
   請求項８に記載のガスセンサ。
10. 前記第１の制御回路は、前記セルアレイの外周部側のセルの前記ガス分子検出部に一定の電位を与えながら、前記外周部側のセルよりも内側の複数のセルの前記ガス分子検出部に与える電位の極性を外周部から中央部に向かって順に変化させる
    請求項２に記載のガスセンサ。
11. 前記リセットトランジスタのドレイン端子に前記増幅トランジスタの出力信号に応じたフィードバック信号を供給するフィードバックアンプ回路をさらに備える
    請求項２から１０のいずれか１項に記載のガスセンサ。
12. 前記ガス分子検出部の上方に配置された第１の電極と、
    前記第１の電極の電位を制御する第２の制御回路と、をさらに備え、
    前記ガス分子検出部と前記第１の電極との間は中空である
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のガスセンサ。
13. 前記ガス分子検出部の上方に配置され、且つ、
    平面視において前記第１の電極を囲み、且つ、
    前記第１の電極と電気的に分離されている第２の電極とをさらに備える
    請求項１２に記載のガスセンサ。
14. 前記第１の電極の電位の極性は、前記第２の電極の電位の極性と異なる
    請求項１３に記載のガスセンサ。
15. 隣接する前記ガス分子検出部間に配置された吸着材をさらに備え、
    前記吸着材の表面に帯電している電荷の極性が、前記ガス分子検出部の極性と異なる
    請求項１から１４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
16. 隣接する前記ガス分子検出部間に配置された触媒をさらに備え、
    前記触媒は、所定のガス分子を分解する
    請求項１から１５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載のガスセンサと、
    層流を生成する整流装置と、を備え、
    前記整流装置により、前記ガスセンサにガス分子を導入する
    ガスセンシングシステム。

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