JP7270920B2 - 化学・物理現象検出素子 - Google Patents
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Description
半導体基板上に水素イオンを吸着する感応膜と、水素イオンの吸着による感応膜表面における電位変化に対応して半導体中の電位井戸の深さを変化させるセンシング領域からなる電位検出部を有し、
前記電位検出部の前記感応膜上に基材樹脂層、金属層及び圧電層からなる薄膜構造体を有し、
前記薄膜構造体の前記圧電層は前記電位検出部の前記感応膜上に形成されていることを特徴とする。
半導体基板上に水素イオンを吸着する感応膜と、水素イオンの吸着による感応膜表面における電位変化に対応して半導体中の電位井戸の深さを変化させるセンシング領域からなる複数の電位検出部を有し、
一部または全部の前記電位検出部の前記感応膜上に基材樹脂層、金属層及び圧電層からなる薄膜構造体を有し、
前記薄膜構造体の前記圧電層は前記電位検出部の前記感応膜上に形成されていることを特徴とする。
半導体基板上に水素イオンを吸着する感応膜と、水素イオンの吸着による感応膜表面における電位変化に対応して半導体中の電位井戸の深さを変化させるセンシング領域からなる電位検出部を有し、
前記電位検出部の前記感応膜上に基材樹脂層、金属層及び圧電層からなる薄膜構造体を有し、
前記薄膜構造体の前記圧電層は前記電位検出部の前記感応膜上に形成され、前記圧電層の膜厚が1μm程度であることを特徴とする。
力学的な力を検出する第1のセンサ素子と、化学反応を検出する第2のセンサ素子がアレイ状に配置されていることを特徴とする。
本発明の第1の局面から第4の局面において、前記水素イオンを吸着する感応膜は窒化シリコン膜または五酸化タンタル膜からなることを特徴とする。
ここで、紫外線硬化樹脂が使用できることは、電極層に光透過性を有するITO層を用いているために基材樹脂層も光透過性を有するからである。
この発明の第1の実施形態のセンサ素子1の原理的な構成を図1に示す。図2に半導体内での電位分布を示す。本実施形態に示すセンサ素子1はシリコン基板8に形成された電位検出部100とその上に積層される薄膜構造体200から構成される。
各領域の区画はシリコン基板8の表面におけるシリコン半導体の伝導型の違いにより規定される。例えば、電荷として電子を用いた場合、電荷排出(D)領域2、第1の電荷蓄積(FD1)領域5、第2の電荷蓄積(FD2)領域6はn+型の領域であり、センシング領域3、電荷移送制御(TG)領域4はp型の領域である。
以上により、圧電層16の表面に加わる圧力もしくは力学的な力に対応する感応膜14の表面の電位がセンシング領域3の電位に反映される。
一般に圧電材料では結晶内で正と負に分極し、電気的に双極を形成している。近隣では配置も直線を保持しているが、結晶全体では無秩序な配置となり、中性となってしまう。そこで、圧電材料に高電界を印加し、結晶全体の配置を揃えることをポーリングという。ポーリングは昇温して行うことが一般的であるが室温でもその限りではない。
電位検出器100上に圧電層16を形成した後にポーリング処理を行うと、電位検出器100が高電界で破損する恐れがある。したがって、薄膜構造体200を別に形成し、電位検出器100上に形成する前に、ポーリング処理を終了しておくこととした。
圧電層16の膜厚は検出感度に影響を及ぼす。ここでは、圧電層16の膜厚の選定について述べる。図3は基準電位(Vref)と電位検出部との間の電気的な等価回路を示したものである。図3を用いて電位検出部で検出される電位(Vg)と基準電圧(Vref)の関係を求める。基準電位(Vref)は、式(1)で表される。各々の静電容量に蓄積される電荷量は電荷保存則により全て等しい。
Qf=Cf×Vf (2)
Qs=Cs×Vs (3)
Qg=Cg×Vg (4)
Qf=Qs=Qg (5)
Vg/Vref=(Cf×Cs)/(Cs×Cg+Cf×Cg+Cf×Cs) (6)
図5に示すセンサ素子101は半導体基板上に複数の電位検出部100を形成し、その一部に薄膜構造体200を有するものである。薄膜構造体200が存在しない電位検出部100の最表面は水素イオンを吸着する感応膜14となっている。本実施形態によるセンサ素子101は、観察対象の水素イオン濃度もしくはpH等の化学量、光学画像、圧力等の力学的な力の挙動を同時に観察できる。
第1及び第2の実施形態では、ITO層17に基準電位を印加し、電位検出器100の基準電位とするが、周囲の環境が溶液中20であればITO層に基準電位を印加する必要はなく、溶液自身に基準電位を印加してもよい。基準電位を印加するためには、飽和塩化ナトリウム溶液を挿入した銀/塩化銀(Ag/AgCl)ガラス電極等を用いる。
ドライエッチング工程において温度上昇による圧電層16の分極配向を崩さないためにエッチング中は冷却することが望ましい。
2 電荷排出(D)領域
3 センシング領域
4 電荷移送制御(TG)領域
5 第1の電荷蓄積(FD1)領域
6 第2の電荷蓄積(FD2)領域
7 出力電圧読出し部
8 シリコン基板
9 ゲート酸化膜
10 電荷移送制御電極
11 センシング領域規定電極
12 導電層
13 酸化シリコン膜
14 感応膜(窒化シリコン膜、五酸化タンタル膜)
15 粘着性材料
16 圧電層
17 ITO層
18 基材層(基材樹脂層、PET樹脂層)
20 溶液
21 基準電極
100 電位検出部
200 薄膜構造体
Claims (3)
- 半導体基板上に窒化シリコン膜または五酸化タンタル膜で構成されて水素イオンを吸着する感応膜と、水素イオンの吸着による感応膜表面における電位変化に対応して半導体中の電位井戸の深さを変化させるセンシング領域からなる電位検出部を有し、該電位検出部は、前記センシング領域上に、センシング領域規定電極が形成されるとともに、酸化シリコン層が積層され、該酸化シリコン層内に埋設された金属材料からなる導電層が形成され、前記感応膜が該導電層を介して前記センシング領域規定電極に導通されるものであり、
前記電位検出部の感応膜上に樹脂層、基準電位を印加するための金属層及び圧電材料層からなる薄膜構造体を有し、
前記薄膜構造体は電位検出部の感応膜上に前記圧電材料層が接着または静電気力で密着され、前記金属層は、該圧電材料層と前記樹脂層との間に形成されていることを特徴とするセンサ素子。 - 半導体基板上に窒化シリコン膜または五酸化タンタル膜で構成されて水素イオンを吸着する感応膜と、水素イオンの吸着による感応膜表面における電位変化に対応して半導体中の電位井戸の深さを変化させるセンシング領域からなる複数の電位検出部を有し、該電位検出部は、前記センシング領域上に、センシング領域規定電極が形成されるとともに、酸化シリコン層が積層され、該酸化シリコン層内に埋没された金属材料からなる導電層が形成され、前記感応膜が該導電層を介して前記センシング領域規定電極に導通されるものであり、
一部または全部の前記電位検出部の感応膜上に樹脂層、基準電位を印加するための金属層及び圧電材料層からなる薄膜構造体を有し、
前記薄膜構造体は電位検出部の感応膜上に前記圧電材料層が接着または静電気力で密着され、前記金属層は、該圧電材料層と前記樹脂層との間に形成されていることを特徴とするセンサ素子。 - 前記圧電材料層の膜厚は、0.5μm以上500μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のセンサ素子。
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