JPH0313721Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案は、大気中または（大気と異なる）ガ
ス中の湿度変化を、電流また電圧変化として取り
出すための小形の感湿素子に関する。

〔従来の技術〕

湿度測定の方法は、無数にあり枚挙にいとまが
ないが、現在使用されている小形の湿度計のほと
んどは、湿度によつてそのインピーダンスが変化
する感湿材料を備えた感湿素子と、そのインピー
ダンスの変化を測定し表示するための電気回路よ
り成る。これは、電気信号を用いるこれら感湿素
子は構造が簡単で、可動部分がなく、小形化に有
利なためである。しかし、多くの感湿材料は、陽
極酸化Al₂O₃や各種セラミクスに代表されるよう
に高いインピーダンスであり、このため、感湿素
子のインピーダンスは抵抗値で数10KΩから数
10MΩ、容量値で数10PFから数10nF程度と大変
高い。

このため、そのインピーダンスを精度良く検出
するためには、高入力インピーダンスの電圧計も
しくは、それに見合つた複雑な電気回路を必要と
するし、高いインピーダンスに由来する電気雑音
の影響をまぬがれない。また、感湿素子のインピ
ーダンスをなるべく低くするために感湿材料をな
るべく大きくして、静電容量を測る感湿素子にお
いてはその電極面積を大きくするとか、電気抵抗
を測る感湿素子においては電極形状を櫛形にする
などの工夫を要する。

このため、この種の感湿素子の小形化は、低イ
ンピーダンス化の要請と矛盾し、数cmまたは数mm
のサイズが限界である。電気回路を含めた湿度計
全体の大きさを考えた場合も、複雑な電気回路の
ため、やはり小形化に限界がある。ここで先行技
術を見ると、特開昭51−056290号に開示されたス
ウエーデン国のランドストローム氏らの発明は雰
囲気、とくに水素ガス検出にFETを用いた基本
特許として知られる。ここではゲート金属は、水
素を吸着し、水素を透過する性質を有するパラジ
ウム系金属を用いているが、水分の透過性は考慮
されていない。つまり、この考案は湿度検出を意
図したものではない。

つぎに、特開昭52−087381号に開示された感湿
素子をみると、この考案はFET形感湿素子の基
本的アイデアを開示してはいるが、センサ部材が
絶縁膜を兼ねており、したがつて、動作が不安定
にならざるを得ず、加えて、ゲート電極がランド
ストローム氏らが指摘した雰囲気透過性も備えて
いないから、実用上十分な感度と応答が得られに
くいものとなつている。

また、従来の技術として特開昭53−132981号に
開示されている素子（チヤージ・フロートランジ
スタ）では、薄膜導電原理に基づいて動作する。
すなわち、感湿部材の導電率、特に表面導電率の
変化をパルスの時間遅延として検出する原理によ
つている。したがつて、ここで用いる感湿部材は
湿度変化によつて表面導電率の変化する物質に限
定されるという技術的制約、および実用的構成に
おいてパルスの時間遅延の大小を検出し表示する
手段が必須であるという問題があつた。

〔考案が解決しようとする課題〕

本考案の目的は、高インピーダンスの感湿部材
でも支障なく使用できて、しかも湿度変化に応じ
た感湿部材のインピーダンスのキヤパシタンス分
変化を直接電圧や電流の変化として出力する小形
で能動的な感湿素子を提供することにある。しか
も、この電圧、電流は直流からRFまで簡単に測
定できる測定器で観測できるものとしたい。

〔課題を解決するための手段〕

本考案は、通常のMOSFETのゲート電極を透
水性の、すなわち、水分子を通過させうる性質を
もつ膜とし、ソース拡散層とドレイン拡散層にま
たがる絶縁膜を有し、前記透水性の膜と絶縁膜と
の間に、周囲の湿度によつてそのインピーダンス
とりわけ静電容量が変化する感湿部材を挿入した
構造をとる。水分子のような大きな気体分子を透
過させるゲート電極に、金の薄膜（permeable
gold film）を用いる点に特徴がある。

感湿部材としては、陽極酸化Al₂O₃膜やSnO₂ス
パツクタ膜などが用いられる。ゲート電極に適当
な電圧を印加し、半導体基板中にチヤンネルが形
成された状態で感湿部材のインピーダンスのキヤ
パシタンス分が、湿度に応じて変化すると、チヤ
ンネルを流れる電流が、そのインピーダンスのキ
ヤパシタンス分変化に応じて変化し、外部に出力
される。

〔作用〕

つぎに図面により本考案について具体的に説明
する。

本考案で用いる半導体基板は、ｎ型、ｐ型を問
わないが、ここでは便宜上、ｎ型基板を用いた場
合について説明する。

第１図は、本考案に係る感湿素子の断面図であ
る。図中、ソース拡散層１およびドレイン拡散層
２は、ともに半導体基板３中に設けられたｐ型拡
散層である。絶縁膜４と感湿部材５を介してゲー
ト電極６が半導体基板上に設けられている。

〔動作原理〕

本考案の動作原理は次の通りである。本素子の
ソース拡散層とドレイン拡散層との間のチヤンネ
ルに流れる電流I_Dは次の式で表される。

I_D＝（Ｗ／Ｌ）・μ・Ｃ・Ｕ ただし Ｕ｛＝０ （Vg−V_T０） ＝１／２（Vg−V_T）² （０Vg−V_TVd） ＝（Vg−V_T）Vd−１／２（Vd²） （VdVg−V_T）｝ ここで Ｃ：感湿部材と絶縁膜の合成容量 （合成静電容量） Ｗ：ゲート幅 Ｌ：ゲート長 μ：チヤンネル内のホールの有効易動度 Vd：ドレイン電圧 Vg：ゲート電圧 V_T：ゲートのしきい値電圧 湿度に応じて感湿材の容量が変化する場合は、
Ｃは次式で表される。

Ｃ＝（Ci^-1＋Ch^-1）^-1 ここでCi：絶縁膜の容量Ch：感湿部材の容量 この様に、感湿部材の容量Chの変化は、感湿
素子中を流れる電流I_Dに顕著に現れる。

また、感湿部材の抵抗Ｒが、変化する場合は、
Ch＝０となり絶縁層の抵抗をRiとして、Vgが次
の様に表される。

Vg＝（Ri／Ｒ＋Ri）Vg′ ここで Vg：絶縁膜上の電位 Vg′：ゲート電極の電位 この様に、やはりＲの変化がI_Dに現れる。

〔実施例〕

次に、本考案の実施例の等価回路とその特性を
第２図と第３図にそれぞれ示す。

この実施例に示すように、感湿部材として陽極
酸化Al₂O₃を、ゲート電極として透水性のAuを、
絶縁膜としてSiO₂を、半導体基板としてｎ型Si
をそれぞれ用いている。ここに透水性のAuとい
うのは、いわゆるpermeable gold、薄い金の膜
で水のように大きな分子を透過するから、当然に
気体分子も透過し、雰囲気透過性をもつ。

感湿部材の大きさは24μｍ×60μｍと非常に小
さく、そのインピーダンスも数pFと非常に大き
いが、本考案の動作原理になんら支障はない。第
２図のように、本素子と外部の22kΩの純抵抗を
直列にしたインバータの回路を作り、ソース拡散
層とドレイン拡散層の間の電位差Vdsを、通常の
ペンレコーダに直接入力して描かせた特性を第３
図に示す。Vgとして一定の電圧を印加した状態
で、湿度を０％R.H.（相対湿度）から55％R.H.ま
で変化させた時に、前記Vdsは、約４ボルト変化
している。このように本素子は、外部に特別の測
定回路を必要とせず、直接表示器に接続でき、し
かも湿度に応じた大きな電圧を出力できる特徴を
有している。

〔効果〕

以上、図面に従つて本考案の原理と実施例につ
いて説明を行つた。本考案の特徴は第１に優れた
水分透過性を有する金薄膜が半導体微細加工に互
換性を有する点に着目して採用している。（金薄
膜は、その後、多くのFET感湿素子で使用され
ているところである。）構造の点から見れば透水
性、素材で形成されたゲート電極の直下に感湿部
材を配置して、静電容量をもたせるようにしたト
ランジスタ構造としたから (1) 本考案による感湿素子は、電流または電圧の
変化によつて湿度の検出を行う能動素子である
から、第２図に示したように、全く測定回路を
用いずに、または簡素な測定回路を用いて表示
装置に接続できる。

(2) 本考案の感湿素子は、高インピーダンスの感
湿部材でも支障なく用いることができるので、
感湿部材を数10μｍサイズまたはそれ以下にま
で小形化できる。

このように本考案を用いれば、感湿素子の小
形化のみならず、湿度計全体の小形化にも非常
に有効である。

(3) 本考案による感湿素子は半導体基板上に形成
されるので、同一半導体基板上に、通常の
MOSIC技術により電気回路を組み込むことも
可能であり、検出部と信号処理部を一体化した
集積化センサを形成することができる。

(4) 電気的雑音の点から見ると、本考案による感
湿素子は一種の能動素子であるから、高入力イ
ンピーダンスの測定回路を使用しないので、雑
音対策が容易である。

(5) 材料の点から見ると、本考案による感湿素子
は高インピーダンスの感湿性材料を支障なく使
用できるので材料選択上の制約が大幅に緩和さ
れる。

(6) 本考案の第２の大きな特徴は、 電流の流れる半導体基板とAl₂O₃膜のような
感湿部材の間に、SiO₂のような絶縁膜が挿入
されている点であり、次のような諸効果がもた
らされる。

(イ) 陽極酸化Al₂O₃膜のように内部に大量のイ
オンを含む感湿材料を用いても半導体基板中
にイオン性の汚染が侵入することがなく、品
質の長期安定性と感湿材料の選択上の制約緩
和が得られる。

(ロ) 陽極酸化Al₂O₃膜のように製造工程で、導
体や半導体との界面が剥離したり、界面にバ
リア膜が発生し感度低下を生じる特性を有す
る感湿材料を支障なく用いることができ、付
着強度や感度の良い素子構造である。

(ハ) 絶縁膜の耐圧が高いので、高駆動電圧で使
用でき、チヤンネル中を流れる電流値を大き
くできるし、ゲートのしきい値電圧の高低に
係わらず最適の動作電圧を設定しゲート電極
に印加できる。

(7) 従来技術の特開昭53−132981号との比較の点
から見ると、本考案による感湿素子は、感湿部
材のインピーダンス（容量および抵抗）の変化
を電流または電圧の大小として検出している。

したがつて、感湿部材として用いる物質に対
する限定は非常に少なく、ほとんどすべての感
湿物質を用いることができる。特に、高感度感
湿物質の代表である陽極酸化Al₂O₃膜のような
容量が変化する物質を支障なく用いることがで
きる。さらに、本考案による感湿素子は電流ま
たは電圧出力であるから、別段の回路を介する
ことなく直接表示器に接続して実用に供するこ
とができる。

(8) 従来技術の特開昭52−087381号との比較の点
から見ると、それはFET形感湿素子の基本特
許と見ることができるかもしれないが、しかし
ながら、それはセンサ部材が絶縁膜を兼ねてお
り、二酸化硅素膜を絶縁膜として使用しない構
成であるから、不安定であり、加えて、ゲート
金属が水分透過性を有しないから、低感度であ
り、実用性のない発明と考える。

(9) 従来技術の特開昭51−056290号との比較の点
から見ると、それはFET形水素ガス検出素子
の基本特許と見ることができよう。

しかし、そのゲート金属は、水素吸着・透過
性を有するが、水分透過性を有しないから、感
湿素子ではない。また、パラジウムの選択的水
素吸着は引例以前からよく知られていたが、こ
の考案は、金薄膜の水分透過性に着目し、
FET構造の感湿素子を実用化した。

(10) さらに、水分子に対して透過性をもつゲート
電極が感湿部材を覆つているため、周囲の雰囲
気の湿度変動がすみやかに感湿部材に伝達され
るため、応答速度が非常に速い。また、水分子
の透過性膜に覆われた感湿部材が、水分に対す
るトラツプを形成し、水分吸着が良好なため、
高感度の素子が得られる。この点でも先行技術
とは相違する。

このように本考案による感湿素子は数多くの利
点を備えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による感湿素子の断面図、第２
図は実施例の特性を測定するための回路、第３図
は実施例の特性を示す図である。 図中、１はソース拡散層、２はドレイン拡散
層、３は半導体基板、４は絶縁膜、５は感湿部
材、６はゲート電極、７は感湿素子である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) ソース拡散層１とドレイン拡散層２とを備え
   た半導体基板３と；該半導体基板上に設けられ
   た絶縁膜４と；該絶縁膜上に設けられ、雰囲気
   の湿度に応じてその静電容量が変化する特性を
   有する感湿部材５と；該感湿部材を覆つて付着
   された水分子透過性の金薄膜で形成され、該ソ
   ース拡散層と該ドレイン拡散層の間の該半導体
   基板中に前記感湿部材の静電容量に対応した電
   流の通るチヤンネルを形成するゲート電極６と
   を備えた感湿素子。 (2) 前記感湿部材５として、陽極酸化Al₂O₃を用
   いたことを特徴とする実用新案登録請求の範囲
   第１項記載の感湿素子。