JPH04225B2 - - Google Patents
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- JPH04225B2 JPH04225B2 JP58238330A JP23833083A JPH04225B2 JP H04225 B2 JPH04225 B2 JP H04225B2 JP 58238330 A JP58238330 A JP 58238330A JP 23833083 A JP23833083 A JP 23833083A JP H04225 B2 JPH04225 B2 JP H04225B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
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Description
【発明の詳細な説明】
(1) 技術分野
本発明は、化学的物質の濃度測定と圧力測定を
同時に行なうことが可能な半導体複合センサに関
し、特に化学的物質の濃度測定には電界効果を利
用し、圧力測定にはピエゾ抵抗効果を利用する半
導体複合センサに関する。
同時に行なうことが可能な半導体複合センサに関
し、特に化学的物質の濃度測定には電界効果を利
用し、圧力測定にはピエゾ抵抗効果を利用する半
導体複合センサに関する。
(2) 背景技術
従来からゲート絶縁型電界効果トランジスタ
（MISFET）の構造を利用して、電解液中のイオ
ン活量や化の化学的物質の濃度などを測定する半
導体セサンは提案されている。これらは、Ion
Sensitive Field Effect Transistor（ISFET）ま
たはChemical FET（CHEMFET）と呼ばれ、特
公昭54−24317などにこれ等に関する記載がある。
（MISFET）の構造を利用して、電解液中のイオ
ン活量や化の化学的物質の濃度などを測定する半
導体セサンは提案されている。これらは、Ion
Sensitive Field Effect Transistor（ISFET）ま
たはChemical FET（CHEMFET）と呼ばれ、特
公昭54−24317などにこれ等に関する記載がある。
第１図は、ISFETのゲート部分を含む断面の
基本構成図である。例えばｐ型のシリコン単結晶
基板１を用いた場合、表面にソース２とドレイン
３用のn+型の拡散領域をチヤンネル部４をはさ
んで離間して形成され、この基板表面をSiO2な
どの絶縁層５で被覆されている。さらにその上に
耐雰囲気性を向上させるためにSi3N4などの絶縁
層６と特定の化学的物質にのみ選択的に感応する
層７を各々1000〓程度の厚さで形成されてある。
リード線は２つの絶縁層５，６と化学感応層７に
穴を明け、ソース・ドレイン拡散領域２，３に接
するように形成されているリード・コンタクト用
金属層（8exAl）を通して取り出す。
基本構成図である。例えばｐ型のシリコン単結晶
基板１を用いた場合、表面にソース２とドレイン
３用のn+型の拡散領域をチヤンネル部４をはさ
んで離間して形成され、この基板表面をSiO2な
どの絶縁層５で被覆されている。さらにその上に
耐雰囲気性を向上させるためにSi3N4などの絶縁
層６と特定の化学的物質にのみ選択的に感応する
層７を各々1000〓程度の厚さで形成されてある。
リード線は２つの絶縁層５，６と化学感応層７に
穴を明け、ソース・ドレイン拡散領域２，３に接
するように形成されているリード・コンタクト用
金属層（8exAl）を通して取り出す。
一方、半導体において機械的に応力が加わる
と、ピエゾ抵抗効果によりその抵抗値が変化する
性質を利用したシリコンダイアフラム型の半導体
圧力センサも各種構成のものが提案されている。
と、ピエゾ抵抗効果によりその抵抗値が変化する
性質を利用したシリコンダイアフラム型の半導体
圧力センサも各種構成のものが提案されている。
その代表例を第２図に示す。これは、液体など
の雰囲気の圧力の測定に応用する際に測定対象雰
囲気が含む水分、アルカリ金属イオンなどが半導
体センサに及ぼす悪影響を防ぐように考慮したも
のである。
の雰囲気の圧力の測定に応用する際に測定対象雰
囲気が含む水分、アルカリ金属イオンなどが半導
体センサに及ぼす悪影響を防ぐように考慮したも
のである。
例えば、半導体基体としてn-型のシリコン単
結晶基板９を用いた場合、受圧部たるダイアフラ
ム部１０の上にｐ型不純物を含む拡散ピエゾ抵抗
１１を形成し、その上にn-型のシリコン単結晶
層１３をエピタキシヤル成長して、p-型の拡散
ピエゾ抵抗１１をn-型のシリコン単結晶中に埋
込んだ構成とし、さらにその上を保護層たる絶縁
層１５（exSi3N4）で覆い、拡散ピエゾ抵抗１１
はp+型拡散リード部１２とp+型拡散領域１４を
介してリードコンタクト用金属層１６（exAl）
と接続するようにした構造となつている。
結晶基板９を用いた場合、受圧部たるダイアフラ
ム部１０の上にｐ型不純物を含む拡散ピエゾ抵抗
１１を形成し、その上にn-型のシリコン単結晶
層１３をエピタキシヤル成長して、p-型の拡散
ピエゾ抵抗１１をn-型のシリコン単結晶中に埋
込んだ構成とし、さらにその上を保護層たる絶縁
層１５（exSi3N4）で覆い、拡散ピエゾ抵抗１１
はp+型拡散リード部１２とp+型拡散領域１４を
介してリードコンタクト用金属層１６（exAl）
と接続するようにした構造となつている。
これらのセンサは共にシリコン基板を用いてい
るので、最近の高度なシリコンIC製造技術を駆
使することによつて小型化、補償回路の集積化が
可能で新しい応用が種々提案されている。例えば
医学的な応用としてはセンサをカテーテルの先端
に装着して血管内に挿入し、体内の情報を直接に
連続測定することが挙げられる。即ち、
CHEMFETによる血液中のイオン濃度や、生体
機能性材料を感応膜として用いたアセチルコリ
ン、尿素、ペニシリンなどの測定と圧力センサに
よる血管内または心臓内の血圧測定である。これ
らのCHEMFETおよび圧力センサをそれぞれ単
独に用いた体内連続も非常に有効であるが、臨床
医学的にはイオン濃度や他の物質の濃度測定と同
時に血圧をモニタしておくことは極めて重要なデ
ータとなる。これはCHEMFETと半導体圧力セ
ンサを１本のカテーテル内に同時に装着すること
により可能ではあるが、従来提案されているよう
なセンサを２素子も同一カテーテル内に装着する
には非常に複雑な手作業を要し、実作業上このよ
うな実装はほぼ不可能と思われる。
るので、最近の高度なシリコンIC製造技術を駆
使することによつて小型化、補償回路の集積化が
可能で新しい応用が種々提案されている。例えば
医学的な応用としてはセンサをカテーテルの先端
に装着して血管内に挿入し、体内の情報を直接に
連続測定することが挙げられる。即ち、
CHEMFETによる血液中のイオン濃度や、生体
機能性材料を感応膜として用いたアセチルコリ
ン、尿素、ペニシリンなどの測定と圧力センサに
よる血管内または心臓内の血圧測定である。これ
らのCHEMFETおよび圧力センサをそれぞれ単
独に用いた体内連続も非常に有効であるが、臨床
医学的にはイオン濃度や他の物質の濃度測定と同
時に血圧をモニタしておくことは極めて重要なデ
ータとなる。これはCHEMFETと半導体圧力セ
ンサを１本のカテーテル内に同時に装着すること
により可能ではあるが、従来提案されているよう
なセンサを２素子も同一カテーテル内に装着する
には非常に複雑な手作業を要し、実作業上このよ
うな実装はほぼ不可能と思われる。
(3) 発明の目的
本発明は、化学的物質の濃度測定と圧力測定を
同時に行なうことができ、かつカテーテルの先端
などに装着可能な超小型の半導体複合センサを提
供することにある。
同時に行なうことができ、かつカテーテルの先端
などに装着可能な超小型の半導体複合センサを提
供することにある。
(4) 発明の構成
本発明による半導体複合センサは、同一半導体
基板上に、ゲート絶縁型電界効果トランジスタの
ゲート部上に特定の被測定物質にのみ選択的に感
応する層を設けた構造の電界効果型半導体センサ
とダイアフラム上に形成した拡散抵抗を感圧部と
して用いる構造の半導体圧力センサの２種類のセ
ンサを１つの素子として組み込んだ構成である。
このとき半導体圧力センサは１個組み込んであれ
ばよく、複数個組み込んでも各センサの出力値を
平均して制度が若干向上することが期待されるの
みであるが、電界効果型半導体センサは種々の感
応膜を形成した数多くのセンサを組み込むことに
より多項目の同時測定が可能となり大変有効であ
る。この感応膜の種類として考えられるものを
〔〔 〕内に示すその測定対象物と共に列挙する
と、Si3N4，Al2O3，Ta2O5〔H+イオン〕、各種
NAS（Na2O−Al2O3−SiO2合成）ガラス〔K+イ
オン Na+イオン〕バリノマイシン固定膜〔K+
イオン〕、各種クラウンエーテル固定膜〔K+イオ
ン、Ag+イオン、Tl+イオンetc〕ウレアーゼ固定
膜〔尿素〕、リパーゼ固定膜〔中性脂質〕、ペニシ
リナーゼ固定膜〔ペニシリン〕坑アルブミン抗体
固定膜〔アルブミン〕、アセチルコリンエステラ
ーゼ固定膜〔アセチルコリン〕などがある。
基板上に、ゲート絶縁型電界効果トランジスタの
ゲート部上に特定の被測定物質にのみ選択的に感
応する層を設けた構造の電界効果型半導体センサ
とダイアフラム上に形成した拡散抵抗を感圧部と
して用いる構造の半導体圧力センサの２種類のセ
ンサを１つの素子として組み込んだ構成である。
このとき半導体圧力センサは１個組み込んであれ
ばよく、複数個組み込んでも各センサの出力値を
平均して制度が若干向上することが期待されるの
みであるが、電界効果型半導体センサは種々の感
応膜を形成した数多くのセンサを組み込むことに
より多項目の同時測定が可能となり大変有効であ
る。この感応膜の種類として考えられるものを
〔〔 〕内に示すその測定対象物と共に列挙する
と、Si3N4，Al2O3，Ta2O5〔H+イオン〕、各種
NAS（Na2O−Al2O3−SiO2合成）ガラス〔K+イ
オン Na+イオン〕バリノマイシン固定膜〔K+
イオン〕、各種クラウンエーテル固定膜〔K+イオ
ン、Ag+イオン、Tl+イオンetc〕ウレアーゼ固定
膜〔尿素〕、リパーゼ固定膜〔中性脂質〕、ペニシ
リナーゼ固定膜〔ペニシリン〕坑アルブミン抗体
固定膜〔アルブミン〕、アセチルコリンエステラ
ーゼ固定膜〔アセチルコリン〕などがある。
以下、本発明を図面にもとずいて説明する。
第３図は本発明の一実施例としての半導体複合
センサの構造を示す図である。この図は、説明の
簡単化のために電界効果型センサとダイアフラム
型圧力センサを１個ずつ同一素子上に形成した場
合の構成断面図である。
センサの構造を示す図である。この図は、説明の
簡単化のために電界効果型センサとダイアフラム
型圧力センサを１個ずつ同一素子上に形成した場
合の構成断面図である。
図において、ダイアフラム型圧力センサ部は、
p-型のシリコン単結晶基板１７、p-型シリコン
単結晶エピタキシヤル成長層２１、絶縁層２７
（ex SiO2）及び電界効果型センサのための化学
感応層２８でもつてダイアフラム部１８を設け、
前記単結晶基板１７とエピタキシヤル成長層２１
のp-型基板の間に埋め込むようにn-型の拡散ピ
エゾ抵抗１９とn+型の拡散リード部２０を形成
し、前記拡散リード部２０はn+型拡散領域２６
を介して拡散抵抗リードコンタクト用金属層
（Al）２９に通じるようにして構成してある。一
方、電界効果型センサ部は前記エピタキシヤル成
長層２１の表面にチヤンネル部２４をはさんで離
間した状態のソース２２、ドレイン２３のn+型
拡散領域と、p-型基板とのコンタクト用のp+型
拡散領域２５を形成し、このエピタキシヤル成長
層２１の表面をチヤンネル部２４の上部のみを
1000〓程度の厚さとし、他は1μｍ程度の厚さの
SiO2のような材料の絶縁層２７で被覆し、さら
にその上を化学感応膜２８で被覆してあり、ソー
ス・基板共通リードコンタクト用金属層３０とド
レイン・リードコンタクト用金属層３１が設けて
ある。
p-型のシリコン単結晶基板１７、p-型シリコン
単結晶エピタキシヤル成長層２１、絶縁層２７
（ex SiO2）及び電界効果型センサのための化学
感応層２８でもつてダイアフラム部１８を設け、
前記単結晶基板１７とエピタキシヤル成長層２１
のp-型基板の間に埋め込むようにn-型の拡散ピ
エゾ抵抗１９とn+型の拡散リード部２０を形成
し、前記拡散リード部２０はn+型拡散領域２６
を介して拡散抵抗リードコンタクト用金属層
（Al）２９に通じるようにして構成してある。一
方、電界効果型センサ部は前記エピタキシヤル成
長層２１の表面にチヤンネル部２４をはさんで離
間した状態のソース２２、ドレイン２３のn+型
拡散領域と、p-型基板とのコンタクト用のp+型
拡散領域２５を形成し、このエピタキシヤル成長
層２１の表面をチヤンネル部２４の上部のみを
1000〓程度の厚さとし、他は1μｍ程度の厚さの
SiO2のような材料の絶縁層２７で被覆し、さら
にその上を化学感応膜２８で被覆してあり、ソー
ス・基板共通リードコンタクト用金属層３０とド
レイン・リードコンタクト用金属層３１が設けて
ある。
このとき化学感応層２８は、その表面に先が述
べたような材料であればよく、圧力センサ表面の
保護層としての役割を持たせるためにSi3N4など
との多層構造とすることが考えられる。但し、PH
センサと圧力センサとの複合センサの場合などは
感応膜のSi3N4，Al2O3，Ta2O5がそのまま保護
層となるので単層構造となる。
べたような材料であればよく、圧力センサ表面の
保護層としての役割を持たせるためにSi3N4など
との多層構造とすることが考えられる。但し、PH
センサと圧力センサとの複合センサの場合などは
感応膜のSi3N4，Al2O3，Ta2O5がそのまま保護
層となるので単層構造となる。
また、電界効果型センサと同一素子上に多数個
形成して多項目センサとするときには500Å程度
のSi3N4層を全面に形成し各電界効果型センサの
チヤンネル部上にのみそれぞれの測定対象用の感
応膜を形成すればよい。
形成して多項目センサとするときには500Å程度
のSi3N4層を全面に形成し各電界効果型センサの
チヤンネル部上にのみそれぞれの測定対象用の感
応膜を形成すればよい。
(5) 発明の効果
本発明により、従来の電界効果型半導体センサ
やダイヤフラム型半導体圧力センサがそれぞれ単
独で１つの素子を形成しているようなセンサ素子
を用いていては事実上不可能であると思われる非
常に狭い場所で測定しなくてはならない対象の化
学的濃度と圧力の同時測定が可能となつた。例え
ばカテーテルの先端周辺にセンサを実装して、血
管内または心臓内の血液のPHと血圧を同時に測定
しようとするとき、カテーテルチユープの直径は
センサを実装した状態でも最大2.5mm以下でなく
てはならない。血液中など液体中で半導体センサ
を使用する場合には感応部（受圧部）は直接液体
に接触するようにしてリード線などは完全に液体
から絶縁分離しなくてはならないためカテーテル
に半導体センサを実装すること自体が非常に困難
で確立された技術とはなつていない。即ち、現状
では１つの半導体素子をエポキシ樹脂、シリコン
樹脂などを接着剤兼絶縁剤として用いてカテーテ
ルに実装するのが限界であり、２つ以上の半導体
素子を同一カテーテル内の近接した位置に実装す
る（体内の同一部位の化学的物質濃度と圧力を測
定することに意義がある）ことは事実上不可能で
ある。従つて従来技術による電界効果型半導体セ
ンサとダイアフラム型半導体圧力センサにより血
液の化学的物質濃度と血圧を体内の同一部位で直
接に連続測定することはできないが、本発明の半
導体複合センサをカテーテルの先端に実装するこ
とにより体内の同一部位における血液の化学的物
質濃度と血圧の連続測定が初めて可能となる。
やダイヤフラム型半導体圧力センサがそれぞれ単
独で１つの素子を形成しているようなセンサ素子
を用いていては事実上不可能であると思われる非
常に狭い場所で測定しなくてはならない対象の化
学的濃度と圧力の同時測定が可能となつた。例え
ばカテーテルの先端周辺にセンサを実装して、血
管内または心臓内の血液のPHと血圧を同時に測定
しようとするとき、カテーテルチユープの直径は
センサを実装した状態でも最大2.5mm以下でなく
てはならない。血液中など液体中で半導体センサ
を使用する場合には感応部（受圧部）は直接液体
に接触するようにしてリード線などは完全に液体
から絶縁分離しなくてはならないためカテーテル
に半導体センサを実装すること自体が非常に困難
で確立された技術とはなつていない。即ち、現状
では１つの半導体素子をエポキシ樹脂、シリコン
樹脂などを接着剤兼絶縁剤として用いてカテーテ
ルに実装するのが限界であり、２つ以上の半導体
素子を同一カテーテル内の近接した位置に実装す
る（体内の同一部位の化学的物質濃度と圧力を測
定することに意義がある）ことは事実上不可能で
ある。従つて従来技術による電界効果型半導体セ
ンサとダイアフラム型半導体圧力センサにより血
液の化学的物質濃度と血圧を体内の同一部位で直
接に連続測定することはできないが、本発明の半
導体複合センサをカテーテルの先端に実装するこ
とにより体内の同一部位における血液の化学的物
質濃度と血圧の連続測定が初めて可能となる。
第１図は、従来技術のシリコン単結晶基板を用
いた電界効果型半導体センサのゲート部分を含む
断面の基本構成を示す図、第２図は、従来技術に
よる耐雰囲気性を向上させた半導体圧力センサの
基本構成断面図を示す図である。第３図は、本発
明の実施例たる電界効果型センサとダイアフラム
型圧力センサを同一素子上に形成した半導体複合
センサの構成断面を示す図である。 １……シリコン単結晶基板（p-型）、２……ソ
ース拡散領域（n+型）、３……ドレイン拡散領域
（n+型）、４……チヤンネル部、５……絶縁層
（その1.SiO2）、６……絶縁層（その2.Si3N4）、７
……化学感応層、８……リードコンタクト用金属
層（Al）、９……シリコン単結晶基板（ｎ−型）、
１０……ダイアフラム部、１１……拡散ピエゾ抵
抗（p-型）、１２……拡散リード部（p+型）、１
３……シリコンエピタキシヤル成長層（n-型）、
１４……p+型拡散領域、１５……絶縁層（ex
Si3N4）、１６……リードコンタクト用金属層
（Al）、１７……シリコン単結晶基板（p-型）、１
８……ダイアフラム部、１９……拡散ピエゾ抵抗
（n-型）、２０……拡散リード部（n+型）、２１…
…シリコンエピタキシヤル成長層（p-型）、２２
……ソース拡散領域（n+型）、２３……ドレイン
拡散領域（n+型）、２４……チヤンネル部、２５
……基板コンタクト用拡散領域（p+型）、２６…
…n+型拡散領域、２７……絶縁層（SiO2）、２８
……化学感応層、２９……拡散抵抗リードコンタ
クト用金属層（Al）、３０……ソース・基板共通
リードコンタクト用金属層（Al）、３１……ドレ
イン・リードコンタクト用金属層（Al）。
いた電界効果型半導体センサのゲート部分を含む
断面の基本構成を示す図、第２図は、従来技術に
よる耐雰囲気性を向上させた半導体圧力センサの
基本構成断面図を示す図である。第３図は、本発
明の実施例たる電界効果型センサとダイアフラム
型圧力センサを同一素子上に形成した半導体複合
センサの構成断面を示す図である。 １……シリコン単結晶基板（p-型）、２……ソ
ース拡散領域（n+型）、３……ドレイン拡散領域
（n+型）、４……チヤンネル部、５……絶縁層
（その1.SiO2）、６……絶縁層（その2.Si3N4）、７
……化学感応層、８……リードコンタクト用金属
層（Al）、９……シリコン単結晶基板（ｎ−型）、
１０……ダイアフラム部、１１……拡散ピエゾ抵
抗（p-型）、１２……拡散リード部（p+型）、１
３……シリコンエピタキシヤル成長層（n-型）、
１４……p+型拡散領域、１５……絶縁層（ex
Si3N4）、１６……リードコンタクト用金属層
（Al）、１７……シリコン単結晶基板（p-型）、１
８……ダイアフラム部、１９……拡散ピエゾ抵抗
（n-型）、２０……拡散リード部（n+型）、２１…
…シリコンエピタキシヤル成長層（p-型）、２２
……ソース拡散領域（n+型）、２３……ドレイン
拡散領域（n+型）、２４……チヤンネル部、２５
……基板コンタクト用拡散領域（p+型）、２６…
…n+型拡散領域、２７……絶縁層（SiO2）、２８
……化学感応層、２９……拡散抵抗リードコンタ
クト用金属層（Al）、３０……ソース・基板共通
リードコンタクト用金属層（Al）、３１……ドレ
イン・リードコンタクト用金属層（Al）。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ゲート絶縁型電界効果トランジスタのゲート
部上に特定の被測定物質にのみ選択的に感応する
層を設けた電界効果型半導体センサとダイアフラ
ム上に形成した拡散抵抗を感圧部として用いる半
導体圧力センサがそれぞれ少なくとも１個ずつ以
上同一半導体基板に形成されていることを特徴と
する半導体複合センサ。 ２ 上記半導体基板が単結晶シリコンであること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体
複合センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58238330A JPS60129654A (ja) | 1983-12-16 | 1983-12-16 | 半導体複合センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58238330A JPS60129654A (ja) | 1983-12-16 | 1983-12-16 | 半導体複合センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60129654A JPS60129654A (ja) | 1985-07-10 |
| JPH04225B2 true JPH04225B2 (ja) | 1992-01-06 |
Family
ID=17028601
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58238330A Granted JPS60129654A (ja) | 1983-12-16 | 1983-12-16 | 半導体複合センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60129654A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1314410C (en) * | 1986-12-08 | 1993-03-16 | Masanori Nishiguchi | Wiring structure of semiconductor pressure sensor |
-
1983
- 1983-12-16 JP JP58238330A patent/JPS60129654A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60129654A (ja) | 1985-07-10 |
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