JPH0450755A - 半導体ガスセンサ - Google Patents
半導体ガスセンサInfo
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はガス分析装置における室温動作可能な固体セン
サの構造及びその製造法に関する。
サの構造及びその製造法に関する。
従来、ナトリウムイオン伝導体を用いたガスセンサにつ
いては、ソリッド・ステイト・アイオニクス；２３（１
９８７年）第１０７頁から第１１２頁（Ｓｏｌｉｄ ５
ｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ ２３ （１９８７） Ｐ ｐ
１０７−１１２）において論じられている。
いては、ソリッド・ステイト・アイオニクス；２３（１
９８７年）第１０７頁から第１１２頁（Ｓｏｌｉｄ ５
ｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ ２３ （１９８７） Ｐ ｐ
１０７−１１２）において論じられている。
上記従来技術は、６００に以上の温度でのみナトリウム
イオンが十分高い移動速度でナトリウムイオン伝導体中
を動くことができるので、６００に以上の温度でのみ炭
酸ガスセンサとして動作した。室温付近ではナトリウム
イオンの移動速度が減少するためナトリウムイオン伝導
体のインピーダンスが高くなリセンサ応答を測定できな
いという問題があった。
イオンが十分高い移動速度でナトリウムイオン伝導体中
を動くことができるので、６００に以上の温度でのみ炭
酸ガスセンサとして動作した。室温付近ではナトリウム
イオンの移動速度が減少するためナトリウムイオン伝導
体のインピーダンスが高くなリセンサ応答を測定できな
いという問題があった。
本発明は室温で動作する固体炭酸ガスセンサを提供し、
使い勝手の良い分析装置を得ることを目的とする。
使い勝手の良い分析装置を得ることを目的とする。
上記目的を達成するために、高入力インピーダンスを有
する最も簡単な増幅器である絶縁ゲート電界効果トラン
ジスタのゲート絶縁膜上に、直接にナトリウムイオン伝
導体を積層し、その上にゲート金属電極を積層すること
により達成される。
する最も簡単な増幅器である絶縁ゲート電界効果トラン
ジスタのゲート絶縁膜上に、直接にナトリウムイオン伝
導体を積層し、その上にゲート金属電極を積層すること
により達成される。
本発明のセンサの雰囲気中に炭酸ガスを存在するとゲー
ト電極で室温でも（１）式の反応が起こる。
ト電極で室温でも（１）式の反応が起こる。
ＮａｚｃＯｓ ＃２Ｎａ”＋ＣＯｚ＋ Ｏｚ＋２ｅ−
−（１）生成したナトリウムイオンはナトリウムイオン
伝導体中に受容され、ゲート電極との界面近傍に分布す
る。（１）式に反応に基づき、ゲート電極とナトリウム
イオン伝導体との界面に、（２）式で表わされるように
炭酸ガス分圧Ｐｃｏｚの対数に比例した電位変化Ｅが生
ずる。
−（１）生成したナトリウムイオンはナトリウムイオン
伝導体中に受容され、ゲート電極との界面近傍に分布す
る。（１）式に反応に基づき、ゲート電極とナトリウム
イオン伝導体との界面に、（２）式で表わされるように
炭酸ガス分圧Ｐｃｏｚの対数に比例した電位変化Ｅが生
ずる。
Ｆ
ここでＣ：定数、Ｒ；気体定数、Ｔ：絶対温度。
Ｆ：ファラデ一定数を表わす。この電位変化は電界効果
トランジスタのゲート部で生ずるので、ナトリウムイオ
ン伝導体のインピーダンスが高くても、安定にドレイン
電流変化として検出することができる。従ってドレイン
変流変化を測定すれば炭酸ガス分圧を知ることができる
。
トランジスタのゲート部で生ずるので、ナトリウムイオ
ン伝導体のインピーダンスが高くても、安定にドレイン
電流変化として検出することができる。従ってドレイン
変流変化を測定すれば炭酸ガス分圧を知ることができる
。
以下、本発明の実施例に基づき説明する。
第１図は本発明の第１の実施例断面図である。
ｐ形シリコン１の中にｎ形のソース２及びドレイン３を
設け、シリコン基板表面にＳ ｉ ０２膜４ＳｉｓＮａ
膜５及びナトリウムイオン伝導体膜６を積層した。ナト
リウムイオン伝導体膜上で、ソース２とドレイン３の間
の部分にゲート電極７を形成し、さらにゲート電極上に
炭酸ナトリウム（Ｎ ａ ｚＣＯｘ）層８を積層した。
設け、シリコン基板表面にＳ ｉ ０２膜４ＳｉｓＮａ
膜５及びナトリウムイオン伝導体膜６を積層した。ナト
リウムイオン伝導体膜上で、ソース２とドレイン３の間
の部分にゲート電極７を形成し、さらにゲート電極上に
炭酸ナトリウム（Ｎ ａ ｚＣＯｘ）層８を積層した。
ナトリウムイオン伝導体膜６にはＮＡＳＩＣＯＮ又はベ
ータアルミナを用いることができ、高周波スパッタリン
グにより均一でピンホールのない膜を形成することがで
きる。ゲート電極材料には金又は白金を用いることがで
き、真空蒸着又はスパッタリングにより薄膜化できる。
ータアルミナを用いることができ、高周波スパッタリン
グにより均一でピンホールのない膜を形成することがで
きる。ゲート電極材料には金又は白金を用いることがで
き、真空蒸着又はスパッタリングにより薄膜化できる。
炭酸ナトリウム層８は、まず炭酸ナトリウムの粉末を水
に分散させ、ペースト状の粉末をスクリーン印刷法等で
ゲート電極上に塗布し、乾燥することにより形成した。
に分散させ、ペースト状の粉末をスクリーン印刷法等で
ゲート電極上に塗布し、乾燥することにより形成した。
以上のように本発明のセンサの製作法は半導体プロセス
との整合が良くバッチ製作に適している。
との整合が良くバッチ製作に適している。
第２１！ｌは本発明の第２の実施例断面図である。
サファイア基板９上にｐ型車結晶シリコン表面０を設け
、該単結晶シリコン層の中にｎ型のソース２、ドレイン
３を形成した。そして単結晶シリコン表面に５ｉＯｚ膜
４．Ｓｉ３Ｎａ膜５．ナトリウムイオン伝導体膜６、を
積層し、第１の実施例と同様の位置にゲート電極７及び
炭酸ナトリウム層８を設けた。サファイア基板を用いる
ことにより機械的強度の大きいセンサを得ることができ
る。
、該単結晶シリコン層の中にｎ型のソース２、ドレイン
３を形成した。そして単結晶シリコン表面に５ｉＯｚ膜
４．Ｓｉ３Ｎａ膜５．ナトリウムイオン伝導体膜６、を
積層し、第１の実施例と同様の位置にゲート電極７及び
炭酸ナトリウム層８を設けた。サファイア基板を用いる
ことにより機械的強度の大きいセンサを得ることができ
る。
なお第１及び第２の実施例において、単結晶シリコンに
ｎ型、ソース及びドレインにＰ型を用いることもできる
。
ｎ型、ソース及びドレインにＰ型を用いることもできる
。
第３図は本発明の第３の実施例断面図である。
ｎ型シリコン基板１１に２個のｐ型ウェル１２゜１３を
設け、各ウェルの中にそれぞれソース２及びドレイン３
を形成した。そしてシリコン表面にＳ ｉ Ｃ）ｚ膜４
，Ｓｉ３Ｎ４膜５．ナトリウムイオン伝導体６を積層し
た。両方のウェルのソースとドレインの間のナトリウム
イオン伝導体上にゲート電極７を形成した。ｐウェル１
２の電界効果トランジスタのゲート電極上に炭酸ナトリ
ウム層８を形成し、ｐウェル１３の電界効果トランジス
タのゲート電極上には何も形成しなかった。このように
ｐウェルの中にソース及びドレインを形成すると、複数
のセンサをワンチップに集積化した場合、センサ間の相
互干渉を無くすことができる。また上記のＰウェル１２
と１３の電界効果トランジスタの出力の差動測定を行な
うことにより、センサの温度ドリフト等の影響を低減す
ることができ、安定なセンサ出力が得られる。
設け、各ウェルの中にそれぞれソース２及びドレイン３
を形成した。そしてシリコン表面にＳ ｉ Ｃ）ｚ膜４
，Ｓｉ３Ｎ４膜５．ナトリウムイオン伝導体６を積層し
た。両方のウェルのソースとドレインの間のナトリウム
イオン伝導体上にゲート電極７を形成した。ｐウェル１
２の電界効果トランジスタのゲート電極上に炭酸ナトリ
ウム層８を形成し、ｐウェル１３の電界効果トランジス
タのゲート電極上には何も形成しなかった。このように
ｐウェルの中にソース及びドレインを形成すると、複数
のセンサをワンチップに集積化した場合、センサ間の相
互干渉を無くすことができる。また上記のＰウェル１２
と１３の電界効果トランジスタの出力の差動測定を行な
うことにより、センサの温度ドリフト等の影響を低減す
ることができ、安定なセンサ出力が得られる。
第１図に示した実施例を用いて本発明の効果を確認した
。第１図において５ｉＯｚ膜とＳｉ３Ｎ４膜の厚さを共
に５００人とし、ナトリウムイオン伝導体にはＮＡＳＩ
ＣＯＮを用い膜厚を２Ｏ００人とした。またゲート電極
７には厚さ２Ｏ０人の金を用い、炭酸ナトリウムの厚さ
は２Ｏ０μｍとした。
。第１図において５ｉＯｚ膜とＳｉ３Ｎ４膜の厚さを共
に５００人とし、ナトリウムイオン伝導体にはＮＡＳＩ
ＣＯＮを用い膜厚を２Ｏ００人とした。またゲート電極
７には厚さ２Ｏ０人の金を用い、炭酸ナトリウムの厚さ
は２Ｏ０μｍとした。
このセンサをプリント基板上にマウントし、ゲート、ソ
ース及びトレインと外部測定回路とを電気的に接続する
ために、ゲート、ソース及びドレインにワイヤーを接続
した。
ース及びトレインと外部測定回路とを電気的に接続する
ために、ゲート、ソース及びドレインにワイヤーを接続
した。
第４図は本発明のセンサの効果を測定するシステムであ
る。本発明のセンサ１４をガス流路１５の中に挿入し、
１％炭酸ガスと９９％アルゴンガスの混合ガスボンベ１
６と１０％炭酸ガスと９０％アルゴンガスの混合ガスボ
ンベ１７とをセンサが挿入された流路にガス管１８で接
続し、バルブ１９を用いて上記混合ガスを交互にセンサ
に導入した。センサを駆動し、センサからの信号を検出
するためにリード線１９をセンサ応答測定回路２Ｏに接
続した。モしてセンサ応答測定回路の出力をレコーダー
２１で記録した。
る。本発明のセンサ１４をガス流路１５の中に挿入し、
１％炭酸ガスと９９％アルゴンガスの混合ガスボンベ１
６と１０％炭酸ガスと９０％アルゴンガスの混合ガスボ
ンベ１７とをセンサが挿入された流路にガス管１８で接
続し、バルブ１９を用いて上記混合ガスを交互にセンサ
に導入した。センサを駆動し、センサからの信号を検出
するためにリード線１９をセンサ応答測定回路２Ｏに接
続した。モしてセンサ応答測定回路の出力をレコーダー
２１で記録した。
第５図はセンサ応答測定回路の詳細である。２個の演算
増幅器２２から成り、定電流源２３によリセンサ２４の
ソース２・ドレイン３間電圧を一定に保ち、また定電流
源２５によりセンサのドレイン電流を一定に保持した。
増幅器２２から成り、定電流源２３によリセンサ２４の
ソース２・ドレイン３間電圧を一定に保ち、また定電流
源２５によりセンサのドレイン電流を一定に保持した。
また定電圧源２６によりゲート電圧を一定とした。ゲー
ト電極７で生ずる電位変化は出力端子２７から直接に検
出することができる。
ト電極７で生ずる電位変化は出力端子２７から直接に検
出することができる。
第６図に本発明のセンサの炭酸ガスに対する応答を室温
で測定した結果を示す。図中ａで１％炭酸ガスを導入し
、ｂで１０％炭酸ガスを導入した、図に示すように再現
性の良い応答が得られた。
で測定した結果を示す。図中ａで１％炭酸ガスを導入し
、ｂで１０％炭酸ガスを導入した、図に示すように再現
性の良い応答が得られた。
以上のように本発明の半導体ガスセンサは、全固体であ
り室温動作可能である。従って、センサ温度を上げる必
要がなく、低消費電力の使い勝手の良い炭酸ガスセンサ
を提供することができる。
り室温動作可能である。従って、センサ温度を上げる必
要がなく、低消費電力の使い勝手の良い炭酸ガスセンサ
を提供することができる。
本発明によれば、室温動作可能な全固体型炭酸ガスセン
サを得ることができるので、低消費電力で機械的強度に
優れた使い勝手の良いセンサを提供することができる。
サを得ることができるので、低消費電力で機械的強度に
優れた使い勝手の良いセンサを提供することができる。
また本センサは半導体プロセスにより製作されるので、
低価格であり、使い捨てセンサとすることもできる。従
って、本発明のセンサを用いれば使い勝手の良い分析装
置を提供することができる。
低価格であり、使い捨てセンサとすることもできる。従
って、本発明のセンサを用いれば使い勝手の良い分析装
置を提供することができる。
第１図、第２図、第３図は本発明の第１．第２゜第３の
実施例を示す図、第４図、第５図は本発明の効果を確認
するための手段を示す図、第６図は本発明の効果を表わ
す図である。 １・・・Ｐ型シリコン、２・・・ソース、３・・・ドレ
イン、４・・・Ｓ ｉ Ｏｘ膜、５・・・Ｓｉ３Ｎａ膜
、６・・・ナトリウムイオン伝導体膜、７・・・ゲート
電極、８・・・炭酸ナトリウム層、９・・・サファイア
基板、１ｏ・・・ｐ型車結晶シリコン層、１１・・・ｎ
型シリコン基板、１２・・・ｐ型ウェハ、１３・・・ｐ
型ウェハ、１４・・・センサ、１５・・・流路、１６・
・・１％炭酸ガスボンベ、１７・・・１０％炭酸ガスボ
ンベ、１８・・・ガス管、１９・・・リード線、２Ｏ・
・・センサ応答測定回路、２１・・レコーダー ２２・
・・演算増幅器、２３・・・定電流源、２４・・・セン
サ、２５・・・定電流源、２６・・・定電圧源、第 図 第４図 第６図 Ｑ 日Ｉｆ 間 ｐ’ｒン
実施例を示す図、第４図、第５図は本発明の効果を確認
するための手段を示す図、第６図は本発明の効果を表わ
す図である。 １・・・Ｐ型シリコン、２・・・ソース、３・・・ドレ
イン、４・・・Ｓ ｉ Ｏｘ膜、５・・・Ｓｉ３Ｎａ膜
、６・・・ナトリウムイオン伝導体膜、７・・・ゲート
電極、８・・・炭酸ナトリウム層、９・・・サファイア
基板、１ｏ・・・ｐ型車結晶シリコン層、１１・・・ｎ
型シリコン基板、１２・・・ｐ型ウェハ、１３・・・ｐ
型ウェハ、１４・・・センサ、１５・・・流路、１６・
・・１％炭酸ガスボンベ、１７・・・１０％炭酸ガスボ
ンベ、１８・・・ガス管、１９・・・リード線、２Ｏ・
・・センサ応答測定回路、２１・・レコーダー ２２・
・・演算増幅器、２３・・・定電流源、２４・・・セン
サ、２５・・・定電流源、２６・・・定電圧源、第 図 第４図 第６図 Ｑ 日Ｉｆ 間 ｐ’ｒン
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、電界効果トランジスタを利用するガスセンサにおい
て、ＳｉＯ＿２膜又はＳｉＯ＿２膜上にＳｉ＿３Ｎ＿４
膜を積層したゲート絶縁膜上にナトリウムイオン伝導体
を積層し、その上にゲート金属電極を設けたことを特徴
とする半導体ガスセンサ。 ２、ナトリウムイオン伝導体はＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ＿
３Ｚｒ＿２Ｓｉ＿２ＰＯ＿１＿２）又はベータ・アルミ
ナ（Ｎａ＿２Ｏ）であることを特徴とする請求項第１項
記載の半導体ガスセンサ。 ３、ゲート金属は金又は白金又は炭酸ナトリウム（Ｎａ
＿ＣＯ＿３）で被覆した金又は白金の構造であることを
特徴とする請求項第１項記載の半導体ガスセンサ。 ４、請求項第３項に記載の金又は白金は、膜厚が１０Å
か１μｍの範囲であるか、又は多孔性であることを特徴
とする請求項第１項記載の半導体ガスセンサ。 ５、電界効果トランジスタは、単結晶シリコン、アモル
ファスシリコン、ガリウムヒ素、シリコンカーバイドに
形成されることを特徴とする請求項第１項記載の半導体
ガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15974290A JPH0450755A (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 半導体ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15974290A JPH0450755A (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 半導体ガスセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0450755A true JPH0450755A (ja) | 1992-02-19 |
Family
ID=15700280
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15974290A Pending JPH0450755A (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 半導体ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0450755A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001281213A (ja) * | 2000-03-31 | 2001-10-10 | Figaro Eng Inc | ガスセンサ |
| JP2019132676A (ja) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | 日立金属株式会社 | ガスセンサ |
-
1990
- 1990-06-20 JP JP15974290A patent/JPH0450755A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001281213A (ja) * | 2000-03-31 | 2001-10-10 | Figaro Eng Inc | ガスセンサ |
| JP2019132676A (ja) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | 日立金属株式会社 | ガスセンサ |
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