JPH09210963A - 固体ガスセンサー - Google Patents

固体ガスセンサー

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JPH09210963A
JPH09210963A JP8305476A JP30547696A JPH09210963A JP H09210963 A JPH09210963 A JP H09210963A JP 8305476 A JP8305476 A JP 8305476A JP 30547696 A JP30547696 A JP 30547696A JP H09210963 A JPH09210963 A JP H09210963A
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electrode
gas
gas sensor
solid
gap
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JP8305476A
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Gan Rin
ガン リン
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Aisin Corp
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Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/185—Measuring radiation intensity with ionisation chamber arrangements
    • 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
    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
    • G01N27/68—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using electric discharge to ionise a gas
    • G01N27/70—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode using electric discharge to ionise a gas and measuring current or voltage

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で小型であり、広い温度範囲で作
動するとともに検知可能なガスが広範囲である固体ガス
センサーを提供する。 【解決手段】 少なくとも第一電極（１２）と第二電極
（１４）を有する固体ガスセンサーであって、第一およ
び第二電極間の間隙の電界を強くするように、該第一電
極は先端に向けて先細（１２ａ）に形成されており、汚
染ガス分子と雰囲気ガス分子とのイオン化電位の差に基
づいてガス汚染またはガス組成の変化を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体ガスセンサー
に関し、特に、所定環境におけるガスの濃度や組成の変
化あるいはガス汚染の監視に適する固体ガスセンサーに
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体ガスセンサーのほとんどは、
化学的環境に対して示す固体の電気的応答を利用してい
る。即ち、固体の電気的性質がガス相の種類により影響
されることから、その変化をみてガスの種類の検知をな
している。この種の固体ガスセンサーは３種類に分類す
ることができる。その一つは、半導体センサーであり、
ここでは検知されるガス種を吸着又は吸収することで半
導体の電気抵抗を変化させるものである。もう一つは、
ガス中で使用される固体電解質センサーであり、ここで
は検知されるガス種が固体のネルスト・ポテンシャルに
影響し、あるいは固体中を流れるイオン電流を変化させ
ることを利用する。更にもう一つは、電解効果トランジ
スターガスセンサー(ChemFET) であり、ここでは検知さ
れるガス種が電解効果トランジスターのゲート電圧に影
響を与えるものである。
【０００３】半導体センサーとしては圧粉成形体または
薄膜を利用したものが実用化されているが、これらは、
半導体のコンダクタンスに変化をもたらす雰囲気中のガ
スと半導体との間の反応に基づいて設計されている。一
つの可能な反応は、半導体が他の化合物、あるいは少な
くとも化学量論的に他のものに変換される反応である。
例えば、大気中の酸素で酸化されている半導体酸化物が
あるが、大気中に炭素を含む蒸気が導入されると、格子
点の酸素が抽出される。したがって、炭素を含む蒸気が
存在すると、その酸化物中の陽イオン／酸素の比が減少
し、即ち、固体の化学量論を変化させる。この化学量論
的変化は、（実際、固体組成の如何なる変化であれ）そ
の材料の電気伝導度に重要な影響を及ぼし得る。
【０００４】一般的には、半導体ガスセンサーの場合
に、その電気伝導度に変化をもたらす「反応」は、ガス
吸着であると考えられている。ガス雰囲気中でのこの効
果は、固体半導体の全体組成の変化によるものではな
く、その表面へのガスの吸着に起因しているものと説明
されている。
【０００５】その吸着機構においては、通常、以下のモ
デルが考えられている。即ち、雰囲気からの酸素を吸着
し、半導体から電子を抽出する。固体が電子伝導性のも
のである場合、電子が抽出されるにつれてその電気伝導
度は低下する。雰囲気中に炭素を含む蒸気が存在する場
合、負に帯電した酸素と反応し、酸化されてＨ2 ＯとＣ
2 Ｏになり、電子は固体に戻され、電気伝導度が回復す
る。したがって、空気中に炭素を含む蒸気が存在する場
合には、純粋な空気の場合に比べその電気伝導度はかな
り大きな値になる。勿論、何れのプロセス（化学量論的
変化か吸着か）がその電気伝導度の変化に寄与している
かを断定することが困難な場合もあるが、大方の場合、
その変化は、酸素の空孔（あるいは、拡散する他の種類
のもの）に期待される拡散速度に比べて、充分に速やか
になされるので、その電気伝導度の変化は全体組成の変
化によるものではないと合理的に認められる。半導体と
ガスとの間で可能な第三の反応は、表面近くでのイオン
交換である。これは他の二つの反応の中間的なプロセス
である。例えば、雰囲気中にＨ2 Ｓ蒸気が存在する場合
に金属酸化物半導体の表面では表面イオンが酸化物イオ
ンを置換することがあり得る。硫化物は、多くの場合、
酸化物に比べて遥かに電気伝導度が大きいので、このよ
うなイオン交換が生じると表面の電気伝導度が大きくな
る。
【０００６】固体電解質では、その電気伝導は電子伝導
ではなくイオン伝導によって発生する。典型的にはその
電気伝導は一種類のイオンだけに支配される。固体電解
質は、市販のガス及びイオンセンサーにおいて既に重要
な役割をなしている。これらの用途において、固体電解
質は異なる濃度の化学種を収容する二つの部屋を分離す
る無孔膜として使用される。この種の膜を通しての電位
差を測定することにより、一方側（規準側）の濃度が知
られていれば他方側の化学種の濃度を決定することがで
きる。一般に、固体電解質は電解質中をイオンとして搬
送されるような化学種の濃度の定量的決定を可能にす
る。
【０００７】化学的電界効果トランジスター(ChemFET)
は、電界効果トランジスター(FETs)の変形として最近開
発されたセンサーの一種であり、ＦＥＴにおいては、シ
リコンの表面に細い導体のチャンネルを有しており、薄
い絶縁層（例えば、シリカ層）により導体チャンネルか
ら分離されている金属膜（ゲート）に印加される電圧に
よって制御させる。このＦＥＴから金属膜が除去され、
周囲雰囲気からの吸着ガスまたはイオンがゲート絶縁物
の表面に形成される場合には、その効果は、ゲートに電
圧を印加したと同様であることが知られている。これら
のセンサーに、例えば、イオン感受性電界効果トランジ
スター（ISFETs）に一定のｐＨ感受性絶縁体およびイオ
ン感受性膜を適当に組み込むことにより、選択性を付与
することができる。
【０００８】上記の原理に基づき、種々の固体ガスセン
サーの発明がなされており、それらは特許及びその他の
技術文献に記載されている。例えば、米国特許第 4,90
3,099号明細書には ChemFETタイプのガスセンサーが記
載され、米国特許第 4,896,143号、第 4,706,493号、第
4,169,369号および第5,143,696号の各明細書には半導
体タイプのガスセンサーが開示され、米国特許第 4,02
5,412号、第 4,227,984号、第 4,394,239号、第 4,522,
690号、第 5,302,274号および第 5,173,166号の各明細
書には電解質タイプのガスセンサーが開示され、そして
米国特許第 5,191,784号、第 3,450,620号および第 5,1
84,500号の各明細書には若干の他のタイプのガス検知装
置が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の固体ガスセンサーの殆どは、以下に示すような付随す
る一つあるいはそれ以上の欠点を有している。即ち、
（ａ）構造が複雑であり比較的大型である、（ｂ）検出
可能なガスに制限がある、（ｃ）作動温度範囲に制限が
ある、（ｄ）作動温度が高い、（ｅ）感度が低い、
（ｆ）応答が遅く、履歴現象を示す、（ｇ）製造コスト
が高い、（ｈ）信頼性が低い、（ｉ）設置および操作が
不便である、および（ｊ）信号処理集積回路（IC）との
統合性が低い、などである。それ故、多くの産業部門に
おいて、上記の従来の固体ガスセンサーの難点を解消し
た改善された固体ガスセンサーが求められている。
【００１０】本発明は、上記従来の固体ガスセンサーの
難点を改善した、即ち（ａ）構造が単純で小型である、
（ｂ）検出ガスの適用範囲が広い、（ｃ）作動温度範囲
が広い、（ｄ）常温で作動可能である。（ｅ）感度が高
い、（ｆ）応答が速く、履歴現象を示さない、（ｇ）製
造コストが低い、（ｈ）信頼性が高い、（ｉ）設置およ
び操作が便利である、および（ｊ）信号処理集積回路
（IC）との統合性を有する、などの特性を備えた固体ガ
スセンサーを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、一般に、所定
雰囲気のガス組成の変化および汚染物を検出するための
固体ガスセンサーを提供するもので、本発明のセンサー
は少なくとも、（ａ）絶縁材でなる基板、（ｂ）精巧に
先細にした先端部を有していて該基板に取り付けられた
第一電極、（ｃ）該第一電極の近くに、それと離間して
該基板に取付けられていて、該第一電極との間に狭隘な
隙間を形成する第二電極を備える構成からなる。第一お
よび第二電極間に電位差を印加することにより、該電極
間に強電界が形成され、該間隙内で検出すべき気体分子
がイオン化される。ガス組成に変化や汚染が生じると、
該第一および第二電極に連結されている電気測定手段
が、ガス組成の変化や汚染の表示である電流を測定する
ことにより、ガス組成の変化や汚染を検出する。
【００１２】本発明によれば、第一電極の一端を先細に
するので、強電界が得られるものとなる。又、第二電極
を、第一電極と同軸で円筒状とし第一電極の第二電極側
の先端と第二電極の円筒状の端面または内面を一定間隙
とするので、電極間の間隙を円筒の半径に略等しくな
り、一定間隙となる。第二電極の端面を、前記第一電極
の戦艦を中心として半球状に凹部加工することにより、
間隙内の電界は最大となる。第一電極および第二電極を
前記基板上にリソグラフイー加工により形成することに
より、組立て無しの微細加工技術を使用する大量生産に
より低コストで生産されるものとなる。さらに、凸部を
有する第一電極と、第一電極上に凸部を中心とする開口
部を有し電導層となる第二電極と、第二電極と第一電極
の間に絶縁層を形成した構成とすれば、エッチング加工
でも形成されるものとなるので低コストで大量生産が可
能になる。第一電極と第二電極との間隙を変化させる間
隙調整手段を、第一電極または第二電極側に設ければ、
間隙調整手段の駆動により容易に第一電極と第二電極の
間隙が変化するものとなる。この場合、間隙調整手段と
して櫛型静電アクチュエータを用いれば電圧を変化させ
るだけで間隙の調整がなされるものとなる。一定の電流
により所定の間隙を保つように電圧調整すれば、電圧を
電極に印加する場合に比べ、検出精度が向上する。さら
に、第一電極と第二電極との間に電界強度を変化させる
第三電極を設けることにより、第三電極で第一電極第二
電極の電圧を一定にして電界強度を変化させるものとな
り、感度調整が可能なものとなる。第一電極と第二電極
を基板上に複数組設けることにより、複数組全てを同じ
間隙にしたり、段階的な間隙とでき汎用性が増すものと
なる。つまり、一つの組が故障しても他の組のもので代
用したり、段階的な間隙とすることで複数のガスの種類
を同時に判別するものとすることもできる。汚染物質を
気体化合物のかわりに液状物質とし、前記雰囲気をガス
のかわりに電気絶縁流体とすれば、気体のみならず液体
も検出することが可能なものとなる。
【００１３】以下に本発明の原理について述べる。本発
明の基礎をなす理論について以下に示すが、この理論に
拘束されるものではない。本発明は、従来の固体ガスセ
ンサーとは全く異なる原理に基づいたタイプの固体ガス
センサーを提供するものである。前記「従来の技術」の
項で述べた通り、ほとんどのガスセンサーは、化学変
化、吸収、あるいは吸着、の何れかの現象に基づいて応
答するように構成されているものである。しかしなが
ら、本発明のセンサーは、種々のガス種の属性である分
子構造の差異、特にイオン化ポテンシャルの差異に応答
するように作られている。最も単純な構造は、狭隘な間
隙をもって対向して基板に取り付けられた第一および第
二電極でなる。第一電極は先端に向けて先細にしてあ
る。第二電極は、円柱状あるいは円筒状など、いろいろ
な形状とすることができる。第二電極の最適形状として
は、第一電極の先端部を中心とする半球空間の電界を最
大にするような形状である。基本的なセンサーの作用の
原理を纏めると以下の通りである。
【００１４】空隙を挟んで設けられた二つの電極の間に
高電圧が印加されると、その針状先端部の周りに強電界
が形成される。そして、その電位が充分に高いと、その
先端部の近傍のガスがイオン化される。このイオン化に
より生じたイオンと電子は、間隙を通して二つの電極間
を電流となって流れる。ガス組成によって生じるこの電
流の変化が検出信号として利用される。
【００１５】大気圧の間隙内でのガス分子の電気破壊に
関するこの理論は比較的よく知られており、この破壊を
生じるに要する電位は、度々、大気圧放電のパッシェン
・ミニマムと呼ばれるもので、空気の場合には約３４０
Ｖである。本発明においては、必要な操作電圧を低く
し、感度を向上させるために、電界を強くする機構とし
て針状先端を使用している。針状先端部の極性は陰極、
陽極の何れにすることもできる。針状先端を陰極とする
場合には、一般には針状先端を陽極とする場合よりも高
感度が得られる。
【００１６】針状先端を陰極とした設計の場合のイオン
化機構の理論は以下の通りである。間隙内でイオン化が
起こると、電界放出を強めるのに必要な陽イオンを供給
して、該破壊を開始させる。電界放出された電子は、電
子衝突イオン化および電子付着により気体状の陽イオン
および陰イオンを形成し、間隙内に雪崩を引き起こす。
伝導機構は、主に後者の荷電粒子による巨視的なグロー
放電であるとみられる。針状先端を陽極とした場合のイ
オン化機構の理論は、まだよく知られていない。実際に
センサーを設計する場合には、大気圧アークの発生を抑
えるための電流制限抵抗を使用する必要がある。その放
電は、安定した、直流（ＤＣ）グローのように見えて
も、実際には持続しない放電パルスの連続である。その
放電パルスについての電流−電圧関係は、電極間隔（間
隙）、針状先端の曲率半径、およびガス組成の関数であ
る。
【００１７】操作の基本モードは、大気圧でガスを満た
した間隙を通して電気を導くダイオード装置のような二
つの電極を採用しており、わずかな不純物による汚染で
もその電気伝導度に重要な影響を及ぼす。そのダイオー
ド装置またはセンサーの雰囲気は、例えば、大気（湿度
を有する）、純粋な乾燥空気、乾燥窒素、アルゴン、酸
素、あるいは二酸化炭素、等とすることができる。検出
可能な不純物には、例えば、アルコール、ケトン、水蒸
気、芳香族炭化水素およびクロロカーボンが含まれる。
【００１８】センサーは、ＤＣモードあるいはパルスモ
ードの何れかを利用する。ＤＣモードの操作では、電極
間を流れる平均ＤＣ電流が単に記録される。高インピー
ダンス回路に測定される正味ＤＣ電流は、実際は準安定
電流として記録される破壊パルスが連続したものであ
る。電流の雪崩現象を避けるためには、測定回路に高イ
ンピーダンス回路を使用する必要がある。
【００１９】パルスモードでの操作は、針状先端の腐食
を最小にし、直流測定よりもパルス計数検出を容易にす
るために、実用的理由で望ましい。センサーは、基本的
なダイオード構造に加えて、単純な二電極構造に更に電
極を追加することにより変更することができる。ダイオ
ードシステムにおける二電極を真空管の陽極と陰極と看
ると、第三の電極は真空管のグリッド（格子電極）と看
ることができる。この第三電極は陽極と陰極との間を流
れる電流の制御を可能にする。
【００２０】特定雰囲気内の検出ガス種に対する感度
は、（ａ）雰囲気ガスと検出ガスとのイオン化電位の
差、（ｂ）センサーの操作電圧、（ｃ）間隙のクリアラ
ンス、および（ｄ）針状先端の曲率半径（鋭さ）に大き
く依存している。一般に、このセンサーの感度は、現状
技術のセンサーに比べて、非常に高いものである。
【００２１】このセンサーの電極間の間隙はガス分子の
平均自由行路よりも大きくすればガスが入ってきやすく
なる。また、センサーへの供給電圧はガスが電気分解を
起こすのに要する最小イオン化電位よりも大きくすれば
ガスがイオン化し易くなる。
【００２２】本発明は、分子のイオン化の原理に基づい
た、従来のセンサーとは異なる固体ガスセンサーを提供
する。本発明のガスセンサーは、空気あるいはその他の
環境においてガス組成の僅かな変化をも検出し得るもの
で、以下の利点を有する。即ち、（ａ）構造が簡単であ
り小型である、（ｂ）殆ど任意の温度で作動し、温度制
御を必要とせず、高温にするためのヒータを必要としな
い、（ｃ）広範囲の不純物濃度で作動する、（ｄ）即座
に反応し、履歴現象を生じない、（ｅ）感度が高い、
（ｆ）構造的に、半導体産業において普通に使用されて
いる微細加工技術を使用するのに適しており、したがっ
て、非常に廉価に製造できる。本発明の、上記及びその
他の効果、特徴および利点は、添付図面を参照して、以
下の本発明の実施例につての詳細な説明により当業者に
明らかになるであろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の原理に基づいて作られた
ガスセンサーの基本構造は、雰囲気ガスを満たす僅かな
間隙を持って互いに対向させて基板１０に取り付けた第
一電極１２と第二電極１４とを有している。この基本構
造に加えて、前記間隙のクリアランスを制御するための
線形アクチュエータ１８（図６参照）、および間隙内の
電界の強さを制御するための第三電極１６（図７参照）
をオプションとして設け、センサーの特性を改善するこ
ともできる。本発明の原理に従って作られ、一般的に数
字１で示されている固体ガスセンサーの第１実施例を図
１に示す。センサー１の基板１０は絶縁材料でなる。第
一電極１２は細い円柱状針で、化学的または電気化学的
手段により先端１２ａに向けて先細に形成されている。
第二電極１４は円柱状をなし、軸に垂直な端面を有す
る。これらの電極１２および１４は、望ましくはタング
ステン等の高強度材料で作られる。
【００２４】図２は、本発明の原理に従って作れた固体
ガスセンサーの第２実施例を示す。第一電極として機能
する精巧に先細１２ａにした円柱状針１２が第二電極と
して機能する同軸円筒１４ａの中に組み合わせて使用さ
れる。この構成の場合には、電極間の間隙を、該円筒の
内半径に略等しい、一定間隙にすることができる利点が
ある。
【００２５】本発明の原理に従って作られ、一般的に数
字３で示されている固体ガスセンサーの第３実施例を図
３に示す。センサー３の構造では、間隙内での電界を最
大にするため、第二電極１４ｂの端面を、第一電極１２
の針状先端１２ａを中心とする半球状に加工することに
よって、第二電極１４ｂを最適化している。本例の場
合、作用電圧を低減させて最高感度のセンサー３とする
ことができる利点がある。第二および第三のセンサー２
および３は、何れも望ましくは図１に示す第１実施例の
場合と同様な材料で作られる。
【００２６】図４に第４実施例を示す。この実施例の場
合、半導体産業において一般に使用されている組立て無
しの微細加工技術を使用する大量生産により低コストで
生産できる利点がある。第一および第二電極１２ｃおよ
び１４ａは絶縁体基板１０ａの上に形成された薄い電導
性皮膜から作られている。この電極１２ｃおよび１４ａ
の材料は、電気伝導性があり且つ強度を有するものであ
れば、如何なるものでもよい。この第４実施例は、特に
リソグラフイー表面微細加工に適しており、製造コスト
が安く第一電極１２ｃの針状先端１２ａの鋭さや間隙の
クリアランスのセンサー間でのバラツキが少なく、均質
なものが得られる利点がある。
【００２７】図５は、容積−微細加工技術を利用するよ
うに構成した第５実施例を示す。ピラミッド状の第一電
極１２ｄは、簡単な円対称（環状パターン）マスクを使
用して等方性エッチングにより形成されるもので、強度
にドープしたシリコン基板から直接に作ることができ
る。第二電極１４ｂは、図１から図４の基板１０に相当
する分離層１０ａの上に形成された電導層からなってい
る。環状パターンの寸法はかなりの幅で変えることがで
きるが、電極間隙は検出ガスの平均自由行路より小さく
するべきではない。図４に示す表面を微細加工をする第
４実施例の場合と比較すると、体積を微細加工をする第
５実施例の場合には針状先端１２ａの周りによりよい強
電界を得ることができる。
【００２８】平らなパネルデイスプレーにおいては電子
エミッターは図５に示す第５実施例の針状の部分と同様
な構造をしているが、その設計原理には大きな差異があ
る。エミッター（針状の部分）は、電子放射銃として負
に連結された第一電極を有し、真空中で作用するように
設計されている。これに対して、センサーは、ガス雰囲
気中で作用するように設計されており、その第一電極は
陰極でも陽極でも作動し得る。更に、真空中で作用する
ように設計されているエミッターは、非常に小さいエミ
ッターギャップを有し、作動電圧は低い。一般には、エ
ミッターギャップは１ミクロン以下、作動電圧は約３ボ
ルトである。これに比較して、本発明の原理に基づくセ
ンサーの場合、間隙は数ミクロンから数十ミクロンであ
り、作動電圧は約３００ボルトである。換言すれば、セ
ンサーの間隙はガス分子の平均自由行路より大でなけれ
ばならず、また、作動電圧は大気圧放電の最小電位（Pa
schen minimum)よりも大でなければならない。
【００２９】図６は、本発明のセンサーの第６実施例を
示す。センサー６には、間隙クリアランス制御のための
微細加工された線形静電櫛状アクチュエータ１８が組み
込んである。一つの微細櫛状アクチュエータはほぼ数１
００ミクロン×数１００ミクロンで、櫛両側間の電位差
により生じる静電気力により駆動される。このアクチュ
エータに強電圧が印加されると、両側間に吸引力が生じ
可動歯を起動させることにより歯間の間隔を減少させ
る。微細櫛状アクチュエータの動く方半分は、若干のス
プリングのような支持部によって基板の上に吊るされて
いる。微細櫛状アクチュエータを加工する微細加工技術
は、近年よく研究され開発されいる。この実施例は、シ
リコン基板の上に櫛歯を加工することが比較的容易であ
る他に、種々の間隙での電流応答を測定することが可能
であり、あるいは、間隙を流れる電流を一定に保って、
電圧またはクリアランスを出力として使用することがで
きる利点がある。この第６実施例は第１実施例の場合よ
りもより多くの測定ができ、また、より複雑な測定が必
要な場合の使用に適している。この第６実施例の利点
は、一種以上のセンサーおよび信号処理・制御集積回路
（ＩＣｓ）が組み合わされることにより、より複雑なシ
ステムに組み込まれる場合に最も顕著に発揮される。た
だし、センサー６の製造コストは高いので、その複雑さ
が必要とされる場合に限って使用すべきである。
【００３０】図１〜図６に示すような二極ダイオードタ
イプの基本構造の他に、このセンサーに第三電極を追加
することによってトランジスタータイプの構造に拡張す
ることができる。図７に、この考えに基づく第７実施例
を示す。この三極構造７の第一電極１２および第二電極
１４は真空管の陽極と陰極に等価と見做すことができ、
従ってリング状の第三電極１６は真空管のグリッドのよ
うなものであると考えることができる。この第三電極１
６は、陽極（１２又は１４）から陰極（１４又は１２）
に流れる電流を制御する。図示しないが、図１〜図６の
第１〜６実施例にこの第三電極を追加して設けることも
容易である。この第三電極変形は、第三電極１６による
雰囲気変化補償などの用途の場合にセンサーに特徴を加
える。図６に示すセンサー６と同様に、この実施例の利
点は、一種以上のセンサーおよび信号処理・制御集積回
路（ＩＣｓ）が組み合わされる、より複雑なシステムに
組み込まれる場合に最も顕著に発揮される。それ故、セ
ンサー６の製造コストは高いので、その複雑さが必要と
される場合に限って使用すべきである。
【００３１】本発明の原理に基づく固体ガスセンサーの
微細加工の一般的方法は以下の通りである。即ち、
（ａ）一つの実施例を選択し、その仕様を決める、
（ｂ）リソグラフイー微細加工用のマスクセットを設計
し製作する、（ｃ）マスクセットを使用し微細加工によ
りシリコン基板上にセンサーを加工する、（ｄ）配線及
び／または適当な包装材料で包装する。なお、随意で、
電気測定回路を同じシリコン基板に加工することもでき
る。
【００３２】工業的に応用する場合には、センサー１〜
７は、図８に示すようなセンサー装置を作るように一つ
の基板に並べて或いはマトリックスとして製造すること
ができる。複数のセンサーを備えた検出装置の場合に
は、一個のセンサーの場合よりも高精度で、信頼性に優
れたものとすることができる。多数のセンサーを一列に
或いはマトリックス状に備えるような、上記手続きによ
り加工した典型的な検出チップの大きさは、１．０ｍｍ
×１．０ｍｍ×０．５ｍｍ程度に小さいものとすること
ができる。これらのセンサー１〜７は、シリコンウエハ
ー上で集団加工されるので、廉価に量産が可能である。
【００３３】ガスセンサーのテストに用いる電気回路の
例を図１０と図１１とに示す。図１０はダイオードタイ
プのもので、図１１はトランジスタタイプのものであ
る。抵抗１１０、１１２、１１４、１１６と１２０は、
過電流から回路を守るのに用いる。図１０において、ト
ランジスタ１２０はパルス発振器のための電気スイッチ
として用い、センサーに加えられる高電圧を制御する。
両回路でのセンサー出力は単純な読みとり用の多段タイ
マー又はさらなる分析のためのＦＦＴのいずれかに連結
される。好ましくは、パルス発振器と単一分析器とは変
調され単一のチップのセンサーと一体化される。
【００３４】以下に、好ましい実施例の作用について述
べる。第１〜６実施例の第一および第二電極および第７
実施例の第三電極は、雰囲気ガスに曝されている。ガス
組成に変化が生じると、電極間を流れる電流が変化し、
この電流変化およびその測定値がガス組成変化あるいは
ガス汚染の指示となる。電極間の電流あるいは電位差を
検知するためには、関連する電気伝導手段が必要であ
り、又、電気測定手段を備える必要がある。一般に、第
４〜６実施例の導線は電極材料と同じ層の上にパターン
として描かれる。結線配線をすることもできる。電極間
の電気測定手段は、電流計、パルスカウンター、電圧
計、あるいはこれらを組み合わせたものなどである。ガ
スの存在を検知するためには、ガス分子をイオン化する
のに充分な高さの電圧を電極に印加する必要がある。一
般には、電源電圧が高ければ高いほど、電流出力信号は
大きくなる。
【００３５】第１〜５実施例の場合、作動の基本モード
は、ダイオード装置のような二電極を使用し、大気圧で
ガスを満たした間隙を通して電気を導くモードであり、
少量の不純物濃度がその電気伝導度に影響を及ぼす。雰
囲気としては、例えば、（湿った）空気、純粋な乾燥空
気、乾燥窒素、アルゴン、酸素および二酸化炭素であ
り、検出される不純物には、アルコール、ケトン、水蒸
気、芳香族炭化水素およびクロロカーボンが含まれる。
【００３６】センサー１〜７は、ＤＣモードでもパルス
モードでも機能する。センサーがＤＣモードで作動して
いるときの電流の読み出し信号は、汚染前の基準レベル
からの変位である。大抵の揮発性ガスのイオン化電位は
空気のそれよりも低いので、雰囲気が揮発性ガスで汚染
されている場合には、一般に電流が増加する。その電流
増加（又は減少）は、一般に汚染の程度又は汚染物の濃
度に比例するので、ガス状不純物の濃度を定量的に決定
することができる。
【００３７】本発明の第１〜５実施例は、単純なダイオ
ードモードで作動して、雰囲気がよく制御されていて汚
染源または生じ得る組成変化が予言できる場合、例えば
製造プロセスの監視や他の標準環境の監視などの用途に
特に適している。高インピーダンス回路で測定される正
味直流電流は、実際は準定常電流として記録されるブレ
ークダウンパルスの連続したものであるので、ガスのサ
インと呼ばれるパルス入力に対する電流応答の時間暦
（time history）のスペクトルを信号処理手段により得
ることができる。従って、既知ガスのスペクトルと比較
するなど、スペクトル解析により汚染ガス種を決定する
することができる。
【００３８】第６および第７実施例は、雰囲気がよく制
御されておらず、汚染が予言し得ないような、もっと複
雑な状態での使用に適している。汚染物を決定する一つ
の方法は、間隙クリアランス、第三電極の電位、等の幾
つかの制御し得るセンサー変数に対する若干の考えられ
る汚染物の応答マップを作成する方法がある。応答を既
知ガスの応答と比較することにより、汚染物を特定する
ことができる。更に、複雑な用途において汚染物を鑑定
するために、他のタイプのセンサーおよび更に複雑な解
析方法を組み合わせることもできる。
【００３９】図９は、本発明の原理に基づき製作した二
極ガスセンサーについての代表的なグラフを示す。図
は、監視されているガス（乾燥窒素）中の種々のトルエ
ン濃度に対する電流応答を示す。データは、基準雰囲気
ガスを窒素とし、常温（約２５℃）で採取した。使用し
たセンサーは、マイナス極性で、電極間隙が２５ミクロ
ン、先端部半径が１ミクロンのものである。センサーは
ＤＣ５００ボルトで作動し、応答は即時応答と言えるほ
ど速やかである。不純物としてエタノール、アセトン及
び水蒸気を用いた場合にも同様な曲線が得られた。
【００４０】以上、本発明を説明するために実施例につ
いて述べたが、発明の原理と範囲に反することなしに多
くの変形が可能であることは当業者に明白であろう。例
えば、センサーに複数個の検知ユニットを持たせること
も、また、例えば、全てを単一チップに加工した三電極
およびアクチュエータと、複雑な人工知能的な情報処理
装置を統合するために使用することもでき、あるいは基
板加工に使用する基材をシリコンウエハーでなくガラス
にすることもできる。従って、本発明の範囲は、この明
細書及び均等の教訓に照らして添付請求項で定められも
のであり、上記の特定例に制限されるものではない。
【００４１】
【発明の効果】前記の通りで、本発明は、以下の通りの
望ましい特徴を有する汚染検知あるいはガス組成監視の
ための固体ガスセンサーを提供する。即ち、（ａ）構造
が簡単で小型である、（ｂ）広い温度範囲で作動する、
（ｃ）検知可能なガスが広範囲である、（ｄ）常温（加
熱装置不要）で作動可能である、（ｅ）ある用途で高感
度を示す、（ｆ）応答が速く（1/1000秒）、履歴現象を
殆ど又は全く伴わない、（ｇ）シリコン基板からの微細
加工により低コストで製造可能である、（ｈ）信頼性が
高い、（ｉ）設置および操作が便利である、（ｊ）互換
性ある加工方法により単一チップの上に信号処理ＩＣと
組み合わせて製作することが容易である、等である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの第１実施例を示す構成断面図である。
【図２】図２は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの第２実施例を示す構成断面図である。
【図３】図３は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの第３実施例を示す構成断面図である。
【図４】図４は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの第４実施例を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの第５実施例を示す構成断面図である。
【図６】図６は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの第６実施例を示す構成図である。
【図７】図７は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの第７実施例を示す構成断面図である。
【図８】図８は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーの列を示す概要図である。
【図９】図９は、本発明の原理に基づき作られた固体ガ
スセンサーを使用して得られたセンサー出力とガス種の
濃度との典型的な関係曲線を示すグラフ図である。
【図１０】図１０は、ガスセンサーテストに用いる電気
回路の例を示す図である。
【図１１】図１１は、ガスセンサーテストに用いる電気
回路の別の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 基板 １２ 第一電極 １４ 第二電極 １６ 第三電極 １８ 微細櫛状タイプ静電アクチュエータ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定雰囲気中のガス組成の変化またはガ
    ス状汚染物を検知する固体ガスセンサーであって、
    （ａ）絶縁材からなる基板と、（ｂ）該基板に取り付け
    られた第一電極と、（ｃ）該第一電極の近くに該第一電
    極と離間して該基板に取り付けられていて該第一電極と
    の間に間隙を形成する第二電極とを備え、該間隙内の気
    体分子をイオン化するための電位差が該第一および第二
    電極間に印加され、該第一電極と第二電極がそれぞれ電
    気計測手段に連結されており、ガス組成に汚染あるいは
    変化が生じたときに、該電気測定手段が該ガス組成の汚
    染またはその変化を示す応答電流として検出するように
    構成した固体ガスセンサー。
  2. 【請求項２】 前記第一電極の一端を、先細にした請求
    項１に記載の固体ガスセンサー。
  3. 【請求項３】 前記第二電極を、前記第一電極と同軸で
    円筒状とし前記第一電極の前記第二電極側の先端と前記
    第２電極の円筒状の端面または内面を一定間隙とする請
    求項２に記載の固体ガスセンサー。
  4. 【請求項４】 前記第二電極の端面を、前記第一電極の
    先端を中心として半球状に凹部加工する請求項２に記載
    の固体ガスセンサー。
  5. 【請求項５】 前記第一電極および前記第二電極を前記
    基板上にリソグラフイー加工により形成される請求項１
    に記載の固体ガスセンサー。
  6. 【請求項６】 凸部を有する第一電極と、該第一電極上
    に前記凸部を中心とする開口部を有し電導層となる第二
    電極と、該第二電極と前記第一電極の間に絶縁層を形成
    した固体ガスセンサー。
  7. 【請求項７】 前記第一電極と前記第二電極との間隙を
    変化させる間隙調整手段を、前記第一電極または前記第
    二電極側に設けた請求項１に記載の固体ガスセンサー。
  8. 【請求項８】 前記第一電極と前記第二電極との間に電
    界強度を変化させる第三電極を設けた請求項１に記載の
    固体ガスセンサー。
  9. 【請求項９】 前記第一電極と前記第二電極を前記基板
    上に複数組設けた請求項１に記載の固体ガスセンサー。
  10. 【請求項１０】 前記汚染物質を気体化合物のかわりに
    液状物質とし、前記雰囲気をガスのかわりに電気絶縁流
    体とした請求項１に記載の固体ガスセンサー。
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