JPH11237357A - 半導体ケミカル・センサ - Google Patents
半導体ケミカル・センサInfo
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- JPH11237357A JPH11237357A JP10344119A JP34411998A JPH11237357A JP H11237357 A JPH11237357 A JP H11237357A JP 10344119 A JP10344119 A JP 10344119A JP 34411998 A JP34411998 A JP 34411998A JP H11237357 A JPH11237357 A JP H11237357A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型軽量で非常に化学的特定性が高い化学検
出器を提供する。 【解決手段】 ガス中の化学種を検出する化学的検知器
は、ガス中の化学種を吸着する物質から成る多孔質有機
半導体１４を含む検出素子１０を備えている。化学的検
知器は、更に、バイアス電圧を生成する電源３４と、検
出素子内の空乏領域２２とを備えている。化学種は、バ
イアス電圧の下で、有機半導体を通過して空乏領域内に
浸透し、検出素子の容量変化を起こさせる。光源が、検
出素子に入る前のガスに光を照射する。光は、化学種の
化学的性質を変化させ、有機半導体の吸着選択性を高め
る。化学的検知器は、検出素子の容量変化に基づいて、
ガス中の化学種の存在および濃度を判定することができ
る。化学的検知器は、現場における検査用途に適した携
帯ユニット内に備えることができる。
出器を提供する。 【解決手段】 ガス中の化学種を検出する化学的検知器
は、ガス中の化学種を吸着する物質から成る多孔質有機
半導体１４を含む検出素子１０を備えている。化学的検
知器は、更に、バイアス電圧を生成する電源３４と、検
出素子内の空乏領域２２とを備えている。化学種は、バ
イアス電圧の下で、有機半導体を通過して空乏領域内に
浸透し、検出素子の容量変化を起こさせる。光源が、検
出素子に入る前のガスに光を照射する。光は、化学種の
化学的性質を変化させ、有機半導体の吸着選択性を高め
る。化学的検知器は、検出素子の容量変化に基づいて、
ガス中の化学種の存在および濃度を判定することができ
る。化学的検知器は、現場における検査用途に適した携
帯ユニット内に備えることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学的検知器の分
野に関し、更に特定すれば、半導体化学的検知器に関す
るものである。
野に関し、更に特定すれば、半導体化学的検知器に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】超低濃度の化学物質の測定は、例えば、
戦争における化学薬剤や工業的環境における有毒ガスや
化学物質から人を保護するために必要である。理想的な
化学的検知器とは、小型、軽量で、しかも非常に化学的
特定性および感度が高いものであろう。既知の化学的検
知器のあるものは小型であるが感度や化学的特定性が低
く、一方既知の化学的検知器の他のものは化学的特定性
や感度が高いものの、現場で使用するような用途には大
きすぎる。訓練された犬は、小型で化学的特定性および
感度という要件を満足する。しかしながら、訓練された
犬は、化学薬剤や有毒ガスおよび化学物質を検出するに
は適していない。
戦争における化学薬剤や工業的環境における有毒ガスや
化学物質から人を保護するために必要である。理想的な
化学的検知器とは、小型、軽量で、しかも非常に化学的
特定性および感度が高いものであろう。既知の化学的検
知器のあるものは小型であるが感度や化学的特定性が低
く、一方既知の化学的検知器の他のものは化学的特定性
や感度が高いものの、現場で使用するような用途には大
きすぎる。訓練された犬は、小型で化学的特定性および
感度という要件を満足する。しかしながら、訓練された
犬は、化学薬剤や有毒ガスおよび化学物質を検出するに
は適していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、小型軽量
で、かつ非常に化学的特定性が高い化学検出器が必要と
されている。
で、かつ非常に化学的特定性が高い化学検出器が必要と
されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の必要性
を満たす、化学的検知器およびガス中の化学種（ｓｐｅ
ｃｉｅｓ）検出方法を提供する。この化学的検知器は、
有機半導体物質から成る多孔質層を含む検出素子を備え
ている。有機半導体は、ガス中の化学種が吸着される物
質である。化学的検知器は、検出素子においてバイアス
電圧を生成する電源を備えている。化学種は、バイアス
電圧の下で、有機半導体を通過し有機半導体内の空乏領
域内に浸透する。化学種の吸着および浸透によって、検
出素子の容量（キャパシタンス）変化が生ずる。
を満たす、化学的検知器およびガス中の化学種（ｓｐｅ
ｃｉｅｓ）検出方法を提供する。この化学的検知器は、
有機半導体物質から成る多孔質層を含む検出素子を備え
ている。有機半導体は、ガス中の化学種が吸着される物
質である。化学的検知器は、検出素子においてバイアス
電圧を生成する電源を備えている。化学種は、バイアス
電圧の下で、有機半導体を通過し有機半導体内の空乏領
域内に浸透する。化学種の吸着および浸透によって、検
出素子の容量（キャパシタンス）変化が生ずる。
【０００５】光源が配置され、ガスが検出素子に入射す
る前に、このガスに光を照射する。この光の波長は、化
学種の選択した分子共鳴に対応するように選択する。結
果的に、光が化学種の化学的性質を変化させる。例え
ば、化学的性質の変化は、遊離基（フリーラジカル）の
形成、励起錯生成（ｅｘｃｉｔｅｄ ｃｏｍｐｌｅｘｆ
ｏｒｍａｔｉｏｎ）、または結合（ｂｏｎｄ）の破壊に
よる分子破片（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｆｒａｇｍｅｎ
ｔ）の形成となり得る。化学的性質の変化の結果とし
て、化学的検知器の吸着選択性が高まることになる。
る前に、このガスに光を照射する。この光の波長は、化
学種の選択した分子共鳴に対応するように選択する。結
果的に、光が化学種の化学的性質を変化させる。例え
ば、化学的性質の変化は、遊離基（フリーラジカル）の
形成、励起錯生成（ｅｘｃｉｔｅｄ ｃｏｍｐｌｅｘｆ
ｏｒｍａｔｉｏｎ）、または結合（ｂｏｎｄ）の破壊に
よる分子破片（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｆｒａｇｍｅｎ
ｔ）の形成となり得る。化学的性質の変化の結果とし
て、化学的検知器の吸着選択性が高まることになる。
【０００６】化学的検知器は、化学種の浸透によって発
生する空乏領域における容量変化に基づいて、ガス中の
化学種の存在を判定する手段を備えている。好ましく
は、化学的検知器は、同様に容量変化に基づいて、ガス
中の化学種の濃度を判定する手段も更に備えている。
生する空乏領域における容量変化に基づいて、ガス中の
化学種の存在を判定する手段を備えている。好ましく
は、化学的検知器は、同様に容量変化に基づいて、ガス
中の化学種の濃度を判定する手段も更に備えている。
【０００７】有機半導体は、高分子物質のような電気絶
縁体上に堆積（被着）された、有機半導体物質から成
る。有機半導体物質は、例えば、ヘテロ環式フタロシア
ニン化合物のようなヘテロ環式化合物、または脂肪族化
合物とすることができる。有機半導体の組成は、ガス中
に含有される化学種に対して高度の特定吸着性を備える
ように選択することができる。光源は、この選択性を高
めるものである。
縁体上に堆積（被着）された、有機半導体物質から成
る。有機半導体物質は、例えば、ヘテロ環式フタロシア
ニン化合物のようなヘテロ環式化合物、または脂肪族化
合物とすることができる。有機半導体の組成は、ガス中
に含有される化学種に対して高度の特定吸着性を備える
ように選択することができる。光源は、この選択性を高
めるものである。
【０００８】検出素子は、有機半導体との界面を形成す
る金属電極を備えている。金属電極は多孔質とすること
ができ、あるいは非多孔質とすることも可能である。多
孔質金属電極によって、ガス流が検出素子全体を通過す
ることが可能になる。
る金属電極を備えている。金属電極は多孔質とすること
ができ、あるいは非多孔質とすることも可能である。多
孔質金属電極によって、ガス流が検出素子全体を通過す
ることが可能になる。
【０００９】化学的検知器は、現場における検査用途に
適した、携帯用の手に持って携行するユニット内に備え
ることができる。携帯化学的検知器は、ガスを検出素子
内に引き込むファンを備え、化学物質検出速度を高める
ことができる。
適した、携帯用の手に持って携行するユニット内に備え
ることができる。携帯化学的検知器は、ガスを検出素子
内に引き込むファンを備え、化学物質検出速度を高める
ことができる。
【００１０】本発明による化学的検知器は、小型かつ軽
量であり、しかも高度の化学的特定性で、超低濃度の特
定の化学物質を検出することができる。本発明のこれら
およびその他の特徴、態様および利点は、以下の説明、
特許請求の範囲および添付図面から、より良く理解する
ことができよう。
量であり、しかも高度の化学的特定性で、超低濃度の特
定の化学物質を検出することができる。本発明のこれら
およびその他の特徴、態様および利点は、以下の説明、
特許請求の範囲および添付図面から、より良く理解する
ことができよう。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明は、ガス中の化学種の存在
および濃度を判定する半導体化学的検知器である。ガス
は、携帯半導体化学的検知器を用いて現場で検査され
る、空中浮遊サンプル（ａｉｒｂｏｒｎｅ ｓａｍｐｌ
ｅ）とすることができる。あるいは、半導体化学的検知
器は、試験実験室において用いることができ、例えば、
ガスは検査現場から採取したサンプルとすることができ
る。
および濃度を判定する半導体化学的検知器である。ガス
は、携帯半導体化学的検知器を用いて現場で検査され
る、空中浮遊サンプル（ａｉｒｂｏｒｎｅ ｓａｍｐｌ
ｅ）とすることができる。あるいは、半導体化学的検知
器は、試験実験室において用いることができ、例えば、
ガスは検査現場から採取したサンプルとすることができ
る。
【００１２】図１は、本発明による半導体化学的検知器
の検出素子１０の一実施形態を示す。検出素子１０は、
金属電極１２、金属電極１２に隣接する有機半導体１
４、および有機半導体１４に隣接する多孔質電極１６を
備えている。金属電極１２および有機半導体１４は、そ
れらの間に第１界面１８を形成し、有機半導体１４およ
び多孔質電極１６はそれらの間に第２界面２０を形成す
る。
の検出素子１０の一実施形態を示す。検出素子１０は、
金属電極１２、金属電極１２に隣接する有機半導体１
４、および有機半導体１４に隣接する多孔質電極１６を
備えている。金属電極１２および有機半導体１４は、そ
れらの間に第１界面１８を形成し、有機半導体１４およ
び多孔質電極１６はそれらの間に第２界面２０を形成す
る。
【００１３】ほぼ図示のサイズの空乏領域２２が、金属
電極１２および有機半導体１４において形成される。空
乏領域２２は、検出素子１０が可変コンデンサとして機
能するような誘電体特性を有する。有機半導体物質に結
合する特定の化学種が、多孔質電極１６と金属電極１２
との間にある有機半導体１４を浸透すると、容量が変化
する。他の有機分子は、有機半導体物質上に吸着されな
いので、結果的に容量に影響を及ぼさない。化学種が矢
印Ｐで示すように浸透すると、化学種の前面（フロン
ト）２４は有機半導体１４中を移動する。化学種は、前
面２４と第２界面２０との間にある有機半導体１４の領
域ＣＳ内にある。
電極１２および有機半導体１４において形成される。空
乏領域２２は、検出素子１０が可変コンデンサとして機
能するような誘電体特性を有する。有機半導体物質に結
合する特定の化学種が、多孔質電極１６と金属電極１２
との間にある有機半導体１４を浸透すると、容量が変化
する。他の有機分子は、有機半導体物質上に吸着されな
いので、結果的に容量に影響を及ぼさない。化学種が矢
印Ｐで示すように浸透すると、化学種の前面（フロン
ト）２４は有機半導体１４中を移動する。化学種は、前
面２４と第２界面２０との間にある有機半導体１４の領
域ＣＳ内にある。
【００１４】金属電極１２の外面２８上にオーミック・
コンタクト２６が備えられ、多孔質電極１６の外側の入
射面３２上にオーミック・コンタクト３０が備えられて
いる。
コンタクト２６が備えられ、多孔質電極１６の外側の入
射面３２上にオーミック・コンタクト３０が備えられて
いる。
【００１５】バッテリのような電源３４が、オーミック
・コンタクト２６，３０に電気的に接続されている。電
源３４は、金属電極１２と有機半導体１４との間の第１
界面１８に、バイアス電圧を生成する。
・コンタクト２６，３０に電気的に接続されている。電
源３４は、金属電極１２と有機半導体１４との間の第１
界面１８に、バイアス電圧を生成する。
【００１６】半導体化学的検知器は、気相における化学
種の前面２４の空乏領域２２へのドリフト・レート（ｄ
ｒｉｆｔ ｒａｔｅ）を測定する。バイアス電圧状態下
で空乏領域２２を横切る化学種のドリフト・レートは、
化学種の有機半導体１４を通過する浸透速度によって判
定される。ドリフト・レートは各化学物質特有のもので
あり、したがって、検出素子１０の容量変化の時間速度
も、個々の化学種の特性である。ガス・サンプル中の化
学種の濃度も、化学種の浸透によって空乏領域２２に発
生する容量変化に基づいて判定することができる。した
がって、化学的検知器は、ガス・サンプル内の化学種の
存在および濃度を判定することができる。
種の前面２４の空乏領域２２へのドリフト・レート（ｄ
ｒｉｆｔ ｒａｔｅ）を測定する。バイアス電圧状態下
で空乏領域２２を横切る化学種のドリフト・レートは、
化学種の有機半導体１４を通過する浸透速度によって判
定される。ドリフト・レートは各化学物質特有のもので
あり、したがって、検出素子１０の容量変化の時間速度
も、個々の化学種の特性である。ガス・サンプル中の化
学種の濃度も、化学種の浸透によって空乏領域２２に発
生する容量変化に基づいて判定することができる。した
がって、化学的検知器は、ガス・サンプル内の化学種の
存在および濃度を判定することができる。
【００１７】金属電極１２は、金、銀、プラチナ等で構
成することができる。図１に示す実施形態における金属
電極１２は非多孔質であるので、化学種は金属電極１２
を通過して移動することはない。
成することができる。図１に示す実施形態における金属
電極１２は非多孔質であるので、化学種は金属電極１２
を通過して移動することはない。
【００１８】有機半導体１４は、半導体特性を有する多
孔質材料で構成する。有機半導体１４の組成は、ガス・
サンプル中に含有される被測定化学種を有機半導体１４
上に吸着し、当該化学種に特定のレートで浸透すること
ができるように選択する。化学種は、有機分子または有
機分子の断片（フラグメント）とすることができる。こ
れについては、以下で更に詳しく説明する。有機半導体
物質は、化学的に化学種に結合する。有機半導体物質
は、物理的な一致を達成するために、化学種に対して立
体特異的であることが好ましい。かかる立体特異性を得
ることにより、ガス中に存在し、対象の化学種に類似す
る他の化学種が有機半導体物質上に吸着される可能性を
低下させ、ガス中に存在する被測定化学種の間違った読
み取り値が化学的検知器によって提示される可能性を低
下させる。
孔質材料で構成する。有機半導体１４の組成は、ガス・
サンプル中に含有される被測定化学種を有機半導体１４
上に吸着し、当該化学種に特定のレートで浸透すること
ができるように選択する。化学種は、有機分子または有
機分子の断片（フラグメント）とすることができる。こ
れについては、以下で更に詳しく説明する。有機半導体
物質は、化学的に化学種に結合する。有機半導体物質
は、物理的な一致を達成するために、化学種に対して立
体特異的であることが好ましい。かかる立体特異性を得
ることにより、ガス中に存在し、対象の化学種に類似す
る他の化学種が有機半導体物質上に吸着される可能性を
低下させ、ガス中に存在する被測定化学種の間違った読
み取り値が化学的検知器によって提示される可能性を低
下させる。
【００１９】有機半導体１４は、半導体特性を有する有
機ヘテロ環式化合物で構成することができる。これらの
化合物のバンド・ギャップは、主に、各炭素原子周囲に
位置する電子からのパイ電子エネルギ分離によって決定
される。パイ電子は、炭素結合電子（ｃａｒｂｏｎ−ｂ
ｏｕｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ）と比べると、比較的自由
に有機分子中を移動する。ヘテロ環式化合物に対する化
学結合は比較的弱いが、非常に化学的特定性が高いと考
えられている。環式有機化合物は、循環するパイ電子の
引力によって、有機半導体に引き寄せることができ、こ
の場合、遊離基が環構造のある部分を「解放（ｏｐｅｎ
−ｕｐ）」し、伝導バンド・ギャップを増加させる。そ
の結果、多くのヘテロ環式化合物は半導体となる。
機ヘテロ環式化合物で構成することができる。これらの
化合物のバンド・ギャップは、主に、各炭素原子周囲に
位置する電子からのパイ電子エネルギ分離によって決定
される。パイ電子は、炭素結合電子（ｃａｒｂｏｎ−ｂ
ｏｕｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ）と比べると、比較的自由
に有機分子中を移動する。ヘテロ環式化合物に対する化
学結合は比較的弱いが、非常に化学的特定性が高いと考
えられている。環式有機化合物は、循環するパイ電子の
引力によって、有機半導体に引き寄せることができ、こ
の場合、遊離基が環構造のある部分を「解放（ｏｐｅｎ
−ｕｐ）」し、伝導バンド・ギャップを増加させる。そ
の結果、多くのヘテロ環式化合物は半導体となる。
【００２０】”Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒｓ： Ａ ＣｒｉｔｉｃａｌＴｅｓｔ ｏｆ Ｏ
ｒｇａｎｉｃ Ｐ−Ｎ−ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃ
ｅｌｌｓ”（有機半導体：有機Ｐ−Ｎ光電池の臨界検
査）と題するＧ．Ｒ．Ｂｉｒｄ（Ｇ．Ｒ．バード）によ
る論文に、少なくとも１つの金属原子を組み込んだヘテ
ロ環式フタロシアニン（染料）、および光に晒されると
電流を発生する（光起電効果）、金属原子を含有しない
ペリレンが多数記載されている。また、側鎖を有するフ
タロシアニンの変種を調合し、水素結合の促進を可能と
することも考えられる。これら側鎖の物理的位置によっ
て、化学種の結合は、半導体結合部位に一致する即ち合
致する程度に応じて強くなったりあるいは弱くなったり
する。
ｔｏｒｓ： Ａ ＣｒｉｔｉｃａｌＴｅｓｔ ｏｆ Ｏ
ｒｇａｎｉｃ Ｐ−Ｎ−ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃ
ｅｌｌｓ”（有機半導体：有機Ｐ−Ｎ光電池の臨界検
査）と題するＧ．Ｒ．Ｂｉｒｄ（Ｇ．Ｒ．バード）によ
る論文に、少なくとも１つの金属原子を組み込んだヘテ
ロ環式フタロシアニン（染料）、および光に晒されると
電流を発生する（光起電効果）、金属原子を含有しない
ペリレンが多数記載されている。また、側鎖を有するフ
タロシアニンの変種を調合し、水素結合の促進を可能と
することも考えられる。これら側鎖の物理的位置によっ
て、化学種の結合は、半導体結合部位に一致する即ち合
致する程度に応じて強くなったりあるいは弱くなったり
する。
【００２１】既知の脂肪族化合物にも、半導体的性質お
よび特定化学基吸着特性を呈するものもある。例えば、
（アミノ・プロピル）トリエトキシラン（ｔｒｉｅｔｈ
ｏｘｙｓｉｌａｎｅ）は、化合物に特定の水素結合の多
様性および強度に基づいて、化合物の中でも、ニトロア
ニソル（ｎｉｔｒｏａｎｉｓｏｌｅ）、ニトロトルエン
（ｎｉｔｒｏｔｏｌｕｅｎｅ）、４−フルオロニトロベ
ンゼン（４−ｆｌｕｏｒｏｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎ
ｅ）、ニトロベンゼン（ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）、
およびアセトン（ａｃｅｔｏｎｅ）を分離することがで
きる。
よび特定化学基吸着特性を呈するものもある。例えば、
（アミノ・プロピル）トリエトキシラン（ｔｒｉｅｔｈ
ｏｘｙｓｉｌａｎｅ）は、化合物に特定の水素結合の多
様性および強度に基づいて、化合物の中でも、ニトロア
ニソル（ｎｉｔｒｏａｎｉｓｏｌｅ）、ニトロトルエン
（ｎｉｔｒｏｔｏｌｕｅｎｅ）、４−フルオロニトロベ
ンゼン（４−ｆｌｕｏｒｏｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎ
ｅ）、ニトロベンゼン（ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）、
およびアセトン（ａｃｅｔｏｎｅ）を分離することがで
きる。
【００２２】多孔質電極１６は、無機半導体物質で構成
することができる。有機半導体１４と多孔質電極１６と
の間の第２界面２０における空乏領域の形成を回避する
ために、多孔質電極１６は、高濃度にドープした
（ｎ+）ｎ型物質とすることができる。例えば、有機半
導体１４がｎ型物質である場合、多孔質電極１６はシリ
コンから成る、エッチングした格子構造とすることがで
きる。シリコンには、Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のようなドナー
を高濃度にドープすることができる。
することができる。有機半導体１４と多孔質電極１６と
の間の第２界面２０における空乏領域の形成を回避する
ために、多孔質電極１６は、高濃度にドープした
（ｎ+）ｎ型物質とすることができる。例えば、有機半
導体１４がｎ型物質である場合、多孔質電極１６はシリ
コンから成る、エッチングした格子構造とすることがで
きる。シリコンには、Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のようなドナー
を高濃度にドープすることができる。
【００２３】多孔質電極１６は、化学種を入力面３２か
ら第２界面２０に容易に移動させる。多孔質電極１６の
孔径を様々に変化させて、異なるサイズの被測定有機分
子の通過を可能にすることができる。例えば、孔径は約
１０μｍから約１００μｍの範囲とすることができる。
ら第２界面２０に容易に移動させる。多孔質電極１６の
孔径を様々に変化させて、異なるサイズの被測定有機分
子の通過を可能にすることができる。例えば、孔径は約
１０μｍから約１００μｍの範囲とすることができる。
【００２４】図２を参照すると、半導体化学的検知器
は、バイアス電圧状態下の第１界面１８における容量変
化の時間速度を判定する手段を備えている。この容量変
化は、有機半導体１４内の特定の化学種の存在に関係付
けることができる。図示のように、検出素子１０は、判
別回路３８内の可変第１コンデンサ３６として表されて
いる。第１ＬＣ回路４２内のコンデンサ３６および第１
インダクタ４０は、第２ＬＣ回路４８内の可変第２コン
デンサ４４および第２インダクタ４６に接続されてい
る。第１コンデンサ３６は容量Ｃ1を有し、第１インダ
クタ４０はインダクタンスＬ1を有する。第１ＬＣ回路
４２の共振周波数ｆ1は、ｆ1＝（１／２πＬ1Ｃ1）1/2
で与えられる。同様に、第２コンデンサ４４は容量Ｃ2
を有し、第２インダクタ４６はインダクタンスＬ2を有
し、第２ＬＣ回路４８の共振周波数ｆ2は、ｆ2＝（１／
２πＬ2Ｃ2）1/2で与えられる。回路４２，４８は同調
可能である。化学種が第２界面２０と第１界面１８との
間の有機半導体１４（図１）を浸透すると、空乏領域２
２の容量が変化し、Ｃ1は量ΔＣ1だけ変化する。この容
量変化によって、積Ｌ2Ｃ2は積Ｌ1（Ｃ1＋ΔＣ1）に対
して不均衡となる。１対のダイオード５０，５２が回路
４２，４８に接続されている。容量変化ΔＣ1による周
波数変化のために、各ダイオード５０，５２の電流およ
び関連する電圧Ｖ1，Ｖ2も、｜Ｖ1−Ｖ2｜という差だけ
不均衡となる。この差は、較正されたセンターヌル電圧
計（ｃｅｎｔｅｒ−ｎｕｌｌ ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ）５
４を用いて測定することができる。定常状態に到達した
（入力面３２と前面２４との間の化学種の濃度がほぼ一
定）場合、周波数の偏位が安定化し、電圧計５４の公称
状態からの偏差が空乏領域２２内の化学種の数に比例す
る。この偏差値、および容量変化が発生した時間期間に
わたって検出素子１０に入った化学種を含むガス・サン
プルの体積を用いて、ガス・サンプル内の化学種の濃度
を判定することができる。
は、バイアス電圧状態下の第１界面１８における容量変
化の時間速度を判定する手段を備えている。この容量変
化は、有機半導体１４内の特定の化学種の存在に関係付
けることができる。図示のように、検出素子１０は、判
別回路３８内の可変第１コンデンサ３６として表されて
いる。第１ＬＣ回路４２内のコンデンサ３６および第１
インダクタ４０は、第２ＬＣ回路４８内の可変第２コン
デンサ４４および第２インダクタ４６に接続されてい
る。第１コンデンサ３６は容量Ｃ1を有し、第１インダ
クタ４０はインダクタンスＬ1を有する。第１ＬＣ回路
４２の共振周波数ｆ1は、ｆ1＝（１／２πＬ1Ｃ1）1/2
で与えられる。同様に、第２コンデンサ４４は容量Ｃ2
を有し、第２インダクタ４６はインダクタンスＬ2を有
し、第２ＬＣ回路４８の共振周波数ｆ2は、ｆ2＝（１／
２πＬ2Ｃ2）1/2で与えられる。回路４２，４８は同調
可能である。化学種が第２界面２０と第１界面１８との
間の有機半導体１４（図１）を浸透すると、空乏領域２
２の容量が変化し、Ｃ1は量ΔＣ1だけ変化する。この容
量変化によって、積Ｌ2Ｃ2は積Ｌ1（Ｃ1＋ΔＣ1）に対
して不均衡となる。１対のダイオード５０，５２が回路
４２，４８に接続されている。容量変化ΔＣ1による周
波数変化のために、各ダイオード５０，５２の電流およ
び関連する電圧Ｖ1，Ｖ2も、｜Ｖ1−Ｖ2｜という差だけ
不均衡となる。この差は、較正されたセンターヌル電圧
計（ｃｅｎｔｅｒ−ｎｕｌｌ ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ）５
４を用いて測定することができる。定常状態に到達した
（入力面３２と前面２４との間の化学種の濃度がほぼ一
定）場合、周波数の偏位が安定化し、電圧計５４の公称
状態からの偏差が空乏領域２２内の化学種の数に比例す
る。この偏差値、および容量変化が発生した時間期間に
わたって検出素子１０に入った化学種を含むガス・サン
プルの体積を用いて、ガス・サンプル内の化学種の濃度
を判定することができる。
【００２５】また、半導体化学的検知器は、容量変化に
基づいて、化学種の化合物の種類を分類する手段を備え
ることが好ましい。化学種の同一性は、抵抗５８、コン
デンサ６０および電圧計６２を含む出力微分回路５６を
用いて、電圧差｜Ｖ1−Ｖ2｜をＲＣ時定数で微分するこ
とによって判定することができる。得られた曲線｜Ｖ 1
−Ｖ2｜／Δｔの傾斜を用いて、半導体化学的検知器の
較正の間に当該化学種に対して発生した所定のデータと
この傾斜を比較することにより、この化学種の存在を判
定することができる。異なる化学種についてデータが得
られる場合、実際の検出の間に発生する傾斜に基づい
て、これらの化学種を識別することができる。
基づいて、化学種の化合物の種類を分類する手段を備え
ることが好ましい。化学種の同一性は、抵抗５８、コン
デンサ６０および電圧計６２を含む出力微分回路５６を
用いて、電圧差｜Ｖ1−Ｖ2｜をＲＣ時定数で微分するこ
とによって判定することができる。得られた曲線｜Ｖ 1
−Ｖ2｜／Δｔの傾斜を用いて、半導体化学的検知器の
較正の間に当該化学種に対して発生した所定のデータと
この傾斜を比較することにより、この化学種の存在を判
定することができる。異なる化学種についてデータが得
られる場合、実際の検出の間に発生する傾斜に基づい
て、これらの化学種を識別することができる。
【００２６】図３に示すように、半導体化学的検知器
は、現場における検査の用途に適した、携帯ハンド・ヘ
ルド化学検知装置７０とすることができる。化学検知装
置７０は、対向端７４，７６を有するロッド７２のよう
な、細長い支持部材を備えることができる。端部７４
に、ユーザが把持するためのハンドル７８を備えること
ができる。検出素子１０および半導体化学的検知器のそ
の他の回路は、ロッド７２の端部７６に配置することが
できる。図２に示す回路は、標準的なトランジスタ容器
に収容することができる。遮壁のようなカバー８０が、
検出素子１０を部分的に包囲することができる。典型的
には、吸引ファン８２を備えて、カバー８０の内側空間
８４内に周囲の雰囲気を送り込み、検出率を高める。フ
ァン８２の動作を較正し、既知の体積流速のガス・サン
プルを検出素子１０内に引き込むようにすることができ
る。したがって、ガス・サンプル内の化学種の濃度は、
電圧差｜Ｖ1−Ｖ2｜、ガスの体積流量、およびサンプリ
ングの時間期間に基づいて判定することができる。
は、現場における検査の用途に適した、携帯ハンド・ヘ
ルド化学検知装置７０とすることができる。化学検知装
置７０は、対向端７４，７６を有するロッド７２のよう
な、細長い支持部材を備えることができる。端部７４
に、ユーザが把持するためのハンドル７８を備えること
ができる。検出素子１０および半導体化学的検知器のそ
の他の回路は、ロッド７２の端部７６に配置することが
できる。図２に示す回路は、標準的なトランジスタ容器
に収容することができる。遮壁のようなカバー８０が、
検出素子１０を部分的に包囲することができる。典型的
には、吸引ファン８２を備えて、カバー８０の内側空間
８４内に周囲の雰囲気を送り込み、検出率を高める。フ
ァン８２の動作を較正し、既知の体積流速のガス・サン
プルを検出素子１０内に引き込むようにすることができ
る。したがって、ガス・サンプル内の化学種の濃度は、
電圧差｜Ｖ1−Ｖ2｜、ガスの体積流量、およびサンプリ
ングの時間期間に基づいて判定することができる。
【００２７】検査結果の読取値を与える装置を、化学検
知装置７０内に含ませることができる（図示せず）。前
述のように、半導体化学的検知器の化学選択性は、個々
の化学種が有機半導体を通過する浸透率（パーコレーシ
ョン・レート）に依存する。この浸透率は、各化学種に
固有の値である。有機半導体１４上における化学種の選
択的吸着性を高めることによって、化学的選択性を向上
させるため、および背景信号を減少させるために、化学
検知装置７０は、光源８６を備え、ガス・サンプルが多
孔質電極１６の入力面３２を通って検出素子に入る前
に、ガス・サンプルに光子を照射することが好ましい。
光の波長（または複数の波長）は、特定の分子共鳴に対
応し、化学種の化学的性質にある種の変化を起こさせる
ように選択する。性質の変化は、半導体化学的検知器に
よって検出することができる。例えば、化学的変化は、
化学種内の結合を破壊することによる分子断片の形成、
遊離基の形成、パイ電子の活性化または励起錯生成が可
能である。分子断片、遊離基および励起錯体は、化学的
検知器によって検出することができる。吸着選択性を高
めることにより、化学種に照射しない場合には検出する
ことができないような化学種も、化学的検知器は検出す
ることが可能となる。また、光を用いない場合、検出可
能ではあるが、化学的特定性のレベルが非常に低い化学
種の検出も、光によって改善することができる。光を使
用すると、ガス・サンプル内の所与の量の化学種に対す
る化学的検知器における容量変化が大きくなるため、化
学的検知器による所与の化学種の検出は、より低いレベ
ルでも可能となり、化学種検出の確実性および精度向上
が得られる。化学種検出プロセスを光パルスと同期させ
ることによって、化学的特定性が高く、かつ感度が高い
化学検出を行うことが可能となる。
知装置７０内に含ませることができる（図示せず）。前
述のように、半導体化学的検知器の化学選択性は、個々
の化学種が有機半導体を通過する浸透率（パーコレーシ
ョン・レート）に依存する。この浸透率は、各化学種に
固有の値である。有機半導体１４上における化学種の選
択的吸着性を高めることによって、化学的選択性を向上
させるため、および背景信号を減少させるために、化学
検知装置７０は、光源８６を備え、ガス・サンプルが多
孔質電極１６の入力面３２を通って検出素子に入る前
に、ガス・サンプルに光子を照射することが好ましい。
光の波長（または複数の波長）は、特定の分子共鳴に対
応し、化学種の化学的性質にある種の変化を起こさせる
ように選択する。性質の変化は、半導体化学的検知器に
よって検出することができる。例えば、化学的変化は、
化学種内の結合を破壊することによる分子断片の形成、
遊離基の形成、パイ電子の活性化または励起錯生成が可
能である。分子断片、遊離基および励起錯体は、化学的
検知器によって検出することができる。吸着選択性を高
めることにより、化学種に照射しない場合には検出する
ことができないような化学種も、化学的検知器は検出す
ることが可能となる。また、光を用いない場合、検出可
能ではあるが、化学的特定性のレベルが非常に低い化学
種の検出も、光によって改善することができる。光を使
用すると、ガス・サンプル内の所与の量の化学種に対す
る化学的検知器における容量変化が大きくなるため、化
学的検知器による所与の化学種の検出は、より低いレベ
ルでも可能となり、化学種検出の確実性および精度向上
が得られる。化学種検出プロセスを光パルスと同期させ
ることによって、化学的特定性が高く、かつ感度が高い
化学検出を行うことが可能となる。
【００２８】例えば、ガス・サンプルが検出素子１０に
入る直前に、レーザ・ダイオードのような光源からの可
視光または近紫外線光をガス・サンプルに照射すること
ができる。光源は、携帯化学的検知器または非携帯化学
的検知器において使用可能である。
入る直前に、レーザ・ダイオードのような光源からの可
視光または近紫外線光をガス・サンプルに照射すること
ができる。光源は、携帯化学的検知器または非携帯化学
的検知器において使用可能である。
【００２９】検出素子１０内の空乏領域２２の容量は、
化学種が第２界面２０と第１界面１８との間の有機半導
体１４を浸透するに連れて変化する。半導体化学的検知
器は、化学種の前面２４が一旦第１界面１８に到達し、
容量変化が停止したなら、飽和した可能性がある。電圧
バイアスを逆にするか、または光パルスによって半導体
化学的検知器を加熱することにより、飽和状態から脱
し、連続動作を可能にすることができる。
化学種が第２界面２０と第１界面１８との間の有機半導
体１４を浸透するに連れて変化する。半導体化学的検知
器は、化学種の前面２４が一旦第１界面１８に到達し、
容量変化が停止したなら、飽和した可能性がある。電圧
バイアスを逆にするか、または光パルスによって半導体
化学的検知器を加熱することにより、飽和状態から脱
し、連続動作を可能にすることができる。
【００３０】図４は、本発明による半導体化学的検知器
の検出素子の別の実施形態を示す。検出素子９０は、多
孔質金属電極９２、中間層９４および多孔質無機半導体
電極９６を備えている。多孔質金属電極９２は、無機半
導体電極９６の入力面９８と多孔質金属電極９２の出力
面１００との間で、半導体化学的検知器を通過するガス
流を可能とし、化学的検知器はガス流検知器（ｆｌｏｗ
ｉｎｇ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ）となる。また、検出素
子９０は、バイアス電圧を生成する電源１０４、および
電気コンタクトを与えるオーミック・コンタクト１０６
も備えている。
の検出素子の別の実施形態を示す。検出素子９０は、多
孔質金属電極９２、中間層９４および多孔質無機半導体
電極９６を備えている。多孔質金属電極９２は、無機半
導体電極９６の入力面９８と多孔質金属電極９２の出力
面１００との間で、半導体化学的検知器を通過するガス
流を可能とし、化学的検知器はガス流検知器（ｆｌｏｗ
ｉｎｇ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ）となる。また、検出素
子９０は、バイアス電圧を生成する電源１０４、および
電気コンタクトを与えるオーミック・コンタクト１０６
も備えている。
【００３１】図１の半導体化学的検知器の検出素子１０
の有機半導体１４は、中性絶縁メッシュ基板のような基
板と、このメッシュ基板上に堆積されたヘテロ環式化合
物のような有機半導体物質とから成る中間層９４と置換
することができる。メッシュ基板は、絶縁性を与え、有
機半導体物質に結合可能な組成を有する。例えば、メッ
シュ基板は、ナイロンおよびその他の同様の高分子物質
とすることができる。また、メッシュ基板は、中間層９
４の強度を増加させるものでもある。
の有機半導体１４は、中性絶縁メッシュ基板のような基
板と、このメッシュ基板上に堆積されたヘテロ環式化合
物のような有機半導体物質とから成る中間層９４と置換
することができる。メッシュ基板は、絶縁性を与え、有
機半導体物質に結合可能な組成を有する。例えば、メッ
シュ基板は、ナイロンおよびその他の同様の高分子物質
とすることができる。また、メッシュ基板は、中間層９
４の強度を増加させるものでもある。
【００３２】金属メッシュ電極９２およびメッシュ電極
９６は、検出素子１０における場合と同じ組成を有する
ことができる。空乏領域１０８が、多孔質金属電極９２
と無機半導体電極９６との間の中間層９４内に形成され
る。検出素子９０の電気的容量（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ｃａｐａｃｉｔｙ）は、化学種が中間層９４内の有機
半導体上に吸着されるにしたがって、時間と共に変化
し、良好なまたは劣った半導体となり、その結果検出素
子９０の容量が変化する。
９６は、検出素子１０における場合と同じ組成を有する
ことができる。空乏領域１０８が、多孔質金属電極９２
と無機半導体電極９６との間の中間層９４内に形成され
る。検出素子９０の電気的容量（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ
ｃａｐａｃｉｔｙ）は、化学種が中間層９４内の有機
半導体上に吸着されるにしたがって、時間と共に変化
し、良好なまたは劣った半導体となり、その結果検出素
子９０の容量が変化する。
【００３３】光源を用いて光活性機構を促進するのは、
この実施形態の利点である。光の波長は、有機分子内の
ある種の結合を破壊して分子断片を生成し、これを半導
体化学的検知器で検出可能とするように選択することが
できる。
この実施形態の利点である。光の波長は、有機分子内の
ある種の結合を破壊して分子断片を生成し、これを半導
体化学的検知器で検出可能とするように選択することが
できる。
【００３４】本発明の動作に関する物理的な基礎につい
て、以下に説明する。図５は、印加電圧がゼロの状態に
おける金属と半導体との間の典型的な空乏帯域を示す。
ｑΦ mは金属の仕事関数、Ｅc，ＥF，およびＥvは、それ
ぞれ、伝導帯の下端、フェルミ・レベルおよび価電子帯
の上端におけるエネルギ、ｑＶmCは、金属の仕事関数と
伝導帯エネルギの下端との間のエネルギ差である。本質
的に、空乏領域の厚さは、金属と、Ｅcが定数に近づく
距離との間の距離となる。
て、以下に説明する。図５は、印加電圧がゼロの状態に
おける金属と半導体との間の典型的な空乏帯域を示す。
ｑΦ mは金属の仕事関数、Ｅc，ＥF，およびＥvは、それ
ぞれ、伝導帯の下端、フェルミ・レベルおよび価電子帯
の上端におけるエネルギ、ｑＶmCは、金属の仕事関数と
伝導帯エネルギの下端との間のエネルギ差である。本質
的に、空乏領域の厚さは、金属と、Ｅcが定数に近づく
距離との間の距離となる。
【００３５】図６および図７は、それぞれ、順方向バイ
アス（ＶF）状態および逆方向バイアス（ＶR）状態にお
ける、これらのエネルギの関係を示す。金属電極と接触
して配置された半導体において、電子およびホールの集
団は、境界近傍において、全体的な電荷の中和を維持す
るように、自己調節する。幅Ｗを有する空乏領域が、金
属電極と半導体との間の界面に形成される。
アス（ＶF）状態および逆方向バイアス（ＶR）状態にお
ける、これらのエネルギの関係を示す。金属電極と接触
して配置された半導体において、電子およびホールの集
団は、境界近傍において、全体的な電荷の中和を維持す
るように、自己調節する。幅Ｗを有する空乏領域が、金
属電極と半導体との間の界面に形成される。
【００３６】
【数１】
【００３７】ここで、∈’S＝∈S・∈0は、半導体媒体
の相対誘電率（例えば、Ｓｉでは∈’S 〜１２）、ＶmC
は、金属仕事関数と、半導体内の伝導帯の下端における
エネルギとの間のエネルギ差（ボルト）、Ｖは印加され
るバイアス電圧、ｑは電荷、ｋＴ／ｑは熱エネルギ、Ｎ
Dは全ドナー濃度（分子／体積）、および∈0は真空の誘
電率である。典型的な空乏層の厚さは約１０-4ｃｍであ
る。
の相対誘電率（例えば、Ｓｉでは∈’S 〜１２）、ＶmC
は、金属仕事関数と、半導体内の伝導帯の下端における
エネルギとの間のエネルギ差（ボルト）、Ｖは印加され
るバイアス電圧、ｑは電荷、ｋＴ／ｑは熱エネルギ、Ｎ
Dは全ドナー濃度（分子／体積）、および∈0は真空の誘
電率である。典型的な空乏層の厚さは約１０-4ｃｍであ
る。
【００３８】半導体の容量が主に半導体の空乏層によっ
て決定される場合、Ｃ＝∈S／Ｗ、そして一定のインダ
クタＬを有する発振器は、以下の周波数ｆで共振する。
て決定される場合、Ｃ＝∈S／Ｗ、そして一定のインダ
クタＬを有する発振器は、以下の周波数ｆで共振する。
【００３９】
【数２】
【００４０】ここで、Ａはコンデンサの有効面積であ
る。有効誘電率に関する周波数シフトは、以下の式で与
えられる。
る。有効誘電率に関する周波数シフトは、以下の式で与
えられる。
【００４１】
【数３】
【００４２】この量の変化は、個々の分極の加成性（ａ
ｄｄｉｔｉｖｉｔｙ）を仮定するクラウジウス‐モソッ
ティ（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｅｔｔｉ）の式を用い
て、化学種の個数密度（ｎｕｍｂｅｒ ｄｅｎｓｉｔ
ｙ）の変化として表すことができる。
ｄｄｉｔｉｖｉｔｙ）を仮定するクラウジウス‐モソッ
ティ（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｅｔｔｉ）の式を用い
て、化学種の個数密度（ｎｕｍｂｅｒ ｄｅｎｓｉｔ
ｙ）の変化として表すことができる。
【００４３】
【数４】
【００４４】ここで、αは分子の分極率を表し、想定し
た分子の等方性（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃｉｔｙ）から分母
における係数３が得られ、下付き文字０，１は、それぞ
れ、化学種を検出する前および化学種を有する検出媒体
を示す。式４から∈における一次変化が得られ、ｎ1は
δｎで置換される。
た分子の等方性（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃｉｔｙ）から分母
における係数３が得られ、下付き文字０，１は、それぞ
れ、化学種を検出する前および化学種を有する検出媒体
を示す。式４から∈における一次変化が得られ、ｎ1は
δｎで置換される。
【００４５】
【数５】
【００４６】２番目の等式において、δは、空乏層への
ドリフト距離ｄとコンデンサの有効面積Ａとの積によっ
て除算された化学種の数Δｎの追加によって置換されて
いる。誘発された化学種の分極率のために、バイアス電
圧の影響下で、化学種は空乏領域にドリフトする。時間
δｔ内において、量ｎの化学種が空乏領域内にドリフト
する。
ドリフト距離ｄとコンデンサの有効面積Ａとの積によっ
て除算された化学種の数Δｎの追加によって置換されて
いる。誘発された化学種の分極率のために、バイアス電
圧の影響下で、化学種は空乏領域にドリフトする。時間
δｔ内において、量ｎの化学種が空乏領域内にドリフト
する。
【００４７】
【数６】
【００４８】ここで、Ｋは表面分散係数（ｓｕｒｆａｃ
ｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎ
ｔ）であり、化学種の捕獲を記述し、ｎiは検出素子の
入力面における化学種の平衡濃度であり、Ａは検出素子
の有効面積であり、μは化学種が多孔質半導体中に浸透
する際の移動度である。
ｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎ
ｔ）であり、化学種の捕獲を記述し、ｎiは検出素子の
入力面における化学種の平衡濃度であり、Ａは検出素子
の有効面積であり、μは化学種が多孔質半導体中に浸透
する際の移動度である。
【００４９】式６によれば、Ｋが増加するに連れて、Δ
ｎ／Ｓｔも増加する。この増加は、化学種の半導体を通
過するドリフト速度の上昇に関係し、更に、検出素子に
おける容量変化率の増加にも関係する。
ｎ／Ｓｔも増加する。この増加は、化学種の半導体を通
過するドリフト速度の上昇に関係し、更に、検出素子に
おける容量変化率の増加にも関係する。
【００５０】式３，５，および６を組み合わせると、発
振器の周波数は時間と共に指数的に変化することが示さ
れる。
振器の周波数は時間と共に指数的に変化することが示さ
れる。
【００５１】
【数７】
【００５２】式６および式７は近似であり、化学種の逆
浸透（ｒｅｖｅｒｓｅ ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ）を考
慮に入れていない。この逆浸透は、化学種の濃度、およ
び定常状態の条件を決定するその他の要因によって異な
る。定常状態の周波数偏位は、経験的なものとして見な
すことができ、経験的に判定することができる。式７
は、周波数変化率および化学種の性質、即ち、固定バイ
アス電圧に対するガス・サンプル内の化学種の移動度、
分極率、および濃度の積を関係付けるので有用である。
浸透（ｒｅｖｅｒｓｅ ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ）を考
慮に入れていない。この逆浸透は、化学種の濃度、およ
び定常状態の条件を決定するその他の要因によって異な
る。定常状態の周波数偏位は、経験的なものとして見な
すことができ、経験的に判定することができる。式７
は、周波数変化率および化学種の性質、即ち、固定バイ
アス電圧に対するガス・サンプル内の化学種の移動度、
分極率、および濃度の積を関係付けるので有用である。
【００５３】一例として、化学的検知器は、ガス・サン
プル内のコカインの存在を検査するために用いることが
できる。化学的検知器７０のような携帯化学的検知器を
用いることとし、ガスは、較正された吸引ファンを用い
て、既知の流速で検出素子（１０または９０）内に引き
込むことができる。ベンゾル（Ｃ6Ｈ5ＣＯ）基とエクゴ
ニン（Ｃ9Ｈ15ＮＯ2）基との間の結合を切断するように
作用する波長の光を、ガス・サンプルに照射する。波長
は、約６．６９μｍとすることができる。他の波長を用
いて、コカイン分子の化学性質に別の変化を起こさせる
ことも可能である。例えば、６．８７ないし６．６２μ
ｍの範囲の波長を用いることができる。半導体フタロシ
アニン分子を合成し、コカインの断片に選択的に結合す
るが、一致する幾何学的形状を有さないその他の種を拒
絶する、水素結合側鎖を含ませることができる。コカイ
ン分子または断片が有機半導体内に浸透するに連れて、
検出素子の容量が変化し、変化率および変化の大きさ
は、それぞれ、前述の式（７）にしたがって、図２に示
したような電気回路によって生成される測定値に基づい
て、ガス中のコカイン分子の存在および濃度と相関付け
ることができる。
プル内のコカインの存在を検査するために用いることが
できる。化学的検知器７０のような携帯化学的検知器を
用いることとし、ガスは、較正された吸引ファンを用い
て、既知の流速で検出素子（１０または９０）内に引き
込むことができる。ベンゾル（Ｃ6Ｈ5ＣＯ）基とエクゴ
ニン（Ｃ9Ｈ15ＮＯ2）基との間の結合を切断するように
作用する波長の光を、ガス・サンプルに照射する。波長
は、約６．６９μｍとすることができる。他の波長を用
いて、コカイン分子の化学性質に別の変化を起こさせる
ことも可能である。例えば、６．８７ないし６．６２μ
ｍの範囲の波長を用いることができる。半導体フタロシ
アニン分子を合成し、コカインの断片に選択的に結合す
るが、一致する幾何学的形状を有さないその他の種を拒
絶する、水素結合側鎖を含ませることができる。コカイ
ン分子または断片が有機半導体内に浸透するに連れて、
検出素子の容量が変化し、変化率および変化の大きさ
は、それぞれ、前述の式（７）にしたがって、図２に示
したような電気回路によって生成される測定値に基づい
て、ガス中のコカイン分子の存在および濃度と相関付け
ることができる。
【００５４】本発明による半導体化学的検知器は、広範
囲の用途においてガス中の被疑化学種を検出するために
用いることができる。例えば、半導体化学的検知器は、
空気中、地中および地下水中のトリクロロエチレンのよ
うな有毒化学物質に対する環境監視、変圧器、タービン
および航空機のような機器のステータス判定、内燃機関
のＯ2、ＮＯ2および炭化水素に関する排気ガス分析、空
港の入り口における携帯監視装置として違法の麻薬、爆
発物、麻薬製造の摘発、ＣＯや天然ガスのような家庭に
おける危険物に対する安価な検知器、物質分離、製造お
よび排棄工程管理を含む化学的プロセスの危険監視（ｃ
ｒｉｔｉｃａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）、イオン、ｐ
Ｈ、ｐＯ2，ｐＣＯ2、グルコース等の化学的濃度の生体
内検知、ならびに複雑な化学反応の研究に用いることが
できる。
囲の用途においてガス中の被疑化学種を検出するために
用いることができる。例えば、半導体化学的検知器は、
空気中、地中および地下水中のトリクロロエチレンのよ
うな有毒化学物質に対する環境監視、変圧器、タービン
および航空機のような機器のステータス判定、内燃機関
のＯ2、ＮＯ2および炭化水素に関する排気ガス分析、空
港の入り口における携帯監視装置として違法の麻薬、爆
発物、麻薬製造の摘発、ＣＯや天然ガスのような家庭に
おける危険物に対する安価な検知器、物質分離、製造お
よび排棄工程管理を含む化学的プロセスの危険監視（ｃ
ｒｉｔｉｃａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）、イオン、ｐ
Ｈ、ｐＯ2，ｐＣＯ2、グルコース等の化学的濃度の生体
内検知、ならびに複雑な化学反応の研究に用いることが
できる。
【００５５】以上、本発明をその好適な形態のあるもの
を参照しながら詳しく説明したが、その他の形態も可能
である。したがって、請求項の範囲は、ここに含まれる
好適な実施の記載に限定されるものではない。
を参照しながら詳しく説明したが、その他の形態も可能
である。したがって、請求項の範囲は、ここに含まれる
好適な実施の記載に限定されるものではない。
【図１】本発明による半導体化学的検知器の検出素子の
断面図である。
断面図である。
【図２】本発明による半導体化学的検知器に用いるため
の電気回路の回路図である。
の電気回路の回路図である。
【図３】本発明による携帯半導体化学検知装置を示す図
である。
である。
【図４】本発明による半導体化学的検知器の検出素子の
別の実施形態の断面図である。
別の実施形態の断面図である。
【図５】ゼロ・バイアス電圧状態における、典型的な金
属半導体接合部のエネルギ・バンド図である。
属半導体接合部のエネルギ・バンド図である。
【図６】順方向バイアス状態における、図４のエネルギ
・バンド図を示す。
・バンド図を示す。
【図７】逆バイアス状態における、図４のエネルギ・バ
ンド図を示す。
ンド図を示す。
１０，９０ 検出素子 １２ 金属電極 １４ 有機半導体 １６ 多孔質電極 １８ 第１界面 ２０ 第２界面 ２２ 空乏領域 ２４ 化学種の前面 ２６，３０，１０６ オーミック・コンタクト ２８ 金属電極の外面 ３２ 入力面 ３４，１０４ 電源
Claims (25)
- 【請求項１】 ガス中の化学種を検出するための半導体
化学的検知器であって、 ａ）検出素子であって、 ｉ）入力面と、 ｉｉ）有機半導体物質から成り、その上に前記化学種を
吸着する多孔質層であって、空乏領域を有する多孔質層
と、から成る検出素子と、 ｂ）前記検出素子に電気的に接続され、前記検出素子内
にバイアス電圧を生成し、該バイアス電圧の下で前記化
学種が前記多孔質層を通して前記空乏領域に浸透し、前
記検出素子の容量を変化させるようにする電源と、 ｃ）前記ガスが前記入力面から前記検出素子に入る前
に、前記ガスに光を照射するように配置された光源であ
って、前記化学種の化学的性質を変化させるように作用
する少なくとも１つの光波長を放出し、前記化学種に対
する前記有機半導体物質の吸着選択性を高める光源と、 ｄ）前記空乏領域の容量変化に基づいて、前記ガス中の
前記化学種の存在を判定する手段と、を備える半導体化
学的検知器。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体化学的検知器にお
いて、前記検出素子が、 ｉ）前記多孔質層と第１界面を形成する金属電極と、 ｉｉ）前記多孔質層と第２界面を形成する無機半導体物
質から成る多孔質電極であって、前記入力面を含む多孔
質電極と、を備える半導体化学的検知器。 - 【請求項３】 請求項１記載の半導体化学的検知器であ
って、更に、前記空乏領域の容量変化に基づいて、前記
ガス中の前記化学種の濃度を判定する手段を備える半導
体化学的検知器。 - 【請求項４】 請求項１記載の半導体化学的検知器にお
いて、前記有機半導体がｎ型物質であり、メッシュ電極
が、高濃度にドープされたｎ型シリコン物質から成る半
導体化学的検知器。 - 【請求項５】 請求項１記載の半導体化学的検知器であ
って、更に、前記入力面を通して前記検出素子内に前記
ガスを引き込む手段を備える半導体化学的検知器。 - 【請求項６】 請求項１記載の半導体化学的検知器にお
いて、前記光源がレーザ・ダイオードを備える半導体化
学的検知器。 - 【請求項７】 請求項１記載の半導体化学的検知器にお
いて、前記金属電極が非多孔質である半導体化学的検知
器。 - 【請求項８】 請求項１記載の半導体化学的検知器にお
いて、前記金属電極が多孔質である半導体化学的検知
器。 - 【請求項９】 請求項１記載の半導体化学的検知器にお
いて、前記多孔質層が、多孔質絶縁基板上の前記有機半
導体物質から成る半導体化学的検知器。 - 【請求項１０】 請求項１記載の半導体化学的検知器に
おいて、前記有機半導体が、ヘテロ環式化合物から成る
半導体化学的検知器。 - 【請求項１１】 請求項１記載の半導体化学的検知器に
おいて、前記有機半導体が、脂肪族化合物から成る半導
体化学的検知器。 - 【請求項１２】 ガス中の化学種を検出するための半導
体化学的検知器であって、 ａ）検出素子であって、 ｉ）多孔質金属電極と、 ｉｉ）前記金属電極と第１界面を形成する多孔質層であ
って、有機半導体物質から成り、その上に前記化学種を
吸着する多孔質層と、 ｉｉｉ）中間層と第２界面を形成する多孔質メッシュ電
極であって、入力面を有するメッシュ電極と、を含む検
出素子と、 ｂ）前記検出素子内にバイアス電圧を生成し、該バイア
ス電圧の下で前記化学種が前記有機半導体を通して前記
空乏領域内に浸透することにより、前記検出素子の容量
変化を生じさせるようにした電源と、 ｃ）前記ガスが前記メッシュ電極の前記入力面から前記
検出素子に入る前に、前記ガスに光を照射するように配
置された光源であって、前記化学種の分子共鳴に対応す
る波長の光を放出し、前記化学種に対する前記有機半導
体物質の吸着選択性を高める光源と、 ｄ）前記空乏領域の容量変化に基づいて、前記ガス中の
前記化学種の存在を判定する手段と、 ｅ）前記空乏領域の容量変化に基づいて、前記ガス中の
前記化学種の濃度を判定する手段と、を備える半導体化
学的検知器。 - 【請求項１３】 請求項１２記載の半導体化学的検知器
であって、更に、前記メッシュ電極の前記入力面を通し
て前記検出素子内に前記ガスを引き込む手段を備える半
導体化学的検知器。 - 【請求項１４】 請求項１２記載の半導体化学的検知器
において、前記中間層が、多孔質絶縁基板上の前記有機
半導体物質から成る半導体化学的検知器。 - 【請求項１５】 請求項１２記載の半導体化学的検知器
において、前記有機半導体が、ヘテロ環式化合物から成
る半導体化学的検知器。 - 【請求項１６】 請求項１２記載の半導体化学的検知器
において、前記有機半導体が脂肪族化合物から成る半導
体化学的検知器。 - 【請求項１７】 ガス中の化学種の存在を判定する携帯
半導体化学的検知器であって、 ａ）ユーザが保持する大きさの支持部材と、 ｂ）前記支持部材上にある検出素子であって、 ｉ）入力面と、 ｉｉ）有機半導体物質から成り、その上に前記化学種を
吸着する多孔質層であって、空乏領域を有する多孔質層
と、を備える検出素子と、 ｃ）前記検出素子に電気的に接続され、前記検出素子内
にバイアス電圧を生成し、前記化学種が前記バイアス電
圧の下で前記多孔質層を通して前記空乏領域内に浸透す
ることにより、前記検出素子の容量を変化させるように
した電源と、 ｄ）前記ガスが前記入力面から前記検出素子に入る前
に、前記ガスに光を照射するように配置された光源であ
って、前記化学種の化学的性質を変化させるように作用
する少なくとも１つの光波長を発光し、前記化学種に対
する前記有機半導体物質の吸着選択性を高める光源と、 ｅ）前記空乏領域の容量変化に基づいて、前記ガス中の
前記化学種の存在を判定する手段と、を備える携帯半導
体化学的検知器。 - 【請求項１８】 請求項１７記載の携帯半導体化学的検
知器であって、更に、前記ガス中の前記化学種の濃度を
判定する手段を備える携帯半導体化学的検知器。 - 【請求項１９】 請求項１７記載の携帯半導体化学的検
知器であって、更に、前記入力面を通して前記検出素子
内に前記ガスを引き込むように配置された手段を備える
携帯半導体化学的検知器。 - 【請求項２０】 請求項１７記載の携帯半導体化学的検
知器において、前記有機半導体が、ヘテロ環式化合物と
脂肪族化合物から成るグループから選択された化合物か
ら成る携帯半導体化学的検知器。 - 【請求項２１】 ガス中の化学種を検出する方法であっ
て、 ａ）ｉ）入力面と、 ｉｉ）有機半導体物質から成り、その上に前記化学種を
吸着する多孔質層であって、空乏領域を有する多孔質層
と、から成る検出素子を用意するステップと、 ｂ）前記検出素子内にバイアス電圧を生成し、該バイア
ス電圧の下で前記化学種が前記有機半導体物質を通して
前記空乏領域に浸透することにより、前記検出素子の容
量を変化させるステップと、 ｃ）前記ガスがメッシュ電極の前記入力面から前記検出
素子に入る前に、前記ガスに光を照射するステップであ
って、前記光が、前記化学種に対する前記有機半導体物
質の吸着選択性を高めるように作用する波長を有する、
ステップと、 ｄ）前記空乏領域の容量変化に基づいて、前記ガス中の
前記化学種の存在を判定するステップと、を含む方法。 - 【請求項２２】 請求項２１記載の方法であって、更
に、前記空乏領域の容量変化に基づいて、前記ガス中の
化学種の濃度を判定するステップを含む方法。 - 【請求項２３】 請求項２１記載の方法であって、更
に、前記入力面を通して前記検出素子に前記ガスを引き
込むステップを含む方法。 - 【請求項２４】 請求項２１記載の方法において、前記
光は、（ｉ）前記化学的検知器によって検出可能な、前
記ガス中の前記化学種の濃度を低下させ、（ｉｉ）前記
ガス中の前記化学種の所与の濃度について、前記化学種
の前記空乏領域内への浸透によって生ずる容量変化を増
大させる方法。 - 【請求項２５】 請求項２１記載の方法において、前記
化学種がコカインを含み、前記有機半導体物質がフタロ
シアニン分子を含む方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/984,322 US6077712A (en) | 1997-12-03 | 1997-12-03 | Semiconductor chemical sensor |
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