JPS6120811B2 - - Google Patents
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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)
Description
産業上の利用分野
この発明は、大気中または大気と異なる雰囲気
中のガス濃度または蒸気濃度を、電荷転送デバイ
ス（以下CTDと称す）の信号電荷量に変換して
検知する検出装置に関する。 従来の技術 従来の一般的なガス検出装置は、ガス感知部材
の薄膜上に櫛形電極等を設けて、ガス濃度変化に
伴う薄膜の抵抗変化を読み取る物である。ガス感
知部材の多くは、SnO2、ZnOに代表されるよう
に、一般に、比抵抗が高く、その抵抗変化を精度
よ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付加回路
を必要とする。またこの方法による実用計測範囲
はたかだか107Ω程度が限度であり、材料の選択
に制約を受ける。さらに抵抗値を読み取るために
外部から電流を流すとジユール発熱が生じ、低抗
変化に伴つてその発熱量も変化するので測定誤差
が生じ正確な温度補正は非常に困難となる。ま
た、このことはガス濃度変化に対する応答速度に
も悪影響を与える。 また、特開昭53−132981号公報に開示されたチ
ヤージ・フロートランジスタに見られるように、
ギヤツプ付ゲート電極を有するFETのギヤツプ
部にセンサ物質を配置し、ガス等の変化に応じた
出力パルスの遅延時間を測るガス検出装置も提唱
されていた。しかし、これらはセンサ物質の表面
コンダクタンス変化を利用するのみで、ガス感知
部材の内部導電率、内部導電率の変化は利用でき
ないし、利用できる低抗値の範囲に制約がある。
しかも、ソース領域とドレイン領域間の導電を利
用しているため、上記の発熱と電力消費の問題は
避けられない。 さて、これらは検出機能のみを備えた、いわば
単純なセンサであるが、昨今、電子回路の集積化
に端を発して各種の複合集積回路、LSIなどが出
現したように、検出素子にも記憶素子や演算素子
などの信号処理機能を合わせ持たしめた小形の集
積化検出装置を求める声が高まつている。 しかし、従来の半導体等を用いたガス検出装置
は、いずれもガス濃度を電流または電圧に変換し
て検知するものである。このような検出装置と信
号処理部を結ぶと、ガス濃度を電流や電圧に変換
した後、さらにAD変換器を介して、デジタル記
憶装置やデジタル演算回路へ送る形式のシステム
になつてしまう。このようなセンサシステムは、
検出部とAD変換器の小形化に限界があり、１チ
ツプにすべてを納めるのは困難とされている。ま
た検出部の消費量が大きく、信号処理部を集積化
してもシステム全体の消費電力は、あまり小さく
ならない。 一方、CTDによるアナログ信号処理素子は、
AD変換不要で、小形、低消費電力等の特徴を持
ち、センサと結合するには最適である。しかし、
現在CTDを利用したセンサは画像センサが実現
しているのみで、ガスセンサの分野には応用され
ていない。この主な原因は、光の強弱が半導体中
の電荷（小数キヤリア）の量に直接変換できるの
に対し、ガス濃度は電荷量に直接変換できないと
されて来たためである。CTDの扱う情報は、転
送電極下に蓄積された電荷であるから、従来のセ
ンサとCTD信号処理部とを結ぶとすればガス濃
度を電流や電圧に変換した後、さらに電荷量に変
換する事になる。これでは、CTD信号処理のメ
リツトが生かせない。 発明が解決しようとする問題点 本発明は、高抵抗のガス感知材料でも支障なく
使用できて且つCTDの利点を十分に生かして、
１チツプに検出部と処理部とを備えることのでき
る小形で低消費電力のガス検出装置を提供するも
のである。 問題点を解決するための手段 本発明の外部雰囲気検出装置は、１つの半導体
基板上に備えられた電荷注入電極およびおよび電
荷取り出し電極と；前記両電極の間の該半導体基
板上に、備えられた絶縁層と；前記注入電極より
注入された電荷を前記取り出し電極へ向けて順次
転送するための電気的に独立して該絶縁層上に配
列された４個以上の転送電極と；少なくとも１対
の相隣る該転送電極を接続するパタン配線と；該
接続された１対の転送電極の注入電極側の電極の
みと、該絶縁層との間に配置され、外部雰囲気の
影響によりその誘電率または導電率が変化して、
その転送電極によつて転送される電荷の量を変化
させるための雰囲気感知部材とを備えたことを特
徴とする。 実施例 実施例の具体的説明に先だち本発明の原理を説
明する。 本発明による装置は、通常のCTDの転送電極
と絶縁層の間に、雰囲気中のガス濃度または蒸気
濃度によつて誘電率または、導電率が変化する膜
（雰囲気感知部材）を挿入した構造となるが、こ
の雰囲気感知部材を備えた転送電極の等価回路を
第２図の様に考える。図中Ｃ、Ｒは雰囲気感知部
材の静電容量と抵抗を示し、ＣMOS、ＲMOSは絶縁
層を設けた半導体基板の容量と抵抗を示す。図中
Ａ点は絶縁層上面に対応し、Ｂ点は電極に対応す
る。 周知のように２相CTDの電荷転送機構は、１
対の転送電極下の絶縁層に段差を設けることによ
り電荷転送方向に表面ポテンシヤルφSの差を作
り電荷転送を２相のクロツクパルスで可能とした
ものである。従つて２相CTDの場合転送電極直
下に形成されたポテンシヤル井戸の形状によりそ
の転送効率ηは大きく変化する。今、転送電極対
にパルス電圧ＶGが印加されると左側電極直下の
表面ポテンシヤルは、第２図中のＡ点の電位で決
まり、右側電極直下の表面ポテンシヤルはＢ点の
電位つまり印加電圧ＶGで決まる。ここでガス濃
度変化に伴つて感知部材の容量Ｃ、抵抗Ｒが変化
すると、Ａ点の電位が変化し、転送電極直下に形
成されているポテンシヤル井戸の形状が大きく変
化する。従つてこの転送電極での転送効率ηは、
ガス濃度に応じて変化する。雰囲気感知部材が多
孔質酸化アルミニウムの様に容量性の場合には、
Ｒ≒∞と考えられて、ＶGを１／Ｃと１／ＣMOSで
分圧した値、つまりＣＶＧ／Ｃ＋ＣＭＯＳの電圧がＡ点
にかか る。 一方、雰囲気感知部材が、SnO2、ZnO、
TaO、TiO2等の高抵抗低誘電率の場合には、Ｃ
≒０と考えられて、ＲＭＯＳＶＧ／Ｒ＋ＲＭＯＳの電圧
がかかる。ま た雰囲気感知部材が容量Ｃと抵抗Ｒの両方が無視
できない材質の場合は両インピーダンス成分を考
慮しなければならないことは明らかである。いず
れの場合も、容量Ｃまたは抵抗Ｒの変化を介し
て、ガス濃度を電荷Ｑに変換する原理は同じであ
る。 この原理によれば、パルス電圧ＶGに対する表
面ポテンシヤルφSは次の様な式で表わされる。
感湿材の挿入されていない転送電極直下の表面ポ
テンシヤルφSは、下の式で表わされる事が
知られている。多孔質酸化アルミニウムが挿入さ
れた電極では、φSは、式で表わされる。
式を用いて計算すると第３図、第４図の様な
表面ポテンシヤル形状が得られる。 ＶG＝−Ｑ／ＣＯＸ＋φS − ＶG＝−Ｑ／Ｃ−Ｑ／ＣＯＸ＋φS − 但し、ここで ＣOX：絶縁層の静電容量 ＮD：半導体のドナー濃度 Ｑ ：半導体基板中に誘起された固定電荷 ｑ ：電子の電荷量 ＶG：電極に印加されたパルス電圧 空乏層厚 β＝ｑ／ＫＴ εO：真空の誘電率 ＫS：半導体の比誘電率 φS：表面ポテンシヤル（半導体−絶縁層界面の
電位） 第３図は、湿度30％とした計算結果、第４図は
湿度50％とした計算結果である。また、第３図、
第４図で、左の電極には−10V、右の電極には−
20Vのパルス電圧が印加された状態である。この
様なポテンシヤルの落差によつて電荷パケツトは
左の電極対から右の電極対へ移動する。第３図の
ポテンシヤル形状では左の電極対から右の電極対
への電荷の移動は、障壁を越えて行われるが、第
４図では、すみやかに移動する。このため、転送
効率の差が生じる。 次に、本発明で用いる雰囲気感知部材、すなわ
ち雰囲気中のガス濃度または蒸気濃度によつてそ
の誘電率または導電率が変化する膜の材質につい
て述べる。 この膜の材質は被検出ガスに応じて異なり、空
気中の水分検出に対しては、多孔質酸化アルミニ
ウム、SnO2、ZnO、TaO、TiO2、V2O5、Fe3O4
等の金属酸化物およびこれらにMn2O4、Li2O、
Ni等を加えた複合酸化物およびこれらを母材と
しK2CO3、BeO、SrO、CaO、PbO、MgO、CdO
等の添加物を加えた物およびカーボン、Se等の
金属薄膜およびポリビニルピリジン、ポリビニル
アルコール、ポリエチレン等の高分子化合物を用
いる。水素、メタン、プロパン等の還元性ガス検
出に対しては、SnO2、ZnO、WO3、MoO、
CrO、In2O3、CdO、NiO、Fe2O3等の金属酸化物
およびこれらの混合物およびこれらに添加物とし
て、Pt、Pd、PdO、Au、PdCl2、SbCl3、MgO、
Sb2O3、TiO2、TlO2、Bi2O3、WO3、Ag2O3、
ThO1、Rh、Ir等を加えた物や、アントラセン等
の芳香族化合物またはカーボン等を用い、
NOx、SOx等の排気ガスやアルコールまたは酸化
性ガスに対しては、上記物質に加えてZrO2、
Sc2O3、Yb2O3、Y2O3、Sm2O3、La2O3、PbO、
BaO等およびこれらの混合物が用いられる。シア
ンガス等に対しては、湿潤なガラス性シリカ等が
用いられる。 次に図面に基づいて本発明の実施例について具
体的に説明する。 本発明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
合について説明を行う。第１図は、本発明の第１
実施例を示す斜視断面図である。図中１は電荷注
入電極で、ｎ型の半導体基板２の上面に、例えば
ｐ型拡散層３を介して設けられている。同様に、
電荷取り出し電極４は、半導体基板２上面に例え
ばｐ型の拡散層５を介して設けられている。 第２、第４転送電極７、９は、絶縁層１２を介
して半導体基板２上に設けられている。第１、第
２転送電極６、８は、絶縁層１２上に、さらに雰
囲気感知部材１１を挿んで設けられている。第１
転送電極６と第２転送電極７はパタン配線１０で
接続され、第３転送電極８と第４転送電極９も同
様に接続されている。第１、第２、第３、第４転
送電極は、パタン配線による接続を除いては電気
的に独立している。 第１実施例の動作は次の通りである。電荷注入
電極１に、正の直流電圧を印加し、電荷取り出し
電極４に負の直流電圧を印加する。この状態で第
１、第３転送電極６、８に順次負のパルスを印加
すると、通常の２相CTD同様、転送電極下に順
次ポテンシヤル井戸が形成され、電荷の塊（パケ
ツト）が電荷取り出し電極へ向けて順次転送され
る。 第１、第２、第３、第４転送電極６、７、８、
９による転送効率ηは、原理の説明で述べた様に
雰囲気感知部材の誘電率や導電率によつて変化す
るので、一定量の電荷パケツトＱPOを電荷注入電
極１から注入すれば電荷取り出し電極４からは、
ガス濃度に応じた信号電荷ＱP1＝η×ＱPOが取り
出せる。第１実施例において、雰囲気感知部材と
して多孔質酸化アルミニウムを用いた場合の空気
中の水分（湿度）変化に対応する感知部材の静電
容量Ｃと転送効率ηの変化を測定し、第１表に結
果を示す。実際の測定は、転送電極数を50個ない
し100個にして行い、転送１回当たりの効率は計
算でもとめた。 この様に、転送電極数が増すと、転送の損失は
累積して大きくなるので、本発明はガス濃度の僅
かな変化を拡大検出するのに有利である。
中のガス濃度または蒸気濃度を、電荷転送デバイ
ス（以下CTDと称す）の信号電荷量に変換して
検知する検出装置に関する。 従来の技術 従来の一般的なガス検出装置は、ガス感知部材
の薄膜上に櫛形電極等を設けて、ガス濃度変化に
伴う薄膜の抵抗変化を読み取る物である。ガス感
知部材の多くは、SnO2、ZnOに代表されるよう
に、一般に、比抵抗が高く、その抵抗変化を精度
よ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付加回路
を必要とする。またこの方法による実用計測範囲
はたかだか107Ω程度が限度であり、材料の選択
に制約を受ける。さらに抵抗値を読み取るために
外部から電流を流すとジユール発熱が生じ、低抗
変化に伴つてその発熱量も変化するので測定誤差
が生じ正確な温度補正は非常に困難となる。ま
た、このことはガス濃度変化に対する応答速度に
も悪影響を与える。 また、特開昭53−132981号公報に開示されたチ
ヤージ・フロートランジスタに見られるように、
ギヤツプ付ゲート電極を有するFETのギヤツプ
部にセンサ物質を配置し、ガス等の変化に応じた
出力パルスの遅延時間を測るガス検出装置も提唱
されていた。しかし、これらはセンサ物質の表面
コンダクタンス変化を利用するのみで、ガス感知
部材の内部導電率、内部導電率の変化は利用でき
ないし、利用できる低抗値の範囲に制約がある。
しかも、ソース領域とドレイン領域間の導電を利
用しているため、上記の発熱と電力消費の問題は
避けられない。 さて、これらは検出機能のみを備えた、いわば
単純なセンサであるが、昨今、電子回路の集積化
に端を発して各種の複合集積回路、LSIなどが出
現したように、検出素子にも記憶素子や演算素子
などの信号処理機能を合わせ持たしめた小形の集
積化検出装置を求める声が高まつている。 しかし、従来の半導体等を用いたガス検出装置
は、いずれもガス濃度を電流または電圧に変換し
て検知するものである。このような検出装置と信
号処理部を結ぶと、ガス濃度を電流や電圧に変換
した後、さらにAD変換器を介して、デジタル記
憶装置やデジタル演算回路へ送る形式のシステム
になつてしまう。このようなセンサシステムは、
検出部とAD変換器の小形化に限界があり、１チ
ツプにすべてを納めるのは困難とされている。ま
た検出部の消費量が大きく、信号処理部を集積化
してもシステム全体の消費電力は、あまり小さく
ならない。 一方、CTDによるアナログ信号処理素子は、
AD変換不要で、小形、低消費電力等の特徴を持
ち、センサと結合するには最適である。しかし、
現在CTDを利用したセンサは画像センサが実現
しているのみで、ガスセンサの分野には応用され
ていない。この主な原因は、光の強弱が半導体中
の電荷（小数キヤリア）の量に直接変換できるの
に対し、ガス濃度は電荷量に直接変換できないと
されて来たためである。CTDの扱う情報は、転
送電極下に蓄積された電荷であるから、従来のセ
ンサとCTD信号処理部とを結ぶとすればガス濃
度を電流や電圧に変換した後、さらに電荷量に変
換する事になる。これでは、CTD信号処理のメ
リツトが生かせない。 発明が解決しようとする問題点 本発明は、高抵抗のガス感知材料でも支障なく
使用できて且つCTDの利点を十分に生かして、
１チツプに検出部と処理部とを備えることのでき
る小形で低消費電力のガス検出装置を提供するも
のである。 問題点を解決するための手段 本発明の外部雰囲気検出装置は、１つの半導体
基板上に備えられた電荷注入電極およびおよび電
荷取り出し電極と；前記両電極の間の該半導体基
板上に、備えられた絶縁層と；前記注入電極より
注入された電荷を前記取り出し電極へ向けて順次
転送するための電気的に独立して該絶縁層上に配
列された４個以上の転送電極と；少なくとも１対
の相隣る該転送電極を接続するパタン配線と；該
接続された１対の転送電極の注入電極側の電極の
みと、該絶縁層との間に配置され、外部雰囲気の
影響によりその誘電率または導電率が変化して、
その転送電極によつて転送される電荷の量を変化
させるための雰囲気感知部材とを備えたことを特
徴とする。 実施例 実施例の具体的説明に先だち本発明の原理を説
明する。 本発明による装置は、通常のCTDの転送電極
と絶縁層の間に、雰囲気中のガス濃度または蒸気
濃度によつて誘電率または、導電率が変化する膜
（雰囲気感知部材）を挿入した構造となるが、こ
の雰囲気感知部材を備えた転送電極の等価回路を
第２図の様に考える。図中Ｃ、Ｒは雰囲気感知部
材の静電容量と抵抗を示し、ＣMOS、ＲMOSは絶縁
層を設けた半導体基板の容量と抵抗を示す。図中
Ａ点は絶縁層上面に対応し、Ｂ点は電極に対応す
る。 周知のように２相CTDの電荷転送機構は、１
対の転送電極下の絶縁層に段差を設けることによ
り電荷転送方向に表面ポテンシヤルφSの差を作
り電荷転送を２相のクロツクパルスで可能とした
ものである。従つて２相CTDの場合転送電極直
下に形成されたポテンシヤル井戸の形状によりそ
の転送効率ηは大きく変化する。今、転送電極対
にパルス電圧ＶGが印加されると左側電極直下の
表面ポテンシヤルは、第２図中のＡ点の電位で決
まり、右側電極直下の表面ポテンシヤルはＢ点の
電位つまり印加電圧ＶGで決まる。ここでガス濃
度変化に伴つて感知部材の容量Ｃ、抵抗Ｒが変化
すると、Ａ点の電位が変化し、転送電極直下に形
成されているポテンシヤル井戸の形状が大きく変
化する。従つてこの転送電極での転送効率ηは、
ガス濃度に応じて変化する。雰囲気感知部材が多
孔質酸化アルミニウムの様に容量性の場合には、
Ｒ≒∞と考えられて、ＶGを１／Ｃと１／ＣMOSで
分圧した値、つまりＣＶＧ／Ｃ＋ＣＭＯＳの電圧がＡ点
にかか る。 一方、雰囲気感知部材が、SnO2、ZnO、
TaO、TiO2等の高抵抗低誘電率の場合には、Ｃ
≒０と考えられて、ＲＭＯＳＶＧ／Ｒ＋ＲＭＯＳの電圧
がかかる。ま た雰囲気感知部材が容量Ｃと抵抗Ｒの両方が無視
できない材質の場合は両インピーダンス成分を考
慮しなければならないことは明らかである。いず
れの場合も、容量Ｃまたは抵抗Ｒの変化を介し
て、ガス濃度を電荷Ｑに変換する原理は同じであ
る。 この原理によれば、パルス電圧ＶGに対する表
面ポテンシヤルφSは次の様な式で表わされる。
感湿材の挿入されていない転送電極直下の表面ポ
テンシヤルφSは、下の式で表わされる事が
知られている。多孔質酸化アルミニウムが挿入さ
れた電極では、φSは、式で表わされる。
式を用いて計算すると第３図、第４図の様な
表面ポテンシヤル形状が得られる。 ＶG＝−Ｑ／ＣＯＸ＋φS − ＶG＝−Ｑ／Ｃ−Ｑ／ＣＯＸ＋φS − 但し、ここで ＣOX：絶縁層の静電容量 ＮD：半導体のドナー濃度 Ｑ ：半導体基板中に誘起された固定電荷 ｑ ：電子の電荷量 ＶG：電極に印加されたパルス電圧 空乏層厚 β＝ｑ／ＫＴ εO：真空の誘電率 ＫS：半導体の比誘電率 φS：表面ポテンシヤル（半導体−絶縁層界面の
電位） 第３図は、湿度30％とした計算結果、第４図は
湿度50％とした計算結果である。また、第３図、
第４図で、左の電極には−10V、右の電極には−
20Vのパルス電圧が印加された状態である。この
様なポテンシヤルの落差によつて電荷パケツトは
左の電極対から右の電極対へ移動する。第３図の
ポテンシヤル形状では左の電極対から右の電極対
への電荷の移動は、障壁を越えて行われるが、第
４図では、すみやかに移動する。このため、転送
効率の差が生じる。 次に、本発明で用いる雰囲気感知部材、すなわ
ち雰囲気中のガス濃度または蒸気濃度によつてそ
の誘電率または導電率が変化する膜の材質につい
て述べる。 この膜の材質は被検出ガスに応じて異なり、空
気中の水分検出に対しては、多孔質酸化アルミニ
ウム、SnO2、ZnO、TaO、TiO2、V2O5、Fe3O4
等の金属酸化物およびこれらにMn2O4、Li2O、
Ni等を加えた複合酸化物およびこれらを母材と
しK2CO3、BeO、SrO、CaO、PbO、MgO、CdO
等の添加物を加えた物およびカーボン、Se等の
金属薄膜およびポリビニルピリジン、ポリビニル
アルコール、ポリエチレン等の高分子化合物を用
いる。水素、メタン、プロパン等の還元性ガス検
出に対しては、SnO2、ZnO、WO3、MoO、
CrO、In2O3、CdO、NiO、Fe2O3等の金属酸化物
およびこれらの混合物およびこれらに添加物とし
て、Pt、Pd、PdO、Au、PdCl2、SbCl3、MgO、
Sb2O3、TiO2、TlO2、Bi2O3、WO3、Ag2O3、
ThO1、Rh、Ir等を加えた物や、アントラセン等
の芳香族化合物またはカーボン等を用い、
NOx、SOx等の排気ガスやアルコールまたは酸化
性ガスに対しては、上記物質に加えてZrO2、
Sc2O3、Yb2O3、Y2O3、Sm2O3、La2O3、PbO、
BaO等およびこれらの混合物が用いられる。シア
ンガス等に対しては、湿潤なガラス性シリカ等が
用いられる。 次に図面に基づいて本発明の実施例について具
体的に説明する。 本発明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
合について説明を行う。第１図は、本発明の第１
実施例を示す斜視断面図である。図中１は電荷注
入電極で、ｎ型の半導体基板２の上面に、例えば
ｐ型拡散層３を介して設けられている。同様に、
電荷取り出し電極４は、半導体基板２上面に例え
ばｐ型の拡散層５を介して設けられている。 第２、第４転送電極７、９は、絶縁層１２を介
して半導体基板２上に設けられている。第１、第
２転送電極６、８は、絶縁層１２上に、さらに雰
囲気感知部材１１を挿んで設けられている。第１
転送電極６と第２転送電極７はパタン配線１０で
接続され、第３転送電極８と第４転送電極９も同
様に接続されている。第１、第２、第３、第４転
送電極は、パタン配線による接続を除いては電気
的に独立している。 第１実施例の動作は次の通りである。電荷注入
電極１に、正の直流電圧を印加し、電荷取り出し
電極４に負の直流電圧を印加する。この状態で第
１、第３転送電極６、８に順次負のパルスを印加
すると、通常の２相CTD同様、転送電極下に順
次ポテンシヤル井戸が形成され、電荷の塊（パケ
ツト）が電荷取り出し電極へ向けて順次転送され
る。 第１、第２、第３、第４転送電極６、７、８、
９による転送効率ηは、原理の説明で述べた様に
雰囲気感知部材の誘電率や導電率によつて変化す
るので、一定量の電荷パケツトＱPOを電荷注入電
極１から注入すれば電荷取り出し電極４からは、
ガス濃度に応じた信号電荷ＱP1＝η×ＱPOが取り
出せる。第１実施例において、雰囲気感知部材と
して多孔質酸化アルミニウムを用いた場合の空気
中の水分（湿度）変化に対応する感知部材の静電
容量Ｃと転送効率ηの変化を測定し、第１表に結
果を示す。実際の測定は、転送電極数を50個ない
し100個にして行い、転送１回当たりの効率は計
算でもとめた。 この様に、転送電極数が増すと、転送の損失は
累積して大きくなるので、本発明はガス濃度の僅
かな変化を拡大検出するのに有利である。
【表】
次に第２実施例の斜視断面図を第５図に示す。
第２実施例は、第１実施例の転送電極数をふやし
た構造である。すなわち第１図と同様に、電荷注
入電極１と電荷取り出し電極４がそれぞれｐ型拡
散層３、５を介してｎ型の半導体基板２上に設け
られ、第２、第４、第５、第６転送電極７、９、
１３、１４は絶縁層１２を介して半導体基板２上
面に設けられ、第１、第３転送電極６、８は、絶
縁層１２上にさらに雰囲気感知部材１１を挿んで
設けられている。第５転送電極１３は他の転送電
極より大きく、取り扱える電荷も大きい。 第１転送電極６と第２転送電極７はパタン配線
１０で接続され、第３転送電極８と第４転送電極
９も同様に接続されている。 第２実施例のガス検出機構は、第１実施例と全
く同様に考えることが出来るが、この他に以下の
動作が可能である。電荷注入電極１に正の直流電
圧を印加し、電荷取り出し電極４に負の直流電圧
を印加する。次に、第５転送電極１３に時間幅ｔ
pの負のパルスを印加し、時間ｔpの間に第１、第
３転送電極６、８に順次繰り返して時間幅ｔ（ｔ
＜＜ｔp）の負のパルスを印加すると、このパル
スにより転送された電荷は第５転送電極１３下に
蓄積される。そこで、ｔp時間経過後、第６転送
電極１４に負のパルスを印加すると、時間的に積
分された信号電荷∫ｔ０ ０Ｑ（ｔ）dtが、電荷取り出
し電極４に現われる。 第６図は、第３実施例の斜視断面図である。第
１実施例と同様に、ｎ型の半導体基板２上にｐ型
拡散層３、５を介して電荷注入電極１と、電荷取
り出し電極４を設けてあり、11個の転送電極６、
７、８、９、１３、１５をを絶縁層１２を介して
設けてある。第１、第３転送電極６、８の下に
は、雰囲気感知部材１１が挿入されている。ここ
ではさらに、副電荷取り出し電極１６が、第５転
送電極１３の近傍に設けられている。 第３実施例の動作は以下の通りである。電荷注
入電極１に正の直流電圧を印加し、電荷取り出し
電極４に負の直流電圧を印加し、副電荷取り出し
電極１６には電圧を印加しない。この状態で第
１、第３、第５転送電極６、８、１３および後続
の転送電極１５に順次負のパルスを印加し、第１
の信号電荷を電荷取り出し電極４へ転送する。こ
の転送が完了する前に、第１、第３、第５転送電
極６、８、１３に順次負のパルス電圧を印加し
て、第２の信号電荷を転送し同時に副電荷取り出
し電極１６に負の電圧を印加する。この時、パル
スのタイミングを調節して、第１の信号電荷を電
荷取り出し電極４から取り出すと同時に第２の信
号電荷を副電荷取り出し電極１３から取り出す。
この２つの信号の差を測る事により時間差のある
ガス濃度の変化量を検知できる。 発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による
外部雰囲気検出装置は、外部雰囲気に応じた信号
電荷を順次転送し、絶縁膜上に設けた電極の電位
変化により信号電荷の検出を行うので電流は殆ど
流れず消費電力は小さい。また、前記した雰囲気
感知部材の多くは、濃度が低い領域で高抵抗とな
るため、従来の方法では低濃度領域の測定は困難
であつたが、本発明による装置は、この領域の測
定も期待出来る。このほか絶縁層と同程度の高抵
抗の感知部材でも支障なく使用でき、材料選択上
での制約が緩和される。 また本発明による装置は、CTDの基本機能で
ある信号電荷の蓄積、遅延、分離、多重等の組み
合わせにより様々な信号処理が行なえる。すなわ
ち第２実施例で説明したようにCTDの蓄積機能
を用いて、時間的に積分された信号を簡単に取り
出したり、第３実施例で説明したようにCTDの
遅延機能を用いて、時間差のある信号を同時に取
り出し、簡単に時間微分した信号を取り出すこと
が可能である。さらに本装置は、形状や面積に特
徴を有する電極を配列して信号処理を行うので集
積度を高くすることができ、例えば被測定ガスの
異なる検出装置を１チツプ上に並列して設けるこ
とによりガス選択性を有する装置および広範囲な
ガス濃度領域が測定できる装置が実現可能であ
る。このほか、本装置とCTDフイルタをオンチ
ツプ化すれば特定の周期を持つガス濃度変動のみ
を選択して取り出すことも可能である。この様に
本発明による装置は数多くの利点を備えている。 なお、実施例の説明では、便宜上、半導体基板
２としてｎ型基板について述べてきたがｐ型基板
を用いても何等差し支えないことは明らかであ
る。また基板材料としてシリコンのほかにガリウ
ム砒素を用いてもよい。 さらに本発明による装置は、気体中の成分検知
の他にアセトン・トリクレン等絶縁性の液体中の
成分検知にそのまま用いることもできる。実施例
では感知部材を挿入した電極は２個だけだが、こ
の様な電極を100個またはそれ以上設けても差し
支えない。また実施例で説明した感湿材の代わり
に、特定ガスを吸着しその特性を変ずる部材を用
いれば全く同じ原理で各種ガス検出装置が実施で
きる。例えば、湿潤なガラス性シリコン酸化物の
シアンガス吸着を用いればシアンガス検出装置を
実施できる。この様に、本発明の要旨を変更しな
い範囲で非常に広い転用が可能である。
第２実施例は、第１実施例の転送電極数をふやし
た構造である。すなわち第１図と同様に、電荷注
入電極１と電荷取り出し電極４がそれぞれｐ型拡
散層３、５を介してｎ型の半導体基板２上に設け
られ、第２、第４、第５、第６転送電極７、９、
１３、１４は絶縁層１２を介して半導体基板２上
面に設けられ、第１、第３転送電極６、８は、絶
縁層１２上にさらに雰囲気感知部材１１を挿んで
設けられている。第５転送電極１３は他の転送電
極より大きく、取り扱える電荷も大きい。 第１転送電極６と第２転送電極７はパタン配線
１０で接続され、第３転送電極８と第４転送電極
９も同様に接続されている。 第２実施例のガス検出機構は、第１実施例と全
く同様に考えることが出来るが、この他に以下の
動作が可能である。電荷注入電極１に正の直流電
圧を印加し、電荷取り出し電極４に負の直流電圧
を印加する。次に、第５転送電極１３に時間幅ｔ
pの負のパルスを印加し、時間ｔpの間に第１、第
３転送電極６、８に順次繰り返して時間幅ｔ（ｔ
＜＜ｔp）の負のパルスを印加すると、このパル
スにより転送された電荷は第５転送電極１３下に
蓄積される。そこで、ｔp時間経過後、第６転送
電極１４に負のパルスを印加すると、時間的に積
分された信号電荷∫ｔ０ ０Ｑ（ｔ）dtが、電荷取り出
し電極４に現われる。 第６図は、第３実施例の斜視断面図である。第
１実施例と同様に、ｎ型の半導体基板２上にｐ型
拡散層３、５を介して電荷注入電極１と、電荷取
り出し電極４を設けてあり、11個の転送電極６、
７、８、９、１３、１５をを絶縁層１２を介して
設けてある。第１、第３転送電極６、８の下に
は、雰囲気感知部材１１が挿入されている。ここ
ではさらに、副電荷取り出し電極１６が、第５転
送電極１３の近傍に設けられている。 第３実施例の動作は以下の通りである。電荷注
入電極１に正の直流電圧を印加し、電荷取り出し
電極４に負の直流電圧を印加し、副電荷取り出し
電極１６には電圧を印加しない。この状態で第
１、第３、第５転送電極６、８、１３および後続
の転送電極１５に順次負のパルスを印加し、第１
の信号電荷を電荷取り出し電極４へ転送する。こ
の転送が完了する前に、第１、第３、第５転送電
極６、８、１３に順次負のパルス電圧を印加し
て、第２の信号電荷を転送し同時に副電荷取り出
し電極１６に負の電圧を印加する。この時、パル
スのタイミングを調節して、第１の信号電荷を電
荷取り出し電極４から取り出すと同時に第２の信
号電荷を副電荷取り出し電極１３から取り出す。
この２つの信号の差を測る事により時間差のある
ガス濃度の変化量を検知できる。 発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による
外部雰囲気検出装置は、外部雰囲気に応じた信号
電荷を順次転送し、絶縁膜上に設けた電極の電位
変化により信号電荷の検出を行うので電流は殆ど
流れず消費電力は小さい。また、前記した雰囲気
感知部材の多くは、濃度が低い領域で高抵抗とな
るため、従来の方法では低濃度領域の測定は困難
であつたが、本発明による装置は、この領域の測
定も期待出来る。このほか絶縁層と同程度の高抵
抗の感知部材でも支障なく使用でき、材料選択上
での制約が緩和される。 また本発明による装置は、CTDの基本機能で
ある信号電荷の蓄積、遅延、分離、多重等の組み
合わせにより様々な信号処理が行なえる。すなわ
ち第２実施例で説明したようにCTDの蓄積機能
を用いて、時間的に積分された信号を簡単に取り
出したり、第３実施例で説明したようにCTDの
遅延機能を用いて、時間差のある信号を同時に取
り出し、簡単に時間微分した信号を取り出すこと
が可能である。さらに本装置は、形状や面積に特
徴を有する電極を配列して信号処理を行うので集
積度を高くすることができ、例えば被測定ガスの
異なる検出装置を１チツプ上に並列して設けるこ
とによりガス選択性を有する装置および広範囲な
ガス濃度領域が測定できる装置が実現可能であ
る。このほか、本装置とCTDフイルタをオンチ
ツプ化すれば特定の周期を持つガス濃度変動のみ
を選択して取り出すことも可能である。この様に
本発明による装置は数多くの利点を備えている。 なお、実施例の説明では、便宜上、半導体基板
２としてｎ型基板について述べてきたがｐ型基板
を用いても何等差し支えないことは明らかであ
る。また基板材料としてシリコンのほかにガリウ
ム砒素を用いてもよい。 さらに本発明による装置は、気体中の成分検知
の他にアセトン・トリクレン等絶縁性の液体中の
成分検知にそのまま用いることもできる。実施例
では感知部材を挿入した電極は２個だけだが、こ
の様な電極を100個またはそれ以上設けても差し
支えない。また実施例で説明した感湿材の代わり
に、特定ガスを吸着しその特性を変ずる部材を用
いれば全く同じ原理で各種ガス検出装置が実施で
きる。例えば、湿潤なガラス性シリコン酸化物の
シアンガス吸着を用いればシアンガス検出装置を
実施できる。この様に、本発明の要旨を変更しな
い範囲で非常に広い転用が可能である。
第１図は本発明の第１実施例を示す斜視断面
図、第２図は第１実施例の第１、第３転送電極の
等価回路、第３図は湿度30％における第１実施例
の転送電極下の表面ポテンシヤルを示す図、第４
図は湿度50％における第１実施例の転送電極下の
表面ポテンシヤルを示す図、第５図は本発明の第
２実施例を示す斜視断面図、第６図は本発明の第
３実施例を示す斜視断面図である。 図面中の１は電荷注入電極、２は半導体基板、
３，５は拡散層、４は電荷取り出し電極、６，
７，８，９，１３，１４，１５は転送電極、１０
はパタン配線１０，１１は雰囲気感知部材、１２
は絶縁層、１６は副電荷取り出し電極である。
図、第２図は第１実施例の第１、第３転送電極の
等価回路、第３図は湿度30％における第１実施例
の転送電極下の表面ポテンシヤルを示す図、第４
図は湿度50％における第１実施例の転送電極下の
表面ポテンシヤルを示す図、第５図は本発明の第
２実施例を示す斜視断面図、第６図は本発明の第
３実施例を示す斜視断面図である。 図面中の１は電荷注入電極、２は半導体基板、
３，５は拡散層、４は電荷取り出し電極、６，
７，８，９，１３，１４，１５は転送電極、１０
はパタン配線１０，１１は雰囲気感知部材、１２
は絶縁層、１６は副電荷取り出し電極である。
Claims (1)
- １ １つの半導体基板２上に備えられた電荷注入
電極１および電荷取り出し電極４と；前記両電極
の間の該半導体基板上に、備えられた絶縁層１２
と；前記注入電極より注入された電荷を前記取り
出し電極へ向けて順次転送するための電気的に独
立して該絶縁層上に配列された４個以上の転送電
極６，７，８，９と；少なくとも１対の相隣る該
転送電極を接続するパターン配線１０と、該接続
された１対の転送電極の注入電極側の電極のみ
と、該絶縁層との間に配置され、外部雰囲気影響
によりその誘電率または導電率が変化して、その
転送電極によつて転送される電荷の量を変化させ
るための雰囲気感知部材１１とを備えた外部雰囲
気検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3692079A JPS55129741A (en) | 1979-03-30 | 1979-03-30 | Detector for external atmosphere |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3692079A JPS55129741A (en) | 1979-03-30 | 1979-03-30 | Detector for external atmosphere |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55129741A JPS55129741A (en) | 1980-10-07 |
| JPS6120811B2 true JPS6120811B2 (ja) | 1986-05-23 |
Family
ID=12483189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3692079A Granted JPS55129741A (en) | 1979-03-30 | 1979-03-30 | Detector for external atmosphere |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS55129741A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0671624A (ja) * | 1992-07-30 | 1994-03-15 | Mitsubishi Materials Corp | 人工石付コンクリート製品及びその製造方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61223642A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nohmi Bosai Kogyo Co Ltd | 水素ガス検出素子及びその製法 |
| JPS61223644A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nohmi Bosai Kogyo Co Ltd | 水素ガス検出素子及びその製法 |
| JPS61223643A (ja) * | 1985-03-29 | 1986-10-04 | Nohmi Bosai Kogyo Co Ltd | 水素ガス検出素子及びその製法 |
| JPS6269157A (ja) * | 1985-09-21 | 1987-03-30 | Shinkosumosu Denki Kk | 硫化水素選択検知用センサ |
| JP5077799B2 (ja) * | 2008-03-25 | 2012-11-21 | 国立大学法人豊橋技術科学大学 | 化学・物理現象検出装置及びその制御方法 |
-
1979
- 1979-03-30 JP JP3692079A patent/JPS55129741A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0671624A (ja) * | 1992-07-30 | 1994-03-15 | Mitsubishi Materials Corp | 人工石付コンクリート製品及びその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS55129741A (en) | 1980-10-07 |
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