JPS6157847A - 電界効果型湿度センサ - Google Patents
電界効果型湿度センサInfo
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- JPS6157847A JPS6157847A JP59182088A JP18208884A JPS6157847A JP S6157847 A JPS6157847 A JP S6157847A JP 59182088 A JP59182088 A JP 59182088A JP 18208884 A JP18208884 A JP 18208884A JP S6157847 A JPS6157847 A JP S6157847A
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- humidity sensor
- humidity
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- 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
-
- 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
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/283—Means for supporting or introducing electrochemical probes
- G01N27/286—Power or signal connectors associated therewith
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Details Of Connecting Devices For Male And Female Coupling (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】
〈発明の技術分野〉
本発明は、ＭＯＳ型或はＭＴＳ型等の電界効果型トラン
ジスタ（以下単にＦＥＴと略す）素子のゲート絶縁膜近
傍に水蒸気或は水分の吸脱着によってインピーダンス等
電気的特性の変化する感湿体を形成し、該感湿体で湿度
変化をＦＥＴのゲート作用変化として把えるいわゆる電
界効果トランジスタ型湿度センサ（以下、ＦＥＴ型湿度
センサと称す）に関するものである。
ジスタ（以下単にＦＥＴと略す）素子のゲート絶縁膜近
傍に水蒸気或は水分の吸脱着によってインピーダンス等
電気的特性の変化する感湿体を形成し、該感湿体で湿度
変化をＦＥＴのゲート作用変化として把えるいわゆる電
界効果トランジスタ型湿度センサ（以下、ＦＥＴ型湿度
センサと称す）に関するものである。
〈発明の技術的背景〉
検出しようとする物理量との化学的或は物理的相互作用
によって静電容量や電気伝導度或は静電電位等の電気的
変化を生ずる感応体とＦＥＴ素子とを糾み合せて、検出
しようとする物理量をＦＥＴ素子のゲート作用変化とし
て把えるいわゆるＦＥＴ型センサは、ＦＥＴ素子の有す
る高い入力インピーダンスとその増幅作用を巧みに利用
することにより高出力でかつ小形のセンサとなるもので
あり、エレクトロニクス技術との適合性を考慮した場合
、非常に好ましいセンサである。
によって静電容量や電気伝導度或は静電電位等の電気的
変化を生ずる感応体とＦＥＴ素子とを糾み合せて、検出
しようとする物理量をＦＥＴ素子のゲート作用変化とし
て把えるいわゆるＦＥＴ型センサは、ＦＥＴ素子の有す
る高い入力インピーダンスとその増幅作用を巧みに利用
することにより高出力でかつ小形のセンサとなるもので
あり、エレクトロニクス技術との適合性を考慮した場合
、非常に好ましいセンサである。
特に、ＦＥＴ素子のゲート絶縁膜の上に感応体を形成し
た構造からなるＦＥＴ型センサは、素子寸法も小さく設
定することができ、かつ同一基板上に極めて多くの素子
を形成することが可能であるため、実用」二も、コスト
面でも好ましい形態を有する。
た構造からなるＦＥＴ型センサは、素子寸法も小さく設
定することができ、かつ同一基板上に極めて多くの素子
を形成することが可能であるため、実用」二も、コスト
面でも好ましい形態を有する。
しかしこの場合、通常の単体ＦＥＴ素子の場合以」二に
ＦＥＴ素子の動作の安定性ひいてはＦＥＴ型センサとし
ての出力の安定性や特性の再現性の確保に留意する必要
がある。即ち、目的とするセンサの種類によって、感応
体の材料は勿論作製方法も大きく異なるために、通常の
単体ＦＥＴ素子の形体とは違った配慮が必要であり、Ｆ
ＥＴ素子の動作特性も感応体材料及びその作製方法によ
って大幅に変化する。特に、感応体材料によっては、多
量の不純物やイオンを含有していることあるいはＦＥＴ
素子」二に感応体を形成する工程において感応体とゲー
ト絶縁膜等の界面に不純物やイオンが混入する可能性が
通常の単体ＦＥＴ素子を形成する場合に比べて極めて高
いことなどが原因となって、ＦＥＴ素子の動作特性用に
はＦＥＴ型センサの出力特性が不安定となり易い。更に
、ガスセンサや湿度センサ等のいわゆる雰囲気センサを
ＦＥＴ型センサとして構成する場合には、外雰囲気に直
接センサ素子がさらされることから、外雰囲気からの不
純物の混入や拡散によってもＦＥＴ特性の変動や劣化を
招く。このように感応体材料中の不純物やイオン或は作
製工程中もしくは使用中に混入する不純物やイオンがＦ
ＥＴ素子の動作特性やセンサ出力に与える影響を抑制し
、長期間安定した出力特性を呈するＦＥＴ型センサとす
ることは、ガスセンサ、湿度センサ、イオンセンサ、バ
イオセンサまたは赤外線センサ等々の各種センサのＦＥ
Ｔ化における共通課題である。特に、ＦＥＴ型のガスセ
ンサ、湿度センサ、イオンセンサ及びバイオセンサにお
いては、感応体と被検知体七の直接的な相互作用が必要
であるためパッケージ等によってセンサ素子を覆うこと
ができないだげに、上記問題の解決は極めて重要である
。
ＦＥＴ素子の動作の安定性ひいてはＦＥＴ型センサとし
ての出力の安定性や特性の再現性の確保に留意する必要
がある。即ち、目的とするセンサの種類によって、感応
体の材料は勿論作製方法も大きく異なるために、通常の
単体ＦＥＴ素子の形体とは違った配慮が必要であり、Ｆ
ＥＴ素子の動作特性も感応体材料及びその作製方法によ
って大幅に変化する。特に、感応体材料によっては、多
量の不純物やイオンを含有していることあるいはＦＥＴ
素子」二に感応体を形成する工程において感応体とゲー
ト絶縁膜等の界面に不純物やイオンが混入する可能性が
通常の単体ＦＥＴ素子を形成する場合に比べて極めて高
いことなどが原因となって、ＦＥＴ素子の動作特性用に
はＦＥＴ型センサの出力特性が不安定となり易い。更に
、ガスセンサや湿度センサ等のいわゆる雰囲気センサを
ＦＥＴ型センサとして構成する場合には、外雰囲気に直
接センサ素子がさらされることから、外雰囲気からの不
純物の混入や拡散によってもＦＥＴ特性の変動や劣化を
招く。このように感応体材料中の不純物やイオン或は作
製工程中もしくは使用中に混入する不純物やイオンがＦ
ＥＴ素子の動作特性やセンサ出力に与える影響を抑制し
、長期間安定した出力特性を呈するＦＥＴ型センサとす
ることは、ガスセンサ、湿度センサ、イオンセンサ、バ
イオセンサまたは赤外線センサ等々の各種センサのＦＥ
Ｔ化における共通課題である。特に、ＦＥＴ型のガスセ
ンサ、湿度センサ、イオンセンサ及びバイオセンサにお
いては、感応体と被検知体七の直接的な相互作用が必要
であるためパッケージ等によってセンサ素子を覆うこと
ができないだげに、上記問題の解決は極めて重要である
。
」−記問題の解決策の１つとしてイオンや水分の拡散係
数の小さい窒化シリコン膜をゲート絶縁嘆として使用し
たりＦＥＴ素子表面を窒化シリコン膜で被覆する等の素
子構造が開発されているが、長期間の安定性の点で問題
があり、必ずしも充分ではない。
数の小さい窒化シリコン膜をゲート絶縁嘆として使用し
たりＦＥＴ素子表面を窒化シリコン膜で被覆する等の素
子構造が開発されているが、長期間の安定性の点で問題
があり、必ずしも充分ではない。
以」−のような問題点を解決するために、本出願人は先
に二重ゲート電極構造のＦＥＴ型センサを特願昭５９−
２３５９８号「電界効果型センサ」として提案している
。また雰囲気中の湿気或いは水蒸気に感応して、電気抵
抗値或は電気容量が変化する感湿祠料としては、従来よ
り■酸化鉄（Ｆｅ２０３またはＦｅ３０４）、酸花錫（
Ｓ ｎ ０２ ）などの金属酸化物の焼結体或いは金属
酸化膜を用いたもの、■親水性高分子膜酸いは高分子電
解質を用いたもの、■塩化ソリチウムＬｉＣｊ？）など
の電解質塩を用いたもの、■吸湿性樹脂酸いは吸湿性高
分子膜などに炭素などの導電性粒子または繊維を分散さ
せたものなどが知られている。
に二重ゲート電極構造のＦＥＴ型センサを特願昭５９−
２３５９８号「電界効果型センサ」として提案している
。また雰囲気中の湿気或いは水蒸気に感応して、電気抵
抗値或は電気容量が変化する感湿祠料としては、従来よ
り■酸化鉄（Ｆｅ２０３またはＦｅ３０４）、酸花錫（
Ｓ ｎ ０２ ）などの金属酸化物の焼結体或いは金属
酸化膜を用いたもの、■親水性高分子膜酸いは高分子電
解質を用いたもの、■塩化ソリチウムＬｉＣｊ？）など
の電解質塩を用いたもの、■吸湿性樹脂酸いは吸湿性高
分子膜などに炭素などの導電性粒子または繊維を分散さ
せたものなどが知られている。
一般に、金属酸化物及び親水性高分子膜を用いた感湿素
子は、広い感湿範囲を有する反面、素子の抵抗値が相対
湿度の値に対応して指数関数的に変化する。また金属酸
化物を用いた感湿素子は、耐熱性に優れ、感湿応答速度
が速い特徴を有する反面素子の抵抗値が高く且つ比較的
大きな抵抗温度依存性を有するなどの欠点を有している
。特に、金属酸化物焼結体に於いては、感湿特性が構造
因子に大きく左右されるため感湿特性の再現性或いは互
換性が充分でないなどの欠点を有する。塩化リチウムな
どの電界質塩を用いた感湿素子は検出し得る湿度範囲が
狭（、特に高湿度雰囲気中に長時間素子を放置すると電
解質塩が溶出または稀釈されるために感湿特性が著しく
劣化するなどの理由で、高湿度雰囲気の測定には利用す
ることができない。さらに吸湿性樹脂などに導電性粒子
或いは繊維などを分散させた感湿素子は、高湿度雰囲気
中では急峻な抵抗変化を生じる反面低湿度雰囲気中では
感度がなく、広範な湿度領域の検知には利用することが
できない。また親水性高分子膜或は高分子電界質膜を用
いた感湿素子では、感湿範囲が広く且つ感湿応答速度が
速く、また素子構造及び素子作製方法が比較的簡単なた
め、低コスト化し易いなどの特徴を有する反面、従来の
ものは特に耐湿耐水性が悪く、素子の寿命に問題があっ
た。
子は、広い感湿範囲を有する反面、素子の抵抗値が相対
湿度の値に対応して指数関数的に変化する。また金属酸
化物を用いた感湿素子は、耐熱性に優れ、感湿応答速度
が速い特徴を有する反面素子の抵抗値が高く且つ比較的
大きな抵抗温度依存性を有するなどの欠点を有している
。特に、金属酸化物焼結体に於いては、感湿特性が構造
因子に大きく左右されるため感湿特性の再現性或いは互
換性が充分でないなどの欠点を有する。塩化リチウムな
どの電界質塩を用いた感湿素子は検出し得る湿度範囲が
狭（、特に高湿度雰囲気中に長時間素子を放置すると電
解質塩が溶出または稀釈されるために感湿特性が著しく
劣化するなどの理由で、高湿度雰囲気の測定には利用す
ることができない。さらに吸湿性樹脂などに導電性粒子
或いは繊維などを分散させた感湿素子は、高湿度雰囲気
中では急峻な抵抗変化を生じる反面低湿度雰囲気中では
感度がなく、広範な湿度領域の検知には利用することが
できない。また親水性高分子膜或は高分子電界質膜を用
いた感湿素子では、感湿範囲が広く且つ感湿応答速度が
速く、また素子構造及び素子作製方法が比較的簡単なた
め、低コスト化し易いなどの特徴を有する反面、従来の
ものは特に耐湿耐水性が悪く、素子の寿命に問題があっ
た。
以」二のような感湿材についての問題点を解決するため
に、本出願人は既に酢酸酪酸セルロース架橋膜を利用し
た感湿材料を特願昭５９−４６３２１号として提案して
いる。
に、本出願人は既に酢酸酪酸セルロース架橋膜を利用し
た感湿材料を特願昭５９−４６３２１号として提案して
いる。
〈発明の目的〉
本発明は、以上のような背景に基づいてなされたもので
あり、二重ゲート電極構造のＦＥＴ素子と、感湿材とし
て酢酸酪酸セルロース架橋膜とを一体的に結合させるこ
とによって相対湿度０％から１００％までの全湿度範囲
にわたって出力特性が得られしかも出力特性が相対湿度
に対して優れた直線性を有し、出力の経時変化（ドリフ
ト）がなく、感湿特性に於ける吸湿過程と脱湿過程の差
（ヒステリシス）が小さく、高温高温等耐環境性に対す
る信頼性に優れたＦＥＴ湿度センサを提供することを目
的とするものである。
あり、二重ゲート電極構造のＦＥＴ素子と、感湿材とし
て酢酸酪酸セルロース架橋膜とを一体的に結合させるこ
とによって相対湿度０％から１００％までの全湿度範囲
にわたって出力特性が得られしかも出力特性が相対湿度
に対して優れた直線性を有し、出力の経時変化（ドリフ
ト）がなく、感湿特性に於ける吸湿過程と脱湿過程の差
（ヒステリシス）が小さく、高温高温等耐環境性に対す
る信頼性に優れたＦＥＴ湿度センサを提供することを目
的とするものである。
〈実施例１〉
第１図は本発明の１実施例を示すＦＥＴ型湿度センサの
構造断面図である。第２図は同センサの動作原理を説明
するための等価回路図である。
構造断面図である。第２図は同センサの動作原理を説明
するための等価回路図である。
本実施例におけるＦＥＴ素子は、ＭＯＳ型のｎチャンネ
ルＦＥＴで、ｐ型のシリコン基板１表面付近に燐を拡散
することによってｎ型のソース２とドレイン３を並設し
て形成している。シリコン基板１上にはソース２及びド
レイン３てスルホールを有する二酸化シリコン膜５が被
覆されている。
ルＦＥＴで、ｐ型のシリコン基板１表面付近に燐を拡散
することによってｎ型のソース２とドレイン３を並設し
て形成している。シリコン基板１上にはソース２及びド
レイン３てスルホールを有する二酸化シリコン膜５が被
覆されている。
ゲート絶縁膜は、ソース２とドレイン３を結ぶシリコン
基板Ｉ」二に堆積された二酸化シリコン膜（５１０２）
５の窒化シリコン＠（Ｓｉ３Ｎ４）７との２重積り膜か
らなり、窒化シリコン膜７は更にソース２及びドレイン
３に片端が接触してシリコン基板１及び二酸化シリコン
膜５上に堆積された電極用導体膜６の」−面をも被覆し
、ＦＥＴ素子の保護膜としての機能も兼ねている。ゲー
ト絶縁膜５．７上には感湿体９と透湿性のゲート電極膜
１０が積層されるが、ここで感湿体９と窒化シリコン膜
７との界面には導電性膜から成るブロッキング膜８を挿
入した構造となっている。ブロッキング膜８は感湿体９
に対して後述するドリフト解除用の電圧を印加する補助
電極となるものである。
基板Ｉ」二に堆積された二酸化シリコン膜（５１０２）
５の窒化シリコン＠（Ｓｉ３Ｎ４）７との２重積り膜か
らなり、窒化シリコン膜７は更にソース２及びドレイン
３に片端が接触してシリコン基板１及び二酸化シリコン
膜５上に堆積された電極用導体膜６の」−面をも被覆し
、ＦＥＴ素子の保護膜としての機能も兼ねている。ゲー
ト絶縁膜５．７上には感湿体９と透湿性のゲート電極膜
１０が積層されるが、ここで感湿体９と窒化シリコン膜
７との界面には導電性膜から成るブロッキング膜８を挿
入した構造となっている。ブロッキング膜８は感湿体９
に対して後述するドリフト解除用の電圧を印加する補助
電極となるものである。
感湿体９は、酢酸酪酸セルロースに、架橋剤としてイソ
シアネート系化合物を夫々１０：１の重量比で混合した
ものを、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテ
ート溶液に溶解し、この溶液をブロッキング膜８の上に
コーティングした後通風乾燥させさらに１００℃〜２０
０℃の温度で熱処理することにより架橋した感湿膜を形
成して用いる。
シアネート系化合物を夫々１０：１の重量比で混合した
ものを、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテ
ート溶液に溶解し、この溶液をブロッキング膜８の上に
コーティングした後通風乾燥させさらに１００℃〜２０
０℃の温度で熱処理することにより架橋した感湿膜を形
成して用いる。
また透湿性ゲート電極膜１０としては厚さ約１０ＯＡの
金蒸着膜を、またブロッキング膜８としては厚さ約２．
００ＯＡの金又はアルミニウム蒸着膜を用いた。但し、
これらの素子構成材料は必ずしも上述のものに限定され
るものではなく、その他の適当な材料に代替することは
当然に可能である。またＦＥＴ素子はＭＯＳ型り、外の
ＭＩＳ型等を使用することもできる。
金蒸着膜を、またブロッキング膜８としては厚さ約２．
００ＯＡの金又はアルミニウム蒸着膜を用いた。但し、
これらの素子構成材料は必ずしも上述のものに限定され
るものではなく、その他の適当な材料に代替することは
当然に可能である。またＦＥＴ素子はＭＯＳ型り、外の
ＭＩＳ型等を使用することもできる。
次に第２図の等価回路図に従って」−記構酸を有するＦ
ＥＴ型湿度センサの動作原理と特徴を説明する。等価回
路図に於いて、容ｉＣｓ及びＣ４は夫々第１図に於ける
感湿体９と２層ゲート絶縁膜５．７の静電容量を示す。
ＥＴ型湿度センサの動作原理と特徴を説明する。等価回
路図に於いて、容ｉＣｓ及びＣ４は夫々第１図に於ける
感湿体９と２層ゲート絶縁膜５．７の静電容量を示す。
又、ＲＬはドレイン電極６と直列に結合したロード抵抗
を示し、ＲＢ はブロッキング膜８と直列に結合した抵
抗を示す。
を示し、ＲＢ はブロッキング膜８と直列に結合した抵
抗を示す。
まず、ＦＥＴ型湿度センサの基本動作に関する説明を容
易にするために、ブロッキング膜８が無く感湿体９が直
接ゲート絶縁膜５，７に接して形成されている場合、即
ち等価回路図に於いて抵抗体ＲＢがない場合について述
べる。
易にするために、ブロッキング膜８が無く感湿体９が直
接ゲート絶縁膜５，７に接して形成されている場合、即
ち等価回路図に於いて抵抗体ＲＢがない場合について述
べる。
透湿性のゲート電極膜１０に印加する電圧をｈとし、Ｆ
ＥＴ素子の閾値電圧をｖｔｈとすると、ドレイン電流Ｉ
Ｄは次式によって与えられる。
ＥＴ素子の閾値電圧をｖｔｈとすると、ドレイン電流Ｉ
Ｄは次式によって与えられる。
イゼし、（１）式に於いてＪＬｎはキャリア移動度、■
、及びＷは夫々ＦＥＴのチャンネル長及びチャンネル幅
を示す。また、Ｃはゲート絶縁膜の静電容量Ｃ１と感湿
体９の静電容量Ｃ８を直列結合した場合の静電容量であ
り、 と書き表わされる。従って、感湿体９の静電容量Ｃｓが
外雰囲気中の湿度に応じて変化することによって、ＶＡ
一定の条件下で、ドレイン電流ＩＤ変化として湿度を
検知することができる。
、及びＷは夫々ＦＥＴのチャンネル長及びチャンネル幅
を示す。また、Ｃはゲート絶縁膜の静電容量Ｃ１と感湿
体９の静電容量Ｃ８を直列結合した場合の静電容量であ
り、 と書き表わされる。従って、感湿体９の静電容量Ｃｓが
外雰囲気中の湿度に応じて変化することによって、ＶＡ
一定の条件下で、ドレイン電流ＩＤ変化として湿度を
検知することができる。
以」二がＦＥＴ型湿度センサの基本的な動作原理である
。しかしながら、上述の動作に於いては当然のことなが
ら感湿体９の両面に直流的な電位差が存在するために、
特に感湿体９中になんらかの不純物イオンが存在してい
る場合には、電界によってこれら不純物イオンの移動、
再配列並びに局在化が生じる。その結果、ＦＥＴ素子の
チャンネル部に素子特性面で顕著な影響を与え、閾値電
圧ｖｔｈの変動を引き起し、ＦＥＴ素子の動作特性ひい
ては湿度センサとしての出力信号の経時変化（ドリフト
）の大きな原因となる。感湿体９と透湿性ゲート電極膜
１０との界面及びゲート絶縁膜５．７との界面に不純物
イオンが存在する場合に於いても同様な現象が生じる。
。しかしながら、上述の動作に於いては当然のことなが
ら感湿体９の両面に直流的な電位差が存在するために、
特に感湿体９中になんらかの不純物イオンが存在してい
る場合には、電界によってこれら不純物イオンの移動、
再配列並びに局在化が生じる。その結果、ＦＥＴ素子の
チャンネル部に素子特性面で顕著な影響を与え、閾値電
圧ｖｔｈの変動を引き起し、ＦＥＴ素子の動作特性ひい
ては湿度センサとしての出力信号の経時変化（ドリフト
）の大きな原因となる。感湿体９と透湿性ゲート電極膜
１０との界面及びゲート絶縁膜５．７との界面に不純物
イオンが存在する場合に於いても同様な現象が生じる。
しかも、先に述べた様に、外雰囲気からの不純物イオン
の混入も避けることが困難であり、従って］−記問題を
解決することはＦＥＴ型湿度センサに於いては極めて重
要な課題である。
の混入も避けることが困難であり、従って］−記問題を
解決することはＦＥＴ型湿度センサに於いては極めて重
要な課題である。
上述した問題を基本的に解決し、長期間安定したＦＥＴ
型湿度センサを得るために、本実施例のＦＥＴ型湿度セ
ンサの構造的な特徴は第１図に示した様に、感湿体９と
ゲート絶縁膜５，７との間に導電性ブロッキング膜８を
介設したことにある。
型湿度センサを得るために、本実施例のＦＥＴ型湿度セ
ンサの構造的な特徴は第１図に示した様に、感湿体９と
ゲート絶縁膜５，７との間に導電性ブロッキング膜８を
介設したことにある。
そして第２図の等価回路図に示すようにブロッキング膜
８と感湿体９の表面に被着した透湿性ゲート電極膜１０
とを抵抗ＲＢを介して結合し、印加電圧ｖＡを直流型Ｅ
ＶＡ （ＤＣ）とこれに重畳する周波数ｆの交流電圧Ｖ
Ａ （ＡＣ）とすることによって、ＦＥＴ素子の駆動を
行なう。直流の印加電圧ＶＡ（ＤＣ）がゲート絶縁膜の
耐圧より充分小さく、ゲート絶縁膜によるリーク電流が
ない場合には、ブロッキング膜８にかかる実効的なゲー
） ｉＪ 圧ＶＧ （Ｄ直流成分Ｖｃ（ＤＣ）はＶＡ（
ＤＣ）と等しくなって感湿体９の両面に直流的な電位差
は生じない。このために先に述べた不純物イオンの移動
、再配列、局在化等の現象は抑止され更にブロッキング
膜８の存在によってこれら不純物イオンのゲート絶縁膜
中への拡散が阻１にされる。しかしこの場合、常にＶＧ
（ＤＣ）はＶＡ （ＤＣ）に等しいため、ｖＡ （ＤＣ
）のみによっては湿度センサとして動作しないことも勿
論である。直流印加電圧ＶＡ （ＤＣ）は、ＦＥＴ素子
のＩＤ〜■６特性において最適バイアス電圧を与える機
能を果す。湿度センサとして、駆動するため即ち感湿体
の静電容量Ｃｓの湿度による変化を検知するためには交
流の印加電圧ＶＡ（ＡＣ）を必要とする。
８と感湿体９の表面に被着した透湿性ゲート電極膜１０
とを抵抗ＲＢを介して結合し、印加電圧ｖＡを直流型Ｅ
ＶＡ （ＤＣ）とこれに重畳する周波数ｆの交流電圧Ｖ
Ａ （ＡＣ）とすることによって、ＦＥＴ素子の駆動を
行なう。直流の印加電圧ＶＡ（ＤＣ）がゲート絶縁膜の
耐圧より充分小さく、ゲート絶縁膜によるリーク電流が
ない場合には、ブロッキング膜８にかかる実効的なゲー
） ｉＪ 圧ＶＧ （Ｄ直流成分Ｖｃ（ＤＣ）はＶＡ（
ＤＣ）と等しくなって感湿体９の両面に直流的な電位差
は生じない。このために先に述べた不純物イオンの移動
、再配列、局在化等の現象は抑止され更にブロッキング
膜８の存在によってこれら不純物イオンのゲート絶縁膜
中への拡散が阻１にされる。しかしこの場合、常にＶＧ
（ＤＣ）はＶＡ （ＤＣ）に等しいため、ｖＡ （ＤＣ
）のみによっては湿度センサとして動作しないことも勿
論である。直流印加電圧ＶＡ （ＤＣ）は、ＦＥＴ素子
のＩＤ〜■６特性において最適バイアス電圧を与える機
能を果す。湿度センサとして、駆動するため即ち感湿体
の静電容量Ｃｓの湿度による変化を検知するためには交
流の印加電圧ＶＡ（ＡＣ）を必要とする。
周波数ｆにおける感湿体のインピーダンス；（２πｆＣ
ｓ） に比べて充分大きな抵抗値を有する抵抗ＲＢを
ブロッキング膜８と透湿性ゲート電極膜１０との間に結
合した場合には、ＲＢは無視することかでき、Ｖ６の交
流成分Ｖ６ （ＡＣ）は次式によって与えられる。
ｓ） に比べて充分大きな抵抗値を有する抵抗ＲＢを
ブロッキング膜８と透湿性ゲート電極膜１０との間に結
合した場合には、ＲＢは無視することかでき、Ｖ６の交
流成分Ｖ６ （ＡＣ）は次式によって与えられる。
ｖ６（ＡＣ） −−ＶＡ （ＡＣ） −−−−−・
［３１Ｃｓ＋Ｃｉ 即ち、一定の振幅をもったＶＡ（ＡＣ）の印加条件下に
於いて、ＶＧ（ＡＣ）は、感湿体の静電容量Ｃｓの値に
よって変化するため、湿度センサとしての出力信号をド
レイン電流ＩＤの交流振幅として取り出すと七ができる
。
［３１Ｃｓ＋Ｃｉ 即ち、一定の振幅をもったＶＡ（ＡＣ）の印加条件下に
於いて、ＶＧ（ＡＣ）は、感湿体の静電容量Ｃｓの値に
よって変化するため、湿度センサとしての出力信号をド
レイン電流ＩＤの交流振幅として取り出すと七ができる
。
第３図に上記実施例のＦＥＴ型湿度センサの出力対相対
湿度特性を示す。尚、第３図は固定抵抗ＲＢ及びＲＬを
夫々ＩＯＭΩ、ＩＫｆｌとし、ｖＡ（ＤＣ）＝５Ｖ 、
ＶＡ （ＡＣ）−１００ｍＶｒｍｓ（ＩＯＫＨｚ）で
駆動した時の室温での出力対相対湿度特性の実測例であ
る。
湿度特性を示す。尚、第３図は固定抵抗ＲＢ及びＲＬを
夫々ＩＯＭΩ、ＩＫｆｌとし、ｖＡ（ＤＣ）＝５Ｖ 、
ＶＡ （ＡＣ）−１００ｍＶｒｍｓ（ＩＯＫＨｚ）で
駆動した時の室温での出力対相対湿度特性の実測例であ
る。
次に、本実施例に係るＦＥＴ型湿度センサの出力安定性
を示す実験例として室内放置した素子の放置時間と相対
湿度６０％におけるセンサ出力との関係を実測し第４図
に示す。尚、第４図には比較のためにブロッキング膜８
を用いた場合（Ａ）とブロッキング膜８を用いずに感湿
体９を直接ゲート絶縁膜７の」二に形成した場合（Ｂ）
の夫々について放置時間対出力の関係を示した。但し、
画素子の駆動条件及び測定条件は同一とし、夫々のセン
サ出力は、初期値を規準とした。第４図に見られる如（
、ブロッキング膜８の効果は極めて大きく、センサ出力
は長期間安定に保たれることが実証された。又ＦＥＴ素
子の特性、例えばドレイン電流（ＩＤ）対ドレイン電圧
（ＶＤ８）特性やドレイン電流（ＩＤ）対ゲート電圧（
■６）特性についても、経時変化がなく特性の再現性も
極めて優れていることが確認された。一方、ブロッキン
グ膜８を用いない場合、即ち第４図の（Ｂ）の場合には
ＦＥＴ素子の■ゎ−ｖＤ５特性及びＩＤ−■６特性共に
大きな経時変化を生じ、特性の再現性も極めて悪いもの
であった。しかも、ｖ６の０Ｎ−ＯＦＦ℃ 或
はＶ６の極性をいったん逆に印加するなどの操作を行な
うことによってもＦＥＴのＩＤ−ｖゎ、特性或はＩＤ
’Ｇ特性は、初期特性と大幅に異なる現象が観測され
ることから、感湿体中或は感湿体とゲート絶縁膜界面に
存在する不純物イオンの電界による移動や再分布（再配
列）の効果がＦＥＴ素子の特性に顕著な影響を与えてい
るものと解釈される。
を示す実験例として室内放置した素子の放置時間と相対
湿度６０％におけるセンサ出力との関係を実測し第４図
に示す。尚、第４図には比較のためにブロッキング膜８
を用いた場合（Ａ）とブロッキング膜８を用いずに感湿
体９を直接ゲート絶縁膜７の」二に形成した場合（Ｂ）
の夫々について放置時間対出力の関係を示した。但し、
画素子の駆動条件及び測定条件は同一とし、夫々のセン
サ出力は、初期値を規準とした。第４図に見られる如（
、ブロッキング膜８の効果は極めて大きく、センサ出力
は長期間安定に保たれることが実証された。又ＦＥＴ素
子の特性、例えばドレイン電流（ＩＤ）対ドレイン電圧
（ＶＤ８）特性やドレイン電流（ＩＤ）対ゲート電圧（
■６）特性についても、経時変化がなく特性の再現性も
極めて優れていることが確認された。一方、ブロッキン
グ膜８を用いない場合、即ち第４図の（Ｂ）の場合には
ＦＥＴ素子の■ゎ−ｖＤ５特性及びＩＤ−■６特性共に
大きな経時変化を生じ、特性の再現性も極めて悪いもの
であった。しかも、ｖ６の０Ｎ−ＯＦＦ℃ 或
はＶ６の極性をいったん逆に印加するなどの操作を行な
うことによってもＦＥＴのＩＤ−ｖゎ、特性或はＩＤ
’Ｇ特性は、初期特性と大幅に異なる現象が観測され
ることから、感湿体中或は感湿体とゲート絶縁膜界面に
存在する不純物イオンの電界による移動や再分布（再配
列）の効果がＦＥＴ素子の特性に顕著な影響を与えてい
るものと解釈される。
また、本実施例のＦＥＴ型湿度センサについて耐環境信
頼性を調べるため、高温高湿（６０℃、９０〜９５％Ｒ
Ｈ）雰囲気放置試験を行ったところ１，０００時間以」
二を経過しても感湿特性に変化は認められなかった。
頼性を調べるため、高温高湿（６０℃、９０〜９５％Ｒ
Ｈ）雰囲気放置試験を行ったところ１，０００時間以」
二を経過しても感湿特性に変化は認められなかった。
〈実施例２〉
感湿体９として、酢酸醋酸セルロースに架橋剤としてジ
カルボン酸を夫々５：２の重量比で混合したものを、ジ
メチルスルホキシドに適当な粘度となるよう（こして溶
解し、この溶液をブロッキング膜８の上にコーティング
した後通風乾燥させ、さらに１００℃〜２００℃の温度
で熱処理することにより得られる架橋膜を形成して用い
、他は実施例１と同様の方法でＦＥＴ型湿度センサを作
製した。本実施例に於いても、実施例１と同様、感湿特
性は相対湿度０％から１００％まで全湿度範囲にわたっ
て得られ、しかも出力特性が相対湿度に対して優れた直
線性を有することが確Ｓ忍された。
カルボン酸を夫々５：２の重量比で混合したものを、ジ
メチルスルホキシドに適当な粘度となるよう（こして溶
解し、この溶液をブロッキング膜８の上にコーティング
した後通風乾燥させ、さらに１００℃〜２００℃の温度
で熱処理することにより得られる架橋膜を形成して用い
、他は実施例１と同様の方法でＦＥＴ型湿度センサを作
製した。本実施例に於いても、実施例１と同様、感湿特
性は相対湿度０％から１００％まで全湿度範囲にわたっ
て得られ、しかも出力特性が相対湿度に対して優れた直
線性を有することが確Ｓ忍された。
また高温高湿雰囲気放置試験（６０℃、９０〜９５％Ｒ
Ｈ）、ｌ０００時間においても、その感湿特性に変化は
認められなかった。
Ｈ）、ｌ０００時間においても、その感湿特性に変化は
認められなかった。
〈実施例３〉
感湿体９として、酢酸酪酸セルロースに架橋剤としてエ
ポキシ系化合物を夫々５：２の重量比で混合したものを
ジメチルスルホキシドに適当な粘度になるように溶解し
、ブロッキング膜８の上にコーティングした後通風乾燥
させ、さらに１００℃〜２００℃の温度で熱処理して得
られる架橋膜を形成して用い、他は実施例１と同様の方
法でＦＥＴ型湿度センサを作製した。本実施例に於いて
も実施例１及び２と同等の良好な結果を得た。
ポキシ系化合物を夫々５：２の重量比で混合したものを
ジメチルスルホキシドに適当な粘度になるように溶解し
、ブロッキング膜８の上にコーティングした後通風乾燥
させ、さらに１００℃〜２００℃の温度で熱処理して得
られる架橋膜を形成して用い、他は実施例１と同様の方
法でＦＥＴ型湿度センサを作製した。本実施例に於いて
も実施例１及び２と同等の良好な結果を得た。
〈発明の効果〉
以上詳述したように本発明によるＦＥＴ型湿度センサは
次に示すような実用」二極めて有益な特性を有する。
次に示すような実用」二極めて有益な特性を有する。
（１）全相対湿度範囲（０％〜１００％ＲＨ）にわたっ
て、高い出力が安定して得られる。
て、高い出力が安定して得られる。
（２） 出力−相対湿度特性は優れた直線性を示す。
（３） 出力の経時変化（ドリフト）がない。
（４）高温高湿度雰囲気においても高い信頼性が得られ
る。
る。
その他、感湿特性のヒステリシスが小さい、応答時間特
性が速い、等の優れた特性を有するとともに、作製プロ
セスについても特に本感湿材はホトリングラフィ、プラ
ズマエツチングで微細パターン化が可能で、全工程シリ
コンテクノロジー、半導体プロセスで作製できるため、
小型化、低価格化を図ることができる。
性が速い、等の優れた特性を有するとともに、作製プロ
セスについても特に本感湿材はホトリングラフィ、プラ
ズマエツチングで微細パターン化が可能で、全工程シリ
コンテクノロジー、半導体プロセスで作製できるため、
小型化、低価格化を図ることができる。
また本センサと信号処理回路等周辺回路を一体化したワ
ンチップデバイスの実現も可能となる。
ンチップデバイスの実現も可能となる。
第１図及び第２図は夫々本発明の実施例を示すＦＥＴ型
湿度センサの構造断面図と等価回路図である。 ゛” （國 湿度特性図、第４図は出力の経時変化を示す特性図であ
る。図中の曲線Ａは第１図のＦＥＴ型湿度センサについ
ての実測値を示し、曲線Ｂは比較のために、ブロッキン
グ膜を用いない場合のＦＥＴ型湿度センサの実測値を示
す。 １・・・シリコン基Ｌ２−・ソース、３・・・ドレイン
、５・・・二酸化シリコン膜、７・・°窒化シリコン膜
、８・・ブロッキング膜、９・・・感湿体、１０・・・
ゲート電極膜。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦（他２名）ＣＣ ：Ｊ１２ 図 謁対湿虐（％ＲＨ） 第３ 図 放置時間（ＨＯＬＩＲ） 卒４ 図
湿度センサの構造断面図と等価回路図である。 ゛” （國 湿度特性図、第４図は出力の経時変化を示す特性図であ
る。図中の曲線Ａは第１図のＦＥＴ型湿度センサについ
ての実測値を示し、曲線Ｂは比較のために、ブロッキン
グ膜を用いない場合のＦＥＴ型湿度センサの実測値を示
す。 １・・・シリコン基Ｌ２−・ソース、３・・・ドレイン
、５・・・二酸化シリコン膜、７・・°窒化シリコン膜
、８・・ブロッキング膜、９・・・感湿体、１０・・・
ゲート電極膜。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦（他２名）ＣＣ ：Ｊ１２ 図 謁対湿虐（％ＲＨ） 第３ 図 放置時間（ＨＯＬＩＲ） 卒４ 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、水蒸気または水分の吸脱着によって静電容量または
電気伝導度が変化する感湿体を電界効果型素子のゲート
絶縁膜に重ねて層設して成る電極構造を有する電界効果
型湿度センサにおいて、前記感湿体として、酢酸酪酸セ
ルロースにイソシアネート基を２つ以上有する化合物、
エポキシ基を２つ以上有する化合物、カルボキシ基を２
つ以上有する化合物またはカルボン酸の酸無水物のいず
れか１種以上を添加して架橋した膜を用いたことを特徴
とする電界効果型湿度センサ。 ２、ゲート絶縁膜と感湿体の界面に該感湿体のドリフト
解除用電圧を印加する補助電極が介設されている特許請
求の範囲第１項記載の電界効果型湿度センサ。 ３、電界効果型素子がＭＯＳ型又はＭＩＳ型のトランジ
スタである特許請求の範囲第１項又は第２項記載の電界
効果型湿度センサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59182088A JPS6157847A (ja) | 1984-08-29 | 1984-08-29 | 電界効果型湿度センサ |
| US06/763,691 US4638346A (en) | 1984-08-29 | 1985-08-08 | Field effect transistor-type moisture sensor |
| DE19853530758 DE3530758A1 (de) | 1984-08-29 | 1985-08-28 | Feuchtigkeitssensor vom feldeffekttransistortyp |
| GB08521432A GB2163902B (en) | 1984-08-29 | 1985-08-28 | Field effect transistor-type moisture sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59182088A JPS6157847A (ja) | 1984-08-29 | 1984-08-29 | 電界効果型湿度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6157847A true JPS6157847A (ja) | 1986-03-24 |
| JPH0415903B2 JPH0415903B2 (ja) | 1992-03-19 |
Family
ID=16112150
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59182088A Granted JPS6157847A (ja) | 1984-08-29 | 1984-08-29 | 電界効果型湿度センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4638346A (ja) |
| JP (1) | JPS6157847A (ja) |
| DE (1) | DE3530758A1 (ja) |
| GB (1) | GB2163902B (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001069225A1 (fr) * | 2000-03-16 | 2001-09-20 | Mitsui Chemicals, Inc. | Detecteur d'humidite du type a capacite |
| JP2006084417A (ja) * | 2004-09-17 | 2006-03-30 | Canon Inc | センサおよびその製造方法 |
| KR100949546B1 (ko) * | 2007-12-06 | 2010-03-25 | 한국전자통신연구원 | 단층 정열형 다공성 금속 산화물 가스 센서 및 그 제조 방법 |
| KR101983551B1 (ko) * | 2017-12-18 | 2019-05-29 | 한밭대학교 산학협력단 | 토양수분센서 디바이스용 고분자 봉지 산화물 박막 트랜지스터 |
Families Citing this family (36)
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| US4816130A (en) * | 1987-07-02 | 1989-03-28 | Becton, Dickinson And Company | Blood electrolyte sensors including crosslinked polyetherurethane membranes |
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- 1985-08-08 US US06/763,691 patent/US4638346A/en not_active Expired - Lifetime
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- 1985-08-28 GB GB08521432A patent/GB2163902B/en not_active Expired
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