JPS62250352A - 電界効果トランジスタ型酸素ガスセンサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電界効果トランジスタ型酸素ガスセンサに係り
、気体中の酸素ガス分圧を測定するのに好適な小型化あ
るいは複数のセンサを集積化できる電界効果トランジス
タ型酸素ガスセンサに関するものである。

〔従来の技術〕

気体あるいは液体中の酸素ガス分圧の測定には、クラー
ク型酸素電極が広く使用されている。ところで、最近、
特に医療の分野から小型の酸素センサの開発が要求され
ており、例えば、アイ−・イー・イー　トランザクショ
ン　オン　バイオメディカル　エンジニアリング、ボオ
ル、ビーエムイー−２２，Ｎａ４，７月　１０７５　（
ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｇａｃｔｌｏｎｓｏｎ　　ロｉｏｍ
ｅｄｉｃａｌ　　Ｅｎｇｉｎａａｒｌｎｇ、　　Ｖｏ　
Ｑ　　、　　ＤＭＢ　−２２。

Ｆｋ　４　、　Ｊｕｌｙ　１９７５）　　の第２７５頁
に示されているように、半４体技術を駆使してクラーク
型酸素電極を小型化した例がいくつか報告されている。

一方、ジルコニアは、高温（５００℃以上）で酸素イオ
ン導伝性を示す固体電解質であり、自動車用酸素センサ
として実用的に用いられている。

このジルコニア酸素センサを小型化する試みとしては、
ジャーナル　オブ　バキュウム　サイエンス　テクノロ
ジー　１４　、　Ｈａ　３　（１９７７）　　（Ｊ、Ｖ
ａｃ。

Ｓｃｉ　Ｔａｃｈｎｏｌ、ＶｏＱ、　　１４　、　Ｎａ
　３　（１９７７）　）の第７７７頁に示しであるよう
に、金属／ジルコニア／金属構造を薄膜化技術を利用し
て製作した例が記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕 上記のクラーク型酸素電極は、その構造体中に内部電解
液および酸素透過性膜（テフロン膜）を有しているため
、これを半導体を用いて製作する場合、従来の半導体プ
ロセスとの整合性が問題であった。

また、ジルコニア酸素センサは、ジルコニアをはさんだ
金属電極間の電位差を測定することを基本原理としてお
り、動作温度が低下すると、ジルコニアのインピーダン
スが高くなるので、従来の構造では雑音の影響を受けや
すく、電位差測定を非常に困難な測定系を用いて行わな
ければならないという問題があった。

本発明の目的は、半導体プロセスを利用して製作するこ
とができ、かつ、室温でも動作可能とすることができる
電界効果トランジスタ型酸素ガスセンサを提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、高入力インピーダンスを有する最も簡単な
増幅器としてゲート絶縁膜を用いる。これは、絶縁ゲー
ト電界効果トランジスタの５ｉＯｚ膜あるいは５ｉＯｚ
ｌＰＪ上に５ｉａＮ４を積層した膜から形成し得る。こ
のゲート絶縁股上に固体電解ＩＩ？！膜を積層し、その
ゲート電極として酸素分子が酸素イオンに解離する反応
の触媒の作用をする金属を設けた。

〔作用〕

ゲート電極と固体［８質膜の界面において、雰囲気中の
ａ素ガス分圧に応じた超電力が発生し、固体電解質膜は
、絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート絶縁吸上に
積層するようにしたのでインピーダンスが高くても問題
にならず、上記の起電力は、半導体表面のチャネルの導
電率を変化させる。したがって、この導電率変化を測定
すれば、雰囲気中の酸素ガス分圧を知ることができる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図〜第４図に示マた実施例および第５
ｍ、第６図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の電界効果トランジスタ型酸素ガスセン
サの一実施例を示す断面図である。第１図において、シ
リコン基板１上に不純物を拡散し。

ドレイン２およびソース３の領域を形成する。ドレイン
２．ソース３間のシリコン基板１の表面が電界効果トラ
ンジスタのチャネルとなる。このチャネル上には、５ｉ
ｎｓ酸化膜４および５ｉａＮａ絶縁膜５が順次通常の電
界効果トランジスタと同様に形成してあり、さらにその
上にＹｚＯｇまたはＣａＯをドーピングしたＺｒＯｘ膜
、すなわち、ジルコニア膜からなる固体電解質ｌｌｌ６
を積層し。

その上にゲート電極として酸素分子が酸素イオンに解離
する反応の解媒の作用を有する金属触媒膜７を形成しで
ある。固体電解９ｔＭとしては。

ＬａＦａも用い得る。

本発明に係る電界効果トランジスタ型酸素ガスセンサが
室温で動作するためには、固体電解質膜６および金属触
媒１１７の材料および膜厚を充分考慮する必要がある。

電界効果トランジスタの電気的特性を良好にするために
は、固体電解質膜６の膜厚に薄い方がよ＜、５０００Å
以下にすることが望ましく、上記した実施例では１００
〜５００人としである。また、固体電解質膜６は室温で
高い酸素イオン伝導率を持った材料が好ましいが、必ず
しも高い酸素イオン伝導率を持たなくてもよく、その場
合は固体電解質膜６の膜厚を薄くすればよい。また、ゲ
ート電極となる金属触媒膜７は、室温で高い触媒能力を
持った材料であることが必要であり、例えば、白金、パ
ラジウム、インジウム、金等の貴金属あるいは上記の金
属のうちいくつかを積層または合金としたものなどが好
ましい。

これらのゲート電極上で酸素分子が効率よく分解される
ためには、金属触媒膜７は多孔性あるいは酸素分子が拡
散しやすい構造であることが望ましし１１１ 第２図は本発明の他の実施例を示す断面図で、第２図に
おいては、シリコン　オン　サファイヤ（ＳＯ８）基板
を用いて製作した電解効果トランジスタ型酸素ガスセン
サを示しである。サファイヤ基板８上にシリコンエピタ
キシャル層を一部エッチングしてシリコンアイランド９
を形成し、その中に不純物を拡散してドレイン２および
ソース３の領域を形成しである。ゲート絶縁膜およびゲ
ート電極の構造は第１図と同様である。このように、Ｓ
Ｏ８基板８を用いると、ワンチップに複数の電界効果ト
ランジスタ型酸素ガスセンサや信号処理回路を集積化し
た場合、各センサ素子間あるいはセンサと信号処理回路
間を電気的に分離することができ、各センサ素子間のク
ロストークをなくすことができる。

第３図は本発明のさらに他の実施例を示す断面図である
。第３図においては、ゲート絶縁膜およびゲート電極の
構造は第１図と同様であるが、シリコン基板１の中にウ
ェル１０を形成し、このウェル１ｏの中に不純物拡散に
よりドレイン２およびソース３の領域を形成しである。

このように、ウェル１０の中にセンサ素子を製作するこ
とにより、ワンチップに集積化したセンサ素子間のクロ
ストークをなくすことができる。また、第３図に示す実
施例は、シリコン基板１を用いているので、第２図に示
す実施例の場合より低価格なセンサを提供することがで
きる。

第１図〜第３図に示した実施例では、固体電解質膜６は
、５ｉａＮｉ絶縁膜５の上に積層したが、第４図に示す
実施例のように、Ｓｉ♂Ｎ４絶ａ［５を取り除き、Ｓｉ
○２ａ化膜４の上に直接固体電解質膜６を積層するよう
にしてもよい。なお、この構造は第２図、第３図に示す
実施例にも適用することができる。

第１図に示す実施例のセンサを用いて測定した特性を第
５図、第６図に示す、これは、第１図のチャネル上の酸
化ｌｌＩ４の厚みを５０００人、５ｉｓＮ４絶縁ｌ１１
５の厚みを１０００人に形成し、その上に固体電解質膜
６としてＹｚＯａを７モル％ドーピングしたＺｒ０ｚｌ
ｌ！Ｉをスパッタリング法により１０００人の厚さに形
成したものの場合である。ゲート電極となる金属触媒膜
７としては、スパッタリング法により白金を１００人の
厚さに形成した。このセンサを暗箱中に設置し、酸素ガ
スあるいはｍｓと窒素の混合ガスを専スして、雰囲気ガ
ス中の酸素ガス分圧を変化させ、センサの出力を記録し
た。

第５図はｌ　ａｔｍの酸素ガスと窒素ガスを用いて雰囲
気ガス中の酸素分圧をステップ状に変化させたときのセ
ンサの時間応答を室温で測定した結果を示しており、図
中のポイントａは酸素ガスを暗箱に導入した時点を示し
、ポイントｂは窒素ガスを導入した時点を示す、このよ
うに、繰り返し測定において良好な再現性の応答が得ら
れた。

第６図は雰囲気中の酸素分圧を変化させたときの出力電
圧変化と酸素分圧の対数との関係の実測値の線図である
。酸素分圧に依存してセンサの出力電圧が変化し、第６
図よりその傾きが４８ｍＶ／Ｐｏｔであることがわかる
。

以上述べたように１本発明に係る電圧効果トランジスタ
型酸素ガスセンサは、半導体集積回路技術を利用して製
作することができ、室温で酸素分圧を測定することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように５本発明によれば、半導体集積回路
技術を利用して製作することができ、小形で使いやすく
、室温でも動作可能であり、また、他の半導体センサや
信号処理回路等とともにワンチップに集積化できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電界効果トランジスタ型酸素ガスセン
サの一実施例を示す断面図、第２図〜第４図はそれぞれ
本発明の他の実施例を示す断面図、第５図は第１図の酸
素ガスセンサを用いた場合の酸素分圧をステップ状に繰
り返し変化させたときの出力電圧特性図、第６図は酸素
ガス分圧を変化させた場合の酸素ガス分圧と出力電圧変
化との実測の関係線図である。 １・・・シリコン基板、２・・・ドレイン、３・・・ソ
ース、４・・・５ｉＯｚ酸化膜、５・・・５ｉａＮ４絶
縁膜、６・・・固体電解質膜、７・・・金属触媒膜、８
・・・サファイヤ基板、９・・・シリコンアイランド、
１０・・・ウェル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電界効果トランジスタを利用した酸素ガスセンサに
   おいて、ゲート絶縁膜上に固体電解質膜を積層し、その
   上にゲート電極として酸素分子が酸素イオンに解離する
   反応の触媒の作用を有する金属を設けた構成としたこと
   を特徴とする電界効果トランジスタ型酸素ガスセンサ。 ２、前記固体電解質膜は、Ｙ＿２Ｏ＿３またはＣａＯを
   ドーピングしたＺｒＯ＿２膜又はＬａＦ＿３膜である特
   許請求の範囲第１項記載の電界効果トランジスタ型酸素
   ガスセンサ。 ３、前記酸素分子が酸素イオンに解離する反応の触媒の
   作用を有する金属は、白金、パラジウム、インジウム、
   金の中から選択されるものである特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の電界効果トランジスタ型酸素ガスセ
   ンサ。 ４、前記固体電解質の膜厚は５００Å以下で、前記ゲー
   ト電極は多孔質のものである特許請求の範囲第１項また
   は第２項または第３項記載の電界効果トランジスタ型酸
   素ガスセンサ。