JPS63171351A - 差動型電界効果トランジスタ酸素センサ - Google Patents
差動型電界効果トランジスタ酸素センサInfo
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- JPS63171351A JPS63171351A JP62001673A JP167387A JPS63171351A JP S63171351 A JPS63171351 A JP S63171351A JP 62001673 A JP62001673 A JP 62001673A JP 167387 A JP167387 A JP 167387A JP S63171351 A JPS63171351 A JP S63171351A
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (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】
〔産業上の利用分野〕
本発明を差動型電界効果トランジスタ酸素センサに係り
、特に雑音に対して安定にでき、温度補償を容易にする
のに好適な差動型電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴと
記す）酸素センサに関するものである。
、特に雑音に対して安定にでき、温度補償を容易にする
のに好適な差動型電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴと
記す）酸素センサに関するものである。
現在、医療用酸素センサとしてクラーク型酸素電極が広
く使用されており、プロシーデイングスオブザサードセ
ンサシンポジウム（１９８３）第２１頁から第２６頁（
Ｐｒｏｃ、 ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ。
く使用されており、プロシーデイングスオブザサードセ
ンサシンポジウム（１９８３）第２１頁から第２６頁（
Ｐｒｏｃ、 ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ。
５ｅｎｓｏｒ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （１９８３） ｐ
ｐ ２１〜２６ ）において半導体技術を用いて製作し
た小型なりラーク型酸素電極が述べられている。
ｐ ２１〜２６ ）において半導体技術を用いて製作し
た小型なりラーク型酸素電極が述べられている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来のクラーク型酸素電極の出力電流は、比較的大
きな温度依存性を持っており、この主な原因は、酸素透
過膜の酸素透過係数が大きな温度依存性を持っているこ
とによる。そして、酸素透過係数の温度依存性は、酸素
透過膜の材料や構造によって大きく異なり、従来のクラ
ーク型酸素電極では出力電流の温度補償が煩雑であると
いう問題点があった。
きな温度依存性を持っており、この主な原因は、酸素透
過膜の酸素透過係数が大きな温度依存性を持っているこ
とによる。そして、酸素透過係数の温度依存性は、酸素
透過膜の材料や構造によって大きく異なり、従来のクラ
ーク型酸素電極では出力電流の温度補償が煩雑であると
いう問題点があった。
本発明の目的は、雑音に対して安定で、かつ、温度補償
が容易な差動型ＦＥＴｌｌ１センサを提供することにあ
る。
が容易な差動型ＦＥＴｌｌ１センサを提供することにあ
る。
上記目的は、酸素に応答する酸素ＦＥＴと酸素に応答し
ない参照ＦＥＴとを同−基枚に形成し。
ない参照ＦＥＴとを同−基枚に形成し。
それぞれのＦＥＴの出力電流または出力電圧の差動測定
を行うことによって達成するようにした。
を行うことによって達成するようにした。
酸素ＦＥＴの温度特性は、酸素解離反応に基づくゲート
電極／固体電解質界面の電位変化の温度特性と半導体物
性の温度特性によって決まる。一方、参照ＦＥＴの温度
特性は、半導体物性の温度特性のみによって決まる。し
たがって、酸素ＰＥＴと参照ＦＥＴとをワンチップシリ
コン基板に形成すれば、ＦＥＴ特性のばらつきが小さく
なり、各々のＦＥＴの出力電流または出力電圧の差動測
定を行えば、半導体物性の温度特性は相殺され、差動出
力は酸素解離反応に基づく電位変化に温度特性のみとな
る。この温度特性は理論式から計算することができ、温
度補償が簡単になる。
電極／固体電解質界面の電位変化の温度特性と半導体物
性の温度特性によって決まる。一方、参照ＦＥＴの温度
特性は、半導体物性の温度特性のみによって決まる。し
たがって、酸素ＰＥＴと参照ＦＥＴとをワンチップシリ
コン基板に形成すれば、ＦＥＴ特性のばらつきが小さく
なり、各々のＦＥＴの出力電流または出力電圧の差動測
定を行えば、半導体物性の温度特性は相殺され、差動出
力は酸素解離反応に基づく電位変化に温度特性のみとな
る。この温度特性は理論式から計算することができ、温
度補償が簡単になる。
）い□１００．〜□３□オ、あ□、お
よび第４図を用いて詳細に説明する。
第１図は本発明の差動型ＦＥＴ酸素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に
不純物を拡散し、酸素ＦＥＴのソース２、ドレイン３お
よび参照ＦＥＴのソース４、ドレイン５を形成しである
。各ＦＥＴのソース、ドレイン間のシリコン表面がチャ
ネルとなり、このチャネル上には絶縁膜６を形成し、そ
の上に固体電解質膜７を１！を層しである。固体電解質
膜７上の酸素ＦＥＴのゲート電極８は、酸素解離反応の
触媒作用を有する導電体とし、参照ＦＥＴのゲート電ｔ
ｉｊ９は、酸素解離反応を生じさせない導電体としであ
る。
示す断面図である。第１図において、シリコン基板１に
不純物を拡散し、酸素ＦＥＴのソース２、ドレイン３お
よび参照ＦＥＴのソース４、ドレイン５を形成しである
。各ＦＥＴのソース、ドレイン間のシリコン表面がチャ
ネルとなり、このチャネル上には絶縁膜６を形成し、そ
の上に固体電解質膜７を１！を層しである。固体電解質
膜７上の酸素ＦＥＴのゲート電極８は、酸素解離反応の
触媒作用を有する導電体とし、参照ＦＥＴのゲート電ｔ
ｉｊ９は、酸素解離反応を生じさせない導電体としであ
る。
上記実施例の差動型ＦＥＴ酸素センサが良好な温度特性
を示すためには、酸素ＦＥＴと参照ＦＥＴをできるだけ
接近させて形成し、ＦＥＴのしきい値電圧やトランスコ
ンダクタンスにばらつきが生じないようにする必要があ
る。また、本実施例の差動型ＦＥＴ酸素センサが酸素に
対して良好な応答特性を示すためには、酸素ＦＥＴのゲ
ート電極８は、室温で高い触媒能力を特った材料である
必要があり、例えば、ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム
）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕ（金）等の貴金属あるい
は、上記金属のうちの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ｗ４８上で酸素
分子が効率よく分解されるためには、ゲート電極８は多
孔性あるいは膜厚が、１０００Å以下であることが望ま
しい、また、参照ＦＥＴのゲート電極９は、例えば、Ａ
Ｑ （アルミニウム）やポリシリコンのような酸素解離
反応の触媒作用を有さない導電体かまたは上記した酸素
ＦＥＴのゲート電極８と同じ材料で膜厚が１０００Å以
上のものが好ましい。
を示すためには、酸素ＦＥＴと参照ＦＥＴをできるだけ
接近させて形成し、ＦＥＴのしきい値電圧やトランスコ
ンダクタンスにばらつきが生じないようにする必要があ
る。また、本実施例の差動型ＦＥＴ酸素センサが酸素に
対して良好な応答特性を示すためには、酸素ＦＥＴのゲ
ート電極８は、室温で高い触媒能力を特った材料である
必要があり、例えば、ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム
）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕ（金）等の貴金属あるい
は、上記金属のうちの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ｗ４８上で酸素
分子が効率よく分解されるためには、ゲート電極８は多
孔性あるいは膜厚が、１０００Å以下であることが望ま
しい、また、参照ＦＥＴのゲート電極９は、例えば、Ａ
Ｑ （アルミニウム）やポリシリコンのような酸素解離
反応の触媒作用を有さない導電体かまたは上記した酸素
ＦＥＴのゲート電極８と同じ材料で膜厚が１０００Å以
上のものが好ましい。
第２図は本発明の他の実施例を示す第１図に相当する断
面図であり、第１図と同一部分は同で符号で示しである
。これは、シリコンオンサファイア（ＳＯＳ）基板を用
いて製作した差動型ＦＥＴ酸素センサの断面構造を示し
ており、サファイア基板１０上にシリコン層を一部エッ
チングしてシリコンアイランド１１を形成し、その中に
不純物を拡散して酸素ＦＥＴのソース２．ドレイン３お
よび参照ＦＥＴの゛ソース４．ドレイン５を形成しであ
る。絶縁膜６．固体電解質膜７およびゲート電極８．９
は第１図の実施例と同じである。このようにＳＯ８基板
１０を用いると、酸素ＦＥＴと参照ＦＥＴを電気的に分
離することができ、クロストークをなくすことができる
。
面図であり、第１図と同一部分は同で符号で示しである
。これは、シリコンオンサファイア（ＳＯＳ）基板を用
いて製作した差動型ＦＥＴ酸素センサの断面構造を示し
ており、サファイア基板１０上にシリコン層を一部エッ
チングしてシリコンアイランド１１を形成し、その中に
不純物を拡散して酸素ＦＥＴのソース２．ドレイン３お
よび参照ＦＥＴの゛ソース４．ドレイン５を形成しであ
る。絶縁膜６．固体電解質膜７およびゲート電極８．９
は第１図の実施例と同じである。このようにＳＯ８基板
１０を用いると、酸素ＦＥＴと参照ＦＥＴを電気的に分
離することができ、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第１図に相当
する断面図である。第３図において、絶縁膜６、固体電
解質膜７およびゲート電極８，９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１２を礼成し、
このウェル１２の中に不純物を拡散して酸素ＦＥＴのソ
ース２．ドレイン３および参照ＦＥＴのソース４．ドレ
イン５を形成しである。このように、ウェル１２の中に
ＦＥＴセンサを製作するようにしたので、酸素ＦＥＴと
参照ＦＥＴの間のクロストークをなくすことができる。
する断面図である。第３図において、絶縁膜６、固体電
解質膜７およびゲート電極８，９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１２を礼成し、
このウェル１２の中に不純物を拡散して酸素ＦＥＴのソ
ース２．ドレイン３および参照ＦＥＴのソース４．ドレ
イン５を形成しである。このように、ウェル１２の中に
ＦＥＴセンサを製作するようにしたので、酸素ＦＥＴと
参照ＦＥＴの間のクロストークをなくすことができる。
また、本実施例では、シリコン基板１を用いているので
、第２図の実施例より低価格のセンサを提供することが
できる。
、第２図の実施例より低価格のセンサを提供することが
できる。
本発明の第１図に示した実施例の差動型ＦＥＴ酸素セン
サを用いてセンサ特性を測定した。ただし、第１図にお
いて、絶縁膜６として厚さ５００人の５ｉＯｚ膜を形成
し、その上に厚さ１０００人のＳｉ３Ｎ４膜を積層し、
また、固体電解質膜７としてＹ ｚ Ｏａを８モル％含
有したＺｒ０ｚ膜をスパッタリング法により１０００人
積層した。酸素ＦＥＴのゲート電極８は、スパッタリン
グ法により形成した厚さ１００人の白金とし、参照ＦＥ
Ｔのゲート電極９は、真空蒸着法により形成した厚さ３
０００人のアルミニウムとした。このセンサを暗箱中に
設置し、雰囲気ガス中の酸素分圧を０ 、１ ａｔｍ一
定とし、センサの温度を変化させたときの出力電圧を記
録した。第４図は各ＦＥＴのドレイン電流を１００μＡ
一定としたときのセンサの出力電圧と温度との関係を示
した線図である。
サを用いてセンサ特性を測定した。ただし、第１図にお
いて、絶縁膜６として厚さ５００人の５ｉＯｚ膜を形成
し、その上に厚さ１０００人のＳｉ３Ｎ４膜を積層し、
また、固体電解質膜７としてＹ ｚ Ｏａを８モル％含
有したＺｒ０ｚ膜をスパッタリング法により１０００人
積層した。酸素ＦＥＴのゲート電極８は、スパッタリン
グ法により形成した厚さ１００人の白金とし、参照ＦＥ
Ｔのゲート電極９は、真空蒸着法により形成した厚さ３
０００人のアルミニウムとした。このセンサを暗箱中に
設置し、雰囲気ガス中の酸素分圧を０ 、１ ａｔｍ一
定とし、センサの温度を変化させたときの出力電圧を記
録した。第４図は各ＦＥＴのドレイン電流を１００μＡ
一定としたときのセンサの出力電圧と温度との関係を示
した線図である。
図中ａの温度特性は本発明の実施例の差動型ＦＥＴ酸素
センサのもので、ｂの温度特性は酸素ＦＥＴのみを用い
た場合である。３７℃付近の温度係数は、ａの特性で−
０，２ｍＶ／”Ｃ、ｂの特性で−１，２ｍＶ／’Ｃであ
った。このように、本発明゛の実施例の差動型ＦＥＴ酸
素センサを用いることにより、酸素ＦＥＴを単独で用い
た場合より温度特性を大幅に改善することができる。
センサのもので、ｂの温度特性は酸素ＦＥＴのみを用い
た場合である。３７℃付近の温度係数は、ａの特性で−
０，２ｍＶ／”Ｃ、ｂの特性で−１，２ｍＶ／’Ｃであ
った。このように、本発明゛の実施例の差動型ＦＥＴ酸
素センサを用いることにより、酸素ＦＥＴを単独で用い
た場合より温度特性を大幅に改善することができる。
（発明の効果〕
以上説明したように１本発明によれば、酸素ＦＥＴと参
照ＦＥＴとがワンチップに形成しであるので、各ＦＥＴ
のしきい値電圧や伝達コンダクタンス等のばらつきが少
なく、各ＦＥＴの出力電流または出力電圧の差動測定を
行うことにより。
照ＦＥＴとがワンチップに形成しであるので、各ＦＥＴ
のしきい値電圧や伝達コンダクタンス等のばらつきが少
なく、各ＦＥＴの出力電流または出力電圧の差動測定を
行うことにより。
温度特性の優れた酸素センサとすることができるという
効果がある。
効果がある。
第１図は本発明の差動型ＦＥＴ酸素センサの一実施例を
示す断面図、第２図、第３図はそれぞれ本発明の他の実
施例を示す第１図に相当する断面図、第４図は第１図に
示す実施例の効果を説明するための線図である。 ■・・・基板、２・・・酸素ＦＥＴのソース、３・・・
酸素ＦＥＴのドレイン、４・・・参照ＦＥＴのソース、
５・・・参照ＦＥＴのドレイン、６・・・絶縁膜、７・
・・固体電解質膜、８・・・酸素ＦＥＴのゲート電極、
９・・・参照ＦＥＴのゲート電極、１０・・・サファイ
ア、１１・・・シリコンアイランド、１２・・・ウェル
。 代理人 弁理士 小川勝馬 −゛ も ２ 口 も３０ ｆ−３Ｌ＋−図
示す断面図、第２図、第３図はそれぞれ本発明の他の実
施例を示す第１図に相当する断面図、第４図は第１図に
示す実施例の効果を説明するための線図である。 ■・・・基板、２・・・酸素ＦＥＴのソース、３・・・
酸素ＦＥＴのドレイン、４・・・参照ＦＥＴのソース、
５・・・参照ＦＥＴのドレイン、６・・・絶縁膜、７・
・・固体電解質膜、８・・・酸素ＦＥＴのゲート電極、
９・・・参照ＦＥＴのゲート電極、１０・・・サファイ
ア、１１・・・シリコンアイランド、１２・・・ウェル
。 代理人 弁理士 小川勝馬 −゛ も ２ 口 も３０ ｆ−３Ｌ＋−図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、シリコンの表面または表面近傍に所定間隔をおいて
該シリコンとは異なる伝導形の領域を２個設けてそれぞ
れソースとドレインとし、前記２個の領域の間のシリコ
ン表面に絶縁膜を形成してこれをゲート絶縁膜とし、該
ゲート絶縁膜上に固体電解質膜を積層し、該固体電解質
膜上にゲート電極を設けてなる電界効果トランジスタ２
個を同一基板に形成し、そのうちの１個の電界効果トラ
ンジスタを酸素分子を解離する反応の触媒効率が高いゲ
ート電極を有する酸素電界効果トランジスタとし、他の
１個の電界効果トランジスタを酸素解離反応の触媒効率
が低いゲート電極を有する参照電界効果トランジスタと
したことを特徴とする差動型電界効果トランジスタ酸素
センサ。 ２、前記ゲート絶縁膜は、ＳｉＯ＿２膜あるいはＳｉＯ
＿２膜上にＳｉ＿３Ｎ＿４膜を積層した膜である特許請
求の範囲第１項記載の差動型電界効果トランジスタ酸素
センサ。 ３、前記固体電解質膜は、Ｙ＿２Ｏ＿３またはＣａＯを
ドーピングしたＺｎＯ＿２膜あるいはＬａＦ＿３膜ある
いはＳｒまたはＥｎをドーピングした ＬａＦ＿３膜である特許請求の範囲第１項または第２項
記載の差動型電界効果トランジスタ酸素センサ。 ４、前記酸素電界効果トランジスタのゲート電極の電極
材料は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｕのいずれかまたはこれ
らのうちの複数個を合金としたものであり、該ゲート電
極の構造は、多孔質または１０〜１０００Åの膜厚であ
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
の差動型電界効果トランジスタ酸素センサ。 ５、前記参照電界効果トランジスタのゲート電極の電極
材料は、ＡｌまたはポリシリコンまたはＰｔ、Ｐｄ、Ｉ
ｒ、Ａｕのいずれかまたはこれらのうちの複数個を合金
としたものであり、膜厚が１０００Å以上である特許請
求の範囲第１項または第２項または第３項または第４項
記載の差動型電界効果トランジスタ酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62001673A JPS63171351A (ja) | 1987-01-09 | 1987-01-09 | 差動型電界効果トランジスタ酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62001673A JPS63171351A (ja) | 1987-01-09 | 1987-01-09 | 差動型電界効果トランジスタ酸素センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63171351A true JPS63171351A (ja) | 1988-07-15 |
Family
ID=11508036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62001673A Pending JPS63171351A (ja) | 1987-01-09 | 1987-01-09 | 差動型電界効果トランジスタ酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63171351A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010029805A1 (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-18 | 国立大学法人岡山大学 | ガスセンサ |
| JP2016128783A (ja) * | 2015-01-09 | 2016-07-14 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | センサシステムおよびデバイス |
-
1987
- 1987-01-09 JP JP62001673A patent/JPS63171351A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010029805A1 (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-18 | 国立大学法人岡山大学 | ガスセンサ |
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| US8283704B2 (en) | 2008-09-12 | 2012-10-09 | National University Corporation Okayama University | Gas sensor |
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