JPS63279154A - 二酸化炭素センサ - 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】 〔概要〕 水素イオン濃度の変化を検知しうるイオン感応性電界効
果トランジスタと二酸化炭素濃度の変化に応答して水素
イオン濃度の変化を誘発する電解質水溶液との組み合わ
せをもって構成された二酸化炭素センサである。

イオン感応性電界効果トランジスタのゲート領域を凹部
中に形成して、この凹部中に電解質水溶液を入れておい
て、ゲート領域に常時電解質水溶液を接触させておき、
この電解質水溶液に被検体たるガスが接触しうるように
、上記の電解質水溶液をガス透１Ｍ１１２をもってカバ
ーして構成された二酸化炭素センサである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、二酸化炭素センサの改良に関する。

特に１寸法が小さくて使用しやすく、製造しやすくて大
量生産に適するように改良された二酸化炭素センサに関
する。

〔従来の技術〕

二酸化炭素センサとしては、従来、ガラス電極が重炭酸
塩水溶液に浸漬されてなるものであり、この重炭酸塩水
溶液に二酸化炭素を溶解させて電解質水溶液中の１ｒＬ
炭酸イオン濃度を変化させ、この変化に応答して発生す
る水素イオン濃度（ｐＨ）の変化を検出する手法が知ら
れている。

さらに、上記のボテンシオメトリックな二酸化炭素セン
サに加えて、本発明の発明者は、上記の７１ｉ気化学的
手法にもとづく酸素センサ（酸素電極）を基本として、
これと、二酸化炭素を資化する独立栄養細菌とを組み合
わせて、アンペロメトリックな二酸化炭素センサ（二酸
化炭素濃度）を開発した。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記いづれも、基本的には電気化学的作用にも
とづくものであり、使用方法が単純でなく１寸法も大き
く、大量生産に適さないという欠点がある。

本発明の目的は、これらの欠点を解消することにあり、
使用方法が単純であり１寸法が小さく使用に便利であり
、大量生産に適する二酸化炭素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〕

上記の目的を達成するために本発明が採った第１の手段
は、一導電型の半導体板状体（１）の１面に凹部（３）
を形成し、該凹部（３）の底面の相互に離隔した二つの
領域に反対導電型不純物を導入してソース及びドレイン
（１１）を形成し、該ソース及びドレイン（１１）のそ
れぞれと接続して前記一導電型の半導体板状体（１）上
にソース電極及びドレイン電極（１８）を形成し、さら
に、ソース・ドレインと絶縁された銀／塩化銀参照電極
（５０）を形成してなるイオン感応性電界効果トランジ
スタの前記凹部（３）中に、重炭酸ナトリウムまたは重
炭酸カリウム等の電解質水溶液を含むアガロースゲル（
８）を充満し、ａ＊アガロースゲル（８）の表面がガス
透過１１９（１０）をもって覆って二酸化炭素センサを
構成することにある。

また、上記の目的を達成するために本発明が採った第２
の手段は、一導電型の半導体板状体（１）の１面に凹部
（３）を形成し、該凹部（３）の底面に反対導電型不純
物を導入してソースまたはドレイン（１１）を形成し、
前記凹部（３）を囲んで前記半導体板状体（１）の表層
に反対導電型不純物を導入してドレインまたはソース（
１１）を形成し、さらに、ソース・ドレインと絶縁され
た銀／塩化銀参照電極（５１）を形成してなるイオン感
応性電界効果トランジスタの前記凹部（３）中に、重炭
酸ナトリウムまたは重炭酸カリウム等の電解質水溶液を
含むアガロースゲル（８）を充満し、該アガロースゲル
（８）の表面がガス透過膜（ｌＯ）をもって覆って二酸
化炭素センサを構成することにある。

〔作用〕

本発明は、上記の電気化学的手法に替えて、イオン感応
性電界効果トランジスタを使用したものである。

イオン感応性電界効果トランジスタとは、第１７図にそ
の断面図を示すように、ゲート電極を欠く構造の電界効
果トランジスタである０図において、ｌは例えばｐ型の
シリコン基板であり、その表層にｎ型の不純物が導入さ
れてソース・ドレイン１１が形成されており、ソース・
ドレイン１１に挟まれた領域にゲート絶縁膜１２が形成
されている。

ゲート絶縁膜１２に接触している流体特に液体の水素イ
オン濃度が変化すると、この変化に応答してゲート絶縁
膜１２に接触する領域にチャンネル１３が発生するもの
である。

本発明においては、このイオン感応性電界効果トランジ
スタのゲート領域を凹部中に形成して、この凹部中に電
解質水溶液を入れておいて、ゲート領域に常時電解質水
溶液を接触させておき、この電解質水溶液に被検体たる
ガスが接触しうるように、上記の電解質水溶液をガス透
過膜をもってカバーしたものである。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつへ、本発明の二つの実施例に係る
二酸化炭素センサについてさらに説明する。

追」−実」１例 第２図参照 ｐ型のシリコン基板１の表面を酸化して、二酸化シリコ
ン膜２を形成する。

第３図参照 リソグラフィー法を使用して、基板ｌの一部領域におい
て、二酸化シリコン膜２とｐ型シリコン基板１の表層と
をエツチングして、その中にソース及びドレインを形成
することとなる凹部３を、ｐ型シリコン基板１の表層に
形成する。この工程は、まず、レジストによるパターン
形成後フッ酸を使用して二酸化シリコン膜２を除去し、
その後、水醜化カリウムを使用してｐ型シリコン基板１
の表層に異方性エツチングをアプライすればよい、凹部
３の深さは３００１Ｌｍが適切である。

レジスト膜を溶解除去した後、酸化して、凹部３の内面
を二酸化シリコン膜４をもってカバーする。二酸化シリ
コン膜４の厚さは約０．８ルーが適切である。

第４図、第５図参照 第４図は平面図であり、第５図はそのＡ−Ａ断面図であ
る。

ソース・ドレイン領域、ソース電極・ドレイン電極領域
及びチャンネル領域を除いて（第４図に斜線が示されて
いる領域を除いて）、−ｎ：酸化シリコン膜２・４を除
去し、この領域にｐ型不純物をイオン注入して、この領
域をｐ＋型に転換する。下層は（）内に示す、よって、
４（１）は上層が二酸化シリコン膜４であり、その下層
がシリコン基板ｌであることを示す。

第６図参照 Ｐ型不純物のイオン注入用マスクとして使用された二酸
化シリコン膜４を除去し、あらためて二酸化シリコン膜
５を形成する。この二酸化シリコン膜５がゲート絶縁膜
となる。

第７図、第８図参照 第７図は平面図であり、第８図はそのＢ−Ｂ断面図であ
る。

ソース・ドレイン領域、ソース電極−ドレイン電極領域
から二酸化シリコン膜５を除去し、ここに、ｎ型不純物
をイオン注入してソース・ドレイン１１とソース・ドレ
インコンタクト領域１５とを形成する。

第９図、第１Ｏ図参照 第９図は平面図であり、第１θ図はそのＣ−Ｃ断面図で
ある。

全面に、二酸化シリコン膜６を　１．０００人厚に形成
する。さらに、所望により、窒化シリコン膜７を　ｔ、
ｏｏｏ入厚に形成する。

次にソース電極パッド・ドレイン電極パッド領域から窒
化シリコン膜７と二酸化シリコン膜６・５を除去し、こ
こに、アルミニウムのソース電極φドレイン電極１６を
形成する。最後に、６．７上にソース・ドレインと絶縁
された銀／塩化銀参照電極５０をソース電極近傍に形成
する。これはクロムを　５００人蒸着した後、銀を１鉢
■蒸着し、この銀電極に１Ｍ塩化カリウム水溶液中にて
白金電極に対し＋０．８ｖの電位を３０分印加し、銀表
面を塩化銀に変えることにより作製する。

第１．　ａ図参照 以上の工程をもって完成したイオン感応性電界効果トラ
ンジスタは、そのソース参ドレイン番ゲートが凹部３の
中に形成されているので、この凹部３の中に０．１Ｍの
重炭酸ナトリウムまたは重炭酸カリウムの水溶液を含ま
せた１％アガロースゲル８を充満し、この土に固定膜９
を形成した後１例えばネガ型フォトレジス）　（ＯＭＲ
−８３）をスピンコーティングした後露光し、撥水性膜
よりなる膜厚２ル腸程度のガス透過膜１０を形成する。

以上の工程をもって製造された二酸化炭素センサは、ゲ
ート領域が凹部とされているイオン感応性電界効果トラ
ンジスタのゲート領域に電解質水溶液が常時接触するよ
うにされており、この電解質水溶液をガス透過膜がカバ
ーして１７Ｘるので２製造しやすく、シかも、使用しや
すＩ／Ｘ二酸化炭素センサを構成する。・ 以」二の工程をもって製造された二酸化炭素センサを使
用して、水溶液中の二酸化炭素濃度を、検出するには、
まず、」二足の二酸化炭素センサを、二酸化炭素を含ま
ない基準水溶液中に浸漬して。

ソース・ドレイン間の電圧を十分安定させた後、上記の
基準水溶液中に二酸化炭素を含む試料を注入する。二酸
化炭素は基準水溶液中に溶解し、さらに、二酸化炭素セ
ンサの重炭酸ナトリウム水溶液に溶解する。このとき、
二酸化炭素は水と反応して、水素イオンと重度酸イオン
とを発生する。

この水素イオン濃度の変化をイオン感応性電界効果トラ
ンジスタをもって検出する。ことにより。

試料中の二酸化炭素濃度を検出しうる。測定方法はいく
つか考えうるが１例えばソースフォロワ回路にてソース
・ドレイン間に一定の電圧を印加し、ドレイン電流を一
定に保った状態で、銀／塩化銀参照電極とソース電極と
の電位差を検出すればよい。

追」し実」１例 第１１図参照 ｐ型のシリコン基板ｌの表面を酸化して、二酸化シリコ
ン膜２を形成する。

第１２図参照 リソグラフィー法を使用して、基板１の一部領域におい
て、二酸化シリコンＭ２とｐ型シリコン基板１の表層と
をエツチングして、その中にソースまたはドレインを形
成することとなる凹部３を、ｐ型シリコン基板ｌの表層
に形成する。この工程は、まず、レジストによるパター
ン形成後フッ酸を使用して二酸化シリコン膜２を除去し
、その後、水酸化カリウムを使用してｐ型シリコン基板
ｌの表層に異方性エツチングをアプライすればよい、凹
部３の深さは２０〜５０ｇ■が適切である。

レジスト膜を溶解除去した後、酸化して、凹部３の内面
を二酸化シリコン膜４をもってカバーする。

第１３図参照 凹部３の外の領域（チップの表面）のうち。

ソースまたはドレイン及びソース電極及びドレイン電極
を形成する領域を除く領域（図に斜線が示されている領
域を除く領域）から二酸化シリコン膜２を除去して、ｐ
星のシリコン基板１を露出する。この工程はフッ酸を使
用してなすリソグラフィー法を使用すれば容易に実行で
きる。　１６はこの工程に使用されたレジス）１１９を
示す。

つ−いて、レジストＰ！Ｊｔｅを残留したま−ｐ型不純
物をイオン注入して、上記工程において露出された基板
１の領域をｐ＋型領領域転換する。下層は（）内に示す
、１８（４，１）は、上層がレジストａｔｅであり、そ
の下層は二酸化シリコンｌｌ１ｌ！４であり、その下層
がシリコン基板ｌであることを示す。

第１４図参照 その後、レジスト膜１６を溶解除去して、全面を酸化し
て、二酸化シリコン膜５を形成する。

ソースやドレイン・ソース電極・ドレイン電極領域上か
ら二酸化シリコン膜２番４・５を除去する。この工程も
リソグラフィー法を使用すれば容易に実行しうる。ソー
ス・ドレイン・ソース電極・トレイン電極領域に、ｎ型
不純物をイオン注入してソース会ドレイン１１、ソース
電極コンタクト領域・ドレイン電極コンタクト領域１５
を形成する。

第１５図、第１６図参照 第１５図は断面図であり、第１６図は平面図である。

全面を醸化して、全面を二酸化シリコン膜６をもってカ
バーする。

ソース電極コンタクト領域・ドレイン電極コンタクト領
域１５」二から二酸化シリコン膜６を除去してｎ＋型領
領域露出し、その−ヒにアルミニウム■桑を形成してソ
ース電極・ドレイン電極ｔＳを形成する。最後に二酸化
シリコン膜５上にソース・ドレインと絶縁された銀／塩
化銀参照電極５１をソース電極近傍に形成する。これは
クロムを５００人蒸着した後、銀をＩＪＬ層蒸着し、こ
の銀電極に１Ｍ塩化カリウム水溶液中にて白金電極に対
し十〇、ａ　Ｖの電位を３０分印加し、銀表面を塩化銀
に変えることにより作製する。

第１ｂ図参照 以上の工程をもって完成したイオン感応性電界効果トラ
ンジスタは、そのソースまたはドレインが凹部３中に形
成されており、そのドレインまたはソースが凹部３を取
り囲む凹部の縁部に形成されており、ゲートは凹部３の
壁面に形成されているので、この凹部３の中に０．１Ｍ
の重炭酸ナトリウムまたは重炭酸カリウムの水溶液を含
ませた１％アガロースゲル８を充満し、このにに固定膜
９を形成した後、例えばネガ型フォトレジスト（ＯＭＲ
−８３）をスピンコーティングした後露光し、撥水性膜
よりなる膜厚２ｗ厘程度のガス透過膜１０を形成する。

以上の工程をもって製造された二酸化炭素センサは、ゲ
ート領域が凹部の壁面に形成されているイオン感応性電
界効果トランジスタのゲート領域に電解質水溶液が常時
接触するようにされており、この電解質水溶液をガス透
過膜がカッ＜−シているので、製造しやすく、しかも、
使用しやすｌ、％二酸化炭素センサを構成する。

以上の工程をもって製造された二酸化炭素センサを使用
して、水溶液中の二酸化炭素濃度を、検出するには、ま
ず、上記の二酸化炭素センサを。

二酸化炭素を含まない基準水溶液中に浸漬して、ソース
・ドレイン間の電圧を十分安定させた後、上記の基準水
溶液中に二酸化炭素を含む試料を注入する。二酸化炭素
は基準水溶液中に溶解し、さらに二酸化炭素センサの重
炭酸す）　ＩＪウム水溶液に溶解する。このとき、二酸
化炭素ｉｆ水と反応して、水素イオンと重炭酸イオンと
を発生する。

この水素イオン濃度の変化をイオン感応性電界効果トラ
ンジスタをもって検出することにより試料中の二酸化炭
素濃度を検出しうる。測定方法ｌ±１／λくつか考えう
るが１例え１ｆソ一スフオロワ回路にてソース拳ドレイ
ン間に一定の電圧を印力■し、ドレイン電流を一定に保
った状態で、銀／塩イヒ銀参照電極とソース電極との電
位差を検出すれ１ｆよい。

〔発明の効果〕

以上説明せるとおり、本発明に係る二酸化炭素センサに
おいては、水素イオン濃度の変化を検知しうるイオン感
応性電界効果トランジスタと二酸化炭素濃度の変化に応
答して水素イオン濃度の変化を誘発する電解質水溶液と
が組み合わせであるので、使用方法が簡便であり、寸法
が小さく。

使用に便利であり、大量生産にも適する。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、本発明の第１の実施例に係る二酸化炭素セ
ンサの断面図である。 第１ｂ図は、本発明第２の実施例に係る二酸化炭素セン
サの断面図である。 第２〜ｌＯ図は１本発明第１の実施例に係る二酸化炭素
センサの製造工程図である。 第１１〜１６図は、本発明第２の実施例に係る二酸化炭
素センサの製造工程図である。 第１７図は、イオン感応性電界効果トランジスタの断面
図である。 １・・・一導電型の半導体板状体（ｐ型のシリコン基板
）、 １１−−φソース・ドレイン、 １２・拳−ゲート絶縁膜、 １３目ｅチヤンネル、 ２拳赤・二酸化シリコン膜、 ３・・・凹部。 ４・ｅ・二酸化シリコン膜、 ５・・・二酸化シリコン膜（ゲート絶縁膜）、６争争・
二酸化シリコン膜、 ７・・・窒化シリコン膜、 ８・・ａ電解質を含むアガロースゲル。 ９φφ拳固定膜（撥水性膜）、 １０・・・ガス透過膜。 ５０．５１・・φ銀／塩化銀参照電極。 第１７図 工程図 第２図 工程図 第３図 工程図 第４図 工程図 第５図 工程図 第９図 工程図 第１０図 本発明 第１ａ図 工程間 第１１図 工程図 第１２図 工程図 第１３図 工程図 第１４図 工程図 第１５図 第１６「４ 本発明 第１ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］一導電型の半導体板状体（１）の１面に凹部（３
   ）が形成され、該凹部（３）の底面の相互に離隔した二
   つの領域に反対導電型不純物が導入されてソース及びド
   レイン（１１）が形成され、該ソース及びドレイン（１
   １）のそれぞれと接続して前記一導電型の半導体板状体
   （１）上にソース電極及びドレイン電極（１６）が形成
   され、さらに、ソース・ドレインと絶縁された銀／塩化
   銀参照電極（５０）が形成されてなるイオン感応性電界
   効果トランジスタの前記凹部（３）中に、電解質水溶液
   を含むアガロースゲル（８）が充満され、該アガロース
   ゲル（８）の表面がガス透過膜（１０）をもって覆われ
   てなることを特徴とする二酸化炭素センサ。 ［２］前記電解質は重炭酸ナトリウムまたは重炭酸カリ
   ウムであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の二酸化炭素センサ。 ［３］一導電型の半導体板状体（１）の１面に凹部（３
   ）が形成され、該凹部（３）の底面に反対導電型不純物
   が導入されてソースまたはドレイン（１１）が形成され
   、前記凹部（３）を囲んで前記半導体板状体（１）の表
   層に反対導電型不純物が導入されてドレインまたはソー
   ス（１１）が形成され、さらに、ソース・ドレインと絶
   縁された銀／塩化銀参照電極（５１）が形成されてなる
   イオン感応性電界効果トランジスタの前記凹部（３）中
   に電解質水溶液を含むアガロースゲル（８）が充満され
   、該アガロースゲル（８）の表面がガス透過膜（１０）
   をもって覆われてなることを特徴とする二酸化炭素セン
   サ。 ［４］前記電解質は重炭酸ナトリウムまたは重炭酸カリ
   ウムであることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の二酸化炭素センサ。