JPH0415903B2 - - Google Patents
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- JPH0415903B2 JPH0415903B2 JP59182088A JP18208884A JPH0415903B2 JP H0415903 B2 JPH0415903 B2 JP H0415903B2 JP 59182088 A JP59182088 A JP 59182088A JP 18208884 A JP18208884 A JP 18208884A JP H0415903 B2 JPH0415903 B2 JP H0415903B2
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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
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- 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
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- 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)
Description
【発明の詳細な説明】
＜発明の技術分野＞
本発明は、MOS型或はMIS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つ
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。
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つ
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
相互作用によつ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
とを組み合せて、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。
相互作用によつ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
とを組み合せて、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、実用上も、コスト面でも好ましい形態を
有する。
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、実用上も、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
以上にFET素子の動作を安定性ひいては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
サの種類によつて、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
形体とは違つた配慮が必要であり、FET素子の
動作特性も感応体材料及びその作製方法によつて
大幅に変化する。特に、感応体材料によつては、
多量の不純物やイオンを含有していることあるい
はFET素子上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
つて、FET素子の動作特性更には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つても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FET素子の動作
特性やセンサ出力に与える影響を抑制し、長時間
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FET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
体との直接的な相互作用が必要であるためパツケ
ージ等によつてセンサ素子を覆うことができない
だけに、上記問題の解決は極めて重要である。
以上にFET素子の動作を安定性ひいては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
サの種類によつて、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
形体とは違つた配慮が必要であり、FET素子の
動作特性も感応体材料及びその作製方法によつて
大幅に変化する。特に、感応体材料によつては、
多量の不純物やイオンを含有していることあるい
はFET素子上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
つて、FET素子の動作特性更には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つても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FET素子の動作
特性やセンサ出力に与える影響を抑制し、長時間
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FET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
体との直接的な相互作用が必要であるためパツケ
ージ等によつてセンサ素子を覆うことができない
だけに、上記問題の解決は極めて重要である。
上記問題の解決策の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膜
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。
拡散係数の小さい窒化シリコン膜をゲート絶縁膜
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。
以上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
感湿材料としては、従来より酸化鉄（Fe2O3ま
たはFe3O4）、酸化錫（SnO2）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
性高分子膜或いは高分子電解質を用いたもの、
塩化リチウム（LiCl）などの電解質塩を用いたも
の、吸湿性樹脂或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。
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
感湿材料としては、従来より酸化鉄（Fe2O3ま
たはFe3O4）、酸化錫（SnO2）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
性高分子膜或いは高分子電解質を用いたもの、
塩化リチウム（LiCl）などの電解質塩を用いたも
の、吸湿性樹脂或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材料は、
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く、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
あつた。
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材料は、
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く、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
あつた。
以上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。
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。
＜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つて相対湿度０％か
ら100％までの全湿度範囲にわたつて出力特性が
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、高温高湿等耐環境性
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。
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つて相対湿度０％か
ら100％までの全湿度範囲にわたつて出力特性が
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、高温高湿等耐環境性
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。
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。
本実施例におけるFET素子は、MOS型のｎチ
ヤンネル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つて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でスルホール
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１上に堆積された二酸化シリコン膜
（SiO2）５の窒化シリコン膜（Si3N4）７との２
重積層膜からなり、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の上面をも被覆し、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ツキング膜
８を挿入した構造となつている。ブロツキング膜
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。
ヤンネル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つて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でスルホール
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１上に堆積された二酸化シリコン膜
（SiO2）５の窒化シリコン膜（Si3N4）７との２
重積層膜からなり、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の上面をも被覆し、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ツキング膜
８を挿入した構造となつている。ブロツキング膜
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
をブロツキング膜８の上にコーテイングした後通
風乾燥させさらに100℃〜200℃の温度で熱処理す
ることにより架橋した感湿膜を形成して用いる。
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
をブロツキング膜８の上にコーテイングした後通
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
100Åの金蒸着膜を、またブロツキング膜８とし
ては厚さ約2000Å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型以外のMIS型等を使用す
ることもできる。
100Åの金蒸着膜を、またブロツキング膜８とし
ては厚さ約2000Å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型以外の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つて上記構成を有
するFET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、容量Cs及びCi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
ブロツキング膜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、ブロツキング膜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。
するFET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、容量Cs及びCi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
ブロツキング膜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、ブロツキング膜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
VAとし、FET素子の閾値電圧をVthとすると、
ドレイン電流IDは次式によつて与えられる。
VAとし、FET素子の閾値電圧をVthとすると、
ドレイン電流IDは次式によつて与えられる。
ID＝β／２（VA−Vth）2、β＝μoCW／Ｌ…(1)
但し、(1)式に於いてμoはキヤリア移動度、Ｌ及
びＷは夫々FETのチヤンネル長及びチヤンネル
幅を示す。また、Ｃはゲート絶縁膜の静電容量Ci
と感湿体９の静電容量Csを直列結合した場合の
静電容量であり、 Ｃ＝CsCi／Cs＋Ci …(2) と書き表わされる。従つて、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
よつて、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。
びＷは夫々FETのチヤンネル長及びチヤンネル
幅を示す。また、Ｃはゲート絶縁膜の静電容量Ci
と感湿体９の静電容量Csを直列結合した場合の
静電容量であり、 Ｃ＝CsCi／Cs＋Ci …(2) と書き表わされる。従つて、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
よつて、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。
以上が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
つてこれら不純物イオンの移動、再配列並びに局
存化が生じる。その結果、FET素子のチヤンネ
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、従つて上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。
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
つてこれら不純物イオンの移動、再配列並びに局
存化が生じる。その結果、FET素子のチヤンネ
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、従つて上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
に導電性ブロツキング膜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
ツキング膜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を直流電圧VA（DC）とこれに重畳す
る周波数の交流電圧VA（AC）とすることによ
つて、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、ブロツキング膜８にかかる実効的なゲート電
圧VGの直流成分VG（DC）はVA（DC）と等しくな
つて感湿体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ツキ
ング膜８の存在によつてこれら不純物イオンのゲ
ート絶縁膜中への拡散が阻止される。しかしこの
場合、常にVG（DC）はVA（DC）に等しいため、
VA（DC）のみによつ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−VG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。
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
に導電性ブロツキング膜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
ツキング膜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を直流電圧VA（DC）とこれに重畳す
る周波数の交流電圧VA（AC）とすることによ
つて、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、ブロツキング膜８にかかる実効的なゲート電
圧VGの直流成分VG（DC）はVA（DC）と等しくな
つて感湿体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ツキ
ング膜８の存在によつてこれら不純物イオンのゲ
ート絶縁膜中への拡散が阻止される。しかしこの
場合、常にVG（DC）はVA（DC）に等しいため、
VA（DC）のみによつ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−VG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。
周波数における感湿体のインピーダンス；
（2πCs）-1に比べて充分大きな抵抗値を有する抵
抗RBをブロツキング膜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
ことができ、VGの交流成分VG（AC）は次式によ
つて与えられる。
（2πCs）-1に比べて充分大きな抵抗値を有する抵
抗RBをブロツキング膜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
ことができ、VGの交流成分VG（AC）は次式によ
つて与えられる。
VG（AC）＝Cs／Cs＋CiVA（AC） …(3)
即ち、一定の振幅をもつたVA（AC）の印加条
件下に於いて、VG（AC）は、感湿体の静電容量
Csの値によつて変化するため、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
取り出すことができる。
件下に於いて、VG（AC）は、感湿体の静電容量
Csの値によつて変化するため、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
取り出すことができる。
第５図に本実施例で使用した感湿材料の相対湿
度に対するインピーダンスの変化を示す。第５図
に示すように相対湿度０〜100％においてインピ
ーダンスはほぼ直線的に変化しており、従つて静
電容量Csも直線的に変化する。このような感湿
材料を用いるとVG（AC）はCsの値により変化す
るため、相対湿度０〜100％において出力特性が
直線的に変化するFET湿度センサが得られる。
度に対するインピーダンスの変化を示す。第５図
に示すように相対湿度０〜100％においてインピ
ーダンスはほぼ直線的に変化しており、従つて静
電容量Csも直線的に変化する。このような感湿
材料を用いるとVG（AC）はCsの値により変化す
るため、相対湿度０〜100％において出力特性が
直線的に変化するFET湿度センサが得られる。
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10MΩ、1KΩとし、VA（DC）＝
5V、VA（AC）＝100m Vrms（10KHz）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。
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10MΩ、1KΩとし、VA（DC）＝
5V、VA（AC）＝100m Vrms（10KHz）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
のためにブロツキング膜８を用いた場合(A)とブロ
ツキング膜８を用いずに感湿体９を直接ゲート絶
縁膜７の上に形成した場合(B)の夫々について放置
時間対出力の関係を示した。但し、両素子の駆動
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
く、ブロツキング膜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（VDS）特性やドレイン電流
（ID）対ゲート電圧（VG）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、ブロツキング膜８を用いな
い場合、即ち第４図の(B)の場合にはFET素子のID
−VDS特性及びID−VG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つた。
しかも、VGのON−OFF或はVGの極性をいつた
ん逆に印加するなどの操作を行なうことによつて
もFETのID−VDS特性或はID−VG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。
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
のためにブロツキング膜８を用いた場合(A)とブロ
ツキング膜８を用いずに感湿体９を直接ゲート絶
縁膜７の上に形成した場合(B)の夫々について放置
時間対出力の関係を示した。但し、両素子の駆動
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
く、ブロツキング膜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（VDS）特性やドレイン電流
（ID）対ゲート電圧（VG）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、ブロツキング膜８を用いな
い場合、即ち第４図の(B)の場合にはFET素子のID
−VDS特性及びID−VG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つた。
しかも、VGのON−OFF或はVGの極性をいつた
ん逆に印加するなどの操作を行なうことによつて
もFETのID−VDS特性或はID−VG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％RH）雰囲気放置試験を行つたところ1000
時間以上を経過しても感湿特性に変化は認められ
なかつた。
耐環境信頼性を調べるため、高温高湿（60℃、90
〜95％RH）雰囲気放置試験を行つたところ1000
時間以上を経過しても感湿特性に変化は認められ
なかつた。
実施例 ２
感湿体９として、酢酸酪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
となるようにして溶解し、この溶液をブロツキン
グ膜８の上にコーテイ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。
第６図に本実施例で使用した感湿材料の相対湿度
０〜100％におけるインピーダンスの変化を示す。
実施例１同様、本実施例においてもインピーダン
スは直線的に変化している。従つて本実施例にお
いても、実施例１と同様、感湿特性は相対湿度０
〜100％まで全湿度範囲にわたつて得られ、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。また高温高湿雰囲気放置試験（60℃、90〜
95％RH）、1000時間においても、その感湿特性
に変化は認められなかつた。
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
となるようにして溶解し、この溶液をブロツキン
グ膜８の上にコーテイ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。
第６図に本実施例で使用した感湿材料の相対湿度
０〜100％におけるインピーダンスの変化を示す。
実施例１同様、本実施例においてもインピーダン
スは直線的に変化している。従つて本実施例にお
いても、実施例１と同様、感湿特性は相対湿度０
〜100％まで全湿度範囲にわたつて得られ、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。また高温高湿雰囲気放置試験（60℃、90〜
95％RH）、1000時間においても、その感湿特性
に変化は認められなかつた。
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、ブロツキング膜８の上に
コーテイ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。第７図に本実施例で使
用した感湿材料の相対湿度０〜100％におけるイ
ンピーダンスの変化を示す。実施例１同様、本実
施例においてもインピーダンスは直線的に変化し
ている。従つて本実施例においても、実施例１と
同様、感湿特性は相対湿度０〜100％まで全湿度
範囲にわたつて得られ、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。
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、ブロツキング膜８の上に
コーテイ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。第７図に本実施例で使
用した感湿材料の相対湿度０〜100％におけるイ
ンピーダンスの変化を示す。実施例１同様、本実
施例においてもインピーダンスは直線的に変化し
ている。従つて本実施例においても、実施例１と
同様、感湿特性は相対湿度０〜100％まで全湿度
範囲にわたつて得られ、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。
＜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上極めて有益な特性
を有する。
センサは次に示すような実用上極めて有益な特性
を有する。
(1) 全相対湿度範囲（０％〜100％RH）にわた
つて、高い出力が安定して得られる。
つて、高い出力が安定して得られる。
(2) 出力一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。
られる。
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
トリソグラフイ、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。
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
トリソグラフイ、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
化したワンチツプデバイスの実現も可能となる。
化したワンチツ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。第３図は第１図に示す湿度センサの出力対
相対湿度特性図、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、ブロツ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。第５図は架
橋剤としてイソシアネート系化合物を用いた感湿
材料のインピーダンス対相対湿度特性図、第６図
は架橋剤としてカルボン酸を用いた感湿度材料の
インピーダンス対相対湿度特性図、第７図は架橋
剤としてエポキシ系化合物を用いた感湿材料のイ
ンピーダンス対相対湿度特性図である。 １…シリコン基板、２…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…ブロツキング膜、９…感湿体、１０…ゲ
ート電極膜。
FET型湿度センサの構造断面図と等価回路図で
ある。第３図は第１図に示す湿度センサの出力対
相対湿度特性図、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、ブロツ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。第５図は架
橋剤としてイソシアネート系化合物を用いた感湿
材料のインピーダンス対相対湿度特性図、第６図
は架橋剤としてカルボン酸を用いた感湿度材料の
インピーダンス対相対湿度特性図、第７図は架橋
剤としてエポキシ系化合物を用いた感湿材料のイ
ンピーダンス対相対湿度特性図である。 １…シリコン基板、２…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…ブロツキング膜、９…感湿体、１０…ゲ
ート電極膜。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 水蒸気または水分の吸脱着によつて静電容量
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センサにおいて、 前記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
れてなり、 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、カルボキシル基を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
ることを特徴とする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 JPS6157847A (ja) | 1986-03-24 |
| JPH0415903B2 true 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) |
Families Citing this family (40)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8322418D0 (en) * | 1983-08-19 | 1983-09-21 | Emi Ltd | Humidity sensor |
| NL8602368A (nl) * | 1986-09-18 | 1988-04-18 | Tno | Opnemer voor het bepalen van verontreinigingen in weefsel. |
| US4816130A (en) * | 1987-07-02 | 1989-03-28 | Becton, Dickinson And Company | Blood electrolyte sensors including crosslinked polyetherurethane membranes |
| DE3811047A1 (de) * | 1988-03-31 | 1989-10-12 | Draegerwerk Ag | Fuehler zur kapazitiven messung des druckes in gasen |
| IT1224606B (it) * | 1988-10-10 | 1990-10-04 | Eniricerche Spa | Sensore chimico monolitico a membrana ione selettiva di tipo chemfet eprocedimento per la sua realizzazione |
| JPH02150754A (ja) * | 1988-11-30 | 1990-06-11 | Toshiba Corp | 感応素子の製造方法 |
| JP3001104B2 (ja) * | 1989-10-04 | 2000-01-24 | オリンパス光学工業株式会社 | センサー構造体及びその製造法 |
| US5533393A (en) * | 1995-01-13 | 1996-07-09 | Honeywell Inc. | Determination of dew point or absolute humidity |
| WO2001069225A1 (fr) * | 2000-03-16 | 2001-09-20 | Mitsui Chemicals, Inc. | Detecteur d'humidite du type a capacite |
| DE10110471C2 (de) * | 2001-03-05 | 2003-12-18 | Siemens Ag | Alkoholsensor nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung |
| JP2003004683A (ja) * | 2001-06-15 | 2003-01-08 | Denso Corp | 容量式湿度センサ |
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| WO2005095936A1 (en) * | 2004-04-02 | 2005-10-13 | Timothy Cummins | An integrated electronic sensor |
| US8357958B2 (en) * | 2004-04-02 | 2013-01-22 | Silicon Laboratories Inc. | Integrated CMOS porous sensor |
| DE102004019604A1 (de) | 2004-04-22 | 2005-11-17 | Siemens Ag | Verfahren zur Minimierung von Querempfindlichkeiten bei FET-basierten Gassensoren |
| DE102004019640A1 (de) * | 2004-04-22 | 2005-11-17 | Siemens Ag | Verfahren zur Erhöhung der Selektivität von FET-basierten Gassensoren |
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| DE102004019638A1 (de) * | 2004-04-22 | 2005-11-17 | Siemens Ag | FET-basierter Sensor zur Detektion von insbesondere reduzierenden Gasen, Herstellungs- und Betriebsverfahren |
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| EP1707952A1 (de) * | 2005-03-31 | 2006-10-04 | Micronas GmbH | Gassensitiver Feldeffekttransistor mit Luftspalt und Verfahren zu dessen Herstellung |
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| US7772617B2 (en) * | 2005-03-31 | 2010-08-10 | Micronas Gmbh | Gas sensitive field-effect-transistor |
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| TWI477848B (zh) * | 2012-04-10 | 2015-03-21 | E Ink Holdings Inc | 電子裝置 |
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| EP3259581B1 (en) | 2015-02-17 | 2020-01-29 | Honeywell International Inc. | Humidity sensor and method for manufacturing the sensor |
| EP3244201B1 (en) * | 2016-05-13 | 2021-10-27 | Honeywell International Inc. | Fet based humidity sensor with barrier layer protecting gate dielectric |
| KR101983551B1 (ko) * | 2017-12-18 | 2019-05-29 | 한밭대학교 산학협력단 | 토양수분센서 디바이스용 고분자 봉지 산화물 박막 트랜지스터 |
Family Cites Families (7)
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|---|---|---|---|---|
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| JPS56746A (en) * | 1979-06-15 | 1981-01-07 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor integrated circuit |
| US4397714A (en) * | 1980-06-16 | 1983-08-09 | University Of Utah | System for measuring the concentration of chemical substances |
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| GB8322418D0 (en) * | 1983-08-19 | 1983-09-21 | Emi Ltd | Humidity sensor |
-
1984
- 1984-08-29 JP JP59182088A patent/JPS6157847A/ja active Granted
-
1985
- 1985-08-08 US US06/763,691 patent/US4638346A/en not_active Expired - Lifetime
- 1985-08-28 GB GB08521432A patent/GB2163902B/en not_active Expired
- 1985-08-28 DE DE19853530758 patent/DE3530758A1/de active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3530758C2 (ja) | 1987-08-13 |
| GB2163902B (en) | 1988-06-08 |
| GB2163902A (en) | 1986-03-05 |
| DE3530758A1 (de) | 1986-09-04 |
| US4638346A (en) | 1987-01-20 |
| JPS6157847A (ja) | 1986-03-24 |
| GB8521432D0 (en) | 1985-10-02 |
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