JPH0572979B2 - - Google Patents
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- JPH0572979B2 JPH0572979B2 JP61079256A JP7925686A JPH0572979B2 JP H0572979 B2 JPH0572979 B2 JP H0572979B2 JP 61079256 A JP61079256 A JP 61079256A JP 7925686 A JP7925686 A JP 7925686A JP H0572979 B2 JPH0572979 B2 JP H0572979B2
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- gas sensor
- sensor
- source
- type gas
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Description
（産業上の利用分野）
本発明は、固体イオン伝導体と周期律表第族
の金属又はその酸化物とをゲートとして用いた電
界効果トランジスタ型ガスセンサー（以下、
FET型ガスセンサーという。）に関する。 （従来技術） 水素や一酸化炭素等の還元性ガスのガスセンサ
ーは、現在防災用に用いられている。特に半導体
製造等においては、SiH4やAsH3等の可燃性、有
毒性の含水素化合物の還元性ガスを使用するた
め、これらのガスに対して高感度かつ信頼性の高
いガスセンサーが必要とされている。 FET型ガスセンサーは、金属−酸化物−半導
体型電界効果トランジスタ（MOSFET）の金属
ゲートの代わりに、ガス感応層を設けたガスセン
サーである。例えば、「アブライド・フイジツク
ス・レター（Appl.Phys.Lett）、26、55（1975）」
には、ガス感応層としてPdを100Åの厚さに蒸着
したFET型ガスセンサーが空気中の40ppmとい
う極微量のH2に対しても応答することが示され
ている。またH2SやNH3に対しても応答するこ
とも報告されている。 （発明が解決しようとする問題点） 上記FET型ガスセンサーは十分な応答速度と
感度を得るためには、センサー素子を150℃程度
にまで加熱して使用しなければならず、そのため
消費電力が大きくなることや、センサー素子の経
時安定性等に問題があつた。また、上記FET型
ガスセンサーにおいて、第１図に示すように、ソ
ース１及びドレイン２とが半導体３を介して互い
に接続され、該半導体に電気絶縁体４を介して設
けられるゲート５として固体イオン伝導体６を使
用したガス感応層を使用することにより、常温程
度の低温度で作動するFET型ガスセンサーが考
えられる。また、第２図は、上記センサーの出力
の検出回路である。 上記図中、点線で囲まれた部分がFET型ガス
センサーである。FETガスセンサーのソース端
子１１はインピーダンス変換素子１０、アース及
び出力端子３１にそれぞれ接続されており、ドレ
イン端子１２はゲート端子１５、定電流源１９及
びインピーダンス変換素子１０にそれぞれ接続さ
れており、さらに、インピーダンス変換素子１０
には出力端子３０が接続されている。 しかしながら、上記FET型ガスセンサーは、
作動温度の低下に伴い、その応答性、感度におい
て、水蒸気の影響を受け易いという問題を有す
る。 従つて、常温で十分な応答性と感度とを有し、
しかも湿度の影響を受け難いFET型ガスセンサ
ーの開発が望まれていた。 （問題を解決するための手段） かかる現況に鑑み、本発明者らは、鋭意研究を
重ねた結果、常温においても感度、応答速度共に
優れ、しかも湿度の影響を受け難いFET型ガス
センサーの開発に成功した。即ち、本発明は、(A)
ソース及びドレインが半導体を介して接続されて
なり、上記ソース及びドレイン間に存在する半導
体の表面に電気絶縁体を介して固体イオン伝導体
と周期律表第族の金属又はその酸化物とで構成
されたゲートを有するセンサー素子並びに(B)ソー
ス及びドレインが上記センサー素子と共通の半導
体を介して接続されてなり、上記ソース及びドレ
イン間に存在する半導体の表面に、電気絶縁体を
介して固体イオン伝導体と還元性ガスに対して不
活性な導電物質とで構成されたゲートを有する補
償素子が併設されてなる電界効果トランジスタ型
ガスセンサーである。 本発明で用いる固体イオン伝導体としては、カ
チオン伝導体及びアニオン伝導体のいずれでも良
く、公知のものが何ら制限なく用い得る。例え
ば、カチオン伝導体としては、アンチモン酸
（Sb2O5・nH2O）、リン酸ジルコニウム（Zr
（HPO4）2・nH2O）、リン酸チタン（Ti
（HPO4）2・nH2O）、リン酸すず（Sn（HPO4）2・
nH2O）、リン酸アンチモン（SbHP2O8・nH2O）、
リンモリブデン酸（H3MO12PO40・nH2O）、リ
ンタングステン酸（H3W12PO40・nH2O）、リン
酸ウラニル（HUO2PO4・nH2O）、その他Ｈ型ゼ
オライトで代表される各種の無機イオン交換体、
或いは、ポリスチレンスルホン酸、Nafion（デユ
ポン社の登録商標）で代表される有機高分子イオ
ン交換体などのプロトン伝導体；LISICON〔マテ
リアル・リサーチ・ブレテイン（Material
Research Bulletin）11巻203頁（1976）〕、
LiNbO3、LiClO4とエチレンオキシドの混合物な
どのリチウムイオン伝導体；β−アルミナ、β″−
アルミナ、NASICON〔マテリアル・リサーチ・
ブレテイン（Material Research Bulletin）13
巻113頁（1978）〕などのナトリウムイオン伝導
体；Ｋ型−β−アルミナ、ホランダイドなどのカ
リウムイオン伝導体；その他、アンモニウムイオ
ン、銀イオン、銀イオン等のカチオン伝導体等を
挙げることができる。 また、アニオン伝導体としては、LaF3、
PbF2、CaF2、BiF2、PbSnF4などのフツ素イオ
ン伝導体；PhCl2、SnCl2、CsPbCl3、SrCl2など
の塩素イオン伝導体；ZrO2、CeO2、RiO3などの
酸素イオン伝達体等を挙げることができる。 これらの固体イオン伝導体の中でも、本発明に
於いてはプロトン伝導体が好ましく、さらに、ア
ンチモン酸及びリン酸ジルコニウムが特に好まし
く用いられる。 次に、本発明のセンサー素子で用いられる周期
率表第族の金属又はその酸化物（以下、これら
を単に族金属と略称する。）としては、Fe、
Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の金属及
びRuO2、IrO2等の酸化物を挙げることができる。
これらの金属又はその酸化物の中でもPt又はPd
を用いた場合には、還元性ガスに対する応答時間
が短いガスセンサーが得られる。 本発明のFET型ガスセンサーのセンサー素子
のゲートは、前記の固体イオン伝導体と族金属
とで構成されていれば良い。具体的には、固体イ
オン伝導体と族金属とが２層に積層されてゲー
トを構成している態様及び前者の中に後者が分散
されてゲートを構成している態様等が本発明で特
に好ましい態様である。まず、前者の態様につい
ては、さらに電気絶縁体上に固体イオン伝導体の
層、族金属の層をこの順に積層させる態様と、
電気絶縁体上に族金属の層を積層させ、その上
に固体イオン伝導体の層を積層させる態様があ
り、いずれの態様も本発明に於いて好適に採用さ
れる。これらの態様の場合、電気絶縁体上に接触
させて積層させる層の厚さは、薄層であることが
好ましく、通常は100〜2000Åの範囲、さらに100
〜500Åの範囲であることがFET型ガスセンサー
の感度及び応答時間の点で好ましい。もう一方の
層の厚さは特に限定されないが、固体イオン伝導
体の層と族金属の層の界面へのガスの透過を阻
害しない厚さであることが好ましい。通常は、も
う一方の層は100〜8000Åの範囲、さらに200〜
3000Åの範囲の薄層であることが好ましい。 次に、後者の態様、即ち、固体イオン伝導体中
に族金属が分散されている態様について説明す
る。固体イオン伝導体中の族金属の含有量は、
特に制限されないが、得られるFET型ガスセン
サーの感度や応答時間を勘案すると、0.05〜50重
量％、さらに0.5〜10重量％の範囲であることが
好ましい。 また、族金属が分散された固体イオン伝導体
は、固体イオン伝導体と族金属の界面へのガス
の透過を阻害しない厚さであることが好ましく、
100〜8000Å、さらに200〜3000Åの範囲の薄層で
あることが好ましい。 以上のような薄層を形成する方法としては、公
知の手段が何ら制限なく採用される。例えば、真
空蒸着法、スパツタリング法、CVD法等が好適
に採用される。例えば、族金属の薄層を形成す
るには、１×10-5Torr以下の高真空中にて、電
子ビーム加熱装置を用いて族金属を真空蒸着す
るか、あるいは族金属のターゲツトを用いて、
Arガス雰囲気中でスパツタしても、族金属の
薄層が得られる。 固体イオン伝導体の薄層は、固体イオン伝導体
のデイスクをターゲツトとして、Ar、O2、H2、
H2Oの単独又は２種以上の混合ガス雰囲気中で
スパツタすれば容易に得られる。 固体イオン伝導体と族金属の混合薄層は、固
体イオン伝導体と族金属を所定の割合で良く混
合したデイスクをターゲツトとして用い、前述し
たようにスパツタすれば良い。 有機系イオン伝導体の場合には、適当な溶媒に
溶解させたものを、デイプコーテイング法やスピ
ンコーテイング法により塗布形成することもでき
る。 このようにして形成した薄層からゲート電極を
取り出す方法としては、上記の薄層上に導電性の
薄膜を積層すれば良い。例えばAu、Ag、Cu、
Al、In、Ｃ、Si、Ge等の金属の他、前記族金
属またはこれらの合金も好ましく使用される。 なお、固体イオン伝導体の層と族金属の層を
積層する態様においては、族金属の層をそのま
まゲート電極として利用しても良い。 本発明のFET型ガスセンサーの作動機構につ
いて以下に説明する。 本発明のFET型ガスセンサーのセンサー素子
の固体イオン伝導体と族金属との界面では、次
の(1)、(2)式に示す反応が主に起こつていると予想
している。 H2（気相）→2H+（電界質）＋2e（触媒） (1) 2H+（電界質）＋１／２O2（気相）＋2e（触媒） →H2O（気相） (2) つまり、触媒として作用する族金属と電解質
として作用する固定イオン伝導体が接しているた
め(1)式の反応は室温においても容易に起こると考
えられ、このために、本発明のFET型ガスセン
サーが低温作動が可能となつたものと予想され
る。 さらに、本発明では、以下に述べる補償素子を
併用することにより、従来のガスセンサーで問題
となつていた湿度の影響を大巾に抑えることが可
能である。 補償素子は、本発明のFET型ガスセンサーの
センサー素子に使用される族金属を含まないも
のが用いられる。また、還元性ガスに対して不活
性なAu、Ag、Cu、Al、In、Ｃ、Si、Ge等を
族金属にかえて用いることによつて湿度等の影響
をキヤンセルするに好都合の補償素子とすること
もできる。 また、上記補償素子は、センサー素子の半導体
と共通の半導体を介してソースとドレインが接続
される。 このような補償素子とセンサー素子とセンサー
素子とを同じ被検ガス雰囲気中に置くと湿度変化
による出力の変化は、本発明のセンサー素子と補
償素子のいずれにもほぼ同じ程度で起こる。従つ
て、被検ガス中の湿度による影響はほぼキヤンセ
ルされる。また、被検ガス中のアルコール等の雑
ガスによる出力の変化も、同様に補償素子の接続
によつてキヤンセルできる。 第３図に本発明のFET型ガスセンサーの垂直
方向の断面図を示した。 センサー素子（FET１）と補償素子（FET２）
とは１枚のｐ−型Si基板等の半導体３の上に作製
されている。ここでFET１のドレイン２及び
FET２のドレイン２′は、FET１とFET２に共
通のソース１と半導体３を介して接続されてお
り、FET１の半導体３上には電気絶縁体４、固
体イオン伝導体６及び族金属７がこの順に積層
されており、FET２の半導体３上には、電気絶
縁体４、固体イオン伝達体６及び還元性ガスに感
応しない金属８がこの順に積層されている。ま
た、FET１及びFET２のソース及びドレインは
電気絶縁体上に積層された端子用金属９と電気的
に接続されている。 この様に作製した補償素子付FET型ガスセン
サーの等価回路を第４図に示した。図中、点線で
囲まれた部分が、補償素子付FET型ガスセンサ
ーである。第４図に於いて、FET１及びFET２
のドレイン端子１２及び２２は、それぞれ抵抗１
６及び２６を介して定電圧源１８に接続され、
FET１及びFET２に共通なソース端子１１は、
定電流源１９を介して定電圧源１８に接続され、
さらに、ソース端子１１は、定電流源１９及び定
電圧源１７，２７を介してFET１及びFET２の
ゲート端子１５及び２５に夫々接続されている。
このような回路とすることによつて差動増幅器が
形成され、FET１の出力端子３０，３１からの
出力を測定すれば、湿度等による影響がキヤンセ
ルされた還元性ガスのみによる電圧変化がドレイ
ン電圧として観測される。 （効果） 本発明のFET型ガスセンサーは、その作動原
理が族金属と固体イオン伝導体との界面におけ
るプロトンの活量の変化と、それに伴う酸素の酸
化反応により生成する固体イオン伝導体上の吸着
水分子の量の変化をFETにより検出するもので
ある。 本発明のFET型ガスセンサーは、このような
差動原理であり、室温においても空気中の微量の
還元性ガスを、応答速度が速くしかも感度良く検
出できるものである。また、センサー素子を加熱
しないため、長期安定性に優れている。 さらに、本発明のFETガスセンサーは、セン
サー素子に特定の賠償素子を併用することによ
り、被検ガスの湿度や、アルコール等の雑ガスに
よる影響を抑えることができる。従つて、還元性
ガスのより正確な検出が可能となる。 以下に、本発明をさらに具体的に説明するため
に実施例を掲げるが、本発明はこれら実施例に限
定されるものではない。 比較例 １ ガスセンサーの作製方法 ｎ型Siをドレイン及びソースとし、ｐ型Siを半
導体とし、SiO2を電気絶縁体とする電界効果ト
ランジスタのSiO2上に固体イオン伝導体の層と
して200Åの厚さにアンチモン酸の薄膜をスパツ
タ装置を用いて形成した。さらに、上記固体イオ
ン伝導体の層の上に、300Åの厚さにPtの薄膜を
真空蒸着法により形成した。なお、このPtの薄
膜はそのままゲート端子としても利用した（第１
図参照）。 ガスセンサーの特性評価方法 アルミナ基板上に上記FET型ガスセンサーを
マウントし、ソース、ドレイン、ゲートの各電極
からリード線を取り出し、ガラス管中に固定し
た、このガラス管に、通常は乾燥した空気を流し
ておき、被検ガスとして、1000ppmの水素を含む
乾燥した空気（乾燥ガス）および該空気を加湿し
た空気（加湿ガス）を流したときのゲート電圧の
変化を室温において第２図に示す回路により測定
した。 なお、空気から被検ガスへ切り換えたときのゲ
ート電圧の全変化量をFET型ガスセンサーの感
度として表わし、被検ガス導入から全変化量の90
％の値に達するまでの時間を90％応答時間として
表わした。その結果、乾燥ガスを使用した場合の
感度は、218ｍＶ、90％応答時間は34秒であり、
加湿ガスを使用した場合の感度は、538ｍＶ、90
％応答時間は45秒であつた。 実施例 １ 第３図に示すような補償素子付FET型ガスセ
ンサーを作製した。比較例１で示す方法により
FET型ガスセンサー部を構成し、さらに、比較
例１におけるPtの代わりにAgを500Åの厚さに蒸
着した以外は、比較例１と同じ方法で補償素子部
を構成した。この素子を第４図に示すような回路
により特性を評価した。 まず、比較例１と同じ方法により、センサーの
特性を評価した後、加湿した空気と被検ガスを用
いたときの特性を比較例１と同じ方法で調べた。
結果を第１表に示す。
の金属又はその酸化物とをゲートとして用いた電
界効果トランジスタ型ガスセンサー（以下、
FET型ガスセンサーという。）に関する。 （従来技術） 水素や一酸化炭素等の還元性ガスのガスセンサ
ーは、現在防災用に用いられている。特に半導体
製造等においては、SiH4やAsH3等の可燃性、有
毒性の含水素化合物の還元性ガスを使用するた
め、これらのガスに対して高感度かつ信頼性の高
いガスセンサーが必要とされている。 FET型ガスセンサーは、金属−酸化物−半導
体型電界効果トランジスタ（MOSFET）の金属
ゲートの代わりに、ガス感応層を設けたガスセン
サーである。例えば、「アブライド・フイジツク
ス・レター（Appl.Phys.Lett）、26、55（1975）」
には、ガス感応層としてPdを100Åの厚さに蒸着
したFET型ガスセンサーが空気中の40ppmとい
う極微量のH2に対しても応答することが示され
ている。またH2SやNH3に対しても応答するこ
とも報告されている。 （発明が解決しようとする問題点） 上記FET型ガスセンサーは十分な応答速度と
感度を得るためには、センサー素子を150℃程度
にまで加熱して使用しなければならず、そのため
消費電力が大きくなることや、センサー素子の経
時安定性等に問題があつた。また、上記FET型
ガスセンサーにおいて、第１図に示すように、ソ
ース１及びドレイン２とが半導体３を介して互い
に接続され、該半導体に電気絶縁体４を介して設
けられるゲート５として固体イオン伝導体６を使
用したガス感応層を使用することにより、常温程
度の低温度で作動するFET型ガスセンサーが考
えられる。また、第２図は、上記センサーの出力
の検出回路である。 上記図中、点線で囲まれた部分がFET型ガス
センサーである。FETガスセンサーのソース端
子１１はインピーダンス変換素子１０、アース及
び出力端子３１にそれぞれ接続されており、ドレ
イン端子１２はゲート端子１５、定電流源１９及
びインピーダンス変換素子１０にそれぞれ接続さ
れており、さらに、インピーダンス変換素子１０
には出力端子３０が接続されている。 しかしながら、上記FET型ガスセンサーは、
作動温度の低下に伴い、その応答性、感度におい
て、水蒸気の影響を受け易いという問題を有す
る。 従つて、常温で十分な応答性と感度とを有し、
しかも湿度の影響を受け難いFET型ガスセンサ
ーの開発が望まれていた。 （問題を解決するための手段） かかる現況に鑑み、本発明者らは、鋭意研究を
重ねた結果、常温においても感度、応答速度共に
優れ、しかも湿度の影響を受け難いFET型ガス
センサーの開発に成功した。即ち、本発明は、(A)
ソース及びドレインが半導体を介して接続されて
なり、上記ソース及びドレイン間に存在する半導
体の表面に電気絶縁体を介して固体イオン伝導体
と周期律表第族の金属又はその酸化物とで構成
されたゲートを有するセンサー素子並びに(B)ソー
ス及びドレインが上記センサー素子と共通の半導
体を介して接続されてなり、上記ソース及びドレ
イン間に存在する半導体の表面に、電気絶縁体を
介して固体イオン伝導体と還元性ガスに対して不
活性な導電物質とで構成されたゲートを有する補
償素子が併設されてなる電界効果トランジスタ型
ガスセンサーである。 本発明で用いる固体イオン伝導体としては、カ
チオン伝導体及びアニオン伝導体のいずれでも良
く、公知のものが何ら制限なく用い得る。例え
ば、カチオン伝導体としては、アンチモン酸
（Sb2O5・nH2O）、リン酸ジルコニウム（Zr
（HPO4）2・nH2O）、リン酸チタン（Ti
（HPO4）2・nH2O）、リン酸すず（Sn（HPO4）2・
nH2O）、リン酸アンチモン（SbHP2O8・nH2O）、
リンモリブデン酸（H3MO12PO40・nH2O）、リ
ンタングステン酸（H3W12PO40・nH2O）、リン
酸ウラニル（HUO2PO4・nH2O）、その他Ｈ型ゼ
オライトで代表される各種の無機イオン交換体、
或いは、ポリスチレンスルホン酸、Nafion（デユ
ポン社の登録商標）で代表される有機高分子イオ
ン交換体などのプロトン伝導体；LISICON〔マテ
リアル・リサーチ・ブレテイン（Material
Research Bulletin）11巻203頁（1976）〕、
LiNbO3、LiClO4とエチレンオキシドの混合物な
どのリチウムイオン伝導体；β−アルミナ、β″−
アルミナ、NASICON〔マテリアル・リサーチ・
ブレテイン（Material Research Bulletin）13
巻113頁（1978）〕などのナトリウムイオン伝導
体；Ｋ型−β−アルミナ、ホランダイドなどのカ
リウムイオン伝導体；その他、アンモニウムイオ
ン、銀イオン、銀イオン等のカチオン伝導体等を
挙げることができる。 また、アニオン伝導体としては、LaF3、
PbF2、CaF2、BiF2、PbSnF4などのフツ素イオ
ン伝導体；PhCl2、SnCl2、CsPbCl3、SrCl2など
の塩素イオン伝導体；ZrO2、CeO2、RiO3などの
酸素イオン伝達体等を挙げることができる。 これらの固体イオン伝導体の中でも、本発明に
於いてはプロトン伝導体が好ましく、さらに、ア
ンチモン酸及びリン酸ジルコニウムが特に好まし
く用いられる。 次に、本発明のセンサー素子で用いられる周期
率表第族の金属又はその酸化物（以下、これら
を単に族金属と略称する。）としては、Fe、
Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の金属及
びRuO2、IrO2等の酸化物を挙げることができる。
これらの金属又はその酸化物の中でもPt又はPd
を用いた場合には、還元性ガスに対する応答時間
が短いガスセンサーが得られる。 本発明のFET型ガスセンサーのセンサー素子
のゲートは、前記の固体イオン伝導体と族金属
とで構成されていれば良い。具体的には、固体イ
オン伝導体と族金属とが２層に積層されてゲー
トを構成している態様及び前者の中に後者が分散
されてゲートを構成している態様等が本発明で特
に好ましい態様である。まず、前者の態様につい
ては、さらに電気絶縁体上に固体イオン伝導体の
層、族金属の層をこの順に積層させる態様と、
電気絶縁体上に族金属の層を積層させ、その上
に固体イオン伝導体の層を積層させる態様があ
り、いずれの態様も本発明に於いて好適に採用さ
れる。これらの態様の場合、電気絶縁体上に接触
させて積層させる層の厚さは、薄層であることが
好ましく、通常は100〜2000Åの範囲、さらに100
〜500Åの範囲であることがFET型ガスセンサー
の感度及び応答時間の点で好ましい。もう一方の
層の厚さは特に限定されないが、固体イオン伝導
体の層と族金属の層の界面へのガスの透過を阻
害しない厚さであることが好ましい。通常は、も
う一方の層は100〜8000Åの範囲、さらに200〜
3000Åの範囲の薄層であることが好ましい。 次に、後者の態様、即ち、固体イオン伝導体中
に族金属が分散されている態様について説明す
る。固体イオン伝導体中の族金属の含有量は、
特に制限されないが、得られるFET型ガスセン
サーの感度や応答時間を勘案すると、0.05〜50重
量％、さらに0.5〜10重量％の範囲であることが
好ましい。 また、族金属が分散された固体イオン伝導体
は、固体イオン伝導体と族金属の界面へのガス
の透過を阻害しない厚さであることが好ましく、
100〜8000Å、さらに200〜3000Åの範囲の薄層で
あることが好ましい。 以上のような薄層を形成する方法としては、公
知の手段が何ら制限なく採用される。例えば、真
空蒸着法、スパツタリング法、CVD法等が好適
に採用される。例えば、族金属の薄層を形成す
るには、１×10-5Torr以下の高真空中にて、電
子ビーム加熱装置を用いて族金属を真空蒸着す
るか、あるいは族金属のターゲツトを用いて、
Arガス雰囲気中でスパツタしても、族金属の
薄層が得られる。 固体イオン伝導体の薄層は、固体イオン伝導体
のデイスクをターゲツトとして、Ar、O2、H2、
H2Oの単独又は２種以上の混合ガス雰囲気中で
スパツタすれば容易に得られる。 固体イオン伝導体と族金属の混合薄層は、固
体イオン伝導体と族金属を所定の割合で良く混
合したデイスクをターゲツトとして用い、前述し
たようにスパツタすれば良い。 有機系イオン伝導体の場合には、適当な溶媒に
溶解させたものを、デイプコーテイング法やスピ
ンコーテイング法により塗布形成することもでき
る。 このようにして形成した薄層からゲート電極を
取り出す方法としては、上記の薄層上に導電性の
薄膜を積層すれば良い。例えばAu、Ag、Cu、
Al、In、Ｃ、Si、Ge等の金属の他、前記族金
属またはこれらの合金も好ましく使用される。 なお、固体イオン伝導体の層と族金属の層を
積層する態様においては、族金属の層をそのま
まゲート電極として利用しても良い。 本発明のFET型ガスセンサーの作動機構につ
いて以下に説明する。 本発明のFET型ガスセンサーのセンサー素子
の固体イオン伝導体と族金属との界面では、次
の(1)、(2)式に示す反応が主に起こつていると予想
している。 H2（気相）→2H+（電界質）＋2e（触媒） (1) 2H+（電界質）＋１／２O2（気相）＋2e（触媒） →H2O（気相） (2) つまり、触媒として作用する族金属と電解質
として作用する固定イオン伝導体が接しているた
め(1)式の反応は室温においても容易に起こると考
えられ、このために、本発明のFET型ガスセン
サーが低温作動が可能となつたものと予想され
る。 さらに、本発明では、以下に述べる補償素子を
併用することにより、従来のガスセンサーで問題
となつていた湿度の影響を大巾に抑えることが可
能である。 補償素子は、本発明のFET型ガスセンサーの
センサー素子に使用される族金属を含まないも
のが用いられる。また、還元性ガスに対して不活
性なAu、Ag、Cu、Al、In、Ｃ、Si、Ge等を
族金属にかえて用いることによつて湿度等の影響
をキヤンセルするに好都合の補償素子とすること
もできる。 また、上記補償素子は、センサー素子の半導体
と共通の半導体を介してソースとドレインが接続
される。 このような補償素子とセンサー素子とセンサー
素子とを同じ被検ガス雰囲気中に置くと湿度変化
による出力の変化は、本発明のセンサー素子と補
償素子のいずれにもほぼ同じ程度で起こる。従つ
て、被検ガス中の湿度による影響はほぼキヤンセ
ルされる。また、被検ガス中のアルコール等の雑
ガスによる出力の変化も、同様に補償素子の接続
によつてキヤンセルできる。 第３図に本発明のFET型ガスセンサーの垂直
方向の断面図を示した。 センサー素子（FET１）と補償素子（FET２）
とは１枚のｐ−型Si基板等の半導体３の上に作製
されている。ここでFET１のドレイン２及び
FET２のドレイン２′は、FET１とFET２に共
通のソース１と半導体３を介して接続されてお
り、FET１の半導体３上には電気絶縁体４、固
体イオン伝導体６及び族金属７がこの順に積層
されており、FET２の半導体３上には、電気絶
縁体４、固体イオン伝達体６及び還元性ガスに感
応しない金属８がこの順に積層されている。ま
た、FET１及びFET２のソース及びドレインは
電気絶縁体上に積層された端子用金属９と電気的
に接続されている。 この様に作製した補償素子付FET型ガスセン
サーの等価回路を第４図に示した。図中、点線で
囲まれた部分が、補償素子付FET型ガスセンサ
ーである。第４図に於いて、FET１及びFET２
のドレイン端子１２及び２２は、それぞれ抵抗１
６及び２６を介して定電圧源１８に接続され、
FET１及びFET２に共通なソース端子１１は、
定電流源１９を介して定電圧源１８に接続され、
さらに、ソース端子１１は、定電流源１９及び定
電圧源１７，２７を介してFET１及びFET２の
ゲート端子１５及び２５に夫々接続されている。
このような回路とすることによつて差動増幅器が
形成され、FET１の出力端子３０，３１からの
出力を測定すれば、湿度等による影響がキヤンセ
ルされた還元性ガスのみによる電圧変化がドレイ
ン電圧として観測される。 （効果） 本発明のFET型ガスセンサーは、その作動原
理が族金属と固体イオン伝導体との界面におけ
るプロトンの活量の変化と、それに伴う酸素の酸
化反応により生成する固体イオン伝導体上の吸着
水分子の量の変化をFETにより検出するもので
ある。 本発明のFET型ガスセンサーは、このような
差動原理であり、室温においても空気中の微量の
還元性ガスを、応答速度が速くしかも感度良く検
出できるものである。また、センサー素子を加熱
しないため、長期安定性に優れている。 さらに、本発明のFETガスセンサーは、セン
サー素子に特定の賠償素子を併用することによ
り、被検ガスの湿度や、アルコール等の雑ガスに
よる影響を抑えることができる。従つて、還元性
ガスのより正確な検出が可能となる。 以下に、本発明をさらに具体的に説明するため
に実施例を掲げるが、本発明はこれら実施例に限
定されるものではない。 比較例 １ ガスセンサーの作製方法 ｎ型Siをドレイン及びソースとし、ｐ型Siを半
導体とし、SiO2を電気絶縁体とする電界効果ト
ランジスタのSiO2上に固体イオン伝導体の層と
して200Åの厚さにアンチモン酸の薄膜をスパツ
タ装置を用いて形成した。さらに、上記固体イオ
ン伝導体の層の上に、300Åの厚さにPtの薄膜を
真空蒸着法により形成した。なお、このPtの薄
膜はそのままゲート端子としても利用した（第１
図参照）。 ガスセンサーの特性評価方法 アルミナ基板上に上記FET型ガスセンサーを
マウントし、ソース、ドレイン、ゲートの各電極
からリード線を取り出し、ガラス管中に固定し
た、このガラス管に、通常は乾燥した空気を流し
ておき、被検ガスとして、1000ppmの水素を含む
乾燥した空気（乾燥ガス）および該空気を加湿し
た空気（加湿ガス）を流したときのゲート電圧の
変化を室温において第２図に示す回路により測定
した。 なお、空気から被検ガスへ切り換えたときのゲ
ート電圧の全変化量をFET型ガスセンサーの感
度として表わし、被検ガス導入から全変化量の90
％の値に達するまでの時間を90％応答時間として
表わした。その結果、乾燥ガスを使用した場合の
感度は、218ｍＶ、90％応答時間は34秒であり、
加湿ガスを使用した場合の感度は、538ｍＶ、90
％応答時間は45秒であつた。 実施例 １ 第３図に示すような補償素子付FET型ガスセ
ンサーを作製した。比較例１で示す方法により
FET型ガスセンサー部を構成し、さらに、比較
例１におけるPtの代わりにAgを500Åの厚さに蒸
着した以外は、比較例１と同じ方法で補償素子部
を構成した。この素子を第４図に示すような回路
により特性を評価した。 まず、比較例１と同じ方法により、センサーの
特性を評価した後、加湿した空気と被検ガスを用
いたときの特性を比較例１と同じ方法で調べた。
結果を第１表に示す。
【表】
比較例 ２
比較例１で用いた電界効果トランジスタの
SiO2上にPtを200Åの厚さに蒸着しただけで、こ
れをセンサーとした。室温及び150℃で比較例１
と同じ方法でセンサーの特性を調べた。結果を第
２表に示した。
SiO2上にPtを200Åの厚さに蒸着しただけで、こ
れをセンサーとした。室温及び150℃で比較例１
と同じ方法でセンサーの特性を調べた。結果を第
２表に示した。
第１図は比較のためのFET型ガスセンサーの
垂直方向の断面図、第３図は本発明のFET型ガ
スセンサーの垂直方向の断面図を示す。また、第
２図、第４図は上記各FET型ガスセンサーの出
力の検出回路である。 図中、FET１は、センサー素子、FET２は補
償素子、１はソース、２及び２′はドレイン、３
は半導体、４は電気絶縁体、５はゲート、６は固
体イオン伝導体、７は周期律表第族の金属又は
その酸化物、８は還元性ガスに感応しない金属、
９は端子用金属、１０はインピーダンス変換素
子、１１はソース端子、１２及び２２はドレイン
端子、１５及び２５はゲート端子、１６及び２６
は抵抗、１７，１８及び２７は定電圧源、１９は
定電流源、３０及び３１は出力端子を夫々示す。
垂直方向の断面図、第３図は本発明のFET型ガ
スセンサーの垂直方向の断面図を示す。また、第
２図、第４図は上記各FET型ガスセンサーの出
力の検出回路である。 図中、FET１は、センサー素子、FET２は補
償素子、１はソース、２及び２′はドレイン、３
は半導体、４は電気絶縁体、５はゲート、６は固
体イオン伝導体、７は周期律表第族の金属又は
その酸化物、８は還元性ガスに感応しない金属、
９は端子用金属、１０はインピーダンス変換素
子、１１はソース端子、１２及び２２はドレイン
端子、１５及び２５はゲート端子、１６及び２６
は抵抗、１７，１８及び２７は定電圧源、１９は
定電流源、３０及び３１は出力端子を夫々示す。
Claims (1)
- １ (A)ソース及びドレインが半導体を介して接続
されてなり、上記ソース及びドレイン間に存在す
る半導体の表面に電気絶縁体を介して固体イオン
伝導体と周期律表第族の金属又はその酸化物と
で構成されたゲートを有するセンサー素子並びに
(B)ソース及びドレインが上記センサー素子と共通
の半導体を介して接続されてなり、上記ソース及
びドレイン間に存在する半導体の表面に、電気絶
縁体を介して固体イオン伝導体と還元性ガスに対
して不活性な導電物質とで構成されたゲートを有
する補償素子が併設されてなる電界効果トランジ
スタ型ガスセンサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7925686A JPS62237347A (ja) | 1986-04-08 | 1986-04-08 | 電界効果トランジスタ型ガスセンサ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7925686A JPS62237347A (ja) | 1986-04-08 | 1986-04-08 | 電界効果トランジスタ型ガスセンサ− |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62237347A JPS62237347A (ja) | 1987-10-17 |
| JPH0572979B2 true JPH0572979B2 (ja) | 1993-10-13 |
Family
ID=13684770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7925686A Granted JPS62237347A (ja) | 1986-04-08 | 1986-04-08 | 電界効果トランジスタ型ガスセンサ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62237347A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005079342A (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-24 | Japan Science & Technology Agency | 電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ |
| JP2010066234A (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Okayama Univ | ガスセンサ |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62250352A (ja) * | 1986-04-23 | 1987-10-31 | Seitai Kinou Riyou Kagakuhin Shinseizou Gijutsu Kenkyu Kumiai | 電界効果トランジスタ型酸素ガスセンサ |
| JPH01127943A (ja) * | 1987-11-12 | 1989-05-19 | Daikin Ind Ltd | 可燃性ガスセンサ |
| DE10163557B4 (de) | 2001-12-21 | 2007-12-06 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Transistorbasierter Sensor mit besonders ausgestalteter Gateelektrode zur hochempfindlichen Detektion von Analyten |
| US7901553B2 (en) * | 2004-01-27 | 2011-03-08 | H2Scan Corporation | Method and system for sensing gas incorporating an integrated reference element |
| DE102004019639A1 (de) * | 2004-04-22 | 2005-11-17 | Siemens Ag | FET-basierter Gassensor |
| WO2009011164A1 (ja) * | 2007-07-19 | 2009-01-22 | Renesas Technology Corp. | 半導体装置およびその製造方法 |
| US8610180B2 (en) * | 2010-06-11 | 2013-12-17 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Gas sensor and method for manufacturing the gas sensor |
| DE102012213625A1 (de) * | 2012-08-02 | 2014-02-06 | Robert Bosch Gmbh | Gassensor zur Bestimmung von in einem Gasgemisch enthaltenen Substanzen und Verfahren zum Herstellen eines solchen |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4020830A (en) * | 1975-03-12 | 1977-05-03 | The University Of Utah | Selective chemical sensitive FET transducers |
| JPS57119253A (en) * | 1981-01-16 | 1982-07-24 | Seiko Epson Corp | Gas sensor element |
| JPS62174643A (ja) * | 1986-01-28 | 1987-07-31 | Daikin Ind Ltd | 可燃性ガスセンサ |
-
1986
- 1986-04-08 JP JP7925686A patent/JPS62237347A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005079342A (ja) * | 2003-08-29 | 2005-03-24 | Japan Science & Technology Agency | 電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ |
| JP2010066234A (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Okayama Univ | ガスセンサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62237347A (ja) | 1987-10-17 |
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