JPH0711496B2 - ガス検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種の気体に反応するガスセンサを用いたガ
ス検出方法に関するもので、特に多孔質シリコンを利用
してガスを検出する方法に関するものである。

〔従来技術〕

ガスセンサとしての材料は種々あり、またその構造につ
いても種々考えられている。その中でシリコンなどの半
導体基板を用いたものは、増幅器などを一体に形成で
き、小型化が可能などといった利点があり注目を集めて
いる。

しかし、ガスセンサとして用いるためには、構造が複雑
になったり、生化学物質を用いなければならないといっ
た問題があり、コストの面などで満足できるものは少な
かった。

そこで、発明者は多孔質シリコンを利用してガスセンサ
を得ることを提案し、容量の変化によってガスを検出す
ることを提案した（特願昭61-184506）。

このようなガス検出装置においては、できるだけ多くの
検出方法を用いることができるようにするのが好まし
い。

〔目的〕

本発明は、すでに提案した検出方法と異なる方法によっ
て、容易な測定方法を提供することを目的とするもので
ある。

また、素子の構造を変えたり、複雑を測定回路を必要と
しないガス検出方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための技術手段〕

本発明は、電極間に発生する起電圧を利用して測定する
ことによって上記の目的を達成するものである。

すなわち、一表面に多孔質シリコン層を具えた単結晶シ
リコン基板の該多孔質シリコン層表面及びその裏面の単
結晶シリコン基板表面にそれぞれ電極を形成した素子を
ガス雰囲気中に配置し、該素子に発生する起電圧によっ
てガスを検出することに特徴を有するものである。

〔作用〕

本発明は、多孔質シリコンの性質を研究する過程でなさ
れたもので、その原理についてはまだ解明されていない
点も多いが、実験の結果十分な再現性を有する特性の変
化が確認された。

極性を有するガス雰囲気中において、多孔質シリコン層
と単結晶シリコン基板の二層構造の素子の電極間に、電
圧の発生が確認された。

本発明は、この現象を利用したもので、これをガス検出
方法に応用したものである。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明す
る。

第１図は本発明に利用するセンサ部の一例を示す正面断
面図である。

単結晶シリコン基板10の一表面に多孔質シリコン層11が
形成してあり、多孔質シリコン層11の表面の一部分に電
極12が形成され、リード線が接続されている。一方、裏
面の単結晶シリコン基板10に接して全面に電極13が形成
されている。

多孔質シリコン層11は単結晶シリコン基板10の表面を陽
極化成処理することによって形成する。ポロンをドープ
したＰ型単結晶シリコン基板の一表面をフッ化水素（H
F）溶液中で陽極化成処理を施すと、単結晶シリコン基
板表面に多孔質シリコン層が形成される。陽極化成処理
の条件によって多孔質シリコン層の厚みが決まるが、本
発明を実施する際には７〜45ミクロンの厚みとした。

多孔質シリコン層に形成する電極12は、半田合金や金を
用いて通常の方法で形成することができる。多孔質シリ
コン層11の全面ではなく、一部が露出するように形成す
る。中央部分に円形に形成しても、全面にメッシュ状あ
るいはストライプ状に形成しても良い。単結晶シリコン
基板10に形成する電極13はオーミックコンタクトがとれ
るものであれば、何を用いてもよい。

上記のような、多孔質シリコン層11と単結晶シリコン基
板10から成る素子をある種のガス雰囲気中に置くと、電
極12と電極13との間に電圧が発生することが確認され
た。有極性のガスである水蒸気、エタノール蒸気、そし
てアセトン蒸気の雰囲気中での起電圧が確認された。

10mm角の素子に上記のような電極を形成したものを、そ
れぞれのガス雰囲気中で測定した結果、以下に説明する
ような結果が得られた。

電極12と電極13を100kΩの抵抗を接続したショート回路
における電流を測定した。いずれのガス雰囲気中でも、
常に多孔質シリコン層側、すなわち電極13に対して電極
12側を、角の極性として起電圧が発生した。乾燥空気中
では、それと同じ極性の場合と、逆の極性が現れること
があった。

以下、第２図を参照して、測定結果について説明する。
乾燥空気に置いた状態から水蒸気、エタノール蒸気、ア
セトン蒸気を導入し、約５分後にそれぞれの雰囲気中で
測定した後に、再び乾燥空気に戻した結果を示してい
る。

それぞれのガスを導入すると、次第に電圧が増加し、ピ
ークを示した後に徐々に減少して、一定の値に落ち着く
傾向を示している。この場合は５分程度の短い時間しか
測定していないので、この一定の値をはっきりとは示し
ていない。

第２図に示したように、水蒸気中においてはピーク値が
約４分後に現れ、相対的に大きな電流（0.5μＡ）を示
している。それに対して、エタノール蒸気中ではピーク
値が１分以内に現れ、時間の経過とともに減少してい
る。また、アセトン蒸気においては低いピーク値ではあ
るが、その後の減少の幅が小さいという傾向を示してい
る。

いずれも乾燥空気中に戻ると大幅に電流値が減少してい
る。なお、第２図において縦軸は乾燥空気中の電流値を
基準としている。乾燥空気中においても起電圧を生じて
いるが、その値は上記のようなガス雰囲気中に比較して
約1/10となっている。

上記の例は短い時間における起電圧について測定した結
果であるが、これを更に長い時間にわたって測定した場
合にも特性の大幅な劣化はなく、約12時間動作させた後
にも、起電圧を同様に生じていた。

また、乾燥空気とガス雰囲気を交互に繰り返した結果も
同様で、ほぼ一定の値の起電圧が測定された。第３図は
約１時間半にわたって、300回繰り返してアセトンと乾
燥空気中で測定した結果を示している。最初は値が減少
する傾向を示しているが、約10分後からはほとんど変化
を示していない。

このような結果から、長時間にわたって安定した起電圧
が得られることが確認された。なお、温度によって若干
の特性の変化が見られ、温度が下がると起電圧が大きく
なる傾向を示していた。

上記の多孔質シリコン層と単結晶シリコン基板との間に
生じた起電圧を測定し、その結果によって極性を有する
ガスの検出を行うことができる。電流値としては小さな
値となるので、適当な手段で増幅すれば良い。

多孔質シリコンの性質についてはまだ解明されていない
点が多い。本発明に利用する起電圧発生のメカニズムに
ついても、完全に解明はされていないが、多孔質シリコ
ンが極めて活性な物質で、極性を有するガス雰囲気中で
特有の電気的特性を示すことは十分に確認されている。
前記の通り、容量あるいは抵抗が変化することも測定さ
れており、本発明に利用する現象もこれらと何かの関連
があるものと思われる。

〔効果〕

本発明によれば、ガス雰囲気中で発生する起電圧を測定
することによって、ガスの検出を行うことができる。電
圧あるいは電流を直接測定できるので、簡単な測定回路
で済ませることができる。

また、簡単な構造の素子を感度の良好なセンサ素子とし
て利用できる利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する場合に使用するセンサ素子の
一例を示す正面断面図、第２図及び第３図はその特性を
示す説明図である。 10……単結晶シリコン基板 11……多孔質シリコン層 12,13……電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本橋 章 埼玉県坂戸市大字片柳727番地１ (56)参考文献 特開 昭53−96891（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−40847（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一表面に多孔質シリコン層を具えた単結晶
   シリコン基板の該多孔質シリコン層表面及びその裏面の
   単結晶シリコン基板表面にそれぞれ電極を形成した素子
   をガス雰囲気中に配置し、該素子に発生する起電圧によ
   ってガスを検出することを特徴とするガス検出方法。