JPS6312252B2 - - Google Patents
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- JPS6312252B2 JPS6312252B2 JP55082257A JP8225780A JPS6312252B2 JP S6312252 B2 JPS6312252 B2 JP S6312252B2 JP 55082257 A JP55082257 A JP 55082257A JP 8225780 A JP8225780 A JP 8225780A JP S6312252 B2 JPS6312252 B2 JP S6312252B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- gate electrode
- diffusion layer
- gate
- sensitive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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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
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
本発明は、FETガスセンサーに関する。
ゲート絶縁型トランジスター（FET）を用い
たセンサーはIC技術を用いて作成するため、小
型化、多重化が容易であるという特徴を有し、と
くに医療用、生化学用センサーとして期待がかけ
られている。FETを用いたセンサーはそのゲー
ト表面の感応膜を変化させることにより、電解
質、ガス、酵素、酵素基質等さまざまな化学物質
に感応するセンサーを作ることができるが、なか
でもO2、CO2等のガスセンサーは医用モニターと
して重要である。FETを利用したガスセンサー
としては第１図のようなものが提案されている。
すなわち図において１はドレイン電極、２はソー
ス電極、３はゲート電極、５はゲート絶縁膜、６
はチヤネルであり、４はゲート電極を兼ねたガス
感応膜、すなわちガス感応性を有するゲート電極
である。ガスはガス感応膜４に溶解し、拡散によ
りゲート絶縁膜５との界面に達すると、界面電位
が変化することにより、チヤネルの電導度を変化
させる。したがつてチヤネルの電導度を測定する
ことによつてガス濃度を測定することができるの
である。しかしながら、ガス感応膜はゲート電極
を兼ねているため、電導性の物質でなければなら
ない。もし絶縁性の物質であれば、チヤネルに電
界効果が均一に働なくなり、シグナルは不安定と
なる。一般にこのようなガス感応膜としては金属
が用いられるが金属中のガス拡散速度は極めて遅
いために、一般にこのようなセンサーの応答速度
は非常に遅くなる。したがつて全体を加熱してガ
ス拡散速度を速くする必要があり、用途が非常に
限られる。現在このような型のFETガスセンサ
ーでは水素センサーがあるのみである。これは水
素感応性膜となるパラジウム中の水素拡散が他の
金属−ガス系に比べ異常に速いことによるもの
で、他のガスでは実用的な応答速度を持つものは
見出されていない。このような欠点をなくするた
めに電極にポーラスなものを用いることも考えら
れるが、電極の強度が低下し、また酸素センサー
のごとき反応性のガスセンサーでは電極の劣化が
激しくなるために好ましくない。 本発明者らは、ガスセンサーのこのような欠点
をなくし、ガスがFET感応部に速やかに到達し
うるように、種々検討した結果、本発明を完成し
たものである。本発明はゲート電極とゲート絶縁
膜との間にガスとの接触面を有する200Å〜1μの
ガス拡散層を設け、かつ該ゲート電極をガス感応
性の電導体で形成するか、または該ゲート絶縁膜
の表面にガス感応膜を被覆するとともに、該ガス
拡散層のガスとの接触面からガス拡散層内にガス
を進入させるよう構成したことを特徴とする
FETガスセンサーである。 本発明を図により示すと第２図の如くになる。
すなわち、７がガス拡散層であり、ガスはガス拡
散層７のガスとの接触面（第２図では側面と上面
端部）よりガス拡散層に侵入して矢印の如く拡散
し、ガス感応膜４（第２図ではガス感応性の電導
体で形成されたゲート電極３を兼ねている）の界
面電位を変化させる。ガス拡散層の材質は例えば
シリコンゴムのような絶縁性のものを用いること
が出来るため、ガスは容易にガス感応膜の表面に
まで到達し、速い応答を示すのである。この時ガ
スは当然ガス拡散層７とゲート絶縁膜５の間にも
拡散するから、５と７の界面の電位はガスの濃度
により変化しない組合せを選ばねばならない。逆
に第３図の如く、ゲート絶縁膜５の表面にガス感
応膜４を被覆し、ゲート電極３にはガスに感応し
ない電導体を用いる（電極材料は例えば触媒便覧
561頁の記載から検出ガスに応じて選択される）
ことによつても同じ効果を得ることができる。 本発明に用いるFETは通常用いられている
FETセンサーを使用できるが、例えば特開昭54
−66194に記されているような電極部とゲート部
が分離されている構造のものが好ましい。このよ
うなFETゲート部に被覆されるガス拡散層とし
てはガスの拡散速度の大きいことと、ゲート電極
がチヤネルに充分安定な電界効果を及ぼすために
均一な薄い膜であることが重要である。上記の条
件を満たす素材としては、ポリブタジエン、ポリ
イソプレン、ポリクロロプレン、シリコンゴム等
のゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメ
チルペンテン等のオレフインポリマー、テフロ
ン、ポリヘキサクロロプロピレン等の弗素系ポリ
マーや多孔質のセラミツク等があるが、シリコン
系のゴムがガス透過速度が大きい点で非常に優れ
ている。このようなガス拡散層は非常に薄くて均
一であることが要求される。厚さは0.02〜1μが好
ましく、最も好ましくは0.1〜0.3μである。これ
以上厚くなるとゲート電極の電界効果がチヤネル
に及ばなくなるため出力が非常に不安定となる
し、またあまり薄すぎると膜中の拡散が不充分と
なる。このような膜の製法としてはキヤスト法、
プラズマ重合法、スパツタリング法等があるが、
膜を薄く均一に作れること、架橋があまり入らな
いことが好ましいことから（非常に密な架橋はガ
スの透過性の低下をきたす）、スパツタリング法
としてはイオンビームスパツタリング法が優れて
いる。 ガス感応膜４にはさまざまな物質が適用可能で
ある。酸素センサーの場合は銀、金、白金、アン
チモン、クロム、タリウム、タンタル等の金属、
Ga2O3、ZnO、Tb2O3、CoO、Tm2O3等の金属酸
化物、フタロシアニン、ヘモグロビン等の有機金
属化合物等により形成される。他のガスセンサー
の場合については例えば前記触媒便覧の記載によ
り材料を選択することができる。このなかで金属
酸化物等の絶縁物をガス感応膜として用いる場合
には、その厚さとガス拡散層の厚さの和が1μ以
内になるようにすることが好ましい。もしこれ以
上になると前に述べた如く、出力が不安定となる
傾向がある。またこれらの膜厚が均一でなければ
ならないことはガス拡散層で述べた通りである。
このような膜は通常のスパツタリング、イオンビ
ームスパツタリング、高周波スパツタリング等に
より作成することができる。 本発明においてゲート電極の形は次のように選
択することが望ましい。ゲート電極は拡散係数の
小さな良導体であるため、ガス拡散をじやます
る。したがつて、ガスは第２図の矢印の如きガス
拡散層の側面と上面端部のガスとの接触面から進
入をするため、ゲート電極の巾が応答速度を左右
する。このためゲート電極はできるだけゲート部
分の上のみにあり、それよりも大巾に横にのびて
いるのは好ましくない。ゲート電極の巾は１mm以
下が好ましく最も好ましいのは50〜200μである。
またガス拡散層７とガスの接触面を形成するため
にゲート電極は第４図ａ，ｂのように穴８やスリ
ツト９が開いていてもよいが、このような穴やス
リツトの大きさはトータルの絶縁膜の厚さの倍を
こえるとチヤネルに均一な電界がかからないため
好ましくない。このようなゲート電極はマスクを
用いた蒸着や蒸着後のホトエツチングにより作る
ことができる。 このようにしてゲート絶縁型FETにガス拡散
層、ガス感応膜及びゲート電極を設けた（ガス感
応膜にガス感応性の電導体を用いると該ガス感応
膜をゲート電極と兼ねることができる）センサー
は他のFETセンサーと同様の回路によつて測定
可能である。しかし、生体、水溶液、湿潤状態で
の測定のためにはこのセンサー部をガス透過性膜
で被覆する必要がある。ガス透過膜はガス拡散層
に用いるのと同じ材質を用いることができるが、
厚さはガス拡散層よりはるかに厚くてもよく、テ
フロンで数μ、シリコンゴムで数百μまで許され
るので通常の浸漬法により作ることができる。 このようにして作成したFETガスセンサーに
より非常に応答速度の速い、安定したガス濃度の
測定を行なうことができる。以下実施例により本
発明を具体的に説明する。 実施例 １ Ionics1978年２月号に江刺らが記載しているゲ
ート絶縁膜に窒化シリコンを有するFETPHセン
サーのゲート部に信越シリコンKR205トルエン
溶液よりデイツプコート法により5000Åのシリコ
ンゴム膜をコートした。次に高周波スパツタリン
グ法によりクロム金属を600Åの厚さに被覆し、
これにゲート電極を導電ペーストにより接続し
た。このセンサーを空気及び窒素中で前述の江刺
らの方法と同様のソースホロワー回路にてVGS
（ゲートソース電位）を測定したところ空気中の
方が窒素中よりも66ｍＶ低い値が得られ、その1/
２応答時間は約30秒であつた。これに対し、シリ
コンゴムをコートせずに窒化シリコン上に直接ク
ロム金属をスパツタしたものは感応しなかつた。 実施例 ２ 実施例１に用いたFETPHセンサーのゲート部
に高周波スパツタリングにより2000Åのテフロン
膜をコートした後、ゲート部に銀−エポキシ導電
ペースト（藤倉化成Ｄ−723S）を塗布し、ゲー
ト電極とした。ゲート電極の厚さは約100μであ
つた。この電極を用いて種々の雰囲気中でVGSの
測定を行なつたところ次表の結果を得た。
たセンサーはIC技術を用いて作成するため、小
型化、多重化が容易であるという特徴を有し、と
くに医療用、生化学用センサーとして期待がかけ
られている。FETを用いたセンサーはそのゲー
ト表面の感応膜を変化させることにより、電解
質、ガス、酵素、酵素基質等さまざまな化学物質
に感応するセンサーを作ることができるが、なか
でもO2、CO2等のガスセンサーは医用モニターと
して重要である。FETを利用したガスセンサー
としては第１図のようなものが提案されている。
すなわち図において１はドレイン電極、２はソー
ス電極、３はゲート電極、５はゲート絶縁膜、６
はチヤネルであり、４はゲート電極を兼ねたガス
感応膜、すなわちガス感応性を有するゲート電極
である。ガスはガス感応膜４に溶解し、拡散によ
りゲート絶縁膜５との界面に達すると、界面電位
が変化することにより、チヤネルの電導度を変化
させる。したがつてチヤネルの電導度を測定する
ことによつてガス濃度を測定することができるの
である。しかしながら、ガス感応膜はゲート電極
を兼ねているため、電導性の物質でなければなら
ない。もし絶縁性の物質であれば、チヤネルに電
界効果が均一に働なくなり、シグナルは不安定と
なる。一般にこのようなガス感応膜としては金属
が用いられるが金属中のガス拡散速度は極めて遅
いために、一般にこのようなセンサーの応答速度
は非常に遅くなる。したがつて全体を加熱してガ
ス拡散速度を速くする必要があり、用途が非常に
限られる。現在このような型のFETガスセンサ
ーでは水素センサーがあるのみである。これは水
素感応性膜となるパラジウム中の水素拡散が他の
金属−ガス系に比べ異常に速いことによるもの
で、他のガスでは実用的な応答速度を持つものは
見出されていない。このような欠点をなくするた
めに電極にポーラスなものを用いることも考えら
れるが、電極の強度が低下し、また酸素センサー
のごとき反応性のガスセンサーでは電極の劣化が
激しくなるために好ましくない。 本発明者らは、ガスセンサーのこのような欠点
をなくし、ガスがFET感応部に速やかに到達し
うるように、種々検討した結果、本発明を完成し
たものである。本発明はゲート電極とゲート絶縁
膜との間にガスとの接触面を有する200Å〜1μの
ガス拡散層を設け、かつ該ゲート電極をガス感応
性の電導体で形成するか、または該ゲート絶縁膜
の表面にガス感応膜を被覆するとともに、該ガス
拡散層のガスとの接触面からガス拡散層内にガス
を進入させるよう構成したことを特徴とする
FETガスセンサーである。 本発明を図により示すと第２図の如くになる。
すなわち、７がガス拡散層であり、ガスはガス拡
散層７のガスとの接触面（第２図では側面と上面
端部）よりガス拡散層に侵入して矢印の如く拡散
し、ガス感応膜４（第２図ではガス感応性の電導
体で形成されたゲート電極３を兼ねている）の界
面電位を変化させる。ガス拡散層の材質は例えば
シリコンゴムのような絶縁性のものを用いること
が出来るため、ガスは容易にガス感応膜の表面に
まで到達し、速い応答を示すのである。この時ガ
スは当然ガス拡散層７とゲート絶縁膜５の間にも
拡散するから、５と７の界面の電位はガスの濃度
により変化しない組合せを選ばねばならない。逆
に第３図の如く、ゲート絶縁膜５の表面にガス感
応膜４を被覆し、ゲート電極３にはガスに感応し
ない電導体を用いる（電極材料は例えば触媒便覧
561頁の記載から検出ガスに応じて選択される）
ことによつても同じ効果を得ることができる。 本発明に用いるFETは通常用いられている
FETセンサーを使用できるが、例えば特開昭54
−66194に記されているような電極部とゲート部
が分離されている構造のものが好ましい。このよ
うなFETゲート部に被覆されるガス拡散層とし
てはガスの拡散速度の大きいことと、ゲート電極
がチヤネルに充分安定な電界効果を及ぼすために
均一な薄い膜であることが重要である。上記の条
件を満たす素材としては、ポリブタジエン、ポリ
イソプレン、ポリクロロプレン、シリコンゴム等
のゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメ
チルペンテン等のオレフインポリマー、テフロ
ン、ポリヘキサクロロプロピレン等の弗素系ポリ
マーや多孔質のセラミツク等があるが、シリコン
系のゴムがガス透過速度が大きい点で非常に優れ
ている。このようなガス拡散層は非常に薄くて均
一であることが要求される。厚さは0.02〜1μが好
ましく、最も好ましくは0.1〜0.3μである。これ
以上厚くなるとゲート電極の電界効果がチヤネル
に及ばなくなるため出力が非常に不安定となる
し、またあまり薄すぎると膜中の拡散が不充分と
なる。このような膜の製法としてはキヤスト法、
プラズマ重合法、スパツタリング法等があるが、
膜を薄く均一に作れること、架橋があまり入らな
いことが好ましいことから（非常に密な架橋はガ
スの透過性の低下をきたす）、スパツタリング法
としてはイオンビームスパツタリング法が優れて
いる。 ガス感応膜４にはさまざまな物質が適用可能で
ある。酸素センサーの場合は銀、金、白金、アン
チモン、クロム、タリウム、タンタル等の金属、
Ga2O3、ZnO、Tb2O3、CoO、Tm2O3等の金属酸
化物、フタロシアニン、ヘモグロビン等の有機金
属化合物等により形成される。他のガスセンサー
の場合については例えば前記触媒便覧の記載によ
り材料を選択することができる。このなかで金属
酸化物等の絶縁物をガス感応膜として用いる場合
には、その厚さとガス拡散層の厚さの和が1μ以
内になるようにすることが好ましい。もしこれ以
上になると前に述べた如く、出力が不安定となる
傾向がある。またこれらの膜厚が均一でなければ
ならないことはガス拡散層で述べた通りである。
このような膜は通常のスパツタリング、イオンビ
ームスパツタリング、高周波スパツタリング等に
より作成することができる。 本発明においてゲート電極の形は次のように選
択することが望ましい。ゲート電極は拡散係数の
小さな良導体であるため、ガス拡散をじやます
る。したがつて、ガスは第２図の矢印の如きガス
拡散層の側面と上面端部のガスとの接触面から進
入をするため、ゲート電極の巾が応答速度を左右
する。このためゲート電極はできるだけゲート部
分の上のみにあり、それよりも大巾に横にのびて
いるのは好ましくない。ゲート電極の巾は１mm以
下が好ましく最も好ましいのは50〜200μである。
またガス拡散層７とガスの接触面を形成するため
にゲート電極は第４図ａ，ｂのように穴８やスリ
ツト９が開いていてもよいが、このような穴やス
リツトの大きさはトータルの絶縁膜の厚さの倍を
こえるとチヤネルに均一な電界がかからないため
好ましくない。このようなゲート電極はマスクを
用いた蒸着や蒸着後のホトエツチングにより作る
ことができる。 このようにしてゲート絶縁型FETにガス拡散
層、ガス感応膜及びゲート電極を設けた（ガス感
応膜にガス感応性の電導体を用いると該ガス感応
膜をゲート電極と兼ねることができる）センサー
は他のFETセンサーと同様の回路によつて測定
可能である。しかし、生体、水溶液、湿潤状態で
の測定のためにはこのセンサー部をガス透過性膜
で被覆する必要がある。ガス透過膜はガス拡散層
に用いるのと同じ材質を用いることができるが、
厚さはガス拡散層よりはるかに厚くてもよく、テ
フロンで数μ、シリコンゴムで数百μまで許され
るので通常の浸漬法により作ることができる。 このようにして作成したFETガスセンサーに
より非常に応答速度の速い、安定したガス濃度の
測定を行なうことができる。以下実施例により本
発明を具体的に説明する。 実施例 １ Ionics1978年２月号に江刺らが記載しているゲ
ート絶縁膜に窒化シリコンを有するFETPHセン
サーのゲート部に信越シリコンKR205トルエン
溶液よりデイツプコート法により5000Åのシリコ
ンゴム膜をコートした。次に高周波スパツタリン
グ法によりクロム金属を600Åの厚さに被覆し、
これにゲート電極を導電ペーストにより接続し
た。このセンサーを空気及び窒素中で前述の江刺
らの方法と同様のソースホロワー回路にてVGS
（ゲートソース電位）を測定したところ空気中の
方が窒素中よりも66ｍＶ低い値が得られ、その1/
２応答時間は約30秒であつた。これに対し、シリ
コンゴムをコートせずに窒化シリコン上に直接ク
ロム金属をスパツタしたものは感応しなかつた。 実施例 ２ 実施例１に用いたFETPHセンサーのゲート部
に高周波スパツタリングにより2000Åのテフロン
膜をコートした後、ゲート部に銀−エポキシ導電
ペースト（藤倉化成Ｄ−723S）を塗布し、ゲー
ト電極とした。ゲート電極の厚さは約100μであ
つた。この電極を用いて種々の雰囲気中でVGSの
測定を行なつたところ次表の結果を得た。
【表】
この結果よりセンサーがCO2に感応せず、酸素
センサーとなつていることが判る。またこのセン
サーの1/2応答時間は27分であつた。このような
テフロン膜をコートしないで直接ゲート部にエポ
キシ導電ペーストの電極をつけた場合は酸素濃度
20％で10ｍＶの応答しかなく、また1/2応答時間
は２時間で明らかにガス拡散層をつけない場合に
比し、劣つたものしか得られなかつた。
センサーとなつていることが判る。またこのセン
サーの1/2応答時間は27分であつた。このような
テフロン膜をコートしないで直接ゲート部にエポ
キシ導電ペーストの電極をつけた場合は酸素濃度
20％で10ｍＶの応答しかなく、また1/2応答時間
は２時間で明らかにガス拡散層をつけない場合に
比し、劣つたものしか得られなかつた。
第１図は、従来のFETガスセンサーの断面図
であり、第２図および第３図は本発明のFETガ
スセンサーの一例を示す断面図である。第４図ａ
および第４図ｂは本発明のFETセンサーにおけ
るゲート電極の形の例を示す概略図である。 図において、番号は下記のことを示す。１……
ドレイン電極、２……ソース電極、３……ゲート
電極、４……ガス感応性膜、５……ゲート絶縁
膜、６……チヤネル、７……ガス拡散層、８……
穴、９……スリツト。
であり、第２図および第３図は本発明のFETガ
スセンサーの一例を示す断面図である。第４図ａ
および第４図ｂは本発明のFETセンサーにおけ
るゲート電極の形の例を示す概略図である。 図において、番号は下記のことを示す。１……
ドレイン電極、２……ソース電極、３……ゲート
電極、４……ガス感応性膜、５……ゲート絶縁
膜、６……チヤネル、７……ガス拡散層、８……
穴、９……スリツト。
Claims (1)
- １ ゲート絶縁型電界効果トランジスタのゲート
電極とゲート絶縁膜との間にガスとの接触面を有
する200Å〜1μのガス拡散層を設け、かつ該ゲー
ト電極をガス感応性の電導体で形成するか、また
は該ゲート絶縁膜の表面にガス感応性膜を被覆す
るとともに、該ガス拡散層のガスとの接触面から
ガス拡散層内にガスを進入させるよう構成したこ
とを特徴とするFETガスセンサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8225780A JPS577549A (en) | 1980-06-17 | 1980-06-17 | Fet gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8225780A JPS577549A (en) | 1980-06-17 | 1980-06-17 | Fet gas sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS577549A JPS577549A (en) | 1982-01-14 |
| JPS6312252B2 true JPS6312252B2 (ja) | 1988-03-18 |
Family
ID=13769389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8225780A Granted JPS577549A (en) | 1980-06-17 | 1980-06-17 | Fet gas sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS577549A (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5949767A (ja) * | 1982-09-16 | 1984-03-22 | 松下電工株式会社 | 治療器 |
| JPS6133267A (ja) * | 1984-07-25 | 1986-02-17 | Hitachi Ltd | 非球面体の製造方法 |
| EP1434281A3 (en) | 2002-12-26 | 2007-10-24 | Konica Minolta Holdings, Inc. | Manufacturing method of thin-film transistor, thin-film transistor sheet, and electric circuit |
| JP4860980B2 (ja) | 2005-10-20 | 2012-01-25 | ローム株式会社 | モータ駆動回路およびそれを用いたディスク装置 |
| DE102007039567A1 (de) * | 2007-08-22 | 2009-02-26 | Robert Bosch Gmbh | Gassensor |
| DE102008042859A1 (de) * | 2008-10-15 | 2010-04-22 | Robert Bosch Gmbh | Elektronisches Bauelement |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5314935A (en) * | 1976-07-27 | 1978-02-10 | Kubota Ltd | Shrinkable upset work material |
| JPS6045368B2 (ja) * | 1977-12-08 | 1985-10-09 | セイコーエプソン株式会社 | 半導体ガスセンサ |
-
1980
- 1980-06-17 JP JP8225780A patent/JPS577549A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS577549A (en) | 1982-01-14 |
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