(57)【要約】  表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットアレイからなる化学・物理測定装置を用い、気体のガス成分を好適に測定する。  測定ユニットのアレイに近接して定電位部を配置する。この定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する。
2019131564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される定電位部であって、該定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置。
【請求項２】
前記測定ユニットのアレイの上に前記定電位部が配置される、請求項１に記載の化学・物理現象の測定装置。
【請求項３】
前記定電位部は金属配線からなる、請求項１又は２に記載の化学・物理現象の測定装置。
【請求項４】
前記定電位部で被覆されていない測定ユニットからの第１の電気信号と前記定電位部で被覆された測定ユニットからの第２の電気信号とを比較する比較部と、
該比較部の比較結果を出力する出力部とを更に備える、請求項１〜３のいずれかに記載の化学・物理現象の測定装置。
【請求項５】
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される定電位部であって、該定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置の製造方法であって、
前記測定ユニットのアレイを半導体集積回路の製造プロセスを用いて製造するアレイ製造ステップと、
前記測定ユニットのアレイの感応膜の上に前記定電位部を形成するステップと、を含む測定装置の製造方法。
【請求項６】
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される定電位部であって、該定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置の製造方法であって、
前記測定ユニットのアレイを半導体集積回路の製造プロセスを用いて製造するアレイ製造ステップと、
前記測定ユニットのアレイおよび前記定電位部上に感応膜を形成するステップと、を含む測定装置の製造方法。
【請求項７】
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される金属配線からなる定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置の製造方法であって、
前記測定ユニットのアレイの表面に前記金属配線からなる定電位部を載置する定電位部載置ステップと、
前記定電位部を載置した前記測定ユニットのアレイの表面に前記感応膜を構成する高分子材料を流動状態で供給して該アレイの表面を被覆するとともに、該高分子材料上に前記定電位部を形成する感応膜材料供給ステップと、
前記高分子材料を硬化する硬化ステップと、を含む測定装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は化学・物理現象の測定装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学・物理現象の測定装置として、フローティングディフュージョンを利用したいわゆる澤田ユニットが知られている。
この澤田ユニット１は次のような基本構造を有する。
例えば図１に示すように、センシング部１０、電荷供給部２０、電荷移動・蓄積部３０、電荷量検出部４０及び電荷除去部５０がシリコン基板の表面に形成される。センシング部１０には検出対象に応じて電位を変化させる感応膜１２と標準電極１３が設けられる。感応膜１２の電位変化に応じセンシング部１０（ｐ拡散領域７２）の電位井戸１５の深さが変化する。【０００３】
電荷供給部２０はインジェクションダイオード部（この明細書で「ＩＤ部」と略することがある）２１、インプットコントロールゲート部（この明細書で「ＩＣＧ部」と略することがある）２３を備える。ＩＤ部２１を電荷でチャージし、かつＩＣＧ部２３の電位を制御することでＩＤ部２１の電荷をセンシング部１０の電位井戸１５へ供給する。
電荷移動・蓄積部３０はトランスファーゲート部（この明細書で「ＴＧ部」と略することがある）３１、フローティングディフュージョン部（この明細書で「ＦＤ部」と略することがある）３３を備える。ＴＧ部３１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、センシング部１０の電位井戸１５に充填された電荷をＦＤ部３３へ移送し、そこに蓄積する。【０００４】
ＦＤ部３３に蓄積された電荷は電荷量検出部４０で検出される。かかる電荷量検出部４０としてソースフォロア型の信号増幅器を用いることができる。
電荷除去部５０はリセットゲート部（この明細書で、「ＲＧ部」と略することがある）５１、リセットドレイン部（この明細書で、「ＲＤ部」と略することがある）５３を備える。ＲＧ部５１の電圧を変化させることでシリコン基板７１において対向する領域のポテンシャルを変化させ、もって、ＦＤ部３３に蓄積された電荷をＲＤ部５３へ移送し、そこから排出する。【０００５】
この検出装置の詳細構造及びその動作を、水素イオン濃度を検出対象とするｐＨセンサを例に採り説明する。以下の説明では電荷として電子を採用し、この電子の移送に適するように基板７１の対象部分を適宜ドープしている。【０００６】
ｐＨセンサとしての検出装置１はｎ型のシリコン基板７１を備え、そのセンシング部１０に対応する部分はｐ型拡散層７２とされる。ｐ型拡散層７２の表面はｎ型にドープされる（ｎ領域７３）。
シリコン基板７１においてＩＤ部２１、ＦＤ部３３及びＲＤ部５３にはｎ＋領域７４、７５及び７７が形成される。
シリコン基板７１の表面には酸化シリコンからなる保護膜８１が形成され、その上にＩＣＧ部２３の電極、ＴＧ部３１の電極及びＲＧ部５１の電極が積層される。各電極へ電圧が印加されるとそれに対向する部分のシリコン基板７１のポテンシャルが変化する。
センシング部１０においては保護膜８１の上に窒化シリコン製の感応膜１２が積層される。【０００７】
このように構成された澤田ユニット１の基本動作を以下に説明する（図２参照）。
検出対象である水溶液にセンシング部１０を接触させると、水溶液の水素イオン濃度に応じてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５の深さが変化する（ステップ（Ａ））。即ち、水素イオン濃度が大きくなればポテンシャル井戸１５が深くなる（底のポテンシャルが高くなる）。
一方、ＩＤ部２１の電位を下げてここへ電荷をチャージする（ステップ（Ｂ）参照）。このとき、ＩＤ部２１へチャージされた電荷はＩＣＧ部２３を超えてセンシング部１０のポテンシャル井戸１５を充填する。なお、ＴＧ部３１のポテンシャルはＩＣＧ部２３より低く、ポテンシャル井戸１５へ充填される電荷がＴＧ部３１を乗り越えてＦＤ部３３へ達することはない。【０００８】
次に、ＩＤ部２１の電位を上げてＩＤ部２１から電荷を引き抜くことで、ＩＣＧ部２３ですりきられた電荷がポテンシャル井戸１５に残される（ステップ（Ｃ）参照）。ここに、ポテンシャル井戸１５に残された電荷量は、ポテンシャル井戸１５の深さ、即ち検出対象の水素イオン濃度に対応している。
次に、ＴＧ部３１の電位を上げて、ポテンシャル井戸１５に残された電荷をＦＤ部３３へ移送する（ステップ（Ｄ）参照）。このようにしてＦＤ部３３に蓄積された電荷量を電荷量検出部４０で検出する（ステップ（Ｅ）参照）。その後、ＲＧ部５１の電位を上げてＦＤ部３３の電荷をＲＤ部５３へ排出する（ステップ（Ｆ）参照）。このＲＤ部５３はＶＤＤに接続され、負にチャージされた電荷を吸い上げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第６０８３７５３号公報
【特許文献２】特開２００８−１４５１２８号公報
【特許文献３】特開２００６−０８４４１７号公報
【特許文献４】特開平０５−３３２９８９号公報
【特許文献５】特開２０１６−０６６７４５号公報
【特許文献６】特開平１１−２９５２５５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】平成２８年度  国立大学法人豊橋技術科学大学  電気・電子情報工学課程  卒業研究報告書概要  発表番号４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１及び図２で説明した澤田ユニットは、水素イオン濃度を測定するものであるので、測定対象は導電性の液体である。従って、複数の澤田ユニットを二次元的に配列したアレイにおいても、標準電極はアレイの一部に配置され、当該液体に接触されればよい。導電性の液体である測定対象に標準電極が接触すれば、当該測定対象は全域においてその電位が一定となるからである。
図１の構成において感応膜を選択することにより、任意の化学成分の濃度を測定できる。例えば、シリコン窒化膜からなる感応膜上にポリアニリン感応膜を形成すると、エタノールやアンモニアの濃度に応じてポリアニリン感応膜の電位が変化する。【００１２】
このような澤田ユニットのアレイを気体の測定に適応したとき、次の課題があった。
標準電極がアレイに対して１つしか配置されていないので、各アレイのセンシング部を被覆する感応膜に接触する測定対象(気体)の電位が一定であるという保証が得られない。即ち、測定対象である気体は実質的に絶縁性であるし、感応膜の構成材料（ポリアニリン）が導電性高分子材料といえども、その導電率は限定されているので、その一部に標準電極が接触していても、アレイの全体において各澤田ユニットのセンシング部に接触する感応膜の電位を揃えられない。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、澤田ユニットのアレイからなる化学・物理測定装置を用い、気体のガス成分を好適に測定すべく鋭意検討を重ねてきたところ、下記の構成の本願発明に想到した。
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される定電位部であって、該定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置。【００１４】
このように規定されるこの発明の第１の局面の測定装置によれば、測定ユニットのアレイの配列規則に沿って、アレイに近接して定電位部が配置され、かつこの定電位部の基準点とアレイの基準点とが一致している。ここに、定電位部はアレイを被覆する感応膜を介してその上に配置されてもよいし、またアレイと同一平面上に、即ちポリアニリン膜の下に、配置されてもよい。定電位部がアレイの配列規則に沿うとは、アレイの二次元的な配列方向及びそのピッチトと定電位部の二次元的な形状及びそのピッチとの間に所定の関係があることを意味する。また、定電位部の基準点とアレイの基準点とを一致させるとは、何らかの意図をもって両者の位置関係が規定されることを意味する。【００１５】
以上より、測定ユニットのセンシング部と定電位部との位置関係を正確に制御できる。これにより、各測定ユニットのセンシング部に接触する感応膜の電位の制御が容易になる。
化学・物理現象の変化を感応した感応膜ではキャリア密度の変化が生じ、その結果、材料特性（導電率等）が一定の割合で変化すると考えられる。従って、化学・物理現象を感応する前の、即ち、デフォルト状態の感応膜がその全域で標準電位に維持されておれば、これが化学・物理現象に感応したとき（例えば、ポリアニリン製の感応膜をエタノールガスへ接触させたとき）、アレイの全測定ユニットの出力は当該化学・物理現象に応じた値を示す。
かかる前提のもと、センシング部に接触する感応膜の電位を制御してこれらを揃わせることができれば、測定すべき化学・物理現象に対して各測定ユニットの出力を正確に反映させられる。
なお、測定装置に要求される感度に応じて、各測定ユニットのセンシング部に接触する感応膜の電位にもバラツキが許容されるところ、当該各センシング部から定電位部までの距離の誤差を所定範囲に収めれば、測定装置に要求される感度の見地からは、各センシング部に接触する感応膜の電位はこれを実質的に一定に揃えられたといえる。【００１６】
ここに、測定ユニットは、一般的に平面視において、碁盤の目状に、即ち、ＸＹ方向へ同じピッチで配置される。この場合、定電位部も当該ＸＹ方向に沿って配置されることとなる。更に、定電位部の基準点と測定ユニットのアレイの基準点とを平面視において一致させる。ここに、基準点とは、二次元的（Ｘ，Ｙ）に広がる要素において、（０，０）の位置を指す。これにより、測定ユニットと定電位部とが正確に位置合わせされ、もって、各測定ユニットのセンシング部の電位が一定に揃えられる。【００１７】
上記において、測定装置に要求される感度が高くかつ感応膜の導電率が小さい場合は、定電位部を測定ユニットのセンシング部にできるだけ近づけて、好ましくはその直上に位置させる。測定ユニットが碁盤の目状に配置されておれば、定電位部は同じピッチのメッシュ構造となる。即ち、アレイを構成する複数の測定ユニットに対してメッシュ構造という連続した１つの要素（部材）を提供すればよい。よって、集積回路への配線の負担が殆ど生じない。センシング部の開口面積を確保する見地から、このメッシュは各センシング部の１つ１つを、又はまとめて複数を囲繞する形にしてもよい。
また、測定装置に要求される感度が比較的低い場合には、定電位部を平行に並べたものとすることができる。【００１８】
第１の局面に規定の測定装置によれば、アレイを構成する各測定ユニットのセンシング部に対する位置が安定する。これにより、当該センシング部に接触する感応膜の電位が揃えられ、この電位を基準にして、測定対象の化学・物理現象量に応じて測定ユニットのセンシング部の電位井戸の深さが変化する。この電位井戸の深さに応じた電気信号が検出領域から出力される。
なお、測定対象が絶縁性の液体や固体の場合においても、第１の局面の測定装置を採用することにより、測定ユニットからの電気信号は、当該測定対象の化学量や物理量に対応したものとなる。
定電位部は測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置されるので、これを１つの連続した要素（部材）とすることができる。これにより、各測定ユニットのセンシング部のそれぞれに独立した標準電極を配置する構造と比べて、配線の負荷が小さくて済む。【００１９】
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面に規定の測定装置において、前記測定ユニットのアレイの上に前記定電位部が配置される。
このように規定される第2の局面の測定装置によれば、測定ユニットのセンシング部と定電位部との距離を可及的に近づけることができる。これにより、センシング部に接触する感応膜の電位がより安定する。
測定ユニットのセンシング部と定電位部との距離を最も近づけるには、センシング部の直上に定電位部が位置するようにする。これにより、センシング部に接触する感応膜の電位が最も安定する。
センシング部の開口面積をより大きく確保するには、アレイの上であって、隣り合う測定ユニットの間に定電位部を配置する。これにより感度が向上する。【００２０】
この発明の第3の局面は次のように規定される。即ち、第１又は第2の局面の測定装置において、前記定電位部は金属配線からなる。
このように規定される第３の局面の測定装置によれば、金属配線を用いることで装置構成が簡素化され、これを安価に提供可能となる。【００２１】
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、第１又は２の局面に規定の測定装置において、前記定電位部で被覆されていない測定ユニットからの第１の電気信号と前記定電位部で被覆された測定ユニットからの第２の電気信号とを比較する比較部と、
該比較部の比較結果を出力する出力部とを更に備える。
このように規定される第４の局面の測定装置において、定電位部で被覆されている測定ユニットから出力される第１の電気信号は定電位部の電位に支配される。他方、定電位部で被覆されていない測定ユニットから出力される第２の電気信号は観察対象である気体に含まれるガス成分に応じて変化する。よって、第１の電気信号と第２の電気信号とを比較することにより、ガス成分の濃度変化、特に経時的な変化が観察できる。【００２２】
この発明の第５の局面は次のように規定される。
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される定電位部であって、該定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置の製造方法であって、
前記測定ユニットのアレイを半導体集積回路の製造プロセスを用いて製造するアレイ製造ステップと、
前記測定ユニットのアレイの前記感応膜の上に前記定電位部を形成するステップと、を含む測定装置の製造方法。【００２３】
このように規定される第５局面の測定装置の製造方法によれば、測定ユニットのアレイの製造のみならず、アレイの上に形成される定電位部の製造も半導体集積回路の製造プロセスをそのまま適用可能となる。
このように規定される第５の局面の製造方法によれば、装置全体を大量にかつ安価に製造できる。
測定ユニットのアレイの製造に引き続き、同じプロセス装置を使って定電位部を形成できる。これにより、アレイの配列規則に沿って定電位部を配置すること、及びアレイの基準点と定電位部の基準点とを一致させることが容易かつ正確に行える。【００２４】
この発明の第６の局面は次のように規定される。
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される定電位部であって、該定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置の製造方法であって、
前記測定ユニットのアレイを半導体集積回路の製造プロセスを用いて製造するアレイ製造ステップと、
前記測定ユニットのアレイおよび前記定電位部上に感応膜を形成するステップと、を含む測定装置の製造方法。
このように規定される第6の局面に規定の製造方法によれば、定電位部が、アレイと同時に、半導体集積回路の製造プロセスにおいて形成される。よって、製造プロセスが簡易化され、より安価な装置の提供が可能となる。【００２５】
この発明の第７の局面は次のように規定される。
即ち、表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該測定ユニットのアレイに近接して配置される金属配線からなる定電位部と、
を備える化学・物理現象の測定装置の製造方法であって、
前記測定ユニットのアレイの表面に前記金属配線からなる定電位部を載置する定電位部載置ステップと、
前記定電位部を載置した前記測定ユニットのアレイの表面に前記感応膜を構成する高分子材料を流動状態で供給して該アレイの表面を被覆するとともに、該高分子材料上に前記定電位部を形成する感応膜材料供給ステップと、
前記高分子材料を硬化する硬化ステップと、を含む測定装置の製造方法。
このように規定される第７の局面の測定装置によれば、装置の製造を簡単な作業で行える。よって、簡易かつ安価に測定装置を提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は化学・物理現象の測定ユニットの基本単位の構成を示す模式図である。
【図２】図２は図１の測定ユニットの動作を示す図である。
【図３】図３はこの発明の試行例の測定装置の平面図である。
【図４】図４は図３に示す試行例の測定装置の出力結果を示す。
【図５】図５はこの発明の実施の形態の測定装置の要部を示す。
【図６】図６は図５に示す実施の形態の測定装置の出力結果を示す。
【図７】図７は図５に示す実施の形態の測定装置の出力結果の経時変化を示す。
【図８】図８(ａ)は他の実施形態の測定装置２００の構成を示す断面図であり、図８（ｂ）は測定装置２００の変形態様の測定装置３００を示す断面図であり、図８（ｃ）は測定装置３００の変形態様の測定装置４００を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら、説明する。
図３は試行例の測定装置１００の構造を示す。図３において符号１０１は図１に示した澤田ユニット（測定ユニット）のアレイであって、例えば７．３ｍｍ×７．３ｍｍの正方形面を備えてそこに約１６０００個の澤田ユニットが集積されている。シリコン窒化膜からなる感応膜上に更に感応膜としてポリアニリン膜１０３（約１５μｌ）がアレイ１０１の全域を被覆している。ポリアニリンなどの導電性高分子は測定対象に含まれる酸又はアルカリによりそのキャリア密度が変化し、その結果、導電率、誘電率及び遮蔽距離が変化すると考えられる。
【００２８】
図３において符号１０５は金ペーストからなる電極であり、ポリアニリン膜１０３において、アレイ１０１から外れた位置に塗布されて、ここへ定電位（標準電位）が印加される。
エタノール（濃度１００ｐｐｍ）を含む空気（以下、エタノールガス）へかかる測定装置１００を曝したとき、９分後に得られた画像を図４に示す。電極１０５に印加する電圧は１．０９４Ｖである。図４に示される画像の各画素は、アレイ１０１を構成する各澤田ユニットに対応し、画素の値は対応する澤田ユニットから出力される電気信号から特定される。
【００２９】
図４から、アレイ１０１の各澤田ユニットの出力にバラツキがあることがわかる。具体的には、電極１０５からの距離が遠くなるにつれ、電位が低下している。これは、基準電位がばらつくので高精度な測定が阻害されるためと考えられる。
【００３０】
そこで、本発明者らは、金ペースト５に代えて、図５に示すメッシュ電極１１０を採用した。このメッシュ電極１１０はポリアニリン膜１０３の全領域を被覆して、アレイ１０１から外れた位置で定電圧源（１．４７３Ｖ）に接続される。
メッシュ電極１１０は正方形のポア（１００μｍ×１００μｍ）を有する高分子製のメッシュフィルタ（MILLIPORE, NY1H4700）の両面に金を堆積したものである。
図５の拡大図で示されるように、メッシュ電極１１０の金属配線１１２が、感応膜（ポリアニリン膜１０３）を介して、アレイ１０１を構成する一部の澤田ユニットの直上に配置される。ポリアニリン膜１０３において金属配線１１２で被覆された部分はエタノールガスとは反応し難い。また、ポリアニリン膜１０３は薄いので、金属配線１１２に対向する澤田ユニットの出力は、金属配線１１２の電圧に支配される。
【００３１】
図５の例では、ポリアニリン膜１０３の上にメッシュ電極１１０が、特に位置合わせすることなく、積層されている。この場合、アレイ上にメッシュ電極１１０を載置し、その後、硬化前のポリアニリンをアレイ上に供給した。このとき、硬化前のポリアニリンの粘度や比重を調整することで、ポリアニリンに絡まれた状態でメッシュ電極を浮き上がらせることができた。暫く静置してポリアニリン層を均一厚さにした後、ポリアニリンを硬化する。これにより、メッシュ電極１１０はアレイに対して平行にかつ機械的に安定して取り付けられる。
勿論、メッシュ電極１０３の取り付け方は上記に限定されるわけではない。ポリアニリン膜１０３を形成した後、メッシュ電極１１０を積層することができる。
【００３２】
メッシュ電極１１０のポア部分１１４に対向する澤田ユニットの各センシング部とメッシュ電極の金属配線１１２との距離とを厳密に制御するには、汎用的な集積回路プロセスのマスク技術を用いてメッシュ電極を成形することが好ましい。
【００３３】
メッシュ電極１１０のポア部分１１４を介してエタノールガスは感応膜（ポリアニリン膜）１０３のキャリア密度の変化による材料特性の変化を与える。他方、ポア部分１１４に対向する各澤田ユニットに対して、メッシュ電極１１０の金属配線１１２は極めて近い位置に存在し、更に、それぞれの澤田ユニットからみると、これを囲む４つ金属配線１１２との距離の総和がほぼ等しくなる。よって、各澤田ユニットを被覆する感応膜１０３のデフォルトでの電位もほぼ等しくなる。
【００３４】
かかる測定装置をエタノールガス（濃度：１００ｐｐｍ）へ接触させると、ポア部分１１４に位置するポリアニリン膜１０３のキャリア密度が変化し、もって材料特性が変化して、その電位が変わる。図６は５分後に得られた画像である。この画像の各画素は各澤田ユニットの出力に対応している。なお、測定装置をエタノールガスに長時間接触させておくと、ポリアニリン膜１０３内をエタノールガスに起因する影響因子（電子）が拡散する。よって、メッシュ電極１１０の金属配線１１２で被覆された部分と被覆されていない部分（ポア部分）との出力が同じものとなる。
【００３５】
図７は、図５に示した測定装置の出力の経時変化を示す。ポア部分１１４を介してエタノールガスがポリアニリン膜と反応し、その結果、ポリアニリン膜のキャリア密度の変化による材料特性が変化し、もってその電位が変化していく様子がわかる。なお、６０秒を過ぎると、ポア部分１１４におけるエタノールガスとポリアニリン膜との反応の影響が金属配線１１２下まで拡散していくことがわかる。
【００３６】
上記において、澤田ユニットのアレイは汎用的な半導体集積回路のプロセスで製造できる。澤田ユニットのセンシング部に積層される感応膜は、測定対象である化学・物理量に応じて適宜選択される。
この発明は、測定対象が絶縁性であるか、若しくは導電性を有しても極めて小さい導電率しか持たないときに好適である。特に、測定対象が気体であるときに本発明は好適に利用できる。この場合、感応膜の形成材料として、ガスセンサに用いられるもの、即ちガス成分と反応して導電率に変化をもたらす導電性材料であれば、任意のものを選択できる。既述のポリアニリンやポリイミド等の導電性高分子材料の他、酸化スズや酸化インジウム等の半導体材料を用いることができる。
感応膜は定電位部に接触させる。
【００３７】
図８(ａ)に他の測定装置２００を示す。図１と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この測定装置２００は、測定ユニット１のアレイ１０１の表面に感応膜１０３としてポリアニリンの層を積層する。ここまでの構造は図３及び図５のチップ（測定装置）と同じである。
【００３８】
この例では、各測定ユニット１のセンシング部１０の真上に定電位部２１２が形成されている。この定電位部２１２は測定ユニット１のセンシング部１０の直上の位置を、紙面垂直方向に横切って、同方向に隣り合う測定ユニット１のセンシング部１０を同じく横切る。
かかる構造の定電位部２１２には参照電源２１５より均一の電位が付与される。よって、各測定ユニット１のセンシング部に接触する感応膜の電位が均一に揃えられる。
【００３９】
測定装置２００の定電位部２１２は所謂リフトオフ法を用いて感応膜１０３の上に形成できる。
即ち、感応膜１０３の上にレジストを積層する。次に、積層されたレジストにおいて定電位部２１２を形成する位置にエッチングその他の周知の方法で、開口を設ける。この開口は連続している。
【００４０】
次に、導電性材料として金属材料を蒸着する。レジストの開口を介して感応膜の上に金属材料が蒸着され、定電位部２１２となる。ここに、測定装置に求められる使用環境において安定な材質を選択する必要がある。例えば、金や銅などが挙げられる。
開口が連続しているので、定電位部２１２は連続体（一つの要素）となる。従って、そこに参照電源２１５からの電位が均等に行き渡り、もって、各測定ユニットのセンシング部に接触する感応膜の電位が均等に保たれる。
【００４１】
上記において、測定ユニット１及び定電位部２１２の位置合わせは、製造装置の制約上、基板の所定の位置を基準とする。この基板の所定の位置に基づき、測定ユニット１のアレイを作成し、かつ、リフトオフ法を実行して定電位部を形成する。つまり、平面視において、上記基板の所定の位置が測定ユニット１のアレイの基準点となり、かつ定電位部２１２の基準点となる。
【００４２】
測定装置２００の変形態様を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示す測定装置３００において、図８（ａ）と同一の作用をする要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この測定装置３００では感応膜１０３の上に形成される定電位部３１２が各測定ユニット１の間に配置されている。このような構成を採用することにより、図８(ａ)の構成に比べて、各測定ユニット１におけるセンシング部１０の開口面積が広くなる。
この測定装置３００は、測定装置２００と同様な手順で形成される。
【００４３】
測定装置３００の変形態様を図８（ｃ）に示す。図８（ｃ）に示す測定装置４００において、図８(ｂ)と同一の作用をする要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この測定装置４００では、アレイ１０１の表面において各測定ユニット１の間に、何ら感応膜を介することなく、定電位部４１２が配置されている。定電位部４１２とアレイ１０１の絶縁性とを確保するため、両者の間に絶縁膜（ＳｉＯ２）が介在されている。
この測定装置４００においてその定電位部４１２は、アレイの半導体プロセスにおいて、他の電極（ゲート電極等）と同じタイミングで形成される。定電位部４１２を形成する前に、その形成予定位置に、絶縁層（ＳｉＯ２）を積層しておくことが好ましい。
【００４４】
上記において、定電位部の形状は各測定ユニットのセンシング部に接触する感応膜をその全域において均等な電位となるようにすれば、任意に選択できる。
例えば、既述のメッシュ電極１１０のように開口部（ポア）を規則的に配置したものが挙げられる。ここに、開口部の形状は矩形に限らず、例えば円形にできる。また、感応膜の導電性が比較的高い場合は、金属配線を平行に並べたもの、等間隔に並べたもの、オフセットの櫛状に並べたもの等、を採用できる。
【００４５】
なお、測定対象の化学量又は物理量を測定するには、測定対象が測定ユニットのセンシング部を被覆する感応膜に接触することを定電位部が妨げてはならない。換言すれば、測定対象が測定ユニットのセンシング部を被覆する感応膜に接触可能であれば、測定対象が気体の場合はこれを透過可能な材料を選択することにより、開口部を持たない、即ち、バルクの状態の定電位部の採用も可能である。
感応膜の材料は測定対象に応じて任意に選択できる。例えば、圧力、温度、磁場などの物理現象を測定対象とするときは、ピエゾ材料、焦電材料、磁気抵抗効果を有する磁性半導体材料を感応膜に適用できる。
ポリアニリン等の導電性高分子の官能基を修飾することで、特定の分子に反応する感応膜を調製することができる。
【００４６】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求に範囲の記載の趣旨を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００４７】
１  測定ユニット
１００、２００、３００、４００  測定装置
１０  センシング部
４０  電荷量検出部
１０１  測定ユニットのアレイ
１０３  ポリアニリン膜（感応膜）
１１０  メッシュ電極
１１２  金属配線
１１４  ポア部分
２１２，３１２，４１２  定電位部
２１５  参照電源
【図１】
2019131564.tif 000003
【図２】
2019131564.tif 000004
【図３】
2019131564.tif 000005
【図４】
2019131564.tif 000006
【図５】
2019131564.tif 000007
【図６】
2019131564.tif 000008
【図７】
2019131564.tif 000009
【図８】
2019131564.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月30日(2019.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する第１の感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該アレイを構成する測定ユニットの複数を被覆する導電性高分子からなる第２の感応膜と、
該第２の感応膜に接する定電位部と、を備える化学・物理現象の測定装置。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
前記定電位部は金属配線からなるメッシュ構造である、請求項１に記載の化学・物理現象の測定装置。
【請求項９】
前記定電位部は前記センシング部を被覆する第１の感応膜に対向して配置される、請求項１又は８に記載の化学・物理現象の測定措置。
【請求項１０】
前記定電位部は前記第２の感応膜内に配置される、請求項１、８又は９のいずれかに記載の化学・物理現象の測定装置。
【請求項１１】
前記定電位部は前記第２の感応膜の上に配置される、請求項１、８又は９のいずれかに記載の化学・物理現象測定装置。
【請求項１２】
前記定電位部は、平面視において、前記測定ユニットのアレイの配列規則に沿って配置され、かつ前記アレイの基準点と該定電位部の基準点とが一致する、請求項１及び８〜１１のいずれかに記載の化学・物理現象の測定装置。
【請求項１３】
表面電位に応じて電位井戸の深さを変化させるセンシング部と、該センシング部を被覆する第１の感応膜と、該センシング部の電位井戸の深さに応じた電気信号を出力する検出領域と、を備えてなる化学・物理現象の測定ユニットのアレイと、
該アレイを構成する複数の測定ユニットを被覆する導電性高分子からなる第２の感応膜と、
該第２の感応膜に接する定電位部と、を備える化学・物理現象の測定装置の製造方法であって、
前記測定ユニットのアレイを半導体集積回路の製造プロセスを用いて製造するアレイ製造ステップと、
前記アレイを構成する複数の測定ユニットを前記第２の感応膜の導電性高分子材料で被覆する被覆ステップと、を含む測定装置の製造方法。
【請求項１４】
前記被覆ステップの後に、前記第２の感応膜の上に前記定電位部を配置するステップが更に含まれる請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記被覆ステップの前に前記定電位部を前記複数の測定ユニットの上に配置する定電位部配置ステップが更に含まれる請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記定電位部は金属配線からなるメッシュ構造であり、
前記被覆ステップでは、流動性のある前記導電性高分子材料で前記複数の測定ユニットを被覆した後、前記メッシュ構造の定電位部を該導電性高分子材料の層の上に浮かび上がらせ、その後、該導電性高分子材料を硬化する、請求項１５に記載の製造方法。
【国際調査報告】
2019131564.tif 000011
2019131564.tif 000012
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