(57)【要約】  ガスセンサ（１）は第１の電荷キャリア形式の基板（２）を具備し、該基板上に第２の電荷キャリア形式のドレイン（３）及びソース（４）が配置されている。ドレイン（３）とソース（４）との間にチャネル領域（８）が形成されている。更にガスセンサ（１）は極（１１，１２）を有するガス感応層（１０）を備えており、これらの極の間では前記感応層（１０）と接触するガスの濃度に応じてガス励起電圧が生じる。該電圧を測定するために、感応層（１０）はその一方の極（１２）によりエアギャップ（１４）を介して前記チャネル領域（８）に容量結合されており、またその他方の極（１１）により基準電位を有する対電極（１３）に接続されている。ガスセンサ（１）の表面には、ガス感応層（１０）とチャネル領域（８）及び／又はチャネル領域（８）に設けられたゲート電極と電気的に接続されたセンサ電極との間に疎水層（１９）が設けられている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電荷キャリア形式の基板(2)を具備し、前記基板上に第２の電荷キャリア形式のドレイン(3)及びソース(4)が配置され、ドレイン(3)とソース(4)との間にチャネル領域(8)が形成されており、更に極(11,12)を有するガス感応層(10)を具備するガスセンサ(1)であって、これらの極の間では前記感応層(10)と接触するガスの濃度に応じてガス励起電圧が発生し、その際に前記ガス感応層(10)は前記電圧を測定するためにその一方の極(12)によりエアギャップ(14)を介して前記チャネル領域(8)に容量結合されており、またその他方の極(11)により基準電位を有する対電極(13)に接続されているガスセンサにおいて、ガス感応層(10)とチャネル領域(8)及び／又は該チャネル領域(8)に設けられたゲート電極(22)と電気的に接続されたセンサ電極(16)との間のガスセンサ(1)表面に疎水層(19)が設けられている、ことを特徴とするガスセンサ(1)。
【請求項２】
その表面に導電性ガードリング(18)を有しており、該リング(18)はチャネル領域(8)及び／又はチャネル領域(8)に至るセンサ電極(16)をチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)から離れて画定すること、更に疎水層(19)は少なくともガードリング(18)とチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)との間にあるガスセンサ(1)の表面区域に設けられている、ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ(1)。
【請求項３】
疎水層(19)はチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)上を一貫して延びる、ことを特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ(1)。
【請求項４】
疎水層(19)はチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(8)から離れており、また好適にはチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)をリング状又は枠状に包囲する、ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項５】
水により測定される平坦表面に関連する疎水層(19)の静的接触角は少なくとも70度、又は少なくとも90度、特に少なくとも105度、更に好ましくは少なくとも120度である、ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項６】
疎水層(19)の分子はそれに隣接するガスセンサ(1)の好ましくは半導性又は電気絶縁性の層の表面に共有結合されている、ことを特徴とする請求項１ないし5いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項７】
疎水層(19)が少なくともひとつのポリマを含むことを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項８】
前記ポリマがフッ素化ポリマ、好ましくは過フッ素化ポリマであることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項９】
ポリマは好ましくは単層として構成された中間層(20)を介して隣接するガスセンサ(1)の好ましくは半導性又は電気絶縁性の層に結合されていること、また前記中間層(20)は隣接する層に固定された少なくともひとつの反応基を有すること、更にポリマは好ましくは共有結合により中間層(20)に結合されている、ことを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項１０】
疎水層(19)は隆起及び窪みからなる表面加工部を有することを特徴とする請求項１ないし９いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項１１】
前記窪みは好適にはチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)の周囲を枠状又はリング状に囲む溝又は切込みとして構成されている、ことを特徴とする請求項１ないし１０いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の電荷キャリア形式の基板を具備し、前記基板上に第２の電荷キャリア形式のドレイン及びソースが配置され、ドレインとソースとの間にチャネル領域が形成されており、更に極を有するガス感応層を具備するガスセンサにおいて、これらの極の間では前記感応層と接触するガスの濃度に応じてガス励起電圧が発生し、その際に前記感応層は前記電圧を測定するためにその一方の極によりエアギャップを介して前記チャネル領域に容量結合されており、またその他方の極により基準電位を有する対電極に接続されている、ことを特徴とするガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような形式のガスセンサは、ドイツ特許明細書 DE 第4333875 C2号（特許文献１）から公知である。該ガスセンサはガス感応層を備えており、該感応層はその出口機能の変化によりガス作用に反応する。ガスセンサのチャネル領域には電気的絶縁層が設けられており、該層により基板、ソース及びドレイン領域が被覆されている。このチャネル絶縁部とガス感応層との間に、エアギャップが形成されている。これは、サスペンデッド・ゲート電界効果トランジスタ(SGFET)の原理に基づいている。ガス感応層内のガスの存在により誘導された電圧は、エアギャップを介してチャネル表面に容量結合されて、ＳＧＦＥＴ構造へ電荷を誘導する。チャネル領域はガード電極により包囲されるが、該電極はそれにより限定されたガスセンサの表面区域の外側に配置された電位からチャネル領域を遮断する。しかし、このガスセンサには、ＳＧＦＥＴの測定信号が測定すべきガス濃度だけでなく、ガードリングとチャネル領域との間の湿気により影響される電気抵抗によっても左右されるという欠陥がある。とりわけ不利なのは、ガスセンサの測定精度が濃度の緩慢な変化に際して湿度の増大につれて不釣合いに顕著に低下することである。
【０００３】
ドイツ特許明細書 DE 第10118367 C2号（特許文献２）から既知なのは改良型ガスセンサであり、該ガスセンサではガードリングとチャネル領域との間に隆起及び窪みを有する表面加工部が形成されている。この比較的簡略かつ低コストで実現可能な措置により、ガードリングとチャネル領域との間の経路長さが増大できるため、ガードリングとチャネル領域との間の表面に流れるファラデ電流が照応して減少する。このガスセンサは多数の実際の応用事例における実績を有するが、やはり欠点が存在する。このガスセンサにおいても、例えばガス濃度が緩慢に変化する場合には、湿度の増大につれて測定精度が不釣合いに顕著に低下するのである。
【０００４】
冒頭に述べた形式のガスセンサは更に欧州特許明細書 EP 第1191332 A1号（特許文献３）からも公知であり、該センサでは同じ電界効果トランジスタ内にガス感応層のほかに、ガス感応層と同じ測定原理に基づいて作動する湿度感応層を追加的に具備している。前記公開特許明細書の記載によれば、それにより温度が既知であれば測定すべきガス反応と比較して水分影響度を決定し、更にガスセンサにおける湿度測定信号を採用することにより湿度に対する交差感度を低減することができる。但し、その際の欠陥として挙げられるのは、追加的な湿度センサのほかに複雑で高価な補正回路を必要とすることである。更に不利なのは、そのような補正がそれぞれ特定温度に対してのみ有効であるため、温度変動があれば温度測定信号も把握して考慮しなければならないことである。
【特許文献１】ドイツ特許明細書 DE 第4333875 C2号
【特許文献２】ドイツ特許明細書 DE 第10118367 C2号
【特許文献３】欧州特許明細書 EP 第1191332 A1号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明は簡略かつ小形の構造を有するとともに、高度の測定精度を実現できる冒頭に述べた形式のガスセンサを提供することを目的とする。その場合の測定精度は、湿度要因から確実に独立したものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、ガス感応層とチャネル領域及び／又は該チャネル領域に設けられたゲート電極と電気的に接続されたセンサ電極との間のガスセンサ表面に、疎水層が設けられることにより達成される。
【０００７】
この驚異的な簡略方法により、ガスセンサ表面への水分の吸着が有利に抑制される、或いは完全に阻止される。それにより、チャネル領域及びセンサ電極とそれから離れたガスセンサ個所、つまりチャネル領域及びセンサ電極とは異なる電位を有する個所との間のイオン移動が、特にガス湿度の高い場合に顕著に制限される。そのため、ガス中水分が変化しても、ガスセンサの測定精度が一定に維持される。更に、測定精度の高い長期安定性が可能である。疎水層は、好適には非導電性或いは半導性の層上に設けられる。但し、導電層がチャネル領域、センサ電極及び／又はその電位が導電層のそれとは異なる別の個所に対して電気的に絶縁されている場合には、疎水層を導電層上に設けることも可能である。疎水層は、好ましくは超疎水層として構成される。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態では、ガスセンサはその表面に導電性ガードリングを有しており、該リングはチャネル領域及び／又はセンサ電極をチャネル領域及び／又はセンサ電極から離れて画定し、更に疎水層は少なくともガードリングとチャネル領域及び／又はセンサ電極との間にあるガスセンサの表面区域に設けられている。このガードリングは、チャネル領域上の電位及びセンサ電極の電位が一定時間後にガスセンサの表面に残存する導電性によりチャネル領域に容量結合されたガス感応層の電位又はガードリングの電位へ引き付けられることを阻止する。そのため、電位ドリフトが回避され、更に高い測定精度が達成される。
【０００９】
本発明の合理的な構成において、疎水層はチャネル領域及び／又はセンサ電極上を一貫して延びる。その際にガスセンサは特に簡略かつ低コストで製造できる、なぜならば、疎水層が全面的にガスセンサ表面に装着されるため、マスキング工程が省略できるからである。
【００１０】
有利なのは、疎水層がチャネル領域及び／又はセンサ電極から離れていることであり、更に好適にはチャネル領域及び／又はセンサ電極をリング状又は枠状に包囲する。それにより、ガス感応層が感応するガスとは異なる妨害ガスとの接触時に妨害電圧が誘導される疎水層において、測定信号に対するこの妨害電圧の影響及びそれによる妨害ガスに対するガスセンサの交差感度が低減できる。
【００１１】
本発明の好適な実施形態では、水により測定される平坦表面に関連する疎水層の静的接触角は少なくとも７０度、又は９０度、特に少なくとも１０５度、更に好ましくは少なくとも１２０度となる。とりわけ少なくとも１２０度の接触角において、ガス中の水分から確実に独立した特に高いガスセンサの測定精度が達成できる。接触角は、既知の標準測定法に基づいて室温で決定できる。
【００１２】
本発明の合理的構成において、疎水層の分子はそれに隣接するガスセンサの好ましくは半導性又は電気絶縁性の層の表面に共有結合されている。それにより、ガスセンサの製造に際して疎水層はそれに隣接するガスセンサの層に直接的に固定できる。
【００１３】
有利なのは、疎水層が少なくともひとつのポリマを含むことである。それにより、疎水層はガスセンサの製造時に室温でガスセンサ表面に装着できるため、基板上に既に存在する埋込み領域及び構造物が温度的に保護される。
【００１４】
特に有利なのは、前記ポリマがフッ素化ポリマ、好ましくは過フッ素化ポリマの場合である。これらのポリマに含まれる強陰性ＣＦ基により、測定すべきガス中の水分が高い場合、例えば９０％の相対湿度の場合でも、ガス濃度の測定における高い測定精度が達成できる。
【００１５】
本発明の別の有利な実施形態において、ポリマは好適には単層として構成された中間層を介して隣接するガスセンサの好ましくは半導性又は電気絶縁性の層に結合されており、その際に前記中間層は隣接する層に固定された少なくともひとつの反応基を有しており、またポリマは好適には共有結合により中間層に結合されている。更にその際に可能なのは、疎水性ポリマがガスセンサの製造時にまず全面的に中間層に装着され、次いでシャドウマスクによりガスセンサ表面に投影された光線の作用下でガスセンサ表面の一定区域においてのみ、光化学的に中間層に結合されることである。その他の区域では、疎水性ポリマは次いで例えば洗浄によりガスセンサ表面から除去できる。従って、ガスセンサはその表面の一定個所にのみ設けられた形状加工された疎水層を有することになる。
【００１６】
有利なのは、疎水層が隆起及び窪みからなる表面加工部を有することである。それにより、更に高い測定精度が達成できる。
【００１７】
窪みは好適には、枠状又はリング状にチャネル領域及び／又はセンサ電極の周囲を囲む溝又は切込みとして構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施例が図面に基づいて詳細に説明される。各図面において、部分的に大幅な模式化も行われている。
【００１９】
全体的に符号１により表示されたガスセンサは第１の電荷キャリア形式の基板２を具備しており、該基板は例えばpタイプのシリコンから構成できる。前記基板２上には第２の電荷キャリア形式のドレイン３及びソース４が配置されている。ドレイン３とソース４は、例えばnタイプのシリコンから構成できる。ドレイン３は、図面には部分的にしか表示されていない電気導体経路を介してドレイン・コネクタ５と接続されている。同様に、ソース４はソース・コネクタ６と接続されている。ドレイン・コネクタ５及びソース・コネクタ６は、基板２に溶着された層７上にそれぞれ設置されている。
【００２０】
基板２においてドレイン３とソース４との間にはチャネル領域８が形成されており、該領域には図１及び図２に基づく実施例では、ゲート誘電体として機能する電気絶縁性の酸化物薄層９が設けられている。この酸化物薄層９の層厚は約３−１５０ｎｍである。
【００２１】
図２から特に明確に見て取れるように、ガスセンサ１は更にガス感応層１０を具備しており、該感応層はその互いに反対側の平坦側面に極１１，１２を有しており、これらの極の間では前記感応層１０と接触するガスの濃度に応じてガス励起電圧が発生する。ガス感応層１０は前記電圧を検出するために、その一方の極１２によりエアギャップ１４を介して前記チャネル領域８に容量結合されている。その他方の極１１は、基準電位に隣接した対電極１３に接続されている。エアギャップ１４は検出すべきガスへのアクセスを備えており、またガス感応層１０を支持する溶着層７の間に位置している。
【００２２】
図１及び図２に基づく実施例では、チャネル領域８は開放構造(ISFET)であり、酸化物薄層及びエアギャップ１４を介して直接的にガス感応層１０に容量結合されている。明確に認識できるのは、チャネル領域８がエアギャップ１４のガス感応層１０の対向側に配置されていることである。
【００２３】
図３及び図４に基づく実施例では、チャネル領域８は基板２におけるガス感応層１０の横側面に配置されており、かつゲート電極２２により覆われている。チャネル領域８のガス感応層１０への容量結合のために、ゲート電極２２は導体経路１５を介してセンサ電極１６と接続されており、該電極は基板２に存在する絶縁層１７上でエアギャップ１４のガス感応層１０の極１２についての対向側に配置されている。絶縁層１７は、例えばＳｉＯ２層とすることができる。
【００２４】
ガスセンサ１はその表面において更に導電性ガードリング１８を有しており、該リングは図１及び図２に基づく実施例ではチャネル領域８を、また図３及び図４に基づく実施例ではチャネル領域８に接続するセンサ電極１６を画定している。その際に、図１及び図２に基づく実施例ではガードリング１８とチャネル領域８との間、また図３及び図４に基づく実施例ではガードリング１８とセンサ電極１６との間にそれぞれ間隔が設けられる。ガードリング１８により画定されたガスセンサ２の表面区域外に存在する電位からチャネル領域８を遮蔽するために、ガードリング１８は定義された電位にある。
【００２５】
図１及び図２に基づく実施例では、ガスセンサ１の表面のガードリング１８とチャネル領域８との間に疎水層１９が設置されている。該疎水層は、ドレイン３、ソース４及びチャネル領域８外にある基板２の領域に配置された電気的絶縁層１７上にある。図１から認識できるのは、疎水層１９はチャネル領域８を枠状に包囲しており、その端部はチャネル領域８及びガードリング１８から離れていることである。疎水層１９により、ガードリング１８とチャネル領域８との間にあるガスセンサ表面部分においてガス中水分の吸着が著しく抑制される。それにより、表面での高い電気抵抗並びにガスセンサの高い測定精度を得ることができる。
【００２６】
図３及び図４に基づく実施例では、疎水層１９は絶縁層１７上のガードリング１８とセンサ電極１６との間に設けられている。図４において認識できるのは、疎水層１９がセンサ電極１６を枠状に包囲しおり、またその端部はセンサ電極１６及びガードリング１８から離れていることである。ガードリング１８とセンサ電極１６との間にあるガスセンサ１の表面部分では、ガス中の水分の吸着が疎水層１９により抑制される。
【００２７】
疎水層はポリマ、好適にはポリ（ヘプタデカフルロアクリレート）からなる。ガスセンサ１の製造に際して、疎水層１９は中間層２０を介して絶縁層１７に固定される。そのために、まずベンゾフェノン官能基化されたモノクロロシランの単層形式の中間層２０が絶縁層１７に溶着される。図５において認識できるのは、ＵＶ照射中に中間層２０において遊離基が生じて絶縁層１７との接触時に絶縁層１７に結合し、それにより中間層２０が絶縁層１７に固定されることである。
【００２８】
次に、ポリ（ヘプタデカフルロアクリレート）の薄層が全面的に中間層２０に溶着される。ここでシャドウマスクを用いて、後に疎水層１９となるべき個所がＵＶ光により照射される。図５において認識できるのは、中間層２０は光反応性ベンゾフェノン基２１を有しており、該基はＵＶ光による照射時に後の疎水層１９の隣接するポリマに結合することである。その際にベンゾフェノン基２１が隣接するポリマから水素原子を受け取ることにより、ベンゾフェノン基２１と隣接するポリマとの間に共有結合が形成される（プルッカー・Ｏ、リューエ・Ｊ、その他による共著、「ベンゾフェノン誘導体の単層を介する固定表面へのポリマフィルムの光化学的結合」、化学学会(1999), 121, 8766-8770ページを参照）。疎水層１９のポリマがこのようにして絶縁層１７の表面の一定個所に結合された後に、該表面の非照射個所に存在する結合されていないポリマは疎水層１９の表面加工のために、例えば溶剤による洗浄などにより除去される。
【００２９】
更に言及すべきは、疎水層１９が中断されることなくチャネル領域８、センサ電極１６及び／又はガードリング１８上に延びることができる他の実施例も可能なことである。そのようなガスセンサ１の製造では、疎水層１９は絶縁層１７に直接的に溶着することもできる。これは、気相からのトリクロロ（1H,1H,2H,2H-過フルロオクチル）シラン(TPFS)が約１００℃の温度において絶縁層１７上に析出されることにより達成できる。ＴＰＦＳの析出は好適には水分がない状態で行われるが、それにより表面に析出されるＴＰＦＳフィルム中の交差結合物及び不純物が回避できる。更に留意すべきは、析出工程中に粉塵を表面に付着させないことである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、鎖線で表示されたガス感応層内にＩＳＦＥＴを有するガスセンサの縦断面図である。
【図２】図２は、図１において符号IIにより表された切断線に沿った図１に示されたガスセンサの横断面図である。
【図３】図３は、鎖線で表示されたガス感応層内にＣＣＦＥＴを有するガスセンサの縦断面図である。
【図４】図４は、図３において符号IVにより表された切断線に沿った図３に示されたガスセンサの横断面図である。
【図５】図５は、電気絶縁層上で不動態化されたリンカ分子を持つ層への疎水性ポリマの光化学的結合の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年4月8日(2005.4.8)
【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】
第１の電荷キャリア形式の基板(2)を具備し、前記基板上に第２の電荷キャリア形式のドレイン(3)及びソース(4)が配置され、ドレイン(3)とソース(4)との間にチャネル領域(8)が形成されており、更に極(11,12)を有するガス感応層(10)を具備するガスセンサ(1)であって、これらの極の間では前記感応層(10)と接触するガスの濃度に応じてガス励起電圧が発生し、その際に前記ガス感応層(10)は前記電圧を測定するためにその一方の極(12)によりエアギャップ(14)を介して前記チャネル領域(8)に容量結合されており、またその他方の極(11)により基準電位を有する対電極(13)に接続されているガスセンサにおいて、ガスセンサ(1)の表面に疎水層(19)が設けられており、水により測定される平坦表面に関連するその静的接触角は少なくとも90度であること、また、前記疎水層(19)はガスセンサ(1)の表面において感応層(10)とチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)との間に設けられており、該電極はチャネル領域(8)に設置されたゲート電極(22)と電気的に接続されている、ことを特徴とするガスセンサ(1)。
【請求項２】
その表面に導電性ガードリング(18)を有しており、該リング(18)はチャネル領域(8)及び／又はチャネル領域(8)に至るセンサ電極(16)をチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)から離れて画定すること、更に疎水層(19)は少なくともガードリング(18)とチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)との間にあるガスセンサ(1)の表面区域に設けられている、ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ(1)。
【請求項３】
疎水層(19)はチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)上を一貫して延びる、ことを特徴とする請求項１又は２記載のガスセンサ(1)。
【請求項４】
疎水層(19)はチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(8)から離れており、また好適にはチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)をリング状又は枠状に包囲する、ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項５】
水により測定される平坦表面に関連する疎水層(19)の静的接触角は少なくとも105度、好ましくは少なくとも120度である、ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項６】
疎水層(19)の分子はそれに隣接するガスセンサ(1)の好ましくは半導性又は電気絶縁性の層の表面に共有結合されている、ことを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項７】
疎水層(19)が少なくともひとつのポリマを含むことを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項８】
前記ポリマがフッ素化ポリマ、好ましくは過フッ素化ポリマであることを特徴とする請求項７記載のガスセンサ(1)。
【請求項９】
ポリマは好ましくは単層として構成された中間層(20)を介して隣接するガスセンサ(1)の好ましくは半導性又は電気絶縁性の層に結合されていること、また前記中間層(20)は隣接する層に固定された少なくともひとつの反応基を有すること、更にポリマは好ましくは共有結合により中間層(20)に結合されている、ことを特徴とする請求項７又は８記載のガスセンサ(1)。
【請求項１０】
疎水層(19)は隆起及び窪みからなる表面加工部を有することを特徴とする請求項１ないし９いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【請求項１１】
前記窪みは好適にはチャネル領域(8)及び／又はセンサ電極(16)の周囲を枠状又はリング状に囲む溝又は切込みとして構成されている、ことを特徴とする請求項１ないし１０いずれか１項に記載のガスセンサ(1)。
【国際調査報告】
2007500342.tif 000008
2007500342.tif 000009
2007500342.tif 000010
2007500342.tif 000011
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