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JPH0711496B2 - Gas detection method - Google Patents
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JPH0711496B2 - Gas detection method - Google Patents

Gas detection method

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JPH0711496B2
JPH0711496B2 JP62073444A JP7344487A JPH0711496B2 JP H0711496 B2 JPH0711496 B2 JP H0711496B2 JP 62073444 A JP62073444 A JP 62073444A JP 7344487 A JP7344487 A JP 7344487A JP H0711496 B2 JPH0711496 B2 JP H0711496B2
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gas
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silicon substrate
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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。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas detection method using a gas sensor that reacts with various gases, and more particularly to a method for detecting gas using porous silicon. Is.

〔従来技術〕[Prior art]

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。
There are various materials for the gas sensor, and various structures have been considered. Among them, the one using a semiconductor substrate such as silicon has attracted attention because it has an advantage that an amplifier and the like can be integrally formed and can be downsized.

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。
However, in order to use it as a gas sensor, there are problems that the structure is complicated and biochemical substances must be used, and there are few that are satisfactory in terms of cost.

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)。
Therefore, the inventor proposed to obtain a gas sensor using porous silicon, and to detect gas by a change in capacity (Japanese Patent Application No. 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。
In such a gas detection device, it is preferable to be able to use as many detection methods as possible.

〔目的〕〔Purpose〕

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。
The present invention aims to provide an easy measurement method by a method different from the detection method already proposed.

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。
It is another object of the present invention to provide a gas detection method that does not require a complicated measuring circuit or changes the structure of the element.

〔問題点を解決するための技術手段〕[Technical means for solving problems]

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。
The present invention achieves the above-mentioned object by measuring using an electromotive voltage generated between electrodes.

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。
That is, an element having electrodes formed on the surface of the porous silicon layer of the single crystal silicon substrate having a porous silicon layer on one surface and on the surface of the single crystal silicon substrate on the back surface thereof is placed in a gas atmosphere, and It is characterized in that the gas is detected by the electromotive voltage generated.

〔作用〕[Action]

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。
The present invention was made in the process of studying the properties of porous silicon, and although the principle thereof has not been clarified in many points, the results of the experiment confirmed changes in the properties with sufficient reproducibility.

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。
It was confirmed that a voltage was generated between the electrodes of the device having a two-layer structure of the porous silicon layer and the single crystal silicon substrate in the polar gas atmosphere.

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。
The present invention utilizes this phenomenon and applies it to a gas detection method.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明す
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

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。
FIG. 1 is a front sectional view showing an example of a sensor unit used in the present invention.

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。
A porous silicon layer 11 is formed on one surface of the single crystal silicon substrate 10, an electrode 12 is formed on a part of the surface of the porous silicon layer 11, and a lead wire is connected. On the other hand, an electrode 13 is formed on the entire surface in contact with the single crystal silicon substrate 10 on the back surface.

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。
The porous silicon layer 11 is formed by anodizing the surface of the single crystal silicon substrate 10. One surface of a P-type single crystal silicon substrate doped with polon is hydrogen fluoride (H
F) When anodization is performed in the solution, a porous silicon layer is formed on the surface of the single crystal silicon substrate. Although the thickness of the porous silicon layer is determined by the conditions of the anodizing treatment, the thickness was set to 7 to 45 microns when the present invention was carried out.

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。
The electrode 12 formed on the porous silicon layer can be formed by a usual method using a solder alloy or gold. The porous silicon layer 11 is formed so that a part thereof is exposed, not the entire surface. It may be formed in a circular shape in the central portion or may be formed in a mesh shape or a stripe shape over the entire surface. Any electrode 13 can be used as the electrode 13 formed on the single crystal silicon substrate 10 as long as an ohmic contact can be made.

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。
It has been confirmed that a voltage is generated between the electrode 12 and the electrode 13 when the element composed of the porous silicon layer 11 and the single crystal silicon substrate 10 as described above is placed in a certain gas atmosphere. The electromotive voltage was confirmed in the atmosphere of polar gases such as water vapor, ethanol vapor, and acetone vapor.

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。
As a result of measuring in a gas atmosphere each of the 10 mm square element formed with the above electrode, the following results were obtained.

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。
The current was measured in a short circuit in which electrodes 12 and 13 were connected to a resistance of 100 kΩ. In any gas atmosphere,
Always the electrode for the porous silicon layer side, that is, for electrode 13.
On the 12 side, the electromotive voltage was generated with the polarities of the corners. In dry air, the same polarity and the opposite polarity sometimes appeared.

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。
Hereinafter, the measurement results will be described with reference to FIG.
The results are shown in which steam, ethanol vapor, and acetone vapor were introduced from the state of being placed in dry air, measurement was performed in each atmosphere after about 5 minutes, and then the state was returned to dry air.

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。
When each gas was introduced, the voltage gradually increased, showed a peak, then gradually decreased, and tended to settle at a certain value. In this case, since the measurement was performed only for a short time of about 5 minutes, this constant value is not clearly shown.

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。
As shown in FIG. 2, in water vapor, a peak value appeared after about 4 minutes, indicating a relatively large current (0.5 μA). On the other hand, in ethanol vapor, the peak value appears within 1 minute and decreases with the passage of time. Further, in the case of acetone vapor, although it has a low peak value, there is a tendency that the width of the decrease thereafter is small.

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。
In both cases, the current value decreases significantly when returning to dry air. The vertical axis in FIG. 2 is based on the current value in dry air. An electromotive force is generated even in dry air, but its value is about 1/10 of that in the above gas atmosphere.

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。
The above example is the result of measuring the electromotive voltage in a short time, but when measured over a longer time, there is no significant deterioration in the characteristics, and even after operating for about 12 hours, the electromotive voltage remains the same. It was happening.

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。
Further, the result of repeating the dry air and the gas atmosphere alternately was the same, and the electromotive voltage of a substantially constant value was measured. FIG. 3 shows the result of repeating 300 times in acetone and dry air for about one and a half hours. At first, the value shows a tendency to decrease, but after about 10 minutes, there is almost no change.

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。
From these results, it was confirmed that a stable electromotive voltage was obtained for a long time. A slight change in the characteristics was observed depending on the temperature, and the electromotive voltage tended to increase as the temperature decreased.

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。
The electromotive voltage generated between the porous silicon layer and the single crystal silicon substrate can be measured, and the result can detect a gas having polarity. Since the current value is small, it may be amplified by an appropriate means.

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。
The properties of porous silicon are still unknown. The mechanism of electromotive force generation used in the present invention has not been completely elucidated, but it is sufficient that porous silicon is an extremely active substance and exhibits unique electrical characteristics in a polar gas atmosphere. It has been confirmed.
As described above, changes in capacitance or resistance have also been measured, and it is considered that the phenomenon used in the present invention has something to do with these.

〔効果〕〔effect〕

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。
According to the present invention, the gas can be detected by measuring the electromotive voltage generated in the gas atmosphere. Since voltage or current can be measured directly, a simple measuring circuit can be used.

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。
There is also an advantage that an element having a simple structure can be used as a sensor element having good sensitivity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

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
FIG. 1 is a front sectional view showing an example of a sensor element used for carrying out the present invention, and FIGS. 2 and 3 are explanatory views showing its characteristics. 10 …… Single crystal silicon substrate 11 …… Porous silicon layer 12, 13 …… Electrode

───────────────────────────────────────────────────── 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) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Akira Motohashi 727, Katayanagi, Sakado, Saitama 1 (56) References JP-A-53-96891 (JP, A) JP-A-63-40847 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A single crystal silicon substrate having a porous silicon layer on one surface thereof, wherein elements each having electrodes formed on the surface of the porous silicon layer and the surface of the single crystal silicon substrate on the back surface thereof are arranged in a gas atmosphere, A gas detection method, characterized in that gas is detected by an electromotive voltage generated in the element.
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