特許 7269559 匂いセンサ及び匂いセンサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-26

(45)【発行日】2023-05-09

(54)【発明の名称】匂いセンサ及び匂いセンサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/00 20060101AFI20230427BHJP

   G01N 27/414 20060101ALI20230427BHJP

【ＦＩ】

G01N27/00 Z

G01N27/414 301X

G01N27/414 301R

G01N27/414 301U

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018132452

(22)【出願日】2018-07-12

(65)【公開番号】P2020008522

(43)【公開日】2020-01-16

【審査請求日】2021-07-02

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度 国立研究開発法人 科学技術振興機構、研究成果展開事業、研究成果最適展開支援プログラム 「ＣＭＯＳセンサ技術とＭＥＭＳ技術を融合した高精細イオンイメージセンサ開発」 委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100183081

【弁理士】

【氏名又は名称】岡▲崎▼ 大志

(72)【発明者】

【氏名】若森 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】中東 真一

(72)【発明者】

【氏名】澤田 和明

【審査官】田中 洋介

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０１８４４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－２０７９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１２７７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３３８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２９２７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７８１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１５２４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６０８３７５３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】新名直也，ポリアニリン感応膜を用いた電荷転送型センサアレイによるガス分布イメージング，第６４回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集，2017年，p.11-330 (16p-416-6)

【文献】新名直也，小型においセンサを目指した微細電位型ガスセンサアレイの作製と応答パターンによるガス識別，Chemical Sensors，2017年，Vol.33 Suuplment B，pp.55-57

【文献】Masato Futagawa，Fabrication of a 128 X 128 Pixels Charge Transfer Type Hydrogen Ion Image Sensor，IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，2013年，Vol.60 No.8，pp.2634-2639

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００－２７／４９

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象の状態に応じて電位を変化させる感応膜が設けられた少なくとも１つのセンシング部を基板上に形成してなるイオンセンサと、
前記感応膜上に配置され、匂い物質を吸着することにより状態を変化させる、前記測定対象としての物質吸着膜と、
前記物質吸着膜に参照電圧を印加する参照電極と、を備え、
前記イオンセンサは、
前記感応膜の前記電位の変化に応じた電荷を蓄積する部分と、
前記感応膜の前記電位の変化に応じた信号を出力するために、前記部分に蓄積された前記電荷を転送するゲート電極と、を有し、
前記参照電極は、前記感応膜から離間すると共に、前記基板の厚み方向から見て前記センシング部及び前記ゲート電極と重ならないように配置されている、匂いセンサ。

【請求項2】

前記イオンセンサを覆うように設けられたパッシベーション層を更に備え、
前記物質吸着膜は、前記パッシベーション層を覆うように設けられており、
前記感応膜は、前記パッシベーション層に設けられた第１開口を介して前記物質吸着膜と接触しており、
前記参照電極は、前記物質吸着膜と前記基板との間に設けられており、前記パッシベーション層に設けられた第２開口を介して前記物質吸着膜と接触している、請求項１に記載の匂いセンサ。

【請求項3】

前記イオンセンサを覆うように設けられたパッシベーション層を更に備え、
前記物質吸着膜は、前記パッシベーション層を覆うように設けられており、
前記感応膜は、前記パッシベーション層に設けられた開口を介して前記物質吸着膜と接触しており、
前記参照電極は、前記基板の厚み方向から見て前記センシング部の外縁部に配置されると共に、前記開口の内部に露出して前記物質吸着膜と接触する部分を含む、請求項１に記載の匂いセンサ。

【請求項4】

前記参照電極は、少なくとも前記物質吸着膜の前記基板とは反対側の表面に設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の匂いセンサ。

【請求項5】

前記イオンセンサは、前記基板上に一次元状又は二次元状に配列された複数の前記センシング部を有し、
１つの前記物質吸着膜は、２以上の前記センシング部の前記感応膜上に配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の匂いセンサ。

【請求項6】

前記イオンセンサは、前記基板上に一次元状又は二次元状に配列された複数の前記センシング部を有し、
複数の前記物質吸着膜が、それぞれ異なる前記センシング部の前記感応膜上に配置されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の匂いセンサ。

【請求項7】

前記イオンセンサは、前記基板上に一次元状又は二次元状に配列された複数の前記センシング部を有し、
前記参照電極は、前記複数の前記センシング部の各々の前記感応膜と前記参照電極との距離が互いに略同一となるように配置されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の匂いセンサ。

【請求項8】

測定対象の状態に応じて電位を変化させる感応膜が設けられたセンシング部を基板上に形成してなるイオンセンサが準備される工程と、
匂い物質を吸着することにより状態を変化させる前記測定対象としての物質吸着膜が、前記感応膜上に配置される工程と、
前記物質吸着膜に参照電圧を印加する参照電極が、前記感応膜から離間すると共に、前記基板の厚み方向から見て前記センシング部及びゲート電極と重ならないように配置される工程と、を含み、
前記イオンセンサは、前記感応膜の前記電位の変化に応じた電荷を蓄積する部分と前記ゲート電極とを有し、
前記ゲート電極は、前記イオンセンサに設けられ、前記感応膜の前記電位の変化に応じた信号を出力するために、前記部分に蓄積された前記電荷を転送する電極である、匂いセンサの製造方法。

【請求項9】

前記物質吸着膜は、前記参照電極が配置された後に、前記感応膜及び前記参照電極を覆うように設けられる、請求項８に記載の匂いセンサの製造方法。

【請求項10】

前記参照電極が配置された後に、前記参照電極を覆うように前記イオンセンサ上にパッシベーション層が形成される工程と、
前記パッシベーション層に、前記感応膜の少なくとも一部を外部に露出させる第１開口と前記参照電極の少なくとも一部を外部に露出させる第２開口とが形成される工程と、を更に含み、
前記物質吸着膜は、前記第１開口及び前記第２開口が形成された後に、前記パッシベーション層を覆うように設けられ、前記第１開口を介して前記感応膜に接触すると共に前記第２開口を介して前記参照電極に接触する、請求項９に記載の匂いセンサの製造方法。

【請求項11】

前記参照電極が前記基板の厚み方向から見た前記センシング部の外縁部に配置された後に、前記参照電極を覆うように前記イオンセンサ上にパッシベーション層が形成される工程と、
前記パッシベーション層に、前記感応膜の少なくとも一部及び前記参照電極の少なくとも一部を外部に露出させる開口が形成される工程と、を更に含み、
前記物質吸着膜は、前記開口が形成された後に、前記パッシベーション層を覆うように設けられ、前記開口内において前記感応膜及び前記参照電極に接触する、請求項９に記載の匂いセンサの製造方法。

【請求項12】

前記参照電極の少なくとも一部は、前記物質吸着膜が配置された後に、前記物質吸着膜の一部を覆うように設けられる、請求項８に記載の匂いセンサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、匂いセンサ及び匂いセンサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

匂いに感度を有する匂いセンサとして、非特許文献１に開示されたセンサが知られている。上記センサでは、いわゆる電荷転送型ｐＨイメージセンサのイオン感応膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）上に、ポリアニリン感応膜（匂い物質吸着膜）が成膜されている。上記センサでは、ポリアニリン感応膜への所定の参照電圧（Ｖgate）の印加とポリアニリン感応膜へのガス曝露（すなわち、匂い物質の吸着）とを両立させるために、ポリアニリン感応膜の表面にメッシュ電極が設けられている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】新名直也，岩田達哉，橋詰賢一，黒木俊一郎，澤田和明（２０１７），ポリアニリン感応膜を用いた電荷転送型センサアレイによるガス分布イメージング，第６４回応用物理学会春季学術講演会，16p-416-6。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

非特許文献１に記載のセンサでは、センシング部上にもメッシュ電極が設けられている。このため、メッシュ電極直下のセンシング部（画素）において匂いを適切に検出できないという問題がある。

【0005】

本発明の一側面は、好適に匂いを検出することが可能な匂いセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面に係る匂いセンサは、測定対象の状態に応じて電位を変化させる感応膜が設けられた少なくとも１つのセンシング部を基板上に形成してなるイオンセンサと、感応膜上に配置され、匂い物質を吸着することにより状態を変化させる、測定対象としての物質吸着膜と、物質吸着膜に参照電圧を印加する参照電極と、を備える。参照電極は、感応膜から離間すると共に、基板の厚み方向から見てセンシング部と重ならないように配置されている。

【0007】

上記匂いセンサによれば、物質吸着膜が匂い物質を吸着した際の物質吸着膜の状態の変化に応じた感応膜の電位変化に基づいて、匂いを検出することができる。このような匂い検出（測定）を実施するためには、物質吸着膜に参照電圧を印加する必要がある。このための構成として、例えば、物質吸着膜の上面（基板の厚み方向から見てセンシング部と重なる部分を含む）に電極（例えばメッシュ電極）を配置する構成が考えられる。しかし、この構成では、物質吸着膜の電極直下の部分（電極に隠されてしまい外部に露出しない部分）に匂い物質が吸着され難くなるため、電極直下のセンシング部において適切に匂いを検出できないという問題がある。一方、上記匂いセンサでは、物質吸着膜に参照電圧を印加するための参照電極は、感応膜から離間すると共に、基板の厚み方向から見てセンシング部と重ならないように配置されている。これにより、上述したようなメッシュ電極を配置する場合の問題が解消される。従って、上記匂いセンサによれば、好適に匂いを検出することが可能となる。

【0008】

上記匂いセンサは、イオンセンサを覆うように設けられたパッシベーション層を更に備え、物質吸着膜は、パッシベーション層を覆うように設けられており、感応膜は、パッシベーション層に設けられた第１開口を介して物質吸着膜と接触しており、参照電極は、物質吸着膜と基板との間に設けられており、パッシベーション層に設けられた第２開口を介して物質吸着膜と接触していてもよい。このように、参照電極を物質吸着膜よりも内側に内蔵する構成を採用する場合、例えばＣＭＯＳプロセス等を用いてメタル配線を配設することにより、容易に参照電極を作成することが可能となる。これにより、再現性高く参照電極を作成することが可能となる。また、ＣＭＯＳプロセス内で参照電極を作成することが可能となるため、参照電極を作成するための余分な工数の発生を抑制できる。また、イオンセンサに内蔵されたパッドを介して、参照電極への電圧供給を容易化できる。

【0009】

上記匂いセンサは、イオンセンサを覆うように設けられたパッシベーション層を更に備え、物質吸着膜は、パッシベーション層を覆うように設けられており、感応膜は、パッシベーション層に設けられた開口を介して物質吸着膜と接触しており、参照電極は、基板の厚み方向から見てセンシング部の外縁部に配置されると共に、上記開口の内部に露出して物質吸着膜と接触する部分を含んでもよい。この場合、センシング部上に設けられた開口の内側において、物質吸着膜に対する参照電圧の印加を好適に行うことができる。

【0010】

参照電極は、少なくとも物質吸着膜の基板とは反対側の表面に設けられていてもよい。例えば、上述したような内蔵電極と共に物質吸着膜の外表面（基板とは反対側の表面）に設けられた電極が参照電極として設けられている場合には、物質吸着膜と参照電極との接触面積を増やすことにより、物質吸着膜に対してより確実且つ安定的に参照電圧を印加することができる。一方、参照電極は物質吸着膜の外表面のみに設けられてもよく、この場合には、上述したような内蔵電極の作成及びパッシベーション層の開口（第２開口）の形成等の処理を省略できる。また、内蔵電極を省略できる分だけ基板上のセンシング部の配列ピッチを小さくすることが可能となる。その結果、匂いセンサの小型化を図ることができる。或いは、匂い分布測定（イメージング）を行う場合には、空間分解能の向上を図ることができる。

【0011】

イオンセンサは、基板上に一次元状又は二次元状に配列された複数のセンシング部を有し、１つの物質吸着膜は、２以上のセンシング部の感応膜上に配置されていてもよい。この場合、１つの物質吸着膜に複数のセンシング部を対応させることができる。これにより、例えば複数のセンシング部の出力値の統計値（例えば平均値）を用いることにより、測定における感度のばらつきを低減できる。また、一部のセンシング部が不良である場合であっても、他のセンシング部を使用することにより測定を実施することができる。

【0012】

イオンセンサは、基板上に一次元状又は二次元状に配列された複数のセンシング部を有し、複数の物質吸着膜が、それぞれ異なるセンシング部の感応膜上に配置されていてもよい。この場合、例えばそれぞれ異なる匂い物質に反応する複数の物質吸着膜を１つのイオンセンサ上に設けることにより、各物質吸着膜に対応するセンシング部の出力値に基づいて、複雑な匂いのパターンを検出することが可能となる。なお、それぞれ異なる物質吸着膜が設けられた複数のイオンセンサを用いることも考えられるが、この場合、イオンセンサ間の個体差（感度のばらつき）を考慮して測定を行う必要が生じ得る。また、必要となるイオンセンサの個数が増えることにより、全体としての装置規模が大型化してしまう。一方、上述したように複数の物質吸着膜を１つのイオンセンサ上に配置する構成によれば、このような問題を解消できる。また、複数の同種の物質吸着膜を１つのイオンセンサ上に設ける場合にも、当該イオンセンサにおいて一部の物質吸着膜が適切に機能しないときに、他の物質吸着膜に対応するセンシング部の出力値に基づいて測定を継続することが可能となるという効果が奏される。

【0013】

イオンセンサは、基板上に一次元状又は二次元状に配列された複数のセンシング部を有し、参照電極は、複数のセンシング部の各々の感応膜と参照電極との距離が互いに略同一となるように配置されていてもよい。本発明者らの知見により、センシング部の感度は、当該センシング部の感応膜と参照電極との距離による影響を受け得ることが確認された。従って、上記のように各センシング部の感応膜と参照電極との距離が互いに略同一となるように参照電極が配置されることにより、各センシング部の感度を均一化することができる。

【0014】

本発明の一側面に係る匂いセンサの製造方法は、測定対象の状態に応じて電位を変化させる感応膜が設けられたセンシング部を基板上に形成してなるイオンセンサが準備される工程と、匂い物質を吸着することにより状態を変化させる測定対象としての物質吸着膜が、感応膜上に配置される工程と、物質吸着膜に参照電圧を印加する参照電極が、感応膜から離間すると共に、基板の厚み方向から見てセンシング部と重ならないように配置される工程と、を含む。

【0015】

上記製造方法によれば、上述した効果を奏する匂いセンサを好適に製造することができる。

【0016】

上記製造方法において、物質吸着膜は、参照電極が配置された後に、感応膜及び参照電極を覆うように設けられてもよい。これにより、物質吸着膜の内側に参照電極が内蔵された構造の匂いセンサが得られる。

【0017】

上記製造方法は、参照電極が配置された後に、参照電極を覆うようにイオンセンサ上にパッシベーション層が形成される工程と、パッシベーション層に、感応膜の少なくとも一部を外部に露出させる第１開口と参照電極の少なくとも一部を外部に露出させる第２開口とが形成される工程と、を更に含んでもよい。また、物質吸着膜は、第１開口及び第２開口が形成された後に、パッシベーション層を覆うように設けられ、第１開口を介して感応膜に接触すると共に第２開口を介して参照電極に接触してもよい。この場合、厚み方向から見て参照電極とセンシング部とが比較的離れた位置に配置される場合においても、感応膜上に配置された物質吸着膜に参照電圧を印加することが可能な構成を実現できる。

【0018】

上記製造方法は、参照電極が基板の厚み方向から見たセンシング部の外縁部に配置された後に、参照電極を覆うようにイオンセンサ上にパッシベーション層が形成される工程と、パッシベーション層に、感応膜の少なくとも一部及び参照電極の少なくとも一部を外部に露出させる開口が形成される工程と、を更に含んでもよい。また、物質吸着膜は、開口が形成された後に、パッシベーション層を覆うように設けられ、開口内において感応膜及び参照電極に接触してもよい。この場合、参照電極を厚み方向から見たセンシング部の外縁部に配置することにより、参照電極及び感応膜に共通の開口を形成することで、感応膜上に配置された物質吸着膜に参照電圧を印加することが可能な構成を実現できる。

【0019】

参照電極の少なくとも一部は、物質吸着膜が配置された後に、物質吸着膜の一部を覆うように設けられてもよい。これにより、物質吸着膜の外側に参照電極の少なくとも一部が配置された構造の匂いセンサが得られる。

【発明の効果】

【0020】

本発明の一側面によれば、好適に匂いを検出することが可能な匂いセンサ及びその製造方法が提供され得る。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】第１実施形態の匂いセンサの概略平面図である。

【図2】検出部の断面構成を模式的に示す図である。

【図3】検出部の動作の一例を示す図である。

【図4】検出部の動作の別例を示す図である。

【図5】比較例の匂いセンサの測定結果と実施例の匂いセンサの測定結果を示す図である。

【図6】参照電極の配置構成例を示す図である。

【図7】参照電極の第１変形例を含む検出部の断面構成を模式的に示す図である。

【図8】参照電極の第２変形例を含む検出部の断面構成を模式的に示す図である。

【図9】参照電極の第３変形例を含む検出部のレイアウト例を示す図である。

【図10】参照電極の第３変形例を含む検出部の要部断面構成を模式的に示す図である。

【図11】第２実施形態の匂いセンサの検出部の断面構成を模式的に示す図である。

【図12】図１１に示される検出部５Ａの動作の第３の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【0023】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の匂いセンサ１の概略平面図である。同図に示されるように、匂いセンサ１は、イオンセンサ２と、イオンセンサ２上に設けられた複数（ここでは５つ）の物質吸着膜３と、物質吸着膜３に参照電圧Ｖref（基準電圧）を印加する参照電極４と、を備える。

【0024】

イオンセンサ２は、二次元状に配列された複数の検出部５が半導体基板１００上に形成されたセンサである。イオンセンサ２は、いわゆる電荷転送型のＣＭＯＳイメージセンサである。複数の検出部５は、イオンセンサ２のチップ上に設けられた画素形成領域Ａ（本実施形態では、チップ中央部に設けられた矩形状の領域）に、Ｍ行Ｎ列（例えば２５６行２５６列）に二次元状に配列されることにより、画素アレイを構成している。Ｍ及びＮは２以上の整数である。１つの検出部５は、１つの検出単位（画素）に対応している。１つの検出部５のサイズ（画素サイズ）は、例えば３０μｍ×３０μｍである。

【0025】

各物質吸着膜３は、画素形成領域Ａ内において、複数の検出部５に跨るように配置（成膜）されている。物質吸着膜３は、所定の匂い物質を吸着することにより状態（例えばインピーダンス等の電気的特性）を変化させる薄膜である。ここで、「匂い」とは、人間、動物等の生物の嗅覚を刺激するものであり、「匂い物質」とは、匂いの原因となる化学物質（例えば、特定の分子単体又は分子群が所定の濃度で集合したもの）である。物質吸着膜３としては、例えばポリアニリン感応膜等が用いられ得る。画素形成領域Ａ内に配置された検出部５のうち物質吸着膜３が設けられた検出部５が、匂いを検出可能な単位検出素子として機能する。なお、物質吸着膜３は、画素形成領域Ａの全体（すなわち、画素形成領域Ａに配置された全ての検出部５）に設けられてもよいし、物質吸着膜３が設けられない検出部５が存在してもよい。

【0026】

図１の右部は、各検出部５に共通のレイアウト例を模式的に示している。図２は、図１におけるII-II線に沿った検出部５の断面構成を模式的に示す図である。これらに示されるように、各検出部５は、半導体基板１００（基板）の一方の主面側に形成されている。半導体基板１００は、例えばシリコンにより形成された第１導電型（一例として、ｎ型）の半導体基板である。各検出部５において、半導体基板１００の主面に沿って、それぞれ第１導電型領域であるインジェクションダイオード部２１（以下「ＩＤ部２１」）、フローティングディフュージョン部３１（以下「ＦＤ部３１」）、及びリセットドレイン部４１（以下「ＲＤ部４１」）が形成されている。半導体基板１００のＩＤ部２１とＦＤ部３１との間には、第２導電型（一例として、ｐ型）の拡散層１１が形成されている。拡散層１１の表面には、第１導電型にドープされた第１導電型領域１２が形成されている。

【0027】

半導体基板１００の主面上には、絶縁性の保護膜１１０を介して、インプットコントロールゲート電極２２（以下「ＩＣＧ電極２２」）、トランスファーゲート電極３２（以下「ＴＧ電極３２」）、及びリセットゲート電極４２（以下「ＲＧ電極４２」）が形成されている。保護膜１１０としては、例えばＳｉＯ_２等が用いられ得る。また、半導体基板１００の主面上には、ＦＤ部３１に蓄積された電荷量に応じたout信号を増幅させるアンプ（信号増幅器）３３と、アンプ３３により増幅されたout信号を図示しない測定部に出力する出力回路３４と、が設けられている。

【0028】

ＩＣＧ電極２２とＴＧ電極３２との間の領域には、保護膜１１０を介して感応膜１３が設けられている。感応膜１３は、感応膜１３上に配置された測定対象の状態に応じて電位（膜電位）を変化させる性質を有するイオン感応膜である。本実施形態では、物質吸着膜３が測定対象となる。感応膜１３としては、例えばＳｉ_３Ｎ_４等が用いられ得る。感応膜１３は、ＩＣＧ電極２２及びＴＧ電極３２が物質吸着膜３と接触しないように、ＩＣＧ電極２２及びＴＧ電極３２の一部を覆うようにして、ＩＣＧ電極２２からＴＧ電極３２にかけてひとつながりに形成されている。ただし、感応膜１３は、ＩＣＧ電極２２とＴＧ電極３２との間にのみ設けられてもよく、ＩＣＧ電極２２及びＴＧ電極３２の一部を覆わないように形成されてもよい。すなわち、感応膜１３は、ＩＣＧ電極２２とＴＧ電極３２との間において、保護膜１１０上にのみ形成されてもよい。

【0029】

これらの半導体基板１００の主面上に設けられた部材を覆うように、半導体基板１００の主面上には、絶縁性のパッシベーション層１２０が形成されている。パッシベーション層１２０としては、例えばＳｉ_３Ｎ_４等が用いられ得る。物質吸着膜３は、パッシベーション層１２０を覆うように設けられている。パッシベーション層１２０には、感応膜１３の上面を外部に露出させるための開口１２０ａ（第１開口）が形成されている。感応膜１３は、開口１２０ａを介して物質吸着膜３と接触している。

【0030】

参照電極４は、物質吸着膜３の内側（すなわち、物質吸着膜３と半導体基板１００との間）に設けられている。図１及び図２に示されるように、参照電極４は、感応膜１３から離間すると共に、半導体基板１００の厚み方向Ｄから見て、感応膜１３と重ならないように配置されている。参照電極４は、例えばＣＭＯＳプロセスによって形成されたメタル配線である。図１に示されるように、各検出部５において、参照電極４は、厚み方向Ｄから見て、センシング部１０（詳しくは後述するが、ＩＣＧ電極２２とＴＧ電極３２との間において感応膜１３が設けられた領域）の一方側（図１における左側）において、センシング部１０から離間した位置に配置されている。つまり、参照電極４は、センシング部１０（主に感応膜１３）と物理的に接触しないように配置されている。参照電極４は、センシング部１０の一方側の側面と平行となるように、図１における上下方向に沿って延びている。厚み方向Ｄから見たセンシング部１０と参照電極４との距離ｄ１は、例えば３μｍである。参照電極４の幅ｗ１（すなわち、参照電極４を構成するメタル配線の幅）は、例えば１０．５μｍである。参照電極４は、例えば、ＩＣＧ電極２２、ＴＧ電極３２、ＲＧ電極４２等に電圧を供給するための図示しないメタル配線が設けられる第１配線層よりも半導体基板１００の主面から離れた第２配線層に配設される。つまり、参照電極４は、第１配線層よりもパッシベーション層１２０の外表面に近い第２配線層に配設されている。

【0031】

参照電極４は、物質吸着膜３に接触して電圧を印加することが可能な材料で形成されていればよい。参照電極４としては、例えばＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ等が用いられ得る。参照電極４には、イオンセンサ２が備える図示しない電極パッドから参照電圧Ｖrefが供給される。パッシベーション層１２０には、参照電極４の上面を外部に露出させるための開口１２０ｂ（第２開口）が形成されている。参照電極４は、開口１２０ａを介して物質吸着膜３と接触している。これにより、参照電極４と物質吸着膜３との接触部において、物質吸着膜３に参照電圧Ｖrefが印加される。なお、図２の例では、参照電極４の上面は、パッシベーション層１２０の上面よりも半導体基板１００側に窪んだ位置に位置している。また、開口１２０ｂの開口幅ｗ２（参照電極４の外部に露出する部分の幅）は、参照電極４の幅ｗ１より小さくされている。開口幅ｗ２は、例えば８μｍである。ただし、参照電極４は、参照電極４の上面がパッシベーション層１２０の開口１２０ｂが形成されていない部分と連続するように（フラットに接続されるように）設けられてもよい。この場合、参照電極４の幅ｗ１と開口幅ｗ２とは一致する。

【0032】

開口１２０ａの深さは、開口１２０ｂの深さよりも大きい。すなわち、感応膜１３は、参照電極４よりも半導体基板１００側に窪んだ位置に配置されている。

【0033】

次に、検出部５の機能構成及び動作原理について説明する。検出部５は、センシング部１０と、供給部２０と、移動・蓄積部３０と、除去部４０と、を備える。なお、本実施形態では、電荷は電子である。

【0034】

センシング部１０は、パッシベーション層１２０の開口１２０ａを介して感応膜１３が外部に（すなわち、物質吸着膜３に対して）露出した領域である。より具体的には、センシング部１０は、ＩＣＧ電極２２とＴＧ電極３２との間において、感応膜１３が保護膜１１０を介して第１導電型領域１２と対向する領域である。すなわち、センシング部１０は、上述した拡散層１１、第１導電型領域１２、保護膜１１０及び感応膜１３が積層されることによって構成されたセンシング領域である。物質吸着膜３が所定の匂い物質を吸着すると、物質吸着膜３の状態（例えばインピーダンス）の変化が生じる。そして、感応膜１３において、当該状態の変化に応じた電位変化が生じる。この感応膜１３の電位変化に応じて、感応膜１３と対向する拡散層１１のポテンシャル井戸１４の深さが変化する。

【0035】

供給部２０は、上述したＩＤ部２１及びＩＣＧ電極２２により構成される。ＩＤ部２１は、ポテンシャル井戸１４に電荷を注入するための部分である。ＩＣＧ電極２２は、ＩＤ部２１からポテンシャル井戸１４への電荷注入量を制御する部分である。例えば、ＩＤ部２１のポテンシャル（電位）を下げると共にＩＣＧ電極２２の電圧を調節することにより、ＩＤ部２１にチャージされる電荷をポテンシャル井戸１４に供給することができる。

【0036】

移動・蓄積部３０は、ＴＧ電極３２及びＦＤ部３１により構成される。ＴＧ電極３２は、ポテンシャル井戸１４からＦＤ部３１に電荷を転送するための部分である。ＦＤ部３１は、ポテンシャル井戸１４から転送された電荷を蓄積する部分である。具体的には、ＴＧ電極３２の電圧を変化させることにより、半導体基板１００においてＴＧ電極３２と対向する領域（以下「ＴＧ領域」）のポテンシャルを変化させ、ポテンシャル井戸１４に充填された電荷をＦＤ部３１に転送及び蓄積することができる。

【0037】

除去部４０は、ＲＧ電極４２及びＲＤ部４１により構成される。除去部４０は、ＦＤ部３１に蓄積された電荷をリセット（除去）するための部分である。具体的には、ＲＧ電極４２の電圧を変化させることにより、半導体基板１００においてＲＧ電極４２と対向する領域（以下「ＲＧ領域」）のポテンシャルを変化させ、ＦＤ部３１に蓄積された電荷をＲＤ部４１（ＶＤＤ）へと排出することができる。

【0038】

図３は、検出部５の基本動作例を示す図である。図３の（Ａ）に示されるように、測定対象である物質吸着膜３において匂い物質が吸着された部分の状態（例えばインピーダンス）が変化すると、当該部分の直下に位置する感応膜１３の電位変化が生じ、当該電位変化に応じてポテンシャル井戸１４の深さが変化する。続いて、図３の（Ｂ）に示されるように、ＩＤ部２１のポテンシャルが下げられることにより、ＩＤ部２１に電荷がチャージされる。ＩＤ部２１にチャージされた電荷は、半導体基板１００においてＩＣＧ電極２２と対向する領域（以下「ＩＣＧ領域」）を超えて、ポテンシャル井戸１４へと注入される。このとき、ＴＧ領域のポテンシャルは、ＩＤ部２１のポテンシャルよりも低くなるように制御される。従って、ポテンシャル井戸１４へ注入される電荷がＴＧ領域を超えてＦＤ部３１に達することはない。

【0039】

続いて、図３の（Ｃ）に示されるように、ＩＤ部２１のポテンシャルが元に戻される（引き上げられる）ことにより、ＩＤ部２１から電荷が引き抜かれる。その結果、ＩＣＧ領域によってすり切られた電荷がポテンシャル井戸１４に残る。ポテンシャル井戸１４に残された電荷量は、ポテンシャル井戸１４の深さ（すなわち、物質吸着膜３のインピーダンス変化）に対応している。

【0040】

続いて、図３の（Ｄ）に示されるように、ＴＧ電極３２の電圧が上げられることにより、ポテンシャル井戸１４に残された電荷がＦＤ部３１に転送される。その後、ＴＧ電極３２の電圧が元に戻されることにより、図３の（Ｅ）に示される状態となる。このような状態において、ＦＤ部３１に蓄積された電荷量に応じた信号（out信号）が、アンプ３３及び出力回路３４を介して図示しない測定部に出力される。これにより、測定部において、物質吸着膜３において検出された匂い（すなわち、物質吸着膜３に吸着された匂い物質）が、出力電圧の変化として測定される。続いて、図３の（Ｆ）に示されるように、ＲＧ電極４２の電圧が上げられることにより、ＦＤ部３１に蓄積された電荷がＲＤ部４１に排出される。ＲＤ部４１は、ＶＤＤ電源に接続されている。これにより、ＲＤ部４１において、負にチャージされた電荷が吸い上げられる。

【0041】

なお、上述した図３の（Ｂ）～（Ｅ）の動作は、複数回繰り返されてもよい。これにより、ＦＤ部３１に蓄積される電荷量を増大させ、繰り返し回数だけout信号を増幅させることができる。また、このような繰り返し動作によってout信号を増幅させることにより、アンプ３３が省略されてもよい。

【0042】

ただし、ポテンシャル井戸１４への電荷注入方法は、上述した図３の例に限られない。例えば、図４に示されるように、ＩＤ部２１のポテンシャルを一定とし、ＩＣＧ電極２２の電圧を調整することにより、ポテンシャル井戸１４にＩＤ部２１と同等のポテンシャルの電荷が注入されてもよい。具体的には、図４の（Ａ）に示されるように、ＩＤ部２１のポテンシャルは、ポテンシャル井戸１４のポテンシャルよりも低く且つＴＧ領域のポテンシャルよりも高い一定の値に設定される。一方、ＩＣＧ領域のポテンシャルは、ＩＤ部２１のポテンシャルよりも低くされる。続いて、図４の（Ｂ）に示されるように、ＩＣＧ領域のポテンシャルをポテンシャル井戸１４のポテンシャルよりも高くすることにより、ＩＤ部２１からポテンシャル井戸１４へと電荷が供給される。続いて、図４の（Ｃ）に示されるように、再びＩＣＧ領域のポテンシャルをＩＤ部２１のポテンシャルよりも低くすることにより、ＩＣＧ領域によってすり切られた電荷がポテンシャル井戸１４に残る。以上により、ポテンシャル井戸１４にＩＤ部２１と同等のポテンシャルの電荷が蓄積される。なお、図４の例におけるその後の動作は、図３の（Ｄ）～（Ｆ）の動作と同様である。

【0043】

次に、匂いセンサ１の製造方法の一例について説明する。まず、感応膜１３が設けられたセンシング部１０を半導体基板１００上に形成してなるイオンセンサ２が準備される。続いて、参照電極４が、感応膜１３から離間すると共に、厚み方向Ｄから見てセンシング部１０と重ならないように配置される。続いて、イオンセンサ２上（すなわち、半導体基板１００の主面上）に、パッシベーション層１２０が形成される。なお、パッシベーション層１２０は、複数回に分けて段階的に形成されてもよい。例えば、半導体基板１００及び感応膜１３を覆う第１のバッシベ―ション層が形成された後に、当該第１のパッシベーション層の上に参照電極４が配設され、その後参照電極４を覆う第２のバッシベ―ション層が形成されることにより、パッシベーション層１２０が形成されてもよい。このようにして、参照電極４を覆うようにイオンセンサ２上にパッシベーション層１２０が形成される。続いて、パッシベーション層１２０に、感応膜１３の少なくとも一部（本実施形態では、感応膜１３の上面の一部）を外部に露出させる開口１２０ａと参照電極４の少なくとも一部（本実施形態では、参照電極４の上面の一部）を外部に露出させる開口１２０ｂがエッチング等により形成される。続いて、物質吸着膜３が、感応膜１３上に配置される。より具体的には、物質吸着膜３は、パッシベーション層１２０を覆うように設けられ、開口１２０ａを介して感応膜１３に接触すると共に開口１２０ｂを介して参照電極４に接触する。このように、上記製造方法では、物質吸着膜３は、参照電極４が配置された後に、感応膜１３及び参照電極４を覆うように設けられる。以上により、図２に示した構造（すなわち、物質吸着膜３よりも内側に参照電極４が内蔵された構造）を有する複数の検出部５を備えた匂いセンサ１が得られる。また、上記製造方法では、厚み方向Ｄから見て参照電極４とセンシング部１０とが比較的離れた位置に配置される場合においても、参照電極４及び感応膜１３のそれぞれに対応する開口１２０ａ及び開口１２０ｂを形成することにより、感応膜１３上に配置された物質吸着膜３に参照電圧Ｖrefを印加することが可能な構成を実現できる。

【0044】

次に、匂いセンサ１の作用効果について説明する。上述した匂いセンサ１によれば、物質吸着膜３が匂い物質を吸着した際の物質吸着膜３の状態の変化（例えばインピーダンスの変化）に応じた感応膜１３の電位変化に基づいて、匂いを検出することができる。このような匂い検出（測定）を実施するためには、物質吸着膜３に参照電圧Ｖrefを印加する必要がある。このための構成として、例えば、非特許文献１に記載された構成のように、物質吸着膜３の上面（厚み方向Ｄから見てセンシング部１０と重なる部分を含む）に電極（例えばメッシュ電極）を配置する構成（図５の（Ａ）参照）が考えられる。しかし、この構成では、物質吸着膜３の電極直下の部分（電極に隠されてしまい外部に露出しない部分）に匂い物質が吸着され難くなるため、電極直下のセンシング部１０において適切に匂いを検出できないという問題がある。一方、匂いセンサ１では、物質吸着膜３に参照電圧Ｖrefを印加するための参照電極４は、感応膜１３から離間すると共に、厚み方向Ｄから見てセンシング部１０と重ならないように配置されている。これにより、上述したようなメッシュ電極を使用する場合の問題が解消される。

【0045】

また、例えば、匂いに対する感度が物質吸着膜３のインピーダンスの変化に起因する場合には、感応膜１３と参照電極４とを近づけすぎると、匂いに対する感度が失われる可能性が高い。一方、匂いセンサ１では、参照電極４が、感応膜１３から離間すると共に、厚み方向Ｄから見てセンシング部１０と重ならないように配置されることにより、感応膜１３と参照電極４とが近づきすぎることを防止できる。その結果、感応膜１３と参照電極４とが近すぎることが原因で感応膜１３において適切に匂いを検出できなくなることを抑制できる。従って、匂いセンサ１によれば、好適に匂いを検出することが可能となる。

【0046】

ここで、仮に、参照電極４をＩＣＧ電極２２又はＴＧ電極３２と対向するように配置した場合、ＩＣＧ電極２２又はＴＧ電極３２（特に、ＦＤ部３１への電荷の転送前後においてパルス状に電圧を変化させるＴＧ電極３２）によって、参照電極４の電位（Ｖref）が乱される可能性がある。一方、図１及び図２に示されるように、匂いセンサ１では、参照電極４は、厚み方向Ｄから見てＩＣＧ電極２２及びＴＧ電極３２のいずれとも重ならないように配置されている。これにより、上述したような問題の発生を抑制することができる。

【0047】

また、匂いセンサ１では、物質吸着膜３は、パッシベーション層１２０を覆うように設けられている。感応膜１３は、パッシベーション層１２０に設けられた開口１２０ａを介して物質吸着膜３と接触している。参照電極４は、物質吸着膜３と半導体基板１００との間に設けられており、パッシベーション層１２０に設けられた開口１２０ｂを介して、当該開口１２０ｂ内に入り込んだ物質吸着膜３と接触している。このように、参照電極４を物質吸着膜３よりも内側に内蔵する構成を採用する場合、例えばＣＭＯＳプロセス等を用いてメタル配線を配設することにより、容易に参照電極４を作成することが可能となる。これにより、再現性高く参照電極４を作成することが可能となる。また、ＣＭＯＳプロセス内で参照電極４を作成することが可能となるため、参照電極４を作成するための余分な工数の発生を抑制できる。また、イオンセンサ２に内蔵された電極パッド（不図示）を介して、参照電極４への電圧供給を容易化できる。

【0048】

また、匂いセンサ１では、イオンセンサ２は、半導体基板１００上に二次元状に配列された複数のセンシング部１０（検出部５）を有している。１つの物質吸着膜３は、２以上のセンシング部１０上に配置されている。すなわち、１つの物質吸着膜３は、複数の単位検出素子（画素）に跨るように配置されている。この場合、１つの物質吸着膜３に複数のセンシング部１０を対応させることができる。これにより、例えば複数のセンシング部１０の出力値（out信号）の統計値（例えば平均値）を用いることにより、測定における感度のばらつきを低減できる。また、１つの物質吸着膜３に対応する一部のセンシング部１０が不良である場合（すなわち、不良画素が発生した場合）であっても、他のセンシング部１０（すなわち、他の検出部５）を使用することにより当該物質吸着膜３を用いた測定（匂い検出）を実施することができる。また、複数のセンシング部１０の出力値に基づいて、イメージング測定（匂いの二次元分布の測定）を行うことも可能となる。これにより、例えば、匂いの拡散方向を把握したり、匂いセンサ１の近くにサンプルを配置することにより、サンプルにおける匂いの発生源を発見したりすること等が可能となる。

【0049】

また、匂いセンサ１では、複数の物質吸着膜３が、それぞれ異なるセンシング部１０（検出部５）上に配置されている。すなわち、１つのイオンセンサ２（すなわち、１つのセンサチップ）上に、複数（本実施形態では５つ）の物質吸着膜３が、互いに独立して形成されている。例えば、それぞれ異なる匂い物質に反応する複数の物質吸着膜３（すなわち、互いに特性の異なる複数の物質吸着膜）を１つのイオンセンサ２上に設けることにより、各物質吸着膜３に対応するセンシング部１０の出力値（out信号）に基づいて、複雑な匂いのパターンを検出することが可能となる。なお、それぞれ異なる物質吸着膜３が設けられた複数のイオンセンサを用いることも考えられるが、この場合、イオンセンサ間の個体差（感度のばらつき）を考慮して測定を行う必要が生じ得る。また、必要となるイオンセンサの個数が増えることにより、全体としての装置規模が大型化してしまう。一方、上述したように複数の物質吸着膜３を１つのイオンセンサ２上に配置する構成によれば、このような問題を解消できる。また、複数の同種の物質吸着膜３を１つのイオンセンサ２上に設ける場合にも、当該イオンセンサ２において一部の物質吸着膜３が適切に機能しないときに、他の物質吸着膜３に対応するセンシング部１０の出力値に基づいて測定を継続することが可能となるという効果が奏される。

【0050】

ここで、１つのイオンセンサ２上に設けられる複数の物質吸着膜３は、同一の材料（本実施形態ではポリアニリン）の成分量（含有量）が互いに異なる複数の物質吸着膜であってもよいし、互いに異なる材料で形成された複数の物質吸着膜であってもよい。このように成分量又は材料が互いに異なる複数の物質吸着膜３を用いることにより、各物質吸着膜３の測定結果の組み合わせに基づいて、様々な匂い物質を検出することが可能となる。例えば、複数の物質吸着膜の測定結果の組み合わせと特定の匂い物質とを対応付けたテーブル情報（匂いデータベース）が予め用意されている場合、当該テーブル情報を参照することにより、複数の物質吸着膜３の各々の測定結果の組み合わせに対応する匂い物質を特定することが可能となる。

【0051】

また、本発明者らの知見により、センシング部１０の感度は、当該センシング部１０の感応膜１３と参照電極４との距離による影響を受け得ることが確認された。そこで、匂いセンサ１では、参照電極４は、複数のセンシング部１０の各々の感応膜１３と参照電極４との距離が互いに略同一となるように配置されている。具体的には、上述したように、各検出部５において、参照電極４は、厚み方向Ｄから見たセンシング部１０と参照電極４との距離ｄ１が一定（例えば３μｍ）となるように配置されている。これにより、各センシング部１０の感度を均一化することができる。

【0052】

図５を参照して、上記効果について補足する。図５の（Ａ）は、比較例に係る匂いセンサ（以下単に「比較例」）にアンモニアガスを曝露した際における各画素（各センシング部）の測定結果（感度）を濃淡によって表した図である。図５の（Ｂ）は、実施例に係る匂いセンサ（以下単に「実施例」）にアンモニアガスを曝露した際における各画素（各センシング部）の測定結果（感度）を濃淡によって表した図である。比較例は、非特許文献１に記載の構造のようにメッシュ電極ＭＥを物質吸着膜３上に配置した匂いセンサである。実施例は、上述した匂いセンサ１と同様に内蔵電極（参照電極４）を採用した匂いセンサである。図５において、最も薄い色（白に近い色）の高感度領域ｐ１と黒色に近い低感度領域ｐ２は、一定以上の感度を示したセンシング部に対応する領域（すなわち、アンモニアガスの匂いが検出された領域）である。高感度領域ｐ１は、低感度領域ｐ２よりも大きい感度を示した領域である。一方、高感度領域ｐ１よりも若干濃い色で表された不感領域ｐ３は、感度を示さなかったセンシング部（不感画素）に対応する領域である。

【0053】

図５の（Ａ）に示されるように、比較例では、不感領域ｐ３が網目状に形成された。このような網目状の不感領域ｐ３は、メッシュ電極ＭＥに覆われた部分に対応する領域である。物質吸着膜３においてメッシュ電極ＭＥに覆われた部分に匂い物質が吸着されないため、このような網目状の不感領域ｐ３が形成されたと考えられる。一方、メッシュ電極ＭＥに覆われていない部分に対応する領域においては、匂いに関する感度が得られた。しかし、メッシュ電極ＭＥから遠い部分（四方をメッシュ電極ＭＥに包囲された領域の中心部）に低感度領域ｐ２が形成され、メッシュ電極ＭＥから比較的近い部分（四方をメッシュ電極ＭＥに包囲された領域の縁部）に高感度領域ｐ１が形成された。つまり、メッシュ電極ＭＥから比較的近い位置に配置されたセンシング部とメッシュ電極ＭＥから比較的遠い位置に配置されたセンシング部との間で感度差が生じることが確認された。

【0054】

一方、図５の（Ｂ）に示されるように、メッシュ電極が設けられておらず、且つ、各センシング部１０の感応膜１３と参照電極４との距離が略同一となるように構成された実施例では、ほぼ一様な高感度領域ｐ１が形成された。このような測定結果から、複数のセンシング部１０の各々の感応膜１３と参照電極４との距離が互いに略同一となるように配置することによる効果が確認された。

【0055】

なお、より具体的には、本実施形態及び上記実施例では、図１の右部に示したレイアウトの検出部５が二次元状（格子状）に配列されることにより、図６の（Ａ）に示すように、厚み方向Ｄから見て、互いに平行に延びる一対の参照電極４が、１つのセンシング部１０の両側を挟むように配置されている。また、一の検出部５のセンシング部１０と当該一の検出部５の右隣りの検出部５上を通るように配置された参照電極４との距離ｄ２は、距離ｄ１と略同一となるように調整されている。

【0056】

ただし、参照電極４のレイアウトは、上記例に限られない。例えば、図６の（Ｂ）に示されるように、参照電極４は、厚み方向Ｄから見て、各検出部５のセンシング部１０の四方を包囲するように配置されてもよい。また、図６の（Ｃ）に示されるように、厚み方向Ｄから見て、２行２列に配置された４つのセンシング部１０（４画素）毎に、当該４画素からなる領域の中心位置に、共通の参照電極４（例えば厚み方向Ｄから見て矩形状に形成された電極）が配置されてもよい。いずれのレイアウトによっても、各センシング部１０（各画素）の感応膜１３と参照電極４との位置関係が共通化される。これにより、各センシング部１０の感応膜１３と当該感応膜１３に近接する参照電極４との距離を略同一にすることができる。その結果、各センシング部１０の感度を均一化することができる。ただし、各センシング部１０の感度を均一にする必要がない場合、或いはあえてセンシング部１０間で感度差（感度勾配）を持たせたい場合等には、参照電極４は、センシング部１０毎（画素毎）に感応膜１３と参照電極４との位置関係（距離）が異なるように配置されてもよい。

【0057】

（参照電極の第１変形例）
図７は、第１変形例の参照電極２００を含む検出部５の断面構成を模式的に示す図である。第１変形例の参照電極２００は、上述した参照電極４と同様に構成された第１電極２０１に加えて、第２電極２０２及び第３電極２０３を有する。

【0058】

第２電極２０２は、物質吸着膜３の外表面３ａ（すなわち、半導体基板１００とは反対側の表面）に設けられている。第２電極２０２は、物質吸着膜３の外表面３ａに沿って形成されたメンブレン構造（膜状）の電極部材である。第２電極２０２は、例えばＭＥＭＳプロセスを用いて作成される。第２電極２０２には、センシング部１０に対応する物質吸着膜３の部分を外部に露出させるための開口２０２ａが形成されている。本実施形態では、開口２０２ａは、厚み方向Ｄから見て、センシング部１０、ＩＣＧ電極２２及びＴＧ電極３２を包含するように設けられている。すなわち、第２電極２０２は、厚み方向Ｄから見て、センシング部１０、ＩＣＧ電極２２及びＴＧ電極３２と重ならないように配置されている。第２電極２０２は、例えば、図６の（Ｂ）に示したように、厚み方向Ｄから見て、各センシング部１０の四方を取り囲むように格子状に形成され得る。

【0059】

第３電極２０３は、パッシベーション層１２０の開口１２０ｂを介して第１電極２０１と第２電極２０２とを電気的に接続すると共に、第２電極２０２を支持する電極部材である。一例として、第３電極２０３は、第１電極２０１の幅方向中央部に配置され、第１電極２０１に沿って延びる壁状部材である。或いは、第３電極２０３は、一以上の柱状部材によって構成されてもよい。このような参照電極２００を含む匂いセンサは、例えば、上述した参照電極４を含む匂いセンサ１の製造方法を実施した後に、更に第２電極２０２及び第３電極２０３をＭＥＭＳプロセス等によって形成する工程を実施することにより得られる。すなわち、参照電極２００を含む匂いセンサの製造方法においては、参照電極の少なくとも一部（ここでは第２電極２０２及び第３電極２０３）は、物質吸着膜３が配置された後に、物質吸着膜３の一部を覆うように設けられる。これにより、物質吸着膜３の外側に参照電極の少なくとも一部が配置された構造の匂いセンサが得られる。

【0060】

第１変形例の参照電極２００によれば、物質吸着膜３と参照電極との接触面積を増やすことにより、物質吸着膜３に対してより確実且つ安定的に参照電圧Ｖrefを印加することができる。

【0061】

（参照電極の第２変形例）
図８は、第２変形例の参照電極３００を含む検出部５の断面構成を模式的に示す図である。第２変形例の参照電極３００は、参照電極２００の第２電極２０２及び第３電極２０３と同様に構成された第１電極３０１及び第２電極３０２を有する。一方、参照電極３００では、ＣＭＯＳプロセスの段階で、上述した参照電極４及び第１電極２０１のような内蔵電極が作成されていない。このため、第２電極３０２の下端は、パッシベーション層１２０の上面に配置されている。参照電極３００では、第１電極３０１は、イオンセンサ２における画素アレイ外の任意の場所に設けられた電極パッドＰに電気的に接続されることにより、電極パッドＰから参照電圧Ｖrefが印加される。

【0062】

参照電極３００を含む匂いセンサは、例えば、上述した参照電極４を含む匂いセンサ１の製造方法において、参照電極４を配置する工程及び開口１２０ｂを形成する工程を省略する一方で、第１電極３０１及び第２電極３０２をＭＥＭＳプロセス等によって形成する工程を実施することにより得られる。すなわち、参照電極３００を含む匂いセンサの製造方法においては、参照電極の少なくとも一部（ここでは第１電極３０１及び第２電極３０２）は、物質吸着膜３が配置された後に、物質吸着膜３の一部を覆うように設けられる。これにより、物質吸着膜３の外側に参照電極の少なくとも一部が配置された構造の匂いセンサが得られる。

【0063】

第２変形例の参照電極３００によれば、ＣＭＯＳプロセスにおいて、上述した参照電極４及び第１電極２０１のような内蔵電極の作成及び開口１２０ｂの形成等の処理を省略できる。また、内蔵電極を省略できる分だけ半導体基板１００上のセンシング部１０（検出部５）の配列ピッチを小さくすることが可能となる。その結果、匂いセンサ１の小型化を図ることができる。或いは、匂い分布測定（イメージング）を行う場合には、空間分解能の向上を図ることができる。

【0064】

（参照電極の第３変形例）
図９及び図１０を参照して、参照電極の第３変形例について説明する。図９は、第３変形例の参照電極４００を含む検出部５のレイアウト例を示す図である。図９に示されるように、参照電極４００は、厚み方向Ｄから見てセンシング部１０の外縁部（外周部）に配置される。すなわち、各検出部５において、上述した参照電極４及び開口１２０ｂが形成されない代わりに、センシング部１０を包囲するように環状に形成された参照電極４００（メタル配線）が配設されている。

【0065】

図１０は、参照電極４００を含む検出部５の要部（センシング部１０の周辺部分）の断面構成を模式的に示す図である。図１０に示されるように、パッシベーション層１２０には、厚み方向Ｄから見てセンシング部１０を包含するように形成された開口１２１が形成されている。感応膜１３は、当該開口１２１を介して、当該開口１２１内に入り込んだ物質吸着膜３と接触している。開口１２１は、第１開口部１２１ａと第２開口部１２１ｂとからなる。第１開口部１２１ａは、パッシベーション層１２０の上面から参照電極４００の上面４００ａまで達している。第２開口部１２１ｂは、第１開口部１２１ａと連通し、感応膜１３の上面（半導体基板１００とは反対側の面）まで達している。

【0066】

参照電極４００は、開口１２１の内部に露出して物質吸着膜３と接触する部分を含む。本実施形態では、参照電極４００の上面４００ａの一部と内側面４００ｂとが、開口１２１の内部に露出しており、物質吸着膜３に接触している。参照電極４００の上面４００ａの一部は、第１開口部１２１ａの底面の一部を構成している。参照電極４００の内側面４００ｂは、第２開口部１２１ｂの内面の一部を構成している。

【0067】

一例として、参照電極４００は、ＩＣＧ電極２２に電圧を印加するためのメタル配線Ｅ１及びＴＧ電極３２に電圧を印加するためのメタル配線Ｅ２と同じレイヤ（例えば、上述した第１配線層）に設けられている。このように、参照電極４００をメタル配線Ｅ１，Ｅ２と同一のレイヤに設けることにより、第１配線層よりも上のレイヤ（例えば、上記実施形態において参照電極４が配設される第２配線層）を、ＲＤ部４１又はＲＧ電極４２等に電圧を印加するためのメタル配線を配設するためのレイヤとして活用することが可能となる。これにより、メタル配線の設計自由度を向上させることができる。また、半導体基板１００の主面に近い第１配線層にメタル配線を配設した方が、半導体基板１００の主面から遠い第２配線層にメタル配線を配設する場合よりも、メタル配線を高い位置精度で形成することができる。従って、第１配線層に参照電極４００を配設することにより、参照電極４００の位置精度を向上させることができる。また、参照電極４００の複数の面（上面４００ａ及び内側面４００ｂ）を物質吸着膜３と接触させることにより、物質吸着膜３と参照電極４００とをより確実に接触させることができる。

【0068】

次に、参照電極４００を含む匂いセンサの製造方法の一例について説明する。まず、感応膜１３が設けられたセンシング部１０を半導体基板１００上に形成してなるイオンセンサ２が準備される。続いて、半導体基板１００（イオンセンサ２）上に、厚み方向Ｄから見たセンシング部１０の外縁部において、感応膜１３から離間するように参照電極４００が配置される。続いて、半導体基板１００（イオンセンサ２）及び参照電極４００を覆うパッシベーション層１２０が形成される。なお、パッシベーション層１２０は、複数回に分けて段階的に形成されてもよい。例えば、半導体基板１００及び感応膜１３を覆う第１のバッシベ―ション層が形成された後に、当該第１のパッシベーション層の上に参照電極４００が配設され、その後参照電極４００を覆う第２のバッシベ―ション層が形成されることにより、パッシベーション層１２０が形成されてもよい。このようにして、参照電極４を覆うようにイオンセンサ２上にパッシベーション層１２０が形成される。

【0069】

続いて、パッシベーション層１２０をエッチングすることにより、感応膜１３の少なくとも一部（本実施形態では、感応膜１３の上面の一部）及び参照電極４００の少なくとも一部（本実施形態では、上面４００ａの一部及び内側面４００ｂ）を外部に露出させるための開口１２１が形成される。

【0070】

続いて、少なくとも第２開口部１２１ｂの内側において、参照電極４００から感応膜１３にかけて、物質吸着膜３が形成される。本実施形態では、図１０に示されるように、物質吸着膜３は、パッシベーション層１２０を覆うように設けられ、開口１２１内において感応膜１３及び参照電極４００に接触する。つまり、開口１２１に入り込んだ物質吸着膜３の一部により、参照電極４００（上面４００ａの一部及び内側面４００ｂ）とセンシング部１０に設けられた感応膜１３とが接続される。すなわち、物質吸着膜３は、少なくとも、参照電極４００からセンシング部１０に設けられた感応膜１３まで繋がった状態となる。このように、上記製造方法では、物質吸着膜３は、参照電極４００が配置された後に、感応膜１３及び参照電極４００を覆うように設けられる。以上により、図１０に示した構造（すなわち、物質吸着膜３よりも内側に参照電極４００が内蔵された構造）を有する複数の検出部５を備えた匂いセンサが得られる。また、この場合、参照電極４００を厚み方向Ｄから見たセンシング部１０の外縁部に配置することにより、参照電極４００及び感応膜１３に共通の開口１２１を形成することで、感応膜１３上に配置された物質吸着膜３に参照電圧Ｖrefを印加することが可能な構成を実現できる。

【0071】

以上述べた第３変形例の参照電極４００によれば、センシング部１０上に設けられた開口１２１の内側において、物質吸着膜３に対する参照電圧Ｖrefの印加を好適に行うことができる。例えば、開口１２１とは別の開口（上述した開口１２０ｂのような開口）を介して参照電極と物質吸着膜３とを接続する場合、物質吸着膜３を介した参照電極から感応膜１３への経路中に、山部（参照電極から上記別の開口を介してパッシベーション層１２０の上面へと向かう部分）と谷部（パッシベーション層１２０の上面から開口１２１を介して感応膜１３へと向かう部分）とが含まれることになる。その結果、物質吸着膜３に段切れが発生するおそれが高くなる。一方、参照電極４００によれば、物質吸着膜３と参照電極４００とを開口１２１内で接続させることができる。すなわち、物質吸着膜３を介した参照電極４００から感応膜１３への経路中に上述した山部及び谷部等が含まれない。これにより、上述したような物質吸着膜３の段切れの発生を抑制できる。

【0072】

（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態の匂いセンサの検出部５Ａの断面構成を模式的に示す図である。第２実施形態の匂いセンサは、いわゆる電荷転送型のＣＭＯＳイメージセンサであるイオンセンサ２に代えて、いわゆるＩＳＦＥＴ型のイオンセンサ２Ａを備える点で、第１実施形態の匂いセンサ１と相違している。その他の構成については、匂いセンサ１と同様である。イオンセンサ２Ａは、単位検出素子として、電荷転送型の測定方式が採用された検出部５に代えてＩＳＦＥＴ型の測定方式が採用された検出部５Ａを備える点で、イオンセンサ２と相違している。

【0073】

検出部５Ａでは、半導体基板１００の一方の主面側に、３つの第１導電型（ここではｎ型）のｎ^＋型領域１３１～１３３が形成されている。また、半導体基板１００の主面上には、絶縁性の保護膜１１０を介して、２つのゲート電極１３４，１３５が形成されている。ゲート電極１３４は、ｎ^＋型領域１３１とｎ^＋型領域１３２との間に位置している。ｎ^＋型領域１３１、ｎ^＋型領域１３２及びゲート電極１３４により、ＭＯＳトランジスタが構成されている。ｎ^＋型領域１３１には、図示しない制御部からＩＤ信号（電圧）が与えられる。ゲート電極１３５は、ｎ^＋型領域１３２とｎ^＋型領域１３３との間に位置している。ゲート電極１３５には、図示しない制御部からＴＧ信号（電圧）が与えられる。ｎ^＋型領域１３３は、図示しない測定回路と電気的に接続されている。感応膜１３が載置される導電部材１３６が、導電性の接続部材１３７を介してゲート電極１３４と電気的に接続されている。導電部材１３６上に感応膜１３が設けられた部分が、センシング部１０Ａとして機能する。センシング部１０Ａは、後述するパッシベーション層１２０の開口１２０ａを介して感応膜１３が外部に（すなわち、物質吸着膜３に対して）露出した領域である。導電部材１３６は、例えば、厚み方向Ｄから見て、感応膜１３とほぼ同じ大きさの矩形状をなしている。導電部材１３６の上面に感応膜１３が成膜されている。

【0074】

第１実施形態の検出部５と同様に、上述したような半導体基板１００の主面上に設けられた部材を覆うように、半導体基板１００の主面上には、絶縁性のパッシベーション層１２０が形成されている。また、物質吸着膜３は、パッシベーション層１２０を覆うように設けられている。パッシベーション層１２０には、感応膜１３の上面を外部に露出させるための開口１２０ａが形成されている。感応膜１３は、開口１２０ａを介して物質吸着膜３と接触している。また、参照電極４は、半導体基板１００の厚み方向Ｄから見て、感応膜１３及びゲート電極１３５と重ならないように配置されている。また、各検出部５Ａに対して図１１に示した構造が共通的に適用されることにより、厚み方向Ｄから見た各センシング部１０Ａの感応膜１３と参照電極４との距離（位置関係）は、略同一とされている。参照電極４は、パッシベーション層１２０に設けられた開口１２０ｂを介して物質吸着膜３と接触している。なお、図１１の例では、感応膜１３の上面及び参照電極４の上面は、パッシベーション層１２０の上面よりも半導体基板１００側に窪んだ位置に位置しているが、感応膜１３又は参照電極４は、感応膜１３又は参照電極４の上面がパッシベーション層１２０の開口１２０ａ，１２０ｂが形成されていない部分と連続するように（フラットに接続されるように）設けられてもよい。

【0075】

次に、検出部５Ａの動作原理について説明する。まず、動作原理の概要について説明する。物質吸着膜３に匂い物質が吸着すると、物質吸着膜３の特性変化が生じ、これに応じて感応膜１３の膜電位が変化する。その結果、感応膜１３と電気的に接続されたゲート電極１３４の電位が変化する。物質吸着膜３において検出された匂い（すなわち、物質吸着膜３に吸着された匂い物質）は、このようなゲート電極１３４の電位変化に応じた信号（out信号）の電流又は電圧の変化として測定される。そして、例えば、このような測定結果と上述したような匂いデータベースとを照合することにより、検出された匂い物質を特定することができる。以下、検出部５Ａの動作（駆動方法）の第１～第３の例について説明する。ただし、検出部５Ａの駆動方法としては、これらの例以外の方法が用いられてもよい。

【0076】

（第１の例）
第１の例は、ＩＳＦＥＴにおいて一般に採用される駆動方法である。第１の例は、上述したゲート電極１３４の電位変化に応じてｎ^＋型領域１３１とｎ^＋型領域１３２との間に流れる電流の大きさが変化することに着目した駆動方法である。すなわち、上述した物質吸着膜３の特性変化に応じて、ゲート電極１３４の電位が変化すると、ｎ^＋型領域１３１とｎ^＋型領域１３２との間に流れる電流の大きさが変化する。ここで、ゲート電極１３５をスイッチとして使用し、ゲート電極１３５に与えるＴＧ信号を変化させることにより、スイッチをＯＮにする。すなわち、ｎ^＋型領域１３２の電荷がゲート電極１３５と対向する領域（以下「ＴＧ領域」）を介してｎ^＋型領域１３３に流れる状態に切り替えられる。これにより、ｎ^＋型領域１３１とｎ^＋型領域１３２との間に流れる電流は、ＴＧ領域及びｎ^＋型領域１３３を介してout信号として出力される。その後、例えば、out信号は図示しない測定部において電圧に変換される。その結果、物質吸着膜３の特性変化が、out信号の電圧変化として測定される。

【0077】

（第２の例）
第２の例では、ゲート電極１３５のスイッチをＯＮにした状態で、ｎ^＋型領域１３１に与えるＩＤ信号を変化させることにより、ｎ^＋型領域１３１に対して電荷が注入される。その後、ｎ^＋型領域１３１への電荷の注入が停止され、電荷の注入が停止された際のout信号の電圧が測定部によって測定される。その結果、測定部において、物質吸着膜３の特性変化が、out信号の電圧変化として測定される。

【0078】

（第３の例）
第３の例は、概略的には、半導体基板１００においてゲート電極１３４と対向する領域（以下「ゲート領域」）を、上述した電荷転送型の検出部５におけるＩＣＧ領域として機能させると共に、ｎ^＋型領域１３２を、検出部５におけるＦＤ部３１として機能させる方式である。図１２を参照して、第３の例について詳細に説明する。図１２の（Ａ）に示されるように、ゲート領域のポテンシャル井戸の深さは、感応膜１３の電位変化に応じて変化する。図１２の（Ｂ）に示されるように、ＩＤ信号を制御することにより、ｎ^＋型領域１３１（図１２における「ＩＤ」）のポテンシャルが下げられる。これにより、ｎ^＋型領域１３１に電荷がチャージされる。ｎ^＋型領域１３１にチャージされた電荷は、ゲート領域を超えてｎ^＋型領域１３２へと注入される。このとき、ＴＧ領域のポテンシャルは、ｎ^＋型領域１３１のポテンシャルよりも低くなるように制御される。従って、ｎ^＋型領域１３２へ注入される電荷がＴＧ領域を超えてｎ^＋型領域１３３（図１２における「out」）に達することはない。

【0079】

続いて、図１２の（Ｃ）に示されるように、ｎ^＋型領域１３１のポテンシャルが元に戻される（引き上げられる）ことにより、ｎ^＋型領域１３１から電荷が引き抜かれる。その結果、ゲート領域によってすり切られた電荷がｎ^＋型領域１３２に残る。ｎ^＋型領域１３２に残された電荷量は、ゲート領域のポテンシャル井戸の深さ（すなわち、物質吸着膜３のインピーダンス変化）に対応している。

【0080】

続いて、図１２の（Ｄ）に示されるように、ゲート電極１３５の電圧が上げられることにより、ｎ^＋型領域１３２に残された電荷がｎ^＋型領域１３３に転送される。その後、ゲート電極１３５の電圧が元に戻されることにより、図１２の（Ｅ）に示される状態となる。このような状態において、ｎ^＋型領域１３３に蓄積された電荷量に応じた信号（すなわち、物質吸着膜３の特性変化に応じた信号）がout信号として測定部に出力される。

【0081】

上述したような検出部５Ａを単位検出素子として備えるイオンセンサ２Ａをベースとして第２実施形態の匂いセンサを構成した場合においても、上述した匂いセンサ１と同様の効果を奏することができる。また、第２実施形態の匂いセンサは、上述した匂いセンサ１の製造方法と同様の製造方法により得られる。なお、導電部材１３６及び接続部材１３７は省略されてもよい。その場合、センシング部１０Ａを構成する感応膜１３は、ゲート電極１３４上に直接的に形成されてもよい。ただし、導電部材１３６及び接続部材１３７を設けることにより、感応膜１３の上面をパッシベーション層１２０の表面に近づけることができ、開口１２０ａの深さを小さくできるという効果が奏される。

【0082】

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、イオンセンサにおいて、複数のセンシング部（検出部）は、二次元状に配列されてもよいし、一次元状に配列されてもよい。また、イオンセンサは、１つのセンシング部（検出部）のみを有してもよい。

【0083】

また、上記実施形態では、センシング部１０が形成された基板として半導体基板１００が用いられたが、センシング部１０が形成された基板は必ずしも半導体基板でなくてもよく、例えば表面に半導体領域（例えば半導体膜等）が形成された半導体以外の基板であってもよい。

【符号の説明】

【0084】

１…匂いセンサ、２，２Ａ…イオンセンサ、３…物質吸着膜、４，２００，３００，４００…参照電極、５，５Ａ…検出部、１０，１０Ａ…センシング部、１３…感応膜、１００…半導体基板、１２０…パッシベーション層、１２０ａ…開口（第１開口）、１２０ｂ…開口（第２開口）、１２１…開口、１２１ａ…第１開口部、１２１ｂ…第２開口部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】