JP2000214125A

JP2000214125A - 酸素センサ

Info

Publication number: JP2000214125A
Application number: JP11019715A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Miwa; 俊之美和; Nozomi Narita; 望成田; Shogo Ishikawa; 省吾石川; Junko Kato; 純子加藤; Tatsuhiko Nawa; 達彦名和
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2000-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間で応答が得られるようにする。また酸
素透過膜の剥がれによる特性の劣化を防止し、且つセン
サ特性のばらつきを小さくする。【解決手段】絶縁性基板（シリコン基板１２）上に電
極パターン１２が形成され、その上に電解質膜２８及び
酸素透過膜３０が形成される構造である。電極パターン
は、例えばアノード１４とカソード１６を有する一対の
電極パターンである。酸素透過膜としては脱オキシム系
シリコーン樹脂膜を用いる。その膜厚は３５〜８０μｍ
程度とする。この酸素透過膜は、スクリーン印刷法によ
り塗布することが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、隔膜型の小型酸素
センサに関し、更に詳しく述べると、酸素透過膜として
脱オキシム系シリコーン樹脂を用いる酸素センサに関す
るものである。この酸素センサは、例えば溶液中の溶存
酸素濃度の測定、あるいは気相中の酸素濃度の管理など
に有用である。

【０００２】

【従来の技術】様々な分野における酸素濃度の測定用と
して、隔膜型の小型酸素センサが開発されている。従来
のこの種の酸素センサとしては、シリコン基板上に一対
の電極パターンを形成し、該電極パターンの上の所定の
位置に電解質膜を形成し、更に酸素透過膜で覆う構造が
ある（例えば、特開平４−２９０９５４号、特開平５−
８７７６６号等参照）。それらは、半導体製造プロセス
などで用いられているフォトリソグラフィー技術を利用
して、電極パターン及び電解質膜などをシリコンウエハ
ー上に多数規則的に配列形成する方法で製造されてい
る。

【０００３】酸素透過膜としては一液性のシリコーン樹
脂が用いられている。シリコーン樹脂には幾つかの種類
があるが、従来用いられているのは脱アルコール系のシ
リコーン樹脂である。電解質膜の形成においては、その
電解質組成物を工夫することでスクリーン印刷法を使用
する例も見られるが、酸素透過膜（シリコーン樹脂）の
形成にはスピンコート法が用いられており、その膜厚は
一般に１００μｍ以上（例えば１２０μｍ程度）であ
る。これは、従来の製造工程では、酸素透過膜が不要な
部分に予め剥離のための膜を形成しておいて、酸素透過
膜はシリコンウエハーの全面に形成し、その後前記剥離
用の膜を利用して不要部分の酸素透過膜を除去していた
ために、スピンコート法の方が簡便に膜形成が行えたこ
とによる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、酸素透過膜
に脱アルコール系シリコーン樹脂を使用する従来技術で
は、応答時間が３０秒程度と長くかかる問題があり、も
っと短時間で応答が得られる小型酸素センサが望まれて
いる。

【０００５】また、酸素透過膜をスピンコート法で形成
する場合には、電流を取り出すパッド部に予め保護膜を
付けておき、酸素透過膜を形成後に該保護膜を剥離する
ことで、前記パッド部を露出させている。そのため、保
護膜の剥離を行う際に、不要な（パッド部上の）酸素透
過膜のみならず、本来必要な部分の酸素透過膜も一緒に
剥がれてしまう問題があり、それが特性に影響を与え、
同一ウエハーから切り出した製品であっても、製品間で
特性のばらつきが大きいという問題があった。

【０００６】本発明の目的は、応答時間の短い（例えば
２０秒程度もしくはそれ以下の）小型酸素センサを提供
することである。本発明の他の目的は、センサ特性のば
らつきが小さい小型酸素センサを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、絶縁性基板上
に電極パターンが形成され、該電極パターン上に電解質
膜及び酸素透過膜が形成される構造の酸素センサであ
る。ここで使用する電極パターンは、例えばアノードと
カソードを有する一対の電極パターンである。本発明で
は、前記酸素透過膜として脱オキシム系シリコーン樹脂
膜を用いており、その点に一つの特徴がある。なお、酸
素透過膜の膜厚は３５〜８０μｍ程度が好ましい。

【０００８】酸素透過膜の材料として、低粘度の脱オキ
シム系シリコーン樹脂を用いることにより、形成された
膜がポーラスで薄くなり、酸素が透過しやすくなる。そ
のため、応答時間が短くなる。

【０００９】この酸素透過膜は、スクリーン印刷法によ
り塗布することが望ましい。その点も本発明の一つの特
徴である。脱オキシム系シリコーン樹脂による酸素透過
膜をスクリーン印刷法で形成することにより、パッド保
護膜を不要とし、製造工程での酸素透過膜の剥がれが防
止でき、膜剥離による性能劣化、特性のばらつきの増大
を解消できる。

【００１０】

【発明の実施の態様】本発明の酸素センサは、電気化学
的に酸素を検出するものであれば、クラーク型、ガルバ
ニ型、三極構成型など、いずれの形式のものでもよい。
溶液中の溶存酸素濃度の他、気相中の酸素濃度の測定に
も利用できる。また、酵素や微生物と組み合わせること
で、糖やビタミンなどの濃度測定に使用するバイオセン
サを構成することもできる。

【００１１】絶縁性基板としては、シリコン基板の他、
ガラス基板や樹脂基板等を用いることもできる。絶縁性
基板の端部には電流を取り出すパッド部を設けて、接続
用端子となる金属フレームを取り付け、樹脂でモールド
する。その他、絶縁性基板の端部をカード・エッジ・コ
ネクタ構造として測定装置のプローブ先端に装着できる
ようにしてもよい。

【００１２】

【実施例】（実施例１）直径３インチのシリコンウエハ
ーを基板として、酸素センサを作製した。図１は、その
構造の説明図であり、図２は最終製品の外観図である。
実際には、上記ウエハー上に多数の酸素センサ部を形成
し、最終的に１個１個に切断分離するのであるが、図１
では図面を簡素化し分かり易くするために、１個の酸素
センサについてのみ描いている。図１のＡは基板上に形
成した電極パターン、Ｂは酸素センサの平面、Ｃはその
ｘ−ｘ断面を、それぞれ示している。

【００１３】シリコンウエハーに熱酸化処理を施して表
面に絶縁膜を形成し、絶縁性基板とする。シリコンウエ
ハーの前記絶縁膜の全面にクロムと金をその順序で蒸着
し、フォトリソグラフィー技術を用いて所定の電極パタ
ーンを多数個（本実施例では１０８個）縦横規則的に配
列形成した。１個の酸素センサは、図１のＡに示すよう
に短冊状である。つまり、その短冊状のシリコン基板１
０の上に一対の電極パターン１２が形成される。ここで
電極パターン１２は、大面積の長方形状アノード１４、
その先端近傍に位置する小面積の正方形状カソード１
６、シリコン基板１２の基端側に並設した一対の電流取
り出し用のパッド部１８，２０、アノード１４とパッド
部１８及びカソード１６とパッド部２０を接続するリー
ド部２２，２４からなる。実際には、該リード部２２，
２４上に感光性ポリイミド樹脂による絶縁膜２６（図１
のＣ参照）を形成し、その後、アノード１４及びカソー
ド１６の上に銀を蒸着して最終的な電極とした。

【００１４】次に、塩化カリウムを主成分とする電解質
物質をヘキサノールでペースト状にした電解質ペースト
を、スクリーン印刷して、アノード１４とカソード１６
をつなぐように電解質膜２８を形成した（図１のＣ参
照）。更にパッド部１８，２０上をパッド保護膜（図示
せず）で覆った。パッド保護膜は、後工程で酸素透過膜
がパッドに直接付着しないように遮るための樹脂膜であ
り、スクリーン印刷で形成した。

【００１５】そのシリコン基板上に酸素透過膜３０を形
成する。実施例としては、ウエハー上に、種々の粘度の
一液性室温硬化型の脱オキシム系シリコーン樹脂をスピ
ンコートして、種々の膜厚の酸素透過膜を作製した。ま
た、比較のために従来用いられている脱アルコール系の
シリコーン樹脂により同様の手法で酸素透過膜を作製し
た。なお、スピンコートは５０００ｒｐｍで行った。

【００１６】上記の酸素透過膜を形成した後、パッド保
護膜を除去することでその上の酸素透過膜も一緒に除去
してパッド部を露出させ、ダイシングソーを使用してシ
リコンウエハーから１個１個の酸素センサの切り出しを
行った。そして、図２に示すように、酸素センサ４０の
両パッド部に接続用端子となる金属フレーム４２を接続
し、接続部分に樹脂モールド４４を行って応答時間の測
定を行った。測定結果を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】使用するシリコーン樹脂の粘度を変えると
スピンコートしたときの膜厚が変わる。従来の脱アルコ
ール系シリコーン樹脂を用いた場合には、膜厚が薄くな
っても応答時間は余り短くならない。現在使用されてい
る膜厚は１００μｍ以上（例えば１２０μｍ程度）であ
り、応答時間は３０秒程度である。膜厚を極端に薄くし
て２５μｍ程度としても、応答時間は２５秒程度にしか
ならない。

【００１９】それに対して本発明のように、脱オキシム
系のシリコーン樹脂を使用すると、膜厚が薄くなるほど
応答時間は短縮される。膜厚を８０μｍにすると応答時
間は２２秒程度となり、膜厚を３５μｍまで薄くすると
応答時間は１０秒程度まで短縮できた。なお、膜厚を２
０μｍとした場合には測定不能であった。

【００２０】これらのことから、酸素透過膜として脱オ
キシム系のシリコーン樹脂を使用すると、応答時間の短
縮化が可能であることが分かる。特にその膜厚を３５〜
８０μｍに設定すると、応答時間を２０秒程度もしくは
それ以下に短縮できる。

【００２１】（実施例２）酸素透過膜の形成工程を除け
ば、上記実施例１と全く同じ工程で実施した。酸素透過
膜には種々の粘度の脱オキシム系シリコーン樹脂を用
い、スクリーン印刷法により必要箇所のみに酸素透過膜
を形成した。比較例は従来方法であり、パッド保護膜を
スクリーン印刷した後、脱アルコール系シリコーン樹脂
をスピンコートし、その後パッド保護膜の部分を除去す
ることで作製したものである。シリコンウエハーから酸
素センサの切り出しを行い、パッド部に接続用端子とな
る金属フレームを接続し、樹脂モールドを行ってセンサ
特性の測定を行った。測定結果を表２に示す。なお、平
均とはウエハー内の１０８個の平均値である。

【００２２】

【表２】

【００２３】実施例と比較例の標準偏差を比べれば分か
るように、スクリーン印刷法で酸素透過膜を印刷する
と、各特性のばらつきは大幅に低減する。個々のセンサ
特性についてみると、出力電流値はあまり変わらない
が、本実施例（低粘度の脱オキシム系シリコーン樹脂の
スクリーン印刷による膜）では、寿命が若干延び、応答
時間は非常に短くなる。

【００２４】従来のスピンコート法では、前述のよう
に、パッド保護膜を形成し、酸素透過膜を全面に形成し
た後、酸素透過膜におけるパッド保護膜の境界線近傍に
切れ目を入れて、パッド保護膜と共に不要な酸素透過膜
部分を除去するのであるが、切れ目を入れる際に深すぎ
るとリード部を傷付けることになり、浅すぎると酸素透
過膜の剥がれてはいけない部分まで一緒に剥がれてしま
うことがあり、製造工程の複雑化（工数の増大）、歩留
まり低下の一因となっていたが、スクリーン印刷法を採
用することで、それらの問題も一挙に解決できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は上記のように、酸素透過膜とし
て脱オキシム系シリコーン樹脂の比較的薄い膜を使用し
ているために、形成した膜がポーラスとなり応答時間を
短くできる。また、その際に酸素透過膜の形成をスクリ
ーン印刷で行うようにすると、パッド保護膜が不要とな
るし膜剥離工程が不要となるために製造工数を削減でき
る他、本来必要な部分の膜の剥離による性能劣化を防止
できるし、センサ特性のばらつきを抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る酸素センサの一実施例の説明図。

【図２】その酸素センサにフレームを取り付け樹脂モー
ルドした状態を示す斜視図。

【符号の説明】

１０シリコン基板１２電極パターン１４アノード１６カソード１８，２０パッド部２２，２４リード部２６絶縁膜２８電解質膜３０酸素透過膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川省吾東京都港区新橋５丁目36番11号富士電気化学株式会社内 (72)発明者加藤純子東京都港区新橋５丁目36番11号富士電気化学株式会社内 (72)発明者名和達彦東京都港区新橋５丁目36番11号富士電気化学株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板上に電極パターンが形成さ
れ、該電極パターン上に電解質膜及び酸素透過膜が形成
されている構造の酸素センサにおいて、前記酸素透過膜
として脱オキシム系シリコーン樹脂膜を用いることを特
徴とする酸素センサ。
【請求項２】酸素透過膜の膜厚が、３５〜８０μｍで
ある請求項１記載の酸素センサ。
【請求項３】酸素透過膜が、スクリーン印刷法により
塗布された膜である請求項１又は２記載の酸素センサ。