JP2002250712A - Ion sensor - Google Patents

Ion sensor

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JP2002250712A
JP2002250712A JP2001047592A JP2001047592A JP2002250712A JP 2002250712 A JP2002250712 A JP 2002250712A JP 2001047592 A JP2001047592 A JP 2001047592A JP 2001047592 A JP2001047592 A JP 2001047592A JP 2002250712 A JP2002250712 A JP 2002250712A
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JP
Japan
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ion
recess
surface side
semiconductor substrate
silicon substrate
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Withdrawn
Application number
JP2001047592A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Sakai
淳 阪井
Yoshiyuki Sugiura
義幸 杉浦
Yasutaka Arii
康孝 有井
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion sensor in which the size can be reduced while prolonging the lifetime. SOLUTION: The ion sensor comprises a silicon substrate 1 having an ISFET 10 responsive to a specified ion formed on the major surface side, a liquid communicating part 38 formed at a thin part 1b which is formed by opening a recess 1a in the rear surface of the silicon substrate 1 and provided with a large number of fine pores 38a for touching an electrolyte 31 filling the recess 1a to a measuring solution on the major surface side of the silicon substrate 1, a support 15 boded to the silicon substrate 1 to choke the recess 1a, and a reference electrode 34 of silver - silver chloride touching the electrolyte 31. A liquid storing part 17 communicating with the recess 1a opening to the rear surface of the silicon substrate 1 and storing the electrolyte 31 is provided in the support 15 and the liquid storing section 17 made across the recess 1a and the support 15 is filled with the electrolyte 31.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、イオンセンサに関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ion sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、イオンセンサとして、図5に
示すようにガラス電極系20と参照電極系30とを備え
たものや、図6に示すようにイオン感応性電界効果トラ
ンジスタ(Ion Sensitive Field Effect Transisto
r:ISFET)10と、参照電極系30とを備えたも
のが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an ion sensor having a glass electrode system 20 and a reference electrode system 30 as shown in FIG. 5 and an ion-sensitive field-effect transistor (Ion Sensitive Field Transistor) as shown in FIG. Effect Transisto
r: ISFET) 10 and a reference electrode system 30 are known.

【0003】図5におけるガラス電極系20は、測定溶
液A中の特定のイオン活量に応じた電位を発生するガラ
ス膜21、内部液(例えば、飽和塩化カリウム溶液ある
いはゲルなどの電解液)22が充填された支持管23お
よび支持管23に挿入され内部液22に接触する内部電
極24(例えば、銀−塩化銀電極)からなる電極系であ
って、一般的にガラス電極と呼ばれている。また、図5
における参照電極系30は、内部液(例えば、飽和塩化
カリウム溶液あるいはゲルなどの電解液)31が充填さ
れた支持管32、内部液31と測定溶液Aとを接触させ
るための微細孔が設けられた液絡部材(例えば、多孔質
セラミックス)33および支持管32に挿入された参照
電極(例えば、銀−塩化銀電極)34からなる電極系で
ある。
[0005] A glass electrode system 20 shown in FIG. 5 includes a glass film 21 for generating a potential corresponding to a specific ion activity in a measurement solution A, an internal solution (for example, a saturated potassium chloride solution or an electrolytic solution such as a gel) 22. And an internal electrode 24 (for example, a silver-silver chloride electrode) inserted into the support tube 23 and in contact with the internal liquid 22. The electrode system is generally called a glass electrode. . FIG.
The reference electrode system 30 is provided with a support tube 32 filled with an internal solution (for example, a saturated potassium chloride solution or an electrolytic solution such as a gel) 31, and a fine hole for bringing the internal solution 31 into contact with the measurement solution A. This is an electrode system including a liquid junction member (for example, porous ceramics) 33 and a reference electrode (for example, a silver-silver chloride electrode) 34 inserted into the support tube 32.

【0004】一方、図6におけるISFET10は、p
形のシリコン基板1の主表面側にn +層よりなるドレイ
ン領域2とn+層よりなるソース領域3とが離間して形
成され、両領域2,3間の部位上にSiO2膜よりなる
ゲート酸化膜5を介してイオン感応膜(例えば、Si3
4膜など)6が形成されている。また、ドレイン領域
2上にはドレイン電極7が形成され、ソース領域3上に
はソース電極8が形成されており、各電極7,8上には
保護膜40が形成されている。なお、シリコン基板1に
おいてISFET10の不活性領域上にはフィールド酸
化膜9が形成されている。また、図6における参照電極
系30の構成は図5における参照電極系30と同じであ
る。
On the other hand, the ISFET 10 in FIG.
N on the main surface side of the silicon substrate 1 +Dray consisting of layers
Region 2 and n+The source region 3 consisting of layers is separated
Formed on the portion between the two regions 2 and 3TwoConsisting of membrane
An ion-sensitive film (for example, Si) through the gate oxide film 5Three
NFour6) are formed. Also, the drain region
2, a drain electrode 7 is formed on the source region 3.
Has a source electrode 8 formed on each of the electrodes 7 and 8.
A protective film 40 is formed. In addition, the silicon substrate 1
Field acid on the inactive region of ISFET 10
An oxide film 9 is formed. The reference electrode in FIG.
The configuration of the system 30 is the same as that of the reference electrode system 30 in FIG.
You.

【0005】図6におけるISFET10は、図7に示
すように特定のイオン(図7の例では、H+)を含む測
定溶液(水溶液)A中に浸漬すると、イオン感応膜(図
7の例では、Si34膜)6表面と測定液A中の特定の
イオンとの相互作用により界面電位が発生し、シリコン
基板1の主表面側においてドレイン領域2とソース領域
3との間の部位に形成されるチャネル4の大きさが変化
するから、特定のイオンのイオン濃度の大きさに応じて
ドレイン電極7・ソース電極8間に流れるドレイン電流
Idが変化する。
When the ISFET 10 shown in FIG. 6 is immersed in a measurement solution (aqueous solution) A containing specific ions (H + in the example of FIG. 7), as shown in FIG. , Si 3 N 4 film) The surface potential is generated by the interaction between the surface of the silicon substrate 6 and the specific ions in the measurement solution A, and a portion between the drain region 2 and the source region 3 on the main surface side of the silicon substrate 1 is formed. Since the size of the channel 4 to be formed changes, the drain current Id flowing between the drain electrode 7 and the source electrode 8 changes according to the size of the specific ion.

【0006】図6に示す構成のイオンセンサでは、参照
電極系30とISFET10のソース電極8との間の出
力電圧Vrsを一定とし、さらにドレイン電極7・ソー
ス電極8間に印加するドレイン電圧Vdを一定としたと
きのドレイン電流Idを測定することにより特定のイオ
ンのイオン濃度を知ることができる。
In the ion sensor having the structure shown in FIG. 6, the output voltage Vrs between the reference electrode system 30 and the source electrode 8 of the ISFET 10 is kept constant, and the drain voltage Vd applied between the drain electrode 7 and the source electrode 8 is reduced. By measuring the drain current Id at a constant value, the ion concentration of a specific ion can be known.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述のISFET10
は、ガラス電極20に比べて小型化が可能、高速応答が
可能などの利点を有しているが、図6のイオンセンサで
は、参照電極系30がISFET10よりも比較的大型
であって、イオンセンサ全体として十分な小型化を図れ
ないという不具合があった。
The above-mentioned ISFET 10
Has the advantage that it can be downsized and can respond at high speed as compared with the glass electrode 20. However, in the ion sensor of FIG. 6, the reference electrode system 30 is relatively larger than the ISFET 10, There was a problem that the sensor could not be sufficiently reduced in size as a whole.

【0008】そこで、参照電極系30として、図8に示
す構成のものが提案されている。図8の参照電極系30
は、裏面に凹所1aを開口することにより薄肉部35b
が形成されたシリコン基板35と、シリコン基板35の
裏面に凹所1aの開口面を閉塞するように接合された平
板状の支持体36とを備え、凹所1aの内面と支持体3
6とで囲まれる空間に電解液31が充填されるとともに
銀−塩化銀電極(銀/塩化銀電極)よりなる参照電極3
4が挿入され、電解液31と測定溶液とを接触させるた
めのポーラスシリコンよりなる液絡部38が薄肉部35
bに形成されている。
Therefore, a reference electrode system 30 having the configuration shown in FIG. 8 has been proposed. The reference electrode system 30 of FIG.
The thin portion 35b is formed by opening the recess 1a on the back surface.
Are provided, and a flat plate-like support member 36 is joined to the back surface of the silicon substrate 35 so as to close the opening surface of the recess 1a, and the inner surface of the recess 1a and the support member 3 are provided.
6 is filled with an electrolyte 31 and a reference electrode 3 comprising a silver-silver chloride electrode (silver / silver chloride electrode).
4 is inserted, and a liquid junction 38 made of porous silicon for bringing the electrolytic solution 31 into contact with the measuring solution is formed into a thin portion 35.
b.

【0009】ところで、上記各参照電極系30は、電解
液31が測定溶液中へ徐々に溶出するものであるが、図
8に示した構成の参照電極系30では、電解液31がシ
リコン基板35の裏面に開口された凹所1aに充填され
るものであるから、図5に示した構成の参照電極系30
に比べて電解液31の量が極めて少なく、寿命が短いと
いう不具合があった。なお、参照電極系30の寿命が短
いと、参照電極系30の交換頻度が高くなり、コストが
高くなってしまう。
In each of the reference electrode systems 30, the electrolytic solution 31 gradually elutes into the measurement solution. In the reference electrode system 30 having the structure shown in FIG. Is filled in the recess 1a opened in the back surface of the reference electrode system 30 shown in FIG.
However, the amount of the electrolytic solution 31 was extremely small as compared with that of the above, and the life was short. If the life of the reference electrode system 30 is short, the replacement frequency of the reference electrode system 30 increases, and the cost increases.

【0010】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、小型化および長寿命化を図れるイオ
ンセンサを提供することにある。
[0010] The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an ion sensor that can be reduced in size and lengthened in life.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、上記
目的を達成するために、特定のイオンに感応するイオン
感応膜が主表面側に露出する形で形成された半導体基板
と、前記半導体基板の裏面に凹所を開口することにより
形成された薄肉部に形成され前記凹所に充填された電解
液と前記半導体基板の主表面側の測定溶液とを接触させ
るための小孔が設けられた液絡部と、前記凹所を閉塞す
るように前記半導体基板に接合された支持体と、電解液
に接触する参照電極とを備え、前記凹所に連通し且つ電
解液が溜められた液溜め部を前記支持体に設けてなるこ
とを特徴とする。この構成によれば、イオン感応膜と液
絡部とが1つの半導体基板の主表面側に設けられている
ので、イオンセンサ全体としての小型化を図ることがで
き、従来に比べて少ない面積で測定溶液中の特定のイオ
ンの濃度を測定することが可能となるから、より狭い空
間にある測定溶液の測定が可能となる。また、半導体基
板の裏面に開口された凹所に連通し且つ電解液が溜めら
れた液溜め部を半導体基板の裏面の凹所を閉塞するよう
に半導体基板に接合された支持体に設けてあるので、別
部材を用いることなしに参照電極が接する電解液の量を
増やすことができ、長寿命化を図ることができる。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate in which an ion-sensitive film sensitive to a specific ion is formed so as to be exposed on a main surface side. A small hole is formed in the thin portion formed by opening the recess on the back surface of the semiconductor substrate to allow the electrolyte filled in the recess and the measurement solution on the main surface side of the semiconductor substrate to come into contact with each other. A liquid junction, a support joined to the semiconductor substrate so as to close the recess, and a reference electrode in contact with the electrolytic solution. A liquid reservoir is provided on the support. According to this configuration, since the ion-sensitive film and the liquid junction are provided on the main surface side of one semiconductor substrate, the size of the entire ion sensor can be reduced, and the area of the ion sensor can be reduced with a smaller area as compared with the related art. Since it is possible to measure the concentration of a specific ion in the measurement solution, it is possible to measure the measurement solution in a narrower space. In addition, a liquid reservoir portion communicating with the concave portion opened on the back surface of the semiconductor substrate and storing the electrolytic solution is provided on a support joined to the semiconductor substrate so as to close the concave portion on the rear surface of the semiconductor substrate. Therefore, the amount of the electrolytic solution in contact with the reference electrode can be increased without using a separate member, and the life can be extended.

【0012】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記イオン感応膜を前記半導体基板における前記薄
肉部の主表面側に形成してあるので、前記イオン感応膜
が前記半導体基板における前記薄肉部以外の部位の主表
面側に形成されている場合に比べて前記半導体基板の面
積を小さくすることができ、より一層の小型化を図るこ
とができる。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the ion-sensitive film is formed on the main surface side of the thin portion of the semiconductor substrate. The area of the semiconductor substrate can be reduced as compared with the case where the semiconductor substrate is formed on the main surface side of a portion other than the thin portion, and further downsizing can be achieved.

【0013】請求項3の発明は、請求項2の発明におい
て、前記液絡部は、前記小孔が前記薄肉部の全体にわた
って多数形成され、前記半導体基板は、前記液絡部が形
成された領域以外の部位の主表面側にMOSFETが形
成されるとともに、当該MOSFETのゲート電極が前
記液絡部に重なるように延長され、前記イオン感応膜
は、前記薄肉部の主表面側において前記ゲート電極を覆
うように形成され、前記イオン感応膜および前記ゲート
電極は、前記液絡部の各小孔にそれぞれ連通する多数の
貫通孔が形成されているので、前記イオン感応膜の表面
積を比較的大きくすることができるから、前記イオン感
応膜の表面積が小さい場合に比べて測定溶液に対するイ
オン感応膜の位置合わせが容易になり、使い勝手が良く
なる。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the liquid junction has a large number of the small holes formed over the entire thin portion, and the semiconductor substrate has the liquid junction formed therein. A MOSFET is formed on a main surface side of a portion other than the region, and a gate electrode of the MOSFET is extended so as to overlap the liquid junction, and the ion-sensitive film is provided on the main surface side of the thin portion. Are formed so as to cover the ion-sensitive film and the gate electrode, since a large number of through holes communicating with the respective small holes of the liquid junction are formed, the surface area of the ion-sensitive film is relatively large. Therefore, as compared with the case where the surface area of the ion-sensitive membrane is small, the positioning of the ion-sensitive membrane with respect to the measurement solution is facilitated and the usability is improved.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】(実施形態1)本実施形態のイオ
ンセンサは、図1に示すように、特定のイオン(例え
ば、H +)に応答するISFET10が主表面側に形成
された半導体基板たるp形のシリコン基板1と、シリコ
ン基板1の裏面に凹所1aを開口することにより形成さ
れた薄肉部1bに形成され凹所1aに充填された電解液
(例えば、飽和塩化カリウム溶液など)31とシリコン
基板1の主表面側の測定溶液とを接触させるための多数
の微細な小孔38aが設けられた液絡部38と、凹所1
aを塞ぐようにシリコン基板1に接合された支持体(例
えば、プラスチック製の成形品)15と、電解液31に
接触する銀−塩化銀電極よりなる参照電極34を備えて
いる。ここにおいて、支持体15は、シリコン基板1を
収納する収納凹所16が前面に開口された直方体状の形
状に形成されており、収納凹所16aの内底面とp形シ
リコン基板1の裏面とが接合(接着)されている。ま
た、ISFET10と液絡部38とはシリコン基板1の
主表面側において離間して形成されている。また、上記
液絡部38の小孔38aは表裏に貫通するように形成さ
れている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the ion sensor
If H +) Is formed on the main surface side
P-type silicon substrate 1 serving as a semiconductor substrate, and silicon
Formed on the back surface of the substrate 1 by opening a recess 1a.
Electrolyte formed in the thinned portion 1b filled in the recess 1a
(Eg, saturated potassium chloride solution) 31 and silicon
Many for contacting the measurement solution on the main surface side of the substrate 1
Junction 38 provided with fine small holes 38a, and recess 1
a (eg, a support joined to the silicon substrate 1 so as to cover
For example, plastic molded article) 15 and electrolytic solution 31
With a reference electrode 34 consisting of a silver-silver chloride electrode in contact
I have. In this case, the support 15 supports the silicon substrate 1
A rectangular parallelepiped shape with a storage recess 16 for storage opened at the front
The inner bottom surface of the storage recess 16a and the p-type
The back surface of the recon board 1 is joined (adhered). Ma
The ISFET 10 and the liquid junction 38 are
It is formed spaced apart on the main surface side. Also,
The small hole 38a of the liquid junction 38 is formed to penetrate the front and back.
Have been.

【0015】なお、上記凹所1aは、シリコン基板1の
裏面側を異方性エッチングすることによって形成されて
いる。また、上記液絡部38aは、シリコンよりなる薄
肉部1bの一部を多孔質化することにより形成されるポ
ーラスシリコンにより構成してもよいし、シリコン基板
1の一部よりなる薄肉部1bに小孔38aを異方性エッ
チングで形成することにより構成してもよい。また、支
持体15をプラスチック製の成形品としているが、金属
製の成形品に適宜の絶縁処理を施したものでもよい。
The recess 1a is formed by anisotropically etching the back side of the silicon substrate 1. The liquid junction 38a may be made of porous silicon formed by making a part of the thin part 1b made of silicon porous, or may be made of a thin part 1b made of a part of the silicon substrate 1. The small holes 38a may be formed by anisotropic etching. Further, although the support 15 is a molded product made of plastic, a molded product made of metal may be subjected to an appropriate insulation treatment.

【0016】ISFET10は、シリコン基板1の主表
面側にドレイン領域2とソース領域3とが離間して形成
され、両領域2,3間の部位上にSiO2膜よりなるゲ
ート酸化膜5を介して例えばSi34膜またはTa25
よりなるイオン感応膜6が形成されている。また、ドレ
イン領域2に接続されたパッド7aは支持体15の前面
に配設されたドレイン用配線12にボンディングワイヤ
Wを介して電気的に接続され、ソース領域3に接続され
たパッド8aは支持体15の前面に配設されたソース用
配線13にボンディングワイヤWを介して電気的に接続
されている。
In the ISFET 10, a drain region 2 and a source region 3 are formed on the main surface side of the silicon substrate 1 with a space therebetween, and a gate oxide film 5 made of a SiO 2 film is interposed between the two regions 2 and 3. For example, a Si 3 N 4 film or Ta 2 O 5
The ion-sensitive film 6 is formed. The pad 7a connected to the drain region 2 is electrically connected to the drain wiring 12 provided on the front surface of the support 15 via a bonding wire W, and the pad 8a connected to the source region 3 is supported. It is electrically connected to the source wiring 13 disposed on the front surface of the body 15 via a bonding wire W.

【0017】なお、本実施形態におけるISFET10
は、水素イオン(H+)の濃度を特定のイオンの濃度と
して測定するものであり、イオン感応膜6をSi34
またはTa25膜により形成しているが、イオン感応膜
6はSi34膜やTa25膜に限定するものではなく、
また、水素イオン以外の特定のイオンを測定イオンとす
る場合には、イオン感応膜6を所望の特定のイオンに感
応する材料により形成すればよい。
The ISFET 10 according to the present embodiment
Is for measuring the concentration of hydrogen ions (H + ) as the concentration of a specific ion. The ion-sensitive film 6 is formed of a Si 3 N 4 film or a Ta 2 O 5 film. Is not limited to a Si 3 N 4 film or a Ta 2 O 5 film,
When specific ions other than hydrogen ions are used as measurement ions, the ion-sensitive film 6 may be formed of a material that is sensitive to desired specific ions.

【0018】図1に示す構成のISFET10は、水素
イオン(H+)を含む測定溶液(水溶液)中に浸漬する
と、イオン感応膜6表面と測定溶液中のイオンとの相互
作用により界面電位が発生し、水素イオン濃度(pH)
の大きさに応じてシリコン基板1の主表面側においてド
レイン領域2とソース領域3との間の部位に形成される
チャネル(図示せず)の大きさが変化するから、水素イ
オン濃度(pH)の大きさに応じてドレイン電極7・ソ
ース電極8間に流れるドレイン電流Idが変化する。
When the ISFET 10 having the configuration shown in FIG. 1 is immersed in a measurement solution (aqueous solution) containing hydrogen ions (H + ), an interface potential is generated due to the interaction between the surface of the ion-sensitive membrane 6 and the ions in the measurement solution. And hydrogen ion concentration (pH)
The size of a channel (not shown) formed in a portion between the drain region 2 and the source region 3 on the main surface side of the silicon substrate 1 changes according to the size of the hydrogen ion concentration (pH). The drain current Id flowing between the drain electrode 7 and the source electrode 8 changes according to the magnitude of the current.

【0019】したがって、参照電極34とISFET1
0のソース電極8との間の出力電圧Vrsを一定とし、
さらにドレイン電極7・ソース電極8間に印加するドレ
イン電圧Vdを一定としたときのドレイン電流Idを測
定することによりpHを知ることができる。
Therefore, the reference electrode 34 and the ISFET 1
0, the output voltage Vrs between the source electrode 8 and the source electrode 8 is constant,
Further, the pH can be known by measuring the drain current Id when the drain voltage Vd applied between the drain electrode 7 and the source electrode 8 is constant.

【0020】ところで、本実施形態のイオンセンサは、
シリコン基板1の裏面に開口された凹所1aに連通し電
解液31が溜められる液溜め部17を支持体15に設け
てある。したがって、本実施形態のイオンセンサでは、
シリコン基板1の裏面に開口された凹所1aと支持体1
5に設けられた液溜め部17とにわたって電解液31が
充填されている。ここにおいて、支持体15に設けられ
た液溜め部17は、支持体15の一側面(図1(b)に
おける右側面)側へ延長して形成され、支持体15の上
記一側面には電解液31を充填するための注入口19が
開口されている。なお、支持体15の注入口19はキャ
ップ18により閉塞されており、上述の参照電極34は
キャップ18に挿通されている。
Incidentally, the ion sensor of this embodiment is
The support body 15 is provided with a liquid reservoir 17 that communicates with a recess 1 a opened on the back surface of the silicon substrate 1 and stores the electrolytic solution 31. Therefore, in the ion sensor of the present embodiment,
Recess 1a opened on the back surface of silicon substrate 1 and support 1
The electrolyte solution 31 is filled over the liquid reservoir 17 provided in the fuel cell 5. Here, the liquid reservoir 17 provided on the support 15 is formed so as to extend to one side (the right side in FIG. 1B) of the support 15, and the electrolytic solution is provided on the one side of the support 15. An injection port 19 for filling the liquid 31 is opened. The inlet 19 of the support 15 is closed by the cap 18, and the above-described reference electrode 34 is inserted through the cap 18.

【0021】以下、本実施形態のイオンセンサの製造方
法について簡単に説明する。
Hereinafter, a method of manufacturing the ion sensor according to the present embodiment will be briefly described.

【0022】まず、異方性エッチングによってシリコン
基板1の裏面に凹所1aを開口することで薄肉部1bを
形成した後、シリコン基板1の主表面側にISFET1
0を例えば一般的なMOSFETの製造プロセスに準じ
たプロセスで形成する。次に、シリコン基板1の薄肉部
1bに多数の小孔38aを形成することにより液絡部3
8を形成する。その後、ISFET10および液絡部3
8が形成されたシリコン基板1を支持体15に接着し、
上述のボンディングワイヤW,Wのボンディングを行
い、次に、注入口19から電解液31を充填してから注
入口19をキャップ18により閉塞し、最後に参照電極
34をキャップ18に挿通させる。
First, a thin portion 1b is formed by opening a recess 1a on the back surface of the silicon substrate 1 by anisotropic etching, and then the ISFET 1 is formed on the main surface side of the silicon substrate 1.
0 is formed by, for example, a process according to a general MOSFET manufacturing process. Next, by forming a large number of small holes 38a in the thin portion 1b of the silicon substrate 1, the liquid junction 3 is formed.
8 is formed. Then, the ISFET 10 and the liquid junction 3
The silicon substrate 1 on which 8 has been formed is adhered to the support 15,
The bonding wires W, W are bonded as described above, and then the electrolyte solution 31 is filled from the injection port 19, the injection port 19 is closed with the cap 18, and finally, the reference electrode 34 is inserted through the cap 18.

【0023】しかして、本実施形態のイオンセンサで
は、イオン感応膜6と液絡部38とが1つのシリコン基
板1の主表面側に設けられているので、イオンセンサ全
体としての小型化を図ることができ、従来に比べて少な
い面積で測定液中の特定のイオンの濃度を測定すること
が可能となるから、より狭い空間にある測定液の測定が
可能となる。また、シリコン基板1の裏面に開口された
凹所1aに連通し且つ電解液31が溜められた液溜め部
17をシリコン基板1の裏面の凹所1aを閉塞するよう
にシリコン基板1に接合された支持体15に設けてある
ので、別部材を用いることなしに参照電極34が接する
電解液31の量を増やすことができ、長寿命化を図るこ
とができる。なお、半導体基板はp形のシリコン基板に
限定するものではない。
However, in the ion sensor of the present embodiment, since the ion-sensitive film 6 and the liquid junction 38 are provided on the main surface side of one silicon substrate 1, the overall size of the ion sensor is reduced. Since it is possible to measure the concentration of a specific ion in the measurement solution with a smaller area than in the conventional case, it is possible to measure the measurement solution in a narrower space. Further, the liquid reservoir 17 communicating with the concave portion 1a opened on the back surface of the silicon substrate 1 and storing the electrolytic solution 31 is joined to the silicon substrate 1 so as to close the concave portion 1a on the rear surface of the silicon substrate 1. Since the support member 15 is provided on the support 15, the amount of the electrolytic solution 31 in contact with the reference electrode 34 can be increased without using a separate member, and the life can be extended. Note that the semiconductor substrate is not limited to a p-type silicon substrate.

【0024】(実施形態2)本実施形態のイオンセンサ
の基本構成は実施形態1と略同じであり、図2に示すよ
うに、シリコン基板1の裏面側にドレイン電極7および
ソース電極8および参照電極34を設けている点に特徴
がある。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の
符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2) The basic configuration of an ion sensor of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1. As shown in FIG. 2, a drain electrode 7 and a source electrode 8 are formed on the back side of the silicon substrate 1 as shown in FIG. The feature is that the electrode 34 is provided. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

【0025】本実施形態では、シリコン基板1の裏面に
実施形態1で説明したドレイン領域2およびソース領域
3へ達する凹所1cが開口されており、凹所1cの内面
およびシリコン基板1の裏面にわたって絶縁膜41が形
成され、絶縁膜41に設けたコンタクトホールを介して
ドレイン電極7およびソース電極8がそれぞれドレイン
領域2、ソース領域3に接続されている。ここに、ドレ
イン電極7およびソース電極8は、シリコン基板1の裏
面まで延長され、支持体15に一体に形成されたドレイ
ン用配線12、ソース用配線13にそれぞれ接続されて
いる。なお、イオン感応膜6は、上記凹所1cを開口す
ることにより形成された薄肉部1dの主表面側に形成さ
れている。
In the present embodiment, the recess 1c reaching the drain region 2 and the source region 3 described in the first embodiment is opened on the back surface of the silicon substrate 1, and extends over the inner surface of the recess 1c and the back surface of the silicon substrate 1. An insulating film 41 is formed, and the drain electrode 7 and the source electrode 8 are connected to the drain region 2 and the source region 3 via contact holes provided in the insulating film 41, respectively. Here, the drain electrode 7 and the source electrode 8 extend to the back surface of the silicon substrate 1 and are connected to the drain wiring 12 and the source wiring 13 formed integrally with the support 15. The ion-sensitive film 6 is formed on the main surface side of the thin portion 1d formed by opening the recess 1c.

【0026】また、参照電極34は、実施形態1で説明
した凹所1aの内面に沿って形成されシリコン基板1の
裏面まで延長され支持体15に一体に設けられた銀−塩
化銀電極用配線14に接続されている。なお、参照電極
34と凹所1aの内面との間には図示しない絶縁膜が形
成されている。
The reference electrode 34 is formed along the inner surface of the recess 1 a described in the first embodiment, extends to the back surface of the silicon substrate 1, and is provided integrally with the support 15 for the silver-silver chloride electrode wiring. 14. An insulating film (not shown) is formed between the reference electrode 34 and the inner surface of the recess 1a.

【0027】しかして、本実施形態では、支持体15の
収納凹所16の底面側で各電極7,8,34と各配線1
2,13,14との間の接続を行うことができるので、
耐水性が向上する。
In this embodiment, the electrodes 7, 8, and 34 and the wiring 1 are arranged on the bottom side of the storage recess 16 of the support 15.
Can make connections between 2, 13, and 14,
Water resistance is improved.

【0028】(実施形態3)本実施形態のイオンセンサ
の基本構成は実施形態1と略同じであり、図3に示すよ
うに、実施形態1で説明した薄肉部1bにISFET1
0を形成している点に特徴がある。ここにおいて、IS
FET10のドレイン領域2に接続されるパッド7a、
ソース領域3に接続されるパッド8aは薄肉部1b以外
の部位に設けてあり、ドレイン領域2およびソース領域
3は薄肉部1bの外側まで延長されている。なお、実施
形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を
省略する。また、図3(a)中の9はフィールド酸化膜
を示す。
(Embodiment 3) The basic configuration of the ion sensor of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1, and as shown in FIG.
It is characterized in that 0 is formed. Where IS
A pad 7a connected to the drain region 2 of the FET 10,
The pad 8a connected to the source region 3 is provided at a portion other than the thin portion 1b, and the drain region 2 and the source region 3 extend outside the thin portion 1b. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Also, 9 in FIG. 3A indicates a field oxide film.

【0029】しかして、本実施形態では、ISFET1
0をシリコン基板1における薄肉部1bの主表面側に形
成してあるので、実施形態1のようにISFET10が
シリコン基板1における薄肉部1b以外の部位の主表面
側に形成されている場合に比べて、シリコン基板1の面
積を小さくする(要するに、チップの面積を小さくす
る)ことができ、より一層の小型化を図ることができ
る。
In this embodiment, the ISFET 1
0 is formed on the main surface side of the thin portion 1b of the silicon substrate 1, so that the ISFET 10 is formed on the main surface side of a portion other than the thin portion 1b of the silicon substrate 1 as in the first embodiment. Thus, the area of the silicon substrate 1 can be reduced (in short, the area of the chip can be reduced), and the size can be further reduced.

【0030】(実施形態4)本実施形態のイオンセンサ
の基本構成は実施形態1と略同じであり、図4に示すよ
うに、実施形態1で説明したISFET10のイオン感
応膜6の代わりにゲート電極56を設けることでシリコ
ン基板1の主表面側にMOSFET50を形成し、MO
SFET50のゲート電極56が液絡部38に重なる部
位まで延長され、薄肉部1bの主表面側においてゲート
電極56を覆うようにイオン感応膜6が形成されている
点に特徴がある。ここにおいて、イオン感応膜6および
ゲート電極56は、液絡部38の各小孔38aにそれぞ
れ連通する多数の貫通孔6a,56aが形成されてい
る。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号
を付して説明を省略する。また、図4中の9はフィール
ド酸化膜を示す。
(Embodiment 4) The basic configuration of the ion sensor of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1, and as shown in FIG. 4, a gate is used instead of the ion-sensitive film 6 of the ISFET 10 described in Embodiment 1. By providing the electrode 56, the MOSFET 50 is formed on the main surface side of the silicon substrate 1,
It is characterized in that the gate electrode 56 of the SFET 50 is extended to a position overlapping the liquid junction 38, and the ion-sensitive film 6 is formed so as to cover the gate electrode 56 on the main surface side of the thin portion 1b. Here, the ion-sensitive film 6 and the gate electrode 56 are formed with a large number of through-holes 6a and 56a communicating with the small holes 38a of the liquid junction 38, respectively. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Also, reference numeral 9 in FIG. 4 denotes a field oxide film.

【0031】しかして、本実施形態のイオンセンサで
は、イオン感応膜6の表面積を上記各実施形態に比べて
比較的大きくすることができるから、上記各実施形態に
比べて測定溶液に対するイオン感応膜6の位置合わせが
容易になり、使い勝手が良くなる。
However, in the ion sensor according to the present embodiment, the surface area of the ion-sensitive membrane 6 can be made relatively large as compared with each of the above-described embodiments. 6 becomes easy, and the usability is improved.

【0032】[0032]

【発明の効果】請求項1の発明は、特定のイオンに感応
するイオン感応膜が主表面側に露出する形で形成された
半導体基板と、前記半導体基板の裏面に凹所を開口する
ことにより形成された薄肉部に形成され前記凹所に充填
された電解液と前記半導体基板の主表面側の測定溶液と
を接触させるための小孔が設けられた液絡部と、前記凹
所を閉塞するように前記半導体基板に接合された支持体
と、電解液に接触する参照電極とを備え、前記凹所に連
通し且つ電解液が溜められた液溜め部を前記支持体に設
けてあるので、イオン感応膜と液絡部とが1つの半導体
基板の主表面側に設けられていることにより、イオンセ
ンサ全体としての小型化を図ることができ、従来に比べ
て少ない面積で測定溶液中の特定のイオンの濃度を測定
することが可能となるから、より狭い空間にある測定溶
液の測定が可能となるという効果がある。また、半導体
基板の裏面に開口された凹所に連通し且つ電解液が溜め
られた液溜め部を半導体基板の裏面の凹所を閉塞するよ
うに半導体基板に接合された支持体に設けてあるので、
別部材を用いることなしに参照電極が接する電解液の量
を増やすことができ、長寿命化を図ることができるとい
う効果がある。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate in which an ion-sensitive film sensitive to specific ions is formed on the main surface side, and a recess is formed on the back surface of the semiconductor substrate. A liquid junction provided with a small hole for contacting the electrolyte solution formed in the formed thin portion and filling the recess with the measurement solution on the main surface side of the semiconductor substrate, and closing the recess; A support electrode joined to the semiconductor substrate and a reference electrode in contact with the electrolytic solution, and a liquid reservoir communicating with the recess and storing the electrolytic solution is provided on the support member. Since the ion-sensitive film and the liquid junction are provided on the main surface side of one semiconductor substrate, it is possible to reduce the size of the entire ion sensor, and to reduce the area of the measurement solution with a smaller area than before. It is possible to measure the concentration of specific ions Since that, there is an effect that the measurement of the measurement solution enables in a narrower space. In addition, a liquid reservoir portion communicating with the concave portion opened on the back surface of the semiconductor substrate and storing the electrolytic solution is provided on a support joined to the semiconductor substrate so as to close the concave portion on the rear surface of the semiconductor substrate. So
There is an effect that the amount of the electrolytic solution in contact with the reference electrode can be increased without using a separate member, and the life can be extended.

【0033】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記イオン感応膜を前記半導体基板における前記薄
肉部の主表面側に形成してあるので、前記イオン感応膜
が前記半導体基板における前記薄肉部以外の部位の主表
面側に形成されている場合に比べて前記半導体基板の面
積を小さくすることができ、より一層の小型化を図るこ
とができるという効果がある。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the ion-sensitive film is formed on the main surface side of the thin portion of the semiconductor substrate. The area of the semiconductor substrate can be reduced as compared with the case where the semiconductor substrate is formed on the main surface side of a portion other than the thin portion, and there is an effect that the size can be further reduced.

【0034】請求項3の発明は、請求項2の発明におい
て、前記液絡部は、前記小孔が前記薄肉部の全体にわた
って多数形成され、前記半導体基板は、前記液絡部が形
成された領域以外の部位の主表面側にMOSFETが形
成されるとともに、当該MOSFETのゲート電極が前
記液絡部に重なるように延長され、前記イオン感応膜
は、前記薄肉部の主表面側において前記ゲート電極を覆
うように形成され、前記イオン感応膜および前記ゲート
電極は、前記液絡部の各小孔にそれぞれ連通する多数の
貫通孔が形成されているので、前記イオン感応膜の表面
積を比較的大きくすることができるから、前記イオン感
応膜の表面積が小さい場合に比べて測定溶液に対するイ
オン感応膜の位置合わせが容易になり、使い勝手が良く
なるという効果がある。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, the liquid junction has a large number of the small holes formed over the entire thin portion, and the semiconductor substrate has the liquid junction formed therein. A MOSFET is formed on a main surface side of a portion other than the region, and a gate electrode of the MOSFET is extended so as to overlap the liquid junction, and the ion-sensitive film is provided on the main surface side of the thin portion. Are formed so as to cover the ion-sensitive film and the gate electrode, since a large number of through holes communicating with the respective small holes of the liquid junction are formed, the surface area of the ion-sensitive film is relatively large. Therefore, compared to the case where the surface area of the ion-sensitive membrane is small, the positioning of the ion-sensitive membrane with respect to the measurement solution is facilitated, and the usability is improved. .

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

【図1】実施形態1を示し、(a)は概略平面図、
(b)は概略断面図である。
FIG. 1 shows a first embodiment, in which (a) is a schematic plan view,
(B) is a schematic sectional view.

【図2】実施形態2を示し、(a)は概略平面図、
(b)は概略断面図、(c)は概略側断面図である。
FIG. 2 shows a second embodiment, in which (a) is a schematic plan view,
(B) is a schematic sectional view, (c) is a schematic side sectional view.

【図3】実施形態3を示し、(a)は一部破断した概略
断面図、(b)は一部破断した概略平面図である。
3A and 3B show a third embodiment, in which FIG. 3A is a schematic cross-sectional view with a part cut away, and FIG. 3B is a schematic plan view with a part cut off.

【図4】実施形態4を示し、(a)は一部破断した概略
断面図、(b)は一部破断した概略平面図、(c)は
(a)の要部拡大図である。
4A and 4B show a fourth embodiment, in which FIG. 4A is a schematic cross-sectional view with a part broken, FIG. 4B is a schematic plan view with a part broken, and FIG. 4C is an enlarged view of a main part of FIG.

【図5】従来例を示すイオンセンサの概略構成図であ
る。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an ion sensor showing a conventional example.

【図6】他の従来例を示すイオンセンサの概略構成図で
ある。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an ion sensor showing another conventional example.

【図7】同上の原理説明図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the principle of the above.

【図8】別の従来例の要部断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a main part of another conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 1a 凹所 1b 薄肉部 2 ドレイン領域 3 ソース領域 5 ゲート酸化膜 6 イオン感応膜 15 支持体 16 収納凹所 17 液溜め部 31 電解液 34 参照電極 38 液絡部 38a 小孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 1a Depression 1b Thin part 2 Drain region 3 Source region 5 Gate oxide film 6 Ion sensitive film 15 Support 16 Storage recess 17 Liquid reservoir 31 Electrolyte 34 Reference electrode 38 Liquid junction 38a Small hole

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 特定のイオンに感応するイオン感応膜が
主表面側に露出する形で形成された半導体基板と、前記
半導体基板の裏面に凹所を開口することにより形成され
た薄肉部に形成され前記凹所に充填された電解液と前記
半導体基板の主表面側の測定溶液とを接触させるための
小孔が設けられた液絡部と、前記凹所を閉塞するように
前記半導体基板に接合された支持体と、電解液に接触す
る参照電極とを備え、前記凹所に連通し且つ電解液が溜
められた液溜め部を前記支持体に設けてなることを特徴
とするイオンセンサ。
1. A semiconductor substrate formed in such a manner that an ion-sensitive film sensitive to specific ions is exposed on the main surface side, and a thin-walled portion formed by opening a recess in the back surface of the semiconductor substrate. A liquid junction provided with a small hole for contacting the electrolytic solution filled in the recess and the measurement solution on the main surface side of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate so as to close the recess An ion sensor, comprising: a joined support; and a reference electrode in contact with the electrolyte, wherein the support is provided with a liquid reservoir communicating with the recess and storing the electrolyte.
【請求項2】 前記イオン感応膜を前記半導体基板にお
ける前記薄肉部の主表面側に形成してなることを特徴と
する請求項1記載のイオンセンサ。
2. The ion sensor according to claim 1, wherein the ion-sensitive film is formed on a main surface side of the thin portion of the semiconductor substrate.
【請求項3】 前記液絡部は、前記小孔が前記薄肉部の
全体にわたって多数形成され、前記半導体基板は、前記
液絡部が形成された領域以外の部位の主表面側にMOS
FETが形成されるとともに、当該MOSFETのゲー
ト電極が前記液絡部に重なるように延長され、前記イオ
ン感応膜は、前記薄肉部の主表面側において前記ゲート
電極を覆うように形成され、前記イオン感応膜および前
記ゲート電極は、前記液絡部の各小孔にそれぞれ連通す
る多数の貫通孔が形成されてなることを特徴とする請求
項2記載のイオンセンサ。
3. The liquid junction, wherein a large number of the small holes are formed throughout the thin portion, and the semiconductor substrate is provided with a MOS on a main surface side of a portion other than a region where the liquid junction is formed.
The FET is formed, and the gate electrode of the MOSFET is extended so as to overlap the liquid junction. The ion-sensitive film is formed so as to cover the gate electrode on the main surface side of the thin portion, and 3. The ion sensor according to claim 2, wherein the sensitive film and the gate electrode are formed with a large number of through holes communicating with the small holes of the liquid junction.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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