JP2004177239A - 半導体イオンセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、参照電極と固体電解質が離脱する可能性が小さい小型半導体イオンセンサを提供する。
【解決手段】ISFET2(イオン感応性電界効果トランジスタ)と参照電極31を有し、水溶液中のイオンのセンシングやpHの測定に用いられる半導体イオンセンサに関するものである。大略矩形板状の半導体基板1に、参照電極31と固体電解質32とを備える開口部を有する参照電極用収納部11と、ISFET2とを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部12を設けてなる。
【選択図】図2
【解決手段】ISFET2(イオン感応性電界効果トランジスタ)と参照電極31を有し、水溶液中のイオンのセンシングやpHの測定に用いられる半導体イオンセンサに関するものである。大略矩形板状の半導体基板1に、参照電極31と固体電解質32とを備える開口部を有する参照電極用収納部11と、ISFET2とを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部12を設けてなる。
【選択図】図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ISFET(イオン感応性電界効果トランジスタ)と参照電極を有し、水溶液中のイオンのセンシングやpHの測定に用いる半導体イオンセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体イオンセンサの構成の概略を示す模式図を図12に示す。この種の半導体イオンセンサは、ISFET2と参照電極系部3とを主な構成部材としている。ISFET2は、半導体基板1に形成されるドレイン領域21、ソース領域22、チャネル領域23を有し、これらの表面に酸化膜26、イオン感応膜27を形成してなる。ドレイン領域21とソース領域22との間には所定の一定電圧Vdを印加するようにしており、ドレイン領域21、ソース領域22及びチャネル領域23は、電界効果トランジスタ機能を有する。酸化膜26は、これらの領域21、22、23の相互を絶縁する。そして、イオン感応膜27は、最外方(図において上方)に位置し、水溶液に接すると水溶液中の特定のイオンとの相互作用によりチャネル領域23の表面に電圧を発生する。
【0003】
一方、参照電極系部3は、図示していないが、参照電極と固体電解質とを備えており、固体電解質の一部は水溶液と接触するように、そして、固体電解質と接触するように参照電極が設けられている。両者の間には、両者の材質によって決まる一定の接触電圧Vrが発生する。模式図では、両者の材質を選定することにより、前記接触電圧を調整することを意味し、Vrを可変として表している。そして、参照電極系部3は、直流電源Vdの一端に電気的に接続する。この参照電極系部3は、水溶液中に浸したときに両者が接するように、適宜の固定手段により固定される。
【0004】
この半導体イオンセンサは、参照電極系部3とISFET2とが水溶液に接するように、これらを測定する水溶液に浸す。これにより、参照電極系部3の固体電解質とISFET2との間に、電圧Vrが印加される。一方、イオン感応膜27も水溶液と接触するので、水溶液中の特定のイオンとの相互作用により、このイオン濃度に応じてチャネル領域23と水溶液との間の電圧が変化する。ここで、ISFET2のドレイン領域21とソース領域22との間に一定電圧Vdが印加されているので、電界効果トランジスタとしての機能を発揮し、チャネル領域23の電圧に応じて、ドレイン領域21とソース領域22との間を流れる電流が変化する。この電流変化を図外電流検出手段にて検出し、変換して水溶液中のイオン濃度がISFET2のドレイン―ソースの電流値としてセンシングできる。
【0005】
しかし、この種の半導体イオンセンサは、ISFET2と参照電極系部3とが別個独立した部材であるので、全体として小型化が図りにくい。そこで、全体として小型化が図れるものとして、参照電極系部3をISFET2と同一の半導体基板1上に形成する構成が、特開平4―25756や特表平6―500178に開示されている。特開平4―25756では、図13に示すように、半導体基板1上に、凹状の参照電極用収納部11を形成し、この部分に参照電極系部3を取付ける構成としている。また、特表平6―500178では、図14に示すように、半導体基板1に、貫通させた参照電極用収納部11を形成し、この部分に、イオン感応膜27、参照電極31、固体電解質32からなる参照電極系部を取付ける構造としている。
【0006】
【特許文献1】
特開平4―25756号公報(第4−5頁、図6及び図8)
【0007】
【特許文献2】
特表平6―500178号公報(第1−4頁、図1及び図2)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1及び特許文献2の構成では、参照電極と固体電解質は、参照電極用収納部を形成した後に、取付けられている。このために、半導体基板が長時間にわたって振動を受けた場合に、参照電極と固体電解質とが離脱しないように、接合面に接着剤を塗布する等の手段を講じる必要があった。
【0009】
本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、特定の手段を講じることなく、安定して参照電極と固体電解質を保持することのできる小型半導体イオンセンサを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、半導体からなる大略矩形板状の半導体基板の表面上に、ISFETと参照電極用収納部とを設けてなり、前記参照電極用収納部に参照電極と固体電解質とを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0011】
請求項2に係る発明は、請求項1記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部が前記半導体基板を貫通してなることを特徴としている。
【0012】
請求項3に係る発明は、請求項2記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の側面が傾斜していて、開口部の面積が広い側に、前記参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0013】
請求項4に係る発明は、請求項1乃至請求項3記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部が蛇行形状をしていることを特徴としている。
【0014】
請求項1に係る発明は、大略矩形板状の半導体基板に、参照電極と固体電解質とを備える開口部を有する参照電極用収納部と、ISFETとを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0015】
請求項2に係る発明は、請求項1記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部が前記半導体基板を貫通してなることを特徴としている。
【0016】
請求項3に係る発明は、請求項2記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の側面が傾斜していて、開口部の面積が広い側に、前記参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0017】
請求項4に係る発明は、請求項1乃至請求項3記載の半導体イオンセンサにおいて。前記半導体基板の上面から見て前記参照電極用収納部が蛇行形状をしていることを特徴としている。
【0018】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
実施形態1に係る半導体イオンセンサについて図1〜3に基づいて説明する。図1は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図2は図1のX―Xの断面図であり、図3は参照電極用収納部の形成手順を示す図1のX―Xの断面図である。
【0019】
半導体基板1は、例えば、縦8mm、横4mm、厚さ0.5mmのシリコン製の薄板形状である。この表面に、図1に示すように、拡散工程によりドレイン領域21、ソース領域22、チャネル領域23、ドレイン端子24、ソース端子25を形成し、これらの領域の表面に、イオン感応膜(図では省略)を被覆することでISFET2を得る。
【0020】
次に、後述する手順により、開口部に突起状の参照電極用支持部12、12を有する参照電極用収納部11を形成する。この後、拡散工程により、参照電極用配線33と参照電極用端子34を形成する。この次に、後述する手順により、参照電極用収納部11の内部に参照電極31と固体電解質32とを取付ける。
【0021】
ここで、参照電極用収納部11の形成手順について、図3に基づいて説明する。まず、図3(a)に示すように、半導体基板1において、断面が台形状の第1エッチング部15のシリコンを異方性エッチングで除去することにより、第1収納部17を形成する。次に、図3(b)に示すように、第1収納部17の側面に位置する第2エッチング部16、16のシリコンを等方性エッチングで除去することにより、開口部の突起状の参照電極用支持部12、12を有する参照電極用収納部11が形成される。
【0022】
また、参照電極31は、粉末状のAgClを参照電極用収納部11の底面に配置して固形化することで得られる。さらに、固体電解質32は、ゾル状高分子材料を参照電極用収納部11に挿入し、これをゲル化することで得られる。
【0023】
このようにして形成された半導体イオンセンサの、ドレイン端子24、ソース端子25、参照電極用端子34には、電線で駆動電源回路や電流検知回路と接続される。ただし、これらの電線や回路は、図1では省略している。この半導体イオンセンサは、図1のZ―Z面より先端部を水溶液中に浸漬して、水溶液中のイオンのセンシングやpHの測定を行う。これらのISFET2を被覆しているイオン感応膜27と水溶液とが接触すると、チャネル領域23の電圧がイオン濃度に応じて変化する。一方、ISFET2のソース端子25は、参照電極用端子34と接続されているので、水溶液に対して一定の電圧が印加されている。このために、チャネル領域23の電圧が変化に応じて、ドレイン領域21とソース領域22との間を流れる電流が変化し、水溶液中のイオン濃度がこの電流値としてセンシングできる。
【0024】
本実施形態では、拡散工程によって形成されているISFET2の各領域は、半導体基板1が変質したものであり、半導体基板1とは化学結合により密着している。また、表面を被覆しているイオン感応膜も、スパッター等により形成されているので、半導体基板の表面とは密着している。一方、参照電極31と固体電解質32は、参照電極用収納部11を形成した後に、取付けられたものであり、半導体基板1と化学結合をしていない。しかし、参照電極用収納部11の開口部に形成された参照電極用支持部12、12により、参照電極31と固体電解質32が支持されている。このために、半導体基板1が上下振動を受けた場合に、参照電極用収納部11により抑えつけられているので、慣性力の低下等により、参照電極31や固体電解質32と参照電極用収納部11の接合面の応力が低減する場所もあり、クラックの発生を抑制する効果がある。また、振動によって発生したクラックの拡大が、参照電極用支持部12の付け根の部分で阻止される。さらに、接合面が完全に剥離した場合でも、参照電極用支持部12によって支持されているので、参照電極31と固体電解質32とは離脱することがない。このために、半導体基板1が長時間にわたって振動を受けても、安定して参照電極31と固体電解質32を保持することができ、半導体イオンセンサの長寿命化が図られる。
【0025】
(実施形態2)
実施形態2に係る半導体イオンセンサについて図4〜6に基づいて説明する。図4は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図5は図4のX―Xの断面図であり、図6は参照電極用収納部の形成手順を示す図4のX―Xの断面図である。
【0026】
実施形態2の半導体イオンセンサの構成は、実施形態1とほぼ同様である。実施形態1と異なるのは、図5に示すように、参照電極用収納部11が半導体基板1を貫通する構造となっていて、上面の開口部に参照電極用支持部12a、12aが、低面の開口部に参照電極用支持部12b、12bが形成されていることである。したがって、半導体基板1として必要な厚さは、参照電極系部の厚さだけで十分であり、実施形態1よりも薄くすることができる。このため、本実施形態の半導体基板1は、縦8mm、横4mm、厚さ0.3mmである。
【0027】
ここで、参照電極用収納部11の形成手順について、図6に基づいて説明する。まず、図6(a)に示すように、半導体基板1において、断面が矩形状で貫通した第1エッチング部15のシリコンを異方性エッチングで除去することにより、第1収納部17を形成する。次に、図6(b)に示すように、第1収納部17の側面に位置する第2エッチング部16、16のシリコンを等方性エッチングで除去することにより、上面の開口部に参照電極用支持部12a、12aと、低面の開口部に参照電極用支持部12b、12bとを有する参照電極用収納部11を形成する。また、参照電極31と固体電解質32は、実施形態1と同様にして取付けられる。ただし、参照電極31は、粉末状のAgClを参照電極用収納部11の側面に配置して固形化することで得られる。
【0028】
本実施形態では、半導体基板1に必要な厚さは、固体電解質の厚さだけで十分であり、半導体基板を実施形態1よりも薄くすることができる。
【0029】
(実施形態3)
実施形態3に係る半導体イオンセンサについて図7〜9に基づいて説明する。図7は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図8は図7のX―Xの断面図であり、図9は参照電極用収納部の形成手順を示す図8のX―Xの断面図である。
【0030】
実施形態3の半導体イオンセンサの構成は、実施形態2とほぼ同様である。実施形態2と異なるのは、図8に示すように、参照電極用収納部11の断面がテーパー状となっていて、広い側の開口部に参照電極用支持部12、12が形成されていることである。半導体基板1に必要な厚さは、参照電極系部の厚さだけでよく、本実施形態の厚さは、実施形態2と同様の0.3mmである。
【0031】
ここで、参照電極用収納部11の形成手順について、図9に基づいて説明する。まず、図9(a)に示すように、半導体基板1において、断面が台形状で貫通した第1エッチング部15のシリコンを異方性エッチングで除去することにより、第1収納部17を形成する。次に、図9(b)に示すように、第1収納部17の側面に位置する第2エッチング部16、16のシリコンを等方性エッチングで除去することにより、低面の開口部に突起状の参照電極用支持部12、12を有する参照電極用収納部11を形成する。また、参照電極31と固体電解質32は、実施形態2と同様にして、参照電極用収納部11に取付けられる。
【0032】
本実施形態では、半導体基板1に必要な厚さは、固体電解質の厚さだけで厚さだけで十分であり、半導体基板を実施形態1よりも薄くすることができる。
【0033】
(実施形態4)
実施形態4に係る半導体イオンセンサについて図10、11に基づいて説明する。図10は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図11は図10のX―Xの断面図である。
【0034】
実施形態4の半導体イオンセンサの構成及び形成手順は、実施形態1とほぼ同様である。実施形態1と異なるのは、図10に示すように、参照電極用収納部11が蛇行した形状となっていることである。なお、半導体基板1の厚さは、実施形態1と同様の0.5mmである。
【0035】
本実施形態では、参照電極用収納部11が蛇行した形状となっているので、半導体基板1と固体電解質32との接触面積が大きくなり、両者の密着性が向上する。このために、半導体基板1が長時間にわたって振動を受けても、実施形態1よりも安定して参照電極31と固体電解質32を保持することができ、半導体イオンセンサの長寿命化が図られる。
【0036】
【発明の効果】
請求項1に係る半導体イオンセンサは、大略矩形板状の半導体基板に、参照電極と固体電解質とを備える開口部を有する参照電極用収納部と、ISFETとを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部を設けてなることを特徴としているので、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、安定して参照電極と固体電解質を保持することができ、半導体イオンセンサの長寿命化が図られる。
【0037】
請求項2に係る半導体イオンセンサは、請求項1記載の構成において、前記参照電極用収納部が前記半導体基板を貫通してなることを特徴としているので、請求項1記載の効果に加えて、半導体基板を薄くすることができる。
【0038】
請求項3に係る半導体イオンセンサは、請求項2記載の構成において、前記参照電極用収納部の側面が傾斜していて、開口部の面積が広い側に、前記参照電極用支持部を設けてなることを特徴としているので、請求項2記載の効果に加えて、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、さらに安定して参照電極と固体電解質を保持することができ、半導体イオンセンサのわより長寿命化が図られる。
【0039】
請求項4に係る半導体イオンセンサは、請求項1乃至請求項3記載の構成において、前記半導体基板の上面から見て前記参照電極用収納部が蛇行形状をしていることを特徴としているので、半導体基板と固体電解質との接触面積が大きくなり、請求項1乃至請求項3記載の効果に加えて、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、さらに安定して参照電極と固体電解質を保持することができ、半導体イオンセンサのわより長寿命化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図2】図1のX―Xの断面図である。
【図3】実施形態1に係る半導体イオンセンサの形成手順を示す断面図である。
【図4】実施形態2に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図5】図4のX―Xの断面図である。
【図6】実施形態2に係る半導体イオンセンサの形成手順を示す断面図である。
【図7】実施形態3に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図8】図7のX―Xの断面図である。
【図9】実施形態3に係る半導体イオンセンサの形成手順を示す断面図である。
【図10】実施形態4に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図11】図10のX―Xの断面図である。
【図12】従来の半導体イオンセンサの構成の概略を示す模式図である。
【図13】従来例の半導体イオンセンサの平面図とY―Yの断面図である。
【図14】従来例の半導体イオンセンサの断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
11 参照電極用収納部
12 参照電極用支持部
12a 参照電極用支持部(上面)
12b 参照電極用支持部(低面)
15 第1エッチング部
16 第2エッチング部
17 第1収納部
2 ISFET
21 ドレイン領域
22 ソース領域
23 チャネル領域
24 ドレイン端子
25 ソース端子
26 酸化膜
27 イオン感応膜
3 参照電極系部
31 参照電極
32 固体電解質
33 参照電極用配線
34 参照電極用端子
【発明の属する技術分野】
本発明は、ISFET(イオン感応性電界効果トランジスタ)と参照電極を有し、水溶液中のイオンのセンシングやpHの測定に用いる半導体イオンセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体イオンセンサの構成の概略を示す模式図を図12に示す。この種の半導体イオンセンサは、ISFET2と参照電極系部3とを主な構成部材としている。ISFET2は、半導体基板1に形成されるドレイン領域21、ソース領域22、チャネル領域23を有し、これらの表面に酸化膜26、イオン感応膜27を形成してなる。ドレイン領域21とソース領域22との間には所定の一定電圧Vdを印加するようにしており、ドレイン領域21、ソース領域22及びチャネル領域23は、電界効果トランジスタ機能を有する。酸化膜26は、これらの領域21、22、23の相互を絶縁する。そして、イオン感応膜27は、最外方(図において上方)に位置し、水溶液に接すると水溶液中の特定のイオンとの相互作用によりチャネル領域23の表面に電圧を発生する。
【0003】
一方、参照電極系部3は、図示していないが、参照電極と固体電解質とを備えており、固体電解質の一部は水溶液と接触するように、そして、固体電解質と接触するように参照電極が設けられている。両者の間には、両者の材質によって決まる一定の接触電圧Vrが発生する。模式図では、両者の材質を選定することにより、前記接触電圧を調整することを意味し、Vrを可変として表している。そして、参照電極系部3は、直流電源Vdの一端に電気的に接続する。この参照電極系部3は、水溶液中に浸したときに両者が接するように、適宜の固定手段により固定される。
【0004】
この半導体イオンセンサは、参照電極系部3とISFET2とが水溶液に接するように、これらを測定する水溶液に浸す。これにより、参照電極系部3の固体電解質とISFET2との間に、電圧Vrが印加される。一方、イオン感応膜27も水溶液と接触するので、水溶液中の特定のイオンとの相互作用により、このイオン濃度に応じてチャネル領域23と水溶液との間の電圧が変化する。ここで、ISFET2のドレイン領域21とソース領域22との間に一定電圧Vdが印加されているので、電界効果トランジスタとしての機能を発揮し、チャネル領域23の電圧に応じて、ドレイン領域21とソース領域22との間を流れる電流が変化する。この電流変化を図外電流検出手段にて検出し、変換して水溶液中のイオン濃度がISFET2のドレイン―ソースの電流値としてセンシングできる。
【0005】
しかし、この種の半導体イオンセンサは、ISFET2と参照電極系部3とが別個独立した部材であるので、全体として小型化が図りにくい。そこで、全体として小型化が図れるものとして、参照電極系部3をISFET2と同一の半導体基板1上に形成する構成が、特開平4―25756や特表平6―500178に開示されている。特開平4―25756では、図13に示すように、半導体基板1上に、凹状の参照電極用収納部11を形成し、この部分に参照電極系部3を取付ける構成としている。また、特表平6―500178では、図14に示すように、半導体基板1に、貫通させた参照電極用収納部11を形成し、この部分に、イオン感応膜27、参照電極31、固体電解質32からなる参照電極系部を取付ける構造としている。
【0006】
【特許文献1】
特開平4―25756号公報(第4−5頁、図6及び図8)
【0007】
【特許文献2】
特表平6―500178号公報(第1−4頁、図1及び図2)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1及び特許文献2の構成では、参照電極と固体電解質は、参照電極用収納部を形成した後に、取付けられている。このために、半導体基板が長時間にわたって振動を受けた場合に、参照電極と固体電解質とが離脱しないように、接合面に接着剤を塗布する等の手段を講じる必要があった。
【0009】
本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、特定の手段を講じることなく、安定して参照電極と固体電解質を保持することのできる小型半導体イオンセンサを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、半導体からなる大略矩形板状の半導体基板の表面上に、ISFETと参照電極用収納部とを設けてなり、前記参照電極用収納部に参照電極と固体電解質とを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0011】
請求項2に係る発明は、請求項1記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部が前記半導体基板を貫通してなることを特徴としている。
【0012】
請求項3に係る発明は、請求項2記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の側面が傾斜していて、開口部の面積が広い側に、前記参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0013】
請求項4に係る発明は、請求項1乃至請求項3記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部が蛇行形状をしていることを特徴としている。
【0014】
請求項1に係る発明は、大略矩形板状の半導体基板に、参照電極と固体電解質とを備える開口部を有する参照電極用収納部と、ISFETとを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0015】
請求項2に係る発明は、請求項1記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部が前記半導体基板を貫通してなることを特徴としている。
【0016】
請求項3に係る発明は、請求項2記載の半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の側面が傾斜していて、開口部の面積が広い側に、前記参照電極用支持部を設けてなることを特徴としている。
【0017】
請求項4に係る発明は、請求項1乃至請求項3記載の半導体イオンセンサにおいて。前記半導体基板の上面から見て前記参照電極用収納部が蛇行形状をしていることを特徴としている。
【0018】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
実施形態1に係る半導体イオンセンサについて図1〜3に基づいて説明する。図1は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図2は図1のX―Xの断面図であり、図3は参照電極用収納部の形成手順を示す図1のX―Xの断面図である。
【0019】
半導体基板1は、例えば、縦8mm、横4mm、厚さ0.5mmのシリコン製の薄板形状である。この表面に、図1に示すように、拡散工程によりドレイン領域21、ソース領域22、チャネル領域23、ドレイン端子24、ソース端子25を形成し、これらの領域の表面に、イオン感応膜(図では省略)を被覆することでISFET2を得る。
【0020】
次に、後述する手順により、開口部に突起状の参照電極用支持部12、12を有する参照電極用収納部11を形成する。この後、拡散工程により、参照電極用配線33と参照電極用端子34を形成する。この次に、後述する手順により、参照電極用収納部11の内部に参照電極31と固体電解質32とを取付ける。
【0021】
ここで、参照電極用収納部11の形成手順について、図3に基づいて説明する。まず、図3(a)に示すように、半導体基板1において、断面が台形状の第1エッチング部15のシリコンを異方性エッチングで除去することにより、第1収納部17を形成する。次に、図3(b)に示すように、第1収納部17の側面に位置する第2エッチング部16、16のシリコンを等方性エッチングで除去することにより、開口部の突起状の参照電極用支持部12、12を有する参照電極用収納部11が形成される。
【0022】
また、参照電極31は、粉末状のAgClを参照電極用収納部11の底面に配置して固形化することで得られる。さらに、固体電解質32は、ゾル状高分子材料を参照電極用収納部11に挿入し、これをゲル化することで得られる。
【0023】
このようにして形成された半導体イオンセンサの、ドレイン端子24、ソース端子25、参照電極用端子34には、電線で駆動電源回路や電流検知回路と接続される。ただし、これらの電線や回路は、図1では省略している。この半導体イオンセンサは、図1のZ―Z面より先端部を水溶液中に浸漬して、水溶液中のイオンのセンシングやpHの測定を行う。これらのISFET2を被覆しているイオン感応膜27と水溶液とが接触すると、チャネル領域23の電圧がイオン濃度に応じて変化する。一方、ISFET2のソース端子25は、参照電極用端子34と接続されているので、水溶液に対して一定の電圧が印加されている。このために、チャネル領域23の電圧が変化に応じて、ドレイン領域21とソース領域22との間を流れる電流が変化し、水溶液中のイオン濃度がこの電流値としてセンシングできる。
【0024】
本実施形態では、拡散工程によって形成されているISFET2の各領域は、半導体基板1が変質したものであり、半導体基板1とは化学結合により密着している。また、表面を被覆しているイオン感応膜も、スパッター等により形成されているので、半導体基板の表面とは密着している。一方、参照電極31と固体電解質32は、参照電極用収納部11を形成した後に、取付けられたものであり、半導体基板1と化学結合をしていない。しかし、参照電極用収納部11の開口部に形成された参照電極用支持部12、12により、参照電極31と固体電解質32が支持されている。このために、半導体基板1が上下振動を受けた場合に、参照電極用収納部11により抑えつけられているので、慣性力の低下等により、参照電極31や固体電解質32と参照電極用収納部11の接合面の応力が低減する場所もあり、クラックの発生を抑制する効果がある。また、振動によって発生したクラックの拡大が、参照電極用支持部12の付け根の部分で阻止される。さらに、接合面が完全に剥離した場合でも、参照電極用支持部12によって支持されているので、参照電極31と固体電解質32とは離脱することがない。このために、半導体基板1が長時間にわたって振動を受けても、安定して参照電極31と固体電解質32を保持することができ、半導体イオンセンサの長寿命化が図られる。
【0025】
(実施形態2)
実施形態2に係る半導体イオンセンサについて図4〜6に基づいて説明する。図4は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図5は図4のX―Xの断面図であり、図6は参照電極用収納部の形成手順を示す図4のX―Xの断面図である。
【0026】
実施形態2の半導体イオンセンサの構成は、実施形態1とほぼ同様である。実施形態1と異なるのは、図5に示すように、参照電極用収納部11が半導体基板1を貫通する構造となっていて、上面の開口部に参照電極用支持部12a、12aが、低面の開口部に参照電極用支持部12b、12bが形成されていることである。したがって、半導体基板1として必要な厚さは、参照電極系部の厚さだけで十分であり、実施形態1よりも薄くすることができる。このため、本実施形態の半導体基板1は、縦8mm、横4mm、厚さ0.3mmである。
【0027】
ここで、参照電極用収納部11の形成手順について、図6に基づいて説明する。まず、図6(a)に示すように、半導体基板1において、断面が矩形状で貫通した第1エッチング部15のシリコンを異方性エッチングで除去することにより、第1収納部17を形成する。次に、図6(b)に示すように、第1収納部17の側面に位置する第2エッチング部16、16のシリコンを等方性エッチングで除去することにより、上面の開口部に参照電極用支持部12a、12aと、低面の開口部に参照電極用支持部12b、12bとを有する参照電極用収納部11を形成する。また、参照電極31と固体電解質32は、実施形態1と同様にして取付けられる。ただし、参照電極31は、粉末状のAgClを参照電極用収納部11の側面に配置して固形化することで得られる。
【0028】
本実施形態では、半導体基板1に必要な厚さは、固体電解質の厚さだけで十分であり、半導体基板を実施形態1よりも薄くすることができる。
【0029】
(実施形態3)
実施形態3に係る半導体イオンセンサについて図7〜9に基づいて説明する。図7は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図8は図7のX―Xの断面図であり、図9は参照電極用収納部の形成手順を示す図8のX―Xの断面図である。
【0030】
実施形態3の半導体イオンセンサの構成は、実施形態2とほぼ同様である。実施形態2と異なるのは、図8に示すように、参照電極用収納部11の断面がテーパー状となっていて、広い側の開口部に参照電極用支持部12、12が形成されていることである。半導体基板1に必要な厚さは、参照電極系部の厚さだけでよく、本実施形態の厚さは、実施形態2と同様の0.3mmである。
【0031】
ここで、参照電極用収納部11の形成手順について、図9に基づいて説明する。まず、図9(a)に示すように、半導体基板1において、断面が台形状で貫通した第1エッチング部15のシリコンを異方性エッチングで除去することにより、第1収納部17を形成する。次に、図9(b)に示すように、第1収納部17の側面に位置する第2エッチング部16、16のシリコンを等方性エッチングで除去することにより、低面の開口部に突起状の参照電極用支持部12、12を有する参照電極用収納部11を形成する。また、参照電極31と固体電解質32は、実施形態2と同様にして、参照電極用収納部11に取付けられる。
【0032】
本実施形態では、半導体基板1に必要な厚さは、固体電解質の厚さだけで厚さだけで十分であり、半導体基板を実施形態1よりも薄くすることができる。
【0033】
(実施形態4)
実施形態4に係る半導体イオンセンサについて図10、11に基づいて説明する。図10は半導体基板に形成された半導体イオンセンサの平面図であり、図11は図10のX―Xの断面図である。
【0034】
実施形態4の半導体イオンセンサの構成及び形成手順は、実施形態1とほぼ同様である。実施形態1と異なるのは、図10に示すように、参照電極用収納部11が蛇行した形状となっていることである。なお、半導体基板1の厚さは、実施形態1と同様の0.5mmである。
【0035】
本実施形態では、参照電極用収納部11が蛇行した形状となっているので、半導体基板1と固体電解質32との接触面積が大きくなり、両者の密着性が向上する。このために、半導体基板1が長時間にわたって振動を受けても、実施形態1よりも安定して参照電極31と固体電解質32を保持することができ、半導体イオンセンサの長寿命化が図られる。
【0036】
【発明の効果】
請求項1に係る半導体イオンセンサは、大略矩形板状の半導体基板に、参照電極と固体電解質とを備える開口部を有する参照電極用収納部と、ISFETとを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部を設けてなることを特徴としているので、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、安定して参照電極と固体電解質を保持することができ、半導体イオンセンサの長寿命化が図られる。
【0037】
請求項2に係る半導体イオンセンサは、請求項1記載の構成において、前記参照電極用収納部が前記半導体基板を貫通してなることを特徴としているので、請求項1記載の効果に加えて、半導体基板を薄くすることができる。
【0038】
請求項3に係る半導体イオンセンサは、請求項2記載の構成において、前記参照電極用収納部の側面が傾斜していて、開口部の面積が広い側に、前記参照電極用支持部を設けてなることを特徴としているので、請求項2記載の効果に加えて、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、さらに安定して参照電極と固体電解質を保持することができ、半導体イオンセンサのわより長寿命化が図られる。
【0039】
請求項4に係る半導体イオンセンサは、請求項1乃至請求項3記載の構成において、前記半導体基板の上面から見て前記参照電極用収納部が蛇行形状をしていることを特徴としているので、半導体基板と固体電解質との接触面積が大きくなり、請求項1乃至請求項3記載の効果に加えて、半導体基板が長時間にわたって振動を受けても、さらに安定して参照電極と固体電解質を保持することができ、半導体イオンセンサのわより長寿命化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図2】図1のX―Xの断面図である。
【図3】実施形態1に係る半導体イオンセンサの形成手順を示す断面図である。
【図4】実施形態2に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図5】図4のX―Xの断面図である。
【図6】実施形態2に係る半導体イオンセンサの形成手順を示す断面図である。
【図7】実施形態3に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図8】図7のX―Xの断面図である。
【図9】実施形態3に係る半導体イオンセンサの形成手順を示す断面図である。
【図10】実施形態4に係る半導体イオンセンサの平面図である。
【図11】図10のX―Xの断面図である。
【図12】従来の半導体イオンセンサの構成の概略を示す模式図である。
【図13】従来例の半導体イオンセンサの平面図とY―Yの断面図である。
【図14】従来例の半導体イオンセンサの断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
11 参照電極用収納部
12 参照電極用支持部
12a 参照電極用支持部(上面)
12b 参照電極用支持部(低面)
15 第1エッチング部
16 第2エッチング部
17 第1収納部
2 ISFET
21 ドレイン領域
22 ソース領域
23 チャネル領域
24 ドレイン端子
25 ソース端子
26 酸化膜
27 イオン感応膜
3 参照電極系部
31 参照電極
32 固体電解質
33 参照電極用配線
34 参照電極用端子
Claims (4)
- 大略矩形板状の半導体基板に、参照電極と固体電解質とを備える開口部を有する参照電極用収納部と、ISFETとを設けてなる半導体イオンセンサにおいて、前記参照電極用収納部の開口部に、開口部の面積を小さくするように突起状の参照電極用支持部を設けてなることを特徴とする半導体イオンセンサ。
- 前記参照電極用収納部が前記半導体基板を貫通してなることを特徴とする請求項1記載の半導体イオンセンサ。
- 前記参照電極用収納部の側面が傾斜していて、開口部の面積が広い側に、前記参照電極用支持部を設けてなることを特徴とする請求項2記載の半導体イオンセンサ。
- 前記半導体基板の上面から見て前記参照電極用収納部が蛇行形状をしていることを特徴とする請求項1乃至請求項3記載の半導体イオンセンサ。
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JP2002343106A JP2004177239A (ja) | 2002-11-26 | 2002-11-26 | 半導体イオンセンサ |
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JP2017203718A (ja) * | 2016-05-12 | 2017-11-16 | 横河電機株式会社 | イオンセンサ、イオン濃度の測定方法、および発酵物の製造方法 |
-
2002
- 2002-11-26 JP JP2002343106A patent/JP2004177239A/ja active Pending
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