JP2005265727A - イオンセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 全体をシート状に薄肉小型化できるとともに可撓性にも優れ、曲面を呈する部位でも高い測定精度が得られ、しかも、使い捨て使用の実現が容易となるように製作コストの低減が図れるようにする。
【解決手段】 ISFETセンサチップ3と、折曲げ微小ケース10の上面にAgCl/Ag電極12が作成され、かつ、折曲げ微小ケース10裏面の凹部10a内に固定化KClゲルシート7が格納されてなるRE電極5とが、フレキシブル基板2上に横並びに実装されているとともに、RE電極5の液絡部用穴6に対応するフレキシブル基板2部分には多孔質シート7が貼付けられている。
【選択図】 図1
【解決手段】 ISFETセンサチップ3と、折曲げ微小ケース10の上面にAgCl/Ag電極12が作成され、かつ、折曲げ微小ケース10裏面の凹部10a内に固定化KClゲルシート7が格納されてなるRE電極5とが、フレキシブル基板2上に横並びに実装されているとともに、RE電極5の液絡部用穴6に対応するフレキシブル基板2部分には多孔質シート7が貼付けられている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、例えば口腔内に差し入れ、歯の表面や皮膚などのpH測定、血液成分の測定等に用いられるイオンセンサに関する。詳しくは、イオン感応形電界効果トランジスタ(以下、ISFETという)からなるセンサチップと電位基準となる液絡付き参照電極(以下、RE電極という)とを備えているイオンセンサに関する。
この種のイオンセンサとして、従来、センサチップの感応部用穴及び参照電極の液絡部用穴を有し、内部に電気配線回路が形成されているフレキシブルプリント基板に、前記各穴に対向する箇所に開口部が形成されている補強板を貼付け等によって一体化し、この補強板の一方の開口部内にISFETセンサチップをその感応部が前記感応部用穴に臨むように挿入した上、その開口部を絶縁樹脂で封止してシート状イオンセンサを構成し、一方、飽和KCl(塩化カリウム)ゲルを充填した微小ケースの内部に金属疑似電極を埋設してなるRE電極用のケースを飽和KClゲルが前記液絡部用穴に接するようにシート状イオンセンサに重ね合わせ一体化したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、導電パターンを形成したガラス基板上にKCl/AgCl/Ag構造の内部電極を作成してなる液絡付きの微小RE電極と、AgCl電極を形成したガラス基板にイオン感応膜及び電解液を貯溜するための微小容器を形成したシリコン層を貼り合わせてなる微小イオン電極とを硬化性接着剤などを用いて重合接着してなるワンチップCa2+イオンセンサも知られている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、上記した従来のイオンセンサはいずれもISFETセンサチップとRE電極とが重ね合わせ一体化された立体的な構造であって、シート状に薄肉化、小型化することが難しく、特に、ガラス基板を用いる後者のイオンセンサの場合は可撓性が悪いために、歯の表面や皮膚などのように、平坦でなく複雑な曲面を呈する部位を測定対象とする場合、その部位表面に密着させることができず、それだけ測定精度の低下を招きやすい。また、従来の重ね合わせ構造のイオンセンサは、製作プロセスが複雑で製作コストが高くつくために、使い回しによる感染症などを予防する上で望まれる使い捨て使用の実現が難しいという問題があった。
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、全体をシート状に薄肉小型化できるとともに可撓性にも優れて、いかなる曲面を呈する部位であっても高い測定精度が得られ、しかも、使い捨て使用の実現が容易となるほどに製作コストの低減が図れるイオンセンサを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係るイオンセンサは、センサチップの感応部用穴及び接続用パッドを有する領域と参照電極の液絡部用穴及び接続用パッドを有する領域とが横並び形成されているとともに外部接続用コネクタ電極及び配線パターンが形成されているフレキシブル基板の前記横並び領域のうち一方の領域には、イオン感応形電界効果トランジスタからなるセンサチップがその感応部を前記感応部用穴に臨ませて前記接続用パッドに接続させる状態で取付けられているとともに、他方の領域には、前記フレキシブル基板の接続用パッド上面に直接に内部電極を形成し、別途内部液を固相化したシートもしくは内部液を含浸させたシートまたは内部液を収容したケースをフレキシブル基板に接着してなる参照電極が取り付けられ、かつ、前記液絡部用穴に対応するフレキシブル基板部分には多孔質シートが貼付けられていることを特徴としている。
また、本発明の請求項2に係るイオンセンサは、センサチップの感応部用穴及び接続用パッドを有する領域と参照電極の液絡部用穴及び接続用パッドを有する領域とが横並び形成されているとともに、外部接続用コネクタ電極及び配線パターンが形成されているフレキシブル基板の前記横並び領域のうち一方の領域には、イオン感応形電界効果トランジスタからなるセンサチップがその感応部を前記穴に臨ませて前記接続用パッドに接続させる状態で取付けられているとともに、他方の領域には、その上面に内部電極を作成した保護シートにより内部液を固相化したシートもしくは内部液を含浸させたシートまたは内部液を充填した容器を被覆させてなる参照電極がその内部電極を前記接続用パッドに接続される状態で取付けられ、かつ、前記液絡部用穴に対応するフレキシブル基板部分には多孔質シートが貼付けられていることを特徴としている。
上記のような特徴構成を有する本発明の請求項1及び請求項2に係るイオンセンサは、ISFETセンサチップとRE電極とが単一のフレキシブル基板上に横並びで一体的に取付けられた構造であるから、従来の重ね合わせ構造のものに比べて、必要な剛性を確保しつつも、全体をシート状に薄肉化、小型化することができるとともに、優れた可撓性も持たせることができる。したがって、歯の表面や皮膚などのように、複雑な曲面を呈する部位を測定対象とする場合でも、その部位表面に密着させて高精度な測定を行うことができる。しかも、横並びにすることにより、ISFETセンサチップとRE電極との重ね合わせ位置精度等に特別な配慮が不要となり、それだけ製作プロセスの簡略合理化が図れて製作コストを低減することができ、これによって、使い回しによる感染症などを予防する上で望ましい使い捨て使用を容易に実現することができるという効果を奏する。
本発明に係るイオンセンサにおいて、請求項3に記載のように、前記センサチップに、前記接続用パッドの他に感応部を挟んで対向する位置にバランス用パッドを設け、これら感応部を挟んで対向する接続用及びバランス用パッドを半田バンプすることによりセンサチップをフレキシブル基板に取付ける構成を採用することによって、半田バンプ時の力をISFETセンサチップに均等にかけることが可能となり、補強板等の余分な部材を用いなくてもセンサチップ割れなどの不良事態の発生をなくすることができる。したがって、所定どおりの薄肉化、小型化を確保しつつ、製作歩留りの向上を図ることができる。
また、本発明に係るイオンセンサにおいて、請求項4に記載のように、前記センサチップとフレキシブル基板との隙間に樹脂を注入し、この注入樹脂により感応部用穴を除くセンサチップ表面部分を樹脂封止するとともに、前記センサチップの側面部及び裏面部を例えばエポキシ樹脂等で樹脂モールドする構成を採用することによって、従来から周知のアンダーフィル技術の活用で製作プロセスをより簡略化、効率化することが可能となり、一層のコストダウンを図りながら、ISFETセンサチップの裏面が唾液等の測定液に浸食されない高性能なイオンセンサの歩留り向上を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明に係るイオンセンサの第1実施例を示す全体概略斜視図、図2は図1のA−A’線断面図であり、この第1実施例のイオンセンサ1は、ポリイミド等の絶縁性フレキシブル基板2の長手方向一端の幅広部2Aでその幅方向の一端寄り領域には、後述するISFETセンサチップ3が取付けられているとともに、このセンサチップ3の側面部及び裏面部はエポキシ樹脂等により樹脂モールド4が施されている。
図1は本発明に係るイオンセンサの第1実施例を示す全体概略斜視図、図2は図1のA−A’線断面図であり、この第1実施例のイオンセンサ1は、ポリイミド等の絶縁性フレキシブル基板2の長手方向一端の幅広部2Aでその幅方向の一端寄り領域には、後述するISFETセンサチップ3が取付けられているとともに、このセンサチップ3の側面部及び裏面部はエポキシ樹脂等により樹脂モールド4が施されている。
また、前フレキシブル基板2の幅広部2Aでその幅方向他端寄り領域には、後述するRE電極5が取付けられているとともに、その領域に形成されている液絡部用穴6に対応するフレキシブル基板2の表面部分には、ゼオライト等のセラミック多孔質薄膜やポリイミド多孔質膜で不織布を挟んだもの、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)多孔質膜、あるいは、紫外線照射により部分的に多孔質部分が形成されたポリシランシート(詳細は後述する)やプラズマ重合膜などの有機薄膜を用いた多孔質シート7が貼付けられている。
さらに、前記フレキシブル基板2の長手方向他端の幅狭部2Bには、外部接続用コネクタ電極8が形成されているとともに、このコネクタ電極8と前記センサチップ3及びRE電極5とを接続する配線パターン9がフレキシブル基板2の裏面側にプリント形成されている。
前記ISFETセンサチップ3は、図3に示すように、研磨等により必要な厚さにまで薄くしたシリコンウエハ3aの中央部にセンシング部となるイオン感応膜部3bが形成されており、このイオン感応膜部3bを挟んで相対向するシリコンウエハ3a部分には配線接続用パッド3d及びバランス用パッド3eが設けられている。
一方、前記RE電極5は、図4に示すように、PETシートやポリイミドシート等の折曲げにより裏面に内部液の一例としての固相化KClゲルシート11の厚さ分に相当する深さの凹部10aが形成されている微小ケース10の上面に銀ペースト印刷もしくは銀メッキによりAg極パターン12aを形成し、かつ、このAg極パターン12aのフレキシブル基板2に対する接触部を除いた部分を塩化処理してAgCl膜12bを形成してなるAgCl/Ag電極(内部電極の一例)12を有するとともに、前記折曲げ微小ケース10裏面の凹部10a内に固体化KClゲルシート11を嵌合し接着保持させることにより構成されている。なお、フレキシブル基板2とAgパターン12aとの接続部の接触抵抗を低減するために、例えばCr+Auスパッタや電解メッキ等の金メッキ処理を施してもよい。
なお、内部液としては、前記固相化KClゲルシート11に代えて、粉末状のKClを充填したシートや内部液を含浸させたシートあるいは内部液を充填した容器を用い、それを前記微小ケース10裏面の凹部10a内に嵌合させたものであってもよく、また、シートに含浸させる、あるいは、容器に充填する内部液としては、塩化カリウム(KCl)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化アンモニウム(NH4Cl)などの塩化物や酢酸リチウム(LiCH3 COOH)等の電解質、あるいは、エタノールやイソプロピルアルコール等の有機溶媒を使用してもよい。さらに、RE電極5としては、前記折曲げ微小ケース10に代えて、前記固相化KClゲルシート11や粉末状のKClを充填したシート、前記の内部液を含浸させたシートあるいは内部液を充填した容器を被覆する可撓性保護シートを使用し、この可撓性保護シートの上面にAgCl/Ag電極などの内部電極12を形成させたものであってもよい。
上記のごとき構成のISFETセンサチップ3及びRE電極5をフレキシブル基板2に取付ける(実装する)ことによって、図1、図2に示すイオンセンサ1が製作されるが、以下、その製作手順について説明する。
図5は、実装前の前記フレキシブル基板2を示し、このフレキシブル基板2の長手方向一端の幅広部2Aでその幅方向の一端寄り領域には、前記ISFETセンサチップ3における配線接続用パッド3d及びバランス用パッド3eに対応する接続用パッド13d及びパランス用パッド13eとISFETセンサチップ3のイオン感応膜部3bに対応する感応部用穴14が形成されている一方、幅方向の他端寄り領域には、前述した液絡部用穴6とRE電極5におけるAgCl/Ag電極12への接続用パッド15が形成されている。
図5は、実装前の前記フレキシブル基板2を示し、このフレキシブル基板2の長手方向一端の幅広部2Aでその幅方向の一端寄り領域には、前記ISFETセンサチップ3における配線接続用パッド3d及びバランス用パッド3eに対応する接続用パッド13d及びパランス用パッド13eとISFETセンサチップ3のイオン感応膜部3bに対応する感応部用穴14が形成されている一方、幅方向の他端寄り領域には、前述した液絡部用穴6とRE電極5におけるAgCl/Ag電極12への接続用パッド15が形成されている。
そして、前記フレキシブル基板2一端の幅広部2Aでその幅方向の横並び領域のうち、一方の領域に、図6に示すように、ISFETセンサチップ3をその感応膜部3bが前記感応部用穴14に臨み、また、パッド3d,3eと13d,13e同士が図7に明示するように、半田バンプ16,16を介して接続され、かつ、センサチップ3の側面部及び裏面部がエポキシ樹脂等により樹脂モールド4される状態で取付けるとともに、他方の領域にRE電極5をそのAgCl/Ag電極12のAg極パターン12aが接続用パッド15に確実に接触するように圧接、圧着、スルーホールによるハンダ付け、銀ペーストによる接着、あるいは、折曲げ微小ケース10全周の熱圧着等の手段により取付けることによって、薄肉シート状のイオンセンサ1を製作する。
なお、前記多孔質シート7の一例として挙げたポリシランシートの一部に多孔質部分を形成する手段について説明すると、図7の(a)〜(d)に示すように、RE電極5の固体化KCIゲルシート11にポリシランシート25を重ねるとともに、このポリシランシート25の液絡部用穴14に対応する部分25aを除く箇所にレジストシート26を重ねた上で、このポリシランシート25に紫外線を照射することで前記液絡部用穴14に対応する部分25aを多孔質に形成し、この多孔質部分25aが液絡部用穴14に臨む状態でRE電極5をフレキシブル基板2に取付ける。このように液絡部となる多孔質部分25aを有するポリシランシート25をRE電極5側に一体化して、その多孔質部分25aを多孔質シートとして用いることによって、製作プロセスのより単純化が図れて一層のコストダウンが図れるとともに、RE電極5に必要な液の消費量を抑制することができる。
以上のように製作されたイオンセンサ1は、ISFETセンサチップ3とRE電極5とが単一のフレキシブル基板2上に横並びで一体的に取付けられたものであるから、必要な剛性は確保しつつも、全体をシート状に薄肉化、小型化することが可能であるとともに、可撓性にも優れており、したがって、歯の表面や皮膚などのように、複雑な曲面を呈する部位を測定対象とする場合でも、その部位表面にセンサチップ3及びRE電極5を密着させることが可能で口腔内pHなどを高精度に測定することができる。また、横並びにすることにより、両者3,5の重ね合わせ位置精度等に特別な配慮が不要で製作プロセスを簡略合理化して製作コストの低減が図れ、これによって、使い回しによる感染症などを予防する上で望まれる使い捨て使用を容易に実現することができる。
また、図8で示したように、ISFETセンサチップ3の感応膜部3bを挟んで対向する接続用及びバランス用パッド3d,3eをフレキシブル基板2側に同様に形成されたパッド13d,13eに半田バンプ16,16を介して接続することにより、半田バンプ時の力をISFETセンサチップ3に均等にかけることが可能となり、補強板等の余分な部材を用いないで薄肉化、小型化を確保しつつ、センサチップ割れなどの不良事態の発生をなくして製作歩留りの向上を図ることができる。
さらに、前記ISFETセンサチップ3とフレキシブル基板2の隙間に、図9の(a)に示すように、樹脂17を注入すると、この注入樹脂17がISFETセンサチップ3とフレキシブル基板2との間の毛細管現象により感応膜部3bを除くセンサチップ表面部分を樹脂封止することができ、その後、更に図9の(b)に示すような樹脂モールド4を施すことによって、従来から周知のアンダーフィル技術の活用で製作プロセスをより簡略化、効率化することが可能となり、一層のコストダウンを図りながら、ISFETセンサチップ3の裏面が唾液等の測定液に浸食されない高性能なイオンセンサ1の歩留りを一層向上することができる。
図10は本発明に係るイオンセンサの第2実施例を示す全体平面図であり、この第2実施例のイオンセンサ1は、フレキシブル基板2の長手方向一端の幅広部2AにISFETセンサチップ3とRE電極5とが横並びに取付けられているとともに、長手方向他端側にも幅広部2Cを形成し、この幅広部2Cに図11に示すような構成の信号処理用回路部18及び外部接続用コネクタ電極8を形成したものである。その他の構成は第1実施例と同一であるため、該当する構成要素に同一の符号を付してそれらの説明を省略する。なお、信号処理用回路部18には、図10の太実線で外郭を示したような保護カバー19が装着されている。
図12及び図13は本発明に係るイオンセンサの第3実施例を示す全体平面図及び側面図であり、この第3実施例のイオンセンサ1は、フレキシブル基板2の長手方向一端の幅広部2Aの表面にISFETセンサチップ3とRE電極5とが横並びに取付けられているとともに、前記幅広部2Aの裏面にセンサ駆動増幅部20が取付けられ、かつ、前記フレキシブル基板2の長手方向他端側の表裏面にデジタルペーパー技術や無線タグ技術を応用して、演算処理部21、測定値表示部22及び給電・通信アンテナ付きICチップからなる外部インターフェイス回路23等を組付け、これら各部21,22,23及び20をフレキシブル基板2への配線パターン9印刷により前記ISFETセンサチップ3及びRE電極5に電気的に接続し、さらに、前記センサ駆動増幅部20、演算処理部21及び外部インターフェイス回路23等を保護する保護膜24をフレキシブル基板2の裏面側に被覆形成してなる。なお、前記した各部20〜23を全て有機半導体技術を用いてフレキシブル基板2に形成してもよい。
このように構成された第3実施例のイオンセンサ1は、第1実施例のものと同様に、シート状に薄肉化、小型化が図れ、かつ、可撓性にも優れているだけでなく、外部と有線あるいは無線でデータ通信することが可能で、例えばpHセンシングシステムやイオン濃度センシングシステムなどにも応用できるといった広汎な適用性を有する。
なお、上記各実施例では、図4に示したように、折曲げ微小ケース10上面にAgCl/Ag電極12を形成するとともに、折曲げ微小ケース10裏面の凹部10a内に固体化KClゲルシート11や粉末状のKClを充填したシート、KCl液等の内部液を含浸させたシートあるいはKCl液等の内部液を充填した容器を嵌合してなるRE電極5をフレキシブル基板2の幅広部2Aの他方の領域に取り付けたもので説明したが、請求項2に記載のように、フレキシブル基板2の前記領域上面にAgCl/Ag電極12を直接にパターニングし、別途裏面凹部10a内に固相化KClゲルシート11、粉末状のKClを充填したシート、KCl液等の内部液を含浸させたシートまたはKCl液等の内部液を充填した容器を嵌合した折曲げ微小ケース10をフレキシブル基板2に接着したものであっても、また、前記固相化KClゲルシート11や粉末状のKClを充填したシート、KCl液等の内部液を含浸させたシートあるいはKCl液等の内部液を充填した容器を被覆した可撓性保護シートをフレキシブル基板2に接着したものであってもよい。
また、上記各実施例では、1つのフレキシブル基板2の幅広部2Aの幅方向の一端寄り領域及び他端寄り領域にそれぞれ1つのISFETセンサチップ3及びRE電極5が横並びに取付けられているもので示したが、それら領域に複数個のISFETセンサチップ3及びRE電極5を取り付けて差動構成のイオンセンサを製作してもよく、この場合も薄肉化、小型化が図れるとともに、優れた可撓性を確保することができる。
さらに、上記各実施例では、RE電極5における基材シート10として、PETやポリイミド等を用いたが、高アルカリの耐性を持たせるために液晶ポリマー等の材質を用いてもよい。
1 イオンセンサ
2 フレキシブル基板
3 ISFETセンサチップ
3b 感応膜部
3d 接続用パッド
3e バランス用パッド
4 樹脂モールド
5 RE電極
6 液絡部用穴
7 多孔質シート
8 外部接続用コネクタ電極
9 配線パターン
10 折曲げ微小ケース
10a 凹部
11 固体化KClゲルシート
12 AgCl/Ag電極(内部電極の一例)
14 感応部用穴
15 接続用パッド
16 半田バンプ
17 注入樹脂
25 ポリシランシート
25a 多孔質部分(液絡部)
2 フレキシブル基板
3 ISFETセンサチップ
3b 感応膜部
3d 接続用パッド
3e バランス用パッド
4 樹脂モールド
5 RE電極
6 液絡部用穴
7 多孔質シート
8 外部接続用コネクタ電極
9 配線パターン
10 折曲げ微小ケース
10a 凹部
11 固体化KClゲルシート
12 AgCl/Ag電極(内部電極の一例)
14 感応部用穴
15 接続用パッド
16 半田バンプ
17 注入樹脂
25 ポリシランシート
25a 多孔質部分(液絡部)
Claims (4)
- センサチップの感応部用穴及び接続用パッドを有する領域と参照電極の液絡部用穴及び接続用パッドを有する領域とが横並び形成されているとともに外部接続用コネクタ電極及び配線パターンが形成されているフレキシブル基板の前記横並び領域のうち一方の領域には、イオン感応形電界効果トランジスタからなるセンサチップがその感応部を前記感応部用穴に臨ませて前記接続用パッドに接続させる状態で取付けられているとともに、他方の領域には、前記フレキシブル基板の接続用パッド上面に直接に内部電極を形成し、別途内部液を固相化したシートもしくは内部液を含浸させたシートまたは内部液を収容したケースをフレキシブル基板に接着してなる参照電極が取り付けられ、かつ、前記液絡部用穴に対応するフレキシブル基板部分には多孔質シートが貼付けられていることを特徴とするイオンセンサ。
- センサチップの感応部用穴及び接続用パッドを有する領域と参照電極の液絡部用穴及び接続用パッドを有する領域とが横並び形成されているとともに、外部接続用コネクタ電極及び配線パターンが形成されているフレキシブル基板の前記横並び領域のうち一方の領域には、イオン感応形電界効果トランジスタからなるセンサチップがその感応部を前記穴に臨ませて前記接続用パッドに接続させる状態で取付けられているとともに、他方の領域には、その上面に内部電極を作成した保護シートにより内部液を固相化したシートもしくは内部液を含浸させたシートまたは内部液を充填した容器を被覆させてなる参照電極がその内部電極を前記接続用パッドに接続される状態で取付けられ、かつ、前記液絡部用穴に対応するフレキシブル基板部分には多孔質シートが貼付けられていることを特徴とするイオンセンサ。
- 前記センサチップには、前記接続用パッドの他に感応部を挟んで対向する位置にバランス用パッドが設けられ、これら感応部を挟んで対向する接続用及びバランス用パッドを半田バンプすることによりセンサチップがフレキシブル基板に取付けられている請求項1または2に記載のイオンセンサ。
- 前記センサチップとフレキシブル基板との隙間には樹脂が注入され、この注入樹脂により前記感応部用穴を除くセンサチップ表面部分が樹脂封止されているとともに、前記センサチップの側面部及び裏面部は樹脂モールドされている請求項1〜3のいずれかに記載のイオンセンサ。
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