JP2009025124A - Electrode for isfet sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検液中のイオン濃度を測定するイオンセンサやpHを測定するpHセンサなどのように、ゲート絶縁型FET(電界効果トランジスター)を用いてなるISFET(ion sensitive FET)センサ用電極に関する。 The present invention relates to an electrode for an ISFET (ion sensitive FET) sensor using a gate insulating FET (field effect transistor), such as an ion sensor for measuring an ion concentration in a test liquid or a pH sensor for measuring pH. About.
この種のISFETセンサ用電極として、従来、抵抗が大きく、機械的強度が低いガラス電極に代えて、ゲート絶縁型FETのゲート部表面に窒化シリコン(Si2 N3 )や五酸化タンタル(Ta2 O5 )、アルミナ(Al2 O3 )等を含む無機物のイオン感応性薄膜を被覆してなるものが知られている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。 As this type of ISFET sensor electrode, silicon nitride (Si 2 N 3 ) or tantalum pentoxide (Ta 2 ) is used on the surface of the gate portion of the gate insulating FET instead of a glass electrode having high resistance and low mechanical strength. Oxide sensitive thin films containing inorganic substances including O 5 ), alumina (Al 2 O 3 ), and the like are known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
上記特許文献1や2で知られている従来のISFETセンサ用電極の場合は、ガラス電極に比べて機械的強度に優れ、かつ、抵抗も小さくて微小電極として有用であるのみならず、ゲート部表面を窒化シリコン(Si2 N3 )等の無機物のイオン感応性薄膜で被覆させることにより、膜の特性に応じて、pHやpNa、pNH3 等の種々の化学的特性の測定に使用することが可能である。
In the case of the conventional ISFET sensor electrode known in
しかしながら、上記従来のISFETセンサ用電極では、オイルやアルコールなどの水分が非常に少ない非水溶媒溶液を測定対象とする場合、溶液と電極表面のイオン感応性薄膜との摩擦によって帯電しやすくて流動電位を生じ、それが原因で応答速度が遅く、指示値が安定しにくい。また、酵素活性度等の微量測定に用いる場合、溶液、特に蛋白が表面に残留しやすい上に繰り返し使用による汚れの影響もあり、これら残留物や汚れは洗浄しても容易に落ちず、その結果、測定精度の経時的な低下は避けられないという問題があった。 However, in the case of the above-mentioned conventional ISFET sensor electrode, when a non-aqueous solvent solution such as oil or alcohol having a very small amount of water is used as a measurement target, it is easy to be charged due to friction between the solution and the ion-sensitive thin film on the surface of the electrode. An electric potential is generated, the response speed is slow due to this, and the indicated value is difficult to stabilize. In addition, when used for micro-measurement of enzyme activity, etc., the solution, especially protein, is likely to remain on the surface, and there is also the effect of dirt due to repeated use. As a result, there has been a problem that a decrease in measurement accuracy over time is unavoidable.
本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、オイルやアルコール等の非水溶媒溶液を測定対象とする場合でも応答速度の向上及び指示値の安定化を図れるとともに、残留物や汚れを容易、確実に洗浄して高い測定精度を安定維持することができるISFETセンサ用電極を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to improve the response speed and stabilize the indicated value even when a non-aqueous solvent solution such as oil or alcohol is used as a measurement object, and to provide a residue. It is an object of the present invention to provide an ISFET sensor electrode that can easily and reliably clean and maintain high measurement accuracy.
上記目的を達成するために、本発明に係るISFETセンサ用電極は、ゲート絶縁型FETのゲート部表面に、窒化シリコン、五酸化タンタル、アルミナを含むイオン感応性薄膜を被覆してなるISFETセンサ用電極において、前記イオン感応性薄膜上で少なくとも前記ゲート部に対応する部分に、多孔性の酸化チタン膜を被覆していることを特徴としている。 In order to achieve the above object, an ISFET sensor electrode according to the present invention is for an ISFET sensor in which a gate portion surface of a gate insulating FET is coated with an ion sensitive thin film containing silicon nitride, tantalum pentoxide, and alumina. The electrode is characterized in that a porous titanium oxide film is coated on at least a portion corresponding to the gate portion on the ion-sensitive thin film.
上記のような特徴構成、すなわち、FETの少なくともゲート部に対応するイオン感応性薄膜部分を酸化チタン(TiO2 )膜で被覆させている本発明によれば、オイルやアルコールなど水分の非常に少ない非水溶媒溶液を測定対象とする場合でも、電極表面が表面張力の小さい親水性に優れているものであるために、微量の水分を凝集させることが可能であり、溶液とイオン感応性薄膜との摩擦によって生じる流動電位を軽減することができ、応答速度の向上及び指示値の安定化を図ることができる。しかも、酵素活性度等の微量測定に用いる場合でも、酸化チタン(TiO2 )膜の光触媒能によるセルフクリーニング機能により溶液の付着残留を非常に少なくすることができるとともに、酵素などの蛋白が一部残留したとしても、また、繰り返し使用に伴い汚れが生じたとしても、それらを水洗などのごく簡単な洗浄により容易、確実に除去することができる。したがって、非水溶媒溶液や酵素活性度等の微量測定も含めてイオンやpHなど所定の化学的物性の測定対象範囲、つまり、用途を拡大することができるだけでなく、ゲート部表面の残留物や汚れに起因するコンタミなどを防いで、長期に亘る繰り返し使用においても高い測定精度を安定よく維持することができるという効果を奏する。 According to the present invention in which the ion-sensitive thin film portion corresponding to at least the gate portion of the FET is coated with a titanium oxide (TiO 2 ) film, the moisture content such as oil and alcohol is very small. Even when a non-aqueous solvent solution is a measurement object, a small amount of water can be agglomerated because the electrode surface is excellent in hydrophilicity with a small surface tension. The flow potential generated by the friction can be reduced, the response speed can be improved, and the indicated value can be stabilized. Moreover, even when it is used for micro-measurement of enzyme activity and the like, the self-cleaning function by the photocatalytic ability of the titanium oxide (TiO 2 ) film can greatly reduce the residual adhesion of the solution, and some proteins such as enzymes Even if it remains, or even if it becomes dirty with repeated use, it can be easily and reliably removed by simple washing such as washing with water. Therefore, it is possible not only to expand the measurement target range of predetermined chemical physical properties such as ions and pH, including trace measurement such as non-aqueous solvent solution and enzyme activity, that is, not only can the application be expanded, There is an effect that contamination due to dirt is prevented, and high measurement accuracy can be stably maintained even in repeated use over a long period of time.
本発明において、前記多孔性の酸化チタン(TiO2 )膜は、ゲート部表面に対応する部分にのみ形成されていればよいが、請求項2に記載のように、多孔性の酸化チタン(TiO2 )膜を前記イオン感応性薄膜上の表面全域に被覆することが望ましい。この場合は、製造、すなわち、多孔性酸化チタン(TiO2 )膜の成膜が容易であるとともに、この酸化チタン(TiO2 )膜によるセルフクリーニング機能の破壊や機能低下を極力抑制して高測定精度の維持効果を一層向上することができる。
In the present invention, the porous titanium oxide (TiO 2 ) film may be formed only in a portion corresponding to the surface of the gate portion. However, as described in
また、本発明は、測定用FETのみを有するISFETセンサ用電極に適用してもよいが、特に、請求項3に記載のように、前記ゲート絶縁型FETが、被測定対象に同時に接触して両者の検知電圧差を検出するように一つの基板上に並び成形された測定用FETと参照用FETの二つを備え、そのうち測定用FETのゲート部表面には前記イオン感応性薄いが被膜されているとともに、参照用FETのゲート部表面にはイオン非感応性またはイオン感応度の低い薄膜が被覆され、かつ、前記測定用FETの少なくともゲート部表面に対応するイオン感応性薄膜部分上には、多孔性の酸化チタン膜が被覆されているとともに、前記参照用FETの少なくともゲート部表面に対応するイオン非感応性またはイオン感応度の低い薄膜部分上には、非多孔性の酸化チタン膜が被覆されているものに適用することが望ましい。
In addition, the present invention may be applied to an ISFET sensor electrode having only a measurement FET. In particular, as described in
この場合は、測定用電極及び参照用電極の両方共にゲート絶縁型FETを用いて両者の検知電圧差を検出することにより、例えば銀/塩化銀電極等の金属電極を組み合わせたものに比べて、電位の経時的ドリフト特性、各種誘導ノイズに対する感受性及び温度特性を相殺して測定感度及び測定精度のより一層の向上が図れると同時に、それら両電極のセルフクリーニング機能の働きによって長期繰り返し使用時の高測定精度の維持効果を十分に確保することができる。 In this case, both the measurement electrode and the reference electrode use a gate insulation type FET to detect the detection voltage difference between them, for example, compared to a combination of metal electrodes such as a silver / silver chloride electrode, It is possible to further improve the measurement sensitivity and measurement accuracy by offsetting the drift characteristics of the potential over time, the sensitivity to various induced noises, and the temperature characteristics. A sufficient maintenance effect of measurement accuracy can be ensured.
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,図2は、測定用FETと参照用FETの二つを備えたISFETセンサ用の電極に適用した場合の要部の縦断面図及び要部の拡大縦断面である。このISFETセンサ1は、高絶縁性のワンチップ基板であるシリコン(Si)ウェハ2に二つのn型(またはp型)領域3,3を作製するとともに、このn型領域3,3それぞれにp型(またはn型)チャンネルFET4,4を作り込み、各ドレインとソース間に亘ってアルミ配線5,6した後、全体をSiO2 などの酸化(絶縁)膜7で覆うことにより、同一特性を持つ測定用ISFET電極9と参照用ISFET電極10を、ワンチップのシリコンウェハ2上に横並び配置して形成している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 and FIG. 2 are a longitudinal sectional view of an essential part and an enlarged longitudinal sectional view of an essential part when applied to an electrode for an ISFET sensor having two FETs for measurement and a reference FET. The ISFET sensor 1 has two n-type (or p-type)
前記二つのFET4,4のうち、測定用ISFET電極9のゲート部表面には、五酸化タンタル(Ta2 O5 )、窒化シリコン(Si2 N3 )、アルミナ(Al2 O3 )などのイオン感応性薄膜8Aを堆積し成膜しているとともに、参照用ISFET電極10のゲート部表面には、有機単分子膜や有機膜などのイオン非感応性またはイオン感応度の低い薄膜8Bが被覆されている。また、前記シリコンウェハ2上に横並び配置された前記測定用ISFET電極9と参照用ISFET電極10との中間位置に対応する薄膜上には、例えばプラチナ(Pt)膜よりなる擬似比較電極11が形成されている。
Of the two
そして、前記測定用ISFET電極9のゲート部表面に対応するイオン感応性薄膜8A上には、多孔性の酸化チタン(TiO2 )膜12Aがディップコート法やCVD法などにより被覆形成されているとともに、前記参照用ISFET電極10のゲート部表面に対応する前記イオン非感応性またはイオン感応度の低い薄膜8B上には、非多孔性の酸化チタン(TiO2 )膜12Bが、ディップコート法やCVD法などにより被覆形成されている。
A porous titanium oxide (TiO 2 )
図3は、上記構造を持つISFETセンサ1の動作回路例の構成を示すもので、前記測定用ISFET電極9及び参照用ISFET電極10は各別の駆動源13A,13Bにて駆動されるべく構成されており、これら両ISFET電極9,10と擬似比較電極11との間の電位を検出する演算増幅器14A,14Bと、これら演算増幅器14A,14Bによる検出電位の差を差動増幅式に検出する差動アンプ15と、その出力をAD変換するAD変換器(ADC)16と、AD変換された両検出電位差を演算処理する演算処理部(MPU)17と、演算処理結果であるイオン濃度やpHなどの化学的特性値を出力表示する表示部18とを具備して構成されている。
FIG. 3 shows the configuration of an operation circuit example of the ISFET sensor 1 having the above-described structure. The
上記のように構成されたISFETセンサ1は、前記測定用ISFET電極9、参照用ISFET電極10の各ゲート部及び擬似比較電極11が被検液等の被測定対象に同時に接触するように用いられる。そして、それら各電極9,10と擬似比較電極11との間の電位が演算増幅器14A,14Bにより検出されるとともに、それら両検出電位の差が差動アンプ15で検出され、かつ、この差動アンプ15の出力(両検出電位の差)がADC16でディジタル化されてMPU17に取り込まれ、ここでの演算処理によりイオン濃度やpHなどの化学的特性値が求められ、表示部18に表示されることになる。
The ISFET sensor 1 configured as described above is used so that the
このようにしてイオン濃度等の化学的物性値が測定され表示されるISFETセンサ1において、前記測定用ISFET電極9のゲート部表面に対応するイオン感応性薄膜8A及び参照用ISFET電極10のゲート部表面に対応するイオン非感応性またはイオン感応度の低い薄膜8B上が酸化チタン(TiO2 )膜12A,12Bで被覆されているので、例えばオイルやアルコールなど水分の非常に少ない非水溶媒溶液を測定する場合、測定用ISFET電極9のゲート部表面が表面張力の小さい親水性に優れているものであるために、微量の水分を凝集可能で、溶液とイオン感応性薄膜8Aとの摩擦によって生じる流動電位は非常に少なく、これによって、応答速度を向上し、指示値の安定化を図ることができる。
In the ISFET sensor 1 in which chemical property values such as ion concentration are measured and displayed in this way, the ion sensitive
また、酵素活性度等の微量測定に用いる場合でも、酸化チタン(TiO2 )膜12A,12Bの光触媒能によるセルフクリーニング機能により溶液の付着残留を非常に少なくすることができるとともに、酵素などの蛋白が表面に残留したとしても、また、繰り返し使用に伴い表面に汚れが生じたとしても、水洗などのごく簡単な洗浄により容易、確実に除去することができる。したがって、非水溶媒溶液や酵素活性度等の微量測定も含めてイオンやpHなど所定の化学的物性の測定対象範囲、つまり、用途の拡大を図ることができるだけでなく、ゲート部表面の残留物や汚れに起因するコンタミなどを防いで、長期に亘る繰り返し使用においても高い測定精度を安定よく維持することができる。
In addition, even when used for trace measurement of enzyme activity and the like, the self-cleaning function based on the photocatalytic ability of the titanium oxide (TiO 2 )
なお、上記実施の形態では、同一特性を持つ測定用ISFET電極9と参照用ISFET電極10を、ワンチップのシリコンウェハ2上に横並び配置して形成したISFETセンサ1の電極9,10に適用したものについて説明したが、測定用ISFET電極9と比較電極のみを有するISFETセンサの測定用ISFET電極(図2参照)に適用しても上記したと同様な効果を奏することが可能である。
In the above embodiment, the
また、上記実施の形態では、比較電極として、擬似比較電極を用いたが、これに代えて、金や白金などの固体金属電極を用いてもよく、また、測定用ISFET電極9と参照用ISFET電極10の配置関係は、横並びに限らず、両電極9,10を対向配置させたり、任意の角度に配置したりしてもよい。
Further, in the above embodiment, the pseudo comparison electrode is used as the comparison electrode. Instead, a solid metal electrode such as gold or platinum may be used, and the
1 ISFETセンサ
2 シリコンウェハ(基板の例)
8A イオン感応性薄膜
8B イオン非感応性またはイオン感応度の低い薄膜
9 測定用ISFET電極
10 参照用ISFET電極
11 擬似比較電極(比較電極)
12A 多孔性の酸化チタン(TiO2 )膜
12B 非多孔性の酸化チタン(TiO2 )膜
1
8A Ion sensitive
12A Porous titanium oxide (TiO 2 )
Claims (3)
前記イオン感応性薄膜上で少なくとも前記ゲート部に対応する部分に、多孔性の酸化チタン膜を被覆していることを特徴とするISFETセンサ用電極。 In the electrode for ISFET sensor formed by coating the surface of the gate part of the gate insulating FET with an ion sensitive thin film containing silicon nitride, tantalum pentoxide, and alumina
An electrode for ISFET sensor, wherein a porous titanium oxide film is coated on at least a portion corresponding to the gate portion on the ion-sensitive thin film.
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WO2009084675A1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-07-09 | Horiba, Ltd. | Method for measurement of content of water or organic acid in polar organic solvent, and apparatus for the method |
KR20150004254A (en) * | 2013-07-02 | 2015-01-12 | 전자부품연구원 | Fet ion detector and system by using the same |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2009084675A1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-07-09 | Horiba, Ltd. | Method for measurement of content of water or organic acid in polar organic solvent, and apparatus for the method |
US8436622B2 (en) | 2007-12-27 | 2013-05-07 | Horiba, Ltd. | Method for measurement of content of water or organic acid in polar organic solvent, and apparatus for the method |
KR20150004254A (en) * | 2013-07-02 | 2015-01-12 | 전자부품연구원 | Fet ion detector and system by using the same |
WO2015156475A1 (en) * | 2013-07-02 | 2015-10-15 | 전자부품연구원 | Field effect transistor ion sensor and system using same |
KR101616959B1 (en) * | 2013-07-02 | 2016-04-29 | 전자부품연구원 | Fet ion detector and system by using the same |
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