JP2023037900A - Solid semiconductor ion sensor - Google Patents
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Abstract
Description
新規性喪失の例外適用申請有り There is an application for exception to loss of novelty
本発明は、固体半導体イオンセンサーに関する。 The present invention relates to solid state semiconductor ion sensors.
従来から、溶液中のイオン濃度を測定するイオンセンサーとして、ガラス電極式イオンセンサーが用いられていた。ガラス電極式イオンセンサーは、指示電極のガラス膜電位と参照電極の起電力との差を検出することにより試料溶液のイオン濃度を測定する。しかしながら、ガラス電極式イオンセンサーは、指示電極のガラス膜が薄いため、壊れやすく耐久性に乏しい。また、ガラス電極式イオンセンサーは、指示電極および参照電極ともに銀-塩化銀電極が用いられるため、試料溶液と反応して劣化してしまう虞があった。また、ガラス電極式イオンセンサーの参照電極は、塩橋として試料を介して指示電極と導電性を保つため、内部液を常に漏れ出させており、内部液を交換する必要があった。 Conventionally, a glass electrode type ion sensor has been used as an ion sensor for measuring the ion concentration in a solution. A glass electrode ion sensor measures the ion concentration of a sample solution by detecting the difference between the glass membrane potential of an indicator electrode and the electromotive force of a reference electrode. However, the glass electrode type ion sensor is fragile and poor in durability because the glass film of the indicator electrode is thin. In addition, since the glass electrode type ion sensor uses silver-silver chloride electrodes for both the indicator electrode and the reference electrode, there is a risk of deterioration due to reaction with the sample solution. In addition, the reference electrode of the glass electrode type ion sensor maintains conductivity with the indicator electrode through the sample as a salt bridge, so the internal solution is constantly leaking out, and it is necessary to replace the internal solution.
近年、イオンセンサーとして、固体半導体を用いたイオンセンサーが知られている。このような固体半導体を用いたイオンセンサーは、イオン応答電解効果トランジスタ(Ion Sensitive Field Effect Transistor;以下、ISFETと称す。)センサーとも呼ばれている。ISFETセンサーは、絶縁膜上にイオン感応膜を形成してなるISFETと、試料溶液中に浸漬される参照電極と、ISFETと参照電極とを接続する電源回路とで構成され、参照電極を基準としてゲート電圧を加え、イオン感応膜の電位の変化によりイオン濃度を計測するイオンセンサーである。このようなイオンセンサーは、上述のガラス電極式イオンセンサーに比べて耐久性に優れ、小型化しやすいという利点を有する。しかしながら、このようなISFETセンサーは、参照電極として、先述のガラス電極式イオンセンサーと同様に銀-塩化銀電極が用いられることが多く、試料溶液と反応して参照電極が変質してしまう虞があった。また、参照電極の内部液の交換も必要となるため、長期計測が難しく、長期安定性の向上が要求されている。長期安定性の改善方法として、水素化パラジウムよりなる固体参照電極を用いたISFETセンサーが知られている(例えば、特許文献1を参照)。
In recent years, ion sensors using solid semiconductors have been known as ion sensors. An ion sensor using such a solid semiconductor is also called an ion sensitive field effect transistor (hereinafter referred to as ISFET) sensor. An ISFET sensor is composed of an ISFET having an ion-sensitive film formed on an insulating film, a reference electrode immersed in a sample solution, and a power supply circuit connecting the ISFET and the reference electrode. It is an ion sensor that measures the ion concentration by applying a gate voltage and by changing the potential of the ion sensitive membrane. Such an ion sensor has the advantage of being more durable and easier to miniaturize than the glass electrode type ion sensor described above. However, such an ISFET sensor often uses a silver-silver chloride electrode as a reference electrode in the same manner as the glass electrode type ion sensor described above, and there is a risk that the reference electrode will react with the sample solution and deteriorate. there were. In addition, since it is necessary to replace the internal liquid of the reference electrode, long-term measurement is difficult, and improvement of long-term stability is required. As a method for improving long-term stability, an ISFET sensor using a solid reference electrode made of palladium hydride is known (see
しかしながら、参照電極として水素化パラジウムを用いた場合であっても、試料溶液によっては腐食が生じる虞があり、さらなる長期安定性の向上が要求される。 However, even when palladium hydride is used as a reference electrode, corrosion may occur depending on the sample solution, and further improvement in long-term stability is required.
本発明は、試料溶液と電極との反応による参照電極の劣化および参照電極の内部液の交換を不要とし、かつ長期使用にも優れた安定性を発揮する固体半導体イオンセンサーを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a solid-state semiconductor ion sensor that eliminates the need for deterioration of the reference electrode and replacement of the internal solution of the reference electrode due to the reaction between the sample solution and the electrode, and exhibits excellent stability even in long-term use. and
(1)上記目的を達成するための一実施形態に係る固体半導体イオンセンサーは、試料溶液中の特定イオンのイオン濃度を測定可能な固体半導体イオンセンサーであって、前記特定イオンに感応するイオン感応膜と、ゲート領域を有し、前記イオン感応膜に近づく電荷を伝導可能な絶縁膜により前記ゲート領域の表面が被覆された電界効果トランジスタと、前記試料溶液と導通可能な膜であって、ゲート電位を検出可能なゲート電位検出膜と、を備え、前記ゲート電位検出膜は、炭素材料からなるシート部材を備える。
(2)別の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーにおいて、好ましくは、前記ゲート電位検出膜は、前記シート部材の厚さ方向の両側面を樹脂により被覆されてなっても良い。
(3)別の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーにおいて、好ましくは、前記炭素材料は、炭素繊維であっても良い。
(4)別の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーは、好ましくは、前記イオン感応膜と前記絶縁膜とに接続され、前記イオン感応膜に近づく電荷を前記絶縁膜へ伝導可能な導電性材料からなるワイヤをさらに備えても良い。
(5)別の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーにおいて、好ましくは、前記特定イオンは、水素イオンであっても良い。
(1) A solid semiconductor ion sensor according to one embodiment for achieving the above object is a solid semiconductor ion sensor capable of measuring the ion concentration of specific ions in a sample solution, wherein a film, a field effect transistor having a gate region, the surface of the gate region being covered with an insulating film capable of conducting charges approaching the ion sensitive film, and a film conductive to the sample solution, the film comprising a gate. a gate potential detection film capable of detecting potential, wherein the gate potential detection film includes a sheet member made of a carbon material.
(2) In the solid-state semiconductor ion sensor according to another embodiment, preferably, the gate potential detection film may be formed by coating both side surfaces in the thickness direction of the sheet member with a resin.
(3) In the solid-state semiconductor ion sensor according to another embodiment, preferably, the carbon material may be carbon fiber.
(4) The solid-state semiconductor ion sensor according to another embodiment is preferably connected to the ion sensitive film and the insulating film, and charges approaching the ion sensitive film from a conductive material capable of conducting to the insulating film. A wire may be further provided.
(5) In the solid-state semiconductor ion sensor according to another embodiment, preferably, the specific ions may be hydrogen ions.
本発明によれば、試料溶液と電極との反応による参照電極の劣化および参照電極の内部液の交換を不要とし、かつ長期使用にも優れた安定性を発揮する固体半導体イオンセンサーを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid semiconductor ion sensor that does not require deterioration of the reference electrode due to reaction between the sample solution and the electrode and exchange of the internal solution of the reference electrode, and exhibits excellent stability even in long-term use.
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the embodiments described below do not limit the invention according to the claims, and all of the elements described in the embodiments and their combinations are essential to the solution of the present invention. not necessarily.
図1は、本発明の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーの概略平面図を示す。図2は、本発明の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーのイオン濃度測定部の平面図を示す。図3は、本発明の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーのイオン濃度測定部の側面図およびその一部Aの拡大図をそれぞれ示す。 FIG. 1 shows a schematic plan view of a solid state semiconductor ion sensor according to an embodiment of the invention. FIG. 2 shows a plan view of the ion concentration measurement part of the solid-state semiconductor ion sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a side view of the ion concentration measuring part of the solid-state semiconductor ion sensor according to the embodiment of the present invention and an enlarged view of a part A thereof, respectively.
この実施形態に係る固体半導体イオンセンサー1は、試料溶液中の特定イオンのイオン濃度を測定可能なイオンセンサーである。この実施形態において、固体半導体イオンセンサー1は、試料溶液中の水素イオン(H+)のイオン濃度を測定可能なpHセンサーである。また、この実施形態において、固体半導体イオンセンサー1は、ISFETを用いたISFETセンサーである。より具体的には、固体半導体イオンセンサー1は、好ましくは、イオン濃度測定部10と、電源ユニット30と、回路基板34と、表示部36と、を少なくとも備える。電源ユニット30は、好ましくは、後述の直流電源31,32(図4を参照)と、DC-DCコンバータとを含む。電源ユニット30は、好ましくは、電池の直流電圧をDC-DCコンバータによって後述の電界効果トランジスタ13等の各種機器に適した直流電圧に変圧し、変圧された直流電圧を当該各種機器へ供給する。回路基板34は、好ましくは、マイクロコンピュータ等の演算処理部を構成する基板である。表示部36は、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)等、イオン濃度等の各種情報を表示する機器である。
A solid-state
イオン濃度測定部10は、特定イオンに感応するイオン感応膜12と、ゲート領域13G(図4を参照)を有し、イオン感応膜12に近づく電荷を伝導可能な絶縁膜15(図4を参照)によりゲート領域13Gの表面が被覆された電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor;以下、FETと称す。)13と、試料溶液と導通可能な膜であって、ゲート電位を検出可能なゲート電位検出膜20と、を備える。また、イオン濃度測定部10は、好ましくは、イオン感応膜12と絶縁膜15とに接続され、イオン感応膜12に近づく電荷を絶縁膜15へ伝導可能な導電性材料からなるワイヤ16をさらに備える。
The ion
(1)イオン感応膜
この実施形態において、イオン感応膜12は、試料溶液中の水素イオン(H+)に感応する膜である。イオン感応膜12は、例えば、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)等の水素イオンを集める膜を用いることができる。これらの中でも、酸化タンタルが特に好適である。イオン感応膜12は、好ましくは、シリコンウェハ上に酸化タンタルを成膜して形成される。イオン感応膜12は、好ましくは、フレキシブルプリント基板(以下、FPC基板とも称する。)11上に銀塩化銀ペーストを用いて固定された後に、感応部以外をエポキシ樹脂にてモールドされる。イオン感応膜12における酸化タンタルの膜厚は、好ましくは、20~110nm、より好ましくは、25~45nmである。なお、イオン感応膜12は、少なくとも試料溶液中の濃度測定対象の特定イオンに感応する膜であれば、その構成は特に制約されない。
(1) Ion Sensitive Membrane In this embodiment, the ion
(2)電界効果トランジスタ(FET)
この実施形態において、FET13は、p型シリコン基板上に2つのn型領域が互いに離間して形成されたnMOSトランジスタである。2つのn型領域は、それぞれソース領域13S(ソース電極)、ドレイン領域13D(ドレイン電極)として機能するものである(図4を参照)。ソース領域13Sおよびドレイン領域13Dで挟まれた領域は、FET13を動作させた際に、チャネルとして機能するチャネル領域13Cである。FET13は、チャネル領域13C上のゲート領域13Gを含むFET13の表面を被覆する絶縁膜15を備える。絶縁膜15は、例えば、Ta2O5、SiO2、Si3N4、Al2O3、およびこれらのうち2以上の混合体等を用いることができる。これらの中でも、SiO2が特に好適である。絶縁膜15は、イオン感応膜12に近づく電荷がワイヤ16を介して伝導される部位である。ドレイン領域13Dは、ドレイン用リード線17を介して、少なくとも回路基板34に電気的に接続されている。ソース領域13Sは、ソース用リード線19を介して、少なくとも回路基板34に電気的に接続されている。ゲート領域13Gは、ゲート用リード線18を介して、少なくとも回路基板34に電気的に接続されている。FET13の動作については、詳細については図4を用いて後述する。
(2) Field effect transistor (FET)
In this embodiment,
(3)ワイヤ
ワイヤ16は、イオン感応膜12と絶縁膜15とを繋ぐ導電性材料からなるワイヤである。ワイヤ16は、イオン感応膜12に近づいてきた電荷を絶縁膜15へ伝導する部材である。ワイヤ16は、導電性を有する材料から構成されていれば特に制約はなく、例えば、金属、炭素繊維、ガラスファイバー、導電性インク、導電性ゴム等から構成されていても良い。金属としては、例えば、銀、金、銅、アルミニウム、金-パラジウム合金、ニッケルまたはこれらのメッキ品が挙げられる。これらの中でも、ワイヤ16の材料としては、金属が好適であり、特に、銀が好適である。ワイヤ16の長さは、20mm~100mmが好ましく、40~60mmがより好ましい。 固体半導体イオンセンサー1は、ワイヤ16を備えることにより、イオン感応膜12とFET13とが離間した構成となる。これにより、固体半導体イオンセンサー1は、FET13を試料溶液に浸漬する必要がないため、試料溶液によるFET13の腐食を抑制することができる。また、固体半導体イオンセンサー1は、その製造過程において、試料溶液による腐食を抑制するためにFET13をモールドする工程を省略することができる。
(3) Wire The
(4)ゲート電位検出膜
ゲート電位検出膜20は、試料溶液と導通可能な膜であって、ゲート電位を検出可能な導電性を有する膜である。ゲート電位検出膜20は、炭素材料からなるシート部材22を備える(図3の一部Aの拡大図を参照)。炭素材料としては、例えば、黒鉛、炭素繊維、グラッシーカーボン、カーボンペースト、導電性ダイヤモンド等を用いることができる。これらの中でも、安定性、応答性、および再現性等の観点から、炭素繊維が好適である。シート部材22の厚さは、0.1~1mmが好ましく、0.2~0.8mmがより好ましい。ゲート電位検出膜20は、好ましくは、シート部材22の厚さ方向の両側面を樹脂24により被覆されてなる。樹脂24は、例えば、ポリ乳酸樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂、およびそれらの共重合体、変性品等を用いることができる。これらの中でも、プリント基板材料であるポリイミドが絶縁性の上で特に好適である。この実施形態において、ゲート電位検出膜20は、ドレイン領域13D、ソース領域13S、およびゲート領域13Gと同様に、リード線を介して、少なくとも回路基板34に電気的に接続されている。なお、ゲート電位検出膜20は、樹脂24を備えていなくとも良い。
(4) Gate Potential Detection Film The gate
次に、固体半導体イオンセンサー1の動作について説明する。
Next, operation of the solid-state
図4は、本発明の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーの動作を説明するための概略回路図を示す。図5は、本発明の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーの動作を説明するための概略構成図を示す。図6は、本発明の実施形態に係る固体半導体イオンセンサーの詳細回路図を示す。 FIG. 4 shows a schematic circuit diagram for explaining the operation of a solid-state semiconductor ion sensor according to an embodiment of the invention. FIG. 5 shows a schematic configuration diagram for explaining the operation of the solid-state semiconductor ion sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a detailed circuit diagram of a solid state semiconductor ion sensor according to an embodiment of the invention.
固体半導体イオンセンサー1は、水素イオンを含む試料溶液80中にイオン感応膜12とゲート電位検出膜20とを浸漬させることにより試料溶液80のpH測定を行う。固体半導体イオンセンサー1は、ドレイン領域13Dとソース領域13Sとに接続される直流電源31を備える。直流電源31は、ドレイン領域13D(ドレイン電極)とソース領域13S(ソース電極)との間に電圧(以下、ドレイン電圧とも称する。)Vdを印加することにより、電流(以下、ドレイン電流とも称する。)Id(図4の破線矢印)を流す。固体半導体イオンセンサー1は、イオン感応膜12が試料溶液80に接すると、試料溶液80中の水素イオンによりイオン感応膜12表面に発生した電荷がワイヤ16を介して絶縁膜15へ伝導することにより、当該電荷による界面電位が変化し、水素イオン濃度(pH)の大きさに応じてチャネル領域13Cの大きさが変化する。このため、水素イオン濃度(pH)の大きさに応じて、ドレイン領域13Dとソース領域13Sとの間に流れるドレイン電流Idの大きさが変化する。そして、固体半導体イオンセンサー1は、ドレイン電圧Vdを一定に保った上で、ドレイン電流Idの大きさが一定となるように調整するフィードバック回路が構成され、ゲート電位Vgsを調整する。このとき、ゲート電位Vgsは、試料溶液80中の水素イオン濃度に対応した電位だけ低い電位に調整される。ゲート電位Vgsは、ゲート領域13Gとソース電極(ソース領域13S)との間の電位差(電圧)、すなわち、ゲート電位検出膜20とソース電極との間の電位差(電圧)であり、ゲート電圧とも称する。固体半導体イオンセンサー1は、ソース領域13S(ソース電極)とゲート電位検出膜20とに接続される直流電源32を備え、直流電源32によりゲート電位Vgsが調整される。
The solid-state
固体半導体イオンセンサー1は、少なくとも電流値取得部52、ゲート電位調整部54、および濃度取得部56を有する制御部50を備える(図5を参照)。電流値取得部52は、電流計40により測定されたドレイン電流Idの電流値を取得する。ゲート電位調整部54は、電流値取得部52により取得されたドレイン電流Idの電流値が予め指定された所定値となるように、ゲート電位(ゲート電圧)Vgsを調整する。濃度取得部56は、ゲート電位Vgsを測定可能な電圧計(不図示)からゲート電位Vgsを取得し、当該ゲート電位Vgsに基づいて水素イオン濃度(pH)を取得する。上述の回路の詳細は、例えば、図6に示す構成となる。
The solid-state
このように構成された固体半導体イオンセンサー1は、従来のガラス電極式イオンセンサーやISFETセンサーに用いられる参照電極に代えて、ゲート電位検出膜20を備える。ゲート電位検出膜20は内部液を備えないため、参照電極のように内部液の交換が不要となり、長期計測が可能となる。また、ゲート電位検出膜20は、炭素材料から構成されているため、耐腐食性に優れ、試料溶液80と反応して変質する虞を抑制することができる。また、固体半導体イオンセンサー1は、イオン感応膜12とFET13とがワイヤ16により連結されているため、イオン濃度測定に際して、FET13を試料溶液80に浸漬する必要がないため、FET13(特にシリコン基板)が試料溶液80により腐食する事態を抑制できる。また、FET13の腐食を抑制するために従来施されていたFET13のモールドが不要となる。よって、固体半導体イオンセンサー1は、長期安定性に優れ、種々の試料溶液のイオン濃度を容易に測定することができる。
The solid-state
<その他の実施形態>
上述のように、本発明の好適な各実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されることなく、種々変形して実施可能である。
<Other embodiments>
As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to these and can be implemented in various modifications.
先述の実施形態において、固体半導体イオンセンサー1は、試料溶液中の水素イオンのイオン濃度(pH)を測定可能なセンサーであったが、イオン感応膜12の種類を変えることにより他のイオン濃度測定用のセンサーにも適用可能である。例えば、固体半導体イオンセンサー1は、水素イオンに代えて、塩化物イオン(Cl-;塩素イオンとも称する。)、炭酸水素イオン(HCO3
-)、炭酸イオン(CO3
2-)、硫化物イオン(S2-)、フッ素イオン(F-)アンモニウムイオン(NH4
+)、リチウムイオン(Li+)、ナトリウムイオン(Na+)、カリウムイオン(K+)、マグネシウムイオン(Mg2+)、カルシウムイオン(Ca2+)等のイオン濃度測定用のセンサーにも適用できる。例えば、塩化物イオンのイオン濃度を測定する場合、固体半導体イオンセンサー1のイオン感応膜12を、ハロゲン化銀と硫化銀の組み合わせからなる膜、或いは、エポキシ樹脂に組み込まれた塩化銀と硫化銀の組み合わせからなる膜に代えれば良い。ただし、例えば、塩化物イオン(Cl-)、炭酸水素イオン(HCO3
-)、炭酸イオン(CO3
2-)、硫化物イオン(S2-)、フッ素イオン(F-)等、濃度測定対象のイオンが負の電荷を有する陰イオンの場合、固体半導体イオンセンサー1は、FET13として、n型シリコン基板上に2つのp型領域が互いに離間して形成されたpMOSトランジスタを採用すれば良い。
In the above-described embodiment, the solid-state
また、固体半導体イオンセンサー1は、ワイヤ16を備えていなくとも良い。この場合、固体半導体イオンセンサー1は、イオン感応膜12が絶縁膜15上に積層され、イオン感応膜12に近づく電荷が絶縁膜15へ伝導可能に構成されていれば良い。
Moreover, the solid-state
また、固体半導体イオンセンサー1は、ゲート電位に基づいて水素イオン濃度を取得していたが、例えば、電流計40により測定されたドレイン電流Idの電流値に基づいて水素イオン濃度を取得する構成としても良い。
Further, the solid-state
次に、本発明の実施例を、比較例と比較しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be described in comparison with comparative examples. In addition, the present invention is not limited to the following examples.
<実施例>
(実施例1)
(1)固体半導体イオンセンサーの製造
ダイシングソーを用いて5mm角にカットしたシリコンウェハの表面または端面に、エリオニクス社製のECRスパッタ装置(品番:EIS-200ER)を用いて、膜厚32nmの酸化タンタル膜を成膜した。次に、シリコンウェハのうち酸化タンタル膜が成膜されていない面とFPC基板の先端部分とを、GWENT GROUP社製の銀/塩化銀ペースト(SILVER SILVER CHLORIDE、Code No:C2131016D1)を用いて接続した。このとき、ESPSC社製の恒温槽(DESK-TOP Hi-TEMP,CHAMBER ST-110)を使用して、150℃で30分間熱処理を施した。その後、Sunhayato社製のエポキシ樹脂(INPEI BLACK)を用いて、イオン感応膜(酸化タンタル膜)部分を覆うことにより絶縁した。エポキシ樹脂は、主剤と硬化剤とを25:2の割合で混合したものを使用した。そして、株式会社東芝セミコンダクタ-製のFET(品番:2SK208-Y)をFPC基板上に半田付けした。
ABC HOBBY株式会社製のカーボンファイバー(品番:71135)<http://www.abchobby.com/JP/page/parts/mateline.html>を用いてゲート電位検出膜を作製した。カーボンファイバーは、膜厚0.5mmと膜厚0.2mmとの2種類を用いて、それぞれゲート電位検出膜を作製した。
FETとゲート電位検出膜とをリード線を介して回路基板に電気的に接続して、固体半導体イオンセンサーを作製した。膜厚0.5mmのカーボンファイバーを用いた固体半導体イオンセンサーと、膜厚0.2mmのカーボンファイバーを用いた固体半導体イオンセンサーとの2種類の固体半導体イオンセンサーを作製した。
(2)ゲート電圧測定
作製した固体半導体イオンセンサーを用いて、緩衝溶液によるゲート電圧測定を行った。具体的な測定方法は、次の通りである。
まず、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面をMerck Millipore製のDirect-Q systemにより生成した超純水(以下、単に超純水と称する。)で洗浄して水気を拭き取り、富士フィルム和光純薬株式会社製のほう酸塩pH標準液(以下、pH9.18標準液とも称する。)にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧(ゲート電位)を約30分間測定した。
次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、富士フィルム和光純薬株式会社製の中性リン酸塩pH標準液(以下、pH6.86標準液とも称する。)にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。
次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、富士フィルム和光純薬株式会社製のしゅう酸塩pH標準液(以下、pH1.68標準液とも称する。)にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。
再度、pH9.18標準液、pH6.86標準液、pH1.68標準液の順にそれぞれ同様にゲート電圧を測定し、終了した。
なお、膜厚0.5mmのカーボンファイバーを用いた固体半導体イオンセンサーと、膜厚0.2mmのカーボンファイバーを用いた固体半導体イオンセンサーとの2種類の固体半導体イオンセンサーとについて、上述の方法でそれぞれゲート電圧を測定した。
<Example>
(Example 1)
(1) Manufacture of solid-state semiconductor ion sensor On the surface or end face of a silicon wafer cut into 5 mm squares using a dicing saw, an ECR sputtering device manufactured by Elionix (product number: EIS-200ER) is used to oxidize the film thickness to 32 nm. A tantalum film was formed. Next, the surface of the silicon wafer on which the tantalum oxide film is not formed and the tip of the FPC substrate are connected using a silver/silver chloride paste (SILVER SILVER CHLORIDE, Code No: C2131016D1) manufactured by GWENT GROUP. bottom. At this time, heat treatment was performed at 150° C. for 30 minutes using a constant temperature bath (DESK-TOP Hi-TEMP, CHAMBER ST-110) manufactured by ESPSC. Thereafter, an epoxy resin (INPEI BLACK) manufactured by Sunhayato Co., Ltd. was used to cover the ion-sensitive film (tantalum oxide film) portion for insulation. The epoxy resin used was obtained by mixing a main agent and a curing agent at a ratio of 25:2. Then, a FET (part number: 2SK208-Y) manufactured by Toshiba Semiconductor Corp. was soldered onto the FPC board.
Carbon fiber manufactured by ABC HOBBY Co., Ltd. (product number: 71135) <http://www. abchobby. com/JP/page/parts/mateline. html> was used to prepare a gate potential detection film. Two types of carbon fibers, one with a thickness of 0.5 mm and the other with a thickness of 0.2 mm, were used to prepare gate potential detection films.
A solid semiconductor ion sensor was fabricated by electrically connecting the FET and the gate potential detection film to a circuit board through a lead wire. Two types of solid semiconductor ion sensors were produced: a solid semiconductor ion sensor using carbon fibers with a film thickness of 0.5 mm and a solid semiconductor ion sensor using carbon fibers with a film thickness of 0.2 mm.
(2) Gate voltage measurement Gate voltage measurement with a buffer solution was performed using the produced solid semiconductor ion sensor. A specific measuring method is as follows.
First, the surface of the ion-sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water (hereinafter simply referred to as ultrapure water) generated by a Direct-Q system manufactured by Merck Millipore, and wiped off. The ion-sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a borate pH standard solution (hereinafter also referred to as pH 9.18 standard solution) manufactured by Yaku Co., Ltd., and the gate voltage (gate potential) was measured for about 30 minutes.
Next, the surface of the ion-sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water to wipe off moisture, and a neutral phosphate pH standard solution (hereinafter referred to as pH 6.86 standard solution) manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. The ion-sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a solution, and the gate voltage was measured for about 30 minutes.
Next, the surface of the ion-sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water, wiped off moisture, and treated with an oxalate pH standard solution (hereinafter also referred to as pH 1.68 standard solution) manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd. ), and the gate voltage was measured for about 30 minutes.
Again, the gate voltage was measured in the same order for the pH9.18 standard solution, the pH6.86 standard solution, and the pH1.68 standard solution, and the measurement was completed.
Two types of solid semiconductor ion sensors, a solid semiconductor ion sensor using carbon fiber with a film thickness of 0.5 mm and a solid semiconductor ion sensor using carbon fiber with a film thickness of 0.2 mm, were measured by the above method. Each gate voltage was measured.
<比較例>
(比較例1)
(1)固体半導体イオンセンサーの製造
実施例1のゲート電位検出膜に代えて、導電性ガラス電極(アズワン株式会社品番:NPV-CFT2-7A)<https://axel.as-1.co.jp/asone/g/NCTB150019/>を用いた以外、実施例1と同様に固体半導体イオンセンサーを作製した。
(2)ゲート電圧測定
作製した固体半導体イオンセンサーを用いて、参照海水によるゲート電圧測定を行った。具体的な測定方法は、次の通りである。
本測定では、予め全炭酸量およびアルカリ度が定められている値付け参照海水(Certified Reference Material;CRM)として、参照海水164(pH7.542)、参照海水171(pH7.849)、参照海水Kanso(pH7.955)の3種類を用いた。これらの値付け参照海水は、米国カリフォルニア大学サンディエゴ校スクリップス海洋研究所にて採水および値付けされ、海水標準試料として配布されているものである。
まず、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、参照海水164にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約20分間測定した。
次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、参照海水171にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約20分間測定した。
次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、参照海水Kansoにイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約20分間測定した。
再度、参照海水164、参照海水171、参照海水Kansoの順にそれぞれ同様にゲート電圧を測定し、終了した。
(比較例2)
(1)固体半導体イオンセンサーの製造
実施例1のゲート電位検出膜に代えて、PRECISION MICRO-OPTICS株式会社製のフッ化ランタン電極(品番:PGEC-0000C01110)<https://www.pmoptics.com/lanthanum_fluoride.html>を用いた以外、実施例1と同様に固体半導体イオンセンサーを作製した。
(2)ゲート電圧測定
作成した固体半導体イオンセンサーを用いて、比較例1と同様の方法で、参照海水によるゲート電圧測定を行った。
(比較例3)
(1)固体半導体イオンセンサーの製造
実施例1のゲート電位検出膜に代えて、酸化タンタル電極を用いた以外、実施例1と同様に固体半導体イオンセンサーを作製した。
(2)ゲート電圧測定
作製した固体半導体イオンセンサーを用いて、緩衝溶液によるゲート電圧測定を行った。具体的な測定方法は、次の通りである。
まず、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、pH9.18標準液にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。
次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、pH6.86標準液にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。
次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、富士フィルム和光純薬株式会社製のフタル酸塩pH標準液(以下、pH4.01標準液とも称する。)にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。
再度、pH9.18標準液、pH6.86標準液、pH4.01標準液の順にそれぞれ同様にゲート電圧を測定し、終了した。
(比較例4)
(1)固体半導体イオンセンサーの製造
実施例1のゲート電位検出膜に代えて、CYPRESS SYSTEMS株式会社製の金電極(品番:EE046)を用いた以外、実施例1と同様に固体半導体イオンセンサーを作製した。
(2)ゲート電圧測定
作成した固体半導体イオンセンサーを用いて、比較例3と同様の方法で、緩衝溶液によるゲート電圧測定を行った。
(比較例5)
(1)固体半導体イオンセンサーの製造
実施例1のゲート電位検出膜に代えて、東亜ディーケーケー株式会社製の塩化物イオン電極(品番:CL-200B)<https://www.toadkk.co.jp/product/spec/sci/electrode/mm_ion_electrode.html>を用いた以外、実施例1と同様に固体半導体イオンセンサーを作製した。
(2)ゲート電圧測定
作製した固体半導体イオンセンサーを用いて、緩衝溶液によるゲート電圧測定を行った。具体的な測定方法は、次の通りである。
まず、実施例1と同様の方法で、緩衝溶液によるゲート電圧測定を行った。
次に、pH1.68標準液にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約2日間測定した後、実施例1と同様の方法で、緩衝溶液によるゲート電圧測定を行った(以下、pH1.68試験後測定とも称する)。
次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、自然海水にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約2日間測定した後、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、pH9.18標準液にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、pH6.86標準液にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、pH4.01標準液にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定した。次に、イオン感応膜表面およびゲート電位検出膜表面を超純水で洗浄して水気を拭き取り、pH1.68標準液にイオン感応膜およびゲート電位検出膜を浸漬させ、ゲート電圧を約30分間測定し、終了した(以下、海水試験後測定とも称する)。
<Comparative example>
(Comparative example 1)
(1) Manufacture of solid semiconductor ion sensor Instead of the gate potential detection film of Example 1, a conductive glass electrode (AS ONE Co., Ltd. product number: NPV-CFT2-7A) <https://axel. as-1. co. A solid semiconductor ion sensor was produced in the same manner as in Example 1, except that jp/asone/g/NCTB150019/> was used.
(2) Gate voltage measurement Gate voltage measurement with reference seawater was performed using the fabricated solid-state semiconductor ion sensor. A specific measuring method is as follows.
In this measurement, reference seawater 164 (pH 7.542), reference seawater 171 (pH 7.849), reference seawater Kanso (pH 7.955) were used. These pricing reference seawaters were sampled and rated at the Scripps Institute of Oceanography, University of California, San Diego, USA, and distributed as seawater standards.
First, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water and wiped dry, then the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in the
Next, the surfaces of the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water and wiped dry, and the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in the
Next, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water and wiped dry, and the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in reference seawater Kanso, and the gate voltage was measured for about 20 minutes.
Again, the gate voltage was similarly measured in the order of the
(Comparative example 2)
(1) Manufacture of solid semiconductor ion sensor Instead of the gate potential detection film of Example 1, a lanthanum fluoride electrode manufactured by PRECISION MICRO-OPTICS Co., Ltd. (product number: PGEC-0000C01110) <https://www. pmoptics. com/lanthanum_fluoride. A solid semiconductor ion sensor was fabricated in the same manner as in Example 1, except that html> was used.
(2) Gate voltage measurement Gate voltage measurement with reference seawater was performed in the same manner as in Comparative Example 1 using the prepared solid-state semiconductor ion sensor.
(Comparative Example 3)
(1) Production of solid semiconductor ion sensor A solid semiconductor ion sensor was produced in the same manner as in Example 1, except that the gate potential detection film in Example 1 was replaced with a tantalum oxide electrode.
(2) Gate voltage measurement Gate voltage measurement with a buffer solution was performed using the produced solid semiconductor ion sensor. A specific measuring method is as follows.
First, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water and wiped off, and the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a pH 9.18 standard solution, and the gate voltage was measured for about 30 minutes. .
Next, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water to wipe off moisture, the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a pH 6.86 standard solution, and the gate voltage was measured for about 30 minutes. bottom.
Next, the surface of the ion-sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water, wiped off moisture, and treated with a phthalate pH standard solution (hereinafter also referred to as pH 4.01 standard solution) manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd. ), and the gate voltage was measured for about 30 minutes.
Again, the gate voltage was measured in the same order for the pH 9.18 standard solution, the pH 6.86 standard solution, and the pH 4.01 standard solution.
(Comparative Example 4)
(1) Manufacture of solid semiconductor ion sensor A solid semiconductor ion sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a gold electrode (product number: EE046) manufactured by CYPRESS SYSTEMS Co., Ltd. was used instead of the gate potential detection film of Example 1. made.
(2) Gate voltage measurement Gate voltage measurement with a buffer solution was performed in the same manner as in Comparative Example 3 using the prepared solid semiconductor ion sensor.
(Comparative Example 5)
(1) Manufacture of solid semiconductor ion sensor In place of the gate potential detection film of Example 1, a chloride ion electrode (part number: CL-200B) manufactured by Toa DKK Co., Ltd. <https://www. toadkk. co. jp/product/spec/sci/electrode/mm_ion_electrode. A solid semiconductor ion sensor was fabricated in the same manner as in Example 1, except that html> was used.
(2) Gate voltage measurement Gate voltage measurement with a buffer solution was performed using the produced solid semiconductor ion sensor. A specific measuring method is as follows.
First, in the same manner as in Example 1, gate voltage was measured using a buffer solution.
Next, the ion sensitive membrane and the gate voltage detection membrane were immersed in a pH 1.68 standard solution, and the gate voltage was measured for about 2 days. Hereinafter, it is also referred to as measurement after pH 1.68 test).
Next, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water to wipe off moisture, the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in natural seawater, and the gate voltage was measured for about two days. The surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water and wiped off, and the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a pH 9.18 standard solution, and the gate voltage was measured for about 30 minutes. Next, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water to wipe off moisture, the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a pH 6.86 standard solution, and the gate voltage was measured for about 30 minutes. bottom. Next, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water to wipe off moisture, the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a pH 4.01 standard solution, and the gate voltage was measured for about 30 minutes. bottom. Next, the surface of the ion sensitive membrane and the surface of the gate potential detection membrane were washed with ultrapure water to wipe off moisture, the ion sensitive membrane and the gate potential detection membrane were immersed in a pH 1.68 standard solution, and the gate voltage was measured for about 30 minutes. and finished (hereinafter also referred to as post-seawater test measurement).
<評価方法>
(1)安定性
ゲート電圧測定において、参照海水または緩衝溶液のpH値に応じたゲート電圧値を出力する場合には合格(表では“○”)と評価し、参照海水または緩衝溶液のpH値に応じたゲート電圧を出力しない場合には不合格(表では“×”)と評価した。
(2)繰り返し性
ゲート電圧測定において、連続した繰り返しの測定時に各回ともに同様のゲート電圧値を出力する場合には合格(表では“○”)と評価し、連続した繰り返しの測定時に各回で異なるゲート電圧値を出力する場合には不合格(表では“×”)と評価した。
(3)総合評価
各特性値評価のすべてが合格と評価された場合に、合格(表では“○”)と評価した。また、各特性値評価のうち少なくとも1つの特性値評価が不合格と評価された場合に、不合格(表では“×”)と評価した。
<Evaluation method>
(1) Stability In the gate voltage measurement, if the gate voltage value corresponding to the pH value of the reference seawater or buffer solution is output, it is evaluated as passing (“○” in the table), and the pH value of the reference seawater or buffer solution When the gate voltage corresponding to was not output, it was evaluated as fail ("x" in the table).
(2) Repeatability In the gate voltage measurement, if the same gate voltage value is output each time during continuous repeated measurement, it is evaluated as passing ("○" in the table), and it is different for each time during continuous repeated measurement. When the gate voltage value was output, it was evaluated as fail (“x” in the table).
(3) Comprehensive Evaluation A pass (“○” in the table) was evaluated when all of the characteristic value evaluations were evaluated as pass. Also, when at least one of the characteristic value evaluations was evaluated as unacceptable, it was evaluated as unacceptable (“x” in the table).
<結果>
表1に、実施例および各比較例の製造条件および評価結果を示す。また、図7は、実施例の測定結果のグラフを示す。図8は、比較例1の測定結果のグラフを示す。図9は、比較例2の測定結果のグラフを示す。図10は、比較例3の測定結果のグラフを示す。図11は、比較例4の測定結果のグラフを示す。図12は、比較例5の測定結果のグラフを示す。
<Results>
Table 1 shows the production conditions and evaluation results of Examples and Comparative Examples. Moreover, FIG. 7 shows the graph of the measurement result of an Example. 8 shows a graph of the measurement results of Comparative Example 1. FIG. 9 shows a graph of the measurement results of Comparative Example 2. FIG. 10 shows a graph of the measurement results of Comparative Example 3. FIG. 11 shows a graph of the measurement results of Comparative Example 4. FIG. 12 shows a graph of the measurement results of Comparative Example 5. FIG.
実施例1は、カーボンファイバーの膜厚に依存せず、安定性および繰り返し性が良好であった。比較例1~3は、参照海水または緩衝溶液のpH値に応じたゲート電圧を出力しなかった。比較例4は、安定性は良好であったが、特にpH4.01標準液に浸漬した際のゲート電圧値が測定する毎に減少し、繰り返し性は良好でなかった。比較例5は、繰り返し性は良好であったが、安定性は良好ではなかった。したがって、比較例1~5については、安定性および繰り返し性のうち少なくとも1つは不合格であった。これに対して、実施例1については、すべての特性が合格となった。 Example 1 was good in stability and repeatability independent of the film thickness of the carbon fiber. Comparative Examples 1-3 did not output a gate voltage according to the pH value of the reference seawater or buffer solution. In Comparative Example 4, the stability was good, but especially the gate voltage value when immersed in the pH 4.01 standard solution decreased each time it was measured, and the repeatability was not good. Comparative Example 5 had good repeatability, but not good stability. Therefore, at least one of stability and repeatability failed for Comparative Examples 1-5. On the other hand, in Example 1, all the properties were passed.
以上の結果から、固体半導体イオンセンサーのゲート電位検出部として、カーボンファイバーからなるゲート電位検出膜を使用する効果が確認できた。 From the above results, the effect of using the gate potential detection film made of carbon fiber as the gate potential detection part of the solid semiconductor ion sensor was confirmed.
本発明に係る固体半導体イオンセンサーは、イオン等の電気的極性を有する物質の検出に利用できる。特に、本発明に係る固体半導体イオンセンサーは、試料溶液のpH測定、抗体の検出、特定ガスの検出等に好適である。 The solid-state semiconductor ion sensor according to the present invention can be used to detect substances having electrical polarity such as ions. In particular, the solid-state semiconductor ion sensor according to the present invention is suitable for pH measurement of sample solutions, detection of antibodies, detection of specific gases, and the like.
1・・・固体半導体イオンセンサー、12・・・イオン感応膜、13・・・電界効果トランジスタ(FET)、13G・・・ゲート領域、15・・・絶縁膜、16・・・ワイヤ、20・・・ゲート電位検出膜、22・・・シート部材、24・・・樹脂、80・・・試料溶液。
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記特定イオンに感応するイオン感応膜と、
ゲート領域を有し、前記イオン感応膜に近づく電荷を伝導可能な絶縁膜により前記ゲート領域の表面が被覆された電界効果トランジスタと、
前記試料溶液と導通可能な膜であって、ゲート電位を検出可能なゲート電位検出膜と、
を備え、
前記ゲート電位検出膜は、炭素材料からなるシート部材を備えることを特徴とする固体半導体イオンセンサー。 A solid semiconductor ion sensor capable of measuring the ion concentration of specific ions in a sample solution,
an ion sensitive membrane sensitive to the specific ions;
a field effect transistor having a gate region, the surface of the gate region being covered with an insulating film capable of conducting electric charges approaching the ion sensitive film;
a gate potential detection film that is conductive to the sample solution and capable of detecting a gate potential;
with
A solid-state semiconductor ion sensor, wherein the gate potential detection film includes a sheet member made of a carbon material.
5. The solid-state semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein said specific ions are hydrogen ions.
Priority Applications (1)
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