JP3025027B2 - 酸素センサ - Google Patents
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/404—Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors
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- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
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- B01J2219/00853—Employing electrode arrangements
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素センサに関し、特
に、臨床検査における血液中の溶存酸素分圧の測定や、
環境測定における河川中の溶存酸素の測定などに用いる
酸素センサの構造の改良に関するものである。
に、臨床検査における血液中の溶存酸素分圧の測定や、
環境測定における河川中の溶存酸素の測定などに用いる
酸素センサの構造の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、溶存酸素を測定する酸素センサの
電極構造として最も用いられているものは、クラーク型
電極である。このクラーク型電極の基本的構造は、例え
ば、「電極法による酸素測定」（萩原文二、講談社）の
第１１頁および第１２頁に記載されている。クラーク型
電極の構造では、電極ボディーの先端に四フッ化エチレ
ンなどのガス透過膜を装着し、電極ボディーの内部にＫ
Ｃｌを含むリン酸緩衝液などの電解質溶液を充填し、さ
らに白金線をガラス棒に封じ、かつこの白金線の断面が
ガラス棒先端に出るように研磨した陰極部を、電解質中
で、ガス透過膜に接触させるように実装している。
電極構造として最も用いられているものは、クラーク型
電極である。このクラーク型電極の基本的構造は、例え
ば、「電極法による酸素測定」（萩原文二、講談社）の
第１１頁および第１２頁に記載されている。クラーク型
電極の構造では、電極ボディーの先端に四フッ化エチレ
ンなどのガス透過膜を装着し、電極ボディーの内部にＫ
Ｃｌを含むリン酸緩衝液などの電解質溶液を充填し、さ
らに白金線をガラス棒に封じ、かつこの白金線の断面が
ガラス棒先端に出るように研磨した陰極部を、電解質中
で、ガス透過膜に接触させるように実装している。
【０００３】また、他の構造を有する酸素センサとし
て、アナリティカ・ケミカ・アクタ２３３（１９９０
年）第２７５頁〜第２８０頁において論じられるものが
ある。この酸素センサは、前述のクラーク型電極を、半
導体製造技術を利用して実現し、これにより小型化を図
るものである。具体的な構造としては、半導体基板の表
面に異方性エッチングで溝を形成し、この溝の部分に金
の陰極と、銀または塩化銀からなる陽極をホトレジスト
を用いてパターンニングする技術を用いて形成してい
る。電極を形成した後に、溝部に電解質ゲルを充填し、
その上に、ガス透過膜を形成する。
て、アナリティカ・ケミカ・アクタ２３３（１９９０
年）第２７５頁〜第２８０頁において論じられるものが
ある。この酸素センサは、前述のクラーク型電極を、半
導体製造技術を利用して実現し、これにより小型化を図
るものである。具体的な構造としては、半導体基板の表
面に異方性エッチングで溝を形成し、この溝の部分に金
の陰極と、銀または塩化銀からなる陽極をホトレジスト
を用いてパターンニングする技術を用いて形成してい
る。電極を形成した後に、溝部に電解質ゲルを充填し、
その上に、ガス透過膜を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前者のクラーク型電極
の構造を有した酸素センサは、機械的構造に基づく組立
て方式の酸素センサであり、特に劣悪な環境で使用しな
い限り、寿命が１年程度で、高い信頼性を有する。しか
しながら、クラーク型電極を形成する複数の構成部品の
それぞれは、機械的加工によって作られるため、その組
立て工程の自動化、ならびに量産性の向上について、実
現困難という問題を有していた。
の構造を有した酸素センサは、機械的構造に基づく組立
て方式の酸素センサであり、特に劣悪な環境で使用しな
い限り、寿命が１年程度で、高い信頼性を有する。しか
しながら、クラーク型電極を形成する複数の構成部品の
それぞれは、機械的加工によって作られるため、その組
立て工程の自動化、ならびに量産性の向上について、実
現困難という問題を有していた。
【０００５】また後者の半導体製造技術を利用した酸素
センサは、半導体製造技術により高い量産性を有し、前
記問題を解決することができる。しかしながら、電解質
を保持するための溝部、および陰極や陽極を同一基板上
に形成しているため、溝の内部の電解質ゲルの容量が大
きく制限され、さらに電極材料が薄膜であるということ
から、センサとしての動作信頼性が短時間で低下し、寿
命が短いという問題が存在した。
センサは、半導体製造技術により高い量産性を有し、前
記問題を解決することができる。しかしながら、電解質
を保持するための溝部、および陰極や陽極を同一基板上
に形成しているため、溝の内部の電解質ゲルの容量が大
きく制限され、さらに電極材料が薄膜であるということ
から、センサとしての動作信頼性が短時間で低下し、寿
命が短いという問題が存在した。
【０００６】本発明の目的は、量産性が高く、安価に製
造でき、寿命が長い酸素センサを提供することにある。
造でき、寿命が長い酸素センサを提供することにある。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【課題を解決するための手段】 本発明に係る第１の酸素
センサは、液体中に溶存している酸素分圧を測定する酸
素センサにおいて、ガス透過膜部分を備えたガス透過膜
基板と、陰極電極を形成した絶縁基板からなる陰極基板
と、陽極電極を形成した絶縁基板からなる陽極基板とを
有し、陰極基板に電解質溶液または電解質ゲルを収容す
る空所を形成し、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板
を積層し、この積層構造で、電解質溶液または電解質ゲ
ルが前記空所に充填されかつ陰極電極と陽極電極に接触
し、ガス透過膜部分が電気化学反応部領域に対応して配
置される構成とし、更に、陰極基板に形成した前記空所
よりも大きな容積を有する空所が形成された絶縁基板
を、陰極基板に隣接して配設して積層を行うことを特徴
とする。
センサは、液体中に溶存している酸素分圧を測定する酸
素センサにおいて、ガス透過膜部分を備えたガス透過膜
基板と、陰極電極を形成した絶縁基板からなる陰極基板
と、陽極電極を形成した絶縁基板からなる陽極基板とを
有し、陰極基板に電解質溶液または電解質ゲルを収容す
る空所を形成し、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板
を積層し、この積層構造で、電解質溶液または電解質ゲ
ルが前記空所に充填されかつ陰極電極と陽極電極に接触
し、ガス透過膜部分が電気化学反応部領域に対応して配
置される構成とし、更に、陰極基板に形成した前記空所
よりも大きな容積を有する空所が形成された絶縁基板
を、陰極基板に隣接して配設して積層を行うことを特徴
とする。
【００１０】本発明に係る第２の酸素センサは、液体中
に溶存している酸素分圧を測定する酸素センサにおい
て、ガス透過膜部分を備えたガス透過膜基板と、陰極電
極を形成した絶縁基板からなる陰極基板と、陽極電極を
形成した絶縁基板からなる陽極基板とを有し、陰極基板
に電解質溶液または電解質ゲルを収容する空所を形成
し、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板を積層し、こ
の積層構造で、電解質溶液または電解質ゲルが前記空所
に充填されかつ陰極電極と陽極電極に接触し、ガス透過
膜部分が電気化学反応部領域に対応して配置される構成
とし、更に、陰極基板および陽極基板の電極が形成され
た面に、電気反応に必要な部分のみを露出させるための
パターンニングを有する絶縁層を形成したことを特徴と
する。
に溶存している酸素分圧を測定する酸素センサにおい
て、ガス透過膜部分を備えたガス透過膜基板と、陰極電
極を形成した絶縁基板からなる陰極基板と、陽極電極を
形成した絶縁基板からなる陽極基板とを有し、陰極基板
に電解質溶液または電解質ゲルを収容する空所を形成
し、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板を積層し、こ
の積層構造で、電解質溶液または電解質ゲルが前記空所
に充填されかつ陰極電極と陽極電極に接触し、ガス透過
膜部分が電気化学反応部領域に対応して配置される構成
とし、更に、陰極基板および陽極基板の電極が形成され
た面に、電気反応に必要な部分のみを露出させるための
パターンニングを有する絶縁層を形成したことを特徴と
する。
【００１１】本発明に係る第３の酸素センサは、液体中
に溶存している酸素分圧を測定する酸素センサにおい
て、ガス透過膜部分を備えたガス透過膜基板と、陰極電
極を形成した絶縁基板からなる陰極基板と、陽極電極を
形成した絶縁基板からなる陽極基板とを有し、陰極基板
に電解質溶液または電解質ゲルを収容する空所を形成
し、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板を積層し、こ
の積層構造で、電解質溶液または電解質ゲルが前記空所
に充填されかつ陰極電極と陽極電極に接触し、ガス透過
膜部分が電気化学反応部領域に対応して配置される構成
とし、更に、陰極基板における電解質溶液または電解質
ゲルを収容するための空所は、陰極基板に形成された孔
と、陰極基板の表面に形成されたコーティング膜に基づ
き形成される溝とによって形成されることを特徴とす
る。
に溶存している酸素分圧を測定する酸素センサにおい
て、ガス透過膜部分を備えたガス透過膜基板と、陰極電
極を形成した絶縁基板からなる陰極基板と、陽極電極を
形成した絶縁基板からなる陽極基板とを有し、陰極基板
に電解質溶液または電解質ゲルを収容する空所を形成
し、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板を積層し、こ
の積層構造で、電解質溶液または電解質ゲルが前記空所
に充填されかつ陰極電極と陽極電極に接触し、ガス透過
膜部分が電気化学反応部領域に対応して配置される構成
とし、更に、陰極基板における電解質溶液または電解質
ゲルを収容するための空所は、陰極基板に形成された孔
と、陰極基板の表面に形成されたコーティング膜に基づ
き形成される溝とによって形成されることを特徴とす
る。
【００１２】第３の酸素センサにおいて、好ましくは、
前記孔は、陰極電極の両側の対称的な位置に形成され、
前記溝は２つの孔を接続しかつ陰極電極に交差するよう
に形成される。
前記孔は、陰極電極の両側の対称的な位置に形成され、
前記溝は２つの孔を接続しかつ陰極電極に交差するよう
に形成される。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【作用】本発明に係る第１〜第３の酸素センサでは、少
なくとも、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板を接着
剤を用いて張り合わせ、積層構造で形成するので量産化
に適し、電解質溶液または電解質ゲルを、平板状の陰極
基板に形成した空所に収容するため、この空所の容量
を、陰極基板の厚み等を変化させることにより大きくす
ることができ、これにより電解質の容量を大きくするこ
とができ、電極の厚膜化と相俟って酸素センサの寿命を
延ばすことが可能となる。このように、本発明の酸素セ
ンサは、複数の層の張り合わせ構造で、立体構造を作る
ことができ、各層の構造の自由度を増すことができ、か
つ製造のプロセスを容易化できる。
なくとも、ガス透過膜基板と陰極基板と陽極基板を接着
剤を用いて張り合わせ、積層構造で形成するので量産化
に適し、電解質溶液または電解質ゲルを、平板状の陰極
基板に形成した空所に収容するため、この空所の容量
を、陰極基板の厚み等を変化させることにより大きくす
ることができ、これにより電解質の容量を大きくするこ
とができ、電極の厚膜化と相俟って酸素センサの寿命を
延ばすことが可能となる。このように、本発明の酸素セ
ンサは、複数の層の張り合わせ構造で、立体構造を作る
ことができ、各層の構造の自由度を増すことができ、か
つ製造のプロセスを容易化できる。
【００１９】また、本発明に係る第１の酸素センサで
は、陰極基板に形成した前記空所よりも大きな容積を有
する空所が形成された絶縁基板を付加し、電解質を蓄え
るスペースをさらに大きくし、寿命の更なる延長化を達
成できる。
は、陰極基板に形成した前記空所よりも大きな容積を有
する空所が形成された絶縁基板を付加し、電解質を蓄え
るスペースをさらに大きくし、寿命の更なる延長化を達
成できる。
【００２０】本発明に係る第２の酸素センサでは、陰極
電極基板及び陽極電極基板の電極が形成された面に、電
気反応に必要な部分のみを露出させるためのパターンニ
ングを有する絶縁層を形成したことで、電気的なリーク
等を防止し、常に安定したセンシングを行うことができ
る。本発明に係る第３の酸素センサでは、陰極基板の表
面に形成されたコーティング膜に基づき形成される溝で
電解質の存在箇所が決定され、測定のための電気反応が
良好に行われる。
電極基板及び陽極電極基板の電極が形成された面に、電
気反応に必要な部分のみを露出させるためのパターンニ
ングを有する絶縁層を形成したことで、電気的なリーク
等を防止し、常に安定したセンシングを行うことができ
る。本発明に係る第３の酸素センサでは、陰極基板の表
面に形成されたコーティング膜に基づき形成される溝で
電解質の存在箇所が決定され、測定のための電気反応が
良好に行われる。
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【実施例】以下に、本発明の実施例を、図１〜図７に基
づいて説明する。図１は本発明に係る酸素センサの外観
斜視図、図２は同酸素センサのガス透過膜基板の構造を
示す分解斜視図、図３は同酸素センサの全体の構造を示
す分解斜視図、図４は同酸素センサの要部拡大斜視図、
図５は同酸素センサを組み込んだフローセルの分解斜視
図、図６は同酸素センサの時間応答出力特性を示すグラ
フ、図７は同酸素センサの検量線のグラフを示す。
づいて説明する。図１は本発明に係る酸素センサの外観
斜視図、図２は同酸素センサのガス透過膜基板の構造を
示す分解斜視図、図３は同酸素センサの全体の構造を示
す分解斜視図、図４は同酸素センサの要部拡大斜視図、
図５は同酸素センサを組み込んだフローセルの分解斜視
図、図６は同酸素センサの時間応答出力特性を示すグラ
フ、図７は同酸素センサの検量線のグラフを示す。
【００２４】図１において、１はチップ状の本発明に係
る酸素センサ１であり、酸素センサ１は積層構造を有し
ている。その積層構造としては、図中、上側から、ガス
透過膜の部分が形成されたガス透過膜基板２、絶縁基板
上に白金または金をパターンニングすることにより陰極
電極を形成してなる陰極基板３、電解質溶液または電解
質ゲルを収容・保持するための空所を有した中間層４、
絶縁基板上に銀または塩化銀をパターンニングすること
により陽極電極を形成してなる陽極基板５の、４つの層
から構成されている。前記構成において、中間層４は必
ず必要というものではない。それぞれ層の構造の詳細に
ついては、後述される。
る酸素センサ１であり、酸素センサ１は積層構造を有し
ている。その積層構造としては、図中、上側から、ガス
透過膜の部分が形成されたガス透過膜基板２、絶縁基板
上に白金または金をパターンニングすることにより陰極
電極を形成してなる陰極基板３、電解質溶液または電解
質ゲルを収容・保持するための空所を有した中間層４、
絶縁基板上に銀または塩化銀をパターンニングすること
により陽極電極を形成してなる陽極基板５の、４つの層
から構成されている。前記構成において、中間層４は必
ず必要というものではない。それぞれ層の構造の詳細に
ついては、後述される。
【００２５】図２において、ガス透過膜基板２の構造と
しては、中央の位置に例えば丸い孔６ａを形成した矩形
のガス透過用ガラス基板６を２枚用意し、これらの２枚
のガス透過用ガラス基板６で、膜厚が、例えば１５μｍ
のポリテトラフルオロエチレンのガス透過膜７を挟み込
むようにしている。ガス透過膜７は、２枚のガス透過用
ガラス基板６のそれぞれの孔６ａを塞ぐように配置され
る。
しては、中央の位置に例えば丸い孔６ａを形成した矩形
のガス透過用ガラス基板６を２枚用意し、これらの２枚
のガス透過用ガラス基板６で、膜厚が、例えば１５μｍ
のポリテトラフルオロエチレンのガス透過膜７を挟み込
むようにしている。ガス透過膜７は、２枚のガス透過用
ガラス基板６のそれぞれの孔６ａを塞ぐように配置され
る。
【００２６】次に、図３に従い、各層の構造を詳細に説
明する。ガス透過膜基板２は、図２に示した構造により
一体化され、その一部に、ガス透過膜７の部分が設けら
れている。ガス透過膜基板２は、酸素センサにおいて、
測定対象溶液に接触する箇所に配設される。次の層は陰
極基板３であり、この陰極基板３では、ガラス基板など
の上に白金などをパターンニングして陰極電極８を形成
している。陰極電極８のパターン形状は、図示される如
く、長形で、先部が細くなっている。陰極基板３におい
て、陰極電極８の先部の両側の位置には、ほぼ対称位置
に孔９を形成される。かかる陰極基板３の陰極電極８が
形成された側の面には、例えばポリイミド１１を塗布し
てコーティング膜を形成し、かつこのコーティング膜に
おいて２つの孔９の間に所要の深さ（例えば、１０μｍ
程度）および幅を有した溝１０を形成し、ガラス基板と
陰極電極８の一部を露出させる。この実施例では、溝１
０は、陰極電極８の先部とほぼ直角に交差している。溝
１０と陰極電極８の配置関係を図４に拡大して示す。溝
１０の内部には、電解質ゲルなどが収容され、この溝１
０内の電解質ゲルが陰極電極８と接触することになる。
こうして、ポリイミド１１により、電気化学反応に必要
な電極部分以外の部分をコーティングし、電解質ゲルか
らの保護を図っている。ポリイミドは、陰極基板３で電
気反応に必要な部分のみを露出させるためのパターンニ
ングを有する絶縁層である。また、陰極電極８と溝１０
の交差部位は、各層を組み付けた時、ガス透過膜基板２
のガス透過膜７の部分が設けられた箇所と位置的に対応
している。
明する。ガス透過膜基板２は、図２に示した構造により
一体化され、その一部に、ガス透過膜７の部分が設けら
れている。ガス透過膜基板２は、酸素センサにおいて、
測定対象溶液に接触する箇所に配設される。次の層は陰
極基板３であり、この陰極基板３では、ガラス基板など
の上に白金などをパターンニングして陰極電極８を形成
している。陰極電極８のパターン形状は、図示される如
く、長形で、先部が細くなっている。陰極基板３におい
て、陰極電極８の先部の両側の位置には、ほぼ対称位置
に孔９を形成される。かかる陰極基板３の陰極電極８が
形成された側の面には、例えばポリイミド１１を塗布し
てコーティング膜を形成し、かつこのコーティング膜に
おいて２つの孔９の間に所要の深さ（例えば、１０μｍ
程度）および幅を有した溝１０を形成し、ガラス基板と
陰極電極８の一部を露出させる。この実施例では、溝１
０は、陰極電極８の先部とほぼ直角に交差している。溝
１０と陰極電極８の配置関係を図４に拡大して示す。溝
１０の内部には、電解質ゲルなどが収容され、この溝１
０内の電解質ゲルが陰極電極８と接触することになる。
こうして、ポリイミド１１により、電気化学反応に必要
な電極部分以外の部分をコーティングし、電解質ゲルか
らの保護を図っている。ポリイミドは、陰極基板３で電
気反応に必要な部分のみを露出させるためのパターンニ
ングを有する絶縁層である。また、陰極電極８と溝１０
の交差部位は、各層を組み付けた時、ガス透過膜基板２
のガス透過膜７の部分が設けられた箇所と位置的に対応
している。
【００２７】上記の如く、白金などで形成された陰極電
極８を有する陰極基板３に、ポリイミド１１のコーティ
ング膜を作り、このポリイミド１１の一部を除去して、
２つの孔９の間に、陰極電極８の先部と交差する溝１０
を形成する。溝１０の内部に電解質ゲルが収容されるた
め、この溝１０内に位置する陰極電極８の部分が、溝１
０内の電解質ゲルと電気化学反応を起こす。陰極電極８
との間で電気化学反応を起こす電解質ゲルは、溝１０に
よる空所において、陰極電極８の周辺に存在するものに
制限され、電解質ゲルは、必要のない余分な箇所に移動
しない。また溝１０における電解質ゲルは、溝１０の形
状によって、流動性が小さく、さらにガス透過膜７と接
触する電解質ゲルの面積を限定することができるので、
陰極電極８の先部の表面上における電気化学反応を安定
化することができ、これにより、酸素センサとしてのセ
ンシング能力を向上させることができる。
極８を有する陰極基板３に、ポリイミド１１のコーティ
ング膜を作り、このポリイミド１１の一部を除去して、
２つの孔９の間に、陰極電極８の先部と交差する溝１０
を形成する。溝１０の内部に電解質ゲルが収容されるた
め、この溝１０内に位置する陰極電極８の部分が、溝１
０内の電解質ゲルと電気化学反応を起こす。陰極電極８
との間で電気化学反応を起こす電解質ゲルは、溝１０に
よる空所において、陰極電極８の周辺に存在するものに
制限され、電解質ゲルは、必要のない余分な箇所に移動
しない。また溝１０における電解質ゲルは、溝１０の形
状によって、流動性が小さく、さらにガス透過膜７と接
触する電解質ゲルの面積を限定することができるので、
陰極電極８の先部の表面上における電気化学反応を安定
化することができ、これにより、酸素センサとしてのセ
ンシング能力を向上させることができる。
【００２８】次に、酸素センサの寿命について説明す
る。酸素センサの寿命を決定する要因として、電解質ゲ
ルの容量が重要となる。電解質ゲルの容量が多いほど、
酸素センサとしての寿命は長くなる。電解質ゲルの容量
については、本実施例の場合、非常に大きくすることが
できる。すなわち、前述した通り電解質ゲルの容量を増
大するための中間層４を設けている。この中間層４はガ
ラス基板で形成され、このガラス基板に、陰極基板３に
形成した孔９よりも大きな面積を有する電解質ゲルを保
持するための孔１２が形成される。この孔１２は、各層
の部材が積層され、酸素センサとして構成される時、両
側に位置する層と共に電解質ゲルを収容する空所を形成
する。この孔１２の有する面積と、中間層４の厚みと
で、自由に電解質ゲルの容量を設定することができる。
る。酸素センサの寿命を決定する要因として、電解質ゲ
ルの容量が重要となる。電解質ゲルの容量が多いほど、
酸素センサとしての寿命は長くなる。電解質ゲルの容量
については、本実施例の場合、非常に大きくすることが
できる。すなわち、前述した通り電解質ゲルの容量を増
大するための中間層４を設けている。この中間層４はガ
ラス基板で形成され、このガラス基板に、陰極基板３に
形成した孔９よりも大きな面積を有する電解質ゲルを保
持するための孔１２が形成される。この孔１２は、各層
の部材が積層され、酸素センサとして構成される時、両
側に位置する層と共に電解質ゲルを収容する空所を形成
する。この孔１２の有する面積と、中間層４の厚みと
で、自由に電解質ゲルの容量を設定することができる。
【００２９】上記の中間層４は、電解質ゲルの容量を増
大させるという意味では、設置することが望ましいもの
であるが、必ず必要というものではない。従って、この
ような場合には、積層型酸素センサ１において中間層４
が省略される。中間層４を設けない構造の酸素センサ１
で、電解質ゲルの容量を高めるためには、陰極基板３に
形成される孔９そのものの面積を大きくする。
大させるという意味では、設置することが望ましいもの
であるが、必ず必要というものではない。従って、この
ような場合には、積層型酸素センサ１において中間層４
が省略される。中間層４を設けない構造の酸素センサ１
で、電解質ゲルの容量を高めるためには、陰極基板３に
形成される孔９そのものの面積を大きくする。
【００３０】図３において、最下位に位置するのは、陽
極基板５である。陽極基板５には、陰極電極８に対して
配置される一対の陽極電極１３が形成されている。陽極
電極１３は、銀または塩化銀で形成され、陰極電極８と
対になって電気化学反応を起こす。一対の陽極電極１３
のそれぞれは、前記の一対の孔９または孔１２のそれぞ
れに対応している。また陽極基板５の電極が形成されて
いる面には、電気反応に必要な部分のみを露出させるた
めのパターンニングを有する絶縁層を形成することもで
きる。
極基板５である。陽極基板５には、陰極電極８に対して
配置される一対の陽極電極１３が形成されている。陽極
電極１３は、銀または塩化銀で形成され、陰極電極８と
対になって電気化学反応を起こす。一対の陽極電極１３
のそれぞれは、前記の一対の孔９または孔１２のそれぞ
れに対応している。また陽極基板５の電極が形成されて
いる面には、電気反応に必要な部分のみを露出させるた
めのパターンニングを有する絶縁層を形成することもで
きる。
【００３１】以上の如く、本実施例では、酸素センサ１
は、４つの層状の部材によって形成され、これらの層を
図３に示される如き所定の位置関係に配置し、前記各層
に、着剤としての例えばエポキシ樹脂や低融点ガラスを
スクリーン印刷法によりパターンニング化し、その後、
各層、すなわち、ガス透過膜基板２、陰極基板３、中間
層４、陽極基板５の４つの層を張り合わせ、さらにその
後に、酸素センサ１の全体を焼結または熱硬化させ、接
着することによって、形成される。完成した酸素センサ
１は、前述した通り、図１に示される如き外観を有す
る。また以上の説明では、便宜上、単一の酸素センサ１
の製造方法について説明した。しかし、実際には、半導
体製造技術を利用して、多数の酸素センサ１が同時に作
られる。具体的には、前記ガス透過膜基板２を単位の構
成要素としてこれを多数有する基板部材と、陰極基板３
を単位の構成要素として多数有する基板部材と、中間層
４を単位の構成要素として多数有する基板部材と、陽極
基板５を単位の構成要素として多数有する基板部材とを
重ね合わせ、前述の方法で接着し、その後に、多数の酸
素センサを含む積層部材を一括して切断し、大量の酸素
センサ１を切出すようにして、製造される。
は、４つの層状の部材によって形成され、これらの層を
図３に示される如き所定の位置関係に配置し、前記各層
に、着剤としての例えばエポキシ樹脂や低融点ガラスを
スクリーン印刷法によりパターンニング化し、その後、
各層、すなわち、ガス透過膜基板２、陰極基板３、中間
層４、陽極基板５の４つの層を張り合わせ、さらにその
後に、酸素センサ１の全体を焼結または熱硬化させ、接
着することによって、形成される。完成した酸素センサ
１は、前述した通り、図１に示される如き外観を有す
る。また以上の説明では、便宜上、単一の酸素センサ１
の製造方法について説明した。しかし、実際には、半導
体製造技術を利用して、多数の酸素センサ１が同時に作
られる。具体的には、前記ガス透過膜基板２を単位の構
成要素としてこれを多数有する基板部材と、陰極基板３
を単位の構成要素として多数有する基板部材と、中間層
４を単位の構成要素として多数有する基板部材と、陽極
基板５を単位の構成要素として多数有する基板部材とを
重ね合わせ、前述の方法で接着し、その後に、多数の酸
素センサを含む積層部材を一括して切断し、大量の酸素
センサ１を切出すようにして、製造される。
【００３２】なお、前記積層型酸素センサ１において、
図３に示されるように、各基板の大きさは必要に応じて
異ならせている。特に、陰極基板３および陽極基板５
を、大きくし、各電極の接続端が外側に位置するように
形成されている。また陰極基板３の陰極電極８、および
陽極基板５の陽極電極１３のそれぞれの接続端にはスル
ーホール８ａ，１３ａが形成され、各基板３，５の裏側
に電極が引き出されている。
図３に示されるように、各基板の大きさは必要に応じて
異ならせている。特に、陰極基板３および陽極基板５
を、大きくし、各電極の接続端が外側に位置するように
形成されている。また陰極基板３の陰極電極８、および
陽極基板５の陽極電極１３のそれぞれの接続端にはスル
ーホール８ａ，１３ａが形成され、各基板３，５の裏側
に電極が引き出されている。
【００３３】次に図５に従って、前記の積層型酸素セン
サ１を利用して組み立てられるフローセルの構造につい
て説明する。フローセルは、フローセルボディー２１と
プレート２２とから構成される。フローセルボディー２
１には、空所であるセンサ収容部２３と、測定溶液が流
れる流路２４が形成される。流路２４の一部は、センサ
収容部２３に開口されている。この流路２４の開口部２
５の周囲にはＯリング２６が配設される。上記の構造を
有するフローセルボディー２１のセンサ収容部２３に、
前述した本発明に係る積層型の酸素センサ１を、そのガ
ス透過膜７の部分が、前記流路２４の開口部２５に対向
するような位置関係にて装着する。この装着状態におい
て、酸素センサ１の全面に位置するガス透過膜基板２が
Ｏリングに当接する。このＯリング２６により、流路２
４を流れて来た測定溶液が、他の部位に漏れることが防
止される。流路２４を流れる測定溶液は、開口部２５
で、酸素センサ１のガス透過膜７に接触し、ガス要素が
ガス透過膜７を透過して酸素センサ１の内部に侵入す
る。なお、フローセルにおける酸素センサ１の組付けで
は、酸素センサ１をセンサ収容部２３に設置し、センサ
押え機能を有するプレート２２で酸素センサ１を押付
け、その後、固定用ネジ２７でプレート２２をフローセ
ルボディー２１に固定する。かかる構造を有するフロー
セルにおいて、チューブ２８を通って流れる測定溶液
が、フローセルに入ると、内部の開口部２５およびガス
透過膜７を介して酸素センサ１の中に取り込まれ、酸素
ガス分圧を測定することができる。
サ１を利用して組み立てられるフローセルの構造につい
て説明する。フローセルは、フローセルボディー２１と
プレート２２とから構成される。フローセルボディー２
１には、空所であるセンサ収容部２３と、測定溶液が流
れる流路２４が形成される。流路２４の一部は、センサ
収容部２３に開口されている。この流路２４の開口部２
５の周囲にはＯリング２６が配設される。上記の構造を
有するフローセルボディー２１のセンサ収容部２３に、
前述した本発明に係る積層型の酸素センサ１を、そのガ
ス透過膜７の部分が、前記流路２４の開口部２５に対向
するような位置関係にて装着する。この装着状態におい
て、酸素センサ１の全面に位置するガス透過膜基板２が
Ｏリングに当接する。このＯリング２６により、流路２
４を流れて来た測定溶液が、他の部位に漏れることが防
止される。流路２４を流れる測定溶液は、開口部２５
で、酸素センサ１のガス透過膜７に接触し、ガス要素が
ガス透過膜７を透過して酸素センサ１の内部に侵入す
る。なお、フローセルにおける酸素センサ１の組付けで
は、酸素センサ１をセンサ収容部２３に設置し、センサ
押え機能を有するプレート２２で酸素センサ１を押付
け、その後、固定用ネジ２７でプレート２２をフローセ
ルボディー２１に固定する。かかる構造を有するフロー
セルにおいて、チューブ２８を通って流れる測定溶液
が、フローセルに入ると、内部の開口部２５およびガス
透過膜７を介して酸素センサ１の中に取り込まれ、酸素
ガス分圧を測定することができる。
【００３４】図６に本発明による酸素センサ１の時間応
答特性を示す。この例では、窒素ガスと、窒素中に酸素
１００ mmHg を混合したガスとを、交互に測定した応答
曲線を示している。９０％応答として約１分が得られ
た。さらに、図７は、各酸素分圧に対する応答特性を調
べた結果を示している。酸素分圧の範囲が０ mmHg から
３００ mmHg の領域において、良好な直線応答を得るこ
とができた。その感度は、０．１ｐＡ／ mmHg である。
答特性を示す。この例では、窒素ガスと、窒素中に酸素
１００ mmHg を混合したガスとを、交互に測定した応答
曲線を示している。９０％応答として約１分が得られ
た。さらに、図７は、各酸素分圧に対する応答特性を調
べた結果を示している。酸素分圧の範囲が０ mmHg から
３００ mmHg の領域において、良好な直線応答を得るこ
とができた。その感度は、０．１ｐＡ／ mmHg である。
【００３５】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、次の効果を奏する。
よれば、次の効果を奏する。
【００３６】本発明に係る第１〜第３の酸素センサによ
れば、少なくとも、ガス透過膜基板、陰極基板、陽極基
板からなる積層構造で形成することができ、構造を簡素
化し、かつ各基板の作製を容易化し、電解質ゲル等の容
量を増大することができる。これにより、各層でのセン
サパターンをそれぞれ大面積の基板素材に多数形成で
き、これ他を積層し、切断することにより酸素センサチ
ップを大量に製造することができる。従来の酸素センサ
のガス電極などの如く、機械加工していたものとは異な
り、積層構造と、薄膜作製等の半導体作製技術とを利用
して、一度に多くの酸素センサチップを製造することが
でき、量産性の良い酸素センサとすることができる。ま
た積層構造において、陰極基板に、電解質ゲルを収容す
るスペースを形成し、またこのスペースの容積を、陰極
基板の厚み等を変えることにより大きくできるようにし
たため、電解質ゲルの容量を大きくすることができ、セ
ンサ寿命を長くすることができる。また、本発明に係る
第１の酸素センサによれば、電解質ゲルを収容する大き
な空所を有する絶縁基板を追加したので、センサの寿命
は大幅に改善することができる。
れば、少なくとも、ガス透過膜基板、陰極基板、陽極基
板からなる積層構造で形成することができ、構造を簡素
化し、かつ各基板の作製を容易化し、電解質ゲル等の容
量を増大することができる。これにより、各層でのセン
サパターンをそれぞれ大面積の基板素材に多数形成で
き、これ他を積層し、切断することにより酸素センサチ
ップを大量に製造することができる。従来の酸素センサ
のガス電極などの如く、機械加工していたものとは異な
り、積層構造と、薄膜作製等の半導体作製技術とを利用
して、一度に多くの酸素センサチップを製造することが
でき、量産性の良い酸素センサとすることができる。ま
た積層構造において、陰極基板に、電解質ゲルを収容す
るスペースを形成し、またこのスペースの容積を、陰極
基板の厚み等を変えることにより大きくできるようにし
たため、電解質ゲルの容量を大きくすることができ、セ
ンサ寿命を長くすることができる。また、本発明に係る
第１の酸素センサによれば、電解質ゲルを収容する大き
な空所を有する絶縁基板を追加したので、センサの寿命
は大幅に改善することができる。
【００３７】また、本発明に係る第２の酸素センサによ
れば、陰極電極基板と陽極電極基板の上で、電極の電気
反応に必要な部分のみをパターンニングした絶縁層で覆
うように構成したので、電気的なリーク等を防止し、常
に安定したセンシングを行うことができる。また、本発
明に係る第３の酸素センサによれば、陰極基板の表面に
形成されたコーティング膜に基づき形成される溝で電解
質の存在箇所が決定され、測定のための電気反応が良好
に行われる。
れば、陰極電極基板と陽極電極基板の上で、電極の電気
反応に必要な部分のみをパターンニングした絶縁層で覆
うように構成したので、電気的なリーク等を防止し、常
に安定したセンシングを行うことができる。また、本発
明に係る第３の酸素センサによれば、陰極基板の表面に
形成されたコーティング膜に基づき形成される溝で電解
質の存在箇所が決定され、測定のための電気反応が良好
に行われる。
【００３８】
【００３９】
【図１】本発明に係る酸素センサの外観図である。
【図２】同酸素センサのガス透過膜基板の構造を示す分
解斜視図である
解斜視図である
【図３】同酸素センサの全体の構造を示す分解斜視図で
ある。
ある。
【図４】同酸素センサの要部拡大斜視図である。
【図５】本発明に係る酸素センサを組み込んだフローセ
ルを、分解して示した斜視図である。
ルを、分解して示した斜視図である。
【図６】本発明に係る酸素センサの時間応答出力特性を
示すグラフである。
示すグラフである。
【図７】本発明に係る酸素センサの検量線を示すグラフ
である。
である。
１ 酸素センサ ２ ガス透過膜基板 ３ 陰極基板 ４ 中間層 ５ 陽極基板 ６ ガラス基板 ７ ガス透過膜 ８ 陰極電極 ９ 孔 １０ 溝 １１ ポロイミド １２ 孔 １３ 陽極電極 ２３ センサ収容部 ２４ 流路 ２５ 開口部
フロントページの続き (72)発明者 渡辺 吉雄 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社 日立製作所 中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−39755（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−8547（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−118353（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/404 G01N 27/28 321 G01N 27/28 331
Claims (4)
- 【請求項１】液体中に溶存している酸素分圧を測定する
酸素センサにおいて、ガス透過膜部分を備えたガス透過
膜基板と、陰極電極を形成した絶縁基板からなる陰極基
板と、陽極電極を形成した絶縁基板からなる陽極基板と
を有し、前記陰極基板に電解質溶液または電解質ゲルを
収容する空所を形成し、前記ガス透過膜基板と前記陰極
基板と前記陽極基板を積層し、この積層構造で、前記電
解質溶液または電解質ゲルが前記空所に充填されかつ前
記陰極電極と前記陽極電極に接触し、前記ガス透過膜部
分が電気化学反応部領域に対応して配置される構成と
し、 更に、前記陰極基板に形成した前記空所よりも大きな容
積を有する空所が形成された絶縁基板を、前記陰極基板
に隣接して配設して積層を行うことを特徴とする酸素セ
ンサ。 - 【請求項２】液体中に溶存している酸素分圧を測定する
酸素センサにおいて、ガス透過膜部分を備えたガス透過
膜基板と、陰極電極を形成した絶縁基板からなる陰極基
板と、陽極電極を形成した絶縁基板からなる陽極基板と
を有し、前記陰極基板に電解質溶液または電解質ゲルを
収容する空所を形成し、前記ガス透過膜基板と前記陰極
基板と前記陽極基板を積層し、この積層構造で、前記電
解質溶液または電解質ゲルが前記空所に充填されかつ前
記陰極電極と前記陽極電極に接触し、前記ガス透過膜部
分が電気化学反応部領域に対応して配置される構成と
し、 更に、前記陰極基板および前記陽極基板の電極が形成さ
れた面に、電気反応に必要な部分のみを露出させるため
のパターンニングを有する絶縁層を形成したことを特徴
とする酸素センサ。 - 【請求項３】液体中に溶存している酸素分圧を測定する
酸素センサにおいて、ガス透過膜部分を備えたガス透過
膜基板と、陰極電極を形成した絶縁基板からなる陰極基
板と、陽極電極を形成した絶縁基板からなる陽極基板と
を有し、前記陰極基板に電解質溶液または電解質ゲルを
収容する空所を形成し、前記ガス透過膜基板と前記陰極
基板と前記陽極基板を積層し、この積層構造で、前記電
解質溶液または電解質ゲルが前記空所に充填されかつ前
記陰極電極と前記陽極電極に接触し、前記ガス透過膜部
分が電気化学反応部領域に対応して配置される構成と
し、 更に、前記陰極基板における電解質溶液または電解質ゲ
ルを収容するための空所は、前記陰極基板に形成された
孔と、前記陰極基板の表面に形成されたコーティング膜
に基づき形成される溝とによって形成されることを特徴
とする酸素センサ。 - 【請求項４】請求項３記載の酸素センサにおいて、前記
孔は、前記陰極電極の両側の対称的な位置に形成され、
前記溝は前記２つの孔を接続しかつ前記陰極電極に交差
するように形成されたことを特徴とする酸素センサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3005250A JP3025027B2 (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 酸素センサ |
| US07/817,653 US5344545A (en) | 1991-01-21 | 1992-01-07 | Electrolytic sensor for measuring the content of gas in a fluid |
| EP92300305A EP0496521B1 (en) | 1991-01-21 | 1992-01-14 | Gas sensors |
| DE69219171T DE69219171T2 (de) | 1991-01-21 | 1992-01-14 | Gassensoren |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3005250A JP3025027B2 (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05223774A JPH05223774A (ja) | 1993-08-31 |
| JP3025027B2 true JP3025027B2 (ja) | 2000-03-27 |
Family
ID=11605968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3005250A Expired - Lifetime JP3025027B2 (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 酸素センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5344545A (ja) |
| EP (1) | EP0496521B1 (ja) |
| JP (1) | JP3025027B2 (ja) |
| DE (1) | DE69219171T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| US5595712A (en) * | 1994-07-25 | 1997-01-21 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Chemical mixing and reaction apparatus |
| US5585069A (en) * | 1994-11-10 | 1996-12-17 | David Sarnoff Research Center, Inc. | Partitioned microelectronic and fluidic device array for clinical diagnostics and chemical synthesis |
| DE4446509A1 (de) * | 1994-12-24 | 1996-06-27 | Sel Alcatel Ag | Verfahren zur Herstellung von Leiterbahnen auf einem Vertiefungen aufweisenden Substrat |
| DE19539518C2 (de) * | 1995-10-24 | 1998-06-04 | Inst Chemo Biosensorik | Verfahren zur Herstellung eines Gassensors |
| DE19701798C2 (de) * | 1997-01-20 | 1999-12-02 | Biotechnolog Forschung Gmbh | Elektrochemische Durchflußzelle |
| US7144486B1 (en) | 1997-04-30 | 2006-12-05 | Board Of Trustees Of The University Of Arkansas | Multilayer microcavity devices and methods |
| DK109597A (da) * | 1997-09-24 | 1999-03-25 | Unisense Aps | Elektrokemisk sensor og fremgangsmåde til fjernelse af falsk oxygen i en oxygen- eller dinitrogenoxidsensor |
| JP4620215B2 (ja) * | 2000-03-28 | 2011-01-26 | 東亜ディーケーケー株式会社 | 隔膜式センサ |
| US7456028B2 (en) | 2000-10-16 | 2008-11-25 | Board Of Trustees Of The University Of Arkansas, N.A. | Electrochemical method for detecting water born pathogens |
| US7348183B2 (en) * | 2000-10-16 | 2008-03-25 | Board Of Trustees Of The University Of Arkansas | Self-contained microelectrochemical bioassay platforms and methods |
| AU2002257460A1 (en) * | 2002-05-21 | 2003-12-02 | Rhocraft Research And Development Ltd. | Ion exchange membranes and dissolved gas sensors |
| US7138604B2 (en) * | 2003-05-02 | 2006-11-21 | Delphi Technologies, Inc. | Ceramic device, sensor device, method of making the same, and method for sensing gas |
| US9187783B2 (en) | 2010-10-04 | 2015-11-17 | Genapsys, Inc. | Systems and methods for automated reusable parallel biological reactions |
| US8241570B1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-14 | I Shou University | Flow cell device |
| US9926596B2 (en) | 2011-05-27 | 2018-03-27 | Genapsys, Inc. | Systems and methods for genetic and biological analysis |
| CN104105797B (zh) | 2011-12-01 | 2016-08-31 | 吉纳普赛斯股份有限公司 | 用于高效电子测序与检测的系统和方法 |
| CN105051214B (zh) | 2013-03-15 | 2018-12-28 | 吉纳普赛斯股份有限公司 | 用于生物分析的系统和方法 |
| US9523653B2 (en) | 2013-05-09 | 2016-12-20 | Changsha Sinocare Inc. | Disposable test sensor with improved sampling entrance |
| DE102013015218A1 (de) | 2013-09-13 | 2015-03-19 | Hella Kgaa Hueck & Co. | Gassensor und Kraftfahrzeug mit einem Gassensor |
| US9518951B2 (en) | 2013-12-06 | 2016-12-13 | Changsha Sinocare Inc. | Disposable test sensor with improved sampling entrance |
| WO2015089238A1 (en) | 2013-12-11 | 2015-06-18 | Genapsys, Inc. | Systems and methods for biological analysis and computation |
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| EP3556864B1 (en) | 2014-04-18 | 2020-12-09 | Genapsys, Inc. | Methods and systems for nucleic acid amplification |
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| EP3488017A4 (en) | 2016-07-20 | 2020-02-26 | Genapsys Inc. | SYSTEMS AND METHODS FOR NUCLEIC ACID SEQUENCING |
| US10821707B2 (en) * | 2018-05-17 | 2020-11-03 | Vaon, Llc | Multi-layer, flat glass structures |
| CN111566224A (zh) | 2017-09-21 | 2020-08-21 | 吉纳普赛斯股份有限公司 | 用于核酸测序的系统和方法 |
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