JP3244249B2 - Electrode for sensor - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は高い検出感度を有するセ
ンサー用電極に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor electrode having high detection sensitivity.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、溶液中の微量物質の検出などには
電気化学測定が多く用いられていた。一般には電極のサ
イズが大きいため、感度が低いという問題があった。こ
れを改善するため数μm〜10μm幅で数mmの長さの
金属を櫛形に配置した電極を用いて微量物質を検出しよ
うという試みもなされてきた[例えばO.Niwa, M.Morit
a, and H.Tabei, Electroanalysis, 3, 163(1991)]。
一方、このような方式により、電解液とこれに導入した
ガスとの反応で起こる電気分解を利用することで溶液中
の分析のみならず、大気中のガスを検出しようとする電
気化学式ガスセンサーも提案されていた。ガスセンサー
はこの方法以外に酸化物半導体、有機半導体、固体電解
質、多孔質セラミックスを使用するものなども多数提案
されていた[例えば新田正義、武田義章、原留美吉著ガ
スセンサとその応用(パワー社)]。半導体の性質を持
つセラミックスを用いたガスセンサーはセラミックス表
面で起こる各種ガスの吸着および脱離によるセラミック
スの電気伝導度の変化を利用する。電解質セラミックス
を用いたガスセンサーでは相対する2つの面でガスの濃
度に差があるとき、セラミックス内をイオンが移動し、
このため起電力が生じる。セラミックスの一方の面でガ
ス濃度が明らかになっていればこの起電力を利用して他
方の面でのガス濃度が検出可能となる。多孔質セラミッ
クスを用いたガスセンサーでは表面に触媒を分散させた
セラミックス担体が高温状態で可燃性ガスに触れるとガ
スが燃焼し、セラミックスの温度が上昇する。セラミッ
クスの内部に金属線を埋め込んでおくと、金属線の抵抗
値が変化するので、これを利用することでガス濃度が明
らかになるなど多くの方法が用いられている。これら以
外にガス吸着により生じる重量変化を利用したセンサー
などもある。いずれにしても問題は感度が十分でなく、
ppmオーダー以下のガス濃度の分析が極めて困難なこ
とであった。2. Description of the Related Art Conventionally, electrochemical measurement has often been used for detecting trace substances in a solution. In general, there is a problem that the sensitivity is low because the size of the electrode is large. In order to improve this, attempts have been made to detect trace substances using electrodes in which a metal having a width of several μm to 10 μm and a length of several mm is arranged in a comb shape [for example, O. Niwa, M. Morit.
a, and H. Tabei, Electroanalysis, 3, 163 (1991)].
On the other hand, electrochemical gas sensors that attempt to detect gas in the atmosphere as well as analysis in solution by utilizing electrolysis that occurs by the reaction between the electrolytic solution and the gas introduced into it using such a method are also used. Had been proposed. In addition to this method, many gas sensors using oxide semiconductors, organic semiconductors, solid electrolytes, and porous ceramics have been proposed [for example, gas sensors by Masayoshi Nitta, Yoshiaki Takeda, and Yoshiyoshi Hara and their applications (Power Company)]. Gas sensors using ceramics having the properties of a semiconductor utilize changes in the electrical conductivity of ceramics caused by adsorption and desorption of various gases occurring on the surface of the ceramics. In a gas sensor using electrolyte ceramics, when there is a difference in gas concentration between two opposing surfaces, ions move in the ceramics,
Therefore, an electromotive force is generated. If the gas concentration is known on one side of the ceramics, the electromotive force can be used to detect the gas concentration on the other side. In a gas sensor using porous ceramics, when a ceramics carrier having a catalyst dispersed on its surface contacts a flammable gas in a high temperature state, the gas burns and the temperature of the ceramics rises. When a metal wire is embedded in ceramics, the resistance value of the metal wire changes. Therefore, many methods have been used such that the gas concentration is clarified by using this. In addition to these, there is a sensor utilizing a change in weight caused by gas adsorption. In any case, the problem is not enough sensitivity,
It has been extremely difficult to analyze gas concentrations on the order of ppm or less.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】溶液中の微量物質を検
出する電気化学測定においては電極サイズが大きいた
め、感度に限界がある。現在、最も高感度の電極とされ
る櫛形電極においてさえ、最も微小なサイズが数μmで
あるため、溶液中においても10nmol/dm3を切
る濃度を検出する感度がやっとであった。また、これを
ガスセンサーとして使用する場合においても、ガス成分
が溶液にとけ込む量が極めて少ないため、感度は桁違い
に悪くなるという欠点があった。本発明によるガスセン
サーとして関連するのは、上記の電気分解反応を利用し
た電気化学式ガスセンサー以外に多孔質セラミックスセ
ンサーが存在する。この多孔質セラミックスセンサーも
感度が高くないという問題を持つ。しかも多孔質セラミ
ックスセンサーはこれに加え、ガス吸着用の細孔のサイ
ズを最適化すること、また、その分布を最適に制御する
ことが困難であるという問題があった。また、溶液を用
いる電気化学式ガスセンサーは電極面で起こる電極反応
による電流を検知するのに、電解液を用いる必要がある
ので電解液の水分の蒸発・吸収などが生じるため制御が
困難という問題もあった。本発明は従来の問題点を解決
し、感度が高く、作製制御性に優れたガスセンサーを提
供することを目的としている。In an electrochemical measurement for detecting a trace substance in a solution, the sensitivity is limited due to the large electrode size. At present, even in the case of the most highly sensitive comb-shaped electrode, since the smallest size is several μm, the sensitivity for detecting a concentration of less than 10 nmol / dm 3 even in a solution has been barely reached. Also, when this is used as a gas sensor, there is a disadvantage that the sensitivity is reduced by orders of magnitude because the amount of the gas component dissolved into the solution is extremely small. Related to the gas sensor according to the present invention is a porous ceramic sensor other than the electrochemical gas sensor utilizing the above-described electrolysis reaction. This porous ceramic sensor also has a problem that the sensitivity is not high. In addition, the porous ceramic sensor has problems in that it is difficult to optimize the size of the gas adsorption pores and to optimally control the distribution thereof. In addition, an electrochemical gas sensor using a solution requires the use of an electrolytic solution to detect the current due to the electrode reaction occurring on the electrode surface. there were. An object of the present invention is to solve the conventional problems and to provide a gas sensor having high sensitivity and excellent production controllability.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は溶液またはガスを検知するセンサーにおい
て、基板上に絶縁体薄膜と金属薄膜とが積み重なった構
造の多層膜からなり、前記多層膜を基板に対して様々な
傾きをもった角度で切断することにより、積層膜の断面
を露出させた該金属薄膜を電極として使用することを発
明の特徴とするものである。さらに本発明は前記絶縁体
薄膜と前記金属薄膜とが交互に2層以上積層されている
ことを発明の特徴とするものである。According to the present invention, there is provided a sensor for detecting a solution or gas, comprising a multilayer film having a structure in which an insulating thin film and a metal thin film are stacked on a substrate. Various films against the substrate
By cutting at an inclined angle, the cross section of the laminated film
It is a feature of the present invention to use the metal thin film exposing as a electrode as an electrode. The present invention is characterized in the invention in that the insulator thin film and said metal thin film is laminated alternately two or more layers.
【0005】[0005]
【作用】電気化学判定において電極面積を小さくする
と、電極形状にもよるが、電極への物質の拡散状態が一
次元から2次元、3次元拡散が支配的となる、即ち、斜
め方向の拡散によっても物質が電極に供給されるため、
単位時間、単位体積あたりに到達する物質量が電極の微
細化にともない急激に増加する。その結果、観測される
電流密度が大幅に増大する。このような電極面積の小さ
な電極を電気化学判定に適用すると 電極が小さいた
め電流値が小さくなりiRドロップが小さくなる。この
ため電気抵抗の高い試料の測定が可能になる。 電気
2重層の充電電流が小さくなるため高速でS/N比の高
い測定が可能になる。 拡散が等方的になるため電流
密度が高く、定常状態になる時間が早い。などの特徴が
現れるようになる。When the electrode area is reduced in the electrochemical judgment, the diffusion state of the substance into the electrode is dominated by one-dimensional to two-dimensional and three-dimensional diffusion, depending on the electrode shape. Is also supplied to the electrode,
The amount of substance that reaches per unit time and per unit volume increases rapidly with miniaturization of electrodes. As a result, the observed current density increases significantly. When an electrode having such a small electrode area is applied to the electrochemical judgment, the current value becomes small and the iR drop becomes small because the electrode is small. For this reason, it is possible to measure a sample having a high electric resistance. Since the charging current of the electric double layer is small, measurement at high speed and high S / N ratio becomes possible. Since the diffusion is isotropic, the current density is high, and the time for a steady state is short. Features such as come to appear.
【0006】薄膜を積み重ねた多層膜は1nm程度から
数μmの微細な積層構造をとることができる。このた
め、複数の金属層を絶縁体層を挟んで1nm程度から数
μmの微細な間隔で並べたのち、薄膜面に垂直あるいは
様々な傾きをもった角度で切断することにより積層膜の
断面を露出させ金属層を電極とし、これら電極間に電圧
源と接続する配線を形成すると1nm程度から数100
0nmサイズという微小な電極が容易に形成可能とな
る。これを電極として用いると極めて高い抵抗溶液中に
おいても溶液内の電位降下が小さくなりより正確に電極
電位を測定できることになる。また、電流密度が大きく
なるので、低濃度溶液中の物質の検出や濃度の検出が可
能となる。また、このような電極サイズでは水蒸気、エ
チルアルコール、アンモニアガスその他の可燃性ガスな
どが電極を覆った場合においても、電極間隔が極めて小
さいので、電極表面に吸着したガス分子を抵抗変化等に
より電気的に検出することが可能となる。この電流を読
みとることでガスの検知が可能となる。上記の微細電極
であるため感度が高いという特徴[青木幸一:電気化学
56,1391A(1988)]のみならず、通常の電
気化学式センサーにくらべ電解液が不要となるため取り
扱いも簡単になるという効果が生じる。以下にその実施
例を示す。本発明の電極としては導電性が高ければ良い
ため、Al,Cu,Au,Pt等の金属が好適に使用で
きる。電極間の間をあけるスペーサー層としては酸化物
などの絶縁体であればよいのでSiO2等の酸化物、S
i3N4等の窒化物が好適に使用できる。A multilayer film in which thin films are stacked can have a fine laminated structure of about 1 nm to several μm. For this reason, after arranging a plurality of metal layers at a fine interval of about 1 nm to several μm with an insulator layer interposed therebetween, the cross section of the laminated film is cut by cutting the thin film perpendicularly or at various angles. The exposed metal layer is used as an electrode, and a wiring for connecting to a voltage source is formed between these electrodes.
A minute electrode having a size of 0 nm can be easily formed. When this is used as an electrode, even in an extremely high resistance solution, the potential drop in the solution becomes small and the electrode potential can be measured more accurately. Further, since the current density is increased, it is possible to detect a substance and a concentration in a low-concentration solution. Also, with such an electrode size, even when water vapor, ethyl alcohol, ammonia gas, or other flammable gas covers the electrodes, the distance between the electrodes is extremely small. It becomes possible to detect it. By reading this current, the gas can be detected. In addition to the feature of high sensitivity due to the above-mentioned microelectrode [Koichi Aoki: Electrochemical 56, 1391A (1988)], the effect that the electrolyte is not required as compared with a normal electrochemical sensor, so that the handling is simplified. Occurs. An example will be described below. Since the electrode of the present invention only needs to have high conductivity, metals such as Al, Cu, Au, and Pt can be suitably used. Since the spacer layer to open the course of the electrode may be an insulator such as oxide oxide such as SiO 2, S
A nitride such as i 3 N 4 can be suitably used.
【0007】[0007]
【実施例】次に本発明を実施例について説明する。なお
実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しな
い範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうることは云
うまでもない。 (実施例1) 基板1としてSiを使用し、これを真空チャンバーの下
部に2つのスパッタ蒸着源(ターゲットと呼ぶ)をもち
基板をターゲットに対向させてチャンバーの上部にとり
つけることができ、かつ、基板ホルダーが公転してター
ゲット上を回転することが可能な回転式対向型スパッタ
装置にセットする。蒸着源にAuとSiO2を使用し、
真空チャンバー内を10−8Torr台まで排気後Ar
ガスを5×10−3torr導入し、Auターゲットは
200Wの、SiO2は300Wのパワーでrf放電を
行う。このあとSi基板を基板ホルダーごと回転させ
て、Si基板をAuターゲット上とSiO2ターゲット
上を交互に通過させる。この場合、基板ホルダーは一定
速度で回転していることでスパッタ法ではスパッタ粒子
の堆積速度がほとんど一定であることから、基板上に形
成される薄膜の厚みは6インチ(15.24cm)径の
面積内で平均値が0.1nm以内のずれまでで制御する
ことができた。この手法を用いて10nmのAu電極層
と100nmのSiO2絶縁層が50対形成した。この
多層膜を薄膜平面に垂直方向にスクライバーで所要のサ
イズにカット後、カット面をバフ研磨で研磨後、この多
層膜中の電極層を利用した電極形成を、フォトリソグラ
フィと反応性イオンエッチングによって行った。Next, the present invention will be described with reference to examples. The embodiment is merely an example, and it goes without saying that various changes or improvements can be made without departing from the spirit of the present invention. (Example 1) Si is used as a substrate 1 and can be attached to an upper portion of a chamber with two sputter deposition sources (referred to as targets) at a lower portion of a vacuum chamber, with the substrate facing the target, and The substrate holder is set in a rotary facing type sputtering apparatus that can revolve around the target by revolving. Using Au and SiO 2 as evaporation sources,
Ar after evacuating the inside of the vacuum chamber to the order of 10 −8 Torr
Gas is introduced at 5 × 10 −3 torr, and rf discharge is performed at a power of 200 W for the Au target and 300 W for SiO 2 . Thereafter, the Si substrate is rotated together with the substrate holder, and the Si substrate is alternately passed over the Au target and the SiO 2 target. In this case, the thickness of the thin film formed on the substrate has a diameter of 6 inches (15.24 cm) because the deposition rate of the sputtered particles is almost constant in the sputtering method because the substrate holder is rotating at a constant speed. It was possible to control the average value within the area to within 0.1 nm. Using this technique, 50 pairs of a 10 nm Au electrode layer and a 100 nm SiO 2 insulating layer were formed. After cutting this multilayer film to the required size in the direction perpendicular to the plane of the thin film with a scriber, the cut surface is polished by buffing, and the electrode formation using the electrode layer in this multilayer film is performed by photolithography and reactive ion etching. went.
【0008】図1は形成した多層膜の断面構造の模式図
を示す。図において1は基板、2は金属層、3は絶縁層
を示す。図2には、電極配線接続を行うため、金属層の
露出面積を広げるため行った斜めイオンエッチング後の
多層膜の断面構造を示す。図において、1は基板、2は
金属層、3は絶縁層を示す。本発明ではエッチング不要
部分はレジストコートしておきエッチング終了後、レジ
ストは除去する方法を用いた。基板上の電極およびリー
ド線用配線部作製後、配線部分をSiO2薄膜でコート
した。FIG. 1 is a schematic view of a cross-sectional structure of the formed multilayer film. In the figure, 1 indicates a substrate, 2 indicates a metal layer, and 3 indicates an insulating layer. FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the multilayer film after oblique ion etching performed to enlarge the exposed area of the metal layer in order to perform electrode wiring connection. In the figure, 1 indicates a substrate, 2 indicates a metal layer, and 3 indicates an insulating layer. In the present invention, a method is used in which a portion unnecessary to be etched is coated with a resist, and after the etching is completed, the resist is removed. After the formation of the electrode and lead wire on the substrate, the wire was coated with a SiO 2 thin film.
【0009】図3は多層膜の一部を斜めエッチングし、
金属層2、絶縁層3の露出部分を大きくして、リード配
線4との接続を容易にした状態での多層膜中の金属層と
リード配線との接続状態を模式的に示したものである。
図において1は基板、2は金属層、3は絶縁層、4はリ
ード線、5はコンタクト部、6はリード線、7は電気掃
引用電圧発生部、8は配線部分絶縁用絶縁膜を示す。図
4は図3の鳥瞰図を示す。この多層膜電極を1nmol
/dm3のドーパミン溶液の中にいれ測定したところ、
図5に示すようなボルタノグラムが得られ、このような
低濃度物質の検出ができることが確認された。また、こ
の濃度のドーパミンが6倍量アスコルビン酸と共存する
場合においてもドーパミンは検出できた。FIG. 3 shows that a part of the multilayer film is obliquely etched,
FIG. 3 schematically shows a connection state between a metal layer in a multilayer film and a lead wiring in a state where the exposed portions of the metal layer 2 and the insulating layer 3 are enlarged to facilitate connection with the lead wiring 4. .
In the figure, 1 is a substrate, 2 is a metal layer, 3 is an insulating layer, 4 is a lead wire, 5 is a contact portion, 6 is a lead wire, 7 is an electric sweeping voltage generating portion, and 8 is an insulating film for partially insulating a wiring. . FIG. 4 shows the bird's-eye view of FIG. 1 nmol of this multilayer electrode
/ Dm 3 in a dopamine solution,
A voltanogram as shown in FIG. 5 was obtained, and it was confirmed that such a low concentration substance could be detected. Further, dopamine could be detected even when this concentration of dopamine coexisted with 6-fold ascorbic acid.
【0010】(実施例2) 実施例1と同様基板1としてSiを使用し、これを真空
チャンバーの下部に2つのスパッタ蒸着源(ターゲット
と呼ぶ)をもち基板をターゲットに対向させてチャンバ
ーの上部にとりつけることができ、かつ、基板ホルダー
が公転してターゲット上を回転することが可能な回転式
対向型スパッタ装置にセットする。蒸着源にPtとSi
O2を使用した。実施例1と同様にして、10nmのP
t電極層と100nmのSiO2絶縁層が50対からな
るセンサ用電極を形成した。この多層膜電極を用いて実
施例1と同様の溶液中てドーパミン検出を行ったところ
0.5nmol/dm3のドーパミン溶液においても検
出が可能となった。また、1nmol/dm3の濃度の
ドーパミンが10倍量アスコルビン酸と共存する場合に
おいてもドーパミンは検出できた。(Embodiment 2) As in Embodiment 1, Si is used as a substrate 1, and it is provided with two sputter deposition sources (referred to as targets) at the lower part of a vacuum chamber and the upper part of the chamber with the substrate facing the target. It is set in a rotary opposed type sputtering apparatus that can be mounted on a substrate holder and can rotate on a target by revolving a substrate holder. Pt and Si for evaporation source
The O 2 was used. As in Example 1, a 10 nm P
A sensor electrode composed of 50 pairs of a t electrode layer and a 100 nm SiO 2 insulating layer was formed. When dopamine was detected in the same solution as in Example 1 using this multilayer electrode, detection was possible even with a 0.5 nmol / dm 3 dopamine solution. Also, dopamine could be detected when dopamine at a concentration of 1 nmol / dm 3 coexisted with 10-fold ascorbic acid.
【0011】(実施例3) 実施例1と同様にしてSiO2基板上に10nmのPt
電極層と12nmのSiO2絶縁層が10対からなるセ
ンサ用電極を形成した。この多層膜電極を用いて実施例
1と同様の溶液中でドーパミン検出を行ったところ0.
2nmol/dm3のドーパミン溶液においても検出が
可能となった。また、1nmol/dm3の濃度のドー
パミンが15倍量アスコルビン酸と共存する場合におい
てもドーパミンは検出できた。(Embodiment 3) Pt of 10 nm was formed on a SiO 2 substrate in the same manner as in Embodiment 1.
A sensor electrode composed of 10 pairs of an electrode layer and a 12 nm SiO 2 insulating layer was formed. Dopamine was detected in the same solution as in Example 1 using this multilayer electrode.
Detection was possible even with a 2 nmol / dm 3 dopamine solution. Also, dopamine was detectable when dopamine at a concentration of 1 nmol / dm 3 coexisted with 15-fold ascorbic acid.
【0012】(実施例4) 実施例1と同様にしてSiO2基板上に10nmのPt
電極層と9nmのSiO2絶縁層が3対からなるセンサ
用電極を形成した。この多層膜電極を用いて実施例1と
同様の溶液中でドーパミン検出を行ったところ0.1n
mol/dm3 のドーパミン溶液においても検出が可
能となった。また、1nmol/dm3の濃度のドーパ
ミンが30倍量アスコルビン酸と共存する場合において
もドーパミンは検出できた。(Embodiment 4) Pt of 10 nm was formed on a SiO 2 substrate in the same manner as in Embodiment 1.
A sensor electrode composed of three pairs of an electrode layer and a 9 nm SiO 2 insulating layer was formed. Using this multilayer electrode, dopamine detection was performed in the same solution as in Example 1.
Detection was possible even in a mol / dm 3 dopamine solution. Also, dopamine could be detected when dopamine at a concentration of 1 nmol / dm 3 coexisted with 30-fold ascorbic acid.
【0013】(実施例5) 実施例1と同様にして5nmのPt電極層と20nmの
SiO2絶縁層が100対からなるセンサ用電極を形成
し多層膜電極を1気圧の大気中、40%の水蒸気雰囲気
中にいれ、電極間に2ボルトの電圧をかけたところ、約
10nAの電流値が得られた。水蒸気の分圧を増加させ
ていくと電流値も増加していくことも確認され、本発明
の多層膜型電極構造は湿度検出センサーとして機能する
ことが確認された。Fifth Embodiment A sensor electrode composed of 100 pairs of a 5 nm Pt electrode layer and a 20 nm SiO 2 insulating layer is formed in the same manner as in the first embodiment. When a voltage of 2 volts was applied between the electrodes in a water vapor atmosphere, a current value of about 10 nA was obtained. It was also confirmed that as the partial pressure of water vapor was increased, the current value was also increased, and it was confirmed that the multilayer electrode structure of the present invention functions as a humidity detection sensor.
【0014】(実施例6) 作製した5nmのPt電極層と20nmのSiO2絶縁
層が100対からなるセンサ用電極を種々のSO2濃度
条件下に放置した場合の導電率変化を観測することによ
り、SO2センサーとしての特性を評価した。なお、作
製した薄膜の導電率は非常に小さかったため、実際には
印加電圧を変化させて、電流量が10−10〜10−N
Aの範囲になるように調整し、吸脱着による電流変化
を微小電流計を用いて測定した。SO2濃度は、乾燥窒
素とSO2の流量を変化させることにより制御した。S
O2の濃度が100ppbの場合にも十分な感度を有し
ていた。なお、電極材料をAgやAuに変更して同様の
実験を行った場合にも、本実施例と同様の結果が得られ
た。(Example 6) Observing a change in conductivity when a sensor electrode composed of 100 pairs of a prepared 5 nm Pt electrode layer and a 20 nm SiO 2 insulating layer is left under various SO 2 concentration conditions. The characteristics as an SO 2 sensor were evaluated. In addition, since the conductivity of the formed thin film was very small, the applied voltage was actually changed so that the current amount was 10 −10 to 10 −N
The current was adjusted so as to fall within the range of A, and the current change due to adsorption and desorption was measured using a microammeter. The SO 2 concentration was controlled by changing the flow rates of dry nitrogen and SO 2 . S
Sufficient sensitivity was obtained even when the concentration of O 2 was 100 ppb. In addition, when the same experiment was performed by changing the electrode material to Ag or Au, the same result as that of the present example was obtained.
【0015】(実施例7) 実施例5と同様にして作製した5nmのPt電極層と2
0nmのSiO2絶縁層が100対からなるセンサ用電
極を種々のSO2濃度条件下に放置した場合の導電率変
化を観測することにより、NO2センサーとしての特性
を評価した。NO2濃度は、乾燥窒素とNO2の流量を
変化させることにより制御した。NO2の濃度が600
ppbの場合にも十分な感度を有していた。なお、電極
材料をCuやNiに変更して同様の実験を行った場合に
も、本実施例と同様の結果が得られた。(Embodiment 7) A 5 nm Pt electrode layer formed in the same manner as in Embodiment 5 and 2
The characteristics as a NO 2 sensor were evaluated by observing a change in conductivity when a sensor electrode including 100 pairs of 0-nm SiO 2 insulating layers was left under various SO 2 concentration conditions. The NO 2 concentration was controlled by changing the flow rates of dry nitrogen and NO 2 . NO 2 concentration of 600
Also in the case of ppb, it had sufficient sensitivity. In addition, when the same experiment was performed by changing the electrode material to Cu or Ni, the same result as that of the present example was obtained.
【0016】[0016]
【発明の効果】本発明によれば、溶液またはガスを検知
するセンサーにおいて、基板上に絶縁体薄膜と金属薄膜
とが積み重なった構造の多層膜からなり、前記多層膜を
基板に対して様々な傾きをもった角度で切断することに
より、積層膜の断面を露出させた該金属薄膜を電極とし
て使用することにより、電極間距離を極めて小さくする
ことができる上、電極面積を極めて小さくできるので、
従来の電気化学センサーと異なり高感度の溶液センサー
となる。特に電極間距離が10nmをきると極めて高感
度になる。また、電極間距離が極めて小さいため電極に
吸着したガス成分を抵抗変化等で検出することができる
ので溶液がなくともガスを検出することができる。この
ため溶液のいらない取り扱いの簡単なガスセンサーとな
るという効果を有するものである。本発明によれば、電
極が小さいため電流値が小さく、IRドロップ(電圧降
下)が小さくなるため、電気抵抗の高い試料の測定が可
能になる。電極表面に形成される電気2重層の充電電流
が小さくなるため、S/N比が高くかつ高速に応答す
る。電極に到達する検知対象物質の流入が等方的になる
ために、電流密度が高く、定常状態に安定化するまでの
時間が短い。 さらに、本発明によれば、多層膜を基板に
対して斜めに切断して露出させた電極には、斜め方向か
らの拡散(3次元拡散)により到達する検知対象物質の
数が多くなり、効率よく対象物質を検出できる。多層膜
を基板に対して斜めに切断して金属を露出させて電極を
作製するため、切断する角度により電極面積を調整する
ことが可能である。これにより、多層膜作製後に所望の
電極幅のセンサー用電極を得ることができる。多層膜の
作製には多大な工程と時間とを必要とするため、いった
ん多層膜を作製しておけば、その後の斜めの切断工程で
いかようにも所望の最適な電極幅を有する多層電極構造
を得ることができる。 According to the present invention, in a sensor for detecting a solution or gas, a multilayer film having a structure in which an insulating thin film and a metal thin film are stacked on a substrate is provided.
For cutting at various angles to the substrate
By using the metal thin film with the cross section of the laminated film exposed as an electrode, the distance between the electrodes can be extremely reduced, and the electrode area can be extremely reduced.
Unlike conventional electrochemical sensors, it is a highly sensitive solution sensor. Particularly when the distance between the electrodes is less than 10 nm, the sensitivity becomes extremely high. Further, since the distance between the electrodes is extremely small, a gas component adsorbed on the electrodes can be detected by a change in resistance or the like, so that gas can be detected without a solution. Therefore, the present invention has an effect that the gas sensor can be easily handled without using a solution. According to the present invention,
The current value is small due to the small pole, and IR drop (voltage drop)
Lower) allows measurement of samples with high electrical resistance
It will work. Charge current of electric double layer formed on electrode surface
, The S / N ratio is high and the response is fast.
You. The flow of the target substance reaching the electrode becomes isotropic
Therefore, the current density is high until the steady state is reached.
Time is short. Furthermore, according to the present invention, a multilayer film is
For electrodes exposed by cutting diagonally to the
Of the target substance that arrives by diffusion (three-dimensional diffusion)
The number increases, and the target substance can be detected efficiently. Multilayer film
Cut obliquely to the substrate to expose the metal and
Adjust the electrode area according to the cutting angle for manufacturing
It is possible. As a result, the desired
An electrode for a sensor having an electrode width can be obtained. Multilayer
Manufacturing requires a lot of steps and time,
If a multi-layer film is prepared,
A multilayer electrode structure with a desired optimum electrode width
Can be obtained.
【図1】本発明による多層膜電極構造の断面図を示す。FIG. 1 shows a cross-sectional view of a multilayer electrode structure according to the present invention.
【図2】電極配線接続用に金属層の露出面積を広げるた
め行った斜めイオンエッチング後の多層膜の断面構造図
を示す。FIG. 2 is a cross-sectional structural view of a multilayer film after oblique ion etching performed to increase an exposed area of a metal layer for connecting an electrode wiring.
【図3】金属層とリード電圧発生部との接続状態を模式
的に示したものである。FIG. 3 schematically illustrates a connection state between a metal layer and a read voltage generation unit.
【図4】図3の鳥瞰図を示す。(但し、図を単純化する
ため金属層及び配線部の数を減少させて描いた)FIG. 4 shows the bird's-eye view of FIG. 3; (However, in order to simplify the figure, the number of metal layers and wiring parts is reduced)
【図5】測定結果を示す。FIG. 5 shows measurement results.
1 基板 2 金属層 3 絶縁層 4 リード配線 5 コンタクト部 6 リード線 7 電気掃引用電圧発生部 8 配線部分絶縁用絶縁膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Metal layer 3 Insulating layer 4 Lead wiring 5 Contact part 6 Lead wire 7 Electric sweep voltage generating part 8 Insulating film for wiring partial insulation
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 重邦 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−2007(JP,A) 特開 平2−19757(JP,A) 特開 平2−140655(JP,A) 特開 平1−223339(JP,A) 実開 平4−130064(JP,U) 特表 平3−505785(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/30 G01N 27/12 G01N 27/28 331 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Shigekuni Sasaki 1-1-6 Uchisaiwai-cho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) References JP-A-5-2007 (JP, A) JP-A-2-19757 (JP, A) JP-A-2-140655 (JP, A) JP-A-1-223339 (JP, A) JP-A-4-130064 (JP, U) , A) (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 27/30 G01N 27/12 G01N 27/28 331 JICST file (JOIS)
Claims (2)
いて、基板上に絶縁体薄膜と金属薄膜とが積み重なった
構造の多層膜からなり、前記多層膜を基板に対して様々
な傾きをもった角度で切断することにより、積層膜の断
面を露出させた該金属薄膜を電極として使用することを
特徴とするセンサー用電極。1. A sensor for detecting a solution or a gas, comprising a multilayer film having a structure in which an insulating thin film and a metal thin film are stacked on a substrate , wherein the multilayer film is formed on a substrate by various methods.
By cutting at an angle with an appropriate inclination, it is possible to cut the laminated film.
An electrode for a sensor, wherein the metal thin film whose surface is exposed is used as an electrode.
に2層以上積層されていることを特徴とする請求項1記
載のセンサー用電極。2. A sensor electrode according to claim 1, wherein the insulator thin film and said metal thin film is laminated alternately two or more layers.
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