JP4216237B2 - Manufacturing method of thermoelectric chemical sensor - Google Patents

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Description

熱電対を複数連続した熱電堆を利用し、その端面にて起こる化学反応を電気的信号に変換するセンサデバイスに関する。 The present invention relates to a sensor device that uses a thermopile with a plurality of thermocouples and converts a chemical reaction occurring at the end face thereof into an electrical signal.

熱電対は極性の異なる2種類の金属または熱電半導体を電気的に接続し、その両端に温度差を与えることにより電圧を発生する。この電圧を検出することで一般的には温度センサとして用いられている。また一般にこの熱電対を複数直列化し、熱・電気変換特性を増幅利用しているのが熱電堆(サーモパイル)と呼ばれるものであり、その感度の高さから赤外線を検出する非接触温度計として利用されてもいる。   A thermocouple electrically connects two kinds of metals or thermoelectric semiconductors having different polarities, and generates a voltage by giving a temperature difference between both ends. By detecting this voltage, it is generally used as a temperature sensor. Also, it is generally called thermopile that uses multiple thermocouples in series and amplifies the heat-electric conversion characteristics, and is used as a non-contact thermometer that detects infrared rays because of its high sensitivity. It has been done.

このように熱電対あるいは熱電堆は両端の温度差に応じた電圧出力が得られることから、赤外線のみならず他の熱源にて温度差を生じさせることで、その熱源をセンシングできることが可能であることは容易に推測できる。   In this way, since the thermocouple or thermopile can obtain a voltage output corresponding to the temperature difference between both ends, it is possible to sense the heat source by generating a temperature difference not only with infrared rays but also with other heat sources. That can be easily guessed.

その一つの利用方法がガスセンサである。ガスセンサへの熱電対の利用としては従来より薄膜の熱電対あるいは熱電堆を利用したものが報告されている(たとえば特許文献1参照)。   One utilization method is a gas sensor. As a use of a thermocouple for a gas sensor, one using a thin film thermocouple or a thermopile has been reported (see, for example, Patent Document 1).

図10には従来の熱電式ガスセンサの構造を示した。ガラス基板にはn型FeSi膜からなるn型柱状素子10とp型FeSi膜からなるp型柱状素子11による熱電対が複数配置されている。そして熱電対の温接点側にはアルミナ膜を介して白金触媒を含むアルミナ被膜により反応層30が形成されている。   FIG. 10 shows the structure of a conventional thermoelectric gas sensor. A glass substrate is provided with a plurality of thermocouples each including an n-type columnar element 10 made of an n-type FeSi film and a p-type columnar element 11 made of a p-type FeSi film. A reaction layer 30 is formed on the hot junction side of the thermocouple with an alumina film containing a platinum catalyst through an alumina film.

このガスセンサを一定温度環境下に置き可燃性ガスを含む気体を接触させると、白金触媒膜表面においてガスの燃焼反応が生じる。ガスの燃焼反応によって発熱が生じ、白金触媒膜近辺は温度上昇が起きる。つまりこの温度上昇により白金触媒膜の形成していない冷接点部分との間に温度差が発生し、温度差に伴う電圧を検出することで、ガスの存在さらには電圧レベルによっては濃度を割り出すことができる。
特開平5−10901号公報(図1)
When this gas sensor is placed in a constant temperature environment and brought into contact with a gas containing a combustible gas, a gas combustion reaction occurs on the surface of the platinum catalyst film. Heat is generated by the combustion reaction of the gas, and the temperature rises in the vicinity of the platinum catalyst film. In other words, this temperature rise causes a temperature difference with the cold junction where the platinum catalyst film is not formed, and by detecting the voltage associated with the temperature difference, the concentration can be determined depending on the presence of gas and the voltage level. Can do.
JP-A-5-10901 (FIG. 1)

従来の熱電対を利用したガスセンサは、他の検出方式たとえば白金ワイヤーを利用した抵抗検出式に比べると断線などの危険が小さく安定して測定が可能である。また、熱電対を用いることで直接電圧出力が得られ、検出回路も簡単になるという優れた点を有している。   A conventional gas sensor using a thermocouple has less danger of disconnection or the like and can be stably measured as compared with other detection methods such as a resistance detection method using a platinum wire. Further, the use of a thermocouple has an excellent point that a direct voltage output can be obtained and the detection circuit is simplified.

しかし従来の熱電式ガスセンサはいくつかの問題も抱えている。その一つは材料が薄膜であり、基板の上に形成していることである。たとえばガラス基板は少なくとも200μmほどは必要であるが、膜はせいぜい数μmである。そのため基板側の熱伝導および熱容量が熱電対膜に比べ非常に大きくなり、せっかく触媒反応で発生した熱は基板側に多く拡散することになり、熱電薄膜に温度差はつきにくく感度が上げにくい。   However, the conventional thermoelectric gas sensor has several problems. One of them is that the material is a thin film and is formed on a substrate. For example, the glass substrate needs to be at least 200 μm, but the film is several μm at most. For this reason, the heat conduction and heat capacity on the substrate side are much larger than those of the thermocouple film, and much heat generated by the catalytic reaction diffuses to the substrate side, so that the temperature difference does not easily occur on the thermoelectric thin film and it is difficult to increase the sensitivity.

また感度を上げるためには、触媒領域を広げ反応量を増やし温度を上昇させること、さらに熱電対は温接点と冷接点の距離を離し、温度差がつきやすくすることがある。しかし、従来例では薄膜を積層して作っているため、触媒領域を広げると熱電対膜との重なり部
分が大きくなり、熱電対の有効長を縮めてしまう。故に、構造的に感度を向上させることが難しい。さらには従来の熱電対は薄膜状であるため、抵抗値が大きくなりS/Nが小さくなってしまう。
In order to increase the sensitivity, the catalyst region may be expanded to increase the reaction amount to increase the temperature, and the thermocouple may increase the temperature difference by increasing the distance between the hot junction and the cold junction. However, since the conventional example is formed by laminating thin films, if the catalyst region is widened, an overlapping portion with the thermocouple film becomes large, and the effective length of the thermocouple is shortened. Therefore, it is difficult to improve sensitivity structurally. Furthermore, since the conventional thermocouple is thin, the resistance value is increased and the S / N is decreased.

そこで本発明の目的は、従来の問題を解決して、さらに高感度の検出が可能な熱電式化学センサを提供することにある。     Therefore, an object of the present invention is to provide a thermoelectric chemical sensor capable of solving the conventional problems and capable of detecting with higher sensitivity.

上記目的を達成するために本願発明の熱電式化学センサの製造方法においては、n型熱電半導体からなる複数のn型柱状素子とp型熱電半導体からなる複数のp型柱状素子とを保護層を介して固定する工程と、前記n型柱状素子と前記p型柱状素子の端面にメッキ法により金属材料からなる配線電極を形成して前記n型柱状素子と前記p型柱状素子とを電気的に接続する工程と、前記配線電極の表面に金属触媒材料からなる、検出対象物と化学反応を誘起させる触媒物質または検出対象物と直接反応する化学物質である反応層を、メッキ法により設ける工程とを有する。 In order to achieve the above object, in the method for manufacturing a thermoelectric chemical sensor of the present invention, a protective layer is formed by combining a plurality of n-type columnar elements made of n-type thermoelectric semiconductors and a plurality of p-type columnar elements made of p-type thermoelectric semiconductors. A wiring electrode made of a metal material by plating on the end surfaces of the n-type columnar element and the p-type columnar element to electrically connect the n-type columnar element and the p-type columnar element. And a step of providing a reaction layer made of a metal catalyst material on the surface of the wiring electrode, which is a catalyst substance that induces a chemical reaction with a detection target or a chemical substance that reacts directly with the detection target, by plating. Have

前記反応層を設ける工程の直前または直後に前記保護層を溶解する工程を有することが望ましい。It is desirable to have a step of dissolving the protective layer immediately before or after the step of providing the reaction layer.

記配線電極を形成して前記n型柱状素子と前記p型柱状素子とを電気的に接続する工程は、前記n型柱状素子と前記p型柱状素子の半数ずつを直列に接続することで、第1のセンサ部と第2のセンサ部を形成する工程であり、前記反応層を設ける工程は、前記第1のセンサ部にのみ設ける工程であることが望ましい。 A step of pre-Symbol electrically connected to form the wiring electrode and the n-type pillar element and the p-type pillar-shaped element, by connecting to the n-type pillar element by half of the p-type pillar-shaped element in series Preferably, the first sensor unit and the second sensor unit are formed, and the step of providing the reaction layer is a step of providing only the first sensor unit.

本願発明の製造方法によれば、複数のn型柱状素子とp型柱状素子とを両端面に配線電極と反応層を設けているため、端面に発生した熱が外部に拡散せず温度差が大きく取れ、高感度な熱電式化学センサとなる。また反応領域が熱電対端面にあるため、温度差を発生させる熱電対の長さを変えずに、有効な反応面積を広く取れる。 According to the manufacturing method of the present invention , a plurality of n-type columnar elements and p-type columnar elements are provided with wiring electrodes and reaction layers on both end faces, so that the heat generated on the end faces is not diffused outside and the temperature difference is A large thermoelectric sensor with high sensitivity can be obtained. Further, since the reaction region is on the end face of the thermocouple, an effective reaction area can be widened without changing the length of the thermocouple that generates a temperature difference.

以下、図面を用いて本発明の熱電式化学センサの最適な実施形態を説明する。まず図1と図2には本発明の熱電式化学センサの側面図と斜視図を示している。   Hereinafter, the optimal embodiment of the thermoelectric chemical sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 and FIG. 2 show a side view and a perspective view of the thermoelectric chemical sensor of the present invention.

図1に示すように本発明の熱電式化学センサでは、n型熱電半導体からなるn型柱状素子10とp型熱電半導体からなるp型柱状素子11が交互に複数並んで配置している。ここではn型柱状素子10にBiSeTe合金を、p型柱状素子11にはBiSbTe合金をそれぞれ用いている。それぞれの柱状素子は、形状が90μm×110μm×1.5mmとなっており、非常にアスペクト比の大きな構造となっている。また柱と柱のスペースは10μm程度である。ここで熱電半導体の材料はBiTe系の材料を用いているが、たとえばPbTe系、SiGe系、FeSi系、CoSb系、その他バルク状に加工できる材料なら利用可能であり、検出物の反応温度などによって適性に選択すればよい。   As shown in FIG. 1, in the thermoelectric chemical sensor of the present invention, a plurality of n-type columnar elements 10 made of n-type thermoelectric semiconductors and a plurality of p-type columnar elements 11 made of p-type thermoelectric semiconductors are alternately arranged. Here, a BiSeTe alloy is used for the n-type columnar element 10, and a BiSbTe alloy is used for the p-type columnar element 11, respectively. Each columnar element has a shape of 90 μm × 110 μm × 1.5 mm and a very large aspect ratio. The space between the pillars is about 10 μm. Here, a BiTe-based material is used as the thermoelectric semiconductor material, but for example, PbTe-based, SiGe-based, FeSi-based, CoSb-based, and other materials that can be processed into a bulk shape can be used. You only have to choose the right one

n型柱状素子10とp型柱状素子11の温接点21と冷接点22となる両端面には金属膜からなる配線電極20を設けている。ここでは配線電極20の材料にニッケル/金の2
層膜を用いている。この配線電極20は基本的には隣り合ったn型柱状素子10とp型柱状素子11の1本ずつを柱の端面において電気的に接続する構造になっている。配線電極20の膜厚はせいぜい1μm〜3μmと非常に薄いものであるが、柱が細いためにこの程度で十分である。
Wiring electrodes 20 made of a metal film are provided on both end surfaces of the n-type columnar element 10 and the p-type columnar element 11 that become the hot junction 21 and the cold junction 22. Here, the material of the wiring electrode 20 is nickel / gold 2
A layer film is used. The wiring electrode 20 basically has a structure in which one n-type columnar element 10 and one p-type columnar element 11 adjacent to each other are electrically connected to each other at the end face of the column. The film thickness of the wiring electrode 20 is as very thin as 1 μm to 3 μm at most, but this level is sufficient because the pillar is thin.

さらに配線電極20の上には反応層30を設けている。反応層30には金属触媒、酵素、抗原、抗体、DNA、RNAなど、物質の化学反応を誘起する材料あるいは直接化学反応する材料を用いている。   Further, a reaction layer 30 is provided on the wiring electrode 20. The reaction layer 30 is made of a material that induces a chemical reaction of a substance, such as a metal catalyst, an enzyme, an antigen, an antibody, DNA, or RNA, or a material that directly reacts.

まずはじめに本発明の熱電式化学センサをガスセンサとして用いた。ガスセンサとする場合は反応層30には金属触媒を利用する。ここでは主に水素ガスの検知を想定し、金属触媒には白金膜を用いた。白金膜は配線電極20に直接接触して形成しており、その厚みは約0.2μmとした。   First, the thermoelectric chemical sensor of the present invention was used as a gas sensor. When a gas sensor is used, a metal catalyst is used for the reaction layer 30. Here, the detection of hydrogen gas was mainly assumed, and a platinum film was used as the metal catalyst. The platinum film is formed in direct contact with the wiring electrode 20 and has a thickness of about 0.2 μm.

白金膜を反応層30として形成した熱電式化学センサは、図3の様に基台50に実装して利用した。基台50は基本的には絶縁性の良熱伝導体、たとえばセラミックス材料からなっており、2つの基台電極51が設けてある。   A thermoelectric chemical sensor in which a platinum film was formed as the reaction layer 30 was mounted on a base 50 and used as shown in FIG. The base 50 is basically made of an insulating good heat conductor, for example, a ceramic material, and is provided with two base electrodes 51.

熱電式化学センサに含まれる連続した熱電堆の両端には片端がフリーになっている柱状素子が有るが、そこは引出電極40が存在する。そこで、引出電極40と基台電極51とを対向して基台50に接続している。引出電極40と基台電極51との接続はハンダあるいは導電性接着剤からなる接合材41にて行われており、その他の配線電極20は熱伝導性接着剤などからなる固定部材42により基台50に固定されている。そして、基台電極51には信号取り出し用のリード線60がつながっている。   At both ends of the continuous thermopile included in the thermoelectric chemical sensor, there is a columnar element that is free at one end, where the extraction electrode 40 exists. Therefore, the extraction electrode 40 and the base electrode 51 are connected to the base 50 so as to face each other. The lead electrode 40 and the base electrode 51 are connected by a bonding material 41 made of solder or a conductive adhesive, and the other wiring electrodes 20 are fixed by a fixing member 42 made of a heat conductive adhesive or the like. 50 is fixed. A lead wire 60 for signal extraction is connected to the base electrode 51.

このセンサに水素ガスを含有する気体を接触させたところ、リード線60間には数10mVオーダーの電圧が生じ、従来よりも高感度で水素を検出できることが分かった。これは白金膜触媒表面にて水素の燃焼反応が生じ、熱電対の温接点の温度が上昇したことによって得られたものと考える。さらに、出力電圧は水素ガスの濃度に応じて比例的に変化しており、水素ガスの定量ができることが判明した。   When a gas containing hydrogen gas was brought into contact with this sensor, a voltage of the order of several tens of mV was generated between the lead wires 60, and it was found that hydrogen could be detected with higher sensitivity than before. This is considered to be obtained because the combustion reaction of hydrogen occurred on the platinum membrane catalyst surface and the temperature of the hot junction of the thermocouple increased. Furthermore, it has been found that the output voltage varies proportionally with the concentration of hydrogen gas, and the quantity of hydrogen gas can be determined.

続いて本発明の熱電式化学センサの製造方法について説明する。はじめに、図4に示すようにn型熱電半導体のブロックとp型熱電半導体のブロックとに縦溝1を形成し、縦隔壁2を残してn型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4を作製する。この時、n型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4とで、縦溝1のピッチを同一にし、かつ一方のブロックの縦溝1幅が他方のブロックの縦隔壁2幅よりも大きくなるようにする。ここではn型熱電半導体としてBiSeTe合金の焼結体、p型熱電半導体としてBiSbTe合金の焼結体を用いた。加工はワイヤーソーを用いて行い、縦溝1の幅を110μm、縦隔壁2の幅を90μmとした。   Then, the manufacturing method of the thermoelectric chemical sensor of this invention is demonstrated. First, as shown in FIG. 4, the vertical grooves 1 are formed in the n-type thermoelectric semiconductor block and the p-type thermoelectric semiconductor block, and the n-type comb-tooth element 3 and the p-type comb-tooth element 4 are left leaving the vertical partition wall 2. Make it. At this time, in the n-type comb-tooth element 3 and the p-type comb-tooth element 4, the pitch of the vertical grooves 1 is the same, and the vertical groove 1 width of one block is larger than the vertical partition wall 2 width of the other block. Like that. Here, a BiSeTe alloy sintered body was used as the n-type thermoelectric semiconductor, and a BiSbTe alloy sintered body was used as the p-type thermoelectric semiconductor. The processing was performed using a wire saw, and the width of the vertical groove 1 was 110 μm and the width of the vertical partition wall 2 was 90 μm.

つづいてn型櫛歯素子3とp型櫛歯素子4を、互いに縦溝1に相手の縦隔壁2を挿入し合って組み合わせて一体化する。両者を組み合わせた図を図5に示す。組み合わせた2つの櫛歯素子は嵌合部に保護層70を設けて固着することで一体化櫛歯素子5とする。保護層70には流動性のあるアクリル系の接着剤を用い、組み合わせた櫛歯素子の縦隔壁2の隙間に浸透させ充填する。その後所定の時間保持することで接着剤を硬化させて隔壁同士を固着するが、必要に応じて加熱をしても良い。   Subsequently, the n-type comb-teeth element 3 and the p-type comb-teeth element 4 are combined and integrated by inserting the mating vertical partition wall 2 into the vertical groove 1. FIG. 5 shows a combination of both. The combined two comb-tooth elements 5 are formed as an integrated comb-tooth element 5 by providing a protective layer 70 at the fitting portion and fixing them. For the protective layer 70, a fluid acrylic adhesive is used to penetrate and fill the gaps between the vertical partition walls 2 of the combined comb elements. After that, the adhesive is cured by holding it for a predetermined time and the partition walls are fixed to each other, but may be heated as necessary.

こののち図6のように、組み合わせた一体化櫛歯素子5には、縦溝と直交するように横溝6と横隔壁7を形成するように再度の加工を行う。そして横溝にも初めの組合せを行っ
たときと同じように、アクリル系接着剤を充填し固着させ、再度保護層70を形成する。この横溝を形成することで熱電半導体は柱状に加工されることになり、熱電対数としては増加させることが出来る。ちなみに横溝6は90μm、横隔壁7は110μmである。
Thereafter, as shown in FIG. 6, the combined comb element 5 is processed again so as to form the horizontal grooves 6 and the horizontal partition walls 7 so as to be orthogonal to the vertical grooves. Then, as in the case of the first combination, the lateral grooves are filled and fixed with an acrylic adhesive, and the protective layer 70 is formed again. By forming the lateral grooves, the thermoelectric semiconductor is processed into a columnar shape, and the number of thermocouples can be increased. Incidentally, the horizontal groove 6 is 90 μm, and the horizontal partition wall 7 is 110 μm.

つづいて図7に示すように保護層70を形成した一体化櫛歯素子5はその上下面を研削で除去し平坦化する。するとn型柱状素子10とp型柱状素子11が交互に並んだ状態になる。   Subsequently, as shown in FIG. 7, the integrated comb element 5 having the protective layer 70 formed thereon is ground and removed by grinding. As a result, the n-type columnar elements 10 and the p-type columnar elements 11 are alternately arranged.

こののち、研削面の加工変質層を除去する意味で硝酸や塩酸などのエッチング液をもちいて、加工面を数ミクロンエッチングする。このエッチングにより柱の端面には清浄面が現れるとともに、ミクロな凹凸が生じる。これにより、後述する配線電極20はアンカー効果によって密着性が向上する。さらに引き続き形成する反応層30にもミクロな凹凸が転写されることから、反応層30の表面積が増大され、反応効率が向上してセンサ性能の向上につながる。     Thereafter, the processed surface is etched several microns using an etching solution such as nitric acid or hydrochloric acid in order to remove the work-affected layer on the ground surface. By this etching, a clean surface appears on the end face of the column, and micro unevenness is generated. Thereby, the adhesion of the wiring electrode 20 described later is improved by the anchor effect. Furthermore, since the micro unevenness is also transferred to the reaction layer 30 to be subsequently formed, the surface area of the reaction layer 30 is increased, the reaction efficiency is improved, and the sensor performance is improved.

つづいてn型柱状素子10とp型柱状素子11とを配線するような形で、図8に示したように配線電極20(図では隠れている)を形成した後、反応層30を形成する。     Subsequently, the wiring electrode 20 (hidden in the figure) is formed as shown in FIG. 8 in such a manner that the n-type columnar element 10 and the p-type columnar element 11 are wired, and then the reaction layer 30 is formed. .

まずニッケルからなる金属板に所望の配線パターンの形状をした開口部を設け、開口部から隣り合ったn型柱状素子10とp型柱状素子11の端面が見えるように位置合わせを行い密着して固定する。真空蒸着装置に設置し、メッキ触媒としてニッケルあるいはパラジウムをわずかに蒸着する。この方法は一般にマスク蒸着法と呼ばれるものである。ここで蒸着層は隣り合った2本の柱状素子端面をすべて覆う必要はなく、2本が電気的に接続できる形状なら多少小さくても良い。     First, an opening having the shape of a desired wiring pattern is provided in a metal plate made of nickel, and alignment is performed so that end faces of the n-type columnar element 10 and the p-type columnar element 11 adjacent to each other can be seen from the opening. Fix it. Installed in a vacuum evaporation system and deposits nickel or palladium slightly as a plating catalyst. This method is generally called a mask vapor deposition method. Here, the vapor deposition layer does not need to cover the two adjacent end faces of the columnar elements, and may be slightly smaller as long as the two can be electrically connected.

蒸着工程につづいて無電解ニッケルメッキ液に浸漬し、ニッケルの皮膜を形成する。ニッケル皮膜は蒸着によって形成したニッケルあるいはパラジウムを反応の核として成長することから、蒸着層の上にまず形成される。また、蒸着金属が接触しているn型柱状素子10とp型柱状素子11の露出端面にもニッケル皮膜は形成される。無電解メッキだけで十分なメッキ厚が確保できない場合は、さらに電解ニッケルメッキを行うが、総厚としてニッケルメッキの厚みは1〜3μmである。   Following the vapor deposition step, the film is immersed in an electroless nickel plating solution to form a nickel film. Since the nickel film grows by using nickel or palladium formed by vapor deposition as reaction nuclei, it is first formed on the vapor deposition layer. Further, a nickel film is also formed on the exposed end surfaces of the n-type columnar element 10 and the p-type columnar element 11 in contact with the vapor deposition metal. When sufficient plating thickness cannot be ensured only by electroless plating, electrolytic nickel plating is further performed. The total thickness of nickel plating is 1 to 3 μm.

ニッケル膜は熱電半導体との密着をとるためと不純物の拡散を防ぐために施すが、ニッケルメッキにつづいて金メッキを電解メッキ法を用いて行う。金のメッキはこの後の工程で形成する白金膜の成長を安定化させるため必要である。金メッキに続いて反応層30となる白金膜をやはり電解メッキ法を用いて形成する。この時熱電対の冷接点側となる片側の配線電極20は樹脂などのマスキング材で保護しておく。これにより、白金膜は温接点側にのみ析出し、温接点側でのみ化学反応を起こせる構造となる。ここで白金膜は0.2μm程度形成する。   The nickel film is applied for adhesion to the thermoelectric semiconductor and for preventing diffusion of impurities, and gold plating is performed by electrolytic plating after nickel plating. Gold plating is necessary to stabilize the growth of the platinum film formed in the subsequent process. Following the gold plating, a platinum film that becomes the reaction layer 30 is also formed using the electrolytic plating method. At this time, the wiring electrode 20 on one side which becomes the cold junction side of the thermocouple is protected with a masking material such as resin. As a result, the platinum film is deposited only on the hot junction side, and a chemical reaction can be caused only on the hot junction side. Here, the platinum film is formed to have a thickness of about 0.2 μm.

これにてガスセンサとなる熱電式化学センサは完成するが、実際にセンサを使う場合は、図3に示したように前もって基台50に実装しておいた方が取り扱いやすい。基台50にはセラミックスなどの熱伝導のよい材料をもちい、基台電極51を形成しておく。基台電極51はチタン/銅/金などの薄膜材料からなり、基台50にスパッタリング等で形成して所定の形状にパターン化しておく。   This completes the thermoelectric chemical sensor to be a gas sensor. However, when the sensor is actually used, it is easier to handle it if it is mounted on the base 50 in advance as shown in FIG. A base electrode 51 is formed on the base 50 using a material having good thermal conductivity such as ceramics. The base electrode 51 is made of a thin film material such as titanium / copper / gold, and is formed on the base 50 by sputtering or the like and patterned into a predetermined shape.

センサを構成する連続した熱電堆の両端部にある引出電極40には接合材41として導電性接着剤またはハンダを塗布し、引出電極40と基台電極51とが対向するように位置あわせする。その後所定の温度に保ち、導電性接着剤を硬化させるまたはハンダを融解させることで接合を行う。そして引出電極40以外の配線電極20と基台50との間の部分
には固定部材42として絶縁性の熱伝導性接着剤などを浸透させて固化し、実装強度を高めるとともに冷接点部の熱をスムーズに基台50に拡散できるようにする。ここで、固定部材42が冷接点側の配線電極20すべてを覆える場合は、先に述べた白金膜が冷接点側にも形成されていてもかまわない。
A conductive adhesive or solder is applied as a bonding material 41 to the extraction electrodes 40 at both ends of the continuous thermopile constituting the sensor, and the extraction electrodes 40 and the base electrode 51 are aligned so as to face each other. Thereafter, the bonding is performed by maintaining the temperature at a predetermined temperature and curing the conductive adhesive or melting the solder. Then, a portion between the wiring electrode 20 other than the extraction electrode 40 and the base 50 is infiltrated and solidified with an insulating heat conductive adhesive or the like as the fixing member 42 to increase the mounting strength and heat of the cold junction portion. Can be smoothly diffused to the base 50. Here, when the fixing member 42 covers all the wiring electrodes 20 on the cold junction side, the platinum film described above may be formed also on the cold junction side.

さらに本発明の熱電式化学センサの感度を上昇させるためには、製造工程途中で柱間に充填している保護層70を溶解しておく。これはセンサ全体をアセトンなどの有機溶媒に浸漬して超音波を施すことで行うことができる。この工程は、好ましくはセンサを基台50に実装した後が良いが、配線電極20をメッキ形成した直後、あるいは反応層30を形成した直後でも行うことができる。     Furthermore, in order to increase the sensitivity of the thermoelectric chemical sensor of the present invention, the protective layer 70 filled between the columns is dissolved in the middle of the manufacturing process. This can be done by immersing the entire sensor in an organic solvent such as acetone and applying ultrasonic waves. This step is preferably performed after the sensor is mounted on the base 50, but can be performed immediately after the wiring electrode 20 is formed by plating or immediately after the reaction layer 30 is formed.

またさらに多少の熱の内部拡散は増えるが、センサの衝撃などに対する機械的強度を高めることが必要な場合には、保護層70を溶解せずに残しておいた方が望ましい。ただしその場合は、耐熱性や耐薬品性にすぐれるエポキシ系樹脂を保護層70に用いる方が望ましい。   Further, although some internal diffusion of heat increases, it is desirable to leave the protective layer 70 undissolved when it is necessary to increase the mechanical strength against the impact of the sensor. However, in that case, it is preferable to use an epoxy resin excellent in heat resistance and chemical resistance for the protective layer 70.

以上の製造工程にて、水素ガスセンサとして作用する本発明の熱電式化学センサは完成する。本製造工程では、ワイヤーソーを利用した微細な加工を利用することで、単位面積あたりに非常に多くの熱電対を集積化でき、高感度のセンサを構築することができる。   With the above manufacturing process, the thermoelectric chemical sensor of the present invention that functions as a hydrogen gas sensor is completed. In this manufacturing process, by utilizing fine processing using a wire saw, a very large number of thermocouples can be integrated per unit area, and a highly sensitive sensor can be constructed.

本発明の熱電式化学センサは通常のペルチェ素子と同じような構造ではあるが、半田付けなどを利用することなく配線電極20を直接柱状の熱電対に接合することができる。そのため、配線が露出しており反応層30を配線電極20にさらに直接接することが可能となっている。また、柱が細いため配線電極20も薄膜化できることから、反応熱がロス無く熱電対の温接点に伝わることができる。   The thermoelectric chemical sensor of the present invention has the same structure as a normal Peltier element, but the wiring electrode 20 can be directly joined to a columnar thermocouple without using soldering or the like. Therefore, the wiring is exposed, and the reaction layer 30 can be further in direct contact with the wiring electrode 20. Further, since the pillars are thin, the wiring electrode 20 can also be made thin, so that the reaction heat can be transmitted to the hot junction of the thermocouple without loss.

また、配線電極20をメッキにより直接柱の端面に形成しているので、連続して触媒金属が形成でき、密着のよい安定した反応層30を作り上げることができる。   Further, since the wiring electrode 20 is directly formed on the end face of the column by plating, a catalytic metal can be continuously formed, and a stable reaction layer 30 with good adhesion can be formed.

続いて本発明の熱電式化学センサの分解能をさらに向上させるセンサの構造と製造方法をについて説明する。図9には本実施例のセンサの構造を示している。   Next, a sensor structure and manufacturing method for further improving the resolution of the thermoelectric chemical sensor of the present invention will be described. FIG. 9 shows the structure of the sensor of this embodiment.

図9に見られるように本実施例の化学センサは第1のセンサ部80と第2のセンサ部81に分かれている。両センサ部に含まれる熱電対の材料、形状、対数は全く同じであるが、配線電極20は第1のセンサ部80のみを直列化する部分と第2のセンサ部81のみを直列化する部分にパターンが分かれている。そして反応層30は第1のセンサ部80の配線電極20にのみ形成されており、第2のセンサ部81は配線電極20が露出している。   As shown in FIG. 9, the chemical sensor of this embodiment is divided into a first sensor unit 80 and a second sensor unit 81. The thermocouple materials, shapes, and logarithms included in both sensor parts are exactly the same, but the wiring electrode 20 is a part that serializes only the first sensor part 80 and a part that serializes only the second sensor part 81. The patterns are divided. The reaction layer 30 is formed only on the wiring electrode 20 of the first sensor unit 80, and the wiring electrode 20 is exposed in the second sensor unit 81.

図には示していないが、本実施例の構造をとることにより、引出電極40は第1のセンサ部80と第2のセンサ部81にそれぞれ2ヶ所有るため、全部で4ヶ所となり、基台50にも同数の4ヶ所の基台電極51が設けられ、互いに接合することとなる。   Although not shown in the drawing, by taking the structure of the present embodiment, two extraction electrodes 40 are owned by the first sensor unit 80 and the second sensor unit 81, respectively, so that there are four locations in total. The same number of four base electrodes 51 are also provided at 50 and are joined to each other.

本実施例の熱電式化学センサではここに含まれる第1のセンサ部80と第2のセンサ部81は基本的に構造が同じため、外部の温度変化などに対しては全く同じ応答をする。しかし、測定対象物(反応層30に白金を用いたガスセンサの場合、対象は水素)がセンサに導入されると、第1のセンサ部80のみで反応は起こり、第1のセンサ部80のみ水素量に従った電圧出力が得られる。これに対して、第2のセンサ部81ではその他の外乱に対しての応答だけである。そこで、第1のセンサ部80の出力から第2のセンサ部81の出力を差し引いてやる、つまり差分を出力として換算することにより、対象物固有の温度
変化以外の外乱因子を取り除けることで、さらに高感度の測定が可能となる。
In the thermoelectric chemical sensor of the present embodiment, the first sensor unit 80 and the second sensor unit 81 included therein basically have the same structure, and therefore respond exactly the same to an external temperature change. However, when a measurement object (in the case of a gas sensor using platinum for the reaction layer 30, the target is hydrogen) is introduced into the sensor, the reaction occurs only in the first sensor unit 80, and only the first sensor unit 80 is hydrogen. A voltage output according to the quantity is obtained. On the other hand, the second sensor unit 81 only responds to other disturbances. Therefore, by subtracting the output of the second sensor unit 81 from the output of the first sensor unit 80, that is, by converting the difference as an output, it is possible to remove disturbance factors other than the temperature change inherent to the object, High sensitivity measurement is possible.

続いて本実施例の熱電式化学センサの製造方法を説明する。基本的には、縦溝1の加工、組合せと固定による一体化櫛歯素子5の作成、横溝6の加工と保護層70の形成、上下面の研削などの工程は実施例1と同様である。また、配線電極20の形成方法も実施例1と同じであるが、第1のセンサ部80と第2のセンサ部が形成されるように、蒸着用の金属マスクは設計しておく。つまり、もともと加工工程で隣同士になっている熱電対群を利用して第1のセンサ部80と第2のセンサ部81は同時に蒸着で形成する。   Then, the manufacturing method of the thermoelectric chemical sensor of a present Example is demonstrated. Basically, processes such as processing of the longitudinal groove 1, creation of the integrated comb element 5 by combination and fixation, processing of the lateral groove 6 and formation of the protective layer 70, and grinding of the upper and lower surfaces are the same as in the first embodiment. . Further, although the method for forming the wiring electrode 20 is the same as that in the first embodiment, the metal mask for vapor deposition is designed so that the first sensor unit 80 and the second sensor unit are formed. That is, the first sensor unit 80 and the second sensor unit 81 are simultaneously formed by vapor deposition using the thermocouple group that is originally adjacent to each other in the processing step.

その後の反応層30の形成方法も実施例1と同じであるが、反応層30が第1のセンサ部80のみに形成されるように、第1のセンサ部80のみを通電して反応層30となる白金膜をメッキする。   The subsequent formation method of the reaction layer 30 is also the same as that of the first embodiment, but the reaction layer 30 is energized only in the first sensor unit 80 so that the reaction layer 30 is formed only in the first sensor unit 80. The platinum film is plated.

本実施例の製造方法では、第1のセンサ部80と第2のセンサ部81とを同じ材料を用い、全く同じ工程を利用して同時に作成することから、第1のセンサ部80と第2のセンサ部81の基本的なセンサ能力を同じに作れることから、差分の出力は純粋に測定対象からの信号になり、ノイズ部分を非常に低減させることが可能となる。   In the manufacturing method of the present embodiment, the first sensor unit 80 and the second sensor unit 81 are formed using the same material and using the same process at the same time. Since the basic sensor capability of the sensor unit 81 can be made the same, the difference output is purely a signal from the measurement object, and the noise portion can be greatly reduced.

次に本発明においては生体関連物質などを測定するバイオセンサに熱電式化学センサを利用する例を示す。本実施例もセンサの構造は図1あるいは図2に示したものであり、基本的には実施例1と同じである。その一つとしてグルコースを測定するグルコースセンサへの応用を試みた。グルコースセンサとする場合は反応層30にはグルコース酸化酵素膜を利用する。ここで用いるグルコース酸化酵素膜は、高分子材料からなる膜中にグルコース酸化酵素を包括した構造になっている。   Next, in the present invention, an example in which a thermoelectric chemical sensor is used as a biosensor for measuring a biological substance or the like will be described. The sensor structure of this embodiment is the same as that shown in FIG. 1 or 2, and is basically the same as that of the first embodiment. As one of them, we tried to apply to glucose sensor that measures glucose. In the case of a glucose sensor, a glucose oxidase film is used for the reaction layer 30. The glucose oxidase membrane used here has a structure in which glucose oxidase is included in a membrane made of a polymer material.

このグルコースセンサとなる熱電式化学センサも、図3の様に基台50に実装して利用する。そしてこのセンサの少なくとも反応層30の部分は水溶液中に浸漬する。そして、水溶液の温度揺らぎが小さくなった後にグルコースを含む試料を水溶液に混合する。グルコースは反応層30に含まれるグルコース酸化酵素に接触すると酸化されグルコン酸に変化するが、その反応過程において発熱が生じ温接点の温度が上昇することで、グルコースの存在を検知することができる。     The thermoelectric chemical sensor as the glucose sensor is also mounted on the base 50 as shown in FIG. Then, at least a part of the reaction layer 30 of this sensor is immersed in the aqueous solution. And after the temperature fluctuation of aqueous solution becomes small, the sample containing glucose is mixed with aqueous solution. Glucose is oxidized and converted to gluconic acid when it contacts glucose oxidase contained in the reaction layer 30, but the presence of glucose can be detected by generating heat during the reaction process and increasing the temperature of the hot junction.

また、バイオセンサとして熱電式化学センサを利用する場合は、反応熱が小さいことと溶液中などで利用する場合が多いため、温度差がとりにくい傾向がある。そこで、バイオセンサとして利用するときも先の実施例で述べたように、図9に示した第1のセンサ部80と第2のセンサ部81を有する熱電式化学センサを利用し、差分の出力を検知した方がノイズを低減でき使いやすくなる。当然その時は第1のセンサ部80にのみグルコース酸化酵素などの反応層30を設けておく。     In addition, when a thermoelectric chemical sensor is used as a biosensor, there is a tendency that a difference in temperature is difficult to take because the reaction heat is small and it is often used in a solution. Therefore, when using as a biosensor, as described in the previous embodiment, the thermoelectric chemical sensor having the first sensor unit 80 and the second sensor unit 81 shown in FIG. Detecting this can reduce noise and make it easier to use. Naturally, the reaction layer 30 such as glucose oxidase is provided only in the first sensor unit 80 at that time.

続いて本実施例の熱電式化学センサの製造方法を説明する。基本的には、縦溝1の加工、組合せと固定による一体化櫛歯素子5の作成、横溝6の加工と保護層70の形成、上下面の研削、配線電極20の形成などの工程は実施例1と同様である。   Then, the manufacturing method of the thermoelectric chemical sensor of a present Example is demonstrated. Basically, processes such as processing of the vertical groove 1, creation of the integrated comb element 5 by combination and fixation, processing of the horizontal groove 6 and formation of the protective layer 70, grinding of the upper and lower surfaces, formation of the wiring electrode 20, etc. are performed. Similar to Example 1.

つぎに反応層30の形成であるが、まずグルコース酸化酵素を水溶液にしておく。これにポリビニルアルコールを加えてゲル状にする。このゲルは化学センサの配線面に展開しスキージなどにより一定厚みの膜状にする。乾燥後、光照射あるいは加熱などでポリビニルアルコールを架橋させることで、グルコース酸化酵素を含む反応層30が形成できる。このように物理的に膜を展開する方法では、配線面が均一で有った方が良いため、保護層70にはエポキシ系樹脂を用い、最終的な保護層70の溶解工程は行わない方が望ましい
Next, the reaction layer 30 is formed. First, glucose oxidase is made into an aqueous solution. Polyvinyl alcohol is added to this to form a gel. This gel is spread on the wiring surface of the chemical sensor and is formed into a film with a certain thickness using a squeegee or the like. After drying, the reaction layer 30 containing glucose oxidase can be formed by crosslinking polyvinyl alcohol by light irradiation or heating. In the method of physically expanding the film in this way, it is better that the wiring surface is uniform. Therefore, an epoxy resin is used for the protective layer 70 and the final dissolution process of the protective layer 70 is not performed. Is desirable.

また別な反応層30の形成方法も可能である。まず、グルコース酸化酵素を溶解した水溶液を用意し、これにポリアミン樹脂を部分的にプロトン化した塗料を加える。この溶液中に熱電式化学センサを浸漬し、対極に対して負に帯電させることで、ポリアミン樹脂が配線電極20上に塗装される。これはいわゆる電着塗装法と呼ばれる手法で、溶液中に溶けているグルコース酸化酵素も塗料の中に包括されるため、グルコース酸化酵素を含む反応層30が形成できる。この方法は、電気化学的な手法を利用するため、配線電極20上のみに反応層30が形成できるため、保護層70を溶解する工程も利用することができる。   Another method for forming the reaction layer 30 is also possible. First, an aqueous solution in which glucose oxidase is dissolved is prepared, and a paint obtained by partially protonating a polyamine resin is added thereto. A polyamine resin is coated on the wiring electrode 20 by immersing the thermoelectric chemical sensor in this solution and negatively charging the counter electrode. This is a so-called electrodeposition coating method, and glucose oxidase dissolved in the solution is also included in the paint, so that the reaction layer 30 containing glucose oxidase can be formed. Since this method uses an electrochemical method, the reaction layer 30 can be formed only on the wiring electrode 20, and therefore, a step of dissolving the protective layer 70 can also be used.

その他、アルカンチオールなどの有機硫黄化合物の末端を酵素と結合させ、金と硫黄の特異的な結合反応を利用して配線電極20に直接結合させることもできる。この場合、配線電極20の最上面は金メッキ膜で覆われている必要がある。   In addition, the end of an organic sulfur compound such as alkanethiol can be bonded to an enzyme and directly bonded to the wiring electrode 20 using a specific bonding reaction between gold and sulfur. In this case, the uppermost surface of the wiring electrode 20 needs to be covered with a gold plating film.

ここでは酵素として、グルコース酸化酵素を利用しているが、当然ながら他の酵素を用いて対応する基質を測定することも可能である。たとえば、乳酸脱水素酵素、コレステロール酸化酵素、ウリカーゼ、カタラーゼ、ウリアーゼなどその他にも必要に応じて多くの酵素が利用できる。   Here, glucose oxidase is used as the enzyme, but it is of course possible to measure the corresponding substrate using another enzyme. For example, many other enzymes can be used as needed, such as lactate dehydrogenase, cholesterol oxidase, uricase, catalase, uriase.

またさらに反応層30としては酵素の他に、抗原または抗体、DNAやRNAなども利用できる。抗原または抗体のどちらかを反応層30とすることで、対応する相手を抗原抗体反応の発熱にて検出できる。また、一本鎖のDNAやRNAを配線電極20に固定化して反応層30を作り、同じ塩基配列を有するDNAやRNAと結合するときの発熱をとらえることができる。このDNAなどの反応層30は、たとえばアミノ基等を含む有機化合物を配線電極20表面にコーティングしてプラス電荷を帯びさせ、マイナス電荷を帯び たDNAをそれに静電結合させることで作成することができる。   Further, as the reaction layer 30, in addition to enzymes, antigens or antibodies, DNA, RNA, and the like can be used. By using either the antigen or the antibody as the reaction layer 30, the corresponding partner can be detected by the exotherm of the antigen-antibody reaction. In addition, the reaction layer 30 is formed by immobilizing single-stranded DNA or RNA on the wiring electrode 20, and heat generated when binding to DNA or RNA having the same base sequence can be captured. The reaction layer 30 such as DNA can be formed by coating the surface of the wiring electrode 20 with an organic compound containing an amino group, for example, so as to have a positive charge, and electrostatically bonding the negatively charged DNA thereto. it can.

以上のように、本発明の熱電式化学センサは、反応層30に酵素などの有機物質を利用することで、生体物質などをセンシングするバイオセンサとしても利用することができる。また反応熱を直接センシングするということから、従来よりも簡便なセンサを構築でき、工程が複雑となる蛍光物質の標識や検出のための2次反応過程を利用する必要もなくなる。   As described above, the thermoelectric chemical sensor of the present invention can be used as a biosensor for sensing a biological material by using an organic material such as an enzyme in the reaction layer 30. In addition, since the reaction heat is directly sensed, a simpler sensor than conventional ones can be constructed, and there is no need to use a secondary reaction process for labeling or detecting a fluorescent substance that complicates the process.

最後に本発明の熱電式化学センサでは温接点21側に反応層30を設けている。ただし、ここで述べている温接点21、冷接点22という表現は、柱の上下の違いを明確にするために用いているにすぎず、基本的に熱電素子の上下はどちらの温度が高くても機能するため、温接点21側が冷接点22側より低温になって動作しても問題ない。     Finally, in the thermoelectric chemical sensor of the present invention, the reaction layer 30 is provided on the warm junction 21 side. However, the expressions “hot junction 21” and “cold junction 22” described here are only used to clarify the difference between the upper and lower columns, and basically the temperature above and below the thermoelectric element is higher. Therefore, there is no problem even if the hot junction 21 side operates at a lower temperature than the cold junction 22 side.

本発明の実施の形態における熱電式化学センサの構造を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the thermoelectric chemical sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the thermoelectric chemical sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサを基台に実装した場合の構造を示す側面図である。It is a side view which shows the structure at the time of mounting the thermoelectric chemical sensor in embodiment of this invention on the base. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサの製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the thermoelectric type chemical sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサの製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the thermoelectric type chemical sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサの製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the thermoelectric type chemical sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサの製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the thermoelectric type chemical sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサの製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the thermoelectric type chemical sensor in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における熱電式化学センサの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the thermoelectric chemical sensor in embodiment of this invention. 従来の熱電式化学センサの構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the conventional thermoelectric type chemical sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 縦溝
2 縦隔壁
3 n型櫛歯素子
4 p型櫛歯素子
5 一体化櫛歯素子
6 横溝
7 横隔壁
10 n型柱状素子
11 p型柱状素子
20 配線電極
21 温接点
22 冷接点
30 反応層
40 引出電極
41 接合材
42 固定部材
50 基台
51 基台電極
60 リード線
70 保護層
80 第1のセンサ部
81 第2のセンサ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vertical groove 2 Vertical partition 3 n-type comb-tooth element 4 p-type comb-tooth element 5 Integrated comb-tooth element 6 Horizontal groove 7 Horizontal partition 10 n-type columnar element 11 p-type columnar element 20 Wiring electrode 21 Hot junction 22 Cold junction 30 Reaction Layer 40 Lead electrode 41 Bonding material 42 Fixing member 50 Base 51 Base electrode 60 Lead wire 70 Protective layer 80 First sensor part 81 Second sensor part

Claims (3)

n型熱電半導体からなる複数のn型柱状素子とp型熱電半導体からなる複数のp型柱
状素子とを保護層を介して固定する工程と、
前記n型柱状素子と前記p型柱状素子の端面にメッキ法により金属材料からなる配線電
極を形成して前記n型柱状素子と前記p型柱状素子とを電気的に接続する工程と、前記
配線電極の表面に金属触媒材料からなる、検出対象物と化学反応を誘起させる触媒物質
または検出対象物と直接反応する化学物質である反応層を、メッキ法により設ける工程
とを有する熱電式化学センサの製造方法。
fixing a plurality of n-type columnar elements made of an n-type thermoelectric semiconductor and a plurality of p-type columnar elements made of a p-type thermoelectric semiconductor via a protective layer;
Wiring current made of a metal material on the end surfaces of the n-type columnar element and the p-type columnar element by plating.
Forming a pole to electrically connect the n-type columnar element and the p-type columnar element;
Catalytic substance that induces a chemical reaction with the object to be detected, consisting of a metal catalyst material on the surface of the wiring electrode
Alternatively, a process of providing a reaction layer, which is a chemical substance that reacts directly with the object to be detected, by plating.
A method for producing a thermoelectric chemical sensor comprising:
前記反応層を設ける工程の直前または直後に前記保護層を溶解する工程を有することを特徴とする請求項1記載の熱電式化学センサの製造方法。The method for producing a thermoelectric chemical sensor according to claim 1, further comprising a step of dissolving the protective layer immediately before or after the step of providing the reaction layer. 記配線電極を形成して前記n型柱状素子と前記p型柱状素子とを電気的に接続する工程は、前記n型柱状素子と前記p型柱状素子の半数ずつを直列に接続することで、第1のセンサ部と第2のセンサ部を形成する工程であり、前記反応層を設ける工程は、前記第1のセンサ部にのみ設ける工程であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱電式化学センサの製造方法。 A step of pre-Symbol electrically connected to form the wiring electrode and the n-type pillar element and the p-type pillar-shaped element, by connecting to the n-type pillar element by half of the p-type pillar-shaped element in series The step of forming the first sensor portion and the second sensor portion, and the step of providing the reaction layer is a step of providing only the first sensor portion. The manufacturing method of the thermoelectric chemical sensor of description.
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