JP5541530B2 - Ion sensor and ion concentration measuring method - Google Patents

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JP5541530B2 JP2011031102A JP2011031102A JP5541530B2 JP 5541530 B2 JP5541530 B2 JP 5541530B2 JP 2011031102 A JP2011031102 A JP 2011031102A JP 2011031102 A JP2011031102 A JP 2011031102A JP 5541530 B2 JP5541530 B2 JP 5541530B2
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Description

本発明は、作用極の出力と参照極の出力とに基づいて被測定液のイオン濃度を測定するイオンセンサ等に関する。特に、イオンセンサのうちのpHセンサに関する。   The present invention relates to an ion sensor or the like that measures the ion concentration of a liquid to be measured based on the output of a working electrode and the output of a reference electrode. In particular, the present invention relates to a pH sensor among ion sensors.

特開平9−005290号公報には、作用極として機能するガラス電極を用いてそのガラス膜の内外に生じる電位差を検出することにより被測定液のpHを測定する、ガラス電極式pHセンサが開示されている。特開平9−005290号公報に開示されたpHセンサでは、ガラス膜の内部に内部電極が配置されるとともに、ホルダー内に充填された塩化カリウム溶液(KCI溶液)等の内部液中に参照極が配置される。また、ホルダーには液絡セラミックが取り付けられている。pH測定時には、ガラス膜および液絡セラミックが被測定液に浸漬される。このとき、作用極の内部電極は内部液を介してガラス膜の内壁に電気的に接続される。一方、参照極は内部液、液絡セラミックおよび被測定液を介してガラス膜の外壁に電気的に接続される。したがって、参照極と作用極の内部電極の電位差を検出することにより、被測定液のpHを測定することができる。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-005290 discloses a glass electrode pH sensor that uses a glass electrode that functions as a working electrode to measure the pH of a liquid to be measured by detecting a potential difference generated inside and outside the glass film. ing. In the pH sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-005290, an internal electrode is disposed inside a glass film, and a reference electrode is provided in an internal liquid such as a potassium chloride solution (KCI solution) filled in the holder. Be placed. A liquid junction ceramic is attached to the holder. At the time of pH measurement, the glass film and the liquid junction ceramic are immersed in the liquid to be measured. At this time, the internal electrode of the working electrode is electrically connected to the inner wall of the glass film via the internal liquid. On the other hand, the reference electrode is electrically connected to the outer wall of the glass film via the internal liquid, the liquid junction ceramic, and the liquid to be measured. Therefore, the pH of the liquid to be measured can be measured by detecting the potential difference between the reference electrode and the internal electrode of the working electrode.

また、特開2009−236687号公報には、第1および第2のイオン感応性電界効果トランジスタ(ISFET;Ion Sensitive Field Effect Transistor)を備え、両者の測定対象イオンに対する感度(ネルンスト応答性)に相違を与えたイオンセンサが開示されている。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-236687 includes first and second ion-sensitive field effect transistors (ISFETs), which differ in sensitivity (Nernst responsiveness) to both measurement target ions. An ion sensor is disclosed.

特開平9−005290号公報JP 9-005290 A 特開2007−78373号公報JP 2007-78373 A 特開2009−236687号公報JP 2009-236687 A

しかし、ガラス電極式pHセンサでは、参照極が収容されるホルダー内の内部液が被測定液へ漏洩することに起因する被測定液等の汚染、内部液の水分蒸発による状態変化や内部液の結晶化などの不具合が発生することがある。   However, in the glass electrode type pH sensor, contamination of the liquid to be measured due to leakage of the internal liquid in the holder in which the reference electrode is accommodated to the liquid to be measured, state change due to water evaporation of the internal liquid, Problems such as crystallization may occur.

また、特開2009−236687号公報に開示されたイオンセンサでは、ISFETのイオン感応部およびイオン不感応部に自己組織化単分子膜(SAM;Self−Assembled Monolayer)が用いられている。このため、化学合成プラントの高温高圧状態や半導体製造プロセスの強酸、強アルカリプロセスなどでは、自己組織化単分子膜の物理的/化学的な不安定性が問題となり、使用が困難である。また、タンパク質などの生体関連物質を扱うバイオプロセスにおいては、タンパク質などがSAMへ吸着することで、正確な測定を困難にする。   Further, in the ion sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-236687, a self-assembled monolayer (SAM) is used for the ion sensitive part and the ion insensitive part of the ISFET. For this reason, physical / chemical instability of the self-assembled monolayer becomes a problem in a high-temperature and high-pressure state of a chemical synthesis plant or a strong acid or strong alkali process of a semiconductor manufacturing process, which makes it difficult to use. In bioprocesses that handle biological materials such as proteins, protein and the like adsorb to SAM, making accurate measurement difficult.

本発明の目的は、参照極の不具合を解消するとともに、厳しい環境下でも使用可能なイオンセンサ等を提供することにある。   The objective of this invention is providing the ion sensor etc. which can be used also in a severe environment while solving the malfunction of a reference pole.

本発明のイオンセンサは、参照極と、作用極とを備え、前記参照極および前記作用極の出力に基づいて被測定液のイオン濃度を測定するイオンセンサにおいて、前記参照極は第1のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、前記作用極は第2のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面の終端と前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲートの部分の半導体表面の終端とが異なり、前記第1のpチャネル電界効果トランジスタにおける前記半導体表面がダイヤモンドを有し、前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであってすべて水素終端とされたもの、または前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであって前記水素終端の一部がフッ素終端に置換されたものである。
The ion sensor of the present invention includes a reference electrode and a working electrode, and the ion sensor measures the ion concentration of the liquid to be measured based on the outputs of the reference electrode and the working electrode. A channel field effect transistor, the working electrode is composed of a second p-channel field effect transistor, a termination of a semiconductor surface of a gate portion of the second p-channel field effect transistor, and the first p-channel field effect Unlike the termination of the semiconductor surface of the gate portion of the transistor, the semiconductor surface of the first p-channel field effect transistor has diamond, and the semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor is hydrogen. A diamond that has been terminated and all hydrogen terminated, or the first p Semiconductor surface of the gate portion of Yaneru field effect transistor in which a portion of the hydrogen termination a diamond hydrogen termination treatment is performed is replaced with fluorine termination.

前記作用極は第2のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面の終端の測定対象イオンに対する感度が、前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面の終端の前記測定対象イオンに対する感度よりも高くされる。   The working electrode is composed of a second p-channel field effect transistor, and the sensitivity of the gate portion of the second p-channel field effect transistor to the measurement target ion at the end of the semiconductor surface is the first p-channel field effect transistor. The sensitivity to the measurement target ion at the end of the semiconductor surface of the gate portion is made higher.

このイオンセンサによれば、第1のpチャネル電界効果トランジスタにおける半導体表面がダイヤモンドにより構成されるので、参照極の不具合が解消されるとともに、高温、高圧などの厳しい環境下でも使用可能なイオンセンサを得ることができる。   According to this ion sensor, since the semiconductor surface of the first p-channel field effect transistor is made of diamond, the problem of the reference electrode is solved, and the ion sensor can be used in severe environments such as high temperature and high pressure. Can be obtained.

前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面が水素終端処理を施したダイヤモンドの水素終端の一部を酸素終端またはフッ素終端に置換した水素イオン鈍感応終端であってもよい。   The semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor may be a hydrogen ion insensitive termination in which part of the hydrogen termination of diamond subjected to hydrogen termination treatment is replaced with an oxygen termination or a fluorine termination.

前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面を構成するsp
3結合の結晶の含有量がsp2結合の結晶の含有量より多くてもよい。
sp3結合の結晶の含有量がsp2結合の結晶の含有量より多いと良い。つまり、ダイ
ヤモンド表面を構成するダイヤモンドは、sp3結合の結晶からなる炭素構造体が最も好
ましいが、sp2結合の結晶を含んでいても好適な特性が得られる。sp2結合の結晶を
含む場合、(sp3結合の結晶の含有量)/(sp2結合の結晶の含有量)の値が高い方
が好適な特性が得られる。
前記作用極と前記参照極とが対向して設けられてもよい。
Sp constituting the semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor
The content of three-bond crystals may be greater than the content of sp2-bond crystals.
The content of sp3-bonded crystals is preferably larger than the content of sp2-bonded crystals. That is, the diamond constituting the diamond surface is most preferably a carbon structure composed of sp3 bonded crystals, but suitable characteristics can be obtained even if sp2 bonded crystals are included. When sp2-bonded crystals are included, a higher value of (content of sp3-bonded crystals) / (content of sp2-bonded crystals) provides better characteristics.
The working electrode and the reference electrode may be provided to face each other.

前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面が水素終端処理を施したダイヤモンドを有してもよい。
前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面が水素終端処理
を施したダイヤモンドの水素終端の一部をアミノ終端または酸素終端に置き換えたイオン
感応終端であってもよい。
The semiconductor surface of the gate portion of the second p-channel field effect transistor may have diamond with hydrogen termination.
The semiconductor surface of the gate portion of the second p-channel field effect transistor may be an ion-sensitive termination in which part of the hydrogen termination of diamond subjected to hydrogen termination treatment is replaced with an amino termination or an oxygen termination.

前記測定対象イオンが水素イオンであってもよい。   The measurement target ion may be a hydrogen ion.

前記pチャネル電界効果トランジスタの温度を検出する温度センサを備えたpHセンサであってもよい。   The pH sensor may include a temperature sensor that detects the temperature of the p-channel field effect transistor.

本発明のイオン濃度測定方法は、参照極および作用極に被測定液を接触させるステップと、前記参照極および前記作用極の出力に基づいて前記被測定液のイオン濃度を測定するステップと、を備えるイオン濃度測定方法において、前記参照極は第1のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、前記作用極は第2のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面の終端と前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲートの部分の半導体表面の終端とが異なり、前記半導体表面がダイヤモンドを有し、前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであってすべて水素終端とされたもの、または前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであって前記水素終端の一部がフッ素終端に置換されたものである。

The ion concentration measurement method of the present invention comprises the steps of bringing a measured liquid into contact with a reference electrode and a working electrode, and measuring an ion concentration of the measured liquid based on outputs of the reference electrode and the working electrode. In the ion concentration measuring method, the reference electrode is configured by a first p-channel field effect transistor, the working electrode is configured by a second p-channel field effect transistor, and the gate of the second p-channel field effect transistor. The semiconductor surface termination is different from the semiconductor surface termination of the first p-channel field effect transistor, the semiconductor surface has diamond, and the first p-channel field effect transistor gate portion ones of the semiconductor surface is all hydrogen termination a diamond hydrogen termination process is performed, also The semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor in which a portion of the hydrogen termination a diamond hydrogen termination treatment is performed is replaced with fluorine termination.

このイオン濃度測定方法によれば、第1のpチャネル電界効果トランジスタにおける半導体表面がダイヤモンドにより構成されるので、参照極の不具合が解消されるとともに、高温、高圧などの厳しい環境下でも使用可能なイオンセンサを得ることができる。   According to this ion concentration measurement method, the semiconductor surface of the first p-channel field effect transistor is composed of diamond, so that the problem of the reference electrode is solved and it can be used even in severe environments such as high temperature and high pressure. An ion sensor can be obtained.

本発明のイオンセンサによれば、第1のpチャネル電界効果トランジスタにおける半導体表面がダイヤモンドにより構成されるので、参照極の不具合が解消されるとともに、高温、高圧などの厳しい環境下でも使用可能なイオンセンサを得ることができる。   According to the ion sensor of the present invention, the semiconductor surface of the first p-channel field effect transistor is made of diamond, so that the problem of the reference electrode is solved and it can be used in severe environments such as high temperature and high pressure. An ion sensor can be obtained.

本発明のイオン濃度測定方法によれば、第1のpチャネル電界効果トランジスタにおける半導体表面がダイヤモンドにより構成されるので、参照極の不具合が解消されるとともに、高温、高圧などの厳しい環境下でも使用可能なイオンセンサを得ることができる。   According to the ion concentration measuring method of the present invention, since the semiconductor surface of the first p-channel field effect transistor is composed of diamond, the problem of the reference electrode is solved and the semiconductor device can be used in severe environments such as high temperature and high pressure. A possible ion sensor can be obtained.

本発明の第1実施例のpHセンサの構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the pH sensor of 1st Example of this invention. 図1の実施例の参照極および作用極のドレインおよびソースの形状を示す平面図。The top view which shows the shape of the drain of a reference pole and working electrode of the Example of FIG. 1, and a source | sauce. 図1の実施例を用いて、被測定液3のpHを計測する回路例。The circuit example which measures pH of the to-be-measured liquid 3 using the Example of FIG. 図1の実施例のドレイン・ソース特性Drain-source characteristics of the embodiment of FIG. 図3の実施例のpH・電圧特性PH / voltage characteristics of the embodiment of FIG. 図1の実施例のダイヤモンド薄膜の成膜プロセスを示すフローチャート。The flowchart which shows the film-forming process of the diamond thin film of the Example of FIG. ダイヤモンド薄膜表面の終端状態を模式的に示す図。(a)はアズ・グローンダイヤモンドの終端状態、(b)は水素化終端化処理をしたダイヤモンドの終端状態、(c)は部分アミノ終端化処理をしたダイヤモンドの終端状態、(d)は部分フッ素終端化処理をしたダイヤモンドの終端状態。The figure which shows typically the termination | terminus state of the diamond thin film surface. (A) is a terminal state of as-grown diamond, (b) is a terminal state of diamond subjected to hydrogenation termination treatment, (c) is a terminal state of diamond subjected to partial amino termination treatment, and (d) is partial fluorine. Termination state of diamond after termination. 水素イオン感応性と酸素終端置換度との関係を示す特性図。The characteristic view which shows the relationship between hydrogen ion sensitivity and oxygen termination substitution degree. 本発明の第2実施例のpHセンサを示す断面図。Sectional drawing which shows the pH sensor of 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例の参照極の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the reference pole of 3rd Example of this invention. 図10の実施例のIX−IX線方向から見た平面図。The top view seen from the IX-IX line direction of the Example of FIG.

以下、本発明によるイオンセンサをpHセンサに適用した実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment in which an ion sensor according to the present invention is applied to a pH sensor will be described.

図1は、本発明の第1実施例のpHセンサの構成を示す断面図であり、図2は、図1の実施例の参照極1および作用極2のドレイン13(23)およびソース14(24)の形状を示す平面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a pH sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a drain 13 (23) and a source 14 (of a reference electrode 1 and a working electrode 2 of the embodiment of FIG. It is a top view which shows the shape of 24).

図1および図2に示すように、本実施形態のイオンセンサとしてのpHセンサは、ダイヤモンドISFETをそれぞれ参照極1および作用極2として使用したものである。   As shown in FIGS. 1 and 2, the pH sensor as the ion sensor of this embodiment uses a diamond ISFET as a reference electrode 1 and a working electrode 2, respectively.

図1および図2に示すように、参照極1は、表面にダイヤモンド薄膜12が形成されたシリコンウェハ11と、ダイヤモンド薄膜12の表面に形成されたドレイン13と、ダイヤモンド薄膜12の表面にドレイン13と対向して形成されたソース14と、ドレイン13およびソース14を覆う保護膜15と、を備える。このpHセンサでは、ドレイン13およびソース14に挟まれた領域がゲート10として機能する。ドレイン13、ソース14、ゲート10は、pチャネル電界効果トランジスタを形成し、イオン感応性電界効果トランジスタを形成する。また、ダイヤモンド薄膜を有することからダイヤモンドISFETともいう。   As shown in FIGS. 1 and 2, the reference electrode 1 includes a silicon wafer 11 having a diamond thin film 12 formed on the surface thereof, a drain 13 formed on the surface of the diamond thin film 12, and a drain 13 formed on the surface of the diamond thin film 12. And a protective film 15 covering the drain 13 and the source 14. In this pH sensor, a region sandwiched between the drain 13 and the source 14 functions as the gate 10. The drain 13, the source 14, and the gate 10 form a p-channel field effect transistor and form an ion sensitive field effect transistor. Moreover, since it has a diamond thin film, it is also called a diamond ISFET.

ドレイン13およびソース14の電極や間隔等のサイズについては任意の数値を適用できるが、例えば、図2におけるドレイン13とソース14との距離α:10〜1000μm、ソース14のISFET部の幅(ドレイン13のISFET部の幅)β:0.01〜50mm、ソース14の長さ(ドレイン13の長さ)γ:5〜50mm、ソース14の幅(ドレイン13の幅)δ:5〜100mmの範囲とすることが好適である。   Arbitrary numerical values can be applied to the sizes of electrodes and intervals of the drain 13 and the source 14. For example, the distance α between the drain 13 and the source 14 in FIG. 2 is 10 to 1000 μm, the width of the ISFET portion of the source 14 (drain 13 ISFET portion width) β: 0.01 to 50 mm, source 14 length (drain 13 length) γ: 5 to 50 mm, source 14 width (drain 13 width) δ: 5 to 100 mm Is preferable.

参照極1のゲート10の部分におけるダイヤモンド薄膜12の表面は、水素イオン濃度が1.0×10−1mol/L〜1.0×10−14mol/Lの範囲において電位が安定し、もしくはイオン感応性が実用上、問題とならない程度に電位の一定性が保たれるように、終端元素が制御される。 The surface of the diamond thin film 12 at the gate 10 portion of the reference electrode 1 has a stable potential in a hydrogen ion concentration range of 1.0 × 10 −1 mol / L to 1.0 × 10 −14 mol / L, or The termination element is controlled so that the potential stability is maintained to such an extent that ion sensitivity does not become a practical problem.

水素イオン濃度が1.0×10−1mol/L〜1.0×10−14mol/Lの範囲において電位が安定し、もしくはイオン感応性が実用上問題にならないようなダイヤモンド表面として、水素プラズマ処理により水素密度を高めたダイヤモンド、水素終端ダイヤモンドを部分的に酸素終端化したダイヤモンド、水素終端ダイヤモンドを部分的に酸素終端化したダイヤモンド、水素終端ダイヤモンドを部分的にフッ素終端化したダイヤモンドなどが利用できる。 As a diamond surface where the potential is stable in the range of hydrogen ion concentration of 1.0 × 10 −1 mol / L to 1.0 × 10 −14 mol / L, or ion sensitivity does not become a practical problem, hydrogen is used. Diamond with hydrogen density increased by plasma treatment, diamond with hydrogen terminated diamond partially oxygen terminated, diamond with hydrogen terminated diamond partially oxygen terminated, diamond with hydrogen terminated diamond partially fluorine terminated, etc. Available.

図1に示すように、作用極2は参照極1と対向して設けられる。図1および図2に示すように、作用極2は、表面にダイヤモンド薄膜22が形成されたシリコンウェハ21と、ダイヤモンド薄膜22の表面に形成されたドレイン23と、ダイヤモンド薄膜22の表面にドレイン23と対向して形成されたソース24と、ドレイン23およびソース24を覆う保護膜25と、を備える。このpHセンサでは、ドレイン23およびソース24に挟まれた領域がゲート20として機能する。   As shown in FIG. 1, the working electrode 2 is provided to face the reference electrode 1. As shown in FIGS. 1 and 2, the working electrode 2 includes a silicon wafer 21 having a diamond thin film 22 formed on the surface thereof, a drain 23 formed on the surface of the diamond thin film 22, and a drain 23 formed on the surface of the diamond thin film 22. And a protective film 25 that covers the drain 23 and the source 24. In this pH sensor, a region sandwiched between the drain 23 and the source 24 functions as the gate 20.

ドレイン23およびソース24は、図2に示す参照極1のドレイン13およびソース14とそれぞれ同一の形状とすることが望ましい。ドレイン23およびソース24の電極や間隔等のサイズが参照極1と異なっていてもよいが、この場合も、図2におけるα:10〜1000μm、β:0.01〜50mm、γ:5〜50mm、δ:5〜100mmの範囲とすることが好適である。   It is desirable that the drain 23 and the source 24 have the same shape as the drain 13 and the source 14 of the reference electrode 1 shown in FIG. The size of electrodes and intervals of the drain 23 and the source 24 may be different from that of the reference electrode 1, but in this case also, α: 10 to 1000 μm, β: 0.01 to 50 mm, and γ: 5 to 50 mm in FIG. , Δ: The range of 5 to 100 mm is preferable.

参照極2のゲート20の部分におけるダイヤモンド薄膜22の表面は、水素イオン濃度が1.0×10−1mol/L〜1.0×10−14mol/Lの範囲において電位がpH値に応じて線形あるいは非線形に応答するように、終端元素が制御される。 The surface of the diamond thin film 22 in the gate 20 portion of the reference electrode 2 has a potential depending on the pH value in a hydrogen ion concentration range of 1.0 × 10 −1 mol / L to 1.0 × 10 −14 mol / L. The terminal element is controlled so as to respond linearly or nonlinearly.

水素イオン濃度が1.0×10−1mol/L〜1.0×10−14mol/Lの範囲において電位がpHに応じて線形あるいは非線形に応答するように終端元素を制御したダイヤモンド表面としては、水素プラズマ処理により水素密度を高めたダイヤモンドを水素イオン感応終端となるように部分的に酸素終端化したダイヤモンド、あるいはアミノ終端で置換したダイヤモンドなどが利用できる。 A diamond surface in which the termination element is controlled so that the potential responds linearly or nonlinearly depending on pH in the range of hydrogen ion concentration of 1.0 × 10 −1 mol / L to 1.0 × 10 −14 mol / L. May be diamond that is partially hydrogen-terminated with diamond whose hydrogen density has been increased by hydrogen plasma treatment so that the hydrogen ion-sensitive terminal ends, or diamond that is replaced with an amino terminal end.

作用極2の第2のpチャネル電界効果トランジスタにおけるゲート20部分の半導体表面の終端の測定対象イオンに対する感度(ネルンスト応答性)は、イオン濃度に対する作用極2の電圧である。
参照極1の第1のpチャネル電界効果トランジスタにおけるゲート10部分の半導体表面の終端の前記測定対象イオンに対する感度(ネルンスト応答性)は、イオン濃度に対する参照極2の電圧である。
In the second p-channel field effect transistor of the working electrode 2, the sensitivity (Nernst response) to the measurement target ion at the end of the semiconductor surface of the gate 20 portion is the voltage of the working electrode 2 with respect to the ion concentration.
The sensitivity (Nernst responsiveness) to the measurement target ion at the end of the semiconductor surface of the gate 10 portion in the first p-channel field effect transistor of the reference electrode 1 is a voltage of the reference electrode 2 with respect to the ion concentration.

ゲート20部分の半導体表面の終端の測定対象イオンに対する感度が、ゲート10部分の半導体表面の終端の前記測定対象イオンに対する感度よりも高くされる。   The sensitivity to the measurement target ions at the end of the semiconductor surface of the gate 20 portion is made higher than the sensitivity to the measurement target ions at the end of the semiconductor surface of the gate 10 portion.

次に、pHセンサの動作について説明する。   Next, the operation of the pH sensor will be described.

図1に示すように、参照極1のドレイン13およびソース14に挟まれたゲート10の領域において、ダイヤモンド薄膜12の表面に被測定液3が接触する。一方、保護膜15の存在のため、ドレイン13およびソース14に直接、被測定液3が接触することはない。   As shown in FIG. 1, the measured liquid 3 contacts the surface of the diamond thin film 12 in the region of the gate 10 sandwiched between the drain 13 and the source 14 of the reference electrode 1. On the other hand, due to the presence of the protective film 15, the liquid 3 to be measured does not directly contact the drain 13 and the source 14.

また、作用極2のドレイン23およびソース24に挟まれたゲート20の領域において、ダイヤモンド薄膜22の表面に被測定液3が接触する。一方、保護膜25の存在のため、ドレイン23およびソース24に直接、被測定液3が接触することはない。   In addition, in the region of the gate 20 sandwiched between the drain 23 and the source 24 of the working electrode 2, the liquid 3 to be measured contacts the surface of the diamond thin film 22. On the other hand, due to the presence of the protective film 25, the liquid 3 to be measured does not directly contact the drain 23 and the source 24.

被測定液3の電位は、被測定液3に接触する擬似参照極(不図示)により制御される。擬似参照極に電位を印加することにより、被測定液3を介して参照極1のドレイン13およびソース14に挟まれたゲート10の領域にその電位が与えられると同時に、被測定液3を介して作用極2のドレイン23およびソース24に挟まれたゲート20の領域にその電位が与えられる。このように、擬似参照極に印加する電圧により、参照極1のゲート10の電位と作用極2のゲート20の電位とを制御する。   The potential of the liquid 3 to be measured is controlled by a pseudo reference electrode (not shown) that contacts the liquid 3 to be measured. By applying a potential to the pseudo reference electrode, the potential is applied to the region of the gate 10 sandwiched between the drain 13 and the source 14 of the reference electrode 1 via the measured solution 3 and at the same time, via the measured solution 3. Thus, the potential is applied to the region of the gate 20 sandwiched between the drain 23 and the source 24 of the working electrode 2. In this manner, the potential of the gate 10 of the reference electrode 1 and the potential of the gate 20 of the working electrode 2 are controlled by the voltage applied to the pseudo reference electrode.

図3は、図1の実施例を用いて、被測定液3のpHを計測する回路例である。擬似参照極(G)に所定の電圧Vが印加される。擬似参照極(G)は被測定液3(不図示)に接触する。参照極1のドレイン(D)に定電流源とバッファとが接続され、参照極1のソース(S)にバッファが接続される。出力1は、バッファを介して参照極1のソース(S)に接続され、抵抗とバッファを介して参照極1のドレイン(D)に接続される。作用極2のドレイン(D)に定電流源とバッファとが接続され、作用極2のソース(S)にバッファが接続される。出力2は、バッファを介して作用極2のソース(S)に接続され、抵抗とバッファを介して作用極2のドレイン(D)に接続される。   FIG. 3 is a circuit example for measuring the pH of the liquid 3 to be measured using the embodiment of FIG. A predetermined voltage V is applied to the pseudo reference electrode (G). The pseudo reference electrode (G) is in contact with the liquid to be measured 3 (not shown). A constant current source and a buffer are connected to the drain (D) of the reference electrode 1, and a buffer is connected to the source (S) of the reference electrode 1. The output 1 is connected to the source (S) of the reference electrode 1 through a buffer, and is connected to the drain (D) of the reference electrode 1 through a resistor and the buffer. A constant current source and a buffer are connected to the drain (D) of the working electrode 2, and a buffer is connected to the source (S) of the working electrode 2. The output 2 is connected to the source (S) of the working electrode 2 through a buffer, and is connected to the drain (D) of the working electrode 2 through a resistor and a buffer.

図3の回路例では、擬似参照極(G)を介して被測定液3に電圧V(対アース電位)を印加すると、参照極1のゲート10と作用極2のゲート20とにそれぞれ電位が生じる。   In the circuit example of FIG. 3, when a voltage V (to ground potential) is applied to the liquid 3 to be measured via the pseudo reference electrode (G), the potentials are respectively applied to the gate 10 of the reference electrode 1 and the gate 20 of the working electrode 2. Arise.

図3の回路において、出力1には参照極1のドレイン(D)と参照極1のソース(S)とに基づく電圧が生じ、出力2には作用極2のドレイン(D)と作用極2のソース(S)とに基づく電圧が生じる。そして、出力1の電圧値と出力2の電圧値との差分は、被測定液3のpHと相関がある。   In the circuit of FIG. 3, a voltage based on the drain (D) of the reference electrode 1 and the source (S) of the reference electrode 1 is generated at the output 1, and the drain (D) of the working electrode 2 and the working electrode 2 are generated at the output 2. A voltage based on the source (S) of is generated. The difference between the voltage value of output 1 and the voltage value of output 2 has a correlation with the pH of the liquid 3 to be measured.

図4は、図1の実施例のドレイン・ソース特性である。横軸はドレイン13(23)とソース14(24)との間の電圧−Vds(V)、縦軸はドレイン13(23)とソース14(24)との間の電流−Ids(A)である。擬似参照極(G)の電圧−Vgsが−α(V)で一定の場合の電流−Ids(A)・電圧−Vds(V)特性と、擬似参照極(G)の電圧−Vgsが−β(V)で一定の場合の電流−Ids(A)・電圧−Vds(V)特性と、擬似参照極(G)の電圧−Vgsが−γ(V)で一定の場合の電流−Ids(A)・電圧−Vds(V)特性とを示す。α(V)>β(V)>γ(V)のとき、電圧−Vgs=−α(V)時の特性曲線>電圧−Vgs=−β(V)時の特性曲線>電圧−Vgs=−γ(V)時の特性曲線となる。   FIG. 4 shows drain / source characteristics of the embodiment of FIG. The horizontal axis represents the voltage −Vds (V) between the drain 13 (23) and the source 14 (24), and the vertical axis represents the current −Ids (A) between the drain 13 (23) and the source 14 (24). is there. When the voltage -Vgs of the pseudo reference electrode (G) is constant at -α (V), the current -Ids (A) / voltage -Vds (V) characteristics, and the voltage -Vgs of the pseudo reference electrode (G) is -β The current-Ids (A) / voltage-Vds (V) characteristics when (V) is constant, and the current -Ids (A) when the voltage -Vgs of the pseudo reference electrode (G) is constant at -γ (V). ) -Voltage-Vds (V) characteristics. When α (V)> β (V)> γ (V), characteristic curve when voltage −Vgs = −α (V)> characteristic curve when voltage −Vgs = −β (V)> voltage −Vgs = − It becomes a characteristic curve at γ (V).

被測定液3のpH値が増加すると図4の特性曲線は上方に移動し、被測定液3のpH値が減少すると図4の特性曲線は下方に移動する特性となる。   When the pH value of the measured liquid 3 increases, the characteristic curve of FIG. 4 moves upward, and when the pH value of the measured liquid 3 decreases, the characteristic curve of FIG. 4 moves downward.

図5は、図3の実施例のpH・電圧特性である。横軸は被測定液3のpH値、縦軸は擬似参照極(G)の電圧Vgsである。   FIG. 5 shows pH / voltage characteristics of the embodiment of FIG. The horizontal axis represents the pH value of the liquid 3 to be measured, and the vertical axis represents the voltage Vgs of the pseudo reference electrode (G).

ドレイン13(23)とソース14(24)との間の電流Ids(A)が一定のとき、被測定液3のpH値が増加すると擬似参照極(G)の電圧Vgsは低下する特性となる。この特性を利用すれば、擬似参照極(G)の電圧Vgsの値から被測定液3のpH値を算出する。   When the current Ids (A) between the drain 13 (23) and the source 14 (24) is constant, the voltage Vgs of the pseudo reference electrode (G) decreases as the pH value of the liquid 3 to be measured increases. . If this characteristic is used, the pH value of the liquid 3 to be measured is calculated from the value of the voltage Vgs of the pseudo reference electrode (G).

なお、特定の条件において、被測定液3のpH値が増加すると擬似参照極(G)の電圧Vgsが上昇する特性となることがある。また、特定の条件において、被測定液3のpH値が増加すると擬似参照極(G)の電圧Vgsが非直線的に変化する特性となることがある。この場合でも、擬似参照極(G)の電圧Vgsの値と被測定液3のpH値とは相関があり、擬似参照極(G)の電圧Vgsの値から被測定液3のpH値を算出できる。   Note that, under specific conditions, when the pH value of the liquid 3 to be measured increases, the voltage Vgs of the pseudo reference electrode (G) may increase. Further, under certain conditions, when the pH value of the liquid 3 to be measured increases, the voltage Vgs of the pseudo reference electrode (G) may change nonlinearly. Even in this case, the value of the voltage Vgs of the pseudo reference electrode (G) is correlated with the pH value of the measured liquid 3, and the pH value of the measured liquid 3 is calculated from the value of the voltage Vgs of the pseudo reference electrode (G). it can.

次に、ダイヤモンド薄膜12およびダイヤモンド薄膜22の成膜プロセスについて説明する。   Next, a process for forming the diamond thin film 12 and the diamond thin film 22 will be described.

図6は、図1の実施例のダイヤモンド薄膜の成膜プロセスを示すフローチャートである。   FIG. 6 is a flowchart showing a diamond thin film forming process of the embodiment of FIG.

図6のステップS1では、シリコンウェハ11,21の表面を研磨する。シリコンウェハ11,21とダイヤモンド層との密着性を向上させるために、算術平均粗さRa:0.1〜15μm、最大高さRz:1〜100μmとするのが望ましい。   In step S1 of FIG. 6, the surfaces of the silicon wafers 11 and 21 are polished. In order to improve the adhesion between the silicon wafers 11 and 21 and the diamond layer, it is desirable that the arithmetic average roughness Ra is 0.1 to 15 μm and the maximum height Rz is 1 to 100 μm.

次に、ステップS2では、ダイヤモンド粉末の核付けを行う。   Next, in step S2, nucleation of diamond powder is performed.

この工程では、均一なダイヤモンド層を成長させるために、研磨後のシリコンウェハ11,21の表面にダイヤモンドの核付け処理を行う。核付け方法としては、ダイヤモンド微粒子が入った溶液を超音波法、浸漬法、その他の方法でシリコンウェハ11,21の表面に塗布し、溶媒乾燥させる方法等を用いることができる。   In this step, a diamond nucleation process is performed on the surfaces of the polished silicon wafers 11 and 21 in order to grow a uniform diamond layer. As a nucleation method, a solution containing diamond fine particles may be applied to the surfaces of the silicon wafers 11 and 21 by an ultrasonic method, a dipping method, or other methods, followed by solvent drying.

次に、ステップS3では、ダイヤモンドの成膜処理を行う。   Next, in step S3, a diamond film forming process is performed.

この工程では、熱フィラメントCVD法によりダイヤモンドを成膜する。炭素源(例えば、メタン、アルコール、アセトンなどの低分子有機化合物)を水素ガスなどとともにフィラメントに供給する。炭素ラジカルなどが発生する温度域(例えば、1800〜2800℃)までフィラメントを加熱して、この雰囲気内にダイヤモンドが析出する温度領域(例えば、750〜950℃)になるようにシリコンウェハ11を配置する。混合ガスの供給速度は反応容器のサイズに依るが、圧力は15〜760Torrであることが好ましい。シリコンウェハ上には通常0.001〜2μmの粒径のダイヤモンド微粒子層が析出する。このダイヤモンド微粒子層の厚さは蒸着時間により調節することができるが、経済性の観点から0.5〜20μmとするのが好ましい。   In this step, a diamond film is formed by a hot filament CVD method. A carbon source (for example, a low molecular organic compound such as methane, alcohol, or acetone) is supplied to the filament together with hydrogen gas or the like. The filament is heated to a temperature range where carbon radicals and the like are generated (for example, 1800 to 2800 ° C.), and the silicon wafer 11 is disposed so as to be in a temperature range (for example, 750 to 950 ° C.) where diamond is deposited in this atmosphere. To do. The supply rate of the mixed gas depends on the size of the reaction vessel, but the pressure is preferably 15 to 760 Torr. A diamond fine particle layer having a particle size of usually 0.001 to 2 μm is deposited on the silicon wafer. The thickness of the diamond fine particle layer can be adjusted by the deposition time, but is preferably 0.5 to 20 μm from the viewpoint of economy.

次に、ステップS4では、アズ・グローンダイヤモンドに対して水素終端化処理を行う。   Next, in step S4, hydrogen termination is performed on the as-grown diamond.

この工程では、ダイヤモンド成膜後の水素以外の終端(例えば、炭素終端や酸素終端など)を水素終端に置換することで高密度水素終端とする。高密度水素終端処理の方法としては、弗化水素酸水溶液による処理、水素プラズマ処理、水素雰囲気中の加熱処理、水素ラジカル処理、陰極還元法のいずれかを選択することができる。2種類以上の方法を組み合わせて、水素終端化処理の効率を高めてもよい。   In this step, a terminal other than hydrogen (for example, carbon terminal or oxygen terminal) after the diamond film formation is replaced with a hydrogen terminal to obtain a high-density hydrogen terminal. As a method for the high-density hydrogen termination treatment, any of a treatment with a hydrofluoric acid aqueous solution, a hydrogen plasma treatment, a heat treatment in a hydrogen atmosphere, a hydrogen radical treatment, and a cathode reduction method can be selected. Two or more methods may be combined to increase the efficiency of the hydrogen termination treatment.

水素プラズマ処理としては、例えば、1kw、H−flow 400sccm、プラズマ照射時間5時間の処理条件でダイヤモンド終端の水素密度を高密度化できる。また、陰極還元法としては、例えばアズ・グローン状態の導電性ダイヤモンド電極に約−1.8Vの電圧を印加して0.1M硫酸水溶液(HSO)中に30分間以上浸漬する方法を使用できる。 As the hydrogen plasma treatment, for example, the hydrogen density at the end of diamond can be increased under the treatment conditions of 1 kw, H 2 -flow 400 sccm, and plasma irradiation time 5 hours. As the cathode reduction method, for example, a method of applying a voltage of about −1.8 V to a conductive diamond electrode in an as-grown state and immersing it in a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution (H 2 SO 4 ) for 30 minutes or more. Can be used.

なお、ステップS1の工程、ステップS2の工程、ステップS4の工程についてはそれぞれ省略してもよい。   Note that the step S1, the step S2, and the step S4 may be omitted.

以上の工程を経て作成されたダイヤモンド表面の水素終端の定性定量に関しては、例えばX線光電子分光法(XPS)、二次イオン質量分析計(SIMS)、フーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)など、従来から知られている解析方法により検査することができる。   Regarding the qualitative quantification of hydrogen termination on the diamond surface produced through the above steps, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), secondary ion mass spectrometer (SIMS), Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR) Etc.) can be inspected by a conventionally known analysis method.

次に、ダイヤモンド薄膜12,22が形成されたシリコンウェハ11,21にダイヤモンドISFETを製造するプロセスの一例を示す。   Next, an example of a process for manufacturing a diamond ISFET on the silicon wafers 11 and 21 on which the diamond thin films 12 and 22 are formed will be described.

まず、ダイヤモンド薄膜12,22の表面を部分的に酸素終端化する。この工程では、ダイヤモンド薄膜12,22の表面にレジストをスピンコートし、露光、現像によりレジストをパターニングする。その後、酸素RIEによりダイヤモンド薄膜12,22の露出領域のみを選択的に酸素終端化し、溶媒と超音波照射によりレジストを除去する。なお、この工程において、参照極1のダイヤモンド薄膜12と被測定液とが接触するドレイン13およびソース14に挟まれたゲート10の領域とドレイン13の下部領域とソース14の下部領域とについては、酸素終端化しない。ゲート10の領域以外の領域であってドレイン13の下部領域以外の領域であってソース14の下部領域以外の領域について、酸素終端化される。   First, the surfaces of the diamond thin films 12 and 22 are partially oxygen-terminated. In this step, a resist is spin-coated on the surfaces of the diamond thin films 12 and 22, and the resist is patterned by exposure and development. Thereafter, only the exposed regions of the diamond thin films 12 and 22 are selectively oxygen-terminated by oxygen RIE, and the resist is removed by irradiation with a solvent and ultrasonic waves. In this step, the region of the gate 10, the lower region of the drain 13, and the lower region of the source 14 sandwiched between the drain 13 and the source 14 where the diamond thin film 12 of the reference electrode 1 is in contact with the liquid to be measured No oxygen termination. The region other than the region of the gate 10 and the region other than the lower region of the drain 13 and the region other than the lower region of the source 14 is oxygen-terminated.

次に、ダイヤモンド薄膜12,22の表面にレジストをスピンコートし、露光、現像によりレジストをパターニングする。その後、Au/Tiスパッタリングしてリフトオフすることにより、図2に示すパターンのAu/Ti薄膜がダイヤモンド薄膜12,22上に形成される。これにより、ドレイン13,23およびソース14,24が形成される。   Next, a resist is spin-coated on the surfaces of the diamond thin films 12 and 22, and the resist is patterned by exposure and development. Thereafter, Au / Ti sputtering is performed and lift-off is performed, whereby an Au / Ti thin film having a pattern shown in FIG. 2 is formed on the diamond thin films 12 and 22. Thereby, drains 13 and 23 and sources 14 and 24 are formed.

次に、ダイヤモンド薄膜12,22およびAu/Ti薄膜が形成された基板上に保護膜15,25となるレジストをスピンコートし、露光、現像によりレジストをパターニングする。レジストの除去領域では、ダイヤモンド薄膜12,22が露出した状態となる。ドレイン13,23およびソース14,24の間のゲート10,20がこの領域に相当し、この領域では被測定液3がダイヤモンド薄膜12,22に直接接触する。   Next, a resist to be the protective films 15 and 25 is spin-coated on the substrate on which the diamond thin films 12 and 22 and the Au / Ti thin film are formed, and the resist is patterned by exposure and development. In the resist removal region, the diamond thin films 12 and 22 are exposed. The gates 10 and 20 between the drains 13 and 23 and the sources 14 and 24 correspond to this region, and the liquid 3 to be measured directly contacts the diamond thin films 12 and 22 in this region.

上記実施形態では、基板としてシリコンウェハを用いる例を示したが、基板の材質は任意である。   In the above embodiment, an example in which a silicon wafer is used as the substrate has been described, but the material of the substrate is arbitrary.

また、基板上へダイヤモンド皮膜を坦持させる方法は上記の方法に限定されず、任意のものを使用できる。代表的な成膜法としては気相合成法が使用でき、気相合成法としては、CVD(化学蒸着)法、物理蒸着(PVD)法、プラズマジェット法などがある。また、CVD法としては、熱フィラメントCVD法またはマイクロ波プラズマCVD法などがある。   Moreover, the method of carrying a diamond film on a board | substrate is not limited to said method, Arbitrary things can be used. As a typical film forming method, a vapor phase synthesis method can be used, and examples of the vapor phase synthesis method include a CVD (chemical vapor deposition) method, a physical vapor deposition (PVD) method, and a plasma jet method. Examples of the CVD method include a hot filament CVD method and a microwave plasma CVD method.

また、いずれのダイヤモンド成膜法を用いた場合であっても、合成されたダイヤモンド層は多結晶であり、ダイヤモンド層中にアモルファスカーボンやグラファイト成分が残存する場合がある。ダイヤモンド層の安定性の観点からアモルファスカーボンやグラファイト成分は少ないほうが好ましく、ラマン分光分析において、ダイヤモンドに帰属する1332cm−1付近(1321〜1352cm−1の範囲)に存在するピーク強度I(D)と、グラファイトのGバンドに帰属する1580cm−1付近(1560〜1600cm−1の範囲)のピーク強度I(G)の比I(D)/I(G)が1以上であり、ダイヤモンドの含有量がグラファイトの含有量より多くなることが好ましい。 In addition, regardless of which diamond film forming method is used, the synthesized diamond layer is polycrystalline, and amorphous carbon and graphite components may remain in the diamond layer. Amorphous carbon or graphite component from the viewpoint of the stability of the diamond layer is preferably lesser, in Raman spectroscopic analysis, and around 1332 cm -1 attributable to the diamond peak present in (1321~1352Cm range of -1) intensity I (D) , the ratio I (D) / I of the peak intensity near 1580 cm -1 attributable to the G band of graphite (range 1560~1600cm -1) I (G) ( G) is not less than 1, the content of diamond It is preferable that the content be higher than the graphite content.

なお、基板上にダイヤモンド薄膜を形成する代わりに、Si、炭素などの基板を用いず、自立性のダイヤモンドバルク体を使用してもよい。   Instead of forming a diamond thin film on a substrate, a self-supporting diamond bulk body may be used without using a substrate such as Si or carbon.

図7は、ダイヤモンド薄膜12表面の終端状態を模式的に示す図であり、図7(a)はアズ・グローンダイヤモンドの終端状態を、図7(b)は水素化終端化処理をしたダイヤモンドの終端状態を、図7(c)は部分アミノ終端化処理をしたダイヤモンドの終端状態を、図7(d)は部分フッ素終端化処理をしたダイヤモンドの終端状態を、それぞれ示している。   7A and 7B are diagrams schematically showing the termination state of the surface of the diamond thin film 12, where FIG. 7A shows the termination state of as-grown diamond, and FIG. 7B shows the hydrogenation-terminated diamond. FIG. 7C shows the terminal state, and FIG. 7D shows the terminal state of the diamond subjected to the partial fluorine termination, and FIG. 7D shows the terminal state of the diamond subjected to the partial fluorine termination.

上記の参照極1のゲート10の部分には、水素終端処理をしたダイヤモンド薄膜12を配置しているが、参照極のゲートの部分が水素イオン鈍感応終端を有するダイヤモンド表面とされていればよく、水素終端処理を施す場合に限定されない。例えば、水素終端処理をしたダイヤモンド(図7(b))、水素終端処理をしたダイヤモンドの水素終端の一部を水素イオン鈍感応性がある元素に置き換えたダイヤモンド、例えば、部分フッ素終端ダイヤモンド(図7(d))、部分酸素終端ダイヤモンドなどがある。   The diamond thin film 12 subjected to the hydrogen termination treatment is disposed at the gate 10 portion of the reference electrode 1 as long as the gate portion of the reference electrode has a diamond surface having a hydrogen ion insensitive termination. The hydrogen termination treatment is not limited. For example, diamond with hydrogen termination (FIG. 7 (b)), diamond in which part of the hydrogen termination of hydrogen-terminated diamond is replaced with a hydrogen ion insensitive element, for example, partially fluorine-terminated diamond (FIG. 7). (D)), partially oxygen-terminated diamond, and the like.

また、作用極のゲートの部分の水素終端ダイヤモンドとしては、水素終端処理をしたダイヤモンドの水素終端の一部を水素イオン感応効果がある元素に置き換えたダイヤモンド、例えば、部分アミノ終端ダイヤモンド(図7(c))や部分酸素終端ダイヤモンドなどを使用することができる。   In addition, as the hydrogen-terminated diamond at the gate portion of the working electrode, a diamond obtained by replacing a part of the hydrogen-terminated diamond with a hydrogen-terminated element, for example, a partially amino-terminated diamond (FIG. 7 ( c)) and partially oxygen-terminated diamonds can be used.

図8は、水素イオン感応性と酸素終端置換度との関係を示す特性図であり、縦軸に水素イオン感応性を、横軸に酸素終端置換度をそれぞれ示している。ここでいう酸素終端置換度は、以下の式で表される。   FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between hydrogen ion sensitivity and the degree of oxygen termination substitution, with the vertical axis representing the hydrogen ion sensitivity and the horizontal axis representing the degree of oxygen termination substitution. The oxygen-terminated substitution degree here is expressed by the following formula.

酸素終端置換度=A/(A+B)   Degree of oxygen-terminated substitution = A / (A + B)

ただし、A:「酸素終端のダイヤモンド表面の炭素数」、B:「酸素終端以外のダイヤモンド表面の炭素数」
である。
However, A: “Carbon number of diamond surface with oxygen termination”, B: “Carbon number of diamond surface with no oxygen termination”
It is.

酸素終端置換度0%とは、酸素終端が存在しないダイヤモンド表面を意味し、酸素終端置換度100%とは、酸素終端しか存在しないダイヤモンド表面を意味する。例えば、水素終端化処理をしたダイヤモンドは酸素終端置換度が0%に近い値となる。   An oxygen-terminated substitution degree of 0% means a diamond surface without oxygen termination, and an oxygen-termination substitution degree of 100% means a diamond surface with only oxygen termination. For example, diamond subjected to hydrogen termination treatment has an oxygen termination substitution degree close to 0%.

図8に示すように、水素イオン感応性は、酸素終端置換度が0%から増加してゆくに従い増大するが、やがて減少に転じ、酸素終端置換度が一定値を越えると、ほぼゼロとなる。したがって、参照極のゲート部分では、例えば、図8においてイオン鈍感応性が得られる、a%以下の範囲、またはb%以上の範囲の酸素終端置換度が選択される。また、作用極のゲート部分では、例えば、図8においてイオン感応性が得られる、a%以上、b%以下の範囲の酸素終端置換度が選択される。   As shown in FIG. 8, the sensitivity to hydrogen ions increases as the degree of oxygen-terminated substitution increases from 0%, but eventually decreases and becomes almost zero when the degree of oxygen-terminated substitution exceeds a certain value. . Therefore, in the gate portion of the reference electrode, for example, an oxygen-terminated substitution degree in the range of a% or less, or in the range of b% or more, in which ion insensitivity is obtained in FIG. 8 is selected. In the gate portion of the working electrode, for example, an oxygen-terminated substitution degree in a range of a% or more and b% or less that can obtain ion sensitivity in FIG. 8 is selected.

以上のように、本発明によれば、被測定液である液体電解質をゲートとした終端制御ダイヤモンドのISFETを参照極および作用極として使用することで、高温高圧および耐酸耐アルカリ性に優れた内部液不要な参照極を有するpHセンサを獲得できる。   As described above, according to the present invention, by using the ISFET of the termination controlled diamond having the liquid electrolyte as the measurement liquid as a gate as the reference electrode and the working electrode, the internal liquid excellent in high temperature and high pressure and acid and alkali resistance. A pH sensor having an unnecessary reference electrode can be obtained.

これにより、従来の内部液含有型参照極の課題である内部液漏洩や経時劣化の問題を解消できるとともに、例えば化学合成プラントの半導体製造プロセスの強酸、強アルカリ条件下や、タンパク質などの生体関連物質を扱うバイオプロセスでの正確な測定を可能とするpHセンサを提供することができ、生産プロセスのpH値可視化に寄与する。   This solves the problems of internal liquid leakage and deterioration over time, which are the problems of the conventional internal liquid-containing reference electrode, as well as the strong acid and strong alkaline conditions in the semiconductor production process of chemical synthesis plants, and bio-related materials such as proteins. A pH sensor that enables accurate measurement in a bioprocess that handles substances can be provided, and contributes to visualization of the pH value of a production process.

本発明におけるダイヤモンドISFETに用いるダイヤモンドの種類としては、例示したダイヤモンド多結晶体以外に、単結晶のものを使用することもできる。また、導電性ダイヤモンド(ドープドダイヤモンド;多結晶、単結晶)のほか、ダイヤモンドライクカーボン、導電性ダイヤモンドライクカーボン(ドープドダイヤモンドライクカーボン)、ECRスパッタカーボン、RFスパッタカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノチューブ等の単体およびそれらを主成分とする導電性炭素材料を使用することができる。ダイヤモンド、ECRスパッタカーボン、ダイヤモンドライクカーボンのように主にsp2結合の結晶の含有量に対するsp3結合の結晶の含有量比率(sp3/sp2 ratio)が高い構造体であればより好適であり、sp3結合の結晶の組成比率が最も高いダイヤモンドが本発明を実施する場合に最も好適である。   As a kind of diamond used for the diamond ISFET in the present invention, a single crystal may be used in addition to the exemplified polycrystalline diamond. In addition to conductive diamond (doped diamond; polycrystal, single crystal), diamond-like carbon, conductive diamond-like carbon (doped diamond-like carbon), ECR sputtered carbon, RF sputtered carbon, carbon nanotube, fullerene, carbon A simple substance such as a nanotube or a conductive carbon material containing them as a main component can be used. A structure having a high sp3 bond crystal content ratio (sp3 / sp2 ratio) to sp2 bond crystal content, such as diamond, ECR sputtered carbon, and diamond-like carbon, is more preferable. Diamond having the highest crystal composition ratio is most suitable when the present invention is carried out.

導電性ダイヤモンド皮膜(ドープドダイヤモンド)を坦持させる場合、いずれの方法でも、ダイヤモンド原料として水素ガスおよび炭素源の混合ガスが用いられるが、ダイヤモンドに導電性を付与するために、原子価の異なる元素(ドーパント)を微量添加してもよい。ドーパントとしては、ホウ素、リン、窒素が好ましく、好ましい含有率は1〜100000ppm、さらに好ましくは100〜10000ppmである。   When carrying a conductive diamond film (doped diamond), any method uses a mixed gas of hydrogen gas and a carbon source as a diamond raw material, but the valence is different in order to impart conductivity to diamond. A trace amount of an element (dopant) may be added. As a dopant, boron, phosphorus, and nitrogen are preferable, and a preferable content rate is 1 to 100,000 ppm, and more preferably 100 to 10,000 ppm.

図9は、本発明の第2実施例のpHセンサを示す断面図である。この実施例には、共通の基板上に参照極および作用極が形成されている。   FIG. 9 is a sectional view showing a pH sensor according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, a reference electrode and a working electrode are formed on a common substrate.

図9に示すように、参照極101および作用極102は、共通のシリコンウェハ100上に形成される。参照極101および作用極102の機能は、図1〜図2に示した参照極1および作用極2の機能にそれぞれ対応しており、同様の原理によりpHを測定できる。   As shown in FIG. 9, the reference electrode 101 and the working electrode 102 are formed on a common silicon wafer 100. The functions of the reference electrode 101 and the working electrode 102 correspond to the functions of the reference electrode 1 and the working electrode 2 shown in FIGS. 1 to 2, respectively, and the pH can be measured by the same principle.

図9に示すように、参照極101は、シリコンウェハ11の表面に形成されたダイヤモンド薄膜112と、ダイヤモンド薄膜112の表面に形成されたドレイン113と、ダイヤモンド薄膜112の表面にドレイン113と対向して形成されたソース114と、ドレイン113およびソース114を覆う保護膜150と、を備える。ドレイン113およびソース114に挟まれた領域がゲート110として機能する。   As shown in FIG. 9, the reference electrode 101 has a diamond thin film 112 formed on the surface of the silicon wafer 11, a drain 113 formed on the surface of the diamond thin film 112, and a drain 113 facing the surface of the diamond thin film 112. And a protective film 150 that covers the drain 113 and the source 114. A region sandwiched between the drain 113 and the source 114 functions as the gate 110.

参照極101のゲート110の部分におけるダイヤモンド薄膜112の表面は、水素イオン濃度が1.0×10−1mol/L〜1.0×10−14mol/Lの範囲において電位が安定し、もしくはイオン感応性が実用上、問題とならない程度に電位の一定性が保たれるように、終端元素が制御される。 The surface of the diamond thin film 112 at the gate 110 portion of the reference electrode 101 has a stable potential in a hydrogen ion concentration range of 1.0 × 10 −1 mol / L to 1.0 × 10 −14 mol / L, or The termination element is controlled so that the potential stability is maintained to such an extent that ion sensitivity does not become a practical problem.

図9に示すように、作用極102は、シリコンウェハ100の表面に形成されたダイヤモンド薄膜122と、ダイヤモンド薄膜122の表面に形成されたドレイン123と、ダイヤモンド薄膜122の表面にドレイン123と対向して形成されたソース124と、を備え、ドレイン123およびソース124は保護膜150により覆われる。ドレイン123およびソース124に挟まれた領域がゲート120として機能する。   As shown in FIG. 9, the working electrode 102 is opposed to the diamond thin film 122 formed on the surface of the silicon wafer 100, the drain 123 formed on the surface of the diamond thin film 122, and the drain 123 on the surface of the diamond thin film 122. The drain 123 and the source 124 are covered with a protective film 150. A region sandwiched between the drain 123 and the source 124 functions as the gate 120.

ドレイン123およびソース124は、参照極101のドレイン113およびソース114と同一の形状とすることが望ましい。   It is desirable that the drain 123 and the source 124 have the same shape as the drain 113 and the source 114 of the reference electrode 101.

参照極102のゲート120の部分におけるダイヤモンド薄膜122の表面は、水素イオン濃度が1.0×10−1mol/L〜1.0×10−14mol/Lの範囲において電位がpH値に応じて線形あるいは非線形に応答するように、終端元素が制御される。 The surface of the diamond thin film 122 at the gate 120 portion of the reference electrode 102 has a potential depending on the pH value in a hydrogen ion concentration range of 1.0 × 10 −1 mol / L to 1.0 × 10 −14 mol / L. The terminal element is controlled so as to respond linearly or nonlinearly.

ダイヤモンド薄膜112およびダイヤモンド薄膜122の表面の終端元素の制御は、任意のプロセスで行うことができるが、例えば、ダイヤモンド薄膜112およびダイヤモンド薄膜122を構成する同一層としてのアズ・グローンダイヤモンド薄膜を形成した後、終端化処理を領域ごとに行うことで、望ましいイオン感応性の分布を得ることができる。   The termination elements on the surfaces of the diamond thin film 112 and the diamond thin film 122 can be controlled by an arbitrary process. For example, an as-grown diamond thin film as the same layer constituting the diamond thin film 112 and the diamond thin film 122 is formed. Thereafter, a desired ion-sensitive distribution can be obtained by performing a termination process for each region.

図9に示すpHセンサによりpH測定を行う場合には、図9に示すように、参照極101のドレイン113およびソース114に挟まれたゲート110の領域において、ダイヤモンド薄膜112の表面に被測定液3が接触する。一方、保護膜150の存在のため、ドレイン113およびソース114に直接、被測定液3が接触することはない。   When the pH measurement is performed by the pH sensor shown in FIG. 9, as shown in FIG. 9, the liquid to be measured is applied to the surface of the diamond thin film 112 in the region of the gate 110 sandwiched between the drain 113 and the source 114 of the reference electrode 101. 3 contacts. On the other hand, due to the presence of the protective film 150, the measured liquid 3 does not directly contact the drain 113 and the source 114.

また、作用極102のドレイン123およびソース124に挟まれたゲート120の領域において、ダイヤモンド薄膜122の表面に被測定液3が接触する。一方、保護膜150の存在のため、ドレイン123およびソース124に直接、被測定液3が接触することはない。   In addition, in the region of the gate 120 sandwiched between the drain 123 and the source 124 of the working electrode 102, the liquid 3 to be measured contacts the surface of the diamond thin film 122. On the other hand, due to the presence of the protective film 150, the measured liquid 3 does not contact the drain 123 and the source 124 directly.

被測定液3のpHは、一定条件下における参照極101および作用極102のドレイン・ソース間の電圧・電流特性の相違やゲートの電圧の相違など、参照極101および作用極102の動作特性ないし動作状態の相違に基づいて算出される。例えば、図3に示した回路を用いることができる。   The pH of the liquid 3 to be measured is the operating characteristics of the reference electrode 101 and the working electrode 102 such as a difference in voltage / current characteristics between the drain and source of the reference electrode 101 and the working electrode 102 and a gate voltage under a certain condition. It is calculated based on the difference in operating state. For example, the circuit shown in FIG. 3 can be used.

次に、図10および図11を参照して、ダイヤモンドISFETの温度補償を行う例を示す。温度によるイオン感度への影響を補償するため、温度センサを設けてもよい。   Next, an example in which temperature compensation of a diamond ISFET is performed will be described with reference to FIGS. A temperature sensor may be provided to compensate for the effect of temperature on ion sensitivity.

以下に述べる構成は、参照極および作用極のいずれについても適用できる。   The configuration described below can be applied to both the reference electrode and the working electrode.

図10は、本発明の第3実施例の参照極の構成を示す断面図である。この実施例には、サーミスタ5が設けられている。
図11は、図10の実施例のIX−IX線方向から見た平面図である。図10および図11において、図1および図2と同一要素には同一符号を付している。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the reference electrode of the third embodiment of the present invention. In this embodiment, a thermistor 5 is provided.
FIG. 11 is a plan view of the embodiment of FIG. 10 as viewed from the IX-IX line direction. 10 and 11, the same elements as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

図10および図11に示すように、参照極1Aのシリコンウェア11上に、温度センサとしてのサーミスタ5が形成され、サーミスタ5の抵抗値変化に基づいて参照極1Aを構成するISFETの温度特性が補償される。この場合には、被測定液の温度によらず、常に正確なpHを測定することができる。作用極の出力値についても、サーミスタ5の抵抗値変化に基づいて、同様に温度補償することができる。   As shown in FIGS. 10 and 11, the thermistor 5 as a temperature sensor is formed on the silicon wear 11 of the reference electrode 1 </ b> A, and the temperature characteristics of the ISFET that constitutes the reference electrode 1 </ b> A based on the resistance value change of the thermistor 5. Compensated. In this case, an accurate pH can always be measured regardless of the temperature of the liquid to be measured. The output value of the working electrode can be similarly temperature-compensated based on the resistance value change of the thermistor 5.

以上説明したように、本発明のイオンセンサによれば、参照極および作用極がpチャネル電界効果トランジスタとして構成されているので、参照極における内部液の漏洩や経時劣化等の問題を解消できる。また、化学合成プラントの半導体製造プロセスの強酸、強アルカリ条件下や、タンパク質などの生体関連物質を扱うバイオプロセスへの適用も可能となる。   As described above, according to the ion sensor of the present invention, since the reference electrode and the working electrode are configured as p-channel field effect transistors, problems such as leakage of internal liquid and deterioration with time in the reference electrode can be solved. In addition, the present invention can be applied to semiconductor manufacturing processes in chemical synthesis plants under strong acid and strong alkali conditions, and bioprocesses that handle biologically related substances such as proteins.

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、参照極と、作用極とを備え、前記作用極および前記作用極の出力に基づいて被測定液のイオン濃度を測定するイオンセンサ等に対し、広く適用することができる。   The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be widely applied to an ion sensor or the like that includes a reference electrode and a working electrode and measures the ion concentration of the liquid to be measured based on the working electrode and the output of the working electrode.

1,101 参照極(pチャネル電界効果トランジスタ)
2,102 作用極(pチャネル電界効果トランジスタ)
3 被測定液
10,101 ゲート
11,21 シリコンウェハ
20,220 ゲート
12,112 ダイヤモンド薄膜(半導体表面)
22,122 ダイヤモンド薄膜(半導体表面)
13,23 ドレイン
14,24 ソース
15 保護膜
25 保護膜
100 シリコンウェハ
110 ゲート
120 ゲート
113 ドレイン
123 ドレイン
114 ソース
124 ソース
150 保護膜
5 サーミスタ
1,101 Reference electrode (p-channel field effect transistor)
2,102 Working electrode (p-channel field effect transistor)
3 Liquid to be measured 10, 101 Gate 11, 21 Silicon wafer 20, 220 Gate 12, 112 Diamond thin film (semiconductor surface)
22,122 Diamond thin film (semiconductor surface)
13, 23 Drain 14, 24 Source 15 Protective film 25 Protective film 100 Silicon wafer 110 Gate 120 Gate 113 Drain 123 Drain 114 Source 124 Source 150 Protective film 5 Thermistor

Claims (8)

参照極と、作用極とを備え、前記参照極および前記作用極の出力に基づいて被測定液のイオン濃度を測定するイオンセンサにおいて、
前記参照極は第1のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、
前記作用極は第2のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、
前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面の終端と前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲートの部分の半導体表面の終端とが異なり、
前記第1のpチャネル電界効果トランジスタにおける前記半導体表面がダイヤモンドを有し、
前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであってすべて水素終端とされたもの、または前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであって前記水素終端の一部がフッ素終端に置換されたものである
ことを特徴とするイオンセンサ。
In an ion sensor that includes a reference electrode and a working electrode, and measures an ion concentration of a liquid to be measured based on outputs of the reference electrode and the working electrode.
The reference electrode comprises a first p-channel field effect transistor;
The working electrode is constituted by a second p-channel field effect transistor,
The termination of the semiconductor surface of the gate portion of the second p-channel field effect transistor is different from the termination of the semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor,
The semiconductor surface of the first p-channel field effect transistor comprises diamond;
The semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor is a hydrogen-terminated diamond that is all hydrogen-terminated, or the semiconductor of the gate portion of the first p-channel field effect transistor. An ion sensor characterized in that the surface is diamond which has been subjected to hydrogen termination treatment, and a part of the hydrogen termination is replaced with a fluorine termination .
前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面を構成するsp3結合の結晶の含有量がsp2結合の結晶の含有量より多いことを特徴とする請求項1に記載のイオンセンサ。   2. The ion sensor according to claim 1, wherein the content of sp3 bonded crystals constituting the semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor is larger than the content of sp2 bonded crystals. 前記作用極と前記参照極とが対向して設けられるThe working electrode and the reference electrode are provided facing each other.
ことを特徴とする請求項1に記載のイオンセンサ。The ion sensor according to claim 1.
前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面が水素終端処理を施したダイヤモンドを有する
ことを特徴とする請求項1に記載のイオンセンサ。
2. The ion sensor according to claim 1, wherein a semiconductor surface of a gate portion of the second p-channel field effect transistor has diamond subjected to hydrogen termination.
前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面が水素終端処理を施したダイヤモンドの水素終端の一部をアミノ終端または酸素終端に置き換えたイオン感応終端であることを特徴とする請求項4のいずれか1項に記載のイオンセンサ。   The semiconductor surface of the gate portion of the second p-channel field effect transistor is an ion sensitive termination in which part of the hydrogen termination of diamond subjected to hydrogen termination is replaced with an amino termination or an oxygen termination. 5. The ion sensor according to any one of 4 above. 前記測定対象イオンが水素イオンであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のイオンセンサ。   The ion sensor according to claim 1, wherein the measurement target ion is a hydrogen ion. 前記pチャネル電界効果トランジスタの温度を検出する温度センサを備え、
pHセンサである
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のイオンセンサ。
A temperature sensor for detecting the temperature of the p-channel field effect transistor;
It is a pH sensor, The ion sensor of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned.
参照極および作用極に被測定液を接触させるステップと、
前記参照極および前記作用極の出力に基づいて前記被測定液のイオン濃度を測定するステップと、
を備えるイオン濃度測定方法において、
前記参照極は第1のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、
前記作用極は第2のpチャネル電界効果トランジスタにより構成され、
前記第2のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面の終端と前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲートの部分の半導体表面の終端とが異なり、
前記半導体表面がダイヤモンドを有し、
前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであってすべて水素終端とされたもの、または前記第1のpチャネル電界効果トランジスタのゲート部分の半導体表面は水素終端処理が施されたダイヤモンドであって前記水素終端の一部がフッ素終端に置換されたものである
ことを特徴とするイオン濃度測定方法。
Contacting a liquid to be measured with a reference electrode and a working electrode;
Measuring an ion concentration of the liquid to be measured based on outputs of the reference electrode and the working electrode;
In an ion concentration measurement method comprising:
The reference electrode comprises a first p-channel field effect transistor;
The working electrode is constituted by a second p-channel field effect transistor,
The termination of the semiconductor surface of the gate portion of the second p-channel field effect transistor is different from the termination of the semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor,
The semiconductor surface has diamond;
The semiconductor surface of the gate portion of the first p-channel field effect transistor is a hydrogen-terminated diamond that is all hydrogen-terminated, or the semiconductor of the gate portion of the first p-channel field effect transistor. A method for measuring an ion concentration, characterized in that the surface is diamond that has been subjected to hydrogen termination treatment, wherein a part of the hydrogen termination is replaced with a fluorine termination .
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