JP6076749B2 - Small electrochemical sensor - Google Patents

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Description

本発明は一般に、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサー、そのような小型電気化学センサーを含む、呼気中の一酸化窒素の含量を測定するためのデバイス、及びそのような小型電気化学センサーを製造する方法に関する。   The present invention generally relates to a miniature electrochemical sensor for detecting a component in a gas, a device for measuring the content of nitric oxide in exhaled air, including such a miniature electrochemical sensor, and such a miniature electrical sensor. The present invention relates to a method of manufacturing a chemical sensor.

近年、バイオマーカーとしてのNOについて広範囲の研究が行われている。そのようなバイオマーカーの1つの利用は、ぜんそくなどの呼吸器の炎症の検出におけるものである。呼気中の一酸化窒素(NO)の濃度はぜんそく患者の気道における炎症の指標として役立つ。このように呼気NO(eNO)の使用はぜんそくの診断における有望な手段と考えられる。しかし、呼気中のeNOの濃度は非常に低い。健康な成人ではNOの濃度は約10〜35ppb(10億分の1)であるが、一方子供では濃度は約5〜25ppbである。相当量の炎症がある患者では70〜100ppbを超える。   In recent years, extensive research has been conducted on NO as a biomarker. One use of such biomarkers is in the detection of respiratory inflammation such as asthma. The concentration of nitric oxide (NO) in the breath serves as an indicator of inflammation in the airways of asthmatic patients. Thus, the use of exhaled NO (eNO) is considered a promising means in the diagnosis of asthma. However, the concentration of eNO in exhaled breath is very low. In healthy adults, the concentration of NO is about 10-35 ppb (parts per billion), while in children, the concentration is about 5-25 ppb. More than 70-100 ppb in patients with a significant amount of inflammation.

電気化学的方法を用いたNOを検出するためのセンサーが過去に示されている。しかし、呼気NOの測定においては、迅速な応答、小型のサイズ、及び高い感度の組み合わせが十分ではない。従来の電気化学センサーはガス濃度を数ppbまで検出できるが、典型的にはおよそ60〜100秒程度である長い応答時間に悩まされている。したがって、それらは呼気試料の複雑な流れの操作及びバッファリングを必要とする。   Sensors for detecting NO using electrochemical methods have been shown in the past. However, the combination of rapid response, small size, and high sensitivity is not sufficient for measuring exhaled NO. Conventional electrochemical sensors can detect gas concentrations down to several ppb, but suffer from long response times, typically on the order of 60-100 seconds. They therefore require manipulation and buffering of the complex flow of the breath sample.

本発明の目的は、上記で論じた欠点を軽減すること、並びに高い感度及び短い応答時間を有する、ガス中の成分を検出するためのセンサーを提供することである。   The object of the present invention is to alleviate the drawbacks discussed above and to provide a sensor for detecting components in a gas with high sensitivity and short response time.

コスト効率良く製造することができ、手持ち型分析デバイスに組み込むのに十分小さいセンサーを提供することも目的である。   It is also an object to provide a sensor that can be manufactured cost-effectively and is small enough to be incorporated into a hand-held analytical device.

このように、本開示は、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサーに関する。小型電気化学センサーは、参照電極と、対電極と、通路に沿って伸びる壁によって輪郭が作られる複数の通路を含む構造体とを含む。作用電極は構造体の壁を被覆し、イオノマーの層は構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆している。イオノマーの層は、電極、すなわち参照電極、対電極、及び作用電極とイオン伝導性の接触をしている。   Thus, the present disclosure relates to a miniature electrochemical sensor for detecting components in a gas. The miniature electrochemical sensor includes a reference electrode, a counter electrode, and a structure that includes a plurality of passages delineated by walls extending along the passages. The working electrode covers the wall of the structure, and the ionomer layer covers at least a portion of the working electrode along the structure wall. The ionomer layer is in ion conductive contact with the electrodes, ie, the reference electrode, the counter electrode, and the working electrode.

作用電極及びイオノマー層を通路の壁に沿って配置することによって、広い検出面積を有するセンサーが実現される。このようにセンサーの小型のサイズをなお維持しながらセンサーの感度は高くなり得る。イオノマーの層を含む通路を有する構造体は、センサーの短い応答時間も実現し得る。   By arranging the working electrode and ionomer layer along the walls of the passage, a sensor with a large detection area is realized. In this way, the sensitivity of the sensor can be increased while still maintaining the small size of the sensor. A structure having a passage containing a layer of ionomer can also achieve a short response time of the sensor.

通路は、少なくとも0.25、少なくとも1、少なくとも4、少なくとも10、少なくとも20、又は少なくとも50のアスペクト比を有していてもよい。このように、検出面積は対応する平面型センサーよりも広いか又ははるかに広くなり得、感度は通路のアスペクト比によって直接決まる。   The passageway may have an aspect ratio of at least 0.25, at least 1, at least 4, at least 10, at least 20, or at least 50. Thus, the detection area can be wider or much wider than the corresponding planar sensor, and the sensitivity is directly determined by the aspect ratio of the passage.

通路は、1〜300マイクロメートルの範囲、又は10〜150マイクロメートルの範囲の断面寸法を有していてもよい。このように通路は、イオノマー層の成膜を容易にしながら構造体の広い表面積をもたらすことができる。   The passageway may have a cross-sectional dimension in the range of 1 to 300 micrometers, or in the range of 10 to 150 micrometers. Thus, the passage can provide a large surface area of the structure while facilitating the formation of the ionomer layer.

イオノマー層の表面積は、1cmの設置面積(foot print area)当たり2000〜2cmの範囲、又は1cmの設置面積当たり1000〜10cmの範囲、又は1cmの設置面積当たり200〜20cmの範囲であってもよい。設置面積は、通路の伸びる方向と垂直な平面において規定される。したがってセンサーの感度は高くなり得る。 The surface area of the ionomer layer, footprint (foot print area) per 2000~2Cm 2 ranging from 1 cm 2, or 1 cm 2 range footprint per 1000~10Cm 2, or 1 cm 2 footprint per 200~20Cm 2 It may be a range. The installation area is defined in a plane perpendicular to the direction in which the passage extends. Therefore, the sensitivity of the sensor can be high.

センサーは第1及び第2の表面を含んでいてもよく、第1の表面はガスにさらされ、通路は第1の表面から第2の表面へと伸びている。したがって、通路は第1の表面でガスにさらされ、第2の表面ではセンサーの別の部分にさらされ得る。   The sensor may include first and second surfaces, where the first surface is exposed to the gas and the passage extends from the first surface to the second surface. Thus, the passage may be exposed to gas at the first surface and exposed to another portion of the sensor at the second surface.

構造体は、通路が細孔として形成される多孔質構造であってもよい。細孔は構造体全体にわたって平行に伸びていてもよい。細孔は密充填配置で設けられてもよく、密充填配置は六角形配置、長方形配置、正方形配置、及び三角形配置のうちの少なくとも1つであってもよい。このように構造体の広い表面積を得ることができる。   The structure may be a porous structure in which the passages are formed as pores. The pores may extend in parallel throughout the structure. The pores may be provided in a close packed arrangement, and the close packed arrangement may be at least one of a hexagonal arrangement, a rectangular arrangement, a square arrangement, and a triangular arrangement. Thus, a large surface area of the structure can be obtained.

イオノマーは、スルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー−コポリマー、例えばNafionであってもよい。イオノマーはプロトン伝導体であってもよい。イオノマーはDuPontより入手可能なNafion製品SE−5112であってもよい。このようにしてセンサーはガス中の成分に対する高い感度を備えることができる。   The ionomer may be a sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer, such as Nafion. The ionomer may be a proton conductor. The ionomer may be Nafion product SE-5112 available from DuPont. In this way, the sensor can be highly sensitive to components in the gas.

作用電極を被覆するイオノマー層の厚みは10〜2000nm、又は100〜1000nm、又は300〜700nmの範囲であってもよい。このようにしてセンサーの短い応答時間を得ることができる。   The thickness of the ionomer layer covering the working electrode may be in the range of 10-2000 nm, or 100-1000 nm, or 300-700 nm. In this way a short response time of the sensor can be obtained.

イオノマーはナノ構造固体材料を含んでいてもよい。このようにして顕微鏡レベルでの層の有効表面積を非常に高くすることができ、センサーの感度をさらに高める。   The ionomer may comprise a nanostructured solid material. In this way, the effective surface area of the layer at the microscopic level can be greatly increased, further increasing the sensitivity of the sensor.

センサーは、イオノマーの層及び参照電極及び対電極に接触している液体電解質をさらに含んでいてもよい。したがって周囲ガス中の湿度の変化に対してセンサーの感受性を低くすることができ、センサーの長期安定性を改善することができる。構造体の第2の表面は、通路の壁にあるイオノマーの層を液体電解質と接触させる、液体電解質によって濡らす、又は湿らせることを可能にするように、液体電解質と接触していてもよい。   The sensor may further include a liquid electrolyte in contact with the ionomer layer and the reference and counter electrodes. Therefore, the sensitivity of the sensor to the change in humidity in the surrounding gas can be lowered, and the long-term stability of the sensor can be improved. The second surface of the structure may be in contact with the liquid electrolyte so as to allow the layer of ionomer in the wall of the passage to contact, wet with or wet the liquid electrolyte.

センサーは液体電解質の体積のための筐体を含んでいてもよい。したがって、液体電解質をセンサーの中に封入してセンサーの操作性を改善することができる。   The sensor may include a housing for the volume of liquid electrolyte. Therefore, the operability of the sensor can be improved by enclosing the liquid electrolyte in the sensor.

構造体はマイクロマシニングによって形成してもよい。構造体はシリコン材料のマイクロマシニングによって形成してもよい。したがって、構造体は、広い表面積を得るためにマイクロメートル範囲の形体を備えていてもよい。構造体はさらに、バッチ製造され、低コストで製造されてもよい。   The structure may be formed by micromachining. The structure may be formed by micromachining of a silicon material. Thus, the structure may have features in the micrometer range to obtain a large surface area. The structure may also be manufactured in batches and at a low cost.

作用電極は、白金、金、パラジウム、炭素、及びルテニウムから成る群から選択される材料を含んでいてもよい。   The working electrode may comprise a material selected from the group consisting of platinum, gold, palladium, carbon, and ruthenium.

作用電極は、絶縁層によって構造体から絶縁されていてもよい。絶縁層は、Al、SiO、HfO、及びLaOから成る群から選択される材料を含んでいてもよい。したがって、電極面積は構造体の通路及び表面に限定される。 The working electrode may be insulated from the structure by an insulating layer. The insulating layer may include a material selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , HfO 2 , and LaO. Accordingly, the electrode area is limited to the passages and surfaces of the structure.

ガス中の成分はNOであってもよい。したがって、センサーは、例えばぜんそくのバイオマーカーとして呼気中のNOの濃度を分析するのに使用することができる。   The component in the gas may be NO. Thus, the sensor can be used to analyze the concentration of NO in exhaled breath, for example as an asthma biomarker.

本開示はさらに、本明細書の開示による小型電気化学センサーを含む、呼気中のNOの含量を測定するためのデバイスに関する。   The present disclosure further relates to a device for measuring the content of NO in exhaled breath, comprising a miniature electrochemical sensor according to the disclosure herein.

本開示はさらに、
通路に沿って伸びる壁によって輪郭が作られる複数の通路を含む構造体を提供するステップと、
構造体の壁を作用電極で被覆するステップと、
構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆するイオノマーの層を配置するステップと
を含む、本明細書で開示される小型電気化学センサーを製造する方法に関する。
The disclosure further includes
Providing a structure including a plurality of passages delineated by walls extending along the passages;
Coating the wall of the structure with a working electrode;
Disposing a layer of ionomer covering at least a portion of the working electrode along the wall of the structure, and a method of manufacturing a miniature electrochemical sensor disclosed herein.

構造体は、シリコン材料のエッチング加工によって、好ましくはシリコン材料の反応性イオンディープエッチング加工によって、提供することができる。したがって、100まで及びそれを超える非常に高いアスペクト比ARを有する通路を有する構造体を製造することができる。   The structure can be provided by etching a silicon material, preferably by a reactive ion deep etching process of the silicon material. Thus, it is possible to produce structures with passages having very high aspect ratios AR up to and above 100.

小型電気化学センサーは、シリコン微細加工を用いてバッチ製造されてもよい。   Small electrochemical sensors may be batch manufactured using silicon micromachining.

イオノマーの層は、浸漬塗工によって成膜され低圧下で乾燥されてもよい。このようにイオノマーの層は単純な方法で通路内部に成膜することができる。   The ionomer layer may be deposited by dip coating and dried under low pressure. Thus, the ionomer layer can be deposited inside the channel in a simple manner.

作用電極は原子層堆積によって形成されてもよい。したがって電極は、通路のアスペクト比が非常に高くても、通路内部に形成することができ、通路の壁を被覆する。   The working electrode may be formed by atomic layer deposition. Thus, the electrode can be formed inside the passage even if the aspect ratio of the passage is very high, covering the walls of the passage.

この方法はさらに:
− 作用電極と電気接触している液体電解質を提供するステップと、
− 液体電解質と電気接触している参照電極及び対電極を提供するステップと
を含んでいてもよい。
This method further:
-Providing a liquid electrolyte in electrical contact with the working electrode;
Providing a reference electrode and a counter electrode in electrical contact with the liquid electrolyte.

ここで添付の図面を参照して例を用いて本発明を説明する:
図1は小型電気化学センサーの断面図を示す。 図2は小型電気化学センサーにおける構造体の一部分の拡大図を示す。 図3は小型電気化学センサーにおける通路の様々な配置を示す。
The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings:
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a small electrochemical sensor. FIG. 2 shows an enlarged view of a portion of the structure in a small electrochemical sensor. FIG. 3 shows various arrangements of passages in a miniature electrochemical sensor.

実施形態の説明
下記において、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサーの詳細な説明を開示する。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS In the following, a detailed description of a small electrochemical sensor for detecting components in a gas is disclosed.

図1において、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサー1を示す。ガス中の成分はNOなどの気体成分であってもよい。センサーは電流測定による電気化学センサーであり、参照電極2、対電極3、及び作用電極7を含む。参照電極及び対電極は、プラスチック(ポリカーボネートなど)、ガラス、セラミック、又はシリコンなどの材料で形成される基材14によって支持される。対電極は銀(Ag)でできており、参照電極は酸化された銀(Ag )でできている。WO 2011073393 A2にさらに開示されるように、電極は基材を貫通して電気接触を得るための電気ビア(electrical via)15、16、及び17を備えていてもよい。センサーはさらに構造体4を含み、この構造体は第1の表面9及び第2の表面10を有し、第1の表面から第2の表面へ向かって構造体全体にわたって伸びる複数の通路5を含むグリッドを形成する。通路5は通路に沿って伸びる壁(6a、6b)によって輪郭が作られる細孔として形成される。センサーは、基材14及び構造体4の第2の表面によって封じられたチャンバー13を形成し、このチャンバーは弱酸溶液(例えば10% HSO水溶液)などの液体電解質11を含む。このように構造体の第2の表面はチャンバー13に面しており、液体電解質と接触している。スペーサーを使用して、作用電極を有する構造体の第2の表面と対電極/参照電極との間で約500マイクロメートルの間隔が維持される。基材14は、チャンバー内に液体電解質を供給するための貫通孔18を備えていてもよい。これは、構造体の通路を経て液体電解質が蒸発するのを補うために用いられてもよい。WO 2011073393 A2においてさらに開示されるように、貫通孔は栓19によって封止されてもよい。
FIG. 1 shows a small electrochemical sensor 1 for detecting a component in a gas. The component in the gas may be a gas component such as NO. The sensor is an electrochemical sensor by current measurement, and includes a reference electrode 2, a counter electrode 3, and a working electrode 7. The reference and counter electrodes are supported by a substrate 14 formed of a material such as plastic (such as polycarbonate), glass, ceramic, or silicon. The counter electrode is made of silver (Ag) and the reference electrode is made of oxidized silver ( Ag 2 O ). As further disclosed in WO 2011073393 A2, the electrode may comprise electrical vias 15, 16, and 17 for penetrating the substrate to obtain electrical contact. The sensor further includes a structure 4, which has a first surface 9 and a second surface 10, and has a plurality of passages 5 extending across the structure from the first surface to the second surface. Form a grid that contains. The passage 5 is formed as a pore which is contoured by walls (6a, 6b) extending along the passage. The sensor forms a chamber 13 enclosed by the substrate 14 and the second surface of the structure 4, which chamber contains a liquid electrolyte 11 such as a weak acid solution (eg, a 10% H 2 SO 4 aqueous solution). Thus, the second surface of the structure faces the chamber 13 and is in contact with the liquid electrolyte. A spacer is used to maintain a spacing of about 500 micrometers between the second surface of the structure having the working electrode and the counter / reference electrode. The base material 14 may include a through hole 18 for supplying a liquid electrolyte into the chamber. This may be used to compensate for the evaporation of the liquid electrolyte through the passage of the structure. As further disclosed in WO 2011073393 A2, the through hole may be sealed with a plug 19.

図2において、壁6a、6bによって区切られる通路5を規定する構造体4がさらに詳細に示される。通路は、平行に配置され構造体4全体にわたって分布した直線状の細孔であってもよい。構造体4は作用電極7を支持しており、作用電極7は構造体の壁6a、6bを被覆し、そのため第1の表面9から第2の表面10まで通路5に沿って伸びている。作用電極はさらに、第1の表面9及び第2の表面10の少なくとも一部分を被覆して、通路内の電極を電気接続させ広い表面積を有する作用電極を形成する。構造体4は単結晶シリコンで形成されてもよく、作用電極は白金(Pt)で形成されてもよい。作用電極は、通路を形成する構造体を被覆する絶縁層12によって構造体から電気的に絶縁されている。   In FIG. 2, the structure 4 defining the passage 5 delimited by the walls 6a, 6b is shown in more detail. The passages may be linear pores arranged in parallel and distributed over the entire structure 4. The structure 4 supports a working electrode 7, which covers the walls 6a, 6b of the structure and thus extends along the passage 5 from the first surface 9 to the second surface 10. The working electrode further covers at least a portion of the first surface 9 and the second surface 10 to electrically connect the electrodes in the passage to form a working electrode having a large surface area. The structure 4 may be formed of single crystal silicon, and the working electrode may be formed of platinum (Pt). The working electrode is electrically insulated from the structure by an insulating layer 12 covering the structure forming the passage.

通路を備えた構造体の部分は、何mmかの(6×6mmなど)面積を占めていてもよい。通路は1〜300マイクロメートルの範囲、又は10〜150マイクロメートルの範囲、典型的には約120マイクロメートルの断面寸法を有していてもよい。通路を規定するグリッドの壁の幅は、1〜100マイクロメートルの範囲、典型的には約20マイクロメートルであってもよい。通路の長さは、10〜2000マイクロメートルの範囲、又は50〜850マイクロメートルの範囲、典型的には約300マイクロメートルであってもよい。アスペクト比(AR)という用語は、構造体又は通路の高さ(h)対幅(w)の比、すなわちAR=h/wと定義される。このように、通路のアスペクト比ARは、少なくとも0.25、少なくとも1、少なくとも4、少なくとも10、少なくとも20、又は少なくとも50であってもよい。高いARは、構造体の通路を規定する壁の広い表面積をもたらし得る。 The portion of the structure with the passage may occupy an area of several mm 2 (such as 6 × 6 mm 2 ). The passage may have a cross-sectional dimension in the range of 1-300 micrometers, or in the range of 10-150 micrometers, typically about 120 micrometers. The width of the grid walls defining the passage may be in the range of 1-100 micrometers, typically about 20 micrometers. The length of the passage may be in the range of 10-2000 micrometers, or in the range of 50-850 micrometers, typically about 300 micrometers. The term aspect ratio (AR) is defined as the ratio of the height (h) to the width (w) of a structure or passage, ie AR = h / w. Thus, the aspect ratio AR of the passage may be at least 0.25, at least 1, at least 4, at least 10, at least 20, or at least 50. A high AR can result in a large surface area of the walls that define the passage of the structure.

Nafion(SE−5112、DuPont(Dupont)、CAS番号31175−20−9)の層8は、通路5の作用電極上、並びに表面9及び10の上に成膜される。スルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー−コポリマーであるNafionは、プロトン(水素イオン、H)伝導体であるように選択されるイオノマーである。この材料は以下の構造を有する; A layer 8 of Nafion (SE-5112, DuPont (Dupont), CAS number 31175-20-9) is deposited on the working electrode of the passage 5 and on the surfaces 9 and 10. Nafion, a sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer, is an ionomer selected to be a proton (hydrogen ion, H + ) conductor. This material has the following structure;

Figure 0006076749
Figure 0006076749

Nafionの層は約100〜1000nmの厚さ、又は約500nmの厚さであり、通路の壁全体にわたって広がっている。Nafionの層は、ナノメートル範囲の寸法を有する粒子、すなわちナノ粒子を含み、これは非常に広い材料の表面積をもたらす。Nafionの層は液体電解質を介して対電極及び参照電極と電気接触している。
図3において、通路及び壁の4種類の配置が開示される。図3aは構造体4において三角形の断面を有する通路5の配置を示す。通路は、互い(reach other)に対して60°の角度で配置された壁によって規定される。そのため、すべての通路5は通路に沿って伸びる3つの壁によって規定される。図3bは構造体4において六角形の断面を有する通路5の配置を示す。そのため、通路5は、互いに対して120°の角度で配置された6つの壁によって規定される。図3cは構造体4における通路5の正方形の配置を示す。通路は互いに対して直角に配置された壁によって規定される。そのため、すべての通路5は、通路に沿って伸びる4つの壁によって規定される。図3dは構造体4において形成される円筒形の通路5の配置を示す。この場合、すべての通路5は、構造体全体にわたって伸びる円筒形の通路の区分を形成する壁によって規定される。これらの例の各々において、通路は密に配置され、構造体において通路の密充填配置を形成する。
The Nafion layer is about 100-1000 nm thick, or about 500 nm thick and extends across the walls of the passage. The layer of Nafion comprises particles with dimensions in the nanometer range, i.e. nanoparticles, which results in a very large material surface area. The layer of Nafion is in electrical contact with the counter electrode and the reference electrode via the liquid electrolyte.
In FIG. 3, four different arrangements of passages and walls are disclosed. FIG. 3 a shows the arrangement of the passages 5 having a triangular cross section in the structure 4. The passages are defined by walls arranged at an angle of 60 ° with respect to each other. Thus, all the passages 5 are defined by three walls extending along the passages. FIG. 3 b shows the arrangement of the passages 5 having a hexagonal cross section in the structure 4. The passage 5 is thus defined by six walls arranged at an angle of 120 ° with respect to each other. FIG. 3 c shows the square arrangement of the passages 5 in the structure 4. The passages are defined by walls arranged at right angles to each other. Thus, all the passages 5 are defined by four walls extending along the passages. FIG. 3 d shows the arrangement of the cylindrical passages 5 formed in the structure 4. In this case, all the passages 5 are defined by walls forming a section of a cylindrical passage extending over the whole structure. In each of these examples, the passages are closely arranged, forming a tightly packed arrangement of passages in the structure.

下記において、小型電気化学センサーの製造の例を開示する。両面研磨した直径100mm、厚さ300マイクロメートルのシリコンウエハーを提供することによって、作用電極を支持する構造体を製造する。シリコンウエハーに、厚さ6マイクロメートルのフォトレジスト(AZ 9260)の層をスピンコーティングする。次いでフォトレジスト層を有するウエハーはホットプレート上で2分間ソフトベークされ(soft baked)、その後リソグラフィーマスク(lithography mask)を通して300mW/cmの強度の紫外線で15秒間露光される。次いでパターンを規定するためにフォトレジストは現像液2401を用いて3分間現像される。パターンは構造体4の壁及び通路を規定する。次いで構造体は反応性イオンディープエッチング加工を用いて1.5時間エッチング加工されて、壁及び通路を有するグリッド構造体を得る。 In the following, an example of manufacturing a small electrochemical sensor is disclosed. A structure supporting the working electrode is produced by providing a double-side polished silicon wafer having a diameter of 100 mm and a thickness of 300 micrometers. A silicon wafer is spin coated with a layer of photoresist (AZ 9260) having a thickness of 6 micrometers. The wafer with the photoresist layer is then soft baked on a hot plate for 2 minutes and then exposed for 15 seconds with 300 mW / cm 2 intensity UV light through a lithography mask. The photoresist is then developed for 3 minutes using a developer 2401 to define the pattern. The pattern defines the walls and passages of the structure 4. The structure is then etched using a reactive ion deep etching process for 1.5 hours to obtain a grid structure having walls and passages.

次いで、エッチング加工されたシリコンウエハーを原子層堆積チャンバー(Beneq TFS 200)へ移す。ここで10nmのAl層が構造体上に成膜され、続いて厚さ10nmの白金の層が成膜される。次いでウエハーを角切りして約10×10mmの寸法のチップとする。 Next, the etched silicon wafer is transferred to an atomic layer deposition chamber (Beneq TFS 200). Here, a 10 nm Al 2 O 3 layer is deposited on the structure, followed by a 10 nm thick platinum layer. The wafer is then cut into chips of about 10 × 10 mm 2 dimensions.

次いで、構造体を有するチップを5%のNafion溶液(SE−5112、DuPont)中に浸漬し、低圧チャンバー中で乾燥させる。この低圧処理はミクロ細孔中の空気を除去するのに役立ち、そのため通路におけるNafionの成膜を容易にする。Nafionでコーティングされたチップを次いで低圧チャンバーから取り出し、空気中で2時間乾燥させる。Nafionでコーティングされたグリッド構造体をセンサーの作用電極として使用する。   The chip with the structure is then immersed in a 5% Nafion solution (SE-5112, DuPont) and dried in a low pressure chamber. This low pressure treatment helps to remove air in the micropores, thus facilitating the deposition of Nafion in the passage. The Nafion coated chip is then removed from the low pressure chamber and dried in air for 2 hours. A grid structure coated with Nafion is used as the working electrode of the sensor.

対電極及び参照電極の製造は厚さ2mmのポリカーボネート(PC)基材上で行われる。電子ビーム蒸着を用いて厚さ500nmの銀をPC基材の片面に成膜する。次いで、銀をパターン形成して対電極及び参照電極を画定する。白金電極をカソードとして用いることによってアノードとなる銀電極に1.0Vの電圧を印加することにより、参照電極を酸化させてAg とする。 The counter electrode and the reference electrode are manufactured on a 2 mm thick polycarbonate (PC) substrate. A 500 nm-thick silver film is formed on one side of the PC substrate using electron beam evaporation. Silver is then patterned to define the counter and reference electrodes. The reference electrode is oxidized to Ag 2 O by applying a voltage of 1.0 V to the silver electrode serving as the anode by using the platinum electrode as the cathode.

作用電極を有するチップを、対電極及び参照電極の上に固定、例えばのり付けする。その後組立品を液体電解質溶液中に沈め、作用電極と対電極/参照電極との間のチャンバーを満たすために真空デシケーターの中に置いてもよい。こうして液体電解質は、作用電極、対電極、及び参照電極をイオン的に、したがって電気的に接続する。   A chip with a working electrode is fixed, eg glued, on the counter electrode and the reference electrode. The assembly may then be submerged in a liquid electrolyte solution and placed in a vacuum desiccator to fill the chamber between the working electrode and the counter / reference electrode. Thus, the liquid electrolyte ionically and thus electrically connects the working electrode, counter electrode, and reference electrode.

電気化学センサーの操作の間、分析しようとするガスをセンサーの第1の表面に供給する。作用電極の電位をAg/Ag 参照電極に対して+0.7Vに維持する。この電位ではNOは酸化され以下の反応を生じる:NO+2HO→NO3−+4H+3e During operation of the electrochemical sensor, the gas to be analyzed is supplied to the first surface of the sensor. The potential of the working electrode is maintained at +0.7 V with respect to the Ag / Ag 2 O reference electrode. At this potential, NO is oxidized to cause the following reaction: NO + 2H 2 O → NO 3− + 4H + + 3e

対電極は電流がセンサーのセルを通って流れるのを可能にする。作用電極の電位、電解質、及び電極材料は、測定されるガスが作用電極で酸化されるように選択される。Nafion層はガス、電極、及び液体の間の相互作用を可能にする拡散層として作用する。酸化が作用電極で起きると、通常酸素は対電極で水に還元される。結果として生じる、センサーを通って流れる電流は、ガス濃度に正比例する。このように作用電極における分析物(この場合はNO)の酸化は、トランスインピーダンス増幅器を含む定電位電解装置(potentiostat)を用いて検出される電流を生じさせる。これは作用電極と参照電極との間で一定の電位を維持するのにも使用される。   The counter electrode allows current to flow through the sensor cell. The potential of the working electrode, the electrolyte, and the electrode material are selected such that the gas being measured is oxidized at the working electrode. The Nafion layer acts as a diffusion layer that allows interaction between the gas, electrode, and liquid. When oxidation occurs at the working electrode, oxygen is usually reduced to water at the counter electrode. The resulting current flowing through the sensor is directly proportional to the gas concentration. Thus, the oxidation of the analyte (in this case NO) at the working electrode produces a current that is detected using a potentiostat including a transimpedance amplifier. This is also used to maintain a constant potential between the working electrode and the reference electrode.

製造したセンサーは、Nガス中の0〜100ppbのNOの濃度を明らかにするための試験が行われた。検出限界(S/N=2)は0.3ppbと見積もられ、感度は4μA/ppm/cmであると測定された。センサーの応答及び回復時間(出発シグナルの90%まで戻る時間)は6秒と測定された。 The manufactured sensor was tested to determine the concentration of 0-100 ppb NO in N 2 gas. The detection limit (S / N = 2) was estimated to be 0.3 ppb and the sensitivity was measured to be 4 μA / ppm / cm 2 . Sensor response and recovery time (time to return to 90% of starting signal) was measured as 6 seconds.

1 小型電気化学センサー
2 参照電極
3 対電極
4 構造体
5 通路
6a 壁
6b 壁
7 作用電極
8 Nafion(イオノマー)の層
9 第1の表面
10 第2の表面
11 液体電解質
12 絶縁層
13 チャンバー
14 基材
15 電気ビア
16 電気ビア
17 電気ビア
18 貫通孔
19 栓
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Small electrochemical sensor 2 Reference electrode 3 Counter electrode 4 Structure 5 Passage 6a Wall 6b Wall 7 Working electrode 8 Nafion (ionomer) layer 9 First surface 10 Second surface 11 Liquid electrolyte 12 Insulating layer 13 Chamber 14 Base Material 15 Electrical via 16 Electrical via 17 Electrical via 18 Through hole 19 Plug

Claims (15)

ガス中の成分を検出するための電気化学センサー(1)であって、
該センサーは、
参照電極(2)、
対電極(3)、
通路に沿って伸びる壁(6、6a、6b)によって輪郭が作られる複数の通路(5)を含む構造体(4)、
構造体の壁を被覆する作用電極(7)、及び
構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆するイオノマーの層(8)を含み、
前記通路は、少なくとも2のアスペクト比を有しており、
前記イオノマーの層は、作用電極とイオン伝導性の接触をしており、
該センサーは、イオノマーの層ならびに参照電極及び対電極に接触している液体電解質(11)をさらに含む
ことを特徴とする、センサー
An electrochemical sensor (1) for detecting a component in a gas,
The sensor
Reference electrode (2),
Counter electrode (3),
A structure (4) comprising a plurality of passages (5) delineated by walls (6, 6a, 6b) extending along the passages;
Working electrode covering the walls of the structure (7), and along the walls of the structure seen including at least a layer of ionomer covering the portion (8) of the working electrode,
The passage has an aspect ratio of at least 2;
The ionomer layer is in ionic conductive contact with the working electrode ;
The sensor further comprises a liquid electrolyte (11) in contact with the layer of ionomer and the reference and counter electrodes.
A sensor characterized by that .
該センサーは、第1の表面(9)及び第2の表面(10)を含み、
第1の表面がガスにさらされ、かつ、
前記通路が第1の表面から第2の表面へと伸びている
ことを特徴とする、請求項1に記載のセンサー。
The sensor includes a first surface (9) and a second surface (10),
The first surface is exposed to a gas; and
The passage extends from the first surface to the second surface
The sensor according to claim 1 , wherein:
第2の表面が液体電解質と接触している
ことを特徴とする、請求項2に記載のセンサー。
The second surface is in contact with the liquid electrolyte
The sensor according to claim 2 , wherein:
構造体は、多孔質構造であり、
前記通路が、構造体全体にわたって平行に伸びている細孔として、形成されている
ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のセンサー。
Structure, Ri porous structure der,
The passages are formed as pores extending in parallel throughout the structure.
The sensor according to any one of claims 1 to 3 , wherein
細孔が密充填配置で設けられており
密充填配置が、六角形配置、長方形配置、正方形配置、及び三角形配置のうちの少なくとも1つである
ことを特徴とする、請求項4に記載のセンサー。
Pores are provided in the packed arrangement,
The closely packed arrangement is at least one of a hexagonal arrangement, a rectangular arrangement, a square arrangement, and a triangular arrangement.
The sensor according to claim 4 , wherein:
イオノマーが、スルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー−コポリマーである
ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセンサー。
The ionomer is a sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer
The sensor according to any one of claims 1 to 5 , wherein
作用電極を被覆するイオノマー層の厚みが、10〜2000nm、又は100〜1000nm、又は300〜700nmの範囲である
ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載
のセンサー。
The thickness of the ionomer layer covering the working electrode is in the range of 10 to 2000 nm, or 100 to 1000 nm, or 300 to 700 nm.
The sensor according to any one of claims 1 to 6, characterized by that .
イオノマーがナノ構造固体材料を含む
ことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のセンサー。
Ionomers contain nanostructured solid materials
The sensor according to any one of claims 1 to 7, characterized in that .
液体電解質の体積のための筐体を含む
ことを特徴とする、請求項8に記載のセンサー。
Includes a housing for the volume of liquid electrolyte
The sensor according to claim 8 , wherein
作用電極が、白金、金、パラジウム、炭素、及びルテニウムから成る群から選択される材料を含む
ことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載のセンサー。
The working electrode comprises a material selected from the group consisting of platinum, gold, palladium, carbon, and ruthenium
The sensor according to any one of claims 1 to 9, characterized in that .
作用電極が、絶縁層(12)によって構造体から絶縁されており
絶縁層が、Al 、SiO 、HfO 、及びLaOから成る群から選択される材料を含む
ことを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載のセンサー。
The working electrode, are insulated from the structure by an insulating layer (12),
The insulating layer includes a material selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , HfO 2 , and LaO.
The sensor according to any one of claims 1 to 10, characterized by that .
請求項1〜11のいずれか一項に記載の電気化学センサーを含む、呼気中のNOの含量を測定するためのデバイス。 A device for measuring the content of NO in exhaled breath, comprising the electrochemical sensor according to claim 1 . 請求項1〜11のいずれか一項に記載の電気化学センサーを製造する方法であって、
該方法は、
通路に沿って伸びる壁によって輪郭が作られる複数の通路を含む構造体を提供するステップと、
構造体の壁を作用電極で被覆するステップと、
構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆するイオノマーの層を配置するステップと、
イオノマーの層に接触している液体電解質を設けるステップと、
液体電解質と接触している、参照電極及び対電極を設けるステップを含む
ことを特徴とする、方法。
A method for producing the electrochemical sensor according to claim 1,
The method
Providing a structure including a plurality of passages delineated by walls extending along the passages;
Coating the wall of the structure with a working electrode;
Placing an ionomer layer covering at least a portion of the working electrode along the wall of the structure;
Providing a liquid electrolyte in contact with the ionomer layer;
Providing a reference electrode and a counter electrode in contact with the liquid electrolyte
A method characterized by that .
構造体が、シリコン材料の反応性イオンディープエッチング加工によって提供される
ことを特徴とする、請求項13に記載の方法。
The structure is provided by reactive ion deep etching of silicon material
The method according to claim 13 , wherein:
イオノマーの層が、浸漬塗工によって成膜され、そして、低圧下で乾燥される
ことを特徴とする、請求項13に記載の方法。
A layer of ionomer is deposited by dip coating and dried under low pressure
The method according to claim 13, wherein:
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