JPH0227621B2 - - Google Patents

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JPH0227621B2
JPH0227621B2 JP57082364A JP8236482A JPH0227621B2 JP H0227621 B2 JPH0227621 B2 JP H0227621B2 JP 57082364 A JP57082364 A JP 57082364A JP 8236482 A JP8236482 A JP 8236482A JP H0227621 B2 JPH0227621 B2 JP H0227621B2
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JP
Japan
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semiconductor substrate
ion
electrode
regions
insulating film
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JP57082364A
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Japanese (ja)
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JPS58200155A (en
Inventor
Satsuki Kanbara
Kazumuki Yanagisawa
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS58200155A publication Critical patent/JPS58200155A/en
Publication of JPH0227621B2 publication Critical patent/JPH0227621B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体基板上に、異なるイオンに選択
的に感応するイオン感応膜を複数個設けて、複数
のイオン濃度を1チツプの電極にて同時に測定で
きるようにしたマルチイオン電極に関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a multilayer film that is capable of simultaneously measuring the concentration of multiple ions using one chip of electrodes by providing a plurality of ion-sensitive membranes selectively sensitive to different ions on a semiconductor substrate. It relates to ion electrodes.

複数のイオンに応答するマルチイオン電極は、
FETを使つたFET複合センサまたはFETマルチ
センサとして従来知られている。例えば、特開昭
56−72339号、特開昭54−24317号等の公報に示さ
れているように、FETのゲート部を複数個設け、
それらを特定のイオンに選択的に応答する感応膜
で被覆した構造のもので、これらゲート部を被検
液中に入れたときこの液中の特定イオン濃度に応
じてゲート部の導電性が変化することを利用して
特定イオン濃度を測定するものであつた。第1図
は特開昭56−72339号公報に記載されたFET複合
センサを示すものであり、第1図aは平面図、第
2図bはA―A′での断面図である。これはFET
を複数個用意し、その各々のゲート部に例えば
PH感応膜とPNa感応膜をつけてPHとPNaを同
時に測るものである。すなわちP型の半導体基板
1に、第1および第2のFETの各々のソース領
域2―1,2―2と、チヤンネルストツパ3と、
第1および第2のFETの各々のゲート部4―1,
4―2と、共通のドレイン部5とを形成し、これ
らの領域の上に絶縁被膜6、ポリシリコン7―
1,7―2を形成し、さらに第1および第2の
FETの各々のソース電極S―1,S―2と、共
通のドレイン電極Dとを設けたものである。
Multi-ion electrodes that respond to multiple ions are
Conventionally known as FET composite sensor or FET multi-sensor using FET. For example, Tokukai Akira
As shown in publications such as No. 56-72339 and Japanese Unexamined Patent Publication No. 54-24317, a plurality of FET gate sections are provided,
These are coated with a sensitive membrane that selectively responds to specific ions, and when these gates are placed in a test liquid, the conductivity of the gate changes depending on the concentration of specific ions in this liquid. This was used to measure the concentration of specific ions. FIG. 1 shows a FET composite sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-72339, in which FIG. 1a is a plan view and FIG. 2b is a sectional view taken along line A-A'. This is a FET
For example, prepare multiple pieces of
It measures PH and PNa simultaneously by attaching a PH-sensitive membrane and a PNa-sensitive membrane. That is, on a P-type semiconductor substrate 1, source regions 2-1 and 2-2 of the first and second FETs, a channel stopper 3,
Each gate part 4-1 of the first and second FET,
4-2 and a common drain part 5 are formed, and an insulating film 6 and a polysilicon 7- are formed on these regions.
1, 7-2, and further the first and second
Source electrodes S-1 and S-2 of each FET and a common drain electrode D are provided.

一つのチツプ上に2つのFETを形成した別の
FET複合センサが特公昭56−38902号公報に記載
されており、第2図aにその平面図を示す。第1
図の例に対しこれはFETを平面的に2つ並べて
作つたものである。すなわち細長い半導体基板の
基部に、共通の基板端子8、FET1,FET2の
各々のソース部9,10、共通のドレイン部11
を形成すると共にFET1,FET2の各々のソー
ス拡散層12,13、ドレイン拡散層14および
チヤンネルストツパ1を基部から先端部に亘つて
形成してある。FET1,FET2の各々のゲート
部は半導体基板の先端部に位置しており、その等
価回路は第2図bに示すようになつている。
Another example where two FETs are formed on one chip.
A FET composite sensor is described in Japanese Patent Publication No. 56-38902, and a plan view thereof is shown in FIG. 2a. 1st
In contrast to the example shown in the figure, this is made by arranging two FETs horizontally. That is, a common substrate terminal 8, source parts 9 and 10 of each of FET1 and FET2, and a common drain part 11 are provided at the base of an elongated semiconductor substrate.
At the same time, source diffusion layers 12, 13, drain diffusion layers 14, and channel stopper 1 of each of FET1 and FET2 are formed from the base to the tip. The gate portion of each of FET1 and FET2 is located at the tip of the semiconductor substrate, and the equivalent circuit thereof is as shown in FIG. 2b.

従来参照電極としてはカロメル電極等が使われ
ていたが、FETのゲート部に疎水性有機高分子
膜を被着して形成した参照電極が、特開昭54−
81897号、特開昭56−100350号公報に示されてい
る。またこのような参照電極を用いたFET複合
センサが特開昭54−81897号公報に示されている。
この複合イオンセンサを第3図に示す。第3図a
は全体の平面図、第3図bはB′での断面図であ
る。半導体基板中に共通ドレイン部16、各々参
照電極およびセンサのソース部17および18を
形成し、ドレイン部16にはドレイン電極20を
設け、ソース部にはソースの端子21,22を設
けさらに基板に対する共通の電極24を設けてい
る。参照電極およびセンサのゲート部25,26
は先端部に設けられている。第3図bに示すよう
に絶縁膜28,29が設けられており、これら
は、参照電極のゲート部25の疎水性有機高分子
膜30と基板とを固く接着すると同時に電気的リ
ークを防ぐために設けられている。この例では測
定液の電位を一定に保つための疑似電極19が設
けられており、端子23に接続されている。
Conventionally, a calomel electrode was used as a reference electrode, but a reference electrode formed by coating a hydrophobic organic polymer film on the gate part of an FET was developed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1983-
No. 81897 and Japanese Unexamined Patent Publication No. 100350/1983. Further, an FET composite sensor using such a reference electrode is disclosed in Japanese Patent Application Laid-open No. 81897/1983.
This composite ion sensor is shown in FIG. Figure 3a
is a plan view of the whole, and FIG. 3b is a sectional view at B'. A common drain part 16, a reference electrode and sensor source parts 17 and 18 are formed in the semiconductor substrate, the drain part 16 is provided with a drain electrode 20, the source part is provided with source terminals 21 and 22, and further connected to the substrate. A common electrode 24 is provided. Reference electrode and sensor gate parts 25, 26
is provided at the tip. As shown in FIG. 3b, insulating films 28 and 29 are provided to firmly adhere the hydrophobic organic polymer film 30 of the gate portion 25 of the reference electrode to the substrate and to prevent electrical leakage. It is provided. In this example, a pseudo electrode 19 is provided to keep the potential of the measurement liquid constant, and is connected to the terminal 23.

これらFETを用いた複合センサは使用する上
では便利なものであるが、製造するに際し、雰囲
気を清浄に保つための設備を要し、また工程も複
雑であり、時間とコストがかかる欠点があつた。
Composite sensors using these FETs are convenient to use, but they require equipment to keep the atmosphere clean during manufacturing, and the process is complicated, making them time-consuming and costly. Ta.

一方上述したようなFETセンサとは異なるタ
イプのイオン電極も知られており、その一例の構
造を第4図に示す。第4図aはイオン電極全体を
示す断面図であり第4図b,cはイオン感応部の
拡大図である。第4図bに示す例は半導体基板3
4にイオン感応膜33をつけたもの、第4図cに
示す例は半導体基板34とイオン感応膜33の間
に絶縁膜40を介挿したものである。第4図bお
よびcに示されたいずれかの構造を持つイオン感
応部を用いて組立てられたイオン電極32を第4
図aに示す。半導体基板34上に絶縁膜40およ
び感応膜33順次に形成した第4図cに示す感応
部を外筒38の下端面に貼着または融着によつて
固定し、外筒38の上端部にキヤツプ39を緊密
に嵌合して本体を構成する。本体内には、外筒3
8内に垂下するリード線37を配設し、リード線
の芯線36を電極35を介して半導体基板34に
接続する。リード線37はキヤツプ39に固定し
て外部へ導出する。電極35は、例えば導電性接
着剤で構成し、半導体基板34と芯線36を導電
的に連結するものである。このようなイオン電極
32は構造も簡単で、製造方法も煩雑な工程を要
しないが、一つのチツプで一種のイオン濃度しか
測定できなかつた。また、別個に参照電極を必要
とするものであつた。したがつて異なる種類のイ
オン濃度を測定する際には複数のイオン電極およ
び参照電極を被検液中に浸漬しなければならず、
非常に面倒であつた。
On the other hand, ion electrodes of a type different from the above-mentioned FET sensor are also known, and the structure of one example is shown in FIG. FIG. 4a is a cross-sectional view showing the entire ion electrode, and FIGS. 4b and 4c are enlarged views of the ion-sensing portion. The example shown in FIG. 4b is the semiconductor substrate 3.
In the example shown in FIG. 4C, an insulating film 40 is inserted between the semiconductor substrate 34 and the ion-sensitive film 33. The ion electrode 32 assembled using the ion sensing section having one of the structures shown in FIGS. 4b and 4c is
Shown in Figure a. The sensitive part shown in FIG. 4c, which is formed on the semiconductor substrate 34 by sequentially forming an insulating film 40 and a sensitive film 33, is fixed to the lower end surface of the outer cylinder 38 by pasting or fusion, and is attached to the upper end of the outer cylinder 38. The cap 39 is tightly fitted to form the main body. Inside the main body, there is an outer cylinder 3.
A lead wire 37 is provided hanging inside the semiconductor substrate 8 , and a core wire 36 of the lead wire is connected to the semiconductor substrate 34 via an electrode 35 . The lead wire 37 is fixed to the cap 39 and led out. The electrode 35 is made of, for example, a conductive adhesive and connects the semiconductor substrate 34 and the core wire 36 electrically. Although such an ion electrode 32 has a simple structure and does not require complicated manufacturing steps, only one type of ion concentration can be measured with one chip. Furthermore, a separate reference electrode was required. Therefore, when measuring the concentration of different types of ions, multiple ion electrodes and reference electrodes must be immersed in the test liquid.
It was very troublesome.

本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去
し、一つチツプによつて異なる種類のイオン濃度
を測定することができ、しかも特別面倒な製造設
備や製造工程を要することなく、簡単かつ安価に
製造することができるマルチイオン電極を提供し
ようとするものである。
The purpose of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks of the conventional technology, to be able to measure the concentrations of different types of ions with one chip, and to be able to easily and inexpensively measure the concentrations of different types of ions without requiring any special manufacturing equipment or manufacturing process. The present invention aims to provide a multi-ion electrode that can be manufactured in a variety of ways.

本発明のマルチイオン電極は、半導体基板と、
この半導体基板を複数の領域に電気的に分離する
分離領域と、前記半導体基板の一方の表面におい
て少なくとも前記複数の領域上に形成された絶縁
膜と、前記電気的に分離された複数の領域上の絶
縁膜上に各々選択的に形成された異なる種類のイ
オン感応膜と、これらイオン感応膜が形成されて
いる側とは反対側の半導体基板表面において、前
記複数の領域にそれぞれ形成された複数の電極部
とを具えることを特徴とするものである。
The multi-ion electrode of the present invention includes a semiconductor substrate,
an isolation region that electrically isolates the semiconductor substrate into a plurality of regions, an insulating film formed on at least the plurality of regions on one surface of the semiconductor substrate, and an insulating film formed on the plurality of electrically isolated regions. ion-sensitive films of different types selectively formed on the insulating films of , and a plurality of ion-sensitive films formed respectively in the plurality of regions on the surface of the semiconductor substrate opposite to the side on which these ion-sensitive films are formed. It is characterized by comprising an electrode section.

以下本発明の内容を図面に従つて説明する。 The contents of the present invention will be explained below with reference to the drawings.

第5図a〜eは本発明のマルチイオン電極の一
実施例の順次の製造工程を示すものであり、本例
では1チツプに4種類の電極を形成する。第5図
aおよびbに示すように一導電型半導体基板41
に、反対導電型の分離―拡散領域42を基板表裏
からの拡散によつて形成し、半導体基板41を複
数、ここでは4個の「島」に分離する。ここで、
半導体基板41は、検出イオンが陽イオンの場合
にはn型とし、陰イオンの場合にはp型とするの
が望ましい。また、半導体基板41の種類につい
ては、Si,Ge,GaAs等、種々の拡散層が利用で
きるがここでは、説明を簡単にする為、n型のSi
(シリコン)基板を例にとつて説明する。従つて
分離拡散領域42はP型の不純物を拡散して形成
する。第5図aは第5図bのA―A′線に沿つて
切つた断面図を示している。この分離拡散の際に
半導体基板41の表面には酸化膜(SiO2)が形
成される。分離拡散領域42を形成した後、半導
体基板の一方の表面の分離拡散領域42上の酸化
膜43のみを残し、他はエツチングして除去する
(第5図c)。エツチング処理後に残る酸化膜43
の膜厚は数千Å以上であることが望ましい。次に
第5図dに示すように、半導体基板41の一方の
表面に絶縁膜44を500〜5000Å、望ましくは
1000Å前後の膜厚に形成する。この絶縁膜44の
種類としては、耐水性にすぐれ、化学的に安定な
Si3N4膜、Al,Taの酸化膜または窒化膜、また
は前記酸化膜、窒化膜の混合組成膜を用いること
ができる。上記絶縁膜44は、蒸着、スパツタリ
ング、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の
方法で形成することが出来る。その後、第5図e
に示すように半導体基板41に形成された各々
「島」の絶縁膜44上に、目的とするイオンを選
択的に取り込むイオン感応膜44,46を形成
し、前記「島」の裏面に電極部47,48を形成
して、マルチイオン電極40のチツプを完成す
る。
FIGS. 5a to 5e show the sequential manufacturing steps of an embodiment of the multi-ion electrode of the present invention. In this embodiment, four types of electrodes are formed on one chip. As shown in FIGS. 5a and 5b, one conductivity type semiconductor substrate 41
Next, isolation-diffusion regions 42 of opposite conductivity type are formed by diffusion from the front and back of the substrate, and the semiconductor substrate 41 is separated into a plurality of, here four "islands". here,
The semiconductor substrate 41 is desirably of n-type when the detected ions are positive ions, and of p-type when the detected ions are negative ions. Regarding the type of the semiconductor substrate 41, various diffusion layers such as Si, Ge, GaAs, etc. can be used, but here, to simplify the explanation, we will use n-type Si.
This will be explained using a (silicon) substrate as an example. Therefore, the isolation diffusion region 42 is formed by diffusing P-type impurities. FIG. 5a shows a sectional view taken along line AA' in FIG. 5b. During this separation and diffusion, an oxide film (SiO 2 ) is formed on the surface of the semiconductor substrate 41. After forming the isolation diffusion region 42, only the oxide film 43 on the isolation diffusion region 42 on one surface of the semiconductor substrate is left, and the rest is removed by etching (FIG. 5c). Oxide film 43 remaining after etching process
It is desirable that the film thickness is several thousand Å or more. Next, as shown in FIG.
Form to a film thickness of around 1000 Å. The type of insulating film 44 is one that has excellent water resistance and is chemically stable.
A Si 3 N 4 film, an oxide film or nitride film of Al or Ta, or a mixed composition film of the above oxide film and nitride film can be used. The insulating film 44 can be formed by a method such as vapor deposition, sputtering, or CVD (Chemical Vapor Deposition). After that, Figure 5 e
As shown in FIG. 3, ion sensitive films 44 and 46 that selectively take in target ions are formed on the insulating film 44 of each "island" formed on the semiconductor substrate 41, and an electrode portion is formed on the back surface of the "island". 47 and 48 are formed to complete the chip of the multi-ion electrode 40.

次に、前述したイオン感応膜45,46の具体
例について説明する。水素(H+)イオン電極と
して利用する場合のイオン感応膜としては窒化シ
リコン(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)、五酸化タ
ンタル(Ta2O5)の膜が利用できる。実際1000Å
程度の窒化シリコン膜またはアルミナ(Al2O3
膜をイオン感応膜として使用するとPH1〜13の
範囲で従来のガラス電極とほとんど変らない53〜
56mV/PHの界面電位が得られる。更にTa2O5
膜で構成すると、室温で56〜58mV/PHのすぐ
れた特性を示す。従つて、もし絶縁膜44が
Si3N4,Al2O3及びTa2O5のいずれか一つの組成
で形成されている場合には、絶縁膜44が同時に
水素イオン電極の感応膜も兼ねることが出来るの
で、新たにイオン感応膜を絶縁膜44上に形成す
る必要はない。この他に水素イオン用感応膜とし
ては従来のガラス電極用ガラスとして知られてい
る6%CaO,72%SiO2,22%Na2O(%はモル比)
の組成のソーダライムシリケートガラス、68%の
SiO2,25%のLi2O,7%のCaOまたは67%SiO2
25%Li2O,8%BaO組成のリチウムガラス等も
感応膜を構成する材料として用いることができ
る。これらの無機質膜はCVD法、スパツタリン
グ法、電子ビーム蒸着法、アルコキシド溶液の塗
布法などで形成できる。またナトリウム(Na+
電極としては、アルミノシリケートガラス
(SiO2―Al2O3―Na2O)、特に60〜80%SiO2,10
〜20%Al2O3,10〜20%Na2Oの組成のものおよ
びボロシリケートガラス(SiO2―B2O3)が利用
できる。さらにカリウム(K+)電極としてはア
ルミノシリケートガラス、特に69%SiO2、4%
Al2O3,27%Na2Oの組成のものおよびポロシリ
ケートガラスを有効に用いることができる。これ
らのガラス膜もCVD法、スパツタリング法、電
子ビーム蒸着法またはアルコキシド溶液の塗布法
などによつて形成できる。前記PH,PNa及び
PK電極用のイオン感応膜の膜厚は500〜2000Åの
範囲が望ましい。
Next, a specific example of the aforementioned ion-sensitive membranes 45 and 46 will be explained. Silicon nitride (Si 3 N 4 ), alumina (Al 2 O 3 ), and tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) films can be used as ion-sensitive films when used as hydrogen (H + ) ion electrodes. Actual 1000Å
silicon nitride film or alumina (Al 2 O 3 )
When the membrane is used as an ion-sensitive membrane, the pH range is 53 to 13, which is almost the same as a conventional glass electrode.
An interfacial potential of 56 mV/PH is obtained. Furthermore Ta 2 O 5
When composed of a membrane, it exhibits excellent characteristics of 56 to 58 mV/PH at room temperature. Therefore, if the insulating film 44
When the insulating film 44 is formed with a composition of any one of Si 3 N 4 , Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 , the insulating film 44 can also serve as a sensitive film of the hydrogen ion electrode, so new ions It is not necessary to form a sensitive film on the insulating film 44. In addition, hydrogen ion sensitive membranes include 6% CaO, 72% SiO 2 , and 22% Na 2 O (% is molar ratio), which are known as conventional glasses for glass electrodes.
Soda lime silicate glass with a composition of 68%
SiO 2 , 25% Li 2 O, 7% CaO or 67% SiO 2 ,
Lithium glass having a composition of 25% Li 2 O and 8% BaO can also be used as a material constituting the sensitive film. These inorganic films can be formed by a CVD method, a sputtering method, an electron beam evaporation method, an alkoxide solution coating method, or the like. Also sodium (Na + )
As an electrode, aluminosilicate glass ( SiO2 - Al2O3 - Na2O ), especially 60-80% SiO2 , 10
Those with a composition of ~20% Al 2 O 3 , 10-20% Na 2 O and borosilicate glass (SiO 2 -B 2 O 3 ) can be used. Furthermore, as a potassium (K + ) electrode, aluminosilicate glass, especially 69% SiO 2 , 4%
Those having a composition of Al 2 O 3 , 27% Na 2 O and porosilicate glass can be effectively used. These glass films can also be formed by a CVD method, a sputtering method, an electron beam evaporation method, or an alkoxide solution coating method. The above PH, PNa and
The thickness of the ion-sensitive membrane for the PK electrode is preferably in the range of 500 to 2000 Å.

上述したような無機物質の代りに幾つかのイオ
ン電極の感応膜は、ポリ塩化ビニル、ポリウレタ
ン、シリコンゴムまたは他の中性の疎水性マトリ
ツクス中に維持されるイオン交換物質、抗生物質
等で構成することもできる。例えばカリウムイオ
ン(K+)にはバリノマイシン、クラウンエーテ
ル、ナトリウムイオン(Na+)にはニギシンなど
の抗生物質が適しており、またカルシウムイオン
(Ca2+)にはカルシウム・ジドデシルフオスヘイ
トなどのイオン交換物質を用いることができる。
以上代表的な陽イオンに対する感応膜の構成につ
いて述べてきたが、本発明のイオン電極は陰イオ
ンに対しても十分に機能するものである。例えば
硫化銀/ヨウ化銀混合物で感応膜を構成すれば、
CN-に対する電極として使用することができる。
AgCl膜で構成れば、塩素イオン(Cl-)電極とし
て使用できる。但し上記陰イオンの感応膜を形成
する場合には、前述したように半導体基板41と
してはp型を用い、従つて、分離拡散領域42は
n型不純物を拡散して形成するのがより望まし
い。
Instead of inorganic materials as mentioned above, the sensitive membranes of some ion electrodes are composed of ion exchange materials, antibiotics, etc. maintained in polyvinyl chloride, polyurethane, silicone rubber or other neutral hydrophobic matrices. You can also. For example, antibiotics such as valinomycin and crown ether are suitable for potassium ions (K + ), Nigishin and other antibiotics are suitable for sodium ions (Na + ), and calcium didodecyl phosphate and other antibiotics are suitable for calcium ions (Ca 2+ ). Ion exchange materials can be used.
Although the structure of a membrane sensitive to typical cations has been described above, the ion electrode of the present invention also functions satisfactorily with respect to anions. For example, if the sensitive film is made of a silver sulfide/silver iodide mixture,
Can be used as an electrode for CN- .
If it is composed of an AgCl film, it can be used as a chloride ion (Cl - ) electrode. However, when forming the above-mentioned anion-sensitive film, it is more desirable to use a p-type semiconductor substrate 41 as described above, and to form the isolation diffusion region 42 by diffusing n-type impurities.

以上、半導体基板41の分離拡散領域42によ
つて分離された「島」の絶縁膜44上に、種々の
イオン感応膜を形成して、1チツプ上に複数のイ
オン電極を構成する本発明の新規なマルチイオン
電極に関し説明してきたが、複数の電極のうちの
1つの感応膜を或る種の疎水性有機高分子膜で形
成することにより、従来、イオン電極とは別に必
要であつた参照電極を、同一チツプ上に実現する
ことが出来る。この場合の有機高分子膜として
は、例えばポリバラキシリレン(商品名パリレ
ン)が有効である。原料となるパラキシリレンの
ダイマーを80〜200℃の温度で昇華し、600〜800
℃の温度でモノマーに分解した後、所望の絶縁膜
上に蒸着させる。この時形成されるポリマーは任
意の形状の固定表面上に極めて均一に形成され、
同時にポリマー表面のイオン解離基が金属酸化物
絶縁体等と比較すると、はるかに少ないので、イ
オンに不感な参照電極としての働きをする。この
他、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンの膜も
有効である。これらは、溶媒に溶解させたポリマ
ーを所定の絶縁膜に塗布した後溶媒を蒸発させる
か、ポリマーを溶融状態で塗布した後、冷却する
かまたはモノマーもしくはプレポリマーを該当絶
縁膜に塗布し、加熱、開始剤添加により重合させ
るか放射線、紫外線の照射により重合させるか、
プラズマ重合させるかして形成できる。
As described above, various ion-sensitive films are formed on the "island" insulating film 44 separated by the isolation diffusion regions 42 of the semiconductor substrate 41, thereby configuring a plurality of ion electrodes on one chip. Although we have described a new multi-ion electrode, by forming the sensitive membrane of one of the multiple electrodes with a certain type of hydrophobic organic polymer membrane, we can eliminate the need for reference, which was previously required separately from the ion electrode. Electrodes can be realized on the same chip. As the organic polymer film in this case, for example, polyvaraxylylene (trade name: Parylene) is effective. Paraxylylene dimer, which is the raw material, is sublimed at a temperature of 80 to 200℃ to produce a 600 to 800
After being decomposed into monomers at a temperature of °C, they are deposited on the desired insulating film. The polymer formed at this time is extremely uniformly formed on a fixed surface of arbitrary shape,
At the same time, since the number of ion dissociative groups on the polymer surface is far smaller than that of metal oxide insulators, it functions as a reference electrode that is insensitive to ions. In addition, polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride films are also effective. These can be applied by applying a polymer dissolved in a solvent to a given insulating film and then evaporating the solvent, or by applying the polymer in a molten state and cooling it, or by applying a monomer or prepolymer to the insulating film and then heating it. , whether to polymerize by adding an initiator or by irradiating with radiation or ultraviolet rays;
It can be formed by plasma polymerization.

以上の説明では、1チツプ上で複数の感応膜を
形成する場合の電極「島」の分離を、シリコン半
導体基板41とは反対導電型の不純物の拡散によ
つて実現したが、他にも絶縁分離の方法があり、
その実施例を第6図〜第8図に示す。
In the above explanation, separation of electrode "islands" when forming multiple sensitive films on one chip was achieved by diffusing impurities of the opposite conductivity type to the silicon semiconductor substrate 41. There is a method of separation,
Examples thereof are shown in FIGS. 6 to 8.

第6図は、半導体基板51として、例えばポリ
シリコンのような酸化速度の早い材料を用いた例
である。分離すべき領域以外の基板表裏をマスク
52でおおう(第6図a)。このマスクとしては
Si3N4膜を用いる。その後、酸化性雰囲気で露出
しているポリシリコンを酸化し、酸化分離領域5
3を形成する(第6図b)。その後、第6図cに
示すように、チツプ表面に絶縁膜54を被着し、
第6図dに示すようにイオン感応膜55,56及
び電極部57,58を形成してマルチ電極のチツ
プを完成する。
FIG. 6 shows an example in which a material with a fast oxidation rate, such as polysilicon, is used as the semiconductor substrate 51. The front and back surfaces of the substrate other than the regions to be separated are covered with a mask 52 (FIG. 6a). As this mask
A Si 3 N 4 film is used. After that, the exposed polysilicon is oxidized in an oxidizing atmosphere, and the oxidized isolation region 5 is
3 (Figure 6b). Thereafter, as shown in FIG. 6c, an insulating film 54 is deposited on the chip surface.
As shown in FIG. 6d, ion sensitive membranes 55, 56 and electrode portions 57, 58 are formed to complete a multi-electrode chip.

第7図は、マスク62を一方の表面のみに形成
した場合である(第7図a)。このとき基板61
の裏面からは一様に酸化が進行するので、酸化分
離領域63は第7図bに示すようになる。その後
の工程は、第6図cおよびdの例と同様である
が、電極部67,68を形成する時は、裏面の絶
縁膜63を一様に除去するか又は、第7図dの如
く、電極部67,68を形成する部分だけ、絶縁
膜63を除去する必要がある。
FIG. 7 shows a case where the mask 62 is formed only on one surface (FIG. 7a). At this time, the substrate 61
Since the oxidation progresses uniformly from the back side, the oxidized isolation region 63 becomes as shown in FIG. 7b. The subsequent steps are similar to the examples shown in FIGS. 6c and 6d, but when forming the electrode parts 67 and 68, the insulating film 63 on the back surface is uniformly removed or as shown in FIG. 7d. It is necessary to remove the insulating film 63 only from the portions where the electrode portions 67 and 68 are to be formed.

第8図に示す例では、先ず第8図aに示す絶縁
基板71上に半導体基板(ポリシリコン)72
(第8図b)を形成し酸化マスク73を被着した
後(第8図c)、絶縁基板71まで達する酸化分
離領域71′を形成する(第7図d)。その後、第
7図dと同様にイオン感応膜75,76及び電極
部77,78を形成して完成する。
In the example shown in FIG. 8, first, a semiconductor substrate (polysilicon) 72 is placed on an insulating substrate 71 shown in FIG. 8a.
After forming (FIG. 8b) and applying an oxide mask 73 (FIG. 8c), an oxidized isolation region 71' extending up to the insulating substrate 71 is formed (FIG. 7d). Thereafter, ion sensitive membranes 75, 76 and electrode parts 77, 78 are formed in the same manner as in FIG. 7d to complete the process.

次に、上述したマルチイオン電極チツプを組込
んだイオン電極の実際例を第9図に示す。
Next, FIG. 9 shows an actual example of an ion electrode incorporating the multi-ion electrode chip described above.

第9図に示すように、前記実施例に従つて形成
したチツプ93を外筒94の先端に取付ける。こ
の場合、電気的漏洩および液体の漏洩のないよ
う、外筒94とチツプ93の間は絶縁性接着剤9
5で封ずる。さらに外筒94内にリード線96―
1,96―2を垂下し、その芯線92―1,92
―2を電極91―1,91―2を介してセンサチ
ツプ93に接続する。リード線96―1,96―
2は蓋97に固定して外部へ導出する。電極91
―1,91―2は例えば導電性接着剤で構成し、
センサチツプ93と芯線92―1,92―2を接
続する。このような構成の本発明のマルチイオン
電極の感応部は、極めて簡単な構造をしており、
感応膜と基板の間に絶縁膜を介することにより感
応膜の膨潤と、それに伴なう電気的リークの恐れ
はなくなり、長期間に亘つて良好な特性を安定に
維持することができる。
As shown in FIG. 9, a tip 93 formed according to the embodiment described above is attached to the tip of an outer cylinder 94. In this case, an insulating adhesive 9 is used between the outer cylinder 94 and the chip 93 to prevent electrical leakage and liquid leakage.
Seal with 5. Furthermore, a lead wire 96 is inserted into the outer cylinder 94.
1,96-2 and its core wire 92-1,92
-2 is connected to the sensor chip 93 via electrodes 91-1 and 91-2. Lead wire 96-1, 96-
2 is fixed to the lid 97 and led out. electrode 91
-1 and 91-2 are made of conductive adhesive, for example,
Connect the sensor chip 93 and the core wires 92-1, 92-2. The sensitive part of the multi-ion electrode of the present invention having such a configuration has an extremely simple structure.
By interposing an insulating film between the sensitive film and the substrate, swelling of the sensitive film and the accompanying electrical leakage are eliminated, and good characteristics can be stably maintained over a long period of time.

以上実施例で示したように本発明によれば、1
チツプ上に多種イオン濃度を同時に測定できるマ
ルチイオン電極が実現でき、その製造装置や製造
工程を簡単とすることができる。
As shown in the embodiments above, according to the present invention, 1
A multi-ion electrode that can simultaneously measure the concentration of various ions on a chip can be realized, and its manufacturing equipment and manufacturing process can be simplified.

また、電極の1つをイオンに不感な有機高分子
膜でおおうことにより、イオン濃度測定の際の参
照電極も同一チツプ上に形成することが可能なの
で電極の小型化が実現できる。
Furthermore, by covering one of the electrodes with an organic polymer film that is insensitive to ions, a reference electrode for measuring ion concentration can also be formed on the same chip, making it possible to reduce the size of the electrode.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図aおよびbは従来のFET複合センサの
一例の構成を示す平面図および断面図、第2図a
およびbは従来のFET複合センサの他の例の構
成を示す平面図および等価回路図、第3図aおよ
びbはイオン電極と参照電極とを一体に形成した
従来のFET複合センサのさらに他の例を示す平
面図および断面図、第4図a,bおよびcは半導
体ウエフアを用いた従来のイオン電極の他の例を
示す断面図、第5図a〜eは本発明のマルチイオ
ン電極の一例の順次の製造工程における構成を示
す断面図および平面図、第6図a〜d、第7図a
〜dおよび第8図a〜eは本発明のマルチイオン
電極の他の三例の順次の製造工程における構成を
示す断面図、第9図は本発明のマルチイオン電極
を組込んだイオン電極の一例の構成を示す断面図
である。 41,51,62,72……半導体基板、4
2,53,63,71,71′……分離領域、4
3,52,62,73……マスク、44,54,
64,74……絶縁膜、45,46,55,5
6,65,66,75,76……イオン感応膜、
47,48,57,58,67,68,77,7
8,91―1,91―2……電極部、92―1,
92―2……芯線、93……チツプ、94……外
筒、95……絶縁性接着剤。
Figures 1a and b are a plan view and a cross-sectional view showing the configuration of an example of a conventional FET composite sensor, and Figure 2a is a
3 and b are plan views and equivalent circuit diagrams showing the configuration of another example of a conventional FET composite sensor, and FIGS. FIGS. 4a, b and c are sectional views showing other examples of conventional ion electrodes using semiconductor wafers. FIGS. Cross-sectional views and plan views showing the configuration in an example of sequential manufacturing steps, FIGS. 6 a to d, and FIG. 7 a
-d and FIGS. 8a to 8e are cross-sectional views showing the configurations of three other examples of the multi-ion electrode of the present invention in the sequential manufacturing process, and FIG. 9 is a cross-sectional view of an ion electrode incorporating the multi-ion electrode of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example configuration. 41, 51, 62, 72...semiconductor substrate, 4
2, 53, 63, 71, 71'...separation area, 4
3, 52, 62, 73...mask, 44, 54,
64, 74... Insulating film, 45, 46, 55, 5
6, 65, 66, 75, 76... ion sensitive membrane,
47, 48, 57, 58, 67, 68, 77, 7
8,91-1,91-2... Electrode part, 92-1,
92-2... Core wire, 93... Chip, 94... Outer cylinder, 95... Insulating adhesive.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 半導体基板と、この半導体基板を複数の領域
に電気的に分離する分離領域と、前記半導体基板
の一方の表面において少なくとも前記複数の領域
上に形成された絶縁膜と、前記電気的に分離され
た複数の領域上の絶縁膜上に各々選択的に形成さ
れた異なる種類のイオン感応膜と、これらイオン
感応膜が形成されている側とは反対側の半導体基
板表面において、前記複数の領域にそれぞれ形成
された複数の電極部とを具えることを特徴とする
マルチイオン電極。 2 前記半導体基板を複数の領域に分離する分離
領域を、半導体基板とは反対導電型の不純物拡散
領域を以つて構成したことを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載のマルチイオン電極。 3 前記半導体基板を複数の領域に分離する分離
領域を、半導体基板の酸化によつて形成された絶
縁物領域を以つて構成したことを特徴とする特許
請求の範囲第1項記載のマルチイオン電極。 4 前記半導体基板の表面に形成された絶縁膜
を、シリコン、アルミまたはタンタルの酸化物ま
たは窒化物、またはこれら酸化物と窒化物の混合
組成物を以つて構成したことを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載のマルチイオン電極。 5 前記複数の領域の一つの上に形成された絶縁
膜上に、イオンに不感な有機高分子膜を設けて参
照電極を構成しこことを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載のマルチイオン電極。 6 前記半導体基板をシリコンを以つて構成しこ
ことを特徴とする特許請求の範囲第1,2,3,
4または5項記載のマルチイオン電極。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor substrate, an isolation region that electrically isolates the semiconductor substrate into a plurality of regions, and an insulating film formed on at least the plurality of regions on one surface of the semiconductor substrate; Different types of ion-sensitive films selectively formed on the insulating films on the plurality of electrically isolated regions, and on the surface of the semiconductor substrate opposite to the side on which these ion-sensitive films are formed. , and a plurality of electrode parts respectively formed in the plurality of regions. 2. The multi-ion electrode according to claim 1, wherein the separation region that separates the semiconductor substrate into a plurality of regions includes an impurity diffusion region having a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate. 3. The multi-ion electrode according to claim 1, wherein the separation region that separates the semiconductor substrate into a plurality of regions is formed by an insulator region formed by oxidizing the semiconductor substrate. . 4. The insulating film formed on the surface of the semiconductor substrate is made of an oxide or nitride of silicon, aluminum, or tantalum, or a mixed composition of these oxides and nitrides. A multi-ion electrode according to scope 1. 5. The multifunction device according to claim 1, wherein a reference electrode is formed by providing an organic polymer film insensitive to ions on an insulating film formed on one of the plurality of regions. ion electrode. 6 Claims 1, 2, 3, and 3, characterized in that the semiconductor substrate is made of silicon.
The multi-ion electrode according to item 4 or 5.
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