JPH1062383A - 電気化学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス濃度の測定に使用される電気化学センサ
において亀裂が形成され分析液が浸入するのを阻止す
る。 【解決手段】 基板１上の電気化学センサにおいて、ポ
リイミドパターン９により囲まれている電解質層１０の
下方の内部領域内に貴金属電極６を配設する。この電解
質層１０の上方及びその側方に外側ポリイミドパターン
１１により囲まれる疎水性層１２を配設する。疎水性層
１２の下方の電解質層１０の側方に存在する貴金属電極
６の電気接続用の導線６０を疎水性層１２に対し保護層
７、８により密閉する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばＯ₂又はＣ
Ｏ₂のようなガスの濃度を測定するために使用すること
のできる電気化学センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】米国特許第５３７６２５５号明細書には
半導体物質、例えばシリコンから成る平坦な基板上に電
気化学センサを形成することが記載されている。このセ
ンサは例えばＩｒＯ₂から成るｐＨ感知電極又はｐＨ感
知ＩＳＦＥＴ（イオン選択性電界効果トランジスタ）を
含んでいる。この種のセンサの場合測定すべきガス（Ｏ
₂、ＣＯ₂）に適合する措置とは無関係に好適には貴金属
から成る電極が設けられている。この貴金属は例えば白
金である。電位差計測センサの場合その他に銀／塩化銀
−電極が存在する。センサのこの基本構造を備えている
部分は電解質層で覆われている。この電解質層はポリイ
ミド又は例えばポリベンズオキサゾールのような他のポ
リマーから成る環状のパターンにより周囲を囲まれてい
る。電解質層の上方及びその側方に疎水性層が施され、
この疎水性層はポリマーパターンにより囲まれている。
この外側のポリマーパターンは電解質層を囲むポリマー
パターンよりもこの疎水性層の厚さに相応して高い。こ
の場合の問題は、通常ポリシロキサンである疎水性層と
ポリイミドのパターンとの間の接着性がごく不十分であ
ることである。従って疎水性層と囲みのパターンとの間
に亀裂が形成される。疎水性層の厚さが約２０μｍ〜３
０μｍの薄いものであるため、このような亀裂により検
査すべき分析液（電解質溶液又は血液）が入り込む恐れ
があり、貴金属製電極がこのセンサの対向電極又は基本
構造の導電性領域と短絡するか又は電極を完全に溶食す
ることになりかねない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上述
の問題を起こさない半導体デバイスとして構成された電
気化学センサを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題は本発明の請求
項１に記載の特徴を有する電気化学センサにより解決さ
れる。

【０００５】本発明によるセンサは上記の課題を、セン
サの貴金属電極とこのセンサを上方に向かって密閉する
疎水性層との間に有利にはＰＥＣＶＤ酸化物及びＰＥＣ
ＶＤ窒化物から成る二重の保護層を施すことにより解決
する。疎水性層に使用される材料に応じて保護層を相応
して適合する材料から選択することができる。センサの
機能にとって測定すべきガスに対し拡散係数の高い物質
が疎水性層の材料として必要である。その下に配設され
る貴金属電極に十分な保護作用を与えるために、保護層
の材料は囲んでいるポリマーパターンのポリマーとは逆
に疎水性層と緊密に結合するものが選択される。有利に
は疎水性層と共有結合する物質が使用される。疎水性層
としてポリシロキサンを使用する場合種々の酸化物を保
護層として使用すると有利である。半導体デバイスの製
造中に例えばＰＥＣＶＤ（プラズマ・エンハンス化学蒸
着）窒化物として析出されるような窒化物層を使用する
場合、この層の表面に薄い酸化層が形成される。窒化シ
リコン層（Ｓｉ₃Ｎ₄）の場合この薄い酸化層はＳｉＯ_x
Ｎ_yである。従って不動態化に特に適した窒化シリコン
は、共有結合従って緊密に疎水性層の材料と結合し、こ
うして疎水性層を貴金属電極に対して密閉するのにも適
している。

【０００６】

【実施例】本発明によるセンサを実施例及び図面に基づ
き以下に詳述する。

【０００７】図１の実施例では例えばシリコン又はそれ
に類するものから成る基板１上にセンサの基本構造があ
り、これは図示されている簡単な例では領域２に設けら
れているＩＳＦＥＴのパターンにより構成されている。
この領域２はこの例では周囲を絶縁領域３により電気的
に絶縁されている。この絶縁領域３はシリコン基板上に
例えば熱酸化（ＬＯＣＯＳ法）により形成されてもよ
い。このセンサの別の実施形態ではこの絶縁領域３は、
センサの電気接続端子を基板１に対し電気的に絶縁する
ために、全面的にセンサの領域内に設けることも可能で
ある。図１に示されている例では上述の領域上に全面的
にセンサ層４が設けられている。このセンサ層４は図示
のように全面的に施されるか又は少なくとも領域２に若
干突出している範囲まで設けられる。このセンサ層４は
基板１の材料に対する電気絶縁層である。このような絶
縁層としては例えば電流計測センサと同様に例えば酸化
物層（酸化シリコン）又は窒化物層（Ｓｉ₃Ｎ₄）を使用
することができる。若干複雑な構造を有するＩＳＦＥＴ
を含む電位差計測センサの場合、このセンサ層４は少な
くともＩＳＦＥＴのゲート酸化物を構成する酸化物層と
その上に有利にはＬＰＣＶＤ（低圧化学蒸着）により析
出されるｐＨ感知層として作用する窒化物層とから成
る。

【０００８】この基本構造上に貴金属、有利には白金か
ら成る電極を施す。図１に示した実施例では側方に別の
層５が配設されており、これらの層は例えば種々の誘電
体から成り、例えば他のデバイス又は配線に関与する種
々の金属化部又は導体路面を集積するために備えられて
いる。更にセンサの領域に本来の貴金属電極６を形成す
る貴金属から成る層は、導線６０を形成する側方部分が
これらの側方にある層５の上側に存在するように施され
る。この側方の導線６０は誘電体層間に設けらている種
々の導体路面の１つとして層５間に設けることもでき
る。所定の貴金属から成るこの導線６０はこの実施例で
は貴金属電極６の構成要素である。ＩＳＦＥＴを有する
電位差計測センサの場合特にＣＯ₂濃度の測定には、白
金から成る貴金属電極６上にＡｇ／ＡｇＣｌ電極を形成
するもう１つの層１６を施す。この電極は、例えば白金
電極６上に薄い銀から成る層を析出し、この銀を引続き
化学的又は電気化学的に塩素処理するようにして形成さ
れる。本発明により設けられる保護層はこの実施例では
ＰＥＣＶＤ酸化物層７とＰＥＣＶＤ窒化物層８から成る
二重層により構成される。酸化物は酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ₂）であると有利である。窒化物層は窒化シリコン
（Ｓｉ₃Ｎ₄）が有利である。その代わりに保護層として
酸化物、有利には酸化シリコンから成る一重の層を設け
てもよい。この酸化物としては特にＴＥＯＳ（テトラエ
チルオルトシリケート）が使用される。窒化物層が酸素
の作用に曝されると、Ｓｉ₃Ｎ₄層の表面に酸化物が形成
される。従ってこの例における窒化物層８はその上側に
ＳｉＯ_xＮ_yから成る薄い酸化物層を有する。従ってこの
酸化物層は酸素を介して疎水性膜１２用に使用すること
のできるポリシロキサンと共有結合を形成するのに適し
ている。

【０００９】センサの基本領域２の上には（例えばポリ
イミドの）ポリマーパターン９の内部に電解質層１０が
設けられている。この囲みパターン９用にポリイミドの
代わりに例えばポリベンズオキサゾールのような他のポ
リマーを使用することも可能である。電解質層１０の上
方及びその側方にはポリマーパターン１１（例えばポリ
イミドから成る）により囲まれる疎水性層１２が設けら
れている。センサを環状に囲む層５を省略した場合、保
護層７、８は平坦に環状に施される。段は貴金属電極６
及びその導線６０の領域のみに生じる。この配置を明確
化するために図１に一点鎖線で示した切断面を図２に示
す。図２には外側のポリマーパターン１１により囲まれ
る外側領域、この例ではＩＳＦＥＴのゲート領域１３を
形成する内側の半導体領域、その側方に配設されている
ソース１４及びドレイン１５の領域、内側のポリマーパ
ターン９及び導線６０を有する白金電極６が示されてい
る。内側のポリマーパターン９の内部に張り出す白金電
極６の部分にはその上及びそれに接して施されているＡ
ｇ／ＡｇＣｌから成る電極１６が示されている。電極６
の電気接続端子用導線６０は細い条片として電極６の層
平面内にあるか又は誘電体層５が設けられる場合にはこ
れらの層の上の段に載っている。保護層７、８はこの図
紙面の背後に、環状に示されている内側のポリマーパタ
ーン９の外側領域にある。電極６に対する導線６０の縁
部では保護層７、８は段を形成している。

【００１０】図３は図１に示したものとは別の断面を示
すものである。図１に示されている構成要素の他に図３
にはＩＳＦＥＴの基本構造の領域内にゲート領域１３、
ソース領域１４及びドレイン領域１５がある。ソース及
びドレイン領域は電気接続端子用の図紙面の背後でその
外側に延びている。貴金属電極６は導線６０と共に図紙
面の手前にある。

【００１１】本発明によるセンサは原理上任意のパター
ン基盤上に実現することができる。貴金属電極、その上
にある保護層及び更にその上に配設される疎水性膜を有
する装置は電位差計測、電流計測及び電導率計測センサ
に形成することができる。更に別の実施形態では相応す
る手段を備えているものも或は図に基づき記載された実
施例に対し相応する手段が省略されているものもある。
半導体物質から成る基板内に形成されているドープ領域
１３、１４、１５は電流計測センサの場合省略できる。
このようなセンサの場合例えばＬＯＣＯＳ法により形成
された二酸化シリコンから成る全面的絶縁層から成って
いてもよい絶縁層上に少なくとも２つの（有利には３つ
の）電極が設けられる。図示されている実施例の電極６
に相応する少なくとも１つの貴金属電極はこれらの電極
に属しており、電解質層１０の下側のセンサの内側領域
内の絶縁層の上に配設されている。保護層７、８は上記
の実施例の配置に相応して貴金属と疎水性層との間の少
なくとも貴金属電極に対する導線の領域内に設けられ
る。保護層が内側のポリマーパターン９の周囲の環状領
域全体を中断し、疎水性層１２を下方に向かって密閉す
るようにすると有利である。それとは異なり導電率測定
センサの場合には、２つの電極がそれらの間にある電解
質層の物質の導電率を測定するためにセンサ領域内に互
いに比較的僅かな間隔で配設されている。この導電率は
入れられるガスに応じて変化する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による典型的なセンサの断面図。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した平面を示す図。

【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 電気化学センサ領域 ３ 絶縁領域 ４ センサ層 ５ 側方の層 ６ 貴金属製電極 ７、８ 保護層 ９ 第１のポリマーパターン １０ 電解質層 １１ 第２のポリマーパターン １２ 疎水性層 １３ ゲート領域 １４ ソース領域 １５ ドレイン領域 １６ 電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラインハルト クレス ドイツ連邦共和国 91058 エルランゲン テンネンローアーシユトラーセ 26

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）上に少なくとも１つの貴金属
   製電極（６）を有する電気化学センサにおいて、 ａ）電気化学センサ領域（２）用に備えられた基板
   （１）の上に第１のポリマーパターン（９）により囲ま
   れる電解質層（１０）が設けられ、 ｂ）この電解質層（１０）の上方及びその側方を環状に
   囲むと共に第２のポリマーパターン（１１）により囲ま
   れる疎水性層（１２）が設けられ、 ｃ）基板（１）と電解質層（１０）との間に電極（６）
   の一部が配置され、 ｄ）この電極の別の部分が基板（１）と疎水性層（１
   ２）との間の電解質層（１０）の側方に配置されてお
   り、 ｅ）電極（６）のこの別の部分と疎水性層（１２）との
   間に保護層（７、８）が設けられることを特徴とする電
   気化学センサ。
2. 【請求項２】 疎水性層（１２）が少なくとも特定のガ
   スに対し高い拡散係数を示す物質から成り、保護層
   （７、８）が疎水性層（１２）の材料と共有結合する物
   質から成ることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
3. 【請求項３】 疎水性層（１２）がポリシロキサンであ
   り、この疎水性層（１２）に接している保護層の少なく
   とも一方の部分層が酸素を含んでいることを特徴とする
   請求項２記載のセンサ。
4. 【請求項４】 保護層が酸化物層を含んでいることを特
   徴とする請求項３記載のセンサ。
5. 【請求項５】 酸化物層が酸化シリコンであることを特
   徴とする請求項４記載のセンサ。
6. 【請求項６】 酸化物層がＳｉＯ_xＮ_yであることを特徴
   とする請求項５記載のセンサ。
7. 【請求項７】 酸化物層が窒化シリコン層の上方層部分
   であることを特徴とする請求項６記載のセンサ。
8. 【請求項８】 保護層が酸化物層（７）と窒化物層
   （８）の二重層（７、８）により構成され、酸化物層が
   電極（６）上に配設され、窒化物層（８）が酸化物層
   （７）と疎水性層（１２）との間に配設されていること
   を特徴とする請求項３乃至７の１つに記載のセンサ。
9. 【請求項９】 酸化物層がＰＥＣＶＤ酸化物層であるこ
   とを特徴とする請求項４乃至７の１つに記載のセンサ。
10. 【請求項１０】 窒化物層がＰＥＣＶＤ窒化物層である
    ことを特徴とする請求項７又は８記載のセンサ。