JPS6073351A - Fet化学センサ用素子 - Google Patents

Fet化学センサ用素子

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JPS6073351A
JPS6073351A JP58180233A JP18023383A JPS6073351A JP S6073351 A JPS6073351 A JP S6073351A JP 58180233 A JP58180233 A JP 58180233A JP 18023383 A JP18023383 A JP 18023383A JP S6073351 A JPS6073351 A JP S6073351A
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JP
Japan
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film
insulating film
gate
fet
light
Prior art date
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Pending
Application number
JP58180233A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroyuki Miyagi
宮城 宏行
Takuya Maruizumi
丸泉 琢也
Keiji Tsukada
啓二 塚田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6073351A publication Critical patent/JPS6073351A/ja
Pending legal-status Critical Current

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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
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS

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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はF E ’l’化学センサ用素子に係シ、特に
、長期的安定性に優れ、かつ光に対する応答性を抑制す
るに好適な素子に係る。
〔発明の背景〕
MOS (金属酸化物)FETの金属酸化膜を取除き、
イオン感応膜、ガス透過膜、固定化酵素膜などを塗布し
て構成するFET化学センサは、小形、集積化センサと
して発展することが期待されてしる。従来の化学センサ
用、FET素子のゲート部構成は下部より酸化膜5lo
z、例えば5isNaなどの絶縁膜で構成されておシ、
とれに直接あるいはIll a 2Qlt など他の絶
縁族ヲ介してイオン感応膜などt塗付したものである。
イオン感応膜としては、無機膜あるいは有機高分子材料
を母材とした膜が使用されている。
ところで、従来のF E ’I”化学センサでは、試料
浴液中のNa、にイオンなどがゲート絶縁膜中に拡散し
、最終的には酸化膜あるいはチャイル表面に到達する。
この粕果、センサ出力のドリフト、閾値電圧の変動が生
じ、センサとして動作しなくなることもある。
更に、従来の1i’ET化字センサは、ゲート絶縁膜が
透明であるため、P n接合部に光があたると出力電位
が極端に変化する欠点がある。このため1ゲ一ト部に黒
色ポリマ膜を塗付して安定化を図ったもの(特開昭53
 146693)、6るいはゲート部を除きTa膜を塗
付することによシ遮光したもの(松尾、江刺、PET化
学センサー。
DENi(I KAGAKU 、50 、屋LpI)6
4−71.1982)などの対策が試みられている。
しかしながらこれらの対策は、センサの構造が複雑とな
る。
〔発明の目的〕
本発明の主たる目的は、外部よシ浸入するイオンによる
出力電位のドリフト及び光に対する応答性を改善でさる
FET化孝センサ用素子を提供することにある。
〔発明の概要〕
上記した目的を達成するために、本発明では、金属イオ
ンがチャネル表面に拡散することを防ぐ対策と透光対策
を同時に施すことができる方法を採用することとした。
具体的には、ゲート絶縁膜中に金属薄膜層を設け、この
層を金属イオンストッパーと透光材の双方の機能をもた
せるものとした。
〔発明の実施例」 本発明を実施例に基づき、以下詳細に説明する。
第1図は、本発明の第1の実施例断面図である。
シリコン基板1に不純物を拡散し、ドレイン2及びソー
ス3呟域をル成することによ、9、FETのゲートが傳
成さ扛る。該ゲート土には、酸化膜SiU!4、及びS
i3N4絶縁腺5が通常のl”ETと同僚に形成されて
いる。該絶縁族5,5′は二層になっておシ、その中間
に金属製ストッパー膜6を形成したことが本発明の特徴
である。最上層には商分子支持模形、m溶性無機模形あ
るいはTa2O,などの無機酸化膜形等各種のイオン感
応膜7が形成されている。
本発明のFET化学センサを従来のものと同等以上の特
性とするために、上記した酸化膜、絶縁膜等の厚みを適
尚に制御する必要がある。また、金属製ストッパー膜6
は、材料及び厚みを十分に考慮する必要があシ、材料と
しては光透過性が低く、かつ、イオンが拡赦しにくいも
のが好ましい。
材料としてはタンタルなどのように黒色金属あるいは金
などの反射率の高いものが好ましい。
本発明の金属製ストッパー膜は、原理的にはゲート部の
+fc覆うことができればよいが、ドレイン、ソース配
線を不純物拡散で形成し、ゲート領域以外にもp −n
接合部がおる場合には、ゲート部及びこれを除く部分の
双方にストッパー膜を形成する必要がある。第2図は、
上記した如く、ゲート部lOに金Jf4袈ストッパー膜
6を、また、ドレイン配線11及びソース配線12の部
分には遮光膜13を形成した例でりる。該遮光膜13が
導亀性相科の場合には、ストッパー膜6と導通せぬよう
に形成する。ドレイン及びソース部配線が酸化膜上にポ
リシリコンで配線さ扛たものである場合Aあるいu77
ゲ一トを除いて、不透明材料からなる保護管′内に収容
される場合には、上記した配線部4b遮光膜13は不用
である。。
本発明のFET化字十字センサ用素子記した如く、ゲー
ト部絶縁膜甲に金属製ストッパ一層を形成したことによ
り、Na”、に+などの可動イオンが酸化膜まで拡散し
、閾値電圧の変動、あるいは出力の著しいドリフトの発
生など會防ぐことができる。また、該ストッパーj−を
不透明金属、あるいは反射率の鍋い金属を使用すること
により、p−n接合部の光応答性を著しく1代くするこ
とができる。
第3図は、本発明の第2の実施同断面図である。
金属製ストッパ一層6よシ下部の構成は、第1図の実施
νりと同じであるが、ストッパー膜6の上には’I’a
2(Jl+膜20が塗布されている。この実施例では’
razos膜をpH用感応膜として直接試料溶液に浸漬
して使用することができるが、’l’axOs膜を絶縁
膜とし、その上に高分子イオン感応膜などを塗付して、
H+以外のイオンセンサとして使用することもできる。
本発明を共通基板上に複数のFETを集積化した複合セ
ンサに応用した例を第4図に示す。基板−1に3ケのF
ETを形成したが、夫々の構成は下方よシ、酸化膜4.
5isN4絶縁膜5、金属製ストッパー膜J5/、6/
/、8i3N4絶縁膜5′、及び、イオン感応膜30,
31.32とした。ここで、本発明を複合センサに適用
する場合には、夫々のFETを独立に作動させるために
、金属製ストッパー膜は第4図のように各FETに個有
のものとする必要がある。第4図の実施例で、第1イオ
ン感応膜30として、ポリ塩化ビニル(PVC)膜中に
パリノマイシンと可塑剤を分散したK“イオン感応膜、
第2イオン感応膜31は、PVCIN中に可塑剤とニュ
ートラルキャリアー形合成Na” リガンドを分散した
Na+イオン感応膜、第3イオン感応膜32にはPVC
膜中に可塑剤と第4級アンモニウム塩を分散させたCt
−イオン感応膜を塗布して複合センサを構成した。その
結果、夫々−のイオンに対し50 mV/decade
以上のスロープ感度を得ることができた。
本発明を応用した炭酸ガスセンサの断面図を第5図に示
す。基板lのフェル底部にドレイン2゜ノース3領域を
形成し、その上部に酸化膜4.5isNa絶縁膜5、金
属製ストッパー膜6を形成した。更に、その上に8is
N4膜5′を塗付し、この場合は直接pH感応膜として
使用した。また)SisNn膜5′の上で、ゲート部か
ら離れた部分に銀/塩化銀からなる比較電極40を設置
した。
FETゲート部及び比較電@1.40上にNacz。
NaHcOs塩を含むポリアクリルアミドゲルを内部ゲ
ル41として充てんし、その上に、素子全体を覆うよう
にしてガス透過膜42を塗布した。該ガス透過膜の材料
としては、テフロン、シリコンゴム、ポリプロピレンな
どが使用できる。
本発明は、ケート部に固定化酵素膜を塗布するFET酵
素センサ、固定化微生物膜を利用するセンサ及びFET
比較電極などに直接適用することができる。
本発明の第1の実施例でに3イオンセンサを構成し、セ
ンサ特性を測定した結果を第6図及び第7図に示す。第
1図に示した断面図において、酸化膜4の厚みを100
OA、5isN4絶縁JIK 500人、金属製ストッ
パー膜6として金を500人蒸着し、更に、その上に5
isN4膜を50OA塗布した。イオン感応膜7として
はPVC膜中にパリノマイシン可塑剤としてジオクチル
アジペート(1)OA)を分散させたに+イオン感応膜
をディラフコート法で形成した。このセンサをNa”、
14 Q m moly’t XK ” 5 m mo
t/l−% Cl−1001n mOt/lの水溶液中
に浸漬し、適宜センサ出力を測定し、ドリフトtを測定
した。巣6図に本発明のFETセンサ(A)と金属スト
ッパー膜のない従来方式のB” E Tセンサ(B)に
ついてドリフト量の経時変化を示したが、従来のものに
比較し、本発明のFETセンサは著しく安定なものであ
ることがわかる。
本発明Vこよる1(“センサと従来方式にょるに4セン
サを測定浴敢中に浸漬し、これらを暗箱で憶った場合と
、暗箱をはずし、白色光を照射した場合の出力電位の変
化を第7図に示す。ポイン)aは暗箱を取シ除いた時点
を示し、ポイン)bは再び暗箱を被せた時点を示す。従
来のセンサBは白色光が照射された時点で出力が大きく
変化するのに対し、本発明によるセンサ(A)の出力は
わずかに変化するのみであり、室内の光の下で十分使用
に耐えるものである。
以上述べたように、本発明のl’ E ’r化学センサ
用素子はイオンの拡散による出力ドリフト、及び光照射
時の出力変化等を防ぐことができ、安定に開用できるも
のでおる。
〔発明の効果〕
本発明のFET化学センサは、Na”イオン濃度の高い
血液など生体試料の分析にも安定に使用することができ
、また、光の影響も最小限にすることができるので、咬
い易いものである。また、本開明を適用したセンサは使
用寿命の点でも従来のものに比較し、大幅に改善するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の第1の実施例断面図、第2図は同平
面図、第3図及び第4図は第2及び第3の実施例の断面
図、第5図は、本発明の変形例の断面図、第6図及び第
7図は本発明の効果を示す図である。 1・・・基板、2.2’ 、2”・・・ドレイン、3+
3’+3“・・・ソース、4・・・酸化膜、5,5′・
・・絶縁膜、6、6/ 、 6//・・・ストッパー膜
、7・・・イオン感応膜、10・・・ゲート部、11・
・・ドレイン配線、12・・・ソース配線、13・・・
遮光膜、14・・・ソースコンタクト、15・・・ドレ
インコンタクト、20・・・Ta20II11a130
・・・第1イオン感応膜、31−・・第2イオン感応膜
、32・・・第3イオン感応膜、40第 l 図 第 2 口 第 3 口 第 4 喝 八′ ! 一 第 5 目

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ゲート絶縁膜上にイオン選択感応膜、ガス透過膜、
    固定化酵素膜、固定化微生物膜などを塗布して構成する
    FET化学センサの素子において、該ゲート絶縁膜中に
    金属薄膜層を設けたことを特徴とするFET化学センサ
    用素子。 2、ゲルト部上に設けられた該ゲート絶縁膜中の金属薄
    膜は、ゲート部以外を被覆している金属薄膜とは電気的
    に隔絶されていることを特徴とする特、f請求の範囲第
    1項記載のFET化学センサ用素子。 3、上記金属薄膜層が下部の絶縁膜と上部の絶縁膜を兼
    ねる無機イオン選択感応膜とに挾まれた構造であること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載のF E T化
    学センサ用素子。
JP58180233A 1983-09-30 1983-09-30 Fet化学センサ用素子 Pending JPS6073351A (ja)

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JP58180233A JPS6073351A (ja) 1983-09-30 1983-09-30 Fet化学センサ用素子

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4798664A (en) * 1985-12-25 1989-01-17 Terumo Kabushiki Kaisha Ion sensor
US4968400A (en) * 1986-11-20 1990-11-06 Terumo Kabushiki Kaisha Enzyme sensor
US5061976A (en) * 1986-11-20 1991-10-29 Terumo Kabushiki Kaisha Fet electrode with carbon gate
US5139626A (en) * 1985-10-02 1992-08-18 Terumo Corporation Ion concentration measurement method
US5192417A (en) * 1987-09-21 1993-03-09 Terumo Kabushiki Kaisha Lithium ion sensor

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US5061976A (en) * 1986-11-20 1991-10-29 Terumo Kabushiki Kaisha Fet electrode with carbon gate
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