JPS62250353A - 半導体化学センサ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体化学センサに係り、特に溶液中の特定化
学物質濃度を測定するのに好適な電界効果型トランジス
タを利用した半導体化学センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来の半導体を利用した化学センサは、′電子通信学会
［”誌、’８５／８．ＶｏＡ、Ｊ６８−Ｃ。

翫８．第６２８〜６３４頁（１９８５）”の“生体用マ
イクロｌ５ＦＥＴの試作”と題する論文に記載されてい
るように、化学センサの微小化を目的としたものや、ア
ナリテ力・ケミ力・アクタ（ＡｎａｌｙｔｉｃａＣｈｉ
ｍｉｃａ　Ａｃｔａ）　１５９　（１９８４）第４７〜
６２頁のエイ、シバルド（Ａ、Ｓ［ＥＢＢＡＬＤ）らに
よる論文に記載のように、多種類の化学センサの集積化
にあった。

しかし、これらは化学センサを使用した全体の測定シス
テムの小型化については配慮されていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

例えば、圧子らによる微小センサでは、センサと対にし
て使用する参照′ｆｔｔ極については述べておらず、試
料溶液を微量化するためには、参照′ｆＩ′ｔ、極の微
小化のための工夫が必要であった。エイ、シバルトらに
よる化学センサは、フローセルに実装しており、試料溶
液を流したりする流路系やセンサ特性の経時変化を補正
するめの補正機構が必要となり、分析装置が複雑化する
という問題点があった。

）　本発明の［Ｊ的は、試料溶液の微量化と分析装置の
小型化が可能な半導体化学センサを提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、半導体基板上に電界効果形トランジスタと
２つのｉス（を形成し、一方の溝にはＬ記トランジスタ
のグー１−電極に接続される感応電極を設置するととも
に、試料溶液を充てんする空間を設け、他方の溝には銀
／塩化銀電極を収容するとともに、電解質材料を充てん
する空間を設け、上記両溝の間にイオン伝導性を生ぜし
ぬるブリッジ機構を設置するようにすることにより達成
するようにした。

〔作用〕

試料溝と参照溝とを半導体微細加工技術の１つである異
方性チェツキングを用いることにより容量精度が良好で
、かつ、微細化が可能であり、さらに、この溝が加工し
である同一半導体基板上にセンサを形成するようにした
ので、試料溶液を滴下した際、センサを試料溶液につけ
る機械操作が不必要となる。ここで、センサの構造は、
センサ感応部を測定試料に接触できるように導電性重傷
を電界効果型トランジスタのゲートから溝まで配線し、
溝部分において、導電性電極にイオン感応膜あるいは固
定化酵素膜を被覆する構造としたので、測定対象の化学
物質濃度に応じて発生する膜電位変化を導電性′ｆＪｉ
極が電界効果型トランジスタに伝えて検出することがで
きる。また、センサを動作させるため、試料溶液に一定
の基準電位を与えなければならないが、これは、同一基
板上に試料溝と対となる参照溝を設けて形成した参照電
極によって行われる。さらに、参照溝には塩化銀をを被
覆した銀電極を形成し、一定の電位を与え、さらに、こ
の溝には既知なる濃度をもった電解質を保持し、試料溝
との間にはブリッジ機構を設け。

測定試料には基準となる一定電位が与えられるので、従
来の参照ｆｆｔ１４と同じ作用をする。以上述べた構造
としたことにより、従来、別々であった半導体化学セン
サと参照電極と測定試料の保持容器とを一体化でき、ま
た、これらは半導体の微細加工技術を用いているので、
試料溝の微細化にともない、試料溶液の微量化をはかる
ことができると同時に、半導体化学センサの特性も再現
性よく。

かつ、大量に製造でき、個々のセンサ特性の補正を行わ
ずに使用でき、使い捨て可能となる。よって、従来の化
学センサのように、何度も使用する場合のセンサの劣化
や汚染によって起こる特性変化を補正する機構がいらな
くなる。

〔実施例〕

以下本発明を第１図〜第４図に示した実施例および第５
図、第６図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の半灘体化学センサの一実施例を示す概
要図、第２図は第１図の試料溝部分の断面図、第３図は
第１図の参照溝部分の断面図、第４図は第１図の電界効
果型トランジスタの断面図である。第１図において、シ
リコン基板１上には。

試料溶液を保持する試料溝２と参照ｍｔ４１Ｉ用の参照
溝３との一対の溝が形成しである。そして、測定時に試
料溝２には試料溶液を、参照溝３しこは飽和した塩化カ
リウム水容液を滴下する。試料溝２の表面全面にはイオ
ン感応膜４が塗布してあり、その下部には導伝性ｆｆｔ
ｐｉＡ５が配線しである。４伝性ｆｔｔｔ４ｉ５として
は１表面を酸化膜で波頂したチタンを用いである。しか
し、白金族金にルあるいは表面に酸化膜を被ｌ″！Ｉし
た白金族金属または銅あるいは塩化銀を被覆した銀であ
ってもよい、試料溶液中の測定対象イオン系１度に応じ
て膜電位が変化するが、この電位変化は、導伝性ｍＪ４
５により同一シリコン基板１ｈに形成した世界効果型ト
ランジスタ６のゲート７に伝えられて検出される。、電
界効果型トランジスタ６は、ゲート７、ドレイン８、ソ
ース９からなり１人力インピーダンスか高いので、イオ
ン感応膜４を被覆した導伝性電極５を微小化して電極５
のインピーダンスが高くなっても７１１１定精度が悪く
なることはない。ドレイン８、ソース９は、化学センサ
用電極パッド１６を介して外部測定回路に接続し、試料
溶液中の測定対象となるイオン濃度を求める。試料溶液
に一定の基準電位を与える参照電極を参照溝３に形成し
、参照）背３に塩化銀を被覆した銀電極１ｏを配線し、
参照電極用パッド１１を介して外部から一定電位をかけ
られるようにする。参照溝３には、飽和した塩化カリウ
ム溶液を滴下し、試料溝２と参照７１！３との間に設け
たブリッジ機構１２により試料溶液との間で自由にイオ
ン移動ができるようにする。

このブリッジ機構１２は、試料溝２および参照溝３に比
べで細く浅い溝になっており、塩化カリウムを混ぜたポ
リビニルアルコールを充てんしである。これらの構造に
より、試料溶液に一定の電位を与える参照電極として働
く。

第２図は試料溝２の断面構造で１表面が（１００）の結
晶面をもつシリコン基板１を水酸化カリウムによる異方
性エツチングにより試料溝２を形成し、溝側面は（１１
１）面、底面はＤＯＯ）面と定まった結晶面にかこまれ
た溝を形成する。試料溝２を形成した後、試料溶液と絶
縁をとるため、シリコン表面を熱酸化により酸化膜１３
で覆う。この試料溝２に化学センサの感応部を形成する
。感応部ｉｔ、、１ｔｔｔ性ｆｆｉｗＡ（Ｔ　ｉ　／　
Ｔ　ｉ　０ｘ）ａをイオン感応膜４で被覆したものから
なっている。導伝性電極５は、電界効果型トランジスタ
６のゲート７より配線されたアルミニウム配置１Ａ１４
と接続しである。また、試料溝２以外の部分は、試料溶
液と導伝性ｔ’！［５とが接触しないようにプラズマＣ
ＶＤ法によりＳ　ｉ　Ｏｚ膜１５が形成しである。

第３図は参照溝３の断面構造で、試料溝２と同様ニ異方
性エツチングにより参照溝３を形成し、熱酸化により酸
化膜１３でｒｌっである。この参照溝３に塩化銀を被覆
した銀電極１ｏを形成し、参照電極用パッド１１から配
線されたアルミニウム配線１４と接続しである。また、
参照溝３以外の部分は１表面をプラズマＣＶＤ法により
５ｉＯｚ１漠１５で覆っである。

第４図は電界効果型トランジスタ６の新面構造で、シリ
コン基板１としてはホウ素を拡散したＰ型基板を用い、
ドレイン８とソーク９は、ヒ素を拡散させたｎ÷拡散層
により形成しである。ゲー１〜７は、酸化膜上に形成し
たポリシリコンよりなり、試料溝２に形成したセンサ感
応部の導伝性電極５と接続したアルミニウム配線１４と
接続しである。

以上の構造からなる半導体化学センサを使って測定した
結果の一例を第５図、第６図に示す、第５図は、Ｋ＋　
’ｆｊｆＪ定用半導体用半導体化学センサ時間的変化を
示す線図で、試料溶液および参照電極用溶液を本発明に
係ろに＋測定用半導体化学センサに滴下して測定した。

最初３０秒間は急な立ち上りをみせ、その後はゆるやか
な変化を示す、この特性は１個々の半導体化学センサで
同じようになり、経過時間に対して絶対電位；ヒ（差は
、２％以内に収まる。このことから、副室時間を変化が
ゆるやかになった１分後に設定して定置性を調べたもの
を第６図に示した。なお、各点での測定にはそれぞれ別
のセンサを用いたが、に十濃度が１、０−”ｍａｎ　／
　Ｑから１０一番ｒｔｒｏｎ／Ｑの範囲でセンサ出力は
直線性を示し、この範囲の定量測定に本発明に係る半導
体化学センサを使用できることが明確になった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、半導体化学セン
サと測定試料および参照電極の保持容器とを一体化した
ので、試料溶液の微量化が可能であり、同時に個々のセ
ンサ特性の補正機構がいらなくなるので、分析装置の小
型化が可能であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体化学センサの一実施例を示す概
要図、第２図は第１図の試料溝部分の断面図、第３図は
第１図の参照ｉＡ！部分の断面図、第４図は第１図の電
界効果型１−ランジスタの断面図、第５図は本発明に係
るに十測定用半導体化学センサの出力の時間的変化を示
す線図、第６図はに＋濃度に対するセンサ出力の線図で
ある。 １・・・シリコン基板、２・・・試料溝、３・・・参照
溝、４・・・イオン感応膜、５・・・導伝性電極、６・
・・電界効果型トランジスタ、７・・・ゲート、８・・
・ドレイン、９・・・ソース、１０・・・銀電極、１１
・・・参照電極用パッド、１２・・・ブリッジ機構、１
３・・・酸化膜、１４・・・アルミニウム配線、１５・
・・５ｉｎ２膜、１６・・・化第　１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に電界効果型トランジスタと試料溝と
   参照溝を形成し、前記試料溝には前記トランジスタのゲ
   ートに接続される感応電極を設置するとともに試料溶液
   を充てんする空間を設け、前記参照溝には銀または塩化
   銀電極を収容するとともに電解質材料を充てんする空間
   を設け、前記両溝の間にイオン伝導性を生ぜしめるブリ
   ッジ機構を設置したことを特徴とする半導体化学センサ
   。 ２、前記感応電極は、チタン、白金族金属またはチタン
   、白金族金属表面に酸化膜を被覆したものや塩化塩を被
   覆した銀、銅などの導伝性電極にイオン感応膜あるいは
   固定化酵素膜を被覆したものである特許請求の範囲１項
   記載の半導体化学センサ。