KR0152426B1 - 기준전극 어셈블리 및 그 제조방법 - Google Patents

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Description

기준전극 어셈블리 및 그 제조방법

제1도는 통상적인 종래 기술의 동작전극/기준전극 결합의 개략적인 단면도.

제2도는 제1도와 비교되는 것으로써 본 발명에 따른 동작전극/ 기준전극 어셈블리의 첫 번째 실시예를 도시한 도면.

제3도는 제3.1도에서 제3.5도에 걸쳐 제2도의 전극 제작시의 일련의 연속된 단계를 도시한 도면.

제4도는 본 발명을 이해하는데 유용한 전위 대 시간을 설명하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 동작전극 12 : 기질

13 : 덮개층 14 : 기준전극

18 : 피복층 20 : 전해질층

22 : 수용액 26 : 볼트 미터

32 : 박막 38 : 작업(동작)전극과 기준전극 어셈블리

본 발명은 기준전극에 관한 것이다. 본 발명에 따른 기준전극은 건조(dry) 되어 적재될 수 있고, 수용액에 노출되어서는 신속하게 적셔(wet-up)질 수 있다.

용액의 이온함량을 측정하기 위한 대표적인 장치는 기준전극와 분리된 전위차 또는 동작전극을 포함한다. 이들이 분석되어 질 일정체적의 용액내에 담겨진 때 기준전극과 동작전극은 함께 전기화학적 전지를 구성시킨다. 기준전극은 일정한 전위를 제공하고, 이같은 전위에 대하여 용액으로부터 동작전극에 의해 인가된 전위가 측정된다. 전지에서 전위차는 이온활성도의 상용대수값(logarithm)과 비례한다. 이는 다시 용액에서의 이온의 농도와 관계하며 그 농도는 기준전극과 동작전극에서 측정된 전압의 함수로 직접 결정될 수 있도록 한다.

여러 문헌에서 용액의 이온함유량을 측정하기 위한 이온에 민감한 이온-감지 장치의 디자인과 그 제작방법에 대하여 언급하고 있다. 예를 들어, 본 충원 발명자에게 특허허여된 미국특허 제 4,613,442호는 높은 온도에서 사용하기 위한 적절한 주위 감지장치(Ambient Sensing Device)를 설명한다. 다른 문헌으로는 Salman 등에 의한 유럽특허출원 제 129,233호, Sinsabaugh 등의 생물의학 적용의 전기화학적 센서(1986)66-73페이지에서의 실리콘 기질상에 직접된 배치(batch)-처리의 기준 마이크로 전극센서와 자극기, 5(1984)293-305 페이지에서의 Matsuo 등의 중합체 게이트 ISEET을 사용한 기준전극 특성, 생물의학 공학에서의 IEEE 변동 제 BME-33권, 제2호(1986) 83-90페이지에서의 Smith 등의 전기화학적 측정을 위한 집적 센서, Smith 등의 서류공개에 필적하는 공개인 Smith등에게 허여된 미국특허 제 4,592,824호, 화학적으로 민감한 전계효과 트랜지스터 에서의 §3.7 기준 ISFET, 분석화학에서의 이온에 민감한 전극 제 2권(1980) 161-167 페이지에서의 Janata 등의 발표, 이온에 민감한 전극방법론 제 1권(Covington ed.) 58-62페이지(1979), 분석화학에서의 이온에 민감한 전극 제 1권(Freiser ed.), 특히 단원 3.3 기준전극323-331 페이지(1978), 및 Covington등에게 허여된 미국특허 제 4,437,969호 및 Battaglia등에게 특허된 미국특허 제 4,214,968호 또한 스텐포드 연구협회(Stanford Research Institute)(1983), 본 발명자에 의한 화학적으로 민감한 전위차계 마이크로센서를 참조한다.

대표적인 기준전극은 이온 X로 전환가능 재료의 층, 즉 이온X의 존재 또는 부재에 응답하여 산화상태의 가격변화를 받을 수 있는 재료이다. 이같은 재료는 금속-할로겐화물, 염, 합금 또는 화합물을 포함한다. 편리하게 이같은 재료는 아래에 놓인 금속부재의 표면위에 형성된다. 이같은 기준전극은 전해질에 의해 도금된다. 전해질은 수용액 매체내 또는 중합체 재료내로 퍼진 많은 이온 X를 포함한다. 예를 들어 전해질은 이온 X를 포함하는 화합물을 담고 있는 겔로 이루어진다. 이때의 겔은 확산에 의해 이온수송을 허용하면서 분석될 용액과 혼합되지 않게 된다. 선택에 따라 전해질은 박막, 즉 셀룰로즈아세테이트 또는 다공의 유리 또는 세라믹등 뒤에 감금될 수 있으며, 이는 용액과 전해질 자체의 흐름을 막으면서 이온수송을 허용한다. 따라서 액체간 접촉(liquid contact)은 전해질과 시험용액 사이에서 형성되며, 이는 대류가 아닌 확산에 의해 이온의 흐름을 허용한다.

전해질 상태의 혼합물이 거의 유사한 이동도의 비교적 높은 농도의 이온을 담고 있도록 적절히 조절되는 때, 이들 이온은 전극과 시험용액(전위차계 측정을 수행하는데 필요한 바와 같은) 사이의 전기적 연속성을 제공하고 시험용액의 조성과는 무관하게 액간 접촉경계를 가로질러 일정한(그리고 작은) 전이차를 유지하도록 액간 접촉경계를 횡단한다. 이온X로 전환가능한 전극과 그 접촉전해질 사이의 전위차는 동 전해질내의 이온X의 농도에 달려 있다. 따라서, 이온 X가 일정한 농도인 때 이같은 전극의 전극전위는 액간 접촉에 접촉하고 있는 용액의 조성과는 무관하며, 이는 바르게 작용하는 기준전극에 없어서는 안되는 것이다. 이온이 액간 접촉경계를 자유롭게 이동하기 때문에, 전해질이 이온X에 대한 비교적 큰 저장소이어서 전해질 내에서의 이온농도가 기준전극이 사용되고 있는 동안에 일정하게 유지되도록 하는 경우에만 이온 X농도의 안정성이 유지될 수 있다.

종전 기술에 의한 마이크로-기준전극은 대개 1½인치 직경과 수인치 길이의 관형 슬리브내에 담긴 농축된 염화칼륨 용액(또는 다른 동등물)내로 담겨져 염화은으로 코팅된 실버 도선(silver wire)으로 되어 있다. 전해물 저장소의 체적은 수 ㎤이다.

전형적인 동작 배치에서 동작 및 기준전극은 다음에 예를 들어 측정되어질 이온의 공지된 농도를 담고 있는 혈액샘플 및 반응물에 노출된다. 샘플과 반응물에 응답하여 기준전극과 동작전극 사이의 전위차를 비교하므로서, 정확히 눈금이 정해진 크기가 혈액내 이온의 농도를 위해 결정될 수 있다.

예를 들어, 혈액 화학 실험실 등에서의 혈액분석 작업을 위해 여러 처리에서 유용한 기준전극을 제공하기 위해, 경제적으로 이용할수 있도록 값싸고,작은 샘플과도 사용할 수 있도록 하기 위해 작아야 하며, 오랜저장이 가능한 전극을 제공함이 바람직하다. 가장 최근의 전극이 친수성 또는 수성 기준전해질을 사용하였다는 사실은 오랜 저장이 가능함을 달성하기 특히 어렵도록 한다. 대표적인 친수성 전해질은 이온의 운반을 허용시키기 위해 수화 겔 또는 그와 유사한 것들이었다. 이같은 습윤한( wet)전해질을 적하하고 저장시킴은 비교적 복잡한 패키징 및 저장문제를 포함한다. 선택에 따라서는 이때의 겔이 건조시키어 적하될 수 있으며 사용하기 전에 수화될 수도 있으나, 이는 특히 이같은 건조전극의 크기 때문에 또다른 작업문제를 발생시킬 수 있으며, 사용하기 위해 이들을 바르게 수화시키는데 드는 시간은 이들의 유용도를 크게 떨어뜨릴 것이다.

또다른 어려운 점은 종전 기술에 따른 기준전극의 실제 크기이다. 따라서 본 발명의 목적은 건조상태로 적하될 수 있으며, 따라서 오랜 저장이 가능하고 그러나 사용하기 위해 신속하게 적셔질 수 있으므로해서 사용자에게 최대의 편리함을 제공하는 기준전극 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 극소형 장치 및 다른 요구적용과 관련하여 사용하기 위해 용이하게 극소형화될 수 있도록 전자회로 제작기술을 사용하여 제작될 수 있는 센서(sensor)를 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기준전극 어셈블리는 이온 X로 전환 가능한 전극물질로 코팅된 금속성 부재와 전극위에 형성된 이온 X 를 포함하는 전해질층을 포함한다. 전형적으로 전해질은 친수성 겔을 포함한다. 전극주변을 지나 확산되어 있는 일부 전해질은 H₂0분자는 투과 가능하나 이온 X는 투과하지 못하는 박막에 의해 입혀진다. 이같은 박막은 예를 들어 염화 폴리비닐(PVC)또는 폴리테트라프로로에틸렌(PTFE) 플라스틱, 또는 실리콘 고무로 형성될 수 있다. 이같은 투과가능 박막 아래에 있는 전해질층의 두께는 비교적 얇으며, 따라서 박막과 전극이 그 위에 형성되는 한 기질 사이의 전해질을 가로지르는 거리는 비교적 짧다. 일부의 전해질이 투과가능 박막을 통해 확포되어 있으며, 그렇지 않으면 전극으로부터 비교적 먼 거리에서 용액과의 액간 접촉을 형성할 수 있도록 된다. 따라서 이온은 액간접촉과 전극사이의 전해액을 통해 비교적 긴 길이를 따라 확산된다. 이는 이온확산을 위해 긴 시간상수를 제공하며, 전해액은 비교적 신속하게 적셔질 수 있다.(wet-up), 결과적으로써, 전해질이 적셔진 후, 이온확산이 전극 가까이에서 이온농도에 영향을 미치기 이전에는 일시간 간격이 있으며 그동안 전극에서의 전위는 완전히 일정하여 진다. 이같은 시간간격은 동작 전극이 시험용액내 이온농도를 잘 측정하기에 충분하다.

본 발명의 한 특징에 따라, 한 화학종(chemical species)으로 전환가능한 재료의 한 바깥측 층을 포함하며 한 기질상에 배치되어 있는 한 전극, 상기 기질과 접촉하고 있지 않은 상기 전극의 모든 부분을 피복하며 상기 전극의 주변을 지나 뻗어 있는 전해질 재료의 제 1층, 그리고 상기 전극의 주변을 지나 상기 전해질 층의 한 부분으로 뻗어 있으며 상기 화학종은 투과불가하고 물은 투과 가능한 박막재료의 제2층을 포함하며, 상기 전극이 수용액과 접촉하는 때 전극위의 전극 주변을 지나 뻗어 있는 전해질 제 1표면부가 수용액에 노출되어 지며, 그러나 상기 이온종류(ionic species)에 대하여서는 밀봉되고, 그리고 액간 접촉이 전해질의 나머지 제 2표면부에서 형성되며, 그리고 상기 전해질 재료의 노출된 제 2표면부와 전극사이의 전해질 거리가 투과불가한 층과 기질사이 전해질내 거리보다 큰 기준전극 어셈블리가 제공된다.

본 발명의 다른 한 특징에 따라, 상기 전극이 얇은 박막 제조기술에 의해 형성되고, 상기 전극이 상기 기질에 대하여 편평하며, 상기 전극이 상기 기질과 접촉하고 있는 한 금속부분, 그리고 염, 합금 또는 한 이온 X로 전환 가능한 금속화합물의 위에 덮힌 바깥측층을 포함하고, 이온 X가 Cℓ이고, 금속부분이 Ag이며, 위에 덮힌 바깥측층이 AgCℓ일 수 있으며, 상기 전해질이 그 속에 확산된 KCℓ을 갖는 재료일 수 있는 기준전극 어셈블 리가 제공된다.

본 발명의 또다른 한 특징에 따라, 기준전극 어셈블리를 제작하고, 상기 어셈블 리가 기질상의 한 전극을 포함하며, 상기 전극이 건조한 전해질(dry electrolyte)에 의해 에워싸여 있고, 전극위 전극주변을 지나 뻗어 있는 전해질 일부분이 물은 투과 가능하되, 상기 용액내에 또는 농도가 상기 전극에서 인가되는 전위에 영향을 미치는 전해질내에 존해하는 어떤 화학종도 투과 불가한 재료의층에 의해 피복되고, 상기 재료층으로부터 상기 기질까지의 전해질내 거리가 노출된 부분으로부터 전극까지의 전해질내 거리보다 짧도록 노출되며, 동작전극과 기준전극 어셈블리를 함께 모으고, 상기 전극을 전압을 측정하기 위한 수단에 언결시키고, 상기 기준전극 어셈블리와 상기 동작전극을 농도가 측정 되어질 화학종을 담고 있는 수용액과 접촉하여지도록 하고, 이에 의해서 전해질의 노출된 부분과 전극 사이의 이동결과로 전해질내 농도가 변하기 전에 전해질이 신속하게 적셔지도록 하며, 상기 기준전극 및 동작전극 사이의 전위차를 모니터하고 상기 화학종의 정해진 농도를 갖는 반응물에 노출시키므로써 상기 어셈블리의 눈금을 조정하는 단계를 포함하는 수용액내에 있는 한 화학종의 농도에 응답하는 한 신호를 측정하기 위한 방법이 제공된다.

하기에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도는 종전 기술에서 사용되는 바와 같은 종래 동작전극/기준전극 어셈블리 결합을 도시한다. 동작전극(10)은 기질(12)위에 형성되며 덮개층(13)으로 피복된다. 덮개층(13)은 동작전극이 측정되어질 내용들에 특정되도록 만드는 일련의 박막이다. 동작전극은 그 적용에 따라 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 이는 은과 같은 금속으로 만들어질 수도 있으며, 전해질, 이온에 민감한 박막, 효소층, 또는 이와 유사한 것들의 덮개층을 갖는 금속으로 구성된 보다 복잡한 구조를 포함할 수 있다.

기준전극(14) 또한 기질(12)상에 형성된다. 기준전극(14)은 전해질 층(20)으로 피복된 한 층(18)으로 쌓인 금속성 부재를 포함한다.

층(18)은 이온X로 전환가능한 재료, 즉 층과 전해질 사이의 열역학적인 평행상태를 유지시키기 위해 층과 전해질 사이에서 신속한 이온 X교환이 가능한 재료로 만들어지며, 결국 이온 X의 일정한 농도에서 일정한 전기적 전위차를 초래케 한다.

층(18)을 위한 전형적인 재료는 이온 X를 포함하는 염(예를 들어 합금 또는 화합물)을 포함한다. 하기에서 염(salt) 층에 대한 언급은 곧 전환가능 재료층에 대한 언급인 것으로 이해되어야 한다. 전해질(20)은 전형적으로 고체용액 내에 염을 갖는 겔과 같은 친수성 바인더(binder) 를 포함한다. 이같은 고체용액내 염중 한 이온은 염층(18)의 염과 공통이 될 수 있다. 설명하기 좋게 금속성 부재는 은이고 층(18)은 염화 은이며, 전해질은 염화칼륨을 포함하는 겔이다.

동작시 전해질(20)은 화학적 농도가 동작 전극에 의해 측정되어질 수용액(22)으로부터 물분자가 침투된다. 즉, 전해질(20)이 수용액내 이온종류뿐 아니라 물분자의 확산을 허용하도록 선택되나, 전해질(20)은 대류, 즉 액체 수용액의 전해질을 통과하는 흐름은 허용하지 않는다. 전해질 내에 존재하는 이온종류는 전해질을 통해 수용액내로 확산될 것이다. 전해질(20)과 용액(22) 사이의 접합(24)은 액간접촉(liquid junction

)으로 인용된다.

상기에서 설명된 바와 같이 동작전극(10)과 기준전극(14)은 함께 전지를 구성시킨다. 이들 사이의 전위(볼트미터(26)에 의해 개략적으로 표시된 바와 같이 측정된 때)는 용액(22)내에서 측정되어질 이온종류의 농도크기를 유도해 내도록 사용될 수 있다.

기준전극 어셈블리내 전해질(20)의 체적이 비교적 크다는 것은 제1도에서 알 수 있다. 이는 전해질내 농도가 용액(22)에서의 농도와 평행을 이루고자함에 따라 전해질을 통한 확산의 결과로서 전해질내 이온 농도 변화가 발생하는데 얼마간의 시간이 소요되는 것을 보장케 하기 위함이다. 이와 같이 하므로서, 기준전극(14)과 동작전극(10)사이의 전위차가 일정시간동안 일정하게 유지될 것이고, 용액(22)에서 이온농도에 대한 측정이 가능해지게 한다.

그러나, 전해질의 체적이 비교적 커야하고 그것이 적셔져야 할 필요조건은 그 사용에 상당히 중요한 제한을 가하게 된다. 예를 들어, 만약 전극이 건조상태로 적화될 것이고 수용액 또는 염용액내에 잠금시키므로써 사용하기 전에 적셔져야 한다면, 필요한 시간은 이온 확산처리의 시간상수와 같은 크기이며, 이때의 이온 확산 처리는 전극의 편리한 사용에 방해가 된다. 반면, 만약 전극이 적셔진 채로 적하되었다면 이들은 적셔진 채로 저장되어야 하며, 이는 역시 서투르고 편리하지 않다. 종전 기술의 가르침에 따르면 전해질(20)의 체적을 단순히 줄여서 보다 신속하게 적셔지도록 (set-up)하는 것도 가능하지 않은데, 이는 전해질내 이온농도가 시험중인 용액(22)에서의 이온농도와 평행상태에 도달하기 위해 필요한 시간을 줄일 것이고 따라서 그 측정자체가 불가능하거나 어렵게 할 것이다.

본 발명은 편리와 오랜 저장기간을 위해 건조상태로 적하되고 저장될 수 있는 기준전극 어셈블리를 제공하며, 이같은 기준전극 어셈블리가 오랜 이온확산 시간상수를 제공하지만, 신속하게 적셔질 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 기준전극 어셈블리의 한 바람직한 실시예가 제2도에 도시되어 있다. 동작전극(10)과 기준전극 어셈블리(38)가 제1도의 종전 기술에 따른 전극에서 처럼 기질(12)위에 형성된다. 동작전극(10)과 기준전극(14)의재료, 즉 금속층(16)과 위에 덮힌 염층(18)은 제1도에서의 재료와 같으며, 물론 볼트미터(26)으로의 이들의 연결 역시 같다. 전해질 층(30)의 재료 역시 제1도의 전해질 층(20)의 재료와 같을 수 있다. 제1도의 경우에서 처럼, 제2도의 층(18)은 그 층과 전해질 층(30)사이의 이온 X의 신속한 교환이 가능한 재료로 만들어진다.

본 발명에 따라, 층(16)(18)을 지나 뻗어 있는 일부 전해질층 제1부분(30a)은 박막(32)에 의해 덮여져 있다. 박막(32)은 물(H₂O)분자에 대해서는 선택적으로 투과 가능하며 이온 X에 대해서는 투과 불가하고, 일반적으로 전해질(30)에 존재하거나 기준전극이 사용되어질 전극(14)에 인가된 전위에 영향을 줄 수 있는 용액내에 존재하는 어떤 이온도 투과불가한 재료로 이루어진다. 박막(32)은 PVC 또는 PTFE 플라스틱 재로나 실리콘 고무로 만들어진다. 층(16)(18)로부터는 떨어져 있는 전해질 제2부분(30b)은 도시된 바와 같이, 용액(22)에 직접 노출된다. 따라서 액간 접촉(34)은 용액(22)과 전해질(30) 제2부분(30b) 사이에서 형성된다.

실제에서, 제2도에서 도시된 전극 어셈블리는 건조상태로 적하되어 전해질이 이온확산을 지탱하기에는 불충분한 양의 수분을 함유하게 된다. 이같은 어셈블리는 안정되어 있으며 오랜 보장기간을 갖는다. 어셈블리가 수용액(22)과 접촉하는때 각각의 물분자가 선택적으로 투과가능한 박막(32)을 침투하며 전해질을 적시고는 물분자와 이온 X가 액간 접촉을 한다. 전해질층(30)이 그 길이와 비교할 때 비교적 얇기 때문에 전해질(30)은 비교적 신속하게 적셔진다. 동시에, 전해질과 수용액 모두에 존재하는 이온종류가 액간 접촉을 가로질러 확산되기 시작하며, 전해질 중 노출된 부분(30b)으로부터 제2도 도면의 좌측으로 기본적으로 일정한 속도로 이동하는 이들 이온종류의 농도에 변화가 있게 된다. 물 분자가 층내 상부에서 하부로의 훨씬 짧은 길이를 통해 전해질 층을 적시기 때문에, 전해질은 용액(22)으로부터 이온확산이 전극층(16) (18)부근에 도달할 시간 이전에 완전히 적셔진다. 그 결과로 전해질이 완전히 적셔지는 시간과 액간 접촉을 가로지르는 이온의 확산 때문에 전극에 인접한 전해질 영역에서 이온의 농도변화(따라서 전극전위 변화)가 나타나기 시작하는 시간 사이에는 상당한 시간 지연이 있게된다. (제4도 도면의 전위변화에서 잘나타남). 이같은 시간지연중에 전기적 연속도는 액간 접촉을 가로질러 이온전송에 의해 제공되나, 이온농도의 변화가 전극에는 도달하지 않을 것이므로 전극전위는 일정하게 유지된다. 그 결과로 동작전극과 기준전극 사이의 전위차를 극정하므로서 이온농도에 대해 정확한 측정이 가능해진다.

제2도 기준전극의 이같은 수행이 시간에 대한 전압관계의 제4도 도면에서 설명된다. 여기서 도시된 바와 같이 0 으로부터 a까지의 시간에서 기준전극이 적셔지며 전압은 신속하게 변화한다. a-b기간에서는 시간b에서 전극에 인접한 이온농도가 변화하기 시작할 때까지 일정하게 유지된다. 실제에서, 기간 a-b는 본 발명의 기준전극의 경우 1분 또는 그 이상 이도록 만들어질 수 있으며 이는 동작전극이 필요한 측정을 하기에 적절한 시간을 허용한다.

분 기술분야에서 숙련된 자라면 도시된 기준전극 구조가 다수의 각기 다른 적용에서 그리고 다수의 각기 다른 실험적 배치에서 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 전극 어셈블리의 특정 사용방법에 대한 명세는 본 발명을 제한하는 것으로 고려되지 않아야 한다.

제3.1도에서 3.5도는 제2도에서 도시된 기준전극 어셈블리의 형성에서의 전형적인 단계들을 명세한다. 제3.1도에서, 동작전극(10), 덮개층(13), 금속층(16), 피복염 층(18) 및 본을 따라 만들어진 감광성 내식막 영역(40)(42)은 기질(12)상에 용착되었다. 이같은 감광성 내식막은 나중에 사용된 네가티브 내식막(negative resist)과 구별짓기 위해 포지티브 내식막(positive resist)인 것으로 언급된다. 기본적으로 두 내식막은 분리하여 제거 가능할 필요가 있다.

제 3.2도에서는 제3.1도의 전 어셈블리 위에 용착되어진 전해질제(30)가 도시된다. 본 기술분야에 숙련된 자라면 많은 수의 기준전극과 동작전극을 갖는 한 기질의 전 표면위에 주조 또는 그와 유사한 방법에 의해 중합체 겔 또는 다른 금속성 전해질 재료가 용이하게 용착될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그러나 이같은 전해질 재료의 본을 따라 만들어진 층은 통상적인 마이크로회로 제작기술을 사용하여 형설될 수는 없다. 즉 이들은 스퍼터링(sputtering), 증기용각(Vapor disposition) 또는 금속층을 용착시키기 위해 사용된 다른 기술을 사용해서는 형성될 수 없다. 본 발명에 따라 이같은 곤람함도 피하여진다.

제3.3도에서는 본 발명 장치 제작의 다음 단계가 도시되며, 포지티브 내식막(42)으로부터 분리 제거될 수 있는 네가티브 내식막 재료의 패턴(46)이 본 발명에 따른 기준 전극 어셈블리(38)의 일부로서 보유하여지게 될 면적위에 용착된다. 즉, 네가티브 내식막 재료는 전해질(30)이 완성된 제품에 나타나게 되는 면적위로 패턴(46)을 남기면서 용착되고, 노출되며 그리고 전개된다.

제3.4도에서는, 여러 다음 단계의 결과가 도시된다. 이들은 노출된 전해질을 제거하기 위한 플라즈마 에칭 또는 다른 단계를 포함하며, 제3.3도의 네가티브 내식막 패턴(46) 아래에 배치된 부분을 뒤에 남긴다. 다음에 포지티브 및 네가티브 내식막이 제거되며, 기준전극(14)이 전해질(30)에 의해 덮혀 있는 제 3.4도에서 도시된 전극구조를 뒤에 남긴다.

마지막으로, 제3.5도는 박막(32)이 전해질(30)위로 추가되는 마지막 단계의 결과를 도시하며, 도시된 바와 같이 노출된 전해질의 한 부분(30b)을 남긴다. 언급된 바와 같이, 박막(32)은 PVC 또는 PTFE 플라스틱 또는 실리콘 고무로 형성될 수 있다. 다른 적절한 재료가 본 발명 기술분야에 숙련된 자에게 확연할 것이다. 본 발명의 또다른 실시예에셔, 박막(32)이전 전해질(30)에 걸쳐 확장될 수 있으며, 물뿐 아니라 이온의 통과를 허용케 하는 크기의 구멍이 예를 들어 기준전극(14)의 주변을 지나 배치된 전해질 부분(30b)을 피복하는 박막(32) 부분에서 레이저 천공에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예에서, 전해질(30)은 한단부(30a)가 전극(14)위에 있고 다른 한 단부(30b)는 용액에 노출되는 구불구불한 라인 또는 나선의 형태로 본 모양(패턴)이 만들어진다. 투과가능 박막(32)은 (30b)에서는 제외하고는 구불구불한 선 전체를 덮는다. 따라서 층(30) 측면에서의 이온확산 거리는 매우 크게 만들어질 수 있다.

앞선 설명에 비추어, 동작전극/기준전극 어셈블리의 다른 제작방법이 본 기술분야에 숙련된 자에게 확연할 것이다.

본 발명의 여러 바람직한 실시예가 도시되고 설명되어 왔으나, 본 발명 기술분야에 숙련된 자라면 다른 실시예가 또한 가능함을 이해할 것이다. 각 경우에서, 본 발명의 중요한 면은 염 층에 의해 피복된 금속으로 되어 있는 기준전극을 사용하기 이전에 건조한 전해질에 의해 피복된다는 것이다. 기준전극에 도달하기 위해 전해질을 통해 확산되기 위한 물분자의 경로가 제공되며, 이는 이온농도 변화가 기준전국에 도달할 수 있는 어느 경로보다도 짧다. 이와 같이 하므로서 전극 가까이에서의 전해질은 이온농도의 변화가 전극에 도달하는 것보다 빠르게 적셔진다.(wets-up).

본 발명 기술분야에 숙련된 자라면 본 발명의 기준전극 어셈블 리가 전위차 표시 또는 단순히 동작 전극등으로 표현되는 다양한 추가의 전극과 협력하여 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 이들은 실제로 이온-선택적(ion-selective)인 전극을 포함할 수도 있다. 본 발명의 기준전극은 다른 형태의 구조 또는 소자와 관련하여 사용될 수도 있을 것이다.

Claims (14)

1. 한 화학종(chemical species)으로 전환가능한 재료의 한 바깥측 층을 포함하며 한 기질(12)상에 배치되어 있는 한 전극, 상기 기질과 접촉하고 있지 않은 상기 전극의 모든 부분을 피복하며 상기 전극의 주변을 지나 뻗어 있는 전해질 재료의 제 1층(30), 그리고 상기 전극의 주변을 지나 상기 전해질 층의 한 부분으로 뻗어 있으며 상기 화학종은 투과불가하고 물은 투과 가능한 박막 재료의 제2층(32)을 포함하며, 상기 전극이 수용액과 접촉하는 때 전극위의 전극 주변을 지나 뻗어 있는 전해질 제1표면부(30a)가 수용액에 노출되어 지며, 그러나 상기 이온종류(ionic species)에 대하여서는 밀봉되고, 그러나 액간 접촉이 전해질의 나머지 제2표면부(30b)에서 형성되며, 그리고 상기 전해질 재료의 노출된 제2표면부와 전극사이의 전해질 거리가 투과불가한 층과 기질사이 전해질내 거리보다 길어짐을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
2. 제1항에 있어서, 상기 전극이 얇은 박막 제조기술에 의해 형성됨을 특징으로 하는 기준전극.
3. 제1항에 있어서, 상기 전극이 상기 기질에 대하여 편평함을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
4. 제1항에 있어서, 상기 전극이 상기 기질과 접촉하고 있는 한 금속부분 그리고 염, 합금 또는 한 이온X로 전환 가능한 금속화합물의 위에 덮힌 바깥측층을 포함함을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
5. 제3항에 있어서, 이온 X가 Cℓ이고, 금속부분이 Ag이며, 위에 덮힌 바깥층이 AgCℓ임을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
6. 제4항에 있어서, 상기 전해질이 그 속에 확산된 KCℓ을 갖는 재료임을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
7. 제1항에 있어서, 상기 제 2층이 PVC, PTFE 또는 실리콘 고무재료로 형성됨을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
8. 제1항에 있어서, 기준전극이 한 동작전극과 협력함을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
9. 제7항에 있어서, 상기 기준 및 측정전극이 한 공통기질상에 형성됨을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
10. 제8항에 있어서, 상기 전극이 얇은 박막제조 기술을 사용하여 형성됨을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
11. 한 화학종으로 전환가능한 재료의 한 바깥측 층을 포함하며, 한 기질상에 배치되어 있는 한 전극, 상기 기질과 접촉하고 있지 않은 상기 전극의 모든 부분을 피복하며 그 전극의 주변을 지나 뻗어 있는 전해질 재료의 제1층, 그리고 물은 투과 가능하나, 상기 전해질 재료내에 존재하는 어떠한 화학종도 또는 기준전극이 사용되며, 용액내에서 사용되며 그 농도가 전극에 인가된 전위에 영향을 미치는 한 용액내에 존재하는 어떤 화학종도 투과불가한 재료로 만들어지며, 상기 전극의 주변을 지나 연장된 전해질의 일부분 위로 뻗어 있는 제2층을 포함하며, 상기 전극이 수용액과 접촉하는 때 전극위의 전극주변을 지나 뻗어있는 전해질 제 1표면부가 수용액에 노출되어지나, 상기 이온종류에 대하여서는 밀봉되고, 그리고 액간 접촉이 전해질의 제2표면부에서 형성되며, 그리고 상기 전해질 재료표면의 노출된 제2표면부와 전극사이의 전해질내 거리가 투과 불가한 층과 기질 사이 전해질내 거리보다 길어짐을 특징으로 하는 기준전극 어셈블리.
12. 수용액내에 있는 한 이온종(화학종) 의 농도에 응답하는 한 신호를 측정하기 위한 방법에 있어서, 기준전극 어셈블리를 제작하고, 상기 어셈블리가 기질상의 한 전극을 포함하며, 상기 전극이 건조한 전해질(dry electrolyte) 에 의해 에워싸여 있고, 전극위 전극주변을 지나 뻗어 있는 전해질 일부분이 물은 투과 가능하되, 상기 용액내에 또는 농도가 상기 전극에서 인가되는 전위에 영향을 미치는 전해질내에 존재하는 어떤 화학종도 투과 불가한 재료의 층에 의해 피복되고, 상기 재료층으로부터 상기 기질까지의 전해질내 거리가 전해질의 노출된 부분으로부터 전극까지의 전해질내 거리보다 짧도록 노출되며, 동작전극과 어셈블리를 함께 모으고, 상기 전극을 전압을 측정하기 위한 수단에 연결시키고, 상기 기준전극 어셈블리와 상기 동작전극을 농도가 측정 되어질 화학종을 담고 있는 수용액과 접촉하여지도록 하고, 이에 의해서 전해질의 노출된 수분과 전극 사이의 이동결과로 전해질내 농도가 변하기 전에 전해질이 신속하게 적셔지도록 하며, 그리고 상기 기준전극 및 동작전극 사이의 전위차를 모니터하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 화학종의 정해진 농도를 갖는 반응물에 노출시키므로써 상기 어셈블리의 눈금을 조정하는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 방법.
14. 일정 기질상에 기준전극을 위한 한 전도체와 한 동작전극을 형성하는 층을 용착시키고, 전도체위에 한 화학종으로 전환가능한 재료의 층을 형성시키며, 따라서 기준전극을 형성시키고, 상기 기준전극위로 건조한 전해질 층을 용착시키고, 그리고 상기 전해질 층 위에서 물은 투과 가능하며 상기 화학종으로 전극이 전환 가능한 화학종은 투좌 불가한 재료의 한 층을 형성시키어 전극의 주변너머로 뻗어 있는 전해질 층의 일부는 상기 재료층에 의해 피복되지 않도록 하는 단계를 포함하고, 상기 기준전극을 덮고있는 재료의 층과 상기 기질사이의 전해질 거리가 상기 재료층에 의해 피복되지 않은 전해질 부분의 표면과 상기 기준전극 사이의 전해질 거리보다 짧음을 특징으로 하는 동작전극과 기준전극 어셈블리의 제조방법.

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