JP2943281B2 - 小型酸素電極とその製造方法 - Google Patents

小型酸素電極とその製造方法

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JP2943281B2 JP2217863A JP21786390A JP2943281B2 JP 2943281 B2 JP2943281 B2 JP 2943281B2 JP 2217863 A JP2217863 A JP 2217863A JP 21786390 A JP21786390 A JP 21786390A JP 2943281 B2 JP2943281 B2 JP 2943281B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 小型酸素電極に関し、 信頼性を向上することを目的とし、 半導体基板上に異方性エッチングにより形成された穴
と、該穴を含む感応部領域上に絶縁膜を介して形成され
た陽極と陰極の電極と、該穴を含む感応部領域上に充填
された電解質含有体と、該電解質含有体を覆う酸素透過
膜とを有する酸素電極素子と、筒状の筐体とを有し、該
筒状の筐体は、該酸素電極素子を収納するものであっ
て、該感応部領域以外が外部環境に曝されないように充
填された樹脂で固定するものであるように小型酸素電極
を構成し、半導体基板上に異方性エッチングにより形成
された穴と、該穴を含む感応部領域上に絶縁膜を介して
形成された陽極用の電極と陰極用の電極と、該穴を含む
感応部領域上に充填された電解質含有体と、該電解質含
有体を覆う酸素透過膜とからなる酸素電極素子を有する
小型酸素電極の製造方法において、該酸素電極素子を筒
状の筐体に収容し、該筐体内に樹脂を充填して、該感応
部以外が外部環境に曝されないように、該酸素電極素子
を固定する工程を含むように小型酸素電極の製造方法を
構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は信頼性を向上した小型酸素電極に関する。
小形酸素電極は溶存酸素濃度の測定に用いられてい
る。
例えば、水質保全の見地から水中の生化学的酸素供給
量(Biological Oxygen Demand 略称BOD)の測定が行わ
れているが、この溶存酸素濃度の測定には酸素電極が使
用されている。
また、醗酵工業において、効率よくアルコール醗酵を
進めるためには、醗酵槽中の溶存酸素濃度の調整が必要
であり、この測定に酸素電極が使われ、また、グルコー
スやアミノ酸の測定には酸素電極のガス透過膜の上に酵
素を固定した酵素電極が使用されている。
また、臨床医療の分野において、酸素電極や酵素電極
をカテーテル(Katheter)に装着し、体内に挿入して使
用されている。
このように酸素電極は環境計測,醗酵工業,臨床医療
など各種の分野に使用されている。
〔従来の技術〕
従来の酸素電極や酵素電極はガラスや高分子化合物か
らなり、先端が開口した円筒状のセルの中に陽極と陰極
を設け、また、このセルの中に電解液を充填すると共
に、先端の開口部に酸素透過膜を設けて酸素電極が形成
されている。
また酵素電極の場合は更にこの酸素透過膜の上に酵素
を固定して形成されている。
然し、このような構造をとる限り、小形化には限度が
あり、また量産も困難であった。
そこで、この問題を解決するため、発明者等はシリコ
ン(Si)基板を用い、異方性エッチングを行って多数の
穴をパターン精度よく開けた後、写真蝕刻技術(フォト
リソグラフィ)を用いて二つの電極を形成し、この穴の
中に電解液含有体を収容し、最後に穴の上面をガス透過
膜で覆った新しいタイプの小型酸素電極を提案してい
る。
(特開昭63−238548) この酸素電極は小型で特性の変動が少なく、また量産
に適している。
そして、電解液含有体としてはアガロースゲル(寒
天)を使用していた。
然し、アガロースゲルの場合はSi基板上の微小な穴の
中にマイクロピペットを用いて1回ずつ繰り返し注入し
なければならないと云う煩わしさがあった。
そこで、発明者等はポリアクリルアミドゲルを用い、
Si基板上に設けた多くの微***の中にのみ一括してゲル
を注入する方法を見出し出願を行っている。(特開昭63
−311158) また、アルギン酸カルシウムゲルを用いるものについ
ても同様に出願を行っている。
(特開平2−27254) また、高分子電解質であるポリビニル−4−エチルピ
リジウムブロマイド(略称PVEP)を電解液として用いる
ものについても出願している。
(特開平1−61531) 第2図は発明者らが提案している小型酸素電極素子の
断面図である。
また、第1図は本発明に係る筐体に格納された小型酸
素電極の斜視図であるが、酸素電極素子については変わ
るところはない。
いま、電解液としてPVEPを用いる小型酸素電極素子に
ついて構造と製造プロセスを説明すると次のようにな
る。
(100)面を基板面とするSi基板1に写真蝕刻技術
(フォトリソグラフィ)を用いて陽極電極形成部に異方
性エッチングを行い、バスタブ型の穴2を開けた後、Si
基板1を熱酸化して全面に亙ってSi酸化膜3を形成す
る。
次に、バスタブ型の穴2の開いたSi基板1の上にポー
ラロ型の酸素電極素子を作る場合には金(Au)または白
金(Pt)を蒸着し、写真蝕刻技術を用いて陽極パターン
4と陰極パターン5とを形成するが、陽極パターンの先
端にある二つの陽極6は穴2の底も含んで形成されてい
る。
また、陰極7は二つの穴2の間の基板上に形成されて
いる。
この二つの陽極6と陰極7を含む矩形の領域が感応部
領域である。
次に、この感応部領域と陽極6と陰極7の外部接続を
行うパッド8,9の部分を除いてレジスト10を被覆する。
次に、二つの穴2がある感応部領域に高分子電解質
(PVEP)を充填した後、この上にレジストとシリコーン
ゴムからなる二層構造の酸素透過膜13を被覆することで
小型酸素電極が構成されている。
かゝる小型酸素電極は従来の水分を含んだゲルの代わ
りにPVEPのような高分子電解質を使用することにより保
存安定性が向上し、また、酸素透過膜を二層構造とする
ことにより強度が向上し、水の浸透をなくすることがで
きた。
然し、使用を続けた結果、次の点が明らかになった。
小型酸素電極に応力が加わった場合に壊れやすい。
酸素濃度を測定する液の流れ方向により値が変動す
る。
などの問題があり、改良が必要であった。
〔発明が解決しようとする課題〕
発明者等が提案している小型酸素電極は従来の酸素電
極に較べると大幅に小型化されており、また、特性も向
上しているが、機械的な強度が弱く、また測定する流れ
の向きにより測定値が異なるなどの問題があり、解決が
必要であった。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題は、半導体基板(Si基板)に異方性エッチ
ングにより形成された穴と、該穴を含む感応部領域上に
絶縁膜を介して形成された陽極と陰極の電極と、該穴を
含む感応部領域上に充填された電解質含有体(高分子電
解質)と、該電解質含有体を覆う酸素透過膜とを有する
酸素電極素子と、筒状の筐体とを有し、該筒状の筐体
は、該酸素電極素子を収納するものであって、該感応部
領域以外が外部環境に曝されないように充填された樹脂
で固定するものであるように構成された小型酸素電極
と、および、 該小型酸素電極の製造方法において、該酸素電極素子
を筒状の筐体に収容し、該筐体内に樹脂を充填して、該
感応部以外が外部環境に曝されないように、該酸素電極
素子を固定する工程を含むように構成された小型酸素電
極の製造方法とによって解決することができる。
〔作用〕
本発明は従来の小型酸素電極素子を円筒状の筐体に収
納し、感応部領域のみを露出させるものである。
すなわち、Si基板を収納できる円筒状の筐体に入れ、
合成樹脂を用いて固定するもので、これにより機械的強
度が向上することは勿論、電気的特性が安定化し、また
流れの向きによる影響を無くすることができる。
〔実施例〕
実施例1:(小型酸素電極の製造例) 第1図は本発明を実施した小型酸素電極の斜視図であ
り、第3図(A)〜(C)は小型酸素電極素子の製造工
程を示す断面図である。
先ず、(100)面を基板面とし、厚さが350μmで直径
が2インチのSi基板1を過酸化水素(H2O2)とアンモニ
ア(NH3)の混合溶液と濃硝酸(HNO3)で洗浄した後、
このSi基板1を水蒸気の存在のもとで約1000℃でウエッ
ト酸化し、Si基板1の全面に厚さが約0.8μmのSiO2
らなる酸化膜を形成する。
次に、粘度が約60cPのネガ型レジスト(東京応化製,O
MR−83)をSi基板1の表裏にスピンコートしてレジスト
膜を形成した後、表面のレジスト膜に投影露光を行い、
穴形成部を窓開けする。
次に、50%弗酸(HF):40%弗化アンモン(NH4F)=
1:6の水溶液にSi基板1を浸漬し、露出部の酸化膜を除
いた後、引き続いて硫酸(H2SO4):H2O2=2:1溶液を用
いてレジストを除去する。次に、液温が80℃で濃度が35
%の水酸化カリウム(KOH)水溶液に浸漬して異方性エ
ッチングを行い、深さ300μmまでエッチングして穴2
を形成した後、Si基板1を純水でよく洗浄する。
その後、エッチング時に使用したSiO2膜を先と同じ50
%HF:40%NH4F=1:6の水溶液を用いて除去した後、再び
ウエット酸化を行って膜厚0.8μmのSiO2よりなるSi酸
化膜3を形成する。
次に、このSi基板1の上に真空蒸着法でクローム(C
r)を400Åと金(Au)を4000Åを形成した後、先と同じ
ネガ型レジスト(OMR−83)を使用して電極形成用のレ
ジストパターンを形成した後、Au膜は沃化カリ(KI)4g
と沃度(I2)1gを40mlの水に溶した液で、またCr膜は苛
性ソーダ0.5gとフェリシアン化カリ〔K3Fe(CN)6〕を4
mlの水に溶した液を用いてエッチングし、陽極パターン
4と陰極パターン5とを形成する。
こゝで、陽極パターン4の先端に設けた陽極6と陰極
パターン5の先端に設けた陰極7を含む矩形部分が感応
部である。(以上第3図A) 次に、Si基板1の上で穴2を含む感応部と、電極引き
出しを行うパッドを除くSi基板1の上をネガ型レジスト
(OMR−83)で覆ってレジスト膜10を形成した後、濃度
1モルのNaOH溶液に浸漬してレジストで覆われていない
感応部を親水性にする。
(以上同図B) 次に、高分子電解質であるPVEPを水に溶かし、これを
細い棒の先に付けて感応部に塗布した後、120℃で10分
間ベーキングして電解質中の水分を除去した。
次に、この電解質を覆うようにして酸素透過膜13を被
覆する。
この酸素透過膜13はネガ型フォトレジスト(OMR−8
3)とシリコーンゴム(品名KE−347T,信越シリコーン
(株))をスピンコートして二層膜とした。
(以上同図C) 次に、完成した小型酸素電極素子のパッド8,9に直径
が50μmのAl製のリード線をボンディングした後、Si基
板1よりも少し内径の太いステンレス製の楕円筒状の筐
体14に入れ、パッド8,9の側からシリコーンワニス(品
名ES−1001,信越シリコーン(株))を感応部を残して
流し込み、150℃で1時間ベーキングした。(以上第1
図) 比較例1: 実施例1のようにして形成した本発明に係る小型酸素
電極について、従来構造のむき出しの小型酸素電極と飽
和溶存O2に対する電流の安定性を比較した。
第4図は自記記録計に現れた電流変化を示すもので、
10mM(mol/l)の燐酸(H3PO4)緩衝液について、飽和溶
存O2の状態では両者の出力電流の時間経過を示すもの
で、電流の絶対値は等しいものゝ、従来構造の小型酸素
電極ではノイズが含まれていて変動している。
次に、この状態で測定溶液に亜硫酸ソーダ(Na2SO4
液を滴下して溶存O2を無くすると、本発明に係る小型酸
素電極では電流は急激に減少して0となるが、従来構造
のものは図に示すように多くのノイズを含みながら徐々
に0に減少してゆく。
このように、本発明を適用した小型酸素電極は特性的
に安定している。
比較例2: 10mM(mol/l)の燐酸(H3PO4)緩衝液について、飽和
溶存O2の状態で10cm/秒の流速で緩衝液を流した状態
で、流れの向きによる測定電流値の変動を調べた。
第1表は小型酸素電極に対し、流れが正面から当たっ
た場合と裏面から当たった場合の比較である。
このように、本発明を適用した小型酸素電極は機械的
に安定であるのみならず、電気的にも安定であり、再現
性のある値を得ることができる。
〔発明の効果〕
本発明に係る小型酸素電極は酸素電極素子を円筒状の
筐体に封入したものであり、機械的な強度が向上するこ
とは勿論、電気的にも安定な値を示すことができ、信頼
性を向上することができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る小型酸素電極の構成を示す斜視
図、 第2図は第1図のX−X′線位置の酸素電極素子の断面
図、 第3図は小型酸素電極素子の製造工程を示す断面図、 第4図は測定電流の安定性の比較図、 である。 図において、 1はSi基板、2は穴、4は陽極パターン、5は陰極パタ
ーン、6は陽極、7は陰極、10はレジスト膜、13は酸素
透過膜、 である。
フロントページの続き (72)発明者 武井 文雄 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−170647(JP,A) 特開 昭61−30756(JP,A) 特開 昭59−160739(JP,A) 特開 昭60−173454(JP,A) 特開 昭60−111146(JP,A) 特開 昭62−39754(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/30

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に異方性エッチングにより形
    成された穴と、該穴を含む感応部領域上に絶縁膜を介し
    て形成された陽極と陰極の電極と、該穴を含む感応部領
    域上に充填された電解質含有体と、該電解質含有体を覆
    う酸素透過膜とを有する酸素電極素子と、 筒状の筐体とを有し、 該筒状の筐体は、該酸素電極素子を収納するものであっ
    て、該感応部領域以外が外部環境に曝されないように充
    填された樹脂で固定するものであることを特徴とする小
    型酸素電極。
  2. 【請求項2】上記電解質含有体が高分子電解質である請
    求項1記載の小型酸素電極。
  3. 【請求項3】上記酸素透過膜が異なる材料の多層構造膜
    である請求項1記載の小型酸素電極。
  4. 【請求項4】上記感応部領域が異方性エッチングにより
    形成された二つの穴と該穴の底部より基板面に亙って形
    成された陽極電極と、該二つの穴間の基板上に形成され
    た陰極電極を含むことを特徴とする請求項1記載の小型
    酸素電極。
  5. 【請求項5】半導体基板上に異方性エッチングにより形
    成された穴と、該穴を含む感応部領域上に絶縁膜を介し
    て形成された陽極用の電極と陰極用の電極と、該穴を含
    む感応領域上に充填された電解質含有体と、該電解質含
    有体を覆う酸素透過膜とからなる酸素電極素子を有する
    小型酸素電極の製造方法において、 該酸素電極素子を筒状の筐体に収容し、該筐体内に樹脂
    を充填して、該感応部以外が外部環境に曝されないよう
    に、該酸素電極素子を固定する工程を含むことを特徴と
    する小型酸素電極の製造方法。
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