JPH02223855A - イオンセンサ - 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〕 本発明はイオン感応性電界効果トランジスタを用いたイ
オンセンナに関し、特にその組立構造に関する。

〔従来の技術〕

溶液中のイオン濃度を測定する方法としてガラス電極型
イオンセンサは、溶液とガラス電極との電位差がイオン
濃度により変化することを利用して高入力インピーダン
スの電圧計で測定した電圧変化からイオン濃度を求めて
いる。このガラス電極型のイオンセンサに変わり、宮原
裕二他により「電子通信学会技術研究会資料ＣＰＭ８１
−９３」１９８１年、第６１頁に記載の論文「半導体技
術を用いたバイオセンサＪに述べられているバイオセン
サが開発されている。これは、一種のシリコン電界効果
トランジスタの表面に酵素膜を固定化したイオン感応性
電界効果トランジスタ（以下ｌ５ＦＥＴという）により
、ｌ５ＦＥＴと溶液との間に発生する電圧をゲート電圧
として作用させ、このｌ５ＦＥＴを流れる電流変化から
イオン濃度を検出するｌ５ＦＥＴイオンセンサである。

このｌ５ＦＥＴイオンセンサは応答速度が早いので溶液
のイオン濃度をリアルタイムでかつ連続して測定でき、
半導体集積化技術により大量生産が容易であるため低価
格性で、さらに小型なので収り扱いが容易であるなどの
長所がある。

従来、本発明者等が開発して来たｌ５ＦＥＴイオンセン
サの構造は、第６図に示すように、例えばＳＯ３（シリ
コン・オン・サファイア）基板を用いてソース、ドレイ
ン、ゲート絶縁膜から構成され互いに独立した２個のｌ
５ＦＥＴの一方の１ＳＦＥＴ２１上に酵素固定化膜５と
、他方のｌ５ＦＥＴ２２上に失活した酵素膜により参照
膜６がそれぞれ固定化されたセンサチップ１をその一部
が突出するように、例えばフレキシブル・プリント基板
（以下、ＦＰＣ基板という）で作成したリード電極基板
の先端部に、例えば常温硬化型のエポキシ系の接着剤６
１で固定し、センサチップ１とリード電極基板７との引
出し電極３，８との間をボンディングワイヤ６２で接続
した後、接続部周辺を例えば常温硬化型のエポキシ系の
接着剤６３で絶縁封止したものである。酵素固定化膜５
が固定化されたｌ５ＦＥＴ、２１は測定溶液のイオン濃
度を検出し、参照膜６が固定化されたＴＳＦＥＴ２２は
測定溶液と反応しないが、二つのｌ５ＦＥＴの出力差を
測定することで温度変化などによるドリフタが相殺され
安定な測定が可能となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような従来のｌ５ＦＥＴイオンセンサは、溶液
中で使用されるため、耐水性に優れた絶縁封止が要求さ
れる。従って、この組立に当たっては特にセンサチップ
とリード電極基板の引出し電極との接続部周辺の絶縁封
止が重要であり、さらには既に酵素膜が付いているもの
を扱うので接着剤や絶縁封止材料の選定およびその作業
条件が限定される。一般に、酵素膜は温度に対して鋭敏
で、例えば６０℃の温度に１０分程度さらすとその機能
を失ってしまうので、従来、接着剤や絶縁封止材料には
常温で硬化するエポキシ系の接着剤が用いられている。

このなめ、接着力が十分でなく溶液中に漏れが発生して
動作しないとか、このような接着剤は粘度が高く封止作
業時にボンディングワイヤが変形してワイヤの断線とか
ワイヤ間短絡が発生し不良になる欠点があった。

本発明の目的は、このような問題を解決し、絶縁封止性
に優れるとともに組立ての作業性に優れ製造コストが安
価なイオンセンサを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるイオンセンサの構成は、少なくも酵素固定
化膜を備えたイオン感応性電界効果トランジスタを含む
センサチップとリード電極基板とが、これらセンサチッ
プ及びリード電極基板各々の引出し電極同士が対向する
向きで層間絶縁層で固定されると共に、前記引出し電極
同士は前記層間絶縁層に設けた開口部において異方性導
電樹脂で接続されていることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の構成をとることにより、センサチップとリード
電極基板との電気的接続部周辺は層間絶縁層によって完
全に取り囲まれて良好な絶縁封止が達成される。また、
その製造にあっては層間絶縁層の形成は酵素固定化膜の
固定化と切り話して行うことができるため、温度制限が
ないので絶縁性と密着性に優れた絶縁材料を選択して使
用ができる。さらに、センサチップとリード電極基板の
各々の層間絶縁膜同士と、電気的接続を行う異方性導電
樹脂を超音波溶接により全て同時に行うことができるの
で組立工程が簡略化され低コストが達成される。この超
音波溶接は、数ミリ秒の短時間で行えるので、溶接時の
温度上昇による酵素膜の劣化などへの影響は無い。

〔実施例〕

以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のイオンセンサの一実施例を説明する模
式的斜視図である。図において、１はセンサチップでＳ
Ｏ８基板を用いてソース電極、ドレイン電極、ゲート絶
縁膜（図示していない）から成る２個のｌ５ＦＥＴ２の
ソース、ドレイン両電極から引き出された複数の引き出
し電極３及びその先端部以外を覆う絶縁保護膜４が半導
体集積化技術により形成されている。２個のｌ５ＦＥＴ
２の一方のＩ　５ＦＥＴ２１には酵素固定化膜５が、他
方のｌ５ＦＥＴ２２には失活した酵素膜による参照膜６
が形成されている。７は例えばＦＰＣ基板で作成された
リード電極基板で、ｌ５ＦＥＴの引出し電極３に一対一
に対応した複数の引出し電極８を有し、その先端部を除
く表面はポリイミドフィルムによる絶縁膜９で被覆され
、図示していないがリード電極基板７を延長した先端は
カードコネクタ状に加工されている。このセンサチップ
１とリード電極基板７にはその先端部分の複数の引き出
し電極３，８を囲むように、開口部１１を有した例えば
ポリイミド樹脂から成る層間絶縁層１０が設けられてい
る。この開口部１１は例えばＮｉ粒子を含有する異方性
導電樹脂１２が埋め込まれ、複数の引出し電極３．８と
の間を電気的に接続している。

第２図から第５図は、第１図の実施例の製造方法を説明
するための斜視図である。

第２図は第一の工程においてｌ５ＦＥＴが形成されたウ
ェハに層間絶縁層を形成した状態を示す斜視図である。

ｌ５ＦＥＴは、例えば厚さ３５０μｍのサファイア上に
ノンドープのシリコンが０．６μｍの厚さにエピタキシ
ャル成長された直径２インチのＳＯ８基板２０に半導体
集積化技術を用いて、エツチングで島状シリコン層を形
成し、イオン注入法でホー素をドープしてｐ層、さらに
リンをドープしてｎ＋のソース領域とトレイン領域を作
り、次に熱酸化で厚さ１００ＯＡの酸化シリコン層を形
成し、その後表面全体にＣＶＤ法で窒化シリコン層を約
１００ＯＡの厚さに形成したものである。このＩ　５Ｆ
ＥＴ２のソース領域とドレイン領域からは例えばアルミ
ニュームを蒸着しフォトエツチングすることで形成した
引出し電極３が引出されている。

このような複数のｌ５ＦＥＴが形成されたウェハに対し
て、まず絶縁樹脂（例えばデュポン社製Ｐ　Ｉ　２５５
５ポリイミド樹脂）をスピン塗布によってウェハ全面に
塗布し、１５０℃で３０分間プリベークして厚み約１０
μｍの層間絶縁層１０を形成し、さらに層間絶縁膜の前
記引き出し電極に対応した一部に、フォトレジストによ
り開ロバターンを設けて通常行われるドライエツチング
法によって開口部１１を形成する。

第３図は第二の工程において、第一の工程が完了したウ
ェハ内の各ｌ５ＦＥＴに酵素固定化膜５と参照膜６を形
成した状態を示す、ここでは酵素と架橋剤を含む蛋白質
溶液の一例として尿素を検出する場合について説明する
。まず、スピン塗布によりフォトレジスト（例えばシプ
レー社ＡＺＩ４５０Ｊ）を塗布し６０℃で乾燥した後、
フォトマスクを用い露光、現像して参照膜が設けられる
ｌ５ＦＥＴ部のフォトレジストを除去する。次に、酵素
を含まない１５％牛血清アルブミンを含む０．２モル、
ＰＨ８，５のトリス−塩酸緩衝液５００μηと、０．７
５％グルタルアルデヒド水溶液５００μｉとを攪はん混
合した後、そのウェハをアセトン溶液に浸してフォトレ
ジスト膜を溶解し、フォトレジスト上に塗布されていた
固定化膜を除去する°ことで参照用ｌ５ＦＥＴが形成さ
れる。　次に、再び前述と同様のフォトレジスト工程を
繰返し、酵素固定化膜が設けられるｌ５ＦＥＴ部のフォ
トレジストを除去し、１５％牛血清アルブミンを含む０
．２モル、ＰＨ８，５のトリス−塩酸緩衝液２５０μｊ
に、同じ緩衝液で調整した１　００　ｍ　ｇ　／　ｄρ
のウレア「ゼ（ベーリンガー・マンハイム社製、約５０
　Ｕ　／　ｍ　ｇ　）溶液２５０μρを加え、０．７５
％０グルタルアルデヒド水溶液５００μｌとを攪はん混
合した溶液をスピン塗布し、室温に３０分放置して乾燥
した後、ウェハをアセトン溶液に浸してフォトレジスト
膜を溶解して、フォトレジスト上に塗布されていた固定
化膜を除去することで酵素膜を固定化したｌ５ＦＥＴが
形成される。

本実施例では尿素を検出する場合で例示したが、この地
間様の方法で種々の酵素固定化膜を用いることが可能で
ある。酵素固定化膜は、本実施例の場合窒化シリコン膜
への密着性も良好であったが、さらに密着性を向上させ
るために酵素固定化膜の塗布の前にプライマー処理を行
うことも可能である。前述の工程が終了したウェハをダ
イシングソーにより切断しスクライブすることでシング
ルチップ化されたセンサチップ１が得られる。

本実施例で得られたチップサイズは幅０．６ｍｍ、長さ
４ｍｍである。

第４図は第三の工程によって作成されたリード電極基板
を示す図である６例えばポリイミド樹脂をベースとした
ＦＰＣ基板を用い所定の引出し電極８とその先端部を除
いた部分への絶縁膜９があらかじめ加工されたリード電
圧基板７に、絶縁樹脂（例えば、デュポン社製ＰＩ２５
５５ポリイミド樹脂）をスピン塗布によってリード電極
基板全面に塗布し、１５０℃で３０分間プリベークして
厚み約１０μｍの層間絶縁層１０を形成し、さらに層間
絶縁膜の引出し電極８に対応した一部に、フォトレジス
トにより開ロバターンを設けて通常行われるドライエツ
チング法によって開口部１１を形成する。この工程は、
リード電極基板−個についても加工可能であるが、量産
性や仕上がりの均一性のためにほそめ複数個を含むシー
ト上で上記加工を行い、その完了後に個々にカッティン
グして個別化する方が具合が良い。　第５図は第四の工
程を示すための図で、各々層間絶縁膜と開口部１１を形
成したセンサチップ１とリード電極基板７とを超音波溶
接する状態を示したものである０図のように、センサチ
ップ１とリード電極基板７の各々の開口部１１を互いに
向合うように重合わせ、センサチップ１が下になるよう
に金属性の載１台５０に置き、開口部より若干小さい異
方性導電樹脂１２を開口１１に入れ、上方から超音波ホ
ーン５１を圧接しながら超音波発振器５２を作動させて
センサチップ１とリード電極基板７のおのおのの層間絶
縁膜１０と引出し電極３．８同士を異方性導電樹脂１２
を介して溶接する。

本実施例において、超音波発振器５２として発振周波数
２８ＫＨｚ、出力１５０Ｗのものを用い、超音波ホーン
５１を押し付けながら振幅１０μｍの横振動を１秒間付
与することで行った。

以上のようにして組立てたイオンセンサを０゜９％塩化
ナトリューム水溶液に入れリード電極基板の引出し電極
と水溶液間の漏れ電流を調べたところ機能上問題となる
漏れは発見できなかった。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によるイオンセンサは、セン
サチップとリード電極基板との電気的接続部周辺が絶縁
性に優れた材料を用いた層間絶縁層により取囲まれて完
全な絶縁封止が行われ、しかも絶縁封止と異方性導電樹
脂による電気的接続を超音波溶接により同時にしかも短
時間で組立てられるので、低製造コストを実現すること
が可能となった。

層間絶縁膜、１１・・・開口部、１２・・・異方性導電
樹脂、５０・・・載置台、５１・・・超音波ホーン、５
２・・・超音波発振器、６１．６３・・・接着剤、６２
・・・ボンディングワイヤ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくも酵素固定化膜を備えたイオン感応性電界効果ト
   ランジスタを含むセンサチップとリード電極基板とが、
   これらセンサチップ及びリード電極基板各々の引出し電
   極同士が対向する向きで層間絶縁層で固定されると共に
   、前記引出し電極同士は前記層間絶縁層に設けた開口部
   において異方性導電樹脂で接続されていることを特徴と
   するイオンセンサ。