(57)【要約】【課題】ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサーが提供される。【解決手段】このセンサーは、参照電極と、対電極と、通路に沿って伸びる壁によって輪郭が作られる複数の通路を含む構造体とを含む。作用電極は構造体の壁を被覆し、イオノマーの層は構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆している。イオノマーの層は、電極とイオン伝導性の接触をしている。この開示はさらに、小型電気化学センサーを製造する方法、及びそのような小型電気化学センサーを含む、呼気中のＮＯの含量を測定するためのデバイスに関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照電極（２）と、対電極（３）と、通路に沿って伸びる壁（６、６ａ、６ｂ、６ｃ）によって輪郭が作られる複数の通路（５）、構造体の壁を被覆する作用電極（７）、及び構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆するイオノマーの層（８）を含む構造体（４）とを含み、イオノマーの層が電極とイオン伝導性の接触をしている、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサー（１）。
【請求項２】
通路が、少なくとも０．２５、少なくとも１、少なくとも４、少なくとも１０、少なくとも２０、又は少なくとも５０のアスペクト比を有する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
通路が、１〜３００マイクロメートルの範囲、又は１０〜１５０マイクロメートルの範囲の断面寸法を有する、請求項１又は２に記載のセンサー。
【請求項４】
イオノマー層の表面積が、１ｃｍ２の設置面積当たり２０００〜２ｃｍ２の範囲、又は１ｃｍ２の設置面積当たり１０００〜１０ｃｍ２の範囲、又は１ｃｍ２の設置面積当たり２００〜２０ｃｍ２の範囲である、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項５】
第１の表面（９）及び第２の表面（１０）を含み、第１の表面がガスにさらされ、通路が第１の表面から第２の表面へと伸びている、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項６】
構造体が、通路が細孔として形成される多孔質構造である、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項７】
細孔が構造体全体にわたって平行に伸びている、請求項６に記載のセンサー。
【請求項８】
細孔が密充填配置で設けられている、請求項６又は７に記載のセンサー。
【請求項９】
密充填配置が、六角形配置、長方形配置、正方形配置、及び三角形配置のうちの少なくとも１つである、請求項８に記載のセンサー。
【請求項１０】
イオノマーが、スルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー−コポリマーである、請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１１】
イオノマーがプロトン伝導体である、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１２】
作用電極を被覆するイオノマー層の厚みが、１０〜２０００ｎｍ、又は１００〜１０００ｎｍ、又は３００〜７００ｎｍの範囲である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１３】
イオノマーがナノ構造固体材料を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１４】
イオノマーの層及び参照電極及び対電極に接触している液体電解質（１１）をさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１５】
第２の表面が液体電解質と接触している、請求項５及び１４に記載のセンサー。
【請求項１６】
液体電解質の体積のための筐体を含む、請求項１５に記載のセンサー。
【請求項１７】
構造体がマイクロマシニングによって形成される、請求項１から１６のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１８】
構造体がシリコン材料のマイクロマシニングによって形成される、請求項１７に記載のセンサー。
【請求項１９】
作用電極が、白金、金、パラジウム、炭素、及びルテニウムから成る群から選択される材料を含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項２０】
作用電極が、絶縁層（１２）によって構造体から絶縁されている、請求項１から１９のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項２１】
絶縁層が、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、及びＬａＯから成る群から選択される材料を含む、請求項２０に記載のセンサー。
【請求項２２】
ガス中の成分がＮＯである、請求項１から２１のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項２３】
請求項１から２２のいずれか一項に記載の小型電気化学センサーを含む、呼気中のＮＯの含量を測定するためのデバイス。
【請求項２４】
通路に沿って伸びる壁によって輪郭が作られる複数の通路を含む構造体を提供するステップと、
構造体の壁を作用電極で被覆するステップと、
構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆するイオノマーの層を配置するステップと
を含む、
請求項１から２２のいずれか一項に記載の小型電気化学センサーを製造する方法。
【請求項２５】
構造体が、シリコン材料のエッチング加工によって、好ましくはシリコン材料の反応性イオンディープエッチング加工によって提供される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
小型電気化学センサーが、シリコン微細加工を用いてバッチ製造される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
イオノマーの層が、浸漬塗工によって成膜され低圧下で乾燥される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
作用電極が、原子層堆積によって形成される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
作用電極と電気接触している液体電解質を提供するステップと、
液体電解質と電気接触している参照電極及び対電極を提供するステップと
を含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサー、そのような小型電気化学センサーを含む、呼気中の一酸化窒素の含量を測定するためのデバイス、及びそのような小型電気化学センサーを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオマーカーとしてのＮＯについて広範囲の研究が行われている。そのようなバイオマーカーの１つの利用は、ぜんそくなどの呼吸器の炎症の検出におけるものである。呼気中の一酸化窒素（ＮＯ）の濃度はぜんそく患者の気道における炎症の指標として役立つ。このように呼気ＮＯ（ｅＮＯ）の使用はぜんそくの診断における有望な手段と考えられる。しかし、呼気中のｅＮＯの濃度は非常に低い。健康な成人ではＮＯの濃度は約１０〜３５ｐｐｂ（１０億分の１）であるが、一方子供では濃度は約５〜２５ｐｐｂである。相当量の炎症がある患者では７０〜１００ｐｐｂを超える。
【０００３】
電気化学的方法を用いたＮＯを検出するためのセンサーが過去に示されている。しかし、呼気ＮＯの測定においては、迅速な応答、小型のサイズ、及び高い感度の組み合わせが十分ではない。従来の電気化学センサーはガス濃度を数ｐｐｂまで検出できるが、典型的にはおよそ６０〜１００秒程度である長い応答時間に悩まされている。したがって、それらは呼気試料の複雑な流れの操作及びバッファリングを必要とする。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の目的は、上記で論じた欠点を軽減すること、並びに高い感度及び短い応答時間を有する、ガス中の成分を検出するためのセンサーを提供することである。
【０００５】
コスト効率良く製造することができ、手持ち型分析デバイスに組み込むのに十分小さいセンサーを提供することも目的である。
【０００６】
このように、本開示は、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサーに関する。小型電気化学センサーは、参照電極と、対電極と、通路に沿って伸びる壁によって輪郭が作られる複数の通路を含む構造体とを含む。作用電極は構造体の壁を被覆し、イオノマーの層は構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆している。イオノマーの層は、電極、すなわち参照電極、対電極、及び作用電極とイオン伝導性の接触をしている。
【０００７】
作用電極及びイオノマー層を通路の壁に沿って配置することによって、広い検出面積を有するセンサーが実現される。このようにセンサーの小型のサイズをなお維持しながらセンサーの感度は高くなり得る。イオノマーの層を含む通路を有する構造体は、センサーの短い応答時間も実現し得る。
【０００８】
通路は、少なくとも０．２５、少なくとも１、少なくとも４、少なくとも１０、少なくとも２０、又は少なくとも５０のアスペクト比を有していてもよい。このように、検出面積は対応する平面型センサーよりも広いか又ははるかに広くなり得、感度は通路のアスペクト比によって直接決まる。
【０００９】
通路は、１〜３００マイクロメートルの範囲、又は１０〜１５０マイクロメートルの範囲の断面寸法を有していてもよい。このように通路は、イオノマー層の成膜を容易にしながら構造体の広い表面積をもたらすことができる。
【００１０】
イオノマー層の表面積は、１ｃｍ２の設置面積（ｆｏｏｔ  ｐｒｉｎｔ  ａｒｅａ）当たり２０００〜２ｃｍ２の範囲、又は１ｃｍ２の設置面積当たり１０００〜１０ｃｍ２の範囲、又は１ｃｍ２の設置面積当たり２００〜２０ｃｍ２の範囲であってもよい。設置面積は、通路の伸びる方向と垂直な平面において規定される。したがってセンサーの感度は高くなり得る。
【００１１】
センサーは第１及び第２の表面を含んでいてもよく、第１の表面はガスにさらされ、通路は第１の表面から第２の表面へと伸びている。したがって、通路は第１の表面でガスにさらされ、第２の表面ではセンサーの別の部分にさらされ得る。
【００１２】
構造体は、通路が細孔として形成される多孔質構造であってもよい。細孔は構造体全体にわたって平行に伸びていてもよい。細孔は密充填配置で設けられてもよく、密充填配置は六角形配置、長方形配置、正方形配置、及び三角形配置のうちの少なくとも１つであってもよい。このように構造体の広い表面積を得ることができる。
【００１３】
イオノマーは、スルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー−コポリマー、例えばＮａｆｉｏｎであってもよい。イオノマーはプロトン伝導体であってもよい。イオノマーはＤｕＰｏｎｔより入手可能なＮａｆｉｏｎ製品ＳＥ−５１１２であってもよい。このようにしてセンサーはガス中の成分に対する高い感度を備えることができる。
【００１４】
作用電極を被覆するイオノマー層の厚みは１０〜２０００ｎｍ、又は１００〜１０００ｎｍ、又は３００〜７００ｎｍの範囲であってもよい。このようにしてセンサーの短い応答時間を得ることができる。
【００１５】
イオノマーはナノ構造固体材料を含んでいてもよい。このようにして顕微鏡レベルでの層の有効表面積を非常に高くすることができ、センサーの感度をさらに高める。
【００１６】
センサーは、イオノマーの層及び参照電極及び対電極に接触している液体電解質をさらに含んでいてもよい。したがって周囲ガス中の湿度の変化に対してセンサーの感受性を低くすることができ、センサーの長期安定性を改善することができる。構造体の第２の表面は、通路の壁にあるイオノマーの層を液体電解質と接触させる、液体電解質によって濡らす、又は湿らせることを可能にするように、液体電解質と接触していてもよい。
【００１７】
センサーは液体電解質の体積のための筐体を含んでいてもよい。したがって、液体電解質をセンサーの中に封入してセンサーの操作性を改善することができる。
【００１８】
構造体はマイクロマシニングによって形成してもよい。構造体はシリコン材料のマイクロマシニングによって形成してもよい。したがって、構造体は、広い表面積を得るためにマイクロメートル範囲の形体を備えていてもよい。構造体はさらに、バッチ製造され、低コストで製造されてもよい。
【００１９】
作用電極は、白金、金、パラジウム、炭素、及びルテニウムから成る群から選択される材料を含んでいてもよい。
【００２０】
作用電極は、絶縁層によって構造体から絶縁されていてもよい。絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、及びＬａＯから成る群から選択される材料を含んでいてもよい。したがって、電極面積は構造体の通路及び表面に限定される。
【００２１】
ガス中の成分はＮＯであってもよい。したがって、センサーは、例えばぜんそくのバイオマーカーとして呼気中のＮＯの濃度を分析するのに使用することができる。
【００２２】
本開示はさらに、本明細書の開示による小型電気化学センサーを含む、呼気中のＮＯの含量を測定するためのデバイスに関する。
【００２３】
本開示はさらに、
通路に沿って伸びる壁によって輪郭が作られる複数の通路を含む構造体を提供するステップと、
構造体の壁を作用電極で被覆するステップと、
構造体の壁に沿って作用電極の少なくとも一部分を被覆するイオノマーの層を配置するステップと
を含む、本明細書で開示される小型電気化学センサーを製造する方法に関する。
【００２４】
構造体は、シリコン材料のエッチング加工によって、好ましくはシリコン材料の反応性イオンディープエッチング加工によって、提供することができる。したがって、１００まで及びそれを超える非常に高いアスペクト比ＡＲを有する通路を有する構造体を製造することができる。
【００２５】
小型電気化学センサーは、シリコン微細加工を用いてバッチ製造されてもよい。
【００２６】
イオノマーの層は、浸漬塗工によって成膜され低圧下で乾燥されてもよい。このようにイオノマーの層は単純な方法で通路内部に成膜することができる。
【００２７】
作用電極は原子層堆積によって形成されてもよい。したがって電極は、通路のアスペクト比が非常に高くても、通路内部に形成することができ、通路の壁を被覆する。
【００２８】
この方法はさらに：
−  作用電極と電気接触している液体電解質を提供するステップと、
−  液体電解質と電気接触している参照電極及び対電極を提供するステップと
を含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
ここで添付の図面を参照して例を用いて本発明を説明する：
【図１】図１は小型電気化学センサーの断面図を示す。
【図２】図２は小型電気化学センサーにおける構造体の一部分の拡大図を示す。
【図３】図３は小型電気化学センサーにおける通路の様々な配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
実施形態の説明
下記において、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサーの詳細な説明を開示する。
【００３１】
図１において、ガス中の成分を検出するための小型電気化学センサー１を示す。ガス中の成分はＮＯなどの気体成分であってもよい。センサーは電流測定による電気化学センサーであり、参照電極２、対電極３、及び作用電極７を含む。参照電極及び対電極は、プラスチック（ポリカーボネートなど）、ガラス、セラミック、又はシリコンなどの材料で形成される基材１４によって支持される。対電極は銀（Ａｇ）でできており、参照電極は酸化された銀（ＡｇＯ２）でできている。WO 2011073393 A2にさらに開示されるように、電極は基材を貫通して電気接触を得るための電気ビア（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｖｉａ）１５、１６、及び１７を備えていてもよい。センサーはさらに構造体４を含み、この構造体は第１の表面９及び第２の表面１０を有し、第１の表面から第２の表面へ向かって構造体全体にわたって伸びる複数の通路５を含むグリッドを形成する。通路５は通路に沿って伸びる壁（６ａ、６ｂ）によって輪郭が作られる細孔として形成される。センサーは、基材１４及び構造体４の第２の表面によって封じられたチャンバー１３を形成し、このチャンバーは弱酸溶液（例えば１０％  Ｈ２ＳＯ４水溶液）などの液体電解質１１を含む。このように構造体の第２の表面はチャンバー１３に面しており、液体電解質と接触している。スペーサーを使用して、作用電極を有する構造体の第２の表面と対電極／参照電極との間で約５００マイクロメートルの間隔が維持される。基材１４は、チャンバー内に液体電解質を供給するための貫通孔１８を備えていてもよい。これは、構造体の通路を経て液体電解質が蒸発するのを補うために用いられてもよい。WO 2011073393 A2においてさらに開示されるように、貫通孔は栓１９によって封止されてもよい。
【００３２】
図２において、壁６ａ、６ｂによって区切られる通路５を規定する構造体４がさらに詳細に示される。通路は、平行に配置され構造体４全体にわたって分布した直線状の細孔であってもよい。構造体４は作用電極７を支持しており、作用電極７は構造体の壁６ａ、６ｂを被覆し、そのため第１の表面９から第２の表面１０まで通路５に沿って伸びている。作用電極はさらに、第１の表面９及び第２の表面１０の少なくとも一部分を被覆して、通路内の電極を電気接続させ広い表面積を有する作用電極を形成する。構造体４は単結晶シリコンで形成されてもよく、作用電極は白金（Ｐｔ）で形成されてもよい。作用電極は、通路を形成する構造体を被覆する絶縁層１２によって構造体から電気的に絶縁されている。
【００３３】
通路を備えた構造体の部分は、何ｍｍ２かの（６×６ｍｍ２など）面積を占めていてもよい。通路は１〜３００マイクロメートルの範囲、又は１０〜１５０マイクロメートルの範囲、典型的には約１２０マイクロメートルの断面寸法を有していてもよい。通路を規定するグリッドの壁の幅は、１〜１００マイクロメートルの範囲、典型的には約２０マイクロメートルであってもよい。通路の長さは、１０〜２０００マイクロメートルの範囲、又は５０〜８５０マイクロメートルの範囲、典型的には約３００マイクロメートルであってもよい。アスペクト比（ＡＲ）という用語は、構造体又は通路の高さ（ｈ）対幅（ｗ）の比、すなわちＡＲ＝ｈ／ｗと定義される。このように、通路のアスペクト比ＡＲは、少なくとも０．２５、少なくとも１、少なくとも４、少なくとも１０、少なくとも２０、又は少なくとも５０であってもよい。高いＡＲは、構造体の通路を規定する壁の広い表面積をもたらし得る。
【００３４】
Ｎａｆｉｏｎ（ＳＥ−５１１２、ＤｕＰｏｎｔ（Ｄｕｐｏｎｔ）、ＣＡＳ番号３１１７５−２０−９）の層８は、通路５の作用電極上、並びに表面９及び１０の上に成膜される。スルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー−コポリマーであるＮａｆｉｏｎは、プロトン（水素イオン、Ｈ＋）伝導体であるように選択されるイオノマーである。この材料は以下の構造を有する；
【００３５】
【化１】
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【００３６】
Ｎａｆｉｏｎの層は約１００〜１０００ｎｍの厚さ、又は約５００ｎｍの厚さであり、通路の壁全体にわたって広がっている。Ｎａｆｉｏｎの層は、ナノメートル範囲の寸法を有する粒子、すなわちナノ粒子を含み、これは非常に広い材料の表面積をもたらす。Ｎａｆｉｏｎの層は液体電解質を介して対電極及び参照電極と電気接触している。
図３において、通路及び壁の４種類の配置が開示される。図３ａは構造体４において三角形の断面を有する通路５の配置を示す。通路は、互い（ｒｅａｃｈ  ｏｔｈｅｒ）に対して６０°の角度で配置された壁によって規定される。そのため、すべての通路５は通路に沿って伸びる３つの壁によって規定される。図３ｂは構造体４において六角形の断面を有する通路５の配置を示す。そのため、通路５は、互いに対して１２０°の角度で配置された６つの壁によって規定される。図３ｃは構造体４における通路５の正方形の配置を示す。通路は互いに対して直角に配置された壁によって規定される。そのため、すべての通路５は、通路に沿って伸びる４つの壁によって規定される。図３ｄは構造体４において形成される円筒形の通路５の配置を示す。この場合、すべての通路５は、構造体全体にわたって伸びる円筒形の通路の区分を形成する壁によって規定される。これらの例の各々において、通路は密に配置され、構造体において通路の密充填配置を形成する。
【００３７】
下記において、小型電気化学センサーの製造の例を開示する。両面研磨した直径１００ｍｍ、厚さ３００マイクロメートルのシリコンウエハーを提供することによって、作用電極を支持する構造体を製造する。シリコンウエハーに、厚さ６マイクロメートルのフォトレジスト（ＡＺ  ９２６０）の層をスピンコーティングする。次いでフォトレジスト層を有するウエハーはホットプレート上で２分間ソフトベークされ（ｓｏｆｔ  ｂａｋｅｄ）、その後リソグラフィーマスク（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｍａｓｋ）を通して３００ｍＷ／ｃｍ２の強度の紫外線で１５秒間露光される。次いでパターンを規定するためにフォトレジストは現像液２４０１を用いて３分間現像される。パターンは構造体４の壁及び通路を規定する。次いで構造体は反応性イオンディープエッチング加工を用いて１．５時間エッチング加工されて、壁及び通路を有するグリッド構造体を得る。
【００３８】
次いで、エッチング加工されたシリコンウエハーを原子層堆積チャンバー（Ｂｅｎｅｑ  ＴＦＳ  ２００）へ移す。ここで１０ｎｍのＡｌ２Ｏ３層が構造体上に成膜され、続いて厚さ１０ｎｍの白金の層が成膜される。次いでウエハーを角切りして約１０×１０ｍｍ２の寸法のチップとする。
【００３９】
次いで、構造体を有するチップを５％のＮａｆｉｏｎ溶液（ＳＥ−５１１２、ＤｕＰｏｎｔ）中に浸漬し、低圧チャンバー中で乾燥させる。この低圧処理はミクロ細孔中の空気を除去するのに役立ち、そのため通路におけるＮａｆｉｏｎの成膜を容易にする。Ｎａｆｉｏｎでコーティングされたチップを次いで低圧チャンバーから取り出し、空気中で２時間乾燥させる。Ｎａｆｉｏｎでコーティングされたグリッド構造体をセンサーの作用電極として使用する。
【００４０】
対電極及び参照電極の製造は厚さ２ｍｍのポリカーボネート（ＰＣ）基材上で行われる。電子ビーム蒸着を用いて厚さ５００ｎｍの銀をＰＣ基材の片面に成膜する。次いで、銀をパターン形成して対電極及び参照電極を画定する。白金電極をカソードとして用いることによってアノードとなる銀電極に１．０Ｖの電圧を印加することにより、参照電極を酸化させてＡｇＯ２とする。
【００４１】
作用電極を有するチップを、対電極及び参照電極の上に固定、例えばのり付けする。その後組立品を液体電解質溶液中に沈め、作用電極と対電極／参照電極との間のチャンバーを満たすために真空デシケーターの中に置いてもよい。こうして液体電解質は、作用電極、対電極、及び参照電極をイオン的に、したがって電気的に接続する。
【００４２】
電気化学センサーの操作の間、分析しようとするガスをセンサーの第１の表面に供給する。作用電極の電位をＡｇ／ＡｇＯ２参照電極に対して＋０．７Ｖに維持する。この電位ではＮＯは酸化され以下の反応を生じる：
ＮＯ＋２Ｈ２Ｏ→ＮＯ３−＋４Ｈ＋＋３ｅ−
【００４３】
対電極は電流がセンサーのセルを通って流れるのを可能にする。作用電極の電位、電解質、及び電極材料は、測定されるガスが作用電極で酸化されるように選択される。Ｎａｆｉｏｎ層はガス、電極、及び液体の間の相互作用を可能にする拡散層として作用する。酸化が作用電極で起きると、通常酸素は対電極で水に還元される。結果として生じる、センサーを通って流れる電流は、ガス濃度に正比例する。このように作用電極における分析物（この場合はＮＯ）の酸化は、トランスインピーダンス増幅器を含む定電位電解装置（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ）を用いて検出される電流を生じさせる。これは作用電極と参照電極との間で一定の電位を維持するのにも使用される。
【００４４】
製造したセンサーは、Ｎ２ガス中の０〜１００ｐｐｂのＮＯの濃度を明らかにするための試験が行われた。検出限界（Ｓ／Ｎ＝２）は０．３ｐｐｂと見積もられ、感度は４μＡ／ｐｐｍ／ｃｍ２であると測定された。センサーの応答及び回復時間（出発シグナルの９０％まで戻る時間）は６秒と測定された。
【符号の説明】
【００４５】
１  小型電気化学センサー
２  参照電極
３  対電極
４  構造体
５  通路
６ａ  壁
６ｂ  壁
７  作用電極
８  Ｎａｆｉｏｎ（イオノマー）の層
９  第１の表面
１０  第２の表面
１１  液体電解質
１２  絶縁層
１３  チャンバー
１４  基材
１５  電気ビア
１６  電気ビア
１７  電気ビア
１８  貫通孔
１９  栓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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