(57)【要約】【課題】安価でありながら、実際の電位測定で問題となる電位変動影響因子を軽減可能な電極素子構造を有する電位差式センサ素子を実現する。【解決手段】絶縁材料を基板３０１として第１の金属膜３０２を成膜した後、第１の金属膜３０２の上面の所望部分にレジスト膜３０３を形成し、第１の金属膜３０２であるＴｉ膜をパターニングする。第１の金属膜３０２の陽極酸化により、第１の金属膜３０２を酸化する。前工程のエッチング工程後に第１の金属膜３０２の上面に残存しているレジスト膜３０３によって第１の金属膜３０２の上面部分は覆われているため酸化される部分は側面部分３０４のみとなる。第１の金属膜３０２上のレジスト膜３０３を除去し、第１の電極３０２が露出した部分に第２の金属膜３０５を２００ｎｍ成膜し、金属膜３０５の表面を酸化還元物質３０６によって固定化する。【選択図】図３
2011112492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電位差式センサ用の作用電極素子において、
基板と、
上記基板の上面に形成された第１の金属膜と、
上記第１の金属膜の上面に形成された第２の金属膜と、
上記第１の金属膜の側面に形成され、５０ｎｍ以上であり、３００ｎｍ以下の膜厚を有する金属酸化膜と、
を備えることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項２】
請求項１に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記第１の金属膜は、Ｔｉ、Ｎｉ又はＣｒであることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項３】
請求項２に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記第１の金属膜の酸化物は、酸化チタン、酸化ニッケル又は酸化クロムのいずれかであることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項４】
請求項１に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記第２の金属膜は貴金属であることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項５】
請求項４に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記第２の金属膜はＡｕ又はＰｔであることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項６】
請求項１に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記第２の金属膜の表面には酸化還元物質が固定化されていることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項７】
請求項６に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記酸化還元物質はフェロセン誘導体であることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項８】
請求項１に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記第２の金属膜の表面にはイオン官能性物質が固定化されていることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項９】
請求項８に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記イオン官能性物質はクラウンエーテル誘導体であることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記第２の電極の表面にはイオン交換物質が固定化されていることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電位差式センサ用の作用電極素子において、上記イオン交換物質は第四級アンモニウム塩であることを特徴とする電位差式センサ用の作用電極素子。
【請求項１２】
電位差式センサにおいて、
基板と、この基板の上面に形成された第１の金属膜と、この第１の金属膜の上面に形成された第２の金属膜と、上記第１の金属膜の側面に形成され、５０ｎｍ以上であり、３００ｎｍ以下の膜厚を有する金属酸化膜とを有する作用電極素子と、
測定対象溶液に接触する参照電極素子と、
上記測定対象溶液を導入する容器と、
上記作用電極素子と上記参照電極素子との間の電位を測定する電位測定器と、
を備えることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電位差式センサにおいて、上記測定対象溶液を酸化または還元するための酵素が上記容器の中に含有されていることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項１４】
請求項１２記載の電位差式センサにおいて、上記測定対象溶液は、血液、尿等の生体試料に含まれる物質であることを特徴とする電位差式センサ。
【請求項１５】
電位差式センサ用作用電極素子の製造方法において、
基板上に第１の金属膜を形成し、
上記第１の金属膜の側面に、５０ｎｍ以上であり、３００ｎｍ以下の膜厚を有する金属酸化膜を形成し、
上記第１の金属膜の上面に第２の金属膜を形成し、
上記電位差式センサ用作用電極素子を形成することを特徴とする電位差式センサ用作用電極素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電位差式センサ用作用電極素子の製造方法において、上記基板上の上記第１の金属膜を形成した後、この第１の金属膜の上面にレジスト膜を形成した後、エッチングにより電極パターンを形成し、酸化処理により上記第１の金属膜の側面に上記金属酸化膜を形成し、上記第１の金属膜の上面のレジスト膜を除去した後に、上記第１の金属膜の上面に第２の金属膜を形成することを特徴とする電位差式センサ用作用電極素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電位差式センサ用作用電極素子の製造方法において、上記第１の金属膜を形成する方法は、スパッタリング、蒸着のいずれかであることを特徴とする電位差式センサ用作用電極素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の電位差式センサ用作用電極素子の製造方法において、上記、第１の金属膜の側面に金属酸化膜を形成する方法は、陽極酸化法によることを特徴とする電位差センサ用作用電極素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の電位差式センサ用作用電極素子の製造方法において、前記第２の金属膜を形成方法は、スパッタリング、蒸着、めっきのいずれかであることを特徴とする電位差式センサ用作用電極素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極表面電位の測定により血液や尿等に含まれる生体物質の濃度を測定する電位差式センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間ドック等で実施される健康診断の検査項目の一つとして血液検査が実施されている。この様な血液検査を行う装置は、多数のサンプルについて、多数の項目に渡って分析実施しており、大型の生化学自動分析装置が用いられている。
【０００３】
一般的には生化学自動分析装置は高価であり、かつ検査には専任技師による操作が必要であるため、大規模な病院や検査センタには導入されているが、一般の病院には設置されていないのが実情である。
【０００４】
一般病院で検査し、その検査結果によって治療方法をその場で判断したい場合や、手術中や患者の緊急搬送時などのその場で状態を観察する場合には、この様な大型の生化学自動分析によって対応することが難しい。
【０００５】
検査項目数や測定スループットは生化学自動分析装置に及ばないものの、必要時にその場でグルコース、コレステロール等を検査することが可能な検査装置として、検体と酵素を反応させた際の化学反応量を計測し、検体濃度を測定する酵素電極法がある。
【０００６】
酵素電極法では、測定対象を酵素反応により電極で測定可能な物質に変換し、その物質を電極上で電流変化、あるいは電位変化として測定し、間接的に測定対象物質の濃度を測定する。
【０００７】
電位差式酵素センサは、貴金属である金あるいは白金を用いた作用電極と参照電極で構成され、測定溶液中に酵素と酸化還元物質が含まれる（特許文献１、２参照）。測定溶液中に測定対象物を添加すると、酵素反応が起こり、測定対象物質が酸化され、同時に酸化状態の酸化還元物質が還元される。その際に生じる作用電極の表面電位Ｅは次のネルンストの式に従い決定される。
【０００８】
Ｅ＝−ＲＴ／ｎＦ・ｌｎ（Ｃｏｘ／Ｃｒｅｄ）＋Ｅ０
ただし、Ｅは作用電極の表面電位、Ｅ０は酸化還元物質の標準電位、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、ｎは酸化還元物質の酸化型と還元型の電荷の差、Ｆはファラデー定数、Ｃｏｘは酸化還元物質の酸化型の濃度、Ｃｒｅｄは酸化還元物質の還元型の濃度である。
【０００９】
作用電極の表面電位は、作用電極と参照電極とを電圧測定機に接続し、両者の電位差を計測することによって行う。
【００１０】
この様に、電極間の電位差を利用して、グルコース等、生化学分析項目を測定することは公知の技術であり、作用電極として、金電極を用いさらに金電極表面をフェロセン誘導体によって修飾することも既知の技術である（非特許文献１参照）。
【００１１】
例えば、金電極表面をフェロセン誘導体で修飾する場合、金電極表面の結晶配向は（１１１）面で構成されていることが望ましく、一般的にはスパッタリング、蒸着法、メッキ法などによって形成されている。
【００１２】
絶縁材料を下地基板とし、貴金属電極を成膜する場合、通常は絶縁材料となる基板と貴金属電極の層間に、チタニウムやニッケル等の密着層を導入するのが一般的となっている。スパッタリングや蒸着では、成膜時および成膜終了後の温度差によって生じる膜応力で貴金属電極膜が剥離するのを防ぐためである。また、メッキではシード層となる金属膜が必要となってくるからである。
【００１３】
電極の信頼性を考慮するとこの様な下地密着層は不可欠である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特表平９−５００７２７号公報
【特許文献２】特開２００７−２９８３２５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】「超薄膜技術と分子デバイス」、１９９４年２月号、ｐ．７０〜ｐ．７５、化学工業社発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、基板上に密着層となる金属膜を成膜し、その後、電極層を成膜し、さらに所望の電極形状となるように、エッチング等の手段を用いてパターンニングした場合には、密着層の側面が大気中に剥き出しの状態となってしまう。
【００１７】
密着層の側面は、大気に晒されることで、数ｎｍ程度の自然酸化膜層が形成されることになる。
【００１８】
しかしながら、この極薄の自然酸化膜で電極表面が覆われていた場合においても、電極を測定対象となる溶液に浸漬したとき、貴金属電極表面で計測される電位に加え、密着層電極表面と溶液との間で生じた電位が加算されることになり、電位測定値に誤差が生じ、溶液濃度測定の誤差要因となる。
【００１９】
剥き出しになった密着層の側面を覆う方法としては、電極電位に影響を及ぼさないような絶縁体によって密着層周辺をカバーし、貴金属膜部分のみを露出させる方法がある。
【００２０】
つまり、パターニングされた密着層および貴金属膜をポリイミド等の有機絶縁膜によってカバーリングし、その後、貴金属膜表面の任意の位置をドライエッチングやウエットエッチングによって除去し、電極表面を剥き出しにする方法が考えられる。この方法によって表面を剥き出しにする場合、電極表面の面積を規定することも同時に可能となる。
【００２１】
しかしながら、上記方法では、有機絶縁膜形成プロセスを新たに追加する必要があり、このプロセス追加によって生じる材料コストや、プロセスコストが増加してしまう。
【００２２】
このような材料コストやプロセスコストの増加は最終的に電極コスト増加に反映されることになってしまう。さらに、作用電極を剥き出しにするエッチングプロセスの際に、金電極表面がダメージを受けてしまうため、好ましい方法ではない。
【００２３】
本発明の目的は、安価でありながら、実際の電位測定で問題となる電位変動影響因子を軽減可能な電極素子構造を有する電位差式センサ素子及びその製造方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するために、本発明は次のように構成される。
【００２５】
本発明の電位差式センサ用の作用電極素子及びこの作用電極素子の製造方法は、基板の上面に第１の金属膜が形成され、この第１の金属膜の上面に第２の金属膜が形成され、上記第１の金属膜の側面に、５０ｎｍ以上であり、３００ｎｍ以下の膜厚を有する金属酸化膜が形成される。
【発明の効果】
【００２６】
安価でありながら、実際の電位測定で問題となる電位変動影響因子を軽減可能な電極素子構造を有する電位差式センサ素子及びその製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例が適用される電位差式センサ用作用電極素子を示す図である。
【図２】本発明の一実施例である電位差式センサ用作用電極素子形成の製造プロセスフローチャートである。
【図３】本発明の一実施例である電位差式センサ用作用電極素子形成時の素子断面図を示す図である。
【図４】本発明の一実施例である陽極酸化時における電流および電圧の時間依存性を示す図である。
【図５】本発明の一実施例である電位差式センサ用作用電極素子のボルタモグラムを示した図である。
【図６】本発明の一実施例である電位差式センサの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【実施例】
【００２９】
図１は、本発明の一実施例である電位差式センサに用いる作用電極の一例を示す図であり、図１の（Ａ）は平面図を示し、図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。
【００３０】
図１において、本発明の一実施例における作用電極は、基板１０１と、この基板１０１上に形成される第１の金属膜１０２と、第１の金属膜１０２の側面に形成される保護膜１０３と、第１の金属膜１０２上に形成される第２の金属膜１０４と、第２の金属膜１０４上に形成される固定化酸化還元物質１０５とを備えている。
【００３１】
図２は、本発明の一実施例による電位差式センサに用いる作用電極の形成プロセスのフローチャートである。
【００３２】
また、図３は、図２に示したプロセスフローに従い作製した電極の断面図を示したものである。以下、順を追って説明する。
【００３３】
まず、ステップＳ１において、絶縁材料を基板３０１として、その基板上に第１の金属膜３０２を成膜する（図３の（ａ））。なお、本発明の一実施例では、ガラス基板３０１を使用しているが、例えばＳｉウエハを熱酸化などによって表面酸化処理した、ＳｉＯ２等を用いてもよい。
【００３４】
また、本発明の一実施例では第１の金属膜３０２の材料としてＴｉを用いているが、この後引き続き実施する陽極酸化に適する材料や、貴金属成膜の際の下地金属膜として適するものであれば良く、例えば、ＮｉやＣｒ等の金属膜を用いてもよい。
【００３５】
さらに、本発明の一実施例では成膜方式として一般的なスパッタリング方式を用いてＴｉ膜を成膜しているが、電子ビーム蒸着等を用いて成膜してもよい。なお膜厚は５０ｎｍとしている。
【００３６】
次に、ステップＳ２において、第１の金属膜３０２の成膜後、第１の金属膜３０２の上面の所望部分にレジスト膜３０３を形成し、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程により第１の金属膜３０２であるＴｉ膜をパターニングする（所望の電極パターンを形成する）。Ｔｉ成膜のエッチングは、例えば燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液を用いたウエットエッチングによって行われる（図３の（ｂ））。
【００３７】
次に、ステップＳ３において、第１の金属膜３０２であるＴｉ膜の陽極酸化（陽極化成）により、第１の金属膜３０２を酸化する。ここで、前工程（ステップＳ２）のエッチング工程後に第１の金属膜３０２の上面に残存しているフォトリソグラフィ用のレジスト膜３０３によって、第１の金属膜３０２の上面部分は覆われているため、陽極酸化によって酸化される部分は第１の金属膜３０２の側面部分３０４のみとなる（図３の（ｃ））。
【００３８】
本発明では、金属を酸化した際の酸化物の膜厚を適切に制御する必要があるが、発明者らの実験によって、酸化物の膜厚は５０ｎｍ程度とすることで、保護膜として十分なことが判明した。保護膜としての機能を果たすためには、ある一定以上の膜厚があればよいことを確認しており、発明者らは、３００ｎｍまで酸化膜厚を変化させて実験を行った結果、いずれも保護膜として機能することを確認した。
【００３９】
一般的に、陽極酸化によって酸化物を形成した場合には、その酸化層は１０ｎｍ程度の結晶粒子の集合体となるため、膜厚が結晶粒径と同程度の場合には結晶粒界を介して溶液が容易に侵入し、保護膜として十分な機能を果たさないと推定している。
【００４０】
なお、酸化する金属によっても異なるがＴｉを陽極酸化する場合には、化成電圧を３３Ｖとすれば、厚さ約５０ｎｍの酸化膜３０４すなわち保護膜が形成される。上記第１の金属膜３０２の側面の保護膜３０４の膜厚は、陽極酸化時の陽極化成電圧を変更することによって変化させることが可能であり、厚さ１００ｎｍの保護絶縁膜３０４を形成するときは、当該化成電圧を６７Ｖとし、厚さ３００ｎｍの保護絶縁膜３０４を形成するときは、当該化成電圧を２００Ｖとすることによって実現できる。
【００４１】
次に、ステップＳ４において、第１の金属膜３０２上のレジスト膜３０３を除去し（図３の（ｃ））、ステップＳ５において、第１の電極３０２が露出した部分に第２の金属膜３０５を２００ｎｍ成膜する（図３の（ｄ））。
【００４２】
本発明の一実施例では第２の金属膜３０５の材料としてＡｕを用いているが、電位差式センサの作用電極材料として好適な貴金属であればよく、例えばＰｔを成膜してもよい。
【００４３】
また、本発明の一実施例では成膜方式として一般的なスパッタリング方式を用いてＴｉ膜を成膜しているが、電子ビーム蒸着やメッキ等を用いて成膜してもよい。
【００４４】
スパッタリングや蒸着によって成膜する場合には、第１の金属膜３０２の露出部に成膜するように、マスキングして成膜することが望ましい。また、メッキにより成膜する場合には、第１の金属膜３０２の露出部から選択的に成長するため、マスキングの必要はない。
【００４５】
ステップＳ５で第２の金属膜３０５の成膜が終了した後、ステップＳ６において、金属膜３０５の表面を酸化還元物質３０６によって固定化する（図３の（ｅ））。酸化還元物質はフェロセン誘導体を用い、この一実施例では、１１−フェロセニル−１−ウンデカンチオール（１１−ＦＵＴ）を用いた。
【００４６】
以上、一連のプロセスによって電極形成プロセスが終了する。
【００４７】
なお、本発明の一実施例では、酸化還元反応を利用した電極の一例としてフェロセン誘導体を用いた例を示したが、本発明の金電極の製造方法は他の計測手段にも活用することが可能である。
【００４８】
また、血清や血漿中の電解質の濃度を分析する方法として、イオン選択性電極法などが知られているが、その際には、金電極表面にニュートラルキャリアと呼ばれるイオン官能性物質や、イオン交換物質を用いてもよい。
【００４９】
イオン官能性物質として、クラウンエーテル型誘導体を用いる方法や、イオン交換物質として、第４級アンモニウム塩を用いる方法がある。
【００５０】
図４は、本発明の一実施例における陽極酸化によるＴｉ膜の化成プロファイルを示した図であり、縦軸は陽極酸化電流（Ａ）を示し、横軸は陽極酸化時間（分）を示す。
【００５１】
陽極酸化膜は、例えば、対象となる金属膜（本発明の一実施例では第１の金属膜３０２）と、対象となる金属膜とは異なる電極を、化成溶液と呼ばれる液体に浸漬し、これらの電極間に電圧を印加することにより行われる。この「対象となる金属膜とは異なる電極」とは、言わば当該基材からみて外部電極として構成され、「陽極化成用陰極」とも呼ばれる。
【００５２】
図４を参照して以降に論じられる電圧や電流（電流密度）は、対象となる金属膜（第１の金属膜３０２）の陽極酸化において、この化成用陰極と当該金属膜間（以下、電極間）に印加され、又は流れるものであって、以下の説明にて、「電極間電圧」、又は「電極間電流」として夫々参照される。
【００５３】
図４において、一点鎖線４０１は、上記電極間電流の変化を示し、実線４０２は当該電極間電圧の変化を示す。時刻０分から時刻ｔに至るｔ分の間、電極間電圧４０２は点線４０３で示される所定の電圧（陽極化成電圧）に向けて上昇する一方、電極間電流４０１は一定の電流密度（酸化電流）に保たれる。
【００５４】
電圧４０２の上昇は、時刻０分に開始され、時刻ｔ分で陽極酸化電圧（点線４０３）に到達することにより終了する。
【００５５】
この様にして作製した電位差式センサ用の作用電極についての効果を図５により説明する。
【００５６】
図５の実線５０１は、本発明の一実施例による、第１の金属膜３０２の側面部に酸化膜を形成したもののボルタモグラムを示し、点線５０２は第１の金属膜３０２の側面部に酸化膜を形成しなかったものについて金電極のボルタモグラムを示している。ここで、点線５０２で示したものは、大気により数ｎｍの自然酸化膜が形成されていると考えられる。
【００５７】
なお、図５に示すグラフは、参照電極として、飽和塩化カリウム水溶液を内部溶液に使用している銀・塩化銀参照電極を用いて得られた結果である。また、対向電極として、白金線を用い、溶液には、１Ｍ過塩素酸ナトリウム水溶液を用いた結果のグラフである。また、曲線５０１、５０２の上側のピークが酸化、下側のピークが還元を表している。
【００５８】
第１の金属膜３０２の側面部の酸化膜有無によって、得られる曲線５０１、５０２は大きく異なっている。第１の金属膜３０２の側面部に酸化膜を施した場合（曲線５０１）は、フェロセン誘導体の酸化還元電位とほぼ一致するピーク（３００Ｖ〜３５０Ｖ）が表れているが、第１の金属膜３０２の側面部に酸化膜を施さなかった場合（曲線５０２）は、酸化還元ピークは大きくずれていることが明らかになった。
【００５９】
このことから、第１の金属膜３０２の側面部に酸化膜を施すことで、溶液と第１の金属膜３０２との接触を防ぐことができれば、真の酸化還元反応を観察することができることが判明した。
【００６０】
図６は、本発明の一実施例による電位差式センサの一例を示す図である。本発明の一実施例による電位差式センサは、作用電極素子６０１と、参照電極６０２と、は測定対象となる溶液６０３を導入する容器６０４と、電位差測定器６０５とを備えている。
【００６１】
作用電極素子６０１は、本発明の一実施例による作用電極素子であり、第１の金属膜の側面に酸化膜が施されている。
【００６２】
ここで、測定対象となる溶液は血液や尿である。なお、実測定は測定対象となる溶液を酸化または還元するための酵素を容器内に導入することによって実施する。
【００６３】
本発明によれば、単純なプロセスで第１の金属膜の側面部に酸化膜が施されているので、安価でありながら、溶液と第１の金属膜との接触を防ぐことができ真の酸化還元反応を観察することができる電位差式センサ素子及びその製造方法を実現することができる。
【００６４】
なお、本発明の電位差式センサは、血液や尿等に含まれる生体物質を酵素等によって酸化還元反応させ、酸化還元反応によって生じた電極表面電位の測定により、生体物質の濃度を測定することができるセンサへの応用が可能であり、人間ドック等で実施している生化学分析（血液検査）への利用が考えられる。
【符号の説明】
【００６５】
１０１・・・基板、１０２・・・第１の金属膜、１０３・・・第１の金属膜側面の保護膜、１０４・・・第２の金属膜、１０５・・・固定化酸化還元物質、３０１・・・基板、３０２・・・第１の金属膜、３０３・・・レジスト膜、３０４・・・第１の金属膜側面の保護膜、３０５・・・第２の金属膜、３０６・・・酸化還元物質、４０１・・・陽極酸化における電流変化、４０２・・・陽極酸化における電圧変化、４０３・・・陽極酸化電圧、５０１・・・第１の金属膜の側面部に酸化膜を形成した場合のボルタグラム、５０２・・・第１の金属膜の側面部に酸化膜を形成しなかった場合のボルタグラム、６０１・・・作用電極素子、６０２・・・参照電極、６０３・・・測定対象となる溶液、６０４・・・容器、６０５・・・電位差測定器
【図１】
2011112492.tif 000003
【図２】
2011112492.tif 000004
【図３】
2011112492.tif 000005
【図４】
2011112492.tif 000006
【図５】
2011112492.tif 000007
【図６】
2011112492.tif 000008