(57)【要約】【課題】  妨害イオンの影響を排除して、測定精度のよいイオン検出装置を提供することにある。【解決手段】  半導体基板１０の液流路パターンとなる液流路用溝部４０が形成された面に平板状の蓋部２０を接合することにより液流路３０が形成され、当該液流路３０に流入される被媒体溶液のイオン濃度を、イオン選択性電界効果トランジスタ２及び参照電極３からなるイオンセンサ４により検出するイオン検出装置であって、前記液流路は主流路３１及び主流路３１から分岐される少なくとも１つの副流路３２からなり、前記主流路３１を流れる被媒体溶液に電圧を印加して、被媒体溶液を特定種類のイオンに分離する分離用電極部１を有し、前記イオンセンサ４は、分離用電極部１で分離された特定種類のイオンを検出するものであって、分岐後の液流路に配置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の液流路パターンとなる溝部が形成された面に平板状の蓋部を接合することにより液流路が形成され、当該液流路に流入される被媒体溶液のイオン濃度を、イオン選択性電界効果トランジスタ及び参照電極からなるイオンセンサにより検出するイオン検出装置であって、
前記液流路は主流路及び主流路から分岐される少なくとも１つの副流路からなり、
前記主流路を流れる被媒体溶液を特定種類のイオンに分離して、選択的に異なる流路に流動させるイオン分離手段を有し、
前記イオンセンサは、分岐後の少なくともいずれかの流路に配置されるものであることを特徴とするイオン検出装置。
【請求項２】
前記イオン分離手段は、主流路を流れる被媒体溶液に電圧を印加して、被媒体溶液中のプラスイオンとマイナスイオンを分離する分離用電極部であることを特徴とする請求項１に記載のイオン検出装置。
【請求項３】
前記分離用電極部を構成するプラス電極及びマイナス電極の少なくともいずれかは、分岐後の異なる流路に配置されるものであることを特徴とする請求項２に記載のイオン検出装置。
【請求項４】
前記プラス電極及びマイナス電極の少なくともいずれかは、液流路の側面及び底面の略全面に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のイオン検出装置。
【請求項５】
前記液流路は、分離用電極部により電圧が印加される領域での被媒体溶液の流速を小さくするための緩衝領域を設けたことを特徴とする請求項３もしくは請求項４のいずれかに記載のイオン検出装置。
【請求項６】
前記分離用電極部に印加される電圧は、パルス状の電圧であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のイオン検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン検出装置に関するものであり、詳しくは、液流路を流れる被媒体溶液中のイオン濃度を検出するイオン検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液流路を流れる液体中のイオンを検出する従来のイオン検出装置としては、図７に示すように、発熱体５２が並列に設けられた素子基板５１と、この素子基板５１上に接合された天板５３とで構成される液流路５４内に配置された可動部材５５を有し、天板５３の可動部材５５の自由端５５ｂよりも下流の位置に、イオン選択性電界効果トランジスタ（以下「ＩＳＦＥＴ」という）５７が液流路５４ａ中の液体に接するように備えられているものが知られている。また、このＩＳＦＥＴ５７を動作させるために、素子基板５１の表面に、参照電極５８が第２の液流路５４ｂ中の液体と接するように設けられており、ＩＳＦＥＴ５７と参照電極５８よりイオンセンサが構成される。ＩＳＦＥＴ５７は、液流路５４ａを流れる液体のイオン濃度を検出し、このＩＳＦＥＴ５７からの出力結果に基づいて発熱体５５の駆動条件が制御される。このようなＩＳＦＥＴ５７が、どのような種類のイオンを検出するかは、感応膜の性能により特定される。例えば、Ｋ+イオンを測定対象とするイオンセンサでは、Ｋ+イオンに選択的に反応する感応膜を用い、試料溶液中のＫ+イオンを選択的に取り込むようにしている。（特許文献１）
しかし、測定対象とするイオンをイオンセンサで測定する際に、感応膜に測定対象外のイオンが取りこまれる場合がある。例えばＫ+イオンを測定対象とするイオンセンサでＫ+イオンのイオン濃度を測定する際、試料溶液中に含まれるＣｌ-イオンのような測定対象外のイオンも、わずかながら感応膜に取り込まれてしまう。その結果、測定対象外のＣｌ-イオン等は、妨害イオンとしてイオンセンサの出力電位に影響を与え、測定精度が低下するという問題が生じる。
【特許文献１】特開２０００−３４３６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、妨害イオンの影響を排除して、測定精度のよいイオン検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記した課題を解決するために、本発明の請求項１に係るイオン検出装置は、半導体基板の液流路パターンとなる溝部が形成された面に平板状の蓋部を接合することにより液流路が形成され、当該液流路に流入される被媒体溶液のイオン濃度を、イオン選択性電界効果トランジスタ及び参照電極からなるイオンセンサにより検出するイオン検出装置であって、前記液流路は主流路及び主流路から分岐される少なくとも１つの副流路からなり、
前記主流路を流れる被媒体溶液を特定種類のイオンに分離して、選択的に異なる流路に流動させるイオン分離手段を有し、前記イオンセンサは、分岐後の少なくともいずれかの流路に配置されるものであることを特徴とする。
【０００５】
本発明の請求項２に係るイオン検出装置のイオン分離手段が、主流路を流れる被媒体溶液に電圧を印加して、被媒体溶液中のプラスイオンとマイナスイオンを分離する分離用電極部であることを特徴とする。
【０００６】
本発明の請求項３に係るイオン検出装置は、前記分離用電極部を構成するプラス電極及びマイナス電極の少なくともいずれかが、分岐後の異なる流路に配置されるものであることを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項４に係るイオン検出装置は、プラス電極及びマイナス電極の少なくともいずれかが、液流路の側面及び底面の略全面に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項５に係るイオン検出装置は、液流路が、分離用電極部により電圧が印加される領域での被媒体溶液の流速を小さくするための緩衝領域を設けたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項６に係るイオン検出装置は、分離用電極部に印加される電圧が、パルス状の電圧であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の請求項１に係るイオン検出装置によると、イオン分離手段により被媒体溶液を特定種類のイオンに分離することができ、分離後の被媒体溶液は、分岐後の液流路に特定種類毎に選択的に流動され、分岐後の各々の液流路に配置された被媒体溶液は、検出しようとする特定種類のイオンにとって妨害イオンとなりうるものの含有率が著しく低下するため、イオンセンサの測定対象とするイオンのみを高精度に検出することが可能となる。
【００１１】
本発明の請求項２に係るイオン検出装置によると、上述した請求項１の効果に加えて、イオン分離手段は、主流路を流れる被媒体溶液に電圧を印加して、被媒体溶液中のプラスイオンとマイナスイオンを分離する分離用電極部であるため、イオンセンサの測定対象がプラスイオンである場合には、妨害イオンとなりうるマイナスイオンの含有率を著しく低減した状態で測定対象のイオンを検出することができ、測定対象がマイナスイオンである場合には、妨害イオンとなりうるプラスイオンの含有率を著しく低減した状態で測定対象のイオンを検出することができるので、高精度なイオンの検出が可能となる。
【００１２】
本発明の請求項３に係るイオン検出装置によると、上述した請求項２の効果に加えて、分離用電極部を構成するマイナス電極及びプラス電極の少なくともいずれかは、分岐後の異なる液流路内に配されるので、この状態で分離電極部に所定の電圧が印加されると、被媒体溶液中のプラスイオン及びマイナスイオンは、分岐前の主流路を流動する状態から分離電極部に引き寄せられる力が発生するため、流入速度や印加電圧を緻密に制御しなくても、容易にプラスイオン及びマイナスイオンを異なる流路に選択的に流出させることができる。
【００１３】
本発明の請求項４に係るイオン検出装置によると、上述した請求項３の効果に加えて、マイナス電極及びプラス電極の少なくともいずれかが、液流路の側面及び底面の略全面にが形成されているため電極面積が大きくなり、不純物の付着等による電極の劣化進行を遅らせることができる。そのため、長期間の使用に耐えうる信頼性の高いイオン検出装置を得ることができる。
【００１４】
本発明の請求項５に係るイオン検出装置によると、上述した請求項３の効果に加えて、分離用電極部により電圧が印加される領域での被媒体溶液の流速を小さくするための緩衝領域を設けたので、被媒体溶液の流速が低下した状態で分離電極部により電圧が印加される。そのため、個々のプラスイオン及びマイナスイオンに電圧が印加される時間が相対的に大きくなり、その結果、イオンの分離がより活発に行なわれるため、分岐後の各流路に流出される妨害イオンが減少し、より精度の高いイオン検出が可能となる。
【００１５】
本発明の請求項６に係るイオン検出装置によると、上述した請求項１の効果に加えて、分離用電極部にパルス状の電圧が印加されるため、分離用電極部に電圧を印加したことにより被媒体溶液中のイオンが分離用電極に貼りついても、分離用電極部に電圧が印加されない状態が生じる。そのため、貼り付いたイオンが分離用電極から分離して、分離用電極部へのイオンの電着を効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１及び図２において１は分離用電極部、１ａは分離用電極部１のプラス電極、１ｂは分離用電極部１のマイナス電極、２ａ、２ｂはイオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）、３ａ、３ｂは参照電極、４ａはプラスイオンセンサ、４ｂはマイナスイオンセンサ、１０は半導体基板、２０は蓋部、３０は液流路、３０ａは流路３０の流入部、３０ｂは流路３０の流出部、３１は主流路、３２、３３は副流路、４０は液流路用溝部、４１は主流路用溝部、４２は副流路用溝部、Ｂは液流路３０の分岐点、Ｐはマイナスイオン、Ｎはプラスイオンである。
【００１７】
図１は、本実施形態におけるイオン検出装置の概略を示す斜視図を示したものである。同図に示すように、半導体基板１０は、例えばシリコンからなる平板状部材であって、表面をエッチング等することにより、所定の流路パターンよりなる液流路用溝部４０が形成されている。本実施形態においては、液流路用溝部４０は、主流路用溝部４１と、分岐点Ｂで主流路用溝部４１から分岐して形成される副流路用溝部４２、４３から構成されている。表面に液流路用溝部４０が形成された面を、蓋部２０と接合することにより、液流路３０が形成される。液流路３０は、主流路用溝部３１と、分岐点Ｂで主流路用溝部３１から分岐して形成される副流路用溝部３２、３３から構成されている。
【００１８】
蓋部２０は、ガラスからなる板状部材である。これは、流入させる被媒体溶液によっては、半導体基板１０と反応するものもあるため、その影響を極力小さくするためであり、ガラスに限らず、被媒体溶液と反応しない材質からなるものや、シリコン基板であって、半導体基板との接合面に、被媒体溶液と反応しない材質からなる保護層が形成されたものであってもよい。
【００１９】
分離用電極部１は、スパッタやＥＢ蒸着、ＣＶＤ等により液流路用溝部４０に形成されるプラス電極１ａ及びマイナス電極１ｂからなり、プラス電極１ａ・マイナス電極１ｂ間に印加させる電圧を制御する、図示しない電圧印加制御装置と電気的に接続されている。本実施形態においては、プラス電極１ａ、マイナス電極１ｂが、主流路用溝部４１側面の対向する位置に、液流路３０中の被媒体溶液と接するように形成されている。被媒体溶液の種類によっては、この分離用電極部１が腐食される可能性があり、その結果、被媒体溶液中に不純物が溶け出して電圧を印加することができなくなる場合がある。そのため、この分離用電極部１は、白金や金などの耐食性の優れた貴金属からなるものや、このような貴金属からなる層を表面に形成したものが好適に用いられる。被媒体溶液の流速が早い場合でも非媒体溶液に十分な電圧が印加されるよう、分離用電極部１の流動方向の幅は、適切な長さにしなければならない。分離用電極部１の材質に関しては、本実施形態に限定されるものではなく、使用される被媒体溶液の種類に応じて、公知の電極材料を適宜用いることができる。
【００２０】
また、分離用電極部１に電圧を印加することにより、プラス電極１ａやマイナス電極１ｂに、被媒体溶液中のイオンが貼り付いてしまう場合が生じ得るが、電圧印加制御部で制御する印加電圧がパルス状である場合には、分離用電極に電圧が印加しない状態が、一定間隔で一定時間生じるため、貼り付いたイオンがプラス電極１ａやマイナス電極１ｂから分離して、分離用電極部１へのイオンの電着を効果的に防止することができる。
【００２１】
副流路用溝部４２にはプラスイオン感応膜をもったＩＳＦＥＴ２ａと参照電極３ａが、副流路用溝部４３にはマイナスイオン感応膜をもったＩＳＦＥＴ２ｂと参照電極３ｂが、それぞれ、副流路３２、３３中の被媒体溶液に接するように配置されている。このプラスイオン感応膜をもったＩＳＦＥＴ２ａと参照電極３ａが電気的に接続されてプラスイオンを検出するためのプラスイオンセンサ４ａが構成され、マイナスイオン感応膜をもったＩＳＦＥＴ２ｂと参照電極３ｂが電気的に接続されてマイナスイオンを検出するためのマイナスイオンセンサ４ｂが構成される。
【００２２】
次に、図２は、本実施形態に係るイオン検出装置を用いてイオンを検出する場合の、検知方法の概要を説明するための説明図である。以下にこれについて詳述する。
【００２３】
液流路３０の流入部３０ａから流入された非媒体溶液に含まれるマイナスイオンＮ及びプラスイオンＰは、流出部３０ｂに向かって、液流路３０内を所定の流速で移動している。分離用電極部１により所定の電圧が印加されると、分離電極部１より上流側に存在するプラスイオンＰはマイナス電極１ｂは、分離用電極部１に接近していくに従って、マイナスイオンＮはプラス電極１ａに引き寄せられながら流動するようになる。そのため、電圧印加後のプラスイオンＰ及びマイナスイオンＮの方向ベクトルは、それぞれ液流路３０に流入された当初の方向ベクトルに対して所定の角度だけ変化する。すなわち、電圧印加後のマイナスイオンＮは電圧印加前に比べてプラス電極１ａ側に、プラスイオンＰは電圧印加前に比べてマイナス電極１ｂ側に、それぞれ所定の角度だけ方向ベクトルが変化している。この角度は、イオンの種類、電圧印加前の被媒体溶液の流動速度及び分離用電極部１での印加電圧により特定されるので、これらを調整することにより制御可能である。そのため、あらかじめ変化する角度を特定し、それに基づいて副流路の分岐角度を決定すれば、プラスイオンＰ及びマイナスイオンＮの大部分は分離して、各々の副流路３２，３３に流出していく。
【００２４】
プラスイオンＰの大部分が流入した副流路３２には、プラスイオンＰを検出するためのプラスイオンセンサ４ａが配されており、その際に妨害イオンとなりうるマイナスイオンＮの殆どは、もうひとつの副流路３３に流入しているため、妨害イオンの少ない計測が可能となり、プラスイオンＰの検出精度が向上する。また、マイナスイオンの場合も同様に、副流路３３には、マイナスイオンＮの大部分が流入し、プラスイオンＰは殆ど含まれていないので、副流路３３に配されたマイナスイオンセンサ４ｂにより、精度のよいイオン検出を行なうことができる。
【００２５】
本実施形態における液流路３０は、主流路３１が分岐して副流路３２、３３が形成されるものであったが、この形態に限定されるものではなく、主流路３１が流出口３０ｂに至るまで直線状に形成され、副流路３２が分岐するような構成であってもよい。また、同じ極性のイオンでも、イオンの種類により、変化する方向ベクトルの角度が異なるものが被媒体溶液に複数存在する場合は、各々のイオンの種類に対応した角度で分岐する副流路を設けて、各々の副流路に測定対象を検出するイオンセンサを設けて測定してもよい。この場合は、複数のプラスイオンやマイナスイオンを同時に精度良く検出することが可能となる。
【００２６】
さらに、図３は、参照電極３を分岐部Ｂ近傍の上流側に配置したイオン検知装置の概略を示す斜視図である。同図に示すように、イオンセンサを構成する参照電極３を、分岐部Ｂ近傍の上流側に配置すれば、複数のＩＳＦＥＤ２と対応する参照電極３をひとつにまとめることができ、装置全体を小型化することができる。
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を図４及び図５に基づいて説明する。
本実施形態に係る発明は、分岐後の異なる液流路３０に分離用電極部１を構成するプラス電極１ａ、マイナス電極１ｂを設けることを特徴とし、それ以外については実施形態１で記載した構成と同じであるから、この特徴部分についてのみ以下に説明する。
【００２７】
図４及び図５において１ａは分離用電極部のプラス電極、１ｂは分離用電極部のマイナス電極、２ａ、２ｂはイオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）、３は参照電極、１０は半導体基板、３１ｂ、３２ｂは液流路の流出部、４０は液流路用溝部、４１は主流路用溝部、４２は副流路用溝部である。
【００２８】
図４は、本実施形態における半導体イオン検出装置の概略を示す斜視図を示したものである。図４に示すように、液流路用溝部４０は、主流路用溝部４１が流出部３１ｂに至るまで一定幅で直線状に形成されるとともに、分岐部Ｂで所定角度分岐して、別の流出口３２ｂに至るまでの副流路用溝部４２が形成されている。液流路用溝部４０の構成は、本実施形態に限定されるものではなく、図１に示すような主流路用溝部４１が分岐点Ｂで分岐して副流路用溝部４２、４３が形成されるものあってもよいし、主流路用溝部４１から分岐される副流路用溝部が複数個有するものであってもよい。
【００２９】
分離電極部１を構成するプラス電極１ａが分岐後の主流路用溝部４１の側面部に、マイナス電極１ｂが副流路用溝部４２の側面部に、液流路中の被媒体溶液と接するように形成されている。両電極間には、図示しない電圧印加制御装置が電気的に接続されている。この状態で、分離電極部１に所定の電圧が印加されると、分岐前の主流路を流動するプラスイオン及びマイナスイオンは、分離電極部１に近づくに従って、それぞれマイナス電極１ｂ、プラス電極１ａに引き寄せられ、選択的にそれぞれの流路に流出される。従って、実施形態１で述べたような電圧印加前の被媒体溶液の流動速度や分離電極部１への印加電圧等を緻密に制御したり、分離したブラスイオンとマイナスイオンを選択的に特定の液流路３０へ流出させるための特別な手段を講じなくても、測定対象とするイオンセンサが配された液流路３０に各々のイオンを流出させることができる。
【００３０】
また、図５は、分岐後の液流路３０に配される分離電極部１が、液流路の側面及び底面の略全面に形成されている場合の半導体イオン検出装置の概略を示す斜視図を示したものである。同図に示すように、主流路用溝部４１及び副流路用溝部４２の各々の液流路３０の流出部３１ｂ、３２ｂに至るまで、プラス電極１ａ及びマイナス電極１ｂは、分岐後の液流路用溝部４０の略全面に渡って形成されている。（すなわち、分岐後の液流路の底面及び側面の略全面に渡って形成されている。）このように、分離用電極部１の表面積を大きくすることで、不純物の付着等による相対的な影響は減少するため、分離用電極部１の劣化進行を遅らせることができる。そのため、長期間の使用に耐えうる信頼性の高いイオン検出装置を得ることができる。
【００３１】
また、分離電極部１の表面積が大きいため、測定対象となるイオンが引き寄せられる力の総和が大きくなり、分岐後の測定対象となるイオンの流速が小さくなる。そのため、ＩＳＦＥＴ２でのイオン検出精度がより向上する。
【００３２】
本実施形態においては、分離用電極部１を構成するプラス電極１ａ及びマイナス電極１ｂが共に、分岐後の主流路用溝部４１及び副流路用溝部４２に形成されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、プラス電極１ａ及びマイナス電極１ｂのいずれか一方が分岐前の主流路用溝部４１に形成されるものであってもよい。
【００３３】
また、図５に示すものでは、プラス電極１ａ及びマイナス電極１ｂのいずれもが、分岐後の液流路３０の底面及び側面の略全面に渡って形成されているが、これに限定されるものではなく、分岐後の液流路に形成されるプラス電極１ａ及びマイナス電極１ｂのいずれか一方のみが、分岐後の液流路の底面及び側面の略全面に渡って形成されているものであってもよい。
（実施形態３）
本発明の第３の実施形態を図６に基づいて説明する。本実施形態にかかる発明は、分離用電極部１により電圧が印加される領域での被媒体溶液の流速を小さくするための緩衝領域を液流路３０に設けたことに特徴を有し、それ以外については実施形態１及び実施形態２で記載した構成と同じであるから、この特徴部分についてのみ以下に説明する。
【００３４】
図６は  本実施形態における半導体イオン検出装置の概略を示す斜視図である。同図において１は分離用電極部、１ａは分離用電極部のプラス電極、１ｂは分離用電極部のマイナス電極、２ａ、２ｂはイオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）、３は参照電極、１０は半導体基板、４０は液流路用溝部、４１は主流路用溝部、４２は副流路用溝部、５０は緩衝領域である。
【００３５】
図６に示すように、液流路用溝部４０は、主流路用溝部４１が流出口３０ｂに至るまで一定幅で直線状に形成されるとともに、分岐部Ｂで分岐して、別の流出口３２ｂに至るまでの副流路用溝部４２が形成されている。この分岐部Ｂの上流側の近傍は、４１は主流路用溝部の一定幅よりも幅広な円状の緩衝領域５０が設けられている。流入部３０ａから流入され主流路３１を流動する被媒体溶液は、幅広な緩衝領域５０に到達し、その後分離電極部１により電圧が印加されてプラスイオンとマイナスイオンに分離され、分岐部Ｂで選択的に各液流路に流出される。その際、被媒体溶液が緩衝領域５０に到達すると、幅広な緩衝領域５０の外縁に沿っても流動するため、被媒体溶液の流速は低下し、その状態で分離電極部１により電圧が印加されるため、個々のプラスイオン及びマイナスイオンに電圧が印加される時間が相対的に大きくなる。その結果、イオンの分離がより活発に行なわれるため、分岐後の各流路に流出される妨害イオンが減少し、より精度の高いイオン検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の半導体イオン検出装置において、第１の実施形態におけるの概略を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係るイオン検出装置を用いてイオンを検出する場合の、検知方法の概要を説明するための説明図である。
【図３】第１の実施形態に係るイオン検出装置において、参照電極３を分岐部Ｂ近傍の上流側に配置したイオン検知装置の概略を示す斜視図である。
【図４】本発明の半導体イオン検出装置において、第２の実施形態におけるの概略を示す斜視図である。
【図５】第２の実施形態に係るイオン検出装置において、分岐後の液流路３０に配される分離電極部１が、液流路の側面及び底面の略全面に形成されている場合の半導体イオン検出装置の概略を示す斜視図を示したものである。
【図６】本発明の半導体イオン検出装置において、第３の実施形態におけるの概略を示す斜視図である。
【図７】従来例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    分離用電極部
２    イオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）
３    参照電極
４    イオンセンサ
１０  半導体基板
２０  蓋部
３０  液流路
３１  主流路
３２  副流路
４０  液流路用溝部
Ｂ    液流路３０の分岐点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005098818.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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