(57)【要約】本発明は、少なくとも２つのイオン感応性電界効果トランジスタを用いて、被測定溶液中の特定のイオンの濃度を、マイクロチャネルを有するマイクロリザーバ内に含有される参照溶液中の特定のイオンの濃度と比較する、差動測定に基づくイオンセンサに関する。これを行うために、マイクロリザーバ及びマイクロチャネルは、１つのイオン感応性電界効果トランジスタの少なくともゲートを覆い、上記ゲート及びマイクロチャネルの少なくとも基部の全体を覆う多孔質材料で部分的に充填されたユニットを構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
差動測定に基づくイオンセンサ（１）であって、
少なくとも１つの接続トラック（３、３’）を有する基材（２）と、
前記基材（２）に連結する１つの電極（４）と、
前記基材（２）内に挿入された第１のチップ内に一体化され、少なくとも１つの接続トラック（３）に連結する、１つのゲート（６）を有する第１のイオン感応性電界効果トランジスタＩＳＦＥＴ（５）と、
前記基材（２）内に挿入された第２のチップ内に一体化され、少なくとも１つの接続トラック（３’）に連結する、１つのゲート（６’）を有する少なくとも第２のイオン感応性電界効果トランジスタＩＳＦＥＴ（５’）と、
前記第１のＩＳＦＥＴトランジスタ（５）の前記ゲート（６）上にマイクロリザーバ（８）を形成するように構成された、前記第１のイオン感応性電界効果トランジスタＩＳＦＥＴ（５）上に接着された構造体と、
前記マクロリザーバ（８）を外部と連結する少なくとも第１のマイクロチャネル（９）と、
前記接続トラック（３、３’）を完全に、並びに前記第１及び前記第２のイオン感応性電界効果トランジスタＩＳＦＥＴ（５、５’）を部分的に分離する封止材料（１５、１５‘）と、を備え、
前記マイクロリザーバ（８）及び前記第１のマイクロチャネル（９）は、多孔質材料（１１）で完全に又は部分的に充填されたユニットを構成し、
前記多孔質材料（１１）は、前記第１のＩＳＦＥＴトランジスタ（５）の前記ゲート（６）及び前記第１のマイクロチャネル（９）の少なくとも前記基部を完全に覆う単体を形成し、前記第１のマイクロチャネル（９）から前記第１のＩＳＦＥＴトランジスタ（５）の前記ゲート（６）へ参照溶液（１２）を吸収し、前記ユニット内部の空気（１４）を排出又は圧縮する能力を有する、ことを特徴とする、センサ。
【請求項２】
更に、前記マイクロリザーバ（８）は、少なくとも第２のマイクロチャネル（１３）により前記外部へ連結されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項３】
前記マイクロリザーバ（８）、前記第１のマイクロチャネル（９）、及び前記第２のマイクロチャネル（１３）は、多孔質材料（１１）で完全に又は部分的に充填されたユニットを構成し、前記第１のＩＳＦＥＴトランジスタ（５）の前記ゲート（６）及び前記第１のマイクロチャネル（９）の少なくとも前記基部を完全に覆う単体を形成することを特徴とする、請求項２に記載のセンサ（１）。
【請求項４】
前記マイクロリザーバ（８）及び前記第１のマイクロチャネル（９）は多孔質材料（１１）で完全に充填されことと、前記第２のマイクロチャネル（１３）は多孔質材料（１１）が全くない又は部分的になく、前記マイクロリザーバ（８）及び前記マイクロチャネル（９）から構成される前記ユニットの内部に残留する前記空気（１４）を排出することと、を特徴とする、請求項３に記載のセンサ（１）。
【請求項５】
前記多孔質材料（１１）は、前記マイクロリザーバ（８）及び前記マイクロチャネル（９）から構成される前記ユニットの総容積の５％〜９５％を充填することを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項６】
前記多孔質材料（１１）は、前記マイクロリザーバ（８）及び前記マイクロチャネル（９、１３）から構成される前記ユニットの総容積の５％〜９５％を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項７】
前記多孔質材料（１１）は、０．０１μｍ〜１００μｍの範囲の直径を有する細孔を有することを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項８】
前記多孔質材料（１１）は、一種のマトリックスとして単体を形成する多数のピラーを備え、各々のピラーは０．０１μｍ〜１００μｍの範囲の直径を有し、及び各々のピラーは０．０１μｍ〜１００μｍの範囲の距離でその隣接するピラーから分離されていることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項９】
ただ１つのマイクロチャネル（９）を備えることと、前記マイクロリザーバ（８）及び前記マイクロチャネル（９）から構成される前記ユニットが多孔質材料（１１）で完全に充填されることと、を特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項１０】
イオン測定装置であって、前記イオン測定装置は、そのイオン濃度を測定する媒体と接触しやすい容器を備え、前記容器は、
請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサ（１）と、
前記媒体の前記イオン濃度を計算するように前記上記のセンサ（１）に連結する制御ユニットと、
前記媒体の前記イオン濃度を視覚的にユーザに示すように前記制御ユニットに連結する表示ユニットと、を備えることを特徴とする、イオン測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野はイオンの測定であり、より一般的な用途はｐＨ、即ち、水溶液中の水素イオンの濃度の測定である。
【０００２】
本発明は、被測定溶液中の特定のイオンの濃度を、マイクロリザーバに含まれる参照溶液と比較する差動測定に基づくイオンセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、媒体中のイオン濃度の測定を行ういくつかの技術が知られている。
【０００４】
最もよく使用される技術の１つは、イオン選択電極（ＩＳＥ）による測定である。より具体的には、これらの電極は選択膜を備え、この膜を用いて溶液中のイオンを交換することにより電位を生じる。現在、いくつかのタイプの選択膜、例えば、結晶膜、ガラス膜又は樹脂膜等、が知られている。電位の測定を行うために、これらの電極は、参照溶液中に浸漬される内部参照電極と、被測定溶液中に浸漬される外部電極とを必要とする。
【０００５】
広く知られている別のタイプのセンサは、イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）センサである。これらのトランジスタは、電界効果トランジスタに基づいており、通常、１つのゲート、１つのドレイン、及び１つのソースの３つの端子を備える。より具体的には、これらのセンサは、集積回路（チップ）上に作られ、チップ内に一体化されていない参照電極を備える。このセンサは、センサを浸漬する溶液のイオン濃度に従って、その閾値電圧を変化させる。具体的には、ゲートに接しているイオンに従って、電圧を変化させる。このゲートは、少なくとも１種類のイオンに対して選択性のある膜で作られている。したがって、選択される膜に応じて、トランジスタは特定のタイプのイオンに応答する。上記の閾値電圧は、参照電極と、ソースとドレインと間に電流を生成するのに必要なソースと、の間の最小電圧差として定義される。
【０００６】
ＩＳＥ電極に基づくセンサとＩＳＦＥＴに基づくセンサの両方は、イオンを測定するためにセンサに一体化されていない参照電極を必要とする。したがって、それらを生産するのは高価であり、定期的な保守が必要である。
【０００７】
最後に、参照電極を必要としないで、２つのＩＳＦＥＴトランジスタを含むｐＨ測定を行う別の方法がある。具体的には、ＩＳＦＥＴの１つは、ゲートを介して被測定溶液中でイオン測定を行う。一方、ｐＨに敏感な他のＩＳＦＥＴのゲートは、一種のマイクロリザーバとしてゲートを覆う構造体を組み込むことにより一定のｐＨ濃度に曝されたままである。このマイクロリザーバは、特定のｐＨ値の緩衝液である参照溶液が充填され、２つの溶液間で液絡部が生じるマイクロチャネルにより外部と、即ち被測定溶液と連結される。このようにして、一般にＲＥＦＥＴとして知られる参照ＩＳＦＥＴトランジスタを得る。
【０００８】
具体的には、上記の液絡部は被測定溶液と参照溶液との電位差を小さくさせ、したがって、ＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴとの差動測定は、主にＩＳＦＥＴのｐＨに対する応答性又は被測定溶液中の他のイオン濃度に依存する。
【０００９】
この実施形態の公知の例は、参照溶液を直接含有する、又はこの参照溶液を予め吸収したゲルを含有するエポキシ樹脂で封止されたマイクロリザーバの形成からなる。このマイクロリザーバにより、参照溶液はＲＥＦＥＴのゲートと接触し続けることができる。更に、ガラス毛細管チューブにより、参照溶液と被測定溶液との間で接触が可能になる。
【００１０】
このタイプのセンサの問題は耐用年数であり、耐用年数はマイクロリザーバの容積及びマイクロチャネルの容積に依存する。これは、マイクロリザーバ内の参照溶液がマイクロチャネルを通って希釈されること及び／又は汚染されることに起因する。そのため、マイクロリザーバ内のｐＨレベルが適切に緩衝されなくなり、測定中により著しく変化するので、測定の誤差は徐々に増加する。このため、耐用年数の短いセンサと考えられる。
【００１１】
このタイプのセンサの別の問題は、乾燥環境中に長期間保存すると、マイクロリザーバ内の参照溶液がマイクロチャネルを通ってゆっくりと蒸発して空気に置換されることである。その結果、参照溶液が完全に蒸発するか、又はセンサが被測定溶液に再び浸漬されると気泡が参照溶液に現れるかのいずれかであり、センサが適切に機能するのを妨げる。例えば、気泡がＲＥＦＥＴのゲートの表面に残留する場合、又は気泡がマイクロチャネルに詰まってマイクロリザーバの外側と内側との間の液絡部を塞ぐ場合、センサの測定は不正確になる。
【００１２】
これらの問題を解決するために、マイクロリザーバに含まれる参照溶液を入れ替えることのできる別のタイプのＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴ差動センサがある。この目的のために、このセンサのマイクロリザーバ及びマイクロチャネルは、ＲＥＦＥＴを構成するＩＳＦＥＴのゲートをコーティングするゲルで完全に充填される。この構成は、マイクロチャネル及びマイクロリザーバ内の気泡の形成を防止し、したがって、この誤動作の問題を回避する。更に、このＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴ差動センサを、最初の使用まで、又は数回の使用後に乾燥して保管することができる。
【００１３】
より具体的には、ゲルは、センサが予め浸漬されている参照溶液に浸漬され、参照溶液を直接含有するのと同じ機能をするが、以下「ＲＥＦＥＴのゲート」と呼ぶ、ＲＥＦＥＴのゲート又はマイクロチャネルにおいて気泡の形成を回避する。
【００１４】
即ち、このＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴセンサは、気泡の問題を防止し、ゲルが乾燥した場合に迅速な再水和を可能にする目的で、マイクロリザーバ及びマイクロチャネルの内部に参照溶液を含有するゲルを備える。
【００１５】
具体的には、このタイプのセンサは、正しい使用のために、ゲルが参照溶液を吸収できるように最初に参照溶液に浸漬されなければならない。ＲＥＦＥＴがその溶液で充填されると、同じ参照溶液で較正を行うことができる。この工程の後、被測定溶液中のイオン濃度を参照溶液中のイオン濃度と比較するための測定を行う。その後、必要であればセンサを再び較正するためにセンサを再び同じタイプの参照溶液中へ浸漬し、測定中に僅かに変化した可能性があるマイクロリザーバ内の溶液がチャネルを通って拡散することにより、入れ替えることができる。
【００１６】
これらの利点にもかかわらず、このセンサは、電位の測定において大きな誤差を示す。これは、ＲＥＦＥＴのゲートとＩＳＦＥＴのゲートとの間に余分な電位が生じることに起因する。具体的には、この電位は、ゲルと外部の被測定溶液との間で生じる。ドナン電位（Donnan potential）として知られる前記電位は、被測定溶液中の異なるイオンの濃度により測定の障害となり、したがってセンサの精度を低下させる。
【００１７】
上記の障害は、図１ａ及び図１ｂに明示されており、ここでは２つのＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴ差動センサが、ｐＨ７及びｐＨ４の２つの緩衝溶液に浸漬されている。具体的には、図１ａは、ＲＥＦＥＴのマイクロリザーバ及びマイクロチャネルがポリ（ＨＥＭＡ）型ゲルで完全に充填され、予めｐＨ７の緩衝溶液で浸漬されているＲＥＦＥＴを用いて得られた結果を示す。これに対して、図１ｂは、ＲＥＦＥＴのマイクロリザーバ及びマイクロチャネルがｐＨ７の緩衝溶液で完全に充填されているＲＥＦＥＴを用いて得られた結果を示す。
【００１８】
両方のＲＥＦＥＴのゲート電圧を印加するために、溶液の電位の変動が確実に最大値が１〜２ｍＶであるように参照電極は使用されている。図に示す印加されたゲート電圧は、１００μＡのドレイン定電流と０．５Ｖのドレイン−ソース定電圧により維持されるゲート電圧に対応する。このように、トランジスタの閾値電圧の変動は、印加されたゲート電圧に忠実に反映される。
【００１９】
図１ａ及び図１ｂに示すように、ヒドロゲルで充填されたＲＥＦＥＴの応答は、１０ｍＶ程度の高い電位変動を示し、時間の経過と共に大きく変動するが、一方、ヒドロゲルを含まないＲＥＦＥＴの場合には、２ｍＶ程度のより小さい電位変動を示し、時間の経過と共に大きく変動しない。
【００２０】
また、米国特許第４８７４４９９号に記載されているものによれば、第１のセンサの空洞の開口部にイオン感応膜を含む第１のイオンセンサと、第２のセンサの空洞に開口部を提供する多孔質膜であって、この多孔質膜の目的は空洞の内側と外側との間で液絡部を可能にすることである多孔質膜を備えたＲＥＦＥＴとして働く第２のセンサと、から成る構成のセンサも存在する。
【発明の概要】
【００２１】
本発明は、差動測定に基づくイオンセンサに関し、差動測定は、
少なくとも１つの接続トラックを有する基材と、
基材に連結する１つの電極と、
基材内に挿入された第１のチップ内に一体化され、少なくとも１つの接続トラックに連結する、１つのゲートを有する第１のイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）と、
基材内に挿入された第２のチップ内に一体化され、少なくとも１つの接続トラックに連結する、１つのゲートを有する第２のイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）と、
第１のＩＳＦＥＴトランジスタのゲート上にマイクロリザーバを形成するように構成された、第１のイオン感応性電界効果トランジスタ上に接着された構造体と、
マイクロリザーバを外部と連結させ、参照溶液の拡散による入れ替えを可能にする少なくとも第１のマイクロチャネルと、
接続トラックを完全に、並びに第１及び第２のイオン感応性電界効果トランジスタを部分的に、分離する封止材料と、
を備える。
【００２２】
より具体的には、マイクロリザーバ及び第１のマイクロチャネルは、多孔質材料、例えばメソポーラス材料又はマクロポーラス材料等、で完全に又は部分的に充填されたユニットを構成する。この多孔質材料は、第１のトランジスタのゲート及び第１のマイクロチャネルの少なくとも基部を完全に覆う単体を形成する。この多孔質材料は、第１のマイクロチャネルから参照溶液を吸収し、それを第１のトランジスタのゲートに広げ、マイクロリザーバ及び第１のマイクロチャネル内の空気を排出又は圧縮する能力を有する。
【００２３】
このように、第１のＩＳＦＥＴトランジスタは、そのゲートが参照溶液と接触しているのでＲＥＦＥＴトランジスタとなり、したがって測定値は一定であり、被測定溶液中のイオン濃度とは無関係である。この被測定溶液は、第２のＩＳＦＥＴによって測定される。ＩＳＦＥＴトランジスタとＲＥＦＥＴトランジスタを分極するために使用する電極の電位のイオン濃度に対する応答は、測定が差動方法で行われるので、センサの差動応答を妨げない。
【００２４】
場合によっては、第１のイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）のゲートは、少なくとも１つのタイプのイオンに感応する膜で被覆される。このように、選択された膜に応じて、トランジスタは特定の種類のイオン（例えば、リチウムイオン、カルシウムイオン、カリウムイオン）に応答する。イオン感応性膜で被覆されたこれらのＩＳＦＥＴは、一般的にＣＨＥＭＦＥＴとして公知である。一例は、カリウム（Ｋ＋）イオンに対して感応性であるイオン交換材料としてバリノマイシンを含むＰＶＣ膜であるが、他のイオン、例えばＣａ２＋、Ｎａ＋、Ｃｌ−、ＮＨ４＋、Ｌｉ＋等、に感応性である膜も存在する。
【００２５】
好ましくは、マイクロリザーバは、第２のマイクロチャネルにより外部に連結されてもよい。このように、マイクロリザーバ、第１のマイクロチャネル及び第２のマイクロチャネルは、多孔質材料で完全に又は部分的に充填されたユニットを構成し、第１のトランジスタのゲート及びマイクロチャネルの１つの少なくとも基部を完全に覆う単体を形成する。
【００２６】
好ましくは、マイクロリザーバ及び第１のマイクロチャネルは多孔質材料で完全に充填され、そして第２のマイクロチャネルは多孔質材料が全くない又は部分的になく、マイクロリザーバ及びマイクロチャネルから構成されるユニットの内部に残留する空気を排出する。
【００２７】
場合によっては、マイクロリザーバ及び第１のマイクロチャネルは多孔質材料で完全に充填され、そして第２のマイクロチャネルは空であり、ユニットは部分的に充填されたままである。このように、センサを参照溶液に入れると、この参照溶液は第１のマイクロチャネルにより吸収され、第１のマイクロチャネル及びマイクロリザーバの内部の空気を第２のマイクロチャネルを通して排出しながらＲＥＦＥＴトランジスタのゲートに広がる。
【００２８】
差動測定に基づくセンサの変形例では、ユニットは、マイクロリザーバ及び第１のマイクロチャネルのみから構成される別のユニットであり、即ち、マイクロリザーバは、第２のマイクロチャネルを介して外部に連結されていない。この別のユニットは、多孔質材料で完全に充填されている。このように、センサを参照溶液に浸漬すると、この溶液は多孔質材料に浸み込み、空気を圧縮するマイクロリザーバの内部に圧力を発生し、マイクロリザーバが部分的に溶液で充填される。マイクロリザーバ内のＲＥＦＥＴのゲートのレイアウトは、参照溶液で充填された部分と接触したままでなければならない。この構成は生産が容易である。
【００２９】
本発明の別の態様では、イオン濃度を測定する媒体と接触しやすい容器を備えるイオン測定装置が記載される。次に、この容器は、
先に記載された任意の変形によるセンサと
媒体のイオン濃度を計算するように上記のセンサに連結する制御ユニットと、
媒体のイオン濃度を視覚的にユーザに示すように制御ユニットに連結する表示ユニットと、
を備える。
【００３０】
多孔質材料は、マイクロリザーバ及びマイクロチャネル、又はマイクロチャネルから構成されるユニットの総容積の５％〜９５％を占めることが好ましく、ＲＥＦＥＴトランジスタのゲート及びマイクロチャネルの１つの少なくとも基部を多孔質材料と接触する状態にする。
【００３１】
この多孔質材料は、０．０１μｍ〜１００μｍの細孔径を有することが好ましい。より具体的には、この多孔質材料は、マイクロリザーバ及びマイクロチャネルから構成されるユニットの内部で、直径が０．０１μｍ〜１００μｍの範囲にある１０重量％のアルミナ粒子を含む水性懸濁液を蒸発させた結果である。この懸濁液が蒸発すると、上記のマイクロリザーバ及びマイクロチャネルを部分的に充填する０．０１μｍ〜１００μｍの範囲の細孔を有する多孔質材料が形成される。
【００３２】
好ましくは、多孔質材料は、例えば、アルミナ、酸化ケイ素、セルロース、ポリアミド、ポリスチレンの中から選択されることができる。多孔質材料はアルミナであることが好ましい。
【００３３】
あるいは、多孔質材料は、一種のマトリックスとして単体を形成する多数のピラーを備える。より具体的には、これらのピラーは、０．０１μｍ〜１００μｍの範囲の直径を有し、０．０１μｍ〜１００μｍの範囲の距離で互いに分離されている。これらのピラーは、マイクロマシニング技術を用いて、例えば感光性材料を用いたフォトリソグラフィプロセスを用いて、作製されることが好ましい。
【００３４】
更に、これらのピラーは、マイクロリザーバとマイクロチャネルから構成されるユニットに直接微細加工することができ、イオンセンサの製造が容易になる。
【００３５】
細孔径のこの範囲及び／又はピラー間の分離の範囲は、マイクロリザーバ及びマイクロチャネルの内部の空気を排出し、１分未満でそれらを参照溶液で部分的に充填するのに十分な毛細管現象により参照溶液の流れを確保しながら、ドナンポテンシャルの発生を防止する。
【００３６】
更に、毛細管現象による参照溶液の吸収を可能にするためには、多孔質材料は親水性でなければならず、即ち９０°未満の接触角を有しなければならない。多孔質材料が９０°未満の接触角を有していない場合、その場合は公知の処理、例えば酸素プラズマ中で多孔質材料の表面を活性化する、及び／又は水溶液中にイオン化官能基を含有する分子、例えば３−アミノプロピルトリエトキシシラン等でこれらの表面を被覆する等、により得ることができる。
【００３７】
この多孔性で親水性の材料は、より小さい細孔径を有する他の多孔質材料とは異なり、ドナン電位の形成を防止する。このため、細孔の内部と、測定中にセンサが浸漬される被測定溶液との間に電位差が生じない。したがって、参照溶液と被測定溶液との間に液絡部が存在しても、測定の誤差は、マイクロリザーバ及びマイクロチャネル内のすべての容積が参照溶液のみで充填されるＲＥＦＥＴを用いて得られる誤差以下である。このように、その親水性の性質により、マイクロリザーバを参照溶液で部分的に又は完全に迅速に充填することができる。したがって、マイクロリザーバがゲルで充填されているＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴセンサよりもより正確な測定値が得られる。
【００３８】
本発明の別の利点は、多孔質材料が高親水性であり、このため参照溶液のみで充填されたＲＥＦＥＴと比較して、センサが基準溶液から取り除かれた場合に完全に乾燥するのに、より長い時間を要するということに起因する。
【００３９】
更に、完全に乾燥すると、参照溶液に再び浸漬することにより、気泡の発生の危険なしに、簡単にかつ迅速に再水和することができるので、従来技術に記載されているセンサと比較して耐用年数が長い。このセンサはまた、参照溶液に浸漬してセンサを再較正し、マイクロリザーバ及びマイクロチャネル内、又はマイクロチャネル内のイオン濃度を、測定する前のその値に戻すことができる。
【００４０】
本発明の別の利点は、米国特許第４８７４４９９号に記載されているように、マイクロリザーバの内部と外部との間に液絡部を形成する多孔質膜を有するセンサとは異なり、本発明のセンサは、センサを参照溶液中に単に浸漬することにより、毛細管現象により参照溶液が流れ、リザーバを部分的に又は完全に充填するので、マイクロリザーバをより簡単に充填することができることである。上記の特許文献に記載されたような多孔質膜は、第２のセンサのゲートと接触せず、第２の参照センサのマイクロリザーバを部分的にも、完全にも充填しない。米国特許第４８７４４９９号には、センサを充填するための追加のマイクロチャネルの必要性が記載されている。この場合、毛細管現象による充填は起こらず、参照溶液をマイクロリザーバ内に注入するための能動システムが必要である。
【００４１】
要約すると、この特徴的な構成により、このセンサは、イオン濃度測定に関連する障害を示さず、ＲＥＦＥＴのゲート内に気泡を形成せず、迅速に再水和され、より長い耐用年数を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
ここで、与えられている説明を補足するために、及び好ましい実用的な実施形態による本発明の特徴をより良く理解することに貢献する目的で、本発明の説明には、それらの不可欠な部分として、例示の非限定的な目的のために提供される一連の図面が添付される。その一連の図面において、
【図１】図１ａは従来技術での公知の解決法による、ポリ（ＨＥＭＡ）型ゲルで充填されたＲＥＦＥＴを用いた測定から得られた結果のグラフを示す。図１ｂは従来技術での公知の解決法による、参照溶液で充填されたＲＥＦＥＴを用いた測定から得られた結果のグラフを示す。
【図２】差動測定に基づくイオンセンサの模式図である。
【図３】ＲＥＦＥＴの好ましい構成の模式図である。
【図４】参照溶液中に浸漬された図３のＲＥＦＥＴの模式図である。
【図５】ＲＥＦＥＴの別の好ましい構成の模式図である。
【図６】参照溶液中に浸漬された図５のＲＥＦＥＴの模式図である。
【図７】部分的に切り取ってマイクロリザーバの内部を示すＲＥＦＥＴの別の好ましい構成の模式図である。
【図８】多孔質材料で充填されたＲＥＦＥＴを用いた測定から得られた結果のグラフを示す。
【図９】ＲＥＦＥＴの別の好ましい構成の模式図である。
【図１０】参照溶液中に浸漬された図９のＲＥＦＥＴの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の好ましい実施形態では、図２に示すように、差動測定に基づくイオンセンサ（１）は、接続トラック（３、３’）及び１つの電極（４）を有する基材（２）からなる。
【００４４】
上記基材（２）上には、ゲート（６、６’）をそれぞれ有するＩＳＦＥＴトランジスタ（５、５’）として知られる、第１及び第２のチップ内に一体化された１つのゲートを有する第１及び第２のイオン感応性電界効果トランジスタが集積されており、ボンディングワイヤ（７、７’）により接続トラック（３，３’）に接続されている。より具体的には、第１のＩＳＦＥＴトランジスタ（５）は、そのゲート（６）上にマイクロリザーバ（８）を形成する構造体により覆われ、マイクロチャネル（９）により外部に連結されている。このＩＳＦＥＴ（５）の構成では、マイクロリザーバ（８）及びマイクロチャネル（９）は、参照溶液（１２）を測定するＲＥＦＥＴトランジスタ（１０）を構成し、一方で他方のＩＳＦＥＴトランジスタ（５）は被測定溶液を測定する。センサ（１）により、両方の測定間における電位差を比較し、被測定溶液のイオン濃度が分かる。
【００４５】
更に、センサ（１）は、上記の接続トラック（３、３’）及びワイヤ（７、７’）を完全に覆うポリマー封止材料（１５、１５’）を備える。この封止材料（１５’）は、ＩＳＦＥＴトランジスタ（５’）を部分的に覆い、そのゲート（６’）を露出させたままにする。ＲＥＦＥＴトランジスタ（１０）に関しては、封止材料（１５）は、ボンディングワイヤ（７）がＲＥＦＥＴトランジスタ（１０）に連結される領域のみを覆う。
【００４６】
図３は、ＲＥＦＥＴトランジスタ（１０）をより詳細に示す。具体的には、マイクロリザーバ（８）及びマイクロチャネル（９）は、多孔質材料（１１）で部分的に充填されたユニットを構成する。この多孔質材料（１１）は、ＩＳＦＥＴトランジスタ（５）のゲート（６）及びマイクロチャネル（９）の基部を完全に覆う単体を形成する。この多孔質材料（１１）は、直径０．０５μｍの多数の細孔を形成するアルミナ粒子を含む。更に、多孔質材料（１１）は、マイクロリザーバ（８）及びマイクロチャネル（９）から構成されるユニットの総容積の１０％を占める。
【００４７】
図４に模式的に示すように、この構成により、センサ（１）を参照溶液（１２）の中に浸漬すると、多孔質材料（１１）はマイクロチャネル（９）を通して毛細管現象により参照溶液（１２）を吸収し、それをＲＥＦＥＴ（１０）の一部を形成するゲート（６）に広げる。瞬間的に、毛細管現象の影響により圧力がかかるため、マイクロリザーバ（８）及びマイクロチャネル（９）のユニットを占める空気（１４）は、多孔質材料（１１）のない領域を通って排出される。
【００４８】
図５に示す別の好ましい実施形態では、マイクロリザーバ（８）は、マイクロリザーバ（８）の内部に蓄積する空気（１４）の排出を可能にする追加のマイクロチャネル（１３）を組み込んでいる。具体的には、マイクロリザーバ（８）及びマイクロチャネル（９，１３）は、単体を形成する多孔質材料（１１）で部分的に充填されるユニットを構成する。多孔質材料は、マイクロリザーバ（８）及び第１のマイクロチャネル（９）の全体を占め、第２のマイクロチャネル（１３）の全体を露出させたままにする。
【００４９】
図６が示すように、センサ（１）を参照溶液（１２）の中に浸漬すると、多孔質材料（１１）はマイクロチャネル（９）を通して毛細管現象により参照溶液（１２）を吸収し、それをＲＥＦＥＴ（１０）のゲート（６）に広げる。瞬間的に、マイクロリザーバ（８）及び第１のマイクロチャネル（９）のユニットを占める空気（１４）は、第２のマイクロチャネル（１３）、即ち多孔質材料を含まない領域（１１）を通って排出される。
【００５０】
図７に示す本発明の別の好ましい実施形態では、多孔質材料（１１’）は、マイクロリザーバ（８）及びマイクロチャネル（９）から構成されるユニットに一種のマトリックスとして単体を形成する多数のピラーを備える。これらのピラーは、マイクロリザーバ（８）の構造体上にリソグラフィを用いて直接的に微細加工され、１０μｍの直径を有し、１０μｍの距離で互いに分離されている。
【００５１】
センサ（１）の利点を実証する目的で、いくつかの試験を実施した。具体的には、図３のような１つのマイクロチャネル（９）を有する、図５に示されるような２つのマイクロチャネル（９，１３）、又は図７のようなピラーのマトリックスを有する、マイクロリザーバ（８）の構成で試験を行い、図８に示される結果を得た。図１ａ、図１ｂ及び図８を比較すると、従来技術に対する本発明の改良点を視覚的に見ることができる。このように、本発明のセンサ（１）は、測定において障害が発生しない。このことはゲルを使用する他のセンサに共通であり、異なるｐＨに対するＲＥＦＥＴの応答への寄与は、参照溶液（１２）を直接使用する場合に相当し、小さくかつ安定している。
【００５２】
図９に示すように、センサ（１）の別の好ましい実施形態では、マイクロリザーバ（８）及び第１のマイクロチャネル（９）は、多孔質材料（１１）で完全に充填され、第２のマイクロチャネルはない。
【００５３】
このように、図１０が示すように、センサ（１）を参照溶液（１２）の中に浸漬すると、多孔質材料（１１）はマイクロチャネル（９）を通して毛細管現象により参照溶液（１２）を吸収し、それをＲＥＦＥＴ（１０）のゲート（６）に広げる。瞬間的に、マイクロリザーバ（８）及び第１のマイクロチャネル（９）のユニットを占める空気（１４）は、マイクロリザーバ（８）の内部で圧縮される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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