DE3875149T2

DE3875149T2 - Miniaturisierter biofuehler mit miniaturisierter sauerstoffelektrode sowie sein herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE3875149T2
Application number: DE8888400742T
Authority: DE
Inventors: Isao Karube; Hiroaki Suzuki
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-03-27
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: DE3875149D1; EP0284518B1; EP0284518A3; US4975175A; EP0284518A2

Description

1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft miniaturisierte Elektroden, d.h. "Mikro"-Sauerstoffelektroden vom Clark- Typ, sowie verfahren für deren Herstellung unter Anwendung einer Halbleiterfertigungstechnik. Die Sauerstoffelektroden können vorteilhaft für die Bestimmung einer Konzentration des in einer spezifischen Lösung oder in anderen Medien gelösten Sauerstoffs verwendet werden. Z.B. können diese Elektroden als eine Vorrichtung zum Messen des BSB (biologischer Sauerstoffbedarf) im Wasser auf dem Gebiet der Wasserkontrolle u.a. eingesetzt werden. Außerdem können solche Elektroden in der Gärungsindustrie zur Bestimmung der Konzentration gelösten Sauerstoffs in einem Gärtank verwendet werden, um eine effektive Alkoholgärung darin auszuführen. Des weiteren können solche Elektroden als ein Überträger zur Produktion von Enzymelektroden oder Biofühlern beispielsweise für Zucker oder Vitamine verwendet werden. Z.B. kann ein solcher Biofühler bei einer Kombination mit dem Enzym GOD (Glucoseoxydase) als einem Katalysator als ein Glucosefühler wirken. Der Grund dafür ist, daß Glucose (C&sub6;H&sub1;&sub2;O&sub6;) bei der Reaktion mit gelöstem Sauerstoff in Gegenwart des Katalysators GOD zu Gluconolaceton (C&sub6;H&sub1;&sub0;O&sub6;) oxydiert wird, und als Ergebnis dieser Oxydationsreaktion wird die Menge des in eine Meßzelle der Sauerstoffelektrode diffundierten gelösten Sauerstoffs reduziert. Auf der Grundlage dieser Reduzierung des gelösten Sauerstoffs läßt sich eine Glucosekonzentration exakt ermitteln. Die Mikrosauerstoffelektroden der vorliegenden Erfindung können beispielsweise in den Bereichen der klinischen Analyse, der industriellen Verarbeitung und der Klimatisierung umfassend genutzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch miniaturisierte Biofühler oder Biosensoren, d.h. "Mikro"-Biofühler. Diese Mikrobiofühler können ebenfalls in verschiedenen Bereichen umfassend genutzt werden, ähnlich den Mikrosauerstoffelektroden, da diese Fühler außerordentlich klein und auf Wunsch wegen ihrer geringen Produktionskosten wegwerfbar sind. Z.B. können die Mikrobiofühler im medizinischen und klinischen Bereich mit einem Katheter zur Durchführung von in-vivo-Messungen kombiniert werden.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Wie in der Technik bekannt, gibt es zwei Gruppen von Sauerstoffelektroden des Clark-Typs. D.h. polarographische Elektroden, bei denen eine Bestimmung der Sauerstoffkonzentration durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung zwischen den Elektroden durchgeführt wird, und galvanische Elektroden, bei denen die Sauerstoffbestimmung durch die Nutzung spontan verlaufender Reaktionen erfolgt. Diese Sauerstoffelektroden haben ähnliche Strukturen, lassen sich aber durch die für den Elektrodenaufbau verwendeten Materialien unterscheiden. Sind sowohl die Kathoden als auch die Anoden aus chemisch beständigen Edelmetallen wie Gold und Platin hergestellt, werden sie als polarographische Sauerstoffelektroden klassifiziert, sind jedoch die Anoden aus Metallen hergestellt, die eine größere Neigung zum Auslösen chemischer Reaktionen als die Edelmetalle aufweisen, wie z.B. Blei und Silber, werden sie als galvanische Sauerstoffelektroden klassifiziert.
Ein typisches Beispiel für Clark-Sauerstoffelektroden nach dem Stand der Technik wird in Fig. 1 gezeigt. Die dargestellte Elektrode ist eine galvanische Sauerstoffelektrode, die als ein Oxymeter zur Messung von gelöstem Sauerstoff bekannt ist und bequem genutzt wird. Die Elektrode besteht aus einem offenen Glasbehälter 21, einer sauerstoffgasdurchlässigen Membran 25, wie z.B. Teflon (Handelsbezeichnung), die einen Bodenteil des Behälters 21 abdeckt und mit einem O-Ring 22 abgedichtet ist, einer im Behälter 21 zurückgehaltenen Elektrolytlösung 24, wie z.B. 1M KOH, und zwei Elektroden, d.h. einer Arbeitselektrode (Kathode) 23A, hergestellt z.B. aus Platin, und einer Gegenelektrode (Anode) 23B, hergestellt z.B. aus Blei. Einzelheiten zum Aufbau und zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration der Clark-Elektrode sind in zahlreichen Quellen zu finden, so z.B. S. Suzuki: "Ionenelektroden und Enzymelektroden", 1981, Kodansha, Tokio. Die Clark-Sauerstoffelektroden nach dem Stand der Technik eignen sich jedoch nicht für die Massenproduktion, weil sie unter Anwendung einer Glasverarbeitungstechnik manuell gefertigt werden müssen und deshalb sehr teuer sind (mehrere zehntausend Yen pro Elektrode). Für zahlreiche Einsatzbereiche sind sie auch unakzeptabel groß; z.B. können sie für in-vivo-Messungen der Sauerstoffkonzentration nicht verwendet werden, doch lassen sie sich aus technischen Gründen nicht auf eine kleinere Größe als beispielsweise die eines Bleistifts miniaturisieren. Die neuen Clark-Sauerstoffelektroden, die mit Hilfe einer Halbleiterfertigungstechnik unter Vermeidung der Nachteile der aus Glas hergestellten Elektroden gefertigt werden, wurden von Prof. T. Moriizumi u.a. vom Tokyo Institute of Technology entwickelt. Wie z.B. bei Y. Miyahara,. F. Matsu, S. Shiokawa, T. Moriizumi, H. Matsuoka, I. Karube und S. Suzuki, Proc. of the 3rd Sensor Symp. (Inst. Electr. Eng. Jap.), 21 (1983), berichtet wird, werden die miniaturisierten und integrierten Sauerstoffelektroden hergestellt durch anisotrope Ätzung einer Siliziumscheibe zur Bildung V-förmiger Rillen auf einer Oberfläche der Scheibe, Ablagerung der Au-Kathode und der Ag-Anode auf einer ausgewählten Oberfläche der Scheibe, Gießen einer alkalischen Elektrolytlösung in die Rillen und schließlich Abdecken der die Elektrolytlösung enthaltenden Rillen mit einer sauerstoffdurchlässigen Membran, hergestellt z.B. aus Teflon (Handelsbezeichnung). Die so hergestellte Sauerstoffelektrode wird als eine Schnittansicht des Sensorbereichs der Elektrode in Fig. 2 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt.
In Fig. 2 besteht die Sauerstoffelektrode aus einer Siliziumspitze 31 mit einer V-förmigen Rille, die auf einer Oberfläche davon gebildet wird. Zwei Silber-(Ag-)- elektroden 32 und eine Gold-(Au-)-elektrode 33 werden auf den V-Rillen abgelagert und mit einer Membran 30 aus Teflon (Handelsbezeichnung) abgedeckt. Ein zwischen den V-Rillen und der Membran 30 gebildeter Raum wird mit einer wäßrigen Lösung eines Elektrolyten 36, wie z.B. NaOH oder NaCl, gefüllt. Der resultierende Sensorbereich der Elektrode wird mit einer anderen Siliziumspitze 34 in Kontakt gebracht, und unter Verwendung eines Epoxidklebers 38 erfolgt eine Abdichtung. Die Bezugszahlen 35 und 37 repräsentieren jeweils eine Siliziumoxidbeschichtung, erzielt durch eine thermische Oxydation der exponierten Siliziumspitzen 34 bzw. 31. Verglichen mit den obigen Glaselektroden, besitzt diese Sauerstoffelektrode zahlreiche Vorzüge, z.B. extrem geringe Größe, Reduzierung der notwendigen Menge der zu testenden Proben, hohe Zuverlässigkeit und Präzision sowie die Möglichkeit für eine Massenproduktion, leidet jedoch unter mehreren Nachteilen. Da beispielsweise die als die gasdurchlässige Membran verwendete Teflon-Beschichtung an vielen Materialien nicht haftet, ist der Einsatz eines zusätzlichen Klebemittels notwendig, um die Adhäsion dieses Überzugs zu unterstützen. Außerdem ist der Aufbau der Elektrode relativ kompliziert, und die Bereitstellung eines stärker vereinfachten Elektrodenaufbaus ist wünschenswert.
Die Sauerstoffelektrode der Veröffentlichung des ungeprüften japanischen Patents (Kokai) Nr. 60-146145 wurde zur Lösung der Probleme der oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebenen Sauerstoffelektrode entwickelt. Aus Fig. 3 der Begleitzeichnungen ist zu erkennen, daß diese Elektrode der von Fig. 2 ähnelt, nur daß eine Anodenelektrode auf einem Silizium-(Si-)-substrat bzw. eine Kathodenelektrode auf einer dem Elektrolyt gegenüberliegenden Oberfläche der gasdurchlässigen Membran gebildet wurde. In Fig. 3 ist 30 eine gasdurchlässige Membran, hergestellt z.B. aus Teflon (Handelsbezeichnung), 31 ist eine untere Si-Scheibe, 32 eine Cr-Ag-Anode, 33 eine Au-Anode, 34 eine obere Si- Scheibe, 35 eine SiO&sub2;-Schicht, 36 eine Elektrolytlösung wie 1M KOH, 37 eine SiO&sub2;-Schicht und 38 ein Epoxiddichtungsmittel. Entsprechend dieser Elektrode können die zur Herstellung der Elektrode notwendigen Schritte verringert und eine Ansprech-Geschwindigkeit der Elektrode erhöht werden.
Auch die Sauerstoffelektrode der Veröffentlichung des ungeprüften japanischen Patents (Kokai) Nr. 61-30756 wurde zur Lösung der Probleme der Elektrode von Fig. 2 entwickelt. Die Oxydationselektrode dieser Quellenangabe hat, wie in Fig. 4 dargestellt, eine Struktur, die jener von Fig. 2 ähnelt, und umfaßt eine Siliziumspitze 31, eine Ag-Anode 32, eine Au-Kathode 33 und eine SiO&sub2;- Schicht 37. Vertiefungen an der Spitze 31 enthalten eine Elektrolytlösung 36, wie z.B. NaOH oder NaCl. Eine obere Oberfläche der Spitze 31, die Vertiefungen enthält, ist mit einer organischen Beschichtung 30, wie z.B. Polyamid, abgedeckt. Damit die Beschichtung 30 an der Siliziumspitze 31 und der Kathode 33 haftet, wird eine Zwischenschicht 39 verwendet, wie z.B. eine Polyaminsiloxanbeschichtung. Die organische Beschichtung 30 und die Zwischenschicht 39 ermöglichen eine Vereinfachung der komplizierten Fertigungsschritte bei der Produktion der miniaturisierten und integrierten Sauerstoffelektroden.
Bei der Produktion der oben erörterten und dem Stand der Technik entsprechenden miniaturisierten Sauerstoffelektroden wurde die anisotrope Ätztechnik angewendet, um Mikrovertiefungen auf der Siliziumscheibe zu formen, in welche dann die Elektrolytlösung gegossen wird. Da diese Technik jedoch das Verfahren kompliziert und behindert sowie den Einsatz der für die Bedienungskräfte gefährlichen Fluorwasserstoffsäure erfordert, ist die Entwicklung eines verbesserten Produktionsverfahrens für miniaturisierte Sauerstoffelektroden ohne Anwendung der herkömmlichen anisotropen Ätztechnik wünschenswert.
Kürzlich wurde ein solches Produktionsverfahren von Forschern bei Fujitsu Limited entwickelt (siehe Veröffentlichung des japanischen ungeprüften Patents (Kokai) Nr. 62-39755). Wie aus Fig. 5 der Begleitzeichnungen ersichtlich, umfaßt das Produktionsverfahren folgendes: Formung einer Ag-Anode 42 auf einer Oberfläche eines Glassubstrates 41, Auftragen eines lichtempfindlichen Harzes 44 auf einer Oberfläche des Substrates 41, selektives Ätzen der Harzbeschichtung 44 zur Bildung einer Zelle 45 und einer Ausgangsklemme 46 der Anode 42 und dann Formung einer Au-Kathode 43 auf der Oberfläche der Harzbeschichtung 44. Die Elektrolytlösung wird über eine Einspritzstelle 47 in die Zelle 45 gegossen. Dieses Produktionsverfahren ermöglicht die sichere und einfache Herstellung miniaturisierter Sauerstoffelektroden ohne Unterbrechung der Elektroden, und darüber hinaus kann der anisotrope Ätzschritt weggelassen werden.
Im allgemeinen werden die dem Stand der Technik entsprechenden Sauerstoffelektroden als befriedigend angesehen, da sie kompakt sind und einen einfachen Aufbau besitzen. Unerwünschterweise tendiert jedoch die Elektrolytlösung zu einer nachteiligen Beeinflussung der resultierenden Elektrode, da sie die Form einer Flüssigkeit hat. Außerdem verursacht die gasdurchlässige Membran, vor allem die Fluorpolymerbeschichtung, wegen der schlechten Adhäsionseigenschaften Probleme. Demzufolge wird gewünscht, für eine weiter verbesserte miniaturisierte Sauerstoffelektrode und ein Produktionsverfahren dazu sowie für einen verbesserten miniaturisierten Biofühler zu sorgen.

ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird eine miniaturisierte Sauerstoffelektrode vorgesehen, die folgendes umfaßt: ein Substrat mit mindestens einer Ausnehmung, die auf einer Oberfläche davon gebildet wird, zwei Elektroden, die als eine Kathode und eine Anode wirken, gebildet auf einer Isolierschicht an der Oberfläche des Substrates, wobei sich jede der Elektroden in eine Bodenfläche der Vertiefung erstreckt, ein in die Vertiefung gefülltes festes oder halbfestes, poröses, Elektrolytlösung enthaltendes Material und eine sauerstoffgasdurchlässige Membran, welche die Vertiefung und das darin enthaltene poröse Material bedeckt und abdichtet.
Die miniaturisierten Sauerstoffelektroden der vorliegenden Erfindung haben vorzugsweise die Form rechteckiger Platten und weisen im allgemeinen Abmessungen in der Größenordnung von Millimetern auf, d.h. eine Länge von etwa 5 bis 20 mm, eine Breite von etwa 1 bis 5 mm und eine Dicke von weniger als 1 mm. Zu beachten ist, daß diese Elektroden gewöhnlich als Mikrosauerstoffelektroden bezeichnet werden, auch wenn sie keine Abmessungen in der Größenordnung von Mikrometern aufweisen. D.h. der hierin verwendete Begriff Mikro- soll bedeuten, daß es sich bei den Mikrosauerstoffelektroden oder Mikrobiofühlern dieser Erfindung um Mikrominiaturelektroden oder -fühler handelt.
Das hierbei verwendete Material des Substrates ist nicht beschränkt, sofern sich eine gewünschte Struktur von Rillen oder Vertiefungen auf einer Oberfläche des ausgewählten Materials durch fotolithografisches und anisotropes Ätzen leicht und genau formen läßt. Bei dem Substratmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein Halbleitermaterial, das traditionell bei der Herstellung solcher Halbleiterelemente wie Silizium, Galliumarsenid, Saphir u.ä. eingesetzt wird. Am meisten bevorzugt als Substratmaterial wird Silizium, da eine Isolierschicht aus Siliziumoxid, die für die Mikrosauerstoffelektroden der vorliegenden Erfindung von Bedeutung ist, hinterher durch eine thermische Oxydation des Siliziumsubstrats gebildet werden kann.
Das in dieser Erfindung eingesetzte, Elektrolytlösung enthaltende Material wird nicht als eine Flüssigkeit verwendet, sondern in einer festen oder halbfesten Form. D.h. die Elektrolytlösung wird nach ihrer Imprägnierung mit einem festen oder halbfesten porösen Material verwendet. Das Elektrolytlösung enthaltende Material wird in den Vertiefungen zurückbehalten, die auf den Substraten gebildet wurden.
Die Elektrolytlösung enthaltenden Materialien können jede gewünschte Form aufweisen. Z.B. kann die Elektrolytlösung in die feinen Poren eines porösen Glases oder anderer poröser Materialien imprägniert sein. Außerdem kann es sich bei dem porösen Material um ein Agarosegel mit darin eingeschlossener Elektrolytlösung oder um ein polymeres Gel fotopolymerisierbarer Monomere mit darin eingeschlossener Elektrolytlösung handeln. Die fotopolymerisierbaren Monomeren sind vorzugsweise Acrylamid. Des weiteren kann das poröse Material ein Metallalkoxidgel mit darin eingeschlossener Elektrolytlösung sein.
Bei der Auswahl und Herstellung des Elektrolytlösung führenden Materials müssen die Elektrolytionen in dem ausgewählten Material leicht beweglich sein, die Veränderungen im Volumen des Materials als eine Funktion der Verdampfung der Scheibe müssen vernachlässigbar gering sein, und das Material muß eine gute Adhäsion sowohl zum Substrat als auch zur gasdurchlässigen Membran aufweisen. Außerdem wird das Material für die Massenproduktion unter Anwendung der Halbleiterfertigungstechnik vorzugsweise selektiv geätzt oder laminiert.
Was die vom porösen Material mitzuführende Elektrolytlösung betrifft, so können alle Substanzen eingesetzt werden, die traditionell auf diesem Gebiet als Elektrolyt Anwendung finden. Zu den typischen Beispielen solcher Elektrolyten gehören Natriumsulfat (Na&sub2;SO&sub4;), Kaliumchlorid (KCl), Kaliumhydroxid (KOH) u.ä. Die Wahl solcher Elektrolyten hängt vom Typ der gewünschten Sauerstoffelektroden und vor allem der dabei verwendeten Anoden und Kathoden ab.
Zwei Elektroden können vorzugsweise an der Oberfläche des Substrates durch ein herkömmliches filmbildendes Verfahren, wie z.B. Vakuumaufdampfung, Sputtern u.ä., gebildet werden. Die für diese Elektroden verwendeten Materialien hängen vom Typ der geforderten Sauerstoffelektroden ab. D.h solche Materialien können in Abhängigkeit davon, ob eine polarographische Elektrode oder eine galvanische Sauerstoffelektrode gewünscht wird, sehr unterschiedlich sein. Z.B. können bei der Produktion der polarographischen Sauerstoffelektroden beide Elektroden aus Gold oder Platin hergestellt sein, und während des Betriebes wird eine vorgegebene Spannung zwischen diesen Elektrooden angelegt. Die bei diesem Elektrodentyp verwendete Elektrolytlösung ist vorzugsweise eine wäßrige und neutrale Lösung, wie z.B. eine wäßrige Lösung aus 0,1M KCl, da diese neutralen Elektrolyten nicht wesentlich am darunterliegenden Substrat oder an der Isolierschicht haften. Darüber hinaus können bei Verwendung von Gold-, Platin- oder ähnlichen Elektroden als der Kathode sowie Silber/Silberchlorid-, Blei-, Silber- und ähnlichen Elektroden als der Anode und einer wäßrigen und alkalischen Lösung, wie z.B einer wäßrigen Lösung aus 1M KOH, als der Elektrolytlösung galvanische Sauerstoffelektroden hergestellt werden.
Da es sich bei dem verwendeten elektrolytführenden Material um ein festes oder halbfestes Material handelt, läßt sich eine sauerstoffgasdurchlässige Membran ohne Schwierigkeit auf der Oberfläche des Substrates aufbringen. Eine solche Membran kann in situ gebildet werden, nämlich durch Auftragen einer Lösung des membranbildenden Materials auf der Substratoberfläche und anschließende Härtung der Beschichtung. Diese Bildung der gasdurchlässigen Membran ist praktisch, weil sich der Einsatz handelsüblicher gasdurchlässiger Filme oder die Fixierung der Filme an der Oberfläche des Substrates unter Verwendung eines Klebstoffs oder anderer Mittel erübrigt. Die resultierende gasdurchlässige Membran ist hydrophob und für die Elektrolylösung und die Testlösung undurchlässig.
Aus dem Obigen geht hervor, daß sich das Material, das die gasdurchlässige Membran bildet, in der Form einer wäßrigen Lösung oder in einem anderen flüssigen Zustand befindet und demzufolge ohne weiteres durch ein herkömmliches Beschichtungsverfahren, wie z.B. Tauchbeschichten und Schleuderbeschichtung, auf die Substratoberfläche aufgebracht werden kann. Außerdem sichert das membranbildende Material eine starke Verbindung zwischen der resultierenden Membran und dem Substrat, der Isolierschicht oder den Elektroden. Geeignete membranbildende Materialien sind Silikonharze, Fotoresist- und ähnliche Materialien. Von den Fotoresistmaterialien werden als membranbildendes Material vorzugsweise negativ arbeitende Fotoresistmaterialien verwendet, weil sie stark hydrophob sind und deshalb die wäßrige Elektrolytlösung ohne weiteres abweisen; Fluorpolymere, wie z.B. Teflon (Handelsbezeichnung), sollten wegen einer unzureichenden Adhäsionskraft daran nicht eingesetzt werden, obwohl sie eine ausgezeichnete Sauerstoffdurchlässigkeit aufweisen.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren für die Herstellung von miniaturisierten Sauerstoffelektroden vorgesehen, das folgende Schritte umfaßt:
Bilden zumindest einer vertieften Rille auf einem Substrat dutch fotolithografische und anisotrope Ätzung,
Bilden einer Isolierschicht an der Oberfläche des durch Vertiefung gerillten Substrates,
Bilden zweier Elektroden an der Oberfläche der Isolierschicht dergestalt, daß sich die Elektroden in eine Bodenfläche der Vertiefung erstrecken,
Füllen der Vertiefung mit einem festen oder halbfesten, porösen, Elektrolytlösung enthaltenden Material und Bedecken und Abdichten der Vertiefung, die das poröse Material enthält, mit einer sauerstoffgasdurchlässigen Membran.
In der Praxis der vorliegenden Erfindung kann eine erwärmte Lösung gelbildender Substanzen, wie z.B. Agarose, die die Elektrolytlösung enthält, in die Vertiefung gegossen und stehengelassen werden, um ein Agarosegel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.
Des weiteren kann eine Lösung aus fotopolymerisierbaren Monomeren, die die Elektrolytlösung enthält, in die Vertiefung gegossen werden, und Strahlungen, die zur Auslösung einer Polymerisation der Monomeren in der Lage sind, können auf das Substrat ausgestrahlt werden, um ein polymeres Gel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden. Bei den hier verwendeten fotopolymerisierbaren Monomeren handelt es sich vorzugsweise um Acrylamid, und deshalb werden UV-Strahlen als Bestrahlungsquelle verwendet, um eine Polymerisation des Acrylamids zu veranlassen. Bei dieser Bildung eines elektrolytführenden Gels kann zur Beschleunigung der Füllung der Vertiefung mit dem Gel nach dem Bilden der Elektroden die Oberfläche des Substrates, ausschließlich des Vertiefungsteils, vollständig überzogen werden mit einem hydrophoben Fotoresistmaterial, dem maskierten Substrat, getaucht in eine wäßrige Lösung aer fotopolymerisierbaren Monomeren, die die Elektrolytlösung enthält, und dem Substrat, das die wäßrige Lösung von Monomeren in der Vertiefung enthält, ausgesetzt den Strahlungen, die zur Auslösung einer Polymerisation der Monomeren in der Lage sind, um ein polymeres Gel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.
Das obige Tauchverfahren eignet sich für die Massenproduktion von Sauerstoffelektroden, und wenn das Substrat den Strahlungen ausgesetzt wird, sollte die Bestrahlung erfolgen, nachdem die darauf gebildete Vertiefung bedeckt und mit einem verdunstungsverhindernden Mittel verschlossen wurde, durch welches die Strahlungen hindurchgehen können. Der Grund dafür ist, daß das angewendete Abdeckmittel, wie z.B. eine transparente Platte oder ein transparenter Film, eine unerwünschte Verdunstung von Wasser aus den elektrolythaltigen Vertiefungen während der Gelbildung wirksam verhindern kann. Dies beruht auf Feststellungen, daß bei einer Verringerung der Größe der Vertiefungen für die Elektrolytlösung das Verhältnis der spezifischen Oberfläche der Vertiefung zu deren Volumen deutlich erhöht und demzufolge die Verdunstung von Wasser aus der Elektrolytlösung beschleunigt wird und daß eine solche Verdunstung weiter beschleunigt wird, wenn während der Gelbildung der Ausgangsmonomeren Wärme zur Elektrolytlösung gebracht wird. Eine Exponierung des Substrates in einer mit wasserdampf gesättigten Atmosphäre sollte vermieden werden, weil die Elektrolytlösung während der Gelbildung Wasser aus der Atmosphäre absorbiert und sich schließlich auf das Doppelte des ursprünglichen Volumens oder mehr ausdehnt.
Erfindungsgemäß kann zur Bildung eines Gels, das eine Elektrolytlösung mit sich führt, eine die Elektrolytlösung enthaltende Metalloxidlösung (z.B. Tetraethoxysilan) in die Vertiefung gegossen und einem Sol-Gel-Prozeß unterzogen werden, um ein Metallalkoxidgel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden, oder nach Bildung der Elektroden kann die Oberfläche des Substrates ohne den Vertiefungsanteil vollständig überzogen werden mit einem hydrophoben Fotoresistmaterial, dem maskierten Substrat, getaucht in eine die Elektrolytlösung enthaltende Metallalkoxidlösung, sowie dem Substrat, das die wäßrige Metallalkoxidlösung in der einem Sol-Gel-Prozeß ausgesetzten Vertiefung enthält, um ein Metallalkoxidgel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.
Das obige Verfahren zur Bildung eines die Elektrolytlösung mit sich führenden Materials oder Gels beruht auf dem Sol-Gel-Prozeß, der traditionell bei der Glasherstellung Anwendung findet. Dieses Verfahren ist besonders nützlich, wenn die resultierenden Sauerstoffelektroden für in-vivo-Messungen eingesetzt werden müssen, weil das nach diesem Verfahren produzierte Gel oder die Ausgangsmaterialien davon für den menschlichen Körper nicht giftig sind. Zwar weist das oben beschriebene Polyacrylamidgel ebenfalls keine Toxizität auf, doch ist Acrylamid - d.h. das Ausgangsmaterial davon - für den menschlichen Körper giftig. Das Acrylamidmonomer muß während der Gelbildung vollständig verbraucht werden, und eine kleine Menge der in den Vertiefungen verbleibenden Monomeren muß mit der bedeckenden gasdurchlässigen Membran abgedichtet werden.
Außerdem wird erfindungsgemäß ein miniaturisierter Biofühler vorgesehen, bestehend im wesentlichen aus einer Sauerstoffelektrode, die ein Substrat mit mindestens einer auf seiner Oberfläche gebildeten Vertiefungsrille umfaßt, zwei als eine Kathode und eine Anode wirkenden Elektroden, gebildet auf einer Isolierschicht an der Oberfläche des Substrates, wobei sich jede der Elektroden in einen Bodenbereich der Vertiefung erstreckt, einem festen oder halbfesten, porösen, die Elektrolytlösung enthaltenden Material, das die Vertiefung füllt, einer sauerstoffgasdurchlässigen Membran, die die Vertiefung und das darin enthaltene Material bedeckt und abdichtet, und einer immobilisierten biologischen Substanz, welche die Oxydation der an einer sensitiven Stelle der Sauerstoffelektrode positionierten biochemischen organischen Verbindungen katalysieren kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Mikrobiofühler ist die biologische Substanz vorzugsweise ein Enzym oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Enzymen oder Mikroorganismen oder eine Kombination aus zwei oder mehr Enzymen und Mikroorganismen.
Abhängig von den als Rezeptor eingesetzten spezifischen biologischen Substanzen, kann der Mikrobiofühler der vorliegenden Erfindung für verschiedene Fühler angewendet werden. Der Mikrobiofühler wird vorzugsweise als ein Glucosefühler verwendet, wie das im folgenden eingehend beschrieben wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine Schnittzeichnung einer dem Stand der Technik entsprechenden Sauerstoffelektrode unter Verwendung eines Glasbehälters;
die Figuren 2 bis 4 sind Schnittansichten miniaturisierter und integrierter Sauerstoffelektroden nach dem Stand der Technik;
Fig. 5 ist eine perspektivische Zeichnung einer dem Stand der Technik entsprechenden Sauerstoffelektrode, die ohne Anwendung einer herkömmlichen anisotropen Ätztechnik hergestellt wurde;
Fig. 6 ist eine perspektivische Zeichnung der erfindungsgemäßen miniaturisierten und integrierten Sauerstoffelektrode;
Fig. 7 ist eine Schnittzeichnung der Sauerstoffelektrode entlang der Linie VII-VII von Fig. 6;
Fig. 8 ist eine Draufsicht des in der Sauerstoffelektrode von Fig. 6 verwendeten Elektrodenkörpers;
Fig. 9 ist eine Schnittzeichnung des Elektrodenkörpers entlang der Linie IX-IX von Fig. 8;
die Figuren 10A bis 10K sind Schnittzeichnungen, die - der Reihe nach - die Herstellung der Sauerstoffelektrode von Fig. 6 veranschaulichen;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das eine typische Ansprech-Kurve für die erfindungsgemäße Sauerstoffelektrode zeigt;
Fig 12 ist ein Diagramm, das die Ansprech der Sauerstoffelektrode der vorliegenden Erfindung mit der einer herkömmlichen Sauerstoffelektrode vergleicht;
Fig. 13 ist eine perspektivische Zeichnung des erfindungsgemäßen miniaturisierten und integrierten Biofühlers;
Fig. 14 ist eine Schnittzeichnung des Biofühlers entlang der Linie XIV-XIV von Fig. 13;
Fig. 15 ist eine Eichkurve des erfindungsgemäßen Biofühlers;
die Figuren 16A bis 16F sind Schnittzeichnungen, die - der Reihe nach - die Herstellung der erfindungsgemäßen Sauerstoffelektrode veranschaulichen;
die Figuren 17A bis 17F sind Schnittzeichnungen, die - der Reihe nach - die Herstellung der erfindungsgemaßen Sauerstoffelektrode veranschaulichen;
die Figuren 18A bis 18F sind Schnittzeichnungen, die - der Reihe nach - die Herstellung der erfindungsgemäßen Sauerstoffelektrode veranschaulichen; und
Fig. 19 ist ein Ablaufschema, das die Herstellung von Glas aus Metallalkoxid gemäß einem traditionellen Sol-Gel-Prozeß zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 6 bis 19 beschrieben.
Figur 6 ist eine Perspektivzeichnung, die eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen miniaturisierten Sauerstoffelektroden (Mikrosauerstoffelektroden) zeigt. Wie dargestellt, hat eine Mikrosauerstoffelektrode 10 eine rechteckige Anordnung und enthält zwei Elektroden 3A und 3B auf einer Siliziumdioxid-(SiO&sub2;)-Isolierschicht 2. Die Elektrode 10 ist eine polarographische Sauerstoffelektrode, und deshalb sind die Elektroden 3A und 3B aus Gold hergestellt. Die Bezugszahl 5 ist eine sauerstoffgasdurchlässige Membran, die einen Sensor-Teil der Sauerstoffelektrode abdeckt.
Der Aufbau der Mikrosauerstoffelektrode von Fig. 6 wird aus Fig. 7 klar, die den Sensor-Teil der Elektrode entlang der Linie VII-VII von Fig. 6 zeigt. Ein Silizium(Si)-Substrat 1 hat eine SiO&sub2;-Isolierschicht 2, die neben einer durch anisotrope Ätzung gebildeten Vertiefungsrille auf einer Gesamtoberfläche des Substrates geformt wird. Die Ausnehmung besitzt in diesem Fall die Form eines umgekehrten Trapezoids, doch ist jede andere Konfiguration akzeptabel. Die Vertiefung mit der Form eines umgekehrten Trapezoids weist ein Paar an ihrer Innenfläche abgelagerte Au-Elektroden 3A und 3B auf. Die Vertiefung ist mit einem die Elektrolytlösung führenden Material (Gel) 4 gefüllt, und eine obere Fläche davon ist mit der sauerstoffgasdurchlässigen Membran 5 bedeckt.
Der Körper der Mikrosauerstoffelektrode wird außerdem in den Figuren 8 und 9 dargestellt, wobei letztere eine Schnittzeichnung entlang der Linie IX-IX von Fig. 8 ist. Die oben beschriebene Vertiefung in der Form eines umgekehrten Trapezoids wird durch die Bezugszahl 6 angezeigt. Die beiden Au-Elektroden 3A und 3B erstrecken sich bis zur Innenfläche der Vertiefung 6. Die Länge dieser Elektrode beträgt 15 mm, die Breite 4 mm und die Dicke 350 um. Schmalere Elektroden, wie z.B. jene mit einer Breite von 1 mm, 2 mm oder 3 mm, können in ähnlicher Weise hergestellt werden.
Bei der dargestellten polarographischen Mikrosauerstoffelektrode führt das Anlegen einer vorgegebenen Spannung (z.B. 0,8 Volt) zwischen den beiden Au-Elektroden 3A und 3B zu der folgenden Reduktionsreaktion an der Oberfläche einer der beiden Au-Kathoden 3 A oder 3B.
O&sub2; + 2H&sub2;O + 4e&supmin; T 4OH&supmin;
Auf Grund der Reduktion des Sauerstoffs werden Elektronen aus der Kathode zum Sauerstoff entladen, und deshalb wird ein elektrischer Strom erzeugt. Wie aus der obigen Reaktion ersichtlich, ist der resultierende elektrische Strom proportional der Sauerstoffkonzentration. Demgemäß kann die Sauerstoffkonzentration unter Verwendung des elektrischen Stroms als einem Index quantitativ ermittelt werden.
Die Mikrosauerstoffelektrode der Figuren 6 und 7 kann gemäß einer Reihe von Fertigungsstufen hergestellt werden, die beispielsweise in den Figuren 10A bis 10K gezeigt werden. In diesen Figuren wird die Herstellung nur einer Sauerstoffelektrode der Reihe nach dargestellt, um das Verständnis der Fertigungsschritte zu erleichtern, es sollte jedoch angemerkt werden, daß in der Praxis zahlreiche Mlkrosauerstoffelektroden auf einer einzigen Scheibe oder einem einzigen Siliziumsubstrat gleichzeitig hergestellt werden können.

1. Scheibenwaschung (Fig. 10A):

Eine < 100> orientierte Siliziumscheibe vom p-Typ mit einem Durchmesser von 2 Zoll und einer Dicke von 350 µm wird hergestellt. Die Si-Scheibe 1 wird nacheinander mit einer wäßrigen gemischten Lösung aus Wasserstoffperoxid und Ammoniak sowie konz. Salpetersäure gewaschen.

2. Herstellung der SiO&sub2;-Schicht (Fig. 10B):

Die Si-Scheibe 1 wird in feuchtem Zustand einer klassischen thermischen Oxydation ausgesetzt, um eine SiO&sub2;-Schicht 2, die als eine elektrisch isolierende Schicht wirkt, auf der Gesamtoberfläche der Scheibe 1 herzustellen. Die so erhaltene SiO&sub2;-Schicht hat eine Dicke von etwa 1,0 bis 1,2 um.

3. Aufbringen der Resiststruktur (Fig. 10C):

Vor der anisotropen Ätzung wird die Scheibe 1 mit einer gewünschten Struktur 7 des negativ arbeitenden Fotoresists (OMR-83, im Handel erhältlich von Tokyo Oka Co.) überzogen. Die Resiststruktur 7 wird als eine Maske beim nachfolgenden Schritt des selektiven Ätzens der darunterliegenden SiO&sub2;-Schicht 2 verwendet.

4. Herstellung der Resistschicht (Fig. 10D):

Eine untere Fläche der Si-Scheibe 1, die keine Resiststruktur aufweist, wird mit dem negativ arbeitenden Fotoresist überzogen, der mit dem im obigen Strukturierungsschritt verwendeten identisch ist. Die Scheibe 1 wird bei 120 ºC 1 h getrocknet, und auf diese Weise wird die Resistschicht 8 gebildet.

5. Bildung des Fensters (Fig. 10E):

Ein Fenster zur anisotropen Ätzung wird in der SiO&sub2;-Schicht 2 der Si-Scheibe 1 geöffnet. Diese Fensterbildung erfolgt durch Eintauchen der Scheibe 1 in eine wäßrige Lösung aus 50%iger Fluorwasserstoffsäure und 50%igem Ammoniumfluorid (1:6), um die unmaskierte SiO&sub2;- Schicht, d.h. die SiO&sub2;-Schicht 2 ohne die Resiststruktur 7 (siehe Fig. 10D), wegzuätzen. Nach Abschluß des Ätzens wird der verbleibende Resist in einer Lösung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid (2:1) bei Zimmertemperatur entfernt. Wie Fig. 10E zeigt, wird das Fenster in der SiO&sub2;-Schicht 2 gebildet, und deshalb wird die Si-Scheibe 1 in einem Bereich exponiert, in welchem die anisotrope Ätzung beim nächsten Schritt durchgeführt wird.

6. Anisotrope Ätzung der Si-Scheibe (Fig. 10F):

Die Si-Scheibe 1 wird in einer wäßrigen Lösung aus 35%igem Kaliumhydroxid bei 80 ºC anisotrop geätzt. Die auf der oberen Fläche der Scheibe 1 verbleibende SiO&sub2;- Schicht 2 wird bei diesem Schritt als eine Maske verwendet. Nach dem Ätzen wird die Scheibe 1 mit destilliertem Wasser gewaschen. So wird eine Vertiefung oder Rille 6 in Form eines umgekehrten Trapezoids gebildet.

7. Herstellung der SiO&sub2;-Schicht (Fig. 10G):

Zuerst wird die im obigen Verfahrensschritt als Maske verwendete SiO&sub2;-Schicht 2 mit derselben Lösung entfernt, wie sie beim Schritt (5) angewendet wurde. Nach dem Waschen wird die Scheibe 1 einer herkömmlichen thermischen Feuchtoxydation bei 1000 ºC ausgesetzt und auf diese Weise eine neugewachsene SiO&sub2;-Schicht 2 mit einer Dicke von 5000 Å auf der oberen Fläche der Scheibe 1 gebildet.

8. Aufbringen der Resiststruktur (Fig. 10H):

Als eine im Prozeß der Elektrodenherstellung zu verwendende Maske wird eine Struktur des negativ arbeitenden Fotoresists 9 auf der SiO&sub2;-Schicht 2 der Si- Scheibe gebildet. Die Resiststruktur 9 bedeckt demnach andere SiO&sub2;-Flächen als jene, auf denen Elektroden gebildet werden. Der verwendete Fotoresist ist derselbe wie der in Stufe (3) eingesetzte.

9. Aufdampfung des Elektrodenmaterials (Fig. 10I):

Als erster Schritt bei der Elektrodenbildung wird Gold 3 als ein Elektrodenmaterial mit einer Dicke von 1 um auf der Gesamtoberfläche der Si-Scheibe 1 im Vakuum aufgedampft. Vor dieser Au-Aufdampfung wird eine 500 Å dicke Chromschicht (nicht gezeigt) aufgedampft, um die Adhäsion der Au-Schicht an der SiO&sub2;-Schicht 2 zu verbessern.

10. Herstellung der Elektroden (Fig. 10J):

Nach Aufdampfung des Elektrodenmaterials wird die verwendete Maske, d.h. die Resiststruktur, in warmer Schwefelsäure entfernt, und auf diese Weise werden die Elektroden 3A und 3B aus Gold geformt. Die Schnittzeichnung der Fig. 10J entspricht der von Fig. 9.

11. Herstellung des Elektrolytlösung enthaltenden Gels (Fig. 10K):

Ein Elektrolytlösung enthaltendes Gel 4 wird in die Vertiefung der Si-Scheibe 1 mit der Form eines umgekehrten Trapezoids gefüllt. Zuerst wird Agarose in einer wäßrigen Lösung aus 0,1 M KCl gelöst, dann wird die Lösung nach Erwärmung unter Verwendung einer Mikrodosierspritze der Vertiefung zugegeben und die Agaroselösung stehengelassen. Dann läßt man die Agarose abkühlen und erstarren, um ein Gel zu bilden, und auf diese Weise wird das die Elektrolytlösung enthaltende Gel 4 hergestellt.

12 Herstellung der gasdurchlässigen Membran:

Zum Schluß wird die gesamte Oberfläche der Si- Scheibe 1 mit einem Silikonharz (SR2410, im Handel erhältlich von Toray Silicone Co.) beschichtet. Die aus Silikonharz bestehende sauerstoffgasdurchlässige Membran wird stark an der Scheibe 1 haften. Auf diese Weise wird die gewünschte Mikrosauerstoffelektrode erzielt, die in den Figuren 6 und 7 dargestellt wird.
Als Alternative können solche negativ arbeitenden Fotoresists, wie sie als strukturerzeugendes Material in den oben beschriebenen Schritten (3) und (8) verwendet wurden, vorteilhaft als sauerstoffgasdurchlässige Membran genutzt werden, da sie eine gute Sauerstoffgasdurchlässigkeit besitzen und neben einer leichten Beschichtbarkeit eine ausgezeichnete mechanische und Adhäsionsfestigkeit aufweisen. Z.B. wird der negative Fotoresist OMR-83 auf der Si-Scheibe bis zu einer Dicke von 3 um schleuderbeschichtet, gefolgt von einer UV-Bestrahlung. Die Fotoresistbeschichtung, die als gasdurchlässige Membran wirken kann, läßt sich bei einer relativ geringen Schleudergeschwindigkeit erzielen, z.B. weniger als 3000 U/min, doch wird eine Schleudergeschwindigkeit von etwa 1500 bis 2000 U/min vorgezogen, weil die resultierende Beschichtung homogen ist und eine gleichmäßige Dicke hat.
Unter Verwendung der nach den obigen Fertigungsschritten hergestellten Mikrosauerstoffelektrode sowie des Fotoresists OMR-83 als gasdurchlässige Membran wird eine Ansprech-Charakteristik der Mikrosauerstoffelektrode bestimmt und als eine grafische Darstellung der Reaktionszeit als Funktion des elektrischen Stromes aufgetragen. Eine Spannung von 0,6 Volt wird zwischen den Au-Elektroden angelegt. Zur Messung der Reaktionszeit der Mikrosauerstoffelektrode bei einer Veränderung der Sauerstoffkonzentration von Sättigung bis nahe Null wird ein Sensor-Teil der Elektrode in eine Pufferlösung aus Phosphorsäure mit einem pH-Wert 7 getaucht, gefolgt von einer Zugabe an Natriumsulfit (Na&sub2;SO&sub3;), um die Konzentration des in der Pufferlösung gelösten Sauerstoffs herabzusetzen. Die Ergebnisse sind in Fig. 11 aufgetragen, aus welcher zu erkennen ist, daß die Elektrode unmittelbar nach Zugabe des Na&sub2;SO&sub3; zur Pufferlösung reagierte und sich etwa 8 min später stabilisierte.
Außerdem wird ein Vergleich der Ansprech-Charakteristik der Mikrosauerstoffelektrode der vorliegenden Erfindung und einer herkömmlichen galvanischen Sauerstoffelektrodede vorgenommen. Beide Elektroden werden in eine Phosphorsäure-Pufferlösung mit einem pH-Wert 7 getaucht und ihre Ansprech-Charakteristik bestimmt, nachdem Na&sub2;SO&sub3; der Lösung zugegeben ist, um die Konzentration des gelösten Sauerstoffs zu verändern. Die zwischen den Elektroden angelegte Spannung beträgt 0,8 Volt. Die Ergebnisse des Vergleichs sind in Fig. 12 als eine grafische Darstellung des Stroms der herkömmlichen Sauerstoffelektrode in Abhängigkeit von dem der Mikrosauerstoffelektrode der vorliegenden Erfindung aufgetragen. Die Ergebnisse in Fig. 12 zeigen, daß eine lineare Beziehung zwischen den Reaktionen dieser beiden Sauerstoffelektroden besteht und daß die Mikrosauerstoffelektrode der vorliegenden Erfindung gegenüber der Veränderung der Konzentration des gelösten Sauerstoffs empfindlicher ist.
Die erfindungsgemäßen Mikrosauerstoffelektroden besitzen zahlreiche Vorteile, die sich aus ihren Strukturen und Herstellungsverfahren ableiten. Die Größen und Kenndaten der resultierenden Mikrosauerstoffelektroden sind gleichförmig, weil sie mit einem lithographischen Verfahren hergestellt werden, und obwohl sie sehr klein sind, ist ihre Fertigungsgenauigkeit hoch. Außerdem können die Elektroden in Massenproduktion hergestellt werden, weshalb ihre Kosten merklich reduziert sind. Diese Kostenreduzierung bedeutet, daß die Elektroden nach Gebrauch weggeworfen werden können, obwohl sie auf Wunsch wiederholt verwendbar sind. Des weiteren läßt sich, weil in der Vertiefung ein Elektrolytlösung enthaltendes Gel verwendet wird, die Elektrolytlösung ohne weiteres der Vertiefung zugeben und die Vertiefung leicht mit der gasdurchlässigen Membran abdecken. Darüber hinaus können die Elektroden für in-vivo-Messungen verwendet werden.
Die miniaturisierten Sauerstoffelektroden der vorliegenden Erfindung sind in verschiedenen Bereichen einsetzbar. Z.B. können sie günstig als ein Transducer bei der Produktion eines miniaturisierten Biofühlers eingesetzt werden, der einen Rezeptor mit in einem organischen Medium immobilisierten biologischen Substanzen und einen Transducer umfaßt. Wie bereits beschrieben, können die Biofühler bei der chemischen Analyse, in industriellen Prozessen und bei der Klimatisierung genutzt werden.
Figur 13 ist eine Perspektivzeichnung, die eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen miniaturisierten Biofühler zeigt. Der dargestellte Mikrobiofühler 11 ist ein Glucosemikrofühler und hat, wie in Fig. 14 gezeigt wird, die ein Querschnitt entlang der Linie XIV-XIV von Fig. 13 ist, eine enzymimmobilisierte Membran 12 an einem sensitiven Teil der Mikrosauerstoffelektrode der Fig. 6.
Der Mikrobiofühler der Fig. 13 wird hergestellt durch Formung eines Rezeptors auf einem sensitiven Teilstück der Mikrosauerstoffelektrode, nachdem die Mikrosauerstoffelektrode nach den Fertigungsschritten der Figuren 10A bis 10K hergestellt ist. Der Rezeptor des Mikrofühlers läßt sich beispielsweise herstellen durch das Tropfen von 20 ul einer wäßrigen Lösung aus 10%igem Rinderserumalbumin (BSA) mit 5 mg darin gelöster Glucoseoxydase (GOD) auf ein sensitives Teilstück der Mikrosauerstoffelektrode. Zur Auslösung einer Vernetzungsreaktion des BSA und Glutaraldehyds (GA) werden dann 10 ul einer wäßrigen Lösung aus 25%igem GA tropfenweise zugegeben. Als eine Alternative kann das sensitive Teilstück der Elektrode in eine Mischlösung aus 5 mg GOD, 20 ul eines 10%igen BSA und 10 ul einer 25%igen GA-Lösung getaucht werden. Die Vernetzungsreaktion von BSA und GA läuft dann ab, und schließlich haftet, wie in Fig. 14 gezeigt wird, eine GOD-immobilisierte Membran 12 fest am sensitiven Teilstück des Mikrosauerstoffühlers.
Der so hergestellte Glucosemikrofühler wird dann zur Ermittlung seiner Ansprech-Charakteristik geprüft. Ein sensitives Teilstück des Mikrofühlers wird in eine Pufferlösung aus 0,1M Phosphorsäure (pH = 7) bei 27 ºC eingetaucht, und dann wird zwischen zwei Au-Elektroden eine konstante Spannung von 0,6 Volt angelegt. Nach der Stabilisierung wird der Pufferlösung eine glucosehaltige Prüflösung zugegeben. Die Glucose wird mit der auf dem sensitiven Teilstück des Mikrofühlers immobilisierten GOD oxydiert, und gleichzeitig wird der Sauerstoff rund um die Mikrosauerstoffelektrode verbraucht. Da die Sauerstoffkonzentration schwankt, verändert sich auch ein die Elektroden durchfließender elektrischer Strom. Auf der Grundlage einer solchen Veränderung des elektrischen Stroms läßt sich eine Glucosekonzentration ermitteln. Figur 15 zeigt eine Eichkurve des Glucosemikrofühlers und gibt an, daß der Mikrofühler über einem breiten Bereich der Glucosekonzentration im wesentlichen linear ansprechen kann. Das ist mit den herkömmlichen Glucosefühlern vergleichbar.
Erfindungsgemäß können amperometrische und miniaturisierte Glucose-Biofühler und andere Biofühler mit einer hohen Fertigungsgenauigkeit und in Massenproduktion hergestellt und für eine in-vivo-Überwachung genutzt werden, beispielsweise durch Einsetzen des Fühlers in einen solchen kleinen Raum wie einen Katheter. Da die Produktionskosten stark verringert sind, können die Fühler auf Wunsch als Wegwerfprodukte verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Mikrosauerstoffelektroden können in der oben beschriebenen Weise unter Bezugnahme auf die Figuren 10A bis 10K hergestellt werden. Wahlweise lassen sie sich wie folgt herstellen.
Die Figuren 16A bis 16K veranschaulichen der Reihe nach die Herstellung der Mikrosauerstoffelektrode, die ein die Elektrolytlösung mitführendes polymeres Gel enthält. Dieses Fertigungsverfahren eignet sich besonders für die Massenproduktion der Elektroden bei geringen Kosten. Die Fertigungsschritte umfassen:

1. Herstellung der Elektroden (Fig. 16A):

Die Goldelektroden 3A und 3B werden auf einer SiO&sub2;- Beschichtung 2 auf der Si-Scheibe 1 in derselben Art abgelagert, wie das unter Bezugnahme auf Fig. 10J beschrieben wird. Die vorhergehenden Schritte (nicht gezeigt) entsprechen jenen der Figuren 10A bis 10I.

2. Fotoresistbeschichtung (Fig. 16B):

Nach Herstellung der Elektroden 3A und 3B wird die Si-Scheibe 1 mit dem negativ arbeitenden Fotoresist (OMR- 83) schleuderbeschichtet und auf diese Weise vollständig überzogen. Die Fotoresistschicht 13 wird dann vorgetrocknet, belichtet und entwickelt. Wie in Fig. 16B gezeigt wird, überzieht die Fotoresistschicht 13 mit Ausnahme des Vertiefungsteils 6 die gesamte Oberfläche der Scheibe 1.

3. Tauchen in gelbildender Lösung (Fig. 16C):

Ein die Elektrolytlösung führendes polymeres Gel wird durch Polymerisierung der entsprechenden polymerisierbaren Monomeren hergestellt. Zu diesem Zweck werden die folgenden vier Lösungen zubereitet:

Lösung A:

30 g Acrylamid (fotopolymerisierbares Monomeres) und 0,8 g N,N'-Methylendiacrylamid (Vernetzungsmittel) werden in einer wäßrigen Lösung von 0,1M KCl zur Herstellung von 100 ml gelöst.

Lösung B:

4 mg Riboflavin (Vitamin B&sub2;, Härtungsbeschleuniger) werden in einer wäßrigen Lösung von 0,1M KCl zur Herstellung von 100 ml gelöst.

Lösung C:

0,46 ml N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin (Polymerisationsinitiator) werden in einer wäßrigen Lösung von 0,1M KCl zur Herstellung von 100 ml gelöst.

Lösung D:

Eine wäßrige Lösung von 0,1M KCI.
Diese Lösungen A, B, C und D werden getrennt zubereitet, um eine unerwünschte Polymerisation zu vermeiden, die auftritt, wenn sie vermischt und gelagert werden.
Unmittelbar vor Gebrauch werden diese Lösungen in einem Verhältnis von Lösung A : Lösung B : Lösung C : Lösung D. = 2 : 1 : 1 : 4 gemischt, um eine wäßrige Lösung von Monomeren zu erzielen, die zur Bildung eines die Elektrolytlösung mitführenden polymeren Gels in der Lage ist. Die resistbeschichtete Si-Scheibe 1, hergestellt im Verfahrensschritt der Fig. 16B, wird dann in diese wäßrige Lösung 14 des acrylamidhaltigen KCl als dem Elektrolyten getaucht.

4. Polymerisation der Monomeren (Fig. 16D):

Nach einer vorgegebenen Zeit wird die Scheibe 1 aus der wäßrigen Acrylamidlösung 14 entfernt. Die wäßrige Lösung 14 bleibt nur in der Vertiefung zurück, weil der Fotoresist 13 hydrophob ist und die wäßrige Lösung abweist. Die Scheibe 1 wird dann Strahlungen 15 aus einer Quecksilberdampflampe oder Leuchtstofflampe ausgesetzt, um eine Polymerisation des Acrylamids in der Lösung 14 auszulösen, und die Polymerisation läuft entsprechend ab.

5. Bildung eines die Elektrolytlösung mitführenden Gels (Fig. 16E):

Im Ergebnis der Polymerisation des Acrylamids wird ein die Elektrolytlösung mitführendes polymeres Gel 16, d.h. ein poröses Polyacrylamid mit einer wäßrigen, in seinen Poren imprägnierten KCl-Lösung, erzielt.

6. Herstellung der gasdurchlässigen Membran (Fig. 16F):

Der im Verfahrensschritt von Fig. 16B verwendete negativ arbeitende Fotoresist (OMR-83) wird hier wiederum genutzt, jedoch als eine sauerstoffgasdurchlässige Membran, da die resultierende Beschichtung eine befriedigende Sauerstoffgasdurchlässigkeit, mechanische Festigkeit und Adhäsion zum elektrolytführenden Gel aufweisen kann. Die im vorhergehenden Schritt als Maske genutzte Fotoresiststruktur wird nicht entfernt, da sie auf diese gasdurchlässige Membran keine nachteilige Aus-wirkung hat. Der Fotoresist (OMR-83) wird bis zu einer Dicke von etwa 2 um auf der Scheibe 1 schleuderbeschichtet und ohne Vortrocknung sofort belichtet, um eine gasdurchlässige Membran 13 zu bilden. Bei dem sich ergebenden Fotoresist oder der resultierenden Membran wird der dünnere Teil durch Eintauchen der Scheibe in gereinigtes Wasser oder Stehenlassen in einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre für einen Tag und eine Nacht beseitigt.
Außerdem können die Mikrosauerstoffelektroden zur Vermeidung einer unerwünschten Verdampfung der Elektrolytlösung während der Gelbildung infolge einer Erhöhung des Verhältnisses der spezifischen Oberfläche zum Volumen der Vertiefung in der Scheibe in der in den Figuren 17A bis 17F gezeigten Reihenfolge hergestellt werden. Die Figuren 17A bis 17F entsprechen jeweils den zuvor erklärten Figuren 16A bis 16F.

1. Herstellung der Elektroden (Fig. 17A):

Die Au-Elektroden 3A und 3B werden auf eine SiO&sub2;- Beschichtung 2 der Si-Scheibe 1 in derselben Weise aufgedampft, wie das mit Bezugnahme auf Fig. 10J beschrieben wurde. Die vorhergehenden Schritte (nicht gezeigt) entsprechen jenen der Figuren 10A bis 10I.

2. Fotoresistbeschichtung (Fig. 17B):

Nach Herstellung der Elektroden 3A und 3B wird die Si-Scheibe 1 mit dem negativ arbeitenden Fotoresist (OMR- 83) schleuderbeschichtet und auf diese Weise vollständig überzogen. Die Fotoresistbeschichtung 13 wird dann vorgetrocknet, belichtet und entwickelt. Wie in Fig. 17B gezeigt wird, bedeckt die Fotoresistbeschichtung 13 mit Ausnahme des Vertiefungsteils 6 die Gesamtoberfläche der Scheibe 1.

3. Eintauchen in gelbildende Lösung (Fig. 17C):

Ein die Elektrolytlösung enthaltendes polymeres Gel wird wie Fig. 16C durch Polymerisierung der entsprechenden fotopolymerisierbaren Monomeren hergestellt. Zu diesem Zweck werden die folgenden vier Lösungen zubereitet.

Lösung A:

30 g Acrylamid (fotopolymerisierbares Monomeres) und 0,8 g N,N'-Methylendiacrylamid (Vernetzungsmittel) werden in einer wäßrigen Lösung von 0,1M Na&sub2;SO&sub4; zur Herstellung von 100 ml gelöst.

Lösung B:

4 mg Riboflavin (Vitamin B&sub2;, Härtungsbeschleuniger) werden in einer wäßrigen Lösung von 0,1M Na&sub2;SO&sub4; zur Herstellung von 100 ml gelöst.

Lösung C:

0,23 g N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin (Polymerisationsinitiator) werden in einer wäßrigen Lösung von Na&sub2;SO&sub4; zur Herstellung von 100 ml gelöst.

Lösung D:

Eine wäßrige Lösung aus 0,1M Na&sub2;SO&sub4;.
Diese Lösungen A, B, C und D werden getrennt zubereitet, um eine unerwünschte Polymerisation zu vermeiden, die auftritt, wenn sie vermischt und gelagert werden.
Unmittelbar vor Gebrauch werden diese Lösungen in einem Verhältnis von Lösung A : Lösung B : Lösung C : Lösung D = 4 : 1 : 1 : 1 gemischt, um eine wäßrige Lösung von Monomeren zu erzielen, die zur Bildung eines die Elektrolytlösung mit führenden polymeren Gels in der Lage ist. Dann wird die im Verfahrensschritt der Fig. 17B hergestellte Si-Scheibe 1 in diese wäßrige Lösung 14 des Acrylamids getaucht, die Na&sub2;SO&sub4; als den Elektrolyten enthält.

4. Polymerisation der Monomeren (Fig. 17D):

Nach der vorgegebenen Zeit-wird die Scheibe 1 aus der wäßrigen Lösung 14 des Acrylamids entfernt. Die wäßrige Lösung 14 verbleibt nur in der Vertiefung, weil der Fotoresist 13 hydrophob ist und die wäßrige Lösung abweist. Die Scheibe 1 wird dann sofort mit einem 0,1 mm dicken transparenten Deckglas 17 überzogen. Das verwendete Deckglas 17 verhindert wirksam eine Verdunstung der Elektrolytlösung, und insbesondere deren Wassergehalt, aus der Vertiefung der Scheibe 1. Danach wird die Scheibe 1 den von einer Quecksilberdampflampe oder einer Leuchtstofflampe (nicht gezeigt) erzeugten Strahlungen 15 ausgesetzt, um eine Polymerisation des Acrylamids in der Lösung 14 auszulösen, und die Polymerisation geht entsprechend vonstatten.

5. Bildung des die Elektrolytlösung führenden Gels (Fig. 17E):

Im Ergebnis der Polymerisation des Acrylamids wird ein die Elektrolytlösung mitführendes polymeres Gel 16, d.h. ein poröses Polyacrylamid mit einer in seinen Poren imprägnierten wäßrigen Na&sub2;SO&sub4;-Lösung, erzielt.

6. Bildung der gasdurchlässigen Membran (Fig. 17F):

Wiederum wird der im Verfahrensschritt der Fig. 17B eingesetzte negativ arbeitende Fotoresist (OMR-83) verwendet, jedoch als eine sauerstoffgasdurchlässige Membran, da die resultierende Beschichtung eine befriedigende Gasdurchlässigkeit, mechanische Festigkeit und Adhäsion gegenüber dem elektrolytführenden Gel aufweist. Die im vorhergehenden Schritt als Maske verwendete Fotoresiststruktur wird nicht entfernt, da sie auf diese gasdurchlässige Membran keine nachteilige Auswirkung hat. Der Fotoresist (OMR-83) wird bis zu einer Dicke von etwa 2 um auf der Scheibe 1 schleuderbeschichtet und sofort und ohne Vortrocknung belichtet, um eine gasdurchlässige Membran 13 zu bilden. Bei dem sich ergebenden Resist oder der resultierenden Membran wird der jeweils dünnere Teil durch Eintauchen der Scheibe in gereinigtes Wasser oder Stehenlassen in einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre für 24 h entfernt.
Nach dem oben unter Bezugnahme auf die Figuren 17A bis 17F beschriebenen Herstellungsverfahren lassen sich Elektrolytlösung enthaltende polymere Gele mit einem gleichmäßigen Volumen, einer geringen Größe und einer glatten Oberfläche ohne weiteres herstellen. Die Kenndaten der hergestellten Mikrosauerstoffelektroden sind auffallend gleichmäßig.
Außerdem können die erfindungsgemäßen Mikrosauerstoffelektroden unter Anwendung der "Sol-Gel-Methode" bei der Bildung des die Elektrolytlösung enthaltenden Gels hergestellt werden. Der Herstellungsprozeß eignet sich besonders für die Massenproduktion der Mikrosauerstoffelektroden für den Einsatz bei in-vivo-Messungen, weil die in dem elektrolytführenden Gel verwendeten Materialien keine Toxizität für den menschlichen Körper aufweisen.
Bei diesem Herstellungsprozeß der Mikrosauerstoffelektroden wird als ein poröses Trägermaterial, in dessen Poren die Elektrolytlösung gehalten wird, ein Gel verwendet, das im Prozeß der Glasherstellung nach der Sol-Gel- Methode erzielt wird. Dieses Gel wird als geeignet angesehen, da es relativ hart ist und eine ausreichende Wassermenge enthält.
Das als ein Ausgangsmaterial bei der Sol-Gel- Methode verwendete Metallalkoxid kann durch die folgende Formel dargestellt werden:
Me(OR)n,
wobei Me ein Metall ist, R eine Alkylgruppe wie Methyl und Alkyl und n eine ganze Zahl.Ein Beispiel dieses Metallalkoxids ist Tetraethoxysilan Si(OC&sub2;H&sub5;)&sub4;. Unter Verwendung des Metallalkoxids als dem Ausgangsmaterial kann die Sol-Gel-Methode in der im Ablaufschema der Fig. 19 skizzierten Weise ausgeführt werden. Das Metallalkoxid wird hydrolysiert und dann polykondensiert, und überraschenderweise ist bei dieser Methode die Volumenänderung des Gels vor und nach der Gelbildung vernachlässigbar. Auf diese Weise kann die Gelbildung mit guten Ergebnissen leicht durchgeführt werden.
Auf der Grundlage der Sol-Gel-Methode lassen sich die Mikrosauerstoffelektroden wie folgt herstellen:

1. Entstehung der Elektroden (Fig. 18A):

Die Au-Elektroden 3A und 3B werden auf einer SiO&sub2;- Schicht 2 der Si-Scheibe 1 aufgedampft. Dieser Schritt und die vorhergehenden Schritte können in der oben unter Bezugnahme auf die Figuren 16A bzw. 17A eingehend beschriebenen Art und Weise ausgeführt werden.

2. Auftragen des Fotoresist (Fig. 18B):

Nach Herstellung der Elektroden 3A und 3B wird die Si-Scheibe mit dem negativ arbeitenden Fotoresist (OMR- 83, Viskosität 60 cP) schleuderbeschichtet und so die Scheibe 1 vollständig überzogen. Die Fotoresistschicht 13 wird dann vorgetrocknet, belichtet und entwickelt. Wie in Fig. 16B gezeigt wird, bedeckt die Fotoresistschicht 13 mit Ausnahme des Vertiefungsanteils 6 die gesamte Oberfläche der Scheibe 1.

3. Eintauchen in gelbildende Lösung (Fig. 18C):

Eine Gemischtlösung aus Tetraethoxysilan : Ethanol : gereinigtem Wasser (mit 0,15M HCl und 0,1M Na&sub2;SO&sub4;) in einem Molverhältnis von 1: 4 : 50 wird bei Zimnmertemperatur durch Rühren gründlich gemischt. Dann wird die im Schritt der Fig. 18B hergestellte resistbeschichtete Si- Scheibe 1 in diese wäßrige Lösung 18 getaucht, die Na&sub2;SO&sub4; als den Elektrolyten enthält.

4. Gelbildung von Tetraethoxysilan (Fig. 18D):

Nach einer vorgegebenen Zeit wird die Scheibe 1 aus der wäßrigen Lösung 18 entfernt. Die Lösung 18 verbleibt nur in der Vertiefung, weil der Fotoresist 13 hydrophob ist und die wäßrige Lösung abweist. Die Scheibe 1 wird dem Sol-Gel-Prozeß unterzogen, indem man sie in einer mit Wasserdampf 19 gesättigten Atmosphäre bei 25 ºC für 24 h stehenläßt, und die Gelbildung des Tetraethoxysilan in der Lösung 18 verläuft allmählich.

5. Entstehung eines die Elektrolytlösung mitführenden Gels (Fig. 18E):

Im Ergebnis der Gelbildung des Tetraethoxysilan wird ein die Elektrolytlösung enthaltendes Gel 20, d.h. ein poröses Gel mit einer in seinen Poren imprägnierten wäßrigen Na&sub2;SO&sub4;-Lösung, erzielt.

6. Bildung der gasdurchlässigen Membran (Fig. 18F):

Wiederum wird der im Verfahrensschritt der Fig. 18B eingesetzte negativ arbeitende Fotoresist (OMR-83) verwendet, jedoch als eine sauerstoffgasdurchlässige Membran und mit einer anderen Viskosität, da die resultierende Beschichtung eine befriedigende Sauerstoffgasdurchlässigkeit, mechanische Festigkeit und Adhäsion gegenüber dem elektrolytführenden Gel aufweist. Der im vorhergehenden Schritt als Maske verwendete Fotoresist wird nicht beseitigt, weil er keine nachteilige Auswirkung auf diese gasdurchlässige Membran hat. Der Fotoresist (OMR-83, Viskosität 45 cP) wird bis zu einer Dicke von etwa 2 um auf der Scheibe 1 tauchbeschichtet und sofort und ohne Vortrocknung belichtet, um eine gasdurchlässige Membran 13 zu bilden. Bei dem sich ergebenden Resist oder der resultierenden Membran wird der dünnere Teil durch Eintauchen der Scheibe in gereinigtes Wasser oder Stehenlassen in einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre für 24 h entfernt.
Die in der gemischten Lösung im Verfahrens schritt (3) verwendete HCl wird während der Lagerung spontan aus dem Gel beseitigt. Jedoch ist eine sofortige Beseitigung der HCl erforderlich, und die Scheibe kann für etwa 24 h nach Abschluß der Gelbildung in eine solche Elektrolytlösung wie 0,1M Na&sub2;SO&sub4; eingetaucht werden. Nach dem Eintauchen kann der an der Oberfläche der Scheibe haftende überschüssige Elektrolyt durch Besprühen mit N&sub2;-Gas beseitigt werden. Danach wird die gasdurchlässige Membran so gebildet, wie das im Verfahrensschritt (6) beschrieben ist.

Claims

1. Eine miniaturisierte Sauerstoffelektrode (10), die folgendes umfaßt: ein Substrat (1) mit mindestens einer auf seiner Oberfläche gebildeten Vertiefungsrille (6), zwei Elektroden (3A, 3B), die als eine Kathode und eine Anode wirken und auf einer Isolierschicht (2) an der Oberfläche des Substrates gebildet sind, wobei sich jede der Elektroden in einen Bodenbereich der Vertiefungsrille erstreckt, ein poröses, wäßrige Elektrolytlösung enthaltendes Material (4), das die Vertiefungsrille ausfüllt, und eine sauerstoffgasdurchlässige Membran (5), die die Vertiefungsrille und das darin enthaltene poröse Material bedeckt und abdichtet.

2. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der das Substrat (1) ein Halbleitersubstrat ist und die Vertiefungsrille (6) durch fotolithografische und anisotrope Ätzung gebildet wird.

3. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 2, bei der das Halbleitersubstrat (1) aus Silizium hergestellt ist.

4. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 3, bei der die Isolierschicht (2) eine Siliziumoxidschicht ist und durch Oxydieren des Siliziumsubstrats (1) gebildet wird.

5. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der die Elektroden (3A, 3B) durch Vakuumabscheidung ausgewählter Metalle gebildet sind.

6. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der sowohl die Kathode (3A) als auch die Anode (3B) die gleiche ist und jede eine Gold- oder Platinelektrode darstellt und die Elektrolytlösung in Kontakt mit den Elektroden eine wäßrige Kaliumchloridlösung darstellt.

7. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der die Kathode (3A) eine Gold- oder Platinelektrode ist und die Anode (3B) eine Silber-/ Silberchloridelektrode und die Elektrolytlösung in Kontakt mit den Elektroden eine wäßrige Kaliumchloridlösung darstellt.

8. Die Sauerstoffelektrode (19) nach Anspruch 1, bei der die Kathode (3B) eine Gold- oder Platinelektrode ist und die Anode (3A) eine Bleielektrode ist und die Elektrolytlösung in Kontakt mit den Elektroden eine wäßrige Kaliumhydroxidlösung darstellt.

9. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der die Kathode (3B) eine Gold- oder Platinelektrode ist und die Anode eine Silberelektrode ist und die Elektrolytlösung in Kontakt mit den Elektroden eine wäßrige Kaliumhydroxidlösung darstellt.

10. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der das poröse Material ein Agarosegel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung ist.

11. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der das poröse Material ein polymeres Gel eines fotopolymerisierbaren Monomers mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung ist.

12. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 11, bei der die fotopolymerisierbaren Monomeren Acrylamid sind.

13. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der das poröse Material ein Metallalkoxidgel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung ist.

14. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der die sauerstoffgasdurchlässige Membran (5) eine Silikonharzbeschichtung ist.

15. Die Sauerstoffelektrode (10) nach Anspruch 1, bei der die sauerstoffgasdurchlässige Membran (5) eine Beschichtung aus Fotoresistmaterial ist.

16. Ein Verfahren für die Herstellung miniaturisierter Sauerstoffelektroden, das die folgenden Schritte umfaßt:

- Bilden zumindest einer Vertiefungsrille (6) auf einem Substrat (1) durch fotolithografische und anisotrope Ätzung,

- Bilden einer isolierschicht (2) an der Oberfläche des mit Vertiefungsrillen versehenen Substrates (1),

- Bilden zweier Elektroden (3A, 3B) an der Oberfläche der Isolierschicht dergestalt, daß sich die Elektroden in einen Bodenbereich der Vertiefung erstrecken,

- Ausfüllen der Vertiefung mit einem porösen, wäßrigen, die Elektrolytlösung enthaltenden Material (4) und

- Bedecken und Abdichten der das poröse Material enthaltenden Vertiefung (6) mit einer sauerstoffgasdurchlässigen Membran (5).

17. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem Silizium als ein Substrat verwendet wird und eine Siliziumoxidschicht als die Isolierschicht (2) durch Oxydieren des Siliziumsubstrates (1) gebildet wird.

18. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem die Elektroden (3A, 3B) durch Vakuumabscheidung der aus der Gruppe Gold, Platin, Silber, Silber/Silberchlorid und Blei ausgewählten Elektrodenmaterialien gebildet wird.

19. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem eine erwärmte Agaroselösung, die die Elektrolytlösung enthält, in die Vertiefung (6) gegossen und stehengelassen wird, um ein Agarosegel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.

20. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem eine Lösung aus fotopolymerisierbaren Monomeren, die die Elektrolytlösung enthalten, in die Vertiefung (6) gegossen wird und Strahlungen, die zur Auslösung einer Polymerisation der Monomeren in der Lage sind, auf das Substrat (1) gerichtet werden, um ein polymeres Gel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.

21. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, bei dem die fotopolymerisierbaren Monomere Acrylamid sind und die Lösung daraus UV-Strahlen ausgesetzt wird, um deren Polymersisation zu veranlassen.

22. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem nach Bildung der Elektroden (3A, 3B) die Oberfläche des Substrats (1) mit Ausnahme des Vertiefungsteils (6) vollständig mit einem hydrophoben Fotoresistmaterial beschichtet wird, das maskierte Substrat in eine wäßrige Lösung aus fotopolymerisierbaren Monomeren, die die Elektrolytlösung enthält, getaucht wird und das die wäßrige Lösung der Monomeren in der Vertiefung enthaltende Substrat Strahlungen ausgesetzt wird, die eine Polymerisation der Monomeren auslösen können, um ein polymeres Gel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.

23. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 22, bei dem das Substrat (1) den Strahlungen ausgesetzt wird, nachdem die darauf gebildete Vertiefung (6) mit einem verdampfungsverhindernden Mittel, welches den Durchgang der Strahlung erlaubt, bedeckt und abgeschlossen ist.

24. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem die fotopolymerisierbaren Monomeren Acrylamid sind und die Lösung davon UV-Strahlen ausgesetzt wird, um ihre Polymerisation zu veranlassen.

25. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem eine die Elektrolytlösung enthaltende Metallalkoxidlösung in die Vertiefung gegossen und einem Sol-Gel-Prozeß unterzogen wird, um ein Metallalkoxidgel mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.

26. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 25, bei dem das Metallalkoxid Tetraethoxysilan ist.

27. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem nach Bildung der Elektroden die Oberfläche des Substrats (1), mit Ausnahme des Vertiefungsteils, vollständig mit einem hydrophoben Fotoresistmaterial beschichtet wird, das maskierte Substrat in eine die Elektrolytlösung enthaltende wäßrige Lösung von Metallalkoxid getaucht wird und das Substrat (1), das die wäßrige Lösung des Metallalkoxids in der Vertiefung enthält, einem Sol-Gel- Prozeß unterzogen wird, um ein Gel des Metallalkoxids mit der darin eingeschlossenen Elektrolytlösung zu bilden.

28. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 27, bei dem das Metallalkoxid Tetraethoxysilan ist.

29. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem die das poröse Material enthaltende Vertiefung mit einem Silikonharz beschichtet wird, um die sauerstoffgasdurchlässige Membran zu bilden.

30. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 16, bei dem die das poröse Material enthaltende Vertiefung (6) mit einem Fotoresistmaterial beschichtet wird, um die sauerstoffgasdurchlässige Membran (5) zu bilden.

31. Ein miniaturisierten Biofühler (10), der im wesentlichen besteht aus einer Sauerstoffelektrode, umfassend ein Substrat (1) mit zumindest einer Vertiefungsrille (6), gebildet auf einer Oberfläche davon, zwei Elektroden (3A, 3B), die als eine Kathode und eine Anode wirken und auf einer Isolierschicht (2) an der Oberfläche des Substrats gebildet werden, von denen sich jede der Elektroden in einen Bodenbereich der Vertiefungsrille erstreckt, ein poröses, die wäßrige Elektrolytlösung enthaltendes Material (4), das die Vertiefungsrille ausfüllt, eine sauerstoffgasdurchlässige Membran, die die Vertiefungsrille und das darin enthaltene poröse Material bedeckt to und abdichtet, und eine immobilisierte biologische Substanz, die die Oxydation der biochemischen organischen Verbindungen katalysieren kann und an einer sensitiven Stelle der Sauerstoffelektrode positioniert ist.

32. Der Biofühler (10) nach Anspruch 31, bei dem die biologische Substanz ein Enzym oder ein Gemisch aus zwei oder mehr Enzymen ist.

33. Der Biofühler (10) nach Anspruch 31, bei dem die biologische Substanz ein Mikroorganismus ist.

34. Der Biofühler (10) nach Anspruch 31, bei dem die biologische Substanz ein Gemisch aus zwei oder mehr Enzymen und Mikroorganismen ist.

35. Der Biofühler (10) nach Anspruch 31, der ein Glucosefühler ist.