KR900004691B1

KR900004691B1 - 이온 선택성 fet 센서

Info

Publication number: KR900004691B1
Application number: KR1019860005293A
Authority: KR
Inventors: 노보루 고야마; 다께시 시모무라; 슈이찌로 야마구찌
Original assignee: 데루모 가부시끼가이샤; 도자와 미쓰오
Priority date: 1986-01-24
Filing date: 1986-06-30
Publication date: 1990-07-02
Also published as: KR880000787A; EP0235470B1; EP0235470A2; EP0235470A3; DE3687123T2; US4816118A; DE3687123D1

Abstract

내용 없음.

Description

이온 선택성 FET 센서

제1도는 ISFET 센서의 개략도.

제2도는 실시예 1에서 제작된 ISFET 센서의 A-A' 단면도.

제3도는 실시예 1에서 제작된 ISFET 센서의 B-B' 단면도.

제4도는 본 발명 ISFET 센서에 의해 이온농도를 측정하기 위한 셀과 기준전극에 대한 소오스 전압(Vout)을 측정하기 위한 회로를 나타내는 개략 설명도.

제5도부터 제9도는 모두 실시예 1 내지 5에서 제작된 본 발명의 센서의 Vout의 이온 농도에 대한 플로트(plot)를 나타내 것으로서,

제5도는 칼륨이온.

제6도는 나트륨이온.

제7도는 염소이온.

제8도는 칼슘이온.

제9도는 탄소 수소이온에 관한 것이다.

제10도는 분리 게이트형의 ISFET 센서의 일례를 나타낸 도면.

제11도는 실시예 7에서 제작된 ISFET 센서의 A-A' 단면도.

제12도는 실시예 7에서 제작된 ISFET 센서의 B-B' 단면도.

제13도는 실시예 8에서 제작된 pH 측정용의 ISFET 센서의 게이트부 단면도.

제14도는 실시예 3에서 제작된 pH 측정용의 ISFET 센서의 개략도.

제15도는 동일한 ISFET 센서의 C-C' 단면도.

제16도 및 제17도는 본 발명 ISFET 센서와 비교품의 Vout 및 네룬스토플로트 각각의 경사 S의 시간경과에 따른 변화를 나타낸 도면.

제18도는 중성 캐리어막을 붙이지 않은 MOSFET전극을 사용하여 pH 측정을 하였을때의 pH에 대한 소오스 전압의 플로트를 나타낸 도면.

제19도는 실시예 1에서 제작된 ISFET 전극(막두께 0.45mm)을 사용하여 pH 측정을 하였을때의 pH에 대한 소오스 전압의 플로트를 나타낸 도면.

제20 및 제21도는 동일한 ISFET 전극을 열은 상태로부터 pH 9.18의 용액에 침지하였을 때의 전위 응답을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 게이트부 11 : 드레인

12 : 소오스 13 : SiO₂막

14 : 절연막 15 : 도전성층

16 : 산화환원 기능층 17 : 이온 선택층

18 : 실리콘 기판 20 : P형 실리콘

21 : SOS 기판 22 : 절연체

23 : 기준전극 24 : 교반자

25 : 소오스전극

본 발명은 이온 선택성 FET 센서, 더욱 상세하게는 용액중의 이온농도를 전극 전위 응답에 의해 측정하기 위한 이온 선택성 FET(이하, ISFET라고 말한다) 센서에 관한 것이다. 더욱 바람직하게는 생체중에서의 상기 측정도 가능한 이온 선택성 FET 센서에 관한 것이다.

최근 화학 센서와 반도체 장치를 집적화한 화학적 반도체 디바이스가 여러 가지가 개발되어 있다.

그리하여 ISFET는 이러한 화학적 반도체 장치의 일종으로서, MOS전계 효과 트랜지스터(MOSFET)와 이온 선택성 전극을 조합하여 집적화한 것이며, 종래의 이온센서와는 전혀 상이한 새로운 형태의 센서이다. 이 ISFET는 극히 소형화할 수 있다는 것 및 MOSFET 본래의 고입력 임피이던스, 저노이즈 등의 뛰어난 특성을 가졌다는 것, 또 응답시간이 짧다는 것 등, 뛰어난 센서특성을 갖고 있기 때문에 주목되고 있다.

그러나, ISFET 중에 비교적 검토되고 있는 것은 pH 센서뿐으로서 수소 이온 이외의 농도측정용의 센서는 겨우 검토가 시작된 단계이다. 센서특성이 뛰어난 ISFET를 얻는데 이온 감응막의 구조는 가장 중요하다. 이온 선택성층의 밀착성, 내수성 등의 문제가 있으며, 어느 이온센서도 일반적으로 전위 드리프트가 크다고 하는 공통의 결점을 갖고 있었다. 또, 전위의 안정성이 나쁘고 단밸직 등의 흡착(부착)에 의해 특성이 현저하게 열화한다. 혈액중에서 응괴(clot)가 생기기 쉬운 등의 결점이 있었다.

그리하여, 게이트 절연층과 이온 선택성층의 사이에 이들의 밀착성을 높이기 위하여 이온 선택성 물질을 함유하지 않은 고분자막층을 개재시킨 구조로 하면 전위드리프트를 감소시킬 수 있다는 것이 알려져 있다(일본국 특개소 59-164952호). 그러나, 이 구조의 이온센서는 개재시킨 고분자막층의 전자전도성이 불량하기 때문에 막 임피이던스가 높아져서 측정시 잡음 등의 방해를 받기 쉽다고 하는 결점이 있었다.

또한, 게이트 절연층과 이온 선택성층의 사이에 금속막을 개재시킨 구조로 하면 이온 선택성층의 밀착성이 개선되어, 내구성이 뛰어난 이온센서가 얻어진다는 것이 알려져 있다(일본국 특개소 57-63444호, 특개소 60-73351호). 그러나, 그 게이트부가 산소등의 영향을 쉽게 받기 때문에 안정성의 점에서 문제가 있었다.

따라서, 이온 선택성층의 게이트부와의 밀착성이 양호하며 내구성이 뛰어나고 또한 방해이온의 영향을 쉽게 받지 않고 안정성이 뛰어난 이온 센서의 제공이 요구되고 있었다.

한편, pH 측정용의 것으로서는 겨우 수소이온 선택성층으로 SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, Ta₂O₅를 사용한 것이 알려져 있는데 불과하다. 더욱이, 수소이온 선택성층으로 Si₂O₃를 사용한 것은 일반적으로 동작이 불안정하여 실용성이 부족한 것이며, 양호한 pH 응답을 나타내고 또한 알칼리금속 이온 등의 다른 이온의 방해가 적은 등, pH측정용 ISFET의 수소이온 선택성층으로 적당한 것은 Al₂O₃및 Ta₂O₅와 같은 화학적으로 안정된 화합물의 막에 한정되어 있다.

이러한 실정에 있어서, 본 발명자는 ISFET의 이온 선택성층의 상기 결점을 해결하고자 예의 검토를 한 결과 산화 환원기능층과 이온 선택성층으로서 피검 이온의 이온 캐리어 물질을 함유하는 고분자막을 사용하면 밀착성, 내수성을 가지며 아울러 뛰어난 센서 특성을 갖는 ISFET 센서가 얻어진다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 MOSFET의 게이트 절연막상에, 산화 환원기능을 갖는 층을 부착하고, 이 피막의 표면에 이온 선택성층을 붙여서 이루어진 것을 특징으로 하는 이온 선택성 FET 센서이다.

또 본 발명자는 게이트 절연층의 표면에 도전성층을 설치하여 이것에 직접 이온 선택성층을 입히지 않고 산화 환원기능을 갖는 층을 통하여 붙이면 보다 뛰어난 내구성, 안정성을 가지며 아울러 뛰어난 센서 특성을 갖는, ISFET 센서가 얻어진다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 MOSFET, 이 MOSFET의 게이트 절연층의 표면에 붙여진 도전성층, 이 도전성층의 표면에 붙여진 산화 환원기능을 갖는 층(이하 산화환원기능층이라고 말한다) 및 이 피막의 표면에 붙여진 이온 선택성층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온 선택성 FET 센서이다.

또 본 발명자는 수소이온 선택성층으로 하기에 설명하는 수소이온 캐리어 물질을 함유하는 유기 고분자막을 사용하면 뛰어난 센서특성을 갖는 ISFET 전극이 얻어진다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은 MOSFET 게이트 절연막상에 하기식:

(식중, R¹, R²및 R³은 동일하거나 또는 다른 알킬기를 나타내고, 그 중 적어도 2개는 탄소수 8 내지 18의 알킬기를 나타낸다.)로 표시되는 수소이온 캐리어 물질을 함유하는 유기 고분자막으로 이루어진 수소이온 선택성층을 부착한 이온 선택성 FET 센서를 제공하는 것이다.

또, 본 발명은 MOSFET 게이트 절연막상에 하기식:

(식중, R⁴는 탄소수 8 내지 18의 알킬기, 바람직하게는 탄소수 10 내지 16의 알킬기이다.)로 표시되는 수소이온 캐리어 물질을 함유하는 유기 고분자막으로 이루어진 수소이온 선택성층을 부착한 이온 선택성 FET 센서를 제공하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 MOSFET 또는 공지의 ISFET에 사용되는 것으로서, 게이트 절연층[이하 개이트 절연막이라고 말하는 수가 있다.]을 이용할 수 있다면 어느 것이나 사용할 수가 있으며[마쓰오, 에사시 "전기화학과 공업물리화학" 50, 64(1982)], 예를 들면, 실리콘 또는 사파이어 기판상에 Si-SiO₂게이트 절연층을 갖는 FET를 형성한 것을 들 수있으며, 또한 분리게이트형의 것이 호적하게 사용된다. 실리콘 기판을 사용한 것은 비교적 값이 싸기 때문에 범용성이 있으며 사파이어 기판의 것은 멀티화가 용이하고 절연이 쉽게 되며, 소형화가 용이하다는 등 기능면에서 뛰어나다.

MOSFET는 종래의 플레이너 기술 및 이온 주입 기술 등을 이용하여 제작할 수가 있다. MOSFET의 게이트 절연층의 표면에 Si₃N₄등으로 이루어진 절연막을 CVD법(화학적 기상 증착법) 또는 스퍼터링법(용사법)을 사용하여 형성함으로써 게이트부의 절연성능을 더욱 향상시킬 수가 있다.

MOSFET의 게이트 절연층의 위에 도전성층을 형성하는데는 게이트 절연층의 표면에 도전성 물질을 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법, CVD법, 이온 비임스퍼터법 등을 사용하여 부착하는 방법을 사용할 수가 있다. 막두께는 100Å 내지 1㎛로 빛을 실질적으로 투과시키지 않는 두게의 500Å 내지 0.5㎛로 하는 것이 바람직하다. 도전제로는 탄소가 가장 바람직하게만 탄소, 금속, 금속산화물 등의 게이트 절연층 및 산화환원기능층과의 밀착성이 양호한 물질이면 특별한 제한이 없이 사용된다. 또한, 도전성층은 1층 뿐만 아니라 다층구조로 할 수도 있다. 다층 구조로 할 경우에는 게이트 절연층에 Ni, Cr, Au등의 금속의 얇은 막을 피복한 후에 다시 다른 도전성층을 설치하는 것이 바람직하다.

산화 환원기능층이란 이것을 도전성 기체 표면에 부착시켜 이루어진 전극이 산화 환원반응에 의해서 도전성 기체에 일정전위를 발생시킬 수 있는 성질을 갖는 것이며, 본 발명에 있어서는 특히 산소 가스 분압에 의해서 전위가 변동하지 않는 것이 바람직하다. 도전성층을 갖추지 않은 경우 특히 가역적 산화 환원기능을 갖는 층이 바람직하다. 이러한 산화 환원기능층으로서는 예를 들면 ① 퀴논-히드로 퀴논형의 산화 환원반응을 수행할 수 있는 유기화합물막 또는 고분자막, ② 아민-퀴노이드형의 산화 환원반응을 수행할 수 있는 유기화합물막 또는 고분자막, ③ 폴리(피롤), 폴리(티에닐렌)등의 도전성 물질등이 바람직한 것으로서 들 수 있다. 또한 여기서 퀴논-히드로퀴논형의 산화 환원반응이란 중합체의 경우를 예로들면 예컨대 다음의 반응식으로 표시되는 것을 말한다.

[반응식 ]

(식중, R₁, R₂는 예를들면 방향족 함유 구조의 화합물을 나타낸다.)

또한, 아민-퀴노이드형의 산화 환원반응이란 상기 중합체의 경우를 예로들면 예컨대 다음의 반응식으로 표시되는 것을 말한다.

[반응식]

(식중, R₃, R₄는 예를 들면 방향족 함유 구조의 화합물을 나타낸다.)

이와 같은 산화 환원기능을 갖는 층을 형성할 수 있는 화합물로서는 예를 들면 다음의 (a)~(d)의 화합물을 들 수 있다.

(a)

(식중 Ar₁은 방향핵, 각 R₅는 치환기, m₂는 1 내지 Ar₁의 유효원자가수, n₂는 0 내지 Ar₁의 유효원자가수 -1을 나타낸다.)로 표시되는 히드록시 방향족 화합물.

Ar₁의 방향핵은 예를 들면 벤젠핵과 같이 단일고리의 것, 또는 안트라센핵, 피렌핵, 크리센핵, 페릴렌핵, 코로넨핵 등과 같이 폴리고리의 것도 좋고, 또 벤젠 골격뿐만 아니라 폴리고리 골격의 것이라도 좋다. 치환기 R₅로서는 예를들면 메틸기동의 알킬기, 페닐기등의 아릴기, 및 할로겐원자 등을 들 수 있다. 구체적으로는 예를들면 디메틸 페놀, 페놀, 히드록시 피리딘, 0- 또는 m-벤질알코올, 0-, m- 또는 p-히드록시벤즈 알데히드, 0- 또는 m-히드록시아세포페논, 0-, m- 또는 p-히드록시 프로피오페논, 0-, m- 또는 p-히드록시벤조페논, 0-, m- 또는 p-카르복시페놀, 디페닐페놀, 2-메틸-8-히드록시 퀴놀린, 5-히드록시-1,4-나프토퀴논, 4-(p-히드록시페닐), 2-부타논, 1,5-디히드록시-1,2,3,4-테트라히드로나프탈렌, 비스페놀 A, 살리실아닐리드, 5-히드록시퀴놀린, 8-히드록시퀴놀린, 1,8-디히드록시 안트라퀴논, 5-히드록시-1,4-나프토퀴논 등을 들 수 있다.

(b) 하기식 :

(식중, Ar₂은 방향핵, 각 R₆는 치환기, m₃는 1 내지 Ar₂의 유효원자가수, n₃는 0 내지 Ar₂의 유효원자가수 -1을 나타낸다.)로 표시되는 아미노방향족 화합물.

Ar₂의 방향핵, 치환기 R₆로서는 화합물(a)에 있어서의 Ar₁, 치환기 R₅와 각각 동일한 것이 사용된다. 아미노방향족 화합물의 구체적인 예를들면 아닐린 1,2-디아미노벤젠, 아미노피렌, 디아미노피렌, 이미노크리센, 디아미노크리센, 1-아미노페난트렌, 9-아미노페난트렌, 9,10-디아미노페난트렌, 1-아미노안트라퀴논, p-페녹시아닐린, 0-페닐렌디아민, p-클로로아닐린, 3,5-디클로로아닐린, 2,4,6-트리클로로아닐린, n-메틸아닐린, n-페닐-p-페닐렌디아민 등이다.

(c) 1,6-피렌퀴논, 1,2,5,8-테트라히드록시나리자린, 페난트렌퀴논, 1-아미노안트라퀴논, 푸르푸린, 1-아미노-4-히드록시안트라퀴논, 안트-루핀 등의 퀴논류, 이들의 화합중, 특히 2,6-크실레놀, 1-아미노피렌이 바람직하다.

(d) 피롤 및 그의 유도체(예를들면 N-메틸피롤), 티오펜 및 그의 유도체(예를들면 메틸티오펜) 등이다.

또한, 본 발명에 관한 산화 환원기능을 형성할 수 있는 화합물로는 폴리(N-메틸아닐린) [오오누끼, 마쓰다 고야마, 일본화학회지 1801-1809(1984)], 폴리(2,6-디메틸-1,4-페닐렌에테르), 폴리(0-페닐렌디아민), 폴리(페놀), 폴리 크실레놀; 피라졸로퀴논계 비닐 모노머의 중합체, 이소알콕사딘계 비닐모노머의 중합체등의 퀴논계 비닐 중합체의 축중합 화합물과 같은 (a)~(d)의 화합물을 함유하는 유기화합물, (a)~(d)의 화합물의 저중합도 고분자 화합물(올리고머), 또는 (a)~(d)을 폴리비닐화합물, 폴리아미드 화합물등의 고분자 화합물에 고정한 것 등의 산화 환원반응성을 갖는 것을 들 수 있다. 그리고 본 명세서에 있어, 중합체란 용어는 단독중합체와 공중합체등의 상호 중합체를 모두 포함한다.

본 발명에 있어, 상기의 산화 환원기능층을 형성할 수 있는 화합물을 게이트부 절연막상에 피착하기 위하여는, 아미노 방향족화합물, 히드록시 방향족 화합물 등을 전해산화 중합법 또는 전해 석출법에 의하여 도전성 탄소, 귀금속등의 도전성 기체상에서 합성된 중합체 또는 전자선조사, 광, 열등의 적용에 의하여 합성된 중합체를 용매에 용해시킨 것을, 게이트부 절연막상에 도포 또는 침지에 의하여 피착시키는 방법, 진공하에서 반응시켜 직접 FET 게이트부 절연막상에 석출시켜 피착하는 방법, 광·열·방사선 등을 조사하여 직접 FET 게이트부 절연막상에 피착하는 방법 등을 취할 수 있다. 이들 방법중에서 특히, 미리 합성된 중합체를 용매에 용해한 것을 도포 또는 침지에 의하여 피착시키는 방법이 특히 바람직하다. 전해 산화 중합법은, 용매중에서 적당한 지지전해질의 존재하에, 아미노 방향족 화합물, 히드록시 방향족 화합물등을 전해산화 중합시켜, 도전체의 표면에 중합체층이 피복됨으로써 실시된다. 용매로서는, 예를 들면, 아세트 니트릴, 물, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 프로필렌 카르보네이트등이, 또한 지지 전해질로서는 예를 들면 과염소산나트륨, 황산, 황산나트륨, 인산, 붕산, 테트라플루오로 인산, 칼륨, 4급 암모늄염등이 적합하다.

산화 환원 기능층의 막두께는 0.01㎛~0.5mm, 특히, 0.1~10㎛로 되도록 하는 것이 바람직하다. 0.01㎛보다 얇을 때는, 본 발명의 효과를 충분히 나타내지 못하며, 또 0.5mm보다 두꺼울 경우에는 센서를 소형화 함에 있어서 바람직하지 못하다.

그리고, 산화 환원기능층은, 게이트부 절연막상에 직접 피복될 수도 있으나, 게이트 절연막상에 있어서의 용액의 침입이나, 리크를 막기 위하여, 예를들면 SiO₂및 SiO₂게이트 절연막을 Si₃N₄막, Ta₂O₅막 또는 Al₂O₃막 등으로 덮고 나서 피복되는 것이 바람직하다. 분리 게이트 타입의 ISFET는, 산화 환원막이 분리게이트에 피복된 결과, FET 부분은 피검액이나 광에 노출되지 않으므로, 일반적으로 드리프트가 작아서 적당하다.

또한, 본 발명에 사용되는 산화 환원기능층은, 이에 전해질을 함침시켜서 사용할 수 있다. 전해질로는 예를들면 인산, 인산수소 2칼륨, 과염소산나트륨, 황산, 테트라플루오로붕산염, 테트라페닐 붕산염 등을 들 수 있다. 산화 환원 기능층에 전해질을 함침시키기 위하여는, 산화 환원기능층이 게이트부 절연막에 피복된 후, 이를 전해질용액에 침지시키는 방법이 간편하다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기의 산화 환원막을 형성할 수 있는 화합물을 도전성층의 표면에 피착시키기 위하여는, 아미노 방향족 화합물, 히드록시방향족 화합물 등을 전해산화중합법 또는 전해 석출법에 의하여 도전성탄소, 귀금속 등의 도전성 기체상에서 합성한 중합체, 또는 전자선조사, 광, 열 등의 적용에 의하여 합성된 중합체를 용매에 용해시킨 것을, 도전성층의 표면에 도포 또는 침지에 의하여 피착시키는 방법, 진공하에서 반응시켜 직접 FET 게이트 절연막상에 석출시켜서 피착시키는 방법, 전해 산화중합법 또는 광·열·방사선 등의 조사에 의하여 직접 도전성층의 표면에 피착시키는 방법 등을 취할 수가 있다. 이들 방법중에서는, 특히 전해 산화중합법에 의하여 직접 피착시키는 방법이 바람직하다.

전해 산화 중합법은, 용매중에 적당한 지지 전해질의 존재하에, 아미노방향족 화합물, 히드록시방향족 화합물 등을 전해 산화중합시켜서 도전성층의 표면에 중합체막을 피착시킴으로써 실시된다. 용매로는, 예를 들면 아세트니트릴, 물, 디메틸포름아미드, 디메틸술폭시드, 프로필렌 카르보네이트 등이 , 또한, 지지전해질로는, 예를들면 과염소산나트륨, 황산, 황산 2나트륨, 인산, 붕산, 테트라플루오로인산칼륨, 4급 암모늄염 등이 적합하다.

산화 환원기능층의 막두께는 0.01㎛~0.5mm, 특히, 0.1~10㎛로 되도록 함이 바람직하다. 0.01㎛보다 얇을 경우에는 본 발명의 효과를 충분히 나타내지 못하며, 또한 0.5mm보다 두꺼울 경우에는 센서를 소형화 함에 있어서 바람직하지 못하다.

또한, 본 발명에 사용되는 산화 환원기능층은, 이에 전해질을 함침시켜서 사용할 수 있다. 전해질로는, 예를들면 인산, 인산수소 2칼륨, 과염소산나트륨, 황산, 테트라플루오로붕산염, 테트라페닐붕산염 등을 들 수 있다. 산화 환원막에 전해질을 함침시켜 층의 표면에 거듭 피복된 이온 선택성층으로는, 피검이온의 이온캐리어 물질 및 필요에 따라서 전해질염을 고분자 화합물에 담지시킨 막(뉴트럴 캐리어막)이 사용된다. 이온 캐리어 물질로는, 피검이온에 따라서, 예를들면 하기의 것이 사용된다.

(i) 수소이온

수소이온 캐리어 물질로는, 앞서 본 발명자의 한사람인 고야마 노보루에 의하여 제안된 물질이 사용된다. 예를 들면 하기식

(식중, R⁷, R⁸및 R⁹은 동일 또는 다른 알킬기를 나타내며, 그중에서 적어도 2개의 탄소수 8~18의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 아민류와 하기식

(식중 R¹⁰은 탄소수 8~18의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 화합물등을 들 수가 있으며, 바람직한 것으로서는 트리-n-도데실아민을 들 수 있다.

이중에서도 특히 트리도데실아민이 바람직하다.

(ii) 칼륨이온

발리노마이신; 노낙틴, 모녹틴; 디시크로헥실-18-크라운-6, 나프트-15-크라운-5, 비스(15-크라운-5) 등의 크라운에테르 화합물 등을 들 수 있으며, 특히 발리노마이신, 비스(15-크라운-5)가 바람직하다.

(iii) 나트륨 이온

방향족계 아미드 또는 디아미드류, 지방족계아미드 또는 디아미드류, 크라운 화합물, 예를들면 비스[(12-크라운-4)메틸]도데실말로네이트, N,N,N,N-테트라프로필-3,6-디옥사네이트디아미드, N,N,N',N'-테트라벤질-1,2-에틸렌디옥시디아세트아미드, N,N'-디벤질-N,N'-디페닐-1,2-페닐렌디아세트아미드, N,N',N"-트리헵틸-N,N',N"-트리메틸-4,4',4"-프로필리딘트리스(3-옥사부틸아미드), 3-메톡시-N,N,N,N-테트라프로필-1,2-페닐렌디옥시 디아세트아미드, (-)-(R,R)-4,5-디메틸-N,N,N,N-테트라프로필-3,6-디옥사옥탄디아미드, 4-메틸-N,N,N,N-테트라프로필-3,6-디옥사옥탄디아미드, N,N,N,N-테트라프로필-1,2-페닐렌디옥시디아세트아미드, N,N,N,N-테트라프로필-2,3-나프탈렌디옥시디아세트아미드, 4-t-부틸-N,N,N,N-테트라프로필-1,2-시크로헥산디옥시-디아세트아미드, 시스-N,N,N,N-테트라프로필-1,2-시클로헥산디옥시디아세트아미드, 트랜스-N,N,N,N-테트라프로필-1,2-시크로헥산디옥시디아세트아미드 등을 들 수 있으며, 특히 비스[(12-크라운-4)메틸]도데실말로네이트가 적합하게 사용된다.

(iv) 염소이온

(식중 R₇, R₈및 R₉은 각각 동일 또는 다른 탄소수 8~18의 알킬기, R₁₀은 수소 또는 탄소수 1~8의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄의 염 및 하기식:

으로 표시되는 트리페닐주석클로라이드 등을 들 수 있다.

(v) 칼슘이온

칼슘 비스[디-(n-옥틸페닐)포스페이트], (-)-(R,R)-N,N'-비스[(11-에톡시카르보닐)운데실]-N,N'4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄-디아미드, 칼슘 비스[디(n-데실)포스페이트]등이 적합하다.

(vi) 탄소수소이온

하기식 :

(식중 R₁₁, R₁₂및 R₁₃은 각각 동일하거나 또는 다른 탄소수 8~18의 알킬기, R₁₄은 수소원자 또는 탄소수 1~4의 알킬기 및 X^-은 Cl^-, Br^-도는 OH^-을 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄염; 하기식:

으로 표시되는 3급 아민화합물; 또는

으로 표시되는 화합물등을 들 수 있다.

전해질염으로서는, 예를들면 나트륨 테트라키스(p-클로로페닐)보레이트, 칼륨테트라키스(p-클로로페닐)보레이트 및 하기식(R₁₈)₄NBF₄

(식중 R₁₈은 알킬기, 바람직하게는 탄소수 2~6의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 화합물을 들 수 있다.

또한, 고분자 화합물로는, 예를 들면 염화비닐수지, 염화비닐에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리아크릴아미드, 폴리우레탄 등의 유기고분자 화합물 및 실리콘 수지 등의 무기고분자 화합물을 들 수가 있으며, 가소재가 잘 용출되지 않는 것이 사용된다. 이와 같은 가소재료는, 예를들면, 세바신산디옥틸에스테르, 아디핀산디옥틸에스테르, 말레인산디옥틸 에스테르, 디-n-옥틸페닐포스포네이트 등을 들 수 있다.

이와 같이 조성의 이온 선택성층이 MOSFET의 게이트부 절연막상의 산화 환원 기능층의 표면에 다시 피복되기 위하여는, 예를들면 담체인 고분자 화합물 100중량부에 대하여 가소재를 50~500중량부, 이온캐리어물질 0.1 내지 50중량부 및 전해질염 등을 용매(예를들면 테트라히드로푸란)에 용해시킨 용액을 게이트 절연막상에 두께 0.1㎛~100mm가 되도록 얹고 상온 내지는 가열하에 건조시키는 방법, 또는 이 용액에 게이트 절연막을 침지시킨 후, 동일한 방법으로 건조시키는 방법을 사용할 수 있다. 이렇게 피복된 이온선택성층의 두께는 0.1㎛~10mm로 함이 바람직하다.

본 발명의 ISFET센서는 MOSFET의 게이트부 절연막상에 산화 환원기능층을 통하여 이온 선택성층이 피복된 구성이므로 막의밀착성, 내수성이 양호하다. 또, MOS FET는 고입력 인피던스이므로, 본 발명의 ISFET센서는 고저항율의 이온 선택성층이 피복되어도 안정하게 동작하며, 또 그 증폭작용을 이용할 수 있으므로, 소형임에도 불구하고 응답속도가 빠르고, 이온 선택성에 뛰어나므로, 실질적으로 유리하게 사용할 수 있으며, 카테테르등에 사용함으로써 생체 중에서도 측정도 가능하게 된다. 또한 전위의 안정성이 양호하며, 드리프트를 작게할 수 있으므로, 혈액성분에 의한 영향을 작게할 수 있다.

본 발명의 ISFET센서는 MOSFET의 게이트 절연층의 표면에 도전성층을 형성하고, 그 위에 이온 선택성층을 산화 환원기능층을 통하여 피착시켜 구성이므로, 이들 막의 밀착성, 내구성이 양호할 뿐만 아니라, 빛의 영향을 잘 받지 않으므로, 전위 드리프트가 극히 작고 안정성에 뛰어나다.

또한, MOSFET는 고입력 인피턴스이므로, 본 발명의 ISFET센서는 고저항율의 이온 선택성층을 피착하여도 안정하게 동작하며, 또 그 증폭작용을 이용할 수 있으므로, 소형임에도 불구하고 응답속도가 빠르며, 실용상 유리하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 ISFET전극은, 상술한 바와 같이, 수소이온 선택성층으로 아민류의 수소이온 캐리어 물질을 함유한 중성 캐리어물질을 함유하는 유기 고분자막을 사용한 것으로서, Ta₂O₅와 같은 화학적으로 인정한 막을 사용한 종래품과 동등한 센서 특성을 갖고, 고속으로 그리고 안정한 pH측정을 가능하게 하는 것이다.

하기 실시예 및 시험예를 들어 설명한다.

[실시예 1]

다음 방법에 따라 MOSFET의 게이트 절연막상의 산화 환원 기능층 표면에 칼륨이온 선택성층을 피복하여 ISFET센서를 제작하였다. 그 모식도를 제1도에 나타낸다. 또 제2도는 제1도의 A-A' 단면 모식도, 제3도는 제1도의 B-B'단면 모식도이다.

(1) MOSFET

MOSFET로서는, 침상 구조로서 게이트부가 선단에 길게 나오도록 고안된, p형 실리콘웨하상에 P형 Si-SiO₂게이트 절연막을 중첩시킨 구조를 갖는 FET(소위 절연형 FET)을 사용하였다. 이와 같은 MOSFET는, 일반적인 프래너 기술을 이용하여 제작할 수 있다. 여기서(10)은 게이트부, (11)은 드레인, (12)는 소오스이며, 단면도의 (18)은 실리콘기판, (13)은 SiO₂막, (14)은 Si₃N₄등의 절연막이다.

(2) 산화 환원기능층 16

(전해액)

(전해조건)

-20℃

0V로부터 1.5V 대 포화 염화나트륨 칼로메 전극(SSCE) 3회 귀인(50mV/sec)

1.5V 대 SSCE로 1시간 정전위전해

5㎠의 BPG 전극을 사용하여 상기의 조건으로 전해하여 얻어진 산화 중합체막을 냉 아세트릴용매로 세정한 후, 1ml의 메탄올 중에 용해하였다. 이와같이 하여서 조정된 침지액 중에 MOSFET의 게이트부를 침지시키거나 또는 침지액을 도포하고, 건조하여 2~3㎛의 산화환원 기능층을 형성하였다.

(3) 칼륨이온 선택성층(17) MOSFET의 게이트부의 SiO₂막상에 피복된 산화 환원 기능층 표면에 또한 발리노마이신을 함유하는 하기 조성의 칼륨이온 캐리어 조성물을 얹은 다음, 바람으로 건조시킴으로써, 두께 약 0.4mm의 칼륨 이온 선택성층을 피복하였다.

(칼륨 이온 캐리어 조성물)

[시험예 1a]

실시예 1에서 제작된 칼륨이온 ISFET센서를 작용 전극, SSCE를 기준전극으로 사용하여 제4도에 나타낸 바와 같은 측정용 셀 및 측정용 회로를 조립하여 표준용액 중에서 기준 전극에 대한 소오스 전압(Vout)을 측정하였다. 여기서(23)은 기준전극, (24)은 교반자, (25)는 소오스전압(Vout)이다. 그리고 소오스, 드레인전압(V_DS)을 4V, 측정용액의 온도는 37℃에서 측정하였다. ISFET의 Vout의 디지틀멀티미터(TR 6841, 다께다이연)을 사용하여 측정하였다. 표준용액으로는 10^-4~5×10^-1M의 KCl용액을 사용하였다. 측정은 36.4℃에서 피검액을 교반하면서 대기중에서 조도가 일정하게 행하였다. 측정된 Vout의 칼륨이온 농도에 대한 플로트를 제4도에 나타낸다.

제5도에 나타낸 바와 같이, Vout의 칼륨이온 농도에 대한 플로트는 10^-4~5×10^-1M의 범위에서 극히 양호한 직선관계를 나타내며, 그 직선의 경사는 59.8mV/log{(K⁺)/M}이었다. 또 이 전극의 응답속도는 1mm KCl용액에서 평형에 있는 센서를 100mm KCl용액에 침지 했을때의 95% 응답으로 1초 이내에 있어, 극히 빠름이 확인되었다.

[시험예 1b]

시험예 1a의 표준용액에 나트륨이온, 암모늄이온 또는 수소이온을 100mm 농도 용존시켜서 시험예 1a와 동일한 측정을 행함으로써 본 발명의 칼륨이온 ISFET센서의 이들 양이온에 대한 선택계수를 구한 결과 각각

이었다.

이 결과로부터 본 발명의 칼륨이온 ISFET센서는, 혈청, 혈액들을 검사하는 경우에도 공존 양이온의 방해를 받지 않고 칼륨이온농도를 측정할 수 있음을 알 수 있다.

[실시예 2]

이온 캐리어 조성물로서 하기 조성의 나트륨 이온 캐리어 조성물을 사용한 것 이외는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 두께 약 0.5mm의 나트륨 이온 선택성층을 피복한 나트륨이온 ISFET센서를 제작하였다.

(나트륨이온 캐리어 조성물)

이와 같이 하여서 제작한 나트륨이온 ISFET센서는 충분히 건조시킨 후, 1mM의 NaCl 수용액에 2시간 동안 침지하고 나서 이후의 시험에 사용하였다.

[시험예 2]

ISFET로서 실시예 2에서 얻은 나트륨이온 ISFET센서를 사용하고, 표준용액으로서 0.5×10⁺³~5×10^-1몰의 NaCl 용액을 사용한 이외는 시험예 1a와 동일하게 수행하여 Vout를 측정하였다. 그리고, 측정온도등의 측정 조건은 시험예 1a와 동일하게 하였다. 결과를 제6도에 나타낸다.

제6도에 나타낸 바와 같이, Vout의 나트륨이온 농도에 대한 플로트는 10^-3~5×10^-1몰의 범위에서 극히 양호한 직선관계를 나타내고, 그 직선의 경사는 59.7mV/log{(Na⁺)/M}이었다. 또 이 전극의 응답속도는 95% 응답에서 1초 이내이며, 시험예 1b와 동일하게 하여 측정한 타이온에 대한 선택계수는

이었다.

[실시예 3]

이온 캐리어 조성물로서 하기 조성의 염소이온 캐리어 조성물을 사용한 이외는 실시예 1과 동일하게 수행하여 두께 약 0.5mm의 염소이온 선택성층을 피복한 염소 이온 ISFET센서를 제작하였다.

(염소이온 캐리어 조성물)

이와같이 하여 제작한 염소이온 ISFET센서는 충분히 건조시킨 후, 1mm의 NaCl 수용액에 2시간 동안 침지하고 나서 이후의 시험에 사용하였다.

[시험예 3]

ISFET로서 실시예 3에서 얻은 염소이온 ISFET센서를 사용하고, 표준용액으로서 2×10⁺⁴~5×10^-1몰의 NaCl 용액을 사용한 이외는 시험예 1a와 동일하게 수행하여 Vout를 측정하였다. 그리고, 측정온도는 37℃로 하고, 기타의 측정조건은 시험예 1과 동일하게 하였다. 결과를 제7도에 나타낸다.

제7도에 나타낸 바와 같이, Vout의 염소이온 농도에 대한 플로트는 10^-3~5×10^-1몰의 범위에서 극히 양호한 직선관계를 나타내고, 그 직선의 경사는 -61.2mV/log{(Cl^-)/M}이었다. 또 이 전극의 응답속도는 10^-2~5×10^-1몰의 농도에 있어 95% 응답에서 1초 이내이며, 시험예 2와 동일하게 하여 측정한 과염소산 이온에 대한 선택계수는

이며, 공존 음이온의 영향을 잘 받지 않음이 명백해졌다.

[실시예 4]

이온 캐리어 조성물로서 다음 조성의 칼슘 이온 캐리어 조성물을 사용한 이외는, 실시예 1과 동일하게 수행하여 두께 약 0.4mm의 칼슘 이온 선택성층을 피복한 칼슘이온 ISFET센서를 제작하였다.

(칼슘 이온 캐리어 조성물)

[시험예 4]

ISFET로서 실시예 4에서 얻은 칼슘이온 ISFET 센서를 사용하고, 표준용액으로서 10^-4~2×10^-1몰의 염화칼슘 용액을 사용하나 이외는 시험예 1a와 동일하게 수행하여 Vout를 측정하였다. 그리고 측정온도는 37℃로 하고, 기타의 측정조건은 시험예 1a와 동일하게 하였다. 결과를 제8도에 나타낸다.

제8도에 나타낸 바와 같이, Vout의 칼슘이온 농도에 대한 플로트는 10^-4~2×10^-1몰의 범위에서 극히 양호한 직선관계를 나타내며, 그 직선의 경사는 30.4mV/log{( Ca²⁺)/M}이었다. 또 이 전극의 응답속도가 95% 응답에서 10초 이내인 점, 그리고 시험예 1b와 같이 하여 측정한 다른 이온에 대한 선택계수는

로서, 선택성이 양호함이 분명해졌다.

[실시예 5]

이온 캐리어 조성물로서 다음 조성의 탄산수소이온 캐리어 조성물을 사용한 이외는 실시예 1과 동일하게 수행하여 두께 약 0.5mm의 탄산수소이온 선택성층을 피복한 탄산수소이온 ISFET센서를 제작하였다.

(탄산수소이온 캐리어 조성물)

[시험예 5]

ISFET로서 실시예 5에서 얻은 탄산수소이온 ISFET 센서를 사용하고, 표준용액으로서 10^-3~10^-1몰의 탄산수소나트륨용액을 사용한 이외는 시험예 1a와 동일하게 수행하여 Vout를 측정하였다. 그리고 측정온도는 37℃로하고 기타의 측정조건은 시험예 1a와 동일하게 하였다. 결과를 제9도에 나타낸다.

제9도에 나타낸 바와 같이, Vout의 탄산수소이온 농도에 대한 플로트는, 10^-3~10^-1몰의 범위에서 극히 양호한 직선관계를 나타내고, 그 직선의 경사는 -60.7mV/log{(HCO₃ ^-)/M}이었다.

[실시예 6]

실시예 1에서 사용한 MOSFET 대신에 제10도에 그 모식도를 나타낸 바와 같이 분리한 게이트부(10)을 갖는 MOSFET를 사용하고, 이 분리한 게이트부(10)에 실시예 1과 같이하여서 가역적인 산화 환원반응을 행하는 고분자막을 피착하고, 또한 그 표면에 칼륨이온 선택성층을 피복하여서 분리 게이트 타입의 칼륨이온 ISFET 센서를 제작하였다.

이렇게 얻어진 센서의 성능은 실시예 1에서 얻은 것과 동일하나, 드리프트가 더욱 작아졌다.

[실시예 7]

다음 방법에 따라 MOSFET의 게이트 절연층의 표면에 도전성 탄소막을 형성하고, 이 막의 표면에 산화환원막 또는 그 위에 수소이온 선택성층을 형성하여 pH 측정용 ISFET 센서를 제작하였다. 그 A-A' 단면모식도를 제11도, B-B' 단면 모식도를 제12도에 나타낸다.

여기서 (15)가 도전성층이다.

(1) MOSFET

MOSFET로서는 P형 실리콘 웨하상에 P형 Si-SiO₂게이트 절연막을 중첩시킨 구조를 갖는 FET(소위절연형 FET)를 사용하였다. 이는 P형 실리콘 웨하상에 포트린 그래피를 사용하는 일반적인 플레나기술을 이용하여 제작하고, 또한 스패터법을 사용하여 질화 실리콘으로된 절연막(14)을 피복한 것이다.

(2) 도전성층(15)

이와같이 제작된 MOSFET의 게이트부 절연막(14)의 표면에 이온 빔 스패터법을 사용하여 도전성 탄소피막(막두께 : 2000Å)을 도전층(15)으로 형성하였다.

(3) 산화 환원기능층(16)

다음에 이 탄소피막(15)의 일단에 금속제의 접촉자에 의하여 전기적 접촉을 취하고, 다음 조성의 전해액중 다음 조건에서 전해산화를 행함으로써 산화환원막(16)을 피착하였다. 그리고 전해에 있어서, 대항전극으로는 백금망을, 기준 전극으로는 포화염화나트륨 포화칼로멜전극(SSCE)을 사용하였다.

(전해액)

(전해조건)

0V로부터 1.5V 대 SSCE까지 3회귀인

(50mV/초)한 후, 1.5V 대 SSCE에서 10분간 정전위 전해(-20℃).

이와같이 하여서 산화환원막으로 퀴논-히드로퀴논형 산화환원반응을 행하는 중합체막(막두께 약 1㎛)을 형성하였다.

(4) 수소이온 선택성층(17)

또한, 산화환원기능층(16)을 피복한 전극에 하기 조성의 수소이온 캐리어 조성물을 도포 및 건조시킴으로서 수소이온 캐리어 막(막두께 : 0.4mm)을 피복하였다.

(수소이온 캐리어 조성물)

[시험예 7]

실시예 7에서 제작한 pH 측정용의 ISFET 센서의 특성을 제4도에 나타내는 측정회로 및 장치를 사용하여, SSCE에 대한 센서의 소오스전압(Vout)을 측정함으로써 조사하였다. Vout의 측정은 디지틀볼트미터(TR 6841, 애드반티스트사제)을 사용하였다. 또 피검액으로서는 50mM 인산염 완충용액을 사용하였다.

측정은 pH 5~9(37℃)의 범위에서 피검액을 교반하면서 대기중의 광조도가 일정한 조건에서 행하였다.

pH에 대한 응답특성은 E=E˚-S·pH(E은 기전력, E˚은 일정전위, S는 경사를 나타낸다.)로 나타내는 넬른스트식에 따른 직선관계를 나타낸다.)로 나타내는 넬른스트식에 따른 직선관계를 나타내며, S는 61mV/pH(37℃)이며, 이론치에 가까운 값이 얻어졌다.

또한 99% 응답은 5초 이내로서 극히 응답이 빠른 점, 광조도를 0~10000록스의 범위에서 변화시키고 Vout는 실험오차(±1mV) 이내에서 일정함으로서 빛의 영향을 많이 받지 않음이 명백해진다.

또한 이 pH 센서의 시간경과에 따른 안정성을 상기와 같은 측정을 40일간 반복함으로써 조사하였다.

그 결과를 제16도 및 제17도에 나타낸다. 그리고, 비교품으로서는 게이트 절연층에 수소이온 캐리어 막을 직접 피착한 것을 사용하였다.

제16도 및 제17도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 센서는 1개월 이상동안 센서 특성에 변화를 나타나지 않고 안정한데 대하여, 비교품은 극히 불안정하였다.

[실시예 8]

실시예 7에 있어서, MOSFET의 기판으로서 사파이어 기판을 사용한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 수행하여 pH 측정용의 ISFET를 제작하였다. 그 게이트부의 단면 모식도를 제13도를 나타낸다. 여기서(20)은 p형 실리콘, (21)은 SOS 기판이다.

[실시예 9]

실시예 7에 있어서, MOSFET로서 제14도 및 제15도에 그 모식도를 나타낸 구조의 소위 분리 게이트 타입의 것을 사용한 이외는 실시예 7과 동일하게 수행하여 pH 측정용의 ISFET를 제작하였다. 여기서(22)는 절연체이다.

[시험예 8,9]

실시예 8 및 9에서 얻어진 ISFET에 대하여, 시험예 7과 같은 측정을 행한 결과, 상기 시험예 7과 같은 결과가 얻어졌다.

[실시예 10]

실시예 7에 있어서 수소이온 캐리어 조성물 대신에 다음 조성의 칼륨이온 캐리어 조성물을 사용하고, 산화환원막의 위에 칼륨이온 선택성층(막두께 : 0.4mm)을 피복한 것 이외는 실시예 1과 동일하게 수행하여 칼륨이온 농도 측정용의 ISFET 센서를 제작하였다.

(칼륨이온 캐리어 조성물)

[시험예 10]

실시예 10에서 얻어진 칼륨이온 농도 측정용의 ISFET의 응답 특성은 시험예 7과 동일한 방법으로 조사하였다.

Vout와 칼륨이온 농도의 대수치는 10^-4~5×10^-1몰의 범위에서 극히 양호한 직선관계를 나타내고, 그 직선의 경사는 60mV/log[K⁺]이었다. 또 응답속도는 95% 응답이 1초 이내로서 극히 빠른 점, 광조도의 변화를 많이 받지 않은 점 및 특성이 1개월 이상 안정한 점 등을 확인하였다.

[실시예 11~16]

실시예 7에 있어서 수소이온 캐리어 조성물 대신에 제1표에 나타낸 이온 캐리어 조성물을 사용하고 산화 환원막의 위에 이온선택성층(막두께 : 0.3mm)을 피복한 것 이외는, 실시예 7과 동일한 방법으로 제 1 표에 나타낸 이온농도 측정용의 ISFET 센서를 제작하였다.

[제 1 표]

비스-12-크라운-4:비스[(12-크라운-4-)메틸]도데실말로네이트(동인화학사제)

TPSnCl:트리페닐주석클로라이드(알드리히사제)

TDDA-Cl:트리도데실암모늄클로라이드

Ca(DOPO)₂:칼슘비스[디-(n-옥틸페닐)포스페이트](동인화학사제)

DOPO:디-(n-옥틸페닐)포스페이트(동인화학사제)

DHDMBA:N,N'-디헵틸-N,N'-디메틸=1,4-부탄디아미드(플루카사제)

[실시예 17]

다음 방법에 의하여 MOSFET의 게이트 절연막상의 산화환원 기능층 표면에 수소이온 선택성층을 피복하여 ISFET 센서를 제작하였다.

(1) MOSFET

MOSFET로는 침상구조로 게이트 부가 선단에 길게 나오도록 고안된 p형 실리콘 웨하상에 p형 Si-SiO₂게이트부 절연막을 중첩시킨 구조를 갖는 FET(소위 절연형 FET)을 사용하였다. 이와같은 MOSFET는 일반적인 프레서 기술을 이용하고, 또한 스패터법을 사용하여 질화 실리콘과 같은 절연막을 피복함으로써 제작할 수가 있다.

(2) 도전성 피막

상기 MOSFET의 게이트 절연막의 표면에 이온 빔 스패터법을 사용하여 도전성 탄소피막을 100Å~5000Å의 두께로 피복하였다.

(3) 산화환원 기능층

전해액

전해조건

-20℃

0V로부터 1.5V 대 SSCE 3회 귀인(50mV/sec)

1.5V 대 SSCE에서 10분간 정전위전해

탄소피복된 MOSFET의 게이트부 절연막의 일단에 금제의 접촉자에 따라 전기적 접촉을 행하고, 상기의 조건에 의하여 전해산화를 행하여 산화환원 기능층을 0.1㎛~1.0㎛의 두께로 피복하였다.

(4) 수소이온 선택성층

산화환원 기능층이 피복된 MOSFET의 게이트부 절연막상에 트리도데실아민을 함유하는 다음 조성의 수소이온 캐리어 조성물을 도포 및 건조를 반복하여, 200㎛~300㎛의 두게로 피복하였다.

(수소이온 캐리어 조성물)

[실시예 18]

상기 실시예 17에 있어 전해액의 피롤 대신에 N-메틸피롤을 사용한 것 이외는 실시예 17과 동일한 방법으로 제작하였다.

[실시예 19]

상기 실시예 17에 있어서 MOSFET의 기판으로서 사파이어기판을 사용한 것 이외는 실시예 17과 동일한 방법으로 제작하였다.

[실시예 20]

상기 실시예 17에 있어, 제9도에 나타낸 구조의 소위 분리 게이트 타입의 것을 사용한 것 이외는 실시예 17과 동일한 방법으로 제작하였다.

상기 실시예 17~20에서 제작한 수소이온 ISFET 센서 특성을 시험예 1a와 동일한 방법으로 조사하였다. 그리고, 표준용액으로서 0.01~0.2몰 인산염 완충액을 사용하였다. 측정은 pH 1.0~12.0(25℃)에서 행하였다. Vout의 수소이온에 대한 플로트는 3.0~11.0의 범위에서 모두 극히 양호한 직선관계를 나타내고, 그 직선의 경사는 실시예 17에서 -59mV/pH, 실시예 18에서 -57mV/pH, 실시예 19에서 59mV/pH, 실시예 20에서 58mV/pH로서, 모두 이론치에 가까운 값이 얻어졌다. 그리고 95% 응답속도는 5~10초 이내로서, 극히 빠름이 확인되었다.

본 실시예에서의 수소이온 ISFET센서뿐 아니라 칼륨이온 ISFET센서, 나트륨이온 ISFET센서, 염소이온 ISFET센서, 칼슘이온 ISFET센서, 탄산수소이온 ISFET센서에 대하여도 같은 결과가 얻어졌다.

또한, 실시예 17~20에서 제작된 수소이온 ISFET센서에 대하여 용존 산소량에 의한 기전력에 미치는 영향을 조사하였다. 질소가스, 공기의 취입 등에 의하여 PO₂0mmHg~600mHg의 사이에서 기전력의 변화를 측정한 결과, 모두 0.5mV 이하이며, 산소의 영향을 받지 않음이 확인되었다. 칼륨이온 ISFET센서, 나트륨이온 ISFET센서, 염소이온 ISFET센서, 칼슘이온 ISFET센서, 탄산수소이온 ISFET센서에 대하여도 동일한 결과가 얻어졌다.

[실시예 21]

다음 방법에 의해 MOSFET의 게이트 절연막상에 수소이온 선택성층을 피착하고 ISFET 전극을 제작하였다.

(i) MOSFET

수소이온 선택성층을 피착하기 위한 MOSFET로는 침상 구조로 p형 웨하상에 제작된 Si-SiO₂게이트 절연막 구조를 갖는 것을 사용하였다.

(ii) 수소이온 선택성층의 피착

MOSFET의 SiO₂게이트 절연막상에 트리-n-도데실아민을 함유하는 하기 조성의 중성 캐리어 막을 피착하였다. 그리고, 트리-n-도데실아민(동경화성제)은, 5mmHg 감압하에서 오일욕에 의해 220~230℃로 유지하여 2회 증류한 것을 사용하였다. 디옥틸 세바게이트(동경화성제) 및 칼륨테트락스-p-클로로페닐보레이트(K-TCPB, 화광순약제)는 시판품을 그대로 사용하였다. 폴리비닐클로라이드(PVC)는 평균중합분자수 1100의 것을 테트라히드로푸란(THF)에 용해시키고, 메탄올중에 적하하여 재침전시킨 것을 건조하여 사용하였다.

다음 조성의 중성 캐리어막은 이 조성물의 THF 용액을 SiO₂게이트 절연막에 얹은 후, 바람으로 건조시켜 용매를 증발시킴으로써 형성시켰다. 이리하여 수소이온 선택성층의 두께가 0.25mm, 0.45mm, 1.0mm의 ISFET를 제작하였다. 그리고, 막두께는 노기스로 계측하였다.

중성 캐리어막조성:

[실시예 22]

실시예 21에서 얻은 ISFET의 센서특성을 제4도에 나타낸 셀을 구성하여 조사하였다. 수소이온 선택성층의 계면 전위의 변화는 셀에 의하여 이득 0dB의 소오스회로를 조직하고, 소오스 전압(Vout)을 측정함으로써 행하였다. Vout는 디지틀멀티미터 TR6841(다께다이연제)에 의하여 측정하였다.

그리고, 참조 전극으로서 염화나트륨 포화 칼로메전극(SSCE)을 사용하였다.

또 pH 측정용 용액은 디지틀 pH 밀리볼트미터(오리온, 리서치사제 801형), 유리전극 및 SSCE를 사용하여 1M 염화나트륨 수용액중에 수산화나트륨 또는 염산 용액을 적하하여 임의의 pH값으로 조정한 것을 사용하였다. 측정은 28℃에서 측정용 용액을 마그네틱 교반기로 교반하면서 공기 포화상태 및 일정한 광 강도하에서 수행하였다.

제18도는 중성 캐리어막을 피착하기 전의 MOSFET, 즉 SiO₂게이트 절연막이 직접 측정용 용액에 접촉되는 상태에서 측정한 Vout와 pH에 대한 플로트이다.

제3도에서 명백한 바와 같이 Vout는 pH에 대하여 직선관계가 없으며, 또한 동작도 불안정하여 센서로서 사용할 수 없었다.

한편, 제19도에 나타낸 바와 같이 본 발명의 중성 캐리어막을 피착한 ISFET(막두께 : 0.45mm)에서는 pH에 대한 Vout의 플로트의 직선성은 극히 양호하며, 또한 재현성이 양호한 응답이 얻어졌다.

이 막두께에서의 ISFET의 응답속도 및 Vout의 시간경과에 따른 안정성을 조사한 결과의 한가지를 제20도에 나타낸다. 이는 오픈 상태에서 1몰 NaCl-NaOH 수용액(pH 9.18)에 옮겼을 경우의 응답이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이 95% 응답시간은 0.1초 이하로서 극히 짧으며, 또 시간경과에 따른 변화도 거의 나타나지 않았다(제21도).

그리고 중성 캐리어막의 두께가 15mm의 것은 Vout의 pH 의존성을 전혀 나타나지 않았다.

또한 실시예 23부터 39까지를 표 2-1 표 2-4에 기재한다.

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 2-3]

[표 2-4]

Claims

MOSFET, 이 MOSFET의 게이트부의 절연막 표면을 덮는 산화환원기능을 갖는 산화환원기능층 및 이 산화환원기능층의 표면을 덮는 이온선택성을 나타내는 이온선택성층을 구비함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 산화환원기능층이 가역적 산화환원기능을 갖는 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 산화환원기능층이 퀴논-히드로퀴논형의 산화환원반응을 행하는 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 산화환원기능층이 아민-퀴노이드형의 산화환원반응을 행하는 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 산화환원기능층이 폴리(피롤), 폴리(에틸렌) 등의 도전성 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 산화환원기능층의 두께가 0.01㎛에서 1.0mm의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층의 두께가 1㎛에서 10mm의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중 R₁, R₂및 R₃은 같거나 또는 다른 알킬기를 나타내며, 그 중 적어도 2개는 탄소수 8~18개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 아민류를 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기 고분자막으로 구성되고, 수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 하기식:

(식중 R⁴는 탄소수 8~18개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 화합물을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 발리노마이신과 노낙틴, 모낙틴과 크라운 에테르 화합물과의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 칼륨이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 방향족계 아미드 또는 디아미드류, 지방족계 아미드 또는 디아미드류 및 크라운 화합물과의 군에서 선택된 물질을 이온캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 나트륨 이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 하기식:

(식중, R₇, R₈및 R₉은 각각 같거나 또는 다른 탄소수 8~10개의 알킬기를, R₁₀은 수소 또는 탄소수 1~8개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄염의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 염소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 하기식:

으로 표시되는 트리페닐 주석 클로라이드의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 염소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 칼슘 비스[디-(n-옥틸페닐)포스페이트], (-)-(R,R)-N,N'-비스[(11-에톡시카르보닐)운데실]-N,N', 4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄디아미드, 칼슘 비스[디(n-데실)포스페이트]등의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 칼슘이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층의 하기식 :

(식중 R₁₁, R₁₂및 R₁₃은 각각 같거나 또는 다른 탄소수 8~18개의 알킬기를, R₁₄은 수소원자 또는 탄소수 1~4개의 알킬기를, CX^-은 Cl^-, Br^-또는 OH^-을 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄염의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중, R₁₅은 페닐기, 수소원자 또는 메틸기를, R₁₆은 수소원자 또는 메틸기를, R₁₇은 수소원자, 메틸기 또는 옥타데실기를 나타낸다.)으로 표시되는 3급 아민화합물로부터 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

으로 표시되는 3급아민화합물로부터 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 모낙틴을 함유하는 노낙틴의 기를 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 암모늄이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제1항에 있어서, 이온선택성층이 N,N'-디헵틸-N,N'-디메틸-1,4-부탄디아미드의 군에서 선택된 이온 캐리어 물질을 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 마그네슘이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
MOSFET, 이 MOSFET의 게이트부의 절연막 표면을 덮는 도전성을 나타내는 도전성층, 이 도전성층의 표면을 덮는 산화환원기능을 나타내는 산화환원기능층 및 이 산화환원기능층의 표면을 덮는 이온선택성을 나타내는 이온선택성층을 구비함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 산화환원기능층이 퀴논-히드로퀴논형의 산화환원반응을 행하는 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 산화환원기능층이 아민-퀴노이드형의 산화환원반응을 행하는 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 산화환원기능층이 폴리(피롤), 폴리(티에닐렌) 등의 도전성 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 산화환원기능층의 두께가 0.01㎛에서 1.0mm의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 도전성층이 탄소, 금속, 금속산화물의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제25항에 있어서, 도전성층이 다층구조임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 도전성층의 두께가 0.01㎛에서 1㎛의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층의 두께가 1㎛에서 10mm의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중 R¹, R²및 R³은 같거나 또는 다른 알킬기를 나타내며, 그 중 적어도 2개는 탄소수 8~18개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 아민류를 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기 고분자막으로 구성되고, 수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중 R⁴는 탄소수 8~18개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 화합물을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 발리노마이신과 노낙틴, 모낙틴과 크라운 에테르 화합물과의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 칼륨이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 방향족계 아미드 또는 디아미드류, 지방족계 아미드 또는 디아미드류 및 크라운 화합물의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 나트륨이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중, R₇, R₈및 R₉은 각각 같거나 또는 다른 탄소수 8~10개의 알킬기를, R₁₀은 수소 또는 탄소수 1~8개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄염의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 염소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

으로 표시되는 트리페닐주석클로라이드의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 염소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 칼슘 비스[디-(n-옥틸페닐)포스페이트], (-)-(R,R)-N,N'-비스[(11-에톡시카르보닐)운데실]-N,N', 4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄-디아미드, 칼슘 비스[디(n-데실)포스페이트]등의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 칼슘이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층의 하기식 :

(식중 R₁₁, R₁₂및 R₁₃은 각각 같거나 또는 다른 탄소수 8~18개의 알킬기를, R₁₄은 수소원자 또는 탄소수 1~4개의 알킬기를, X^-은 Cl^-, Br^-또는 OH^-을 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄염의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중, R₁₅은 페닐기, 수소원자 또는 메틸기를, R₁₆은 수소원자 또는 메틸기를, R₁₇은 수소원자, 메틸기 또는 옥타데실기를 나타낸다.)으로 표시되는 3급 아민화합물로부터 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

으로 표시되는 3급 아민 화합물로부터 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 모낙틴을 함유하는 노낙틴의 군을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 암모늄이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제20항에 있어서, 이온선택성층이 N,N'-디헵틸-N,N'-디메틸-1,4-부탄디아미드의 군에서 선택된 이온 캐리어 물질을 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 마그네슘이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
MOSFET, 이 MOSFET의 게이트부의 절연막 표면을 덮는 금속의 얇은 막, 이 금속의 얇은 막의 표면을 덮는 도전성을 나타내는 도전성층, 이 도전성층의 표면을 덮는 산화환원기능을 나타내는 산화환원기능층 및 이 산화환원기능층의 표면을 덮는 이온선택성을 나타내는 이온선택성층을 구비함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 산화환원기능층이 퀴논-히드로퀴논형의 산화환원반응을 행하는 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 산화환원기능층이 아민-퀴노이드형의 산화환원반응을 행하는 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 산화환원기능층이 폴리(피롤), 폴리(티에닐렌) 등의 도전성 물질의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 산화환원기능층의 두께가 0.01㎛에서 1.0mm의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 도전성층은 탄소, 금속, 금속산화물의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제46항에 있어서, 도전성층이 다층구조임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 도전성층의 두께가 0.01㎛에서 1㎛의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 금속의 얇은 막이 니켈, 크롬, 금 등의 군에서 선택됨을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층의 두께가 1㎛에서 10mm의 사이임을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중 R¹, R²및 R³은 같거나 또는 다른 알킬기를 나타내며, 그 중 적어도 2개는 탄소수 8~18개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 아민류를 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중 R⁴는 탄소수 8~18개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 화합물을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 발리노마이신과 노낙틴, 모낙틴과 크라운 에테르 화합물과의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 칼륨이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 방향족계 아미드 또는 디아미드류, 지방족계 아미드 또는 디아미드류 및 크라운 화합물과의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 나트륨이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중, R₇, R₈및 R₉은 각각 같거나 또는 다른 탄소수 8~10개의 알킬기를, R₁₀은 수소 또는 탄소수 1~8개의 알킬기를 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄염의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 염소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

으로 표시되는 트리페닐주석클로라이드의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 염소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 칼슘 비스[디-(n-옥틸페닐)포스페이트], (-)-(R,R)-N,N'-비스[(11-에톡시카르보닐)운데실]-N,N', 4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄-디아미드, 칼슘 비스[디(n-데실)포스페이트]등의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 칼륨이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층의 하기식 :

(식중 R₁₁, R₁₂및 R₁₃은 각각 같거나 또는 다른 탄소수 8~18개의 알킬기를, R₁₄은 수소원자 또는 탄소수 1~4개의 알킬기를, X^-은 Cl^-, Br^-또는 OH^-을 나타낸다.)으로 표시되는 4급 암모늄염의 군에서 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

(식중, R₁₅은 페닐기, 수소원자 또는 메틸기를, R₁₆은 수소원자 또는 메틸기를, R₁₇은 수소원자, 메틸기 또는 옥타데실기를 나타낸다.)으로 표시되는 3급 아민 화합물로부터 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 하기식 :

으로 표시되는 3급 아민 화합물로부터 선택된 물질을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 탄산수소이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 모낙틴을 함유하는 노낙틴의 군을 이온 캐리어 물질로서 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 암모늄이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.
제41항에 있어서, 이온선택성층이 N,N'-디헵틸-N,N'-디메틸-1,4-부탄디아미드의 군에서 선택된 이온 캐리어 물질을 함유하는 유기고분자막으로 구성되고, 마그네슘이온을 선택함을 특징으로 하는 이온선택성 FET 센서.