JP2003505664A - 一体電極プラグ部材を有するセンサパッケージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 イオン感応シリコンがハウジング内に内蔵されるエラストマー媒体密封部と導電性のエラストマーパッドとの間に配設される化学的センサ装置及びその方法が開示される。導電性エラストマーパッドはハウジングから延びるプリント回路板（ＰＣＢ）と接触する。型、エラストマー及びＰＣＢはＰＣＢと接触し電気的に接続され電気的に導電性でプレス嵌めされるプラグにより固定される。プラグは装置のカウンタ電極として及びハウジング内で装置の所要構成部品を実質的に面一の密封状態で密封する機械的な固定装置として機能する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明はセンサをパッケージする方法及び装置、特にイオン感応の電界効果ト
ランジスタ（ＩＳＦＥＴ）のようなミクロ電子工学による基板がカウンタ電極と
一体的にパッケージされる場合のペーハセンサのような化学センサに関する。

【０００２】 （背景技術） 各種のイオン感応電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）、即ちミクロ電子工学
に基づくイオンセンサは当業者には周知である。このＩＳＦＥＴは固体状態で、
小型且つ比較的製造費が安い場合のようなペーハセンサとしての使用には利点が
ある。

【０００３】 半導体技術によれば小型センサを製造することができるが、物理的にサイズを
小さくするとパッケージに関し大きな問題が生じる。ＩＳＦＥＴ型には外部電子
素子と接続される複数の導線が含まれる。従来の半導体パッケージ構成にはワイ
ヤボンドのような電気接触構造体が使用され、電気接触構造体は化学検出ＩＳＦ
ＥＴと同一の型に作られている。検出ＩＳＦＥＴは測定サンプルにより湿潤され
るので、特にＩＳＦＥＴセンサが広い範囲の温度及び圧力下動作されているとき
、テスト流体サンプルとＩＳＦＥＴ電気接触とが絶縁されていることが極めて重
要である。パッケージの一体性を得る第１のステップはバクスタによる米国特許
第４，５０５，７９９号に開示されるようにＩＳＦＥＴ型の背面に接触領域を配
置することにある。これは重要な第１のステップであるが、外装ポリマー材料に
比べ低い熱膨張係数値のような一意的に異る化学的並びに物理的特性がシリコン
により処理され、これによりセンサ寿命の全期間にわたり処理サンプルに対し絶
縁を形成し維持することが困難となる。

【０００４】 ＩＳＦＥＴ型の直近での一体性を高める別の技術が米国特許第５，０６８，２
０５号に開示されている。図１Ａに示すこの周知技術においてはガラスヘッダ１
２が使用され、シリコン型（ＩＳＦＥＴ）１７が内部の貫通穴１５を通り硼珪酸
塩ガラス支承体１６の第１の側部１４に接着される。支承体１６の貫通穴１５内
にはＩＳＦＥＴ１７の接触領域が覆われないように維持される。支承体１６はま
た第２の側部２０にリード線１８を有し、支承体の縁部からＩＳＦＥＴ領域に対
し電気的に接近可能にする。ＩＳＦＥＴ基板１７はガラス支承体１４と静電気的
に接合される。リードワイヤ２２がＩＳＦＥＴとガラス支承体のリード線間に接
合される。ガラス支承体のリード線１８及びＩＳＦＥＴ１７の背部は保護のため
絶縁カバー２４で被覆される。図１Ｂに示すようにこのガラスヘッダ１２は次に
プローブ胴体２８から引き出し可能に柔軟な回路２６と接続される。ヘッダ１２
及び回路２６の組合体は次に米国特許第４，８５１，１０４号に詳述されている
ようにＪ形のＨａｓｔｅｌｌｏｙカウンタ電極２７と共にプローブ胴体２８内に
収められ、熱硬化性ポリマー内に入れられ、内部構成部品が通常腐食性の検出環
境の液体から遮断され得る。

【０００５】 低コストの検出用途での実際の溶液としてＩＳＦＥＴを用いる場合、他の問題
点が生じる。その他の問題点の一は商用目的でのイオン感応プローブの一部とし
てＩＳＦＥＴを利用するために好適な胴部あるいはハウジングの外装である。通
常図１Ａに示すＩＳＦＥＴは熱硬化性ポリマー内に入れられ、このためセンサの
電子回路はテスト対象の液体の厳しい環境に晒されることを避けることができる
。効果的な熱硬化性ポリマーの外装には、活性ＩＳＦＥＴ面にボイドが生じるこ
とを避けその被覆を防止する微妙な組立処理が伴う。この処理は未硬化の熱硬化
性ポリマーの作業寿命に制限される。充填作業の完了の時に熱硬化性ポリマーは
通常材料を硬化するための時間が更に必要である。

【０００６】 上述したＩＳＦＥＴセンサは特に産業環境でのペーパ測定のときにプローブと
して電位差・電気化学的測定システムに採用される際有用である。多くの場合接
地される溶液の場合、主に測定電極、関連する測定器あるいは分析器、及び測定
器接地との分析器電源を介して接地された溶液から流れる寄生漏れ電流のため、
ノイズを拾う。交流及び直流電圧が溶液と測定接地との間に存在する場合、最低
インピーダンス経路を経て電流が流れると考えられる。この経路には通常、測定
液体サンプル及び電極の最低インピーダンス経路（通常基準電極）を経て望まし
くない電流が流れる。この問題は特に１０７ジーメンス／ｃｍあるいはそれ以下
の２５度の導電率値を有する高純度水のサンプル測定の際顕著に現れる。この疑
似電流によりペーパ読み値が偏位されセンサ出力が偏位されて、測定システム精
度も相応して偏位される。この疑似電流及び不都合な効果を偏位し最小限に押さ
えるため、電気導電性の付加電極であるカウンタ電極を測定対象の溶液内に挿入
し、疑似電流を基準電極ではなくより低いインピーダンス電極を経て流す。カウ
ンタ電極は通常の電気導電性材料で作られ、測定システムの電子回路と接続され
、金属酸化物電界効果トランジスタ（ＭＯＳ ＦＥＴ）の金属化処理したゲート
として機能する。即ちカウンタ電極はＦＥＴのドレイン電圧ないしはドレイン電
流を制御可能にする主電極である。電位差、電気化学測定システム内のカウンタ
電極のこの機能はコナリ等による米国特許第４，８５１，１０４号を参照すれば
より良好に理解されよう。

【０００７】 カウンタ電極技術はセンサ性能に利点を与えるが、カウンタ電極に対し金属あ
るいは合金材料を用いるので、センサ内に液体が侵入するする可能性があり、内
部電極の導線間が電気的な漏れが生じ、この結果センサが故障することになる。
この液体の侵入は主にカウンタ電極とハウジングとの間の大きく異る物理的特性
並びにこれら材料間の熱膨張係数の差に因る。

【０００８】 センサのパッケージ一体性を得る技術的構成には、異るレベルの保護層を与え
てセンサ導線とサンプル液体とを遮断する方法が含まれる。また背面接触、電気
的に接合される中間構造体その後センササブアセンブリ内に容れることが含まれ
る。この構成ではパッケージの一体性が得られるが、複雑でありこの結果組立コ
ストが構成及び処理の複雑さに正比例する。

【０００９】 従って不浸透ハウジング内に容易且つ低廉に内装でき、且つ媒体環境かれプロ
ーブの電子回路を効果的に密封することにより媒体がＩＳＦＥＴセンサに接近可
能なイオン感応ミクロ電子工学センサパッケージが要望されている。更にセンサ
ハウジング内にカウンタ電極を一体化し且つ熱硬化性包封の欠点を除去可能なパ
ッケージング技術が望まれている。

【００１０】 導電性エラストマー密封部において圧電変換器を包封するいくつかの技術がモ
ウラーによる米国特許第５，１８４，１０７号に詳説されている。この特許には
プリモールドされたエラストマー密封部を有する低コストの圧電圧力変換器が開
示され、この場合少なくとも一の密封部が導電性である。厚手のリムを有する半
導体材料のダイヤフラムの形態の圧電式応力応動素子が二部材からなるハウジン
グ内で一対のプリモールドされたエラストマー密封部間にそのリムで保持される
。外部回路との電気接続はエラストマー密封部の一方を貫通する導電通路により
行われ、これによりハウジング壁を貫通する電気リード線と接触される。

【００１１】 （発明の開示） 本発明によれば、請求項１のイオン感応プローブが提供される。

【００１２】 また本発明においてはプローブには請求項２〜５の一あるいはそれ以上の特徴
部が含まれる。本発明によれば請求項６ののセンサパッケージが提供される。本
発明においてはセンサパッケージには請求項７〜１０のいずれかの特徴部が含ま
れる。

【００１３】 イオン感応のペーハセンサの構成を簡素化し、カウンタ電極部品を装置の密封
機構の一部として一体化することにより、信頼性に大きな利点が得られ、且つ同
時にプローブの総合コストが大幅に低下される。

【００１４】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明の特報及び利点は、図示の好ましい実施形態の以下の説明から明らかと
なろう。好ましい実施形態の説明を通し同一の構成部品は同一の符号を用い且つ
図示される。

【００１５】 図２を参照するにペーハセンサプローブ３１としてここに示されるセンサ装置
はＩＳＦＥＴハウジング３３を有し、ＩＳＦＥＴハウジング３３には内部に貫通
穴３５が具備されている。ハウジング３３は企図した検出環境に好適な熱可塑性
エンジニアリング等級のプラスチックで作られる。終端部が導線３９に配置され
るプリント基板（ＰＣＢ）３７がＩＳＦＥＴハウジング３３から延出している。
プリント基板３７によりＰＣＢ３７の第１の側面上に配置されるプリント配線４
１を介し導線３９とＩＳＦＥＴ（図示せず）との間が電気的に接続される。ＩＳ
ＦＥＴハウジング３３及びＰＣＢ３７はペーハセンサプローブ３１の長手方向に
に沿って延び、外側胴部４３と接合される。外側胴部４３はプローブが露出され
る媒体環境に耐えるよう選択された材料で作られている。

【００１６】 図３及び図５の簡略断面図に示すように、ミクロ電子工学ＩＳＦＥＴハウジン
グ３３は実質的に円筒状のハウジングであり、ハウジングの第１の側面に媒体貫
通穴３５と、及びＩＳＦＥＴ４７、媒体密封部４９及び導電性密封部５１のミク
ロ電子工学型が内部で貫通可能な実質的により大きなサイズの対向する貫通穴４
５とが形成され、これについては更に下述する。ＰＣＢ３７はＩＳＦＥＴハウジ
ング３３内に内蔵され、例えばプラグ部材５３である。プラグ部材５３は組立ら
れ密封されたＩＳＦＥＴハウジングが完成される前の中間あるいは作業中位置が
示される。

【００１７】 この好ましい実施形態においてはプラグ部材５３は２０〜４０％グラファイト
を充填されたエンジニアリング級の熱可塑性あるいはプラスチックの導電材料で
作られ、ペーハセンサプローブ３１のペーパに感応しない電極としてのカウンタ
電極を形成している。導電性プラグ部材５３はＰＣＢ３７の第２の側面上に配置
される面５４でプリント配線４２と電気的に接触する。導電性プラグ部材５３で
電界が発生され、これにより図１Ｂの胴部から出る図示の分離したＪ形Ｈａｓｔ
ｅｌｌｏｙカウンタ電極２７を不要にするカウンタ電極が形成され、カウンタ電
極の熱膨張係数はＩＳＦＥＴハウジング３３と実質的に同一である。こ導電性プ
ラグ部材５３はｉ）ＩＳＦＥＴセンサの近傍に配置され、最良位置を与えＩＳＦ
ＥＴに作用する前に交流あるいは直流疑似電流を捕捉するよう機能しｉｉ）ＩＳ
ＦＥＴハウジング３３内でペーハセンサプローブ３１の主要構成部品を密封する
よう機能する一部材としての一体電極プラグ部材をなすことは当業者には理解さ
れよう。

【００１８】 ＩＳＦＥＴハウジング３３の中央開口部５５は近傍端部５７で拡大され、ＩＳ
ＦＥＴ４７及びエラストマー密封部４９、５１を内蔵するための嵌合せ空洞部５
９が与えられる。空洞部５９は媒体穴３５と連通する。媒体穴３５と対向する背
部穴４５も中央開口部５５と連通し、このため電極プラグ部材５３がＩＳＦＥＴ
ハウジング３３と固定状態にプレス嵌めされるとき、電極プラグ部材５３がＰＣ
Ｂ３７と接触し導電性密封部５１と接触される。

【００１９】 図４を参照するに、ペーハセンサプローブ３１の主要内部構成部品、即ち媒体
密封部４９、ＩＳＦＥＴ４７、導電性密封部５１及びプリント配線４１、４２を
有したＰＣＢ３７がＩＳＦＥＴハウジング３３（図示せず）内部の頂部から底部
への配置順序に示されている。媒体密封部４９はその側壁が嵌合せ空洞部５９の
壁部と当接接触した状態で嵌合するようなサイズにされる。媒体密封部４９の中
央貫通穴６１は媒体穴３５と整合される。媒体密封部はセンサが浸漬される媒体
に対し不透過性でありエラストマー材料で作られる。媒体密封部の硬度及び圧縮
度は広い範囲の温度及び圧力にわたり化学環境内での企図した使用に対し効果的
に密封を与えるよう選択されることは理解されよう。例えば圧縮度が１０〜３５
％の５０−６０ジュロメータのエチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＤＰＭ）
が現在考えられる最良の状態で使用され得る。媒体密封部にエラストマー材料が
ここで使用されるが、ガスケット、密封配合物等センサ装置の電子回路と媒体環
境との間を密封できる他の材料及び技術が代わりに使用できることは当業者には
理解されよう。

【００２０】 ＩＳＦＥＴ型４７は検出対象の媒体にイオン感応するよう調整されたＩＳＦＥ
Ｔ検出領域６５を含む媒体密封部４９と第１の側面６３上で当接するように構成
される。型の第２の側面６７はＩＳＦＥＴの動作に必要なパターン化された電気
リード線６９を含む型４７の第２の側面６７と当接するものはＺ軸方向に即ち導
電性密封部の厚さ方向に電気を通し、これにより構成部品がＩＳＦＥＴハウジン
グ（図示せず）内に互いに対向して詰められたとき、型４７とＰＣＢ３７のプリ
ント配線４１とが電気的に接続されるよう内部に配置された導電性銀ストリップ
７１を有する、「シルバースタックスコネクタ（ｓｉｌｖｅｒ ｓｔａｃｋｓ
ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）」と市場で呼ばれているエラストマー導電性密封部５１で
ある。

【００２１】 図３及び図４を参照するに媒体密封部４９はその主平面が中央開口部５５の長
手方向の軸と実質的に平行となるよう媒体穴３５と連通する空洞部５９内に配置
されることは理解されよう。ＩＳＦＥＴ４７は次に媒体密封部４９と接触して嵌
合させ空洞部５９内に配置され、そのイオン検出領域６５が媒体密封部の貫通穴
６１と整合され、第２のＩＳＦＥＴ面６７のパターン化された電気リード線６９
が中央開口部５５へ置かれる。詰められていない状態の導電性密封部５１は詰め
られていない状態の空洞部５９のカラー部７３の僅か上部に配置される。次にＰ
ＣＢ３７はＩＳＦＥＴハウジング３３中央開口部を貫通し挿入され、導電性密封
部５１の上部に配置される。ＰＣＢ３７は次に押し下げられ、その間の密封部５
１、４９間がカラー部７３の所定の深さないしは圧縮力までプリロードされる。
ＰＣＢがこの位置にある間、電極プラグ部材５３は背部穴４５を貫通挿入され、
導電性密封部５１とロード接触状態でＰＣＢ３７を押している間ＩＳＦＥＴハウ
ジング３３に対しプレス嵌めされて機械的に係合される。導電性プラグ部材５３
はＩＳＦＥＴハウジング３３の内面３６に対し摩擦嵌めによって係合するように
延びた肩領域５２を有する。電極プラグ部材５３はランド突出部５７が面４８上
に載置されるまで背部穴４５内に挿入される。電極プラグ部材５３が背部穴４５
内に載置されると、電極プラグ部材５３は背部穴４５の領域内でＩＳＦＥＴ胴部
３３を密封する外壁と実質的に面一となり、媒体密封部４９を介しＩＳＦＥＴハ
ウジング３３あとＩＳＦＥＴ型４７との間を密封することは図８Ａから理解され
よう。約１０〜３５％の圧縮力はハウジング３３の内部に及び、ペーハセンサプ
ローブの内部構成部品に環境媒体が導入することを防止するに十分であることは
理解されよう。電極プラグ部材の面一となる装着は、本発明のすべての実施形態
においてプローブが流れる液体内に浸漬されるがプラグ部材及びハウジング外面
を対にする必要がないものと考えられる場合には好ましい。すべての内部電気部
品はＩＳＦＥＴに対し必要なクッションを与えるエラストマー密封部で所定位置
に固定されて、機械的動作中、部品の破損を防止する。

【００２２】 本発明には更に、センサが高温及び高圧の動作環境下で使用することを参酌す
る場合、媒体環境から電極プラグ部材５３を密封する手段が含まれる。図５、図
６及び図７を参照するに、ＩＳＦＥＴハウジングの背部穴４５は一体の円周カラ
ー部７５を有し、一体の円周カラー部７５は肩部８３の外側縁部から外側へ延び
、背部穴４５とカラー部７５との間に延びていることは理解されよう。背部穴４
５及び中央開口部５５へと通じるその領域の形状は電極プラグ部材５３を受容し
プレス嵌め固定するよう構成される（図６参照）。電極プラグ部材５３の外面７
７における半径は実質的に円状形状であるＩＳＦＥＴハウジング３３の外壁の半
径と実質的に同一にされる。一体の円周カラー部７９は電極プラグ部材５３の外
面７７から延びている。

【００２３】 一たん電極プラグ部材５３がＩＳＦＥＴハウジングの背部穴４５内にプレス嵌
めされると、各部材の円周カラー延長部７５、７９は底部が肩部８３をなす円周
カラー延長部７５、７９間の井戸部８５としての空間と整合される。所望の最終
形状、この場合は面一で円筒状の成型部材として機能するために適切な半径の熱
密封アンビル８７が下動され、ハウジング及びプラグカラー部材が共に溶融され
る。次にカラー材料は溶融し井戸部８５内に流れ込み、このときアンビル８７は
溶融点以下の温度にされプラスチックが硬化されて除去され、これによりＩＳＦ
ＥＴハウジング３３の背部穴領域内の密封部と実質的に面一にされることは図８
Ｂから理解されよう。好ましい実施形態においてはプラグカラー部７９が電極プ
ラグ部材５３から離れて溶融し胴部材料と混合し、面７７で導電性で熱可塑性の
材料が確実に残るように構成され得る。更に解放領域８９がハウジングの胴部に
カラー溶融材料の溜めとして与えられ、ハウジング胴部の外壁を面一に維持する
（図８Ｂ参照）。上述した熱密封法は、例えばレーザ、超音波、放射熱等を用い
る材料溶融技術を用い、ＩＳＦＥＴハウジング３３に対し導電性プラグ部材５３
を密封するのに使用可能な多くの方法の一であることは当業者には十分に理解さ
れよう。更に解放領域８９内に液体あるいは半液体の密封化合物を与えて密封部
を形成することによっても密封が達成可能であり、これは本発明を制限するもの
ではない。

【００２４】 以上本発明は具体的な好ましい実施形態に沿って説明した。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】 図１Ａは周知のＩＳＦＥＴセンサを示す。

【図１Ｂ】 図１Ｂは周知のＩＳＦＥＴセンサを示す。

【図２】 図２は本発明によるセンサプローブの部分切断斜視図を示す。

【図３】 図３は本発明による一部完成されたセンサプローブの断面図を示す。

【図４】 図４は本発明の媒体密封部、ミクロ電子工学構造体、導電性密封部及びＰＣＢ
の分解図を示す。

【図５】 図５は内部部品を装着する前のセンサプローブの断面図を示す。

【図６】 図６は本発明のプラグ部材およびハウジングの断面図及び頂部斜視図を示す。

【図７】 図７は本発明のプラグ部材およびハウジングの断面図及び頂部斜視図を示す
。

【図８Ａ】 図８Ａは本発明による完成したセンサプローブの断面図を示す。

【図８Ｂ】 図８Ｂはプラグ部材を密封した後の図８Ａの完成したセンサプローブの断面図
を示す。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ）中央開口部５５及び中央開口部に対し開口する第１の端
   部と中央開口部と流体が通過可能に連通される背部穴４５及びハウジング３３と
   媒体穴と流体が通過可能に連通する空洞部５７とを有するハウジング３３と、ｂ
   ）内部に媒体穴と流体が通過可能に連通する貫通穴６１を有し、空洞部内に適合
   可能なサイズにされ媒体穴を介し中央貫通穴６１を経ることを除き中央開口部へ
   の流体通路を密封するエラストマー密封部４９と、ｃ）空洞部内に設けられ検出
   領域を有する第１の側面と媒体密封部の貫通穴内で流体連通する検出領域と電気
   的に連係するパターン化された電気リード線を有する第２の対向側面とを有する
   イオン感応半導体４７と、ｄ）第１のハウジング開口部及び中央開口部を経て延
   び、第１及び第２の面上に電気リード線を有するＰＣＢ３７と、ＰＣＢの第１の
   面上の電気リード線の少なくとも一部がイオン感応半導体と接触され、ｅ）背部
   穴内に挿入可能に構成され、プラグと接触するＰＣＢの第２の面上にＰＣＢの電
   気リード線の少なくとも一部を有し、プラグを背部穴内に機械的に係合され媒体
   密封部をハウジング３３に対し密封位置に押し付けるように構成される電気的に
   導電性のプラグ５３とを備えたイオン感応プローブ。
2. 【請求項２】 第１の側面から第２の側面へ延びるパターン化された導線を
   有した空洞部内に設けられるエラストマー導電性密封部を備え、第１の側面の導
   電性の導線がイオン感応半導体のパターン化された電気リード線と電気的に連係
   される請求項１のイオン感応プローブ。
3. 【請求項３】 プラグが電気的に導電性の材料で作られカウンタ電極として
   機能するように構成される請求項１のイオン感応プローブ。
4. 【請求項４】 ハウジングに対しプラグを密封する手段を備える請求項３の
   イオン感応プローブ。
5. 【請求項５】 中央開口部の第１の端部を密封する手段を備える請求項１の
   イオン感応プローブ。
6. 【請求項６】 ａ）媒体穴、背部穴及び流体路を含む空洞部を有する熱可塑
   性ハウジングと、ｂ）背部穴を経て空洞部内に導入可能に構成されるイオン感応
   センサと、ｃ）空洞部を経て延びセンサを電気的に接続する電気接続手段と、ｄ
   ）背部穴内に導入可能であり電気接続手段と接続され流体路及び電気接続手段と
   連係可能にセンサをロードするよう構成される電極とを備え、ｅ）イオン感応電
   極が背部穴内に一杯に挿入され機械的に係合されるときセンサをハウジングに対
   し密封するようにハウジングが構成されるセンサパッケージ。
7. 【請求項７】 イオン感応電極のロード力からセンサを緩衝する弾性手段を
   備える請求項４のセンサパッケージ。
8. 【請求項８】 イオン感応電極が背部穴内で機械的に係合されるときセンサ
   とハウジングとの間を密封する密封手段を備える請求項４のセンサパッケージ。
9. 【請求項９】 イオン感応電極が電気的に導電性のプラスチック材料で作ら
   れる請求項４のセンサパッケージ。
10. 【請求項１０】 電極が背部穴内で機械的に係合された後ハウジングに対し
    イオン感応電極を密封する手段を備える請求項９のセンサパッケージ。