JP5171646B2 - 交互くし型マイクロ電極および交互くし型マイクロ電極を製造するプロセス - Google Patents

Description

本発明は、交互くし型マイクロ電極（interdigitated microelectrode）および交互くし型マイクロ電極を製造するプロセスに関する。交互くし型マイクロ電極は、電気化学センサー、例えば水中の性質を検知する水検知装置の形態で使用できる。

電気化学センサーとして使用するための交互くし型マイクロ電極は公知である。電気化学センサーは、レドックスサイクリング電気化学反応の研究に利用され、第２の電極でのシグナルが第１の電極で発生する化学種の存在により向上する場合の化学種の測定のために利用される。化学種の測定のそのような例の１つに溶存酸素の測定があり、酸素の検出に要する電位が、第１の電極で発生しｐＨを下げるプロトンの存在により低下する。化学種の測定の他の例は水中の塩素の測定である。公知の電気化学センサーの大部分において、マイクロ電極は、費用のかかるマイクロエレクトロニクスプロセスを利用してシリコン基板上に製造される。これらのマイクロエレクトロニクスプロセスの複雑さおよびそれに伴うコストにより、第１のマイクロ電極および第２のマイクロ電極は同じ金属からできている。これは、望ましい反応の１つがある種類の電極上で起こる場合、他の電極の有効性が犠牲になることを意味する。

本発明の目的は、上述の問題を除去または低減することである。

したがって、本発明の非限定的な実施形態において、基板、前記基板上の第１金属の第１層および前記基板上の第２金属の第２層を含んでなる交互くし型マイクロ電極であって、前記第１層が第１端部で接続しているが第２端部では接続していない複数のラインマイクロ電極（line microelectrodes）を含んでなり、前記第２層が第１端部では接続しているが第２端部では接続していない複数のラインマイクロ電極を含んでなり、前記第１層のラインマイクロ電極および前記第２層のラインマイクロ電極が、互いの中に延びているが互いに接触せず、それにより交互くし型マイクロ電極アレイを形成しており、前記第１金属が前記第２金属とは異なる交互くし型マイクロ電極を提供する。

本発明の他の非限定的な実施形態において、交互くし型マイクロ電極を製造するプロセスであって、基板を提供する工程、前記基板上に第１金属の第１層を提供する工程および前記基板上に第２金属の第２層を提供する工程を含んでなるプロセスであって、前記第１層が、第１端部で接続しているが第２端部では接続していない複数のラインマイクロ電極を含んでなり、前記第２層が、第１端部では接続しているが第２端部では接続していない複数のラインマイクロ電極を含んでなり、前記第１層のラインマイクロ電極および前記第２層のラインマイクロ電極が、互いの中に延びているが互いに接触せず、それにより交互くし型マイクロ電極アレイを形成しており、前記第１金属が前記第２金属とは異なる、交互くし型マイクロ電極を製造するプロセスが提供される。

本発明の交互くし型マイクロ電極は、公知の製造プロセスよりもコストがかからずより複雑でないプロセスにより製造できるものである。これにより、第１電極と第２電極に同じ金属を使用することに関連する問題が克服されるように、第１金属と第２金属が互いに異なることが可能となる。

本発明の交互くし型マイクロ電極およびプロセスは、第１層のラインマイクロ電極と第２層のラインマイクロ電極が互いに接触しないことを確実にするのに使用する位置決め手段（registration means）の提供を含んでよい。第２層のラインマイクロ電極は、それらが正しく整列するように提供できる。位置決め手段は、基板上に提供される第１および第２構成物（formation）でよい。好ましくは、位置決め手段、例えば第１および第２構成物は、第１金属の第１層を提供する時に基板上に提供される。

本発明の交互くし型マイクロ電極およびプロセスは、第１金属の第１層のための第１電気接続手段の提供を含んでよい。第１電気接続手段は、スルーホールでよい。スルーホールは、メッキスルーホールでよい。他の種類の第１電気接続手段を利用できる。

本発明の交互くし型マイクロ電極およびプロセスは、第２金属の第２層のための第２電気接続手段の提供を含んでよい。第２電気接続手段は、スルーホールでよい。スルーホールは、メッキスルーホールでよい。他の種類の第２電気接続手段を利用できる。

第１金属の第１層は、好ましくは厚膜印刷第１層である。厚膜印刷第１層はシルクスクリーン印刷により提供できる。

第２金属の第２層は、好ましくは厚膜印刷第２層である。厚膜印刷第２層はシルクスクリーン印刷により提供できる。

第２層のラインマイクロ電極の線幅は、基板上への第２層の堆積後に線幅が低減するようなものでよい。好ましくは、フォトリソグラフィおよびエッチングにより線幅が低減する。線幅は２５ミクロン未満に低減できる。

本発明の交互くし型マイクロ電極およびプロセスは、交互くし型マイクロ電極の部分を密封するが交互くし型マイクロ電極アレイを密封しない密封層の提供を含んでよい。密封層は誘電密封層でよい。他の種類の密封層を利用してよい。

好ましくは、第１金属は白金である。他の第１金属を利用できる。好ましくは第２金属は金である。他の第２金属を利用できる。好ましくは、基板はセラミック基板であり、例えばシリコン基板または焼結アルミナである。他の基板を利用できる。他の基板はグレージングされていても、グレージングされていなくてもよい。

本発明は、本発明のプロセスにより製造される交互くし型マイクロ電極も対象とする。

本発明は、前記交互くし型マイクロ電極を含んでなる電気化学センサーも対象とする。電気化学センサーは、好ましくは、水中の性質を検知する水検知装置の形態である。水検知装置は、水単独の中の、水溶液中の水の中の、空気中の水の中の、または油中の水の中の性質を検知するために使用される。

図面に関して、基板４を含んでなる交互くし型マイクロ電極２が示されている。第１金属の第１層６が基板４上にある。第２金属の第２層８も基板４上に備えてある。第１層６は、第１端部１２で接続し第２端部１４で接続していない複数のラインマイクロ電極１０を含んでなる。第２層８は、第１端部１８で接続し第２端部２０で接続していない複数のラインマイクロ電極１６を含んでなる。

図１から分かるように、第１層６のラインマイクロ電極１０および第２層８のラインマイクロ電極１６は互いの中に延びている。それらは互いに接触していない。それらは交互くし型マイクロ電極アレイ２２を形成している。第１層６の第１金属は第２層８の第２金属とは異なる。

交互くし型電極２は、第１層６のラインマイクロ電極１０および第２層８のラインマイクロ電極１６が互いに接触しないことを確実にする位置決め手段２４を含む。位置決め手段２４は、第１正方形構成物２６および第２のより小さい正方形構成物２８を含んでなる。

交互くし型マイクロ電極２は、第１金属の第１層６のための第１電気接続手段３０を含む。第１層６の第１端部１２は、第１金属でメッキしたメッキスルーホールの形態である第１電気接続手段３０にライン３２により接続している。同様に、交互くし型マイクロ電極２は第２金属の第２層８のための第２電気接続手段３６を含む。第２電気接続手段３６は、ライン３８およびストリップ４０により第２層８に接続しているメッキスルーホールである。ライン３８およびストリップ４０は第２層８の一部を形成している。第１金属の第１層６および第２金属の第２層８は膜厚印刷層であり、シルクスクリーン印刷により与えられている。

図６に示すように、ラインマイクロ電極１６の線幅４２は、基板４上の第２層８の堆積後低減する。線幅４２は、フォトリソグラフィおよびエッチングにより要求される幅の寸法に低減する。図６に示すとおり、線幅は２５ミクロン未満である。

図１に示すとおり、交互くし型マイクロ電極２は、交互くし型マイクロ電極２の外部周辺部分４６を密封するが交互くし型マイクロ電極アレイ２２を密封しない密封層４４を備えている。

交互くし型マイクロ電極２は、密封層４４が誘電密封層であり、第１金属が白金であり、第２金属が金であり、基板がシリコンの形態のセラミック基板である。

図１に示す交互くし型マイクロ電極２を製造するプロセスは、交互くし型マイクロ電極２の形成の種々の段階を連続して示す図２−６から分かる。好ましい製造プロセスは以下のとおりである。この好ましい製造プロセスは、以下の工程を含んでなると要約できる。

１．セラミック基板１を処理し、図２に示すとおりホール３を形成し、個々の基板の形状をレーザースクライブし、図３に示す個々の基板４を形成する工程。
２．図４に示すとおり、位置決め手段２４に沿って並べ、第１金属の第１層６を印刷する工程。
３．図５に示すとおり、第１金属の第１層６に沿って並べ、第２金属の第２層８を印刷する工程。
４．図６に示すとおり、フォトリソグラフィを利用して第２金属の第２層８をエッチングし、要求される解像度および線幅を得る工程。
５．必要であれば、接続ホールをスルーメッキ（through plate）し、位置決め手段２４を形成する工程。
６．交互くし型マイクロ電極アレイ２２の薄い部分のみが露出するように、必要な場合交互くし型マイクロ電極２を防水するために、密封誘電材料の密封層４４を印刷する工程。

本発明のプロセスにおいて、第１層６は大きさが５ｍｍ×５ｍｍでよく、厚さが０．６２５ｍｍの基板４上に印刷してよい。印刷は、白金共鳴インク（platinum resonate ink）のシルクスクリーン印刷を利用する厚膜印刷でよい。白金共鳴インクは、典型的には乾燥およびベーキングされ、電極トラック厚さを増すために再印刷してよい。第１正方形構成物２６および第２正方形構成物２８は上述のとおり異なる大きさである。望まれる場合、構成物の片方のみを利用してよく、この場合幅が０．１−３ｍｍでよい。第１層６のラインマイクロ電極１０は、第１層６を提供する印刷装置の能力により限定される線幅でよい。線幅は５０−２５０μｍでよく長さは２−５ｍｍでよい。もちろん他の寸法を利用してよい。スルーメッキホール接続（または他の適切な電気接続手段）は、図１に示す交互くし型マイクロ電極２の裏面への電気接続を作るのに使用できる。

第２層８は金層として印刷され、位置決め手段２４を利用して第１層６と整列している。金は、基板４への良好な接着を維持しながらエッチングされ高温で再ベーキングされるように設計されている金インクの形態である。第１および第２層６，８の厚膜堆積はそれぞれ、基板４上の第１および第２層６、８を提供する低コスト方法である。金層８は、水の中の塩素検出に利用できる。金層８を、フォトリソグラフィを利用して処理し、図６に示すとおり線幅を低減する。この線幅低減は薄膜プロセスを利用して実施できる。位置決め手段２４はアラインメントエラーを最小限にするために使用でき、線幅低減の薄膜プロセスが別の場所で起こる場合有利である。薄膜フォトリソグラフィは、厚膜スクリーン印刷よりも精密なプロセスであり、要求される線幅を得るためにより精密なプロセスが要求されることもある。

交互くし型マイクロ電極２の最終処理は、密封層４４の添加を含む。密封層４４は、化学的に活性であることを要求されない交互くし型マイクロ電極２の部分を保護する。

スルーメッキホールの形態において電気接続手段３０、３６を持つ代わりとして、交互くし型マイクロ電極２の端部または上面に電気接続があってもよい。この点について、交互くし型マイクロ電極２の上面に障害物が全くないようにしておくことが好ましい。

利用される金インクは、ＥＳＬ Ｅｕｒｏｐｅにより供給されるＥＳＬ ８８８６Ａが好ましい。利用される白金インクは、ＥＳＬ Ｅｕｒｏｐｅにより供給されるＥＳＬ ５０５１が好ましい。セラミック基板は、ＧＳ−４０グレーズを施したＭａｒｕｗａ ＨＡ−９６−２が好ましい。これはグレーズセラミック基板であるが、グレージングしていないセラミック基板も使用できる。

交互くし型マイクロ電極２は、水質測定用の電気化学センサーの形態において特に有利である。例えば、水中の塩素が測定できる。あるいは、特に飲料水中のモノクロロアミンおよび溶存酸素が測定できる。

厚膜印刷技術および材料を使用すると、交互くし型マイクロ電極の製造に利用されている公知で費用のかかるマイクロエレクトロニクス方法よりも、交互くし型マイクロ電極２の構造がより経済的により費用対効果がよく製造できる。

第２金属が金で交互くし型マイクロ電極２を使用する場合、水中の塩素が検出できる。存在する塩素分子の全てを測定するために、第２電極でプロトンを発生することが必要である。例えば鉄およびマンガンなどの他の汚染物質の存在を含む用途において、およびプロトンを生成するのに要求される電位（周囲ｐＨおよび温度により、１．０ボルトを超える）において、金電極は、金属酸化物の堆積により汚染されたり、酸化されたりすることがあり、交互くし型電極２の寿命がひどく制限される。この場合、第１層６に使用される異なる材料の形態で他のより強固な材料を使用して、プロトンを発生するように反応を推進して、第１金属と第２金属の両方が金で交互くし型マイクロ電極２が製造される場合に起こるであろう問題を回避する。

添付図面を参照した上述の本発明の実施形態が、例示のためのみに与えられ、変更が実施できることを理解されたい。

図１は交互くし型マイクロ電極を示す。 図２は、基板シートに印を付けて複数の基板の異なる断片を形成し、ついで基板の個別の断片に分離できる方法を示している。 図３は、図２から得られた基板の一片を拡大して示しており、図２に示す基板の一片が図１に示す基板である。 図４は、第１金属の第１層および位置決め手段を備えた図３の基板を示す。 図５は、さらに第２金属の第２層を備えた図４の製品を示す。 図６は、第２層のラインマイクロ電極の線幅が低減される方法の拡大図を示す。

Claims (4)

1. 交互くし型マイクロ電極を製造する方法であって、基板を提供する工程、前記基板上に第１金属の第１層を提供する工程および前記基板上に第２金属の第２層を提供する工程を含んでなるプロセスであって、前記第１層が、第１端部で接続しているが第２端部では接続していない複数のラインマイクロ電極を含んでなり、前記第２層が、第１端部では接続しているが第２端部では接続していない複数のラインマイクロ電極を含んでなり、前記第１層のラインマイクロ電極および前記第２層のラインマイクロ電極が、互いの中に延びているが互いに接触せず、それにより交互くし型マイクロ電極アレイを形成しており、
   前記第１金属の第１層が厚膜印刷第１層であり、かつ、前記第２金属の第２層が厚膜印刷第２層であり、
   前記第２層のラインマイクロ電極の線幅は、基板上への第２層の堆積後に線幅を低減され、
   前記線幅がフォトリソグラフィおよびエッチングにより低減され、
   前記線幅が幅２５ミクロン未満に低減され、
   前記第１金属が前記第２金属とは異種の金属である、交互くし型マイクロ電極を製造する方法。
2. 前記の第１層のラインマイクロ電極と前記の第２層のラインマイクロ電極が互いに接触しないことを確実にするのに使用される位置決め手段の提供を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記の第１金属の第１層のための第１電気接続手段の提供、および／または、前記の第２金属の第２層のための第２電気接続手段の提供を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記交互くし型マイクロ電極の一部を密封するが、交互くし型マイクロ電極アレイを密封しない密封層の提供を含む、請求項１−３のいずれかに記載の方法。

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