基于差分测量的离子传感器和制造方法技术

本发明专利技术涉及基于差分测量的离子传感器，包括ISFET/REFET对，其中，REFET由ISFET形成的结构限定，ISFET由包含内部参考溶液的微储液器覆盖。所述传感器包括：第一和第二离子选择性场效应晶体管；电极；衬底，其表面上集成两个晶体管、连接轨和电极；附连到第一离子选择性场效应晶体管的结构，在所述第一晶体管的栅极上产生微储液器，所述微储液器具有将所述微储液器与外部连接的微通道，所述微储液器填充有参考溶液。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及基于差分测量的离子传感器和其制造方法。所述传感器使用ISFET(离子选择性场效应晶体管)晶体管执行溶液中某些离子的浓度的测量，并将测量结果与储存在微储液器中的参考溶液的浓度比较，通过ISFET晶体管执行所述测量，使ISFET晶体管的栅极保持与所述参考溶液接触，其也被称作REFET晶体管(不对离子浓度起反应的场效应晶体管)，因此对要被测量的离子具有零响应。本专利技术所属的
是物理
，其更加典型的应用用于诸如食品行业和生物医学的各个领域的离子测量，例如pH(溶液中氢离子的浓度)。
技术介绍
在现有技术中，介质的各种离子的浓度测量以许多不同的方式进行。最广泛使用的技术之一是使用试纸。这些试纸是具有不同面积的纸条，在与水溶液接触时变色，因测量溶液的特定离子的浓度不同而呈现不同颜色。为了识别溶液的离子浓度，在打湿试纸之后，用户必须将获得的颜色与制造商提供的表上的颜色进行比较。此测量技术的结果很大程度上取决于用户的正确操作和诸如以下的因素：样本中存在蛋白质，试纸与样本的反应时间或样本的均匀性。不正确的操作会产生许多错误结果(阳性的和阴性的)。而且，通常认为针对pH测量的特定情况，此技术的分辨率为0.5个单位，这在一些生物医学应用中缺乏足够的诊断值来做出临床决策，诸如在尿石病(Urolithiasis)(Kwong T.等人所著的“Accuracy of urine pH testing in a regional metabolic renal clinic：is the dipstick enough？Urolithiasis2013)中的那样。离子浓度的标准测量技术是原子吸收。然而，此技术需要复杂的安装，其小型化是不可行的。在设备方面，离子选择性电极(ISE)用于更简单的测量，较为便宜。这些电极具有选择性膜，使得通过溶液离子与膜的交换或相互作用，离子活性变成电势。选择性膜可以有几种类型——玻璃的，晶体的或基于离子交换化合物的。后者具有使离子选择性化合物固定不动的聚合物(例如，聚氯乙烯，PVC)。ISE的电势测量需要使用参考电极，而参考电极经常集成于ISE的主体中(组合电极)。参考电极通常是浸入到参考溶液中的金属电极，其又通过液体结合连接到待测溶液。参考电极的主要特征是其电势即金属的内部和其浸入的溶液内部之间的电势不依赖于所述溶液的成分。参考电极通常通过液体结合会损失参考溶液，所以需要周期性重新填充参考溶液。为了获得精确的测量结果，这些电极需要事先校准，这包括测量在电极浸入已知离子浓度的溶液中时产生的电势。这些电极形成仪器的一部分，在pH情况下称为pH仪，它制造起来不便宜，也不便携，不是自动的，需要特别维护，正确保存需要清结条件。此测量技术的结果还取决于用户的正确操作(出于所述目的用户必须接受适当培训)。不正确的电极操作或保存可能导致错误结果。用于这类测量的另一类传感器是ISFET(离子选择性场效应晶体管)型传感器。这些传感器是使用微电子技术制造的装置。溶液的电势(为晶体管栅极的电势)被参考电极控制，诸如用ISE型电极测量使用的那些参考电极。ISFET是场效应晶体管，其阈值电压随着与其栅极介电质接触的溶液的离子浓度而变化。对于许多类型的介电质(SiO2，Si3N4，Al2O3，Ta2O5，ZrO2)，ISFET的阈值电压的变化主要取决于H+离子，因此它用作pH传感器。为了制造基于ISFET的其它离子的传感器，如在US5250168中公开的称作选择性膜的附加层沉积在栅极介电层上。取决于沉积膜，ISFET的作用是用于特定离子或其它离子的传感器。使用这些传感器的测量包括记录场效应晶体管的阈值电压的变化，这与想要测量的离子浓度的变化成正比。测量ISFET的阈值电压变化的一种方式是使用电路，该电路用恒定漏极电流和恒定的源-漏电压使器件极化。这样，电路施加的保持所述极化的栅极电压变化等于ISFET经受的阈值电压变化。因此，电路施加的栅极电压作为输出信号。这两种测量系统都基于ISE电极，基于ISFET的那些测量系统需要参考电极以能够测量离子。这使得这些测量系统费用高，并需要周期性维护。在1978年，公开了不用参考电极用ISFET型装置进行pH测量的一种方案(P.A.Comte和J.Janata，“A field effect transistor as a solid-state reference electrode”，Analytica Chimica Acta)，其包括ISFET和REFET的差分测量。在此情况下，REFET由ISFET形成，使其栅极一直暴露于恒定的pH。差分测量包括使用浸入溶液中的作为栅极端子的一个电极测量两个装置的阈值电压，将获得的两个值相减获得答案。通过包括填充有参考溶液(内部溶液)的微储液器，REFET栅极保持暴露于恒定pH。所述微储液器通过微通道连接到外部，微通道充当液体结合，使得外部溶液和参考溶液之间的电势差很小，不会大大影响pH或外部溶液中其它离子的浓度。这样，电极和溶液之间出现的电势变化转换成两个阈值电压值，因此，对差分值没有影响(在减法运算中抵消)。出于此原因，不同的测量系统可以用任何半导体电极实现，不需要参考电极。假设REFET暴露于恒定pH溶液，则差分值的变化应当等于ISFET对pH变化的响应。不过，制造由Compte和Janata描述的REFET的方式难以实现自动化，因此不可能以大大低于有参考电极的ISFET的那些传感器的成本制造传感器，这也使得价格对公众不可接受。而且，在由Compte和Janata描述的ISFET-REFET传感器的设计中，REFET的微储液器是用环氧树脂制造的。一旦树脂固化，用缓冲溶液中预制的琼脂糖胶填充此微储液器。随后，在琼脂糖胶中引入玻璃细管，玻璃细管充当微通道，微储液器用环氧树脂层密封。因此，传感器是干燥储存的；微储液器的缓冲溶液通过微通道缓慢蒸发，缓冲溶液被空气代替。微储液器内部存在的空气使得在浸入水溶液之后长时间再使用时，微储液器不能正常工作。这是由于填充水以及捕获空气需要扩散到外部只能通过不填充水凝胶的微通道进行。而且，这种类型的传感器的寿命取决于微储液器的体积和将微储液器连接到外部的微通道的尺寸，原因是微储液器中的参考溶液会通过微通道被稀释、污染，使得测量结果的误差可能逐渐增大，所述溶液的pH的测量结果相对于其原始值变化。出于此原因，认为它是寿命短的传感器。文献EP 85200263公开了一种传感器，其使用两个ISFET传感器，一个在管道内部，参考溶液从其中流过。这样，所述ISFET总是与未被污染的溶液接触。不过，由于这需要在传感器中包括参考溶液注入系统以及供应注入系统的装置，这使描述的方案更加复杂，费用更高。因此，现有技术具有以下相关问题：试纸不准确；玻璃电极费用高，易破碎，需要维护，不能容易地小型化；当前的ISFET和ISE型的传感器可实现小型化，但费用高，需要维护，原因是必须与参考电极一起使用；由Compte和Janata提出的ISFET-REFET传感器制造费用高，寿命短；EP 85200263中公开的传感器除了涉及两个ISFET晶体管之外，由于需要有参考溶液注入系统所以成本更高，更复杂。
技术实现思路
本本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于差分测量的离子传感器，其特征在于，所述离子传感器包括：第一场效应晶体管和至少一个第二离子选择性场效应晶体管，它们由连接轨电连接到离子测量系统，所述第二离子选择性场效应晶体管与参考溶液接触；电极；在其表面上的至少一个芯片，其集成所述离子选择性场效应晶体管；附连在所述第一离子选择性场效应晶体管上的结构，所述结构被配置成在所述第一晶体管的一个栅极上产生微储液器，所述微储液器填充有所述参考溶液；至少一个微通道，所述至少一个微通道将所述微储液器与外部连接，所述至少一个微通道填充有所述参考溶液；衬底，在所述衬底上集成所述至少一个芯片、所述连接轨和所述电极；以及封装材料，所述封装材料将所述连接轨完全隔离，并部分地隔离所述第一和第二离子选择性场效应晶体管与待测溶液。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.11 ES P2014301801.基于差分测量的离子传感器，其特征在于，所述离子传感器包括：第一场效应晶体管和至少一个第二离子选择性场效应晶体管，它们由连接轨电连接到离子测量系统，所述第二离子选择性场效应晶体管与参考溶液接触；电极；在其表面上的至少一个芯片，其集成所述离子选择性场效应晶体管；附连在所述第一离子选择性场效应晶体管上的结构，所述结构被配置成在所述第一晶体管的一个栅极上产生微储液器，所述微储液器填充有所述参考溶液；至少一个微通道，所述至少一个微通道将所述微储液器与外部连接，所述至少一个微通道填充有所述参考溶液；衬底，在所述衬底上集成所述至少一个芯片、所述连接轨和所述电极；以及封装材料，所述封装材料将所述连接轨完全隔离，并部分地隔离所述第一和第二离子选择性场效应晶体管与待测溶液。2.根据权利要求1所述的基于差分测量的离子传感器，其中，所述参考溶液包含于水凝胶中。3.根据权利要求1或2所述的基于差分测量的离子传感器，其中，所述第一离子选择性场效应晶体管集成于第一芯片中，至少一个第二离子选择性场效应晶体管集成于第二芯片中。4.根据权利要求1或2所述的基于差分测量的离子传感器，其中，所述第一离子选择性场效应晶体管和所述第二离子选择性场效应晶体管集成于相同的芯片中。5.根据权利要求1或2所述的基于差分测量的离子传感器，其中，所述第一和第二离子选择性场效应晶体管、所述连接轨、所述电极和测量电路的一部分集成在相同的芯片中。6.根据权利要求3或4所述的基于差分测量的离子传感器，其中，所述芯片与所述连接轨的连接点的连接是通过线结合进行的。7.根据权利要求6所述的基于差分测量的离子传感器，其中，所述芯片通过聚合物封装，所述线和所述连接轨由所述聚合物覆盖，所述第一和第二场效应晶体管的栅极和所述微通道的出口未覆盖。8.根据前述权利要求中任一项所述的基于差分测量的离子传感器，其中，附着在所述第一离子选择性场效应晶体管上的结构至少部分是透气性材料，但不能渗透所述参考溶液。9.根据前述权利要求中任一项所述的基于差分测量的离子传感器，其中，所述微通道是在其上集成所述第一离子选择性场效应晶体管的芯片中制成的凹槽。10.根据权利要求1-8中任一项所述的基于差分测量的离子传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·巴尔迪科尔，C·多明格斯霍尔纳，C·希门尼斯霍尔克拉，C·费尔南德斯桑切斯，A·略韦拉阿丹，A·摩尔罗斯多明戈，A·卡达尔索布斯托，I·布尔达罗包蒂斯塔，F·维拉格拉斯，
申请(专利权)人：CSIC科学研究高级委员会，
类型：发明
国别省市：西班牙;ES