基于差分测量的离子传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于差分测量的离子传感器，所述基于差分测量的离子传感器借助于至少两个离子敏感场效应晶体管对待测量的溶液中的某些离子的浓度与微储集器和微通道中所含有的参考溶液中的某些离子的浓度进行比较。为此，所述微储集器和所述微通道至少覆盖所述离子敏感场效应晶体管中的一个的栅极且组成部分地填充有多孔材料的单元，所述多孔材料覆盖整个前述栅极且至少覆盖所述微通道的基极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于差分测量的离子传感器
本专利技术的
是测量离子，且其较常见应用是测量pH，即氢离子在水性溶液中的浓度。本专利技术关于一种基于差分测量的离子传感器，其将待测量的溶液中的某些离子的浓度与微储集器中所含有的参考溶液比较。
技术介绍
当前，已知用于执行对介质中的离子浓度的测量的若干技术。最常用技术中的一个是运用离子选择电极(ISE)进行测量。更具体来说，这些电极包括选择性膜，所述选择性膜通过将所述溶液中的离子与此膜交换来产生电位。当前，已知若干类型的选择性膜，例如结晶膜、玻璃膜或树脂膜。为了执行对电位的测量，这些电极需要浸入到参考溶液中的内部参考电极和浸入到待测量的溶液中的外部电极。广泛知晓的传感器中的另一类型是离子敏感场效应晶体管(ISFET)传感器。这些晶体管基于场效应晶体管且通常包括三个端子：一个栅极、一个漏极和一个源极。更具体来说，这些传感器在集成电路(芯片)上制成且包括未被集成在所述晶片中的参考电极。此传感器根据其所浸入的溶液的离子浓度使其阈值电压变化；具体来说，其根据与其栅极接触的离子使其电压变化。此栅极由对至少一种类型的离子具选择性的膜制成。因此，取决于所选择的膜，晶体管将响应于具体类型的离子。前述阈值电压被定义为参考电极与源极之间的产生源极与漏极之间的电流所需要的最小电压差。基于ISE电极的传感器和基于ISFET的传感器需要参考电极以测量离子，所述参考电极未集成在传感器中。因此，所述传感器生产起来昂贵且需要定期维护。最后，存在执行对pH的测量的替代方式，其不需要参考电极且包含两个ISFET晶体管。明确地说，ISFET中的一个执行待通过其栅极测量的溶液中的离子测量。同时，对pH敏感的另一ISFET的栅极保持暴露于恒定pH浓度，且并有作为一种微储集器覆盖栅极的结构。此微储集器填充有参考溶液，且通过微通道连接到外部，即，与待测量的溶液连接，所述参考溶液是在特定pH水平下的缓冲溶液，所述两种溶液之间通过所述微通道出现液体接界。以此方式，我们获得参考ISFET晶体管，通常被称为REFET。具体来说，前述液体接界允许待测量的溶液与参考溶液之间的小电位差，且因此对ISFET和REFET的差分测量主要取决于ISFET对pH的响应或取决于待测量的溶液中的其它离子的浓度。此实施例的已知实例在于形成用环氧树脂密封的微储集器，所述环氧树脂直接含有参考溶液或含有先前吸收了此参考溶液的凝胶。此微储集器允许参考溶液保持与REFET栅极接触。另外，玻璃毛细管允许参考溶液与待测量的溶液之间的接触。此类型的传感器的问题在于其使用寿命，因为这取决于微储集器的容积和微通道的容积。这归因于以下事实：微储集器中的参考溶液将通过微通道被稀释或污染，且因此测量的误差将渐进地增大，因为微储集器内部的pH水平在执行测量期间不再被恰当地缓冲且较惊人地变化。出于此原因，其视为具有短使用寿命的传感器。此类型的传感器的另一问题在于当其被存储在干燥环境中达长时间段时，微储集器中的参考溶液通过微通道缓慢蒸发且被空气代替。因此，当所述传感器再次浸入到待测量的溶液中时，参考溶液完全蒸发或气泡出现在参考溶液中，从而妨碍所述传感器恰当地工作。举例来说，如果气泡保持在REFET栅极的表面中，或如果其堵塞在微通道中，从而阻挡微储集器的外部与内部之间的液体接界，那么所述传感器的测量将不正确。为了解决这些问题，存在另一类型的ISFET-REFET差分传感器，其允许更新微储集器中所含有的参考溶液。为此，此传感器的微储集器和微通道充分填充有涂布构成REFET的ISFET栅极的凝胶。此配置防止在微通道中和在微储集器中形成气泡，且因此其避免发生故障的此问题。此外，在此ISFET-REFET差分传感器的首次使用之前或在若干次使用之后，允许干燥地存储所述传感器。更具体来说，凝胶被所述传感器先前所浸入的参考溶液浸透，且在与其直接含有参考溶液的情况下执行相同的功能，但避免在REFET栅极中或在微通道中形成气泡，所述微通道在下文称为“REFET栅极”。也就是说，此ISFET-REFET传感器包括用以将参考溶液限定在微储集器和微通道内部的凝胶，目的在于防止气泡问题且允许在凝胶变得干燥的情况下快速复水。明确地说，此类型的传感器为了其正确使用必须首先浸入到参考溶液中，使得凝胶可吸收其。一旦REFET填充有所述溶液，那么可在同一参考溶液中进行校准。在此步骤之后，执行测量以将待测量的溶液中的离子浓度与参考溶液中的离子浓度比较。随后，如果需要，所述传感器可再次浸入到相同类型的参考溶液中以用于再次校准所述传感器且用于允许微储集器中的溶液通过透过通道扩散而更新，所述溶液可能在测量期间稍微变化。尽管具有这些优点，但此传感器在对电位的测量中呈现明显误差。这是归因于额外电位在REFET栅极与ISFET栅极之间产生的事实。具体来说，此电位在凝胶与待测量的外部溶液之间产生。被称为道南电位(Donnanpotential)的取决于待测量的溶液中的不同离子的浓度的所述电位在所述测量中造成干扰，且因此降低传感器的准确度。以上提及的干扰在图1a和图1b中证实，其中两个ISFET-REFET差分传感器已浸入到具有pH7和pH4的两种缓冲溶液中。明确地说，图1a展示运用REFET获得的结果，所述REFET的微储集器和微通道全部填充有聚(HEMA)型凝胶且所述REFET先前已被具有pH7的缓冲溶液浸透。相比之下，图1b展示运用REFET获得的结果，所述REFET的微储集器和微通道全部填充有具有pH7的缓冲溶液。为了施加两个REFET的栅极电压，已使用参考电极以便确保最大值为1-2mV的溶液电位的变化。图中所展示的所施加栅极电压对应于100μA的漏极恒定电流和0.5V的漏极到源极恒定电压维持的电压。以此方式，晶体管的阈值电压的变化如实地反映在所施加栅极电压中。如图1a和1b中所展示，填充有水凝胶的REFET的响应具有大约10mV的高电位变化，且在时间上变化明显，而在不具有水凝胶的REFET的状况下，其具有大约2mV的较低电位变化且在时间上变化不明显。根据文献US4874499中所描述的内容，还存在具有如下配置的传感器，所述配置由下列组成：第一离子传感器，其在第一传感器中的空腔的开口中包括离子敏感膜；和第二传感器，其充当REFET，且多孔膜在第二传感器的空腔中提供开口，此多孔膜的目的在于允许空腔的内部与外部之间的液体接界。
技术实现思路
本专利技术关于一种基于差分测量的离子传感器，包括：·具有至少一个连接轨的衬底；·连结到所述衬底的一个电极；·具有一个栅极的第一离子敏感场效应晶体管(ISFET)，其集成在插入在所述衬底中的第一芯片中且连结到至少一个连接轨；·具有一个栅极的第二离子敏感场效应晶体管(ISFET)，其集成在插入在所述衬底中的第二芯片中且连结到至少一个连接轨；·粘合在所述第一离子敏感场效应晶体管上的结构，其配置成在所述第一ISFET晶体管的栅极上产生微储集器；·至少第一微通道，其将所述微储集器与外部连接且允许通过扩散来更新参考溶液；和·囊封材料，其用以完全隔离所述连接轨且部分地隔离所述第一离子敏感场效应晶体管和所述第二离子敏感场效应晶体管。更具体来说，微储集器和第一微通道组成全部或部分地填充有多孔材料，例如中孔材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于差分测量的离子传感器(1)，包括：具有至少一个连接轨(3、3')的衬底(2)；连结到所述衬底(2)的一个电极(4)；具有一个栅极(6)的第一离子敏感场效应晶体管ISFET(5)，其集成在插入在所述衬底(2)中的第一芯片中且连结到至少一个连接轨(3)；具有一个栅极(6')的至少第二离子敏感场效应晶体管ISFET(5')，其集成在插入在所述衬底(2)中的第二芯片中且连结到至少一个连接轨(3')；粘合在所述第一离子敏感场效应晶体管ISFET(5)上的结构，其配置成在所述第一ISFET晶体管(5)的所述栅极(6)上产生微储集器(8)；至少第一微通道(9)，其将所述微储集器(8)与外部连接；和囊封材料(15、15')，其用以完全隔离所述连接轨(3、3')且部分地隔离所述第一离子敏感场效应晶体管ISFET(5)与所述第二离子敏感场效应晶体管ISFET(5')，特征在于，所述微储集器(8)和所述第一微通道(9)组成全部或部分地填充有多孔材料(11)的单元，所述多孔材料形成完全覆盖所述第一ISFET晶体管(5)的所述栅极(6)和所述第一微通道(9)的至少基极的单个主体，且具有将参考溶液(12)从所述第一微通道(9)吸收到所述第一ISFET晶体管(5)的所述栅极(6)、排出或压缩所述单元内部的空气(14)的能力。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.13 ES P2015310181.一种基于差分测量的离子传感器(1)，包括：具有至少一个连接轨(3、3')的衬底(2)；连结到所述衬底(2)的一个电极(4)；具有一个栅极(6)的第一离子敏感场效应晶体管ISFET(5)，其集成在插入在所述衬底(2)中的第一芯片中且连结到至少一个连接轨(3)；具有一个栅极(6')的至少第二离子敏感场效应晶体管ISFET(5')，其集成在插入在所述衬底(2)中的第二芯片中且连结到至少一个连接轨(3')；粘合在所述第一离子敏感场效应晶体管ISFET(5)上的结构，其配置成在所述第一ISFET晶体管(5)的所述栅极(6)上产生微储集器(8)；至少第一微通道(9)，其将所述微储集器(8)与外部连接；和囊封材料(15、15')，其用以完全隔离所述连接轨(3、3')且部分地隔离所述第一离子敏感场效应晶体管ISFET(5)与所述第二离子敏感场效应晶体管ISFET(5')，特征在于，所述微储集器(8)和所述第一微通道(9)组成全部或部分地填充有多孔材料(11)的单元，所述多孔材料形成完全覆盖所述第一ISFET晶体管(5)的所述栅极(6)和所述第一微通道(9)的至少基极的单个主体，且具有将参考溶液(12)从所述第一微通道(9)吸收到所述第一ISFET晶体管(5)的所述栅极(6)、排出或压缩所述单元内部的空气(14)的能力。2.根据权利要求1所述的传感器(1)，特征在于，另外，所述微储集器(8)通过至少第二微通道(13)连接到外部。3.根据权利要求2所述的传感器(1)，特征在于，所述微储集器(8)、所述第一微通道(9)和所述第二微通道(13)组成全部或部分地填充有多孔材料(11)的单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·巴尔迪科尔，C·费尔南德斯桑切斯，A·卡达尔索布斯托，
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