电化学传感器及其制备方法、离子浓度检测系统技术方案

一种电化学传感器及其制备方法、离子浓度检测系统。电化学传感器包括：传感芯片，传感芯片包括信号转换电路，以及与信号转换电路相连的离子敏感场效应晶体管与信号输出电路，其中，信号转换电路用于将待测溶液中的目标离子的浓度变化转化为电信号，信号输出电路用于将电信号输出；形成于离子敏感场效应晶体管的敏感层上的离子敏感膜，离子敏感膜含有目标离子的载体；形成于离子敏感膜上的微反应池或微反应通道，微反应池或微反应通道用于注入待测溶液；位于微反应池或微反应通道内的参比电极。本公开提供的电化学传感器可以提高检测速度、灵敏度、降低成本并使得操作简便。

【技术实现步骤摘要】
电化学传感器及其制备方法、离子浓度检测系统
本专利技术涉及电化学传感器
，特别涉及电化学传感器及其制备方法、离子浓度检测系统。
技术介绍
在医学、化工、制药、环保与食品等领域，常常需要对离子的浓度进行检测。例如，在工农业生产中，氯离子的浓度影响到金属管道的腐蚀、结垢以及植物的生长；在医疗方面，人的血液、尿液以及汗液中氯离子的浓度是诊断囊性纤维化、低氯性代谢性碱中毒等疾病的重要指标；在食品工业中，测定氯离子的浓度对食品的加工生产工艺、产品质量控制有指导作用。传统的离子浓度的检测方法包括滴定法、比色法、离子色谱等，但上述方法存在检测耗时长、过程繁琐、维护复杂、仪器昂贵、不易携带等缺点。电化学检测方法以其简单、快捷的特点成为目前最具潜力的快速检测方法之一。然而，目前已有的电化学传感器的检测电极依赖贵重金属，无论是离子选择电极还是丝网印刷电极都需要修饰金、银等贵重金属，其昂贵的成本使其难以大规模生产应用。因此，如何提供一种检测速度快、灵敏度高、操作简单、成本低廉的电化学传感器成为一项亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种电化学传感器及其制备方法、离子浓度检测系统，以提高检测速度、灵敏度、降低成本并使得操作简便。为达到上述目的，本专利技术实施例提供一种电化学传感器，包括：传感芯片，所述传感芯片包括信号转换电路，以及与所述信号转换电路相连的离子敏感场效应晶体管与信号输出电路，其中，所述信号转换电路用于将待测溶液中的目标离子的浓度变化转化为电信号，所述信号输出电路用于将所述电信号输出；形成于所述离子敏感场效应晶体管的敏感层上的离子敏感膜，所述离子敏感膜含有所述目标离子的载体；形成于所述离子敏感膜上的微反应池或微反应通道，所述微反应池或微反应通道用于注入所述待测溶液；位于所述微反应池或微反应通道内的参比电极。在本专利技术一实施例中，所述传感芯片还包括与所述信号转换电路相连的偏置校准电路，所述偏置校准电路用于提供偏置电压，以保证所述传感芯片中各个晶体管处于正常工作状态。在本专利技术一实施例中，所述离子敏感膜通过有机溶剂和溶质混合，并将有机溶剂挥发后形成，所述有机溶剂为四氢呋喃、三甲基氯化铵中的一种或多种的组合，所述溶质包括所述目标离子的载体、固化剂、增塑剂。在本专利技术一实施例中，所述参比电极为双盐桥Ag/AgCl电极，或Ag/AgCl固态电极。在本专利技术一实施例中，所述信号转换电路中包括恒流源、电阻，所述恒流源的电流流过所述电阻，所述离子敏感场效应晶体管的源极和漏极的电压分别与所述电阻两端的端电压相等，以使所述源极和漏极之间的电压保持不变。在本专利技术一实施例中，所述目标离子为氯离子。本专利技术实施例还提供一种电化学传感器的制备方法，包括：在传感芯片中的离子敏感场效应晶体管的敏感层上涂布有机溶剂和溶质的混合溶液，所述溶质中含有目标离子的载体；在所述混合溶液挥发形成离子敏感膜后，在所述离子敏感膜上固定管壳，以形成微反应池或微反应通道；将参比电极置于所述微反应池或微反应通道中。在本专利技术一实施例中，所述离子敏感场效应晶体管的上方含有钝化层，所述钝化层中包含氮化硅层，将所述氮化硅层作为所述敏感层；或刻蚀所述钝化层，直至所述钝化层下方的顶层金属中的氮化钛层，将所述氮化钛层作为所述敏感层；或在所述氮化钛层表面生长敏感材料，以得到所述敏感层，所述敏感材料包括氮化钛、氧化钽、或者介电常数大于3.9的高介电常数材料。在本专利技术一实施例中，在涂布所述有机溶剂和溶质的混合溶液之前，所述传感芯片预先通过半导体键合金线固定于PCB板上，用紫外胶或黑胶覆盖所述金线与所述传感芯片的引脚，并使所述离子敏感场效应晶体管的敏感层露出；在形成所述离子敏感膜之后，在所述PCB板上焊接排针，以对所述传感芯片进行封装。基于上述电化学传感器，本专利技术实施例还提供一种离子浓度检测系统，包括：电化学传感器、数据采集模块、时钟控制模块以及数据处理模块；其中，所述电化学传感器包括：传感芯片，所述传感芯片包括信号转换电路以及与所述信号转换电路相连的离子敏感场效应晶体管与信号输出电路；形成于所述离子敏感场效应晶体管的敏感层上的离子敏感膜，所述离子敏感膜含有所述目标离子的载体；形成于所述离子敏感膜上的微反应池或微反应通道，所述微反应池或微反应通道用于注入所述待测溶液；位于所述微反应池或微反应通道内的参比电极；所述数据采集模块与所述信号输出电路的输出端相连；所述时钟控制模块与所述数据采集模块和所述传感芯片相连，用于发出时钟信号，以控制所述传感芯片将检测到的电信号输出至所述数据采集模块；所述数据处理模块与所述数据采集模块相连，用于根据所述数据采集模块获取的数据，计算所述待测溶液中的目标离子的浓度。由以上本专利技术实施例提供的技术方案可见，本专利技术通过在离子敏感场效应晶体管的敏感层上形成具有目标离子载体的离子敏感膜，可以对溶液中目标离子的浓度进行检测，并且通过标准CMOS工艺制作的传感芯片体积小，集成度高，可以实现传感器的集成化和微型化，便于携带，成本低廉，此外，离子敏感膜上设置有微反应池或微反应通道，将待测溶液注入微反应池或微反应通道中，即可测试溶液中的指定离子的浓度，操作简单。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为在离子敏感场效应晶体管上形成离子敏感膜、微反应腔的结构示意图；图2是本专利技术实施例中的信号转换电路的电路图；图3是本专利技术实施例中的传感芯片的架构图；图4是本专利技术实施例提供的基于ISFET的电化学传感器的制备方法流程图；图5(a)至图5(d)为对传感芯片进行封装的结构示意图；图6是本专利技术实施例提供的检测系统的示意图；图7为一个具体的实施例中，检测得到的待测溶液中的氯离子浓度。具体实施方式下面将结合附图和具体实施方式，对本专利技术的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落入本专利技术所附权利要求所限定的范围内。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学传感器，其特征在于，包括：/n传感芯片，所述传感芯片包括信号转换电路，以及与所述信号转换电路相连的离子敏感场效应晶体管与信号输出电路，其中，所述信号转换电路用于将待测溶液中的目标离子的浓度变化转化为电信号，所述信号输出电路用于将所述电信号输出；/n形成于所述离子敏感场效应晶体管的敏感层上的离子敏感膜，所述离子敏感膜含有所述目标离子的载体；/n形成于所述离子敏感膜上的微反应池或微反应通道，所述微反应池或微反应通道用于注入所述待测溶液；以及/n位于所述微反应池或微反应通道内的参比电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种电化学传感器，其特征在于，包括：
传感芯片，所述传感芯片包括信号转换电路，以及与所述信号转换电路相连的离子敏感场效应晶体管与信号输出电路，其中，所述信号转换电路用于将待测溶液中的目标离子的浓度变化转化为电信号，所述信号输出电路用于将所述电信号输出；
形成于所述离子敏感场效应晶体管的敏感层上的离子敏感膜，所述离子敏感膜含有所述目标离子的载体；
形成于所述离子敏感膜上的微反应池或微反应通道，所述微反应池或微反应通道用于注入所述待测溶液；以及
位于所述微反应池或微反应通道内的参比电极。


2.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述传感芯片还包括与所述信号转换电路相连的偏置校准电路，所述偏置校准电路用于提供偏置电压，以保证所述传感芯片中各个晶体管处于正常工作状态。


3.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述离子敏感膜通过有机溶剂和溶质混合，并在所述有机溶剂挥发后形成，所述有机溶剂为四氢呋喃、三甲基氯化铵中的一种或多种的组合，所述溶质包括所述目标离子的载体、固化剂以及增塑剂。


4.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述参比电极为双盐桥Ag/AgCl电极，或Ag/AgCl固态电极。


5.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述信号转换电路中包括恒流源和电阻，所述恒流源的电流流过所述电阻，所述离子敏感场效应晶体管的源极和漏极的电压分别与所述电阻两端的端电压相等，以使所述源极和漏极之间的电压保持不变。


6.根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述目标离子为氯离子。


7.一种电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在传感芯片中的离子敏感场效应晶体管的敏感层上涂布有机溶剂和溶质的混合溶液，所述溶质中含有目标离子的载体；
在所述混合溶液挥发形成离子敏感膜后，在所述离子敏感...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁欣欣，刘文文，节俊尧，黄义征，魏清泉，俞育德，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11