本发明专利技术涉及一种H+敏感的Ta2O5材料EIS结构、制备和pH在线检测方法，其特征在于所述的EIS结构自上而下由H+敏感材料层、绝缘体层、半导体层和导电Al层四层组成；其中H+敏感材料层为Ta2O5，绝缘体层为SiO2，半导体层为双面抛光P-Si，导电层为金属Al。所述EIS结构式用MEMS工艺制作，使用EIS结构进行pH在线检测方法是以插入敏感层中的商用Ag/AgCl电极作为参比电极，EIS结构另一面的Al层作为工作电极，基于阻抗谱和测试不同pH下相同扫描条件下的电容-电压曲线，找到合适的电容值，从而得到pH-V的对应关系，直接检测电压值即可进侧出pH值。利用本发明专利技术提供的EIS结构，制作的pH传感器体积小，便于携带，并可长时间进行pH在线检测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于H+敏感的Ta2O5材料EIS结构、制备和pH在线检测方法，更确切地说，本专利技术提供基于H+敏感的Tii2O5材料的EIS(电解液-绝缘体-半导体)结构、 制作方法以及将EIS构筑成传感器，然后基于阻抗谱和电容电压曲线的pH测试的方法，属传感器和电化学领域。
技术介绍
pH是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。目前，PH的检测技术已经相当成熟，常用的有以下三种1、在待测溶液中加入pH指示剂，根据指示剂颜色的变化可以确定PH的范围。2、使用pH试纸，根据试纸的颜色变化并对照比色卡也可以得到溶液的pH。3、使用pH计，可以精确到小数点后两位。前两种检测方法检测精度低，误差较大，测试结果不准确，无法检测非常弱的缓冲溶液或浓度过低的酸碱溶液；后者虽然准确度高，但仪器价格较贵，操作繁琐，条件苛刻，检测不方便。随着经济的发展和社会的需求，pH的在线检测显得尤为重要，显然上述传统的检测方法已经不能满足在线检测的需求。传统的pH玻璃电极在原位清洗和消毒中的易碎问题给pH的在线检测带来了很大的挑战。离子敏感型场效应晶体管(ISFET)因其离子敏感栅极面积小，响应时间快，信噪比高和易于微型化等优点，使其对在线检测有很大的吸引力。目前，在生物技术、食品、制药业、水质检测领域的在线监测系统中，易碎的pH玻璃电极已经渐渐被非玻璃的、不易碎的ISFET型pH传感器所替代。但是，ISFET结构也有自身的缺点自漂移现象和滞环效应，最严重的是现有的封装技术不易实现整个传感器体系的微型化，商用的基本没有，还处在试验阶段。因此，仍需对其进行改进。另一方面，非玻璃的、不易碎的基于EIS(电解液-绝缘体-半导体)结构的电容式PH传感器因结构的平整度好、版图和封装技术的简单化、更简单便宜的制造成本等原因使其成为在线监测应用的一个很有前景器件，国内对此的研究也很少。较好的pH在线检测传感器应具有以下几个方面的特点1)不易碎，低成本2)响应时间短幻无需校准或校准频率低4)易于微型化，兼容性好。本专利技术依据这四个特点拟提供一种基于Ta2O5敏感材料的EIS结构、制备及pH在线检测方法。目前研究的很多材料均对pH敏感，本申请的专利技术人选择了鲜有研究的Tii205。基于出发点是基于不同PH缓冲液，外加电压不变的情况下，因H+浓度的不同，表面Ta2O5与H+ 的相互作用不同，因而导致电容的变化。若能使用电路使得电容保持定值，那么电压必然随 PH缓冲液的变化而变化，这样，我们便能找到电压与pH的对应关系，通过检测电压的变化来间接测量PH的变化
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于H+敏感的Tii2O5材料的EIS结构、制备及pH在线检测方法，本专利技术主要包括在双面抛光的P-Si —面上制作Ta2O5薄膜作为pH敏感层，与pH 缓冲液接触；另一面制作Al层作为工作电极。将商用的Ag/AgCl参比电极插入pH缓冲液中，测试参比电极与工作电极间的电容电压值，从而制作PH-电压曲线。因此，欲要测pH值， 只需测试电压。本专利技术需要解决的关键技术是1、EIS结构的制作主要是Tii2O5薄膜的制备，溅射Ta的条件及氧化条件的摸索，从而得到对PH敏感的Ta2O5薄膜的最佳氧化温度和时间。2、缓冲液的配制选择合适的缓冲液来进行pH的检测。3、外加交流电频率的控制为了检测到Ta2OjfpH的最佳敏感性，需找出外加交流电最合适的幅值和频率，从而得到最佳的PH敏感效果。4、外加扫描电压的控制通过计算得到EIS作为MOS结构实现多子积累、多子耗尽、少子反型时的电压值， 从而保证电压-电容扫描时器件处于正常工作状态。本专利技术采用的技术方案是利用MEMS工艺，制作以Ta2O5作为敏感层的电容式EIS结构，以插入敏感层中的商用Ag/AgCl电极作为参比电极，EIS结构另一面的Al层作为工作电极，测试不同pH下相同扫描条件下的电容-电压曲线，找到合适的电容值，从而得出PH-V的对应关系。需检测pH 时，直接检测电压值即可。由此可见，本专利技术的优点和有益效果是1)本专利技术所制作的EIS结构平整度好、封装结构简单、制作成本低且不易碎，能满足在线检测的需求。2) Ta2O5有很好的耐腐蚀性能，且对pH敏感性极好，可长时间进行pH在线检测。3)本专利技术所制作的pH传感器体积小，便于携带，且操作简单，操作者无需进行复杂的校准和培训。附图说明图1为EIS结构制作步骤流程图(a)将双面抛光的p_Si氧化，顶面和背面形成 SiO2层(b)在顶部SiO2层的表面溅射金属钽(C)将金属钽氧化成为Ta2O5(Cl)将结构背面 SiO2去除(e)背面溅射金属Al作为导电层。图2为EIS结构示意图此结构自上而下主要由四层组成，依次如图中1、2、3、4所示。图3为拟制商用传感器示意图主要由参比电极、EIS结构、连接导线和传感器外壳组成。图4为EIS结构测试示意图主要由参比电极、EIS结构、连接导线和外加电路组成。图5为结果判读图测量同一样本在最佳扫描频率下的电容电压曲线图，更换不同的PH缓冲液，得到不同的电容电压图，(a)为同一样本在相同扫描频率下的电容电压曲线图，用平带电压作为基准，获得不同PH下的电压值，从而得到(b)所示的pH-电压关系曲线图。由此，测量电压值即可得到pH。具体实施例方式实施例1制作EIS结构，其步骤如图1所示，制作的EIS结构如图2所示。1)双面抛光的p-Si的顶面和背面均制作50 60nm的SW2 (a)，双面抛光ρ-Si的电导率为1-10 Ω · cm ；2)在顶面的氧化层上溅射Ta (b)并氧化(c)生成Ta2O5层，作为H+敏感材料层；3)将结构背面的SiO2氧化层的去除(d)并溅射Al，作为导电层(e)。按上述步骤(a)-(e)制作的EIS结构，如图2所示。所制作的EIS结构自上而下依次由H+敏感材料层1、绝缘体层2、半导体层3和导电Al层4，其中H+敏感材料层为Ta2O5， 厚度为140-160nm ；导电层Al的厚度为200_300nm。实施例2dh在线检测方法1)如图3所示，将实施例1制作的基于Tii2O5敏感材料的EIS结构，构筑成pH在线检测用传感器。所述的传感器则由Ag/AgCl参比电极31、待测液32、EIS结构33(即实施例1制作的基于Tii2O5敏感材料的EIS结构)、连接参比电极31和EIS结构的导线34以及传感器外壳35构成。2)使用图3所示的传感器进行PH测试原理示意如图4所示，图中31为Ag/AgCl 参比电极，36为0型密封圈，35为传感器外壳，32为待测液，33为EIS结构、DV为外加的直流电压信号，CV为外加的交流电压信号。3)检测时，应该利用MEMS工艺，制作以Ta2O5作为敏感层的电容式EIS结构，以插入敏感层中的商用Ag/AgCl电极作为参比电极，EIS结构另一面的Al层作为工作电极，测试不同PH下相同扫描条件下的电容-电压曲线，找到合适的电容值，从而得出pH-V的对应关系。需检测PH时，直接检测电压值即可。(a)pH缓冲液的配制依待测溶液体系不同进行不同的pH缓冲液配制。待测的溶液为硫酸钠盐溶液，因此，待配缓冲液以硫酸钠为溶质，用稀硫酸和氢氧化钠调配从PH2到pH12的测试液，调配时用pH计监测本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于Ｈ＋敏感的Ｔａ２Ｏ５材料的ＥＩＳ结构，其特征在于所述的结构自上而下由Ｈ＋敏感材料层、绝缘体层、半导体层和导电Ａｌ层四层组成；其中Ｈ＋敏感材料层为Ｔａ２Ｏ５，绝缘体层为ＳｉＯ２，半导体层为双面抛光Ｐ－Ｓｉ，导电层为金属Ａ１。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵建龙，金妍，刘德盟，陈淼，金庆辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31
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