用于确定溶液中离子浓度或物质浓度的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过具有EIS结构的离子选择场效应晶体管(1)或离子敏传感器(1)来确定溶液中离子浓度或物质浓度的方法，其中所述方法包含如下步骤：至少在第一测量阶段的预定时间点，相对于参考电位感测位于电极(5)上的电位；在第一测量阶段之后的消毒和/或清洗阶段开始之前，保存在第一测量阶段期间感测的最后电压；在消毒和/或清洗阶段之后的第二测量阶段开始时，向电极(5)施加消毒阶段期间保存的电压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通过离子选择场效应晶体管或离子敏传感器来确定溶液中离子浓度或物质浓度的方法，其中，离子选择场效应晶体管或离子敏传感器具有Eis结构，即电解质_绝缘体_半导体结构，其包含至少一个半导体衬底、衬底氧化物层和传感器层。在衬底氧化物和传感器层之间的中间区域，提供了外部接入(accessible)电极。此外，本专利技术还涉及一种相应的离子选择场效应晶体管或离子敏传感器。
技术介绍
离子选择场效应晶体管或离子敏传感器被应用于测量具有不同成分和不同导电率的溶液中的离子浓度，或用于测量特定物质浓度。离子选择场效应晶体管的敏感层几乎完全由非晶层形成，例如简单金属氧化物， 如Ta205、Al203、Ti02、HfO2，简单金属氮化物或双金属氧化物混合物，例如TaAlO和ZrAlO，或两种不同非晶金属氧化物层的组合，其往往具有SiO2作为基材。还存在很多另外适合的材料，其可用于ISFET来执行相应用途的功能，这已经在本申请受让人的非预先公布的专利申请中做了描述，即在2009年03月31日提交的德国专利申请DE 102009002060. 8和2010 年03月15日提交的国际专利申请PCT/EP2010/053275中做了描述。所有在其中指定的材料成分的选择方案通过引用的方式明确纳入本专利申请公开中。ISFET是良好制作具有EIS结构的传感器的例子，其中在这里绝缘体构成场效应晶体管的离子敏栅极绝缘体。在工业自动化技术，食品工业以及生物化学和医疗技术中， ISFET广泛应用于浓度连续检测和环境监测的pH测量。ISFET的优势在于其无玻璃构造， 高度精确的浓度记录，快速启动，最小长时漂移，以及可接受的价格/功率比。在通过被调制的光信号的方式的，所谓LAPS-光寻址电位传感器中，在EIS结构的半导体材料中产生光电子。光电子的产生依赖于电解质的特殊属性。关于LAPS的基本描述由以下文章给出“Light Addressable Potentiometric Sensor For Biochemical Systems”，Hafeman et al.，Science 240(1988)，pgs. 1182-1185。在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，经常使离子选择场效应晶体管或离子敏传感器经受有磨损的消毒和/或清洗处理。这里特别提到的是SIP(处理中消毒) 处理和CIP(处理中清洗)处理。例如，为清洗管道系统，在频繁地应用于食品工业的、并且经常也是绝对必要的CIP处理的情况下，离子选择场效应晶体管或离子敏传感器通常暴露于强酸或碱液中约半小时的一段时间，所述强酸或碱液具有约85°c的温度。例如，对于用于消毒管道系统的SIP处理，安装的传感器被加热到约130°C—定时间。通过这些处理，离子选择场效应晶体管或离子敏传感器关于它们测量的功能性和准确性不可避免地受影响在 CIP或SIP处理之后，传感器经常处于偏离了传感器在CIP或SIP处理之前状态的状态，并且不知道这种变化将会导致坏的测量。WO 2005/073706 Al公开了一种用于ISFET pH传感器的改进的栅极构造。特别地，在这里，氧化钽敏感层被施加到铝层上。氧化钽敏感层保证了高测量质量，同时铝层增加了 ISFET pH传感器的寿命，因为其防止测量的液体渗透进衬底氧化物层。在CIP和SIP处理中的问题是改变了离子选择场效应晶体管或离子敏传感器的电荷特性。这导致测量结果的波动，而其并非由待确定或监控的媒介成分的相应变化导致。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种确定溶液中离子浓度或物质浓度的方法，并且提供一种对应实施的离子选择场效应晶体管，或对应实施的离子敏传感器，其在SIP或CIP处理之后具有与消毒或清洗处理之前相同的状态。关于方法，通过如下方法步骤实现所述目的至少在第一测量阶段的预定时间点，相对于参考电位来感测位于电极上的电位；在第一测量阶段之后的消毒和/或清洗阶段开始之前，保存在第一测量阶段期间感测的最后电压；在消毒阶段之后的第二测量阶段开始时，向电极施加在消毒阶段期间保存的电压。据以感测电位的电极可以按任何需要的方式来实施。它可以是例如具有连续扩展的晶格结构(lattice structure)的层、具有任意类型的穿孔甚至条带状涂层的层。电极的材料原则上可以是具有良好导电率的任意材料。特别有利的情况是材料对于测量液体还具有耐受性。本专利技术方法的一个优选实施例提供了在预定时间间隔中重复的第一测量阶段、消毒和/或清洗阶段以及第二测量阶段。正如已经陈述的，SIP和CIP处理持续大约30分钟。此外，设定用高阻抗来感测电极上的电压。当只有微小的电流流过时，用本专利技术的方法，传感器测量的精确性不受影响。本专利技术特别有利的是，何时引入下一个测量阶段或引入下一个消毒阶段的时间点是基于温度曲线和/或基于PH曲线确定的。举例来说，如果超过了或低于(下降到之下) 预定界限值，则将其解释为对下一个SIP或CIP处理的需求的指示。当然，也可以连续地定义温度曲线。在一个优选实施方式中，本专利技术的方法提供机会来基于在一个接一个的测量阶段期间、以及直接在消毒阶段或清洗阶段之前、之中和之后在电极上感测的电压执行关于离子选择场效应晶体管或离子敏传感器的状态或关于其剩余使用寿命的评估。根据本专利技术的解决方案，获得有关预测性维修的信息是可能的。此外，在这方面，当以定义的时间间隔向电极施加交流电压，并且当基于在电极上感测到的响应信号来确定阻抗谱图(impedance spectrogram)是特别有利的。以这种方式， 举例来说，可以识别传感器的改变的电气性能或传感器中的改变的电荷载流子密度。作为替换，一种选择是向电极施加预定的电压信号曲线，并且基于电极的响应信号获得有关传感器的相应属性的信息。两种方法都适合获得离子选择场效应晶体管或离子敏传感器关于瞬时状态或预计剩余使用寿命的信息。此外，本方法提供了基于在清洗和/或消毒阶段期间，电极上可测量的电压曲线， 来获得有关传感器的电流状态以及其预计的使用寿命的信息。关于所述离子选择场效应晶体管或离子敏传感器，通过包括其中受控电路布置被提供有阻抗变换器和与阻抗变换器串联的采样/保持电路这样的特征来实现本专利技术的目的。在第一测量阶段中，在阻抗变换器的第一输入端存在电极电位，而在反相输入端施加参考电位。参考电位可以是例如接地电位。在消毒阶段，采样/保持电路在存储元件里保存第一测量阶段中位于电极上的相应的最后电压，并且冻结(freeze)该值。在消毒阶段之后的第二测量阶段开始时，所述保存或冻结的电压被施加回电极上。从而，保证之后的测量条件与之前的测量情况下所拥有的条件相同。在SIP或CIP处理之前和之后，在传感器上出现相同的电荷状态。原则上，在SIP或CIP处理之前的一个时间点上，对电极上的电荷进行测量就已经足够。然而，优选地，在测量阶段中可以对电荷状态进行连续地记录。本专利技术的离子选择场效应晶体管或离子敏传感器的一个优选实施例提供了两个可控开关，其中，在测量阶段第一开关断开，并且其中，在测量阶段第二开关闭合，这样，采样/保持电路在每一种情况下，把在电极上感测到的最后电压保存于存储元件之中。此外，设定在消毒阶段，第一开关和第二开关断开，从而在断开第二开关之前，在电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曼弗雷德·亚杰拉，德特勒夫·维特默，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技术分析仪表两合公司，
类型：发明
国别省市：