基于差分测量的离子传感器
阅读：904发布：2023-03-26
专利汇可以提供基于差分测量的离子传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 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。，下面是基于差分测量的离子传感器专利的具体信息内容。
1.一种基于差分测量的离子传感器(1)，包括：
具有连接轨(3、3')的衬底(2)；
电极(4)；
具有一个栅极(6)的第一离子敏感场效应晶体管(5)，其集成在插入在所述衬底(2)中的第一芯片中且连结到所述连接轨(3、3')中的至少一个连接轨(3)；
具有一个栅极(6')的第二离子敏感场效应晶体管(5')，其集成在插入在所述衬底(2)中的第二芯片中且连结到所述连接轨(3、3')中的至少一个连接轨(3')；
粘合在所述第一离子敏感场效应晶体管(5)上的结构，其配置成在所述第一离子敏感场效应晶体管(5)的所述栅极(6)上产生微储集器(8)；
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(5')，
其特征在于，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)的第一单元，所述多孔材料(11)形成完全覆盖所述第一离子敏感场效应晶体管(5)的所述栅极(6)和所述第一微通道(9)的至少基极的第一单个主体，且被配置成将参考溶液(12)从外部通过所述第一微通道(9)吸收到所述第一离子敏感场效应晶体管(5)的所述栅极(6)、排出或压缩所述第一单元内部的空气(14)。
2.根据权利要求1所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，另外，所述微储集器(8)通过第二微通道(13)连接到外部。
3.根据权利要求2所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，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所述多孔材料(11)的第二单元，所述多孔材料(11)形成完全覆盖所述第一离子敏感场效应晶体管(5)的所述栅极(6)和所述第一微通道(9)的至少所述基极的第二单个主体。
4.根据权利要求3所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，所述第一单元完全填充有所述多孔材料(11)，且所述第二微通道(13)全部或部分地不含多孔材料(11)以排出所述第一单元内部剩余的空气(14)。
5.根据权利要求1所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，所述多孔材料(11)填充所述第一单元的5％与95％之间的总容积。
6.根据权利要求3所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，所述多孔材料(11)填充所述第二单元的5％与95％之间的总容积。
7.根据权利要求1所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，所述多孔材料(11)具有直径范围在0.01μm与100μm之间的孔隙。
8.根据权利要求1所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，所述多孔材料(11)包括形成所述第一单个主体作为矩阵的数个导柱，其中每一导柱具有范围在0.01μm与
100μm之间的直径，且每一导柱与其相邻导柱分离达范围在0.01μm与100μm之间的距离。
9.根据权利要求1所述的基于差分测量的离子传感器(1)，其特征在于，所述第一单元全部填充有所述多孔材料(11)。
10.一种包括易于与介质接触以用于测量其离子浓度的容器的离子测量装置，其特征在于，所述容器包括：
根据权利要求1-9中任一项所述的基于差分测量的离子传感器(1)，
控制单元，其连结到所述的基于差分测量的离子传感器(1)以计算所述介质的所述离子浓度，和
指示器单元，其连结到所述控制单元以在视觉上指示所述介质的所述离子浓度。
基于差分测量的离子传感器
技术领域
[0002] 本发明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。
背景技术
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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”。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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(Donnan potential)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。
[0017] 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pH 7和pH 4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pH 7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pH 7的缓冲溶液。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
发明内容
[0021] 本发明关于一种基于差分测量的离子传感器，包括：
[0022] ·具有至少一个连接轨的衬底；
[0023] ·连结到所述衬底的一个电极；
[0024] ·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；
[0025] ·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；
[0026] ·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；
[0027] ·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
[0028] ·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。
[0029] 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，例如中孔材料或大孔材料，的单元。此多孔材料形成单个主体，所述单个主体完全覆盖第一晶体管的栅极和第一微通道的至少基极。此多孔材料具有从第一微通道吸收参考溶液且将其扩散到第一晶体管的栅极、排出或压缩微储集器和第一微通道内部的空气的能力。
[0030] 以此方式，第一ISFET晶体管变为REFET晶体管，因为其栅极与参考溶液接触，且因此其测量保持恒定且独立于待测量的溶液中的离子浓度。此待测量的溶液运用第二ISFET来测量。对用于使ISFET和REFET晶体管极化的电极的电位的离子浓度的响应不干涉传感器的差分响应，因为所述测量以差分方式执行。
[0031] 任选地，第一离子敏感场效应晶体管(ISFET)的栅极涂布有对至少一种类型的离子敏感的膜。以此方式，取决于所选择的膜，晶体管将响应于特定类型的离子(例如：锂离子、钙离子、钾离子)。这些涂布有离子敏感膜的ISFET通常被称为CHEMFET。实例是含有缬氨霉素作为离子交换剂材料的PVC膜，所述PVC膜对钾(K+)离子敏感，但还存在对例如Ca2+、Na+、Cl-、NH4+、Li+等的其它离子敏感的膜。
[0032] 优选地，微储集器可通过第二微通道连接到外部。因此，微储集器、第一微通道和第二微通道组成全部或部分地填充有多孔材料的单元，所述多孔材料形成完全覆盖第一晶体管的栅极和微通道中的一个的至少基极的单个主体。
[0033] 优选地，微储集器和第一微通道完全填充有多孔材料，且第二微通道全部或部分地不含多孔材料以排出由微储集器和微通道组成的单元内部剩余的空气。
[0034] 任选地，微储集器和第一微通道完全填充有多孔材料，且第二微通道是空的，从而保持部分地填充所述单元。以此方式，当将所述传感器置于参考溶液中时，此溶液由第一微通道吸收且扩散到REFET晶体管的栅极，从而通过第二微通道排出第一微通道和微储集器内部的空气。
[0035] 在基于差分测量的传感器的变化中，所述单元是仅由微储集器和第一微通道组成的替代单元；即，微储集器不通过第二微通道连接到外部。此替代单元完全填充有多孔材料。以此方式，当所述传感器浸入到参考溶液中时，此溶液浸透多孔材料，从而在微储集器内部产生压缩空气的压力，使得微储集器变得部分地填充有所述溶液。微储集器内部的REFET栅极的布局必须使得REFET栅极保持与填充有参考溶液的部分接触。此配置促进生产。
[0036] 在本发明的另一个方面中，描述一种包括易于与介质接触以用于测量其离子浓度的容器的离子测量装置。此容器又包括：
[0037] ●先前根据其变体中的任一个描述的传感器，
[0038] ●控制单元，其连结到以上提及的传感器以计算所述介质的离子浓度，和[0039] ●指示器单元，其连结到所述控制单元以在视觉上向用户指示所述介质的离子浓度。
[0040] 优选地，多孔材料占据由微储集器和一个或多个微通道组成的单元的的5％与95％之间的总容积，从而保持REFET晶体管栅极和微通道中的一个的至少基极与多孔材料接触。
[0041] 优选地，此多孔材料具有0.01μm与100μm之间的孔径。更具体来说，此多孔材料是在由微储集器和微通道组成的单元内部蒸发含有10重量％的氧化铝颗粒的水性悬浮液的结果，所述氧化铝颗粒的直径的范围在0.01μm与100μm之间。当此悬浮液蒸发时，其产生孔隙范围在0.01μm与100μm之间的多孔材料，所述多孔材料部分地填充以上提及的微储集器和微通道。
[0043] 替代地，多孔材料包括形成单个主体作为一种矩阵的数个导柱。更具体来说，这些导柱具有范围在0.01μm与100μm之间的直径，且彼此分离达范围在0.01μm与100μm之间的距离。优选地，这些导柱使用微机械加工技术，例如运用感光材料使用光刻工艺，制成。
[0044] 另外，可在由微储集器和微通道组成的单元上直接微机械加工这些导柱，因此促进离子传感器的生产。
[0045] 孔径及/或导柱之间的分离的此范围防止产生道南电位，同时确保参考溶液通过毛细作用的流动足以排出微储集器和微通道内部的空气且在不到一分钟内将微储集器和微通道部分地填充有参考溶液。
[0046] 另外，为了使通过毛细作用吸收参考溶液变得可能，多孔材料必须是亲水性的，即，其必须具有低于90°的接触角。如果多孔材料不具有低于90°的接触角，那么在所述状况下，所述亲水性可借助于某一已知处理获得，例如活化氧气等离子体中的多孔材料的表面和/或将这些表面涂布有含有水性溶液中的可离子化官能基例如3-氨丙基三乙氧基硅烷的分子。
[0047] 不同于具有较小孔径的其它多孔材料，此多孔和亲水性材料防止形成道南电位，且因此其不呈现孔隙的内部与待测量的所述传感器在测量执行期间所浸入的溶液之间的电位差。因此，即使存在参考溶液与待测量的溶液之间的液体接界，但测量中的误差不大于运用REFET获得的误差，所述REFET使微储集器和微通道内部的所有容积仅填充有参考溶液。以此方式，归因于其亲水性属性，其允许微储集器部分地或全部地快速填充参考溶液。因此，其相比于ISFET-REFET传感器呈现较准确测量，所述ISFET-REFET传感器的微储集器填充有凝胶。
[0048] 本发明的另一优点是归因于多孔材料高度亲水性，且因此相较于仅填充有参考溶液的REFET，在使所述传感器不处于参考溶液中的情况下，会花费较长时间变干的事实。
[0049] 另外，在所述传感器完全变干的情况下，其可通过将其再次浸入到参考溶液中而容易且快速地复水，且无形成气泡的风险，因此其使用寿命相较于目前现有技术所描述的传感器较长。此传感器还允许浸入到参考溶液中以再校准传感器且将微储集器和一个或多个微通道中的离子浓度返回到其在执行测量之前的水平。
[0050] 本发明的另一优点是如下事实：不同于具有用以产生微储集器的内部与外部之间的液体接界的多孔膜的传感器，如文献US4874499阐述，本发明的传感器允许较容易地填充微储集器，因为通过仅将传感器浸入到参考溶液中，参考溶液会通过毛细作用流动且部分地或全部地填充储集器。如前述文献中所描述的多孔膜的多孔膜不与第二传感器的栅极接触且不部分地或完全地填充第二参考传感器的微储集器。文献US4874499提及需要额外微通道以填充传感器。在此状况下，填充不通过毛细作用发生，且主动系统需要将参考溶液泵送到微储集器中。
[0052] 为了补充现在给定的描述且为了有助于较好地理解根据优选实际实施例的本发明的特性，本描述伴随有一组出于说明性非限制性目的而提供的附图作为其整体部分，在所述附图中：
[0053] 图1a展示根据目前现有技术中已知的溶液的从运用填充有聚(HEMA)型凝胶的REFET进行测量获得的结果的表。
[0054] 图1b展示根据目前现有技术中已知的溶液的从运用填充有参考溶液的REFET进行测量获得的结果的表。
[0055] 图2展示基于差分测量的离子传感器的示意图。
[0056] 图3展示REFET的优选配置的示意图。
[0057] 图4展示浸入到参考溶液中的先前图中的REFET的示意图。
[0058] 图5展示REFET的另一优选配置的示意图。
[0059] 图6展示浸入到参考溶液中的先前图中的REFET的示意图。
[0060] 图7展示REFET的另一优选配置的示意图，其中部分切除展示微储集器的内部。
[0061] 图8展示从运用填充有多孔材料的REFET进行测量获得的结果的表。
[0062] 图9展示REFET的另一优选配置的示意图。
[0063] 图10展示浸入到参考溶液中的图9中的REFET的示意图。
具体实施方式
[0064] 在本发明的优选实施例中，如图2中所展示，基于差分测量的离子传感器(1)由具有连接轨(3、3')的衬底(2)和一个电极(4)构成。
[0065] 在前述衬底(2)上，集成有具有一个栅极的第一离子敏感场效应晶体管与第二离子敏感场效应晶体管，被称为ISFET晶体管(5、5')的所述第一离子敏感场效应晶体管及第二离子敏感场效应晶体管集成在第一芯片及第二芯片中，其中其相应栅极(6、6')均借助于可接合电线(7、7')连接到连接轨(3、3')。更具体来说，第一ISFET晶体管(5)由在其栅极(6)上形成微储集器(8)的结构覆盖且通过微通道(9)连接到外部。在ISFET(5)的此配置下，微储集器(8)和微通道(9)组成测量参考溶液(12)的REFET晶体管(10)，而另一ISFET晶体管(5)测量待测量的溶液。传感器(1)比较两个测量之间的电位差以获知待测量的溶液中的离子浓度。
[0066] 另外，传感器(1)包括完全覆盖前述连接轨(3、3')和电线(7、7')的聚合囊封材料(15、15')。此囊封材料(15')部分地覆盖ISFET晶体管(5')，从而保持其栅极(6')未被覆盖。关于REFET晶体管(10)，囊封材料(15)仅覆盖可接合电线(7)连结到REFET晶体管(10)的区域。
[0067] 图3更详细地展示REFET晶体管(10)；明确地说，微储集器(8)和微通道(9)组成部分地填充有多孔材料(11)的单元。此多孔材料(11)形成完全覆盖ISFET晶体管(5)的栅极(6)和微通道(9)的基极的单个主体。此多孔材料(11)包括形成数个具有0.05μm的直径的孔隙的氧化铝颗粒。另外，多孔材料(11)占据由微储集器(8)和微通道(9)组成的单元的10％的总容积。
[0068] 归功于此配置，如图4示意性地展示，当传感器(1)浸入到参考溶液(12)中时，多孔材料(11)通过毛细作用将参考溶液(12)吸收通过微通道(9)且将其扩散到形成REFET(10)的部分的栅极(6)。瞬时地，归因于通过毛细作用的效应施加的压力，占据微储集器(8)和微通道(9)的单元的空气(14)通过不含多孔材料(11)的区排出。
[0069] 在图5中展示的另一优选实施例中，微储集器(8)并有额外微通道(13)以允许排放在微储集器(8)内部积聚的空气(14)。具体来说，微储集器(8)和微通道(9、13)组成部分地填充有形成单个主体的多孔材料(11)的单元。多孔材料占据整个微储集器(8)和第一微通道(9)，且使得整个第二微通道(13)暴露。
[0070] 以此方式，如图6展示，当传感器(1)浸入到参考溶液(12)中时，多孔材料(11)通过毛细作用将参考溶液(12)吸收通过微通道(9)且将其扩散到REFET(10)的栅极(6)。瞬时地，占据微储集器(8)和第一微通道(9)的单元的空气(14)通过第二微通道(13)，即不含多孔材料(11)的区，排出。
[0071] 在图7中展示的本发明的另一优选实施例中，多孔材料(11')包括数个导柱，所述导柱在由微储集器(8)和微通道(9)组成的单元上形成单个主体作为一种矩阵。已使用光刻直接在微储集器(8)的结构上微机械加工这些导柱，这些导柱具有10μm的直径，且彼此分离达10μm的距离。
[0072] 出于示范传感器(1)的优点的目的，已进行若干测试。明确地说，已利用如下配置进行了测试：如图3中的配置的微储集器(8)与一个微通道(9)的配置；如图5中表示的配置的两个微通道(9、13)的配置；或如图7中的配置的导柱的矩阵的配置，从而获得图8中显示的结果。比较图1a、1b和8，可以图形方式观测到本发明相比于目前现有技术的改进。以此方式，本发明的传感器(1)在测量中不呈现在具有凝胶的其它传感器中是常见的干扰，且REFET对其对不同pH的响应的贡献是小的且稳定，这与直接使用参考溶液(12)的状况相当。
[0073] 在如图9中所展示的传感器(1)的另一优选实施例中，微储集器(8)和第一微通道(9)全部填充有多孔材料(11)且不存在第二微通道。
[0074] 以此方式，如图10展示，当传感器(1)浸入到参考溶液(12)中时，多孔材料(11)通过毛细作用将参考溶液(12)吸收通过微通道(9)且将其扩散到REFET(10)的栅极(6)。瞬时地，占据微储集器(8)和第一微通道(9)的单元的空气(14)在微储集器(8)内部被压缩。
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