集成离子传感设备和方法技术

提供集成的离子敏感探针。在例子中，离子敏感探针可包括半导体基板和附接半导体基板的第一无源电极。第一无源电极可被配置为接触溶液并提供第一电压，该第一电压是溶液中离子浓度的函数。在某些例子中，无源参比电极可以并置在半导体基板上。在一些例子中，处理电子设备可以集成在半导体基板上。

Integrated ion sensing equipment and methods

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成离子传感设备和方法优先权本申请要求O'Donnell于2017年5月15日提交的标题为“集成离子感测设备和方法”的美国临时专利申请No.62/506,318的优先权的权益。
技术介绍
用于测量水溶液中离子浓度的“金标准”涉及玻璃电极。玻璃电极系统是一种测量设备，具有一种由对特定离子敏感的掺杂玻璃离子制成的离子选择或离子敏感电极。玻璃电极系统可以包括两个电极，一个电极用于感测目标离子，例如氢离子(H+)，另一个电极用于提供参考。两个电极均在被测液体的界面处提供电压。参比电极提供了几乎恒定的电压，该电压可以独立于目标离子浓度，传感或指示电极提供的电压随目标离子浓度而变化。电压通过导线介质传输到放大器系统，然后进行处理以进行显示或数据收集。在某些情况下，可以将电压转换为数字值，例如，通过模数转换器(ADC)进行数字化处理。可干扰测量的玻璃电极系统的特性包括通常在40兆欧姆(MΩ)至800MΩ量级的输出阻抗、与导线介质耦合的噪声以及导线介质和探头的费用。除玻璃电极外，还有性能低下的一次性解决方案，例如石蕊试纸，它们是被动条，可根据目标离子的浓度而改变颜色。石蕊试纸的测量不被认为是精确的，因为，例如，使用石蕊试纸涉及主观的颜色读取，试纸本身会干扰小的样品，并且可能难以制造覆盖整个离子浓度范围的试纸。
技术实现思路
基于激活的FET栅极的离子敏感场效应晶体管(ISFET)可以产生与pH指数(Non-Nernstian)有关的输出源极-漏极电流。这种方法在电荷捕获、滞后和漂移方面可能会受到限制。另外，ISFET仅提供指示电极，通常需要额外的外部参比电极。本文件描述集成的离子敏感探针。其可包括半导体基板和附接的第一无源电极。第一无源电极可被配置为接触溶液并提供第一电压，该第一电压是溶液中离子浓度的函数。无源参比电极可以并置在半导体基板上。处理电子设备可以集成在半导体基板上。该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。并不旨在提供本专利技术的排他性或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的更多信息。附图说明在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文档中讨论的各种实施例。图1大体上示出了无源固态离子敏感电极的示例。图2总体上示出了集成固态离子探针的示例。图3总体上示出了离子探针的示例的框图。图4总体上示出了用于直接提供指示H+离子浓度的信号而不是pH指示的示例电路。图5A和图5B大体上示出了参比电极的配置的示例。图6A和图6B大体示出了包括参比电极和一个或多个指示电极的探针布局的示例。图7总体上示出了操作离子敏感探针的方法的示例，该离子敏感探针包括集成在半导体基板上的无源电极。图8A和图8B大体上示出了示例通道822，其用于调节流向如上所述的离子感测系统的底层的流体。图9A至图9D大体上示出了示例性通道，其可以允许目标材料或目标溶液被携带至无源离子敏感电极或通过无源离子敏感电极。图9E总体上示出了包括过滤通道的示例性基板。图9F大体上示出了用于将测试材料引导至例如无源离子敏感电极的堆叠结构的示例的分解图。图10A至图10E大体示出了示例性通道，该示例性通道可包括邻近或接近该通道的调节元件。图11总体上示出了具有侧向微流体通道和加热装置的示例性基板或封装材料。图12总体上示出了具有微流体通道和磁性装置的示例性基板或包装材料。图13A和图13B大体示出了包括基板和凝胶的界面。图14A和图14B总体上示出了示例性电极结构。图15总体上示出了示例性电极结构，该示例性电极结构在公共基板中包括多个电极。图16A大体示出了具有用于增加表面积的表面拓扑的离子敏感材料。图16B示出了可以在电极中暴露的离子敏感性材料的替代形状。图17A和图17B大体上示出了根据本主题的各个实施例的传感器。图18A-图18D大体示出了示例性半导体电极结构，该半导体电极结构结合有用于目标材料到达或经过一个或多个电极的导管。图19A和图19B总体上示出了示例性离子传感器组件，其包括诸如导管和管的连接器。图20总体上示出了具有多个感测电极或元件的离子传感器组件。图21总体上示出了用于离子传感器的示例性电极结构的截面图。图22大体示出了用于离子传感器的示例性电极结构和系统的截面图。图23示出了例如用于潜水离子传感器的示例性电极结构和系统的截面图。图24总体上示出了示例传感器结构，以减轻由于通道结垢而引起的传感器过早更换。图25总体上示出了包括温度传感器的示例传感器结构。图26A-图26C示出了通常的示例离子传感器结构，其包括可调节的电阻性材料的截面。图27总体上示出了包括指示电极阵列的示例传感器。图28总体上示出了具有电导率传感器的示例传感器结构。图29A和图29B大体上说明，实施例的电极结构，包括一个护罩，以保护电极。图30总体上示出了传感器结构，其可以允许使用可寻址或顺序激活的电极的扩展操作。图31概括地示出了可以用作图30所示的系统的一部分的传感器的电极结构的示例。图32总体上示出了用于操作包括无源离子敏感电极的设备的示例性方法的流程图。图33总体上示出了阵列传感器的另一示例。具体实施方式本专利技术人已经认识到，包括无源、固态、离子敏感电极的离子感测系统可以大大减小尺寸和成本。相比于其它固态离子感测解决方案，本专利技术的主题也可以帮助提供降低的漂移。温度感测可与离子感测电极位于同一位置，例如提供辅助测试，以帮助准确报告pH。并置的电极和温度传感器可以具有非常低的热质量，这可以帮助提供更快的温度平衡响应，进而可以帮助减少小样本的温度破坏。放大器系统和存储器可以与电极并置。这可以允许对单个电极或传感器进行工厂或现场校准，这在玻璃电极中可能比较困难，因为放大器和传感器不是唯一耦合的。最后，本方法的小得多的尺寸和成本可以开拓目前不能使用玻璃电极的新用途和市场，例如高性能一次性离子传感探针的前景。图1大体上示出了无源固态离子敏感电极101的示例。电极101可以包括基板106的一部分，例如可以使用半导体制造工艺在其上一体地形成离子敏感材料107、电互连迹线108和绝缘体109。例如，基板可以包括诸如基于硅的基板106、玻璃基板或聚合物基板之类的半导体基板。“无源”电极101是指尽管电极101与半导体基板集成在一起，但是并未集成为场效应晶体管(FET)或其他晶体管结构的一部分。因此，无源电极101不是FET的晶体管栅极区域、晶体管漏极区域或晶体管源极区域的一部分(尽管电极101可以被制造在基板106的可以用作体端子或晶体管的区域的区域上)。因此，因为电极101不是晶体管的栅极、源极或漏极端子或等效端子的一部分，所以即使它可以互连(例如，通过集成的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在不需要有源电极的情况下感应材料浓度的集成离子敏感探针设备，该设备包括：/n半导体基板；/n第一无源电极，其与所述半导体基板集成并配置为接触溶液并提供第一电压，该第一电压是所述溶液中离子浓度的函数；和/n被配置为将所述溶液引导至所述第一无源电极的通道。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170515 US 62/506,3181.一种用于在不需要有源电极的情况下感应材料浓度的集成离子敏感探针设备，该设备包括：
半导体基板；
第一无源电极，其与所述半导体基板集成并配置为接触溶液并提供第一电压，该第一电压是所述溶液中离子浓度的函数；和
被配置为将所述溶液引导至所述第一无源电极的通道。


2.权利要求1所述的设备，其中所述通道包括第一微通道，被配置为将所述溶液传导至所述第一无源电极。


3.权利要求2所述的设备，其中所述基板包括耦合到所述第一微通道的多个第二微通道，所述多个第二微通道被配置为当所述第二微通道中的一个被污染时允许设备操作。


4.权利要求2或3所述的设备，其中所述第一无源电极位于第一平面中；和
其中所述第一微通道被配置为在所述半导体基板内平行于所述第一平面引导所述溶液。


5.权利要求4所述的设备，其中所述第一微通道延伸穿过所述半导体基板一定长度，并且所述半导体基板内的第一微通道沿该长度开口，并且
其中所述设备包括被配置为沿所述长度封闭所述第一微通道的盖。


6.权利要求2至5所述的设备，其中所述第一无源电极位于第一平面中；和
其中所述第一微通道被配置为在所述半导体基板内垂直于所述第一平面引导所述溶液。


7.前述任一项权利要求所述的设备，其中所述通道包括过滤器、半透膜、磁性元件、加热元件或压电元件中的至少一种。


8.前述任一项权利要求所述的设备，其中所述第一无源电极是第一指示电极，并且所述设备包括参比电极结构，所述参比电极结构包括：
无源离子敏感参比电极；
容器，被配置为接收参比材料并保持所述参比材料与所述无源离子敏感参比电极接触；和
至少一个微通道，被配置为在所述容器中的参比材料和与所述第一指示电极接触的目标材料之间建立离子交换界面。


9.权利要求8所述的设备，包括一个或多个附加指示电极。


10.权利要求1至7中任一项所述的设备，其中所述第一无源电极是第一指示电极，并且该设备包括与所述第一指示电极排成阵列的多个附加无源指示电极，以形成指示电极的阵列。


11.权利要求10所述的设备，包括参比电极结构，所述参比电极结构包括：
无源离子敏感参比电极；
容器，被配置为接收参比材料并保持所述参比材料与所述无源离子敏感参比电极接触；和
至少一个微通道，被配置为在所述容器中的参比材料和与所述第一指示电极或多个附加指示电极中的至少一个接触的目标材料之间建立离子交换界面。

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【专利技术属性】
技术研发人员：A·伯杜克，A·奥都奈尔，T·奥德怀尔，H·伯尼，
申请(专利权)人：亚德诺半导体无限责任公司，
类型：发明
国别省市：百慕大;BM