专利名称：：塑料电位离子选择感测器及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种感测器及其制造方法，尤其涉及一种塑料电位离子选择感测器及一种整合溅镀与/或印刷工艺及内嵌系统技术的制造塑料电位离子选择感测器的方法。
背景技术：
：离子感测场效应管(IonSensitiveFieldEffectTransistors,ISFETs)是70年代开始研发出来并得到快速发展的微感测器。仅仅过去的30年已经具有超过600篇关于酶场效应管(EnzymeFieldEffectTransistors,EnFETs)以及免疫场效应管(ImmunoFieldEffectTransistors,IMFETs)的研究论文以及另外150篇相关文章(请参阅"ThirtyyearsofISFETOLOGY:ffhathappenedinthepast30yearsandwhatmayhappeninthenext30years，，SensorsandActuatorsBVol.88,pp.1-20,2003)。另夕卜离子感测场效应管还可用于取代易碎的玻璃电极来测量PH值及离子例如Na+、K+、Cr、NH4+、Ca2+的浓度(请参阅MiaoYuqing,GuanJianguo,andChenJianrong,“Ionsensitivefieldeffecttransducer-basedbiosensors",Bio.technologyAdvances,Vol.21,pp.527-534,2003.)。此种概念是由P.Bergveld首先提出的。通过使用一种没有门极的金属氧化物场效应管(MetalOxideSemiconductorFieldEffecttransistor,M0SFET)一个具有二氧化硅层的装置与一个参考电极一起置入水溶液中。与玻璃电极的反应相似，通过该装置的电流随氢离子的浓度改变。因此离子感测场效应管具有酸碱感测能力(请参阅ChenJian-pin,LeeYang-Ii,KaoHung,“Ionsensitivefieldeffecttransistorsandapplicationsthereof",AnalyticalChemistry,Vol.23,No.7,pp.842-849,1995以及WuShih-Hsiang,YuChun,WangKuei-hua,"Measurementbychemicalsensors",Sensortechnology,No.3,pp.57-62,1990)。一些离子感测场效应管装置已经被商业化，例如ArrowScientific、Deltatrak、及Metropolis等公司生产的离子感测pH计。然而这些pH计存在稳定性差、寿命短、漂移及滞后效应等问题。本发明公开另外一种离子感测场效应管——延伸式门极场效应管(ExtendedGateFieldEffectTransistor，EGFET)。场效应管与化学测量环境隔离。一层化学感测膜设置于从门极区延伸而出的信号线的一端。具有电效应的部分与具有化学效应的部分是分别进行封装。因此与传统的离子感测场效应管相比，延伸式门极场效应管封装工艺更加容易、易于储存并具有更高的稳定性(请参阅廖汉洲发表于2004年6月台湾中原大学硕士论文第11-29页的“应用于生物感测器之新型校正与补偿技术电路")。近年来进行了大量关于延伸式门极离子感测场效应管特性的研究，例如装置设计(请参考:LiTeYin，JungChuanChou,WenYawChung，TaiPingSun，andShenKanHsiung，“SeparatestructureextendedgateH+-ionsensitivefieldeffecttransistoronaglasssubstrate“，SensorsandActuatorsB，Vo1.71,106-111，2000；LiTeYin，JungChuanChou,WenYawChung,TaiPingSun，andShenKaiHsiung,“StudyofindiumtinoxidethinfilmforseparativeextendedgateISFET"，MaterialsChemistryandPhysics，Vol.70,pp.12-16,2001；LiTeYin，JungChuanChou,WenYawChung,TaiPingSun，KuangPinHsiung，andShenKanHsiung，“StudyonglucoseENFETdopedwithMn02powder"，SensorsandActuatorsB,Vo1.76，pp.187-192,2001;殷立德，“以离子感测场效应管做为生物感测器之研究〃，中原大学医学工程研究所博士论文(2001.6)第76-108页)；分析特性(请参考覃永隆，“以CMOS工艺技术制作延伸式场效应管及其信号处理集成电路之研究〃，中原大学电子工程研究所博士论文(2001.6)第36-44页；陈佳琪，“可抛弃式尿素感测器与前置放大器之研究〃，中原大学医学工程研究所硕士论文(2002.6)第51-80页JiaChyiChen,JungChuanChou,TaiPingSun，andShenKanHsiung，“Portableureabiosensorbasedontheextended-gatefieldeffecttransistor“，SensorsandActuatorsB，Vo1.91,pp.180-186,2003；ChungWePan，JungChuanChou,IKoneKao,TaiPingSun，andShenKanHsiung，“UsingpolypyrroleasthecontrastpHdetectortofabricateawholesolid-statepHsensingdevice“，IEEESensorsJournal，Vo1.3，pp.164-170，2003；JuiFuCheng，JungChuanChou,TaiPingSun，andShenKanHsiung，“StudyonthechlorideionselectiveelectrodebasedontheSn02/IT0glass，，，ProceedingsofThe2003ElectronDevicesandMaterialsSymposium(EDMS)，NationalTaiwanOceanUniversityKeelung,Taiwan,R.0.C.,pp.557-560,2003；JuiFuCheng，JungChuanChou,TaiPingSun，andShenKanHsiung,"StudyonthechlorideionselectiveelectrodebasedontheSn02/IT0glassanddouble-layersensorstructure“，ProceedingsofThelOthInternationalMeetingonChemicalSensors，TsukubaInternationalCongressCenter,Tsukuba,Japan,pp.720—72，2004.)，漂移及■后效应特性(请参考廖汉洲，“应用于生物感测器之新型校正与补偿技术电路"，中原大学电子工程研究所硕士论文(2004.6)第11-29页；ChuNengTsai,JungChuanChou,TaiPingSun,andShenKanHsiung,“StudyonthehysteresisofthemetaloxidepHelectrode",ProceedingsofTheIOthInternationalMeetingonChemicalSensors,TsukubaInternationalCongressCenter,Tsukuba,Japan,pp.586-587,2004；ChuNengTsai,JungChuanChou,TaiPingSun,andShenKanHsiung,"StudyonthesensingcharacteristiesandhysteresiseffectofthetinoxidepHelectrode",SensorsandActuatorsB,Vol.108，pp.877—882，2005.)
发明内容与以上描述的前案相比，本发明借助整合溅镀与/或印刷工艺及内嵌系统技术而提供一种塑料电位离子选择感测器。一种具有二氧化锡/氧化铟锡/塑料隔离结构的酸碱感测电极与内嵌系统技术一并用于制造塑料电位离子选择感测器。本发明的塑料电位离子选择感测器可立即在一个液晶显示器上显示测量结果并可将结果储存至存储卡上以增强便携性。另外，上述塑料电位离子选择感测器具有与电脑进行数据通讯的能力。最后，使用了针对漂移与滞后的软件校正技术。因此，上述方法可增加离子检测精度与系统可靠性。上述装置可用于PH值测量。如果使用其他聚合物选择基还可用于检测其他离子，因此其应用范围广泛。上述感测器同样可增加临床、生物信号、与环境监测中相关设备的精度及使用范围。由于制造方法仅需要简单的设备，因此其工艺成本很低，可大规模制造。本发明的塑料电位离子选择感测器在PH值测量中具有很强的实用性。本发明揭示一种可借助溅镀与/或印刷工艺以制作成微型组件的基于场效应管的塑料电位离子选择感测器。塑料电位离子选择感测器不需要用额外的偏置电压来转换信号。所揭示的塑料电位离子选择感测器包括一个塑料基底、形成在基底上的至少一个工作电极、一个印刷在基底上的参考电极、以及印刷在基底上的电导线。其中，电导线用于电耦合至外部电路或元件以及输出/传输工作电极及参考电极所感测到的信号。所揭示的塑料电位离子选择感测器是可替换的。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。图1是本发明第一实施例提供的塑料电位离子选择感测器的示意图。图2是本发明第一实施例的塑料电位离子选择感测器的剖面图。图3是本发明第一实施例的塑料电位离子选择感测器的另一变化例剖面图。图4是本发明第二实施例提供的塑料电位离子选择感测器的示意图。图5是本发明提供的在塑料基底上制造塑料电位离子选择感测器的方法流程图。100塑料电位离子选择感测器110:塑料基底120:工作电极122:导电层124:感测层130:参考电极132:第二感测层134:第二导电层136:聚合物或凝胶层155A、155B电缆或无线传输接口140:电导线145连接线150:电脑152:信号处理单元具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。本发明探讨一种塑料电位离子选择感测器。为便于理解本发明以下将详细描述其结构及元件。然而本发明的应用并不限于所描述的细节。另一方面，为简洁的目的对于本领域具有通常知识者所熟知的结构与元件并没有详细描述。以下对说明书中本发明的一些实施例详细描述。然而，可以理解本发明还可采用除明确描述的实施例外的其他方式实施，亦即本发明可同样用于其他实施例。本发明的范围如权利要求的范围所述而并不限于所述实施例。如图1所示，本发明第一实施例揭示一种用于检测pH值的塑料电位离子选择感测器100，其包括一个塑料基底110、形成于塑料基底110上的至少一个工作电极120、印刷于塑料基底110上的一个参考电极130、以及印刷于基底110上的电导线140。电导线140电耦合到外部环境或位于塑料电位离子选择感测器100外部的装置，用于输出检测信号。电导线140包括多根连接线145，并分别连接到工作电极120与参考电极130以传输工作电极120及参考电极130检测到的信号。上述塑料基底110的材质可选自聚乙烯对苯二甲酸酯(polyethyleneter印hthalate，PET)、聚碳酸酯(Polycarbonates，PC)、聚邻苯二甲酸酯(polyethylenenaphthalate,PEN)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)、聚醚砜(polyethersulfone,PES)、聚醚酰亚胺(polyetherimide，PEI)、聚酰亚胺(polyimide，PI)、茂金属环烯烃共聚物(metallocenebasedcyclicolefincopolymer，mCOC)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(acrylonitrilebutadienestyrene，ABS)、聚乙烯、丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、及其共聚物或杂聚物。在本实施例中，工作电极120与参考电极130形成于塑料基底110的同一侧的表面。在其他实施例中，工作电极与参考电极可分别形成于塑料基底的不同侧的表面，且具有复数电导线形成于不同侧的表面，以使工作电极与参考电极分别与不同的电导线相连接。如图2所示，在本实施例中，上述工作电极120包括一层形成于塑料基底110上的导电层122、以及形成于导电层122上的第一感测层124。可选地，感测层124上还可形成一层离子选择层。离子选择层赋予塑料电位离子选择感测器100检测各种离子如钠离子、钙离子、钾离子、氯离子与氢氧离子的能力。因此塑料电位离子选择感测器100不仅可应用于PH值的测量还可用于其他离子的浓度检测。在一些实施例中，第一感测层124可以省略而离子选择层可直接形成于第一导电层122上。上述第一导电层122具有低的电阻以提高其传输检测信号的效率。第一导电层122的材质可选自金、铜、碳、银、氯化银或氧化铟锡。上述第一感测层124的材质可选自二氧化锡、二氧化钛或氮化钛。在本实施例中，参考电极130包括形成于塑料基底110上之第二感测层132。第二感测层132的材质可选自铜、碳、银、金、氯化银、氧化铟锡或钼。请参阅图3，其为本实施例的另一变化实施方式的示意图。其中参考电极130包括形成在第二感测层132与塑料基底110之间之第二导电层134。第二感测层132被大量电解质覆盖。上述电解质可为其内分散有盐的聚合物或凝胶(层136)。在其他实施例中，还可不设置第二感测层132，而聚合物或凝胶层136可直接形成在第二导电层134上。第二导电层134的材质可选自金、铜、碳、银、氯化银或氧化铟锡。第二感测层132的材质可选自铜、碳、银、金、氯化银、氧化铟锡或钼。如图4所示，本发明第二实施例揭示一种塑料电位离子选择感测器。塑料电位离子选择感测器100置于一未知溶液中。软件校正被实施用来改善感测单元的测量滞后及漂移现象的问题。然后执行两点(pH4、pH7)校正程序以消除误差从而提供更加精准的感测信号。最后，由信号处理单元152，例如信号读取电路或电仪表，处理PH值测量结果，然后在一个电脑150、一个显示器或一个液晶显示器立即显示出来，并且存储在数码存储单元中。上述信号处理单元152可直接印刷于塑料电位离子选择感测器100的塑料基底110上以进一步降低制造成本。在读取数码存储单元内的数据时可采用一读卡器读入电脑。另外，本发明的塑料电位离子选择感测器可采用电缆或无线传输接口155A或155B，例如通用串行总线(universalserialbus,USB)或通用异步收/发两用机(universalasynchronousreceiver/transmitter,UART)将检测到的信号传输给个人电脑及或手提电脑以提高系统的灵活性。借助上述的方法，未知溶液的PH值可以快速而准确的测量出。如图5所示，本发明还揭示一种制造塑料电位离子选择感测器的方法。流程图200包括五个主要步骤。第一步骤210，提供塑料基底(塑料基底的材质如前述)；第二步骤220，在塑料基底上印刷参考电极；第三步骤230，采用掩膜覆盖参考电极以在后续步骤中遮住参考电极；第四步骤240，在塑料基底上形成工作电极以及印刷电导线，其中电导线用于与外部环境电耦合以输出工作电极及与参考电极检测到的信号；第五步骤250，去除掩膜。采用上述步骤即可制造得到本发明的塑料电位离子选择感测器。在本实施例中，工作电极120与参考电极130形成于塑料基底110的同一侧的表面。在其他实施例中，工作电极与参考电极可分别形成于塑料基底的不同侧的表面，且具有复数电导线形成于不同侧的表面，以使工作电极与参考电极分别与不同的电导线相连接。在另一制造塑料电位离子选择感测器的方法中参考电极与工作电极可各自印刷在不同的塑料基底上然后将各基底组合至一起。本实施例的另一实施方式中，工作电极可采用射频溅镀或印刷的方法形成于塑料基底上。本实施例的另一实施方式中，第四步骤240于塑料基底上形成工作电极进一步包括在上述塑料基底上形成第一导电层及在第一导电层上形成第一感测层。第一导电层具有低电阻以提高检测信号的传输效率。第一导电层的材质可选自金、铜、碳、银、氯化银或氧化铟锡。第一感测器的材质可选自二氧化锡、二氧化钛或氮化钛。本实施例的其他实施方式中，第二步骤220于塑料基底上印刷参考电极进一步包括在上述塑料基底上形成第二感测层。第二感测层的材质可选自铜、碳、银、金、氯化银、钼或氧化铟锡。实施例根据以上描述，印刷在塑料基底上的工作电极、参考电极与电导线借助以下步骤形成于整个基底上粘接一层铜，然后采用一个临时掩膜遮蔽后去除(例如采用蚀刻法)不需要的铜而保留所需要的铜线路。一些印刷方法可用来在裸基底(或具有一层非常薄的铜层的基底上)上制作线路。通常这是通过包括多个电镀步骤的复合工艺实现的。有三种通用的“减法工艺”(用于去除铜层的工艺)可用于上述印刷方法(1)采用丝网印刷的方法形成阻蚀的墨水以保护铜箔。后续采用蚀刻步骤去除不需要部分的铜。可替换地，上述墨水可为导电性墨水，并印刷于一空白(不导电)的底板上；(2)采用一个光罩进行光蚀刻从基底上去除铜箔。光罩通常根据来自技术人员设计的数据或者电脑辅助制造软件生成的数据采用光绘图仪制成。激光印刷透明胶片通常用于曝光用具。然而直接激光成像技术可用来取代用于高分辨率要求的曝光用具。(3)采用两轴或三轴机械铣削系统直接从基底上铣去铜箔。上述印刷工艺还可采用“加法”工艺，其中最通用的是“半加成法(semi-additive)“工艺。其中未图案化的底板上已经具有一层薄铜层。然后一个逆掩膜(reversemask)被置于底板上(与减法工艺所使用的掩膜不同，逆掩膜将基底上最后成为线路的部分曝露出来)。额外的铜借助电镀形成在底板未被掩盖的区域上；铜可镀至任何需要的厚度。然后进行锡铅或其他表面电镀。上述逆掩膜被剥离，然后采用一快速蚀刻步骤从底板上去除当前曝露出来的原始铜层压板以膈开各线路。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。权利要求1.一种塑料电位离子选择感测器，其特征在于包括一个塑料基底；至少一个形成于该塑料基底上的工作电极；一个印刷于该塑料基底上的参考电极；以及印刷于该塑料基底上的电导线，该电导线用于电耦合至外部环境以传输检测信号。2.如权利要求1所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该塑料基底的材质选自聚乙烯对苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚邻苯二甲酸酯、聚四氟乙烯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、茂金属环烯烃共聚物、丙烯腈_丁二烯_苯乙烯共聚物、聚乙烯、丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂及其共聚物或杂聚物。3.如权利要求1所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该工作电极包括形成于该塑料基底上的一层第一导电层；以及形成于该第一导电层上的一层第一感测层。4.如权利要求3所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该第一导电层的材质选自铜、碳、银、金、氯化银或氧化铟锡。5.如权利要求3所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该第一感测层的材质选自二氧化锡、二氧化钛或氮化钛。6.如权利要求3所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该工作电极进一步包括形成该第一感测层顶部的离子选择层，或者该离子选择层取代该第一感测层。7.如权利要求1所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该参考电极包括形成于该塑料基底上的第二感测层，其中该第二感测层可选择性地与该塑料基底接触或非接触。8.如权利要求7所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该第二感测层的材质选自铜、碳、银、金、氯化银、氧化铟锡或钼。9.如权利要求7所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该参考电极进一步包括形成于该第二感测层与该塑料基底之间的第二导电层。10.如权利要求9所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该参考电极进一步包括形成于该第二感测层顶部的聚合物或凝胶层，或者该聚合物或凝胶层取代该第二感测层。11.如权利要求1所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该电导线包括多根分别连接到该工作电极与该参考电极的连接线，该检测信号分别由该工作电极与该参考电极产生且通过该多根连接线传输。12.如权利要求1所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该电位离子选择感测器进一步包括印刷于该塑料基底上的信号处理单元，其中该信号处理单元用于接收与处理该检测信号。13.如权利要求1所述的塑料电位离子选择感测器，其特征在于该工作电极与该参考电极形成于该塑料基底的同一侧的表面或不同侧的表面。14.一种制造塑料电位离子选择感测器的方法，包括提供一个塑料基底；在该塑料基底上印刷一个参考电极；采用一掩膜遮蔽该参考电极以在后续工艺中覆盖该参考电极；在该塑料基底上形成一个工作电极以及在该塑料基底上印刷电导线，其中该电导线用于电耦合至外部环境以传输检测信号；以及去除该掩膜。15.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于该塑料的材质选自聚乙烯对苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚邻苯二甲酸酯、聚四氟乙烯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、茂金属环烯烃共聚物、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚乙烯、丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、及其共聚物或杂聚物。16.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于该工作电极采用印刷工艺形成于该塑料基底上。17.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于该工作电极采用射频溅镀工艺形成于该塑料基底上。18.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于在该塑料基底上形成该工作电极的步骤进一步包括在该塑料基底上形成第一导电层；以及在该第一层电层上形成第一感测层。19.如权利要求18所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于该第一导电层的材质选自铜、碳、银、金、氯化银或氧化铟锡。20.如权利要求18所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于该第一感测层的材质选自二氧化锡、二氧化钛或氮化钛。21.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于在该塑料基底上印刷该参考电极的步骤进一步包括在该塑料基底上形成第二感测层，其中该第二感测层选自铜、碳、银、金、氯化银、氧化铟锡或钼。22.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于该电导线包括多根分别连接到该工作电极与该参考电极的连接线，该检测信号分别由该工作电极与该参考电极产生且通过该多根连接线传输。23.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其中该印刷方法选自以下方法减法工艺、丝网印刷、光蚀刻、铣削、与加成法工艺。24.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，在去除该掩膜之前进一步包括于该塑料基底上印刷一个信号处理单元，其中该信号处理单元用于接收与处理该检测信号。25.如权利要求14所述的制造塑料电位离子选择感测器的方法，其特征在于该工作电极与该参考电极形成于该塑料基底的同一侧的表面或不同侧的表面。全文摘要本发明揭示一种可采用溅镀与/或印刷工艺制作成微形组件的基于场效应管的塑料电位离子选择感测器。塑料电位离子选择感测器不需要用额外的偏置电压来转换信号。本发明揭示的塑料电位离子选择感测器包括一个塑料基底、形成于塑料基底上的至少一个工作电极、印刷在该基底上的参考电极、以及印刷在该基底上的电导线。电导线用于电耦合至外部环境以传输工作电极与参考电极检测到的信号。所揭示的塑料电位离子选择感测器是可替换的。文档编号C23C14/34GK101995424SQ201010152999公开日2011年3月30日申请日期2010年4月22日优先权日2009年8月6日发明者萧敻,马国栋申请人:中研应用感测科技股份有限公司