补偿由压力和物理应力引起的pH测量误差的设备和方法
【专利摘要】本发明涉及补偿由压力和物理应力引起的pH测量误差的设备和方法。一种pH感测设备包括离子感测电池，该离子感测电池包括：第一半电池，包括暴露于周围溶液的第一离子敏感场效应晶体管(ISFET)；和暴露于周围溶液的第二参比半电池。该pH感测设备进一步包括压力敏感补偿回路，其包括非离子敏感场效应晶体管(NISFET)。该pH感测设备被配置为使用来自离子感测电池的信号和来自压力敏感补偿回路的反馈来补偿压力和物理应力的至少一个。该pH感测电池进一步包括处理装置，该处理装置被配置为计算被补偿以最小化压力和物理应力的至少一个的最终pH读数。
【专利说明】补偿由压力和物理应力引起的pH测量误差的设备和方法
[0001 ] 关于联邦资助的研究或开发声明
[0002]本发明在美国海军研究办公室授予的N00014-10-1-0206政府支持下完成。政府对本发明具有某些权利。
【背景技术】
[0003]研究者测量海洋中CO2水平以监视全球变暖的风险和海洋健康。测量不同深度的海洋PH是研究者用于确定海洋中CO2水平的一种方法。
【发明内容】
[0004]一种pH感测设备包括离子感测电池(cell)，该离子感测电池包括:第一半电池，包括暴露于周围溶液的第一离子敏感场效应晶体管(ISFET);和暴露于周围溶液的第二参比半电池。该PH感测设备进一步包括压力敏感补偿回路，其包括非离子敏感场效应晶体管(NISFET)。该pH感测设备被配置为使用来自离子感测电池的信号和来自压力敏感补偿回路的反馈来补偿压力和物理应力的至少一个。该PH感测电池进一步包括处理装置，该处理装置被配置为计算被补偿以最小化压力和物理应力的至少一个的最终PH读数。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]应理解附图仅描绘示例性的实施例并且因此不被认为是范围的限定，示例性实施例将通过使用附图来以附加的特征和细节进行描述，其中:
[0006]图1A-1D示出了示例性pH感测设备的框图。
[0007]图2A示出了图1A的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0008]图2B示出了图1A的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0009]图3A示出了图1B的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0010]图3B示出了图1B的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0011]图4A示出了图1C的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0012]图4B示出了图1C的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0013]图5A示出了图1D的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0014]图5B示出了图1D的示例性pH感测设备的示例性实施例的更详细示意图。
[0015]图6示出了限制pH传感器输出的测量误差的示例性方法。
[0016]按照惯例，各个描述的特征不是按比例绘制的，而是被绘制以强调与示例性实施例相关的具体特征。
【具体实施方式】
[0017]在下面具体描述中，参考形成其一部分并且其中通过举例示出特定说明性实施例的附图。然而，应该理解其它实施例也可以被利用，并且可以进行逻辑、机械和电学方面的改变。进一步地，在附图和说明书中给出的方法不能理解为限定各个步骤的执行次序。以下的具体描述因此不具有限定的意义。
[0018]pH传感器的一种结构为被称为离子敏感场效应晶体管(ISFET)的固态半导体装置。在示例性实施例中，ISFET与参比半电池联合使用以测量周围溶液的pH值。电流型pH感测设备的准确性受到测量误差的限制，所述测量误差由与深海使用相关联的巨大的机械应力和与使得传感器强到足以在大的压力变化和长时间段的周期载荷下操作相关联的包装应力引起。另外，PH传感器的准确度由于ISFET的温度敏感性而受限。需要一种能够抵抗这些应力的深海pH传感器。
[0019]图1A是示例性pH感测设备100A的框图。设备100A包括三个主要部件:压力敏感补偿回路102、离子感测电池104和处理装置106。离子感测电池104分成两个半电池:ISFET半电池104A和参比半电池104B。ISFET半电池104A包括第一 ISFET (例如下面的图2-5所示的第一 ISFET202)。在其它示例性实施例中，离子感测电池104没有分成两个半电池。在其它示例性实施例中，离子感测电池104分成更多数量的子电池。
[0020]在pH感测设备100A的示例性实施例中，压力敏感补偿回路102包括非离子敏感场效应晶体管(NISFET)(例如NISFET204或NISFET250)。在示例性实施例中，NISFET (例如NISFET204)是被离子阻塞膜(例如离子阻塞膜218)密封的ISFET，使得它不再对诸如海水之类的待测溶液(例如待测溶液220)中的离子敏感。示例性离子阻塞膜(例如离子阻塞膜218)包括用以禁用栅极的金属沉积和用以防止金属沉积腐蚀的绝缘沉积。在示例性实施例中，金属沉积包括金、钼、钛、钽、镍、铬、招、鹤、铱、或银。在示例性实施例中，绝缘沉积包括氧化硅、氧化铝、类钻碳(DLC)、氮化铝、玻璃组分、氧化钽、氧化铍、或氮化硅。在示例性实施例中，NISFET(例如NISFET250)为金属氧化物半导体场效应晶体管。在示例性实施例中，NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的压力和温度敏感度基本等于第一 ISFET (例如第一 ISFET202)。NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的压力和温度敏感度与第一ISFET(例如第一 ISFET202)越接近，该差分结构(differential setup)能够越好地提供补偿。在示例性实施例中，ISFET (例如ISFET202)和NISFET (例如NISFET204或NISFET250)将具有常用的硅基底。在示例性实施例中，ISFET (例如ISFET202)和NISFET (例如NISFET204或NISFET250)在常用的晶片上制造。
[0021]示例性pH感测设备100A的压力敏感度补偿回路102将模拟反馈直接提供到ISFET半电池104A，其针对压力和物理应力中的至少一个对ISFET半电池104A的电位进行补偿。在示例性实施例中，处理装置被配置为接收参比半电池104B的电位并进一步根据ISFET半电池104A和参比半电池104B的电位的不同来确定pH水平。
[0022]图1B是示例性pH感测设备100B的框图。在示例性pH感测设备100B中，来自压力敏感补偿回路102的反馈不直接到达ISFET半电池104A。而是，压力敏感补偿回路102提供数字反馈到处理装置106。处理装置106然后使用来自压力敏感补偿回路102的反馈针对压力或物理应力中的至少一个对来自离子感测电池104的测得的pH水平进行补偿。
[0023]图1C是示例性pH感测设备100C的框图。与示例性pH感测设备100B —样，示例性PH感测设备100C的压力敏感补偿回路102提供数字反馈到处理装置106。处理装置106通信地耦合到NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的源极并提供电压。在示例性实施例中，处理装置106还提供电压到压力敏感补偿回路102的NISFET (例如NISFET250)的栅极。处理装置106然后使用来自压力敏感补偿回路102的反馈并通过调整提供给NISFET的(一个或多个)电压来针对压力或物理应力中的至少一个对来自离子感测电池104的测得的PH水平进行补偿。通过允许处理装置106直接控制NISFET，由处理装置106针对压力和物理应力中的至少一个所执行的补偿比在示例性pH感测设备100B中的更为精细。
[0024]图1D是示例性pH感测设备100D的框图。与示例性pH感测设备100B和示例性pH感测设备100C —样，示例性pH感测设备100D的压力敏感补偿回路102向处理装置106提供数字反馈。处理装置106通信地耦合到NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的源极并且提供电压。在示例性实施例中，处理装置106还提供电压到压力敏感补偿回路102的NISFET (例如NISFET204)，类似于示例性pH感测设备100C。处理装置106还提供电压到离子感测电池104的ISFET半电池104A。处理装置106然后使用来自压力敏感补偿回路102的反馈，通过调整提供给NISFET的(一个或多个)电压和通过调整提供给离子感测电池104的ISFET半电池104A的电压来针对压力或物理应力中的至少一个对来自离子感测电池104的测得的pH水平进行补偿。通过允许处理装置106直接控制ISFET，由处理装置106针对压力和物理应力的至少一个所执行的补偿比示例性pH感测设备100C更精细。
[0025]图2A示出了根据本发明的pH感测设备200A的实施例。pH感测设备200A包括第一ISFET202 和 NISFET204，其中 ISFET202 和 NISFET204 在差分结构中。第一 ISFET202 的源极通信地耦合到放大器206的反相输入。电压源208 (-Vd)将ISFET202的漏-源电压控制在预选择的水平。电压源ZlOGV1)驱动ISFET202和放大器206。参比电极214通信地耦合到放大器216的输入。在示例性实施例中，参比电极214包括Ag/卤化Ag(例如Ag/AgCl、Ag/Ag1、和Ag/AgBr), Hg/Hg0> Hg/卤化Hg、IrflrO2或稀土卤化物。在其它示例性实施例中，参比电极214被参比场效应晶体管(REFET)和准参比电极代替。在图2A所示的pH感测设备200A的示例性实施例中，放大器206的输出驱动对电极(counter electrode) 212以便将第一 ISFET202的源极保持在电路公共端。电路公共端为放大器206的非反相输入的电位。在示例性实施例中，对电极212包括金属线、pH传感器壳的金属部分、或其它接触待测溶液的导电金属表面。对电极112还减少了参比电极214上的杂散电流。在其它实施例中，不包括对电极212。
[0026]在图2A中，被示出为密封的ISFET的NISFET204的漏电流被电位源205 (+Vref)控制。NISFET204的漏极通信地耦合到互阻抗放大器222，其通信地耦合到电压源210。信号调节器224可选地被添加到此连接以减少噪声。
[0027]放大器216的输出通信地耦合到处理装置106。图2A还包括附加的输入(包括传感器和时钟)和输出(包括通信接口和显示器)，其可选地通信地耦合到处理装置106以用于传感器的补偿和传输和/或显不。在不例性实施例中，附加的输入包括:至少一个温度传感器228，至少一个压力传感器230和至少一个参比时钟232 (例如基于全球导航卫星系统(GNSS)的时钟)，显示器234，和/或通信接口 236。在示例性实施例中，至少一个温度传感器228，至少一个压力传感器230和至少一个参比时钟由处理装置106使用以执行附加的补偿。在示例性实施例中，至少一个温度传感器228被配置为测量pH感测设备200A中的一点处的温度，其可以然后被用于进一步补偿输出。在示例性实施例中，至少一个压力传感器被配置为测量PH感测设备中的一点处的压力，其可以然后被用于进一步补偿pH感测设备200A的输出。
[0028]在使用多于一个温度传感器228的示例性实施例中，可以测量并补偿热梯度。在示例性实施例中，在设备的多个点处的温度通过多个温度传感器(例如传感器228)来测量，并且使用多个温度传感器之间的已知距离来计算热梯度。在示例性实施例中，在基本上相同的时间测量温度。在示例性实现中，温度传感器使用参比时钟232同步，这样多个温度传感器在基本相同的时间测量温度。在示例性实施例中，处理装置进一步被配置为基于设备中的多个点处的温度差异和多个温度传感器之间的已知距离来确定多个点之间的热梯度。在示例性实现中，该梯度通过将多个温度传感器之间的温度变化除以传感器之间的距离来计算。
[0029]在示例性实施例中，显示器234显示经补偿的pH读数或其它信息。在示例性实施例中，通信接口 236用于将经补偿的pH读数或其它信息传送到另一装置、另一系统和/或另一设备。在示例性实施例中，通信接口 236包括有线通信端口和无线通信收发器和天线中的至少一个。
[0030]NISFET204的电压输出的变化与它经受的压力和物理应力相关。由于NISFET204具有与ISFET202相同的压力和温度敏感度，两者经受的压力和物理应力也会相同。通过提供来自NISFET204的模拟反馈以调整(驱动ISFET202和放大器206的)电压源210，由于压力和物理应力中的至少一个引起的ISFET202的电压输出的变化可以被补偿。该补偿将得到比没有使用来自NISFET204的补偿的情况下更准确的pH读数。
[0031]在示例性实施例中，pH感测设备200A是图1A中所示的pH感测设备100A的示例性实施例的特定实施例，并且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104，和处理装置106，如图2A中所示。在示例性实施例中，pH感测设备200A的离子感测电池104包括第一ISFET202、参比电极214、对电极212、放大器206、放大器216、电压源208和电压源210。在示例性实施例中，pH感测设备200A的压力敏感补偿回路102包括NISFET204，电位源205，互阻抗放大器222，和可选的信号调节器224。
[0032]如以上所提到的，在示例性实施例中，NISFET为密封的ISFET或M0SFET。图2B示出了根据本发明的PH感测设备200B的实施例。pH感测设备200B与pH感测设备200A相同，除了图2A中的NISFET204被NISFET250取代，其为M0SFET。在示例性实施例中，NISFET250的通道的尺寸由放大器252的输出和电位源205 (+Vief)控制。从使用pH感测设备200B的差分结构可得到的补偿能力与从使用PH感测设备200A的差分结构得到的相同。
[0033]在示例性实施例中,pH感测设备200B是图1A中所示的示例性实施例pH感测设备100A的特定实现，且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104和处理装置106，如图2B所示。在示例性实施例中，pH感测设备200B的离子感测电池104包括第一 ISFET202，参比电极214，对电极212，放大器206，放大器216，电压源208，和电压源210。在示例性实施例中，pH感测设备200A的压力敏感补偿回路102包括NISFET250，电位源205，放大器252，互阻抗放大器222和可选的信号调节器224。
[0034]图3A示出了根据本发明的pH感测设备300A的另一实施例。该实施例类似于图2A中的设备200A，因此仅讨论电路中的区别。
[0035]在设备300A中，NISFET204的漏极不是通信地耦合到电压源210。在示例性实施例中，由于图2A的示例性pH感测设备200A的这一改变，电阻器301 (R1)添加到电路中以控制ISFET202的漏-源电流。NISFET204的漏极通过互阻抗放大器220和模数转换器302被通信地耦合到处理装置106。信号调节器224能够可选地添加以减少信号的噪声。NISFET204的电压输出的变化与其经受的压力和物理应力有关。通过将NISFET204的输出转换为数字信号并且将该信号发送到处理装置106，由压力和物理应力中至少一个所引起的ISFET202的电压输出的变化以比图2A中的设备200A更精细的方式得到补偿。例如在示例性实施例中，处理装置106被配置为使用嵌入的软件应用来执行自适应校准。由于无源部件不需要被替代，这允许比图2A中的设备200A更快速和更廉价的变化。
[0036]放大器216的输出被通信地耦合到处理装置106。处理装置106接收来自放大器216和模数转换器302的输出。处理装置106使用来自模数转换器302的输出来补偿来自放大器216的信号。在示例性实施例中，处理装置106的补偿包括使用补偿表、补偿曲线和/或过滤。通过设备300A所做出的最终pH确定针对压力和物理应力的至少一个进行补偿并且比其它不向处理装置106提供数字反馈的深海pH传感器更准确。
[0037]在示例性实施例中，pH感测设备300A是如图1B所示的pH感测设备100B的示例性实施例的特定实现，且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104，和处理装置106，如图3A所示。在示例性实施例中，pH感测设备300A的离子感测电池104包括第一 ISFET202，参比电极214，对电极212，放大器206，放大器216，电压源208，电阻器301，和电压源210。在示例性实施例中，pH感测设备300A的压力敏感补偿回路102包括NISFET204，电位源205，互阻抗放大器222，可选的信号调节器224，和模数转换器302。
[0038]如以上提到的，在示例性实施例中，NISFET是密封的ISFET或M0SFET。图3B示出了根据本发明的PH感测设备300B的实施例。pH感测设备300B与pH感测设备300A相同，除了图3A中的NISFET204被NISFET250取代，其为M0SFET。在示例性实施例中，NISFET250的通道尺寸被放大器252的输出和电位源205 (+Vref)控制。从使用pH感测设备300B的差分结构得到的补偿能力与从使用PH感测设备300A的差分结构得到的补偿能力相同。
[0039]在示例性实施例中,pH感测设备300B是图1B所示的pH感测设备100B的示例性实施例的特定实现，且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104，处理装置106，如图3B所示。在示例性实施例中，pH感测设备300B的离子感测电池104包括第一 ISFET202，参比电极214，对电极212，放大器206，放大器216，电压源208，电阻器301，和电压源210。在示例性实施例中，pH感测设备300A的压力敏感补偿回路102包括NISFET250，电位源205，放大器252，互阻抗放大器222，可选的信号调节器224，和模数转换器302。
[0040]图4A示出了根据本发明的pH感测设备400A的另一个实施例。该实施例类似于图3A的设备300A，因此仅讨论电路的区别。
[0041]通常地，相比图3A中的设备300A，设备400A在电路中包括了更大量的数字化。在设备400A中，NISFET204的漏电流由处理装置106控制。特别地，处理装置106向NISFET204的源极发送信号，其通过数模转换器402从数字信号转变成电压。通过用该连接替代电位源205 (+V,ef)，提供到NISFET204的源极的电压可以更容易地被控制和调整。该更高水平的控制使得更精细的补偿得以实施。
[0042]在示例性实施例中,pH感测设备400A是图1C中所示的pH感测设备100C的示例性实施例的特定实现，且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104，和处理装置106，如图4A所示。在示例性实施例中，pH感测设备400A的离子感测电池104包括第一 ISFET202，参比电极214，对电极212，放大器206，放大器216，电压源208，电阻器301，和电压源210。在示例性实施例中，pH感测设备400A的压力敏感补偿回路102包括NISFET204，互阻抗放大器222，可选的信号调节器224，和模数转换器302。
[0043]如以上提到的，在示例性实施例中，NISFET是密封的ISFET或M0SFET。图4B示出了根据本发明的PH感测设备400B的实施例。pH感测设备400B与pH感测设备400A类似。但是，在设备400B和设备400A之间有一些不同。在设备400B中，来自设备400A的NISFET204被NISFET250取代，其为M0SFET。在从处理装置106到NISFET250的密封的栅极区域之间存在附加的连接。处理装置106向NISFET250的密封的栅极发送信号，其由数模转换器404从数字信号转换成电压。图3B中的设备300B的该变化使得处理装置106控制NISFET250中的通道的尺寸。
[0044]通过允许处理装置106影响NISFET250，除了执行上面讨论的补偿外，图4B中的设备400B的补偿的精细水平提高到高于图3B中的设备300B。例如，ISFET202和NISFET250的共模误差可以在设备400B中得到补偿。
[0045]在示例性实施例中，pH感测设备400B是图1C中所示的pH感测设备100C的示例性实施例的特定实现，且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104，和处理装置106，如图4B所示。在示例性实施例中，pH感测设备400B的离子感测电池104包括第一 ISFET202，参比电极214，对电极212，放大器206，放大器216，电压源208，电阻器301，和电压源210。在示例性实施例中，pH感测设备400B的压力敏感补偿回路102包括NISFET250，互阻抗放大器222，可选的信号调节器224，和模数转换器302。
[0046]图5A示出了根据本发明的pH感测设备500A的另一实施例。该实施例与图4A的设备400A类似，因此将仅讨论电路的区别。
[0047]大体上，相比图4A中的设备400A，设备500A在电路中包括更大量的数字化。在设备500A中，处理装置106向ISFET202和放大器206提供电压。处理装置106向放大器206的反相输入和ISFET202的源极发送数字信号(其通过数模转换器502被转换为电压)。该电压使用来自NISFET204的反馈来确定，类似于图2的设备200。但是，由于处理装置106发送该信号，所以图3-4的电压源210和电阻器301在该实施例中不是必需的。
[0048]ISFET202的漏极通信地耦合到处理装置106，且ISFET202通过此连接提供反馈。来自ISFET202的漏极的信号是电流。该信号通过互阻抗放大器504转换为电压。由互阻抗放大器504产生的电压信号可以可选地被信号调节器506过滤。该信号然后通过模数转换器508转换为数字信号并被处理装置106接收。
[0049]从处理装置106向ISFET202和放大器206提供的反馈使得处理装置106可以控制对这些装置进行驱动的电压。在示例性实施例中，除了上面讨论的所有的补偿，通过修整提供给ISFET202的电压，处理装置106补偿了压力和物理应力中的至少一个。而且，因为NISFET204向处理装置106直接提供反馈，可以利用多级补偿以产生更准确的pH确定。
[0050]在示例性实施例中,pH感测设备500A是图1D中所示的pH感测设备100D的示例性实施例的特定实现，且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104，和处理装置106，如图5A所示。在示例性实施例中，pH感测设备500A的离子感测电池104包括第一 ISFET202，参比电极214，对电极212，放大器206，和放大器216。在示例性实施例中，pH感测设备500A的压力敏感补偿回路102包括NISFET204，互阻抗放大器222，可选的信号调节器224，和模数转换器302。
[0051]如以上提到的，在示例性实施例中NISFET是密封的ISFET或M0SFET。图5B示出了根据本发明的PH感测设备500B的实施例。pH感测设备500B类似于pH感测设备500A。但是,在设备500B和设备500A之间有一些不同。在设备500B中，设备500A的NISFET204被NISFET250替代，其为MOSFET。从处理装置106到NISFET250的密封的栅极区域之间还存在附加的连接。处理装置106向NISFET250的密封的栅极发送信号，其被数模转换器404从数字信号转换为电压。该连接使得处理装置106控制NISFET250中的通道的尺寸。
[0052]在示例性实施例中,pH感测设备500B是图1D所示的pH感测设备100D的示例性实施例的特定实现，且包括压力敏感补偿回路102，离子感测电池104，和处理装置106，如图5B所示。在示例性实施例中，pH感测设备500B的离子感测电池104包括第一 ISFET202，参比电极214，对电极212，放大器206，和放大器216。在示例性实施例中，pH感测设备500B的压力敏感补偿回路102包括NISFET250，互阻抗放大器222，可选的信号调节器224，和模数转换器302。
[0053]图6是根据本发明的对pH感测设备的输出的测量误差进行限制的方法600的流程图。在示例性实施例中，参考方法600所描述的pH感测设备为设备100A，100B，100C，100D，200，300，400 或 500 中的任一个。
[0054]在框602，pH感测设备被放置在待测溶液内(例如待测溶液220)，例如海水。电压源(例如电压源210)用于给第一 ISFET (例如第一 ISFET202)和放大器(例如放大器206)供电。当设备被放置在待测溶液内时，跨ISFET的栅极两端的电位受离子影响并且将导致流过装置的电荷。来自参比电极(例如参比电极214)的电位将然后被测量并通过处理装置与电路公共端比较。通过测量参比电极电位和ISFET的电位之差，能够确定pH读数，ISFET位于电路公共端。
[0055]在框604，NISFET (例如NISFET204或NISFET250)将测量ISFET上的压力和物理应力中的至少一个的影响。尽管NISFET不受待测溶液的离子的影响，NISFET仍然将受到温度、来自包装的压力和/或物理应力、随时间的粘弹性或应力松弛、和热-机械应力的影响。在示例性实施例中，NISFET的输出电压的变化仅表示由于压力和/或其它物理应力带来的影响并且不会随待测溶液的PH变化。
[0056]在框606，来自框602的pH读数通过使用来自NISFET的反馈对压力和物理应力中的至少一个进行补偿。该步骤可以以多种方式实施，其将在下面的段落中详细讨论。
[0057]在一个示例性实施例中，来自NISFET的输出通过模拟信号提供反馈以修整对ISFET和放大器进行驱动的电压源。这调整了 ISFET的电位。通过对电压源做这样的调整，框602的pH感测步骤将产生pH读数，该读数针对压力和物理应力得到补偿。
[0058]在其它示例性实施例中，来自NISFET的输出通过数字信号向处理装置提供反馈。处理装置然后针对由压力和物理应力中的至少一个引起的误差执行对PH测量的补偿。在示例性实施例中，该补偿包括使用补偿表，补偿曲线和/或过滤。这不包括发送反馈信号以调整ISFET的电位。
[0059]在另一个示例性实施例中，处理装置向ISFET发送信号以调整ISFET的电位。处理装置使用来自NISFET的反馈以便确定应该向ISFET发送什么信号。处理装置还将调整ISFET的电位，作为当进行最终pH确定时所执行的计算的一部分。
[0060]处理装置106包括或运行软件程序、固件或其它计算机可读指令以实施用于pH感测设备中的各种方法、处理任务、计算、和控制功能。这些指令可以通常存储在任何适合的计算机可读介质，其用于储存计算机可读指令或数据结构。计算机可读介质可以被实现为任何可获得的介质，该介质可以通过通用或专用的计算机或处理器，或任意可编程逻辑器件来访问。适合的处理器-可读介质可以包括存储或内存介质，例如磁或光介质。举例来说，存储或内存介质可以包括传统的硬盘，光盘-只读内存(CD-ROM)，易失性或非易失性介质例如随机存取内存(RAM)(包括但不限于，同步动态随机存取内存(SDRAM)，双数据速率(DDR) RAM, RAMBUS动态RAM (RDRAM)，静态RAM(SRAM)，等)，只读内存(ROM)，电可擦除可编程ROM(EEPROM)和闪存等。适合的处理器-可读介质还可以包括传输介质例如电、电磁、或数字信号，其通过例如网络和/或无线连接等传送介质进行传送。
[0061]虽然在这里说明和描述了特定的实施例，但是对于本领域技术人员来说应明白旨在实现相同目的的任意布置可以用来替代所示的特定实施例。因此，应明了本发明仅由权利要求和其等效物限定。
[0062]示例件实施例
[0063]示例I包括一种pH感测设备包括:离子感测电池，其中离子感测电池包括:第一半电池，包括暴露于周围溶液的第一离子敏感场效应晶体管(ISFET);和暴露于周围溶液的第二参比半电池；压力敏感补偿回路，包括非离子敏感场效应晶体管(NISFET);其中pH感测设备被配置为使用来自离子感测电池的信号和来自压力敏感补偿回路的反馈来补偿压力和物理应力中的至少一个；和处理装置，被配置为计算被补偿以最小化压力和物理应力中的至少一个的最终pH读数。
[0064]示例2包括示例I的pH感测设备，其中NISFET从包括以下的组中选择:密封的且对周围溶液的离子不敏感的的第二 ISFET ;和对周围溶液的离子不敏感的的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
[0065]示例3包括示例I或2的任一的pH感测设备，其中NISFET为第二 ISFET，其利用以下的至少一个密封:选自包括金、钼、钛、钽、镍、铬、铝、钨、铱、和银的组的金属沉积；和选自包括氧化娃、氧化招、类钻碳(DLC)、氮化招、玻璃组分、氧化钽、氧化铍、和氮化娃的组的绝缘沉积。
[0066]示例4包括示例1-3的任一的pH感测设备，其中第一 ISFET和NISFET具有常用的硅基底。
[0067]示例5包括示例1-4的任一的pH感测设备，其中离子感测电池的第一半电池进一步包括对电极。
[0068]示例6包括示例1-5的任一的pH感测设备,其中参比半电池包括以下的至少一个:参比电极；和参比场效应晶体管(REFET)和准参比电极。
[0069]示例7包括示例1-6的任一的pH感测设备，其中压力敏感补偿回路通信地耦合到离子感测电池的第一半电池。
[0070]示例8包括示例1-7的任一的pH感测设备，其中压力敏感补偿回路通信地耦合到处理装置。
[0071]示例9包括示例1-8的任一的pH感测设备，其中处理装置向以下的至少一个发送反馈:第一 ISFET ;和 NISFET。
[0072]示例10包括示例1-9的任一的pH感测设备,进一步包括以下的至少一个:至少一个温度传感器，被配置为测量PH感测设备中的一点处的温度；至少一个压力传感器，被配置为测量pH感测设备中的一点处的压力；至少一个参比时钟，被配置为同步pH感测设备的至少一个部件；至少一个显示器，被配置为显示最终PH读数；和至少一个通信接口，被配置为将经补偿的PH读数传送到另一系统、另一装置和另一设备中至少一个。
[0073]示例11包括示例1-10的任一的pH感测设备，其中处理装置进一步被配置为补偿设备内的多个点之间的热梯度；其中多个温度传感器测量设备内多个点处的温度；其中多个温度传感器通过至少一个参比时钟进行同步，这样多个温度传感器在基本相同的时间测量温度；其中处理装置进一步被配置为基于设备内多个点处的温度差异和多个温度传感器之间的已知距离来确定多个点之间的热梯度。
[0074]示例12包括一种限制pH感测设备的输出的测量误差的方法，该方法包括:使用离子感测电池来感测周围溶液的PH，该离子感测电池包括第一离子敏感场效应晶体管(ISFET);使用非离子敏感场效应晶体管(NISFET)来感测pH感测设备上的压力和物理应力中的至少一个；补偿由压力和物理应力中的至少一个引起的pH测量的变化。
[0075]示例13包括示例12的方法，其中NISFET选自包括以下的组:密封的，且对周围溶液的离子不敏感的第二 ISFET ;和对周围溶液的离子不敏感的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
[0076]示例14包括示例12-13的任一的方法，其中通过向第一 ISFET发送来自NISFET的模拟反馈来执行补偿。
[0077]示例15包括示例12-14的任一的方法，其中通过向处理装置发送来自NISFET的数字反馈来实施补偿。
[0078]示例16包括示例12-15的任一的方法，其中通过向处理装置发送来自第一 ISFET和NISFET的数字反馈来执行补偿；和向以下的至少一个发送来自处理装置的反馈:第一ISFET ;和 NISFETo
[0079]示例17包括示例12-16的任一的方法,进一步包括以下的至少一个:测量在pH感测设备中的一点处的温度；测量在PH感测设备中的该点处的压力；使用至少一个参比时钟来同步PH感测设备内的至少一个部件；利用至少一个显示器来显示最终补偿的pH读数；并且将pH感测设备的输出传送到另一系统、另一装置和另一设备中至少一个。
[0080]示例18包括示例12-17的任一的方法,进一步包括通过以下方式针对设备内的多个点之间的热梯度来补偿PH测量:使用多个温度传感器来测量设备内的多个点处的温度；使用至少一个参比时钟同步多个温度传感器，以使得多个温度传感器在基本相同的时间测量温度；基于设备中的多个点处的温度差异和多个温度传感器之间的已知距离来确定多个点之间的热梯度。
[0081]示例19包括pH感测设备包括:离子感测电池，其中离子感测电池包括:第一半电池包括:暴露于周围溶液的第一离子敏感场效应晶体管(ISFET);和暴露于周围溶液的对电极；和暴露于周围溶液的第二参比半电池；压力敏感补偿回路，包括非离子敏感场效应晶体管(NISFET);其中pH感测设备被配置为使用来自离子感测电池的信号和来自压力敏感补偿回路的反馈来补偿压力和物理应力中的至少一个；处理装置，被配置为计算被补偿以最小化压力和物理应力中的至少一个的最终PH读数；其中压力敏感补偿回路和离子感测电池提供数字反馈到处理装置；并且其中处理装置提供反馈到压力敏感补偿回路。
[0082]示例20包括示例19的pH感测设备，其中NISFET选自包括以下的组:密封的且对周围溶液的离子不敏感的第二 ISFET ;对周围溶液的离子不敏感的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
[0083]示例21包括示例19-20的任一的pH感测设备，其中处理装置提供反馈到离子感测电池。
[0084]示例22包括示例19-21的任一的pH感测设备，其中NISFET为第二 ISFET，该第二ISFET利用以下的至少一个密封:选自由金、钼、钛、钽、镍、铬、铝、钨、铱、和银的组的金属沉积；和选自包括氧化硅、氧化铝、类钻碳(DLC)、氮化铝、玻璃组分、氧化钽、氧化铍、和氮化硅的组的绝缘沉积。
[0085]示例23包括示例19-22的任一的pH感测设备，其中第一 ISFET和NISFET具有常用的硅基底。
[0086]示例24包括示例19-23的任一的pH感测设备,其中参比半电池包括以下的至少一个:参比电极；和参比场效应晶体管(REFET)和准参比电极。
[0087]示例25包括示例19-24的任一的pH感测设备,进一步包括以下的至少一个:至少一个温度传感器，被配置为测量PH感测设备中的一点处的温度；至少一个压力传感器，被配置为检测PH感测设备中的该点处的压力；至少一个参比时钟，被配置为同步pH感测设备的至少一个部件；至少一个显示器，被配置为显示最终pH读数；和至少一个通信接口，被配置为将经补偿的PH读数传送到另一系统、另一装置和另一设备中的至少一个。
[0088]示例26包括示例19-25的任一的pH感测设备，其中处理装置进一步被配置为补偿设备内多个点之间的热梯度；其中多个温度传感器测量设备内多个点处的温度；其中多个温度传感器由至少一个参比时钟同步，这样多个温度传感器在基本相同的时间测量温度；其中处理装置进一步被配置为基于设备中的多个点处的温度差异和多个温度传感器之间的已知距离来确定多个点之间的热梯度。
【权利要求】
1.一种 pH 感测设备(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B, 500A,500B)包括: 离子感测电池(104)，其中离子感测电池(104)包括: 第一半电池(104A)，包括暴露于周围溶液(220)的第一离子敏感场效应晶体管(ISFET) (202);和 暴露于周围溶液(220)的第二参比半电池(104B)； 压力敏感补偿回路(102)，包括非离子敏感场效应晶体管(NISFET) (204,250)；
其中 pH 感测设备(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B, 500A,500B)被配置为使用来自离子感测电池(104)的信号和来自压力敏感补偿回路(102)的反馈来补偿压力和物理应力中的至少一个；和 处理装置(106)，被配置为计算被补偿以最小化压力和物理应力中的至少一个的最终PH读数。
2.权利要求1 的 pH 感测设备(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A,400B, 500A, 500B)，其中以下的至少一个: 压力敏感补偿回路(102)通信地耦合到离子感测电池(104)的第一半电池(104A)； 压力敏感补偿回路(102)通信地耦合到处理装置(106);和 处理装置(106)发送反馈到以下的至少一个: 第一 ISFET (202);和 NISFET (250)。
3.一种限制 pH 感测设备(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B,500A,500B)的输出的测量误差的方法，该方法包括: 使用离子感测电池来感测(602)周围溶液(220)的pH，所述离子感测电池包括第一离子敏感场效应晶体管(ISFET) (202)； 使用非离子敏感场效应晶体管(NISFET) (204,250)来感测(604) pH感测设备(100A，100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B, 500A, 500B)上的压力和物理应力的至少一个； 补偿(606)由压力和物理应力的至少一个引起的pH测量的变化。
【文档编号】G01N27/30GK104330445SQ201410325329
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2013年7月22日
【发明者】D·霍尔克黑默, D·S·维利茨 申请人:霍尼韦尔国际公司