集成离子感测装置和方法与流程

背景技术：

用于测量离子浓度的经典“金标准”是玻璃电极。玻璃电极系统是具有由对特定离子敏感的掺杂玻璃膜制成的离子选择性或离子敏感性电极类型的测量装置。图1大致示出了玻璃电极系统100的框图。玻璃电极系统100可以包括两个电极，一个电极102用于感测目标离子，例如氢离子(h+)，一个电极101用于提供参考。如图1所示，两个电极101,102位于玻璃电极探针103内部的液体中。两个电极101,102在与待测液体的界面处提供电压，参考电极101提供几乎恒定的电压，其可以独立于目标离子浓度，以及感测或指示电极102提供随目标离子的浓度变化的电压。电压经由有线介质105传送到放大器系统104，然后处理以用于显示或数据收集。在某些情况下，可以例如经由模数转换器(adc)111将电压转换为数字值，并且进一步数字地处理。可干扰测量的玻璃电极系统的特性包括约20兆欧(mω)至800兆欧的输出阻抗，耦合到线介质105的噪声以及线介质和探针103的费用。除了玻璃电极，存在被称为石蕊试纸的低性能一次性解决方案，其是响应于目标离子的浓度而改变颜色的被动条。石蕊试纸类型测量不被认为是精确的，因为例如使用石蕊试纸进行颜色的主观读取，纸本身可能干扰小的样品，并且可能难以制造覆盖全部离子浓度范围的纸。

已经出现了被称为离子敏感的场效应晶体管(isfet)的相对新的固态技术，其基于被激活的fet栅极，其可以产生与ph的指数(非能斯特)相关的输出源极-漏极电流。该技术已经用于dna测序和食品过程控制，但是可能具有电荷捕获、滞后和漂移的问题，这可能限制了该技术更广泛的使用。此外，isfet仅提供指示电极，并且通常需要附加的外部参考电极。

技术实现要素：

本文档描述了集成的离子敏感探针。提供了集成的离子敏感探针。在一个示例中，离子敏感探针可以包括半导体衬底和附接到半导体衬底的第一无源电极。第一无源电极可以被配置为接触溶液并且提供作为溶液内的离子的浓度的函数的第一电压。在某些示例中，无源参考电极可以共同位于半导体衬底上。在一些示例中，处理电子器件可以集成在半导体衬底上。

该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。其并不旨在提供对本发明的排他性或穷尽性解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式总体示出了本文献中讨论的各种实施例。

图1大体上示出了玻璃电极系统的框图。

图2大体上示出了无源固态离子敏感电极201的示例。

图3大体上示出了集成固态离子探针的示例。

图4总体示出了离子探针的示例的框图。

图5a和5b通常示出了参考电极的配置的示例。

图6a和6b通常示出了包括参考电极和一个或多个指示电极的探针布局的示例。

图7总体示出了操作包括集成在半导体衬底上的无源电极的离子敏感探针的方法的示例。

具体实施方式

本发明人已经认识到，用于固态离子敏感电极的装置和方法以及包括无源固态离子敏感电极的系统可以提供尺寸和成本的显著减小。此外，与其它固态离子感测解决方案相比，本主题的示例可以提供减少的漂移。在一些示例中，温度感测可以与离子感测电极共同定位，以便提供例如可以帮助精确地报告ph的附属测试。在这样的示例中，共同定位的电极和温度传感器可以具有非常低的热质量，使得可以提供更快的温度平衡响应，这也可以帮助减少小样品的温度破坏。在某些示例中，放大器系统和存储器可以与电极共同定位，并且可以允许单独的电极或传感器的工厂或一次性现场校准，这在玻璃电极中可能是困难的，因为放大器和传感器不是唯一地耦合。最后，由于小得多的尺寸和成本，本主题的示例可以开辟了目前不能使用玻璃电极的新市场，例如但不限于高性能一次性离子感测探头的前景。

图2总体上示出了无源、固态、离子敏感电极201的示例。电极201可以包括衬底的一部分，离子敏感材料207、迹线208和绝缘体209可以一体形成在该衬底上，例如使用半导体制造工艺。在某些实例中，衬底可包括半导体衬底，例如硅基衬底206.其它衬底材料可包括但不限于玻璃或聚合物衬底。“无源”电极201意味着电极201--尽管与半导体衬底集成在一起-不是作为场效应晶体管(fet)或其它晶体管的一部分集成的。因此，电极201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201可以制造在用作晶体管的体端子或区域的衬底206上)。因此，因为电极201不是晶体管的栅极，源极或漏极端子或等效端子的一部分，所以其可以被认为是“无源”电极-即使其可以互连(例如，通过集成半导体布线迹线)耦合到有源晶体管器件，例如耦合到运算放大器的fet输入装置的栅极等。

作为检测溶液的离子浓度的方法的一部分，离子敏感材料207可以暴露于溶液样品210并且可以与溶液样品210接触。离子敏感材料207可以吸引或排斥离子，以使得电势围绕离子敏感材料207形成。迹线208可以提供低阻抗导体以向处理或感测电子器件或电路提供或传送电压。绝缘体209可以提供允许离子敏感材料207接触迹线208并且将迹线208与样品溶液210隔离的结构。在某些示例中，离子敏感材料207可以包括但不限于：氧化铱，氮化硅，五氧化钽或对目标离子具有反应性的其它材料。在某些示例中，迹线208可以包括但不限于金，银，铂或其它导电材料。在某些示例中，绝缘体209可以包括但不限于基本上不透液体的氧化硅、氮化硅、聚合物或其他绝缘材料。

图3大体上示出了集成的固态离子探针303的示例。在某些示例中，集成固态离子探针303可以包括指示电极301、参考电极302、集成电子器件311和衬底306，其上可形成电极301、302的每一个和电子器件311。在某些示例中，集成固态离子探针303的宽度和长度可以在2mm或更小的量级。在某些示例中，电子器件311可以包括一个或多个放大器，用于接收由电极301、302提供的信号，并向耦合到探针的连接器312的电子器件提供放大的信号。如图3所示的集成固态离子探针303的优点在于由电极301、302提供的低功率或低电压信号可以用与电极301、302共同定位的放大器进行处理或预处理。这可以提供优于某些电子探针的明显优点：导体到放大器的导线长度在长度上短几个数量级。较小的引线长度减小了来自电极301、302的信号易被电干扰损坏的敏感性，并且还降低了对杂散泄漏电流的敏感性。在某些示例中，电子设备311可以包括放大器。在一些示例中，电子设备311可以包括模数转换器。在一些示例中，电子设备311可以包括无线发射器、无线接收器或其包括收发器的组合。在某些示例中，集成固态离子探针303的电子器件311和/或端子312可以被密封以免接触正在测量的溶液样品。

图4大致示出了集成固态离子探针403的示例的框图。集成的固态离子探针403可以包括衬底406和/或电路板416或由聚合物或其它材料制成的条，包括迹线408和用于仪表的终端412。衬底406可以包括参考电极402、指示电极401和放大器413。在某些示例中，指示电极401和参考电极402可以串联耦合在参考电压端子和放大器413的输入之间。在目标溶液的离子浓度测量期间，指示电极和参考电极之间的电连接可以由目标溶液形成。在所示示例中，放大器413可以处于电压跟随器配置。这种配置可以向电极401、402的感测电压提供高阻抗放大器输入，并且提供低阻抗输出，以有效地将电压传送到仪表装置，而没有与例如现有玻璃探针一样大的噪声损坏的风险。可以使用与衬底406集成的其他放大器配置。注意，例如与玻璃电极相比较，具有与集成固态离子探针403的一个或多个电极401、402共同定位的放大器或放大器系统可以显著地减小集成固态离子探针403的输出阻抗。

此外，电极401、402与衬底406的单独或一起的集成或者一个或多个电极401、402和放大器413或放大器系统在衬底406上的集成可以开辟这样的离子敏感探针。例如，电极401、402可以制造得相对较小，并且可以使用非常小的溶液样本大小提供精确的离子测量。在某些示例中，指示电极401可以形成在也集成在硅基板上的小体积容器的底部，使得可以包含溶液滴，并且可以完全覆盖指示电极401用于测量目的。小尺寸格式还允许集成固态离子探针403用在小区域中。当浸没在大体积的溶液中时，这样的集成固态离子探针403还可以提供精确的离子测量。集成固态离子探针403可以实现的其它应用是一次性或半一次性探针。如上所述的被动电极结构以及如下所述的参考电极的进一步集成以及制造集成电子器件的现有知识可以允许以大量且成本的一小部分一致地制造探针其他技术。在某些示例中，这样的探针可以被认为是一次性探针或一次性探针。

图5a和5b通常示出了参考电极502的配置的示例。图5a总体示出包括指示电极501和参考电极502的集成固态离子探针503的示例的横截面。指示电极501包括第一离子敏感材料507，其具有可以接触目标溶液的外表面。在某些示例中，参考电极502具有第二离子敏感材料517，其可以与具有已知离子浓度的参考材料518接触或接触具有已知离子浓度的参考材料518，使得参考电极502提供参考电压或基准电压。指示电极501是暴露于需要进行离子测量的材料或溶液的电极。参考电极502通过使第二离子敏感材料517接触具有受控离子浓度的参考溶液来提供参考电压或基准电压。在某些示例中，参考电极502可以包括围绕第二离子敏感材料517的暴露表面的容纳屏障519。容纳屏障519可以提供用于参考溶液518的容器。在一些示例中，耦合到容纳屏障519的顶部的顶部多孔膜520可以提供顶部屏障，使得参考溶液518可以基本上密封在包括参考电极的第二离子敏感材料517、支撑电极的衬底506、容纳屏障519和顶部膜520的容器中。在一些实例中，参考溶液518可包括液体。在一些实例中，参考溶液518可以包括可以更容易长时间容纳的凝胶。在某些示例中，参考电极502可以包括与指示电极501中使用的相同的离子敏感材料。在一些示例中，参考电极502的第二离子敏感材料517不同于第一离子敏感材料507指示电极501。探针依赖于允许离子在指示电极501和参考电极502之间形成电连接的液体接点。液体接点是目标溶液和参考电极的参考溶液518之间的界面。允许参考溶液518和目标溶液之间接触的通道或机构可以允许参考电极502的第二离子敏感材料517和目标溶液之间的导电性。在某些实施例中，通道或机构可包括但不限于例如多孔膜520或微孔材料。在某些示例中，由容纳屏障519和顶部膜520形成的容器可以将参考溶液518捕获在参考电极502的第二离子敏感材料517周围，以便确保在第二电极502周围存在受控环境离子敏感材料517，并且参考电极502可以产生一致的电压，而与目标溶液的特性无关。在某些实施例中，容器可以结合一些类型的多孔结，其可以允许目标溶液和参考溶液518之间的离子流动，并且因此电连接到目标溶液，同时最小化跨结的流体交换。

图5b是示例参考电极502的另一配置。参考电极502包括衬底506，诸如金的导电的第一材料508，离子敏感材料507，封装材料509和参考材料510。例如，衬底506是半导体衬底，并且第一材料508提供迹线以将电信号路由到衬底506的不同区域。在某些示例中，封装材料509可以保护衬底506和第一材料508，并且可以提供用于容纳参考材料510的容器。在某些示例中，参考电极502的离子敏感材料507可以提供容器的内表面的至少一部分。在某些实施例中，参考材料510可以是凝胶形式。在一些示例中，上膜520可以延伸穿过容器并且可以耦合到封装材料509，以密封由封装材料509、离子敏感材料507和顶部膜520形成的容器内的参考材料510。在一些示例中，衬底506可以包括有源电子器件511，使得来自参考电极502的信号可以尽可能接近参考电极502进行处理。与玻璃电极相比，这种设计限制了导电介质从参考电极502暴露于潜在的干扰信号的长度，在一些情况下，限制了从共同定位的指示电极暴露于潜在的干扰信号的导电介质的长度。在一些示例中，有源电子器件511可以驻留在衬底506的与离子敏感材料507相对的一侧上，并且可以使用硅通孔(tsv)521将信号路由到有源电子器件511。

图6a和6b通常示出了包括参考电极602和一个或多个指示电极601的探针布局603的示例。图6a总体上示出了包括参考电极602和三个指示电极601a、601b、601c的探针布局603的示例。每个电极601x、602电连接到探针布局603的衬底606的迹线608。每个迹线608将电极的电压或信号路由到衬底606或一些其它端子的连接器612。在一些示例中，每个迹线608可以将电压或信号路由到与衬底606集成的有源电子器件(未示出)。在一些示例中，每个迹线608可以将电压或信号路由到集成的有源电子器件，衬底。在某些示例中，有源电子器件可以包括放大器，例如，其可以将通过迹线608和电极601x、602接收的信号缓冲或转换成更多的噪声免疫信号。

在某些示例中，参考电极602可以包括阱以保持参考材料。探针布局603包括指示例如可以形成容器的一部分的容纳屏障的位置的圆圈614。在某些示例中，电极601x，602的直径可以根据多种因素而变化，包括探针被设计用于其中的预期环境。例如，如果探针用于测量非常小的样品，则电极也可能相对较小。在一些示例中，参考602和指示601x的电极可以具有范围从250微米(μm)至1毫米(mm)或更大的直径。用500μm和300μm的电极直径获得了良好的结果。在某些示例中，容纳屏障的直径可以在1mm和6mm之间，但是其他直径也是可能的。

图6b总体上示出了具有参考电极602和三个指示电极601a、601b、601c的示例探针布局603，每个电极具有约500μm的电极直径。每个电极601x，602耦合到探针布局603的衬底606的导体或迹线608.此外，每个迹线608和每个电极601x，602被衬底606的屏蔽迹线615包围。屏蔽迹线615通常耦合到例如地的参考电位。在一些示例中，每个迹线608和每个电极601x，602可以具有能够连接到各个电势的单独的屏蔽迹线615。每个屏蔽迹线615被设计成通过将这种干扰路由到地来保护电极601x，602和电极导体或迹线608免受杂散电气干扰。

图7总体上示出了操作包括集成在半导体衬底上的无源电极的离子敏感探针的示例性方法700。在701，集成在衬底上的无源离子敏感探针可以接触溶液。在703，可以放大第一无源电极的第一电压以提供指示溶液的离子浓度的指示电压。在某些示例中，放大器可以集成在硅基衬底上，使得放大器的输出电压比来自无源电极的信号显著更多的噪声免疫。在一些示例中，参考电极可以位于衬底上的无源电极附近。

各种注释&例子

在示例1中，用于测量溶液中的离子浓度的离子敏感探针可以包括半导体衬底和与半导体衬底集成并且被配置为接触溶液并且提供作为函数的第一电压的第一无源电极的溶液中离子的浓度。

在示例2中，示例1的探针可选地包括具有电耦合到第一无源电极的输入的放大器。

在示例3中，示例1-2中的任何一个或多个的放大器可选地与衬底集成。

在示例4中，实施例1-3中任一个或多个的探针任选地包括用于溶液的容纳屏障，其中溶液是参考溶液，并且容纳屏障被配置成保持参考溶液与电极恒定接触。

在示例5中，任何一个或多个实施例1-4的参比溶液任选地是凝胶。

在示例6中，示例1-3中的任何一个或多个的第一无源电极可选地包括容纳屏障和被配置为提供电压的第一感测材料。容纳屏障可选地附接到半导体衬底并且被配置为围绕溶液和感测材料之间的接触位置形成屏障。容纳屏障和半导体衬底任选地被配置为形成用于参考溶液的微多孔容器的至少一部分。

在示例7中，示例1-6中的任何一个或多个的探针可选地包括与基板集成的第二无源电极。

在示例8中，示例1-7中的任何一个或多个的第二无源电极可选地被配置为接触参考溶液。

在示例9中，示例1-8的任何一个或多个的参考溶液任选地包括凝胶。

在示例10中，示例1-9中的任何一个或多个的探针可选地包括电耦合到第一无源电极和第二无源电极的放大器。

在示例11中，示例1-10中的任何一个或多个的放大器可选地与衬底集成。

在示例12中，示例1-11中的任何一个或多个的第一电极任选地包括配置为当与溶液接触时产生电压的第一感测材料，以及示例1至11中任一个或多个的第一感测材料任选地包括被配置为感测氢离子的氧化铱。

在示例13中，示例1-12中的任何一个或多个的第二电极可选地包括略微多孔的容纳屏障和被配置为产生电压的第一感测材料。示例1-12中的任一个或多个的容纳屏障可选地附接到半导体衬底并且被配置为围绕溶液和感测材料之间的接触点形成环。容纳屏障和基底形成用于参考溶液的容器的至少一部分。

在示例14中，示例1-13中的任一个或多个的第一无源电极的接触区域的直径可选地为250微米(μm)至1毫米(mm)。

在示例15中，示例1-14中的任何一个或多个的半导体衬底可选地包括耦合到第一无源电极的第一迹线，该迹线被配置为将电压传送到感测电路。

在示例16中，示例1-15中的任一个或多个的半导体衬底可选地包括围绕第一无源电极和第一迹线的屏蔽迹线，屏蔽迹线被配置为屏蔽电压免受噪声影响。

在示例17中，示例1-3中的任何一个或多个的第一无源电极与溶液的接触位置可选地不包括被配置为感测离子的晶体管。

在示例18中，用于感测溶液的离子浓度的方法可以包括使第一无源电极的感测材料与溶液接触，第一无源电极包括第一半导体衬底，并且放大基于第一无源电极的第一电压的指示电压以提供离子浓度的指示。

在示例19中，示例1-18中的任一个或多个的方法可选地包括使第二无源电极的感测材料与参考溶液接触，第二无源电极包括第二半导体衬底，并且将第一无源电极的第一电压与第二无源电极的第二电压相加以提供指示电压。

在示例20中，示例1-19中的任何一个或多个的第一半导体衬底和第二半导体衬底可选地形成单个衬底结构。

在示例21中，放大示例1-20中的任何一个或多个的指示电压可选地包括使用与第一半导体衬底集成的放大器电路来放大指示电压。

在示例22中，用于测量溶液中的离子浓度的离子敏感探针可以包括半导体衬底和与半导体衬底集成并且被配置为接触溶液的第一无源电极，第二无源电极与半导体衬底，并且被配置为接触具有指定浓度的离子的参考溶液；放大器电路，与同一半导体衬底集成，并且连接到第一和第二无源电极，其中放大器电路被配置为提供第一电压作为溶液中离子浓度的函数。

这些非限制性示例中的每一个可以独立存在，或者可以以各种排列或组合与一个或多个其他示例组合。

上述详细描述包括对形成详细描述的一部分的附图的参考。附图通过说明示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这些示例可以包括除了所示或所描述的元件之外的元件。然而，本发明人还考虑了其中仅提供所示或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还考虑了使用关于特定示例(或其一个或多个方面)或相对于其他示例(或其一个或多个方面)示出或描述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的示例(或其一个或多个方面)。

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