一种钙离子浓度检测电路的制作方法

1.本发明涉及检测电路技术领域，具体涉及一种钙离子浓度检测电路。


背景技术：

2.现有的离子选择性电极是化学传感器的一个重要分支，其检测原理通常基于离子选择性敏感膜的零电流开路电位与待测离子的活度关系符合能斯特(nernst)方程，因此得到零电流开路电位可以计算待测离子浓度。目前，聚合物膜离子选择性电极是研究最为活跃的离子选择性电极，主要包括液体接触式电极和全固态电极两类。
3.液体接触式电极将选择性敏感膜贴在内充液和待测溶液之间的电极管外壁底部，在电极管内配一定浓度的溶液和工作电极，另一根无敏感膜电极作为参比电极。两根电极同时插入待测溶液中，提供电势差信号，另一端接入电位计中读数。
4.全固态电极将敏感膜覆盖在起电子感应作用的材料上，如金属、导电碳等。工作区域浸入待测溶液，将电压信号直接通过金属传导，接入电位计中。这两种电极都是孤立的感应器件，需要外接电路才能读出电压信号。
5.关于以薄膜晶体管(tft)作为信号处理的器件，以n型氧化物半导体-氧化铟锡材料作为栅极感应层，以n型氧化物半导体-氧化铟锡与h+离子的化学反应作为电势响应源，ph减小即氢离子浓度变大时，栅极电压增大，tft沟道导通程度变大，输出的源漏电流增大，增大程度与浓度的对数呈线性关系，这种属于敏感材料与待测离子的直接化学反应。一般基于tft器件的离子传感器只探索了单一器件上的响应，未能与片上集成的tft电路进行配合，且通常使用直接化学反应材料作为电势响应源，使用寿命短。
6.也有将栅极电极拓展到外部，通过在玻璃基底上实现离子感应后，再接入到外部的cmos运算器件中实现离子浓度检测的。基于cmos器件的离子传感器及多传感器较为成熟，基于硅基材料，价格昂贵，制作工艺复杂，体积大。
7.综上所述，现有检测技术中主要有以下2个缺点：
8.1.现有技术若利用玻璃基板的晶体管，则未有结合离子传感与薄膜晶体管电路的完整应用组合，多是单一薄膜晶体管作为传感器器件，将信号接入外围电路中处理，引入噪声和信号损失，使用寿命短。
9.2.现有技术利用硅基晶体管做的离子敏传感器，价格昂贵，制作工艺复杂，体积大，需要对其进行很高精度的修饰，同时无法在玻璃或者柔性衬底上制备，批量制备成本高昂。


技术实现要素：

10.为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种钙离子浓度检测电路，在玻璃基片载体上集成薄膜晶体管电路、外接引脚、工作电极与参比电极，无需外部处理，减小了时延和噪声；工作时工作电极与参比电极各自电势作为前置放大电路的两路输入，配合集成的前置放大电路将信号放大和处理，输出指示离子浓度的电压信号，可大批量制备、生产工艺
简单、灵敏度高、灵活性强、检测精度高、生产成本低、使用寿命长、应用方便，解决了现有技术中硅基的运算放大电路与离子敏感元件不兼容、布线难、成本高、难以利用双栅薄膜晶体管实现运算放大电路、基于单栅tft的运算放大电路无法调节tft适应不同范围的输入电压、无法修改电路的应用范围和场景、由工艺带来的tft的阈值电压差异可能导致的运放性能降低的问题。
11.本发明提供的一种钙离子浓度检测电路，包括参比电极、工作电极、前置放大电路和外接引脚，所述参比电极的输入端、所述工作电极的输入端均能置于待测溶液中，所述参比电极的输出端、所述工作电极的输出端均与所述前置放大电路的输入端相连，所述前置放大电路的输出端与所述外接引脚的一端相连，所述外接引脚另一端能够外接用于处理和显示电压信号的处理单元，其中，所述前置放大电路和所述外接引脚密封集成设置于玻璃基片载体一端，所述参比电极和所述工作电极设置于玻璃基片载体的能够浸入待测溶液的另一端，所述前置放大电路由两个薄膜晶体管构成，置于待测溶液中的所述参比电极和所述工作电极之间能够产生电势差信号并输入至所述前置放大电路放大后从所述外接引脚输出。
12.本发明作进一步改进，所述参比电极的制作材料为能够作为导电介质的银氯化银，所述工作电极的制作材料为能够作为导电介质的银氯化银。
13.本发明作进一步改进，所述工作电极表面覆盖设有一层钙离子选择薄膜。
14.本发明作进一步改进，所述前置放大电路包括双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2，其中，所述双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极接偏置电压源vbias1，所述双栅薄膜晶体管tft1的漏极接电压源vdd，所述双栅薄膜晶体管tft1的底栅极与所述双栅薄膜晶体管tft1的源极、所述双栅薄膜晶体管tft2的漏极、所述外接引脚的一端相连，所述双栅薄膜晶体管tft2的顶栅极接偏置电压源vbias2，所述双栅薄膜晶体管tft2的底栅极与所述工作电极相连，所述双栅薄膜晶体管tft2的源极、所述参比电极接地。
15.本发明作进一步改进，所述前置放大电路包括双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2，其中，所述双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极接偏置电压源vbias1，所述双栅薄膜晶体管tft1的漏极接电压源vdd，所述双栅薄膜晶体管tft1的底栅极与所述双栅薄膜晶体管tft1的源极、所述双栅薄膜晶体管tft2的漏极、所述外接引脚的一端相连，所述双栅薄膜晶体管tft2的底栅极接偏置电压源vbias2，所述双栅薄膜晶体管tft2的顶栅极与所述工作电极相连，所述双栅薄膜晶体管tft2的源极、所述参比电极接地。
16.本发明作进一步改进，所述前置放大电路包括双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2，其中，所述双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极接偏置电压源vbias1，所述双栅薄膜晶体管tft1的漏极与所述双栅薄膜晶体管tft1的底栅极、电压源vdd相连，所述双栅薄膜晶体管tft1的源极与所述双栅薄膜晶体管tft2的漏极、所述外接引脚的一端相连，所述双栅薄膜晶体管tft2的顶栅极接偏置电压源vbias2，所述双栅薄膜晶体管tft2的底栅极与所述工作电极相连，所述双栅薄膜晶体管tft2的源极、所述参比电极接地。
17.本发明作进一步改进，所述工作电极的输入电压为vworking，-150mv≤vworking≤150mv，所述参比电极的输入电压为vref，vref＝0mv。
18.本发明作进一步改进，所述双栅薄膜晶体管tft2的宽长比为1000um/10um或500um/10um。
19.本发明作进一步改进，所述工作电极表面覆盖设置的钙离子选择薄膜替换为钠离子选择薄膜或钾离子选择薄膜。
20.本发明作进一步改进，所述双栅薄膜晶体管tft1和所述双栅薄膜晶体管tft2替换为单栅薄膜晶体管，薄膜晶体管的制造材料包括非晶硅、多晶硅或非晶铟镓锌氧化物，双栅薄膜晶体管的沟道形状包括平面沟道、π型沟道或3d鳍型沟道。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供了一种钙离子浓度检测电路，在玻璃基片载体上集成薄膜晶体管电路、外接引脚、工作电极与参比电极，无需外部处理，减小了时延和噪声；参比电极和工作电极都采用银氯化银材料，在工作电极表面覆盖一层钙离子选择薄膜，与待测离子发生物理吸附，寿命长，可拓展性强，只要覆盖不同的选择透过性膜即可满足不同的离子检测，工作时工作电极与参比电极各自电势作为前置放大电路的两路输入，配合集成的前置放大电路将信号放大和处理，输出指示离子浓度的电压信号；本发明采用的薄膜晶体管技术仅利用面积很小的玻璃基片载体即可进行信号采集，并完成信号处理，制备工艺简单，集成度高，不仅降低了生产成本，而且适合大面积制备，灵敏度更高，灵活性更强、检测精度更高、使用寿命长、应用方便，解决了现有技术中硅基的运算放大电路与离子敏感元件不兼容、布线难、成本高、难以利用双栅薄膜晶体管实现运算放大电路、基于单栅tft的运算放大电路无法调节tft适应不同范围的输入电压、无法修改电路的应用范围和场景、由工艺带来的tft的阈值电压差异可能导致的运放性能降低的问题。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的钙离子浓度检测电路原理图；
24.图2为本发明的前置放大电路设计方案1电路图；
25.图3为本发明的前置放大电路设计方案2电路图；
26.图4为本发明的前置放大电路设计方案3电路图；
27.图5为本发明的前置放大电路设计方案1的仿真结果曲线；
28.图6为本发明的前置放大电路设计方案1的仿真结果曲线。
29.图中，1-参比电极、2-工作电极、3-前置放大电路、4-外接引脚、5-玻璃基片载体、ground-接地。
具体实施方式
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本技术的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
31.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
33.如图1-6所示，本发明提供的一种钙离子浓度检测电路，包括参比电极1、工作电极2、前置放大电路3和外接引脚4，参比电极1的输入端、工作电极2的输入端均能置于待测溶液中，参比电极1的输出端、工作电极2的输出端均与前置放大电路3的输入端相连，前置放大电路3的输出端与外接引脚4的一端相连，外接引脚4另一端能够外接用于处理和显示电压信号的处理单元，其中，前置放大电路3和外接引脚4密封集成设置于玻璃基片载体5一端，参比电极1和工作电极2设置于玻璃基片载体5的能够浸入待测溶液的另一端，前置放大电路3由两个薄膜晶体管构成，参比电极1的制作材料为能够作为导电介质的银氯化银，工作电极2的制作材料为能够作为导电介质的银氯化银，工作电极表面覆盖设有一层钙离子选择薄膜置于待测溶液中的参比电极1和工作电极2之间能够产生电势差信号并输入至前置放大电路3放大后从外接引脚4输出。
34.本实施例中，图1为本发明的钙离子浓度检测电路原理图。玻璃基片载体上的一侧为密封区，主要包括薄膜晶体管组成的前置放大电路和外接引脚，通过大面积显示薄膜工艺对玻璃基片载体上薄膜晶体管集成电路进行制备，并在玻璃基片载体边缘预留该部分电路的对外接口，后续可通过柔性电路板绑定工艺将其连接到pcb操控系统中。另一侧为入水区，即可以浸入待测溶液的一侧，主要为分立的工作电极与参比电极，工作电极与参比电极通过内部连接接入前置放大电路中，这种内部连接方式是将薄膜晶体管所需输入以拓展栅极的方式用n型氧化物半导体-氧化铟锡引出，并与工作电极、参比电极本身的银氯化银材料结合传感，而且在工作电极表面覆盖一层钙离子选择薄膜，其中，利用银氯化银材料作为工作电极和参比电极，具有可重复性高与稳定性好的优点。将工作电极、参比电极采得的电势差信号输入到薄膜晶体管组成的前置放大电路中，便可在前置放大电路的输出端外接引脚处得到经过处理和放大的电压信号，该电压信号与钙离子浓度具有一定的线性关系，且具有高灵敏度、高精度的特点，再通过用于计算处理和显示的处理单元即可直接读取钙离子浓度数值。用薄膜晶体管组成的前置放大电路，制备工艺与大面积显示薄膜工艺完全兼容，降低了生产成本，提高了集成度，而且本发明采用的薄膜晶体管技术仅利用面积很小的玻璃基片载体即可进行信号采集，并完成信号处理，制备工艺简单，集成度高，不仅降低了生产成本，而且适合大面积制备，灵敏度更高，灵活性更强、检测精度更高、使用寿命长、应用方便。
35.本发明中，前置放大电路包括多种设计方案，以下将分别对三种设计方案作详细说明。
36.如图2所示，为前置放大电路的设计方案1，前置放大电路包括双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2，其中，双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极接偏置电压源vbias1，双栅薄膜晶体管tft1的漏极接电压源vdd，双栅薄膜晶体管tft1的底栅极与双栅薄膜晶体管tft1的源极、双栅薄膜晶体管tft2的漏极、外接引脚的一端相连，双栅薄膜晶体管tft2的顶
栅极接偏置电压源vbias2，双栅薄膜晶体管tft2的底栅极与工作电极相连，双栅薄膜晶体管tft2的源极、参比电极接地，工作电极的输入电压为vworking，参比电极的输入电压为vref。
37.本实施例中，图2为本发明的前置放大电路设计方案1电路图，其由双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2组成，且双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2的物理尺寸可以不同，其中，双栅薄膜晶体管tft1的底栅极与外接引脚的一端相连处的电压作为前置放大电路的输出电压vout。参比电极接地，即参比电极的输入电压vref＝0mv，由于电极的设计、制备工艺和钙离子选择膜的配制等因素，工作电极的输入电压vworking将被限制在-150mv～150mv之间，即-150mv≤vworking≤150mv，调整偏置电压源vbias2使电路的电压输出线性放大区域覆盖-150mv～150mv，因此，工作电极输入电压的微弱变化即可引起较大的电流变化。调整偏置电压源vbias1，使双栅薄膜晶体管tft1工作于亚阈值区或开启区。此时，因为双栅薄膜晶体管tft1的底栅极与源极短接，故当工作电极的输入电压vworking变大时，双栅薄膜晶体管tft2开启程度增大，双栅薄膜晶体管tft2的沟道电阻降低，因此双栅薄膜晶体管tft2的漏极电压下降，前置放大电路的输出电压vout减小。然而，双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极与源极电压差增大，双栅薄膜晶体管tft1开启程度增大，回路电流增大，会导致前置放大电路的输出电压vout增大。但双栅薄膜晶体管tft2比双栅薄膜晶体管tft1对前置放大电路的输出电压vout具有更大的影响，因此，当待测溶液中的钙离子浓度变大时，工作电极的输入电压vworking变大，前置放大电路的输出电压vout变小。其中，双栅薄膜晶体管tft1的底栅极与源极短接，起到了输出反馈的作用，从而使得输出调节更为迅速。
38.图5为本发明的前置放大电路设计方案1的仿真结果曲线，从图中可知，对电压源vdd、双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极处偏置电压源vbias1、双栅薄膜晶体管tft2的顶栅极处偏置电压源vbias2调整，可得到不同的线性放大区域，特别地，当双栅薄膜晶体管tft2的沟道宽长比进行调整时，可得到不同的放大效果，图中，双栅薄膜晶体管tft2的宽长比为1000um/10um或500um/10um，偏置电压源vbias1为5v或6v，偏置电压源vbias2为-1v或-1.2v，v(in)即工作电极的输入电压vworking，此时设定-2v≤v(in)≤2v。双栅薄膜晶体管采用的宽长比存在差异，传输信号的双栅薄膜晶体管宽长比较小起到减少漏电流的作用，作为调控电流信号大小的双栅薄膜晶体管宽长比较大可以提升信号放大性能的作用。
39.图4为本发明的前置放大电路设计方案1的仿真结果曲线，当电压源vdd、偏置电压源vbias1、偏置电压源vbias2以及双栅薄膜晶体管tft2的宽长比固定在某一个值时，vworking在-150mv～150mv范围内变化，前置放大电路的输出电压vout的变化范围为2.7v～4.8v，因此，图4中，该前置放大电路对电压信号具有7倍的放大效果，图中，v(in)即工作电极的输入电压vworking，此时-150mv≤v(in)≤150mv。
40.如图3所示，为本发明的前置放大电路设计方案2电路图，前置放大电路包括双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2，其中，双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极接偏置电压源vbias1，双栅薄膜晶体管tft1的漏极接电压源vdd，双栅薄膜晶体管tft1的底栅极与双栅薄膜晶体管tft1的源极、双栅薄膜晶体管tft2的漏极、外接引脚的一端相连，双栅薄膜晶体管tft2的底栅极接偏置电压源vbias2，双栅薄膜晶体管tft2的顶栅极与工作电极相连，双栅薄膜晶体管tft2的源极、参比电极接地。方案2与方案1不同的部分在于双栅薄膜晶体管
tft2的顶栅极与底栅极位置对换，即双栅薄膜晶体管tft2的底栅极接偏置电压源vbias2，双栅薄膜晶体管tft2的顶栅极接工作电极vworking，方案2的工作原理与方案1相似，区别只在于采用方案2时，虽然也能实现钙离子浓度检测，但是对工作电极vworking的灵敏度会下降，反馈效果变差，也就是如图5的仿真曲线斜度会变缓，灵敏度不如方案1。
41.如图4所示，为本发明的前置放大电路设计方案3电路图，前置放大电路包括双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2，其中，双栅薄膜晶体管tft1的顶栅极接偏置电压源vbias1，双栅薄膜晶体管tft1的漏极与双栅薄膜晶体管tft1的底栅极、电压源vdd相连，双栅薄膜晶体管tft1的源极与双栅薄膜晶体管tft2的漏极、外接引脚的一端相连，双栅薄膜晶体管tft2的顶栅极接偏置电压源vbias2，双栅薄膜晶体管tft2的底栅极与工作电极相连，双栅薄膜晶体管tft2的源极、参比电极接地。方案3与方案1不同的部分在于双栅薄膜晶体管tft1的漏级与底栅极相接，方案3的工作原理与方案1相似，区别只在于采用方案3时，虽然也能实现钙离子浓度检测，但是对工作电极vworking的灵敏度也会下降，反馈效果变差，也就是如图5的仿真曲线斜度会变缓，灵敏度不如方案。
42.如图1所示，工作电极表面覆盖设置的钙离子选择薄膜替换为钠离子选择薄膜或钾离子选择薄膜。其中，将工作电极表面覆盖设置的钙离子选择薄膜替换为钠离子选择薄膜或钾离子选择薄膜，或者其他离子选择薄膜，也能够实现检测钠离子浓度或钾离子浓度或其他离子浓度的效果。
43.如图2所示，双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2替换为单栅薄膜晶体管，薄膜晶体管包括双栅薄膜晶体管和单栅薄膜晶体管，薄膜晶体管的制造材料包括非晶硅、多晶硅或非晶铟镓锌氧化物，双栅薄膜晶体管的沟道形状包括平面沟道、π型沟道或3d鳍型沟道。本实施例中，双栅薄膜晶体管tft1和双栅薄膜晶体管tft2可以用单栅薄膜晶体管代替，也可实现钙离子检测的相关功能，但是没法调节因为工艺带来的阈值电压漂移的问题。薄膜晶体管的制造材料很多，便于批量生产，成本低。
44.由上可知，本发明提供了一种一种钙离子浓度检测电路，在玻璃基片载体上集成薄膜晶体管电路、外接引脚、工作电极与参比电极，无需外部处理，减小了时延和噪声；参比电极和工作电极都采用银氯化银材料，在工作电极表面覆盖一层钙离子选择薄膜，与待测离子发生物理吸附，寿命长，可拓展性强，只要覆盖不同的选择透过性膜即可满足不同的离子检测，工作时工作电极与参比电极各自电势作为前置放大电路的两路输入，配合集成的前置放大电路将信号放大和处理，输出指示离子浓度的电压信号；本发明采用的薄膜晶体管技术仅利用面积很小的玻璃基片载体即可进行信号采集，并完成信号处理，制备工艺简单，集成度高，不仅降低了生产成本，而且适合大面积制备，灵敏度更高，灵活性更强、检测精度更高、使用寿命长、应用方便，解决了现有技术中硅基的运算放大电路与离子敏感元件不兼容、布线难、成本高、难以利用双栅薄膜晶体管实现运算放大电路、基于单栅tft的运算放大电路无法调节tft适应不同范围的输入电压、无法修改电路的应用范围和场景、由工艺带来的tft的阈值电压差异可能导致的运放性能降低的问题。
45.以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。