使能对传感器测量误差的微调和自补偿的基于isfet传感器的磁激励的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]离子敏感场效应晶体管(ISFET)设备通常被实施在用于测量溶液中的离子浓度的pH传感器中。当溶液中的离子浓度(诸如H+)改变时，通过ISFET设备的电流将相应地改变。该溶液被用作为由ISFET设备形成的晶体管的栅电极。
[0002]在深海pH感测的环境中，随着深度而改变的大循环压力可以导致包括ISFET设备管芯的pH传感器封装的变形和婦变(creep)。pH传感器封装的这种机械改变可能变更传感器管芯上的应力并且由于压电电阻(piezoresistance)效应而改变其电阻。这些改变不是容易可预测的并且不能在工厂中在PH传感器的初始校准中被补偿。此外，pH传感器中的改变通常不是随着时间而直接可观测的，这可能随着PH传感器的寿命而导致不良的性能。
【发明内容】
[0003]一种离子传感器装置包括被配置成暴露于液体的至少一个离子敏感场效应晶体管(ISFET)设备、被配置成接触所述ISFET设备所暴露于的所述液体的参考电极，以及被配置成将ISFET设备间歇地暴露于磁场的至少一个磁体。处理器操作地连接到所述ISFET设备和所述参考电极。所述处理器调制所述磁场以产生所述ISFET设备的电阻中的对应已调制输出和所述离子传感器装置的所报告的输出值的调制。
【附图说明】
[0004]本发明的特征将根据参照附图的以下描述而对于本领域技术人员而言变得显而易见。理解的是，附图仅仅描绘出典型的实施例并且因此不被认为是在范围上进行限制的，将通过附图的使用，利用附加的特异性和细节来描述本发明，其中:
图1是按照一个实施例的离子传感器装置的示意性图示；
图2是按照另一个实施例的离子传感器装置的示意性图示；
图3是按照另外的实施例的离子传感器装置的示意性图示；
图4A是按照一个实施例的可以被实施为离子敏感场效应晶体管(ISFET)管芯的半导体设备的示意性透视图；
图4B是图4A的半导体设备的示意性顶视图；
图5是按照一个实施例的可以被实施在离子传感器装置中的半导体设备的示意性透视图；以及
图6是按照另一个实施例的可以被实施在离子传感器装置中的半导体设备的示意性透视图。
【具体实施方式】
[0005]在以下的详细描述中，以足够的细节来描述实施例以使得本领域技术人员能够实践本发明。要理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，其他实施例可以被利用。因此，以下详细描述不以限制意义来进行。
[0006]提供一种离子传感器装置，其利用离子敏感场效应晶体管(ISFET)技术以及磁激励来使能对传感器测量误差的微调和自补偿。在一个实施例中，离子传感器装置可以被实施为用于液体的PH传感器。
[0007]离子传感器装置一般包括至少一个封装的ISFET管芯、参考电极、可选的对电极(counter electrode)和用以向ISFET管芯提供电力的电压/电流源。处理器将ISFET管芯和电极连接以便做出PH测量。离子传感器装置进一步包括用于向ISFET管芯应用磁激励的磁体。误差补偿软件由处理器来实施以便基于磁激励来对传感器误差应用补偿。
[0008]在一个实施例中，磁体是具有至少一个电线线圈的电磁体。可以提供电源来驱动电线线圈，从而创建ISFET管芯所暴露于的电磁场。
[0009]在另一个实施例中，一个或者多个永磁体被用来生成磁场。为了产生能够关断和接通磁场的“断续器(chopper)”效应并且测量ISFET管芯响应，永磁体可以被移动得离ISFET管芯更近或者更远，或者磁屏蔽可以被周期性地放置在磁体和ISFET管芯之间来变更磁场的量级。虽然永磁体是较不可控的，但是它们不消耗电能，这对于在有限电力可用的情况下的应用而言是有益的。
[0010]此外，密封的磁场传感器(例如，不暴露于液体或者压力)可以被用来对磁场的量级/状态提供反馈。在磁激励的应用的情况下，可以测量基本上恒定的pH水平，并且对于ISFET管芯的像温度、压力和机械改变之类的破坏性影响可以被微调掉。
[0011]对于半导体领域技术人员而言，已知的是，电子和空穴移动通过半导体的速度与半导体材料的载流子迀移率成比例。不同的半导体具有不同的固有迀移率水平。还已知的是，半导体的电学导电率/电阻率与半导体的迀移率成比例。改变机械应力和温度可以影响载流子的迀移率，从而导致对电阻的改变，其导致所测量的pH中的改变。
[0012]还已知的是，磁场可以影响通过材料的并且特别是通过半导体的载流子流。这种效应被开发来创建霍尔(Hall)效应传感器。霍尔效应依赖于以下现象:给定沿着一个轴的载流子流以及在垂直于第一轴的一个轴周围所应用的磁场，载流子将开始流向第三垂直的轴。载流子流的这种扭曲导致了霍尔电势电压，其可以沿着此第三轴而被测量。在载流子最初且主要流动的轴中，载流子流的扭曲引起沿着此轴的电阻中的明显增大。
[0013]本技术不涉及在离轴方面所生成的，而是涉及在电阻中的改变方面所生成的霍尔电势，该电阻中的改变在载流子通过栅极连接从源极到漏极(即，它们的正常流动方向)流过ISFET设备时发生。由于ISFET设备中从源极到漏极的电阻中的改变，电压中的改变可以被测量。
[0014]在本方法中，应用已调制的磁场来产生ISFET设备的电阻中的对应已调制输出和所报告的PH值的调制。所应用的磁场可以被用作为“断续器”信号，从而提供已知的、应该产生预期输出的输入励磁(excitat1n)。当在实际输出和预期输出之间存在差异时，可以应用补偿来使此差异随着时间变为零，从而保持传感器稳定性。
[0015]磁激励的一个特征是其在ISFET管芯中生成的信号被传递到信号调节组件(例如，微处理器、模拟到数字转换器、放大器等等)上。此外，由于老化引起的对这些组件的性能的随着时间的改变与ISFET通道处的pH感测中的误差合为一体。因此，本方法也可以被用来微调通常不可校正的这些其他漂移项。
[0016]在一个实施方式中，离子传感器装置可以被用作为用于深海/海洋学仪器研宄的pH传感器。在这个实施方式中，可以使pH传感器足够鲁棒(robust)以在大约6000米的深度处工作高达大约5年，同时保持异常的稳定性和传感器精度。
[0017]当前的离子传感器装置的进一步细节在下文中参考附图来进行描述。
[0018]图1图示出按照一个实施例的用于在液体中感测离子的传感器装置100。传感器装置100 —般包括被配置成暴露于液体的至少一个ISFET设备110、被配置成接触该液体的参考电极112、至少一个磁体120、以及操作地连接到ISFET设备110和参考电极112的处理器130。磁体120被配置成将ISFET设备110间歇地暴露于磁场。
[0019]在一个实施例中，ISFET设备110被置于流管140内，该流管140被配置成接收由箭头150标明的流动液体。参考电极112也与流管140内侧的液体相连通。
[0020]处理器130调制磁场以产生ISFET设备110的电阻中的对应已调制输出和传感器装置100的所报告的输出值的调制。
[0021]在一个示例性实施方式中，离子传感器装置100被配置成淹没在海水中，诸如用于深海pH感测。这样，离子传感器装置100的各种组件可以被封装在能够经受深海条件的不透水外壳结构150中。针对传感器装置100的其他示例性实施方式包括对地下水、工业化学