ISFET测量探测器、用于ISFET测量探测器的测量电路、和方法与流程

本发明涉及一种isfet(ionsensitivefieldeffecttransistor：离子敏感场效应晶体管)测量探测器、一种用于isfet测量探测器的测量电路、和一种方法，利用所述方法可确定ph测量探测器的参考电极的膜片的状态。

背景技术：

在研究实验室和诸如化学、食品、生物技术或医药品的不同产业领域中，会使用测量电极或测量探测器以确定测量介质中的ph值。测量介质的ph值指示测量介质的状态、味道或质量。在化学过程中，ph值也被用来控制制造过程。

根据电势测量的原理来进行ph测量。在电势测量中，测量电极(isfet)和参考电极浸入在测量介质中。通过参考电极，相对于测量介质建立限定的电势。通过测量参考电极与测量电极的各自电势之间的差，可确定测量溶液的ph值。

参考电极包括例如包含参考电解质的壳体，所述参考电解质通过交界面与测量介质接触。所述交界面可例如是开放的通道，或其可构造为多孔膜片。交界面应一方面具有最小的电阻值，并且应另一方面阻碍参考电解质或桥电解质与测量介质的混合。不同的措施旨在实现这些目标。

测量探测器的与介质(对所述介质进行测量)直接接触的膜片是测量探测器的非常敏感的部分。已知的问题是所谓的生物污染，即外来物质沉积和积聚在膜片表面上并干扰测量。测量介质的酸度、脂肪含量、体积和压力是可对膜片的工作和对膜片的使用寿命产生负面影响的因素。

参考电极尽可能地保持恒定的参考电势是参考电极的关键品质。这要求膜片具有应该尽可能小的恒定的电阻值。因此有利的是在运行期间定期地检查膜片的状态以获得对离子浓度的可靠测量。

在ph玻璃电极中，诊断电路被用于监控膜片的状态并提供状态消息的目的，使得使用者可在正确的时间终止测量并更换传感器。

玻璃电极具有的缺点是存在的诊断电路需要附加的部件。它们生成热，会损害测量结果，并且需要采取校正措施。

玻璃电极具有的另外的缺点是它们非常易碎。在破损的情况下，玻璃碎片将混杂在加工材料中并将因此对消费者造成危险。因此通常在很多领域中避免使用玻璃电极，例如在生物制药和在食品产业和饮料产业。由于这些问题，甚至在一些产业领域中法律上禁止使用玻璃电极。

离子敏感场效应晶体管(isfet)比玻璃电极更加适合于这些应用，因为它们机械上非常稳固并且与玻璃电极相比几乎牢不可破。这些特性促成isfet传感器使用于诸如食品产业和制药产业的其中保护加工材料尤为重要的领域中。

利用包括isfet的测量探测器确定测量介质的ph值是基于测量isfet的行为。isfet布置在测量探测器中使得由离子敏感层覆盖的栅极可与测量介质接触。测量探测器还包括同样浸入在介质中的参考电极，对所述参考电极施加确定测量介质的电势并从而确定isfet的工作点的偏置电压。根据能斯特方程，与测量介质中的离子浓度有关的表面电势在测量介质与isfet的栅极处的离子敏感层之间的接触区域中确立其本身。该电势将其本身相加到一直施加至参考电极的偏置电压上并因此影响源极与漏极之间的耗尽区。

在借助isfet测量测量介质的ph值的传统方法下，漏极电流和漏极电势保持恒定，对源极电势进行测量。替代地，参考电极处的偏置电压可变化，漏极电流可由此保持恒定。在这种情况下，调节的偏置电压用作对存在的离子浓度的测量。

具有isfet的测量探测器具有允许参考电极接触测量介质的膜片。为使对离子浓度的测量给出有效的结果，需要确保由于诸如酸、油脂和压力的不利的影响因素而造成膜片的状态的改变不会影响测量。

可通过测量膜片的电阻值来确定膜片的状态。在对isfet测量探测器的最先进技术的诊断步骤中，必须从测量介质中取出测量探测器以检查膜片的状态。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种改进的isfet测量探测器，特别是ph测量探测器，以及一种测量电路和一种通过其可确定该测量探测器的状态的方法。

特别地，本发明旨在提供一种允许现场诊断的诊断电路，所述现场诊断即一种不需要将测量探测器从测量介质中去除并在运行期间检查参考电极的状态的诊断。为得到可靠的测量结果，诊断电路应仅具有小数目的部件并且应仅消耗最小量的电流。

所述任务利用根据权利要求1的isfet测量探测器、根据权利要求2的测量电路和根据权利要求9的方法来解决。

根据本发明的isfet测量探测器包括壳体，在所述壳体中，以如下方式布置isfet和参考电极，使得isfet的覆盖有离子敏感层的栅极电极和参考电极伸进可将测量介质引入至其中的测量空间中。还布置在壳体内部的是辅助电极，所述辅助电极被设计成与测量介质接触并被保持在测量空间内。

测量电路用于运行根据权利要求1的isfet测量探测器并且允许测量测量介质中的离子浓度以及诊断测量探测器。测量探测器包括被设计用来浸入在测量介质中的参考电极、和同样可浸入在测量介质中的辅助电极、以及isfet(所述isfet的被涂覆的栅极电极用于与测量介质进行接触)。isfet的漏极端子连接至恒定第一电压源的第一电势，源极端子连接至测量电阻的第一端子，所述测量电阻的第二端子连接至第一电压源的第二电势。测量电路还包括运算放大器，所述运算放大器的非反向输入端连接至可设置的控制电压，所述运算放大器的反向输入端连接至测量电阻的第一端子，它的输出端连接至参考电极。

本发明的思想包括至少一个可控的开关，所述开关可选择性地设置到在该处进行测量测量介质的测量位置，或设置到在该处进行诊断测量探测器的至少一个诊断位置。在开关的诊断位置中，附加地可浸入于测量介质中的辅助电极可连接至测试电压，在测量位置中，辅助电极可与测试电压分离。

施加至参考电极的偏置电压或参考电压限定测量介质的电势。在超出参考电压的一定值的情况下，isfet变化到导电状态，使得漏极与源极之间有电流流动。下文中，将选取参考电压使得isfet可工作在线性工作范围内。

在对测量电路的第一设计中，优选地借助运算放大器调节参考电压，使得流经测量电阻的漏极-源极电流保持恒定。为实现这一点，运算放大器的非反向输入端连接至可调节的控制电压，借助可调节的控制电压，可在参考电极处设置期望的偏置电压或参考电压。在漏极-源极电流流过的测量电阻上，调节电压被分接并施加至运算放大器的反向输入端。测量电路的这种配置具有的优点是参考电压在很宽的范围上与ph值成线性比例地变化，并因此与测量介质的离子浓度成比例。

辅助电极例如是orp(oxidation-reductionpotential：氧化-还原电势)电极。在本发明中，在开关的诊断位置中使用辅助电极以便在参考电极上施加电流脉冲。基于参考电极的响应信号和/或辅助电极的响应信号，可得到代表对布置在参考电极处的膜片的电阻的测量的信号。

用恒定测试电压生成电流脉冲，所述恒定测试电压可经过负载电阻和开关施加至辅助电极。因此在辅助电极与参考电极之间流动的电流与isfet的特性无关，在诊断期间优选地断开所述isfet。基于对电流的测量或电流的时间变化特性，可确定参考电极的电阻值或导电性。由于不利的影响因素会改变膜片的电阻值，因此根据本发明的方法使得可以确定参考电极的状态。

与传统的ph测量电路相比，用于诊断参考电极的电路仅需要添加辅助电极、负载电阻、开关和用来提供测试电压的电压源。这些部件可有利地结合在根据本发明的测量电路中，使得除测量测量介质的离子浓度以外，还可附加地确定参考电极的状态。特别有利的是根据本发明的扩展配置的测量探测器不再需要为了评估参考电极的状态而从测量介质中去除。可在两个测量时段之间的短暂时间间隔内进行诊断，使得实际上没有减少测量装置的运行。

可从不同的电压源获得测试电压。为提供测试电压，可在设计中包括附加的电压源。替代地，由于在诊断参考电极期间不需要isfet，因此工作电压的电势，例如漏极端子处的电势可在诊断期间作为测试电压使用。作为另外的一种可能性，施加至运算放大器的非反向输入端的恒定控制电压可被用作为测试电压。由于运算放大器的非反向输入端与它的反向输入端之间的电压差接近零，因此也可从运算放大器的反向输入端获取恒定控制电压。

可简单地通过改变开关、例如双极或多极开关的状态将测试电压从前述的电压源之一连接至辅助电极。

使用单个电压源用于多个任务，例如交替地用于isfet的运行和提供测试电压，具有的优点是测量电路可具有更简单的和更节省成本的配置并且需要更少的部件，这减少了非期望的散热量。当电压源切换时，漏极连接部或源极连接部可与电路的其余部分分离。这具有的优点是在诊断阶段期间isfet上没有负载。

根据权利要求9的方法用于测量测量介质中的离子浓度并用于执行对根据权利要求1的测量探测器的诊断测试，所述测量探测器包括被设计用于浸入在测量介质中的参考电极和同样可浸入在测量介质中的辅助电极，以及isfet，所述isfet的被涂覆的栅极电极用于与测量介质进行接触，其中，isfet的漏极端子连接至恒定的第一电压源的第一电势，源极端子连接至测量电阻的第一端子，所述测量电阻的第二端子连接至第一电压源的第二电势，其中，测量电路还包括运算放大器，所述运算放大器的非反向输入端连接至可设置的控制电压，所述运算放大器的反向输入端连接至测量电阻的第一端子，它的输出端连接至参考电极。本发明的思想还包括至少一个可控制的开关，所述开关可在测量位置(在该位置处的测量模式下进行测量测量介质)与至少一个诊断位置(在该位置处的诊断模式下进行对测量探测器的诊断测试)之间拨动。在诊断模式下，辅助电极经过负载电阻连接至测试电压以便测量参考电极上的电压的第一时间变化特性和/或辅助电极上的电压的第一时间变化特性。按照本发明，通过将参考电极上的电压的第一时间变化特性和/或辅助电极上的电压的第一时间变化特性和/或参考电极上的电压的第一时间变化特性与辅助电极上的电压的第一时间变化特性的差，与特征值或特征曲线进行比较并通过评估由此获得的比较值来确定参考电极的状态。

要求保护的方法具有以下步骤：将测试电压施加至辅助电极；将测试电压从辅助电极分离并同时测量作为时间的函数的辅助电极处的电压；测量作为时间的函数的参考电极处的参考电压；将两个电压变化特性相减并将作为时间的函数的电压差存储为参考电极的响应信号；评估响应信号并基于参考电极的响应信号确定参考电极的状态。

根据本发明的方法用于测量测量介质中的离子浓度并用于在根据权利要求1的测量探测器上进行诊断测试，所述测量探测器包括被设计用于浸入在测量介质中的参考电极和同样可浸入在测量介质中的辅助电极，以及isfet，所述isfet的被涂覆的栅极电极用来与测量介质进行接触，所述测量探测器优选地具有根据权利要求2的测量电路，其中，isfet的漏极端子连接至恒定第一电压源的第一电势，源极端子连接至测量电阻的第一端子，所述测量电阻的第二端子连接至第一电压源的第二电势。所述测量电路还包括运算放大器，所述运算放大器的非反向输入端连接至可设置的控制电压，它的反向输入端连接至测量电阻的第一端子，它的输出端连接至参考电极。本发明的思想还包括至少一个可控制的开关，所述开关可选择性地设置到在测量模式下进行对测量介质的测量的测量位置，和设置到在诊断模式下进行对测量探测器的诊断测试的至少一个诊断位置。

根据本发明，当电路转换到诊断模式时，即在现场诊断期间，辅助电极优选地经过负载电阻连接至测试电压。接下来，测量参考电极处的电压的第一时间变化特性和/或辅助电极处的电压的第一时间变化特性。随后，将以下：参考电极上的电压的第一时间变化特性和/或辅助电极上的电压的第一时间变化特性和/或参考电极上的电压的第一时间变化特性与辅助电极上的电压的第一时间变化特性的差，与特征值或特征曲线进行比较以建立比较值。最后，评估比较值并确定参考电极的状态。

测试标准优选地是：所测量的参考电极的和/或辅助电极的电压的时间变化特性或代表差值的信号的时间变化特性是否位于容许范围内，或者时间变化特性是否没有超过预定的阈值。替代地，可将与时间变化参考特性的比较作为执行对响应信号和/或电压的所测量的时间变化特性的评估。可例如基于对已经运行延长的时间的测量探测器的检查来建立诸如容许范围和阈值的特征曲线和特征值。

在用于现场诊断参考电极的方法中，当恒定测试电压施加至辅助电极时，isfet源极连接部和/或漏极连接部优选地与测量电路的其余部分分离。

优选地，测试电压经过负载电阻施加至辅助电极。

测试电压可有利地从运算放大器的反向输入端分接。由于运算放大器的反向输入端与非反向输入端之间的电压几乎为零，因此分接的测试电压等于存在于非反向输入端的控制电压。由于isfet源极端子经过测量电阻连接至工作电压的电势，因此测试电压也可有利地从测量电阻的此第一端子分接。

优选地，将具有第一极性的、第一预先定义的幅度的和第一预先定义的持续时间的电压脉冲施加到辅助电极。

优选地，将具有第一极性的、第一预先定义的幅度的和第一预先定义的持续时间的第一电压脉冲施加到辅助电极，之后是将具有与第一极性相反的第二极性的、第二预先定义的幅度的和第二预先定义的持续时间的第二电压脉冲施加到辅助电极。

附图说明

下文中，根据本发明的测量探测器，根据本发明的测量电路和根据本发明的方法将在其不同的实施例中借助于附图被解释，其中

图1示意性地示出根据本发明的测量探测器m，其具有连接至根据本发明的测量电路mc的isfett、参考电极re和辅助电极aux；

图2示意性地示出用于测量测量介质l中的离子浓度的具有isfett的传统测量电路；

图3示意性地示出根据本发明的其中附加地结合了辅助电极aux的isfet测量探测器m，以及具有运算放大器oa的测量电路，所述测量电路用于测量测量介质中的离子浓度并且借助所结合的辅助电极aux用于确定测量探测器m的状态；

图4示出图3的测量探测器m和测量电路，其中，运算放大器oa选择性地用于调节isfet源极-漏极电流或作为恒流器用于生成流经辅助电极的诊断电流iref，所述诊断电流iref由于参考电极re的内部电阻rs而引起可测量的电压跳变。

图5示出图3的测量探测器m和测量电路，其中，工作电压可在isfet漏极端子td与辅助电极aux之间切换；和

图6示出图3的测量探测器m和测量电路，其中，辅助电极aux可优选地经过串联电阻连接至工作电压的正电势或负电势，或者交替地连接至工作电压的正电势和负电势。

具体实施方式

图1示意性地示出根据本发明的测量探测器m，其具有布置在壳体g中的isfett、参考电极re、辅助电极aux和根据本发明的测量电路mc。测量探测器m被示出在当进行测量时的工作状态下。isfett、参考电极re和辅助电极aux连接至测量电路mc并浸入在包含于测量空间中的测量溶液l中。测量电路mc生成并处理电信号以确定测量溶液l的离子浓度和测量探测器m的状态。参考电极re具有膜片d，所述膜片d用于获取测量溶液l的电势并且膜片d的状态在诊断过程中被监控。

图2示意性地示出通过包括isfett和参考电极re的测量探测器m，用来测量测量溶液l中的离子浓度的传统电路mc。isfet漏极端子td连接至恒定工作电压ucc的第一电势。isfet源极端子ts连接至测量电阻rm，所述测量电阻rm的第二端子连接至工作电压ucc的第二电势。在用于进行测量的工作状态下，漏极-源极电流id相应地流过isfet并继续流过测量电阻rm朝工作电压ucc的第二电势流动。在测量模式下的运行期间，涂覆有离子敏感层的isfet栅极tg直接接触其中浸有测量探测器m的测量介质l。所述离子敏感层例如由si3n4、al2o3或ta2o5组成。

参考电极re处的电势相应于测量介质l的电势。参考电极re的电势在这种情况下被考虑为与运算放大器oa的负电源电压有关。由于漏极-源极电流id例如通过调节电路被保持恒定，因此可从运算放大器oa的电源电压，例如经过串联电阻获得工作电压ucc。被isfet栅极tg接触的测量介质l的离子浓度影响耗尽区并且对isfett中的漏极-源极电流id有直接的影响。可用不同方式确定离子浓度。在图2的电路中，借助运算放大器oa来调节参考电极re处的电压，即参考电压uref，使得漏极-源极电流id保持恒定。

为实现这一点，将可调节的控制电压uset施加到运算放大器oa的非反向输入端。运算放大器oa的反向输入端连接至从测量电阻rm的第一连接端分接的调节电压urm。运算放大器oa的连接至参考电压uref的输出端连接至参考电极re。因此，参考电压uref一方面与控制电压uset有关，另一方面与从测量电阻rm取出的调节电压urm有关。

控制电压uset优选地设置在以下水平：当测量溶液具有中性ph值(ph＝7)时，测量溶液l中的参考电压re的电势处在运算放大器oa的电源电压的范围中的约居中处。这确保了碱性和酸性溶液的最佳变化范围。控制电压uset随后被保持恒定并且可借助分压器从运算放大器oa的电源电压或从工作电压ucc获得。因此图2的示意图将电路减少到它的基本功能。

随着测量介质l中的离子浓度的增加，isfet中的漏极-源极电流id升高，测量电阻rm两端的电压也相应地升高，其作为调节电压urm连接至运算放大器oa的反向输入端。运算放大器oa因此减小参考电压uref。

因此调节参考电压uref使得测量电阻rm两端的电压差，即调节电压urm以及因此还有漏极-源极电流id保持恒定。参考电压uref与ph值成线性比例变化并因此代表测量介质l中的离子浓度的度量。通常只要栅极tg与isfet绝缘并且具有非常高的电阻值，那么流入测量介质l中的参考电流iref就为零。

图3示意性地示出根据本发明的其中结合了辅助电极aux的isfet测量探测器m，以及根据本发明的测量电路，所述测量电路用来测量测量介质l中的离子浓度并借助所结合的辅助电极aux用来确定测量探测器m的状态。测量电路可在测量测量介质l的离子浓度的测量模式下运行，并且可在确定测量探测器m的状态的诊断模式下运行。

图3的电路布置与图2的电路类似，除了图3的电路附加地包括辅助电极aux，所述辅助电极aux经过与设置到位置dp的开关s串联的负载电阻rload，可在诊断模式下连接到由外部电压发生器提供的电压源uload。在开关s的位置dp中，测试电压upt因此连接到辅助电极aux。在测量模式下，开关s断开，即设置到位置mp，辅助电极aux因此不承受负载。

在诊断模式下，开关s暂时地闭合，使得在相应的时间间隔期间，电压源uload经过负载电阻rload连接至辅助电极aux。因此，诊断电流脉冲iref施加在辅助电极aux上。因此，电流在辅助电极aux与参考电极re之间的测量介质l中流动。参考电极re处的电压的时间变化特性和/或辅助电极aux处的电压的时间变化特性可被顺序地记录并评估。优选地，确定并评估两个电压变化特性之间的差。通过将各个电压或它们的差值与特征值或特征曲线(例如参考图、阈值或极限)进行比较，可确定测量探测器m的状态。检查包括例如所测量的电压变化特性是否在容许范围之内，或者所得到的与参考特性的偏差是否超过了阈值。

图4示出测量电路mc的一个实施例，在所述测量电路mc中未使用单独的电压源uload。而是，连接至测量电阻rm的第一端子和运算放大器oa的反向输入端的多极开关或选择器开关s可被设置到连接至isfet的源极端子ts的测量位置mp，或被设置到连接至辅助电极aux的诊断位置dp。因此，在诊断位置dp，辅助电极aux连接到存在于运算放大器oa的反向输入端处的电压，该电压相应于存在于运算放大器oa的非反向输入端处的控制电压uset。

因此，在测量电阻rm与运算放大器oa的反向输入端之间的连接处的电压用作第二恒定电压源。通过改变开关s的位置，isfet源极端子ts同时与电路的其余部分分离，使得isfett在诊断测试期间不承受负载。

在测量位置mp，isfet的工作点，特别是漏极-源极电流和漏极-源极电压由控制电压uset和测量电阻rm限定。

在诊断位置dp，在辅助电极aux中流动的诊断电流iref由优选地可控的控制电压uset和测量电阻rm的值来限定。诊断电流iref引起了参考电极re的内部电阻rs两端的可测量的、随时间变化的电压跳变(uref2-uref)，由此可确定参考电极re的内部电阻rs。

优选地，控制电压uset和测量电阻rm的值被编程，使得在测量位置mp和在诊断位置dp，为isfet设置期望的工作点并且在辅助电极aux上施加期望的诊断电流iref。

图5示出测量电路mc的另外的优选实施例，其中，未使用附加的电压源，而是将工作电压ucc使用为第二恒定电压源。多极开关或选择器开关s一方面连接到工作电压ucc的电势，并可另一方面设置到连接至isfet的漏极端子td的测量位置mp或者设置到经过负载电阻rload连接至辅助电极aux的诊断位置dp。因此，在开关s的测量位置mp中，辅助电极aux与电路的其余部分分离，在开关s的诊断位置dp中，流经isfett的电流被阻断并且isfet不承受负载。基于因流经辅助电极aux的并且被调节的所施加的诊断电流iref，而产生的参考电压uref的时间变化特性中的跳变，可确定参考电极re的内部电阻值。

图6示出测量电路mc的一个实施例，其中，多极开关s一方面经过负载电阻rload连接至辅助电极aux，另一方面可选择性地在三个位置，即测量位置mp、第一诊断位置dp1和第二诊断位置dp2之间切换。在测量位置mp中，辅助电极aux与电路的其余部分分离。在第一诊断位置dp1中，辅助电极aux连接至第二恒定电压源uload的第一电势，在第二诊断位置dp2中，辅助电极aux连接至第二电压源uload的第二电势。因此可在两个电势之间切换测试电压upt。

在此电路中，诊断电流iref施加在辅助电极aux上，而无需提供附加的电压源。为放弃附加的电压源，使用了多极开关s，其可一方面连接至第二电压源的正电势或负电势，并且另一方面当设置到测量位置mp时与电路分离。由于在诊断阶段不需要isfett，因此可有利地使用工作电压ucc以生成测试电压upt，换言之以用作电压源uload。

尽管已经通过呈现具体示例性实施例来描述本发明，但是不言而喻的是基于本发明的教导，可以想到许多其他变型，例如通过将各个实施例的特征彼此结合和/或通过在实施例之间交换各个功能单元。特别地，这里描述的所有的电压，即运算放大器oa的电源电压、控制电压uset、工作电压ucc和电压源uload可利用分压器从单个的参考电压源获得。使用几个电压源也是可行的。

附图标记列表

m测量探测器

l测量介质

mr测量空间

g壳体

mc测量电路

tisfet(ionsensitivefieldeffecttransistor：离子敏感场效

应晶体管)

tg被涂覆的栅极交界面

td漏极端子

ts源极端子

d膜片

re参考电极

aux辅助电极

oa运算放大器

rm源极端子处的测量电阻

rload辅助电极aux处的负载电阻

rs参考电极的内部电阻

uccisfet的漏极端子处的工作电压

vs源极电势

vd漏极电势

id漏极-源极电流

uset运算放大器处的可选择性地设置的控制电压

urm测量电阻处的调节电压

uref参考电极处的偏置电压或参考电压

upt辅助电极aux处的电压

uload第二恒定电压源

iref流经参考电极re的电流

s开关

mp测量位置

dp诊断位置

dp1第一诊断位置

dp2第二诊断位置