多參數離子傳感器、傳感器晶片和監測系統的製作方法
2023-06-10 22:56:21
多參數離子傳感器、傳感器晶片和監測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及多參數離子檢測【技術領域】，公開了一種多參數離子傳感器、傳感器晶片和監測系統。該傳感器包括：多個由成對的離子敏場效應電晶體組合的互補對結構；其中，每個互補對結構中成對的離子敏場效應電晶體共用一個參比電極；所述成對的離子敏場效應電晶體中的一個設有的敏感膜作為指示電晶體，另一個設有非活性膜作為參比電晶體；多個互補對結構中的敏感膜不同。本實用新型可同時實時採集多種鹽離子濃度，具有體積小、靈敏度高、響應快、微型化、易集成的優點，可以很容易與外電路匹配，實現在線控制和實時監測，做成微型分析儀器和離子探針，成本低廉，適合批量生產，可廣泛用於農業醫療化工環保軍事等領域。
【專利說明】多參數離子傳感器、傳感器晶片和監測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及多參數離子檢測【技術領域】，具體的，涉及一種多參數離子傳感器、傳感器晶片和監測系統。
【背景技術】
[0002]土壤鹽鹼化是植物生長過程中最常遇到的自然逆境之一，該問題影響世界生態環境、限制農林業生產發展，其在沿海地區表現尤為突出。據統計，全球有近20%的可耕種地受到鹽鹼化的影響。鹽鹼地在我國也是一個重要的土地資源，我國約有3000多萬hm2的鹽鹼地。近年來，隨著工農業的發展，環境汙染加劇，淡水資源日益匾缺，海平面不斷上升，陸地面積相對縮小，土壤鹽潰化有日益加重的趨勢。土壤含鹽量是表徵土壤鹽分狀況的主要參數，也是確定土壤鹽潰化程度的最主要指標。準確可靠的土壤鹽分分析數據是一切鹽鹼地工作的基礎,而掌握土壤主要離子的含量對於鹽鹼地改良也有非常重要的作用。因此快速、準確、實時的測定土壤含鹽量及主要離子含量成為科研工作中的基礎研究和解決土地鹽鹼化問題的必然需求。
[0003]目前對鹽鹼地鹽離子濃度檢測設備和方法，如滴定法、傳統離子選擇電極傳感器等都存在較大的不足。首先，已有的檢測方法無法同時一次性測定可溶鹽水中多種主要鹽離子的濃度；其次，目前的測量方法需要人工親自到檢測現場取樣和測量，不能對鹽鹼地鹽離子的含量進行自動化遠程測量和實時監控；再次，傳統的檢測設備測量過程繁雜，設備體型較大，功耗大，且和一般的測量儀器沒有兼容性，不易集成。
實用新型內容
[0004]針對現有技術的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是如何提高主要鹽離子的檢測效率。
[0005]為解決上述問題，一方面，本實用新型提供了一種多參數離子傳感器，包括:多個由成對的離子敏場效應電晶體組合的互補對結構；其中，每個互補對結構中成對的離子敏場效應電晶體共用一個參比電極；所述成對的離子敏場效應電晶體中的一個設有的敏感膜作為指示電晶體，另一個設有非活性膜作為參比電晶體；多個互補對結構中的敏感膜不同。
[0006]優選地，所述傳感器中，每種敏感膜分別針對一種特定的離子；所述離子包括Na+、K+、Ca2+、Cl' SO42' CO32-中的至少一種。
[0007]優選地，所述傳感器的互補對結構基於N溝道的離子敏場效應電晶體。
[0008]優選地，在每個互補對結構中:參比電極設置在成對的離子敏場效應電晶體之間；每個離子敏場效應電晶體為多層級結構，所述多層級結構的各層依次包括P型矽襯底、N型溝道、S12氧化層、源漏電極、絕緣層及柵電極；其中，所述N型溝道形成在所述P型矽襯底的表面，所述源漏電極通過所述S12氧化層中的通孔分別連接兩個N型溝道區，所述柵電極通過所述絕緣層中的通孔連接所述S12氧化層；所述敏感膜或所述非活性膜布設在所述柵電極表面並暴露在環境當中。
[0009]優選地,所述參比電極為Ag/AgCl參考電極。
[0010]優選地，所述源漏電極和所述柵電極為金屬電極，所述柵電極通過鋁互連線連接所述S12氧化層。
[0011]另一方面，本實用新型還提供一種多參數離子傳感器晶片，所述傳感器晶片包括:如上所述的多參數離子傳感器、放大器、A/D模數轉換器、校驗存儲器、CRC發生器、SCK數據線、DATA三態門；其中，所述傳感器的輸出耦接所述放大器，所述放大器將所述傳感器輸出的模擬信號放大；所述放大器的輸出耦接所述A/D轉換器，所述A/D轉換器將放大的模擬信號轉換為數位訊號；所述校驗存儲器耦接所述A/D轉換器，保障模數轉換的準確度；所述A/D轉換器耦接所述CRC發生器，所述CRC發生器保障數據通信的安全；所述傳感器晶片通過所述SCK數據線和與所述DATA三態門外部通信，所述SCK數據線負責處理器和離子傳感器的通訊同步；所述DATA三態門用於數據的讀取。
[0012]再一方面，本實用新型還提供一種多參數離子監測系統，所述監測系統包括:如上所述的多參數離子傳感器晶片、無線收發模塊、匯聚節點、網關模塊、3G無線傳輸模塊、遠程網絡伺服器和用戶終端；其中，所述多參數離子傳感器晶片與無線收發模塊連接，組成單個傳感器模塊；所述無線收發模塊與匯聚節點無線通信連接，將傳感器模塊採集的數據實時傳送至匯聚節點；所述匯聚節點與網關模塊無線通信連接，將數據傳送至網關模塊；所述網關模塊與3G無線傳輸模塊連接，將數據通過3G網絡傳送至遠程網絡伺服器；所述用戶終端將數據保存和顯示給客戶端。
[0013]優選地，所述無線收發模塊與匯聚節點之間、匯聚節點與網關模塊之間無線通信採用ZigBee組網。
[0014]優選地，所述3G無線通信模塊為CDMA無線通訊模塊，包括四頻GSM/GPRS、EDGE、⑶MA和HSPA空中接口。
[0015]與現有技術相比，本實用新型的技術方案可同時實時採集多種鹽離子濃度，與傳統離子選擇電極相比，具有體積小、靈敏度高、響應快、微型化、易集成的優點，可以很容易與外電路匹配，實現在線控制和實時監測，做成微型分析儀器和離子探針，成本低廉，適合批量生產，可廣泛用於農業醫療化工環保軍事等領域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的一個實施例中多參數離子傳感器的結構示意圖；
[0017]圖2為本實用新型的一個優選實施例中傳感器中互補結構對的結構示意圖；
[0018]圖3為本實用新型的另一個實施例中多參數離子傳感器晶片的結構示意圖；
[0019]圖4為本實用新型再一個實施例中多參數離子監測系統的結構示意圖；
【具體實施方式】
[0020]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例為實施本實用新型的較佳實施方式，所述描述是以說明本實用新型的一般原則為目的，並非用以限定本實用新型的範圍。本實用新型的保護範圍應當以權利要求所界定者為準，基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0021]如圖1所示，在本實用新型的一個實施例中，多參數離子傳感器包括:多個由成對的離子敏場效應電晶體(ISFET)組合的互補對結構；其中，每個互補對結構中成對的離子敏場效應電晶體共用一個參比電極，所述成對的離子敏場效應電晶體中的一個設有的敏感膜作為指示電晶體，另一個設有非活性膜(或稱鈍化膜)作為參比電晶體(REFET);多個互補對結構中的敏感膜不同。原則上，每種敏感膜分別針對一種特定的離子。
[0022]在本實用新型中，離子選擇電極場效應電晶體(ISFET)是一種微電子離子選擇性敏感元件，兼有電化學和電晶體的雙重特性，由離子選擇電極(ISE)敏感膜和金屬-氧化物-半導體場效應電晶體(MOSFET)組合而成。使用時，離子敏感膜和電解質溶液共同形成器件的柵電極，溶液與敏感膜之間產生的電化學勢，將使FET的閾值電壓發生調製效應，使溝道電導發生變化。選取不同的敏感膜可以檢測不同離子的濃度(如Na+，K+，Ca2+，CF, S042—，CO32-等)。與傳統離子選擇電極相比，具有體積小、靈敏度高、響應快、微型化、易集成的優點，可以很容易與外電路匹配，實現在線控制和實時監測，做成微型分析儀器和離子探針，成本低廉，適合批量生產，可廣泛用於農業醫療化工環保軍事等領域。
[0023]進一步參見圖2，其公開了一種基於N溝道ISFET的互補對結構。在每個互補對結構中，參比電極設置在成對的離子敏場效應電晶體之間，每個離子敏場效應電晶體為多層級結構，所述多層級結構的各層依次包括P型矽襯底、N型溝道、S12氧化層、源漏電極、絕緣層及柵電極；其中，所述N型溝道形成在所述P型矽襯底的表面，所述源漏電極通過所述S12氧化層中的通孔分別連接兩個N型溝道區，所述柵電極通過所述絕緣層中的通孔連接所述S12氧化層；所述敏感膜或所述非活性膜布設在所述柵電極表面並暴露在環境當中。
[0024]在一個優選實施例中，該互補對結構的製備工藝為:(I)P型矽片的準備，所用矽片為P型矽(100)，摻雜濃度:115CnT3 ；⑵矽片清洗；(3)溼氧化法製作S12氧化層；(4) N阱製作；(5)注入磷，形成漏區與源區；(6)生長柵極二氧化矽；(7)刻蝕二氧化矽；⑶形成接觸孔；(9)金屬化電極沉積；(10)形成金屬互連；(11)形成金屬層間接觸孔；(12)澱積各個六種離子敏感層，形成靈敏層窗口，若干微米厚度；(13)用環氧樹脂將整個晶片密封起來，只將ISFET與溶液接觸的柵極窗口暴露在環境當中。
[0025]可以看出，本實用新型中所述的ISFET為離子敏感膜與MOSFET的複合體，ISFET的柵介質即離子敏感膜直接與待測溶液接觸，同時設置參比電極，以便電源模塊通過它施加電壓使ISFET工作。通過參比電極和參比FET的設置，排除外界因素如環境溫度、「矽襯底體效應」和本體溶液pH值變化等對器件測量靈敏度的影響，提高了傳感器的測量精度和穩定性。優選地，所述參比電極為Ag/AgCl參考電極。待測溶液相當於一個溶液柵，它與柵介質界面處產生的電化學勢將對ISFET的Si表面的溝道電導起調製作用，所以ISFET對溶液中離子活度的響應可由電化學勢對閾電壓Vt的影響來表徵:
[0026]
ντ^{φ? + ν])-[^-2φΡ+-^--\⑴
^OX^ox
[0027]式中:Iir1為溶液與柵介質界面處的電化學勢；Vi為參考電極和溶液之間的結電勢；Qra為氧化層和等效界面態的電荷密度；Qb為襯底耗盡層中單位面積的電荷；Vf為襯底體費米勢；Cra為單位面積柵電容。
[0028]對確定結構的ISFET，則式(I)中除Ψi外，其餘各項均為常數，所以Vt的變化只取決於V1的變化，而V1的大小取決於敏感膜的性質和溶液離子活度。根據能斯特關係:
[0029]
,RT ,(2)
Zr
I
[0030]式中:Vci為常數，R為氣體常數(8.314J.Γ1.moF1), F為法拉第常數(9.649X 1C.moF1) ；&?為溶液離子活度，Zi為離子價數；Τ為絕對溫度。將式(2)代人式
(I)得:
[0031]
K =(φ1+νι)-[^-2Ψι, +^]^rlnu,( 3 )
^ox^ox
[0032]由式(3)可知，對給定的ISFET和參考電極，ISFET的閾值電壓與待測溶液中離子活度的對數呈線性關係:
[0033]Vt = C+Slnaj (4)
[0034]其中，C、S為式⑶中常數的簡化，即C= (^1+Γ")、S=
/)/I ητ
=^-2φΡ+^Η-—可見，通過測定閾值電壓Vt，便可測定鹽離子濃度％。
^ OXOX
[0035]由於每種敏感膜只能針對性地檢測一種離子，在圖1所示的多參數離子傳感器中，將互補對結構的單一微腔擴展成6X2的陣列。在六個微腔中分別注入Na+、K+、Ca2+、Cr、SO42'CO/—六種不同的離子選擇電極敏感材料，獲得一種基於ISFET的多參數離子傳感器。
[0036]具體地，本實用新型的一個優選實施例中，各優選的離子選擇電極敏感膜主要通過將適量離子載體均勻分散在混有基底材料(通常為樹脂)的溶劑中，隨後揮發溶劑獲得相應的薄膜。具體地，分別採用下述方法獲得。
[0037]其中，Na+:雙12-冠_4衍生物、聚氯乙烯(PVC)樹脂粉，四氫呋喃為溶劑，適當比例混合；在一個優選的實施例中，典型的配比方式為:lmg雙12-冠-4衍生物溶於10mg的鄰硝基苯辛醚中，再加入1ml PVC質量分數為5%的四氫呋喃溶液中。
[0038]K+:適當比例的纈氨黴素、PVC樹脂粉、增塑劑和四氫呋喃溶劑的溶液注入晶片上；在一個優選的實施例中，典型的配比方式為:將3.0mg載體、180mg增塑劑及90mg PVC溶於5ml四氫呋喃(THF)中。
[0039]Ca2+:二癸基磷酸鈣電活性材料，甲基磷酸二庚脂為增塑劑，PVC樹脂粉為基底，四氫呋喃為溶劑，適當比例混合；在一個優選的實施例中，典型的配比方式為:將5mg離子載體、200mg增塑劑及10mg PVC混合溶於5ml四氫呋喃(THF)中。
[0040]Cl—:AgCl、AgS、PVC樹脂聚合物，四氫呋喃為溶劑，適當比例混合；在一個優選的實施例中，典型的配比方式為:質量比AgCl:AgS:PVC樹脂聚合物=7:3:90。
[0041]SO/—:以季銨鹽(氯化2，3，4_三(十二烷基)苯甲基三甲基銨)為電活性物質，以鄰苯二甲酸二丁脂(DBP)為增塑劑，對-三氟乙醯苯甲羧基己基醚為添加劑，四氫呋喃為溶劑，適當比例混合；在一個優選的實施例中，典型的配比方式為:在鄰苯二甲酸二丁脂和PVC(質量比2:1)混合物中倒入四氫呋喃，在40°C左右攪拌。獲得的溶液冷卻到室溫，加入季銨鹽(氯化2，3，4-三(十二烷基)苯甲基三甲基銨)和對-三氟乙醯苯甲羧基己基醚，攪拌Ih左右，注入於器件表面的敏感窗口區域，澱積形成活性薄膜。
[0042]C032_:三氟乙醯對癸基苯(TFABB)為載體，氯化三(十二烷基)甲基銨(TDMACL)為碳酸銨鹽，癸二酸二辛酯(DOS)為增塑劑，PVC為樹脂聚合物，四氫呋喃(THF)為溶劑，適當比例混合。在一個優選的實施例中，典型的配比方式為:質量比TFABB = TDMACL:DOS:PVC=7.5:2.5:60:30。
[0043]此外，在本實用新型的實施例中，還採用標準CMOS工藝把N溝道ISFET傳感器和信號檢測、處理電路集成在單一晶片上，解決了後續工藝和標準CMOS工藝的兼容性，實現了傳感器和電路的單晶片集成。如圖3所示，傳感器晶片內部結構包括多參數離子傳感器、放大器、A/D模數轉換器、校驗存儲器、CRC發生器、SCK數據線、DATA三態門等。所述放大器將傳感器輸出的模擬信號放大；所述A/D轉換器將放大的模擬信號轉換為數位訊號；所述數據總線將數據提供給用戶使用；所述校驗存儲器保障模數轉換的準確度，所述CRC發生器保障數據通信的安全；所述SCK數據線負責處理器和離子傳感器的通訊同步；所述DATA三態門用於數據的讀取。
[0044]更進一步地，如圖4所示，本實用新型還基於上述傳感器晶片形成了一種適農低功耗多參數離子監測系統，包括:多參數離子傳感器晶片、無線收發模塊、匯聚節點、網關模塊、3G無線傳輸模塊、遠程網絡伺服器和用戶終端。所述多參數離子傳感器晶片與無線收發模塊連接，組成單個傳感器模塊；所述無線收發模塊與匯聚節點無線通信連接，將傳感器模塊採集的數據實時傳送至匯聚節點；所述匯聚節點與網關模塊無線通信連接，將數據傳送至網關模塊；所述網關模塊與3G無線傳輸模塊連接，將數據通過3G網絡傳送至遠程網絡伺服器。所述網關模塊可以與若干匯聚節點通信連接，所述匯聚節點可以與若干傳感器模塊通信連接。
[0045]鹽離子監測數據可通過廣域網絡和區域網路傳輸，用戶既可以現場設定採集參數和讀取數據，也可以在遠程監控終端設定數據採集參數，並對鹽鹼地的鹽離子含量進行遠程實時數字監控。優選地，所述無線收發模塊與匯聚節點之間、匯聚節點與網關模塊之間無線通信採用的晶片為CC2530晶片，並進行ZigBee組網，支持數據傳輸率為250kbit/s，可實現鹽離子傳感器多點對多點的快速組網，所構建的無線網絡性能穩定且功耗極低；所述匯聚節點負責收集離子傳感器節點採集的數據，並將數據上傳至網關模塊中；所述3G無線通信模塊為CDMA無線通訊模塊，包含四頻GSM/GPRS、EDGE、CDMA和HSPA空中接口選擇，提供數據和視頻語音通信，以及定位信息；所述遠程網絡伺服器為管理資源並為用戶提供服務的計算機軟體和運行軟體的計算機或計算機系統；所述用戶終端將數據保存和顯示給客戶端。
[0046]相對於現有技術，本實用新型的技術方案能在商業化的標準CMOS工藝上實現，可同時實時採集6種鹽離子濃度，分別為:Na+，K+，Ca2+，CF, S042_，CO廣，並通過結合傳感器與物聯網技術，可以遠程監測鹽鹼地離子濃度。通過無線ZigBee組網，多個傳感器節點分布在待測地域，共同檢測區域鹽鹼地鹽離子濃度，節點之間通過射頻通信，組織成網絡並將數據發送至地域區安置的網關模塊，最後將數據通過3G無線通信傳送至遠程監測中心。
[0047]雖然以上結合優選實施例對本實用新型進行了描述，但本領域的技術人員應該理解，本實用新型所述的方法和系統並不限於【具體實施方式】中所述的實施例，在不背離由所附權利要求書限定的本實用新型精神和範圍的情況下，可對本實用新型作出各種修改、增力口、以及替換。
【權利要求】
1.一種多參數離子傳感器，其特徵在於，所述傳感器包括:多個由成對的離子敏場效應電晶體組合的互補對結構；其中， 每個互補對結構中成對的離子敏場效應電晶體共用一個參比電極； 所述成對的離子敏場效應電晶體中的一個設有的敏感膜作為指示電晶體，另一個設有非活性膜作為參比電晶體； 多個互補對結構中的敏感膜不同。
2.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述傳感器中，每種敏感膜分別針對一種特定的離子；所述離子包括Na+、K+、Ca2+、Cl' SO42' C032_中的至少一種。
3.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述傳感器的互補對結構基於N溝道的離子敏場效應電晶體。
4.如權利要求3所述的傳感器，其特徵在於，在每個互補對結構中: 參比電極設置在成對的離子敏場效應電晶體之間； 每個離子敏場效應電晶體為多層級結構，所述多層級結構的各層依次包括P型矽襯底、N型溝道、S12氧化層、源漏電極、絕緣層及柵電極；其中， 所述N型溝道形成在所述P型矽襯底的表面，所述源漏電極通過所述S12氧化層中的通孔分別連接兩個N型溝道區，所述柵電極通過所述絕緣層中的通孔連接所述S12氧化層； 所述敏感膜或所述非活性膜布設在所述柵電極表面並暴露在環境當中。
5.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述參比電極為Ag/AgCl參考電極。
6.如權利要求4所述的傳感器，其特徵在於，所述源漏電極和所述柵電極為金屬電極，所述柵電極通過鋁互連線連接所述S12氧化層。
7.一種多參數離子傳感器晶片，其特徵在於，所述傳感器晶片包括:如權利要求1-6中任一項所述的多參數離子傳感器、放大器、A/D模數轉換器、校驗存儲器、CRC發生器、SCK數據線、DATA三態門；其中， 所述傳感器的輸出耦接所述放大器，所述放大器將所述傳感器輸出的模擬信號放大；所述放大器的輸出耦接所述A/D轉換器，所述A/D轉換器將放大的模擬信號轉換為數位訊號; 所述校驗存儲器耦接所述A/D轉換器，保障模數轉換的準確度； 所述A/D轉換器耦接所述CRC發生器，所述CRC發生器保障數據通信的安全； 所述傳感器晶片通過所述SCK數據線和與所述DATA三態門外部通信，所述SCK數據線負責處理器和離子傳感器的通訊同步；所述DATA三態門用於數據的讀取。
8.一種多參數離子監測系統，其特徵在於，所述監測系統包括:如權利要求7所述的多參數離子傳感器晶片、無線收發模塊、匯聚節點、網關模塊、3G無線傳輸模塊、遠程網絡伺服器和用戶終端；其中， 所述多參數離子傳感器晶片與無線收發模塊連接，組成單個傳感器模塊； 所述無線收發模塊與匯聚節點無線通信連接，將傳感器模塊採集的數據實時傳送至匯聚節點； 所述匯聚節點與網關模塊無線通信連接，將數據傳送至網關模塊； 所述網關模塊與3G無線傳輸模塊連接，將數據通過3G網絡傳送至遠程網絡伺服器； 所述用戶終端將數據保存和顯示給客戶端。
9.如權利要求8所述的監測系統，其特徵在於，所述無線收發模塊與匯聚節點之間、匯聚節點與網關模塊之間無線通信採用ZigBee組網。
10.如權利要求8所述的監測系統，其特徵在於，所述3G無線通信模塊為CDMA無線通訊模塊，包括四頻GSM/GPRS、EDGE、CDMA和HSPA空中接口。
【文檔編號】G01N27/414GK204008550SQ201420226891
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】許世衛, 李哲敏, 李燈華 申請人:中國農業科學院農業信息研究所