複合離子探測器的製作方法

2023-05-10 09:22:56 2

專利名稱：複合離子探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電化學技術領域的離子探測器，用於探測溶液中有無離子和離子的濃度的測量。
該探測器由離子敏集成電路和固態參比電極等構成，其特點是可以製成能放入人體器官內的微小型，可以製成同時測量K、Na、H、Cl等幾種離子的多元型和可以製成工業使用的高溫型的複合離子探測器。
使用傳統技術檢測離子濃度，必須有測量電極，參比電極和溫度計，三者同時插入試液才可進行。以H為例，因氫離子濃度常用對數負值定義為PH值，故亦是以PH值測量為例。傳統方法使用玻璃電極做為測量電極;使用也是玻璃外殼的甘汞電極做為參比電極，它為測量電極提供參比電位，又因溶液中離子濃度與溫度有關，要精確測量PH值必須測量溫度，以進行溫度補償修正，因而傳統方法必須使用較多試液，多個電極同時使用，操作極為不便。又因其響應慢，輸出阻抗高等缺欠，而不能滿足現代技術使用計算機自動控制系統的使用需要。
1970年荷蘭人Bergveld在P-SI襯底上生長二氧化矽層，製成沒有金屬柵極的場效應電晶體，發現當二氧化矽層與溶液接觸時源漏電流IDS與響應離子濃度呈線性關係[1]，從而研製出第一支離子敏場效應電晶體，簡稱為ISFET。這以後的二十多年各國科學家做了大量工作，如今已報導的有H、Na、K、Ca及Cl、I、Br等多種離子敏器件，但多數因存在穩定性，可靠性等問題而未能實際應用，現有商品化的離子探測器，是中國實用新型專利「一種離子探測裝置」[2]所表述的。
但現有技術產品受結構設計，材料選擇，製造方法和使用液態參比電極等因素局限，不能製造出微小型，多元型和高溫型等專門用途的產品。
本發明與現有離子探測技術相比，有如下積極效果，除具有實現單電極可以進行離子濃度測量，同時測量被測點小區域內溶液的溫度，實現抗靜電保護，不易碎裂，輸出阻抗低，響應快，靈敏度高等特點外;還具有可以製成能放入人體器官內的微小型，可以製成能同時測量K、Na、H、Cl等幾種離子的多元型和可以製成能在工業使用的高溫型的複合離子探測器。
本發明的特徵是可以滿足微小型、多元型和高溫型三種不同要求和用途的，不含內溶液的複合結構的離子探測器。該探測器適合於自動測量和計算機控制系統使用，使用本發明製成的微小型醫用多元複合離子探測器，可以實現現有技術無法實現的，同時測量人體或其它生物體器官內，局部區域K、Na、H、Cl濃度和溫度的功能，這對臨床醫學將有十分重要的意義。
該探測器是把由離子敏場效應電晶體，溫度傳感器，抗靜電保護電路等集成的，一塊或幾塊集成電路晶片，進行單面予封裝後，再與由固態材料構成的，予成型參比電極和液接面材料，應用高分子樹脂材料複合而成。這個集成電路晶片中，選用不同的對K、Na、H、Cl等離子敏感的離子敏場效應電晶體，即成為對不同離子敏感的集成電路，使用這種對不同離子敏感的集成電路，應用本專利便可製成對不同的K、Na、H、Cl等離子敏感的探測器。這裡也可以同時選用K、Na、H、Cl等幾種離子敏場效應電晶體，與相應的溫度傳感器，抗靜電保護電路等集成電路在一塊或幾塊集成電路晶片中，並同時可與一個或幾個參比電極，製造在同一個探測器中，構成多元型複合離子探測器。當然，這裡所用的離子敏場效應電晶體，溫度傳感器，抗靜電保護電路等全部或部分元件可由相應的分立元件構成。這裡固態參比電極所用液接面材料，可以是有機或無機的微孔透析材料或毛細材料。
固態參比電極的內參比電極可以是Ag-AgCl或其它電極，使用模壓或包封方法，在內參比電極外面形成一層金屬鹽包敷層，將整個固態參比電極製成條塊狀或其它形狀的予成型參比電極。
本發明的目的是要提供一種靈敏度高，響應快，可以放入人體器官內部的，微小型複合離子探測器。本發明的另一個目的是要這種複合離子探測器要能滿足多元型和高溫型的用途和技術要求。
為實現上述目的，本發明採取如下措施首先把離子敏集成電路晶片進行單面予封裝，然後再把予成型固態參比電極與液接面材料，複合組裝在一起，並用樹脂封裝定型。單面予封裝的晶片正面保留敏感區容器，晶片粘在絕緣基片上，絕緣基片的背面與予成型參比電極相應側面，用高分子樹脂粘結，保留至少一個予成型參比電極側面，在保留的予成型參比電極側面，放置液接面材料，最後進行除保留晶片敏感區容器和參比電極的液接面部分外，其餘全部表面用高分子樹脂材料塗敷成光滑表面。這裡所提到的單面予封裝晶片是指要先將離子敏集成電路晶片背面，粘在用無機或有機材料製成的絕緣基片上，絕緣基片正有金屬化區域，供焊接電極引線用，經從晶片上壓焊出內引線和焊接好外引線後，使用環氧樹脂或其它高分子材料。進行保留敏感區的正面單面予封裝。這裡所提到的予成型參比電極是指在事先準備好的Ag-AgCl內參比電極或其它內參比電極外面，使用模壓或包封方法，在內參比電極外面形成一層金屬鹽包敷層，將整個參比電極製成條塊狀或其它形狀的予成型參比電極。
根據化工或環保等用途的特殊需要，可以在複合離子敏探測器外面添加濾網，濾膜，抽吸泵構成的外殼，外殼與複合離子探測器間形成一個供待測液循環的空間以保證在有懸浮物或混濁試液中能精確測量，其材質可以從不鏽鋼，聚丙烯，聚脂，環氧樹脂和氟樹脂等中選取。
使用本專利製成的微小型醫用複合離子探測器，不僅可用於測量人體或其它生物體器官內部，局部區域的K、Na、H、Cl等離子濃度和溫度，以供臨床醫學用來診斷疾病，還可以用於生物工程學器官體外存活系統和供特種職業人員體能監測系統使用，如飛行員、太空人、潛水員等進行動態體能計算機遙控遙測。


圖1.複合離子探測器製造工藝流程2.醫用微小型複合離子探測器結構剖面示意圖以下參照

本發明的實施例，如圖1所示1.集成電路晶片按需選擇相應離子敏集成電路晶片備用;
2.粘片即把晶片背面與絕緣基片正面粘在一起，基片可由有機或無機材料構成，如玻璃鋼或陶瓷，基片應有事先按需要圖形在正面或雙面製造的金屬化電極，如用絲網印刷或光刻技術製成金，銀，銅的單層或多層電極，粘合劑按需選用，從晶片背面引出電極時要用銀漿一類導電粘合劑，否則可用環氧樹脂等不導電粘合劑;
3.焊引線可用金絲球焊或類似微電子技術，將晶片上的金屬化電極，與絕緣基片上對應的金屬化電極一端連接起來，然後再用錫焊，點焊等一般焊接方法，從金屬化電極另一端焊出外電極引線，外引線可用多股細的金屬芯絕緣導線;
4.單面予封裝在除去離子敏器件敏感區窗口以外的其餘部分，將粘有晶片一面的基片，內引線，焊點等全部塗敷高分子樹脂塗層;
5.內參比電極按需選擇相應的Ag-AgCl等內參比電極備用;
6.焊外電極在Ag-AgCl內參比電極的Ag上焊接外引線;
7.焊點保護在Ag-AgCl內參比電極的Ag與外電極引線焊點上塗絕緣保護層;
8.予成型在內參比電極的外面，用氯化鉀或其它氯的金屬鹽粉沫，經模壓或包封工藝做成條塊狀或片狀的予成型參比電極;
9.複合裝配把予封裝的離子敏晶片與予成型參比電極和液接面材料，按設計要求，以環氧樹脂為粘合劑，在專用工裝卡具裡裝配在一起;
10.塗敷封裝在除去離子敏感區窗口和液接面材料正面需要保留裸露的一部分外，其餘表面全部用高分子材料塗敷成光滑圓潤的表面，固化後備用。對某些特殊用途的產品，固化前應按特殊要求形狀和尺寸加工，固化後按用途需要可以安裝過濾網，濾膜，抽吸泵及有關裝置構成的保護外殼;
11.活化測試產品塗敷封裝後，要100%進行活化測試，即要在一定溫度的飽和鹽溶液內浸泡相當時間，以使液接面材料形成鹽橋，這個過程稱為活化，活化後進行電化學參數測試，測試合格可為成品，進行包裝入庫。
如圖2所示圖2是醫用微小型複合離子探測器結構剖面示意圖。圖中表示了可同時測量兩種離子濃度如Na和H兩種離子濃度的醫用微小型複合離子探測器的剖面結構示意圖，圖中(1)和(13)分別代表對H、Na兩種離子敏感的集成電路晶片;(2)和(12)分別是兩塊晶片的敏感區;(3)是晶片(1)的內引線，實際需要2-3條內引線，為簡化說明，這些全省去了，(以下也同);(4)是絕緣基片上的金屬化電極區，內引線(3)與外引線(6)通過(4)相互連接;(5)是外引線去除絕緣包皮後的金屬線芯端頭，同樣外引線(8)的金屬線芯端頭(9)通過絕緣基片(14)上的金屬化電極區和內引線與另一塊晶片(13)上的電極相連，因這些從圖上看都是左右對稱的，敘述從簡;(15)是Ag-AgCl內參比電極;(7)是參比電極外引線;(11)是(7)的金屬線芯端頭，(11)與內參比電極(15)的金屬焊接起來，焊點由高分子保護塗層(10)保護起來;(18)是金屬鹽包敷層;(16)是液接面材料;(17)是高分子樹脂塗層，對本例，除兩塊離子敏感晶片靈感區(2)和(12)及液接面材料窗口要保留外，其餘部分全用樹脂塗層光滑地塗敷保護起來。
附錄[1]P.Bergveld，IEEE Trans，BME-17.70.1970. 中國實用新型專利 NO.89207958.權利要求
1.一種複合離子探測器，是由集成在一塊或幾塊集成電路上的離子敏場效應電晶體，溫度傳感器，抗靜電保護電路構成的測量電極與固態參比電極複合而成，其特徵在於測量電極是單面予封裝，參比電極是固體材料予成型的，二者應用高分子樹脂複合在一起。
2.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所說的測量電極中，可分別選用對K、Na、H、Cl等不同離子敏感的離子敏場效應電晶體，製成對K、Na、H、Cl等不同離子敏感的複合離子探測器。
3.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所說的測量電極，可以同時選用對K、Na、H、Cl等幾種離子敏場效應電晶體與相應的溫度傳感器，抗靜電保護電路等集成在一塊或幾塊集成電路晶片中，並同時與一個或幾個參比電極製造在同一個探測器中，構成可以同時測量幾種離子濃度的多元型複合離子探測器。
4.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所說的測量電極中的離子敏場效應電晶體，溫度傳感器，抗靜電保護電路等全部或部分元件，可以由相應的分立元件構成。
5.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所述的固態參比電極的內參比電極可以是Ag-AgCl電極或其它電極，使用模壓或包封方法在內參比電極外面形成一層金屬鹽包敷層，把整個固態參比電極製成條塊狀或其它適用形狀的予成型參比電極。
6.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所說的固態參比電極中使用的液接面材料，可以是有機或無機的微孔透析材料或毛細材料。
7.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所說的高分子樹脂，可以是環氧樹脂，不飽和聚脂或其它樹脂。
8.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所說的複合離子探測器可有一由濾網，濾膜，抽吸泵構成的外殼，外殼與複合離子探測器間形成一個供待測液循環的空間，用以測量有懸浮物或混濁的待測液。
9.根據權利要求1所述的複合離子探測器，其特徵在於所說的複合離子探測器，可以經受100℃以上的高溫，並適於反覆高溫消毒處理。
10.一種應用所說的複合離子探測器，可供測量人體內部器官的K、Na、H、Cl等離子濃度和溫度的用途使用，其特徵在於已微小型化的所說的複合離子探測器，可置於人體的待測器官內部，對某一指定微區進行相應的測量，以供臨床醫學，生物工程學，特種職業人員等進行疾病診治，計算機智能化控制和進行動態體能監測系統使用。
全文摘要
本發明涉及一種電化學領域的離子探測器，主要用於測量溶液中的離子濃度。探測器由離子敏集成電路和固態參比電極等構成。其特徵是可以製成放入人體器官內的微小型，可以製成同時測量K、Na、H、Cl等幾種離子的多元型和可以製成工業使用的高溫型複合離子探測器，因其響應快，輸出阻抗低等優點，特別適應臨床醫學，科研，工業部門進行自動測量和計算機控制系統使用。
文檔編號G01N27/414GK1065727SQ91102258
公開日1992年10月28日 申請日期1991年4月12日 優先權日1991年4月12日
發明者洪重光 申請人:洪重光