[發明專利]無需參考電極的電化學電勢感測

無效

• 申請號: 200980133183.1
• 申請日: 2009-08-24
• 公開（公告）號: CN102132154A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 馬蒂亞斯·梅茲;尤里·V·波諾瑪廖夫;吉爾貝托·庫拉托拉
• 申請（專利權）人: NXP股份有限公司
• 主分類號: G01N27/403
• 分類號: G01N27/403;G01N27/333;G01N27/414
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及一種電化學傳感器，用于確定分析物中的帶電顆粒濃度，涉及一種包括這種傳感器的半導體器件，涉及一種包括這種傳感器的RFID標簽，以及涉及一種用于確定分析物中的帶電顆粒濃度的方法。

背景技術

pH值是每一種(水)溶液的積分參數。pH值描述了溶液是堿性或酸性的程度。在較寬的范圍內，可以將pH值很好地近似為pH＝-log[H⁺]，其中[H⁺]表示溶液中以mol/L為單位的氫離子濃度。測量酸溶液的pH值在工業界和實驗室中是常規作業，用于工藝控制和分析。然而，如果pH測量單元(傳感器加上電子設備)變得足夠廉價，pH值測量可以引起更寬范圍應用的注意。例如，pH測量在供應鏈中監測檢測(液體)易腐爛物的質量具有較大的潛力，甚至對于客戶自己本身有很大的潛力。可以將用于測量離子濃度(具體地pH值)的實驗技術劃分為兩類，非電化學方法，例如光學(示蹤染料)、催化劑和聚合物膨脹體(凝膠體)，以及電化學方法。電化學方法廣泛用于工業和實驗室的許多應用。電化學離子濃度傳感器依賴于電勢原理，即他們測量固/液界面或隔膜兩端的電勢所述電勢是待確定的離子濃度的函數。可以根據能斯脫等式(Nernst?equation)來計算，其中k是波爾茲曼常數，T是K氏絕對溫度，q是基本電荷，n是離子電荷(例如，對于H₃O⁺、Na⁺n＝1，對于Ca²⁺n＝2，以及a₁、a₂是隔膜/界面兩側的活動性。

將隔膜/界面(1和2)兩側的離子濃度按照活動性表示為a_i＝f_i*c_i，其中f_i表示相應的活動性系數(對于稀釋電解液，f_i＝1)，以及c_i表示相應的離子濃度。根據能斯脫等式，電極電勢是如果保持隔膜/界面一側的活動性恒定，在所述隔膜/界面另一側的離子活動性的對數函數。依賴于由“a”描述的離子類型，所述傳感器對于H₃O⁺離子、Na⁺離子、Ca²⁺離子等敏感。

所有主要的pH(離子)測量電極根據上述原理工作，包括眾所周知的玻璃電極(已經開發了分別對于pH、pNa、pK等敏感的不同玻璃成分)、銻電極、ISFET(離子敏感場效應晶體管)和EIS電容器(電解液絕緣體半導體電容器，這里平帶(flat-band)電壓是電解液的pH/pNa/pK/等的函數。

為了測量電勢差(即電壓)，需要參考電極；對于ISFETS和EIS器件，參考電極也限定了電解液電勢以設置工作點或者進行這種測量。參考電極相對于電解液電勢的電勢必須保持恒定，而與電解液成分無關。除了標準氫電極之外，Ag/AgCl電極是最公知參考電極。Ag/AgCl電極由與良好定義的電解液(通常是3mol/L的KCl)接觸的氯化銀線。分析物和電解液之間的電流接觸經由圖案來建立，例如來自于玻璃或陶瓷的多孔玻璃料。在操作期間，電解液必須連續地流出參考電極進入分析物。其他參考電極(例如氯化亞汞(基于汞)或Tl/TlCl電極)用于特定應用，例如在升高的溫度。它們的原理與Ag/AgCl電極的相同，特別是關于經由圖案實現的液體電解液和接觸的使用。

已知電化學傳感器的問題是它們要求參考電極，以便根據所測量的電勢(差)來確定帶電顆粒濃度。使用參考電極、特別是使用精確的參考電極包含例如下述的多種難題：

-在參考電極中通過所述圖案的電解液外流是必不可少的。這意味著需要定期對電解液進行整流。此外，壓力條件必須使得確保外流，即分析物中的壓力不能高于參考電極中的壓力(否則，分析物進入參考電極并且改變其電勢，這就是所謂的參考電極中毒)；

-參考電極中圖案的堵塞引起測量誤差(依賴于應用，需要定期的清潔)；

-大多數參考電極具有相當大的尺寸，使得難以/不可能將它們集成到微型化的器件中。存在一些微型參考電極，但是它們具有有限的壽命(因為不能重新填充參考電解液)；

-參考電極具有有限的溫度范圍，例如對于較高的溫度必須使用Tl/TlCl電極；以及

-一些參考電極可能會對于其他環境參數起反應，例如Ag/AgCl電極中的銀是光敏的。

甚至偽參考電極也存在一些缺陷，例如：

-復雜(昂貴)的集成、腐蝕性、界面泄露、食品和生物兼容性問題。

發明內容