[發(fā)明專利]用于確定溶液中離子濃度或物質(zhì)濃度的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110290002.5
• 申請日: 2011-09-02
• 公開（公告）號: CN102384935A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曼弗雷德·亞杰拉;德特勒夫·維特默
• 申請（專利權(quán)）人: 恩德萊斯和豪瑟爾測量及調(diào)節(jié)技術(shù)分析儀表兩合公司
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 中原信達知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11219
• 代理人: 張煥生;謝麗娜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種通過離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器來確定溶液中離子濃度或物質(zhì)濃度的方法，其中，離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器具有EIS結(jié)構(gòu)，即電解質(zhì)-絕緣體-半導體結(jié)構(gòu)，其包含至少一個半導體襯底、襯底氧化物層和傳感器層。在襯底氧化物和傳感器層之間的中間區(qū)域，提供了外部接入(accessible)電極。此外，本發(fā)明還涉及一種相應(yīng)的離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器。

背景技術(shù)

離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器被應(yīng)用于測量具有不同成分和不同導電率的溶液中的離子濃度，或用于測量特定物質(zhì)濃度。

離子選擇場效應(yīng)晶體管的敏感層幾乎完全由非晶層形成，例如：簡單金屬氧化物，如Ta₂O₅、Al₂O₃、TiO₂、HfO₂，簡單金屬氮化物或雙金屬氧化物混合物，例如TaAlO和ZrAlO，或兩種不同非晶金屬氧化物層的組合，其往往具有SiO₂作為基材。還存在很多另外適合的材料，其可用于ISFET來執(zhí)行相應(yīng)用途的功能，這已經(jīng)在本申請受讓人的非預(yù)先公布的專利申請中做了描述，即在2009年03月31日提交的德國專利申請DE?102009002060.8和2010年03月15日提交的國際專利申請PCT/EP2010/053275中做了描述。所有在其中指定的材料成分的選擇方案通過引用的方式明確納入本專利申請公開中。

ISFET是良好制作具有EIS結(jié)構(gòu)的傳感器的例子，其中在這里絕緣體構(gòu)成場效應(yīng)晶體管的離子敏柵極絕緣體。在工業(yè)自動化技術(shù)，食品工業(yè)以及生物化學和醫(yī)療技術(shù)中，ISFET廣泛應(yīng)用于濃度連續(xù)檢測和環(huán)境監(jiān)測的pH測量。ISFET的優(yōu)勢在于其無玻璃構(gòu)造，高度精確的濃度記錄，快速啟動，最小長時漂移，以及可接受的價格/功率比。

在通過被調(diào)制的光信號的方式的，所謂LAPS-光尋址電位傳感器中，在EIS結(jié)構(gòu)的半導體材料中產(chǎn)生光電子。光電子的產(chǎn)生依賴于電解質(zhì)的特殊屬性。關(guān)于LAPS的基本描述由以下文章給出：“Light?Addressable?Potentiometric?Sensor?For?Biochemical?Systems”，Hafeman?et?al.，Science?240(1988)，pgs.1182-1185。

在自動化技術(shù)中，特別是在過程自動化技術(shù)中，經(jīng)常使離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器經(jīng)受有磨損的消毒和/或清洗處理。這里特別提到的是SIP(處理中消毒)處理和CIP(處理中清洗)處理。例如，為清洗管道系統(tǒng)，在頻繁地應(yīng)用于食品工業(yè)的、并且經(jīng)常也是絕對必要的CIP處理的情況下，離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器通常暴露于強酸或堿液中約半小時的一段時間，所述強酸或堿液具有約85℃的溫度。例如，對于用于消毒管道系統(tǒng)的SIP處理，安裝的傳感器被加熱到約130℃一定時間。通過這些處理，離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器關(guān)于它們測量的功能性和準確性不可避免地受影響：在CIP或SIP處理之后，傳感器經(jīng)常處于偏離了傳感器在CIP或SIP處理之前狀態(tài)的狀態(tài)，并且不知道這種變化將會導致壞的測量。

WO?2005/073706?A1公開了一種用于ISFET?pH傳感器的改進的柵極構(gòu)造。特別地，在這里，氧化鉭敏感層被施加到鋁層上。氧化鉭敏感層保證了高測量質(zhì)量，同時鋁層增加了ISFET?pH傳感器的壽命，因為其防止測量的液體滲透進襯底氧化物層。

在CIP和SIP處理中的問題是改變了離子選擇場效應(yīng)晶體管或離子敏傳感器的電荷特性。這導致測量結(jié)果的波動，而其并非由待確定或監(jiān)控的媒介成分的相應(yīng)變化導致。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個目的是提供一種確定溶液中離子濃度或物質(zhì)濃度的方法，并且提供一種對應(yīng)實施的離子選擇場效應(yīng)晶體管，或?qū)?yīng)實施的離子敏傳感器，其在SIP或CIP處理之后具有與消毒或清洗處理之前相同的狀態(tài)。

關(guān)于方法，通過如下方法步驟實現(xiàn)所述目的：

至少在第一測量階段的預(yù)定時間點，相對于參考電位來感測位于電極上的電位；

在第一測量階段之后的消毒和/或清洗階段開始之前，保存在第一測量階段期間感測的最后電壓；

在消毒階段之后的第二測量階段開始時，向電極施加在消毒階段期間保存的電壓。