[發明專利]用于記錄分析物濃度的傳感器

有效

• 申請號: 201310652145.5
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN103852508A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 洛塔爾·奧爾斯瓦爾德;約爾格·烏勒;托比亞斯·米特
• 申請（專利權）人: 恩德萊斯和豪瑟爾測量及調節技術分析儀表兩合公司
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 關兆輝;謝麗娜

技術領域

本發明涉及用于記錄在所測量的介質中的分析物濃度的傳感器。

背景技術

確定在所測量的介質中的分析物的濃度在例如化學或醫藥的技術中、在食品技術中、在生物技術中的許多工業應用中以及在例如環境測量技術中的非工業分析應用中扮演著重要的角色。具有承載分析物敏感部件的傳感器元件的傳感器被應用于在實驗室中以及在工業處理工廠中頻繁地確定離子濃度。分析物敏感部件可以例如是分析物敏感膜。因此，例如，已知pH玻璃電極的玻璃膜對于在所測量介質中的H⁺離子、相應地H₃O⁺離子的濃度敏感。

替代地，分析物敏感部件也可以是半導體元件，例如，包括EIS結構的部件，諸如離子敏感的、場效應晶體管（ISFET）或具有EIS結構的電容器，該電容器的電容取決于要確定的物質的濃度。首字母縮略詞“EIS”代表“電解質絕緣體半導體”，即，傳感器具有層結構，該層結構具有在半導體層上或在半導體襯底上施加的至少一個絕緣層，該至少一個絕緣層在傳感器的測量操作中與電解質、即所測量的介質接觸。在絕緣層和所測量的介質之間的界面處產生電壓降。通過絕緣層的適當選擇，特別是通過提供在絕緣層上的或作為絕緣層的部件的分析物敏感涂層，可以以下述方式設置傳感器的靈敏度：電壓降可以用作用于分析物濃度的測量。因此，例如，在氧化鉭（V）（Ta₂O₅）層和含水測量溶液之間的界面處的電壓降必然取決于所測量溶液的pH值。通過其他層結構的應用，可以形成EIS傳感器元件，它們以對應的方式針對其他離子敏感。通過使得在EIS結構上的、可包括例如酶的適當檢測器結構不動，也可通過這樣的傳感器來測量諸如葡萄糖或青霉素的非離子物質的濃度。

已經提到的離子敏感場效應晶體管同樣具有這樣的EIS結構。ISFET的晶體管柵極在pH敏感ISFET的情況下例如由可以包括Ta₂O₅的pH敏感的絕緣層形成。在ISFET的源極和漏極之間的半導體溝道中的電荷載體密度因此對應地取決于與柵極接觸的介質的pH值。DE19857953A1例如描述了用于使用ISFET來測量液體的離子濃度、相應pH值的傳感器。

具有分析物敏感部件的這樣的傳感器元件——特別是基于半導體的元件——頻繁地例如被以小板或芯片的形式，實施為芯片或芯片陣列，其具有用于分析物敏感部件的電接觸的前或后接觸元件。具有這樣的傳感器元件的傳感器頻繁地被實施為桿狀測量探頭，其包括介質可浸沒的外殼，其中，傳感器元件被布置使得其分析物敏感部件接觸被測量的介質。在這樣的情況下，在外殼內保護地布置了用于分析物敏感部件的電接觸的接觸元件，經由該接觸元件傳感器元件與傳感器電子器件連接。測量探頭能夠經由電纜或無線地與諸如測量晶體管或總線耦合器的上級單元連接。該上級單元可以向測量探頭供應能量，分別接收和進一步處理從傳感器電子器件輸出的測量信號，或者它可以向傳感器電子器件輸出信號。在US6,117,292、US6,153,070或EP1396718A1中公開了這樣的傳感器的示例。

在EP1396718A1中描述的是具有作為傳感器元件的ISFET的傳感器。通過壓力施加部分，將ISFET在背向其離子敏感表面區域的后表面處按壓抵靠傳感器外殼的端表面。壓力施加部分具有中央開口，該開口暴露ISFET的離子敏感表面，而在防止被測量介質接觸的傳感器的內部布置了ISFET的源極連接和漏極連接。壓力施加部分通過排除介質的周圍的超聲波焊接而與傳感器外殼連接。

在外殼內延伸的內部管道將傳感器外殼的外殼內部劃分為傳感器內部空間和傳感器中間空間。傳感器中間空間用作參考電極空間，即，它包含參考電解質，參考電極延伸進該參考電解質內。與ISFET的前或后接觸元件連接的連接導線被引入經過傳感器內部空間，用于接觸ISFET的源極和漏極。該連接導線用于ISFET與傳感器的顯示裝置的連接。使用諸如基于環氧樹脂粘結劑的封裝化合物的封裝化合物從內部管道向ISFET的后表面回填傳感器內部空間，以便提供對于ISFET的機械支持。

EP1396718A1通過示例示出了先前一直遵循的原理：具有傳感器內部空間，其用于傳感器元件的電勢感測導線的接觸和引導；以及，電解質填充的中間空間，其中，布置了作為規則被實施為第二類型的參考電極的參考電極。制造根據該原理實施的現有技術的這些傳感器要求多個獨立的加工步驟，并且因此十分復雜和昂貴。