[發明專利]多參數離子傳感器及其制備方法、多參數離子傳感器芯片和監測系統

有效

• 申請號: 201410186870.2
• 申請日: 2014-05-06
• 公開（公告）號: CN103969314B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 許世衛;李哲敏;李燈華
• 申請（專利權）人: 中國農業科學院農業信息研究所
• 主分類號: G01N27/416
• 分類號: G01N27/416;G01N27/414
• 代理公司: 北京瑞思知識產權代理事務所(普通合伙)11341
• 代理人: 王加嶺,張東山

技術領域

本發明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及其制備方法、多參數離子傳感器芯片和監測系統。

背景技術

土壤鹽堿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%的可耕種地受到鹽堿化的影響。鹽堿地在我國也是一個重要的土地資源，我國約有3000多萬hm²的鹽堿地。近年來，隨著工農業的發展，環境污染加劇，淡水資源日益匾缺，海平面不斷上升，陸地面積相對縮小，土壤鹽漬化有日益加重的趨勢。土壤含鹽量是表征土壤鹽分狀況的主要參數，也是確定土壤鹽漬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堿地工作的基礎，而掌握土壤主要離子的含量對于鹽堿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堿化問題的必然需求。

目前對鹽堿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，不能對鹽堿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。

發明內容

針對現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是如何提高主要鹽離子的檢測效率。

為解決上述問題，一方面，本發明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晶體管組合的互補對結構；其中，每個互補對結構中成對的離子敏場效應晶體管共用一個參比電極；所述成對的離子敏場效應晶體管中的一個設有的敏感膜作為指示晶體管，另一個設有非活性膜作為參比晶體管；多個互補對結構中的敏感膜不同。

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^-、SO₄^2-、CO₃^2-中的至少一種。

優選地，所述傳感器的互補對結構基于N溝道的離子敏場效應晶體管。

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晶體管之間；每個離子敏場效應晶體管為多層級結構，所述多層級結構的各層依次包括P型硅襯底、N型溝道、Si0₂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型硅襯底的表面，所述源漏電極通過所述Si0₂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Si0₂氧化層；所述敏感膜或所述非活性膜布設在所述柵極表面并暴露在環境當中。

另一方面，本發明還同時提供一種多參數離子傳感器的制備方法，所述方法包括步驟：

準備P型硅片；清洗硅片；濕氧化法制作Si0₂氧化層；制作N阱；注入磷，形成漏區與源區；生長柵極二氧化硅；刻蝕二氧化硅；形成接觸孔；沉積金屬化電極；形成金屬互連；形成金屬層間接觸孔；淀積多種離子敏感層，形成靈敏層窗口；用環氧樹脂將整個傳感器密封起來，只將與溶液接觸的柵極靈敏層窗口暴露在環境當中。

優選地，所述多種離子敏感層中的離子包括Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-中的至少一種。

優選地，各離子敏感層的分別采用下述方法獲得：

Na⁺：雙12-冠-4衍生物、聚氯乙烯樹脂粉，四氫呋喃為溶劑，適當比例混合；

K⁺：適當比例的纈氨霉素、聚氯乙烯樹脂粉、增塑劑和四氫呋喃溶劑的溶液注入芯片上；

Ca²⁺：二癸基磷酸鈣電活性材料，甲基磷酸二庚脂為增塑劑，聚氯乙烯樹脂粉為基底，四氫呋喃為溶劑，適當比例混合；

Cl^-：AgC1、AgS、聚氯乙烯樹脂聚合物，四氫呋喃為溶劑，適當比例混合；