[實用新型]一種高度集成型pH傳感器

有效

• 申請號: 201720318676.4
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN206573523U
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 張佰君;潘鄭州;邢潔瑩
• 申請（專利權）人: 中山大學;廣東豐湛電子科技有限公司
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 林偉斌,邱奕才

技術領域

本實用新型涉及半導體器件領域，尤其涉及一種高度集成型pH傳感器。

背景技術

近年來，pH值的檢測越來越受到關注。生物體內的pH值是衡量生物體健康狀況的一項重要指標，在工業廢水處理中pH檢測是一個重要環節。目前市場流通的pH傳感器以外置玻璃參比電極型pH計居多，外置玻璃參比電極型pH計體積大，價格高，易碎，攜帶不便。為了得到測量精確，損耗少，穩定性高的儀器，對結構進行創新，研制一種高度集成型，可用于測量微升溶液的pH傳感器顯得尤為必要。

為了檢測溶液中離子的濃度，有人在金屬氧化物半導體效應晶體管（MOSFET）的基礎上提出離子敏場效應晶體管（ISFET），即將MOSFET結構中的柵極去掉，覆蓋敏感膜。ISFET的工作機理是利用表面處理技術使其敏感膜能夠吸附特定的離子或分子。這些離子或分子改變了表面的電壓降，從而改變ISFET的溝道電阻，通過外電路檢測溝道電阻的變化從而間接得到溶液中離子的濃度。

溶液的pH值通過溶液中H⁺濃度來表征：pH=-lgC_H⁺。不同pH值的溶液會造成傳感器溝道電阻率變化，間接可以得到溶液中H⁺離子濃度，從而得到溶液pH值。

目前，市面上流通的pH傳感器主要使用pH玻璃電極，這種電極H⁺能夠選擇性的產生響應。這種pH玻璃電極由敏感薄膜，內封溶液和參比電極（例如Ag/AgCl參比電極）制成，但是制備工藝復雜，體積大且無法集成。隨著微電子技術的發展，基于IC技術的ISFET已經在市面上流通，解決了制備工藝復雜，體積大的問題，但由于參比電極使用的仍然是Ag/AgCl參比電極，傳感器的尺寸仍然無法減小。

實用新型內容

有鑒于此，本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種器件尺寸小，穩定性好，可以實現對微升溶液檢測的高度集成型pH傳感器。

為了解決上述技術問題，本實用新型采用如下方案實現：

一種高度集成型pH傳感器，包括襯底層，以及依次形成在襯底層上的緩沖層、i-GaN層、AlN層、AlGaN層，所述i-GaN層上形成凸臺，AlN層和AlGaN層形成在i-GaN層的凸臺上，所述AlGaN層上形成有源極金屬和漏極金屬，兩者所在的區域形成傳感區域，所述i-GaN層上形成參比電極；所述i-GaN層上還設有多個Pad區域，所述源極金屬、漏極金屬和參比電極分別與對應的Pad區域電連接。襯底層和緩沖層的材料可根據實際進行選擇，例如襯底材料為硅或者藍寶石，緩沖層材料為60個周期的AlN和GaN形成的超晶格結構。緩沖層的作用是為了調控硅與i-GaN層之間晶格不匹配所產生的應力。AlN層的作用是為了提高二維電子氣的遷移率。

本申請利用GaN和AlGaN形成異質結，由于自發極化和壓電極化的作用，在界面形成很強的極化電荷，產生二維電子氣（2DEG）。這層二維電子氣層十分接近器件的表面（約25nm），對表面的狀態十分敏感，當傳感區域有離子吸附時，溝道中的二維電子氣濃度會改變。因此，使用該原理制成的pH傳感器靈敏度很高，可以精確測量溶液pH值，所需的測量溶液少。

本申請的傳感器是一種無柵極結構。參比電極制作在源極金屬和漏極金屬的旁邊（即i-GaN層上），其能夠使pH傳感器工作在一個穩定的電壓環境，當測量液滴在傳感區域時，同時接觸到參比電極，參比電極加合適的電壓能夠使pH傳感器工作在線性區，從而得到比較穩定的pH與閾值電壓的關系，參比電極能夠使pH傳感器工作在一個穩定的電壓環境。參比電極為金屬材料形成，以鉑為例，采用電子束蒸發工藝形成于i-GaN層上。

在實際測量中，不同的溫度下，溶液的pH值會改變，測量結果有較大的誤差，在實際測量過程中，需要測量待測溶液的溫度。因此本申請中，所述i-GaN層上還設有用于檢測溫度的溫度傳感器金屬薄膜，且其與對應的Pad區域電連接。常用的測量溫度的器件有：溫度傳感器、熱電偶、熱敏電阻等，其中金屬電阻溫度傳感器具有穩定性好，精度高，測溫范圍廣，誤差小等特點而被廣泛使用。現有技術中，常用的金屬電阻溫度傳感器是由鉑制成，鉑薄膜型溫度傳感器相比其他金屬具有線性度好，精度高，測溫范圍廣等優點。溫度傳感器的機理是當環境溫度改變時，金屬電阻值改變，從而得到金屬電阻阻值與溫度的關系，通過外電路檢測電阻值從而得到所測的溫度。本申請通過溫度傳感器金屬薄膜，能夠靈敏的監測工作環境的溫度，既能監測器件的工作環境的溫度，又能實時監測器件的發熱情況，以達到保護pH傳感器的目的。