[發明專利]電化學傳感器及其制備方法、離子濃度檢測系統

在審

• 申請號: 202010632235.8
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111781266A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 袁欣欣;劉文文;節俊堯;黃義征;魏清泉;俞育德
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

1.一種電化學傳感器，其特征在于，包括：

傳感芯片，所述傳感芯片包括信號轉換電路，以及與所述信號轉換電路相連的離子敏感場效應晶體管與信號輸出電路，其中，所述信號轉換電路用于將待測溶液中的目標離子的濃度變化轉化為電信號，所述信號輸出電路用于將所述電信號輸出；

形成于所述離子敏感場效應晶體管的敏感層上的離子敏感膜，所述離子敏感膜含有所述目標離子的載體；

形成于所述離子敏感膜上的微反應池或微反應通道，所述微反應池或微反應通道用于注入所述待測溶液；以及

位于所述微反應池或微反應通道內的參比電極。

2.根據權利要求1所述的電化學傳感器，其特征在于，所述傳感芯片還包括與所述信號轉換電路相連的偏置校準電路，所述偏置校準電路用于提供偏置電壓，以保證所述傳感芯片中各個晶體管處于正常工作狀態。

3.根據權利要求1所述的電化學傳感器，其特征在于，所述離子敏感膜通過有機溶劑和溶質混合，并在所述有機溶劑揮發后形成，所述有機溶劑為四氫呋喃、三甲基氯化銨中的一種或多種的組合，所述溶質包括所述目標離子的載體、固化劑以及增塑劑。

4.根據權利要求1所述的電化學傳感器，其特征在于，所述參比電極為雙鹽橋Ag/AgCl電極，或Ag/AgCl固態電極。

5.根據權利要求1所述的電化學傳感器，其特征在于，所述信號轉換電路中包括恒流源和電阻，所述恒流源的電流流過所述電阻，所述離子敏感場效應晶體管的源極和漏極的電壓分別與所述電阻兩端的端電壓相等，以使所述源極和漏極之間的電壓保持不變。

6.根據權利要求1所述的電化學傳感器，其特征在于，所述目標離子為氯離子。

7.一種電化學傳感器的制備方法，其特征在于，包括：

在傳感芯片中的離子敏感場效應晶體管的敏感層上涂布有機溶劑和溶質的混合溶液，所述溶質中含有目標離子的載體；

在所述混合溶液揮發形成離子敏感膜后，在所述離子敏感膜上固定管殼，以形成微反應池或微反應通道；以及

將參比電極置于所述微反應池或微反應通道中。

8.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述離子敏感場效應晶體管的上方含有鈍化層，所述鈍化層中包含氮化硅層，將所述氮化硅層作為所述敏感層；或刻蝕所述鈍化層，直至所述鈍化層下方的頂層金屬中的氮化鈦層，將所述氮化鈦層作為所述敏感層；或在所述氮化鈦層表面生長敏感材料，以得到所述敏感層，所述敏感材料包括氮化鈦、氧化鉭、或者介電常數大于3.9的高介電常數材料。

9.根據權利要求7所述的制備方法，其特征在于，在涂布所述有機溶劑和溶質的混合溶液之前，所述傳感芯片預先通過半導體鍵合金線固定于PCB板上，用紫外膠或黑膠覆蓋所述金線與所述傳感芯片的引腳，并使所述離子敏感場效應晶體管的敏感層露出；在形成所述離子敏感膜之后，在所述PCB板上焊接排針，以對所述傳感芯片進行封裝。

10.一種利用權利要求1-6中任意一種所述電化學傳感器得到的離子濃度檢測系統，其特征在于，包括：

電化學傳感器、數據采集模塊、時鐘控制模塊以及數據處理模塊；

其中，所述電化學傳感器包括：

傳感芯片，所述傳感芯片包括信號轉換電路以及與所述信號轉換電路相連的離子敏感場效應晶體管與信號輸出電路；

形成于所述離子敏感場效應晶體管的敏感層上的離子敏感膜，所述離子敏感膜含有所述目標離子的載體；

形成于所述離子敏感膜上的微反應池或微反應通道，所述微反應池或微反應通道用于注入所述待測溶液；以及

位于所述微反應池或微反應通道內的參比電極；

所述數據采集模塊與所述信號輸出電路的輸出端相連；

所述時鐘控制模塊與所述數據采集模塊和所述傳感芯片相連，用于發出時鐘信號，以控制所述傳感芯片將檢測到的電信號輸出至所述數據采集模塊；

所述數據處理模塊與所述數據采集模塊相連，用于根據所述數據采集模塊獲取的數據，計算所述待測溶液中的目標離子的濃度。