专利名称：电化学电势感测的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电化学传感器，用于确定分析物中的带电颗粒浓度，涉及一种包 括这种传感器的半导体器件，涉及一种包括这种传感器的RFID标签，以及涉及一种用于确 定分析物中的带电颗粒浓度的电化学传感器系统。本发明还涉及一种确定分析物中的带电 颗粒浓度的方法。
背景技术：
pH值是每一种(水)溶液的积分参数。PH值描述了溶液是碱性或酸性的程度。在 较宽的范围内，可以将PH值很好地近似为pH = -log[H+]，其中[H+]表示溶液中以mol/L为 单位的氢离子浓度。测量酸溶液的PH值在工业界和实验室中是常规作业，用于工艺控制和 分析。然而，如果PH测量单元(传感器加上电子设备)变得足够廉价，pH值测量可以引起 更宽范围应用的注意。例如，PH测量在供应链中监测(液体)易腐烂物的质量具有较大的 潜力，甚至对于客户自己本身有很大的潜力。可以将用于测量离子浓度(具体地PH值)的 实验技术划分为两类，非电化学方法，例如光学(示踪染料)、催化剂和聚合物膨胀体(凝胶 体)，以及电化学方法。电化学方法广泛用于工业和实验室的许多应用。电化学离子浓度传 感器依赖于电势原理，即他们测量固/液界面或隔膜两端的电势P，所述电势是待确定的离 子浓度的函数。沪可以根据能斯脱等式炉= ^7(叫)In(Va2)来计算，其中k是波尔兹曼常 数，T是K氏绝对温度，q是基本电荷，η是离子电荷(例如，对于Η30+、Na+n = 1，对于Ca2+n =2，以及&1、a2是隔膜/界面两侧的活动性。将隔膜/界面(1和2)两侧的离子浓度按照活动性表示为％ = fi*Ci，其中&表 示相应的活动性系数(对于稀释电解液，fi = 1)，以及Ci表示相应的离子浓度。根据能斯 脱等式，电极电势是如果保持隔膜/界面另一侧的活动性恒定，在所述隔膜/界面一侧的离 子活动性的对数函数。依赖于由“a”描述的离子类型，所述传感器对于H3O+离子、Na+离子、 Ca2+离子等敏感。所有主要的pH(离子)测量电极根据上述原理工作，包括众所周知的玻璃电极 (已经开发了分别对于pH、pNa、pK等敏感的不同玻璃成分)、锑电极、ISFET(离子敏感场效 应晶体管)和EIS电容器(电解液绝缘体半导体电容器，这里平带(flat-band)电压是电 解液的pH/pNa/pK/等的函数)。为了测量电势差(即电压)，需要参考电极；对于ISFETS和EIS器件，参考电极也 限定了电解液电势以设置工作点或者进行电容电压(C-V)测量。参考电极相对于电解液电 势的电势必须保持恒定，而与电解液成分无关。除了标准氢电极之外，Ag/AgCl电极是最公 知参考电极。Ag/AgCl电极由与良好定义的电解液(通常是3mol/L的KCl)接触的氯化银 线。分析物和电解液之间的电流接触经由图案来建立，例如来自于玻璃或陶瓷的多孔玻璃 料。在操作期间，电解液必须连续地流出参考电极进入分析物。其他参考电极(例如氯化 亚汞(基于汞)或T1/T1C1电极)用于特定应用，例如在升高的温度。它们的原理与Ag/ AgCl电极的相同，特别是关于经由图案实现的液体电解液和接触的使用。
已知电化学传感器的问题是它们要求具有参考分析物的精确参考电极，以便根据 所测量的电势(差)来确定带电颗粒浓度。使用参考电极、特别是使用精确的参考电极包 含例如下述的多种难题-在参考电极中通过所述图案的电解液外流是必不可少的。这意味着需要定期对 电解液进行整流。此外，压力条件必须使得确保外流，即分析物中的压力不能高于参考电极 中的压力(否则，分析物进入参考电极并且改变其电势，这就是所谓的参考电极中毒)；-参考电极中图案的堵塞引起测量误差(依赖于应用需要定期的清洁)；-大多数参考电极具有相当大的尺寸，使得难以/不可能将它们集成到微型化的 器件中。存在一些微型参考电极，但是它们具有有限的寿命(因为不能重新填充参考电解 液)；-参考电极具有有限的温度范围，例如对于较高的温度必须使用T1/T1C1电极；以 及-一些参考电极可能会对于其他环境参数起反应，例如Ag/AgCl电极中的银是光 敏的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定带电颗粒浓度的电化学传感器，所述电化学传 感器不要求产生已知电势的传统参考电极。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。在第一方面，本发明涉及一种电化学传感器，用于确定分析物中的带电颗粒浓度， 所述传感器包括-测量电极，用于测量在工作时所述测量电极和其中浸没测量电极的分析物之间 界面处的表面电势；以及-控制装置，用于测量所述界面的至少两个不同温度下的表面电势，以获得表面电 势对界面温度的曲线的至少两个测量点。根据本发明的电化学传感器的这些特征的效果如下。在电化学传感器中，在测量 电极的表面发生感兴趣的反应。感兴趣的是测量所述测量电极的表面与溶液之间界面两端 的电势(即表面电势)。然而，如果不在溶液中放置另一个电极，将不可能控制或者测量这 种表面电势。因此，必须考虑两种电势，任一个这种电势都不能独立地测量。在根据现有技 术已知的电化学传感器中参考电极为什么必须产生相当精确的参考电压的原因在于如果 不这样的话，就不能够根据能斯托等式确定带电颗粒浓度，即必须知道表面电势的绝对值。发明人已经认识到了也可以按照不同的方式来确定带电颗粒浓度，即可以根据表 面电势对温度的曲线来确定带电颗粒浓度，并且具体地根据该曲线的斜率来确定。为了这 么做，所述电化学传感器包括测量电极，用于测量在工作时所述测量电极与其中浸没所述 测量电极的分析物的界面处的表面电势。所述电化学传感器还包括控制装置，用于测量所 述测量点电极和所述分析物之间界面的至少两个不同的温度，以获得表面电势对界面温度 曲线的至少两个测量点。所述电化学传感器使得能够如下实现分析物中带电颗粒浓度的确定。首先，所述 控制装置确保所述测量电极和分析物之间界面的温度达到第一值。随后，可以“读出”所述测量电极以给出与所述第一温度相对应的表面电势。对于与所述第一温度不同的至少一个 其他温度随后重复这两个步骤，给出了表面电势对温度曲线的至少两个测量点的总数，并 且使得能够确定相应的斜率。在所述曲线中的至少两个测量点的相应电势的绝对值依赖于 由参考电极所限定的分析物的绝对电势。然而，并不要求所述参考界面电势是已知并且精 确确定的，即其不随着带电颗粒浓度而变化，因为所述带电颗粒浓度是由所述曲线的斜率 确定的。一旦已经确定了所述斜率，可以根据所述斜率计算相应的带电颗粒浓度。为此目 的，伪参考电极就足够了。这样命名伪参考电极是因为其并没有保持恒定的电势(电势依 赖于分析物组分)；因此通过定义可知，伪参考电极并不是真实/实际的参考电极。然而， 其电势按照明确的方式依赖于不同条件；如果所述条件是已知的，可以计算所述电势；并 且可以将所述电极用于参考电势。在根据本发明的传感器的实施例中，所述控制装置包括温度设置装置，配置用于 将所述界面的温度设置为所述界面的至少两个不同温度。提供这种温度设置装置是实现测 量电极和分析物之间界面的至少两个不同温度处表面电势测量的第一种方式，以获得所述 曲线的至少两个测量点。在根据本发明的传感器的实施例中，所述温度设置装置包括加热器和/或冷却 器。使用这两个部件的至少一个使得能够设置所述测量电极和所述分析物之间界面的温 度。可以用于加热和/或冷却的温度设置装置的示例是帕尔贴元件。在根据本发明的传感器的实施例中，所述温度设置装置包括电阻加热器，其中通 过控制流过所述加热器的电流来设置温度。根据本发明的传感器的优势在于不需要知晓测 量表面电势的温度的绝对值。为了获得所述曲线中的斜率信息，只要求知晓温度改变。因 为在具有特定温度和恒定热损耗的环境中(即热平衡环境中)，通过电阻加热器的相应电 流值(或者在脉冲电流的情况下相应的电流占空比)将与所述界面处的分析物的恒稳态温 度相对应，该实施例是非常有利的。表述不同的是，所述电流控制界面温度相对于环境温度 的改变，这给出了用于确定带电颗粒浓度所要求的信息。不要求用于确定绝对界面温度的 附加温度传感器。在根据本发明的传感器的实施例中，所述温度设置装置还包括用于确定电阻加热 器功耗的装置，并且从而用于确定所述测量电极和分析物之间界面的温度。在根据本发明的传感器的实施例中，所述控制装置包括控制器，所述控制器与测 量电极相连，并且配置用于发起在所述界面的至少两个不同温度下利用所述测量电极对表 面电势的测量。提供这样的控制器就是用于使得能够实现所述测量电极与分析物之间界 面的至少两个不同温度处的表面电势测量的第二种方式，以获得所述曲线的至少两个测量 点。在根据本发明的传感器的实施例中，所述控制器包括用于测量所述界面的温度的温度 传感器，并且所述控制器还配置用于发起在所需界面温度值下对表面电势的测量。在分析 物的温度随时间不恒定时(即由于外部影响)该实施例是有利的。在这种情况下所要求的 是控制器发起在由所述温度传感器测量的两个不同温度值下的表面电势的测量。在根据本发明的传感器的实施例中，所述控制器包括存储装置，用于存储所述表 面电势的相应测量值，并且可选择地用于存储所述界面温度的相应值。可以在任何时间读 出已经存储在存储装置中的表面电势(可选择地与相应温度或温度变化一起)，以便使得 能够实现带电颗粒浓度的计算。
在根据本发明的传感器的实施例中，所述控制器包括处理器单元，用于根据所述 曲线的至少两个测量点来计算带电颗粒浓度。当已经执行了测量时，该实施例便利地提供 了所述带电颗粒浓度。无需手动进行这种计算。所述处理器单元可以是软件控制的或者可 以是诸如门阵列之类的通用硬件。在根据本发明的传感器的实施例中，从下面选择所述测量电极玻璃电极、离子敏 感场效应晶体管、离子敏感扩展栅极场效应晶体管以及电解液绝缘体半导体结构。这一列 表包括大多数合适的测量电极。、在根据本发明的传感器的实施例中，所述测量电极包括离子敏感扩展栅极场效应 晶体管，所述离子敏感扩展栅极场效应晶体管包括i)场效应晶体管；ii)与所述场效应 晶体管的栅极电连接的传感器电极；以及iii)设置在所述传感器电极上的离子敏感传感 器电介质，所述传感器电极配置用于经由在工作时的所述离子敏感传感器电介质接触分析 物；以及所述温度设置装置包括电阻加热器，所述电阻加热器设置为与传感器电极热耦合， 所述传感器电极用于设置在工作时的所述传感器电介质和分析物之间界面的温度。在该实 施例中，对传统的扩展栅极场效应晶体管(EGFET)进行了改进。已经以电阻加热器的形式 配置了温度设置装置，用于在工作时设置所述界面的温度。传感器的该实施例由非常简单 但是非常有效的基于EGFET的传感器组成，用于执行根据本发明的带电颗粒测量。传感器 的该实施例可以容易地集成到半导体器件中。这种传感器不需要精确的传统参考电极的事 实进一步改进了传感器的微型化。简单的伪参考电极(分析物中的简单电极线或金属触 点)就足够了。在上述实施例的变体中，所述传感器电介质可以配置有离子交换树脂或者与离子 交换树脂进行交换。离子交换树脂是基于包含特定离子交换物质(树脂)的特定有机聚合 物隔膜。这是最广泛使用类型的离子专用电极。特定树脂的用途允许对于几十种不同离子 准备选择性的电极，单原子和多原子。也存在具有阴离子选择性的最广泛使用的电极。然 而，这些电极具有较低的化学和物理持久性和“存活时间”。示例是钾选择性电极、基于缬氨 霉素作为离子交换剂。在根据本发明的传感器的实施例中，所述测量电极包括电解液绝缘体半导体结 构，所述电解液绝缘体半导体结构包括i)导电接触层；ii)设置在所述接触层上的半导体 层；iii)设置在所述半导体层上的离子敏感传感器电介质，所述半导体层配置用于经由在 工作时的所述离子敏感传感器电介质接触所述分析物；以及所述温度设置装置包括电阻加 热器，所述电阻加热器设置为与所述电解液绝缘体半导体结构热耦合，用于设置在工作时 的所述传感器电介质和分析物之间界面的温度。在该实施例中，对传统的电解液绝缘体半 导体(EIS)电容器进行了改进。已经按照电阻加热器的形式设置了温度设置装置，所述电 阻温度设置装置配置用于在工作时设置所述界面的温度。传感器的该实施例由相对简单但 是非常有效的EIS基传感器组成，用于执行根据本发明的带电颗粒测量。传感器的该实施 例可以容易地集成到半导体器件中。这种传感器不需要精确的传统参考电极的事实进一步 改进了所述传感器的微型化。简单的伪参考电极(电解液中的简单电极线或者金属接触) 就足够了。在EIS基传感器中，EIS电容器的平带电压产生了关于电解液的pH/离子浓度信 息。这是通过C-V(电容-电压)测量或者利用恒定电容方法来确定的。这两种方法都要 求参考电极和用于调制分析物电势的电极进行电容测量。如果只要求较小的调制电流，所述调制也可以利用参考电极本身来进行。否则，需要稳压器和三电极结构。再次，利用EIS 叠层下面的加热器来调制电介质/电解液界面处的温度。温度改变影响了表面电势，引起 所述平带电压中的改变。因此，经由所述平带电压间接地测量了表面电势。所述半导体层 可以包括半导体材料，例如硅、锗、硅-锗、III-V族化合物、II-VI族化合物等等。在上述实施例的变体中，所述传感器电介质可以配置有离子交换树脂或者与离子 交换树脂进行交换。离子交换树脂是基于包含特定离子交换物质(树脂)的特定有机聚合 物隔膜。这是最广泛使用类型的离子专用电极。特定树脂的用途允许对于几十种不同离子 准备选择性的电极，单原子和多原子。也存在具有阴离子选择性的最广泛使用的电极。然 而，这些电极具有较低的化学和物理持久性和“存活时间”。示例是钾选择性电极、基于缬氨 霉素作为离子交换剂。在根据本发明的传感器的实施例中，所述传感器配置用于确定电解液的氢离子浓 度，进而确定电解液的PH值。在根据本发明的传感器的实施例中，所述传感器电介质还配置有包括探针分子的 探针分子层，所述探针分子例如是i)抗体；以及ii)DNA/RNA链，所述探针分子层在工作时 与电解液直接接触，所述传感器电介质从而配置用于约束带电目标分子，从而使得能够确 定所述分析物中的带电目标分子浓度。传感器的该实施例包括分子传感器，使用与根据本 发明的带电颗粒传感器相同的原理(在两个不同的温度进行测量)。这种分子传感器具有 较宽的应用区域。在该实施例的变体中，所述探针分子直接设置在电极上。在该实施例中， 不要求传感器电介质。在根据本发明的传感器的实施例中，所述带电目标分子是带电生物分子。这里存在用于分子或生物传感器的多种应用，例如新药开发、DNA序列测定、医 院/医生的疾病检测(救护地点检测)、肿瘤标定、家居用途(例如，葡萄糖)、安全(生物 战剂)、法医研究。这些领域中可能感兴趣的相应生物分子是药剂、DNA、病毒和病菌、肿瘤 标志物、抗体等等。在根据本发明的传感器的实施例中，所述传感器还包括伪参考电极，用于向分析 物提供参考电势，将所述参考电势限定在工作时所述伪参考电极和其中浸没所述伪参考电 极以的分析物的另外界面。因为根据本发明的传感器只需要伪参考电极，这种参考电极可 以有利地与测量电极集成。在本发明的第二方面，本发明涉及一种包括根据本发明的电化学传感器的半导体 器件。本发明的巨大优势在于可以将所述电化学传感器集成到半导体器件中。可以将在所 述实施例中的所有上述特征结合到相同的半导体器件中，包括温度设置装置、控制装置、控 制器、温度传感器、伪参考电极、数据处理装置、存储器等等。在第三方面，本发明涉及一种包括根据本发明的电化学传感器的RFID-标签。本 发明有利地应用于这一应用领域。在第四方面，本发明涉及一种电化学系统，用于确定分析物中的带电颗粒浓度，包 括-测量电极，用于测量在工作时所述测量电极和其中浸没所述测量电极的分析物 之间界面处的表面电势；-温度设置装置，配置用于在至少两个不同温度下设置所述界面的温度；以及
-控制器，与所述测量电极相连，并且配置用于发起在所述界面的至少两个不同温 度下利用所述测量电极对所述表面电势的测量。根据本发明的电化学传感器系统的优势和效果与所述电化学传感器的优势和效 果相同。所述电化学传感器的所有实施例向所述电化学传感器系统应用必要的变通。在第五方面，本发明涉及一种用于确定分析物中带电颗粒浓度的方法，所述方法 包括以下步骤-确定表面电势对界面温度曲线的至少两个测量点，其中将所述界面温度定义为 测量电极和分析物之间界面的温度，其中在所述界面处限定所述表面电势；-根据所述曲线的至少两个测量点的位置来计算所述带电颗粒浓度。根据本发明方法的优势和效果与所述电化学传感器的相应实施例的优势和效果 相同。发明人已经认识到在表面电势对界面温度曲线的斜率中隐含了颗粒浓度信息。所 述曲线的垂直移动对于所述斜率没有任何影响。因此，由参考电极的“不精确性”引起的任 何恒定电势偏移对于所测量的斜率没有影响，并且因此对于所确定的带电颗粒浓度没有影 响。表述不同的是，如果所述参考电极产生输出电压，所述输出电压是预先未知的(因为其 输出值依赖于仍然还未确定的带电颗粒浓度)，本发明仍然起作用。在现有技术的方法中， 为了计算带电颗粒浓度，必须知晓表面电势的绝对值。因此在现有技术中，要求产生电势的 参考电极，所述电势是已知的并且与分析物的带电颗粒(离子)浓度无关(即，这些电极确 保了恒定的分析物电势)。本发明的方法不要求具有限定和独立输出电势的参考电极。其 输出依赖于带电颗粒浓度(并且因此产生预先未知的输出值)的伪参考电极或准参考电极 就足够了。任何类型的参考电极(对于分析物化学惰性)可以使用。参考电极必须执行的 唯一功能是建立与分析物的流电接触，使得所述电路闭合。在根据本发明的方法的实施例中，计算带电颗粒浓度的步骤包括以下子步骤i) 从所述至少两个测量点得出斜率；以及ii)根据所述斜率计算所述分析物中的带电颗粒浓度。在根据本发明方法的实施例中，在所述确定步骤中，确定了所述曲线的至少三个 测量点，并且其中计算所述带电颗粒浓度的步骤包括以下子步骤i)使用所述曲线的至少 三个测量点来确定拟合直线；以及ii)根据所述拟合直线来计算所述带电颗粒浓度。所述 方法的该实施例的优势在于减小了测量噪声和测量误差。在根据本发明的方法的实施例中，计算所述带电颗粒浓度的子步骤包括a)确定 所述拟合直线的斜率；以及b)根据所述斜率计算所述带电颗粒浓度。在根据本发明的方法的实施例中，确定所述曲线的步骤包括以下子步骤-将所述界面温度设置为第一值；-确定所述界面处的表面电势的第一值，其中所述界面温度的第一值和所述表面 电势的第一值一起限定了所述曲线的测量点的相应第一测量点；-将所述界面的温度设置为与所述第一值不同的第二值；以及-确定所述界面处的表面电势的第二值，其中所述界面温度的第二值和所述表面 电势的第二值一起限定了所述曲线的至少两个测量点的相应第二测量点。所述方法的该实施例包括确定所述曲线的各种可能实现。在根据本发明的方法的实施例中，所述界面温度的第一值和所述界面温度的第二值之间的差比预定阈值�。叛〉匦∮诨虻扔�10K，更优选地小于或等于5K。将所述第一和 第二测量之间的温度差保持在确定的阈值范围内确保减小了测量误差，所述测量误差是传 感器的特定参数对于温度依赖性的结果。这尤其应用于当灵敏度参数α的温度依赖性未 知时的电介质传感器的情况。保持较小的温度范围也减小了功耗。分析物的PH值本身也是 温度依赖的(例如，缓冲液具有温度依赖的缓冲能力)。因此，如果必须知晓特定温度下溶 液的PH值，测量过程不应该偏离这一温度本身太多。这些温度依赖参数之一是基于ISFET 测量电极的电介质的灵敏度，已知其参数是温度依赖的。看作是可接受的测量误差的参数 通常依赖于应用。在PH测量情况下，0. IpH的误差对于大多数应用是可接受的。在根据本发明的方法的实施例中，确定所述曲线的至少两个测量点的步骤是通过 确定表示表面电势的输出量的相应值来实现的。依赖于所选择的变换器类型，可以是输出 是表示表面电势的量，即通过晶体管(例如ISFET或EGFET)的电流。需要注意的是，尽管在根据本发明的电化学传感器中不再需要真实的参考电极， 真实的参考电极仍然可以应用于根据本发明的测量原理中(即，根据电势对温度曲线的斜 率来确定带电颗粒浓度)。根据下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将是清楚明白的，并且参考下 文所述的实施例说明本发明的这些和其他方面。
在附图中图1示出了用于解释根据现有技术已知的电势测量原理的一些公式；图2(a)至2(c)示出了根据现有技术已知的传统电极和参考电极；图3示出了用于解释根据本发明的电势测量原理的一些公式；图4示出了对于不同的带电颗粒浓度，几个电势差对界面温度变化曲线的图表；图5(a)和5(b)示出了根据本发明实施例的电化学传感器的两个实施例；图6(a)至6(d)示出了根据本发明其他实施例的四个不同传感器加热器结构；图7(a)至7(d)示出了根据本发明另一个实施例的电化学生物传感器的制造和操 作原理。
具体实施例方式本发明提出了一种用于确定带电颗粒的新方法，即液体分析物中的离子和带电生 物分子的浓度。在实施例中，所述方法涉及确定氢离子的浓度，进而确定PH值。所述方法 是基于利用合适的电化学传感器在不同温度下的测量。所述电化学传感器可以包括测量电 极，例如玻璃电极、ISFET和EIS电容器。根据测量电极读数和相应的温度来计算所述带电 颗粒浓度。由于这种新的测量原理，不再需要精确的参考电极。从而也防止了与这些参考电 极相关联的所有问题(例如电解液的维护和重填、大容量器件、温度范围限制等等)。此外， 测量带电颗粒的这种新方法是一种动态的测量类型(调制所述温度)，值得漂移最小化，并 且减小了对于频繁校准的需求。考虑到上述因素，本发明提出了一种确定带电颗粒浓度的方法、一种使用这种方 法实现确定带电颗粒浓度的电化学传感器、用于实现确定带电颗粒浓度的电化学传感器系统。为了便于讨论详细的实施例，下文中定义了一些表达语。贯穿这些描述，术语“界面温度”应该解释为包括电极材料体积和分析物体积的界 面周围体积内温度。在电化学中，能斯托等式是可以用于确定电化学电池中的半电池的平衡减小电势 的等式(与其他信息结合使用)。半电池是包含导电电极和由自然出现的亥姆霍兹双层分离的周围导电电解液的 结构。在这一层内的化学反应即刻将电极和电解液之间的电荷进行泵浦，结果是在所述电 极和电解液之间产生电势。典型的反应包括电极中金属原子的溶解并且作为正离子在所 述双层两端输运，引起所述电解液获取净正电荷而电极获取净负电荷。逐渐增加的电势差 在所述双层内产生强烈的电�。⑶宜龅缡频闹翟黾樱恢钡剿龀≈罩顾鼍驳绾杀� 浦反应为止。按照类似的方式，所述能斯托等式也描述了电介质和电解液的界面处的表面 电势、或者在任一侧的电解液中具有不同离子浓度的隔膜两端的表面电势。贯穿这些描述，术语“参考电极”指的是具有稳定并且公知的电极电势的电极。所 述电极电势的较高可靠性通常是通过采用具有氧化还原反应的每一个参与者的恒定浓度 (缓冲或者饱和)的氧化还原系统来实现的。参考电极用于与待确定电势的电极结合在一 起来建立电化学电池。每一个电极表示半个电池，要求两个电极以完成所述电路并且测量 未知的电势。贯穿这些描述，术语“伪参考电极”指的是不会维持恒定电势的参考电极。通过定 义可知，伪参考电极不是一个真实的参考电极。然而，其电势按照良好定义的方式依赖于条 件，如果所述条件是已知的，则可以计算所述电势，并且可以将所述电极用于参考电势。贯穿这些描述，术语“测量电极”看作是玻璃电极、ISFET或EIS电容器。贯穿这些描述，术语“带电颗粒”指的是离子和带电生物分子。贯穿这些描述，术语“互连层”应该看作是与“金属化层”或“金属层”同义字。这 两个术语可以互换地使用，并且应该解释为包括导体(任意导电材料)的层、其中内置有导 体的绝缘层、以及通往下面层的任意通孔(=触点)。这些术语对于半导体领域的普通技术 人员是众所周知的。贯穿这些描述，术语“衬底”应该广义地解释。所述衬底可以包括具有诸如晶体管 和二极管之类元件的有源层，所述元件形成电路的部件。所述衬底还可以包括可以在一个 或多个互连层中布置的、并且还包含诸如电容器、电阻器和电感器之类的无源元件的元件 之间的互连。在附图中，已经省略了这些元件以便于理解本发明。其中形成所述元件的有 源层也可以称作半导体本体。所述半导体本体可以包括以下半导体材料和成分的任意一 种像硅(Si)、锗(Ge)、硅锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)和像磷化铟(InP)、硫化镉(CdS)这类 的其他III-V族化合物或其他II-VI族化合物、或者这些材料和成分的组合和半导体聚合 物。这些有源元件一起可以形成电路。在任一种情况下，经由互连层实现有源元件的连接。 这些互连层具有寄生电容，所述寄生电容由周围材料的介电常数来限定。所述半导体本体 甚至可以包括与下面层的接触(例如在有源区表面处的扩散区)。图1示出了用于解释根据现有技术已知的电势测量原理的一些公式。在附图的描 述中，将利用氢离子浓度(PH值)的测量来解释主要原理。然而必须强调的是，本发明也可应用于任意其他种类的带电颗粒浓度，即Na+离子、K+离子、Ca2+离子等。所述pH值是每一种(水成)溶液的积分参数。其描述了溶液的碱性或酸性程度。 在较宽的范围内，PH值可以很好地近似为pH =-log[H+]，其中[H+]表示溶液中以mol/L为 单位的质子浓度。PH值测量是工业和实验室中的常规任务，用于工艺控制和分析。然而， 如果所述PH测量单元(传感器加上电子设备)变得足够廉价，其也可以在更宽的应用范围 引起注意。例如，在供应链或者甚至在消费者自己用于监测(液体)易腐烂物品质量的PH 值测量存在较大的潜力。可以将用于测量离子浓度(可以是PH测量的情况)的实验技术 划分为两种类型非电化学方法，例如光学(示踪染料)、催化剂和聚合物(凝胶体)的膨 胀；和电化学方法。电化学方法广泛用于工业和实验室的多种应用。电化学离子浓度传感 器依赖于电势测量原理，即它们测量固体/液体界面两端的电势P，所述电势P是待确定的 离子浓度的函数。可以根据图1的公式(1)给出的能斯托等式来计算所述电势识。在该公 式中，k是波尔兹曼常数，T是K氏温度的绝对温度，q是元电荷，以及η是离子电荷(例如 对于H30+、Na+，η = 1 ；对于Ca2+，η = 2)。将隔膜/界面(1和2)两侧的离子浓度按照活动 性表示为％ = fi*Ci，其中&表示相应的活动性系数(对于稀释电解液，& = 1)，以及Ci表 示以mol/L为单位的离子浓度。根据能斯脱等式，所述电极电势是如果保持隔膜/界面一 侧的活动性恒定，在所述隔膜/界面另一侧的离子活动性的对数函数。依赖于由参数“a” 描述的离子类型，所述传感器对于H3O+离子、Na+离子、Ca2+离子等敏感。图2(a)至2(c)示出了根据现有技术已知的传统电极和参考电极。所有的主要 PH-(离子)_测量电极根据上述原理工作，包括众所周知的玻璃电极(已经研发了对于pH、 pNa、pK等敏感的不同玻璃成分)、锑电极、ISFET (离子敏感场效应晶体管)和EIS电容器 (电解液绝缘体半导体电容器，这里所述平带电压是电解液的PH值的函数)。这种技术不 能够测试电势，但是可以测量电势差。在任一种情况下，为了利用测量电极测量电势差，需 要参考电极，其中通过测量电极电势％和参考电极电势的差来产生所述电势差(参加 图1中的等式O))。在ISFET和EIS器件作为测量电极的情况下，也将参考电极用于设置 工作点以及用于闭合所述电学回路。在现有技术中，参考电极电势相对于电解液电势必 须保持恒定,而与分析物成分无关。因此在现有技术中，所测量的是测量电极电势此和参考 电极电势外<之间的电势差△炉。这由图1中的等式(2)给出。在利用玻璃电极和传统参考电极(具有参考液体)进行PH测量的情况下，可以由 图1中的(3a)等式给出电势差。在等式(3a)中，pHin代表玻璃电极中的电解液的pH值， pHout表示(需要确定的)分析物的pH值。实际上，公式(3)是玻璃电极内侧和外侧的两 个表面电势以及玻璃电极内部的引线与所述玻璃电极中的电解液的接触电势炉_和参考电 极电势外<之和。然而在这种结构中，当两个电极具有相同温度时，这些项彼此抵消。在以 下公开中可以找到公式(3a)的推导和关于参考电极的更多信息Jean-Peter Ylen, Helsinki University of Technology, ControlEngineering Laboratory, Report 127, Espoo 2001 的“Measuring, modeling, and controlling the PH-value and the dynamic chemicalstate” [REF1]。将该文献全部结合在此作为参考。在利用ISFET测量电极和传统参考电极进行pH测量的情况下，电势差可以由图1 中的(3b)给出。在公式(3b)中，pHpzc代表ISFET测量电极的零电荷点(主要由ISFET的 电介质传感器层限定的材料性质)，以及PHout代表(要确定的)分析物的pH值。可以在以下公开中找到公式(3b)的推导和关于ISFET电极的更多信息P· Bergveld 在 Sensors and Actuators B 88 (2008) 1—20 的"Thirtyyears of ISFET0L0GY. What happened in the past 30years and whatmay happen in the next 30years" [REF2]。将该文献全部结合在此作为参考。除了标准氢电极之外，Ag/AgCl电极是最公知的参考电极。图2(a)中示出了这种 参考电极RE。所述参考电极包括与良好限定的电解液20(通常是3mol/L的KCl)接触的氯 化银(Ag/AgCl)线10。经由图案30 (玻璃或陶瓷多孔玻璃状物质)建立与分析物的流电接 触。在操作期间，电解液20必须连续地流出参考电极RE进入分析物。将例如氯化亚汞电 极(基于水银)或T1/T1C1电极的其他参考电极用于例如在升高温度下的特定应用。它们 的原理与Ag/AgCl电极的相同，具体地使用液体电解液20和经由图案30的接触。所述氯 化银线10与接触缆线40相连。图2(b)示出了其中将参考电极RE与玻璃电极GE组合使用的测量装置。将两个 电极GE、RE均浸没到分析物100中以有效工作。所述玻璃电极GE包括与具有良好限定的 PHin值的电解液20’(缓冲溶液)接触的氯化银线10(Ag/AgCl)。将所述电解液20’设置 在PH敏感玻璃隔膜31中，所述玻璃隔膜由专用玻璃产生。其厚度通常在50-200 μ m之间， 但是在非常强烈的溶液中进行测量时，其甚至可以是1mm。在浸没到水中之后，所述玻璃电 极可以测量过程溶液100 (分析物)。在分析物100和玻璃表面之间产生电势差，并且这种 差是H3O+离子活性的函数，因此也是分析物100的pH值的函数。所述氯化银线10’与另 外的接触缆线40，相连。所述缆线40和另外的缆线40，都与电压计VM的输入相连。所述 电压计给出由图1的公式(3a)给出的电势差Δρ。可以在这种描述中给出的第一参考文献 (REFl)中找到有关玻璃电极的更多信息。图2(c)示出了其中与ISFET测量电极IE组合使用参考电极RE的测量装置。将 电极IE、RE都浸没到分析物中以有效工作。所述ISFET测量电极IE包括晶体管结构，所述 晶体管结构与传统场效应晶体管(FET)非常类似。所述晶体管结构包括具有在衬底表面设 置的η型源极Src和η型漏极Drn的ρ型衬底5，所述η型源极和η型漏极限定了其间的沟 道区。将栅极电介质32设置在衬底5上，覆盖源极Src、漏极Drn和沟道。可以替代地使 用P型晶体管。主要区别在于栅极电介质32与分析物100直接接触而不是与聚合物/金 属栅极触点接触。所述栅极电介质32是离子/pH敏感层(在示例实施例中，其包括SiO2, 但是也可以使用诸如Ta2O5之类的其他电介质)。所述晶体管用作变换器，所述变换器将电 势差转换为所述晶体管的源极Src和漏极Drn之间的电流。在所述沟道区上面的电介质可 以比其他地方的电介质更�。员阍黾覫SFET的灵敏度(在电介质层32处产生预定表面电 势的情况下，为了沟道的更好反转)。可以在这种描述中给出的第二参考文件(REF2)中找 到与ISFET有关的更多信息。将参考电极RE设置在分析物100中，以便建立用于ISFET的 “工作点”(参考电势)并且限定分析物电势。可以将通过参考电极RE设置的电势看作是 传统场效应晶体管的栅极电压\。在现有技术的pH测量中，极为重要的是参考电极的电势 与分析物的成分无关。图3示出了用于解释根据本发明的电势测量原理的一些公式。本发明的实质特征 在于(相同)分析物中在不同的温度下执行电势PH/离子测量。尽管利用现有技术的电势 测量原理必须补偿或者考虑温度变化，本发明使用传感器输出的温度依赖性来确定待测量量，例如溶液(或者如图7中将讨论的带电生物分子浓度)的PH值或离子浓度。随后讨 论的论点涉及PH值，但是也可以应用于离子浓度或带电生物分子浓度，那么需要用pK来代 替ρΗ，并且必须考虑电荷个数η。在图3的公式Ga)中重复了对于玻璃电极和传统参考电极(具有参考液体)的 组合的电势差等式，其中PHout表示输出(分析物)处的ρΗ值，以及pHin表示内部电解液 的PH值(InlO 2.3)。发明人认识到可以不同地看待等式Ga)。根据该等式，利用由图3 中的公式Gb)给出的直线的斜率πι，Δ识示出了对于T的线性依赖性。必须注意的是，除了 待测量的分析物的PH值pHout之外，该公式的所有参数都是已知或者固定的。遵循这种方 法，可以通过记录不同温度T的电势差Δρ、确定曲线的斜率m、并且随后使用图3中 的公式Ge)来计算所述PH值，来获得分析物的ρΗ值。图4示出了对于不同的带电颗粒浓度，(测量电极和参考电极之间的)几个电势 差对界面温度变化曲线的图表。所述图表示出了在温度范围0K-10K内对于各种pHout值 (pHin = 7)的Δρ-ΔΓ曲线。这些曲线与表面电势对界面温度曲线具有直接关系。曲线的 斜率使得可以得到不同PH值的明显区别。四条曲线cl、c2、c3、c4分别示出了等于5、6、7 和8的ρΗ值。哪一条曲线水平延伸依赖于参数“pHin”的值。原理上可以无需对传感器进 行校准就能计算参数“pHout”，因为图3的公式Ga)中的所有参数都是已知的。实际上，可 能仍然建议进行校准，因为系统部件的行为并非是理想的，并且有可能是温度依赖的(例 如，电极接触具有PHin的玻璃电极内部的参考电解液)。应该注意的是，不能单独地测量电势识，而只是作为与另一个电势的电势差(电 压)，即与参考电极电势的电势差。然而，如果参考电势(以及所包含的所有其他电势；例 如内部电极和玻璃电极的参考电解液之间的电势)与分析物成分无关，并且通过界面温度 (的非常局部的变化在测量期间其他界面处的温度保持恒定，例如参考电极和分析物之间 的界面)只调制测量的表面电势差，这并不暗示着任何限制。因为将与ρΗ值(氢离子浓度)有关的信息转换给△识-ΔΓ曲线的斜率而不是ρ的 绝对值(如同传统电势测量的情况那样)，所述曲线的任何垂直偏移对于测量没有影响。因 此，省略了由于使用伪参考电极代替“真实”参考电极引起的任何电势偏移。伪参考电极由 浸没在分析物(样品溶液)中的简单金属线(例如Pt或Ag)组成。该伪参考电极在测量期 间提供恒定的参考电势，但是依赖于分析物的成分(例如，其离子浓度)。然而，这种伪参考 电极对于本发明来说是完全足够的。为了精确的测量，只需要确保在测量期间所述伪参考 电极的电势本身保持恒定，即在温度T的变化和来自测量电极的各种值的记录期间。对于 所述方法，知晓绝对温度并不是必要的。必须知晓的唯一的值(任意单位)是不同测量之 间的间隔ΔΤ。例如，所述温度T可以如下给出=T = T。+a*U2/R*t，其中参数“TQ”表示t = Os时的温度，“R”表示电阻加热器的欧姆阻抗，参数“U”表示所施加的电压，以及参数“t” 表示激活加热器的时间。参数“a”包括所有其他系统参数，例如被加热液体的体积及其热 容。用图3的公式Ga)代替该公式中的温度，给出了电势差△识作为激活加热器的时间t 的函数。不需要知晓起始温度Ttl的绝对值，因为其绝对值只引起曲线的垂直偏移，而将ρΗ 值(pHout)转换为斜率。所述系统(即利用限定pHout的缓冲液测量曲线的斜率)的校准 可能是必要的，以便确定参数“a”。此外，优选地，参数“a”应该在校准和真实测量之间保持 恒定，因为其直接反映斜率。
根据现有技术已知的电势测量是静态测量，其依赖于动态热平衡。静态测量通常 会受到温度漂移，使得需要进行频繁的校准。除了与校准相关联的工作和成本，一些系统难 以进行校准，例如因为传感器固定到容器/管道中并且如果校准的话需要从中移出，或者 因为所述系统根本不能够访问(易腐烂食物的监测、医学应用)。漂移对于ISFET传感器是 特别的问题。已经开发了各种算法和程序来预测漂移并且对测量进行校正。此外，在使用 新传感器之前，必须使所述新传感器保持平衡一段时间。本发明的测量原理的优势在于由 于动态测量原理，显著地减小了漂移，增加了校准间隔和测量精度。在以下公开中可以找到 与漂移和计数器测量有关的更多信息S. Jamsba, IEEE Sensors，J. 4 (6)，795-80 1，2004 的"AnAnalytical Technique for Counteracting drift in Ion-SelectiveField effect Transistors(ISFETs)" [REF3]。将该文献全部结合在此作为参考。根据本发明的新测量原理的另一个优势在于噪声减小。如果通过对不同温度下 记录的几个识值进行直线拟合来确定Δ^-ΔΓ曲线的斜率，对噪声和统计测量误差进行了平 均。迄今为止，为了清楚起见，只示出和讨论了基本原理和等式。在实际应用中，会稍 微复杂一些。这也依赖于所选择的测量电极和参考电极的类型。如果将玻璃电极用于测量，不但必须考虑离子敏感玻璃隔膜两端的隔膜电势，而 且需要考虑(伪)参考电极和测量电极(接触具有pHin的参考液体)的电势。不幸地是， 所述参考电极的电势也是温度依赖的。然而，如果在测量电极和“实际”参考电极中使用相 同的电极材料和电解液，并目.将这两个电极保持在相同温度,它们互相抵消((Pcont = (Pref )。 这并不是如果使用伪参考电极的情况。为了防止利用这一系统的误差，最好是只在离子敏 感玻璃隔膜附近局部的加热分析物，同时伪参考电极处的分析物保持处于其起始温度。在利用ISFET测量电极和参考电极进行PH测量的情况下，由图3的(5a)公式给 出所述电势差，其中第一部分描述了电介质/分析物界面的表面电势(产生与分析物PH值 有关的信息)，其中参数pHpzc表示零电荷点，即其氧化物表面为电中性的分析物的pH值， 其中参数PHout表示与所述电介质接触的分析物的实际pH值，其中参数α表示温度依赖 的敏感度参数，是对于特定ISFET传感器电介质的特性。参数α位于0和1之间(在敏感 度等于1的情况下，所述传感器具有最大敏感度)。按照与图3的公式Gb)和Ge)类似的 方式可以从公式(5a)推导出公式(5b)和(5c)。已知将对于ISFET的参数α定义如图3的公式(6)所定义的，其中参数Cs表示 双层电容(依赖于分析物中的离子浓度)，并且其中参数β s表示作为传感器电介质材料参 数的表面缓冲能力。在前面已经解释了其他参数。传感器敏感度α的温度依赖性可能会使测量方法变得稍微复杂。可以通过几种 方式(或者其组合)来解决。1)使用具有高表面缓冲能力β s的传感器电介质材料。这种措施使得敏感度α 的温度依赖性最小化。这种方法的优势在于无需修改就能应用上述测量原理。在优选实施 例中，所述传感器电介质材料包括氧化钽(Ta2O5),其具有非常高i3s的优点。2)在较小的温度“窗口”(例如5K)执行不同温度的测量。在该温度窗口范围内， 可以假设所述敏感度α恒定。因此，敏感度α的较小变化导致相对较小的误差并且可以将其忽略。这第二种方法要求在相同的温度进行校准和“实际”测量。否则，由于导致不同 斜率的上述温度依赖性，误差将增加。3)在传感器校准期间确定(；和β s。利用一种参考溶液极性的单一校准就足够的。 然而，必须对于几个温度测量所述电势差，以允许对Δρ-Γ曲线的拟合以获得Cs和i3s。这 是一种最精确的方法，但是必须知晓绝对温度。因此要求用于确定所述绝对温度的温度传 感器。可以通过在传感器(玻璃电极、ISFET)后面安装小加热器/冷却器来实现用于测 量PH或离子浓度的方法。所述加热器/冷却器加热/冷却所述传感器周围的分析物。将 不同温度下(利用集成的传感器测量或者根据热能确定的T)的传感器读数(表示Δρ)进 行存储或者绘制；然后根据上述的本发明方法从所述曲线的斜率获得化学参数。代替在加 热器/冷却器近旁，也可以通过�？刈爸每刂扑龇治鑫镂露炔⑶彝ü魈逑低�(例如流 到传感器上的流动液体)将分析物温度施加至传感器。如果在所述方法中没有使用温度传感器，在后续加热脉冲之间必须通过足够的时 间，以允许将传感器冷却至初始(环境)温度。如果只使用短加热脉冲，热学波将朝着电介 质/分析物界面传播，导致瞬时温度增加。表面电势(变换器输出)的连续测量将导致最 大/最小值，应该将所述值用于进一步的数据提取(当达到该值时，所述界面处的温度在再 次冷却或者加热之前是最高/最低的)。为了增加测量精度，可以对所述曲线进行拟合以确 定极值(考虑热脉冲之后界面处温度的瞬时行为)。一种更简单的方式是在所述极值周围 的间隔内的几个值进行平均。在该说明书中使用措辞“获得表面电势对温度曲线的测量点”的地方，通常意味着 (第一电极和(伪)参考电极之间的)电势差对(测量电极界面处的)温度测量点是平均 的。不过，因为在本发明中不要求知晓绝对温度，而是只需要确定表面电势对温度曲线的斜 率，所述表面电势对温度的曲线与所述第一曲线具有明确的关系，并且足以获得所述斜率。迄今为止，附图的描述主要涉及根据本发明的确定分析物中带电颗粒浓度的方 法。然而，本发明也涉及可以用于执行这种方法的电化学传感器。已经讨论了这种电化学 传感器可以包括诸如玻璃电极之类的传统测量电极和传统参考电极。因此在任何情况下， 根据本发明的电化学传感器必须包括测量电极，用于测量所述测量电极和其中浸没所述测 量电极有效工作的分析物之间的界面处的表面电势。另外，根据本发明的电化学传感器也 必须包括至少一个控制装置，用于使得能够在所述界面的至少两个不同温度下测量所述表 面电势，以获得表面电势对界面温度曲线的至少两个测量点。这种控制装置可以是温度设 置装置，配置用于在所述界面的至少两个不同温度下设置所述界面的温度。可选地，这种控 制装置可以是控制器，其中所述控制器与所述测量电极相连，并且配置用于发起在所述界 面的至少两个不同温度下利用所述测量电极对表面电势的测量。其组合也是可行的。用于电化学传感器的小型化方案是特别引起注意的，因为其开启了新的应用可能 性(由于较少的影响因素和减小的成本)。这种小型化的示例是ISFET测量电极。ISFET 测量电极的缺点在于利用现有技术的测量原理，仍然要求精确的参考电极(具有参考电 解液)，所述电极不易于小型化。在迄今为止的现有技术中已经报道的小型化参考电极具有 非常有限的寿命。本发明的主要优点是不再要求麻烦的参考电极。代替地，可以使用伪参考电极(基本上是浸没在分析物中并且与其电接触以有效工作的金属触点)。可以使用现有的互 连技术将这种参考电极容易地集成到ISFET中。因此，小型化变得非常容易。不过，仍然可 以将本发明的电化学传感器与传统参考电极进行组合。如已经描述过的，参考电极允许将 分析物的DC-电势设置为已知值，如果将本发明的测量方法与传统测量方法进行组合这将 是有利的。根据本发明实施例的电化学传感器的主要组成部分是-传感器电极，覆盖有合适的传感器材料(依赖于应用是pH敏感或离子敏感)；-所述传感器附近的加热器/冷却器；以及-变换器，用于将所述传感器输出变换为电信号进行进一步处理。此外，所述电化学传感器可以包括用于数据处理和存储、电源的电路。所述电化学 传感器还可以包括电路块，例如AD/DA转换器、数字信号处理器、存储器和用于无线数据转 移的RF单元。在所述电化学传感器的第一实施例中，所述测量电极是ISFET(如图2(c)所示)。 在这种描述的前面部分已经讨论了 ISFET。为了使用根据本发明的ISFET，在栅极电介质附 近需要较小的温度设置装置(即，加热器)。这可以是栅极区邻近或周围处理的电阻加热器 (金属线的薄线)，例如通过利用合适掩模的金属沉积和刻蚀。所述加热器可以由(例如集 成到金属互连中)电介质层覆盖，保护其免于与电解液直接接触。可以在分析物中使用参 考电极，以设置ISFET的工作点。如果根据本发明使用ISFET，可以使用简单的伪参考电极。 ISFET的主要缺点在于分析物和离子敏感栅极电介质之间的直接接触。因为必须(例如通 过刻蚀)去除所述传感器栅极上面的所有层以允许与分析物的直接接触，这使得CMOS工艺 集成变得困难。此外，由于分析物和有源层(只有用于保护的薄电介质层)之间的紧密接 触，存在离子扩散到集成电路中并且使靠近开口的晶体管阈值电压偏移、进而破坏CMOS电 路的较高风险。图5(a)和5(b)示出了根据本发明实施例的电化学传感器的两个实施例。图5 (a) 示出了所谓的扩展栅极场效应晶体管(EGFET)。图5(b)示出了所谓的电解液绝缘体半导体 (EIS)结构。参考图5(a)，在这种结构中，在上述段落中描述的问题并不存在。其包括具有源 极Src、漏极Drn和栅极Gt的传统晶体管匪，例如NMOS晶体管。所述晶体管NM的栅极Gt 经由标准金属互连“线”与传感器电极Snse相连。在传感器电极Snse上，提供了对于特 定离子敏感的传感器电介质Snsd0已经按照简化方式示例了这种传感器，以便于理解本发 明。已经在传感器电极Snse和传感器电介质Snsd附近，例如其下面设置了加热器Htr (温 度设置装置)。重要的是设置加热器Htr，使其与用于设置温度的传感器部分热耦合。在这 一方面，许多种变体都是可能的。在图6中示出了这些变体的一部分。所述传感器的晶体 管匪具有浮置栅极，因为栅极Gt和传感器电极Snse之间的连接没有与任何电压源流电连 接。代替地，所述连接由诸如栅极电介质、传感器电介质Snsd和互连电介质之类的绝缘体 包围。所述传感器的工作点由分析物中的参考电极来控制，这里是伪参考电极冊。所述伪 参考电极I3R可以与EGFET集成，例如在顶部金属层中。与ISFET相比，EGFET的主要优点是在芯片的顶部金属层中实现了传感器电极 Snse，并且因此“远离”包括晶体管匪的层。这减小了诸如Na+之类的碱性离子沾污的风险。此外，其还允许与标准CMOS工艺更加简单的集成。参考图5(b)，在这种结构中，前述段落中描述的问题也不存在，因为可以在芯片的 上部层中制造这种结构。所述电解液绝缘体半导体结构包括其上设置了硅层Sl的导电接 触层Cl (例如金属焊盘、硅化物)。在所述硅层Sl上，设置了传感器电介质Snsd。所述叠 层与MOS(金属氧化物半导体)电容器类似。其中的区别在于所述电介质/氧化物通过分 析物而不是金属来接触。所述EIS电容器的平带电压产生了与分析物的pH值/离子浓度 有关的信息。通过C-V(电容电压)措施或者利用恒定电容方法来确定这种信息。这两种 方法都至少要求参考电极来限定分析物的DC电势，并且来调制所述分析物电势用于电容 测量。再次，利用所述EIS叠层附近(例如其下面)的加热器Htr来调制所述传感器电介 质/电解液界面处的温度。温度变化影响表面电势，所述表面电势进而引起平带电压中的 偏移。因此，经由所述平带电压间接测量了表面电势。由于图5(a)所讨论的相同原因，所 述参考电极可以是简单的伪参考电极冊。在以下文献中可以找到与电解液绝缘体半导体结构有关的更多信息Shoji Yoshida, Nobuyoshi Hara 禾口 Katsuhisa Sugimoto 在 Journal of The electrochemical Society,151 (3)H53-H58(2004)的“Development of a Wide Range pH Sensor based onElectroIyte-Insulator Semiconductor Structure withCorrosion-Resistant Al2O3-Ta2O5 and Al2O3-ZrO2 Double-Oxide ThinFiIms，，[REF4]， 将其全部内容结合在此作为参考。在以下文献中可以找到与C-V测量有关的更多信息M.Klein 在 Sensors and Actuators Bl (1-6) :p354_356，Jan, 1990 的 “Characterization of Ion-sensitive Layer System with a C (V)Measurement Method Operating at Constant Capacitance” [REF5]，将其全部内容结合在此作为参考。因为本发明的特定测量原理，涉及参考电极和校准的上述问题不再与根据本发明 的电化学传感器有关(或者至少到了小得多的程度)。具体地，这里描述的实施例可以容 易地小型化，并且集成到标准CMOS器件中。只需要对于标准处理方案进行微小的增加。此 外，毕竟这些修改都是在切割和封装之前已经实现的传统处理。图6 (a)至6(d)示出了根据本发明其他实施例的四个不同传感器加热器结构。所 有的附图都进行了简化，具体地简化了传感器。对于所述传感器，只示出了传感器电极。在 图6 (a)中，将所述传感器Snsr设置为较大的焊盘，而将加热器Htr设置在所述焊盘外围的 周围(相同平面内)。在图6(b)中，将加热器Htr按照曲折的形式设置在传感器焊盘Snsr 下面。这种结构确保了所述传感器更加均勻的温度。在图6(c)中，将所述传感器Snsr设 置为曲折的结构，并且将加热器Htr在相同的平面内按照河流方式设置为所述传感器Snsr 两侧上的曲折结构。在图6(d)中，将所述传感器Snsr设置为曲折结构。将所述加热器Htr 设置在传感器Snsr下面，作为90°旋转的曲折结构。所述加热器Htr和传感器Snsr的实 际结构可能会相当可观地影响传感器的温度均勻性。本领域普通技术人员可以容易地提出 另外的传感器Snsr和加热器Htr。在任一种情况下，重要的是所述加热器Htr (温度设置装 置)与所述传感器Snsr热耦合，用于使得能够实现传感器温度的设置。制造方法图5和图6实施例的传感器制造遵循标准CMOS处理方案。这就是对于变换器和传感器(以及加热器)的大多数部分的情况。如果我们考虑具有5个金属层用于互连的CMOS 工艺，可以将所述加热器实现为金属4中的薄金属线(电阻加热器)以及金属5中的传感 器电极(对于图6(a)和6(c)的几何形状，加热器Htr和传感器Snsr都可以在金属5中实 现)。金属层通过层间电介质(ILD)分离。为此使用标准的后段线工艺，例如(双)大马士 革处理。依赖于实际的互连技术，铝和铜是最常用的金属。仅有的非标准步骤是i)在金 属5的顶部上沉积传感器电介质；以及ii)结合焊盘的开口。可以在切割和封装之前作为 最后处理步骤执行这两个步骤。因此对于制造方法的标准处理部分不要求任何变化。传感 器电介质可以覆盖整个表面(包括图6(a)和6(c)结构中的加热器)，从而作为抵抗电解液 的附加保护层。如果使用刻划保护/钝化叠层，所述工艺步骤可以包含在传感器电极和结 合焊盘顶部上的刻划保护(光刻、刻蚀)的开口、传感器电介质的均勻沉积、结合焊盘上的 传感器电介质的去除。为了改进保护，例如减小管脚孔，可以沉积不同电介质的叠层。通过与电解液接触 的最后层来确定实际敏感度。对于使用伪参考电极的变换器/传感器结构，在随后由电解 液覆盖的区域中的金属焊盘上也去除了所述电介质(和刻划保护)，以建立接触(与结合焊 盘开口一起处理)。如果需要，例如为了改进抗腐蚀性，可以通过电化学或非电镀沉积、PVD 或CVD等等在该焊盘的顶部上沉积其他金属(银、金、钼等等)，用于后续构图或者剥离。纖尽管在根据本发明的一些电化学传感器的一些实施例中使用加热器，总能耗仍然 较低，因为所加热的体积非常小。如果我们考虑具有IOOOym2表面积的传感器，总热容是 约7. 4*10_9J/K。为了这种计算，进行如下假设-假设加热器位于金属4中；-假设对于金属3和金属5的热传播是相等的；-假设所加热的叠层的总厚度是约3.5 μ m ；-使用铝作为金属；-使用氧化硅作为金属内电介质和层间电介质；以及-电解液本身需要只在与电介质的界面处非常难以加热。在具有IK温度差的10个温度处进行10次测量并且在其间(从平衡温度开始) 冷却下来要求与92pAh(lV时)相对应的总共3. 3*10_7J的总能量。这种能量如此之小，使 得其不会对于传感器带来任何限制，甚至对于利用小电池(容量在ImAh的范围)供电的自 激传感器标签中的小型传感器也不会带来限制。低能耗对于迅速冷却也是有益的。所加热 的体积非常小(3500 μ m2)。这意味着小于1 μ L的分析物就足够用作具有恒定温度的“储蓄 器”。这种储存器用用于将传感器在加热脉冲之后冷却至初始温度。如在该描述中前面所描述的，本发明也可以应用于不同的应用领域，即分子传感 器领域。图7(a)至7(d)示出了根据本发明另一个实施例的电化学生物传感器的制造和操 作原理。所述电化学生物传感器在很大程度上与所述传感器的上述实施例类似。因此，只 讨论其与上述传感器不同之处的生物传感器。图7(a)示出了已经描述过的(普通)传感 器。在图7(b)中，修改所述传感器，用于将所述传感器变成生物传感器。为了实现这种目 的，向所述传感器电介质Snsd的整个表面配置探针分子层Riil。在有效工作时，所述探针 分子层Pml与分析物直接接触。涂覆所述探针分子层，使得所述传感器电介质配置用于约束分析物中的带电目标分子。这使得能够确定分析物中的带电目标分子浓度。图7(c)和 7(d)示出了生物传感器的工作原理。在图7(c)中，将所述传感器应用于其中具有生物分 子to的分析物中。与探针分子层Riil的功能部分相匹配的生物分子to约束至所述表面， 并且改变了所述传感器的表面电势。在图7(d)中，用测量溶液代替所述分析物。这一步骤 是可选的，其依赖于选择如下所述的方法。所述测量溶液是不包含任何生物分子但是使电 路闭合的电解液。利用能够约束在分析物中必须检测的目标分子的探针分子使所述传感器电介质 Snsd的表面起作用。所述其作用的表面可以包括固定的核酸，例如探针-cDNA或mRNA。当 (固定的)探针c-DNA或mRNA的核酸序列与(分析物中的)目标DNA的核酸序列互补时， 所述探针-cDNA或mRNA与所述DNA片段混成(hybridize)并且改变了传感器表面电势。通 过在传感器表面上固定相应的抗体，可以类似地检测蛋白质、激素和各种病原体。可以使用 连接体、自组织单层(SAM)、原位核酸合成等等来固定探针-DNA和抗体。在该实施例的变 体中，将所述探针分子直接设置在第一电极上。在所述实施例中，不要求第一离子敏感电介 质。生物传感器的测量原理的核心与pH/离子测量的原理相同，即改变测量电极附近 的分析物的温度，并且测量电势差的任何改变，即从变换器输出的电势差。然而，由于生物 分子的不同“约束”机制(这种约束并非像对于PH/离子传感器那样可以自动反转)，必须 遵循略微修正的方案。存在多种可能的方法，下面讨论其中的两种。方法1 作为第一步骤，执行校准步骤。在该步骤中，使用其成分已知的参考溶液来进行测 量。所述参考溶液是具有固定PH值和盐浓度的电解液，以闭合所述电路，其中“测量”是在 至少两个不同温度下根据本发明的测量(确定至少两个不同的电势差)的平均。保存或者 存储所获得的数据。如果需要，可以在作为制造工艺一部分的制造环境中进行这一校准步
马聚ο作为第二步骤，将所述分析物100施加至所述传感器预定量的时间。在该时间段 期间，目标分子与探针分子层Riil形成化学键。作为第三步骤，冲洗所述传感器的表面，在这种冲洗步骤中，原理上不包含目标分 子并且不会在冲洗期间去除成键的目标分子的任何溶液可以进行这种冲洗。作为第四步骤，在所述参考溶液中执行另一个测量(在至少两个不同温度下的测 量)。将这种测量结果与来自参考测量的结果进行比较。如果目标分子已经与探测分子层 Pml成键，那么在冲洗期间它们将保持不变，第二测量的结果将与第一次不同。这种不同表 示分析物100中的目标分子的浓度。方法2更简单的方法是在施加分析物100的期间恒定地测量，其中“测量”同样是在至少 两个不同温度下的平均测量。因为目标分子缓慢地与传感器探针分子层Riil成键，所述传 感器读数逐渐变化。重要的是迅速地执行不同温度下的测量，使得每次“测量”的至少两次 测量经历近似相同的生物分子浓度。在分析物刚开始暴露之后的测量和一定暴露时间之后 的测量之间的差表示分析物100中目标分子的原始浓度。所述生物传感器可以包括利用(通过喷墨测定等沉积的)不同探针分子功能化的几个传感器(例如按照阵列形式)，以在单一的测量轮次中检测不同的目标分子。根据本发明的热电势测量原理只允许检测诸如离子之类的带电颗粒，因为这些带 电颗粒附着到传感器表面上，并且改变了表面电势(能斯托等式只应用于离子，PH是特定 的离子H30+、0H_)。因此，根据本发明的生物传感器也可应用于带电目标分子。例如，感兴 趣的带电目标分子是DNA。已知DNA可以充电，尽管这种电荷可以具有许多不同的值。与诸 如Na+离子之类的常规离子不同，生物分子上的电荷严重地依赖于其中溶解生物分子的分 析物的PH值，这使得这些带电颗粒稍微有些更加特别。因此，本发明提出了一种用于确定分析物中带电颗粒浓度的方法。仍然是电势电 化学测量的这种方法采用测量电极的表面电势的温度依赖性。本发明还提出了一种电化学 传感器和电化学传感器系统，使得能够确定分析物中带电颗粒浓度。本发明也提出了各种 传感器，所述传感器可以用于确定带电颗粒浓度，即EGFET和EIS电容器。本发明可以应用于多种应用领域，例如离子浓度传感器，特别是pH传感器。另外， 本发明可以应用于集成到自激(RFID)标签的小型传感器。本发明也可以应用于进行表面 改性的电势传感器，例如附着到传感器表面的生物分子的检测。根据本发明的传感器和方法的各种变体也是可能的，并且不会脱离所附权利要求 的范围。例如，这些变体涉及材料选择、层厚度、传感器部件的空间结构等等。同样，在根据 本发明方法的实施例的用于确定带电颗粒浓度的方法中，多种更改是可能的。这些更改都 落在本领域普通技术人员的常规程序范围之内，并且不会背离这里所公开的本发明概念。 最重要的变体是-传感器电介质可以包括以下材料像Si02、Ta205、SiN、Ti02、Hf02、Al203和类似材 料。-也可以使用非电介质传感器材料，例如锑和其他金属，例如聚苯胺 (polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)、线型聚乙烯亚胺(polyethylenimine)、线型聚丙 基亚胺(polypropylenimine)和类似材料。这些材料可以或者与传感器电极直接接触，或 者与其间的电介质直接接触。可以在所述传感器附近实现温度传感器，以精确地确定传感器材料(电介质)和 分析物之间界面处的温度。例如，可以利用传感器焊盘周围的附加薄金属线(与图6(a)的 焊盘周围的加热器结构类似)来实现电热调节器。可以在单一的芯片上实现配置用于不同分析物的几种传感器，例如pH值和Na+离 子浓度。-可以使用电感加热器来代替电阻加热器。-可以按照恒定功率模式(其中调节激活时间)或者在恒定激活时间模式(其中 调节功率)操作所述加热器。-所述传感器电容与变换器的输入电容(例如晶体管的栅极电容、运算放大器的 输入电容)一起形成了电容分压器。为了改善传感器的信号，可以增加所述传感器电容(优 选地，所述传感器电容应该大于变换器的输入电容)。可以通过使传感器面积更大、或者通 过使传感器电介质层更薄来增加所述电容。-可以使用帕尔帖元件作为冷却器(温度设置装置)。-所述传感器电介质可以配置有离子交换树脂或者可以与离子交互树脂互换。离子交换树脂是基于专用的有机聚合体隔膜，其包含特定的离子交换物质(树脂)。这是一种 最广泛使用类型的离子专用电极。专用树脂的使用允许准备对于几十种不同离子的选择性 电极，单原子或多原子的。它们也是最广泛使用的具有阴离子选择性的电极。然而，这些电 极具有较低的化学和物理耐久性和“存活时间”。示例是基于缬氨霉素作为离子交换剂的钾 选择性电极。 应该注意的是上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域普通技术人员在不 脱离所附权利要求范围的情况下能够设计许多替代实施例。在权利要求中，括号中放置的 任何参考符号不应该解释为限制权利要求。动词“包括”的使用及其近义词不排除存在除了 权利要求中所述元件或步骤的存在。元件前的冠词“一个”不排除存在多个这种元件。本 发明可以通过包括几个分立元件的硬件以及通过适当编程的计算机来实现。在枚举了几种 装置的设备权利要求中，可以通过一个相同条目的硬件来实现这些装置中的几个。唯一的 事实在于在相互不同的从属权利要求中使用的特定措施并不表示不能有利地使用这些措 施的组合。贯穿附图，类似或相应的附图用相同的参考数字或标号来表示。
权利要求
1.一种电化学传感器，用于确定分析物(100)中的带电颗粒浓度，所述传感器包括-测量电极，用于在工作时测量所述测量电极和其中浸没测量电极的分析物(100)之间界面处的表面电势；以及-控制装置，用于测量所述界面的至少两个不同温度下的表面电势，以获得表面电势对 界面温度的曲线(cl、c2、c3、c4)的至少两个测量点。
2.根据权利要求1所述的电化学传感器，其中所述控制装置包括温度设置装置(Htr)， 配置用于将所述界面的温度设置为所述界面的至少两个不同温度。
3.根据权利要求1或2所述的电化学传感器，其中所述控制装置包括控制器，所述控制 器与测量电极相连，并且配置用于发起在所述界面的至少两个不同温度下利用所述测量电 极对所述表面电势的测量。
4.根据权利要求3所述的电化学传感器，其中所述控制器包括用于测量所述界面的温 度的温度传感器，并且所述控制器还配置用于发起在所需界面温度值下对所述表面电势的 测量。
5.根据权利要求3或4所述的电化学传感器，其中所述控制器包括存储装置，用于存储 所述表面电势的相应测量值，并且可选择地用于存储所述界面的温度的相应值。
6.根据权利要求2所述的电化学传感器，其中所述测量电极包括离子敏感扩展栅极场 效应晶体管，所述离子敏感扩展栅极场效应晶体管包括i)场效应晶体管(NM) ； )与所 述场效应晶体管(NM)的栅极(Gt)电连接的传感器电极(Snse)；以及iii)设置在所述传 感器电极(Snse)上的离子敏感传感器电介质(Snsd)，所述传感器电极(Snse)配置用于在 工作时经由所述离子敏感传感器电介质(Snsd)接触分析物(100)；以及所述温度设置装置 (Htr)包括电阻加热器，所述电阻加热器设置为与传感器电极(Snse)热耦合，所述传感器 电极用于设置在工作时所述传感器电介质(Snsd)和分析物(100)之间界面的温度。
7.根据权利要求2所述的电化学传感器，其中所述测量电极包括电解液绝缘体半导 体结构，所述电解液绝缘体半导体结构包括i)导电的接触层(Cl) ；ii)设置在所述接触 层(Cl)上的半导体层(Si) ；iii)设置在所述半导体层(Si)上的离子敏感传感器电介质 (Snsd)，所述半导体层(Si)配置用于在工作时经由所述离子敏感传感器电介质(Snsd)接 触所述分析物(100)；以及所述温度设置装置(Htr)包括电阻加热器，所述电阻加热器设 置为与所述电解液绝缘体半导体结构热耦合，用于设置在工作时所述传感器电介质(Snsd) 和分析物(100)之间界面的温度。
8.根据权利要求6或7所述的电化学传感器，其中所述传感器电介质还配置有包括探 针分子的探针分子层(Riil)，所述探针分子例如是i)抗体；以及ii)DNA/RNA链，所述探针 分子层(Pml)在工作时与分析物(100)直接接触，所述传感器电介质(Snsd)从而配置用于 约束带电目标分子(Bm)，从而使得能够确定所述分析物(100)中的带电目标分子浓度。
9.一种半导体器件，包括根据任一前述权利要求所述的电化学传感器。
10.一种射频识别标签，包括根据权利要求1至8中任一项所述的电化学传感器。
11.一种电化学传感器系统，用于确定分析物(100)中的带电颗粒浓度，所述系统包括-测量电极，用于测量在工作时所述测量电极和其中浸没所述测量电极的分析物 (100)之间界面处的表面电势；温度设置装置(Htr)，配置用于在至少两个不同温度下设置所述界面的温度；以及 控制器，与所述测量电极相连，并且配置用于发起在所述界面的至少两个不同温度下 利用所述测量电极对所述表面电势的测量。
12.一种用于确定分析物(100)中带电颗粒浓度的方法，所述方法包括以下步骤 -确定表面电势对界面温度曲线(cl、c2、c3、c4)的至少两个测量点，其中将所述界面温度定义为测量电极和分析物(100)之间界面的温度，其中在所述界面处限定所述表面电 势；-根据所述曲线(cl、c2、c3、c4)的至少两个测量点的位置来计算所述带电颗粒浓度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述曲线(cl、c2、c3、c4)的步骤包括以下 子步骤-将所述界面温度设置为第一值；-确定所述界面处的表面电势的第一值，其中所述界面温度的第一值和所述表面电势 的第一值一起限定了所述曲线(cl、c2、c3、c4)的测量点的相应第一测量点； -将所述界面温度设置为与所述第一值不同的第二值；以及-确定所述界面处的表面电势的第二值，其中所述界面温度的第二值和所述表面电势 的第二值一起限定了所述曲线(cl、c2、c3、c4)的至少两个测量点的相应第二测量点。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述界面温度的第一值和所述界面温度的第二 值之间的差比预定阈值小，优选地小于或等于10K，更优选地小于或等于涨。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定分析物(100)中带电颗粒浓度的方法，所述方法包括以下步骤i)确定表面电势对界面温度曲线(c1、c2、c3、c4)的至少两个测量点，其中将所述界面温度定义为测量电极和分析物(100)之间界面的温度，其中在所述界面处限定所述表面电势；以及i i)根据所述曲线(c1、c2、c3、c4)的至少两个测量点的位置来计算所述带电颗粒浓度。仍然是电势电化学测量方法的这种方法使用了测量电极的表面电势的温度依赖性。本发明还提出了一种电化学传感器和电化学传感器系统，用于确定分析物中的带电颗粒浓度。本发明还涉及可以用于确定带电颗粒浓度的各种传感器，即EGFET和EIS电容器。
文档编号G01N27/333GK102132152SQ200980133123
公开日2011年7月20日 申请日期2009年8月24日 优先权日2008年8月25日
发明者马蒂亚斯·梅兹 申请人:Nxp股份有限公司
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