CN1065727A - 复合离子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电化学领域的离子探测器，主要 用于测量溶液中的离子浓度。探测器由离子敏集成 电路和固态参比电极等构成。其特征是：可以制成放 入人体器官内的微小型，可以制成同时测量K、Na、 H、Cl等几种离子的多元型和可以制成工业使用的 高温型复合离子探测器，因其响应快，输出阻抗低等 优点，特别适应临床医学，科研，工业部门进行自动测 量和计算机控制系统使用。

Description

本发明涉及一种电化学技术领域的离子探测器，用于探测溶液中有无离子和离子的浓度的测量。

该探测器由离子敏集成电路和固态参比电极等构成，其特点是：可以制成能放入人体器官内的微小型，可以制成同时测量K、Na、H、Cl等几种离子的多元型和可以制成工业使用的高温型的复合离子探测器。

使用传统技术检测离子浓度，必须有测量电极，参比电极和温度计，三者同时插入试液才可进行。以H为例，因氢离子浓度常用对数负值定义为PH值，故亦是以PH值测量为例。传统方法使用玻璃电极做为测量电极;使用也是玻璃外壳的甘汞电极做为参比电极，它为测量电极提供参比电位，又因溶液中离子浓度与温度有关，要精确测量PH值必须测量温度，以进行温度补偿修正，因而传统方法必须使用较多试液，多个电极同时使用，操作极为不便。又因其响应慢，输出阻抗高等缺欠，而不能满足现代技术使用计算机自动控制系统的使用需要。

1970年荷兰人Bergveld在P-SI衬底上生长二氧化硅层，制成没有金属栅极的场效应晶体管，发现当二氧化硅层与溶液接触时源漏电流I_DS与响应离子浓度呈线性关系[1]，从而研制出第一支离子敏场效应晶体管，简称为ISFET。这以后的二十多年各国科学家做了大量工作，如今已报导的有H、Na、K、Ca及Cl、I、Br等多种离子敏器件，但多数因存在稳定性，可靠性等问题而未能实际应用，现有商品化的离子探测器，是中国实用新型专利“一种离子探测装置”[2]所表述的。

但现有技术产品受结构设计，材料选择，制造方法和使用液态参比电极等因素局限，不能制造出微小型，多元型和高温型等专门用途的产品。

本发明与现有离子探测技术相比，有如下积极效果，除具有实现单电极可以进行离子浓度测量，同时测量被测点小区域内溶液的温度，实现抗静电保护，不易碎裂，输出阻抗低，响应快，灵敏度高等特点外;还具有可以制成能放入人体器官内的微小型，可以制成能同时测量K、Na、H、Cl等几种离子的多元型和可以制成能在工业使用的高温型的复合离子探测器。

本发明的特征是：可以满足微小型、多元型和高温型三种不同要求和用途的，不含内溶液的复合结构的离子探测器。该探测器适合于自动测量和计算机控制系统使用，使用本发明制成的微小型医用多元复合离子探测器，可以实现现有技术无法实现的，同时测量人体或其它生物体器官内，局部区域K、Na、H、Cl浓度和温度的功能，这对临床医学将有十分重要的意义。

该探测器是把由离子敏场效应晶体管，温度传感器，抗静电保护电路等集成的，一块或几块集成电路芯片，进行单面予封装后，再与由固态材料构成的，予成型参比电极和液接面材料，应用高分子树脂材料复合而成。这个集成电路芯片中，选用不同的对K、Na、H、Cl等离子敏感的离子敏场效应晶体管，即成为对不同离子敏感的集成电路，使用这种对不同离子敏感的集成电路，应用本专利便可制成对不同的K、Na、H、Cl等离子敏感的探测器。这里也可以同时选用K、Na、H、Cl等几种离子敏场效应晶体管，与相应的温度传感器，抗静电保护电路等集成电路在一块或几块集成电路芯片中，并同时可与一个或几个参比电极，制造在同一个探测器中，构成多元型复合离子探测器。当然，这里所用的离子敏场效应晶体管，温度传感器，抗静电保护电路等全部或部分元件可由相应的分立元件构成。这里固态参比电极所用液接面材料，可以是有机或无机的微孔透析材料或毛细材料。

固态参比电极的内参比电极可以是Ag-AgCl或其它电极，使用模压或包封方法，在内参比电极外面形成一层金属盐包敷层，将整个固态参比电极制成条块状或其它形状的予成型参比电极。

本发明的目的是：要提供一种灵敏度高，响应快，可以放入人体器官内部的，微小型复合离子探测器。本发明的另一个目的是要这种复合离子探测器要能满足多元型和高温型的用途和技术要求。

为实现上述目的，本发明采取如下措施：首先把离子敏集成电路芯片进行单面予封装，然后再把予成型固态参比电极与液接面材料，复合组装在一起，并用树脂封装定型。单面予封装的芯片正面保留敏感区容器，芯片粘在绝缘基片上，绝缘基片的背面与予成型参比电极相应侧面，用高分子树脂粘结，保留至少一个予成型参比电极侧面，在保留的予成型参比电极侧面，放置液接面材料，最后进行除保留芯片敏感区容器和参比电极的液接面部分外，其余全部表面用高分子树脂材料涂敷成光滑表面。这里所提到的单面予封装芯片是指：要先将离子敏集成电路芯片背面，粘在用无机或有机材料制成的绝缘基片上，绝缘基片正有金属化区域，供焊接电极引线用，经从芯片上压焊出内引线和焊接好外引线后，使用环氧树脂或其它高分子材料。进行保留敏感区的正面单面予封装。这里所提到的予成型参比电极是指：在事先准备好的Ag-AgCl内参比电极或其它内参比电极外面，使用模压或包封方法，在内参比电极外面形成一层金属盐包敷层，将整个参比电极制成条块状或其它形状的予成型参比电极。

根据化工或环保等用途的特殊需要，可以在复合离子敏探测器外面添加滤网，滤膜，抽吸泵构成的外壳，外壳与复合离子探测器间形成一个供待测液循环的空间以保证在有悬浮物或混浊试液中能精确测量，其材质可以从不锈钢，聚丙烯，聚脂，环氧树脂和氟树脂等中选取。

使用本专利制成的微小型医用复合离子探测器，不仅可用于测量人体或其它生物体器官内部，局部区域的K、Na、H、Cl等离子浓度和温度，以供临床医学用来诊断疾病，还可以用于生物工程学器官体外存活系统和供特种职业人员体能监测系统使用，如飞行员、宇航员、潜水员等进行动态体能计算机遥控遥测。

附图说明

图1.复合离子探测器制造工艺流程图

图2.医用微小型复合离子探测器结构剖面示意图

以下参照附图说明本发明的实施例，

如图1所示：

1.集成电路芯片：按需选择相应离子敏集成电路芯片备用;

2.粘片：即把芯片背面与绝缘基片正面粘在一起，基片可由有机或无机材料构成，如玻璃钢或陶瓷，基片应有事先按需要图形在正面或双面制造的金属化电极，如用丝网印刷或光刻技术制成金，银，铜的单层或多层电极，粘合剂按需选用，从芯片背面引出电极时要用银浆一类导电粘合剂，否则可用环氧树脂等不导电粘合剂;

3.焊引线：可用金丝球焊或类似微电子技术，将芯片上的金属化电极，与绝缘基片上对应的金属化电极一端连接起来，然后再用锡焊，点焊等一般焊接方法，从金属化电极另一端焊出外电极引线，外引线可用多股细的金属芯绝缘导线;

4.单面予封装：在除去离子敏器件敏感区窗口以外的其余部分，将粘有芯片一面的基片，内引线，焊点等全部涂敷高分子树脂涂层;

5.内参比电极：按需选择相应的Ag-AgCl等内参比电极备用;

6.焊外电极：在Ag-AgCl内参比电极的Ag上焊接外引线;

7.焊点保护：在Ag-AgCl内参比电极的Ag与外电极引线焊点上涂绝缘保护层;

8.予成型：在内参比电极的外面，用氯化钾或其它氯的金属盐粉沫，经模压或包封工艺做成条块状或片状的予成型参比电极;

9.复合装配：把予封装的离子敏芯片与予成型参比电极和液接面材料，按设计要求，以环氧树脂为粘合剂，在专用工装卡具里装配在一起;

10.涂敷封装：在除去离子敏感区窗口和液接面材料正面需要保留裸露的一部分外，其余表面全部用高分子材料涂敷成光滑圆润的表面，固化后备用。对某些特殊用途的产品，固化前应按特殊要求形状和尺寸加工，固化后按用途需要可以安装过滤网，滤膜，抽吸泵及有关装置构成的保护外壳;

11.活化测试：产品涂敷封装后，要100%进行活化测试，即要在一定温度的饱和盐溶液内浸泡相当时间，以使液接面材料形成盐桥，这个过程称为活化，活化后进行电化学参数测试，测试合格可为成品，进行包装入库。

如图2所示：

图2是医用微小型复合离子探测器结构剖面示意图。图中表示了可同时测量两种离子浓度如Na和H两种离子浓度的医用微小型复合离子探测器的剖面结构示意图，图中（1）和（13）分别代表对H、Na两种离子敏感的集成电路芯片;（2）和（12）分别是两块芯片的敏感区;（3）是芯片（1）的内引线，实际需要2-3条内引线，为简化说明，这些全省去了，（以下也同）;（4）是绝缘基片上的金属化电极区，内引线（3）与外引线（6）通过（4）相互连接;（5）是外引线去除绝缘包皮后的金属线芯端头，同样外引线（8）的金属线芯端头（9）通过绝缘基片（14）上的金属化电极区和内引线与另一块芯片（13）上的电极相连，因这些从图上看都是左右对称的，叙述从简;（15）是Ag-AgCl内参比电极;（7）是参比电极外引线;（11）是（7）的金属线芯端头，（11）与内参比电极（15）的金属焊接起来，焊点由高分子保护涂层（10）保护起来;（18）是金属盐包敷层;（16）是液接面材料;（17）是高分子树脂涂层，对本例，除两块离子敏感芯片灵感区（2）和（12）及液接面材料窗口要保留外，其余部分全用树脂涂层光滑地涂敷保护起来。

附录：

[1]P.Bergveld，IEEE  Trans，BME-17.70.1970.

[2]中国实用新型专利  NO.89207958.4

Claims (10)

1、一种复合离子探测器，是由集成在一块或几块集成电路上的离子敏场效应晶体管，温度传感器，抗静电保护电路构成的测量电极与固态参比电极复合而成，其特征在于测量电极是单面予封装，参比电极是固体材料予成型的，二者应用高分子树脂复合在一起。

2、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所说的测量电极中，可分别选用对K、Na、H、Cl等不同离子敏感的离子敏场效应晶体管，制成对K、Na、H、Cl等不同离子敏感的复合离子探测器。

3、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所说的测量电极，可以同时选用对K、Na、H、Cl等几种离子敏场效应晶体管与相应的温度传感器，抗静电保护电路等集成在一块或几块集成电路芯片中，并同时与一个或几个参比电极制造在同一个探测器中，构成可以同时测量几种离子浓度的多元型复合离子探测器。

4、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所说的测量电极中的离子敏场效应晶体管，温度传感器，抗静电保护电路等全部或部分元件，可以由相应的分立元件构成。

5、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所述的固态参比电极的内参比电极可以是Ag-AgCl电极或其它电极，使用模压或包封方法在内参比电极外面形成一层金属盐包敷层，把整个固态参比电极制成条块状或其它适用形状的予成型参比电极。

6、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所说的固态参比电极中使用的液接面材料，可以是有机或无机的微孔透析材料或毛细材料。

7、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所说的高分子树脂，可以是环氧树脂，不饱和聚脂或其它树脂。

8、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所说的复合离子探测器可有一由滤网，滤膜，抽吸泵构成的外壳，外壳与复合离子探测器间形成一个供待测液循环的空间，用以测量有悬浮物或混浊的待测液。

9、根据权利要求1所述的复合离子探测器，其特征在于所说的复合离子探测器，可以经受100℃以上的高温，并适于反复高温消毒处理。

10、一种应用所说的复合离子探测器，可供测量人体内部器官的K、Na、H、Cl等离子浓度和温度的用途使用，其特征在于已微小型化的所说的复合离子探测器，可置于人体的待测器官内部，对某一指定微区进行相应的测量，以供临床医学，生物工程学，特种职业人员等进行疾病诊治，计算机智能化控制和进行动态体能监测系统使用。

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