CN110988085B - 基于分子受体的化学场效应晶体管 - Google Patents

基于分子受体的化学场效应晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于分子受体的化学场效应晶体管。实施例包括一种用于将膜材料固定于基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)的栅极的方法，该方法包括：将膜材料铸于栅极的暴露区域上，固化膜材料，将CHEMFET放置于模具中，将不渗透的电绝缘树脂的单一应用插入到模具中，以及通过不渗透的电绝缘树脂的单一应用来固定膜材料的边缘，从而在物理上防止膜材料脱离栅极。传感器模块可以包括CHEMFET、放大器电路、接入场地土壤的一个或多个传感器引脚、数据记录器、和无线收发器，以及其它组件。

Description

基于分子受体的化学场效应晶体管
本申请是申请日为2014年9月17日、申请号为201480063155.8(PCT/US2014/056144)的发明专利申请“基于分子受体的化学场效应晶体管”的分案申请。
技术领域
本申请涉及场地土壤的现场(in-situ)硝酸盐监测，并且更具体地，涉及用于场地土壤的现场硝酸盐监测的基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)设备和方法。
背景技术
在美国所使用的所有硝酸盐肥料中，大约30％由于过度施用以及后续渗入地下水中、挥发或用瓦管排水(tiling)和流走而损失。灌溉和土壤水分监测的新技术向种植者提供了必要的数据以管理灌溉，从而实现更好的预测和即刻反馈，从而降低了水成本并且优化了管理实践。
然而，普遍缺乏对用于具体管理土壤养分水平的新技术的开发不能实现这一同类型的施肥精确性。当前在生长季之前和在生长季期间进行若干次，通过从每个5-20英亩田地中采集15-20个土壤样本并将这些样本邮寄给场外工厂进行分析来监测土壤养分。通常，每个生长季执行若干次养分测试，从而导致超过30亿美元的处理开销。即使采用如此惊人的成本，但投资总是不与最优的作物产量相关。缺乏相关性是由于采集样本的时间和结果返回的时间之间的固有断连，在这段时间期间，硝酸盐水平受到内生土壤细菌的铵基活动、由于过量浇水或过度施肥而渗入根区域以下或在干燥过程中降解/挥发的影响。
已经试图改善样本采集和可实施数据之间的延迟时间，但这一过程通常仍需要3-5个工作日，最好情况下在采样和结果之间仍需要几小时。当前所有的硝酸盐监测的直接方法需要预处理样本，并且硝酸盐在滤液中进行测量。这是因为需要较好的土壤接触，其通常缺乏标准的离子选择性电极(ISE)。
因此，需要用于将分子受体与硝酸盐的已知亲和性和选择性合并的改善的设备、系统和方法，从而提供驱动力以将硝酸盐分离到膜中，并且实现对不同湿度的土壤的直接测量。此外，由于受体对通常非特定的ISE膜的选择性而需要提高精确性。本发明的实施例解决了现有技术中的这些及其他限制。
附图说明
图1A根据本发明的一些实施例，示出了基于分子受体的CHEMFET的侧视图。
图1B示出了图1A的基于分子受体的CHEMFET的俯视图。
图1C示出了图1A的基于分子受体的CHEMFET的侧视图，包括置于其栅极上的边缘树脂紧固件和膜。
图1D示出了图1C的基于分子受体的CHEMFET的俯视图。
图1E根据本发明的一些实施例，示出了包括膜的基于分子受体的CHEMFET的另一示例的侧视图。
图1F示出了图1E的基于分子受体的CHEMFET的俯视图。
图1G示出了图1E的基于分子受体的CHEMFET的侧视图，包括具有置于其栅极上的边缘树脂紧固件的树脂的单一应用和膜。
图1H示出了图1G的基于分子受体的CHEMFET的俯视图。
图1I根据本发明的一些实施例，示出了用于应用不渗透的电绝缘树脂的模具的示例。
图2A示出了使用图1A到1D中的基于分子受体的CHEMFET或与图1E到1H中的基于分子受体的CHEMFET 102的放大器的示例电路图。
图2B示出了图2A的放大器电路的封装。
图3A和3B根据本发明的一些实施例，示出了包含CHEMFET和放大器电路和其他组件的传感器外壳。
图3C根据本发明的一些实施例，示出了包括置于其中的各种组件的传感器外壳的示意性框图，该传感器壳体在外部计算设备的大型系统之内。
图4示出了包括图3A和3B的传感器壳体并且包括被包含于其中的各种组件的传感器模块的剖面图。
图5根据本发明的一些实施例，示出了包括各种引脚的图1A到1D的基于分子受体的CHEMFET或图1E到1H的基于分子受体的CHEMFET的透视特写视图。
图6根据本发明的一些实施例，示出了其中插入图1A到图5的传感器模块的探测主体。
图7是根据本发明的一些实施例，示出用于使用不渗透的电绝缘树脂来固定膜的技术的流程图。
图8是根据本发明的一些实施例，示出用于使用不渗透的电绝缘树脂来固定膜的另一技术的流程图。
从参考附图进行的以下具体描述中，本发明的以上和其他特征将变得更加容易看出。
具体实施方式
现在将具体参考本发明概念的实施例，其示例被示于附图中。附图不一定按比例绘制。在以下具体说明中，给出很多具体细节以使得全面理解本发明概念。然而应该理解，本领域技术人员可在没有这些具体细节的情况下实施本发明概念。在其他实例中，熟知的方法、过程、组件、电路和网络未被具体描述，以避免不必要地掩盖实施例的方面。
应该理解，虽然术语第一、第二等在本文中可被用于描述各种元件，但这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅被用于使元件之间彼此区分。例如，在不脱离本发明概念的范围的情况下，第一传感器可被称为第二传感器，并且类似地，第二传感器可被称为第一传感器。
应该理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“被耦合至”另一元件或层或“被连接至”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上、直接被耦合至另一元件或层或直接被连接至另一元件或层，也可以存在介于中间的元件或层。相反，当元件或层被称为“直接”在另一元件或层“上”、“直接被耦合至”另一元件或层或“直接被连接至”另一元件或层时，不存在介于中间的元件或层。各图中相似标号指代相似元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项的任何和所有组合。
本发明概念的说明书中所使用的术语仅用于描述具体实施例，而不意图限制本发明概念。如本发明概念的说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另作清楚指示。还应理解，本文所使用的术语“和/或”指代且包括一个或多个相关联的所列项的任何和所有可能的组合。还应理解，术语“包括”和/或“包含”当被用于本说明书中时，说明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，而不排除存在或附加一个或多个它的其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或组。
图1A根据本发明的一些实施例，示出了基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)100的侧视图。图1B示出了图1A的基于分子受体的CHEMFET 100的俯视图。图1C示出了图1A的基于分子受体的CHEMFET 100的侧视图，包括置于其栅极上的边缘树脂紧固件170和膜材料165。图1D示出了图1C的基于分子受体的CHEMFET的俯视图。现在参考图1A到1D。
CHEMFET 100可以是例如离子选择性场效应晶体管(ISFET)。CHEMFET 100可包括基底105，其可被连接(例如线焊)至印刷电路板(PCB)150。漏极线110和源极线115可被分别连接至焊盘120和125。过孔130和135可分别形成于焊盘120和125中，通过基底105，以协助连接至漏极和源极引脚，如将在下文进一步描述。源极线115和漏极线110的末端可彼此临近，并且靠近沟道区域140。施加于栅极145处或施加于栅极145附近的电压使得在源极线和漏极线的末端之间的沟道区域140中形成反型层，从而产生电流可通过的沟道。沟道可以是10微米宽或大约10微米宽。因此，电流可在源极线和漏极线之间通过，该电流可被检测和测量。来自放大器电路(如下文将进一步讨论)的反馈可使得电流保持大致恒定以允许测量变化的栅极电压。
基底105可使用2％到30％的H2O2或大约2％到30％的H2O2等离子蚀刻进行预处理、和/或采用聚酯(羟乙基-甲基丙烯酸酯)进行功能性处理。栅极145可包括氮化硅、氧化铝和/或氧化钽的栅极材料。PCB 150、源极线115、栅极线110和/或置于PCB 150上的其他组件可由不渗透的电绝缘树脂的第一应用(例如，层和/或部分)155封装，以覆盖源极线和栅极线，和其他组件和线，除了暴露的栅极区域160。暴露的栅极区域160在不渗透的电绝缘树脂的第一应用155期间可首先用遮罩190覆盖，如图1B所示。在不渗透的电绝缘树脂的第一应用155被应用之后，遮罩190可被移除，从而基本上暴露所有栅极区域160。换言之，暴露的栅极区域160未被不渗透的电绝缘树脂的第一应用155封装，因为遮罩190基本上阻止所有栅极区域160与电绝缘树脂的第一应用155接触。
将膜材料165铸到(例如，通过旋涂或滴涂(drop coating))暴露的栅极区160上，如图1C和1D中所示。膜材料165还可以被铸在电绝缘树脂的第一应用155中的至少一些上。
膜材料165可以通过对物质进行混合来制备，并且可包括物质的混合物。例如，膜材料165可以通过混合以下各项来制备并且可包括以下各项：橡胶聚合物(rubberizedpolymer)(例如，聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物)、非特异离子载体(例如，四烷基溴化铵或四烷基硝酸铵)、和/或特异于感兴趣的分析物的小分子受体。感兴趣的分析物可包括例如氯化物、磷酸盐、高氯酸盐、钾、锂、或任何合适的小分子分析物。在某些实施例中，感兴趣的分析物的分子重量可以是(或大约)20道尔顿。
不同烷基基团(例如，四癸基溴化铵)或不同的平衡离子(例如，四辛基氯化铵或四辛基硝酸铵)可替代非特异离子载体(例如，替代四辛基溴化铵)使用。例如，膜材料165可以包括橡胶聚合物(例如，聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物)、烷基基团(例如，四癸基溴化铵)、和/或特异于感兴趣的分析物的小分子受体。作为另一示例，膜材料165可包括橡胶聚合物(例如，聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物)、平衡离子(例如，四辛基氯化铵或四辛基硝酸铵)、和/或特异于感兴趣的分析物的小分子受体。
作为又一示例，膜材料165可通过混合以下各项来制备或以其它方式包括以下各项的混合物：重量为(或大约为)8％至99％的聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物、重量为(或大约为)0.1％至19％的四辛基溴化铵或四辛基卤化铵盐、以及重量为(或大约为)0.1％至10％的四氢呋喃中的分子受体。替代地或此外，可以使用其它形式的四烷基铵，例如、四庚基、四癸基、氯化物、溴化物、和/或硝酸盐平衡离子。
作为又一示例，膜材料165可通过混合以下各项来制备或以其它方式包括以下各项的混合物：重量为(或大约为)94％至96.7％的聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物、重量为(或大约为)3％至5％的四辛基溴化铵、以及重量大约为(或大约为)0.3％至1％的四氢呋喃中的分子受体。聚(丙烯腈-共丁二烯)可包括重量为39％的丙烯腈。膜材料165可以例如使用乙腈代替四氢呋喃来从溶剂中的轻微变化中沉淀。
在将膜材料165铸在暴露的栅极区160上后，膜材料165可被固化。固化可包括热处理和/或风干在充满气体的膛室(chamber)中的应用。膛室内的气体可以是压力控制的。替代地，热处理和/或风干的应用可以在正常大气条件下执行。然而，热未被应用于四氢呋喃解决方案，这是因为可形成气泡，气泡可能降低膜材料165的质量。
在固化过程后，不渗透的电绝缘树脂的第二应用(例如，层和/或部分)170可被应用来将膜材料165的边缘180固定到封装基底105，从而当例如膜材料165被划破或被暴露到水时物理上防止膜材料165从CHEMFET100的栅极145脱离。换言之，边缘树脂紧固件170可被应用到膜材料165的所有边缘(例如，180)来固定边缘，以使得膜是有弹力的和强健的，而继续用作CHEMFET 100的基于分子受体的栅极。膜材料165因此可以经由膜材料165的边缘180上的不渗透的电绝缘树脂170的再沉淀来物理地被固定到基底。
图1E根据本发明的一些实施例示出了基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)102的侧视图。图1F示出了图1E的基于分子受体的CHEMFET 102的俯视图。图1G示出了图1E的基于分子受体的CHEMFET 102的侧视图，包括膜材料165和具有布置在其栅极上的边缘树脂紧固件172的树脂157的单一应用(例如，层)。图1H示出了图1G的基于分子受体的CHEMFET 102的俯视图。现在参照图1E到图1H。
CHEMFET 102可以例如是离子敏感型场效应晶体管(ISFET)。CHEMFET 102可以包括基底105，基底105可以被连接(例如，用线连接)到印刷电路板(PCB)150。漏极线110和源极线115可以分别被连接到焊盘120和125。过孔130和135可以分别通过在焊盘120和125中形成，贯穿基底105，用于促进到漏极引脚和源极引脚的连接，正如下面所进一步描述的。源极线115和漏极线110的末端可以布置为彼此相邻，并且邻近沟道区域140。被应用在栅极145处或被应用在栅极145附近的电压使得反型层在源极线和漏极线的末端之间的沟道区域140中形成，从而产生电流可通过的沟道。沟道可以是(或大约)十(10)微米宽。因此，电流可以在源极线和漏极线之间通过，其可被检测到和被测量。来自放大器电路的反馈(如下面进一步描述的)可以使得电流基本维持恒定以允许对变化的栅极电压的测量。
基底105可以用(或大约)2％至30％的H2O2、等离子蚀刻预处理，和/或用聚(羟乙基-甲基丙烯酸酯)进行功能性处理。栅极145可包括氮化硅、氧化铝、和/或五氧化钽这样的栅极材料。
将膜材料165铸到暴露的栅极区160上(例如，通过旋涂或滴涂)，如图1E和1F中所示。膜材料165还可以通过对物质进行混合来制备，并且可包括物质的混合物。例如，膜材料165可以通过混合以下各项来制备并且可包括以下各项：橡胶聚合物(例如，聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物)、非特异离子载体(例如，四烷基溴化铵或四烷基硝酸铵)、和/或特异于感兴趣的分析物的小分子受体。感兴趣的分析物可包括例如氯化物、磷酸盐、高氯酸盐、钾、锂、或任何合适的小分子分析物。在某些实施例中，感兴趣的分析物的分子重量可以为(或大约为)20道尔顿。
不同烷基基团(例如，四癸基溴化铵)或不同的平衡离子(例如，四辛基氯化铵或四辛基硝酸铵)可替代非特异离子载体(例如，替代四辛基溴化铵)使用。例如，膜材料165可以包括橡胶聚合物(例如，聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物)、烷基基团(例如，四癸基溴化铵)、和/或特异于感兴趣的分析物的小分子受体。作为另一示例，膜材料165可包括橡胶聚合物(例如，聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物)、平衡离子(例如，四辛基氯化铵或四辛基硝酸铵)、和/或特异于感兴趣的分析物的小分子受体。
作为又一示例，膜材料165可通过混合以下各项来制备或以其它方式包括以下各项的混合物：重量为(或大约为)8％至99％的聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物、重量为(或大约为)0.1％至19％的四辛基溴化铵或四辛基卤化铵盐、以及重量为(或大约为)0.1％至10％的四氢呋喃中的分子受体。替代地或此外，可以使用其它形式的四烷基铵，例如、四庚基、四癸基、氯化物、溴化物、和/或硝酸盐平衡离子。
作为又一示例，膜材料165可通过混合以下各项来制备或以其它方式包括以下各项的混合物：重量为(或大约为)94％至96.7％的聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物、重量为(或大约为)3％至5％的四辛基溴化铵、以及重量为(或大约为)0.3％至1％的四氢呋喃中的分子受体。聚(丙烯腈-共丁二烯)可包括重量为39％的丙烯腈。膜材料165可以例如使用乙腈代替四氢呋喃来从溶剂中的轻微变化中沉淀。
在将膜材料165铸在暴露的栅极区160上后，膜材料165可被固化。固化可包括热处理和/或风干在充满气体的膛室(chamber)中的应用。膛室内的气体可以是压力控制的。替代地，热处理和/或风干的应用可以在正常大气条件下执行。然而，热未被应用于四氢呋喃解决方案，这是因为可形成气泡，气泡可能降低膜材料165的质量。
在固化过程后，不渗透的电绝缘树脂157的单一连续应用可被应用来同时封装PCB150和固定膜材料165的边缘182，从而当例如膜材料165被划破或被暴露到水时物理上防止膜材料165从CHEMFET 102的栅极145脱离。换言之，边缘树脂紧固件172可以是电绝缘树脂157的单一应用的一部分，并且可以被应用到膜材料165的所有边缘(例如，182)来固定边缘，以使得膜是有弹力的和强健的。换言之，膜材料165的边缘182可以用电绝缘树脂157的单一应用来密封和被固定，电绝缘树脂157的单一应用还形成CHEMFET 102的嵌铸(potting)或封装。
PCB 150、源极线115、漏极线110、和/或PCB 150上所布置的其它组件可以由不渗透的电绝缘树脂157的单一应用来封装。暴露的栅极区160未由不渗透的电绝缘树脂157的单一应用来封装，这是因为一个或多个模具(例如，如下面图1I中所示)实质上阻止所有栅极区160接触电绝缘树脂157的单一应用。这确保CHEMFET 102的基于分子受体的栅极的可靠工作。膜材料165因此可以经由膜材料165的边缘182上的不渗透的电绝缘树脂172的沉淀来物理地被固定到基底。
图1I根据本发明的一些实施例示出了用于应用不渗透的电绝缘树脂的模具195的示例。模具195的形状可以符合CHEMFET 100/102的一般形状。将理解的是，模具形状中的较小变化仍落在所公开的实施例的范围内。模具195可包括用于将电绝缘树脂157插入到模具195中的一个或多个插入构件197。模具195可以环绕CHEMFET 100或102。例如，模具195可以环绕CHEMFET 102，同时保护暴露的栅极区160，以使得具有边缘树脂紧固件172的树脂157的单一应用可被布置在膜材料165的边缘182和CHEMFET 102的其它组件上，而未被布置在其暴露的栅极区160上。例如，当插入树脂157的单一应用时，模具195的下表面198可以接触暴露的栅极区160的上表面，从而保护暴露的栅极区160免于树脂的应用。在某些实施例中，模具195可能不需要完全环绕CHEMFET 102，而是模具可以覆盖CHEMFET 102的至少一部分。在某些实施例中，模具可包括65％(或大约65％)的二甲基硅氧烷、17％(或大约17％)的二氧化硅(即晶体石英)，9％(或大约9％)的Thixatrol ST，4％(或大约4％)的聚二甲硅氧烷、1％(或大约)1％的十甲基环五硅氧烷、1％(或大约1％)的丙三醇、以及1％(或大约1％)的二氧化钛。
图2A示出了使用图1A至图1D的基于分子受体的CHEMFET 100或使用图1E至图1H的基于分子受体的CHEMFET 102的放大器200的示例电路图。图2B示出了图2A的放大器电路的高级框图。现在参照图2A和图2B。
应当理解的是，虽然示出了与一些实施例相关联的某些电压源、电阻器、和其他电路组件，但是也可以使用其他适当的电压源、电阻器、和其他电路组件。如可见的，放大器电路200包括各种电阻器(例如，R1、R2、R3、R4、R5、和R6)、稳压二极管(例如，D1和D2)、差分运算放大器(例如，运算放大器205、210、和215)、电源端子(例如，VDD)、和浮动接地端子(例如，GND)。标为‘D’的端子可以被耦合至(图1A的)漏极线110。标为‘S’的端子可以被耦合至(图1A的)源极线115。标为‘G’的端子可以被耦合至(图1A的)栅极145。参考地(REF GND)端子可以被耦合至一个或多个(例如，四个)传感器引脚，如下面将描述的。浮动接地(GND)端子可以被耦合至电压源(例如，电池)，如下面将描述的。标为“V OUT”的端子是提供放大的输出电压的输出端子。放大的输出电压是场地土壤中硝酸盐含量水平的指标。
在一些实施例中，R1可以是(或大约)4.3千欧(kΩ)、R2可以是(或大约)10kΩ、R3可以是(或大约)4.3kΩ、R4可以是(或大约)50kΩ、R5可以是(或大约)27kΩ、R6可以是(或大约)2kΩ。在一些实施例中，VDD可以是(或大约)+5伏(V)。在一些实施例中，稳压二极管D1和D2可以各自具有(或大约)1.2V的稳压击穿电压。
R3可以被耦合在运算放大器205与节点N1之间。D2可以被耦合至节点N1和参考地REF GND端子。D1可以被耦合至节点N2和节点N1。R6可以被耦合至VDD和节点N2。R1和R2可以被串行耦合在节点N2与运算放大器205之间。R4可以被耦合在节点N3与浮动接地(GND)端子之间。R5可以被耦合在运算放大器210与浮动接地(GND)端子之间。
运算放大器205的端子D可以被耦合至(图1A的)CHEMFET 100或(图1E的)CHEMFET102的漏极(例如，漏极线110)。端子S可以被耦合至运算放大器210的节点N3，并且被耦合至(图1A的)CHEMFET 100或(图1E的)CHEMFET 102的源极(例如，源极线115)。运算放大器210的端子G可以被耦合至(图1A的)CHEMFET 100或(图1E的)CHEMFET 102的栅极(例如，栅极145)。节点N4可以将运算放大器210的端子‘G’耦合至运算放大器215的输入。运算放大器215的输出V OUT和运算放大器215的输入可以被耦合至N5。类似地，运算放大器205的端子‘D’和运算放大器205的输入可以被耦合至节点N6。
放大器电路200可以被封装至如图2B所示出的封装220内。如可见的，封装220可以包括用于连接至电源(例如，+5伏)、输出(例如，V OUT)、参考地(REF GND)端子、和浮动接地(GND)端子的端子。此外，封装220可以包括分别用于连接至(图1A的)CHEMFET 100或(图1E的)CHEMFET 102的栅极(145)、源极线(115)、和漏极线(110)的端子G、S和D。
图3A到图3C示出了根据本发明的一些实施例的包含CHEMFET 100或CHEMFET 102和诸如放大器电路封装220之类的其他组件的传感器壳体300。图3A是传感器壳体300的俯视图。图3B是传感器壳体300(包括布置在其中的各种组件)的部分透明立体图。图3C示出了根据本发明的一些实施例的在外部计算设备(例如，335、340和345)的较大系统内的传感器壳体300(包括布置在其中的各种组件)的原理框图。现在参考图3A到图3C。
传感器壳体300可以包括一个或多个开口(例如，305)，通过该一个或多个开口，传感器壳体300可以被固定至探测主体(如下面图6中示出的)，该探测主体可以被插入至场地土壤(如下面图6中示出的)。例如，一个或多个螺丝(例如，图3B的310)可以被插入穿过相应的一个或多个开口305以固定传感器壳体300。如图3B可见的，CHEMFET 100/102和放大器封装220可以被安装在传感器壳体300之内的表面315上。一个或多个传感器引脚(例如，325)可以被耦合至参考地(REF GND)端子。一个或多个传感器引脚325可以从传感器壳体300向外伸出以直接与场地土壤接触。一个或多个传感器引脚325可以通过表面315中相应的开口330被固定至传感器壳体300。在一些实施例中，存在四个(4)独立的传感器引脚325，每个传感器引脚可以被电连接或耦合至(图2A的)放大器电路220的参考地(REF GND)端子。
在一些实施例中，一个或多个传感器引脚325是弹簧式的以用于与场地土壤弹性地连接，或以其他方式与场地土壤接触。在一些实施中，一个或多个传感器引脚325被镀金以防止氧化。传感器壳体300可以相对于传感器引脚被几何地固定在场地土壤中的位置以减少当前路径中的变化和来自场地土壤中电阻率和导电率变化的影响。传感器引脚325可以是特定大小、大小在范围内、和/或与CHEMFET 100/102的暴露的栅极区域160相关的位置。例如，每个传感器引脚325在长度上可以在(或大约)10到15毫米(mm)之间。此外，每个传感器引脚325可以被放置在距CHEMFET 100/102的暴露的栅极区域160(或大约)半径5mm之内的位置。
此外，诸如电线320之类的一个或多个导体可以被用来将信息发送至传感器壳体300之内包含的一个或多个组件或从传感器壳体300之内包含的一个或多个组件接收信息。替代地，如下面所描述的，信息可以被无线地发送和接收，并且在这样的情况中，电线320可以被省略。发送的信息可以包括场地土壤硝酸盐水平信息等等。接收的信息可以包括操作指令等等。替代地或此外，电线320可以提供电源(例如，VDD)和/或接地(GND)端子，并且在这样的情况中，不需要电池。
图3C示出了传感器壳体300的原理系统框图，传感器壳体300可以包含CHEMFET100/102和包括放大器电路200的放大器电路封装220。此外，传感器壳体300可以包含用于与外部和/或远程设备(例如，计算机335、笔记本电脑340、智能手机345、平板电脑365、和/或主机探测设备360)进行交互的收发器350。例如，计算机335、笔记本电脑340、智能手机345、和/或平板电脑365的用户可以通过与收发器350经由电线320或无线地进行通信来访问硝酸盐水平信息。收发器350可以是近场通信芯片(NFC)。通过示例的方式，主机探测设备360可以被部分地或完全地包含在与传感器壳体300相同的探针(未示出)之内，如下面将描述的。传感器壳体200之内的一个或多个组件可以与主机探测设备360之内的一个或多个组件经由电线320和/或无线地进行通信。
传感器壳体300还可以包括电池327和处理器355和/或数据记录器385。数据记录器385可以包括用于在一段时间内存储场地土壤硝酸盐水平信息的存储器设备370和/或其他适当的存储设备375。传感器壳体300之内的各种组件中的两个或更多个组件可以经由总线380被互相耦合。
单个传感器壳体(例如，300)可以包括CHEMFET 100/102、放大器封装220、数据记录器或数据采集器385、和(用于与个人计算机335和/或其他适当的外部计算设备(340、345、365)进行连接的)收发器350。壳体可以是(或大约)30厘米(cm)宽和20cm深。替代地或此外，传感器壳体300可以在稍大的壳体中包括外部导电性和/或连接性、热敏二极管390、和/或土壤水分传感器395，这样可以更好地用于家庭和花园。
图4示出了传感器模块400的横截面视图，该传感器模块400包括图3A和3B的传感器壳体300、包含在传感器壳体中的各种组件、和/或电线320。电池327可以被布置在邻近安装表面315的背面，并且可以用不渗透的电绝缘树脂(未示出)来密封或充分封装以防止水进入。电池327可以向CHEMFET 100/102、放大器电路200、和/或包含在传感器壳体300之内的其他组件提供必要的操作能量(例如，VDD)。电池327还可以向本文所描述的一个或多个浮动接地端子提供浮动接地(GND)。传感器壳体300可以包括开口335，通过该开口335，传感器引脚(例如，325)可以伸入场地土壤。传感器引脚325的端部可以被嵌入传感器壳体300的外部表面405。然而，应当理解的是，传感器引脚可以与外部表面405齐平或向外超出外部表面405以与场地土壤进行接触。此外，传感器壳体300可以包括栅极开口340，该栅极开口340将栅极145的膜材料暴露至场地土壤。
图5示出了基于分子受体的图1A到1D的CHEMFET 100或图1E到1H的CHEMFET 102的特写透视图。传感器壳体300可以包括传感器引脚(例如，325)。传感器引脚(例如，325)可以被插入传感器壳体300中相应的开口(例如，330)。传感器壳体300还可以包括漏极引脚(例如，505)和源极引脚(例如，510)。漏极引脚505可以被放置在过孔130上并且被电耦合至漏极线110。类似地，源极引脚510可以被放置在过孔135上并且被电耦合至源极线115。漏极引脚505可以被耦合至(图2A的)放大器电路200的漏极端子‘D’。源极引脚510可以被耦合至(图2A的)放大器电路200的源极端子‘S’。栅极145可以被耦合至(图2A的)放大器电路200的栅极端子‘G’。
传感器模块400、传感器壳体300、和/或它的组件中的一个或多个组件可以被校准以解决常量离子强度和变化的硝酸盐浓度。校准参数可以被闪存至搭载的存储设备(例如，图3C的存储器设备370和/或存储设备375)。这样的校准可以在制造和/或装配时发生。替代地，这样的校准可以在部署传感器模块400或将传感器模块400插入至场地土壤之前或之后发生。
图6根据本发明的一些实施例示出探测主体605，该探测主体605包括插入其中的图1A至图5的传感器模块400。传感器模块400可以部分或全部安装和/或包含于探测主体605中以插入到场地土壤610中。探测主体605可以包括一个或多个传感器模块400。探测主体605例如可由聚氯乙烯(PVC)管或能够容纳接收器模块400并且能够被插入到场地土壤610中的任意其他适当的探测材料制成。
传感器模块400可以包括主机探测设备360或者以其他方式与主机探测设备360相接合，其中主机探测设备360可部分或全部被包含于探测主体605中。传感器模块400可以与主机探测设备360分离。换言之，主机探测设备360可以位于传感器模块400外部。传感器模块400可以使用一个或多个收发器(例如，近场通信芯片(NFC))无线地与主机探测设备360进行接合，以进行去往和来自主机探测的数据传输。除非不得以，无线特征避免破坏场地土壤与传感器模块400和主机探测605二者中的内部电子设备之间的密封，并且允许对硝酸盐传感器部分的再校准和/或替换容易地进行访问。在一些实施例中，传感器模块400可以经由NFC、蓝牙协议、蜂窝链路和/或其他适当的短距离或长距离无线接口来直接与智能电话(例如，图3C的345)和/或平板计算机(例如，图3C的365)进行通信。在一些实施例中，主机探测设备360可以提供导电性、pH数据和/或温度数据，传感器可针对该导电性、pH数据和/或温度数据而被校准。主机探测设备360可以包括一个或多个NFC芯片以用于从传感器模块400的一个或多个NFC芯片接收数据或指令和/或向传感器模块400的一个或多个NFC芯片发送数据或指令。
多个探测主体605以及传感器模块400可被安装于场地土壤中的不同深度(通常采用根域615(即，从根的顶部到根的底部))处。换言之，传感器模块400可以被安装于场地土壤内的某一深度处，该深度处于根域615的顶部与根域615的底部之间。此外，探测主体605可以被安装于根域615以下。替代地，单个探测主体605可包括多个传感器模块400，每个传感器模块400在根域615内和/或在根域615以下相间隔。这允许由第一传感器模块400对植物吸收的有效区域615中的场地土壤的硝酸盐梯度进行数据收集，并且由第二传感器模块(未示出)对有效区域615以下的场地土壤的硝酸盐梯度进行数据收集，其中第二传感器模块作为当过度施肥、过度浇水和/或土壤硝酸盐冲蚀到植物根部以下时的警报系统。
图7是根据本发明的一些实施例示出使用不渗透的电绝缘树脂来保护膜的技术的流程图700。该技术开始于705，在该处，可用遮罩覆盖CHEMFET的栅极的暴露区域。该流程行进至710，在该处，可由不渗透的电绝缘树脂的第一应用(例如，层和/或部分)来封装CHEMFET。在715处，可移除遮罩，从而露出栅极的暴露区域。在720处，具有上述组分的膜材料可被铸于栅极的暴露区域上。在725处，膜可被固化。该流程继续至730，在该处，膜的边缘由不渗透的电绝缘树脂的第二应用(例如，层和/或部分)来保护，从而在物理上防止了膜的脱离。
图8是根据本发明的一些实施例示出使用不渗透的电绝缘树脂来保护膜的技术的流程图800。该技术开始于805，具有上述组分的膜材料可被铸于栅极的暴露区域上。在810处，膜可被固化。该流程继续到815，在该处，CHEMFET可被放置于模具中。在820处，不渗透的电绝缘树脂的单一应用可被插入到模具中。在825处，膜的边缘可由不渗透的电绝缘树脂的单一应用来保护，从而在物理上防止了膜的脱离。在830处，可从模具中移除CHEMFET。
传感器模块400提供土地施肥、灌溉和/或滴灌施肥期间的实时监控系统。传感器模块400提供响应于硝酸盐流至植物的根域以下而产生警报的能力，因为这指示过度施肥和/或浇水，从而防止通常从大型农业场地生成的非点源污染的浪费应用和对下游的生态影响。
传感器模块400向分子受体提供针对硝酸盐的热力学亲和力，这提高了其对场地土壤中的普遍干扰物(即，氯化物)的选择性，从而提高其精度。在发展本文所描述的各个实施例之前，缺乏相对于氯化物对硝酸盐具有高选择性的硝酸盐选择性膜排除了对这些类型的土壤测量技术的采用。
本文所描述的发明的各个实施例可被用来提供实时的滴灌施肥监控、土壤试验和/或温室监控。其他用途包括在密闭流系统(例如，水耕法或用瓦管排水的(tiled)苗圃)中的再处理期间的实时废水监控、井水监控、用瓦管排水(tiling)监控或流出物监控。如本文所描述的本发明的实施例通过资源优化为农民提供改进的收益。因为传感器模块400可被远程访问和控制，因此需要较少的劳动力来进行硝酸盐监控。此外，年复一年提供对土地的资本输入的增加的一致性。而且，可以减少政府处罚。
为了进一步举例说明本发明的某些方面，本发明还具体地提供了如下的一些非限制性实施方式：
实施方式1.一种用于将膜材料固定于基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)的栅极的方法，该方法包括：
将所述膜材料铸于所述栅极的暴露区域上；
固化所述膜材料；
将所述CHEMFET放置于模具中；
将不渗透的电绝缘树脂的单一应用插入到所述模具中；以及
通过所述不渗透的电绝缘树脂的所述单一应用来固定所述膜材料的边缘，从而在物理上防止所述膜材料脱离所述栅极。
实施方式2.如实施方式1所述的方法，还包括准备所述膜材料。
实施方式3.如实施方式2所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、离子载体以及小分子受体进行混合。
实施方式4.如实施方式3所述的方法，其中：
所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且
所述离子载体包括四烷基溴化铵或四烷基硝酸铵中的至少一种。
实施方式5.如实施方式2所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将聚合物、包含烷基的离子载体以及小分子受体进行混合。
实施方式6.如实施方式5所述的方法，其中：
所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且
所述包含烷基的离子载体包括四癸基溴化铵。
实施方式7.如实施方式2所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、平衡离子以及小分子受体进行混合。
实施方式8.如实施方式7所述的方法，其中：
所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且
所述平衡离子包括四辛基氯化铵或者四辛基硝酸铵中的至少一种。
实施方式9.如实施方式2所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将8％至99％或大约8％至99％重量的聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物、0.1％至19％或大约0.1％至19％重量的四辛基溴化铵以及0.1％至10％或大约0.1％至10％重量的分子受体混合于四氢呋喃中。
实施方式10.如实施方式1所述的方法，还包括将所述CHEMFET从所述模具移除。
实施方式11.一种用于将膜材料固定于基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)的栅极的方法，该方法包括：
用遮罩覆盖所述CHEMFET的栅极的暴露区域；
由不渗透的电绝缘树脂的第一应用来封装所述CHEMFET，以覆盖所述CHEMFET的至少源极线和漏极线；
移除所述遮罩，从而露出所述栅极的暴露区域；
将所述膜材料铸于所述栅极的暴露区域上以及所述不渗透的电绝缘树脂的第一应用的至少一些上；
固化所述膜材料；以及
通过所述不渗透的电绝缘树脂的第二应用来固定所述膜材料的边缘，从而在物理上防止所述膜材料脱离所述栅极。
实施方式12.如实施方式11所述的方法，还包括准备所述膜材料。
实施方式13.如实施方式12所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、离子载体以及小分子受体进行混合。
实施方式14.如实施方式13所述的方法，其中：
所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且
所述离子载体包括四烷基溴化铵或四烷基硝酸铵中的至少一种。
实施方式15.如实施方式12所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、包含烷基的离子载体以及小分子受体进行混合。
实施方式16.如实施方式15所述的方法，其中：
所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且
所述包含烷基的离子载体包括四癸基溴化铵。
实施方式17.如实施方式12所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、平衡离子以及小分子受体进行混合。
实施方式18.如实施方式17所述的方法，其中：
所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且
所述平衡离子包括四辛基氯化铵或者四辛基硝酸铵中的至少一种。
实施方式19.一种传感器模块，包括：
基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)，其包括：
印刷电路板；
基底，其耦合于所述印刷电路板的表面；
源极线，其耦合于所述基底上的第一焊盘；
漏极线，其耦合于所述基底上的第二焊盘；
第一过孔，其形成于所述第一焊垫中并且通过所述基底；
第二过孔，其形成于所述第二焊垫中并且通过所述基底；
栅极，其安置于所述基底上邻接于所述源极线的末端以及所述漏极线的末端，并且所述栅极被配置为使得反型层形成于所述源极线的末端和所述漏极线的末端之间；
膜材料，其安置于所述栅极的暴露栅极区；以及
不渗透的电绝缘树脂，其将除所述栅极的所述暴露栅极区之外的所述CHEMFET进行封装，所述绝缘树脂安置于所述膜材料的边缘上并且将所述绝缘树脂的边缘固定于所述栅极；以及
放大器电路，包括：
源极端子，其经由所述第一焊盘和所述第一过孔耦合于所述CHEMFET的所述源极线；
漏极端子，其经由所述第二焊盘和所述第二过孔耦合于所述CHEMFET的所述漏极线；
栅极端子，其耦合于所述CHEMFET的所述栅极；
参考接地端子；
浮动接地端子；
电源端子；
第一差分运算放大器，其耦合于所述漏极端子、所述电源端子、所述浮动接地端子以及所述参考接地端子；
第二差分运算放大器，其耦合于所述源极端子、所述栅极端子、所述电源端子以及所述浮动接地端子；
第三差分运算放大器，其耦合于所述栅极端子、所述电源端子以及所述浮动接地端子；以及
输出端子，其耦合于所述第三差分运算放大器，所述输出端子被配置为生成输出电压作为对场地土壤中的硝酸盐含量水平的指标。
实施方式20.如实施方式19所述的传感器模块，还包括：
一个或多个传感器引脚，其耦合于所述参考接地端子，所述一个或多个传感器引脚被配置为接入所述场地土壤；
数据记录器，其包括存储器设备，该存储器设备被配置为存储一段时间的场地土壤硝酸盐水平信息；以及
收发器，其被配置为向主机探测设备无线发送所述场地土壤硝酸盐水平信息，其中所述主机探测设备与所述传感器模块分离并且位于所述传感器模块的外部。
以下的论述旨在于对本发明的某些方面可被实现于的适当的机器提供简洁的总体描述。通常，机器包括系统总线，处理器、存储器(例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或其他状态保存介质、存储设备)、视频接口以及输入/输出接口端口被附连于该系统总线。机器可至少部分地由来自通用输入设备(例如，键盘、鼠标等)的输入以及从另一机器接收的指示、与虚拟显示(VR)环境的交互、生物计量反馈或其他输入信号来控制。如本文所使用的，术语“机器”旨在于广义地包括单个机器、虚拟机、或通信上将机器、虚拟机或设备耦合在一起操作的系统。示例性机器包括计算设备(例如，个人计算机、工作站、服务器、便携式计算机、手持式设备、电话、平板等)以及运输设备(例如，专有运输设备或公共运输设备，例如，汽车、火车、出租车等)。
机器可包括嵌入式控制器，例如，可编程或不可编程逻辑设备或阵列、专用集成电路(ASIC)、嵌入式计算机、智能卡等。机器可使用至一个或多个远程机器的一个或多个连接，例如，通过网络接口、调制解调器或其他通信耦合方式。机器可通过物理和/或逻辑网络的方式来互连，例如，内联网、互联网、局域网、广域网等。本领域技术人员将理解，网络通信可以使用各种有线和/或无线短距离或长距离载波和协议，包括射频(RF)、卫星、微波、电气和电子工程师协会(IEEE)545.11、蓝牙、光、红外、电缆、激光等。
本发明的实施例可以通过参照或结合相关联的数据来描述，其中数据包括功能、过程、数据结构、应用程序等，当这些功能、过程、数据结构、应用程序等被机器访问时，使得机器执行任务或定义抽象数据类型或低等级硬件上下文。相关联的数据例如可被存储于易失性和/或非易失性存储器(例如，RAM、ROM等)中或其他存储设备及其相关联的存储介质(包括硬驱动器、软盘、光存储设备、带、闪存、存储器条、数字视频盘、生物存储设备等)中。可通过传输环境采用分组、串行数据、并行数据、传播信号等方式来递送相关联的数据，其中所述传输环境包括物理和/或逻辑网络，并且可采用压缩或编码格式来使用相关联的数据。相关联数据可被用于分布式环境中，并且被本地和/或远程存储以用于机器访问。
在参照所示实施例对本发明的原理进行了描述和阐述之后，将认识到的是，可在不背离这样的原理的情形下在安排和细节方面对所示实施例进行修改，并且可以采用任何期望的方式来组合这些实施例。并且尽管前述讨论关注于特定实施例，但可想到其他配置。具体地，尽管本文使用了诸如“根据本发明的实施例”之类的表述，但这些短语一般指参考实施例可能性，并不意欲将本发明限制为特定实施例配置。如本文所使用的，这些术语可以指代可合并于其他实施例的相同或不同的实施例。
本发明的实施例可以包括非暂态机器可读介质，其包括可由一个或多个处理器执行的指令，这些指令包括用于执行本文所描述的发明概念的要素的指令。
因此，在对本文所描述的实施例的广泛置换方面，该具体实施例及附图材料仅旨在于说明性，并且不应被认为限制本发明的范围。因此，本发明声明保护的是落入所附权利要求及其等同的范围和精神内的所有这样的修改。

Claims (14)

1.一种用于将膜材料固定于基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)的栅极的方法，该方法包括：
将所述膜材料铸于所述栅极的暴露区域上；
固化所述膜材料；
将所述CHEMFET放置于模具中，所述模具被配置为保护所述暴露区域，以使得不渗透的电绝缘树脂的单一应用被布置在所述膜材料的所有边缘和CHEMFET的其它组件上，而未被布置在所述栅极的暴露区域上；
将所述不渗透的电绝缘树脂的单一应用插入到所述模具中；
通过将所述不渗透的电绝缘树脂的边缘树脂紧固件应用在所述膜的所有边缘上来固定所述膜材料的边缘，从而在物理上防止所述膜材料脱离所述栅极；以及
其中所述膜材料的准备包括将橡胶聚合物、离子载体以及小分子受体进行混合。
2.如权利要求1所述的方法，所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且所述离子载体包括四烷基溴化铵或四烷基硝酸铵中的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将聚合物、包含烷基的离子载体以及小分子受体进行混合。
4.如权利要求3所述的方法，所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且所述包含烷基的离子载体包括四癸基溴化铵。
5.如权利要求1所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、平衡离子以及小分子受体进行混合。
6.如权利要求5所述的方法，所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且所述平衡离子包括四辛基氯化铵或者四辛基硝酸铵中的至少一种。
7.如权利要求1所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将8％至99％重量的聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物、0.1％至19％重量的四辛基溴化铵以及0.1％至10％重量的分子受体混合于四氢呋喃中。
8.如权利要求1所述的方法，还包括将所述CHEMFET从所述模具移除。
9.一种用于将膜材料固定于基于分子受体的化学场效应晶体管(CHEMFET)的栅极的方法，该方法包括：
用遮罩覆盖所述CHEMFET的栅极的暴露区域；
由不渗透的电绝缘树脂的第一应用来封装所述CHEMFET，以覆盖所述CHEMFET的至少源极线和漏极线；
移除所述遮罩，从而露出所述栅极的暴露区域；
将所述膜材料铸于所述栅极的暴露区域上以及所述不渗透的电绝缘树脂的第一应用的至少一些上；
固化所述膜材料；
通过所述不渗透的电绝缘树脂的第二应用在所述膜的所有边缘上来固定所述膜材料的边缘，从而在物理上防止所述膜材料脱离所述栅极；以及
其中所述膜材料的准备包括将橡胶聚合物、离子载体以及小分子受体进行混合。
10.如权利要求9所述的方法，所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且所述离子载体包括四烷基溴化铵或四烷基硝酸铵中的至少一种。
11.如权利要求9所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、包含烷基的离子载体以及小分子受体进行混合。
12.如权利要求11所述的方法，所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；所述包含烷基的离子载体包括四癸基溴化铵。
13.如权利要求9所述的方法，其中准备所述膜材料还包括将橡胶聚合物、平衡离子以及小分子受体进行混合。
14.如权利要求13所述的方法，所述橡胶聚合物包括聚(丙烯腈-共丁二烯)聚合物；并且所述平衡离子包括四辛基氯化铵或者四辛基硝酸铵中的至少一种。
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