PL197601B1 - Półprzewodnikowy czujnik jonoselektywny - Google Patents

Abstract

1. Półprzewodnikowy czujnik jonoselektywny, posiadający krzemową strukturę zawierającą kanał przewodzący prąd elektryczny i warstwę dielektryczną na powierzchni z otworami kontaktowymi oraz dyfuzyjne i metalowe ścieżki doprowadzeń elektrycznych zakończone polami montażowymi dla zewnętrznych połączeń czujnika z obudową, znamienny tym, że struktura składa się z przynajmniej dwóch połączonych części (1) i (2), z których przynajmniej jedna część (1) jest z krzemu, a między obiema częściami (1) i (2), znajduje się kanał przepływowy (5), nad którym jest membrana (6) z elektrodami przynajmniej jednego źródła (7) i przynajmniej jednego drenu (8) rozdzielonymi co najmniej jednym kanałem (10) przewodzącym prąd elektryczny, przy czym kanał (10) przewodzący prąd elektryczny jest oddzielony warstwą dielektryczną (16) i korzystnie warstwą jonoselektywną (17) od znajdującego się w kanale przepływowym (5) mierzonego płynu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest półprzewodnikowy czujnik jonoselektywny przystosowany do analizy chemicznej w układach chromatograficznych.

Klasyczne konstrukcje półprzewodnikowych czujników jonoselektywnych posiadają na podłożu krzemowym, tranzystor (ISFET) zawierający obszary dyfuzyjne drenu i źródła, podobnie jak w standardowym tranzystorze MOS. Nad obszarami elektrod znajduje się warstwa dielektryczna, która najczęściej jest wykonana z dwutlenku krzemu lub z azotku krzemu. W warstwie dielektrycznej znajdują się otwory kontaktowe umożliwiające elektryczne połączenie elektrod źródła i drenu poprzez ścieżki dyfuzyjne i metalowe z polami montażowymi czujnika. Pomiędzy elektrodami czujnika znajduje się wąski obszar zwany kanałem. Warstwa dielektryczna nad tym obszarem ma niewielką grubość (ok. 100 nm.), po to aby mierzone medium mogło skutecznie oddziaływać na przewodnictwo elektryczne czujnika. Korzystnie jest jeżeli nad obszarem kanału warstwę dielektryczną dodatkowo pokrywa warstwa jonoselektywna - polimerowa substancja z uwięzionymi jonoforami. Obecność takiej warstwy definiuje jon, na który czujnik jest czuły. Brak takiej warstwy sprawia, że czujnik reaguje na wszystkie jony mierzonego płynu, czyli jest czujnikiem pH. Warstwa dielektryczna pokrywająca pozostałe obszary czujnika w tym także ścieżki metalowe jest warstwą grubą (ok. 500 nm). Dodatkowo elementy metalowe czujnika są pokrywane warstwami polimerowymi, a najczęściej żywicą epoksydową, dla całkowitego odseparowania od wpływu mierzonego płynu, który najczęściej jest chemicznie agresywny. Kanał czujnika jest z wielką precyzją domieszkowany metodą implantacji jonów w celu zapewnienia optymalnego zakresu pomiarowego prądu płynącego między źródłem a drenem. W najbardziej zaawansowanych wersjach konstrukcyjnych czujniki tego typu posiadają w krzemowym podłożu dyfundowany obszar studni (odpowiednik studni tranzystora CMOS), pierścienie dyfuzyjne okalające elektrody czujnika a także kontakty elektryczne od spodu struktury BSC (Back Side Contact). Wprowadzenie do konstrukcji przyrządu studni i pierścieni dyfuzyjnych ma na celu polepszenie parametrów elektrycznych czujnika, ich stabilizację i możliwość dodatkowej polaryzacji zewnętrznym potencjałem elektrycznym. Wykonanie kontaktów elektrycznych od spodu struktury jest znacznym utrudnieniem technologicznym, jednak dla użytkownika posiada ważne zalety. Użytkownik może wymieniać struktury czujników w obudowie wielokrotnego użytku. Kontakty czujnika, obudowy, ścieżki podziałowe, pola montażowe i połączenia drutowe czujnik-obudowa nie wymagają pasywacji warstwami polimerowymi.

Półprzewodnikowy czujnik jonoselektywny, według wynalazku, posiada krzemową strukturę zawierającą kanał przewodzący prąd elektryczny i pokrytą na powierzchni warstwą dielektryczną z otworami kontaktowymi oraz z dyfuzyjnymi i metalowymi ścieżkami doprowadzeń elektrycznych, zakończonymi polami montażowymi dla zewnętrznych połączeń czujnika z obudową. W czujniku tym struktura składa się z przynajmniej dwóch połączonych ze sobą części, z których przynajmniej jedna część jest z krzemu. Między obiema częściami znajduje się kanał przepływowy, nad którym jest membrana. Na membranie znajdują się elektrody przynajmniej jednego źródła i przynajmniej jednego drenu rozdzielone co najmniej jednym kanałem przewodzącym prąd elektryczny. Kanał przewodzący prąd elektryczny jest oddzielony warstwą dielektryczną i korzystnie warstwą jonoselektywną od znajdującego się w kanale przepływowym mierzonego płynu. Warstwę dielektryczną może stanowić warstwa azotku krzemu lub warstwa dwutlenku krzemu, bądź też obie warstwy jednocześnie.

Rozwiązanie czujnika według wynalazku jest szczególnie korzystne dla detekcji w systemach chromatografii cieczowej. Dotychczasowe konstrukcje czujników nie nadają się do tego celu, ponieważ są przystosowane są do pomiarów wyłącznie w trybie zanurzeniowym.

Czujnik według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania półprzewodnikowego czujnika jonoselektywnego opartego pokazanego na rysunku w przekroju poprzecznym.

Czujnik posiada dwuczęściową strukturę, obie części 1 i 2 wykonane są z krzemu, jakkolwiek część 2 struktury może być wykonana ze szkła, plastyku lub też z metalu. W części 1 znajduje się zagłębienie, które po połączeniu części 1 z częścią 2 struktury tworzy kanał przepływowy 5 mierzonego płynu. Czujnik może posiadać więcej niż jeden kanał przepływowy, na przykład kanał referencyjny dla porównawczego mierzenia parametrów wzorcowego płynu. Kanał przepływowy może być zakrzywiony, może się rozdzielać i łączyć z innymi kanałami przepływowymi. Wlot 3 i wylot 4 kanału przepływowego są zaopatrzone w rurkowe doprowadzenia mierzonego płynu. Mogą być zlokalizowane na spoinie części 1 i 2 lub jak w przykładowym czujniku wyłącznie w części 2. Nad kanałem przepływowym 5 znajduje się cienka membrana 6 z monokrystalicznego krzemu. Na tej membranie znajdują się

PL 197 601 B1 elektrody źródła 7, drenu 8, studnia 9 i kanał 10. Głębokość domieszkowania elektrod 7 i 8 powinna być większa lub równa grubości membrany 6. Ponadto struktura 1 posiada warstwy dielektryczne 11 i 12 z otworami kontaktowymi 13, jak również metalowe ścieżki 14 i pola montażowe 15 jako doprowadzenia elektryczne przyrządu. Kanał 10 przewodzący prąd elektryczny, położony pomiędzy źródłem 7 a drenem 8, jest indukowany przy powierzchni membrany 6, od strony kanału przepływowego 5 mierzonego płynu. W celu regulacji wartości prądu płynącego przez kanał 10 krzem był dodatkowo implantowany jonami, co zwiększa ilość nośników prądu. Membrana 6 w obszarze kanału 10 jest pokryta warstwą dielektryczną 16 i warstwą jonoselektywną 17.

Czujnik jest przeznaczony do pomiaru stężenia jonów w przepływającym strumieniu płynu. Płyn jest doprowadzony do kanału przepływowego czujnika ze stałą szybkością. Warstwa jonoselektywna, która leży na powierzchni membrany, powoduje że czujnik może dokonywać pomiarów wybranego typu jonu zawartego w mierzonym płynie. Jeśli membrana jest pokryta wyłącznie warstwą dielektryczną, np. azotkiem krzemu i/lub dwutlenkiem krzemu, czujnik może być wykorzystywany do pomiaru poziomu pH. Jeden rodzaj jonów zawartych w płynie reaguje z membraną jonoselektywną, podczas gdy inne zachowują się obojętnie. W membranie w wyniku chemicznej reakcji pojawia się ładunek elektryczny proporcjonalny do stężenia jonów w mierzonym płynie. Ładunek elektryczny membrany indukuje w krzemie nośniki prądu i zmienia prąd płynący między elektrodami źródła i drenu. Wyjściowy sygnał elektryczny czujnika ma postać analogową - prąd lub napięcie progowe tranzystora. Ten sygnał może łatwo być przekształcony w inną postać, zależnie od potrzeb aplikacji, przez połączenie analogowego czujnika z układami elektronicznymi przetwornika, wzmacniacza, procesora i pamięci.

Claims (4)

1. Półprzewodnikowy czujnik jonoselektywny, posiadający krzemową strukturę zawierającą kanał przewodzący prąd elektryczny i warstwę dielektryczną na powierzchni z otworami kontaktowymi oraz dyfuzyjne i metalowe ścieżki doprowadzeń elektrycznych zakończone polami montażowymi dla zewnętrznych połączeń czujnika z obudową, znamienny tym, że struktura składa się z przynajmniej dwóch połączonych części (1) i (2), z których przynajmniej jedna część (1) jest z krzemu, a między obiema częściami (1) i (2), znajduje się kanał przepływowy (5), nad którym jest membrana (6) z elektrodami przynajmniej jednego źródła (7) i przynajmniej jednego drenu (8) rozdzielonymi co najmniej jednym kanałem (10) przewodzącym prąd elektryczny, przy czym kanał (10) przewodzący prąd elektryczny jest oddzielony warstwą dielektryczną (16) i korzystnie warstwą jonoselektywną (17) od znajdującego się w kanale przepływowym (5) mierzonego płynu.

2. Półprzewodnikowy czuinik według zastrz. 1, ζι^^ι^ϊ^ι^ι^^ tym, że warstwa dieletoryczna (16) jest z azotku krzemu.

3. Półprzewodnikowy czu^ik według zasto. 1, ζι^^ι^ϊ^ι^ι^^ tym, że dieletoryczna (16) jest z dwutlenku krzemu.

4. Półprzewodnikowy czu^ik według zasto. 1, ζι^^ι^ϊ^ι^ι^^ tym, że dieletoryczna (16) jest z azotku krzemu i dwutlenku krzemu.