TWI399537B - 多電極量測系統 - Google Patents

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Wei Chuan Chen
Cheng Wei Chen
Chien Cheng Chen
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Univ Nat Yunlin Sci & Tech
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    • G01N27/27—Association of two or more measuring systems or cells, each measuring a different parameter, where the measurement results may be either used independently, the systems or cells being physically associated, or combined to produce a value for a further parameter

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Description

多電極量測系統
本發明係關於一種離子感測器系統，且特別關於一種多電極離子量測系統，可應用於生物醫學、化學等相關領域。
1970年Pite Bergveld提出離子感測場效電晶體，係以金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)為基礎架構，將金氧半場效電晶體(MOSFET)金屬閘極以感測膜與電解液取代之，利用感測膜與待測液中之氫離子(H+ )或氫氧根離子(OH- )形成吸附鍵結的特性使感測膜表面之電位產生改變，以得其溶液中之離子濃度。
而J. Van Der Spiegel等人(J. Van der Spiegel,I. Lauks,P. Chan D. Babic,1983,“The extended gate chemical sensitive field effect transistor as multi-species microprobe”,Sensors and Actuators B,Vol. 4,pp.291-298.)，於1983年提出分離式離子感測場效應電晶體之元件為水平式的陣列架構，共包含四個感測部分，分別利用沈積於閘極上之IrOx 、LaF3 、AgCl與Ag2 S等不同感測薄膜，可作為偵測H+ 、F- 、Cl- 、Ag+ 四種離子之感測器。
中華民國專利發明第I236533號，係一種生化感測方法及其感測裝置，利用一電流/電壓轉換電路可將該電流訊號轉換為類比電壓訊號；且此類比電壓訊號經由一類比/數位轉換器可再轉換為數位電壓訊號；最後利用一電子裝置可接收此數位電壓訊號並對其加以分析，藉此分析動作以測定該特定化合物之含量多寡。
美國專利案號第7,348,783號，係揭示一多功能氫離子檢測器及其製造方法。此檢測器提供一及時量測檢視及儲存功能，有利於發展為一可攜式檢測裝置。另外可經由電腦進行資料通訊傳輸，及時漂及遲滯效應之軟體校正。
本發明提供一種多電極量測系統，包括：一前端裝置，其為一感測裝置，包括：一多電極感測元件，包括複數個電極；一多通道夾具與該多電極感測元件耦接；以及一參考電極。一後端裝置作為一虛擬儀表，其為一電性裝置，包括：一讀出電路裝置，與該多通道夾具及該參考電極耦接，用以接收分別來自該多電極感測元件之每一電極與該參考電極量測一待測液之各原始訊號；一資料取樣處理裝置，與該讀出電路裝置耦接，用以數位化該各原始訊號以形成各數位訊號並陣列取樣；以及一訊號處理裝置，與該資料取樣處理裝置耦接，用以處理該各數位訊號。該訊號處理裝置處理該數位訊號的程序包括：擷取程序，其係動態匯入來自該資料取樣處理裝置之陣列取樣資料；數位濾波，將該擷取程序所得之每一電極的連續陣列資料運算成為一組估計之直流值；顯示程序，其係將該組估計之直流值即時顯示於一顯示器上；儲存程序，其係將該組估計之直流值即時儲存於一記憶單元中；以及分析程序，其係將經該記憶單元匯入之該組估計之直流值藉由特定之演算法進行運算。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下：
本發明多電極量測系統之主要結構包括一感測裝置與一電性裝置，並於電性裝置中以一虛擬儀表取代真實儀表。而本發明之多電極量測系統將於以下進行詳述。
參見第1圖。第1圖顯示本發明一實施例之多電極量測系統100。多電極量測系統100可包括一前端裝置101與一後端裝置103。
前端裝置101為一感測裝置，其可包括一多電極感測元件105、一多通道夾具107與一參考電極109。多通道夾具107與多電極感測元件105耦接。多電極感測元件105包括複數個電極，且可包括一非可撓式多電極感測元件或可撓式多電極感測元件。多通道夾具107可包括一多針接線接頭，例如杜邦連接端子2.54多針接線接頭。參考電極109提供待測液之接地準位，其可包括一銀/氯化銀電極。
第2a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統200。多電極量測系統200具有非可撓式多電極感測元件105a之一實施例。於第2a圖中，非可撓式多電極感測元件105a包括複數個獨立之電極感測器105a’。第2b圖顯示於第2a圖中非可撓式多電極感測元件之一獨立之電極感測器105a’的側視圖。電極感測器105a’可包括一非可撓式基板201、一感測膜位203與一導線205由感測膜203延伸而出，其中導線205連接至多通道夾具107。非可撓式基板201可包括矽基板。感測膜位203位於非可撓式基板201上，可包括二氧化釕感測膜。而二氧化釕感測膜可藉由射頻濺鍍系統沈積於非可撓式基板201上。導線205的材料可包括銅，又導線205可藉由一銀膠層207與感測膜位203連接。在一實施例中，可以一塑膠外殼209覆蓋導線203。
在另一實施例中，電極感測器105a’，可更包括一絕緣封裝層211用以封裝非可撓式基板201與感測膜203，其中絕緣封裝211層具有一開口213以露出感測膜203之部分，並形成感測窗口213a。而絕緣封裝層211的材料可包括環氧樹脂。
第3a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統300，多電極量測系統300具有非可撓式多電極感測元件105a之另一實施例。第3b圖顯示於第3a圖中非可撓式多電極感測元件105a的側視圖。非可撓式多電極感測元件105a可包括一非可撓式基板301、複數個感測膜303與複數條導線305由複數個感測膜303延伸而出，其中複數條導線305分別連接至多通道夾具107。非可撓式基板可包括矽基板。複數個感測膜303位於非可撓式基板上301，可包括二氧化釕感測膜。而二氧化釕感測膜可藉由射頻濺鍍系統沈積於非可撓式基板301上。導線305的材料可包括銅，又導線305可藉由一銀膠層307與感測膜位303連接。在一實施例中，可以一塑膠外殼309覆蓋導線303。
在另一實施例中，非可撓式多電極感測元件105a，可更包括一絕緣封裝層311用以封裝非可撓式基板301與複數個感測膜303，其中絕緣封裝311層具有複數個開口313以分別露出複數個感測膜303之部分，並形成複數個感測窗口313a。而絕緣封裝層311的材料可包括環氧樹脂。
在一實施例中，上述以射頻濺鍍系統感測膜形成二氧化釕感測膜之相關參數設定如下：(1)射頻功率：100W；(2)射頻頻率：13.56MHz；(3)壓力：10mTorr；(4)釕靶材純度：99.99%；(5)氣體流量比(氬氣：氧氣)：40：20(in sccm)；(6)射頻時間：15分鐘；(7)厚度：350nm。
而，上述絕緣封裝層之封裝係為阻絕於測試環境(溶液)中之化學與電性干擾。在一實施例中，以環氧樹脂做為絕緣封裝層，用以封裝非可撓式基板與感測膜，環氧樹脂層具有一2mm×2mm之開口於感測膜上以形成一感測窗口，之後將其置於一烘箱以固定。而烘箱溫度為約120-140℃，處理時間為約30-60分鐘。
第4a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統400。多電極量測系統400具有可撓式多電極感測元件105b之一實施例。於第4a圖中，非可撓式多電極感測元件105b包括複數個獨立之電極感測器105b’。第4b圖顯示於第4a圖中可撓式多電極感測元件之一獨立之電極感測器105b’的分解圖，而第4c圖顯示於第4a圖中可撓式多電極感測元件之一電極感測器105b’的上視圖。電極感測器105b’可包括一可撓式基板401、一感測膜403與一導線405，其中導線405於可撓式基板401上與感測膜403接觸且連接至多通道夾具107。可撓式基板401可包括聚對苯二鉀二乙烯基板。感測膜403位於非可撓式基板401上，可包括二氧化釕感測膜。在一實施例中感測膜403可為一圓形，直徑為約2.5mm。而二氧化釕感測膜可藉由射頻濺鍍系統沈積於非可撓式基板401上。導線405的材料包括銀膠，且導線405可以網版印刷形成。
在另一實施例中，獨立之電極感測器105b’，可更包括一生長層407於可撓式基板401上，而感測膜403與導線405位於生長層407上。生長層的材料可包括環氧樹脂。又，在另一實施例中，電極感測器105b’更包括一絕緣層於感測膜403與導線405上，其中絕緣層409具有一開口411以露出感測膜403，並形成感測窗口411a。絕緣層409的材料可包括環氧樹脂。在一實施例中開口可為一圓形，其直徑為2.0mm。
在一實施例中，獨立之電極感測器105b’具有各種複合層於可撓式基板401之上，複合層可包括環氧樹脂/二氧化釕4093、環氧樹脂/銀膠4095與環氧樹脂/銀膠/二氧化釕40953。
第5a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統500，多電極量測系統500具有可撓式多電極感測元件105b之另一實施例。第5b圖顯示於第5a圖中可撓式多電極感測元件105b的分解圖，而第5c圖顯示於第5a圖中可撓式多電極感測元件105b的上視圖。可撓式多電極感測元件105b可包括一可撓式基板501、複數個感測膜位503與複數條導線505，其中複數條導線505於可撓式基板501上分別與複數個感測膜503接觸且連接至多通道夾具107。可撓式基板501可包括聚對苯二鉀二乙烯基板。感測膜503位於非可撓式基板501上，可包括二氧化釕感測膜。在一實施例中感測膜503可為一圓形，直徑為約2.5mm。而二氧化釕感測膜可藉由射頻濺鍍系統沈積於非可撓式基板501上。導線505的材料包括銀膠，且導線505可以網版印刷形成。
在另一實施例中，可撓式多電極感測元件105b，可更包括一生長層507於可撓式基板501上，而複數個感測膜503與複數條導線505位於生長層507上。生長層的材料可包括環氧樹脂。又，在另一實施例中，可撓式多電極感測元件105b更包括一絕緣層於感測膜503與導線505上，其中絕緣層509具有一開口511以露出感測膜503，並形成複數個感測窗口511a。絕緣層509的材料可包括環氧樹脂。在一實施例中開口可為一圓形，其直徑為2.0mm。
在一實施例中，電極感測器105b具有各種複合層於可撓式基板501之上，複合層可包括環氧樹脂/二氧化釕5093、環氧樹脂/銀膠5095與環氧樹脂/銀膠/二氧化釕50953。
再次參見第1圖。後端裝置103為一電性裝置，其可包括一讀出電路裝置111、一資料取樣處理裝置113與一訊號處理裝置115。本發明後端裝置103之訊號處理裝置115與一般傳統儀表不同，訊號處理裝置115係藉由程式設計來控制硬體裝置以達到量測之目的，因此後端裝置103整體可作為一虛擬儀表。讀出電路裝置111與多通道夾具107及參考電極109耦接，用以接收分別來自該多電極感測元件之每一電極與該參考電極量測一待測液117之各原始訊號。資料取樣處理裝置113與讀出電路裝置111耦接，用以產生(generation)各數位訊號。在一實施例中，資料取樣處理裝置113可包括單一轉換器(Converter)以多工取樣方式進行資料取樣(sampling)，再將各原始訊號進行量化(quantification)，之後進行二進制編碼(encoding)，以產生(generation)各數位訊號。在另一實施例中，資料取樣處理裝置可包括複數個轉換器以進行陣列取樣，再將各原始訊號進行量化(quantification)，之後進行二進制編碼(encoding)，以產生(generation)各數位訊號。訊號處理裝置115可做為虛擬儀表之運算處理核心，其與資料取樣處理裝置113耦接，用以處理各數位訊號。在一實施例中，多通道夾具107與讀出電路裝置111係以一遮蔽傳輸線119耦接。在一實施例中，遮蔽傳輸線119係藉由多線傳輸來傳輸訊號。
參見第6圖。讀出電路裝置111包括一電源供應裝置601、一輸入埠603、一儀表放大裝置605與一輸出埠607，其中輸入埠與多通道夾具107及參考電極109耦接，儀表放大裝置605與輸入埠603耦接，而輸出埠607與儀表放大裝置605耦接並與資料擷取裝113耦接。電源供應裝置601用以提供電源至輸入埠603、儀表放大裝置605與輸出埠607。在一實施例中，電源供應裝置可包括一直流雙電源供應裝置或直流單電源轉雙電源供應裝置。儀表放大裝置可採用一般常用之儀表放大裝置，例如美國亞德諾(Analog Device,AD)公司之AD 620、AD 8231等、美國德州儀器(Texas Instruments,TI)公司之INA 121、INA 333、美國凌力爾特(Linear Technology,LT)公司之LT 1167、LTC 2053以及其類似裝置等。輸入埠接收分別來自該多電極感測元件之每一電極與該參考電極量測一待測液117之各原始訊號並傳送至儀表放大裝置。儀表放大裝置將上述訊號放大並傳送至輸出埠，而輸出埠將經放大之訊號輸出至資料取樣處理裝置113。
資料取樣處理裝置113用來將原始訊號(類比訊號)轉換為數位訊號，藉由取樣、量化、編碼、產生等程序。資料取樣處理裝置可為，例如市售NI-USB 6210、NI-USB 6211、NI-PCI 6010與其類似功能之裝置，或可為將類比訊號轉換為數位訊號之商品化積體電路，如美國亞德諾(Analog Device,AD)公司之AD7810、AD7880等、美國德州儀器(Texas Instruments,TI)公司之TLV1549、ADS7844、以及美國凌力爾特(Linear Technology,LT)公司之LTC2309、LTC2356等。使用數位訊號為一種理想之訊號處理方法，因類比訊號不僅易受到外部雜訊干擾，且不易實現數位運算，故可藉由數位訊號處理程序可去除雜訊而恢復原始訊號品質、清除真實世界之訊號、或實現複雜且困難之演算法。
訊號處理裝置115處理上述數位訊號的程序可包括擷取程序、數位濾波、顯示程序、儲存程序與分析程序，而這些程序可藉由一程式來操作，例如美國國家儀器(National Instruments)市售之LabVIEW(Version 7.1)或用類似功能之可程式軟體。擷取程序係動態匯入來自該資料取樣處理裝置之取樣資料，並形成資料陣列形式。數位濾波係將該擷取程序所得之每一電極的連續陣列資料運算成為一組估計之直流值。顯示程序係將一組估計之直流值即時顯示於一顯示器上。儲存程序係將組估計之直流值即時儲存於一記憶單元中。分析程序係將經記憶單元匯入之一組估計的直流值藉由特定之演算法進行運算，並對多電極感測元件之感測度、線性度與穩定度進行分析。
訊號處理裝置115可包括個人電腦、筆記型電腦、現場可程式閘極陣列晶片(field programmable gate array)及數位訊號處理器(digital signal processor)。
【實施例】
多電極量測系統
採用具有第2a圖所示之非可撓式多電極感測元件的多電極量測系統與具有第5a圖所示之可撓式多電極感測分別來量測磷酸鹽緩衝溶液(pH 1-13)。
非可撓式多電極感測元件與可撓式多電極感測元件分別具有8個感測窗口。
多電極量測系統的後端裝置包括一讀出電路裝置、資料取樣處理裝置以及訊號處理裝置。
讀出電路裝置
讀出電路裝置的架構圖如第7圖所示。讀出電路裝置包括二種電源供應裝置，包含雙電源供應以及單電源轉雙電源供應裝置、一組輸入/輸出埠以及一組儀表放大裝置。
讀出電路裝置之各部份將於以下詳述。
(1)儀表放大裝置區701：儀表放大裝置7011為一典型之電壓放大器，具高輸入阻抗(理想為無限大)使前級電路/系統之訊號可完整載入，以及低輸出阻抗(理想為零)使放大Av倍之訊號可完整傳輸予後級電路/系統。儀表放大裝置選擇Av為1，作為一電壓隨耦器(Voltage Follower)，故讀出電路主要係作為後端裝置之阻抗匹配(Impedance Matching)的功能。為了傳輸感測元件量測之原始訊號，儀表放大裝置採用包括美國亞德諾(Analog Device,AD)公司之AD 620。AD 620儀表放大裝置具易使用及具備很多功能，包括：可使用一電阻設定其放大倍率，放大倍率為1-10000；低功率(最大供應1.3mA)；寬電源供應範圍(±2.3V至±18V)；低雜訊干擾(於0.1-10Hz為0.28μVp-p)；120kHz之頻寬(於放大率為100下測得)；低輸入電壓補償及漂移(最大補償為50μV及最大漂移為0.6μV/℃)等。本發明之儀表放大裝置7011的數量對應使用之電極為8個。
(2)電源供應裝置：為使儀表放大裝置動作，採用二種電源供應，一為直接使用市售電源供應器(GW Instek PST-3201)提供一組雙電源703，包括一正極(+Vcc)7031、一負極(-Vss)7033以及一接地端(G)7035；另一為單電源轉雙電源供應705，使用一計時IC(Texas Instruments NE555)作無穩態方波(約20KHz)輸出予該電路後端之二儲存電容作為雙電源組，以及使用一交流轉直流變壓器(DC 6V,150mA)或一組電池組(3-15V)作為該單電源轉雙電源供應之電源來源。本發明之二種電源供應方式，以一指撥開關作為切換使用。
(3)輸入埠707/輸出埠709：讀出電路的輸入/輸出埠為對應使用之8支電極數目及一參考電極作接地參考，採用杜邦接線端子2.54 9針(DuPont Connector 2.54 9Pin)；另外輸入/輸出埠以一對應針腳數目之遮蔽傳輸線作為消除環境雜訊及突波用，特別是對於在高頻干擾部份。
資料取樣處理裝置
資料取樣處理裝置採用市售NI-USB 6210，經由擷取、量化、編碼、產生等程序，可使類比訊號轉為數位訊號使用。NI-USB 6210為一可程式之資料取樣處理裝置，並提供其他控制功能，包括取樣率、取樣數、以及緩衝區(buffer)大小等，該資料取樣處理裝置為一16通道類比輸入之裝置，包括250KS/s之單通道取樣率(single-channel sampling rate)、單通道具四個可程式輸入範圍(±0.2至±10V)等。
訊號處理裝置
本發明後端裝置中之訊號處理裝置與一般傳統儀表不同，該裝置係藉由程式設計來控制硬體裝置以達到量測之目的，故可與讀出電路裝置及資料取樣處理裝置合稱為一虛擬儀表。於訊號處理裝置中，所執行程序設計包括擷取、數位濾波、顯示、儲存以及分析。以下詳細說明本發明所設計之量測程式的程序：
(1)擷取與數位濾波：由LabVIEW軟體與資料取樣處理裝置方便且快速的連接與執行，該設計之可程式軟體之相關參數如下所示：
1.　實體通道：可選擇資料取樣處理裝置之輸入/輸出通道，藉由LabVIEW軟體中之硬體驅動裝置DAQmx；本實施例設定於AI(Analog Input)0-7。
2.　輸入範圍：可決定解析度之擷取的輸入範圍；本實施例設定於±1.5V。
3.　輸入組態：可選擇具參考點單端型(Reference Single-End,RSE)、差模輸入型(Differential,DIFF)、以及不具參考點單端型(Non-Referenced Single-End,NRSE)；本實施例設定於不具參考點單端型(Non-Referenced Single-End,NRSE)。
4.　單通道取樣數：可決定於電腦中之緩衝區大小；本實施例設定於“-1”。
5.　取樣模式：本實施例可設定於連續取樣(Continuous Samples)或有限取樣(Finite Samples)。
6.　取樣源：可選擇取樣頻率產生之模式；本實施例設定由資料取樣處理裝置產生(On Board)。
7.　取樣率：可選擇每秒擷取之樣本數目；本實施例設定於1-30KS/s。
另外，針對本發明之參數設定的軟體程式，其操作包含：儀表之選擇、量測時間及間隔時間設定、以及儀表功能之操作設定等。本發明之軟體擷取程式，經程式要求，將暫存於電腦緩衝區中之擷取資料匯入至程式中執行處理。最後，本發明之軟體控制裝置停止程式，當量測程序完成，程式將停止裝置動作。
(2)數位濾波：本發明採用一訊號處理方法，將匯入程式之擷取資料藉由數位濾波程序可得一估計之直流值。該數位濾波以LabVIEW中之模組，AC ＆ DC Estimator，該模組利用漢尼窗(Hanning Window)函數及平均(Mean)函數執行一低通數位濾波器，可修正每次匯入之擷取資料，並獲得一組估計之直流值。
(3)顯示及儲存：當本發明之量測軟體程式完成擷取及數位濾波程序而得到一組直流估計值後，顯示及儲存程序才會執行。儲存程序將出現一對話方塊供操作者選擇儲存路徑，並產生一空白儲存電子檔為微軟文書軟體電子檔Excel(*.xls)。顯示程序包括顯示曲線圖及資料寫入。該顯示曲線圖程序採用一波形曲線圖物件，可記錄及顯示產生之直流值；該資料寫入程序同時亦將產生之直流值寫入存在的微軟文書軟體電子檔Excel(*.xls)。當完成一連串寫入程序後，程序最後需一寫入關閉程序，以結束程序對Excel檔之連結。另於顯示及儲存程序中更包括自動儲存量測曲線圖之程序，該程序將保留原先為Excel寫入檔之路徑與檔名，自動的執行與產生一完整之量測曲線圖，該圖檔為一可攜式網路圖型格式(*.png)。
(4)分析：當完成量測，即得到一量測Excel電子檔及一量測曲線圖，本發明之具體分析方法為匯入量測電子檔資料，並執行相關之演算法的運算。
非可撓式多電極感測元件與可撓式多電極感測元件之比較
以非可撓式多電極感測元件的多電極量測系統來量測磷酸鹽緩衝溶液(pH 1-13)後，所得之非可撓式多電極之特性分析圖，如第8圖所示。第8圖顯示每個非可撓式電極所量測分析之感測度及線性度。以可撓式多電極感測元件的多電極量測系統來量測磷酸鹽緩衝溶液(pH 1-13)後，所得之可撓式多電極之特性分析圖，如第9圖所示。第9圖說明每個可撓式電極所量測分析之感測度及線性度。由第8圖與第9圖可得知可撓式多電極之感測度、線性度及其良率比非可撓式電極之結果較佳。
比較實驗
為證實本發明所設計之量測系統的可行性，於相同測試環境下(相同溫度、壓力、濕度等)，設計一比較實驗。使用一市售之多功能數位儀表(HP 34401A)及本發明所設計之虛擬儀表，針對一來自電源供應器之直流電(50mV)及一來自於pH 7液體中二氧化釕電極所產生之響應電位的二種待測源進行比較分析。該實行方法係於虛擬儀表之擷取程序處增加一HP 34401A的擷取模組，且採用程序中之偵錯線(Error Line)使二擷取程序為平行同步處理。結果如表1所示。第10圖顯示來自於pH 7液體中二氧化釕電極所產生之響應電位的同步擷取量測結果比較圖。由表1可得知，於相同測試源之下，市售之多功能數位儀表與本發明虛擬儀表所測得之結果具有相似之標準差，而此說明市售之多功能數位儀表與本發明虛擬儀表具有相同的量測變化趨向。又，表1顯示，不論待測源為來自電源供應器之直流電(50mV)或來自於pH 7液體中二氧化釕電極所產生之響應電位，市售儀表與本發明虛擬儀表所測得之數值間的最大誤差值皆小於1mV，顯示本發明所設計之虛擬儀表與市售儀表(HP 34401A)所量測之直流電壓值非常接近，而此也證實本發明所設計之虛擬儀表的可行性。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400、500．．．多電極量測系統
101．．．前端裝置
103．．．後端裝置
105．．．多電極感測元件
107．．．多通道夾具
109．．．參考電極
111．．．讀出電路裝置
113．．．資料取樣處理裝置
115．．．訊號處理裝置
117．．．待測液
119．．．遮蔽傳輸線
105a．．．非可撓式多電極感測元件
105a’、105b’．．．獨立之電極感測器
201、301．．．非可撓式基板
203、303、403、503．．．感測膜
205、305、405、505．．．導線
207、307．．．銀膠層
209、309．．．塑膠外殼
211、311．．．絕緣封裝層
213、313、411、511．．．開口
213a、313a、411a、511a．．．感測窗口
401、501．．．可撓式基板
407、507．．．生長層
409、509．．．絕緣層
4093、5093．．．環氧樹脂/二氧化釕
4095、5095．．．環氧樹脂/銀膠
40953、50953．．．環氧樹脂/銀膠/二氧化釕
601．．．電源供應裝置
603．．．輸入埠
605．．．儀表放大裝置
607．．．輸出埠
701．．．儀表放大裝置區
7011．．．儀表放大裝置
703．．．雙電源
7031．．．正極
7033．．．負極
7035．．．接地端
705．．．單電源轉雙電源供應
707．．．輸入埠
709．．．輸出埠
第1圖顯示本發明一實施例之多電極量測系統。
第2a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統。
第2b圖顯示於第2a圖中非可撓式多電極感測元件之一獨立之電極感測器的側視圖。
第3a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統。
第3b圖顯示於第3a圖中非可撓式多電極感測元件的側視圖。
第4a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統。
第4b圖顯示於第4a圖中可撓式多電極感測元件之一獨立之電極感測器的分解圖。
第4c圖顯示於第4a圖中可撓式多電極感測元件之一電極感測器的上視圖。
第5a圖顯示於本發明一實施例之多電極量測系統。
第5b圖顯示於第5a圖中可撓式多電極感測元件的分解圖。
第5c圖顯示於第5a圖中可撓式多電極感測元件的上視圖。
第6圖顯示讀出電路裝置之示意圖。
第7圖顯示本發明一實施例之讀出電路裝置的架構圖。
第8圖顯示於一實施例中每個非可撓式電極所量測分析之感測度及線性度。
第9圖顯示於一實施例中每個可撓式電極所量測分析之感測度及線性度。
第10圖顯示來自於pH 7液體中二氧化釕電極所產生之響應電位的同步擷取量測結果比較圖。
100．．．多電極量測系統
101．．．前端裝置
103．．．後端裝置
105．．．多電極感測元件
107．．．多通道夾具
109．．．參考電極
111．．．讀出電路裝置
113．．．資料取樣處理裝置
115．．．訊號處理裝置
117．．．待測液
119．．．遮蔽傳輸線

Claims (43)

  1. 一種多電極量測系統，包括：一前端裝置，其為一感測裝置，包括：一多電極感測元件，包括複數個電極；一多通道夾具與該多電極感測元件耦接；以及一參考電極；一後端裝置作為一虛擬儀表，其為一電性裝置，包括：一讀出電路裝置，與該多通道夾具及該參考電極耦接，用以接收分別來自該多電極感測元件之每一電極與該參考電極量測一待測液之各原始訊號；一資料取樣處理裝置，與該讀出電路裝置耦接，用以數位化該各原始訊號以形成各數位訊號；以及一訊號處理裝置，與該資料取樣處理裝置耦接，用以處理該各數位訊號，其中該訊號處理裝置處理該數位訊號的程序包括：擷取程序，其係動態匯入來自該資料取樣處理裝置之陣列取樣資料；數位濾波，將該擷取程序所得之每一電極的連續陣列資料運算成為一組估計之直流值；顯示程序，其係將該組估計之直流值即時顯示於一顯示器上；儲存程序，其係將該組估計之直流值即時儲存於一記憶單元中；以及分析程序，其係將經該記憶單元匯入之該組估計之直流值藉由特定之演算法進行運算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多電極量測系統，其中該多通道夾具與該讀出電路裝置係以一遮蔽傳輸線耦接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多電極量測系統，其中該多電極感測元件包括一非可撓式多電極感測元件或可撓式多電極感測元件。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之多電極量測系統，其中該非可撓式多電極感測元件包括複數個獨立之電極感測器，而各電極感測器包括：一非可撓式基板；一感測膜位於該非可撓式基板上；以及一導線由該感測膜延伸而出，其中該導線連接至該多通道夾具。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多電極量測系統，其中該非可撓式基板包括矽基板。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之多電極量測系統，其中該感測膜包括二氧化釕感測膜。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多電極量測系統，其中該二氧化釕感測膜係藉由射頻濺鍍系統沈積於該非可撓式基板上。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之多電極量測系統，其中該電極感測器更包括一塑膠外殼用以覆蓋該導線。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之多電極量測系統，其中該電極感測器，更包括一絕緣封裝層用以封裝該非可撓式基板與該感測膜，其中該絕緣封裝層具有一開口以露出該感測膜之部分。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多電極量測系統，其中該絕緣封裝層的材料包括環氧樹脂。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之多電極量測系統，其中該非可撓式多電極感測元件，包括：一非可撓式基板；複數個感測膜位於該非可撓式基板上；以及複數條導線分別由該複數個感測膜延伸而出，其中該複數條導線分別連接至該多通道夾具。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之多電極量測系統，其中該非可撓式基板包括矽基板。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之多電極量測系統，其中，該感測膜包括二氧化釕感測膜。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之多電極量測系統，其中該二氧化釕感測膜係藉由射頻濺鍍系統沈積於該非可撓式基板上。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之多電極量測系統，其中該電極感測器更包括一塑膠外殼用以覆蓋該導線。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之多電極量測系統，其中該非可撓式多電極感測元件，更包括一絕緣封裝層用以封裝該非可撓式基板與該複數個感測膜，其中該絕緣封裝層具有複數個開口以分別露出該複數個感測膜之部分。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之多電極量測系統，其中該絕緣封裝層的材料包括環氧樹脂。
  18. 如申請專利範圍第3項所述之多電極量測系統，其中該可撓式多電極感測元件包括複數個獨立之電極感測器，而各電極感測器包括：一可撓式基板；一感測膜於該可撓式基板上；以及一導線於該可撓式基板上與該感測膜接觸且連接至該多通道夾具。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之多電極量測系統，其中該可撓式基板包括聚對苯二鉀二乙烯基板。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之多電極量測系統，其中該感測膜包括二氧化釕感測膜。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之多電極量測系統，其中該二氧化釕感測膜係藉由射頻濺鍍系統沈積於該可撓式基板上。
  22. 如申請專利範圍第18項所述之多電極量測系統，其中該導線的材料包括銀膠。
  23. 如申請專利範圍第18項所述之多電極量測系統，其中該導線係以網版印刷形成。
  24. 如申請專利範圍第18項所述之多電極量測系統，其中該電極感測器，更包括一生長層於該可撓式基板上，而該感測膜與該導線於該生長層上。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之多電極量測系統，其中該生長層的材料包括環氧樹脂。
  26. 如申請專利範圍第18項所述之多電極量測系統，其中該電極感測器，更包括一絕緣層於該感測膜與該導線上，其中該絕緣層具有一開口以露出該感測膜。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之多電極量測系統，其中該絕緣層的材料包括環氧樹脂。
  28. 如申請專利範圍第3項所述之多電極量測系統，其中該可撓式多電極感測，包括：一可撓式基板；複數個感測膜於該可撓式基板上；以及複數條導線於該可撓式基板上分別與該複數個感測膜接觸並連接至該多通道夾具。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之多電極量測系統，其中該可撓式基板包括聚對苯二鉀二乙烯基板。
  30. 如申請專利範圍第28項所述之多電極量測系統，其中該感測膜包括二氧化釕感測膜。
  31. 如申請專利範圍第28項所述之多電極量測系統，其中該二氧化釕感測膜係藉由射頻濺鍍系統沈積於該可撓式基板上。
  32. 如申請專利範圍第28項所述之多電極量測系統，其中該導線的材料包括銀膠。
  33. 如申請專利範圍第28項所述之多電極量測系統，其中該可撓式多電極感測元件，其中該導線係以網版印刷形成。
  34. 如申請專利範圍第28項所述之多電極量測系統，其中該可撓式多電極感測元件，更包括一生長層於該可撓式基板上，而該複數個感測膜與該複數條導線於該生長層上。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之多電極量測系統，其中該生長層的材料包括環氧樹脂。
  36. 如申請專利範圍第28項所述之多電極量測系統，其中該可撓式多電極感測元件，更包括一絕緣層於該複數個感測膜與該複數條導線上，其中該絕緣層具有複數個開口以露出該複數個感測膜。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之多電極量測系統，其中該絕緣層的材料包括環氧樹脂。
  38. 如申請專利範圍第1項所述之多電極量測系統，其中該參考電極包括銀/氯化銀參考電極。
  39. 如申請專利範圍第1項所述之多電極量測系統，其中該讀出電路裝置包括：一電源供應裝置；一輸入埠與該多通道夾具及該參考電極耦接；一儀表放大裝置與該輸入埠耦接；以及一輸出埠與該儀表放大裝置耦接。
  40. 如申請專利範圍第39項所述之多電極量測系統，其中該電源供應裝置包括一直流雙電源供應裝置或直流單電源轉雙電源供應裝置。
  41. 如申請專利範圍第1項所述之多電極量測系統，其中該資料取樣處理裝置包括一單一轉換器以進行多工取樣。
  42. 如申請專利範圍第1項所述之多電極量測系統，其中該資料取樣處理裝置包括複數個轉換器以進行陣列取樣。
  43. 如申請專利範圍第1項所述之多電極量測系統，其中該資料處理裝置包括個人電腦、筆記型電腦、現場可程式閘極陣列晶片或一數位訊號處理器。
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