[发明专利]多参数离子传感器及其制备方法、多参数离子传感器芯片和监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及多参数离子检测技术领域，具体的，涉及一种多参数离子传感器及其制备方法、多参数离子传感器芯片和监测系统。

背景技术

土壤盐碱化是植物生长过程中最常遇到的自然逆境之一，该问题影响世界生态环境、限制农林业生产发展，其在沿海地区表现尤为突出。据统计，全球有近20%的可耕种地受到盐碱化的影响。盐碱地在我国也是一个重要的土地资源，我国约有3000多万hm²的盐碱地。近年来，随着工农业的发展，环境污染加剧，淡水资源日益匾缺，海平面不断上升，陆地面积相对缩小，土壤盐渍化有日益加重的趋势。土壤含盐量是表征土壤盐分状况的主要参数，也是确定土壤盐渍化程度的最主要指标。准确可靠的土壤盐分分析数据是一切盐碱地工作的基础，而掌握土壤主要离子的含量对于盐碱地改良也有非常重要的作用。因此快速、准确、实时的测定土壤含盐量及主要离子含量成为科研工作中的基础研究和解决土地盐碱化问题的必然需求。

目前对盐碱地盐离子浓度检测设备和方法，如滴定法、传统离子选择电极传感器等都存在较大的不足。首先，已有的检测方法无法同时一次性测定可溶盐水中多种主要盐离子的浓度；其次，目前的测量方法需要人工亲自到检测现场取样和测量，不能对盐碱地盐离子的含量进行自动化远程测量和实时监控；再次，传统的检测设备测量过程繁杂，设备体型较大，功耗大，且和一般的测量仪器没有兼容性，不易集成。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高主要盐离子的检测效率。

为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种多参数离子传感器，包括：多个由成对的离子敏场效应晶体管组合的互补对结构；其中，每个互补对结构中成对的离子敏场效应晶体管共用一个参比电极；所述成对的离子敏场效应晶体管中的一个设有的敏感膜作为指示晶体管，另一个设有非活性膜作为参比晶体管；多个互补对结构中的敏感膜不同。

优选地，所述传感器中，每种敏感膜分别针对一种特定的离子；所述离子包括Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-中的至少一种。

优选地，所述传感器的互补对结构基于N沟道的离子敏场效应晶体管。

优选地，在每个互补对结构中：参比电极设置在成对的离子敏场效应晶体管之间；每个离子敏场效应晶体管为多层级结构，所述多层级结构的各层依次包括P型硅衬底、N型沟道、Si0₂氧化层、源漏电极、绝缘层及栅电极；其中，所述N型沟道形成在所述P型硅衬底的表面，所述源漏电极通过所述Si0₂氧化层中的通孔分别连接两个N型沟道区，所述栅电极通过所述绝缘层中的通孔连接所述Si0₂氧化层；所述敏感膜或所述非活性膜布设在所述栅极表面并暴露在环境当中。

另一方面，本发明还同时提供一种多参数离子传感器的制备方法，所述方法包括步骤：

准备P型硅片；清洗硅片；湿氧化法制作Si0₂氧化层；制作N阱；注入磷，形成漏区与源区；生长栅极二氧化硅；刻蚀二氧化硅；形成接触孔；沉积金属化电极；形成金属互连；形成金属层间接触孔；淀积多种离子敏感层，形成灵敏层窗口；用环氧树脂将整个传感器密封起来，只将与溶液接触的栅极灵敏层窗口暴露在环境当中。

优选地，所述多种离子敏感层中的离子包括Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-中的至少一种。

优选地，各离子敏感层的分别采用下述方法获得：

Na⁺：双12-冠-4衍生物、聚氯乙烯树脂粉，四氢呋喃为溶剂，适当比例混合；

K⁺：适当比例的缬氨霉素、聚氯乙烯树脂粉、增塑剂和四氢呋喃溶剂的溶液注入芯片上；

Ca²⁺：二癸基磷酸钙电活性材料，甲基磷酸二庚脂为增塑剂，聚氯乙烯树脂粉为基底，四氢呋喃为溶剂，适当比例混合；

Cl^-：AgC1、AgS、聚氯乙烯树脂聚合物，四氢呋喃为溶剂，适当比例混合；