[发明专利]ISFET测量探测器、用于ISFET测量探测器的测量电路、和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor：离子敏感场效应晶体管)测量探测器、一种用于ISFET测量探测器的测量电路、和一种方法，利用所述方法可确定pH测量探测器的参考电极的膜片的状态。

背景技术

在研究实验室和诸如化学、食品、生物技术或医药品的不同产业领域中，会使用测量电极或测量探测器以确定测量介质中的pH值。测量介质的pH值指示测量介质的状态、味道或质量。在化学过程中，pH值也被用来控制制造过程。

根据电势测量的原理来进行pH测量。在电势测量中，测量电极(ISFET)和参考电极浸入在测量介质中。通过参考电极，相对于测量介质建立限定的电势。通过测量参考电极与测量电极的各自电势之间的差，可确定测量溶液的pH值。

参考电极包括例如包含参考电解质的壳体，所述参考电解质通过交界面与测量介质接触。所述交界面可例如是开放的通道，或其可构造为多孔膜片。交界面应一方面具有最小的电阻值，并且应另一方面阻碍参考电解质或桥电解质与测量介质的混合。不同的措施旨在实现这些目标。

测量探测器的与介质(对所述介质进行测量)直接接触的膜片是测量探测器的非常敏感的部分。已知的问题是所谓的生物污染，即外来物质沉积和积聚在膜片表面上并干扰测量。测量介质的酸度、脂肪含量、体积和压力是可对膜片的工作和对膜片的使用寿命产生负面影响的因素。

参考电极尽可能地保持恒定的参考电势是参考电极的关键品质。这要求膜片具有应该尽可能小的恒定的电阻值。因此有利的是在运行期间定期地检查膜片的状态以获得对离子浓度的可靠测量。

在pH玻璃电极中，诊断电路被用于监控膜片的状态并提供状态消息的目的，使得使用者可在正确的时间终止测量并更换传感器。

玻璃电极具有的缺点是存在的诊断电路需要附加的部件。它们生成热，会损害测量结果，并且需要采取校正措施。

玻璃电极具有的另外的缺点是它们非常易碎。在破损的情况下，玻璃碎片将混杂在加工材料中并将因此对消费者造成危险。因此通常在很多领域中避免使用玻璃电极，例如在生物制药和在食品产业和饮料产业。由于这些问题，甚至在一些产业领域中法律上禁止使用玻璃电极。

离子敏感场效应晶体管(ISFET)比玻璃电极更加适合于这些应用，因为它们机械上非常稳固并且与玻璃电极相比几乎牢不可破。这些特性促成ISFET传感器使用于诸如食品产业和制药产业的其中保护加工材料尤为重要的领域中。

利用包括ISFET的测量探测器确定测量介质的pH值是基于测量ISFET的行为。ISFET布置在测量探测器中使得由离子敏感层覆盖的栅极可与测量介质接触。测量探测器还包括同样浸入在介质中的参考电极，对所述参考电极施加确定测量介质的电势并从而确定ISFET的工作点的偏置电压。根据能斯特方程，与测量介质中的离子浓度有关的表面电势在测量介质与ISFET的栅极处的离子敏感层之间的接触区域中确立其本身。该电势将其本身相加到一直施加至参考电极的偏置电压上并因此影响源极与漏极之间的耗尽区。

在借助ISFET测量测量介质的pH值的传统方法下，漏极电流和漏极电势保持恒定，对源极电势进行测量。替代地，参考电极处的偏置电压可变化，漏极电流可由此保持恒定。在这种情况下，调节的偏置电压用作对存在的离子浓度的测量。

具有ISFET的测量探测器具有允许参考电极接触测量介质的膜片。为使对离子浓度的测量给出有效的结果，需要确保由于诸如酸、油脂和压力的不利的影响因素而造成膜片的状态的改变不会影响测量。

可通过测量膜片的电阻值来确定膜片的状态。在对ISFET测量探测器的最先进技术的诊断步骤中，必须从测量介质中取出测量探测器以检查膜片的状态。

发明内容

本发明的目的是提出一种改进的ISFET测量探测器，特别是pH测量探测器，以及一种测量电路和一种通过其可确定该测量探测器的状态的方法。

特别地，本发明旨在提供一种允许现场诊断的诊断电路，所述现场诊断即一种不需要将测量探测器从测量介质中去除并在运行期间检查参考电极的状态的诊断。为得到可靠的测量结果，诊断电路应仅具有小数目的部件并且应仅消耗最小量的电流。

所述任务利用根据权利要求1的ISFET测量探测器、根据权利要求2的测量电路和根据权利要求9的方法来解决。