[发明专利]测量转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定代表测量介质中的H⁺和/或OH^-离子的含量、特别是H⁺离子和/或OH^-离子的活度和/或浓度的测量变量的测量转换器。

背景技术

测量介质中的H⁺或者H₃O⁺离子的含量，特别是在测量介质中的这些离子的活度和/或浓度，是在环境分析中以及在实验室中或者工业工艺中的多个化学或者生物化学过程中的重要的测量变量。通常，以作为由测量介质的H⁺离子活度的以10为底的对数的负值形成的无量纲pH值来给出测量介质的H⁺离子含量。作为第一近似，在稀释溶液中，H⁺离子活度能够被设为等于H⁺离子浓度。类似于pH值，pOH值被定义为OH^-离子活度，或者作为良好的近似，在稀释溶液中的OH^-离子浓度的以10为底的对数的负值。该两个数值通过水的离子积常数彼此相关

pH+pOH=14。

因此，从pH值或者pOH值，相关联的H⁺离子或者OH^-离子活度和/或相应的浓度能够相应地得以确认。

用于确定被测量溶液的pH值的最受欢迎的技术是电位测量。经常地被称作玻璃电极的单杆式测量链最经常地用作用于pH值的电位测量的测量转换器；单杆式测量链组合pH敏感的测量半室和参考半室，这提供了独立于测量介质的pH值的、稳定的参考电位。测量半室通常包括在一端上被包括pH敏感玻璃的隔膜封闭的管状玻璃外罩；该管状玻璃外罩填充有内部电解质，例如包含氯化物的缓冲溶液；延伸到缓冲溶液中的电位感测元件，例如氯化银线。依赖于pH值的测量半室电位在玻璃隔膜处与测量介质形成接触。通常，用作参考半室的是第二类型的参考电极，例如Ag/AgCl或者氯化亚汞电极。在测量半室的电位感测元件处可截取的测量半室电位和参考半室的参考电位（理想地独立于测量介质的pH值）之间的电位差形成测量转换器的原始信号，并且是关于测量介质的pH值的直接量度。

虽然这种电位测量转换器确保非常精确并且可靠的测量结果，并且在实验室中以及在过程分析中均被良好地确立，但是它们也具有多个缺点。特别是非常薄的、pH敏感的玻璃隔膜是非常难以制造的，并且对于操纵是极其敏感的。玻璃隔膜破裂能够导致玻璃碎片进入测量介质中。如果测量介质例如是在制药或者食品工艺中制造的一种产品或者中间产品，则在这种玻璃断裂时，测量介质应该被废弃，从而避免在产品中的玻璃碎片危及终端消费者。

由于pH敏感玻璃隔膜的小的导电率，此外有必要测量在带有非常高的阻抗的测量转换器的引线之间的电位差，该电位差能够导致在测量中的不稳定性和测量数值的损坏。由于形成玻璃隔膜的玻璃的高的电阻，pH玻璃电极的小型化受到限制，这是因为，测量半室的电阻随着玻璃隔膜的面积的减小而不断地升高。长期以来，存在对于为了确定pH或者pOH值而使用更加稳健的测量转换器的可替代测量方法的需求。

近来，首先，利用离子敏场效应晶体管（ISFET）的pH值测量和光学pH测量已经实现了一定的重要性。

ISFET测量转换器包括在它的构造方面基本上对应于MOSFET的ISFET半导体芯片，其中在ISFET的情形中，金属栅被离子选择层例如H⁺离子选择层替代。这种ISFET具有半导体衬底，例如，在其中嵌入功能用作ISFET的源极和漏极的两个p-传导区域的n-传导衬底。在源极和漏极之间的区域用作通过绝缘层而从离子选择层隔离的半导体沟道。如果H⁺离子选择层被测量介质冲击，则它的pH值影响在源极连接和漏极连接之间的半导体沟道中的电荷载体的数目。ISFET能够因此被视为电子构件，其阀值电压能够被通过pH敏感涂层与测量介质的接触，而通过在氧化物、被测量液体界面处形成的表面电位来改变。通过利用这种效应，ISFET测量转换器的测量电路产生与被测量液体的pH值相关的电输出信号。例如，在DE 19857953 C2中描述了一种具有包括ISFET的测量转换器的pH测量装置。

ISFET测量转换器的机械稳定性实际上大于玻璃电极的机械稳定性；然而，已知的pH敏感金属氧化物层特别地在温度增加的情况下对于侵蚀性测量介质例如强碱性测量介质是敏感的。另外地，ISFET测量转换器不能如例如在医药或者生物工艺应用中通常地那样，通过利用贝塔或者伽马辐射照射而被消毒。