[发明专利]用于记录分析物浓度的传感器

说明书

技术领域

本发明涉及用于记录在所测量的介质中的分析物浓度的传感器。

背景技术

确定在所测量的介质中的分析物的浓度在例如化学或医药的技术中、在食品技术中、在生物技术中的许多工业应用中以及在例如环境测量技术中的非工业分析应用中扮演着重要的角色。具有承载分析物敏感部件的传感器元件的传感器被应用于在实验室中以及在工业处理工厂中频繁地确定离子浓度。分析物敏感部件可以例如是分析物敏感膜。因此，例如，已知pH玻璃电极的玻璃膜对于在所测量介质中的H⁺离子、相应地H₃O⁺离子的浓度敏感。

替代地，分析物敏感部件也可以是半导体元件，例如，包括EIS结构的部件，诸如离子敏感的、场效应晶体管（ISFET）或具有EIS结构的电容器，该电容器的电容取决于要确定的物质的浓度。首字母缩略词“EIS”代表“电解质绝缘体半导体”，即，传感器具有层结构，该层结构具有在半导体层上或在半导体衬底上施加的至少一个绝缘层，该至少一个绝缘层在传感器的测量操作中与电解质、即所测量的介质接触。在绝缘层和所测量的介质之间的界面处产生电压降。通过绝缘层的适当选择，特别是通过提供在绝缘层上的或作为绝缘层的部件的分析物敏感涂层，可以以下述方式设置传感器的灵敏度：电压降可以用作用于分析物浓度的测量。因此，例如，在氧化钽（V）（Ta₂O₅）层和含水测量溶液之间的界面处的电压降必然取决于所测量溶液的pH值。通过其他层结构的应用，可以形成EIS传感器元件，它们以对应的方式针对其他离子敏感。通过使得在EIS结构上的、可包括例如酶的适当检测器结构不动，也可通过这样的传感器来测量诸如葡萄糖或青霉素的非离子物质的浓度。

已经提到的离子敏感场效应晶体管同样具有这样的EIS结构。ISFET的晶体管栅极在pH敏感ISFET的情况下例如由可以包括Ta₂O₅的pH敏感的绝缘层形成。在ISFET的源极和漏极之间的半导体沟道中的电荷载体密度因此对应地取决于与栅极接触的介质的pH值。DE19857953A1例如描述了用于使用ISFET来测量液体的离子浓度、相应pH值的传感器。

具有分析物敏感部件的这样的传感器元件——特别是基于半导体的元件——频繁地例如被以小板或芯片的形式，实施为芯片或芯片阵列，其具有用于分析物敏感部件的电接触的前或后接触元件。具有这样的传感器元件的传感器频繁地被实施为杆状测量探头，其包括介质可浸没的外壳，其中，传感器元件被布置使得其分析物敏感部件接触被测量的介质。在这样的情况下，在外壳内保护地布置了用于分析物敏感部件的电接触的接触元件，经由该接触元件传感器元件与传感器电子器件连接。测量探头能够经由电缆或无线地与诸如测量晶体管或总线耦合器的上级单元连接。该上级单元可以向测量探头供应能量，分别接收和进一步处理从传感器电子器件输出的测量信号，或者它可以向传感器电子器件输出信号。在US6,117,292、US6,153,070或EP1396718A1中公开了这样的传感器的示例。

在EP1396718A1中描述的是具有作为传感器元件的ISFET的传感器。通过压力施加部分，将ISFET在背向其离子敏感表面区域的后表面处按压抵靠传感器外壳的端表面。压力施加部分具有中央开口，该开口暴露ISFET的离子敏感表面，而在防止被测量介质接触的传感器的内部布置了ISFET的源极连接和漏极连接。压力施加部分通过排除介质的周围的超声波焊接而与传感器外壳连接。

在外壳内延伸的内部管道将传感器外壳的外壳内部划分为传感器内部空间和传感器中间空间。传感器中间空间用作参考电极空间，即，它包含参考电解质，参考电极延伸进该参考电解质内。与ISFET的前或后接触元件连接的连接导线被引入经过传感器内部空间，用于接触ISFET的源极和漏极。该连接导线用于ISFET与传感器的显示装置的连接。使用诸如基于环氧树脂粘结剂的封装化合物的封装化合物从内部管道向ISFET的后表面回填传感器内部空间，以便提供对于ISFET的机械支持。

EP1396718A1通过示例示出了先前一直遵循的原理：具有传感器内部空间，其用于传感器元件的电势感测导线的接触和引导；以及，电解质填充的中间空间，其中，布置了作为规则被实施为第二类型的参考电极的参考电极。制造根据该原理实施的现有技术的这些传感器要求多个独立的加工步骤，并且因此十分复杂和昂贵。