[发明专利]离子敏感传感器的离子敏感层结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种离子敏感传感器及其制造，并且特别涉及一种离子敏感传感器的离子敏感多层金属氧化物结构，还涉及一种用于制造该结构的方法，其中，可应用为离子敏感传感器的是例如离子敏感场效应晶体管(ISFET)、离子敏感电容可读EIS传感器和LAPS传感器。

背景技术

具有电解质绝缘体半导体结构(EIS结构)特别是离子敏感场效应晶体管(ISFET)的离子敏感传感器，具有EIS结构的离子敏感电容或电容可读传感器或具有EIS结构的光操作的离子敏感LAPS传感器(LAPS＝光可寻址电位传感器)被应用于测量不同成分的溶液中的离子浓度或特定物质浓度和传导率。具有ISFET、EIS元件和LAPS元件的离子敏感传感器用于对浓度的连续检查的应用例如在环境监测、工业过程监测、食品工业和生物化学或医疗技术领域中存在。在这样的情况下，对于对应的离子敏感传感器，特别是期望呈现与可接受的采购价格相联系的传感器元件的尽可能小的长期漂移的尽可能精确的浓度配准(concentration registration)。

被用作各个EIS结构或EIS元件的半导体材料通常是硅(Si)，因而二氧化硅(SiO₂)被用作第一绝缘层。关于在所需的寿命期间所需的测量精度，其它半导体/绝缘体组合通常不能够提供可比较的性质，并且此外，通常为不稳定的再现性。传统上，既在过程测量技术中也在实验室测量技术中利用玻璃电极进行含水介质中的离子浓度测量。出于技术原因，特别是因为充分大的内缓冲体积外加充分稳定的玻璃膜是必须的，所以不存在针对常规玻璃电极的有效小型化的机会。而且，应注意的，使用玻璃电极的pH测量系统归因于需要的玻璃膜厚度而具有高阻抗，并且因此，敏感地对电环境干扰做出反应。除其他外，这需要测量线的屏蔽，其中，电极和测量设备之间的间隔应尽可能小。

为pH测量应用玻璃电极的进一步的固有缺点在于，归因于材料玻璃的应用，在某些条件下存在玻璃破损风险，使得在诸如例如食品技术等的某些领域中使用玻璃电极仅为有限地可能的。

由于这个原因，因此，尝试使用离子敏感EIS结构或EIS元件(特别是以场效应晶体管(ISFET)的形式)用于离子浓度测量，诸如例如用于测量含水介质[1]中的pH值，其中，对这样的离子敏感传感器的使用在通过应用EIS结构的工业中的最近几年里有所增加。具有EIS结构的离子敏感传感器适合于特别是通过对集成系统的相对成本有效的制造来小型化测量系统，并且特别是优于对常规玻璃电极的应用。因此，代替具有玻璃界面的内缓冲器，利用容易管理的Si/SiO₂组合。基于EIS结构的传感器的进一步优点在于，这样的传感器能够在无材料玻璃的情况下产生，因而满足了在一些应用的情况下，不期望或必须避免玻璃破损风险的要求。

一般而言，ISFET传感器被视为集成在传感器中的阻抗转换器，这代表EIS结构的仍高于玻璃电极的阻抗的阻抗，然而，其中，被测变量在现场直接被转换成容易且精确可测量的低阻抗信号。通过对操作模式(“恒定电荷”)的应用，此外，ISFET传感器能够相对好地抑制归因于环境光或背景光的信号干扰。

无FET结构的电容可读EIS传感器能够例如被如此构造使得没有拓扑结构边缘干扰表面或表面特征，使得在可能的拓扑结构边缘上的化学腐蚀性介质的作用的风险能够降低。这样的EIS传感器的读出例如经电容测量而发生。

LAPS传感器(LAPS＝光可寻址电位传感器)利用沿着表面横向地分辨的灵敏度，并且适合于例如生物化学系统，其中，将被检测的区域能够选择性地用光照射[13]。

由于先前实现的基于EIS结构的离子敏感传感器的化学和电长期稳定性仍不足以用于在过程测量技术中使用，或对应的离子敏感传感器是极端复杂的并且因此制造起来昂贵，所以先前未能产生对在工业过程测量技术中以及在环境监测中基于EIS的pH测量的持续介绍。

因此，从这种现有技术出发，本发明的目的是为离子敏感传感器的离子敏感结构的布置和制造提供尽可能不复杂的流程，借助该流程，能够获得尽可能高的化学和电长期稳定性以及还有极端精确且可重现的测量结果。

发明内容

该目的由根据权利要求1所述的用于制造离子敏感传感器的离子敏感结构的方法、由根据权利要求21所述的用于制造离子敏感场效应晶体管的方法、由根据权利要求22所述的用于制造离子敏感电容可读传感器的方法、由根据权利要求23所述的用于制造具有离子敏感结构的光操作离子敏感传感器的方法、以及由根据权利要求24所述的具有离子敏感结构的离子敏感传感器来实现。