[发明专利]用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法

说明书

本发明涉及一种用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法，所述的半导体器件包括衬底、设置于衬底上的源极、漏极，所述的半导体器件还包括对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同的第一离子敏感膜与第二离子敏感膜，且所述的待测物设置于所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜之间，所述的第一离子敏感膜设置于所述的衬底上，所述的第二离子敏感膜与栅电源相连接，在一种优选的实施方式中还引入了梳齿电容。采用该种结构的用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法，省略了参比电极，引入了两个不同的离子敏感膜，准确地测量出待测物的离子活度，结构简单，成本低，具有较广泛的应用范围。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及半导体器件，具体是指一种用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法。

背景技术

待测物的性质对其中发生的物理化学过程有直接影响，特别是，例如在生物领域中，电解质的离子活度及介电特性直接影响其中的生物过程，又例如在石油、润滑油等领域，其裂化度对使用该石油、润滑油的机械、装置等的性能和耐久性及节能性有巨大的影响。因此需要一种简单且准确的装置和方法实现对液体性质的检测。现有技术中通常使用半导体器件对待测物进行检测，具体如下：

首先，请参阅图1所示，为现有技术中的用于离子活度检测的半导体器件的结构示意图。其中包括半导体衬底B，以及位于所述的衬底上通过掺杂形成的源极S和漏极D，所述的衬底B上设置有离子敏感膜3，所述的离子敏感膜3与待测物2相接触，在所述的待测物2中插设有参比电极1，基于上述的结构，实现对待测物2中的离子活度的检测，其等效电路图如图2所示，其中参比电极1与待测物2的接触界面的电势差为ψ_ME，待测物2与离子敏感膜3的接触界面形成的双电荷层的电势差为ψ_EDL，其中图1中所述的离子敏感膜3与待测物2及半导体部分一起等效为一电容，相当于MOSFET的介电层电容，离子敏感膜即为介电层，所述的双电荷层等效为第一电容4。请参阅图3所示，为现有技术中用于离子活度检测的半导体器件的电势变化图。现有技术中需要保证待测物2即电解质中的电势保持不变，这样才能够准确地测得待测物2的离子活度，而待测物2中的电势保持不变，现有技术中通常使用参比电极来实现待测物2中的电势不变。

现有技术中的参比电极分为传统型参比电极、惰性金属型参比电极、差分型差比电极以及其他参比电极。

A、传统型参比电极是基于热力学理论，其理论体系完整，但受缓冲液的限制，寿命较短。以Ag/AgCl参比电极为例，其中需要保持水溶液中的Cl^-离子浓度不变，即保证参比电极1与待测物2的接触界面的电势差为ψ_ME不变，而由于水溶液中的离子与Ag/AgCl参比电极的化学反应，通常无法准确地保证Cl^-离子浓度不变，给测试带来了系统误差。

B、惰性金属型参比电极，物理化学性质稳定，但直接与待测物2接触，电势不稳定。

C、差分型参比电极，其理论简单，但工艺复杂，缺少优良的钝化材料。

D、其他参比电极，背部引入栅电极的做法可以避免栅电极与待测物直接接触，但是由于这种结构基于SOI硅片，氧化隔离层较厚，需要在栅极上施加较高的电压，这无形中增加了器件的噪声信号，整体上会使器件的可靠性降低，其他聚合物参比电极机理复杂，电势不稳定。

因此，上述的现有技术虽然在各个领域已经取得了较好的效果，但是仍然存在以下问题：

(1)现有技术的半导体器件对待测物的离子活度的测定，需要保持参比电极提供至待测物的电压不变，但是要保持参比电极的电压不变，其测试手段非常复杂，并且准确性和重复性有待优化，应用范围受限。

(2)另外，现有技术中的半导体器件对待测物的离子活度的测定离不开参比电极，而由于传统参比电极体积较大，且材料成本较高，不利于大规模的应用。

发明内容