[发明专利]一种基于CMOS工艺的复合电极式pH传感器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于CMOS工艺的复合电极式pH传感器及其制备方法，传感器包括基底、传感检测区、工作电极、参比电极、电极引线和焊盘。工作电极制作在传感检测区上方，参比电极位于传感检测区内部；制备方法包括以下步骤：采用氧化铝陶瓷材料制作基底；制作半导体衬底与阱区；制作参比电极；制作隔离区与电极氧化层；制作金属铝层；制作工作电极；制作电极引线；制作焊盘。本发明采用CMOS技术，并将参比电极制作于器件内部，确保参比电极不受外界环境的干扰与影响，提高了参比电极的稳定性，所述传感器具有稳定性好、灵敏度高、重复性好等特点，易于集成、小型化，适用于土壤栽培基质等非均相体系的pH的原位测量，解决含水量较少情况下pH测量难题。

技术领域

本发明属于电化学传感器的应用领域，尤其涉及一种基于CMOS工艺的复合电极式pH传感器及其制备方法，用于实现对含水量较少的土壤、栽培基质等非均相体系pH值的原位测量。

背景技术

土壤和栽培基质是矿物和有机物的混合组成部分，主要是固态颗粒，但是在固体颗粒间隙中存在着一定气体和液体，属于非均相体系。其复杂的组成，以及非均相混合态，使得土壤基质表现出众多不同的物化特性。此外，由于部分土壤和基质本身比较松散，会引起检测接触不良，导致对参数检测适应性差，检测灵敏度低、误差大、稳定性不好等问题，为土壤基质pH、含水量的原位测量带来难度。

传统采用玻璃电极测量浸提液pH值的间接测量方法，过程繁琐，耗时费力。而且，因为在自然条件下土壤与环境处于动态平衡，所以取样测定的结果往往不能代表土壤的自然状况。近年来，对全固态复合pH电极的研究越来越多，在一定程度上，有效提升了pH电极的灵敏度、稳定性、抗干扰性等性能，但电极稳定性、含水量较低时测量结果的准确度等方面，仍有很多不足之处。研究表明，在土壤栽培基质等非均相体系中，氢离子都是以水合氢离子H₃O⁺的形式存在的。因此，土壤中栽培基质等的氢离子浓度与土壤中的水有很大关系，尤其在含水量较少的情况下，pH检测面临很大的挑战。

荷兰科学家P.Bergveld首次提出将离子场效应晶体管ISFET作为检测生物化学信号的敏感器件。多年来，科研人员对ISFET的敏感机理进行了深入研究，发现ISFET具有宽广的离子测量范围，在医学、环境、农业及家庭生活方面均有应用。ISFET的结构和去掉金属栅或多晶硅栅的MOSFET极为相似，基于ISFET的pH传感器亦有很大的研究进展，如专利申请公布号CN 103472115A离子敏场效应晶体管及其制备方法，公开了一种离子敏场效应晶体管，使测量结果的准确性和可重复性都有效提高，但是未涉及到非均相体系pH值的原位测量与全固态复合电极的pH传感器及其制备方法。目前，pH_ISFET传感器采用Si₃N₄、Al₂O₃、Ta₂O₅等作为敏感材料，如施朝霞、朱大中在基于0.6μmCMOS工艺的pH值传感器集成电路设计和研究一文中，采用标准CMOS工艺提供Si₃N₄钝化层作为氢离子敏感层，具有较好的灵敏度与线性度，但是只能在溶液环境中进行测量。一般现有的该类传感器只能用于检测溶液的pH值，且需要外加参比电极，测试过程繁琐，且对传感器加工工艺要求较高，不能用于固态环境的检测中。

场效应管集成工艺简单，具有耗电省、工作电源电压宽等优点。N沟道增强型MOS管，当在栅极与源极间施加电压大于其开启电压时，漏极与源极之间，即两个N阱区之间，将形成耗尽层，并导通。以CMOS技术为基础，结合全固态复合电极性能，将工作电极与参比电极集成在器件中制备pH传感器，在外加电压作用下，可自动形成形成导电沟道，在工作电极与参比电极间形成测量回路，通过测量电极输出电压，依据能斯特响应原理，从而可实现对所测环境pH值的检测，同时能够解决含水量较少情况下pH原位测量难题，具有一定实践意义。

发明内容