[发明专利]PH传感器

说明书

为了感测流体的pH，半导体管芯(102、105、107)的加热装置将流体(114)的温度控制到第一温度。当流体的温度处于第一温度时测量半导体管芯的浮栅晶体管(120)的栅极(122)的第一电压。此外，加热装置将流体的温度控制到不同于第一温度的第二温度。当流体的温度处于第二温度时测量栅极的第二电压。基于第一电压和第二电压、第一温度和第二温度确定流体的pH。

背景技术

传感器可用于检测水或其他流体(例如液体)的pH。一些pH传感器使用电解质-绝缘体-半导体场效应晶体管(ISFET)和化学参考物，例如银(Ag)/氯化银(AgCl)。这些传感器使用位于感测的流体内的参考电极来获得可用于表征感测的流体的pH的电测量值。然而，参考物是复杂的并且制造成本高。此外，参考物包含液体，诸如涂覆有AgCl并悬浮在包括氯化钾(KCl)+AgCl的溶液中的银线，在参考物和感测的流体之间有玻璃料。使用更简化且更具成本效益的参考物(例如铂(Pt)、金(Au)、氧化铱(IrO_x)、氧化钌(RuO₂)等)是有问题的，因为电极和流体之间的电压会随着时间的推移而不规律地漂移。

发明内容

在一个方面中，一种传感器包括半导体管芯、晶体管、第一电极、第二电极、第三电极、金属电阻器和加热器电路。半导体管芯具有感测侧面、半导体衬底、金属化结构和电介质层。金属化结构包括在半导体衬底上的第一层级，以及在第一层级和感测侧面之间的第二层级。电介质层位于感测侧面与第二层级之间。第一电极具有通过电介质层中的第一开口暴露以耦合到流体的第一表面。第二电极具有通过电介质层中的第二开口暴露以耦合到流体的第二表面。第三电极耦合到晶体管栅极，并由电介质层与感测侧面分离，以在流体与栅极之间形成电容器。加热器电路具有耦合到金属电阻器的输出端，并且加热器电路被配置为将电流信号传送到金属电阻器以选择性地加热流体。

在另一方面，一种传感器包括半导体管芯、晶体管、加热装置、流体电势感测电路和控制器。半导体管芯具有感测侧面、半导体衬底、金属化结构和电介质层。金属化结构包括第一电极、第二电极和第三电极。第一电极具有通过电介质层中的第一开口暴露的第一表面。第二电极具有通过电介质层中的第二开口暴露的第二表面。第三电极与第一电极和第二电极隔开，并通过电介质层与感测侧面分离。晶体管具有栅极、漏极和源极。栅极耦合到第三电极以通过由在流体和第三电极之间的电介质层形成的电容器感测流体的电势。加热装置具有在金属化结构中的金属电阻器和在半导体管芯中的加热器电路。加热器电路具有耦合到金属电阻器的输出端，并且加热器电路被配置为将电流信号传送到金属电阻器以选择性地加热流体。流体电势感测电路耦合到晶体管以提供表示流体电势的输出信号。控制器被配置为控制加热器电路以将流体的温度控制到第一温度，在流体的温度处于第一温度时从流体电势感测电路接收输出信号的第一样本，控制加热器电路以将流体温度控制到不同于第一温度的第二温度，在流体温度处于第二温度时接收来自流体电势感测电路的输出信号的第二样本，并提供pH信号，该pH信号表示基于输出信号的第一样本和第二样本、第一温度和第二温度的流体的pH。

在另一方面，一种方法包括使用半导体管芯的加热装置将流体的温度控制到第一温度，并且在流体的温度处于第一温度时测量半导体管芯的浮栅晶体管的栅极的第一电压。该方法还包括使用半导体管芯的加热装置将流体的温度控制到与第一温度不同的第二温度，在流体温度处于第二温度时测量浮栅晶体管的栅极的第二电压，以及基于栅极的第一电压和第二电压、第一温度和第二温度确定流体的pH。

附图说明

图l是无参考物pH传感器的局部剖面侧视图和示意图。

图2是图1的pH传感器的俯视图。

图3是使用图1和图2的pH传感器感测pH的方法的流程图。

图4是图1和图2的pH传感器中的电容耦合的示意图。

图5是图1和图2的pH传感器中的示例流体电势感测电路的示意图。

图6是图1和图2的pH传感器中的第一金属化层级中的金属电阻器结构的俯视图。