DE3343548C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen chemischen Ionensensor, insbeson­ dere zur Bestimmung der Aktivität oder Konzentration bestimmter Ionen in einem Elektrolyten.

Es sind chemische Sensoren zur Bestimmung der Aktivität oder Konzentration bestimmter Ionen in Elektrolyten bekannt, die entsprechend Fig. 1 aufgebaut sind und auf der Basis eines Feldeffekttransistors arbeiten. Ein solcher langgestreckter Ionensensor 11 weist eine Gatezone 12, welche am rechten Ende der Fig. 1 den ionenempfindlichen Teil darstellt, sowie einen Anschlußteil 13 zur Verbindung mit der Source und einen An­ schlußteil 14 zur Verbindung mit der Drain am linken Ende auf.

Fig. 2 zeigt die Gatezone 12 im Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1. Es hat eine länglich hexagonale Konfiguration und weist n-leitende Drain-Diffusionsbereiche 26 in der Mitte und an der oberen Seite eines p-leitenden Siliciumsubstrats 22 und n-leitende Source-Diffusionsbereiche 27 an beiden Enden auf. Die Gatezone ist mit einer Gate-Isolierschicht 23 abgedeckt und durch eine Schutzschicht 24 geschützt, so daß die Isolier­ schicht 23 bei Eintauchen in die zu prüfende Lösung von dieser nicht angequollen werden kann. Schließlich ist eine ionenem­ pfindliche Membran oder Schicht 25 auf der Isolierschicht 23 mit Drain- und Source-Bereichen 26 bzw. 27 an den Seiten vorgesehen.

Bei diesem bekannten Ionensensor mit ionenempfindlicher Membran 25 gelangt das einfallende Licht auf das Siliciumsubstrat 22 und kann aufgrund des photoelektrischen Effekts innerhalb des Halbleiters zu einem Fehlsignal bis hinauf zu 0,1 pH führen, selbst wenn es sich um Raumbeleuchtung handelt. Man erreicht also keine exakte Messung der Ionenkonzentration.

Es ist ferner ein chemischer Ionensensor dieser Art bekannt, (DE-OS 28 22 787), bei dem die ionenempfindliche Membran auf der Gatezone mit einer semipermeablen Membran aus organischem Polymer abgedeckt ist, das ähnliche physikalische und chemische Struktur wie gebräuchliche Membranen für Dialyse, Ultrafiltra­ tion und umgekehrte Osmose aufweist. Zur Verminderung der Lichtempfindlichkeit kann diese Membran mit einem Farbstoff oder mit Farbpigment so eingefärbt sein, daß die durchschnitt­ liche optische Dichte im Wellenlängenbereich 350 bis 700 nm mehr als 0,7 beträgt. Diese semipermeable Membran wird vor der Anwendung hydratisiert. Nachteilig bei dieser Ausbildung ist, daß die Empfindlichkeit und die Ansprechzeit des Sensors infolge des indirekten Kontakts der ionenempfindlichen Membran mit der zu prüfenden Flüssigkeit, der durch die semipermeable Membran stattfinden muß, verschlechtert sind. Ferner ist die Haltbarkeit des Wandlers aufgrund der engen Berührung der Polymermembran mit der isolierten Gatezone nicht ausreichend. Außerdem ist eine Subminiaturisierung des Sensors nicht möglich weil bei der durch damit einhergehenden Abnahme der Dicke der semipermeablen Membran deren Permeabilität mit abnehmender Stärke steigt und dann keinerlei Schutzfunktion mehr ausüben könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen chemischen Ionen­ sensor auf der Basis eines Feldeffekttransistors hoher Em­ pfindlichkeit und Meßgenauigkeit mit kurzer Ansprechzeit und langer Haltbarkeit zu schaffen.

Ein diese Aufgabe lösender Ionensensor ist im Patentanspruch gekennzeichnet.

Aufgrund der Anordnung der speziellen Metallschicht zwischen ionenempfind­ licher Schicht und Gate-Isolierschicht wird jede Erhöhung der An­ sprechzeit vermindert. Die Metallschicht stellt eine sehr gute Verbindung zu den benachbarten Schichten her, so daß der Ionen­ sensor auch gut isolierend, äußerst haltbar, wasserfest und langlebig ist. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen un­ durchsichtigen Metallschicht zwischen ionenempfindlicher Membran und Gate-Isolierschicht wird von außen auf das Gate des Ionensensors auftreffendes Licht zurückgehalten und damit das Auftreten eines Fehlsignals durch Fremdlicht verhindert. Mit dem erfindungsgemäßen Ionensensor sind also exakte Messungen der Aktivität oder Konzentration einer Ionenart in einem Elek­ trolyten selbst in der Helligkeit unabhängig von der Intensität des umgebenden Lichts möglich.

Die Erfindung wird anhand der Figuren weiter erläutert.

Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen der erfindungsge­ mäßen Ionensensoren.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Ionensensors ist der ionenempfindliche Bereich der Gatezone 31 länglich hexagonal ähnlich dem bekannten Ionen­ sensor nach Fig. 2. Der ionenempfindliche Teil der Gatezone 31 weist n-leitende Source-Diffusionsbereiche 33 an beiden Seiten eines p-leitenden Substrats 32 sowie n-leitende Drain-Bereiche 34 in der Mitte auf. Diese Bereiche sind mit einer Gate-Isolier­ schicht 35 aus einem Oxid abgedeckt. Über der Gate-Isolier­ schicht 35 mit den Source- und Drain-Diffusionsbereichen 33, 34 befindet sich eine optisch undurchsichtige oder opaque Metall­ schicht 36, die vollständig mit einer Schutzschicht 37 abge­ deckt ist. Über der Schutzschicht 37 befindet sich im Bereich der undurchsichtigen Metallschicht 36 eine ionenempfindliche Schicht 38.

Für die optisch undurchsichtige Schicht 36 wird Chrom oder Tantal verwendet, die durch Aufdampfen im Vakuum oder Kathodenzerstäubung aufgebracht worden sind. Die Schichtstärke der undurchsichtigen Metallschicht 36 aus Chrom oder Tantal beträgt 200 nm oder mehr, damit Fehl­ signale sicher vermieden werden.

Für die Schutzschicht 37, die ein Eindringen von Ionen verhin­ dert, eignet sich ein beliebiges Material guter Isolierfähig­ keit und hoher Wasserdichtigkeit. So lassen sich beispielsweise Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid oder Oxide oder Nitride von Aluminium oder Tantal oder deren Gemische anwenden, die durch thermische Zersetzung in der Gasphase oder Kathodenzerstäubung abgeschieden werden.

Die ionenempfindliche Schicht 38 kann als Ionensensor für die Bestimmung der Aktivität oder Konzentration einer Ionenart ausgebildet sein in Form einer Schicht aus beispielsweise Siliciumnitrid (Si₃N₄), Tonerde (Al₂O₃) oder Tantalpentoxid, wenn es sich um die Bestimmung von Wasserstoffionen handelt.

Wird als ionenempfindliche Schicht 38 Siliciumnitrid oder Ton­ erde in einer Schichtstärke von etwa 100 nm angewendet, so er­ hält man ein Grenzflächenpotential von 53 bis 56 mV/pH inner­ halb des pH-Bereiches von 1 bis 13 entsprechend einer Glas­ elektrode.

Derartige Schichten werden aus anorganischen Stoffen durch thermische Zersetzung in der Dampfphase oder Kathodenzerstäubung gebildet.

Für die Bestimmung von Natrium- oder Kaliumionen eignen sich beispielsweise Aluminosilicatgläser (SiO₂-Al₂O₃-Na₂O).

Für die Anwendung in der Praxis wird der Ionensensor in einem Rohr aus Polyvinylchlorid eingeschlossen, welches nur die Gatezone 31 bzw. den ionenempfindlichen Teil freiläßt. Der Ionensensor wird dann in die Prüflösung eingetaucht und gegen eine Bezugselektrode geschaltet.

Bei Betrieb, wenn die Gatezone 31 in die zu prüfende Lösung eingetaucht ist, ändert sich die Gatespannung entsprechend der Konzentration der bestimmten Ionenart in der Lösung. Die Leitfä­ higkeit in dem Kanalbereich zwischen Source 33′ und Drain 34 schwankt ebenfalls. Die Folge davon ist, daß sich die Strom­ stärke zwischen Source und Drain ändert. So läßt sich somit die Konzentration der bestimmten Ionenart in der Lösung durch Be­ stimmung der Änderung der Stromstärke oder Leitfähigkeit mit einem äußeren Meßkreis aus der Gatespannung ermitteln.

Selbst dann, wenn der Ionensensor bei Umgebungslicht angewandt wird, wird das einfallende Licht durch die undurchsichtige Metallschicht 36 zurückgehalten und erreicht somit nicht die Gatezone 31. Dadurch wird das Auftreten eines Potentials in dem Halbleiter durch äußeren Lichteinfall verhindert und eine exakte Messung der Ionenkonzentration unabhängig von Umgebungslicht ermöglicht.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ionensensors dargestellt. Bei diesem hat eine Gatezone 41 ein p-leitendes Substrat 42, n-leitende Source- und Drain-Diffu­ sionsbereiche 43 bzw. 44 und eine Gate-Isolierschicht 45 im ionenempfindlichen Teil entsprechend der Ausführungsform der Fig. 3.

Während die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ionen­ sensors die optisch undurchsichtige Metallschicht 36 zwischen Gate-Isolierschicht 35 und Schutzschicht 37 aufweist, befindet sich bei der zweiten Ausführungsform eine optisch undurchsich­ tige Metallschicht 47 zwischen einer Schutzschicht 46 und einer ionenempfindlichen Schicht 48.

Auch bei dieser zweiten Ausführungsform wird von außen einfal­ lendes Licht durch die lichtundurchlässige Metallschicht 47 abgehalten und eine exakte Messung der Ionenkonzentration unabhängig von der Intensität des Umgebungslichtes ermöglicht.

Die ionenempfindliche Schicht 38 in der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform zur Bestimmung der Wasserstoffionenkonzen­ tration kann beispielsweise aus Si₃N₄,Al₂O₃ und/oder Ta₂O₅ bestehen.

Die Polarität des Substrats und der Source- und Drain-Dif­ fusionsbereiche kann wie oben angegeben p- bzw. n-leitend aber auch umgekehrt sein.

Claims (1)

1. Chemischer Ionensensor auf der Basis eines Feldeffekttran­ sistors enthaltend eine ionenempfindliche Schicht über einer Schutzschicht (37, 46) und diese beiden Schichten über einer Gate-Isolierschicht, gekennzeichnet durch eine optisch undurchsichtige Metallschicht (36, 47) aus Chrom oder Tantal mit einer Dicke von mindestens 200 nm zwischen der ionenempfind­ lichen Schicht (38, 48) und Gate-Isolierschicht (35, 45).