專利名稱：：塑料電位離子選擇感測器及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及一種感測器及其制造方法，尤其涉及一種塑料電位離子選擇感測器及一種整合濺鍍與/或印刷工藝及內嵌系統技術的制造塑料電位離子選擇感測器的方法。
背景技術：
：離子感測場效應管(IonSensitiveFieldEffectTransistors,ISFETs)是70年代開始研發出來并得到快速發展的微感測器。僅僅過去的30年已經具有超過600篇關于酶場效應管(EnzymeFieldEffectTransistors,EnFETs)以及免疫場效應管(ImmunoFieldEffectTransistors,IMFETs)的研究論文以及另外150篇相關文章(請參閱"ThirtyyearsofISFETOLOGY:ffhathappenedinthepast30yearsandwhatmayhappeninthenext30years，，SensorsandActuatorsBVol.88,pp.1-20,2003)。另夕卜離子感測場效應管還可用于取代易碎的玻璃電極來測量PH值及離子例如Na+、K+、Cr、NH4+、Ca2+的濃度(請參閱MiaoYuqing,GuanJianguo,andChenJianrong,“Ionsensitivefieldeffecttransducer-basedbiosensors",Bio.technologyAdvances,Vol.21,pp.527-534,2003.)。此種概念是由P.Bergveld首先提出的。通過使用一種沒有門極的金屬氧化物場效應管(MetalOxideSemiconductorFieldEffecttransistor,M0SFET)一個具有二氧化硅層的裝置與一個參考電極一起置入水溶液中。與玻璃電極的反應相似，通過該裝置的電流隨氫離子的濃度改變。因此離子感測場效應管具有酸堿感測能力(請參閱ChenJian-pin,LeeYang-Ii,KaoHung,“Ionsensitivefieldeffecttransistorsandapplicationsthereof",AnalyticalChemistry,Vol.23,No.7,pp.842-849,1995以及WuShih-Hsiang,YuChun,WangKuei-hua,"Measurementbychemicalsensors",Sensortechnology,No.3,pp.57-62,1990)。一些離子感測場效應管裝置已經被商業化，例如ArrowScientific、Deltatrak、及Metropolis等公司生產的離子感測pH計。然而這些pH計存在穩定性差、壽命短、漂移及滯后效應等問題。本發明公開另外一種離子感測場效應管——延伸式門極場效應管(ExtendedGateFieldEffectTransistor，EGFET)。場效應管與化學測量環境隔離。一層化學感測膜設置于從門極區延伸而出的信號線的一端。具有電效應的部分與具有化學效應的部分是分別進行封裝。因此與傳統的離子感測場效應管相比，延伸式門極場效應管封裝工藝更加容易、易于儲存并具有更高的穩定性(請參閱廖漢洲發表于2004年6月臺灣中原大學碩士論文第11-29頁的“應用于生物感測器之新型校正與補償技術電路")。近年來進行了大量關于延伸式門極離子感測場效應管特性的研究，例如裝置設計(請參考:LiTeYin，JungChuanChou,WenYawChung，TaiPingSun，andShenKanHsiung，“SeparatestructureextendedgateH+-ionsensitivefieldeffecttransistoronaglasssubstrate“，SensorsandActuatorsB，Vo1.71,106-111，2000；LiTeYin，JungChuanChou,WenYawChung,TaiPingSun，andShenKaiHsiung,“StudyofindiumtinoxidethinfilmforseparativeextendedgateISFET"，MaterialsChemistryandPhysics，Vol.70,pp.12-16,2001；LiTeYin，JungChuanChou,WenYawChung,TaiPingSun，KuangPinHsiung，andShenKanHsiung，“StudyonglucoseENFETdopedwithMn02powder"，SensorsandActuatorsB,Vo1.76，pp.187-192,2001;殷立德，“以離子感測場效應管做為生物感測器之研究〃，中原大學醫學工程研究所博士論文(2001.6)第76-108頁)；分析特性(請參考覃永隆，“以CMOS工藝技術制作延伸式場效應管及其信號處理集成電路之研究〃，中原大學電子工程研究所博士論文(2001.6)第36-44頁；陳佳琪，“可拋棄式尿素感測器與前置放大器之研究〃，中原大學醫學工程研究所碩士論文(2002.6)第51-80頁JiaChyiChen,JungChuanChou,TaiPingSun，andShenKanHsiung，“Portableureabiosensorbasedontheextended-gatefieldeffecttransistor“，SensorsandActuatorsB，Vo1.91,pp.180-186,2003；ChungWePan，JungChuanChou,IKoneKao,TaiPingSun，andShenKanHsiung，“UsingpolypyrroleasthecontrastpHdetectortofabricateawholesolid-statepHsensingdevice“，IEEESensorsJournal，Vo1.3，pp.164-170，2003；JuiFuCheng，JungChuanChou,TaiPingSun，andShenKanHsiung，“StudyonthechlorideionselectiveelectrodebasedontheSn02/IT0glass，，，ProceedingsofThe2003ElectronDevicesandMaterialsSymposium(EDMS)，NationalTaiwanOceanUniversityKeelung,Taiwan,R.0.C.,pp.557-560,2003；JuiFuCheng，JungChuanChou,TaiPingSun，andShenKanHsiung,"StudyonthechlorideionselectiveelectrodebasedontheSn02/IT0glassanddouble-layersensorstructure“，ProceedingsofThelOthInternationalMeetingonChemicalSensors，TsukubaInternationalCongressCenter,Tsukuba,Japan,pp.720—72，2004.)，漂移及■后效應特性(請參考廖漢洲，“應用于生物感測器之新型校正與補償技術電路"，中原大學電子工程研究所碩士論文(2004.6)第11-29頁；ChuNengTsai,JungChuanChou,TaiPingSun,andShenKanHsiung,“StudyonthehysteresisofthemetaloxidepHelectrode",ProceedingsofTheIOthInternationalMeetingonChemicalSensors,TsukubaInternationalCongressCenter,Tsukuba,Japan,pp.586-587,2004；ChuNengTsai,JungChuanChou,TaiPingSun,andShenKanHsiung,"StudyonthesensingcharacteristiesandhysteresiseffectofthetinoxidepHelectrode",SensorsandActuatorsB,Vol.108，pp.877—882，2005.)
發明內容與以上描述的前案相比，本發明借助整合濺鍍與/或印刷工藝及內嵌系統技術而提供一種塑料電位離子選擇感測器。一種具有二氧化錫/氧化銦錫/塑料隔離結構的酸堿感測電極與內嵌系統技術一并用于制造塑料電位離子選擇感測器。本發明的塑料電位離子選擇感測器可立即在一個液晶顯示器上顯示測量結果并可將結果儲存至存儲卡上以增強便攜性。另外，上述塑料電位離子選擇感測器具有與電腦進行數據通訊的能力。最后，使用了針對漂移與滯后的軟件校正技術。因此，上述方法可增加離子檢測精度與系統可靠性。上述裝置可用于PH值測量。如果使用其他聚合物選擇基還可用于檢測其他離子，因此其應用范圍廣泛。上述感測器同樣可增加臨床、生物信號、與環境監測中相關設備的精度及使用范圍。由于制造方法僅需要簡單的設備，因此其工藝成本很低，可大規模制造。本發明的塑料電位離子選擇感測器在PH值測量中具有很強的實用性。本發明揭示一種可借助濺鍍與/或印刷工藝以制作成微型組件的基于場效應管的塑料電位離子選擇感測器。塑料電位離子選擇感測器不需要用額外的偏置電壓來轉換信號。所揭示的塑料電位離子選擇感測器包括一個塑料基底、形成在基底上的至少一個工作電極、一個印刷在基底上的參考電極、以及印刷在基底上的電導線。其中，電導線用于電耦合至外部電路或元件以及輸出/傳輸工作電極及參考電極所感測到的信號。所揭示的塑料電位離子選擇感測器是可替換的。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。圖1是本發明第一實施例提供的塑料電位離子選擇感測器的示意圖。圖2是本發明第一實施例的塑料電位離子選擇感測器的剖面圖。圖3是本發明第一實施例的塑料電位離子選擇感測器的另一變化例剖面圖。圖4是本發明第二實施例提供的塑料電位離子選擇感測器的示意圖。圖5是本發明提供的在塑料基底上制造塑料電位離子選擇感測器的方法流程圖。100塑料電位離子選擇感測器110:塑料基底120:工作電極122:導電層124:感測層130:參考電極132:第二感測層134:第二導電層136:聚合物或凝膠層155A、155B電纜或無線傳輸接口140:電導線145連接線150:電腦152:信號處理單元具體實施例方式為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的具體實施方式、結構、特征及其功效，詳細說明如后。本發明探討一種塑料電位離子選擇感測器。為便于理解本發明以下將詳細描述其結構及元件。然而本發明的應用并不限于所描述的細節。另一方面，為簡潔的目的對于本領域具有通常知識者所熟知的結構與元件并沒有詳細描述。以下對說明書中本發明的一些實施例詳細描述。然而，可以理解本發明還可采用除明確描述的實施例外的其他方式實施，亦即本發明可同樣用于其他實施例。本發明的范圍如權利要求的范圍所述而并不限于所述實施例。如圖1所示，本發明第一實施例揭示一種用于檢測pH值的塑料電位離子選擇感測器100，其包括一個塑料基底110、形成于塑料基底110上的至少一個工作電極120、印刷于塑料基底110上的一個參考電極130、以及印刷于基底110上的電導線140。電導線140電耦合到外部環境或位于塑料電位離子選擇感測器100外部的裝置，用于輸出檢測信號。電導線140包括多根連接線145，并分別連接到工作電極120與參考電極130以傳輸工作電極120及參考電極130檢測到的信號。上述塑料基底110的材質可選自聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethyleneter印hthalate，PET)、聚碳酸酯(Polycarbonates，PC)、聚鄰苯二甲酸酯(polyethylenenaphthalate,PEN)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)、聚醚砜(polyethersulfone,PES)、聚醚酰亞胺(polyetherimide，PEI)、聚酰亞胺(polyimide，PI)、茂金屬環烯烴共聚物(metallocenebasedcyclicolefincopolymer，mCOC)、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物(acrylonitrilebutadienestyrene，ABS)、聚乙烯、丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、環氧樹脂、及其共聚物或雜聚物。在本實施例中，工作電極120與參考電極130形成于塑料基底110的同一側的表面。在其他實施例中，工作電極與參考電極可分別形成于塑料基底的不同側的表面，且具有復數電導線形成于不同側的表面，以使工作電極與參考電極分別與不同的電導線相連接。如圖2所示，在本實施例中，上述工作電極120包括一層形成于塑料基底110上的導電層122、以及形成于導電層122上的第一感測層124。可選地，感測層124上還可形成一層離子選擇層。離子選擇層賦予塑料電位離子選擇感測器100檢測各種離子如鈉離子、鈣離子、鉀離子、氯離子與氫氧離子的能力。因此塑料電位離子選擇感測器100不僅可應用于PH值的測量還可用于其他離子的濃度檢測。在一些實施例中，第一感測層124可以省略而離子選擇層可直接形成于第一導電層122上。上述第一導電層122具有低的電阻以提高其傳輸檢測信號的效率。第一導電層122的材質可選自金、銅、碳、銀、氯化銀或氧化銦錫。上述第一感測層124的材質可選自二氧化錫、二氧化鈦或氮化鈦。在本實施例中，參考電極130包括形成于塑料基底110上之第二感測層132。第二感測層132的材質可選自銅、碳、銀、金、氯化銀、氧化銦錫或鉬。請參閱圖3，其為本實施例的另一變化實施方式的示意圖。其中參考電極130包括形成在第二感測層132與塑料基底110之間之第二導電層134。第二感測層132被大量電解質覆蓋。上述電解質可為其內分散有鹽的聚合物或凝膠(層136)。在其他實施例中，還可不設置第二感測層132，而聚合物或凝膠層136可直接形成在第二導電層134上。第二導電層134的材質可選自金、銅、碳、銀、氯化銀或氧化銦錫。第二感測層132的材質可選自銅、碳、銀、金、氯化銀、氧化銦錫或鉬。如圖4所示，本發明第二實施例揭示一種塑料電位離子選擇感測器。塑料電位離子選擇感測器100置于一未知溶液中。軟件校正被實施用來改善感測單元的測量滯后及漂移現象的問題。然后執行兩點(pH4、pH7)校正程序以消除誤差從而提供更加精準的感測信號。最后，由信號處理單元152，例如信號讀取電路或電儀表，處理PH值測量結果，然后在一個電腦150、一個顯示器或一個液晶顯示器立即顯示出來，并且存儲在數碼存儲單元中。上述信號處理單元152可直接印刷于塑料電位離子選擇感測器100的塑料基底110上以進一步降低制造成本。在讀取數碼存儲單元內的數據時可采用一讀卡器讀入電腦。另外，本發明的塑料電位離子選擇感測器可采用電纜或無線傳輸接口155A或155B，例如通用串行總線(universalserialbus,USB)或通用異步收/發兩用機(universalasynchronousreceiver/transmitter,UART)將檢測到的信號傳輸給個人電腦及或手提電腦以提高系統的靈活性。借助上述的方法，未知溶液的PH值可以快速而準確的測量出。如圖5所示，本發明還揭示一種制造塑料電位離子選擇感測器的方法。流程圖200包括五個主要步驟。第一步驟210，提供塑料基底(塑料基底的材質如前述)；第二步驟220，在塑料基底上印刷參考電極；第三步驟230，采用掩膜覆蓋參考電極以在后續步驟中遮住參考電極；第四步驟240，在塑料基底上形成工作電極以及印刷電導線，其中電導線用于與外部環境電耦合以輸出工作電極及與參考電極檢測到的信號；第五步驟250，去除掩膜。采用上述步驟即可制造得到本發明的塑料電位離子選擇感測器。在本實施例中，工作電極120與參考電極130形成于塑料基底110的同一側的表面。在其他實施例中，工作電極與參考電極可分別形成于塑料基底的不同側的表面，且具有復數電導線形成于不同側的表面，以使工作電極與參考電極分別與不同的電導線相連接。在另一制造塑料電位離子選擇感測器的方法中參考電極與工作電極可各自印刷在不同的塑料基底上然后將各基底組合至一起。本實施例的另一實施方式中，工作電極可采用射頻濺鍍或印刷的方法形成于塑料基底上。本實施例的另一實施方式中，第四步驟240于塑料基底上形成工作電極進一步包括在上述塑料基底上形成第一導電層及在第一導電層上形成第一感測層。第一導電層具有低電阻以提高檢測信號的傳輸效率。第一導電層的材質可選自金、銅、碳、銀、氯化銀或氧化銦錫。第一感測器的材質可選自二氧化錫、二氧化鈦或氮化鈦。本實施例的其他實施方式中，第二步驟220于塑料基底上印刷參考電極進一步包括在上述塑料基底上形成第二感測層。第二感測層的材質可選自銅、碳、銀、金、氯化銀、鉬或氧化銦錫。實施例根據以上描述，印刷在塑料基底上的工作電極、參考電極與電導線借助以下步驟形成于整個基底上粘接一層銅，然后采用一個臨時掩膜遮蔽后去除(例如采用蝕刻法)不需要的銅而保留所需要的銅線路。一些印刷方法可用來在裸基底(或具有一層非常薄的銅層的基底上)上制作線路。通常這是通過包括多個電鍍步驟的復合工藝實現的。有三種通用的“減法工藝”(用于去除銅層的工藝)可用于上述印刷方法(1)采用絲網印刷的方法形成阻蝕的墨水以保護銅箔。后續采用蝕刻步驟去除不需要部分的銅。可替換地，上述墨水可為導電性墨水，并印刷于一空白(不導電)的底板上；(2)采用一個光罩進行光蝕刻從基底上去除銅箔。光罩通常根據來自技術人員設計的數據或者電腦輔助制造軟件生成的數據采用光繪圖儀制成。激光印刷透明膠片通常用于曝光用具。然而直接激光成像技術可用來取代用于高分辨率要求的曝光用具。(3)采用兩軸或三軸機械銑削系統直接從基底上銑去銅箔。上述印刷工藝還可采用“加法”工藝，其中最通用的是“半加成法(semi-additive)“工藝。其中未圖案化的底板上已經具有一層薄銅層。然后一個逆掩膜(reversemask)被置于底板上(與減法工藝所使用的掩膜不同，逆掩膜將基底上最后成為線路的部分曝露出來)。額外的銅借助電鍍形成在底板未被掩蓋的區域上；銅可鍍至任何需要的厚度。然后進行錫鉛或其他表面電鍍。上述逆掩膜被剝離，然后采用一快速蝕刻步驟從底板上去除當前曝露出來的原始銅層壓板以膈開各線路。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。權利要求1.一種塑料電位離子選擇感測器，其特征在于包括一個塑料基底；至少一個形成于該塑料基底上的工作電極；一個印刷于該塑料基底上的參考電極；以及印刷于該塑料基底上的電導線，該電導線用于電耦合至外部環境以傳輸檢測信號。2.如權利要求1所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該塑料基底的材質選自聚乙烯對苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚鄰苯二甲酸酯、聚四氟乙烯、聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺、茂金屬環烯烴共聚物、丙烯腈_丁二烯_苯乙烯共聚物、聚乙烯、丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、環氧樹脂及其共聚物或雜聚物。3.如權利要求1所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該工作電極包括形成于該塑料基底上的一層第一導電層；以及形成于該第一導電層上的一層第一感測層。4.如權利要求3所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該第一導電層的材質選自銅、碳、銀、金、氯化銀或氧化銦錫。5.如權利要求3所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該第一感測層的材質選自二氧化錫、二氧化鈦或氮化鈦。6.如權利要求3所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該工作電極進一步包括形成該第一感測層頂部的離子選擇層，或者該離子選擇層取代該第一感測層。7.如權利要求1所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該參考電極包括形成于該塑料基底上的第二感測層，其中該第二感測層可選擇性地與該塑料基底接觸或非接觸。8.如權利要求7所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該第二感測層的材質選自銅、碳、銀、金、氯化銀、氧化銦錫或鉬。9.如權利要求7所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該參考電極進一步包括形成于該第二感測層與該塑料基底之間的第二導電層。10.如權利要求9所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該參考電極進一步包括形成于該第二感測層頂部的聚合物或凝膠層，或者該聚合物或凝膠層取代該第二感測層。11.如權利要求1所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該電導線包括多根分別連接到該工作電極與該參考電極的連接線，該檢測信號分別由該工作電極與該參考電極產生且通過該多根連接線傳輸。12.如權利要求1所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該電位離子選擇感測器進一步包括印刷于該塑料基底上的信號處理單元，其中該信號處理單元用于接收與處理該檢測信號。13.如權利要求1所述的塑料電位離子選擇感測器，其特征在于該工作電極與該參考電極形成于該塑料基底的同一側的表面或不同側的表面。14.一種制造塑料電位離子選擇感測器的方法，包括提供一個塑料基底；在該塑料基底上印刷一個參考電極；采用一掩膜遮蔽該參考電極以在后續工藝中覆蓋該參考電極；在該塑料基底上形成一個工作電極以及在該塑料基底上印刷電導線，其中該電導線用于電耦合至外部環境以傳輸檢測信號；以及去除該掩膜。15.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于該塑料的材質選自聚乙烯對苯二甲酸酯、聚碳酸酯、聚鄰苯二甲酸酯、聚四氟乙烯、聚醚砜、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺、茂金屬環烯烴共聚物、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚乙烯、丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、環氧樹脂、及其共聚物或雜聚物。16.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于該工作電極采用印刷工藝形成于該塑料基底上。17.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于該工作電極采用射頻濺鍍工藝形成于該塑料基底上。18.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于在該塑料基底上形成該工作電極的步驟進一步包括在該塑料基底上形成第一導電層；以及在該第一層電層上形成第一感測層。19.如權利要求18所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于該第一導電層的材質選自銅、碳、銀、金、氯化銀或氧化銦錫。20.如權利要求18所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于該第一感測層的材質選自二氧化錫、二氧化鈦或氮化鈦。21.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于在該塑料基底上印刷該參考電極的步驟進一步包括在該塑料基底上形成第二感測層，其中該第二感測層選自銅、碳、銀、金、氯化銀、氧化銦錫或鉬。22.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于該電導線包括多根分別連接到該工作電極與該參考電極的連接線，該檢測信號分別由該工作電極與該參考電極產生且通過該多根連接線傳輸。23.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其中該印刷方法選自以下方法減法工藝、絲網印刷、光蝕刻、銑削、與加成法工藝。24.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，在去除該掩膜之前進一步包括于該塑料基底上印刷一個信號處理單元，其中該信號處理單元用于接收與處理該檢測信號。25.如權利要求14所述的制造塑料電位離子選擇感測器的方法，其特征在于該工作電極與該參考電極形成于該塑料基底的同一側的表面或不同側的表面。全文摘要本發明揭示一種可采用濺鍍與/或印刷工藝制作成微形組件的基于場效應管的塑料電位離子選擇感測器。塑料電位離子選擇感測器不需要用額外的偏置電壓來轉換信號。本發明揭示的塑料電位離子選擇感測器包括一個塑料基底、形成于塑料基底上的至少一個工作電極、印刷在該基底上的參考電極、以及印刷在該基底上的電導線。電導線用于電耦合至外部環境以傳輸工作電極與參考電極檢測到的信號。所揭示的塑料電位離子選擇感測器是可替換的。文檔編號C23C14/34GK101995424SQ201010152999公開日2011年3月30日申請日期2010年4月22日優先權日2009年8月6日發明者蕭敻,馬國棟申請人:中研應用感測科技股份有限公司