補償由壓力和物理應(yīng)力引起的pH測量誤差的設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及補償由壓力和物理應(yīng)力引起的pH測量誤差的設(shè)備和方法。一種pH感測設(shè)備包括離子感測電池，該離子感測電池包括：第一半電池，包括暴露于周圍溶液的第一離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)；和暴露于周圍溶液的第二參比半電池。該pH感測設(shè)備進一步包括壓力敏感補償回路，其包括非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET)。該pH感測設(shè)備被配置為使用來自離子感測電池的信號和來自壓力敏感補償回路的反饋來補償壓力和物理應(yīng)力的至少一個。該pH感測電池進一步包括處理裝置，該處理裝置被配置為計算被補償以最小化壓力和物理應(yīng)力的至少一個的最終pH讀數(shù)。
【專利說明】補償由壓力和物理應(yīng)力引起的pH測量誤差的設(shè)備和方法
[0001 ] 關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)聲明
[0002]本發(fā)明在美國海軍研究辦公室授予的N00014-10-1-0206政府支持下完成。政府對本發(fā)明具有某些權(quán)利。

【背景技術(shù)】
[0003]研究者測量海洋中CO2水平以監(jiān)視全球變暖的風(fēng)險和海洋健康。測量不同深度的海洋PH是研究者用于確定海洋中CO2水平的一種方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種pH感測設(shè)備包括離子感測電池(cell)，該離子感測電池包括:第一半電池，包括暴露于周圍溶液的第一離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET);和暴露于周圍溶液的第二參比半電池。該PH感測設(shè)備進一步包括壓力敏感補償回路，其包括非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET)。該pH感測設(shè)備被配置為使用來自離子感測電池的信號和來自壓力敏感補償回路的反饋來補償壓力和物理應(yīng)力的至少一個。該PH感測電池進一步包括處理裝置，該處理裝置被配置為計算被補償以最小化壓力和物理應(yīng)力的至少一個的最終PH讀數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]應(yīng)理解附圖僅描繪示例性的實施例并且因此不被認為是范圍的限定，示例性實施例將通過使用附圖來以附加的特征和細節(jié)進行描述，其中:
[0006]圖1A-1D示出了示例性pH感測設(shè)備的框圖。
[0007]圖2A示出了圖1A的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0008]圖2B示出了圖1A的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0009]圖3A示出了圖1B的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0010]圖3B示出了圖1B的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0011]圖4A示出了圖1C的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0012]圖4B示出了圖1C的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0013]圖5A示出了圖1D的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0014]圖5B示出了圖1D的示例性pH感測設(shè)備的示例性實施例的更詳細示意圖。
[0015]圖6示出了限制pH傳感器輸出的測量誤差的示例性方法。
[0016]按照慣例，各個描述的特征不是按比例繪制的，而是被繪制以強調(diào)與示例性實施例相關(guān)的具體特征。

【具體實施方式】
[0017]在下面具體描述中，參考形成其一部分并且其中通過舉例示出特定說明性實施例的附圖。然而，應(yīng)該理解其它實施例也可以被利用，并且可以進行邏輯、機械和電學(xué)方面的改變。進一步地，在附圖和說明書中給出的方法不能理解為限定各個步驟的執(zhí)行次序。以下的具體描述因此不具有限定的意義。
[0018]pH傳感器的一種結(jié)構(gòu)為被稱為離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)的固態(tài)半導(dǎo)體裝置。在示例性實施例中，ISFET與參比半電池聯(lián)合使用以測量周圍溶液的pH值。電流型pH感測設(shè)備的準確性受到測量誤差的限制，所述測量誤差由與深海使用相關(guān)聯(lián)的巨大的機械應(yīng)力和與使得傳感器強到足以在大的壓力變化和長時間段的周期載荷下操作相關(guān)聯(lián)的包裝應(yīng)力引起。另外，PH傳感器的準確度由于ISFET的溫度敏感性而受限。需要一種能夠抵抗這些應(yīng)力的深海pH傳感器。
[0019]圖1A是示例性pH感測設(shè)備100A的框圖。設(shè)備100A包括三個主要部件:壓力敏感補償回路102、離子感測電池104和處理裝置106。離子感測電池104分成兩個半電池:ISFET半電池104A和參比半電池104B。ISFET半電池104A包括第一 ISFET (例如下面的圖2-5所示的第一 ISFET202)。在其它示例性實施例中，離子感測電池104沒有分成兩個半電池。在其它示例性實施例中，離子感測電池104分成更多數(shù)量的子電池。
[0020]在pH感測設(shè)備100A的示例性實施例中，壓力敏感補償回路102包括非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET)(例如NISFET204或NISFET250)。在示例性實施例中，NISFET (例如NISFET204)是被離子阻塞膜(例如離子阻塞膜218)密封的ISFET，使得它不再對諸如海水之類的待測溶液(例如待測溶液220)中的離子敏感。示例性離子阻塞膜(例如離子阻塞膜218)包括用以禁用柵極的金屬沉積和用以防止金屬沉積腐蝕的絕緣沉積。在示例性實施例中，金屬沉積包括金、鉬、鈦、鉭、鎳、鉻、招、鶴、銥、或銀。在示例性實施例中，絕緣沉積包括氧化硅、氧化鋁、類鉆碳(DLC)、氮化鋁、玻璃組分、氧化鉭、氧化鈹、或氮化硅。在示例性實施例中，NISFET(例如NISFET250)為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。在示例性實施例中，NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的壓力和溫度敏感度基本等于第一 ISFET (例如第一 ISFET202)。NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的壓力和溫度敏感度與第一ISFET(例如第一 ISFET202)越接近，該差分結(jié)構(gòu)(differential setup)能夠越好地提供補償。在示例性實施例中，ISFET (例如ISFET202)和NISFET (例如NISFET204或NISFET250)將具有常用的硅基底。在示例性實施例中，ISFET (例如ISFET202)和NISFET (例如NISFET204或NISFET250)在常用的晶片上制造。
[0021]示例性pH感測設(shè)備100A的壓力敏感度補償回路102將模擬反饋直接提供到ISFET半電池104A，其針對壓力和物理應(yīng)力中的至少一個對ISFET半電池104A的電位進行補償。在示例性實施例中，處理裝置被配置為接收參比半電池104B的電位并進一步根據(jù)ISFET半電池104A和參比半電池104B的電位的不同來確定pH水平。
[0022]圖1B是示例性pH感測設(shè)備100B的框圖。在示例性pH感測設(shè)備100B中，來自壓力敏感補償回路102的反饋不直接到達ISFET半電池104A。而是，壓力敏感補償回路102提供數(shù)字反饋到處理裝置106。處理裝置106然后使用來自壓力敏感補償回路102的反饋針對壓力或物理應(yīng)力中的至少一個對來自離子感測電池104的測得的pH水平進行補償。
[0023]圖1C是示例性pH感測設(shè)備100C的框圖。與示例性pH感測設(shè)備100B —樣，示例性PH感測設(shè)備100C的壓力敏感補償回路102提供數(shù)字反饋到處理裝置106。處理裝置106通信地耦合到NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的源極并提供電壓。在示例性實施例中，處理裝置106還提供電壓到壓力敏感補償回路102的NISFET (例如NISFET250)的柵極。處理裝置106然后使用來自壓力敏感補償回路102的反饋并通過調(diào)整提供給NISFET的(一個或多個)電壓來針對壓力或物理應(yīng)力中的至少一個對來自離子感測電池104的測得的PH水平進行補償。通過允許處理裝置106直接控制NISFET，由處理裝置106針對壓力和物理應(yīng)力中的至少一個所執(zhí)行的補償比在示例性pH感測設(shè)備100B中的更為精細。
[0024]圖1D是示例性pH感測設(shè)備100D的框圖。與示例性pH感測設(shè)備100B和示例性pH感測設(shè)備100C —樣，示例性pH感測設(shè)備100D的壓力敏感補償回路102向處理裝置106提供數(shù)字反饋。處理裝置106通信地耦合到NISFET (例如NISFET204或NISFET250)的源極并且提供電壓。在示例性實施例中，處理裝置106還提供電壓到壓力敏感補償回路102的NISFET (例如NISFET204)，類似于示例性pH感測設(shè)備100C。處理裝置106還提供電壓到離子感測電池104的ISFET半電池104A。處理裝置106然后使用來自壓力敏感補償回路102的反饋，通過調(diào)整提供給NISFET的(一個或多個)電壓和通過調(diào)整提供給離子感測電池104的ISFET半電池104A的電壓來針對壓力或物理應(yīng)力中的至少一個對來自離子感測電池104的測得的pH水平進行補償。通過允許處理裝置106直接控制ISFET，由處理裝置106針對壓力和物理應(yīng)力的至少一個所執(zhí)行的補償比示例性pH感測設(shè)備100C更精細。
[0025]圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的pH感測設(shè)備200A的實施例。pH感測設(shè)備200A包括第一ISFET202 和 NISFET204，其中 ISFET202 和 NISFET204 在差分結(jié)構(gòu)中。第一 ISFET202 的源極通信地耦合到放大器206的反相輸入。電壓源208 (-Vd)將ISFET202的漏-源電壓控制在預(yù)選擇的水平。電壓源ZlOGV1)驅(qū)動ISFET202和放大器206。參比電極214通信地耦合到放大器216的輸入。在示例性實施例中，參比電極214包括Ag/鹵化Ag(例如Ag/AgCl、Ag/Ag1、和Ag/AgBr), Hg/Hg0> Hg/鹵化Hg、IrflrO2或稀土鹵化物。在其它示例性實施例中，參比電極214被參比場效應(yīng)晶體管(REFET)和準參比電極代替。在圖2A所示的pH感測設(shè)備200A的示例性實施例中，放大器206的輸出驅(qū)動對電極(counter electrode) 212以便將第一 ISFET202的源極保持在電路公共端。電路公共端為放大器206的非反相輸入的電位。在示例性實施例中，對電極212包括金屬線、pH傳感器殼的金屬部分、或其它接觸待測溶液的導(dǎo)電金屬表面。對電極112還減少了參比電極214上的雜散電流。在其它實施例中，不包括對電極212。
[0026]在圖2A中，被示出為密封的ISFET的NISFET204的漏電流被電位源205 (+Vref)控制。NISFET204的漏極通信地耦合到互阻抗放大器222，其通信地耦合到電壓源210。信號調(diào)節(jié)器224可選地被添加到此連接以減少噪聲。
[0027]放大器216的輸出通信地耦合到處理裝置106。圖2A還包括附加的輸入(包括傳感器和時鐘)和輸出(包括通信接口和顯示器)，其可選地通信地耦合到處理裝置106以用于傳感器的補償和傳輸和/或顯不。在不例性實施例中，附加的輸入包括:至少一個溫度傳感器228，至少一個壓力傳感器230和至少一個參比時鐘232 (例如基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的時鐘)，顯示器234，和/或通信接口 236。在示例性實施例中，至少一個溫度傳感器228，至少一個壓力傳感器230和至少一個參比時鐘由處理裝置106使用以執(zhí)行附加的補償。在示例性實施例中，至少一個溫度傳感器228被配置為測量pH感測設(shè)備200A中的一點處的溫度，其可以然后被用于進一步補償輸出。在示例性實施例中，至少一個壓力傳感器被配置為測量PH感測設(shè)備中的一點處的壓力，其可以然后被用于進一步補償pH感測設(shè)備200A的輸出。
[0028]在使用多于一個溫度傳感器228的示例性實施例中，可以測量并補償熱梯度。在示例性實施例中，在設(shè)備的多個點處的溫度通過多個溫度傳感器(例如傳感器228)來測量，并且使用多個溫度傳感器之間的已知距離來計算熱梯度。在示例性實施例中，在基本上相同的時間測量溫度。在示例性實現(xiàn)中，溫度傳感器使用參比時鐘232同步，這樣多個溫度傳感器在基本相同的時間測量溫度。在示例性實施例中，處理裝置進一步被配置為基于設(shè)備中的多個點處的溫度差異和多個溫度傳感器之間的已知距離來確定多個點之間的熱梯度。在示例性實現(xiàn)中，該梯度通過將多個溫度傳感器之間的溫度變化除以傳感器之間的距離來計算。
[0029]在示例性實施例中，顯示器234顯示經(jīng)補償?shù)膒H讀數(shù)或其它信息。在示例性實施例中，通信接口 236用于將經(jīng)補償?shù)膒H讀數(shù)或其它信息傳送到另一裝置、另一系統(tǒng)和/或另一設(shè)備。在示例性實施例中，通信接口 236包括有線通信端口和無線通信收發(fā)器和天線中的至少一個。
[0030]NISFET204的電壓輸出的變化與它經(jīng)受的壓力和物理應(yīng)力相關(guān)。由于NISFET204具有與ISFET202相同的壓力和溫度敏感度，兩者經(jīng)受的壓力和物理應(yīng)力也會相同。通過提供來自NISFET204的模擬反饋以調(diào)整(驅(qū)動ISFET202和放大器206的)電壓源210，由于壓力和物理應(yīng)力中的至少一個引起的ISFET202的電壓輸出的變化可以被補償。該補償將得到比沒有使用來自NISFET204的補償?shù)那闆r下更準確的pH讀數(shù)。
[0031]在示例性實施例中，pH感測設(shè)備200A是圖1A中所示的pH感測設(shè)備100A的示例性實施例的特定實施例，并且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104，和處理裝置106，如圖2A中所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備200A的離子感測電池104包括第一ISFET202、參比電極214、對電極212、放大器206、放大器216、電壓源208和電壓源210。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備200A的壓力敏感補償回路102包括NISFET204，電位源205，互阻抗放大器222，和可選的信號調(diào)節(jié)器224。
[0032]如以上所提到的，在示例性實施例中，NISFET為密封的ISFET或M0SFET。圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的PH感測設(shè)備200B的實施例。pH感測設(shè)備200B與pH感測設(shè)備200A相同，除了圖2A中的NISFET204被NISFET250取代，其為M0SFET。在示例性實施例中，NISFET250的通道的尺寸由放大器252的輸出和電位源205 (+Vief)控制。從使用pH感測設(shè)備200B的差分結(jié)構(gòu)可得到的補償能力與從使用PH感測設(shè)備200A的差分結(jié)構(gòu)得到的相同。
[0033]在示例性實施例中,pH感測設(shè)備200B是圖1A中所示的示例性實施例pH感測設(shè)備100A的特定實現(xiàn)，且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104和處理裝置106，如圖2B所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備200B的離子感測電池104包括第一 ISFET202，參比電極214，對電極212，放大器206，放大器216，電壓源208，和電壓源210。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備200A的壓力敏感補償回路102包括NISFET250，電位源205，放大器252，互阻抗放大器222和可選的信號調(diào)節(jié)器224。
[0034]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的pH感測設(shè)備300A的另一實施例。該實施例類似于圖2A中的設(shè)備200A，因此僅討論電路中的區(qū)別。
[0035]在設(shè)備300A中，NISFET204的漏極不是通信地耦合到電壓源210。在示例性實施例中，由于圖2A的示例性pH感測設(shè)備200A的這一改變，電阻器301 (R1)添加到電路中以控制ISFET202的漏-源電流。NISFET204的漏極通過互阻抗放大器220和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302被通信地耦合到處理裝置106。信號調(diào)節(jié)器224能夠可選地添加以減少信號的噪聲。NISFET204的電壓輸出的變化與其經(jīng)受的壓力和物理應(yīng)力有關(guān)。通過將NISFET204的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并且將該信號發(fā)送到處理裝置106，由壓力和物理應(yīng)力中至少一個所引起的ISFET202的電壓輸出的變化以比圖2A中的設(shè)備200A更精細的方式得到補償。例如在示例性實施例中，處理裝置106被配置為使用嵌入的軟件應(yīng)用來執(zhí)行自適應(yīng)校準。由于無源部件不需要被替代，這允許比圖2A中的設(shè)備200A更快速和更廉價的變化。
[0036]放大器216的輸出被通信地耦合到處理裝置106。處理裝置106接收來自放大器216和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302的輸出。處理裝置106使用來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器302的輸出來補償來自放大器216的信號。在示例性實施例中，處理裝置106的補償包括使用補償表、補償曲線和/或過濾。通過設(shè)備300A所做出的最終pH確定針對壓力和物理應(yīng)力的至少一個進行補償并且比其它不向處理裝置106提供數(shù)字反饋的深海pH傳感器更準確。
[0037]在示例性實施例中，pH感測設(shè)備300A是如圖1B所示的pH感測設(shè)備100B的示例性實施例的特定實現(xiàn)，且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104，和處理裝置106，如圖3A所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備300A的離子感測電池104包括第一 ISFET202，參比電極214，對電極212，放大器206，放大器216，電壓源208，電阻器301，和電壓源210。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備300A的壓力敏感補償回路102包括NISFET204，電位源205，互阻抗放大器222，可選的信號調(diào)節(jié)器224，和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302。
[0038]如以上提到的，在示例性實施例中，NISFET是密封的ISFET或M0SFET。圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的PH感測設(shè)備300B的實施例。pH感測設(shè)備300B與pH感測設(shè)備300A相同，除了圖3A中的NISFET204被NISFET250取代，其為M0SFET。在示例性實施例中，NISFET250的通道尺寸被放大器252的輸出和電位源205 (+Vref)控制。從使用pH感測設(shè)備300B的差分結(jié)構(gòu)得到的補償能力與從使用PH感測設(shè)備300A的差分結(jié)構(gòu)得到的補償能力相同。
[0039]在示例性實施例中,pH感測設(shè)備300B是圖1B所示的pH感測設(shè)備100B的示例性實施例的特定實現(xiàn)，且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104，處理裝置106，如圖3B所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備300B的離子感測電池104包括第一 ISFET202，參比電極214，對電極212，放大器206，放大器216，電壓源208，電阻器301，和電壓源210。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備300A的壓力敏感補償回路102包括NISFET250，電位源205，放大器252，互阻抗放大器222，可選的信號調(diào)節(jié)器224，和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302。
[0040]圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明的pH感測設(shè)備400A的另一個實施例。該實施例類似于圖3A的設(shè)備300A，因此僅討論電路的區(qū)別。
[0041]通常地，相比圖3A中的設(shè)備300A，設(shè)備400A在電路中包括了更大量的數(shù)字化。在設(shè)備400A中，NISFET204的漏電流由處理裝置106控制。特別地，處理裝置106向NISFET204的源極發(fā)送信號，其通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器402從數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成電壓。通過用該連接替代電位源205 (+V,ef)，提供到NISFET204的源極的電壓可以更容易地被控制和調(diào)整。該更高水平的控制使得更精細的補償?shù)靡詫嵤?br> [0042]在示例性實施例中,pH感測設(shè)備400A是圖1C中所示的pH感測設(shè)備100C的示例性實施例的特定實現(xiàn)，且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104，和處理裝置106，如圖4A所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備400A的離子感測電池104包括第一 ISFET202，參比電極214，對電極212，放大器206，放大器216，電壓源208，電阻器301，和電壓源210。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備400A的壓力敏感補償回路102包括NISFET204，互阻抗放大器222，可選的信號調(diào)節(jié)器224，和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302。
[0043]如以上提到的，在示例性實施例中，NISFET是密封的ISFET或M0SFET。圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明的PH感測設(shè)備400B的實施例。pH感測設(shè)備400B與pH感測設(shè)備400A類似。但是，在設(shè)備400B和設(shè)備400A之間有一些不同。在設(shè)備400B中，來自設(shè)備400A的NISFET204被NISFET250取代，其為M0SFET。在從處理裝置106到NISFET250的密封的柵極區(qū)域之間存在附加的連接。處理裝置106向NISFET250的密封的柵極發(fā)送信號，其由數(shù)模轉(zhuǎn)換器404從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓。圖3B中的設(shè)備300B的該變化使得處理裝置106控制NISFET250中的通道的尺寸。
[0044]通過允許處理裝置106影響NISFET250，除了執(zhí)行上面討論的補償外，圖4B中的設(shè)備400B的補償?shù)木毸教岣叩礁哂趫D3B中的設(shè)備300B。例如，ISFET202和NISFET250的共模誤差可以在設(shè)備400B中得到補償。
[0045]在示例性實施例中，pH感測設(shè)備400B是圖1C中所示的pH感測設(shè)備100C的示例性實施例的特定實現(xiàn)，且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104，和處理裝置106，如圖4B所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備400B的離子感測電池104包括第一 ISFET202，參比電極214，對電極212，放大器206，放大器216，電壓源208，電阻器301，和電壓源210。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備400B的壓力敏感補償回路102包括NISFET250，互阻抗放大器222，可選的信號調(diào)節(jié)器224，和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302。
[0046]圖5A示出了根據(jù)本發(fā)明的pH感測設(shè)備500A的另一實施例。該實施例與圖4A的設(shè)備400A類似，因此將僅討論電路的區(qū)別。
[0047]大體上，相比圖4A中的設(shè)備400A，設(shè)備500A在電路中包括更大量的數(shù)字化。在設(shè)備500A中，處理裝置106向ISFET202和放大器206提供電壓。處理裝置106向放大器206的反相輸入和ISFET202的源極發(fā)送數(shù)字信號(其通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器502被轉(zhuǎn)換為電壓)。該電壓使用來自NISFET204的反饋來確定，類似于圖2的設(shè)備200。但是，由于處理裝置106發(fā)送該信號，所以圖3-4的電壓源210和電阻器301在該實施例中不是必需的。
[0048]ISFET202的漏極通信地耦合到處理裝置106，且ISFET202通過此連接提供反饋。來自ISFET202的漏極的信號是電流。該信號通過互阻抗放大器504轉(zhuǎn)換為電壓。由互阻抗放大器504產(chǎn)生的電壓信號可以可選地被信號調(diào)節(jié)器506過濾。該信號然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器508轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并被處理裝置106接收。
[0049]從處理裝置106向ISFET202和放大器206提供的反饋使得處理裝置106可以控制對這些裝置進行驅(qū)動的電壓。在示例性實施例中，除了上面討論的所有的補償，通過修整提供給ISFET202的電壓，處理裝置106補償了壓力和物理應(yīng)力中的至少一個。而且，因為NISFET204向處理裝置106直接提供反饋，可以利用多級補償以產(chǎn)生更準確的pH確定。
[0050]在示例性實施例中,pH感測設(shè)備500A是圖1D中所示的pH感測設(shè)備100D的示例性實施例的特定實現(xiàn)，且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104，和處理裝置106，如圖5A所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備500A的離子感測電池104包括第一 ISFET202，參比電極214，對電極212，放大器206，和放大器216。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備500A的壓力敏感補償回路102包括NISFET204，互阻抗放大器222，可選的信號調(diào)節(jié)器224，和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302。
[0051]如以上提到的，在示例性實施例中NISFET是密封的ISFET或M0SFET。圖5B示出了根據(jù)本發(fā)明的PH感測設(shè)備500B的實施例。pH感測設(shè)備500B類似于pH感測設(shè)備500A。但是,在設(shè)備500B和設(shè)備500A之間有一些不同。在設(shè)備500B中，設(shè)備500A的NISFET204被NISFET250替代，其為MOSFET。從處理裝置106到NISFET250的密封的柵極區(qū)域之間還存在附加的連接。處理裝置106向NISFET250的密封的柵極發(fā)送信號，其被數(shù)模轉(zhuǎn)換器404從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓。該連接使得處理裝置106控制NISFET250中的通道的尺寸。
[0052]在示例性實施例中,pH感測設(shè)備500B是圖1D所示的pH感測設(shè)備100D的示例性實施例的特定實現(xiàn)，且包括壓力敏感補償回路102，離子感測電池104，和處理裝置106，如圖5B所示。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備500B的離子感測電池104包括第一 ISFET202，參比電極214，對電極212，放大器206，和放大器216。在示例性實施例中，pH感測設(shè)備500B的壓力敏感補償回路102包括NISFET250，互阻抗放大器222，可選的信號調(diào)節(jié)器224，和模數(shù)轉(zhuǎn)換器302。
[0053]圖6是根據(jù)本發(fā)明的對pH感測設(shè)備的輸出的測量誤差進行限制的方法600的流程圖。在示例性實施例中，參考方法600所描述的pH感測設(shè)備為設(shè)備100A，100B，100C，100D，200，300，400 或 500 中的任一個。
[0054]在框602，pH感測設(shè)備被放置在待測溶液內(nèi)(例如待測溶液220)，例如海水。電壓源(例如電壓源210)用于給第一 ISFET (例如第一 ISFET202)和放大器(例如放大器206)供電。當(dāng)設(shè)備被放置在待測溶液內(nèi)時，跨ISFET的柵極兩端的電位受離子影響并且將導(dǎo)致流過裝置的電荷。來自參比電極(例如參比電極214)的電位將然后被測量并通過處理裝置與電路公共端比較。通過測量參比電極電位和ISFET的電位之差，能夠確定pH讀數(shù)，ISFET位于電路公共端。
[0055]在框604，NISFET (例如NISFET204或NISFET250)將測量ISFET上的壓力和物理應(yīng)力中的至少一個的影響。盡管NISFET不受待測溶液的離子的影響，NISFET仍然將受到溫度、來自包裝的壓力和/或物理應(yīng)力、隨時間的粘彈性或應(yīng)力松弛、和熱-機械應(yīng)力的影響。在示例性實施例中，NISFET的輸出電壓的變化僅表示由于壓力和/或其它物理應(yīng)力帶來的影響并且不會隨待測溶液的PH變化。
[0056]在框606，來自框602的pH讀數(shù)通過使用來自NISFET的反饋對壓力和物理應(yīng)力中的至少一個進行補償。該步驟可以以多種方式實施，其將在下面的段落中詳細討論。
[0057]在一個示例性實施例中，來自NISFET的輸出通過模擬信號提供反饋以修整對ISFET和放大器進行驅(qū)動的電壓源。這調(diào)整了 ISFET的電位。通過對電壓源做這樣的調(diào)整，框602的pH感測步驟將產(chǎn)生pH讀數(shù)，該讀數(shù)針對壓力和物理應(yīng)力得到補償。
[0058]在其它示例性實施例中，來自NISFET的輸出通過數(shù)字信號向處理裝置提供反饋。處理裝置然后針對由壓力和物理應(yīng)力中的至少一個引起的誤差執(zhí)行對PH測量的補償。在示例性實施例中，該補償包括使用補償表，補償曲線和/或過濾。這不包括發(fā)送反饋信號以調(diào)整ISFET的電位。
[0059]在另一個示例性實施例中，處理裝置向ISFET發(fā)送信號以調(diào)整ISFET的電位。處理裝置使用來自NISFET的反饋以便確定應(yīng)該向ISFET發(fā)送什么信號。處理裝置還將調(diào)整ISFET的電位，作為當(dāng)進行最終pH確定時所執(zhí)行的計算的一部分。
[0060]處理裝置106包括或運行軟件程序、固件或其它計算機可讀指令以實施用于pH感測設(shè)備中的各種方法、處理任務(wù)、計算、和控制功能。這些指令可以通常存儲在任何適合的計算機可讀介質(zhì)，其用于儲存計算機可讀指令或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。計算機可讀介質(zhì)可以被實現(xiàn)為任何可獲得的介質(zhì)，該介質(zhì)可以通過通用或?qū)Ｓ玫挠嬎銠C或處理器，或任意可編程邏輯器件來訪問。適合的處理器-可讀介質(zhì)可以包括存儲或內(nèi)存介質(zhì)，例如磁或光介質(zhì)。舉例來說，存儲或內(nèi)存介質(zhì)可以包括傳統(tǒng)的硬盤，光盤-只讀內(nèi)存(CD-ROM)，易失性或非易失性介質(zhì)例如隨機存取內(nèi)存(RAM)(包括但不限于，同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存(SDRAM)，雙數(shù)據(jù)速率(DDR) RAM, RAMBUS動態(tài)RAM (RDRAM)，靜態(tài)RAM(SRAM)，等)，只讀內(nèi)存(ROM)，電可擦除可編程ROM(EEPROM)和閃存等。適合的處理器-可讀介質(zhì)還可以包括傳輸介質(zhì)例如電、電磁、或數(shù)字信號，其通過例如網(wǎng)絡(luò)和/或無線連接等傳送介質(zhì)進行傳送。
[0061]雖然在這里說明和描述了特定的實施例，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)明白旨在實現(xiàn)相同目的的任意布置可以用來替代所示的特定實施例。因此，應(yīng)明了本發(fā)明僅由權(quán)利要求和其等效物限定。
[0062]示例件實施例
[0063]示例I包括一種pH感測設(shè)備包括:離子感測電池，其中離子感測電池包括:第一半電池，包括暴露于周圍溶液的第一離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET);和暴露于周圍溶液的第二參比半電池；壓力敏感補償回路，包括非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET);其中pH感測設(shè)備被配置為使用來自離子感測電池的信號和來自壓力敏感補償回路的反饋來補償壓力和物理應(yīng)力中的至少一個；和處理裝置，被配置為計算被補償以最小化壓力和物理應(yīng)力中的至少一個的最終pH讀數(shù)。
[0064]示例2包括示例I的pH感測設(shè)備，其中NISFET從包括以下的組中選擇:密封的且對周圍溶液的離子不敏感的的第二 ISFET ;和對周圍溶液的離子不敏感的的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0065]示例3包括示例I或2的任一的pH感測設(shè)備，其中NISFET為第二 ISFET，其利用以下的至少一個密封:選自包括金、鉬、鈦、鉭、鎳、鉻、鋁、鎢、銥、和銀的組的金屬沉積；和選自包括氧化娃、氧化招、類鉆碳(DLC)、氮化招、玻璃組分、氧化鉭、氧化鈹、和氮化娃的組的絕緣沉積。
[0066]示例4包括示例1-3的任一的pH感測設(shè)備，其中第一 ISFET和NISFET具有常用的硅基底。
[0067]示例5包括示例1-4的任一的pH感測設(shè)備，其中離子感測電池的第一半電池進一步包括對電極。
[0068]示例6包括示例1-5的任一的pH感測設(shè)備,其中參比半電池包括以下的至少一個:參比電極；和參比場效應(yīng)晶體管(REFET)和準參比電極。
[0069]示例7包括示例1-6的任一的pH感測設(shè)備，其中壓力敏感補償回路通信地耦合到離子感測電池的第一半電池。
[0070]示例8包括示例1-7的任一的pH感測設(shè)備，其中壓力敏感補償回路通信地耦合到處理裝置。
[0071]示例9包括示例1-8的任一的pH感測設(shè)備，其中處理裝置向以下的至少一個發(fā)送反饋:第一 ISFET ;和 NISFET。
[0072]示例10包括示例1-9的任一的pH感測設(shè)備,進一步包括以下的至少一個:至少一個溫度傳感器，被配置為測量PH感測設(shè)備中的一點處的溫度；至少一個壓力傳感器，被配置為測量pH感測設(shè)備中的一點處的壓力；至少一個參比時鐘，被配置為同步pH感測設(shè)備的至少一個部件；至少一個顯示器，被配置為顯示最終PH讀數(shù)；和至少一個通信接口，被配置為將經(jīng)補償?shù)腜H讀數(shù)傳送到另一系統(tǒng)、另一裝置和另一設(shè)備中至少一個。
[0073]示例11包括示例1-10的任一的pH感測設(shè)備，其中處理裝置進一步被配置為補償設(shè)備內(nèi)的多個點之間的熱梯度；其中多個溫度傳感器測量設(shè)備內(nèi)多個點處的溫度；其中多個溫度傳感器通過至少一個參比時鐘進行同步，這樣多個溫度傳感器在基本相同的時間測量溫度；其中處理裝置進一步被配置為基于設(shè)備內(nèi)多個點處的溫度差異和多個溫度傳感器之間的已知距離來確定多個點之間的熱梯度。
[0074]示例12包括一種限制pH感測設(shè)備的輸出的測量誤差的方法，該方法包括:使用離子感測電池來感測周圍溶液的PH，該離子感測電池包括第一離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET);使用非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET)來感測pH感測設(shè)備上的壓力和物理應(yīng)力中的至少一個；補償由壓力和物理應(yīng)力中的至少一個引起的pH測量的變化。
[0075]示例13包括示例12的方法，其中NISFET選自包括以下的組:密封的，且對周圍溶液的離子不敏感的第二 ISFET ;和對周圍溶液的離子不敏感的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0076]示例14包括示例12-13的任一的方法，其中通過向第一 ISFET發(fā)送來自NISFET的模擬反饋來執(zhí)行補償。
[0077]示例15包括示例12-14的任一的方法，其中通過向處理裝置發(fā)送來自NISFET的數(shù)字反饋來實施補償。
[0078]示例16包括示例12-15的任一的方法，其中通過向處理裝置發(fā)送來自第一 ISFET和NISFET的數(shù)字反饋來執(zhí)行補償；和向以下的至少一個發(fā)送來自處理裝置的反饋:第一ISFET ;和 NISFETo
[0079]示例17包括示例12-16的任一的方法,進一步包括以下的至少一個:測量在pH感測設(shè)備中的一點處的溫度；測量在PH感測設(shè)備中的該點處的壓力；使用至少一個參比時鐘來同步PH感測設(shè)備內(nèi)的至少一個部件；利用至少一個顯示器來顯示最終補償?shù)膒H讀數(shù)；并且將pH感測設(shè)備的輸出傳送到另一系統(tǒng)、另一裝置和另一設(shè)備中至少一個。
[0080]示例18包括示例12-17的任一的方法,進一步包括通過以下方式針對設(shè)備內(nèi)的多個點之間的熱梯度來補償PH測量:使用多個溫度傳感器來測量設(shè)備內(nèi)的多個點處的溫度；使用至少一個參比時鐘同步多個溫度傳感器，以使得多個溫度傳感器在基本相同的時間測量溫度；基于設(shè)備中的多個點處的溫度差異和多個溫度傳感器之間的已知距離來確定多個點之間的熱梯度。
[0081]示例19包括pH感測設(shè)備包括:離子感測電池，其中離子感測電池包括:第一半電池包括:暴露于周圍溶液的第一離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET);和暴露于周圍溶液的對電極；和暴露于周圍溶液的第二參比半電池；壓力敏感補償回路，包括非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET);其中pH感測設(shè)備被配置為使用來自離子感測電池的信號和來自壓力敏感補償回路的反饋來補償壓力和物理應(yīng)力中的至少一個；處理裝置，被配置為計算被補償以最小化壓力和物理應(yīng)力中的至少一個的最終PH讀數(shù)；其中壓力敏感補償回路和離子感測電池提供數(shù)字反饋到處理裝置；并且其中處理裝置提供反饋到壓力敏感補償回路。
[0082]示例20包括示例19的pH感測設(shè)備，其中NISFET選自包括以下的組:密封的且對周圍溶液的離子不敏感的第二 ISFET ;對周圍溶液的離子不敏感的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0083]示例21包括示例19-20的任一的pH感測設(shè)備，其中處理裝置提供反饋到離子感測電池。
[0084]示例22包括示例19-21的任一的pH感測設(shè)備，其中NISFET為第二 ISFET，該第二ISFET利用以下的至少一個密封:選自由金、鉬、鈦、鉭、鎳、鉻、鋁、鎢、銥、和銀的組的金屬沉積；和選自包括氧化硅、氧化鋁、類鉆碳(DLC)、氮化鋁、玻璃組分、氧化鉭、氧化鈹、和氮化硅的組的絕緣沉積。
[0085]示例23包括示例19-22的任一的pH感測設(shè)備，其中第一 ISFET和NISFET具有常用的硅基底。
[0086]示例24包括示例19-23的任一的pH感測設(shè)備,其中參比半電池包括以下的至少一個:參比電極；和參比場效應(yīng)晶體管(REFET)和準參比電極。
[0087]示例25包括示例19-24的任一的pH感測設(shè)備,進一步包括以下的至少一個:至少一個溫度傳感器，被配置為測量PH感測設(shè)備中的一點處的溫度；至少一個壓力傳感器，被配置為檢測PH感測設(shè)備中的該點處的壓力；至少一個參比時鐘，被配置為同步pH感測設(shè)備的至少一個部件；至少一個顯示器，被配置為顯示最終pH讀數(shù)；和至少一個通信接口，被配置為將經(jīng)補償?shù)腜H讀數(shù)傳送到另一系統(tǒng)、另一裝置和另一設(shè)備中的至少一個。
[0088]示例26包括示例19-25的任一的pH感測設(shè)備，其中處理裝置進一步被配置為補償設(shè)備內(nèi)多個點之間的熱梯度；其中多個溫度傳感器測量設(shè)備內(nèi)多個點處的溫度；其中多個溫度傳感器由至少一個參比時鐘同步，這樣多個溫度傳感器在基本相同的時間測量溫度；其中處理裝置進一步被配置為基于設(shè)備中的多個點處的溫度差異和多個溫度傳感器之間的已知距離來確定多個點之間的熱梯度。
【權(quán)利要求】
1.一種 pH 感測設(shè)備(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B, 500A,500B)包括: 離子感測電池(104)，其中離子感測電池(104)包括: 第一半電池(104A)，包括暴露于周圍溶液(220)的第一離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET) (202);和 暴露于周圍溶液(220)的第二參比半電池(104B)； 壓力敏感補償回路(102)，包括非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET) (204,250)；
其中 pH 感測設(shè)備(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B, 500A,500B)被配置為使用來自離子感測電池(104)的信號和來自壓力敏感補償回路(102)的反饋來補償壓力和物理應(yīng)力中的至少一個；和 處理裝置(106)，被配置為計算被補償以最小化壓力和物理應(yīng)力中的至少一個的最終PH讀數(shù)。
2.權(quán)利要求1 的 pH 感測設(shè)備(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A,400B, 500A, 500B)，其中以下的至少一個: 壓力敏感補償回路(102)通信地耦合到離子感測電池(104)的第一半電池(104A)； 壓力敏感補償回路(102)通信地耦合到處理裝置(106);和 處理裝置(106)發(fā)送反饋到以下的至少一個: 第一 ISFET (202);和 NISFET (250)。
3.一種限制 pH 感測設(shè)備(100A, 100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B,500A,500B)的輸出的測量誤差的方法，該方法包括: 使用離子感測電池來感測(602)周圍溶液(220)的pH，所述離子感測電池包括第一離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET) (202)； 使用非離子敏感場效應(yīng)晶體管(NISFET) (204,250)來感測(604) pH感測設(shè)備(100A，100B, 100C, 100D, 200A, 200B, 300A, 300B, 400A, 400B, 500A, 500B)上的壓力和物理應(yīng)力的至少一個； 補償(606)由壓力和物理應(yīng)力的至少一個引起的pH測量的變化。
【文檔編號】G01N27/30GK104330445SQ201410325329
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月22日
【發(fā)明者】D·霍爾克黑默, D·S·維利茨 申請人:霍尼韋爾國際公司