阅读说明：本技术 集成离子传感设备和方法 (Integrated ion sensing apparatus and method ) 是由 A·伯杜克 A·奥都奈尔 T·奥德怀尔 H·伯尼 于 2018-05-15 设计创作，主要内容包括：提供集成的离子敏感探针。在例子中,离子敏感探针可包括半导体基板和附接半导体基板的第一无源电极。第一无源电极可被配置为接触溶液并提供第一电压,该第一电压是溶液中离子浓度的函数。在某些例子中,无源参比电极可以并置在半导体基板上。在一些例子中,处理电子设备可以集成在半导体基板上。(Integrated ion sensitive probes are provided. In an example, an ion-sensitive probe can include a semiconductor substrate and a first passive electrode attached to the semiconductor substrate. The first passive electrode may be configured to contact the solution and provide a first voltage that is a function of the concentration of ions in the solution. In some examples, a passive reference electrode may be juxtaposed on the semiconductor substrate. In some examples, the processing electronics may be integrated on the semiconductor substrate.)

集成离子传感设备和方法

优先权

本申请要求O'Donnell于2017年5月15日提交的标题为“集成离子感测设备和方法”的美国临时专利申请No.62/506,318的优先权的权益。

背景技术

用于测量水溶液中离子浓度的“金标准”涉及玻璃电极。玻璃电极系统是一种测量设备，具有一种由对特定离子敏感的掺杂玻璃离子制成的离子选择或离子敏感电极。玻璃电极系统可以包括两个电极，一个电极用于感测目标离子，例如氢离子(H⁺)，另一个电极用于提供参考。两个电极均在被测液体的界面处提供电压。参比电极提供了几乎恒定的电压，该电压可以独立于目标离子浓度，传感或指示电极提供的电压随目标离子浓度而变化。电压通过导线介质传输到放大器系统，然后进行处理以进行显示或数据收集。在某些情况下，可以将电压转换为数字值，例如，通过模数转换器(ADC)进行数字化处理。可干扰测量的玻璃电极系统的特性包括通常在40兆欧姆(MΩ)至800MΩ量级的输出阻抗、与导线介质耦合的噪声以及导线介质和探头的费用。除玻璃电极外，还有性能低下的一次性解决方案，例如石蕊试纸，它们是被动条，可根据目标离子的浓度而改变颜色。石蕊试纸的测量不被认为是精确的，因为，例如，使用石蕊试纸涉及主观的颜色读取，试纸本身会干扰小的样品，并且可能难以制造覆盖整个离子浓度范围的试纸。

发明内容

基于激活的FET栅极的离子敏感场效应晶体管(ISFET)可以产生与pH指数(Non-Nernstian)有关的输出源极-漏极电流。这种方法在电荷捕获、滞后和漂移方面可能会受到限制。另外，ISFET仅提供指示电极，通常需要额外的外部参比电极。

本文件描述集成的离子敏感探针。其可包括半导体基板和附接的第一无源电极。第一无源电极可被配置为接触溶液并提供第一电压，该第一电压是溶液中离子浓度的函数。无源参比电极可以并置在半导体基板上。处理电子设备可以集成在半导体基板上。

该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。并不旨在提供本发明的排他性或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的更多信息。

附图说明

在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的组件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式大体上示出了本文档中讨论的各种实施例。

图1大体上示出了无源固态离子敏感电极的示例。

图2总体上示出了集成固态离子探针的示例。

图3总体上示出了离子探针的示例的框图。

图4总体上示出了用于直接提供指示H+离子浓度的信号而不是pH指示的示例电路。

图5A和图5B大体上示出了参比电极的配置的示例。

图6A和图6B大体示出了包括参比电极和一个或多个指示电极的探针布局的示例。

图7总体上示出了操作离子敏感探针的方法的示例，该离子敏感探针包括集成在半导体基板上的无源电极。

图8A和图8B大体上示出了示例通道822，其用于调节流向如上所述的离子感测系统的底层的流体。

图9A至图9D大体上示出了示例性通道，其可以允许目标材料或目标溶液被携带至无源离子敏感电极或通过无源离子敏感电极。

图9E总体上示出了包括过滤通道的示例性基板。

图9F大体上示出了用于将测试材料引导至例如无源离子敏感电极的堆叠结构的示例的分解图。

图10A至图10E大体示出了示例性通道，该示例性通道可包括邻近或接近该通道的调节元件。

图11总体上示出了具有侧向微流体通道和加热装置的示例性基板或封装材料。

图12总体上示出了具有微流体通道和磁性装置的示例性基板或包装材料。

图13A和图13B大体示出了包括基板和凝胶的界面。

图14A和图14B总体上示出了示例性电极结构。

图15总体上示出了示例性电极结构，该示例性电极结构在公共基板中包括多个电极。

图16A大体示出了具有用于增加表面积的表面拓扑的离子敏感材料。

图16B示出了可以在电极中暴露的离子敏感性材料的替代形状。

图17A和图17B大体上示出了根据本主题的各个实施例的传感器。

图18A-图18D大体示出了示例性半导体电极结构，该半导体电极结构结合有用于目标材料到达或经过一个或多个电极的导管。

图19A和图19B总体上示出了示例性离子传感器组件，其包括诸如导管和管的连接器。

图20总体上示出了具有多个感测电极或元件的离子传感器组件。

图21总体上示出了用于离子传感器的示例性电极结构的截面图。

图22大体示出了用于离子传感器的示例性电极结构和系统的截面图。

图23示出了例如用于潜水离子传感器的示例性电极结构和系统的截面图。

图24总体上示出了示例传感器结构，以减轻由于通道结垢而引起的传感器过早更换。

图25总体上示出了包括温度传感器的示例传感器结构。

图26A-图26C示出了通常的示例离子传感器结构，其包括可调节的电阻性材料的截面。

图27总体上示出了包括指示电极阵列的示例传感器。

图28总体上示出了具有电导率传感器的示例传感器结构。

图29A和图29B大体上说明，实施例的电极结构，包括一个护罩，以保护电极。

图30总体上示出了传感器结构，其可以允许使用可寻址或顺序激活的电极的扩展操作。

图31概括地示出了可以用作图30所示的系统的一部分的传感器的电极结构的示例。

图32总体上示出了用于操作包括无源离子敏感电极的设备的示例性方法的流程图。

图33总体上示出了阵列传感器的另一示例。

具体实施方式

本发明人已经认识到，包括无源、固态、离子敏感电极的离子感测系统可以大大减小尺寸和成本。相比于其它固态离子感测解决方案，本发明的主题也可以帮助提供降低的漂移。温度感测可与离子感测电极位于同一位置，例如提供辅助测试，以帮助准确报告pH。并置的电极和温度传感器可以具有非常低的热质量，这可以帮助提供更快的温度平衡响应，进而可以帮助减少小样本的温度破坏。放大器系统和存储器可以与电极并置。这可以允许对单个电极或传感器进行工厂或现场校准，这在玻璃电极中可能比较困难，因为放大器和传感器不是唯一耦合的。最后，本方法的小得多的尺寸和成本可以开拓目前不能使用玻璃电极的新用途和市场，例如高性能一次性离子传感探针的前景。

图1大体上示出了无源固态离子敏感电极101的示例。电极101可以包括基板106的一部分，例如可以使用半导体制造工艺在其上一体地形成离子敏感材料107、电互连迹线108和绝缘体109。例如，基板可以包括诸如基于硅的基板106、玻璃基板或聚合物基板之类的半导体基板。“无源”电极101是指尽管电极101与半导体基板集成在一起，但是并未集成为场效应晶体管(FET)或其他晶体管结构的一部分。因此，无源电极101不是FET的晶体管栅极区域、晶体管漏极区域或晶体管源极区域的一部分(尽管电极101可以被制造在基板106的可以用作体端子或晶体管的区域的区域上)。因此，因为电极101不是晶体管的栅极、源极或漏极端子或等效端子的一部分，所以即使它可以互连(例如，通过集成的半导体布线走线)到有源晶体管设备，例如运算放大器的FET输入设备的栅极等，也可以将其视为“无源”电极。

作为检测溶液中离子浓度的方法的一部分，离子敏感材料107可以暴露于目标材料或溶液样品110并与之接触。在一个示例中，离子敏感材料107可以吸引或排斥离子，使得电势开发在样品110和离子敏感的材料之间的界面107。迹线108可提供低阻抗导体，以将电压提供或传递给处理或感测电子设备或电路。绝缘体109可以提供允许离子敏感材料107接触迹线108并使迹线108与样品溶液110隔离的结构。例如，离子敏感材料107可以包括但不限于氧化铱、氮化硅、五氧化钽或对目标离子具有反应性的一种或多种其他材料。例如，迹线108可以包括但不限于金、银、铂或其他导电材料。在某些示例中，绝缘体109可以包括但不限于氧化硅、氮化硅、聚合物或基本上不透液体的其他绝缘材料。

图2总体上示出了集成固态离子探针203的示例。例如，集成固态离子探针203可以包括指示电极201、参比电极202、集成电子设备211和基板206，可以在其上形成电极201、202和电子设备211中的每一个。在某些示例中，集成固态离子探针203的宽度和长度可以为2mm或更小。在某些示例中，电子设备211可以包括一个或多个放大器，用于接收由电极201、202提供的信号，并将放大的信号提供给耦合至探针的连接器212的电子设备。诸如图2所示的集成固态离子探针203的优点在于，电极201、202提供的低功率或低压信号可以用与电极201、202共置的放大器进行处理或预处理。这可以提供优于某些电子探针的明显优势，因为到放大器的导体的引线长度在长度上短了几个数量级。较小的引线长度减小了来自电极201、202的信号的电导率被电干扰破坏的可能性，并且还减小了对杂散泄漏电流的磁导率。电子设备211可以包括放大器。在一些示例中，电子设备211可以包括模数转换器。在一些示例中，电子设备211可以包括无线发射器、无线接收器或其组合，例如包括收发器。在某些示例中，集成的固态离子探针203的电子设备211或连接器212或两者可以被密封以免接触被测量的溶液样品。

图3总体上示出了集成固态离子探针303的示例的框图。集成固态离子探针303可以包括基板306和/或电路板316，或包括由聚合物或其他材料(包括迹线308和仪表的端子312)制成或由其制成的带。基板306可以包括参比电极302、指示电极301和放大器313。例如，指示电极301和参比电极302可以串联耦合在参比电压端子和到放大器313的输入之间。指示电极和参比电极之间的电连接或界面可以在目标溶液的离子浓度测量过程中通过目标溶液和参比溶液之间的离子交换界面形成。在图3中，放大器313可以处于电压跟随器配置。这样的配置可以提供高阻抗放大器输入，在该高阻抗放大器输入处感测电极301、302的电压以及低阻抗输出，例如以有效地将检测到的电压表示传送到仪表设备，而不会产生像玻璃探头一样大的噪声损坏风险。可以使用与基板306集成在一起的其他放大器配置。与玻璃电极相比，使放大器或放大器系统与集成固态离子探针303的一个或多个电极301、302并置可以显着降低集成固态离子探针303的输出阻抗。

另外，电极301、302与基板306的集成单独地或与或者一个或多个电极301、302与放大器313或基板系统上的放大器系统的集成一起，可以为这种离子敏感探针开辟新的用途。例如，可以使电极301、302相对较小，并且可以使用非常小的溶液样本大小来提供精确的离子测量。指示电极301可以形成在小容量容器的底部，该容器也可以集成在硅基板上，从而可以包含一滴溶液，例如可以完全覆盖指示电极301，并且可以为了测量目的而形成到参比电极302的桥。小尺寸格式还允许在小区域中使用集成固态离子探针303。当浸入大量溶液中时，这种集成式固态离子探针303还可以提供准确的离子测量。集成的固态离子探针303可以实现的其他应用是一次性或半一次性探针。上面讨论的无源电极结构以及下面讨论的参比电极的进一步集成，可以使用用于制造集成电子设备的技术来制造，该技术可以允许大量一致地制造探针，而成本仅为其他技术的一小部分。这样的探针可以被认为是一次性探针或一次性探针。

与例如pH指示相反，图4大体示出了电路480，其可以直接提供指示离子浓度的信号。该电路可以包括例如耦合到输出端481的指数或反对数电路。所述抗对数电路可以包括放大器，所述放大器具有耦合至参比电压(例如，地)的同相输入，耦合在pH电路的输出与所述放大器的反相输入之间的二极管以及耦合在放大器的输出和反相输入之间的电阻反馈。

图5A和5B大体上示出了参比电极502的配置的示例。图5A大体上示出了可以包括指示电极501和参比电极502的集成固态离子探针503的示例的横截面。指示电极501可以包括第一离子敏感材料507，其具有可以接触目标溶液的外表面。在某些示例中，参比电极502可以包括第二离子敏感材料517，其可以与具有已知或指定离子浓度的参比材料518接触，使得参比电极502可以提供参比电压或基极电压。指示电极501可以暴露于需要离子测量的材料或溶液。参比电极502可以同时暴露于材料或溶液中，以在指示电极507和参比电极502之间形成电连接。参比电极502可以提供参比或基极电压，例如通过使第二离子敏感材料517接触具有受控离子浓度的参比溶液。在某些示例中，参比电极502可以包括容器，该容器包括围绕第二离子敏感材料517的暴露表面的容纳阻挡层519。容纳阻挡层519可以为参比溶液518提供容器。在一些示例中，顶部多孔膜520可以耦合到容纳屏障519的顶部，例如可以提供顶部液体屏障，从而可以将参比溶液518基本上密封在一个容器中，该容器包括参比电极的第二离子敏感材料517、支撑电极的基板506、安全壳519和顶部膜520。在一些示例中，参比溶液518可以包括液体。在一些示例中，参比溶液518可以包括凝胶，该凝胶可以更容易地容纳延长的时间段。在某些示例中，参比电极502可以包括与指示电极501中使用的相同的离子敏感材料。在一些示例中，参比电极502的第二离子敏感材料517可以与指示电极501的第一离子敏感材料507不同。传感器采用液接结，允许离子在指示电极501和参比电极502之间形成电连接。液体结是参比电极502的目标溶液和参比溶液518之间的界面。允许参比溶液518和目标溶液之间接触的通道或机构可以允许参比电极502的第二离子敏感材料517和目标溶液之间的导电性。通道或机构可包括但不限于例如多孔或半渗透膜520或微孔材料。在某些示例中，由隔离屏障519和顶部膜520形成的容器可以将参比溶液518包裹在参比电极502的第二离子敏感材料517周围，从而有助于确保第二离子敏感材料517周围环境受控，并且无论目标溶液的特性如何，参比电极502都能产生一致的电压。在某些示例中，该容器可以并入某种类型的多孔结，该多孔结可以允许离子在目标溶液和参比溶液518之间流动，并因此允许电连接到目标溶液，同时减少或最小化跨目标溶液的流体交换。

在某些示例中，膜520可以容纳针刺并且可以在拔出针头时重新密封。这样的膜520可以恰好在使用探针503检测目标溶液的离子浓度之前用参比溶液518填充参比电极容器。使用点的、可填充的参比电极结构可允许探针用户长时间存储探针503的供应，而不会冒险污染每个单独探针503的参比溶液518。

图5B是示例性参比电极502的另一种配置。参比电极502可以包括基板506、诸如金的导电的第一材料508、离子敏感材料507、包装材料509以及参比材料510。基板506可以包括半导体基板，并且第一材料508提供迹线以将电信号路由到基板506的不同区域。包装材料509可以保护基板506和第一材料508，并且可以提供用于容纳参比材料510的容器。在某些示例中，参比电极502的离子敏感材料507可以提供容器的内表面的至少一部分。在某些示例中，参比材料510可以是凝胶形式。在一些示例中，上膜520可以在容器上延伸并且可以联接至包装材料509，从而将参比材料510密封在由包装材料509、离子敏感材料507和上膜520形成的容器内。在一些示例中，基板506可以包括有源电子设备511，使得可以将来自参比电极502的一个或多个信号处理得尽可能靠近参比电极502。这样的方法限制了来自参比电极502的导电介质的长度，并且在某些情况下，限制了与诸如玻璃电极相比暴露于潜在干扰信号的位于同一位置的指示电极的长度。在一些示例中，有源电子设备511可以驻留在基板506的与离子敏感材料507相反的一侧上，并且一个或多个信号可以被路由到有源电子设备511，诸如使用一个或多个硅通孔(TSV)521。

图6A和6B大体上示出了可以包括参比电极602和一个或多个指示电极601的探针布局603的示例。图6A大体上示出了可以包括参比电极602和多个指示电极例如三个指示电极601a、601b、601c的探针布局603的示例。每个电极601x、602可以电连接到探针布局603的基板606的相应迹线608。每个迹线608将电极的电压或信号路由到基板606的连接器612或某个其他终端。在一些示例中，每个迹线608可以将电压或信号路由至可以与基板606集成在一起的有源电子设备。在一些示例中，每个迹线608可以将电压或信号路由到集成的电子设备或位于基板的相对侧上的有源电子设备，例如使用TSV。在某些示例中，有源电子设备可以包括放大器电路，例如，可以将经由迹线608和电极601x、602接收的信号缓冲或转换为更大的抗噪声信号。

在某些示例中，参比电极602可以包括阱，例如以保留参比材料。探针布局603包括圆圈614，其指示例如可以形成容器的一部分的安全壳的位置。在某些示例中，电极601x、602的直径可以变化，诸如取决于许多因素中的一个或多个，诸如可以包括将在其中使用探头的预期环境。例如，如果将探头用于测量非常小的样品，则电极也可能相对较小。在一些示例中，参比电极602和指示电极601x两者的电极的直径范围可以在<100微米(um)至1毫米(mm)或更大。使用500um和300um的电极直径可以获得良好的结果。在某些示例中，安全壳阻挡层的直径可以在1mm至6mm之间，尽管其他直径也是可能的。

图6B大体上示出了示例探针布局603，其具有参比电极602和多个指示电极，诸如三个指示电极601a、601b、601c，每个电极的电极直径为约500um。每个电极601x、602可以耦合到探针布局603的基板606的导体或迹线608。此外，每个迹线608和每个电极601x、602可以被基板606的屏蔽迹线615围绕。例如，屏蔽迹线615可以耦合到诸如地的参比电位。在一些示例中，每个迹线608和每个电极601x、602可以具有能够连接到各个电势或诸如地面的公共电势的各个屏蔽迹线615。每个屏蔽迹线615可以布置成保护电极601x、602和电极导体或迹线608免受杂散电干扰，例如通过将这种干扰路由到地面。

图7总体上示出了操作离子敏感探针的方法700的各方面的示例，该方法可以包括集成在半导体基板上的无源电极。在701处，集成在基板上的无源离子敏感探针可以接触溶液。在703，可以放大或缓冲第一无源电极的第一电压，以便提供指示溶液的离子浓度的指示电压。在某些示例中，放大器可以集成在基于硅或其他基于半导体的基板上，从而与直接从无源电极获取的信号相比，放大器的输出电压具有更大的抗噪声能力。在一些示例中，参比电极可以位于基板上的无源电极附近。

图8A和图8B大体上示出了通道822的示例，例如微流体通道，诸如用于调节流向如上所述的离子感测系统的一个或多个底层的流体。在某些示例中，通道822可以包括倾斜的侧壁831。在一些示例中，通道822可以包括阶梯状的侧壁832。在某些情况下，这样的侧壁831、832可以帮助调节并向无源电极提供最佳的流体流动。在某些示例中，倾斜的或阶梯状的侧壁831、832可以形成通向无源离子敏感电极的离子敏感材料807的圆形通道。

如本文所使用的，“微流体”描述了与通过微流体通道或微通道的流体流动有关的概念。这种流动可以用雷诺数(Re)来定义，

Re＝LV_avgρ/μ,

其中L是最相关的长度标度，μ是粘度，r是流体密度，V_avg是流的平均速度。对于许多微通道，L等于4A/P，其中A是通道的横截面积，P是通道的润湿周长。由于微通道的尺寸小，Re通常小于100，通常小于1.0。

图9A至图9D大体上示出了可以组合使用的一个或多个微流体通道922的示例，该微流体通道922可以允许目标材料或目标溶液被携带至无源离子敏感电极或通过无源离子敏感电极。可以采用不同的力来辅助目标溶液的运动，包括但不限于、泵力、重力、芯吸、毛细作用、其他表面张力效应或其组合。图9A示出了横向微流体通道922的示例，该横向微流体通道922可用于使目标溶液移动通过传感器基板906，穿过电极结构的包装材料，或穿过基板906和包装材料的组合。图9B示出了缠绕横向微流体通道922的示例，该横向微流体通道922可以使目标溶液运动通过传感器基板906，通过电极结构的包装材料，或者通过基板与包装材料的组合。图9C示出了垂直微流体通道922的示例，其可以使目标溶液移动通过传感器基板906，通过电极结构的包装材料，或者通过基板与包装材料的组合。图9D总体示出可用于通过一个传感器基板906来移动目标的解决方案，通过电极结构的包装材料或通过基板906和包装材料的组合的垂直和横向的微流体通道922的组合的一个例子。

在某些示例中，结合有微流体通道的基板可具有开口，一个或多个过滤器923或其他构造可***其中以执行或实现系统功能(例如分离、过滤等)。例如，为了防止生物结垢，可以***过滤器，该过滤器捕获至少一定尺寸的颗粒，并防止它们结垢或阻碍材料流向传感元件。

可以组合不同基板上的微流体通道，以使流体流动和操纵不同平面。一种系统可以包括在将目标材料输送到传感器元件之前用于目标材料的分离、过滤、热处理或磁通量操纵的一个或多个或组合的结构。在一些示例中，当流体例如通过一个或多个通孔流到下面的下层时，可以使用重力。在这样的示例中，层之间的通孔或通道还可以包含过滤器(或凝胶或其他材料)，以去除污染物，或者可以在将流体提供给传感器元件之前以某种期望的方式操纵流体。在一些示例中，不同的微流体通道的组合可以以期望的速率将目标流体或目标材料呈现给感测元件，以实现系统的最佳效率。

图9E大体上说明包括经过滤通道的基板的实例。在某些示例中，基板906可以包括一个或多个横向延伸穿过基板906的微流体通道922。通孔921可以垂直地延伸穿过基板906并且可以与通道922相交。在某些示例中，通孔921可以完全延伸穿过基板906。在某些实例中，可以在通孔921内***过滤器923。当材料通过通道922时，过滤器923可以操纵该材料。在一些示例中，过滤器923可以去除材料的一种或多种成分。在一些示例中，材料的被去除的成分可以离开过滤器923并且穿过通孔921到达另一位置，例如用于收集、处置、再循环或其一种或多种组合。在一些示例中，可以采用错流技术从过滤器923去除材料。

图9F大体上示出了用于将测试材料引导至例如无源离子敏感电极的堆叠结构的示例的分解图。在一个示例中，结构可以包括第一基板906和第二基板936。第一基板906可包括垂直微通道921，第二基板936可包括对应的垂直微通道，使得当第一基板906和第二基板堆叠在一起时，第一基板906的垂直微通道921与对应的第二基板936的垂直微通道对齐，以形成穿过堆叠的基板906、936的连续的垂直微通道。在某些示例中，基板936可以包括一个或多个另外的微流体通道或微通道。在某些示例中，附加微通道可以在与垂直微通道不同的方向上延伸。在某些示例中，附加的微通道922可以与另一个微通道相交，例如相对于第二基板936所示的垂直微通道。

图10A和图10B大体上示出了通道1022的示例，该通道1022可以包括邻近或邻近通道1022的调节元件1024。调节元件1024可以包括但不限于诸如用于加热或冷却周围环境的热元件、磁性元件、微机电系统(MEMS)组件、压电材料或其一种或多种组合。在某些示例中，可以使用热元件来改变通道1022周围的材料的温度，并进而影响温度或通道1022内材料的一种或多种流动特性。在某些示例中，MEMS组件会在通道中引起振动，从而影响流体流动。在一些示例中，MEMS部件或压电材料可引起通道中的振动以帮助防止通道结垢，例如通过减少结垢材料将粘附到通道壁上的机会。在某些示例中，MEMS部件可以包括致动器、移动部件、旋转部件、可移动梁或在被激活时可以搅动一个或多个通道内的流体的其他部件。在某些示例中，MEMS部件或压电材料可以占据基板层，并且通道可以占据与MEMS部件的基板层相邻的基板层。

图10A示出了具有可位于通道1022的开口附近的调节元件1024的垂直通道1022的示例。图10B示出了横向通道1022，其中调节元件1024位于通道1022附近并与通道1022一起延伸。所结合的结构的具体形状可以取决于应用和材料的流动。例如，图10A示出了通道1022或通孔，材料可以垂直地流过该通道或通孔，并且圆形调节元件1024可以部分或完全围绕通孔，使得流体将在其边界内流动。其他应用可以包括不同的布置(例如，如图10B所示，加热元件与通道相邻)。不同的实施例可以组合不同的形状、几何形状和尺寸，以便将最佳的材料的流速或状况传递给感测元件，以使系统有效运行。

图10C和10D大体上说明可使用例如经蚀刻的基板1006和盖1025形成的通道1022的实例。在某些实例中，结构可包括具有一个或多个凹槽的基板1006和可构造成覆盖凹槽以形成通道1022的盖1025。在某些示例中，盖1025或基板1006可以包括调节元件1024。

图10E大体上说明装置的实例部分，其包含集成在基板1006内的开放通道1022、盖1025和安置在盖1025顶部上的调节元件1024。在某些实例中，调节元件1024可被电镀到盖1025上、印刷到盖1025上、溅射到盖1025上或通过另一种合适的方法沉积在盖1025上。

在一些示例中，压电材料可以与微流体通道结合，使得电压的施加在通道上施加物理振动/应力。这种振动或振荡应力可以充当微型泵，以所需的速率将流体从一个区域(系统内)移动到另一个区域。在另一个示例中，压电材料可以与特定孔径和长度的通道/通孔组合，以使流体的流速施加应力或振动，从而引起可识别/可测量的电响应(来自压电材料)。电响应可以类似于流体的流速或压力(通过通道)。

图11大体示出了具有一个或多个横向微流体通道1122的基板1106或包装材料的示例，该横向微流体通道可以延伸穿过基板1106并且具有相对一致的横截面面积。除了微流体通道之外，基板1106还可以包括热装置1124。在某些示例中，热装置1124可以用于改变通道附近或周围的材料的温度，进而影响通道1122内材料的温度或一种或多种流动特性。在某些示例中，热装置1124可包括加热器，例如电阻加热器。在某些示例中，热装置1124可包括加热元件、压电元件、磁性元件或其组合。

图12大体上示出了具有一个或多个微流体通道1222的基板1206或包装材料的示例，该一个或多个微流体通道1222延伸穿过该基板并且具有相对一致的横截面面积。除了微流体通道1222之外，基板1206可以包括磁性材料1224或磁性装置。在某些示例中，磁性材料1224或磁性装置可用于改变通道1222的特性或通道1222内的材料的一种或多种流动特性。在某些示例中，磁性材料1224可以沉积在基板1206的靠近一个或多个通道1222的层上。在一些示例中，图11的热装置或图12的磁性材料1224或磁性装置可以形成在与包含微流体通道1222的基板堆叠的单独基板中。

图13A和13B大体上示出了包括基板1306和凝胶1326的界面的示例。如上所述，该界面可以是用于离子感测电极的基板/凝胶界面的特征。在某些示例中，与基本平坦的基板表面相比，基板1306可以包括可以为凝胶1326提供更多粘附或接触面积的凹槽。在某些示例中，一个或多个凹槽可具有“u”形横截面1327。在一些示例中，凹槽可具有“o”形横截面1328，但仍敞开以容纳凝胶。

图14A和14B大体上示出了电极结构1400的示例。电极结构1400可包括离子敏感材料1407，具有开口、通路或通道的通道材料1409以及凝胶材料1426，例如可位于通道材料1409的开口内。在某些示例中，开口的壁可以随着开口向离子敏感材料1407的前进而彼此倾斜。在一些示例中，开口的壁可以以逐步的方式倾斜。在一些示例中，开口的壁可以以连续的平滑方式倾斜。

图15大体上示出了电极结构1500的示例，该电极结构1500包括在公共基板1506中或集成在公共基板1506上的多个电极1501。每个电极1501可以包括位于开口1522的底部的离子敏感材料1507、通孔或形成在通道材料1509内的通道。在某些示例中，一个电极的离子敏感材料1507可位于公共基板1506内的深度不同于第二电极的离子敏感材料。在一些示例中，第三电极的离子敏感材料可以在基板内与一个电极或第二电极位于不同的高度处。在某些示例中，每个电极的一个或多个开口可以填充有凝胶1526。在某些示例中，与其他电极构造相比，在基板内具有不同水平的离子敏感材料的电极结构可以允许该结构具有更高的电极面积密度。

图16A大体上示出了具有表面拓扑的离子敏感材料1607的示例，该表面拓扑例如通过提供表面纹理化或变化的表面拓扑来呈现增加的表面积。图16B以平面图示出了可以在电极中暴露的离子敏感材料的一组非排他的形状。在一些示例中，与诸如上文和下文所述的其他形状相比，某些形状可以允许增加的表面积或增加的电极密度。

图17A和17B大体上示出了根据本主题的各个实施例的传感器1700的示例。传感器1700可包括具有多个离子感测电极1701、机械屏障1729和连接器1731(例如将机械屏障1729与基板1706耦合)的基板1706。在某些示例中，电极1701可包括离子敏感材料1707，其可以被配置成接触测试物质并提供该物质中特定离子浓度的指示。在某些示例中，屏障1729和连接器1731可以被定位成将电极1701与外部环境(诸如包括测试物质的外部环境)隔离。另外，机械屏障1729可包括开口1730。开口1730可与连接器1731配合旋转到多个位置。在第一可选位置，开口1730可以被定位成将所有电极1701与外部环境隔离。在第二位置，开口1730可将电极1701之一暴露于外部环境。在第一时间间隔之后，开口1730可以旋转或滑动以将电极1701中的第二个暴露于外部环境。在某些示例中，传感器1700可以提供单个包装，该单个包装允许用户监视离子浓度随时间的变化。此外，当使用中的电极接近电极使用寿命时，可以轻松启用新的新鲜电极进行感应。

图18A至图18D大体上示出了根据本主题的电极结构1800的各种示例性构造。图18A大体示出了半导体电极结构1800的示例。结构1800可以包括一个或多个组件。作为构建电极结构1800的建立过程的一部分，可以合并通道1822或通孔1821以使流体能够在电极结构1800内或流过电极结构1800。某些示例可以包括一个或多个开口或导管，以允许诸如系统外部的流体之类的材料流到电极1801的离子敏感材料1807，或者抑制或防止空气或气体被困在电极1801附近。根据目标外部介质的不同，通道1822可以构造成优化到电极1801的离子敏感材料1807的路径。在某些示例中，与系统结合的通道1822可以以将流体从外部系统传输到电极1801的离子敏感材料1807的方式构造。。

在某些示例中，图18A的电极结构1800可以是参比电极。当包括参比电极结构1800的传感器准备好使用时，可以使参比电极结构处于真空环境中以从参比电极室1834中去除任何空气或其他气体。然后可以将参比电极结构1800浸入到参比材料，并且真空可以释放。在释放真空时，参比材料可以填充参比电极室1834以形成完整的参比电极。与已经将参比材料已经存储在参比电极的腔室中的传感器相比，这样的结构和方法可以促进传感器的长时间存储，而没有在存储期间污染参比材料或参比电极的某种其他类型的劣化的风险。

在基板1806内并入额外的感测元件、智能电路或无源组件可以启用多功能感测系统。向传感器添加的功能的示例可以包括处理器、通信电路、感应线圈或RFID结构中的一个或多个。在一个示例中，多功能感测系统可以检测某些离子，分析离子浓度，并且无线地传送关于一种或多种材料的检测的信息，或者当电极1801的离子敏感材料1807检测到某些材料的各自阈值水平时无线地传递信息。

在示例中，结构1800可以包括第一组件和第二组件，第一组件包括处理电子设备1811，第二组件包括用于感测目标材料中的离子浓度的电极。在某些示例中，第二组件可包括一个或多个横向通道1822，以提供目标材料到电极的通道。在某些示例中，电极可以包括离子敏感材料1807，例如可以设置在导电迹线1808上。在一些示例中，空腔1834可以位于感测元件1807的上方。在一些示例中，位于感测元件1807上方的腔室1834或通道可包含凝胶、流体、过滤器或其组合，以增加或优化电极1801的灵敏度或流向电极1801的流体。在某些例子中，横向通道1822可以将目标材料提供给一个以上的电极1801，如图18B所示。图18B大体上示出了结合在集成电极组件中的一个或多个微流体通道1822，其可以提供用于目标材料到达或经过两个电极1801的导管。在某些示例中，横向通道1801可以与垂直通道或通孔1821组合，例如为目标材料提供往返于电极的路径，如图18C所示。图18C大体上示出了结合在集成电极组件1800中的微流体通道1822的示例，该集成电极组件1800包括使目标材料横向和垂直地穿过组件结构的部分。在图18A和图18B的每个示例中，微流体通道可以利用构成集成电极1801的层来制造。在某些示例中，微流体通道1822可以使用陶瓷、玻璃增强层压材料或适合于电连接以及通道或凹槽的形成的一种或多种其他材料来制造。图18D大体示出了具有大开口的半导体电极结构的示例，以便于一个以上的电极1801。在某些示例中，凝胶1826或过滤器可以位于大开口中，并且每个电极可以包括垂直微通道1822或经由诸如以允许凝胶或目标材料以接触相应的电极1801的离子敏感材料1807。

在某些示例中，可以将过滤器、凝胶或半透膜添加到通道1822，以增加或优化传感器的效率。例如，在恶劣的环境中或存在许多污染物的环境中，可以通过使用过滤器、凝胶、半透膜或其组合来保护传感器免受生物污染。在某些示例中，可以将过滤器、凝胶或膜专门构建为抑制或禁止某些材料进入-从而可以针对特定材料。在一个示例中，可以构造过滤器[除了机械保护之外]，使得只有特定颗粒或分子大小的材料可以通过过滤器渗透到传感器。

在一些示例中，系统可以包含多个传感器，这些传感器具有使用过滤器、凝胶和膜的不同组合的能力(旨在优化效率，并且还可以针对不同的外部介质，例如不同的气体、压力和气体、离子污染物等)。在某些实例中，例如图18A-18C所示的那些，可以采用一个或多个附加的微通道，以允许气体或空气逸出引导测试材料的微通道。

图19A和19B大体上示出了离子敏感电极1901的示例，其包括诸如使用一个或多个导管或管1934的到目标材料介质的连接器1933。在一个示例中，离子敏感电极1901可以包括基板1906、离子敏感材料1907、导电迹线层1908和具有开口1922的可选封装层1919，以便容纳介质的耦合，以引导目标材料流向离子敏感材料1907或从离子敏感材料1907流出。在一些示例中，包装层材料1919可以包括一个或多个轮廓或表面特征，以允许将介质的连接器1933牢固地紧固到开口1922。在一些示例中，包装层1919可包括耦合器，以允许牢固固定的介质在开口处与包装层材料1919可替换地分离。在一些示例中，基板1906可以包括集成电子设备1911，用于处理使用离子敏感材料1907生成的信号。

图20总体上示出了具有多个感测电极2001或元件的离子传感器结构2000的示例。离子传感器结构2000可以包括基板2006、与该基板集成的处理电子设备2011和多个感测电极2001，其中一个或多个电极包括耦合到金属迹线2008的无源离子敏感材料2007。在某些示例中，每个电极2001可以被配置为感测特定离子。在一些示例中，一个或多个电极2001可以被配置为感测第一离子，并且组件的一个或多个其他电极2001可以被配置为感测第二离子。在一些示例中，离子传感器结构2000的第一电极2001可以被配置为感测在第一浓度范围内的第一离子，并且离子传感器结构2000的第二电极2001可以被配置为感测第二浓度范围内的离子。在某些示例中，电极2001中的每一个或任何电极可以被配置为根据离子类型、离子浓度、材料的压力或其一种或多种组合来感测离子浓度。

在某些示例中，电极结构可以包括开口，以允许材料进入无源离子敏感材料2007。在一些示例中，可以在开口中放置过滤器2023或凝胶2026，以便调节特定的离子。在某些示例中，开口可以包括具有将材料引导至无源离子敏感材料2007的通孔或微通道2022的基板材料。在一些示例中，开口可以包括诸如图8A、8B、9A-9F、10A-10E、11和12所示的通孔或微通道。

在某些示例中，取决于特定应用，处理电子设备2011可以包括将与定制感测基板一起使用的专用集成电路(ASIC)管芯。可以使用ASIC来构建芯片上的定制系统，并在ASIC的顶部安装定制的基板，这些基板可以根据需要允许传感器、传感器阵列、处理电路、分立组件等的各种组合。

在某些示例中，离子传感器结构2000可以可选地包括基板2006内或第二基板2034内的一个或多个贯通硅通孔(TSV)2021，例如可以允许离子传感器结构2000电或机械耦合到另一个封装，例如使用耦合器，例如可以包括一个或多个焊球2033或连接销。

图21大体上示出了用于离子传感器的电极结构2101的示例的截面图。电极结构2101可包括基板2106、离子敏感材料2107、导电迹线2108、封装材料2119和一个或多个信号端子2112。在某些示例中，离子敏感材料2107、导电迹线2108、布线结构和处理电子设备2111可以与基板2106集成在一起，例如在本申请的其他附图中，特别是在图5B中所示。在某些示例中，封装材料2119可以被制造成保持基板，例如以形成空腔或通孔以容纳或路由目标材料，并且将信号端子2112与外部环境密封。在某些示例中，腔或通孔可以填充有凝胶2126或参比材料。在某些示例中，可以结合电路板2116或其他装置的表面形成密封件，传感器基板2106以该表面终止。

图22大体上示出了用于离子传感器的电极结构2201和系统的示例的截面图。电极结构2201可以包括基板2206、离子敏感材料2207、导电迹线2208、封装材料2219和一个或多个信号端子2212。在某些示例中，离子敏感材料2207、导电迹线2208以及布线结构和处理电子设备2211可以与基板2206集成在一起，例如在本申请的其他附图中，特别是在图5B中所示。在某些示例中，封装材料2219可以被制造为保持基板，并形成空腔或通孔以容纳或路由目标材料。在某些示例中，腔或通孔可以填充有凝胶2226或参比材料。

在某些示例中，电极结构2201被配置为提供便利，因为可以在离子感测系统中容易地替换结构2201。在某些示例中，系统可以包括感测元件保持器，电极结构可以被容易地***和感测元件保持器。在一些示例中，传感器元件保持器2238可包括电路板2216或具有一个或多个配合端子2212的其他材料和引导壳体2238。电路板2216或其他材料可包括一个或多个配合端子，例如用于将各个信号或功率路由到电极结构2201以及从电极结构2201路由。引导壳体2238可以机械地耦合到电路板2216或其他材料，并且可以包括端部止动件2237。当将电极结构***到引导壳体中时，引导壳体可以用于在配合端子上引导电极结构。端部止动件可以为***运动提供机械止动，使得电极结构的端子的位置与电路板或其他材料的配合端子对准。在某些示例中，配合端子可以被配置为在电极结构的***时挠曲并且当电极结构完全***到引导壳体中时向电极结构的端子施加例如弹簧力。

图23示出了例如用于潜水离子传感器的示例性电极结构和系统的截面图。电极结构可以包括基板506、离子敏感材料和包装材料。在某些示例中，离子敏感材料、信号迹线和布线结构以及处理电子设备可以与基板集成在一起，例如在本申请的其他附图中，特别是在图5B中所示。在某些示例中，可以制造包装材料以保持基板，并形成空腔或通孔以容纳或引导目标材料。在某些示例中，腔或通孔可以填充有凝胶或参比材料。在某些示例中，代替具有来自处理电子设备的外部终端以传达传感器信息，基板可以包括用于无线地传达传感器信息的天线。在一些示例中，可以将伴随通信设备放置在传感器附近以与传感器无线交换信息。在某些示例中，传感器可以包括电池、电容器或一些其他能量存储设备以向电极和处理电子设备供电。在一些示例中，能量可以无线地传递到传感器。在某些示例中，可以将传感器放置在一个或多个有线离子传感器不实用的位置。

图24总体上示出了示例传感器结构2403，以帮助减轻由于通道结垢而引起的传感器过早更换。传感器结构2403包括具有参比电极2402和指示电极2401的基板2406。包装材料2419或基板可以围绕参比电极2402形成以形成储存器。在某些示例中，储器可以包含凝胶。包装材料2419还可以包括通道2422，以允许到参比电极2402或贮存器的电路径。在某些实例中，通道2422可以提供多个开口，用于所述离子穿过。在通道的开口可能被沉积物或其他固体阻塞的应用中，这种配置可以延长传感器的有用的传感寿命。在某些示例中，如果一个开口被弄脏或阻塞，则电气路径仍可以经由其他开口之一穿过通道。

在某些示例中，传感器的结垢也会影响传感器的输出阻抗。在某些示例中，可以测量传感器的输出阻抗以检测传感器的磨损。在一些示例中，与传感器的基板2406集成的有源电子设备可以用于测量输出阻抗。在一些示例中，可以通过耦合到传感器结构的设备来测量输出阻抗。

图25大体上示出了示例传感器结构1503，其包括温度传感器2542。传感器结构2503包括具有参比电极2502和指示电极2501的基板2506。封装材料2519或基板可以围绕参比电极2502形成以形成储存器。在某些示例中，储存器可以包含凝胶。包装材料2519还可包括通道2522，以允许通向参比电极2502或贮存器的电路径。在某些示例中，温度传感器2542可以包括一种或多种可以成本有效地沉积在传感器基板2506上的金属。许多离子浓度随温度而波动。使温度传感器紧邻被感测的目标材料可以帮助建立目标材料内离子浓度的更精确的确定。在某些示例中，温度传感器2542可以不受伽马灭菌的损害。在某些示例中，温度传感器2542可以使用响应温度而改变属性的材料(例如，材料的电阻)制成。在一些示例中，可以使用两个或更多个结构来制造温度传感器2542，每个结构响应于温度而改变特性，使得它们的特性值的比率与温度有关。

图26A和26B大体上示出了示例性离子传感器结构2603，其包括电阻材料2643的一部分。传感器结构2603包括具有参比电极2602和指示电极2601的基板2606。封装材料2619或基板可以形成在参比电极2602周围，以形成储存器。在某些示例中，储器可以包含凝胶。包装材料2619还可包括通道2622，以允许通向参比电极2602或贮存器的电路径。在某些示例中，可以在离子传感器的校准过程中修改或调整电阻材料。在某些示例中，可以在校准过程中使用激光器2644烧蚀一部分电阻材料。这样的配置允许片上校准。另外，诸如伽玛灭菌的过程不会影响校准。在一些示例中，可以通过可选择性地吹开的链节来修剪或调节电阻材料。在某些示例中，例如图26C的示例，电阻材料和到该电阻材料的迹线可以被配置为允许比率度量校准。在某些示例中，比率度量修整可以对过程变化更鲁棒，并且更易于测量。

图27总体上示出了包括指示电极阵列的传感器2703的示例。传感器2700可以包括单个参比电极2702、指示电极2701的阵列2745和解码器电路2746、2747。在某些示例中，参比电极2702可包括如上所述的包括无源离子敏感材料的结构。在某些示例中，参比电极2702可以包括一个或多个通道，以允许目标材料迁移到参比电极2702的感测元件或材料(例如凝胶)或与之形成电连接。指示电极的阵列2745的指示电极2701可以包括如前述示例中的任何一个中所讨论的结构。在某些示例中，指示电极2701可包括无源离子感测材料和将目标材料引导至无源离子感测材料的通道。在某些示例中，指示电极2701不包括有源离子感测元件，例如离子感测晶体管。

在某些示例中，参比电极2702和指示电极2701的阵列2745可以被制造在半导体基板2706上。与指示电极2701的阵列2745相关联的解码电路2746、2747可以与同一基板2706集成在一起。例如，在基板2706的除了包括参比电极2702的离子感测材料和指示电极2701的阵列2745的离子感测材料的一侧之外的一侧上。解码电路2746、2747可以包括用于选择指示电极2701中的特定一个并在生成指示所选择的指示电极2701的状态的信号中的逻辑。在某些示例中，每个指示电极2701可以被配置为提供关于相同离子的信息。在一些示例中，指示电极的阵列2745的每个指示电极2701可以被配置为提供关于不同离子的信息。在一些示例中，指示电极2701中的一个以上可以被配置为提供关于特定离子的浓度信息。在一些示例中，电极可以被配置为当离子浓度在一定范围内时提供离子的浓度信息。在一些示例中，电极可以被配置为当包含离子的目标材料在特定压力范围内时提供离子的浓度信息。

图33大体示出了阵列传感器3303的另一示例。阵列传感器3303可包括单个参比电极3302、指示电极3301的阵列3345和解码器电路3346、3347。在某些示例中，参比电极3302可包括如上所述的结构，包括无源离子敏感材料。在某些示例中，参比电极3302可包括一个或多个通道，以允许目标材料迁移至电连接或从电连接迁移至与参比电极3302的感测元件或材料(例如凝胶)的电连接。在某些示例中，指示电极的阵列3345的指示电极3301可以包括如前述示例中的任何一个中所讨论的结构。在某些示例中，指示电极3301可包括无源离子感测材料和将目标材料引导至无源离子感测材料的通道。在某些示例中，指示电极3301不包括有源离子感测元件，例如离子感测晶体管。

在某些示例中，例如图33的示例阵列传感器3303，指示电极阵列中的每个指示电极可对应于一个样品孔，而样品孔阵列可对应于微孔板尺寸标准，可用于自动化实验室分析系统。这样的微孔板尺寸标准可以包括但不限于ANSI SLAS 4-2004(R2012)(以前称为ANSI/SBS 4-2004)，“用于微孔板位置”(2011年10月13日)以及对其的更新。这样的阵列传感器3303可以允许同时采样或测量多个单独的样本。在某些示例中，每个指示电极3301可以与将指示电极3301的阱与参比电极3302的参比材料耦合的专用通道3322相关联。这样的示例可以允许针对由每个指示电极3301的离子敏感材料以及参比电极3302和参比材料的构造所指示的离子浓度测量许多单独的样本。

在某些示例中，参比电极3302和指示电极3301的阵列3345可以被制造在半导体基板3306上。与指示电极3301的阵列3345相关联的解码电路3346、3347可以与同一基板3306集成在一起。在一些示例中，诸如多路复用器的解码电路可以位于基板3306的除参比电极3302的离子感测材料和指示电极3301的阵列3345的离子感测材料的一侧之外的一侧。在一些示例中，解码电路可以与离子感测材料位于基板的同一侧，并且可以例如通过氧化物层被保护免受参比材料或目标材料的影响。解码电路3346、3347可以包括诸如多路复用器之类的逻辑，用于选择指示电极3301中的特定一个并且在生成指示所选择的指示电极3301的状态的信号中。在某些示例中，每个指示电极3301可以配置为提供有关相同离子的信息。

图28大体示出了具有阻抗传感器2848的传感器探针2803的示例。如以上关于多个示例所讨论的，除了用于感测离子或离子浓度的电极2801、2802之外，传感器结构或探针2803还可以包括其他传感器。在某些示例中，传感器探针2803可以包括阻抗传感器2848。在某些示例中，阻抗传感器2848可以提供关于传感器探针2803何时与材料(例如目标液体)接触的指示。另外，具有适当布局的阻抗传感器2848可以提供关于是否有足够量的目标材料可用于例如覆盖电极并允许进行适当的离子浓度测量的指示。通常，阻抗传感器2848可以提供液体中离子的总浓度的指示，例如与离子感测电极相反，其提供液体中特定离子的浓度的指示。

图29A和29B大体示出了传感器结构2900或探针的示例，其包括用于保护电极的屏蔽2949。如上所述，电极结构中的每个电极提供可以被处理以提供离子浓度指示的电压。然而，由每个电极直接产生的信号可能容易受到诸如电磁干扰的干扰。图29A大体示出了电极结构2900，其包括在通向电极的无源离子敏感材料2907的通孔2922上的屏蔽2949。在某些示例中，屏蔽物2949可以密封通孔2922。在这样的示例中，屏蔽物2949可以是多孔的，以允许目标材料2910接触电极的感测元件。屏蔽2949可以包括用于中断电极附近的电磁干扰的导电材料。在某些示例中，屏蔽物2949可以耦合到接地或电极结构2900的电池的参比端子。在一些示例中，电极结构2900可以提供将屏蔽物接地的导电路径。图29B大体上示出了护罩2949的示例，该护罩2949可以使用支座2950耦合到例如电极结构2900的封装材料2919，以允许目标材料2910在护罩2949下方通过至通孔2922。在这样的示例中，屏蔽件2949可以是无孔的。在某些示例中，电极结构可以可选地包括基板2906、封装材料2919、与基板2906集成的电子设备2911、电路板2939、参比材料2910或其组合。

在某些示例中，护罩2949可以包括光栅。光有时会影响电极的性能，并且在某些情况下，与未暴露于环境光的电极相比，光会缩短电极的使用寿命。在某些示例中，电极结构2900可以包括耦合至形成通孔2922的封装材料2919的遮光罩。在一些示例中，电极结构2900可以包括使用支架2950耦合到封装材料2919的遮光罩，因此目标材料或参比材料2910可以接触通孔2922并与电极的感应元件(例如凝胶或电极的无源离子感应元件2907)形成电路。

图30总体上示出了包括多个传感器结构3001的基板3006，该多个传感器结构3001可以允许扩展操作。使用可寻址或顺序激活的电极可以进行扩展操作。在某些示例中，当第一电极结构达到其有用的感测寿命的终点时，可以通过例如刺穿或破裂电极结构的膜来激活第二电极结构。

图31大体上示出了可以用作图30中示出的系统的一部分的传感器的电极结构3101的示例。电极结构可以包括基板3106、与基板3106集成在一起的有源电子设备3111、敏感材料3107、将离子敏感材料3107与有源电子设备3111连接的导电迹线3108、附加基板材料或封装材料3129和膜3140。膜3140可以使目标材料或其他材料与离子敏感材料3107隔离。该膜可以包括到有源电子设备的电连接3141、3142。在某些示例中，可以使用热来弹出或刺穿膜。在某些示例中，接触或紧挨着膜3140的加热元件可以被激活以经由热使膜3140破裂。在某些示例中，加热元件可以与膜3140集成在一起，使得当电极结构3101被选择用于主动感测用途时，加热元件可以经由电连接3141、3142被激活并且可以使膜3140破裂，从而允许目标材料接触离子敏感材料3107。在一些示例中，膜3140可以包括压电材料。当选择电极结构3101用于主动感测用途时，压电可以通过电连接3141、3142被激活并且可以例如振动以破裂膜3140，从而允许目标材料进入离子敏感材料3107。例如，传感器可以包括选择电路，该选择电路可以在最小时间段内每次激活选择电路的单个输入时依次破裂下一个隔膜，其中最小时间段表示典型加热元件或压电设备破裂传感器结构的相应膜所需的最大时间。在某些示例中，压电材料也可以用于防止或消除电极结构的结垢。

图32总体上示出了用于操作包括无源离子敏感电极的设备的方法3200的示例的流程图。在3201，可以使用集成在包括无源离子敏感电极的同一基板内的通道将测试材料引导至无源离子敏感电极。在某些示例中，可以使用也容纳无源离子敏感电极的基板的微通道来引导测试材料。在一些示例中，微通道可以将测试材料横向地引导穿过基板到达无源离子敏感电极。在某些示例中，微通道可以将测试材料垂直地引导穿过基板到达无源离子敏感电极。在一些示例中，基板可以包括微通道的组合以将测试材料引导至无源离子敏感电极。在某些示例中，基板可以包括堆叠的层，并且堆叠的层可以包括微通道，该微通道在堆叠时将测试材料引导至无源离子敏感电极。

在某些示例中，基板可以在无源离子敏感电极上方包括通孔，以将测试材料引导至无源离子敏感电极。在一些示例中，通孔可以包括凝胶或过滤器。在一些示例中，基板可以包括由通孔或微通道支撑的多个无源离子敏感电极，用于将测试材料引导至无源离子敏感电极。

在某些示例中，可以使用系统将测试材料选择性地引导至无源离子敏感电极。在一些示例中，基板可以包括多个无源离子敏感电极。选择装置可以耦合到基板。选择装置可以包括开口，并且可以定位成将测试材料引导到多个无源离子敏感电极中的一个无源离子敏感电极上。该机构可以覆盖测试材料并将其与多个无源离子敏感电极中的其他先前未选择的无源离子敏感电极隔离。与具有单个指示电极的传感器相比，这种设备可以浸没在测试材料或溶液中，并且可以长时间提供测量信息。在某些示例中，基板可包括多个无源离子敏感电极，并且在一个或多个无源离子敏感电极上的膜可用于选择用于测量测试材料或溶液的电极或一组电极。在一些示例中，使膜破裂可以选择或激活用于提供测量信息的电极。在某些示例中，可以使用与膜相邻或与膜集成在一起的加热元件使膜电子破裂。这样的机制或系统可以允许与包括多个无源离子敏感电极的基板集成的有源电子设备监视参数并自动选择一个电极或一组电极来提供测量信息。在某些示例中，参数可以包括与测试材料的特性相关的参数，例如浓度、压力、温度等。在某些示例中，参数可以包括与当前有源电极相关联的参数，例如测量质量参数、当前活动的传感器的活动测量寿命等。

在3203处，可以在与基板集成的有源电子设备处接收无源离子敏感电极的感测信息。在与同一基板集成的电子设备处从一个或多个无源离子敏感电极(例如上述指示电极和参比电极的组合)接收感测信息可以减少或消除与常规离子感测设备相关的干扰问题。另外，传感器可以非常小，可以潜水，可以便宜并且可以在包括不使用某些常规的昂贵设备的恶劣环境在内的各种环境中提供鲁棒的性能。

在3205，可以提供测试材料的离子浓度的指示作为有源电子设备的输出。在某些示例中，感测信息可以由基板的有源电子设备处理，并且可以经由有线或无线介质来提供离子浓度信息以及其他信息。在某些示例中，指示可以是模拟信号、数字信号或模拟和数字信号的组合。

微流体系统生成的测量数据(例如特定值/读数/阈值等)可以进行加密，以保护系统的完整性或功能安全性。在某些示例中，可以通过集成在传感器的电极的基板上的处理电子设备来完成加密。可以通过软件、固件或硬件来完成加密，以确保在传感器处或在从传感器传输数据期间不会破坏测量信息。

各种注释&例子

在方面1，一种用于在不需要有源电极的情况下感应材料浓度的集成离子敏感探针设备可包括：半导体基板；第一无源电极，其与所述半导体基板集成并配置为接触溶液并提供第一电压，该第一电压是所述溶液中离子浓度的函数；和被配置为将所述溶液引导至所述第一无源电极的通道。

在方面2，方面1的通道任选地包括在基板中的开口，并且第一无源电极位于开口的底表面。

在方面3，方面1-2中任意一项或多项的通道的侧壁表面任选地从半导体基板的上表面向第一无源电极倾斜。

在方面4，方面1-3中任意一项或多项的通道的侧壁表面任选地从半导体基板的上表面向第一无源电极步进。

在方面5，方面1-4中任意一项或多项的通道任选地包括第一微通道，被配置为将溶液传导至第一无源电极。

在方面6，方面1-5中任意一项或多项的基板任选地包括与第一微通道耦合的多个第二微通道，所述多个第二微通道被配置为当所述第二微通道中的一个被污染时允许设备操作。

在方面7，方面1-6中任意一项或多项的第一无源电极任选地位于第一平面中，并且方面1-6中任意一项或多项的第一微通道任选地被配置为在基板内平行于第一平面引导所述溶液。

在方面8，方面1-7中任意一项或多项的第一微通道任选地延伸穿过基板一定长度，并且基板内的第一微通道沿该长度开口。

在方面9，方面1-7中任意一项或多项的设备任选地包括被配置为沿所述长度封闭所述第一微通道的盖。

在方面10，方面1-9中任意一项或多项的第一无源电极任选地位于第一平面中，并且方面1-9中任意一项或多项的第一微通道任选地被配置为在基板内垂直于所述第一平面引导所述溶液。

在方面11，方面1-10中任意一项或多项的基板任选地包括位于第一微通道附近的热装置。

在方面12，方面1-11中任意一项或多项的基板任选地包括位于第一微通道附近的磁装置。

在方面13，方面1-12中任意一项或多项的基板任选地包括第二微通道，其中第二微通道与第一微通道相交。

在方面14，方面1-13中任意一项或多项的设备任选地包括***第二微通道内的过滤器。

在方面15，方面1-14中任意一项或多项的设备任选地包括***第二微通道内的凝胶。

在方面16，方面1-15中的任一个或多个的第一无源电极可选地位于基板的第一平面中，并且该设备包括位于基板的第二平面中的第二无源电极，该第二平面与第一平面平行。

在方面17，方面1-16中的任一个或多个中的第二平面可选地在基板内的不同深度处。

在方面18，方面1-17中的一个或多个方面的基板可选地包括微通道，该微通道配置成将溶液传导至第一无源电极和第二无源电极。

在方面19，方面1-18中的任一个或多个中的基板可选地包括外部电互连。

在方面20，方面1-19中任一项或多项的设备可选地包括电路板，该电路板用于经由基板的外部电互连和电路板的配合电互连向和从设备路由电信号。

在方面21，方面1-20中任一项或多项中的设备可选地包括具有端部止动件的引导壳体，该引导壳体安装到电路板上，并且在将所述基板***到所述引导壳体中以及从所述引导壳体中***时，配置所述半导体基板的引导定位，并且其中，在将所述基板***所述引导壳体中之后，所述端部挡块构造成参比所述基板，并使基板的外部电互连与电路板的匹配电互连对准。

在方面22，方面1-21中的一个或多个方面的设备可选地包括在第一无源电极上方的屏蔽。

在方面23，方面1-22中的任一个或多个中的设备可选地包括支座，该支座被配置为允许屏蔽下的目标材料通过至第一无源电极。

在方面24，方面1-23中的任一个或多个的屏蔽可选地是电磁屏蔽。

在方面25，方面1-24中任一项或多项的屏蔽罩可选地是遮光罩。

在方面26，方面1-25中的任一个或多个的屏蔽件任选地是多孔的。

在方面27，方面1-26中的任一个或多个的屏蔽被可选地配置为隔离目标材料使其不与第一无源电极接触。

在方面28，方面1-27中的任何一个或多个方面的设备可选地包括耦合至基板的集成电路的设备，该设备被配置为使屏蔽破裂。

在方面29，方面1-28中任一项或多项中的设备可选地包括加热设备。

在方面30，方面1-29中的一个或多个方面的装置可选地包括压电装置。

在方面31，方面1-30中的一个或多个方面的设备可选地包括在基板上制造的集成电路，该集成电路被配置为缓冲由第一无源电极提供的信号。

在方面32，方面1-31中的一个或多个方面的设备可选地包括集成在基板上并耦合至集成电路的温度传感器。

在方面33，方面1-32中任一项或多项中的设备可选地包括集成在基板上并耦合至集成电路的压力传感器。

在方面34，方面1-33中的一个或多个方面的设备可选地包括集成在基板上并耦合至集成电路的电阻校准电路。

在方面35，方面1-34中任一项或多项的电阻材料可选地被配置用于比率量度校准修整。

在方面36，方面1-35中的任一项或多项中的设备可选地包括可吹式连杆，以调节电阻校准电路。

在方面37，一种设备可以包括：基板；以及在该基板上制造的多个离子敏感电极结构，其中，多个离子敏感结构中的一个或多个包括被配置为接触溶液并提供第一电压作为溶液中离子浓度的函数的无源离子敏感电极。该设备可以被配置为用于感测材料的浓度而无需有源电极。

在方面38，方面1-37中的一个或多个方面的设备可选地包括具有开口的屏蔽件，该屏蔽件配置为将溶液与多个离子敏感电极的至少一个子集隔离，所述开口构造成当所述开口位于所述一个离子敏感电极上方时允许所述溶液接触所述多个离子敏感电极中的一个离子敏感电极。

在方面39，方面1-38中任一项或多项的屏蔽件可选地锚固到基板上。

在方面40，方面1-39中任一项或多项的屏蔽件可选地构造成围绕锚旋转，以允许开口选择性地进入多个离子敏感电极中的一个。

在方面41，方面1-40中任一个或多个的多个离子敏感电极结构可选地布置成阵列，方面1-40中任一个或多个的装置可选地包括与基板集成在一起的解码器电路，其中解码器电路被配置为将多个离子敏感电极结构中的特定一个的第一电压路由至处理电路。

在方面42，方面1-41中的任何一个或多个方面的解码器电路可选地被配置为从处理电路接收选择信息，并且响应于选择信息，将多个离子敏感电极结构中的特定一个的第一电压传送到处理电路。

在方面43，一种在不需要有源电极的情况下操作集成传感器装置以检测材料浓度的方法可包括通过基板的通道将材料引导至无源离子敏感电极，该基板包括无源离子敏感电极，在与基板集成在一起的有源电子设备上从无源离子敏感电极接收感应信息，并使用有源电子设备指示材料的离子浓度。

在方面44，将材料引导到方面1-43中任一项或多项的无源离子敏感电极中，可选地包括在无源离子敏感电极上方旋转屏蔽的开口。

在方面45，方面1-44中任一项或多项的无源离子敏感电极可选地是无源离子敏感电极阵列的其中之一，并且方面1-44中任一项或多项的从无源离子敏感电极接收感测信息可选地包括：在有源电子设备的解码器处接收选择信息，以及响应于选择信息，经由解码器将感测信息路由到有源电子设备。

在方面46，方面1-45中任一项或多项中的方法可选地包括：在有源电子设备处从与基板集成在一起的温度传感器接收温度信息。

在方面47，方面1-35中任一项或多项中的方法可选地包括使用与基板集成的校准电阻来校准有源电子设备，其中，校准包括调整校准电阻。

在方面48中，调整方面1-47中的任一个或多个的校准电阻可选地包括激光修整校准电阻的一部分。

在方面49中，引导方面1-48中任一项或多项的材料可选地包括破裂使该材料与无源离子敏感电极隔离的膜。

在方面50中，方面1-49中任一项或多项中的使膜破裂可选地包括激活邻近膜的加热元件。

在方面51中，使方面1-50中的一个或多个方面破裂的膜可选地包括电激励膜的压电元件。

在方面52中，方面1-51中任一项或多项的材料的引导可选地包括经由基板的微通道将材料引导到无源离子敏感电极。

在方面53，引导方面1-52中任一项或多项的材料可选地包括使用位于微通道附近的装置来调节材料。

在方面54，对方面1-53中任一项或多项的材料进行调节包括：使用位于微通道附近的磁性装置向材料施加磁能。

在方面55，对方面1-54中任一项或多项的材料进行调节包括任选地包括使用位于微通道附近的热装置与材料交换热能。

在方面56，方面1-55中任一项或多项中的热装置可选地包括加热器。

在方面57，提供方面1-56中的任一个或多个方面的指示可选地包括在有源电子设备的放大器处放大从无源离子敏感电极接收的信号。

在方面58，提供指示包括从包括无源离子敏感电极的基板无线传达指示。

上面的详细描述包括对附图的引用，这些附图形成了详细描述的一部分。附图通过说明的方式示出了可以实践本发明的特定实施例。这些实施例在本文中也被称为“示例”。这些示例可以包括除了示出或描述的那些元件之外的元件。然而，本发明人还考虑了仅提供示出或描述的那些元件的示例。此外，本发明人还设想了使用示出或描述的那些元素(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例，或关于此处显示或描述的特定示例(或其一个或多个方面)，或其他示例(或其一个或多个方面)。

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