技術摘要
本發明所揭EIS離子感測器之新型量測電路，其係經適當線性化步驟，可達到十分滿意之正比線性關係。據此不僅可改善高階LCR Meter之缺點，有效降低製造成本，具有高準確度，並且方便攜帶。
現有技術描述、問題及其缺陷
"按，EIS（Electrolyte insulator semiconductor）離子感測主要為量測液體中之氫離子濃度，氫離子濃度則影響水的酸鹼值。因此，當量測氫離子濃度時，也相對在量測溶液之pH值。而檢測pH值應用於許多地方，無論在化學、化工許多之化學反應裡，或者農業方面對於土壤之量測，到醫學中對於病情之判斷，量測血液、唾液、細胞等等…。換言之，pH值之量測對於生活係有著不可忽視之影響，許多科學研究與工作都需要pH值量測才能完成。
1970年由P.Bergveld以 做為閘極之材料，製作出離子感測場效電晶體(Ion Sensitive Field Effect Transistor,ISFET) (如第一圖)，ISFET與MOSFET最主要的差異在於ISFET將MOSFET中之金屬層除去，將 所製成的絕緣薄膜作為閘極感測層，當元件放置在不同pH值之電解液中，因不同氫濃度而通過元件之電流也不同，閘極感測層之介面電位也隨之變化，產生不同的通道電流，進而量測出離子濃度之變化，而P.Bergveld此研究，大大改變了原本之MOSFET，至今已有許許多多的研究，例如改良EIS 感測器的製程與材料等，材料方面有用 / - / / 所製成EIS感測器等研究。
而目前習用EIS 感測器之量測大部分還是透過高階LCR阻抗分析儀做電容值量測動作，由於EIS感測器之電容為nF級，所以需相當精準之量測設備，而LCR阻抗分析儀係具有體積龐大、價錢昂貴並且攜帶不便等缺點。
本發明之主要目的係在於提供一種EIS離子感測器之新型量測電路，用以使EIS 感測器之量測方式能為簡易、準確，並且降低製造成本。
"
本技術發明之目的及達成功效
請參閱第二圖，本發明所揭EIS離子感測器之新型量測電路係是依克希荷夫(Kirchhoff)定律為主，搭配分壓定理所設計者，係包含加法器、放大器、串聯電阻、電容、一對二開關及EIS 感測器，其中，用OP TL074製成加法器，把AC:1V 500Hz跟DC:0~4V組合為信號輸入。DC電壓用途為EIS 感測器的極化電壓，使EIS 感測器產生電容效應，而AC訊號的頻率決定了EIS感測器的電容值範圍。將整合過的輸入訊號與串聯電阻(3.3k)相接，串聯電阻R再與一對二開關串接，由一對二開關可選擇與已知電容(100pF)或是EIS 感測器連接。串聯電阻R的兩端與儀器放大器相連，因分壓定律，與EIS感測器串聯的電阻R其電壓較小，故經過儀器放大器放大電壓，以提高準確度。經量測串聯電阻R的電壓之後，便可推算出其電流。已知電容100pF的選用，是因為EIS 感測器的最低電容值約為100pF，所以選用此電容值，作為與EIS感測器做比較的數值。而已知電容與EIS 感測器的電容值做比較，是為了避免電流的計算，經用公式的轉換，減少計算上的誤差及量測上的困難，最後由電壓錶量測到串聯電阻的輸出電壓範圍約為26~70mV之間。
藉由EIS 感測器源極接了一對二開關，並在一對二開關另一端接上已知電容 ，利用量測與已知電容串聯時候的電阻R之電壓，用類似比較之方式計算出EIS 感測器之電容值，避免計算電流值而造成的誤差，大幅增加了量測之精確度。
當串聯電阻R與已知電容 串聯時，以歐姆定律，可得到公式(1) ，再將開關切換，此時電阻R變成與EIS 感測器串聯，與已知電容 開路，可得公式(2)，再利用克希荷夫(Kirchhoff)電壓定律，兩邊的電壓相等，得到公式(3)，經過一定的公式簡化推算後得到公式(4)，依照公式(4)中，如果串聯電阻R的電阻值小於EIS 感測器的阻抗0.001倍時，其分母中” ”的部份數值相當小，故可忽略不看，其將公式簡化成公式(5)，經由公式(5)便可觀察到公式變得相當單純，電路量測的數據換算也相對簡單。利用電壓值與電容值的比較，避免計算過程中電流值的誤差，對提高精確度來說相當適用。
……………………………..(1)
………………………..……(2)
依Kirchhoff電壓定律
……..……(3)
代入(1)、(2)兩式
移項後同除於 項
…………….(4)
假設
則可把式子簡化成
…………………...………(5)
更進一步使用HP 4284A，利用LCR Meter量測EIS 感測器並製作其C/V曲線圖作為基準，如第三圖及第四圖所示，其中，第三及四圖中每條線各代表了不同的pH值下測量出的C/V曲線。當pH值越高，其量測到之電容值越高；另請參閱第五圖，其係以新式EIS 感測器量測電路所量測到之C/V曲線圖，圖中可以清楚看到其圖形與以第三及四圖之圖形一致，經過計算後，由HP4284A量測的電容值與新式量測電路的最大電容值之誤差值約在5%，且因為量測環境設定的差異，所量測電容值也會有差異，而EIS 感測器的電容值與頻率、材料等等皆有關係，所以不同量測方法下所量測之電容值會有些許差異，而只要可以完成如第三及四圖所示之C/V曲線圖，誤差值並不會有太大的影響。電容值目的為製成C/V曲線，當不同pH值下，C/V曲線可以清楚分辨pH值，其電容值的差距是可被接受的。此新式EIS感測器量測電路在實驗所使用之EIS 感測器是由 作為絕緣層所製成材料，而量測的電解液為pH4。此外，第五圖中繪製出經過簡化計算與未經過簡化計算的C/V曲線，發現經過簡化後的曲線圖與未經簡化的誤差相當小，其最大誤差值只有1.4%，因此確定簡化公式是可行的。
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一種阻抗量測裝置包括一信號產生器產生一具有一操作頻率的輸入信號，一切換器受一控制信號控制使其第一端選擇地電連接離子感測器或校準電容，一電阻根據該輸入信號產生一跨壓，偵測跨壓且產生一相關於校準電容的阻抗值的第一偵測電壓，一第二偵測電壓，及一處理器儲存校準電容的阻抗值，以提供控制信號來控制切換器，並根據第一及第二偵測電壓的比值與校準電容的阻抗值進行運算產生一運算結果，運算結果指示該離子感測器的阻抗值，可根據該運算結果從轉換表中比對與內插值運算以得到對應的離子濃度。