離子敏感器件,離子敏感器件原理是什么?

離子敏感器件,離子敏感器件原理是什么?

化學量傳感器是繼物理量傳感器之后而興起的另一類傳感器?；瘜W量傳感器的傳感對象包括離子與分子。離子傳感器是在溶液中的離子活度轉換為電信號的傳感器，這里所說的電信號通常是指電位或電流。離子傳感器在化學、化工、生物、生物技術、醫(yī)藥衛(wèi)生、輕工、食品、農業(yè)與環(huán)境保護等領域的應用日漸增多。它是化學量傳感器中制作工藝較成熟、實用化較早的一類傳感器。

離子傳感器的基本原理

離子傳感器的基本原理是離子識別，而利用固定在敏感膜上的離子識別材料有選擇性地結合被傳感的離子，從而發(fā)生膜電位或膜電流的改變。

離子選擇性電極(ISE)是常見的離子傳感器。

離子傳感器技術的進步取決于敏感膜與換能器，因此離子傳感器的分類通常是根據敏感膜的種類來劃分的。換能器的進展正在改變著離子傳感器的面貌，從傳統(tǒng)的離子選擇性電極發(fā)展為離子敏感等效應晶體管，后者易于微型化集成化，由于換能器的重要作用，在對離子傳感器分類時也有以換能器的類型為依據的。

離子傳感器的分類

根據敏感膜的種類劃分：玻璃膜式離子傳感器；固態(tài)膜式離子傳感器；液態(tài)膜式高于傳感器；以離子傳感器為基本體的隔膜式傳感器。

根據換能器的類型劃分：電極型離子傳感器；場效應晶體管型離子傳感器；光導傳感型離子傳感器；聲表面波型離子傳感器。

離子敏感器件的主要特點和發(fā)展歷史

ISFET是由ISE 敏感膜和MOSFET 場效應晶體管組合而成的，是對離子具有一定的選擇性的器件。對比于一般的離子選擇性電極，它具有高阻抗轉換的優(yōu)點，并具有放大功能，從而克服了普通的離子選擇電極(ISE)不能用一般的儀器來測量的缺點，為電信號的準確檢測提供了有利的條件，且靈敏度、響應時間均有所提高。此外它還具有體積小，易于集成的優(yōu)點，可以很容易的做成微型分析儀器和離子探針，可以用于微量溶液中離子活度的分析，這些優(yōu)點使其在電化學的領域中得到廣泛的應用。

1970 年Bergveld 將普通的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOS－FET）去掉金屬柵極，讓絕緣體（SiO2）與溶液直接接觸，得到的漏源電流與響應離子的濃度呈線性關系，這就是得到了世界上面的第一個ISFET。1975 年Moss 將敏感材料淀沉在絕緣柵上面，成功制作了K+-ISFET[6-7]。隨后幾年內又出現(xiàn)了Ag+-----ISFET?? Br----ISFET。1977年Revesz 和Zemel 分別綜述了ISFET 的工作原理[8,9]。此后，ISFET 迅速發(fā)展?，F(xiàn)在各大大學對化學敏感器件的研究和應用十分活躍。、到目前為止，ISFET 主要有以下幾種：

H+, K+, Na+, Ca2+, Cl-, F-, Br-, I-, CN-, Ag+, S2-, NH4+

在ISFET 基礎上面發(fā)展出來的有NH3,H2S,H2,CO,CO2 以及青霉素，抗原（或抗體）等等化學敏感器件。1983 年Sibbald 發(fā)表了對苯巴比妥響應的FET 和結合計算機的ISFET 測量系統(tǒng).使ISFET 的檢測進入了一個完善的階段。

離子敏感場效應晶體管的原理

在ISFET 里面進行化學量— 離子濃度到電學量— 電勢的轉換的關鍵元件是MOSFET晶體管。它的具體結構如下圖所示：

這種類型的MOSFET 叫N 溝道增強型MOSFET。還有一種是耗盡型的晶體管就是在中間的溝道中用的N 型半導體。原理大致相同，這里主要使用增強型半導體來具體說明。

1.MOSFET 的電流電壓特性

此圖表示的是在柵極加上一個控制電壓VGs，源極與漏極加上一個VDS.如果此時的柵極電壓調成0。由于左邊的N— P 節(jié)是屬于正向偏置，而右邊的P---N 節(jié)屬于反向偏置。所以這種條件下面的流過源極與漏極的電流IDS極小，可以忽略不計。當柵極加上一個足夠的電壓VGs 后，由于電極化作用，使氧化膜緊貼半導體表面感應出負電荷，使半導體溝道里面的電子濃度增加，使其局部由P 型轉變成N 型，使源區(qū)與漏區(qū)連通起來，加上源極與漏極之間有一個電壓，就可以產生電流，稱之為漏電流。一般源極與漏極之間加的電壓比較大，半導體的導電狀態(tài)下面電阻很小，所以就在負載Rl 上面產生了很大的電壓降。MOSFET 具體的輸出特性曲線就如下面展示的一樣：

一般的MOSFET 工作在飽和區(qū)，因為在此電壓的范圍內，IDS僅僅和VGS有關。[2]這時候也要注意到不能使電壓過高，否則兩個N 型摻雜區(qū)之間的溝道就會被擊穿。時間長了對半導體元件有損傷。

2．ISFET 的機理

ISFET 的具體的機理和MOSFET 的機制是一樣的，就是它用的是離子敏感膜來代替金屬接觸部分，這樣由于在離子響應膜的兩邊就會有道南電位，ISFET 就會把這樣微小的電勢放大出來，給儀器檢測。具體的ISFET 的示意圖如下：

1.硅鎢酸PVC 膜；2.SiN4；3. SiO2；4.溝道；5．絕緣樹脂；6.參比電極 B:P－Si 基體；S：源極；D：漏極

可以看出除了柵極部分，其他的部分和MOSFET 的一模一樣。作為離子敏感電極，它的可逆性、階躍響應特性（就是響應的靈敏度）和跨導（相當于放大率）只要在合適的離子膜下面，就可以得到非常令人滿意的結果。經過具體的實驗，ISFET 的穩(wěn)定性和壽命完全符合化學分析里面的要求。

3.離子選擇膜的制作

有效的離子選擇膜的選擇，是一個ISFET 好壞與否的關鍵步驟。膜分為無機膜和有機膜。由于現(xiàn)在ISFET 使用大部分在生化和醫(yī)學領域里面，所以有機膜的應用比較廣泛。活性的膜物質和ISE 的選擇并沒有多大的差別。關鍵是膜的沉積技術。要求既不能損害場效應晶體管，又能保證膜的質量。當代的主要的沉積技術分為物理氣相沉積法(PVD),包括高真空蒸發(fā)、直洗、射頻濺射；化學氣相沉積(CVD)和浸泡涂敷法三大類。現(xiàn)在的主要的方法是將離子活性劑溶解在增塑劑、PVC 粉末的THE 溶液中，最后將此溶液涂在ISFET 的柵區(qū)。一般都采用的是浸泡涂敷法，主要是使用簡單，便于自制。

用ISFET 進行滴定分析

1.直接滴定法

在測定前先要使溶液在合適的pH 和離子強度下面工作，隨后加入一定量的已知濃度的溶液，測定電位，做成ISFET 的標準曲線圖。最后使用已知的標準曲線圖測定溶液中離子活度的大小。

2.標準加入法

測試的方法與一般的電位的滴定的標準加入法類似，主要注意的是，要保證加入的范圍始終要在線性響應范圍內，這樣才能保證測定的結果的正確。

3.儀器檢測方法

由上面的討論得知，ISFET 非常適合用電子儀器進行的準確測量?？梢苑奖愕淖x出漏電流，進而讀出溶液中的離子強度。由于是數(shù)字顯示，這樣就排除了人的主觀的誤差。這樣就測量更加快速與簡便。

具體的應用

由于上面敘述的種種的優(yōu)點，ISFET 被廣泛的應用在生物化學，醫(yī)學等等進行微量分析并要求靈敏和迅速的領域里面。在有合適的離子響應膜或者一定的化學修飾的ISFET 的下面，可以測量很多的氨基酸、蛋白質，酶等物質，比如黃連素，麻黃堿等等。還在環(huán)境監(jiān)測實時監(jiān)測各種污染離子。