離子敏感器件,離子敏感器件原理是什么?

化學(xué)量傳感器是繼物理量傳感器之后而興起的另一類傳感器。化學(xué)量傳感器的傳感對(duì)象包括離子與分子。離子傳感器是在溶液中的離子活度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，這里所說(shuō)的電信號(hào)通常是指電位或電流。離子傳感器在化學(xué)、化工、生物、生物技術(shù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、輕工、食品、農(nóng)業(yè)與環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多。它是化學(xué)量傳感器中制作工藝較成熟、實(shí)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(shí)別，而利用固定在敏感膜上的離子識(shí)別材料有選擇性地結(jié)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(jiàn)的離子傳感器。

離子傳感器技術(shù)的進(jìn)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(jù)敏感膜的種類來(lái)劃分的。換能器的進(jìn)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(yīng)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(duì)離子傳感器分類時(shí)也有以換能器的類型為依據(jù)的。

離子傳感器的分類

根據(jù)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(jù)換能器的類型劃分：電極型離子傳感器；場(chǎng)效應(yīng)晶體管型離子傳感器；光導(dǎo)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(diǎn)和發(fā)展歷史

ISFET是由ISE 敏感膜和MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)晶體管組合而成的，是對(duì)離子具有一定的選擇性的器件。對(duì)比于一般的離子選擇性電極，它具有高阻抗轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)，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(lái)測(cè)量的缺點(diǎn)，為電信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)提供了有利的條件，且靈敏度、響應(yīng)時(shí)間均有所提高。此外它還具有體積小，易于集成的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)使其在電化學(xué)的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

1970 年Bergveld 將普通的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)離子的濃度呈線性關(guān)系，這就是得到了世界上面的第一個(gè)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(nèi)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。現(xiàn)在各大大學(xué)對(duì)化學(xué)敏感器件的研究和應(yīng)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(chǔ)上面發(fā)展出來(lái)的有NH3,H2S,H2,CO,CO2 以及青霉素，抗原（或抗體）等等化學(xué)敏感器件。1983 年Sibbald 發(fā)表了對(duì)苯巴比妥響應(yīng)的FET 和結(jié)合計(jì)算機(jī)的ISFET 測(cè)量系統(tǒng).使ISFET 的檢測(cè)進(jìn)入了一個(gè)完善的階段。

離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管的原理

在ISFET 里面進(jìn)行化學(xué)量— 離子濃度到電學(xué)量— 電勢(shì)的轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是MOSFET晶體管。它的具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

這種類型的MOSFET 叫N 溝道增強(qiáng)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(dǎo)體。原理大致相同，這里主要使用增強(qiáng)型半導(dǎo)體來(lái)具體說(shuō)明。

1.MOSFET 的電流電壓特性

此圖表示的是在柵極加上一個(gè)控制電壓VGs，源極與漏極加上一個(gè)VDS.如果此時(shí)的柵極電壓調(diào)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(guò)源極與漏極的電流IDS極小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)柵極加上一個(gè)足夠的電壓VGs 后，由于電極化作用，使氧化膜緊貼半導(dǎo)體表面感應(yīng)出負(fù)電荷，使半導(dǎo)體溝道里面的電子濃度增加，使其局部由P 型轉(zhuǎn)變成N 型，使源區(qū)與漏區(qū)連通起來(lái)，加上源極與漏極之間有一個(gè)電壓，就可以產(chǎn)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(dǎo)體的導(dǎo)電狀態(tài)下面電阻很小，所以就在負(fù)載Rl 上面產(chǎn)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?yàn)樵诖穗妷旱姆秶鷥?nèi)，IDS僅僅和VGS有關(guān)。[2]這時(shí)候也要注意到不能使電壓過(guò)高，否則兩個(gè)N 型摻雜區(qū)之間的溝道就會(huì)被擊穿。時(shí)間長(zhǎng)了對(duì)半導(dǎo)體元件有損傷。

2．ISFET 的機(jī)理

ISFET 的具體的機(jī)理和MOSFET 的機(jī)制是一樣的，就是它用的是離子敏感膜來(lái)代替金屬接觸部分，這樣由于在離子響應(yīng)膜的兩邊就會(huì)有道南電位，ISFET 就會(huì)把這樣微小的電勢(shì)放大出來(lái)，給儀器檢測(cè)。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(shù)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(yīng)特性（就是響應(yīng)的靈敏度）和跨導(dǎo)（相當(dāng)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(jié)果。經(jīng)過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)，ISFET 的穩(wěn)定性和壽命完全符合化學(xué)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(gè)ISFET 好壞與否的關(guān)鍵步驟。膜分為無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜。由于現(xiàn)在ISFET 使用大部分在生化和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里面，所以有機(jī)膜的應(yīng)用比較廣泛。活性的膜物質(zhì)和ISE 的選擇并沒(méi)有多大的差別。關(guān)鍵是膜的沉積技術(shù)。要求既不能損害場(chǎng)效應(yīng)晶體管，又能保證膜的質(zhì)量。當(dāng)代的主要的沉積技術(shù)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(xué)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(jiǎn)單，便于自制。

用ISFET 進(jìn)行滴定分析

1.直接滴定法

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

2.標(biāo)準(zhǔn)加入法

測(cè)試的方法與一般的電位的滴定的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)范圍內(nèi)，這樣才能保證測(cè)定的結(jié)果的正確。

3.儀器檢測(cè)方法

由上面的討論得知，ISFET 非常適合用電子儀器進(jìn)行的準(zhǔn)確測(cè)量。可以方便的讀出漏電流，進(jìn)而讀出溶液中的離子強(qiáng)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(cè)量更加快速與簡(jiǎn)便。

具體的應(yīng)用

由于上面敘述的種種的優(yōu)點(diǎn)，ISFET 被廣泛的應(yīng)用在生物化學(xué)，醫(yī)學(xué)等等進(jìn)行微量分析并要求靈敏和迅速的領(lǐng)域里面。在有合適的離子響應(yīng)膜或者一定的化學(xué)修飾的ISFET 的下面，可以測(cè)量很多的氨基酸、蛋白質(zhì)，酶等物質(zhì)，比如黃連素，麻黃堿等等。還在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種污染離子。