第八章 化学和生物传感器3讲解.ppt

第八篇 化学与生物传感器 授课教师 陈建元 8．1 化学传感器 作为信息变换手段之一的化学传感器，是应化学反应产生的电化学现象及根据化学反应中产生的各种信息（如光效应、热效应、场效应和质量变化）来设计的各种精密而灵敏的探测装置。此类传感器用于检测及测量特定的某种或多种化学物质，因此化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。 8．1．1 电位型电化学传感器原理 有三种基本电化学过程适用于构成传感器： 1．电位法：测量零电流下的电池电位； 2. 伏安法(电流法)：在电池电位间设置氧化 (或还原)电位来测量电池的电流； 3. 电导法：用一交流电桥方法来测量电池 电导。 电位法 将一金属条(例如银)置于一含离子的溶液(如银离子)中，沿着金属和溶液的界面会产生电荷分布(图 8-1)，这就产生了人们所说的电子压力，通常称为电位。 图8-1 将一金属电极浸在电解液中为一半电池 电位法 此电位不能直接测量取得，需要两个这样的电极与电解质的组合，其中每一个称作半电池，这样一个组合称作电化学电池(图 8-2)。 图8-2 两个半电池电极组合成一完整的电池 两组半电池内部通过一电导桥或膜将电路相连，然后，在两电极外端连接一测量电位的装置，该电路可用来测定电池的电动势(emf)，其值为两个半电池电极间的电位差。电动势数值大小取决于几个因素：①电极材料；②各个半电池内的溶液性质及浓度；③通过膜(或盐桥)的液体接界电位。 在标准状态，氢气分压为101325Pa，温度为298K(25℃)，定义氢的标准电极电位为零（电位E0=0V），可决定另一电极电位。由于氢电极不方便，常用饱和甘汞电极作参考电极（电位E0=0.24V）。溶液浓度与测量电极电位的关系由能斯特方程确定，基本能斯持方程是从基础热力学方程导出的对数关系式。 8．1．2 离子敏感器件 离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极（ISE）与金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）组合而成，简称ISFET。IS－FET是用来测量溶液（或体液）中的离子活度的微型固态电化学敏感器件。 8．1．2．1 ISFET结构与工作原理 一、MOFET的结构和特性 用半导体工艺制作的金属－氧化物－半导体场效应晶体管的典型结构如图8-4所示。它的衬底材料为P型硅。用扩散法做两个N＋区，分别称为源（S）和漏（D），在漏源之间的P型硅表面，生长一薄层SiO2，在SiO2上再蒸发一层金属Al，称为栅电极，用G所示。在栅极不加偏压时，栅氧化层下面的硅是P型，而源漏是N型，故源漏之间不导通。 当栅源之间加正向偏压VGS，且有VGS＞VT时，则栅氧化层下面的硅就反型，从P型变为N型。这个N型区就将源区和漏区连接起来，起导电通道的作用，称为沟道，MOSFET就进人工作状态。这种类型称为N沟道增强型MOFET。 在 MOSFET的栅电极加上大于VT的正偏压后，源漏之间加电压VDS，则源和漏之间就有电流流通，用IDS表示。IDS的大小随VGS和VDS的大小而变化，其变化规律即MOS－FET的电流电压特性，图8-5所示是其输出特性和转移特性曲线。所谓转移特性曲线是指漏源电压VDS一定时，漏源电流IDS与栅源电压VGS之间的关系曲线。 由图可见，当VGS＜VT时，MOSFET的表面沟道尚未形成，故无漏源电流；当VDS＞VT时，MOSFE才开启，此时ISD随VGS的增加而加大。阈电压VT的定义是当VDS＝0时，要使源和漏之间的半导体表面刚开始形成导电沟道时，所需加的栅源电压。电压的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与SiO2层中的电荷数及金属与半导体之间的功函数差有关，离子敏传感器正是利用VT的这一特性来进行工作的。 二、离子敏传感器的结构与工作原理 如果将普通的MOSFET的金属栅去掉，让绝缘体氧化层直接与溶液相接触，或者将栅极用铂膜作引出线，并在铂膜上涂覆一层离子敏感膜，就构成了一只ISFET。 MOS场效应晶体管是利用金属栅上所加电压大小来控制漏源电流的；ISFET则是利用其对溶液中离子有选择作用而改变