第八章化学和生物传感器3详解.ppt

第八篇 化学与生物传感器;8．1 化学传感器;8．1．1 电位型电化学传感器原理;电位法 ;电位法;;;8．1．2 离子敏感器件;8．1．2．1 ISFET结构与工作原理;;;;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;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栅极电位，以此来控制漏源电流变化的。当将ISFET插入溶液时，被测溶液与敏感膜接触处就会产生一定的界面电势，其大小决定于溶液中被测离子的活度，这一界面电势的大小将直接影响VT的值。如果以ai表示响应离子的活度，则当被测溶液中的干扰离子影响极小时，阈值电压可用下式表示： （8-2）;式中的C、S，对一定的器件、一定的溶液而言，在固定参考电极电位时是常数，因此ISFET的阈值电压与被测溶液中的离子活度的对数成线性关系。根据场效应晶体管的工作原理，漏源电流的大小又与VT的值有关。因此，ISFET的漏源电流将随溶液中离子活度的变化而变化。在一定条件下，IDS与ai的对数呈线性关系，于是就可以从中确定离子的活度。; 下面我们以无机绝缘栅的ISFET为例，简述其工作机理。无机绝缘栅ISFET是将普通MOSFET的金属栅去掉，使无机绝缘栅SiO2兼作敏感膜直接与溶液接触，这种栅对溶液中的H＋离子将产生响应。若在SiO2上再淀积一层无机物S3N4或Al2O3，则除了对H＋响应外，对N＋也有响应。;根据电化学观点，敏感膜与溶液界面可分如下两种情况：;图8－7 ISFET 非极性界面电荷分布示意图 图8－8 ISFET极性界面电荷分布示意图 ;8．1．2．2 ISFET的特点和应用; （3）由于利用了成熟的半导体微细加工工艺技术，并将敏感材料直接附着于半导体器???上，因此，敏感膜可以做得很薄，一般可小于100nm。这可使ISFET的水化时间很短，从而使离子活度的响应速度很快，响应时间可小于1s。 （4）由于ISFET是利用半导体集成电路工艺制造的，这对实现集成化和多种离子多功能化十分有利，易于将信息转换部分和信号放大检出部分与敏感器件集成在一块芯片上，实现整个系统的智能化、小型化和全固态化。 ; （5）由ISFET的结构特点可见，离子敏感材料与场效应晶体管的源漏之间是互相绝缘的，是依靠敏感膜与绝缘体界面电位的变化来控制沟道中源漏电流变化的。因此，无需考虑离子敏感材料导电性问题，这就可在包括绝缘材料在内的广泛材料领域中找到更多更好的离子敏感材料。;二、ISFET的应用;（1）对生物体液中无机离子的检测 临床医学和生理学的主要检查对象是人或动物的体液，其中包括血液、脑髓液、脊髓液、汗液和尿液等。体液中某种无机离子的微量变化都与身体某个器官的病变有关，因此，利用ISFET迅速而准确地检测出体液中某种离子的变化，就可以为正确诊断、治疗及抢救提供可靠的依据。 （2）在环境保护中的应用 ISFET也广泛应用在大气污染的监测中。监测大气污染的内容很多，譬如通过检测雨水成分中各种离子的浓度，可以监测大气污染的情况及查明污染的原因。另外，用ISFET对江河湖海中鱼类及其他动物血液中有关离子的检测，可以确定水域污染的情况及其对生物体的影响。用ISFET对植物不同生长期体内离子的检测，可以研究植物在不同生长期对营养成分的需求情况，以及土壤污染对植物生长的影响等。 ;（3）在其他方面的应用 由于ISFET具有小型化、全固态化的优点，因此对被检样品影响很小。这样，在食品发酵工业中，可以用ISFET直接测量发酵面粉的酸碱度，随时监视发酵情况和质量。又如，厨师用 ISFET通过对煮面面汤 pH值的测量和控制，可以做出美味可口的面条；使用微型ISFET既可随时检测水果的酸甜情况，又可保证水果完好无损；应用ISFET还可以检测药品纯度以及洗涤剂的浓度。随着对ISFET研制工作的广泛深入开展，可以预期它的应用领域将越来越广泛，地位也将越来越重要。;8．1．3 气敏传感器;8．1．3．1气敏半导体材料的导电机理;图8－9 气敏半导瓷吸附效应模型 （a）烧结体模型；