离子敏感器件,离子敏感器件原理是什么?

离子敏感器件,离子敏感器件原理是什么?

化学量传感器是继物理量传感器之后而兴起的另一类传感器。化学量传感器的传感对象包括离子与分子。离子传感器是在溶液中的离子活度转换为电信号的传感器，这里所说的电信号通常是指电位或电流。离子传感器在化学、化工、生物、生物技术、医药卫生、轻工、食品、农业与环境保护等领域的应用日渐增多。它是化学量传感器中制作工艺较成熟、实用化较早的一类传感器。

离子传感器的基本原理

离子传感器的基本原理是离子识别，而利用固定在敏感膜上的离子识别材料有选择性地结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电流的改变。

离子选择性电极(ISE)是常见的离子传感器。

离子传感器技术的进步取决于敏感膜与换能器，因此离子传感器的分类通常是根据敏感膜的种类来划分的。换能器的进展正在改变着离子传感器的面貌，从传统的离子选择性电极发展为离子敏感等效应晶体管，后者易于微型化集成化，由于换能器的重要作用，在对离子传感器分类时也有以换能器的类型为依据的。

离子传感器的分类

根据敏感膜的种类划分：玻璃膜式离子传感器；固态膜式离子传感器；液态膜式高于传感器；以离子传感器为基本体的隔膜式传感器。

根据换能器的类型划分：电极型离子传感器；场效应晶体管型离子传感器；光导传感型离子传感器；声表面波型离子传感器。

离子敏感器件的主要特点和发展历史

ISFET是由ISE 敏感膜和MOSFET 场效应晶体管组合而成的，是对离子具有一定的选择性的器件。对比于一般的离子选择性电极，它具有高阻抗转换的优点，并具有放大功能，从而克服了普通的离子选择电极(ISE)不能用一般的仪器来测量的缺点，为电信号的准确检测提供了有利的条件，且灵敏度、响应时间均有所提高。此外它还具有体积小，易于集成的优点，可以很容易的做成微型分析仪器和离子探针，可以用于微量溶液中离子活度的分析，这些优点使其在电化学的领域中得到广泛的应用。

1970 年Bergveld 将普通的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOS－FET）去掉金属栅极，让绝缘体（SiO2）与溶液直接接触，得到的漏源电流与响应离子的浓度呈线性关系，这就是得到了世界上面的第一个ISFET。1975 年Moss 将敏感材料淀沉在绝缘栅上面，成功制作了K+-ISFET[6-7]。随后几年内又出现了Ag+-----ISFET ? Br----ISFET。1977年Revesz 和Zemel 分别综述了ISFET 的工作原理[8,9]。此后，ISFET 迅速发展。现在各大大学对化学敏感器件的研究和应用十分活跃。、到目前为止，ISFET 主要有以下几种：

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

在ISFET 基础上面发展出来的有NH3,H2S,H2,CO,CO2 以及青霉素，抗原（或抗体）等等化学敏感器件。1983 年Sibbald 发表了对苯巴比妥响应的FET 和结合计算机的ISFET 测量系统.使ISFET 的检测进入了一个完善的阶段。

离子敏感场效应晶体管的原理

在ISFET 里面进行化学量— 离子浓度到电学量— 电势的转换的关键元件是MOSFET晶体管。它的具体结构如下图所示：

这种类型的MOSFET 叫N 沟道增强型MOSFET。还有一种是耗尽型的晶体管就是在中间的沟道中用的N 型半导体。原理大致相同，这里主要使用增强型半导体来具体说明。

1.MOSFET 的电流电压特性

此图表示的是在栅极加上一个控制电压VGs，源极与漏极加上一个VDS.如果此时的栅极电压调成0。由于左边的N— P 节是属于正向偏置，而右边的P---N 节属于反向偏置。所以这种条件下面的流过源极与漏极的电流IDS极小，可以忽略不计。当栅极加上一个足够的电压VGs 后，由于电极化作用，使氧化膜紧贴半导体表面感应出负电荷，使半导体沟道里面的电子浓度增加，使其局部由P 型转变成N 型，使源区与漏区连通起来，加上源极与漏极之间有一个电压，就可以产生电流，称之为漏电流。一般源极与漏极之间加的电压比较大，半导体的导电状态下面电阻很小，所以就在负载Rl 上面产生了很大的电压降。MOSFET 具体的输出特性曲线就如下面展示的一样：

一般的MOSFET 工作在饱和区，因为在此电压的范围内，IDS仅仅和VGS有关。[2]这时候也要注意到不能使电压过高，否则两个N 型掺杂区之间的沟道就会被击穿。时间长了对半导体元件有损伤。

2．ISFET 的机理

ISFET 的具体的机理和MOSFET 的机制是一样的，就是它用的是离子敏感膜来代替金属接触部分，这样由于在离子响应膜的两边就会有道南电位，ISFET 就会把这样微小的电势放大出来，给仪器检测。具体的ISFET 的示意图如下：

1.硅钨酸PVC 膜；2.SiN4；3. SiO2；4.沟道；5．绝缘树脂；6.参比电极 B:P－Si 基体；S：源极；D：漏极

可以看出除了栅极部分，其他的部分和MOSFET 的一模一样。作为离子敏感电极，它的可逆性、阶跃响应特性（就是响应的灵敏度）和跨导（相当于放大率）只要在合适的离子膜下面，就可以得到非常令人满意的结果。经过具体的实验，ISFET 的稳定性和寿命完全符合化学分析里面的要求。

3.离子选择膜的制作

有效的离子选择膜的选择，是一个ISFET 好坏与否的关键步骤。膜分为无机膜和有机膜。由于现在ISFET 使用大部分在生化和医学领域里面，所以有机膜的应用比较广泛。活性的膜物质和ISE 的选择并没有多大的差别。关键是膜的沉积技术。要求既不能损害场效应晶体管，又能保证膜的质量。当代的主要的沉积技术分为物理气相沉积法(PVD),包括高真空蒸发、直洗、射频溅射；化学气相沉积(CVD)和浸泡涂敷法三大类。现在的主要的方法是将离子活性剂溶解在增塑剂、PVC 粉末的THE 溶液中，最后将此溶液涂在ISFET 的栅区。一般都采用的是浸泡涂敷法，主要是使用简单，便于自制。

用ISFET 进行滴定分析

1.直接滴定法

在测定前先要使溶液在合适的pH 和离子强度下面工作，随后加入一定量的已知浓度的溶液，测定电位，做成ISFET 的标准曲线图。最后使用已知的标准曲线图测定溶液中离子活度的大小。

2.标准加入法

测试的方法与一般的电位的滴定的标准加入法类似，主要注意的是，要保证加入的范围始终要在线性响应范围内，这样才能保证测定的结果的正确。

3.仪器检测方法

由上面的讨论得知，ISFET 非常适合用电子仪器进行的准确测量。可以方便的读出漏电流，进而读出溶液中的离子强度。由于是数字显示，这样就排除了人的主观的误差。这样就测量更加快速与简便。

具体的应用

由于上面叙述的种种的优点，ISFET 被广泛的应用在生物化学，医学等等进行微量分析并要求灵敏和迅速的领域里面。在有合适的离子响应膜或者一定的化学修饰的ISFET 的下面，可以测量很多的氨基酸、蛋白质，酶等物质，比如黄连素，麻黄碱等等。还在环境监测实时监测各种污染离子。