工业用离子敏感场效应晶体管ISFETpH传感器.doc

工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）pH传感器: 技术概述及应用成就 SHANE FILER, 分析产品经理, 霍尼韦尔分析 FARID AHMAD, 智能传感器开发经理, 霍尼韦尔分析 IWC-00-49 关键字: pH, 测量, 离子敏感场效应晶体管（ISFET）, 电极 摘要: 自从20世纪20年代以来pH测量一直是利用玻璃测量电极和某些型号参比电极完成的。新近开发出来并应用于工业领域的pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）测量技术相比传统玻璃技术具有许多重大的进步和显著的优势。 介绍 pH测量普遍存在于有水或其它水性溶液参与的工业应用中。在过去的七十年里，玻璃电极是主要的测量工具。直到20世纪60年代晚期，离子敏感场效应晶体管（ISFETs) 被首次采用到pH测量过程，作为玻璃电极的一个替代物。然而，当时这项技术仅局限于实验室和医学领域应用。到了20世纪90年代，随着技术的进一步完善，离子敏感场效应晶体管（ISFET）pH探头得以成功应用于许多工业过程中。近年来改良后的工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）包装，使得电极可以成功应用于更广泛的工业测量领域，并发挥重要的功效。 离子敏感场效应晶体管（ISFET）技术基础 场效应晶体管(FET)是一种电压控制的电流源，它由三部分组成－电源、漏（板）和闸门。闸门用于调节电场，发出源到漏的信号。在一个离子敏感场效应晶体管内，闸门随离子变化的，离子浓度改变，闸门的电压也随之调整。不同于一般场效应使用的金属闸门，而是用一层绝缘材料将电源和漏（板）隔开。这个绝缘层直接接触到过程溶液，这样溶液本身就充当闸门的作用，并与一个电导性“对电极”和一个参比电极相联接。1-5 离子敏感场效应晶体管（ISFET）测量 pH时其绝缘层被设计成仅对氢离子敏感。图1为pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）的基本构造图。pH 离子敏感场效应晶体管（ISFET）的设计还可产生Nernstian电压响应 (在环境温度下，大约每个pH单位改变，电压响应为59 mV)，因此它产生的pH信号也近似于玻璃电极所产生的。 pH离子敏感场效应晶体管（ ISFET）发展史 20世纪60年代晚期，pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）最初被开发出来。在接下来的十年里，pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的研究开始涉足医学领域。离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极相比传统玻璃电极在医学和实验领域应用的众多优势得到认可－体积小、真正的不易破碎、测量高pH值物质时无钠误差，不会发生氧化或变形造成测量误差，以及低阻信号。到了20世纪80年代末期，离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极开始在实验室市场进行商业交易。 但当时实验室用的pH离子敏感场效应晶体管 （ISFET）还存在一些局限性，如质轻而易漂、有感光性，和抗化学腐蚀性不够强，因此不能被广泛应用，尤其是不能为工业测量应用。1-5 1992年第一个工业用pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极面市。在对传统实验室应用型pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的性能进行了许多改良后，它具有了迅速响应，优良的长效稳定性，较强的抗化学腐蚀性和无感光性等特点。但是，这种工业用离子敏感场效应（ISFET）电极仍然存在一些缺陷，在连续的工业过程使用时，场效应晶体管和对电极会受到化学腐蚀。还有电缆连接对湿度敏感，温度补偿器位置不合理 ，以及生产过程费用高的问题还需要解决。4 1999年又有一种改良工业用pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极投放到市场。它对之前所有的缺陷都进行了弥补和改善。而且使用了一种独特的密封方法进一步降低化学腐蚀，特别是氧化剂腐蚀（见图2）。过去使用的金属对电极被一个抗化学腐蚀性的电导性热塑材料插头式电极替代。采用印制电路板显著简化了生产过程，提高了产品质量，并且大大地降低了电极成本。温度补偿器也被重新安置到接近场效应晶体管的位置，从而提高响应速度和温度测量精度。电缆接头是防水材料的，因此电极可以浸入式应用或在潮湿环境应用。3 除了在过去三十年间进行的许多改良外，pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）还继续在两个主要的性能方面进行技术更新。第一个是抗化学腐蚀性方面—仍然有一些化学品对场效应晶体管造成损坏比对玻璃电极更大。第二个方面是在工业用pH离子敏感场效应晶体管电极结合参比电极使用时的技术要求。因为离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极仅能用于测量，因此它需要与一个传统的参比电极一同使用。目前工业用pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极只能与带氯化钾（KCL）凝胶填充，单液接的碱性银质或氯化银 (Ag/AgCl)质地参比电极一同使用。如果与其它更高级的参比电极一同使用，就需要再改进工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的