化学量传感器

第四讲 离子敏场效应器件 五、以pH-ISFET为基础的ISFET及CHEMFET敏感膜制备工艺 如前所述,在巳制成的Si_3N_4膜pH-ISFET敏感栅上再复盖一层对某种离子或化学物质敏感的介质膜即可制成相应的敏感器件,而且敏感膜是关系到器件灵敏度、选择性、稳定性、重现性等性能优劣的关键,敏感膜的性能又取决于制膜材料     

化学量传感器

近年来,化学量传感器正迅速崛起,这种传感够种类庞杂,名目繁多,应用领域十分广泛。为了普及应用,促进发展,不断提高研究水平,本编辑部特邀请黄鸿斌和黄鸿雁主讲化学量传感器,以飨读者。     

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<正> 一、湿度表示法及湿度发生器 (一)温度表示法 气体中含有水汽的多少称为湿度。含有水蒸汽的气体是一种混合气体。湿度的表示方法有多种,主要有质量百分比、体积百分比、相对湿度、绝对湿度、露点和     

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<正> ISFET虽然具有重量轻、体积小、响应快以及易于实现集成化和多功能化等特点而倍受人们的重视,但是这类器件还存在着漂移和滞后量大等不足,影响了测量精度。众所周知,对于一价离子,如按Nernst公式估算,每1mV的测量偏差大约相当于4％的浓度误差或2％的pX误差(pX=-logα_x)。对于二价离子,则误差将加倍。实际测量中温漂和滞后是比较明显的。例如pH-ISFET的温漂可达几mV/℃,滞后达数mV到十几mV,器件的时漂约为0.1～1mV/h。值得指出的是pH-ISFET的响应分为快响应和慢响应两部分,前者响应极快,一般在ms数量级,而后者可能长达数小时之久,在此期间器件的输出明显地随时间变化。由此可见,     

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<正> (一)生物传感器的定义 前几讲中介绍的几种化学量传感器基本上都是以无机物质为检测对象,然而在许多学科领域选择性地检测各种有机物可能更为重要。例如,在医学领域中检测体液中的低分子乃至高分子的与生体有关的有机物,对疾病的诊断和治疗都是至关重要的;在环境科学中监测有机污染物的工     

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<正> 金属氧化膜类湿度传感器一般分为两类:一类是电容式,一类是电阻式。电容式的以Al_2O_3和Ta_2O_5氧化膜湿度传感器为代表;电阻式的以Fe_3O_4氧化膜湿度传感器为代表。     

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<正> (一)离子敏场效应晶体管发展的历史概况 离子敏场效应晶体管是七十年代初出现并迅速发展起来的一种微型化学敏感器件,是电化学与微电子学相结合的产物。它既具有离子选择电极的功能,又具有场效应晶体管的特性,是一种与传统的离子选择电极截然不同的新型离子敏感器件。     

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<正> 三、接触燃烧式气敏元件 石油化工厂、隧道及矿井等场合均存在可燃性气体,因此,在这些场合进行可燃性气体检测和采取必要的安全报警措施是十分重要的。 可燃性气体是指触及火种或在高温下可引起燃烧或爆炸的气体,典型可燃性气体的种类及爆炸浓度范围如表5所示。通常,接触燃烧式气敏元件的测量范围为     

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<正> pH-ISFET的特性参数可分为电学和电化学特性参数两大类。 一、电学特性及参数 ISFET虽有其特殊性,但仍然是场效应晶体管,与MOSFET所不同的只是它没有金属栅,其被测液代替了MOSFET的金属栅。凡需施加栅压的测试,必须采用参比电极经溶液给栅介质和半导体的表面施加电场。除此之外,从场效应原理上讲并无本质的差别,因此有关MOSFET特性参数的概念均可予以借鉴。     

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<正> (三)pH-ISFET、ISFET和CHE-MFET 氢离子敏场效应晶体管是最基本的离子敏场效应晶体管。它与MOSFET的区别只在于用对氢离子有响应的敏感膜(如Si_3N_4膜)取代了金属栅。氢离子敏感膜     

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<正> 在溶液分析中,被测液的组成大多比较复杂、往往需要同时分析溶液中的多种离子成分,因此ISFET的集成化和多功能化多年来始终是人们追求的目标。由于ISFET在工艺上与MOSFET基本相容,其目标的实现成为可能。 ISFET的集成化分为两大方向,一是改进器件性能,二是扩大器件功能。多功能化指的是器件的用途,但就其制造技术     

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<正> 离子敏场效应晶体管可以看作是由化学量向电量的转换元件(敏感膜)与放大器(场效应管)紧密结合的产物。这一结构特点能保证器件尺寸缩小时仍然具有良好的信噪比。这是离子选择电极(ISE)和涂丝电极(CWE)所无法与匹敌的。     

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<正> 七、定电位电解式气体传感器 定电位电解式气体传感器为湿式气体传感器中的一类,主要包括伽伐尼电池式和极谐式气体传感器。其中伽伐尼电池式气体传感器主要用于检测O_2、Cl_2、HCl、     

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<正> 随着ISFET的有关研究日益深化及器件稳定性、可靠性的不断提高,在越来越多的场合下可以用其取代传统的离子选择电极(ISE),同时由于其小型、快速的特点,又开辟了许多新的应用领域。随之对ISFET的封装结构也提出了多方面的要求。从实用化、商品化的角度来看,不仅要求封装结构必须保证器件良好的密封     

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<正> 三、电解质类湿度传感器 电解质类湿度传感器的应用已有长久历史,特别是氯化锂湿度传感器,至今仍被广泛使用。我们以这种传感器为例加以介绍。 (一)工作原理 空气的相对湿度变化,可由湿度传感器的感湿膜敏锐地反映出来。氯化钾湿度传感器的感温度膜由氯化理和聚乙烯醇(PVA)或聚乙烯缩乙醛构成。氯化锂是吸湿剂,聚乙烯醇或聚乙烯缩乙醛是粘合     

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<正> 检测大气中有毒、有害或易燃、易爆气体对保护人身安全和健康十分重要。随着近代工业的迅速发展,特别是石油、化工、煤炭、汽车等工业的发展以及火灾、爆炸等事故的不断发生,气体的检测便成为众所关注的问题。为了解决这些问题,人们运用各种材料的物理性质及化学性质,研制出了种类繁多的气敏元件及气体传感器。     

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<正> 三、pH-ISFET的设计与制作 (一)pH-ISFET的设计原则 pH-ISFET的设计原则与普通MOS-FET基本相同,后者已是较为普及的知识,故此处着重讨论pH-ISFET设计中需特殊考虑的问题。 1.材料选择 材料选择包括材料的导电类型、电阻率、晶向等方面。器件电学参数的要求则是选择的依据。     

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<正> 二、pH-ISFET的基本结构与工作原理 氢离子敏场效应晶体管(pH-ISFET)与MOSFET的区别仅在于后者的金属栅被氢离子敏感膜所代替,二者都是建立在半导体表面场效应基础上的器件,有许多相似之处,因而可将MOSFET的理论分析及其结果直接用于对pH-ISFET的分析上。为此,有必要首先介绍一些MOSFET的有关问题。