化学与生物传感器优秀课件
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（2）ISFET具有体积小，重量轻，机械强度大等特 点，特别适合于生物体内和高压条件下的测量使用。
（3）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）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。
非极性界面和极性界面电荷分布的 大致情况如图8-7和如图8-8所示 :
8.1.2.2 ISFET的特点和应用
ISFET的特点:
根据以上介绍的ISFET的结构和工作原理可知，它 具有以下特点：
（1）ISFET器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的 变换，同时具有展宽频带和对信号进行放大的作用，这 将使测量仪器大为简化。
所示是其输
出特性和转
移特性曲线。
离子敏传感器的结构与工作原理
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。如 图8-6所示。
ISFET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。
（5）ISFET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。
ISFET的应用:
（1）对生物体液中无机离子的检测 （2）在环境保护中的应用
（3）在其他方面的应用串行通信
8．1．3 气敏传感器
早在20世纪30年代就已发现氧 化亚铜的导电率随水蒸气的吸附而发 生改变，其后又发现其它许多金属氧 化物也都具有气敏效应。20世纪 60 年代研制成功了SnO2气敏元件，从 此进入了实用阶段。这些金属氧化物 都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体 特性的材料，因此称之谓半导体陶瓷 （简称半导瓷）。
8.1 化学传感器
化学传感器包括电化学传感器、 光化学传感器、质量化学传感器和热化 学传感器。
根据转换的电信号种类不同，可 将电化学传感器分为电流型化学传感器、 电位型化学传感器和电阻型化学传感器。
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；
图8-1 将一金属电极浸在电解液中为一半电池
图8-2 两个半电池电极组合成一完整的电池
图 8-3 氢电极与其它半电池相连接
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
EE00.06lgO Rx
式中 E-测量电极电位，V；
E0-参考电极电位，V；
化学与生物传感器优秀课件
8.1 化学传感器
8．1．1 电位型电化学传感器原理 8．1．2 离子敏感器件 8．1．2．1 ISFET的结构与工作原理 8．1．2．2 ISFET的特点和应用 8．1．3 气敏传感器 8．1．3．1气敏半导体材料的导电机理 8．1．3．2 电阻型气敏器件 8．1．3．3 非电阻型气敏器件
根据电化学观点，敏感膜与溶液界面 可分如下两种情况：
（1）非极性界面这种界面至少可让一种带 电粒子通过，界面产生电势的大小取决于电子或 离子的交换作用。可以认为，在H＋－ISFET的表 面存在如下平衡：
（2）极性界面 这种界面不允许带电粒子 通过或传递极缓慢，此时界面电势的情况取决于 带电粒子的表面吸附或偶极子的定向排列作用。
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：
V a CSlg
T
i 式（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。
[Ox]-溶液中氧化性物质浓度（活度）， mol/L；
[R]- 溶液中还原性物质浓度（活度）， mol/L，金属电极[R]=1。
Leabharlann Baidu 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。
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（阈电压）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，此时MOSFET就进人工 作状态。
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
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 电池的电导。
现在只讨论电位法:
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，这就产生了人们所 说的电子压力，通常称为电位。
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。 如图图 8-1,8-2,8-3.
8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理
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。
8.2 生物传感器
8．2．1 酶传感器 8．2．1．1 酶反应 8．2．1．2 酶传感器 8．2．2 微生物传感器 8．2．2．1 微生物反应 8．2．2．2 微生物传感器 8．2．3 免疫传感器 8．2．3．1 免疫学反应 8．2．3．2 免疫传感器 8．2．4 生物组织传感器 8．2．5 光生物传感器
（3）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）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。
非极性界面和极性界面电荷分布的 大致情况如图8-7和如图8-8所示 :
8.1.2.2 ISFET的特点和应用
ISFET的特点:
根据以上介绍的ISFET的结构和工作原理可知，它 具有以下特点：
（1）ISFET器件本身就能完成由高阻抗到低阻抗的 变换，同时具有展宽频带和对信号进行放大的作用，这 将使测量仪器大为简化。
所示是其输
出特性和转
移特性曲线。
离子敏传感器的结构与工作原理
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。如 图8-6所示。
ISFET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。
（5）ISFET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。
ISFET的应用:
（1）对生物体液中无机离子的检测 （2）在环境保护中的应用
（3）在其他方面的应用串行通信
8．1．3 气敏传感器
早在20世纪30年代就已发现氧 化亚铜的导电率随水蒸气的吸附而发 生改变，其后又发现其它许多金属氧 化物也都具有气敏效应。20世纪 60 年代研制成功了SnO2气敏元件，从 此进入了实用阶段。这些金属氧化物 都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体 特性的材料，因此称之谓半导体陶瓷 （简称半导瓷）。
8.1 化学传感器
化学传感器包括电化学传感器、 光化学传感器、质量化学传感器和热化 学传感器。
根据转换的电信号种类不同，可 将电化学传感器分为电流型化学传感器、 电位型化学传感器和电阻型化学传感器。
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；
图8-1 将一金属电极浸在电解液中为一半电池
图8-2 两个半电池电极组合成一完整的电池
图 8-3 氢电极与其它半电池相连接
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
EE00.06lgO Rx
式中 E-测量电极电位，V；
E0-参考电极电位，V；
化学与生物传感器优秀课件
8.1 化学传感器
8．1．1 电位型电化学传感器原理 8．1．2 离子敏感器件 8．1．2．1 ISFET的结构与工作原理 8．1．2．2 ISFET的特点和应用 8．1．3 气敏传感器 8．1．3．1气敏半导体材料的导电机理 8．1．3．2 电阻型气敏器件 8．1．3．3 非电阻型气敏器件
根据电化学观点，敏感膜与溶液界面 可分如下两种情况：
（1）非极性界面这种界面至少可让一种带 电粒子通过，界面产生电势的大小取决于电子或 离子的交换作用。可以认为，在H＋－ISFET的表 面存在如下平衡：
（2）极性界面 这种界面不允许带电粒子 通过或传递极缓慢，此时界面电势的情况取决于 带电粒子的表面吸附或偶极子的定向排列作用。
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：
V a CSlg
T
i 式（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。
[Ox]-溶液中氧化性物质浓度（活度）， mol/L；
[R]- 溶液中还原性物质浓度（活度）， mol/L，金属电极[R]=1。
Leabharlann Baidu 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。
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（阈电压）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，此时MOSFET就进人工 作状态。
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
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 电池的电导。
现在只讨论电位法:
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，这就产生了人们所 说的电子压力，通常称为电位。
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。 如图图 8-1,8-2,8-3.
8.1.2.1 ISFET的结构与工作原理
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。
8.2 生物传感器
8．2．1 酶传感器 8．2．1．1 酶反应 8．2．1．2 酶传感器 8．2．2 微生物传感器 8．2．2．1 微生物反应 8．2．2．2 微生物传感器 8．2．3 免疫传感器 8．2．3．1 免疫学反应 8．2．3．2 免疫传感器 8．2．4 生物组织传感器 8．2．5 光生物传感器