氢离子敏场效应测量仪的设计

　　ISFET(Ion一Sensitive Field-Effect Transistor)具有广泛的离子测量范围。H+-ISFET是一种对氢离子具有选择敏感作用的场效应晶体管，既具有离子选择电极(ISE)响应被测离子的特性，又具有场效应晶体管的特性。因此利用CMOS技术可实现将H+-ISFET传感器和信号处理电路集成化，制成的氢离子测量仪具有体积小、功耗低等优点。

　　1H+一ISFET传感器

　　1.1 ISFET的结构特性

　　ISFET具有与普通的MOSFET类似的基本结构和输出特性。不同之处在于它没有金属栅极，栅介质裸露或其上涂敷对离子敏感的敏感膜。它与参比电极以及待测溶液一起起着栅极的作用。参比电极上所加电压(包括溶液敏感膜之间的能斯特电位)通过待测溶液加到绝缘栅上，使半导体表面反型，形成导电沟道。

　　1.2 H+-ISFET的测量方法

　　H十一ISFET传感器采用与CMOS工艺基本相容的制作方法，用氢离子敏感膜代替MOSFET的金属栅，通常的测量模式主要有4种。其中，在保持漏源电压VDS恒定的情况下，对ISFET响应信号的测量方式有两种:栅极电压Vc保持恒定，漏极电流I。的变化反映离子活性的变化;保持漏极电流ID'h}定，栅极电压V}的变化反映离子浓度的变化。

　　温度漂移带来的测量误差是影响氢离子敏场效应传感器测量准确性的一个重要原因。H十一ISFET传感器的敏感膜—溶液界面势与温度有关系;阀值电压的变化率与温度成反比例关系;参比电极不同会带来不同的温度特性;被测液和标准缓冲液的pH值也是温度的函数，并且变化的趋势和速率都因溶液的不同而不同。

　　此外，敏感膜与溶液间界面反应的复杂性以及噪声干扰对测量精度也有影响，如电源波动、电磁场、介质表面吸附与解吸、气泡等，导致器件的输出可能出现瞬时波动或指示错误等结果。

　　如果采用恒定漏电流和漏源电压的测量方法，可用零温度系数调节法进行温度补偿，但缺点是调整极其不便。因此采用差分对管补偿法，即利用同一芯片集成的ISFET/REFET对管进行差动输出测量。离子敏感结构的ISFET与离子不敏感结构的REFET采用了相同的工艺制备，H+-ISFET的敏感膜为Si3N4/5102结构，REFET的绝缘栅为SWXNY/Si3N4/5102结构。ISFET与REFET不仅器件结构相同，尺寸相同，而且还具有相似的温度特性、时漂特性、响应特性及稳定性等。

　　图1所示为工作在恒定栅电压和漏源电压情况下的简单差分测量电路，其输出电压况下的简单差分测量电路，其输出电压V厂k}Ins}一Ios2) ( k为差动放大倍数)，而H+_ISFET的输出特性可以依MOSFET器件得到:

　　线性区:

　　饱和区: