新型pH值和离子浓度测量仪的研制

　　0　引　　言

　　离子敏场效应晶体管(ISFET)[1]是测量溶液离子组分以及浓度的敏感元件,它通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应,然后将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来,从而得出被测物的浓度。相对于当前应用于医疗诊断检测的离子选择电极(ISE)技术,它具有体积小、全固态、低功耗和便于集成化的优点,已在生物、医学、环境监测、食品、医药及军事医学等领域显示出广阔的应用前景。所研制的新型pH值和离子浓度测量仪,用各种离子敏场效应晶体管(ISFET)作为检测用传感器,用PIC16F877单片机作为控制芯片。

　　1　系统的硬件结构

　　1.1　系统的硬件构成

　　整个系统包括传感器信号处理装置、PIC单片机和LCD、EEPROM、键盘等设备,其硬件框图如图1所示。其中传感器信号处理装置由偏置电路和电压调理电路组成,选用Microchip公司生产的PIC16F877芯片作为系统的核心控制器件。传感器信号经过电压调理后送到PIC单片机的A/D转换口。

　　1.2　传感器信号处理电路设计

　　ISFET是由ISE敏感膜和MOSFET场效应晶体管组合而成的,对离子具有一定的选择性,结构如图2所示[2]。

　　绝缘栅直接与电解液接触,绝缘栅2电解液界面的电势与电解液中的离子浓度有关,溶液中离子浓度的改变将引起ISFET器件阈值电压相应的改变。电解液中放置参考电极,通过施加电压使ISFET合理的工作。选取不同的敏感膜可以检测不同离子的浓度。测量溶液pH值通常选取的材料有SiO2、Si3N4、Al2O3等。

　　在ISFET的栅极上加一层离子选择膜,当测定溶液接触离子选择膜时即发生反应,使pH值发生变化,从而漏电流变化,通过检测电流的变化就可以知道待测溶液的浓度。ISFET的电学特性可等效为电化学部分,用相应的等效电路代替,并与N沟道MOSFET相耦合的形式,等效电路如图3所示[3]。

　　电解液的离子浓度可用传感器的阈电压表示出来,描述ISFET静态特性的表达式为:

　　式中:Φl为电解液和栅介质层界面处的电化学势;VR为参考电压与电解液之间的结电势;QSS为等效界面陷阱和氧化层电荷;COX为单位面积的栅设电容;ΦF为P型衬底的体内费米能级;QE为耗尽区的单位面积电荷。对于特定结构的传感器,除Φl外,其他各项均为常数,Φl的大小决定于敏感膜的性质和电解液中离子活度(在稀溶液中离子的活度与浓度相等),所以可用阈值电压的变化测量电解液中离子的活度。

　　被测液接触膜时,这种膜被离子和水分子渗透,其表面一旦和水溶化在一起(水和作用),待测液的界面电位与氢离子浓度的负对数(pH值)成比例。根据所产生的电位和外加一个与pH值成比例的栅极电压,从漏极电流变化读出pH值变化值。图4给出ISFET的测量电路。