传感器技术 教学课件 ppt 作者 陈建元 第八章化学与生物传感器

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1、绪论第八章化学与生物传感器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8．1．2．1ISFET的结构与工作原理8．1．2．2ISFET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

2、8．2．4生物组织传感器8．2．5光生物传感器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；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

3、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.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式中E-测量电极电位，V；E0-参考电极电位，V；

4、[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。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。8.1.2.1ISFET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

5、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。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

6、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。当将ISFET插入溶液时，被测溶液与敏感膜接触处就会

7、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：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。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

8、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。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:8.1.2.2ISFET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。（2）ISFET具有体积小，重量