工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）pH传感器: 技术概述及应用成就SHANE FILER, 分析产品经理, 霍尼韦尔分析 FARID AHMAD, 智能传感器开发经理, 霍尼韦尔分析IWC-00-49关键字: pH, 测量, 离子敏感场效应晶体管（ISFET）, 电极摘要: 自从20世纪20年代以来pH测量一直是利用玻璃测量电极和某些型号参比电极完成的。新近开发出来并应用于工业领域的pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）测量技术相比传统玻璃技术具有许多重大的进步和显著的优势。 介绍pH测量普遍存在于有水或其它水性溶液参与的工业应用中。在过去的七十年里，玻璃电极是主要的测量工具。直到20世纪60年代晚期，离子敏感场效应晶体管（ISFETs) 被首次采用到pH测量过程，作为玻璃电极的一个替代物。然而，当时这项技术仅局限于实验室和医学领域应用。到了20世纪90年代，随着技术的进一步完善，离子敏感场效应晶体管（ISFET）pH探头得以成功应用于许多工业过程中。近年来改良后的工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）包装，使得电极可以成功应用于更广泛的工业测量领域，并发挥重要的功效。离子敏感场效应晶体管（ISFET）技术基础场效应晶体管(FET)是一种电压控制的电流源，它由三部分组成电源、漏（板）和闸门。闸门用于调节电场，发出源到漏的信号。在一个离子敏感场效应晶体管内，闸门随离子变化的，离子浓度改变，闸门的电压也随之调整。不同于一般场效应使用的金属闸门，而是用一层绝缘材料将电源和漏（板）隔开。这个绝缘层直接接触到过程溶液，这样溶液本身就充当闸门的作用，并与一个电导性“对电极”和一个参比电极相联接。1-5 离子敏感场效应晶体管（ISFET）测量 pH时其绝缘层被设计成仅对氢离子敏感。图1为pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）的基本构造图。pH 离子敏感场效应晶体管（ISFET）的设计还可产生Nernstian电压响应 (在环境温度下，大约每个pH单位改变，电压响应为59 mV)，因此它产生的pH信号也近似于玻璃电极所产生的。 pH离子敏感场效应晶体管（ ISFET）发展史20世纪60年代晚期，pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）最初被开发出来。在接下来的十年里，pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的研究开始涉足医学领域。离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极相比传统玻璃电极在医学和实验领域应用的众多优势得到认可体积小、真正的不易破碎、测量高pH值物质时无钠误差，不会发生氧化或变形造成测量误差，以及低阻信号。到了20世纪80年代末期，离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极开始在实验室市场进行商业交易。 但当时实验室用的pH离子敏感场效应晶体管 （ISFET）还存在一些局限性，如质轻而易漂、有感光性，和抗化学腐蚀性不够强，因此不能被广泛应用，尤其是不能为工业测量应用。1-51992年第一个工业用pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极面市。在对传统实验室应用型pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的性能进行了许多改良后，它具有了迅速响应，优良的长效稳定性，较强的抗化学腐蚀性和无感光性等特点。但是，这种工业用离子敏感场效应（ISFET）电极仍然存在一些缺陷，在连续的工业过程使用时，场效应晶体管和对电极会受到化学腐蚀。还有电缆连接对湿度敏感，温度补偿器位置不合理 ，以及生产过程费用高的问题还需要解决。41999年又有一种改良工业用pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极投放到市场。它对之前所有的缺陷都进行了弥补和改善。而且使用了一种独特的密封方法进一步降低化学腐蚀，特别是氧化剂腐蚀（见图2）。过去使用的金属对电极被一个抗化学腐蚀性的电导性热塑材料插头式电极替代。采用印制电路板显著简化了生产过程，提高了产品质量，并且大大地降低了电极成本。温度补偿器也被重新安置到接近场效应晶体管的位置，从而提高响应速度和温度测量精度。电缆接头是防水材料的，因此电极可以浸入式应用或在潮湿环境应用。3 除了在过去三十年间进行的许多改良外，pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）还继续在两个主要的性能方面进行技术更新。第一个是抗化学腐蚀性方面仍然有一些化学品对场效应晶体管造成损坏比对玻璃电极更大。第二个方面是在工业用pH离子敏感场效应晶体管电极结合参比电极使用时的技术要求。因为离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极仅能用于测量，因此它需要与一个传统的参比电极一同使用。目前工业用pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极只能与带氯化钾（KCL）凝胶填充，单液接的碱性银质或氯化银 (Ag/AgCl)质地参比电极一同使用。如果与其它更高级的参比电极一同使用，就需要再改进工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的性能，以适应更广泛的领域应用要求。 工业用pH 离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极和玻璃pH 电极的对比在实际应用中, 工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极具有许多玻璃电极不具备的优点。工业用ISFET电极的响应速度比玻璃电极快10倍，而且响应速度不会随电极寿命而改变。新的玻璃电极的响应速度相当好(5-10秒), 但随着电极的使用，响应速度就会明显变慢 (见图3)。 在一般操作过程中，玻璃电极的测量精度会受到玻璃连续增加的高阻影响，同时玻璃高阻也会导致玻璃电极发生漏电和电感等问题。在玻璃电极附近放有一个前置放大器，用来在漏电或电感时对电极进行补充。而测量精度的问题则是所有玻璃电极的固有的，很难解决。然而离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的设计却免除了所有这些问题，场效应晶体管（FET）的特性使其具有稳定的测量性能, 场效应晶体管（FET）本身就可以放大pH信号到可以有效避免漏电或电感的问题。 离子敏感场效应（ISFET）仅对氢离子浓度改变响应，测量过程不受到任何影响打断。在高pH物质中时，玻璃电极会发生阳离子误差（通常被称作钠误差），而在非常低pH值物质中，又会产生酸误差。 尽管如此，还是有一些工业应用工业用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极不能取代玻璃电极，因为化学腐蚀性的限制。包括有含氟化氢（HF）pH值低于6情况应用, 和高温高pH值情况应用(因为加强的腐蚀性)。5应用经验在过去的十年间，出版了有许多有关工业用pH 离子敏感场效应晶体管（ISFET）的论文，都很细致地叙述了工业场效应晶体管的各种应用及技术经验。2-9 此外，目前全球已经有上万个装置使用工业离子敏感场效应晶体管（ISFET）技术进行pH测量。并且发现离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的性能和设计在其中大多数装置的实际应用上，都要明显好于玻璃电极。以下列举其中数种装置应用实例。 美国东南部某化工厂在使用离子敏感场效应晶体管（ISFET） 电极后，探头的维护周期由原来的每天两小时，下降至每月两小时。 英国的一家炼糖厂应用发现离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极比玻璃电极测量精度和稳定性都要高。 美国东北部一家造纸厂在造纸工业废水的测量实践中发现离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极比玻璃电极使用寿命更长，测量读数更可靠。 一家全球性化工企业发现离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极优于玻璃电极的快速响应性能在生产过程和污水处理应用环节发挥至关重要的作用。 美国南部一家半导体公司在预先反渗透处理系统的应用中对比玻璃电极，得出在两年以上使用期间离子敏感场效应晶体管（ISFET） 电极测量偏差最小。 美国东南部某电力工业的发电用水实践得出使用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极不仅提高了测量的稳定性，而且降低了标定的频率。 美国中西部一家化工厂使用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极进行换热器的泄漏探测，因为对比玻璃电极，离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极具有迅速响应的性能。 美国南部一家炼厂将离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极应用到研磨树脂精炼过程，因为它可以抵抗传感器顺流，并且不会像玻璃电极易受到腐蚀。在这种应用中，玻璃电极只能使用两周，而离子敏感场效应晶体管（ISFET） 电极却可使用三个月。 英国一家化工厂生产过程使用发现离子敏感场效应晶体管（ISFET） 电极测量精度和使用寿命都强于玻璃电极。 美国东部某电力工业的电厂排水过程在使用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极替代原有玻璃电极后，发现标定频率由原来的每天一次，减少到每周一次。 荷兰一家化工厂应用发现离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极比玻璃电极显著降低了标定次数，而且还提高了稳定性。 美国西部的一个水自治市用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极代替原有的玻璃电极，因为玻璃电极非常易碎，不适合工厂的许多应用。而离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极就相当耐用。 新西兰某电力公司实践发现离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极的响应时间、稳定性和使用寿命都优于其使用过的任何玻璃电极。 美国南部一家化工厂的污水处理和冷却水过程应用离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极，因为发现离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极仅为玻璃电极的标定频率的一半。结论pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）技术历经过去三十年的不断完善，已经达到多数工业pH测量应用要求。工业pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极具有迅速响应、长期稳定性、高精度和材料坚固等优点 。工业pH离子敏感场效应晶体管（ISFET）电极独特的增强性能可以取代玻璃电极应用于多数工业过程中，并且ISFET技术还将不断地继续完善。 0Bibliography参考书目Figure 1:图1：Basic Diagram of pH Ion-Sensitive Field Effect TransistorpH离子敏感场效应晶