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。参考书目1. Galster, H.pH 测量，第 189-195 页,VCH 出版社,Weinheim,德国（1991 年）2. Gray, D. 在化学在线生产过程检测仪表研讨会上针对发电行业化学家和工程师所作报告使用 ISFET电极技术进行pH持续测量，Clearwater Beach,佛罗里达州（1993年11月）3. Tenney, A.; Ahmad, F.在化学展示展览会和讨论会上所作报告固态pH电极的突破，纽约，纽 约州 （1999年11月）4. Connery, J.; Baxter, R.; Gulczynski, C.在1992年匹兹堡会议上所作报告一种新型pH电极的进 展和功能 ,新奥尔良,路易斯安娜州 （1992年3月）5. Gray, D.工业水处理书中文章ISFET pH电极在生产过程应用领域的发展和功用，第26- 34页 （1994年9/10月）6. Gray, D.; Griffiths, T.; Wooddell, C.;在1994年ISA展示会上所作报告改良的pH电极响应速 度有助于生产过程控制 ,第1 82页,阿纳海姆,加利福尼亚州 （1994年10月）7. Filer, S.; Shurtleff, A.; Hebert, B.;在98年水技术会议上所作报告微电子工业上应用的pH测量: 选择合适的电极 ,波特兰,俄勒冈州 （1998年11月）& Paul, B.化学处理书中文章固态pH探头的理想测量数据可保持五年，第88-90页（1993 年3月）9. McMilla