場效應化學感測器

英文翻譯

chemical sensor using field effect transistor

具體介紹

氫敏場效應電晶體

用具有催化活性的金屬，如鈀(Pd)等，作為金屬-氧化物-半導體場效應電晶體的柵極金屬，可製成一種新型氫敏器件鈀柵金屬-氧化物-半導體場效應電晶體（Pd-MOSFET）。當氫氣到達鈀柵外表面時,由於鈀的催化分解作用,氫氣分解為氫原子。氫原子通過鈀層擴散並吸附於Pd-SiO2界面,產生一個偶極層,同時引起Pd-MOSFET伏安曲線的位移。根據電壓漂移量可以得知外界氫氣濃度。只要在界面上存在少量氫原子即可引起一定的電壓漂移,因而Pd-MOSFET靈敏度很高（在空氣中為1ppm，在惰性氣氛中為0.03ppb）。

場效應濕敏感測器

在MOS結構中，柵氧化膜 SiO2(厚度為800埃)上附加一層多孔氧化鋁(Al2O3,厚度小於1微米),其上再澱積一層透水性金電極。採用這種結構作為MOSFET的柵電極可以直接控制半導體的界面電荷，器件電容會隨相對濕度而變化，因此可製成濕敏器件。另外,使用感濕性聚合物代替Al2O3也可製成MOSFET型濕敏器件。

場效應煙敏感測器

在MOSFET的柵極上附上一層聚合物薄膜，當在 P型襯底與柵電極之間加上直流脈衝時，注入的正電荷漸漸擴展到聚合物薄膜上，同時在溝道上漸漸感應出負電荷。當這種擴展達到一定程度時，源與漏之間被導通。在發生火災時，由於溫度升高、煙霧或燃燒時產生的氣體觸及器件都會使電荷擴展速度提高，所以這種MOSFET可用於火災報警。

場效應離子感測器

圖2為離子選擇性場效應電晶體(ISFET)的測量電路。當ISFET的柵絕緣膜上有一層能對電解液中特定離子產生回響的離子感應層時，離子感應層和電解液間的界面電位大小取決於電解液中特定離子的活度。界面電位的變化通過電場效應造成 FET漏電流(Id)的變化。因此利用Id的變化就可反映界面電位的變化。 ISFET表面和電解液界面電位的產生機理是:表面有羥基存在,並隨表面成分形成M─OH（如Si─OH,Al─OH，Ta─OH等）,M─OH與電解液中H+離子之間存在下列離解平衡： M─OH 匑 M─O-+H+ 式中 M─O-和電解液一側的水合陽離子共同組成界面雙電層。M─O-的密度隨電解液中H+濃度而變化。因此對應不同的H+濃度產生不同的界面電位。當採用矽鋁酸鹽作離子敏感層材料時,敏感膜一端造成的電場比M─O-所造成的電場弱，由於離子水合能的原因表現出對Na+、K+的選擇性，可用於測Na+、K+的濃度。測量不同離子須使用不同的敏感膜。敏感膜材料有二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化鉭、矽酸鋁、硼矽酸鹽、矽鋁酸鈉(NAS玻璃)和含有離子交換物質的聚氯乙烯膜等。柵絕緣膜與電解液間界面電位的變化用圖2的電路測量。

超小型ISFET尖端柵部的矽可做成30微米寬。ISFET的突出優點為小型化，在醫學上可用於研究細胞中的離子行為，這是生理學和生物物理學研究的重要題目。測量血液中的pH值，可以解決蛋白質吸附和抗血栓問題。將ISFET埋入假牙中，可連續測定齒垢中pH值,進行齲齒病研究。將pH與pNa用的ISFET做在一起，可做成多離子選擇性感測器，與參比電極集成在一起可製成複合感測器。