ISFETpH傳感器技術(shù)概述及應(yīng)用中文

1、工業(yè)用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）pH傳感器: 技術(shù)概述及應(yīng)用成就SHANE FILER, 分析產(chǎn)品經(jīng)理, 霍尼韋爾分析 FARID AHMAD, 智能傳感器開發(fā)經(jīng)理, 霍尼韋爾分析IWC-00-49關(guān)鍵字: pH, 測量, 離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）, 電極摘要: 自從20世紀(jì)20年代以來pH測量一直是利用玻璃測量電極和某些型號參比電極完成的。新近開發(fā)出來并應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）測量技術(shù)相比傳統(tǒng)玻璃技術(shù)具有許多重大的進(jìn)步和顯著的優(yōu)勢。 介紹pH測量普遍存在于有水或其它水性溶液參與的工業(yè)應(yīng)用中。在過去的七十年里，玻璃電極是主要的測量工具。直到20世

2、紀(jì)60年代晚期，離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFETs) 被首次采用到pH測量過程，作為玻璃電極的一個替代物。然而，當(dāng)時這項(xiàng)技術(shù)僅局限于實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用。到了20世紀(jì)90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）pH探頭得以成功應(yīng)用于許多工業(yè)過程中。近年來改良后的工業(yè)用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）包裝，使得電極可以成功應(yīng)用于更廣泛的工業(yè)測量領(lǐng)域，并發(fā)揮重要的功效。離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）技術(shù)基礎(chǔ)場效應(yīng)晶體管(FET)是一種電壓控制的電流源，它由三部分組成電源、漏（板）和閘門。閘門用于調(diào)節(jié)電場，發(fā)出源到漏的信號。在一個離子敏感場效應(yīng)晶體管內(nèi)，閘門隨離子變化的，

3、離子濃度改變，閘門的電壓也隨之調(diào)整。不同于一般場效應(yīng)使用的金屬閘門，而是用一層絕緣材料將電源和漏（板）隔開。這個絕緣層直接接觸到過程溶液，這樣溶液本身就充當(dāng)閘門的作用，并與一個電導(dǎo)性“對電極”和一個參比電極相聯(lián)接。1-5 離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）測量 pH時其絕緣層被設(shè)計成僅對氫離子敏感。圖1為pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）的基本構(gòu)造圖。pH 離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）的設(shè)計還可產(chǎn)生Nernstian電壓響應(yīng) (在環(huán)境溫度下，大約每個pH單位改變，電壓響應(yīng)為59 mV)，因此它產(chǎn)生的pH信號也近似于玻璃電極所產(chǎn)生的。 pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ ISFET）發(fā)展史20

4、世紀(jì)60年代晚期，pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）最初被開發(fā)出來。在接下來的十年里，pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極的研究開始涉足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極相比傳統(tǒng)玻璃電極在醫(yī)學(xué)和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用的眾多優(yōu)勢得到認(rèn)可體積小、真正的不易破碎、測量高pH值物質(zhì)時無鈉誤差，不會發(fā)生氧化或變形造成測量誤差，以及低阻信號。到了20世紀(jì)80年代末期，離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極開始在實(shí)驗(yàn)室市場進(jìn)行商業(yè)交易。 但當(dāng)時實(shí)驗(yàn)室用的pH離子敏感場效應(yīng)晶體管 （ISFET）還存在一些局限性，如質(zhì)輕而易漂、有感光性，和抗化學(xué)腐蝕性不夠強(qiáng)，因此不能被廣泛應(yīng)用，尤其是不能為工業(yè)測

5、量應(yīng)用。1-51992年第一個工業(yè)用pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極面市。在對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用型pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極的性能進(jìn)行了許多改良后，它具有了迅速響應(yīng)，優(yōu)良的長效穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抗化學(xué)腐蝕性和無感光性等特點(diǎn)。但是，這種工業(yè)用離子敏感場效應(yīng)（ISFET）電極仍然存在一些缺陷，在連續(xù)的工業(yè)過程使用時，場效應(yīng)晶體管和對電極會受到化學(xué)腐蝕。還有電纜連接對濕度敏感，溫度補(bǔ)償器位置不合理 ，以及生產(chǎn)過程費(fèi)用高的問題還需要解決。41999年又有一種改良工業(yè)用pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極投放到市場。它對之前所有的缺陷都進(jìn)行了彌補(bǔ)和改善。而且使用了一種獨(dú)特的密封方

6、法進(jìn)一步降低化學(xué)腐蝕，特別是氧化劑腐蝕（見圖2）。過去使用的金屬對電極被一個抗化學(xué)腐蝕性的電導(dǎo)性熱塑材料插頭式電極替代。采用印制電路板顯著簡化了生產(chǎn)過程，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并且大大地降低了電極成本。溫度補(bǔ)償器也被重新安置到接近場效應(yīng)晶體管的位置，從而提高響應(yīng)速度和溫度測量精度。電纜接頭是防水材料的，因此電極可以浸入式應(yīng)用或在潮濕環(huán)境應(yīng)用。3 除了在過去三十年間進(jìn)行的許多改良外，pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）還繼續(xù)在兩個主要的性能方面進(jìn)行技術(shù)更新。第一個是抗化學(xué)腐蝕性方面仍然有一些化學(xué)品對場效應(yīng)晶體管造成損壞比對玻璃電極更大。第二個方面是在工業(yè)用pH離子敏感場效應(yīng)晶體管電極結(jié)合參比電極使用

7、時的技術(shù)要求。因?yàn)殡x子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極僅能用于測量，因此它需要與一個傳統(tǒng)的參比電極一同使用。目前工業(yè)用pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極只能與帶氯化鉀（KCL）凝膠填充，單液接的堿性銀質(zhì)或氯化銀 (Ag/AgCl)質(zhì)地參比電極一同使用。如果與其它更高級的參比電極一同使用，就需要再改進(jìn)工業(yè)用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極的性能，以適應(yīng)更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用要求。 工業(yè)用pH 離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極和玻璃pH 電極的對比在實(shí)際應(yīng)用中, 工業(yè)用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極具有許多玻璃電極不具備的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)用ISFET電極的響應(yīng)速度比玻璃電極快10

8、倍，而且響應(yīng)速度不會隨電極壽命而改變。新的玻璃電極的響應(yīng)速度相當(dāng)好(5-10秒), 但隨著電極的使用，響應(yīng)速度就會明顯變慢 (見圖3)。 在一般操作過程中，玻璃電極的測量精度會受到玻璃連續(xù)增加的高阻影響，同時玻璃高阻也會導(dǎo)致玻璃電極發(fā)生漏電和電感等問題。在玻璃電極附近放有一個前置放大器，用來在漏電或電感時對電極進(jìn)行補(bǔ)充。而測量精度的問題則是所有玻璃電極的固有的，很難解決。然而離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極的設(shè)計卻免除了所有這些問題，場效應(yīng)晶體管（FET）的特性使其具有穩(wěn)定的測量性能, 場效應(yīng)晶體管（FET）本身就可以放大pH信號到可以有效避免漏電或電感的問題。 離子敏感場效應(yīng)（ISFE

9、T）僅對氫離子濃度改變響應(yīng)，測量過程不受到任何影響打斷。在高pH物質(zhì)中時，玻璃電極會發(fā)生陽離子誤差（通常被稱作鈉誤差），而在非常低pH值物質(zhì)中，又會產(chǎn)生酸誤差。 盡管如此，還是有一些工業(yè)應(yīng)用工業(yè)用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極不能取代玻璃電極，因?yàn)榛瘜W(xué)腐蝕性的限制。包括有含氟化氫（HF）pH值低于6情況應(yīng)用, 和高溫高pH值情況應(yīng)用(因?yàn)榧訌?qiáng)的腐蝕性)。5應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)在過去的十年間，出版了有許多有關(guān)工業(yè)用pH 離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）的論文，都很細(xì)致地敘述了工業(yè)場效應(yīng)晶體管的各種應(yīng)用及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。2-9 此外，目前全球已經(jīng)有上萬個裝置使用工業(yè)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）技術(shù)進(jìn)

10、行pH測量。并且發(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極的性能和設(shè)計在其中大多數(shù)裝置的實(shí)際應(yīng)用上，都要明顯好于玻璃電極。以下列舉其中數(shù)種裝置應(yīng)用實(shí)例。· 美國東南部某化工廠在使用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET） 電極后，探頭的維護(hù)周期由原來的每天兩小時，下降至每月兩小時。· 英國的一家煉糖廠應(yīng)用發(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極比玻璃電極測量精度和穩(wěn)定性都要高。· 美國東北部一家造紙廠在造紙工業(yè)廢水的測量實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極比玻璃電極使用壽命更長，測量讀數(shù)更可靠。· 一家全球性化工企業(yè)發(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（IS

11、FET）電極優(yōu)于玻璃電極的快速響應(yīng)性能在生產(chǎn)過程和污水處理應(yīng)用環(huán)節(jié)發(fā)揮至關(guān)重要的作用。· 美國南部一家半導(dǎo)體公司在預(yù)先反滲透處理系統(tǒng)的應(yīng)用中對比玻璃電極，得出在兩年以上使用期間離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET） 電極測量偏差最小。 · 美國東南部某電力工業(yè)的發(fā)電用水實(shí)踐得出使用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極不僅提高了測量的穩(wěn)定性，而且降低了標(biāo)定的頻率。· 美國中西部一家化工廠使用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極進(jìn)行換熱器的泄漏探測，因?yàn)閷Ρ炔Ａщ姌O，離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極具有迅速響應(yīng)的性能。· 美國南部一家煉廠將離子敏感場效

12、應(yīng)晶體管（ISFET）電極應(yīng)用到研磨樹脂精煉過程，因?yàn)樗梢缘挚箓鞲衅黜樍鳎⑶也粫癫Ａщ姌O易受到腐蝕。在這種應(yīng)用中，玻璃電極只能使用兩周，而離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET） 電極卻可使用三個月。· 英國一家化工廠生產(chǎn)過程使用發(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET） 電極測量精度和使用壽命都強(qiáng)于玻璃電極。· 美國東部某電力工業(yè)的電廠排水過程在使用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極替代原有玻璃電極后，發(fā)現(xiàn)標(biāo)定頻率由原來的每天一次，減少到每周一次。· 荷蘭一家化工廠應(yīng)用發(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極比玻璃電極顯著降低了標(biāo)定次數(shù)，而且還提高了穩(wěn)定性。

13、· 美國西部的一個水自治市用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極代替原有的玻璃電極，因?yàn)椴Ａщ姌O非常易碎，不適合工廠的許多應(yīng)用。而離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極就相當(dāng)耐用。· 新西蘭某電力公司實(shí)踐發(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極的響應(yīng)時間、穩(wěn)定性和使用壽命都優(yōu)于其使用過的任何玻璃電極。 · 美國南部一家化工廠的污水處理和冷卻水過程應(yīng)用離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極僅為玻璃電極的標(biāo)定頻率的一半。結(jié)論pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）技術(shù)歷經(jīng)過去三十年的不斷完善，已經(jīng)達(dá)到多數(shù)工業(yè)pH測量應(yīng)

14、用要求。工業(yè)pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極具有迅速響應(yīng)、長期穩(wěn)定性、高精度和材料堅固等優(yōu)點(diǎn) 。工業(yè)pH離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）電極獨(dú)特的增強(qiáng)性能可以取代玻璃電極應(yīng)用于多數(shù)工業(yè)過程中，并且ISFET技術(shù)還將不斷地繼續(xù)完善。 0>Bibliography<0>參考書目<01. Galster, H. pH 測量, 第189-195頁, VCH出版社, Weinheim, 德國 (1991年)2. Gray, D. 在化學(xué)在線生產(chǎn)過程檢測儀表研討會上針對發(fā)電行業(yè)化學(xué)家和工程師所作報告使用ISFET電極技術(shù)進(jìn)行pH持續(xù)測量, Clearwater Beac

15、h,佛羅里達(dá)州 (1993年11月)3. Tenney, A.; Ahmad, F. 在化學(xué)展示展覽會和討論會上所作報告固態(tài)pH電極的突破,紐約,紐約州 (1999年11月) 4. Connery, J.; Baxter, R.; Gulczynski, C. 在1992年匹茲堡會議上所作報告一種新型pH電極的進(jìn)展和功能, 新奧爾良, 路易斯安娜州 (1992年3月)5. Gray, D. 工業(yè)水處理書中文章ISFET pH 電極在生產(chǎn)過程應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展和功用 ,第 26-34頁 (1994年9/10月)6. Gray, D.; Griffiths, T.; Wooddell, C.; 在19

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