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半导体传感器化学传感器 第一页，共37页 内容 简介 电化学传感器 质量传感器 热化学传感器 第二页，共37页 简介 化学传感器——能感受规定的化学量并转换成可用输出信号的传感器 GB/T7665-1978《传感器通用术语》 能够通过某种化学反应以选择性方式对特定的待分析物质产生响应从而对分析物质进行定性或定量测定的装置。 第三页，共37页 识 别 元 件 被分析物 化学信息 换 能 器 电信号 二 次 仪 表 构成：识别元件、换能器、相应电路 分子识别元件与被识别物发生相互作用时，其物理、化学参数会发生变化（离子、电子、热、质量等），再通过换能器将这些参数转变成与分析物特性有关的可定性或定量处理的电信号或者光信号，然后经过放大、储存，最后以适当的形式将信号显示出来。 第四页，共37页 化学传感器的分类 按传感方式，化学传感器可分为接触式与非接触式化学传感器。 按检测对象，化学传感器分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器。 按工作原理，化学传感器分为电化学传感器、质量传感器、热化学传感器。 第五页，共37页 电化学传感器 电化学传感器可分场效应传感器，电位型传感器，电流型传感器，电导型传感器。 场效应传感器 场效应晶体管（FET）是现代微电子学主要组成部分，基于自由载流子向半导体中可控注入的有源器件。 主要介绍电分析化学相关的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）传感器、离子敏场效应晶体管（ISFET）。 第六页，共37页 MOSFET工作原理 P型硅衬底上有两个相距较近的n型区：源扩散区和漏扩散区。扩散区之间硅面上有一层薄氧化膜，膜上有一个由蒸发光刻的金属电极，电极覆盖在两个扩散区间，叫栅极G。扩散区制作了欧姆接触，并引出电极引线，接正极n型区称为漏极d，则另一个n区为源极S。 结构示意图：n型源极和漏极之间隔着p型衬底。当在源极、漏极之间施加一定电压时，由于p型衬底阻隔，电流不能通过栅极上没有电压。 第七页，共37页 在栅极上加正电压并达到一定值时，栅极下面会产生一个电场，吸引p型硅体内的电子到表面附近。使得栅极下的硅表面形成了一个含有大量电子的薄层，一个能导电的n型层。反型层形成的导电沟道将源扩散区和漏扩散区连接起来，当在漏极、源极间施加一定电压时，会有电流通过。 增大栅极上正电压时，反层中的电子增加，导电沟道的电阻也会减小，从而使产生的电流增加。反之，减小栅极上正电压时，反型层中电子减少，导电沟道的电阻增大，则流过沟道的电流就减小。 第八页，共37页 当漏源电压VDS一定时，漏电流ID随栅源电压VGS变化而变化，其关系如图。 VGSVT时，漏电流ID=0； VGSVT时，产生一定漏电流，并且ID随VGS增大而变大。 栅源电压VT表示晶体管由不导电到导电的临界值-开启电压/阈电压。 当VGS=0时，晶体管的漏、源扩散区之间不导电；当VGSVT时，硅表面形成了n型导电沟道，晶体管才开始导电。 第九页，共37页 ISFET传感器 将溶液中电解质的离子活度转换成电信号输出的FET传感器。ISFET由离子选择电极（ISE）和MOSFET组合成，对粒子具有选择性的一种场效应晶体管。 具体：去掉MOSFET金属铝栅极，在上面涂敷一层离子敏感膜或换择性酶，敏感膜与待测溶液中离子发生特定响应时，膜电位或膜电压会改变。若VDS,VGS保持不变，则ID随被测离子活度变化而变化，通过测量ID即可测得被测离子的活度-电流法。在ISFET饱和区和非饱和区中，当ID和VGS保持恒定时，VGS变化与被测离子活度相关-电位法。 去掉金属铝栅极，涂敷 离子敏感膜或换择性酶 第十页，共37页 ISFET结构：在MOSFET栅极上涂敷敏感膜的ISFET，无机绝缘栅ISFET、有机高分子PVC膜ISFET和固态敏感膜ISFET。 例：在MOSFET栅极上涂敷敏感膜的ISFET，从MOSFET栅极上引出一根铂银丝，在铂线上涂敷敏感膜，并密封在玻璃管内。 寿命长、电位漂移小，但是不易集成化，体积比较大。 第十一页，共37页 ISFET的阈值电压 由于ISFET金属栅极被参比电极和待测溶液所取代，则金属电极与半导体接触的电势差可看成由参比电极与半导体接触势差φms、参比电极电位EREF和溶液与膜界面的能斯特电位EM组成。若栅极电压等于2倍费米势，则半导体表面反型，形成导电沟道。此时栅极所加电压-阈值电压VT*： VF费米能级与禁带宽度中央能级的电势差；QSS为Si-SiO2界面处电荷密度；COX为单位面积的栅电容；QD为耗尽层中单位面积电荷。