pH_ISFET的温度特性及其补偿的讨论

第22卷第4期辽宁工学院学报Vo l.22　N o.4 2002年8月JOU RNAL OF LIAONING INST ITU TE OF T ECHNOLOGY Aug.2002文章编号:1005-1090(2002)04-0013-04

pH-ISFET的温度特性及其补偿的讨论

冯秀清1,石　琳1,周前能2

(1.辽宁工学院信息科学与工程系,辽宁锦州　121001;2.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨　150000)

摘　要:pH-ISF ET的温漂是影响测量精度的重要参数,本文对其温度特性进行了讨论,并介绍了几种温度补偿方法。

关键词:离子敏场效应晶体管;温漂;温度补偿

中图分类号:T N32 文献标识码:B

Discussions on the Temperature Characteristics

and Compensations of pH-ISFET

FENG Xiu-qing1,SHI Lin1,ZHOU Qian-neng2

(1.Dept.of Informatics,LIT,Jinz hou121001,C hina;2.Harbin Inms titute of Tech nology,Harbin15000,China)

Key words:ISFET;tem peratur e drift;tem perature compensation

Abstract:In this paper,discussions are m ade of the temper ature char acteristics of pH-ISFET,and several temperature compensation m ethods ar e presented.

离子敏场效应晶体管(ISF ET)自1970年问世以来,至今已经发展成一种具有强大生命力的新兴化学传感器。Ber g eld[1～3]的这一重大发现不仅对电子学的发展,而且对化学、生物医学等方面都无疑是一杰出贡献。ISF ET兼具有电化学及晶体管的双重特性,体积小、响应快,因此它的适用范围广,适应性强,在化学、化工、印染、纺织、发酵工业、土壤分析、环境保护以及生物医学等领域都有广阔的应用前景,因而受到了世界各国的普遍重视。但是由于ISFET固有的温漂、时漂、滞后等特性使ISF ET的推广和应用受到较大的影响。为此人们一方面从膜特性及响应机理等方面来认识滞后、时漂及温漂特性[4],另一方面就是在实际应用中采取补偿措施,对各种不利因素加以排除。这些研究取得了一些有意义的结果。

在此我们以氢离子敏场效应晶体管(pH-ISFET)为对象,重点对其温度特性及其补偿问题进行研究和讨论。

1　温度特性

ISF ET实际上是敏感膜与M OSF ET的复合体,M O S结构起着将电压转换成电流信号和放大的作用。通常,敏感膜与溶液界面势差很难直接测得,通过M OSF ET及在其外部附加的外围电路,将 这样一个高阻的电压信号转换为一个输出阻抗很低、输出功率较大的电压或电流信号。因此,我们所说的ISF ET的输出及其温度特性实质上是指ISFET连同其附加电路的输出及温度特性,因此,ISF ET的温度特性是与具体的测量电路有关的。是源级跟随法测量电路,该电路较稳定可靠,而且测量非常方便。测量时V DS、I DS及V G s保持恒定,令V S跟随 而变化,是有效栅压保持不变,可以维持I DS恒定。由于源级电位随 增加而增加,因而 V S可以反映界面势的变化。选取适当的漏源电压值V DS,使I SFET工作在线性区,由此有下式成立:

I DS=K N[2(V gs-E R+ -V T)V DS-V2DS](1) 又因为V gs=V g-V S,而V g恒定,故有V0=V S,由上式可求得:

V0=V S=V g-

I DS/K N+V2DS

2V DS

-V T+ -E R(2)式中E R为参比电极与电解液间的界面电势差,I DS为ISF ET 的漏源电流,它可以根据需要进行调节。

为了研究ISFET的温度特性,将上式两端对温度T求

收稿日期:2002-03-04

作者简介:冯秀清(1951-),女,辽宁铁岭人,辽宁工学院工程师。

导,得:

d V0 d T =

d

dT

-

dE R

d T

-

d V T

d T

+

I DS

K2N2V DS

d K N

d T

(3)

式(3)表明:ISF ET输出的温度特性与参比电极与溶液间的界面势E R、器件-溶液间的界面接触电势差 、阈值电压V T、电导因子K N的温度特性以及工作电流I DS有关。

下面分别讨论式(3)中右边各项对ISFET输出的温度特性的贡献。

(1)d E R

d T

项:对于理想的参比电极,它与溶液接触的界面

电势差E R应为零且与被测液无关,但事实的参比电极很难满足这一要求。当待测液温度发生变化时,E R也随之改变,

这一变化影响着I SF ET的测量结果。不同的参比电极,d E R d T

是不同的;即使同一中参比电极d E R

d T

也与其内充液有关。对于

饱和甘汞电极(内充液为饱和KCl溶液),d E R

d T

=-0.66

m /℃,温度在0～50℃之间时,呈良好的线性,当温度大于50℃时开始偏离线性。在通常的测试中,被测液的温度在0

～50℃之间,此时d E R

d T

可以认为近似为常数。

(2)d

d T

项:我们假设响应近似满足Ner nst方程,则有公

式

= 0- 2.303K T

nq pH= 0-

2.303K T

nF

pH(4)

由公式(4)可得:

d d T =-

2.303R

F

pH(5)

即d

d T

与pH呈线性关系,其斜率为-

2.303R

F

=-0.199

m /PH℃,实验研究表明:在室温附近几十度范围内,d

d T

基

本不随温度的变化而变化,可视其为常数。

(3)d V T

d T

项:根据前面的讨论,ISF ET的阈值电压可写成

如下形式:

V T=-Q s s

C o x

-

Q d max

C ox

+ cs+2 F(6)

式中V T为阈值电压;Q ss为氧化层有效电荷密度;Q max为耗尽层电荷密度; cs为化学敏感层与半导体的功函数差; F为半导体的费米势;C o x为栅介质SiO2的电容。

当器件在0～50℃范围内工作且工作电压不高时,绝缘层中的电荷不会发生移动, cs的变化可忽略不计。阈值电压V T的温度系数公式为:

d V T d T =-[

1

C ox

(

q s N A

F)

1

2+2]

0,605- F

T

(7)

式中 s为半导体的介电常数;N A为衬底杂质浓度。

利用器件工作在饱和区的漏源电流公式计算得阈值电压温度系数与衬底杂质浓度的关系。可以看出:N A在1014～

1015cm-3范围内d V T

d T

基本上不随N A改变,随着N A的增加,

越来越明显地依赖于N A,且其绝对值越来越大。因此,为了使

d V T

d T

尽量小,衬底的杂质浓度应选择得低些,最好小于1015cm-3.

表1列出了根据式(7)计算的不同衬底杂质浓度N A和不同温度T下

d V T

d T

值。在该表中,以N A=1015cm-3为例,当温度由0℃变化到40℃时,

d V T

d T

仅变化了0.17m /℃,数值极小。这表明:在一般测量温度范围内

d V T

d T

基本与温度无关,即V T之间基本呈线性关系。

表1　

d V T

d T

与温度及衬底杂质浓度的关系

(C ox=2.22*10-8F/cm2)

T(℃)010203040506070 -

d V T

d T(m /℃)

2.99

3.02 3.05 3.08 3.11 3.15 3.183.23

(此时,衬底杂质浓度为1014cm-3)

T(℃)010203040506070

-d V T

d T

(m /℃)3.273.31 3.35 3.40 3.44 3.49 3.553.60

(此时,衬底杂质浓度为1015cm-3)

T(℃)010203040506070

-d V T

d T

(m /℃)4.444.50 4.57 4.64 4.71 4.79 4.864.95

(此时,衬底杂质浓度为1016cm-3)

T(℃)010203040506070 -

d V T

d T

(m /℃)7.447.567.677.807.928.058.178.30

(此时,衬底杂质浓度为1017cm-3)

(4)

I ds

K2N*2V DS

d K N

d T

项:令K N=A T-3/2,A为常数,推导出该项的简化表达式为:

P=-

3I DS T1/2

4V OS

(8)式(8)表明:在0～45℃范围内,K N值在0.44×10-4～2×10-4A/V2之间,I Ds在10～几百 A范围内,P值的变化将小于

d V T

d T

,对V0—T的线性度影响较小。

综上所述,可得如下结论:

(1)ISFET的输出V0与温度T之间在0～45℃的范围内呈较好的线性关系。为了尽可能地减小温度系数

d V0

d T

,可以从增大K N,采用高阻衬底以及调解工作电流I Ds等方面统筹考虑。

(2)

d V0

d T

与待测液的pH值有关,这是由与pH呈线性关系决定的,因此

d V0

d T

与pH呈线性关系,这为以后的微机温度补偿提供了重要依据。

(3)pH-ISF ET器件的温度特性具有分散性。在考虑对pH-I SFET进行温度补偿时必须对器件进行逐个标定。

3　pH-ISFET温度补偿技术

与其它半导体一样,pH-I SF ET本身也受温度的影响;

14　辽宁工学院学报(自然科学版)第22卷第4期

同时,敏感膜与溶液的界面电势差也是温度和待测离子活度的复杂函数。由此,pH-I SFET 的输出既受到测量线路的影响,产生温度漂移,这在一定程度上影响了pH -I SFET 的推广应用。

据报导,pH -ISFET 器件的温度系数在1-10mV /℃的数量级,温度引入的测量误差相当可观。由于这样大的温漂存在,测量只有在恒温下进行。所以实现pH-ISFET 的温度补偿对pH -I SFET 的实用化是非常必要的。目前,ISF ET 的温度补偿方法有以下几种:

(1)零温度系数调节法。研究结果表明:ISFET 阈值电压的温度系数较大,严重影响着ISFET 的温度特性。研究结果还表明:I SFET 输出电压的温度系数与器件的漏电流之间呈跨越横轴的抛物线关系,并存在着使ISF ET 输出电压的温度系数为零的工作电流,因此通过适当的调节ISF ET 的漏源电流,即可改善ISFET 的温度特性。该资料还给出了选择零温度系数工作点漏源电流I DS 的一般原则。零温度系数调整法是实现温度补偿的一种简单方法。但是由于影响ISF ET 温度特性的因素很多,因此对于不同的ISF ET ,其零温度系数工作点电流I DS 将是一个分散的量,而且除非采用实验方法,很难由理论计算得到。即使知道了零温度系数工作点,要调整器件工作在该点也是比较困难的。

(2)交流注频技术。该方法将一只正常工作的ISFET 衬底上加一个高频信号(约30K Hz).该高频信号给器件的输出加入一个交流量,通过仪器可以使器件输出的交流与直流分离。分离后的直流部分与器件正常工作时没有什么区别,但当环境温度变化时交流量与直流量几乎发生了相同的变化趋势,而交流输出信号与溶液的pH 值变化无关,仅与温度有关。因此事实上交流信号的幅值变化反映了ISF ET 的温度漂移量即可实现对I SFET 温度漂移的补偿。

从原理上来讲这种方法是可行的,但是为实现这种方法将需要一个信号处理系统(一个锁相放大器和几个专用的放大器)。另外,在实际应用中,需要对每个ISFET 仔细标定并调整其增益,使用不便。

(3)差分对管补偿法。该法为现有温度补偿方法中最有实用价值的一种。图1

是最常使用的一种对管测试电路。

图1　差分电流放大电路图

电路采用一个pH -ISFET 和一个参比FET (即R E-

ISF ET )。其中,R E -ISF ET 的介质膜与溶液形成一个固定

的界面电势差,该界面电势差不随溶液中离子活度变化而变化。当电路工作时,R E-ISFET 形成一个恒定电流I 1,而pH -ISF ET 的漏源电流I 2与溶液中的离子活度的对数成线性关系,电路的输出V OUT =R (I 1-I 2),所以电路的输出电压的变化反映了溶液离子活度。当温度发生变化时,将引起IS-FET 的工作点漂移,其输出电流I 2将变化,但是同样的变化也将发生在R E -ISF ET 上,使I 1发生同样的变化,从而E-OU T 不随温度变化。

在上述电路中有一个R E-ISFET ,其制作很复杂,因此对于温度补偿来说过于烦琐。图2是另一种专门用于温度补偿的电路。

图2　对管温度补偿电路

在该电路中,左边的器件为I SFET ,右边的器件为M O SFET ,参比电极的电压V Ref 是恒定的。当溶液中离子活度发生变化时,敏感膜与溶液之间的界面电势差 也发生变化。由于ISF ET 的漏源电流是恒定的,为了维持I S 2不变,V S 2的电位将跟随 变化,在运放负反馈电路的作用下,S 1和S 2等电位,所以V s 1也随 变化,而为了维持I S 1不变,M OSF ET 的栅电压V 0也必须随 变化,整个电路的输出电压在测量过程中始终跟随 变化,这就是该电路的测量过程。在该电路中,由于制作工艺的分散性以及ISF ET 与M O SFET 的区别使得这二者的温度特性尚不完全一致,则可以通过调整电路参数加以消除。二者对称工作的条件是I S 2 1=I S 1 2,其中 1、 2,分别是M O SF ET 和ISF ET 得导电因子K 的二倍。但是在此法中调节I S 1和I S 2是很麻烦的,而得到 1、 2的值更困难。A.Sibbald 制作了一种集成运算Chem-FET ,该电路刻自动调节I S 1和I S 2的值,从而大大提高了温度补偿的精度。

(4)I SFET 温度特性二极管补偿法。鉴于本课题对电路微小型化的要求,我们探讨了利用二极管对ISFET 进行温度补偿的方法。由以往对二极管的温度特性的研究可知,当二极管工作在正向区且工作电流恒定时,二极管的结电压V d 与环境温度有关,在一定温度范围内,V d 与T 成良好的线性关系。

在ISFET 的源极串联正向使用的二极管,其温度补偿示意图如图3所示。该电路可以在以下两层意义上实现温度补偿:(a )在漏源电流稍大的区域内,串联二极管后均使温度系数有所减少;(b )前面曾介绍过ISF ET 零温度系数调整法

实现温度补偿,但由于零温度系数点附近d V 0/d T 随I DS 的变化率较大,因而准确调整零温度系数工作点(下转第25页)

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2002年(总第86期)

冯秀清等:pH -ISFET 的温度特性及其补偿的讨论

2　U PS 的分类

目前,U PS 工业电源主要分为后备式和在线式两种。后备式U PS 系统的负载主要直接从本地供电网获取电能,当供电系统出现问题时,才会由U PS 的蓄电池供电。其主要优点是价格便宜,但多数都是小于1kV A 的低功率U PS;在线式U PS 系统的负载则专门从一直运行的U P S 逆变器吸收能量,因此不论外部电网状况如何,总能提供稳定的电压。

3　发展方向

3.1　网络化、智能化、自动化

网络时代的U PS 产品已经由独立的外设产品发展成为整个计算机和网络系统不可分割的一部分,除了要求其产品可以方便地接入网络和计算机外,有些还要求能够与网络和计算机之间进行双向数据通讯。由于微处理器技术的应用,U P S 系统实现了智能化。智能化U P S 一方面实现了设备运行过程中自我状态的监控,对一些故障现象进行预处理,使其始终平稳可靠运行;另一方面实现了计算机和网络与U PS 之间的双向数据通讯,用户可以在计算机和网络中的各个节点上实时监视可控制U P S 电源的运行状态。自动化是指U P S 电源自动完成的一些自我检测,无需人工干预的U PS 自动化是实现网络化和保证系统高可靠性的重要因素。

3.2　监控软件的多平台与监控远程化

由于未来网络的广泛化和全球化,必然带来网络的复杂化,多种形式的网络连接在一起。作为网络系统的一部分,要求U PS 电源系统能够实现在各种网络平台上的监视和控制。

3.3　DSP 技术和高频技术

随着数字化技术的发展,DSP 技术(Dig ital Signal P ro -cess,数字信号处理)开始被一些U PS 厂商在产品中使用。DSP 技术的使用提高了U PS 产品输出电压的稳定性和纯净度,同时也提高了U PS 产品自身的可靠性。而IG BT 技术和高频技术的应用,大大提高了电源效率,降低了系统噪音和电源自身的电力损耗,也提高了系统的可靠性。

3.4　电压串并联补偿高频双向逆变技术

电压串并联补偿高频双向逆变技术(D elt a 逆变技术)在保持了传统双变换U PS 的全部高性能输出指标的同时,在对电网适应能力和输出能力两个方面也有了重大的改进和突破,真正地实现了零转换时间和高频输入端的功率因数,大大降低了对电网形成的污染公害的程度。

3.5　并机运行和冗余技术

以往的U P S 多为单机运行,随着包括计算机在内的电子设备的应用数量的增加和应用场合的重要性的增高,几百kV A 的容量已经不能支持众多的设备用电,一次性购置昂贵的大功率产品显然不是最佳方案。因此模块化小功率产品逐步取代笨重的大功率产品被认为是U P S 系统发展的一个方向,多个小功率产品采用并联技术连接后实现并机运行,可以方便灵活地配置整个电源系统的容量。并联不一定是冗余的,并联是为了增容,而冗余系统是为了提高可靠性,为保证系统的高稳定性和高可用性,通过多台U P S 设备并机运行实现电源容量的冗余也是U PS 系统配置的一种趋势。

责任编辑:傅春玲

(上接第15页)较为困难。单经过二极管补偿以后,新的零温度系数工作点附近d V 0/d T 随I DS 变化率大大减少。且补偿后的电流范围是补偿前的大约5倍。这一结果使ISF ET 零温

度系数调整法在实用上有前进了一步。

图3　源极跟随法利用二极管直接温度补偿示意图温度补偿的计算方法是经二极管补偿后,温度系数排除了pH -ISF ET 温度特性的影响,但由于pH 本身又是温度的线性函数,此时的测量结果仅仅反映了溶液pH 值随温度的变化。对于测量精度需求较大的场合,可以对这一变化进行如下补偿:

首先,对pH-ISF ET 及其测量系统进行温度特性测试,其响应包含了系统中的各种因素,由此得pH-T 曲线,且在一定温度范围内应为一直线。由该曲线可求得整个测量系统

的温度系数

p H

T

,由此可按下式进行补偿:p H =p H 0- p H

T

(T -T 0)(9)

其中p H 0为T 0时的值,即补偿前的值;p H 为T 时的值,即补偿后的值。此时的测量结果仅与溶液的p H 值有关,而与温度无关。

上述讨论为pH-ISF ET 及其测量系统进行温度补偿提供了参考。在此基础上可根据具体情况设计更好的补偿方案。

参考文献:

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责任编辑:刘亚兵

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2002年(总第86期)

陈文实等:U P S 电源现状及发展方向