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场效应化学传感器
chemical sensor using field effect transistor
使用检出气体、离子、分子、水分等化学成分的。当场效应化学传感器与外界化学物质接触时，在场效应晶体管的绝缘层与溶液（或气体）的界面形成双电层。这种双电层所产生的电场能够引起半导体表面导电性能的变化，因此可用于检测化学物质的量。
氢敏场效应晶体管 用具有催化活性的金属，如钯(Pd)等，作为金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极金属，可制成一种新型氢敏器件钯栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Pd-MOSFET，图1[钯栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Pd－MOSFET)]）。当氢气到达钯栅外表面时,由于钯的催化分解作用,氢气分解为氢原子。氢原子通过钯层扩散并吸附于Pd-SiO界面,产生一个偶极层,同时引起Pd-MOSFET伏安曲线的位移。根据电压漂移量可以得知外界氢气浓度。只要在界面上存在少量氢原子即可引起一定的电压漂移,因而Pd-MOSFET灵敏度很高（在空气中为1ppm，在惰性气氛中为0.03ppb）。
场效应湿敏传感器 在MOS结构中，栅氧化膜 SiO(厚度为800埃)上附加一层多孔氧化铝(AlO,厚度小于1微米),其上再淀积一层透水性金电极采用这种结构作为MOSFET的栅电极可以直接控制半导体的界面电荷，器件电容会随相对湿度而变化，因此可制成湿敏器件。另外,使用感湿性聚合物代替AlO也可制成MOSFET型湿敏器件。
场效应烟敏传感器 在MOSFET的栅极上附上一层聚合物薄膜，当在 P型衬底与栅电极之间加上直流脉冲时，注入的正电荷渐渐扩展到聚合物薄膜上，同时在沟道上渐渐感应出负电荷。当这种扩展达到一定程度时，源与漏之间被导通。在发生火灾时，由于温度升高、烟雾或燃烧时产生的气体触及器件都会使电荷扩展速度提高，所以这种MOSFET可用于火灾报警。
场效应离子传感器 图2[离子选择特性测量电路]为离子选择性场效应晶体管(ISFET)的测量电路。当ISFET的栅绝缘膜上有一层能对电解液中特定离子产生响应的离子感应层时，离子感应层和电解液间的界面电位大小取决于电解液中特定离子的活度。界面电位的变化通过电场效应造成 FET漏电流(I)的变化。因此利用I的变化就可反映界面电位的变化。 ISFET表面和电解液界面电位的产生机理是:表面有羟基存在,并随表面成分形成M─OH（如Si─OH,Al─OH，Ta─OH等）,M─OH与电解液中H离子之间存在下列离解平衡：
M─OH M─O+H式中 M─O和电解液一侧的水合阳离子共同组成界面双电层。M─O(的密度随电解液中H(浓度而变化。因此对应不同的H浓度产生不同的界面电位。当采用硅铝酸盐作离子敏感层材料时,敏感膜一端造成的电场比M─O所造成的电场弱，由于离子水合能的原因表现出对Na(、K(的选择性，可用于测Na(、K(的浓度。测量不同离子须使用不同的敏感膜。敏感膜材料有二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钽、硅酸铝、硼硅酸盐、 硅铝酸钠(NAS玻璃)和含有离子交换物质的聚氯乙烯膜等。栅绝缘膜与电解液间界面电位的变化用图2[ 离子选择特性测量电路]的电路测量。
超小型ISFET尖端栅部的硅可做成30微米宽。ISFET的突出优点为小型化，在医学上可用于研究细胞中的离子行为，这是生理学和生物物理学研究的重要题目。测量血液中的pH值，可以解决蛋白质吸附和抗血栓问题。将ISFET埋入假牙中，可连续测定齿垢中pH值,进行龋齿病研究。将pH与pNa用的ISFET做在一起，可做成多离子选择性传感器，与参比电极集成在一起可制成复合传感器。
沈松源 刘家泰
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