生物医学传感化学传感器课件.ppt

1、2022-10-101能将各种化学物质的特性（如气体、离子、能将各种化学物质的特性（如气体、离子、电解质浓度、空气湿度等）的变化定性或定量地电解质浓度、空气湿度等）的变化定性或定量地转换成电信号的传感器称作转换成电信号的传感器称作化学传感器化学传感器2022-10-102甘汞电极甘汞电极气敏传感器气敏传感器湿敏传感器湿敏传感器pHpH玻璃电极玻璃电极2022-10-103 2022-10-1042022-10-1052022-10-106电能化学能2022-10-107aca 2022-10-1082iii12Ic z2022-10-1092022-10-1010M活泼活泼:溶解溶解 沉积沉积

2、-+-M不活泼不活泼:沉积沉积 溶解溶解+-ne)aq(M M(s)n溶解溶解沉淀沉淀2022-10-1011n能斯特方程能斯特方程根据平衡时根据平衡时电化学势相等的原理电化学势相等的原理描描述了浓度对电动势（包述了浓度对电动势（包括电池电动势和电极电括电池电动势和电极电势）的影响。势）的影响。已知电池在使用过程中，电池的电动势会降低，这是已知电池在使用过程中，电池的电动势会降低，这是因为在使用过程中因为在使用过程中发生了变化。发生了变化。2022-10-1012通过热力学推导，可得电池的电动势：CuZnln22 nFRTEE2022-10-1013baedBAEDlnnFRTEEbaedBA

3、EDlg05920n.EE2022-10-1014H+H2(g)Pt2022-10-1015 E池池 正正 负负 阴阴 阳阳 界面界面 界面界面 c1 盐桥盐桥 c2 界面界面 电池符号：电池符号：2022-10-10162022-10-10172022-10-10182022-10-10192022-10-10202022-10-1021ISE2022-10-10222022-10-1023n 2022-10-1024V VGSGS使栅极下的使栅极下的P P型衬底表面大量积聚电子而形成反型层型衬底表面大量积聚电子而形成反型层2、VDSVGSIDGDS2022-10-1025n 当当V VGS

4、GSVVTHTH时，形成强反型层，在时，形成强反型层，在S-DS-D之间形成之间形成n n型沟道。型沟道。VDSVGSIDGDS2、2022-10-1026n若若S S和和D D之间施加电压，带电粒子将沿着该沟道流通，形之间施加电压，带电粒子将沿着该沟道流通，形成漏源极之间的沟道电流，又称作漏电流（成漏源极之间的沟道电流，又称作漏电流（I ID D）。）。VDSVGSIDGDS2、2022-10-10271()2DGSTDSDSIVVVV21()2DGSTIVVnoxWCLu：场效应管场效应管漏电流漏电流I ID D 的大小与的大小与阈值电压阈值电压V VT T 有关，特别是在有关，特别是在V

5、 VDSDS、V VGSGS恒定的情况下，恒定的情况下，V VT T的变化将引起漏电流的变化将引起漏电流I ID D的变化。的变化。其中，其中，W W、L L、n n 、C Coxox分别为沟道宽度、长度、沟道中分别为沟道宽度、长度、沟道中电子的有效迁移率。电子的有效迁移率。2022-10-10282022-10-1029参比电极参比电极被测溶液被测溶液离子敏感膜离子敏感膜n 在待测溶液和敏感膜的交界处将产生界面电位在待测溶液和敏感膜的交界处将产生界面电位i i，根据能根据能斯特方程，界面电位的大小和离子的活度有关斯特方程，界面电位的大小和离子的活度有关.2022-10-1030VVGS GS

6、 =V=VGS GS i i refref参比电极电位参比电极电位ref+-界面电位界面电位i+-VGS2022-10-1031u 非饱和区：非饱和区：2)(2)(2/2/DSDSTGSOxDSDSTGSOxDSVVVVLWCVVVVLWCI2/2*)()(TGSoxTGSoxDSVVLWCVVLWCI/0ln()(2)ijnnssDTirefTiijjrefFjioxQQRTVUKn FCu 如果如果VVGSGSVVT T，场效应管将因场效应管将因VVGSGS的作用而导通，的作用而导通，I IDSDS为：为：u 饱和区饱和区：。2022-10-1032n 线性度：线性度：V VDSDS和和I

7、 IDSDS恒定下的恒定下的V VGSGS与与i i的关系的关系;也可也可以是以是V VGSGS恒定下的恒定下的I IDSDS或或V VOUTOUT与离子活度与离子活度i i之间的关之间的关系。系。2022-10-1033n 动态响应动态响应：离子活度变化时，输出随时间而变化：离子活度变化时，输出随时间而变化的情况。的情况。2022-10-1034n 迟滞：迟滞：离子活度不同向变化条件下离子活度不同向变化条件下，输出的输出的重复程度重复程度。2022-10-1035 ISFET ISFET以普通以普通FETFET为基本，具有为基本，具有FETFET的优良特性，如的优良特性，如转转移特性移特性、

8、输出特性输出特性、击穿特性击穿特性等。而作为离子敏器件，等。而作为离子敏器件，它还应满足敏感元件的一些基本特性要求。它还应满足敏感元件的一些基本特性要求。n 选择系数选择系数：相同的电气与外界条件下，引起相同界相同的电气与外界条件下，引起相同界面电位的待测离子活度面电位的待测离子活度i i与干扰离子的活度与干扰离子的活度j j之间之间的比值，用的比值，用K Kijij表示。表示。ISFETISFET上所用的离子敏感膜和用在上所用的离子敏感膜和用在ISEISE上的相同。不同上的相同。不同的只是在测定溶液的只是在测定溶液/膜的界面电位时采用的线路不同而膜的界面电位时采用的线路不同而已。膜及其产生电

9、位的机理相同。已。膜及其产生电位的机理相同。2022-10-10362022-10-1037硬杆式硬杆式2022-10-10382022-10-10392022-10-10402022-10-10412022-10-1042nISFETISFET可以用来测量离子敏电极所不能测量的生物可以用来测量离子敏电极所不能测量的生物体中的体中的微小区域和微量离子微小区域和微量离子。因此，它在生物医。因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工自控、矿山、地质、土壤、水文以及家庭生化工自控、矿山、地质、土壤、水文以及家庭生活等各个方面都有其作用

10、。活等各个方面都有其作用。n（1 1）对生物体液中无机离子的检测。）对生物体液中无机离子的检测。n（2 2）在环境保护中的应用。）在环境保护中的应用。n（3 3）在其它方面的应用）在其它方面的应用。2022-10-1043 。2022-10-1044电化学气体传感器结构简单、选择性好、响电化学气体传感器结构简单、选择性好、响应快，广泛应用与医疗、环境监测及工业生产等领域。应快，广泛应用与医疗、环境监测及工业生产等领域。2022-10-1045OHeOHO442222022-10-10462022-10-1047ClackClack电极电极2022-10-104823COPHHCOK2COkPH

11、2022-10-1049 2022-10-1050（1 1）电阻型气敏传感原理）电阻型气敏传感原理晶间电阻晶间电阻*受吸附气体浓度影响受吸附气体浓度影响 *不受吸附气体的影响不受吸附气体的影响表面电阻表面电阻*体电阻体电阻*nnsbiRRRRR 10iiRR2022-10-10512022-10-10522022-10-10532022-10-1054烧结型烧结型薄膜型薄膜型厚膜型厚膜型2022-10-10552022-10-10562022-10-10572 2、MOSFETMOSFET气敏传感器（非电阻型）气敏传感器（非电阻型）（1 1）结构）结构电阻率为电阻率为1.2 cm，重掺杂的，重

12、掺杂的n+型扩散型扩散能溶于氢气能溶于氢气(H2)的金属的金属,如钯如钯(Pd)、铂、铂(Pt)2022-10-1058（2 2）原理）原理氢原子氢原子+氢原子氢原子-2022-10-10592022-10-10602022-10-10612022-10-1062气体传感器应用气体传感器应用（1 1）家用可燃性气体报警）家用可燃性气体报警 （2 2）矿灯瓦斯报警器）矿灯瓦斯报警器2022-10-1063（3 3）酒精监测报警器）酒精监测报警器（4 4）烟雾报警器）烟雾报警器2022-10-10642022-10-10652022-10-10662022-10-10672022-10-10682022-10-10692022-10-1070