电场对丙酮离子敏感器件输出影响的实验研究

　　0　引言

　　丙酮是最简单的饱和酮,可以混溶于水及乙醇、乙醚等大多数有机溶剂,是工业及实验室广泛使用的有机溶剂和产品原料。在污染事故、环境评价、设施验收等环境监测工作和糖尿病诊断中都需要对丙酮含量进行分析。目前丙酮的分析方法主要有比色法、高效液相色谱法、顶空气相色谱法[1],还没有现成的传感器检测丙酮。离子敏场效应器件(ISFET)采取与CMOS工艺基本相容的制作方法,用离子敏感膜代替了MOSFET的金属栅,参比电极与敏感膜电位替代了MOSFET中的金属膜与半导体电位。当与丙酮溶液接触时,由于器件微弱电场对丙酮的电离作用,在敏感膜与溶液界面上感应出能斯特响应电位,电位的变化体现出溶液离子浓度的不同。基态丙酮性质较为稳定,如果外部施加一定的能量场可以促进丙酮解离,提高离子敏感器件的输出,下面通过实验研究电场作用下离子敏场效应器件的输出影响。

　　1　实验与分析

　　1·1　实验装置

　　实验装置如图1所示。将液态丙酮(大于99·5% )与水混合,得到不同体积浓度的丙酮水溶液。单相调压器经整流电路加在金属电极上,以对丙酮溶液施以电场作用。SKL-I型IS-FET传感器对溶液进行测量,输出电压值。有机玻璃盖防止丙酮的挥发与汽化,恒温水浴槽控制反应的温度。

　　1·2　测量电路

　　ISFET的测量模式通常有4种。恒定漏电流—漏源电压法测量时,栅电压与ISFET器件的阀值电压始终具有线性关系,即与溶液的离子浓度有线性关系。实验采用H+-ISFET,工作在恒定漏电流-漏源电压的模式。测量电路如图2所示。图中,VD=1·4 V,VS=0(虚地),IDS=-V1R=5 V/100 kΩ=50μA.

　　ISFET工作在漏电流IDS为50μA,漏源电压VD为1·4 V的状态下。被测离子的浓度变化将引起电解溶液与绝缘栅界面电势的变化,然后通过运放反馈到参比电极端以抵消电势变化,从而保证漏电流、漏源电压恒定。溶液离子浓度的变化就体现为输出电压VO的变化。

　　1·3　测量结果

　　20℃下,丙酮溶液在不同强度电场下作用5 min,与不加电场时离子敏感器件输出电压比较。重复3次实验得到输出电压变化值如表1所示。

　　20℃下,体积浓度为5%的丙酮溶液作用在不同强度的电场下。重复3次实验得到离子敏感器件输出电压随时间变化曲线如图3所示。

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　 20℃下,水在不同电场强度下作用5 min,离子敏感器件的输出电压变化值如表2所示。

　 20℃时, 3 050 V/m的电场强度下作用5 min,离子敏感器件的输出电压随丙酮体积浓度的变化曲线如图4所示。