一种离子敏场效应晶体管型pH传感器及其制备方法

一种离子敏场效应晶体管型ph传感器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于传感器领域，具体涉及一种离子敏场效应晶体管型ph传感器及其制备方法。


背景技术：

2.由于ph值在化学制药、生产农业、食品加工、环境科学、生物医学等领域的中心地位，电化学ph传感器吸引了研究人员的注意，它的响应速度快(《10秒)、ph传感范围较宽(2～12)、灵敏度高(接近59.12mv/ph的能斯特响应)、良好的生物相容性、低制造成本，在食品加工、健康监测、水质监测等领域应用广泛，且具有良好的发展前景。
3.isfet(离子敏场效应晶体管)是一种电位测量装置，其工作原理类似于金属氧化场效应半导体晶体管(mosfet)。1970年bergveld首次研究了isfet，通过去掉mosfet的栅极，用sio2和参比电极替代形成新的栅极，测试结果表明源极和漏极电流与响应离子的浓度呈线性关系。自此开启了isfet的研究。
4.isfet型ph传感器相比于传统的ph传感器而言，具有多方面的优势，在耐用性、快速性、精确性、灵敏度、微型化等方面更具优势。近年来，研究发现用于在栅极上制作离子敏感层的材料种类繁多，其中有陶瓷、有机物、聚合物、金属氧化物等。而基于金属氧化物的isfet型ph传感器无疑是研究热点。
5.对于isfet型ph传感器来说，敏感层材料的选择直接决定着传感器的检测灵敏度，同时isfet型ph传感器存在漂移和滞后等问题。研究发现，掺杂金属氧化物的ph传感器具有更好的稳定性、灵敏度、较长的寿命、较低的电位漂移，并且不易受其他离子的影响。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种离子敏场效应晶体管型ph传感器及其制备方法，尤其是一种基于ruo
2-ta2o5的离子敏场效应晶体管型ph传感器及其制备方法。
7.ruo2是一种混合电子离子导体，具有高导电性、ph敏感性、选择性、化学和热稳定性等优点，但是价格昂贵，为了降低基于ruo2的离子敏场效应晶体管型ph传感器的成本并改善其传感性能，可掺杂ta2o5等金属氧化物材料，ta2o5具有高灵敏、低漂移和较低的氧化导致的表面劣化等优点。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种离子敏场效应晶体管型ph传感器，包括衬底、绝缘层、敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层、漏电极以及源电极，所述绝缘层紧贴衬底上表面，绝缘层上表面设有有源层，有源层上表面设有漏电极和源电极，且漏电极和源电极互不接触；有源层、漏电极和源电极通过环氧树脂封装形成传感器槽。
9.进一步地，所述衬底包括硅衬底或锗衬底，厚度为0.3～1.3mm。
10.进一步地，所述绝缘层为sio2，厚度为50～300nm。
11.进一步地，所述有源层的敏感膜由金属氧化物ruo2和ta2o5组成，有源层的厚度为30～200nm。
12.进一步地，所述漏电极和源电极为叉指电极，叉指电极的材料为ti/au，电极厚度为60～600nm。
13.本发明还提供一种离子敏场效应晶体管型ph传感器的制备方法，具体制备过程为：
14.步骤(1)：清洗衬底；
15.步骤(2)：采用化学气相沉积法在衬底表面形成sio2绝缘层；
16.步骤(3)：将采用球磨法制备的ruo2和ta2o5混合物粉末涂覆在sio2绝缘层表面得到敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层；在有源层上涂一层光刻胶；
17.步骤(4)：在光刻胶上曝光形成漏电极和源电极掩膜；
18.步骤(5)：采用电子束蒸镀法沉积ti/au，形成漏电极和源电极；
19.步骤(6)：敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层、漏电极和源电极通过环氧树脂封装形成传感器槽，得到基于ruo
2-ta2o5敏感膜的离子敏场效应晶体管型ph传感器。
20.进一步地，有源层的敏感膜ruo
2-ta2o5的涂覆方法包括溅射或化学气相沉积。
21.进一步地，敏感膜中ruo2和ta2o5的重量比为10:90～90:10。
22.更进一步地，敏感膜中ruo2和ta2o5的重量比为30:70～60:40。
23.本发明的离子敏场效应晶体管型ph传感器工作原理为：敏感膜ruo
2-ta2o5和ag/agcl参比电极代替导电介质做栅极与溶液界面产生膜电位，引起场效应管漏电流的变化，根据能斯特方程，产生h
+
的响应。
24.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
25.1、本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器采用敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层，具有高敏感性、低漂移等优点，同时金属氧化物ruo2和ta2o5的掺杂使ph传感器制造成本降低；
26.2、本发明为离子敏场效应晶体管型ph传感器，相比传统的离子选择性电极，具有响应时间快、输入阻抗高、输出阻抗低、兼有信号放大功能，可采用集成电路工艺，适于批量生产；
27.3、本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器可应用于食品质量检测、环境监测、生物化学等领域，具有广阔的应用前景；
28.4、本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器相较许多传感器体积大的缺陷，易于微型化，可结合电路工艺和微加工技术，实现多种离子和多功能器件的集成化；
29.5、本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器结构方面采用全固态结构，强度大、耐腐蚀性强、稳定性强，适用范围广；
30.6、本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器相较其他ph传感器，具有快速响应、低滞后效应和优异灵敏度，更重要的是在长期应用过程中具有更长的使用寿命。
附图说明
31.图1为本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器的结构示意图；
32.图2为本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器的工作原理示意图；
33.图3为本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器的制作流程示意图；
34.图中标识为1：衬底；2：绝缘层；3：有源层；4：漏电极；5：源电极；6：ag/agcl参比电极。
具体实施方式
35.下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
36.以下实施例中所使用的试剂皆为市售试剂。以下实施例中所使用的设备皆为市售设备。
37.实施例1
38.参见图1，本发明离子敏场效应晶体管型ph传感器的结构示意图，包括衬底1、绝缘层2、敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层3、漏电极4以及源电极5，其中，有源层3、漏电极4和源电极5通过环氧树脂封装形成传感器槽。具体制备流程参见图3：
39.步骤(1)：清洗衬底1，衬底厚度为0.3～1.3mm；
40.步骤(2)：采用化学气相沉积法在衬底1表面形成sio2绝缘层2；
41.向850～1100℃的反应室内通入四氯化硅气体、氢气以及氧气，经化学反应后，再采用等离子或激光辅助技术降低沉积温度，使衬底1表面形成sio2绝缘层2，厚度为50～300nm；
42.步骤(3)：将采用球磨法制备的ruo2和ta2o5混合物粉末涂覆在sio2绝缘层2表面得到敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层3；
43.首先将步骤(2)制得的表面为sio2绝缘层2的衬底1放在磁控溅射系统直流电源的阳极上，再把要在衬底上生成敏感膜的原材料ruo2和ta2o5混合物粉末作为溅射靶材放在磁控溅射系统的阴极上，随后，将系统的工作腔体压力抽到真空1.0pa下，在ar/o2气体比为10:0～8:2时，操控系统使阴阳两极通电，在100w的功率下进行，形成敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层3，厚度为30～200nm；在有源层3上旋涂一层s1800系列光刻胶，其厚度为5～15μm，并在65℃下烘干，即在有源层3上形成厚度均匀、附着性强、没有缺陷的光刻胶薄膜；
44.步骤(4)：对步骤(3)制得的光刻胶薄膜进行曝光、去胶得到漏电极和源电极掩膜；
45.步骤(5)：采用电子束蒸镀法沉积ti/au，经过剥离后得到漏电极和源电极；
46.打开冷却水系统，开机械泵，在5pa时，对漏电极和源电极掩膜表面进行离子轰洗5～10min，设置轰击电压为3kv，电流为150ma；在1pa时，对镀膜工作室进行真空抽气，同时在压强低于10-2
pa后接通真空机开关，工作时压强低于6
×
10-3
pa，形成的漏电极4和源电极5的厚度为60～600nm；
47.步骤(6)：将敏感膜为ruo
2-ta2o5的有源层3、漏电极4和源电极5通过环氧树脂封装形成传感器槽，即得到基于ruo
2-ta2o5敏感膜的离子敏场效应晶体管型ph传感器。
48.本发明的离子敏场效应晶体管型ph传感器的工作原理参见图2：将待测溶液滴入传感器槽中，将ag/agcl参比电极6固定于传感器的旁边，敏感膜ruo
2-ta2o5和ag/agcl参比电极代替导电介质做栅极与溶液界面产生膜电位，引起场效应管漏电流的变化，根据能斯特方程，产生h
+
的响应，从而评价待测溶液的ph。