ISFET传感器在传感技术中的偏置电路

简介：
本文探讨了ISFET传感器中偏置电路的设计与优化，分析其工作原理及其在传感技术领域的应用价值和研究进展。 ISFET（离子敏感场效应晶体管）是一种关键的传感元件，在测量溶液酸碱度（pH值）方面表现出色。其工作原理基于通道宽度的变化，这种变化由溶液中的离子浓度引起，并影响栅极-源极电压（VGS），从而形成与pH值直接相关的信号。为了保证精确测量，ISFET需要在恒定的偏置条件下运行，即漏极电流（ID）和漏极-源极电压（VDS）必须保持稳定。 图1展示了一种简化且精准的电路设计来实现这一目的。在这个设计中，通过ISFET Q1设定漏极电流ID的是电压VA，而VB则控制Q1的VDS值。两个AD8821高精度测量放大器IC1和IC2分别配置为增益等于1的状态，以确保准确地调节ID和VDS。 电路中的另一个关键组件是IC3——一个精密JFET输入放大器（型号：AD8627），它用于缓冲漏极电压VD，并保证所有流经R1的电流都通过Q1。这种设计允许ISFET栅极连接到广泛的共模电压范围内，增加了应用灵活性。 当此电路与ADC（例如AD7790）配合使用时，浮动栅极的优势尤为显著。在这种配置下，可以直接将栅极电压连接至ADC参考引脚，并且只需简单的RC滤波器作为信号调理部件即可。对于高漏极电流的应用（如超过1mA的情况），R1的精度成为了主要误差来源；在250mA的条件下，即使存在0.1%的电阻误差也只会导致250nA的偏差。 总结来说，通过精确控制ID和VDS来确保ISFET稳定工作是实现溶液pH值准确测量的关键。该电路设计中的各个组件（如AD8821和AD8627放大器）以及恰当选择电阻共同保证了系统的精度与可靠性。这种类型的偏置电路对于环境监测、生物医学应用以及其他需要实时监控溶液酸碱度的场合具有重要的实际意义。