高精度EGFET pH傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

耿 亮， 惠澤基， 張孝冬， 韓寶如， 廖建軍

(1.海南大學(xué) 熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 海口 570228；2.重慶醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，重慶 400016)

0 引 言

與傳統(tǒng)的pH玻璃電極相比，延伸柵極型晶體管(extended-gate field-effect transistors,EGFET) pH傳感器具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):成本低、易于封裝、對(duì)光和溫度不敏感、柵極結(jié)構(gòu)和形狀更為靈活、穩(wěn)定性好[2～6]。EGFET pH傳感器結(jié)構(gòu)上可以分為2個(gè)部分:采用商用的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)(型號(hào)：CD4007UB)作為傳感單元;采用半導(dǎo)體敏感膜作為氫離子敏感層。這種分離的器件結(jié)構(gòu)有利于在EGFET pH傳感器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，只更換敏感膜或MOSFET，而不用全部更換。

半導(dǎo)體敏感膜是影響EGFET pH傳感器性能的關(guān)鍵。目前，已報(bào)道的敏感膜材料中[2～13],TiO2為一種寬帶隙的半導(dǎo)體材料(3.2 eV)，具有價(jià)格便宜、無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是一種良好的電極材料，且將電極納米化后，比表面積更大，可提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)，提高傳感器靈敏度。

本文采用TiO2納米管陣列作為敏感膜，研究了EGFET的pH敏感性能。進(jìn)一步設(shè)計(jì)了EGFET檢測(cè)溶液pH值的電路，包括信號(hào)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理、放大電路設(shè)計(jì)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital conversion,ADC)、軟件設(shè)計(jì)部分。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、信號(hào)處理實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，可用于水體環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)。

1 EGFET pH傳感器的工作原理

圖1為基于EGFET的pH傳感器示意。半導(dǎo)體敏感膜(TiO2納米管陣列電極)和Ag/AgCl參比電極浸入到溶液中，MOSFET的柵極通過(guò)一根銅導(dǎo)線與TiO2納米管陣列電極連接。TiO2納米管陣列薄膜的微觀形貌如圖1中插圖所示。根據(jù)吸附鍵模型(site-binding model)，敏感膜的表面電勢(shì)(ψ0)可表示為

(1)

式中pHpzc為敏感膜在零電荷時(shí)的pH值,q為基本電荷,K為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度,β為靈敏度參數(shù)。

根據(jù)式(1)，表面電勢(shì)ψ0會(huì)隨溶液pH值的變化而變化。因此，當(dāng)給參比電極施加一固定電壓時(shí)，柵—源極電壓VGS會(huì)隨溶液pH值變化，使得漏—源極電流IDS也發(fā)生改變，且ID與待測(cè)液pH值之間呈線性函數(shù)關(guān)系。

圖1 基于EGFET的pH傳感器示意

2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的測(cè)量顯示電路部分主要是將前端EGFET pH傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、放大處理并通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換，將信號(hào)送給單片機(jī)(microcontroller unit,MCU)進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)顯示出溶液pH。具體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2示。通過(guò)MOSFET采集到的漏電流信號(hào)和pH呈線性關(guān)系，因此，可將采集的電流信號(hào)經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換、線性放大、電壓跟隨匹配功率后，選用高精度ADC轉(zhuǎn)換后送入MCU處理信號(hào)，并通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示溶液pH值。

圖2 電路結(jié)構(gòu)示意

2.2 信號(hào)采集

根據(jù)前端EGFET pH傳感器性質(zhì)，設(shè)計(jì)了后端電路采集與處理前端pH傳感器信號(hào)。 圖3所示為電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖。信號(hào)處理后端采用的高精度、低噪聲運(yùn)放，需采用雙電源供電。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用±5V雙電源供電，MOSFET柵—源極偏置電壓設(shè)置為2 V，漏—源偏置電壓設(shè)置為100 mV，可采用精密可控穩(wěn)壓源TL431搭建電路產(chǎn)生MOSFET管所需的偏置電壓。TL431有著較為特殊的動(dòng)態(tài)阻抗，能使電路獲得更加穩(wěn)定的電壓，其開(kāi)態(tài)響應(yīng)速度快輸出噪音低，如圖3中，將其穩(wěn)定的輸出參考電壓2.5 V后再通過(guò)2個(gè)電阻器分壓，即可以獲得較為穩(wěn)定的漏—源極偏置電壓。

圖3 信號(hào)采集電路

2.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理

MOSFET管漏極輸出微安(μA)級(jí)電流信號(hào)，如圖4所示，采用OP37雙運(yùn)放搭建電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，其運(yùn)放的輸入偏執(zhí)電流為±10 nA，7 nA的失調(diào)電流，可以有效地減少偏移電壓對(duì)電流電壓轉(zhuǎn)換的影響。

圖4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

對(duì)于微電流信號(hào)采集電路中一般使用高阻值反饋電阻器進(jìn)行放大[14,15]，阻值同時(shí)也不能過(guò)大，否則可能導(dǎo)致放大電路產(chǎn)生自激振蕩，本文反饋電阻器R1選用50 kΩ，選取噪聲較小的金屬膜電阻器，防止電阻器熱噪聲的干擾，根據(jù)理想放大器輸出電壓和輸入電流間的正比關(guān)系，可以得出轉(zhuǎn)換之后的電壓為

U0=-I0R1

(2)

式中U0為轉(zhuǎn)換后的電壓，I0為前級(jí)MOSFET采集到的漏電流信號(hào)，R1為反饋電阻值。

2.4 線性放大電路設(shè)計(jì)

本文采用STM32F103RCT芯片作為核心微控，其內(nèi)部集成了32位的ADC，可以滿足采集精度的要求。STM32F103系列芯片的I/O口采集信號(hào)電壓不超過(guò)3.3 V，設(shè)計(jì)的線性放大電路的放大電壓需在測(cè)量pH值的范圍內(nèi)，最大不能超過(guò)3.3 V。

如圖5所示，線性放大電路部分采用INA122P高精密放大器進(jìn)行放大。INA122P是工業(yè)儀表類儀用高精密放大器，低噪聲差分信號(hào)采集，運(yùn)放有非常低的靜態(tài)電流以及極低的失調(diào)電壓，較高的輸入阻抗以及共模抑制比，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻器可以使其放大倍數(shù)達(dá)到10 000倍，較為適合作為本系統(tǒng)線性放大電路部分設(shè)計(jì)需要。

圖5 線性放大電路

根據(jù)INA122P的資料和放大電路反饋電阻值可推導(dǎo)本文放大電路的放大倍數(shù)為

(3)

2.5 信號(hào)處理電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

將采集的微安級(jí)電流信號(hào)經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換和線性放大，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入MCU數(shù)據(jù)處理，還原并顯示。本文信號(hào)較小且其漸變值小，需要采用比較高精度高位數(shù)的ADC。綜合來(lái)看，因采用的負(fù)載較大，為了增強(qiáng)前級(jí)電路的帶負(fù)載能力，在線性放大電路后加一級(jí)電壓跟隨器電路，作為信號(hào)采集放大和負(fù)載之間的緩沖級(jí)電路(圖6)。電壓跟隨器的輸入阻抗較大，輸出阻抗較小，是在處理微弱輸出能力的前級(jí)和較大輸入阻抗的后級(jí)負(fù)載之間的良好緩沖電路。其較高的輸入阻抗可以使后級(jí)獲得更高的輸入功率，減少有效信號(hào)在前級(jí)輸出阻抗上的損耗，即使在較低的輸出阻抗時(shí)也能使有效信號(hào)在本級(jí)損耗最小。當(dāng)其輸入輸出信號(hào)同相等值，可以提高測(cè)量電路的精密度。此外，考慮到測(cè)量電路的實(shí)時(shí)性，避免負(fù)載顯示與處理電路影響前級(jí)微信號(hào)采集，本級(jí)跟隨器電路還可以作為隔離器使用，減少信號(hào)間相互干擾，提高硬件電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 電壓跟隨緩沖級(jí)

圖6中跟隨器選用德州儀器TLC27L2C芯片。此外，本電路跟隨器考慮了工程實(shí)際，在傳統(tǒng)跟隨器上進(jìn)行了優(yōu)化。一般跟隨器搭建后輸入和輸出端會(huì)出現(xiàn)相位差，導(dǎo)致振蕩,為解決此問(wèn)題，如圖6所示，在放大器的輸出級(jí)串聯(lián)一個(gè)保護(hù)電阻器R1，在保護(hù)電阻器上并聯(lián)一個(gè)電容器C4。RC電路的設(shè)計(jì)消除了因負(fù)載對(duì)地容量而產(chǎn)生的反饋回路相位滯后現(xiàn)象。

2.6 信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)MOSFET管采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)三級(jí)電路處理后，信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的電壓信號(hào)，還需將此電壓信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)給STM32F103RCT主控MCU進(jìn)行信號(hào)還原并在顯示屏上顯示出待測(cè)液的pH值。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示，主要包括ADC采集的庫(kù)函數(shù)配置，并利用曲線關(guān)系將采集到的電壓信號(hào)還原對(duì)應(yīng)的pH值，并將pH數(shù)據(jù)傳給顯示函數(shù)，使TFTLCD顯示屏初始化并顯示數(shù)據(jù)。

圖7 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程

3 測(cè)試電路性能分析

將所設(shè)計(jì)的EGFET傳感器置于不同pH溶液下，測(cè)得不同pH溶液下STM32F103RCT采集到的電壓，考察微電流檢測(cè)電路的可靠性。擬合得到圖8(a)所示的關(guān)于pH與采集電壓關(guān)系曲線。pH測(cè)量的靈敏度為39.68 mV/pH，線性關(guān)系R2為0.992 1，該線性擬合程度十分可信。將所設(shè)計(jì)的EGFET傳感器置于不同pH溶液下，將pH值與采集電壓關(guān)系式寫(xiě)入STM32F103RCT主控MCU，進(jìn)而還原成待測(cè)液的pH值并通過(guò)外設(shè)TFTLCD顯示屏顯示(如圖8(b)所示)。可以看出，在循環(huán)測(cè)試周期內(nèi)(pH2→pH12→pH2)，EGFET pH傳感器具有較好的準(zhǔn)確性和對(duì)稱性，可以滿足實(shí)際檢測(cè)需要。

圖8 電路性能測(cè)試

4 結(jié) 論

基于EGFET的漏—源極電流與待測(cè)液pH值呈線性關(guān)系的原理，研究設(shè)計(jì)了EGFET檢測(cè)溶液pH值的硬件電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、信號(hào)處理實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，可用于水體環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)。