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傳感器具有一些獨特的優(yōu)勢:成本低、易于封裝、對光和溫度不敏感、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個部分:采用商用的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)(型號：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)問題時，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)，具有價格便宜、無毒、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，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，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。進一步設(shè)計了EGFET檢測溶液pH值的電路，包括信號采集、信號轉(zhuǎn)換與處理、放大電路設(shè)計、模/數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital conversion,ADC)、軟件設(shè)計部分。電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、信號處理實時準(zhǔn)確，可用于水體環(huán)境下的現(xiàn)場快速監(jiān)測。

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(ψ0)可表示為

(1)

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

根據(jù)式(1)，表面電勢ψ0會隨溶液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，柵—源極電壓VGS會隨溶液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 檢測電路設(shè)計

2.1 電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計的測量顯示電路部分主要是將前端EGFET pH傳感器的信號進行采集、轉(zhuǎn)換、放大處理并通過ADC轉(zhuǎn)換，將信號送給單片機(microcontroller unit,MCU)進行處理并實時顯示出溶液pH。具體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2示。通過MOSFET采集到的漏電流信號和pH呈線性關(guān)系，因此，可將采集的電流信號經(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，并通過顯示屏實時顯示溶液pH值。

圖2 電路結(jié)構(gòu)示意

2.2 信號采集

根據(jù)前端EGFET pH傳感器性質(zhì)，設(shè)計了后端電路采集與處理前端pH傳感器信號。 圖3所示為電路結(jié)構(gòu)簡化圖。信號處理后端采用的高精度、低噪聲運放，需采用雙電源供電。電路系統(tǒng)設(shè)計采用±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有著較為特殊的動態(tài)阻抗，能使電路獲得更加穩(wěn)定的電壓，其開態(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2個電阻器分壓，即可以獲得較為穩(wěn)定的漏—源極偏置電壓。

圖3 信號采集電路

2.3 信號轉(zhuǎn)換與處理

MOSFET管漏極輸出微安(μA)級電流信號，如圖4所示，采用OP37雙運放搭建電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，其運放的輸入偏執(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電流電壓轉(zhuǎn)換的影響。

圖4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

對于微電流信號采集電路中一般使用高阻值反饋電阻器進行放大[14,15]，阻值同時也不能過大，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MOSFET采集到的漏電流信號，R1為反饋電阻值。

2.4 線性放大電路設(shè)計

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口采集信號電壓不超過3.3 V，設(shè)計的線性放大電路的放大電壓需在測量pH值的范圍內(nèi)，最大不能超過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，低噪聲差分信號采集，運放有非常低的靜態(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，通過調(diào)節(jié)反饋電阻器可以使其放大倍數(shù)達到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 信號處理電路優(yōu)化設(shè)計

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

圖6 電壓跟隨緩沖級

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際，在傳統(tǒng)跟隨器上進行了優(yōu)化。一般跟隨器搭建后輸入和輸出端會出現(xiàn)相位差，導(dǎo)致振蕩,為解決此問題，如圖6所示，在放大器的輸出級串聯(lián)一個保護電阻器R1，在保護電阻器上并聯(lián)一個電容器C4。RC電路的設(shè)計消除了因負載對地容量而產(chǎn)生的反饋回路相位滯后現(xiàn)象。

2.6 信號A/D轉(zhuǎn)換及系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過MOSFET管采集到的信號經(jīng)過三級電路處理后，信號轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的電壓信號，還需將此電壓信號通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號給STM32F103RCT主控MCU進行信號還原并在顯示屏上顯示出待測液的pH值。

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖7所示，主要包括ADC采集的庫函數(shù)配置，并利用曲線關(guān)系將采集到的電壓信號還原對應(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)計流程

3 測試電路性能分析

將所設(shè)計的EGFET傳感器置于不同pH溶液下，測得不同pH溶液下STM32F103RCT采集到的電壓，考察微電流檢測電路的可靠性。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)系式寫入STM32F103RCT主控MCU，進而還原成待測液的pH值并通過外設(shè)TFTLCD顯示屏顯示(如圖8(b)所示)?？梢钥闯?，在循環(huán)測試周期內(nèi)(pH2→pH12→pH2)，EGFET pH傳感器具有較好的準(zhǔn)確性和對稱性，可以滿足實際檢測需要。

圖8 電路性能測試

4 結(jié) 論

基于EGFET的漏—源極電流與待測液pH值呈線性關(guān)系的原理，研究設(shè)計了EGFET檢測溶液pH值的硬件電路。實驗結(jié)果表明：該電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、信號處理實時準(zhǔn)確，可用于水體環(huán)境下的現(xiàn)場快速監(jiān)測。