基于ISFET的便攜式pH檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顧鵬,丁啟勝

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基于ISFET的便攜式pH檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顧鵬,丁啟勝*

江蘇師范大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 徐州 221116

本文提出了一種以離子敏場(chǎng)效應(yīng)管（ISFET）為核心的PH檢測(cè)系統(tǒng)，引入REFET與ISFET形成差分對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ISFET的溫度補(bǔ)償，減小非線性失真，采用電流讀出模式的讀出電路，有效降低系統(tǒng)功耗。首先對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)闡述了ISFET/REFET以及電流模式讀出電路的工作原理；然后介紹了系統(tǒng)的主控芯片，以及數(shù)據(jù)讀取、顯示、參數(shù)設(shè)定和自動(dòng)標(biāo)定等功能的實(shí)現(xiàn)方法；最后對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示，ISFET差分式電流模式讀出電路在一定程度上能有效減少誤差，降低功耗，抑制溫漂，且使用壽命長(zhǎng)。

ISFET; 差分式; 電流模式; 單片機(jī)

1 pH讀出電路的設(shè)計(jì)

1.1 基于ISFET讀出電路的特點(diǎn)

1.1.1 電流模式讀出電路電流模式讀出電路與傳統(tǒng)的電壓模式讀出電路相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）電流模式的工作速度比電壓模式電路快得多；

（2）電流模式電路可以在0.7~1.5 V的低壓下正常工作，滿足便攜式儀器由電池供電的要求；

（3）電流模式電路采用匹配技術(shù)，電路對(duì)稱，從而大大減小非線性失真。

1.1.2 差分對(duì)管式的ISFET傳感器結(jié)構(gòu)在讀出電路設(shè)計(jì)中，引入REFET與ISFET形成差分對(duì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ISFET的溫度補(bǔ)償[2]。如圖1所示，將傳統(tǒng)的MOSFET換成了與ISFET電學(xué)性能相同的REFET，通過(guò)設(shè)置合適的漏極電壓和VG使ISFET工作在線性區(qū)[3]。REFET與ISFET不同之處僅在于其敏感電極覆蓋有一層阻水的薄膜，使其與被測(cè)溶液隔離，而其它電參數(shù)兩者完全相同。圖中ISFET和REFET采用共源極的方式[4]，并使用同一參比電極Ref，采用電流鏡原理設(shè)計(jì)合適的偏置電路，使兩者具有相同的工作點(diǎn)，從而可以保證ISFET/REFET差分對(duì)的穩(wěn)定正常工作。

圖1 差分對(duì)管式溫度補(bǔ)償電路

1.2 ISFET的工作原理

1.2.1 漏極電流ID與pH的線性關(guān)系分析

其中是溝道中主要載流子的遷移率，C為氧化絕緣層電容，和分別是是敏感柵的寬和長(zhǎng)，是pH靈敏度，是溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)。

生態(tài)批判與正義批判的雙重互構(gòu)：有機(jī)馬克思主義的生態(tài)正義批判邏輯及啟示………………………………………………………………………………………… 左路平，趙愛霞（4．43）

基于控制漏源電壓V和柵源電壓V不變，則由公式（1）和（2）可以得出以下關(guān)系式：

I=1-2·pH (3)

1，2為常量，則由公式（3）～（5）可知，漏極電流I就與pH呈線性變化的關(guān)系[5]。

1.2.2 溫度補(bǔ)償?shù)脑砣鐖D2所示，圖中放大器的輸出反饋到MOSFET的柵極，這種電路一定程度上能抑制共模信號(hào)的影響。輸出為兩者漏源電壓差，則它們的溫度響應(yīng)項(xiàng)相互抵消，起到了溫度補(bǔ)償?shù)淖饔肹6]。通過(guò)此電路的啟發(fā)，將此原理應(yīng)用到電流模式讀出電路[7]中，設(shè)想輸出電流為兩者的電流差，則也能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

圖2 漏源電流恒定的柵極反饋電路

1.3 讀出電路的工作原理

圖3 電流鏡工作原理

1.3.1 電流鏡原理電流鏡原理如果兩個(gè)相匹配的MOS管的柵源電壓相等，則它們的溝道電流也相等（即圖中IR和IO）。電路中MOS管工作于飽和區(qū)，所以相互匹配的場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓相等，從而溝道電流也相等，應(yīng)用到讀出電路中，使得I3和I4相等，從而使得A，B兩點(diǎn)的電壓相等[8]。

1.3.2 讀出電路原理分析在基于ISFET/REFET對(duì)的差分式讀出電路中，由于ISFET與REFET要有相同的電學(xué)特性，因此兩個(gè)器件需要被偏置在同一工作點(diǎn)，故圖中ISFET和REFET采用源極和柵極相互耦合的方式，根據(jù)電流鏡原理設(shè)計(jì)的偏置電路，保證兩者具有相同的工作點(diǎn)，使ISFET/REFET差分對(duì)正常穩(wěn)定工作。如圖所示，I3=I4，R1=R2，從而使得A，B兩點(diǎn)電壓相等。通過(guò)設(shè)置合適的VA和VG讓ISFET工作在線性區(qū)，使ISFET工作時(shí)的靈敏度最佳。圖中用受控源符號(hào)來(lái)表示輸出電路電流受偏置電路電流控制的現(xiàn)象[9]，而在實(shí)際電路中，可以通過(guò)電流鏡原理來(lái)搭建出合適的電路[10]，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。電路中將電流差通過(guò)放大器放大，最終獲得輸出電壓。當(dāng)溶液中離子濃度即pH發(fā)生變化時(shí)，IISFET發(fā)生變化，從而I1發(fā)生變化，導(dǎo)致電流差發(fā)生變化，輸出電壓VO也就相應(yīng)的變化。于是通過(guò)檢測(cè)電壓VO的變化，從而檢測(cè)出溶液pH的變化。

(a) 差分偏置電路Differential bias circuit (b)電流輸出電路Current output circuit

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 儀器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它主要包括：工作指示燈、確認(rèn)按鈕、標(biāo)定按鈕、主控制器、電源按鈕、電極引線、Ag/AgCl電極、ISFET與REFET和KCL內(nèi)充液。標(biāo)定按鈕用于pH測(cè)量?jī)x的標(biāo)定；主控制器即單片機(jī)系統(tǒng)，用于將調(diào)理電路輸出的電壓轉(zhuǎn)換為pH值以及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定等功能；工作指示燈用于儀器工作狀態(tài)指示，正常工作時(shí)為綠色，故障報(bào)警時(shí)為紅色；LCD顯示屏用于溶液pH值及時(shí)間的實(shí)時(shí)顯示。測(cè)量溶液pH之前，首先按下電源按鈕，然后將電極探頭放入待測(cè)溶液中，便會(huì)在LCD顯示pH值和測(cè)量時(shí)間，等到數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，可以按下確認(rèn)按鍵，將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部存儲(chǔ)器中并準(zhǔn)備進(jìn)行下一次測(cè)量。若需要標(biāo)傳感器，則只需要按一下標(biāo)定按鈕，儀器會(huì)進(jìn)入自動(dòng)標(biāo)定程序。當(dāng)超過(guò)10 min未進(jìn)行任何操作時(shí)，該pH檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖5 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 主控制器的硬件設(shè)計(jì)

便攜式pH檢測(cè)儀原理框圖如圖6所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由電流輸出電路，探頭調(diào)理模塊，包括電流輸出電路，I/V轉(zhuǎn)換電路，濾波電路等，以及主控制電路組成[8]。該系統(tǒng)選用ADI公司的自帶A/D轉(zhuǎn)換功能的ADuC845單片機(jī)芯片，該芯片的數(shù)據(jù)處理速度達(dá)12MIPS，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，噪聲低，非常適用于精密儀器儀表。相比傳統(tǒng)的51單片機(jī)具有高速，高可靠，低功耗，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，從而簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。電源模塊將電池電壓穩(wěn)壓后向控制器供電，另外，該模塊還具有極性保護(hù)和欠壓檢測(cè)等功能。采用較為普遍的DS18B20進(jìn)行被測(cè)液體的溫度測(cè)量。至于為什么不用DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償，那是因?yàn)闇囟葘?duì)pH的影響比較復(fù)雜，不同的pH值有不同的變化規(guī)律，難以找到有效的軟件補(bǔ)償算法。通信接口USB可連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在微控制器的控制下，電流輸出電路經(jīng)I/V電路，濾波電路，將輸出電壓送至微控制器，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)等處理。該儀器在測(cè)量之前，首先用pH=6.86和pH=9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液液進(jìn)行標(biāo)定。最終測(cè)量數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，以便后期數(shù)據(jù)分析和研究。

圖6 系統(tǒng)原理框圖

3 主控制器的軟件設(shè)計(jì)

軟件的功能是采集電路輸出電壓以及進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定，從而計(jì)算出溶液的pH值。軟件的主流程圖如圖7所示，系統(tǒng)的標(biāo)定程序，可計(jì)算出電壓與pH值的關(guān)系曲線的斜率k和截距b，然后通過(guò)程序的計(jì)算得出溶液pH值，最終將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器進(jìn)行保存，在未做任何操作時(shí)，定時(shí)時(shí)間到，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并可通過(guò)按任意鍵將系統(tǒng)喚醒。

圖8是標(biāo)定程序流程圖，先后分別用pH=6.86和pH=9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定，等待數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，讀出與pH值相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電壓值Ua，Ub，然后計(jì)算得到線性方程的斜率k和截距b，用戶可決定該數(shù)據(jù)是否修改，若需要修改，則按確認(rèn)鍵繼續(xù)標(biāo)定，得到新的數(shù)據(jù)，原數(shù)據(jù)將被覆蓋，最后退出標(biāo)定程序返回主程序。

圖7 軟件主程序流程圖

圖8 標(biāo)定程序流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，通過(guò)在室溫下對(duì)傳感器用pH=4，pH=6.86和pH=9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)理電路的輸出電壓與pH值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。為了驗(yàn)證pH傳感器的檢測(cè)精度和溫度特性，使用pH6.86和pH9.18兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液，以及蘇瑞RGDJ-100高低溫交變?cè)囼?yàn)箱對(duì)pH傳感器進(jìn)行溫度影響試驗(yàn)，具體方法是：將標(biāo)準(zhǔn)溶液和傳感器放入試驗(yàn)箱中，在0~50 ℃范圍內(nèi)，每隔10 ℃設(shè)定一個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，每隔1分鐘測(cè)量一次，連續(xù)測(cè)量5次，取平均后作為該溫度點(diǎn)的實(shí)際檢測(cè)值。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，所提出的差分電路對(duì)傳感器溫漂進(jìn)行了有效地補(bǔ)償，對(duì)于pH=6.86的測(cè)量結(jié)果最大絕對(duì)誤差小于0.1，對(duì)于pH=9.18的測(cè)量結(jié)果最大絕對(duì)誤差小于0.2，很好地提高了傳感器的溫度穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果還表明，不同溫度下的測(cè)量誤差有正有負(fù)，沒有確定的變化規(guī)律，屬于試驗(yàn)中許多不可控因素的微小變化而引起的隨機(jī)誤差。該設(shè)計(jì)所提出的讀出電路的工作電壓為2.5 V，且比市面上的pH測(cè)量?jī)x器的功耗低，證明了電流模式讀出電路的有效性。

圖 9 輸出電壓與pH值關(guān)系圖

圖10 pH測(cè)量值與溫度關(guān)系曲線

5 結(jié)論

基于ISFET設(shè)計(jì)出的差分式讀出電路，突破了傳統(tǒng)電極體積大，壽命短，維護(hù)困難的缺點(diǎn)，有效地進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，并通過(guò)電流模式讀出電路降低了系統(tǒng)的功耗。由于電路所需器件少，體積小，可將電路進(jìn)行集成化，方便安裝，操作。該設(shè)計(jì)現(xiàn)僅處于測(cè)試研究階段，仍存在許多的不足，有許多的問題等待解決，但整體來(lái)說(shuō)，該電路比傳統(tǒng)電路工作穩(wěn)定，且功耗更低?？傊疚慕榻B的pH檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使傳感器向智能化、體積小、重量輕、價(jià)格低廉、操作方便的目標(biāo)更進(jìn)了一步。

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Design of Portable pH Detection System Based on ISFET

GU Peng, DING Qi-sheng*

221116,

In this paper, a pH detection system based on ion sensitive field transistor (ISFET) is proposed. REFET and ISFET are introduced to form differential pairs to realize temperature compensation for ISFET and reduce non-linear distortion. The readout circuit with current readout mode is used to effectively reduce the system power consumption. Firstly, the overall structure of the system is introduced, and the working principle of ISFET /REFET and current mode readout circuit is emphatically expounded. Then it introduces the main control chip of the system and the realization methods of data reading, display, parameter setting and automatic calibration.Finally, the system performance is tested. The results show ISFET differential current mode read circuit can effectively decrease the error, reduce power consumption, inhibit temperature drift, and have long service life.

ISFET; differential structure; current mode; single chip microcomputer

TP29

A

1000-2324(2018)06-1068-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.033

2016-09-28

2017-04-13

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510320107X);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20131129)

顧鵬(1994-),男,本科生.專業(yè):自動(dòng)化.E-mail:1322719830@qq.com

Author for correspondence. E-mail:dingkings@163.com