高精度EGFET pH传感器检测电路设计

耿 亮， 惠泽基， 张孝冬， 韩宝如， 廖建军

(1.海南大学 热带农林学院，海南 海口 570228；2.重庆医科大学 医学信息学院，重庆 400016)

0 引 言

与传统的pH玻璃电极相比，延伸栅极型晶体管(extended-gate field-effect transistors,EGFET) pH传感器具有一些独特的优势:成本低、易于封装、对光和温度不敏感、栅极结构和形状更为灵活、稳定性好[2～6]。EGFET pH传感器结构上可以分为2个部分:采用商用的金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)(型号：CD4007UB)作为传感单元;采用半导体敏感膜作为氢离子敏感层。这种分离的器件结构有利于在EGFET pH传感器出现问题时，只更换敏感膜或MOSFET，而不用全部更换。

半导体敏感膜是影响EGFET pH传感器性能的关键。目前，已报道的敏感膜材料中[2～13],TiO2为一种宽带隙的半导体材料(3.2 eV)，具有价格便宜、无毒、化学稳定性好等特点，是一种良好的电极材料，且将电极纳米化后，比表面积更大，可提供更多的反应活性位点，提高传感器灵敏度。

本文采用TiO2纳米管阵列作为敏感膜，研究了EGFET的pH敏感性能。进一步设计了EGFET检测溶液pH值的电路，包括信号采集、信号转换与处理、放大电路设计、模/数转换(analog to digital conversion,ADC)、软件设计部分。电路结构简单、稳定可靠、信号处理实时准确，可用于水体环境下的现场快速监测。

1 EGFET pH传感器的工作原理

图1为基于EGFET的pH传感器示意。半导体敏感膜(TiO2纳米管阵列电极)和Ag/AgCl参比电极浸入到溶液中，MOSFET的栅极通过一根铜导线与TiO2纳米管阵列电极连接。TiO2纳米管阵列薄膜的微观形貌如图1中插图所示。根据吸附键模型(site-binding model)，敏感膜的表面电势(ψ0)可表示为

(1)

式中pHpzc为敏感膜在零电荷时的pH值,q为基本电荷,K为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,β为灵敏度参数。

根据式(1)，表面电势ψ0会随溶液pH值的变化而变化。因此，当给参比电极施加一固定电压时，栅—源极电压VGS会随溶液pH值变化，使得漏—源极电流IDS也发生改变，且ID与待测液pH值之间呈线性函数关系。

图1 基于EGFET的pH传感器示意

2 检测电路设计

2.1 电路结构

设计的测量显示电路部分主要是将前端EGFET pH传感器的信号进行采集、转换、放大处理并通过ADC转换，将信号送给单片机(microcontroller unit,MCU)进行处理并实时显示出溶液pH。具体电路结构框图如图2示。通过MOSFET采集到的漏电流信号和pH呈线性关系，因此，可将采集的电流信号经电流/电压转换、线性放大、电压跟随匹配功率后，选用高精度ADC转换后送入MCU处理信号，并通过显示屏实时显示溶液pH值。

图2 电路结构示意

2.2 信号采集

根据前端EGFET pH传感器性质，设计了后端电路采集与处理前端pH传感器信号。 图3所示为电路结构简化图。信号处理后端采用的高精度、低噪声运放，需采用双电源供电。电路系统设计采用±5V双电源供电，MOSFET栅—源极偏置电压设置为2 V，漏—源偏置电压设置为100 mV，可采用精密可控稳压源TL431搭建电路产生MOSFET管所需的偏置电压。TL431有着较为特殊的动态阻抗，能使电路获得更加稳定的电压，其开态响应速度快输出噪音低，如图3中，将其稳定的输出参考电压2.5 V后再通过2个电阻器分压，即可以获得较为稳定的漏—源极偏置电压。

图3 信号采集电路

2.3 信号转换与处理

MOSFET管漏极输出微安(μA)级电流信号，如图4所示，采用OP37双运放搭建电流/电压转换电路，其运放的输入偏执电流为±10 nA，7 nA的失调电流，可以有效地减少偏移电压对电流电压转换的影响。

图4 电流/电压转换电路

对于微电流信号采集电路中一般使用高阻值反馈电阻器进行放大[14,15]，阻值同时也不能过大，否则可能导致放大电路产生自激振荡，本文反馈电阻器R1选用50 kΩ，选取噪声较小的金属膜电阻器，防止电阻器热噪声的干扰，根据理想放大器输出电压和输入电流间的正比关系，可以得出转换之后的电压为

U0=-I0R1

(2)

式中U0为转换后的电压，I0为前级MOSFET采集到的漏电流信号，R1为反馈电阻值。

2.4 线性放大电路设计

本文采用STM32F103RCT芯片作为核心微控，其内部集成了32位的ADC，可以满足采集精度的要求。STM32F103系列芯片的I/O口采集信号电压不超过3.3 V，设计的线性放大电路的放大电压需在测量pH值的范围内，最大不能超过3.3 V。

如图5所示，线性放大电路部分采用INA122P高精密放大器进行放大。INA122P是工业仪表类仪用高精密放大器，低噪声差分信号采集，运放有非常低的静态电流以及极低的失调电压，较高的输入阻抗以及共模抑制比，通过调节反馈电阻器可以使其放大倍数达到10 000倍，较为适合作为本系统线性放大电路部分设计需要。

图5 线性放大电路

根据INA122P的资料和放大电路反馈电阻值可推导本文放大电路的放大倍数为

(3)

2.5 信号处理电路优化设计

将采集的微安级电流信号经电流/电压转换和线性放大，通过ADC转换成数字信号后送入MCU数据处理，还原并显示。本文信号较小且其渐变值小，需要采用比较高精度高位数的ADC。综合来看，因采用的负载较大，为了增强前级电路的带负载能力，在线性放大电路后加一级电压跟随器电路，作为信号采集放大和负载之间的缓冲级电路(图6)。电压跟随器的输入阻抗较大，输出阻抗较小，是在处理微弱输出能力的前级和较大输入阻抗的后级负载之间的良好缓冲电路。其较高的输入阻抗可以使后级获得更高的输入功率，减少有效信号在前级输出阻抗上的损耗，即使在较低的输出阻抗时也能使有效信号在本级损耗最小。当其输入输出信号同相等值，可以提高测量电路的精密度。此外，考虑到测量电路的实时性，避免负载显示与处理电路影响前级微信号采集，本级跟随器电路还可以作为隔离器使用，减少信号间相互干扰，提高硬件电路系统的稳定性。

图6 电压跟随缓冲级

图6中跟随器选用德州仪器TLC27L2C芯片。此外，本电路跟随器考虑了工程实际，在传统跟随器上进行了优化。一般跟随器搭建后输入和输出端会出现相位差，导致振荡,为解决此问题，如图6所示，在放大器的输出级串联一个保护电阻器R1，在保护电阻器上并联一个电容器C4。RC电路的设计消除了因负载对地容量而产生的反馈回路相位滞后现象。

2.6 信号A/D转换及系统软件设计

通过MOSFET管采集到的信号经过三级电路处理后，信号转换为0～3.3 V的电压信号，还需将此电压信号通过ADC转换成数字信号给STM32F103RCT主控MCU进行信号还原并在显示屏上显示出待测液的pH值。

整个系统的软件设计流程如图7所示，主要包括ADC采集的库函数配置，并利用曲线关系将采集到的电压信号还原对应的pH值，并将pH数据传给显示函数，使TFTLCD显示屏初始化并显示数据。

图7 系统整体软件设计流程

3 测试电路性能分析

将所设计的EGFET传感器置于不同pH溶液下，测得不同pH溶液下STM32F103RCT采集到的电压，考察微电流检测电路的可靠性。拟合得到图8(a)所示的关于pH与采集电压关系曲线。pH测量的灵敏度为39.68 mV/pH，线性关系R2为0.992 1，该线性拟合程度十分可信。将所设计的EGFET传感器置于不同pH溶液下，将pH值与采集电压关系式写入STM32F103RCT主控MCU，进而还原成待测液的pH值并通过外设TFTLCD显示屏显示(如图8(b)所示)。可以看出，在循环测试周期内(pH2→pH12→pH2)，EGFET pH传感器具有较好的准确性和对称性，可以满足实际检测需要。

图8 电路性能测试

4 结 论

基于EGFET的漏—源极电流与待测液pH值呈线性关系的原理，研究设计了EGFET检测溶液pH值的硬件电路。实验结果表明：该电路结构简单、稳定可靠、信号处理实时准确，可用于水体环境下的现场快速监测。