Источник постоянного тока для ISFET и MEMFET

Ион-чувствительные и ион-селективные полевые транзисторы (ISFET и MEMFET, соответственно) представляют собой твердотельные химические датчики, выходные электрические сигналы которых связаны с изменением концентрации химического вещества в растворе. Датчикам такого типа требуется стабильность положения рабочей точки. Типичной рабочей точкой является ток стока 100 мкА при напряжении сток-исток V_GS, равном 500 мВ. На Рисунке 1 показана схема драйвера, обеспечивающая питание ISFET/MEMFET стабильным постоянным током. Источник тока I создает падение напряжения на резисторе R₁, а повторитель напряжения отражает это напряжение на выводы стока и истока химического датчика. В нашем примере напряжение V_DS между стоком и истоком датчика равно IR. Весь ток I проходит через резистор R₁, поскольку входные токи используемого операционного усилителя находятся в диапазоне фемтоампер. Ток стока датчика I_DS является разностью двух постоянных токов источников 2I и I; в данном случае он равен I. Источником постоянных токов в схеме на Рисунке 1 служит микросхема REF200. Микросхема REF200 содержит два внутренних источника тока 100 мкА и токовое зеркало.

Рисунок 1.	Драйвер постоянного тока служит основой для системы измерения концентрации химических веществ.

Рисунок 2.	Напряжение затвор-исток хорошо коррелирует с концентрацией ионов [H1].

Один из источников (I) обеспечивает схему током 100 мкА. В нижнем по схеме источнике тока 2I используются второй 100-микроамперный источник микросхемы REF200 и токовое зеркало. Второй повторитель напряжения измеряет напряжение затвор-исток датчика, то есть, интересующую химическую концентрацию. Результаты экспериментов представлены на Рисунке 2. Можно видеть, что схема обеспечивает линейную зависимость между напряжением затвор-исток (V_GS) и концентрацией ионов [H⁺]. В экспериментах использовались датчики ISFET на основе SiO₂ и Si₃N₄. На Рисунке 3 показано изменение порогового напряжения в зависимости от значения водородного показателя pH.

Рисунок 3.	Напряжение затвор-исток ISFET изменяется в зависимости от степени кислотности.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments OPA128
2. Datasheet Texas Instruments REF200