你知道啤酒发酵、土壤分析和乳制品生产有什么共同点吗？它们都涉及使用离子敏感场效应晶体管(ion-sensitive field-effect transistors，ISFETs)来测量酸碱度。这类传感器体积小、效率高、耐用，因此适用于食品、环境和生物医学应用。然而，ISFETs 可能会出现漂移，并且对不同的温度敏感，这限制了它们的精度和稳定性。使用 COMSOL 软件，工程师可以准确分析 ISFET 设计并提高其性能。
ISFETs 的应用、优点和设计考虑
智能场效应晶体管在设计上类似于金属氧化物半导体场效应晶体管，与其他的pH传感器相比，它有几个优点。其一，ISFETs 由硅制成，因此比其他通常由玻璃制成的传感器更耐用。这对食品、医疗、制药和环境领域中的质量检测尤其有利，在这些领域，碎玻璃可能会导致污染和倒退。
ISFETs可以处理极端的酸性和碱性 pH 值，而且体积小、重量轻、速度快以及灵敏度高。这些品质对于需要便携性和高性能的应用非常有用，包括:
- 监测啤酒发酵
- 生产奶酪、牛奶和酸奶等乳制品
- 分析土壤中的除草剂、化学物质和其他有毒化学物质
- 手持式药物检测设备
一个典型的 ISFET 示意图。图片来自 Huijunan 自己的作品。通过Wikimedia Commons 获得CC BY-SA 4.0许可。虽然在图中没有明确示出，但是黑线被理解为穿透黄橙色绝缘体以使 n+ 源极和 n+ 漏极区域相连接。
尽管 ISFETs 有很多优点，但也有一些缺点，例如漂移和温度敏感性。它们的动态范围也很有限，会产生高噪声。此外，ISFET 工作所需的最小电压(即阈值电压)可能会有不同。这些因素会影响 ISFET 的准确性和稳定性，并导致需要频繁调整，这使得它们不适用于生物传感应用(如 DNA 分析)和处理电路。
为了考虑这些因素，工程师必须准确分析ISFET设计，同时考虑化学反应和电磁现象等。使用COMSOL Multiphysics®软件以及其附加的半导体模块、微流体模块或化学工程模块，可以实现这项需求。
有关可用于模拟 ISFETs 的附加产品的详细信息，请查看COMSOL 软件产品库。
使用 COMSOL 软件建模 ISFET
这里示例的 ISFET 由两个域组成:
- 半导体
- 电解质
半导体域与MOS 晶体管类似，但是 ISFET 使用电解质而不是金属栅极。电解质域包含氢离子和氢氧根离子，以及一对类似扩散双电层模型中的一般阴离子和阳离子。
您可以在离子敏场效应晶体管(ISFET)的仿真教程中找到有关此示例的更多信息。随附的文档提供了设置和解决模型的详细说明，如果您有 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证，可以下载 MPH 文件。
在对每个域分别建模后，可以将半导体域和电解质域耦合起来。来自电解质的电势施加在半导体域的氧化物表面上，并且来自半导体侧的位移场施加在电解质域的边界上。
ISFET 中的电位。
由此产生的耦合系统是非线性的，所以我们需要用一系列的研究来解决这个问题。
前三项研究解决了以下问题:
- 电解质域
- 半导体域
- 不同场景下的耦合系统
第四项研究用于展示当反馈电路保持恒定漏极电流时，ISFET在正常工作下的表现。为了节省时间，该电路不需要显式建模。相反，我们可以使用全局方程来模拟反馈电路的效果。
评估模拟结果
从电解质域的研究开始，我们可以看到沿着它的中心的电解质电势。结果可以与一维近似公式(模型文档中的参考文献1)进行比较。如下所示，结果的一般曲线与1D近似非常吻合。
ISFET 模型 (实线曲线)和一维近似(虚线曲线) 的电解质电位。
接下来，我们可以评估 ISFET 的运行情况。下面的左图显示了当漏极电流由施加的栅极电压控制时 ISFET 的响应，而右图显示了在栅极电压固定的情况下，三种不同pH值对漏极电流-漏极电压曲线的影响。这些结果有助于设计人员确定 ISFET 的最佳工作点。
左图:ISFET 的漏极电流与施加的栅极电压的函数关系。右图:pH 值为 3、7 和 11 时的漏电流。
一旦选择了工作点，就可以通过用上述反馈电路模拟恒流模式下的 ISFET 来提取灵敏度曲线。该曲线的斜率与参考文献的斜率相匹配(模型文档中的参考文献1)。
ISFET 的灵敏度。
使用这样的模型，工程师可以研究 ISFET 传感器的设计，并提高它们在各种应用中的性能。
下一步
想自己试试这个 ISFET 模式吗？单击下面的按钮前往 COMSOL 案例库。你可以找到详细的文档和 MPH 文件。
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