一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统及应用技术方案

本发明专利技术公开了一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统及应用，系统包括电化学工作站

【技术实现步骤摘要】
一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统及应用


[0001]本专利技术涉及传感器及其应用
，具体涉及一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统及应用
。

技术介绍

[0002]自来水的安全饮用是全球卫生管理中不可忽视的一环，对自来水水质进行实时在线监测是保障老百姓饮水安全的重要措施
。
化学需氧量
COD(chemical oxygen demand)
是表征自来水中有机污染物含量的关键水质指标，目前主要采用现场取样实验室检测的方法进行测量，存在设备昂贵
、
操作过程繁琐
、
实时性差等不足，难以满足自来水快速原位检测的需求
。
本专利技术研制了一种延展栅极场效应晶体管
(EGFET)
电化学传感器，用于准确检测自来水中化学需氧量，表征水中有机污染物的含量，传感器具有微型化
、
可批量制备
、
适合现场实时监测等显著优势，实现了自来水中有机污染物的高灵敏检测
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于根据现实需要，以
BDD(boron doped diamond
，掺硼金刚石
)
电极作为栅极的延展材料，结合场效应管制备的
EGFET
，与铂对电极
、3D
打印反应腔组成了
EGFET
电化学传感器，本专利技术提供的
EGFET
电化学传感器具有可批量生产
、
微型化
、
稳定性好等特点，可实现水体低浓度有机污染物的测量，为自来水水质安全监测提供了核心传感器和技术支撑
。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案
。
[0005]一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统，包括
EGFET
电化学传感器，所述
EGFET
电化学传感器由电化学工作站
、
场效应管
MOSFET、
可调稳压电源
、BDD
电极
、
铂片电极和
3D
打印反应腔组成，所述场效应管
MOSFET
的漏极和源极分别与电化学工作站的正
、
负极连接，所述场效应管
MOSFET
的栅极通过导线与两电极系统连接，所述两电极系统由
BDD
电极和铂片电极组成，所述两电极系统以可调稳压电源作为输入电压源，所述铂片电极为对电极，所述
BDD
电极和铂片电极在工作时放置于所述
3D
打印反应腔内
。
[0006]具体的，所述电化学工作站为
Gamry Reference 600
电化学工作站，最大测试电流为
700mA
，当电流超过
700mA
时工作站会自动停止工作
。
[0007]具体的，所述场效应管
MOSFET
型号为
2N7002
，启动电压为1～
2.5V
，当栅极电压为
10V
时导通电阻小于
2.5
Ω
。
[0008]具体的，所述可调稳压电源为艾德克斯
ITECH
的
IT6302
型号可调稳压电源
。
优选的，所述
BDD
电极制作过程如下：
[0009]硅片清洗干净后，通过划片机切割成
0.8cm*2cm
的小片，再次洗净后放入化学气相沉积仪器的反应室中，采用
2000W
微波等离子化学气相沉积制备厚度为3μ
m
‑4μ
m
的
BDD
薄膜，以
250sccm
的流速向反应室通入甲烷和氢气的混合物，碳氢比为2％，
B2H6
为用作硼掺杂剂，其在氢中的浓度为
15ppm
，衬底温度为
600℃
，沉积时间为
4h
，得到
BDD
电极
。
[0010]优选的，所述
3D
打印腔容积为
1.2mL。
[0011]进一步地，本专利技术还提供了一种如上述延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统在用于自来水中
COD
检测时的应用，具体包括以下步骤：
[0012]步骤
1、
采集足量待测水样，将水样静置
5min
后，每
100mL
自来水加入
0.01mol
的
Na2SO4配成含有
0.1M
的
Na2SO4溶液；
[0013]步骤
2、
通过可调稳压电源对场效应管
MOSFET
的棚极施加
2.5V
电压，利用电化学工作站测量得到电流输出特性曲线；
[0014]步骤
3、
根据所得到的电流输出特性曲线，利用以下公式
(1)
得出待测自来水的
COD
：
[0015][0016]其中，
C(
有机物
)
表示各种有机物溶液的
COD
，单位
mg/L
；
I
表示漏极电流，单位
mA。
[0017]具体的，步骤3所述公式
(1)
的推导过程如下：
[0018]场效应管
MOSFET
棚极电压的变化会导致电沟道发生改变，从而影响漏极电流的大小，施加到场效应管
MOSFET
栅极处的电压有两个部分，一个是
3D
打印反应腔中产生的电势，另一个是场效应管
MOSFET
栅极与沟道间的电压，故
U
G
的表达式为：
[0019]U
G
＝
U
r
+U
g
‑
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]其中，
U
G
为施加到场效应管
MOSFET
栅极的电压，
U
r
为
3D
打印反应腔中
BDD
电极表面产生的电化学电势，
Ug
‑
c
为场效应管
MOSFET
栅极和沟道处的电压；
[0021]当溶液中含有有机污染物时，在
BDD
电极通电情况下，将产生
·
OH
氧化消解水溶液中的有机物，当有机物按照化学计量氧化，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统，其特征在于，包括
EGFET
电化学传感器，所述
EGFET
电化学传感器由电化学工作站
、
场效应管
MOSFET、
可调稳压电源
、BDD
电极
、
铂片电极和
3D
打印反应腔组成，所述场效应管
MOSFET
的漏极和源极分别与电化学工作站的正
、
负极连接，所述场效应管
MOSFET
的栅极通过导线与两电极系统连接，所述两电极系统由
BDD
电极和铂片电极组成，所述两电极系统以可调稳压电源作为输入电压源，所述铂片电极为对电极，所述
BDD
电极和铂片电极在工作时放置于所述
3D
打印反应腔内
。2.
根据权利要求1所述的一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统，其特征在于，所述电化学工作站为
Gamry Reference 600
电化学工作站，最大测试电流为
700mA
，当电流超过
700mA
时工作站会自动停止工作
。3.
根据权利要求1所述的一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统，其特征在于，所述场效应管
MOSFET
型号为
2N7002
，启动电压为1～
2.5V
，当栅极电压为
10V
时导通电阻小于
2.5
Ω
。4.
根据权利要求1所述的一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统，其特征在于，所述可调稳压电源为艾德克斯
ITECH
的
IT6302
型号可调稳压电源
。5.
根据权利要求1所述的一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统，其特征在于，所述
BDD
电极制作过程如下：硅片清洗干净后，通过划片机切割成
0.8cm*2cm
的小片，再次洗净后放入化学气相沉积仪器的反应室中，采用
2000W
微波等离子化学气相沉积制备厚度为3μ
m
‑4μ
m
的
BDD
薄膜，以
250sccm
的流速向反应室通入甲烷和氢气的混合物，碳氢比为2％，
B2H6
为用作硼掺杂剂，其在氢中的浓度为
15ppm
，衬底温度为
600℃
，沉积时间为
4h
，得到
BDD
电极
。6.
根据权利要求1所述的一种延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统，其特征在于，所述
3D
打印腔容积为
1.2mL。7.
一种如权利要求1‑6中任一所述延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系统的应用，其特征在于，用于检测自来水的
COD
，包括以下步骤：步骤
1、
采集足量待测水样，将水样静置
5min
后，每
100mL
自来水加入
0.01mol
的
Na2SO4配成含有
0.1M
的
Na2SO4溶液；步骤
2、
通过可调稳压电源对场效应管
MOSFET
的棚极施加
2.5V
电压，利用电化学工作站测量得到电流输出特性曲线；步骤
3、
根据所得到的电流输出特性曲线，利用以下公式
(1)
得出待测自来水的
COD
：其中，
C(
有机物
)
表示各种有机物溶液的
COD
，单位
mg/L
；
I
表示漏极电流，单位
mA。8.
根据权利要求7所述延展栅极场效应晶体管电化学传感器测试系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国平，唐衍彬，林建，金庆辉，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：