pH-ISFET生物传感器集成化设计的研究

摘要

鉴于目前各类传感器的研制趋向于微型化、集成化和智能化的发展方向，将离子敏传感器的敏感单元与信号读取电路集成于同一芯片也就成为了业界对此类传感器的研究热点。离子敏场效应晶体管(ISFET)与金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)结构极其相似，而CMOS工艺得到飞速发展，已经成为微电子工业制造MOSFET的主流工艺；因此，利用CMOS技术便可实现ISFET与信号处理电路的集成。 本文首先在表面基模型的基础上，阐述了两种清晰的物理模型(表面基吸附模型和表面基复合中心模型)。利用两种模型，分别研究了H+离子在pH-ISFET传感器的电解液－绝缘体界面的缔合－离解过程，并推导出E-I界面的电荷与界面势的关系式。 从MOSFET器件性能出发，本文详细地讨论了ISFET器件的敏感机理；并且，根据电化学的表面基模型理论，借助SPICE内部的MOSFET器件模型提出了一种适于ISFET器件的简洁通用的行为描述。通过仿真，此宏模型的行为与实验结果基本相符。 然而，前述ISFET栅极结构的独特性导致其制作过程与标准CMOS工艺的不匹配；CMOS技术中，MOSFET的栅极采用多晶硅，依赖多晶硅的自对准以确定晶体管的漏源区域；为克服这一限制，设计了“三明治”栅结构的pH-ISFET器件，理论分析的结果与试验数据一致，表现出较高的测量灵敏性和稳定性。 为了利用CMOS工艺将敏感元件与信号读取电路制作在同一芯片上，先前的读取电路形式都未考虑“衬底体效应”对测量精度的影响；本文设计提出了一种基于标准CMOS技术实现ISFET与信号处理电路集成化的设计方法；模拟仿真的结果表明，所采用的“ISFET/MOSFET互补对”结构的信号读取电路形式能够抑制“温漂”和克服“硅衬底体效应”对器件测量灵敏度的影响，证明是一种更适用于ISFET集成设计的信号读取方式。借助版图编辑工具所绘制的电路及敏感单元版图，满足相应的工艺规则并且与原理图保持一致，后仿真结果表现出优异的性能。

目录

文摘

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论文说明：插图索引

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第1章绪论

1.1 ISFET传感器简介

1.1.1 ISFET器件结构

1.1.2 pH-ISFET的敏感机理

1.1.3器件特性

1.1.4器件种类

1.2研究现状

1.2.1敏感材料的选择

1.2.2 ISFET与CMOS工艺兼容性的研究

1.2.3集成化设计的研究

1.3本文研究目的及内容

第2章pH-ISFET的敏感机理

2.1电解液绝缘体半导体(E-I-S)系统表面基理论简介

2.2 E-I界面表面基/复合中心模型理论

2.2.1单种两性表面基情形

2.2.2两种类型表面基情形

2.2.3 E-1界面电荷与电势关系

2.3模拟计算及结果

2.3.1 E-I-S系统方程组

2.3.2模拟计算结果

2.3.3结果讨论

2.4小结

第3章pH-ISFET行为模型的建立

3.1 MOSFET元件

3.2 ISFET元件

3.2.1 ISFET的阈值电压

3.2.2电流电压特性

3.2.3温度特性

3.3 ISFET等效电路

3.4 SPICE模型的描述

3.4.1模型参数的确定

3.4.2模型描述

3.5 HSPICE模拟及结果讨论

3.5.1 pH灵敏度响应

3.5.2温度特性

3.6小结

第4章pH-ISFET传感器的CMOS工艺实现

4.1 CMOS工艺概述

4.2与CMOS工艺相匹配的“三明治”栅pH-ISFET

4.3实验测量及其结果

4.3.1测量系统

4.3.2测量结果

4.4小结

第5章信号读取电路的设计

5.1 ISFET读取电路形式概述

5.1.1“差分对管”结构形式

5.1.2“漏源跟随”结构形式

5.2硅衬底“体效应”

5.3“ISFET/MOSFET互补对”读取电路形式

5.3.1栅极反馈形式

5.3.2源极反馈形式

5.4运算放大器电路的设计

5.4.1设计指标

5.4.2电路结构

5.4.3运算放大器整体性能分析

5.5仿真分析

5.5.1电路仿真模型

5.5.2运放直流传输特性分析

5.5.2运放交流小信号分析

5.5.3运放转换速率分析

5.5.4运放共模抑制比分析

5.5.5运放温度扫描分析

5.6小结

第6章pH-ISFET及信号读取电路的版图设计及验证

6.1设计工具简介

6.1.1版图编辑工具(Layout Editor)

6.1.2物理验证工具-Assura

6.2绘制版图

6.2.1生成技术库文件

6.2.2 ISFET敏感元件的版图

6.2.3运算放大器版图的绘制

6.3版图验证及后仿真

6.3.1直流传输特性分析

6.3.2运放交流小信号分析

6.3.3灵敏度分析

6.4小结

结论

参考文献

致谢

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