ISFET传感器及其多路测量系统的设计

摘要

ISFET(ion-sensitive field-effect transistor)具有宽广的离子测量范围,因此在环境保护、化工、矿山、地质、土壤、水文以及家庭生活中都有应用.尤其是其微型化的特点,使之在生物医学领域中不仅应用范围广,而且具有很强的生命力.因此ISFET生物传感器及其多路测量系统在整个社会都有重要需求.许多研究机构对它进行了大量的研究,然而ISFET阈值电压的变化,噪声的影响,参考电极封装的困难等等限制了它的商业化.在过去几年中人们常采取微机电技术封装参考电极,采取物理和化学的方法对敏感膜进行处理来解决以上问题,但效果并不很好.针对这种情况在该文中设计了差动测量方法,由ISFET和REFET组成,由金膜辅助电极代替银或氯化银参考电极,能很好地解决上面的问题.首先对ISFET的工作原理进行详细的介绍,在此基础上对它的测量方法进行了讨论比较,最终选择了差动测量作为测量方法,并设计了ISFET缓冲器,对它的噪声进行了分析,在同时考虑了敏感膜的面积与电路的噪声的基础上设计了ISFET的栅的宽长分别为800um,20um,采用Synopsys的Hspice、上华公司0.6um工艺进行了模拟得到等效输入噪声电压有效值为0.32uv(0.05Hz-250Hz),噪声电压峰峰值为1.9uv,其功耗约为850.7uw,输出噪声电压为2.8mv,即精度为1/20P(相对于56mv/P),而通过差动输出后,作为共模信号被抑制掉一部分,输出噪声电压将更低,精度将大大提高.其功耗之低完全可以集成32个这样的传感器.利用了4片双8路切换开关CC4097,一个INA110仪器测量放大器、MAX297滤波器、AD678模数转换器以及可编程定时/计数器8253对这32路信号进行了采集,为了提高采样速度采用了DMA技术、交替存储技术,一个周期可采集到约6个样点,完全满足采样要求.通过此方法能很好地解决长期来困扰人们的问题,为ISFET传感器及其测量系统的商业化迈出了一大步.

目录

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第1章绪论

1.1研究的背景与意义

1.2国内外发展现状

1.3 ISFET的特点

1.4研究思路及方法

1.5论文内容安排

第2章I SFET器件的工作原理及特性

2.1 ISFET器件的结构及分类

2.2 ISFEI的敏感机理

2.3 ISFET器件的制作

2.4 ISFET器件的基本特征

2.4.1电流电压特征

2.4.2温度特性

2.5测量模式

2.6线性响应及适用条件

2.7差动测量的实现

第3章 ISFET缓冲放大器的设计

3.1缓冲放大器框图

3.2 MOS基本单元

3.2.1有源负载

3.2.2电流镜有源负载

3.2.3电流沉和电流源

3.3 CMOS差分放大电路

3.4相位补偿技术

3.5闪烁噪声或1/f噪声

3.6 ISFET生物缓冲放大器的设计

3.6.1敏感元结构设计

3.6.2 ISFET缓冲放大器的设计及讨论

3.7 HSPICE模拟讨论

第4章多路测量系统的设计

4.1系统简介

4.2多路开关

4.3二级道址控制电路

4.4测量放大器

4.5滤波

4.6信号的采样保持

4.7 A/D转换

4.8数据的存储与读取

4.9时序逻辑控制电路

4.10 DMA技术

4.11输出特性的线性化及误差补偿

结论

5.1本论文创新之处

5.2对下一步工作的建议

参考文献

致谢

附录A攻读硕士学位期间所发表的学术论文