CMOS细胞膜电位和pH值传感芯片的设计与研究

摘要

本文基于2层多晶硅2层金属N阱0.6μm CMOS工艺设计了细胞膜电位、pH值参量数模混合集成传感芯片。 本论文的主要内容和贡献可归纳为以下几点： 1.基于标准CMOS工艺设计了阵列式可用于细胞膜电位传感的芯片。该芯片上集成了8×8单元有源传感阵列、基准电压源、模拟多路选择器、输出缓冲器和数字控制电路。群电极阵列布局提高了电极密度和电路并行处理能力。有源传感单元兼容微电极体外传感和场效应管原位放大优点，能够线性放大幅值范围100μV～20mV的微小信号。 2.基于标准CMOS工艺设计了多层浮栅晶体管(MFGFET)pH值传感单元，以钝化层Si3N4作为氢离子敏感膜。基于Site-Binding模型和Gouy-Chapman-Stem理论，建立了固液界面电势非线性方程，用MATLAB进行了数值计算和分析。基于传统裸栅场效应管阈值电压敏感模型，建立了MFGFET结构的阈值电压模型。建立了pH值传感单元宏模型，可作为集成电路的一个器件，对集成芯片进行整体仿真分析。 3.pH值传感单元选用可消除衬偏效应的PMOS管，pH值传感器片上控制MFGFET源漏电压和源漏电流恒定，源电压随溶液pH值线性输出范围达到4.6V，极大的满足不同pH值溶液测试要求。波长396nm紫外灯管照射可消除浮栅上电荷，改善器件迟滞特性，增大阈值电压并有效调整溶液栅电压线性工作区范围。采用离子敏MFGFET和参考MFGFET差分拓扑结构，可减少测量电路的固定模式噪声，并改善温度特性。器件溶液实测pH值在l～13范围内的平均灵敏度为35.8mV/pH。 4.CMOS扩展工艺、版图布局优化和PCB板改进芯片封装提高了溶液测试的可靠性。 本研究提出了一种可实现pH值和细胞膜电位两种生物量兼容集成的设计方法。验证了基于标准CMOS工艺的传感集成芯片的可行性，为进一步深入研究生物传感芯片系统奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题背景

1.2本论文的研究意义

1.3本论文的研究内容

1.4本论文的创新点

1.5本论文的内容安排

2细胞膜电位和pH值传感技术发展概况

2.1细胞膜电位基本理论

2.1.1细胞静息电位

2.1.2细胞动作电位

2.2细胞膜电位传感技术的历史与现状

2.2.1膜片钳技术

2.2.2微电极阵列(microelectrode arrays，MEAs)

2.2.3场效应晶体管(Field-Effect Transistor,FET)

2.2.4基于CMOS工艺的新发展趋势

2.3 pH值传感技术概述

2.4 pH值传感技术的历史与现状

2.4.1玻璃电极

2.4.2金属氧化物/聚合物薄膜电极

2.4.3 EIS型半导体传感器

2.4.4光寻址电位传感器(LAPs)

2.4.5氢离子敏场效应管(H+-ISFET)

2.4.6基于CMOS工艺的pH值传感技术

2.5本章小结

3基于标准CMOS工艺的细胞膜电位有源预处理单元设计原理和模型

3.1基于标准CMOS工艺的细胞膜电位传感单元

3.2细胞膜电位传感单元模型

3.2.1细胞膜电位离子通道基本模型

3.2.2细胞与电极耦合模型

3.2.3细胞与绝缘栅FET耦合模型

3.2.4基于CMOS工艺的细胞膜电位传感单元耦合模型

3.3细胞膜电位有源预处理电路噪声模型

3.3.1细胞与电极耦合噪声模型

3.3.2电极尺寸设计考虑

3.3.3有源预处理电路噪声模型

3.4有源预处理传感单元优化设计

3.4.1有源预处理传感单元设计

3.4.2有源预处理电路两种工作模式

3.5本章小结

4基于标准CMOS工艺的MFGFET pH值传感单元设计原理和宏模型

4.1基于标准CMOS工艺的MFGFETpH值传感单元设计

4.2 MFGFET传感单元系统电荷和电势分布模型

4.2.1吸附键结(Site-Binding)模型

4.2.2 Gouy-Chapman-Stern理论

4.2.3 MFGFET pH值传感单元系统电荷和电势分布模型

4.3 MFGFET界面电势模拟计算和分析

4.4MFGFET pH值传感单元阈值电压模型

4.4.1 MFGFET pH值传感单元阈值电压温度特性

4.5 MFGFET pH值传感单元宏模型

4.5.1传统ISFET等效SPICE模型

4.5.2 MFGFET pH值传感单元等效SPICE模型

4.6本章小结

5细胞膜电位和pH值集成传感器设计与仿真

5.1细胞膜电位和PH值集成传感器设计讨论

5.2细胞膜电位集成传感器设计

5.2.1电流镜电路设计

5.2.2基准电压源设计

5.2.3控制电路设计

5.3 pH值传感器设计

5.3.1轨对轨跟随电路设计

5.3.2恒流恒压控制电路设计

5.3.3差分设计和讨论

5.3.4增益可调差分输出电路

5.4传感器温度补偿设计讨论

5.5本章小结

6版图设计与CMOS扩展工艺

6.1工艺介绍

6.2工艺中匹配与噪声问题及解决方法

6.2.1常见匹配问题及解决方法

6.2.2常见噪声问题及解决方法

6.3各电路版图布局

6.3.1有源预处理传感阵列版图

6.3.2 pH值传感单元版图

6.3.3基准电压源版图

6.3.4电流镜版图

6.3.5恒流恒压控制电路版图

6.3.6控制电路版图设计

6.3.7可测性设计

6.4版图验证和后模拟

6.5 CMOS扩展工艺

6.6本章小结

7细胞膜电位和pH值集成传感芯片测试与分析

7.1传感芯片与封装

7.1.1传感芯片与传统封装

7.1.2传感模块化芯片与改进封装

7.2细胞膜电位传感器电测试与分析

7.2.1基准源测试

7.2.2有源预处理传感单元测试

7.2.3阵列二维扫描功能测试

7.2.4生理盐水阵列仿生测试

7.3 pH值传感器输出线性工作区测试与讨论

7.3.1 pH值传感单元器件特性测试

7.3.2 pH值传感单元衬偏效应测试与讨论

7.3.3 pH值传感器线性工作区测试

7.3.4紫外光照射对pH值传感器线性输出影响测试

7.3.5 pH值传感器可调增益差分输出测试

7.4pH值传感器特性测试与分析

7.4.1 pH值传感器灵敏度测试

7.4.2 pH值传感器的线性度分析

7.4.3 pH值传感器的温度特性测试

7.4.4 pH值传感器的重复性和迟滞特性测试与分析

7.4.5 pH值传感器的响应和稳定性

7.5本章小结

8论文总结与展望

8.1论文总结

8.2对今后研究工作的展望

参考文献

作者简历及其在攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢