pH-ISFET生物傳感器集成化設(shè)計(jì)的研究.pdf

1、鑒于目前各類傳感器的研制趨向于微型化、集成化和智能化的發(fā)展方向，將離子敏傳感器的敏感單元與信號讀取電路集成于同一芯片也就成為了業(yè)界對此類傳感器的研究熱點(diǎn)。離子敏場效應(yīng)晶體管(ISFET)與金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)結(jié)構(gòu)極其相似，而CMOS工藝得到飛速發(fā)展，已經(jīng)成為微電子工業(yè)制造MOSFET的主流工藝；因此，利用CMOS技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)ISFET與信號處理電路的集成。 本文首先在表面基模型的基礎(chǔ)上，闡述了兩種清晰

2、的物理模型(表面基吸附模型和表面基復(fù)合中心模型)。利用兩種模型，分別研究了H+離子在pH-ISFET傳感器的電解液－絕緣體界面的締合－離解過程，并推導(dǎo)出E-I界面的電荷與界面勢的關(guān)系式。 從MOSFET器件性能出發(fā)，本文詳細(xì)地討論了ISFET器件的敏感機(jī)理；并且，根據(jù)電化學(xué)的表面基模型理論，借助SPICE內(nèi)部的MOSFET器件模型提出了一種適于ISFET器件的簡潔通用的行為描述。通過仿真，此宏模型的行為與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符。

3、 然而，前述ISFET柵極結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性導(dǎo)致其制作過程與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的不匹配；CMOS技術(shù)中，MOSFET的柵極采用多晶硅，依賴多晶硅的自對準(zhǔn)以確定晶體管的漏源區(qū)域；為克服這一限制，設(shè)計(jì)了“三明治”柵結(jié)構(gòu)的pH-ISFET器件，理論分析的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，表現(xiàn)出較高的測量靈敏性和穩(wěn)定性。 為了利用CMOS工藝將敏感元件與信號讀取電路制作在同一芯片上，先前的讀取電路形式都未考慮“襯底體效應(yīng)”對測量精度的影響；本文設(shè)計(jì)提出了一