（微电子学与固体电子学专业论文）isfet传感器及其多路测量系统的设计.pdf

摘要 i s f e t ( i o n - s e n s i t i v ef i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) 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i s f e t 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i s f e t 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 这种情况在本文中设计了差动测量方法，由i s f e t 和r e f e t 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i $ f e t 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i s f e t 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i s f e i 的 栅的宽长分别为8 0 0 “m ，2 0 l m ，采用s y n o p s y s 的h s p i c e 、上华公司0 6 d m 工艺 进行了模拟得到等效输入噪声电压有效值为o 3 2 u v ( o 0 5 h z 一2 5 0 h z ) ，噪声电压峰峰 值为i 9 u v ，其功耗约为8 5 0 7 “w ，输出噪声电压为2 8 m y ，即精度为t 2 0 p ( 相对于 5 6 m v 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3 2 个这样的传感器。利用了4 片双8 路切换开关c c 4 0 9 7 ，一个i n a l l 0 仪器测量放大器、m a x 2 9 7 滤波器、a d 6 7 8 模数转 换器以及可编程定时计数器8 2 5 3 对这3 2 路信号进行了采集，为了提高采样速度 采用了d m a 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i s f e l 传感器及其测量系统的 商业化迈出了一大步。 关键词：传感器；i s f e t 缓冲放大器；噪声；模数转换 a b s t r a c t b e c a u s eo fb r o a ds c o p eo fi o nm e a s u r e m e n to fi s f e t ( i o n s e n s i t i v ef i e l d e f f e c t t r a n s i s t o r ) ，i s f e ti sw i d e l yu s e ds u c ha se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，c h e m i c a li n d u s t r y ， m i n i n ga r e a , g e o l o g y , e a r t h ，h y d r o l o g y , a n df a m i l y ，a n ds oo n e s p e c i a l l yd i s t i n g u i s h i n g f e a t u r eo fm i n i a t u r e ，1 s f e tn o to n l yi su s e dw i d e l yi nb i o l o g ym e d i c a ls e r v i c ef i e l d ，b u t a l s oi s s t r o n g l yv i t a l i t y , s oi s f e tb i o l o g ys e n s o ra n dm u l t i r o u t em e a s u r e m e n ts y s t e m a r eo u ri m p o r t a n tn e c e s s a r i e s i s f e th a sb e e nt h eo b j e c to f m a n yr e s e a r c ha c t i v i t i e s n e v e r t h e l e s s ，t h e t h r e s h o l d v o l t a g e t i m e d e p e n d e n c e ，n o i s e a n dt h e t e c h n o l o g i c a l d i f f i c u l t i e sa s s o c i a t e dw i t ht h ep a c k a g i n go fm i n i a t u r er e f e r e n c ee l e c t r o d e sl i m i tt h e c o m m e r c i a lv i a b i l i t yo fa l lt h e1 s f e t a p p l i c a t i o n i nt h el a s ty e a r s ，i no r d e r t oo v e r c o m e t h e s ed r a w b a c k s ，d i f f e r e n ta p p r o a c h e sh a v eb e e np u r s u e d ，s u c ha so n c h i pf a b r i c a t i o no f e l e c t r o d ew i t hm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e s ，a sw e l la sp h y s i c a la n dc h e m i c a lt r e a t m e n t s o ft h e s e n s i n g m e m b r a n e b u tt h er e s u l td o e sn o tv e r ys a r i s f yu s t h u sic h o o s e d i f f e r e n t i a la r r a n g e m e n tt oo v e r c o m et h e s ed r a w b a c k s ，c o n s i s t i n go fa ni s f e ta n da r e f e r e n c ef e t ( r e f e t ) ，an o b l em e t a lc o u n t e r - e l e c t r o d ep r o v i d e st h ee l e c t r i c a lc o n t a c t t ot h el e s te l e c t r o l y t e f i r s to fa 1 1id e t a i l e d l yi n t r o d u c er u l e so fi s f e ts e n s o ra n dd i s c u s si t sm e t h o do f m e a s u r e m e n tb a s e do nr u l e s ，s oic h o o s ed e f e r e n t i a la r r a n g e m e n t t h e nid e s i g ni s f e t b u f f e ra m p l i f i e ra n da n a l y s ei t sn o i s e ，c o n s i d e r i n gi t sa r e ao fs e n s i t i v ef i l ma n d i t sn o i s e ， id e c i d eb r e a d t ha n dl e n g t ho f g a t eo fi s f e t , s e p a r a t e l y9 0 0m i c r o n a n d2 0m i c r o n ，a n d is i m u l a t ei tw i t hh s p i c eo fs y n o p s yc o r p o r a t i o na n d0 6m i c r o np r o c e s so fs h a n g h u a c o r p o r a t i o n i t se q u i v a l e n ti n p u tn o i s ev o l t i s0 3 2m i c r o v o l tf r o m0 0 5 h zt o2 5 0 h z ， n o i s ev o l tp e a kv a l u ei s1 ，9m i c r o v o l t i t sw o r kl o s si s8 5 0 7m i c r o w a t t ，o u t p u tn o i s e v o l ti s2 8m i c r o v o l t ，c o r r e s p o n d i n gt oar e s o l u t i o no f1 1 2 0p d u et od i f f e r e n t i a lo u t p u t ， i t sn o i s ei sr e j e e t e dp a a l ns oi t sr e s o l u t i o nl a r g e l yi si m p r o v e d b e c a u s eo f l o wp o w e r w em a yi n t e g r a t e3 2t h es e q s o r s a tl a s tw es a m p l e3 2r o u t eb i o l o g ys i g n a lb yf o u r d o u b l e8c h a n g e o v e rs w i t c hc c 4 0 9 7 ，aa p p a r a t u si n s t r u m e n ta m p l i f i e r1 n a l 10 aw a v e f i l t e rm a x 2 9 7 ，aa n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e ra d 6 7 8a n dp r o g r a m m i n gf i x e dt i m eo r c o u n t e r8 2 5 3 i no r d e rt oa d v a n c ei t ia d o p td m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) t e c h n o l o g y a n dr e p l a c em e m o r y t e c h n o l o g y w e c a ns a m p l ea b o u ts i xp o i n t sd u r i n gac y c l e a n dt h i s s y s t e mc o m p l e t e l ya c c o r d sw i t hs a m p l i n g r u l e t h em e t h o dl a r g e l yr e s o l v e st h ep r o b l e mw h i c hh a sp u z z l e du sc h r o n i c a l l y a n d i f e a s i l ym a k e s 1 s f e ta n dm e a s u r e m e n t s y s t e mc o m m e r c i a lv i a b i l i t y k e yw o r d ：s e n s o r ；i s f e tb u f f e ra m p l i f i e r ；n o i s e ；a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：炙藏日期：栅年牟月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：久燕 导师签名 散加7 。 1 ：i 期：扣4 年牛月加日 日期：驯年0 月如日 塑重大学硕七学位论文 1 1 研究的背景与意义 第一章绪论 2 1 世纪是保护人类、保护地球的世纪。从人类生存环境、食物链到生老病死， 包括自然灾害预报，环境条件的控制，动植物保护，直到优生优育，治病康复， 都迫切需要对多种物质同时进行检测，而i s f e t ( i o n s e n s i t i v ef i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) 生物传感器易于在一块微小的芯片上集成上百个，且能进入生物体内进行检测。 i s f e t 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，军 事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。 ( 1 ) 在医学和生理学方面：临床医学和生理学的主要检查对象是人或动物的 体液( 包括血液，脑髓液，汗液和尿液等) 和活性组织。体液中某种无机离子( 如 日+ ，k + ，n ，+ ，c 。“，f 一，厂等离子) 的微量变化都可以快速而准确地检测出来，为正确 诊断病情，及时治疗提供可靠的依据。在临床医学和生理研究中，往往需要测量人 或动物体液中的糖类，脂，醇，各种氨基酸，维生素，肌酸肝等分子以及0 2 ，c 0 2 ，n h 3 等气体，因此在h _ i s f e t 的基础上，可制成检测体液中的各种分子的酶f e t ，免疫 f e t 和微生物f e t 等生物传感器，以及检测体液中0 2 ，c 0 2 ，t t 2 等气敏f e t 传感器。 ( 2 ) 在环境保护方面：水体、大气和土壤中的有机毒物、无机毒物、农药及 生活废水等对水体、大气和土壤的污染能使动植物和人类中毒。i s f e t 在大气污染 的监测中具有重要的使用价值。例如，通过检测雨水中各种离子的浓度，可以监测 大气污染的情况并查明污染原因。另外，用i s f e t 对鱼类以及其它水生动物血液中 有关离子的检测，可以确定水域污染的情况及其对生物的影响。用i s f e t 还可以对 植物不同生长期内离子的检测，研究植物在不同生长期对营养成分的需求，以及土 壤污染对植物生长的影响等。 ( 3 ) 在军事和司法中应用：美军在某些作战坦克上已装有化学传感器。使用 军用生物传感器的主要目的是：( a ) 鉴别敌方使用的化学武器、生物武器或基因武 器的类别，检测有毒物质的散布范围和浓度；( b ) 对战地环境中的大气、水源和食 品进行毒性检测；( c ) 伤病员病因诊断。检测的对象包括：化学武器( 如窒息性、 神经性、血液和起泡性毒剂) ：毒素类武器( 如相思子毒素、黄曲霉素、肉毒索、 破伤风毒素等) 以及细菌及真菌类武器等等。在司法工作中，能用于案件侦破、 法医学等。 ( 4 ) 在农业土壤中的应用：它可用于土壤中的某些营养物质的测定，同时也 可测定某些肥料分解转化产物。为了判断土壤肥力，对于氮素的供应状况通常利 i s f 曼! 堡壁壁垦基多路测量系统的设计 用植株中的氨基酸来判断。但比色法不仅受植株颜色的干扰，而且不能区分不同 的氨基酸。而i s f e t 则不受这些限制，某些微量元素的增产机理实际上和酶的活 性有关。微量元素并不直接参与种子内部淀粉、糖类或蛋白质的生成，而是经过 酶的活性中心促进合成过程，利用i s f e t 传感器可研究微量元素的作用。土壤中 发生的化学过程实际上是一个复杂的无机一有机一生物化学过程，土壤中无机组分 和动植物残体分解产物形成的无机一有机复合物，是土壤胶体化学研究的主要内 容。酶在复合物的形成过程中有重要的作用。可以预计，i s f e t 可以应用于土壤中 氮素和磷素转化各阶段产物及转化过程的动态研究。同样，在土壤中发生的电化 学过程也不单纯是无机物之间的传质过程，而是伴随着有酶参与的反应，因此， i s f e t 传感器也可应用于土壤的生物电化学研究。 ( 5 ) 在其它方面的应用：由于i s f e t 具有小型化，全固态化的优点，因此对被 检样品影响很小在食品工业中，可以用它来测量发酵面粉的酸碱度，随时监视发 酵情况应用i s f e t 还可以检测药品纯度及洗涤剂的浓度随着i s f e t 性能的不断 提高，其应用领域将会越来越广。 i s f e t 生物传感器应用领域如此之广，许多研究机构对它进行了大量的研究， 然而i s f e t 闽值电压的变化，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。针对这种情况在本文 中设计了差动测量方法，由i s f e t 和r e f e t 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。有必要投入大量的人力和物力去研究它。 所以i s f e t 传感器及其多路测量系统是全社会面临的急需解决的问题。 1 2 国内外发展现状 2 0 世纪7 0 年代以来，生物医学工程迅猛发展，作为检测生物体内化学成分的 各种生物传感器不断出现。6 0 年代中期起首先利用酶的催化作用和它的催化专一 性开发了酶传感器，并达到实用阶段。7 0 年代又研制出微生物传感器、免疫传感 器等。8 0 年代以来，生物传感器的概念得到公认，作为传感器的一个分支它从化 学传感器中独立出来，并且得到了发展，使生物工程与半导体技术相结合，进入 了生物电子学传感器时代。其中离子敏场效应晶体管( i s f e t ) 愈来愈为人们所注目 且己展示出其诱人的特性。近2 0 年来，全世界生物医疗设备产业发展迅速，特别是 7 0 年代后期以来，随着尖端精密医疗设备的广泛应用，器械的需求量增长十分惊人 进入g o 年代尽管全球经济衰退，但生物医疗设备供不应求。9 0 年代中期，美国经济 增长率基本上为零，而生物医疗设备工业却增长6 一7 ，相关产品的厂家已达3 5 家 ( 规模大小或专业化程度不同) ，最大的企业为y e l l o ws p r i n gl t d 。德国和英国 的厂家分别有1 6 个和1 5 个【“。西欧整个经济也举步维艰，而欧共体的生物医疗设 湖南大学硕士学位论文 备工业增长率却在3 以上，日本经济增长率为3 5 左右，而生物医疗设备工业增长 率达8 。在西欧生物传感器市场上，德国、法国、斯坎地那维亚半岛诸国和英国 所占额分别为3 1 、2 4 、1 5 和1 4 ，其余分额由瑞士和意大利占有。在美国市场 上，仅用于免疫诊断的生物传感器1 9 8 5 年的销售额就达4 5 亿美元，到2 0 0 2 年就 达2 0 多亿美元。 中国生物传感器的研究起步于7 0 年代末期 2 】，生物传感器尚没产业化，除科 研工作外，目前只进行小规模试生产。早期研究普遍采取氧电极作生物反应中的 换能器，以萄葡糖氧化酶为活性材料。虽然在实验室的条件下，这种生物传感器 比较容易得到预期的研究结果，但是个难以逾越的困难是生物传感器的稳定性。 表征我国生物传感器实用化上取得突破性进展的是s b a 一3 0 型乳酸分析仪的开发成 功，这是我国近年来竞技体育发展的主要科学保障之一，它在与美国y s i 公司的 2 3 - l 型乳酸分析仪竞争中诞生。第二种开发成功的生物传感器是谷氨酸萄葡糖双 功能生物传感分析仪器。它与乳酸传感器一起配套地监控发酵罐内物质成分的变 化，至今国际上还没有大规模应用生物传感器于工业中的测量实例的报道，它为 产量居世界第一位的我国味精产业提供了最先进的检测和控制手段。第三种开发 成功的是尿素氮的分析仪，它的关键部分是3 种酶复合而成的固定化酶膜圈，装 配在过氧化氢电极上，可以测定血液或尿液中尿素的变化，也可以用来检测人或 动物运动后的疲劳程度。还有谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖等等分析仪器的研制 成功，表征生物医疗仪器己经作为我国十五期间仪器仪表产业发展的重点领域，特 别是研究开发各种自动化生化分析测试仪器。十五期间，我国主要生物医疗仪器设 备的研发与生产将继续呈上升趋势。主要原因：一是医疗机构年年增加，需要购置 新的仪器。二是目前全国县级以上仪器设备有1 5 左右是7 0 年代前后的产品，这些 产品大都陈旧老化，需要更新换代。三是生物医疗技术的不断发展，需要有新的仪 器和设备。四是产品结构调整的因素，使其市场不断扩大。随着经济的发展，我国 生物传感器及相关仪器的需求将逐年增加，预计到2 0 1 0 年将有大幅度的增长，除 了上百万个乡及乡以上的医疗机构外，某些使用生物传感器的诊断仪器将步入家 庭。 以上这些仪器大都是用电极作为换能器。i s f e t 以其诱人的特性已开始应用到 了生物医疗领域，在国外已生产出多种i s f e t 传感器，且能集成上百个，在国内还 刚开始。而i s f e t 生物传感器与半导体技术相结合在国内起步更慢，所以多个 i s f e t 生物传感器的集成及其测量电路的设计都值得我们去探讨。 1 3is f e t 的特点 i s f e t 与离子选择电极( i s e ) 比较，展示出其诱人的特性： ( 1 ) 输出阻抗低，一般i s e 的敏感膜有很高的输出阻抗，如玻璃电极的输出 阻抗高达1 g q ，需要配以高输入阻抗的p h 计才能进行测量并且从i s e 的电极到 p h 计的输入端之间的连线要良好屏蔽，而i s f e t 具有m o s f e t 输入阻抗高，输出阻抗 低的特点，同时还有对信号进行放大的作用。 ( 2 ) 全固态化结构，具有体积小，重量轻，机械强度高等特点，特别适合于生物 体内测量。 ( 3 ) 由于利用了成熟的半导体薄膜工艺，因此敏感膜的厚度可以做得很薄， 般只有1 0 0 0 埃左右，最薄可做到几十埃，因此i s f e t 的水化时间很短，对离子活度 的响应速度很快，响应时间小于1 秒，而一般i s e 的响应时间约数分钟。 ( 4 ) 由于i s f e t 是利用集成电路工艺制造的，不仅使单个器件小型化，而且可 以实现把多种离子的i s f e t 集成在一起，或把离子敏感器件与参比电极集成在一起 或把信号处理电路集成在一块芯片上，实现整个系统的集成化，小型化和全固态 化。i s f e t 传感器的集成化包含三个方面的内容：一是同类型或不同类型的多传感 器芯片集成【3 - 5 j ：二是将传感器与信号处理电路同芯片集成1 6 】；三是采用微机械加 工技术将参考电极或微控制器、执行器( 如泵、阀等) 集成在同一芯片上【7 罐】。集 成化的发展与完善可咀带来传感器性能、可靠性和经济性等的提高，进而走向智 能化。智能化传感器的突出特点是集成了微处理单元和存储单元等，可以对敏感 信号进行分散处理，便于实现多传感功能和实时控制，有效地减少中央处理单元 的负荷和信号传输线。 ( 5 ) 由于i s f e t 的离子敏感材料与场效应晶体管的源漏之间是互相绝缘的， 依靠敏感膜与绝缘体界面电位的变化来控制沟道中源漏电流变化，测量溶液中离 子的活度。因此，把离子敏感材料与电极分开，无需考虑离子敏感材料的导电性问 题。这样就可以在包括绝缘材料在内的广泛材料领域中找到更多更好的离子敏感 材料，从而使之在发展多种离子传感器方面有着广阔的前景。 对于i s f e t 传感器来说，面临最突出的问题是封装和稳定性。封装是传感器 制备与使用的一个重要环节，因此，微传感器的器件、工艺以及封装结构的设计 应同时考虑，甚至应在设计中结合应用优先考虑封装问题，以避免不适于应用的 封装结构。i s f e t 传感器目前普遍采用的封装方式是正面涂胶保护1 9 j ，只将敏感区 裸露，其不足是长时间使用保护胶容易老化，甚至脱落，在i s f e t 传感器的封装 方面仍有许多工作要做。 近年来对流动测量方式的研究工作表明，当被测溶液呈流动状态时，i s f e t 器件的敏感性能及其稳定性将不会对测量结果产生影响，而且参考电极电位对被 测溶液的影响会变得微不足道。因此，i s f e t 传感器的流动式测量及应用研究正为 世人注目uo 。 流动注入分析( f i a ) 方法具有使用样品液量少、检测效率高、极易实现连续 测量与监控的特点。由不同功能的i s f e t 传感器构成的f i a 系统既能够准确地分 湖南大学硕十学位论文 析样品液的成分和离子浓度，又能够进行生化分析和临床医学研究，还能构成电 压滴定和库仑滴定分析系统。集成i s f e t 传感器在f i a 系统中更具有优势，将有 可能在未来取代传统的离子选择电极。在流动测量应用中主要有两种方式实现： 一是将i s f e t 传感器探头安装在流通池内u 1 - 1 3 ；二是采用微机械加工技术直接在 芯片上制成微流通池，同时完成i s f e t 传感器的封装。后者在制各微型f i a 系统 时有着特殊的重要意义，甚至可以实现i s f e t 传感器、信号处理电路、参考电极 和微流通池以及微型泵、阀门等的单片集成，应用前景极为广阔。 种类繁多的i s f e t 传感器基本上可以按敏感层的敏感机制分为三类：( 1 ) 阻 挡型界面绝缘膜：( 2 ) 非阻挡型离子交换膜；( 3 ) 固定生物膜( 如酶膜、免疫膜 等) 。所有i s f e t 传感器的三表面钝化层和防水层都基本相同，不同的仅是表面的 离子敏感层。阻挡型界面绝缘膜包括不水化的无机绝缘体，如s i 3 2 4 、a l 2 0 3 、t a 2 0 5 及疏水性聚合物，如聚四拂乙烯和聚对亚苯基二甲基。由于电解液一绝缘体界面完 全阻挡水化和离子传输( 但可极化) ，因此，电解液一绝缘体( e - i ) 界面无质量和 电荷传输。e i 界面势由绝缘体表面吸附带电离子和电解液中反号平衡电荷所决 定，这种类型的e i 界面满足表面模型。 非阻挡型离子交换膜包括传统i s e 通常使用的材料固态膜、液态膜、掺金属 离子的玻璃等。电解液一离子交换膜界面电势由溶液中离子浓度和膜内离子浓度之 差决定，平衡时化学势相等。由于非阻挡型离子交换膜一电解液界面有质量和电荷 传输穿过表面进入膜内，因此，描述界面势的理论完全不同于阻挡型电解液一绝缘 体界面理论。 固定生物膜由聚合物基质( 如p v a ) 作载体和某种生物材料( 如酶、抗原抗体、 微生物、细胞等) 组成，根据不同的生物膜材料制备的i s f e t 又可以分别称为酶 f e t 、免疫f e t 、微生物f e t 等。溶液中被测物质与生物膜进行生物化学反应( 或 直接反应或作为反应的催化剂) 释放某种可以使i s f e t 敏感的产物( 如h + 离子等) ， 从而能够实现对生物信号的检测。 显而易见，在众多种类的i s f e t 中，器件的结构基本相同，只有敏感膜的差 别决定i s f e t 器件的敏感性。 1 4 研究思路及方法 i s f e t 生物传感器应用领域如此之广，有必要投入大量的人力和物力去研究 它。所以i s f e t 生物传感器及其多路测量系统是全社会面临的急需解决的问题。 曾经有人单个的去测量i s f e t 的生物敏感信号，但带来了很大的不精确性，如温度、 噪声等对它的干扰，但如果利用在同一芯片上集成的i s f e t r e f e t 对管进行差动输 出，其特点是既可以使温度漂移大幅度降低，又可以抑制其它一些共模干扰信号， 使i s f e t 传感器的可靠性大为提高。在本文中设计了这样一个放大器，把i s f e t 或 r e f e t 作为放大器的差动输入级，然后把i s f e t 和r e f e t 的信号作为i n a l l 0 的输入 信号，这样经过i n a l l 0 差模放大后的信号就是敏感膜与物质反应后得到的信号。 i s f e t 因采取与半导体技术相结合，所以在一块微小的芯片上可集成许许多多 个，而在i s f e t 的栅极上镀上不同的敏感膜，对不同的物质起反应，可同时检测多种 物质，在本系统中设计了对3 2 路信号的检测。在数据采集与传输系统的设计中，软 件查询或中断技术仍是设计人员最常采用的两种方式。这两种方式存在一个共同 的特点：它们都对程序控制有较大的依赖性，每次传送数据都需要c p u 执行若干条 指令，因而传输速率受c p u 指令运行速度的限制。为了提高数据采集效率和数据传 输速度，尽量减少c p u 对这一过程的干预，转而由硬件电路完成，是一个经常优先考 虑选取的途径。为此可利用直接存储器存取方式，即d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 方式，并且设计了两组存储器交替存取技术，使数据采集与数据的传送和处理能够 同时进行，从而可实现数据采集与a d 转换可连续不问断地运作。 1 5 论文内容安排 本文主要介绍了i s f e t 生物传感器缓冲器的设计及其3 2 路测量系统的设计。 在了解了i s f e t 生物传感器的工作原理的基础上，讨论多种测量方案，最终选择 了差分测量，并在考虑噪声的问题上，设计了低噪声的缓冲放大器，基于对生物、 环境多种物质的检测，采用计算机技术对多路生物信号同时检测。在采集过程中 由于采集的数据多，在本系统中采用存储体交替存储技术和d m a 技术。最后对电 路进行了模拟仿真达到了很好的效果。 本论文的结构安排如下： 论文的第二部分，对i s f e t 传感器的特性如温度特性、灵敏度特性、电流电 压特性、线性范围等作了一个讨论，因为它影响整个测量电路系统的设计。 论文的第三部分，主要设计了i s f e t 缓冲器。为了消除环境对i s f e t 的影响， 近年来提出了一种差分测量方法，即将离子敏感结构( i s f e t ) 和离子不敏感结构 ( r e f e t ) 集成在一起，由于二者的结构相同，采用相同的工艺流程，具有相近的稳定 性( 时漂，温漂等) 和寿命以及响应特性，所不同的是二者对离子的灵敏度不同，因 此经差分放大的输出结果可以有效地提高可靠性，稳定性和抗干扰能力。本文采用 与c m o s 工艺基本相容的技术设计了i s f e t 缓冲器，并尽量减少它的噪声，因为生 物信号一般都很微弱，噪声对它产生很大的影响。 论文的第四部分，设计了3 2 路信号的采集。为了抑制现场电磁干扰及其它因 素的影响，往往需要对该被测信号进行滤波处理，当需要同时对多个信号进行采 集测量时，如多路参数巡回检测等，则需采用多路切换技术，对被测信号为快速 变化的情况，为减少由于模数转换孔径时间等影响，需要用采样保持技术。传感 器直接输出信号一般来说都是模拟量，而随着现代测量手段的提高，往往利用单 塑堕大学硕士学位论文 片机或是计算机对被测量值进行处理以及进行智能化控制，这就需要把传感器输 出后的模拟信号转换为数字信号，也就是a d 转换技术。 论文的最后对输出信号的非线性问题进行讨论并提出了解决的方法。 = ：= ：= ：= = j 矍! 篮壁墨垄基垄些型量丕丝盐丝生 第二章i s f e t 器件的工作原理及特性 2 ，1is f e t 器件的结构 i s f e t 器件的结构与去掉金属栅的m o s f e t 极为相似( 如图2 1 所示) ，其绝缘 层直接与电解液接触，电解液一绝缘层界面的电势与电解液中离子浓度( 活度) 有 关。 i 竺严一翌i p - s i i 竺产一竺i p - s i 囫绝缘体 团沟道 囫绝缘体 圈沟道 毯叠电解掖 图21m o s f e t 器件a ) 和i s f e t 器件b ) 结构原理图 溶液中离子浓度的改变将引起i s f e t 器件阈值电压相应的改变。i s f e t 传感器 栅绝缘体的选择应具备以下三个性质：( 1 ) 钝化硅表面、减少界面态和固定电荷； ( 2 ) 具有抗水化和阻止离子通过栅材料向半导体表面迁移的特性；( 3 ) 对所检测 离子具有灵敏度和选择性。采用一种材料满足以上全部要求是不可能的，因此， 以双层或三层材料作为i s f e t 的栅是极为必要的，每种材料满足一种或多种要求。 多年来对硅材料的研究结果表明，s i 0 2 是s j 表面最好的钝化材料。抗水化和抗离 子迂移材料的选择常依赖于微电子工艺兼营性及膜附着性，无机绝缘体s i ，z 。、 a i2 0 3 、t a 2 0 s 、b s g 等等均可以满足这一要求。此外，还有人借鉴离子选择电极( i s e ) 技术的概念，将传统的i s e 技术和成熟的m o s 技术有机地结合起来制成多种多样 的i s f e t 传感器【1 4 。15 1 ，可以对许多样品敏感：从简单的阳离子( h 十、k 上、n a + 、c a + 等) 和阴离子( c l 、b r 。、f 等) 到大生物分子( 葡萄糖、尿素等) 以及气体分子 0 d d 塑壹盔芋硕士学位论文 ( 0 2 、c 0 2 ) 。 2 2 is f e t 的敏感机理 它采取与c m o s 工艺基本相容的制作方法，去掉m o s 管上的金属栅，在上面生 长一层敏感膜，敏感膜与待测样品反应使栅极上的电位发生变化 1 6 - 1 7 l ： v * 1 h ( i s f e t ) = 西。，一2 0 0 ，一( 魄+ ) c 甜+ e 州+ + z 如一一中，q ( 2 1 ) 中。，为金属与半导体的真空功函数差： 中，为半导体材料费米势( 相对于禁带中央，n 型衬底为正值，p 型衬底为负 值) ； q ；为绝缘层及其与半导体界面的等效电荷面密度： 哦。为半导体表面耗尽层电荷面密度( 对n 沟m o s 有q 。( 0 ，p 沟m o s 有q 。) 0 ， q 。；和q ；。均与电解液的化学活性无关) ； c 。为绝缘层的单位电容； e 。f 为参考电极电势； 妒。为参考溶液与被测电解液间的液接触势： x 。为电解液一绝缘体表面偶极势： 妒。为电解液一绝缘体界面电势( c p 。项与电解液离子活度) ； 巾。q 为b i o s f e t 栅余属相对于真空的功函数电势。 所以测出栅极电位就能求出离子的浓度但产生的电位变化很微弱，只有几微 伏至一百多毫伏，所以放大电路需具有很高的性能。 2 3ls f e t 器件的制作 i s f e t 的制作与c m o s 工艺基本相容，但由于i s f e t 无金属栅，所以有其特殊之 处。主要的工艺流程如下 1 9 l ： ( 1 ) 生长场氧化层； ( 2 ) 光刻源、漏区； ( 3 ) 留胶磷注入( 形成源、漏区) ； f 4 ) 光刻衬底接触孔： ( 5 ) 硼注入： ( 6 ) 去胶： ( 7 ) 光刻有源区( 栅区及源、漏孔区) ； ( 8 ) 腐蚀s i 0 2 层； ( 9 ) 调沟磷注入： ( 1 0 ) 生长栅氧化层： 堕垦! 传感器及其多路测量系统的设计 ( 1 1 ) 光刻接触引线孔区： ( 1 2 ) 溅射t i c r s i ，a u ： ( 13 ) 反刻金属区； 其中调沟注入是最关键的工序，它直接影响到器件敏感性能的好坏。因为，器件 的灵敏特性是通过物质与栅区部位的敏感膜之间的化学反应来影响栅压的变化， 而栅压与开启电压密切相关。漏源之间的沟道在刚开启时，对物质的检测最容易 和准确，因此要注意调沟注入的准确性 流子的浓度，进而影响开启电压的大小 注入浓度过大或过小都将影响沟道中载 势必影响i s f e t 的敏感特性和响应特性。 i s f e t 敏感膜要暴露在外，敏感膜与漏源等电极引线制作在同一平面上，测量时， 敏感膜浸在溶液中，于是必须保护与敏感膜同一面的金属引线以免受到溶液腐蚀 而造成短路给封装带来一定的难度，因此可采取背面引线的结构来解决此问题f ”j 2 4ls f e t 器件的基本特性 2 4 1 电流电压特性 i s f e t 器件与b o s f e t 器件二者不仅结构上极为相似( 参见图2 1 ) ，而且还 具有相似的电流电压特性。我们知道，m o s f e t 器件的阐值电压v 曲( m o s f e t ) 可表示 为【2 0 】： v 。h ( m o s f e ，r ) = 中。一2 中f 一( q 。+ q 。) c 。、 ( 2 2 ) 中丌，。为金属与半导体的真空功函数差； 中；为半导体材料的费米势( 相对于禁带中央，n 型衬底为正值，p 型树底为 负值) ； q 。为绝缘层及其与半导体界面的等效电荷面密度； q 。为半导体表面耗尽层电荷面密度( 对n 沟m o s 有q 。( o ：p 沟m o s 有q s c ) 0 ) ； c 。为绝缘层的单位电容。 q 。；和q 。均与电解液的化学活性无关。因此，相应的i s f e t 器件阈值电压 g * t h ( i s f e t ) 为： v + t h ( i s f e t ) = v t h ( m o s f e t ) + e ，。一妒。+ x e o 一妒e o o m q ( 2 3 ) e r e f 为参考电极电势； 妒。为参考溶液与被测电解液问的液接触势； x 。为电解液一绝缘体表预偶极势； 妒。为电解液一绝缘体界面电势； m 。q 为m o s f e t 栅金属相对于真空的功函数电势。 ( 2 3 ) 式中只有妒。项与电解液离子活度( p ) ( 离子活度与离子子浓度成线性关系) 有关，且可以简单地表示为： 湖直盔堂硕士学位论文 妒。o = 妒o s p( 2 4 ) 妒。为与电解液一绝缘体界面性质有关的常量； s 为e i 界面的p 值灵敏度。 因此，( 2 1 ) 式可进一步简记为； v l h ( i s f e t ) = v 嘶( m o s f e t ) + v e i + s p( 2 5 ) 其中，v e i = e ，。一妒，+ x 。一妒。一。q 仅与参考电极和溶液性质以及电解液一绝缘 体界面性质等因素有关，对于汞电极，常温下v e i 大约为：0 4 7 v 。可见i s f e t 器 件的阈值电压包含m o s f e t 项、参考电极与溶液项和p 值相关项三部分的贡献。因 此，i s f e t 器件的输出特性也可以参照m o s f e t 器件得到简单的一级电流电压关系 式： 线性区：i d s = b ( v o w s - v + t 1 1 ) v d s - - v 2 d s 2 ( 2 6 ) 饱和区：i d s = b 2 ( v g s - v t h ) 2 ( 2 7 ) 其中b = w l u c 。，w l 为器件沟道宽长比，u 为沟道载流子迁移率，c 。为绝 缘栅单位电容。可见在给定i s f e t 器件和参考电极的系统，电解液的p 值通过 v 。b ( i s f e t ) 影响i s f e t 器件的电流电压特性。在i s f e t 传感器的使用中，正是利 用其电流电压关系( 2 6 ) 和( 2 7 ) 式来决定器件的被测量和测试条件，进而测定溶 液的p 值。 2 4 2 温度特性 由( 2 5 ) 式可以得到i s f e t 器件阀值电压随温度的变化率： 垡堕：! ! 兰竺翌：垡塑! ! 垒堕! 一旦垡+ d ( s o p )( 2 8 ) d td td td 7 由器件物理的知识可以得到m o s f e t 项的温度变化率为： 塑d t 2 堕d t - ( 1 + 南2 c ) 坐d t ( 2 9 ) 、 n p l of l 7 “ 且有 警= 扣一上2 q 一三2 坚q + 三2 q 堕d tl ( 21 0 ) d r 7 1 i i ” l ”7 等：一竺f ：一去1 ( 21 1 ) d r y + 7 1 iy + r 其中e ；2 e 。( o ) 一詈蓦为禁带宽度，、y 为常数。 参考电极与溶液项的的变化率： 等= 鲁+ 等+ 鲁一i 1 鲁等 c z d td td t d t 口d t刃 一 而堕”i s 尸 (213)dtr 、。 其中设5 = 2 3 0 3 等s o , s o 为灵敏度系数，设其与温度无关，即有： d ss d t5 亍 ( 2 1 4 ) 在讨论器件的温度特性时，为方便起见，设溶液的p 值不随温度变化，即 d 等= 0 ，因此，p 值相关项的温度变化率为： 口 掣：等 享，| p ( 2 d 7 d 7 _ r 7 可看出阀值电压变化率与温度成反比例关系。 2 5 测量模式 根据i s f e t 器件的输出特性方程( 2 6 ) 和( 2 7 ) 式， i s f e t 传感器的模式( 角标c 表示恒定参量值) ： 1 ) 恒定漏电流i d s = i d s 。且v g s = v d s ： 线性区：。