ISFET生物传感器的研究与应用课件

1、报告结构安排ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景结构特点敏感机制电学特性与CMOS兼容性电路设计依据差分对管模式电路差分电流模式电路生物医学应用无线电子胶囊第1页，共20页。研究意义ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景生物传感器技术是生物医学电子学的一项重要的研究内容 CMOS是集成电路的主流工艺，应用其制造ISFET器件有助于实现ISFET生物传感器的集成化 COMS工艺兼容性生物传感器研究一种基于CMOS工艺的ISFET生物传感器具有重要研究价值对H敏感的氢离子敏场效应管（pH-ISFET）传感器是生物

2、传感器中一种重要和基础的传感器 ISFET传感器第2页，共20页。 ISFET结构图敏感膜与溶液反应产生界面势（b）ISFET器件结构原理图 （a）MOSFET器件结构原理图 ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景目前应用广泛的是具有良好的选择性和抗渗透性，制备工艺集成工艺厂商较为熟悉第3页，共20页。 ISFET敏感机制界面表面基净电荷面密度固液表面形成扩散双电层相当于扩散双层电容 波尔兹曼分布 根据pH值定义引入 则界面势与溶液的pH值呈线性变化关系Si3N4绝缘体表面存在两种表面基团，硅醇基（AH2=SiOH）和胺基（BH=SiNH） ISFET

3、电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景第4页，共20页。n沟增强MOSFET的输出特性 当 时，MOSFET工作在三极管区 当 时，MOSFET工作在饱和区 当栅源之间加正向偏压 ，且有 ，MOSFET开启MOSFET电学特性ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景第5页，共20页。当 时，MOSFET工作在饱和区 当 时，MOSFET工作在三极管区 ISFET电学特性当栅源之间加正向偏压 ，且有 ，MOSFET开启ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景第6页，共20页。CMOS工

4、艺多晶硅“自对准”特性ISFET工艺栅极只存在与溶液直接接触的敏感膜“栅腐蚀”方法，腐蚀多晶硅时易破坏场氧层，导致器件性能的变坏ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景与CMOS兼容的ISFET工艺源极栅极多晶硅氧化层漏极源极栅极漏极氧化层敏感膜第7页，共20页。形成具有良好稳定性的参考电极保留多晶硅“自对准”效应定义源、漏区氢离子敏感膜刻蚀缓冲层和形成参比电极普通的电极和互连线悬浮栅电极结构ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景第8页，共20页。电路设计依据ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISF

5、ET生物传感器应用选题背景信号处理电路的一般思想是保持三个变量中的两个恒定，使另一个变量的变化与pH值呈线性关系 第9页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景差分对管电路结构保持漏源电压和漏极电流均恒定，通过测量源极电压来获得器件对离子变化的响应 电流相等电 流 相 等作为与ISFET匹配的参比电极对氢离子不敏感 阈值电压随pH线性变化漏源电压相等第10页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景差分对管电路结构传感器作差输出与pH值的变化关系 第11页，共20页。ISFET电化学特性及工艺

6、ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景差分电流模式电路结构使ISFET和RSFET工作于线性区 保持源漏电压和栅源电压恒定，通过测量输出电流来获得器件对离子变化的响应 第12页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景差分电流模式电路结构ISFET传感器电流输出与pH关系仿真图 第13页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景ISFET传感器在临床医学和生理学方面的应用 ISFET传感器电极材料强度高，可以用于直接测量硬度较高或者需要穿刺的样品；电极容易清洗，可以很方便地加工成

7、微小或者加长的形状，用于测量微小的敏感区域；坚固、不易破碎，可以在于燥的环境中保存，携带方便。ISFET型pH计第14页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景ISFET传感器在临床医学和生理学方面的应用 ISFET具有宽广的离子测量范围，其微型化的特点，使之在生物医学领域中应用广泛，具有很强的生命力。临床医学中，主要的检查对象是人或动物的体液(包括血液、脑髓液和汗液等)和活性组织。 血液中pH值过高或过低会引起碱、酸中毒现象；血液中钾离子过多或过少会引起心律过速或心脏搏动过侵；血液中钠盐过多会加重心力衰竭。通过ISFET的应用可以连续监测患

8、者体液中与病态有关的无机离子的浓度；同时通过对细胞中离子浓度的监测也适用于研究药品的效能。第15页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景ISFET型无线电子胶囊的研究 ISFET可应用于设计一种多参量（pH、pNa、pK等量）离子浓度检测及释放药物成分的的电子胶囊传感系统。无线电子胶囊是一种能够对肠胃道生理状态进行实时检测的监测系统 以色列的一家公司推出的M2A的无线电子胶囊 第16页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景ISFET型无线电子胶囊的研究原理概述采用一种多参量ISFET传感系统的设计方案 第17页，共20页。ISFET电化学特性及工艺ISFET信号处理电路ISFET生物传感器应用选题背景ISFET型无线电子胶囊的研究原理概述假设一待测溶液中有三个待测量： pH=x，pNa=y，pK=z不同敏感膜离子的灵敏度 三种ISFET传感器在纯净水中的读数 三个传感器在溶液中所得的电流输出 求解得出x、y和z第18页，共20页。药物部分传感部分控制部