pH-ISFET生物微传感集成芯片的研究

论文摘要

本文以pH-ISFET为基础，研究了电位型生物传感集成芯片系统（System on Chip，SOC）的相关理论及关键技术。 创新地引入了悬浮栅结构ISFET，利用Ta2O5的敏感性和聚四氟乙烯（PTFE）的钝化特性设计出ISFET／REFET传感器与Pt准参比电极（QRE）构成差分测试结构。 依据电解液／绝缘体／半导体（EIS）表面基模型理论，分析研究了Ta2O5薄膜表面的电化学过程，建立了Ta2O5-ISFET传感器SPICE等效电路模型，成功地把ISFET作为集成电路的一个器件，对集成芯片进行整体仿真分析，为芯片设计和加工提供了理论依据。 由新加坡Chartered半导体集成电路公司标准CMOS工艺流片，获得高质量集成芯片。设计出微小芯片专用工艺模具，由MEMS技术进行集成芯片后续加工。 系统研究了Ta2O5敏感薄膜淀积中衬底温度、溅射气压等条件对pH敏感性能的影响。探索出在衬底温度300℃条件下获得优质敏感薄膜的制膜条件。该薄膜具有较高的灵敏度（54.5mV／pH）、较快的响应速度（0.2s）、良好的稳定性（0.03mV／h）和重复性，并可用于集成芯片制备。 本研究解决了FET型生物传感器与集成电路的兼容性问题，初步实现了传感器与集成电路的单芯片集成，获得较高的灵敏度和良好的稳定性，验证了基于标准CMOS工艺的微传感集成芯片的可行性，为进一步构建数字型生物传感芯片系统奠定了基础。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 生物传感集成芯片研究背景及意义
• 1.2 生物微传感集成芯片系统研究
• 1.2.1 电位型生物传感器
• 1.2.2 pH-ISFETs简介
• 1.2.3 ISFETs与标准CMOS工艺兼容性研究
• 1.3 研究现状和发展趋势
• 1.4 本文主要研究工作
• 第二章 pH-ISFET行为模型的建立与仿真计算
• 2.1 ISFET器件模拟仿真发展现状
• 2.2 ISFET传感机理探讨
• 2.3 EIS系统界面势模拟计算
• 2.3.1 EIS系统方程组
• 2.3.2 模拟计算分析
• 2.4 pH-ISFET器件模拟SPICE仿真研究
• 2.4.1 MOSFET特性分析
• 2.4.2 ISFET的电学特性
• 2.4.3 温度特性分析
• 2.5 ISFET器件SPICE模型
• 2.5.1 模型建立
• 2.5.2 模型参数的确定
• 2.6 SPICE模拟及结果讨论
• 2.6.1 器件的转移特性和输出特性
• 2.6.2 pH灵敏度响应
• 2.6.3 传感器温度特性分析
• 2.6.4 其它相关参数仿真
• 2.6.5 传感芯片级模拟仿真
• 2.7 小结
• 第三章 ISFET集成芯片兼容性设计与制备
• 3.1 pH-ISFET与标准CMOS工艺的兼容性研究
• 3.1.1 标准CMOS工艺简介
• 3.1.2 敏感材料的选择
• 3.1.3 集成芯片设计
• 3.1.4 传感器结构及布局优化设计
• 3.1.5 偏置及读出电路设计简介
• 3.1.6 整体版图实现
• 3.1.7 芯片后续工艺实现
• 3.1.8 ISFET集成芯片封装
• 3.2 传感芯片电路性能测试
• 3.3 小结
• 2O₅敏感薄膜的研究'>第四章 Ta₂O₅敏感薄膜的研究
• 2O₅敏感薄膜研究现状'>4.1 Ta₂O₅敏感薄膜研究现状
• 4.2 EGFET结构简介
• 2O₅薄膜淀积工艺探索'>4.3 低温Ta₂O₅薄膜淀积工艺探索
• 4.3.1 薄膜制备与处理条件对薄膜物性影响
• 4.3.2 薄膜敏感特性分析
• 4.4 不理想因素浅析
• 4.5 小结
• 第五章 集成芯片测试与分析
• 5.1 pH-ISFET集成芯片
• 5.2 集成芯片测试系统
• 5.3 器件MOS特性测试与分析
• 5.4 集成芯片测试分析
• 2O₅栅ISFET集成芯片响应分析'>5.4.1 Ta₂O₅栅ISFET集成芯片响应分析
• 5.4.2 PTFE栅REFET测试与分析
• 5.4.3 集成芯片整体pH响应分析
• 5.5 温度补偿传感器设计探讨
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文完成的主要工作
• 6.2 本文创新点
• 6.3 对下一步的工作建议
• 附录
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 附录D
• 发表论文目录
• 致谢