CMOS细胞膜电位和pH值传感芯片的设计与研究

论文摘要

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-Stern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1～13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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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）
• +-ISFET）'>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MFGFET pH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
• 4.4 MFGFET 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
• 7.4 pH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