基于标准CMOS工艺的ISFET生物微传感SOC的信号读取电路研究

论文摘要

生物微传感SOC系统是目前的研究热点，其在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境检测等领域有广阔的应用前景，然而系统的真正实现面临着许多挑战。本选题研究离子敏场效应管ISFET与其信号读出电路的单芯片集成，以及读取电路和模数转换器A／D结合相关的关键技术，所研究的对象是微传感SOC系统的重要组成部分。 文中首先对FET型生物传感器传感机理进行研究，传感器采用悬浮栅结构，其上加固有Ta2O5敏感材料，并在标准MOSFET模型基础上建立起相应SPICE仿真模型。 提出了适用于ISFET生物微传感SOC的读出电路系统，系统引入贵金属PRE作为参比电极，同时采用ISFET／REFET（参考FET）差分对结构。读取电路的两个前级放大器各自提取ISFET／REFET敏感信号，对两敏感信号进行差值提取的次级电路通常由片外实现，本系统独创性地提出了片上电流型差分结构的次级信号检测电路，解决了采用CMOS工艺设计的电路级间存在阻抗不匹配等问题，实现传感器信号的大动态范围检测。 本文还进行弱小信号检测的关键技术研究，首次采用auto-zero技术，设计出双模式ISFET专用高精度放大器，显著降低了通用CMOS放大器的温漂、低频噪声和毫伏量级的失调电压，同时能够通过片上配置提供传感器在线性和饱和区所需的工作条件。放大器直流增益140dB，失调电压仿真结果为5微伏，实测精度接近10微伏。 整个ISFET读出系统芯片采用新加坡Chartered半导体制造公司0.35μm 3.3V标准CMOS工艺成功流片，传感器芯片的pH响应测试获得53mV／pH灵敏度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 集成电路设计技术的发展
• 1.1.2 ISFET生物传感器
• 1.1.3 生物微传感SOC
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 选题来源和意义
• 1.3.1 选题来源
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 本选题的主要研究内容
• 第二章 ISFET传感机理研究与仿真模型建立
• 2.1 ISFET微传感器结构设计
• 2.2 ISFET传感机理分析
• 2.2.1 MOSFET元件特性
• 2.2.2 ISFET传感器特性
• 2.3 ISFET SPICE仿真模型建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 CMOS运算放大器设计及模拟集成电路设计流程解析
• 3.1 CMOS运算放大器概述
• 3.1.1 CMOS运算放大器分类
• 3.1.2 CMOS运算放大器设计指标
• 3.2 模拟集成电路噪声分析
• 3.3 模拟集成电路设计流程解析
• 3.3.1 系统要求与电路设计
• 3.3.2 电路仿真
• 3.3.3 版图设计
• 3.3.4 DRC和LVS
• 3.4 本检测系统的两级差分放大器设计与实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 CMOS工艺实现的ISFET专用信号放大器设计与实现
• 4.1 基于标准CMOS工艺的ISFET信号读取电路概述
• 4.2 本检测系统前级ISFET专用信号放大器设计与实现
• 4.2.1 单模式ISFET专用信号放大器设计与实现
• 4.2.2 双模式ISFET专用信号放大器设计与实现
• 4.2.3 ISFET专用auto-zero高精度放大器设计与实现
• 4.3 本章小结
• 第五章 ISFET传感器读出系统设计与实现
• 5.1 ISFET传感器读出系统设计研究
• 5.2 ISFET／REFET传感器差分对设计
• 5.3 不完全集成单模式ISFET读出系统设计与实现
• 5.4 完全集成双模式ISFET读出系统设计与实现
• 5.4.1 完全集成双模式ISFET读出系统设计与实现
• 5.4.2 完全集成双模式ISFET读出系统仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 ISFET传感器读出系统芯片测试与分析
• 6.1 ISFET读出系统芯片测试简介
• 6.2 不完全集成单模式ISFET读出系统芯片测试与分析
• 6.2.1 不完全集成单模式ISFET读出系统电路功能测试
• 6.2.2 不完全集成单模式ISFET读出系统芯片pH测试
• 6.3 完全集成双模式ISFET读出系统芯片测试与分析
• 6.3.1 完全集成双模式ISFET读出系统电路功能测试
• 6.3.2 完全集成双模式ISFET读出系统芯片pH测试
• 6.4 ISFET专用auto-zero高精度放大器测试与分析
• 6.4.1 ISFET专用auto-zero高精度放大器共模输入范围测试
• 6.4.2 ISFET专用auto-zero高精度放大器输入失调测试
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 本论文的主要工作
• 7.2 创新点
• 7.3 对课题今后的设想
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文及成果情况
• 致谢