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摘要：在对离子敏场效应晶体管（ISFET）基本结构及电学特性分析的基础上，提出了一种基于CMOS技术实现ISFET与信号处理电路集成化的设计方法。模拟仿真的结果表明，所采用的ISFET/MOSFET“互补对”结构的信号读取电路形式能够抑制“温漂”和克服“硅衬底体效应”对器件测量灵敏度的影响，是一种适用于ISFET集成设计的信号读取方式。
关键词：离子敏场效应晶体管；CMOS工艺；自对准；体效应
中图分类号：TP212.6 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)12-0056-04
A Integrated pH-ISFET Sensor With CMOS Technology
YANG Zhen1,2,YAN Yong-hong1,QI Liang-jie1
(1.Dept. of Applied Physics,Hunan Univ.,Changsha 410082,China;
2.Suzhou-CAS IC Design Center,Suzhou 215021,China)
Abstract ：Based on the ISFET structure and electronic characteristics, a method integrating the ISFET and signal process circuit realized in an standard CMOS technology are presented. The simulation result shows that complementary ISFET/MOSFET pair can eliminate temperature drift and Si substrate bulk effect, which proves it is a suitable readout circuit for ISFET integration.
Key words：ISFET；CMOS technology；self-aligned；bulk effect
1 引言
离子敏场效应晶体管作为测量溶液离子组分及浓度的敏感元件，相对当前应用于医疗诊断检测的离子电极选择技术（ISE）具有体积小、全固态、低功耗和便于集成的优点[1]。鉴于目前各类传感器的研制趋向于微型化﹑集成化和智能化的发展方向，将ISFET传感器的敏感单元与信号读取电路集成于同一芯片也就成为了业界对此类传感器的研究热点。ISFET器件与MOSFET结构极其相似，而CMOS工艺已经成为微电子工业的主流制造工艺；因此,利用CMOS技术，便可实现ISFET与信号处理电路及其他敏感单元的阵列集成。
2 ISFET器件结构及电学特性
ISFET是离子敏感、选择电极制造技术与固态微电子学相结合的产物。最初，此类半导体器件由MOSFET改良而成（金属栅或多晶硅被离子敏感膜代替）[2], 比较两者结构如图1所示。
使用时，离子敏感膜和电解质溶液共同形成器件的栅极，溶液与敏感膜之间产生的电化学势ψ，将使FET的阈值电压VTh发生调制效应，使沟道电导发生变化[3]。选取不同的敏感膜可以检测不同离子的浓度（如K+，Na+，Ca2+，Cl-，H+，Br-等）。目前研究最为成熟的是对H+敏感膜的研究，通常选取的材料有SiO2，Si3N4，Al2O3或Ta2O5等[4]，都能对溶液pH值的变化产生比较灵敏的响应。
以Si3N4为敏感材料的n沟道ISFET的VTh受pH影响的表达式为[5]（暂时忽略衬底体效应的影响）
（1）
而n沟道MOSFET的阈值电压为
VTh(n)=φES--2φf （2）
上述两式中，φES为与电极相连的电介质与半导体之间的功函数；Qss是绝缘体与半导体界面的单位面积的表面态电荷密度；Qsc是半导体沟道耗尽区域单位面积的电荷；φf是体硅的费米势；S是pH敏感层的灵敏系数。此外，pHpzc是ISFET绝缘层零电荷的pH值。尽管ISFET与MOSFET阈值电压不尽相同，但是相似的物理结构决定了两者具有相同的电学特性方程[5]。
当工作于饱和区时
Ids= (Vgs-VTh)2 (3)
当工作于线性区时
Ids=β[(Vgs-VTh)Vds-Vds2/2] (4)
3 ISFET器件的CMOS工艺实现
采用多晶硅栅的“自对准效应”定义FET结构的源漏区是标准CMOS工艺的主要特征。通过对ISFET器件与MOSFET器件的结构比较，可发现前者的栅极只是在氧化层（SiO2）上淀积一层敏感膜(而没有多晶硅)，这就限制了CMOS工艺的使用。多年前，研究人员就已经提出了以CMOS工艺实现ISFET器件的方法[6]，但是都必须对标准的CMOS工艺流程作进一步的改进，除需要增加“掩膜版”外还必须改变工艺环境，这就大大增加了制作成本。最近,J.bausells提出了一种借助未改进CMOS工艺实现ISFET器件的方法，仍旧使用多晶硅的自对准效应定义源漏区，但保留“多晶硅”并使其与金属层相连作为悬浮电极，而顶部的敏感材料借助这种“悬浮栅”结构与“栅氧”相连，横截面如图2 。
由于氮化硅（Si3N4）或硅氧氮化合物（SiOxNy）具有很低的过孔密度，因此，在CMOS工艺中，被采纳用作钝化保护层。在本设计方案中把Si3N4作为H+敏感层淀积于器件表面的敏感窗口区域。采用上述“悬浮栅”结构，Bausells制作了五种不同几何形状的ISFET器件[1]，并对阈值电压做了测试比较，发现漏源区呈“叉指状”的器件能够在较小的区域范围内获得到较大的跨导。因此，“叉指”形状的器件成为本设计所采用的结构形式，如图3。
因为n沟道器件比p沟道器件具有更高的电荷迁移率，因此本设计是在p型硅衬底材料（100晶向，电阻率为8～12Ω·cm）上制作W/L为400mm/20mm的n-ISFET。整个流程采用0.35 mm “双多晶硅双金属”的CMOS工艺生产线，敏感层Si3N4是在流程的最后阶段采用低压化学汽相淀积法(LPVC)生成，厚度为0.6mm。通过实验，测量得出器件在不同缓冲溶液中（pH=2～10）的响应曲线如图4。
4 信号读取电路的设计
通常，对ISFET响应信号的测量方式主要有两种：栅极电压保持恒定，漏极电流的变化反映离子活性的变化；保持漏极电流恒定，通过测量栅极电压的变化获得器件对离子变化的响应。以上两种方法都需要保持漏源电压恒定。最近，P．A Hammond[7]提出一种差分结构的电路形式，虽然此种电路能够抑制诸如温度漂移和器件迟滞特性对测量精度的影响，但是，在此种测量模式中，ISFET的源极没有恒定偏置为零，而是作为一个内部节点应用于集成设计中，完全忽略了“衬底体效应”对阈值电压的影响。
前面讨论FET的阈值电压时，假设衬底和源都是接地的，即VSB=0；但当VSB不等于零的时候，阈值电压表达式修正为。体效应的影响依赖于工艺条件及电路的静态工作点，当体效应严重时，会使测量电路中ISFET阈值电压VTh变化超过50%，若不把其考虑在内，将会导致较大的测量误差。
当把ISFET与信号读取电路集成在一起时，所有的器件都是制作于同一硅衬底上；因此，在设计读取电路时，就必须考虑VSB的影响。基于此，笔者设计了一种适用于ISFET集成设计的、结构简单的信号读取电路形式，如图5所示。
4.1 电路的工作原理及特性
电路结构采用 “ISFET/MOSFET互补对”的形式。工作时两个器件都处于饱和区域；运算放大器提供一个从输出到MOSFET源极的直接反馈信号，由于所设计的运放自身的输入阻抗很大，就迫使流过ISFET与MOSFET的漏电流Ids大小相等。根据器件工作于饱和区的电学特性方程式（3），就可得到此时两个器件的“跨导比”为一固定值。另外，通过基准参考源V1设定放大器正相输入端电压，以保证ISFET的漏源电压Vds恒定（大小为V1）。
具体过程为当溶液pH值发生变化时，ISFET的阈值电压随之变化，导致器件自身跨导的变化，可引起FET间内部节点电压VD漂移；而运算放大器的输入电压（V+-V-）发生变化后，导致输出电压（Vout）变化，借助反馈回路MOSFET(间接反馈)的源极，改变了MOSFET的跨导大小，因为两个器件的跨导比保持恒定，从而又把内部的节点电压（VD）置回为V1，从而补偿了发生在ISFET跨导的变化。
设计采用的运算放大器为“低漂移电压运放”，满足如下性能指标：输出阻抗为60Ω，开环增益为2000，输入电阻60MΩ，带宽为600kHz；基本结构如图6。其中，上述电路采用的参考电压基准源Vbias为采用CMOS寄生pnp管具有“温度补偿”作用的带隙基准源[8]。
4.2 电路仿真
根据上述电路结构，采用TSMC 0.35μm工艺的MOSIS模型参数，使用HSPICE对电路参数进行调节以确定器件参数,所设计的ISFET的W/L为400mm/20mm。调试参数，获得输出信号反映pH值灵敏度仿真结果为45mV/pH，与实验结果基本相符[6]，结果如图7。
此外，由于ISFET器件参数受“温度漂移”影响严重，而采用互补对结构的形式，两个FET器件以同一工艺实现（具有相近的电学特性及温度特性），因此，由温度变化引起ISFET跨导变化与MOSFET的跨导变化相近，这就消除了温度引起的共模信号。此电路对温度补偿的模拟可以采用“温度参数扫描”的方式实现，扫描范围为20～40℃。获得的仿真结果显示，温度灵敏度为0.1mV/℃,对应于pH的变化为不超过0.002pH/℃。因此，此电路的温度特性比较理想。
5 结论
利用标准CMOS工艺实现ISFET与后续读取电路的集成化设计，除了能够明显缩小传感器的体积、降低研发成本外，还能大幅度提高传感器系统的可靠性和稳定性。本文提出的利用CMOS技术设计的ISFET传感元及读取电路，在实验模拟中表现出较高的精度和稳定性，并且设计的“互补MOSFET/ISFET对”形式的信号读取电路具有结构简单、便于实现的特点，除能够对“温度漂移”具有明显的补偿作用外，更重要的是能克服“衬底体效应”对ISFET阈值电压的影响，仿真结果证明此种电路结构是一种适用于ISFET集成设计的信号读取形式。
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