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1 引言 離子敏場效應(yīng)晶體管作為測量溶液離子組分及濃度的敏感元件，相對當(dāng)前應(yīng)用于醫(yī)療診斷檢測的離子電極選擇技術(shù)（ISE）具有體積小、全固態(tài)、低功耗和便于集成的優(yōu)點(diǎn)[1]。鑒于目前各類傳感器的研制趨向于微型化﹑集成化和智能化的發(fā)展方向，將ISFET傳感器的敏感單元與信號(hào)讀取電路集成于同一芯片也就成為了業(yè)界對此類傳感器的研究熱點(diǎn)。ISFET器件與MOSFET結(jié)構(gòu)極其相似，而CMOS工藝已經(jīng)成為微電子工業(yè)的主流制造工藝；因此,利用CMOS技術(shù)，便可實(shí)現(xiàn)ISFET與信號(hào)處理電路及其他敏感單元的陣列集成。 2 ISFET器件結(jié)構(gòu)及電學(xué)特性 ISFET是離子敏感、選擇電極制造技術(shù)與固態(tài)微電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。最初，此類半導(dǎo)體器件由MOSFET改良而成（金屬柵或多晶硅被離子敏感膜代替）, 比較兩者結(jié)構(gòu)如圖1所示。 使用時(shí)，離子敏感膜和電解質(zhì)溶液共同形成器件的柵極，溶液與敏感膜之間產(chǎn)生的電化學(xué)勢ψ，將使FET的閾值電壓VTh發(fā)生調(diào)制效應(yīng)，使溝道電導(dǎo)發(fā)生變化[3]。選取不同的敏感膜可以檢測不同離子的濃度（如K+，Na+，Ca2+，Cl-，H+，Br-等）。目前研究最為成熟的是對H+敏感膜的研究，通常選取的材料有SiO2，Si3N4，Al2O3或Ta2O5等[4]，都能對溶液pH值的變化產(chǎn)生比較靈敏的響應(yīng)。 以Si3N4為敏感材料的n溝道ISFET的VTh受pH影響的表達(dá)式為[5]（暫時(shí)忽略襯底體效應(yīng)的影響） 而n溝道MOSFET的閾值電壓為 VTh(n)=φES--2φf （2） 上述兩式中，φES為與電極相連的電介質(zhì)與半導(dǎo)體之間的功函數(shù)；Qss是絕緣體與半導(dǎo)體界面的單位面積的表面態(tài)電荷密度；Qsc是半導(dǎo)體溝道耗盡區(qū)域單位面積的電荷；φf是體硅的費(fèi)米勢；S是pH敏感層的靈敏系數(shù)。此外，pHpzc是ISFET絕緣層零電荷的pH值。盡管ISFET與MOSFET閾值電壓不盡相同，但是相似的物理結(jié)構(gòu)決定了兩者具有相同的電學(xué)特性方程[5]。 當(dāng)工作于飽和區(qū)時(shí) Ids= (Vgs-VTh)2 (3) 當(dāng)工作于線性區(qū)時(shí) Ids=β[(Vgs-VTh)Vds-Vds2/2] (4) 3 ISFET器件的CMOS工藝實(shí)現(xiàn) 采用多晶硅柵的“自對準(zhǔn)效應(yīng)”定義FET結(jié)構(gòu)的源漏區(qū)是標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的主要特征。通過對ISFET器件與MOSFET器件的結(jié)構(gòu)比較，可發(fā)現(xiàn)前者的柵極只是在氧化層（SiO2）上淀積一層敏感膜(而沒有多晶硅)，這就限制了CMOS工藝的使用。多年前，研究人員就已經(jīng)提出了以CMOS工藝實(shí)現(xiàn)ISFET器件的方法[6]，但是都必須對標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝流程作進(jìn)一步的改進(jìn)，除需要增加“掩膜版”外還必須改變工藝環(huán)境，這就大大增加了制作成本。最近,J.bausells提出了一種借助未改進(jìn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)ISFET器件的方法，仍舊使用多晶硅的自對準(zhǔn)效應(yīng)定義源漏區(qū)，但保留“多晶硅”并使其與金屬層相連作為懸浮電極，而頂部的敏感材料借助這種“懸浮柵”結(jié)構(gòu)與“柵氧”相連，橫截面如圖2 。 由于氮化硅（Si3N4）或硅氧氮化合物（SiOxNy）具有很低的過孔密度，因此，在CMOS工藝中，被采納用作鈍化保護(hù)層。在本設(shè)計(jì)方案中把Si3N4作為H+敏感層淀積于器件表面的敏感窗口區(qū)域。采用上述“懸浮柵”結(jié)構(gòu)，Bausells制作了五種不同幾何形狀的ISFET器件[1]，并對閾值電壓做了測試比較，發(fā)現(xiàn)漏源區(qū)呈“叉指狀”的器件能夠在較小的區(qū)域范圍內(nèi)獲得到較大的跨導(dǎo)。因此，“叉指”形狀的器件成為本設(shè)計(jì)所采用的結(jié)構(gòu)形式，如圖3。 因?yàn)閚溝道器件比p溝道器件具有更高的電荷遷移率，因此本設(shè)計(jì)是在p型硅襯底材料（100晶向，電阻率為8～12Ω·cm）上制作W/L為400mm/20mm的n-ISFET。整個(gè)流程采用0.35 mm “雙多晶硅雙金屬”的CMOS工藝生產(chǎn)線，敏感層Si3N4是在流程的最后階段采用低壓化學(xué)汽相淀積法(LPVC)生成，厚度為0.6mm。通過實(shí)驗(yàn)，測量得出器件在不同緩沖溶液中（pH=2～10）的響應(yīng)曲線如圖4。 4 信號(hào)讀取電路的設(shè)計(jì) 通常，對ISFET響應(yīng)信號(hào)的測量方式主要有兩種：柵極電壓保持恒定，漏極電流的變化反映離子活性的變化；保持漏極電流恒定，通過測量柵極電壓的變化獲得器件對離子變化的響應(yīng)。以上兩種方法都需要保持漏源電壓恒定。最近，P．A Hammond[7]提出一種差分結(jié)構(gòu)的電路形式，雖然此種電路能夠抑制諸如溫度漂移和器件遲滯特性對測量精度的影響，但是，在此種測量模式中，ISFET的源極沒有恒定偏置為零，而是作為一個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于集成設(shè)計(jì)中，完全忽略了“襯底體效應(yīng)”對閾值電壓的影響。 前面討論FET的閾值電壓時(shí)，假設(shè)襯底和源都是接地的，即VSB=0；但當(dāng)VSB不等于零的時(shí)候，閾值電壓表達(dá)式修正為。體效應(yīng)的影響依賴于工藝條件及電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，當(dāng)體效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使測量電路中ISFET閾值電壓VTh變化超過50%，若不把其考慮在內(nèi)，將會(huì)導(dǎo)致較大的測量誤差。 當(dāng)把ISFET與信號(hào)讀取電路集成在一起時(shí)，所有的器件都是制作于同一硅襯底上；因此，在設(shè)計(jì)讀取電路時(shí)，就必須考慮VSB的影響。基于此，筆者設(shè)計(jì)了一種適用于ISFET集成設(shè)計(jì)的、結(jié)構(gòu)簡單的信號(hào)讀取電路形式，如圖5所示。 4.1 電路的工作原理及特性 電路結(jié)構(gòu)采用 “ISFET/MOSFET互補(bǔ)對”的形式。工作時(shí)兩個(gè)器件都處于飽和區(qū)域；運(yùn)算放大器提供一個(gè)從輸出到MOSFET源極的直接反饋信號(hào)，由于所設(shè)計(jì)的運(yùn)放自身的輸入阻抗很大，就迫使流過ISFET與MOSFET的漏電流Ids大小相等。根據(jù)器件工作于飽和區(qū)的電學(xué)特性方程式（3），就可得到此時(shí)兩個(gè)器件的“跨導(dǎo)比”為一固定值。另外，通過基準(zhǔn)參考源V1設(shè)定放大器正相輸入端電壓，以保證ISFET的漏源電壓Vds恒定（大小為V1）。 具體過程為當(dāng)溶液pH值發(fā)生變化時(shí)，ISFET的閾值電壓隨之變化，導(dǎo)致器件自身跨導(dǎo)的變化，可引起FET間內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電壓VD漂移；而運(yùn)算放大器的輸入電壓（V+-V-）發(fā)生變化后，導(dǎo)致輸出電壓（Vout）變化，借助反饋回路MOSFET(間接反饋)的源極，改變了MOSFET的跨導(dǎo)大小，因?yàn)閮蓚�(gè)器件的跨導(dǎo)比保持恒定，從而又把內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)電壓（VD）置回為V1，從而補(bǔ)償了發(fā)生在ISFET跨導(dǎo)的變化。 設(shè)計(jì)采用的運(yùn)算放大器為“低漂移電壓運(yùn)放”，滿足如下性能指標(biāo)：輸出阻抗為60Ω，開環(huán)增益為2000，輸入電阻60MΩ，帶寬為600kHz；基本結(jié)構(gòu)如圖6。其中，上述電路采用的參考電壓基準(zhǔn)源Vbias為采用CMOS寄生pnp管具有“溫度補(bǔ)償”作用的帶隙基準(zhǔn)源[8]。 4.2 電路仿真 根據(jù)上述電路結(jié)構(gòu)，采用TSMC 0.35μm工藝的MOSIS模型參數(shù)，使用HSPICE對電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以確定器件參數(shù),所設(shè)計(jì)的ISFET的W/L為400mm/20mm。調(diào)試參數(shù)，獲得輸出信號(hào)反映pH值靈敏度仿真結(jié)果為45mV/pH，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符[6]，結(jié)果如圖7。 此外，由于ISFET器件參數(shù)受“溫度漂移”影響嚴(yán)重，而采用互補(bǔ)對結(jié)構(gòu)的形式，兩個(gè)FET器件以同一工藝實(shí)現(xiàn)（具有相近的電學(xué)特性及溫度特性），因此，由溫度變化引起ISFET跨導(dǎo)變化與MOSFET的跨導(dǎo)變化相近，這就消除了溫度引起的共模信號(hào)。此電路對溫度補(bǔ)償?shù)哪M可以采用“溫度參數(shù)掃描”的方式實(shí)現(xiàn)，掃描范圍為20～40℃。獲得的仿真結(jié)果顯示，溫度靈敏度為0.1mV/℃,對應(yīng)于pH的變化為不超過0.002pH/℃。因此，此電路的溫度特性比較理想。 5 結(jié)論 利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)ISFET與后續(xù)讀取電路的集成化設(shè)計(jì)，除了能夠明顯縮小傳感器的體積、降低研發(fā)成本外，還能大幅度提高傳感器系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文提出的利用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的ISFET傳感元及讀取電路，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中表現(xiàn)出較高的精度和穩(wěn)定性，并且設(shè)計(jì)的“互補(bǔ)MOSFET/ISFET對”形式的信號(hào)讀取電路具有結(jié)構(gòu)簡單、便于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，除能夠?qū)Α皽囟绕啤本哂忻黠@的補(bǔ)償作用外，更重要的是能克服“襯底體效應(yīng)”對ISFET閾值電壓的影響，仿真結(jié)果證明此種電路結(jié)構(gòu)是一種適用于ISFET集成設(shè)計(jì)的信號(hào)讀取形式。 |
