臺灣博碩士論文加值系統

本論文是使用國家晶片中心提供之TSMC 0.35μm 與CMOS BioMEMS製程技術，採用延伸式離子感測場效電晶體，感測薄膜為自然形成的鋁氧化層(native aluminum oxide)，原先實驗團隊已證實native aluminum oxide應用於pH-ISFET進行酸鹼度檢測，可以得到不錯的靈敏度，於是本論文使用此感測薄膜與電路整合，進行感測元件與讀取電路的整合設計。
本文第一個電路架構是使用不隨溫度變化的電流源，對電容充放電，改變電位並與感測元件之等效閘極電壓比較，並搭配上下數計數器得知感測訊號，電源為3v，面積為2.5mm*3mm。
第二個電路架構是利用ISFET感測不同濃度並得到不同電流，再透過震盪電路將電流轉換成頻率，其面積為2mm*3mm，使用pseudo Ag/AgCl參考電極，參考電極偏壓為1V，電源使用3.3v，pH 6.08- pH 7.97對應頻率範圍為1.31kHz–210.1 Hz，靈敏度為53mv/pH。尿素酶是使用電聚合方式將尿素酶鍍上，其尿素之訊號結果，0mM-0.8mM，對應頻率9.26kHz-22.9kHz，靈敏度為16878v/mM。
第三個電路架構為第二個電路的改良，將ISFET內建於運算放大器之差動對，利用運算放大器虛接地的方式，透過一個電壓-電流轉換電路得到電流，再由震盪器將電流轉換成頻率，其面積為2mm*2mm，使用pseudo Ag/AgCl參考電極，參考電極偏壓為1.55V，電源使用3.3v，pH 6.04-pH 8.12對應頻率範圍為166.5kHz–145.2k Hz，靈敏度為67.5mv/pH。
第四個電路架構為整合，pH sensor、溫度監控和Urea sensor的感測系統，藉由開關切換使用同一讀取電路，讀取待感測量對應的頻率。

中文摘要....................................................................I
英文摘要..................................................................III
目錄........................................................................V
表目錄 ......................................................... VII
圖目錄 ......................................................... VIII
第一章 緒論.................................................................1
1.1 研究背景...............................................................1
1.2 研究動機與目的.........................................................1
1.3 論文架構...............................................................2
第二章 理論分析與實驗..............................................3
2.1 何謂生物感測器.........................................................3
2.1.1 生物感測器種類....................................................4
2.2 離子感測場效電晶體(ISFET)原理...........................................6
2.2.1 pH-ISFET..........................................................8
2.2.2 吸附鍵結模型(Site-Binding Model)....................................9
2.2.3 電雙層(Electrical double layer).......................................11
2.3 尿素感測器............................................................14
2.4 參考電極..............................................................16
2.5 元件(Device)實驗與結果.................................................18
2.5.1 封裝流程.........................................................18
2.5.3 量測流程與結果...................................................22
第三章 電路設計與實現.....................................................26
3.1 電路架構介紹..........................................................26
3.1.1 運算放大器(opamp)................................................26
3.1.2 帶差電路(Bandgap Reference)........................................29
3.1.3 比較器(Comparator)................................................34
3.1.4 上下數計數器.....................................................38
3.2整體感測電路介紹.......................................................39
第四章 具溫度感測之生醫多路感測晶片設計................................45
4.1電路架構介紹(一) .......................................................45
4.1.1比較器(Comparator) .................................................45
4.1.2整體感測電路介紹...................................................46
4.1.3量測結果...........................................................50
4.2電路架構介紹(二) .......................................................56
4.2.1運算放大器(opamp) .................................................56
4.2.2整體感測電路介紹...................................................58
4.2.3量測結果...........................................................61


4.3電路架構介紹(三) .......................................................67
4.3.1 CMOS帶差溫度感測器介紹..........................................67
4.3.2整體感測電路介紹...................................................70
4.3.3量測結果...........................................................73
第五章 結論.................................................................79
第六章 參考文獻............................................................80

表目錄

表 4.1 模擬閘極電壓與輸出頻率 49
表 4.2 模擬閘極電壓與輸出頻率 60


圖目錄

圖 1.1 論文架構圖 2
圖 2.1 生物感測器系統 3
圖 2.2 MOSFET結構圖 7
圖 2.3 ISFET結構圖 8
圖 2.4 ISFET等效架構圖 9
圖 2.5 Site-Binding Model 10
圖 2.6 EIS架構之電荷密度與電位分佈 11
圖 2.7 Helmholtz電雙層模型與電位分佈 12
圖 2.8 Stern電雙層模型與電位分佈 13
圖 2.9 尿素循環 14
圖 2.10 尿素檢測圖 15
圖 2.11 銀-氯化銀(Ag/AgCl) 架構圖 17
圖 2.12 NMOS剖面圖 19
圖 2.13 ISFET元件佈局圖 20
圖 2.14 ISFET元件晶片照相圖 20
圖 2.15 傳統Ag/AgCl參考電極 20
圖 2.16 pseudo Ag/AgCl參考電極 20
圖 2.17 封裝流程圖 21
圖 2.18 量測方法 23
圖 2.19 量測架設 23
圖 2.20 不同參考電壓與pH值隨時間的響應曲線圖 24
圖 2.21 pH值與等效閘極電壓圖 24
圖 2.22 pH值與等效閘極電壓圖 25
圖 3.1 Two-stage opamp電路圖 27
圖 3.2 Two-stage opamp模擬電路 27
圖 3.3 Two-stage opamp佈局圖 28
圖 3.4 參考電路原理方塊圖 29
圖 3.5 PTAT電路圖 30
圖 3.6 Bandgap電路圖 32
圖 3.7 Bandgap模擬圖 32
圖 3.8 Bandgap佈局圖 33
圖 3.9 比較器電路符號 34
圖 3.10 比較器電路圖 36
圖 3.11 比較器模擬圖 36
圖 3.12 比較器佈局圖 37
圖 3.13 上下數計數器電路圖 38
圖 3.14 上下數計數器佈局圖 38
圖 3.15 控制訊號電路圖 41
圖 3.16 電路圖 41
圖 3.17 上下數電路圖 42
圖 3.18 電路波形圖 42
圖 3.19 op、on端模擬圖 43
圖 3.20 感測端電路模擬圖 43
圖 3.21 整體電路模擬圖 44
圖 3.22 整體電路佈局圖 44
圖 4.1 比較器電路圖 45
圖 4.2 比較器電路模擬圖 46
圖 4.3 整體感測電路(一) 48
圖 4.4 整體感測電路模擬圖 48
圖 4.5 整體感測電路佈局圖 49
圖 4.6 整體感測電路之腳位圖 51
圖 4.7 晶片封裝 51
圖 4.8 儀器擺設圖 52
圖 4.9 模擬與量測之閘極電壓-頻率圖 53
圖 4.10 量測之等效閘極電壓-頻率圖 53
圖 4.11 量測之pH值-等效閘極電壓圖 55
圖 4.12 尿素之量測輸出 55
圖 4.13 晶片照相圖 55
圖 4.14 Two-stage opamp電路圖 56
圖 4.15 Two-stage opamp模擬電路 57
圖 4.16 Two-stage opamp佈局圖 57
圖 4.17 整體感測電路圖(二) 59
圖 4.18 整體感測電路模擬圖 59
圖 4.19 整體感測電路佈局圖 60
圖 4.20 整體感測電路之腳位圖 62
圖 4.21 晶片封裝 62
圖 4.22 量測架設圖(一) 63
圖 4.23 量測架設圖(二) 64
圖 4.24 模擬與量測之閘極電壓-頻率圖 64
圖 4.25 量測之等效閘極電壓-頻率圖 65
圖 4.26 量測之pH值-等效閘極電壓圖 65
圖 4.27 在待測溶液下所量測輸出 66
圖 4.28 晶片照相圖 66
圖 4.29 帶差溫度感測器電路之架構圖 67
圖 4.30 帶差溫度感測器電路 68
圖 4.31 Two-stage opamp電路 68
圖 4.32 Two-stage opamp模擬電路 69
圖 4.33 溫度與感測電壓模擬圖 69
圖 4.34 整體電路架構圖 70
圖 4.35 整體電路圖 71
圖 4.36 整體電路模擬圖 71
圖 4.37 整體電路佈局圖 72
圖 4.38 整體感測電路之腳位圖 74
圖 4.39 量測架設圖(一) 75
圖 4.40 量測架設圖(二) 75
圖 4.41 溫度對應頻率圖 76
圖 4.42 不同溫度下，pH值對應頻率圖 76
圖 4.43 晶片照相圖 77

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