臺灣博碩士論文加值系統

自從離子感測場效電晶體(ISFET)發明至今，由於具有與CMOS製程相容之優點，已成功整合感測器及訊號處理電路於單晶片系統上。研究顯示，ISFET對於溫度具有極大之不穩定性，導致不正確之量測值。因此，發展各種使ISFET穩定之補償技術，仍為一熱門之研究課題。
本篇論文的主要目的在於探討溫度感測器之設計與應用，為了使爾後ISFET、溫度感測器及訊號處理電路整合於同一晶片，採取適用於CMOS製程實現之溫度感測器架構。文中所設計的電路方塊包含以臨界電壓截取器為架構之溫度感測器、溫度感測器讀出電路、以軌對軌運算放大器建構之橋式源極浮接輸出酸鹼檢測電路，並探討酸鹼感測計之溫度效應及提出溫度補償之方法。
實驗結果顯示，本論文所設計之溫度感測器讀出電路量測結果，其對溫度的感測度為20mV/℃，為配合ISFET之使用，限制其感測範圍在0℃~50℃，準確度±2.3℃。另外，軌對軌運算放大器於5V操作時，開迴路增益達95dB，偏移電壓約在6.4mV，共模輸入電壓範圍與電壓輸出擺幅可達到正負電源之範圍。利用所設計之運算放大器建構橋式源極浮接組態讀出電路，結合波蘭科學院所提供的Si3N4感測膜ISFET進行pH值量測，在pH2至pH12標準溶液中靈敏度達53mV/pH。
為了探討ISFET之溫度效應，利用ISFET之行為模型及所設計之溫度感測器進行溫度補償模擬，於pH7之酸鹼溶液中，未進行溫度補償及補償後，其溫度係數分別為0.9mV/℃及0.03mV/℃。

Due to the advantage of compatible with CMOS technology, ISFET sensor integrated with signal processing on a monolith has been proved to work. Investigations have demonstrated that ISFET exist a large thermal instability, which leads to inaccuracy measurement. So to develop different compensation method on ISFETs, is already a hot research topic today.
The major objective of this thesis is to discuss the design and application of temperature sensor. In order to have the capability to integrate with ISFET and signal processing, the adopted scheme of the temperature sensor can be implemented with CMOS technology. The major circuits include threshold voltage extractor as temperature sensor, temperature sensor readout circuit, bridge-type floating source ISFET readout circuit. Further, the thermal effect of ISFET and compensation method is also present.
The measured result shows the sensitivity of the thermal sensor readout circuit is 20mV/℃. To co-operate with ISFET, the limitation temperature range between 0℃~50℃. The accuracy is ±2.3℃. Further, with a 5V power supply, the rail-to-rail operational amplifier presents a DC gain of 95dB, offset voltage of 6.4mV and rail-to-rail common-mode input voltage range and voltage output swing. Between standard buffer solutions of pH2 to pH12, the bridge-type floating source ISFET readout circuit base on rail-to-rail amplifier has a sensitivity of 53mV/pH.
In order to verify the thermal effect of ISFET, the simulation of the behavior model of ISFET and the proposed temperature sensor are presented. In the pH7 solution, the temperature coefficients before and after the compensation are 0.9mV/℃ and 0.03mV/℃ respectively.

目 錄
中文摘要……………………………………………………………………………………i
英文摘要……………………………………………………………………………………ii
誌謝…………………………………………………………………………………………iii
目錄…………………………………………………………………………………………iv
圖目錄………………………………………………………………………………………v
表目錄………………………………………………………………………………………vii
第一章 緒論
1-1 研究背景………………………………………………………………………………1
1-2 溫度感測器種類與比較………………………………………………………………2
1-3 研究動機與目的………………………………………………………………………5
1-4 設計流程………………………………………………………………………………5
1-5 論文章節規劃…………………………………………………………………………7
第二章 溫度感測器之設計
2-1 臨界電壓與溫度關係…………………………………………………………………8
2-2 臨界電壓截取器原理…………………………………………………………………11
2-3 溫度感測器……………………………………………………………………………14
2-4 溫度感測器訊號校正讀出電路………………………………………………………17
2-4.1 二級運算放大器……………………………………………………………………20
2-5 溫度感測器感應時間…………………………………………………………………22
2-6 溫度感測器佈局圖與量測結果………………………………………………………24
第三章 類比電路溫度效應
3-1 轉導參Ｋ之溫度係數…………………………………………………………………28
3-2 電流與溫度之關係……………………………………………………………………29
3-3 熱雜訊…………………………………………………………………………………30
第四章 ISFET酸鹼感測計溫度補償
4-1 ISFET酸鹼感測計之設計.……………………………………………………………32
4-1-1 軌對軌運算放大器設計……………………………………………………………34
4-1-2 軌對軌運算放大器之模擬與量測結果……………………………………………40
4-1-3 ISFET酸鹼感測計量測結果.………………………………………………………44
4-2 ISFET酸鹼感測計溫度效應.…………………………………………………………46
4-3 ISFET酸鹼感測計溫度補償.…………………………………………………………51
第五章 結論與未來展望
5-1 結論……………………………………………………………………………………54
5-2 未來展望………………………………………………………………………………55
參考文獻……………………………………………………………………………………56
圖 目 錄
圖1-1 本論文研究流程與設計流程………………………………………………………6
圖2-1 UMC05 NMOS TYPICAL CASE MODEL臨界電壓對溫度的變化.……………………10
圖2-2 ID、gm對VGS曲線.…………………………………………………………………11
圖2-3 臨界電壓截取器之基本原理………………………………………………………12
圖2-4 臨界電壓截取器電路，ΔVo=VT……………………………………………………13
圖2-5 四端點之VT Extractor，VT=Vo-VB………………………………………………14
圖2-6 差分電路……………………………………………………………………………15
圖2-7 三端臨界電壓截取器，VOUT=VT.…………………………………………………16
圖2-8 臨界電壓截取電路對溫度之變化…………………………………………………17
圖2-9 溫度感測器訊號校正讀出電路……………………………………………………17
圖2-10 溫度感測器訊號校正流程.………………………………………………………18
圖2-11 溫度感測器訊號校正電路模擬結果.……………………………………………19
圖2-12 二級運算放大器電路圖.…………………………………………………………20
圖2-13 二級運算放大器線性度及頻率響應之模擬.……………………………………21
圖2-14 溫度感測器感測反應時間.………………………………………………………23
圖2-15 溫度感測器(VT Extractor)佈局圖.……………………………………………24
圖2-16 溫度感測器訊號讀出校正電路佈局圖.…………………………………………25
圖2-17 臨界電壓截取電路感測度量測結果.……………………………………………26
圖2-18 溫度感測器讀出電路感測度量測結果.…………………………………………27
圖3-1 交指式差動輸入對佈局技巧………………………………………………………30
圖3-2 CMOS差動輸入對中每一元件之雜訊模型…………………………………………30
圖3-3 CMOS差動輸入對等效雜訊模型……………………………………………………31
圖4-1 ISFET基本架構.……………………………………………………………………33
圖4-2 橋式源極浮接讀出電路……………………………………………………………33
圖4-3 寬擺幅疊接式電流鏡電路架構……………………………………………………34
圖4-4 Wide-Swing Cascode Current Mirror架構之偏壓點輸出結果.………………35
圖4-5 鏡射三倍電流鏡gm控制之軌對軌輸入級…………………………………………36
圖4-6 無gm-control與有gm-control之模擬結果比較…………………………………37
圖4-7 AB類輸出級基本之架構……………………………………………………………38
圖4-8 AB類輸出級之電路…………………………………………………………………38
圖4-9 AB類輸出級之輸出電流轉換圖……………………………………………………39
圖4-10 軌對軌運算放大器Gain、-3dB Bandwidth、Phase Margin 模擬……………40
圖4-11 軌對軌運算放大器offset voltage、output swing模擬.……………………40
圖4-12 軌對軌運算放大器slew rate模擬………………………………………………41
圖4-13 軌對軌運算放大器低頻增益及偏移電壓量測結果.……………………………41
圖4-14 軌對軌運算放大器共模輸入範圍量測結果.……………………………………42
圖4-15 軌對軌運算放大器輸出範圍量測結果.…………………………………………42
圖4-16 軌對軌運算放大器迴轉率量測結果.……………………………………………43
圖4-17 軌對軌運算放大器佈局圖.………………………………………………………44
圖4-18 ISFET(Si3N4)橋式源極浮接讀出電路量測結果.………………………………45
圖4-19 不同溫度之汲源電流對閘源極電壓曲線圖.……………………………………48
圖4-20 ISFET於pH7對不同溫度之輸出訊號.……………………………………………49
圖4-21 ISFET變溫量測及零溫度係數點…………………………………………………50
圖4-22 溫度補償電路架構.………………………………………………………………51
圖4-23 溫度補償電路圖.…………………………………………………………………52
圖4-24 溫度補償電路模擬結果.…………………………………………………………52
表 目 錄
表1-1 溫度感測器的種類…………………………………………………………………2
表1-2 接觸式與非接觸式溫度感測器之比較……………………………………………3
表1-3 常用溫度感測器比較………………………………………………………………4
表2-1 UMC05 NMOS MODEL臨界電壓於不同溫度之電壓值………………………………10
表2-2 二級運算放大器特性………………………………………………………………22
表2-3 臨界電壓截取電路量測結果………………………………………………………25
表2-4 溫度感測器讀出電路量測結果……………………………………………………26
表2-5 溫度感測器電性參數比較…………………………………………………………27
表4-1 軌對軌運算放大器模擬與量測結果………………………………………………43
表4-2 ISFET橋式源極浮接讀出電路量測結果.…………………………………………44
表4-3 RADIOMETER pH標準溶液於個溫度之實際pH值.…………………………………47

參 考 文 獻
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