臺灣博碩士論文加值系統

本論文係分析鈉離子選擇電極於不同感測面積下之各種特性，如感測度、高濃度之飽和現象、電流-電壓特性曲線與雜訊，且分析生醫感測器之穩態時間，以判斷訊號擷取時間，並將電壓式感測器與電流式感測器建構於同一之量測電路系統，而電壓式感測器有偏移電壓問題之存在，係使用一偏移電壓消除電路將之消除校正，以提高量測之準確度。最後，考量感測元件之穩定度與可靠度，其中有時漂現象與遲滯效應，係使用一新型之遲滯校正方法與時漂校正電路，以提高感測元件之穩定度與可靠度。

In this study, characteristics of the sodium ion selective electrode of different sensing areas based on the separative extended gate field effect transistor are analyzed, such as sensitivity, saturated performance in high concentration, current-voltage characteristics, and noise. Moreover, <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=time&v=56">time</a> of the signal obtained is determined by stable <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=time&v=56">time</a> of biosensor. Furthermore, the potentiometric sensor and amperometric sensor are based on the same measurement circuit system. However, the potentiometric sensor has the problem of the offset voltage, the offset cancellation circuit is used to cancel the offset voltage, and then accuracy can be increased. Eventually, the problems of stabilization and accuracy include the drift effect and hysteresis effect. The novel hysteresis calibration method and drift calibration circuit are used to calibrate these effects, and then stabilization and accuracy of sensor are increased.

論文目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 IX
表目錄 XV
第一章 緒論 1
1-1發展背景與目前研究趨勢 1
1-2研究動機與目的 4
1-3研究流程與論文架構 8
第二章 鈉離子選擇電極之特性分析 11
2-1簡介 11
2-2雜訊理論 15
2-3鈉離子選擇電極之特性量測 18
2-4結果與討論 19
2-4-1鈉離子選擇電極之感測度 19
2-4-2鈉離子選擇電極之飽和現象 21
2-4-3鈉離子選擇電極之電流-電壓特性曲線 24
2-4-4 鈉離子選擇電極之雜訊 27
第三章 生醫感測器穩態時間之分析 30
3-1簡介 30
3-2穩態時間之觀念與原理 30
3-3電壓式尿素感測器及電流式尿酸感測器之量測 35
3-3-1電壓式尿素感測器之量測 35
3-3-2電流式尿酸感測器之量測 35
3-4結果與討論 37
3-4-1電壓式尿素感測器之實驗結果 37
3-4-2電流式尿酸感測器之實驗結果 40
第四章 雙模感測器量測電路之設計與應用 44
4-1簡介 44
4-2電流式感測器與量測電路之原理與架構 46
4-2-1電流式感測器之原理 46
4-2-2電流式感測器量測電路之架構與原理 52
4-3儀表放大器之原理與設計 55
4-4雙模感測器之量測電路原理與架構 67
4-5雙模感測器之量測實驗 68
4-6結果與討論 68
第五章 感測器偏移電壓之校正 71
5-1簡介 71
5-2偏移電壓消除電路之原理與架構 73
5-3偏移電壓與校正之量測實驗 78
5-4結果與討論 78
第六章 時漂現象與校正之分析 81
6-1簡介 81
6-2時漂效應理論之研究 84
6-3時漂校正電路之架構與原理 85
6-4時漂與校正之實驗 87
6-5結果與討論 89
第七章 遲滯效應與校正之分析 92
7-1簡介 92
7-2新型之遲滯校正量測系統 94
7-3短迴路與長迴路遲滯與校正之實驗 95
7-4結果與討論 98
7-4-1遲滯校正量測系統之量測結果 98
7-4-2短迴路遲滯與校正之量測結果 110
7-4-3長迴路遲滯與校正之量測結果 112
第八章 綜合結果與討論 122
8-1鈉離子選擇電極之特性探討 122
8-2生醫感測器穩態時間之分析 123
8-3雙模感測器量測電路之量測結果 124
8-4感測器偏移電壓之校正之量測結果124
8-5時漂現象與校正之量測結果 125
8-6遲滯效應與校正之量測結果 125
8-7綜合結果與討論 128
第九章 結論與未來展望 130
7-1 結論 131
7-2 未來展望 133
參考文獻 134
口試委員之問題及答辯 141
自傳 145
附錄A
附錄B

圖目錄
圖 1-1 MOSFET與ISFET之結構圖 3
圖 1-2 EGFET之量測架構 4
圖 1-3 論文架構之前半部 9
圖 1-4 論文架構之後半部 10
圖 2-1 ISFET感測元件結構圖 13
圖 2-2 延伸式閘極離子感測場效晶體 (EGFET)之結構圖 14
圖 2-3 SnO2/ITO/SiO2結構圖 14
圖 2-4 加入雜訊源之場效電晶體小訊號等效模型 17
圖 2-5 鈉離子選擇電極之量測系統 18
圖 2-6 鈉離子選擇電極之雜訊量測系統 19
圖 2-7 感測面積為 2×2mm2之感測度量測結果 20
圖 2-8 感測面積為 1×1mm2之感測度量測結果 20
圖 2-9 感測面積為 0.5×0.5mm2之感測度量測結果 21
圖 2-10 感測面積為 2×2mm2之飽和現象量測結果 22
圖 2-11 感測面積為 1×1mm2之飽和現象量測結果 23
圖 2-12 感測面積為 0.5×0.5mm2之飽和現象量測結果 24
圖 2-13 感測面積2×2mm2之電流-電壓 (ID-VDS)特性曲線 25
圖 2-14 感測面積2×2mm2之電流-電壓 (ID-2-VDS)特性曲線 25
圖 2-15 於pNa 0.1待測溶液之電流-電壓 (ID-VDS)特性曲線 26
圖 2-16 於pNa 0.1待測溶液之電流-電壓 (ID-2-VDS)特性曲線 27
圖 2-17 感測面積2×2mm2之雜訊量測結果 28
圖 2-18 感測面積1×1mm2之雜訊量測結果 28
圖2-19 感測面積0.5×0.5mm2之雜訊量測結果 29
圖 3-1 電阻-電容等效電路 31
圖 3-2 電容-電壓之訊號圖 33
圖 3-3 電容-電流之訊號圖 34
圖 3-4 電流型式之電阻-電容等效電路 34
圖 3-5 電壓式尿素感測器之量測系統 36
圖 3-6 電流式尿酸感測器之量測系統 36
圖 3-7 以酸鹼感測器為基底之實驗結果 39
圖 3-8 以銨根離子選擇電極為基底之實驗結果 39
圖 3-9 外加電壓為200mV之實驗結果 41
圖 3-10 外加電壓為300mV之實驗結果 41
圖 3-11 外加電壓為400mV之實驗結果 42
圖 4-1 電流式感測器偵測原理之示意圖 52
圖 4-2 二極式之量測架構 53
圖 4-3 三極式之量測架構 54
圖 4-4 電流式感測器量測系統 55
圖 4-5 儀表放大器之電路架構圖 56
圖 4-6 二級放大器之電路架構圖 57
圖 4-7 Open loop gain與 phase margine之模擬結果 60
圖 4-8 Output swing之模擬結果 60
圖 4-9 Input swing之模擬結果 61
圖 4-10 PSRR+之模擬結果 61
圖 4-11 PSRR-之模擬結果 62
圖 4-12 CMRR之模擬結果 62
圖 4-13 ICMR之量測結果 61
圖 4-14 Output swing之量測結果 63
圖 4-15 Open loop gain之量測結果 64
圖 4-16 CMRR之量測結果 64
圖 4-17 －SR之量測結果 65
圖 4-18 ＋SR之量測結果 65
圖 4-19 晶片佈局圖 66
圖 4-20 雙模感測器之量測電路 67
圖 4-21 電壓式酸鹼感測器之校正曲線圖 69
圖 4-22 電壓式鈉離子感測器之校正曲線圖 69
圖 4-23 電流式尿酸感測器之校正曲線 70
圖 4-24 使用循環伏安儀量測電流式尿酸感測器之校正曲線圖 70
圖 5-1 Sample 1量測結果之校正曲線圖 72
圖 5-2 Sample 2量測結果之校正曲線圖 72
圖 5-3 Sample 3量測結果之校正曲線圖 73
圖 5-4 直流電壓補償迴路圖 74
圖 5-5 分離式之直流偏移電壓消除電路 76
圖 5-6 感測元件之偏壓電壓校正量測系統 77
圖 5-7 Sample 1之pH 7量測電壓的校正歸零 79
圖 5-8 Sample 1偏移電壓校正之量測結果校正曲線圖 79
圖 5-9 Sample 2偏移電壓校正之量測結果校正曲線圖 80
圖 5-10 Sample 3偏移電壓校正之量測結果校正曲線圖 80
圖 6-1 利用雙載子電晶體之電壓調節器電路圖 86
圖 6-2 時漂校正電路之電路圖 86
圖 6-3 時漂實驗之量測架構 88
圖 6-4 時漂校正實驗之量測架構 88
圖 6-5 Sample 1之時漂實驗 90
圖 6-6 Sample 2之時漂校正實驗 90
圖 7-1 遲滯校正量測系統之示意圖 96
圖 7-2 遲滯電壓示意圖 97
圖 7-3 遲滯未校正前與校正後之訊號比較圖 97
圖 7-4 校正前pH 7→pH 2→pH 7→pH 2之遲滯量測實驗結果 98
圖 7-5 校正後pH 7→pH 2→pH 7→pH 2之遲滯量測實驗結果 99
圖 7-6 校正前pH 7→pH 11.8→pH 7→pH 11.8之遲滯量測實驗結果 100
圖 7-7 校正後pH 7→pH 11.8→pH 7→pH 11.8之遲滯量測實驗結果 101
圖 7-8 校正前 pNa 4→pNa 3→pNa 4→pNa 3之遲滯量測實驗 103
圖 7-9 校正後 pNa 4→pNa 3→pNa 4→pNa 3之遲滯量測實驗 104
圖 7-10 酵素感測器之反應電壓示意圖 105
圖 7-11 尿素感測器之回復時間 2分鐘的量測結果 106
圖 7-12 尿素感測器之回復時間 4分鐘的量測結果 106
圖 7-13 尿素感測器之回復時間 8分鐘的量測結果 107
圖 7-14 尿素感測器之回復時間的量測結果整理 107
圖 7-15 Sample 1於240mg/dl尿素溶液中之連續量測 108
圖 7-16 Sample 2於240mg/dl尿素溶液中之連續量測 108
圖 7-17 重複於 240mg/dl尿素溶液中量測之電壓反應 109
圖 7-18 重複於 20mg/dl尿素溶液中量測之電壓反應 109
圖 7-19 短迴路遲滯未校正前之量測結果 110
圖 7-20 短迴路遲滯校正後之量測結果 110
圖 7-21 ISFET之橋式量測電路 113
圖 7-22 使用儀表放大器之 Sample 1的時滯量測結果 115
圖 7-23 使用儀表放大器之 Sample 2的時滯量測結果 115
圖 7-24 使用調節器之 Sample 1的時滯量測結果 116
圖 7-25 使用調節器之 Sample 2的時滯量測結果 116
圖 7-26 使用橋式電路之 Sample 1的時滯量測結果 117
圖 7-27 使用橋式電路之 Sample 2的時滯量測結果 117
圖 7-28 使用儀表放大器之 Sample 1的校正曲線圖 118
圖 7-29 使用調節器之 Sample 1的校正曲線圖 119
圖 7-30 使用橋式電路之 Sample 1的校正曲線圖 119
圖 7-31 使用儀表放大器之 Sample 2的校正曲線圖 120
圖 7-32 使用調節器之 Sample 2的校正曲線圖 120
圖 7-33 使用橋式電路之 Sample 2的校正曲線圖 121

表目錄
表 3-1 電壓式尿素感測器之穩態時間 39
表 3-2 電壓式尿素感測器之電阻與電容彙整表 39
表 3-3 不同外加電壓之電流式尿酸感測器穩態時間 42
表 3-4 不同外加電壓之電流式尿酸感測器電阻與電容彙整表 43
表 4-1 影響電極反應速率之因素 49
表 4-2 MOSFET之尺寸大小 59
表 4-3 模擬值與量測結果之比較表 66
表 6-1 時漂及校正實驗結果之比較表 91
表 7-1 Sample 1遲滯與校正之量測結果彙理 100
表 7-2 Sample 2遲滯與校正之量測結果彙整 101
表 7-3 Sample 3遲滯與校正之量測結果彙整 101
表 7-4 Sample 4遲滯與校正之量測結果彙整 102
表 7-5 Sample 5遲滯與校正之量測結果彙整 102
表 7-6 感測元件遲滯之未校正與校正後對準確度的影響 103
表 7-7 氯離子選擇電極遲滯之未校正與校正後對準確度的影響 104
表 7-8 短迴路遲滯與校正之量測結果彙理 111
表 7-9 長迴路遲滯之校正實驗量測結果彙理 118
表 7-10 長迴路遲滯之校正實驗感測度比較表 121
表 8-1 鈉離子選擇電極之特性彙整 122
表 8-2 電壓式尿素感測器之擷取訊號時間 123
表 8-3 電流式尿酸感測器之擷取訊號時間 124
表 8-4 時漂比較表 125
表 8-5 酸鹼感測器遲滯之未校正與校正後對準確度的影響 126
表 8-6 酸鹼感測器於短迴路遲滯與校正之量測結果彙整 126
表 8-7 長迴路遲滯之校正實驗量測結果 126
表 8-8 不同感測器類型應用於校正方法之彙整表 128
表 8-9 不同感測器用途應用於校正方法之彙整表 129

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