臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
鑑於提昇生醫感測訊號穩定性與可靠度之需求，多功能與大集合之離子感測陣列應用成為近年來研究的課題。本篇論文之主要目的為離子感測場效電晶體巨集行為模型開發與適用於感測陣列應用之訊號處理電路設計。藉由所提出元件模型開發流程可快速建立感測元件模型參數，並可即時應用於電子電路界面模擬與驗證。文中並分別提出多通道橋式源極浮接與可恆壓恆流操作之多通道源極追隨組態訊號讀出電路，經量測分別可以得到53.29與36.01 mV/pH之感測靈敏度。針對ISFET溫度效應部份，分別完成臨界電壓萃取型式溫度感測器、溫度感測器讀出校正電路與訊號差分溫度補償電路設計，結合四通道橋式源極浮接組態訊號讀出模組進行量測，溫度補償前後分別可以得到7.38與0.264 mV/oC之溫度係數反應，證明所採用組態可大幅降低溫度效應對ISFET之影響。文中最後提出一可操作於1.5伏特8位元，10M Sample/s取樣率之連續電流比較方式類比/數位轉換電路，模擬結果顯示整體電路功率消耗446.5uW ，積分非線性誤差與微分非線性誤差分別為1~5LSB與-2.4~2.6LSB。

ABSTRACT
Array sensors not only have the ability of detecting multi-signal sources but also can improve the sensing reliability due to the statistical data processing acquired from repeated and identical sensors. Therefore, to develop ISFET based array sensors become more valuable and important in biochemical related research. In order to speed the design of sensor array circuit, to develop a SPICE-compatible behavior macromodel is needed.
This thesis present the development of ISFET behavior macromodel and the signal process circuit design of sensor array. The main achievements include a HSPICE-compatible macro-model of depletion–mode Si3N4 gate ISFET, a bridge-type drain-source follower circuit and an adjustable operating point source follower interface circuit for multiple-ISFET sensing applications, and a VT extractor temperature sensor accompanied with a temperature compensation electronics are presented.
In addition, a 10M Sample/s successive current comparison mode analog-to-digital converter is presented in this thesis. The resolution of the ADC is 8-bit and operated at 1.5V. The simulation results show that the ADC consumes 446.5uW only, the INL and DNL are 1~5LSB and -2.4~2.6LSB respectively.

目 錄
中文摘要………………………..……………...…………………………i
英文摘要…………………………………………………………………ii
誌謝……………………………………………………..……………….iii
目錄…………………………………………………………..…………..v
圖表目錄………………………………………………………..………vii

第一章 緒論…………………..…………………..………………….…1
1-1 研究背景……………….….………………………………...1
1-2 研究動機與目的…………..………………………………...2
1-3 論文架構說明………………..……………………………...4

第二章 ISFET巨集行為模型研究與開發……………………………..6
2-1 ISFET架構與動作原理說明……………………………….6
2-2 ISFET二維物理模型建構與電性曲線分析……………...10
2-3 金屬閘極ISFET LEVEL III模型參數萃取………….….23
2-4 電化學理論與等效模型…………………………………...32
2-5 開發模型參數模擬與量測結果討論……………………...42

第三章 離子感測陣列訊號讀出電路設計…….……………………..49
3-1 訊號讀出電路種類與特性比較…………………………..49
3-2 多通道離子感測陣列訊號讀出電路設計與積體化實現...65
3-2.1 多通道橋式源極浮接組態訊號讀出電路………...65
3-2.2 可恆壓恆流操作之多通道源極追隨組態
訊號讀出電路……………………………………...78
3-3 ISFET電化學特性量測與統計分析結果………………..86
3-3.1 統計學之標準差與常態分佈觀念………………..86
3-3.2 時間響應與時漂特性……………………………..88
3-3.3 遲滯響應…………………………………………..91
第四章 感測陣列訊號讀出溫度補償電路設計……………………..95
4-1 ISFET溫度效應研析………………....…………………..95
4-2 臨界電壓萃取型式溫度感測器設計……………………103
4-3 溫度感測器訊號校正讀出電路…………………………109
4-4 離子感測訊號讀出溫度補償方式種類…………………113
4-5 訊號差分溫度補償模組建立與量測結果……………….117

第五章 連續電流比較方式類比/數位轉換電路設計………………124
5-1 類比/數位轉換器種類與比較……………………………124
5-2 連續電流比較方式類比/數位轉換電路設計流程………127
5-2.1 關鍵子電路設計………………………………….127
5-2.2 使用MATLAB/SIMULINK建構電路行為模型...140
5-3 電路佈局與模擬結果…………………………………….143

第六章 結論與未來展望…………………………………………….148
6-1 結論……………………………………………………….148
6-2 未來展望………………………………………………….149

參考文獻……………………………………………………………...151
附錄一 LMC6484AIN軌對軌運算放大器規格………………….…155
附錄二 口試委員之問題與答問…………………………………….156
作者簡歷………………………………………………………………164

圖 目 錄
圖1-1 ISFET相關研究領域專利申請數目概估………….…………………..….3
圖1-2 論文整體架構方塊………………...…………..…….……………….....…5
圖2-1 (a)ISFET基本結構與剖面圖(b)ISFET微照相…………………………..6
圖2-2 ISFET表面鍵結模型示意圖……....………………………………………7
圖2-3 pH-ISFET復相體系簡化模型…………………………………………….9
圖2-4 (a)金屬閘極ISFET製程步驟1~11模擬結果…………………………..15
(b)金屬閘極ISFET製程步驟12~20模擬結果………………………..16
(c)金屬閘極ISFET製程步驟21~29模擬結果與完整二維物理模型結構
…………………………………………………………………………17
圖2-5 (a)金屬閘極ISFET掺雜濃度橫切面圖…………………………………20
(b)金屬閘極ISFET各極區域掺雜濃度分佈圖…………………………20
圖2-6 不同條件下之汲極電流對閘極電壓特性曲線模擬…………………….21
圖2-7 不同通道區域離子佈植濃度與能量之汲極電流對閘極電壓特性曲線模擬………………………………………………………………………….22
圖2-8 最佳化模型參數萃取圖形化介面視窗說明…………………………….29
圖2-9 LEVEL III模型參數萃取最佳化完整執行步驟…………………………31
圖2-10 ISFET行為等效模型…………………………………………………….36
圖2-11 ISFET行為等效模型標示端點於不同酸鹼值之模擬結果…………….38
圖2-12 不同表面密度對電位差 之模擬結果…………………………………39
圖2-13 不同表面離子常數對電位差 之模擬結果……………………………40
圖2-14 ISFET巨集行為模型之HSPICE子電路方塊…………………………42
圖2-15 金屬閘極MOSFET量測組態建立與環境設定…………………………43
圖2-16 第一批金屬閘極MOSFET量測結果與比較………………………….44
圖2-17 完整晶圓之裸晶配置與編號…………………………………………….45
圖2-18 座落不同晶圓且相同編號位置時量測結果比較……………………….46
圖2-19 萃取模型參數HSPICE模擬與量測數據比較………………………….47
圖2-20 ISFET巨集行為模型模擬結果與量測數據比較……………………….48
圖3-1 電壓回授至參考電極組態……………………………………………….50
圖3-2 可應用於感測陣列實現之連結組態…………………………………….52
圖3-3 模擬結果與兩通道量測結果比較……………………………………….52
圖3-4 電流法訊號讀出組態…………………………………………………….53
圖3-5 ISFET操作電流對閘極電壓特性曲線示意圖………………………….54
圖3-6 源極追隨訊號讀出組態………………………………………………….55
圖3-7 源極追隨訊號讀出基本組態使用之偏壓電路………………………….57
圖3-8 兩組電流沈電路平面佈局圖…………………………………………….57
圖3-9 源極追隨訊號讀出基本組態量測與模擬結果比較…………………….58
圖3-10 可恆壓恆流操作源極追隨組態訊號讀出電路………………………….59
圖3-11 恆壓恆流源極追隨組態訊號讀出電路模擬結果……………………….61
圖3-12 多通道源極追隨組態訊號讀出電路…………………………………….62
圖3-13 第一版橋式源極浮接訊號讀出電路…………………………………….63
圖3-14 第二版橋式源極浮接訊號讀出電路…………………………………….65
圖3-15 能隙參考電壓電路……………………………………………………….67
圖3-16 雙載子電晶體平面佈局圖……………………………………………….69
圖3-17 雙載子電晶體量測組態與訊號源設定………………………………….70
圖3-18 雙載子電晶體集極電流對射極-基極電壓特性曲線量測與模擬結果…71
圖3-19 雙載子電晶體集極電流對射極-集極電壓特性曲線量測與模擬結果…71
圖3-20 雙載子電晶體電流增益量測與模擬結果……………………………….72
圖3-21 能隙參考電壓電路量測組態與訊號源設定…………………………….74
圖3-22 不同供應電壓時之能隙參考電壓電路輸出量測結果………………….74
圖3-23 不同溫度時之能隙參考電壓電路輸出量測結果……………………….75
圖3-24 單通道橋式源極浮接組態訊號讀出電路晶片………………………….76
圖3-25 四通道橋式源極浮接組態訊號讀出電路模組………………………….77
圖3-26 四通道橋式源極浮接組態訊號讀出電路模組量測與模擬結果……….78
圖3-27 四通道源極追隨組態訊號讀出電路…………………………………….79
圖3-28 電壓-電流調節器電路……………………………………………………80
圖3-29 電壓-電流調節器模擬結果………………………………………………81
圖3-30 解碼器與類比開關連接完整電路……………………………………….82
圖3-31 解碼器與類比開關連接模擬結果……………………………………….82
圖3-32 可恆壓恆流操作之四通道源極追隨組態訊號讀出電路晶片………….83
圖3-33 電路晶片於不同酸鹼值時訊號輸出量測結果………………………….85
圖3-34 四通道讀出訊號感測靈敏度常態分佈曲線…………………………….88
圖3-35 四通道訊號讀出時漂特性量測結果…………………………………….90
圖3-36 四通道訊號讀出時漂特性常態分佈曲線……………………………….91
圖3-37 四通道讀出訊號與時間響應關係階梯圖……………………………….92
圖3-38 四通道訊號讀出遲滯響應曲線………………………………………….93
圖3-39 四通道訊號讀出遲滯響應殘留值……………………………………….93
圖3-40 四通道訊號讀出遲滯響應常態分佈曲線……………………………….94
圖4-1 電位差 於不同溫度下之模擬結果………………………………….100
圖4-2 (a)編號1氮化矽感測膜ISFET變溫特性量測………………………..101
(b)編號2氮化矽感測膜ISFET變溫特性量測……………………….102
(c)三氧化二鋁感測膜ISFET變溫特性量測………………………….102
圖4-3 自由輸入臨界電壓萃取器……………………………………………..106
圖4-4 臨界電壓萃取器於不同溫度下模擬結果……………………………..107
圖4-5 臨界電壓萃取器於不同製程條件模擬與量測結果比較……………..108
圖4-6 溫度感測器校正讀出電路……………………………………………...109
圖4-7 溫度感測器訊號校正流程圖……………………………………………111
圖4-8 溫度感測器訊號讀出校正模擬結果……………………………………111
圖4-9 溫度感測器與訊號校正讀出電路模組…………………………………112
圖4-10 結合溫度感測器與訊號校正讀出電路模組量測結果…………………113
圖4-11 兩通道氮化矽膜ISFET訊號讀出變溫量測結果……………………..114
圖4-12 ISFET差分對溫度補償組態……………………………………………116
圖4-13 訊號差分溫度補償技術電路方塊………………………………………116
圖4-14 修正後訊號差分溫度補償電路方塊……………………………………117
圖4-15 訊號差分處理電路(儀表放大器)……………………………………….118
圖4-16 訊號差分溫度補償電路模組……………………………………………119
圖4-17 完整溫度補償量測組態與相關使用儀器說明………………………...120
圖4-18 完整訊號差分溫度補償各端點訊號輸出量測結果…………………..121
(a)緩衝液酸鹼值………………………………………………………..121
(b)溫度感測器輸出訊號………………………………………………..122
(c)溫度感測器校正後讀出訊號………………………………………..122
(d) ISFET讀出訊號…………………………………………………….123
(e)溫度補償後輸出訊號………………………………………………..123
圖5-1 可調整電流範圍之低電壓高解析度連續電流比較方式類比/數位轉換器電路方
塊………………………………………………………………..128
圖5-2 電流比較單元(IADC)完整電路………………………………………..129
圖5-3 傳統疊接式與低電壓寬擺幅組態電流鏡……………………………..130
圖5-4 包含輸入電壓源與輸出負載之NMOS開關………………………….133
圖5-5 不同型態開關之導通電阻大小比較…………………………………...134
圖5-6 CMOS傳輸閘完整電路與表示符號…………………………………..135
圖5-7 連接DUMMY的CMOS傳輸閘電路…………………………………135
圖5-8 電壓-電流調節器………………………………………………………..136
圖5-9 參考電流源電路………………………………………………………...137
圖5-10 二進碼加權式數位/類比轉換架構…………………………………….137
圖5-11 改良後之電流操控式數位/類比轉換器……………………………….139
圖5-12 電流比較單元(IADC)行為模型描述…………………………………..140
圖5-13 8位元連續電流比較方式類比/數位轉換電路行為模型描述………..140
圖5-14 8位元轉換器行為模型模擬輸出結果…………………………………141
圖5-15 二進碼加權式數位/類比轉換架構行為模型描述……………………..142
圖5-16 類比輸入訊號還原行為模型描述……………….……………………..142
圖5-17 輸入電流與還原後電流結果對照……………………………………...142
圖5-18 連續電流比較方式類比/數位轉換器平面佈局與配置圖……………..143
圖5-19 八位元連續電流比較方式類比/數位轉換器暫態分析模擬結果……..144
圖5-20 在TT製程條件下之類比/數位轉換特性模擬結果……………………145
圖5-21 不同製程條件下之類比/數位轉換特性模擬結果……………………..145
圖5-22 電流操控式數位/類比轉換器模擬輸出結果…………………………..146

表 目 錄
表1-1 不同型態之ISFET感測陣列相關特性與適用範圍比較……………..…2
表1-2 已投入ISFET相關領域研發的公司與研究機構………………………...2
表2-1 不同材質感測膜ISFET特性比較……………………………………….12
表2-2 IET提供之氮化矽膜空乏型ISFET製程相關參數列表………………..14
表2-3 LEVEL III模型參數萃取最佳化設定與參數萃取結果…………………30
表2-4 感測膜界面電化學參數………………………………………………….37
表2-5 第一批金屬閘極MOSFET臨界電壓量測結果……………………….44
表2-6 不同編號位置且於相同晶圓時量測結果比較………………………….46
表3-1 源極追隨訊號讀出基本組態量測與模擬結果靈敏度比較…………….59
表3-2 不同組態感測陣列訊號讀出電路比較………………………………….64
表3-3 能隙參考電壓電路供應電壓穩定後之輸出電壓與模擬結果………….74
表3-4 能隙參考電壓電路輸出溫度係數量測結果與模擬值………………….75
表3-5 四通道訊號讀出感測靈敏度量測與模擬結果………………………….78
表3-6 四通道源極追隨組態訊號讀出電路晶片類比端點訊號量測………….83
表3-7 電路晶片於不同酸鹼值時訊號輸出量測與模擬結果列表…………….84
表3-8 四通道訊號讀出時漂量測結果與標準差列表………………………….91
表3-9 四通道訊號讀出遲滯值與標準差列表………………………………….94
表4-1 Riedel-deHaen公司提供製造成份與酸鹼濃度變化範圍……………..98
表4-2 臨界電壓萃取器於不同製程條件模擬與量測結果靈敏度比較……..108
表4-3 完整訊號差分溫度補償組態量測結果列表…………………………..121
表5-1 各種類比/數位轉換器架構之特性與應用範圍………………………..125
表5-2 高速類比/數位轉換器特性比較………………………………………..126
表5-3 傳統疊接式與低電壓寬擺幅組態電流鏡特性比較…………………..130
表5-4 不同製程條件下之INL與DNL模擬結果…………………………….146
表5-5 相關發表文獻與吾人設計版本特性結果比較………………………...147

參 考 文 獻

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