臺灣博碩士論文加值系統

以延伸式閘極場效電晶體(EGFET)的方式做為量測架構的生化感測器，其具備製造容易、價錢低廉、複製再生性高、化學靈敏度高、易封裝，且光對元件影響較小之優點，但由於生化感測元件在檢測過程中，工作電極表面容易遭受環境或檢測物的污染，為了避免受污染的工作電極影響檢測結果，故需要常常清潔與保養檢測的工作電極，有鑑於此拋棄式的生化感測器，就顯得有存在的必要性了。因此應用EGFET架構來製作低成本之可拋棄式生化感測器是非常可行。
在本論文研究中以氧化鋁做為EGFET感測器架構的感測膜材料，並進行酸鹼值感測度之量測與比較：
一、 以PET為基板，利用濺鍍方式在上方沉積金屬鋁，並透過酒石酸等配方之電解液以陽極氧化處理方式將鋁氧化成氧化鋁，之後透過金屬氧化物電晶體MOSFET改良成的EGFET方式結合形成酸鹼感測器。在ID-VGS特性上pH4至pH10緩衝水溶液中擁有53.35 mV/pH的靈敏度，若透過儀表放大器讀取電壓感測訊號亦有56.93mV/pH的線性度。
二、 討論在不同濺鍍溫度條件下，相同環境陽極處理的氧化鋁，對其表面結構、靈敏度、線性度、時漂現象與遲滯現象做比較與探討。經實驗結果發現低溫濺鍍經陽極處理後的氧化鋁電極其上述特性較佳。
三、 透過國家晶片系統設計中心下線製作EGFET感測器元件。並利用其測試結果與所假設的AAO-EGFET等效電路模型做比對，建立一個AAO-EGFET等效電路模型。

In the course of measuring biosensor devices, working electrode surface is rather susceptible to pollution of samples or environment. In order to avoid the polluted working electrode which may influence the result of the measurement, cleaning and maintenance of the working electrode is required. The disposable biosensor device, in view of this, shows the value of its existence. As the biosensor which is equipped with the structure of Extended Gate Ion Sensitive Field Effect Transistor (EGFET) possesses the traits of easy access, low price, high duplication and regeneration, high chemical sensitivity, exchange encapsulation, and only have a little effect on component, using this structure to produce low-cost, disposable biosensors is quite feasible.

In this thesis, using alumina membrane to be the material of EGFET detecting device structure, and estimating and comparing the acid-base value sense.
1. The substrate is PET, and sputtering the metal aluminum in top. Then anodized with the way to oxidize the aluminum into the alumina by fill an electrolyte prescription with Tartaric Acid, etc. Later combined pH-sensor, which is formed EGFET way with MOSFET. The ID-VGS characteristic, the sensitivity is 53.35 mV/pH while buffer solution is between pH4 and pH10. Also, it has linear sensitivity 56.93mV/pH by reading voltage signal from the instrumentation amplifier.
2. The discussion is base on the comparison of sensitivity, linearly, drift and hysteresis phenomenon in different temperature sputtering and at same environment anodized aluminum oxide for surface of structures. From the experiment results is the characteristics of Aluminum oxide electrode fabricated by low temperature sputtering with through anodizes are good.
3. Tape out EGFET sensor device through CIC. Utilize test result to compare with AAO-EGFET equivalent circuit model supposed, and build-up equivalent model of the AAO-EGFET devices.

誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT IV
目錄 V
表目錄 XI
圖目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 4
1.3 研究流程 5
第二章 生化感測器理論與探討 7
2.1 生化感測器原理 7
2.2 EGFET感測之原理 8
2.3 EGFET元件之I-V特性 12
第三章 陽極氧化鋁感測器實驗與結果 14
3.1 原理分析 14
3.2 陽極氧化鋁感測膜EGFET備製 16
3.2.1 PET軟板清洗 16
3.2.2 濺鍍鋁金屬於PET軟板上 16
3.2.3 電解液配製 17
3.2.4 陽極處理 18
3.2.5 組裝陽極氧化鋁EGFET 19
3.3 陽極氧化鋁感測元件量測 21
3.3.1 AAO EGFET之I-V量測 21
3.3.2 感測元件讀出電路比較 23
3.3.3 AAO EGFET感測讀出電路 25
3.4 不同條件陽極氧化鋁電極的備製 28
3.4.1 研究動機 28
3.4.2 不同狀態的氧化鋁電極備製 28
3.5 陽極氧化鋁電極的表面分析 31
3.5.1 試片巨觀結果 31
3.5.2 SEM影像 32
3.5.3 試片在XRD下的比較 35
3.6 陽極氧化鋁電極的電性分析 38
3.6.1 感測度與線性度的比較 38
3.6.2 遲滯現象 40
3.6.3 時漂現象 41
3.7 實驗結果與討論 45
第四章 利用標準製程方式製作氧化鋁膜的EGFET 48
4.1 研究動機 48
4.2 設計架構與流程 50
4.2.1 設計架構 50
4.2.2 設計流程 51
4.3 模擬結果 53
4.3.1 電流鏡部分 53
4.3.2 EGFET 57
4.4 測試結果 61
4.4.1 電流鏡部分 61
4.4.2 EGFET中MOSFET部分 62
4.4.3 EGFET感測晶片測試 65
4.4.4 EGFET晶片與外接式感測電極 66
4.5 設計與量測規格列表 69
4.6 結果討論 70
第五章 陽極處理氧化鋁EGFET等校電路模型建立 73
5.1 模型建立原理 73
5.2 EGFET感測器等效電路模型 75
5.2.1 傳統ISFET等效電路模型架構 75
5.2.2 EGFET等效電路模型架構 76
5.3 陽極氧化鋁EGFET模擬參數 79
5.3.1 零電壓點的pH值 79
5.3.2 絕緣層表面反應係數 79
5.3.3 感測膜Rb電阻 82
5.3.4 延伸導線的電阻RLine與電容CLine 82
5.3.5 MOSFET參數 82
5.4 模擬的結果 83
5.4.1 AAO-EGFET感測電路模擬結果 83
5.4.2 Cdl與NS之影響 85
5.4.3 其他材料驗證 88
5.5 結果討論 90
第六章 結論 94
附錄A 以儀表校正電路提升感測器良率 96
A. 1 前言 96
A. 2 網版碳電極製作 97
A. 3 網版感測元件量測 99
A.3.1 EGFET的特性量測 99
A.3.2 酸鹼水溶液之量測架構 100
A. 4 儀表放大器加校正電路提升感測良率 103
A.4.1 穩定性 103
A.4.2 重複性 105
A.4.3 重現性 106
A. 5 結論 108
附錄B 下線IC打線與腳位圖 109
B. 1 晶片打線圖 109
B. 2 晶片腳位圖 110
參考文獻 111
簡歷 117


表 目 錄

表3-1. 電壓式與電流式感測讀出電路的優缺點比較 24
表3-2. 不同電壓式架構量測特性優缺點比較 24
表3- 3. 濺鍍的相關參數 30
表3-4. 濺鍍過後經陽極處理的氧化鋁電極巨觀結果 31
表3-5. 兩種濺鍍鋁溫度之氧化鋁電極的遲滯現象各酸鹼間的相差表 41
表3-6. 亮面與霧面兩種陽化鋁電極的時漂率 43
表4-1. 設計與量測規格列表 69
表5-1. Cdl與靈敏度的關係表 85
表5- 2. Cdl、Nsil與靈敏度的關係表 87
表5-3. 文獻中四種氧化物材料的靈敏度範圍[58-60] 89

圖 目 錄

圖1-1. ISFET結構剖面圖[2] 2
圖1-2. EGFET量測架構圖 3
圖1-3. 論文研究流程圖 6
圖2-1. 生化感測器之感測原理 7
圖2-2. 電解液與感測膜介面的電荷分布模型 9
圖2-3. EGFET感測器元件I-V特性量測架構圖 13
圖3-1. 接面化學反應示意圖[22] 15
圖3-2. 濺鍍系統 17
圖3-3. (a)陽極處理系統 (b)EGFET感測器前端的陽極氧化鋁膜結構示意圖 18
圖3-4. 陽極氧化鋁感測電極EGFET製作流程示意圖 20
圖3-5. PET 氧化鋁EGFET I-V特性量測系統 22
圖3-6. (a)氧化鋁電極-EGFET量測不同酸鹼水溶液之ID-VGS特性曲線圖 (b)將ID-VGS量測結果轉換成pH與電壓關係圖 23
圖3-7. 雙電極式電壓儀表放大器量測酸鹼的架構圖 25
圖3-8. (a)儀表放大器量測結果 (b) 第60秒結果繪製出的電壓與酸鹼關係圖 27
圖3-9. 鋁與陽極氧化鋁試片在掃描式電子顯微鏡SEM下的結果 34
圖3-10. 鋁在酸鹼溶液下氧化的結果[34] 36
圖3-11. 利用XRD分析不同溫度下沉積的鋁在陽極處理後氧化鋁試片的結果 37
圖3-12. 氧化鋁在<012>面的結構(較大的為氧；較小的為鋁) 37
圖3-13. 兩種電極經多次再現性的量測結果 38
圖3-14. 兩種濺鍍鋁溫度之氧化鋁電極的遲滯現象量測 41
圖3-15. 兩種陽極氧化鋁電極在pH5、pH7、pH9水溶液內的時漂現象 42
圖3-16. 兩種陽極氧化鋁電極在不同時間點的線性度量測值 43
圖4-1. 利用標準製程製作EGFET酸鹼感測器架構圖 49
圖4-2. 晶片化陽極氧化系統示意圖 50
圖4-3. 提供陽極氧化的電流鏡電路 52
圖4-4. 陽極氧化鋁EGFET酸鹼感測器剖面示意圖 52
圖4-5. 改良式威爾森電流鏡架構與模擬結果 54
圖4-6. 感測窗阻值增加電路架構與模擬結果 55
圖4-7. 陽極氧化感測窗有初始電壓之模擬架構與模擬結果 57
圖4-8. EGFET的I-V特性 58
圖4-9. 現有文獻中EGFET在酸鹼水溶液中的等校模型[47] 59
圖4-10. 現有模型在不同pH緩衝水溶液中的ID-VGS曲線 60
圖4-11. 電流鏡電流調整與測試架構圖 61
圖4-12. 電流鏡部分I-R模擬與量測比較圖 62
圖4-13. EGFET中MOSFET的特性量測測試架構圖 63
圖4-14. EGFET中MOSFET部分I-V模擬與量測比較圖 64
圖4-15. 陽極氧化鋁EGFET 感測晶片ID-VGS量測結果 65
圖4-16. EGFET晶片陽極處理外接感測電極架構圖 66
圖4-17. EGFET晶片MOSFET與外接感測電極示意圖 67
圖4-18. EGFET中MOSFET部分與外接感測膜匹配酸鹼測試圖 68
圖4-19. 晶片區域照片：電流鏡與MOSFET(右圖)；感測窗(左圖) 73
圖5- 1. ISFET與EGFET的EIS架構圖 74
圖5-2. ISFET的原始等效電路模型 75
圖5-3. 簡化後的ISFET等效電路模型 76
圖5-4. EGFET的原始等效電路模型 77
圖5-5. 簡化後的EGFET等效電路模型 77
圖5-6. M-OH的表面幾何結構 80
圖5-7. Gibbsite Al(OH)3晶體結構 81
圖5-8. 所建立模型模擬與實際量測結果比較圖 84
圖5-9. Cdl與靈敏度關係圖 86
圖5-10. Cdl、NS與靈敏度關係圖 88
圖5-11. 以文獻SiO2與SnO2參數帶入程式的模擬結果 89

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