臺灣博碩士論文加值系統

本文係以延伸式閘極場效電晶體 (Extended Gate Field Effect Transistor, EGFET) 的方式做為量測架構的主體，其優點有易製造、價格低、再現性高、靈敏度高、易封裝，且光影響較小等特點，因此應用EGFET架構來製作可拋棄式之生化感測器為本文探討之重點。

本論文之研究主要係針對延伸式閘極場效電晶體(EGFET)之酸鹼感測元件為主體，其架構為二氧化鈦(Titanium Oxide，TiO2)/氧化銦錫(ITO)玻璃當電極，以發展pH或生醫感測元件之應用。在本實驗中，以溶膠-凝膠法(Sol-Gel)來備製二氧化鈦感測膜。在酸鹼量測上具有接近理論值59mV/pH的線性度，另外也使用包埋法，將尿素酵素固定在二氧化鈦/氧化銦錫(ITO)電極上，實現一尿素感測器，在不同酵素活性10mg/dl~60mg/dl時，其反應約有17.73mV/pUrea ~ 23.07mV/pUrea。

根據實驗結果，TiO2/ITO-EGFET的整體特性，足以發展生醫感測器之應用。

關鍵字：延伸式閘極場效電晶體 ( EGFET )、二氧化鈦 ( TiO2 )

Titanium dioxide (TiO2) materials have been prepared by sol-gel technology on indium tin oxide (ITO) in this thesis. The TiO2/ITO glass sensing structures based on extended-gate field-effect transistor (EGFET) were formed with dipping method. The process supports simplicity of manufacture, low-cost, mass production and the development of disposable sensors in the clinical diagnosis. According to the experimental results, the sensitivity of TiO2/ITO is approximately 57.59 mV/ pH between pH2 and pH12 in acid-base measurement.

Next, the gel entrapment method was used to fix enzyme membrane on our TiO2/ITO electrodes. The urea concentration variation was detected used the potentiometry circuit. For urea concentration between 10 mg/dl and 60 mg/dl, they have corresponding response between 17.73 mV/pUrea and 23.07 mV/pUrea.

According to measurement results, TiO2/ITO glass EGFET is suitable to develop a medical sensor element.

Keyword：extended gate field effect transistor, titanium oxide, sol-gel, urea

論文目錄
摘要……………………………………………………………………Ⅰ
誌謝……………………………………………………………………Ⅳ
目錄……………………………………………………………………Ⅴ
圖目錄…………………………………………………………………Ⅷ
表目錄………………………………………………………………XIII

第一章 緒論………………………………………………………1
1-1 ISFET、EGFET 之背景與研究趨勢 1
1-2 研究動機 5

第二章 文獻回顧…………………………………………………7
2-1 生物感測器 7
2-2 二氧化鈦介紹 11
2-2-1二氧化鈦性質 11
2-2-2二氧化鈦結構 11
2-2-3二氧化鈦之備製 15
2-3 延伸式閘極場效電晶體 20
2-3-1吸附鍵結模型 20
2-3-2 延伸式閘極場效電晶體之工作原理 24
2-4 參考電極 27

第三章 實驗步驟與方法………………………………………29
3-1 EGFET元件備製 29
3-2 薄膜表面分析原理與量測系統 30
3-2-1 薄膜表面微觀結構 30
3-2-2 量測系統與電路 31
3-3 感測度之探討 35
3-3-1 pH 量測 36

第四章 實驗量測………………………………………………52
4-1 酸鹼部份 52
4-1-1 I-V 量測 72
4-2 時漂效應 74
4-2-1 時漂效應之定義 74
4-2-2 時漂效應之探討 74
4-2-3 實驗架構與結果 75
4-3 遲滯效應 76
4-3-1遲滯效應之定義 76
4-3-2 遲滯效應之探討 77
4-3-3 實驗架構與結果 77
第五章 尿素感測器之實現………………………………………82
5-1 生理機制 82
5-2 酵素薄膜固定 83
5-3 尿素感測器 84
5-4 酵素薄膜之固定 85
5-5 實驗架構與結果 85

第六章 結論與展望…………………………………………… 88
6-1感測度 88
6-2 IDS-VGS量測 89
6-3 尿素感測器 89
6-4 未來展望 89

參考文獻 91

圖目錄
圖1-1 ISFET 結構圖 1
圖1-2 離子感測場效電晶體之演進過程 4
圖2-1 TiO6的八面體結構 13
圖2-2 TiO2三種晶體結構圖 14
圖2-3 二氧化鈦之相圖 15
圖2-4 水解製備奈米氧化鈦粉體流程圖 17
圖2-5 工業化生產二氧化鈦之流程圖 17
圖2-6 ISFET元件 Site-Bonding Model示意圖 23
圖2-7 Helmholtz模型 23
圖2-8 Gouy-Chapman模型 24
圖2-9 延伸式閘極場效電晶體之結構圖 25
圖2-10 非對稱離子選擇元件之等效電路 26
圖3-1 二氧化鈦延伸式閘極場效電晶體架構圖 30
圖3-2 TiO2 SEM圖 31
圖3-3 IDS-VGS量測系統示意圖 32
圖3-4 IDS-VGS圖 33
圖3-5 INA114內部電路圖 34
圖3-6 量測架構圖 35
圖3-7 配方1之量測圖 36
圖3-8 配方2之量測圖 37
圖3-9 配方3之量測圖 38
圖3-10 配方4之量測圖 39
圖3-11 配方5之量測圖 40
圖3-12 紫光pH2~pH12之感測圖 41
圖3-13 藍光pH2~pH12之感測圖 41
圖3-14 50W pH2~pH12之感測圖 42
圖3-15 市內光源pH2~pH12之感測圖 42
圖3-16 黑箱 pH2~pH12值之感測圖 43
圖3-17 紫光 pH2~pH12之感測圖 43
圖3-18 藍光 pH2~pH12之感測圖 44
圖3-19 50W pH2~pH12之感測圖 44
圖3-20 市內光源 pH2~pH12之感測圖 45
圖3-21 黑箱 pH2~pH12之感測圖 45
圖3-22 紫光 pH2~pH12之感測圖 46
圖3-23 藍光 pH2~pH12之感測圖 46
圖3-24 50W pH2~pH12之感測圖 47
圖3-25 市內光源 pH2~pH12之感測圖 47
圖3-26 黑箱 pH2~pH12之感測圖 48
圖3-27 紫光 pH2~pH12之感測圖 48
圖3-28 藍光 pH2~pH12之感測圖 49
圖3-29 50W pH2~pH12之感測圖 49
圖3-30 市內光源 pH2~pH12之感測圖 50
圖3-31 黑箱 pH2~pH12之感測圖 50
圖4-1 第一次量測之感測圖 52
圖4-2 第二次量測之感測圖 52
圖4-3 第三次量測之感測圖 53
圖4-4 第四次量測之感測圖 53
圖4-5 第五次量測之感測圖 54
圖4-6 第六次量測之感測圖 54
圖4-7 第七次量測之感測圖 55
圖4-8 第八次量測之感測圖 55
圖4-9 第九次量測之感測圖 56
圖4-10 第十次量測之感測圖 56
圖4-11 整體比較圖 57
圖4-12 pH2~pH12之感測圖 59
圖4-13 pH2~pH12之感測圖 59
圖4-14 pH2~pH12之感測圖 60
圖4-15 pH2~pH12之感測圖 60
圖4-16 pH2~pH12之感測圖 61
圖4-17 pH2~pH12之感測圖 61
圖4-18 pH2~pH12之感測圖 62
圖4-19 pH2~pH12之感測圖 62
圖4-20 pH2~pH12之感測圖 63
圖4-21 pH2~pH12之感測圖 63
圖4-22 實驗總圖 64
圖4-23 拉昇次數1 65
圖4-24 拉昇次數2 66
圖4-25 拉昇次數3 67
圖4-26 拉昇次數4 68
圖4-27 拉昇次數5 69
圖4-28 拉昇次數6 70
圖4-29 實驗關係圖 71
圖4-30 I-V關係圖 73
圖4-31 時漂實驗圖 76
圖4-32 遲滯量測圖 79
圖4-33 浸泡六小時純水之遲滯圖 79
圖4-34 固定電流之架構圖與實驗圖 80
圖4-35 遲滯實驗總圖 81
圖5-1 尿素循環 82
圖5-2 量測架構圖 86
圖5-3 不同酵素活性對反應時之影響 87

表目錄
表2-1 不同相TiO2的物理化學性質 12
表2-2 三種TiO2晶體結構鍵長與密度 13
表2-3 二氧化鈦微粉及奈米粉體的主要方法 19
表4-1 各酸鹼電壓變化表 58
表5-1 血清尿素氮之參考值 83

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