基于标准CMOS工艺的pH值传感器.pdfVIP

Vol28 No 第28卷第8期 半导体学报 8 2007年8月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORS Aug，2007 基于标准CMOS工艺的pH值传感器” 施朝霞 朱大中t (浙江大学微电子与光电子研究所，杭州310027) 摘要：基于传统离子敏感器件的敏感模型，建立了与CMOS工艺兼容的以钝化层氮化硅作为敏感膜的MFGFET (multi·floatinggateFET)多层浮栅晶体管结构阈值电压模型采用上华069inCMOS标准工艺，设计了一种与 CMOS工艺兼容的pH值传感器片上控制电路使MFGFET器件源漏电压和源漏电流恒定，器件工作在一个稳定 的状态采用离子敏MFGFET和参考MFGFET差分拓扑结构，减少了测量电路的固定模式噪声．器件溶液实测 pH值在1～13范围内，器件的平均灵敏度为358mV／pH 关键词：pH值传感器；MFGFET；灵敏度 EEACC：2570D；2810 中图分类号：TN43 文献标识码：A 文章编号：0253．4177(2007)08—1272-06 引言 CMOS工艺兼容的多层浮栅电极结构场效应管结 pH值传感器广泛应用在环保、食品、化工、医 构，并用晶体管特性仪对器件的转移特性曲线进行 药、农业、水产养殖等领域．pH值传感器的发展经 了测试，表明了该结构的可行性．片上集成的信号处 理电路，通过反馈或保持源漏电压和源漏电流恒定 历了pH玻璃电极、pH固态敏感电极、pH场效应 的方法使得pH传感器输出与器件阈值电压变化呈 晶体管(pH．FET)等阶段，其发展趋势是固态化、微 型化、集成化以及智能化．将pH值传感器的探测单 线性关系“’7]．芯片的封装最理想的解决方法是采 元与信号处理电路集成于同一芯片上，具有体积小、 用露出传感区域的倒装(flip—chip 功耗低和便于与其他传感器兼容集成的优点，也为 界提供的倒装是将整个芯片灌封的，pH值传感区 多功能传感器的发展创造了条件o’2]． 域无法露出．文献[9]中提到在PCB板上开一个比 芯片尺寸较大的方孔，压焊后通过紫外厚胶SU．8 pH．FET的发展是离子敏感技术与微电子技术 光刻技术对压焊区实现绝缘保护，该方法操作起来 相结合的产物20世纪70年代，Bergveld口1首次提 难度较大，可靠性也不是很高． 出了pH．FET的基本结构，该器件结构的特点是， 将对特定离子敏感的薄膜直接覆盖在栅绝缘层上． 本文基于传统的离子敏感模型，建立了MFG． 使用时，离子敏感膜及电解质溶液共同形成器件的 FET器件阈值电压的理论模型，并通过上华多项目 栅极，电解质溶液和敏感膜界面处形成双电荷层，具 晶圆(multiproject CMos两层金属、两层多晶Si5V混合信号工艺，进 有一定的界面电势，并且该界面电势根据Nernst模 行了流片验证，芯片上集成了保持MFGFET器件 型，与溶液中的离子活度呈特定的变化关系．界面电 工作状态稳定的恒源漏电压和恒源漏电流的控制电 势变化对FET沟道电