[發明專利]基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態pH值傳感器

無效

• 申請號: 201110003064.3
• 申請日: 2011-01-07
• 公開（公告）號: CN102175740A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 施朝霞;曹全君;彭銀生;常麗萍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;王利強

技術領域

本發明涉及全固態pH值傳感器，適用于未來微型化、集成化和智能化的新型生物傳感系統和醫學等領域。

背景技術

pH值傳感器在生物化學、醫學等領域具有重要的應用價值。自1909年pH值概念提出至今，pH值傳感器的發展經歷了玻璃電極pH值傳感器、固態敏感電極pH值傳感器、光尋址電位pH值傳感器、場效應晶體管pH值傳感器等階段。

隨著微細加工技術的發展，研究人員將離子敏感、選擇電極制作技術與固態微電子學相結合，研制出了新型的半導體氫離子敏感器件。該新型的pH值傳感單元兼有電化學和晶體管的雙重特性，與傳統的pH值傳感器相比，它具有以下優勢：(1)靈敏度高、響應快、輸入阻抗高、輸出阻抗低、兼有阻抗變換和信號放大的功能，可避免外界感應與次級電路的干擾作用；(2)體積小，重量輕，特別適用于生物體內的動態監測；(3)不僅可以實現單個器件的小型化，而且可以采用集成電路工藝和微加工技術，實現多種離子和多功能器件的集成化，具有微型化、集成化和智能化的發展潛力。另外可與計算機連接，實現在線控制和實時監測。

該結構pH值傳感器雖然通過與微電子工藝結合實現了結構的固態化，為pH值傳感器的微型化和集成化提供了技術上的可能，但是該傳感結構采用的是“裸柵”結構，通過在柵氧化層上淀積氫離子敏感薄膜，與標準CMOS工藝的柵“自對準”工藝不能兼容。無法將pH值傳感單元與信號處理電路集成在同一芯片上。

發明內容

為了克服已有固態pH值傳感器的無法與標準CMOS工藝兼容、不利于集成化的不足，本發明提供一種實現與標準CMOS工藝兼容、便于集成化的基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態pH值傳感器。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態pH值傳感器，包括場效應管漏區和場效應管源區構成的PMOS場效應管，所述PMOS場效應管與氧化層連接，所述氧化層上覆蓋多層懸浮柵極結構，所述多層懸浮柵極結構自上而上依次包括連接層、金屬1層、通孔層和金屬2層，所述多層懸浮柵極結構上覆蓋二氧化硅和氮化硅復合的氫離子敏感層。

作為優選的一種方案：所述多層浮柵全固態pH值傳感器還包括信號處理電路，用以恒定PMOS場效應管的源漏電流和源漏電壓，當所述PMOS場效應管工作在線性區時，PMOS場效應管的源端電壓隨閾值電壓反向線性輸出，從而輸出電壓與溶液pH值成線性關系。

進一步，所述信號處理電路包括基準電壓源、Cascode結構電流鏡、軌對軌跟隨器和電阻R，所述基準電壓源輸出穩定電壓給電流鏡提供電壓偏置，產生電流恒定的電流源。所述電流源串聯于電源電壓和PMOS場效應管源極之間，為PMOS場效應管提供恒定的源漏電流，所述兩個軌對軌跟隨器分別串聯于PMOS場效應管源極與電阻R一端和PMOS場效應管漏極和電阻R的另一端，形成反饋電路，所述電阻R與另一串聯與地的電流源產生恒定PMOS場效應管的源漏電壓。

本發明的技術構思為：基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態pH值傳感器是將pH值傳感技術與標準CMOS工藝相結合。改進的pH值傳感單元采用多層浮柵的結構，與標準CMOS工藝完全兼容。pH值傳感單元與片上信號處理電路單片集成，可實現對測試信號的在線監測和處理。實現了pH值傳感器的固態化、微型化、集成化和智能化。并為后續多功能集成傳感芯片、生物芯片和片上實驗室的研究提供了平臺。

本發明的有益效果主要表現在：1、可以與標準CMOS工藝兼容，即與現今的主流微電子工藝兼容，對以后設計多功能的生物芯片，片上處理系統提供了基礎；2、通過在片上集成了恒流恒壓模塊，可以將溶液氫離子濃度轉換成電壓信號輸出，實現了片上信號的預處理功能，該信號轉換方便了后面進一步的信號處理。

附圖說明

圖1是基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感單元剖面圖。

圖2是基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感單元等效SPICE模型。

圖3是理想情況下界面電勢與溶液pH值關系仿真曲線。

圖4是恒流恒壓片上信號處理電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1～圖4，一種基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態pH值傳感器，包括場效應管漏區和場效應管源區構成的PMOS場效應管，所述PMOS場效應管與氧化層連接，所述氧化層上覆蓋多層懸浮柵極結構，所述多層懸浮柵極結構自上而上依次包括連接層、金屬1層、通孔層和金屬2層，所述多層懸浮柵極結構上覆蓋二氧化硅和氮化硅復合的氫離子敏感層。