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专利名称：离子敏感场效应晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及离子敏感场效应晶体管，并涉及使用离子敏感场效应晶体管的处理和 控制系统。
背景技术：
离子敏感场效应晶体管(ISFET)是基于具有位于化学敏感绝缘体之下的远处栅 极(或者“参考电极”)的M0SFET。绝缘体的表面暴露于要对其进行测量的电解质。图1中 示出了典型的ISFET使用的场景。绝缘体表面处的离子电荷作用的场效应在如图2所示的 ISFET漏电流对栅极到源极电压(I11-Ves)的特性中产生偏移。根据化学属性和对特定离子 的敏感度来选择与电解质接触的绝缘体。对于设计用于测量电解质的pH(即电解质的H+离子含量)的ISFET，通常使用氮 化硅和氧化铝膜来使栅极绝缘。可以通过选择离子敏感膜，从而添加离子选择性的成分， 使ISFET对除H+之外的其它离子敏感。膜被更改为对特定离子种类可选的ISFET有公知 的ChemFET，进一步改变的话，在紧邻膜表面附近使用酶，已知有EnFET。还表明，即使是具 有未更改的Si3N4膜的传统pH-ISFET，也展示出对K+和Na+的有限但是可测的敏感度。这 就是说，除了 PH感测之外，使用的ISFET几乎没有其它的实际工业应用。然而，在下面的讨 论中，术语ISFET既特指pH传感器，还通指基于以类似原理工作的所有对离子和酶敏感的 FET。ISFET及其基于FET的相似物的吸引力在于，它们与用于大规模生产计算机芯片 的标准制造工艺兼容，并因此可以可靠且成本有效地生产。重要的是，可以将处理电路集成 到与ISFET器件本身相同的芯片上。智能电路与感测器件本身的集成是所谓“智能传感器” 的开发所需的，“智能传感器”需要对非理想感测条件具有鲁棒性，并且提供电子以区分“芯 片上”的化学品。ISFET的正常工作模式是I11-Ves特性的强反转区。在该区中，栅极到源极电压超过 阈值电压Vth，导致栅极下覆的沟道的强反转。对于该工作模式，漏电流与栅极电压成平方 律或线性关系。再次参考图1，施加到ISFET的参考电极的任何电压都通过电解质电容耦合到绝 缘体表面，在绝缘体表面，来自该表面的离子的取决于PH的电荷调制沟道电流，在ISFET转 移特性中引起可观测的偏移，从而调制其阈值电压Vth。假设ISFET工作在恒定漏电流的模 式下、具有恒定的漏极-源极电压，则栅极到源极的电压直接反映栅极表面处的PH敏感界 面势，即pH = PHcal+Vs ⑴其中，pH。al是37°C处校准液体的pH，S是ISFET的pH敏感度。在“ISFET，Theoryand Practice", P. Bergveld, IEEE Sensor Conference，Toronto，October，2003 中详细描 述了该关系的出处。然而，该方法假设了恒定的温度，在任意实际的方法中，必须应用温度 补偿。传统的对温度效应的补偿措施是对系统的温度依赖性进行建模，在测量PH的同 时测量温度，并根据该模型和测量的温度，来校正测量的PH。该方法尽管有关，但是具有一 些缺点。首先，该方法依赖于温度传感器，温度传感器典型地包括集成到与ISFET同一芯片 上的温度敏感电阻器。其次，必须提供处理能力以执行校正。第三，校正测量的PH值的过 程花费时间。在典型的系统中，在微处理器或CPU执行进一步处理之前，将pH和温度值转 换为数字对应量。如果需要，在应用于要控制的器件之前，将数字控制输出转换为模拟值。长期以来，已经认识到，可以应用ISFET的关键领域在于可植入且可佩戴的传感 器。在前一段中概述的传统ISFET设计的要求对于需要是小型、消耗较低功率并极其精确 的这种传感器不合适。尤其是在传感器形成部分控制环路的情况下，例如在控制给药系统 的情况下，它们同样必须极其精确。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种数字信号处理电路，该电路的一个或多个开 关由离子敏感场效应晶体管提供。所述或每个离子敏感场效应晶体管包括在使用中暴露于要监控的介质的分析物 敏感膜。数字信号处理电路可以是比较器，用于将离子敏感场效应晶体管所测量的参数值 与阈值相比较，该电路包括按照反相器配置设置的离子敏感场效应晶体管和金属氧化物半 导体晶体管。优选地，离子敏感场效应晶体管和金属氧化物半导体晶体管之一是η沟道器 件，另一个是P沟道器件。数字信号处理电路可以设置用于实现以下功能之一或多个AND、NAND, OR、X0R、 NOR。优选地，数字信号处理电路使用CMOS逻辑电路。可选地，数字信号处理电路可以 使用NMOS或PMOS逻辑电路。优选地，数字信号处理电路包括偏置装置，用于使所述或每个离子敏感场效应晶 体管偏置在弱反转区中。根据本发明的第二方面，提供了一种实现以介质的参数值作为输入之一的逻辑函 数的方法，该方法包括配置离子敏感场效应晶体管，以作为逻辑电路的开关来工作；将离子敏感场效应晶体管暴露于所述介质。


图1示意地示出了典型使用场景中的ISFET ；图2示出了在各种pH水平下的图1的ISFET的I11-Ves特性；图3示意地示出了 ρ沟道硅MOSFET ；图4示出了包括ISFET的电流镜；
图5示出了用于测量氢离子浓度的HCell ；图6示出了图5的HCell的IV特性；图7示意地示出了 CMOS反相器；图8示出了图7的反相器的切换特性；图9示出了通过改变在包括ISFET的CMOS反相器中的pH而引起的切换阈值的偏 移；图10示出了在不同输入电压下ISFET反相器的切换属性；图11示出了基于ISFET的NAND门和相应的真值表；图12示出了基于ISFET的NOR门和相应的真值表。
具体实施例方式如图3所示的η沟道FET是四端子器件，包括ρ型硅基板⑶和公知为源极⑶和 漏极(D)的两个重度掺杂的η型阱。硅表面覆盖有二氧化硅绝缘体。多晶硅栅极触点(G) 将电荷控制在栅极和漏极之间的绝缘体表面之下的区域(公知为沟道)中。随着施加到栅极的电压Ve增加，正电荷开始从沟道中离开，形成没有流动载流子 只有净负电荷的耗尽层。随着栅极电压进一步增加，该耗尽层加宽，直到电子开始从源极和 漏极流进沟道，形成反转层。晶体管通常工作在特定阈值电压之上，对于该特定阈值电压， 当漏极和源极之间施加有电势差时，沟道完全反转，并且反转层中的流动电子漂移通过沟 道。如已公知的，对于该工作模式，漏电流与栅极电压成平方律或线性关系。所谓“弱反转”工作模式包括使栅极电压保持低于阈值电压，使得沟道耗尽并仅存 在薄的反转层。在弱反转下，薄反转层中的流动电荷流动太慢而不能够显著地构成水平电 场两端的任意漂移电流。弱反转中的漏电流是由于源极和漏极之间的浓度梯度两端的电子 扩散。由于源极和漏极处并沿沟道的电子浓度通过Boltzmarm分布与这些点处的势垒电位 相关联，所以漏电流与热电压Ut = kT/q或者RT/F缩放了的Vs、Vd和Vg相对于Vb指数地 关联。即Id = I0 exp (VG/nUT) [exp (_VS/UT) -exp (_VD/UT) ] (2)其中Ici是预先指数的乘数，η是亚阈值斜率因子。对于ISFET，参考电极用作远处栅极，并且沉积在SiO2绝缘体顶部的化学敏感膜 直接暴露于样本溶液。绝缘体之下的沟道的反转程度不仅取决于施加到参考电极的电压， 还取决于感测膜上的溶液中的离子的电荷积累。膜表面处的离子积累通过位置约束(site binding)以及Gouy-Chapman双层模型与样本中离子种类的浓度相关联。由于在膜表面上 积累的任意正电荷必然与沟道中积累的负电荷成镜像，所以样本的离子浓度的改变将直接 反映在ISFET的弱反转漏电流中。膜表面电荷和种类浓度之间的关系的知识以及弱反转ISFET电流与膜表面电荷 成比例的事实意味着，执行简单的数学操作的电子电路可以用于获得种类浓度与ChemFET 和EnFET中的电流直观的直接关系。此外，由于沟道中的电子和溶液中的离子的温度缩放 的Boltzmarm分布彼此抵消，弱反转ISFET电流对离子浓度的敏感度与温度无关。偏置在弱反转区的MOSFET中的漏电流的较大信号等式给出如下
1D= h exp(-^f)(l “
HU jU γ(3)= [2n^-UT2)](1 - exp(^))
LnU Tnu jUt其中，β = Kff/L, Vto是Vbs = 0的阈值电压，η是亚阈值斜率因子，并且假设Vds > 4UT时饱和。由于所有的附加化学现象都表示为阈值电压由与pH成线性比例的电解质两端 的电势调制，所以该等式对于弱反转的ISFET也成立。由于pH与氢离子浓度指数地关联， 所以可以形成氢离子浓度和弱反转漏电流之间的直接关系。由于对于信号处理，氢离子浓度是比pH更本质的参数，所以提取电解质两端的电 势并将其转换为弱反转电流信号的任意电路对实时化学信号处理来说更重要。图4所示的 电流镜是最简单化的这种电路。如果如图4所示，用电流源偏置二极管相连的ISFET并且其参考电极与MOSFET的 栅极相连，并假设两者是几何且电气匹配的器件，并忽略AVds误差，则由于从(1)中可知， ISFET 和 MOSFET 之间的 Δ Vth 等于 Vchem,有 I1 乒 12。对于完全匹配、饱和的器件，使用等式(3)(4)
1DlnUT代入pH和氢离子浓度之间的对数关系pH = -Iog10 [H+]，发现电流比ID2/ID1与氢
离子浓度的已知幂成比例，并与温度效应无关
Id2 , γ 、 .23UTapH.~ = exp(-^—) exp(——^―)
ImnUTηυτ= exp(-^-) exp(~aln^ ])( 5)
ηυτη= Kchem ■ [Η+Γ/η该明显的结果表明弱反转的ISFET中的漏电流由其栅极-源极和体-源极电势指 数地控制，并且缩放了与氢离子浓度的已知幂(由于0< α < 1并且η >1，所以小于单位 Kunity))成比例的独立于温度的参数，即ID(ISFET) = ID(M0S) · Kchem-1 · [Η+]α/η (6)偏置于弱反转区的ISFET的温度不敏感性使其用在化学传感器的换能级中是理 想的。由于可以利用漏电流和热电压之间的指数关系，使用非常简单且低功率的电路来实 现数学操作，所以使用处于弱反转区中的MOSFET对于芯片上处理电路也是有利的。为了获得与[H+]直接成比例的输出电流，还需要对等式(5)的进一步操作。采用 亚阈值MOS晶体管中的互导和漏电流之间的线性关系的线性变化电路可用于对电流信号 执行乘法、除法和幂律函数(尽管可选地或附加地，可使用表现该关系的双极性晶体管)。图5所示的电路表现为输入级的示例，其输出是与电解质体中的H+离子数目直接 成比例的电流I。ut。这里将该电路称为“HCell”。该图示出了怎样使用该电路采用处于弱 反转中的场效应晶体管的指数行为以直接获得实际的化学参数。HCell中使用的ISFET对 其离子敏感膜进行化学上的处理，使得膜的PH敏感度给出α /n = 0. 5。假设饱和并忽略Δ Vds误差，从等式(3)中可见，ISFET Χ2和M0SFETM1之间的漏电流通过下式相关联
权利要求
一种数字信号处理电路，该电路的一个或多个开关由离子敏感场效应晶体管提供。
2.根据权利要求1所述的电路，所述或每个离子敏感场效应晶体管包括在使用中暴露 于要监控的介质的分析物敏感膜。
3.根据权利要求1所述的电路，该电路配置用作比较器，用于将离子敏感场效应晶体 管所测量的参数值与阈值相比较，该电路包括按照反相器配置设置的离子敏感场效应晶体 管和金属氧化物半导体晶体管。
4.根据权利要求3所述的电路，离子敏感场效应晶体管和金属氧化物半导体晶体管之 一是η沟道器件，另一个是P沟道器件。
5.根据权利要求1所述的电路，所述数字信号处理电路设置用于实现以下功能之一或 多个AND、NAND, OR、XOR、NOR。
6.根据权利要求1所述的电路，所述数字信号处理电路使用CMOS逻辑电路。
7.根据权利要求1所述的电路，所述数字信号处理电路包括偏置装置，用于使所述或 每个离子敏感场效应晶体管偏置在弱反转区中。
8.一种估计以介质的参数值作为输入之一的逻辑函数的方法，该方法包括配置离子敏感场效应晶体管，以作为逻辑电路的开关来工作；将离子敏感场效应晶体管暴露于所述介质。
全文摘要
一种信号处理电路，包括一个或多个离子敏感场效应晶体管ISFET以及偏置电路，该偏置电路用于使每个离子场效应晶体管偏置以工作在弱反转区中。一种使用离子敏感场效应晶体管来监控介质的属性的方法，该方法包括使离子敏感场效应晶体管偏置在弱反转区中；将离子敏感场效应晶体管暴露于所述介质；以及分析基于所述属性而变化的离子敏感场效应晶体管的输出。
文档编号G01N27/414GK101949883SQ201010268840
公开日2011年1月19日 申请日期2005年6月22日 优先权日2004年7月13日
发明者克里斯特弗·图马佐, 布沙娜·普马诺德, 莱拉·谢伯德 申请人:Dna电子有限公司