ISFET生物傳感器電流模式讀出電路的研究.pdf

1、生物電子學(xué)是生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科相互交叉的邊緣學(xué)科，是本世紀(jì)的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。本文以離子敏場效應(yīng)管(ISFET)生物傳感器電流模式讀出電路的研究為核心，就ISFET器件的建模與仿真、讀出電路設(shè)計(jì)、ISFET器件與讀出電路的集成化版圖設(shè)計(jì)、以及ISFET傳感器的應(yīng)用等方面展開研究。首先介紹了生物傳感器的分類、發(fā)展歷程及重要意義，論述了ISFET生物傳感器的重要地位、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用等。在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上分析總結(jié)了ISFET生物

2、傳感器發(fā)展所面臨的問題，并就這些問題提出了作者的解決思路。文章研究了ISFET器件的工作機(jī)理，提出了基于通用器件的ISFET行為級宏模型；在分析ISFET電學(xué)特性的基礎(chǔ)上提出了其電流模式讀出電路；用作者提出的模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；設(shè)計(jì)了集成化的ISFET傳感器系統(tǒng)版圖。最后提出了一種多功能的ISFET生物傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 本文的工作主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)提出了ISFET的SPICE行為級宏模

3、型。傳統(tǒng)使用的SPICE-2G中的Bio-SPICE模型不便于修改和使用，且不兼容于SPICE的所有版本。本文分析和比較了ISFET器件與MOSFET器件的結(jié)構(gòu)、工作原理，研究了Ta2O5敏感膜的敏感特性，結(jié)合新加坡特許(Chartered)集成電路制造公司提供的3.3V、0.35μm、雙層?xùn)潘膶咏饘俚臉?biāo)準(zhǔn)CMOS工藝提出了基于MOSFET的ISFET行為級SPICE仿真模型。該模型解決了ISFET器件仿真的問題，具有較高的價(jià)值。

4、 (2)提出了具有低電壓、低功耗特點(diǎn)的ISFET生物傳感器電流模式讀出電路。目前報(bào)道的ISFET讀出電路主要是電壓模式電路，和電流模式電路相比，電壓模式電路在電壓和功耗等方面存在一定的不足。本文分析了ISFET器件的輸入輸出特性，研究了ISFET讀出電路的工作原理，結(jié)合電流模式電路的特點(diǎn)提出了差分對型和橋型兩種新型的ISFET電流模式讀出電路。用HSPICE軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果表明：和傳統(tǒng)形式的電路相比，所提出的電路具有低電壓、低功耗的