[发明专利]基于标准CMOS工艺的多层浮栅全固态pH值传感器

说明书

技术领域

本发明涉及全固态pH值传感器，适用于未来微型化、集成化和智能化的新型生物传感系统和医学等领域。

背景技术

pH值传感器在生物化学、医学等领域具有重要的应用价值。自1909年pH值概念提出至今，pH值传感器的发展经历了玻璃电极pH值传感器、固态敏感电极pH值传感器、光寻址电位pH值传感器、场效应晶体管pH值传感器等阶段。

随着微细加工技术的发展，研究人员将离子敏感、选择电极制作技术与固态微电子学相结合，研制出了新型的半导体氢离子敏感器件。该新型的pH值传感单元兼有电化学和晶体管的双重特性，与传统的pH值传感器相比，它具有以下优势：(1)灵敏度高、响应快、输入阻抗高、输出阻抗低、兼有阻抗变换和信号放大的功能，可避免外界感应与次级电路的干扰作用；(2)体积小，重量轻，特别适用于生物体内的动态监测；(3)不仅可以实现单个器件的小型化，而且可以采用集成电路工艺和微加工技术，实现多种离子和多功能器件的集成化，具有微型化、集成化和智能化的发展潜力。另外可与计算机连接，实现在线控制和实时监测。

该结构pH值传感器虽然通过与微电子工艺结合实现了结构的固态化，为pH值传感器的微型化和集成化提供了技术上的可能，但是该传感结构采用的是“裸栅”结构，通过在栅氧化层上淀积氢离子敏感薄膜，与标准CMOS工艺的栅“自对准”工艺不能兼容。无法将pH值传感单元与信号处理电路集成在同一芯片上。

发明内容

为了克服已有固态pH值传感器的无法与标准CMOS工艺兼容、不利于集成化的不足，本发明提供一种实现与标准CMOS工艺兼容、便于集成化的基于标准CMOS工艺的多层浮栅全固态pH值传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于标准CMOS工艺的多层浮栅全固态pH值传感器，包括场效应管漏区和场效应管源区构成的PMOS场效应管，所述PMOS场效应管与氧化层连接，所述氧化层上覆盖多层悬浮栅极结构，所述多层悬浮栅极结构自上而上依次包括连接层、金属1层、通孔层和金属2层，所述多层悬浮栅极结构上覆盖二氧化硅和氮化硅复合的氢离子敏感层。

作为优选的一种方案：所述多层浮栅全固态pH值传感器还包括信号处理电路，用以恒定PMOS场效应管的源漏电流和源漏电压，当所述PMOS场效应管工作在线性区时，PMOS场效应管的源端电压随阈值电压反向线性输出，从而输出电压与溶液pH值成线性关系。

进一步，所述信号处理电路包括基准电压源、Cascode结构电流镜、轨对轨跟随器和电阻R，所述基准电压源输出稳定电压给电流镜提供电压偏置，产生电流恒定的电流源。所述电流源串联于电源电压和PMOS场效应管源极之间，为PMOS场效应管提供恒定的源漏电流，所述两个轨对轨跟随器分别串联于PMOS场效应管源极与电阻R一端和PMOS场效应管漏极和电阻R的另一端，形成反馈电路，所述电阻R与另一串联与地的电流源产生恒定PMOS场效应管的源漏电压。

本发明的技术构思为：基于标准CMOS工艺的多层浮栅全固态pH值传感器是将pH值传感技术与标准CMOS工艺相结合。改进的pH值传感单元采用多层浮栅的结构，与标准CMOS工艺完全兼容。pH值传感单元与片上信号处理电路单片集成，可实现对测试信号的在线监测和处理。实现了pH值传感器的固态化、微型化、集成化和智能化。并为后续多功能集成传感芯片、生物芯片和片上实验室的研究提供了平台。

本发明的有益效果主要表现在：1、可以与标准CMOS工艺兼容，即与现今的主流微电子工艺兼容，对以后设计多功能的生物芯片，片上处理系统提供了基础；2、通过在片上集成了恒流恒压模块，可以将溶液氢离子浓度转换成电压信号输出，实现了片上信号的预处理功能，该信号转换方便了后面进一步的信号处理。

附图说明

图1是基于标准CMOS工艺的多层浮栅pH值传感单元剖面图。

图2是基于标准CMOS工艺的多层浮栅pH值传感单元等效SPICE模型。

图3是理想情况下界面电势与溶液pH值关系仿真曲线。

图4是恒流恒压片上信号处理电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种基于标准CMOS工艺的多层浮栅全固态pH值传感器，包括场效应管漏区和场效应管源区构成的PMOS场效应管，所述PMOS场效应管与氧化层连接，所述氧化层上覆盖多层悬浮栅极结构，所述多层悬浮栅极结构自上而上依次包括连接层、金属1层、通孔层和金属2层，所述多层悬浮栅极结构上覆盖二氧化硅和氮化硅复合的氢离子敏感层。