基于0.6 m CMOS工艺的pH值传感器集成电路设计和研究

介绍了一种基于上华0.6μmCMOS工艺实现的pH值传感器集成电路的设计和研究,它采用标准CMOS工艺提供的Si3N4钝化层作为氢离子敏感层,并以多层浮栅结构的ISFET作为传感单元.信号处理电路由基准电流源、恒流恒压控制电路、输出差分电路等组成,使电路输出信号与pH值的变化量呈线性关系.实测结果表明该电路在溶液pH值从1-13范围内输出电压的平均灵敏度为35.8 mV/pH,线性度优于5%.该集成电路实现了pH值传感单元与信号处理电路的单片集成.     

用于细胞外电信号测量的CMOS集成生物 传感芯片的研究

新型的细胞外电信号传感芯片是采用0.6 μm标准CMOS工艺设计制造,片上集成了6×6单元有源传感阵列、模拟多路选择器、输出缓冲器、参考源和数字控制电路.有源传感单元面积为60μm×60μm,包含15μm×15μm的传感电极和预处理电路,能够线性放大幅值范围100μV～25 mV的微小信号,电压增益为40dB.并采用相关二次采样工作模式降低固定模式噪声,提高传感器的精度.在标准CMOS工艺基础上,应用无电浸镀金改进传感电极的生物兼容性,并采用特殊封装技术提高芯片在溶液环境中的稳定性.溶液中模拟生物信号测量验证了该芯片的功能.     

参比场效应晶体管(REFET)及 其与ISFET集成化的研究

本文介绍为实现带有参比电极的ISFET测量探头微型化而研制成的一种新型探头。采用等离子聚合方法在ISFET敏感栅上覆盖一层聚苯烯薄膜(PPS),使其成为对H~+不敏感的参比场效应晶体管(REFET)。而后采用IC艺,将ISFET,REFET和伪参比电极集成化,得到可用于微量溶液测量的微型探头,将探头中的ISFET和REFET按差分对管方式连接于差放线路中,由于两管对溶液中pH值响应不同,可输出随pH值变化的差模信号。研制的REFET在pH4～pH11范围内几乎无响应,表明了PPS膜具有较少的表面态及良好的H~+掩蔽性。用集成化探头测量pH值,灵敏度可达55mV/pH。     

CMOS离子敏场效应管SPICE模型

完全用CMOS工艺实现离子敏场效应型晶体管(ISFET)成为可能,这种ISFET的栅极结构是由绝缘体、多晶硅、金属层叠起来,称之为多层栅结构。从ISFET的传感机理出发,通过分析金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)阈值电压的原理,利用通用电路模拟程序(SPICE)建立了这种多层栅结构ISFET的物理模型,并对其静态输入输出特性进行仿真,仿真结果和试验数据基本相符。     

悬浮栅结构ISFET的HSPICE仿真

通过对ISFET敏感机理的分析,根据表面基模型,建立了悬浮栅结构ISFET器件的HSPICE行为模型,并对其静态输出特性,转移特性,以及pH值与界面势的关系进行了仿真,仿真结果表明:该模型与ISFET的理论和实验数据吻合较好。为ISFET/REFET差分结构集成传感器芯片设计提供了重要的理论参考价值。     

CMOS兼容的ISFET传感器模型和测量电路研究

随着CMOS工艺的不断发展,将离子敏场效应晶体管(ISFET)传感器与CMOS技术相结合,以达到提高集成度、降低成本、减小系统尺寸、提高系统可靠性。在对与CMOS工艺兼容的ISFET传感器结构模型分析的基础上,研究了一种测量电路,它具有有利于消除体效应的影响、减少共模噪声的影响、克服温度漂移等优点。对该测量电路进行模拟仿真,得到输出电压与pH值之间的关系图,结果表明:其结果与理论模型仿真值基本吻合。     

0.6m CMOS集成传感器电路兼容的 RS232串行通信发送接口芯片研究

采用5 V 0.6 μm标准CMOS工艺设计制造了具有RS232串行通信发送接口的传感器接口芯片.该芯片包含电荷泵和发送电路两个功能模块.其中电荷泵对5 V电源进行正/负倍压得到 7.6 V和-6.1 V的正负电平,并作为发送电路的电源,实现CMOS/TTL电平到EIA/TIA RS-232C电平的转换.3 KΩ和1 000 pF负载情况下,在230.4 kbit/s数据速率范围内,实现了TTL/CMOS电平到RS232电平转换的发送功能.将传感器的输出模拟信号经A/D变换后,即可经所设计的发送接口芯片实现传感信号的串行发送.为进一步实现基于标准CMOS工艺的传感器与信号处理电路和串行通信接口功能的兼容集成打下了基础.     

一种新型CMOS电容式绝对压力传感器的设计

提出了一种新型的采用标准CMOS工艺结合MEMS后处理工艺加工的电容式绝对压力传感器.传感器结构部分是由导体/介质层/导体组成的可变电容器.电容的上下极板分别为CMOS工艺中的多晶硅栅和n阱硅,中间介质层为栅氧化层.在CMOS工艺加工完之后,利用选择性的体硅腐蚀、pn结自停止腐蚀以及阳极键合等MEMS后处理工艺来得到传感器结构.与传统的电容式压力传感器相比,这种结构具有更大的初始固有电容,这样可以抑制寄生电容的影响,从而简化检测电路的设计.文中,应用多层膜理论模型分析了传感器的结构,并利用ANSYS有限元分析对模型进行了验证,并利用电容变化模型分析了传感器的灵敏度.对于边长为800 μm的敏感方膜,初始电容值为1 104pF,传感器灵敏度为46 fF/hPa.同时,本文给出了传感器的电容检测电路的设计.     

基于电流镜的电化学CMOS恒电位仪的设计

设计了一种基于电流镜的三电极电化学传感器CMOS恒电位仪电路,由控制运放、电流镜和单端输出的跨导放大器构成.与传统的恒电位仪相比,该电路结构简单,减少了读出电路的功耗和版图面积,具有较宽的动态范围.在CSMC 0.5μm 2PTM CMOS工艺下,用Spectre仿真器对电路进行了模拟,仿真结果表明:传感电流范围为20...     

带有过温保护功能的1W白光LED驱动电路设计

基于CSMC 5V0.6μm标准CMOS工艺设计研制了一种具有过温保护功能的1W温度传感LED恒流驱动电路.该电路由恒流驱动模块和温度传感模块组成,在电源电压为5V时能提供350mA恒定驱动电流,并能在设定温度下关断功率MOS管,实现过温保护功能.恒流驱动模块采用比例电流采样方式,在电源电压正负变化10%范围内,驱动电流变化小于4.3%,温度传感模块利用PTAT(与绝对温度成正比)电压与基准电压比较,产生关断信号,关断温度在50℃-125℃范围内可由外接电阻设定.该芯片实现了温度传感模块和白光LED恒流驱动模块的单片集成,在LED照明技术中有一定的应用价值.     

面向食品质量检测的低功耗射频pH传感器设计

设计了一个检测食品质量的由两片纽扣电池供电、可持续工作30天左右的低功耗射频pH传感器.此传感器由一个由氧化铱(IrOx)电极和氯化银(AgCl)参比电极组成的pH电极、电压转换频率电路和无线通信电路三部分组成.电压转换频率电路将pH电极产生的灵敏度为-49.6 mV/pH的电压转换成灵敏度为-4.073 kHz/pH的频率信号,然后无线通信电路将频率信号调制后传送到阅读器.本文中用此传感器对储藏在5℃下的猪肉持续监测200 h,对储藏在30℃下的牛奶持续监测26 h,实验结果证明射频pH传感器可以用于食品pH随食品质量变化而变化的食品质量检测.射频pH传感器和阅读器系统可以实现准确、方便、长期的无线食品质量检测.     

Integration of displacement sensor into bulk PZT thick film actuator for MEMS deformable mirror

Bulk PZT thick film actuator integrated with displacement sensor, the so-called self-sensing actuator, is presented in this paper. The PZT film is used as not only an actuating layer but also a displacement sensor, which is achieved by dividing the electrode on the top surface of the PZT film into two parts: central top electrode for actuating and outer annular sensor electrode for piezoelectric displacement detection. When the actuator moves, the piezoelectric charge is induced in the outer annular PZT due to the piezoelectric effect. The total amount of accumulated charge is proportional to the stress acting on the PZT, which is in turn proportional to the actuator displacement. By collecting the piezoelectric charge, the actuator displacement can be detected. A theoretical model is proposed to determine the structure parameters of the sensor and predict the sensor sensitivity. Experiments were performed on the micro-fabricated sensor integrated PZT thick film actuator, and the measured piezoelectric charge is close to the theoretical predictions. The integrated piezoelectric sensor has a displacement sensitivity of approximately 4 pC/nm. In addition, the integration of displacement sensor into the actuator needs no additional fabrication process and has no influence on the actuator performances.     

Integrated magnetic sensing of electrostatically actuated thin-film microbridges

The movement of electrostatically actuated microbridges is measured by sensing the field of a permanent magnet, deposited and patterned on top of the microbridge, with a spin valve magnetic sensor fabricated beside the bridge at the level of the substrate. The spin valve sensor is sensitive to the position of the magnet and thus to the position of the bridge. The thin-film microbridges are fabricated using thin-film technology and surface micromachining at low temperatures (/spl les/100/spl deg/C) on glass substrates. The bridges are electrostatically actuated by applying a voltage between the bridges and a gate counter electrode placed beneath them. The deflection of the bridge is at the same time characterized optically by focusing a laser on the structure and monitoring the position of the reflected beam with a photodetector. A comparison of the bridge position sensing using the optical and magnetic methods is made. The absolute movement of the structures is measured with a precision close to 0.1 /spl Aring/ using the integrated magnetic sensor. The deflection of the electrostatically actuated structures is studied as a function of the applied gate voltage and length of the bridges. The experimental results show qualitative agreement with an electromechanical model.     

Study and simulation of the drift behaviour of hydrogenated amorphous silicon gate pH-ISFET

The drift behaviour of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) gate pH-ISFET has been simulated using multiple time-constant model. According to the multiple time-constant model, we obtained the pH-response curve with three time constants and the drift rate from this curve after the end of slow response. In addition, we have measured the drift effect of a-Si:H gate at different pH values and different temperatures at pH 3. Based on experimental results, we can obtain the drift and temperature coefficient for a-Si:H gate pH-ISFET, then we can get the drift rate of a-Si:H gate pH-ISFET as a function of temperature.     

一种新型的光耦式电压传感器

本文以线性光耦为核心设计了一种隔离式电压传感器。通过选择最佳的工作区,使传感器具有线性的输入输出关系和高灵敏度。这种传感器可以用于测量微型电机的电压,由于结构简单、体积小、元件数量少,能够直接集成到电机的控制电路中。     

一种基于多铁压电纳米纤维压力传感器设计

设计了一种基于静电纺丝技术制备的多铁压电纳米纤维微压力传感器结构,对其工作原理做出了理论分析。近似平行排列的纳米纤维沉积到叉指电极上,电极材料生长于硅基底方形弹性膜片上表面,用小挠度理论设计计算了方膜结构,并对固支结构的纤维进行了力学分析。由纤维压电效应计算出传感器输出电压,并对传感器的结构尺寸进行比较分析,以提高传感器输出电压。     

基于随机共振的纳米碳管气体传感器的研究

基于气体电晕放电原理,利用纳米碳管独特的物理结构和尖端发射效应,提出了一种新型的纳米碳管离子型气体传感器.采用阳极氧化铝模板法生长的定向纳米碳管阵列所构成的传感器,纳米碳管和电极是一体的,简化了器件结构和工艺.在外加直流电压激励下,纳米碳管顶部形成很强的非均匀电场,在电压相对低的情况下能很容易地电离气体,根据气体的击穿电压和放电电流来实现对单一气体和确定性混合气体的检测.为了提高检测混合气体的灵敏度,创新地在检测回路中引入随机共振发生装置,有效地提高了混合气体浓度检测的范围.实验中还分析了温度、湿度对传感器的影响,对该传感器的性能也作了评价.实验结果表明该传感器具有选择性好、体积小、响应时间快、灵敏度高、稳定性好,室温操作等优点,而且实现方便,操作简单,有较大的实用价值.     

pH传感器温度补偿模型研究

水质pH值在线监测对提高水产品健康养殖至关重要,本文将无线传感器网络与pH值传感器相集成,设计了pH值监测的无线传感器网络系统。为克服pH值测量过程中温度对测量结果的影响,提出了一种pH传感器温度补偿模型,该模型通过pH传感器和PT100铂电阻温度传感器分别测量溶液的pH值和温度,利用最小二乘法对pH值和电压进行线性分析,建立pH传感器的温度补偿模型。实验结果表明,该补偿模型测量精度高,能够实现较精确的pH值在线监测。     

Ultra micro glutamate sensor using platinized carbon-fiber electrode and integrated counter electrode

An integrated ultra micro glutamate sensor has been constructed with a 7 μm diameter platinized carbon-fiber disk (PCD) electrode and a platinum thin-film (PTF) counter electrode fabricated on the glass capillary tube. By platinization, the electrode activity of the carbon fiber is improved. In order to obtain a stable response, a pulse potential is applied for hydrogen peroxide measurement. The PTF counter electrode shows good stability and can be used as a substitute for a silver-silver chloride electrode. Since the integrated PCD electrode shows good characteristics as a hydrogen peroxide sensor, glutamate oxidase is immobilized onto the tip of the PCD electrode to construct the ultra micro glutamate sensor. The sensor shows stable response to glutamate and a response time within 12 s. The calibration range for glutamate measurement is 50–800 μM.     

基于固态Ag/AgCl参比电极的氧化钨pH电化学传感器的研究

通过浸涂法在钨金属丝上涂敷氧化钨氢离子敏感膜,制备了氧化钨H 选择性电极,采用尿素改性聚乙烯醇作为参比电极的固态薄膜材料并进行KCl掺杂,经Nafion膜进行修饰后制备了固态参比电极.利用自制的氧化钨pH电极与固态参比电极制成pH电化学传感器,该传感器具有良好的响应电位E-pH线性函数关系,响应范围为pH2～pH11.响应灵敏度与氧化钨的热处理温度有关,200℃热处理后的响应灵敏度为52.81 mV/pH, 响应时间与氧化钨敏感膜、测试溶液pH值以及溶液温度有关.在pH2→pH11→pH2循环测试过程中,传感器的滞后效应较小.该传感器有良好的选择性,响应行为不受Na 、F-等常见离子的影响,但是受到氧化还原性的NO-3、I-等离子的干扰.传感器内阻很低为22.8 kΩ,远小于玻璃pH计的内阻(1×109 Ω).该传感器在各种饮料中具有较高测量精度,与玻璃pH计的测量值进行对比,两者的差值在(-0.06 pH, 0.15 pH)范围内.在10-5M→10-1M柠檬酸溶液中,传感器的响应电位与溶液浓度存在良好的线性关系,响应时间小于1 min.