鉴于目前各类传感器的研制趋向于微型化、集成化和智能化的发展方向,将离子敏传感器的敏感单元与信号读取电路集成于同一芯片也就成为了业界对此类传感器的研究热点。离子敏场效应晶体管(ISFET)与金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)结构极其相似,而CMOS工艺得到飞速发展,已经成为微电子工业制造MOSFET的主流工艺;因此,利用CMOS技术便可实现ISFET与信号处理电路的集成。 本文首先在表面基模型的基础上,阐述了两种清晰的物理模型(表面基吸附模型和表表面复合中心模型)。利用两种模型,分别研究了H~+离子在pH-ISFET传感器的电解液—绝缘体界面的缔合—离解过程,并推导出E-I界面的电荷与界面势的关系式。 从MOSFET器件性能出发,本文详细地讨论了ISFET器件的敏感机理;并且,根据电化学的表面基模型理论,借助SPICE内部的MOSFET器件模型提出了一种适于ISFET器件的简洁通用的行为描述。通过仿真,此宏模型的行为与实验结果基本相符。 然而,前述ISFET栅极结构的独特性导致其制作过程与标准CMOS工艺的不匹配;CMOS技术中,MOSFET的栅极采用多晶硅,依赖多晶硅的自对准以确定晶体管的漏源区域;为克服这一限制,设计了“三明治”栅结构的pH-ISFET器件,理论分析的结果与试验数据一致,表现出较高的测量灵敏性和稳定性。 为了利用CMOS工艺将敏感元件与信号读取电路制作在同一芯片上,先前的读取电路形式都末考虑“衬底体效应”对测量精度的影响;本文设计提出了一种基于标准CMOS技术实现ISFET与信号处理电路集成化的设计方法;模拟仿真的结果表明,所采用的“ISFET/MOSFET互补对”结构的信号读取电路形式能够抑制“温漂”和克服“硅衬底体效应”对器件测量灵敏度的影响,证明是一种更适用于ISFET集成设计的信号读取方式。借助版图编辑工具所绘制的电路及敏感单元版图,满足相应的工艺规则并且与原理图保持一致,后仿真结果表现出优异的性能。