34、离子敏感场效应晶体管（ISFET）读出电路与硅纳米线场效应晶体管pH微传感器的研究与模拟

离子敏感场效应晶体管（ISFET）读出电路与硅纳米线场效应晶体管pH微传感器的研究与模拟

在现代工业中，微小尺寸和规模的技术不断发展，离子敏感场效应晶体管（ISFET）及其相关技术在多个领域展现出重要的应用价值。本文将围绕ISFET读出电路的设计以及硅纳米线场效应晶体管（Si - nw - ISFET）pH微传感器的模拟与性能研究展开。

1. ISFET读出电路模拟结果

• Caprio四边形的饱和情况
  • 利用方程（14）的边界条件，根据测量结果计算出晶体管W1、W2、W3和W4的尺寸。其中，晶体管M1、M2和M3的沟道宽度相同，且比M4的沟道宽度小5µm。
  • 图4展示了电流镜的输入电流I和输出电流I1、I2，这些电流不随温度变化，说明电流镜对温度不敏感，且输出电流与晶体管的几何形状成比例关系，由方程（15）证明。
  • 图5左侧显示了V4的边界条件，用于检查构成Caprio四边形的晶体管的饱和区域操作；右侧则展示了V4作为I1和W4的函数，与图3的结果相似。
• 读出灵敏度和线性度
  • 使用MOSIS提供的CMOS AMI 0.6µm工艺对读出电路进行模拟。图6显示了输出信号与pH值呈线性关系，且设计方法使电路对温度具有较好的不敏感性。在20°C和80°C两个不同温度下，曲线重合，输出具有良好的线性度，在20°C时决定系数R² = 0.999986，80°C时R² = 0.999985。
  • 该电路在20°C至80°C的温度范围内进行了扫