自從離子敏感場效應晶體管(Ion-Sensitive Field-Effect Transistor,ISFET)被Piet Bergveld于20世紀70年代發(fā)明以來,它受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注,并應用到諸多檢測領(lǐng)域。ISFET是在硅FET的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,可用于測量溶液中的離子濃度,后來被廣泛應用到生物/化學傳感檢測中。采用ISFET制備而成的生物/化學傳感器具有體積小、易于集成、對檢測環(huán)境要求低,且易于維護與使用等優(yōu)勢,可應用于食品安全、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療診斷、化學分析、土壤檢測等多個領(lǐng)域。盡管硅FET的器件性能好、集成密度大,但OFET(Organic FieldEffect Transistor)在傳感器應用方面具有很多優(yōu)勢,如:可通過溶液法/印刷工藝低溫加工,便于在各種柔性襯底(塑料、紙張和織物等)上制備,成本低,且易于和各種敏感層材料集成等。近幾年來,OFET在降低工作電壓和提高穩(wěn)定性方面的研究有很大進展,為離子敏感OFET(Ion-Sensitive OFET,ISOFET)與低電壓硅基芯片的集成打下了基礎(chǔ)。雖然現(xiàn)階段針對單一ISOFET材料和性能的優(yōu)化被廣泛報道,但對于發(fā)展離子敏感系統(tǒng),在系統(tǒng)靈敏度分析、集成工藝、系統(tǒng)校準方法等方面還缺乏研究,限制了ISOFET的實際應用。面向這些問題,本論文開展了以下幾個方面的研究工作,以實現(xiàn)ISOFET在塑料襯底上的集成(包含OFET、工作和參比電極),以及其與低電壓硅基芯片的混合集成,并建立該系統(tǒng)的靈敏度分析模型以及校準方法。1)建立了ISFET傳感系統(tǒng)靈敏度的分析模型,并通過所制備的不同亞閾值擺幅的OFET器件以及商業(yè)化的硅基FET的電學表征,對分析模型進行了驗證,證明了該模型的準確性和普適性。該分析模型和實驗結(jié)果證明了降低FET器件的亞閾值擺幅有助于提高整個ISFET傳感系統(tǒng)的檢測靈敏度,為設(shè)計與實現(xiàn)高靈敏度ISFET傳感系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。2)發(fā)展了一種用于ISFET系統(tǒng)集成的全固態(tài)參比電極的制備工藝。采用無毒、低成本的聚合物在Ag/AgCl表面形成了納米級多孔結(jié)構(gòu),從而提高了參比電極的穩(wěn)定性。以此構(gòu)建的基于ISFET的pH傳感系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和重復性。該全固態(tài)參比電極為ISOFET柔性傳感系統(tǒng)集成提供了技術(shù)基礎(chǔ)。3)設(shè)計了用于ISFET檢測的便攜式傳感信號讀寫控制系統(tǒng)和校準方法。該校準方法能夠有效地減小由系統(tǒng)中各組成器件的性能差異帶來的測量偏差。通過pH檢測實驗驗證了該系統(tǒng)和校準方法可以滿足實際應用的需求,為實現(xiàn)可靠的ISOFET傳感檢測系統(tǒng)提供了軟/硬件基礎(chǔ)。4)實現(xiàn)了ISOFET(包含低電壓OFET、固態(tài)工作和參比電極)在塑料襯底上的集成,以及其與硅基芯片混合集成的傳感系統(tǒng);并結(jié)合校準方法,實現(xiàn)了對溶液pH值的可靠和準確的檢測。該技術(shù)為構(gòu)建ISOFET傳感系統(tǒng)提供了集成的技術(shù)基礎(chǔ)。本論文的研究為設(shè)計與實現(xiàn)高靈敏度、可靠的ISOFET傳感檢測系統(tǒng),以應用于生物/化學檢測,建立了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

解決了 ISFET 封裝和隔離的問題。近些年來，EGFET 在 pH 檢測方面獲得了極大的關(guān)注[42-45]。圖1-1（c）所示是 EGFET 的器件結(jié)構(gòu)示意圖。器件柵極電極延伸至旁邊的傳感檢測區(qū)域，延伸的柵極電極上制作了一層 pH 敏感膜用于感應溶液的 pH 值。與 ISFET器件相比，EGFET 器件有以下幾方面優(yōu)勢：1) 溶液和 FET 器件不直接接觸，避免溶液對 FET 器件的腐蝕和污染，因此一定程度上延長了器件的使用壽命，提升了穩(wěn)定性。2) 僅需要對感應區(qū)域進行封裝，因此降低了制造工藝的復雜度和封裝的成本，從而降低了整個器件的成本。3) 感應區(qū)域雖只可一次性使用，但 FET 器件部分可以重復使用，進一步降低了 EGFET 使用成本。4) 通常情況下

論文的組織結(jié)構(gòu)

圖 2-1 絕緣層表面因缺少配對原子所形成的位點en binding sites of insulator surface due to the lack of at the surface.衡反應中的物質(zhì)濃度之間的關(guān)系——質(zhì)量作用定Ka和 Kb：KMOH HMOHKMO HMOH號“[ ]”表示濃度，[H+]s表示 EI 界面處氫離子+]分別表示 EI 界面處的 MOH、MO-、MOH2+的濃σ q MH M 密度用 Ns表示，則有：N MH MOH M 3)~(2-6)公式，通過化學反應得到表面電荷密度為：
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本文編號：2883657