有机场效应晶体管的离子敏感传感系统的关键问题的研究

发布时间：2020-11-14 16:01

　　 自从离子敏感场效应晶体管(Ion-Sensitive Field-Effect Transistor,ISFET)被Piet Bergveld于20世纪70年代发明以来,它受到了国内外学者的广泛关注,并应用到诸多检测领域。ISFET是在硅FET的基础上发展而来的,可用于测量溶液中的离子浓度,后来被广泛应用到生物/化学传感检测中。采用ISFET制备而成的生物/化学传感器具有体积小、易于集成、对检测环境要求低,且易于维护与使用等优势,可应用于食品安全、环境监控、医疗诊断、化学分析、土壤检测等多个领域。尽管硅FET的器件性能好、集成密度大,但OFET(Organic FieldEffect Transistor)在传感器应用方面具有很多优势,如:可通过溶液法/印刷工艺低温加工,便于在各种柔性衬底(塑料、纸张和织物等)上制备,成本低,且易于和各种敏感层材料集成等。近几年来,OFET在降低工作电压和提高稳定性方面的研究有很大进展,为离子敏感OFET(Ion-Sensitive OFET,ISOFET)与低电压硅基芯片的集成打下了基础。虽然现阶段针对单一ISOFET材料和性能的优化被广泛报道,但对于发展离子敏感系统,在系统灵敏度分析、集成工艺、系统校准方法等方面还缺乏研究,限制了ISOFET的实际应用。面向这些问题,本论文开展了以下几个方面的研究工作,以实现ISOFET在塑料衬底上的集成(包含OFET、工作和参比电极),以及其与低电压硅基芯片的混合集成,并建立该系统的灵敏度分析模型以及校准方法。1)建立了ISFET传感系统灵敏度的分析模型,并通过所制备的不同亚阈值摆幅的OFET器件以及商业化的硅基FET的电学表征,对分析模型进行了验证,证明了该模型的准确性和普适性。该分析模型和实验结果证明了降低FET器件的亚阈值摆幅有助于提高整个ISFET传感系统的检测灵敏度,为设计与实现高灵敏度ISFET传感系统提供了理论基础。2)发展了一种用于ISFET系统集成的全固态参比电极的制备工艺。采用无毒、低成本的聚合物在Ag/AgCl表面形成了纳米级多孔结构,从而提高了参比电极的稳定性。以此构建的基于ISFET的pH传感系统展现了良好的稳定性和重复性。该全固态参比电极为ISOFET柔性传感系统集成提供了技术基础。3)设计了用于ISFET检测的便携式传感信号读写控制系统和校准方法。该校准方法能够有效地减小由系统中各组成器件的性能差异带来的测量偏差。通过pH检测实验验证了该系统和校准方法可以满足实际应用的需求,为实现可靠的ISOFET传感检测系统提供了软/硬件基础。4)实现了ISOFET(包含低电压OFET、固态工作和参比电极)在塑料衬底上的集成,以及其与硅基芯片混合集成的传感系统;并结合校准方法,实现了对溶液pH值的可靠和准确的检测。该技术为构建ISOFET传感系统提供了集成的技术基础。本论文的研究为设计与实现高灵敏度、可靠的ISOFET传感检测系统,以应用于生物/化学检测,建立了理论与技术基础。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

解决了 ISFET 封装和隔离的问题。近些年来，EGFET 在 pH 检测方面获得了极大的关注[42-45]。图1-1（c）所示是 EGFET 的器件结构示意图。器件栅极电极延伸至旁边的传感检测区域，延伸的栅极电极上制作了一层 pH 敏感膜用于感应溶液的 pH 值。与 ISFET器件相比，EGFET 器件有以下几方面优势：1) 溶液和 FET 器件不直接接触，避免溶液对 FET 器件的腐蚀和污染，因此一定程度上延长了器件的使用寿命，提升了稳定性。2) 仅需要对感应区域进行封装，因此降低了制造工艺的复杂度和封装的成本，从而降低了整个器件的成本。3) 感应区域虽只可一次性使用，但 FET 器件部分可以重复使用，进一步降低了 EGFET 使用成本。4) 通常情况下

论文的组织结构

图 2-1 绝缘层表面因缺少配对原子所形成的位点en binding sites of insulator surface due to the lack of at the surface.衡反应中的物质浓度之间的关系——质量作用定Ka和 Kb：KMOH HMOHKMO HMOH号“[ ]”表示浓度，[H+]s表示 EI 界面处氢离子+]分别表示 EI 界面处的 MOH、MO-、MOH2+的浓σ q MH M 密度用 Ns表示，则有：N MH MOH M 3)~(2-6)公式，通过化学反应得到表面电荷密度为：
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 范其瑞;;弧焊传感器及传感系统(二)[J];焊接技术;1987年02期

2 范其瑞;;弧焊传感器及传感系统(三)[J];焊接技术;1987年03期

3 范其瑞;;弧焊传感器及传感系统(四)[J];焊接技术;1987年04期

4 吴治文;;弧焊传感器及传感系统(五)[J];焊接技术;1987年05期

5 田作智;电子载荷传感系统[J];工程机械;1988年10期

6 Dirk Waninger ,孙桂珍;使用具有高效打磨装置的机械手清理铸件[J];大型铸锻件;1988年01期

7 程玉琪,朱俊,单雪康;光纤干涉传感系统PTDC法相位检测研究[J];传感技术学报;1989年01期

8 知晓;;柑桔收获机器人[J];今日科技;1989年09期

9 ;西安光圣能源传感系统有限公司产品亮相古城[J];机械工人;2005年08期

10 黄伟;邓兆祥;妥吉英;张河山;杨攀;杨金歌;;新型准零刚度振动位移传感系统研究[J];重庆大学学报;2018年04期

相关博士学位论文 前10条

1 李乔峰;有机场效应晶体管的离子敏感传感系统的关键问题的研究[D];上海交通大学;2018年

2 妥吉英;一类准零刚度绝对振动姿态传感原理研究[D];重庆大学;2018年

3 王伟;光纤光栅法布里—珀罗传感系统光学增敏技术研究[D];国防科学技术大学;2015年

4 尚佳彬;光纤CRDS多参量传感系统的研制及应用[D];南开大学;2012年

5 周岳斌;IEEE 1451混合接入模式下网络化智能传感系统建模与实现[D];华南理工大学;2012年

6 刘云;小型化光纤表面等离子激元共振生物传感器系统的研究[D];大连理工大学;2016年

7 梁伟;光电经纬仪数字化加速度传感系统研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2011年

8 高清华;新型大气数据传感系统故障自诊断关键技术研究[D];北京理工大学;2016年

9 张文靓;细胞力学传感系统[D];浙江大学;2016年

10 孙斌;基于无线传感系统的大跨度空间结构风效应实测研究[D];浙江大学;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 朱寒;延迟线型声表面波传感系统设计与实现[D];西安科技大学;2019年

2 梁文琼;柔性自驱动电子皮肤传感系统研究[D];北京交通大学;2019年

3 李璐璐;BOTDA与FBG共传感系统的解调方法研究[D];武汉理工大学;2018年

4 李晓晓;基于ZnO/微纳光纤的紫外传感系统研究[D];哈尔滨理工大学;2019年

5 应启瑞;基于FPGA的相位敏感振动传感系统设计[D];太原理工大学;2019年

6 薛慧如;基于OFDR光纤振动传感系统的建模与分析[D];天津理工大学;2019年

7 张华;基于CC3200的无线传感系统的设计与实现[D];中北大学;2019年

8 连乐;基于无线传感系统的智能水质监测平台设计与实现[D];兰州交通大学;2018年

9 孙滨超;基于FLRD和全光纤M-Z干涉的磁场与温度传感系统研究[D];哈尔滨理工大学;2018年

10 刘洁;电磁型油液磨粒在线监测传感系统的研究[D];河南师范大学;2018年

本文编号：2883657