SOI岛形隔离结构LAPS阵列传感器及其信号处理电路设计与研究

采用与SOI衬底埋氧层结合的U型槽刻蚀回填技术，提出了具有各阵列单元高噪声隔离特性的岛形LAPS阵列传感器新结构，其集成片上参考电极可消除溶液电阻影响使器件工作于稳定偏置状态。该新结构阵列器件可以有效提高LAPS的空间分辨力从而提高阵列集成度。通过片上电容将阵列传感信号通过CMOS数模混合集成电路芯片进行信号放大和处理。LAPS阵列中的参考单元和敏感单元通过CMOS芯片进行相关二次采样和差分处理，可有效降低环境噪声和固有模式噪声提高测量精度。该传感器与CMOS信号处理芯片采取MCM组合封装形式。同时研究该传感器的器件物理模型。本项目在LAPS阵列传感器的器件新结构及机理研究、多种测试量的集成传感技术方面有创新之处，CMOS集成芯片的信号处理技术在多种测试量的高精度检测方面有取得进展的可行性，可同时检测多种重金属离子与溶液pH值，是在LAPS阵列测试系统集成化、芯片化主流研究方向的有益探索。

本项目基于微纳加工工艺，设计并制造了SOI衬底埋氧层结合U型槽刻蚀回填技术的LAPS阵列传感器，研究了其物理模型。通过LAPS阵列传感器简化模型的工艺仿真和器件仿真，研究了敏感区氧化层厚度、偏置电压、光调制频率、光照强度、入射光频率等因素对输出电流的影响，得到了LAPS阵列传感器件的优化设计准则。.设计实现了CMOS阵列传感信号处理电路。设计中采用的2×2阵列布局和中心对称5单元布局的阵列结构，有助于与传感信号处理电路相结合减小噪声、提高测量精度。结果表明，槽隔离结构LAPS阵列传感器的传感信号噪声隔离特性优于传统的聚酰亚胺、光刻胶介质层或厚氧化层隔离的LAPS阵列传感器，也优于厚氧化层加P+扩散环的双重隔离LAPS阵列传感器，很好地解决了来自于非敏感区的信号干扰，也有效抑制了传统硅基LAPS阵列传感器中来自硅衬底其它传感单元的信号串扰。槽隔离结构LAPS阵列传感器的噪声隔离特性达到并超过了50dB的预期设计指标。在LAPS阵列传感电路工作频率范围内，可以实现200V~20mV传感信号的放大。.本项目研究了与SOI岛型隔离LAPS阵列传感器芯片工艺兼容的固态敏感膜成膜技术。采用的SiO2 / Si3N4双层固态膜与LAPS阵列传感器的制备工艺兼容，且对H+具有良好的敏感特性，可以实现2~12 pH值范围的检测。.针对SOI岛型隔离LAPS阵列传感器对溶液离子检测要求光源正面照射的要求，研究中采用芯片表面贴装再加PVC腔体环氧树脂封装的结构进行了LAPS阵列传感芯片的封装，可以满足传感器件溶液测试半封、液密、透光的要求，便于在实验室条件下实施且节约了研究成本。.本项目在LAPS阵列传感器的器件新结构研究、集成传感技术研究方面进行了有益的探索。