a novel ph sensitive isfet with on chip temperature sensing using

12
A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using CMOS standard process Yuan-Lung Chin a , Jung-Chuan Chou b,* , Tai-Ping Sun c , Wen-Yaw Chung a , Shen-Kan Hsiung a a Institute of Electronic Engineering, Chung Yuan Christian University, Chung-Li 320, Taiwan, ROC b Institute of Electronic and Information Engineering, National Yunlin University of Science and Technology, Touliu, Yunlin 640, Taiwan, ROC c Department of Electrical Engineering, National Chi Nan University, Nantou 545, Taiwan, ROC Abstract A monolithic chip processing method is reported, which includes the ion sensitive ®eld effect transistor ISFET) of the pH sensor, p±n diode of temperature sensor and readout circuit using 0.5 mm double poly double metal DPDM) standard CMOS product with UMC IC foundry company. We have designed a planar diffused silicon diode on a n-channel pH sensitive ISFET sensor to act as a temperature sensor for on-chip temperature measurement and compensation. Furthermore, the device integrated the dual sensors and readout circuit has the potential advantages of achieving, both the pH and temperature value display, with this process, ISFET's temperature coef®cient can be minimized. # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Ion-sensitive ®eld effect transistor ISFET); pH sensor; p±n Diode; DPDM; CMOS 1. Introduction ISFET pH sensors are being used increasingly for a variety of purposes in the chemical, medicine and biological industries, as well as various ®elds of basic research. Apart form their small size, robustness, low power consumption and simplicity in fabrication, ISFETs have a distinct advan- tage over conventional pH measuring systems [1]. Investi- gations have demonstrated that ISFETs have a large thermal instability, which leads to inaccuracy in measurements. It is often necessary for ISFETs to be used under thermostatic conditions to ensure the necessary accuracy. Since this is not convenient for many applications, it is important to inves- tigate the thermal behavior of ISFETs to determine effective methods to improve their stability. In the previous papers published by Gui et al. [2] on ISFET temperature pair compensation, the ISFET and MOS- FET differential pair con®guration with a low doping con- centration can reduce the temperature coef®cient. Aw and Cheung [3] reported that ISFET exists the athermal point, which is empirically determined to be at a drain current of 50 mA, and combine dual sensor for pH and temperature. In this study, we report a method for ISFET temperature compensation. A summation circuit was used to combine an ISFET and a p±n temperature sensor diode as shown in Fig. 1. Using the p±n diode negative temperature coef®cient and the ISFET positive temperature coef®cient together, the two sensors can reduce the temperature characteristics of the ISFET. In order to simplify the sensor fabrication into one chip, the ISFET, p±n diode and readout circuit were pro- duced using a CMOS standard IC process. The ISFET temperature characteristics TC) are investi- gated and analyzed in Section 2. According to the TC, methods to reduce the ISFET TC are developed. Section 3 presents the ISFET and p±n diode sensors produced using the standard CMOS process. The readout circuit for the ISFET temperature compensation is discussed in Section 4. The experimental results and discussion are reported in Section 5 followed by the conclusion. 2. Temperature characteristics of the ISFET To derive a temperature model of the ISFET, the following temperature coef®cients were considered: reference elec- trode, test solution, pH sensitive ®lm/electrolyte interface and the ®eld effect transistor. 2.1. Temperature coefficient of the reference electrode T R ) The reference electrode used to measure the temperature characteristics was the Ag/AgCl electrode with a ®lling of Sensors and Actuators B 76 2001) 582±593 * Corresponding author. Tel.: 886-5-5342601/ext. 2500; fax: 886-5-5312029. E-mail address: [email protected] J.-C. Chou). 0925-4005/01/$ ± see front matter # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII:S0925-400501)00639-6

Upload: dinhtruc

Post on 31-Dec-2016

227 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

� ����� �� ����� � ��� ��� �� ��� ��������������� ��� ��� ������� �����

��������� ���� !��������� ����" # ���$�� ��� %������ ������ ����&�� �����

���������� � ���� ���� ������ ���� ����� ���� �� ������ ����� ����� �������� ���� ������� ���"��������� � ���� ���� �� ��� !����� ������ ���� "������� ������ ����� ���� � #������ �� ����������� ������� ������ $%�� ������� ���

�&�'� �!��� � ���� ���� ������ ���� "������� ��� "�� ����� ����� "����� (%(� ������� ���

��������

� �������� ��� ������� ������ �������� ���� ������ ��� �� ����� '��� �((��� ������� )� ���* �( ��� �� ���� �+�

���� �( ����������� ���� ��� ������� ����� ��� ,-. �� ���"�� ���/ ���"�� ����� )0$0�* ������� ��� ������� ��� 1�� ��

(�����/ ������/- %� ���� ������ � ������ �((��� ���� ���� �� � ��������� �� ����� � ��� ���� �� ��� � � ����������� ����

(�� ������ ����������� ���������� ��� ����������- ����������� ��� ����� ��������� ��� ���� ���� ��� ������� ����� �� ���

�������� ��������� �( ������� "��� ��� �� ��� ����������� ����� ����/ ��� �� ����� � ���2 ����������� ���('���� ��� "�

���3��- � 4,,5 ������ ����� 6-7- ��� ���� �������-

)���� �* ��������� '��� �((��� ������� )� ���*8 �� ����8 �+� 0���8 0$0�8 ���

� ���� ������

� ��� �� ���� ��� "��� ��� ��������/ (�� �

�����/ �( ������ � ��� ������� ������ ��� "�������

������ � ���� � ����� '��� �( "�� �������- �����

(��� ���� ���� 3� ��"���� ��� ����� ���������

��� �����/ � (�"������ � ��� ���� � ����� ������

���� ���� ����������� �� ������� /��� 95:- ������

����� ���� ����������� ���� � ��� ���� � ����� �������

���"��/ ���� ���� �� ��������/ � ����������- ��

�(��� ������/ (�� � ��� �� "� ��� ����� ����������

������� �� ����� ��� ������/ �������/- ��� �� ���

��������� (�� ���/ ��������� � �������� �� ����

����� ��� ������� "������ �( � ��� �� �������� �((�����

������ �� ������ ���� ��"��/-

�� ��� ������ ����� ��"���� "/ ;� �� ��- 94: ��

� ��� ����������� ��� ���������� ��� � ������ �� �

��� �((������� ��� ���'������� ��� � ��� ����� ����

��������� ��� ������ ��� ����������� ���('����- �� ���

������ 9<: �������� ���� � ��� �=� ��� �������� ����

���� ��������/ ��������� �� "� �� � ���� ������� �(

., �� ��� ���"�� ���� ���� (�� �� ��� �����������-

�� �� ���/ �� ������ � ������ (�� � ��� �����������

����������- � ������� ����� �� ��� �� ���"�� ��

� ������ � �+� ����������� ���� ���� � ���� � ��- 5-

1�� ��� �+� ���� ������� ����������� ���('���� ��� ���

� ��� ����� ����������� ���('���� �������� ��� ���

���� ��� ������ ��� ����������� ����������� �( ���

� ���- �� ����� �� ���(/ ��� ���� (�"������ ��� ���

��� ��� � ��� �+� ���� ��� ������� ����� ���� ����

����� ��� � ��� ������� �� �����-

��� � ��� ����������� ����������� )��* ��� �����

����� ��� ����/3�� � ����� 4- �������� �� ��� ��

������ �� ������ ��� � ��� �� ��� ���������- �����

< ������ ��� � ��� ��� �+� ���� ���� �������� ���

��� ������� ��� �����- ��� ������� ����� (�� ���

� ��� ����������� ���������� ����� � ����� >-

��� �=��������� ����� ��� ����� ��� �������� �

����� . (������� "/ ��� ��������-

� ����������� ��������������� �� ��� ����

�� ����� � ����������� ����� �( ��� � ��� ��� (�������

����������� ���('���� ���� ��������? ��(������ �����

����� ��� ������ �� ����� '��@��������/�� ����(���

��� ��� '��� �((��� �������-

�+,+ ��!'� ��� � ��������� � ��� �� ���� ����� � � -��.

��� ��(������ ��������� ��� �� ������ ��� �����������

����������� �� ��� ��@���� ��������� ��� � '���� �(

���� ��� �������� 6 AB )4,,5* .C4+.D<

# ����������� ������- ���-? �CCB�.�.<>4B,5@�=�- 4.,,8

(�=? �CCB�.�.<54,4D-

�!��� � ���? ����E�F���-/������-���-�� )!-��- ����*-

,D4.�>,,.@,5@G + �� (���� ������ � 4,,5 ������ ����� 6-7- ��� ���� �������-

$��? , D 4 . � > , , . ) , 5 * , , B < D � B

Page 2: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

<-. � &�� �������� ��� ����- ��� �������� �( �� �/�� �(

��(������ ��������� � (������� 9>:?

H�(��� � �6 ��

�4

� �� H�(

��

����

� �

� �H�(

��

� ��� � 4DC�5B� )5*

����� �6 )��@�4* ��� ������3�� �/������ ��������-

�� ��� �"��� �I����� ��� ����������� ���('���� ����

������ ���� ��� �/������ ��������� �������� �� 4.��-

�������� �� ��� �=��������� ����� 9.: ��� �����������

���('���� �( ��� �H�(@�� �I��� �� ,-5> �7@�� (�� �� ��@

���� ���������- ��� ����� �( �6 )��@�4* � ������������

����������- ����� ��� &��" 9A: ��� 6��� ��������

����� �( >-A< >-A ��� >-A> 7 ���������/ 9B+C:- ���

������� �������� �( ��� ��(������ ��������� H�()��@����*

� ������� ,-4,. 7- ��� �"��� �I����� ��� "� ������ �

(�������?

H�(��� � >�A � ,�4,. � 5�> � 5,�>�� � 4DC�5B�� >�D,. � 5�> � 5,�>�� � 4DC�5B� )4*

��� �I���E������ �������� (�� ��� ��@���� ��������� ���

� <-. � &�� (���� ������ �/�����/ I��� ����- ��� �

�/���� �I���E������ �������� �( < �7 ��� ����� �( ��

����������� ���((���� 5, �7@&-

�+�+ ���� �������� -�#.

��� ��� �� ����� �( �� ��������/�� ������ � �������

��������� (��� �( ��� �� �����/ � ��� ��������/�� ����

� (������ �( �����������- �� ������� � ��� �� ����� �

�� ��������/�� ������ �((��� ��� ������� �����- ��� ��

����� ��� ��� ����������� ���('���� ��� � �� ���/ ���

���� � ��"�� 5-

�+�+ '/ ��������� ��!0����� ����� ���� ��� -��.

��� �������� "������ �� ����� '��@��������/�� �����

(��� ��� ���������������������- �� ���������� ���

"� �=������ ��� � ���"���� ����� 95, 55: � ���� �

�I- )<*-

4�<,<���$J� � ��� � 1�,

)�� ���5 1�,

2��

� �)<*

�����

� � 414"

�������������)"�)�

�)��0�

)>*

�� �� ����� ��� ��������� ��� � )� )" " ��� �0� ���

��������������������� ����� )� )" ��� ������� ����

���� (�� �������� ��������� �� ��� ���������� ��(���

������� � ���� � ��� �I- ).*+)C*-

���4��)�

��� � �� ).*

)� � �������" �=���1�,��2�����4

� )B*

����)"��� � ��

)A*

)" � �������" �=���1�,��2����� )C*

���� ��� ����� ���"�� �( �� ��� ��� ���� � (�������?

" � ���� � ���� � ����4� )D*

��� ���"�� ��/�� ���������� � (�������?

��50� � 42�

1

� ��C2����,���5�4 � ��5

� )5,*

���� 954: ������ ��� ����������� ���((���� �( ��� ��

�����/ (��@��������/�� ����(���- �� ����� �� ����� ��

������=�/ (����� �� ���� ��� ������� � �� ���� "

��� �0� ��� ����������������������- ���� � ����� ���

����������� ���((���� �( ��� �� ����� (��@��������/��

����(��� ��� ���/ ��������������������� "�� ��� ���

������ ���� �((����� ��� ������ ��� ���- 1�� �

������ �I����� � ��� �( ������� ����� ���� ������

(��� �� ����� ���"����@��������/�� ����(��� ���

�((����� ����� �( )� )" ��� " ����� �((����� ��������

����- ��- 4 ��� ��� ����������� ���((���� �( ��� �����

(��� �������� ���� �((����� "- ��- < ��� ���

����������� ���((���� �( ��� ����(��� �������� ����

�((����� )�- ��- > ��� ��� ����������� ���((���� �(

��� ����(��� �������� ���� �((����� )"- ���� ����

����� ��� ����������� ���((���� �( ��� �� �����

��- 5- 6���K ������ �( ��� � ��� ����������� ����������-

��"�� 5

����������� ���((���� (�� ��� �((����� "�((�� ������ 9D:

�����������

���((���� )��*

�� 4 �� > �� B �� C �� 5,

4. 4 > B C 5,

<. 4-,< >-,< B A-DA D-D>

>. 4-,B >-54 B-,5 A-D4 D-CA

.. 4-,C >-5A B-,4 A-CB D-C>

�+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8� .C<

Page 3: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

���"����@��������/�� ����(��� ��� ���/ � ������������

��������� "�� ��� ��� ������ ���� �((����� ��� ������

��� ���- ���� ����� "����� ����� ��� ����� ��� ���

L���� �I����� ���� ��� )� ���� )" ����� �� "

�����-

�+%+ 9��� ���� � ������� -�9.

6����� ���� ��� � ��� � ������� ���� "��� �� ���

�� ��� ��� � ��� ����������� ����������� ��� ����

�� � ����������� �� ��� 95<:- ��� ������� �( ���

�������� ������� � �� � ��� ��� �����/ ��������� "/

� (���"��K ����� � ���� ��� ������������� �������

��E���� �� K��� ��� ������� ���� ������� ���� ��� ������

������� ������� ����� �� "� '=��- ��� ������� �I����� �(

��� '��� �((��� ������� � ��� ����� ����� ���� "/

�I- )55*

�0 � � :; � :� � 54:0

� �:0 )55*

����� ���� ��� ����� ��� ��� �"����� ��� ��������

����� ��� ��������� � � �I- )55* ���� ��� ������� �( ���

������ ��"��/ � ��� ���� ��(��� ��� ���� ���� ������

���� �( ��� ������� ��� ��� ������� ����������- ��K��

��� ����������� �������� �( �� �I����� ��� :0 ����

���� �� �"��� ��� �I- )54*-

�:;

��� �:�

��� �0

:0

�����5� )54*

��� ��� ���� � �� �I����� ��� "� (���� "/ ������� ���

���������� �( �:;@�� �� �0- 6/ ��K�� ��������� ���

���������� �� ����� ������������� ������� ��� �=����

������� �� �0 ���� �� �������� �:;@�� "� �I��� 3���- ���

�0 ���� � ��� �������� ���� 95> 5.:-

�������� ��� �"��� ����� ��� ������� �I����� �I- )55*

� ���� ��� �� �( ����� ;@� �I��� �� B,, ��@4, ��

���� ��� ����������� ��� "������ <, ��� 5<,�� ���

4,��- ���� ����� ��� ���� � ��- .-

�������� �� �"��� ����� �� ��� �� ���� ��� ��������

���� �� ���� ��� �������� ������� ��� ��"��/ �((��� ���

�� �� �((����� �����������- ��� ����� ��������

���� ��� ��� �((����� ����� ���� ;@� ��� ���� �

��- B-

��- 4- ������� �( ����������� ���((���� �( ����(��� �������� �-

�((����� "-

��- <- ������� �( ����������� ���((���� �( ����(��� �������� �-

�((����� )�-

��- >- ������� �( ����������� ���((���� �( ����(��� �������� �-

�((����� )"-

��- .- ���������� ���� �( �������� ������� ��� ��"��/ � �((�����

�����������- ����� �( ��� ������������� ������� �- �������������

������� ����� �((����� ����������� "/ ����������-

.C> �+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8�

Page 4: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

��- A ��� ��� �=������� (�� ��� �� �������������

������� ���� ������������� ������� ��� ��"��� ��������

���� ��� 4. <, ., A, 5,, ��� 5<,�� ���������/- ���

����� ���� �( ��� �� B,, ��@4, ��- ��� ��������

����� ������� ,-4 7 ��� ����� ������� ��� �"���

���������� ���/ ����-

���� ��� �"��� ��������� ��� ����/ ��� �����������

���('���� �� �( ��� ����� � ��� /��� ��� "� ������ �

�� � �H � � � �� � �� )5<*

�� ���� ��� ��� �H ��� � ����� ��� �������- ��� �� ���

��� �� ����� "� ��������� �������� �� ��� ��������

����� ������� �I����� �( ��� ����� �����-

�0 � �:0 �:� � H�( ��, � :�� )5>*

����� ��� �, :� ��� ��������� �� ��� �� �� ���������/-

��� �"��� �I����� ���� �((������� "/ ��� ��������

���� )�* �� ��� ��� ��� �I- )5.*

�:�

��� �0

:0

�����5� � �H�(

��� ��,

��� �:�

��)5.*

����� ��� :� ������ ������� �( ��� � ���- ��������

�I- )5.* �� ��� �������� ��� ������ ������� �( ��� � ���-

��� ���� (�� )�H�(��� � ��,��� � �:����* � �����

��� ������� ���� � ������� �( )�0@:0 * �@��)��5* (=��

� 3��� ����������� ���((���� ������ ��� �������� ����

��� "� ��I����- ��� �H�(@�� )�H* ��� ���,@�� )��*

���� ���� ��� ��������� �� �� ����� ��� �������

�((����� �������� ���� ��� �((����� �� "�((�� ����

���- ��� �������� ���� ������ ��� "� ��� �� � ������

����� �( �� ����� (�� �=����� ��� ����� "���� )��� ��

����� "������ B-C ��� A-B*- �( � "���� ����� �( �� �����

��� ���� ��� ������ �( ����������� ��������� ������

������/ (�� � �((������� ��� �( � ��� ��� �� ���

������/- �� ��� �"��� ����� �� ����� ���� "��� ���

�� ��� ��� � ��� ���� ��������/ ����� �:�@�� )��*

���� ���� �� "� ���������� "/ �� � ��� ��� �� ���

�((������� ���- ��� ����� ���� � ��- 5.- ��� � ���

����������� ��������� � ��(������ ��������� )�H* ��� ��

����� (��@��������/�� ����(��� )��* �� ��� ���� �����-

�� ������ �� I����� �� ��� ��� �+� ���� �� ���"��

��� ������� ����� �� ������� �� ���������� ��������

���� �( ��� � ���- ��� ����������� ���((���� �( �H ��� ��

���� ����� ����� ���� ��� ��������� �� ��� ��������

���� � � ��� �"��� ���������- � ���� ���� ��� ��"��

����������� ����������� �� � ������� ����� ����

��������� �� ��� ����������� ���� ��� "� ���"��� ��� ���

� ��� ��� � ������� ����� �� ������ ��� �H �� �((��� ���

��� ��� ����� � ��� �� ����� ��� ������ ��� �����������

���((���� 95B+4,:-

� �������� ������ �����

�� ������� �� � ��� ��� � ��� ������"�� �����

��� �� ��I���� �=��� ��K- �� �=������ 945: ���� ��4@��

�������/�� ��������� ���� ���� ������ �( � ����

������� ����� ��� � ������� ���� �� ������ � ����

� ��- C- �� ���'������� ������� � ����� ����������

"������ ��� �� �� ������� ���"���� �������� ��� ���

������ �������- ��� �+� ���� �� ��� (��� ��� �� ��

������ ����� �� ������- ��� ���� �� "��� �� � ����

��(�� )���/�� 5,,����������*- ��� L�� �� 5<. �M

���K�� �( ��� �4 ���� ��� ������� �� ���� ���� �(

B,, ��@4, ��- �� ��� ����� ��� ��(�� ��� ������

������� � ������� ������ ���� ������ ���/�����

���� ��� ����� �I����� ����"/����- ��� � ��� ��

��- B- ����� �( ��� ������������� ������� �- ������������� �������

����� �((����� ����������� ����� ��� ����� ���� �( ;@� ��� 4, <,

���������/-

��- A- ����� �( ��� ������������� ������� �- ������������� �������

����� �((����� ����������� "/ �=�������- ��- C- ������� ������ �( ��� � ���-

�+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8� .C.

Page 5: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

��� L�� � ��� "�� �������- ��� ��"��/ "����� ����

���� �( ��� $�� - �� ��� ��������/ ����� ���� ��� ��

������� ���"���� ���� (����� �� ��4@�� �������/��

��������� � ���� ���� ��������� �� ��� L�� ����- ���

��� ��/��� ������ ���� � ��� ��- D ��� ��� ����

����� ������ �( ��� � ��� ��� �+� ���� ��� ���� �

��- 5,- �� ��������� � ��� ��� ������� �� � ������

"���� ��� ����������� ��� ���=/ ��� �� ������ �����

����� ������� (�� ��� "����� ��� ��� �=���� ����

����� �� ��� �� �( ��� � ��� ���- ��� ���=/ ��/�� ��

��� � � ��������� ��/�� ����� �� ������� ��� �/����

��� (��� ��� ����� ������ 944+4.:-

��� ��4 ��� '�� �� ������� ��� ��� ��(������� �(

�������� /��� ���� � ��- 55- ��� ������� �����

����� ��� ���� � ��"�� 4 94B+<5:-

� ��� ��� �������

��� ������� ����� �� ��������� "/ (����� "��� ���

���� ��� � ��� ������ ������� ��� �((����� ��� ��� �

��- D- ��/��� ������ �( ��� ���� ��� ���-

��- 5,- ��������� �( ��� ������ ���� � ��� ��� �+� ����-

��- 55- ������� ������ �( ��� ��(������� �( �������� /���-

��"�� 4

;����� ������� �( (�� ������� ��� ��� �������� /���

$�������� �������

0������ ���� )�M @* 4,

0������ ������ )�����* 4,

6��K������ ������ )����* < � 5,�B

��@�4 ���� >?5

�"����� ����������� )��* 5.,

.CB �+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8�

Page 6: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

����� ����'�� �� �������/ �((�� �� ���� �����������

���('���� ��� ������� � ���������������������� ������

���� � ���� � ��- 54- ��� ��/��� ������ ���� �

��- 5<- ��� ������� ����� (�� ��� � ��� ��� �������

������� ������� ������� )���7* �� �((������� ��� ���

�� ��� ��� � ��� ���� � ��� ��- 5> ��� 5.- ��/

������ � ��� ������ �� �((��� ��� ������ ���� ����(���

�������� �( ��� � ��� ���� �������� "/ ��� � ��� ����

� � ����������� �������� ������� ������- �� ������ ���

����������� �((��� �( "� ������� ����� � "������ ��(���

���� "� ����� �� ���- ��� ������ �( ��� �����

���� � ��- 5B- ��� ���� �������� � (������ "� ���

� ������� �������- 7���� ����������� ��� ���� �������

���� ��� ���/ "� �"����� � � ������ � ��� ���� (������

������� ��� ��� ������� K��� �������- ��� �����

������ ���� � ��- 5A 9<4+<B:-

��- 54- ������� ������ �( ��� ������� �����-

��- 5<- ��/��� ������ �( ��� ������� �����-

��- 5>- 6���K ������ �( ��� ������� ������� ������� ������� )���7*-

�+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8� .CA

Page 7: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

� ������� �� ���������

(+,+ '/ ����������� � ��� #���03� ��� ��� ���� �#9�

��� �$>5>.6 ����������� ��������� ����/3�� ��

��� �� �"��� ��� �� �����/ �( ��� � ��� � ��� ��

4 > B C 5, "�((�� ������ ����� ��� ����������� ��

���� ����������� )4.��*- ��� � ��� �� ������ � �

"�((�� ������ (�� 5 �� "�(��� �����- ��� ����(�� �����

������� �( �� ��������� ���� ��� �� ����� ��(������

������� ):H�(* ��� �� "�((�� ������ ��� ���� � ��- 5C-

��� ��(������ ������� ���� ������ ��� �� ��@����

��(������ ���������- ��� �� �����/ �( ��� ��4@�� ����

� ��� ��� "� �"����� ������� � �(� � ��� ��������

������� �( �� � ��� ����- ��� ����� ��� � ���� �

��- 5.- ������� ������ �( ��� �((������� ��� ��� �� ��� ���

� ���-

��- 5B- ������� ������ �( ��� "������ ��(������-

��- 5A- ������� ������ �( ��� ������� ����� �( �+� ����-

.CC �+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8�

Page 8: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

��- 5D � ���� ��� ��4@�� �=������ ���� � ��� ����

�� � ����� �� �����/ �( �����=�����/ .C �7 ��� �� �

� ������������ ����� "������ �� 4 ��� �� 5,-

(+�+ �7: ��� ���� ������ � ��� �#9� �����

��� � ��� �������� ���/ ���� �� ���� �( � �������

����� �� ��� �=���� ���� � ������ ���� �� ��� �����

�( � ����� ����- %��� ��� � ��� ��� � ��(������ ���������

)��@����* ��� ������ � ��� �� 4 > B C 5, "�((�� ������

� (���/ �( ����� ��� "� ��������� "/ ����/�� 4 7 (�� ���

������� �( ��� ��(������ ���������- ��� �0+:0 )���� �������

���� ������������� �������* ����������� �( ��� � ���

� � ������������ ����� "������ �� 4 ��� �� 5, ��� ����

� ��� ��- 4,- ��� �=����� (�� ��� �� ��� ��������

����� � (�������?

�0 � ����=

4

;

�:; �

�H�( ��, � <�� ��

1

� =�= � =

��=

� =6

��=

� 4�(

��4

����� �� ��� ��"��/ �( ��� �������� � ��� �������

)��4 7�5 �5* ��= ��� ���������� ��� ��� ���� �( ��� ����

������� )�� ���4* ; ��� ������� ���� )��* � ���

������� ������ )��* H�( ��� �����"���� �( ��� ��(������

��������� �, ��� ������������ ��(��� �������� <�� ���

��(��� ����� �������� ����� �������� �( ��� ������ =�=

��� ������ ������� � ��� �=�� = ��� ������ ������� �

��� ��(��� ��� ����(��� ���� ��= ��� ���������� ��� ��

��� �=�� (��- 6��� �� �I- )5B* ��� ��- 4, �� ����

���� ���� ��� ������ �������� �� � ����� �� ������ �

��� �������� ����� ����� ��� �((����� �� "�((�� ������

9D:-

(+�+ �'����� ����������� � ��� �>��� � ���� �#9�

��� ����������� �� ��� ��� �N����� �( ���� �=���

��� �����"�� "�� (�� ��������� ����"��� ����

������ ������� ��� ���� � �������"�� �������� �������

�(�- ��� ������ ���� ���� � ������"���� � ��� ������

������������ ���������� ��� �����������- �� �� �����

��� �=������ ���� � ��� � ���� ��� �� ������� ����

"���� �� (����� �� ��4@�� �������/�� ���������- %�

��������� ��� ������ ����������� �( ��� �=������ ����

� ��� � ��� ���K ��� ����� ������� ���� �=�����

���������/- %� ��� ��� ������� ������� ���� �=�����

�( �"��� 4,,, �= ��� ��������� ��� ����� �( �=������ ����

� ��� ��� ����� ��� ���� � ��- 45- ��� ���� ���� ����

��- 5C- ����� �( ��� ������������� ������� �- ��(������ ������� �����

��� �((����� �� "�((�� ������-

��- 5D- ����� �( ��� ������ ������� �- �� �����-

��- 4,- ����� �( ��� ������������� ������� �- ������������� �������

����� ��� �((����� �� "�((�� ������-

��- 45- ������ ����������� �( ��� �=������ ���� � ���-

�+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8� .CD

Page 9: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

���� ��� ��4@�� �=������ ���� � ��� �������� �� ��

�((����� ������� � ���� �����/ 94B <A:-

(+%+ & �� ��� ���� ����� � ��� �>��� � ���� �#9�

�� ���/ ��� ��(� ����������� �( ��� �=������ ����

� ���- ��� �=��������� ����� ����"�� � ��- 44 ����

�� ����� (�� 5. �- ��� ��(� ����� <-DB �7@� 94>:-

(+(+ ��� ��!'� ��� � ��� ���� ������ � ��� '7� �� �

��� ���� �� "� ����"�� ����������� ���� ���/ ���

����/ ���� ������/ � ����� �� ������� ����� ���"���

���- �I- )5A* ��� ��� ����������� ��������� "������

��� ������� ��� ������� �( ��� �+� ����- %� ������� ���

������� ���� ������� �� �((����� ����������� � ���� �

��- 4<- ��� ��������� �( ��� �+� ���� ��� �������

��� ����� ��� ���� � ��"�� <- ��- 4> ��� ����

������/ (�� �� ����- ���/ ����/ � (�� ��� ��"��

������ (�� ��� ���� ������ �( ��� �����������-

�0 � � ��1:0��)� � 5� )5A*

����� �0 ��� ������� �( ��� ���� � ��� �������� �������

��� (����� � ��������/ �� � ����� "������ 5 )(�� �((���

�������* ��� 4 )(�� �����"����� �������* :0 ��� (������

������� �( ��� ����-

������� �/��� �� ���(����� �� � ������� �����������-

��� �������� ����������� ���('���� �( ��� ������ ��

��- 44- 0�(� ����������� �( ��� �=������ ���� � ���-

��- 4<- ����� �( ��� ���� ������� �- (������ "� �( �+� ���� �����

�((����� �����������-

��"�� <

$�������� �( ��� ����������� ���� �( ��� �+� ���� ��� ���

������� �����

) � )�* :� �

5 4,, 5D-A��5C ,-,5A4. 5-BDB

4 44, A-.5��5B ,-,5CDA. 5-BB

< 4>, D-4<��5. ,-,4,A 5-B5.

> 4B, 5-5D��5< ,-,4>4. 5-.A>

. 4A, 5-,.��5< ,-,4<4<A. 5->A

B 4C, 4-B4��5< ,-,4>5. 5->>

A 4D, B-.B��5< ,-,4. 5->5B

C <,, 5-D4��54 ,-,4.CA. 5->5,

D <5, .-4<��54 ,-,4BA<A. 5->5

5, <4, 5-<>��55 ,-,4AB 5->5>

��- 4>- �����/ �( ��� �+� ���� ��� ��� �� �����-

��- 4.- ����� �( ��� ������ ������� �( � ��� �- ��� �((�����

�����������-

.D, �+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8�

Page 10: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

������� "/ ��� ����(������� �( ��� "�((�� ������ ��� "�

��K�� ��� �������- 1�� ��� � ���2 �����/ ).C �7

��� ��* ��� ����������� ���('���� �( �5-<C �7@�� (�� ���

� ��� ���� � ��- 4.-

1�� ��� ���� ���� ���� � ���K�� ����������

���� � �� ���������� ����� ��� ����������� �����

���- ��� ������ �( ��� ����������� ���������� �����

���� � ��- 54+5A- ��� ���� �������� �� � ���� �������

�( 5,, �� � � �� B "�((�� ���� � ����������� ����� �(

4.+..�� ���� � ��- 4B- ��� ����� ����������� ���('�

���� �( ,-5B �7@�� ���� �� ��� ����������� ����� ���

��� ����� ��������� �( ��� ���� ���� ����-

!���������

%� ���� ����� ��� � ��� ����������� �����������

�����/ ��� ���� �( ��� ���������� � ��� �������

����- �� ��������� � ��� �� ���� /��� ����

���� �( ��� � ��� �� ���� ��� � �+� ���� ��������

���� ���� ��������� ��� ������ ��� ����'�� ��

(�"������ ��� ���������- ��� ����������� ���('���� �( ���

� ��� �� ������� �� ,-5B �7@�� � �� ����� �(���

����������- ��� ����������� �( ��������� ���� ���

������� ����� ��/ "� ��������� ��� ��� �( ��� ������

���� �( ��� ��� �� �����- ��� �������� ��� "�

�����3�� � (�����?

5- ��/ ��� ��� ��������� ������ � ��� �������

��� ��� �=������ ���� ���� ��� ��� �����

���"���� ��� ��� ��4@��-

4- ��� �=��������� ���� ��� ���� ��� ��4@�� �=������

���� � ��� ���� �� � ����� �� �����/ �(

�����=�����/ .C �7 ��� �� � � ������������ �����

"������ �� 4 ��� �� 5,-

<- ��� ��� ��������� �+� ���� ����������� ����

�����/�� ���� ��� ����������� ���������� ��

� ��� ��"��� �����������-

>- ��� ��������� � ��� ���� ��� �+� ���� �����������

���� ��� ������ "� ��� ���� ��������� �����

��� "� �������� � � �������� ���-

��"��#�� �������

��� ������ ��� ���"��� �� ��� ����� ��� ������� �(

���������/ (�� ��� "������ ���- ����K (�� ��� �� ���

������������� ������ )���* (�� �� �������- �� ���K

�������� "/ L������ ����� ������ ��� H���"�� �(

���� ����� ��� �������� L �CD�445.���4B,�,,5-

����������

95: $- 6������� 0������ �( �� �������� ��� ���� ����� (��

�������/������ ���������� ���� ����- 6����- ���- 6���5A

)5DA,* A,+A5-

94: %- ;����� �- 0�� %- ������ � ��� ����������� �����������

��- �������� 55 )5DCA* 445+4<A-

9<: �-��- �� $-%- ������ � ���� ��� ���� ��� ������

����������� ���� ���� ��������� �? $�������� �( ��� 5,��

������ ������������ ���(������ �� ������ ��� 6����/ ����/

5DCC-

9>: $-H- 6���"�� H- -�- ��""��� %-6- %�����K ����/ �(

��� �������� ������� ��� � ����������� ���������� �

��������/��+�������+����������� (��� �((��� �������

)�� ���2* ���� ����- �������� 0���� �0�<> )B* )5DCA*

54A5+54C4-

9.: H- -�- ��""��� ��������� (�� 6������� ����������? $����

��� ��� ��������� %��/ L�� ���K 5DA>-

9B: H- ;���� ;- ��/�� �� �=��������� ����������� �( �"�����

���(����� ���2 ��� ���� �� (��� ������ �( ������� !- ����-

$�/- BB )5DAA* >>5<+>>4>-

9A: %-L- ����� 0-�- &��" ��� ���K (������ �( ������ ���������

!- �����������- ����- 5,, )5DAD* >D<+.,,-

9C: �- 6��� ��� ������� �����/ �( ��������/��@����(���@����

�������� $�-0- 0������� ������ 1�����/ �( ���������/

������� 5DC4-

9D: �-&- ��� ���/ �( �� �=�� � � ���� (�� (�� � ���

��������� $�-0- 0������� ����� ���� ������ 1�����/

����� � 5DDC-

95,: �- ;��������� ;- ���"�� - ������� ������� ��������

���2 ��� $��� ���� ����- �������� 0����- <D )>* )5DD4*

C5<+C5D-

955: �-7-0- 7��KK��� �- 6��� L- 0� H��� ��� �����������

���������� �( ��� ��(��� �������� �� ��� ��4�<@��������/�� ����(���

!- ������ �����(- �- 544 )4* )5DCC* <<B+<>.-

954: &-�- ���� ���/ �� ����������� �((��� �( � ��� 0���� �����

��� ��� ��� 1�����/ !��/ 5DDA-

95<: $- 6������� ��� �������� �( �� � ��� � �� ��������� ����� ��-

�������� 7��- 5 )5DC5* 5A+4D-

95>: 6-&- !��� $-�- H���� ����������� ���������� �( ��� ��

��"��/ ���������� ���� $���- 5<. )>* )5DCC* D>+DB-

95.: - ����� $- ���� �((��� �( �������� ����������� �� ���������

��������� � �� ������ ����� ���� ����� ��� 0����

����3�� !��/ 5DCD ��- <5+<C-

95B: �-�L- L� O-��- 0�� P-��- ���� �((��� �( ��� �/�� �( ��(���

�� �� ��� ����������� �( <L>����� ���� ��� ��- ��������

6 <A )5DDB* 5<+5A-

95A: !-��- ���� �-��- %��� !-�!- �� ����������� �((��� �( � ?� ���

� ��� ��- �������� 6 B4 )4,,,* D4+DB-

��- 4B- ����� �( ��� ������ ������� �(��� ����������� ����������-

�+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8� .D5

Page 11: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

95C: %- ���"��� !- J��� �- 6������� �- &���� ���������� �( ���

�/���� ������ "������� �( � ��� �� ���� "/ ���� �( ����

0������ ��������/ )�07* ��- ��������� 6 4B@4A )5DD.* <>.+<>C-

95D: 0- �����/ ;�� �� ��������� ��� ������� �����������

�����������? �� �( � ������������ �� ���� � ��� ����

��(������ ��������� ����/� 55. )5,* )5DDD* 54C<+54CA-

94,: - ������� �- �����3��� ;- ���"�� $- ���� �����������

�((��� �� ��� � ��� "�������? ������� ��� ����������

��- �������� 6 ., )5DCC* B,+BC-

945: �- &���"� �- ���K �- ���� �- ��E - &�"�/�� &- �3�K �

��������� "����� ��� �=������ ���� (��� �((��� ������� �?

$�������� �( ��� B�� ���� /����� ��K/� !���� 5DCB

��- 455+45>-

944: �-� - %��� �-�- %��� � ��� ���������� QQ� ��������������

����(��22 ������� ���� �����/�� �((������� ���� ����

����- �������� 0���� <B )<* )5DCD* >AD+>CA-

94<: &- 03��� �- ;�((��- �- �� �����/ 1�� � ��� � ��

���������/ (�� ��� ����������� �( �� ��������� � ��� ���� ��?

$�������� �( ��� ������������ ���� ���� � ��2D5 ���(������

$�� ������ 5DD5 ��- <.B+<.D-

94>: �- ���� �- ;��3 �- ����� �- ;���� �- ������� $- ������ �-

���������/� �������/�� � ��� ���"���� (�� ����/���

��������� ��- �������� 6 <.@<B )5DDB* 5<B+5>,-

94.: �- 6��� !- ���� !-0- ����� � ����� (�� ��� ���"���

(�"������ �( �� ���� ��� ��� ����� ���� �������� 0����

����- D )5* )5DCC* >>+>A-

94B: �-�&- ��� !-��- ���� %-��- ����� �-�$- �� -�&- ���� ���/

�� ��� ����(��� ���� ����/ �( ��� <L>@ �4 ���� � ��� �?

$�������� �( ��� ���� ��� ��� ���(������ �� �������

���� ���� ���� &���� .+B L����"�� 5DDA ��- <D>+>,,-

94A: �-�&- ��� !-��- ���� %-��- ����� �-�$- �� -�&- ���� ���

�� �����/ �( ��� �������� �� �=�� ��� (�� �"����� "/

������� ������ ���������� �? $�������� �( ��� <�� ��� ���

���(������ �� ������� ���� ���� ���� &���� .+B

L����"�� 5DDA ��- >5,+>5.-

94C: �-�&- ��� !-��- ���� %-��- ����� �-�$- �� -�&- ���� ��4

��� (�� �������� "/ �( ������� �������� (�� ��4@ <L>@ �4 ����

� ��� ��������� �? $�������� �( ��� ��� ���$��(�

������������ /����� �� ��� 6�� ��� ��������� �( $����

���������/ L������ ����� 1�����/ �( ����� ��� ���������/

����� H�� 5.+5B 0����"�� 5DDA ��- 5D5+5D>-

94D: �-�&- ��� !-��- ���� %-��- ����� �-�$- �� -�&- ���� ���/

�( �������� �� �=�� ��� (�� (�� � ��� ��������� ��-

�������� 6 ., )5DDC* 5,>+5,D-

9<,: �-��- �� ���/ ��� (�"������ �� ����� �������� �������� �(

��3/������(�� (��� �((��� ������� ����� ��� 5DDD-

9<5: �-�&- ��� �-��- �� !-��- ���� %-��- ����� �-�$- �� -�&-

���� ���/ �� ��$J� ��� ��(��� �������� �( �� �=�� ����

� ��� �����- ����- $�/- .D )5DDD* B+55-

9<4: &- ��K��� �- �/����� �- �"��� �- �/�� �� ��������� ����

������� ���� ��� ������������ (��� �((��� ������� ��?

$�������� �( ��� ������������ ���� ���������2D5 ���(������

�� ������� 1 � 5DD5 ��- 45C+445-

9<<: �-�-%- ���� �-H- ��K��� 0-�- ������/ �-�- �� 0-�- &��� �

���/ ����� ��������� ���� ��� ���� ����/ ��� ������"�� ���

������� ��� ����� ��- �������� 6 >> )5DDA* ><>+>>,-

9<>: !- 6����� !- �����"�� �- ������� �- ����� ��������� (���

�((��� ������� (�"������ � � ��������� ��� ���������/ ��-

�������� 6 .A )5DDD* .B+B4-

9<.: 6- $���� �-7- ���� !-�- &���� 6- ������ �- ���K L��

� ��� ���� ����(��� ����� (�� "������� ��������� ��-

�������� 6 .A )5DDD* B<+BC-

9<B: &-�- ��� ��� ���� �( � ����"�� ��� ������������ ����(��

����� ��� 5DDD-

9<A: �-��- %� !-��- ���� %-��- ����� �-�$- �� -�&- ���� ���/

�� ��4@��@ �4@ � ��� ��� � ����� ���� ���� �����- ����-

$�/- B< )4,,,* 5.<+5.B-

$����������

��������� ���� �� "��� � ����� H�� �

5DB<- �� ������� ��� 6 ������ � ���������

��������� (��� ����� ���� 1�����/ �(

����� H�� � 5DD, ��� ��� � ������ �

��������� ��������� (��� ����� ���� 1��

����/ � 5DDB- �� ������� ���K�� ������

��� $�0 ������ � ��� 0��������� �( ���������

��������� �� ����� ���� 1�����/- �

������� ���� ������ ��� ���������3���� �(

����� �=�� ������� ��� ��������� (��

� ��� ���� ��� ������@����� �=�������

�������� ����� ����-

?��������� ���� $�0 �� "��� � �����

����� H�� �� 5< !��/ 5D.>- �� ������� ���

6 ������ � ��/� (��� &������ L�����

������� &������ ����� H�� � 5DAB8 ���

� ������ � ������ ��/� (��� ����� ����

������ 1�����/ ������� ����� H��

� 5DAD8 ��� ��� $�0 ������ � ��������� (���

L������ ���� ���� 1�����/ �����

����� H�� � 5DCC- �� ������ �� �����

���� ������ 1�����/ (��� 5DAD �� 5DD5-

��� 5DD5 �� �� ���K�� � �� ������

���(��� � ��� 0��������� �( ��������� ��������� �� ��� L������

����� 1�����/ �( ����� ��� ���������/- � ������� ������ ��� �

��� ���� �( �������� ������� ��� ����� ������������� ������

�������� ������� ��� ����� ��������� ������� ��� ����� ����

����� ��� ����� ��������-

����@��� #�� �� "��� � ����� H�� �� 4,

����� 5D.,- �� ������� ��� 6 ������ �

��������� ��������� (��� ����� ����� ���

����� �( ���������/ ����� H�� � 5DA>

��� � ������ � ������� ����� ���������

(��� L������ ��� ��� 1�����/ �����

H�� � 5DAA ��� $�0 ������ � ���������

��������� (��� L������ ����� 1�����/

����� H�� � 5DD,- ���� 5DAA �� 5DDA ��

���K�� �� ������� �( ����� ��� ���������/

����� H�� ��������� ��� ����������� �(

�(����� ����� ����� ��� /���- ��� 5DDD �� �� E���� ���

0��������� �( ��������� ��������� L������ �� L�� 1�����/ � �

���(��� ��� � ������� ������ ��� � �(����� �������� ��� /���

������@����� �=������� ��������� ����� ���� ����� ���������

��� ���� ��� ���� ���������-

;������ ����� �� "��� � ������ �����

H�� �� 5. ����� 5D.A- �� ������� ��� 6 ��

��� � ������ (��� ����� ���� ������

1�����/ ����� � ����� H�� � 5DAD ���

5DC5 ���������/ ��� ��� $�0 ������ �

��������� ��� �������� ��������� (���

��� ���� 1�����/ 1 � � 5DCD-

�"�I�����/ �� E���� ��� �������� �����

��������� 0��� ������� (�� ���������/

0���������� � ��� ����� �� ��

������� � ��� ���� �( � "����� ������ ����

�������- �� ��� ���� ����������� ��������� �����- ��� 5DD5 ��

�� "��� �� ������ $��(��� � ��� 0��������� �( ���������

��������� �� ����� ���� ������ 1�����/- � ������� ������

������ �=������� 7� � ���� "������� �� ��������� ��� ����

��� ���� ����������/ (�� ���� �"����� 7� � ���������-

.D4 �+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8�

Page 12: A novel pH sensitive ISFET with on chip temperature sensing using

#����)�� /����� �� "��� �� 5> !��� 5D>4- ��

������� ��� 6 ������ (��� 0��������� �(

��������� ��������� L������ ������&���

1�����/ � 5DB. ��� � ������ (���

0��������� �( ��������� ��������� L������

��������� 1�����/ ����� H�� � 5DBC

��� ��� $�0 ������ (��� ������� ����� ��������� �( 1 � 1 � �

5DA>- ���� 5DA> �� 5DAC �� �� �� ������ ���(��� � 0��������� �(

��������� ��������� ����� ���� ������ 1�����/- ��� 5DAC ��

�� "��� � ���(��� � 0��������� �( ��������� ��������� �����

���� ������ 1�����/- � ������� ������ ��� ��������� �������

�������� ��� (�� ��� ����������� ����-

�+��+ ���� �� ��+ 0 #���� � �� 3������ � 4 5$ -���,. (6�7(8� .D<