Design of Bias Circuit for Measuring the Multi-channel ISFET

다채널 ISFET 측정용 단일 바이어스 회로의 설계

Multi-channel sensors can be used to increase the reliability and remove the random iloise in ion-sensitive field effect transistors(ISFETs). Multi-channel sensors is also an essential step toward potential fabrication of sensors for several ionic species in one device. However, when the multi-channel sensors are separately biased, the biasing problems become difficult, that is to say, the bias circuit is needed as many sensors. In this work, a circuit for biasing the four pH-ISFETs in null-balance method, where bias voltages are switched, was proposed. The proposed concept is need only one bias circuit for the four sensors. Therefore it has advantages of smaller size and lower power consumption than the case that all sensors are separately biased at a time. The proposed circuit was tested with discrete devices and its performance was investigated. In the recent trend, sensor systems are implemented as portable systems. So the verified measurement circuit was integrated by using the CMOS circuit. Fortunately, ISFET fabrication process can be compatible with CMOS process. Full circuit has a mask area of $660{\mu}m{\times}500{\mu}m$. In the future, this step will be used for developing the smart sensor system with ISFET.

ISFET을 측정할 때 다채널 센서를 이용하면 신뢰도를 향상시킬 수 있고 노이즈를 제거할 수 있다. 향후 하나의 소자를 이용하여 여러 가지 이온을 측정할 수 있는 센서를 제조하기 위해서도 다채널 센서는 반드시 필요한 과정이다. 그러나 다채널 센서를 개발시 각 센서에 개별적으로 바이어스를 인가한다면 센서의 개수만큼 바이어스 회로가 필요하다. 본 논문에서는 영전위회로에 스위칭방식을 도입하여 4개의 pH-ISFET을 바이어스 하는 방식을 제안하였다. 제안된 회로는 4개의 센서에 대해 단지 하나의 바이어스 회로가 필요하므로 개별적인 바이어스 인가방식에 비해 전력을 적게 소모하며 적은 면적에 구현할 수 있다. 제안된 회로는 이산소자를 이용하여 성능을 검증하였다. 또한 최근 센서시스템이 휴대화 되어지는 경향에 따라 검증된 바이어스 회로를 CMOS를 이용하여 집적화 하였다. 설계된 바이어스 회로의 마스크 면적은 $660{\mu}m{\times}500{\mu}m$이다. ISFET은 반도체 집적회로 공정에 의해 제조되므로 향후 CMOS를 이용한 신호처리 회로와 함께 하나의 칩에 집적화 하여 다기능, 다채널, 그리고 지능형의 스마트센서 시스템으로 개발되어져야 바람직할 것이다.