一种新型的拟pmos集成ISFET水质监测装置

抽象的

本文对新型CMOS集成伪pmos ISFET (PP-ISFET)进行了零静态功耗的性能分析。主要重点是模拟功率和性能分析，并与现有设备进行比较，用于水质监测。传统的设备，一般使用，功耗高，不稳定，长期监测。传统器件具有反转率低、功耗高、非线性等缺点，但在这种新设计中，由于无静态功率、输入信号负载电容小、开关速度快、晶体管数量少、电路密度高，该装置具有更好的回转速率和分段线性特性，功耗低至30 mW。该电路降低了每周期的总功耗，提高了运算速度，具有相当的线性性，且易于实现。

1.介绍

水对所有已知的生活形式至关重要。随着产业生产的扩大和每年人口的增加，行业生产的废水被排放到河流和湖泊中，水的质量降低。因此，采取有效措施来监测和保护水资源是最迫切的。通常通过在实验室中进行和分析一些液体样品来进行水质的监督。这种方法非常昂贵且乏味，可能需要几周才能获得测试结果。许多研究工作有助于设计质量测量设备[1］．但如何选择一种更精确、更精确的仪器进行质量监测一直是一个挑战。在当今的情况下，由于大多数复杂的功能已经实现，因此对高密度VLSI电路的需求不断增长，导致规模扩大在深度亚微米技术中泄漏或静态功率的指数增加变得必不可少。因此，对于用于水质监测应用的便携式设备的静态功耗是非常理想的，对于长期监控，非常希望。随着晶体管的尺寸减小（即，技术），每单位芯片的晶体管密度增加。该装置的缩放和晶体管的非常大的集成将导致温度和更高功耗的增加[2］．温度的升高将导致整体冷却成本和复杂的封装技术的增加。高性能数字电路的总功耗主要是由漏电流引起的。在今天的高性能监控电路中，漏功率占总功耗的40%。因此，降低泄漏功率对于低功耗设计是非常必要的。泄漏功耗由下式给出: 在哪里当它在关闭时漏电流是漏电流为电源电压。漏电流由以下几部分组成:（1)闸门泄漏，（2）阈下的泄漏,（3）反向偏见的结漏，（4）gate-induced排水管泄漏。

在这些中，亚阈值泄漏和门泄漏是显性的。MOS装置的亚阈值漏电流可以通过： 在哪里和分别为通道的宽度和长度，是阈值电压，是电子/空间移动性，是每单位面积的栅极氧化物电容，是亚阈值摆动系数，是热电压，是晶体管栅极到源电压，和为漏极至源极电压。

1.1。Isfet.

ISFET是一种离子敏感场效应晶体管，其具有测量溶液中的离子浓度的性能;当离子浓度（如h⁺）改变，通过晶体管的电流将相应地改变。这里，该溶液用作栅电极。由于离子护套，基板和氧化物表面之间的电压出现。除了从硅表面移除MOSFET的多晶硅栅极之外，ISFET具有与MOSFET类似的结构，并用插入溶液内的参比电极替换，该参考电极直接与氢离子接触（H.⁺）敏感栅电极[3.ISFET宏模型的子电路模块如图所示1．

在栅极绝缘体和解决方案之间的界面处，存在电位差异，取决于H的浓度⁺溶液的pH值。由pH值变化引起的电势变化将导致漏极电流的调制。因此，-在三极管区域工作的ISFET的传递特性可以与MOSFET相似，如下所示：

阈值电压只在MOSFET中有所不同。在ISFET中，将参考电极的金属连接定义为远程栅极，其阈值电压为 在哪里是参考电极的电位，为参比电极与溶液之间的电势降，其值通常为3mv [4］．是pH独立的潜力;它可以被视为任何pH缓冲溶液中的ISFET接口电路的共模输入信号，并且可以在系统校准和测量过程中无效，典型值为50 mV [5］．溶剂的表面偶极电位是否与pH无关;括号中的术语主要与MOSFET阈值电压的术语相同，除了栅极金属功能的不存在之外。上述等式中的其他术语是一组化学电位，其中所示的唯一化学输入参数必须是溶液pH值的函数。这种化学依赖性已经由Hal和Eijkel的理论解释，该理论使用一般可接受的位点结合模型和粪便查曼 - 船尾模型阐述。传统的水质监测应用是基于OP-AMPS和OTA的电压模式电路（VMC）构成的。由于杂散和电路电容，这些应用遭受低带宽（BW）的宽度（BW）。此外，对低电压和低功率电路的需求使得这些电路不适用于水质监测，因为这些电路需要根据MOSFET的阈值电压所需的最小偏置电压[6］．然而，随着模拟超大规模集成电路(VLSI)的发展，新的模拟器件被称为电流模式电路(CMC)。这些电路具有低功耗和低电压的显著优势，可以在宽动态范围内工作。这些电路，CMC，可以提供给设计者大带宽，更大的线性度，更宽的动态范围，简单的电路，低功耗。电流反馈运放(CFOAs)、操作浮动输送机(OFCs)、电流输送机(CCs)等是常用的CMC结构，其中应用最广泛的是CC-II结构。因此，可以使用CC-II进行设计。

2.Pseudo-PMOS逻辑

伪NMOS逻辑是以接地PMOS负载作为上拉网络，以NMOS驱动电路作为下拉网络来实现逻辑功能的一种比例逻辑。这种逻辑的主要优点是它只使用晶体管和与用于CMOS的晶体管，该逻辑在输入信号上具有较少的负载电容，更快的开关和更高的电路密度。在Pseudo-NMOS逻辑中，任何门的高输出电压电平，低输出电压电平不是0伏[7］．这种逻辑的唯一主要缺点是非常高的静态功耗，因为存在直接路径之间和通过PMOS晶体管的地面。为了使低输出电压尽可能小，PMOS设备应大小远小于NMOS下拉装置。但是为了增加速度，特别是在驾驶许多其他栅极时，必须使PMOS晶体管尺寸更大。因此，参数噪声裕度，静态功耗和传播延迟之间总是存在折衷。

3.设备描述与分析

对于集成传感器，测量电路跟踪ISFET的阈值电压（或平频带电压），因为电解质pH变化。将传感器与电子设备集成的实际解决方案是将ISFET传感器视为集成电路中的电路分量，而不是作为进一步处理输出信号的附加传感器。在本文中，ISFET用作电流输送机的差动级中的输入晶体管之一，如图所示2．电路功能如下:当PP-ISFET配置为电压跟随器时，输出电压等于输入电压吗；在差分输入级的两个输入晶体管之间的阈值电压和偏置电流的任何差异也会出现在输出端。伪pmos具有输入信号负载电容小、晶体管数量少、开关速度快、电路密度高等显著优点。这种逻辑的唯一缺点是上拉总是打开的，因为它有一个显著的静态功耗。上面已经讨论了几种方法来减少静态功耗，但目前还没有完全避免这一缺点的方法。在这种新颖的设计中，电路具有零静态功耗。给出的电路采用伪PMOS技术设计，其中PMOS的门是接地的。在接地PMOS的上方有一个NMOS，它作为开关，只有在输入时才开，否则关闭。由于电路只有在输入信号被施加时才打开，因此没有直接的路径在防止电路静态功耗的地面。

4.瞬态分析

在Tanner工具Version 15上观察了PP-ISFET的瞬态分析，发现随着时间的推移，输出相对于输入是相当线性的，如图所示3.．

4．1.数学回归分析

在回归统计中包括多元，方形，调整方形，实验期间获得的标准误差显示在表中1．上述设备的ANOVA分析（或对方差分析）如表所示2．

画一条直线趋势线和，确定系数被发现为99.7％，标准误差为0.081，如图所示4．决定系数是有用的，因为它给出了一个变量的方差(波动)占另一个变量可预测的比例。这是一种测量方法，它允许我们确定如何用一个特定的模型来进行预测。决定系数是衡量回归线代表数据的好坏程度的指标。如果回归线通过散点图上的每一个点，就很容易解释所有的变化。标准误差是预测变量和实际因变量之间的预期误差。标准误差的最小值表明预测读数和实际读数有多接近。

方差分析是对两个或两个以上样本的数据进行简单的方差分析。

方差分析表给出了以下信息:（1)自由度（DF），（2）平方（SS）的总和，（3）均方(MS)（4）的比，(5）意义．

该分析提供了对假设的测试，即每个样本从相同的潜在概率分布从相同的替代假设中的替代假设中的概率分布对所有样品不相同。高价值5077.88，表明大多数手段都相当相似，但其中一个手段恰好远离其他手段;也就是说，标准误差是最少的，设备准确。

4．2．剩余的情节

输出和输入之间的残差图决定回归模型是否适合您的数据。当绘制时，残差应该是随机的。应该没有可识别的模式。好的回归模型会给出不相关的残差。该装置的剩余plot被绘制并显示在给定的图中5．

4．3．正态概率图

正常概率曲线是概率图的特殊情况。该绘图上的点形成几乎线性模式，这表明正常分布是该数据集的良好模型。设备的正常概率图是绘制的，并在图中示出6．

5.结果分析

获得的各种结果总结在本节中。数字7和8显示组件计数和功耗比较。

将新设计与现有设计进行比较，得出以下结论。(一)mosfet的数量为27英寸[1]，16 in [2用于常规装置;新设备只使用了9个，后来部署了17%的组件，超过52% [8]及31% [9]用于以前的设备。(b)静电几乎为零。(c)这种新技术不使用电容器。(d)在传统设备中部署的当前源的数量为4-3，在新设备中为0。(e)所需的N-MOS和P-MO的数量如下：17和10在[8]和10和6在[9]对于新设备的传统设备和8和1。(f)新技术中不需要电阻。(g)设备正确操作所需的电压源是4中的48]和2在[9]对于传统的设备和1在新设备中。

从表格3.，我们可以弄清楚，在组件方面存在显着节省。因此，我们得出结论，提出的电路在储蓄方面符合我们的所有要求，即小型化和功率效率。

六，结论

在这种新设计中，提出了一种采用PP-ISFET的新器件。介绍的PP是一种方便的构建模块，为线性模拟系统的设计提供了一种简化的方法。它还消耗相当低的功率。在回转率方面有显著的提高。观察到的输出是高度线性的。该设计的一个显著优点是结构简单，组件数量少。因此，它非常适合于水质监测应用。本研究除了在布线和布局特性水平上，还可以在功率和尺寸上进一步改进。

参考

1. P. Whig和S. N. Ahmad，“使用模拟集成电路监测水质的各种读出电路的性能分析”，国际智能系统与应用杂志，第11卷，91-98页，2012。查看：谷歌学者
2. P. Whig和S. N. Ahmad，“基于DVCC的水质监测系统读出电路”，国际计算机应用杂志，第49卷，第1-7页，2012。查看：谷歌学者
3. P. Bergveld，“用于神经生理学测量的离子敏感固态装置的发展”，生物医学工程学报，第十七卷，第二期1，第70-71页，1970年。查看：谷歌学者
4. P. Bergveld，“三十年的isFetology：过去30年发生的事情以及未来30年可能发生的事情，”B第88期1，页1 - 20,2003。查看：出版商的网站|谷歌学者
5. 中州。Chang Y.-S。陆,杨绍明。关铭洪思国，“基于氮化铟离子敏感场效应晶体管的高灵敏度pH传感器”，IEEE传感器杂志，卷。11，不。5，PP。1157-1161，2011。查看：出版商的网站|谷歌学者
6. F. Kacar，A. Yesil和A. Noori，“新的CMOS实现电压差异缓冲放大器及其各种类型滤波器应用”，“无线电工程，卷。21，不。1，p。333,2012。查看：谷歌学者
7. TCAD Sentaurus设备用户手册VG-2012.06.1。
8. P. Whig和S. N. Ahmad，“关于ISFET的水质监测设备的性能，”国际通信网络和系统科学杂志，第1卷，第2期，2011年。查看：谷歌学者
9. P. Whig和S. N. Ahmad，“用于水质监测的CMOS集成CC-ISFET设备”，国际计算机科学问题杂志，卷。9，不。4，p。1694年，2012年。查看：谷歌学者

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