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生物电子学是生物医学、电子学、工程学等多学科相互交叉的边缘学科,是本世纪的一个热点研究领域。本文以离子敏场效应管(ISFET)生物传感器电流模式读出电路的研究为核心,就ISFET器件的建模与仿真、读出电路设计、ISFET器件与读出电路的集成化版图设计、以及ISFET传感器的应用等方面展开研究。首先介绍了生物传感器的分类、发展历程及重要意义,论述了ISFET生物传感器的重要地位、发展现状和应用等。在查阅文献的基础上分析总结了ISFET生物传感器发展所面临的问题,并就这些问题提出了作者的解决思路。文章研究了ISFET器件的工作机理,提出了基于通用器件的ISFET行为级宏模型;在分析ISFET电学特性的基础上提出了其电流模式读出电路;用作者提出的模型进行了计算机仿真和硬件实验验证;设计了集成化的ISFET传感器系统版图。最后提出了一种多功能的ISFET生物传感器系统的设计方案。本文的工作主要体现在以下几个方面:(1)提出了ISFET的SPICE行为级宏模型。传统使用的SPICE-2G中的Bio-SPICE模型不便于修改和使用,且不兼容于SPICE的所有版本。本文分析和比较了ISFET器件与MOSFET器件的结构、工作原理,研究了Ta2O5敏感膜的敏感特性,结合新加坡特许(Chartered)集成电路制造公司提供的3.3V、0.35μm、双层栅四层金属的标准CMOS工艺提出了基于MOSFET的ISFET行为级SPICE仿真模型。该模型解决了ISFET器件仿真的问题,具有较高的价值。(2)提出了具有低电压、低功耗特点的ISFET生物传感器电流模式读出电路。目前报道的ISFET读出电路主要是电压模式电路,和电流模式电路相比,电压模式电路在电压和功耗等方面存在一定的不足。本文分析了ISFET器件的输入输出特性,研究了ISFET读出电路的工作原理,结合电流模式电路的特点提出了差分对型和桥型两种新型的ISFET电流模式读出电路。用HSPICE软件进行仿真的结果表明:和传统形式的电路相比,所提出的电路具有低电压、低功耗的突出优点,适用于生物医学遥测等领域,具有重要的理论价值和实际意义。(3)对ISFET传感器的集成化进行了研究,设计了ISFET器件与读出电路相集成的版图,在很大程度提高了ISFET传感器系统的集成度、缩小了体积,有较高的实际意义。提出的基于ISFET阵列的无线电子胶囊系统符合学术界和产业界的需要,丰富了ISFET的应用,具有广阔的研究和应用前景。