Design and development of readout circuits for ion-sensitive field-effect transistor sensor.

Abstract

This thesis presents the design and development of a readout circuit for ISFET sensors, aiming for a wide reference voltage range, high linearity, and low power consumption. The ISFET sensor readout circuit consists of two main parts: the ISFET sensor circuit (pH range 4-10) and the ISFET sensor readout circuit which includes Operational Transconductance Amplifier (OTA) circuit and Current mirror circuit.

The design was simulated using LTspice software with 0.8μm CMOS TMEC technology. The ISFET sensor circuit uses NMOS transistors (Level 3), while the readout circuit uses PMOS and NMOS transistors (Level 49) with a 500Ω resister, powered by ±3.3 V DC supply. From the performance test results show a wide reference voltage range of 0.6-3.1 V, high linearity (R2= 0.9994) , sensitivity of 38.3 mV/pH for the range of 4-10 pH and power consumption of only 34.42μW

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้ได้ออกแบบและพัฒนาวงจรอ่านข้อมูลสำหรับเซนเซอร์ชนิดทรานซิสเตอร์ที่ไวต่อไอออนหรือ เซนเซอร์ ISFET (The ion-sensitive field-effect transistor) มีจุดประสงค์เพื่อพัฒนาวงจรอ่านข้อมูลสำหรับเซนเซอร์ ISFET ให้มีย่านสัญญาณแรงดันอ้างอิงที่กว้างและมีความเป็นเชิงเส้นสูงรวมถึงการบริโภคพลังงานต่ำ โดยวงจรอ่านข้อมูลเซนเซอร์ ISFET ที่ออกแบบประกอบไปด้วย วงจรหลัก 2 วงจร คือ วงจรเซนเซอร์ ISFET และวงจรอ่านข้อมูลเซนเซอร์ ISFET ซึ่งภายในวงจรอ่านข้อมูลนี้จะประกอบไปด้วยวงจรขยายความนำถ่ายโอน (OTA) และ วงจรสะท้อนกระแส (Current mirror)

การจำลองการทำงานผ่านโปรแกรม LTspice โดยใช้เทคโนโลยี CMOS 0.8μm ของ (TMEC) ซึ่งในส่วนของวงจรเซนเซอร์ ISFET พัฒนาจากมอสทรานซิสเตอร์ ชนิดเอ็น (Level 3) และส่วนของวงจรอ่านข้อมูลใช้มอสทรานซิสเตอร์ชนิดพี (Level 49) และชนิดเอ็น (Level 49) ต่อร่วมกับตัวต้านทาน 500kΩ โดยใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรง ±3.3V จากผลการทดสอบประสิทธิภาพของวงจรอ่านข้อมูลเซนเซอร์ ISFET พบว่ามีความกว้างของสัญญาณแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงอยู่ในช่วง 0.6 ถึง 3.1V มีค่าความเป็นเชิงเส้น (R2) 0.9994 และมีความไวอยู่ที่ 38.3mV/pH รวมถึงมีการบริโภคพลังงานต่ำเพียง 34.42μW