Design of low noise pH-ISFET microsensors and integrated suspended inductors with increased quality B. Palan

To cite this version:

B. Palan. Design of low noise pH-ISFET microsensors and integrated suspended inductors with increased quality. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2002. English. ￿tel-00003085￿

HAL Id: tel-00003085 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00003085 Submitted on 4 Jul 2003

HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.

ÁÆËÌÁÌÍÌ ÆÌÁÇÆÄ ÈÇÄ Ì ÀÆÁÉÍ  Ê ÆÇÄ

Ó

Æ ØØÖÙ ÔÖ Ð ÐÓØ  ÕÙ

ÌÀ Ë Æ ÇÌÍÌ ÄÄ

ÇÌÍÊ  гÁÆÈ Ì  ijÍÆÁÎÊËÁÌ ÌÀÆÁÉÍ ÌÀÉÍ

 ÈÊ Í

ËÔÐØ ÅÖÓÐØÖÓÒÕÙ

г!ÓÐ Ó !ØÓÖÐ

ÄÌÊÇÆÁÉ͸ ÄÌÊÇÌÀÆÁÉ͸ ÍÌÇÅ ÌÁÉ͸

ÌÄÇÅÅÍÆÁ ÌÁÇÆ˸ ËÁÆ Ä

ÓÙ×ÐÚ È Ä Æ

ÌØÖ

ÇÆÈÌÁÇÆ  ÅÁÊÇ ÈÌÍÊË ÔÀ¹ÁËÌ  Á
Ä

ÊÍÁÌ Ì ³ÁÆÍÌ ÆË ÁÆÌÊË ËÍËÈÆÍË

ÇÊÌ  ÌÍÊ  ÉÍ ÄÁÌ É

ß

Ö !Ø ÙÖ× % Ø  × &

ÂÍÊ(

Ò× Ð ÑÑÓÖ  ÑÓÒ ÖÒ Ô Ö ÃÖÐ

ÁÒ ÑÑÓÖÝ Ó# ÑÝ ÖÒ¹#Ø&Ö ÃÖÐ

Î(ÒÓÚÒÓ ÔÑØ* Ñ&Ó (Ý ÃÖÐ

ÊÅÊÁÅÆÌË

­

Ê ×ÙÑ

ÅÓØ×¹!Ð ×&

­

ÈÊËÆÌÌÁÇÆ ÌÆ Í 

Ä ÌÀË

!ÓÒ#$ÔØ&ÓÒ '$ Ñ&#ÖÓ #ÔØ$ÙÖ× ÔÀ¹ÁËÌ *&+Ð$ +ÖÙ&Ø $Ø

'³&Ò'Ù#ØÒ#$× &ÒØ $,Ö $$× ×Ù×Ô $Ò'Ù$× - *ÓÖØ *#Ø$ÙÖ '$ ÕÙÐ&Ø $ É/

ÁÒØÖÓ ÙØÓÒ  Ò ÖÐ

¾ ¾

¯

¯

­

Æ

­

ÔØÖ ¾ ¹ ÅÖÓ ÔØ ÙÖ ÁËÌ Ö  Ö Ð¹

Ó ÖÔÕÙ

¿  ¾ ¿ ¾ 

·

Ø

Ø

Ø Ø

Ø

Ø

Ø

­ ISFET ref + D Vgs + Vds gate Vgs − S electrolyte − (b) ref. electrode G passivation Ids/Vgs pH=4,7,10 Vds=50mV 25 S D SiO2 20 N+ N+ 15 pH4 pH7 P substrate ion sensitive layer 10 pH10 Ids [uA] 5 Vds 0 −5 00.2 0.4 0.6 0.8 1

(a) (c) Vgs [V]

× ×

Æ

Æ

­ encapsulant Si sensor IN/OUT wires

(a)



























 support 2.5mm contacts bonding pads gate ISFET

(b) D/S diffusions metal paths

ÔØÖ ¿ ¹ ÓÒ ÔØÓÒ  × ÁËÌ× Ò× ÙÒ Ø ¹

ÒÓÐÓ  ÅÇË ×ÙÑÖÓÒÕÙ

·

¾ ¿  Ü Ý

­

Active N/P wells PolySi1 S/D implant Contact Metal1 Via Violation Metal2 of standard Via2 design rules Metal3

Passivation

Ü Ý ¿ 

×Ôº ÓÙ! × % +ÖÐÐ

¾ Ü Ý

¾ Ü Ý

¾

Ü Ý

¾

Ü Ý

­ DESIGN 1 A B

oxide oxide oxide oxide passivation Si34 N passivation Si34 N Metal1

N+ N+ N+tox N+ tox PolySi PolySi P substrate P substrate C D passivation Si N oxide passivation Si N oxide oxide Metal3 34 oxide 34 Metal1 Metal2 Metal2 Metal1

N+ N+ N+ N+ tox tox PolySi PolySi P substrate P substrate

DESIGN 2 E passivation Si34 N F passivation Si34 N

oxide oxide oxide SiO oxide SiO 2 2

N+ N+ N+ N+ tox PolySi PolySi tox PolySi FOX P substrate P substrate

GHpassivation Si34 N passivation Si34 N oxide oxide oxide Metal1 SiO 2 SiO 2 Metal1 oxide

N+ N+ N+ tox N+ PolySi PolySi tox PolySi FOX P substrate P substrate

I passivation Si34 N J passivation Si34 N

oxide SiO oxide oxide SiO 2 oxide 2 Metal1 Metal1 Metal2 Metal2

N+ N+ N+ N+ tox PolySi PolySi tox PolySi FOX P substrate P substrate

K passivation Si34 N oxide Metal1 Metal3 Metal2 N+ N+ PolySi tox PolySi FOX

P substrate

­

×Ôº ÓÙ! × % +ÖÐÐ

¾ ¾

¾ ¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

¾

Ü Ý

(a)

(b)

­

Ó

¦ ¦ ¦

Ó

Ø

Ü Ý

¾ Ø

¾

Ø

Ø

Ø ¾

­

×Ôº ÅÓÝ Ò× Ë Ò×ØÚØ × ÌÓØÐ ÅÓÝ Ò×

Ø

Ë Ò×ØÚØ

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

ÔØÖ # ¹ $ÖÙØ Ò× Ð × ÁËÌ Ø Ò× Ð ÙÖ× ÖÙØ×

³ÒØ Ö&

¾

½

×  ×

¾

¾

¾

¿

­

¾ ¾ ¾

Ò ½ ¾





¾

×

½

Ñ 

¾ 

ÓÜ × 

Æ

Ñ

Æ

×

½



×

pH7 10uA/1uA/100nA Vds=2V ] pH7 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V 10−19 10−20

−20 −21 1/f slope 10 1/f slope 10 −21 10 −22 10uA 10 10−22 10uA −23 −23 10 10 1uA 100nA 1uA 100nA 10−24 10−24 −25 10−25 10 simulation 10−26 10−26 10 100 1k 10k 100k 10 100 1k 10k 100k Drain current spectral density Sid [A^2/Hz

Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] (a) f [Hz] (b) f [Hz]

× ×

½¾ ¾

½

Ä× Ñ×ÙÖ× ÓÒØ Ø Ü  ÙØ × Ù Ð  ÓÖ ØÓÖ ÄÈ˸ ÖÒÓи Ö Ò º

­

¾

−18 D @ 24uA/pH7; G pH4,7 @ 10uA; Vds=0.05V H structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V 10 10 −20 −19 −21 10 10 10uA G pH7 10−20 10 −22 G pH4 10uA 1uA −21 −23 10 D pH7 chip 3 10

−22 24uA −24 10 10uA 10 simulation 100nA 10−23 10 −25

−24 −26 Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 10 10 100 1k 10k 100k 1 10 100 1k 10k 100k (a) f [Hz] Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] (b) f [Hz] I structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V −19 J structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V 10 10−19 −20 10 10−20 10uA −21 10 10−21 −22 10uA 10uA 1uA 10 10−22 −23 1uA 10 10−23 100nA 1uA −24 simulation 10 10−24 100nA −25 10−25 10

−26 −26

10 Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 100 1k 10k 100k 10 100 1k 10k 100k

(c) f [Hz] (d) f [Hz]



× ×

× 

× × ×

­ __ + __ v 2 A1 I1 2 na in1 Vref − ______

2 v 2 v 2

R3 vnr3 R4 nr4 nr5 R5 ISFET − __ __ ref __ 2 v 2 i 2 vna __

nr1 nd + v2 A4 __ na + 2 R3 vnr3 A3 R1 __

− 2

__ __ v − Vis nr6 2 v 2 __ R4 vnr4 R5 nr5 v 2 __

nr2 v2 A2 R6 Vout na + R2

(a) Vdd __ __ Vdd

Is1 2 2 i − __ nr inr i 2 RR − ns1 __ Vout

__ v2 A A1 2 na + ISFET vna __ + ref i 2 __ __ nd ____ ref 2 2 Vds ind ind __ v 2 2 nrset Vg = 0 vna Vds Rset ISFET MOSFET + __ __ 2 Vs A2 Is2 i I i 2 ns2 − Vout 1 n1

(b) (c)

¾

Ò

¾

Ò

× ½ ½

¾

ÒÓÙØ

Ô

­

¾

ÒÓÙØ



Ê ½

¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾

¾

ÒÖ  ÒÖ ¾ Ò½

¾ Ò

Ê 

¾

Ñ

 

Ê Ê ·Ê

¾

¾ ¾ ¾

  

¾

¾

¾ Ú ·¾Ú · ¾Ú ·Ú µ ´ µ ¾ ´½·

Ò

Ú ·Ú

ÒÖ ¿ ÒÖ  ÒÖ 

Ê Ê

Ò

¾

ÒÖ ½

 

¾ ¾

Ò

´Ö ¾Ê µ ´¾Ê µ

¿ ¿

×

Á ½ ½

¾ ¾

¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

×¾

¾

ÒÖ ×Ø

Ò×½ Ò½ Ò×¾ Ò¾

×Ø Ò

 Î ¾ 

Ñ

×

Ñ

¾

Ú

¾ ¾

¾

Ò

¾



Ó ×

¾

Ò Ó ÒÖ

´ Ê µ

Ñ Ó

¾

Ñ

ÒÓÙØ

¾

ÒÓÙØ

Ô

¾

Ò

Ô

¾

ÒÓÙØ

ÔØÖ ' ¹ ÓÒ ÔØÓÒ  × ÖÙØ× ³ÒØ Ö& Ô ÓÙÖ

Ð × ÔØ ÙÖ× ÁËÌ

× ×

¿  ¾

­ Vdd

- Is1 A1 ISFET1 +

RsetA

+ A2 VoutA Is2 -

ref Vdd + Iout V-I Is11 - - A11 ISFET2 +

RsetB

+ A22 VoutB Is22 -

(a) (b)

×¾ ×¾¾

×½ ×½½

½ ½½ ¾ ¾¾ ×Ø ×Ø

ÓÙØ Ò

ÓÙØ

ÓÙØ

­ 1.7 −21.5

−22.0 1.6 −22.5

−23.0 1.5 Iout current [uA]

VoutA voltage [V] −23.5

1.4 −24.0 4.0 6.0 8.0 10.0 −0.42 −0.43 −0.44 −0.45 −0.46 −0.47

a)pH b) VoutA − VoutB [V]

ÓÙØ

ÓÙØ

Æ

×

× ×

× × Ö

Vcc

Vbias ref S R2 Ids Cf liquid D R1 R6 C Vo=−Ids.R1 Vdd R3 − Rf R7 C OA1 − Vdd Vdd C + Cf OA2 − + Vcc Vout C Rg OA3 C Rt R5 + Vss C Vss Rt Vref Vss Rf

R4 Cf

ÓÙØ Ò

­

× 



Ò ×



× ×  ¾

¦

Ó Ò

¦

ÓÙØ Ò

Ó

Ó Ò

¦

ÓÙØ

ÓÙØ

¦



Ö 



× ¾

 ××



 ××



×

Æ

 ×

ÔÀ

ÓÒÐÙ×ÓÒ× Ø Ô Ö×Ô ØÚ × ×ÙÖ Ð × ÁËÌ×

Æ

­

¯

¯

¯

·

¯

¿  ¾ ¿ ¾ 

¯

ÔØÖ ) ¹ ÁÒÙØÒ ÒØ Ö × Ø ÓÖ

­

Ö

Ñ

×Ù ÓÜ

Cp

L l Rs

Co/2 Co/2

ll 2Rc 2Rc

(a) (b)

×

Ó



È

¯

¯

­

ÔØÖ * ¹ ÓÒ ÔØÓÒ  × ÒÙØÒ × ×Ù×Ô ÒÙ ×

Ú  ÙÒ &Ø ÙÖ  ÕÙÐØ É ×ÙÔ Ö ÙÖ

Æ

¾

vertical force F

magnetic field B By Bx insulating mechanical

fixation(drop of epoxy)

ËÊ

Æ

Ü

­

ÁÒ%Ù!Ø ÙÖ ½º0¾ÒÀ ¾º2½ÒÀ 3º¾0ÒÀ 0º40ÒÀ

ÆÓÒ¹×Ù×Ôº

ËÊ

ÑÜ

ËÙ×Ô Ò%Ù×

ËÊ

ÑÜ

Ð Ú ×

ËÊ

ÑÜ

300x300um ind (7.25nH) Q de−embedded 16 14 12 suspended and levitated 10 suspended 8 simulation 6 4 non−suspended

quality factor Q [−] 2 0 1 10 f [GHz]

(a) (b)

­

Ý

Æ

ÓÒÐÙ×ÓÒ× Ø Ô Ö×Ô ØÚ × ×ÙÖ Ð × ÒÙØÒ ×

­

ÐÓÖÔ

ÅÙÐØÔÖÑØÖ

ËÒ×ÓÖ ÅÖÓ×Ý×ØÑ× ¹ ÖÓÑ Ö×Ö ØÓÛÖ×  Ñ×× ÔÖÓÙظ

ÚÐÓÔÑÒØ Ó Ò ÁÓÒ¹ËÒ×ØÚ ËÓйËØØ Ú ÓÖ ÆÙÖÓÔÝ×Ó¹

ÐÓ Ð Å×ÙÖÑÒØ׸

!ËÒØÖÓÒ ½¼¼¼ ÔÀ %ÐØÖÓ¸

Ì × Ò Ó &ÅÇË ÊÓ )ÖÕÙÒÝ ÁÒØ ÖØ &ÖÙØ׸

*ÒÐÝ×׸ × Ò¸ Ò ÓÔØÑ×ØÓÒ Ó ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ×

Ò ØÖÒ×ÓÖÑÖ× ÓÖ Ë Ê) Á&³×¸

ÅØÓ Ó ,ÖØÒ ÓÒ ×Ò×ØÚ ¬Ð «Ø ØÖÒ××ØÓÖ ÛØ

 ÝÖÓ Ò ÓÒ ×Ò×Ò ÑÑ,ÖÒ¸

¾ 

ÇÔÖØÓÒ Ó ÑÐ ÐÝ ×Ò×ØÚ ¬Ð¹

«Ø ×Ò×ÓÖ× ×  ÙÒØÓÒ Ó Ø Ò×ÙÐØÓÖ¹ÐØÖÓÐÝØ ÒØÖ¸

Ëع,ÒÒ ÑÓÐ Ó Ø ÐØÖÐ ÓÙ¹

,Ð ÐÝÖ Ø Ø ÓÜ»ÛØÖ ÒØÖ¸

ÁË)%̹,× ,Ó×Ò×ÓÖ ÑÓй

Ò ÛØ ËÈÁ&%¸

ËÓÐ ËØØ &ÑÐ ËÒ×ÓÖ׸

ÇÖ Ò¹,× ØÖÒ×ÙÖ ÓÖ

ÐÓÛ¹Ó×Ø Ö  ØØÓÒ Ò ÕÙÓÙ× Ñ¸

ÖØ ,ÚÓÙÖ Ó ÁË)%Ì× ÛØ ¹ Ø Ò×ÙÐØÓÖ¸

¿  ¾

!&ÔÐ ÐÖÝ ¬Ð Ð ÒÔ×ÙÐØÓÒ Ó ÁË)%Ì׸

!%ÐØÖÓÑÐ ÒÔ×ÙÐØÓÒ

ÓÖ ×Ò×ÓÖ׸

­

Á
ÄÁÇÊÈÀÁ

!ÅÖÓ×Ò×ÓÖ ÒÔ×ÙÐØÓÒ ÛØ ØÓ ÐØÖÓÐÕÙÖ¸

!ÅØÓ× Ó ÁË)%Ì ,ÖØÓÒ¸

!*

ÔÀ¹ÁË)%Ì Ò ÒØ ÖØ ÔÀ ÔÖ××ÙÖ ×Ò×ÓÖ ÛØ ,2¹× ÓÒØØ׸

!3Ð×× ÒÔ×ÙÐØÓÒ Ó ÑÐ

×ÓÐ ×ØØ ×Ò×ÓÖ× ,× ÓÒ ÒÓ ,ÓÒÒ ¸

! &ÅÇË ÂÓÒØ 3ÖÓÙÔ ÈÖÓ×× ÈÖÑØÖ׸

ÅÙÐØÐÝÖ ÁË)%Ì ÑÑ,ÖÒ× ÓÖ ÑÖÓ×Ý×ØÑ× ÔÔÐØÓÒ׸

5× ÄÑØØÓÒ× Ó ÁË)%Ì Ò ËÐÓÒ ÈÖ×¹

×ÙÖ ÌÖÒ×ÙÖ× ÆÓ× ÌÓÖݸ ÅÓÐ× Ò Ú ËÐ ÐÒ ¸

%ÕÙÐ,ÖÙÑ ÆÓ× Ò ÁÓÒ ËÐØÚ )Ð %«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ׸

½» ÒÓ× Ò ÁÓÒ ËÒ×ØÚ )Ð %«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ

ÖÓÑ ×Ù,ØÖ×ÓÐ ØÓ ×ØÙÖØÓÒ¸

ËÑÓÒÙØÓÖ ÚÑÓÐÒ ÛØ ËÈÁ&%¸

* ÒÛ ÁË)%Ì ×Ò×ÓÖ

ÒØÖÖÙظ

* ×ÑÔÐ ÔÀ ØØÓÖ ,× ÓÒ Ò

ÓÖ Ò ¬Ð¹«Ø ØÖÒ××ØÓÖ

*Ò *ÒÐÝØÐ ÅÓÐ Ó ÈÐÒÖ ÁÒÙØÓÖ× ÓÒ ÄÓÛ ÐÝ ÓÔ

ËÐÓÒ ËÙ,×ØÖØ× ÓÖ À  )ÖÕÙÒÝ *ÒÐÓ × Ò ÙÔ ØÓ ¿3ÀÞ

* ½º:¹3ÀÞ ÐÓÛ¹Ô× ÒÓ× &ÅÇË Î&Ç Ù×Ò

ÓÔØÑÞ ÓÐ ÐÓÛ ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ×

­

Á
ÄÁÇÊÈÀÁ

* ÓÑÔÖØÚ ×ØÙÝ ÓÒ Ø ÚÖÓÙ× ÑÓÒÓÐØ ÐÓÛ ÒÓ× ѹ

ÔÐ¬Ö ÖÙØ ØÓÔÓÐÓ × ÓÖ Ê) Ò ÑÖÓÛÚ ÔÔÐØÓÒ×

ÇÒ¹Ô ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ× ÛØ ÔØØÖÒ ÖÓÙÒ ×Ð× ÓÖ

˹,× Ê) Á&³×

!À  É ,2× ÑÖÓÑÒ &ÅÇË Ò¹

ÙØÓÖ×

!ÅÓÒÓÐØ  ¹ÔÖÓÖÑÒ

ØÖ¹ÑÒ×ÓÒÐ ÓÐ ÒÙØÓÖ× ÓÖ ÛÖÐ×× ÓÑÑÙÒØÓÒ ÔÔÐØÓÒ×

*ÖØÐ ÓÑÔÖ×Ò Ò ÁÒÙØÓÖ

­

ËÁÆ Ç ÄÇÏ ÆÇÁË

ÔÀ¹ÁËÌ ÅÁÊÇËÆËÇÊË Æ

ÁÆÌÊÌ ÁÆ ÍÌÇÊË

ÏÁÌÀ ÁÆÊË ÉÍÄÁÌ

ÌÇÊ É

ËÌÊÌ

à ÝÛÓÖ%×&

­

ÓÒØÒØ×

½  Ò ÖÐ ÁÒØÖÓ %Ù!ØÓÒ 3

Á ÁËÌ× ÇÊ
ÁÇÅÁ Ä ÅÁÊÇË0ËÌÅË ½¿

¾ ÁË7Ì Å!ÖÓ× Ò×ÓÖ ¹ ÄØ ÖØÙÖ Ê Ú Û ½8

¿  ×+Ò Ó: ÁË7Ì× Ò ËÙÑ!ÖÓÒ ÅÇË Ì ! ÒÓÐÓ+Ý ¿¾

­

ÇÆÌ ÆÌË

8 ÆÓ× Ò ÁË7Ì× Ò% Ê %¹ÇÙØ Ö!ÙØ× 02

0  ×+Ò Ó: ÁË7Ì Ë Ò×ÓÖ ÁÒØ Ö:! × 34

­

ÇÆÌ ÆÌË

2 ÓÒ!ÐÙ×ÓÒ× Ò% È Ö×Ô !ØÚ × ÓÒ ÁË7Ì× ½¼3

Ê : Ö Ò! × ½½¼

ÁÁ ËÁÆ Æ À Ê ÌÊÁ3 ÌÁÇÆ Ç ÄÎÁÌ Ì

ËÍËÈÆ ÇƹÀÁÈ Ê ÁÆÍÌÇÊË ½½5

3 Ì ÓÖÝ Ó: ÁÒØ +ÖØ % ÁÒ%Ù!ØÓÖ× ½¾¼

4  ×+Ò Ó: À+ ¹É ËÙ×Ô Ò% % ÁÒ%Ù!ØÓÖ× ½¿2

­

ÇÆÌ ÆÌË

= ÓÒ!ÐÙ×ÓÒ× Ò% È Ö×Ô !ØÚ × ÓÒ ËÔÖÐ ÁÒ%Ù!ØÓÖ× ½0=

Ê : Ö Ò! × ½2½

½¼ 7ÒÐ ÓÒ!ÐÙ×ÓÒ× ½22

ÔÀ Å ×ÙÖ Ñ ÒØ× ½2=

> ÁË7Ì Ë Ò×ÓÖ ÁÒØ Ö:! 7ÙÒ!ØÓÒÐØÝ Ì ×Ø× :ÖÓÑ Ë !ØÓÒ 0º¿ ½3¿

 ÆË(Ë ÁÒ%Ù!ØÓÖ ËÑÙÐØÓÒ 7Ð ½3=

 ÄÝÓÙØ Ó: À+ ¹É ÁÒ%Ù!ØÓÖ× ½4¿

 (¹ÈÖÑ Ø Ö× Ò Ì ÖÑ× Ó: ˹ÈÖÑ Ø Ö× ½48

7 ÙØ ÓÖ³× ÈÙÐ!ØÓÒ× Ê ÐØ % ØÓ Ø × ÏÓÖ@ ½40

­

ÔØÖ ½

ÒÖÐ ÁÒØÖÓ %Ù'ØÓÒ

ÁÑÔÓÖØÒØ ØÒ × ÒÓØ ØÓ ×ØÓÔ ÕÙ×ØÓÒÒ ¸

½º½ ÓÐ× Ó& Ì× Ì ××

½º¾ ÅÖÓ×Ý×Ø Ñ× &ÓÖ $ÓÑ Ð /ÔÔÐØÓÒ×

­

ÀÈÌ Ê ½º  Æ ÊÄ ÁÆÌÊÇÍ ÌÁÇÆ

¾ ¾

¯

¯

½º¿ ÁËÌ× &ÓÖ $ÓÑ Ð ÅÖÓ×Ý×Ø Ñ×

· ·

Ì %ÚÒØ+ × Ó: Ø ÁË7Ì !ÓÑÔÖ % ØÓ ÔÀ +Ð×× Ð !ØÖÓ % ×&

¾

­

ÀÈÌ Ê ½º  Æ ÊÄ ÁÆÌÊÇÍ ÌÁÇÆ

Vgs electrolyte ref. electrode passivation layer G S S G D D SiO2 N+ N+ N+ N+ MOSFET ISFET P−Si substrate ion sensitive layer

Vds

ISFET 1x2 mm pH electrode 10x1 cm

1cm

­

ÀÈÌ Ê ½º  Æ ÊÄ ÁÆÌÊÇÍ ÌÁÇÆ

½º# ÇÒ¹Ô È××Ú ÁÒÙØÓÖ×

½º' ËØÖÙØÙÖ Ó& Ì× Ì ××

­

ÀÈÌ Ê ½º  Æ ÊÄ ÁÆÌÊÇÍ ÌÁÇÆ

Æ

­

Ê(ÖÒ'×

5Ó×Ò×ÓÖ× Ò Ø 5Óݹ&ÓÒØÒÙÓÙ× ÁÒ ÚÚÓ ÅÓÒØÓÖÒ ¸

ÅÙÐØÔÖÑØÖ

ËÒ×ÓÖ ÅÖÓ×Ý×ØÑ× ¹ ÖÓÑ Ö×Ö ØÓÛÖ×  Ñ×× ÔÖÓÙظ

ÚÐÓÔÑÒØ Ó Ò ÁÓÒ¹ËÒ×ØÚ ËÓйËØØ Ú ÓÖ ÆÙÖÓÔÝ×Ó¹

ÐÓ Ð Å×ÙÖÑÒØ׸

!ËÒØÖÓÒ ½¼¼¼ ÔÀ %ÐØÖÓ¸

ÀÒ,ÓÓ2 Ó ÅÖÓÛÚ ÁÒØ ÖØ &ÖÙØ׸

Ì × Ò Ó &ÅÇË ÊÓ )ÖÕÙÒÝ ÁÒØ ÖØ &ÖÙØ׸

*ÒÐÝ×׸ × Ò¸ Ò ÓÔØÑ×ØÓÒ Ó ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ×

Ò ØÖÒ×ÓÖÑÖ× ÓÖ Ë Ê) Á&³×¸

­

ÈÖØ Á

ÁËÌ× ÇÊ ÁÇÅ ÁÄ

ÅÁÊÇË ËÌÅË

ÔØÖ ¾

ÁËÌ Å'ÖÓ×Ò×ÓÖ ¹ ÄØÖØÙÖ

ÊÚÛ

¾º½ ÁÒØÖÓ ÙØÓÒ

¾º¾ ÅÇË ÌÖÒ××ØÓÖ

·

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

×

×

Ø

+ − Vds Vds in linear region NMOS − Vgs + + Ids + Vds Source Vgs − − Gate (S) (b) 0 Vth Vgs (G) Drain

N+ (D) linear saturation region

L W Ids N+ channel Vgs p−type Si substrate, bulk (a) (B) (c) Vgs=0V

0 Vds

× ×

× ×

 ×



× Ø × × Ø

¾

 × Ø ×

× × Ø

 

×

 × Ø × ×

ÓÜ

¾

ÓÜ

¾

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

×

Ø

Õ Õ

Ø ؼ  × 

Õ

   

 ؼ  

ؼ × 

 ËË

ÅË

ËË

 ÅË

ÓÜ

ËÍ



ÅË 

ËÍ

× Ë

Ô

Ë ËÍ

ÓÜ

¾º¿ ÁËÌ ÅÖÓ× Ò×ÓÖ

¾ ¿ 

·

¾ ¿ ¾ 

Ø

½

Ø

Ø Ø

Ø

Ñ

Ö Ð$ Ó Ó

Ø

Ö

Ð$

Ó

Ó

%

Ñ

Õ

½ ·

ÓÑÑÖ  Ð ÁË̸ ËÆÌÊÇÆ Ø ÒÓÐÓ Ý¸ Ì ÆØÖÐ Ò!×"
Ð Ç × Ø À ×Ð ØÚÐ ÝÖº

¾ ¿

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

ISFET ref + D Vgs + Vds gate Vgs − S electrolyte − (b) ref. electrode G passivation Ids/Vgs pH=4,7,10 Vds=50mV 25 S D SiO2 20 N+ N+ 15 pH4 pH7 P substrate ion sensitive layer 10 pH10 Ids [uA] 5 Vds 0 −5 00.2 0.4 0.6 0.8 1

(a) (c) Vgs [V]

× ×

Ö

Ó

Ó

Ó

·

·

 

Ó Ó

½

ÔÞ 

×

¾

×

½ 

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

Õ

ÔÞ  ½¼ 

×

½



ÔÞ  ¾  ÔÞ  ¿ 

ÔÞ 

Ø Ø

ÓÜ

ÓÜ

½

ÓÜ

ÓÜ ½

ÓÜ

ÓÜ ½

¾º# ÔÀ Ë Ò×ØÚ Å ÑÖÒ ×

¾ ¾ ¿

¿  ¾ ¾ 

¾

 Ö!Ø Ö×Ø!×

¾ ¿  ¾ ¿ ¾ ¾ 

· · ·

¾ ¿

¾º' Ê & Ö Ò Ð ØÖÓ 

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

Ids/Vds pH=7 Vgs=0,0.5,1,1.5V Ids/Vds pH=4,7,10 without ref. electrode 0.7 0.9 Vgs=1.5V 0.6 0.8 pH4 without ref. electrode 0.7 0.5 0.6 0.4 Vgs=1V 0.5 0.3 0.4 pH10 pH7 0.3 0.2 Ids [mA] Ids [mA] Vgs=0.5V 0.2 0.1 Vgs=0V 0.1 0 0 −0.1 −0.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

(a) Vds [V] (b) Vds [V]

× × ×

Æ

Ö

Ö

·

Ö  × ¾ ÖÐ



­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

O 1mm

O 1cm

1cm 1cm

(a) (b)

·

 × ¾ ÖÐ

¾º2 Ë3 ÈÖÓØ ØÓÒ

½

¾º) ÖØÓÒ Ì ÒÓÐÓ  ×

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

ref PolySi control Si N gate switch 3 4


 out


 SiO2 ref measuring circuit N+ N+ Vgs p substrate guard (a) ring Vds (b) vdd

ref Vgs

(c) gnd

¾º8º½ Ë$Ò×ÓÖ +Ö&#Ø&ÓÒ ÓÒ Ë&

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

Ø

Ø

¾

Ü Ý

¾º8º¾ ÇÖ,Ò&#¹
×$' ÁËÌ +Ö&#Ø&ÓÒ ÈÖÓ #$××

·

¾ ¾

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

1. Wafer, initial oxidation p substrate

2. N−well Ion Implantation N−Well p substrate Phosphorous

Ion implantation P−Well N−well 3. p−well Boron p substrate p−well

N+ N+ Photolitography: S/D ISFET N−well 4. p−well Ion Implantation S/D ISFET p substrate

N+ N+ Deposit Nitride 5. N−well p−well Definition of active regions p substrate LOCOS Oxidation

Photolitography gate ISFET N+ N+ 6. N−well Ion Implantation Vth ISFET p−well p substrate

N+ N+ Gate Oxidation, deposit PolySi N−well 7. p−well Photolitography Poly1 p substrate Etch Poly1 ion−sensitive layer

Deposit Nitride ISFET N+ N+ 8. N−well Photolitography Nitride, etch Nitride p−well p substrate

N+ N+ N+ N+ N−well Phosphorous N+ implantation 9. p−well p substrate Definition S/D of NMOS

N+ N+ N+ N+ P+ P+ N−well Boron P+ implantation 10. p−well p substrate Definition of S/D of PMOS

Photolitography contacts N+ N+ N+ N+ P+ P+ N−well 11. p−well Metallization p substrate Metal etch pad ISFET NMOS PMOS 12. Passivation Oxide+ Nitride

Dry etch Passivation N+ N+ N+ N+ P+ P+ N−well p−well

13. Wet etch of ISFET gate p substrate

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

channel width (W)

channel length (L)

S D

(a) (b)

¾º* ÆÓÒ ÐØ ×

¾º9º½ Ì$ÑÔ $ÖØÙÖ$ $Ô $Ò'$Ò#Ý

Ø





­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

Ø

 



½(



¾

 





Ø

Ö

Ð$

Ó



¿¼¼

Ì



Ó

Ó

½¼

¾º9º¾ Ä&,Ø Ë$Ò×&Ø&Ú&ØÝ

×

Ø

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

¾º9º¿ Ö&*ظ ÀÝ×Ø$Ö$×&× Ò' Ä&*$Ø&Ñ$

¿  ¾ ¿ ¾ 

Ø

¾ ¿ ¿ 

¾ ¿

Ô

¼

Ô ¼

¾

Ö

Ö

¾

Ì Ñ ×ÙÖÑÒØ ÓÒ¬ ÙÖ ØÓÒ × ×ÓÛÒ Ò  º¿º'º º

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

Stirring effect, pH=7, Ids=100uA, Vds=1V 012 34 100 Jenway 1000 stirrer 0 = without stirring 5 4 1 = 90rpm 99.9 3 2 = 200rpm 3 = 400rpm 99.8 2 1 4 = 600rpm 99.7 5 = 800rpm

Ids [uA] 0 without stirring 99.6 rpm = rotations per minute 99.5 99.4 0 50 100 150 200 250

Time [sec]

Time response of two ISFETs, Vds=0.2V, Vgs=1V 120 pH4 pH4 110 pH10 pH7 pH10 100 90 new device pH4 pH4 80 tr=30s 70 pH7 pH7 Ids current [uA] 60 tr=40s pH10 old ISFET 50 tr(95%)=90s 40 0 200 400 600 800 1000 1200

Time [s]

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

¾º4 ÁËÌ ËÑÙÐØÓÒ ÅÓ  Ð×

¾º5º½ ËÈÁ ÅÓ '$Ð

¿

¾º5º¾ ÀĹ ÅÓ '$Ð

¿ 

× × × Ø

Ø

¾º5º¿ Ì  ÅÓ '$Ð

× ×

Ø

¿

ËÈÁ(ËÑÙÐ ØÓÒ ÈÖÓ Ö Ñ ÛØ ÁÒØ Ö Ø! Ö ÙØ ÑÔ ××

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

× × ×

¾º½¼ È6 Ò Ó& ÁËÌ×

Æ

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

encapsulant Si sensor IN/OUT wires

(a)



























 support 2.5mm contacts bonding pads gate ISFET

(b) D/S diffusions metal paths

ISFET ISFET

glass tube

epoxy resin pcb

1cm 5mm

(a) (b)

­

ÀÈÌ Ê ¾º ÁË Ì ÅÁ ÊÇË ÆËÇÊ ¹ ÄÁÌ ÊÌÍÊ Ê ÎÁ Ï

Ó

¾º½¼º½
&Ó #ÓÑÔØ&+&Ð&ØÝ



Æ

¾º½½ ÓÒÐÙ×ÓÒ

¾ ¿  ¾ 

Æ



ÁËÇ '¼¼½, ½''-¸ ÉÙ ÐØÝ ×Ý×ØÑ×¹ÑÓ !Ð 0ÓÖ ÕÙ ÐØÝ ××ÙÖ Ò  Ò !× Ò¸ !ÚÐÓÔÑÒظ ÔÖÓ !Ù ØÓÒ

Ò×Ø ÐÐ ØÓÒ Ò! ×ÖÚ Ò " Æ -2¼¼½¸ ƾ'¼¼½, ½''¿¸ ÉÙ ÐØÝ×Ý×ØÑ×¹Å! Ð !Ú ׺

­

ÔØÖ ¿

×Ò Ó( ÁËÌ× Ò ËÙÑ'ÖÓÒ

ÅÇË Ì'ÒÓÐÓÝ

¿º½ ÁÒØÖÓ ÙØÓÒ

¾ ¾

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

¿º¾ ÁËÌ Ò ÅÇË ÓÑÔØÐØÝ

¾ ¿  Ü Ý

¾ ¿  ¾ ¿ ¾ 

¿º¿ Ë Ð Ø  ¼
Ñ ÅÇË Ì ÒÓÐÓ Ý

½

½

5Ù×ØÖ Å6ÖÓ ËÝ×ØÑ×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

Ê :º Ï»Ä BC Ø ÐÝ Ö× Ë Ò×ØÚØÝ

¾

¾ ¿  ¾

¾ ¿  ¾ 

¾ ¿ 

¾ ¿ 

¾

Ü Ý

¾

PASSIVATION PARAMETER [nm] Passivation thickness 750 M3 Metal3 thickness 940

M2−M3 oxide Metal2−metal3 oxide thickness 650 Metal2 thickness 650 M2 Metal1−metal2 oxide thickness 650 M1−M2 oxide Metal1 thickness 720 PolySi−metal1 oxide thickness 650 M1 PolySi1 thickness 250 P1−M1 oxide Gate oxide thickness 12.5 P1 FOX Field oxide thickness 400

0.3um N+ N+

¾

ÅÈ ( Ö ÙØ× ÅÙÐØ ÈÖÓ 7 Ø×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

È Ê ÅÌÊ Ë(Å>ÇÄ ÆÅÇË ÈÅÇË

¾

ÓÜ

¾

Active N/P wells PolySi1 S/D implant Contact Metal1 Via Violation Metal2 of standard Via2 design rules Metal3

Passivation

¿º# 3 × Ò Ó& ÁËÌ ËØÖÙØÙÖ ×

Ü Ý ¿ 

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

DESIGN 1 A B

oxide oxide oxide oxide passivation Si34 N passivation Si34 N Metal1

N+ N+ N+tox N+ tox PolySi PolySi P substrate P substrate C D passivation Si N oxide passivation Si N oxide oxide Metal3 34 oxide 34 Metal1 Metal2 Metal2 Metal1

N+ N+ N+ N+ tox tox PolySi PolySi P substrate P substrate

DESIGN 2 E passivation Si34 N F passivation Si34 N

oxide oxide oxide SiO oxide SiO 2 2

N+ N+ N+ N+ tox PolySi PolySi tox PolySi FOX P substrate P substrate

GHpassivation Si34 N passivation Si34 N oxide oxide oxide Metal1 SiO 2 SiO 2 Metal1 oxide

N+ N+ N+ tox N+ PolySi PolySi tox PolySi FOX P substrate P substrate

I passivation Si34 N J passivation Si34 N

oxide SiO oxide oxide SiO 2 oxide 2 Metal1 Metal1 Metal2 Metal2

N+ N+ N+ N+ tox PolySi PolySi tox PolySi FOX P substrate P substrate

K passivation Si34 N oxide Metal1 Metal3 Metal2 N+ N+ PolySi tox PolySi FOX

P substrate

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

 Úº Ø ÐÝ Ö×

¾ Ü Ý

¾ Ü Ý

¾

Ü Ý

¾

Ü Ý

×

¾

 Ú! Ø ÐÝ Ö×

¾ ¾

¾ ¾

¾ ¾

¾ ¾

¾

¾

¾

¾

¾

Ü Ý

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

Ø

Ø

Ø

a) b)

¿º' ÒÔ×ÙÐØÓÒ

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

a)

b) c)

¿º=º½ Ë$Ð$#Ø&ÓÒ Ò' Ö#Ø$Ö&ÞØ&ÓÒ Ó* ÅØ$Ö&Ð×





­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

ƺ Æ Å ÈÖÓ %Ù! Ö  ×!ÖÔØÓÒ Ì ×Ø

Ö ×ÙÐØ

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

¿º=º¾ &ÒÐ ÁËÌ È#?,&Ò,

Ó Ó

Ó

pcb 5x5cm

a) b)

¿º=º¿ Ä$?,$ ÙÖÖ$ÒØ Ì$×Ø× Ó* ÁËÌ &Ô×

¿º2 Ì ÒÓÐÓ Ð ÈÖÓÐ Ñ×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

Leakage current tests of ISFET chips 60 I leak Ag/AgCl ref. 50 PC electrode 40 bad chips 30 20 good chips Ileak [nA] 10 HP−GB bus 0 KEITHLEY ISFET −10 −1 0 1 234 K2400 SourceMeter conductive liquid Voltage applied [V]

a) b)

¿º) ÔÀ Å ×ÙÖ Ñ ÒØ Ì ×Ø ÓÒ¬ ÙÖØÓÒ×

Ó

¦ ¦ ¦

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

gate leakage currents

wire leakage currents

gate

leakage currents

Ò

Ó

HPE3631A Power source Ag/AgCl ref. HP−GB bus electrode Vg PC Vd

 HP34401A Multimeter



 Ids Vs 

Vg Ag/AgCl ref.

 electrode Semiconductor Parameter








 Analyzer HP4155/56B Vd Ids Vs ISFET pH solution K2400 SourceMeter

pH solution dark a)ISFET b)

dark

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

¿º* ÖØ ÖÞØÓÒ Ó& ÁËÌ  Ú ×

× ×

 Ô ÆÓº >    7  À Á Â Ã

¿º9º½ &Ö×Ø ÅÙÐØ&¹Ë$Ò×ÓÖ $×&,Ò Ê$×ÙÐØ×

¿

× ×

× ×

¿

Ë ÒÒÒ Ð ØÖÓÒ Å ÖÓ× ÓÔÝ

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

A device, Vds=5V, pH 4,7,10 1.8 1.7 chips 2, 4 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2

Ids [mA] 1.1 1.0 0.9 chips 1, 3 0.8 0.7 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

a)Vgs [V] b)

× × ×

× ×

×

× ×

×

× ×

Ø

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

B device, Vds=5V, pH 4,7,10 2.5

2

1.5

1

Ids [nA] 0.5

0

−0.5 0123456 a) Vgs [V] b) C device, Vds=5V, pH 4,7,10 4.5 4 3.5 3 2.5 2

Ids [nA] 1.5 1 0.5 0 −0.5 0123456

c)Vgs [V] d)

× × ×

× × ×

¿º9º¾ Ë$#ÓÒ' ÅÙÐØ&¹Ë$Ò×ÓÖ $×&,Ò Ê$×ÙÐØ×

¾

× ×

×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

D, chip No.1, Vds=50mV, pH=4, 7, 10 chip No.1, NMOS and D with Al gate, Vds=5V 500 1 400 D 0.8 300 0.6

Ids [uA] 200

Ids [mA] 0.4 100 0.2 0 −50 0 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 a) Vgs [V] b) Vgs [V] D, chip No.2, Vds=50mV, pH=4,7,10 D, chip No.2, Vds=5V, pH=4,7,10 100 2.5 90 80 2 70 60 1.5 pH7 50 pH4 0.1 40 pH4 pH7 Ids [uA] 30 Ids [mA] 0.5 20 pH10 pH10 10 0 0 −10 −0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 c) Vgs [V] d) Vgs [V] D, chip No.4, Vds=50mV, pH=4,7,10 50 45 40 35 pH7 30 pH4 25 20 pH10 Ids [uA] 15 10 5 0 −5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

e) Vgs [V] f)

× × ×

× × ×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

E device, Vds=5V, pH 4,7,10 6

5

4 chips X, Y, Z

3

Ids [uA] 2

1

0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 a) Vgs [V] b) F device, Vds=5V, pH 4,7,10 3

2.5

2

1.5 chips X, Y, Z 1 Ids [uA] 0.5

0

−0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

c) Vgs [V] d)

× × ×

× × ×

× ×

Ø

× ×

Ø

Ø

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

G device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10 G device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10 60 50 45 50 40 40 35 pH7 30 pH7 30 25 20 20 pH4 Ids [uA] pH4 pH10 Ids [uA] 15 10 10 5 0 pH10 0 −10 −5 0.5 1 1.5 2 2.5 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 a) Vgs [V] b) Vgs [V] G device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10 70 60 50 40 pH7 30 pH4

Ids [uA] 20 pH10 10 0 −10 0.5 1 1.5 2 2.5 c) Vgs [V] d) H device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10 H device, chip Y, Vds=5V, pH 4,7,10 70 250.6 250.4 60 250.2 50 250 40 249.8 pH7 30 249.6 Ids [uA] pH4 Ids [uA] 249.4 20 pH10 249.2 10 249 0 248.8 0.5 1 1.5 2 2.5 0.5 1 1.5 2 2.5 e)f)Vgs [V] Vgs [V] H device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10 70 60 50 40 pH7 30 pH4

Ids [uA] 20 pH10 10 0 −10 0.5 1 1.5 2 2.5

g)h)Vgs [V]

× × ×

× ×

×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

I device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10 I device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10 60 30

50 25

40 20 pH4 30 15 pH4 pH7 20 10 Ids [uA] Ids [uA] pH10 pH7 10 5

0 0 pH10 −10 −5 0.5 1 1.5 2 2.5 1.5 2 2.5 3 3.5 4 a) Vgs [V] b) Vgs [V] I device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10 70 60 50 40 30 pH7 pH4

Ids [uA] 20 pH10 10 0 −10 0.5 1 1.5 2 2.5 c) Vgs [V] d) J device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10 J device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10 60 50 45 50 40 35 40 30 pH7 pH4 pH7 25 30 pH4 20 Ids [uA] Ids [uA] 20 15 10 pH10 pH10 10 5 0 0 −5 0.5 1 1.5 2 0.5 1 1.5 2 2.5 e) Vgs [V] 2.5 f) Vgs [V] J device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10 60

50

40 pH7 30 pH4 20 Ids [uA] pH10 10

0

−10 0.5 1 1.5 2 2.5

g) Vgs [V] h)

× × ×

×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

× ×

Ø

K device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10 K device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10 16 6 14 5.5 12 5 10 4.5 pH4 4 8 pH4 3.5 6 pH7 pH7 3 Ids [uA] Ids [nA] 4 2.5 pH10 2 pH10 2 0 1.5 −2 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 a) Vgs [V] b) Vgs [V] K device, chip Z, Vds=5V, pH 4,7,10 18 16 14 12 10 pH4 pH7

Ids [uA] 8 pH10 6 4 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

c) Vgs [V] d)

× × ×

×

× ×

× ×

Ø

Ø

·

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

¿º4 3×Ù××ÓÒ×

Ø

×

×

×

 Úº Úº Ë Ò×ØÚØ × ÌÓØÐ Úº

Ø

Ë Ò×ØÚØÝ

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

¦

Ü Ý

¾ Ø

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

¾

Ø

Ø ¾

Ø

¦ ¦

Ø

× ×

 Ô ½º ¾º ¿º 8º Dº (º Eº

Ø

NMOS Ids/Vgs Vds=50mV NMOS Ids/Vgs Vds=5V 60 0.6 50 0.5 40 0.4 30 0.3 20 0.2 Ids [uA] Ids [mA] 10 0.1 0 0 −10 −0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Vgs [V] Vgs [V]

(a) (b)

× ×

× ×

Ø

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

Ø



Ø

Ø

¾

¾

¿º½¼ ÓÒÐÙ×ÓÒ×

­

ÀÈÌ Ê ¿º  ËÁÆ Ç ÁË ÌË ÁÆ ËÍ
ÅÁ ÊÇÆ ÅÇË Ì ÀÆÇÄÇ

¿º½½ ÙØÙÖ ÏÓÖ6

¯

¯

¯

·

¯

¿  ¾ ¿

¾ 

¯

­

ÔØÖ /

ÆÓ× Ò ÁËÌ× Ò% Ê%¹ÇÙØ

Ö'ÙØ×

#º½ ÁÒØÖÓ ÙØÓÒ

Æ

½

×

½

ÄÈË, Ä  ÓÖ ØÓÖ ! ÈÝ×ÕÙ !× ÓÑÔ Ó× ÒØ× 8 ËÑ ÓÒ!Ù ØÙÖ׸ ÁÆȸ ÆËʸ ÖÒÓи

Ö Ò º

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

#º¾ ÅÇËÌ ÆÓ×

×

×  Ò

 Ò

Õ

¾ ¾

Ò Ò

¾ ¾

Ú

¾

Ñ



Ú

¾

Ñ

2 in 2 v 2 i n v 2 = n n gm2

2 in 2

vn

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

@º¾º½ Ì$ÖÑÐ ÆÓ&×$

×

 Ó

Ó

×

× Ø

× × Ø

Ó

¾



× ×

 Ñ

× Ø

 ×

@º¾º¾ ½»* ÆÓ&×$

¾

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

 ×



¾

ÓÜ





 ÓÜ



Ú

¾

ÓÜ

 × Ø ×

 À

¾

À 

 × Ø

Ú À

  ÓÜ

 

× Ø

ÓÜ



×



¾

ÓÜ

¾

Ñ





ÓÜ

×

Æ

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

@º¾º¿ ''&Ø&ÓÒÐ ÆÓ&×$ ËÓÙÖ#$×

Æ

 ×Ù

() (Ì

Ê

×

Ñ

Ñ

Õ



Ñ

 ×



Ô

Ë ËÍ

ÓÜ

Ë ËÍ

×

×

Ñ

#º¿ ÁËÌ ÆÓ×

¾

½

× 

×

¾

¾

¾

¿

¾ ¾ ¾

Ò ½ ¾

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

Æ

¾

ÓØ

 ×Ø

¾

ÓÜ

 ¾

ÓØ

ÒÚ

¾



×

 ¾

ÓÜ 

ÒÚ ÓÜ 

ÓØ

Ñ

× ×

ÓØ ÒÚ 





¾

× ×

 Ñ

¾ 

ÓÜ × 

Æ

Ñ

@º¿º½ Å&Ò&Ñ&ÞØ&ÓÒ Ó* ÁËÌ ÆÓ&×$

¾

¾

5Ù×ØÖ Å6ÖÓ×Ý×ØÑ× ÑÀ¸ 5Ù×ØÖ :½¼;¸½¼<¸<=>º

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

Æ

Æ

ÓÜ

Æ

ÓÜ

ÓÜ

Æ

Æ

×

×

Ñ

×

Æ

ÓÜ

Ì ! ÒÓÐÓ+Ý  Ú! ÃÈ Ã7 7

ÓÜ

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾ ¾ ¾

¼º

× × 

× 

×

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

electrolyte ref. electrode G passivation BS DB SiO2 P+ N+ N+ P+ ion sens. layer

Rsb P - Si

×

@º¿º¾ ÆÓ&×$ Ð#ÙÐØ&ÓÒ Ó* ÅË ÅÇË ÁËÌ×

AMS1.2um NMOS 600/20 + SENTRON 600/20 10uA/1uA/100nA AMS0.6um NMOS 600/20 + SENTRON 600/20 10uA/1uA/100nA −19 −19 10 commercial ISFET 10 commercial ISFET −20 0.6um AMS NMOS −20 0.6um AMS NMOS 10 10 10uA 10uA 10−21 10−21 10uA 1uA 10−22 10−22 10uA 10−23 1uA 10−23 1uA 100nA 100nA 1uA 10−24 10−24 100nA 100nA

Current Spectral density Sid [A^2/Hz] −25 −25

10 Current Spectral density Sid [A^2/Hz] 10 1 10 100 1k 10k 100k 1 10 100 1k 10k 100

a)f [Hz] b) f [Hz]

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

#º# ÁËÌ ÄÓÛ Ö ÕÙ ÒÝ ÆÓ× Å ×ÙÖ Ñ ÒØ×

¿

× ×

@º@º½ Å$×ÙÖ$Ñ$ÒØ Ë$ØÙÔ

Vds + Vbat_Vds



 

Vbat_Vgs Vgs

+ − ids + HP35665A Dynamic Spectrum Analyzer ISFET dark & shielded box EG&G low noise

current sense amplifier



Ô



Ô

¿

Å ×ÙÖÑÒØ× ÛÖ Ô Ö0ÓÖÑ! Ø ÄÈË ´Ä  ÓÖ ØÓÖ ! ÈÝ×ÕÙ !× ÓÑÔ Ó× ÒØ× 8 ËÑ ÓÒ!Ù ¹

ØÙÖ×µ¸ ÖÒÓи Ö Ò º 5 6ÒÓÛÐ! ÑÒØ× ØÓ ÈÖÓ0º 5Ð Ò ÓÚظ × Ù! Ò  ×  ÐÝ ÔÔÖ  Ø!º

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

10-23

10-24 gain 10uA/V

10-25

gain 1uA/V 10-26 Spectral current density Sid [A^2/Hz] 10-27 10 100 1k 10k 100k

f [Hz]



× × ×

@º@º¾ ÆÓ&×$ Å$×ÙÖ$Ñ$ÒØ× Ó* ÓÑÑ$Ö#&Ð ÁËÌ×

 ¾

ÓÜ

¾

¾ ¿



× ×

Æ

×  ×

Æ

Ñ × × × ×

½¿ ¾

Ú

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

pH7 10uA/1uA/100nA Vds=2V pH7 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V 10-19 10-20

-20 -21 1/f slope 10 1/f slope 10 -21 10 -22 10uA 10 10-22 10uA -23 -23 10 10 1uA 100nA 1uA 100nA 10-24 10-24 -25 10-25 10 simulation 10-26 10-26 10 100 1k 10k 100k 10 100 1k 10k 100k Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] a) f [Hz] b) f [Hz]

Sensor 1 10uA ph4/ph10 Vds=0.05V Sensor 2 10uA ph4/ph10 Vds=0.05V 10-20 10-19

10-20 10-21 pH4 10-21 pH4 pH10 pH10 10-22 10-22

-23 10 10-23

-24 10-24 10

10 100 1k 10k 100k Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] 10 100 1k 10k 100k

Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] c) f [Hz] d) f [Hz]

×

×

× ×

¼(

Ú Ú

½¾ ¾

½¾ ¾

Ú

Ú ×

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

ph4,7,10 three ISFETs 600/20 Vds=2V f=10Hz ph4,7,10 three ISFETs 600/20 Vds=2V f=10Hz 10-19 10-11 ph4 ph4 ph7 ph7 -20 ph10 10 Sid ph10 10-12 10-21 KF. IdsAF Cox L2 fEF 10-22 10-13

10-23

-24 -14 10 Gate Referred Spectrum Svg [V^2/Hz] 10 100n 1u 10u 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] a)Ids [A] b) Vgs [V]

×

×

@º@º¿ ÆÓ&×$ Å$×ÙÖ$Ñ$ÒØ× Ó* ÅË ÅÇË ÁËÌ×

¦

×

× × Ø

Æ



×

× ×

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

NMOS 250/30 10uA/1uA/100nA Vds=5V ] NMOS 250/30 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V 10−19 10−19 Ids Vgs Ids Vgs −20 10uA 0.968V −20 10uA 1.09V 10 1uA 0.776V 10 1uA 0.796V 100nA 0.605V 10uA 100nA 0.612V −21 1uA 10uA −21 1uA 10 100nA 10 100nA 10−22 10−22 10uA 10−23 10−23

10−24 simulation 10−24

10−25 10−25 10 100 1k 10k 100k 10 100 1k 10k 100k Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] a) f [Hz] Drain current spectral density Sid [A^2/Hz b) f [Hz]

Comp. 3x NMOS 250/30 different chips 10uA+/−0.2uA Vds=5V −16 10 chip Vgs −17 A 0.968V 10 B 0.967V C 0.988V 10−18 NMOS chipC −19 10 10uA 10−20 NMOS chipB 10uA 10−21 −22 NMOS chipA 10 10uA 10−23 10−24 10 100 1k 10k 100k

Drain current spectral density Sid [A^2/Hz] c) f [Hz]

×

×

× ×

×

×

 ×

×

×

Ï

Ó  Ø ×

Ä

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

D @ 24uA/pH7; G pH4,7 @ 10uA; Vds=0.05V 10-18

10-19 G pH7 10-20 G pH4 10uA -21 10 D pH7 chip 3

-22 24uA 10 10uA simulation 10-23

10-24 Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 100 1k 10k 100k

f [Hz]



× ×

×

× ×

Æ



¾

¾

¾ ¾

 

¾

× ×

¾

×



­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

H structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=2V H structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V 10-19 10-20 10-20 -21 10 10uA 10-21 10uA 10-22 10-22 1uA 1uA 10-23 10-23 1uA 10uA -24 -24 simulation 10 10 100nA -25 100nA 10-25 10 100nA 10-26 10-26 1 10 100 1k 10k 100k 1 10 100 1k 10k 100k Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] a) f [Hz] b) f [Hz] -19 H structure pH4,7 10uA Vds=2V H structure pH4,7 10uA Vds=0.05V 10 10-19 pH4 drift pH7 10-20 10-20 pH7 pH7 drift pH7 10-21 10-21 pH4 pH4 -22 pH7 10 10-22

-23 10 10-23

10-24 10-24 1 10 100 1k 10k 100k 1 10 100 1k 10k 100k Drain Current Spectral Density [A^2/Hz]

Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] c) f [Hz]d) f [Hz]

× × ×

×

@º@º@ &×#Ù××&ÓÒ× Ó* ÆÓ&×$ Ê$×ÙÐØ×

¾

×

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

I structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=2V I structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V 10-20 10-19 10uA -20 10-21 10 10-21 10-22 1uA 10uA 10-22 -23 10uA 10 -23 1uA 100nA 10 -24 1uA 10 10-24 100nA -25 100nA simulation 10 10-25

10-26 10-26 Drain Current Spectral Density [A^2/Hz]

10 100 1k 10k 100k Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 100 1k 10k 100k a) f [Hz] b) f [Hz]

I structure pH4,7 10uA Vds=0.05V 10-19 drift pH7 10-20 pH4 10-21 pH7 10-22

10-23

c) 10-24

Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 1001k 10k 100k

f [Hz]

 × ×

×

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

J structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V J structure pH4,7 10uA Vds=0.05V 10-19 10-18 -20 10 10-19 10uA 10-21 10-20 -22 10uA 1uA 10 pH4 10-21 10-23 pH7 1uA 100nA simulation -22 10-24 10

10-25 10-23

10-26 10-24 Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 100 1k 10k 100k Drain Current Spectral Density [A^2/Hz] 10 100 1k 10k 100k

f [Hz] f [Hz]

 ×

×

#º' ÆÓ× ÓÒØÖÙØÓÒ Ó& ÁËÌ Ë Ò×ÓÖ ÁÒØ Ö& ×

Ø

¯

¯

¯

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

¯

¾

¯

Ò

¾

Ò

¯

¯

Ñ

× 

¯

__ + MIN AND MAX ATTAINABLE NOISE LIMITS __ v2 A1 40 I1 2 na in1 Vref - ______35 2 2 2 v vnr4 vnr5

R3 nr3 R4 R5 30 ISFET - __ __ ref __ 2 25 v 2 i 2 vna __

nr1 nd + v2 A4 __ na + 2 20 R3 vnr3 A3 R1 __

- 2 15

__ v MAX - __ Vis nr6 2 v 2 __ R4 vnr4 R5 nr5 10 v 2 __

nr2 v2 A2 R6 Vout Voltage Noise Spectrum Sv [uV/sqrtHz] na + 5 MIN R2 0 1 10 100 1k 10k

Frequency [Hz]

ÒØ

× ¿ 

ÒØ

× 

× ½ ½ Ø 



ÓÙØ Ø

¾

¾

ÒÓÙØ

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

¾

 ¾ Ñ

ÒÓÙØ

Ñ ×

Ô

 ¾

Vdd 16 MIN AND MAX ATTAINABLE NOISE LIMITS Is1 __ 2 14 − ins1 __ A1 2 12 vna ISFET __ + ref i 2 nd Vds ____ 10 __ v 2 2 nrset Vg = 0 vna Vds 8 Rset + __ 6 2 Vs A2 Is2 ins2 − Vout 4 MAX 2 Voltage Noise Spectrum Sv [uV/sqrtHz] MIN 0 1 10 100 1k 10k

Frequency [Hz]

 ×

× ×½ ×Ø

×¾ ÓÙØ

×½ ×Ø ×¾

ÓÙØ Ø

Ï

ÓÜ ×½ ×Ø

Ä

¾

Ñ

ÒÓÙØ

Ô

¾

ÒÓÙØ

Ñ

× Ñ ÓÜ

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

×  ×  ×

×

ÓÜ × Ø ×

×

4.0 __ __ Vdd

2 2 i - nr inr 3.5 MIN AND MAX ATTAINABLE NOISE LIMITS RR __ Vout

v2 A na + 3.0 __ __ ref 2 2 2.5 ind ind 2.0 ISFET MOSFET 1.5 MAX __ I i 2 1 n1 1.0 MIN 0.5 Voltage Noise Spectrum Sv [uV/sqrtHz] 0 1 10 100 1k 10k

Frequency [Hz]

ÓÙØ Ø

¾

Ò

¾

½

Ò½

Ñ

¾

Ñ Ó

ÒÓÙØ

Ô

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

¾

ÒÓÙØ



Ê ½

¾ ¾

¾ ¾ ¾

¾

¾

ÒÖ  ÒÖ ¾ Ò½

¾ Ò

Ê 

¾

Ñ

 

Ê Ê ·Ê

¾

¾ ¾ ¾

  

¾

¾

¾ Ú ·¾Ú · ¾Ú ·Ú µ ´ µ ¾ ´½·

Ò

Ú ·Ú

ÒÖ ¿ ÒÖ  ÒÖ 

Ê Ê

Ò

¾

ÒÖ ½

 

¾ ¾

Ò

´Ö ¾Ê µ ´¾Ê µ

¿ ¿

×

Á ½ ½

¾ ¾

¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

×¾

¾

ÒÖ ×Ø

Ò×½ Ò½ Ò×¾ Ò¾

×Ø Ò

 Î ¾ 

Ñ

×

Ñ

¾

Ú

¾ ¾

¾

Ò

¾



Ó ×

¾

Ò Ó ÒÖ

´ Ê µ

Ñ Ó 2 1 320 (c) 280

UD 240 (b) 200 CMOS OPAMP 160 120 NMOS 80

Voltage Noise Spectrum S [nV/ Hz ] 40 10KOhm resistor (a) 0 1 10 100 1k 10k

Frequency [Hz]



#º2 ÓÒÐÙ×ÓÒ×

×

­

ÀÈÌ Ê º ÆÇÁË ÁÆ ÁË ÌË Æ Ê ¹ÇÍÌ ÁÊ ÍÁÌË

­

ÔØÖ 0

×Ò Ó( ÁËÌ ËÒ×ÓÖ ÁÒØÖ('×

'º½ ÁÒØÖÓ ÙØÓÒ

¿  ¾

½

'º¾ ÁËÌ ÖÙØ ÓÒ¬ ÙÖØÓÒ× ¹ ÄØ ÖØÙÖ Ê ¹

Ú Û

× ×

½

ÁÒØÖÙÒÚÖ×Ø Ö Å ÖÓ Ð6ØÖÓÒ ÒØÖÙѸ Ã Ô Ð!Ö0 <;¸ B¹¿¼¼½ ÄÙÚÒ¸ BÐ ÙѺ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

=º¾º½ ËÙ+×ØÖØ$ ÓÖ Ê$*$Ö$Ò#$ Ð$#ØÖÓ '$ $$'+#? ÓÒ¬,ÙÖØ&ÓÒ

Vds Ids D Ids ref + S D Vout Vds −

S − +

a) b)

×

·

Ö

=º¾º¾ &Ö#Ù&Ø× Û&Ø ÖÓÙÒ'$' Ê$*$Ö$Ò#$ Ð$#ØÖÓ '$

× ×

·

×

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

½ ¾ ¿

× × ½

×

Ö 

×

×

Vdd + A1 I1 Vref − − Is1 R3 R4 R5 A1

ISFET − + ref ref Vds + A4

R1 + Vg = 0 Rset Vds ISFET R3 A3

− + − Vout Vis R6 A2 R4 R5 Is2 Vs −

A2 Vout R2 +

a) b)

Ø

×¾

× ×½ ×Ø

×

× × ÓÙØ

¾

×

 ÓÙØ Ø ×

ÓÙØ

×¾ ×½ ×Ø

ÓÙØ Ø

×½ ×Ø

×½ ×¾ ×Ø ÓÙØ

Ø

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

Æ

× ×

Ø

Ø

=º¾º¿ &«$Ö$ÒØ&Ð ÁËÌ Å$×ÙÖ$Ñ$ÒØ ÓÒ¬,ÙÖØ&ÓÒ×

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

'º¿ 3 × Ò Ó& ÁÒØ ÖØ  ÅÓÒÓÐØ 3« Ö ÒØÐ Á˹

Ì Ë Ò×ÓÖ ÁÒØ Ö&

=º¿º½ &Ö#Ù&Ø Ö#&Ø$#ØÙÖ$

×¾ ×¾¾

×Ø ×Ø

¿  ¾

Ø

×

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

Vdd

− Is1 A1 ISFET1 + V1

RsetA + A2 VoutA Is2 −

ref

Vdd + Iout V−I − Is11 − A11 ISFET2 + V11

RsetB + A22 VoutB

Is22 −

=º¿º¾ ÁËÌ Ë$Ò×ÓÖ×

¿ 

Ø

¾

Ø

Ø

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

Ø

Drain and source D terminals of the ISFET

Rd W __= ___400 ref D’ L 20 sub Source and drain S’ diffusion

Rs 1 mm Contacts to the drain/source S Rs,Rd~100 Ω D S 225 um

(a) (b) (c)

=º¿º¿ &Ö#Ù&Ø
&×&Ò, ÓÒ×&'$ÖØ&ÓÒ×



× Ø

× Ø

× Ø

×  Ø

× × Ø

 

 Ø

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

×

 

×  Ø

Ø

×

×¾

Ø

×

×

Ø

×

Ø

Õ Õ

   

×  × 



Æ

Ó

×¾ ×



×

×

¾

×

ÓÙØ

¾

×½

½

×¾

½ ¾

×½ ×¾ ½ ¾ Ø

×½

×Ø

×

½ ¾

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

È Ê ÅÌÊ ÁË7̽ ÁË7̾

ؼ

× ÓÙØ

×



¬ ¬

£

¬ ¬

¡Î

×

¬ ¬

¡ÔÀ

×



×¾

×

Ø

× ÓÙØ × ÓÙØ

×

ÓÙØ

ÓÙØ

×¾ ×¾¾ ×½ ×½½

½ ½½ ¾ ¾¾ ×Ø

×Ø

=º¿º@ Ë$Ò×ÓÖ ÁÒØ$Ö*#$ $×&,Ò

×½ ×½½

×¾

 

½¼ ½¼  

½¼ Ø Ø

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

[V]

V11 VoutB V1 VoutA ISFET2{ V11

VoutB ISFET1{ V1

VoutA

[-]

pH

Æ

Vdd Iref Vdd Is2 Vd Iref 1 10 ∆ |Vth| + V M2 M1 M8 M10 1/4 1 1 M6 ∆ 1 2|Vth| + 2 ∆V Vth + 2 ∆ V Vd6 (min) ∆ V 1 1 = 2 ∆ V 2Vth + 3 V M7 M5 M4 M3 M9 Vd 111 3 Vth + ∆ V Vd 4 Is1 Is1

a) b)

×½

×¾

×½ ×½½

×¾ ×¾¾

×½ ×¾

½   

½¼

ÓÙØ ÓÙØ

ÑÜ Ñ Ò

¿ÑÜ ½¼Ñ Ò

¿ ½¼

×½ ×¾

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

 Ø





½¼

 ½¼ × ×

×Ø ×Ø

×

½

 

 ×

×½-¾

Vdd

BIAS M11 M9 M13 M7 Ib I6 1uA 5uA M8 IB1 M14 M12 M10 Vout1 10uA M16 1uA In- Vout Vdd Cc M15 M2 M1 10 : 1 In+ Va Cload M6 Rload 200pF 10MΩ

M4 M3 Is2 55uA

Rout = 18MΩ

½ ½½

 



½

½

¾

½

 ×½

¾

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

½ ½½

½-¾

¿- Ó×





 ½¿ Ð ÑÜ Ð

½

½

½ ½

½



Vdd Vdd BIAS M11 M9 M13 Is1 Ib 20uA 1uA Rout = 47MΩ IB2 M14 M12 M10

10uA M16 1uA In- Vout Vdd Cc M15 M2 M1 10 : 1 In+

M6

M4 M3 Cload Rload

¾ ¾¾

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

¾ ¾¾

½-¾

¿- Ó×



 ½¿

½ Ð ÑÜ Ð

½ ¾

½

½



Ò

ÓÙØ ½ ¾

 ½¼

VdH BIAS M9 M10 M11 Ib Ib M13 M9b M9a Iout

M14 M10b M10a M12

M6 M2 M1 M5

9uA I1 I2 I−V/I1 M7 M3 M4 M8

a) In− In+ b)

Vin

Ò

ÓÙØ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

Ò ÓÙØ

¾ 

¾

À

- ½

½-¾

¿-

- Ò

- ÓÙØ Ò

-½¼

- -½¼-½¼ ½¿ ½

½

¦

=º¿º= &Ö#Ù&Ø Ö#Ø$Ö&ÞØ&ÓÒ

×½ ×¾ ½ ¾

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

[uA]

Iout

Iout

[-]

a) pH b)

Ó

Vdd

Is1 −

Vd(ISFET1) A1 + V1 ISFET1 IB1 RsetA

Vs(ISFET1) +

A2 VoutA − Is2 VdH IB2 + Pt−el Vdd V−I Iout − −

A11 Is11 I−V/I1 +

ISFET2 IB11 RsetB

+

A22 VoutB Is22 − a) b)

IB22 EXT. PAD

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

×½

×½

×½ ×¾

Ó

×½ ×¾

¿ ½¼Ñ Ò ×¾

¿ ½¼Ñ Ò ×¾

¿ ½¼Ñ Ò ×¾

 Ñ Ò ×¾

×½ ×¾

×½ ×¾

ÓÙØ ÓÙØ

×¾

×¾

×¾

60 Is2 input current 55 60uA 55uA 50 50uA 45

40

Is2’ output current [uA] 35

30

25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Vs (Vd6) voltage [V]

Ó

×¾ × ×¾

×¾

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

×Ø

¦

×½

×

½ ¾

½ ¾

½ ¾

Ó

½ ¾

Ó× ½ ÓÙØ Ó× ½ ÓÙØ

Ó× Ò Ó× Ò

Ó× ½ Ó× ½

Ó× ÓÙØ Ó× ÓÙØ

½Ñ Ò ½Ñ Ò

A1 follower, freq=10kHz, Ampl=1V A2 follower, freq=10kHz, Ampl=1V

V1 voltage Vs(ISFET1)

Vd(ISFET1) VoutA

½ ¾

¦

Ó

¦ ¦ ¦ ¦

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

Æ

¿ 

¾

¿  ¾

¦ ¦

ؼ

¦ ¦

ؼ

ؼ

ؼ

ÓÙØ

ÓÙØ

ÓÙØ

ÓÙØ ÓÙØ ÓÙØ

ÓÙØ Ò

Ò

ÓÙØ

À

=º¿ºE &×#Ù××&ÓÒ Ò' ÓÒ#ÐÙ×&ÓÒ×

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

1.7 −21.5

−22.0 1.6 −22.5

−23.0 1.5 Iout current [uA]

VoutA voltage [V] −23.5

1.4 −24.0 4.0 6.0 8.0 10.0 −0.42 −0.43 −0.44 −0.45 −0.46 −0.47

a)pH b) VoutA − VoutB [V]

ÓÙØ

ÓÙØ

À

Ò

¦

ÓÙØ Ò

½ÑÜ

×¾ ×¾¾ ×½ ×½½ ½ ½½ ¾ ¾¾

×Ø ×Ø

¿ 

¾

ØÓ

×½ ×½½ ×¾ ×¾¾

 ×Ø

À

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

ÓÙØ Ò

×½ ×¾

'º# 3 × Ò Ó& Ë Ò×ÓÖ ÁÒØ Ö& &ÓÖ ÇÖ Ò ÔÀ¹ÁËÌ×

×

=º@º½ ÇÖ,Ò&# ÔÀ¹ÁËÌ Å&#ÖÓ×$Ò×ÓÖ

×

 Ð Ø Ò Ø

¾

×

× ×  Ð Ø Ò × Ò× × ×Ñ

Ò×

×Ñ

 Ð Ø Ò × ×

×

× ×

×

× 

ÔÀ

×  ÔÀ



×



ÔÀ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

F4 device, Vgs=−2V 0.5

0

−0.5

−1.0

−1.5 Ids current [uA] −2.0

−2.5

−3.0 −16 −14 −12 −10 −8 −6 −4 −2 0 +2

Vds voltage [V]

× ×

×

=º@º¾ &Ö#Ù&Ø Á'$

×

¯

×

×

¯

×

¯

×

¯

¯

¯

×

×

×

×

×

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

×

×

×

× × ×

Ó ½ ×

× ×

Vcc Vcc Vbias Vbias 2 S S Ir1 Ids ref ref D R1 D R1 2 Vamp − − 2 Iamp + Vo=−Ids.R1 +

a) b)

× ×

¾

ÑÔ

¾ ¾

Ò ÑÔ

¾

½

½

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

¾

¾

Ò

ÑÔ

¾ ¾

ÑÔ ÑÔ

½

½

×

×  Ð Ø Ò

×

ÔÀ

¿

ÓÙØ Ö Ó

¾

Ó × ½ ×  ÔÀ Ö  ½

ÓÙØ

¿

ÓÙØ ÔÀ ½

¾

Ö Ó ÓÙØ

ÔÀ

Ö

=º@º¿ $×&,Ò$' ÁËÌ ÁÒØ$Ö*#$

× × Ö

¦

 ×× 

¦

½ ¾

¦ ¦

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

Vcc Vbias S Ids ref D R1 Vo=−Ids.R1 R3

− R2 − + R2 Vref + Vout

R3

Vcc

Vbias ref S R2 Ids Cf liquid D R1 R6 C Vo=−Ids.R1 Vdd R3 − Rf R7 C OA1 − Vdd Vdd C + Cf OA2 − + Vcc Vout C Rg OA3 C Rt R5 + Vss C Vss Rt Vref Vss Rf

R4 Cf

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

½ ½

Ø

× 

× ¾

× × 

Ö  ÓÙØ

Ö Ó

Ó  

Ó Ö  

½

¯

Ô

¯

Ô

¯

¯

¯

¯ ¦

¯

Ó

¯

½ ¾

¿

 ¾ 

¿ Ö Ó

½



ÓÙØ Ò

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

½ ¾

½ ¾

Ô

Ô

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¿

¿

Ô

Ô

¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦ ¦ ¦ ¦

½ Ø ½

¾  ¾

¿  ¿

  

 ××

 

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

=º@º@ ÅÓÒØ,$

ISFET

sensor

=º@º= Ð&+ÖØ&ÓÒ

½ ¾ Ø

½

Ó Ó Ò ½

¿ 

 ÓÙØ ÓÙØ

 ÓÙØ



=º@ºE Å$×ÙÖ$' È$Ö*ÓÖÑÒ#$ ËÔ $#&¬#Ø&ÓÒ×

ÓÙØ

Ò

=º@º8 &×#Ù××&ÓÒ× Ò' ÙØÙÖ$ ÏÓÖ?

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

× 



Ò ×



× ×  ¾

¦

Ó Ò

¦

ÓÙØ Ò

Ó

Ó Ò

¦

ÓÙØ

ÓÙØ

¦



Ö 



× ¾

 ××



 ××



×

 ×

ÔÀ

¦ ¦

¦

× ×

Ö

×

Ó

¦ Æ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê Ë

'º' ÓÒÐÙ×ÓÒ×

¿  ¾

­

ÔØÖ 1

ÓÒ'ÐÙ×ÓÒ× Ò% ÈÖ×Ô 'ØÚ× ÓÒ

ÁËÌ×

2º½ ËÙÑÑÖÝ Ò Ë Òج ÓÒØÖÙØÓÒ×

Æ

­

ÀÈÌ Ê º ÇÆ ÄÍËÁÇÆË Æ È ÊËÈ ÌÁÎ Ë ÇÆ ÁË ÌË

2º¾ ÙØÙÖ ÏÓÖ6

¯

¯

¯

·

¯

¿  ¾ ¿ ¾ 

¯

Ø

Ø

­

ÀÈÌ Ê º ÇÆ ÄÍËÁÇÆË Æ È ÊËÈ ÌÁÎ Ë ÇÆ ÁË ÌË

I passivation Si34 N J passivation Si34 N oxide oxide Metal2 SiO SiO 2 2 oxide Metal2 Metal1 oxide Metal1 Metal2

N+ N+ N+ N+ tox PolySi PolySi tox PolySi FOX a) P substrate b) P substrate

I p−type passivation Si34 N J p−type passivation Si34 N oxide oxide Metal2 SiO SiO 2 2 oxide Metal2 Metal1 oxide Metal1 Metal2

P+ P+ P+ P+ tox PolySi PolySi N−well N−well tox PolySi FOX

c) P substrate d) P substrate

Fixation and Deposition of Encapsulation of TO−8 package wire bonding Si34 N , Al 2 O3 , Ta2 O5 ISFET chip CVD apparatus ISFET chip epoxy resin

IN/OUT wires

TO−8 pcb support

a)b) c)

­

ÀÈÌ Ê º ÇÆ ÄÍËÁÇÆË Æ È ÊËÈ ÌÁÎ Ë ÇÆ ÁË ÌË

½

¿ 

¾ ¿ ¾ 

Ó

Ó Ó

½

ÎD(Ñ Ð Î Ô ÓÙÖ DÔ Ó×ØÓÒ

­

Ê(ÖÒ'×

ÚÐÓÔÑÒØ Ó Ò ÓÒ¹×Ò×ØÚ ×Óй×ØØ Ú ÓÖ ÒÙÖÓÔÝ×ÓÐÓ ¹

Ð Ñ×ÙÖÑÒØ׸

 Ç×Ø Ò  ÁË)%Ì Úй«2Ø ØÖÒ××ØÓÖ Ð2ØÖÓÒ ÚÓÓÖ Ð2ØÖÓÔÝ×¹

ÓÐÓ × ØÓÔ××Ò Ò¸

!&ÅÇË ÒÐÓ ÖÙØ × Ò¸

ËÑÓÒÙØÓÖ ÚÑÓÐÒ ÛØ ËÈÁ&%¸

ËÑÓÒÙØÓÖ ÑØÖÐ Ò Ú ÖØÖÞØÓÒ¸

ÇÔÖØÓÒ Ó ÑÐ ÐÝ ×Ò×ØÚ ¬Ð¹

«Ø ×Ò×ÓÖ× ×  ÙÒØÓÒ Ó Ø Ò×ÙÐØÓÖ¹ÐØÖÓÐÝØ ÒØÖ¸

ÀÝÖÓ Ò¸ ÐÙÑ Ò ÔÓØ××ÙÑ ÓÒ¹

×Ò×ØÚ )%Ì ØÖÒ×ÙÖ  ÔÖÐÑÒÖÝ ÖÔÓÖظ

Ëع,ÒÒ ÑÓÐ Ó Ø ÐØÖÐ ÓÙ¹

,Ð ÐÝÖ Ø Ø ÓÜ»ÛØÖ ÒØÖ¸

* ÒÖÐÞ ØÓÖÝ Ó Ò ÐØÖÓÐÝع

Ò×ÙÐØÓÖ¹×ÑÓÒÙØÓÖ¹¬Ð¹«Ø ØÖÒ××ØÓÖ¸

ÁË)%̹,× ,Ó×Ò×ÓÖ ÑÓй

Ò ÛØ ËÈÁ&%¸

ÁÓÒ¹×Ò×Ò Ú× ÛØ ×ÐÓÒ

ÒØÖ Ò ,ÓÖÓ×ÐØ Ð×× Ò×ÙÐØÓÖ׸

!=Ø ÔÓØÒØÐ Ñ×ÙÖÑÒØ× Ó Ò ØÒ ¬ÐÑ׸

¾  ¾

­

Ê  Ê Æ Ë

ÅØÓ Ó ,ÖØÒ ÓÒ ×Ò×ØÚ ¬Ð «Ø ØÖÒ××ØÓÖ ÛØ

 ÝÖÓ Ò ÓÒ ×Ò×Ò ÑÑ,ÖÒ¸

¾ 

!ÁÓÒ¹×Ò×ØÚ ¬Ð¹«Ø ØÖÒ¹

××ØÓÖ ÛØ ÒÓÖ Ò Ø ÓÜ ÓÖ ÔÀ ×Ò×Ò ¸

!ËØ,ÐØÝ Ó ×ÐÓÒ ÒØÖ»×ÐÓÒ ÓÜ»×ÐÓÒ

ÐØÖÓ× Ù× Ò ÔÀ ÑÖÓÐØÖÓÒ ×Ò×ÓÖ׸

!ËÐØÚ ÒÓ ÓÜØÓÒ Ó ×ÐÓÒ Ò ÓÜÝ Ò ÔÐ×Ѹ

!ÚÐÓÔÑÒظ ÓÔÖØÓÒ¸ Ò ÔÔÐØÓÒ Ó Ø ÁÓÒ¹ËÒ×ØÚ )й

%«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ ×  ØÓÓÐ ÓÖ ÐØÖÓÔÝ×ÓÐÓ Ý¸

!)ÙØÙÖ ÔÔÐØÓÒ× Ó ÁË)%Ì׸

!ÅØÓ× Ó ÁË)%Ì ,ÖØÓÒ¸

ÀÝ×ØÖ×× Ò Ø Á˹

¾ ¿

)%Ì׸

Ì ×ÙÔÖ¹ÒÖ×ØÒ ÔÀ ×Ò×ØÚØÝ Ó Ø ÁË)%Ì׸

¾ 

!ÈÖÓØÓØÝÔ ×ÓÙÑ Ò ÔÓØ××ÙÑ ÑÖÓ Á˹

)%Ì׸

ÊÐ×ØÓÒ Ø ØÙ  ØÖÒ××ØÓÖ× ×Ò×,Ð× ÙÜ ÓÒ× Ò× ÑÐÙ

ÐØÖÓÐÝØÕÙ¸

!ÁÒØ ÖØ «ÖÒØÐ ÒÞÝÑ ×Ò×ÓÖ Ù×Ò

ÝÖÓ Ò Ò ­ÙÓÖ ÓÒ ×Ò×ØÚ ÑÙÐØ Ø )%Ì׸

ËÓÐ ËØØ &ÑÐ ËÒ×ÓÖ׸

!&ÖØÖ×Ø× Ó ÖÖÒ ÐØÖÓ× Ù×Ò  ÔÓÐÝÑÖ Ø

ÁË)%̸

!*ÒÒØ ÖØ ØÖ¹ÐØÖÓ ×Ý×ØÑ ÛØ

 ÑÖÓÑÒ ÐÕÙ¹?ÙÒØÓÒ * »* &Ð ÖÖÒ ÐØÖÓ¸

!ÅÒØÙÖ ÐÕÙ ?ÙÒØÓÒ ÖÖÒ ÐØÖÓ Ò ÒØ ÖØ

×ÓÐ ×ØØ ÐØÖÓÑÐ ×Ò×ÓÖ ÒÐÙÒ Ø ×Ѹ

­

Ê  Ê Æ Ë

!*Ò ÒÚ×Ø ØÓÒ Ó Ø ÔÖÓÖÑÒ Ö¹

ØÖ×Ø× Ò ÓÔÖØÓÒÐ ÐØÑ× Ó ÑÙÐعÐÑÒØ Ø2 ¬ÐÑ ×Ò×ÓÖ ÖÖÝ× Ù× Ò

Ø ØÖÑÒØÓÒ Ó ÛØÖ ÕÙÐØÝ ÔÖÑØÖ׸

!*ÒÐÝ×× Ó Ø ØÖ×ÓÐ ÚÓÐØ  Ò

Ø× ØÑÔÖØÙÖ ÔÒÒ Ò ÐØÖÓÐÝØ Ò×ÙÐØÓÖ ×ÑÓÒÙØÓÖ ¬Ð¹«Ø ØÖÒ××¹

ØÓÖ× ´%ÁË)%Ì×µ¸

!%ÐØÖÓ×ØØÐ ÐÝ ÔÖÓØØ ÓÒ ×Ò×ØÚ ¬Ð «Ø

ØÖÒ××ØÓÖ׸

!ËÓÐÙØÓÒ× ÓÖ ×ÓÑ ,× ÔÖÓ,ÐÑ× Ó ÁË)%Ì ×Ò×ÓÖ׸

!ÁË)%Ì ×Ò×ÓÖ׸

ÇÖ Ò ÑÓÐÙÐÖ ×ÓÐ× × ØÒ ¬ÐÑ ØÖÒ××ØÓÖ ×ÑÓÒÙØÓÖ׸

ÌÒ ¬ÐÑ ØÖÒ××ØÓÖ× ,× ÓÒ ÓÖ Ò ÓÒ?Ù Ø ×ÑÓÒÙØÓÖ×

*ÐйÔÓÐÝÑÖ ¬Ð¹«Ø

ØÖÒ××ØÓÖ× ÖÐÞ ,Ý ÔÖÒØÒ ØÒÕÙ׸

ÇÖ Ò ¬Ð¹«Ø ØÖÒ××ØÓÖ׸

ÈÓÐÝÑÖ Ó׸

ËÐÓÒ &ÓÑÔØ,ÐØÝ ËÓÐÙØÓÒ׸ ÐÚÖ,Ð B¸

ÇÖ Ò¹,× ØÖÒ×ÙÖ ÓÖ

ÐÓÛ¹Ó×Ø Ö ØØÓÒ Ò ÕÙÓÙ× Ñ¸

* ÐÓÛ Ó×Ø &À%Å)%Ì Ú ,× ÓÒ

Ò ÓÖ Ò ØÒ¹¬ÐÑ ØÖÒ××ØÓÖ¸

* ×ÑÔÐ ÔÀ ØØÓÖ ,× ÓÒ Ò ÓÖ¹

Ò ¬Ð¹«Ø ØÖÒ××ØÓÖ¸

ËÓÐÙ,Ð Ö ÓÖ ÙÐÖ ÔÓÐÝØÓÔÒ ÖÚØÚ× × ×ѹ

ÓÒÙØÒ ÑØÖÐ× ÓÖ ¬Ð¹«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ׸

)й«Ø ÑÓ,ÐØÝ Ó

ÈÓÐÝ´¿¹ÜÝÐØÓÔÒµ¸

!ÁË)%Ì ØÑÔÖØÙÖ ÖØÖ×Ø׸

­

Ê  Ê Æ Ë

!ÌÖ×ÓÐ ÚÓÐØ  ÚÖØÓÒ× Ò Æ¹

ÒÒÐ ÅÇË ØÖÒ××ØÓÖ× Ò ÅÇË)%̹,× ×Ò×ÓÖ× Ù ØÓ ÓÔØÐ ÖØÓÒ¸

!* &ÅÇ˹ÒØ ÖØ ÁË)%̹ÓÔÖØÓÒÐ ØÖÒ×ÙÖ ÑÔÐÓݹ

Ò «ÖÒØÐ ×Ò×Ò ¸

!Ź

ÖÓ×ØÖÙØÙÖ ×Óй×ØØ ÓÒ¹×Ò×ØÚ ÑÑ,ÖÒ× ,Ý ØÖÑÐ ÓÜØÓÒ Ó Ì¸

ÖØ ,ÚÓÙÖ Ó ÁË)%Ì× ÛØ ¹ Ø Ò×ÙÐØÓÖ¸

¿  ¾

ÁÑÔÖÓÚÒ Ø ÖØ Ò Ý×ØÖ×× Ó Ø

¿ 

ÔÀ Ö×ÔÓÒ× Ù×Ò ÊÌÈ ØÒÕÙ׸

&ÓÑÔÖ×ÓÒ Ó Ø

Ý×ØÖ×× Ó Ò ÔÀ¹×Ò×Ò Ò×ÙÐØÓÖ׸

¾  ¿ 

½» ÒÓ× Ò ÁÓÒ ËÒ×ØÚ )Ð %«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ

ÖÓÑ ×Ù,ØÖ×ÓÐ ØÓ ×ØÙÖØÓÒ¸

ÁË)%̹,×Ñ×ÙÖÒ Ú ÑØÓ ÓÖ ÓÖ¹

ÖØÒ Öظ

½» ÒÓ× Ò &ÅÇË ØÖÒ××ØÓÖ× ÓÖ

ÒÐÓ ÔÔÐØÓÒ× ÖÓÑ ×Ù,ØÖ×ÓÐ ØÓ ×ØÙÖØÓÒ¸

ËÐÓÛ ÔÀ Ö×ÔÓÒ× «Ø× Ó ×ÐÓÒ ÒØÖ ÁË)%Ì ×Ò¹

×ÓÖ׸

*Ò ÁË)%Ì ÑÓÐ ÓÖ &* ÔÔÐØÓÒ׸

Í× Ó ËÈÁ&% ÓÖ ÑÓÐÒ ×ÐÓÒ¹,×

ÑÐ ×Ò×ÓÖ׸

* ,ÚÓÙÖÐ ÑÖÓÑÓÐ Ó Ø ÁË)%Ì Ò ËÈÁ&%¸

5ÚÓÙÖÐ ÑÓÐ ÐÒ Ò ÔÖ¹

ØÐ ÚÖ¬ØÓÒ Ó ÑÐ ÐÝ ×Ò×ØÚ ÔÀ¹ÁË)%Ì ×Ò×ÓÖ¸

!ÈÝ×Ð ×ØÙ׸ ÚÐÓÔÑÒØ Ó  ÀĹ* ÑÓÐ Ò Ø×ØÒ ¸

­

Ê  Ê Æ Ë

!&ÔÐÖÝ ¬Ð Ð ÒÔ×ÙÐØÓÒ Ó ÁË)%Ì׸

!%ÐØÖÓÑÐ ÒÔ×ÙÐØÓÒ

ÓÖ ×Ò×ÓÖ׸

!ÅÖÓ×Ò×ÓÖ ÒÔ×ÙÐØÓÒ ÛØ ØÓ ÐØÖÓÐÕÙÖ¸

!%ÒÔ×ÙÐØÓÒ Ó ÔÓÐÝÑÖ

ÑÑ,ÖÒ¹,× ÓÒ¹×Ò×ØÚ ¬Ð «Ø ØÖÒ××ØÓÖ׸

!ÅÑ,ÖÒ × Ò Ò ÔÓØÓÙÖÒ ÒÔ¹

×ÙÐØÓÒ Ó ­ØÔ2 ,× ÓÒ¹×Ò×ØÚ ¬Ð «Ø ØÖÒ××ØÓÖ׸

!*

ÔÀ¹ÁË)%Ì Ò ÒØ ÖØ ÔÀ ÔÖ××ÙÖ ×Ò×ÓÖ ÛØ ,2¹× ÓÒØØ׸

!* ,2× ÓÒØØ ÁË)%Ì ÛØ  ËÐÓÒ¹

ÁÒ×ÙÐØÓÖ¹ËÐÓÒ ×ØÖÙØÙÖ¸

!3Ð×× ÒÔ×ÙÐØÓÒ Ó ÑÐ

×ÓÐ ×ØØ ×Ò×ÓÖ× ,× ÓÒ ÒÓ ,ÓÒÒ ¸

!5ÓÓÑÔØ,ÐØÝ  ÙÒÑÒØÐ ÔÔÖÓ¸

!5Ó×Ò×ÓÖ× Ò Ø ,ÓÝ ÓÒØÒÙÓÙ× ÁÒ ÎÚÓ ÑÓÒØÓÖÒ ¸

!5ÓÑØÖÐ× ÚÐ,ÐØÝ ÚÐÓÔÑÒØ Ó 

ÖØÖ×ØÓÒ ×ØÖØ Ý ÓÖ ÒØÖÒ Ò ×ÐÓÒ ÔÓÐÝÑÖ× Ò ÑÔÐÒØ,Ð ÑÐ

Ú׸

ÅÙÐØÐÝÖ ÁË)%Ì ÑÑ,ÖÒ× ÓÖ ÑÖÓ×Ý×ØÑ× ÔÔÐØÓÒ׸

* ÔÖÓ×× ÓÖ Ø ÓÑ,Ò ,ÖØÓÒ Ó ÓÒ

×Ò×ÓÖ× Ò &ÅÇË ÖÙØ׸

&ÓÑÔØ,ÐØÝ

Ó ÁË)%Ì Ò &ÅÇË ØÒÓÐÓ × ÓÖ ×ÑÖØ ×Ò×ÓÖ׸

* ÚÖÝ ÐÖ  ÒØ ÖØ ÔÀ¹

ÁË)%Ì ×Ò×ÓÖ ÖÖÝ Ô ÓÑÔØ,Ð ÛØ ×ØÒÖ &ÅÇË ÔÖÓ××׸

­

Ê  Ê Æ Ë

ÁÓÒ¹×Ò×ØÚ ØÖÒ××ØÓÖ× ,Ö¹

ØÒ ÓÑÑÖÐ &ÅÇË ØÒÓÐÓ Ý¸

! &ÅÇË ÂÓÒØ 3ÖÓÙÔ ÈÖÓ×× ÈÖÑØÖ׸

!ÁÒ×ØÖÙØÓÒ× ÓÖ Ù× Ó &*ÊÌ%ÄÄ  ÔÓÜÝ Ö×Ò¸

!ÅÇÄDÃÇÌ% ÈÌ)% ËÔÖÝ ÔÖÓÙØ Ø¸

!ÄÇ&ÌÁÌ% F½BF ËÐÒØ ÃØ Ì%ÅÈÄ%G ØÒÐ Ø ×ظ

! ÄÇ&ÌÁÌ% F¿¿½ ØÒÐ Ø ×ظ

!ÍÀÍ ÍÒÚÖ×и Ò×ØÖÙØÓÒ× ÓÖ Ù׸

!Ì%&Ì*Æ% ½¼¿¼ Ù×Ö³× Ù¸

!¿¹ØÓÒ ÐÖ %ÔÓÜÝ *×Ú )¹¼F Ù×Ö³× Ù¸

!ÀDËÇÄ )ÈBB¼½ ÔÖÓÙØ Ø×ظ

! ÀDËÇÄ %%¼¼HI»À¼¼H¼ ÔÖÓÙØ Ø×ظ

!5ÁËÇÆ ÈÇÏ%Ê *À%ËÁÎ%¸ Ò×ØÖÙØÓÒ× ÓÖ Ù׸

! Ä%ÈÇG ËÈ%&Á*Ä Ò×ØÖÙØÓÒ× ÑÒÙи

!ÖØÓÒ× ÓÖ Ù× Ó &ÀË %ÈÇGD¸

!ËÐÓÒ ÐÕÙÖ ÄÍÃÇËÁÄ B½¼¿ Ø×ظ

!%ÈÇÌ%à ÀFB ÖØÓÒ× ÓÖ Ù׸

&ÅÇË ÁË)%̹,× ×ØÖÙØÙÖ× ÓÖ

,ÓÑÐ ÔÔÐØÓÒ׸

5× ÄÑØØÓÒ× Ó ÁË)%Ì Ò ËÐÓÒ ÈÖ×¹

×ÙÖ ÌÖÒ×ÙÖ× ÆÓ× ÌÓÖݸ ÅÓÐ× Ò Ú ËÐ ÐÒ ¸

%ÐØÖÓÑ×ØÖÝ Ó &ÑÐ ÐÝ ËÒ×ØÚ

)Ð %«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ׸

%ÕÙÐ,ÖÙÑ ÆÓ× Ò ÁÓÒ ËÐØÚ )Ð %«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ׸

ÇÔÖØÓÒ Ò ÑÓÐÒ Ó ÅÇË ØÖÒ××ØÓÖ¸

­

Ê  Ê Æ Ë

ÏØ ÒÓ× Ó ÅÇË ØÖÒ××ØÓÖ× ÓÔÖØÒ Ò Û2 ÒÚÖ×ÓÒ¸

½» ÒÓ× × ÒÓ ×ÙÖ «Ø¸

½» ÒÓ× ÑÓÐ ÓÖ ÅÇËÌ× ,× Ò ÒÓÒÓÑ Ö ÓÒ¸

!ÀËÈÁ&% Í×Ö³× ÅÒÙи

ÅÓ¬ ½» ØÖÔÔÒ ÒÓ× ØÓÖÝ Ò ÜÔÖÑÒØ× Ò ÅÇË ØÖÒ¹

××ØÓÖ× ,× ÖÓÑ Û2 ØÓ ×ØÖÓÒ ÒÚÖ×ÓÒ¹ Ò­ÙÒ Ó ÒØÖ ×ØØ׸

½» ÒÓ× Ò ÅÇË Ú׸ ÑÓ,ÐØÝ ÓÖ

ÒÙÑ,Ö ­ÙØÙØÓÒ×K¸

ÇÒ Ø ØÓÖÝ Ó ÖÖÖ ÒÙÑ,Ö ­ÙØÙØÓÒ Ò ÅÇË Ú׸

!½º¾Ñ &ÅÇË × Ò ÖÙÐ׸ ÖÚ×ÓÒ %¸

! 5&ÅÇË ÔÖÓ×× ÔÖÑØÖ׸

! &ÅÇË ÔÖÓ×× ÔÖÑØÖ׸

ÄÓÛ ÖÕÙÒÝ ÒÓ× Ò ÖØ Ò ÁÓÒ

ËÒ×ØÚ )Ð %«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ׸

Ì ÓÔÖØÓÒ Ó Ò ÁË)%Ì × Ò ÐØÖÓÒ Ú¸

* Ñй×Ò×ØÚ ÒØ ÖعÖÙØ Ø ÓÔÖØÓÒÐ ØÖÒ×ÙÖ¸

* ÒÛ ÁË)%Ì ×Ò×ÓÖ

ÒØÖÖÙظ

!× Ò ÖÙÐ× Ò ËÈÁ&% ÔÖÑØÖ× ÓÖ Ø &ÅÇË &ÆžF ØÒÓÐÓ Ý¸

!× Ò ÓÒ×ÖØÓÒ× ÓÖ Ò ÁË)%Ì ÑÙÐØÔÐÜÖ Ò ÑÔЬָ

!ÁË)%Ì ÓÑ,ÒØÓÒ ÔÀ»Ô) ÓÖ Ø ×Ø ØÖÑÒØÓÒ Ó ÚÖÝ ÐÓÛ

­ÙÓÖ ÓÒÒØÖØÓÒ× Ù×Ò  ×ÓÐÙØÓÒ׸

­

Ê  Ê Æ Ë

!ËÒ×ØÞØÓÒ Ó ÐØÖ ×ÙÖ× ,Ý ÑÐ ÖØÒ ÔÔй

ØÓÒ× ØÓ ÔÀ ÁË)%ÌÒ Ê%)%Ì׸

!*Ò ÁË)%̹)Á* ×Ý×ØÑ ÓÖ   ÔÖ×ÓÒ ÔÀ ÖÓÖÒ ¸

!*ÒÐÓ ÅÇË ÒØ ÖØ ÖÙØ× ÓÖ × ÒÐ ÔÖÓ××¹

Ò ¸

!&ÅÇË ÒÐÓ ÖÙØ × Ò¸

!* Ð×× Ó ÒÐÓ &ÅÇË ÖÙØ× ,× ÓÒ Ø ×ÕÙÖ¹ÐÛ

ÖØÖ×Ø× Ó Ò ÅÇË ØÖÒ××ØÓÖ Ò ×ØÙÖØÓÒ¸

!&ÅÇË ÚÓÐØ  ØÓ ÙÖÖÒØ

ØÖÒ×ÙÖ׸

!× Ò Ó ÐÒÖ &ÅÇË ØÖÒ×ÓÒÙØÒ

ÐÑÒØ׸

!*ÒÐÓ Ù Á& × Ò Ø ÙÖÖÒØ ÑÓ

ÔÔÖÓ¸

!* ÚÖ×ØÐ &ÅÇË ÐÒÖ ØÖÒÓÒÙØÓÖ»×ÕÙÖ¹

ÐÛ ÙÒØÓÒ ÖÙظ

!ÆÛ ÁË)%Ì ËÒ×ÓÖ ÁÒ¹

ØÖ &ÖÙØ ÓÖ 5ÓÑÐ *ÔÔÐØÓÒ׸

­

ÈÖØ ÁÁ

ËÁÆ Æ

ÀÊÌÊÁ2ÌÁÇÆ Ç

ÄÎÁÌÌ ËÍËÈÆ 

ÇƹÀÁÈ Ê ÁÆ ÍÌÇÊË

ÔØÖ 4

ÌÓÖÝ Ó( ÁÒØÖØ% ÁÒ%Ù'ØÓÖ×

)º½ ÁÒØÖÓ ÙØÓÒ

)º¾ Ê ÁÒÙØÓÖ× &ÓÖ Á×

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

½ ¾ ¿

¯

¯

¯

¯

¯

 Ú! É Ê : Ö Ò!

ËÊ

½

ËÅ, ÐÓ Ð ËÝ×ØÑ ÅÓк

¾

DÌ, D Ø Ð Ò Ò ! ÓÖ!Ð×× ÌÐÔÓÒº

¿

DÅ5, Ó ! DÚ×ÓÒ ÅÙÐØÔÐ 5 ×׺

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

)º¿ Ë ÑÓÒÙØÓÖ Ì ÒÓÐÓ  × &ÓÖ ÊÓ Ò Å¹

ÖÓÛÚ Ö ÕÙ Ò ×

Ì ÑÜ

Ñ

Ì

× 

Ú

Ù

Ù

Ì

Ø



ÑÜ

 

Ñ × 



­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

ÈÖÓ ! ×× Ë+ÒÐ 7Ö ÕÙ Ò!Ý Ùعӫ :Ö ÕÙ Ò!Ý

)º# Ì ÓÖÝ Ó& ÇÒ¹Ô È××Ú ÁÒØ ÖØ  ÁÒÙØÓÖ×

l

ll

¯

¯

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

¾ ¾

¯ 

Ö

Ü

¯

Ê

¯

¯

½

¯

Ñ

¯

×Ù

¯

ÓÜ

Ö Ü

8º@º½ ÄÙÑÔ $' ÅÓ '$Ð Ó* ÈÐÒÖ ËÔ&ÖÐ ÁÒ'Ù#ØÓÖ

×

Ç

 È

Ö

¾

Ö

Ü

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

Cp

Rs L

Co Co/2 /2

2Rc 2Rc

Æ

Ö

Ö

Ö

¾

Ö

Ü

Æ

Û

Û

½(

½ 

Ö

¿ 

Ä Û Ö

¾

Ä Ë

Ö Ñ

Ö Ë

Æ

Ñ

Æ

Ñ Ê

¾

Æ

Ñ Ç

Ô



Ê

Ç 

ÓÜ ÓÜ

Ö Ö Ç

ÓÜ ÓÜ

¾

×Ù



 ××Ù

¾

Ö

×Ù

È

ÓÜ

Ñ Ð È

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

Ð

Ñ

Ñ

ÓÜ

×Ù

½½

ÓÜ

××Ù

×Ù

×Ù

××Ù

×Ù

Ë

Ç



Ç

Æ

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

Ñ

Ñ

·

Ç

Å

Å

× ×

¾ ¾ Ó Ò

Å

¾ ¾

·

Ç

8º@º¾ Ë$Ð*¹Ê$×ÓÒÒØ Ö$ÕÙ$Ò#Ý

ËÊ

Õ

ËÊ

ÔÖ

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

ÔÖ

Ç È

)º' Ì ÄÓ×× Å Ò×Ñ× Ó& ÁÒØ ÖØ  ËÔÖÐ ÁÒÙ¹

ØÓÖ×

Å 0  ××

Å 0

 ××

 ××

ËÊ

¯

¯

¯

¯

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

8º=º½ ËÙ+×ØÖØ$ Ê$×&×Ø&Ú$ «$#Ø×

¬ ª

ËÍ

¯

¯

Ë

Ë Ò Ô

Ò Ô

Ë Ò Ô

 ××

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

ËÍ

8º=º¾ ËÙ+×ØÖØ$ Ô#&Ø&Ú$ «$#Ø×

×Ù

×Ù ×Ù

×Ù

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

ËÙ×ØÖØ ËÔ !¬! Ö ××ØÚØÝ BC

Ö

½½ ½

¤

¾ ¿



¤



¾ ¿

¤

½

¿

¤

Ó

µ

Ó ×Ù

Ó ×Ù ×Ù ×Ù

×Ù ×Ù ¼ ÖË

Ë

Ó

Ô Ë

Ó

¼ ÖË ¼ ÖË

Ó

8º=º¿ Å$ØÐ ÄÓ××$×

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

ÅØ ÖÐ ÓÒ%Ù!ØÚØÝ BË»ÑC

Ñ

Ñ

×Õ ÙÖ 

Ñ

¯

¯

8º=º@ Ë?&Ò «$#Ø

Ó

Æ

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

Æ

Ô

Æ

Ñ

Ó Ö Ó

Ñ

)º2 ɹØÓÖ ÁÑÔÖÓÚ Ñ ÒØ×

8ºEº½
ÓÒ'Û&Ö$ ÁÒ'Ù#ØÓÖ×

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

8ºEº¾ ËÔ&ÖÐ ÁÒ'Ù#ØÓÖ× Û&Ø Ò ÍÒ'$ÖÐÝ&Ò, ƹÛ$ÐÐ

8ºEº¿ ÁÒ'Ù#ØÓÖ× Û&Ø ÈØØ$ÖÒ$' ÖÓÙÒ' Ë&$Ð'×



8ºEº@ ¿¹&Ñ$Ò×&ÓÒÐ Ò' ËÙ×Ô $Ò'$' ËÔ&ÖÐ ÁÒ'Ù#ØÓÖ×

­

ÀÈÌ Ê º ÌÀ ÇÊ Ç ÁÆÌ ÊÌ  ÁÆÍ ÌÇÊË

)º) ÓÒÐÙ×ÓÒ

­

ÔØÖ 5

×Ò Ó( À¹É ËÙ×Ô Ò%%

ÁÒ%Ù'ØÓÖ×

*º½ ÁÒØÖÓ ÙØÓÒ

Æ

*º¾ ÆÓÚ Ð ÁÒÙØÓÖ ËØÖÙØÙÖ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

SiO 2 support etched substrate cavity X

h B Y Silicon X (a)

magnetic field

B By Bx insulating mechanical fixation (glass seed, drop of epoxy)

(b)

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

¾

*º¿ Ë Ð Ø  ÖØÓÒ Ì ÒÓÐÓ Ý

È Ê ÅÌÊ ËÝÑÓÐ Ò ÆË(Ë ¬Ð ÅÒ BÒÑC ÌÝÔ BÒÑC ÅÜ BÒÑC

*º# 3 × Ò Ó& À ¹É ÁÒÙØÓÖ×

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

È Ê ÅÌÊ Ë(Å>ÇÄ Ì(ȻŠD ÍÒØ

¾

¾

¾

9º@º½ ÆË0Ë Å$#Ò&#Ð Ë&ÑÙÐØ&ÓÒ×

º ÈÖ ÔÖÓ ! ××Ò+&

¯

¯

¯

>º ËÓÐÙØÓÒ&

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

º ÈÓ×ØÔÖÓ ! ××Ò+&

¯

¯

¯

¯

Æ

Æ

ÈÖÓÔ ÖØÝ

¾ ¿ 

¿

   

   

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË



­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

ÈÖÑ Ø Ö

¾

¿ 

Æ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

(a)

(b)

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

9º@º¾ $×&,Ò$' ÁÒ'Ù#ØÓÖ× ÈÖÑ$Ø$Ö×

Ë Ç

ËÊ

È Ê ÅÌÊ ÁÆ ½¼¼Ü½¼¼ ¾¼¼Ü¾¼¼ ¿¼¼Ü¿¼¼ 8¼¼Ü8¼¼

¾

Ö

Ö

Û

Ë 

Ç

È



ËÊ

ÑÜ

Ç

Ç

Ë



×Ù 

×Ù

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË





Substrate capacitance ratio Co(h)/Co(0) Substrate resistance ratio Rc(h)/Rc0 1 1 100x100 0.98

0.1 0.96 200x200 0.94 300x300 0.01 0.92 Co(h)/Co(0) [−]

Rc(h)/Rc(0) [−] 400x400 0.9

0.001 0.88 0 1020304050 60708090100 010 2030405060708090100

(a) Etched substrate cavity h [um] (b) Etched substrate cavity h [um]

Ç Ç

 

½

1

½½

½

1

½½

½½ ½½

 È

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

100um 100um 16 50um 14 50um 100x100 ind 14 200x200 ind 20um 12 20um 12 10 10 5um 5um 8 8 2um 6 6 2um

Quality factor Q [−] Quality factor Q [−] 4 4 h=0 h=0 2 2 0 0

100M 1G 10G 30G 100M1G 10G 20G Frequency [Hz] Frequency [Hz]

14 100um 14 100um 12 50um 12 50um 300x300 ind 20um 400x400 ind 10 10 20um 8 8 5um 5um 6 6 2um 2um

4 Quality factor Q [−] 4 Quality factor Q [−] h=0 2 h=0 2 0 0

100M 1G 10G 100M 1G 10G

Frequency [Hz] Frequency [Hz]

ËÊ

ÁÒ%Ù!ØÓÖ  ½¼¼ ¾¼¼ ¿¼¼ 8¼¼

ËÔ!Ò+

ËÊ ËÊ ËÊ ËÊ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

GSS G G G

dummy structure

G S G G S G

9º@º¿ Ø#&Ò, Ó* ËÙ×Ô $Ò'$' ÁÒ'Ù#ØÓÖ×

Ó

ÈÐÒ Ø! Ò+ ÖØ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

½

(a) (b)

½

5Ë(5Ò×ÓØÖÓÔ ÖÝ×Ø ÐÐÒ Ø ËÑÙÐ ØÓÒ¸ !ÚÐÓÔ ! Ø ÍÒÚÖ×ØÝÓ0 ÁÐÐÒÓ׺

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

(a) (b)

(c) (d)



Ø Ò+ ØÑ ËÙ×ØÖØ Ø !@Ò ××

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

9º@º@ ××$Ñ+Ð&Ò, Ò' Å$#Ò&#Ð &ÜØ&ÓÒ

Ë 

¾

third probe for levitation

two probes for measuring Rs

(a) (b)

Ë 

¾

Æ

¾

ÓÒ!Ù ØÚ  Ö ÓÒ È ÒØ ÓÐÐÓ! Ð Ö ÔØ Ò ×ÓÔÖÓÔ ÒÓÐ ¾¼± ×ÓÐ!׺¸ ËÈÁ ËÙÔÔÐ× ÁÒ º¸ÍË5º

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

(a)

(b)

(c) (d)

(e) (f)

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

Ó

*º' ÜÔ ÖÑ ÒØÐ ÚÐÙØÓÒ

9º=º½  Ð$#ØÖ&#Ð Ö#Ø$Ö&ÞØ&ÓÒ

Ë

Ë

Ë 

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

Ë 

È Ê ÅÌÊ ½¼¼Ü½¼¼ ¾¼¼Ü¾¼¼ ¿¼¼Ü¿¼¼ 8¼¼Ü8¼¼

Ë 

Ë 

ÑÜ 

9º=º¾ Ê Ö#Ø$Ö&ÞØ&ÓÒ

¿

RF Probe Station HP−GB bus Microscope UNIX station HP8510A Network Analyzer Probe head

HP8340A/41A Synthesized Sweeper

HP8514A/15A Wafer chuck test set, RFpower supply

semi−rigid coax cables

¿

ÄÀÇ ( Ä  ÓÖ ØÓÖ !GÀÝÔ Ö0Ö ÕÙÒ × Ø !GÇÔØÕÙ Ù! ¸ ÙÒ!Ö ×ÙÔ ÖÚ×ÓÒ Ó0 ÅÖº Æ ÓÐ ×

ÓÖÖ Óº

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

½ ¾

¿

ÇÈ  Æ

ÄÄ



Í Ì

Í Ì ÄÄ ÇÈ  Æ

½ ¿ ¿

ÇÈ  Æ

¿ ¾ ¿

Y3 Y3

in Y3’ out DUT

Y1 Y2 Y1 Y2 Y1’ Y2’

(a) (b) (c)

ËÀÇÊÌ ÇÈ  Æ

Í Ì

Í Ì ÄÄ ËÀÇÊÌ ÇÈ  Æ

Í Ì

½ ¾

Í Ì

¿

½½ ½¾

½ ¿ ¿

Í Ì

¾½ ¾¾

¿ ¾ ¿



½¾



DÍÌ ( !Ú  ÙÒ!Ö Ø×غ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË



Ë

½¾

Ç



½

Ý ·Ý

½½ ½¾





½½ ½¾

 ½

½¾ È

Ë

È Ê Åº ½¼¼Ü½¼¼ ¾¼¼Ü¾¼¼ ¿¼¼Ü¿¼¼ 8¼¼Ü8¼¼

Ë

Ç

È



ËÊ

ÑÜ

ÈÖÑ Ø Ö ½¼¼Ü½¼¼ ¾¼¼Ü¾¼¼ ¿¼¼Ü¿¼¼ 8¼¼Ü8¼¼

Ë

Ç

È



ËÊ

ÑÜ



Ç





­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

È Ê ÅÌÊ ¿¼¼Ü¿¼¼ 8¼¼Ü8¼¼

Ë

Ç

È



ËÊ

ÑÜ

100x100 ind Q deembedded 200x200 ind Q deembedded 20 20 18 16 16 14 suspended suspended 12 12 10 simulation simulation 8 8 6 4 4 quality factor Q [−] quality factor Q [−] 2 non−suspended non−suspeded 0 0 110 110f [GHz] f [GHz] 300x300 Q deembedded 400x400 ind Q deembedded 16 16 14 14 12 suspended 12 10 10 suspended simulation simulation 8 8 6 6 4 non−suspended 4 non−suspended quality factor Q [−] quality factor Q [−] 2 2 0 0 1 10 110

f [GHz] f [GHz]

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

300x300 Q deembedded 400x400 ind Q deembedded 16 16 14 14 epoxy 12 12 suspended epoxy 10 10 simulation suspended 8 8 simulation 6 6 4 non−suspended 4 non−suspended quality factor Q [−] quality factor Q [−] 2 2 0 0 1 10 110

f [GHz] f [GHz]

Æ

Ü

Ý

Æ

*º2 3×Ù××ÓÒ

­

ÀÈÌ Ê º  ËÁÆ Ç ÀÁÀ¹ÉËÍËÈ Æ  ÁÆÍ ÌÇÊË

Æ



Ë

Ç



*º) ÓÒÐÙ×ÓÒ×

­

ÔØÖ 6

ÓÒ'ÐÙ×ÓÒ× Ò% ÈÖ×Ô 'ØÚ× ÓÒ

ËÔÖÐ ÁÒ%Ù'ØÓÖ×

4º½ ËÙÑÑÖÝ Ò Ë Òج ÓÒØÖÙØÓÒ×

Æ

¯

¾

­

ÀÈÌ Ê !º ÇÆ ÄÍËÁÇÆË Æ È ÊËÈ ÌÁÎ Ë ÇÆ ËÈÁÊÄ ÁÆÍ ÌÇÊË

¯

¯

4º¾ ÈÖÓÔ Ó×  ÙØÙÖ ÏÓÖ6

¯

¾

¯

¯



¯

¯

Ë

¯

¯

­

ÀÈÌ Ê !º ÇÆ ÄÍËÁÇÆË Æ È ÊËÈ ÌÁÎ Ë ÇÆ ËÈÁÊÄ ÁÆÍ ÌÇÊË

¯

etched cavity

(a) (b) (c)

­

Ê(ÖÒ'×

ÅÓÒÓÐØ Ô××Ú ÓÑÔÓÒÒظ

!* Ë ,ÔÓÐÖ ÑÓÒÓÐØ Ê) ,ÒÔ×× ÑÔЬָ

!ÅÓÐ ÐÒ Ó ÑØÐ Ò ×Ù,×ØÖØ

ÐÓ××× Ò &ÅÇË Ò 5&ÅÇË ÒÙØÓÖ× ÓÖ Ê)Á&׸

ÅÒØÙÖ Ì عÌÓÐÖÒ Ô ÒÙØÓÖ׸

* ½º:¹3ÀÞ ÐÓÛ¹Ô× ÒÓ× &ÅÇË Î&Ç Ù×Ò

ÓÔØÑÞ ÓÐ ÐÓÛ ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ׸

ÅÙÐØÐÚйËÔÖÐ ÁÒÙØÓÖ× Í×Ò ÎÄËÁ

ÁÒØÖÓÒÒØ ÌÒÓÐÓ Ý¸

À  É &ÅÇ˹ÓÑÔØ,Рѹ

ÖÓÛÚ ÒÙØÓÖ× Ù×Ò ÓÙ,йÑØÐ ÒØÖÓÒÒØÓÒ ×ÐÓÒ ØÒÓÐÓ Ý¸

ÆÛ ÔÔÖÓ ØÓ Ø × Ò Ó ØÚ ­ÓØÒ ÒÙØÓÖ× Ò ÅÅÁ&

ØÒÓÐÓ Ý¸

ÎÀ) &ÅÇË ÒØ ÖØ ØÚ ÒÙØÓÖ¸

3À= Ë 5&ÅÇË ØÚ ÒÙØÓÖ׸

Ì × Ò Ó &ÅÇË ÊÓ )ÖÕÙÒÝ ÁÒØ ÖØ &ÖÙØ׸

Ì × Ò Ó  ¿Î I¼¼ÅÀÞ &ÅÇË ,ÒÔ×× ÑÔЬָ

­

Ê  Ê Æ Ë

*

½ºI 3ÀÞ Ï¹5Ò Á) ÓÙ,Ð &ÓÒÚÖ×ÓÒ &ÅÇË ÊÚÖ ÓÖ &ÓÖÐ×× ÌÐÔÓÒ

*ÔÔÐØÓÒ׸

ÅÓÒÓÐØ

&ÅÇË ×ØÖ,ÙØ *ÑÔÐ¬Ö Ò Ç×Ð ÐØÓÖ¸

* M 3ÀÞ M¼ ÑÏ 5&ÅÇË È×¹ÄÓ2ÄÓÓÔ¸

* ÈÝ×Ð ÅÓÐ ÓÖ ÈÐÒÖ ËÔÖÐ ÁÒÙØÓÖ× ÓÒ ËÐÓÒ¸

*Ò ÁÒÚ×Ø ØÓÒ Ó ÇÒ¹&Ô ËÔÖÐ ÁÒÙØÓÖ× ÓÒ 

¼ºMÙÑ 5&ÅÇË ÌÒÓÐÓ Ý ÓÖ Ê) *ÔÔÐØÓÒ׸

*Ò *ÒÐÝØÐ ÅÓÐ Ó ÈÐÒÖ ÁÒÙØÓÖ× ÓÒ ÄÓÛ ÐÝ ÓÔ

ËÐÓÒ ËÙ,×ØÖØ× ÓÖ À  )ÖÕÙÒÝ *ÒÐÓ × Ò ÙÔ ØÓ ¿3ÀÞ¸

× Ò Ó ÈÐÒÖ ÊØÒ ÙÐÖ ÅÖÓÐØÖÓÒ ÁÒÙØÓÖ׸

!ÈÝ×Ð ÑÓÐ ÐÒ Ó ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ× ÓÒ ×ÐÓÒ¸

*ÒÐÝ×׸ × Ò¸ Ò ÓÔØÑ×ØÓÒ Ó ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ×

Ò ØÖÒ×ÓÖÑÖ× ÓÖ Ë Ê) Á&³×¸

%×ØÑØÓÒ ÑØÓ× ÓÖ ÕÙÐØÝ ØÓÖ× Ó ÒÙØÓÖ× ,ÖØ Ò ×ÐÓÒ Ò¹

Ø ÖØ ÖÙØ ÔÖÓ×× ØÒÓÐÓ ×¸

ÅÙÐØÐÚÐ ÑÓÒÓÐØ ÒÙØÓÖ× Ò ×ÐÓÒ ØÒÓй

Ó Ý¸

Ë Á&¹&ÓÑÔØ,Ð ÒÙØÓÖ× Ò Ä& Ô××Ú ¬ÐØÖ׸

À  É ÁÒÙØÓÖ× ÓÖ

ÏÖÐ×× *ÔÔÐØÓÒ× Ò  &ÓÑÔÐÑÒØÖÝ ËÐÓÒ 5ÔÓÐÖ ÈÖÓ×׸

!*Ò ÒÒÓÚØÚ ÑÓÐÞØÓÒ

Ó ÐÓ×× ÑÒ×Ñ Ò ×ÐÓÒ ÒØ ÖØ ÖÙØ׸

­

Ê  Ê Æ Ë

!ÀÒ,ÓÓ2 Ó ÅÖÓÛÚ ÁÒØ ÖØ &ÖÙØ׸

*Ò ÁÒØ ÖØ &ÅÇË ×ØÖ,ÙØ*ÑÔÐ¬Ö ÍØÐÞÒ È2 Ò

ÁÒÙØÒ¸

* ÓÑÔÖØÚ ×ØÙÝ ÓÒ Ø ÚÖÓÙ× ÑÓÒÓÐØ ÐÓÛ ÒÓ× ѹ

ÔÐ¬Ö ÖÙØ ØÓÔÓÐÓ × ÓÖ Ê) Ò ÑÖÓÛÚ ÔÔÐØÓÒ׸

ÇÒ¹Ô ×ÔÖÐ ÒÙØÓÖ× ÛØ ÔØØÖÒ ÖÓÙÒ ×Ð× ÓÖ

˹,× Ê) Á&³×¸

* ½3ÀÞ &ÅÇË Ê) ÖÓÒعÒ Á& ÓÖ  ÖØ

ÓÒÚÖ×ÓÒ ÛÖÐ×× ÖÚÖ¸

!À  É ,2× ÑÖÓÑÒ &ÅÇË Ò¹

ÙØÓÖ׸

!ÅÓÒÓÐØ ÔÐÒÖ Ê) ÒÙØÓÖ Ò ÛÚ Ù ×ØÖÙ¹

ØÙÖ× ÓÒ ×ÐÓÒ ÛØ ÔÖÓÖÑÒÓÑÔÖ,Ð ØÓ ØÓ× Ò 3*× ÅÅÁ&¸

*ÖØÐ ÓÑÔÖ×Ò Ò ÁÒÙØÓÖ¸

!À ¹ÔÖÓÖÑÒ ØÖ¹ÑÒ×ÓÒÐ ÓÒ¹

Ô ÒÙØÓÖ× ,ÖØ,Ý ÒÓÚÐ ÑÖÓÑÒÒ ØÒÓÐÓ Ý ÓÖ Ê) ÅÅÁ&¸

!ÅÓÒÓÐØ  ¹ÔÖÓÖÑÒ

ØÖ¹ÑÒ×ÓÒÐ ÓÐ ÒÙØÓÖ× ÓÖ ÛÖÐ×× ÓÑÑÙÒØÓÒ ÔÔÐØÓÒ׸

!À ¹ÔÖÓÖÑÒ

ÐØÖÓÔÐØ ×ÓÐÒÓ¹ØÝÔ ÒØ ÖØ ÒÙØÓÖ ´ËÁ¾µ ÓÖ Ê) ÔÔÐØÓÒ× Ù×Ò ×ÑÔÐ

¿ ËÙÖ ÑÖÓÑÒÒ ØÒÓÐÓ Ý¸

%ØÙ Ø &ÓÒÔØÓÒ  ÅÖÓ×Ý×ØNÑ× ÅÖÓ¹Í×Ò× ÔÖ Ð ) *ÚÒØ

Ò ÍØÐ×ÒØ × ØÒÓÐÓ × ×ØÒÖ× × &ÖÙØ× ÁÒØ Ö× ×ÙÖ *Ö×ÒÙÖ  3й

ÐÙѸ

¼º:ÙÑ &ÅÇË ÈÖÓ×× ÈÖÑØÖ׸

&ÓÒÔØÓÒ Ø ÖÐ×ØÓÒ ³ÙÒ ÓÒÚÖØ×ÙÖ ÐØÖÓ¹ØÖÑÕÙ N ÖÒ

ÓÒ×ØÒØ  ØÑÔ× Ò ØÒÓÐÓ  ÑÖÓ×Ý×ØNÑ ÔÓÙÖ ÙÒ ×?ÓÒØÙÖ ØÖÑÕÙ¸

­

Ê  Ê Æ Ë

%ØÙ Ø Ñ× Ù ÔÓÒØ  Ð ÑØÓÓÐÓ ×  ÓÒÔØÓÒ Ø  ,Ö¹

ØÓÒ ÓÐ ÐØÚ  ÑÖÓ×Ý×ØNÑ× ×ÙÖ ×ÐÙѸ

ØØÔ »»ÑÑ׺׺ٻÑÑ×»ÑØÖÐ×» ØØÔ »»ÛÛÛºÑÑ×ÒغÓÖ »ÑØÖл

ËÑÙÐØÓÒ Ó Ò×ÓØÖÓÔ ÖÝ×ØÐ ÐÒ ØÒ Ù×Ò  ÓÒØÒÙ¹

ÓÙ× Ð ÐÙÐÖ ÙØÓÑØ Ð ÓÖØѸ

ÅÖÓÑÒÒ ÈÖÓ×× ËÑÙÐØÓÒ Ù×Ò  &ÓÒØÒÙÓÙ× &Ð ÐÙÐÖ

*ÙØÓÑØ *Ð ÓÖØѸ

! Ì×Ø ×ØÖÙØÙÖ× Ò Ñ×ÙÖÑÒØ× ØÒÕÙ×

ÓÖ Ø ÖØÖÞØÓÒ Ó Ø ÝÒÑ ,ÚÓÙÖ Ó &ÅÇË ØÖÒ××ØÓÖ× ÓÒ ÛÖ

Ò Ø 3ÀÞ ÖÒ ¸

!ÅØÓ Ó ÙÖØ ØÖÑÒØÓÒ Ó Ø ÒØÖÒ× Ùعӫ ÖÕÙÒÝ Ó Á&

,ÔÓÐÖ ØÖÒ××ØÓÖ׸

!ÇÒ¹ÛÖ  ¹ÖÕÙÒÝ Ú ÖØÖÞØÓÒ¸

­

ÔØÖ ½¼

ÒÐ ÓÒ'ÐÙ×ÓÒ×

½¼º½ ÏÓÖ6 ÇÚ ÖÚ Û

¯

¯

­

ÀÈÌ Ê ½¼º ÁÆÄ ÇÆ ÄÍËÁÇÆË

½¼º¾ Ë Òج ÓÒØÖÙØÓÒ× Ó& Ø ÏÓÖ6

½¼º¿ È Ö×Ô ØÚ ×

­

ÀÈÌ Ê ½¼º ÁÆÄ ÇÆ ÄÍËÁÇÆË

­

ÔÔ Ò%Ü 

ÔÀ Å×ÙÖÑÒØ×

/º½ ÏØ × ÔÀ>

·

·

· ¿

Ó ½ ¾ ¾

·

·

/º¾ /ÔÔÐØÓÒ Ó& ÔÀ Å ×ÙÖ Ñ ÒØ×

­

ÈÈ ÆÁ# º ÈÀ Å ËÍÊ Å ÆÌË

ËÔ !Ð % ÑÒ% ÌÝÔ!Ð ÔÔÐ!ØÓÒ

¦

Ó

Ó

/º¿ Å ×ÙÖ Ñ ÒØ Å ØÓ ×

¯

¯

¯

·

ÇÍ Ì

¼ ·

× ÇÍ Ì

×

­

ÈÈ ÆÁ# º ÈÀ Å ËÍÊ Å ÆÌË

¼

×

·

¼

× Ö Ö

×

Ó

Eref Eise

external cover [mV] Eise−Eref 200 re−fill port

100 KCl solution

pH Ag/AgCl 0 4 56789

−100

diaphragen of porous platinum −200 inner buffer solution (b)

working membrane

test pH solution (a)

× Ö

Ó

%ÚÒØ+ × Ó: ÔÀ +Ð×× Ð !ØÖÓ % ×&

¦

Ó

¦

×%ÚÒØ+ × Ó: ÔÀ +Ð×× Ð !ØÖÓ % ×&



­

ÈÈ ÆÁ# º ÈÀ Å ËÍÊ Å ÆÌË

/º# Ê & Ö Ò ×

ÔÀ Å×ÙÖÑÒØ׸ ÌÖ ÌÓÖÝ Ò ÈÖظ

Ä ÔÀ Ø × Ñ×ÙÖ¸

ËÒ×ÓÖ× ¹ * ÓÑÔÖÒ×Ú ËÙÖÚݸ

%ÐØÖÓÑ×ØÖݸ

­

ÔÔ Ò%Ü 

ÁËÌ ËÒ×ÓÖ ÁÒØÖ('

ÙÒ'ØÓÒÐØÝ Ì×Ø× (ÖÓÑ Ë'ØÓÒ 0º¿

­

ÈÈ ÆÁ#
º ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê ÍÆ ÌÁÇÆÄÁÌ Ì ËÌË ÊÇÅ

Ë ÌÁÇÆ º¿

5V (4.5 − 5.5V) HP 34401A V IB1 Vdd Vd3 KEITHLEY DMM 196 200k uA Vd(ISFET1) − Is1 KEITHLEY A1 20uA (15 − 25uA) Is1’ V1 Source Meter 2400 + 0.1 − 3V ISFET1 Ir HP 34401A

RsetA Vr mV V1 + Vs(ISFET1) A2 − VoutA IEEE 488 BUS

Is2 ISFET S−D voltage follower PC GND

IB2

×½ Ö

IB1 Vdd 5V (4.5−5.5)

PC Is1

− Vd(ISFET1) A1 HP 34401A V1 Ia1 + IEEE 488 BUS mV Vds ISFET1 Is2’ RsetA Vs(ISFET1) (Vd6) + Vdd Is2 55uA (45 − 65uA) A2 Vs − VoutA uA Is2 100k KEITHLEY ISFET S−D voltage follower DMM 196 KEITHLEY GND Source Meter 2400 Vd10 V IB2 0.1 − 3V

HP 34401A

×¾ ½

­

ÈÈ ÆÁ#
º ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê ÍÆ ÌÁÇÆÄÁÌ Ì ËÌË ÊÇÅ

Ë ÌÁÇÆ º¿

Vdd Vdd Vdd Vdd

Rx1 Rx1 Rx1 Rx1 KEITHLEY V1 V1 KEITHLEY V1 Source Meter 2400 V1 Source Meter 2400 HP 34401

+ + HP 34401 RsetA Ω RsetA Ω RsetA RsetA

0 − 1V 0 − 1V IEEE 488 BUS IEEE 488 BUS VoutA VoutA VoutA VoutA Rx2 Rx2 Rx2 PC Rx2 PC

GND a)GND b) c) GND d)

×Ø

ܽ ܾ

×Ø

HP 34401A HP 34401A mV 500k Vdd Vos1 Vd16 IB1 Ib1 10uA (5 − 15uA) Vdd 5V (4.5 − 5.5V) mV PC

Is1 IEEE 488 BUS

Ia1 55 uA Vd(ISFET1) −

A1 V1 KEITHLEY + Ip DMM 196 uA mV II Vds ISFET1 Wavetek RsetA DM2 V1 KEITHLEY + Source Meter 2400 100k Vs(ISFET1) 0.1 − 3V A2 − VoutA

Is2 ISFET S−D voltage follower

IB2 GND

½

­

ÈÈ ÆÁ#
º ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê ÍÆ ÌÁÇÆÄÁÌ Ì ËÌË ÊÇÅ

Ë ÌÁÇÆ º¿

500k Vdd IB1 Ib1 10 uA Vdd 5V PC

Is1

Vd(ISFET1) −

A1 V1 + ISFET1 V1 AWG 2005 RsetA Waveform Generator 0.1 − 3V dc + VoutA 1V ac Vs(ISFET1) A2 Vdd 100k KEITHLEY − uA DMM 196 55 uA Is2 ISFET S−D voltage follower

CH2 IB2 GND Tektronix CH1 Dig. Osciloscope IEEE 488 BUS

TDS 520A

½

Vdd IB1 Vdd 5V (4.5−5.5V) 500k PC Ia2 Is1 20uA (5 − 30uA)

Vd(ISFET1) − uA KEITHLEY A1 DMM 196 Isp Ia2 V1 + ISFET1 Vr Vs(ISFET1) RsetA II mV Wavetek DM2 IEEE 488 BUS +

A2 Vs Is2 − Ia2’ VoutA

ISFET S−D voltage follower

KEITHLEY GND Source Meter 2400 IB2 500k HP 34401A 0.1 − 3V Vdd V Ib2 10uA (5 − 20uA) Vos2 Vd16 mV

HP 34401A

¾

­

ÈÈ ÆÁ#
º ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê ÍÆ ÌÁÇÆÄÁÌ Ì ËÌË ÊÇÅ

Ë ÌÁÇÆ º¿

Vdd

200k

IB1 20uA Vdd 5V

PC uA KEITHLEY Is1 DMM 196

Vd(ISFET1) −

A1 V1 + ISFET1

Vs(ISFET1) RsetA

IEEE 488 BUS +

A2 Vs Is2 − VoutA

ISFET S−D voltage follower

KEITHLEY GND Source Meter 2400 IB2 500k HP 34401A 0.1 − 3V CH1 CH2 Vdd V 10uA Dig. Osciloscope Vd16 TDS 520A

Tektronix

¾

Vdd

Idn ISFET1/ISFET2 ref KEITHLEY Source Meter 2400 0 − 1V Isn Vgs IEEE 488 BUS ISFET Sensor Chip 0 − 3V PC GND Regulated Voltage Supply

HPE3631A

­

ÈÈ ÆÁ#
º ÁË Ì Ë ÆËÇÊ ÁÆÌ Ê ÍÆ ÌÁÇÆÄÁÌ Ì ËÌË ÊÇÅ

Ë ÌÁÇÆ º¿

HP 34401A mV 500k Vdd Vos1

IEEE 488 BUS IB1 Ib1 10uA Vdd 5V

PC Is1 200k Vdd

Vd(ISFET1) − A1 Is1 20uA HP 34401A V1 + mV Vds ISFET1 RsetA Vs(ISFET1) + Vdd A2 Is2 55uA V1 − VoutA 0.1 − 3V Is2 100k ISFET S−D voltage follower KEITHLEY Source Meter 2400 IB2 GND Vdd 500k

Ib2 10uA

mV HP 34401A

Vos2

VdH 5 − 6V ISFET VoutA S−D followers HP 34401A (−1,+1V) + mV KEITHLEY Vdif k56 Source Meter 2400 V−I1 VoutB _ Iout ISFET Sensor Interface Vout

Wavetek DM2 I−V/I1 GND V Vcm 0 − 1.5V KEITHLEY DMM 196 uA 9uA (5 − 20uA) PC Vd14 V

500k

HP 34401A

IEEE 488 BUS

­

ÔÔ Ò%Ü 

ÆË Ë ÁÒ%Ù'ØÓÖ ËÑÙÐØÓÒ Ð

»ÙÒØ׸ËÁ ÙÒØ× ËÁ

»ØØÐ ¸¼ºÙÑ ×ØÖÙØÙÖ ÙÐ ÑÖÓÑÒÒ

»ÔÖ Ô ÔÖ ÔÖÓ ×ÓÖ

»ÎÁϸ¸½¸½¸½ ÒØÐ Ú Û !"# Ö ×

»Ù׸Ñ×ÔÓÔ¸¿ ÒÓ ÛÖÒÒ×

×ØÖÙØÙÖ ×Þ

&"¼ ¹( Ð ÒØ 

&¿¼¼ ¹( Ð ÒØ 

&¿¼¼ ¹( Ð ÒØ 

##&¿¼¼ ¹( Ð ÒØ # ÑÙ×Ø  ¾¹#*¼

# Ô&!¼ ¹( # ÔÐ ØÓÒ

Ø ÒÓÐÓÝ ,ÅÇË /ÅË ¼ºÙÑ

ØÓÜ&¼º"¾ ¹( Ø ×Ó¾ 1Ç2 !¼ "¾¼ "(¼ ÒÑ

ØÔÓÐݽ&¼º!¾ ¹( Ø ÔÓÐÝ×½ ¿3¼ !¾¼ !"¼ ÒÑ

ØÔÓÐݾ&¼º¾ ¹( Ø ÔÓÐÝ×¾ ¾"¼ ¾¼ ¾3¼ ÒÑ

ØÓܾ&¼º(" ¹( Ø ËǾ Óܾ (¼¼ ("¼ ¼¼ ÒÑ

Øѽ&¼º( ¹( Ø Ñ Øн ""¼ (¼¼ ("¼ ÒÑ

ØÓÜ¿&½ ¹( Ø Ú ÓÜ¿ "¼ ½¼¼¼ ½¾"¼ ÒÑ

ØѾ&½ ¹( Ø Ñ Øо 3¼¼ ½¼¼¼ ½½¼¼ ÒÑ

ØÔ××&½ ¹( Ø Ô×× 3¼¼ ½¼¼¼ ½½¼¼ ÒÑ

ؽ&ØÓÜ

ؾ&ØÓÜ·ØÔÓÐݽ

Ø¿&ØÓÜ·ØÔÓÐݽ·ØÓܾ

Ø!&ØÓÜ·ØÔÓÐݽ·ØÓܾ ·ØÑ ½

Ø"&ØÓÜ·ØÔÓÐݽ·ØÓܾ ·ØÑ ½·Ø ÓÜ¿

Ø(&ØÓÜ·ØÔÓÐݽ·ØÓܾ ·ØÑ ½·Ø ÓÜ¿ ·Ø Ѿ

Ø&ØÓÜ·ØÔÓÐݽ·ØÓܾ ·ØÑ ½·Ø ÓÜ¿ ·Ø Ѿ·Ø Ô ××

Å/Ì ÊÁ/ ÄË

×Ó¾&½ ÐÓÓ׸ ·  ÓÜ#

ÔÓÐÝ&¾ ÔÓÐݽ ·ÔÓÐݾ

ÐÙÑ&¿ Ñ ØÐ ½¸¾¸¿

Ô××&! Ë¿Æ! Ô××ÚØÓÒ

ظ½¸×ÓÐ#!" ÑÓ# Ð ×ÓÐ#3"¸×ÓÐ#(3´Ø ÖÑ· Ð  ØÖ µ¸× ÓÐ# ¿

×ÓÐ#!" ÓÒÐÝ Ñ ÒÐ

Ë Ùи ÔÓÐÝ˸ /и Ô××

ÒÓÛÒ ÓÒ×ØÒØ× ;ÖÓÑ ÐØ ÖØÙÖ

#ÔÓÐÝ&¾¿¼¼ <»Ñ¿= Ë ÙÐ

ÊÔÓÐÝ&3º¾" ¹( <ÇѺÑ= Ö ××ØÚØÝ

ÔÓÐÝ&½ ½¼ <È= ?ÓÙÒ³× ÑÓ#ÙÐ Ð×ØØÝ Ë

#ÔÓÔÓÐÝ&¼º¿ ÈÓ××ÓÒ× ÖØÓ Ë

ÃÔÓÐÝ&¾º¼ <ۻѺÃ= Ø ÖÑÐ ÓÒ#ÙØÚØÝ

,ÔÓÐÝ&(3"º <»ºÃ= ×Ô ;  Ø

/ÔÓÐÝ&¾º¿¿ ¹( Ó ;; ÒØ Ó; Ø ÖÑÐ ÜÔÒ×ÓÒ <½»,=

­

ÈÈ ÆÁ# º ÆËË ÁÆÍ ÌÇÊ ËÁÅÍÄÌÁÇÆ ÁÄ

#×Ó¾&¾¾¼¼ <»Ñ¿= ËÓ¾

Ê×Ó¾&½ ½(

×Ó¾&º" ½¼ <"CÈ= ?ÓÙÒ³× ÑÓ#ÙÐ Ð×ØØÝ ËǾ

#ÔÓ×Ó¾&¼º¿

Ã×Ó¾&½º¿

,×Ó¾&½º3 (

#ÒØ&¿½¼¼ <»Ñ¿= Ë¿Ò! Ô××ÚØÓÒ

ÊÒØ&½ ½½

ÒØ&¾½¼ 3 <¾½¼CÈ=

#ÔÓÒØ&¼º¿

ÃÒØ&½3

,ÒØ&¾º¾ (

#ÐÙÑ&¾¼¼ <»Ñ¿= Ù×ØÓØ ÐÒÙ

ÊÐÙÑ&¼º¼" ¹(

ÐÙÑ& ½¼ <¼CÈ= ?ÓÙÒÙÚ ÑÓ#ÙÐ ÔÖÙÞÒÓ×Ø /Ð

#ÔÓÐÙÑ&¼º¿

ÃÐÙÑ&¾¿

,ÐÙÑ&¾º!¾ (

/ÐÙÑ&¾¿º¾ ¹( <½»,= /Ð

ÑÔ¸# Ò׸×Ó¾¸#×Ó¾ ÑØ ÖÐ ÔÖÓÔ ÖØÝ ËÓ¾

ÑÔ¸ ܸ×Ó¾¸×Ó¾

ÑÔ¸ ݸ×Ó¾¸×Ó¾

ÑÔ¸ Þ¸×Ó¾¸×Ó¾

ÑÔ¸ÒÙÜݸ×Ó¾¸#ÔÓ×Ó¾

ÑÔ¸# Ò׸ÔÓÐݸ#ÔÓÐÝ ÑØ ÖÐ ÔÖÓÔ ÖØÝ ÈÓÐÝË

ÑÔ¸ ܸÔÓÐݸÔÓÐÝ

ÑÔ¸ ݸÔÓÐݸÔÓÐÝ

ÑÔ¸ Þ¸ÔÓÐݸÔÓÐÝ

ÑÔ¸ÒÙÜݸÔÓÐݸ#ÔÓÔÓÐÝ

ÑÔ¸# Ò׸ÐÙѸ#ÐÙÑ ÑØ ÖÐ ÔÖÓÔ ÖØÝ /Ð

ÑÔ¸ ܸÐÙѸÐÙÑ

ÑÔ¸ ݸÐÙѸÐÙÑ

ÑÔ¸ Þ¸ÐÙѸÐÙÑ

ÑÔ¸ÒÙÜݸÐÙѸ#ÔÓÒØ

ÑÔ¸# Ò׸Ô×׸#ÒØ ÑØ ÖÐ ÔÖÓÔ ÖØÝ Ë¿Æ!

ÑÔ¸ ܸÔ×׸ÒØ

ÑÔ¸ ݸÔ×׸ÒØ

ÑÔ¸ Þ¸Ô×׸ÒØ

ÑÔ¸ÒÙÜݸÔ×׸#ÔÓÒØ

¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹

D D

¹¹¹¹¹¹D D

D D ##

¹¹¹¹¹¹¹¹D D

D D

¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹¹

ËÌÊÍ,ÌÍÊ F1ÁÆÁÌÁÇÆ ËǾ 1Ç2·Óܾ·ÓÜ´ÈÓÐݽµ

ÐÓ ܽ¸Ü¾¸Ý½¸Ý¾¸Þ½¸Þ¾

ÒÙÑ×ØÖ¸ÚÓÐÙ¸½

ÐÓ¸¼¸¸¼¸Ø¿¸¼¸

ÐÓ¸¸·¸¼¸Ø¿¸¼ ¸

ÐÓ¸¸·¸¼¸Ø¿¸ ¸## ¹

ÐÓ¸¸·¸¼¸Ø¿¸# #¹ ¸##

ÐÓ¸¸¼¸¼¸Ø¿¸##¹ ¸##

ËÌÊÍ,ÌÍÊ F1ÁÆÁÌÁÇÆ ÅÌ/Ľ

ÐÓ ܽ¸Ü¾¸Ý½¸Ý¾¸Þ½¸Þ¾

ÒÙÑ×ØÖ¸ÚÓÐÙ¸¿¼¼½

ÐÓ¸¼¸¸Ø¿¸Ø!¸¼¸ 

ÐÓ¸¸·¸Ø¿¸Ø! ¸¼¸ 

­

ÈÈ ÆÁ# º ÆËË ÁÆÍ ÌÇÊ ËÁÅÍÄÌÁÇÆ ÁÄ

ÐÓ¸¸·¸Ø¿¸Ø! ¸¸ ##¹ 

ÐÓ¸¸·¸Ø¿¸Ø! ¸##¹ ¸ ##

ÐÓ¸¸¼¸Ø¿¸Ø!¸##¹ ¸# #

ËÌÊÍ,ÌÍÊ F1ÁÆÁÌÁÇÆ Ç2¿

ÐÓ ܽ¸Ü¾¸Ý½¸Ý¾¸Þ½¸Þ¾

ÒÙÑ×ØÖ¸ÚÓÐÙ¸!¼¼½

ÐÓ¸¼¸¸Ø!¸Ø"¸¼¸ 

ÐÓ¸¸·¸Ø!¸Ø" ¸¼¸ 

ÐÓ¸¸·¸Ø!¸Ø" ¸¸ ##¹ 

ÐÓ¸¸·¸Ø!¸Ø" ¸##¹ ¸ ##

ÐÓ¸¸¼¸Ø!¸Ø"¸##¹ ¸# #

ËÌÊÍ,ÌÍÊ F1ÁÆÁÌÁÇÆ ÅÌ/ľ

ÐÓ ܽ¸Ü¾¸Ý½¸Ý¾¸Þ½¸Þ¾

ÒÙÑ×ØÖ¸ÚÓÐÙ¸"¼¼½

ÐÓ¸¼¸¸Ø"¸Ø(¸¼¸ 

ÐÓ¸¸·¸Ø"¸Ø( ¸¼¸ 

ÐÓ¸¸·¸Ø"¸Ø( ¸¸ ##¹ 

ÐÓ¸¸·¸Ø"¸Ø( ¸##¹ ¸ ##

ÐÓ¸¸¼¸Ø"¸Ø(¸##¹ ¸# #

ËÌÊÍ,ÌÍÊ F1ÁÆÁÌÁÇÆ È/ËËÁÎ/ÌÁÇÆ

ÒÙÑ×ØÖ¸ÚÓÐÙ¸(¼¼½

ÐÓ¸¼¸¸Ø(¸Ø¸¼¸ 

ÐÓ¸¸·¸Ø(¸Ø ¸¼¸ 

ÐÓ¸¸·¸Ø(¸Ø ¸¸ ##¹ 

ÐÓ¸¸·¸Ø(¸Ø ¸##¹ ¸ ##

ÐÓ¸¸¼¸Ø(¸Ø¸##¹ ¸# #

ÒÙÑÑÖ¸Ô¸¾º" ¹½¼

ÒÙÑÑÖ¸ РѸ¾º" ¹½¼

ÒÙÑÑÖ¸ÒÓ# ¸¾º" ¹½¼

Ð× Ð¸×¸ÐÐ

Ð ×Þ ¸Ðи¸¸¾ ØÛÓ Ñ × × Ô Ö ÐÓ

Ð× Ð¸×¸ÐӸܸ¼¸

Ð× Ð¸Ö¸ØÒ½¸Þ¸¼

Ð× Ð¸Ö¸ØÒ½¸Ý¸¼

Ð ×Þ ¸Ðи¸¸½¼

Ð× Ð¸×¸ÐӸܸ¸·

Ð× Ð¸Ö¸ØÒ½¸Þ¸¼

Ð× Ð¸Ö¸ØÒ½¸Ý¸¼

Ð ×Þ ¸Ðи¸¸½¼

Ð× Ð¸×¸ØÒ½¸Ü¸¼

Ð× Ð¸Ö¸ØÒ½¸Þ¸¼

Ð ×Þ ¸Ðи¸¸½

Ú× Ð¸×¸ÚÓÐÙ¸¸½¸¿¼¼¼ ÐÐ Ç2ÁF

ѸÓÜÝ# ¸ÚÓÐÙ

»ÓÐÓÖ¸ÚÓÐÙ¸Ý ÐÐ

Ñظ×Ó¾

ÚÑ ×¸ÐÐ

Ú× Ð¸ÒÓÒ

Ú× Ð¸×¸ÚÓÐÙ¸¸¿¼¼½¸!¼¼¼ Ž

Ñ¸Ñ ØиÚÓÐÙ

»ÓÐÓÖ¸ÚÓÐÙ¸#ÖÝ

ÑظÐÙÑ

ÚÑ ×¸ÐÐ

Ú× Ð¸ÒÓÒ

Ú× Ð¸×¸ÚÓÐÙ¸¸!¼¼½¸"¼¼¼ Ç2¿

­

ÈÈ ÆÁ# º ÆËË ÁÆÍ ÌÇÊ ËÁÅÍÄÌÁÇÆ ÁÄ

ѸÓÜÝ# ¸ÚÓÐÙ

»ÓÐÓÖ¸ÚÓÐÙ¸Ý ÐÐ

Ñظ×Ó¾

ÚÑ ×¸ÐÐ

Ú× Ð¸ÒÓÒ

Ú× Ð¸×¸ÚÓÐÙ¸¸"¼¼½¸(¼¼¼ ž

Ñ¸Ñ ØиÚÓÐÙ

»ÓÐÓÖ¸ÚÓÐÙ¸#ÖÝ

ÑظÐÙÑ

ÚÑ ×¸ÐÐ

Ú× Ð¸ÒÓÒ

Ú× Ð¸×¸ÚÓÐÙ¸¸(¼¼½¸¼¼¼ È/ËË

ѸÔ××ÚØÓÒ¸ÚÓÐÙ

»ÓÐÓÖ¸ÚÓÐÙ¸ÐÙ

ÑظÔ××

ÚÑ ×¸ÐÐ

Ú× Ð¸ÒÓÒ

Ú× Ð¸ÐÐ

ÚÔÐÓØ

×ÑÙ ÐØ ÓÒ ×ØÖØ

»×ÓÐÙ

Ò× Ð¸×¸ÐӸܸ¼¸¼º½ ¹( ÒÓ# × Ð ØÓÒ Ü ¼¹¼º½ÙÑ

#¸ÐиÙܸ¼ ÒØ ÓÒ#ØÓÒ #×ÔÐ Ñ ÒØ

#¸ÐиÙݸ¼

#¸ÐиÙÞ¸¼

Ò× Ð¸×¸ÐӸܸ·¹¼º ½ ¹( ¸ ·· ¼º½ ¹( × Ð Ø ÐÒ ·

¶ ظÒÖÒ¸ÒÓ# ¸¼¸ÓÙÒ Ø ×Ú ÒÑÖÒ&ÒÙÑ Ö Ó; ÒÓ# × Ò

;¸Ðи;ݸ;ÓÖ »ÒÖÒ

Ò× Ð¸×¸ÐӸܸ·¹¼º½ ¹(¸ · ·¼ º½ ¹(

#¸ÐиÙݸ# Ô

Ò× Ð¸ÐÐ

× Ð¸ÐÐ

Ú× Ð¸ÐÐ

×ÓÐÚ

»ÔÓ×ؽ

ÔÐÒ×ÓÐ¸Ù¸Ý #×ÔÐÝ #×ÔÐ Ñ ÒØ Ý

×ÓÛ

ØÐ ¸# Ô¸Ù¸Ý

ØÐ ¸×ØÖ ×׸׸ÒØ

×ÓÖظ ظ×ØÖ ×׸¼¸¼

¶ ظ×ØÖ ××Ñܸ×ÓÖظ¼¸ ÑÜ

¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶¶ ¶¶¶¶ ¶¶¶ ¶¶¶¶ ¶¶¶ ¶¶¶¶ ¶¶¶ ¶¶¶¶ ¶¶¶ ¶¶¶¶ ¶¶¶ ¶¶¶¶ ¶

­

ÔÔ Ò%Ü

ÄÝÓÙØ Ó( À¹É ÁÒ%Ù'ØÓÖ×

­

ÔÔ Ò%Ü 

¹ÈÖÑØÖ× Ò ÌÖÑ× Ó(

˹ÈÖÑØÖ×

½½ ½¾

¾½ ¾¾

½½ ½¾

¾½ ¾¾

µ

½½ ¾¾ ½¾ ¾½

½½

½½ ¾¾ ½¾ ¾½

½¾

½¾

½½ ¾¾ ½¾ ¾½

¾½

¾½

½½ ¾¾ ½¾ ¾½

½½ ¾¾ ½¾ ¾½

¾¾

½½ ¾¾ ½¾ ¾½

­

ÔÔ Ò%Ü 

ÙØÓÖ³× ÈÙÐ'ØÓÒ× ÊÐØ% ØÓ

Ø× ÏÓÖ;

¯ × Ò Ò &ÖØÖÞØÓÒ Ó ÄÚ¹

ØØ ËÙ×ÔÒ Ê) ÁÒÙØÓÖ׸

¯ * ËÑÔÐ ÔÀ ØØÓÖ 5× ÓÒ

Ò ÇÖ Ò )й%«Ø ÌÖÒ××ØÓÖ¸

¯ !&ÅÇË ÁË)%̹5× ËØÖÙØÙÖ×

ÓÖ 5ÓÑÐ *ÔÔÐØÓÒ׸

¯ !ÁÒØ ÖØ ÅÖÓ×Ý×ØÑ × Ò &ÓÒÔØ ÓÖ 5ÓÑÐ *Ô¹

ÔÐØÓÒ׸

¯ !È2 Ò Ó 5ÓÑÐ ÅÖÓ×Ò¹

×ÓÖ׸

¯ !ÔÀ ÅÖÓ×Ò×ÓÖ× ÓÖ 5ÓÑÐ *ÔÔÐØÓÒ׸

¯ !ÅÖÓ×Ý×ØÑ× ÓÖ ËÔ *ÔÔй

ØÓÒ׸

¯ !ÆÛ ÁË)%Ì ËÒ×ÓÖ

ÁÒØÖ &ÖÙØ ÓÖ 5ÓÑÐ *ÔÔÐØÓÒ׸

¯ !)ÙÒÑÒØÐ ÆÓ× ÄÑØ× Ó ÁË)%̹

5× ÅÖÓ×Ý×ØÑ׸

­ Résumé Cette thèse présente mes contributions dans la recherche pour le développement des microcapteurs de pH et des dispositifs passifs pour radiofréquences d'un microsystème pour des applications biomédicales. Les ISFETs (Ion-Sensitive Field Effect Transistors) portent l'espoir de devenir des capteurs importants pour des applications biomédicales où le prix réduit, la petite taille, et l'intégration avec des circuits intégrés soient des caractéristiques souhaitables. L'effort principal de la première partie de cette thèse est concentré sur le développement des capteurs de pH- ISFET en technologie peu coûteuse et non modifiée de 0.6um CMOS (AMS). La recherche comprend une étude de faisabilité, la conception, fabrication, et la complète caractérisation de sensibilité pH. Un des aspects principaux dans la fiabilité du capteur d'ISFET est sa mise en boîtier. À ces fins, des nombreux matériaux d'emballage sont caractérisés. Plusieurs structures d'ISFET conçues par nous fonctionnent et donnent des résultats exploitables. La contribution de bruit d'ISFETs commerciaux, aussi bien que des nouveaux capteurs de pH conçus, a été étudiée et mesurée. La technologie CMOS choisie offre des meilleures propriétés de bruit pour nos ISFETs conçus, en comparaison aux dispositifs commerciaux, ce qui est un avantage. A la fin de la première partie, deux interfaces de capteur d'ISFET sont présentées. La première est une interface différentielle entièrement intégrée avec deux capteurs d'ISFET ayant différentes sensibilités, monolithiquement intégrées sur la même puce en silicium que les capteurs. Le deuxième circuit d'interface est conçu pour des pH-ISFETs basés sur un substrat organique. Il a été développé dans une coopération avec le centre de la microélectronique IMEC, en Belgique. Le but de la deuxième partie de cette thèse est la recherche sur les inductances planaires suspendues à fort facteur de qualité Q pour des applications analogiques de RF dans les microsystèmes biomédicaux. Les inductances sont des éléments passifs très importants dans la plupart d'applications de circuit de radio-fréquence. Les inductances intégrées en métal sur-puce, formées en technologies conventionnelles de CMOS, souffrent des limitations de la performance dues aux pertes résistivités de substrat et en métal. Ces effets abaissent de manière significative le facteur de qualité Q. Nous présentons des études de recherches, les calculs et la conception des inductances sur puce développées dans une technologie CMOS 0.8um (AMS). L'architecture de conception innovatrice proposée maximalise le facteur de qualité Q. Les inductances suspendues peuvent être placées verticalement au-dessus du substrat, ainsi, des effets parasites de substrat sont considérablement réduits. Les inducteurs passifs conçus ont des valeurs de 1nH à 7nH. Le facteur Q plus grand que dix est estimé à partir des calculs, et il est vérifié expérimentalement par des mesures de paramètres S.

DESIGN OF LOW NOISE pH-ISFET MICROSENSORS AND INTEGRATED SUSPENDED INDUCTORS WITH INCREASED QUALITY FACTOR Q Abstract This thesis describes my contributions to the investigation and development of pH sensing structures and RF passive communication parts of a microsystem for biomedical applications. ISFETs (Ion-Sensitive Field Effect Transistors) promise to become important sensors for biomedical applications where low cost, small size and integration with integrated circuits are desirable features. The ISFETs are today commercially available and are employed in pH-meters. However, their prices are still higher than glass pH-electrode systems. Furthermore, commercial ISFETs are manufactured using old specially dedicated technologies, which do not allow integration of interfacing circuits on the same chip. The main effort of the first part of this thesis is concentrated on the pH-ISFET development in a low-cost, unmodified 0.6um CMOS technology (AMS). The research includes feasibility study, design, fabrication, and full pH characterization. One of the main aspects in the sensor's reliability is the ISFET encapsulation. Several packaging materials are characterized. Several of novel designed ISFET structures are functional and show promising results. Noise contribution of commercial ISFETs, as well as of our new designed pH-sensors, is studied and measured. Selected CMOS technology offers lower noise properties for our designed ISFETs compared to commercial devices, which is an advantage. At the end of the first part, two designed ISFET sensor interfaces are presented. It is a fully integrated differential ISFET sensor interface with two measuring sensors having different sensitivities, monolithically integrated on the same Si chip. The second interface circuit is designed for pH-ISFETs based on an organic substrate that was developed within cooperation with IMEC microelectronics center, Belgium. The aim of the second part of this thesis is the investigation of high-Q planar spiral inductors for RF analogue applications in biomedical microsystems. Inductors are very important passive elements in many RF circuit applications. Integrated on-chip metal inductors, formed in conventional CMOS technologies, suffer from performance limitations due to the substrate and metal resistive losses. These effects significantly lower the inductor quality factor Q. Our research present studies, calculations and design of on-chip micromachined spiral inductors developed in 0.8um CMOS technology (AMS). Proposed innovative design architecture maximizes quality factor Q. Suspended inductors can be placed vertically above the substrate, thus, parasitic substrate effects are considerably reduced. Designed passive inductors have values from 1nH to 7nH. The Q-factor greater than ten is estimated from calculations, and it is experimentally verified by S-parameter measurements.

SPECIALITE: MICROELECTRONIQUE MOTS-CLES: pH, ISFET, interface de capteur, conception analogique d'ASIC, mesures de bruit, technologie de CMOS, encapsulation, inductance suspendue de spirale de sur-puce, gravure, ANSYS, S-paramètres, de-embedding.

Thèse préparée au laboratoire TIMA, 46, avenue Félix Viallet, 38031 Grenoble, France. ISBN 2-913 329-81-0 (version papier) ISBN 2-913 329-82-9 (version électronique)

ÈÈ ÆÁ# º ÍÌÀÇÊ Ë ÈÍ
ÄÁ ÌÁÇÆË Ê ÄÌ  ÌÇ ÌÀÁË ÏÇÊÃ

¯ ËÒ×ÓÖ ÁÒØÖ &Ö¹

ÙØ ÓÖ ÁË)%Ì 5× ËÒ×ÓÖ׸

¯ !ÅÖÓ×Ý×ØÑ× ÓÖ ËÔ *ÔÔй

ØÓÒ׸

¯ !ÅÖÓ×Ý×ØÑ× Ò ËÔ¸

¯ !ÆÓ× *ÒÐÝ×× Ó ÁË)%Ì 5×

ËÒ×ÓÖ׸

¯ !* ÆÛ ÁË)%Ì ËÒ¹

×ÓÖ ÁÒØÖ &ÖÙظ

¯ !ÁÒØ ÖØ ÅÖÓ×Ý×¹

ØÑ ÓÖ 5ÓÑÐ *ÔÔÐØÓÒ׸

ÇØ$Ö ÙØÓÖ³× ÈÙ+Ð&#Ø&ÓÒ× Ò' Ê$Ô ÓÖØ×

¯ !ÅÖÓ¹

ÐØÖÓÒ ËÒ×ÓÖ× ÓÖ %ÐØÖÓÑ ÒØ Ë ÒÐ× ØØÓÒ¸

¯ !À 

)ÖÕÙÒÝ 5Ó¹Ë ÒÐ× ØØÓÒ ËÝ×ØѸ

¯ !ÅÖÓÐØÖÓÒ

ËÒ×ÓÖ× ÓÖ Å×ÙÖÑÒØ Ó %ÐØÖÓÑ ÒØ )Ð Ó ÄÚÒ &Ð Ð× Ò %ÜÔÖÑÒ¹

ØÐ Ê×ÙÐØ׸

¯ !ËÒ×ÓÖ &Ô ÓÖ %ÜÔÖÑÒØÐ Å×ÙÖÑÒØ× Ó 5ÓÔÓØÒ¹

ØÐ× 3ÒÖØ ,Ý ÄÚÒ &Ð Ð׸

¯ !Ë ËÒ×ÓÖ× ÓÖ 5ÓÔÓØÒØÐ ÅÓÒØÓÖÒ Ó ÄÚÒ &Ð Ð׸

¯ !× Ò Ó  ÄÓÛ ÆÓ×

ÇÔÖØÓÒÐ *ÑÔÐ¬Ö Ò ÅÁÄÄ ÌÒÓÐÓ Ý¸

­