Integrated Chemical Microsensor Systems in CMOS Technology

Integrated Chemical Microsensor Systems in CMOS Technology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Springer Verlag
作者:Hierlemann, A.
出品人:
页数:238
译者:
出版时间:
价格:$ 202.27
装帧:HRD
isbn号码:9783540237822
丛书系列:
图书标签:
  • CMOS
  • 微传感器
  • 化学传感器
  • 集成系统
  • 微电子
  • 传感器技术
  • 生物传感器
  • MEMS
  • 芯片设计
  • 检测技术
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具体描述

This book, "Integrated Chemical Microsensor Systems in CMOS Technology," provides a comprehensive treatment of the highly interdisciplinary field of CMOS chemical microsensor systems. It is targeted at students, scientists and engineers who are interested in gaining an introduction to the field of chemical sensing since all the necessary fundamental knowledge is included. However, as it provides detailed information on all important issues related to the realization of chemical microsensors in CMOS technology, it also addresses experts well familiar with the field. After a brief introduction, the fundamentals of chemical sensing are presented. Fabrication and processing steps that are commonly used in the semiconductor industry are then detailed followed by a short description of the microfabrication techniques, and of the CMOS substrate and materials. Thereafter, a comprehensive overview of semiconductor-based and CMOS-based transducer structures for chemical sensors is given. CMOS-technology is then introduced as platform technology, which enables the integration of these microtransducers with the necessary driving and signal conditioning circuitry on the same chip. In a next section, the development of monolithic multisensor arrays and fully developed microsystems with on-chip sensor control and standard interfaces is described. A short section on packaging shows that techniques from the semiconductor industry can be applied to chemical microsensor packaging. The book concludes with a brief outlook on future developments, such as the realization of more complex integrated microsensor systems and methods to interface biological materials, such as cells, with CMOS microelectronics.

好的,这是一份关于一本名为《Integrated Chemical Microsensor Systems in CMOS Technology》的图书的详细简介,内容涵盖了该领域的核心技术、关键挑战以及未来发展方向,但不包含任何关于该特定书籍本身的描述或内容细节。 --- 图书主题领域概述:化学微传感器系统与CMOS集成技术 本领域的研究与开发,旨在通过将先进的化学传感元件与成熟的超大规模集成电路(VLSI)制造工艺——特别是互补金属氧化物半导体(CMOS)技术——相结合,构建出高性能、低功耗、可大规模生产的微型化、智能化化学检测平台。这一交叉学科的融合,正深刻地驱动着从环境监测、食品安全到医疗诊断等多个领域的变革。 一、 基础理论与传感原理 化学微传感器系统的核心在于如何高效、选择性地捕获目标分析物,并将其转化为可测量的电信号。这要求对多种传感机制有深入理解: 1. 基于电化学的传感方法: 包括电位传感器(如离子选择性电极,ISE)、安培传感器和阻抗传感器。重点在于界面化学、电荷转移动力学以及电极材料的选择与修饰。研究人员需要关注如何利用薄膜沉积技术精确控制电极的表面形貌和化学特性,以提高灵敏度和稳定性。 2. 基于光学/光电子的传感方法: 利用荧光淬灭、比色法或表面等离子共振(SPR)等原理。集成化要求将微光路、光电探测器(如光敏CMOS传感器)与微流控通道紧密结合,实现对光信号的精确采集和处理。 3. 基于质量敏感型的传感方法: 如石英晶体微天平(QCM)或表面声波(SAW)器件。虽然这些通常需要专门的谐振器结构,但在CMOS兼容平台中,通过压电效应或梁结构的设计,可以实现与CMOS电路的集成,用于检测质量变化。 二、 CMOS技术在微系统集成中的角色 CMOS技术作为现代电子工业的基石,其优势在于成熟的纳米级制造工艺、极高的集成密度、优异的功耗控制以及相对低廉的批量生产成本。将其应用于化学传感系统,主要体现在以下几个方面: 1. 传感器阵列的构建: CMOS平台的并行处理能力允许构建高密度、多参数传感阵列。通过在同一硅片上集成数百甚至数千个独立的传感单元,可以实现对复杂混合物的实时、多维分析。 2. 信号调理与数据处理电路: 集成化的核心价值在于将前端敏感元件直接与后端的信号处理电路(如低噪声放大器、模数转换器、滤波电路和微处理器)置于同一芯片上。这极大地缩短了信号路径,降低了噪声耦合和寄生电容的影响,从而提高了信噪比和测量精度。 3. 系统级封装(SiP)与系统级芯片(SoC)的挑战: 将湿润的化学敏感层与敏感的硅电路集成在一起,是一个巨大的挑战。需要开发先进的封装技术(如深反应离子刻蚀的硅结构、玻璃键合)来隔离化学环境,同时确保可靠的电气连接。 三、 微流控系统(Microfluidics)的整合 现代化学检测系统越来越依赖于微流控技术来实现对液体样本的精确控制、混合、反应和分离。将微流控通道与CMOS传感器集成,形成了“芯片上的实验室”(Lab-on-a-Chip, LOC)概念: 1. 通道结构与材料选择: 传统上,微流控多采用聚合物或玻璃。在硅基平台上,通过深槽刻蚀可以构建精密的硅通道。关键在于如何实现高密封性的键合,并设计出能够与CMOS电路良好耦合的进样和出样口。 2. 主动流体控制: 集成化的系统通常需要微泵、微阀来实现流体的驱动和切换。利用CMOS兼容的驱动器(如压电驱动器或热驱动器)来控制微流体,是实现全自动化的关键步骤。 3. 样本预处理: 在进行最终检测之前,样本往往需要过滤、稀释或固相萃取。将这些预处理模块集成到传感器芯片上,是实现快速、现场(Point-of-Care, POC)检测的前提。 四、 关键技术挑战与前沿方向 尽管取得了显著进展,但该领域仍面临多重技术瓶颈: 1. 生物相容性与稳定性: 尤其是在生物医学应用中,如何保持敏感元件(如酶、抗体)在CMOS基底上的活性和长期稳定性,是一个核心难题。需要开发适用于生物环境的先进钝化层和界面修饰技术。 2. 功耗与便携性: 目标往往是开发可穿戴设备或远程监测站,因此,极低功耗的电路设计(亚微瓦级别)是必须达到的目标。这要求传感器响应时间与电路的待机功耗之间找到最佳平衡点。 3. 制造工艺的兼容性: 如何将有机材料、金属氧化物或生物分子等对温度敏感的材料,引入到标准的CMOS后道工艺流程中,而不损坏已建立的硅电路,是工艺集成中的巨大障碍。 4. 数据智能与机器学习: 随着传感器阵列产生的数据量激增,需要开发集成化的智能算法,利用片上或近片上的计算资源,对复杂的、带有背景干扰的信号进行实时解耦、校准和模式识别。 总而言之,集成化学微传感器系统是微电子学、材料科学和化学分析方法学高度交织的前沿领域,其最终目标是实现小型化、高集成度、高灵敏度和高可靠性的“电子鼻”、“电子舌”或个人健康监测设备。

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