行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
含微參考電極之單晶片氫離子感測場效電晶體
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2212-E-110-020- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學電機工程學系(所) 計畫主持人： 黃義佑 計畫參與人員： 邱見泰、黃智聖、蔡秉宗、曾國原 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 10 月 6 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告 □期中進度報告含微參考電極之單晶片氫離子感測場效電晶體
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC
92-2212-E-110-020
執行期間：
92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
主持人：黃義佑 教授
共同主持人：
計畫參與人員： 邱見泰、黃智聖、蔡秉宗、曾國原
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整
報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研
究計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查
詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公
開查詢
執行單位：
國立中山大學電機系
中 華 民 國 93 年 8 月 1 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫年度報告
含微參考電極之單晶片氫離子感測場效電晶體
計畫編號：NSC 92-2212-E-110-020 執行期限：92 年 8 月 1 日 至 93 年 7 月 31 日 主持人：黃義佑 中山大學電機工程學系 Email: [email protected] 研究人員：邱見泰、黃智聖、蔡秉宗、曾國原一、摘要
本 研 究 計 畫 將 開 發 一 種 可 與 ISFET感測晶片相容的微平面式參考 電極。其電極結構將由五層薄膜所組 成；分別是鈦、鈀、銀、氯化銀及氯 化鉀膠，每一層的厚度僅僅只有數十 至數百奈米而面積也僅有約 5mm ； 與傳統參考電極比較，體積縮小了約 數萬倍。 2 除了元件製程的開發之外，本計 劃將針對微參考電極之低頻雜訊作有 系統的量測與分析。因為從電化學理 論可預測，當電極面積縮小到某一程 度時，1/f 及 White 雜訊將可能造成 電極電位失真，進而使ISFET 產生錯 誤的輸出響應。最後本計劃將建立一 個電極穩定性及結構面積之最佳化的 模型，以促進ISFET 與微參考電極之 單晶片感測系統之商品化。 關鍵字：微參考電極，離子感測場效 電晶體Abstract
The project aims to develop an ISFET chip compatible miniaturized planar reference. Such planar reference electrode will be constructed by five thin-films: titanium / palladium / silver / silver chloride / potassium chloride gel. Each layer has a thickness ranging from only tenths to hundreds nanometers with surface dimension only about 5 mm2.
In addition to develop the fabrication techniques of the electrodes, this project will be devoted to systematic measuring and analyzing their noise characteristics. Based on the theory of electrochemistry, the 1/f and White noise amplitude will be increased as the electrode dimension decreased. Eventually, a dimension / performance optimization model will be build-up and provide a significant
breakthrough for the commercialization of the monolithic ISFET-based sensing system with integrated micro-reference electrode.
二、前言與目的
藉由積體電路的標準批次製造技 術，數百個或數千個的矽基半導體微 型感測器得以在同一流程下製作出 來，因此微感測器的製作成本將比傳 統感測器來的低。除此之外，也因為 過 去 20 年 來 微 系 統 技 術 (micro-system technology MST)的突 飛猛進，有更多新型微傳感器被加速 開發成產品。舉例來說，小型化的多 種離子感測元件配上微小流體通道 (micro flow channels)、微小泵(micro pumps)及微開關閥(micro valves)可以 組 成 一 個 小 通 流 槽 (micro flow-through cell)，作成微型多功能分 析 系 統(micro total analysis system µ-TAS)以供化學製程控制、環保監控 及健保醫療監控之用。更進一步的 說，結合微電子及微系統科技所製成 的矽基半導體微型感測元件，得以在 同一矽基板上與其他感測元件或微電 子電路製成單一系統晶片，進而大幅 提升整體元件之性能。 在電化學及生物醫學領域的應用 上，最著名的微型化學感測器是所謂 的離子感測場效電晶體(ion sensitive field-effect transistor ISFET)。這種以 場效電晶體為基礎的離子感應元件可 以很容易的與電子電路積體化成一微 小晶片，與傳統的離子選擇性感測電 極(ion selective electrodes ISEs) 比 較，其面積縮小數百倍，結構更堅固， 反應速度更快，可靠性較高，信號與 雜訊比較高，而價格卻較低。儘管如 此，ISFET 微晶片在使用上仍需搭配 一個長約10 公分，直徑約 1 公分的傳 統參考電極，這在一些微量待測物的 應用或是侵入式的生醫檢測上顯得非 常不方便。為了消除這種不便性，進 而簡化及提升 ISFET 微晶片的應用 性。三、研究方法
主要微參考電極皆採用銀/氯化 銀，因為其他類的參考電極（如：甘 汞電極）在作體內生醫檢測時，會有 中毒現象發生的可能性，所以不予採 用。 製作 Ag/AgCl 電極，為了避免 銀層直接與矽基板接觸，而採用鈦金 屬作為銀/矽之中間層，因為鈦和矽的 黏附性（adhesion）較銀與矽為佳。 另外又採用鈀金屬薄膜作為鈦金屬與 銀層之中間層，其目的則是為了防止 鈦金屬在空氣中氧化而造成導電性變 差 。 沈 積 Ti/Pd/Ag 厚 度 分 別 為 600Å/600Å/40000 Å。 利用電化學領域中常見的氯化作 用（chlorination）使銀氯化成氯化銀。 系統配置在Autolab 如圖一。 0.1MHCl Ti/Pd/Ag Pt 圖一、氯化製程之系統配置圖根據多次實驗結果顯示，氯化效 果的最佳化條件為電流密度3000 µA /cm2 ，氯化時間 3.5 分鐘或電流密度 1000 µA /cm2 ，氯化時間 10 分鐘[1]。 1.氯化鉀凝膠膜的開發 將 2% 洋 菜 粉 末 （ agarose, SeaKem® LE agarose Catalog. No. 50004）溶解在溫度 150~155°C 飽和 的氯化鉀溶液，然後利用旋轉塗佈 機，將其塗至Ag/AgCl 上，等待冷卻 至膠化溫度（50~60°C），之後即可形 成氯化鉀凝膠薄膜。 在 0.01 M KCl 測 試 環 境 下 Ti/Pd/Ag/AgCl 參考電極的穩定性長 達42 小時之量測下，只有 0.035 mV/h 的電位漂移。另一方面，為了確認 Ag/AgCl 電 極 的 電 位 是 否 會 受 到 KCl-gel塗佈之影響，本計畫量測了兩 組晶片在一個小時內的電位變化，結 果如圖二所示，其中 #1 晶片之氯化 條件為：1000 µA /cm2 ×3.5 min ，而 #2 與 #3 晶片之氯化條件為：3000 µA /cm2 ×3.5 min 。可以很明顯的看 出，有塗佈KCl-gel的電極，其電位漂 移量非常低，而且其補偏電位（offset voltage）可達到將近零的境界，換句 話說，本計畫所開發之參考電極與商 用參考電極比較，不但製作成本較 低，面積較小，而且電極之性能可媲 美商用電極。 更進一步的為了確認電極對離子 濃度的不靈敏性，本計畫針對不同的 pH 值進行量測比較，發現不論是否有 塗佈KCl-gel 之 Ag/AgCl 電極電位變 動皆沒有明顯的差異，如圖三所示， pH 4 到 pH 10 僅有小於 2 mV 的變 動。另外也在不同的氯離子濃度下比 較微參考電極的的穩定性，結果如圖 四，其中明顯地證明了有塗佈KCl 凝 膠的 Ag/AgCl 電極才可以稱為”參考 電極”，因為其氯離子靈敏度大約只有 0.02 ~ 0.25 mV/pH，而且零點補偏電 位只有0.45 mV。 圖五顯示 Ag/AgCl/KCl-gel 參考 電極依不同批次製作，而製程方法與 製程參數皆相同，在40 毫升 pH 7 的 標準溶液中，電極誤差小於0.5 mV。 如 此 出 色 的 可 再 現 性 （reproducibility），對於未來發展相關 製程技術以進行大量生產製造平面式 參考電極相當有利，並且非常適合在 一些可拋棄式電極的應用。 圖二、KCl-gel 塗佈前後之參考電極電 位量測圖 圖三、Ag/AgCl 與 Ag/AgCl/KCl-gel 參考電極對氫離子濃度的靈敏 度量測
圖四、Ag/AgCl 與 Ag/AgCl/KCl-gen 參考電極對氯離子濃度的靈敏 度量測 圖五、Ag/AgCl/KCl-gel 參考電極之再 現性量測 2.雜訊量測 雜訊量測系統的設置如圖六， WE1 及 WE2 共 同 連 接 至 相 同 Ti/Pd/Ag/AgCl 電極晶片，RE 接標準 傳統的參考電極。量測間隔時間0.005 秒，持續 40 秒，對於有塗佈 KCl 凝 膠及無塗佈 KCl 凝膠之電極進行量 測。 圖七針對 Ti/Pd/Ag/AgCl 電極與 Ti/Pd/Ag/AgCl/KCl-gel 電極量測其低 頻雜訊，我們採用的是本計畫所購置 的 Autolab 電化學雜訊分析系統，從 結 果 中 可 以 明 顯 地 看 出 ， 有 塗 佈 KCl-gel 之 Ti/PdAg/AgCl 參考電極其 功 率 頻 譜 密 度 （ power spectrum density,PSD）較大，雜訊振幅較小， 這樣的結果與理論預期結果十分相 符。 圖六、雜訊量測系統配置圖 (a) (b) 圖七、(a)無塗佈 KClgel 之參考電極功 率頻譜 (b)有塗佈 KClgel 之參考電極功 率頻譜
四、結論與討論
ISFET 若和參考電極結合成單一晶片，將可使待測溶液量減低並且大 幅簡化ISFET 的應用。另外根據文獻 記載，參考電極若有較小雜訊就可減 少ISFET 功率之消耗及周邊補償及量 測放大電路干擾，並且低頻雜訊越 小，電極之使用壽命（lifetime）也將 越長[2]。 基於以上種種優點，本文致力於 鈦/鈀/銀/氯化銀/氯化鉀凝膠膜微參 考電極之開發，以期能整合ISFET 與 參考電極為單一晶片。透過本計畫所 贊助之電化學雜訊量測系統的建立， 使我們得以進一步量測與分析，這些 微參考電極的雜訊頻譜，這將十分有 助於提升ISFET 單晶片的商業化。 未來將再進一步去研究改變電極 結 構 ， 使 用 循 環 伏 安 法 （cyclic voltammetry，CV），探測物質的電化 學活性、測量物質的氧化還原電位、 考察電化學反應的可逆性和反應機 制，以及用於反應速率的半定量分 析 。 並 且 使 用 交 流 阻 抗 分 析 （AC Impedance），測定許多複雜材料內部 的變數，如：質量的傳遞、化學反應 速率、腐蝕、介電性質、缺陷、微結 構及組成對固體電導之影響，加上阻 抗分析不會破壞測試之樣品，所以更 適合分析膜的結構。 綜合言之，本計畫已順利完成 Ti/Pd/Ag/AgCl/KCl-gel 微參考電極之 製作與特性量測，包括電壓穩定度、 離子選擇性、可再現性及低頻雜訊頻 譜，所有特性皆達到（甚至超越）預 期結果，期待本計畫之豐碩成果能獲 得國科會之肯定，也希望相關技術得 以轉移至產業界。
五、參考文獻
[1] I-Yu Huang and Ruey-Shing Huang, “Fabrication and Characteri- zation of A New Planar Solid-State Reference Electrode for ISFET Sensors,” Thin Solid Films, 406, (2002), pp. 255-261.
[2] M. Steyaert, M. Lambrechts and W. sansen, ”Noise power spectrum density analysis of planar Ag/AgCl electrodes,” Sensors and Actuators, 12 ,(1987) ,pp.185-192.
