以离子敏感场效应晶体管为核心单元的半导体离子传感器在食品、环保、生命健康和物联网等诸多领域都有巨大的应用前景，但由于使用时需要使用一个体积庞大又昂贵的参比电极提供参考电位，导致传统的半导体离子传感器体积大、成本高、不易微缩和集成、不能充分利用半导体产业快速发展的成果，因此也极大限制了半导体离子传感器的广泛应用。片上集成准参比电极甚至源头上去除参比电极是自半导体离子传感器在上个世纪70年代发明以来该领域研究人员一直追求的目标。
复旦大学微电子学院吴东平教授课题组开创性的提出了全固态无参比电极半导体离子传感器(REference-LEss Semiconductor Ion Sensor: RELESIS), 其通过测量一组正对差分敏感膜和待测溶液之间双电荷层的界面电势差来获得离子响应，待测溶液电势无需、也不会保持恒定，因此也就从源头上去除了对参比电极的需求。RELESIS的原型器件、工作原理、基本电路模型已经被相继验证，相关结果分别发表在2018和2019年的Sensors and Actuators B：Chemical期刊上。
和传统的半导体离子传感器相比，由于去除了体积庞大且和集成电路工艺难以兼容的参比电极，未来RELESIS的体积和成本都有望下降一个数量级以上。为了加快实现RELESIS的一体化集成和可大规模集成应用，在后续研究中还需继续攻克RELESIS微型化的一些关键技术挑战，如极低离子敏感度薄膜的半导体工艺集成技术和电磁屏蔽强的传感器封装技术等。
图１：全固态无参比电极半导体离子传感器（RELESIS）结构示意图
吴东平课题组主要研究方向是微纳电子器件、半导体传感器芯片、微流控生物芯片等领域。本次研究成果的第一作者是吴东平教授的博士生曾瑞雪，合作单位是瑞典Uppsala大学。
