CN101256167B - 微阵列生物传感器的读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微阵列生物传感器的读出电路，包括缓冲输出单元，以及一个与微阵列生物传感器输出端连接的恒电位仪电流积分单元，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号；以及一个连接于恒电位仪电流积分单元与缓冲输出单元之间的相关双采样单元，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。本发明能消除生物微电极传感器输出信号中的噪声信号，提高生物微电极传感器输出信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种微阵列生物传感器，具体涉及一种微阵列生物传感器的读出电路。
背景技术
电化学生物传感器是具有电化学信号转换器的生物传感器，一般认为它是一个化学修饰电极。以电导、半导体或者离子导电的材料构成电化学电极作为信号转换器，涂上一层生物化学或生物薄膜作为敏感元件，最后以电信号为特征检测信号。根据电信号测定方式的不同，一般可分为电流式、电位式和电导式三类，电流式和电位式占主导地位。由于传统的化学修饰电极存在体积大、灵敏度低、噪声大等缺点，生物传感器的化学修饰电极，正在朝着微型化的方向发展。早在20世纪60年代，微电极技术就以其优良的电化学特性引起学者广泛的关注，70年代末期，已成为电化学的前沿领域。近20年来，微电极技术已迅速发展为一种重要的电化学研究技术，其理论与应用的研究不仅取得了长足进展，而且对电化学、生物电化学、生物传感器、生命科学和临床医学等领域产生了深远影响。
随着生物芯片的高速发展，近年来生物传感器的研究与开发呈现出突飞猛进的局面。其中，微阵列生物传感器是当前研究的一个热点。生物信号采用微阵列生物传感器进行检测(微阵列生物传感器通过检测生物反应生成的微电流信号从而对生物分子进行检测与识别)，其输出大多为电流信号。因此，有关微阵列生物传感器的研究，主要侧重于微电流的信号检测与处理技术。在微弱信号的探测应用中，一个非常关键的技术就是对噪声进行抑制或削弱，以提高输出信号的信噪比(S/N)。因而对噪声抑制或削弱的程度往往决定着所提取信号质量的优劣，或信号处理的效果。由于目前的微阵列生物传感器的读出电路对噪声的抑制基本上没有涉及，致使读出电路中存在的最主要的噪声源包括1/f噪声(MOS晶体管的闪烁噪声)、KTC噪声(复位噪声)和微阵列固定偏差噪声信号，这些未经抑制或削弱的噪声信号Vnoise(噪声信号Vnoise表所有噪声之和)随着读出电路输出到后级电路。由于前级噪声信号可能被放大而传送到后级电路，所以危害往往更大，为提高输出信号的信噪比，必须予以消除或削弱。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种微阵列生物传感器的读出电路，它能消除生物微电极传感器输出信号中的噪声信号，提高生物微电极传感器输出信号的信噪比。
本发明的目的是这样实现的：包括缓冲输出单元，以及一个与微阵列生物传感器输出端连接的恒电位仪电流积分单元，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号；以及一个连接于恒电位仪电流积分单元与缓冲输出单元之间的相关双采样单元，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。
采用了上述方案，在微阵列生物传感器输出端连接一恒电位仪电流积分单元，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号输出。恒电位仪电流积分单元包括恒电位仪以及与该恒电位仪电连接的积分器。其中恒电位仪为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，以保证微阵列生物传感器在工作和信号转换时的稳定性。从微阵列生物传感器输出的电流会对恒电位仪电流积分单元的积分器进行充电，从而积分器上的电压的变化反应的正是微阵列生物传感器输出电流幅值的变化，因此，积分器可将微阵列生物传感器输出的电流信号取出并转换为电压信号输出；并且积分器上的输出电压具有很高的输出摆幅，对于微阵列生物传感器的每一个输出电流，积分曲线均具有较好的线性度。在恒电位仪电流积分单元与缓冲输出单元之间连接一个相关双采样单元，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。相关双采样单元的采样开关为两个并联在一起的晶体管，其导通电阻小，几乎可以无损失地传输信号。相关双采样单元的去噪处理器为一个耦合电容，由于耦合电容对直流电信号不能突变，并通过连接于去噪处理器输出端的电压钳位器对耦合电容输出端设定的时间点将去噪处理器输出的电压信号进行钳制，不但能将噪声信号消除，以提高生物微电极传感器输出电信号的信噪比；并且从本发明中的读出电路中输出的电压信号随着积分器上输出的积分电压变化，而积分器上的电压的变化反应的正是微阵列生物传感器输出电流幅值的变化，因此，最终输出电压随微阵列生物传感器变化。
由上述可知本发明的读出电路，能使从恒电位仪电流积分单元输出的电压信号通过相关双采样单元进行采样，并作去噪处理后，可以得到信噪比较高的信号，这样利于提高传感器灵敏度。
此外，本发明的读出电路中的相关双采样单元还具有电路结构简单、所用晶体管少、功耗低和占用IC版图面积小等优点。
附图说明
图1为本发明的微阵列生物传感器的读出电路的电路框图；
图2为本发明中的微阵列生物传感器与恒电位仪电流积分单元连接的电路结构图；
图3为本发明中的相关双采样单元以及缓冲输出单元连接的电路结构图；
图4为微阵列生物传感器输出的传感电流经恒电位仪电流积分单元处理后的仿真示意图；
图5为相关双采样单元的时序时；
图6为本发明的读出电路的仿真示意图；
图7为微阵列传感器的转移特性曲线图。
具体实施方式
参照图1，本发明的微阵列生物传感器的读出电路，微阵列生物传感器1输出端连接一个恒电位仪电流积分单元2，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号输出。恒电位仪电流积分单元2与缓冲输出单元4之间的相关双采样单元3，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。
参照图1及图2，恒电位仪电流积分单元2包括恒电位仪以及与该恒电位仪电连接的积分器。该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极WE和对电极CE之间提供一个恒定的偏置电压，使微阵列生物传感器能够进行氧化还原的化学反应，以保证微阵列生物传感器在工作和信号转换时的稳定性。恒电位仪包括偏置电压源Vref、运算放大器A和NMOS管Mn。偏置电压源Vref的负极端连接微阵列生物传感器的对电极CE，偏置电压源Vref的正极端连接运算放大器A的同相输入端，运算放大器A的反相输入端连接微阵列生物传感器的工作电极WE。从图中可以得知运算放大器A工作在负反馈状态，从而维持微阵列生物传感器的微电极(工作电极WE和对电极CE)上有一个固定偏压，同时保证电路工作的稳定性，偏置电压源Vref的大小为0.3V-0.6V。运算放大器A的输出端连接NMOS管Mn的栅极g，NMOS管Mn的源极s连接微阵列生物传感器的工作电极WE，NMOS管Mn的漏极d连接所述积分器。积分器包括积分电容Cint以及为该积分电容Cint输送复位信号的复位管Mp。积分电容Cint连接在电源电压Vdd与恒电位仪之间，积分电容Cint端连接NMOS管Mn的漏极d，积分电容Cint另一端与电源电压Vdd连接。复位管Mp为PMOS晶体管，复位管Mp的栅极g连接复位信号Rest，复位管Mp的其余两端分别与积分电容Cint的两端连接。恒电位仪电流积分单元2的输出端从积分电容与NMOS管Mn的漏极d的连接处引出，输出的电压信号采用V0表示。
参照图1及图3，相关双采样单元3包括采样开关，以及连接于采样开关输出端的去噪处理器，以及连接于去噪处理器输出端的电压钳位器，以及连接于去噪处理器输出端的输出器。所述采样开关在设定时间点值取出来自于恒电位仪电流积分单元输出的电压信号。采样开关包括NMOS管M1和PMOS管M2，NMOS管M1的栅极g用于连接采样脉冲Samp，NMOS管M1的漏极d和PMOS管M2的源极s均与恒电位仪电流积分单元的输出端连接，NMOS管M1的源极s与PMOS管M2的漏极d连接，NMOS管M1的衬底接地，PMOS管M2的栅极g与反相器INV的输出端连接，反相器INV的输入端用于连接采样脉冲Samp。PMOS管M2的衬底与电源电压Vdd连接。所述去噪处理器将来自于采样开关的保持电压信号进行去噪处理，去噪处理器为一个耦合电容CS。所述电压钳位器在设定的时间点将去噪处理器输出的电压信号进行钳制，所述电压钳位器为一个NMOS管M5，该NMOS管M5的栅极g用于连接钳位脉冲Clp，NMOS管M5的漏极d连接去噪处理器，NMOS管M5的源极s及衬底均与地连接。所述输出器将来自于去噪处理器的钳位电压信号输出到缓冲输出单元，输出器包括PMOS管M3和PMOS管M4，PMOS管M4的栅极g连接去噪处理器的输出端，PMOS管M4的漏极d与地连接，PMOS管M4的衬底与电源电压Vdd连接，PMOS管M4的源极s与PMOS管M3的漏极d连接，PMOS管M3的源极s和衬底均与电源电压Vdd连接，PMOS管M3的栅极g连接偏置电压Vgp。所述缓冲输出单元4包括NMOS管M6和NMOS管M7，NMOS管M6的栅极g与相关双采样单元的输出端连接，NMOS管M6的漏极d与电源电压Vdd连接，NMOS管M6的衬底与地连接，NMOS管M6的源极s与NMOS管M7的漏极d连接，NMOS管M7的栅极g与偏置电压Vb连接，NMOS管M7的源极s和衬底一同与地连接。
当微阵列生物传感器的微电极在恒定的偏置电压源Vref进行氧化还原反应时，会产生一个直流电流信号Iin，该直流电流信号经NMOS管Mn对积分电容Cint进行充电，并在积分电容上形成一个与直流电流信号Iin成比列的积分电压信号VCint(见图4)，从图4中可以看出，积分电容Cint上的输出积分电压信号VCint具有很高的输出摆幅(0V～5V)，对于微阵列传感器的每一输出电流Iin，积分曲线均具有较好的线性度。随后，恒电位仪电流积分单元的电压信号V0被送往相关双采样单元，进行采样保持及去噪处理。其工作过程如下：如图5，由于采样开关在设定时间点取自于恒电位仪电流积分单元输出的电压信号，在时刻T1，相关双采样脉冲Samp为高电平，NMOS管M1及PMOS管M2导通，采样开关打开；同时钳位脉冲Clp为高电平，电压钳位器NMOS管M5导通；此时，恒电位仪电流积分单元输出的电压信号V0通过采样开关采样后送往耦合电容Cs的V1端，而由于NMOS管Mn5导通，所以相耦合电容Cs的V2端，近似接地，即第一次电容Cs两端采样电压V1(T1)和V2(T1)分别为：
V1(T1)＝Vref+VCint+Vnoise (1)
V2(T1)＝0 (2)
上式中，Vref为微电极的偏置电压，VCint为积分电容Cint两端的积分电压信号，Vnoise为噪声信号。
在时刻T2，钳位脉冲Clp为低电平，NMOS管Mn5截止，紧接着T2时刻，积分电容复位到Vdd，积分电容两端的电压为零，此时，恒电位仪电流积分单元的输出的电压信号V0＝Vref+Vnoise。相关双采样单元通过采样开关将V0采样后，耦合电容Cs在T2时刻时，V1端的第二次采样电压V1(T2)为：
V1(T2)＝Vref+Vnoise+Vdd (3)
根据电荷守恒原理，耦合电容Cs上的电荷不能突变，即耦合电容Cs两端的电量在T1和T2时刻应相等，故有下面等式成立：
CS(V1(T1)-V2(T1))＝CS(V1(T2)-V2(T2)) (4)
由上式可得到通过CDS后的输出信号V2(T2)为：
一步V2(T2)＝V1(T2)-V1(T1)+V2(T1)＝(Vdd+Vref+Vnoise)-(Vref+VCint+Vnoise)
＝Vdd-VCint (5)
由式(5)可以看出，经过相关双采样单元进行处理后，噪声信号Vnoise消除了，耦合电容Cs输出端的电压信号为Vdd-VCint。可见，相关双采样单元能有效地降低读出电路的噪声。并由于电源电压为Vdd固定值，因此，耦合电容Cs输出端的电压随积分电压的变化而变化。此外，相关双采样单元具有结构简单、所用晶体管少、功耗低和占用版图面积小等优点。
图6显示了一个周期输出电压随微阵列生物传感器电流变化的情况，输出为箱型波，在生物传感电流为0-50nA，步长为5nA时，输出电压Vout随输入电流的变化几乎是等间距的，证明本发明的读出电路性能好。将上述仿真结果通过计算在Matlab下进行三次多项式拟合，得到微阵列生物传感器的转移特性曲性，如图7所示。Matlab拟合的三次多项式如下：
Vout＝0.695+0.0527·Iin+0.0002·Iin 2+0.0000·Iin 3 (6)
从式(6)中可以看出，传感器输出与输入之间存在良好的线性关系。从图7中可以看出微阵列生物传感器的输出转换电压在生物传感电流从0-50nA的范围内变化时具有很好的转移特性。经过本发明的读出电路对微阵列生物传感器输出的信号进行去噪后，得到的输出电压信号具有较宽的动态响应范围，其输出电压具有大于3V的较大输出摆幅。
本发明不局限于上述实施例，本发明由本领域技术人员进行任何改变和修饰，都不会脱离本发明权利要求范围所限定的内容。
Claims (9)
1.一种微阵列生物传感器的读出电路，包括缓冲输出单元，其特征在于：还包括一个与微阵列生物传感器输出端连接的恒电位仪电流积分单元，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号；以及一个连接于恒电位仪电流积分单元与缓冲输出单元之间的相关双采样单元，相关双采样单元包括采样开关，以及连接于采样开关输出端的去噪处理器，以及连接于去噪处理器输出端的电压钳位器，以及连接于去噪处理器输出端的输出器，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。
2.根据权利要求1所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：所述恒电位仪电流积分单元包括恒电位仪以及与该恒电位仪电连接的积分器。
3.根据权利要求2所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：恒电位仪包括由偏置电压源Vref、运算放大器A和NMOS管Mn，偏置电压源Vref的负极端连接微阵列生物传感器的对电极CE，偏置电压源Vref的正极端连接运算放大器A的同相输入端，运算放大器A的反相输入端连接微阵列生物传感器的工作电极WE，运算放大器的输出端连接NMOS管Mn的栅极，NMOS管Mn的源极连接微阵列生物传感器的工作电极WE，NMOS管Mn的漏极连接所述积分器。
4.根据权利要求2所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：所述积分器包括积分电容Cint以及为该积分电容Cint输送复位信号的复位管Mp，积分电容Cint连接在电源电压与恒电位仪之间，复位管Mp的一端连接复位信号，复位管Mp的其余两端分别与积分电容Cint的两端连接。
5.根据权利要求1所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：所述相关双采样单元包括采样开关，采样开关在设定时间点取自于恒电位仪电流积分单元输出的电压信号；以及连接于采样开关输出端的去噪处理器，去噪处理器将来自于采样开关的保持电压信号进行去噪处理；以及连接于去噪处理器 输出端的电压钳位器，该电压钳位器在设定的时间点将去噪处理器输出的电压信号进行钳制；以及连接于去噪处理器输出端的输出器，该输出器将来自于去噪处理器的钳位电压信号输出到缓冲输出单元。
6.根据权利要求5所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：所述采样开关包括NMOS管M1和PMOS管M2，NMOS管M1的漏极和PMOS管M2的源极均与恒电位仪电流积分单元的输出端连接，NMOS管M1的源极与PMOS管M2的漏极连接，NMOS管M1的衬底接地，PMOS管M2的衬底与电源电压连接。
7.根据权利要求5所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：所述去噪处理器为一个耦合电容CS。
8.根据权利要求5所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：所述电压钳位器为一个NMOS管M5，该NMOS管M5的漏极连接去噪处理器，NMOS管M5的源极及衬底均与地连接。
9.根据权利要求5所述的微阵列生物传感器的读出电路，其特征在于：所述输出器包括PMOS管M3和PMOS管M4，PMOS管M4的栅极连接去噪处理器的输出端，PMOS管M4的漏极与地连接，PMOS管M4的衬底与电源电压连接，PMOS管M4的源极与PMOS管M3的漏极连接，PMOS管M3的源极和衬底均与电源电压连接，PMOS管M3的栅极连接偏置电压。
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