CN101341398B - 传感器电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于操作电流传感器的电路，所述电流传感器具有参考电极、对电极和工作电极。所述电路包括：放大器，具有正输入端和负输入端以及输出端。将正输入端耦合到参考电压源，并且将负输入端和输出端通过负反馈回路耦合到一起。所述电路包括用于将所述电流传感器耦合到所述放大器的所述负反馈回路中的装置，其中在第一配置下，将所述对电极耦合到所述输出端，并将所述参考电极耦合到所述负输入端，以及在第二配置下，将所述工作电极耦合到所述输出端，并将所述参考电极耦合到所述负输入端。
Description
技术领域
本发明涉及传感器电路，具体但不一定涉及用于电流传感器的偏置电路。
背景技术
在过去的20年中，已经用电流传感器检测特定被分析物的存在，例如液体中的酶。基本原理是在样本中待检测的被分析物与传感器表面之间引发化学反应。将产生的后续电荷转化为能够被测量的传感器电流。通常，电流的大小与当前被分析物的量有关。
图1示出了简化的用于典型传感器的偏置电路。电路包括三个电极，对电极C、工作电极W和参考电极R。如图1所示，将对电极C和参考电极R连接到工作电势设置放大器Amp1、输出缓冲放大器Amp2和电流感测电阻器Rsens。
将工作电极W涂上与所选被分析物发生化学反应的反应诱导涂层。例如，在工作电极W上，葡萄糖传感器可以具有葡萄糖氧化酶涂层。化学反应产生离子，在离子经受电势差时，引起电流从对电极C流到工作电极W。电流还流经电流感测电阻器Rsens，提供该电阻器两端上的压降Vout。典型的传感器电流可以是10nA，对于Rsens＝1M欧，Vout参考于地是10n×1M＝10mV。因为已经记录了从对电极C流到工作电极W的电流大小，所以Rsens两端上的输出电压取决于被分析物的浓度。
参考电极上的电势是实现最佳传感器性能的关键。工作电极W处的化学反应效率取决于工作电势VRW。不同的传感器在不同的工作电势VRW值处获得最佳操作。例如，对于氧传感器来说在VRW＝-0.6V处操作最佳，葡萄糖传感器在VRW＝0.6V处操作最佳。工作电势设置放大器的任务是将工作电势VRW维持在使化学反应条件最佳的值。这是通过将工作设置放大器的正端子设置到Vref＝VRW+Vout并将负端子设置到VRW来完成的。如之前提到的，Vout是由于传感器电流引起的电流感测电阻器Rsens两端上的电势降，典型地具有10mV的值。例如，如果葡萄糖传感器能够在电流感测电阻器两端上产生的最大电压是100mV，则将把Vref设置到Vref＝0.6V+100mV，来保证化学反应条件是最佳的。然而，例如因为Vout随被分析物浓度和时间而变化，所以工作电势VRW受到波动。对于如图1所示的传感器电路设计，工作电势VRW远离Vref的的波动是个问题，因为其有害于在工作电极W处的有效化学反应，还影响输出信号的一致性。
例如，在传感器的实际应用中，用户可能想要利用相同的传感器系统来测量葡萄糖和氧水平。如已经记录的，葡萄糖和氧传感器分别在不同的工作电势VRW，0.6V和-0.6V处操作。因此，传感器系统应该能够容纳两个工作电势。如果使用了图1所示类型的单独电路，将要求电路电压供给大于1.2V的净空(headroom)。然而，对于以1V或1V以下的低电压运转的单芯片低功率集成电路设计来说，这太大了。
针对以上电压限制问题的可能解决方案是，通过在单独芯片上设计两个并行电路来制造多元传感器(multiple sensor)。这在图2中示出。实施该解决方案将要求使Vref和Vout信号重新参考于地。然而，使用两个并行电路提高了所使用芯片的面积，因此提高了生产芯片的费用。除此之外，图2中的设计仍未解决由于工作电势VRW中的波动所导致的问题。
图1和图2中的设计都出现的进一步问题是，由电流感测电阻器所致使的Shott噪声的出现。该噪声与电阻值成比例，并将与输出电压显著相关。
发明内容
根据发明的第一方面，提供了一种用于操作电流传感器的电路，所述电流传感器具有参考电极、对电极和工作电极，所述电路包括：
放大器，具有正输入端和负输入端以及输出端，将正输入端耦合到参考电压源，并且将负输入端和输出端通过负反馈回路耦合到一起；以及
用于将所述电流传感器耦合到所述放大器的所述负反馈回路中的装置，其中在第一配置下，将所述对电极耦合到所述输出端，并将所述参考电极耦合到所述负输入端，以及在第二配置下，将所述工作电极耦合到所述输出端，并将所述参考电极耦合到所述负输入端。
优选地，该电路包括：减法器，具有耦合到所述放大器的所述负输入端的输出端，其中，在使用中：
在所述第一配置下，将所述减法器的正输入端耦合到所述参考电极，并将所述减法器的负输入端耦合到所述工作电极；以及
在所述第二配置下，将所述减法器的正输入端耦合到所述工作电极，并将所述减法器的负输入端耦合到所述参考电极。
优选地，该电路包括：开关装置，用于把所述电路在所述第一和第二配置之间切换。
优选地，所述开关装置可选择地在所述减法器的正和负输入端之间拨动。
优选地，该电路包括：电容，在使用中被设置为耦合到所述工作电极和所述对电极之一，以聚积从该电极接收的传感器电流；还包括用于将存储在所述电容上的电压提供给测量输出的装置。
优选地，该电路包括：控制器，在使用中被设提供提供提供提供提供提供提供提供合到所述对电极和所述工作电极之一，所述用于将存储在电容上的电压提供给测量输出的装置在所述预定义时间段结束时进行操作以提供电压。
优选地，该电路包括：放电开关，用于选择性地将所述电容的电流接收侧耦合到地，以便在执行传感器测量之前对存储在所述电容上的任意电荷进行放电。
优选地，所述用于将存储在电容上的电压提供给测量输出的装置包括：单位增益缓冲放大器，具有耦合到所述电容的所述电流接收侧的正输入端。
优选地，所述电容是可变电容。
优选地，该电路包括：一个或更多个恒定电流源，可选择地向所述电容提供恒定电流；以及开关装置，用于在所述电容由恒定电流源充电期间将所述电容和传感器断开连接，其中，对恒定电流施加到所述电容的电压的测量考虑到电路和传感器校准。
优选地，该电路包括：第二开关装置，在使用中，将至少一个传感器电极连接到地，以在执行传感器测量之前对传感器电容进行放电。
优选地，该电路包括：控制器，用于自动地或根据用户指令来配置所述用于耦合的装置和任何开关装置。
优选地，所述电路被集成到单个半导体芯片中。
优选地，该电路包括：多个端子，用于耦合到外部电流传感器的电极。
优选地，该电路具有1V或更小的电源电压。
根据发明的第二方面，提供了一种传感器系统，包括：本发明以上第一方面的电路，以及电流传感器。
根据发明的第三方面，提供了一种操作本发明以上第二方面的传感器系统的方法，包括：
设置所述用于耦合到所述第一或第二配置中的设备；
聚积传感器在电容两端上产生的电流；以及
在预定义时间段已结束后，测量存储在所述电容上的电压。
根据发明的第四方面，提供了一种用于对传感器进行偏置的电路，包括：放大器和减法器，所述减法器被耦合到所述放大器的负反馈回路中，而且在使用中所述减法器的正和负输入端分别耦合到所述传感器的第一和第二端子，在使用中所述放大器的输出端耦合到传感器端子，而且所述放大器的正输入端耦合到参考电压，其中，将所述第一和第二端子之间的电压基本上箝位到所述参考电压。
优选地，该电路与电流传感器一同使用，其中，所述第一端子是参考电极和工作电极之一，而且所述第二端子是所述参考电极和所述工作电极中的另一个，所述放大器的输出端被耦合到所述对电极和所述工作电极之一。
优选地，该电路与离子敏感场效应晶体管一同使用，所述第一和第二端子是离子敏感场效应晶体管的源极和漏极，而且所述放大器的输出端耦合到所述源极端子。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于检测传感器输出的电流的电路，包括：电容，在使用中被设置为耦合到所述传感器的输出端；用于在测量周期之前对所述电容两端上的电压进行放电的装置；以及用于在测量周期之后测量存储在所述电容上的电压的装置。
附图说明
图1示意性地示出已知电流传感器偏置和输出电路；
图2示意性地示出多元传感器偏置和输出电路；
图3示示意性地示出根据本发明的电流偏置和输出电路的第一实施例；
图4是示出使用图3的电路测量来自电流传感器的电流的步骤的流程图；
图5是示出对应三个不同传感器电流在测量周期内图3电路上的电压的信号图；
图6示意性地示出用于离子敏感场效应晶体管的偏置和输出电路。
具体实施方式
将待描述的电流传感器偏置和输出电路利用芯片上(on-chip)可变电容器代替现有技术设计的外部电流感测电阻器(图1和2中的Rsens)。图3中示出这样的电路。假设电路具有仅一伏或更小的可用电源电压。
假设，将电路和与其合适连接的两个外部传感器Sens1(参考2)和Sens2(参考3)集成到硅基片1中；例如，传感器Sens1可以是具有0.6V最佳工作电势的葡萄糖传感器，传感器Sens2可以是具有-0.6V最佳工作电势的氧传感器。然而，不一定需要传感器2，3是芯片外(off-chip)的，备选地，可以将传感器2，3集成为芯片上。每个传感器具有工作电极W、参考电极R和对电极C。
工作电势设置电路4包括工作电势设置放大器Amp1和减法器Subtract1。将电势设置放大器Amp1的正端子连接到可设置的参考电压Vref。开关S1、S2和S3的适当定位选择两个传感器2，3其中之一作为有效传感器。在选择了传感器Sens1的情况下，按照图3所示连接开关S1、S2和S3，以按照以下方式配置电路：
●相对于参考电极R，将工作电极W处的电势设置到适当的正电势。
●将放大器Amp1的负端子连接到减法器Subtract1的输出端子，同时将放大器的输出端子连接到传感器Sens1的对电极C。
●将减法器Subtract1的正端子通过开关S2连接到参考电极R。
●将减法器Subtract1的负端子通过开关S3连接到传感器Sens1的工作电极W。
在选择了Sens2的情况下，将开关S1、S2和S3设置到与图3中所示的开关S1至S3的位置相反的位置。在该结构中，将工作电势设置放大器Amp1的输出端子连接到传感器Sens2的工作电势电极W，将工作电势设置放大器的负端子连接到减法器Subtract1的输出端子。将减法器Subtract1的负端子连接到传感器Sens2的参考电极R，将减法器Subtract1的正端子连接到传感器Sens2的工作电极W。
附图标记5标识了一种电流检测电路，包括：开关S4、S5和S6，以及一端接地的可变电容器C1。附图标记6标识了输出电路，包括：缓冲放大器Amp2、一端接地的电容器C2和电容器放电开关S9。附图标记7标识了校准电路，包括参考电流源Iref1和Iref2，用于按照下文描述来校准传感器系统。
控制器8根据用户输入和/或预编程指令来控制对开关S1和S9、电路定时(timing)、可变电容器C1的值、Vref的值以及电流源Iref1和Iref2的设置。
让我们思考电路是如何测量针对所选传感器的传感器电流Isens。该过程是在图4的流程图中示出。在图5中示出了三个不同测量周期内电路中多个点处的电压。在用户激活(activation)以获得测量后，控制器8通过对电容器C1、C2和任何传感器电容进行完全放电来初始化测量过程。这是通过打开开关S4并关闭开关S5、S6和S9来完成的。然后，在选择了传感器Sens1的情况下，控制器8将开关S1、S2和S3设置到图3中所示的位置，来保证相对于参考电极R传感器Sens1的工作电极上具有合适的正电压。控制器8初始化计时器。
从图3中清楚看出，减法器Subtract1给工作电势设置放大器Amp1的负端子提供等于工作电势VRW的电压。工作电势设置放大器Amp1通过负极反馈回路搜索，以将其负端子电压驱动到正输入电压Vref。因此电压VRW被箝位在由控制器8所选的参考电压Vref处，保证化学反应条件是最佳的。
被分析物，例如葡萄糖，在工作电极W处发生反应，并产生离子电荷。该电荷调节工作和对电极之间路径的电导率，致使电流Isens在电极之间流动。传感器电流Isens从工作电极W经开关S3和S5流到电容器C1，产生电容器C1两端上的电势差。在计时器到达某预定义值T1时，控制器8打开开关S5。电容器C1上保持(hold)的电压是Vsens＝Isens×(T1/C1)。
控制器8起动第二计时器。将电压Vsens施加到缓冲放大器Amp2的正端子。放大器Amp2上的负反馈回路导致放大器上的输出电压等于电压Vsens。然后，在更进一步的测量周期内按照以上准备来复位电容器C1和C2。
开关S9可以用于隔离电容器C2上的电压，使得电压可用处理，同时传感器电流在电容器C1上聚积，以执行新的测量。在此情况下，在第二测量周期开始之前，在对传感器Sens1和电容器C1放电之前打开开关S9。因此，电压被隔离在电容器C2上。仅在关闭开关S9之前给电容器C2放电，以锁住其他输出电压。
如果用户(或控制器)选择测量要求负工作电势VRW的被分析物，则控制器8选择传感器Sens2作为有效传感器。利用之前所描述的相同的驱动机制，将工作电极W驱动到参考电压Vref。然而，工作电势Vref将是-Vref，这是因为，与Sens1相比，将传感器Sens2连接到减法器的方式不同。此外，在测量阶段期间，传感器电流Isens通过开关S3和S5流到电容器C1，产生电容器C1两端上的电势差，在时间T1已结束之后，可以由输出电路6产生输出电压。
图3的电路包括多个特征，其保证了操作可配置为：处理多种传感器类型和传感器灵敏度，以及补偿如由制造公差(manufacturingtolerance)偿如偿如偿如偿如偿如偿如偿如偿如动态地调整感测电容器C1的充电时间T1或可变电容器C1(可以由一组可开关电容来提供)的值。此外，控制器8可悲设置为在传感器关闭(也就是传感器没有浸入被分析物溶液中)时通过测量传感器电流来执行校准，以允许测量泄漏电流，从而在打开传感器时在传感器测量中进行补偿。
在控制器8所控制的校准周期期间，考虑制造公差、偏移和将要补偿的漂移所带来的影响，电流测量电路可以参考标准芯片上恒定电流。这是通过选择性地将参考电流源Iref1和Iref2通过开关S7和S8连接到测量电路并打开开关S5和开关S6来完成的。控制器8关闭开关S4，来释放传感器上的任意电荷，对感测电容器C1两端上的电压放电，然后，选择参考电流源之一或两者，以适合于针对感测电容器C1和充电时间T1所设置的值。例如，如果仅应用Iref1，则输出处获得的电压是Vref1＝Iref×(T1/C1)。在随后的测量周期中，在输出处获得电压Vsens＝Isens×(T1/C1)。两个电压的比例Vref1/Vsens＝Iref1/Isens与电容器的值无关。
图3的电路提供了超越现有技术的传感器电路设计的许多显著优点。具体地，该电路消除了Shott噪声，其中Shott噪声由现有技术设计的感测电阻所引起。来自感测电容器C1的噪声明显小于所消除的Shott噪声。感测电阻的消除还减小了芯片的面积。由于工作电势的电压箝位得以改进，化学反应速率保持在最佳值处，并将不会随着电流感测电路上的压降而产生波动。
现在，考虑本发明的其他方面，将意识到图3的工作电势设置电路4还可以用作离子敏感场效应晶体管(ISFET)传感器电路中的电势设置电路。这在图6中示出，其中利用附图标记9标识电势设置电路，利用附图标记10标识ISFET传感器，并利用附图标记11标识输出电路。将ISFET源极端子连接到电势设置放大器Amp1的输出端。将ISFET的漏极端子连接到减法器Subtract1的负端子，而且减法器Subtract1的正端子连接到电势设置放大器Amp1的输出端子。电势设置放大器的正端子处于参考电压Vref处。
电势设置电路1根据与参考图3所描述的原理相同的原理来工作，也就是将源极-漏极电压VSD箝位在Vref处。利用施加到包含被分析物的溶液的偏置电压Vbias，栅电极处的化学反应调节ISFET栅电极下面的通道中的电荷量，从而调节流经电流传感器Csens的源极-漏极电流，例如，该电流传感器可以是电阻器或图3中的电流检测电路5。
本领域技术人员将意识到，在不背离发明的当前范围的前提下，可以对以上描述的实施例进行各种修改。
Claims (18)
1.一种用于操作两个电流传感器的电路，每一个电流传感器具有参考电极、对电极和工作电极，所述电路包括：
放大器，具有正输入端和负输入端以及输出端；
其特征在于，将正输入端耦合到参考电压源，并且将负输入端和输出端通过负反馈回路耦合到一起；
减法器，在所述负反馈回路内，并具有与所述放大器的所述负输入端相耦合的输出端；
开关装置，在被设置于第一配置时，将所述传感器中第一个传感器耦合到所述放大器的负反馈回路中，使得所述对电极耦合到所述输出端，所述减法器的正输入端耦合到所述参考电极，而且所述减法器的负输入端耦合到所述工作电极；而在被设置于第二配置时，将所述传感器中第二个传感器耦合到所述负反馈回路中，使得所述工作电极耦合到所述输出端，所述减法器的正输入端耦合到所述工作电极，而且所述减法器的负输入端耦合到所述参考电极。
2.根据权利要求1所述的电路，包括：电容，被耦合到所述工作电极，以聚积从该电极接收的传感器电流；还包括用于将存储在所述电容上的电压提供给测量输出的装置。
3.根据权利要求2所述的电路，包括：控制器，在使用中被设置为在预定义时间段内将所述电容耦合到所述工作电极，所述用于将存储在电容上的电压提供给测量输出的装置在所述预定义时间段结束时进行操作以提供电压。
4.根据权利要求2所述的电路，包括：放电开关，用于选择性地将所述电容的电流接收侧耦合到地，以便在执行传感器测量之前对存储在所述电容上的任意电荷进行放电。
5.根据权利要求2所述的电路，其中，所述用于将存储在电容上的电压提供给测量输出的装置包括：单位增益缓冲放大器，具有耦合到所述电容的所述电流接收侧的正输入端。
6.根据权利要求2所述的电路，其中，所述电容是可变电容。
7.根据权利要求2所述的电路，包括：一个或更多个恒定电流源，可选择地向所述电容提供各个恒定电流；以及开关装置，用于在所述电容由恒定电流源充电期间将所述电容和传感器断开连接，其中，对恒定电流施加到所述电容的电压的测量考虑到电路和传感器校准。
8.根据权利要求1所述的电路，包括：第二开关装置，在使用中，可设置为将至少一个传感器电极连接到地，以在执行传感器测量之前对传感器电容进行放电。
9.根据权利要求1所述的电路，包括：控制器，用于自动地把所述开关装置设置为所述第一配置或所述第二配置。
10.根据权利要求1所述的电路，所述电路被集成到单个半导体芯片中。
11.根据权利要求10所述的电路，包括：多个端子，用于耦合到外部电流传感器的电极。
12.根据权利要求1所述的电路，其中电源电压是1V或更小。
13.一种传感器系统，包括：根据任一前述权利要求所述的电路，以及电流传感器。
14.一种用于操作根据权利要求13所述的传感器系统的方法，包括：
把所述开关装置设置为所述第一配置和所述第二配置之一；
聚积传感器在电容两端上产生的电流；以及
在预定义时间段已结束后，测量存储在所述电容上的电压。
15.一种用于对电流传感器进行偏置的电路，包括：放大器和减法器，所述减法器被耦合到所述放大器的负反馈回路中，而且在使用中所述减法器的正和负输入端分别耦合到所述电流传感器的第一和第二端子，在使用中所述放大器的输出端耦合到传感器端子，而且所述放大器的正输入端耦合到参考电压，其中，将所述第一和第二端子之间的电压基本上箝位到所述参考电压。
16.根据权利要求15所述的电路，其中，所述第一端子是参考电极，而且所述第二端子是工作电极，所述放大器的输出端被耦合到对电极。
17.根据权利要求15所述的电路，其中，所述第一端子是工作电极，而且所述第二端子是参考电极，所述放大器的输出端被耦合到所述工作电极。
18.一种用于对离子敏感场效应晶体管进行偏置的电路，所述离子敏感场效应晶体管具有三个端子并包括放大器和减法器，所述减法器被耦合至所述放大器的负反馈回路中，并且在使用中将所述减法器的正输入端和负输入端分别耦合至所述离子敏感场效应晶体管的第一和第二端子，所述第一和第二端子分别是所述离子敏感场效应晶体管的源极和漏极，而且所述放大器的输出端耦合到所述离子敏感场效应晶体管的所述源极端子，所述放大器的正输入端耦合至参考电压，其中，所述第一和第二端子之间的电压被基本上箝位到所述参考电压。
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