CN101949883A - 离子敏感场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

一种信号处理电路，包括一个或多个离子敏感场效应晶体管ISFET以及偏置电路，该偏置电路用于使每个离子场效应晶体管偏置以工作在弱反转区中。一种使用离子敏感场效应晶体管来监控介质的属性的方法，该方法包括：使离子敏感场效应晶体管偏置在弱反转区中；将离子敏感场效应晶体管暴露于所述介质；以及分析基于所述属性而变化的离子敏感场效应晶体管的输出。

Description

离子敏感场效应晶体管

本申请是2005年6月22日提交的中国专利申请No.200580027809.2的发明名称为“包括离子敏感场效应晶体管的信号处理电路以及监控流体属性的方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及离子敏感场效应晶体管，并涉及使用离子敏感场效应晶体管的处理和控制系统。

背景技术

离子敏感场效应晶体管(ISFET)是基于具有位于化学敏感绝缘体之下的远处栅极(或者“参考电极”)的MOSFET。绝缘体的表面暴露于要对其进行测量的电解质。图1中示出了典型的ISFET使用的场景。绝缘体表面处的离子电荷作用的场效应在如图2所示的ISFET漏电流对栅极到源极电压(I_D-V_GS)的特性中产生偏移。根据化学属性和对特定离子的敏感度来选择与电解质接触的绝缘体。

对于设计用于测量电解质的pH(即电解质的H⁺离子含量)的ISFET，通常使用氮化硅和氧化铝膜来使栅极绝缘。可以通过选择离子敏感膜，从而添加离子选择性的成分，使ISFET对除H⁺之外的其它离子敏感。膜被更改为对特定离子种类可选的ISFET有公知的ChemFET，进一步改变的话，在紧邻膜表面附近使用酶，已知有EnFET。还表明，即使是具有未更改的Si₃N₄膜的传统pH-ISFET，也展示出对K⁺和Na⁺的有限但是可测的敏感度。这就是说，除了pH感测之外，使用的ISFET几乎没有其它的实际工业应用。然而，在下面的讨论中，术语ISFET既特指pH传感器，还通指基于以类似原理工作的所有对离子和酶敏感的FET。

ISFET及其基于FET的相似物的吸引力在于，它们与用于大规模生产计算机芯片的标准制造工艺兼容，并因此可以可靠且成本有效地生产。重要的是，可以将处理电路集成到与ISFET器件本身相同的芯片上。智能电路与感测器件本身的集成是所谓“智能传感器”的开发所需的，“智能传感器”需要对非理想感测条件具有鲁棒性，并且提供电子以区分“芯片上”的化学品。

ISFET的正常工作模式是I_D-V_GS特性的强反转区。在该区中，栅极到源极电压超过阈值电压V_TH，导致栅极下覆的沟道的强反转。对于该工作模式，漏电流与栅极电压成平方律或线性关系。

再次参考图1，施加到ISFET的参考电极的任何电压都通过电解质电容耦合到绝缘体表面，在绝缘体表面，来自该表面的离子的取决于pH的电荷调制沟道电流，在ISFET转移特性中引起可观测的偏移，从而调制其阈值电压V_th。假设ISFET工作在恒定漏电流的模式下、具有恒定的漏极-源极电压，则栅极到源极的电压直接反映栅极表面处的pH敏感界面势，即：

pH＝pH_cal+V_gs/S    (1)

其中，pH_cal是37℃处校准液体的pH，S是ISFET的pH敏感度。在“ISFET，Theory and Practice”，P.Bergveld，IEEE Sensor Conference，Toronto，October，2003中详细描述了该关系的出处。然而，该方法假设了恒定的温度，在任意实际的方法中，必须应用温度补偿。

传统的对温度效应的补偿措施是对系统的温度依赖性进行建模，在测量pH的同时测量温度，并根据该模型和测量的温度，来校正测量的pH。该方法尽管有关，但是具有一些缺点。首先，该方法依赖于温度传感器，温度传感器典型地包括集成到与ISFET同一芯片上的温度敏感电阻器。其次，必须提供处理能力以执行校正。第三，校正测量的pH值的过程花费时间。在典型的系统中，在微处理器或CPU执行进一步处理之前，将pH和温度值转换为数字对应量。如果需要，在应用于要控制的器件之前，将数字控制输出转换为模拟值。

长期以来，已经认识到，可以应用ISFET的关键领域在于可植入且可佩戴的传感器。在前一段中概述的传统ISFET设计的要求对于需要是小型、消耗较低功率并极其精确的这种传感器不合适。尤其是在传感器形成部分控制环路的情况下，例如在控制给药系统的情况下，它们同样必须极其精确。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种数字信号处理电路，该电路的一个或多个开关由离子敏感场效应晶体管提供。

所述或每个离子敏感场效应晶体管包括在使用中暴露于要监控的介质的分析物敏感膜。

数字信号处理电路可以是比较器，用于将离子敏感场效应晶体管所测量的参数值与阈值相比较，该电路包括按照反相器配置设置的离子敏感场效应晶体管和金属氧化物半导体晶体管。优选地，离子敏感场效应晶体管和金属氧化物半导体晶体管之一是n沟道器件，另一个是p沟道器件。

数字信号处理电路可以设置用于实现以下功能之一或多个：AND、NAND、OR、XOR、NOR。

优选地，数字信号处理电路使用CMOS逻辑电路。可选地，数字信号处理电路可以使用NMOS或PMOS逻辑电路。

优选地，数字信号处理电路包括偏置装置，用于使所述或每个离子敏感场效应晶体管偏置在弱反转区中。

根据本发明的第二方面，提供了一种实现以介质的参数值作为输入之一的逻辑函数的方法，该方法包括：

配置离子敏感场效应晶体管，以作为逻辑电路的开关来工作；

将离子敏感场效应晶体管暴露于所述介质。

附图说明

图1示意地示出了典型使用场景中的ISFET；

图2示出了在各种pH水平下的图1的ISFET的I_D-V_GS特性；

图3示意地示出了p沟道硅MOSFET；

图4示出了包括ISFET的电流镜；

图5示出了用于测量氢离子浓度的HCell；

图6示出了图5的HCell的IV特性；

图7示意地示出了CMOS反相器；

图8示出了图7的反相器的切换特性；

图9示出了通过改变在包括ISFET的CMOS反相器中的pH而引起的切换阈值的偏移；

图10示出了在不同输入电压下ISFET反相器的切换属性；

图11示出了基于ISFET的NAND门和相应的真值表；

图12示出了基于ISFET的NOR门和相应的真值表。

具体实施方式

如图3所示的n沟道FET是四端子器件，包括p型硅基板(B)和公知为源极(S)和漏极(D)的两个重度掺杂的n型阱。硅表面覆盖有二氧化硅绝缘体。多晶硅栅极触点(G)将电荷控制在栅极和漏极之间的绝缘体表面之下的区域(公知为沟道)中。

随着施加到栅极的电压V_G增加，正电荷开始从沟道中离开，形成没有流动载流子只有净负电荷的耗尽层。随着栅极电压进一步增加，该耗尽层加宽，直到电子开始从源极和漏极流进沟道，形成反转层。晶体管通常工作在特定阈值电压之上，对于该特定阈值电压，当漏极和源极之间施加有电势差时，沟道完全反转，并且反转层中的流动电子漂移通过沟道。如已公知的，对于该工作模式，漏电流与栅极电压成平方律或线性关系。

所谓“弱反转”工作模式包括使栅极电压保持低于阈值电压，使得沟道耗尽并仅存在薄的反转层。在弱反转下，薄反转层中的流动电荷流动太慢而不能够显著地构成水平电场两端的任意漂移电流。弱反转中的漏电流是由于源极和漏极之间的浓度梯度两端的电子扩散。由于源极和漏极处并沿沟道的电子浓度通过Boltzmann分布与这些点处的势垒电位相关联，所以漏电流与热电压U_T＝kT/q或者RT/F缩放了的Vs、Vd和Vg相对于Vb指数地关联。即：

I_d＝I₀ exp(V_G/nU_T)[exp(-V_S/U_T)-exp(-V_D/U_T)]   (2)

其中I₀是预先指数的乘数，n是亚阈值斜率因子。

对于ISFET，参考电极用作远处栅极，并且沉积在SiO₂绝缘体顶部的化学敏感膜直接暴露于样本溶液。绝缘体之下的沟道的反转程度不仅取决于施加到参考电极的电压，还取决于感测膜上的溶液中的离子的电荷积累。膜表面处的离子积累通过位置约束(site binding)以及Gouy-Chapman双层模型与样本中离子种类的浓度相关联。由于在膜表面上积累的任意正电荷必然与沟道中积累的负电荷成镜像，所以样本的离子浓度的改变将直接反映在ISFET的弱反转漏电流中。

膜表面电荷和种类浓度之间的关系的知识以及弱反转ISFET电流与膜表面电荷成比例的事实意味着，执行简单的数学操作的电子电路可以用于获得种类浓度与ChemFET和EnFET中的电流直观的直接关系。此外，由于沟道中的电子和溶液中的离子的温度缩放的Boltzmann分布彼此抵消，弱反转ISFET电流对离子浓度的敏感度与温度无关。

偏置在弱反转区的MOSFET中的漏电流的较大信号等式给出如下：

$I_D=I_0\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GS}}}{n{U}_T}\right)(1-\exp \left(\frac{-V_{\mathrm{DS}}}{U_T}\right))---\left(3\right)$

$=\left[2n\frac{\mathrm{KW}}{L}{U_T}^2\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GS}}-V_{T0}}{n{U}_T}\right)\exp \left(\frac{(n-1)V_{\mathrm{BS}}}{n{U}_T}\right)\right](1-\exp \left(\frac{-V_{\mathrm{DS}}}{U_T}\right))$

其中，β＝KW/L，V_T0是V_BS＝0的阈值电压，n是亚阈值斜率因子，并且假设V_DS＞4U_T时饱和。由于所有的附加化学现象都表示为阈值电压由与pH成线性比例的电解质两端的电势调制，所以该等式对于弱反转的ISFET也成立。由于pH与氢离子浓度指数地关联，所以可以形成氢离子浓度和弱反转漏电流之间的直接关系。

由于对于信号处理，氢离子浓度是比pH更本质的参数，所以提取电解质两端的电势并将其转换为弱反转电流信号的任意电路对实时化学信号处理来说更重要。图4所示的电流镜是最简单化的这种电路。

如果如图4所示，用电流源偏置二极管相连的ISFET并且其参考电极与MOSFET的栅极相连，并假设两者是几何且电气匹配的器件，并忽略ΔV_DS误差，则由于从(1)中可知，ISFET和MOSFET之间的ΔV_th等于V_chem，有I₁≠I₂。

对于完全匹配、饱和的器件，使用等式(3)：

$\frac{I_{D2}}{I_{D1}}=\exp \left(\frac{V_{\mathrm{chem}}}{n{U}_T}\right)---\left(4\right)$

代入pH和氢离子浓度之间的对数关系pH＝-log₁₀[H⁺]，发现电流比I_D2/I_D1与氢离子浓度的已知幂成比例，并与温度效应无关：

$\frac{I_{D2}}{I_{D1}}=\exp \left(\frac{\mathrm{\γ}}{n{U}_T}\right)\exp \left(\frac{2.3U_T\mathrm{\αpH}}{n{U}_T}\right)$

$=\exp \left(\frac{\mathrm{\γ}}{n{U}_T}\right)\exp \left(\frac{-\mathrm{\α}\ln \left[H^{+}\right]}{n}\right)---\left(5\right)$

$=K_{\mathrm{chem}}\·{[H+]}^{-\mathrm{\α}/n}$

该明显的结果表明弱反转的ISFET中的漏电流由其栅极-源极和体-源极电势指数地控制，并且缩放了与氢离子浓度的已知幂(由于0＜α＜1并且n＞1，所以小于单位1(unity))成比例的独立于温度的参数，即：

I_D(ISFET)＝I_D(MOS)·K_chem ^-1·[H+]^α/n    (6)

偏置于弱反转区的ISFET的温度不敏感性使其用在化学传感器的换能级中是理想的。由于可以利用漏电流和热电压之间的指数关系，使用非常简单且低功率的电路来实现数学操作，所以使用处于弱反转区中的MOSFET对于芯片上处理电路也是有利的。

为了获得与[H⁺]直接成比例的输出电流，还需要对等式(5)的进一步操作。采用亚阈值MOS晶体管中的互导和漏电流之间的线性关系的线性变化电路可用于对电流信号执行乘法、除法和幂律函数(尽管可选地或附加地，可使用表现该关系的双极性晶体管)。

图5所示的电路表现为输入级的示例，其输出是与电解质体中的H⁺离子数目直接成比例的电流I_out。这里将该电路称为“HCell”。该图示出了怎样使用该电路采用处于弱反转中的场效应晶体管的指数行为以直接获得实际的化学参数。HCell中使用的ISFET对其离子敏感膜进行化学上的处理，使得膜的pH敏感度给出α/n＝0.5。

假设饱和并忽略ΔV_DS误差，从等式(3)中可见，ISFET X2和MOSFETM1之间的漏电流通过下式相关联：

$\frac{I_{\mathrm{xis}}}{I_{b1}}=\frac{n_2{\mathrm{\β}}_2}{n_1{\mathrm{\β}}_1}\exp \left(\frac{-\mathrm{\Δ}{V}_{T0}}{n{U}_T}\right)\exp \left(\frac{(n-1)(V_{b2}-V_{b1})}{n{U}_T}\right)\exp \left(\frac{V_{S1}-V_{S2}}{U_T}\right)---\left(7\right)$

其中ΔV_T0＝V_T0(ISFET)-V_TO(MOS)＝V_chem

对于图5所示的电路，假设器件几何且电气匹配，具有相等的器件大小，并且体(bulk)接地，等式(7)变成：

$\frac{I_{\mathrm{xis}}}{I_{b1}}=\exp \left(\frac{-\mathrm{\γ}-2.3\mathrm{\α}{U}_T\mathrm{pH}}{n{U}_T}\right)\exp \left(\frac{-V_{\mathrm{ref}}}{U_T}\right)---\left(8\right)$

$=K_{\mathrm{chem}}{[H+]}^{0.5}\exp \left(\frac{-V_{\mathrm{ref}}}{U_T}\right)$

其中 $K_{\mathrm{chem}}=\exp \left(\frac{-\mathrm{\γ}}{n{U}_T}\right)$

参考电压V_ef用于设置偏置点，使得M1和X2都工作在弱反转下。pH输入范围的限制是可工作的弱反转区的电压范围和pH敏感度S。对于近似400mV V_GS范围的弱反转区，敏感度为50mV/pH的典型ISFET具有7或8pH单位的动态范围。

晶体管M3至M6形成线性变化环路，对于该线性变化环路，使用线性变化原理，获得以下关系：

$I_{\mathrm{out}}=\frac{{I_{\mathrm{xis}}}^2}{I_{b2}}$

代入(8)，获得

$I_{\mathrm{out}}=\frac{{I_{b1}}^2\exp \left(\frac{-2V_{\mathrm{ref}}}{n{U}_T}\right){K_{\mathrm{chem}}}^2[H+]}{I_{b2}}---\left(9\right)$

设定I_b1＝I_b2，获得电流比I_out/I_b1与[H+]直接的直接关系：

$\frac{I_{\mathrm{out}}}{I_{b1}}=\exp \left(\frac{-2V_{\mathrm{ref}}}{n{U}_T}\right){K_{\mathrm{chem}}}^2[H+]---\left(10\right)$

假设器件紧密靠近，对信号处理的这种定比方法减少了电路的温度依赖性。使用绝对温度比(PTAT)参考电压Vref，并假设Kchem和α是在一阶近似下与温度无关的，则可看到，利用内部温度补偿电流比与氢离子浓度直接成比例。

对于pHpzc＝3且具有完全线性pH敏感度(对于所有的pH和温度，有恒定的α)的氮化硅ISFET，使用Martinoia宏观模型的简化版本，在AMS 0.8μ技术上模拟图5的电路。可发现，n≈1.43，并且α选择为与T＝300K处的敏感度42.6mV/pH相对应的0.715。

Vdd＝1.8V，Ib1＝Ib2＝10nA，并且V_ref选择为50mV，以便将工作区集中于pH 7。图6所示的输出电流对于pH范围5至9，给出了良好的线性，对于pH范围5至9，有

对于X2和M1，选择大尺寸(W＝432μm，L＝8μm)，以使匹配误差的效应最小化。晶体管M3至M6的W/L是40μm/8μm。

将这里提出的原理扩展到具有多个ISFET、每个ISFET对不同的离子浓度进行编码的电路，将可以实时处理涉及离子浓度的乘积、商和幂律关系的任意化学等式。通过使用体或“背栅”作为线性变化操作的第二输入，采用ISFET的所有四个端子，将进一步增加这些原理的灵活性。此外，包含电容器则使该原理适用于反应动力学微分方程的整个领域。

ISFET-MOSFET镜是最简单的电流模式输入级，并在这里用于示出怎样将化学现象引起的阈值电压调制转换为电流。在本配置中，由于不稳定且未知的电极电位是ISFET和REFET共有的，并且在电流镜像拓扑中抵消，所以用近似的pH敏感的ISFET(已知为REFET)代替MOSFET将可以使用固态的准参考电极。ISFET和REFET之间的阈值电压ΔV_TH的差异小于ISFET和MOSFET之间的阈值电压ΔV_TH的差异，减小了ΔV_DS误差，并降低了所需的V_bias，从而降低了功耗。同样改进了匹配。对于具有更高SNR的更稳健的电路，应该使用全差分的输入级。

除了使用膜选择性的化学区分之外，基于晶体管的弱反转工作的智能感测概念的应用包括：

·实时反应监控和分析数据处理

·DNA排序

·就在达到当量点之前，使用动力学模型来提取所需的分析信息的快速酸碱滴定

·直接使用ISFET和其它传感器作为具有可调节阈值的逻辑(真/假)器件的“化学判决树”的实现

·使用血液和尿液代谢物比的实时监控的医学诊断

·神经桥

·杂质检测

除了适用于换能器输入级之外，工作在弱反转下的ISFET可提供用于对化学相关信号进行数字处理的基本的构造模块。

图7所示的标准CMOS反相器在工作在弱反转区中时具有图8所示的电压转移特性。对于弱反转区，在饱和并假设V_BS＝0下，漏电流给出如下：

$I_D=2\mathrm{n\β}{U_T}^2\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GS}}-V_{T0}}{n{U}_T}\right)---\left(11\right)$

其中n是亚阈值斜率参数，β＝KW/L，U_T是热电压，V_T0是固有阈值电压。

在切换阈值Vinth处，M1和M2具有相等的漏电流。

$V_{\mathrm{inth}}=\frac{V_{\mathrm{DD}}-\left|V_{\mathrm{TOP}}\right|+\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sn}}}{I_{\mathrm{sp}}}\right)V_{T0n}}{1+\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sn}}}{I_{\mathrm{sp}}}\right)}---\left(12\right)$

其中假设NMOS和PMOS的亚阈值斜率相等。

如果用n沟道ISFET代替图7的NMOS M1，则假定V_th(ISFET)＝V_th(MOS)+V_chem，切换阈值给出如下：

$V_{\mathrm{inth}}=\frac{V_{\mathrm{DD}}-\left|V_{\mathrm{TOP}}\right|+\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sn}}}{I_{\mathrm{sp}}}\right)[V_{T0n}+V_{\mathrm{chem}}]}{1+\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sn}}}{I_{\mathrm{sp}}}\right)}---\left(13\right)$

即，对于pH＜11，切换阈值减小，对于pH＞11，切换阈值增加。

图9示出了由改变pH引起的切换阈值的偏移。该特性的结果是，如果vi是固定的，则由于pH的改变，必然发生切换。此外，可以通过如图10所示地选择vi来设置切换发生处的pH阈值。例如，图示出了当vi固定在0V时，对于pH≥4，输出为高，而当vi＝100mV时，对于pH≥8，输出为高。

这一点的重要性在于，图7的电路可以用作比较器，对于大于由栅极处的固定输入电压vi限定的阈值的pH，该比较器输出为高。

还可以使用工作在弱反转区的ISFET，构造逻辑门。例如，在图11的电路中，V_GA设置pH阈值p_thA，V_GB设置p_thB。对于pH＜p_th，n沟道ISFET饱和。如NAND真值表所示，仅当两个ISFET都饱和时，输出Y为0；对于所有其它的状态，输出为1。从另一观点看，可以说，对于pH_A≥p_thA或者pH_B≥p_thB，输出为高。

通过类似分析，正如可以从NOR真值表中所推出的(再次假设，V_GA设置pH阈值p_thA，V_GB设置p_thB)，图12电路中的输出仅当pH_A≥p_thA或者pH_B≥p_thB时为高。

附图还示出了，ISFET可用于实现不由门输入上的0和1触发、而由pH＜所选阈值或pH＞所选阈值触发的基本逻辑门。因此，ISFET适用于直接实现更复杂的逻辑功能。

尽管形成这种数字电路的ISFET/MOSFET的优选工作模式是弱反转模式，但是这不是必需的，可选地，ISFET/MOSFET可工作在饱和状态下。电路可使用弱反转模式和饱和模式的器件的组合。

本领域的技术人员可以认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行多种修改。在一个修改中，用多栅极ISFET替换上述单栅极ISFET。在另一实施例中，“背栅”或衬底可用作器件的附加输入。

还可以认识到，可以通过向ISFET(以及有关电路的其它MOSFET)的栅极添加电容，创建包括瞬时压扩系统的“动态”数学系统，因此将上述特性转换为大信号非线性时域生物化学功能，例如对数域滤波器和处理器。这种功能取决于弱反转MOSFET的指数/对数特性。

Claims (8)

1.一种数字信号处理电路，该电路的一个或多个开关由离子敏感场效应晶体管提供。

2.根据权利要求1所述的电路，所述或每个离子敏感场效应晶体管包括在使用中暴露于要监控的介质的分析物敏感膜。

3.根据权利要求1所述的电路，该电路配置用作比较器，用于将离子敏感场效应晶体管所测量的参数值与阈值相比较，该电路包括按照反相器配置设置的离子敏感场效应晶体管和金属氧化物半导体晶体管。

4.根据权利要求3所述的电路，离子敏感场效应晶体管和金属氧化物半导体晶体管之一是n沟道器件，另一个是p沟道器件。

5.根据权利要求1所述的电路，所述数字信号处理电路设置用于实现以下功能之一或多个：AND、NAND、OR、XOR、NOR。

6.根据权利要求1所述的电路，所述数字信号处理电路使用CMOS逻辑电路。

7.根据权利要求1所述的电路，所述数字信号处理电路包括偏置装置，用于使所述或每个离子敏感场效应晶体管偏置在弱反转区中。

8.一种估计以介质的参数值作为输入之一的逻辑函数的方法，该方法包括：

配置离子敏感场效应晶体管，以作为逻辑电路的开关来工作；

将离子敏感场效应晶体管暴露于所述介质。

Images