CN102778491A - 传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成在基板上的电化学传感器，该电化学传感器包括：场效应晶体管，集成在基板上并具有源极、栅极和漏极连接，所述场效应晶体管的栅极包括导电耦合到感应电极的感应栅极、和偏置栅极，其中感应栅极电容性耦合到偏置栅极，并且偏置栅极电容性耦合到基板。

Description

传感器
技术领域
本发明涉及电化学传感器，特别涉及包括场效应晶体管的电化学传感器。更具体地，本发明涉及流体pH传感器或离子传感器。
本发明还涉及包括这种电化学传感器的集成电路。
本发明还涉及使用这种传感器执行测量的方法，或涉及使用包括所述传感器的集成电路的测量方法。
背景技术
可以通过利用场效应晶体管(FET)的栅电极作为传感器电极，将FET作为传感器使用。栅电极可以涂覆有可与流体分析物相互作用的物质或由可与流体分析物相互作用的物质形成，使得FET的操作对于例如分析物中包含的化学化合物、颗粒或离子敏感。这种传感器可以用作pH传感器。在应用中，当分析物与FET的栅电极接触时，基于FET的传感器中流经的电流可以依据分析物中化学化合物的浓度。
使用基于FET的传感器的一个具体优点是它们可以容易地集成到集成电路封装中，使得与传感器关联和/或辅助传感器的信号处理部件可以设置在同一半导体管芯上，从而得到紧凑的传感器结构并降低制造费用。此外，通过将传感器集成到集成电路封装中，可以简化整个传感器集成封装的处理。
但是，对于基于FET的传感器来说，可能有必要将栅电极与分析物隔开以使得栅电极不与分析物接触。将栅电极与分析物隔开阻止了栅电极与分析物之间的任何接触，这种接触会导致分析物与栅电极之间的化学反应无法挽回地损坏FET。
将栅电极与分析物隔开的基于FET传感器的一个具体配置是使用扩展栅电极FET(extended gate FET，EGFET)配置。EGFET结构可以包括电连接到测量电极的栅电极、以及参考电极。测量电极和参考电极可以与分析物接触。当由分析物引起的栅电极与参考电极之间的电势差超过EGFET的阈值电压时，EGFET会开始呈现流经FET的电流。该阈值电压是EGFET开始导通时或接近于导通时的电压。
但是，已知的EGFET配置的一个问题是，例如由于分析物中化学化合物的低浓度，由分析物引起的测量电极与参考电极之间的电势差可能不大于FET的阈值电压。通过对栅电极和参考电极施加偏置电压，可以降低FET的阈值电压。但是，偏置电压可能导致不期望的电流流经分析物，引起流体分析物中的化学反应，这会导致传感器漂移和/或测量电极和/或参考电极的腐蚀，从而不利地影响传感器的可预测性和精确性。
发明内容
本发明提供可以克服上述问题的电化学传感器。本发明还提供测量方法和包括可以克服这些问题的传感器的集成电路。
因此，根据本发明的第一方面，提供了一种集成在基板上的电化学传感器，该电化学传感器包括：场效应晶体管，集成在基板上并具有源极、栅极和漏极连接，所述场效应晶体管的栅极包括导电耦合到感应电极的感应栅极、以及偏置栅极，其中感应栅极电容性耦合到偏置栅极，并且偏置栅极电容性耦合到基板。
优选地，第一氧化层将偏置栅极电容性耦合到感应栅极。优选地，第二氧化层将偏置栅极电容性耦合到基板。优选地，第一氧化层是氧化物-氮化物-氧化物材料，第二氧化层是隧道氧化物材料。通过电容性耦合，本发明提供了感应电极与偏置栅极的电流隔离(galvanicisolation)。因此，由于感应栅极和偏置栅极的电容性耦合，本发明的传感器提供了对感应栅极和偏置栅极的独立偏置。本发明还提供了电化学传感器的动态调谐以针对特定的灵敏度或输入电压范围。因此，本发明可以减轻从液体分析物到传感器的电荷泄漏。此外，本发明还旨在减小分析物引起的栅极电压的改变而导致的FET漏极电流中关联的漂移。
优选地，感应栅极通过第一控制开关连接到第一偏置电压，偏置栅极通过第二控制开关连接到第二偏置电压。因此，本发明的传感器在使用与已知的传统EGFET相同的器件管芯面积时提供对EGFET栅极和分析物进行独立偏置。控制开关可以是复位(reset)晶体管。复位晶体管可以形成在与FET相同的基板上。可以使用单栅极和双栅极堆叠的组合来形成复位晶体管。这可以减少传感器器件的占用面积(footprint)，从而改善与附加电子控制设备和/或传感器(例如湿度、温度或压力传感器)的集成。根据本发明的传感器可以制造在集成电路封装中。
根据本发明的第二方面，提供了一种集成电子电路，其包括第一方面的传感器。
根据本发明的第三方面，提供了一种利用第一方面的传感器进行测量的方法，包括：测量感应电极处的电势；将液体分析物偏置到基于所述感应电极处的电势的电势；偏置感应栅极，偏置源极和漏极以使电流流经场效应晶体管；偏置偏置栅极；以及读取流经场效应晶体管的电流。
优选地，对液体分析物进行偏置以在感应电极和液体分析物之间维持净零电势差。因此，本发明可以减轻可能导致测量错误的从液体分析物到传感器的电荷泄漏。
附图说明
下文中通过示例的方式并参照附图进一步描述本发明，其中：
图1是电化学传感器和关联的控制电路的示意图；
图2是电化学传感器布局的示意性横截面图；以及
图3是图1的电化学传感器和关联控制电路的等效电路图。
具体实施方式
综合来说，如图1所示，传感器10包括形成在基板14上的场效应晶体管(FET)12，以及导电耦合到FET 12的感应电极16。复位晶体管R1和R2导电连接到FET 12，以将相应的偏置电压B1和B2可切换地施加到FET 12上。FET 12和感应电极16提供了传感器10的感测功能，而复位晶体管R1和R2提供了传感器10的控制功能。FET还分别包括相应的源极(S)、漏极(D)和栅极。
参照图1，FET 12的结构描述如下。FET的栅极G由感应栅极18和偏置栅极20形成。感应栅极18堆叠在偏置栅极20上。第一绝缘氧化层22设置在感应栅极18和偏置栅极20之间，第二绝缘氧化层24设置在基板14和偏置栅极20之间。由于存在第一绝缘氧化层22，偏置栅极20与感应栅极18电隔离。第二绝缘氧化层24使得偏置栅极20与基板14电隔离。通过这种方式，感应栅极18可以与偏置栅极20电流去耦(galvanically decouple)(或隔离)，偏置栅极20与基板14电流去耦。第一绝缘氧化层22可以是氧化物-氮化物-氧化物(ONO)材料层。第二绝缘氧化层24可以是隧道氧化物材料层。因此，一般而言，FET 12的栅极G形成为在基板14上形成的导电层-电介质层-导电层-电介质层的双栅极堆叠。感应电极16和感应栅极18可以是扩展栅电极(EGFET)配置。FET 12和电极可以通过熟练技术人员理解的任何合适手段来制造。
因此，上述结构使得感应栅极18通过导电连接28导电耦合到感应电极16，并使得感应电极16与感应栅极18处于相同电势(电压)。传感器10配置为使得感应电极16可以与分析物接触，因此，由于二者之间存在的导电连接28，分析物在感应电极16处引起的任何电压将与感应栅极18处的电势相等。
通过非限制性示例，熟练技术人员会认识到感应电极16处分析物产生的电压可以由分析物与感应电极16的化学键合导致。由于产生电压，当产生的电压超过FET 12的阈值电压Vth时，电流流经FET 12。
由于使用第一和第二绝缘氧化层22、24以及扩展栅电极配置，FET12可以称为双多晶(dual-poly)扩展栅极FET(DPEGFET)，这里，术语“多晶”是指使用多晶硅作为相应的第一氧化层22和第二氧化层24的通常示例。熟练技术人员会认识到，可以将多晶硅氧化层替换为任何适当的电介质材料，只要将感应栅极18与偏置栅极20电流去耦，偏置栅极20与基板14电流去耦。
现在参照图2，感应电极16布置为使得可以直接接触关注的分析物。类似地，参考电极26布置为使得可以直接接触分析物。感应电极16和参考电极26可以布置为使得它们形成适合于容纳和/或导流(channelling)分析物的流体腔室或导管的一部分。
感应电极16通过导电连接28连接到感应栅极18。可以设置电介质层堆叠30以封装并保护FET 12和导电连接28免受暴露于分析物和/或空气的危害。每个复位晶体管R1，R2可以形成在与FET 12相同的基板14上。感应电极16和偏置电极18导电耦合到相应的复位晶体管上R1和R2。通过非限制性示例，复位晶体管R1和R2可以是单栅极晶体管，其可控地分别偏置感应栅极18和偏置栅极20。可选地，复位晶体管R1、R2可以是双栅极晶体管。
参照图3，传感器的操作描述如下。氧化层22和24在效果上用作电容器的电介质，从而防止电荷穿过第一和第二氧化层22和24中的任一个。第一和第二氧化层22和24用作平板电容器的电介质。因此，图3示出了图1所示结构的等效电路，其中第一和第二氧化层22和24分别由电容22’和24’表示。
在下述说明中，假定复位晶体管R1和R2在导通时有效电阻为零，在截止时有效电阻是无穷大。在后一情况中，意味着在传感器10操作期间没有泄漏电流流经复位晶体管R1、R2。
在操作中，传感器10以两个阶段操作，即(1)测量阶段和(2)读出阶段。
在测量阶段中，顾名思义，对感应电极16处由分析物产生的电势差进行测量。在测量阶段中，复位晶体管R1和R2各自均截止，使得它们的电阻无穷大，从而无偏置电压B1或B2被施加到感应栅极18和偏置栅极20上。由参考电极26将液体分析物偏置到电势Vfluid。为了简短起见，没有显示参考电极26偏置，但是可以使用与感应栅极18或偏置栅极20类似的偏置配置。此外，可以通过任何适当的控制电路(未示出)控制复位晶体管R1和R2。
典型地，电压Vfluid是0V。但是，在难以从分析物获取读数的情况下，可以改变Vfluid或将其动态调谐为正电压或负电压。难以获取读数的情况例如是由于分析物中颗粒和/或离子浓度较小导致的。因此，可以对感应栅极18或流体分析物的电势进行调整，使得感应栅极18与流体之间的电压差在可接受的界限内。
在操作中，如果由于流体中的化学反应，流体电势移动到更高或更低的电压V2，则在感应电极16处存在电势差V2-V1。因此，可以进行调整，将感应栅极18偏置到V2，或者将液体偏置到V1，以维持净0V电势差，从而减轻如上所述的任何电势问题。特别地，如上所述，可以有利地避免表面与流体之间的电化学反应。0V可以是典型的净电势差，但是取决于流体的化学成分，可以使用正电压或负电压。
通过导通复位器件R1将感应栅极18偏置到电压B1。B1等于Vfluid，这防止不希望的电流流经分析物，这种不希望的电流会导致在感应电极16与分析物之间发生不希望的化学反应。作为非限制性示例，Vfluid＝B1＝0伏。然后，对FET 12的源极S和漏极D进行偏置以导通FET 12。然后，将复位器件R1截止，并将偏置栅极20偏置到电势B2以使得FET处于导通状态。流经FET 12的电流称为参考电流，典型地，当B2＞Vth(Vth是FET 12的阈值电压)时FET 12开始导通。
在读出阶段，复位器件R1和R2均导通，开始读出由感应电极16处引起的电势而导致的流经FET 12的所测量的电流。
FET 12的阈值电压Vth可以为0.4V。因此，在传感器10的操作过程中，可以使用下述电压偏置。对于参考条件(即pH已知的情况)，将流体偏置到0V。将感应栅极18偏置到0V，以防止不希望的电流流经分析物，这种不希望的电流会导致在感应电极与分析物之间发生不希望的化学反应。将偏置栅极20偏置到0.7V(即栅极-源极电压大于阈值电压，Vgs＞Vth)，以在FET中创建反向(inversion)沟道。将源极-漏极电压Vds设置为0.2V以使得FET工作在线性(三极管)模式，即Vds＜(Vgs-Vth)。
典型地，根据Nernst方程(Wahl(2005).″A Short History ofElectrochemistry″.Galvanotechtnik 96(8)：1820-1828)，在298K温度下分析物中1pH的变化会导致流体电势漂移59.2mV。按照Cfluid-sense，Csense-bias和Cbias-substrate栅极电容的比率，这种电势漂移电容性耦合到FET的沟道。这导致流经FET的电流的改变，该改变与pH变化所导致的电势漂移成比例。
Csense-bias是偏置栅极与感应栅极之间的电容；Cbias是偏置栅极至FET 12导通沟道的电容，在FET技术中通常称为Cox。Csense/Cbias确定了氧化电容的耦合强度。其中氧化层可以描述为电容器的串联连接。
这里，上面提供的电压值仅仅作为示例。熟练技术人员会认识到，可以根据电路边界条件(例如噪声、功耗等等)选择备选电压。
在操作中，FET 12用作可变电流源。流经FET 12的电流典型地被复制到电路(未示出)，例如使用电流镜的模数转换器(未示出)，从而无论负载如何，输出电流保持恒定。可以通过电流驱动的模数转换器直接使用复制电流，或者将复制电流首先引导至电流-电压转换器并通过电压输入的模数转换器来采样。存在许多对流经FET 12的电流进行测量的现有方法。
根据前述描述，本领域的熟练技术人员明了可以在本发明的范围内进行多种修改。如果液体分析物的特性改变(例如pH)，则感应电极16的电势也会改变，并且在感应栅极18处会看到这种变化，通过电容性耦合，在偏置栅极处也会看到该变化。这会引起流经FET  12的电流发生变化。电流的相对变化(通过FET的电流电压(I/V)特性而缩放的)与感应电极16处的电势变化成比例。因此，可以通过对感应栅极18、偏置栅极20和感应电极16的面积进行优化，在设计时对传感器10的灵敏度进行设置，其中，熟练技术人员可以确定传感器10的这三个节点之间的最佳耦合电容。
基板14可以由任何适当的材料形成，例如硅或氧化硅。熟练技术人员可以认识到，可以使用任何具有开关能力的器件，来替代复位晶体管R1和R2。例如，可以由传输门(pass-gate)、NFET和PFET器件的组合、电流开关(galvanic switch)等来代替晶体管。
因此，根据本发明的传感器10提供了新的改进的基于EGFET的pH传感器。
在所附的独立权利要求中阐述了本发明的具体和优选的方面。可以对从属和/或独立权利要求的特征进行适当的组合，而不仅限于权利要求中所阐述的内容。
本发明的范围包括这里所披露的任何明确或隐含的新颖特征或特征组合，或者它们的任何概括总结，无论这些特征是否涉及到要求保护的发明或者是否能够缓解本发明所要解决的任何或全部的技术问题。因此，申请人可以在本申请的审查过程中对这些特征进行归纳以得到新的权利要求，或者从这些特征中衍生另一申请。特别地，在所附权利要求中，可以将从属权利要求的特征与独立权利要求的特征进行组合，此外，各个独立权利要求的特征可以适当方式进行组合，并且不仅限于权利要求中列出的特定组合方式。
在各独立实施例中描述的特征也可以组合的方式设置在某单个实施例中。相反，为了简洁的要求而在单个实施例中描述的多个特征也可以独立地提供或以任何适当的子组合方式提供。
为了完整的目的，所陈述的术语“包括”不排除其它的元件或步骤，术语“一”不排除复数，单个处理器或其它单元可以执行权利要求中引用的多种装置的功能，权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种集成在基板(14)上的电化学传感器(10)，该电化学传感器(10)包括：
集成在基板(14)上的场效应晶体管(12)，具有源极(S)连接、栅极(G)连接和漏极(D)连接，
所述场效应晶体管(12)的栅极(G)包括：导电耦合到感应电极(16)的感应栅极(18)、以及偏置栅极(20)，
其中感应栅极(18)电容性耦合到偏置栅极(20)，以及偏置栅极(20)电容性耦合到基板(14)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述栅极(G)的第一氧化层(22)将偏置栅极(20)电容性耦合到感应栅极(18)。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述栅极(G)的第二氧化层(24)将偏置栅极(20)电容性耦合到基板(14)。
4.根据权利要求2或3所述的传感器，其中第一氧化层(22)是氧化物-氮化物-氧化物材料层，第二氧化层是隧道氧化物材料。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的传感器，其中所述场效应晶体管(12)的栅极(G)形成为双栅极堆叠。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中感应栅极(18)经由第一控制开关(R1)连接到第一偏置电压(B1)，偏置栅极(20)经由第二控制开关(R2)连接到第二偏置电压(B2)。
7.根据权利要求5所述的传感器，其中感应栅极(18)和偏置栅极(20)是分别通过第一和第二偏置电压而彼此独立地偏置的。
8.根据权利要求6所述的传感器，其中第一控制开关(R1)和第二控制开关(R2)中的至少一个集成在所述基板(14)上。
9.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其中场效应晶体管(12)是扩展栅极场效应晶体管。
10.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其中场效应晶体管(12)是双多晶硅晶体管。
11.一种集成电子电路，包括根据权利要求1到11中任一项所述的传感器。
12.一种利用权利要求1到11中任一项所述的传感器执行测量的方法，包括：
测量所述感应电极(16)处的电势；
将液体分析物偏置到基于所述感应电极(16)处的电势的电势；
偏置感应栅极(18)，
偏置源极(S)和漏极(D)以使电流流经场效应晶体管(12)；
偏置所述偏置栅极(20)；以及
读取流经场效应晶体管(12)的电流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中对液体分析物进行偏置以在感应电极和液体分析物之间维持净零电势差。
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