CN103154718A - 感测离子的电荷堆积电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种离子敏感的电路可以包括：电荷堆积装置（其用于堆积多个电荷包，作为流体离子浓度的函数）和至少一个控制和读出晶体管（以产生输出信号，作为堆积的多个电荷包的函数），所述输出信号代表溶液的离子浓度。所述电荷堆积装置可以包括：在第一电极半导体区域之上的第一电荷控制电极、在栅半导体区域之上且在离子敏感的钝化表面之下的电学浮动栅结构、在第二电极半导体区域之上的第二电荷控制电极、和排出装置扩散区域。所述第一控制电极可以响应于第一控制信号而控制电荷进入栅半导体区域。所述离子敏感的钝化表面可以构造成接收流体。

Description

感测离子的电荷堆积电路和方法
相关申请
本申请要求2010年6月30日提交的美国临时专利申请号61/360,493、2010年7月1日提交的美国临时专利申请号61/360,495和2010年7月3日提交的美国临时专利申请号61/361,403的优先权，它们每篇通过引用整体并入本文。
背景技术
电子装置和组件已经在化学和生物学(更一般地，“生命科学”)中得到众多应用，特别是用于检测和测量不同的化学和生物反应，以及鉴别、检测和测量不同的化合物。一种这样的电子装置被称作离子敏感的场效应晶体管，在相关文献中经常表示为ISFET(或pHFET)。ISFET常规地主要在科学和研究团体中采用，用于便利溶液的氢离子浓度(通常表示为“pH”)的测量。在本文中提及的化学敏感的传感器，可以用ISFET、phFET、chemFet或一些其它的能够执行类似功能的晶体管器件来实现。
更具体地，ISFET是一种阻抗转化装置，其以类似于MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的方式运行，且为选择性地测量溶液中的离子活性而特别构建(例如，溶液中的氢离子是“分析物”)。在“Thirty yearsof ISFETOLOGY：what happened in the past30years and what mayhappen in the next30years，”P.Bergveld，Sens.Actuators，88(2003)，第1-20页(所述出版物通过引用整体并入本文)中，给出了ISFET的详细运行理论。
使用常规CMOS(互补金属氧化物半导体)方法来制造ISFET的细节，可以参见：Rothberg，等人，美国专利公开号2010/0301398，Rothberg，等人，美国专利公开号2010/0282617，和Rothberg等人，美国专利公开2009/0026082；这些专利公开统称为“Rothberg”，并且都通过引用整体并入本文。但是，除了CMOS以外，也可以使用biCMOS(即，两极的和CMOS)加工，诸如包括PMOS FET阵列的方法，所述阵列具有在外围上的两极结构。可替换地，可以采用其它技术，其中敏感元件可以用三端装置来制作，其中感测的离子会导致信号的形成，所述信号控制3个终端之一；这样的技术还可以包括，例如，GaAs和碳纳米管技术。
以CMOS为例，P-型ISFET制造是基于p-型硅衬底，其中形成n-型孔，它构成晶体管“主体”。在n-型孔内形成高度掺杂的p-型(p+)区域S和D，它们构成ISFET的源和排出装置。在n-型孔内还形成高度掺杂的n-型(n+)区域B，以提供与n-型孔的传导体(或“块”)的连接。氧化物层可以安置在源、排出装置和主体接头区上面，穿过它们制作开口，以提供与这些区域的电连接(通过电导体)。在源和排出装置之间，在n-型孔区域上面的位置，可以在氧化物层上面形成多晶硅栅。因为它安置在多晶硅栅和晶体管主体(即，n-型孔)之间，所述氧化物层经常被称作“栅氧化物”。
类似于MOSFET，ISFET的运行是基于由MOS(金属氧化物半导体)电容造成的电荷浓度(和因而通道电导)的调节，所述电容由多晶硅栅、栅氧化物和在源和排出装置之间的孔(例如，n-型孔)区域组成。当在栅和源区域之间施加负电压时，通过剥夺该区域的电子，在该区域和栅氧化物的界面处建立通道。就n-孔而言，所述通道是p-通道(反之亦然)。在n-孔的情况下，所述p-通道在源和排出装置之间延伸，且当栅-源负电势足以从源吸收孔进入通道时，传导电流穿过p-通道。通道开始传导电流时的栅-源电势称作晶体管的阈值电压vth(当vgs具有大于阈值电压vth的绝对值时，晶体管传导)。源因此得名，因为它是流过通道的电荷载体(p-通道的孔)的源；类似地，排出装置是电荷载体离开通道的地方。
如Rothberg所述，可以制造具有浮动栅结构的ISFET，所述浮动栅结构如下形成：将多晶硅栅联接到多个金属层上，所述金属层安置在一个或多个额外的氧化物层内，所述氧化物层安置在栅氧化物的上面。浮动栅结构由此得名，因为它与其它的ISFET相关导体在电学上分离；也就是说，它夹在栅氧化物和钝化层之间，所述钝化层安置在浮动栅的金属层(例如，顶金属层)的上面。
如Rothberg进一步所述，ISFET钝化层构成离子敏感的膜，其产生装置的离子灵敏度。与钝化层(尤其可以位于浮动栅结构上面的敏感区域)相接触的分析物溶液(即，含有目标分析物(包括离子)的溶液，或被测试目标分析物存在的溶液)中的分析物(诸如离子)的存在，会改变ISFET的电特征，从而调节流过ISFET的源和排出装置之间的通道的电流。钝化层可以包含多种不同材料中的任一种，以促进对特定离子的灵敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物(诸如硅、铝或钽的氧化物)的钝化层通常会提供对分析物溶液中氢离子浓度(pH)的灵敏度，而包含聚氯乙烯(含有缬氨霉素)的钝化层会提供对分析物溶液中钾离子浓度的灵敏度。适用于钝化层且对其它离子(诸如钠、银、铁、溴、碘、钙和硝酸盐)敏感的物质是已知的，且钝化层可以包含多种材料(例如，金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物)。关于在分析物溶液/钝化层界面处的化学反应，用于ISFET的钝化层的特定材料的表面可以包括这样的化学基团：其可以为分析物溶液捐献质子，或接受来自分析物溶液的质子，在任意给定的时间在分析物溶液界面处的钝化层的表面上剩下带负电荷的、带正电荷的和中性的位点。
关于离子灵敏度，通常称作“表面电势”的电势差出现在钝化层和分析物溶液的固/液界面处，随敏感区域中的离子浓度而变化，这是由于化学反应(例如，通常包含在敏感区域附近的分析物溶液中的离子对氧化物表面基团的解离)。该表面电势又影响ISFET的阈值电压；因而，ISFET的阈值电压随着在敏感区域附近的分析物溶液中的离子浓度的变化而变化。如Rothberg所述，由于ISFET的阈值电压VTH对离子浓度敏感，源电压Vs提供与在ISFET的敏感区域附近的分析物溶液中的离子浓度直接有关的信号。
化学敏感的FET(“chemFET”)的阵列或更具体地ISFET，可以用于监测反应——包括例如核酸(例如，DNA)测序反应，这基于监测在反应过程中存在的、产生的或使用的分析物。更通常地，包括chemFET的大阵列在内的阵列可以用于检测和测量在众多化学和/或生物学过程(例如，生物学或化学反应、细胞或组织培养或监测、神经活性、核酸测序等)中的多种分析物(例如，氢离子、其它离子、非离子型分子或化合物等)的静态和/或动态量或浓度，其中基于这样的分析物测量可以得到有价值的信息。这样的chemFET阵列可以用于检测分析物的方法中和/或通过在chemFET表面处的电荷的变化而监测生物学或化学过程的方法中。ChemFET(或ISFET)阵列的这种用途包括：检测溶液中的分析物，和/或检测在chemFET表面(例如ISFET钝化层)上结合的电荷的变化。
关于ISFET阵列制造的研究记载在下述出版物中：“A largetransistor-based sensor array chip for direct extracellular imaging，”M.J.Milgrew，M.O.Riehle，and D.R.S.Cumming，Sensors and Actuators，B：Chemical，111-112，(2005)，第347-353页，和“The development ofscalable sensor arrays using standard CMOS technology，”M.J.Milgrew，P.A.Hammond，和D.R.S.Cumming，Sensors and Actuators，B：Chemical，103，(2004)，第37-42页，所述出版物通过引用并入本文，且在下文中共同称作“Milgrew等人”。在Rothberg中，含有关于制造和使用ChemFET或ISFET阵列的描述，所述阵列用于化学检测，包括与DNA测序有关的离子的检测。更具体地，Rothberg描述了使用chemFET阵列(特别是ISFET)来对核酸测序，其包括：将已知的核苷酸掺入反应室中的多个相同核酸中，所述反应室与chemFET接触或电容式联接，其中所述核酸与反应室中的单个珠子结合，并检测在chemFET处的信号，其中信号的检测指示一个或多个氢离子的释放，所述氢离子源自已知的三磷酸核苷酸向合成的核酸中的掺入。
图1是描绘离子感测系统20的物理结构的一个实施方案的横截面简图，所述离子感测系统20可以包括：ISFET24、提供在所述ISFET24的离子敏感表面32处的溶液28、和在所述溶液28中的电极36，所述电极36提供参比电压VREFA。所述ISFET24可以在CMOS工艺中制造，且包括：形成在p-型硅衬底48中的n-型源和排出装置扩散区域40、44，源和排出装置连接52、56，在源和排出装置40、44之间的通道形成区域64上面的栅氧化物层60，形成在所述栅氧化物60上面的浮动栅结构68，和形成在所述栅结构68上面的钝化层72。所述浮动栅结构68可以包括多晶硅栅78和一个或多个金属层76和通路互连80。所述源和排出装置连接52、54还可以包括一个或多个金属层76和通路互连80。介质隔离84可以隔开这些不同的结构。
在实施中，参比电压VREFA可以施加于在溶液28中的电极36上，且ISFET24的源和排出装置40、44可以通过源和排出装置连接结构52、56与读出电路(未显示)电联接。所述ISFET24的栅78可以不与其它电路直接电连接，且因而可以是电学浮动结构。离子浓度对ISFET24的运行的影响可以建模为，ISFET24的阈值电压对溶液28中的离子浓度的依赖性，所述离子浓度源自ISFET24的离子敏感的钝化表面32和邻近溶液28中的离子之间的电化学相互作用。所述离子感测系统20因而可以从阈值电压变化确定离子浓度，所述阈值电压变化如下测定：在已知参比电压VREFA和读出电路类型和运行的情况下，测量在ISFET24的源或排出装置40、44处的电流或电压变化。
但是，图1的离子感测系统20和它用于检测溶液28的离子浓度的用途存在问题。由阈值电压的变化诱发的、在ISFET24的源或排出装置40、44处和因而在读出电路中的电压或电流的变化可以较小，且难以准确地测量。另外，阈值电压本身可以是其它变量(诸如在源40和ISFET24的衬底48(即，主体)之间的电压)的非线性函数。这可以限制阈值电压计算的线性(如果允许源-至-主体电压发生变化)，或限制可以使用的读出电路的类型(如果源-至-主体电压维持相对恒定以保留线性)。类似地，担心图1的离子感测系统20的动态范围和信噪比性能。总之，这些担心需要使用复杂的且因而浪费空间的且昂贵的读出电路，或限制使用该离子感测系统20可以实现的性能度量。
因而，需要这样的方法：所述方法在测量溶液的离子浓度时实现提高的速度、准确度、线性和其它性能度量，但是同时仍然使用可以用CMOS工艺大量生产的装置。
附图说明
下面描述了许多附图，以便可以理解本发明的特征。但是，所述附图仅仅解释了本发明的具体实施方案，因此不应视作限制本发明的范围，因为本发明可以包括其它等效的实施方案。
图1是描绘包括离子敏感的场效应晶体管的离子感测系统的一个实施方案的横截面简图。
图2是包括离子敏感的电荷堆积装置的离子感测系统的部分横截面局部示意图。
图3A-3D是描绘离子敏感的电荷堆积装置的运行循环的一个实施方案的横截面简图、电势简图和电荷简图。
图4是描绘用于控制电荷堆积装置的运行的控制信号的一个实施方案的信号简图。
图5是描绘离子敏感的像素阵列的一个实施方案的示意图，所述阵列具有多个像素电路，每个像素电路包括电荷堆积装置以及控制和读出晶体管。
图6是描绘像素电路的一个实施方案的部分横截面局部示意图，所述像素电路包括电荷堆积装置以及控制和读出晶体管。
图7是描绘像素电路的另一个实施方案的部分横截面局部示意图，所述像素电路包括电荷堆积装置以及控制和读出晶体管。
图8A-8D是描绘图7所示的像素电路的运行实施方案的横截面简图、电势简图和电荷简图。
图9是描绘像素电路的另一个实施方案的部分横截面局部示意图，所述像素电路包括电荷堆积装置以及控制和读出晶体管。
图10是描绘像素电路的另一个实施方案的部分横截面局部示意图，所述像素电路包括电荷堆积装置以及控制和读出晶体管。
图11A-11D是描绘图10所示的像素电路的运行实施方案的横截面简图、电势简图和电荷简图。
具体实施方式
离子敏感的电路可以包括：电荷堆积装置(其用于堆积多个电荷包，作为流体离子浓度的函数)和至少一个控制和读出晶体管(以产生输出信号，作为堆积的多个电荷包的函数)，所述输出信号代表溶液的离子浓度。所述电荷堆积装置可以包括：在第一电极半导体区域之上的第一电荷控制电极、在栅半导体区域之上且在离子敏感的钝化表面之下的电学浮动栅结构、在第二电极半导体区域之上的第二电荷控制电极、和排出装置扩散区域。所述第一控制电极可以响应于第一控制信号而控制电荷进入栅半导体区域。所述离子敏感的钝化表面可以构造成接收流体。所述第二电荷控制电极可以响应于第二控制信号而控制多个电荷包离开栅半导体区域和进入排出装置扩散区域的转移。所述排出装置扩散区域可以接收经由第二电极半导体区域来自栅半导体区域的多个电荷包。
所述离子敏感的电路可以根据检测流体离子浓度的方法运行。所述方法可以包括：(i)使具有离子浓度的流体在电荷堆积装置的离子敏感的钝化表面之上经过；(ii)在电荷堆积装置的栅半导体区域中一次一个地逐个形成多个电荷包，作为流体离子浓度的函数；(iii)将控制信号施用于电荷堆积装置的第二控制电极，以控制电荷包一次一个地从栅半导体区域转移；(iv)以可选择的电荷包堆积频率，在电荷堆积装置的排出装置扩散区域处堆积多个电荷包；和(v)以可选择的输出信号产生频率，使用至少一个控制和读出晶体管在排出装置区域处产生输出信号，作为堆积的多个电荷包的函数，其中所述输出信号代表流体离子浓度的量度。
图2描绘了离子感测系统100的一个实施方案的部分横截面局部示意图，所述离子感测系统100具有离子敏感的电荷堆积装置104，其可以检测溶液108中的离子浓度，以执行DNA测序和其它应用。所述离子感测系统100可以包括：电荷堆积装置104、控制和读出电路112、电极116、溶液108和微颗粒或微珠120。在图2中，用横截面表示描绘了电荷堆积装置104、电极116、溶液108和微颗粒120，而示意地描绘了控制电路112和它与电荷堆积装置104的终端的连接。为了方便，用虚线指示图2的示意部分。
可以以CMOS工艺制造电荷堆积装置104，且作为包括电荷堆积装置104和控制和读出电路112的集成电路的一部分。N-型源和排出装置扩散区域124、128可以形成在p-型外延层132中，所述p-型外延层132形成在p-型硅衬底136上。所述源和排出装置扩散区域124、128可以具有轻度掺杂的部分140、144，所述部分具有比排出装置和扩散区域124、128的其它部分相对更少的掺杂。源和排出装置连接148、152可以包括一个或多个金属层156和通路互连160。栅氧化物层164可以形成在p-型外延层132的区域168之上、在源和排出装置124、128和浮动栅结构172之间，且第一和第二控制电极结构176、180可以形成在栅氧化物164之上。所述栅氧化物164可以包括诸如二氧化硅等材料。所述浮动栅结构172可以包括：n-型多晶硅栅184和一个或多个金属层156和通路互连160。所述控制电极结构176、180还可以包括：各自的第一和第二n-型多晶硅电极186、188、以及一个或多个金属层156和通路互连160。金属层156和通路互连160可以各自包括一个或多个传导材料层，所述传导材料诸如钨、铝、铜、钛和它们的氮化物和硅化物。在这些不同结构之间的介质隔离192可以包括一个或多个氧化硅层、硼磷硅酸盐玻璃层或它们的组合。钝化层196可以形成在栅结构172和介质隔离196的上面，且包括孔200，所述孔200具有离子敏感表面204以接纳微颗粒120(或微珠120)，后者可以具有多个附着于其表面上的复制DNA链。所述钝化层196可以包括诸如氮化硅、氮氧化硅和聚酰亚胺等材料。衬底连接扩散区域208，且可以具有与排出装置和源连接结构148、152类似的有关连接结构212。
在本文中为了提及方便，将扩散区域124、128称作源和排出装置扩散区域124、128。但是，这些扩散区域124、128不需要具有所有与晶体管的源和排出装置相同的性质。相反，源和排出装置扩散区域124、128还可以简称作扩散区域124、128，这不一定暗示晶体管源和排出装置功能性。但是，在某些情况下，正如从本文的描述中显而易见的，扩散区域124、128实际上可以具有与晶体管的源和排出装置类似的性质。
离子感测系统100可以用于执行DNA测序或包含感测溶液108中的离子的其它应用。可以将多个携带DNA链的微颗粒120引导至含有多个图2所示的电荷堆积装置104的集成电路的表面，使得所述微颗粒120沉入钝化层196的孔200中。可以将多种不同的溶液108顺序地引导至集成电路表面(包括在钝化层196中的孔200)并被所述表面接纳。所述相继的溶液系列中的每种溶液108可以包括不同的核苷酸或核苷碱基。每种溶液或试剂可以与或不与附着于微颗粒120上的DNA链反应，这取决于所述溶液的具体核苷酸或核苷碱基是否与附着的DNA链的核苷碱基序列的当前反应位置匹配或互补(compliment)。当施用的溶液系列中的特定溶液108不与DNA链反应时，可以释放出多个离子，例如，质子(例如，氢H+离子)、焦磷酸盐(即，PPi)或二者。所述离子敏感的电荷堆积装置104可以根据本文讨论的它的运行原理检测溶液108中的离子浓度，以提供关于附着的DNA链的当前反应位置的核苷碱基的身份的数据，由此提供用于对链测序的数据。
在实施中，离子敏感的电荷堆积装置104可以产生和堆积多个电荷包216(例如，如图3A-3D所示)，作为溶液108中的离子浓度的函数并响应于所述离子浓度，所述溶液108提供给钝化层196中的孔200的离子敏感表面204，其中使用由控制和读出电路112将控制信号施加于源124、排出装置128、第一和第二控制电极186、188而产生的势能屏障和梯度。图3A-D描绘了电荷堆积装置104的多个运行循环的实施方案，以响应于溶液108中的离子浓度产生和堆积电荷包。图3A-3D中的每个图可以描绘电荷堆积装置104的运行的一个实施方案的完整循环。图3A-3D中的每个图的顶部描绘了电荷堆积装置104的简化的部分横截面局部示意图，仅显示了源和排出装置区域124、128、栅氧化物164、浮动栅184以及第一和第二控制电极186、188。为了图解和解释方便，从描述中省略了电荷堆积装置104的其它组件，尽管省略的组件可以存在于实际的实施方案中。在每个图中，在电荷堆积装置14图示下面的4个简图描绘了在装置104的运行循环过程中的不同阶段存在于电荷堆积装置104中的势能和电荷。这些简图中的每一个与在该图顶部描绘的电荷堆积装置104的特定空间区域对齐并描绘了其中的势能和电荷，使得每个简图因此描绘了在n-型源和排出装置区域124、128中和在位于控制电极186、188和浮动栅184下面的p-型外延区域中的势能和电荷。
图4是描绘多个控制信号的一个实施方案的信号简图，所述控制信号可以用于控制在图3A-3D中描绘的电荷堆积装置104的运行。在图4中，递送给源124、排出装置128和第二控制电极188的控制信号VS、VD、VC2可以在代表逻辑低和逻辑高状态(诸如低和高电源电压)的电压值之间变化。另一种控制信号VC1(未显示)可以递送至第一控制电极186，且可以不代表逻辑状态，相反可以呈现中间电压值，诸如在低和高电源电压之间的值。控制信号的其它实施方案是可能的，诸如下述控制信号的各种组合：在代表逻辑低和逻辑高状态(诸如低和高电源电压)的电压值之间变化的控制信号，和不代表逻辑状态而是呈现中间电压值(诸如在低和高电源电压之间的值)的控制信号。控制信号的实施方案还可以是电荷堆积装置104的物理结构的具体实施方案的函数。例如，可以选择在第一控制电极186、浮动栅184和第二控制电极188之间的栅氧化物164的高度，以分别控制递送至第一控制电极186、浮动栅184和第二控制电极188的给定控制电压对电荷堆积装置104中的势能的相对影响。
在图3A所示的运行循环的第一阶段之前，在循环前复位阶段(未显示在图3A中)，通过给源124、排出装置128和控制电极186、188递送适当的控制信号，可以除去来自装置104的前一次运行的、残留在电荷堆积装置104中的任何电荷。在图4所示的实施方案中，可以将高电压递送至排出装置124和第二控制电极188，将低电压递送至源124，并将中间电压递送至第一控制电极186，以清除来自装置104的前一次运行的任何电荷。
在图3A所示的运行循环的第一阶段220，在位于浮动栅184下面的半导体区域224(例如，p-型外延区域224)中形成的任何电荷包216可以转移至排出装置扩散区域208。这可以如下实现：在位于第一控制电极186、栅184和第二控制电极188下面的半导体区域228、224、232中建立电势梯度，以指导在栅184下面的电荷移动至排出装置扩散区域208。具体地，可以在位于第一控制电极186下面的区域228中建立相对更低的电势和因而相对更高的电子流屏障，并可以在位于第二控制电极188下面的区域232中建立相对更高的电势和因而相对更低的电子流屏障。
图3A-3D的电位图和在本文中描绘和讨论的其它电位图遵循下述惯例：增加的势能对应着势能图中向下的方向。因而，图中空间更低的表示描绘了相对更高的势能。通过将相对更高的电压施加于控制电极186、188，或将它们呈现在浮动栅184，可以在p-型区域中诱导相对更高的势能，且可以代表p-型区域中的电子的堆积或通过的更低势垒。相反，通过将相对更低的电压施加于控制电极186、188，或将它们呈现在浮动栅184，可以在p-型区域中诱导相对更低的势能，且可以代表p-型区域中的电子的堆积或通过的更高势垒。
返回图3A，假定均匀的栅氧化物厚度，通过将递增的电压分别施用或呈现于第一控制电极186、浮动栅184和第二控制电极188，可以在位于第一控制电极186、浮动栅184和第二控制电极188下面的区域228、224、232中建立第一阶段势能梯度。可替换地，还可以使用其它施加的或呈现的电压和不均匀的栅氧化物厚度来建立该势能梯度。图4描绘了这样的实施方案：其中在第一阶段，可以将高电压递送至第二控制电极188和源124，可以将低电压递送至排出装置124，且可以将中间电压递送至第一控制电极186。第一阶段控制信号的其它实施方案是可能的。
应当指出，因为图3A描绘了在循环前复位阶段已经除去来自前一次运行的任何残余电荷包216以后电荷堆积装置104的几个运行循环中的第一个，在栅184下面尚未形成电荷包216，因而在图3A所示的第一阶段220，没有电荷包216被转移至排出装置128。但是，通过图3B-3D所示的连续循环，可以解释在第一阶段220中电荷包216从栅184下面向排出装置区域128的转移。
在图3A所示的运行循环的第二阶段236，可以增加在第二控制电极188下面的势垒，以防止电荷包从在栅184下面的区域224穿过在第二电极188下面的区域232流至排出装置区域128。图4描绘了第二阶段控制信号的一个实施方案，其中可以将低电压递送至第二控制电极188和排出装置128，将高电压递送至源124，并将中间电压递送至第一控制电极186。其它第二阶段控制信号实施方案是可能的。
在图3A所示的运行循环的第三阶段240，可以将电荷(例如，电子)从n-型源区域124注射进位于浮动栅184下面的p-型区域224中。因为在第二阶段236中已经将在第二电极188下面的势垒增加至高于在第一控制电极186和浮动栅184下面的势垒，电荷242可以从源124溢出电荷堆积装置104流至第一控制电极186和浮动栅184的下面，但是不到第二控制电极188的下面。以不同的方式，可以穿过源124将电荷242注射进电荷堆积装置104中，所述方式诸如：通过使用电流源或电荷泵将电荷选择性地注入源124中，或者在将电压供给或呈现在电荷堆积装置104的别处(例如，在第一控制电极186和浮动栅184上)的背景下，通过将合适的电压施加于源124。图4描绘了控制信号的一个实施方案，其中可以将低电压递送至源124，同时可以将相对更高的电压递送或呈现在第一控制电极186和浮动栅184上(例如，将中间电压递送至第一控制电极186，并通过溶液108中的离子浓度在浮动栅184上诱导电势)。
在第四阶段244，可以结束从源124向电荷堆积装置104中的电荷注射，并除去在源124中和在第一控制电极186下面的多余电荷。但是，因为在第一控制电极186下面和在浮动栅184下面之间可以存在电势差，电荷包216可以保留在浮动栅184下面，作为该电势差的结果。该电势差可以是施加于第一控制电极186的电压VC1和由于溶液104中的离子浓度而呈现在浮动栅184上的电压的函数。因而，在第四阶段244中保留在浮动栅184下面的电荷包216的大小，可以是施加于第一控制电极186的电压VC1和由于溶液108中的离子浓度而呈现在浮动栅184上的电压的函数，并因而是溶液108中的离子浓度的量度(如果已知施加于第一控制电极186的电压VC1)。
最后，在电荷堆积装置104的下一个运行循环的第一阶段220，如图3B所示，且如上面关于图3A所示的第一运行循环的第一阶段220所讨论的，在第一运行循环的第四阶段244以后保留在浮动栅184下面的电荷包216可以从栅184下面穿过在第二控制电极188下面的区域232转移进排出装置扩散区域128，它可以维持在这里。因而，在单个运行循环以后，单个电荷包216(其具有可以作为溶液108的离子浓度的量度的大小)已经被收集在电荷堆积装置104的排出装置128处。
尽管电荷堆积装置104可以仅利用收集在排出装置128处的单个电荷包216来提供溶液104中的离子浓度的量度，所述电荷堆积装置104还可以如下检测和提供溶液108中的离子浓度的量度：在电荷堆积装置104的多个运行循环中，将多个电荷包216收集在排出装置128处。所述收集的多个电荷包216还可以提供溶液108中的离子浓度的量度。图3B-3D描绘了在图3A所示的第一运行循环以后，电荷堆积装置104的第二、第三和第四运行循环。在每个循环以后，可以在排出装置128处堆积另一个电荷包216，作为离子浓度的函数。在图3B中，在第二循环的第一阶段220，在图3A所示的第一循环以后，可以将第一电荷包216捕集在排出装置128处。在图3C中，在第三循环的第一阶段220，在图3B所示的第二循环以后，可以在排出装置128处堆积第一和第二电荷包216b。在图3D中，在第四循环的第一阶段220，在图3C所示的第三循环以后，可以在排出装置128处堆积第一、第二和第三电荷包216c。
通过提供堆积的多个电荷包216形式的离子浓度量度，可以提供这样的量度：与提供仅单个电荷包216形式和阈值电压变化形式的离子浓度量度(如上面关于图1所讨论的)相比，其可以提供具有增加的信号水平和信噪比、多个电荷堆积装置104的提高的性能匹配和减少的闪烁噪音的量度。例如，由于电荷(诸如空穴和电子)的热活动，产生的电荷包通常伴有一定的噪音。在一个实施方案中，单个电荷包的堆积可以伴有与k·T·C成比例的噪音电荷误差，其中k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，且C是在浮动栅下面的电荷富集区的电容。当所述电荷是电子时，每个收集的包的电压噪音误差可以等于((k·T·C)的平方根)/q，其中q是电子的电荷，C等于氧化物电容Cox乘以浮动栅184的面积。但是，基于多个电荷包堆积的输出信号的信噪比SNR可以与(2·n·C/k·T)的平方根成比例，其中n是堆积的包216的数目，即，用于提供单次离子浓度测量的电荷堆积装置104的运行循环的数目。因而，离子浓度测量的信噪比可以与在单次测量中的包216的数目的平方根成比例地增加。
在电荷堆积装置104堆积于排出装置128处以后，使用控制和读出电路112的实施方案，可以将多个电荷包216转化成输出信号或转移出电荷堆积装置。所述控制和读出电路112可以控制电荷堆积装置104的循环运行和以堆积的电荷包216为基础的输出信号的产生的各个方面。所述控制和读出电路112可以如下控制电荷堆积装置104：通过将控制信号提供给源124、排出装置128、第一控制电极186和第二控制电极188，以可选择的预定堆积频率堆积包216。所述堆积频率可以是电荷堆积装置104的单个运行循环的运行频率。可以基于溶液中的离子浓度的预期变化速率、电荷堆积装置104及控制和读出电路112的性能特征或它们的组合，或作为它们的函数，选择所述堆积频率。所述控制和读出电路112还可以如下控制以电荷堆积装置104堆积的电荷包216为基础的输出信号的产生：通过向它们提供控制信号，以在可选择的输出产生频率产生输出信号或将堆积的多个电荷包216转移出电荷堆积装置104。所述输出产生频率可以是从电荷堆积装置104中的堆积包216产生单个输出信号值的频率。可以基于溶液108中的离子浓度的预期变化速率、电荷堆积装置104及控制和读出电路112的性能特征或它们的组合，或作为它们的函数，选择所述输出产生频率。当所述输出信号是基于多个堆积的电荷包216时，所述输出产生频率可以小于电荷包堆积频率。
单个电荷堆积装置104，连同控制和读出电路112中专门用于该装置104的有关部分一起，可以代表多个离子感测像素246的阵列250中的单个离子感测像素246。图5描绘了具有多个离子感测像素246的离子感测像素阵列250的一个实施方案。每个像素电路246可以包括电荷堆积装置104以及控制和读出电路112的有关部分。所述控制和读出电路112的有关部分可以是特定像素246的一部分且专门用于所述特定像素246。所述像素阵列可以排列成像素246的多个行和列。所述像素阵列250可以受到控制、编址，且具有多个行和列控制线、寻址线和数据线(对于每行和每列而言，包括：一个或多个行控制线、寻址线和数据线R1-Rx，统称为行线R1-Rx，和一个或多个柱控制线、寻址线和数据线C1-Cx，统称为列线C1-Cx)的数据输入和输出。
图6描绘了离子感测像素246a的一个实施方案，所述离子感测像素246a具有电荷堆积装置104和有关的控制和读出电路部分112的实施方案。应当指出，图6再次描绘了电荷堆积装置104的简化图示，但是，描绘的像素246a的实施方案可以包括电荷堆积装置104的其它组件，诸如图2所示的其它组件。图6的实施方案可以称作三晶体管、三电极或3T3E、像素246。所述控制和读出电路112可以包括三晶体管，包括复位晶体管M1和一对读出晶体管M2、M3。所述电荷堆积装置104可以具有三电极，包括第一和第二控制电极186、188和浮动栅184。所述控制和读出电路112可以接收多个列线(包括第一和第二列线C1A、C1B)和多个行线(包括第一和第二行线R1A、R1B)。
为了参照源和排出装置等进行讨论的目的，将假定，在图6的像素实施方案246a中，和在本文讨论的其它像素实施方案描绘中，控制和读出晶体管M1、M2、M3是NMOS晶体管。但是，在其它像素实施方案中，所述控制和读出晶体管可以是NMOS或PMOS晶体管或它们的任意组合。在图6中，第一读出晶体管M2可以具有：与电荷堆积装置104的排出装置区域128相连的栅，与第二读出晶体管M3的排出装置相连的源，和与第二列线C1B相连的排出装置。所述第二读出晶体管M3可以具有：与第一行线R1A相连的栅，与第一列线C1A相连的源，和与第一读出晶体管M2的源相连的排出装置。所述复位晶体管M1可以具有：与电荷堆积装置104的排出装置128相连的源，与第二行线R1B相连的栅，和与第二列线C1B相连的排出装置。
图6的控制和读出电路112的实施方案可以用于控制电荷堆积装置104，并与图3A-3D和图4所示的电荷堆积装置104的运行相结合地产生与输出信号。在复位运行中，复位晶体管M1和第二行和列线R1B、C1B可以用于在循环前复位阶段复位电荷堆积装置104，正如上面所讨论的。例如，逻辑高信号或高值电压(诸如上电源)可以递送给第二行和列线R1B、C1B，同时逻辑低信号或低值电压(诸如低电源)可以递送给第一行线R1A，以开启静止晶体管M1，同时关闭第二读出晶体管M3。这可以将高电压值递送至电荷堆积装置104的排出装置区域128，导致在排出装置128处堆积的任何电荷包216的清除，从而复位电荷堆积装置104。
在读出运行中，读出晶体管M2、M3和第一行和列线R1A、C1A可以用于产生输出信号，作为在装置104的一个或多个运行循环以后在电荷堆积装置104的排出装置区域128处堆积的电荷包216的函数，正如上面所讨论的。例如，逻辑高信号或高值电压(诸如上电源)或可替换地中值电压(诸如在上和下电源之间的电压)可以递送给第一行线R1A，同时逻辑低信号或低值电压(诸如低电源)可以递送给第二行线R1B，从而基本上激活第一和第二读出晶体管M2、M3，同时关闭复位晶体管M1。以此模式，第一和第二读出晶体管M2、M3可以用作放大器，以将堆积在电荷堆积装置104的排出装置区域128处的一个或多个电荷包216转化成在第一列线C1A上的电压输出信号。所述第一读出晶体管M2可以模型化为以源极跟随器构型运行，从而接收来自电荷堆积装置104的排出装置128的输入电压，并将在它的源处的中间输出电压提供给第二读出晶体管M3的排出装置。电荷包216向在电荷堆积装置104的排出装置128处的输入电压的转化，可以是电荷在排出装置128处堆积的固有结果。所述第二读出晶体管M3可以模型化为相对于源极跟随器第一读出晶体管构型以共源共栅构型运行，由此增强双晶体管组合与单独的源极跟随器相比的增益。所述第二读出晶体管M3可以接收来自源极跟随器的源的中间输出，并将输出电压提供给在该源处的第一列线C1A。
图7描绘了离子感测像素246b的另一个实施方案，所述离子感测像素246b具有电荷堆积装置104和有关的控制和读出电路部分112的实施方案。应当指出，图7再次描绘了电荷堆积装置104的简化图示，但是，描绘的像素246b的实施方案可以包括电荷堆积装置104的其它组件，诸如图2所示的其它组件。图7的实施方案可以称作二晶体管、三电极或2T3E、像素。所述控制和读出电路112可以包括二晶体管，包括复位晶体管M4和读出晶体管M5，所述电荷堆积装置104可以具有三电极，包括第一和第二控制电极186、188和浮动栅184。所述控制和读出电路112可以接收行线R2A和多个列线，包括第一和第二列线C2A、C2B。
与图6的像素实施方案246a相比，图7的像素实施方案246b可以通过控制在电荷堆积装置104的排出装置128处的电压来减少读出晶体管的数目，以消除对图6的像素实施方案246a的第一行线R1A提供的行选择功能性的需求。在图7和9各自中的排出装置128也称作浮动扩散128，可以具有电容的性质。通过控制当像素246b未活化时的浮动扩散电势，可以消除所述行选择装置。与浮动扩散128(例如图7中的M5)相关系的栅可以保持在低电势，以便在不使用时禁止源极跟随器M5。因此，在已经读出像素246b以后，可以将浮动扩散128采样至低电势，然后保持在该电势，直到再次读取像素246b。电势保持较低的一个原因可以是，浮动扩散128象保持采样在它上面的低电压的电容器一样起作用。
应当指出，在图7中，描绘的第一和第二控制电极186、188的空间排布与以前的图中所示相反，第一控制电极186描绘在右手侧，第二控制电极188描绘在左手侧。再次，为了参照源和排出装置等进行讨论的目的，将假定，控制和读出晶体管是NMOS晶体管，但是，在任意像素实施方案中的控制和读出晶体管可以是NMOS或PMOS晶体管或它们的任意组合。所述复位晶体管M4可以具有：与电荷堆积装置104的排出装置128相连的源，与行线R2A相连的栅，和与第二列线C2B相连的排出装置。所述读出晶体管M5可以具有：与电荷堆积装置104的排出装置区域128(且因而也与复位晶体管M4的源)相连的栅，与电荷堆积装置104的源124和第一列线C2A相连的源，和与第二列线C2B相连的排出装置。
图8A-8D描绘了图7的像素实施方案246b的运行的一个实施方案，以堆积作为溶液离子浓度的函数的多个电荷包216，并产生作为堆积的电荷包216的函数的输出信号。图8A-8D描绘了电荷堆积装置104的运行的一个实施方案的多个完整循环。与图3A-3D类似地，图8A-8D各自的顶部描绘了像素246的简化的部分横截面局部示意图，包括电荷堆积装置104和控制和读出晶体管M4、M5。为了图解和解释方便，从描述中省略了电荷堆积装置104和控制和读出晶体管M4、M5的其它组件，尽管省略的组件可以存在于实际的实施方案中。在每个图中，在电荷堆积装置104和控制和读出晶体管M4、M5的图示下面，4个简图以与上面的像素图示在空间上对齐的方式，描绘了在像素246b的运行循环的不同阶段在电荷堆积装置104和控制和读出晶体管M4、M5中的势能和电荷堆积。
在复位阶段254中，复位晶体管M4和行线和第二列线R2A、C2B可以用于复位电荷堆积装置104。逻辑高信号或高值电压(诸如上电源)可以递送给行线和第二列线R2A，以开启静止的晶体管M4和读出晶体管M5。这可以将高电压值递送至电荷堆积装置104的排出装置128和源124，从而导致在电荷堆积装置104的排出装置和源128、124处堆积的任何电荷的清除，并从而复位装置104。
在运行循环的第一阶段258，可以关闭复位晶体管M4，并增加在第二电极188下面的势垒(即，建立低电势)，使电荷堆积装置104准备好用于在浮动栅184下面产生电荷包216。可以关闭所述复位晶体管M4，并通过将逻辑低或低值电压递送至行线R2A和第二控制电极188，在第二电极188下面建立低电势。应当指出，在第一阶段258结束时，在读出晶体管M4的栅下面仍然存在高电势，并因而存在低势垒。
在运行循环的第二阶段262，可以将电荷(例如，电子)从电荷堆积装置104的n-型源区域124注射进位于浮动栅184下面的p-型区域224中。电荷264可以从源124溢出电荷堆积装置104流至浮动栅184的下面，但是不到第二控制电极188的下面。以不同的方式，可以穿过源124将电荷注射进电荷堆积装置104中，所述方式诸如：通过使用电流源或电荷泵将电荷选择性地注入源124中，或者在将电压(例如，逻辑低或低值电压)供给或呈现在第一控制电极186和浮动栅184的背景下，通过将合适的电压施加于源124。使用第一列线C2A，可以通过源124在浮动栅184下面注射电荷，并因而可以将电荷265同时注射进读出晶体管M4(包括它的源和排出装置区域)中和在它的栅下面，因为在运行循环的第一阶段258以后在该晶体管M4的栅下面仍然存在低势垒。
在第三阶段266中，可以结束向电荷堆积装置和读出晶体管中的电荷注射，并消除这些装置中的多余电荷。但是，因为电势差可以存在于第一控制电极186下面和浮动栅184下面之间，电荷包216可以保留在浮动栅184下面，作为该电势差的函数。如上面关于图3A-3D所讨论的，在在该阶段266保留在浮动栅184下面的电荷包216的大小，可以是施加于第一控制电极186的电压和由于溶液108中的离子浓度而呈现在浮动栅184上的电压的函数，并因而是溶液108中的离子浓度的量度(如果已知施加于第一控制电极186的电压)。
最后，在图8B描绘的第一运行循环的最后阶段270，在循环的第三阶段266以后保留在浮动栅184下面的电荷包216可以从栅184下面穿过位于第二控制电极188下面的区域232转移进排出装置扩散区域128，它可以保留在这里，这类似于上面关于图3A-3D的运行循环的第一阶段220所讨论的。通过将逻辑高或高值电压递送至第二控制电极188，通过降低在第二控制电极188下面的势垒，可以使电荷包216转移至排出装置区域128。递送至电荷堆积装置104的排出装置128的电荷会逐渐降低在该排出装置128处的电压，且因为读出晶体管M5的栅与排出装置128相连，所述电荷包216因而也会逐渐增加在读出晶体管M5的栅处的电压，正如在运行循环的最后阶段270结束时在该读出晶体管M5的栅下面逐渐降低的势垒272所证实的。以此方式，在读出晶体管M5的栅处的电压和在所述栅下面的电势可以是在每个运行循环结束时在电荷堆积装置104的排出装置128处堆积的电荷包216的函数。
图8B-8C描绘了第二运行循环，其中象在图8A-8B描绘的第一运行循环中一样，堆积另一个电荷包，结果是，在读出晶体管的栅处的电压和在所述栅下面的电势再次跟踪多个堆积的电荷包216的大小。图8C也描绘了在第二运行循环以后的另一个复位阶段。
通过在读出晶体管M5的源处采样电压，可以产生输出。这可以发生在读出阶段274过程中。使用双重采样技术，其中提供第一输出和第二输出，也可以产生所述输出。所述第一输出可以代表由存在于电荷堆积装置104的排出装置128处的背景电荷水平产生的输出。所述第二输出可以代表由背景电荷水平和在排出装置128处堆积的多个电荷包216产生的输出。从第二输出减去第一输出，因而可以生成堆积的电荷包216的更准确测量，以代表溶液108的离子浓度。在一个实施方案中，在运行循环的第一阶段258，可以采样第一输出。所述第二输出则可以是在读出阶段274中采用的输出。
图8D也描绘了在图7中描绘的实施方案246a的一行像素的灭活顺序的一个实施方案。在所述灭活顺序的第一阶段278，将逻辑低或低值电压递送至行线R2A，同时将逻辑高或高值电压递送至第一列线C2A。在灭活顺序的第二阶段282，将逻辑高或高值电压递送至行线R2A，同时将逻辑低或低值电压递送至第一列线C2A。在灭活顺序的第三阶段286，将逻辑低或低值电压递送至行线R2A，同时将逻辑低或低值电压维持在第一列线C2A。在所述灭活顺序的第四阶段290，将逻辑低或低值电压维持在行线R2A上，同时将逻辑高或高值电压递送至第一列线C2A。
图9描绘了二晶体管、三电极或2T3E、像素的另一个实施方案246c。所述控制和读出电路112可以包括二晶体管，包括复位晶体管M6和读出晶体管M7，且所述电荷堆积装置104可以具有三电极，包括第一和第二控制电极186、188和浮动栅184。所述控制和读出电路112可以接收行线R3A和多个列线，包括第一和第二列线C3A、C3B。所述复位晶体管M6可以具有：与电荷堆积装置104的排出装置128相连的源，与行线R3A相连的栅，和与第二列线C3B相连的排出装置。所述读出晶体管M7可以具有：与电荷堆积装置104的排出装置区域128(并因而也与复位晶体管M6的源)相连的栅，与第一列线C3A相连的源，和与第二列线C3B相连的排出装置。开启复位晶体管M6可以除去在电荷堆积装置104的排出装置128处堆积的电荷包216，并从而复位电荷堆积装置104，这类似于上面关于各个实施方案所讨论的。关闭复位晶体管M6以后，读出晶体管M7可以提供输出电压，作为在以源极跟随器构型运行的电荷堆积装置104的排出装置128处堆积的电荷包216的函数，或提供输出电流，作为在以公共源构型运行的电荷堆积装置104的排出装置128处堆积的电荷包216的函数。
电荷堆积装置104还可以包括超过2个控制电极。图10描绘了离子感测像素246d的一个实施方案，所述离子感测像素246d具有2个控制和读出晶体管和4个电荷堆积装置电极，包括3个控制电极和1个浮动栅。尽管图10描绘了电荷堆积装置104b的简化图示，实际的实施方案可以包括电荷堆积装置的其它组件，诸如图2描绘的组件。电荷堆积装置104b的电极可以包括：在浮动栅184的一侧上的第一和第二电极186、294，和在浮动栅184的另一侧上的第三电极188。图10的电荷堆积装置104b可以不包括源区域，但是可以包括与在第三电极188下面的区域邻近的排出装置区域128。所述控制和读出电路112与在图9中描绘的相应电路相同，且可以包括二晶体管，包括复位晶体管M8和读出晶体管M9，并接收行线R4A和多个列线，包括第一和第二列线C4A、C4B。所述复位晶体管M8可以具有：与电荷堆积装置104b的排出装置128相连的源，与行线R4A相连的栅，和与第二列线C4B相连的排出装置。所述读出晶体管M9可以具有：与电荷堆积装置104b的排出装置区域128(并因而也与复位晶体管M8的源)相连的栅，与第一列线C4A相连的源，和与第二列线C4B相连的排出装置。所述复位和读出晶体管M8、M9可以象它们在图9的实施方案中那样运行。
图11A-11D描绘了图10的像素实施方案246d的运行的一个实施方案，以堆积作为溶液离子浓度的函数的多个电荷包216，并产生作为堆积的电荷包216的函数的输出信号。图11A-11D描绘了电荷堆积装置104b的运行的一个实施方案的多个完整循环。图11A-11D各自的顶部描绘了图10的电荷堆积装置104b和控制和读出晶体管M8、M9的简化的部分横截面局部示意图。为了图解和解释方便，从描述中省略了电荷堆积装置104b和控制和读出晶体管M8、M9的其它组件，尽管省略的组件可以存在于实际的实施方案中。在每个图中，在电荷堆积装置104b和控制和读出晶体管M8、M9的图示下面，4个简图以与上面的像素图示在空间上对齐的方式，描绘了在像素246d的运行循环的不同阶段在电荷堆积装置104b和控制和读出晶体管M8、M9中的势能和电荷堆积。
在图11A描绘的复位阶段298，可以在第一电极294、第二电极186、浮动栅184和第三电极188下面从左向右建立电势梯度，并将逻辑高或高电压值递送至复位晶体管M8的栅，以从电荷堆积装置104b清除从前一次运行残留的任何电荷。
在像素246d的运行循环的第一阶段302，然后可以增加在第三电极188下面的势垒，高于在复位阶段298中的势垒和在浮动栅184上存在的势垒。在像素运行循环的第二阶段306，可以通过排出装置扩散结128将电荷注射进电荷堆积装置104b中。在第三阶段310，可以从电荷堆积装置104b消除注射的电荷，同时电荷包216保留在浮动栅184下面，这是由于在第二阶段306中建立的浮动栅184和第三电极188之间的势垒差。在运行循环的第四和最后一个阶段314，可以在第三电极188、浮动栅184、第二电极186和第一电极186下面从右向左建立电势梯度，以使电荷包216从浮动栅184下面向第一电极294下面移动。
然后可以重复该堆积循环多次，如图11B-11C所示，以在第一电极294下面堆积多个电荷包216。
图11D描绘了一种读出顺序，以基于在第一电极294下面堆积的多个电荷包216的大小而产生输出信号。所述读出顺序可以包括双重采样技术，其中提供第一输出和第二输出。所述第一输出可以代表由存在于电荷堆积装置104b的排出装置128处的背景电荷水平产生的输出。所述第二输出可以代表由背景电荷水平和在第一电极294处堆积的多个电荷包216(在它们已经转移至电荷堆积装置104b的排出装置128以后)产生的输出。从第二输出减去第一输出，因而可以生成电荷包216的更准确测量，其代表溶液离子浓度的测量。在读出顺序的第一阶段318，可以由读出晶体管M9提供第一输出，同时多个电荷包216仍然堆积在第一电极294的下面。在读出顺序的第二阶段322，可以在第一电极294、第二电极186、浮动栅184和第三电极188下面从左向右建立电势梯度，以使多个电荷包216从第一电极294下面移动至电荷堆积装置104b的排出装置128。在第二阶段322以后，在读出顺序的第三阶段326，可以由读出晶体管M8提供第二输出。
图11D也描绘了图10的像素实施方案246d的一行的灭活顺序的2个阶段330、334。
上面讨论的实施方案的变化是可能的。尽管本文已经描绘和讨论电荷堆积装置的实施方案作为包括n-型源和排出装置和在浮动栅和控制电极下面的p-型区域，在实施方案中，该关系还可以反转，成为这样的电荷堆积装置：其包括p-型源和排出装置和在栅和控制电极下面的n-型区域。尽管图2描绘了在控制电极和浮动栅下面的外延p-型区域，在实施方案中，在控制电极和浮动栅下面的p-型或n-型区域可以包括扩散区域或其它类型的p-型或n-型区域，作为外延区域的替代或附加。尽管本文已经讨论各种控制和读出晶体管作为包括NMOS晶体管，在实施方案中，所述控制和读出晶体管可以包括NMOS晶体管、PMOS晶体管或它们的任意组合。在有些实施方案中，像素阵列的像素的行和列可以共有一些或所有行和列线。尽管在本文讨论的有些实施方案中，已经假定电荷载体和电荷包为电子，在其它实施方案中，电荷载体和电荷包可以包括空穴。尽管在本文中已经讨论电荷堆积装置的运行循环阶段以特定次序发生且具有特定标记(例如，第一阶段、第二阶段等)，在其它实施方案中，可以对所述运行循环的标记和阶段进行变化、重排、添加、减去等。尽管已经讨论电荷堆积装置的实施方案作为具有2个或3个控制电极，在其它实施方案中，所述电荷堆积装置可以具有更多个或小于2个或3个控制电极。尽管本文已经描绘和讨论了控制信号的某些实施方案，在其它实施方案中，各种控制信号可以采取不同的形式。
电荷堆积装置104和离子敏感的像素246的其它实施方案也是可能的。例如，本文所述的电荷堆积装置104和离子敏感的像素246的任意实施方案的任意特征可以任选地用于电荷堆积装置104和离子敏感的像素246的任意其它实施方案中。电荷堆积装置104和离子敏感的像素246的实施方案还可以任选地包括本文所述的电荷堆积装置104和离子敏感的像素246的任意实施方案的组件或特征的任意子集。
尽管上面已经参照具体实施方案描述了本发明，本发明不限于上述实施方案和附图所示的具体构型。所述运行过程也不限于在实施例中所示的那些。本领域技术人员会明白，本发明可以以其它方式来实现，而不脱离本发明的精神和实质特征。所述实施方案因此在所有方面都应视作示例性的，且不是限制性的。因此，本文意图包括由所附权利要求(而不是前面的描述)指定的本发明的范围，以及落入所述权利要求的含义和等效范围内的所有变化。
本文具体地解释和描述了本发明的几个实施方案。但是，应当理解，上述教导覆盖本发明的改进和变体。在其它情况下，没有详细描述公知的操作、组件和电路，以免影响对实施例的理解。可以理解，本文所公开的具体结构和功能细节可以是代表性的，而不一定限制实施方案的范围。
本领域技术人员从前面的描述可以理解，本发明可以以多种形式实现，且各个实施方案可以单独地或组合地实现。因此，尽管已经结合其具体实施例描述了本发明的实施方案，不应如此限制本发明的实施方案和/或方法的真实范围，因为熟练的从业人员在研究附图、说明书和下述权利要求以后会明白其它修改。
各个实施方案可使用硬件元件、软件元件或者它们的结合来实现。硬件元件的实例可以包括：处理器、微处理器、电路、电路元件(例如晶体管、电阻器、电容器、电感器等)、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑门、寄存器、半导体器件、芯片、微芯片、芯片组等。软件的实例可以包括：软件组件、程序、应用、计算机程序、应用程序、系统程序、机器程序、操作系统软件、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、函数、方法、过程、软件接口、应用程序接口(API)、指令集、计算代码、计算机代码、代码段、计算机代码段、字、值、符号或者它们的任何结合。确定实施方案是否使用硬件元件和/或软件元件来实现，可根据任何数量的因素而改变，所述因素例如希望的计算速率、功率级、耐热性、处理周期预算、输入数据速率、输出数据速率、存储器资源、数据总线速度以及其它设计或性能限制。
一些实施方案可以例如使用计算机可读介质或产品来实现，所述介质或产品可存储指令或指令集，所述指令或指令集如果被机器执行，会使所述机器执行根据实施方案的方法和/或操作。这样的机器可包括例如：任何适当的处理平台、计算平台、计算装置、处理装置、计算系统、处理系统、计算机、处理器等，并且可使用硬件和/或软件的任何适当组合来实现。所述计算机可读介质或产品可包括例如：任何适当类型的存储器单元、存储器装置、存储器产品、存储器介质、存储装置、存储产品、存储介质和/或存储单元，例如存储器、可移动或不可移动介质、可擦除或不可擦除介质、可写或可重写介质、数字或模拟介质、硬盘、软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、可记录光盘(CD-R)、可重写光盘(CD-RW)、光盘、磁介质、磁光介质、可移动存储卡或盘、各种类型的数字多功能光盘(DVD)、磁带、盒式磁带等。所述指令可以包括任何适当类型的代码，例如源代码、编译代码、解释代码、可执行代码、静态代码、动态代码、加密代码等，所述代码使用任何适当的高级的、低级的、面向对象的、可视的、编译的和/或解释的编程语言来实现。

Claims (19)

1.一种离子敏感的电路，其包括：
电荷堆积装置，其用于堆积多个电荷包，作为流体离子浓度的函数，所述电荷堆积装置包括：
在第一电极半导体区域之上的第一电荷控制电极，其用于响应于施加在第一电极上的第一控制信号而控制电荷进入栅半导体区域；和
在栅半导体区域之上且在离子敏感的钝化表面之下的电浮动栅结构，其构造成接收所述流体；
在第二电极半导体区域之上的第二电荷控制电极，其响应于施加在第二电极上的第二控制信号而控制所述多个电荷包离开所述栅半导体区域和进入排出装置扩散区域的转移；和
排出装置扩散区域，其接收经由所述第二电极半导体区域来自所述栅半导体区域的所述多个电荷包，
在所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域处的至少一个控制和读出晶体管，其用于产生输出电压，作为堆积的所述多个电荷包的函数，其中所述输出电压代表溶液的离子浓度。
2.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其另外包括控制电路，所述控制电路构造成产生和提供注射控制信号，以通过所述第一电极半导体区域将电荷注射进所述栅半导体区域。
3.根据权利要求2所述的离子敏感的电路，其另外包括在所述第一电极半导体区域附近的源扩散区域，其中所述注射控制信号包括提供给所述源扩散区域的源控制信号，以通过所述源扩散区域将所述电荷注射进所述栅和第一电极半导体区域中。
4.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其另外包括控制电路，以产生并给所述第二控制电极提供所述第二控制信号，以将所述多个电荷包中的每一个从所述栅半导体区域穿过所述第二电极半导体区域一次一个地逐个地转移至所述排出装置扩散区域。
5.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其另外包括控制电路，以产生并给至少一个读出晶体管提供读出控制信号，从而在已经将所述多个电荷包从所述栅半导体区域一次一个地逐个地转移至所述排出装置扩散区域以后，产生输出信号。
6.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其中所述电荷堆积装置和所述至少一个读出晶体管形成像素电路，且所述离子敏感的电路另外包括多个排列成离子敏感的像素阵列的像素电路。
7.根据权利要求6所述的离子敏感的电路，其中所述像素阵列包括像素电路的多行和多列，每行包括一个或多个行控制和数据线，且每列包括一个或多个列控制和数据线。
8.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其另外包括控制电路，所述控制电路构造成控制所述电荷堆积装置，以在可选择的电荷包堆积频率，将所述多个电荷包中的每一个从所述栅半导体区域穿过所述第二电极半导体区域逐个地转移至所述排出装置扩散区域。
9.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其另外包括控制电路，所述控制电路构造成控制所述电荷堆积装置和至少一个读出晶体管，以在可选择的输出产生频率，产生输出信号，作为在所述排出装置扩散区域处堆积的所述多个电荷包的函数。
10.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其中所述至少一个控制和读出晶体管包括：
复位晶体管，其连接至所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域、行控制线和列控制线；和
第一和第二读出晶体管，它们连接至所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域、列控制线和列数据线，其中所述第一读出晶体管以源极跟随器构型相连，所述第二读出晶体管以共源共栅构型相连。
11.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其中所述至少一个控制和读出晶体管包括：
复位晶体管，其连接至所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域、行控制线和列控制线；和
读出晶体管，其连接至所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域、所述电荷堆积装置的源扩散区域、列控制线和列数据线。
12.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其中所述至少一个控制和读出晶体管包括：
复位晶体管，其连接至所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域、行控制线和列控制线；和
读出晶体管，其连接至所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域、列控制线和列数据线。
13.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其中所述电荷堆积装置包括与所述第一电极半导体区域邻近的源扩散区域，所述第一电极半导体区域与所述栅半导体区域邻近，所述栅电极半导体区域与所述第二电极半导体区域邻近，且所述第二电极半导体区域与所述排出装置扩散区域邻近。
14.根据权利要求1所述的离子敏感的电路，其中所述电荷堆积装置包括在第三电极半导体区域上面的第三电荷控制电极，以在所述多个电荷包被转移至所述排出装置扩散区域之前，控制所述多个电荷包在所述第三电极半导体区域中的堆积。
15.一种检测流体离子浓度的方法，所述方法包括：
使具有离子浓度的流体在离子敏感电路的电荷堆积装置的栅结构上面的离子敏感的钝化表面之上经过；
在位于所述栅结构下面的所述电荷堆积装置的栅半导体区域中一次一个地逐个地形成多个电荷包，作为所述流体离子浓度的函数；
将控制信号施用于在所述电荷堆积装置的电极半导体区域上面的控制电极，以控制所述电荷包一次一个地从所述栅半导体区域转移；
以可选择的电荷包堆积频率，在所述电荷堆积装置的排出装置扩散区域处堆积所述多个电荷包；和
以可选择的输出信号产生频率，使用至少一个控制和读出晶体管在所述排出装置区域处产生输出信号，作为堆积的所述多个电荷包的函数，其中所述输出信号代表所述流体离子浓度的量度。
16.根据权利要求15所述的方法，其另外包括：响应于所述控制信号向所述控制电极的施加，一次一个地逐个地转移所述多个电荷包穿过所述电极半导体区域。
17.根据权利要求15所述的方法，其另外包括：穿过第二控制电极区域，从源区域将电荷注射进所述栅半导体区域中，以提供电荷形成所述电荷包。
18.根据权利要求15所述的方法，其另外包括：在堆积所述多个电荷包之前，除去以前在所述排出装置扩散区域处堆积的任何电荷包。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述输出信号产生频率小于电荷包堆积频率。
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