CN103210307B - Isfet器件 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于检测样品的离子浓度变化的半导体器件及使用该半导体器件的方法。该器件包括：多个场效应晶体管（FET），其耦合到公共的浮动栅极；以及离子感测层，其暴露于样品并且耦合到该浮动栅极。还可以存在耦合到浮动栅极的其他输入电压。

Description

ISFET器件

技术领域

本发明涉及用于根据样品的离子浓度来切换电输出的器件和方法。

背景技术

通常ISFET构造来用于利用其周围的模拟预处理电路进行的连续时间（模拟）测量。一般模拟至数字转换是处理步骤中的一个。这是需要值连续的情况。然而，存在寻求是/否判定的很多应用。例如，在DNA杂交和SNP插入检测中，利用是/否回答来检测一个过程是否发生就足够了（5）（6）。其他应用仅要求溶液中的两种化学物质的浓度比较。例如，肌氨酸酐的浓度是否大于尿素的浓度，反之亦然（7）。

离子敏感场效应晶体管（ISFET）由其栅极暴露于电解质中的离子电荷的场效应晶体管（FET）构成。参考电极浸入电解质溶液，电解质溶液与晶体管的栅极氧化物接触，参见图1。因此，电解质和参考电极的组合起到普通MOSFET中的栅极的作用。栅极氧化物成为离子敏感薄膜。FET的电气工作模式可以表达为：

弱反型 $I_{\mathrm{DS}}=I_{\mathrm{DO}}\frac{W}{L}{e}^{\left(\frac{V_{\mathrm{Gs}}-V_t}{n{U}_T}\right)}$

三极管区 $I_{\mathrm{DS}}=\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}\[(V_{\mathrm{gs}}-V_t)V_{\mathrm{DS}}-\frac{V_{\mathrm{DS}}^2}{2}\]---\left(1\right)$

饱和区 $\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{DS}}=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_t)}^2(1\\ +\mathrm{\λ}{V}_{\mathrm{DS}})\end{array}$

由参考电极、电解质、以及离子敏感薄膜的相互作用而产生的电压降可以看作栅-源电压（V_gs）或者阈值电压（V_t）的一部分。这是由以下事实支持的，即，在所有工作区域中的MOSFETI_d-V_gs关系中出现的是它们的差值，等式（1）。

从上述类比，讨论了参考电极是否间接地起到了MOS栅极的作用（1）。因此，电解质起着与栅极氧化物接触的栅极金属的作用。在MOSFET中，V_t由该系统中的栅极材料、衬底掺杂、其绝缘层、以及电荷来决定，等式（2）。V_t对于每个器件来说是常数；并且，因为制造工艺被非常好地控制，所以各器件的V_t变化也得到很好的控制。然而，在根据该类比的ISFET中，电解质成为该系统的一部分，使其V_t取决于电解质特性，等式（3）（1）。阈值电压可以表达为：

MOSFET $V_t=\frac{{\mathrm{\Φ}}_M-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Si}}}{q}-\frac{Q_{\mathrm{ox}}+Q_{\mathrm{ss}}+Q_B}{C_{\mathrm{ox}}}+2{\mathrm{\φ}}_f---\left(2\right)$

ISFET $V_t=-\mathrm{\ψ}+x^{\mathrm{sol}}-\frac{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Si}}}{q}-\frac{Q_{\mathrm{ox}}+Q_{\mathrm{ss}}+Q_B}{C_{\mathrm{ox}}}+2{\mathrm{\φ}}_f---\left(3\right)$

其中：Φ_M为金属功函数，Φ_Si为硅功函数，q为电子电荷，Q_ox为氧化物绝缘层中的积累电荷，Q_ss是氧化物-硅界面中的陷阱电荷，Q_B是体硅中的耗尽电荷，C_ox是栅极氧化物电容，并且Φ_f定义了取决于硅掺杂水平的反型的开始。在等式（3）中，Φ_M由离子敏感薄膜-电解质界面势Ψ、以及与离子敏感薄膜接触的电解质的表面偶极子势χ^sol而替代。前者为电解质离子浓度的函数，其中pH值是其可能的度量。后者是常数。等式（3）启示可以使用电解质离子浓度修改ISFET的阈值电压（1）。

1999年，Bausells等人利用Atmel-ES2的1μm单个多晶硅、双金属标准CMOS工艺集成了ISFET（10）。他们在同一晶片上集成了标准CMOS放大器。基本上，第一次为ISFET提供了浮动的并被连接到金属叠层直到最顶金属层的多晶硅栅极，在最顶部金属层处通过氮氧化物钝化层来感测离子。其他人实施了这个基本想法，并且以不同的商业CMOS工艺利用多个金属层制作了ISFET（10）（11）（12）。

有趣的是，注意这里的晶体管部分实际上是FG-MOSFET，并且敏感部分看起来像离子敏感电容器，其中最顶层金属是一个极板并且电解质形成第二个极板，而钝化层是绝缘层。如果移除参考电极，则这与传统的电容性离子传感器非常相似。

源自晶体管栅极的钝化层电容可被视为分开成两个不同结构。因此，ISFET的晶体管栅极可以称为“电栅极”，离子敏感薄膜之下的最顶层金属可以称为“化学栅极”。

因此，V_t是由等式（2）给出的工艺相关常数。引入等式（3）的化学相关性可以表示为由下式给出的ISFET的浮动栅极电压的一部分：

$V_{\mathrm{FG}}=V_{\mathrm{ref}}-\mathrm{\ψ}+x^{\mathrm{sol}}+V_{\mathrm{Qpass}}---\left(4\right)$

其中，V_Qpass是由于钝化层中的陷阱电荷产生的。

使用现场分离模型（site-dissociationmodel）和古埃-查普曼-斯特恩双层模型（Gouy-Chapman-Sterndoublelayermodel），可以将ISFET建模为如图2所示。其中V_chem是由电解质及其与参考电极和离子敏感薄膜两者的界面而产生的化学电压（6）。

$V_{\mathrm{chem}}=\mathrm{\γ}+V_{\mathrm{Qpass}}+2.3\mathrm{\α}{U}_T\mathrm{pH}---\left(5\right)$

其中，γ是除钝化层陷阱电荷V_Qpass之外的所有pH无关项的归类。U_T是通常的热电压，以及α是取0<α<1之间值的敏感参数。其最大值给出了已知为由25°C下的59.2mV/pH给出的能斯特（Nernstian）敏感度的理论极限（1）。

有关ISFET的大部分公开将V_t视为pH相关参数。发明者已经认识到，从纯电路角度看，ISFET实际上为标准FGMOS，其栅极电容性地耦合到叠加的电压V_ref和V_chem。因此，与标准MOSFET一样，他们考虑到这些来形成浮动栅极输入并且将V_t假设为常数。因此pH变化可以视为V_gs而不是V_t的调制。然而，从物理角度来看，系统不存在变化并且保持同样的分析。因此，等式（1）和等式（2）仍然有效，等式（3）不再相关，并且等式（5）代表化学电压。

第一次尝试使用ISFET来构建反相器是由Shepherd博士和她的同事做出的（5）（16）。图4示出了标准AB类反相放大器中ISFET作为NMOS、普通晶体管作为PMOS。输入连接至PMOS（M2）的栅极和n-ISFET（X1）的参考电极两者。因此，电路的切换阈值与溶液的pH值成比例地变化。

因此pH值的改变调制的是n-MOS的栅极电压，而不是p-MOS。即，互补对中仅有一半是pH敏感的。上拉晶体管的输入不同于下拉晶体管，差值为V_chem。

然而，如果不存在漂移或钝化层陷阱电荷这也是可以接受的。由于钝化层陷阱电荷，ISFET的V_t可以具有变化范围为几个伏特的初始变量（17）（12）。这会致使该电路的切换功能为不可使用的，特别是在n-ISFET具有负阈值电压的情况下。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测样品的离子浓度变化的半导体器件，该器件包括：多个场效应晶体管（FET），其耦合到公共的浮动栅极；以及离子感测层，其暴露于样品并且耦合到该浮动栅极。

使用时，根据感测层附近的样品中的离子浓度的幅值与切换阈值的比较来接通或断开通过晶体管的电流。

可以使用商用CMOS工艺来构建该器件。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测样品的离子浓度的器件，该器件包括：场效应晶体管（FET），其耦合到浮动栅极；离子感测层，其暴露于样品并且耦合到浮动栅极；以及一个或多个电输入信号，其耦合到浮动栅极以用于对浮动栅极除去或增加电荷，以针对多个晶体管设置切换阈值。

电输入信号可以配置成耦合到该浮动栅极以设置切换阈值，并且在不设置切换阈值时去耦合。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于检测样品的离子浓度的器件，该器件包括：场效应晶体管（FET），其耦合到浮动栅极；离子感测层，其暴露于样品并且耦合到浮动栅极；以及耦合到浮动栅极的一个电输入信号，其中电输入信号配置成在幅值上改变，以便切换多个场效应晶体管。

根据本发明的第四方面，提供了用于检测多个化学反应以及用于对将多个化学反应中的每一个的结果作为其输入的逻辑函数求值的电路，该电路包括至少一个反应室，其用于多个化学反应中的每一个，化学反应改变反应室中的离子浓度。每个反应室设置有根据第一方面的器件，每个器件提供其状态取决于反应室的离子浓度的数字输出信号，并且其中这些输出耦合在一起以形成用于对逻辑函数求值的数字信号处理电路。

根据本发明的第五方面，提供了一种提供表示样品中的目标离子的浓度的输出的方法。该方法包括：提供CMOS开关，该CMOS开关包括耦合到公共浮动栅极的多个场效应晶体管（FET）、以及暴露于样品并且耦合到该浮动栅极的离子感测层；将离子感测层暴露于样品，以切换CMOS的接通或断开状态；以及从CMOS开关输出信号。

通过使用公共浮动栅极，该器件可以利用对于离子变化的高敏感度以及对于像陷阱电荷之类的其他成分的低敏感度来进行切换。

通过修改已知反相器电路，发明者已将敏感度提高了几个数量级。高敏感度pH驱动的反相器使得可以检测本不能检测到的小的pH变化。这增强了测量敏感度并且放宽了对样品体积和浓度的限制。

该电路可以用来针对反应室执行反应监控以及pH-阈值操作。其数字输出可以用来构建标准数字电路，其中各输入来自不同反应室。这有利于构建基于完全数字化ISFET的片上实验室（labonchip）的应用。

附图说明

现在将参考附图仅以示例方式来描述本发明的具体实施例，其中：

图1是ISFET以及对MOSFET的类比的剖面示图；

图2的A是以标准CMOS工艺构建的ISFET的剖面表示，B是其电路表示；

图3是ISFET的模型；

图4是现有技术ISFET反相器；

图5是具有多个输入的一般化的离子敏感器件的示图；

图6的A是FGMOS的图示，B是ISFET反相器的图示，C是ISFET反相器的等效电路；

图7是放大的化学反相器的电路表示；

图8是示出ISFET反相器的切换点的曲线图；

图9示出了具有第二输入的ISFET反相器；

图10是基于增强敏感度ISFET的化学反相器的模型；

图11是示出针对具有恒定第二输入Vin2的图10的电路进行的Vref扫描（sweep）的输出的曲线图；以及

图12是a）与门、b）或门的电路图。

具体实施方式

在下面的讨论中，ISFET可以视为电容性地耦合到化学信号的FET。可以将晶体管部分作为普通FGMOS对待。本系统包括参考电极、电解质、感测薄膜、以及在下方的金属，这些共同地形成一个整体，其可以称为离子敏感电容器（ISCAP）。

以这个角度来看，传统的ISFET基本上是作为一个FGMOS的唯一输入的ISCAP。然而，通常，一个或更多的ISCAP可以输入至n个FGMOS晶体管的各浮动栅极的网络。如图5的Vin1和Vin2所示，多个其他电容性地耦合的输入也是可能的。浮动栅极电压可以表达为与其电容性地耦合的各电压的加权和。即：

$V_{\mathrm{FG}}=\frac{(V_{\mathrm{ref}1}+V_{\mathrm{chem}1})C_{s1}}{C_{\mathrm{tot}}}+\frac{(V_{\mathrm{ref}2}+V_{\mathrm{chem}2})C_{s2}}{C_{\mathrm{tot}}}+\frac{V_{\mathrm{in}1}{C}_1}{C_{\mathrm{tot}}}+\frac{V_{\mathrm{in}2}{C}_2}{C_{\mathrm{tot}}}+\frac{V_{\mathrm{sub}1}{C}_{g1}}{C_{\mathrm{tot}}}+\frac{V_{\mathrm{sub}2}{C}_{g2}}{C_{\mathrm{tot}}}---\left(6\right)$

C_g1和C_g2是图中两个晶体管的栅极氧化层电容。如果它们处于反型并且形成了沟道，则它们可以很好地近似于晶体管的电容。为简单起见，假设它们是常数并且栅极尺寸大得足以忽略寄生电容。

由于多个输入可以电容性地耦合到浮动栅极并且其电势由输入栅极电压的加权之和来定义（13），因此，图5的ISFET是只具有作为V_ref和V_chem的叠加的一个输入的FG-MOS，该输入通过钝化离子感测层而电容性地耦合。其浮动栅极电压（V_fg）给出如下：

$V_{\mathrm{fg}}=\frac{(V_{\mathrm{ref}}+V_{\mathrm{chem}})*C_{\mathrm{pass}}+V_{\mathrm{GD}}{C}_{\mathrm{GD}}+V_{\mathrm{GS}}{C}_{\mathrm{GS}}+V_{\mathrm{GB}}{V}_{\mathrm{GB}}}{C_{\mathrm{tot}}}---\left(7\right)$

其中，C_pass是钝化层电容，C_tot是从浮动栅极看去的总电容（15）。V_GD、V_GS、V_GB、C_GD、C_GS、C_GB是晶体管的栅-漏、栅-源、栅-体电压以及栅-漏、栅-源、栅-体电容。因子C_pass/C_tot按比例减小V_chem的作用，并因此减小pH敏感度。然而，可以通过使（C_pass/C_tot）比率最大化，即通过将化学栅极设计得比电栅极大得多来使得该比率接近于1。这是为什么利用标准CMOS工艺来构建ISFET的已知的亚能斯特敏感度的一个原因。

如图6中的A所示，标准FG反相器由标准AB类反相放大器形式的浮动栅极NMOS和PMOS构成。该反相器的唯一输入电容性地耦合到两个浮动栅极。

在本发明的实施例中，多个ISFET共用同一离子感测薄膜和浮动栅极。在优选实施例中提供了一个反相器，其中如图6中的B所示布置了两个ISFET、一个NMOS、以及一个PMOS。图6中的C是该反相器的等效电路图。

该电路可以用来针对反应室执行反应监控和pH-阈值设定操作。其可以用来对来自暴露于一个反应室阵列的一个ISFET阵列的信号进行处理。每个腔室置于具有全局或局部V_ref的ISFET对反相器的顶部。该阵列的每一个像素给出了可以在同一IC进行锁存或数字处理而无需进行模拟-数字转换的数字输出。这有利于构建基于完全数字化ISFET的片上实验室应用。

为了提高pH敏感度，可以使用放大器放大V_chem，V_chem实际上是浮动栅极与浸入待测电解质中的参考电极之间的差值。图7中的电路是可能的实现。电压[V₃=2A₁A₂V_chem]是反映电解质pH值的ISCAP两端的电压的放大形式。其输出被馈入施密特触发电路。输出（V_out）是当溶液pH值经历的变化大于阈值时切换状态的数字信号。

结果：

在图6中的B的ISFET中，输入提供至单个晶体管放大器的浮动栅极。根据工作区域，其遵循等式（1）的I_d-V_gs关系中的一个。一般I_d和V_ds中的一个为常数而另一个表示输出。

对于图6中的C的反相器，为了找出切换阈值电压，其电路分为两部分：输入部分和标准反相器，输入部分用来找出作为对第二部分（标准反相器）的输入的V_fg。通过电荷转换，V_fg由如下给出：

$V_{\mathrm{fg}}=\frac{C_{\mathrm{pass}}}{C_{\mathrm{tot}}}(V_{\mathrm{chem}}+V_{\mathrm{ref}})+\frac{V{C}_{\mathrm{nMOS}}+V{C}_{\mathrm{pMOS}}}{C_{\mathrm{tot}}}---\left(8\right)$

其中，

$(V{C}_{\mathrm{xMOS}}=V_{\mathrm{GDx}}{C}_{\mathrm{GDx}}+V_{\mathrm{GSx}}{C}_{\mathrm{GSx}}+V_{\mathrm{GBx}}{C}_{\mathrm{GBx}})$

并且，对于n-MOS，(x)为(n)；对于p-MOS，(x)为(p)。

对于标准反相器，切换阈值电压（V_sth）是当输入浮动栅极电压（V_fg）等于输出（V_o）时的点。因此，当V_gs=V_ds时两个晶体管均饱和。通过使得通过两个晶体管的电流相等并且针对该点求解而找出V_sth。在参考文献（18）中的第186页中找到：

$V_{\mathrm{sth}}=\frac{V_{\mathrm{tn}}+r(V_{\mathrm{dd}}+V_{\mathrm{tp}})}{1+r};$ 其中 $r=\sqrt{\frac{-k_p}{k_n}}---\left(9\right)$

其中，V_tn和V_tp是阈值电压，而κ_n和κ_p分别是针对NMOS和PMOS的{迁移率(μ)×栅极氧化层电容(C_ox)}。这是针对强反型和低V_dd，使得两个晶体管均不达到速度饱和（18）。因此，当V_fg=V_sth时进行切换，给出：

$(V_{\mathrm{chem}}+V_{\mathrm{ref}})=\frac{C_{\mathrm{tot}}}{C_{\mathrm{pass}}}{V}_{\mathrm{sth}}-\frac{V{C}_{\mathrm{nMOS}}+V{C}_{\mathrm{pMOS}}}{C_{\mathrm{pass}}}---\left(10\right)$

切换是通过V_chem与V_ref之和来触发。第一项是pH值相关，如在等式（5）中那样。其包括自身在切换点处表现为偏移的V_Qpass。V_ref由用户决定并且其类似于FG反相器的V_in，牢记耦合电容的区别。若V_ref为输入，则V_chem具有对切换阈值电压进行偏移的作用。同样地，若V_chem为输入，则V_ref将偏移切换点。

结果

下面讨论该器件的示例实施例，包括方法示例实施例中其使用的结果。

晶体管的长度为0.35μm，但针对n和p器件其宽度分别为4μm和12μm。在图中，针对ISFET扫描Vref，并且针对4.0、7.0、以及10.0的pH值找出了切换点。切换点分别为1.49V、1.63V、以及1.76V。这给出了44.52mV/pH的敏感度。使用了2.2V的V_dd。

由在尺寸方面增大的两个MOS反相器来对输出进行缓冲，以便提供足够的电流以驱动由接合焊盘和测试PCB引入的负载。化学敏感区域为35×200μm²。单结Ag/AgCl玻璃参考电极浸入待测电解质，以提供V_ref。由于其稳定结电压而选择了该参考电极。测试了三个不同pH值（4.0、7.0、以及10.0）缓冲溶液。

针对每种情况扫描了参考电极，以便找出针对不同pH值引起切换的值。找到了作为切换电压偏移而测量的敏感度，为28.33mV/pH。

切换操作可以只通过pH改变来驱动。Vref可以固定在接近于当前pH值的切换点。这是逻辑“1”的初始条件。如果通过滴定0.1MHCL来改变溶液的pH值以降低pH值至6.5±0.1，则给出逻辑“0”。然后，可以滴定0.1MNaOH以将pH值返回至7.0±0.1。

本发明的第三方面的实施例将第二输入提供给ISFET的浮动栅极，如图9所示。该布置向反相器提供两个输入：通过钝化层电容耦合的离子敏感输入，以及通过电容（C₂）耦合的第二输入（V_in2）。产生的浮动栅极电压为这两个输入的加权之和。

通过使第二输入电容（C₂）与钝化层电容（C_pass）相比非常小，可以将该输入（V_in2）用作电反相器输入，而化学信号被用作控制栅极。因此，关于*V_in2的切换点变得对于pH值的改变非常敏感。实际上，这是引用了V_ref的pH敏感度的缩放后的形式。该缩放因子为比率C_pass/C₂。该比率的选择取决于应用，并且优选大于10，更优选大于50、100、500、或1000。

由于多个节点电容性地耦合到浮动栅极，因此其电势由各输入的加权之和来定义。浮动栅极电压（V_fg）由下式给出：

$V_{\mathrm{fg}}=\frac{C_{\mathrm{pass}}}{C_{\mathrm{tot}}}(V_{\mathrm{chem}}+V_{\mathrm{ref}})+\frac{C_2}{C_{\mathrm{tot}}}{V}_{\mathrm{in}3}+\frac{V{C}_{\mathrm{nMOS}}+V{C}_{\mathrm{pMOS}}}{C_{\mathrm{tot}}}---\left(11\right)$

其中：

$(V{C}_{\mathrm{nMOS}}=V_{\mathrm{Dn}}{C}_{\mathrm{GDn}}+V_{\mathrm{Sn}}{C}_{\mathrm{GSn}}+V_{\mathrm{Bn}}{C}_{\mathrm{GBn}})$ 以及

$(V{C}_{\mathrm{pMOS}}=V_{\mathrm{Dp}}{C}_{\mathrm{GDp}}+V_{\mathrm{Sp}}{C}_{\mathrm{GSp}}+V_{\mathrm{Bp}}{C}_{\mathrm{GBp}}).$

这里，VC_nMOS为nMOS对浮动栅极电压的贡献。即，其漏极电压（V_Dn）被乘以其栅漏电容（C_GDn），其源极电压（V_Sn）被乘以其栅源电容（C_GSn），以及其体电压（V_Bn）被乘以栅体电容（C_GBn）。所有电压均参考的是地。后缀(n)代表nMOS。VC_pMOS为pMOS对浮动栅极电压的贡献。其以相同方式计算。C_pass是钝化层电容，V_chem是由等式（11）给出的pH相关的化学电压。V_ref是参考电极电压，以及C_tot是从浮动栅极看去的总的电容，其包括这里没有单独对待的其他寄生电容。

习惯地假设浮动栅极没有电荷，因此具有零初始电压。然而，在它们表现为浮动栅极的初始电压中的偏移时，它们可能不是现实情况。

根据等式（11），因子C_pass/C_tot按比例减小V_chem的影响，因此减小pH敏感度。然而，通过使（C_pass/C_tot）比率最大化来使其接近于1。即，将钝化层电容设计得比电路中所有其他电容之和更大。这是为什么利用标准CMOS工艺来构建ISFET的亚能斯特敏感度的一个原因。等式（11）的第二项是按C₂/C_pass缩小了的第二输入。该比率的倒数是关于V_in2的pH敏感度的放大率。因此，该选择应当考虑应用需求，并且同时使C₂最小化来允许针对化学敏感度的更多空间。

在弱反型下操作的反相器在两个晶体管具有相同电流时具有切换阈值电压（V_sth）：

$V_{\mathrm{sth}}=\frac{V_{\mathrm{dd}}-\left|V_{\mathrm{tp}}\right|+\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sn}}}{I_{\mathrm{sp}}}\right)V_{\mathrm{tn}}}{1+\ln \left(\frac{I_{\mathrm{sn}}}{I_{\mathrm{sp}}}\right)}---\left(12\right)$

V_tn和V_tp是阈值电压，而I_sn和I_sp分别是NMOS和PMOS晶体管的源极电流。V_dd是电源电压。

等式（3）的切换阈值电压只取决于MOS参数。当V_fg与V_sth交叉而变得比V_sth大或比V_sth小时发生切换。

由于浮动栅极电压是等式（1）中的其耦合电压的函数，因此这些输入影响其切换点。因此，定义其pH敏感度不像在单个ISFET的情况下那样直接。其可以定义为pH引起的V_fg中的偏移。但是，由于没有直接获得该数据的途径，因而很难测量。但是，可以引用其输入即V_ref或V_in2中的一个。因此，如通过对其中的一个进行扫描同时保持另一个不变而看到的那样，pH敏感度表现为由于pH改变而导致的切换电压中的偏移。

当V_in2为常数时，关于V_ref的、针对pH值的反相器浮动栅极的敏感度通过下式得出：

V_fg对pH值的敏感度 $\frac{d{V}_{\mathrm{fg}}}{\mathrm{dpH}}=\frac{C_{\mathrm{pass}}}{C_{\mathrm{tot}}}2.3\mathrm{\&alpha;}{U}_{T}V/\mathrm{pH}---\left(13\right)$

V_fg对V_ref的敏感度 $V_{\mathrm{ref}}=\frac{d{V}_{\mathrm{fg}}}{d{V}_{\mathrm{ref}}}=\frac{C_{\mathrm{pass}}}{C_{\mathrm{tot}}}---\left(14\right)$

因此，关于Vref的、Vfg对于pH值的敏感度等于

$\frac{d{V}_{\mathrm{fg}}}{\mathrm{dpH}}\&times;\frac{d{V}_{\mathrm{ref}}}{d{V}_{\mathrm{fg}}}=\frac{d{V}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{dpH}}=2.3U_{T}V/\mathrm{pH}---\left(15\right)$

因此，不管V_ref对V_fg的影响按比率C_pass/C_tot而减小这一事实，pH敏感度在引用V_ref时不会像V_chem本身那样按同一比率而减小。缩放效应得到了抵消。

然而，当V_ref固定时如果使用V_in2来偏移V_fg，则：

针对V_in2的V_fg敏感度等于

$\frac{d{V}_{\mathrm{fg}}}{d{V}_{\mathrm{in}2}}=\frac{C_2}{C_{\mathrm{tot}}}---\left(16\right)$

关于V_in3的、V_fg对于pH的敏感度等于

$\frac{d{V}_{\mathrm{fg}}}{\mathrm{dpH}}\&times;\frac{d{V}_{\mathrm{in}2}}{d{V}_{\mathrm{fg}}}=\frac{d{V}_{\mathrm{in}2}}{\mathrm{dpH}}=\frac{C_{\mathrm{pass}}}{C_2}2.3\mathrm{\&alpha;}{U}_{T}V/\mathrm{pH}---\left(17\right)$

因此，如果在V_ref为常数的情况下使用V_in2作为输入并且化学栅极起到偏移切换点的控制栅极的作用，则关于V_in2的电路pH敏感度按C_pass/C₂增大。

通过设计可以使C_pass=AC₂。则_pH敏感度按比率A来增大，而无需任何类型的放大器。因此通过使用V_in2作为反相器的电输入，耦合权重用来增大pH敏感度。

本领域技术人员根据他们的应用来选择该放大比，使得当V_in2在其全范围内被扫描时，其会对应于可观察的pH值。例如，如果期望的pH按两个pH单位（例如从pH6至pH8）的跨度而改变，并且V_in2被允许具有从0至1V的跨度以及关于V_ref的期望pH敏感度为30mV/pH，则值C_pass/C₂=A=1V/30mV/2≈16。应通过这样的方式来选择V_ref，使得利用期望的初始逻辑来设置电路的输出并且在即将切换时消减反相器的作用。这将会使得能够容易地通过V_in2检测到pH改变。

例如，在示例实施例中，NMOS器件的阈值电压为0.59V，PMOS器件的阈值电压为-0.72V。因此，通过将晶体管的最大电压限制为小于其阈值，0.5V的V_dd的使用确保了亚阈值操作。

然后可以扫描V_ref以找出引起切换的值（V_ref,sth）。电解质的pH从pH4.0至pH7.0至pH10.0而步进。V_in2被设置为零伏特。该输出在图11中示出。模拟的敏感度因此为：

C_pass=420fF，C₂=3fF，给出缩放因子C_pass/C₂=140。因此关于V_in2的pH敏感度为{(C_pass/C₂)×0.0339}=4.7V/pH。V_ref在即将切换时保持恒定，而V_in2被扫描已找出针对pH值的切换点（V_in2,sth）。

当反相器布置可以用来检测0.1pH变化时，通过任意的大缩放因子耦合到浮动栅极的附加的Vin2信号可以检测到极小变化，例如0.001。

高敏感度不是通过提高ISFET的物理敏感度而获得。反而，可以通过利用以未更改的CMOS工艺构建的ISFET的浮动栅极性质来使pH敏感度很高。尽管使用放大器也可以获得类似结果，但这会伴随面积、功率、以及噪声的额外代价。这里的优点是获得高增益，而不存在这些相关问题。

该电路可以用作用于pH开关阵列的、形成像素的基本构建块。其能够根据化学或生物输入提供数字输出。利用对参考电极的反馈，可以改变切换阈值电压以反映需要的感兴趣pH区域。

优选地，感测层暴露于具有目标离子浓度的腔室。离子浓度可以是恒定的，使得ISFET开关的输出信号是恒定的。离子浓度可以随时间或者化学反应的结果而变化，使得ISFET开关的输出信号将检测到离子浓度变化。

优选地，化学反应是核苷酸结合到核酸从而释放质子。核酸可以是未知的，但是核苷酸反应物是已知的，使得电路的输出指示了由于核苷酸反应物与未知的核酸的互补（或不互补）而可以观察到的pH变化（或未变化）。

在一些实施例中，存在多个腔室，其每个暴露于本发明的器件，以检测目标离子的浓度，或者检测目标离子浓度的变化。可以连接该器件的输出以执行诸如AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR、以及其组合之类的逻辑运算。本领域技术人员将理解如何实现它们。示例电路在图12中示出。

虽然已经以上述优选实施例的形式描述了本发明，但应理解这些实施例只是示例性的并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员能够基于在所附权利要求范围内的公开来做出修改和替换。本说明书中公开或示出的每个特征可以按单独的或与本文中公开或示出的任何其他特征相结合的适当方式并入本发明。

参考文献

1-P.Bergveld,"ThirtyyearsofISFETOLOGYWhathappenedinthepast30yearsandwhatmayhappeninthenext30years",SensorsandActuators,V88,pp.1-20,2003.

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22-Jan,M.Rabaey,AnanthaChandrakasan,andBorivojeNikolic,"DigitalIntegratedCircuits",PrenticeHall,secondedition,2003.*

Claims (29)

1.一种用于检测样品的离子浓度的半导体器件，该器件包括：

多个场效应晶体管，其耦合到公共的浮动栅极；

离子感测层，其暴露于所述样品并且耦合到所述浮动栅极；

其中，在使用时，根据所述离子感测层附近的样品中的离子浓度的幅值与切换阈值的比较来接通或断开通过晶体管的电流；以及

其中，该器件还包括一个或多个第一电输入信号，其耦合到所述浮动栅极用于对所述浮动栅极除去或增加电荷，以便为所述多个场效应晶体管设置所述切换阈值。

2.根据权利要求1所述的器件，还包括暴露于所述样品的参考电极。

3.根据权利要求2所述的器件，其中耦合到所述参考电极的输入电压配置成设置所述多个场效应晶体管的切换阈值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，其中所述多个场效应晶体管包括以比较器构造布置的P型场效应晶体管和N型场效应晶体管。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的器件，其中所述多个场效应晶体管包括以反相器构造布置的P型场效应晶体管和N型场效应晶体管。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的器件，其中所述多个场效应晶体管包括以反相器构造布置的P型场效应晶体管和N型场效应晶体管，所述反相器构造的输出信号根据样品的离子浓度而为逻辑1或逻辑0的输出。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的器件，其中所述多个场效应晶体管偏置在弱反型。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的器件，其中所述多个场效应晶体管以在饱和与截止之间切换的方式偏置。

9.根据权利要求1所述的器件，其中所述一个或多个第一电输入信号配置成耦合到所述浮动栅极以设置所述切换阈值，并且当不设置所述切换阈值时被去耦合。

10.根据权利要求1所述的器件，其中所述一个或多个第一电输入信号包括连接到正电压的一个信号以及连接到负电压的一个信号。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的器件，还包括第二电输入信号，其耦合到浮动栅极，其中所述第二电输入信号配置成在幅值上改变，以便切换所述多个场效应晶体管。

12.根据权利要求11所述的器件，其中所述离子感测层通过第一电容耦合到浮动栅极，并且其中所述第二电输入信号通过第二电容耦合到所述浮动栅极。

13.根据权利要求12所述的器件，其中第一电容与第二电容之比大于1。

14.根据权利要求13所述的器件，其中第一电容与第二电容之比大于10。

15.根据权利要求14所述的器件，其中第一电容与第二电容之比大于50。

16.根据权利要求15所述的器件，其中第一电容与第二电容之比大于100。

17.根据权利要求16所述的器件，其中第一电容与第二电容之比大于500。

18.根据权利要求17所述的器件，其中第一电容与第二电容之比大于1000。

19.一种电路，用于检测多个化学反应以及用于对将所述多个化学反应中的每一个的结果作为其输入的逻辑函数求值，该电路包括用于所述多个化学反应中的每一个的至少一个反应室，化学反应改变所述反应室中的离子浓度；

其中每个反应室设置有根据前述权利要求中任一项所述的器件，每个器件提供其状态取决于反应室中的样品的离子浓度的数字输出信号，并且其中将各输出耦合在一起以形成用于对逻辑函数求值的数字信号处理电路。

20.一种电路，其包括多个根据权利要求1至18中任一项所述的器件。

21.根据权利要求20所述的电路，其中多个所述器件连接在一起以实现从下列选择的逻辑函数：AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR、或者其组合。

22.一种提供表示样品中的目标离子的浓度的输出的方法，该方法包括：

提供CMOS开关，所述CMOS开关包括耦合到公共的浮动栅极的多个场效应晶体管、以及暴露于所述样品并且耦合到所述浮动栅极的离子感测层；

将所述离子感测层暴露于样品，以切换所述CMOS开关接通或断开的状态；

从所述CMOS开关输出信号；以及

设置耦合到所述浮动栅极的第一电输入信号的电压，以在所述浮动栅极上设置电荷。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述电荷为零伏特。

24.根据权利要求22所述的方法，还包括：将参考电极暴露于所述样品，以偏置所述多个场效应晶体管，从而设置所述CMOS开关的切换阈值。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，还包括：设置连接到参考电极的参考电压，以设置与预定离子浓度相对应的所述CMOS开关的切换阈值。

26.根据权利要求23所述的方法，还包括：改变参考电压以确定当前离子浓度，然后设置参考电压使得如果离子浓度改变量大于预定量则所述CMOS开关将切换状态。

27.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，还包括：改变耦合到所述浮动栅极的第二电输入信号的电压，以切换所述CMOS开关的状态。

28.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中输出信号是数字信号。

29.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，还包括：开始其产物包括目标离子的化学反应。