CN103376284A - 一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置，该装置包括：n×n的ISFET传感器阵列、用于选择ISFET的行列选择开关、地址译码器、用于温度和共模漂移补偿的参考晶体管REFET、正相电流传输器、反相电流传输器、电流模模数转换器ADC和电压模数模转换器DAC。通过地址选择器选中的栅极覆盖敏感膜的ISFET与栅极覆盖钝化膜的REFET形成差分对管，差分对管输出的电流差通过ADC转换为数字电压信号输出。相比电压模电路，采用电流模检测电路的本发明装置能在更低电压下工作，电路功耗更低，动态范围更大；另外，采用差分检测方式的本发明装置可以有效抑制系统装置的失调和温漂；同时，本发明装置还可以对ISFET传感器的长时间漂移等非理想特性进行有效补偿。

Description

一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置

技术领域

本发明涉及离子敏场效应管传感器，尤其是一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置，用于多种生物化学离子参数的检测，溶液中离子浓度梯度的检测，离子敏场效应管的差分电流模检测，以及离子敏场效应管传感器的补偿控制。

背景技术

离子敏场效应晶体管(ISFET)与金属氧化物半导体MOSFET(MetalOxide Silicon Field Effect Transistor)具有相似的结构，只是用溶液和离子敏膜代替了MOSFET的栅极，其通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与被测溶液中离子接触产生反应，进而可用来检测多项生化指标。它兼有电化学及MOSFET的双重特性，与传统的离子选择性电极相比，ISFET具有体积小、灵敏度高、响应快、无标记、检测方便、易集成化和批量生产的优点，在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境监测等领域有着广阔的应用前景。

ISFET结构与MOSFET结构相似，所以可以采用半导体工艺制造ISFET，而ISFET产生的电压、电流信号必须有相应的信号处理电路才能构成测量仪器，于是越来越多的ISFET传感器与前端信号处理电路通过标准CMOS工艺被集成在同一芯片上，这样不仅有利于提高检测灵敏度和抗干扰能力，还有利于ISFET传感器的微型化和智能化。

目前大多数ISFET传感器信号检测电路都采用电压工作模式，其检测和处理的都是电压信号。但是电压模式电路所需要的工作电压比较高，系统的功耗相对比较高，因此，限制了ISFET微型传感器系统的应用。相比电压模电路，电流模电路频带宽，响应速度快，可在低电源电压下工作，非线性失真小，动态范围大。因此针对ISFET传感器低功耗、大线性范围的要求，研究人员设计了ISFET电流模信号处理电路。

由于待测电解液的pH值也会随温度变化，而ISFET的电学特性对温度比较敏感，如敏感膜-溶液界面势会随温度变化，ISFET的阈值电压也会随温度变化，其次，由于参比电极上电压的波动等，都会影响ISFET的测量。因此，研究人员采用差分对管的方式，用一个与ISFET完全匹配的MOSFET来表征温度变化以及参比电极电压波动对晶体管特性的影响，最后将ISFET输出与参考晶体管(Reference Field Effect Transistor，REFET)输出作差，由于REFET基本不受溶液浓度变化的影响，所以ISFET与REFET作差后的电信号就只与待测离子浓度有关，即温漂和参比电极电压波动都被当作共模信号抑制掉了。此外，ISFET还具有其它的非理想特性，如ISFET的长时间漂移特性，而REFET上的钝化膜相对稳定，因此需要从系统的角度对ISFET进行补偿和修正。本发明采用的差分检测方式能克服参比电极电压波动和ISFET传感器温度漂移特性，同时提供了系统补偿控制端口，系统可以通过补偿算法对ISFET进行长时间漂移等其它非理想因素的修正。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是设计一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器电路装置，具体为，针对ISFET的非理想特性，如电路失调、温漂、长时间漂移等，设计一种带有补偿控制功能的差分读出电路结构，以减小ISFET非理想特性的影响；针对低电压低功耗的应用，设计差分电流模方式的ISFET信号检测与处理电路，使电路工作在更低电压，使电路具有更大的线性范围和更低的功耗。

本发明提出的一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置，其特征在于，该装置包括：n×n的离子敏场效应管ISFET传感器阵列、用于选择所述ISFET传感器阵列中的ISFET的行列选择开关、地址译码器、用于温度和共模漂移补偿的参考晶体管REFET、正相电流传输器CC2+、反相电流传输器CC2-、电流模模数转换器ADC和电压模数模转换器DAC，其中，

所述ISFET传感器阵列的所有ISFET的源极通过行选择开关与电源VDD连接，漏极通过列选择开关与反相电流传输器CC2-的X输入端连接；

行和列选择开关由地址译码器控制工作；

所述参考晶体管REFET的源端连接电源VDD，漏端连接所述正相电流传输器CC2+的电流输入端X；

所述正相电流传输器CC2+的电压输入端Y同参考电压源相连；

所述反相电流传输器CC2-的电压输入端Y同数模转换器DAC的输出端相连；

所述正相电流传输器CC2+的输出端与所述反相电流传输器CC2-的输出端以及模数转换器ADC的输入端连接，模数转换器ADC将CC2-与CC2+的输出求差后得到的模拟电流信号转换为数字电压信号输出。

本发明的多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置，能够对待测溶液中的多种参数进行检测，也可以检测溶液中某一种离子的浓度分布梯度。该装置采用电流模检测电路，相比电压模电路，电流模电路能在更低电压下工作，电路功耗更低，动态范围更大。该装置的电路采用差分检测方式，可以有效抑制系统装置的失调和温漂；该装置的电路还带有补偿功能，系统可以通过补偿模块对ISFET传感器的长时间漂移等非理想特性进行有效补偿。

附图说明

图1是本发明多参数低功耗电流模ISFET阵列传感器装置的原理图。

图2是ISFET长时间漂移特性的系统补偿原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明多参数低功耗电流模ISFET阵列传感器装置的原理图。如图1所示，本发明提出的一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置包括：n×n的离子敏场效应管ISFET传感器阵列，用于选择所述ISFET传感器阵列中的ISFET传感器的行列选择开关，用于控制行列选择开关的地址译码器，用于温度和共模漂移补偿的参考晶体管REFET，用于产生与输入端大小和方向都相同的输出电流的正相电流传输器CC2+，用于产生与输入电流大小相等方向相反的反相电流传输器CC2-，用于量化输入电流的电流模模数转换器ADC和用于产生模拟电压的电压模数模转换器DAC。

所述ISFET传感器阵列中所有的ISFET与REFET都采用P型MOS管，因为PMOS管噪声性能优于NMOS，并且可以将每个ISFET传感器制作在一个单一的n阱中，版图设计时可与衬底和其它器件进行有效地隔离，以减小衬底和其它电路对ISFET器件的干扰。所有ISFET管和REFET管都相互匹配，且尺寸和参数都相同，不同的是ISFET栅极覆盖的是敏感膜，而REFET栅极覆盖的是钝化膜。所有ISFET的源极通过行选择开关与电源VDD连接，每行中所有的ISFET共享一个行选择开关；所有ISFET的漏极通过列选择开关与反相电流传输器的X输入端连接，且每列中所有的ISFET共享一个列选择开关。当传感器阵列中ISFET的栅极覆盖不同活性物质的敏感膜时，该装置可以检测待测溶液中不同的离子和参数，当传感器阵列中ISFET的栅极覆盖相同活性物质的敏感膜时，该装置可以检测待测溶液中同种离子的浓度分布梯度。

行和列选择开关由地址译码器控制工作，每次选择一个ISFET管，被选中的ISFET管输出漏源电流到反相电流传输器CC2-的X输入端，系统可以通过地址译码器选择指定的ISFET传感器，也可以通过地址译码器对ISFET传感器以逐行或逐列扫描的方式来获取所有ISFET传感器上的信号。但无论采用哪种方式，每次保证只有一个ISFET传感器处于工作状态，其它没被选中的ISFET传感器都没有接入电路，处于断路状态，除了极微小的漏电外，基本没有功耗。每次只有一个ISFET传感器处于工作状态，意味著所有ISFET可以分时共享一套后续处理电路，所以本发明电路装置大大降低了系统的整体功耗，减小了系统的芯片面积。

用于匹配ISFET的差分REFET管为栅极表面覆盖钝化膜的金属氧化物半导体管(Mental Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)，其源端直接同电源VDD相连，漏端直接同正相电流传输器CC2+的电流输入端X相连，电流传输器CC2+的电压输入端Y同参考电压源相连，该参考电压源可由芯片内部提供，也可由外部电路提供，电流传输器CC2+的输出端与电流传输器CC2-的输出端以及电流模模数转换器ADC的输入端连接，电流模模数转换器ADC将CC2-与CC2+的输出求差后得到的模拟电流信号转换为数字电压信号输出。

反相电流传输器CC2-的电压输入端Y同电压模数模转换器DAC的输出端相连，由系统通过DAC为电流传输器的Y端和ISFET传感器的漏极提供补偿控制电压，便于系统对ISFET的控制和非理想因素的补偿。

ISFET是一种基于半导体工艺和MOSFET器件的离子选择性敏感元件，它将MOSFET和离子传感器集成在了一起，具有体积小，灵敏度高，响应速度快，容易集成和批量生产等优点。ISFET和MOSFET具有相同的电学特性，所以可以完全用MOSFET的电流电压传输特征方程反映ISFET的电流电压传输特性。同MOSFET一样，ISFET可工作于亚阈值区、线性区和饱和区三种模式。当晶体管工作在亚阈值区时，漏源电流同栅源电压呈指数关系；当晶体管工作在线性区时，漏源电流同栅源电压呈线性关系；当晶体管工作在饱和区时，漏源电流同栅源电压成平方关系。由于电流模电路处理的是电流信号，因此，只有让ISFET工作于线性区，电流模电路的输出电流才能线性反映溶液离子浓度。

当ISFET工作于线性区时，其电流电压方程可以表示为：

$I_{\mathrm{DS}}={\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}\left[(V_{\mathrm{GS}}-C-S\·\mathrm{pH})V_{\mathrm{DS}}\frac{1}{2}{V^2}_{\mathrm{DS}}\right]---\left(1\right)$

其中，I_DS为ISFET的漏源电流，μ_n为表面电荷迁移率，C_ox为单位面积绝缘栅电容，V_GS为栅源电压，V_DS为漏源电压，W/L为沟道宽长比，C和S均为常数，S为ISFET的灵敏度，pH为溶液的pH值。电路工作时，将ISFET的漏源电压V_DS和栅源电压V_GS固定，则可以利用待测电解液pH值的变化对ISFET器件的阈值电压进行调制，从而改变ISFET的漏源电流I_DS，且漏源电流I_DS同待测电解液中的离子浓度成线性。

根据电流传输器的特性，其电流输入端X的电压V_X与电压输入端Y的电压V_Y相等，其输出电流能够复制电流输入端X的电流，对于正相电流传输器，其输入电流和输出电流方向相同，即I_X＝I_Z，对于反相电流传输器，其输入电流和输出电流方向相反，即I_X＝-I_Z。REFET的漏源电压由CC2+的Y端连接的Vref电压决定，ISFET的漏源电压由CC2-的Y端电压即DAC输出电压决定。如果不考虑ISFET的长时间漂移等特性，DAC输出电压同CC2+的Y端电压相等，确保ISFET和REFET的漏源电压相等。

由于ISFET的电学特性对温度比较敏感，如敏感膜-溶液界面势会随温度变化，ISFET的阈值电压也会随温度变化，待测电解液的pH值也会随温度变化，其次，参比电极上电压的波动都会影响ISFET的精确测量。所以测量时一般都采用差分对管的方法来减小温度漂移和参比电极波动的影响。即用一个与ISFET管完全匹配的REFET器件，其栅极覆盖对待测离子不敏感的钝化膜，REFET的阈值电压不受溶液中离子的影响，REFET的电学特性只反映温度和参比电极电压波动的影响。因此，将ISFET输出电流同REFET输出电流相减，即可得到只与离子浓度有关而与温度和参比电极电压波动等因素无关的电信号。

本发明多参数低功耗电流模ISFET读出电路工作时，首先地址译码器使第p行(1≤p≤n)的选择开关闭合，则第p行所有ISFET的源极同电源VDD连接，同时地址译码器选中第q列(1≤q≤n)，使第q列的选择开关闭合，则第q列所有ISFET的漏极同CC2-的电流输入端X连接，故ISFET阵列中每次只有第p行和第q列相交的那一个ISFET被选中处于工作状态，其漏源电流经电流传输器CC2-输出，与电流传输器CC2+输出的REFET的漏源电流作差，差分后的电流经电流模模数转换器ADC转换成数字电压信号输出。

ISFET和REFET都工作于线性区，其漏源电压分别由电流传输器CC2-和CC2+固定，因为根据电流传输器的特性，电流传输器电流输入端X的电压V_X与电压输入端Y的电压V_Y相等。考虑到ISFET除了温漂以外，还因为ISFET栅极覆盖的敏感膜具有长时间漂移特性，而REFET栅极上的钝化膜相对比较稳定，因此需要考虑ISFET的长时间漂移补偿，因而REFET的漏极电压通过CC2+固定在Vref，而ISFET的漏极电压通过CC2-和电压模数模转换器DAC可灵活调节，以方便系统进行有效补偿。具体调节可根据敏感膜的特性和系统的补偿算法，为CC2-的Y端提供一个可以调节的电压。调节原理框图如图2所示，图2中的虚线部分即为图1的简化框图，ISFET输出信号输入后续算法处理电路或Labview平台，当ISFET由于时漂效应，而导致其漏源电流变化时，后续的处理电路会产生一个补偿控制电压，该补偿控制电压对ISFET的漏源电压进行微调，使ISFET漏源电流向漂移的反方向变化，从而实现对ISFET的补偿。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多参数低功耗电流模离子敏场效应管阵列传感器装置，其特征在于，该装置包括：n×n的离子敏场效应管ISFET传感器阵列、用于选择所述ISFET传感器阵列中的ISFET的行列选择开关、地址译码器、用于温度和共模漂移补偿的参考晶体管REFET、正相电流传输器CC2+、反相电流传输器CC2-、电流模模数转换器ADC和电压模数模转换器DAC，其中，

所述ISFET传感器阵列的所有ISFET的源极通过行选择开关与电源VDD连接，漏极通过列选择开关与反相电流传输器CC2-的X输入端连接；

行和列选择开关由地址译码器控制工作；

所述参考晶体管REFET的源端连接电源VDD，漏端连接所述正相电流传输器CC2+的电流输入端X；

所述正相电流传输器CC2+的电压输入端Y同参考电压源相连；

所述反相电流传输器CC2-的电压输入端Y同数模转换器DAC的输出端相连；

所述正相电流传输器CC2+的输出端与所述反相电流传输器CC2-的输出端以及模数转换器ADC的输入端连接，模数转换器ADC将CC2-与CC2+的输出求差后得到的模拟电流信号转换为数字电压信号输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述ISFET传感器阵列每行中所有的ISFET共享一个行选择开关，每列中所有的ISFET共享一个列选择开关。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考晶体管REFET为金属氧化物半导体管MOSFET。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置通过地址译码器选择所述ISFET传感器阵列中指定的ISFET，或通过地址译码器对所有ISFET以逐行或逐列扫描的方式来获取所有ISFET上的信号，但无论采用哪种方式，每次只有一个ISFET处于工作状态，其它没被选中的ISFET均未接入电路。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述ISFET传感器阵列中所有的ISFET与REFET都采用P型MOS管。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所有的ISFET和REFET都相互完全匹配，且尺寸和参数都相同，不同的是，ISFET栅极覆盖的是敏感膜，而REFET栅极覆盖的是钝化膜，这样所述REFET的阈值电压不受溶液中离子的影响，其电学特性只反映温度和参比电极电压波动的影响，从而减小温度漂移和参比电极电压波动对所述装置的影响。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所有的ISFET和REFET均工作于线性区。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述REFET的漏极电压通过CC2+固定在参考电压，而ISFET的漏极电压通过CC2-和数模转换器DAC可灵活调节，以对ISFET的非理想特性进行补偿。

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