CN104614404A - 离子敏感场效应管传感器及其读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种离子敏感场效应管传感器及其读出电路，所述读出电路包括pH值感应电路，基于MOS晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路、电容反馈电路和缓冲级电路，所述MOS晶体管工作于亚阈值区，所述pH值感应电路的输入端与输入参考电极相连，所述pH值感应电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；所述折叠共源共栅运算放大器电路的第二差分输入端与共模输入电压相连，所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端同时与所述电容反馈电路的输入端和所述缓冲级电路的输入端相连；所述电容反馈电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；所述缓冲级电路的输出端为所述读出电路的输出端。

Description

离子敏感场效应管传感器及其读出电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种离子敏感场效应管传感器及其读出电路。

背景技术

随着生物医学的迅速发展，具有传感采集、识别、监测和放大等功能的医学系统和芯片被广泛应用于疾病的前期监测、诊断和治疗领域，例如，ISFET是一种微电子离子选择性敏感器件，具有宽广的离子测量范围，它是将金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)和离子传感器集成在一起而成的。在DNA测序领域，可以将大量离子敏感场效应管(Ion-Sensitive Field-effect Transistor，ISFET)集成于同一芯片组成传感阵列，以对pH值进行并行地检测，从而实现快速、低成本的基因测序。

ISFET传感器除了最前端的ISFET进行化学变量和电学变量的转换外，还必须有相应的读出电路来获得变化后的电学变量，所述读出电路的主要功能为从ISFET中读取一个随离子浓度值呈线性变化的电压或者电流并将其转化为数字信号以便进行后续处理。可见，读出电路直接关系到ISFET传感器的工作稳定性及性能好坏，在ISFET传感器的研究中具有重要地位。

ISFET传感器的读出电路可通过电压模式或电流模式来实现，早期的研究多基于饱和区的电压模式，该模式是将ISFET外接参考电极电压固定，流过ISFET的直流电流固定，通过一定的反馈电路使得ISFET的源电压随pH值导致的浮栅电压的变化而变化，从而达到检测pH值变化的目的，但由于该模式多工作于饱和区，所以功耗较大，不适用于ISFET传感阵列应用，但其亚阈值电路有待深入研究。电流模式是固定流过ISFET的直流电流和ISFET的源/漏电压，从而ISFET的小信号电流与感应的pH值建立起关系，该模式由于其低工作电压、低功耗和高速等优点，近年来研究较多。

然而，无论是电压模式还是电流模式，由于ISFET本身的浮栅结构，ISFET传感器系统的灵敏度受多种非理想因素的影响，包括浮栅电容产生捕获电荷从而导致的阈值电压直流偏差、阈值电压随温度或者时间变化产生的漂移、低频噪声、ISFET本身以及电路引入的温度系数等，因此，消除或者尽可能减小以上多种非理想因素对ISFET传感器系统的影响，从而设计出精确的ISFET传感器系统一个亟待需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种离子敏感场效应管传感器及其读出电路，其电路结构简单、功耗很低，并且能有效消除直流/低频偏差和漂移，从而大大提高读出电路的精度和灵敏度。

一方面，本发明提供一种离子敏感场效应管传感器的读出电路，所述读出电路包括pH值感应电路，基于MOS晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路、电容反馈电路和缓冲级电路，所述MOS晶体管工作于亚阈值区，其中，

所述pH值感应电路的输入端与输入参考电极相连，所述pH值感应电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；

所述折叠共源共栅运算放大器电路的第二差分输入端与共模输入电压相连，所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端同时与所述电容反馈电路的输入端和所述缓冲级电路的输入端相连；

所述电容反馈电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；所述缓冲级电路的输出端为所述读出电路的输出端。

优选地，所述pH值感应电路包括钝化电容，其中，所述钝化电容的正极与所述输入参考电极相连，所述钝化电容的负极与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；

所述钝化电容与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入管构成离子敏感场效应管。

优选地，所述折叠共源共栅运算放大器电路包括由作为所述第一差分输入管的第一NMOS晶体管和作为第二差分输入管的第二NMOS晶体管构成的差分输入级、由第三NMOS晶体管构成的偏置电流源、由第四NMOS晶体管构成的阵列行选择开关以及共源共栅放大级，所述共源共栅放大级由第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管、第四PMOS晶体管以及第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七NMOS晶体管和第八NMOS晶体管构成；

所述第一NMOS晶体管的栅极与所述pH值感应电路中的钝化电容的负极相连，所述第二NMOS晶体管的栅极与所述共模输入电压相连；所述第一NMOS晶体管的漏极和所述第二NMOS晶体管的漏极分别与所述第一PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏极相连；所述第一NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的漏极相连，所述第二NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的源极相连，并与所述第三NMOS晶体管的漏极相连；

所述第三NMOS晶体管的栅极与第一偏置电压相连，所述第三NMOS晶体管的源极接地；

所述第四NMOS晶体管的栅极与阵列行选择信号相连；

所述第一PMOS晶体管的栅极与所述第二PMOS晶体管的栅极相连，并与第二偏置电压相连；所述第一PMOS晶体管的源极与所述第二PMOS晶体管的源极相连，并与电源电压V_DD相连；所述第一PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏极分别与所述第三PMOS晶体管的源极和所述第四PMOS晶体管的源极相连；

所述第三PMOS晶体管的栅极与所述第四PMOS晶体管的栅极相连，并与第三偏置电压相连；所述第三PMOS晶体管的漏极和所述第四PMOS晶体管的漏极分别与所述第五NMOS晶体管的漏极和所述第六NMOS晶体管的漏极相连；其中，所述第三PMOS晶体管的漏极作为所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端与所述电容反馈电路的输入端相连；

所述第五NMOS晶体管的栅极与所述第六NMOS晶体管的栅极相连，并与第四偏置电压相连，所述第五NMOS晶体管的源极和所述第六NMOS晶体管的源极分别与所述第七NMOS晶体管的漏极和所述第八NMOS晶体管的漏极相连；

所述第七NMOS晶体管的栅极与所述第八NMOS晶体管的栅极相连，并与所述第四PMOS晶体管的漏极相连；所述第七NMOS晶体管的源极与所述第八NMOS晶体管的源极相连，并与地相连。

优选地，所述电容反馈电路包括开关和反馈电容，其中，所述开关的一端与所述反馈电容的一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端相连，所述开关的另一端与所述反馈电容的另一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连。

另一方面，本发明提供一种离子敏感场效应管传感器，所述传感器包括上述任一项所述的读出电路。

本发明提供的离子敏感场效应管传感器及其读出电路，其利用折叠共源共栅运算放大器电路的一个差分输入管做成ISFET管，工作于亚阈值区，因此，所述读出电路的功耗很低，适合于大规模DNA测序阵列应用。

另外，所述读出电路通过电容反馈电路周期性地将ISFET晶体管的浮栅重置于一个固定电位，同时通过反馈环路固定ISFET晶体管的直流漏电流及其源极与漏极的电压差，从而能够有效消除直流/低频偏差和漂移，从而大大提高读出电路的精度和灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明离子敏感场效应管传感器的读出电路一实施例结构示意图；

图2为本发明离子敏感场效应管传感器的读出电路另一实施例结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种离子敏感场效应管传感器的读出电路1，所述读出电路1包括pH值感应电路101，基于MOS晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路102、电容反馈电路104和缓冲级电路103，所述MOS晶体管工作于亚阈值区，其中，

所述pH值感应电路101的输入端REF与输入参考电极相连，所述pH值感应电路的输出端g与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分输入端g1相连；

所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第二差分输入端g2与共模输入电压V_CM相连，所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端out同时与所述电容反馈电路104的输入端ifb和所述缓冲级电路103的输入端ibuf相连；

所述电容反馈电路104的输出端ofb与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分输入端g1相连；所述缓冲级电路103的输出端为所述读出电路的输出端O-pH。

本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的读出电路，其利用折叠共源共栅运算放大器电路的一个差分输入管做成ISFET管，工作于亚阈值区，因此，所述读出电路的功耗很低，适合于大规模DNA测序阵列应用。

另外，所述读出电路通过电容反馈电路周期性地将ISFET晶体管的浮栅重置于一个固定电位，同时通过反馈环路固定ISFET晶体管的直流漏电流及其源极与漏极的电压差，从而能够有效消除直流/低频偏差和漂移，从而大大提高读出电路的精度和灵敏度。

如图2所示，本发明实施例提供一种离子敏感场效应管传感器的读出电路2，所述读出电路包括pH值感应电路101、基于MOS管的折叠共源共栅运算放大器电路102、缓冲级电路103以及电容反馈电路104，所述MOS晶体管工作于亚阈值区。

其中，所述pH值感应电路101包括钝化电容C_P，所述钝化电容C_P的正极与输入参考电极相连，所述钝化电容C_P的负极与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分输入端g1相连，即与作为所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分输入管的第一NMOS晶体管NM1的栅极相连；所述钝化电容C_P与所述第一NMOS晶体管共同构成离子敏感场效应管ISFET。

进一步地，所述折叠共源共栅运算放大器电路102由作为所述第一差分输入管的第一NMOS晶体管NM1和作为第二差分输入管的第二NMOS晶体管NM2构成的差分输入级、由第三NMOS晶体管NM3构成的偏置电流源、由第四NMOS晶体管NM4构成的阵列行选择开关以及共源共栅放大级，所述共源共栅放大级由第一PMOS晶体管PM1、第二PMOS晶体管PM2、第三PMOS晶体管PM3、第四PMOS晶体管PM4以及第五NMOS晶体管NM5、第六NMOS晶体管NM6、第七NMOS晶体管NM7和第八NMOS晶体管NM8构成。

其中，所述第一NMOS晶体管NMI的栅极与所述pH值感应电路101中的钝化电容C_P的负极相连，所述第二NMOS晶体管NM2的栅极与共模输入电压V_CM相连；所述第一NMOS晶体管NM1的漏极和所述第二NMOS晶体管NM2的漏极分别与所述第一PMOS晶体管PM1的漏极和所述第二PMOS晶体管PM2的漏极相连；所述第一NMOS晶体管NM1的源极与所述第四NMOS晶体管NM4的漏极相连，所述第二NMOS晶体管NM2的源极与所述第四NMOS晶体管NM4的源极相连，并与所述第三NMOS晶体管NM3的漏极相连；

所述第三NMOS晶体管NM3的栅极与第一偏置电压IBN相连，所述第三NMOS晶体管NM3的源极接地；

所述第四NMOS晶体管NM4的栅极与阵列行选择信号Row1相连；

所述第一PMOS晶体管PM1的栅极与所述第二PMOS晶体管PM2的栅极相连，并与第二偏置电压IBP相连；所述第一PMOS晶体管PM1的源极与所述第二PMOS晶体管PM2的源极相连，并与电源电压V_DD相连；所述第一PMOS晶体管PM1的漏极和所述第二PMOS晶体管PM2的漏极分别与所述第三PMOS晶体管PM3的源极和所述第四PMOS晶体管PM4的源极相连；

所述第三PMOS晶体管PM3的栅极与所述第四PMOS晶体管PM4的栅极相连，并与第三偏置电压VBP相连；所述第三PMOS晶体管PM3的漏极和所述第四PMOS晶体管PM4的漏极分别与所述第五NMOS晶体管NM5的漏极和所述第六NMOS晶体管NM6的漏极相连；其中，所述第三PMOS晶体管PM3的漏极作为所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端out与所述电容反馈电路104的输入端ifb相连；

所述第五NMOS晶体管NM5的栅极与所述第六NMOS晶体管NM6的栅极相连，并与第四偏置电压VBN相连，所述第五NMOS晶体管NM5的源极和所述第六NMOS晶体管NM6的源极分别与所述第七NMOS晶体管NM7的漏极和所述第八NMOS晶体管NM8的漏极相连；

所述第七NMOS晶体管NM7的栅极与所述第八NMOS晶体管NM8的栅极相连，并与所述第四PMOS晶体管PM4的漏极相连；所述第七NMOS晶体管的源极NM7与所述第八NMOS晶体管NM8的源极相连，并与地相连。

进一步地，所述电容反馈电路104包括开关RST和反馈电容C_F，其中，所述开关RST的一端与所述反馈电容C_F的一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端out相连，所述开关RST的另一端与所述反馈电容C_F的另一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分输入端g1相连。

如图2所示的离子敏感场效应管感应器的读出电路中，所述钝化电容C_P与所述第一NMOS晶体管共同构成离子敏感场效应管ISFET，所述ISFET作为检测管，V′_g为ISFET检测管的浮栅电位，间接地反应了待检环境中pH值的变化情况。V′_g与待测溶液PH值之间的关系如以下公式所示：

V′_g＝V_ref-V_chem-V_tc

其中，V_ref为接于ISFET晶体管外部的pH检测溶液内的输入参考电极，V_tc为陷阱电荷、浮栅电容变化等导致的低频非理想因素，V_chem为与pH值变化相关的电压，其可以表示为：

$V_{\mathrm{chem}}=\mathrm{\γ}+\frac{2.3\mathrm{akT}}{q}\×\mathrm{pH}$

其中，γ代表所有与化学无关的信号总和，a代表理想能斯特电位减小的参数，范围从0-1，k为波耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷。

由以上公式可知，当V_ref固定且V_tc在ISFET检测管复位相时被抵消的情况下，在检测相时V′_g与V_chem线性相关，即V′_g与待测溶液的pH值变化线性相关。

因此，所述读出电路在复位相时，所述电容反馈电路104的开关RST闭合，将ISFET管的金属栅极与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端out短接，从而将ISFET管的金属栅极固定在V_CM电位，而不受栅极陷阱电荷差异的影响；所述读出电路在检测相时，所述电容反馈电路104的开关RST断开，ISFET管的栅极与外界不存在直流通路，通过所述折叠共源共栅运算放大器电路102的负反馈基本被固定在V_CM附近，可以认为是虚地。

根据电荷守恒定律可得：V′_g×C_p+V_out×C_F＝0

其中，V_out代表所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端out处的电压，所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端out与所述缓冲级电路103的输入端ibuf相连，而所述缓冲级电路103的输出电压即为所述读出电路的输出电压V_O-pH，即V_out＝V_O-pH从而在所述读出电路在检测相时，可以通过检测V_O-pH的变化来反映待测溶液中的pH值的变化，即

$V_{o-\mathrm{pH}}=-\frac{C_p}{C_F}{V}_g^{\′}$

另外，所述电容反馈电路104中的开关RST采用的是特殊设计，使其闭合和断开时的注入电流在nA量级，达到对电路的影响最小化。

本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的读出电路，其利用折叠共源共栅运算放大器电路的一个差分输入管做成ISFET管，工作于亚阈值区，因此，所述读出电路的功耗很低，适合于大规模DNA测序阵列应用。另外，所述读出电路通过电容反馈电路周期性地将ISFET晶体管的浮栅重置于一个固定电位，同时通过反馈环路固定ISFET晶体管的直流漏电流及其源极与漏极的电压差，从而能够有效消除直流/低频偏差和漂移，从而大大提高读出电路的精度和灵敏度。

另外，本发明实施例提供一种离子敏感场效应管传感器，所述传感器包括上述任一项所述的读出电路。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种离子敏感场效应管传感器的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括pH值感应电路，基于MOS晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路、电容反馈电路和缓冲级电路，所述MOS晶体管工作于亚阈值区，其中，

所述pH值感应电路的输入端与输入参考电极相连，所述pH值感应电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；

所述折叠共源共栅运算放大器电路的第二差分输入端与共模输入电压相连，所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端同时与所述电容反馈电路的输入端和所述缓冲级电路的输入端相连；

所述电容反馈电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；所述缓冲级电路的输出端为所述读出电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述pH值感应电路包括钝化电容，其中，所述钝化电容的正极与所述输入参考电极相连，所述钝化电容的负极与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；

所述钝化电容与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入管构成离子敏感场效应管。

3.根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，所述折叠共源共栅运算放大器电路包括由作为所述第一差分输入管的第一NMOS晶体管和作为第二差分输入管的第二NMOS晶体管构成的差分输入级、由第三NMOS晶体管构成的偏置电流源、由第四NMOS晶体管构成的阵列行选择开关以及共源共栅放大级，所述共源共栅放大级由第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管、第四PMOS晶体管以及第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七NMOS晶体管和第八NMOS晶体管构成；

所述第一NMOS晶体管的栅极与所述pH值感应电路中的钝化电容的负极相连，所述第二NMOS晶体管的栅极与所述共模输入电压相连；所述第一NMOS晶体管的漏极和所述第二NMOS晶体管的漏极分别与所述第一PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏极相连；所述第一NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的漏极相连，所述第二NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的源极相连，并与所述第三NMOS晶体管的漏极相连；

所述第三NMOS晶体管的栅极与第一偏置电压相连，所述第三NMOS晶体管的源极接地；

所述第四NMOS晶体管的栅极与阵列行选择信号相连；

所述第一PMOS晶体管的栅极与所述第二PMOS晶体管的栅极相连，并与第二偏置电压相连；所述第一PMOS晶体管的源极与所述第二PMOS晶体管的源极相连，并与电源电压V_DD相连；所述第一PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏极分别与所述第三PMOS晶体管的源极和所述第四PMOS晶体管的源极相连；

所述第三PMOS晶体管的栅极与所述第四PMOS晶体管的栅极相连，并与第三偏置电压相连；所述第三PMOS晶体管的漏极和所述第四PMOS晶体管的漏极分别与所述第五NMOS晶体管的漏极和所述第六NMOS晶体管的漏极相连；其中，所述第三PMOS晶体管的漏极作为所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端与所述电容反馈电路的输入端相连；

所述第五NMOS晶体管的栅极与所述第六NMOS晶体管的栅极相连，并与第四偏置电压相连，所述第五NMOS晶体管的源极和所述第六NMOS晶体管的源极分别与所述第七NMOS晶体管的漏极和所述第八NMOS晶体管的漏极相连；

所述第七NMOS晶体管的栅极与所述第八NMOS晶体管的栅极相连，并与所述第四PMOS晶体管的漏极相连；所述第七NMOS晶体管的源极与所述第八NMOS晶体管的源极相连，并与地相连。

4.根据权利要求3所述的读出电路，其特征在于，所述电容反馈电路包括开关和反馈电容，其中，所述开关的一端与所述反馈电容的一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端相连，所述开关的另一端与所述反馈电容的另一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连。

5.一种离子敏感场效应管传感器，其特征在于，所述传感器包括权利要求1至4中任一项所述的读出电路。