CN104614431B - 离子敏感场效应管传感器及其电流模式读出电路 - Google Patents
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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电流模式读出电路。所述读出电路包括基于P型离子敏感场效应管的pH值感应电路、基于金属氧化物半导体场效应管的吉尔伯特增益电路、增益电流源和电流镜电路，P型离子敏感场效应管和金属氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区，pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与第一输入参考电极和第二输入参考电极相连，第一输出端和第二输出端分别与吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；吉尔伯特增益电路的增益电流输入端与增益电流源的负极相连，第一电流输出端和第二电流输出端分别与电流镜电路的输入端和输出端相连；增益电流源的正极与电源电压VDD相连。
Description
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电流模式读出电路。
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，其中，由于离子敏感场效应管(Ion-Sensitive Field-effect Transistor，ISFET)传感器具有敏感区面积小、响应速度快、灵敏度高以及易于批量制造等优势，所以离子敏感场效应管传感器被广泛应用于生化检测领域，例如，离子敏感场效应管传感器可以作为pH值传感器来检测pH值的变化。
离子敏感场效应管是使用敏感膜和参考电极取代金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor，MOSFET)的金属栅极。离子敏感场效应管传感器的工作机理为将参考电极和敏感膜被置于待测的电解质溶液中，栅极电压加在参考电极上，随着电解质溶液的pH值变化，栅极表面的氢离子浓度会发生变化，进而影响离子敏感场效应管的阈值电压的变化，然后，通过离子敏感场效应管传感器的读出电路将阈值电压的变化转换成电流或者电压输出，从而将pH值的变化转换为电信号。可见，离子敏感场效应管传感器的读出电路直接关系到离子敏感场效应管传感器的工作稳定性及性能好坏。
最初的离子敏感场效应管传感器的读出电路采用电压模式，由于使用运算放大器，电压模式的读出电路具有较高的工作电压和功耗，同时，输出的电压量在转换为电流量时需要经过高阻抗节点，这在很大程度上减低了电路的工作速度。因而在降低工作电压和功耗以及工作速度等方面存在优势的电流模式电路逐渐被研究人员认识和发展，但现有的电流模式读出电路都需要额外的增益放大级来获得更高的灵敏度，因此，整体电路的功耗并没有降低很多。而现代的生物医学领域要求传感器具有低电压、低功耗、高工作速度等特点，以缩小传感器体积和延长测量时间。因此，为了满足现代生物医学对于生物传感器的要求，降低电流模式读出电路的工作电压和功耗是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电流模式读出电路，所述电流模式读出电路具有电路结构简单、增益可调节、低工作电压、超低功耗以及高工作速度的优点。
一方面，本发明提供一种离子敏感场效应管传感器的电流模式读出电路，所述读出电路包括基于P型离子敏感场效应管的pH值感应电路、基于金属氧化物半导体场效应管的吉尔伯特增益电路、增益电流源和电流镜电路，所述P型离子敏感场效应管和所述金属氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区，其中，
所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与第一输入参考电极和第二输入参考电极相连；所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；
所述吉尔伯特增益电路的增益电流输入端与所述增益电流源的负极相连，所述增益电流源的正极与电源电压VDD相连；所述吉尔伯特增益电路的第一电流输出端和第二电流输出端分别与所述电流镜电路的输入端和输出端相连；
所述吉尔伯特增益电路的第二电流输出端输出的电流与所述电流镜电路的输出端输出的电流合并作为所述读出电路的输出电流。
优选地，所述pH值感应电路包括第一P型离子敏感场效应管和第二P型离子敏感场效应管，其中，所述第一P型离子敏感场效应管的栅极和所述第二P型离子敏感场效应管的栅极作为所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一输入参考电极和所述第二输入参考电极相连；所述第一P型离子敏感场效应管的漏极和所述第二P型离子敏感场效应管的漏极作为所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；所述第一P型离子敏感场效应管的源极和所述第二P型离子敏感场效应管的源极连接电源VDD。
优选地，所述吉尔伯特增益电路包括第一P型金属氧化物半导体场效应管、第二P型金属氧化物半导体场效应管、第三P型金属氧化物半导体场效应管和第四P型金属氧化物半导体场效应管，其中，所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的栅极作为所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端分别与所述第一P型离子敏感场效应管的漏极和所述第二P型离子敏感场效应管的漏极；所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的漏极分别与所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的漏极相连，从而分别与所述电流镜电路的输出端和输入端相连；所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的源极与所述增益电流源的负极相连，所述增益电流源的负极正极连接电源VDD；
所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的栅极分别与第一输入偏置电压和第二输入偏置电压相连；所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的漏极作为所述吉尔伯特增益电路的第一电流输出端和第二电流输出端分别与所述电流镜电路的输入端和输出端相连；所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的源极分别与所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的栅极相连。
优选地，所述电流镜电路包括第一N型金属氧化物半导体场效应管和第二N型金属氧化物半导体场效应管，其中，所述第一N型金属氧化物半导体场效应管的栅极和漏极与所述第二N型金属氧化物半导体场效应管的栅极相连；所述第一N型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第二N型金属氧化物半导体场效应管的漏极作为所述电流镜电路的输入端和输出端分别与所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的漏极；所述第一N型金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第二N型金属氧化物半导体场效应管的源极分别接地。
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电流模式读出电路，根据P型离子敏感场效应管和金属氧化物半导体场效应管在亚阈值区的电流特性和跨导线性化原理，将pH值的变化转换为稳定的电流信号，与现有技术相比，所述电流模式读出电路的电路结构简单，而且所述电流模式读出电路具有工作电压低、功耗低和工作速度快的优点，同时所述读出电路的增益是可调节的。
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电流模式读出电路一实施例的结构示意图；
图2为本发明离子敏感场效应管传感器的电流模式读出电路的另一实施例的结构示意图。
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电流模式读出电路1，所述读出电路1包括基于P型离子敏感场效应管的pH值感应电路11、基于金属氧化物半导体场效应管的吉尔伯特增益电路12、增益电流源Igain和电流镜电路13，所述P型离子敏感场效应管和所述金属氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区，其中，
所述pH值感应电路11的第一输入端G1和第二输入端G2分别与第一输入参考电极和第二输入参考电极相连；所述pH值感应电路11的第一输出端D1和第二输出端D2分别与所述吉尔伯特增益电路12的第一差分信号输入端IN-1和第二差分信号输入端相连IN-2；
所述吉尔伯特增益电路12的增益电流输入端G与所述增益电流源Igain的负极相连，所述增益电流源Igain的正极与电源VDD相连；所述吉尔伯特增益电路12的第一电流输出端OUT-1和第二电流输出端OUT-2分别与所述电流镜电路13的输入端IN-3和输出端OUT-3相连；
所述吉尔伯特增益电路12的第二电流输出端I-OUT-2输出的电流I-与所述电流镜电路13的输出端OUT-3输出的电流Io合并作为所述读出电路的输出电流Iout。
本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的电流模式读出电路，根据P型离子敏感场效应管和金属氧化物半导体场效应管在亚阈值区的电流特性和跨导线性化原理，将pH值的变化转换为稳定的电流信号，与现有技术相比，所述电流模式读出电路的电路结构简单，而且所述电流模式读出电路具有工作电压低、功耗低和工作速度快的优点，同时由于所述吉尔伯特增益电路的增益电流可调，所以该读出电路的增益是可调节的。
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电流模式读出电路2，所述读出电路2包括基于P型离子敏感场效应管的pH值感应电路21、基于金属氧化物半导体场效应管的吉尔伯特增益电路22、增益电流源Igain和电流镜电路23，所述P型离子敏感场效应管和所述金属氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区。
其中，所述pH值感应电路21包括第一P型离子敏感场效应管P-ISFET1和第二P型离子敏感场效应管P-ISFET2，所述P-ISFET1的栅极和所述P-ISFET2的栅极作为所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一输入参考电极和所述第二输入参考电极相连；所述P-ISFET1的漏极和所述P-ISFET2的漏极作为所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述吉尔伯特增益电路22的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；所述P-ISFET1的源极和所述P-ISFET2的源极连接电源VDD。
进一步地，所述吉尔伯特增益电路22包括第一P型金属氧化物半导体场效应管PM1、第二P型金属氧化物半导体场效应管PM2、第三P型金属氧化物半导体场效应管PM3和第四P型金属氧化物半导体场效应管PM4，其中，所述PM1的栅极和所述PM2的栅极作为所述吉尔伯特增益电路22的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端分别与所述P-ISFET1的漏极和所述P-ISFET2的漏极；所述PM1的漏极和所述PM2的漏极分别与所述PM4的漏极和所述PM3的漏极相连，从而分别与所述电流镜电路23的输出端和输入端相连；所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的源极与所述增益电流源Igain的负极相连，所述增益电流源Igain的正极连接电源VDD。
所述PM3的栅极和所述PM4的栅极分别与第一输入偏置电压Vbias1和第二输入偏置电压Vbias2相连；所述PM3的漏极和所述PM4的漏极作为所述吉尔伯特增益电路22的第一电流输出端和第二电流输出端分别与所述电流镜电路23的输入端和输出端相连；所述PM3的源极和所述PM4的源极分别与所述PM1的栅极和所述PM2的栅极相连。
进一步地，所述电流镜电路23包括第一N型金属氧化物半导体场效应管NM1和第二N型金属氧化物半导体场效应管NM2，其中，所述NM1的栅极和漏极与所述NM2的栅极相连；所述NM1的漏极和所述NM2的漏极作为所述电流镜电路23的输入端和输出端分别与所述PM3的漏极和所述PM4的漏极；所述NM1的源极与所述NM2的源极分别接地。
所述吉尔伯特增益电路22的第二电流输出端输出的电流I-与所述电流镜电路23的输出端输出的电流Io合并作为所述读出电路的输出电流Iout。
可见，所述读出电路2是根据P型离子敏感场效应管和金属氧化物半导体场效应管在亚阈值区的电流特性和跨导线性化原理，将pH值的变化转换为稳定的电流信号。
具体地，流过处于亚阈值区晶体管的漏电流ID与电压呈以下指数关系：
其中，I0为器件的本征电流，VGS为栅源电压，VTH为晶体管的阈值电压，n为亚阈值系数，Ut为热电压。
相应地，晶体管的栅源电压VGS与漏电流ID的关系可转换为：
根据跨导线性化原理VGS(PM3)+VGS(PM1)＝VGS(PM4)+VGS(PM2)
假设所述PM1与PM2的阈值电压相等，所述PM3与PM4的阈值电压相等，则有即IPM3×IPM1＝IPM4×IPM2。
假设输入直流偏置电流为IX，输入可调电流为IY，则流经所述PM3和PM4的电流分别表示为IPM3＝(1+X)IX，IPM4＝(1-X)IX，增益电流输入表示为Igain＝2IY，其中，X为差分信号调制系数。
根据以上关系可得：IPM1＝(1-X)IY，IPM2＝(1+X)IY，从而可得：
I+＝IPM3+IPM2＝(1+X)(IX+IY)
I-＝IPM4+IPM1＝(1-X)(IX+IY)
将所述电流镜电路的所述NM1和NM2的宽长比设置为1:1，则IO＝Ii＝I+。
进而，所述吉尔伯特增益电路22的输入电流和输出电流分别为：
Iin＝IPM3-IPM4＝(1+X)IX-(1-X)IX＝2XIX
Iout＝I+-I-＝(1+X)(IX+IY)-(1-X)(IX+IY)＝2X(IX+IY)
所以，所述吉尔伯特增益电路22的增益A表示为：
由此可见，当电流IY变化时，所述读出电路2的增益A也随之变化。
对于图2所示的读出电路2，所述P-ISFET1用来检测pH值的变化且反应为IISFET1；所述P-ISFET2用来检测pH值的变化且反应为IISFET2，则所述读出电路2的输出电流为：
Iout＝A×Iin＝A(IISFET1-IISFET2)＝A×IΔPH
由此可见，当IX和IY都保持固定值不变时，所述读出电路2的输出电流随着由pH值变化引起的输入电流呈线性变化，而当IY值改变时，相应的增益A也变化，从而实现增益可调，从而使得所述读出电路2能够将pH值变化转化为电流信号进行输出，且所述读出电路2的电路结构简单，增益可调，工作速度很高，并且由于很低的工作电压和很小的偏置电流也能使晶体管工作于亚阈值区，所以该读出电路的功耗很低。
本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的电流模式读出电路，根据P型离子敏感场效应管和金属氧化物半导体场效应管在亚阈值区的电流特性和跨导线性化原理，将pH值的变化转换为稳定的电流信号，与现有技术相比，所述电流模式读出电路的电路结构简单，而且所述电流模式读出电路具有工作电压低、功耗低和工作速度快的优点，同时由于所述吉尔伯特增益电路的增益电流可调，所以该读出电路的增益是可调节的。
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 (4)
1.一种离子敏感场效应管传感器的电流模式读出电路，其特征在于，所述读出电路包括基于P型离子敏感场效应管的pH值感应电路、基于金属氧化物半导体场效应管的吉尔伯特增益电路、增益电流源和电流镜电路，所述P型离子敏感场效应管和所述金属氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区，其中，
所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与第一输入参考电极和第二输入参考电极相连；所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；
所述吉尔伯特增益电路的增益电流输入端与所述增益电流源的负极相连，所述增益电流源的正极与电源电压VDD相连；所述吉尔伯特增益电路的第一电流输出端和第二电流输出端分别与所述电流镜电路的输入端和输出端相连；
所述吉尔伯特增益电路的第二电流输出端输出的电流与所述电流镜电路的输出端输出的电流合并作为所述读出电路的输出电流；其中，所述pH值感应电路包括第一P型离子敏感场效应管和第二P型离子敏感场效应管，其中，所述第一P型离子敏感场效应管的栅极和所述第二P型离子敏感场效应管的栅极作为所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一输入参考电极和所述第二输入参考电极相连；所述第一P型离子敏感场效应管的漏极和所述第二P型离子敏感场效应管的漏极作为所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；所述第一P型离子敏感场效应管的源极和所述第二P型离子敏感场效应管的源极连接电源VDD。
2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述吉尔伯特增益电路包括第一P型金属氧化物半导体场效应管、第二P型金属氧化物半导体场效应管、第三P型金属氧化物半导体场效应管和第四P型金属氧化物半导体场效应管，其中，所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的栅极作为所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端分别与所述第一P型离子敏感场效应管的漏极和所述第二P型离子敏感场效应管的漏极；所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的漏极分别与所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的漏极相连，从而分别与所述电流镜电路的输出端和输入端相连；所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的源极与所述增益电流源的负极相连，所述增益电流源的负极正极连接电源VDD；
所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的栅极分别与第一输入偏置电压和第二输入偏置电压相连；所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的漏极作为所述吉尔伯特增益电路的第一电流输出端和第二电流输出端分别与所述电流镜电路的输入端和输出端相连；所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的源极分别与所述第一P型金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第二P型金属氧化物半导体场效应管的栅极相连。
3.根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，所述电流镜电路包括第一N型金属氧化物半导体场效应管和第二N型金属氧化物半导体场效应管，其中，所述第一N型金属氧化物半导体场效应管的栅极和漏极与所述第二N型金属氧化物半导体场效应管的栅极相连；所述第一N型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第二N型金属氧化物半导体场效应管的漏极作为所述电流镜电路的输入端和输出端分别与所述第三P型金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第四P型金属氧化物半导体场效应管的漏极；所述第一N型金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第二N型金属氧化物半导体场效应管的源极分别接地。
4.一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3中任一项所述的读出电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220429 Address after: 510000 room 710, Jianshe building, No. 348, Kaifa Avenue, Huangpu District, Guangzhou, Guangdong Patentee after: Ruili flat core Microelectronics (Guangzhou) Co.,Ltd. Address before: 510000 601, building a, 136 Kaiyuan Avenue, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province Patentee before: AoXin integrated circuit technology (Guangdong) Co.,Ltd. |