CN104677967A - 离子敏感场效应管传感器及其电压模式读出电路 - 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电压模式读出电路，解决了现有电压模式读出电路的高电压、高功耗及工作速度低的缺陷。所述读出电路包括基于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缓冲级电路和电流源偏置电路，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，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缓冲级电路的第二输入端和第一输入端相连；所述缓冲级电路的第一输出端和第二输出端分别与所述电流源偏置电路的第一电流源和第二电流源相连。

Description

离子敏感场效应管传感器及其电压模式读出电路

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电压模式读出电路。

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。

现有的离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路由于使用运算放大器，而使得读出电路的工作电压和功耗比较高，同时，输出的电压量在转换为电流量时也需要经过高阻抗节点，这在很大程度上降低了读出电路的工作速度，而现代生物医学往往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，降低电压模式读出电路的工作电压和功耗，以及提高电压模式读出电路的工作速度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压模式读出电路，其具有电路结构简单、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压模式读出电路，所述读出电路包括基于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缓冲级电路和电流源偏置电路，所述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作为所述读出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缓冲级电路的第二输入端和第一输入端相连；

所述缓冲级电路的第一输出端和第二输出端作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述电流源偏置电路的第一电流源和第二电流源相连，所述读出电路的第一输出端和第二输出端之间的电压即为所述读出电路的输出电压；

所述第一电流源的电流流向由电源VDD流向所述缓冲级电路的第一输出端，所述第二电流源的电流流向由电源VDD流向所述缓冲级电路的第二输出端；或者，所述第一电流源的电流流向由所述缓冲级电路的第一输出端向地电位，所述第二电流源的电流流向由所述缓冲级电路的第二输出端向地电位。

优选地，所述pH值感应电路包括第一离子敏感场效应管和第二离子敏感场效应管，所述第一离子敏感场效应管的栅极和所述第二离子敏感场效应管的栅极作为所述读出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；所述第一离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极作为所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述缓冲级电路的第一输入端和第二输入端相连；所述第一离子敏感场效应管的漏极和所述第二离子敏感场效应管的漏极接地，或者，所述第一离子敏感场效应管的漏极和所述第二离子敏感场效应管的漏极连接电源V_DD。

优选地，所述缓冲级电路包括第一金属氧化物半导体场效应管和第二金属氧化物半导体场效应管，所述第一金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的栅极作为所述缓冲级电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极相连；所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连；所述第一金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的漏极分别与所述第一离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极相连。

优选地，所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连可以为：

所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第一电流源的负极相连，所述第一电流源的正极与电源V_DD相连，所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第二电流源的负极相连，所述第二电流源的正极与电源V_DD相连；或者，所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第一电流源的正极相连，所述第一电流源的负极接地，所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第二电流源的正极相连，所述第二电流源的负极接地。

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压模式读出电路，根据亚阈值区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压信号输出，与现有技术相比，所述电压模式读出电路的电路结构简单，而且所述电压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。

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压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压模式读出电路的P型电路结构示意图；

图3为本发明离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路的N型电路结构示意图。

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压模式读出电路1，所述读出电路1包括基于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缓冲级电路12和电流源偏置电路13，所述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作为所述读出电路1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S1和第二输出端S2分别与所述缓冲级电路的第二输入端g2和第一输入端g1相连；

所述缓冲级电路的第一输出端V₊和第二输出端V_-作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述电流源偏置电路13的第一电流源131和第二电流源132相连，所述读出电路的第一输出端和第二输出端之间的电压即为所述读出电路的输出电压V_out；

所述第一电流源131的电流流向由电源电压V_DD流向所述缓冲级电路的第一输出端g1，所述第二电流源132的电流流向由电源电压V_DD流向所述缓冲级电路的第二输出端g2；或者，所述第一电流源131的电流流向由所述缓冲级电路的第一输出端g1向地电位，所述第二电流源132的电流流向由所述缓冲级电路的第二输出端g2向地电位。

本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路，根据亚阈值区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压信号输出，与现有技术相比，所述电压模式读出电路的电路结构简单，而且所述电压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。

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压模式读出电路2，所述读出电路2为P型电路结构，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P型金属氧化物半导体场效应管的缓冲级电路22和电流源偏置电路23。

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，所述缓冲级电路22包括第一P型金属氧化物半导体场效应管PM1和第二P型金属氧化物半导体场效应管PM2，所述电流源偏置电路23包括第一电流源I_bias1和第二电流源I_bias2，其中P-ISFET1、P-ISFET2、PM1和PM2均工作于亚阈值区。

具体地，所述P-ISFET1的栅极G1和所述P-ISFET2的栅极G2作为所述读出电路2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P-ISFET1的源极S1和所述P-ISFET2的源极S2分别与所述PM2的栅极g2和所述PM1的栅极g1相连；

所述P-ISFET1的漏极D1和所述P-ISFET2的漏极D2分别接地。

进一步地，所述PM1的源极s1和所述PM2的源极s2作为所述读出电路2的第一输出端V+和第二输出端V-分别与所述第一电流源I_bias1的负极和所述第二电流源I_bias2的负极相连，所述第一电流源I_bias1的正极和所述第二电流源I_bias2的正极分别与电源V_DD相连；

所述PM1的漏极d1和所述PM2的漏极d2分别与所述P-ISFET1的源极S1和所述P-ISFET2的源极S2相连。

可见，所述读出电路2采用的是四管交叉的简易电路结构，并根据亚阈值区电流特性和跨导线性化原理，将离子敏感场效应管的阈值电压的变化转换为稳定的输出电压。

具体地，亚阈值区电流特性为流过处于亚阈值区晶体管的漏电流I_D与电压呈以下指数关系：

$I_D=I_0\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}}}{{\mathrm{nU}}_t}\right)---\left(1\right)$

其中，I₀为器件的本征电流，V_GS为栅源电压，V_TH为晶体管的阈值电压，n为亚阈值系数，U_t为热电压。

所述读出电路2的输出电压V_out的推导过程如下：

在所述读出电路2的P型电路结构中，所述PM1的电流与所述P-ISFET1的电流相等，即I_PM1＝I_P-ISFET1，I_PM2＝I_P-ISFET2。

根据亚阈值区电流特性及跨导线性化原理I_PM1×I_P-ISFET2＝I_PM2×I_P-ISFET1得到：

V_GS(PM1)-V_TH(PM1)+V_GS(P-ISFET2)-V_TH(P-ISFET2)

＝V_GS(PM2)-V_TH(PM2)+V_GS(P-ISFET1)-V_TH(P-ISFET1)      (2)

其中，式(2)中的V_GS(PM1)和V_GS(PM2)分别表示所述PM1的栅源电压和所述PM2的栅源电压；V_GS(P-ISFET1)和V_GS(P-ISFET2)分别表示所述P-ISFET1的栅源电压和所述P-ISFET2的栅源电压，即分别为所述第一输入参考电极电压和所述第二输入参考电极电压；V_TH(PM1)和V_TH(PM2)分别表示所述PM1和所述PM2的阈值电压；V_TH(P-ISFET1)和V_TH(P-ISFET2)分别表示所述P-ISFET1和所述P-ISFET2的阈值电压。

由于V_TH(PM1)＝V_TH(PM2)，则式(2)变为：

V_GS(PM1)+V_GS(P-ISFET2)-V_TH(P-ISFET2)＝V_GS(PM2)+V_GS(P-ISFET1)-V_TH(P-ISFET1)     (3)

由于在所述P-ISFET1的栅极G1和所述P-ISFET2的栅极G2施加相同的输入参考电压，则V_GS(P-ISFET1)＝V_GS(P-ISFET2)，进而式(3)变为：

V_GS(PM1)-V_TH(P-ISFET2)＝V_GS(PM2)-V_TH(P-ISFET1)        (4)

由于所述PM1的栅源电压V_GS(PM1)和所述PM2栅源电压V_GS(PM2)分别为所述读出电路2的第一输出端的电压V₊和第二输出端的电压V_-，则所述读出电路的输出电压V_out可以表述为以下形式：

V_out＝V₊-V_-＝V_TH(P-ISFET2)-V_TH(P-ISFET1)      (5)

根据上述式(5)可知，所述读出电路的输出电压V_out等于所述P-ISFET1的阈值电压与所述P-ISFET2的阈值电压之差，由于离子敏感场效应管的阈值电压受pH值影响，进而所述读出电路的输出电压V_out与pH值大小有关，因此，将P-ISFET1和P-ISFET2分别置于pH值为pH1和pH2的电解质溶液中，所述读出电路的输出电压为随着pH值的变化而引起的两个P型离子敏感场效应管的阈值电压之差，并且所述输出电压不随输出负载的变化而变化，从而得到稳定的输出电压。

本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路，根据亚阈值区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压信号输出，与现有技术相比，所述电压模式读出电路的电路结构简单，而且所述电压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。

如图3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压模式读出电路3，所述读出电路3为N型电路结构，所述读出电路2包括基于N型离子敏感场效应管的pH值感应电路31、基于N型金属氧化物半导体场效应管的缓冲级电路32和电流源偏置电路33。

其中，所述pH值感应电路31包括第一N型离子敏感场效应管N-ISFET1和第二N型离子敏感场效应管N-ISFET2，所述缓冲级电路32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，所述电流源偏置电路23包括第一电流源I_bias1和第二电流源I_bias2，其中N-ISFET1、N-ISFET2、NM1和NM2均工作于亚阈值区。

具体地，所述N-ISFET1的栅极G1和所述N-ISFET2的栅极G2作为所述读出电路2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N-ISFET1的源极S1和所述N-ISFET2的源极S2分别与所述NM2的栅极g2和所述NM1的栅极g1相连；

所述N-ISFET1的漏极D1和所述N-ISFET2的漏极D2分别接电源V_DD。

进一步地，所述NM1的源极s1和所述NM2的源极s2作为所述读出电路3的第一输出端V+和第二输出端V-分别与所述第一电流源I_bias1的正极和所述第二电流源I_bias2的正极相连，所述第一电流源I_bias1的负极和所述第二电流源I_bias2的负极分别接地；

所述NM1的漏极d1和所述NM2的漏极d2分别与所述N-ISFET1的源极S1和所述N-ISFET2的源极S2相连。

可见，所述读出电路3采用的是四管交叉的简易电路结构，并根据亚阈值区电流特性和跨导线性化原理，将离子敏感场效应管的阈值电压的变化转换为稳定的输出电压。

具体地，亚阈值区电流特性为流过处于亚阈值区晶体管的漏电流I_D与电压呈以下指数关系：

$I_D=I_0\exp \left(\frac{V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}}}{{\mathrm{nU}}_t}\right)---\left(1\right)$

其中，I₀为器件的本征电流，V_GS为栅源电压，V_TH为晶体管的阈值电压，n为亚阈值系数，U_t为热电压。

所述读出电路3的输出电压V_out的推导过程如下：

在所述读出电路3的N型电路结构中，所述NM1的电流与所述N-ISFET1的电流相等，即I_NM1＝I_N-ISFET1，I_NM2＝I_N-ISFET2。

根据亚阈值区电流特性及跨导线性化原理I_NM1×I_N-ISFET2＝I_NM2×I_N-ISFET1得到：

V_GS(NM1)-V_TH(NM1)+V_GS(N-ISFET2)-V_TH(N-ISFET2)

＝V_GS(NM2)-V_TH(NM2)+V_GS(N-ISFET1)-V_TH(N-ISFET1)       (2)

其中，式(2)中的V_GS(NM1)和V_GS(NM2)分别表示所述NM1的栅源电压和所述NM2的栅源电压；V_GS(N-ISFET1)和V_GS(N-ISFET2)分别表示所述N-ISFET1的栅源电压和所述N-ISFET2的栅源电压，即分别为所述第一输入参考电极电压和所述第二输入参考电极电压；V_TH(NM1)和V_TH(NM2)分别表示所述NM1和所述NM2的阈值电压；V_TH(N-ISFET1)和V_TH(N-ISFET2)分别表示所述N-ISFET1和所述N-ISFET2的阈值电压。

由于V_TH(NM1)＝V_TH(NM2)，则式(2)变为：

V_GS(NM1)+V_GS(N-ISFET2)-V_TH(N-ISFET2)＝V_GS(NM2)+V_GS(N-ISFET1)-V_TH(N-ISFET1)    (3)

由于在所述N-ISFET1的栅极G1和所述N-ISFET2的栅极G2施加相同的输入参考电压，则V_GS(N-ISFET1)＝V_GS(N-ISFET2)，进而式(3)变为：

V_GS(NM1)-V_TH(N-ISFET2)＝V_GS(NM2)-V_TH(N-ISFET1)    (4)

由于所述NM1的栅源电压V_GS(NM1)和所述NM2栅源电压V_GS(NM2)分别为所述读出电路3的第一输出端的电压V₊和第二输出端的电压V_-，则所述读出电路的输出电压V_out可以表述为以下形式：

V_out＝V₊-V_-＝V_TH(N-ISFET2)-V_TH(N-ISFET1)       (5)

根据上述式(5)可知，所述读出电路的输出电压V_out等于所述N-ISFET1的阈值电压与所述N-ISFET2的阈值电压之差，由于离子敏感场效应管的阈值电压受pH值影响，进而所述读出电路的输出电压V_out与pH值大小有关，因此，将N-ISFET1和N-ISFET2分别置于pH值为pH1和pH2的电解质溶液中，所述读出电路的输出电压为随着pH值的变化而引起的两个P型离子敏感场效应管的阈值电压之差，并且所述输出电压不随输出负载的变化而变化，从而得到稳定的输出电压。

本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路，根据亚阈值区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压信号输出，与现有技术相比，所述电压模式读出电路的电路结构简单，而且所述电压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。

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电压模式读出电路，其特征在于，所述读出电路包括基于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缓冲级电路和电流源偏置电路，所述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作为所述读出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缓冲级电路的第二输入端和第一输入端相连；

所述缓冲级电路的第一输出端和第二输出端作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述电流源偏置电路的第一电流源和第二电流源相连，所述读出电路的第一输出端和第二输出端之间的电压即为所述读出电路的输出电压；

所述第一电流源的电流流向由电源VDD流向所述缓冲级电路的第一输出端，所述第二电流源的电流流向由电源VDD流向所述缓冲级电路的第二输出端；或者，所述第一电流源的电流流向由所述缓冲级电路的第一输出端向地电位，所述第二电流源的电流流向由所述缓冲级电路的第二输出端向地电位。

2.根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，所述pH值感应电路包括第一离子敏感场效应管和第二离子敏感场效应管，所述第一离子敏感场效应管的栅极和所述第二离子敏感场效应管的栅极作为所述读出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；

所述第一离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极作为所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述缓冲级电路的第一输入端和第二输入端相连；

所述第一离子敏感场效应管的漏极和所述第二离子敏感场效应管的漏极接地，或者，所述第一离子敏感场效应管的漏极和所述第二离子敏感场效应管的漏极连接电源VDD。

3.根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，所述缓冲级电路包括第一金属氧化物半导体场效应管和第二金属氧化物半导体场效应管，所述第一金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的栅极作为所述缓冲级电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极相连；

所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连；

所述第一金属氧化物半导体场效应管的漏极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的漏极分别与所述第一离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极相连。

4.根据权利要求3所述的读出电路，其特征在于，所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连包括：

所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第一电流源的负极相连，所述第一电流源的正极与电源VDD相连，所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第二电流源的负极相连，所述第二电流源的正极与电源VDD相连；或者，所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第一电流源的正极相连，所述第一电流源的负极接地，所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第二电流源的正极相连，所述第二电流源的负极接地。

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。