CN110312932B - 化学敏感场效应晶体管阵列 - Google Patents

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Abstract

一种像素阵列，其中，每个像素包括：化学敏感场效应晶体管传感器和Σ‑Δ模数转换器。

Description

化学敏感场效应晶体管阵列
技术领域
本发明涉及使用基于半导体的器件(特别是离子感应场效应晶体管(ISFET))检测在电解质溶液中的化学反应和生物反应的改进或与之相关的改进。
背景技术
提供用于检测化学反应和生物反应的像素阵列是众所周知的。这种阵列中使用的传感器是半导体器件，并且已经对ISFET器件的使用进行了大量的兴趣和研究。ISFET可用于测量电解质溶液的氢离子浓度或pH。ISFET很受欢迎，因为它们可以在传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术中制造，从而产生在高分辨率数据采集电路旁边的大阵列的pH传感器。
为了测量和记录这些反应，已知的是将阵列划分为像素列并为每列提供模数转换器(ADC)。这被称为列并行架构，并且它已经为该行业服务多年。为每列提供单个ADC降低了硬件要求，因为ADC配置为对一列或多列内的每个像素顺序的进行采样，从而随着时间建立来自每个像素的输出。
发明内容
本发明就是在该背景下产生的。
根据本发明，提供了一种包括像素阵列的芯片，其中每个像素包括：ISFET传感器、ΔADC以及时钟装置，时钟装置包括：第一时钟信号，其对于所述阵列中的所有像素是共用的，所述第一时钟信号用于对ISFET信号进行采样；以及第二时钟信号，其跨越所述阵列顺序地提供，所述第二时钟信号用于转换信号。
设置对所有像素共用的第一时钟信号能够在每个像素中同时采样模拟的ISFET信号。
在每个像素内设置ADC允许在像素本身内而不是在像素外部(如由在技术领域内形成现状的列并行架构所指示的)发生模数转换。
在每个像素内设置ADC允许同时采样由阵列内的所有ISFET产生的模拟信号，并将其转换为可从每个像素输出的数字信号。
在每个像素内设置ADC意味着不需要在芯片上为传感器阵列外部的ADC分配空间。与列并行架构相比，在每个像素内设置ADC有效地释放了芯片上的空间。
在像素内设置ADC的另一个优点是阵列是完全可扩展的。
ADC是Σ-ΔADC。Σ-ΔADC是有利的，因为它提供比其他ADC更高的分辨率。
Σ-ΔADC可以是单端一阶Σ-ΔADC，其具有提供最小可用架构的优点，因此使得本发明能够在最小可能面积内实现。可替代地，Σ-ΔADC可以是二阶Σ-ΔADC、三阶Σ-ΔADC、四阶Σ-ΔADC、五阶Σ-ΔADC或六阶Σ-ΔADC。
每个像素还可以包括偏置控制以控制像素中的电流量。在像素内而不是像素外部设置偏置控制是出于噪声控制的目的，因为偏置控制放置在像素内防止噪声通过偏置控制从一个像素传播到下一个像素。
每个像素可以具有100μm×100μm、或50μm×50μm或25μm×25μm、或10μm×10μm或甚至2.5μm×2.5μm的范围的面积。像素可以是正方形，或者可以是矩形。为了增加像素的封装密度，可以使用六边形像素。
该阵列可包括许多像素。可存在4000个像素、或600万甚至1亿个像素的区域。例如，阵列可以是40x96个像素或256x160个像素。因为每个像素包括ADC，所以它们是完全可扩展的，因此可以根据将要使用阵列的应用形成任何实际尺寸的阵列。
每个像素还可以包括开关，该开关被配置为控制从像素到每个像素所在的列上的数据流。
芯片还可以被配置为包括用于每个像素的控制信号，其使得每个像素内的ISFET和ADC仅在需要时接通。这大大降低了操作阵列所需的功率，并因此在阵列内不需要的热量方面改善了效率。
此外，根据本发明，提供了一种装置，包括：孔(wel l)阵列，每个孔配置为接收生物物质或化学物质，其中在如上所述的芯片上设置孔阵列。
该配置提供了相对于该领域中形成现有技术的列并行架构的显着优点，因为它使得能够同时对来自所有像素的ISFET信号进行采样。当孔中含有可以发生反应的生物物质或化学物质时，同时对所有ISFET信号进行采样确保在采集样品时孔内发生的反应都处于同一点。因此，当已经同时采集所有样品时，不需要考虑样品时间的差异。
一旦所有ISFET的采样同时发生，则将信号转换为数字形式可以是交错的。如果是交错的，则同时对整个像素阵列进行采样，同时最小化阵列的峰值电流消耗。
附图说明
现在将仅通过举例的方式，并参考附图来进一步且更具体地描述本发明，在附图中：
图1示出了像素框图；
图2示出了来自示例性的四个像素的控制信号和数据输出的连通性；
图3是像素时序图；
图4是RVALID时序图；以及
图5是Σ-ΔADC框图。
具体实施方式
图1是示出单个100μm正方形像素10的像素框图，其包含ISFET 12，ISFET 12直接连接到Σ-ΔADC 14。Σ-ΔADC 14被提供有ADC参考电压VREF并且被配置为执行将来自ISFET 12的模拟信号转换成数字比特流。
像素10还包括偏置控制16，偏置控制16从像素10外部接收偏置电流IB。偏置电流IB在0.1μA至100μA的范围内(例如，2μA)，并用于将偏置控制提供至ISFET 12和Σ-ΔADC 14。
像素10还包括开关18，开关18被配置为控制来自像素10的数据输出O。当开关18被激活时，它将来自Σ-ΔADC 14的数据输出O连接到设置在像素10外部的列线。
图2示出了一组示例性的四个像素10的控制信号和数据输出的连通性。为清楚起见，省略了偏置控制。每个像素10分配行号和列号。第n列、第n+1列、第n+2列等每列中的所有像素10的数据输出被连接。像素的每行被列举为m、m+1、m+2等。单端一阶Σ-Δ调制器的开关电容器实现用作ADC。ISFET 12是源极跟随器NMOS浮栅晶体管，其主体(bulk)附接于其源极。在附图中未示出的替代实施例中，以连续时间规范提供单端一阶Σ-Δ调制器。
在所示实施例中，像素10的主控制信号是：CLK1、CLK2、CLK3、PIX_RSEL、SD_RSEL和RVALID。CLK1用于对来自所有ISFET 12的输出进行采样，而CLK2和CLK3用于进行ADC转换。PIX_RSEL和SD_RSEL分别是ISFET 12和Σ-ΔADC 14的行使能信号。来自SD ADC 14的数据按列布置并由相应的RVALID信号控制，该RVALID信号指示数据何时在每行上有效。为了降低功耗，仅在需要时接通像素10。
将Σ-ΔADC 14集成到每个像素10中的一个优点是可以同时对整个像素阵列100进行采样，因此在每个帧捕获的相同时间点捕获所有ISFET 12的输出。当涉及到处理数据时，这是一个非常有用的特征，因为不需要考虑当使用列并行架构并且逐行对阵列采样时样本的时间捕获差异。为了实现图2所示的整个阵列的同时采样，CLK1需要对所有像素是共用的。然而，由于CLK2和CLK3仅用于进行ADC转换，因此它们可以在所有像素10之间交错以减少峰值电流消耗。
图3是控制信号的时序图。通过CLK1<39：0>同时对所有ISFET12进行采样。随后，通过CLK2<39：0>和CLK3<39：0>以交错方式进行模数转换。CLK2<m>和CLK3<m>之间的唯一区别在于CLK3<m>的下降沿稍微在CLK2<m>的下降沿之前发生(为简单起见，图3中仅示出了CLK3<0>)。因为在过采样周期内没有足够的时间来交错所有40行，所以CLK2和CLK3的模式每8行重复一次。
为了降低功耗，像素10内的ISFET 12和ADC 14块仅在需要时才接通。这是通过分别在CLK1和CLK2之前接通相应的PIX_RSEL和SD_RSEL信号来实现的。
参考图4，由于每列只有一个数据引脚，因此RVALID用于将像素阵列的每一行的比特流锁存到输出引脚。每个像素的数据仅在RVALID设置为高时有效。RVALID_START用于指示新帧的开始。在2个RVALID_START脉冲内收集的所有数据属于同一帧。
当所有行的RVALID信号为低(LOW)时，通过下拉电阻器将列数据线下拉至数字地(GNDD)。这防止数字控制器的输入浮动到不确定的电压。
单端一阶Σ-ΔADC的框图如图5所示。该ADC基于开关电容器网络并且以30kHz的过采样频率操作。假设过采样率(OSR)为512，则下采样的采样率刚好低于58.6Hz，并且恢复的最大信号带宽不超过一半。结合具有感兴趣的信号带宽的截止频率的低通抽取滤波器，这导致在采样被向下折叠之前存在的噪声随后通过低通抽取滤波器被有效地消除。
从图5中可以明显看出，负参考电压被设置为模拟地(GNDA)，以减少进入像素10的信号数量。正参考电压VREFP和共模参考电压VCM在每个像素10内缓冲，以减少阵列100中的像素行10上的噪声耦合。
本领域技术人员将进一步理解，尽管已经参考若干实施例通过示例描述了本发明，但是本发明不限于所公开的实施例，并且可以在不脱离本发明的所附权利要求中所限定的范围的情况下构造替代实施例。

Claims (9)

1.一种芯片，包括
像素阵列，其中每个像素包括：
离子感应场效应晶体管ISFET传感器；以及
Σ-Δ模数转换器ADC；以及
时钟装置，其包括：
第一时钟信号CLK1，其对于所述阵列中的所有像素是共用的，所述第一时钟信号用于同时对所述离子感应场效应晶体管ISFET信号进行采样；以及
第二时钟信号CLK2和CLK3，其跨越所述阵列顺序地提供，所述第二时钟信号用于在所述阵列的所有像素之间以交错方式模数转换信号。
2.根据权利要求1所述的芯片，其中，所述Σ-Δ模数转换器ADC是单端一阶Σ-Δ模数转换器ADC。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的芯片，其中，每个像素还包括偏置控制。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的芯片，其中，每个像素具有100μm x 100μm范围的面积。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的芯片，其中，所述阵列包括4000个像素的区域。
6.根据权利要求1或2中任一项所述的芯片，其中，每个像素还包括开关，其被配置为控制来自该像素的数据流。
7.根据权利要求1或2中任一项所述的芯片，还包括用于每个像素的控制信号，其使得每个像素内的离子感应场效应晶体管和ADC能够仅在需要时接通。
8.一种ISFET装置，包括孔阵列，每个孔配置成接收生物物质或化学物质，其中所述孔阵列设置在根据权利要求1至7中任一项所述的芯片上。
9.根据权利要求8所述的装置，其中每个孔覆盖多于一个像素。
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