CN110579525B - 传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传感器装置。所述传感器装置包括监测器薄膜晶体管、参考薄膜晶体管和控制单元。所述控制单元被配置为基于所述参考薄膜晶体管的输出电流与所述监测器薄膜晶体管的输出电流之间的差异程度来确定从样本测量的值。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器装置。
背景技术
例如，在US2015/0276663A中，公开了利用TFT的栅极阈值电压Vth的偏移(也称为Vth偏移)的薄膜晶体管(TFT)离子传感器。其中公开的TFT传感器具有栅电极和参考电极；离子敏感绝缘膜的电容大于栅极绝缘膜的电容。TFT传感器基于栅极-源极电压相对于源极-漏极电流特性中的阈值电压偏移来确定物体的离子水平。
上述TFT传感器具有下述结构：单个TFT被高介电材料的离子敏感膜覆盖。TFT的栅极阈值电压Vth根据诸如温度和亮度的外部环境因素而变化。因此，由单个TFT执行测量的TFT传感器可能由于某外部环境因素导致的TFT输出漂移而产生测量误差。
发明内容
本发明的一个方面是一种传感器装置，其包括：监测器薄膜晶体管(monitor thinfilm transistor)；参考薄膜晶体管；以及控制单元，所述控制单元被配置为基于所述参考薄膜晶体管的输出电流与所述监测器薄膜晶体管的输出电流之间的差异程度来确定从样品测量的值。
本发明的一个方面减少了由利用薄膜晶体管的传感器装置进行的测量中由外部环境因素所引起的测量误差。
应理解的是，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并不是对本发明的限制。
附图说明
图1示出了一实施方式中的TFT传感器装置的整体结构；
图2示出了亚阈值区域中的漏极电流的栅极电压依赖性；
图3是用于示出TFT传感器装置的结构示例的细节的框图；
图4A是传感器单元的结构示例的剖视图；
图4B是传感器单元的另一结构示例的剖视图；
图5是传感器单元的结构示例的俯视图；
图6示出了在测量待测物体(未知样品)的pH值中的TFT传感器装置；
图7是TFT传感器装置的全部操作的流程图；
图8是传感器单元的零点调节的细节的流程图；
图9是传感器单元的灵敏度校准的细节的流程图；
图10是对pH值未知的样品进行测量的细节的流程图；以及
图11是包括取代对数运算放大器的线性运算放大器的TFT传感器装置的结构示例。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施方式。应当注意，实施方式仅是用于实现本发明的特征的示例，而不是限制本发明的技术范围。
本发明中的薄膜晶体管(TFT)传感器装置包括由监测器TFT和参考TFT组成的TFT对。监测器TFT暴露于样品，参考TFT与样品隔离。TFT传感器装置基于来自监测器TFT的输出电流与来自参考TFT的输出电流之间的差异程度来确定要从样品测量的值。
差异程度由期望的函数表示，例如通过减法获得的差或通过除法获得的比率。例如，待测量的值可以是pH值或光强度。本发明中的结构减少了由外部环境因素引起的TFT传感器装置中的输出漂移，实现了较小的测量误差。在下文中，参考附图描述实施方式的细节。
TFT传感器装置的整体结构
图1示出了一实施方式中的TFT传感器装置的总体结构。TFT传感器装置1包括传感器单元20和控制单元40。该实施方式中的传感器单元20包括两个TFT，一个是监测器TFT21，另一个是参考TFT 22。监测器TFT 21和参考TFT 22并联连接在电源Vcc与控制单元40之间。
电源电压Vcc施加到监测器TFT 21的漏极和参考TFT 22的漏极。从监测器TFT 21的源极输出的电流Id(mon)和从参考TFT 22的源极输出的电流Id(ref)进入控制单元40。
控制单元40控制监测器TFT 21和参考TFT 22，并且还基于来自监测器TFT 21和参考TFT 22的输出电流测量待测物体的特定值。下面，描述了测量物体(样品)的pH值的示例；然而，本发明的特征适用于用于检测不同于pH的物理值(例如光或接触)的TFT传感器装置。
TFT传感器装置1基于由未知样品引起的监测器TFT 21的栅极阈值电压(Vth)的偏移量来确定该未知样品的pH。监测器TFT 21暴露于(接触)该样品，并且参考TFT 22不暴露于该样品(与该样品隔离)。
例如，控制单元40调节监测器TFT 21或参考TFT 22的栅极电压，以使监测器TFT21的输出电流(漏极电流)和参考TFT 22的输出电流(漏极电流)相等，从而确定由未知样品引起的监测器TFT 21的栅极阈值电压(Vth)的偏移量。
控制单元40可以预先保存指示监测器TFT 21的输出电流与参考TFT 22的输出电流之间的差异程度与Vth偏移量的关系的信息，以基于监测器TFT 21的输出电流、参考TFT22的输出电流以及该信息确定监测器TFT 21的Vth偏移量。
图2示出了亚阈值区域中的漏极电流的栅极电压依赖性。横轴表示栅极电位，纵轴表示漏极电流Id的对数。在下面描述的示例中，控制单元40通过控制监测器TFT 21和参考TFT 22的栅极电位使监测器TFT 21和参考TFT 22在亚阈值区域(弱反型区)中操作。结果，传感器单元20获得高灵敏度。通过采用诸如氧化物半导体的具有小亚阈值系数S的半导体，可以进一步提高灵敏度。
在图2的曲线中，实线71表示与样品隔离的参考TFT 22的特性。点划线72表示暴露于低pH样品的监测器TFT 21的特性。虚线73表示暴露于高pH样品的监测器TFT 21的特性。
如图2所示，监测器TFT 21的电压阈值Vth随着测量的pH的降低而降低，并且随着测量的pH的增大而增大。监测器TFT 21的Vth偏移量是用于使监测器TFT 21输出与参考TFT22的输出电流Id相等的电流的参考TFT 22的栅极电位和监测器TFT 21的栅极电位之间的差。图2提供在低pH值的情况下的偏移量721以及在高pH值的情况下的偏移量731。
通过改变监测器TFT 21的栅极电位(栅极偏压)，特别是通过提高暴露于低pH样品的监测器TFT 21的栅极电位或降低暴露于高pH样品的监测器TFT 21的栅极电位，可以使监测器TFT 21的输出电流Id更接近参考TFT 22的输出电流Id。监测器TFT 21的栅极电位的调节量相当于由样品引起的监测器TFT 21的Vth偏移量。
控制单元的结构
图3是用于示出TFT传感器装置1的结构示例的细节的框图。图3省略了稍后描述的参考电极。控制单元40包括开关S0、S1和S2、控制电路41和42、显示电路43、指示器44、计算单元45和48以及模数转换器(ADC)46和50。控制单元40还包括对数运算放大器47、非易失性存储器49、数字电位计51和52以及时钟发生器53和54。控制单元40还可以包括未示出的控制电路。
开关S0断开和闭合用于施加参考栅极电位的接地端与监测器TFT 21的栅极之间的连接。要施加到监测器TFT 21的栅极的参考栅极电位可以与接地电位不同。数字电位计51是可变电阻器器以将V-和V+之间的电位施加到监测器TFT 21的栅极。数字电位计51与来自时钟发生器53的时钟信号同步地改变输出电位。数字电位计51由控制电路41控制。
模数转换器50将数字电位计51施加于监测器TFT 21的栅极的电位的模拟值转换为数字值。计算单元48基于存储在非易失性存储器49中的信息和模数转换器50的输出值Dout2来计算pH值。
如稍后将描述的，计算单元48识别模数转换器50的输出值与pH值的关系，并将关于结果的信息存储到非易失性存储器49。在识别此关系的过程中，将模数转换器50的输出值存储到非易失性存储器49。显示电路43从计算单元48接收pH值的数据，并在指示器44上显示该值。
数字电位计52是可变电阻器，并且将V-和V+之间的电位施加到参考TFT 22的栅极。数字电位计52与来自时钟发生器54的时钟信号同步地改变输出电位。数字电位计52由控制电路42控制。
对数运算放大器47接收来自监测器TFT 21的输出电流Id(mon)和来自参考TFT 22的输出电流Id(ref)。对数运算放大器47基于两个输入之间的差异程度来输出值。具体地，对数运算放大器47输出与两个输入之间的比率的对数成比例的值。对数运算放大器47的输出Vout可以表示为Alog(Id(mon)/Id(ref))，其中A是预定常数。
在图3的示例中，电容器Cfb连接在对数运算放大器47的输入端中的一个输入端与输出端之间。电容器Cfb具有降低输出电压Vout中的噪声以改善S/N比的功能。当电容Cfb较大时，获得了更好的S/N比，但测量花费较长的时间。当电容Cfb较小时，测量花费较短的时间，但S/N比降低。考虑到测量花费的时间或所需的S/N比，可以选择电容器Cfb以具有最佳值。
如上所述，该示例中的TFT传感器装置1使监测器TFT 21和参考TFT 22在亚阈值区域中操作。每个TFT的输出电流Id的对数与栅极电压成比例。监测器TFT 21的Vth与参考TFT22的Vth之差ΔVth由下式表示：
ΔVth＝S*log(Id(mon)/Id(ref))，
其中S代表亚阈值系数。
如上所述，对数运算放大器47的输出与监测器TFT 21的输出电流值和参考TFT 22的输出电流值之间的比率的对数成比例。因此，差ΔVth与对数运算放大器47的输出成比例：
ΔVth＝S*(Vout/k)。
对数运算放大器47能够以简单的电路结构直接测量由被测样品引起的监测器TFT21的Vth偏移量。
模数转换器46将对数运算放大器47的模拟输出Vout转换为数字值。计算单元45基于模数转换器46的输出值Dout1与参考数据Dref之间的差异程度输出值。在图3的示例中，参考数据Dref是0。
开关S1断开和闭合计算单元45与控制电路41之间的连接。开关S2断开和闭合计算单元45与控制电路42之间的连接。控制电路41根据来自计算单元45的输出来控制数字电位计51的输出。控制电路42根据来自计算单元45的输出来控制数字电位计52的输出。
传感器单元的结构
图4A是传感器单元20的结构示例的剖视图。图4A示出了离子传感器中的传感器单元20的结构示例。传感器单元20包括设置在基板31上的监测器TFT 21和参考TFT 22。监测器TFT 21和参考TFT 22具有相同的结构。换句话说，监测器TFT 21的构成元件与参考TFT22的构成元件在形状、尺寸和材料上是相同的；监测器TFT 21和参考TFT 22具有基本相同的特征值。
该示例中的监测器TFT 21和参考TFT 22具有底栅结构。更具体地，监测器TFT 21包括在绝缘基板31上的栅电极211以及覆盖栅电极211的栅极绝缘层32(其一部分)。监测器TFT 21还包括设置在栅极绝缘层32上方的半导体膜212以及分别与半导体膜212的不同端接触的源电极213和漏电极214。
栅电极211、源电极213和漏电极214的材料可以是钽、钼、钨、铝等。栅极绝缘层32可以是氧化硅膜、氮化硅膜或多个这些膜的叠层的复合膜。半导体膜212可以由非晶硅、多晶硅或氧化物半导体制成。
氧化物半导体的示例包括非晶InGaZnO(a-InGaZnO)和微晶InGaZnO。此外，还可以使用诸如a-InSnZnO、a-InGaZnSnO或ZnO的氧化物半导体。
参考TFT 22包括在绝缘基板31上的栅电极221和覆盖栅电极221的栅极绝缘层32(其一部分)。参考TFT 22还包括设置在栅极绝缘层32上方的半导体膜222以及分别与半导体膜222的不同端接触的源电极223和漏电极224。
用于栅电极221、源电极223和漏电极224的材料可以是钽、钼、钨、铝等。栅极绝缘层32可以由氧化硅或氮化硅制成。半导体膜222可以由非晶硅、多晶硅或氧化物半导体制成。
氧化物半导体的示例包括非晶InGaZnO(a-InGaZnO)和微晶InGaZnO。此外，还可以使用诸如a-InSnZnO、a-InGaZnSnO或ZnO的氧化物半导体。监测器TFT 21和参考TFT 22可以具有顶栅结构。
监测器TFT 21和参考TFT 22被离子敏感膜33覆盖。离子敏感膜33可以由例如氧化钽制成。参考TFT 22进一步被保护性绝缘膜34覆盖。保护性绝缘膜34可以是由光敏聚酰亚胺或丙烯酸树脂制成的有机绝缘膜，或者保护性绝缘膜34可以是这种有机绝缘膜和由氧化硅、氮化硅或氧化铝制成的无机绝缘膜的叠层的复合膜。
图4B是传感器单元20的另一结构示例的剖视图。将描述与图4A中所示的结构示例的不同之处。除了图4A中的结构示例之外，传感器单元20还包括氧化铝膜203。氧化铝膜203设置在离子敏感膜33与监测器TFT 21之间以及离子敏感膜33与参考TFT 22之间，以覆盖监测器TFT 21和参考TFT 22。复杂的氧化铝膜203可以是例如通过原子层沉积(ALD)形成。传感器单元20主要在传感器单元20浸没在液体中的环境中使用。氧化铝膜203降低了水分对监测器TFT 21和参考TFT 22的特性的影响。
图5是传感器单元20的结构示例的俯视图。如图5所示，监测器TFT 21和参考TFT22具有相同形状、相等沟道长度和相等沟道宽度的多指源/漏电极图案。确定两个TFT的沟道宽度，使得当被提供用于感测的电流值时TFT的操作点处于亚阈值操作区域中。
监测器TFT 21从设置在保护性绝缘膜34中的开口341露出。因此，监测器TFT 21接触待测物体。相反，覆盖有保护性绝缘膜34的参考TFT 22不接触待测物体，以被隔离。
图6示出了在测量待测物体(未知样品)的pH时的TFT传感器装置1。图6部分省略了TFT传感器装置1的结构。未知样品61容纳在容器63中。传感器单元20浸没在未知样品61中。如上所述，只有监测器TFT 21通过离子敏感膜33与未知样品61接触，参考TFT 22通过保护性绝缘膜34与未知样品61隔离。
远离离子敏感膜33设置参考电极62。参考电极62浸入未知样品61中；从离子敏感膜33到参考电极62的空间填充有未知样品61。参考电极62具有预定电位。尽管在图6的示例中将接地电位提供给参考电极62，但是根据传感器单元20的特性，可以适当地确定要提供的电位。
在图6中，数字电位计51和52将栅极电位分别施加到监测器TFT 21和参考TFT 22。监测器TFT 21的输出电流(漏极电流)和参考TFT 22的输出电流(漏极电流)被提供给对数运算放大器47。对数运算放大器47的输出值与根据输出电流之间的差异程度的值对应。
在对未知样品61的测量中，根据对数运算放大器47的输出值调节由数字电位计51施加到监测器TFT 21的栅极电位。具体地，调节将要施加到监测器TFT 21的栅极电位，以使得监测器TFT 21的输出电流值与参考TFT 22的输出电流值相等。
TFT传感器装置的整体操作
在下文中，参考图3以及图7至图10描述TFT传感器装置1的操作。图7是TFT传感器装置1的整体操作的流程图。TFT传感器装置1在测量未知样品之前进行初始设定。具体地，TFT传感器装置1执行传感器单元20的零点调节(S10)，并且进一步校准传感器单元20的灵敏度(S20)。在传感器单元20的零点调节(S10)和灵敏度校准(S20)之后，TFT传感器装置1测量未知样品的pH(S30)。
零点调节
首先，描述传感器单元20的零点调节(S10)。执行零点调节(S10)以消除监测器TFT21与参考TFT 22之间的特性的不匹配，该特征诸如为阈值电压Vth。
图8是传感器单元20的零点调节的细节的流程图。首先，控制单元40启用参考TFT22的反馈回路(S101)。具体地，控制单元40断开开关S1和闭合开关S2。结果，参考TFT 22的反馈回路变得可操作。
接下来，控制单元40将监测器TFT 21的栅极电位固定在参考栅极电位(S102)。具体地，控制单元40闭合开关S0。该参考栅极电位在图3的结构示例中是接地电位(0mV)。此外，控制单元40将计算单元45的参考数据Dref设置为0V。假设这两个TFT的操作点在该参考栅极电位下处于亚阈值区域中。
如果这两个TFT的阈值电压Vth正向或负向显著偏移，并且它们在该0V处的操作点超出亚阈值区域，则控制单元40将参考栅极电位适当地调节为正值或负值，以使得所述操作点落在亚阈值区域中。监测器TFT 21设置在不检测任何物体的状态，或监测器TFT 21设置在与参考TFT 22相同的状态。
接下来，控制单元40调节参考TFT 22的栅极电位，以使参考TFT 22的输出电流Id(ref)与监测器TFT 21的输出电流Id(mon)相等(S103)。控制单元40利用反馈系统调节数字电位计52的输出电压，使得对数运算放大器47的输出电压Vout变为零。
具体地，计算单元45将由ADC 46转换的对数运算放大器47的输出电压Vout的数字值Dout1与参考数据Dref进行比较，并根据它们之间的差异程度来输出值。例如，计算单元45将一信号输出到控制电路42，直到对数运算放大器47的输出电压的数字值Dout1与参考数据Dref相等。输出信号(值)根据对数运算放大器47的输出电压的数字值Dout1或参考数据Dref更高而不同。
如果计算单元45的输出指示Dout1>Dref，则控制电路42向数字电位计52输出UP信号。如果计算单元45的输出指示Dout1<Dref，则控制电路42向数字电位计52输出DOWN信号。
数字电位计52根据来自控制电路42的指令使其内部半导体开关动作，以与来自时钟发生器54的时钟信号同步地增大或减小参考TFT 22的栅极的输出(栅极电位)。因为数字电位计52的输出是参考TFT 22的栅极电位，所以参考TFT 22的输出电流值改变。反馈回路保持工作直到参考TFT 22的输出电流值等于监测器TFT 21的输出电流值使得对数运算放大器47的输出变为零。
计算单元45可以根据对数运算放大器47的输出电压的数字值Dout1与参考数据Dref之间的差值而输出不同的值。然后，控制电路42确定用于数字电位计52的输出的调节量(包括正号或负号)。控制电路42预先存储指定计算单元45的输出与调节量之间的关系的信息。
当对数运算放大器47的输出电压Vout为0时，数字电位计52的输出(参考TFT 22的栅极电位)是参考TFT 22的参考栅极电位，以对样品进行测量。在对样品进行测量期间，参考TFT 22的栅极电位保持在该参考栅极电位。如果对数运算放大器47的输出电压Vout在包括0的预定范围内，则控制单元40可以被配置为将对数运算放大器47的输出电压Vout视为0。
灵敏度校准
接下来，描述传感器单元20的灵敏度校准(S20)。灵敏度校准(S20)识别监测器TFT21的Vth偏移量与测量的pH值之间的关系。图9是传感器单元20的灵敏度校准的细节的流程图(S20)。控制单元40首先启用监测器TFT 21的反馈回路(S201)。具体地，控制单元40闭合开关S1并断开开关S2。控制单元40断开开关S0，以允许改变监测器TFT 21的栅极电位。
接下来，控制单元40将参考TFT 22的栅极电位固定在参考栅极电位(S202)。具体地，控制电路42控制数字电位计52，使得在零点调节(S10)中确定的参考栅极电位施加到参考TFT 22。
接着，将监测器TFT 21放入pH值已知的第一样品中(S203)。例如，第一样品的pH值存储在非易失性存储器49中。控制单元40调节监测器TFT 21的栅极电位，以使监测器TFT21的输出电流Id(mon)与参考TFT 22的输出电流Id(ref)相等(S204)。
具体地，计算单元45将由ADC 46转换的对数运算放大器47的输出电压Vout的数字值Dout1与参考数据Dref进行比较，并根据它们之间的差异程度来输出值。如果计算单元45的输出指示Dout1>Dref，则控制电路41向数字电位计51输出UP信号。如果计算单元45的输出指示Dout1<Dref，则控制电路41向数字电位计51输出DOWN信号。
数字电位计51根据来自控制电路41的指令使其内部半导体开关动作，以与来自时钟发生器53的时钟信号同步地增大或减小监测器TFT 21的栅极的输出(栅极电位)。继续用反馈回路调节数字电位计51的输出，直到监测器TFT 21的输出电流值等于参考TFT 22的输出电流值使得对数运算放大器47的输出电压Vout变为零。
对数运算放大器47的输出电压Vout为0时的数字电位计51的输出(监测器TFT 21的栅极电位)与零点调节中的监测器TFT 21的参考栅极电位之间的差值与由测量样品引起的监测器TFT 21的Vth偏移量对应。尽管该示例中的参考栅极电位是接地电位(0mV)，但是可以根据这两个TFT的Vth值将其调节为0mV以外的值。如果对数运算放大器47的输出电压Vout在包括0的预定范围内，则控制单元40可以被配置为将对数运算放大器47的输出电压Vout视为0。
当对数运算放大器47的输出电压Vout变为0时，控制单元40将施加到监测器TFT21的栅极电位(第一栅极电位)存储到非易失性存储器49(S205)。具体地，ADC 50将数字电位计51的模拟输出值转换为数字值并输出该数字值。ADC 50的输出(Dout2)以数字值表示数字电位计51的输出或监测器TFT 21的栅极电位。指示监测器TFT 21的栅极电位的ADC 50的输出(Dout2)被存储到非易失性存储器49。
接着，将监测器TFT 21放入pH值已知的第二样品中(S206)。例如，第二样品的pH值存储在非易失性存储器49中。控制单元40调节监测器TFT 21的栅极电位，以使监测器TFT21的输出电流Id(mon)与参考TFT 22的输出电流Id(ref)相等(S207)。
具体地，与在第一样品的测量中一样，当计算单元45的输出指示Dout1>Dref时，控制电路41向数字电位计51输出UP信号。当计算单元45的输出指示Dout1<Dref时，控制电路41向数字电位计51输出DOWN信号。
数字电位计51根据来自控制电路41的指令与来自时钟发生器53的时钟信号同步地增大或减小监测器TFT 21的栅极的输出(栅极电位)。继续用反馈回路调节数字电位计51的输出，直到监测器TFT 21的输出电流值等于参考TFT 22的输出电流值使得对数运算放大器47的输出电压Vout变为0。如果对数运算放大器47的输出电压Vout在包括0的预定范围内，则控制单元40可以配置为将对数运算放大器47的输出电压Vout视为0。
当对数运算放大器47的输出电压Vout变为0时，控制单元41将施加到监测器TFT21的栅极电位(第二栅极电位)存储到非易失性存储器49(S208)。与第一栅极电位类似，指示监测器TFT 21的第二栅极电位的ADC 50的输出(Dout2)被存储到非易失性存储器49。
接下来，控制单元40根据第一样品和第二样品的已知的pH值以及第一栅极电位和第二栅极电位确定转换系数K(mV/pH)，并将转换系数K存储到非易失性存储器中(S209)。例如，控制电路41从非易失性存储器49获取在步骤S205和S208存储的第一栅极电位和第二栅极电位。
控制电路41还从非易失性存储器49获取第一样品和第二样品的pH值。控制电路41根据这四个值确定转换系数K(mV/pH)。转换系数(mV/pH)是由栅极电位和pH定义的空间(曲线图)中的四个值确定的两点之间的倾斜度。在该确定之后，计算单元48可以使用转换系数K和Dout2的值来计算pH值。
在通过开关S0施加到监测器TFT 21的参考栅极电位不同于接地电位的零点调节的情况下，监测器TFT 21的第一栅极电位与参考栅极电位之间的差值以及监测器TFT 21的第二栅极电位与参考栅极电位之间的差值被使用，分别代替第一栅极电位和第二栅极电位。转换系数K(mV/pH)可以基于通过用三个或更多个样品测量栅极电位而获得的近似直线来确定。如果已知特定一对的栅极电位和pH值，则还可以根据pH值已知的一个样品的栅极电位的测量结果来确定转换系数。
对未知样品的测量
接下来，描述测量样品的未知pH的方法。图10是测量样品的未知的pH的详细流程图(S30)。控制单元40首先启用监测器TFT 21的反馈回路(S301)。具体地，控制单元40闭合开关S1并断开开关S2。控制单元40断开开关S0以允许改变监测器TFT 21的栅极电位。
接下来，控制单元40将参考TFT 22的栅极电位固定在参考栅极电位(S302)。具体地，控制电路42控制数字电位计52，使得在零点调节(S10)中确定的参考栅极电位施加到参考TFT 22。
接下来，将监测器TFT 21放置在pH未知的样品中(S303)。控制单元40调节监测器TFT 21的栅极电位，以使监测器TFT 21的输出电流Id(mon)与参考TFT 22的输出电流Id(ref)相等(S304)。
具体地，计算单元45将由ADC 46转换的对数运算放大器47的输出电压Vout的数字值Dout1与参考数据Dref进行比较，并根据它们之间的差异程度输出值。如果计算单元45的输出指示Dout1>Dref，则控制电路41向数字电位计51输出UP信号。如果计算单元45的输出指示Dout1<Dref，则控制电路41向数字电位计51输出DOWN信号。
数字电位计51根据来自控制电路41的指令使内部半导体开关动作，以与来自时钟发生器53的时钟信号同步地增大或减小监测器TFT 21的栅极的输出(栅极电位)。继续用反馈回路调节数字电位计51的输出，直到监测器TFT 21的输出电流值等于参考TFT 22的输出电流值使得对数运算放大器47的输出电压Vout变为0。
接下来，控制单元40使用从非易失性存储器49获取的转换系数K(mV/pH)和监测器TFT 21的栅极电位来确定未知样品的测量的pH值(S305)。具体地，计算单元48根据从非易失性存储器49获取的转换系数K(mV/pH)和ADC 50的收敛输出值Dout2计算未知的样品的测量pH值。电位计51的收敛输出值(Dout2)是监测器TFT 21的栅极电位。
在通过开关S0施加到监测器TFT 21的参考栅极电位不同于接地电位的零点调节的情况下，ADC 50的收敛输出值Dout2与监测器TFT 21的参考栅极电位之间的差值被使用，代替ADC 50的收敛输出值Dout2。
接下来，控制单元40在指示器44上显示未知样品的测量到的pH值(S306)。显示电路43根据从计算单元48输出的pH值的数据生成图像数据，并将其输出到指示器44。
如上所述，使用TFT对的差分检测可以减少测量期间环境条件变化对pH测量的影响。上述示例改变了监测器TFT 21的栅极电位，以使监测器TFT 21的输出电流与参考TFT22的输出电流相等。这种结构实现了样品的pH的更精确测量。与该结构不同，可以使用监测器TFT 21的输出电流与参考TFT 22的输出电流之间的差值和预先准备的转换信息来计算栅极电位的偏移量或样品的pH值。
可以修改灵敏度校准(S20)和/或对未知样品(S30)的测量，使得监测器TFT 21的栅极电位固定，并且调节参考TFT 22的栅极电位以使参考TFT 22的输出电流与监测器TFT21的输出电流相等。这种结构也实现了样品pH的精确测量。
另一结构示例
上述结构示例使用对数运算放大器47来测量监测器TFT 21的输出电流与参考TFT22的输出电流之间的差值。TFT传感器装置1可以采用线性运算放大器，而不是对数运算放大器47。
图11示出了包括线性运算放大器55而不是对数运算放大器47的TFT传感器装置1的结构示例。线性运算放大器55基于两个输入之间的差异程度输出值。具体地，线性运算放大器55根据两个输入之间的差值输出值。电阻器连接在接地端与在监测器TFT 21的输出端和线性运算放大器55的输入端之间设置的节点之间。类似地，另一电阻器连接在接地端与在参考TFT 22的输出端和线性运算放大器55的输入端之间设置的节点之间。其余结构与参照图3描述的结构相同。
参考图3描述的结构示例使得监测器TFT 21和参考TFT 22在亚阈值区域(弱反型区，weak inversion region)中操作。该结构示例使得监测器TFT 21和参考TFT 22在强反型区(strong inversion region)中操作，这提高了灵敏度。监测器TFT 21和参考TFT 22可以在亚阈值区域中操作。在该结构示例中，线性运算放大器55的输出电压Vout与传感器TFT的Vth偏移量不同，并因此需要从测量值的转换。
如上所述，已经描述了本发明的实施方式；然而，本发明不限于前述实施方式。本领域技术人员可以在本发明的范围内容易地修改、添加或转换前述实施方式中的每个元件。一个实施方式的结构的一部分可以用另一个实施方式的结构代替，或者一实施方式的结构可以结合到另一个实施方式的结构中。
Claims (4)
1.一种离子传感器装置，包括：
监测器薄膜晶体管；
参考薄膜晶体管；以及
控制单元，所述控制单元被配置为基于所述参考薄膜晶体管的输出电流与所述监测器薄膜晶体管的输出电流之间的比率来确定从样品测量的值，
其中，所述控制单元包括反馈回路，该反馈回路控制所述参考薄膜晶体管的栅极电位以使所述参考薄膜晶体管在亚阈值区域中操作，
其中，所述控制单元包括另一反馈回路，所述另一反馈回路控制所述监测器薄膜晶体管的栅极电位以使所述监测器薄膜晶体管在亚阈值区域中操作，
其中，所述控制单元被配置为：
在对所述样品进行测量时，基于所述参考薄膜晶体管的输出电流与所述监测器薄膜晶体管的输出电流之间的比率，确定由对所述样品的测量引起的所述监测器薄膜晶体管的阈值电压的偏移量；并且
基于所述偏移量确定从所述样品测量的值，
其中，所述控制单元被配置为通过改变所述参考薄膜晶体管或所述监测器薄膜晶体管的栅极电位来确定所述偏移量，以使所述参考薄膜晶体管的输出电流与所述监测器薄膜晶体管的输出电流相等，
其中，所述控制单元被配置为在对所述样品进行测量之前对待测量的值已知的另一样品进行测量，以确定所述偏移量与所述从所述样品测量的值之间的关系。
2.根据权利要求1所述的离子传感器装置，其中，所述控制单元被配置为在对所述样品进行测量之前将参考电位施加到所述参考薄膜晶体管和所述监测器薄膜晶体管中的一者并且调节所述参考薄膜晶体管和所述监测器薄膜晶体管中的另一者的栅极电位，以使所述参考薄膜晶体管的输出电流与所述监测器薄膜晶体管的输出电流相等。
3.根据权利要求1所述的离子传感器装置，其中，所述参考薄膜晶体管和所述监测器薄膜晶体管是氧化物半导体薄膜晶体管。
4.根据权利要求1所述的离子传感器装置，其中，所述控制单元包括对数运算放大器，所述对数运算放大器被配置为接收所述参考薄膜晶体管的输出电流和所述监测器薄膜晶体管的输出电流。
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