CN111505087A - 使用大规模 fet 阵列测量分析物的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用大规模FET阵列测量分析物的方法和装置。具体地，本发明提供一种半导体装置，其中包含串联连接至第二效应晶体管(FET)的第一FET，以及串联连接至所述第一FET和第二FET的第三FET。所述半导体装置另外包括耦合到所述第一FET和第二FET的偏置电路以及耦合到所述第二FET之端子的输出导体，其中所述输出导体获得来自第二FET的输出信号，后者与第一FET无关。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于 2014 年 12 月 18 日之 62/093,851 号美国临时申请的优先权，该申请的全部内容完整并入本文作为参考。
发明领域
本公开内容总体涉及用于化学分析的半导体装置和/或传感器，以及制造此类半导体装置和/或传感器的方法。
背景
化学和/或生物过程检测当中已用到多种类型的传感器。其中一类是化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)。chemFET 包括由沟道区分隔的一个栅极、一个源极、一个漏极，以及耦合到沟道区的敏感区，例如栅极上适于与流体接触的表面。chemFET 的操作基于由变化所引起的沟道电导的调制，如在敏感区可能由于流体中发生化学和/或生物反应而产生的电压变化。可对沟道电导调制进行感测，以检测和/或确定引起敏感区变化的化学和/或生物反应的特征。测量沟道电导的一种方法是对源极和漏极施加适当的偏置电压，并测量流经 chemFET 的所得电流。测量沟道电导的方法可包括驱动通过 chemFET 的已知电流，并测量源极或漏极处的所得电压。
离子敏感场效应晶体管 (ISFET) 是一种在敏感区包含离子敏感层的 chemFET。在含有分析物的流体中，离子的存在会改变离子敏感层和分析物流体之间界面处的表面电位，这可能是由于流体（即分析物溶液）中存在的离子引起表面电荷基团质子化或去质子化所致。ISFET 敏感区表面电位的变化会影响装置的栅极电压，从而影响沟道电导，而沟道电导的变化可以测量以指示溶液中离子的存在和/或浓度。ISFET 阵列可用于根据反应期间存在、生成或使用之离子检测结果，监测化学和/或生物反应，如 DNA 测序反应。（实例请参阅 Rothberg 等人提交的 7,948,015 号美国专利，该专利的全部内容完整并入本文作为参考。）更一般地说，可使用大型 chemFET 或其他类型的传感器和检测器阵列，以检测及测量各类过程中多种分析物的静态和/或动态量或浓度。例如，该过程可以是化学和/或生物反应、细胞或组织培养，或者监测神经活性、核酸测序等。
发明概要
在一个示例性实施例中，公开了一种半导体装置。该半导体装置包括串联连接至第二场效应晶体管 (FET) 的第一 FET、串联连接至第一 FET 和第二 FET 的第三 FET、耦合到第一 FET 和第二 FET 的偏置电路，以及耦合到第二 FET 之导电端子的输出导体，其中该输出导体获得来自第二 FET 的输出信号，该输出信号与第一 FET 无关。在一些实施例中，第三 FET 将第一 FET 和第二 FET 并行耦合到输出导体以对选择信号作出响应。在一些实施例中，来自第二 FET 的输出信号与第一 FET 端子上的电压无关。在一些实施例中，第二 FET 包含源极跟随器。在一些实施例中，输出导体为列总线。在一些实施例中，偏置电路包含至少一个电压源和至少一个电流宿。在一些实施例中，偏置电路施加电压源至第一 FET 并施加电流宿至第二 FET。在一些实施例中，偏置电路并行施加电压源至第一FET 的漏极并施加电流宿至第二 FET 的源极。在一些实施例中，输出信号取决于第二 FET的沟道电导。在一些实施例中，第一 FET 在漏致势垒降低约束下操作，从而在获得来自第二 FET 的输出信号时，对其栅极上的电位相对不敏感。在一些实施例中，第一 FET 在穿通模式约束下操作，从而在获得来自第二 FET 的输出信号时，对其栅极上的电位相对不敏感。在一些实施例中，第三 FET 被用作开关，偏置于三极管区和饱和区的至少一者中，且第一 FET 在高电位下被偏置以诱发第一 FET 中的漏致势垒降低。在一些实施例中，输出导体耦合到第一 FET 的端子，并且输出导体获得具有来自第一 FET 之量值的第二输出信号，该量值与第二 FET 栅极电压的变化无关。在一些实施例中，在获得来自第一 FET 的第二输出信号时，第二 FET 在漏致势垒降低和穿通模式约束中的至少一者下操作。在一些实施例中，第三 FET 被用作开关，偏置于三极管区和饱和区的至少一者中，且第二 FET 在高固定电位下被偏置以诱发第一 FET 中的漏致势垒降低。在一些实施例中，第二 FET 为化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)。在一些实施例中，chemFET 为离子敏感场效应晶体管(ISFET)。在一些实施例中，输出信号基于水解事件。在一些实施例中，输出信号与由第二FET 检测到的核苷酸掺入事件相关。在一些实施例中，输出信号与经由第二 FET 的离子检测相关。
在另一个示例性实施例中，公开了一种化学传感器。所述化学传感器包括：耦合到第一电极的第一场效应晶体管 (FET)、耦合到第二电极的第二 FET、耦合到第一 FET 和第二 FET 以并行耦合第一 FET 和第二 FET 到读出电路从而对选择信号作出响应的开关，以及经由开关耦合到第一 FET 的端子以获得来自第一 FET 的第一信号与经由开关耦合到第二 FET 的端子以获得来自第二 FET 的第二信号的读出电路，其中来自一个 FET 的信号与其他 FET 无关。在一些实施例中，开关串联连接至第一 FET 和第二 FET。在一些实施例中，开关设置在第一 FET 和第二 FET 之间。在一些实施例中，第一 FET 与第二 FET串联。在一些实施例中，在获得来自第二 FET 的信号时，第一 FET 在漏致势垒降低和穿通模式约束中的至少一者下操作。在一些实施例中，在获得来自第一 FET 的信号时，第二FET 在漏致势垒降低和穿通模式约束中的至少一者下操作。在一些实施例中，第一 FET 检测邻近第一电极之第一反应位点处的第一反应，并且第二 FET 检测邻近第二电极之第二反应位点处的第二反应。在一些实施例中，电流源可经由开关耦合到第一 PET 和第二 FET以向第一 PET 和第二 FET 提供恒定的漏极电流。在一些实施例中，读出电路包括输出导体。在一些实施例中，输出导体为列总线。在一些实施例中，对应于第一 FET 端子的第一输出节点和对应于第二 FET 端子的第二输出节点并行耦合到列总线以对选择信号作出响应。在一些实施例中，第一反应位点被布置为邻近第一电极并且第二反应位点被布置为邻近第二电极。在一些实施例中，第一 FET 经由第一浮动栅极耦合到第一电极。在一些实施例中，第二 FET 经由第二浮动栅极耦合到第二电极。在一些实施例中，第一浮动栅极和第二浮动栅极各自包括彼此电耦合并且由电介质层分离的多个导体。在一些实施例中，第一电极对离子敏感。在一些实施例中，第二电极对离子敏感。在一些实施例中，第二电极所敏感的离子不同于第一电极所敏感的离子。在一些实施例中，第一 FET 包含源极跟随器。在一些实施例中，第二 FET 包含源极跟随器。在一些实施例中，来自第一 FET 的第一信号与第二 FET 之端子上的电压无关。在一些实施例中，来自第二 FET 的第二信号与第一 FET之端子上的电压无关。在一些实施例中，第一信号与发生在第一反应位点内并且邻近第一电极的反应相关。在一些实施例中，第二信号与发生在第二反应位点内并且邻近第二电极的反应相关。在一些实施例中，第一信号与经由第一 FET 的离子检测相关。在一些实施例中，第二信号与经由第二 FET 的离子检测相关。在一些实施例中，第一信号基于水解事件。在一些实施例中，第二信号基于第二水解事件。在一些实施例中，第一信号与由第一 FET检测到的核苷酸掺入事件相关。在一些实施例中，第二信号与由第二 FET 检测到的核苷酸掺入事件相关。
在另一个示例性实施例中，公开了一种换能器。该换能器包括：用于接收相应的第一和第二化学输入信号之第一和第二化学感测表面；串联布置并且布置为接收公共选择信号的第一和第二场效应晶体管 (FET)，各个 FET 相应耦合到第一和第二化学感测表面以提供对应于第一和第二化学输入信号的相应第一和第二电输出信号；以及由第一和第二FET 共享以并行耦合第一和第二电输出信号到第一和第二输出节点从而对公共选择信号作出响应的第三 FET，其中第一和第二电输出信号在相应的第一和第二输出节点异步读出。在一些实施例中，第三 FET 将第一电输出信号耦合到对应于第一 FET 之端子的第一输出节点，并且将第二电输出信号耦合到对应于第二 FET 之端子的第二输出节点。在一些实施例中，电流源经由第三 FET 向第一和第二 FET 提供偏置电流。在一些实施例中，第三FET 将电流源耦合到第一和第二 FET。在一些实施例中，第三 FET 为一个开关。在一些实施例中，在相应的第一和第二 PET 的导电端子处提供第一和第二电输出信号。在一些实施例中，第一和第二化学感测表面经由相应的第一和第二浮动栅极被分别耦合到第一和第二FET。在一些实施例中，第一和第二 FET 包含源极跟随器。在一些实施例中，第一和第二电输出信号都基于第一和第二 FET 之相应端子的电压。在一些实施例中，在邻近第一和第二化学感测表面处提供第一和第二反应位点。在一些实施例中，第一和第二电输出信号与发生在反应位点内并且邻近第一和第二化学感测表面的化学反应相关。在一些实施例中，第一和第二电输出信号与离子的检测相关。在一些实施例中，第一和第二化学感测表面对离子敏感。在一些实施例中，第一和第二电输出信号都基于发生在邻近第一和第二化学感测表面的至少一者处的水解事件。在一些实施例中，第一和第二电输出信号与核苷酸掺入事件相关。在一些实施例中，第一和第二化学输入信号与核苷酸掺入事件相关。
在另一个示例性实施例中，公开了一种用于检测样品中离子浓度的半导体装置。所述装置包括：具有第一端子和第二端子的化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)；具有源极端子和漏极端子的场效应晶体管 (FET)，所述 FET 与 chemFET 串联；具有耦合到chemFET 第二端子之第一端子并且具有耦合到 FET 源极端子之第二端子的选择 FET；经由 chemFET 将 FET 耦合到读出电路的选择电路；以及用于获得 chemFET 第一端子处之输出信号的读出电路，其中所述输出信号与 FET 源极端子上的电压无关。在一些实施例中，chemFET 包含源极跟随器。在一些实施例中，选择电路包含开关。在一些实施例中，在获得来自 chemFET 的输出信号时，FET 在漏致势垒降低和穿通模式约束中的至少一者下操作。在一些实施例中，选择 FET 将 FET 和 chemFET 耦合到来自电流源的偏置电流，将FET 和 chemFET 耦合到读出电路。在一些实施例中，选择 FET 还进一步将 FET 和chemFET 耦合到读出电路。在一些实施例中，chemFET 包含经由浮动栅极耦合到场效应晶体管 (FET) 的离子感测层。在一些实施例中，离子感测层暴露于样品中以产生表示发生于邻近离子感测层之化学反应的输出信号。在一些实施例中，FET 经由离子感测层耦合到反应位点。
在另一个示例性实施例中，公开了一种用于读出串联连接 chemFET 的系统。该系统包括：至少两个串联连接化学敏感的场效应晶体管 (chemFETs)，chemFET 的各个场效应晶体管 (FET) 经由浮动栅极耦合到感测电极；用于独立读出至少两个串联连接 chemFET（在待读出的 chemFET 端子处）中每一个的读出电路；以及与至少两个串联连接 chemFET串联的选择晶体管，其中选择晶体管将至少两个串联连接 chemFET 并行耦合到读出电路。在一些实施例中，其中一个 chemFET 的读出独立于其他 chemFET 端子的电压。在一些实施例中，至少两个串联连接 chemFET 共享公共行线。在一些实施例中，选择晶体管被设置在至少两个串联连接的 chemFET 之间。
在另一个示例性实施例中，公开了一种化学传感器阵列。所述化学传感器阵列包括：耦合到所述阵列之行线的电流源；串联设置在一对串联连接化学敏感的场效应晶体管(chemFET) 之间的行选择场效应晶体管 (FET)，所述行选择 FET 可采集输出节点处行线之电压电平，该电压电平仅与 chemFET 对中的一个 chemFET 相关联；以及行线上耦合到[col. level] 电路以交替读出来自 chemFET 对中一个及另一个之采样电压电平的输出节点，其中获得自一个 chemFET 的电压电平独立于其他 chemFET 而读出。
在另一个示例性实施例中，公开了一种传感器装置。所述传感器包括：具有第一和第二导电端子（即，源极/漏极端子）以及栅极的第一晶体管，所述栅极包括适于暴露于电解槽的第一传感器表面；具有第一和第二导电端子以及栅极的第二晶体管，该栅极包括适于暴露于电解槽的第二传感器表面；连接至第一晶体管之第一导电端子的第一列线；连接至第二晶体管之第二导电端子的第二列线；以及处于第一晶体管之第二导电端子和第二晶体管之第一导电端子之间的选择晶体管，该选择晶体管具有栅极。在一些实施例中，行解码器被连接至选择晶体管的栅极，且列偏置电路连接至第一和第二列线并具有输出，该列偏置电路具有第一和第二模式，在第一模式中，漏极电压被施加于第一列线并且输出耦合到第二列线，在第二模式中，漏极电压被施加于第二列线并且输出耦合到第一列线。在一些实施例中，在第一模式下，列偏置电路之输出上的电压或电流指示第二晶体管之栅极的电压；并且在第二模式下，列偏置电路之输出的电压或电流指示第一晶体管之栅极的电压。在一些实施例中，感测电路被连接至列偏置电路的输出，并且其中在第一模式下，由第一晶体管栅极上之电荷诱发的处于指定操作范围（即，经过设计的装置操作电压范围）内的电压（如果有）有助于诱发输出的电压或电流，所述电压或电流的量低于噪声限值或低于感测电路的量化误差，而在第二模式下，由第二晶体管栅极上之电荷诱发的处于指定操作范围内的电压（如果有）有助于诱发输出的电压或电流，所述电压或电流的量低于噪声限值。在一些实施例中，感测电路包括模数转换器，并产生具有对应于输出上电压或电流量化值之最低有效位的数字采样信号，且其中噪声限值等于或小于所述量化值。在一些实施例中，列偏置电路包括电流源，且其中在第一模式下，第二列线被连接至电流源，而在第二模式下，第一列线被连接至电流源。在一些实施例中，一个或多个电解槽被耦合到第一和第二传感器表面。
附图和下文的说明中将示出本说明书中所描述主题之一种或多种实施的具体方面。通过说明书、附图和权利要求，所公开主题的其他特征、方面及优点显而易见。
附图简略说明
图 1 示出根据本发明一个示例性实施例的用于核酸测序的系统组件框图。
图 2 示出根据本发明一个示例性实施例的集成电路装置和流动池的局部剖视图。
图 3 示出根据本发明一个示例性实施例的代表性传感器/检测器及对应反应区的剖视图。
图 4 示出根据本发明一个示例性实施例的五端子装置。
图 5 示出根据本发明一个示例性实施例的传感器阵列。
图 6 示出根据本发明一个示例性的传感器双峰实施例和读出电路。
图 7 示出根据本发明一个示例性实施例的传感器阵列和偏置电路。
图 8 示出根据本发明一个示例性实施例的用于代表性传感器阵列之读出的信号通路。
图 9 示出根据本发明一个示例性实施例的检测系统。
图 10 示出根据本发明一个示例性实施例的检测电路框图。
图11 为示出操作本文所述传感器系统之方法的流程图。
详细说明
本文描述了用于检测化学和/或生物反应的半导体装置和/或传感器。传感器可被布置为提供一个传感器阵列。传感器阵列可按行和列布置。或者，传感器也可按随机（无序）方式布置在适于支撑可检测化学和/或生物反应之传感器的任何介质上。传感器可具有适于检测化学和/或生物反应的敏感区。例如，该敏感区可包含适于暴露于分析物的表面，其中该表面为可基于其对于分析物中特定离子的敏感性而进行选择的材料，如下文图 3 所更全面公开的参考。半导体装置和/或传感器可检测发生在操作上相关联的反应区内，或邻近该反应区的化学和/或生物反应。反应区可为井凹、浅凹、行、离散位点、反应位点、腔体、微孔或任何其他适于容纳或保持反应的结构特征。在一些实施例中，反应区具有底部和侧壁。在一些实施例中，适于暴露于分析物的表面可包含电极。多种导电材料可用于电极，如金属或陶瓷。在一些实施例中，电极可沿反应区的侧壁竖直向上延伸。该电极可覆盖反应区的任何适用区域或位置。在一些实施例中，所述侧壁可呈某个预定角度。该侧壁可能呈 0 度至180 度的角度。基本上沿侧壁延伸之竖直部分的距离可由形成反应区之开口的介电材料限定。该介电材料可使用任何适于形成传感器的方法或它们的组合（例如，薄膜沉积、气相沉积、氧化等）来沉积或培养。
图 1 示出根据本发明一个示例性实施例的用于核酸测序的系统组件框图。在一些实施例中，部件包括集成电路装置 100 上的流动池 101、参考电极 108、用于测序的多种试剂 114、阀块 116、洗涤溶液 110、阀 112、射流控制器 118、管线 120/122/126、通道104/109/111、废液容器 106、阵列控制器 124 和用户界面 128。集成电路装置 100 包括上覆传感器阵列（包含本文所述装置）的微孔阵列 107。流动池 101 包括入口 102、出口103 和限定微孔阵列 107 上试剂流动路径的流动室 105。参考电极 108 可为任何适当类型或形状，包括具有流体通道的同心圆柱体或插入通道 111 内腔的导线。试剂 114 可在泵、气体压力或其他适当方法的驱动下通过流体通道、阀和流动池 101，并在流出流动池101 的出口 103 之后弃置于废液容器 106 内。射流控制器 118 可利用合适的软件来控制试剂 114 的驱动力以及阀 112 和阀块 116 的操作。微孔阵列 107 包括与传感器阵列中相应传感器以可操作方式关联的反应区阵列。例如，每个反应区域可以耦合到一个或多个适合于检测该反应区内目标分析物或反应性质的传感器。微孔阵列 107 可集成于集成电路装置 100 中，使微孔阵列 107 和传感器阵列成为单个装置或芯片的一部分。流动池101 可以具有各种配置，用于控制试剂 114 在微孔阵列 107 上的路径和流速。阵列控制器 124 向集成电路装置 100 提供偏置电压及定时与控制信号，用于读取传感器阵列的传感器数据。阵列控制器 124 还向参考电极 108 提供参考偏置电压，以偏置流过微孔阵列107 的试剂 114 偏流。
阵列控制器 124 经由总线 127 通过集成电路装置 100 上的输出端口收集和处理来自传感器阵列中传感器的输出信号。阵列控制器 124 可为计算机或其他计算装置。阵列控制器 124 可包括用于数据和软件应用存储的存储器、用于访问数据和执行应用的处理器，以及有助于与图 1 中系统之各种组件进行通信的组件。传感器输出信号的值可以指示在微孔阵列 107 的对应反应区中发生的一个或多个反应的物理和/或化学参数。例如，在一些示例性实施例中，输出信号的值可能使用以下专利中发明的技术进行处理：Rearick等人于2011 年 12 月 29 日提交的13/339,846 号美国专利申请（基于提交于2010 年 12月 30 日的61/428,743 号的美国临时专利申请和提交于 2011 年 1 月 3 日的 61/429,328）；以及 Hubbell 提交于2011 年 12 月 29 日的13/339,753 号美国专利申请（基于提交于2010 年 12 月 29 日的61/428,097 号美国临时专利申请），这些专利申请的全部内容完整并入本文作为参考。用户界面 128 可显示关于流动池 101 以及从集成电路装置100 上传感器阵列中的传感器所接收之输出信号的信息。用户界面 128 还可显示仪器设置和控制，并允许用户输入或设置仪器设置和控制。
在一些实施例中，射流控制器 118 可按预定顺序及预定持续时间并/或按预定流速，控制单个试剂 114 到流动池 101 和集成电路装置 100 的输送。阵列控制器 124 可以收集并分析与响应于试剂 114 输送而发生之化学和/或生物反应相关的传感器输出信号。该系统还可监测和控制集成电路装置 100 的温度，以便在已知预定温度下发生反应并进行测量。该系统可配置为在操作期间使整个多步骤反应中的单个流体或试剂接触参考电极 108。阀 112 可关闭，以防止试剂 114 流动时有任何洗涤溶液 110 流入通道 109。尽管可停止洗涤溶液的流动，但参考电极 108、通道 109 和微孔阵列 107 之间仍然可存在不间断的流体和电连通。可能选择参考电极 108 以及通道 109 与 111 间接合点之间的距离，以使通道 109 中流动的可能扩散至通道 111 内的试剂几乎或者完全不会到达参考电极 108。在一些实施例中，可选择使洗涤溶液 110 与参考电极 108 连续接触，这种方案可能对于使用频繁洗涤步骤的多步骤反应尤其有用。
图 2 示出根据本发明一个示例性实施例的集成电路装置和流动池的局部剖视图。图 2 包括集成电路装置 200、流动池 201 和参考电极 208。在操作过程中，流动池201 的流动室 204 将所输送试剂的试剂流 206 限制在微孔阵列 207 中反应区的开口端。反应区的体积、形状、纵横比（如底宽与阱深的比率）及其他尺寸特征可基于所发生反应的性质以及采用的试剂、产物/副产物或标记技术（如果有）进行选择。传感器阵列 205 的传感器可响应于微孔阵列 207 中相关联反应区内的化学和/或生物反应（并产生与之相关的输出信号），以检测目标分析物或反应性质。在一些实施例中，所述检测为荧光检测。传感器阵列 205 的传感器可为化学敏感的场效应晶体管 (chemFETs)，如离子敏感场效应晶体管 (ISFET)。可用于实施例中的传感器和阵列配置的实例在提交于 2010 年 5 月 24 日的 2010/0300559 号、提交于 2012 年 10 月 5 日的 2010/0197507 号、提交于 2012 年10 月 5 日的 2010/0301398 号、提交于 2010 年 5 月 4 日的 2010/0300895 号、提交于 2009 年 5 月 29 日的 2010/0137143 号和提交于 2007 年 12 月 17 日的 2009/0026082 号以及提交于 2005 年 8 月 1 日的美国专利 7,575,865 号美国专利申请公布说明书中有所描述，所述各项专利的全部内容完整并入本文作为参考。在一些实施例中，可使用其他传感器，例如包括但不限于热敏电阻器和光学传感器。
图 3 示出根据本发明一个示例性实施例的代表性传感器/检测器及对应反应区的剖视图。在一些实施例中，所述传感器可为化学传感器。图 3 示出两个示例性传感器350、351，其代表传感器阵列的一小部分，该传感器阵列可包括数百万个传感器；甚至可考虑数十亿个传感器。例如，该传感器阵列可包含 100 到 1,000 个传感器、100 到 10,000个传感器、10,000 到 100,000 个传感器、100,000 到 1,000,000 个传感器、1,000,000到 40,000,000 个传感器、10,000,000 到 165,000,000 个传感器、100,000,000 到 660,000,000 个传感器、1,000,000,000 到 5,000,000,000 个传感器、5,000,000,000 到 9,000,000,000 个传感器，最多可达到 10,000,000,000 个传感器。可以考虑阵列的窗口化，以便能从全部传感器或少于全部数量的传感器获得数据。传感器 350 被耦合到对应的反应区 301，而传感器 351 则被耦合到对应的反应区 302。两个示出的反应区与彼此以及相邻的反应区化学隔离且电隔离。介电材料 303 限定反应区 301/302，后者可处于限定为不存在介电材料的开口内。介电材料 303 可包含一层或多层材料，如二氧化硅或氮化硅，或者任何其他适宜材料或材料的混合物。开口的尺寸及其节距可因不同实施例而变化。在一些实施例中，开口可具有特征直径，后者被定义为平面图横截面积 (A) 的 4 倍除以 π 后的平方根（例如，sqrt(4*A/π)），其不大于 5 微米，如不大于 3.5 微米、不大于 2.0 微米、不大于 1.6 微米、不大于 1.0 微米、不大于 0.8 微米、不大于 0.6 微米、不大于 0.4 微米、不大于 0.2 微米或不大于 0.1 微米。传感器的俯视面积一部分由反应区的宽度（或直径）确定，并且可以做得很小，以提供高密度阵列。可以通过改变反应区的宽度（例如直径）来确定和/或减小传感器占用的面积。在一些实施例中，阵列的密度可基于反应区的所选直径而增加或减小。通过减少装置和互连开销，可在高密度阵列中提供低噪声传感器，包括栅极区域和接触区域。根据其他示例性实施例，传感器及其对应的反应区的更多实例在 Fife等人提交于2014 年 3 月 5 日的14/198,382 号美国专利申请（基于提交于2013 年 8 月22 日的61/868,739 号和提交于 2013 年 3 月 15 日的 61/790,866 号美国临时专利申请）；Fife 等人提交于2014 年 3 月 5 日的14/197,710 号美国专利申请（基于提交于2013 年 8 月 22 日的61/868,736 号和提交于 2013 年 3 月 15 日的 61/790,866 号美国临时专利申请）；Fife 等人提交于2014 年 3 月 5 日的14/198,402 号美国专利申请（基于提交于2013 年 8 月 22 日的61/868,942 号和提交于 2013 年 3 月 15 日的 61/790,866 号美国临时专利申请）；Fife 等人提交于2014 年 3 月 5 日的14/197,741 号美国专利申请（基于提交于2013 年 8 月 22 日的61/868,947 号和提交于 2013 年 3 月15 日的 61/790,866 号美国临时专利申请）；以及 Fife 等人提交于2014 年 3 月 5 日的14/198,417 号美国专利申请（基于提交于2013 年 8 月 22 日的61/900,907 号和提交于 2013 年 3 月 15 日的 61/790,866 号美国临时专利申请）中详述，这些专利申请的全部内容完整并入本文作为参考。
传感器 350 代表传感器阵列中的传感器。在例示的实例中，传感器 350 为化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)，更具体地说，在此实例中为离子敏感场效应晶体管(ISFET)。传感器 350 包括具有通过电极 307 耦合到反应区 301 之传感器板 320 的浮动栅极结构 318，电极 307 可具有适于与分析物接触的表面。传感器板 320 为浮动栅极结构 318 中的最上浮动栅极导体。在例示的实例中，浮动栅极结构 318 包括处于介电材料 319 层内的多个图案化导电材料层。传感器 350 还包括半导体基板 354 内包含源极/漏极区 321 和源极/漏极区 322 的导电端子。源极/漏极区 321 和源极/漏极区 322 包含具有异于基板 354 导电类型之不同导电类型的掺杂半导体材料。例如，源极/漏极区321 和源极/漏极区 322 可包含掺杂 P 型半导体材料，而基板可包含掺杂 N 型半导体材料。沟道区 323 将源极/漏极区 321 和源极/漏极区 322 隔开。浮动栅极结构 318 覆盖沟道区 323，并通过栅电介质 352 与基板 354 分隔。例如，栅电介质可为二氧化硅。或者，其他合适的电介质也可用于栅电介质 352，例如具有较高的介电常数的材料，诸如碳化硅(SiC)、氮化硅 (Si3N4)、氮氧化物、氮化铝 (AlN)、二氧化铪 (HfO2)、二氧化锡 (SnO2)、二氧化铈 (CeO2)、二氧化钛 (TiO2)、三氧化钨 (WO3)、氧化铝 (Al2O3)、氧化镧 (La2O3)、氧化钆等以及它们的任意组合。
在一些实施例中，传感器 350 包括覆盖并与多个浮动栅极导体中最上层的浮动栅极导体连通的电极 307。电极 307 的上表面 308 限定传感器的反应区下表面。电极307 的上表面 308 可用作传感器 350 之敏感区的传感器表面。电极 307 可包含多种不同材料中的一种或多种以增强对特定离子的敏感性。例如，氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物如氧化硅、铝或钽氧化物通常提供对氢离子的敏感性，而由含缬氨霉素之聚氯乙烯组成的感测材料则可提供对钾离子的敏感性。也可使用对其他离子诸如钠、银、铁、溴、碘、钙、氢氧化物、磷酸盐和硝酸盐敏感的材料。在例示的实例中，电极 307 被示出为单层材料。更一般地说，电学上的电极可包含多种导电材料中的一层或多层，诸如金属或陶瓷，或者任何其它适宜导电材料或材料的混合物，其取决于具体实施。导电材料可为任何合适的金属材料或它们的合金，或者可为任何合适的陶瓷材料或它们的组合。金属材料的实例包括铝、铜、镍、钛、银、金、铂、铪、镧、钽、钨、铱、锆、钯，或者任何合适的材料或它们的组合。陶瓷材料的实例包括氮化钛、氮化钛铝、氮氧化钛、氮化钽中的一种或其任何合适的组合。在一些实施例中，附加的感测材料（未示出）沉积于电极 307 的上表面 308。在一些实施例中，电极可为氮化钛，而氧化钛或氧氮化钛可在制造过程和/或使用过程中暴露于流体期间于上表面 308 上生长。是否在上表面上形成氧化物取决于所使用的导电材料、执行的制造工艺和/或传感器的操作条件。电极可形成各种形状（宽度、高度等），具体取决于制造过程中使用的材料及/或蚀刻技术和/或制造工艺等。
在一些实施例中，反应物、洗涤溶液及其他试剂可通过扩散机制进出反应区 301。传感器 350 响应于邻近电极 307 的电荷 324（并可产生与之相关的输出信号）。例如，当传感器耦合到分析物时，传感器可响应于传感器表面的电解电位。传感器的响应性可与邻近电极 307 存在的电荷量相关。分析物溶液中电荷 324 的存在可能改变分析物溶液和电极 307 的上表面 308 之间界面处的表面电位。例如，表面电位可通过由存在于分析物溶液中的离子所致之表面基团质子化或去质子化来改变。在另一实例中，表面官能团或所吸收化学物种的电荷可通过溶液中的分析物来改变。当前电荷量中的变化可引起浮动栅极结构 318 上的电压变化，而这转而又可引起传感器 350 之晶体管的阈值电压发生有效变化。可通过测量源极区 321 和漏极区 322 之间沟道区 323 中的电流来测量界面处的电位。因此，传感器 350 可直接用以在连接至源极区 321 或漏极区 322 的阵列线上提供基于电流的输出信号，或间接借助附加电路提供基于电压的输出信号。电荷在反应区 301 的底部附近可具有更高密度。因此，在一些实施例中，电极尺寸的变化可对响应于电荷 324而检测到的信号幅度产生影响。
在一些实施例中，在反应区 301 中进行的反应可能为鉴定或测定目标分析物之特征或性质的分析反应。此类反应可直接或间接生成会影响与电极 307 相邻之电荷量的产物/副产物。如果此类产物/副产物产生的量较少或快速衰减或者与其他成分反应，可能同时分析反应区 301 中相同分析物的多个拷贝以便增强生成的输出信号。在一些实施例中，分析物的多个拷贝可能在沉积到反应区 301 中之前或之后附加到固相载体 312。固相载体 312 可能为颗粒、微粒或纳米颗粒。在一些实施例中，分析物可能被附加到可呈固体或多孔的珠粒，并可进一步包含凝胶等，或者可能被引入反应区的任何其他合适的固态载体。在一些实施例中，分析物的拷贝可能位于邻近反应区之传感器的溶液中。或者，分析物的拷贝也可直接结合到传感器的表面以捕获包括表面上材料或者表面上有孔的试剂（例如，分析物的拷贝可直接结合到电极 307）。固相载体可能有不同的尺寸，例如在 100 纳米至 10 微米范围内。另外，固态载体可能位于各种位置的开口处。对于核酸分析物，可能通过滚环扩增 (RCA)、指数 RCA、聚合酶链反应 (PCR) 或类似技术制备多个连贯的拷贝，以产生扩增子，而无需固态载体。
在各种示例性实施例中，本文描述的方法和系统可有利地用于处理和/或分析获得自生物反应的数据和信号，包括扩增或基于电子或电荷的核酸测序。在基于电子或电荷的测序（诸如基于 pH 的测序）中，核苷酸掺入事件可通过检测生成为聚合酶催化的核苷酸扩展反应之天然产物的离子（例如，氢离子）来测定。这可用于对样本或模板核酸进行序列化，后两者可以是例如目标核酸序列片段，也可以作为克隆种群直接或间接附加到固态载体，诸如颗粒、微粒、珠粒等。样本或模板核酸能够以可操作的方式与引物和聚合酶相关联，并且可经过脱氧核苷三磷酸 (“dNTP”) 反复循环或“流”的加成（在本文中可称为“核苷酸流”，由此可得到核苷酸掺入）和洗涤。引物可退火到样品或模板，由此使得只要加入与模板中下一个碱基互补的 dNTP，引物的 3' 末端即可通过聚合酶得到延伸。基于核苷酸流的已知序列以及测得的指示每个核苷酸流中离子浓度之传感器的输出信号，可确定与存在于耦合到传感器的反应区中样本核酸相关联之核苷酸的类型、序列和数量。
用于模拟域的传感器阵列可包含例如以行和列布置的许多五端子装置。五端子装置可包含三个输入和两个输出，其中三个输入中的一个为选择信号而其他两个输入可为模拟信号。五端子装置用于使用源极跟随器构造读出模拟信号。
图 4 示出根据本发明一个示例性实施例的五端子装置。在一些实施例中，装置401、402 和/或 403 中的至少一个或全部可为晶体管。在一些实施例中，装置 401、402和/或 403 中的至少一个或全部可为场效应晶体管 (FET)。这三个示例性装置被示为串联连接，使得装置 401 串联连接至装置 403 而装置 403 串联连接至装置 402。在一些实施例中，装置 403 可为一个选择晶体管。在一些实施例中，装置 403 可为一个开关。装置403 可介于装置 401 和 402 之间，但不一定如此。三个装置可采用任何串联布置方式，包括但不限于例如装置 401 串联连接至装置 402 而装置 402 串联连接至装置 403；装置403 串联连接至装置 401 而装置 401 串联连接至装置 402；装置 403 串联连接至装置402 而装置 402 串联连接至装置 401。装置 401、402 和 403 可例如沿列线 407 设置。如图 4 所示，装置 403 可由装置 401 和装置 402 共享。装置 401 和装置 403 可统称为像素 404。装置 402 和装置 403 可统称为像素 405。像素 404 和 405 可合称为像素对。
图 4 所示的五端子装置可如下操作：选择信号可以被施加于端子 3 (T3) 以选择装置 401 和 402（通过一个选择晶体管，例如装置 403）。在选中装置 401 和 402 两者的情况下，装置 402 可在高固定电位下被偏置以打开沟道作为装置 402 中漏致势垒降低和/或穿通的结果，使得电流在很大程度上不受电极上电解电位的影响，而装置 401 可在端子 1 (T1) 处（或例如在管线上/通过连接到节点 A 的装置）读出，因此读出的信号（T2处）与 T4 处的信号无关。端子 1 被耦合到偏置电路 408。偏置电路 408 包括至少一个电流宿/源和至少一个电压源。换言之，通过在穿通模式 (PTM) 或漏致势垒降低 (DIBL) 下操作装置 402，同时装置 401 被偏置于三极管区和饱和区中的至少一者中，可经由装置401 获得 T2 处的信号且不导致 T4 处的信号衰减。在并行选择装置时，PTM 和/或 DIBL的效应可有利地用以有效“敲除”或掩蔽串联连接到目标装置的其他装置。虽然图 4 示出由两个装置 401 和 402 共享的选择晶体管，但可设想串联连接并且共享公共选择晶体管的多个装置。例如，根据所用的技术节点和材料/制造工艺，可设想连接至最多 10,000,000,000 个装置。根据一些实施例，装置 401 可被配置为源极跟随器。根据一些实施例，装置 402 可被配置为源极跟随器。根据一些实施例，读出装置 401 时获得的输出信号取决于装置 401 的阈值电压。输出信号可在输出导体例如列总线上读出。因此，装置 403 可以被视为并行耦合装置 401 和 402 到输出导体以对选择信号作出响应。换言之，装置 403在与输出导体通信的电流中耦合装置 401 和装置 402。
读出操作可被“翻转”，而 T4 处的信号可经由装置 402 读出，且不影响来自装置401（T2 处）的信号。例如，选择信号可以被施加于端子 3 (T3) 以选择装置 401 和 402（通过一个选择晶体管，例如装置 403）。在选中装置 401 和 402 两者的情况下，装置 401可在高固定电位下被偏置以诱发装置 401 中的漏致势垒降低，而装置 402 可在端子 1(T5) 处（或例如在管线上/通过连接到节点 B 的装置）读出，因此读出的信号（T4 处）与T2 处的信号无关。端子 2 被耦合到偏置电路 409。偏置电路 409 包括至少一个电流宿/源和至少一个电压源。偏置电路 408 可以为相同或不同于偏置电路 409 的电路。换言之，通过在穿通模式 (PTM) 或漏致势垒降低 (DIBL) 下操作装置 401，同时装置 402 被偏置于三极管区和饱和区中的至少一者中，可经由装置 402 获得 T4 处的信号且不导致 T2处的信号衰减。
传感器阵列可包含多个电检测传感器（例如，化学/生物传感器）。每个传感器可包含化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)，后者经配置用于提供有关邻近该阵列之传感器离子浓度的至少一种输出信号。另外，在一些实施例中，阵列还可包括至少一个行选择移位寄存器以启用多个行中相应的行，并且包括至少一个列选择移位寄存器以采集来自多个列中相应的列的传感器（例如，chemFET）输出信号。多个列可形成按行和列布置的传感器/检测器阵列（或传感器/检测器双峰）。传感器阵列可包含按列形成的多个传感器，其中每个列包括多行传感器。当行选择线被激活时，由于栅极电压超出阈值电压并起到开关作用，因此行选择装置（例如，FET）形成沟道。行选择被禁用时，该沟道缩小。或者，在高密度阵列中，行选择装置可能无法完全“打开”或“关闭”。相反，它可以近似于开关。当栅极端子远低于行选择晶体管的源极端子时，可实现信号的隔离，并可有效读取具有活动的行选择之传感器，而无需来自被禁用传感器的输入。对于具有多个行的阵列，可优选地使每个行选择装置实现给定的隔离级别。即，用于行选择装置的要求可取决于阵列的行数。
图 5 示出根据本发明一个示例性实施例的传感器阵列。如图所示，装置 501 被耦合到电极 510 而装置 502 被耦合到电极 511。装置 503 由装置 501 和装置 502 共享。装置 503 被示出为连接于装置 501 和装置 502 之间；然而，不一定如此，如上文所述的有关装置布局/连通性的内容。在一些实施例中，装置 501 可被直接耦合到电极 510，而装置 502 则可被直接耦合到电极 511。或者，装置 501 可经由浮动栅极被耦合到电极510，如本文相对于图 3 所述。另外，装置 502 可任选地经由浮动栅极被耦合到电极 511，例如，如本文相对于图 3 所述。此外，诸如本文所述的反应区可被以可操作的方式直接或间接耦合到所述电极 510 和 511。参见装置 501，装置 501 的第一源极/漏极端子被耦合到列线 Ct（输出导体，顶部），而装置 501 的第二端子则被耦合到装置 503 的源极/漏极端子。装置 501 的所述第一和第二端子可分别被直接或间接耦合到 Ct 和装置 503。装置503 的其他端子被连接至装置 502 的源极/漏极端子。装置 502 的其他源极/漏极端子被耦合到列线 Cb（输出导体，底部）。装置 502 的所述第一和第二端子可分别被直接或间接耦合到 Cb 和装置 503。电极 510、511 可包含前述与敏感区相关联之材料中的任意一种以及适于接收输入信号例如化学输入信号的任何其他材料。诸如本文所述的反应区可被以可操作的方式耦合到电极 511。来自装置 501 和 502 的输出信号可单个地、独立地在相应的列线 Ct 和 Cb 上被读出。如下文进一步详述，列线 Ct 和 Cb 被示出为连接至输出/读出电路 504（例如，图 6 中的 604）。装置 503 的栅极被耦合到行线 R<2> 以向选择装置 503 提供选择信号。装置 501、502 和 503 被示出为 NMOS 晶体管，但也可使用其他类型的晶体管，例如 PMOS 等。
由公共开关并行选择的两个串联连接的传感器（即，例如耦合到电极的晶体管）可被异步读出，以在连接至输出/读出电路的相应输出导体上获得独立的输出信号。偏置电路可包含电流源和宿和组合，用于向传感器提供适当的偏置电压以响应于由阵列控制器 124提供的各种定时和控制信号。所述两个输出导体可被提供给多路复用器，如此可获得一系列离散的输出信号。
图 6 示出根据本发明一个示例性实施例的示例性传感器双峰 608 和读出电路604。在一些实施例中，装置 601、602 和 603 能够以本文相对于图 4 所述的类似方式进行操作。例如，装置 601 的栅极处存在的信号（例如，模拟信号）可被读出，且不影响装置602 之栅极处存在的信号（例如，另一个模拟信号）。例如，选择信号（例如，R<0> 处的行选择信号 R）可被施加于装置 603 的栅极端子以选择装置 601 和 602。在选中装置 601 和602 两者时，装置 602 可在高固定电位下被偏置以诱发装置 602 中的漏致势垒降低，并且装置 601 可在 Ct 上被读出，由此被读出的信号与装置 602 之栅极端子上的信号无关。换言之，通过在穿通模式 (PTM) 或漏致势垒降低 (DIBL) 下操作装置 602，同时装置601 被偏置于三极管区和饱和区中的至少一者中，可获得装置 601 之栅极上的信号且不导致装置 602 之栅极上的信号衰减。反之亦然。即，通过在穿通模式 (PTM) 或漏致势垒降低 (DIBL) 下操作装置 601，同时装置 602 被偏置于三极管区和饱和区中的至少一者中，可在 Cb 上获得装置 602 之栅极的信号且不导致装置 601 之栅极上的信号衰减。输出/读出电路 604 包含偏置电路 605 和 606 以及多路复用器 (MUX) 607。装置 601 之栅极处的信号在输出导体 Ct 上被读出，该信号被提供给偏置电路 606。装置 602 之栅极处的信号在输出导体 Cb 上读出，该信号被提供给电路 605。Cb 的偏置电路 605 可与 Ct 的偏置电路 606 相同或不同。来自偏置电路 605 和 606 的输出被提供给 2:1 多路复用器。多路复用器 607 的输出为信号 C_SIG。C_SIG 可为模拟信号。C_SIG 可被提供给 ADC913，如下文参考图 9 所详述。
图 7 示出根据本发明一个示例性实施例的传感器阵列和偏置电路。为简单起见，仅示出两列和两行 R<0> 与 R<1> 以例示所述概念，但该阵列可按本文所述各种尺寸制作。装置 703.1、703.2、703.3 和 703.4 为行选择装置，其中行选择装置 703.1 和行选择装置 703.3 对应于行 0 (R<0>) 而行选择装置 703.2 和行选择装置 703.4 对应于行 1(R<1>)。因此，选择行 0（即，将行选择信号施加至行选择装置 703.1 和装置 703.3）将装置 702.1 的源极/漏极端子耦合到列线 cb<0> 并耦合到偏置电路 705；将装置 701.1 的源极/漏极端子耦合到列线 ct<0> 并耦合到偏置电路 706；将装置 702.3 的源极/漏极端子耦合到列线 cb<1> 并耦合到偏置电路 705；并将装置 701.3 的源极/漏极端子耦合到列线 ct<1> 并且耦合到偏置电路 706。偏置电路 705 和 706 包括多个电流源/宿及一个或多个电压源。根据一些实施例的偏置电路 705 和 706 之操作在图 8 中展示。多路复用器 707 的输出为信号 C_SIG。C_SIG 可为模拟信号。可将 C_SIG 提供给 ADC 913，如下文参考图 9 所详述。
图 8 示出根据本发明一个示例性实施例的用于代表性传感器阵列之读出的信号通路。图 8 示出相同列的两个视图；用于读出下部装置 (802) 的信号通路示于左侧，用于读出上部装置 (802) 的信号通路示于右侧。装置 803 可作为一个开关来操作。偏置电路805 和 806 包括多个电流源/宿及一个或多个电压源，如图所示。实心黑线示出/勾勒目标装置（由箭头指示的目标装置）的读出路径，而虚线示出/勾勒在读出目标装置时未读取之装置如何被操作/偏置。待读出的装置可被配置为源极跟随器。装置可例如处于饱和区中。选择（开关 803）可被偏置于装置三极管或饱和区中。例如，为读出装置 802，可通过连接至读出电流宿/源 807 的源极端子引起装置 802 的饱和。实现这一目标的一种示例性方法是通过连接至高固定电位（装置 808）的漏极端子减小装置 801 的阈值，如图 8 左侧所示。装置 801 将具有较大的漏源极电压，使得装置可受到漏致势垒降低 (DIBL) 的影响。因此，可减小装置 801 的阈值电压，使得装置 802 饱和。然后来自装置 801 的信号被装置 802 的输出电阻排除。
在一些实施例中，当存在较大的漏源极电压时，从源极到漏极的晶体管势垒可被降低，其可需要来自栅极的较小场效应以在较低偏置下通过相同电流。当与内埋沟道结合并且轻度掺杂装置的主体时，例如，可导致穿通，其可以使势垒降至很少或没有栅极控制可用的程度。这可以在读出感兴趣的装置时，消除来自未读取（不感兴趣）的装置的任何信号。可使用各种掺杂方案和栅极长度以实现这一结果。为了使装置 801 穿通，同时保留装置802 的栅极控制，装置 803 可在源极跟随器配置中执行漏极电位偏置的函数。与将装置803 置于三极管中相反，在选择过程中可使用栅极处的较低电压将装置 803 设为饱和，从而降低装置 802 的漏极电压，由此保留栅极控制。
例如，为读出装置 801，可通过连接至读出电流宿/源 810 的源极端子引起装置801 的饱和。实现这一目标的一种示例性方法是通过连接至高固定电位（装置 809）的漏极端子减小装置 802 的阈值，如图 8 的右侧所示。装置 802 将具有较大的漏源极电压，使得装置可受到漏致势垒降低 (DIBL) 的影响。因此，可减小装置 802 的阈值电压，使得装置 801 饱和。然后来自装置 802 的信号被装置 801 的输出电阻拒绝。换言之，在第一模式下，由第一晶体管之栅极上的电荷诱发的处于指定操作范围（即，经过设计的装置操作电压范围）内的电压（如果有）有助于诱发输出的电压或电流，所述电压或电流的量低于感测电路的噪声限值（或低于量化误差）。在第二模式下，由第二晶体管之栅极上的电荷诱发的处于指定操作范围内的电压（如果有）有助于诱发输出的电压或电流，所述电压或电流的量低于感测电路的噪声限值（或低于量化误差）。
图 9 示出根据本发明一个示例性实施例的检测系统。在一些实施例中，对应于发生在反应位点处（例如，微孔中）之生化反应的单个输入模拟输入被转换为平行数字数据。传感器双峰 908 可包含两个串联的传感器，其中传感器之间具有开关，如上文所述。传感器双峰 908 能够按照例如与本文相对于图 6 所述之传感器双峰 608 相同的方式进行操作。传感器双峰 908 的下游是输出/读出电路 904。输出/读出电路 904 包括偏置电路和多路复用器。输出/读出电路 904 接收来自传感器双峰 908 中两个示例性传感器之一的，对应于发生在反应位点处之生化反应的单个模拟输入（如上文相对于图 6 所述之输出/读出电路 604 的说明）。输出/读出电路 904 还接收信号以操作偏置电路和多路复用器。偏置电路可偏置目标传感器以将传感器的 PET 置于已知操作条件下。即，提供第一电流以将FET 置于第一模式下（“高”电流/带宽）而与所述第一电流相关联的高带宽则提供使电路稳定的条件。任选地，一旦电路稳定，则可以向 FET 提供较低的第二电流以在第二模式（“低”电流/带宽）的较低带宽条件下有效滤除传感器的噪声（即，射流噪声、热噪声等）。输出/读出电路 904 向比较器 905 提供仍作为单一模拟输入的电压。比较器接收斜坡电压 (V_RAMP) 和控制信号 (CONTROL SIG(S)) 作为输入，并且可为两级比较器，其通过动态调整/限制带宽以有效降低系统噪声，并且同时仍允许快速数据读出速率。例如，比较器将来自输出/读出电路 908 的电压与斜坡电压进行比较，并提供单位数字数据流作为输出。
来自比较器的所述单位数字输出数据可被提供给锁存器 909，而锁存器的输出则可接合到寄存器。锁存器的输出可能决定格雷码的取样行为，如下文所述。例如，锁存器909 可被用以格式化单位数字数据流并且将格式化的数字数据流传输至寄存器阵列 911。
锁存器的基本操作（先后顺序无关）包括：
输入 din；
输入 latch_set；
输入 latch_rst；
输出 dout；
当 latch_rst = 1 时，dout 为 0。
当 latch_rst = 0 时，dout 保持状态直至触发 latch_set 或 din 至高状态。
输入栅极可为 3-输入 NOR。dout 可反馈给 NOR 栅极以保持状态并截断栅极逻辑中的电流。早期锁存器可在输出 e 处具有较小的传播延迟。后期锁存器可在输出 1 处具有较长的传播延迟。当早期锁存器启动时，NAND 栅极倒置 e 并且 dout 降低。这可使得reg_array 对格雷码进行采样。当后期锁存器启动时，NAND 栅极可被评估为 false，并且dout 驱动进入高状态，并且在下一个复位周期结束之前保持此状态。所得波形为短脉冲，在该过程中对格雷码进行采样。
如下设置以在连续采样模式下运行：
latch_rst0 = 0
latch_set0 = 1
然后在正常定时模式下运行 latch_rst1 和 latch_set1。
与锁存器结合，比较器向寄存器阵列 911 提供单位数字数据流，其提供数字并行读出数据流。寄存器阵列可接收来自格雷码计数器 915 的控制信号 (CONTROL SIGNAL)和输入。例如，寄存器阵列 911 可经由格雷码将时移单位数字数据转换为全量程 N 位数据。在确定数字数位后，寄存器阵列可捕获该格雷码。该数据可被存储在主锁存器中。在行末处，主锁存器中的数据可被移至从锁存器。该寄存器阵列可被配置为基于成像配置格式化数据。对于给定的寄存器地址，可按照便于光栅扫描读出的方式对列进行排序。例如，即使列可以一起读出，其可能导致以正确的行顺序读出堆叠行。寄存器阵列包含预充电输出总线上的主锁存器和从锁存器。例如，每个总线可能存在 322 个寄存器且可能有 96 条总线线路。可以使用由 Tx_align 块 920 的预解码器驱动的解码器启用选择线。寄存器阵列可包括数据存储单元，而寄存器阵列可激活一个或多个数据存储单元作为带宽的函数。总之，比较器 905（以及任选地，锁存器 909）和寄存器阵列 911 可包含 ADC 913（模数转换器）。总之，格雷码计数器 915 和寄存器阵列 911 可包含量化器 917。来自 ADC913 的数字并行读出数据流被提供给 Tx_align 920 以对准（数据格式化），然后提供给发送器 930并且提供给 IC 上的焊盘（参见图 10），其中数据可被作为差分电压高速序列化发出（例如，数据能被以 20 倍输入速率读出）。Tx_align 920 借由预解码器和序列定时与寄存器阵列 911 交互以捕获有序数据。例如，数据能被以每个内存命中 8 个字词的速率读出。该数据能被以每时钟周期 20 位的速率传输。Tx_align 920 形成变速箱，以将传入数据宽度转化为传出数据宽度。Tx_align 920 支持各种位深配置，例如：8、10、12b。Tx_align 920通过取决于成像配置以及寄存器阵列配置的地址顺序访问存储器。
图10 为用于 DNA 测序之集成电路传感器阵列上的局部电路简化框图。该示例性集成电路包括基板 1000 上的 660 兆像素 ISFET 传感器阵列 1001。列偏置/选择电路的上部组 1002U 和上部行解码器 1031 被配置用于访问阵列 1001 的上半部。列偏置/选择电路的下部组 1002L 和下部行解码器 1021 被配置用于访问阵列 1001 的下半部。模数转换器 (ADC) 电路的上部组 1003U 被耦合到列偏置/选择电路的所述上部组 1002U。上部寄存器阵列 1004U 被耦合到模数转换器 (ADC) 电路的所述上部组 1003U。该上部寄存器阵列 1004U 被配置为通过串行器（例如，1011、1012）提供多个数字数据流至对应的发送器（例如，1005-23、1005-22）。发送器中的每一个皆被耦合到对应的输出焊盘对（D[23] 对、D[22] 对），其转而又被连接至传输线（未显示）。同样，模数转换器电路的下部组 1003L 被耦合到列偏置/选择电路的所述下部组 1002L。下部寄存器阵列 1004L 被耦合到模数转换器电路的所述下部组 1003L。该下部寄存器阵列 1004L 被配置为通过串行器（例如，1001、1002）提供多个数字数据流至对应的发送器（例如，1005-0、1005-1）。发送器中的每一个皆被耦合到输出焊盘的对应对（D[0]、D[1]），其转而又被连接至传输线（未显示）。尽管未示出，所述阵列包括多个参比电池，其未被耦合到射流。参比电池的栅极被耦合到参比电压电路，并提供用于来自 ISFET 之数据分析的参比读数，其中 ISFET 被耦合到射流。
本文所述配置支持采用大量每秒千兆比特发送器的装置，如能够以大于每秒 1Gb的数据率传输且配置为至少 10 对的至少 20 个发送器。对于一个实例，所述装置包括能够以每秒 5Gb 或更高速率传输数据的 24 个发送器，支持每秒 120Gb 或更高速率之高速数据源的吞吐量。大量每秒千兆比特发送器带来一种情况，其中会出现一类在采用少量发送器的配置中并不明显的实施问题。包括一个测序器 (seq) 1032、一个数模转换器 (DAC)1033、一个格雷码计数器 (gray) 1034 和偏置电路 (bias) 1035 的支持外围电路被耦合到上部电路。另外，包括一个测序器 (seq) 1022、一个数模转换器 (DAC) 1023、一个格雷码计数器 (gray) 1024 和偏置电路 (bias) 1025 的支持电路被耦合到下部电路。该芯片包括串行外围接口控制块 (spi ctrl) 1040（包括配置寄存器并提供用于所述装置之配置和控制装置的管理总线的接口），以及用于所述装置之配置的保险丝阵列 (fuse) 1041。该测序器 1022、1032 按照活动模式和空闲模式操作所述传感器阵列（或其他数据源）、外围电路和多个发送器以在帧速率下对数据帧进行采样，其中所述测序器在活动模式下操作以获得第一时间间隔中的第一帧数，并在空闲模式下操作以获得第二时间间隔中的第二帧数。在感测系统中，测序器 1022、1032 的操作与射流控制器协调，使得第一时间间隔与反应物溶液的流重叠，而第二时间间隔则与紧随其后的洗涤溶液的流重叠。在一项实例操作技术中，测序器 1022、1032 使得所述电路执行帧感测序列。在帧感测序列中，使用列偏置/选择电路 1002U/1002L 选择并偏置所述阵列中的上半部分和下半部分每一部分中的ISFET 行，以使每条列线上产生作为对应传感器阱中电荷之函数的电流。模数转换器电路1003U/1003L 从数模转换器 1033、1023 接收斜坡信号，并在相应列线上的电流与斜坡信号的电平相匹配时产生输出信号。响应于输出信号而对格雷码计数器 1024、1034 进行采样，并将结果存储在寄存器阵列 1004U/1004L 中。寄存器阵列 1004U/1004L 中的数据被组合进数据包，并在多个数字数据流中应用于芯片上的发送器。
图 10 中所示的部分电路包括基板 1000 上 24 个发送器组中的 10 个发送器。所示四个发送器包括一个第一对发送器 1005-0、1005-1 和一个第二对发送器 1005-22、1005-23。如图所示，包括低通滤波器的一个锁相环 1006-0 被耦合到第一对发送器 1005-0、1005-1。另外，包括低通滤波器的一个锁相环 1006-11 则被耦合到第二对发送器 1005-22、1005-23。锁相环作为时钟倍频器进行操作，其中每一个均产生本地发送时钟，并经由时钟线（例如锁相环 1006-0 处的 1007a、1007b）向其左侧发送器和右侧发送器提供本地发送时钟。每个锁相环/低通滤波器 1006-0、1006-11 与对应的锁相环控制块 1003、1013 耦合，后者存储用于控制和校准锁相环的参数。此模式跨芯片上的 24 个发送器重复，如此存在 12 个锁相环模块和 24 个发送器。发送器被分组成对，耦合到各个锁相环。锁相环设置在发送器之间的基板上，如此从锁相环到使用锁相环中所产生时钟之发送器的传输距离可以很小。如图所示，锁相环 1006-0、1006-11 的每一个皆被耦合到单独的电源焊盘 VDDP和单独的接地焊盘 GNDP。此外，每个锁相环的单独电源焊盘 VDDP 和单独接地焊盘 GNDP均被设置在与锁相环相邻的芯片上，并位于对应发送器对中的左侧发送器输出焊盘与右侧发送器输出焊盘之间。
单独的电源焊盘 VDDP 和单独的接地焊盘 GNDP 被连接到片外电压源，其可使用旁路电容和其他电路进行配置，以为锁相环电路创建低噪声功率配置，并减少高频锁相环电路和基板 1000 上其他电路间的噪声耦合。低速参比时钟被分配于芯片上并连接至锁相环中的每一个。所示实施例中的时钟倍频器使用锁相环来实现。时钟倍频器也可使用其他电路来实现，如延迟锁定环、相位内插器以及锁相环、相位内插器和/或延迟锁定环的组合。在此实施例中，所述集成电路基板 1000 包括芯片上的温度传感器 1037、1038，配置在芯片的四个角中的每一个角上。温度读数由 SPI 控制块 1040 采样，并存储以供芯片外控制器经由管理总线来访问。另外，所述装置温度读数被测序器利用以控制的功耗和温度。在其他实施例中，一个或多个温度传感器可进行不同配置。在其他实施例中，除芯片上的一个或多个温度传感器之外或作为另选方式，温度传感器可能被耦合到微孔阵列结构。
图11 为示出操作本文所述传感器系统之方法的简化流程图。所述过程包括提供串联连接的 FET 1101 之间的开关。该过程包括利用所述开关启用串联连接的 FET 1103。该过程另外包括在饱和模式 1105 下偏置串联连接的 FET 中的一个（待读出的装置）。该过程包括偏置其他 FET 以具有一个较大的漏源极电压，使得所述装置可受到漏致势垒降低 (DIBL) 影响（例如，使得其他 FET 的漏极端子被连接至一个高固定电位 1107）。该过程另外包括测量/读出目标装置的信号，且不受其他 FET 1109 上之信号的干扰。
本文还进一步提供一种用于执行生物反应的试剂盒。试剂盒可能包括一个半导体装置。试剂盒可能包括一个化学传感器。在一些实施例中，试剂盒可能包括用于执行生物反应的试剂，其中包括例如探针、引物、染料、量子点。在一些实施例中，试剂盒可能包括珠粒或颗粒或固态载体。在一些实施例中，试剂盒可能包括单个半导体装置。或者，试剂盒中可能包括超过一个半导体装置。在一些实施例中，试剂盒可能包括单个化学传感器。或者，试剂盒中可能包括超过一个化学传感器。在一个示例性实施例中，公开了一种半导体装置。该半导体装置包括串联连接至第二场效应晶体管 (FET) 的第一 FET、串联连接至第一 FET和第二 FET 的第三 FET、耦合到第一 FET 和第二 FET 的偏置电路，以及耦合到第二 FET之导电端子的输出导体，其中该输出导体获得来自第二 FET 的输出信号，该输出信号与第一 FET 无关。在一些实施例中，第三 FET 将第一 FET 和第二 FET 并行耦合到输出导体以对选择信号作出响应。在一些实施例中，来自第二 FET 的输出信号与第一 FET 端子上的电压无关。在一些实施例中，第二 FET 包含源极跟随器。在一些实施例中，输出导体为列总线。在一些实施例中，偏置电路包含至少一个电压源和至少一个电流宿。在一些实施例中，偏置电路施加电压源至第一 FET 并施加电流宿至第二 FET。在一些实施例中，偏置电路并行施加电压源至第一 FET 的漏极并施加电流宿至第二 FET 的源极。在一些实施例中，输出信号取决于第二 FET 的沟道电导。在一些实施例中，第一 FET 在漏致势垒降低约束下操作，从而在获得来自第二 FET 的输出信号时，对其栅极上的电位相对不敏感。在一些实施例中，第一 FET 在穿通模式约束下操作，从而在获得来自第二 FET 的输出信号时，对其栅极上的电位相对不敏感。在一些实施例中，第三 FET 被用作开关，偏置于三极管区和饱和区的至少一者中，且第一 FET 在高电位下被偏置以诱发第一 FET 中的漏致势垒降低。在一些实施例中，输出导体耦合到第一 FET 的端子，并且输出导体获得具有来自第一FET 之量值的第二输出信号，该量值与第二 FET 栅极电压的变化无关。在一些实施例中，在获得来自第一 FET 的第二输出信号时，第二 FET 在漏致势垒降低和穿通模式约束中的至少一者下操作。在一些实施例中，第三 FET 被用作开关，偏置于三极管区和饱和区的至少一者中，且第二 FET 在高固定电位下被偏置以诱发第一 FET 中的漏致势垒降低。在一些实施例中，第二 FET 为化学敏感的场效应晶体管 (chemFET)。在一些实施例中，chemFET为离子敏感场效应晶体管 (ISFET)。在一些实施例中，输出信号基于水解事件。在一些实施例中，输出信号与由第二 FET 检测到的核苷酸掺入事件相关。在一些实施例中，输出信号与经由第二 FET 的离子检测相关。在另一个示例性实施例中，所述化学传感器包括：耦合到第一电极的第一场效应晶体管 (FET)、耦合到第二电极的第二 FET、耦合到第一 FET 和第二 FET 以并行耦合第一 FET 和第二 FET 到读出电路从而对选择信号作出响应的开关，以及经由开关耦合到第一 FET 的端子以获得来自第一 FET 的第一信号与经由开关耦合到第二 FET 的端子以获得来自第二 FET 的第二信号的读出电路，其中来自一个 FET的信号与其他 FET 无关。在一些实施例中，开关串联连接至第一 FET 和第二 FET。在一些实施例中，开关设置在第一 FET 和第二 FET 之间。在一些实施例中，第一 FET 与第二FET 串联。在一些实施例中，在获得来自第二 FET 的信号时，第一 FET 在漏致势垒降低和穿通模式约束中的至少一者下操作。在一些实施例中，在获得来自第一 FET 的信号时，第二 FET 在漏致势垒降低和穿通模式约束中的至少一者下操作。在一些实施例中，第一 FET检测邻近第一电极之第一反应位点处的第一反应，并且第二 FET 检测邻近第二电极之第二反应位点处的第二反应。在一些实施例中，电流源可经由开关耦合到第一 PET 和第二FET 以向第一 PET 和第二 FET 提供恒定的漏极电流。在一些实施例中，读出电路包括输出导体。在一些实施例中，输出导体为列总线。在一些实施例中，对应于第一 FET 端子的第一输出节点和对应于第二 FET 端子的第二输出节点并行耦合到列总线以对选择信号作出响应。在一些实施例中，第一反应位点被布置为邻近第一电极并且第二反应位点被布置为邻近第二电极。在一些实施例中，第一 FET 经由第一浮动栅极耦合到第一电极。在一些实施例中，第二 FET 经由第二浮动栅极耦合到第二电极。在一些实施例中，第一浮动栅极和第二浮动栅极各自包括彼此电耦合并且由电介质层分离的多个导体。在一些实施例中，第一电极对离子敏感。在一些实施例中，第二电极对离子敏感。在一些实施例中，第二电极所敏感的离子不同于第一电极所敏感的离子。在一些实施例中，第一 FET 包含源极跟随器。在一些实施例中，第二 FET 包含源极跟随器。在一些实施例中，来自第一 FET 的第一信号与第二 FET 之端子上的电压无关。在一些实施例中，来自第二 FET 的第二信号与第一FET 之端子上的电压无关。在一些实施例中，第一信号与发生在第一反应位点内并且邻近第一电极的反应相关。在一些实施例中，第二信号与发生在第二反应位点内并且邻近第二电极的反应相关。在一些实施例中，第一信号与经由第一 FET 的离子检测相关。在一些实施例中，第二信号与经由第二 FET 的离子检测相关。在一些实施例中，第一信号基于水解事件。在一些实施例中，第二信号基于第二水解事件。在一些实施例中，第一信号与由第一FET 检测到的核苷酸掺入事件相关。在一些实施例中，第二信号与由第二 FET 检测到的核苷酸掺入事件相关。
在一些实施例中，chemFET 阵列/微流体混合结构可用以分析可能包含诸如核酸等分析物的目标溶液/材料。例如，可能采用此类结构以监测核酸的测序。可以对诸如核酸等分析物进行检测和/或测序以确定核酸的部分或完整核苷酸序列、检测核酸中单一核苷酸多态性的存在和在某些情况下的特性、确定哪种治疗方案对治疗患有可通过受试者的基因组成而确认的特定疾病之受试者最有效、测定并比较两种或更多种状态下的核算表达谱（例如，比较患病和正常组织的表达谱，或比较未经治疗之组织与经过药物、酶、放射或化学治疗之组织的表达谱）、分析单体型样本（例如，比较人类受试者中存在的两个等位基因中每一个等位基因上的基因或变异）、分析核型样品（例如，分析细胞或组织如胚胎的染色体组成，以检测总染色体或其他基因组异常），以及进行基因型分析（例如，分析一个或多个遗传基因座以确定例如载体状态和/或种属关系）。
在一些实施例中，本文所述的系统还可用以辅助鉴定和治疗疾病。例如，该系统可用于鉴定与特定疾病相关的序列或用于鉴定与特定活性成分的阳性反应相关的序列。
在一些实施例中，公开了一种用于鉴定与病症相关联之序列的方法，包含将患有病症的多个受试者之核酸传递到包含反应位点二维阵列的测序装置，其中每个反应位点被电容耦合到 chemFET，从而测定来自 chemFET 之信号的核酸的序列，并且鉴定多个受试者之 DNA 之间的公共序列。优选地，受试者为哺乳动物，并且更优选地为人类。优选地，病症为癌症、免疫抑制疾病、神经系统疾病或病毒感染。
在一些实施例中，本文所述的系统在用于测序时，通常涉及支持离散位点的chemFET 阵列、被耦合到能够执行将来自 chemFET 的信号转换为测序信息之逻辑的接口的所述 chemFET。在一些实施例中，本文所述的系统包括含用于聚合物测序的逻辑（优选地为计算机可执行的逻辑），其中包含用于测定关联于 PPi 或 dNTP 或两者之离子相互作用的离子脉冲的逻辑。通常，该逻辑将离子脉冲的特征转换为聚合物测序信息。在一些实施例中，本文所述的系统包括含逻辑（优选地为计算机可执行逻辑），其包含用于基于离子脉冲之间的时间或单个离子脉冲的特征来测定核酸模板之序列的逻辑。该逻辑还可任选地包含用于测定 chemFET 的阵列上离子脉冲之空间位置的逻辑。在一些实施例中，本文所述的系统包括逻辑（优选地为计算机可执行逻辑），其包括用于基于在测序反应中运用特定 dNTP所用之持续时间来测定核酸模板之序列的逻辑。通常，该逻辑接收来自一个或多个chemFET 的信号。优选地，该序列基本上实时显示。在一些实施例中，本文所述的系统包括逻辑（优选地为计算机可执行逻辑），其用于处理来自 chemFET 之阵列的离子脉冲以测定目标聚合物的序列。该逻辑还可任选地包含用于文件管理、文件存储及可视化的逻辑。该逻辑还可任选地包含用于将离子脉冲转换为核苷酸序列的逻辑。优选地，该序列基本上实时显示。获得自所述系统的测序信息可被传递至手持式计算设备，如个人数字助理。因此，在一个实施例中，本文所述的系统包括用于在手持式计算设备上显示生物体之完整基因组的逻辑。还包括使用能够将来自 chemFET 阵列之数据发送至手持式计算设备的逻辑。此类逻辑中的任一种均可能由计算机实现。
庞大 chemFET 阵列和系统的开发为超出上述特定 DNA 测序过程之广泛应用提供极大的优势。例如，可考虑在 chemFET 阵列上执行 dPCR。另外，还可考虑将蛋白质阵列与本文所述的 chemFET 阵列相结合。蛋白质阵列包含蛋白质或肽或其他包含按有组织的预定方式结合到平坦表面之生物部分的氨基酸。此类蛋白质包括但不限于酶、抗体和抗体片段或抗体模拟物（例如，单链抗体）。
基于 chemFET 的阵列还可能被用以探查各种蛋白质/核酸相互作用。例如，RNA/蛋白结合可能通过裂解细胞并捕获固定在 chemFET 阵列上之寡核苷酸上的 RNA（与相关蛋白）来考察。然后酶结合抗体可能被结合至蛋白质抗原，而非特异性相互作用可能被消除。可能针对转译机制和 80S、40S、43S 或 48S RNA 区采用特异性抗体。抗体还可能被用于抗 RNA 结合蛋白，或被结合到以非离子底物存在时产生离子产物的酶（例如，NADPH 结合到 NADP+、NADH 结合到 NAD+，并且可能结合到 H2O2 或谷胱甘肽）。这些抗体可被结合以多路复用。
在一些实施例中，可考虑体内使用如本文所述或以其他方式所使用的 chemFET阵列。此类阵列可能被引入受试者中体内（例如，大脑或受离子通量影响的其他区域中），然后基于受试者的状态来分析变化。
在一些实施例中，chemFET 阵列可能被直接植入测试环境中，并用以监测目标特定分子的存在和量。一些此类应用包括针对特定毒素和重要元素的环境测试，或将装置直接植入受试者体内，从而提供组织内特定分子浓度的 3D 图像。
需注意，在一般说明或实例中并不需要本文所述的所有活动；可能无需特定活动的一部分，并且除本文所述的那些活动之外，还可执行一种或多种其他活动。另外，列出活动的顺序不一定是执行它们的顺序。
在前述说明书中，已参考具体的实施例对这些概念进行了描述。然而，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离如以下权利要求书中所述本发明之范围的情况下，可做出各种修改和变化。因此，说明书和附图被视为例示性的而非限制性的，并且拟将所有此类修改包括在本发明之范围内。
如本文所用，术语“由……构成”、“包含括”、“包”、“具有”、“有”或它们的任何其他变型旨在涵盖非排他性的包含之意。例如，包含功能列表的过程、方法、制品或设备不一定仅限于那些功能，而是可包括此类过程、方法、制品或设备未明确列出或固有的其他功能。另外，除非另有明确说明，否则“或”是指包含性的“或”而不是指排他性的“或”。例如，条件A 或 B 满足下列任一种条件：A 为真（或存在）且 B 为假（或不存在），A 为假（或不存在）且 B 为真（或存在），以及 A 和 B 均为真（或存在）。源极或漏极的名称考虑惯例/便利性因素之一，如上文所用，因为这些标签取决于给定装置的操作方法以及一种或多种给定装置的制造方法。
另外，采用“一”或“一个”描述本文所述的元件和部件。此举仅为方便起见，并且为本发明之范围赋予一般含义。此描述应被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括复数，除非其明显具有其他含义。
本文已经参照特定实施例描述了益处、其他优点和问题解决方案。然而，益处、优点、问题解决方案以及可引起任何益处、优点或解决方案出现或变得更为显著的任何功能都不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必要或基本功能。
在阅读本说明书之后，技术人员将理解，为清楚起见，本文在独立实施例的背境下描述的某些功能也可以在单个实施例中以组合方式提供。相反，为简明起见，在单个实施例的背景下描述的各种功能也可以单独提供或以任何子组合的方式提供。另外，对范围中所述值的引用包括该范围内的每一个值。本专利的权利要求是：
Claims (12)
1.一种用于测量来自半导体装置的信号的方法，包括：
响应于选择信号，将串联连接的第一和第二化学敏感的场效应晶体管（chemFET）同时耦合到读出电路；
将第一chemFET偏置为饱和模式；
用漏极电压偏置第二chemFET，从而产生漏极引起的势垒降低或穿通；和
在不受到来自第二chemFET的信号的干扰的情况下，测量来自第一chemFET的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
输出用于在耦合到第一chemFET的反应区域中发生的反应的信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在与第一chemFET耦合的反应区域中发生的反应是核苷酸掺入反应。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将第二chemFET偏置为饱和模式；
用漏极电压偏置第一chemFET，从而产生漏极引起的势垒降低或穿通；和
在不受到来自第一chemFET的信号的干扰的情况下，测量来自第二chemFET的信号。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一chemFET和所述第二chemFET各自耦合至相应的氢离子敏感层，还包括：
输出用于第一反应的第一信号，该第一反应在与第一chemFET耦合的氢离子敏感层的附近发生；和
输出用于第二反应的第二信号，该第二反应在与第二chemFET耦合的氢离子敏感层的附近发生。
6.根据权利要求5所述的方法，其中第一chemFET和第二chemFET的第一反应和第二反应分别是核苷酸掺入反应。
7.一种用于操作传感器装置的方法，包括：
由化学检测电路的行解码器产生行选择信号，其中化学检测电路包括化学传感器，该化学传感器包括：
串联连接的第一和第二化学敏感型场效应晶体管（chemFET）；和
第三FET，其操作为开关；所述第三FET与第一和第二chemFET串联连接；
向第三FET施加选择信号，以将第一和第二chemFET同时耦合到读出电路；
将第一chemFET偏置为饱和模式；和
通过施加产生漏极引起的势垒降低或穿通的漏极电压来屏蔽来自第二chemFET的信号。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
在不受第二chemFET信号的干扰的情况下，测量在与第一chemFET耦合的氢离子敏感层附近发生的反应产生的信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中在与所述第一chemFET耦合的氢离子敏感层附近发生的反应是核苷酸掺入反应。
10. 根据权利要求7所述的方法，还包括：
将第二chemFET偏置为饱和模式；和
通过施加产生漏极引起的势垒降低或穿通的漏极电压来屏蔽来自第一chemFET的信号。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一chemFET和所述第二chemFET各自耦合至相应的反应区域，还包括：
输出发生在与第一chemFET耦合的反应区域中的第一反应的第一信号；和
输出发生在与第二chemFET耦合的反应区域中的第二反应的第二信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中第一chemFET和第二chemFET的第一反应和第二反应分别是核苷酸掺入反应。
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