CN113252760A - BioFET系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种生物场效应晶体管(bioFET)系统及其操作方法，该bioFET系统包括：配置为接收第一电压信号并输出电流信号的bioFET。对数电流时间转换器连接至bioFET，并且配置为接收电流信号并将电流信号转换为时域信号。时域信号相对于电流信号呈对数地变化，使得时域信号相对于第一电压信号呈线性地变化。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及生物场效应晶体管系统及其操作方法。
背景技术
生物传感器是用于感测和检测生物分子并基于电子、电化学、光学和机械检测原理进行操作的器件。包括晶体管的生物传感器是电感测生物实体或生物分子的电荷、光子和机械性质的传感器。可以通过检测生物实体或生物分子本身，或通过特定反应物与生物实体/生物分子之间的相互作用和反应来执行检测。这样的生物传感器可以使用半导体工艺来制造，可以快速地转换电信号，并且可以容易地应用于集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)。
发明内容
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种生物场效应晶体管(bioFET)系统，包括：bioFET，配置为接收第一电压信号并输出电流信号；以及对数电流时间转换器，连接至bioFET，并且配置为接收电流信号并将电流信号转换为时域信号，其中，时域信号相对于电流信号呈对数地变化，使得时域信号相对于第一电压信号呈线性地变化。
根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种用于操作bioFET系统的方法，包括：接收施加到bioFET的输入端的第一电压信号；输出电流信号；将电流信号转换为相对于电流信号呈对数地变化的时域信号，使得时域信号相对于第一电压信号呈线性地变化；以及将时域信号转换为数字信号。
根据本发明实施例的又一个方面，提供了一种bioFET系统，包括：传感器阵列，具有多个bioFET，每个bioFET配置为响应于在bioFET的输入端处接收到的第一电压信号而输出电流信号；流体输送系统，配置为将包含分析物的流体样本输送到多个bioFET；对数转换电路，连接至传感器阵列，并且配置为将每个电流信号转换为相应的第二电压信号，每个第二电压信号在充电阶段期间相对于相应的电流信号呈线性地变化，并且在放电阶段期间呈指数地变化；脉冲宽度信号发生器电路，配置为在放电阶段期间基于第二电压信号的放电时间将每个第二电压信号转换为相应的时域信号。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以最佳地理解本公开的各方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1是根据一些实施方式的示例生物传感器系统的框图。
图2是根据一些实施方式的示例生物传感器系统的框图。
图3A是例示根据一些实施方式的示例对数电流时间转换器的电路的示意图。
图3B是根据一些实施方式的图3A的示例对数电流时间转换器的电路的时序图。
图4A是例示根据一些实施方式的示例对数电流时间转换器的电路的示意图。
图4B是根据一些实施方式的图4A的示例对数电流时间转换器的电路的时序图。
图5是例示根据一些实施方式的具有示例对数电流时间转换器的示例读出电路的示意图。
图6是根据一些实施方式的用于操作生物传感器系统的示例方法的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。器件可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
通常，本文所使用的术语“bioFET”是指包括固定俘获试剂层的FET，所述固定俘获试剂充当表面受体以检测生物来源的目标分析物的存在。根据一些实施方式，bioFET是具有半导体换能器的场效应传感器。bioFET的优点之一是具有无标记操作的前景。具体地，bioFET能够避免昂贵且费时的标记操作，例如用荧光或放射性探针标记分析物。用于通过bioFET进行检测的分析物通常是生物学来源，例如——但不限于——蛋白质、碳水化合物、脂质、组织碎片或其部分。BioFET可以是也可以检测任何化合物(在本领域中称为“ChemFET”)或任何其他元素——包括离子，例如质子或金属离子(在本领域中称为“ISFET”)——的更广泛种类的FET传感器的一部分。本公开适用于所有类型的基于FET的传感器(“FET传感器”)。
如本文所使用的，“俘获试剂”是能够结合目标分析物或目标试剂的分子或化合物，其可以直接或间接地附接到基本为固体的材料上。俘获试剂可以是化学品，特别是可以存在天然存在的目标分析物(例如抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒等)或可以为其制备目标分析物的任何物质，并且俘获试剂可以在测定中结合一种或多种目标分析物。
如本文所使用的，“目标分析物”是使用本公开在测试样本中待检测的物质。目标分析物可以是化学品，特别是可以存在天然存在的俘获试剂(例如抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒等)或可以为其制备俘获试剂的任何物质，并且俘获试剂可以在测定中结合一种或多种俘获试剂。“目标分析物”还包括任何抗原性物质、抗体或其组合。目标分析物可以包括蛋白质、肽、氨基酸、碳水化合物、激素、类固醇、维生素、药物(包括用于治疗目的施用的药物以及出于非法目的施用的药物)、细菌、病毒、以及上述任何物质的代谢物或抗体。
如本文所使用的，“测试样本”是指包含使用本公开待检测和测定的目标分析物的组合物、溶液、物质、气体或液体。测试样本可以包含除目标分析物外的其他组分，可以具有液体或气体的物理属性，并且可以具有任何大小或体积，包括例如液体或气体的移动流。测试样本可以包含目标分析物外的任何物质，只要其他物质不干扰目标分析物与俘获试剂的结合或第一结合成分与第二结合成分的特异性结合即可。测试样本的实施例包括但不限于天然存在和非天然存在的样本或其组合。天然存在的测试样本可以是合成的(synthetic)或合成的(synthesized)。天然存在的测试样本包括从受试者体内或体表任何地方分离出的体液，包括但不限于血液、血浆、血清、尿液、唾液或痰液、脊髓液、脑脊液、胸膜液、乳头抽出物、淋巴液、呼吸道、肠道和泌尿生殖道液、泪液、唾液、母乳、淋巴系统液、精液、脑脊液、器官内系统液、腹水、肿瘤囊肿液、羊水及其组合，以及环境样本，例如地下水或废水、土壤提取物、空气和农药残留物，或与食品有关的样本。
检测到的物质可以包括例如核酸(包括DNA和RNA)、激素、不同的病原体(包括对其宿主造成疾病或病症的生物制剂，例如病毒(如，H7N9或HIV)、原生动物(如，疟原虫引起的疟疾)或细菌(如，大肠杆菌或结核分枝杆菌))、蛋白质、抗体、各种药物或治疗剂或其他化学或生物物质，包括氢或其他离子、非离子分子或化合物、多糖、小型化学化合物(例如化学组合库成分)等。检测或确定的参数可以包括但不限于pH变化、乳糖变化、浓度变化、每单位时间的颗粒(其中，流体在器件上流过一段时间来检测颗粒(例如，稀疏的颗粒))以及其他参数。
如本文所使用的，相对于例如俘获试剂使用时的术语“固定的”包括使俘获试剂在分子水平上基本上附着于表面。例如，可以使用包括非共价相互作用(例如，静电力、范德华力和疏水性界面的脱水作用)的吸附技术和使官能团或接头促进俘获试剂附着于表面的共价结合技术将俘获试剂固定在衬底材料的表面上。将俘获试剂固定在衬底材料的表面上可以基于衬底表面的性质、携带俘获试剂的介质以及俘获试剂的性质。在某些情况下，可以首先将衬底表面改性为具有结合到表面的官能团。官能团然后可以结合至生物分子或者生物或化学物质以使其固定在其上。
一些BioFET在亚阈值区域(即，栅源电压低于器件的阈值电压)中操作。在亚阈值区域内操作的BioFET具有相对较大的跨导变化信号、较低的功耗和时间漂移的优点。然而，bioFET的输出信号是非线性的。可以采用基于线性跨阻放大器(TIA)的读出系统。然而，基于线性TIA的读出系统的输出信号仍然是非线性的，从而导致输入动态范围狭窄。可以采用数字补偿方法。然而，数字补偿方法不能解决输入动态范围狭窄的问题，并且需要更复杂的设计和芯片面积。
根据一些公开的实施例，由在亚阈值区域中操作的bioFET输出的指数电流信号通过对数电流时间转换器被转换为线性时域信号。具体地，对数电流时间转换器可以将指数电流信号转换为线性时域信号而不是非线性电压信号。该方法是一种模拟读出方法，用于处理亚阈值区域中bioFET输出信号的非线性行为，并将bioFET输出信号转换为线性信号。
图1是根据本公开的示例生物传感器系统100的框图。如图1所示，示例生物传感器系统100可以包括传感器阵列102、流体输送系统104、读出电路106和控制器108等。在一些实施方式中，读出电路106可以包括对数电流时间转换器107。在一些实施方式中，对数电流时间转换器107可以位于读出电路106的外部并连接至该读出电路。
传感器阵列102可以具有至少一个用于检测生物或化学分析物的感测元件。传感器阵列102可以包括bioFET阵列(如，图1所示的bioFET 103)，其中，将阵列中的一个或多个bioFET功能化以检测特定的目标分析物。可以使用不同的俘获试剂对传感器的不同的bioFET进行功能化，以检测不同的目标分析物。可以将bioFET布置成多个行和列，从而形成传感器的2维阵列。在一些实施方式中，使用不同的俘获试剂对每行bioFET进行功能化。在一些实施方式中，使用不同的俘获试剂对每列bioFET进行功能化。下面提供了与示例bioFET 103的示例设计有关的更多细节。
流体输送系统104可以将一种或多种流体样本输送到传感器阵列102。流体输送系统104可以是定位在传感器阵列102上方以在传感器阵列102上容纳流体的微流体井。流体输送系统104还可以包括用于将各种流体输送到传感器阵列102的微流体通道。流体输送系统104可以包括被设计用于将流体输送到传感器阵列102的任意数量的阀、泵、腔室、通道。
根据一些实施方式，提供读出电路106以测量来自传感器阵列102中的传感器的信号，并生成指示目标溶液中存在的某些分析物的量的可量化的传感器信号。下面将讨论读出电路106和对数电流时间转换器107的细节。
控制器108可以将电信号发送到传感器阵列102和读出电路106两者，以及从所述传感器阵列和所述读出电路两者接收电信号，以执行生物或化学感测测量。控制器108还可以将电信号发送到流体输送系统104，例如致动一个或多个阀、泵或电机。控制器108可以包括一个或多个处理器件，例如微处理器，并且可以是可编程的以控制读出电路106、传感器阵列102和/或流体输送系统104的操作。下面将更详细地讨论可以从传感器阵列102发送和接收的各种电信号的实施例。
示例bioFET 103可以包括流体栅极112、源极区114、漏极区116、感测膜118、信道区120等。流体输送系统104将流体122施加在感测膜118上。流体122可以包含分析物(例如，如以下在图2中示出的分析物123)。感测膜118可以是将流体122与信道区120分开的电和化学绝缘层。感测膜118可以包括俘获试剂层等。俘获试剂对分析物具有特异性，并且能够结合目标分析物或目标试剂。当结合分析物时，在感测膜118的表面上发生静电势变化，这又引致bioFET 103的静电选通作用以及源极和漏极电极之间的电流的可测量变化(例如，Ids电流126)。施加到流体栅极112的电压也可以改变Ids 126。换句话说，bioFET 103的输出信号是Ids 126，其与施加到流体栅极112的电压具有指数关系。在一个实施方式中，bioFET可以是双栅极背面FET传感器，但是其他类型的bioFET也在本公开的范围内。
图2是根据本公开的示例生物传感器系统的框图。如图2所示，示例生物传感器系统100可以包括分析物123、bioFET 103、对数电流时间转换器107和时间数字转换器132等。如上文所讨论的，在将分析物结合到bioFET 103的感测膜118上之后，Ids 126发生可测量的变化。施加到流体栅极112的电压的变化(即，ΔV 124)可以触发Ids 126的变化(即，ΔI126)。在例示的实施例中，Ids 126与施加到流体栅极112的电压之间的关系是指数函数。bioFET 103的输出(即，ΔI 126)被馈送到对数电流时间转换器107。
对数电流时间转换器107可以将ΔI 126转换为线性时域信号ΔT 128。具体地，ΔT 128与ΔI 126具有对数关系，而ΔI 126与ΔV 124具有指数关系。结果，ΔT 128与ΔV124具有线性关系并作为脉冲宽度信号输出。下文将讨论对数电流时间转换器107的细节。
ΔT 128被进一步馈送到时间数字转换器132。时间数字转换器132可以数字化ΔT128并输出与作为脉冲宽度信号的ΔT 128的宽度相对应的数字计数(即，Δ代码130)。这样，ΔT 128没有输入动态范围限制。此外，根据公开的实施例的生物传感器系统不需要模拟数字转换器。因此，示例电路实现方式可以引致低成本、低功耗和快速开发时间。
图3A是例示根据本公开的方面的示例对数电流时间转换器的电路的示意图。图3B是图3A的示例对数电流时间转换器的电路的时序图。如图3A所示，示例对数电流时间转换器的电路可以包括运算放大器134、第一开关136、第二开关138、电容器140、电阻器142和Ids 126等。
运算放大器134具有两个输入：正或非反相输入以及负或反相输入。运算放大器134还具有一个输出。非反相输入接地，而反相输入通过第一开关136连接至Ids 126。Ids126是bioFET 103的输出并且连接在第一开关136和地之间。电容器140连接在运算放大器134的反相输入和输出之间。第二开关138与电阻器142串联连接，并且第二开关138和电阻器142一起与电容器140并联连接。换句话说，第二开关138和电阻器142一起连接在运算放大器134的反相输入和输出之间。
参考图3B，电路具有两个不同的阶段：充电阶段P1和放电阶段P2。在充电阶段P1期间，第一开关136接通而第二开关138断开。结果，Ids 126开始对电容器140充电。输出127(即，Vout 127)以线性方式从零开始上升，并在P1的末端以电压V0结束。P1的周期为T1。因此，可以根据以下等式计算V0，
其中，CF是电容器140的电容。在放电阶段P2期间，第二开关138接通而第一开关136断开。结果，Ids 126被切断，并且电容器140开始通过电阻器142和第二开关138放电。Vout 127是指数信号。具体地，可以根据以下等式计算Vout 127，
其中，R是电阻器142的电阻。在从放电阶段P2开始的时间T2处，Vout 127下降以达到参考电压Vth。因此，可以根据以下等式计算Vth，
换句话说，可以根据以下等式计算T2，
换句话说，T2与Ids 126的对数函数成比例。这样，对数电流时间转换器107可以实现对数功能，并将Ids 126转换为时域信号128。此外，由于Ids 126与施加到流体栅极112的电压呈指数关系，因此T2与施加到流体栅极112的电压呈线性关系。
如果第一开关136和第二开关138周期性地(即，定时地)保持充电阶段P1和放电阶段P2的这种模式，则Vout 127也处于如图3B所示的周期性模式。
图4A是例示根据本公开的方面的示例对数电流时间转换器的电路的示意图。图4B是图4A的示例对数电流时间转换器的电路的时序图。如图4A所示，示例对数电流时间转换器的电路可以包括运算放大器134、第一开关136、第二开关138、电容器140、电阻器142和Ids 126等，已经参考图3A和图3B对其进行了讨论。示例对数电流时间转换器的电路可以进一步包括比较器144和AND(与)门146等。
比较器144具有两个输入：非反相输入和反相输入。比较器144还具有一个输出。非反相输入连接至运算放大器134的输出。反相输入由Vth馈送。比较器的输出(即，VCMP)与作为时钟的补充的开关信号条(即，SWB)或开关信号(即，SW)一起输入到AND门146。AND门146的输出是脉冲宽度信号(即，VPWM 128)，将参考图4B对其进行讨论。
参考图4B，在充电阶段P1期间(例如，从t1到t2；从t3到t4)，当SW处于逻辑高(即，1)时，并且第一开关136导通而第二开关138断开。结果，Ids 126开始对电容器140充电。Vout127在t1处以线性方式从零开始上升，并在t2处以电压V0结束。具体地，在t5处，Vout 127上升至Vth。
在放电阶段P2(例如，从t2到t3)期间，SW处于逻辑低(即，0)，并且第二开关138接通而第一开关136断开。结果，Ids 126被切断，并且电容器140开始向电阻器142放电。Vout 127从t2到t3呈指数地下降。具体地，在时间t2之后的时间段T2的时间t6处，Vout 127下降以达到Vth。如上文所讨论的，可以根据以下等式来计算时间段T2(即，从t2到t6的时间段)，
从t5到t6，Vout 127高于Vth。因此，因为比较器146比较Vout 127和Vth，所以VCMP为逻辑高。SWB从t1到t2处于逻辑低，并且从t2到t3处于逻辑高。结果，因为VCMP和SWB从t2到t6都处于逻辑高，所以VPWM128从t2到t6处于逻辑高。如上所述，T2是从t2到t6的时间段。因此，脉冲宽度信号(即，VPWM 128)具有等于T2的脉冲宽度。换句话说，VPWM128的脉冲宽度与施加到流体栅极112的电压呈线性关系。
图5例示了根据本公开的具有示例对数电流时间转换器的示例读出电路的示意图。如图5所示，示例读出电路可以包括：运算放大器134、第一开关136、第二开关138、电容器140、电阻器142、Ids 126、比较器144、AND门146等，参考图3A至图3B和图4A至图4B对其进行了讨论。示例读出电路可以进一步包括时间数字转换器等。在图5所示的实施方式中，时间数字转换器是计数器148。
示例计数器148可以接收VPWM 128和高频参考时钟。示例计数器148可以通过基于来自高频参考时钟的脉冲对VPWM的持续时间进行计数来输出与VPWM 128的脉冲宽度相对应的数字输出130。
图6是根据一些实施方式的用于操作生物传感器系统的示例方法的流程图。在步骤610处，接收施加到bioFET 103的输入端的第一电压信号124。在步骤612处输出电流信号Ids，该电流信号相对于第一电压信号呈指数地变化。在步骤614处，将电流信号Ids转换为时域信号VPWM，其相对于电流信号呈对数地变化，使得时域信号相对于第一电压信号呈线性地变化。在步骤616处，将时域信号转换为数字信号130。
因此，根据本公开的实施方式包括bioFET系统，该系统包括配置为接收第一电压信号并输出电流信号的bioFET。对数电流时间转换器连接到bioFET并且配置为接收电流信号并将电流信号转换为时域信号。时域信号相对于电流信号呈对数地变化。这样，时域信号相对于第一电压信号呈线性地变化。
在上述bioFET系统中，还包括：时间数字转换器，连接至所述对数电流时间转换器，并且配置为接收所述时域信号并将所述时域信号转换为数字信号。
在上述bioFET系统中，所述时域信号是第一脉冲宽度信号。
在上述bioFET系统中，所述对数电流时间转换器包括：对数转换电路，具有选择性地从所述bioFET接收所述电流信号的输入端，其中，所述对数转换电路配置为基于所述电流信号输出第二电压信号，其中，在充电阶段期间，所述第二电压信号呈线性地增加，并且在放电阶段期间，所述第二电压信号呈指数地下降；比较器，被连接为从所述对数转换电路接收所述第二电压信号和参考电压，并响应于所述第二电压信号和所述参考电压的比较而输出比较信号；以及AND门，被连接为接收所述比较信号和切换信号，并且配置为将所述时域信号输出为具有基于所述参考电压和所述第二电压信号的脉冲宽度的所述第一脉冲宽度信号。
在上述bioFET系统中，所述对数转换电路包括：运算放大器，具有反相输入端、非反相输入端和输出端，其中，所述非反相输入端连接至接地端；第一开关，连接在所述反相输入端和所述电流信号之间，所述第一开关在所述充电阶段期间响应于所述切换信号将所述电流信号选择性地连接到所述反相输入端；RC电路，包括并联连接在所述运算放大器的所述反相输入端和所述输出端之间的电阻器和电容器；以及第二开关，串联连接在所述反相输入端和所述电阻器之间，所述第二开关在所述放电阶段期间响应于所述切换信号通过所述RC电路选择性地将所述输出端连接到所述反相输入端。
在上述bioFET系统中，所述时间数字转换器包括计数器，所述计数器被连接为接收所述时域信号和参考时钟信号，并且基于所述时域信号和所述参考时钟信号的脉冲宽度来输出所述数字信号，其中，所述参考时钟信号的频率高于所述时域信号的频率。
在上述bioFET系统中，还包括：流体输送系统，配置为将包含分析物的流体样本输送到所述bioFET。
在上述bioFET系统中，还包括：控制器，连接至所述流体输送系统、所述bioFET和所述对数电流时间转换器，并且配置为控制所述流体输送系统、所述bioFET和所述对数电流时间转换器的操作。
在上述bioFET系统中，所述bioFET包括：感测膜，包括俘获试剂层，其中，所述俘获试剂层结合所述分析物；源极；漏极；以及栅极，配置为接收第一电压信号；其中，响应于所述第一电压信号而在所述源极和所述漏极之间生成所述电流信号。
进一步的实施方式包括一种用于操作bioFET系统的方法，其中，接收施加到bioFET的输入端的第一电压信号，并且输出电流信号。电流信号被转换成相对于电流信号呈对数地变化的时域信号，使得时域信号相对于第一电压信号呈线性地变化。时域信号被转换为数字信号。
在上述方法中，所述将所述电流信号转换为所述时域信号包括：生成第二电压信号，所述第二电压信号在充电阶段期间相对于所述电流信号呈线性地增加；在放电阶段期间将所述第二电压信号呈指数地放电；将所述第二电压信号与所述参考电压进行比较，以生成具有基于所述参考电压和所述第二电压信号的脉冲宽度的脉冲宽度信号。
在上述方法中，所述将所述时域信号转换为所述数字信号包括：接收具有比所述时域信号的频率高的频率的参考时钟信号；比较所述时域信号与所述参考时钟信号以确定所述时域信号的脉冲宽度；以及基于所述时域信号的宽度生成所述数字信号。
在上述方法中，所述生成所述第二电压信号包括：在与所述充电阶段相对应的预定时间段内，将所述电流信号连接至电容器。
在上述方法中，使所述第二电压信号放电包括：从所述电容器断开所述电流信号；以及通过电阻器使所述电容器放电。
在上述方法中，还包括：放大所述第二电压信号。
进一步的实施方式包括一种bioFET系统，该系统包括具有多个bioFET的传感器阵列，其中，每个bioFET配置为响应于施加到bioFET的输入端的第一电压信号而输出第一电流信号。流体输送系统配置为将包含分析物的流体样本输送到多个bioFET。对数转换电路连接到传感器阵列并且配置为将每个电流信号转换为相应的第二电压信号，其每个在充电阶段期间相对于相应的电流信号呈线性地变化，而在放电阶段期间呈指数地变化。脉冲宽度信号发生器电路配置为基于第二电压信号在放电阶段期间的放电时间将每个第二电压信号转换为相应的时域信号。
在上述bioFET系统中，还包括：时间数字转换器，配置为将每个时域信号转换为对应的数字信号。
在上述bioFET系统中，所述时间数字转换器包括计数器，所述计数器配置为接收所述时域信号和参考时钟信号，并且输出与所述时域信号的脉冲宽度相对应的所述数字信号。
在上述bioFET系统中，所述对数转换电路包括：运算放大器，具有反相输入端、非反相输入端和输出端，所述非反相输入端连接至接地端；第一开关，连接在所述反相输入端和所述电流信号之间；电容器，连接在所述输出端和所述非反相输入端之间，其中，所述第一开关在所述充电阶段响应于切换信号选择性地将所述电容器连接至所述电流信号来为所述电容器充电；第二开关，连接至所述反相输入端；以及电阻器，连接在所述第二开关和所述输出端之间；其中，所述电容器与所述第二开关和所述电阻器并联连接，并且所述第二开关在所述放电阶段响应于所述切换信号通过所述电阻器选择性地使所述电容器放电；并且所述脉冲宽度信号发生器电路包括：比较器，具有连接至所述输出端的非反相输入端和被连接以接收参考电压的反相输入端，并且配置为输出比较信号；以及AND门，具有被连接以接收所述比较信号的第一输入端、被连接以接收所述切换信号的第二输入端、以及配置为输出所述时域信号的输出端。
在上述bioFET系统中，所述第一电压信号是亚阈值电压信号。
前文概述了几个实施方式的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的方面。本领域技术人员应该理解，它们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以做出各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种生物场效应晶体管(bioFET)系统，包括：
bioFET，配置为接收第一电压信号并输出电流信号；以及
对数电流时间转换器，连接至所述bioFET，并且配置为接收所述电流信号并将所述电流信号转换为时域信号，其中，所述时域信号相对于所述电流信号呈对数地变化，使得所述时域信号相对于所述第一电压信号呈线性地变化。
2.根据权利要求1所述的bioFET系统，还包括：
时间数字转换器，连接至所述对数电流时间转换器，并且配置为接收所述时域信号并将所述时域信号转换为数字信号。
3.根据权利要求1所述的bioFET系统，其中，所述时域信号是第一脉冲宽度信号。
4.根据权利要求3所述的bioFET系统，其中，所述对数电流时间转换器包括：
对数转换电路，具有选择性地从所述bioFET接收所述电流信号的输入端，其中，所述对数转换电路配置为基于所述电流信号输出第二电压信号，其中，在充电阶段期间，所述第二电压信号呈线性地增加，并且在放电阶段期间，所述第二电压信号呈指数地下降；
比较器，被连接为从所述对数转换电路接收所述第二电压信号和参考电压，并响应于所述第二电压信号和所述参考电压的比较而输出比较信号；以及
与门，被连接为接收所述比较信号和切换信号，并且配置为将所述时域信号输出为具有基于所述参考电压和所述第二电压信号的脉冲宽度的所述第一脉冲宽度信号。
5.根据权利要求4所述的bioFET系统，其中，所述对数转换电路包括：
运算放大器，具有反相输入端、非反相输入端和输出端，其中，所述非反相输入端连接至接地端；
第一开关，连接在所述反相输入端和所述电流信号之间，所述第一开关在所述充电阶段期间响应于所述切换信号将所述电流信号选择性地连接到所述反相输入端；
RC电路，包括并联连接在所述运算放大器的所述反相输入端和所述输出端之间的电阻器和电容器；以及
第二开关，串联连接在所述反相输入端和所述电阻器之间，所述第二开关在所述放电阶段期间响应于所述切换信号通过所述RC电路选择性地将所述输出端连接到所述反相输入端。
6.根据权利要求2所述的bioFET系统，其中，所述时间数字转换器包括计数器，所述计数器被连接为接收所述时域信号和参考时钟信号，并且基于所述时域信号和所述参考时钟信号的脉冲宽度来输出所述数字信号，其中，所述参考时钟信号的频率高于所述时域信号的频率。
7.根据权利要求1所述的bioFET系统，还包括：
流体输送系统，配置为将包含分析物的流体样本输送到所述bioFET。
8.根据权利要求7所述的bioFET系统，还包括：
控制器，连接至所述流体输送系统、所述bioFET和所述对数电流时间转换器，并且配置为控制所述流体输送系统、所述bioFET和所述对数电流时间转换器的操作。
9.一种用于操作生物场效应晶体管(bioFET)系统的方法，包括：
接收施加到bioFET的输入端的第一电压信号；
输出电流信号；
将所述电流信号转换为相对于所述电流信号呈对数地变化的时域信号，使得所述时域信号相对于所述第一电压信号呈线性地变化；以及
将所述时域信号转换为数字信号。
10.一种生物场效应晶体管(bioFET)系统，包括：
传感器阵列，具有多个bioFET，每个bioFET配置为响应于在所述bioFET的输入端处接收到的第一电压信号而输出电流信号；
流体输送系统，配置为将包含分析物的流体样本输送到所述多个bioFET；
对数转换电路，连接至所述传感器阵列，并且配置为将每个所述电流信号转换为相应的第二电压信号，每个所述第二电压信号在充电阶段期间相对于相应的所述电流信号呈线性地变化，并且在放电阶段期间呈指数地变化；
脉冲宽度信号发生器电路，配置为在所述放电阶段期间基于所述第二电压信号的放电时间将每个所述第二电压信号转换为相应的时域信号。
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