TW201221950A - Ion-sensing charge-accumulation circuits and methods - Google Patents

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201221950 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申請案主張2010年6月30曰申請之美國臨時申請案第 61/3 60,493號、2010年7月1曰申請之美國臨時申請案第 61/360,495號及2010年7月3日申請之美國臨時申請案第 61/361,403號的優先權，其内容係以全文引用方式併入本 文中。 【先前技術】 依據目前的研究發現，電子裝置及元件在化學及生物學 (通常稱為生命科學）上可以有許多種應用，特別是應用於 偵測及測量各種生化反應及檢驗，以及偵測及測量各種化 合物，其中之一是熟知的離子感測場效電晶體（ion-sensitive Held effect transistor, ISFET ， 或稱pHFET) ， 其 通常被大專院校及研究單位使用於測量溶液中的氫離子濃 度（即pH值）。本說明書所述之化學感測器可以是離子感測 場效電晶體、或其他可以執行相同功能之電晶體裝置。 一般而言，離子感測場效電晶體是一種阻抗轉換裝置， 其操作方式與金氧半場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, M0SFET)相似，且 其通常係用以選擇性測量溶液中的離子活性，例如可以將 溶液中的氫離子視為分析物，有關於離子感測場效電晶體 之操作的詳細理論可以參照博夫德發表的論文（Thirty years of ISFETOLOGY: what happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years，’’ P. Bergveld, 157330.doc 201221950

Sens. Actuators，88 (2003)，pp. 1-20)，其係以全文納入本 說明書之範圍。 另外，羅斯伯格等人在美國專利公開第2010/0301398 號、第2010/〇282617號及第2009/0026082號，亦揭露關於 利用習知的互補式金氧半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)之製程來製造離子感測場效電晶 體’其係以全文納入本說明書之範圍。除上述互補式金氧 半導體之製程外，還可以使用雙載子金氧半導體（bip〇Ur and CMOS，biCMOS)之製程，此製程會在一 p型金氧半場 效電晶體陣列的周圍形成雙載子結構。此外，當然可以應 用其他科技，只要可以形成具有三端子裝置之感測元件即 可，例如為鎵砷及奈米碳管技術，其中，被感測之離子可 以導致一信號，以便控制三個端子其中之一。 以互補式金氧半導體為例，一種P型離子感測場效電晶 體的製程可以於一P型矽基板上進行，其中，一η型井係形

/θ '’τ' °又罝於多晶矽閘極與電晶體基體 .極之間，由於此氧化 (如η型井）之間，所以 I57330.doc 201221950 其通常可以作為一閘極氧化層。 與金氧半場效電晶體的操作相似’離子感測場效電晶體 的操作是基於由一金氧半導體電容所形成之電荷濃度調變 (及通道傳導性）’此電容是由一多晶矽閘極、—閘極氧化 層及介於源極與汲極之間的一井區域（如η型井）所構成；當 施加一負電壓於閘極區域與源極區域之間時，可以消耗此 區域中的電子以便在此區域與閘極氧化層之介面形成通 道，以一η型井為例，所形成之通道為一ρ型通道，反之亦 然。另外，在η型井中，所形成之ρ型通道係延伸於源極與 沒極之間，因此當施加於閘極與源極之間的負電位差夠大 時’可以吸引源極的電洞進入通道，藉以形成電流，此 時，使得通道開始產生電流時的閘極與源極電位差係為電 晶體之臨限電壓vTH(當閘極與源極電位差Vgs的絕對值大 於臨限電壓VTH時，電晶體會導電），由於源極係作為通過 通道之電荷載體（ρ型通道之電洞）的來源，所以被稱為源 極’相同地’汲極係為電荷載體離開通道處。 依據羅斯伯格所述，離子感測場效電晶體可以具有—浮 動閘極結構，其係利用連接多晶矽閘極與複數個金屬層而 得，其中該等金屬層係設置於一個以上之設置在閘極氧化 層之上的氧化層中；由於浮動閘極結構係與離子感測場效 電晶體中的其他導體電性隔離，所以被稱為浮動閘極結 構，另外，其係夾設於閘極氧化層與一鈍化保護層之間， 其中，鈍化保護層係設置於浮動閘極之一金屬層（如上金 屬層）上方。 157330.doc 201221950 另外’如羅斯伯格所揭露’離子感測場效電晶體之鈍化 保護層可形成一離子感測膜，其係能夠提高裝置的離子靈 敏度；若分析物與鈍化保護層接觸時，位於浮動閘極結構 上方之一感測區域通常能夠改變離子感測場效電晶體之電 性特性，因此可以調變通過離子感測場效電晶體之源極與 汲極間之通道的電流，其中，分析物例如為分析物溶液中 的離子，如一溶液中含有相關之分析物（含離子），或一待 測試溶液以測試是否存在相關之分析物。其中，純化保護 層可包括任-種能夠對特定離子提高靈敏度之不同物質， 例如純化保護層可包括氮化♦或氮氧切，或金屬氧化物 如石夕、紹、或组氧化物，其通t能夠提高對分析物溶液中 氫離子濃度（pH值）的$敏度；相同地，若鈍化保護層令包 括聚氣乙烯’其含有缔氨黴素’能夠提高對分析物溶液中 鉀離子濃度的靈敏度。目前已知可以利用其他適當之物質 來形成鈍化保護層，藉以提高對其他離子的靈敏度，如納 離子、銀離子、鐵離子、溴離子、峨離子、_子、及石肖 酸鹽離子等，當然’鈍化保護層以可以包含其他物質，如 =氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物等。針對分析物 〜與鈍化保護層之介面所產生的化學反應而言，在 2場效電晶體之鈍化保護層中所加入之物質的表面可以 可以用來提供質子給分析物溶液或接受 2勿Γ液所提供之質子’其可以在與分析物溶液相鄰之 或中性位置。 …山何、正電荷、 157330.doc 201221950 以離子靈敏度而言，在鈍化保護層與分析物溶液之間的 固體/液體介面上會產生一電位差（通常稱為表面電位），其 係能夠利用其化學反應提供感測離子濃度之功能，其通常 包含氧化物表面基團受到在感測區域附近之分析物溶液中 的離子所影響而產生解離。此表面電位可依序影響離子感 測場效電晶體之臨限電壓，因此，離子感測場效電晶體之 臨限電壓會依據位在感測區域附近之分析物溶液中的離子 變化而變動；如羅斯伯格所述，由於離子感測場效電晶體 之臨限電壓vTH對離子濃度敏感，所以其源極電壓％可以 提供一信號，其係直接反應位在離子感測場效電晶體之感 測區域附近之分析物溶液中的離子濃度。 化學感測場效電晶體（chemFET)陣列，或特別是離子感 測場效電晶體陣列，可以用來監控反應，例如為核酸（如 DNA)定序反應，其係利用監控在反應過程中分析物的出 現、生成或消耗而達成；一般而言，此陣列（包括大陣列 之化學感測場效電晶體）可以在各種化學及/或生物學製程 (如生化反應、細胞或組織培養或監控、神經活性、核酸 疋序等）中，偵測並測量各種分析物之靜態及/或動態數量 或濃度（如氫離子、其他離子、非離子分子或化合物等）， 其可以依據分析物的各種測量結果而得到有價值的資訊。 上述之化學感測場效電晶體陣列可以藉由化學感測場效電 晶體表面之電荷變化而應用於各種分析物之偵測方法及/ 或生化製程之監控方法，其中，化學感測場效電晶體（或 離子感測場效電晶體）陣列之應用可包括偵測溶液中之分 157330.doc 201221950 析物，及/或偵測附著於化學感測場效電晶體表面（如離子 感測場效電晶體之鈍化保護層）之電荷變化。 有關於製造離子感測場效電晶體陣列之研究係如米爾古 羅與庫敏所揭露之内容（“A large transistor-based sensor array chip for direct extracellular imaging，’’ M. J. Milgrew, M. O. Riehle, and D. R. S. Cumming， Sensors and Actuators，B: Chemical, 111-112，（2005)，pp· 347-353)及米 爾古羅、哈蒙德與庫敏所揭露之内容（“The development of scalable sensor arrays using standard CMOS technology，” M. J. Milgrew, P. A. Hammond, and D. R. S. Cumming, Sensors and Actuators, B: Chemical, 103, (2004), pp. 37-42)，其係以全文納入本說明書之範圍，其中，化學感測 場效電晶體陣列或離子感測場效電晶體陣列之製造與在化 學偵測之應用（包含DNA定序相關之離子監測）的敘述係如 羅斯伯格所述，詳言之，羅斯伯格係揭露利用化學感測場 效電晶體陣列（特別是離子感測場效電晶體陣列）來定序一 核酸，其包括在一反應腔室中將已知的核甘酸與複數核酸 混合後接觸或連接至化學感測場效電晶體，其中，核酸係 在反應腔室中連成一串；然後測量化學感測場效電晶體之 一信號，其_中，測量此信號表示將已知的三填核甘酸形成 合成核酸時，所釋出之一個以上之氫離子。 圖1為一離子感測系統20之示例性實體結構的剖面圖， 其包括一離子感測場效電晶體24、一溶液28及一電極36， 溶液係提供於離子感測場效電晶體24之一離子感測表面， 157330.doc 201221950 電極36係設置於溶液28中以提供一參考電壓vreFA，離子 感測場效電晶體24可以利用CMOS製程而製造，其包括形 成於一 p型矽基板48中的η型源極與汲極擴散區40、44，源 極與汲極連接52、56，形成在源極與汲極4〇、44之間的通 道形成區64之上方的一閘極氧化層6〇，形成於閘極氧化層 60上方的一浮動閘極結構68，以及形成於閘極結構68上方 之鈍化保護層72，其中，浮動閘極結構68包括一多晶矽閘 極78以及一個以上之金屬層76與通孔内連接8〇，源極與汲 極連接52、54可包括一個以上之金屬層76與通孔内連接 8〇，另外，可形成一介電隔離層84以隔離上述之不同結 構。 操作上’參考電壓VREFA係施加於溶液28中的電極36， 且離子感測場效電晶體24之源極與汲極4〇、44係經由源極 與汲極連接52、56而電性連接於一讀取電路（圖未示），離 子感測場效電晶體24之閘極78未直接電性連接至其他電 路，所以其可以形成一電性浮接結構，依據離子感測場效 電晶體24之離子感測鈍化保護表面32與鄰近之溶液28中的 離子之間的一電化學介面反應，可以得到離子濃度對應離 子感測場效電晶體24之操作的關係模型，其係與離子感測 場效電晶體24對應溶液28中的離子濃度之臨限電壓相關； 因此，離子感測系統20可以依據臨限電壓之變化判斷離子 浪度，其係藉由測量離子感測場效電晶體24之源極與汲極 40、44的電流或電壓變化，取得一預設參考電壓vrefa， 並讀出電路類型及操作而得。 I57330.doc 201221950 然而，圖1所不之離子感測系統2〇在應用於檢測溶液28 之離子漢度時存在有數個缺電，其巾，由於離子感測場效 電晶體24之源極與汲極4〇、44的電流或電壓產生變化，所 以在讀取電路中，臨限電壓之變化的減少會非常小，且難 以進行精確的測量。另外，臨限電壓本身可以是其他變數 之一非線性函數，例如跨過離子感測場效電晶體24之源極 4〇與基板48(如基極）的電壓，若源極至基極的電壓可以改 變，則可以限制臨限電壓計算之直線性，若源極至基極的 電壓係維持在相對固定以保持其直線性，則可以限制所能 使用之讀取電路的類型。相同地，必須同時考量在如圖1 所示離子感測系統20的動態範圍及信號至雜訊效能。整體 而言，這些考量迫使必須使用複雜、佔空間且高成本之讀 取電路，或是限制上述離子感測系統2〇所能達到的效能因 子。 因此，需要一種能夠在測量溶液之離子濃度時，改善速 度、準確性、直線性及其他效能因子的方法，而且其仍然 是可以利用CMOS製程以測量基體的裝置。 【實施方式】 以下列舉數個圖式以使本發明的各項特徵更容易瞭解， 然而，這些圖式僅為說明本發明中特定的實施例，但並非 用以限制本發明之範圍，因此本發明可以包括其他等效之 實施例。 一種離子感測電路，其包括一電荷累積裝置以及至少一 控制與讀取電晶體，其中，電荷累積裝置係依據一流體之 157330.doc 201221950 離子濃度而累積複數電荷封包， 控制與續取電晶體係依據 累積之電荷封包而產生一輸出户老 构』出h旎，其係表示溶液之離子 濃度，電荷累積裝置可包括—第一 弟電何控制電極、一.電性 浮動閘極結構、一第二電荷杵制 ， 了衩制電極、及一汲極擴散區 域，其中，第一電荷控制電極係設置在第一電極半導體區 域上，電性浮動閘極結構係設置在—閘極半導體區域上並 位於一離子感測鈍化保護表面下方，第二電荷㈣電極係 設置在第二電極半導體區域上，第一控制電極可以控制依 據一第-控制信號而進人1極半導體區域的電荷輸入， 離子感測鈍化保護表面可以用來接收流體，第二電荷控制 電極可以依據第二控制信號控制電荷封包的穿透率，以穿 出閘極半導體區域並進入汲極擴散區域，汲極擴散區域可 以經由第二電極半導體區域而從閘極半導體區域接收電荷 封包。 離子感測電路可以依據一方法而操作，以便檢測流體之 離子濃度，此方法包括⑴使具有離子濃度之流體通過電荷 累積裝置之離子感測鈍化保護表面；（ii)依據流體之離子 濃度，在電荷累積裝置之閘極半導體區域依序分別形成複 數個電荷封包；（iu)輸入一控制信號至電荷累積裝置之第 二控制電極’以便控制依序來自閘極半導體區域之電荷封 包的穿透率；（iv)於一可選擇電荷封包累積頻率下，累積 複數個電荷封包於電荷累積裝置之汲極擴散區域；以及（v) 依據累積於汲極區域之複數個電荷封包，利用至少一控制 與讀取電晶體在一可選擇輸出信號產生頻率下產生一輸出 157330.doc -12- 201221950 信號，其中，輸出信號表示流體之離子濃度的測量結果。 圖2為本發明實施例之一離子感測系統1 〇〇的部分剖面圖 及部分簡圖之示意圖’其中’離子感測系統丨〇〇包括—離 子感測電荷累積裝置104 ’其可以檢測溶液1〇8之離子濃 度’以進行DNA定序及其他應用；離子感測系統ι〇〇可包 括一電荷累積裝置104、一控制與讀取電路丨丨2、一電極 116、一溶液1〇8及一微粒子12〇，如圖2所示，電荷累積穿 置104、電極116、溶液1〇8及微粒子12〇係表示於剖面圖部 分，而控制與讀取電路112及其連接於電荷累積裝置ι〇4之 端子係表示於簡圖部分，為方便說明，圖2的簡圖部分係 以虛線表示。 ' 電荷累積裝置1〇4可以利用CM0S製程所製造，且其可以 為一積體電路的一部份，此積體電路可以是包括電荷累積 裝置104及控制與讀取電路112，^^型源極與汲極擴散區域 124、128可以形成於一 口型矽基板136之一 p型磊晶層Η? 中，源極與汲極擴散區域124、128可以具有輕度摻雜部 140、144，其摻雜係少於源極與汲極擴散區域124、^8的 其他部位；源極與汲極連接148、152可以 金屬層⑼及通孔内連接⑽，一閘極氧化層164=形= 於p型蟲晶層132令介於源極與沒極124、128之間的一區域 168的上方’―浮動間極結構172及第—與第二控制電極結 構m、180可以形成於閘極氧化層164上方，閘極氧化層 164可包括一材料’如二氧化石夕，浮動閘極結構172可包括 - η型多晶石夕閘極184及一個以上之金屬層156與通孔内連 157330.doc -13- 201221950 接160。控制電極結構176、180可分別包括箪 α ^ 布—及第二η型 多晶矽電極186、188及一個以上之金屬層156與通孔内連 接160。金屬層156及通孔160可分別包括—屉 w Μ上之導電 材料，如鶴、鋁、銅、鈦及其氮化物與矽化物；位於上述 不同結構之間的介電隔離192可包括一層以上之氧化妙 删磷石夕玻璃、或其組合，-鈍化保護層196係形成於閉極 結構172及介電隔離192上，並包括一孔洞2〇〇，其具有一 離子感測表面204 ’用以容置微粒12〇，其表面可以具有複 數個複製之DNA之股。鈍化保護層196可包括—材料，如 氮化矽、氮氧化矽及聚亞醯胺；一基板連接擴散區域2〇8 可具有對應之連接結構212，其係與汲極與源極之連接結 構14 8、1 5 2相同。 為方便說明，以下敘述將源極與汲極擴散區域124、 稱為擴散區域124、128,然而，擴散區域124、128的所有 特性並不-定要與一電晶體之源極與汲極完全相同，相反 地’源極與汲極擴散區域124、128可以是簡單的擴散區域 124、128，其不需要具有電晶體之源極與汲極的功能性， 在部分範例t，如下所述的擴散區域124、128可以是具有 類似電晶體之源極與汲極的特性。 離子感測系統⑽可以用來進行舰定序或其他應用， ，如可感測溶液⑽之離子，如圖2所示…具有複數個電 荷累積裝置1G4之積體電路的表面上，可以設置有承載複 數複數個DNA股之微粒12〇，其中，微粒12〇設置於鈍化保 濩層196之孔洞200中’然後，可以依序將複數種不同溶液 157330.doc •14· 201221950 108導入至積體電路之具有設置於鈍化保護層196之孔洞 200的表面，各溶液108可以具有不同的核苷酸或核基，各 溶液或試劑可以與附著於微粒120之DNA股進行反應或不 反應，其係依據溶液中的特定核苷酸或核基是否配對或符 合於沿著DNA股之核基之序列的目前反應位置而定，若一 序列之溶液中的某一特定溶液1〇8可以與DNA股進行反 應，則可以釋出許多離子，如質子（如氫離子H+)、焦磷酸 鹽（如ΡΡι)、或兩者，此時，離子感測電荷累積裝置1〇4可 以依據下述之操作方式檢測溶液1〇8中的離子濃度，以得 到附著之DNA股之目前反應位置之核基的識別資料，進而 取得定序此股的資料。 操作上，離子感測電荷累積裝置丨〇4可以依據提供至鈍 化保護層196之孔洞200之離子感測表面2〇4的溶液1〇8中的 離子濃度，產生並累積複數個電荷封包216(如圖3八至3〇所 示）’其係藉由利用控制與讀取電路112提供控制信號至源 極124、汲極US及第一與第二控制電極186、188，以產生 電位能量阻障及梯度而得，圖3A至3D顯示電荷累積裝置 1〇4之複數個操作循環的實施例，其係對應溶液1〇8之離子 濃度產生並累積電荷封包，且圖从至犯分別顯示電荷累 積裝置104之—完整操作循環的實施例，圖3A至3D之上方 :別顯示電荷累積裝置104之部分剖面圖與部分簡圖之示 意圖，其僅顯示源極與汲極區域m、128、閘極氧化声 ⑹、浮動閘極184、及第—與第二控制電極186、188，為 方便說明’電荷累積裝㈣4的其他元件係在此圖中被省 157330.doc 201221950 略’但被省略之元件仍然可以在實際實施中存在。在個別 圖式中，電荷累積裝置104的下方顯示四個圖表，其表示 在電荷累積裝置104之操作循環的不同階段中，存在於電 荷累積裝置104上的電位能及電荷，這些圖表係分別對應 表示上方之電荷累積裝置丨〇 4之特定區間的電位能及電 荷，因此各圖表分別表示在控制電極丨86、】88與浮動閘極 184下方之n型源極與沒極區域124、128以及p型蟲晶區域 的電位能及電荷。 圖4為一信號圖，其係顯示本實施例之複數個控制信 號，其可以用來控制如圖3八至3D所示之電荷累積裝置1〇4 的操作，如圖4所示，傳送至源極124、汲極128、及第二 控制電極188之控制信號vs .、VD、VC2可以是不同的電壓 值，其分別表示邏輯低狀態及邏輯高狀態，且其例如為低 及咼電源供應電壓；另一控制信號VC1(圖未示）係傳送至 第一控制電極186，其並非表示—邏輯狀態，而是可以為 一中間電壓值，例如為介於低及高電源供應電壓之間的一 電壓值°當然，亦可以利用其他控制信號，例如可以是不 同組合之控制信號，其係表示邏輯低狀態及邏輯高狀態之 電壓值（如低及高電源供應電壓），或是非為表示邏輯狀態 ： 而可以為中間之電壓值（例如為介於低及高電源供應電壓 之間的一電壓值）的控制信號；不同的控制信號可以依據 不同實施例之電荷累積裝置1〇4之實體結構而定，例如， 可以選擇位於第一控制電極186、浮動閘極184及第二控制 電極188之間的閘極氧化層164之高度，並分別將設定之控 157330.doc •16· 201221950 制電壓傳送至第-控制電極186、浮動閉極184及第二控制 電極188 ’以便控制施加於電荷累積裝置1〇4之電位能量。 在圖3A所示之操作循環的第一相位之前為一循環前重置 相位（未顯示於圖3A)’其係傳送適#之控制信號至源極 124、淡極128及控制電極186、188，以便移除電荷累積裝 置1〇4中在前-個操作所殘留下來的電荷，如圖4所示之實 施例’可以傳送-高電壓至沒極128與第二控制電極⑽， 傳送低電壓至源極124，並傳送—中間電位至第—控制 電極186，以便清除電荷累積裝置1G4中在前-個操作所殘 留下來的所有電荷。 如圖3A所示，在操作循環之第一相位22〇中，在浮動閘 極184下方之半導體區域224(如P型蟲晶區域224)所形成之 任何電荷封包216可以被傳送至閘極擴散區域施，其可以 藉由在第-控制電極186、閘極184及第二控制電極188下 方之半導體區域228、224、232形成電位梯度而達成，其 係能夠將閘極184下方之電荷移動至没極擴散區域2〇8，因 此可以在第-控制電極186下方之區域228形成一相對低 電位藉以形成電子流之一相對高阻障層，另外可以在第 控制電極188下方之區域232形成一相對高電位，藉以形 成電子流之一相對低阻障層。 圖3 A至3D所不之電位圖及本說明書所述之其他電位圖 中’當電位能量増加時，其在圖中對應顯示向下之曲線， 因此才目對較南之電位能量係在圖中以較低位置表示 可以藉由提供相對較高電壓至控制電極186、188，以 157330.doc •17· 201221950 減少p型區域U浮動閘極184)之相對較高之電位能量，以 便對此累積或通過卩型區域之電子形成一較低電位阻障 層；相反地，可以藉由提供相對較低電壓至控制電極 86 188 ^減少15型區域（或浮動閘極184)之相對較低之 電位能量，以便到·茈g接+ 文对此累積或通過P型區域之電子形成一較 高電位阻障層。 請再參考圖3A所示，假設間極氧化層為均勻厚度，可以 藉由增加傳送至第—控制電極⑽、浮動閘極184及第二控 制電極188之電麼，以便在第_控制電極ι %、浮動閉極 184及第二控制電極188之下方的區域228、224、加中形 成第H電㈣㈣度；#然，亦可以在提供其他電壓 以及閘極氧化層為不均勻厚度的情況下形成此電位能量 梯度。在圖4所示之實施例中，於此第一相位中，可以傳 送问電壓至第二控制電極188與源極124，傳送一低電壓 及極128並傳送一中間電壓至第一控制電極當 然，亦可以利用其他第—相位之控制信號進行。 需注意者，由於圖3Α顯示電荷累積裝置104之最早的數 個操作循環’其録-循環前重置相位之後，且循環前重 置相位已經移除前一個操作所殘留的所有電荷封包216， 所以在閘極184下不|形成任何電荷封包216，&在第一相 位220中，不會有任何電荷封包216被傳送至汲極128(如圖 3A所示）；然而，在第—相位咖中，電荷封包216從問極 U4下方傳送至汲極128的情況，可以參照圖沾至3D所示 之後續循環加以說明。 157330.doc •18· 201221950 如圖3A所示，在操作循環之一第二相位236中可以提 咼在第二控制電極1 88下方的電位阻障層，以便防止電荷 封包從閘極184下方之區域224，經由第二電極188下方之 區域232流至没極區域128 ;圖4顯示第二相位之控制信號 的實施例’其中’彳以傳送-低電墨至第二控制電極188 與汲極128 ’傳送一高電壓至源極124，並傳送一中間電壓 至第-控制電極186 ’·當，然，亦可以利用其他第二相位之 控制信號進行。 祁位240中，電荷（如 矛 如圖3A所示，在操作循環之 電子）可以從η型源極區域124被注入浮動閘極184下方的p 型區域224,由於在第二相位236中，位於第二電極188下 方之電位阻障層提高至高於第一控制電極186及浮動閘極 184之下方，因此，電荷242可以從源極124進入第一控制 電㈣及浮動電極184之下方(但未進入第二控制：極 188)，以充滿電荷累積裝置1〇4;電荷⑷可以透過不同方 式經由源極124注人電荷累積裝置1G4，例如可以經由電流 源或電荷系’以選擇性將電荷注入源極124 ’或是利用施 加-適當之電壓至源極124,進而提供電麼至電荷累積裝 置1〇4之第一控制電極186及浮動間極184;圖4顯示控制二 破的實施例，其中，可以傳送—低電麗至源極m，並^ 相對高電壓傳送至第-控制電極186與浮動間極184，例 如，傳送-中間電漫至第一控制電極186，並將由溶液⑽ 之離子濃度所感應之電位提供至浮動閘極〗。 在第四相位244令，結束從源極124注入電荷至電荷累積 】5733〇.d〇c -19- 201221950 裝置104，並移除源極丨24以及第一控制電極丨86下方之過 多電荷，然而，由於第一控制電極186下方與浮動閘極184 下方之間存在有電位差，所以一電荷封包216會保留在浮 動閘極1 84下方，此電位差係為傳送至第一控制電極1 86之 電壓VC1 ’以及由溶液1〇8之離子濃度所形成於浮動開極 184之電壓的一函數；因此，在第四相位244中保留在浮 動閘極184下方之電荷封包216的大小可以是傳送至第一控 制電請之電壓VC1 ’以及由溶液1〇8之離子濃度所形： 於浮動閘極184之電壓的一函數，所以，若傳送至第一控 制電極186之電壓VCI為已知’則可以測量得到溶液1〇8: 離子濃度》 最後，在電荷累積裝置104之下一操作循環的第一相位 220(如圖3B所示），並參照如圖从所示之第一個操作循環 的第一相位220的相關說明，保留在浮動閘極184下方之電 荷封包216，可以在第一個操作循環的第四相位244之後， 從浮動閘極184下方經由第二控制電極188.下方之區域 232，進入汲極擴散區域128，並保留於此處。因此，在某 一操作循環之後，表示溶液108之離子濃度之一測量結果 的一個電荷封包216可以被收集於電荷累積裝置1〇4的沒極 128 中。 雖然電荷累積裝置104可以僅利用儲存於汲極128的一個 電荷封包216來提供溶液1〇8之離子濃度的測量結果，但是 其仍然可以藉由進行電荷累積裝置1〇4的複數個操作循環 而儲存於汲極128的複數個電荷封包216，來檢測並提供溶 157330.doc •20- 201221950 =08之離子濃度的測量結果；其中，所儲存之複數個電 广叫亦可以提供，溶液108之離子濃度的測量結果。 ^至财別表示電荷累積裝置_第二、第三及第四 二作循環’其係依據如圖从所示之第—操作循環而進行並 ,序執行於如圖3A所示之第一操作循環之後；在各循環之 後:可以分別依據離子濃度將一個電荷封包216累積於沒 極’如圓3B所示’在如圖3A所示之第一循環之後，在 二循環之第一相位22〇中，一第 電何封包216係儲存於汲 ，如圖3C所示，在如圖沾所示之第二循環之後， 第三循環之第-相位220中，—第一及第二電荷封包⑽ 係儲存於沒極128;如圖3D所示，在如圖％所示之第 環之後，在第四循環之第一相位22〇中，一第一、第二及 第二電荷封包216c係儲存於汲極128。 與如圖1所示之習知技術相較，其係同 , 丁电彳守封 並以臨限電壓變化的方式，提供離子濃度之測量社 果，然而本發明利用累積複數個電荷封包216的方式以接° 供離子濃度的測量結果’其可以增加錢料及信镜雜訊 比，改善複數個電荷累積裝置1〇4之效能匹配，並減少^ 頻雜Λ ’舉例而言，由於電荷(如電洞及電子)的熱活性， 所產生之電荷冑包通常伴隨有一定的’ , 員施例 中，早-電荷封包的累積可以伴隨一雜訊電荷誤差 與k-T.c成正比，其中，k係為波兹曼常數，τ係為絕對= 度’ C係為浮動間極下方之電荷收集區域的電容，當電= 為電子時’對儲存之每一封包的電壓雜訊誤差係等於 157330.doc •21 - 201221950 ((k.T.c)之平方根）/q，纟中，q係為_電子之電荷，c等於 氧化電容Cox與浮動閘極184之面積的乘積，·然而，依據累 積複數個電荷封包之輸出信號的信號雜訊比SNR可以與 (2 n C/k T)之平方根成正比，其中，n係為累積之封包2 ^ 的數量，其係例如為電荷累積裝置1〇4之操作循環的欠 數，其分別提供單一離子濃度測量結果，因此，離子濃度 測量結果的信號雜訊比可以隨著單一測量結果之封包 之數量的平方根，成正比地增加。 在累積於電荷累積裝置104之沒極128之後，複數個電荷 封包216可以被轉換為一輸出信號，或是利用本實施例之 控制與讀取電路112從電荷累積裝置輸出，控制與讀取電 路112可以控制不同實施態樣之電荷累積裝置叫之循環操 作，並依據累積之電荷封包216產生一輸出信號。控制與 項取電路112可以提供控制信號至源極124、汲極us、第 -控制電極186以及第二控制電極188，進而控制電荷累積 裝置104 ;累積頻率可以是電荷累積裝置1()4的單-操作循 環的操作頻率’累積頻率可以是依據溶液中離子濃产之預 期變化速率、電荷累積裝置1〇4之效能特性以及控二讀 取電路U2或其組合而選定；控制與讀取電路ii2亦可以: 據累積於電荷累積裝置1〇4之電荷封包216，以控制一輸出 信號的產生’其係提供一控制信號以產生一輸出信號，或 是以-可選擇之輸出產生頻率將累積之複數個電荷封包 2i6從電荷累積裝置1〇4輸出，此輸出產生頻率可以是電荷 累積裝置ΠΜ之複數個電荷封包216的—單_輸出信號值： I57330.doc •22- 201221950 產生頻率，此輸出產生頻率可以依據溶液1〇8中離子濃度 之預期變化速率、電荷累積裝置104之效能特性以及控制 與讀取電路112或其組合而選定，當輸出信號係依據複數 個累積之電荷封包216時，輸出產生頻率可以是低於電荷 封包累積頻率。 單個電荷累積裝置1 配合部分之控制與讀取電路i i 2 可以表示一陣列25〇之複數個離子感測晝素2粍其中之一， 圖5顯示一實施例之離子感測晝素陣列25〇,其包括複數個 離子感測畫素246，各畫素電路246可包括一電荷累積裝置 1〇4以及一配合部份之控制與讀取電路112，此配合部分之 控制與讀取電路112可以部分構成此畫素246，畫素陣列可 以疋呈複數個列及欄配置之畫素246，藉由複數個列與欄 之控制、定址與資料線，可以對晝素陣列25〇進行控制、 定址、及資料輸入與輸出，其包括一個以上之列的控制、 定址與資料線Rl-Rx(或稱為列線R1_Rx)，以及一個以上之 欄的控制、定址與資料線^弋乂（或稱為攔線cl_Cx)。 圖6顯示一實施例之離子感測晝素24以，其包括上述實 施例之一電荷累積裝置1〇4及配合部分之控制與讀取電路 112，其中，圖6亦僅簡單表示電荷累積裝置1〇4，但本實 施例之離子感測畫素24以可以包括電荷累積裝置1〇4以外 的/、他元件，如圖2所示之其他元件。圖6所示之實施例可 以稱為一種三電晶體三電極晝素246，或稱3T3E畫素，控 制與讀取電路112可包括三個電晶體，其包括一重置電晶 體Ml，及—對讀取電晶體M2、M3，電荷累積裝置丨⑽可 157330.doc •23- 201221950 具有三個電極，其包括第一及第二控制電極186、i88、以 及浮動閘極184，控制與讀取電路112可以連接複數個攔線 以及複數個列線，複數個欄線包括第一及第二欄線cia、 ，複數個列線包括第一及第二列線ri a、mb ^ 在以下說明中係提及源極與汲極等，其係假設圖6所示 之晝素246a以及其他實施例中的控制與讀取電晶體、 M2、M3，係為NMOS電晶體，然而’在其他實施例中， 控制與讀取電晶體可以是NM〇s或PM〇s電晶體，或其組 合。如圖6所示，第一讀取電晶體M2之閘極係連接至電荷 累積裝置104之汲極區域128，其源極係連接至第二讀取電 晶體M3之汲極，且其汲極係連接至第二欄線c 1B，第二讀 取電晶體M3之閘極係連接至第一列線R1A，其源極係連接 至第一攔線C1A，且其汲極係連接至第一讀取電晶體河之之 源極，重置電晶體Ml之源極係連接至電荷累積裝置1〇4之 汲極128，其閘極係連接至第二列線R1B，且其汲極係連 接至第二攔線C1B。 如圖6所示，本實施例之控制與讀取電路112可以用來控 制電荷累積裝置104，並配合如圖3A至3D與圖4所示之; 荷累積裝置104的操作而產生一輸出信號；在一重置操作 中，如前所述，可以在一循環前重置相位中，利用重置電 晶體Ml及第二列與攔線rib、cib來重置電荷累積裝置 104，舉例而言，可以將一邏輯高信號或一高位準電壓（如 一高電源供應電壓）傳送至第二列與欄線R1B、C1B，並將 一邏輯低信號或一低位準電壓（如—低電源供應電壓）傳送 157330.doc •24· 201221950 至第一列線R1A，以便導通重置電晶體M1&關閉第二讀取 電晶體M3 ’ ®此’可以將一高電隸傳送至電荷累積裝 置104之汲極區域128 ’進而清除累積於汲極128的任何電 荷封包216，以便重置電荷累積裝置1〇4。 在讀取操作中，在如前所述之裝置1〇4的一個以上之循 環之後，讀取電晶體M2、⑽及第_列與搁^RiA、Μ 可以用來依據累積於電荷累積裝置1〇4之汲極區域i28的電 %封包216產生一輸出信號，舉例而言，可以將一邏輯 高信號、或一高位準電塵（如一高電源供應電塵）、或一中 間位準電壓(如介於高與低電源供應電壓之間的電壓)傳送 至第一列線R1A，並將一邏輯低信號或一低位準電壓（如一 低電源供應電壓）傳送至第二列線R1B，以便導通第一及第 二讀取電晶體M2、M3並關閉重置電晶體⑷4匕時，第一 及第二讀取電晶體M2、M3係作為放大器，以便將累積於 電荷累積裝置104之沒極區域128的電荷封包216，轉變為 第-攔線CMA之電壓輸出信號，第—讀取電晶體M2可以操 作於-源極_器配置，其係從電荷累積裝置刚之没極 128接收一輸入電壓，祐將筮-读乐恭。 电！並將第一項取電晶體M3之源極的中 間輸出電壓提供至丈汲極，將g接认办 將累積於電荷累積裝置104之 沒極區域128的電荷封包216轉變為輸出電壓可以由沒極 128之累積電荷所產生；第二讀取電晶體可以操作於一 疊接配置’其係配合第一讀取電晶體之源極隨耦器配置， 與單獨源極隨麵器配置比較，結合兩種電晶體可以提高直 增益。第二讀取電晶體M3可以從源極隨輕器接收一中間 157330.doc -25- 201221950 輸出’並提供一輸出電壓至此源極之一第一攔線C1A。 圖7顯示另一實施例之離子感測晝素246b，其包括上述 實施例之一電荷累積裝置104及配合部分之控制與讀取電 路112 ’其中，圖7亦僅簡單表示電荷累積裝置1〇4，但本 實施例之離子感測晝素246]3可以包括電荷累積裝置1〇4以 外的其他元件’如圖2所示之其他元件。圖7所示之實施例 可以稱為一種雙電晶體三電極畫素，或稱2T3E畫素，控制 與讀取電路112可包括兩個電晶體，其包括一重置電晶體 M4，及一讀取電晶體]^5，電荷累積裝置ι〇4可具有三個電 極，其包括第一及第二控制電極186、188、以及浮動閘極 184，控制與讀取電路112可以連接一列線r2a以及複數個 攔線’複數個欄線包括第一及第二欄線C2A、C2B。 與圖6所示之畫素246a相比’如圖7所示之晝素24 6b可以 減少讀取電晶體的數量，其係藉由管理電荷累積裝置i 〇4 之汲極128的電壓，所以不需要利用圖6所示之晝素246a之 第一列線R1A所提供的列選擇功能。在圖7與9中，汲極 128亦稱為浮動擴散128，其具有電容的特性，所以當書素 246b未致能時，可以藉由管理浮動擴散電位，以省略列選 擇裝置。如圖7之源極隨耦器M5的閘極與浮動擴散128可 以皆保持在低位準，以便在未使用時失能源極隨耦器 M5，因此，在晝素246b被讀取後，浮動擴散128可以在低 電位下被取樣，並保持在此電位直到晝素246|3再次被讀 取；使其電位保持在低電位的原因在於浮動擴散丨28可以 作用為一電容，其可以保持其取樣之低電壓。 157330.doc •26· 201221950 如圖7所示’第一及第二控制電極186、ι88之空間配置 係與則述圖式所顯示者相反，其中，第一控制電極1係 設置在右手側，而第二控制電極188係設置在左手側丨相 同地，在以下說明中係提及源極與汲極等，其係假設控制 與讀取電晶體係為NM0S電晶體，然而，在其他實施例 中，控制與讀取電晶體可以是NM〇s或PM〇s電晶體，或 其組合。其中，重置電晶體M4之源極係連接至電荷累積 裝置104之汲極128，其閘極係連接至列線R2A，且其汲極 係連接至第二攔線C2B，讀取電晶體M5之閘極係連接至電 荷累積装置104之汲極區域128(同時連接至重置電晶體M4 之源極），其源極係連接至電荷累積裝置104之源極區域 124及第一欄線C2A，且其汲極係連接至第二欄線。 圖8A至8D顯示如圖7所示之畫素246b的操作，其係依據 =液離子濃度累積複數個電荷封包216，並依據累積之電 荷封包216產生一輸出信號，圖8八至顯示電荷累積裝置 104之複數個完整操作循環的實施例，與圖至相似， 圓8A至8D之上方分別顯示晝素246之部分剖面圖與部分簡 圖之示意圖’其包括電荷累積裝置104及控制與讀取電晶 體M4、M5’為方便說明’電荷累積裝置1〇4及控制與讀取 電曰曰體M4、M5以外的其他元件係在此圖中被省略，但被 省略之元件仍4然可以在貫際實施中存在。在個別圖式中， 電荷累積裝置104及控制與讀取電晶體副、M5的下方顯示 四:嶋’其係對準上方之畫素，且表示在畫素246b之操 作循ί衣的不同相位中’存在於電荷累積裝置⑽及控制與 157330.doc 27· 201221950 讀取電晶體M4、M5上的電位能及累積之電荷。 在重置相位254中，重置電晶體刚及列與第二搁線 R2A:C2B可以用來重置電荷累積裝置1〇4，將一邏輯高信 號或高位準電壓(如一高電源供應電壓)傳送至列與第二欄 線R2A卩便導通重置電晶體M4與讀取電晶體μ，此 時，可以將-高電壓值同時傳送至電荷累積裝置1〇4之沒 極128與源極124，以便清除電荷累積裝置104之沒極128與 源極124中所殘留下來的所有電荷，進而完成裝置⑽之重 置。 在操作循環之第一相位258中，可以關閉重置電晶體 M4 ’並提高在第二電極188下方之一電位阻障（如一低電 位）’以使得電荷累積裝置1〇4在浮動閘極184下產生一電 射封〇216其中，可以藉由傳送一邏輯低或低電壓至列 線R2A及第二控制t極188，❿關閉重置電晶體M4，並提 供低電位至第二電極188下方。需注意者，在第一相位258 結束之前，一高電位及一低電位阻障係存在於重置電晶體 M4之閘極。 在操作循環之一第二階段262中，電荷（如電子）可以從 電荷累積裝置104之n型源極區域124被注入浮動閘極184下 方的Ρ型區域224 ’電荷264可以從源極丨24進入浮動電極 184之下方（但未進入第二控制電極188下方），以充滿電荷 累積裝置104，電荷可以透過不同方式經由源極124注入電 4累積裝置104 ’例如可以經由電流源或電荷泵，以選擇 性將電荷注入源極丨24 ’或是利用施加一適當之電壓至源 157330.doc -28 - 201221950 極124，進而提供例如一邏輯低 飞低電壓至第一控制電極 186及浮動閘極184;電荷可以利用第-攔線C2A並經過诉 極m而注入浮動間極184下方，在操作循環之第一相位 258之後，由於讀取電晶體熥4之 巧極下方為低電位阻障， 因此，電荷265可以同時注入讀取 只取1：日日體M4，包括其源極 與沒極區域及閘極下方。 在第二相位266中’結束注入電荷至電荷累積裝置及讀 取電晶體，並移除其過多電荷，然而，由於第一控制電極 1—86下方與浮㈣極184下方之間存在有電位差，所以一電 荷封包216會保留在浮動閘極184下 >，如前述之參照圖^ 至3D的說明，在第三相位施中，㈣在浮動閘極斷方 之電荷封包216的大小可以是傳送至第一控制電極186之電 壓，以及由溶液Η)8之離子濃度所形成於浮動閘極184之電 壓的一函數，所以，若傳送至第一控制電極186之電壓為 已知，則可以測量得到溶液i 〇8之離子濃度。 最後，在第一操作循環之最後一個相位27〇中，如圖8B 所示，保留在浮動閘極184下方之電荷封包216，可以在此 操作循環的第三階段266之後，從浮動閘極184下方經由第 二控制電極188下方之區域232，進入汲極擴散區域128， 並保留於此處，其係與前述參照圖3入至3D之關於操作循 環之第一相位220的說明相似，藉由傳送一邏輯高或高位 準電壓至第二控制電極丨88，可以降低第二控制電極】88下 方之電位阻P早，以使得電荷封包216可以被傳送至汲極區 域128，而傳送至電荷累積裝置1〇4之汲極區域128之電荷 157330.doc -29- 201221950 封包216可以逐漸減少汲極區域128之電壓，由於讀取電晶 體M5之閘極係連接於汲極128，所以此電荷封包216亦可 以同時逐漸增加讀取電晶體M5之閘極的電壓，因此在操 作循環之最後一個相位270的最後，讀取電晶體M5之間極 下方的電位阻障層272會逐漸減少；此時，讀取電晶體M5 之閘極的電壓以及讀取電晶體M5之閘極下方的電位可以 依據各操作循環之最後時，累積在電荷累積裝置1〇4之没 極128的電荷封包216而定。 圖8B至8C表示一第二操作循環，其係如同在如圖呔至 8B所示之第一循環以累積另一個電荷封包，並且依據讀取 電晶體之閘極的電壓以及讀取電晶雔之閘極下方的電位， 並再次追蹤複數個累積之電荷封包216的大小；圖叱亦顯 不在第一循環之後的另一個重置相位。 藉由對讀取電晶體M5之源極的電壓進行取樣，可以得 到一輸出，其可以在一讀取相位274中進行，此外，亦可 以利用—雙重取樣技術產生輸出，此時的輸出包括一第一 ，出及f一輸出’其中，第一輸出表示依據電荷累積裝 置⑽之沒極竭電荷之背景位準所產生之輸出，第二輸 出表不同時依據此電荷之背景位準以及累積於沒極128的 2個電荷封包216所產生之輸出，接著，以第二輸出減 去第-輪出…得到對累積之電荷封包216的一個更精 確之測量結果，以便表示溶液1Q8之離子濃度。在_實施 :中，第-輸出可以是在操作循環之第一相位258中取 侍而第二輸出可以是在讀取相位274中取得。 157330.doc 201221950 圖8D顯示如圖7所示之晝素246a之列的撤銷程序之實施 例，在撤銷程序的第一相位278中，一邏輯低或低位準電 壓係傳送至列線R2A，且一邏輯高或高位準電壓係傳送至 第一欄線C2A ;在撤銷程序的第二相位282中，一邏輯言 • <高位準電壓係傳送至列線R2A ’ 邏輯低或低位準電 - 壓係傳送至第一欄線C2A ;在撤銷程序的第三相位286 中，一邏輯低或低位準電壓係傳送至列線R2A，且一邏輯 . 低或低位準電壓係傳送至第一欄線C2A;在撤銷程序的第 • 四相位290中，一邏輯低或低位準電壓係傳送至列線 R2A’且-邏輯高或高位準電壓係傳送至第—欄線以。 圖9顯示另一種實施例之畫素24&，其係為一種雙電晶 體三電極畫素，或稱2T3E晝素，控制與讀取電路ιΐ2可包 括兩個電晶體，其包括一重置電晶體M6，及一讀取電晶 體M7 ’電荷累積裝置1〇4可具有三個電極，其包括第一及 第二控制電極186 ' 188、以及浮動閘極184，控制與讀取 電路112可以連接一列線R3A以及複數個欄線，複數個欄 .、線包括第一及第二攔線C3A、C3B。其中，^置電晶體⑽ ： 之源極係連接至電荷累積裝置之汲極128，其閘極係連 接至列線R3A ’且其汲極係連接至第二攔線C3B，讀取電 晶體M7之閘極係連接至電荷累積裝置1〇4之汲極區域 ^8(同時連接至重置電晶體M6之源極），其源極係連接至 第一攔線C3A，且其汲極係連接至第二攔線C3B。藉由導 通重置f晶體M6以移除累積於電荷累積裝置1〇4之没極 128的電何封包216，以進行重置，其過程與前述之實施例 157330.doc •31- 201221950 的說明相同；然後，關閉重置電晶體M6，使得讀取電晶 體M7操作於一源極隨耦器配置，以依據累積於電荷累積 裝置104之/及極128的電荷封包216提供一輸出電壓，或是 操作於一共同源極配置，以依據累積於電荷累積裝置1〇4 之没極128的電荷封包216提供一輸出電流。 電荷累積裝置104可以包括二個以上之控制電極，圖1〇 顯示一實施例之一離子感測晝素2 4 6 d，其包括兩個控制與 讀取電晶體以及四個電荷累積裝置電極（包括三個控制電 極與一個浮動閘極），其中，圖i 〇雖僅簡單表示電荷累積 裝置104b，但本實施例可以包括電荷累積裝置以外的其他 元件，如圖2所示之其他元件。電荷累積裝置1〇仆之電極 可包括設置於浮動閘極1 84 —侧之第一及第二電極丨86、 294，以及設置於浮動閘極184另一側之第三電極188，如 圖10所示之電荷累積裝置〗04b可以不具有源極區域，但可 以具有一汲極區域128，其係鄰設於第三電極188下方之區 域，控制與讀取電路112係如圖9所述，可包括兩個電晶 體，其包括一重置電晶體M8及一讀取電晶體M9，其中， 讀取電晶體M9可以連接一列線R4A以及複數個攔線，複數 個欄線包括第一及第二襴線C4A、C4B。其中，重置電晶 體M8之源極係連接至電荷累積裝置1〇朴之汲極128，其閘 極係連接至列線R4A，且其汲極係連接至第二攔線C4B， 讀取電晶體M9之閘極係連接至電荷累積裝置1〇仆之汲極 區域128(同時連接至重置電晶體肘8之源極），其源極係連 接至第一攔線C4A，且其汲極係連接至第二攔線C4B。重 157330.doc •32· 201221950 置電晶體Μ 8及讀取電晶體M 9的操作係如同圖9所示之實施 例〇 圖11A至11D顯示如圖10所示之晝素246d的操作，其係 依據溶液離子濃度累積複數個電荷封包216，並依據累積 之電荷封包216產生-輸出信號，圖nA至UD顯示電荷累 積裝置HMb之複數個完整操作循環的實施例，圖UA至 11D之上方分別顯示圖1〇所示之電荷累積裝置職及控制 與讀取電晶體M8、M9之部分剖面圖與部分簡圖之示意 圖，為方便說明，電荷累積褒置祕及控制與讀取電晶體 M8、M9以外的其他元件係在此圖中被省略，但被省略之 元件仍然可以在實際實施中存在。在個別冑式中電荷累 積裝置HMb及控制與讀取電晶體M8、M_下方顯示四個 时，其係對準上方之畫素，且表^在畫素购之操作循 裱的不同相位中，存在於電荷累積裝置祕及控制與讀取 電晶體M8、M9上的電位能及電荷累積。 在圖11A所示之一重置相位298中，可以在第一電極 294、第二電極186、浮動閘極184及第三電極188下方，由 f至右形成-電位梯度’並且將一邏輯高或高位準電壓傳 送：重置電晶體觀閘極以清除電荷累積裝置1〇仆中從 先則操作所殘留下來的所有電荷。 在晝素246d之操作循環之第一相位3〇2中， 银-你& 丨 J从徒尚在 第二電極188下方之一電位阻障’使其高於重置相位 存在於浮動閘極184之電位；在晝素操作 么昂-•相位 3〇6中，可以經由汲極擴散節點ns將 八電何累積裝 157330.doc •33- 201221950 置l〇4b ’在第三相位31G中’可以從電荷累積裝置祕中 移除所注入之電荷，並依據在第二相位3〇6令所形成之浮 動閘極m與第三電極188之間的電位阻障電位差，使一電 荷封包216殘留於浮_極184下方；最後，在畫素操作循 環之第四相位314中，可以在第三電極188、浮動間極 m、第二電極186、及第一電極294上由右至左形成— 電位梯度’以便將電荷封包216從浮動閘極184下方移至第 一電極294下方。 接著’如圖至11C所示，可以重複數次上述之累積 循環，以便在第-電極294下方累積複數個電荷封包216。 圖11D顯示一讀取鞋库 v # # 依據累積於第一電極294下方 之電荷封包216的大小而產生一輸出信號，此讀取程序可 以配合一雙重取樣技術進行，此時的輸出包括一第一輸出 及一第二輸出’其中’第一輸出表示依據電荷累積裝置 祕之汲極128的電荷之背景位準所產生之輸出，第二輪

出表不同時依據此電荷之背景位準以及累積於第-電才 I 294被傳送至電荷累積梦罟 ^ 了糸檟裝置1 G4b之⑽128後的複數個電朽 封包2i6所產生之輸出， 個電何 稷者以第二輸出減去第—輪 出，可以得到對累積之電荇封白 铜 冤何封包216的一個更精確之測量 結果’以便表示溶液離早：曾痒 離子濃度。在讀取程序之第一相位 318中，讀取電晶體M9# μ, 係&供第一輸出，且複數個電荷封 包216係仍然累積於第—電 桠下方，在％取程序之第_ 相位322中，可以在第一 弟一 €極294、第二電極186 極184及第三電極188下方， 子動間 主右形成—電位梯度，以 157330.doc • 34 - 201221950 便將複數個電荷封包216從第一電極294下方移至電荷累積 裝置104b之汲極128下方；在第二相位322之後，在讀取程 序之第三相位326中，由讀取電晶體M8提供第二輸出。 圖11D顯示如圖1〇所示之晝素246d之列的撤銷程序之實 施例，其包括兩個相位330及334。 另外’亦可以進行上述實施例的各種變化，雖然在上述 之電荷累積裝置之實施例中，係包括n型源極與汲極，並 在浮動閘極與控制電極下方形成ρ型區域，但是在其他實 施例中可以利用相反的結構，亦即電荷累積裝置可以包括 Ρ型源極與汲極，並在浮動閘極與控制電極下方形成η型區 域；雖然圖2顯示在控制電極與浮動閘極下方形成磊晶ρ型 區域，但是在其他實施例中，在控制電極與浮動閘極下方 形成之Ρ型或η型區域可以是擴散區域或其他形式之卩型或打 型區域，而非前述之磊晶區域；雖然上述的各種控制與讀 取電晶體可以是NMOS電晶體，但是在其他實施例中，控 制與讀取電晶體可以是NM〇s電晶體、pM〇s電晶體，或 其組合；在部分實施例中，晝素陣列之畫素中的列及攔可 以分享部分或全部之列及攔線，雖然在前述之實施例中， 電荷載體及電荷封包係假設為電子，但在其他實施例中， 電荷載體及電荷封包可以包括電洞；雖然在上述之實施例 中’電荷累積裝置之操作循環的各階段係以一定順序進行 並$有特定之命名（如第一相位 '第二相位等），但是在其 他實施例中，操作循環之命名或階段可以改變、重新排 列 '增加、或刪減等；雖然在上述之實施例巾，電荷累積 157330.doc -35- 201221950 裝置具有兩個或三個控制電極，但是在其他實施例中，電 荷累積裝置可以具有更多或更少數量之控制電極；雖然在 上述之實施例中說明數種控制信號’但是在其他實施例 中’可以採用不同形式之控制信號。 另外’亦可以使用其他實施例之電荷累積裝置1〇4及離 子感測畫素246’例如’其他實施例之電荷累積裝置職 離子感測畫素246可以選擇性具__種上述實施例之電 荷累積裝置104及離子感測晝素246的任一特徵，且其他實 施例之電荷累積裝置1〇4及離子感測畫素2“可以選擇性具 有任一種上述實施例之電荷累積裝置1〇4及離子感測畫^ 246的任一子元件或特徵。 雖然本發明所揭露之内容可參照前述的數個實施例，但 本發明的範圍並非限制於這些實施例及其參照圖式所顯示 之配置中，而且其操作製程亦不限制於上述之範例中熟 悉該項技術者可以以違反本發明之精神與實詩徵的情 況下’利用其他方式實現本發明之内$，因此，上述之實 施例僅為舉例性’而非為限制性者。任何未脫離本發明之 精神與範缚’而對其進行之等效修改或變更，均應包含於 後附之申請專利範圍中。 :上說明係揭露本發明之數種實施例，然而，所揭露之 内容應可涵蓋本發明之修飾及變化，另外，雖然部分操 作*兀件及電路並未詳細說明，但並非用以限制本實施例 之範圍’而且雖然本說明書詳細說明特定結構及功能，但 其並非用以限制本實施例之範圍。 157330.doc -36- 201221950 熟悉該項技術者可以藉由上述之說明，對本發明進行各 種皮化，凊可以單獨或合併實施上述之所有實施例，因 此雖然上述之說明僅列舉部分特定之實施例，但是本發 月之實施例及/或方法並非限制於此，熟悉該項技術者可 以藉由本說明書之内容、圖示及中請專利範圍而進行任音 的修飾及改變。 ^ 上述之各種實施例可以藉由硬體元件、軟體元件或其組 :加以實現’其中，硬體元件係例如為處理器、微處理 盜、電路、電路元件（如電晶體、電阻器、電容器、電减 盗等）、積體電路、特定應用積體電路（ASIC)、可程式邏 輯裝置（PLD)、數位訊號處理器（Dsp)、現場可編程間陣列 (FPGA)、邏輯閘、暫存器、半導體裝置、晶片、微晶片、 晶片組等等；軟體元件係例如為程式、應用程式、電腦程 式、系統程式、機械程式、作業系統程式、中介軟體、韌 體、軟體模組、例行程序、子程式、功能、方法、程序、 軟體介面、應用程式介面（API)、指令集、計算碼、計算 機碼、程式碼片段、計算機程式碼片段、文字、數值、符 號、或其組合；可以藉由數種分析因子判斷執行—實施例 係採用不同之硬體元件及/或軟體元件，例如為預期之計 算機速度、功率等級、熱耐受度、程序循環預算、資料輸 入速度、資料輸出速度、記憶體來源、資料匯流排速度、 及其他設計或效能限制。 例如，部分實施例可以藉由電腦可讀取媒體而實現，其 係儲存有一指令或一組指令，以便在—機器上執行時，可 157330.doc -37- 201221950 以使得此機器實現本實施例之方法及/或操作，此機器可 例如包括任一種適用之處理平台、計算平台、計算裝置、 處理裝置、計算系統、處理系統、計算機、處理器等等， 且其亦可以藉由硬體及/或軟體之任一種適用之組合而實 現，其中，電腦可讀取媒體包括任一種適當形式之記憶單 元、記憶裝置、記憶物品、記憶媒體、儲存裝置、儲存物 品、儲存媒體及/或儲存單元例如為記憶體、可移動式或 不可移動式媒體、可抹除式或不可抹除式媒體、可寫入式 或可複寫式媒體、數位或類比式媒體、硬碟、軟碟、唯讀 記憶光碟、寫入式光碟、可複寫式光碟、光碟、磁式媒 體、磁光媒體、卸除式記憶卡或記憶碟、各種數位多功能 光碟（DVD)、磁帶、卡帶等等，另夕卜，指令可包括任一種 適用之程式碼，如原始碼、編譯蜗、直譯碼、可執行碼、 靜態程式碼、動態程式石馬、加密程式碼等等，盆可以利用 任一種適用之高階、低階、物件導南、虛擬、，編譯及/或 直#之程式語言而實現。 【圖式簡單說明】 圖1為包括-離子感測場效t晶體之離子感 剖面圖； 圖2為包括一離.子感測電荷 卹八Λ丨工㈤ J亍價珉置之離子感測系統的 口P刀剖面圖及部分簡圖之示意圖； 圖3A至3D為一實施例之離子残 循環的剖面圖、電位圖及電荷圖“電何累積裝置之操作 圖4為用以控制電荷累積裝置之操作的—實施例之控制 157330.doc -38- 201221950 信號的信號圖； 圖5為一實施例之具有複數個晝素電路之離子 陣列的一示意圖，其中，各畫素電路包 接、旦’、 吟a栝電何累積裝置及 控制與讀取電晶體； 圖6為一實施例之—畫素電路的部分剖面圖及部分簡圖

之示意圖，其中’晝素電路包括電荷累積裝置及控制盘喊 取電晶體； 〃 K 圖7為另-實施例之一晝素電路的部分剖面圖及部八， 圖之示意圖…，畫素電路包括電荷累積裝置及控：： 讀取電晶體； 電位 圖8Α至8D為圖7所示之畫素電路之操作的剖面圖 圖及電荷圖； 圖9為另一實施例之一畫素電路的部分剖面圖及部 圖之示意圖，其中，晝素電路包括電 β 讀取電晶體； ㈣何累積裝置及控制與 圖10:另一實施例之一畫素電路的部分剖面圖及部分簡 圖之不意圖，其中，晝素電路包括 讀取電晶體；以及 括電何累積裝置及控制與 圖11Α至11D為圖10所示之書辛 電位圖及電荷圖。 -素電路之―剖面圖、 【主要元件符號說明】 20 離子感測系統 24 離子感測場效電晶體 28 溶液 157330.doc •39- 201221950 32 離子感測鈍化保護表面 36 電極 40 源極擴散區 44 >及極擴散區 48 基板 52 源極與汲極連接 54 源極與汲極連接 56 源極與汲極連接 60 閘極氧化層 64 通道形成區 68 閘極結構 72 鈍化保護層 76 金屬層 78 閘極 80 通孔内連接 84 介電隔離層 100 離子感測系統 104 裝置 104b 電荷累積裝置 108 溶液 112 控制與讀取電路 116 電極 120 微粒子 120 微粒 157330.doc -40- 201221950 124 源極 128 汲極 132 蟲晶層 136 矽基板 140 輕度換雜部 144 輕度摻雜部 148 連接結構 152 連接結構 156 金屬層 160 通孔内連接 160 通孔 164 閘極氧化層 168 區域 172 閘極結構 176 控制電極結構 180 控制電極結構 184 閘極 186 電極 188 電極 192 介電隔離 196 鈍化保護層 200 孔洞 204 離子感測表面 208 擴散區域 157330.doc -41 - 201221950 212 216 216b 216c 220 224 228 232 236 240 242 244 246 246a 246b 246c 246d 250 254 258 262 264 265 266 157330.doc 連接結構 電荷封包 電荷封包 電荷封包 第一相位 區域 區域 區域 第二相位 第三相位 電荷 第四相位 畫素 畫素 晝素 晝素 晝素 陣列 重置相位 第一相位 第二階段 電何 電何 第三階段 -42- 201221950 266 在第三相位 270 操作循環之最後一個相位 272 電位阻障層 274 讀取相位 278 第一相位 282 第二相位 286 第三相位 290 第四相位 294 第一電極 298 重置相位 302 第一相位 306 第二相位 310 第三相位 314 第四相位 318 第一相位 322 第二相位 326 第三相位 330 相位 334 相位 Cl-Cx 棚線 CIA 第一欄線 C1B 第二欄線 C2A 第一欄線 C2B 第-—棚線 157330.doc -43- 201221950 C3A 第一棚線 C3B 第二搁線 C4A 第一攔線 C4B 第二欄線 Ml 重置電晶體 M2 讀取電晶體 M3 讀取電晶體 M4 重置電晶體 M5 讀取電晶體 M6 重置電晶體 M7 讀取電晶體 M8 讀取晶體 M9 讀取電晶體 Rl-Rx 列線 R1A 第一列線 RIB 第二列線 R2A 列線 R3A 列線 R4A 列線 VC1 控制信號 VS、VD、VC2 控制信號 157330.doc • 44·

Claims (1)

1. 201221950 七、申請專利範圍： 1. 一種離子感測電路，包括： 一電荷累積裝置，其係依據一流體 離子濃度寧穑 複數個電荷封包，包括： 又系積 , 一第一電荷控制電極，其係設置在筮 _ . 低弟—電極半導體 . 區域上，以依據輸入該第一電極之一第〜地止，上 ^ λ 控制彳s號控制 電何進入一閘極半導體區域； . 一電性浮動閘極結構，其係設置在一閘極车i ^ 敁t· A从 開極丰導體區 - 域上並位於一離子感測鈍化保護表 體； 卜方’以接收該流 一第二電荷控制電極，其係設置在一 m ^ u 矛一電極半導 體£域上，以依據入該第二電 兮％叔&^ 第一控制信號控制 该複數個電荷封包穿出該閘極半 ^„ 卞等媸&域並進入一汲極 擴散區域的穿透率；以及 -; 及極擴散區域’其係經由該第二電極半導體區域 而從該間極半導體區域接收該複數個電荷封包；以及 ^少―控制與讀取電晶體，其係依據累積於該電荷累 ； ㈣置之Μ極擴散區域之該複數個電荷封包而產生一 輸出電壓，其中該輸出電壓 _ 电S係表不该溶液之該離子濃 ' 度。 2.如申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，更包括-二制電路，其係用以產生並提供一注入控制信號，以經 ^ 守菔匕域，主入電荷至該閘極半導體區 域0 157330.doc 201221950 3.如申請專利範圍第2項所述之離子感測電路，更包括一 源極擴散區域，其係鄰設於該第一電極半導體區域，其 中該注入控制信@包括一源極控制信&，其係提供至該 源極擴散區域，以經由該源極擴散區域將該電荷注入該 閘極半導體區域及該第一電極半導體區域。 4·如申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，更包括一 控制電路’其係用以產生並提供該第二控制信號至該第 二控制電極’以將該複數個電荷封包分別從該閘極半導 體區域’依序經由該第二電極半導體區域，而傳送至該 沒極擴散區域》 5. 如申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，更包括 控制電路， 其係用以纟該複數個電荷冑包分別從該閉極 半導體區域依序傳送至該汲極擴散區域之後，產生並提 供一讀取控制信號至該至少一讀取電晶體 出信號。 以產生該輸 6. 2申請專利範圍第工項所述之離子感測電路，其中該電 荷累積裝置及該至少-讀取電晶體係構成_晝素電路， 且該離子感測電路更包括複數個畫素電路，其係配置為 一離子感測畫素陣列。 7. 之離子感測電路，其中該畫 之該等晝素電路，各列包括 ，且各攔包括一個以上之欄 如申請專利範圍第6項所述 素陣列包括複數列及複數欄 一個以上之列控制與資料線 控制與資料線。 8.如申請專利範圍第丨項所述之離子感測電路，更包括 J57330.doc 201221950 控制電路，其係依據一可選擇之電荷封包累積頻率，控 制該電荷累積裝置分別將各該複數個電荷封包從該問極 半導體區域’經由該第二電極半導體區域，傳送至該及 極擴散區域。 9. 如申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，包括一控 制電路，其係依據-可選擇之輸出產生頻率，控制該電 荷累積裝置及該至少-讀取電晶體依據累積於該汲極擴 散區域之該複數個電荷封包，產生該輸出信號。 10. 如中請專利範圍第1項所述之離子感測電路，其中該至 少一控制與讀取電晶體包括： -重置電晶體，其係連接至該電荷累㈣置之該汲極 擴散區域、一列控制線及一攔控制線；以及 第-及第二讀取電晶體，其係連接至該電荷累積裝置 之該汲極擴散區域、該攔控制線及_欄資料線，其卜 該第-讀取電晶體係依據—源極隨㈣配置連接，該第 二讀取電晶體係依據一疊接配置連接。 n.如申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，立中該至 少一控制與讀取電晶體包括： 一重置電晶體，其係連接番#审 埂接至該電何累積裝置之該汲極 擴散區域、-列控制線及一攔控制線；以及 一讀取電晶體’其係連接至 安主忍電何累積裝置之該汲極 擴散區域、該電荷累積裝置 ㈣置之源極擴散區域、該攔控 制線及一欄資料線。 12.如申請專利範圍第1項所述 之離子感測電路， 其中該至 157330.doc 201221950 少一控制與讀取電晶體包括： -重置電晶體’其係連接至該電荷累積I置之該没極 擴散區域、一列控制線及一攔控制線；以及 -讀取電晶體，其係連接至該電荷累積裝置之該沒極 擴散區域、該攔控制線及一攔資料線。 13. 如申請專利範圍第丨項所述之離子感測電路，其中該電 荷累積裝置包括-源極擴散區域，該源極㈣區域係鄰 設於該第一電極半導體區域，該第一電極半導體區域係 鄰設於該閘極半導體區域’該閘極半導體區域係鄰設於 該第二電極半導體區域，且該第二電極半導體區域係鄰 設於該汲極擴散區域。 14. 如申明專利範圍第丨項所述之離子感測電路，其中該電 荷累積裝置包括一第三電荷控制電極，其係設置於一第 三電極半導體區域上方，以便在該複數個電荷封包被傳 送至該汲極擴散區域之前’控制該複數個電荷封包累積 於該第三電極半導體區域。 1 5 · —種方法，其係檢測一流體之一離子濃度，包括： 使具有-亥離子濃度之該流體通過一離子感測電路之一 電荷累積裝置之一離子感測鈍化保護表面； · 依據該流體之該離子漠度，在該電荷累積裝置之一閉， 極半導體區域依序分別形成複數個電荷封包； 輪入一控制信號至該電荷累積裝置之一電極半導體區 域上方之㉟制電極，以便控制依序來自該問極半導體 區域之该專電荷封包的穿透率； 157330.doc 201221950 於一可選擇電荷封包累積頻率下，累積複數個電荷封 包於該電荷累積裝置之—汲極擴散區域；以及 依據累積於該汲極區域之該複數個電荷封包，利用至 少-控制與讀取電晶體在一可選擇輸出信號產生頻率下 產士-輸出信號，其中’該輸出信號表示該流體之該離 子濃度的一測量結果。 16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，更包括： :應：入至該控制電極之該控制信號，分別依序經由 该電極半導體區域傳送該複數個電荷封包。 17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，更包括： 將電荷從-源極區域並經 該閘極半導# γ β甘〆 第一控制電極區域注入 】極+導體£域’其係提供 18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，^勺=何封包。 在累積該複數個電荷封包… ^ . 極擴散區域之任何電荷封包。移除先前累積於該汲 Α如中請㈣範„15項所述之方法， 生頻率係低於該電荷封包累積頻率。Ί該輸出信號產 157330.doc