TWI400888B - Ion sensing circuit - Google Patents

Description

離子感測電路

本發明是有關於一種電路，特別是指一種離子感測電路。

場效型離子感測電晶體(ISFET)是一種將一般MOSFET的閘極上的金屬去除後曝露到一溶液時，當加入一作為直流偏壓用的參考電壓到該溶液中而使溶液發生電解變化時，ISFET之通道電流將隨溶液之離子(如H+)濃度不同而變化，因其具有離子選擇電極的功能和場效電晶體的功能，因此可配合其他電子元件設計成一離子感測電路，應用於生物醫學、水質分析及未知溶液的酸鹼度檢測。

如圖1所示，為第一種習知的離子感測電路，其經由運算放大器103動態調整該離子感測場效電晶體100之閘極電位，以達到離子偵測之目的，並經由類比濾波器及類比/數位轉換器將此閘極電位濾波及轉換成數位訊號。

如圖2所示，為第二種習知的離子感測電路，其經由運算放大器202動態調整該離子感測場效電晶體200之源極電位，以達到離子偵測之目的，並經由類比濾波器及類比/數位轉換器將此源極電位濾波及轉換成數位訊號。

上述二種習知離子感測電路之缺點為：額外需要一濾波器和一類比/數位轉換器，才能將來自該離子感測場效電晶體之電壓訊號轉成數位訊號，而增加設計成本且導致電路集成複雜化，又為了增加抗雜訊能力而導致運算放大器的設計困難度提高。

因此，本發明之目的，即在提供一種避免上述缺失和簡化設計的離子感測電路。

該離子感測電路，包含：一離子感測元件，適用於曝露到一電解液，用以產生相關於該電解液之離子濃度的一感應電流；一電流至電壓轉換器，電連接到該離子感測元件，用以將該感應電流轉換成一轉換電壓；一比較器，電連接到電流至電壓轉換單元，用以比較該轉換電壓及一臨界電壓，以產生一比較結果；及一閂鎖器，電連接到該比較器及該電流至電壓轉換器，用以根據一時鐘信號對該比較結果進行取樣，以產生一數位信號，作為該電流至電壓轉換器將該感應電流轉換成該轉換電壓的參考。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

如圖3所示，本發明離子感測電路之第一較佳實施例，適用於感測一電解液之離子濃度而輸出一相關於該離子濃度的數位信號，且包含：一離子感測元件2、一電流至電壓轉換器3、一比較器4、一閂鎖器5，和一數位濾波器6。

離子感測元件2適用於曝露到電解液，用以產生相關於該電解液之離子濃度的一感應電流，且包括一接收一參考電壓的第一端、一輸出相關於該離子濃度之感應電流的第二端和一電連接於第一電位VB1的第三端。

其中，在本實施例中，該離子感測元件2是一N型離子感測場效電晶體，離子感測元件2的第一端、第二端及第三端分別是N型離子感測場效電晶體的閘極、汲極及源極。

電流至電壓轉換器3包括一電連接於該離子感測場效電晶體之第二端的第一端以接收該感應電流，並根據該感應電流以提供一相關於該離子濃度的轉換電壓Vc，且更包括：一電容C、一電流源31，及一第一開關S1。

電容C電連接於該離子感測元件2之第二端和地之間，用於提供該轉換電壓Vc。

串聯的電流源31與該第一開關S1電連接於一第二電位VB2和該離子感測元件2的第二端之間，該電流源31用於提供一參考電流Iref，而該第一開關S1具有一控制端，該控制端受控制使該第一開關S1於導通與不導通之間切換，且於導通時藉由該參考電流Iref拉升該轉換電壓Vc。

又該電流至電壓轉換器3更包括一電連接於一第四電位VB4與該離子感測元件2的第二端之間的第二開關S2，該第二開關S2受控制於導通與不導通之間切換，且於導通時將該轉換電壓Vc預充至第四電位VB4。

比較器4包括一電連接於該電流至電壓轉換器3之第一端的正輸入端(+)、一接收一臨界電壓VB3的負輸入端(-)和一提供一比較結果的輸出端，以接收來自該電流至電壓轉換器3的該轉換電壓Vc，並根據該轉換電壓Vc與該臨界電壓VB3的大小提供於高、低電位之間轉態的比較結果，其中當該轉換電壓Vc大於該臨界電壓VB3時輸出高電位的比較結果，反之輸出低電位的比較結果。

閂鎖器5包括一接收該比較結果的資料輸入端、一接收一時鐘信號CLK的時鐘輸入端和一電連接於該第一開關S1之控制端的輸出端(在本實施例中，該輸出端是一反相輸出端Qbar且該第一開關S1是一N型電晶體)，並根據該時鐘信號CLK對來自該比較器4的該比較結果進行取樣以得到相關於該離子濃度的數位信號，作為該電流至電壓轉換器3將該感應電流轉換成該轉換電壓Vc的參考，即控制該第一開關S1進行切換。

又上述的第一電位VB1是用於直流偏壓的低電位，而該第二、四電位VB2、VB4則是高電位。

其中，如圖4所示為本發明模擬的時序圖，其中，該設定電位分別是VB1=0V、VB2=1.8V、VB3=0.9V、VB4=1.8V，但於實際應用中不限於上述電位，且其操作過程如下所述：於起始時，藉由一控制信號Vgs2將該第二開關S2導通一段時間，使該電容C之轉換電壓Vc預充至等同該第四電位(VB4=1.8V)，此時第一開關S1不導通。接著，該第二開關S2轉為不導通，該離子感測元件2根據該溶液的離子濃度而產生的感應電流對該電容C進行放電，使轉換電壓Vc逐漸下降至低於臨界電壓(VB3=0.9V)，該比較器4之比較結果將轉為低電位。而後閂鎖器5根據該時鐘信號CLK將該比較器4之比較結果儲存並轉成數位訊號，由反相輸出端Qbar輸出一代表邏輯1的數位信號將該第一開關S1導通，使電流源31之電流Iref其中一部分對該電容C進行充電，另一部分提供給該離子感測元件2之感應電流，而再次拉升該轉換電壓Vc至高於臨界電壓(VB3=0.9V)，該比較器4之比較結果將轉為高電位。而後閂鎖器5根據該時鐘信號CLK將該比較器4之比較結果儲存並轉成數位訊號，由反相輸出端Qbar輸出一代表邏輯0的數位信號將該第一開關S1不導通，使該離子感測元件2之感應電流對該電容C進行放電，而再次降低該轉換電壓Vc至低於臨界電壓(VB3=0.9V)，該比較器4之比較結果將轉為低電位。如此重複工作，以達到三角積分調變之工作原理。

數位濾波器6電連接於該閂鎖器5以收集由多數個時鐘信號週期的該數位信號所形成一串列式信號，以表示該離子濃度，且該數位濾波器6在本實施例中，是一計數器(counter)用以計數該具有多數個數位信號的串列式信號有幾個高準位信號。

如圖5所示，本發明離子感測電路之第二較佳實施例，與第一較佳實施例的差別為：該離子感測元件2是一P型離子感測場效電晶體，且該第一電位VB1是一高電位而第二電位是一低電位，因此，離子感測元件2之感應電流用於對電容C進行充電，而電流源31之電流Iref其中一部分用於對電容C進行放電，另一部分用於汲取離子感測元件2之感應電流，其餘皆相同，故不再重述。

綜上所述，本發明具有以下優點：

1.直接輸出相關於離子濃度的數位信號，因此不需使用類比濾波器和類比數位轉換器，相較於習知能降低成本。

2.所輸出的數位信號相較於習知輸出的類比信號具有較高抗雜訊的能力，因此有助於簡化比較器4的設計。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．離子感測元件

3．．．電流至電壓轉換器

31．．．電流源

S1．．．第一開關

S2．．．第二開關

C．．．電容

4．．．比較器

5．．．閂鎖器

6．．．數位濾波器

圖1是一種習知的離子感測電路的電路圖；

圖2是另一種習知的離子感測電路的電路圖；

圖3是本發明離子感測電路之第一較佳實施例的電路圖；

圖4是第一較佳實施例的時序圖；及

圖5是本發明離子感測電路之第二較佳實施例的電路圖。

2．．．離子感測元件

3．．．電流至電壓轉換器

31．．．電流源

S1．．．第一開關

S2．．．第二開關

C．．．電容

4．．．比較器

5．．．閂鎖器

6．．．數位濾波器

Claims (10)

1. 一種離子感測電路，包含：一離子感測元件，適用於曝露到一電解液，用以產生相關於該電解液之離子濃度的一感應電流；一電流至電壓轉換器，電連接到該離子感測元件，用以將該感應電流轉換成一轉換電壓；一比較器，電連接到電流至電壓轉換單元，用以比較該轉換電壓及一臨界電壓，以產生一比較結果；及一閂鎖器，電連接到該比較器及該電流至電壓轉換器，用以根據一時鐘信號對該比較結果進行取樣，以產生一數位信號，作為該電流至電壓轉換器將該感應電流轉換成該轉換電壓的參考；該離子感測元件包括一離子感測場效電晶體，該離子感測場效電晶體具有一第一端，一第二端及一第三端，該第一端接收一參考電壓，該第二端電連接到該電流至電壓轉換器，流過該第二及第三端的電流受該離子濃度影響，該離子感測場效電晶體是N型，且該第一端是閘極、該第二端是汲極，該第三端是源極且電連接到一低電位；該電流至電壓轉換器包括一電容、一電流源及一第一開關，該電容電連接於該離子感測元件之第二端和地之間，用於提供該轉換電壓，該電流源用於提供一參考電流，該第一開關與該電流源串聯於該離子感測元件的第二端和一高電位之間，且該第一開關具有一控制端， 該控制端受該數位信號控制使該第一開關於導通與不導通之間切換，且於導通時藉由該參考電流拉升該轉換電壓。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，其中，該電流至電壓轉換器更包括：一第二開關，電連接於一高電位與該離子感測元件的第二端之間，且受控制於導通與不導通之間切換，且於導通時將該轉換電壓預充至該高電位。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，其中，該比較器包括一電連接於該電流至電壓轉換器的正輸入端、一接收該臨界電壓的負輸入端和一提供該比較結果的輸出端，以接收來自該電流至電壓轉換器的該轉換電壓，並根據該轉換電壓與該臨界電壓的大小提供一於高、低電位之間轉態的比較結果。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之離子感測電路，更包含：一數位濾波器，電連接於該閂鎖器以收集由多數個時鐘信號週期的該數位信號所形成一串列式信號，以表示該離子濃度。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之離子感測電路，其中，該數位濾波器是一計數器，用以計數該具有多數個數位信號的串列式信號有幾個高準位信號。
6. 一種離子感測電路，包含：一離子感測元件，適用於曝露到一電解液，用以產 生相關於該電解液之離子濃度的一感應電流；一電流至電壓轉換器，電連接到該離子感測元件，用以將該感應電流轉換成一轉換電壓；一比較器，電連接到電流至電壓轉換單元，用以比較該轉換電壓及一臨界電壓，以產生一比較結果；及一閂鎖器，電連接到該比較器及該電流至電壓轉換器，用以根據一時鐘信號對該比較結果進行取樣，以產生一數位信號，作為該電流至電壓轉換器將該感應電流轉換成該轉換電壓的參考；該離子感測元件包括一離子感測場效電晶體，該離子感測場效電晶體具有一第一端，一第二端及一第三端，該第一端接收一參考電壓，該第二端電連接到該電流至電壓轉換器，流過該第二及第三端的電流受該離子濃度影響，該離子感測場效電晶體是P型，而該第一端是閘極、該第二端是汲極，該第三端是源極且電連接到一高電位；該電流至電壓轉換器包括一電容、一電流源及一第一開關，該電容電連接於該離子感測元件之第二端和地之間，用於提供該轉換電壓，該電流源用於提供一參考電流，該第一開關與該電流源串聯於該離子感測元件的第二端和一低電位之間，且該第一開關具有一控制端，該控制端受該數位信號控制使該第一開關於導通與不導通之間切換，且於導通時藉由該參考電流降低該轉換電壓。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之離子感測電路，其中，該電流至電壓轉換器更包括：一第二開關，電連接於一高電位與該離子感測元件的第二端之間，且受控制於導通與不導通之間切換，且於導通時將該轉換電壓預充至該高電位。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之離子感測電路，其中，該比較器包括一電連接於該電流至電壓轉換器的正輸入端、一接收該臨界電壓的負輸入端和一提供該比較結果的輸出端，以接收來自該電流至電壓轉換器的該轉換電壓，並根據該轉換電壓與該臨界電壓的大小提供一於高、低電位之間轉態的比較結果。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之離子感測電路，更包含：一數位濾波器，電連接於該閂鎖器以收集由多數個時鐘信號週期的該數位信號所形成一串列式信號，以表示該離子濃度。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之離子感測電路，其中，該數位濾波器是一計數器，用以計數該具有多數個數位信號的串列式信號有幾個高準位信號。