TWI484180B - 脈衝輸出之感測器讀取電路 - Google Patents

Description

脈衝輸出之感測器讀取電路

本發明是有關於一種感測器讀取電路，且特別是一種可將檢體的資訊轉換為單脈衝訊號，且以此單脈衝訊號作為輸出的感測器讀取電路。

隨著科技的進步，現今已發展出許多用於感測各種生物元件抗原或抗體的生物感測系統，使醫療單位或個人進行的健康診察更為便利。一般而言，生物感測系統包含感測器讀取電路，其用以感測例如生物分子濃度等檢體資訊，且將此資訊轉換為可讀取的資料，使得使用者可根據此資料來推算檢體的資訊。然而，生物感測系統可能受到例如溫度等外在環境的影響，導致其產生的資料具有誤差，進而影響推算檢體資訊的準確度。因此，如何正確將檢體的資訊轉換為可讀取的資料，已成為相關業者所致力的目標之一。

本發明的感測器讀取電路可將感測到的檢體資訊轉換為單脈衝訊號，且單脈衝訊號於高準位的持續時間與檢體的資訊具線性關係，使得使用者可根據產生的單脈衝訊號來準確推算檢體的資訊。

依據本發明之上述目的，提出一種感測器讀取電路，用以感測檢體的資訊，且將此資訊轉換為單脈衝(single-pulse)訊號。此感測器讀取電路包含感測介面電路、帶差參考電路、電流鏡電路、補償電路、電容、單脈衝訊號產生電路、控制電路和放電電路。感測介面電路用以根據檢體的資訊產生感測電流。帶差參考電路用以產生參考電壓和參考電流。電流鏡電路電性連接於帶差參考電路，其用以鏡像參考電壓和調整參考電流。補償電路電性連接於感測介面電路和帶差參考電路，其用以補償感測電流。電容電性連接於電流鏡電路與接地端之間。單脈衝訊號產生電路電性連接於電流鏡電路，其用以根據電容的充放電狀態產生單脈衝訊號。控制電路電性連接於帶差參考電路、感測介面電路和電容，其用以根據參考電流和感測電流切換電容的充放電狀態。放電電路電性連接於單脈衝訊號產生電路、控制電路、電流鏡電路和電容，其用以根據單脈衝訊號對電容進行放電。

依據本發明之一實施例，上述單脈衝訊號產生電路包含開關訊號產生電路、比較器和邏輯電路。開關訊號產生電路用以根據重置訊號和切換訊號產生第一開關訊號和第二開關訊號。比較器電性連接於電流鏡電路的第一節點和第二節點，其用以比較第一節點的電壓與第二節點的電壓，且據以產生比較結果。邏輯電路電性連接於開關訊號產生電路和比較器，其用以根據比較結果、第一開關訊號和第二開關訊號產生單脈衝訊號。

依據本發明之又一實施例，上述控制電路包含第一電晶體、第二電晶體、第一反相器、第三電晶體、第四電晶體和第二反相器。第一電晶體具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於帶差參考電路，其汲極電性連接於電容，且其閘極電性連接於單脈衝訊號產生電路。第二電晶體具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於帶差參考電路且，其汲極電性連接於電容。第一反相器具有輸入端和輸出端，其輸入端電性連接於第一電晶體的閘極，且其輸出端電性連接於第二電晶體的閘極。第三電晶體具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於感測介面電路，其汲極電性連接於電容，且其閘極電性連接於單脈衝訊號產生電路。第四電晶體具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於感測介面電路，且其汲極電性連接於電容。第二反相器具有輸入端和輸出端，其輸入端電性連接於第三電晶體的閘極，且其輸出端電性連接於第四電晶體的閘極。

依據本發明之又一實施例，上述第一電晶體為P型金屬氧化半導體場效應電晶體(p-type metal oxide semiconductor field effect transistor；pMOSFET)，且上第二電晶體為N型金屬氧化半導體場效應電晶體(n-type metal oxide semiconductor field effect transistor；nMOSFET)。

依據本發明之又一實施例，上述第三電晶體為P型金屬氧化半導體場效應電晶體，且上述第四電晶體為N型金屬氧化半導體場效應電晶體。

依據本發明之又一實施例，上述單脈衝訊號產生電路所產生的單脈衝訊號於高準位的持續時間係實質上與電容的放電時間相同。

依據本發明之又一實施例，上述放電電路係用以調整電容的放電時間。

依據本發明之又一實施例，上述補償電路係用以調整電容的充電電量。

依據本發明之又一實施例，上述感測介面電路包含離子選擇場效應電晶體(ion selective field effect transistor；ISFET)，用以取得檢體的資訊。

依據本發明之又一實施例，上述感測介面電路包含酵素場效應電晶體(enzyme field effect transistor；EnFET)，用以取得檢體的資訊。

100、400‧‧‧感測器讀取電路

110、410‧‧‧感測介面電路

120、420‧‧‧帶差參考電路

130、430‧‧‧電流鏡電路

140、440‧‧‧補償電路

150、450‧‧‧單脈衝訊號產生電路

152、452‧‧‧開關訊號產生電路

154、454‧‧‧邏輯電路

160、460‧‧‧控制電路

170、470‧‧‧放電電路

C‧‧‧電容

COMP‧‧‧比較結果

CP‧‧‧比較器

GN‧‧‧單脈衝訊號

GND‧‧‧接地端

I_D ‧‧‧放電電流

I_OFFSET ‧‧‧補償電流

I_REF ‧‧‧參考電流

I_SEN ‧‧‧感測電流

INV1、INV2‧‧‧反相器

MS1、MS2‧‧‧開關訊號

P1、P2‧‧‧節點

R1、R2、R3‧‧‧電阻

RST‧‧‧重置訊號

V_B 、V_OFFSET ‧‧‧輸入電壓

V_C ‧‧‧電壓

V_REF ‧‧‧參考電壓

VDD‧‧‧電壓端

T1、T2、T3、T4‧‧‧電晶體

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依據本發明實施例感測器讀取電路之示意圖。

第2圖係繪示第1圖感測器讀取電路中各訊號之時序圖。

第3圖係繪示依據本發明實施例感測電壓與單脈衝訊號高準位持續時間的關係之示意圖。

第4圖係繪示依據本發明又一實施例感測器讀取電路之示意圖。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

本發明的感測器讀取電路係用以感測檢體的資訊，且將此資訊轉換為單脈衝(single-pulse)訊號，使得使用者可根據產生的單脈衝訊號來推算檢體的資訊。所感測的檢體可以是例如溶液等，且檢體的資訊可以是例如在溶液中含某溶質的濃度等。

請參照第1圖，第1圖係繪示依據本發明實施例感測器讀取電路100之示意圖。在第1圖中，感測器讀取電路100包含感測介面電路110、帶差參考電路120、電流鏡電路130、補償電路140、電容C、單脈衝訊號產生電路150、控制電路160和放電電路170。感測介面電路110用以根據檢體的資訊產生感測電壓V_SEN 和感測電流I_SEN ，其中感測電壓V_SEN 為感測電流I_SEN 與電阻R1的電阻值之乘積。感測介面電路110包含用於感測檢體的感測元件(圖未繪示)。本發明實施例所使用的感測元件可以是離子選擇場效應電晶體(ion selectivefield effect transistor；ISFET)、酵素場效應電晶體(enzyme field effect transistor；EnFET)或其它類似元件。

帶差參考電路120用以產生參考電壓V_REF 和參考電流I_REF 。帶差參考電路120係利用半導體元件的正溫度 係數和負溫度係數相互抵銷的特性，使得其所產生的參考電流I_REF 和參考電壓V_REF 可維持在穩定狀態，避免因溫度的變異而產生偏移。

電流鏡電路130電性連接於帶差參考電路120，其用以鏡像參考電壓V_REF 至電容C的一端，且根據其電晶體的尺寸比例關係來調整參考電流I_REF 。

補償電路140電性連接於感測介面電路110和帶差參考電路120，其用以補償由感測介面電路110所產生的感測電流I_SEN 。具體而言，對應於檢體資訊為零物理量(例如溶質的濃度為0)的感測電壓V_SEN 具有非零的值，使得對應的感測電流I_SEN 具有偏位(offset)。補償電路140依據輸入電壓V_OFFSET 與電阻R2的電阻值產生對應感測電流I_SEN 的偏位部份的補償電流I_OFFSET ，以用於將感測電流I_SEN 的偏位部份引入，然後將感測電流I_SEN 的偏位部份引導至接地端GND。

電容C電性連接於電流鏡電路130與接地端GND之間。在帶差參考電路120被致能後，電容C開始進行充電，直到其和電流鏡電路130之間的電壓V_C 上升到與參考電壓V_REF 相同。

單脈衝訊號產生電路150電性連接於電流鏡電路130，其用以根據電容C的充放電狀態產生單脈衝訊號GN。如第1圖所示，單脈衝訊號產生電路150包含開關訊號產生電路152、比較器CP和邏輯電路154。在本實施例中，開關訊號產生電路152由邏輯閘和正反器(flip-flop) 所組成，其用以根據重置訊號RST和切換訊號SW產生開關訊號MS1和MS2。比較器CP電性連接於電流鏡電路130的節點P1和P2，其用以比較節點P1和P2的電壓，且據以產生比較結果COMP。邏輯電路154電性連接於開關訊號產生電路152和比較器CP，其用以根據比較結果COMP和開關訊號MS1和MS2產生單脈衝訊號GN。

須注意的是，第1圖所繪示之開關訊號產生電路152和邏輯電路154的元件組成係為示範實施例，但本發明並不以此為限。舉例而言，邏輯電路154中的反相器(inverter)和與閘(AND gate)可替換為由反或閘(NOR gate)或反及閘(NAND gate)所組成，且上述替換方法係本領域中具通常知識者所熟知。因此，依本發明之開關訊號產生電路152和邏輯電路154所衍生的變化實施例，均應為本發明所涵蓋。

控制電路160電性連接於帶差參考電路120、感測介面電路110和電容C，其用以根據參考電流I_REF 和感測電流I_SEN 來切換電容C的充放電狀態。如第1圖所示，控制電路160具有電晶體T1~T4和反相器INV1和INV2。電晶體T1具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於帶差參考電路120，其汲極電性連接於電容C，且其閘極電性連接於單脈衝訊號產生電路150，用以輸入開關訊號MS1。電晶體T2具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於帶差參考電路120，且其汲極電性連接於電容C。反相器INV1具有輸入端和輸出端，其輸入端電性連接於電晶體T1的閘 極，且其輸出端電性連接於電晶體T2的閘極。電晶體T3具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於感測介面電路110，其汲極電性連接於電容C，且其閘極電性連接於單脈衝訊號產生電路150，用以輸入開關訊號MS2。電晶體T4具有源極、汲極和閘極，其源極電性連接於感測介面電路110，且其汲極電性連接於電容C。反相器INV2具有輸入端和輸出端，其輸入端電性連接於電晶體T3的閘極，且其輸出端電性連接於電晶體T4的閘極。在本發明實施例中，電晶體T1和T3為P型金屬氧化半導體場效應電晶體(p-type metal oxide semiconductor field effect transistor；pMOSFET)，且電晶體T2和T4為N型金屬氧化半導體場效應電晶體(n-type metal oxide semiconductor field effect transistor；nMOSFET)。

放電電路170電性連接於帶差參考電路120、單脈衝訊號產生電路150、控制電路160、電流鏡電路130和電容C，其用以根據單脈衝訊號GN對電容C進行放電。在第1圖中，放電電路170所產生的放電電流I_D 係對應於帶差參考電路120的參考電流I_REF 。

在本發明實施例中，帶差參考電路120所產生的參考電壓為1.3伏特(V)，重置訊號RST的頻率設定為500赫茲(Hz)，且切換訊號SW設定為2千赫茲。請參照第2圖，第2圖係繪示第1圖的感測器讀取電路100中切換訊號SW、重置訊號RST、開關訊號MS1和MS2、電壓V_C 和單脈衝訊號GN之時序圖。由第2圖可知，感測器讀取 電路100由電壓端VDD致能後，電容C的電壓V_C 被充電至與帶差參考電路120所產生的參考電壓V_REF 一致。

在重置訊號RST切換為高準位的期間，當切換訊號SW第一次由低準位切換為高準位時，開關訊號MS1和MS2分別切換為高準位和低準位，以切換電容C為充電狀態。在電容C切換為充電狀態的期間，電壓V_C 的準位持續升高，直到開關訊號MS2切換為高準位為止。電容C在充電狀態的持續時間與切換訊號SW切換為高準位的持續時間一致，而補償電路140所產生的補償電流I_OFFSET 影響電容C在充電狀態的充電電量。

接著，當切換訊號SW由高準位切換為低準位時，開關訊號MS2切換為高準位，以切換電容C為放電狀態，同時單脈衝訊號GN切換為高準位。在電容C為放電狀態時，電壓V_C 的準位持續降低至與參考電壓V_REF 一致。

當電壓V_C 的準位降低至與參考電壓V_REF 一致時，電容C結束放電狀態，且電壓V_C 的準位維持與參考電壓V_REF 相等，同時比較結果COMP切換為低準位，使單脈衝訊號GN切換為低準位。因此，電容C在充電狀態的持續時間與單脈衝訊號GN切換為高準位的持續時間一致。此外，放電電路170的放電電流I_D 影響電容C在放電狀態的持續時間。

由第2圖可知，在重置訊號RST的一個週期內，單脈衝訊號GN由低準位切換為高準位和由高準位切換為低準位僅各自進行一次，也就是說單脈衝訊號GN僅出現 一次脈衝波形。若要使單脈衝訊號GN再產生脈衝波形，則需等待重置訊號RST進入下一週期，由低準位切換至高準位後，藉由電容C的充放電狀態改變而產生。由於檢體的資訊可能隨時間而產生變異，單脈衝訊號GN在重置訊號RST的每個週期中所產生脈衝波形的高準位持續時間也會有變異。

請參照第3圖，第3圖係繪示本發明實施例感測電壓V_SEN 與單脈衝訊號GN的高準位持續時間的關係之示意圖。如第3圖所示，對應於檢體資訊為零物理量的感測電壓V_SEN 為0.6伏特，因此當感測電壓小於0.6伏特時，單脈衝訊號GN的高準位持續時間為0。相對地，當感測電壓大於0.6伏特時，單脈衝訊號GN的高準位持續時間隨著感測電壓V_SEN 上升而增加，且單脈衝訊號GN的高準位持續時間與感測電壓V_SEN 大致呈現線性關係。由上述可知，使用本發明感測器讀取電路100得到單脈衝訊號GN的高準位持續時間後，可根據第3圖所繪示的關係圖將此高準位持續時間轉換為感測電壓V_SEN ，並可據以正確推算檢體的資訊。

請參照第4圖，第4圖係繪示依據本發明又一實施例感測器讀取電路400之示意圖。在第4圖中，感測器讀取電路400包含感測介面電路410、帶差參考電路420、電流鏡電路430、補償電路440、電容C、單脈衝訊號產生電路450、控制電路460和放電電路470。其中，感測介面電路410、電流鏡電路430、補償電路440、電容C、單脈衝 訊號產生電路450和控制電路460分別與感測器讀取電路100的感測介面電路110、電流鏡電路130、補償電路140、電容C、單脈衝訊號產生電路150和控制電路160相同，故在此不贅述。感測器讀取電路400和100的差別在於，放電電路470的放電電流I_D 為獨立產生且非對應於帶差參考電路420的參考電流I_REF 。

如第4圖所示，放電電路470電性連接於單脈衝訊號產生電路450、控制電路460、電流鏡電路430和電容C，其用以根據單脈衝訊號GN對電容C進行放電。放電電路470依據輸入電壓V_B 與電阻R3的電阻值之產生放電電流I_OFFSET 。放電電流I_OFFSET 的大小可藉由改變輸入電壓V_B 的電位來調整，以控制電容C在放電狀態的放電速率，進而控制單脈衝訊號GN在高準位的持續時間。

綜上所述，本發明的感測器讀取電路可將感測到的檢體資訊轉換為單脈衝訊號，且單脈衝訊號於高準位的持續時間與檢體的資訊具線性關係，使得使用者可根據產生的單脈衝訊號來準確推算檢體的資訊。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧感測器讀取電路

110‧‧‧感測介面電路

120‧‧‧帶差參考電路

130‧‧‧電流鏡電路

140‧‧‧補償電路

150‧‧‧單脈衝訊號產生電路

152‧‧‧開關訊號產生電路

154‧‧‧邏輯電路

160‧‧‧控制電路

170‧‧‧放電電路

C‧‧‧電容

COMP‧‧‧比較結果

CP‧‧‧比較器

GN‧‧‧單脈衝訊號

GND‧‧‧接地端

I_D ‧‧‧放電電流

I_OFFSET ‧‧‧補償電流

I_REF ‧‧‧參考電流

I_SEN ‧‧‧感測電流

INV1、INV2‧‧‧反相器

MS1、MS2‧‧‧開關訊號

P1、P2‧‧‧節點

R1、R2‧‧‧電阻

RST‧‧‧重置訊號

V_OFFSET ‧‧‧輸入電壓

V_C ‧‧‧電壓

V_REF ‧‧‧參考電壓

VDD‧‧‧電壓端

T1、T2、T3、T4‧‧‧電晶體

Claims (10)

1. 一種感測器讀取電路，用以感測一檢體之資訊，且將該資訊轉換為一單脈衝(single-pulse)訊號，該感測器讀取電路包含：一感測介面電路，用以感測該資訊，且據以產生一感測電流；一帶差參考電路，用以產生一參考電壓和一參考電流；一電流鏡電路，電性連接於該帶差參考電路，該電流鏡電路用以鏡像該參考電壓及調整該參考電流；一補償電路，電性連接於該感測介面電路和該帶差參考電路，該補償電路用以補償該感測電流；一電容，電性連接於該電流鏡電路與一接地端之間；一單脈衝訊號產生電路，電性連接於該電流鏡電路，該單脈衝訊號產生電路用以根據該電容之充放電狀態產生該單脈衝訊號；一控制電路，電性連接於該帶差參考電路、該感測介面電路和該電容，該控制電路用以根據該參考電流和該感測電流切換該電容之充放電狀態；以及一放電電路，電性連接於該單脈衝訊號產生電路、該控制電路、該電流鏡電路和該電容，該放電電路用以根據該單脈衝訊號對該電容進行放電。
2. 如請求項1所述之感測器讀取電路，其中該單脈衝訊號產生電路包含：一開關訊號產生電路，用以根據一重置訊號和一切換訊號產生一第一開關訊號和一第二開關訊號； 一比較器，電性連接於該電流鏡電路之一第一節點和一第二節點，該比較器用以比較該第一節點之電壓與該第二節點之電壓，且據以產生一比較結果；以及一邏輯電路，電性連接於該開關訊號產生電路和該比較器，該邏輯電路用以根據該比較結果、該第一開關訊號和該第二開關訊號產生該單脈衝訊號。
3. 如請求項1所述之感測器讀取電路，其中該控制電路包含：一第一電晶體，具有一源極、一汲極及一閘極，該第一電晶體之該源極電性連接於該帶差參考電路，該第一電晶體之該汲極電性連接於該電容，且該第一電晶體之該閘極電性連接於該單脈衝訊號產生電路；一第二電晶體，具有一源極、一汲極及一閘極，該第二電晶體之該源極電性連接於該帶差參考電路，且該第二電晶體之該汲極電性連接於該電容；一第一反相器，具有一輸入端及一輸出端，該第一反相器之該輸入端電性連接於該第一電晶體之該閘極，且該第一反相器之該輸出端電性連接於該第二電晶體之該閘極；一第三電晶體，具有一源極、一汲極及一閘極，該第三電晶體之該源極電性連接於該感測介面電路，該第三電晶體之該汲極電性連接於該電容，且該第三電晶體之該閘極電性連接於該單脈衝訊號產生電路；一第四電晶體，具有一源極、一汲極及一閘極，該第四電晶體之該源極電性連接於該感測介面電路，且該第四電晶體之該汲極電性連接於該電容；以及 一第二反相器，具有一輸入端及一輸出端，該第二反相器之該輸入端電性連接於該第三電晶體之該閘極，且該第二反相器之該輸出端電性連接於該第四電晶體之該閘極。
4. 如請求項3所述之感測器讀取電路，其中該第一電晶體係一P型金屬氧化半導體場效應電晶體(p-type metal oxide semiconductor field effect transistor；pMOSFET)，且該第二電晶體係一N型金屬氧化半導體場效應電晶體(n-type metal oxide semiconductor field effect transistor；nMOSFET)。
5. 如請求項3所述之感測器讀取電路，其中該第三電晶體係一P型金屬氧化半導體場效應電晶體，且該第四電晶體係一N型金屬氧化半導體場效應電晶體。
6. 如請求項1所述之感測器讀取電路，其中該單脈衝訊號產生電路所產生之該單脈衝訊號於高準位之一持續時間係實質上與該電容之一放電時間相同。
7. 如請求項1所述之感測器讀取電路，其中該放電電路係用以調整該電容之一放電時間。
8. 如請求項1所述之感測器讀取電路，其中該補償電路係用以調整該電容之一充電電量。
9. 如請求項1所述之感測器讀取電路，其中該感測介 面電路包含一離子選擇場效應電晶體(ion selective field effect transistor；ISFET)，用以取得該檢體之資訊。
10. 如請求項1所述之感測器讀取電路，其中該感測介面電路包含一酵素場效應電晶體(enzyme field effect transistor；EnFET)，用以取得該檢體之資訊。