TWI513979B - 生物感測器校準裝置及其方法 - Google Patents

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TWI513979B
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Description

生物感測器校準裝置及其方法
本揭露係有關於一種用於自動校準之生物感測器裝置及其方法。
由於各種電子元件(例如，電晶體、二極管、電阻器、電容器等)在集成密度上的改善，半導體產業經歷了快速地成長。在大多數情況下，這種在集成密度上的改善來自於縮小的半導體製程(例如，半導體製程已縮小至20奈米製程)。另一經歷快速成長的半導體產業則是微機電(microelectromechanical systems；MEMS)產業。MEMS裝置存在於多種應用，範圍包括汽車電子到智能手機，甚至到生物醫學裝置。
生物醫學微機電(BioMEMS)裝置執行多種功能。pH數值感測器就是其中一種BioMEMS裝置，pH數值感測器藉由電性連接溶液來決定該溶液的pH數值。pH數值感測器可被應用在疾病檢測、器官組織監測、水體污染的識別或是其他各種實際應用上。
本揭露之一實施例提出一種生物感測器校準裝置。上述生物感測器校準裝置包括一生物感測器陣列之一第一生物感測器、該生物感測器陣列之一第二生物感測器、電性連接 至該生物感測器陣列之一讀取電路、電性連接至該生物感測器陣列之一解碼器、電性連接至該生物感測器陣列之一電壓產生器、以及電性連接至該電壓產生器以及該讀取電路之一決策系統。
本揭露之一實施例提出一種生物感測器校準。上述生物感測器校準方法包括：(a)藉由一生物感測器陣列之一第一生物感測器產生一第一電流；(b)感測上述第一電流以產生一第一電壓；(c)對上述第一電壓取樣產生一第一取樣電壓；(d)將上述第一取樣電壓轉換為一第一數位訊號；(e)藉由上述生物感測器陣列之一第二生物感測器產生一第二電流；(f)感測上述第二電流以產生一第二電壓；(g)對上述第二電壓取樣產生一第二取樣電壓；(h)將上述第二取樣電壓轉換為一第二數位訊號；(i)基於上述第一數位訊號與上述第二數位訊號產生至少一調整值；以及(j)基於上述至少一調整值偏壓上述生物感測器陣列之至少一生物感測器。
10‧‧‧半導體裝置
11、12、13‧‧‧電池
100‧‧‧基板
110‧‧‧閘極結構
120‧‧‧主動區域
130‧‧‧汲極區域
140‧‧‧源極區域
150‧‧‧介面層
160‧‧‧隔離層
170‧‧‧參考電極
180‧‧‧開口
111、131、141‧‧‧節點
10-1、10-2、...、10-16‧‧‧生物感測器
20‧‧‧陣列
200‧‧‧XY解碼器
210‧‧‧行驅動器
220‧‧‧列驅動器(第2圖)
220‧‧‧電壓產生器(第3圖)
30、40‧‧‧校準裝置
300‧‧‧感測器讀取電路
310‧‧‧決策系統
320‧‧‧解碼器
VBG ‧‧‧背閘極電壓
pH‧‧‧酸鹼值
V‧‧‧電壓訊號
I‧‧‧電流訊號
400‧‧‧取樣電路
410‧‧‧比較單元
420‧‧‧校準因子產生器
430‧‧‧儲存器
440‧‧‧控制電壓合成器
Bi‧‧‧二進位訊號
V△i ‧‧‧調整電壓
△i‧‧‧調整值
VBGi ‧‧‧背閘極偏移電壓
為能更完整地理解本揭露實施例及其優點，現在參考與附圖一起進行的以下描述作出，其中：第1圖顯示依據本揭露實施例提出之一半導體裝置之一示意圖。
第2圖顯示依據本揭露實施例提出之一電路圖，其中該電路圖包括至少兩個生物感測器的一陣列。
第3圖顯示依據本揭露實施例提出之一可自動校準之裝置 的電路圖。
第4圖顯示依據本揭露實施例提出之一可自動校準之裝置的詳細電路圖。
第5圖顯示依據本揭露實施例提出已儲存有二進位訊號之複數生物感測器陣列之電路圖。
第6圖顯示由校準係數產生器產生之複數調整值之一示意圖。
第7圖顯示依據本揭露實施例提出之一示意圖，上述示意圖舉例說明以一生物感測器作為參考來校準生物感測器陣列。
第8圖係依據本揭露實施例提出之一方法的流程圖。
以下關於本實施例的制定和使用進行了詳細的討論。然而，應當理解的是本揭露提供了許多在各種具體情況下可實現和適用的發明構思。以下所討論的具體實施例僅僅是用來製造和使用本揭露的主題內容的說明性的具體方法，但並不僅限於以下不同實施例的範圍內。
以下實施例將對應至具體情況，亦即對用於生物感測器及其相關方法的校準電路進行說明。然而，其他實施例也可以應用於其它類型的校準電路和/或感測器的電路。
在以下各圖式及其討論中，相同的參考數字指代相同的對象或元件。另外，為了簡易說明和便於討論，個別的元件可透過一些圖式描述出來。本領域的習知技術人員將很容易理解這樣的討論和描述可以適用於結構內的許多元件。
以下本揭露介紹了一個新穎的校準電路及其方法。該校準電路使用一決策單元以校準具有相似感應特性之一生物感測器陣列。
現在參照第1圖，第1圖舉例說明了一半導體裝置10。在一些實施例中，半導體裝置10是一BioFET裝置(生物感應場效電晶體：biologically sensitive field-effect transistor，或生物機能場效電晶體：bio-organic field-effect transistor)。半導體裝置10包括一形成在基板100上的閘極結構110。基板100還包括一源極區域140、一汲極區域130和一安插在源極區域140和汲極區域130之間的主動區域120(例如，包括一通道區域)。閘極結構110、源極區域140、汲極區域130和主動區域120可以透過合適的CMOS製程技術來形成。閘極結構110、源極區域140、汲極區域130和主動區域120形成了一個場效電晶體。一隔離層160被設置在基板100的相對側，相對於上述閘極結構110(即該基板的背側)。
隔離層160提供了一開口180。開口180基本上對齊於閘極結構110。一介面層150(或“感測薄膜150”)被設置在主動區域120表面上的開口180。介面層150可被操作用以提供一介面，該介面用於定位一或多個用於檢測生物分子或生物實體的受體。
上述半導體裝置10包括複數電子接觸，分別電性連接至上述源極區域140(節點141)、汲極區域130(節點131)、閘極結構110(節點111)、和/或主動區域120、接口層150或參考電極170。參考電極170提供導通該半導體裝置10之前閘極 所需的偏壓。
因此，當傳統FET(場效電晶體)利用一閘極接觸以控制源極和汲極之間半導體(例如，通道)的導通，半導體裝置10讓受體形成在FET裝置的另一側來控制該導通。而閘極結構110(例如，多晶矽)提供了一種背閘極(例如，在一個傳統FET中的源極基板或主體節點)。閘極結構110提供了一種背閘極，該背閘極用以控制通道的電子分佈以避免基體效應(bulk substrate effect)。因此，若受體附著到開口180中介面層150的一分子，就會改變在主動區域120中場效電晶體的通道電阻值。因此，半導體裝置10可被用來檢測在開口180或周遭環境之中一個或多個特定的生物分子或生物實體。
半導體裝置10可以包括額外的被動元件(像是電阻器、電容器、電感器和/或熔絲)、其他主動元件(包括P-通道場效電晶體(PFET)、N-通道場效電晶體(NFET)、金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體、高電壓電晶體和/或高頻率電晶體)以及其它合適元件及其組合。更進一步可以理解的是，可以在半導體裝置10中添加額外的特徵，且可以替換或消除以下半導體裝置10的額外實施例中所描述的一些特徵。
第1圖顯示了偏壓電壓源11、12和13。偏壓電壓源11建立從源極區域140到參考電極170的一前閘極電壓VFG 。偏壓電壓源12建立從源極區域140到閘極結構110的一背閘極電壓VBG 。偏壓電壓源13建立了從汲極區域130到源極區域140的一汲極-源極電壓VDS 。
第2圖顯示依據本揭露實施例提出之一陣列20的方塊圖，其中該陣列20包括本質上與生物感測器10相同的至少兩個生物感測器10-1、10-2、...、10-16。在一些實施例中，生物感測器10-1、10-2、...、10-16被佈置成一矩陣。例如，在第2圖所示的陣列20就是一個4×4矩陣。在一些實施例中，該陣列具有更多或少於第2圖所示16個生物感測器10-1、10-2、...、10-16。
一XY解碼器200將一輸入位址轉換成一行訊號和一列訊號。藉由電性連接到陣列20中每一行的行驅動器220接收該行訊號。藉由電性連接到陣列20中每一列的列驅動器210接收該列訊號。在一些實施例中，行驅動器220產生背閘極電壓VBG ，而列驅動器210產生汲極-源極電壓VDS 。
在大多數應用中，需要陣列20中的所有生物感測器10-1、10-2、...、10-16能夠產生用以表現任何特定pH數值之一相似輸出電流。例如，陣列20中的所有生物感測器10-1、10-2、...、10-16應該輸出對應一第一pH數值之一第一電流以及對應一第二pH數值之一第二電流。自校準是一種使生物感測器10-1、10-2、...、10-16輸出均勻電流的方法。在使用陣列20於實際應用之前，陣列20的生物感測器10-1、10-2、...、10-16會被校準好(例如，通過調整施加到生物感測器10-1、10-2、...、10-16中個別的背閘極電壓VBG )。改變施加的背閘極電壓VBG 會影響生物感測器10-1、10-2、...、10-16的靈敏度。
第3圖顯示依據本揭露實施例提出之一可自動校準之校準裝置30的電路圖。校準裝置30包括了第2圖的陣列20。 感測器讀取電路300感測陣列20的複數感測器的複數輸出訊號(例如，汲極電流)，複數輸出訊號係被產生以對應溶液的pH數值。在一些實施例中，感測器讀取電路300循序地感測上述輸出訊號。在一些實施例中，感測器讀取電路300同時感測上述輸出訊號。感測器讀取電路300根據上述輸出訊號產生一讀取訊號(例如，電壓訊號V或電流訊號I)。在一些實施例中，上述讀取訊號是上述輸出訊號中個別輸出訊號的放大版本。
一決策系統310從感測器讀取電路300接收上述讀取訊號。決策系統310透過一時脈訊號與XY解碼器200進行同步。例如，在同一個時脈週期，生物感測器10-1同時被XY解碼器200選擇以及被感測器讀取電路300讀取。在一些實施例中，決策系統310接收陣列20中一第一生物感測器對應到之一第一輸出訊號，儲存上述第一輸出訊號，並隨後接收陣列20中一第二生物感測器對應到之一第二輸出訊號。決策系統310對上述第一與第二輸出訊號進行比較，並產生一具有與振幅差值成比例(例如，等比例)的差值訊號，其中上述幅值差值為上述第一與第二輸出訊號之間的差值。舉例來說，如果上述第二輸出訊號大於上述第一輸出訊號時，上述差值訊號可具有一負值。如果上述第二輸出訊號小於上述第一輸出訊號，上述差值訊號可具有一正值。
在一些實施例中，行驅動器220(或“電壓產生器220”)基於上述差值訊號進行調整。在一些實施例中，行驅動器220輸出一基準(或預設)背閘極電壓VBG-ORG ，其中基準背閘極電壓VBG-ORG 是被個別(陣列20中每個感測器10)修正自決 策系統310輸出的差值訊號。在一些實施例中，基準背閘極電壓VBG-ORG 是一預設的電壓(預先由，例如設計者、系統整合者、終端用戶等等，進行設定)。在一些實施例中，基準背閘極電壓VBG-ORG 是對應至具有最高靈敏度之生物感測器10之一最低的基準背閘極電壓VBG-MIN 。在一些實施例中，基準背閘極電壓VBG-ORG 是對應至陣列20所有生物感測器10-1、10-2、...、10-16靈敏度平均值之一平均基準背閘極電壓VBG-AVG 。
第4圖顯示依據本揭露實施例提出之一可自動校準之校準裝置40的電路圖。校準裝置40與校準裝置30在代表相同的元件上有著相同的參考標號。在一些實施例中，決策系統310包括一取樣電路400、一比較單元410和一校準係數產生器420。在一些實施例中，裝置40還包括一儲存器430和一控制電壓合成器440。
取樣電路400包括至少一取樣單元。在與時脈訊號同步下，取樣電路400對感測器讀取電路300的輸出進行取樣。在一些實施例中，取樣電路400包括至少一取樣和保持電路。在一些實施例中，在時脈訊號的高相位期間，感測器讀取電路300的輸出對取樣電路400的電荷儲存元件進行充電，使取樣電路400的電荷儲存元件得到一儲存值。在時脈訊號的低相位期間，上述電荷儲存元件則獨立於感測器讀取電路300。在一些實施例中，取樣電路400在第一高相位期間儲存感測器讀取電路300輸出的一第一電壓，接著在接續第一高相位後之第二高相位期間取樣電路400儲存感測器讀取電路300輸出的一第二電壓。上述第一電壓可以對應於陣列20中的第一生物感測器 10-1，而上述第二電壓可以對應於陣列20中的第二感測器10-2(如第5圖所示)。
比較單元410接收取樣電路400中的儲存值，並將上述儲存值轉換為一數位訊號。在一些實施例中，比較單元410根據一固定的參考值輸出一二進位訊號。例如，如果裝置40操作在一5伏特的供應電壓，一5伏特的儲存值就會被轉換為一具有二進位數值“111”的數位訊號，而一2.5伏特的儲存值可對應至二進位數值“100”以及一0伏特的儲存值可以對應至二進位數值“000”。在一些實施例中，比較單元410包括至少一類比數位轉換器(ADC)。在一些實施例中，類比數位轉換器是一低於6位元分辨率的簡易類比數位轉換器。在一些實施例中，類比數位轉換器的分辨率低於3位元。比較單元410輸出的二進位訊號Bi對應至生物感測器10被感測到的輸出。例如，一二進位訊號B1為生物感測器10-1之輸出電流之一數字表示，其中該數字表示對應至生物感測器10-1之開口180中溶液的pH數值。
在一些實施例中，生物感測器10-1、10-2、...、10-16的其中一者被用來產生與其他生物感測器10-1、10-2、...、10-16進行比較之一參考值。例如，生物感測器10-1被用來作為產生二進位訊號B2-B16的參考。在另一個實例中，生物感測器10-7被用來作為產生二進位訊號B1-B6及B8-B16的參考。比較單元410會在第一時脈週期儲存對應生物感測器10-1(例如)之一參考電壓。然後，將二進位訊號B2-B16是產生自每一相應生物感測器10-1、10-2、...、10-16的輸出電流是否大於或小於第一生物感測器10-1的輸出電流。
如第5圖所示，取樣電路400在讀取陣列20中的所有生物感測器10-1、10-2、...、10-16之後，比較單元410產生並儲存二進位訊號B1-B16。在第5圖中所示二進位訊號B1-B16的數值可表示為十進位數值，其中上述十進位數值對應至比較單元410輸出的3位元二進位數值。為了說明的目的，在第5圖中所示的陣列20具有一數值約為3.6的統計平均值、一數值為4的統計中位數值以及數值為4和5的統計眾數值。在一些實施例中，自動校準包括全域校準(陣列級)、局部校準(生物感測器級)及其組合。作為全域校準的一個例子，在一些實施例中，統計平均值(如第5圖所示的3.6)被用於選擇一施加到所有的生物感測器10-1、10-2、...、10-16的全域背閘極電壓VBG 。
在一些實施例中，執行局部校準可調整施加到每一生物感測器10-1、10-2、...、10-16的背閘極電壓VBG 。在一些實施例中，上述眾數值被作為調整陣列20中的生物感測器10-1、10-2、...、10-16的一個參考。在一些實施例中，上述中位數值被作為調整生物感測器10-1、10-2、...、10-16的一個參考。
第6圖顯示由校準係數產生器420產生之複數調整值△1-△16之一示意圖，其中上述校準係數產生器420係基於第5圖生物感測器10-1、10-2、...、10-16之一眾數(例如，數值5)產生複數調整值△1-△16。當有複數眾數的情形發生時，可選擇數值大小為一最大、最小、中間或其中之一眾數。在一些實施例中，校準係數產生器420包括一數位加法器和一數位減法器等等。在一些實施例中，複數調整值△1-△16為複數數位訊號。 例如，對應至生物感測器10-1的調整值△1等於所選擇的眾數與二進位訊號B1之間的差值(5-6=-1)。對應至生物感測器10-3的調整值△3等於+3(5-2=3)。在一些實施例中，可用中位數值和複數二進位訊號B1-B16之間的差值來產生相應的複數調整值△1-△16。
第7圖顯示依據本揭露實施例提出之一示意圖，上述示意圖舉例說明以生物感測器10-1作為參考來校準陣列20。在一些實施例中，生物感測器10-1(或生物感測器10-1、10-2、...、10-16中的其中一者)被選擇作為校準陣列20中其餘生物感測器的參考。在一些實施例中，複數二進位訊號B2-B16為1位元的二進位訊號(例如，1或0)，且複數二進位訊號B2-B16基於與上述參考生物感測器(例如，生物感測器10-1)的比較結果指示要向上或向下調整。考慮到以第5圖的結構作為例子，生物感測器10-1是陣列20中靈敏度第二高的生物感測器。因此，當要與上述參考生物感測器(即生物感測器10-1)的輸出電壓進行比較時，只有生物感測器10-8時會產生一對應至向下調整的二進位訊號B8。當要與上述參考生物感測器(即生物感測器10-1)的輸出電壓進行比較時，其他生物感測器10-2、10-3、...10-7、10-9、...、10-16就會產生複數個對應至向上調整的二進位訊號B2-B7和B9-B16。在一些實施例中，在第一次校準時會產生第5圖所示的複數調整值。在一些實施例中，多次校準(基於施加背閘極電壓VBG )使得生物感測器10-1、10-2、...、10-16具有均勻(分辨率為1位元)的輸出響應。在一些實施例中，上述多次校準中的每一次校準會使得背閘極電壓VBG 增加1或 減少1。在一些實施例中，上述多次校準係透過二進位制增加/減少背閘極電壓VBG 。例如，第一次校準包括增加/減少4，第二次校準包括增加/減少2，以及第三次校準包括增加/減少1。
再次參照第4圖，在一些實施例中，複數調整值△1-△16儲存在儲存器430中。在一些實施例中，儲存器430是一唯讀記憶體。在一些實施例中，儲存器430是一次性可編程(one-time programmable,OTP)記憶體，像是一電子熔絲陣列。在一些實施例中，儲存器430是多次可編程(multiple-times programmable,MTP)儲存器，像是嵌入式閃現記憶體等等。
控制電壓合成器440依據儲存在儲存器430中的複數調整值△1-△16產生背閘極偏移電壓VBGi 以施加至生物感測器10-1、10-2、...、10-16。在一些實施例中，控制電壓合成器440包括一數位類比轉換器(DAC)。每一背閘極偏移電壓VBGi 皆等於一預設的背閘極偏壓VBG0 加上相應的調整電壓V△i 。例如，預設的背閘極偏壓VBG0 可以是一第一電壓(例如，-0.4伏特)，而調整電壓V△i 可為範圍從0伏特至約0.8伏特且分辨率為0.1伏特之一電壓。在使用上述參數之後，背閘極偏移電壓VBG1 -VBG16 的電壓範圍大約在-0.4伏特至0.4伏特之間。在一些實施例中，上述第一電壓、分辨率以及調整電壓V△i 的範圍為別的電壓值。例如，第一電壓可以是-0.8伏特，分辨率可以是0.1伏特，而調整電壓V△i 的範圍可以是從0到0.8伏特(例如，對於比較單元410輸出16個四位元之二進位訊號)。
第8圖係依據本揭露實施例提出之一方法80的流 程圖。在一些實施例中，上述方法80是透過校準裝置30或校準裝置40執行。在步驟800中，生物感測器陣列中的第一生物感測器產生一第一電流(例如，一離子感測場效電晶體(ion-sensitive field-effect transistor,ISFET)的汲極電流)。在一些實施例中，上述第一電流係依據偏移電壓(例如，背閘極偏移電壓、前閘極偏移電壓和汲極-源極偏移電壓)而產生。在步驟810中，感測上述第一電流以產生一第一電壓。在一些實施例中，上述感測動作包括將第一電流轉換為第一電壓。在一些實施例中，上述感測動作還包括放大。在步驟820中，對上述第一電壓進行取樣以產生一第一取樣電壓。在一些實施例中，上述取樣動作係由一取樣-保持電路(包括開關和至少一個電荷儲存元件(例如，電容器))執行。在步驟830中，將上述第一取樣電壓轉換成一第一數位訊號(例如，二進位訊號B1)。
在步驟840中，陣列中的一第二生物感測器產生一第二電流。在一些實施例中，上述第二電流是一離子感測場效電晶體的汲極電流。在一些實施例中，上述第二電流係依據偏移電壓(例如，背閘極偏移電壓、前閘極偏移電壓和汲極-源極偏移電壓)而產生。在步驟850中，感測上述第二電流以產生一第二電壓。在一些實施例中，上述感測動作包括將第二電流轉換為第二電壓。在一些實施例中，上述感測動作還包括放大。在步驟860中，對上述第二電壓進行取樣以產生一第二取樣電壓。在一些實施例中，上述步驟860中的取樣動作係由一取樣-保持電路(包括開關和至少一個電荷儲存元件(例如， 電容器))執行。在步驟870中，將上述第二取樣電壓轉換成一第二數位訊號(例如，二進位訊號B1)。
在一些實施例中，在陣列中的其它生物感測器重複執行上述步驟840-870。在一些實施例中，與陣列中生物感測器相關聯的所有數位訊號皆被儲存在儲存器中以用於進一步處理。例如，在步驟880中，基於第一和第二數位訊號產生至少一調整值。在一些實施例中，基於與生物感測器相關聯的所有數位訊號(例如，二進位訊號B1-B16)產生與陣列中生物感測器相關聯的所有調整值。如以上第5-7圖所述，在一些實施例中，上述步驟880的調整動作係使用其中一個生物感測器(例如，生物感測器10-1)作為校準陣列中其它生物感測器(例如，生物感測器10-2、10-3、...、10-16)的一參考。在一些實施例中，上述步驟880的調整動作使用到陣列中所有生物感測器產生上述調整值(例如，使用與二進位訊號B1-B16相關聯的統計平均值、統計中位數或統計眾數)。在一些實施例中，上述調整值儲存在儲存器中(例如，唯讀記憶體、閃現記憶體或非揮發性記憶體等等)。
在步驟890中，依據至少一調整值(例如，調整值△2)偏壓陣列中的至少一生物感測器(例如，第二感測器10-2)。在一些實施例中，上述偏壓動作是由一控制電壓合成器執行，其中上述控制電壓合成器藉由增加數個調整電壓(例如，0.1伏特)以達到與其中之一生物感測器相關聯的調整值之一預設的偏移電壓。在一些實施例中，上述預設的偏移電壓是一背閘極電壓VBG 。在一些實施例中，某些或所有的調整值為零(無 調整)。
本揭露實施例可以實現以下優點。校準裝置30和校準裝置40能夠自動校準以偏壓陣列20中之每一生物感測器，以這樣一種方式使得陣列20中之電流根據溶液pH數值進行均勻分配。生物感測器的分辨率也提高了。實驗數據指出校準裝置30和校準裝置40達成低於0.02pH之分辨率。
根據本揭露實施例所提出之一裝置包括一生物感測器陣列之一第一生物感測器、一生物感測器陣列之一第二生物感測器、電性連接至上述感測器陣列之一讀取電路、電性連接至上述感測器陣列之一解碼器、電性連接至上述感測器陣列之一電壓產生器、以及電性連接至上述讀取電路和上述電壓產生器之一決策系統。
根據本揭露實施例所提出之一種方法包括：(a)藉由一生物感測器陣列之一第一生物感測器產生一第一電流；(b)感測上述第一電流以產生一第一電壓；(c)對上述第一電壓取樣產生一第一取樣電壓；(d)將上述第一取樣電壓轉換為一第一數位訊號；(e)藉由上述生物感測器陣列之一第二生物感測器產生一第二電流；(f)感測上述第二電流以產生一第二電壓；(g)對上述第二電壓取樣產生一第二取樣電壓；(h)將上述第二取樣電壓轉換為一第二數位訊號；(i)基於上述第一數位訊號與上述第二數位訊號產生至少一調整值；以及(j)基於上述至少一調整值偏壓上述生物感測器陣列之至少一生物感測器。
在本揭露中，“或”是指包含性的“或”而非排他性的“或”。此外在本揭露中使用的“一”和“一個”通常被解釋為表示 “一個或多個”，除非另有指定或明確從上下文知道係針對單數形式。而“至少一A和B”通常代表“A或B”或是“A和B兩者”。此外在本揭露或申請專利範圍中，“包含”、“具有”、“帶有”這些術語某種程度上類似術語“包括”。此外在本揭露中使用的“之間”通常為廣泛性的(例如，“A之間和B”包括A和B的內部邊緣)。
雖然本揭露實施例及其優點已經詳細說明如上，應當理解的是可在不脫離本揭露的精神和範圍內改變、替換和更改附加的申請專利範圍。此外，本申請專利範圍並不僅限於說明書中所描述特定實施例的製程、機器、製造、物質組成、手段、方法和步驟。本揭露雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
20‧‧‧陣列
200‧‧‧XY解碼器
220‧‧‧電壓產生器
30‧‧‧校準裝置
300‧‧‧感測器讀取電路
310‧‧‧決策系統
VBG ‧‧‧背閘極電壓
pH‧‧‧酸鹼值
V‧‧‧電壓訊號
I‧‧‧電流訊號

Claims (10)

  1. 一種生物感測器校準裝置，包括：一生物感測器陣列之一第一生物感測器，用以產生一第一電流；該生物感測器陣列之一第二生物感測器，用以產生一第二電流；一讀取電路，電性連接至該生物感測器陣列，用以分別感測該第一和第二電流以產生一第一電壓和一第二電壓；一解碼器，電性連接至該生物感測器陣列；一電壓產生器，電性連接至該生物感測器陣列；以及一決策系統，電性連接至該電壓產生器以及該讀取電路，其中該決策系統分別對該第一和第二電壓取樣產生一第一取樣電壓和一第二取樣電壓；其中該決策系統分別將該第一和第二取樣電壓轉換為一第一數位訊號和一第二數位訊號；其中該決策系統基於該第一數位訊號與該第二數位訊號，產生至少一調整值；以及其中該電壓產生器基於該至少一調整值，偏壓該生物感測器陣列之至少一生物感測器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測器校準裝置，其中該決策系統包括：一取樣電路，電性連接至該讀取電路；一比較單元，電性連接至該取樣電路；一校準因子產生器，電性連接至該比較單元；以及 一非揮發性記憶體，電性連接至該校準因子產生器以及該電壓產生器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測器校準裝置，其中該第一生物感測器係一雙閘極離子感測場效電晶體，且該第二生物感測器係一雙閘極離子感測場效電晶體。
  4. 一種生物感測器校準方法，包括：(a)藉由一生物感測器陣列之一第一生物感測器產生一第一電流；(b)感測該第一電流以產生一第一電壓；(c)對該第一電壓取樣產生一第一取樣電壓；(d)將該第一取樣電壓轉換為一第一數位訊號；(e)藉由該生物感測器陣列之一第二生物感測器產生一第二電流；(f)感測該第二電流以產生一第二電壓；(g)對該第二電壓取樣產生一第二取樣電壓；(h)將該第二取樣電壓轉換為一第二數位訊號；(i)基於該第一數位訊號與該第二數位訊號，產生至少一調整值；以及(j)基於該至少一調整值，偏壓該生物感測器陣列之至少一生物感測器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之生物感測器校準方法，其中：步驟(a)包括藉由一雙閘極離子感測場效電晶體陣列之一第一雙閘極離子感測場效電晶體產生該第一電流；以及步驟(b)包括藉由該雙閘極離子感測場效電晶體陣列之一第 二雙閘極離子感測場效電晶體產生該第二電流。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之生物感測器校準方法，其中：步驟(b)包括放大該第一電流以產生該第一電壓；以及步驟(f)包括放大該第二電流以產生該第二電壓。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之生物感測器校準方法，其中：步驟(d)更包括藉由一類比數位轉換器轉換該第一取樣電壓；以及步驟(h)更包括藉由該類比數位轉換器轉換該第二取樣電壓。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之生物感測器校準方法，其中：步驟(i)更包括基於該第一數位訊號與該第二數位訊號之一統計平均值產生一第一調整值；步驟(j)更包括基於該第一調整值偏壓該第一生物感測器之一背閘極；儲存至少一調整值於一記憶體中；從該記憶體讀取該至少一調整值中之一第一調整值；以及基於該第一調整值產生該第一生物感測器之一背閘極電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之生物感測器校準方法，其中：步驟(i)更包括基於該第一數位訊號與該第二數位訊號之一比較結果產生一第二調整值；以及步驟(j)更包括基於該第二調整值偏壓該第二生物感測器之一背閘極。
  10. 如申請專利範圍第4項所述之生物感測器校準方法，更包 括：澆注一溶液至該第一生物感測器之一第一開口及該第二生物感測器之一第二開口，其中：步驟(a)包括依據該溶液之一酸鹼值產生該第一電流；以及步驟(e)包括依據該溶液之該酸鹼值產生該第二電流。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9835634B2 (en) * 2012-05-17 2017-12-05 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Coupled heterogeneous devices for pH sensing
US9797976B2 (en) 2013-12-11 2017-10-24 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Biosensor calibration system and related method
US10161901B2 (en) * 2015-12-07 2018-12-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Dual gate biologically sensitive field effect transistor
US9546977B1 (en) * 2015-12-28 2017-01-17 International Business Machines Corporation Junction field effect transistor based biosensor
JP6865929B2 (ja) * 2016-03-02 2021-04-28 学校法人早稲田大学 イオンセンサおよびイオン濃度測定方法
WO2021130525A1 (en) * 2019-12-24 2021-07-01 Università Degli Studi Di Bari Aldo Moro Transistor-based biological assay system comprising mating receptacle plate and gate electrode plate
CN115088370A (zh) * 2020-02-14 2022-09-20 Lg 电子株式会社 Nr v2x中操作资源选择和harq操作的方法和装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201339567A (zh) * 2012-02-10 2013-10-01 Senseonics Inc 數位特定應用積體電路感測器平台

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10151020A1 (de) * 2001-10-16 2003-04-30 Infineon Technologies Ag Schaltkreis-Anordnung, Sensor-Array und Biosensor-Array
US7544979B2 (en) * 2004-04-16 2009-06-09 Technion Research & Development Foundation Ltd. Ion concentration transistor and dual-mode sensors
US8536661B1 (en) * 2004-06-25 2013-09-17 University Of Hawaii Biosensor chip sensor protection methods
CN101287986B (zh) * 2005-06-14 2012-01-18 三美电机株式会社 场效应晶体管、具备该场效应晶体管的生物传感器及检测方法
CN102203282B (zh) * 2008-06-25 2014-04-30 生命技术公司 使用大规模fet阵列测量分析物的方法和装置
US20100301398A1 (en) * 2009-05-29 2010-12-02 Ion Torrent Systems Incorporated Methods and apparatus for measuring analytes
US8776573B2 (en) * 2009-05-29 2014-07-15 Life Technologies Corporation Methods and apparatus for measuring analytes
US9970984B2 (en) * 2011-12-01 2018-05-15 Life Technologies Corporation Method and apparatus for identifying defects in a chemical sensor array
US9064965B2 (en) * 2012-02-24 2015-06-23 Rutgers, The State University Of New Jersey Zinc oxide-based thin film transistor biosensors with high sensitivity and selectivity
WO2014060916A1 (en) * 2012-10-16 2014-04-24 Koninklijke Philips N.V. Integrated circuit with sensing transistor array, sensing apparatus and measuring method
US20140295573A1 (en) * 2013-03-26 2014-10-02 National Taiwan University Biosensor with dual gate structure and method for detecting concentration of target protein in a protein solution
US9240238B2 (en) * 2013-09-20 2016-01-19 Sandisk Technologies Inc. Back gate operation with elevated threshold voltage
US9702846B2 (en) * 2013-11-08 2017-07-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biosensor device and related method
US9797976B2 (en) 2013-12-11 2017-10-24 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Biosensor calibration system and related method
US10054974B1 (en) * 2017-04-06 2018-08-21 Globalfoundries Inc. Current mirror devices using cascode with back-gate bias
US10014828B1 (en) * 2017-07-25 2018-07-03 Globalfoundries Inc. Transmitter system and method of calibration

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201339567A (zh) * 2012-02-10 2013-10-01 Senseonics Inc 數位特定應用積體電路感測器平台

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Publication number Publication date
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