離子敏感場效應管傳感器及其讀出電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種離子敏感場效應管傳感器及其讀 出電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著生物醫(yī)學的迅速發(fā)展，具有傳感采集、識別、監(jiān)測和放大等功能的醫(yī)學系統(tǒng)和 芯片被廣泛應用于疾病的前期監(jiān)測、診斷和治療領(lǐng)域，例如，ISFET是一種微電子離子選擇 性敏感器件，具有寬廣的離子測量范圍，它是將金屬氧化物半導體場效應管（Metal-Oxide SemiconductorField-EffectTransistor，M0SFET)和離子傳感器集成在一起而成的。在 DNA測序領(lǐng)域，可以將大量離子敏感場效應管（Ion-SensitiveField-effectTransistor， ISFET)集成于同一芯片組成傳感陣列，以對pH值進行并行地檢測，從而實現(xiàn)快速、低成本 的基因測序。
[0003] ISFET傳感器除了最前端的ISFET進行化學變量和電學變量的轉(zhuǎn)換外，還必須有 相應的讀出電路來獲得變化后的電學變量，所述讀出電路的主要功能為從ISFET中讀取一 個隨離子濃度值呈線性變化的電壓或者電流并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號以便進行后續(xù)處理?？?見，讀出電路直接關(guān)系到ISFET傳感器的工作穩(wěn)定性及性能好壞，在ISFET傳感器的研宄中 具有重要地位。
[0004] ISFET傳感器的讀出電路可通過電壓模式或電流模式來實現(xiàn)，早期的研宄多基于 飽和區(qū)的電壓模式，該模式是將ISFET外接參考電極電壓固定，流過ISFET的直流電流固 定，通過一定的反饋電路使得ISFET的源電壓隨pH值導致的浮柵電壓的變化而變化，從而 達到檢測pH值變化的目的，但由于該模式多工作于飽和區(qū)，所以功耗較大，不適用于ISFET 傳感陣列應用，但其亞閾值電路有待深入研宄。電流模式是固定流過ISFET的直流電流和 ISFET的源/漏電壓，從而ISFET的小信號電流與感應的pH值建立起關(guān)系，該模式由于其低 工作電壓、低功耗和高速等優(yōu)點，近年來研宄較多。
[0005] 然而，無論是電壓模式還是電流模式，由于ISFET本身的浮柵結(jié)構(gòu)，ISFET傳感器 系統(tǒng)的靈敏度受多種非理想因素的影響，包括浮柵電容產(chǎn)生捕獲電荷從而導致的閾值電壓 直流偏差、閾值電壓隨溫度或者時間變化產(chǎn)生的漂移、低頻噪聲、ISFET本身以及電路引入 的溫度系數(shù)等，因此，消除或者盡可能減小以上多種非理想因素對ISFET傳感器系統(tǒng)的影 響，從而設(shè)計出精確的ISFET傳感器系統(tǒng)一個亟待需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種離子敏感場效應管傳感器及其讀出電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單、功 耗很低，并且能有效消除直流/低頻偏差和漂移，從而大大提高讀出電路的精度和靈敏度。
[0007] -方面，本發(fā)明提供一種離子敏感場效應管傳感器的讀出電路，所述讀出電路包 括pH值感應電路，基于M0S晶體管的折疊共源共柵運算放大器電路、電容反饋電路和緩沖 級電路，所述M0S晶體管工作于亞閾值區(qū)，其中，
[0008] 所述pH值感應電路的輸入端與輸入?yún)⒖茧姌O相連，所述pH值感應電路的輸出端 與所述折疊共源共柵運算放大器電路的第一差分輸入端相連；
[0009] 所述折疊共源共柵運算放大器電路的第二差分輸入端與共模輸入電壓相連，所述 折疊共源共柵運算放大器電路的輸出端同時與所述電容反饋電路的輸入端和所述緩沖級 電路的輸入端相連；
[0010] 所述電容反饋電路的輸出端與所述折疊共源共柵運算放大器電路的第一差分輸 入端相連；所述緩沖級電路的輸出端為所述讀出電路的輸出端。
[0011] 優(yōu)選地，所述pH值感應電路包括鈍化電容，其中，所述鈍化電容的正極與所述輸 入?yún)⒖茧姌O相連，所述鈍化電容的負極與所述折疊共源共柵運算放大器電路的第一差分輸 入端相連；
[0012] 所述鈍化電容與所述折疊共源共柵運算放大器電路的第一差分輸入管構(gòu)成離子 敏感場效應管。
[0013] 優(yōu)選地，所述折疊共源共柵運算放大器電路包括由作為所述第一差分輸入管的第 一NMOS晶體管和作為第二差分輸入管的第二NMOS晶體管構(gòu)成的差分輸入級、由第三NMOS 晶體管構(gòu)成的偏置電流源、由第四NMOS晶體管構(gòu)成的陣列行選擇開關(guān)以及共源共柵放大 級，所述共源共柵放大級由第一PMOS晶體管、第二PMOS晶體管、第三PMOS晶體管、第四 PMOS晶體管以及第五NMOS晶體管、第六NMOS晶體管、第七NMOS晶體管和第八NMOS晶體管 構(gòu)成；
[0014] 所述第一NMOS晶體管的柵極與所述pH值感應電路中的鈍化電容的負極相連，所 述第二NMOS晶體管的柵極與所述共模輸入電壓相連；所述第一NMOS晶體管的漏極和所述 第二NMOS晶體管的漏極分別與所述第一PMOS晶體管的漏極和所述第二PMOS晶體管的漏 極相連；所述第一NMOS晶體管的源極與所述第四NMOS晶體管的漏極相連，所述第二NMOS 晶體管的源極與所述第四NMOS晶體管的源極相連，并與所述第三NMOS晶體管的漏極相 連；
[0015] 所述第三NMOS晶體管的柵極與第一偏置電壓相連，所述第三NMOS晶體管的源極 接地；
[0016] 所述第四NMOS晶體管的柵極與陣列行選擇信號相連；
[0017] 所述第一PMOS晶體管的柵極與所述第二PMOS晶體管的柵極相連，并與第二偏置 電壓相連；所述第一PMOS晶體管的源極與所述第二PMOS晶體管的源極相連，并與電源電壓 VDD相連；所述第一PMOS晶體管的漏極和所述第二PMOS晶體管的漏極分別與所述第三PMOS 晶體管的源極和所述第四PMOS晶體管的源極相連；
[0018] 所述第三PMOS晶體管的柵極與所述第四PMOS晶體管的柵極相連，并與第三偏置 電壓相連；所述第三PMOS晶體管的漏極和所述第四PMOS晶體管的漏極分別與所述第五 NMOS晶體管的漏極和所述第六NMOS晶體管的漏極相連；其中，所述第三PMOS晶體管的漏 極作為所述折疊共源共柵運算放大器電路的輸出端與所述電容反饋電路的輸入端相連；
[0019] 所述第五NMOS晶體管的柵極與所述第六NMOS晶體管的柵極相連，并與第四偏置 電壓相連，所述第五NMOS晶體管的源極和所述第六NMOS晶體管的源極分別與所述第七 NMOS晶體管的漏極和所述第八NMOS晶體管的漏極相連；
[0020] 所述第七NMOS晶體管的柵極與所述第八NMOS晶體管的柵極相連，并與所述第四 PMOS晶體管的漏極相連；所述第七NMOS晶體管的源極與所述第八NMOS晶體管的源極相 連，并與地相連。
[0021] 優(yōu)選地，所述電容反饋電路包括開關(guān)和反饋電容，其中，所述開關(guān)的一端與所述反 饋電容的一端相連，并與所述折疊共源共柵運算放大器電路的輸出端相連，所述開關(guān)的另 一端與所述反饋電容的另一端相連，并與所述折疊共源共柵運算放大器電路的第一差分輸 入端相連。
[0022] 另一方面，本發(fā)明提供一種離子敏感場效應管傳感器，所述傳感器包括上述任一 項所述的讀出電路。
[0023] 本發(fā)明提供的離子敏感場效應管傳感器及其讀出電路，其利用折疊共源共柵運算 放大器電路的一個差分輸入管做成ISFET管，工作于亞閾值區(qū)，因此，所述讀出電路的功耗 很低，適合于大規(guī)模DNA測序陣列應用。
[0024] 另外，所述讀出電路通過電容反饋電路周期性地將ISFET晶體管的浮柵重置于一 個固定電位，同時通過反饋環(huán)路固定ISFET晶體管的直流漏電流及其源極與漏極的電壓 差，從而能夠有效消除直流/低頻偏差和漂移，從而大大提高讀出電路的精度和靈敏度。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它 的附圖。
[0026] 圖1為本發(fā)明離子敏感場效應管傳感器的讀出電路一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明離子敏感場效應管傳感器的讀出電路另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種離子敏感場效應管傳感器的讀出電路1，所述 讀出電路1包括pH值感應電路101，基于M0S晶體管的折疊共源共柵運算放大器電路102、 電容反饋電路104和緩沖級電路103,所述M0S晶體管工作于亞閾值區(qū)，其中，
[0030] 所述pH值感應電路101的輸入端REF與輸入?yún)⒖茧姌O相連，所述pH值感應電路 的輸出端g與所述折疊共源共柵運算放大器電路102的第一差分輸入端gl相連；
[0031] 所述折疊共源共柵運算放大器電路102的第二差分輸入端g2與共模輸入電壓VCM 相連，所述折疊共源共柵運算放大器電路102的輸出端out同時與所述電容反饋電路104 的輸入端ifb和所述緩沖級電路103的輸入端ibuf相連；
[0032] 所述電容反饋電路104的輸出端ofb與所述折疊共源共柵運算放大器電路102的 第一差分輸入端gl相連；所述緩沖級電路103的輸出端為所述讀出電路的輸出端0-pH。
[0033] 本發(fā)明實施例提供的離子敏感場效應管傳感器的讀出電路，其利用折疊共源共柵 運算放大器電路的一個差分輸入管做成ISFET管，工作于亞閾值區(qū)，因此，所述讀出電路的 功耗很低，適合于大規(guī)模DNA測序陣列應用。
[0034] 另外，所述讀出電路通過電容反饋電路周期性地將ISFET晶體管的浮柵重置于一 個固定電位，同時通過反饋環(huán)路固定ISFET晶體管的直流漏電流及其源極與漏極的電壓 差，從而能夠有效消除直流/低頻偏差和漂移，從而大大提高讀出電路的精度