本發(fā)明一般地涉及一種半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域，并且更特別地，涉及一種開關(guān)電容式isfet信號(hào)讀取電路及其控制方法。

背景技術(shù)：

在1970年，荷蘭科學(xué)家pietbergveld提出了離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ionsensitivefieldeffecttransistor，isfet)的概念，還率先制作出相關(guān)器件并用于na+離子檢測(cè)。后續(xù)的研究者逐步將其主要應(yīng)用與h+濃度，也即液體ph值的檢測(cè)。隨著標(biāo)準(zhǔn)工藝的成熟，作為一款半導(dǎo)體器件，隨著標(biāo)準(zhǔn)工藝的成熟，isfet芯片的制作自然步入了陣列制作的階段。并且于2004年，英國的markj.milgrew率先成功制作出首款isfet陣列芯片，并加入了部分生物測(cè)試。其具體工作見文獻(xiàn)：“alargetransistor-basedsensorarraychipfordirectextracellularimaging”m.j.milgrew，m.o.riehle，和d.r.s.cumming，sensorsandactuators，b：chemical，111-112，(2005)，第347-353頁。

2006年，帝國理工學(xué)院的christofertoumazou提出用isfet檢測(cè)單堿基核苷酸的思想，并且得到單堿基的測(cè)試結(jié)果，其具體工作見文獻(xiàn)：“protonsandsinglenucleotidepolymorphismdetection：asimpleusefortheionsensitivefieldeffecttransistor”sunilpurushothaman，christoumazou，，和chung-peiou，sensorsandactuators，b：chemical，114，(2006)，第964-968頁。隨著測(cè)序技術(shù)和isfet陣列制作方面研究的發(fā)展，在2011年iontorrent公司推出一種基于isfet器件的半導(dǎo)體測(cè)序儀，該測(cè)序儀除了控制系統(tǒng)和液路系統(tǒng)外，所有的敏感元件，采集信號(hào)電路均在一個(gè)芯片之內(nèi)，因此正如其公司所宣傳的標(biāo)語即“芯片就是測(cè)序儀”。

對(duì)于生物反應(yīng)，比如基因測(cè)序dna中單堿基聚合反應(yīng)導(dǎo)致的溶液ph的變化或者葡萄糖離子濃度的檢測(cè)，在樣本量很小的時(shí)候，信號(hào)都極其微弱。而生物檢測(cè)技術(shù)因?yàn)槠涓咄康男枨?，樣本量的增大?huì)很困難。在傳統(tǒng)的isfet讀取電路中，一般初始得到的反應(yīng)信號(hào)基本數(shù)值便可以達(dá)到電源電壓的一半以上。因此在這基礎(chǔ)上捕捉變化量一般依靠外電路。而外電路因?yàn)槠洵h(huán)境本身的限制，微量變化量往往會(huì)淹沒在噪聲中，因此芯片對(duì)環(huán)境條件極為依賴。而要求做到這種極端的實(shí)驗(yàn)環(huán)境成本偏高，并且不利于芯片產(chǎn)品制作。但鑒于類似測(cè)序技術(shù)的特點(diǎn)——生物信號(hào)主要體現(xiàn)在變化量上，所以最好的解決辦法應(yīng)該是將微量變化量信號(hào)置于芯片內(nèi)進(jìn)行信號(hào)放大，外部設(shè)備便可以在相對(duì)不利的環(huán)境中檢測(cè)出更細(xì)微的變化。

在傳統(tǒng)的芯片讀取電路中，往往是利用電阻和電流源形成一個(gè)穩(wěn)定電勢(shì)差，再利用單位增益放大器將電阻兩端電勢(shì)送入isfet源漏兩端，使得isfet器件源漏電壓保持恒定，也即將isfet器件兩端鉗位，最終得到信號(hào)電壓。因?yàn)殂Q位用的單位增益放大器的原因，這樣的方法事實(shí)上并沒有改變信號(hào)變化量大小，而信號(hào)量很微弱，是不利于信號(hào)獲取的。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員需要提出一個(gè)可以片內(nèi)進(jìn)行放大，并且精度高的信號(hào)讀取電路來準(zhǔn)確讀取isfet器件信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的片內(nèi)信號(hào)讀取電路放大精度不高的問題，本發(fā)明的目的是提供一種開關(guān)電容式isfet(ionsensitivefieldeffecttransistor，離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管)信號(hào)讀取電路。

該開關(guān)電容式isfet信號(hào)讀取電路包括：

離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括漏極、源極和柵極，其中漏極接地、源極與穩(wěn)定電流輸入端相連；

放大模塊，所述放大模塊至少包括三個(gè)開關(guān)、兩個(gè)電容和一個(gè)放大器，其中第一開關(guān)一端連接離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極另一端連接第一電容，第一電容一端與第一開關(guān)連接另一端與放大器第二輸入端連接，第二開關(guān)一端與放大器第二輸入端連接另一端與放大器輸出端連接，第二電容一端與放大器第二輸入端連接另一端與放大器輸出端連接，第三開關(guān)一端與第一開關(guān)連接第一電容的一端連接另一端與共模電平連接，放大器第一輸入端與共模電平連接；

時(shí)序控制模塊，所述時(shí)序控制模塊分別連接第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)以分別控制所述三個(gè)開關(guān)的開合。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)讀取電路還可包括第四開關(guān)，第四開關(guān)一端連接外部電源另一端與第一開關(guān)連接第一電容的一端連接。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)讀取電路還可包括一級(jí)源極跟隨器模塊，所述跟隨器模塊包括兩個(gè)晶體管，其中第一晶體管柵極與放大器輸出端連接，第一晶體管漏極與第二晶體管源極連接，第二晶體管柵極與偏置電流連接，第二晶體管漏極接地，信號(hào)讀取電路輸出信號(hào)端與第一晶體管漏極和第二晶體管源極相連。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)讀取電路中的所述開關(guān)為單個(gè)pmos(positivechannelmetaloxidesemiconductor)管或cmos傳輸門(complementarymetaloxidesemiconductortransmissiongate)。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)讀取電路中的所述時(shí)序控制電路由現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field-grogrammablegatearray，fpga)和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述信號(hào)讀取電路中的所述電容大小為400ff-1pf。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種控制所述信號(hào)讀取電路的方法，其控制周期t包括以下三個(gè)子周期：

(1)閉合第一開關(guān)，斷開第二開關(guān)和第三開關(guān)；

(2)閉合第一開關(guān)和第二開關(guān)，斷開第三開關(guān)；

(3)斷開第一開關(guān)和第二開關(guān)，間隔δt時(shí)間后閉合第三開關(guān)，并在該子周期截止前δt時(shí)間斷開第三開關(guān)；

其中，50ns≤δt≤200ns。

本發(fā)明的另一目的是提供另一種控制所述信號(hào)讀取電路的方法，其控制周期k包括以下五個(gè)子周期：

(a)閉合第一開關(guān)，斷開第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)；

(b)閉合第一開關(guān)和第二開關(guān)，斷開第三開關(guān)和第四開關(guān)；

(c)斷開第一開關(guān)、第二開關(guān)和第四開關(guān)，間隔δt時(shí)間后閉合第三開關(guān)，并在該子周期截止前δt時(shí)間斷開第三開關(guān)；

(d)閉合第二開關(guān)和第四開關(guān)，斷開第一開關(guān)和第二開關(guān)；

(e)閉合第二開關(guān)和第三開關(guān)，斷開第一開關(guān)和第四開關(guān)；

其中，50ns≤δt≤200ns。

進(jìn)一步地，上述控制所述信號(hào)讀取電路的方法中，控制脈沖時(shí)間大于2μs。

本發(fā)明所述的信號(hào)讀取電路和控制方法與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：通過改進(jìn)傳統(tǒng)isfet信號(hào)讀取電路和提出新的控制方法，實(shí)現(xiàn)了在芯片內(nèi)部對(duì)生化信號(hào)進(jìn)行片內(nèi)低倍放大的功能。信號(hào)放大后，對(duì)生化信號(hào)的獲取可以更加準(zhǔn)確，所采集的信號(hào)精度更高。同時(shí)因?yàn)楸景l(fā)明的信號(hào)讀取電路結(jié)構(gòu)中只使用了一個(gè)運(yùn)算放大器，而傳統(tǒng)的“鉗位電路”中至少需要兩個(gè)運(yùn)算放大器，因而本發(fā)明披露的信號(hào)讀取電路的電路功耗顯著降低?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本發(fā)明披露的信號(hào)讀取電路及其控制方法尤其適合應(yīng)用于高通量的生化器件，例如測(cè)序儀芯片等。

附圖說明

為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中：

圖1為isfet器件在標(biāo)準(zhǔn)工藝下的基本結(jié)構(gòu)；

圖2為isfet器件傳統(tǒng)信號(hào)讀取電路；

圖3為本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖；

圖4為本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路另一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖；

圖5為本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路另一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖；

圖6為本發(fā)明所述控制信號(hào)讀取電路方法一個(gè)實(shí)施例的電路流程示意圖；

圖7為本發(fā)明所述控制信號(hào)讀取電路方法一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)開合狀態(tài)、放大信號(hào)和讀取信號(hào)示意圖；

圖8為本發(fā)明所述控制信號(hào)讀取電路方法一個(gè)實(shí)施例的時(shí)鐘設(shè)計(jì)示意圖；

圖9為本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路一個(gè)實(shí)施例的輸出信號(hào)與所測(cè)溶液ph值相關(guān)曲線。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，以下對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是isfet器件在標(biāo)準(zhǔn)工藝下的制作結(jié)構(gòu)。其中敏感層是標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝的鈍化層，而鈍化層常用二氧化硅和氮化硅材料。最頂層材料常為氮化硅(因?yàn)楣に囋?，可能為氮氧化?。一般，si3n4或者sinxoy即是有效的敏感膜，當(dāng)器件敏感時(shí)，器件頂部置入溶液，溶液由特定參比電極使其電勢(shì)穩(wěn)定在一個(gè)特定值。溶液中的氫離子與鈍化層表面進(jìn)行作用，產(chǎn)生電荷效應(yīng)。電荷效應(yīng)經(jīng)過鈍化層耦合到頂層金屬層，最后傳導(dǎo)到底部晶體管。氫離子的多少便可以被電路中的電信號(hào)表征出來，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)敏感的功能。

圖2是為isfet器件傳統(tǒng)信號(hào)讀取電路。可見讀取電路中共需要3個(gè)放大器，兩個(gè)電流源。在放大器中的其中兩個(gè)用以鉗位isfet的漏源電壓，讓isfet輸出信號(hào)避免溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響。

當(dāng)敏感單元開始工作的時(shí)候，頂部電流源向isfet灌注電流，使得流過isfet的電流恒定。根據(jù)mosfet在飽和區(qū)的電流電壓關(guān)系：

線性區(qū)

飽和區(qū)

我們能知道電流恒定時(shí)，若處于飽和區(qū)，vgs-vth應(yīng)恒定；若處于線性區(qū)，應(yīng)恒定。

若此處假設(shè)vds不變，根據(jù)前文提到化學(xué)敏感使得電荷效應(yīng)耦合到金屬層，也即化學(xué)敏感使得懸浮的金屬層電勢(shì)發(fā)生了變化，那么vgs＝vg-vs中的vg必然發(fā)生變化，而vth不變，因此vs必須跟隨變化，才能使得電路恒流。

根據(jù)mosfet的輸出特性曲線，為了提升其化學(xué)敏感能力，在此發(fā)明中選擇讓isfet工作在線性區(qū)。得到isfet源極(s)輸出電壓

其中vg是vref與敏感界面共同作用的結(jié)果?；瘜W(xué)界面電勢(shì)

式中r是氣體常數(shù)，滿足pv＝nrt，同時(shí)r＝kna＝8.314j/(k*mol)，f是法拉第常數(shù)，α為敏感系數(shù)，通常為一個(gè)接近于1的值。總之，最后可以得到

vg∝ψ(5)

進(jìn)而得到為一個(gè)定值，此值理論最大值為59.2mv/ph。根據(jù)(3)式知道vs跟隨vg變化，也即vs直接反映了化學(xué)性質(zhì)的變化。

圖3本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖。該信號(hào)讀取電路的實(shí)施例包括：

離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(isfet)、放大模塊和時(shí)序控制模塊，所述放大模塊至少包括開關(guān)s1、s2和s3，電容c1和c2，以及一個(gè)放大器a；

其中第一開關(guān)s1一端連接isfet源極另一端連接第一電容c1，第一電容c1一端與第一開關(guān)s1連接另一端與放大器a第二輸入端(-)連接，第二開關(guān)s2一端與放大器a第二輸入端(-)連接另一端與放大器a輸出端連接，第二電容c2一端與放大器a第二輸入(-)端連接另一端與放大器a輸出端連接，第三開s3關(guān)一端與第一開關(guān)s1連接第一電容c1的一端連接另一端與共模電平vcm連接，放大器a第一輸入端(+)與共模電平連接vcm。

可見相比于傳統(tǒng)的讀取電路，本發(fā)明的一個(gè)主要區(qū)別在于將isfet漏極接地。漏極接地所帶來的好處是isfet器件源極的輸出電壓的變化量總是參照于地，類似于參照于地的交流信號(hào)。這樣才可以在片內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行變化信號(hào)的放大，而不增加電路復(fù)雜度。

在放大模塊中，輸入信號(hào)通過第一開關(guān)s1的閉合對(duì)第一電容c1進(jìn)行充電，充電后第一電容兩端電勢(shì)差為源極電壓減去共模電平的差值；第一電容上c1的電荷釋放，即靠近isfet源極的極板釋放電荷到共模電平vcm，而靠近輸出電壓端的電荷釋放到第二電容c2，最終c2兩極板上電荷與原第一電容c1上電荷數(shù)目相同，改變了c2兩端電勢(shì)差，也即改變了輸出電壓vout。

這里，所述開關(guān)可以是cmos傳輸門。在另一些實(shí)施例中，開關(guān)可以是單個(gè)pmos管。

所述電容大小在400ff-1pf之間。

圖4為本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路另一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖。該信號(hào)讀取電路的實(shí)施例還包括第四開關(guān)s4。

圖5為本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路另一個(gè)實(shí)施例的電路示意圖。該信號(hào)讀取電路的實(shí)施例還包括一級(jí)源極跟隨器模塊，所述跟隨器模塊包括晶體管m1和m2，其中第一晶體管m1柵極與放大器a輸出端連接，第一晶體管m1漏極與第二晶體管m2源極連接，第二晶體管m2柵極與偏置電流bias連接，第二晶體管m2漏極接地，信號(hào)讀取電路輸出信號(hào)端vout與第一晶體管m1漏極和第二晶體管m2源極相連。

通過采用下述一種控制方法控制圖3所示的信號(hào)讀取電路，得到圖6所示的開關(guān)開合狀態(tài)、放大信號(hào)和讀取信號(hào)示意圖，

該控制方法的控制周期t包括以下三個(gè)子周期：

(1)閉合第一開關(guān)s1，斷開第二開關(guān)s2和第三開關(guān)s3；

(2)閉合第一開關(guān)s1和第二開關(guān)s2，斷開第三開關(guān)s3；

(3)斷開第一開關(guān)s1和第二開關(guān)s2，間隔δt時(shí)間后閉合第三開關(guān)s3，并在該子周期截止前δt時(shí)間斷開第三開關(guān)；

其中，50ns≤δt≤200ns。

通過采用一種控制所述信號(hào)讀取電路的方法控制圖4所示的信號(hào)讀取電路，得到下述圖6電路流程示意圖，

即該控制周期k包括以下五個(gè)子周期：

(a)閉合第一開關(guān)，斷開第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)；

(b)閉合第一開關(guān)和第二開關(guān)，斷開第三開關(guān)和第四開關(guān)；

(c)斷開第一開關(guān)、第二開關(guān)和第四開關(guān)，間隔δt時(shí)間后閉合第三開關(guān)，并在該子周期截止前δt時(shí)間斷開第三開關(guān)；

(d)閉合第二開關(guān)和第四開關(guān)，斷開第一開關(guān)和第二開關(guān)；

(e)閉合第二開關(guān)和第三開關(guān)，斷開第一開關(guān)和第四開關(guān)；

其中，50ns≤δt≤200ns。

子周期a是s1閉合，s2、s3和s4全部斷開，假設(shè)輸入電壓vin＝1.3v±2mv。子周期b是將開關(guān)s2也閉合，因?yàn)榉糯笃魈摱?、虛斷的原因，?jié)點(diǎn)x始終接入交流地，所以此時(shí)節(jié)點(diǎn)vout也為交流地，并且電路開始向c1充電，在短時(shí)間的充電過程后，c1兩端電壓等于vin。再進(jìn)子周期c，同時(shí)斷開s1，s2，并且閉合s3。閉合s3后，開關(guān)電容需要放電，其左右極板放電通路不盡相同。電容c1左極板放電到地，而右極板因?yàn)榕c放大器a所接端口無法放電，因此只能放電到c2電容。也即此時(shí)c2電容上電荷數(shù)量應(yīng)與前c1上所攜帶電荷數(shù)量相同或者相近。根據(jù)c1*vin＝c2*vout，可以知道vout＝c1/c2*vin。如果c1/c2大小為3-10，則信號(hào)將被放大3-10倍。最后信號(hào)通過源級(jí)跟隨器進(jìn)行輸出。因此子周期a-c實(shí)際是一個(gè)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的過程。

當(dāng)然，因?yàn)殚_關(guān)電容放大器的特點(diǎn)——放大過程由時(shí)序控制，也就使得其得到的生化信號(hào)其實(shí)并不連續(xù)。為了確保得到的不連續(xù)的生化信號(hào)正常，在電路設(shè)計(jì)中就需要對(duì)芯片本身進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方式便是在每次放大信號(hào)過后，利用開關(guān)控制將已知的校準(zhǔn)信號(hào)施加到信號(hào)輸入口，通過輸入輸出關(guān)系，驗(yàn)證放大器是否正常工作。同時(shí)此類設(shè)計(jì)，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理時(shí)候，可以形成一種標(biāo)簽式的數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)處理。子周期d時(shí)，s4閉合，電路以校準(zhǔn)電平對(duì)電容c1進(jìn)行充電。子周期e時(shí)則是再一次的釋放電荷，實(shí)現(xiàn)放大。每一次校準(zhǔn)信號(hào)的放大都可以用以判斷電路工作狀態(tài)是否正確，在電路的實(shí)際應(yīng)用中有重要作用。因此子周期d-e實(shí)際上是一個(gè)電路校準(zhǔn)的過程。

另外，電容越大電荷存儲(chǔ)能力越強(qiáng)，需要的充電時(shí)間越長，會(huì)需要更大的周期。典型的300ff電容，充電時(shí)間大約1μs。根據(jù)本發(fā)明提供的電路中電容取值的大小，即400ff-1pf，將充電脈沖時(shí)間設(shè)定為大于2μs。

圖7為圖6所述控制信號(hào)讀取電路方法實(shí)施例的開關(guān)開合狀態(tài)、放大信號(hào)和讀取信號(hào)示意。圖中上四個(gè)信號(hào)分別是開關(guān)s1、s2、s3和s4(傳輸門)n管的控制信號(hào)，也即高電平導(dǎo)通，低電平斷開。同時(shí)對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的輸入輸出信號(hào)也有展示。vin是輸入信號(hào)，底部vout是隨著時(shí)鐘變化得到的輸出信號(hào)曲線。橫坐標(biāo)中的k表示其所在控制周期，上標(biāo)數(shù)字表示控制周期的周期數(shù)，下表字母表示其所在子周期。在其中可以注意到，對(duì)于s3開關(guān)閉合的時(shí)候，需要刻意與前一時(shí)鐘間隔開δt時(shí)間，避免時(shí)鐘交疊，出現(xiàn)錯(cuò)誤。

圖8為本發(fā)明控制信號(hào)讀取電路方法一個(gè)實(shí)施例的時(shí)鐘設(shè)計(jì)示意圖。

在該實(shí)施例中，開關(guān)為傳輸門結(jié)構(gòu)。因此對(duì)每個(gè)開關(guān)的控制需要一高一低兩個(gè)電平協(xié)調(diào)控制，圖8中所展示的時(shí)鐘，為3位到8位的組合邏輯。在一次工作過程中，總共需要跳轉(zhuǎn)5次，是輸入信號(hào)[d2，d1，d0]從[0，0，0]跳轉(zhuǎn)到[1，0，0]，該組合邏輯電路對(duì)應(yīng)的真值表見表1，開關(guān)狀態(tài)見表2。

表1信號(hào)讀取電路開關(guān)控制組合邏輯對(duì)應(yīng)真值表

表2信號(hào)讀取電路開關(guān)控制組合邏輯對(duì)應(yīng)開關(guān)狀態(tài)

當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以通過fpga編輯其他邏輯用于控制方法時(shí)鐘的設(shè)計(jì)。

圖9為本發(fā)明所述信號(hào)讀取電路一個(gè)實(shí)施例的輸出信號(hào)與所測(cè)溶液ph值相關(guān)曲線。在其中心集中區(qū)域，最小變化量為0.03ph，變化信號(hào)本身大約2mv(敏感度為40mv/ph)，在內(nèi)部經(jīng)過放大3-10倍，則在外部體現(xiàn)變化大約6-20mv。利用16位數(shù)據(jù)采集卡在一般實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下即可以成功檢測(cè)到變化信號(hào)。而如果使用傳統(tǒng)的非放大的讀取電路方式，一般采集卡精度為3mv，是無法正確得到最小變化量信號(hào)的。

本發(fā)明所述參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能視為對(duì)本發(fā)明的限制。為了避免不必要地模糊所述實(shí)施例，本部分對(duì)一些本領(lǐng)域的公知技術(shù)，即對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的技術(shù)，未進(jìn)行詳細(xì)描述。