[發(fā)明專(zhuān)利]離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010268840.8
• 申請(qǐng)日: 2005-06-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101949883A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 克里斯特弗·圖馬佐;布沙娜·普馬諾德;萊拉·謝伯德
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: DNA電子有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01N27/414
• 分類(lèi)號(hào): G01N27/414
• 代理公司: 中科專(zhuān)利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 趙偉

本申請(qǐng)是2005年6月22日提交的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.200580027809.2的發(fā)明名稱(chēng)為“包括離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管的信號(hào)處理電路以及監(jiān)控流體屬性的方法”的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并涉及使用離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管的處理和控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)是基于具有位于化學(xué)敏感絕緣體之下的遠(yuǎn)處柵極(或者“參考電極”)的MOSFET。絕緣體的表面暴露于要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的電解質(zhì)。圖1中示出了典型的ISFET使用的場(chǎng)景。絕緣體表面處的離子電荷作用的場(chǎng)效應(yīng)在如圖2所示的ISFET漏電流對(duì)柵極到源極電壓(I_D-V_GS)的特性中產(chǎn)生偏移。根據(jù)化學(xué)屬性和對(duì)特定離子的敏感度來(lái)選擇與電解質(zhì)接觸的絕緣體。

對(duì)于設(shè)計(jì)用于測(cè)量電解質(zhì)的pH(即電解質(zhì)的H⁺離子含量)的ISFET，通常使用氮化硅和氧化鋁膜來(lái)使柵極絕緣。可以通過(guò)選擇離子敏感膜，從而添加離子選擇性的成分，使ISFET對(duì)除H⁺之外的其它離子敏感。膜被更改為對(duì)特定離子種類(lèi)可選的ISFET有公知的ChemFET，進(jìn)一步改變的話(huà)，在緊鄰膜表面附近使用酶，已知有EnFET。還表明，即使是具有未更改的Si₃N₄膜的傳統(tǒng)pH-ISFET，也展示出對(duì)K⁺和Na⁺的有限但是可測(cè)的敏感度。這就是說(shuō)，除了pH感測(cè)之外，使用的ISFET幾乎沒(méi)有其它的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。然而，在下面的討論中，術(shù)語(yǔ)ISFET既特指pH傳感器，還通指基于以類(lèi)似原理工作的所有對(duì)離子和酶敏感的FET。

ISFET及其基于FET的相似物的吸引力在于，它們與用于大規(guī)模生產(chǎn)計(jì)算機(jī)芯片的標(biāo)準(zhǔn)制造工藝兼容，并因此可以可靠且成本有效地生產(chǎn)。重要的是，可以將處理電路集成到與ISFET器件本身相同的芯片上。智能電路與感測(cè)器件本身的集成是所謂“智能傳感器”的開(kāi)發(fā)所需的，“智能傳感器”需要對(duì)非理想感測(cè)條件具有魯棒性，并且提供電子以區(qū)分“芯片上”的化學(xué)品。

ISFET的正常工作模式是I_D-V_GS特性的強(qiáng)反轉(zhuǎn)區(qū)。在該區(qū)中，柵極到源極電壓超過(guò)閾值電壓V_TH，導(dǎo)致柵極下覆的溝道的強(qiáng)反轉(zhuǎn)。對(duì)于該工作模式，漏電流與柵極電壓成平方律或線(xiàn)性關(guān)系。

再次參考圖1，施加到ISFET的參考電極的任何電壓都通過(guò)電解質(zhì)電容耦合到絕緣體表面，在絕緣體表面，來(lái)自該表面的離子的取決于pH的電荷調(diào)制溝道電流，在ISFET轉(zhuǎn)移特性中引起可觀測(cè)的偏移，從而調(diào)制其閾值電壓V_th。假設(shè)ISFET工作在恒定漏電流的模式下、具有恒定的漏極-源極電壓，則柵極到源極的電壓直接反映柵極表面處的pH敏感界面勢(shì)，即：

pH＝pH_cal+V_gs/S????(1)

其中，pH_cal是37℃處校準(zhǔn)液體的pH，S是ISFET的pH敏感度。在“ISFET，Theory?and?Practice”，P.Bergveld，IEEE?Sensor?Conference，Toronto，October，2003中詳細(xì)描述了該關(guān)系的出處。然而，該方法假設(shè)了恒定的溫度，在任意實(shí)際的方法中，必須應(yīng)用溫度補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的對(duì)溫度效應(yīng)的補(bǔ)償措施是對(duì)系統(tǒng)的溫度依賴(lài)性進(jìn)行建模，在測(cè)量pH的同時(shí)測(cè)量溫度，并根據(jù)該模型和測(cè)量的溫度，來(lái)校正測(cè)量的pH。該方法盡管有關(guān)，但是具有一些缺點(diǎn)。首先，該方法依賴(lài)于溫度傳感器，溫度傳感器典型地包括集成到與ISFET同一芯片上的溫度敏感電阻器。其次，必須提供處理能力以執(zhí)行校正。第三，校正測(cè)量的pH值的過(guò)程花費(fèi)時(shí)間。在典型的系統(tǒng)中，在微處理器或CPU執(zhí)行進(jìn)一步處理之前，將pH和溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字對(duì)應(yīng)量。如果需要，在應(yīng)用于要控制的器件之前，將數(shù)字控制輸出轉(zhuǎn)換為模擬值。

長(zhǎng)期以來(lái)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，可以應(yīng)用ISFET的關(guān)鍵領(lǐng)域在于可植入且可佩戴的傳感器。在前一段中概述的傳統(tǒng)ISFET設(shè)計(jì)的要求對(duì)于需要是小型、消耗較低功率并極其精確的這種傳感器不合適。尤其是在傳感器形成部分控制環(huán)路的情況下，例如在控制給藥系統(tǒng)的情況下，它們同樣必須極其精確。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種數(shù)字信號(hào)處理電路，該電路的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)由離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供。

所述或每個(gè)離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括在使用中暴露于要監(jiān)控的介質(zhì)的分析物敏感膜。