[發明專利]一種多參數低功耗電流模離子敏場效應管陣列傳感器裝置

有效

• 申請號: 201210131972.5
• 申請日: 2012-04-28
• 公開（公告）號: CN103376284A
• 公開（公告）日: 2013-10-30
• 發明（設計）人: 吳其松;楊海鋼
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及離子敏場效應管傳感器，尤其是一種多參數低功耗電流模離子敏場效應管陣列傳感器裝置，用于多種生物化學離子參數的檢測，溶液中離子濃度梯度的檢測，離子敏場效應管的差分電流模檢測，以及離子敏場效應管傳感器的補償控制。

背景技術

離子敏場效應晶體管(ISFET)與金屬氧化物半導體MOSFET(Metal?Oxide?Silicon?Field?Effect?Transistor)具有相似的結構，只是用溶液和離子敏膜代替了MOSFET的柵極，其通過柵極上不同敏感薄膜材料直接與被測溶液中離子接觸產生反應，進而可用來檢測多項生化指標。它兼有電化學及MOSFET的雙重特性，與傳統的離子選擇性電極相比，ISFET具有體積小、靈敏度高、響應快、無標記、檢測方便、易集成化和批量生產的優點，在生命科學研究、生物醫學工程、醫療保健、食品加工、環境監測等領域有著廣闊的應用前景。

ISFET結構與MOSFET結構相似，所以可以采用半導體工藝制造ISFET，而ISFET產生的電壓、電流信號必須有相應的信號處理電路才能構成測量儀器，于是越來越多的ISFET傳感器與前端信號處理電路通過標準CMOS工藝被集成在同一芯片上，這樣不僅有利于提高檢測靈敏度和抗干擾能力，還有利于ISFET傳感器的微型化和智能化。

目前大多數ISFET傳感器信號檢測電路都采用電壓工作模式，其檢測和處理的都是電壓信號。但是電壓模式電路所需要的工作電壓比較高，系統的功耗相對比較高，因此，限制了ISFET微型傳感器系統的應用。相比電壓模電路，電流模電路頻帶寬，響應速度快，可在低電源電壓下工作，非線性失真小，動態范圍大。因此針對ISFET傳感器低功耗、大線性范圍的要求，研究人員設計了ISFET電流模信號處理電路。

由于待測電解液的pH值也會隨溫度變化，而ISFET的電學特性對溫度比較敏感，如敏感膜-溶液界面勢會隨溫度變化，ISFET的閾值電壓也會隨溫度變化，其次，由于參比電極上電壓的波動等，都會影響ISFET的測量。因此，研究人員采用差分對管的方式，用一個與ISFET完全匹配的MOSFET來表征溫度變化以及參比電極電壓波動對晶體管特性的影響，最后將ISFET輸出與參考晶體管(Reference?Field?Effect?Transistor，REFET)輸出作差，由于REFET基本不受溶液濃度變化的影響，所以ISFET與REFET作差后的電信號就只與待測離子濃度有關，即溫漂和參比電極電壓波動都被當作共模信號抑制掉了。此外，ISFET還具有其它的非理想特性，如ISFET的長時間漂移特性，而REFET上的鈍化膜相對穩定，因此需要從系統的角度對ISFET進行補償和修正。本發明采用的差分檢測方式能克服參比電極電壓波動和ISFET傳感器溫度漂移特性，同時提供了系統補償控制端口，系統可以通過補償算法對ISFET進行長時間漂移等其它非理想因素的修正。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的是設計一種多參數低功耗電流模離子敏場效應管陣列傳感器電路裝置，具體為，針對ISFET的非理想特性，如電路失調、溫漂、長時間漂移等，設計一種帶有補償控制功能的差分讀出電路結構，以減小ISFET非理想特性的影響；針對低電壓低功耗的應用，設計差分電流模方式的ISFET信號檢測與處理電路，使電路工作在更低電壓，使電路具有更大的線性范圍和更低的功耗。

本發明提出的一種多參數低功耗電流模離子敏場效應管陣列傳感器裝置，其特征在于，該裝置包括：n×n的離子敏場效應管ISFET傳感器陣列、用于選擇所述ISFET傳感器陣列中的ISFET的行列選擇開關、地址譯碼器、用于溫度和共模漂移補償的參考晶體管REFET、正相電流傳輸器CC2+、反相電流傳輸器CC2-、電流模模數轉換器ADC和電壓模數模轉換器DAC，其中，

所述ISFET傳感器陣列的所有ISFET的源極通過行選擇開關與電源VDD連接，漏極通過列選擇開關與反相電流傳輸器CC2-的X輸入端連接；

行和列選擇開關由地址譯碼器控制工作；

所述參考晶體管REFET的源端連接電源VDD，漏端連接所述正相電流傳輸器CC2+的電流輸入端X；

所述正相電流傳輸器CC2+的電壓輸入端Y同參考電壓源相連；

所述反相電流傳輸器CC2-的電壓輸入端Y同數模轉換器DAC的輸出端相連；