[發明專利]離子感測設備

在審

• 申請號: 202011284635.0
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN113049658A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 關根裕之
• 申請（專利權）人: 天馬日本株式會社
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 譚營營;胡彬

公開一種離子感測設備，包括含有底柵極和頂柵極的場效應晶體管、參考電極和被配置成測量浸入所述參考電極和所述頂柵極的樣本溶液中的離子濃度的驅動電路。所述驅動電路包括：恒流源，其被配置成向所述場效應晶體管的漏極提供恒定電流；以及電壓跟隨器，其被配置成接收所述漏極的電位。所述驅動電路被配置成向所述參考電極提供恒定的參考電位，在所述電壓跟隨器的輸出和所述底柵極上施加恒定電壓，并且輸出所述電壓跟隨器的輸出電位。

背景技術

本公開涉及離子感測設備。

離子敏感場效應晶體管(ISFET)被用于pH測量和生物傳感的領域。ISFET沒有場效應晶體管的柵極電極。在用ISFET測量離子濃度時，在樣本溶液中浸入參考電極，并且場效應晶體管的柵極絕緣膜暴露在樣本溶液中。結果，在樣本溶液與ISFET的絕緣膜的接口處生成雙電層，并且雙電層的電壓改變了在ISFET的溝道的接口處的電位。

使用ISFET評估離子濃度的方法可概括如下：

(1)在同樣與參考電極接觸的樣本溶液中浸入柵極絕緣膜；

(2)在ISFET的源極和漏極間施加恒定電壓；以及

(3)相對于參考電位改變源電位，使得漏極電流將為恒定。

參考電極和柵極間的電壓根據樣本溶液的離子濃度而變化。源電位根據參考電極和柵極間的電壓的變化而變化。源電位是ISFET的輸出；從源電位可以得到樣本溶液的離子濃度。根據能斯特方程，ISFET的理論最大靈敏度為58.16mV/mol(T＝293.15K)。

例如，在US 2017/0082570 A和US 2015/0276663 A中公開了提高ISFET的靈敏度的技術。US 2017/0082570A中公開的驅動電路使用電阻器將晶體管的漏極電流轉換為電壓，檢測電壓，并用微處理器控制底柵極和源極間的電壓，使得漏極電流將保持恒定。結果，根據離子濃度，底柵極和源極間的電壓作為頂柵極電壓中的變化而獲得。US 2015/0276663A中公開的驅動電路僅由模擬電路元件組成，并且不包括微處理器。

發明內容

US 2017/0082570 A中公開的驅動電路可以看作微處理器的反饋電路。因此，微處理器輸入(或漏極電流到電壓轉換和模擬到數字轉換)的精確度顯著影響測量精確度。

US 2015/0276663 A中公開的驅動電路僅由模擬電路元件組成；漏極電流到電壓轉換和模擬到數字轉換的精確度不會顯著影響測量精確度。然而，浸入樣本溶液中的參考電極的電位需要與晶體管的源電位相等。換句話說，樣本溶液的電位通過測量過程而改變。例如，這對于應用ISFET以不同時測量單一種類離子的濃度，而是同時測量多種離子的濃度來說可能是問題。

因此，需要一種在固定參考電極電位的同時提高利用晶體管的離子感測設備的輸出精確度的技術。

本公開的一個方面是一種離子感測設備，其包括：場效應晶體管，其包括底柵極和頂柵極；參考電極；以及驅動電路，其被配置成測量浸入參考電極和頂柵極的樣本溶液中的離子濃度。驅動電路包括：恒流源，其被配置成向場效應晶體管的漏極提供恒定電流；以及電壓跟隨器，其被配置成接收漏極的電位。驅動電路被配置成：向參考電極提供恒定的參考電位；在電壓跟隨器的輸出和底柵極間施加恒定電壓；以及輸出電壓跟隨器的輸出電位。

本公開的另一個方面是驅動參考電極和包括底柵極和頂柵極的場效應晶體管以便測量樣本溶液中的離子濃度的方法。所述方法包括：向場效應晶體管的漏極提供恒定電流；將漏極的電位輸入到電壓跟隨器；向參考電極提供恒定的參考電位；在電壓跟隨器的輸出和底柵極間施加恒定電壓；以及輸出電壓跟隨器的輸出電位。所述方法在樣本溶液中浸入參考電極和頂柵極的狀態中進行。

本公開的一個方面使利用晶體管的離子感測設備能夠在固定參考電極電位的同時提高輸出精確度。