[发明专利]传感器电路

说明书

技术领域

本发明涉及传感器电路，具体但不一定涉及用于电流传感器的偏 置电路。

背景技术

在过去的20年中，已经用电流传感器检测特定被分析物的存在， 例如液体中的酶。基本原理是在样本中待检测的被分析物与传感器表 面之间引发化学反应。将产生的后续电荷转化为能够被测量的传感器 电流。通常，电流的大小与当前被分析物的量有关。

图1示出了简化的用于典型传感器的偏置电路。电路包括三个电 极，对电极C、工作电极W和参考电极R。如图1所示，将对电极C和参 考电极R连接到工作电势设置放大器Amp1、输出缓冲放大器Amp2和 电流感测电阻器Rsens。

将工作电极W涂上与所选被分析物发生化学反应的反应诱导涂 层。例如，在工作电极W上，葡萄糖传感器可以具有葡萄糖氧化酶涂 层。化学反应产生离子，在离子经受电势差时，引起电流从对电极C 流到工作电极W。电流还流经电流感测电阻器Rsens，提供该电阻器两 端上的压降Vout。典型的传感器电流可以是10nA，对于Rsens＝1M欧， Vout参考于地是10n×1M＝10mV。因为已经记录了从对电极C流到工作 电极W的电流大小，所以Rsens两端上的输出电压取决于被分析物的浓 度。

参考电极上的电势是实现最佳传感器性能的关键。工作电极W处 的化学反应效率取决于工作电势V_RW。不同的传感器在不同的工作电势 V_RW值处获得最佳操作。例如，对于氧传感器来说在V_RW＝-0.6V处操作 最佳，葡萄糖传感器在V_RW＝0.6V处操作最佳。工作电势设置放大器的 任务是将工作电势V_RW维持在使化学反应条件最佳的值。这是通过将工 作设置放大器的正端子设置到Vref＝V_RW+Vout并将负端子设置到V_RW来 完成的。如之前提到的，Vout是由于传感器电流引起的电流感测电阻 器Rsens两端上的电势降，典型地具有10mV的值。例如，如果葡萄糖 传感器能够在电流感测电阻器两端上产生的最大电压是100mV，则将 把Vref设置到Vref＝0.6V+100mV，来保证化学反应条件是最佳的。然 而，例如因为Vout随被分析物浓度和时间而变化，所以工作电势V_RW受 到波动。对于如图1所示的传感器电路设计，工作电势V_RW远离Vref的 的波动是个问题，因为其有害于在工作电极W处的有效化学反应，还 影响输出信号的一致性。

例如，在传感器的实际应用中，用户可能想要利用相同的传感器 系统来测量葡萄糖和氧水平。如已经记录的，葡萄糖和氧传感器分别 在不同的工作电势V_RW，0.6V和-0.6V处操作。因此，传感器系统应该 能够容纳两个工作电势。如果使用了图1所示类型的单独电路，将要求 电路电压供给大于1.2V的净空(headroom)。然而，对于以1V或1V以 下的低电压运转的单芯片低功率集成电路设计来说，这太大了。

针对以上电压限制问题的可能解决方案是，通过在单独芯片上设 计两个并行电路来制造多元传感器(multiple sensor)。这在图2中示出。 实施该解决方案将要求使Vref和Vout信号重新参考于地。然而，使用 两个并行电路提高了所使用芯片的面积，因此提高了生产芯片的费用。 除此之外，图2中的设计仍未解决由于工作电势V_RW中的波动所导致的 问题。

图1和图2中的设计都出现的进一步问题是，由电流感测电阻器所 致使的Shott噪声的出现。该噪声与电阻值成比例，并将与输出电压显 著相关。

发明内容

根据发明的第一方面，提供了一种用于操作电流传感器的电路， 所述电流传感器具有参考电极、对电极和工作电极，所述电路包括：

放大器，具有正输入端和负输入端以及输出端，将正输入端耦合 到参考电压源，并且将负输入端和输出端通过负反馈回路耦合到一起； 以及

用于将所述电流传感器耦合到所述放大器的所述负反馈回路中 的装置，其中在第一配置下，将所述对电极耦合到所述输出端，并将 所述参考电极耦合到所述负输入端，以及在第二配置下，将所述工作 电极耦合到所述输出端，并将所述参考电极耦合到所述负输入端。