[发明专利]离子敏感场效应管传感器及其电流模式读出电路

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种离子敏感场效应管传感器及其电流模式读出电路。

背景技术

随着生物医学的迅速发展，具有传感采集、识别、监测和放大等功能的医学系统和芯片被广泛应用于疾病的前期监测、诊断和治疗领域，其中，由于离子敏感场效应管(Ion-Sensitive Field-effect Transistor，ISFET)传感器具有敏感区面积小、响应速度快、灵敏度高以及易于批量制造等优势，所以离子敏感场效应管传感器被广泛应用于生化检测领域，例如，离子敏感场效应管传感器可以作为pH值传感器来检测pH值的变化。

离子敏感场效应管是使用敏感膜和参考电极取代金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor，MOSFET)的金属栅极。离子敏感场效应管传感器的工作机理为将参考电极和敏感膜被置于待测的电解质溶液中，栅极电压加在参考电极上，随着电解质溶液的pH值变化，栅极表面的氢离子浓度会发生变化，进而影响离子敏感场效应管的阈值电压的变化，然后，通过离子敏感场效应管传感器的读出电路将阈值电压的变化转换成电流或者电压输出，从而将pH值的变化转换为电信号。可见，离子敏感场效应管传感器的读出电路直接关系到离子敏感场效应管传感器的工作稳定性及性能好坏。

最初的离子敏感场效应管传感器的读出电路采用电压模式，由于使用运算放大器，电压模式的读出电路具有较高的工作电压和功耗，同时，输出的电压量在转换为电流量时需要经过高阻抗节点，这在很大程度上减低了电路的工作速度。因而在降低工作电压和功耗以及工作速度等方面存在优势的电流模式电路逐渐被研究人员认识和发展，但现有的电流模式读出电路都需要额外的增益放大级来获得更高的灵敏度，因此，整体电路的功耗并没有降低很多。而现代的生物医学领域要求传感器具有低电压、低功耗、高工作速度等特点，以缩小传感器体积和延长测量时间。因此，为了满足现代生物医学对于生物传感器的要求，降低电流模式读出电路的工作电压和功耗是一个亟待需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种离子敏感场效应管传感器及其电流模式读出电路，所述电流模式读出电路具有电路结构简单、增益可调节、低工作电压、超低功耗以及高工作速度的优点。

一方面，本发明提供一种离子敏感场效应管传感器的电流模式读出电路，所述读出电路包括基于P型离子敏感场效应管的pH值感应电路、基于金属氧化物半导体场效应管的吉尔伯特增益电路、增益电流源和电流镜电路，所述P型离子敏感场效应管和所述金属氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区，其中，

所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与第一输入参考电极和第二输入参考电极相连；所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；

所述吉尔伯特增益电路的增益电流输入端与所述增益电流源的负极相连，所述增益电流源的正极与电源电压V_DD相连；所述吉尔伯特增益电路的第一电流输出端和第二电流输出端分别与所述电流镜电路的输入端和输出端相连；

所述吉尔伯特增益电路的第二电流输出端输出的电流与所述电流镜电路的输出端输出的电流合并作为所述读出电路的输出电流。

优选地，所述pH值感应电路包括第一P型离子敏感场效应管和第二P型离子敏感场效应管，其中，所述第一P型离子敏感场效应管的栅极和所述第二P型离子敏感场效应管的栅极作为所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一输入参考电极和所述第二输入参考电极相连；所述第一P型离子敏感场效应管的漏极和所述第二P型离子敏感场效应管的漏极作为所述pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述吉尔伯特增益电路的第一差分信号输入端和第二差分信号输入端相连；所述第一P型离子敏感场效应管的源极和所述第二P型离子敏感场效应管的源极连接电源V_DD。