[发明专利]离子敏感场效应管传感器及其读出电路

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，例如，ISFET是一种微电子离子选择性敏感器件，具有宽广的离子测量范围，它是将金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)和离子传感器集成在一起而成的。在DNA测序领域，可以将大量离子敏感场效应管(Ion-Sensitive Field-effect Transistor，ISFET)集成于同一芯片组成传感阵列，以对pH值进行并行地检测，从而实现快速、低成本的基因测序。

ISFET传感器除了最前端的ISFET进行化学变量和电学变量的转换外，还必须有相应的读出电路来获得变化后的电学变量，所述读出电路的主要功能为从ISFET中读取一个随离子浓度值呈线性变化的电压或者电流并将其转化为数字信号以便进行后续处理。可见，读出电路直接关系到ISFET传感器的工作稳定性及性能好坏，在ISFET传感器的研究中具有重要地位。

ISFET传感器的读出电路可通过电压模式或电流模式来实现，早期的研究多基于饱和区的电压模式，该模式是将ISFET外接参考电极电压固定，流过ISFET的直流电流固定，通过一定的反馈电路使得ISFET的源电压随pH值导致的浮栅电压的变化而变化，从而达到检测pH值变化的目的，但由于该模式多工作于饱和区，所以功耗较大，不适用于ISFET传感阵列应用，但其亚阈值电路有待深入研究。电流模式是固定流过ISFET的直流电流和ISFET的源/漏电压，从而ISFET的小信号电流与感应的pH值建立起关系，该模式由于其低工作电压、低功耗和高速等优点，近年来研究较多。

然而，无论是电压模式还是电流模式，由于ISFET本身的浮栅结构，ISFET传感器系统的灵敏度受多种非理想因素的影响，包括浮栅电容产生捕获电荷从而导致的阈值电压直流偏差、阈值电压随温度或者时间变化产生的漂移、低频噪声、ISFET本身以及电路引入的温度系数等，因此，消除或者尽可能减小以上多种非理想因素对ISFET传感器系统的影响，从而设计出精确的ISFET传感器系统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读出电路，其电路结构简单、功耗很低，并且能有效消除直流/低频偏差和漂移，从而大大提高读出电路的精度和灵敏度。

一方面，本发明提供一种离子敏感场效应管传感器的读出电路，所述读出电路包括pH值感应电路，基于MOS晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路、电容反馈电路和缓冲级电路，所述MOS晶体管工作于亚阈值区，其中，

所述pH值感应电路的输入端与输入参考电极相连，所述pH值感应电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；

所述折叠共源共栅运算放大器电路的第二差分输入端与共模输入电压相连，所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端同时与所述电容反馈电路的输入端和所述缓冲级电路的输入端相连；

所述电容反馈电路的输出端与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；所述缓冲级电路的输出端为所述读出电路的输出端。

优选地，所述pH值感应电路包括钝化电容，其中，所述钝化电容的正极与所述输入参考电极相连，所述钝化电容的负极与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入端相连；

所述钝化电容与所述折叠共源共栅运算放大器电路的第一差分输入管构成离子敏感场效应管。

优选地，所述折叠共源共栅运算放大器电路包括由作为所述第一差分输入管的第一NMOS晶体管和作为第二差分输入管的第二NMOS晶体管构成的差分输入级、由第三NMOS晶体管构成的偏置电流源、由第四NMOS晶体管构成的阵列行选择开关以及共源共栅放大级，所述共源共栅放大级由第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第三PMOS晶体管、第四PMOS晶体管以及第五NMOS晶体管、第六NMOS晶体管、第七NMOS晶体管和第八NMOS晶体管构成；