离子敏感场效应管传感器及其读出电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 SemiconductorField-EffectTransistor，M0SFET)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-SensitiveField-effectTransistor， 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。
[0003] 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传感器的研宄中 具有重要地位。
[0004] ISFET传感器的读出电路可通过电压模式或电流模式来实现，早期的研宄多基于 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宄。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，近年来研宄较多。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] -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M0S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M0S晶体管工作于亚阈值区，其中，
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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。
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 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；
[0014] 所述第一NMOS晶体管的栅极与所述pH值感应电路中的钝化电容的负极相连，所 述第二NMOS晶体管的栅极与所述共模输入电压相连；所述第一NMOS晶体管的漏极和所述 第二NMOS晶体管的漏极分别与所述第一PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏 极相连；所述第一NMOS晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的漏极相连，所述第二NMOS 晶体管的源极与所述第四NMOS晶体管的源极相连，并与所述第三NMOS晶体管的漏极相 连；
[0015] 所述第三NMOS晶体管的栅极与第一偏置电压相连，所述第三NMOS晶体管的源极 接地；
[0016] 所述第四NMOS晶体管的栅极与阵列行选择信号相连；
[0017] 所述第一PMOS晶体管的栅极与所述第二PMOS晶体管的栅极相连，并与第二偏置 电压相连；所述第一PMOS晶体管的源极与所述第二PMOS晶体管的源极相连，并与电源电压 VDD相连；所述第一PMOS晶体管的漏极和所述第二PMOS晶体管的漏极分别与所述第三PMOS 晶体管的源极和所述第四PMOS晶体管的源极相连；
[0018] 所述第三PMOS晶体管的栅极与所述第四PMOS晶体管的栅极相连，并与第三偏置 电压相连；所述第三PMOS晶体管的漏极和所述第四PMOS晶体管的漏极分别与所述第五 NMOS晶体管的漏极和所述第六NMOS晶体管的漏极相连；其中，所述第三PMOS晶体管的漏 极作为所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端与所述电容反馈电路的输入端相连；
[0019] 所述第五NMOS晶体管的栅极与所述第六NMOS晶体管的栅极相连，并与第四偏置 电压相连，所述第五NMOS晶体管的源极和所述第六NMOS晶体管的源极分别与所述第七 NMOS晶体管的漏极和所述第八NMOS晶体管的漏极相连；
[0020] 所述第七NMOS晶体管的栅极与所述第八NMOS晶体管的栅极相连，并与所述第四 PMOS晶体管的漏极相连；所述第七NMOS晶体管的源极与所述第八NMOS晶体管的源极相 连，并与地相连。
[0021] 优选地，所述电容反馈电路包括开关和反馈电容，其中，所述开关的一端与所述反 馈电容的一端相连，并与所述折叠共源共栅运算放大器电路的输出端相连，所述开关的另 一端与所述反馈电容的另一端相连，并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。
[0022] 另一方面，本发明提供一种离子敏感场效应管传感器，所述传感器包括上述任一 项所述的读出电路。
[0023] 本发明提供的离子敏感场效应管传感器及其读出电路，其利用折叠共源共栅运算 放大器电路的一个差分输入管做成ISFET管，工作于亚阈值区，因此，所述读出电路的功耗 很低，适合于大规模DNA测序阵列应用。
[0024] 另外，所述读出电路通过电容反馈电路周期性地将ISFET晶体管的浮栅重置于一 个固定电位，同时通过反馈环路固定ISFET晶体管的直流漏电流及其源极与漏极的电压 差，从而能够有效消除直流/低频偏差和漂移，从而大大提高读出电路的精度和灵敏度。
【附图说明】
[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它 的附图。
[0026] 图1为本发明离子敏感场效应管传感器的读出电路一实施例结构示意图；
[0027] 图2为本发明离子敏感场效应管传感器的读出电路另一实施例结构示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029] 如图1所示，本发明实施例提供一种离子敏感场效应管传感器的读出电路1，所述 读出电路1包括pH值感应电路101，基于M0S晶体管的折叠共源共栅运算放大器电路102、 电容反馈电路104和缓冲级电路103,所述M0S晶体管工作于亚阈值区，其中，
[0030] 所述pH值感应电路101的输入端REF与输入参考电极相连，所述pH值感应电路 的输出端g与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第一差分输入端gl相连；
[0031] 所述折叠共源共栅运算放大器电路102的第二差分输入端g2与共模输入电压VCM 相连，所述折叠共源共栅运算放大器电路102的输出端out同时与所述电容反馈电路104 的输入端ifb和所述缓冲级电路103的输入端ibuf相连；
[0032] 所述电容反馈电路104的输出端ofb与所述折叠共源共栅运算放大器电路102的 第一差分输入端gl相连；所述缓冲级电路103的输出端为所述读出电路的输出端0-pH。
[0033] 本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的读出电路，其利用折叠共源共栅 运算放大器电路的一个差分输入管做成ISFET管，工作于亚阈值区，因此，所述读出电路的 功耗很低，适合于大规模DNA测序阵列应用。
[0034] 另外，所述读出电路通过电容反馈电路周期性地将ISFET晶体管的浮栅重置于一 个固定电位，同时通过反馈环路固定ISFET晶体管的直流漏电流及其源极与漏极的电压 差，从而能够有效消除直流/低频偏差和漂移，从而大大提高读出电路的精度