專利名稱：微陣列生物傳感器的讀出電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微陣列生物傳感器，具體涉及一種微陣列生物傳感器的讀 出電路。
背景技術：
電化學生物傳感器是具有電化學信號轉換器的生物傳感器， 一般認為它是 一個化學修飾電極。以電導、半導體或者離子導電的材料構成電化學電極作為 信號轉換器，涂上一層生物化學或生物薄膜作為敏感元件，最后以電信號為特 征檢測信號。根據電信號測定方式的不同， 一般可分為電流式、電位式和電導 式三類，電流式和電位式占主導地位。由于傳統的化學修飾電極存在體積大、 靈敏度低、噪聲大等缺點，生物傳感器的化學修飾電極，正在朝著微型化的方
向發展。早在20世紀60年代，微電極技術就以其優良的電化學特性引起學者 廣泛的關注，70年代末期，已成為電化學的前沿領域。近20年來，微電極技 術已迅速發展為一種重要的電化學研究技術，其理論與應用的研究不僅取得了 長足進展，而且對電化學、生物電化學、生物傳感器、生命科學和臨床醫學等 領域產生了深遠影響。
隨著生物芯片的高速發展，近年來生物傳感器的研究與開發呈現出突飛猛 進的局面。其中，微陣列生物傳感器是當前研究的一個熱點。生物信號采用微 陣列生物傳感器進行檢測(微陣列生物傳感器通過檢測生物反應生成的微電流 信號從而對生物分子進行檢測與識別)，其輸出大多為電流信號。因此，有關微 陣列生物傳感器的研究，主要側重于微電流的信號檢測與處理技術。在微弱信 號的探測應用中， 一個非常關鍵的技術就是對噪聲進行抑制或削弱，以提高輸 出信號的信噪比(S/N)。因而對噪聲抑制或削弱的程度往往決定著所提取信號 質量的優劣，或信號處理的效果。由于目前的微陣列生物傳感器的讀出電路對噪聲的抑制基本上沒有涉及，致使讀出電路中存在的最主要的噪聲源包括1//
噪聲(MOS晶體管的閃爍噪聲)、KTC噪聲(復位噪聲)和微陣列固定偏差噪聲 信號，這些未經抑制或削弱的噪聲信號r。自(噪聲信號K。w表所有噪聲之和)隨 著讀出電路輸出到后級電路。由于前級噪聲信號可能被放大而傳送到后級電路， 所以危害往往更大，為提高輸出信號的信噪比，必須予以消除或削弱。
發明內容
針對上述技術問題，本發明的目的在于提供一種微陣列生物傳感器的讀出 電路，它能消除生物微電極傳感器輸出信號中的噪聲信號，提高生物微電極傳 感器輸出信號的信噪比。
本發明的目的是這樣實現的包括緩沖輸出單元，以及一個與微陣列生物 傳感器輸出端連接的恒電位儀電流積分單元，該恒電位儀電流積分單元為微陣 列生物傳感器的工作電極和對電極之間提供一個恒定的偏置電壓，并將來自于 微陣列生物傳感器的電流信號轉換為電壓信號；以及一個連接于恒電位儀電流 積分單元與緩沖輸出單元之間的相關雙采樣單元，該相關雙采樣單元采樣恒電
位儀電流積分單元輸出的電壓信號并作去噪處理后輸出到緩沖輸出單元。
采用了上述方案，在微陣列生物傳感器輸出端連接一恒電位儀電流積分單 元，該恒電位儀電流積分單元為微陣列生物傳感器的工作電極和對電極之間提 供一個恒定的偏置電壓，并將來自于微陣列生物傳感器的電流信號轉換為電壓 信號輸出。恒電位儀電流積分單元包括恒電位儀以及與該恒電位儀電連接的積 分器。其中恒電位儀為微陣列生物傳感器的工作電極和對電極之間提供一個恒 定的偏置電壓，以保證微陣列生物傳感器在工作和信號轉換時的穩定性。從微 陣列生物傳感器輸出的電流會對恒電位儀電流積分單元的積分器進行充電，從 而積分器上的電壓的變化反應的正是微陣列生物傳感器輸出電流幅值的變化， 因此，積分器可將微陣列生物傳感器輸出的電流信號取出并轉換為電壓信號輸 出；并且積分器上的輸出電壓具有很高的輸出擺幅，對于微陣列生物傳感器的 每一個輸出電流，積分曲線均具有較好的線性度。在恒電位儀電流積分單元與 緩沖輸出單元之間連接一個相關雙采樣單元，該相關雙采樣單元采樣恒電位儀電流積分單元輸出的電壓信號并作去噪處理后輸出到緩沖輸出單元。相關雙采 樣單元的采樣開關為兩個并聯在一起的晶體管，其導通電阻小，幾乎可以無損 失地傳輸信號。相關雙采樣單元的去噪處理器為一個耦合電容，由于耦合電容 對直流電信號不能突變，并通過連接于去噪處理器輸出端的電壓鉗位器對耦合 電容輸出端設定的時間點將去噪處理器輸出的電壓信號進行鉗制，不但能將噪 聲信號消除，以提高生物微電極傳感器輸出電信號的信噪比；并且從本發明中 的讀出電路中輸出的電壓信號隨著積分器上輸出的積分電壓變化，而積分器上 的電壓的變化反應的正是微陣列生物傳感器輸出電流幅值的變化，因此，最終 輸出電壓隨微陣列生物傳感器變化。
由上述可知本發明的讀出電路，能使從恒電位儀電流積分單元輸出的電壓 信號通過相關雙采樣單元進行采樣，并作去噪處理后，可以得到信噪比較高的 信號，這樣利于提高傳感器靈敏度。
此外，本發明的讀出電路中的相關雙采樣單元還具有電路結構簡單、所用晶 體管少、功耗低和占用IC版圖面積小等優點。
圖1為本發明的微陣列生物傳感器的讀出電路的電路框圖2為本發明中的微陣列生物傳感器與恒電位儀電流積分單元連接的電路
結構圖3為本發明中的相關雙采樣單元以及緩沖輸出單元連接的電路結構圖； 圖4為微陣列生物傳感器輸出的傳感電流經恒電位儀電流積分單元處理后 的仿真示意圖5為相關雙采樣單元的時序時；
圖6為本發明的讀出電路的仿真示意圖7為微陣列傳感器的轉移特性曲線圖。
具體實施例方式
參照圖1，本發明的微陣列生物傳感器的讀出電路，微陣列生物傳感器1輸出端連接一個恒電位儀電流積分單元2，該恒電位儀電流積分單元為微陣列生物 傳感器的工作電極和對電極之間提供一個恒定的偏置電壓，并將來自于微陣列 生物傳感器的電流信號轉換為電壓信號輸出。恒電位儀電流積分單元2與緩沖 輸出單元4之間的相關雙采樣單元3，該相關雙采樣單元采樣恒電位儀電流積分 單元輸出的電壓信號并作去噪處理后輸出到緩沖輸出單元。參照圖1及圖2，恒電位儀電流積分單元2包括恒電位儀以及與該恒電位儀 電連接的積分器。該恒電位儀電流積分單元為微陣列生物傳感器的工作電極WE 和對電極CE之間提供一個恒定的偏置電壓，使微陣列生物傳感器能夠進行氧化 還原的化學反應，以保證微陣列生物傳感器在工作和信號轉換時的穩定性。恒 電位儀包括偏置電壓源Vrrf、運算放大器A和醒OS管Mn。偏置電壓源的負極 端連接微陣列生物傳感器的對電極CE，偏置電壓源VrBf的正極端連接運算放大器 A的同相輸入端，運算放大器A的反相輸入端連接微陣列生物傳感器的工作電極 WE。從圖中可以得知運算放大器A工作在負反饋狀態，從而維持微陣列生物傳 感器的微電極(工作電極WE和對電極CE)上有一個固定偏壓，同時保證電路工 作的穩定性，偏置電壓源Vw的大小為0.3V—0.6V。運算放大器A的輸出端連 接麗OS管Mn的柵極g，醒OS管Mn的源極s連接微陣列生物傳感器的工作電極 WE， NMOS管Mn的漏極d連接所述積分器。積分器包括積分電容Cint以及為該 積分電容Cint輸送復位信號的復位管Mp。積分電容Cint連接在電源電壓Vdd 與恒電位儀之間，積分電容Cint端連接NMOS管Mn的漏極d，積分電容Cint另 一端與電源電壓Vdd連接。復位管Mp為PMOS晶體管，復位管Mp的柵極g連接復 位信號Rest，復位管Mp的其余兩端分別與積分電容Cint的兩端連接。恒電位 儀電流積分單元2的輸出端從積分電容與NMOS管Mn的漏極d的連接處引出， 輸出的電壓信號采用V。表示。參照圖1及圖3，相關雙采樣單元3包括采樣開關，以及連接于采樣開關輸 出端的去噪處理器，以及連接于去噪處理器輸出端的電壓鉗位器，以及連接于 去噪處理器輸出端的輸出器。所述采樣開關在設定時間點值取出來自于恒電位 儀電流積分單元輸出的電壓信號。采樣開關包括腿OS管Ml和PMOS管M2，醒OS管Ml的柵極g用于連接采樣脈沖Samp，麗0S管Ml的漏極d和PMOS管M2的源 極s均與恒電位儀電流積分單元的輸出端連接，NM0S管Ml的源極s與PMOS管 M2的漏極d連接，醒OS管Ml的襯底接地，PMOS管M2的柵極g與反相器INV的 輸出端連接，反相器INV的輸入端用于連接采樣脈沖Sanip。 PMOS管M2的襯底 與電源電壓Vdd連接。所述去噪處理器將來自于采樣開關的保持電壓信號進行去 噪處理，去噪處理器為一個耦合電容CS。所述電壓鉗位器在設定的時間點將去 噪處理器輸出的電壓信號進行鉗制，所述電壓鉗位器為一個麗0S管M5，該麗OS 管M5的柵極g用于連接鉗位脈沖Clp， NMOS管M5的漏極d連接去噪處理器， NMOS管M5的源極s及襯底均與地連接。所述輸出器將來自于去噪處理器的鉗位 電壓信號輸出到緩沖輸出單元，輸出器包括PMOS管M3和PMOS管M4， PMOS管 M4的柵極g連接去噪處理器的輸出端，PM0S管M4的漏極d與地連接，PMOS管 M4的襯底與電源電壓Vdd連接，PMOS管M4的源極s與PMOS管M3的漏極d連接， PMOS管M3的源極s和襯底均與電源電壓Vdd連接，PMOS管M3的柵極g連接偏置 電壓VgP。所述緩沖輸出單元4包括麗OS管M6和醒OS管M7，麗OS管M6的柵極 g與相關雙采樣單元的輸出端連接，麗OS管M6的漏極d與電源電壓Vdd連接,麗OS 管M6的襯底與地連接，NMOS管M6的源極s與醒OS管M7的漏極d連接，麗OS 管M7的柵極g與偏置電壓Vb連接，麗OS管M7的源極s和襯底一同與地連接。當微陣列生物傳感器的微電極在恒定的偏置電壓源Vref進行氧化還原反應 時，會產生一個直流電流信號Iin，該直流電流信號經NMOS管Mn對積分電容 Cint進行充電，并在積分電容上形成一個與直流電流信號Iin成比列的積分電 壓信號^ (見圖4)，從圖4中可以看出，積分電容Cint上的輸出積分電壓信 號^:nn具有很高的輸出擺幅(0V 5V)，對于微陣列傳感器的每一輸出電流L， 積分曲線均具有較好的線性度。隨后，恒電位儀電流積分單元的電壓信號V。被 送往相關雙采樣單元，進行采樣保持及去噪處理。其工作過程如下如圖5，由于采樣開關在設定時間點取自于恒電位儀電流積分單元輸出的電壓信號，在時 刻T1，相關雙采樣脈沖Samp為高電平，腿0S管Ml及PM0S管M2導通，采樣開 關打開；同時鉗位脈沖Clp為高電平，電壓鉗位器醒0S管M5導通；此時，恒電位儀電流積分單元輸出的電壓信號V。通過采樣開關采樣后送往耦合電容Cs的 V!端，而由于應0S管Mn5導通，所以相耦合電容Cs的V2端，近似接地，即第 —次電容Cs兩端采樣電壓V"T》和V2(TJ分別為f2(t;) = o上式中，Vw為微電極的偏置電壓，V^t為積分電容Cint兩端的積分電壓信號， K,為噪聲信號。在時刻1，鉗位脈沖Clp為低電平，麗0S管Mn5截止，緊接著T2時刻，積分電 容復位到Vdd,積分電容兩端的電壓為零，此時，恒電位儀電流積分單元的輸出 的電壓信號V^^, + ^,M。相關雙采樣單元通過采樣開關將V。采樣后，耦合電容Cs 在T2時刻時，Vi端的第二次采樣電壓^rTJ為(3)根據電荷守恒原理，耦合電容Cs上的電荷不能突變，即耦合電容Cs兩端的 電量在T,和T2時刻應相等，故有下面等式成立q " (K) - & (《))=cs"(『2) - f2 (r2)) (4) 由上式可得到通過CDS后的輸出信號V2(T2)為一步^(。 = ^(『2)-wr))+^(7;) =+~ +r *)-(PV + rCi t +r"。j=Ht (5) 由式(5)可以看出，經過相關雙釆樣單元進行處理后，噪聲信號K"消除 了，耦合電容Cs輸出端的電壓信號為^-&nl。可見，相關艱采樣單元能有效地 降低讀出電路的噪聲。并由于電源電壓為Vdd固定值，因此，耦合電容Cs輸出端 的電壓隨積分電壓的變化而變化。此外，相關雙采樣單元具有結構簡單、所用 晶體管少、功耗低和占用版圖面積小等優點。圖6顯示了一個周期輸出電壓隨微陣列生物傳感器電流變化的情況，輸出 為箱型波，在生物傳感電流為0—50nA，步長為5nA時，輸出電壓「。w隨輸入電流 的變化幾乎是等間距的，證明本發明的讀出電路性能好。將上述仿真結果通過 計算在Matlab下進行三次多項式擬合，得到微陣列生物傳感器的轉移特性曲性，如圖7所示。Matlab擬合的三次多項式如下L O. 695+0. 0527 力"+0. 0002 力/+0. 0000 力/ (6)從式(6)中可以看出，傳感器輸出與輸入之間存在良好的線性關系。從圖7 中可以看出微陣列生物傳感器的輸出轉換電壓在生物傳感電流從0—50nA的范 圍內變化時具有很好的轉移特性。經過本發明的讀出電路對微陣列生物傳感器 輸出的信號進行去噪后，得到的輸出電壓信號具有較寬的動態響應范圍，其輸 出電壓具有大于3V的較大輸出擺幅。本發明不局限于上述實施例，本發明由本領域技術人員進行任何改變和修 飾，都不會脫離本發明權利要求范圍所限定的內容。
權利要求
1.一種微陣列生物傳感器的讀出電路，包括緩沖輸出單元，其特征在于還包括一個與微陣列生物傳感器輸出端連接的恒電位儀電流積分單元，該恒電位儀電流積分單元為微陣列生物傳感器的工作電極和對電極之間提供一個恒定的偏置電壓，并將來自于微陣列生物傳感器的電流信號轉換為電壓信號；以及一個連接于恒電位儀電流積分單元與緩沖輸出單元之間的相關雙采樣單元，該相關雙采樣單元采樣恒電位儀電流積分單元輸出的電壓信號并作去噪處理后輸出到緩沖輸出單元。
2. 根據權利要求l所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于所 述恒電位儀電流積分單元包括恒電位儀以及與該恒電位儀電連接的積分器。
3. 根據權利要求2所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于恒 電位儀包括由偏置電壓源(Vrrf)、運算放大器(A)和腿0S管(Mn),偏置電壓 源V^的負極端連接微陣列生物傳感器的對電極(CE)，偏置電壓源V^的正極端 連接運算放大器(A)的同相輸入端，運算放大器(A)的反相輸入端連接微陣 列生物傳感器的工作電極(WE)，運算放大器的輸出端連接應OS管Mn的柵極， 麗OS管Mn的源極連接微陣列生物傳感器的工作電極(WE)，麗0S管(Mn)的漏 極連接所述積分器。
4. 根據權利要求2所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于所 述積分器包括積分電容(Cint)以及為該積分電容(Cint)輸送復位信號的復位管(Mp)，積分電容(Cint)連接在電源電壓與恒電位儀之間，復位管(Mp)的一端 連接復位信號，復位管(Mp)的其余兩端分別與積分電容(Cint)的兩端連接。
5. 根據權利要求l所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于所 述相關雙采樣單元包括采樣開關，采樣開關在設定時間點取自于恒電位儀電流 積分單元輸出的電壓信號；以及連接于采樣開關輸出端的去噪處理器，去噪處 理器將來自于采樣開關的保持電壓信號進行去噪處理；以及連接于去噪處理器 輸出端的電壓鉗位器，該電壓鉗位器在設定的時間點將去噪處理器輸出的電壓信號進行鉗制；以及連接于去噪處理器輸出端的輸出器，該輸出器將來自于去 噪處理器的鉗位電壓信號輸出到緩沖輸出單元。
6. 根據權利要求5所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于所 述采樣開關包括NMOS管(Ml)和PM0S管(M2)，腿0S管(Ml)的漏極和PMOS 管(M2)的源極均與恒電位儀電流積分單元的輸出端連接，腿0S管(Ml)的源 極與PMOS管(M2)的漏極連接，麗OS管(Ml)的襯底接地，PMOS管(M2)的襯底與電源電壓連接。
7. 根據權利要求5所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于所 述去噪處理器為一個耦合電容(Cs)。
8. 根據權利要求5所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于所 述電壓鉗位器為一個NMOS管(M5)，該NM0S管(M5)的漏極連接去噪處理器， NM0S管(M5)的源極及襯底均與地連接。
9. 根據權利要求5所述的微陣列生物傳感器的讀出電路，其特征在于所 述輸出器包括PM0S管M3和PM0S管(M4)， PM0S管(M4)的柵極連接去噪處理 器的輸出端，PM0S管(M4)的漏極與地連接，PM0S管(M4)的襯底與電源電壓 連接，PM0S管(M4)的源極與PM0S管(M3)的漏極連接，PM0S管(M3)的源 極和襯底均與電源電壓連接，PM0S管(M3)的柵極連接偏置電壓。
全文摘要
本發明公開了一種微陣列生物傳感器的讀出電路，包括緩沖輸出單元，以及一個與微陣列生物傳感器輸出端連接的恒電位儀電流積分單元，該恒電位儀電流積分單元為微陣列生物傳感器的工作電極和對電極之間提供一個恒定的偏置電壓，并將來自于微陣列生物傳感器的電流信號轉換為電壓信號；以及一個連接于恒電位儀電流積分單元與緩沖輸出單元之間的相關雙采樣單元，該相關雙采樣單元采樣恒電位儀電流積分單元輸出的電壓信號并作去噪處理后輸出到緩沖輸出單元。本發明能消除生物微電極傳感器輸出信號中的噪聲信號，提高生物微電極傳感器輸出信號的信噪比。
文檔編號G01N27/416GK101256167SQ20081006956
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月17日 優先權日2008年4月17日
發明者劉嘉敏, 孔謀夫, 張仁富, 李向全, 潘銀松 申請人:重慶大學