帶補償功能的多通道isfet傳感器讀出電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種帶補償功能的多通道ISFET傳感器陣列的讀出電路。該讀出電路用于檢測待測溶液中的離子濃度，其包括多個ISFET傳感器讀出電路，每個ISFET傳感器讀出電路構成一個檢測通道，所述每個ISFET傳感器讀出電路具有補償端口，該補償端口用于接收由外部系統提供的補償信號，以對所述ISFET傳感器的非理想特性進行修正。本發明采用多通道檢測方式，能夠對ISFET陣列傳感器的多種參數進行快速檢測，檢測方式可根據系統需要進行并行或串行輸出。
【專利說明】帶補償功能的多通道ISFET傳感器讀出電路
【技術領域】
[0001]本發明屬于離子敏場效應晶體管(ISFET)【技術領域】，涉及ISFET傳感器讀出電路，ISFET的信號處理及補償控制，特別是一種帶補償功能的多通道ISFET傳感器讀出電路。
技術背景
[0002]離子敏場效應晶體管(ISFET)與金屬氧化物半導體MOSFET(Metal Oxide SiliconField Effect Transistor)具有相似的結構，只是用溶液和離子敏膜代替了 MOSFET的柵極，其通過柵極上不同敏感薄膜材料直接與待測溶液中離子接觸產生反應，進而可用來測定離子濃度以檢測多項生化指標。它兼有電化學及MOSFET的雙重特性，與傳統的離子選擇性電極相比，ISFET具有體積小、靈敏度高、響應速度快、無標記、檢測方便、易集成化和批量生產的優點，在生命科學研究、生物醫學工程、醫療保健、食品加工、環境監測等領域有廣闊的應用前景。
[0003]ISFET結構與MOSFET結構相似，所以可以用半導體工藝制造ISFET，而ISFET產生的電壓、電流信號必須有相應的信號處理電路才能組成使用的測量儀器，于是越來越多的ISFET傳感器與前端信號處理電路通過標準CMOS工藝被集成在同一芯片上，這樣不僅有利于提高檢測靈敏度和抗干擾能力，還有利于ISFET傳感器的微型化和智能化。
[0004]由于準參比電極與溶液作用后產生的基準電極不穩定，且ISFET的電學特性對溫度比較敏感，如敏感膜-溶液界面勢會隨溫度變化，ISFET的閾值電壓也會隨溫度變化，被測電解液的PH值也會隨溫度變化，傳統的ISFET傳感器讀出電路采用直接耦合放大的方式，讀出電路在放大信號的同時，將失調和溫度漂移也相應放大了。有多種方法被用于ISFET溫度補償，如零溫度系數調節法、差分對管補償法、交流注頻法、二極管補償法等。采用差分對管道方式，將ISFET同REFET集成在一起，二者具有相同的溫度特性，二者同時浸泡在溶液中，相對參比電極具有相似的失調，因此采用差分對管道方式能減小系統失調和溫度的影響。
[0005]此外，ISFET還具有其它的非理想特性，如ISFET的長時間漂移和遲滯特性等，而REFET上的鈍化膜相對穩定，因此需要從系統的角度對ISFET進行補償和修正。
【發明內容】
[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]本發明的所要解決的技術問題是，針對ISFET傳感器的信號讀出，以及ISFET的非理想特性，如電路失調、溫度漂移、長時間漂移等，設計一種帶有補償控制功能的多通道多參數檢測的ISFET傳感器陣列的讀出電路，以減小ISFET非理想特性的影響。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]為了解決該技術問題，本發明公開了一種多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，用于檢測待測溶液中的離子濃度，其包括多個ISFET傳感器讀出電路，每個ISFET傳感器讀出電路構成一個檢測通道，所述每個ISFET傳感器讀出電路具有補償端口，該補償端口用于接收由外部系統提供的補償信號，以對所述ISFET傳感器的非理想特性進行修正。
[0010]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述多通道ISFET傳感器陣列讀出電路還包括一個模擬多路選擇器，所述補償信號通過該模擬多路選擇器分配給每個ISFET傳感器讀出電路。
[0011]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述多通道ISFET傳感器陣列讀出電路還包括一個控制時鐘，所述模擬多路選擇器由該多路控制時鐘控制。
[0012]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述多通道ISFET傳感器陣列讀出電路還包括一個準參比電極，所述準參比電極連接到固定的參考電壓，用于為所述被測溶液提供該參考電壓。
[0013]根據本發明的一種【具體實施方式】，每個ISFET傳感器讀出電路包括一個ISFET和一個REFET和與該ISFET、REFET匹配的信號處理電路。
[0014]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述信號處理電路包括一個ISFET放大器、一個REFET放大器、第一至第八晶體管、一個電阻和一個跨阻放大器，所述跨阻放大器包括放大器和輸出電阻；所述ISFET放大器和REFET放大器對稱連接，且所述ISFET放大器與第二晶體管以跟隨形式連接，所述REFET放大器與第三晶體管也以跟隨形式連接；所述電阻分別與該ISFET放大器和REFET放大器的反相端連接，形成差分電流放大電路；通過第一晶體管和第八晶體管組成的鏡像電流源將第二晶體管支路的電流鏡像到第八晶體管；通過第四晶體管和第五晶體管，第六晶體管和第七晶體管組成的鏡像電流源將第三晶體管支路的電流鏡像到第七晶體管；第七晶體管和第八晶體管的漏源電流差，通過所述跨阻放大器轉換成電壓并輸出。
[0015]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述ISFET放大器包括一個ISFET、多個晶體管、一個恒流源、兩個電阻和一個放大器；所述ISFET和多個晶體管中一部分組成了一個差分輸入單端輸出的放大器，將放大器的正相輸入端的晶體管用ISFET代替，通過所述恒流源來恒定所述ISFET和其中一個晶體管的漏源電流，通過所述多個晶體管中的另一部分與所述兩個電阻、所述放大器構成一個電壓控制電壓源電路來固定所述ISFET和該晶體管的漏源電壓，以控制所述ISFET的漏源電壓。
[0016]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述REFET放大器包括一個REFET、多個晶體管、一個恒流源和一個電阻；所述REFET和所述多個晶體管中的一部分組成一個差分輸入單端輸出的放大器，將放大器的正相輸入端的晶體管用REFET代替，通過所述恒定電流源來恒定所述REFET和其中一個晶體管的漏源電流，通過多個晶體管中的另一部分、所述電阻和所述電流源組成的電流控制電壓源電路來固定所述REFET和該晶體管的漏源電壓。
[0017]根據本發明的一種【具體實施方式】，所述所有檢測通道還共用一個模數轉換器、一個補償模塊和一個數模轉換器，所述每個ISFET傳感器讀出電路輸出的模擬信號通過該模數轉換器轉換成數字信號，所述補償模塊根據該數字信號和所述ISFET傳感器的物理特性計算并生成一個補償控制電壓，并通過該數模轉換器將該補償控制電壓輸入到所述ISFET傳感器讀出電路的補償端口。
[0018](三)有益效果
[0019]本發明采用多通道檢測方式，能夠對ISFET陣列傳感器的多種參數進行快速檢測，檢測方式可根據系統需要進行并行或串行輸出。每通道讀出電路采用差分檢測方式，能克服ISFET傳感器的失調和溫度漂移等特性，同時系統可以通過補償模塊對ISFET傳感器長時間漂移等其它非理想因素進行修正。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的多通道ISFET傳感器讀出電路的電路圖；
[0021]圖2為本發明的一個檢測通道的帶補償功能的ISFET傳感器讀出電路的電路圖；
[0022]圖3為圖2所示的ISFET傳感器讀出電路中的ISFET放大器電路圖；
[0023]圖4為圖2所示的ISFET傳感器讀出電路中的REFET放大器電路圖；
[0024]圖5為ISFET系統補償原理圖。
【具體實施方式】
[0025]使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0026]本發明涉及的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路用于檢測待測溶液中的離子濃度，其包括:多個ISFET傳感器讀出電路、一個公用的準參比電極PRE(Public ReferenceElectrode)、一個模擬多路選擇器和一個多路控制時鐘。多個ISFET傳感器讀出電路中的每一個構成一個檢測通道，各檢測通道的ISFET傳感器讀出電路輸出信號可以并行輸出，也可以通過模擬多路選擇器串行輸出，該模擬多路選擇器由該多路控制時鐘控制工作，各ISFET傳感器讀出電路具有補償端口，其補償信號由外部系統提供，并通過模擬多路選擇器輸入到各ISFET傳感器讀出電路，以對所述ISFET傳感器的非理想特性進行修正。
[0027]圖1為本發明的多通道ISFET傳感器陣列的讀出電路的電路圖。如圖1所示，每個檢測通道包含一個ISFET、一個REFET和與之配套的信號處理電路，所述準參比電極PRE連接到固定的參考電壓Vref，每個檢測通道的ISFET與REFET集成在一起，它們的柵極一起暴露在溶液中，這樣可以確保它們有相同的失調和溫度特性。所述準參比電極PRE為傳感器的公共參考電極，也即是傳感器陣列的一個電極，其被用來為溶液提供參考偏壓，而PRE的直流偏壓由全局電路提供。
[0028]所述的信號處理電路與模擬多路選擇器連接:首先ISFET和REFET的輸出信號經信號處理電路模塊處理后輸出到模擬多路選擇器，該模擬多路選擇器受多路控制時鐘電路控制，并決定各通道數據如何輸出，其次，系統產生的補償控制信號也通過模擬多路選擇器連接到各通道信號處理模塊的補償控制端，由多路選擇器和控制時鐘電路決定對哪一通道進行補償。
[0029]每個檢測通道的ISFET和REFET可以與后續的信號處理電路集成在同一芯片上；有時為了方便儀器平臺的設計和使用，所述ISFET和REFET也可以與其信號處理電路分別集成在兩個芯片上并通過信號線連接。
[0030]所述ISFET傳感器讀出電路的輸出數據可以直接輸出，也可以通過所述模擬多路選擇器輸出，每個ISFET傳感器讀出電路的補償信號由外部提供，并通過該模擬多路選擇器分配給各個ISFET傳感器讀出電路。電路的串行輸出和補償控制工作過程采用分時方式，并由多路控制時鐘電路控制工作。
[0031]圖2為本發明的一個檢測通道的帶補償功能的ISFET傳感器讀出電路圖，即為圖I所示的各個檢測通道的ISFET傳感器讀出電路。如圖2所示，ISFET傳感器讀出電路包括一個ISFET放大器Al、一個REFET放大器A2、兩個電流源I。和I1多個晶體管Ml?M8、一個電阻Rd和一個跨阻放大器，跨阻放大器包括放大器A3和輸出電阻R。。
[0032]所述ISFET放大器Al帶有補償功能，且ISFET放大器和REFET放大器A2對稱連接。電流源Itl和I1提供的電流相等，且它們的輸入端均連接電源Vdd，電流源Itl的輸出端與晶體管M2的源極相連，ISFET放大器Al的反相輸入端和電阻Rd的一端相連接；電流源I1的輸出端與晶體管M3的源極相連，REFET放大器A2的反相輸入端和電阻Rd的另一端相連接；晶體管M2的柵極與ISFET放大器Al的輸出端連接，晶體管M2的漏極與晶體管Ml的漏極和柵極均相連接；晶體管Ml的源極接地，晶體管M3的漏極與晶體管M4的漏極和柵極均相連接；晶體管M4的的源極接地；晶體管M4和M5組成鏡像電流源，晶體管M5的漏極與晶體管M6的漏極和柵極均相連接；晶體管M6的源極接電源；晶體管M6同M7組成鏡像電流源，晶體管Ml同M8也組成鏡像電流源；晶體管M7和M8的漏極與放大器A3的反相端連接，放大器A3的正向端同共模電壓連接，輸出電阻R。跨接在放大器A3的反相端和輸出端之間。
[0033]由圖2可見，ISFET放大器Al和REFET放大器A2對稱連接，且ISFET放大器Al與晶體管M2以跟隨形式連接(所謂跟隨形式連接指的是運算放大器Al的輸出端同M2的柵極電壓相連，M2的源極反饋到放大器Al的反相輸入端，這樣放大器Al的反相輸入端的電壓就能夠跟隨放大器Al的正相輸入端，即ISFET電極上的電壓)，REFET放大器A2與晶體管M3也以跟隨形式連接，電阻Rd分別與ISFET放大器Al和REFET放大器A2的反相端連接，形成差分電流放大電路，通過晶體管Ml和M8組成的鏡像電流源將晶體管M2支路的電流鏡像到晶體管M8，通過晶體管M4和M5，晶體管M6和M7組成的鏡像電流源將晶體管M3支路的電流鏡像到晶體管M7,晶體管M7和M8的漏源電流差，通過放大器A3和輸出電阻R。組成的跨阻放大器轉換成電壓信號輸出。
[0034]圖3是圖2中所示的ISFET傳感器讀出電路中的ISFET放大器Al的電路圖。如圖3所示，ISFET放大器Al包括一個ISFET、多個晶體管Mla?M16a、一個恒流源Itla、兩個電阻Rla、R2a、一個放大器AO。ISFET的源極與晶體管M2a的源極、恒流源Itla的輸入端均連接，晶體管Mla的漏極與晶體管M3a的源極相連，晶體管M3a的漏極與晶體管M5a的漏極和柵極相連；晶體管M5a和M8a組成鏡像電流源，晶體管M4a的漏極與晶體管M6a的漏極和柵極相連，晶體管1163和M7a組成鏡像電流源，晶體管M7a的漏極與晶體管M9a的漏極和柵極相連接，晶體管M9a和MlOa組成鏡像電流源，晶體管M8a和MlOa的漏極與ISFET放大器Al的輸出端連接。晶體管Mlla?M16a、電阻Rla、R2jP放大器AO組成了 ISFET漏源電壓控制電路用來保持ISFET和晶體管M2a漏源電壓恒定，其中電阻Rla的一端與晶體管M3a和M4a的柵極、晶體管Mlla的漏極相連，電阻Rla的另一端與ISFET和晶體管M2a的源極、晶體管M12a的漏極相連，晶體管Mlla的柵極與晶體管M14a的柵極、晶體管M15的a柵極和漏極連接，晶體管Mlla和M14a兩路共同鏡像M15a的電流，晶體管M14a的漏極與晶體管M12a的柵極、晶體管M13a的漏極、M13a的柵極均連接，晶體管M15a的漏極同晶體管M16a的漏極連接，放大器AO的輸出端與晶體管M16a的柵極連接，放大器AO的反相端與電阻R2a的一端、晶體管M16a的源極均連接，晶體管M8a、M5a、M6a、M7a、Mlla、M14a和M15a的源極與電源Vdd連接，晶體管M9a、M10a、M12a、M13a的源極、恒流源的Itla輸出端以及電阻R2a的另一端同Gnd連接(接地)。
[0035]由圖3可知，ISFET和晶體管M2a?MlOa組成了一個差分輸入單端輸出的放大器，只不過將放大器的正相輸入端的晶體管用ISFET代替，通過恒定電流源Itla來恒定ISFET和晶體管M2a的漏源電流，通過電壓控制電壓源電路來固定ISFET和晶體管M2a的漏源電壓，圖3中Mlla~M16a、電阻Rla、電阻R2a和放大器AO組成了可調電壓控制電路，通過放大器AO的正相輸入端電壓來調節電阻Rla上的電壓降，從而達到控制ISFET漏源電壓的目的。
[0036]ISFET傳感器讀出電路中REFET放大器A2如圖4所示，REFET放大器A2包括一個REFET、多個晶體管Mlb~M16b、一個恒流源Itlb和一個電阻Rlb。REFET和晶體管M2b的源極、恒流源Itlb輸入端均連接，REFET的漏極同晶體管M3b的源極相連，晶體管M3b的漏極與晶體管M5b的漏極、柵極均相連，晶體管M5b和MSb組成鏡像電流源，晶體管M4b的漏極與晶體管M6b的漏極、柵極均相連，晶體管M6b和M7b組成鏡像電流源，晶體管M7b的漏極與晶體管M9b的漏極、柵極均相連接，晶體管M9b和MlOb組成鏡像電流源，晶體管M8b和MlOb的漏極與REFET放大器A2的輸出端連接，晶體管Mllb~M16b、電阻Rlb和電流源Ilb組成了 REFET的漏源電壓控制電路，用來保持REFET和晶體管M2b漏源電壓恒定，其中電阻Rlb的一端與晶體管M3b、晶體管M4b的柵極、晶體管Mllb的漏極均相連，電阻Rlb的另一端與REFET的源極、晶體管M2b的源極、晶體管M12b的漏極均相連，晶體管Mllb的柵極與晶體管M14b的柵極相連，晶體管M15b的柵極與其漏極連接，晶體管Mllb和M14b共同鏡像晶體管M15b的電流，晶體管M14b的漏極與晶體管M12b的柵極、晶體管M13b的漏極、晶體管M13b的柵極連接，晶體管M15b的漏極與電流源Ilb的輸入端連接，晶體管M8b、M5b、M6b、M7b、Mllb、M14b和M15b的源極與電源Vdd連接，晶體管M9b、M10b、M12b、M13b的源極，以及電源流Itlb和Ilb的輸出端均與Gnd連接(接地)。
[0037]由圖4可見，REFET和晶體管M2b~MlOb組成了一個差分輸入單端輸出的放大器，同樣將放大器的正相輸入端的晶體管用REFET代替，通過恒定電流源Itlb來恒定REFET和晶體管M2b的漏源電流，通過電流控制電壓源電路來固定REFET和晶體管M2b的漏源電壓，圖4中晶體管Mllb~M16b、電阻Rlb和電流源Ilb組成了電流控制電壓源。
[0038]根據ISFET的工作原理，ISFET傳感器讀出電路首先需要提供ISFET恒定電流和恒定電壓偏置條件。由電化學的Nernst方程和ISFET的轉移特性可得，當ISFET工作在飽和區時，其漏源電流:
[0039] Ins = —/.1llC1rix —(K； -('-S- pHy(} + PiVns)(I)
ZIj
[0040]當ISFET工作在線性區時，則:
[0041]Ids = LillC '.αχ —[(K； -C-S- pHWns ~ — V\i)S]ι2)
[0042]其中，μ n為表面電荷遷移率，Cox為單位面積絕緣柵電容，Vds為漏源電壓，W/L為溝道寬長比；C、s和λ均為常數，Ve為ISFET的柵電位，pH為溶液的pH值，C為ISFET的源極電壓和ISFET閾值電壓以及Nernst電壓中與溶液pH值無關的常量部分之和，S為ISFET的靈敏度，λ為ISFET的溝道調制系數。
[0043]由上面的分析可以看到，如果保持ISFET的漏源電壓Vds和漏源電流Ids恒定，則敏感膜上的電位\與溶液的pH值呈線性關系，按照此原理可設計出相應的傳感器讀出電路。
[0044]圖3所示的ISFET放大器Al和圖4所示的REFET放大器A2分別介紹了如何保持ISFET和REFET漏源電壓Vds和漏源電流Ids的恒定。如圖2所示，ISFET放大器Al和REFET放大器A2在差分電路中接成跟隨形式，M2a和M2b的柵極電壓分別跟隨ISFET和REFET柵極的電壓，所以ISFET的漏源電流Ids由圖3中的恒流源Itla決定:
[0045]Ids(isfet) — I(ia/2⑶
[0046]同樣，REFET的漏源電流Ids由圖4中的恒流源Itlb決定
[0047]Ids(refet) — ^ob/2(4)
[0048]如圖3所示，ISFET漏源電壓Vds由電壓控制電壓源決定，首先通過系統提供的補償控制電壓改變電阻R2a的電流，進而通過鏡像電流源改變流過電阻Rla的電流，從而改變電阻Rla兩端的電壓，從而控制ISFET的漏源電壓VDS(ISFET)。
[0049]如圖4所示，REFET漏源電壓Vds由電流控制電壓源決定，首先電源源Ilb通過鏡像電流源決定流過電阻Rlb的電流大小，進而決定兩端的電阻Rlb的電壓降，從而決定REFET
的漏源電壓VDS(KEFET)。
[0050]將準參比電極(PRE)置于待測液中、所有ISFET柵極和REFET柵極暴露于溶液中，將PRE偏置于Vref，溶液中的待測離子與ISFET敏感膜作用，在ISFET柵極和REFET柵極產生差分電壓。如圖2所示，ISFET放大器Al的反相端將跟隨ISFET柵極上的電壓，REFET反相端將跟隨REFET柵極上的電壓，ISFET柵極和REFET柵極產生差分電壓將作用于電阻Rd:
[0051]Id — (V1Sfet-Vrefet)/Rd(5)
[0052]則通過晶體管M2的電流為:
[0053]Im2 = 10-1d(6)
[0054]則通過晶體管M3的電流為:
[0055]Im3 = VId(7)
[0056]晶體管M8鏡像Ml的電流，晶體管M4、M5、M6和M7組成鏡像電流源，晶體管M7鏡像M4的電流，則通過跨阻的電流為:
[0057]Ieo = I「10+2Id(8)
[0058]由于I。等于I1，所以:
[0059]Ieo = 2Id(9)
[0060]故將式(9)代入式(5)有:
[0061 ] V0 = 2 (Visfet-Veefet) R0/Rd(10)
[0062]各通路的輸出電壓Vtj可以直接并行輸出，也可以通過模擬多路選擇器串行輸出，用戶可以根據需要進行選擇。
[0063]此種差分結構可以消除系統的共模誤差，克服由于參比電極電壓的不穩定，溶液-敏感膜表面勢引入的失調，克服器件溫漂的影響。此外敏感膜的長時間漂移特性也會影響溶液的測試精度，但REFET表面對鈍化膜性能穩定，所以系統需要對ISFET進行補償，其原理是當ISFET表明電壓產生漂移時，由公式(I)和MOS管道電流電壓特性，通過對ISFET漏源電壓Vds進行微調，從而克服其柵電壓Ve的漂移。
[0064]由于ISFET長時間漂移具有隨機性，無規律可循，但其變化相對緩慢，因此系統可以通過補償算法控制ISFET傳感器讀出電路的補償端口，對ISFET傳感器進行補償。
[0065]其補償原理如圖5所示，所述裝置的所有檢測通道共享一個模數轉換器ADC、一個補償模塊和一個數模轉換器DAC，所述每個ISFET傳感器讀出電路輸出的模擬信號通過該、模數轉換器ADC轉換成數字信號，所述補償模塊根據該數字信號和所述ISFET傳感器的物理特性計算并生成一個補償控制電壓，并通過該數模轉換器DAC將該補償控制電壓輸入到所述ISFET傳感器讀出電路的補償端口。
[0066]該補償控制電壓的大小由補償模塊計算出，系統中的數模轉換器DAC將該補償控制電壓輸出給ISFET傳感器讀出電路的補償端口，并通過改變Vds來調節ISFET傳感器柵極電壓的漂移。
[0067]所述ISFET傳感器讀出電路的補償端口即為ISFET放大器Al的補償端口。
[0068]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，用于檢測待測溶液中的離子濃度，其包括多個ISFET傳感器讀出電路，每個ISFET傳感器讀出電路構成一個檢測通道，其特征在于，所述每個ISFET傳感器讀出電路具有補償端口，該補償端口用于接收由外部系統提供的補償信號，以對所述ISFET傳感器的非理想特性進行修正。
2.如權利要求1所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于，還包括一個模擬多路選擇器，所述補償信號通過該模擬多路選擇器分配給每個ISFET傳感器讀出電路。
3.如權利要求2所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于，還包括一個控制時鐘，所述模擬多路選擇器由該多路控制時鐘控制。
4.如權利要求3所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于，還包括一個準參比電極，所述準參比電極連接到固定的參考電壓，用于為所述被測溶液提供該參考電壓。
5.如權利要求4所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于，每個ISFET傳感器讀出電路包括一個ISFET、一個REFET和一個與該ISFET、REFET匹配的信號處理電路。
6.如權利要求5所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于， 所述信號處理電路包括一個ISFET放大器(Al)、一個REFET放大器(A2)、第一至第八晶體管(Ml~M8)、一個電阻(Rd)和一個跨阻放大器，所述跨阻放大器包括放大器(A3)和輸出電阻(R。)； 所述ISFET放大器(Al)和REFET放大器(A2)對稱連接，且所述ISFET放大器(Al)與第二晶體管(M2)以跟隨形式連接，所述REFET放大器(A2)與第三晶體管(M3)也以跟隨形式連接； 所述電阻(Rd)分別與該IS FET放大器(Al)和REFET放大器(A2)的反相端連接，形成差分電流放大電路； 通過第一晶體管(Ml)和第八晶體管(M8)組成的鏡像電流源將第二晶體管(M2)支路的電流鏡像到第八晶體管(M8);通過第四晶體管(M4)和第五晶體管(M5)，第六晶體管(M6)和第七晶體管(M7)組成的鏡像電流源將第三晶體管(M3)支路的電流鏡像到第七晶體管(M7)； 第七晶體管(M7)和第八晶體管(M8)的漏源電流差，通過所述跨阻放大器轉換成電壓并輸出。
7.如權利要求6所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于，所述ISFET放大器(Al)包括一個ISFET、多個晶體管(M2a~M16a)、一個恒流源(Ij、兩個電阻(Rla、R2a)和一個放大器(AO)； 所述ISFET和多個晶體管中一部分組成了一個差分輸入單端輸出的放大器，將放大器的正相輸入端的晶體管用ISFET代替，通過所述恒流源(Itla)來恒定所述ISFET和其中一個晶體管(M2a)的漏源電流，通過所述多個晶體管中的另一部分與所述兩個電阻、所述放大器構成一個電壓控制電壓源電路來固定所述ISFET和該晶體管(M2a)的漏源電壓，以控制所述ISFET的漏源電壓。
8.如權利要求6所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于，所述REFET放大器(A2)包括一個REFET、多個晶體管(M2b~M16b)、一個恒流源(Itlb)和一個電阻(Rlb)； 所述REFET和所述多個晶體管中的一部分(M2b~MlOb)組成一個差分輸入單端輸出的放大器，將放大器的正相輸入端的晶體管用REFET代替，通過所述恒定電流源(Itlb)來恒定所述REFET和其中一個晶體管(M2b)的漏源電流，通過多個晶體管中的另一部分(Mllb~M16b)、所述電阻(Rlb)和所述電流源(Ilb)組成的電流控制電壓源電路來固定所述REFET和該晶體管(M2b)的漏源電壓。
9.如權利要求1所述的多通道ISFET傳感器陣列讀出電路，其特征在于， 所述所有檢測通道還共用一個模數轉換器、一個補償模塊和一個數模轉換器，所述每個ISFET傳感器讀出電路輸出的模擬信號通過該模數轉換器轉換成數字信號，所述補償模塊根據該數字信號和所述ISFET傳感器的物理特性計算并生成一個補償控制電壓，并通過該數模轉換器將該補償 控制電壓輸入到所述ISFET傳感器讀出電路的補償端口。
【文檔編號】G01N27/414GK103472114SQ201210186726
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年6月7日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】吳其松, 楊海鋼, 程小燕, 尹韜 申請人:中國科學院電子學研究所