離子敏感場效應管傳感器及其電壓模式讀出電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及集成電路技術領域，特別是涉及一種離子敏感場效應管傳感器及其電 壓模式讀出電路。
【背景技術】
[0002] 隨著生物醫學的迅速發展，具有傳感采集、識別、監測和放大等功能的醫學系統 和芯片被廣泛應用于疾病的前期監測、診斷和治療領域，其中，由于離子敏感場效應管 (Ion-Sensitive Field-effect Transistor，ISFET)傳感器具有敏感區面積小、響應速度 快、靈敏度高以及易于批量制造等優勢，所以離子敏感場效應管傳感器被廣泛應用于生化 檢測領域，例如，離子敏感場效應管傳感器可以作為PH值傳感器來檢測pH值的變化。
[0003] 離子敏感場效應管是使用敏感膜和參考電極取代金屬氧化物半導體場效應管 (Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor，M0SFET)的金屬柵極。離子敏 感場效應管傳感器的工作機理為將參考電極和敏感膜被置于待測的電解質溶液中，柵極電 壓加在參考電極上，隨著電解質溶液的PH值變化，柵極表面的氫離子濃度會發生變化，進 而影響離子敏感場效應管的閾值電壓的變化，然后，通過離子敏感場效應管傳感器的讀出 電路將閾值電壓的變化轉換成電流或者電壓輸出，從而將PH值的變化轉換為電信號。可 見，離子敏感場效應管傳感器的讀出電路直接關系到離子敏感場效應管傳感器的工作穩定 性及性能好壞。
[0004] 現有的離子敏感場效應管傳感器的電壓模式讀出電路由于使用運算放大器，而使 得讀出電路的工作電壓和功耗比較高，同時，輸出的電壓量在轉換為電流量時也需要經過 高阻抗節點，這在很大程度上降低了讀出電路的工作速度，而現代生物醫學往往要求傳感 器具有低電壓、低功耗、高工作速度等特點，以縮小傳感器體積和延長測量時間。因此，為了 滿足現代生物醫學對于生物傳感器的要求，降低電壓模式讀出電路的工作電壓和功耗，以 及提高電壓模式讀出電路的工作速度是一個亟待需要解決的問題。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種離子敏感場效應管傳感器及其電壓模式讀出電路，其具有電路 結構簡單、低工作電壓、超低功耗以及高工作速度的優點。
[0006] -方面，本發明提供一種離子敏感場效應管傳感器的電壓模式讀出電路，所述讀 出電路包括基于離子敏感場效應管的PH值感應電路、基于金屬氧化物半導體場效應管的 緩沖級電路和電流源偏置電路，所述離子敏感場效應管和所述金屬氧化物半導體場效應管 均工作于亞閾值區，其中，
[0007] 所述pH值感應電路的第一輸入端和第二輸入端作為所述讀出電路的第一輸入端 和第二輸入端分別與第一輸入參考電極和第二輸入參考電極相連；所述pH值感應電路的 第一輸出端和第二輸出端分別與所述緩沖級電路的第二輸入端和第一輸入端相連；
[0008] 所述緩沖級電路的第一輸出端和第二輸出端作為所述讀出電路的第一輸出端和 第二輸出端分別與所述電流源偏置電路的第一電流源和第二電流源相連，所述讀出電路的 第一輸出端和第二輸出端之間的電壓即為所述讀出電路的輸出電壓；
[0009] 所述第一電流源的電流流向由電源VDD流向所述緩沖級電路的第一輸出端，所述 第二電流源的電流流向由電源VDD流向所述緩沖級電路的第二輸出端；或者，所述第一電 流源的電流流向由所述緩沖級電路的第一輸出端向地電位，所述第二電流源的電流流向由 所述緩沖級電路的第二輸出端向地電位。
[0010] 優選地，所述pH值感應電路包括第一離子敏感場效應管和第二離子敏感場效應 管，所述第一離子敏感場效應管的柵極和所述第二離子敏感場效應管的柵極作為所述讀出 電路的第一輸入端和第二輸入端分別與所述第一輸入參考電極和所述第二輸入參考電極 相連；所述第一離子敏感場效應管的源極和所述第二離子敏感場效應管的源極作為所述 pH值感應電路的第一輸出端和第二輸出端分別與所述緩沖級電路的第一輸入端和第二輸 入端相連；所述第一離子敏感場效應管的漏極和所述第二離子敏感場效應管的漏極接地， 或者，所述第一離子敏感場效應管的漏極和所述第二離子敏感場效應管的漏極連接電源 Vdd 〇
[0011] 優選地，所述緩沖級電路包括第一金屬氧化物半導體場效應管和第二金屬氧化物 半導體場效應管，所述第一金屬氧化物半導體場效應管的柵極和所述第二金屬氧化物半導 體場效應管的柵極作為所述緩沖級電路的第一輸入端和第二輸入端分別與所述第一離子 敏感場效應管的源極和所述第二離子敏感場效應管的源極相連；所述第一金屬氧化物半導 體場效應管的源極和所述第二金屬氧化物半導體場效應管的源極作為所述讀出電路的第 一輸出端和第二輸出端分別與所述第一電流源和所述第二電流源相連；所述第一金屬氧化 物半導體場效應管的漏極和所述第二金屬氧化物半導體場效應管的漏極分別與所述第一 離子敏感場效應管的源極和所述第二離子敏感場效應管的源極相連。
[0012] 優選地，所述第一金屬氧化物半導體場效應管的源極和所述第二金屬氧化物半導 體場效應管的源極作為所述讀出電路的第一輸出端和第二輸出端分別與所述第一電流源 和所述第二電流源相連可以為：
[0013] 所述第一金屬氧化物半導體場效應管的源極與所述第一電流源的負極相連，所述 第一電流源的正極與電源V dd相連，所述第二金屬氧化物半導體場效應管的源極與所述第 二電流源的負極相連，所述第二電流源的正極與電源V dd相連；或者，所述第一金屬氧化物 半導體場效應管的源極與所述第一電流源的正極相連，所述第一電流源的負極接地，所述 第二金屬氧化物半導體場效應管的源極與所述第二電流源的正極相連，所述第二電流源的 負極接地。
[0014] 另一方面，本發明提供一種離子敏感場效應管傳感器，所述傳感器包括上述任一 項所述的讀出電路。
[0015] 本發明提供的離子敏感場效應管傳感器及其電壓模式讀出電路，根據亞閾值區電 流特性和跨導線性化原理將PH值的變化轉換為穩定的電壓信號輸出，與現有技術相比，所 述電壓模式讀出電路的電路結構簡單，而且所述電壓模式讀出電路具有工作電壓低、功耗 低和工作速度快的優點。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于 本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它 的附圖。
[0017] 圖1為本發明離子敏感場效應管傳感器的電壓模式讀出電路一實施例的結構示 意圖；
[0018] 圖2為本發明離子敏感場效應管傳感器的電壓模式讀出電路的P型電路結構示意 圖；
[0019] 圖3為本發明離子敏感場效應管傳感器的電壓模式讀出電路的N型電路結構示意 圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0021] 如圖1所示，本發明實施例提供一種離子敏感場效應管傳感器的電壓模式讀出電 路1，所述讀出電路1包括基于離子敏感場效應管的PH值感應電路11、基于金屬氧化物半 導體場效應管的緩沖級電路12和電流源偏置電路13,所述離子敏感場效應管和所述金屬 氧化物半導體場效應管均工作于亞閾值區，其中，
[0022] 所述pH值感應電路11的第一輸入端Gl和第二輸入端G2作為所述讀出電路1的 第一輸入端和第二輸入端分別與第一輸入參考電極和第二輸入參考電極相連；所述pH值 感應電路的第一輸出端Sl和第二輸出端S2分別與所述緩沖級電路的第二輸