离子敏感场效应管传感器及其电压模式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电 压模式读出电路。
【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，其中，由于离子敏感场效应管 (Ion-Sensitive Field-effect Transistor，ISFET)传感器具有敏感区面积小、响应速度 快、灵敏度高以及易于批量制造等优势，所以离子敏感场效应管传感器被广泛应用于生化 检测领域，例如，离子敏感场效应管传感器可以作为PH值传感器来检测pH值的变化。
[0003] 离子敏感场效应管是使用敏感膜和参考电极取代金属氧化物半导体场效应管 (Metal-Oxide Semiconductor Field-effect Transistor，M0SFET)的金属栅极。离子敏 感场效应管传感器的工作机理为将参考电极和敏感膜被置于待测的电解质溶液中，栅极电 压加在参考电极上，随着电解质溶液的PH值变化，栅极表面的氢离子浓度会发生变化，进 而影响离子敏感场效应管的阈值电压的变化，然后，通过离子敏感场效应管传感器的读出 电路将阈值电压的变化转换成电流或者电压输出，从而将PH值的变化转换为电信号。可 见，离子敏感场效应管传感器的读出电路直接关系到离子敏感场效应管传感器的工作稳定 性及性能好坏。
[0004] 现有的离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路由于使用运算放大器，而使 得读出电路的工作电压和功耗比较高，同时，输出的电压量在转换为电流量时也需要经过 高阻抗节点，这在很大程度上降低了读出电路的工作速度，而现代生物医学往往要求传感 器具有低电压、低功耗、高工作速度等特点，以缩小传感器体积和延长测量时间。因此，为了 满足现代生物医学对于生物传感器的要求，降低电压模式读出电路的工作电压和功耗，以 及提高电压模式读出电路的工作速度是一个亟待需要解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种离子敏感场效应管传感器及其电压模式读出电路，其具有电路 结构简单、低工作电压、超低功耗以及高工作速度的优点。
[0006] -方面，本发明提供一种离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路，所述读 出电路包括基于离子敏感场效应管的PH值感应电路、基于金属氧化物半导体场效应管的 缓冲级电路和电流源偏置电路，所述离子敏感场效应管和所述金属氧化物半导体场效应管 均工作于亚阈值区，其中，
[0007] 所述pH值感应电路的第一输入端和第二输入端作为所述读出电路的第一输入端 和第二输入端分别与第一输入参考电极和第二输入参考电极相连；所述pH值感应电路的 第一输出端和第二输出端分别与所述缓冲级电路的第二输入端和第一输入端相连；
[0008] 所述缓冲级电路的第一输出端和第二输出端作为所述读出电路的第一输出端和 第二输出端分别与所述电流源偏置电路的第一电流源和第二电流源相连，所述读出电路的 第一输出端和第二输出端之间的电压即为所述读出电路的输出电压；
[0009] 所述第一电流源的电流流向由电源VDD流向所述缓冲级电路的第一输出端，所述 第二电流源的电流流向由电源VDD流向所述缓冲级电路的第二输出端；或者，所述第一电 流源的电流流向由所述缓冲级电路的第一输出端向地电位，所述第二电流源的电流流向由 所述缓冲级电路的第二输出端向地电位。
[0010] 优选地，所述pH值感应电路包括第一离子敏感场效应管和第二离子敏感场效应 管，所述第一离子敏感场效应管的栅极和所述第二离子敏感场效应管的栅极作为所述读出 电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一输入参考电极和所述第二输入参考电极 相连；所述第一离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极作为所述 pH值感应电路的第一输出端和第二输出端分别与所述缓冲级电路的第一输入端和第二输 入端相连；所述第一离子敏感场效应管的漏极和所述第二离子敏感场效应管的漏极接地， 或者，所述第一离子敏感场效应管的漏极和所述第二离子敏感场效应管的漏极连接电源 Vdd 〇
[0011] 优选地，所述缓冲级电路包括第一金属氧化物半导体场效应管和第二金属氧化物 半导体场效应管，所述第一金属氧化物半导体场效应管的栅极和所述第二金属氧化物半导 体场效应管的栅极作为所述缓冲级电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一离子 敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极相连；所述第一金属氧化物半导 体场效应管的源极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极作为所述读出电路的第 一输出端和第二输出端分别与所述第一电流源和所述第二电流源相连；所述第一金属氧化 物半导体场效应管的漏极和所述第二金属氧化物半导体场效应管的漏极分别与所述第一 离子敏感场效应管的源极和所述第二离子敏感场效应管的源极相连。
[0012] 优选地，所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极和所述第二金属氧化物半导 体场效应管的源极作为所述读出电路的第一输出端和第二输出端分别与所述第一电流源 和所述第二电流源相连可以为：
[0013] 所述第一金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第一电流源的负极相连，所述 第一电流源的正极与电源V dd相连，所述第二金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第 二电流源的负极相连，所述第二电流源的正极与电源V dd相连；或者，所述第一金属氧化物 半导体场效应管的源极与所述第一电流源的正极相连，所述第一电流源的负极接地，所述 第二金属氧化物半导体场效应管的源极与所述第二电流源的正极相连，所述第二电流源的 负极接地。
[0014] 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。
[0015] 本发明提供的离子敏感场效应管传感器及其电压模式读出电路，根据亚阈值区电 流特性和跨导线性化原理将PH值的变化转换为稳定的电压信号输出，与现有技术相比，所 述电压模式读出电路的电路结构简单，而且所述电压模式读出电路具有工作电压低、功耗 低和工作速度快的优点。
【附图说明】
[0016] 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。
[0017] 图1为本发明离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路一实施例的结构示 意图；
[0018] 图2为本发明离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路的P型电路结构示意 图；
[0019] 图3为本发明离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路的N型电路结构示意 图。
【具体实施方式】
[0020] 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。
[0021] 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电压模式读出电 路1，所述读出电路1包括基于离子敏感场效应管的PH值感应电路11、基于金属氧化物半 导体场效应管的缓冲级电路12和电流源偏置电路13,所述离子敏感场效应管和所述金属 氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区，其中，
[0022] 所述pH值感应电路11的第一输入端Gl和第二输入端G2作为所述读出电路1的 第一输入端和第二输入端分别与第一输入参考电极和第二输入参考电极相连；所述pH值 感应电路的第一输出端Sl和第二输出端S2分别与所述缓冲级电路的第二输