入端g2和第 一输入端gl相连；
[0023] 所述缓冲级电路的第一输出端V+和第二输出端V _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13的第一电流源131和第二电流源132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V wt;
[0024] 所述第一电流源131的电流流向由电源电压Vdd流向所述缓冲级电路的第一输出 端gl，所述第二电流源132的电流流向由电源电压V dd流向所述缓冲级电路的第二输出端 g2;或者，所述第一电流源131的电流流向由所述缓冲级电路的第一输出端gl向地电位，所 述第二电流源132的电流流向由所述缓冲级电路的第二输出端g2向地电位。
[0025] 本发明实施例提供的离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路，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。
[0026] 如图2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2,所述读出电路2为P型电路结构，所述读出电路2包括基于P型离子敏感场效应管的 pH值感应电路21、基于P型金属氧化物半导体场效应管的缓冲级电路22和电流源偏置电 路23。
[0027] 其中，所述pH值感应电路21包括第一 P型离子敏感场效应管P-ISFETl和第二P 型离子敏感场效应管P-ISFET2,所述缓冲级电路22包括第一 P型金属氧化物半导体场效应 管PMl和第二P型金属氧化物半导体场效应管PM2,所述电流源偏置电路23包括第一电流 源I biasl和第二电流源I bias2，其中P-ISFET1、P-ISFET2、PM1和PM2均工作于亚阈值区。
[0028] 具体地，所述P-ISFETl的栅极Gl和所述P-ISFET2的栅极G2作为所述读出电路 2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；
[0029] 所述P-ISFETl的源极Sl和所述P-ISFET2的源极S2分别与所述PM2的栅极g2 和所述PMl的栅极gl相连；
[0030] 所述P-ISFETl的漏极Dl和所述P-ISFET2的漏极D2分别接地。
[0031] 进一步地，所述PMl的源极si和所述PM2的源极s2作为所述读出电路2的第一输 出端V+和第二输出端V-分别与所述第一电流源I biasl的负极和所述第二电流源I bias2的负 极相连，所述第一电流源Ibiasl的正极和所述第二电流源I bias2的正极分别与电源Vdd相连；
[0032] 所述PMl的漏极dl和所述PM2的漏极d2分别与所述P-ISFETl的源极Sl和所述 P-ISFET2的源极S2相连。
[0033] 可见，所述读出电路2采用的是四管交叉的简易电路结构，并根据亚阈值区电流 特性和跨导线性化原理，将离子敏感场效应管的阈值电压的变化转换为稳定的输出电压。
[0034] 具体地，亚阈值区电流特性为流过处于亚阈值区晶体管的漏电流Id与电压呈以下 指数关系：
[0035]
【主权项】
1. 一种离子敏感场效应管传感器的电压模式读出电路，其特征在于，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， 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； 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； 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。
2. 根据权利要求1所述的读出电路，其特征在于，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。
3. 根据权利要求2所述的读出电路，其特征在于，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。
4. 根据权利要求3所述的读出电路，其特征在于，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包括： 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VDD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VDD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。
5. -种离子敏感场效应管传感器，其特征在于，所述传感器包括权利要求1至4中任一 项所述的读出电路。
【专利摘要】本发明实施例公开了一种离子敏感场效应管传感器及其电压模式读出电路，解决了现有电压模式读出电路的高电压、高功耗及工作速度低的缺陷。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，离子敏感场效应管和金属氧化物半导体场效应管均工作于亚阈值区，所述pH值感应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；所述缓冲级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。
【IPC分类】G01N27-414
【公开号】CN104677967
【申请号】CN201510064685
【发明人】刘昱, 王倩, 卫宝跃, 张海英
【申请人】中国科学院微电子研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月6日