[发明专利]包括离子敏感场效应晶体管的信号处理电路以及监控流体属性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及离子敏感场效应晶体管，并涉及使用离子敏感场效应晶体管的处理和控制系统。

背景技术

离子敏感场效应晶体管(ISFET)是基于具有位于化学敏感绝缘体之下的远处栅极(或者“参考电极”)的MOSFET。绝缘体的表面暴露于要对其进行测量的电解质。图1中示出了典型的ISFET使用的场景。绝缘体表面处的离子电荷作用的场效应在如图2所示的ISFET漏电流对栅极到源极电压(I_D-V_GS)的特性中产生偏移。根据化学属性和对特定离子的敏感度来选择与电解质接触的绝缘体。

对于设计用于测量电解质的pH(即电解质的H⁺离子含量)的ISFET，通常使用氮化硅和氧化铝膜来使栅极绝缘。可以通过选择离子敏感膜，从而添加离子选择性的成分，使ISFET对除H⁺之外的其它离子敏感。膜被更改为对特定离子种类可选的ISFET有公知的ChemFET，进一步改变的话，在紧邻膜表面附近使用酶，已知有EnFET。还表明，即使是具有未更改的Si₃N₄膜的传统pH-ISFET，也展示出对K⁺和Na⁺的有限但是可测的敏感度。这就是说，除了pH感测之外，使用的ISFET几乎没有其它的实际工业应用。然而，在下面的讨论中，术语ISFET既特指pH传感器，还通指基于以类似原理工作的所有对离子和酶敏感的FET。

ISFET及其基于FET的相似物的吸引力在于，它们与用于大规模生产计算机芯片的标准制造工艺兼容，并因此可以可靠且成本有效地生产。重要的是，可以将处理电路集成到与ISFET器件本身相同的芯片上。智能电路与感测器件本身的集成是所谓“智能传感器”的开发所需的，“智能传感器”需要对非理想感测条件具有鲁棒性，并且提供电子以区分“芯片上”的化学品。

ISFET的正常工作模式是I_D-V_GS特性的强反转区。在该区中，栅极到源极电压超过阈值电压V_TH，导致栅极下覆的沟道的强反转。对于该工作模式，漏电流与栅极电压成平方律或线性关系。

再次参考图1，施加到ISFET的参考电极的任何电压都通过电解质电容耦合到绝缘体表面，在绝缘体表面，来自该表面的离子的取决于pH的电荷调制沟道电流，在ISFET转移特性中引起可观测的偏移，从而调制其阈值电压V_th。假设ISFET工作在恒定漏电流的模式下、具有恒定的漏极-源极电压，则栅极到源极的电压直接反映栅极表面处的pH敏感界面势，即：

pH＝pH_cal+V_gs/S    (1)

其中，pH_cal是37oC处校准液体的pH，S是ISFET的pH敏感度。在“ISFET，Theory and Practice”，P.Bergveld，IEEE SensorConference，Toronto，October，2003中详细描述了该关系的出处。然而，该方法假设了恒定的温度，在任意实际的方法中，必须应用温度补偿。

传统的对温度效应的补偿措施是对系统的温度依赖性进行建模，在测量pH的同时测量温度，并根据该模型和测量的温度，来校正测量的pH。该方法尽管有关，但是具有一些缺点。首先，该方法依赖于温度传感器，温度传感器典型地包括集成到与ISFET同一芯片上的温度敏感电阻器。其次，必须提供处理能力以执行校正。第三，校正测量的pH值的过程花费时间。在典型的系统中，在微处理器或CPU执行进一步处理之前，将pH和温度值转换为数字对应量。如果需要，在应用于要控制的器件之前，将数字控制输出转换为模拟值。

长期以来，已经认识到，可以应用ISFET的关键领域在于可植入且可佩戴的传感器。在前一段中概述的传统ISFET设计的要求对于需要是小型、消耗较低功率并极其精确的这种传感器不合适。尤其是在传感器形成部分控制环路的情况下，例如在控制给药系统的情况下，它们同样必须极其精确。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种信号处理电路，该信号处理电路包括一个或多个离子敏感场效应晶体管以及偏置电路，该偏置电路用于使每个离子场效应晶体管偏置以工作在弱反转(weakinversion)区中。

本发明的实施例具有的显著优点是，每个离子敏感场效应晶体管的输出由离子敏感场效应晶体管的本征特性补偿了感测离子的温度效应。