[发明专利]快速稳定的互补金属氧化物半导体恒电位仪电路

说明书

技术领域

本发明涉及生化传感器技术领域，特别是一种快速稳定的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路。

技术背景

生物化学传感器(生化传感器)是一种能够连续和可逆地感受与转换化学量及生物量的装置，它既可以进行分子识别，还可以被视为信息采集和处理链中的一个逻辑元件，其构成的系统，在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境检测等领域有广阔的应用前景，受到普遍关注。

电化学生物传感器能直接将生物信号转化为电信号，是目前微型生化传感器发展的主流，其中以电流型传感器研究最为成熟，应用最为广泛。电流型生化传感器一般通过酶来研究分子水平上的生命现象，微电极是其中的一个重要工具，它是酶固定化的载体，也是酶进行反应的场所。随着微加工制造工艺的不断进步，微电极因其极快的响应速度和高信噪比，可作为电化学探针深人待测体系，在微区分析，生物活体监测以及快速电化学反应等方面具有独特的优势，成为电化学生物传感器在为环境表征与测定中的重要手段之一。

随着21世纪生物芯片的兴起，基因芯片、组织芯片、细胞芯片、蛋白芯片等生物芯片应运而生。生物芯片研究的最终目标是实现微型全分析系统(micro total analytical system)或缩微芯片实验室(lab-on-chip，system-on-chip)。目前的一个研究焦点是将生化微传感器和检测电路通过标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺集成，这样，既提高了检测灵敏度及抗干扰能力，有利于进行高精度测量；同时在同一芯片上还可方便地实现生化检测的多通道传感器(即多参数检测)，并能进一步地与A/D转换器、数字信号处理器、逻辑控制电路等进行单芯片合成，从而使生化微传感系统向着智能化、微型化、低功耗、便携式发展。这种系统是生化领域与微电子领域的重要结合，是本世纪的重要研究方向。

若要将生化微传感系统进行单芯片集成，互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪是一个不可缺少的组成部分，其性能的好坏直接影响传感器测试结果的准确度。互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪的主要作用是保证在微电极进行氧化还原的化学反应的同时，使微电极之间保持一个恒定的偏置电压，以保证传感器在工作和信号转换(传感器信号一模拟信号)时的稳定性。更重要的是，互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪起到了将传感器信号引入到读出电路中的作用，隔离了读出电路部分与传感器部分，使两部分的信号之间不会互相干扰，这样就保证了传感器在正常稳定的工作的同时，读出电路系统可以精确地测量传感器输出信号。

一般常用的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪结构如图1所示，偏置电源V_bias给微电极2a、2b提供恒定的偏压，当微电极2a、2b浸入到待测溶液4中时，在该偏压下可以进行氧化或者还原反应，通过两个电极2a、2b以及之间待测溶液的阻抗，将会产生一个直流电流信号I₀，经过NMOS管M₀由C点接入读出电路，并且不受C点电压V_C变化的影响。然而，随着器件尺寸的减小，特别是微电极尺寸的减小，在降低传感器功耗的同时，必然会引起信号弱、信噪比低等问题。例如，电流型生化微传感器信号通常在nA甚至pA量级，因而对恒电位仪提出了较高的要求。

按照一般的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪结构，见图1，虽然传感器输出电流信号I₀不随C点电压V_C变化而变化，但是在后续读出电路的设计中将会发现，传感器在输出电流信号I₀很小(小于3pA)的情况下，当C点电压V_C发生突变(变化频率很高)时，电流信号I₀会受到C点电压V_C的影响而产生波动，峰值约为0.16pA，如图2所示。这对于1pA甚至更小的弱信号测量精度会产生比较严重的影响。因此，为了消除由C点电压V_C突变而引起电流信号I₀波电流信号I₀的突变，使其基本稳定在原来电流值的大小动的影响，需要对电路结构进行改进。

发明内容

本发明的目的是公开一种快速稳定的互补金属氧化物半导体(CMOS)恒电位仪电路，可以消除由输出端点电压V_C突变而引起的电流信号I₀波动，使其基本稳定在原来电流值的大小，接近一个理想的恒流源。