[发明专利]具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪

说明书

技术领域

本发明涉及传感器微弱电流检测技术领域，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。

背景技术

电化学生物传感器是生物技术与纳米电子技术结合的产物，是本世纪 最具发展前景的学科之一。电化学生物传感器是一种能直接将化学量或生 物量转化为电信号的装置，是目前微型生化传感器发展的主流，被广泛应 用于生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工和环境监测等领 域。随着微机械制造工艺和微电子技术的快速发展，生化微传感系统已朝 着微型化、智能化、低功耗和便携式方向发展，其最终目标是实现微传感 器和读出电路的单芯片集成，形成一个缩微芯片实验室(lab-on-chip)或 片上系统(system-on-chip)，这样既提高了系统的抗干扰能力，又提高 了检测灵敏度，有利于进行高精度测量。

电化学生物传感器大多是安培型传感器，其输出信号为非常微弱的电 流信号，其相应的读出电路就是将这种微弱信号检测出来。目前微传感器 系统中传感器和读出电路有两种结合方式，一是微传感器和读出电路为两 块独立的芯片，将它们通过二次集成封装在一起，或通过电路板连接在一 起；二是将传感器和读出电路集成在同一款芯片上。单芯片集成方式在抗 干扰能力、检测灵敏度和精度方面具有很大优势，是微传感系统发展的趋 势，但单芯片集成的成本更高、设计和制造都有一定的难度。

在微传感系统中，无论是采用分离芯片的方式，还是采用单芯片集成 的方式，CMOS恒电位仪都是不可缺少的组成部分，其性能的好坏直接影响 传感系统的检测精度。CMOS恒电位仪主要作用是保证在微电极进行氧化还 原反应的同时，在传感器的工作电极(work electrode)和反向电极 (counter electrode)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—模拟信号)时的稳定性。此外，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，并将传感器和后续的信 号处理电路隔离，以减小传感器和读出电路之间的干扰，保证了传感器正 常稳定地工作和读出电路对传感器输出信号的精确测量。

传统的CMOS恒电位仪结构如图1所示，它由一个跨导放大器和一个 NMOS晶体管组成一个负反馈环路，迫使跨导放大器的正负输入端电压相 等。偏置电压V_bias给传感器提供恒定的偏压，以保证传感器产生一个稳 定的氧化还原反应电流I₀，经过NMOS管N1由Z点接入读出电路，供后续 电路处理。然而，随着微机械制造技术的不断发展，传感器尺寸尤其是微 电极尺寸的不断减小，系统功耗也不断降低，但同时带来了传感信号十分 微弱，抗干扰能力差和信噪比低等问题，因而对传感器读出电路，尤其对 恒电位仪提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半 导体恒电位仪，适用于安培型传感器，具有片内稳定补偿特性，该改进的 结构还可以方便地进行片外增强型补偿，以满足皮安(10^-12-A)及其以下 量级电流测量的要求，补偿电容还可以滤除传感器电极上受到的噪声干扰 信号，使电极上的电压更稳定，使恒电位仪的输出更接近与一个理想恒流 源。

为达到上述稳定传感器电极电压和输出电流的目的，本发明的技术解 决方案是：

一种具有快速稳定特性的互补-金属-氧化物半导体恒电位仪，适用于 安培型传感器，包括一个OTA，一个NMOS管，其中NMOS管的栅极接OTA 的输出端，源极接OTA的反向输入端，组成一个电流传输器结构，NMOS 管的漏极作为恒电位仪的输出端，传感器微电极产生的电流信号将由OTA 的反相输入端进入恒电位仪，经过NMOS管后从漏端输出进入后续电流信 号处理电路；其还包括一个跨接在OTA正反相输入端上的开关和二个稳压 补偿电容。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述开关，是在跨导运算放大器的 正相输入端和反相输入端之间加入了一个三点开关，开关第三点为开关断 开或闭合的控制端，与系统的置位端Reset连接；即当系统置位时，开关 闭合，当置位完毕后，开关断开，系统开始工作。

所述的氧化物半导体恒电位仪，其所述当开关闭合时，两个补偿电容 同时被迅速充电到与OTA正相端(V+)相同的电压，之后开关断开，使电 路迅速正常工作。