[发明专利]带补偿功能的多通道ISFET传感器读出电路

说明书

技术领域

本发明属于离子敏场效应晶体管(ISFET)技术领域，涉及ISFET传感器读出电路，ISFET的信号处理及补偿控制，特别是一种带补偿功能的多通道ISFET传感器读出电路。

技术背景

离子敏场效应晶体管(ISFET)与金属氧化物半导体MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)具有相似的结构，只是用溶液和离子敏膜代替了MOSFET的栅极，其通过栅极上不同敏感薄膜材料直接与待测溶液中离子接触产生反应，进而可用来测定离子浓度以检测多项生化指标。它兼有电化学及MOSFET的双重特性，与传统的离子选择性电极相比，ISFET具有体积小、灵敏度高、响应速度快、无标记、检测方便、易集成化和批量生产的优点，在生命科学研究、生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境监测等领域有广阔的应用前景。

ISFET结构与MOSFET结构相似，所以可以用半导体工艺制造ISFET，而ISFET产生的电压、电流信号必须有相应的信号处理电路才能组成使用的测量仪器，于是越来越多的ISFET传感器与前端信号处理电路通过标准CMOS工艺被集成在同一芯片上，这样不仅有利于提高检测灵敏度和抗干扰能力，还有利于ISFET传感器的微型化和智能化。

由于准参比电极与溶液作用后产生的基准电极不稳定，且ISFET的电学特性对温度比较敏感，如敏感膜-溶液界面势会随温度变化，ISFET的阈值电压也会随温度变化，被测电解液的pH值也会随温度变化，传统的ISFET传感器读出电路采用直接耦合放大的方式，读出电路在放大信号的同时，将失调和温度漂移也相应放大了。有多种方法被用于ISFET温度补偿，如零温度系数调节法、差分对管补偿法、交流注频法、二极管补偿法等。采用差分对管道方式，将ISFET同REFET集成在一起，二者具有相同的温度特性，二者同时浸泡在溶液中，相对参比电极具有相似的失调，因此采用差分对管道方式能减小系统失调和温度的影响。

此外，ISFET还具有其它的非理想特性，如ISFET的长时间漂移和迟滞特性等，而REFET上的钝化膜相对稳定，因此需要从系统的角度对ISFET进行补偿和修正。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的所要解决的技术问题是，针对ISFET传感器的信号读出，以及ISFET的非理想特性，如电路失调、温度漂移、长时间漂移等，设计一种带有补偿控制功能的多通道多参数检测的ISFET传感器阵列的读出电路，以减小ISFET非理想特性的影响。

(二)技术方案

为了解决该技术问题，本发明公开了一种多通道ISFET传感器阵列读出电路，用于检测待测溶液中的离子浓度，其包括多个ISFET传感器读出电路，每个ISFET传感器读出电路构成一个检测通道，所述每个ISFET传感器读出电路具有补偿端口，该补偿端口用于接收由外部系统提供的补偿信号，以对所述ISFET传感器的非理想特性进行修正。

根据本发明的一种具体实施方式，所述多通道ISFET传感器阵列读出电路还包括一个模拟多路选择器，所述补偿信号通过该模拟多路选择器分配给每个ISFET传感器读出电路。

根据本发明的一种具体实施方式，所述多通道ISFET传感器阵列读出电路还包括一个控制时钟，所述模拟多路选择器由该多路控制时钟控制。

根据本发明的一种具体实施方式，所述多通道ISFET传感器阵列读出电路还包括一个准参比电极，所述准参比电极连接到固定的参考电压，用于为所述被测溶液提供该参考电压。

根据本发明的一种具体实施方式，每个ISFET传感器读出电路包括一个ISFET和一个REFET和与该ISFET、REFET匹配的信号处理电路。

根据本发明的一种具体实施方式，所述信号处理电路包括一个ISFET放大器、一个REFET放大器、第一至第八晶体管、一个电阻和一个跨阻放大器，所述跨阻放大器包括放大器和输出电阻；所述ISFET放大器和REFET放大器对称连接，且所述ISFET放大器与第二晶体管以跟随形式连接，所述REFET放大器与第三晶体管也以跟随形式连接；所述电阻分别与该ISFET放大器和REFET放大器的反相端连接，形成差分电流放大电路；通过第一晶体管和第八晶体管组成的镜像电流源将第二晶体管支路的电流镜像到第八晶体管；通过第四晶体管和第五晶体管，第六晶体管和第七晶体管组成的镜像电流源将第三晶体管支路的电流镜像到第七晶体管；第七晶体管和第八晶体管的漏源电流差，通过所述跨阻放大器转换成电压并输出。