[发明专利]一种纳米孔基因检测传感器芯片

摘要

本发明公开了一种纳米孔基因检测传感器芯片，包含由运放偏置电路OPA、n行m列传感单元5T阵列、行译码器、电流‑时域‑电压转换读取电路、模数转换电路ADC、静态随机寄存器组SRAM以及列译码器组成。同一行中的传感单元5T经其对应的电流‑时域‑电压转换读取电路、模数转换电路ADC、静态随机寄存器组SRAM处理，最后在列译码器的控制下输出，如此重复直至所有行传感单元处理完成。通过采用与半导体工艺兼容的纳米孔5T传感单元以及亚阈值放大的C‑TVC读取策略，可以实现1pA纳米孔电流的基因片段碱基对直接检测，简化了生物处理的复杂度，进一步提高了芯片集成度，降低芯片生产成本。

主权项

1.一种纳米孔基因检测传感器芯片，其特征在于：由运放偏置电路(OPA)、n行m列传感单元(5T)阵列、行译码器、电流‑时域‑电压转换读取电路、模数转换电路(ADC)、静态随机寄存器组(SRAM)以及列译码器组成；每一列传感单元(5T)共享一个运放偏置电路(OPA)、电流‑时域‑电压转换读取电路、模数转换电路(ADC)和静态随机寄存器组(SRAM)，运放偏置电路(OPA)的负输入端连接到该列的每行传感单元(5T)的纳米孔负反馈选通管(MN4)的漏极，运放偏置电路(OPA)的正输入端连接到偏置电压(Vref)上，运放偏置电路(OPA)的输出端连接到该列每行传感单元(5T)的源极跟随传输管(MN3)的栅极；每个传感单元(5T)由一个纳米孔、一个采样电容(Cf)以及五个晶体管(MN4、MN3、MN2、MN1、MN0)组成；纳米孔两端分别有正负两个电极，其中靠近溶液的负电极接地，正电极连接到源极跟随传输管(MN3)漏极和纳米孔负反馈选通管(MN4)的源极；纳米孔负反馈选通管(MN4)栅极接到负反馈选通信号(SN)上，漏极连接到运放偏置电路(OPA)的负输入端，源极连接到源极跟随传输管(MN3)的漏极上；源极跟随传输管(MN3)栅极连接到运放偏置电路(OPA)的输出端，源极跟随传输管(MN3)源极分别连接到采样电容(Cf)的一端、复位管(MN2)的源极和亚阈值区放大管(MN0)的栅极；采样电容(Cf)的另一端接地；复位管(MN2)栅极接选通信号(RSTG)，复位管(MN2)漏极接复位电压信号(RSTV)；亚阈值区放大管(MN0)漏极连接到行选通管(MN1)源极，亚阈值区放大管(MN0)源极接地；行选通管(MN1)栅极接由行译码器控制的行选通信号(ROW)，行选通管(MN1)漏极连接电流‑时域‑电压转换读取电路的输入节点(N0)；电流‑时域‑电压转换读取电路由预充电管(MP0)、充放电控制开关(S0)、积分电容(C0)、源极跟随读取管(MN5)组成；预充电管(MP0)栅极接预充电管选通信号(VBP)，预充电管(MP0)漏极连接到电流‑时域‑电压转换读取电路的输入节点(N0)上，预充电管(MP0)源极接到电源(VDD)上；充放电控制开关(S0)跨接在电流‑时域‑电压转换读取电路的输入节点(N0)和源极跟随读取管(MN5)的栅极之间，充放电控制开关(S0)由一个互补的N型和P型传输管对组成，并由互补的开关控制信号(CTX和CTXB)打开或关闭充放电控制开关(S0)；积分电容(C0)的一端连接到源极跟随读取管(MN5)的栅极，另一端接地；源极跟随读取管(MN5)漏极接到电源(VDD)，源极跟随读取管(MN5)源极连接到电流偏置I0并作为输出端电压(Vout)连接到模数转换电路(ADC)的输入端；模数转换电路(ADC)输出连接静态随机寄存器组(SRAM)；在列译码器的控制下以列为单位将该列数据通过输出端口(DOUT)输出；行译码器在行地址的控制下为传感单元阵列提供四种信号：行选通信号(ROW)，复位管栅极选通信号(RSTG)和复位电压信号(RSTV)，以及负反馈选通信号(SN)；同一行中处在所有列上的传感单元(5T)的纳米孔电流(Inano)经其对应的电流‑时域‑电压转换读取电路，由其对应的模数转换电路(ADC)转换成数字信号，并存储在其对应的静态随机寄存器组(SRAM)中，最后在列地址的控制下经列译码器在芯片的输出端口(DOUT)输出，如此重复直至所有行的传感单元(5T)的纳米孔电流(Inano)转换完成在芯片的输出端口(DOUT)输出；行译码器控制每行传感单元的操作时序，当第一行传感单元的纳米孔电流经过读取电路进行电压放大后并转化为数字信号，再在列译码器的控制下将m列数据串行输出到处理器如计算机中，紧接着对第二行的传感单元进行操作，并将m列的数据输出，直至第n行后整个n行m列传感单元阵列的数据都已经进行读取，通过专用软件对数据进行分析还原基因序列信息。