[发明专利]一种高灵敏度酸碱值生物传感器芯片

摘要

本发明公开了一种高灵敏度酸碱值生物传感器芯片，可实现低成本、快速的食品安全检测。同时，该传感器芯片有利于集成大规模的传感阵列，可用于快速、低成本、高通量基因测序。该芯片包含行/列译码器、大传感单元阵列、亚阈值区pH‑时域‑电压转换读取电路组、10位模数转换电路组、静态随机寄存器读取电路组等。该芯片可以检测溶液中的酸碱值变化并转化为电压信号，最后通过片上模数转化电路将电压转化为数字信号，并传送到电脑中进行数据接收、存储以及分析。本发明的读取放大电路，可以有效提高传感器的灵敏度，分辨率最小达到0.01pH，可解决芯片与标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的兼容性问题与工艺微缩化过程中低灵敏度的问题。

主权项

一种高灵敏度酸碱值传感器芯片，其特征在于：由多行多列传感单元阵列(111)、pH‑时域‑电压转换读取电路组(112)、10位模数转换电路组(113)、静态随机寄存器读取电路组(114)、列译码器(115)、行译码器(116)、偏置电路(117)、以及寄存器组(118)构成；每一列传感单元(110)共享一个亚阈值区pH‑时域‑电压转换读取电路(109)、一个10位模数转换电路(119)和部分静态随机寄存器读取电路(123)；每个传感单元(110)是由一个与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的离子敏感场效应晶体管(MN0)、一个行选通管(MN1)组成的两个晶体管单元(2T)；整个传感单元阵列(111)共享一个电极(103)，该电极(103)置于溶液(104)中，用于给离子敏感场效应晶体管(MN0)的栅极(108)提供偏置电压(Vref)；离子敏感场效应晶体管(MN0)的源极接地，漏极连接到行选通管(MN1)源极；行选通管(MN1)栅极由行译码器生成的行选通信号(ROW)控制，漏极接到pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)；pH‑时域‑电压转换读取电路(109)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(109)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pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)和源极跟随读取管(MN2)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(MN2)的栅极，另一端接地；源极跟随读取管(MN2)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10位模数转换电路(119)的正输入端；10位模数转换电路(119)主要由一个比较器(120)，一个10位计数器(121)以及一个锁存器(122)组成；比较器(120)的正输入端连接到pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输出端，负输入端连接到一个斜坡信号(RAMP)，该斜坡信号(RAMP)可由芯片内部电路产生，也可以从外部信号发生器输入。在比较器使能信号(PCOMP)的控制下实现pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输出端电压(Vout)和斜坡信号(RAMP)之间的比较；比较器(120)的输出端连接到10位计数器(121)上，作为该计数器(121)的使能信号，计数器(121)在使能信号的控制下对时钟信号(CLK_ADC)进行加1或减1计数；锁存器组(122)由10个锁存器构成，每一个锁存器分别对应的连接到计数器(121)的10个输出端，并在锁存信号(LATCH)的控制下将10位计数器(121)的结果存入到锁存器组(122)中；静态随机寄存器读取电路(123)由64个静态随机寄存器组(124)和一个灵敏放大器组(126)构成；一个静态随机寄存器组(125)由10个静态随机寄存器(Static Random Access Memory,SRAM)构成，分别对应的连接到锁存器组(122)的10个输出端，并在写信号(WD_EN)的控制下，将锁存器组(122)的数据存入静态随机寄存器组(125)中；一个灵敏放大器组(126)由10个灵敏放大器(Sense Amplifier,SA)构成，分别对应的连接到静态随机寄存器组(125)的10个输出端，并在读信号(RD_EN)以及读取时钟(CB)的作用下，将静态随机寄存器组(125)中存储的数据读取到芯片的输出端口(DOUT)；64个静态随机寄存器组(124)(SRAM0～SRAM63)连接到一个灵敏放大器组(126)上。整个静态随机寄存器读取电路(123)可由64列传感单元(110)、64个pH‑时域‑电压转换读取电路(109)、64个10位模数转换电路(119)共享；部分列译码器单元(127)在列地址(COL_Addr)和读取时钟(CB)的控制下产生相应的64个读信号(RD_EN)，分别控制每一个静态随机寄存器组(125)；行译码器在行地址的控制下为传感单元阵列(111)提供行选通信号(ROW)；同一行中处在所有列上的传感单元(110)的感应到由溶液酸碱值引起的电压变化后，经其对应的pH‑时域‑电压转换读取电路(109)进行放大，然后输入到后续的10位模数转换电路组(113)转换成数字信号，并存储在其对应的静态随机寄存器读取电路组(114)中，最后在列地址(COL_Addr)的控制下经列译码器在芯片(128)的输出端口(DOUT)输出，如此重复直至所有行的传感单元(110)感应信号在芯片(128)的输出端口(DOUT)输出；其他系统模块包括偏置电路(117)和寄存器组(118)，偏置电路(117)为阵列(111)读取电路提供基准电流电压偏置，寄存器组(118)用于存储芯片(128)的在不同工作模式下的控制信号。