开关电容式ISFET信号读取电路及其控制方法与流程
本发明一般地涉及一种半导体微电子领域，并且更特别地，涉及一种开关电容式isfet信号读取电路及其控制方法。
背景技术：
在1970年，荷兰科学家pietbergveld提出了离子敏场效应晶体管(ionsensitivefieldeffecttransistor，isfet)的概念，还率先制作出相关器件并用于na+离子检测。后续的研究者逐步将其主要应用与h+浓度，也即液体ph值的检测。随着标准工艺的成熟，作为一款半导体器件，随着标准工艺的成熟，isfet芯片的制作自然步入了阵列制作的阶段。并且于2004年，英国的markj.milgrew率先成功制作出首款isfet阵列芯片，并加入了部分生物测试。其具体工作见文献：“alargetransistor-basedsensorarraychipfordirectextracellularimaging”m.j.milgrew，m.o.riehle，和d.r.s.cumming，sensorsandactuators，b：chemical，111-112，(2005)，第347-353页。
2006年，帝国理工学院的christofertoumazou提出用isfet检测单碱基核苷酸的思想，并且得到单碱基的测试结果，其具体工作见文献：“protonsandsinglenucleotidepolymorphismdetection：asimpleusefortheionsensitivefieldeffecttransistor”sunilpurushothaman，christoumazou，，和chung-peiou，sensorsandactuators，b：chemical，114，(2006)，第964-968页。随着测序技术和isfet阵列制作方面研究的发展，在2011年iontorrent公司推出一种基于isfet器件的半导体测序仪，该测序仪除了控制系统和液路系统外，所有的敏感元件，采集信号电路均在一个芯片之内，因此正如其公司所宣传的标语即“芯片就是测序仪”。
对于生物反应，比如基因测序dna中单碱基聚合反应导致的溶液ph的变化或者葡萄糖离子浓度的检测，在样本量很小的时候，信号都极其微弱。而生物检测技术因为其高通量的需求，样本量的增大会很困难。在传统的isfet读取电路中，一般初始得到的反应信号基本数值便可以达到电源电压的一半以上。因此在这基础上捕捉变化量一般依靠外电路。而外电路因为其环境本身的限制，微量变化量往往会淹没在噪声中，因此芯片对环境条件极为依赖。而要求做到这种极端的实验环境成本偏高，并且不利于芯片产品制作。但鉴于类似测序技术的特点——生物信号主要体现在变化量上，所以最好的解决办法应该是将微量变化量信号置于芯片内进行信号放大，外部设备便可以在相对不利的环境中检测出更细微的变化。
在传统的芯片读取电路中，往往是利用电阻和电流源形成一个稳定电势差，再利用单位增益放大器将电阻两端电势送入isfet源漏两端，使得isfet器件源漏电压保持恒定，也即将isfet器件两端钳位，最终得到信号电压。因为钳位用的单位增益放大器的原因，这样的方法事实上并没有改变信号变化量大小，而信号量很微弱，是不利于信号获取的。因此，本领域技术人员需要提出一个可以片内进行放大，并且精度高的信号读取电路来准确读取isfet器件信号。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的片内信号读取电路放大精度不高的问题，本发明的目的是提供一种开关电容式isfet(ionsensitivefieldeffecttransistor，离子敏场效应晶体管)信号读取电路。
该开关电容式isfet信号读取电路包括：
离子敏场效应晶体管，所述离子敏场效应晶体管包括漏极、源极和栅极，其中漏极接地、源极与稳定电流输入端相连；
放大模块，所述放大模块至少包括三个开关、两个电容和一个放大器，其中第一开关一端连接离子敏场效应晶体管源极另一端连接第一电容，第一电容一端与第一开关连接另一端与放大器第二输入端连接，第二开关一端与放大器第二输入端连接另一端与放大器输出端连接，第二电容一端与放大器第二输入端连接另一端与放大器输出端连接，第三开关一端与第一开关连接第一电容的一端连接另一端与共模电平连接，放大器第一输入端与共模电平连接；
时序控制模块，所述时序控制模块分别连接第一开关、第二开关和第三开关以分别控制所述三个开关的开合。
进一步地，所述信号读取电路还可包括第四开关，第四开关一端连接外部电源另一端与第一开关连接第一电容的一端连接。
进一步地，所述信号读取电路还可包括一级源极跟随器模块，所述跟随器模块包括两个晶体管，其中第一晶体管栅极与放大器输出端连接，第一晶体管漏极与第二晶体管源极连接，第二晶体管栅极与偏置电流连接，第二晶体管漏极接地，信号读取电路输出信号端与第一晶体管漏极和第二晶体管源极相连。
进一步地，所述信号读取电路中的所述开关为单个pmos(positivechannelmetaloxidesemiconductor)管或cmos传输门(complementarymetaloxidesemiconductortransmissiongate)。
进一步地，所述信号读取电路中的所述时序控制电路由现场可编程逻辑门阵列(field-grogrammablegatearray，fpga)和数据采集卡构成。
进一步地，所述信号读取电路中的所述电容大小为400ff-1pf。
本发明的另一个目的是提供一种控制所述信号读取电路的方法，其控制周期t包括以下三个子周期：
(1)闭合第一开关，断开第二开关和第三开关；
(2)闭合第一开关和第二开关，断开第三开关；
(3)断开第一开关和第二开关，间隔δt时间后闭合第三开关，并在该子周期截止前δt时间断开第三开关；
其中，50ns≤δt≤200ns。
本发明的另一目的是提供另一种控制所述信号读取电路的方法，其控制周期k包括以下五个子周期：
(a)闭合第一开关，断开第二开关、第三开关和第四开关；
(b)闭合第一开关和第二开关，断开第三开关和第四开关；
(c)断开第一开关、第二开关和第四开关，间隔δt时间后闭合第三开关，并在该子周期截止前δt时间断开第三开关；
(d)闭合第二开关和第四开关，断开第一开关和第二开关；
(e)闭合第二开关和第三开关，断开第一开关和第四开关；
其中，50ns≤δt≤200ns。
进一步地，上述控制所述信号读取电路的方法中，控制脉冲时间大于2μs。
本发明所述的信号读取电路和控制方法与现有技术相比的优点在于：通过改进传统isfet信号读取电路和提出新的控制方法，实现了在芯片内部对生化信号进行片内低倍放大的功能。信号放大后，对生化信号的获取可以更加准确，所采集的信号精度更高。同时因为本发明的信号读取电路结构中只使用了一个运算放大器，而传统的“钳位电路”中至少需要两个运算放大器，因而本发明披露的信号读取电路的电路功耗显著降低。基于以上优点，本发明披露的信号读取电路及其控制方法尤其适合应用于高通量的生化器件，例如测序仪芯片等。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为isfet器件在标准工艺下的基本结构；
图2为isfet器件传统信号读取电路；
图3为本发明所述信号读取电路一个实施例的电路示意图；
图4为本发明所述信号读取电路另一个实施例的电路示意图；
图5为本发明所述信号读取电路另一个实施例的电路示意图；
图6为本发明所述控制信号读取电路方法一个实施例的电路流程示意图；
图7为本发明所述控制信号读取电路方法一个实施例的开关开合状态、放大信号和读取信号示意图；
图8为本发明所述控制信号读取电路方法一个实施例的时钟设计示意图；
图9为本发明所述信号读取电路一个实施例的输出信号与所测溶液ph值相关曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，以下对本发明作进一步的详细说明。
图1是isfet器件在标准工艺下的制作结构。其中敏感层是标准cmos工艺的钝化层，而钝化层常用二氧化硅和氮化硅材料。最顶层材料常为氮化硅(因为工艺原因，可能为氮氧化硅)。一般，si3n4或者sinxoy即是有效的敏感膜，当器件敏感时，器件顶部置入溶液，溶液由特定参比电极使其电势稳定在一个特定值。溶液中的氢离子与钝化层表面进行作用，产生电荷效应。电荷效应经过钝化层耦合到顶层金属层，最后传导到底部晶体管。氢离子的多少便可以被电路中的电信号表征出来，实现了化学敏感的功能。
图2是为isfet器件传统信号读取电路。可见读取电路中共需要3个放大器，两个电流源。在放大器中的其中两个用以钳位isfet的漏源电压，让isfet输出信号避免沟道长度调制效应的影响。
当敏感单元开始工作的时候，顶部电流源向isfet灌注电流，使得流过isfet的电流恒定。根据mosfet在饱和区的电流电压关系：
线性区
饱和区
我们能知道电流恒定时，若处于饱和区，vgs-vth应恒定；若处于线性区，
若此处假设vds不变，根据前文提到化学敏感使得电荷效应耦合到金属层，也即化学敏感使得悬浮的金属层电势发生了变化，那么vgs＝vg-vs中的vg必然发生变化，而vth不变，因此vs必须跟随变化，才能使得电路恒流。
根据mosfet的输出特性曲线，为了提升其化学敏感能力，在此发明中选择让isfet工作在线性区。得到isfet源极(s)输出电压
其中vg是vref与敏感界面共同作用的结果。化学界面电势
式中r是气体常数，满足pv＝nrt，同时r＝kna＝8.314j/(k*mol)，f是法拉第常数，α为敏感系数，通常为一个接近于1的值。总之，最后可以得到
vg∝ψ(5)
进而得到
图3本发明所述信号读取电路一个实施例的电路示意图。该信号读取电路的实施例包括：
离子敏场效应晶体管(isfet)、放大模块和时序控制模块，所述放大模块至少包括开关s1、s2和s3，电容c1和c2，以及一个放大器a；
其中第一开关s1一端连接isfet源极另一端连接第一电容c1，第一电容c1一端与第一开关s1连接另一端与放大器a第二输入端(-)连接，第二开关s2一端与放大器a第二输入端(-)连接另一端与放大器a输出端连接，第二电容c2一端与放大器a第二输入(-)端连接另一端与放大器a输出端连接，第三开s3关一端与第一开关s1连接第一电容c1的一端连接另一端与共模电平vcm连接，放大器a第一输入端(+)与共模电平连接vcm。
可见相比于传统的读取电路，本发明的一个主要区别在于将isfet漏极接地。漏极接地所带来的好处是isfet器件源极的输出电压的变化量总是参照于地，类似于参照于地的交流信号。这样才可以在片内对信号进行变化信号的放大，而不增加电路复杂度。
在放大模块中，输入信号通过第一开关s1的闭合对第一电容c1进行充电，充电后第一电容两端电势差为源极电压减去共模电平的差值；第一电容上c1的电荷释放，即靠近isfet源极的极板释放电荷到共模电平vcm，而靠近输出电压端的电荷释放到第二电容c2，最终c2两极板上电荷与原第一电容c1上电荷数目相同，改变了c2两端电势差，也即改变了输出电压vout。
这里，所述开关可以是cmos传输门。在另一些实施例中，开关可以是单个pmos管。
所述电容大小在400ff-1pf之间。
图4为本发明所述信号读取电路另一个实施例的电路示意图。该信号读取电路的实施例还包括第四开关s4。
图5为本发明所述信号读取电路另一个实施例的电路示意图。该信号读取电路的实施例还包括一级源极跟随器模块，所述跟随器模块包括晶体管m1和m2，其中第一晶体管m1栅极与放大器a输出端连接，第一晶体管m1漏极与第二晶体管m2源极连接，第二晶体管m2栅极与偏置电流bias连接，第二晶体管m2漏极接地，信号读取电路输出信号端vout与第一晶体管m1漏极和第二晶体管m2源极相连。
通过采用下述一种控制方法控制图3所示的信号读取电路，得到图6所示的开关开合状态、放大信号和读取信号示意图，
该控制方法的控制周期t包括以下三个子周期：
(1)闭合第一开关s1，断开第二开关s2和第三开关s3；
(2)闭合第一开关s1和第二开关s2，断开第三开关s3；
(3)断开第一开关s1和第二开关s2，间隔δt时间后闭合第三开关s3，并在该子周期截止前δt时间断开第三开关；
其中，50ns≤δt≤200ns。
通过采用一种控制所述信号读取电路的方法控制图4所示的信号读取电路，得到下述图6电路流程示意图，
即该控制周期k包括以下五个子周期：
(a)闭合第一开关，断开第二开关、第三开关和第四开关；
(b)闭合第一开关和第二开关，断开第三开关和第四开关；
(c)断开第一开关、第二开关和第四开关，间隔δt时间后闭合第三开关，并在该子周期截止前δt时间断开第三开关；
(d)闭合第二开关和第四开关，断开第一开关和第二开关；
(e)闭合第二开关和第三开关，断开第一开关和第四开关；
其中，50ns≤δt≤200ns。
子周期a是s1闭合，s2、s3和s4全部断开，假设输入电压vin＝1.3v±2mv。子周期b是将开关s2也闭合，因为放大器虚短、虚断的原因，节点x始终接入交流地，所以此时节点vout也为交流地，并且电路开始向c1充电，在短时间的充电过程后，c1两端电压等于vin。再进子周期c，同时断开s1，s2，并且闭合s3。闭合s3后，开关电容需要放电，其左右极板放电通路不尽相同。电容c1左极板放电到地，而右极板因为与放大器a所接端口无法放电，因此只能放电到c2电容。也即此时c2电容上电荷数量应与前c1上所携带电荷数量相同或者相近。根据c1*vin＝c2*vout，可以知道vout＝c1/c2*vin。如果c1/c2大小为3-10，则信号将被放大3-10倍。最后信号通过源级跟随器进行输出。因此子周期a-c实际是一个实现信号放大的过程。
当然，因为开关电容放大器的特点——放大过程由时序控制，也就使得其得到的生化信号其实并不连续。为了确保得到的不连续的生化信号正常，在电路设计中就需要对芯片本身进行校准。校准方式便是在每次放大信号过后，利用开关控制将已知的校准信号施加到信号输入口，通过输入输出关系，验证放大器是否正常工作。同时此类设计，在后续的数据处理时候，可以形成一种标签式的数据，便于数据处理。子周期d时，s4闭合，电路以校准电平对电容c1进行充电。子周期e时则是再一次的释放电荷，实现放大。每一次校准信号的放大都可以用以判断电路工作状态是否正确，在电路的实际应用中有重要作用。因此子周期d-e实际上是一个电路校准的过程。
另外，电容越大电荷存储能力越强，需要的充电时间越长，会需要更大的周期。典型的300ff电容，充电时间大约1μs。根据本发明提供的电路中电容取值的大小，即400ff-1pf，将充电脉冲时间设定为大于2μs。
图7为图6所述控制信号读取电路方法实施例的开关开合状态、放大信号和读取信号示意。图中上四个信号分别是开关s1、s2、s3和s4(传输门)n管的控制信号，也即高电平导通，低电平断开。同时对应开关状态的输入输出信号也有展示。vin是输入信号，底部vout是随着时钟变化得到的输出信号曲线。横坐标中的k表示其所在控制周期，上标数字表示控制周期的周期数，下表字母表示其所在子周期。在其中可以注意到，对于s3开关闭合的时候，需要刻意与前一时钟间隔开δt时间，避免时钟交叠，出现错误。
图8为本发明控制信号读取电路方法一个实施例的时钟设计示意图。
在该实施例中，开关为传输门结构。因此对每个开关的控制需要一高一低两个电平协调控制，图8中所展示的时钟，为3位到8位的组合逻辑。在一次工作过程中，总共需要跳转5次，是输入信号[d2，d1，d0]从[0，0，0]跳转到[1，0，0]，该组合逻辑电路对应的真值表见表1，开关状态见表2。
表1信号读取电路开关控制组合逻辑对应真值表
表2信号读取电路开关控制组合逻辑对应开关状态
当然，本领域技术人员也可以通过fpga编辑其他逻辑用于控制方法时钟的设计。
图9为本发明所述信号读取电路一个实施例的输出信号与所测溶液ph值相关曲线。在其中心集中区域，最小变化量为0.03ph，变化信号本身大约2mv(敏感度为40mv/ph)，在内部经过放大3-10倍，则在外部体现变化大约6-20mv。利用16位数据采集卡在一般实验室环境下即可以成功检测到变化信号。而如果使用传统的非放大的读取电路方式，一般采集卡精度为3mv，是无法正确得到最小变化量信号的。
本发明所述参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能视为对本发明的限制。为了避免不必要地模糊所述实施例，本部分对一些本领域的公知技术，即对于本领域技术人员而言是显而易见的技术，未进行详细描述。
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