傳感設備和傳感電路的製作方法
2023-09-23 10:52:35 3
專利名稱：傳感設備和傳感電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感設備和可以包括這樣的傳感設備的傳感電路。特別地，本發明涉及電流傳感電路。
背景技術：
許多傳感設備的電阻響應特定的事件而發生改變。由傳感電路將這樣的電阻變化轉換為電壓變化或電流變化，然後，可以對其進行測量以確定是否已經發生了該事件，以及可能地，確定事件的規模。
因此，圖1示出了包括已知傳感設備2的現有技術傳感電路100。該傳感設備2可以設置為集成電路(IC)，其可以與傳感電路110相連。傳感電路100包括連在「地」和電壓比較器1的正輸入之間的恆流源IIN。傳感設備2的一個端子連接在電流源IIN和電壓比較器的相應正輸入之間。傳感設備2的另一端子接地。電壓比較器1的負輸入與參考電壓源VREF相連。
在事件發生之前，傳感設備2具有預定的電阻，因此，施加到電壓比較器的正輸入上的電壓始終在VREF之上(或之下)。由電壓比較器1輸出相應的信號VOUT(通或斷)。在事件發生之後，改變了傳感設備2的電阻。這使施加到電壓比較器1的正端子上的電壓下降(或升高)到VREF以下(或以上)。因此，對由輸出比較器1輸出的信號進行切換，以表示事件的發生。換句話說，電壓比較器1根據由傳感設備2改變的電壓和參考電壓VREF的比較，實現了判別功能。
圖2也示出了包括已知傳感設備2的現有技術的傳感電路200。然而，在該情況下，電壓比較器1的正輸入與參考電壓VREF相連。電壓比較器1的負輸入與運算放大器3的輸出相連，所述運算放大器3具有負反饋電阻R。運算放大器3的正輸入接地。偏置電壓源VBIAS與運算放大器3的負端子相連，傳感設備2串聯在偏置電壓源VBIAS和負端子之間。
在事件發生之前，傳感設備2具有預定的電阻，並且將相應的電流提供給運算放大器3的負輸入。運算放大器3將電流提供給電壓轉換增益，因此，將相應電壓施加到比較器的負端子。該相應電壓始終在參考電壓VREF以上(或以下)，並且由電壓比較器1輸出相應的信號Vout(斷或通)。在發生事件之後，改變傳感設備2的電阻。這降低(或升高)了提供給運算放大器3的負端子上的電流。因此，將施加到電壓比較器1的負端子上的電壓降低到VREF以下(或升高到VREF以上)。因此，對由電壓比較器1輸出的信號VOUT進行切換，以表示事件的發生。此外，電壓比較器1實現了判別功能。然而，通過將傳感器設備2的電流轉換為電壓，然後將該電壓與參考電壓VREF進行比較，來進行該判別。
通常需要放大信號，進一步用於電子線路的後續階段。
在圖1和2所示的電路中，對傳感設備2的電阻的變化進行轉換，並且將其與恆定閾值電壓信號VREF進行比較以判別事件的發生。然而，實際上，傳感設備的輸出不僅取決於與該事件相關的特定參數，而且還取決於諸如溫度和時效的其他因素。另外，由於製造工藝技術和/或工藝條件的變化，傳感設備的特性上存在公差。
如圖1和2所示，差分電壓比較器1通常用於實現判別功能。圖3示出了實現該差分電壓比較器1的典型差分電路。具體地，差分電路包括電流鏡像電晶體對T101、T102，每一個均與第一公用電壓軌(rail)VDD相連。電流鏡像電晶體對的柵極彼此相連，並且第二電流鏡像電晶體T101之一的漏極與其柵極相連。
此外，差分電路包括電晶體T103、T104的輸入或差分對，每一個均與電流鏡像電晶體的相應一個串聯。電晶體的輸入對的柵極與輸入電壓VIN1和VIN2相連。具體地，當用於圖1的傳感電路時，輸入電晶體T104的柵極與電流源IIN相連，並且輸入電晶體T103的柵極將與參考電壓VREF相連。施加到輸入電晶體T103、T104的柵極的電壓確定了由輸入電晶體T103、T104所傳送的電流。
差分電路還包括電流源電晶體T105，串聯在第二公用電壓軌VSS和自身與輸入電晶體T103、T104相連的節點之間。將電流源電晶體T105的狀態偏置為飽和，從而將統一、恆定的電流提供給匹配的輸入電晶體T103、T104。然而，由輸入電壓VIN1和VIN2來確定輸入電晶體所通過的電流。
差分電路的輸出電壓VOUT是在電流鏡像電晶體T102和輸入電晶體T104之間的節點處的電壓。
如圖4所示，可以將輸出放大級添加到圖3所示的差分電路中。輸出放大級包括連接在公用電壓軌VDD和VSS之間的電晶體T106和T107，彼此串聯，並且與其他電晶體T101-T104並聯。在電流鏡像電晶體T102和差分電路的輸入電晶體T104之間的節點處的電壓是對電晶體T106的柵極的輸入電壓，並且單獨地控制電晶體T107的柵極。在這種情況下，其變成了如圖4所示的運算放大器。
如以上所提到的，現有技術的傳感電路將傳感設備的輸出與預定參考電壓VREF進行比較。然而，如以上所討論的，實際上，傳感設備的輸出不僅取決於與要傳感的事件有關的特定參數，而且還取決於諸如溫度和時效(ageing)等其他因素。另外，由於製造工藝技術和/或工藝條件的改變，在傳感設備的特性上存在公差。結果，傳感設備的輸出並不總是穿過由預定參考電壓VREF所提供的閾值，從而並未可靠地傳感事件。
當設置了可以與傳感電路順序地相連的多個傳感設備時，這些困難進一步加劇。由於傳感設備的使用年限，其輸出將發生彼此變化，從而一些傳感設備將正確地傳感事件，而其他一些傳感設備將無法正確地傳感事件。
發明內容
根據本發明的第一方面，提出了一種電流傳感電路，包括與差分電壓輸出級相連的差分電流輸入級。
所述差分電流輸入級可以包括來自電流源的參考電流輸入和來自傳感設備的傳感器電流輸入。所述差分電流輸入級還可以包括與參考電流相對應的第一電壓輸出和與傳感器電流相對應的第二電壓輸出，並且還包括第一開關，當閉合時，所述第一開關實質上使第一和第二電壓輸出相等。
來自差分電流輸入級的第一和第二電壓輸出可以是對差分電壓輸出級的各個輸入，所述差分電壓輸出級然後輸出與第一和第二電壓輸出之間的差值相對應的差分輸出電壓。
所述差分電壓輸出級可以包括第二開關，當閉合時，所述第二開關實質上消除了差分輸出電壓。
所述差分電流輸入級可以包括第一對電流鏡像電晶體，每一個電晶體均與第一公用電壓軌相連，第一對電流鏡像電晶體的柵極彼此相連，並且第一對電流鏡像電晶體之一的源極或漏極與其柵極相連；一對偏置電晶體，每一個均與第一對電流鏡像電晶體的相應一個串聯，將該對偏置電晶體的柵極偏置為飽和；第一對節點，每一個設置在該對第一電流鏡像電晶體之一和該對偏置電晶體的相應一個之間；以及第一開關，連接在第一對節點之間；其中，電流源串聯在第二公用電壓軌和該對偏置電晶體的相應一個之間；以及傳感設備串聯在第二公用電壓軌和該對偏置電晶體的另一個之間。
所述差分電壓輸出級包括第二對電流鏡像電晶體，每一個均與第一公用電壓軌相連，第二對電流鏡像電晶體的柵極彼此相連，並且第二對電流鏡像電晶體之一的源極或漏極與其柵極相連。
一對輸入電晶體，每一個均與第二對電流鏡像電晶體的相應一個串聯，該對輸入電晶體的柵極與第一對節點中相應的節點相連；第二對節點，每一個均設置在第二對電流鏡像電晶體之一和該對輸入電晶體的相應一個之間；第二開關，連接在第二對節點之間；以及電流源電晶體，串聯在第二公用電壓軌和另一節點之間，所述另一節點同時與兩個輸入電晶體相連，並且將電流源電晶體的柵極偏置為飽和；其中，第二對節點中與第二對電流鏡像電晶體的另一個相連的節點的電壓是差分輸出電壓。
所述差分電流輸入級還可以包括第一對電流鏡像電晶體、在第一對電流鏡像電晶體的源極或漏極之間的第一開關、以及一對偏置電晶體；以及所述差分電壓輸出級可以包括第二對電流鏡像電晶體、在第二對電流鏡像電晶體的源極或漏極之間的第二開關、其柵極與差分電流輸入級的輸出相連的一對偏置電晶體、以及差分電壓軌電流源。
在任何情況下，所述第一對電流鏡像電晶體是匹配的，該對偏置電晶體是匹配的，所述第二對電流鏡像電晶體是匹配的，並且該對輸入電晶體是匹配的。
在一個實施例中，在傳感之前，將所述開關設置為閉合，而在傳感期間，將所述開關設置為開啟。所述開關可以是N型開關。此外，所述開關和所有電晶體均為多晶矽薄膜電晶體。在設置了其的情況下，可以利用相同的信號控制所述第一和第二開關。
上述電流傳感電路可以包括多個傳感設備；以及選擇裝置，用於選擇哪一個傳感設備提供傳感器電流輸入。所述多個傳感設備形成了有源矩陣。此外，在設置了其的情況下，當選擇傳感器電流輸入的同時，可以將所述開關設置為閉合，而在選擇傳感器電流輸入之後，可以將所述開關設置為開啟。優選地，在相同的條件下操作所述電流源和傳感設備。
所述電流源可以是可調的。此外，所述傳感設備可以包括一個或多個電容器。
上述電流傳感電路還可以包括用於提供數字輸出信號的、與差分電壓輸出級的輸出相連的另一級。可以將所述電流傳感電路形成為單一集成電路。
根據本發明的另一方面，提出了一種包括上述電流傳感電路的指紋傳感器。
根據本發明的另一方面，提出了一種包括上述電流傳感電路的電子存儲器。
根據本發明的另一方面，提出了一種包括上述電流傳感電路的生物傳感器。
根據本發明的另一方面，提出了一種傳感事件的方法，所述方法包括使用上述的傳感設備。
根據本發明的另一方面，提出了一種傳感事件的方法，包括傳感偽傳感器電流；傳感響應事件而發生改變的激活傳感器電流；以及將偽傳感器電流和激活傳感器電流進行比較以確定是否已發生了事件。
在該方法中，所述比較步驟可以包括將偽傳感器電流和激活傳感器電流分別轉換為第一電壓和第二電壓；以及獲得與第一電壓和第二電壓之間的差值相對應的另一電壓，所述另一電壓表示事件的發生。
所述方法還包括將所述另一電壓轉換為數位訊號的步驟。
現在，僅作為另外的示例並參考附圖，來描述本發明的實施例，其中圖1示出了現有技術的傳感電路圖2示出了另一現有技術的傳感電路；圖3示出了現有技術的差分電路；圖4示出了現有技術的運算放大器；圖5是根據本發明的傳感電路的示意圖；圖6是根據本發明的另一傳感電路的示意圖；圖7是根據本發明的另一傳感電路的示意圖；圖8示出了圖7所示的傳感電路的DC仿真的結果，並且示出了傳感電路的各種輸入和輸出；圖9還示出了圖7所示的傳感電路的瞬態仿真的結果，並且示出了傳感電路的其他輸入和輸出；圖10是根據本發明的另一傳感電路的示意圖；圖11示出了圖10所示的傳感電路的瞬態仿真的結果，並且示出了傳感電路的各種輸入和輸出；圖12示出了使用本發明的傳感電路的指紋傳感器；圖13示出了使用本發明的傳感電路的存儲器設備；以及圖14示出了使用本發明的傳感電路的生物傳感器。
具體實施例方式
在本發明中，可以使用通過利用在相同絕緣襯底上的多晶半導體材料(例如，多晶矽TFT)而形成的薄膜電晶體，來製造所有傳感電路和傳感設備。然而，還可以利用其他技術，特別是CMOS技術來實現本發明。而且，在整個該申請中，當利用通過應用了以下術語的電晶體來實現本發明時，如果合適的話，將對電晶體的柵極、源極或漏極的參考用作對電晶體的基極、發射極和集電極的參考。
圖5示出了根據本發明的電流傳感電路的一個實施例。該電路實現了三個部分，即，分別由圖5(a)、(b)和(c)所示的差分電流輸入級10、差分電壓輸出級20和緩衝級30。
圖5(a)示出了差分電流輸入級10。該級將來自諸如換能器(transducer)的傳感設備14的傳感器電流IIN與來自電流源16的參考電流IREF進行比較。VOUT1和VOUT2是輸出電壓。
更具體地，差分電流輸入級10包括第一對匹配電晶體T1、T2，形成了電流鏡像，優選地為PMOS電流鏡像，如圖5(a)所示。這些電流電晶體T1、T2的每一個均與第一公用電壓軌VDD相連。電流鏡像電晶體對的柵極彼此相連，並且電流鏡像電晶體T2之一的漏極(優選地)與該電晶體T2的柵極相連。
差分電流輸入級10還包括匹配的電晶體T4、T5的偏置對。優選地，偏置電晶體T4、T5是NMOS電晶體。偏置電晶體T4、T5的每一個與第一電流鏡像電晶體T1、T2的相應一個串聯。由偏置電壓VB1將偏置電晶體T4、T5的柵極偏置為飽和。在每一個第一電流鏡像電晶體和相應的偏置電晶體之間設置了節點，以形成第一對節點N1、N2。第一開關SW1連接在第一對節點N1、N2之間。
提供參考電流IREF的電流源16串聯在第二公用電壓軌VSS和電晶體T5的偏置對的相應一個之間。提供傳感器電流IIN的傳感設備14串聯在第二公用電壓軌Vss和電晶體T4的偏置對的另一個之間。然而，在其他實施例中，可以使用選擇裝置，以便將多個傳感設備的任一個通過位線12連接在第二公用電壓軌VSS和偏置電晶體T4之間。
差分電流輸入級具有兩個輸出電壓VOUT1和VOUT2。第一輸出VOUT1對應於參考電流IREF的值，並且從第二節點N2中取得。第二輸出VOUT2對應於第二電流IIN的值，並且從第一節點N1中取得。
輸入電晶體T4和T5的匹配和偏置使其操作在飽和狀態下，以便使電流源16和自身充當電流源的傳感設備14的輸入電壓的效果最小。有效地，偏置電晶體T4、T5充當各個電流源14、16和電流鏡像電晶體T1、T2之間的隔離器。
由信號PRE來控制連接在兩個輸出電壓VOUT1和VOUT2之間的開關SW1。在執行傳感操作之前，開關SW1閉合，以使這些輸出電壓相等，這樣，VOUT1＝VOUT2。此刻，可以重新配置與傳感設備或換能器的連接。因此，在設置了多個傳感設備的情況下，可以單獨地選擇所述多個傳感設備，以便提供傳感器電流輸入IIN，而不會影響電流傳感電路的輸出。一旦SW1開啟，則將任何電流差(IIN-IREF)轉換為電壓差(VOUT1-VOUT2)。如果不存在任何電流差(即，IIN＝IREF)，則由於T1和T2匹配，因此，VOUT1＝VOUT2。
圖5(b)示出了差分電壓輸出級20。差分電壓輸出級20包括一對電晶體T8、T9，形成了第二電流鏡像。第二電流鏡像電晶體的每一個均與第一公用電壓軌VDD相連。優選地，電流鏡像是PMOS電流鏡像，如圖5(b)所示。第二電流鏡像電晶體的柵極彼此相連，並且第二電流鏡像電晶體T9之一的漏極與其柵極相連。
此外，差分電壓輸出級20包括匹配的、電晶體T11、T12的差分或輸入對，每一個與電流鏡像電晶體T8、T9中相應的一個串聯。優選地，輸入電晶體是NMOS電晶體。輸入電晶體T11、T12的柵極與差分電流輸入級10的輸出電壓VOUT1和VOUT2相連。
差分電壓輸出級20還包括電流源電晶體T13，串聯在第二公用電壓軌VSS和其自身與兩個輸入電晶體T11、T12相連的節點CN之間。由偏置電壓VB2將電流源電晶體T13的柵極偏置為飽和，從而將統一、恆定的電流提供到匹配輸入電晶體T11、T12。因此，電晶體T13被偏置為飽和，並且用作差分電壓軌電流源。然而，由輸入電壓VOUT1和VOUT2來確定輸入電晶體T11、T12所通過的電流。
因此，差分電流輸出級20與圖3所示的現有技術的差分電路類似。然而，在每一個第一電流鏡像電晶體T8、T9和相應的偏置電晶體T11、T12之間設置節點，以形成第二對節點N3、N4。第二開關SW2連接在第二對節點N3、N4之間。優選地，第二開關SW2連接在NMOS電流鏡像電晶體T8和T9的漏極端子之間，並且由信號PRE控制。
差分電壓輸出級20的輸出電壓VOUT是在電流鏡像電晶體T8和輸入電晶體T11之間的節點N3處的電壓。
最初，開關SW2閉合。一旦開關SW2開啟，則輸出電壓VOUT是達到其動態範圍的(VOUT1-VOUT2)的放大值，並且其足夠寬，以便由圖5(c)所示的緩衝級對其進行判別。然而，動態範圍並不是軌到軌範圍(VDD-VSS)。
有效地，開關SW1和SW2提供了均衡功能，從而減小了傳感電路的建立時間。
圖5(c)示出了由兩個反相器U1和U2組成的緩衝級。該輸入與圖5(b)中的差分電流輸出級的輸出電壓VOUT相連。緩衝級30的功能是提供與來自差分電壓輸出級20的模擬輸出信號VOUT相對應的淨數位訊號。特別地，緩衝級提供了傳感電路的軌到軌輸出電壓VSENOUT，並且將足夠的驅動電流提供給後續級。
圖6(a)和(b)示出了圖5(a)和(b)所示的電路的實現，其中使用PMOS電晶體T3、T10作為均衡開關SW1和SW2。圖6(c)與圖5(c)相同，並且不將另外對其進行描述。
因此，利用半導體工藝技術，本發明提供了集成了一個或多個傳感設備和參考電流源的傳感電路。更具體地，傳感設備和參考電流源形成了集成傳感電路的一部分，並且可以在單片晶片上形成。此外，參考電流源充當偽傳感設備。因此，本發明的電流傳感電路是差分電流檢測電路，該電路將激活傳感設備的輸出與偽傳感設備的輸出進行比較。由於其在集成電路中形成，激活和偽傳感設備均操作在相同的條件下，除了與傳感電路設計來傳感的特定事件有關的參數之外。為了實現這一點，本發明使用了輸入級，特別是差分電流輸入級10，以便傳感和放大激活傳感設備和偽傳感設備之間的電流差，並且與後續差分電壓比較器進行接口。
激活傳感設備和偽傳感設備可以在相同的處理步驟期間形成，並且經受到相同的操作條件，例如溫度和時效。此外，由於將利用相同的製造工藝技術和/或處理條件上的相同變化來製造這些傳感設備，因此，激活傳感設備和偽傳感設備在電晶體特性上將具有相同的公差。
因此，有效地，在設置了可單獨選擇的激活傳感設備的矩陣的情況下，偽傳感設備16應該具有平均激活傳感設備14的電晶體特性。為了進一步改善傳感設備的效率，可以將偽開關設置在偽傳感設備16和傳感電路的剩餘部分之間，以便將針對激活傳感設備14的切換鏡像到傳感電路之內和之外。另外，還可以調節閾值檢測電平IREF。優選地，應該由傳感電路來自動地進行對適當的閾值檢測電平的選擇。
圖7(a)示出了在一個實施例中，如何能夠由充當電流源的傳感設備14的輸出電晶體T6來提供傳感器輸入電流IIN。類似地，可以由充當參考電流源的偽傳感設備16的輸出電晶體T7提供參考電流IREF。VSEN表示激活傳感設備14的節點電壓，其提供了傳感器電流IIN。VREF表示相同結構的偽傳感設備16的節點電壓，其提供了參考電流IREF。因此，偽傳感設備16包括在與激活傳感設備14的電晶體T6相同條件下製造和使用的等價電晶體T7。在傳感設備之間的連接12可以是位線，其可以實現為由許多其他類似結構的傳感設備共享的實際上較長的線路。可以通過設置VSEN＝0V，使這些激活傳感設備14變為未激活的。類似地，可以通過設置VREF＝0V，使偽傳感設備16變為未激活的。圖7(b)和(c)與圖6(b)和(c)相同，並且不將另外對其進行描述。
圖8示出了圖7所示的傳感電路的DC傳遞特性。圖8示出了隨著節點電壓VSEN的增加，針對範圍參考電壓VREF，來自差分電壓輸出級20的VOUT和來自緩衝級30的VSENOUT的DC傳遞特性。如從該圖中清楚地看到，在緩衝級30的第一反相器U1的輸入閾值設置在針對該圖中的左手側上的VOUT(當未傳感事件時)的下側水平線和針對該圖的右手側上的VOUT(當傳感事件時)的上側水平線之間。因此，在該實施例中，該輸入閾值設置在大約1.0V和2.0V之間。
然而，在將PMOS電晶體T3、T10用於預充電開關SW1和SW2時，存在缺點。圖9示出了針對圖7所示的傳感電路的仿真結果，其中，設置VREF，從而VREF＝1.2V，並且分別設置VSEN，從而VSEN＝1.15V、1.20V和1.25V。具體地，圖9示出了對於這些參數，在差分電流輸入級10和輸出和差分電壓輸出級20的輸出VOUT之間的差值(VOUT1-VOUT2)如何隨著針對均衡電晶體T3、T10的預充電控制信號PRE的改變而發生變化。
在開始的時間段，將預充電控制信號PRE保持為低電平，並且使PMOS電晶體T3、T10導通。隨後，將預充電控制信號PRE強制變為高電平，並且使PMOS電晶體T3、T10截止。
這些結果說明了當在初始時間段(時間＝0-2s)內VREF＝VSEN，並且SW1和SW2閉合時，輸出電壓差(VOUT1-VOUT2)＝0。在均衡開關SW1、SW2閉合的時間段內，輸出電壓VOUT1和VOUT2還應該是相等的，而與VSEN和VREF之間的差值無關。然而，仿真的結果說明了當VREF≠VSEN時，(VOUT1-VOUT2)≠0。而且，(VOUT1-VOUT2)的值隨著VSEN和VREF之間的差值的改變而改變。這可能會產生問題。實際上，當開關T3、T10閉合時，傳感電路可能在預充電階段期間錯誤地檢測事件。
此外，PMOS電晶體的遷移率(mobility)較低，並且其電阻相應地較高。因此，針對開關SW1、SW2，需要更大尺寸的PMOS電晶體，以使傳感電路有效地操作。然而，更大尺寸的電晶體導致了更大的饋通效應。當這些開關斷開時，這幹擾了輸出電壓VOUT。
為了解決該問題，可以利用較小的NMOS電晶體來實現開關SW1和SW2，NMOS電晶體具有更高的遷移率和更低的導通電阻。該實現如圖10所示。圖11示出了針對圖10所示的傳感電路的仿真結果。由於利用NMOS電晶體而不是PMOS電晶體實現了開關SW1、SW2，因此，與圖9相比，反轉了預充電控制信號PRE的極性。圖11所示的仿真結果顯示了較好的改進。特別地，當開關SW1、SW2閉合時，來自差分電流輸入級的(VOUT1-VOUT2)和來自差分電壓輸出級20的VOUT的值實質上相同，與VSEN和VREF之間的差值無關。因此，可以容易地設置緩衝級30的第一反相器U1的閾值電壓，從而可以可靠並精確地檢測事件，但是僅在當開關SW1、SW2已經開啟時的預充電階段之後。而且，對於利用多晶矽TFT實現的電路，在VSENOUT處的傳感電路的響應時間小於0.2微秒。因此，可以快速並精確地將大型有源矩陣中的每一個傳感設備切換到用於傳感的傳感電路中。
上述傳感電路的應用是較寬的。這些應用包括但不局限於指紋傳感器、存儲器讀出放大器和生物傳感器。下面將簡要描述這些應用。
圖12示出了指紋傳感器的一個實施例。這裡，傳感設備14與圖10(a)所示的傳感設備14相對應。該傳感設備14包括固定值的參考電容CREF；在手指的一部分和傳感像素板之間的電容CFIN；所施加的激勵電壓VIN；以及輸出電晶體T6。傳感設備14的輸出電晶體T6與圖10(a)所示的傳感設備14的輸出電晶體T6相對應。VBODY是人體的DC電位，而IOUT是傳感設備14的輸出電流。因此，圖12中的傳感設備14的輸出電流IOUT與由圖6(a)的差分電流輸入級10的傳感設備14所提供的輸入電流IIN相對應。因此，圖12中的指紋傳感器的傳感器18與圖10(a)、(b)和(c)中除了傳感設備14之外的傳感電路的部分相對應。
形成傳感器18的偽傳感設備16，以使其具有與傳感設備14相同的結構。在偽傳感設備16的等價電晶體的柵極端子處對電壓進行強制。
實際上，按照矩陣設置每一個均具有傳感像素板的小型傳感設備14的大型陣列。將手指放在傳感板的陣列上，並且順序地將傳感設備切換到傳感電路中。可以針對偽傳感設備16，設置均衡偽切換。如果在手指表面上的谷部(valley)放在特定的傳感板上，則其間的電容將相對較低，並且針對該板，未檢測到事件。相反，如果將手指表面上的脊部放在特定的傳感板上，則其間的電容將相對較高，並且針對該板，檢測到事件。按照該方式，可以確定在手指上的脊部和谷部的圖—換句話說，指紋的圖像。
在本發明中使用可以單獨地與單個傳感電路相連的傳感設備14的有源矩陣可以實現較大的空間節省。結果，可以使針對參考電容器CREF的傳感設備內的區域最大，從而進一步提高了該設備的精度。
圖13示出了用於存儲器應用的傳感電路。這裡，在傳感設備14中的CFE是受到探詢的鐵電電容器。電容器CBL是位線電容，並且將其偏置為VDC。電容器CFE和CBL串聯。將由於激勵電壓V1所得到的節點N處的節點電壓提供給電晶體T6的柵極，該電晶體T6將其轉換為由電流傳感電路傳感的電流。此外，圖13所示的傳感設備14的輸出電晶體T6與圖10(a)所示的傳感設備14的輸出電晶體T6相對應。輸出電流IOUT是傳感設備14的輸出電流。因此，圖13中的傳感設備14的輸出電流IOUT與由圖6(a)的差分電流輸入級10中的傳感設備14所提供的輸入電流IIN相對應。因此，圖13中的存儲器應用的傳感器18與圖10(a)、(b)和(c)中除了傳感設備14之外的傳感電路的部分相對應。
形成傳感器18的偽傳感設備16，以使其具有與傳感設備14相同的結構。特別地，通過設置具有已知的極化的電容器CFE，來形成偽傳感設備16。差分電流輸入級可以充當傳感放大器。此外，實際上，按照矩陣來設置傳感設備14的大型陣列，並且為偽傳感設備16設置均衡開關。這能夠實現較大的空間節省，並且提高了精度。
圖14示出了用於生物傳感器應用的傳感電路。在傳感設備14中，VREF通過端子RE並通過電解液向參考電極提供電位。參考電極是離子靈敏膜，並且形成場效應電晶體(ISFET)的柵極。根據在電解液中的特定離子濃度(例如，pH)，ISFET將電流電平IOUT提供給傳感器18。此外，傳感設備14的ISFET與圖10(a)的傳感設備14的輸出電晶體T6相對應。因此，圖14中的傳感設備14的輸出電流IOUT與由圖6(a)中的差分電流輸入級10中的傳感設備14所提供的輸入電流IIN相對應。因此，圖14中的生物傳感器應用中的傳感器18與圖10(a)、(b)和(c)中除了傳感設備14之外的傳感電路的部分相對應。
形成傳感器18的傳感設備16，以使其具有與傳感設備14相同的結構。特別地，通過利用參考膜來覆蓋ISFET來形成偽傳感設備16。此外，實際上，通常按照矩陣來設置傳感設備14的大型矩陣。這可以實現較大的空間節省，並且提高了精度。針對不同的傳感設備，可以提供不同的電解液。可選地，作為檢驗，對於兩個、多於兩個或所有傳感設備，可以提供相同的電解液。
在前述的描述中，已經使用了術語傳感設備來描述諸如換能器等單一設備，其屬性響應特定的事件而發生改變。在本發明的所述實施例中，傳感設備輸出電流。在該領域中，每一個這樣的傳感設備通常被稱為傳感單元，並且傳感單元的有源矩陣通常被稱為傳感設備。因此，包括多個傳感單元的傳感設備可以與本發明的傳感電路相連。
因此，本發明提供了電流傳感電路，其中將所傳感的電流與參考電流進行比較。在與所傳感的電流相同的條件下產生參考電流，因此，更為精確地進行了事件的檢測。因此，克服了精確選擇和設置固定參考電壓中的現有技術的困難。而且，由於在相同的IC中形成了所傳感的電流和參考電流的各個電源，因此，其在製造時經歷了相同的工藝變化，並且經歷了由於老化和諸如溫度、溼度和pH等不利環境因素所造成的相同惡化。
僅作為示例給出了前面的描述，並且本領域的技術人員將會意識到，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以進行修改。
例如，不需要設置兩個開關SW1和SW2。而且，如果設置了兩個開關，則並不需要相同的信號對其進行控制，儘管這是優選的。此外，不需要利用所述的具體電路來實現差分電流輸入和差分電壓輸出級。例如，不必利用多晶矽TFT來實現差分電流輸入和差分電壓輸出級。
權利要求
1.一種包括與差分電壓輸出級相連的差分電流輸入級的電流傳感電路，其中，差分電流輸入級包括來自電流源的參考電流輸入和來自傳感設備的傳感器電流輸入。
2.根據權利要求1所述的電流傳感電路，其特徵在於差分電流輸入級還包括與參考電流相對應的第一電壓輸出和與傳感器電流相對應的第二電壓輸出。
3.根據權利要求2所述的電流傳感電路，其特徵在於差分電流輸入級還包括第一開關，當閉合時，所述第一開關實質上使第一和第二電壓輸出相等。
4.根據權利要求2或3所述的電流傳感電路，其特徵在於來自差分電流輸入級的第一和第二電壓輸出為對差分電壓輸出級的各個輸入，所述差分電壓輸出級輸出與第一和第二電壓輸出之間的差值相對應的差分輸出電壓。
5.根據權利要求4所述的電流傳感電路，其特徵在於所述差分電壓輸出級包括第二開關，當閉合時，所述第二開關實質上消除了差分輸出電壓。
6.根據權利要求1所述的電流傳感電路，其特徵在於所述差分電流輸入級包括第一對電流鏡像電晶體，每一個電晶體均與第一公用電壓軌相連，第一對電流鏡像電晶體的柵極彼此相連，並且第一對電流鏡像電晶體之一的源極或漏極與其柵極相連；一對偏置電晶體，每一個均與第一對電流鏡像電晶體的相應一個串聯，將該對偏置電晶體的柵極偏置為飽和；第一對節點，每一個設置在該對第一電流鏡像電晶體之一和該對偏置電晶體的相應一個之間；以及第一開關，連接在第一對節點之間；其中，電流源串聯在第二公用電壓軌和該對偏置電晶體的相應一個之間；以及傳感設備串聯在第二公用電壓軌和該對偏置電晶體的另一個之間。
7.根據權利要求6所述的電流傳感電路，其特徵在於所述差分電壓輸出級包括第二對電流鏡像電晶體，每一個均與第一公用電壓軌相連，第二對電流鏡像電晶體的柵極彼此相連，並且第二對電流鏡像電晶體之一的源極或漏極與其柵極相連，一對輸入電晶體，每一個均與第二對電流鏡像電晶體的相應一個串聯，該對輸入電晶體的柵極與第一對節點中相應的節點相連；第二對節點，每一個均設置在第二對電流鏡像電晶體之一和該對輸入電晶體的相應一個之間；第二開關，連接在第二對節點之間；以及電流源電晶體，串聯在第二公用電壓軌和另一節點之間，所述另一節點同時與兩個輸入電晶體相連，並且將電流源電晶體的柵極偏置為飽和；其中，第二對節點中與第二對電流鏡像電晶體的另一個相連的節點的電壓是差分輸出電壓。
8.根據權利要求1所述的電流傳感電路，其特徵在於差分電流輸入級還包括第一對電流鏡像電晶體、在第一對電流鏡像電晶體的源極或漏極之間的第一開關、以及一對偏置電晶體；以及差分電壓輸出級包括第二對電流鏡像電晶體、在第二對電流鏡像電晶體的源極或漏極之間的第二開關、其柵極與差分電流輸入級的輸出相連的一對偏置電晶體、以及差分電壓軌電流源。
9.根據權利要求7或8所述的電流傳感電路，其特徵在於所述第一對電流鏡像電晶體是匹配的，該對偏置電晶體是匹配的，所述第二對電流鏡像電晶體是匹配的，並且該對輸入電晶體是匹配的。
10.根據權利要求3到9任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於在傳感之前，將所述開關設置為閉合，而在傳感期間，將所述開關設置為開啟。
11.根據權利要求3到10任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於所述開關是N型開關。
12.根據權利要求3到11任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於所述開關和所有電晶體均為多晶矽薄膜電晶體。
13.根據權利要求5到12任一個所述的電流傳感電路，包括所述第一和第二開關，其特徵在於利用相同的信號控制所述第一和第二開關。
14.根據前述權利要求任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於包括多個傳感設備；以及選擇裝置，用於選擇哪一個傳感設備提供傳感器電流輸入。
15.根據權利要求14所述的電流傳感電路，其特徵在於所述多個傳感設備形成了有源矩陣。
16.根據從屬於權利要求3時的權利要求14或15所述的電流傳感電路，其特徵在於當選擇傳感器電流輸入的同時，將所述開關設置為閉合，而在選擇傳感器電流輸入之後，將所述開關設置為開啟。
17.根據前述權利要求任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於在相同的條件下操作所述電流源和傳感設備。
18.根據前述權利要求任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於所述電流源是可調的。
19.根據前述權利要求任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於所述傳感設備包括一個或多個電容器。
20.根據前述權利要求任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於還包括用於提供數字輸出信號的、與差分電壓輸出級的輸出相連的另一級。
21.根據前述權利要求任一個所述的電流傳感電路，其特徵在於將所述電流傳感電路形成為單一集成電路。
22.一種包括根據前述權利要求任一個所述的電流傳感電路的指紋傳感器。
23.一種包括根據權利要求1到21任一個所述的電流傳感電路的電子存儲器。
24.一種包括根據權利要求1到21任一個所述的電流傳感電路的生物傳感器。
25.一種傳感事件的方法，所述方法包括使用根據前述權利要求任一個所述的傳感設備。
26.一種傳感事件的方法，包括傳感偽傳感器電流；傳感響應事件而發生改變的激活傳感器電流；以及將偽傳感器電流和激活傳感器電流進行比較以確定是否已發生了事件。
27.根據權利要求26所述的方法，其特徵在於所述比較步驟包括將偽傳感器電流和激活傳感器電流分別轉換為第一電壓和第二電壓；以及獲得與第一電壓和第二電壓之間的差值相對應的另一電壓，所述另一電壓表示事件的發生。
28.根據權利要求27所述的方法，其特徵在於還包括將所述另一電壓轉換為數位訊號的步驟。
全文摘要
一種包括與差分電壓輸出級相連的差分電流輸入級的電流傳感電路，所述差分電流輸入級包括來自電流源的參考電流輸入和來自傳感設備的傳感器電流輸入；與參考電流相對應的第一電壓輸出和與傳感器電流相對應的第二電壓輸出；以及第一開關，當閉合時，所述第一開關實質上使第一和第二電壓輸出相等。所述第一和第二電壓輸出是對差分電壓輸出級的相應輸入，所述差分電壓輸出級然後輸出與第一和第二電壓輸出之間的差值相對應的差分輸出電壓。
文檔編號G11C7/06GK1590967SQ200410075139
公開日2005年3月9日 申請日期2004年9月3日 優先權日2003年9月3日
發明者西蒙·塔姆 申請人:精工愛普生株式會社