快速穩定的互補金屬氧化物半導體恆電位儀電路的製作方法
2023-04-25 04:31:16 1
專利名稱：快速穩定的互補金屬氧化物半導體恆電位儀電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及生化傳感器技術領域，特別是一種快速穩定的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀電路。
背景技術：
生物化學傳感器(生化傳感器)是一種能夠連續和可逆地感受與轉換化學量及生物量的裝置，它既可以進行分子識別，還可以被視為信息採集和處理鏈中的一個邏輯元件，其構成的系統，在生命科學研究、生物醫學工程、醫療保健、食品加工、環境檢測等領域有廣闊的應用前景，受到普遍關注。
電化學生物傳感器能直接將生物信號轉化為電信號，是目前微型生化傳感器發展的主流，其中以電流型傳感器研究最為成熟，應用最為廣泛。電流型生化傳感器一般通過酶來研究分子水平上的生命現象，微電極是其中的一個重要工具，它是酶固定化的載體，也是酶進行反應的場所。隨著微加工製造工藝的不斷進步，微電極因其極快的響應速度和高信噪比，可作為電化學探針深人待測體系，在微區分析，生物活體監測以及快速電化學反應等方面具有獨特的優勢，成為電化學生物傳感器在為環境表徵與測定中的重要手段之一。
隨著21世紀生物晶片的興起，基因晶片、組織晶片、細胞晶片、蛋白晶片等生物晶片應運而生。生物晶片研究的最終目標是實現微型全分析系統(micro total analytical system)或縮微晶片實驗室(lab-on-chip，system-on-chip)。目前的一個研究焦點是將生化微傳感器和檢測電路通過標準的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝集成，這樣，既提高了檢測靈敏度及抗幹擾能力，有利於進行高精度測量；同時在同一晶片上還可方便地實現生化檢測的多通道傳感器(即多參數檢測)，並能進一步地與A/D轉換器、數位訊號處理器、邏輯控制電路等進行單晶片合成，從而使生化微傳感系統向著智能化、微型化、低功耗、可攜式發展。這種系統是生化領域與微電子領域的重要結合，是本世紀的重要研究方向。
若要將生化微傳感系統進行單晶片集成，互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀是一個不可缺少的組成部分，其性能的好壞直接影響傳感器測試結果的準確度。互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀的主要作用是保證在微電極進行氧化還原的化學反應的同時，使微電極之間保持一個恆定的偏置電壓，以保證傳感器在工作和信號轉換(傳感器信號—模擬信號)時的穩定性。更重要的是，互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀起到了將傳感器信號引入到讀出電路中的作用，隔離了讀出電路部分與傳感器部分，使兩部分的信號之間不會互相干擾，這樣就保證了傳感器在正常穩定的工作的同時，讀出電路系統可以精確地測量傳感器輸出信號。
一般常用的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀結構如圖1所示，偏置電源Vbias給微電極2a、2b提供恆定的偏壓，當微電極2a、2b浸入到待測溶液4中時，在該偏壓下可以進行氧化或者還原反應，通過兩個電極2a、2b以及之間待測溶液的阻抗，將會產生一個直流電流信號I0，經過NMOS管M0由C點接入讀出電路，並且不受C點電壓VC變化的影響。然而，隨著器件尺寸的減小，特別是微電極尺寸的減小，在降低傳感器功耗的同時，必然會引起信號弱、信噪比低等問題。例如，電流型生化微傳感器信號通常在nA甚至pA量級，因而對恆電位儀提出了較高的要求。
按照一般的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀結構，見圖1，雖然傳感器輸出電流信號I0不隨C點電壓VC變化而變化，但是在後續讀出電路的設計中將會發現，傳感器在輸出電流信號I0很小(小於3pA)的情況下，當C點電壓VC發生突變(變化頻率很高)時，電流信號I0會受到C點電壓VC的影響而產生波動，峰值約為0.16pA，如圖2所示。這對於1pA甚至更小的弱信號測量精度會產生比較嚴重的影響。因此，為了消除由C點電壓VC突變而引起電流信號I0波電流信號I0的突變，使其基本穩定在原來電流值的大小動的影響，需要對電路結構進行改進。
發明內容
本發明的目的是公開一種快速穩定的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀電路，可以消除由輸出端點電壓VC突變而引起的電流信號I0波動，使其基本穩定在原來電流值的大小，接近一個理想的恆流源。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種快速穩定的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀電路，包括運算放大器、偏置電源、兩個微電極和NMOS管；其還包括一個單刀雙擲開關、一個穩壓電容以及一個控制開關狀態的數字邏輯電路，其中，偏置電源的正端和傳感器的一個微電極分別接運算放大器的正、反向輸入端，偏置電源的負端和另外一個微電極共同接地電平；NMOS管的柵極接運算放大器的輸出端，源極接運算放大器的反向輸入端，漏極作為恆電位儀的輸出端；穩壓電容一端接地電平，另一端接單刀雙擲開關；單刀雙擲開關的兩個狀態分別接到了運算放大器的正、反向輸入端，數字邏輯電路負責控制開關的打向。
所述的半導體恆電位儀電路，其電路部分通過標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝能和生化微傳感器集成在單一晶片上。
所述的半導體恆電位儀電路，其所述偏置電源，其大小由傳感器的工作要求決定，是由晶片外加入，或從晶片內部產生。
所述的半導體恆電位儀電路，其所述單刀雙擲開關，採用互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳輸門結構；穩壓電容為5pF；NMOS管的寬長比(W/L)為1/3；數字邏輯電路部分控制單刀雙擲開關的打向，由門電路和延遲結構等常用數字邏輯設計方法實現，採用標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝設計製作。
所述的半導體恆電位儀電路的方法，其由於電流信號的波動是因為NMOS管的源極電壓隨輸出端點電壓的突變產生的，因而設置了穩壓電容以穩定NMOS管的源極電壓；但由於恆電位儀在工作初始時不能立即達到穩定狀態而且穩壓電容也不能立即被充電到偏置電源電平，會對恆電位儀的輸出產生影響，因此先用數字邏輯電路將單刀雙擲開關打向運算放大器的正向輸入端，獲得一個偏置電源的電位，給穩壓電容一個直流工作點；之後當運算放大器的負端電壓穩定時，數字邏輯電路將會把單刀雙擲開關打向NMOS管的源極；這樣，穩壓電容在不影響電流信號的直流通路的情況下，快速地穩定了NMOS管M0的源極電壓，使其不會產生突變，同時有效地補償了整個恆電位儀電路的相位裕度；微電極產生的電流信號將經過NMOS管由輸出端點進入後續讀出電路。
本發明使得NMOS管源極電壓基本恆定不變，通過NMOS管的電流將會更加穩定，不受輸出端點電壓變化的影響，而且在NMOS管的漏極將會產生更高的輸出阻抗，使輸出端點輸出一個更接近理想的恆流源。
圖1是常用的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀電路結構示意圖；圖2是在圖1的電路結構中，I0＝1pA時隨C點電壓VC突變的輸出曲線示意圖；圖3是本發明的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀電路結構示意圖；圖4是在圖3所示本發明的電路結構中，I0＝1pA時隨C點電壓VC突變的輸出曲線示意圖。
具體實施例方式
本發明在常用恆電位儀結構(圖1)的基礎上，加入了一個單刀雙擲開關K、一個穩壓電容C0以及一個控制開關狀態的數字邏輯電路3，構成了改進型的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀，如圖3所示。發明中提出的這些電路部分均可通過標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝和生化微傳感器集成在單一晶片上。
在圖3的電路中，偏置電源Vbias的正端和傳感器的一個電極分別接運算放大器1的正、反向輸入端V+和V-，Vbias的負端和另外一個電極共同接地電平。NMOS管M0的柵極接運算放大器1的輸出端，源極接算放大器的反向輸入端V-，漏極作為恆電位儀的輸出端C。電容C0一端接地電平，一端接單刀雙擲開關K。單刀雙擲開關K的兩個狀態分別接到了運算放大器1的正、反向輸入端V+和V-，數字邏輯電路3負責控制開關K的打向。
在圖3的電路中，偏置電源Vbias的大小由傳感器的工作要求決定，可以在晶片外加入，也可以從晶片內部產生；由於恆電位儀的工作穩定性要求運算放大器1在任何情況下都保持大於60°的相位裕度，因此選擇了單級的CMOS摺疊共源共柵結構，因為這類放大器的相位裕度僅由其高阻的支配極點和輸出端的補償電容決定，而且具有足夠高的開環增益；單刀雙擲開關K採用互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳輸門結構；5pF的電容C0、NMOS管M0的寬長比(W/L)為1/3；數字邏輯電路3控制單刀雙擲開關K的打向，由門電路和延遲結構等常用數字邏輯設計方法實現，採用標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝設計。
如圖3電路所示，NMOS管M0與運算放大器1共同構成電流—電壓負反饋環。這樣，運算放大器1的虛短特性使得兩個微電極2a、2b之間的電壓保持與偏置電源Vbias的電壓相等，微電極產生的電流信號I0將經過NMOS管M0由輸出端C點進入讀出電路(因為NMOS管柵極的漏電流極小，在10-15A量級，所以不用考慮電流信號I0會流入或流出運算放大器1)。
由於電流信號I0的波動是因為NMOS管M0的源極電壓隨C點電壓VC的突變產生了波動，因而設計了電容C0以穩定NMOS管M0的源極電壓。但是由於恆電位儀在工作初始時不能立即達到穩定狀態而且電容C0也不能立即被充電到偏置電源Vbias電平，會對恆電位儀的輸出產生影響，因此先用數字邏輯電路3將開關K打向運算放大器1的正向輸入端V+，獲得一個偏置電源Vbias的電位，給電容C0一個直流工作點；之後當運算放大器1的負端V-電壓穩定時，數字邏輯電路3將會把開關K打向NMOS管M0的源極。這樣，電容C0在不影響電流信號I0的直流通路的情況下，快速地穩定了NMOS管M0的源極電壓，使其不會產生突變，同時有效地補償了整個恆電位儀電路的相位裕度。電路改進後的電流信號I0隨C點電壓VC突變的輸出仿真曲線如圖4所示，很好地抑制了輸入電流信號I0的突變，使其基本穩定在原來電流值的大小，大大提高了pA量級微弱電流的檢測精度。
這樣，一方面由於有一個強制運算放大器1的負向輸入端V-等於運算放大器1的正向輸入端V+的運放來驅動NMOS管M0的柵極，反饋環路可以調節NMOS管M0的源極電壓使之等於正向輸入端V+；另一方面，改進電路結構中加入了穩壓電容C0以及開關K和數字邏輯電路3，因此使得NMOS管M0源極電壓基本恆定不變，通過NMOS管M0的電流將會更加穩定，不受C點電壓VC變化的影響，而且在NMOS管M0的漏極將會產生更高的輸出阻抗，使C點輸出更接近一個理想的恆流源。
通過恆電位儀的隔離，讀出電路將不會與傳感器部分相互影響，可以直接把恆電位電路與後續讀出電路相連，進行對微弱電流信號的一系列處理。
權利要求
1.一種快速穩定的互補金屬氧化物半導體恆電位儀電路，包括運算放大器、偏置電源、兩個微電極和NMOS管；其特徵在於，還包括一個單刀雙擲開關、一個穩壓電容以及一個控制開關狀態的數字邏輯電路，其中，偏置電源的正端和傳感器的一個微電極分別接運算放大器的正、反向輸入端，偏置電源的負端和另外一個微電極共同接地電平；NMOS管的柵極接運算放大器的輸出端，源極接運算放大器的反向輸入端，漏極作為恆電位儀的輸出端；穩壓電容一端接地電平，另一端接單刀雙擲開關；單刀雙擲開關的兩個狀態分別接到了運算放大器的正、反向輸入端，數字邏輯電路負責控制開關的打向。
2.如權利要求1所述的半導體恆電位儀電路，其特徵在於，所述電路部分通過標準互補金屬氧化物半導體工藝能和生化微傳感器集成在單一晶片上。
3.如權利要求1所述的半導體恆電位儀電路，其特徵在於，所述偏置電源，其大小由傳感器的工作要求決定，是由晶片外加入，或從晶片內部產生。
4.如權利要求1所述的半導體恆電位儀電路，其特徵在於，所述單刀雙擲開關，採用互補金屬氧化物半導體傳輸門結構；穩壓電容為5pF；NMOS管的寬長比(W/L)為1/3；數字邏輯電路部分控制單刀雙擲開關的打向，由門電路和延遲結構的常用數字邏輯設計方法實現，採用標準互補金屬氧化物半導體工藝設計製作。
5.一種如權利要求1所述的半導體恆電位儀電路的方法，其特徵在於，由於電流信號的波動是因為NMOS管的源極電壓隨輸出端點電壓的突變產生的，因而設置了穩壓電容以穩定NMOS管的源極電壓；但由於恆電位儀在工作初始時不能立即達到穩定狀態而且穩壓電容也不能立即被充電到偏置電源電平，會對恆電位儀的輸出產生影響，因此先用數字邏輯電路將單刀雙擲開關打向運算放大器的正向輸入端，獲得一個偏置電源的電位，給穩壓電容一個直流工作點；之後當運算放大器的負端電壓穩定時，數字邏輯電路將會把單刀雙擲開關打向NMOS管的源極；這樣，穩壓電容在不影響電流信號的直流通路的情況下，快速地穩定了NMOS管M0的源極電壓，使其不會產生突變，同時有效地補償了整個恆電位儀電路的相位裕度；微電極產生的電流信號將經過NMOS管由輸出端點進入後續讀出電路。
全文摘要
一種快速穩定的互補金屬氧化物半導體(CMOS)恆電位儀電路，涉及生化傳感器技術，包括運算放大器、偏置電源、兩個微電極和NMOS管，一個單刀雙擲開關、一個穩壓電容以及一個控制開關狀態的數字邏輯電路，其中，偏置電源的正端和傳感器的一個微電極分別接運算放大器的正、反向輸入端，偏置電源的負端和另外一個微電極共同接地電平；NMOS管的柵極接運算放大器的輸出端，源極接運算放大器的反向輸入端，漏極作為恆電位儀的輸出端；穩壓電容一端接地電平，另一端接單刀雙擲開關；單刀雙擲開關的兩個狀態分別接到了運算放大器的正、反向輸入端，數字邏輯電路負責控制開關的打向。本發明使恆電位儀輸出端點輸出一個更接近理想的恆流源。
文檔編號G01N33/48GK101078707SQ20061008098
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者楊海鋼, 李策 申請人:中國科學院電子學研究所