于光電二極管PD的內(nèi)在結(jié)電容能儲存產(chǎn)生的電荷，在一定的曝光時間后，一定數(shù)量的電荷保持的入射光的強度被轉(zhuǎn)換成一個電壓值。光電二極管F1D的正極接地，負極與傳輸管M6的源極相連。通過傳輸管M6柵極的控制信號TX控制，電荷能被轉(zhuǎn)移到與傳輸管M6漏極相連的懸浮擴散區(qū)FD產(chǎn)生電壓信號。懸浮擴散區(qū)FD與復(fù)位三極管Ml的源極相連，復(fù)位三極管Ml的漏極接像素電源電壓VAAPIX。因此，表示微珠陰影圖像的電壓信號通過接觸式成像被檢測到。然后，光學(xué)圖像相應(yīng)的電壓信號通過與源極跟隨器三極管M2的柵極相接被緩沖。源極跟隨器三極管M2的漏極接像素陣列的電源電壓VAAPIX，源極與行選擇三極管M3的漏極相連。行選擇三極管M3的柵極受行選擇信號ROW控制。光學(xué)電壓信號在行選擇三極管M3的柵極行選擇信號ROW的控制下通過源極讀取到像素輸出節(jié)點PIX0UT。由于有很多行像素共用同一輸出節(jié)點PIX0UT，行選擇三極管M3被用于隔離不同的像素輸出，只有當該行被選擇讀取時才能夠讀取。與行選擇三極管M3的源極相連的是級聯(lián)電流源M4、M5，它們給該列的像素提供偏置電流，級聯(lián)電流源三極管M4和M5的柵極受VLN_CASC和VLN信號控制，M4的源極與M5的漏極相連，M5的源極接地。為了更好的電流匹配，該電流源為所有行共用。
[0034]在化學(xué)模式下，源極跟隨器三極管M2柵極一直連接到頂層金屬和氮化硅鈍化層，作為ISFET的離子敏感薄膜。由于氫離子濃度的變化能引起源極跟隨器三極管M2的閥值電壓Vt成比例的變化，這樣相對應(yīng)的電壓值關(guān)聯(lián)到PH值，通過源極跟隨器三極管M2的源極讀取?？紤]到ISFET中閥值電壓Vt的變化，即源極跟隨器SF三極管M2，將在源極跟隨器輸出節(jié)點PIXOUT處出現(xiàn)一個抵消，即VPIxQUT = a.(Vfd-Vt)，其中α是源極跟隨器的增益，Vfd和VPIx0UT是源極跟隨器的輸入和輸出電壓。在圖7中展示的是像素版圖的橫截面，沒有使用任何一個光電二極管，包含了鉸接二極管(P+-n+-p)來減少由于暗電流產(chǎn)生的表面缺陷噪聲。鉸接光電二極管(P+-n+-p)的耗盡層幾乎延伸到硅和二氧化硅的交界面，使交界面充滿小孔的P型層完美隔離該交界面，讓損耗變的非常低。
[0035]圖4為本發(fā)明的高速讀取電路實施例圖。
[0036]雙模式像素陣列的像素輸出端PIXOUT與列放大器輸入電容Coo的下極板相連，列放大器輸入電容Ccco的上極板、列放大器反饋電容CcciLF的下極板、列放大器反饋開關(guān)RSTcol的一端與列放大器的輸入端相連，列放大器反饋電容Ccqlf的上極板、列放大器反饋開關(guān)RSTcol的另一端、比較器輸入電容Cccim的下極板與列放大器的輸出端相連，列放大器的偏置電流由數(shù)字控制電流源模塊提供;比較器輸入電容Co*的上極板、比較器復(fù)位三極管的漏極與比較器的一輸入端相連，比較器的另一輸入端與斜坡發(fā)生器的輸出端Vramp連接，比較器的參考電壓連接共模電壓V?，比較器的輸出與行波計數(shù)器的輸入端、比較器復(fù)位三極管的源極相連，比較器復(fù)位三極管的柵極受比較器復(fù)位時鐘RSTcqm控制;行波計數(shù)器受到正負計數(shù)時鐘UD、計數(shù)復(fù)位時鐘RSTB、計數(shù)保持時鐘KEEP、鎖相環(huán)輸入的計數(shù)時鐘PLL的控制，可進行無縫銜接的正向與負向計數(shù)，實現(xiàn)數(shù)字相關(guān)雙采樣讀出；行波計數(shù)器的輸出連接到鎖存器的輸入，鎖存器的輸出與靜態(tài)隨機存儲器的輸入相連，靜態(tài)隨機存儲器受到讀時鐘RD與寫時鐘WR的控制，靜態(tài)隨機存儲器的輸出端與靈敏放大器相連，最終數(shù)字化后的數(shù)據(jù)經(jīng)過低壓差分信號讀出模塊的高速讀出，實現(xiàn)高速高通量的雙模式檢測。
[0037]在光學(xué)模式下，像素陣列的信號逐行曝光并行讀出，芯片抓取接觸式微球圖像;在行選擇信號ROW為高的像素讀出階段，先通過一段高電平的像素復(fù)位信號RST使像素輸出復(fù)位電平;該電平經(jīng)過列放大器的放大作用輸入比較器，比較器通過比較器復(fù)位時鐘RSTcom的控制先去除失調(diào);像素復(fù)位信號的數(shù)字化可以通過計算當斜坡信號電平Vramp與像素復(fù)位信號電平相等時鎖相環(huán)輸入的計數(shù)時鐘PLL的個數(shù)來實現(xiàn)，此時計數(shù)器為下降計數(shù);之后，通過正負計數(shù)時鐘UD的控制可以使計數(shù)器改變計數(shù)方向進行信號電平的數(shù)字化;通過設(shè)置一段高的傳輸控制信號TX，可以使得像素輸出信號電平;此時，計數(shù)器已經(jīng)被設(shè)置成上升計數(shù)，因此將自動從像素信號電平中減去復(fù)位電平的影響，得到實際的像素信號輸出；完成列并行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字化的像素數(shù)據(jù)進過鎖存器、靜態(tài)隨機存儲器、靈敏放大器，最終通過高速的低壓差分信號模塊讀出。
[0038]在化學(xué)模式下，由于不涉及發(fā)光二極管PD信號的讀出，光學(xué)傳輸控制信號TX—直斷開;在添加反應(yīng)溶液前，閉合像素復(fù)位信號RST，通過與光學(xué)模式下同樣的控制，可以將此時的像素復(fù)位信號數(shù)字化讀出，先將該數(shù)據(jù)在片外存儲;在加載微珠溶液之后，通過改變計數(shù)器的計數(shù)方向，將自動從像素信號電平中減去復(fù)位電平的影響，得到實際的像素信號輸出，此后一直保持上升計數(shù);完成列并行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字化的像素數(shù)據(jù)進過鎖存器、靜態(tài)隨機存儲器、靈敏放大器，最終通過高速的低壓差分信號模塊讀出，得到的結(jié)果減去片外存儲的復(fù)位電平數(shù)據(jù)即可得到實際化學(xué)信號數(shù)據(jù)。
[0039]所述的雙模式像素陣列的像素輸出節(jié)點PIXOUT連接列并行增益可調(diào)放大器、列并行單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器、靜態(tài)隨機存儲器、靈敏放大器，可以實現(xiàn)光學(xué)圖像采集與化學(xué)離子濃度測量兩種模式下的高速低噪聲相關(guān)雙采樣信號讀取，并最終經(jīng)過低壓差分信號模塊高速讀出，實現(xiàn)高速高通量檢測。
[0040]圖5為本發(fā)明的高速讀取像素時序圖，圖5(a)為光學(xué)模式高速讀取時序圖，圖5(b)為化學(xué)模式高速讀取時序圖。
[0041]在光學(xué)模式下，芯片抓取接觸式微球圖像，抓取接觸式微球圖像的相關(guān)雙采樣時鐘控制信號如圖5中的(a)部分所示。在行選擇信號ROW為高的像素列讀取階段，先通過一段高電平的像素復(fù)位信號RST使像素輸出復(fù)位電平;該電平經(jīng)過列放大器的放大作用輸入比較器，比較器通過比較器復(fù)位時鐘RSTcqm的控制先去除失調(diào);像素復(fù)位信號的數(shù)字化可以通過計算當斜坡信號電平Vramp與像素復(fù)位信號電平相等時鎖相環(huán)輸入的計數(shù)時鐘PLL的個數(shù)來實現(xiàn)，此時計數(shù)器為下降計數(shù);之后，通過正負計數(shù)時鐘UD的控制可以使計數(shù)器改變計數(shù)方向進行信號電平的數(shù)字化;通過設(shè)置一段高的傳輸控制信號TX，可以使得像素輸出信號電平;此時，計數(shù)器已經(jīng)被設(shè)置成上升計數(shù)，因此將自動從像素信號電平中減去復(fù)位電平的影響，得到實際的像素信號輸出；完成列并行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字化的像素數(shù)據(jù)進過鎖存器、靜態(tài)隨機存儲器、靈敏放大器，最終通過高速的低壓差分信號模塊讀出。
[0042]在化學(xué)模式下，由于不涉及發(fā)光二極管PD信號的讀出，光學(xué)傳輸控制信號TX—直斷開;如圖5(b)所示，在添加反應(yīng)溶液前，閉合像素復(fù)位信號RST，通過與光學(xué)模式下同樣的控制，可以將此時的像素復(fù)位信號數(shù)字化讀出，先將該數(shù)據(jù)在片外存儲;在加載微珠溶液之后，通過改變計數(shù)器的計數(shù)方向，將自動從像素信號電平中減去復(fù)位電平的影響，得到實際的像素信號輸出，此后一直保持上升計數(shù);完成列并行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，數(shù)字化的像素數(shù)據(jù)進過鎖存器、靜態(tài)隨機存儲器、靈敏放大器，最終通過高速的低壓差分信號模塊讀出，得到的結(jié)果減去片外存儲的復(fù)位電平數(shù)據(jù)即可得到實際化學(xué)信號數(shù)據(jù)。
[0043]圖6為本發(fā)明的CMOSISFET雙模式圖像化學(xué)傳感器芯片架構(gòu)圖。它包含的模塊包括雙模式CMOS ISFET傳感像素陣列，在行解碼/驅(qū)動器作用下，傳感陣列的信號被逐行讀出到列并行增益可調(diào)放大器以及列并行單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器;列并行單斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊的信號經(jīng)過列解碼/驅(qū)動器的控制，分組讀出到靜態(tài)隨機存儲器和靈敏放大器，最終通過高速低壓差分信號讀出模塊將數(shù)據(jù)輸出芯片。
[0044]圖7為本發(fā)明的為雙模像素的剖面圖。一個雙模式CMOSISFET傳感像素對應(yīng)一個微孔，進行DNA測序檢測時，微孔中最多只能存在一個微球。微球的存在與否通過傳感像素光學(xué)模式檢測。微球表面有單鏈的DNA片段，會與順序流入的ATCG堿基反應(yīng)，溶液中的堿基與DNA片段上的堿基配對時，會釋放氫離子，相應(yīng)的改變微孔中的pH值，被下方的CMOSISFET傳感器像素通過表面氮化硅鈍化層感知并最終讀出。
[0045]圖8為本發(fā)明測得的雙模式圖像，實驗結(jié)果展示了所設(shè)計的CMOS雙模式傳感器能很好的測得高相關(guān)性的PH值分布圖與微珠光學(xué)分布圖像。
[0046]盡管本發(fā)明適合于不同的修改和替代形式，借助于實施例已經(jīng)在附圖中顯示了其細節(jié)，并予以詳細描述。但是，應(yīng)當理解，本發(fā)明不將發(fā)明限于所述的具體實施方案。相反，本發(fā)明意在覆蓋落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改方案、等同方案和替