本發(fā)明涉及一種食品安全檢測技術(shù)，尤其涉及一種大腸桿菌濃度檢測的酸堿檢測傳感器芯片?；谄涓哽`敏度以及大陣列特征，該生物芯片同時可應(yīng)用于基因測序領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

食品安全與公共健康和衛(wèi)生息息相關(guān)，食源性致病菌引起的食物中毒和病毒感染能夠引起各種不同的病癥，例如由金黃色葡萄球菌腸毒素容易導(dǎo)致惡心和嘔吐，致病性大腸桿菌O157:H7容易引起腹瀉和脫水，李斯特菌甚至能夠引起敗血癥、腦膜炎、乃至死亡。除了這些危險的致病性細菌外，非致病性的細菌同樣引起了業(yè)界注意，例如廣泛存在于人和動物腸道中無害大腸桿菌就被用作食品衛(wèi)生狀況的指標。當即食性食品中大腸桿菌的含量低于20cfu/g(cfu,colony forming unit，菌落形成單位)；時視為合格，超出100cfu/g視為不合格，兩者之間說明食品衛(wèi)生有風險，需要加強監(jiān)控。

現(xiàn)存的細菌檢測方法包括平板計數(shù)法、聚合酶鏈反應(yīng)法(PCR)，酵素免疫分析法(ELISA)，以及DNA/RNA雜交技術(shù)等。但是這些技術(shù)通常測試時間長、測試過程繁雜、測試儀器龐大和貴重，并且需要專業(yè)的技術(shù)人員進行操作，因此極大的限制了他們的使用范圍和對象，通常只有資金和人員充足的研究機構(gòu)才能進行這些檢測。

電化學(xué)傳感器可以有效的解決測試設(shè)備成本和測試復(fù)雜度問題，包括阻抗傳感器、電流傳感器和電壓傳感器。他們將細菌濃度信息通過電路分別轉(zhuǎn)化為阻抗、電流和電壓，這樣極大的簡化了生物信息的處理復(fù)雜度和難度。但是對于大多數(shù)的電化學(xué)傳感器來說，所面臨的挑戰(zhàn)是他們所能夠測得的細菌濃度一般在10³cfu/g，這遠遠大于食品衛(wèi)生標準中所規(guī)定的細菌濃度，因此，為了提高電化學(xué)傳感器的性能以擴大在食品安全中的應(yīng)用，我們需要開發(fā)高靈敏度的傳感器。

電壓傳感器作為電化學(xué)傳感器中的一個重要組成部分，利用了細菌在培養(yǎng)過程中由于新陳代謝的作用產(chǎn)生的酸性物質(zhì)如醋酸鹽、乳酸鹽、以及琥珀酸鹽等將引起培養(yǎng)溶液酸堿度的變化，對于一定的培養(yǎng)液，細菌的成長速度與初始細菌濃度成正相關(guān)關(guān)系，因此經(jīng)過一定時間的培養(yǎng)后，溶液會呈現(xiàn)不一樣的pH值，如圖1所示。從而得到溶液pH值的變化和細菌濃度之間的關(guān)系和變化趨勢，如圖2所示(P.M.Shaibani et al.,Sensors and Actuators B:Chemical,2016,226:176-183)。因此，電壓傳感器通過監(jiān)測溶液pH值的變化來得到細菌初始濃度的信息。然而，人們通常需要在可檢測到的細菌濃度和檢測時間之間做取舍，這也意味著為了檢測到更小的細菌濃度，由于pH值的變化太小而無法觀察到，我們需要更長的培養(yǎng)時間，但是這樣使得電壓傳感器在食品衛(wèi)生檢測中的優(yōu)勢就被極大的削弱了。這個問題可以通過采用具有高分辨率和高靈敏度的傳感器來解決，通過提高可檢測到的最小溶液pH值的變化，可以縮短細菌濃度檢測時間。

離子敏感場效應(yīng)晶體管(Ion-Sensitive Field-Effect Transistor,ISFET)長期以來一直被用作檢測溶液的pH值的傳感器，通常采用普通的金屬氧化物來作為離子敏感膜，用以與溶液中的氫離子反應(yīng)，并在傳感器表面產(chǎn)生電勢變化，該電勢會被下面的管子感應(yīng)并傳送給讀出電路。能夠感應(yīng)溶液中氫離子的材料包括氮化硅(Si₄N₃)、二氧化硅(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、以及氧化鉭(Ta₂O₅)，他們的靈敏度從23mV/pH到57mV/pH。傳統(tǒng)的離子敏感場效應(yīng)晶體管(101)采用晶體管的柵氧化層(102)(SiO₂)作為離子敏感膜，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用Ag/AgCl電極(103)作為晶體管的一個柵極，為晶體管提供偏置電壓(Vref)。為了使該柵氧化層(102)能夠與溶液(104)接觸和反應(yīng)，需要將標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)工藝中柵氧化層(102)結(jié)構(gòu)上面的材料如金屬互聯(lián)線、過孔、鈍化層、氧化層等通過特殊工藝移除掉，因此該結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本高。相對的，新型離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)直接采用標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝中芯片表面的氮化硅(Si₄N₃)鈍化層(106)來感應(yīng)離子而不需要任何額外的工藝處理，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)可以被大量生產(chǎn)，極大的減小了應(yīng)用成本，具有更廣泛的應(yīng)用前景。

然而，圖4中基于氮化硅(Si₄N₃)的離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)結(jié)構(gòu)卻面臨了新的問題，由于氮化硅(Si₄N₃)鈍化層(106)是非導(dǎo)電的絕緣材料，因此在溶液(104)和離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)浮空的金屬柵極(108)之間引入了一個鈍化層(106)電容，其中溶液(104)為電容上極板，頂層金屬(107)為電容下極板。這個鈍化層(106)電容會削弱離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的酸堿感應(yīng)靈敏度，對于快速的細菌濃度檢測來說是一個挑戰(zhàn)。特別是對于先進的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝來說，由于芯片表面鈍化層(106)的主要作用是保護芯片不被外界氧化、腐蝕以及污染，因此該層一般都會做得很厚，對65nm工藝來說，鈍化層(106)的厚度是柵氧化層(102)的幾百倍，因此對于一定面積的離子敏感傳感單元(110)來說，其鈍化層(106)電容就會很小，因此可以預(yù)測傳感器的靈敏度將會非常低，特別是對于大傳感陣列(111)來說，這個問題更突出。因此，如何提高離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的靈敏度將決定了該傳感器是否在食品安全監(jiān)測以及基因測序中具有應(yīng)用優(yōu)勢，本發(fā)明基于這一背景環(huán)境，提出了相應(yīng)的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種酸堿值傳感器芯片(128)，包括與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的離子敏感場效應(yīng)晶體管陣列(111)、高靈敏度亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)(pH-to-time-to-voltage conversion,pH-TVC)電路和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。該芯片(128)可用于食品衛(wèi)生中大腸桿菌濃度的檢測，解決了以下兩個關(guān)鍵技術(shù)問題i)傳統(tǒng)食品安全檢測技術(shù)中測試時間長、測試過程繁雜、測試儀器龐大和貴重等問題，ii)基于氮化硅(Si₄N₃)的離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)結(jié)構(gòu)的低靈敏度問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種高靈敏度酸堿值生物傳感器芯片128，包括：多行多列傳感單元陣列111、pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路組112、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組113、靜態(tài)隨機寄存器讀取電路組114、列譯碼器115、行譯碼器116、偏置電路117、以及寄存器組118；

每一列傳感單元110共享一個亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109、一個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路119和部分靜態(tài)隨機寄存器讀取電路123；

每個傳感單元110是由一個與互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS工藝兼容的離子敏感場效應(yīng)晶體管MN0、一個行選通管MN1組成的兩個晶體管單元2T；

整個傳感單元陣列111共享一個電極103，該電極103置于溶液104中，用于給離子敏感場效應(yīng)晶體管MN0的柵極108提供偏置電壓V_ref；

離子敏感場效應(yīng)晶體管MN0的源極接地，漏極連接到行選通管MN1源極；

行選通管MN1柵極由行譯碼器生成的行選通信號ROW控制，漏極接到pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109的輸入節(jié)點N0；

pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109由預(yù)充電管MP0、充放電控制開關(guān)S0、積分電容C0、源極跟隨讀取管MN5組成；

預(yù)充電管MP0柵極接預(yù)充電管選通信號VBP，預(yù)充電管MP0漏極連接到電流-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109的輸入節(jié)點N0上，預(yù)充電管MP0源極接到電源VDD上；

充放電控制開關(guān)S0跨接在pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109的輸入節(jié)點N0和源極跟隨讀取管MN2的柵極之間，充放電控制開關(guān)S0由一個互補的N型和P型傳輸管對組成，并由互補的開關(guān)控制信號CTX和CTXB打開或關(guān)閉充放電控制開關(guān)S0；

積分電容C0的一端連接到源極跟隨讀取管MN2的柵極，另一端接地；

源極跟隨讀取管MN2漏極接到電源VDD，源極跟隨讀取管MN5源極連接到電流偏置I₀并作為輸出端電壓V_out連接到10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路119的正輸入端；

10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路119主要由一個比較器120，一個10位計數(shù)器121以及一個鎖存器122組成。

比較器120的正輸入端連接到pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109的輸出端，負輸入端連接到一個斜坡信號RAMP，該斜坡信號RAMP可由芯片內(nèi)部電路產(chǎn)生，也可以從外部信號發(fā)生器輸入。在比較器使能信號PCOMP的控制下實現(xiàn)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109的輸出端電壓V_out和斜坡信號RAMP之間的比較。

比較器120的輸出端連接到10位計數(shù)器121上，作為該計數(shù)器121的使能信號。計數(shù)器121在使能信號的控制下對時鐘信號CLK_ADC進行加1或減1計數(shù)。

鎖存器組122由10個鎖存器構(gòu)成，每一個鎖存器分別對應(yīng)的連接到計數(shù)器121的10個輸出端，并在鎖存信號LATCH的控制下將10位計數(shù)器121的結(jié)果存入到鎖存器組122中。

靜態(tài)隨機寄存器讀取電路123由64個靜態(tài)隨機寄存器組124和一個靈敏放大器組126構(gòu)成。

一個靜態(tài)隨機寄存器組125由10個靜態(tài)隨機寄存器(Static Random Access Memory,SRAM)構(gòu)成，分別對應(yīng)的連接到鎖存器組122的10個輸出端，并在寫信號WD_EN的控制下，將鎖存器組122的數(shù)據(jù)存入靜態(tài)隨機寄存器組125中。

一個靈敏放大器組126由10個靈敏放大器(Sense Amplifier,SA)構(gòu)成，分別對應(yīng)的連接到靜態(tài)隨機寄存器組125的10個輸出端，并在讀信號RD_EN以及讀取時鐘CB的作用下，將靜態(tài)隨機寄存器組125中存儲的數(shù)據(jù)讀取到芯片的輸出端口DOUT。

64個靜態(tài)隨機寄存器組124(SRAM₀～SRAM₆₃)連接到一個靈敏放大器組126上。整個靜態(tài)隨機寄存器讀取電路123可由64列傳感單元110、64個pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109、64個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路119共享。

部分列譯碼器單元127在列地址COL_Addr和讀取時鐘CB的控制下產(chǎn)生相應(yīng)的64個讀信號RD_EN，分別控制每一個靜態(tài)隨機寄存器組125。

行譯碼器在行地址的控制下為傳感單元陣列111提供行選通信號ROW；

同一行中處在所有列上的傳感單元110的感應(yīng)到由溶液酸堿值引起的電壓變化后，經(jīng)其對應(yīng)的pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路109進行放大，然后輸入到后續(xù)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組113轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并存儲在其對應(yīng)的靜態(tài)隨機寄存器讀取電路組114中，最后在列地址COL_Addr的控制下經(jīng)列譯碼器在芯片128的輸出端口DOUT輸出，如此重復(fù)直至所有行的傳感單元110感應(yīng)信號在芯片128的輸出端口DOUT輸出。

其他系統(tǒng)模塊包括偏置電路117和寄存器組118，偏置電路117為陣列111讀取電路提供基準電流電壓偏置，寄存器組118用于存儲芯片128的在不同工作模式下的控制信號。

所述的多行多列傳感單元陣列111可以是512行576列傳感單元陣列。

所述的離子敏感場效應(yīng)晶體管MN0：包含與標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的結(jié)構(gòu)105或者與標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝不兼容的結(jié)構(gòu)101。

所述的與標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的離子敏感場效應(yīng)晶體管105，其芯片128表面的氮化硅(Si₄N₃)鈍化層106可直接作為離子敏感膜，并與溶液進行反應(yīng)。

所述的與標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝不兼容的離子敏感場效應(yīng)晶體管101其離子敏感膜可由二氧化硅(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、以及氧化鉭(Ta₂O₅)等材料構(gòu)成，并與溶液進行反應(yīng)。

有益效果

本發(fā)明可以用于食品安全中大腸桿菌濃度檢測系統(tǒng)，利用細菌培養(yǎng)過程中溶液pH值變化與初始細菌濃度之間的關(guān)系，實現(xiàn)對食物衛(wèi)生狀況的監(jiān)測。通過將溶液中pH值的變化轉(zhuǎn)化為電壓值的變化，并最終轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送到電腦中進行數(shù)據(jù)處理，簡化了生物處理的復(fù)雜度，提高了數(shù)據(jù)存儲和處理能力。采用與標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的pH值傳感器，同時與放大讀取和轉(zhuǎn)換電路集成在同一塊芯片(128)上，可以有效減小芯片(128)生產(chǎn)成本。亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)能解決標準工藝中較厚的鈍化層(106)所引起的低靈敏度問題，從而一方面保證了電路的可微縮特性，另一方面縮短了細菌濃度的檢測時間，因此有利于實現(xiàn)低成本、快速的食品安全檢測，對未來食品衛(wèi)生檢測的商業(yè)化來說具有很大的發(fā)展前景。另一方面，基于其高靈敏度以及大陣列(111)特征，該生物芯片(128)同時可應(yīng)用于基因測序領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為細菌培養(yǎng)過程中溶液pH值變化與細菌初始濃度的關(guān)系示意圖。

圖2為細菌培養(yǎng)過程中溶液pH值變化與細菌初始濃度的關(guān)系曲線。

圖3為傳統(tǒng)的基于柵氧化層(SiO₂)的離子敏感場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)圖。

圖4為基于氮化硅(Si₄N₃)鈍化層的離子敏感場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)圖。

圖5為與標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的離子敏感場效應(yīng)晶體管以及溶液的電容模型。

圖6為本發(fā)明的亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路原理圖。

圖7為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖8為本發(fā)明的系統(tǒng)時序圖。

圖9為一個典型的傳感芯片示意圖。

圖10為傳統(tǒng)的源極跟隨讀取電路原理圖。

圖11為本發(fā)明用于檢測樣本溶液的系統(tǒng)示意圖。

圖12為傳統(tǒng)讀取電路和本發(fā)明讀取電路的測試結(jié)果對比圖。

圖13為本發(fā)明用于檢測大腸桿菌濃度的實驗結(jié)果圖。

圖14為采用傳統(tǒng)的平板計數(shù)法后得到的大腸桿菌菌落圖。

圖15為用于基因測序的單個離子敏感場效應(yīng)晶體管傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖16為本發(fā)明用于基因測序原理及流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。

圖4為基于氮化硅(Si₄N₃)鈍化層(106)的離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)與金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)相同，不過離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的柵極(108)為浮空狀態(tài)。溶液(104)中的電極(103)(Ag/AgCl)作為一個控制端口為離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的柵極(108)提供偏置電壓(V_ref)，使離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)工作在亞閾值區(qū)。由于氮化硅(Si₄N₃)鈍化層(106)包含化學(xué)分子SiOH和SiNH₂可以與溶液(104)中的氫離子進行反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)式如下所示：

其中H_S⁺表示在鈍化層(106)表面的氫離子。鈍化層(106)表面SiO^-、SiOH₂⁺和SiNH₃⁺離子的總數(shù)決定了溶液(104)和鈍化層(106)界面的電荷濃度σ₀，同時在溶液(104)中會產(chǎn)生等量的相反的電荷濃度σ_dl,因此在該液體-固體界面會產(chǎn)生一個雙電層(double layer)電容C_dl。該雙電層電容上的電勢差ψ₀可表示為：

σ₀＝C_dl·ψ₀＝-σ_dl (4)

考慮到溶液(104)中氫離子濃度的波爾茲曼分布，雙電層電容上的電勢差ψ₀與溶液(104)中的酸堿pH值的變化關(guān)系可表示為：

$\frac{{\mathrm{\Δ\ψ}}_0}{\mathrm{\Δ}pH}=-2.303\mathrm{\α}\·U_T---\left(5\right)$

其中U_T表示熱電壓。α表示一個無量綱的0～1之間的因子，其大小與離子敏感膜的材料和質(zhì)量以及溶液(104)中的離子濃度息息相關(guān)，當α取最大值1時，離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)表面達到最大的能斯特靈敏度(Nernstian sensitivity)59.2mV/pH。

從溶液(104)電極(103)到鈍化層(106)表面的化學(xué)相關(guān)電勢差集合V_chem可以表示為：

V_chem＝γ+2.303α·U_T·pH (6)

其中γ表示所有與溶液(104)的pH無關(guān)的電勢集合。

由于氮化硅(Si₄N₃)鈍化層(106)是非導(dǎo)電的絕緣體，因而其表面所感應(yīng)到的電勢變化在到達下面的柵極(108)的時候由于電容的電荷再分配而被削弱。離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的電容模型如圖5所示，發(fā)生在溶液(104)和鈍化層(106)界面的電荷密度變化經(jīng)過鈍化層(106)電容C_pass被分配到柵氧化層(102)電容C_ox，寄生電容C_para以及亞閾值區(qū)襯底電容C_d上，因此離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)浮空柵極(108)的電壓變化ΔV_in可以表示為：

ΔV_in＝A·ΔV_chem (7)

$A=\frac{C_{pass}}{C_{pass}+C_{ox}\left|\right|C_d+C_{para}}---\left(8\right)$

其中A表示靈敏度削弱因子，其中鈍化層(106)電容C_pass為關(guān)鍵參數(shù)。由于標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝中鈍化層(106)非常厚，單位面積的鈍化層(106)電容非常小，為了增大C_pass以減小削弱因子A的影響，可以增加傳感單元(110)鈍化層(106)的電容C_pass，即增加下極板頂層金屬(107)的面積，但是這種方法的效率非常低，并且會增加傳感器的成本，特別對于大的傳感陣列(111)應(yīng)用。

本發(fā)明提出了一種亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)進行片上電壓信號放大，其原理圖如圖6所示。亞閾值區(qū)離子敏感場效應(yīng)晶體管(MN0)的漏極電流與柵極(108)電壓成指數(shù)倍關(guān)系：

$I_o=I_{D0}\·\exp \frac{V_{in}}{{\mathrm{nU}}_T}---\left(9\right)$

其中I₀為特征電流，一般為經(jīng)驗參數(shù)，n為大于1的非理想因子。其中電流到電壓的跨導(dǎo)G_m為：

$G_m=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_o}{{\mathrm{\ΔV}}_{in}}=\frac{I_o}{{\mathrm{nU}}_T}---\left(10\right)$

跨導(dǎo)G_m在輸入ΔVin在一個較小的范圍內(nèi)變化時可以近似看成一個常量。

亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)的操作時序可以分為三個階段。在第一階段，打開預(yù)充電管(MP0)和充放電控制開關(guān)(S0)，對積分電容(C0)進行充電使得節(jié)點N1電壓達到電源電壓(VDD)。在第二階段進行溶液(104)的pH值檢測，實現(xiàn)從pH到時域的轉(zhuǎn)換。溶液(104)中的電極(103)對離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)提供柵極(108)電壓偏置，使其工作在亞閾值區(qū)，當溶液(104)中的pH值發(fā)生變化時，離子敏感場效應(yīng)晶體管(MN0)感應(yīng)到相應(yīng)的柵極(108)電壓變化，并轉(zhuǎn)化為漏電流，這時關(guān)閉預(yù)充電管(MP0)，打開行選通管(MN1)，形成一條從節(jié)點N1經(jīng)過充放電控制開關(guān)(S0)、行選通管(MN1)、以及亞閾值區(qū)放大管(MN0)到地的放電通路。放電電流與溶液(104)的pH值變化相關(guān)，進而影響N0節(jié)點的放電時間。在第三階段實現(xiàn)從時域到電壓的轉(zhuǎn)換，節(jié)點N1經(jīng)過一定的放電時間Δt后，關(guān)閉充放電控制開關(guān)(S0)，根據(jù)放電電流的不同，積分電容(C0)上最后得到的電壓也不同。最后節(jié)點N1上的電壓通過工作在飽和區(qū)的源極跟隨讀取管(MN2)輸出，電流源(I0)為源極跟隨讀取管(MN2)提供偏置電流。由于放電電流大小隨溶液(104)的pH值而變化，因此最后的輸出電壓V_out是pH值的函數(shù)，當溶液(104)的pH值有ΔpH的變化時，與之相關(guān)的輸出電壓V_out的變化ΔV_pH可表示為：

${\mathrm{\ΔV}}_{pH}=\frac{\mathrm{\Δ}t}{C_o}\·G_m\·A\·{\mathrm{\ΔV}}_{chem}---\left(11\right)$

ΔV_chem＝2.303α·U_T·ΔpH (12)

從上述公式中，本發(fā)明的pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)引入了一個放大因子G_m·Δt/C₀,用以抵消削弱因子A所引起的靈敏度的下降。

為了使數(shù)據(jù)更容易存儲、傳輸和分析，本發(fā)明采用了10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(analog-to-digital converter,ADC)將感應(yīng)到的pH值相關(guān)的輸出電壓轉(zhuǎn)化成10位的數(shù)字信號。

本發(fā)明采用了多行多列的傳感單元陣列(111)，每列傳感單元(110)共享一個pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)，10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(119)，以及靜態(tài)隨機寄存器讀取電路(123)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。每個傳感單元(110)由一個基于氮化硅(Si₄N₃)鈍化層(106)的離子敏感場效應(yīng)晶體管(MN0)以及一個行選通管(MN1)組成；pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)由一個預(yù)充電管(MP0)、一個互補型充放電控制開關(guān)(S0)、一個積分電容(C0)、一個源極跟隨傳輸管(MN2)以及其對應(yīng)的電流偏置(I0)組成；10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(119)主要由一個比較器(120)、一個10位計數(shù)器(121)以及相應(yīng)的鎖存器組(122)構(gòu)成；靜態(tài)隨機寄存器讀取電路主要由靜態(tài)隨機寄存器組(125)和靈敏放大器組(126)組成，64個靜態(tài)隨機寄存器組(124)共用一個靈敏放大器組(126)。

行譯碼器(116)主要根據(jù)行地址生成傳感陣列(111)行選通信號(ROW)。其他系統(tǒng)模塊包括偏置電路(117)和寄存器組(118)，偏置電路(117)為陣列(111)讀取電路提供基準電流電壓偏置，寄存器組(118)用于存儲芯片(128)的在不同工作模式下的控制信號。系統(tǒng)通過行選通信號(ROW)、預(yù)充電管控制信號(VBP)、以及互補型充放電控制開關(guān)控制信號(CTX/CTXB)控制每行傳感單元(110)的操作時序。當?shù)谝恍袀鞲袉卧?110)的檢測到的溶液pH值變化后，經(jīng)過pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(112)進行電壓放大后，10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組(113)中所有比較器(120)的使能信號(PCOMP)打開，并將采樣電壓(Vout)與斜坡電壓(RAMP)進行比較，比較器(120)的輸出作為一個的10位計數(shù)器(121)的使能信號，對時鐘信號(CLK_ADC)進行計數(shù)。當比較器(120)的輸出翻轉(zhuǎn)時，計數(shù)器(121)會停止計數(shù)，在鎖存信號(LATCH)的控制下將計數(shù)器(121)的結(jié)果鎖存到鎖存器組(122)中。此時放大后的與pH值相關(guān)的感應(yīng)電壓就轉(zhuǎn)化為了數(shù)字信號。靜態(tài)隨機寄存器組(124)在寫信號(WD_EN)的控制下讀取并存儲鎖存器組(122)中的數(shù)據(jù)。列譯碼器單元(127)在讀取時鐘(CB)和列地址(COL_Addr)的控制下為靜態(tài)隨機寄存器組(124)提供按列讀取信號(RD_EN)，靜態(tài)隨機寄存器組(124)在由列譯碼器單元(127)生成的讀取信號(RD_EN)以及讀取時鐘(CB)的控制下經(jīng)過靈敏放大器組(126)將存儲的數(shù)據(jù)輸出，第一行的所有列(第1到第m列)數(shù)據(jù)在列譯碼器(115)的控制下將串行輸出到計算機中。緊接著對第二行的傳感單元(110)進行操作，并將所有列的數(shù)據(jù)輸出。以此類推，直至最后一行(第n行)。如此，整個多行多列傳感單元陣列(111)的數(shù)據(jù)都被讀取到計算機中，以進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。具體的操作時序如圖8所示，在此操作時序中，設(shè)傳感單元陣列(111)有n行m列，共n×m個傳感單元(110)。

圖9為一個典型的傳感芯片(134)，包括一個512行576列的傳感單元陣列(129)，共9組64列共享讀取電路(130)，列譯碼器(131)，行譯碼器(132)，偏置電路(117)，寄存器組(118)。

其中一列傳感單元(133)上有576個傳感單元(110)，其輸出節(jié)點分別根據(jù)列位置由N0<0>～N0<575>來表示，64列傳感單元(133)共用一組64列共享讀取電路(130)。每一組64列共享讀取電路(130)包括64個pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)，64個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(119)，以及一個靜態(tài)隨機寄存器讀取電路(123)。其中靜態(tài)隨機寄存器讀取電路(123)由64個靜態(tài)隨機寄存組(124)和一個靈敏放大器組構(gòu)成(126)。所有512列傳感單元(133)共需要9組64列共享讀取電路(130)。

行譯碼器(134)為傳感單元陣列(129)提供行選通信號(ROW<0>～ROW<511>)，當選中第一行時，對于第192列傳感單元(133)來說，列輸出節(jié)點N0<191>由第2組64列共享讀取電路(130)進行讀取，經(jīng)過pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)進行電壓放大，以及10位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(119)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，存儲在靜態(tài)隨機寄存器讀取電路(123)中的第64個靜態(tài)隨機寄存組SRAM₆₃(125)中。當列譯碼器(131)的列地址(COL_Addr<0:9>)為10進制的192即二進制的0011000000時，第64個靜態(tài)隨機寄存組SRAM₆₃(125)的讀信號(RD_EN)將被選通，通過靈敏放大器組(126)將第64個靜態(tài)隨機寄存組SRAM₆₃(125)中存儲的10位數(shù)據(jù)輸出到芯片(134)的輸出端口(Dout<0:9>)。

512行576列的傳感單元陣列(129)需要9位行地址信號(ROW_Addr<0:8>)以及10位列地址信號(COL_Addr<0:9>)，以便對整個傳感單元陣列(129)進行操作。

本發(fā)明的傳感器芯片(134)可在典型的65nm標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝上制造與生產(chǎn)，芯片(134)的長和寬分別為5mm，總面積為25mm²。整個芯片(134)的表面為鈍化層(106)來保護芯片(134)不受空氣的氧化、化學(xué)試劑的腐蝕以及污染。該鈍化層(106)結(jié)構(gòu)為包含氮化硅Si₃N₄與二氧化硅SiO₂的組合，如Si₃N₄-SiO₂-Si₃N₄-SiO₂-Si₃N₄的結(jié)構(gòu)，整個鈍化層(106)的厚度為1.8μm，由于氮化硅Si₃N₄和二氧化硅SiO₂材料的相對介電常數(shù)分別為8.1和4.2，另外根據(jù)真空介電常數(shù)(8.854187817×10^-12F/m)以及串聯(lián)電容的計算公式，可以計算得到單位面積的鈍化電容為0.026fF/μm²。而與之相對的，圖4中所標識的離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的柵氧化層(102)為二氧化硅SiO₂材料，其厚度為5.6nm，遠遠小于鈍化層(106)的厚度，同樣的可以計算得到單位面積的柵氧化層(102)電容為6.16fF/μm²。其含義可以解釋為，當鈍化層(106)的面積是柵氧化層(102)面積的200倍以上的時候，鈍化層(106)的電容才與柵氧化層(102)電容相當。因此可以推斷，由于芯片(134)面積的制約，對于整個傳感陣列(129)來說，單個傳感單元(110)所對應(yīng)的鈍化層(106)面積非常有限，公式(8)中定義的靈敏度削弱因子A將遠遠小于1，從而使得芯片(134)表面累積的由溶液pH值變化引起的電勢變化ΔV_chem在到達離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)浮空柵極(108)時，所引起的電壓變化ΔV_in將被極大的削減。

本發(fā)明中組成傳感單元陣列(129)的每個傳感單元(110)的尺寸可以為4.4μm×4.4μm,4.4μm×8.8μm或者8.8μm×8.8μm，且不僅僅限于這些尺寸。作為一個實例，本發(fā)明中的傳感陣列(129)大小為512×576，對于這么大的傳感單元陣列(129)來說，由于單元間距可小至4.4μm，因此每一列讀取電路的間距也需保證為4.4μm，以便與傳感單元陣列(129)所匹配。

作為一個本發(fā)明讀取電路實例，采用的電源電壓(VDD)為2.8V，pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)的積分電容(C0)設(shè)為0.5pF，放電時間Δt設(shè)為3.6μs。

在傳統(tǒng)的讀取電路(135)中，離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)工作在飽和區(qū)，并作為一個源極跟隨器，直接將柵極(108)感應(yīng)到的電壓傳送到輸出端(Vout)，而不具有任何放大效果，如圖10所示。同樣的，傳感單元(110)由一個基于氮化硅(Si₄N₃)鈍化層(106)的離子敏感場效應(yīng)晶體管(MN0)以及一個行選通管(MN1)組成；電流源(I0)為作為源極跟隨器的離子敏感場效應(yīng)晶體管(MN0)提供偏置電流。

為方便測試，采用尺寸為40mm×40mm的144腳陶瓷針柵陣列封裝(Ceramic Pin Grid Array，CPGA)對經(jīng)過半導(dǎo)體工藝制造后的傳感芯片(134)裸片進行封裝，將裸片上的接合墊(Bonding Pad)通過金線連接出來，與封裝材料的引腳對應(yīng)起來，作為傳感芯片(134)與外界電路進行連接和通信的通路。采用激光切割出的一個長寬為0.25mm高為0.375mm的框架，該框架由非導(dǎo)電性材料制成并粘在芯片(134)傳感單元陣列(111)的表面。除了框架所界定的傳感區(qū)域外，整個芯片(134)表面特別是金屬線封裝區(qū)將采用防水的樹脂材料進行覆蓋，使得在測試過程中保護芯片(134)非傳感區(qū)域不與溶液進行接觸而引起短路和腐蝕等問題。

作為一個實例，圖11為本發(fā)明用于檢測樣本溶液的系統(tǒng)示意圖。一個溶液中Ag/AgCl電極(103)為所有傳感陣列(129)所共享，并提供偏置電壓，在測試過程中可用一個三維打印的塑料框架將電極(103)固定在溶液中?？墒褂镁鄱谆柩跬?Polydimethylsiloxane,PDMS)制成一個能覆蓋整個傳感器感應(yīng)區(qū)(137)的圓柱形容器(136)并粘到封裝后的芯片(138)表面，以便于在測試過程中盛裝溶液樣本(104)。封裝后的傳感器芯片(138)會焊接到一個印刷電路板(PCB)上，采用商業(yè)的分離元件和現(xiàn)場可編程門陣列(field-Grogrammable Gate Array,FPGA)來為整個測試系統(tǒng)包括封裝后的傳感器芯片(138)和Ag/AgCl電極(103)提供穩(wěn)定的電源電壓、偏置電壓以及時序和通訊等?？赏ㄟ^電腦上由Matlab編輯的圖形用戶界面(Graphical User Interface,GUI)來控制系統(tǒng)的操作和數(shù)據(jù)的傳輸。封裝后的傳感器芯片(138)所得到的數(shù)據(jù)將被讀到電腦中進行存儲和分析。

在實驗過程中，首先將樣本溶液滴入圓形容器(136)中，使傳感陣列的表面(137)與溶液(104)充分接觸，然后將Ag/AgCl電極(103)浸入到溶液(104)中，提供一個穩(wěn)定的偏壓，使離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)工作在亞閾值區(qū)。通過所設(shè)計的圖形用戶界面(GUI)來控制封裝后的傳感芯片(138)開始工作，將溶液(104)中的pH值的變化信息轉(zhuǎn)化為10位數(shù)據(jù)，并最終傳送并存儲到電腦中。

首先，采用一系列已知酸堿值的溶液，對封裝后的傳感芯片(138)的酸堿值靈敏度進行校準。將氫氧化鈉(NaOH)和鹽酸(HCl)溶液以不同的比例進行混合，配制出一系列具有不同酸堿值的樣本溶液(104)，用商業(yè)的pH值測量儀可以測得樣本溶液(104)的pH值為2.5到11之間。分別將樣本溶液(104)滴到芯片(134)的傳感區(qū)表面(137)進行測量，且在每兩次測量中間采用蒸餾水對芯片(138)傳感區(qū)表面(137)進行清洗并吹干，以保證后續(xù)的測量不受前一次測量中殘留樣本溶液的干擾。最后，得到pH值與輸出電壓值的關(guān)系曲線，通過分析該曲線的斜率就可以得到傳感芯片(138)的酸堿值靈敏度(mV/pH)。

圖12為傳統(tǒng)讀取電路(135)和本發(fā)明讀取電路(109)的測試結(jié)果對比圖。對于傳統(tǒng)讀取電路(135)來說，當溶液(104)的pH值由高變低時，溶液(104)中氫離子濃度增加，相應(yīng)的傳感器表面(137)的離子濃度增加，因而離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的浮空柵極(108)的電壓增加，電路(135)輸出端電壓(Vout)也跟隨這種增加的趨勢。但是圖12(a)中輸出端電壓(Vout)隨pH值變化的趨勢并不明顯，因而可以判斷，由鈍化層(106)電容引起的靈敏度削弱效果很明顯，沒有放大效果的傳統(tǒng)讀取電路(135)靈敏度很低。相對的，本發(fā)明的亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)由于引入了放大因子來補償傳感器靈敏度的衰減，輸出隨pH值的變化可以很明顯的觀察到。當溶液(104)的pH值由高變低時，離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)的漏電流增加，積分電容(C0)的放電速度加快，因此輸出電壓減小。從圖12(b)的統(tǒng)計結(jié)果可以觀察到本發(fā)明的亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)的pH值靈敏度為123.8mV/pH,比傳統(tǒng)讀取電路(135)的6.3mV/pH放大了近20倍。由鈍化層(106)電容引起的靈敏度的衰減不僅被補償了，而且還被放大了，超過了能斯特靈敏度(59.2mV/pH)。因此，本發(fā)明的亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)能夠有效的實現(xiàn)高靈敏度的溶液酸堿值檢測。

在食品安全監(jiān)測實驗中，將摻有不同大腸桿菌(DH5α)濃度的培養(yǎng)液放到培養(yǎng)箱里進行持續(xù)培養(yǎng)，溫度為37℃，轉(zhuǎn)速為200rpm(rpm,revolutions per minute，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))。每隔一個小時，每個樣本取出200μL并滴到傳感器芯片(138)表面進行pH值測量。每次溶液樣本測試前，都需要用蒸餾水清洗芯片(138)表面并吹干，排除相互間的干擾。最后，得到不同細菌濃度pH值隨著培養(yǎng)時間變化的曲線圖，從而可作為判斷食品衛(wèi)生狀況的一個判斷依據(jù)。

本實驗中培養(yǎng)了兩種大腸桿菌樣本，其初始濃度分別為15和30cells/mL，每隔1小時測量一次。圖13為本發(fā)明用于檢測大腸桿菌濃度的實驗結(jié)果圖，從測量結(jié)果中可以看到兩種樣本間的pH值差別(實線)隨著培養(yǎng)時間的增加而增大，并且經(jīng)過7個小時的連續(xù)培養(yǎng)后達到0.08pH。此外，由于本發(fā)明中所實現(xiàn)的高靈敏度特性，實驗中可觀察到的最小分辨率達到了0.01pH，這對于快速區(qū)分兩種低濃度細菌樣本來說是關(guān)鍵因素。因此在僅僅經(jīng)過4個小時的連續(xù)培養(yǎng)后，兩種樣本之間的0.01pH差別就能夠被觀察到。

作為對比，圖14為采用傳統(tǒng)的平板計數(shù)法后得到的大腸桿菌菌落圖。將1mL的大腸桿菌樣本滴到瓊脂培養(yǎng)皿中，并在37℃的溫度中培養(yǎng)24小時，培養(yǎng)皿中會生長和形成大腸桿菌菌落，假設(shè)每一個大腸桿菌都能夠繁殖并成長成一個單獨的菌落，通過人工觀察大腸桿菌的菌落數(shù)可以計算出樣本中的大腸桿菌濃度。

因此，與傳統(tǒng)的平板計數(shù)法(24小時)相比，本發(fā)明的離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)傳感器芯片(138)可以極大的縮短食品安全中大腸桿菌濃度的檢測時間(4～7小時)。

另一方面，離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)傳感器芯片(128)還有一個重要的應(yīng)用，就是基因測序領(lǐng)域?？衫煤蠊に囂幚碓谛酒?128)表面淀積光刻膠或者氮化硅(Si₃N₄)等半導(dǎo)體加工材料(139)，利用微機電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems，MEMS)的加工工藝制造出的微孔(140)陣列，使得每個微孔(140)下面會相對應(yīng)的有一個離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)。單個離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)用于基因測序的示意圖如圖15所示，微孔(140)里面有一個用于附著待測基因片段(141)的微珠(142)，采用一系列的生物反應(yīng)，通過檢測微孔(140)內(nèi)溶液(104)的pH值變化，可以得到待測基因片段(141)的序列。

基于離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)傳感陣列(111)的基因測序原理和流程如圖16所示(J.Go and M.A.Alam,Journal of Applied Physics,2013,114(16):164311)。首先，需要將長的單基因鏈切成小的待測基因片段(141)，采用多聚酶鏈式反應(yīng)(Polymerase Chain React1n，PCR)進行復(fù)制擴增，并附著在微珠(142)上，利用微流控系統(tǒng)將微珠(142)注入并分布到離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)傳感芯片(128)表面的微孔陣列(111)里，且每個微孔最多只能容納一個微珠(142)。在測序時，按固定順序通過微流控系統(tǒng)將腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)四種不同的核苷酸分別注入到微孔(140)中，待測基因片段(141)上的當前堿基與相對應(yīng)的核苷酸(dNTP)配對時，就會釋放氫離子(H⁺)和焦磷酸根(PPi)，配對的基因鏈由n個核苷酸(DNA_(n))延伸到n+1個(DNA_(n+1))，該聚合反應(yīng)可表示為：

DNA_(n)+dNTP→DNA_(n+1)+PPi+H⁺ (13)

聚合反應(yīng)所釋放的氫離子將改變微孔(140)中溶液(104)的酸堿值，這種改變將會被下面的離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)檢測到，將這種pH值的變化與當前的核苷酸的種類進行配對，就可以通過算法最終還原待測基因片段(141)對應(yīng)位置的堿基信息。

由于本發(fā)明中的酸堿值傳感芯片(128)能夠在有限的傳感單元(110)面積上實現(xiàn)較高的靈敏度，有利于集成大規(guī)模傳感陣列(111)，因此，可以有效提高一次可測得的基因片段的數(shù)量，有利于縮短測序時間以及成本。

本發(fā)明提出了一種高靈敏度、低成本酸堿值傳感器芯片(128)，采用與標準互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的離子敏感場效應(yīng)晶體管(105)傳感單元(110)，可以有效提高芯片(128)集成度，減少生產(chǎn)成本。采用亞閾值區(qū)pH-時域-電壓轉(zhuǎn)換讀取電路(109)可以有效的補償由鈍化層(106)電容引起的靈敏度的衰減，極大的簡化了電路結(jié)構(gòu)，從而保證了電路的可微縮特性。本發(fā)明有利于實現(xiàn)低成本、快速的食品衛(wèi)生監(jiān)測，對未來食品衛(wèi)生檢測的商業(yè)化來說具有很大的發(fā)展前景。同時，該大陣列(111)傳感芯片(128)還可用于實現(xiàn)快速、低成本、高通量的基因測序。