本发明专利技术公开了一种高灵敏度酸碱值生物传感器芯片，可实现低成本、快速的食品安全检测。同时，该传感器芯片有利于集成大规模的传感阵列，可用于快速、低成本、高通量基因测序。该芯片包含行/列译码器、大传感单元阵列、亚阈值区pH‑时域‑电压转换读取电路组、10位模数转换电路组、静态随机寄存器读取电路组等。该芯片可以检测溶液中的酸碱值变化并转化为电压信号，最后通过片上模数转化电路将电压转化为数字信号，并传送到电脑中进行数据接收、存储以及分析。本发明专利技术的读取放大电路，可以有效提高传感器的灵敏度，分辨率最小达到0.01pH，可解决芯片与标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的兼容性问题与工艺微缩化过程中低灵敏度的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种食品安全检测技术，尤其涉及一种大肠杆菌浓度检测的酸碱检测传感器芯片。基于其高灵敏度以及大阵列特征，该生物芯片同时可应用于基因测序领域。
技术介绍
食品安全与公共健康和卫生息息相关，食源性致病菌引起的食物中毒和病毒感染能够引起各种不同的病症，例如由金黄色葡萄球菌肠毒素容易导致恶心和呕吐，致病性大肠杆菌O157:H7容易引起腹泻和脱水，李斯特菌甚至能够引起败血症、脑膜炎、乃至死亡。除了这些危险的致病性细菌外，非致病性的细菌同样引起了业界注意，例如广泛存在于人和动物肠道中无害大肠杆菌就被用作食品卫生状况的指标。当即食性食品中大肠杆菌的含量低于20cfu/g(cfu,colony forming unit，菌落形成单位)；时视为合格，超出100cfu/g视为不合格，两者之间说明食品卫生有风险，需要加强监控。现存的细菌检测方法包括平板计数法、聚合酶链反应法(PCR)，酵素免疫分析法(ELISA)，以及DNA/RNA杂交技术等。但是这些技术通常测试时间长、测试过程繁杂、测试仪器庞大和贵重，并且需要专业的技术人员进行操作，因此极大的限制了他们的使用范围和对象，通常只有资金和人员充足的研究机构才能进行这些检测。电化学传感器可以有效的解决测试设备成本和测试复杂度问题，包括阻抗传感器、电流传感器和电压传感器。他们将细菌浓度信息通过电路分别转化为阻抗、电流和电压，这样极大的简化了生物信息的处理复杂度和难度。但是对于大多数的电化学传感器来说，所面临的挑战是他们所能够测得的细菌浓度一般在103cfu/g，这远远大于食品卫生标准中所规定的细菌浓度，因此，为了提高电化学传感器的性能以扩大在食品安全中的应用，我们需要开发高灵敏度的传感器。电压传感器作为电化学传感器中的一个重要组成部分，利用了细菌在培养过程中由于新陈代谢的作用产生的酸性物质如醋酸盐、乳酸盐、以及琥珀酸盐等将引起培养溶液酸碱度的变化，对于一定的培养液，细菌的成长速度与初始细菌浓度成正相关关系，因此经过一定时间的培养后，溶液会呈现不一样的pH值，如图1所示。从而得到溶液pH值的变化和细菌浓度之间的关系和变化趋势，如图2所示(P.M.Shaibani et al.,Sensors and Actuators B:Chemical,2016,226:176-183)。因此，电压传感器通过监测溶液pH值的变化来得到细菌初始浓度的信息。然而，人们通常需要在可检测到的细菌浓度和检测时间之间做取舍，这也意味着为了检测到更小的细菌浓度，由于pH值的变化太小而无法观察到，我们需要更长的培养时间，但是这样使得电压传感器在食品卫生检测中的优势就被极大的削弱了。这个问题可以通过采用具有高分辨率和高灵敏度的传感器来解决，通过提高可检测到的最小溶液pH值的变化，可以缩短细菌浓度检测时间。离子敏感场效应晶体管(Ion-Sensitive Field-Effect Transistor,ISFET)长期以来一直被用作检测溶液的pH值的传感器，通常采用普通的金属氧化物来作为离子敏感膜，用以与溶液中的氢离子反应，并在传感器表面产生电势变化，该电势会被下面的管子感应并传送给读出电路。能够感应溶液中氢离子的材料包括氮化硅(Si4N3)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、以及氧化钽(Ta2O5)，他们的灵敏度从23mV/pH到57mV/pH。传统的离子敏感场效应晶体管(101)采用晶体管的栅氧化层(102)(SiO2)作为离子敏感膜，其结构如图3所示。采用Ag/AgCl电极(103)作为晶体管的一个栅极，为晶体管提供偏置电压(Vref)。为了使该栅氧化层(102)能够与溶液(104)接触和反应，需要将标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)工艺中栅氧化层(102)结构上面的材料如金属互联线、过孔、钝化层、氧化层等通过特殊工艺移除掉，因此该结构的生产成本高。相对的，新型离子敏感场效应晶体管(105)直接采用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺中芯片表面的氮化硅(Si4N3)钝化层(106)来感应离子而不需要任何额外的工艺处理，其结构如图4所示。该结构可以被大量生产，极大的减小了应用成本，具有更广泛的应用前景。然而，图4中基于氮化硅(Si4N3)的离子敏感场效应晶体管(105)结构却面临了新的问题，由于氮化硅(Si4N3)钝化层(106)是非导电的绝缘材料，因此在溶液(104)和离子敏感场效应晶体管(105)浮空的金属栅极(108)之间引入了一个钝化层(106)电容，其中溶液(104)为电容上极板，顶层金属(107)为电容下极板。这个钝化层(106)电容会削弱离子敏感场效应晶体管(105)的酸碱感应灵敏度，对于快速的细菌浓度检测来说是一个挑战。特别是对于先进的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺来说，由于芯片表面钝化层(106)的主要作用是保护芯片不被外界氧化、腐蚀以及污染，因此该层一般都会做得很厚，对65nm工艺来说，钝化层(106)的厚度是栅氧化层(102)的几百倍，因此对于一定面积的离子敏感传感单元(110)来说，其钝化层(106)电容就会很小，因此可以预测传感器的灵敏度将会非常低，特别是对于大传感阵列(111)来说，这个问题更突出。因此，如何提高离子敏感场效应晶体管(105)的灵敏度将决定了该传感器是否在食品安全监测以及基因测序中具有应用优势，本专利技术基于这一背景环境，提出了相应的解决方案。
技术实现思路
本专利技术提出了一种酸碱值传感器芯片(128)，包括与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的离子敏感场效应晶体管阵列(111)、高灵敏度亚阈值区pH-时域-电压转换读取电路(109)(pH-to-time-to-voltage conversion,pH-TVC)电路和10位模数转换电路。该芯片(128)可用于食品卫生中大肠杆菌浓度的检测，解决了以下两个关键技术问题i)传统食品安全检测技术中测试时间长、测试过程繁杂、测试仪器庞大和贵重等问题，ii)基于氮化硅(Si4N3)的离子敏感场效应晶体管(105)结构的低灵敏度问题。本专利技术的技术方案为：一种高灵敏度酸碱值生物传感器芯片128，包括：多行多列传感单元阵列111、pH-时域-电压转换读取电路组112、10位模数转换电路组113、静态随机寄存器读取电路组114、列译码器115、行译码器116、偏置电路117、以及寄存器组118；每一列传感单元110共享一个亚阈值区pH-时域-电压转换读取电路109、一个10位模数转换电路119和部分静态随机寄存器读取电路123；每个传感单元110是由一个与互补金属氧化物半导体CMOS工艺兼容的离子敏感场效应晶体管MN0、一个行选通管MN1组成的两个晶体管单元2T；整个传感单元阵列111共享一个电极103，该电极103置于溶液104中，用于给离子敏感场效应晶体管MN0的栅极108提供偏置电压Vref；离子敏感场效应晶体管MN0的源极接地，漏极连接到行选通管MN1源极；行选通管MN1栅极由行译码器生成的行选通信号ROW控制，漏极接到pH-时域-电压转换读取电路109的输入节点N0；pH-时域-电压转换本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高灵敏度酸碱值传感器芯片，其特征在于：由多行多列传感单元阵列(111)、pH‑时域‑电压转换读取电路组(112)、10位模数转换电路组(113)、静态随机寄存器读取电路组(114)、列译码器(115)、行译码器(116)、偏置电路(117)、以及寄存器组(118)构成；每一列传感单元(110)共享一个亚阈值区pH‑时域‑电压转换读取电路(109)、一个10位模数转换电路(119)和部分静态随机寄存器读取电路(123)；每个传感单元(110)是由一个与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的离子敏感场效应晶体管(MN0)、一个行选通管(MN1)组成的两个晶体管单元(2T)；整个传感单元阵列(111)共享一个电极(103)，该电极(103)置于溶液(104)中，用于给离子敏感场效应晶体管(MN0)的栅极(108)提供偏置电压(Vref)；离子敏感场效应晶体管(MN0)的源极接地，漏极连接到行选通管(MN1)源极；行选通管(MN1)栅极由行译码器生成的行选通信号(ROW)控制，漏极接到pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)；pH‑时域‑电压转换读取电路(109)由预充电管(MP0)、充放电控制开关(S0)、积分电容(C0)、源极跟随读取管(MN5)组成；预充电管(MP0)栅极接预充电管选通信号(VBP)，预充电管(MP0)漏极连接到电流‑时域‑电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)上，预充电管(MP0)源极接到电源(VDD)上；充放电控制开关(S0)跨接在pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)和源极跟随读取管(MN2)的栅极之间，充放电控制开关(S0)由一个互补的N型和P型传输管对组成，并由互补的开关控制信号(CTX和CTXB)打开或关闭充放电控制开关(S0)；积分电容(C0)的一端连接到源极跟随读取管(MN2)的栅极，另一端接地；源极跟随读取管(MN2)漏极接到电源(VDD)，源极跟随读取管(MN5)源极连接到电流偏置(I0)并作为输出端电压(Vout)连接到10位模数转换电路(119)的正输入端；10位模数转换电路(119)主要由一个比较器(120)，一个10位计数器(121)以及一个锁存器(122)组成；比较器(120)的正输入端连接到pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输出端，负输入端连接到一个斜坡信号(RAMP)，该斜坡信号(RAMP)可由芯片内部电路产生，也可以从外部信号发生器输入。在比较器使能信号(PCOMP)的控制下实现pH‑时域‑电压转换读取电路(109)的输出端电压(Vout)和斜坡信号(RAMP)之间的比较；比较器(120)的输出端连接到10位计数器(121)上，作为该计数器(121)的使能信号，计数器(121)在使能信号的控制下对时钟信号(CLK_ADC)进行加1或减1计数；锁存器组(122)由10个锁存器构成，每一个锁存器分别对应的连接到计数器(121)的10个输出端，并在锁存信号(LATCH)的控制下将10位计数器(121)的结果存入到锁存器组(122)中；静态随机寄存器读取电路(123)由64个静态随机寄存器组(124)和一个灵敏放大器组(126)构成；一个静态随机寄存器组(125)由10个静态随机寄存器(Static Random Access Memory,SRAM)构成，分别对应的连接到锁存器组(122)的10个输出端，并在写信号(WD_EN)的控制下，将锁存器组(122)的数据存入静态随机寄存器组(125)中；一个灵敏放大器组(126)由10个灵敏放大器(Sense Amplifier,SA)构成，分别对应的连接到静态随机寄存器组(125)的10个输出端，并在读信号(RD_EN)以及读取时钟(CB)的作用下，将静态随机寄存器组(125)中存储的数据读取到芯片的输出端口(DOUT)；64个静态随机寄存器组(124)(SRAM0～SRAM63)连接到一个灵敏放大器组(126)上。整个静态随机寄存器读取电路(123)可由64列传感单元(110)、64个pH‑时域‑电压转换读取电路(109)、64个10位模数转换电路(119)共享；部分列译码器单元(127)在列地址(COL_Addr)和读取时钟(CB)的控制下产生相应的64个读信号(RD_EN)，分别控制每一个静态随机寄存器组(125)；行译码器在行地址的控制下为传感单元阵列(111)提供行选通信号(ROW)；同一行中处在所有列上的传感单元(110)的感应到由溶液酸碱值引起的电压变化后，经其对应的pH‑时域‑电压转换读取电路(109)进行放大，然后输入到后续的10位模数转换电路组(113)转换成数字信号，并存储在其对应的静态随机寄存器读取电路组(114)中，最后在列地址(COL_Addr)的控制下经列...
【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度酸碱值传感器芯片，其特征在于：由多行多列传感单元阵列(111)、pH-时域-电压转换读取电路组(112)、10位模数转换电路组(113)、静态随机寄存器读取电路组(114)、列译码器(115)、行译码器(116)、偏置电路(117)、以及寄存器组(118)构成；每一列传感单元(110)共享一个亚阈值区pH-时域-电压转换读取电路(109)、一个10位模数转换电路(119)和部分静态随机寄存器读取电路(123)；每个传感单元(110)是由一个与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的离子敏感场效应晶体管(MN0)、一个行选通管(MN1)组成的两个晶体管单元(2T)；整个传感单元阵列(111)共享一个电极(103)，该电极(103)置于溶液(104)中，用于给离子敏感场效应晶体管(MN0)的栅极(108)提供偏置电压(Vref)；离子敏感场效应晶体管(MN0)的源极接地，漏极连接到行选通管(MN1)源极；行选通管(MN1)栅极由行译码器生成的行选通信号(ROW)控制，漏极接到pH-时域-电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)；pH-时域-电压转换读取电路(109)由预充电管(MP0)、充放电控制开关(S0)、积分电容(C0)、源极跟随读取管(MN5)组成；预充电管(MP0)栅极接预充电管选通信号(VBP)，预充电管(MP0)漏极连接到电流-时域-电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)上，预充电管(MP0)源极接到电源(VDD)上；充放电控制开关(S0)跨接在pH-时域-电压转换读取电路(109)的输入节点(N0)和源极跟随读取管(MN2)的栅极之间，充放电控制开关(S0)由一个互补的N型和P型传输管对组成，并由互补的开关控制信号(CTX和CTXB)打开或关闭充放电控制开关(S0)；积分电容(C0)的一端连接到源极跟随读取管(MN2)的栅极，另一端接地；源极跟随读取管(MN2)漏极接到电源(VDD)，源极跟随读取管(MN5)源极连接到电流偏置(I0)并作为输出端电压(Vout)连接到10位模数转换电路(119)的正输入端；10位模数转换电路(119)主要由一个比较器(120)，一个10位计数器(121)以及一个锁存器(122)组成；比较器(120)的正输入端连接到pH-时域-电压转换读取电路(109)的输出端，负输入端连接到一个斜坡信号(RAMP)，该斜坡信号(RAMP)可由芯片内部电路产生，也可以从外部信号发生器输入。在比较器使能信号(PCOMP)的控制下实现pH-时域-电压转换读取电路(109)的输出端电压(Vout)和斜坡信号(RAMP)之间的比较；比较器(120)的输出端连接到10位计数器(121)上，作为该计数器(121)的使能信号，计数器(121)在使能信号的控制下对时钟信号(CLK_ADC)进行加1或减1计数；锁存器组(122)由10个锁存器构成，每一个锁存器分别对应的连接到计数器(121)的10个输出端，并在锁存信号(LATCH)的控制下将10位计数器(121)的...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜钰，刘旭，严媚，余浩，
申请(专利权)人：严媚，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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