具有放大的生物传感器像素电路制造技术

提供了一种充当感测设备中的感测元件的像素电路。所述像素电路包括：感测电极；第一栅极，与所述感测电极电连接；第二栅极，与第一栅极电连通；以及读出设备，与第二栅极电连接。施加于所述感测电极的输入电压在第一栅极和第二栅极之间被放大，所述放大被测量为所述读出设备的输出信号，用来执行感测操作。例如，输出信号能够与pH、分析物测量或由感测设备分析的样本液体的其他属性相关。感测设备可以包括设置在基板上的多个像素，每个像素包括所述像素电路。由控制电子器件控制的驱动电路被配置为产生选择性地寻址像素并读出感测电极处的电压的信号。

Pixel circuit with magnified biosensor

A pixel circuit that acts as a sensing element in a sensing device is provided. The pixel circuit comprises: a sensing electrode; the first gate is electrically connected with the sensing electrode; the second grid is electrically connected with the first grid; and the readout device is electrically connected with the second grid. The input voltage applied to the sensing electrode is amplified between the first gate and the second gate, and the amplification is measured as the output signal of the readout device for carrying out the sensing operation. For example, the output signal can be related to the pH, the analyte measurement, or the other attributes of the sample liquid analyzed by the sensing device. The sensing device may include a plurality of pixels set on the substrate, each of which includes the pixel circuit. A drive circuit controlled by a controlled electronic device is configured to produce a signal that selectively addresses the pixel and reads the voltage at the sensing electrode.

【技术实现步骤摘要】
具有放大的生物传感器像素电路
本专利技术应用于使用场效应晶体管(FET)或薄膜晶体管(TFT)的传感器的有源矩阵传感器阵列。具体地，本专利技术涉及离子敏感薄膜晶体管(ISTFT)传感器阵列。
技术介绍
离子敏感场效应晶体管(ISFET)是众所周知的pH敏感生物传感器，并且还能够用于生物化学感测，其中感测栅极表面使用选择性识别目标种类的材料被功能化。ISFET的阵列可以用于多个不同种类的多路检测。基于阵列的测量还可以用来多次测量单个量，从而使检测中的错误最小化。用于ISFET感测的已知结构是如Smith，J.，Shah，S.，Goryll，M.，Stowell，J.和Allee，D.等人的文献“FlexibleISFETBiosensorUsingIGZOMetalOxideTFTsandanITOSensingLayer”，IEEESensorsJ.14(4)第937-938页(2014)(Smith等人)中描述的扩展栅极。根据扩展栅极原理，晶体管的物理栅极连接到感测电极。感测电极是通常大于晶体管栅极的导体(ITO)。“Smith等人”中描述了一种扩展栅极传感器。漏源电压和参考偏置电压保持恒定，并且通过设备的电流作为时间的函数被测量。该电流是与扩展栅极ITO表面接触的液体的pH的函数。Go，J.，Nair，P.，Reddy，B.，Dorvel，B.，Bashir，R和Alam，M.的文献“CoupledHeterogeneousNanowire-NanoplatePlanarTransistorSensorsforGiant(＞10V/pH)NernstResponse.”ACSNano，6(7)，第5972-5979页(2012)中描述了使用双栅控ISFET来提高灵敏度。Si纳米板-纳米线晶体管对被用作双栅ISFET，其中pH的改变通过扫描栅极电压和测量IV响应来确定。为了保持电流相同，纳米板处的电势改变需要在纳米线处的更大的电势移位。通过这种方式，来自对纳米板的感测的信号被放大。US8415716(Rothberg等人，2013年4月9日授权)描述了改进的阵列控制和ISFET像素设计，其便于提高测量灵敏度和精度，同时允许小像素尺寸和大阵列。对Milgrew等人的ISFET阵列设计进行了改进。为了放宽对n型和p型晶体管二者的要求，牺牲了ISFET测量线性度和动态范围，从而降低像素的复杂度和尺寸。因此，大密集阵列是可能的，但测量范围有限。还公开了阵列控制电路，其包括在与阵列相同的集成电路上但位于传感器阵列区域外部的模数转换。一般来说，Rothberg等人描述了信号处理的方法，以改善信噪比而不是信号放大，传感器信号不进行像素内放大。US2005/0230271(Levon等人，2005年10月20日公开)公开了一种浮栅ISFET的有源矩阵阵列。通过检测两个ISFET的阈值电压来执行感测，两个ISFET中的一个涂覆有感测材料。两个ISFET之间的差分信号被放大，以产生输出信号。US2013/0200438(Liu等人，2013年8月8日公开)描述了在感测表面的生物分子的检测中使用各种双栅ISFET进行信号放大。US8247849(Fife等人，2012年8月21日授权)描述了用于形成ISFET阵列的两个晶体管像素电路。US8741680(Fife等人，2014年6月3日授权)公开了两个晶体管像素电路的进一步细节并明确地描述了有源矩阵实现。US8940569(Bedell等人，2015年1月27日授权)公开了一种以恒定电流模式操作的双栅ISFET，其借助基于运算放大器的电路进行放大。提及了将这样的架构作为阵列内的像素的可能使用，但是没有示出用于这种实现的像素电路。
技术实现思路
用于离子敏感传感器阵列电路的像素电路包括双栅离子敏感晶体管和读出晶体管。像素电路被布置为使得在感测电极处实现输入电压信号的放大。双栅离子敏感晶体管具有相对于设备的通道具有第一电容的第一栅极和具有第二电容的第二栅极，其中第一电容大于第二电容。感测电极连接到双栅离子敏感晶体管的第一栅极，离子敏感晶体管的第二栅极连接到读出设备。感测电极的顶表面形成感测表面，或者可选地，感测表面可以由绝缘材料涂覆以创建感测表面。通过适当地偏置双栅离子敏感晶体管的漏极和源极端子，例如通过使用电流源，在离子敏感晶体管的第一级和第二级之间实现输入电压信号的放大。放大的信号通过使用读出晶体管来测量。在读出晶体管的输入和双栅离子敏感晶体管的漏极之间实现反馈。进一步描述了多个像素电路可被配置为形成传感器阵列设备的布置，其包括添加一个或多个附加晶体管以执行行选择操作。进一步的实施例描述了如何可以通过将附加的放大级并入像素来增加放大。相关地，描述了驱动像素电路的方法，由此离子敏感晶体管被电流源偏置，并且时序信号被施加到一个或多个行选择晶体管，以实现包括传感器阵列设备的所述像素电路的阵列的XY读出。本专利技术的优点如下：●使用双栅离子敏感晶体管对输入信号进行放大能够实现对感测电极处的电势改变的增加的敏感度。这允许测量pH的更小的改变或检测吸附在感测表面上的更少数量的生物分子。增加的灵敏度改善了测量的精度，并扩展可能使用这种传感器阵列的化学和生物化学感测应用。●在像素电路内在读出晶体管之前对信号的放大减少了阵列的其余部分或随后的信号处理步骤中产生的噪声的影响。在像素之外的信号放大的缺点在于放大了系统中固有的任何噪声。因此，像素本身内的信号放大是本专利技术的显著优点。增加的信噪比(SNR)改善了测量的精度，并降低了这种传感器的检测限制。●像素电路需要少量晶体管，从而允许实现具有小面积的像素。形成像素电路所需的组件的数量或尺寸的任何减少降低了像素所需的总面积。当形成大的传感器阵列时，这是特别有利的，因为较小的像素面积增加了这种阵列的密度，允许在给定的阵列面积内的更多数量的各个传感器元件。○如果这些阵列内的传感器的各个感测表面被功能化以特别地检测不同的目标，则更大数量的传感器将增加可能使用阵列的多路检测的级别。○更大的传感器数量也可用于增加阵列内的冗余度级别。多个传感器可用于测量期间的误差识别，并且如果制造过程产生的有效传感器产量低的话，则提供备选传感器。●可以使用单沟道工艺制造简单像素设计，减少数量或处理步骤，因此降低生产大阵列的成本。●根据某些描述的实施例，附加的优点在于，可以通过在相同的像素内级联多个放大级来实现非常高的放大因子。为了完成前述和相关目的，本公开包括：在下文中完全描述且在权利要求中具体指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本公开的特定说明性实施例。然而，这些实施例指示可以采用本公开原理的各种方式中的一些方式。在结合附图考虑时，根据下面对本公开的详细说明，本公开的其他目的、优点和新颖性特征将变得清楚。附图说明在附图中，相似的附图标记指示相似的部件或特征：图1是描绘了具有传感器阵列的微流体设备的示意图，所述传感器阵列包括基板上的薄膜电子器件和相关联的控制电子器件；图2是描绘了图1的传感器阵列的薄膜电子器件的示例性布置的示意图；图3示出了通过可用作图2的传感器阵列的像素内的传感器元件的示例性双栅ISTFT的横截面；图4是描绘了根据本专利技术第一实施例的具有反馈的双栅ISTFT传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充当感测设备中的感测元件的像素电路，所述像素电路包括：感测电极；第一栅极，与所述感测电极电连接；第二栅极，经由有源区与第一栅极电连通；以及读出设备，与第二栅极电连接；其中，施加于所述感测电极的输入电压在第一栅极和第二栅极之间被放大，所述放大被测量为所述读出设备的输出信号，用来执行感测操作。

【技术特征摘要】
2016.07.07 US 15/204,3591.一种充当感测设备中的感测元件的像素电路，所述像素电路包括：感测电极；第一栅极，与所述感测电极电连接；第二栅极，经由有源区与第一栅极电连通；以及读出设备，与第二栅极电连接；其中，施加于所述感测电极的输入电压在第一栅极和第二栅极之间被放大，所述放大被测量为所述读出设备的输出信号，用来执行感测操作。2.根据权利要求1所述的像素电路，其中，所述有源区连接到有源区漏极和有源区源极，以形成包括位于第一栅极和第二栅极之间的通道的晶体管。3.根据权利要求1-2中的任一项所述的像素电路，其中，第一栅极通过穿过绝缘层和钝化表面的通孔连接来连接到所述感测电极。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的像素电路，其中，所述感测电极的物理面积是第一栅极的物理面积的至少2倍。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的像素电路，其中：第一栅极与第一栅极电容相关联，以及第二栅极与第二栅极电容相关联，其中，第一栅极电容大于第二栅极电容；以及连接到第一栅极的漏极被配置为接收恒定输入偏置电流，以及对输入电压的放大基于第一栅极电容与第二栅极电容的电容比。6.根据权利要求5所述的像素电路，还包括：电流源电路，被配置为供应所述恒定输入偏置电流，其中，所述电流源电路被配置为接收用于控制所述恒定输入偏置电流的时序的时序信号。7.根据权利要求5-6中的任一项所述的像素电路，其中，第一栅极和第二栅极经由第一栅极绝缘层以及位于第一栅极和第二栅极之间的绝缘区域与所述有源区电连通，以及第一栅极电容和第二栅极电容基于第一栅极绝缘层和所述绝缘区域的厚度。8.根据权利要求1-7中的任一项所述的像素电路，还包括：反馈连接，位于第二栅极和连接到第一栅极的漏极之间。9.根据权利要求8所述的像素电路，还包括：电容器，位于第二栅极和到与第一栅极相连接的漏极的反馈连接之间，其中，所述电容器导致对输入电压的附加增益。10.根据权利要求1-9中的任一项所述的像素电路，还包括：行选择组件，被配置为接收用于对所述像素电路进行寻址的时序信号。11.根据权利要求10所述的像素电路，其中，所述行选择元件包括：行选择晶体管，位于电流供应输入和反馈连接之间，所述反馈连接位于第二栅极和感测元件的漏极端子之间。12.根据权利要求10所述的像素电路，其中，所述行选择元件包括：行选择晶体管，位于感测元件的源极端子与输入偏置连接之间。13.根据权利要求1-12中的任一项所述的像素电路，其中，所述读出设备包括读出晶体管，其中，经过放大的输入电压施加到所述读出晶体管的栅极，以及所述输出信号是从所述读出晶体管的源极读出的。14.根据权利要求1-13中的任一项所述的像素电路，其中，第一晶体管包括第一栅极，...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·詹姆斯·哈德文，坎贝尔·唐纳德·布朗，克里斯托弗·詹姆斯·布朗，格列高利·盖，萨莉·安德森，
申请(专利权)人：夏普生命科学欧洲有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB