微阵列生物传感器的读出电路制造技术

本发明专利技术公开了一种微阵列生物传感器的读出电路，包括缓冲输出单元，以及一个与微阵列生物传感器输出端连接的恒电位仪电流积分单元，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号；以及一个连接于恒电位仪电流积分单元与缓冲输出单元之间的相关双采样单元，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。本发明专利技术能消除生物微电极传感器输出信号中的噪声信号，提高生物微电极传感器输出信号的信噪比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微阵列生物传感器，具体涉及一种微阵列生物传感器的读 出电路。
技术介绍
电化学生物传感器是具有电化学信号转换器的生物传感器， 一般认为它是 一个化学修饰电极。以电导、半导体或者离子导电的材料构成电化学电极作为 信号转换器，涂上一层生物化学或生物薄膜作为敏感元件，最后以电信号为特 征检测信号。根据电信号测定方式的不同， 一般可分为电流式、电位式和电导 式三类，电流式和电位式占主导地位。由于传统的化学修饰电极存在体积大、 灵敏度低、噪声大等缺点，生物传感器的化学修饰电极，正在朝着微型化的方向发展。早在20世纪60年代，微电极技术就以其优良的电化学特性引起学者 广泛的关注，70年代末期，已成为电化学的前沿领域。近20年来，微电极技 术已迅速发展为一种重要的电化学研究技术，其理论与应用的研究不仅取得了 长足进展，而且对电化学、生物电化学、生物传感器、生命科学和临床医学等 领域产生了深远影响。随着生物芯片的高速发展，近年来生物传感器的研究与开发呈现出突飞猛 进的局面。其中，微阵列生物传感器是当前研究的一个热点。生物信号采用微 阵列生物传感器进行检测(微阵列生物传感器通过检测生物反应生成的微电流 信号从而对生物分子进行检测与识别)，其输出大多为电流信号。因此，有关微 阵列生物传感器的研究，主要侧重于微电流的信号检测与处理技术。在微弱信 号的探测应用中， 一个非常关键的技术就是对噪声进行抑制或削弱，以提高输 出信号的信噪比(S/N)。因而对噪声抑制或削弱的程度往往决定着所提取信号 质量的优劣，或信号处理的效果。由于目前的微阵列生物传感器的读出电路对噪声的抑制基本上没有涉及，致使读出电路中存在的最主要的噪声源包括1//噪声(MOS晶体管的闪烁噪声)、KTC噪声(复位噪声)和微阵列固定偏差噪声 信号，这些未经抑制或削弱的噪声信号r。自(噪声信号K。w表所有噪声之和)随 着读出电路输出到后级电路。由于前级噪声信号可能被放大而传送到后级电路， 所以危害往往更大，为提高输出信号的信噪比，必须予以消除或削弱。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种微阵列生物传感器的读出 电路，它能消除生物微电极传感器输出信号中的噪声信号，提高生物微电极传 感器输出信号的信噪比。本专利技术的目的是这样实现的包括缓冲输出单元，以及一个与微阵列生物 传感器输出端连接的恒电位仪电流积分单元，该恒电位仪电流积分单元为微阵 列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于 微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号；以及一个连接于恒电位仪电流 积分单元与缓冲输出单元之间的相关双采样单元，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。采用了上述方案，在微阵列生物传感器输出端连接一恒电位仪电流积分单 元，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提 供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压 信号输出。恒电位仪电流积分单元包括恒电位仪以及与该恒电位仪电连接的积 分器。其中恒电位仪为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒 定的偏置电压，以保证微阵列生物传感器在工作和信号转换时的稳定性。从微 阵列生物传感器输出的电流会对恒电位仪电流积分单元的积分器进行充电，从 而积分器上的电压的变化反应的正是微阵列生物传感器输出电流幅值的变化， 因此，积分器可将微阵列生物传感器输出的电流信号取出并转换为电压信号输 出；并且积分器上的输出电压具有很高的输出摆幅，对于微阵列生物传感器的 每一个输出电流，积分曲线均具有较好的线性度。在恒电位仪电流积分单元与 缓冲输出单元之间连接一个相关双采样单元，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。相关双采 样单元的采样开关为两个并联在一起的晶体管，其导通电阻小，几乎可以无损 失地传输信号。相关双采样单元的去噪处理器为一个耦合电容，由于耦合电容 对直流电信号不能突变，并通过连接于去噪处理器输出端的电压钳位器对耦合 电容输出端设定的时间点将去噪处理器输出的电压信号进行钳制，不但能将噪 声信号消除，以提高生物微电极传感器输出电信号的信噪比；并且从本专利技术中 的读出电路中输出的电压信号随着积分器上输出的积分电压变化，而积分器上 的电压的变化反应的正是微阵列生物传感器输出电流幅值的变化，因此，最终 输出电压随微阵列生物传感器变化。由上述可知本专利技术的读出电路，能使从恒电位仪电流积分单元输出的电压 信号通过相关双采样单元进行采样，并作去噪处理后，可以得到信噪比较高的 信号，这样利于提高传感器灵敏度。此外，本专利技术的读出电路中的相关双采样单元还具有电路结构简单、所用晶 体管少、功耗低和占用IC版图面积小等优点。附图说明图1为本专利技术的微阵列生物传感器的读出电路的电路框图2为本专利技术中的微阵列生物传感器与恒电位仪电流积分单元连接的电路结构图3为本专利技术中的相关双采样单元以及缓冲输出单元连接的电路结构图； 图4为微阵列生物传感器输出的传感电流经恒电位仪电流积分单元处理后 的仿真示意图5为相关双采样单元的时序时；图6为本专利技术的读出电路的仿真示意图7为微阵列传感器的转移特性曲线图。具体实施例方式参照图1，本专利技术的微阵列生物传感器的读出电路，微阵列生物传感器1输出端连接一个恒电位仪电流积分单元2，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物 传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列 生物传感器的电流信号转换为电压信号输出。恒电位仪电流积分单元2与缓冲 输出单元4之间的相关双采样单元3，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分 单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。参照图1及图2，恒电位仪电流积分单元2包括恒电位仪以及与该恒电位仪 电连接的积分器。该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极WE 和对电极CE之间提供一个恒定的偏置电压，使微阵列生物传感器能够进行氧化 还原的化学反应，以保证微阵列生物传感器在工作和信号转换时的稳定性。恒 电位仪包括偏置电压源Vrrf、运算放大器A和醒OS管Mn。偏置电压源的负极 端连接微阵列生物传感器的对电极CE，偏置电压源VrBf的正极端连接运算放大器 A的同相输入端，运算放大器A的反相输入端连接微阵列生物传感器的工作电极 WE。从图中可以得知运算放大器A工作在负反馈状态，从而维持微阵列生物传 感器的微电极(工作电极WE和对电极CE)上有一个固定偏压，同时保证电路工 作的稳定性，偏置电压源Vw的大小为0.3V—0.6V。运算放大器A的输出端连 接丽OS管Mn的栅极g，醒OS管Mn的源极s连接微阵列生物传感器的工作电极 WE， NMOS管Mn的漏极d连接所述积分器。积分器包括积分电容Cint以及为该 积分电容Cint输送复位信号的复位管Mp。积分电容Cint连接在电源电压Vdd 与恒电位仪之间，积分电容Cint端连接NMOS管Mn的漏极d，积分电容Cint另 一端与电源电压Vdd连接。复位管Mp为PMOS晶体管，复位管Mp的栅极g连接复 位信号Rest，复位管Mp的其余两端分别与积分电容Cint的两端连接。恒电位 仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微阵列生物传感器的读出电路，包括缓冲输出单元，其特征在于：还包括一个与微阵列生物传感器输出端连接的恒电位仪电流积分单元，该恒电位仪电流积分单元为微阵列生物传感器的工作电极和对电极之间提供一个恒定的偏置电压，并将来自于微阵列生物传感器的电流信号转换为电压信号；以及一个连接于恒电位仪电流积分单元与缓冲输出单元之间的相关双采样单元，该相关双采样单元采样恒电位仪电流积分单元输出的电压信号并作去噪处理后输出到缓冲输出单元。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘银松，孔谋夫，刘嘉敏，李向全，张仁富，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]