化学感测器件制造技术

一种装置包括具有第一输出信号并配置为接收电输入的变换器。该变换器切换第一输出信号的开关状态。该装置包括耦合到变换器并配置为接收化学输入的化学感测表面。信号生成器使一个或多个所述输入振荡来改变变换器的切换点。振荡输入可以是化学输入和/或电输入。输出信号可以是其开关周期由化学输入调制的振荡输入所确定的脉冲。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及到化学感测器件。特别地，本专利技术可用于根据液体中离子浓度提供数字输出信号。本专利技术适用于核酸的鉴定和测序。
技术介绍
此前出版物已经披露了离子敏感场效应晶体管(ISFET)检测靠近敏感表面的化学物质的能力。可通过检测化学反应的产物来确定目标分析物的存在。在一个实例中，离子敏感场效应晶体管(ISFET)可用于通过检测核酸末端由核苷酸插入引起的pH值变化来确定核酸模板的一个或多个部分的特性(identity)。通常在反应过程中释放氢离子(质子)。离子敏感场效应晶体管(ISFET)电信号的强度取决于释放的氢离子的量，该电信号表达为模拟输出信号，可以是电压信号或电流信号。对于例如可用于DNA测序的大型离子敏感场效应晶体管(ISFET)阵列，专利技术人已经意识到处理这些模拟数据需要巨大的计算能力和千兆比特每秒的带宽。另外，通常的方法需要精确的模拟读出电路，并且对寄生元件及环境电噪声敏感。高精度的大型模拟系统限制了处理速度和集成能力；从而制约了检测效率和可量测性。而且高性能前端接口电路会消耗大量的系统面积和功耗，使得片上数据处理不切实际。专利技术人在本文中提出了能够解决上述一个或多个缺陷的新颖的半导体及方法。
技术实现思路
根据本专利技术第一方面提供了一种半导体器件，其包括具有第一输出信号并配置为接收电输入的变换器。变换器切换第一输出信号的开(ON)和关(OFF)状态。该器件包括耦合到所述变换器的化学感测表面，配置为接收化学输入。信号生成器使所述输入中的一个或多个振荡来改变变换器的开关点。振荡输入可以是化学输入和/或是电输入。输出信号可以是其开或关周期由化学输入调制的振荡输入所确定的脉冲。信号生成器可以包括配置为释放或吸收化学物质的滴定电极，该化学物质影响化学感测表面检测的离子浓度。信号生成器还可以包括控制器，来向滴定电极提供振荡电流。所述化学物质优选为氢离子和氢氧离子。该信号生成器可以使化学输入信号振荡，以在第一周期使第一输出信号切换为开并且在第二周期切换为关。信号生成器也可以使电输入信号振荡，以使第一电输出信号在第一周期切换为开并且在第二周期切换为关；并且其中所述化学输入信号调制第一周期和第二周期的周期。信号生成器可以将振荡电输入信号提供给包括在变换器中的晶体管的栅极、源极、漏极以及块体之一。检测到的靠近化学感测表面的离子可以提供使变换器偏置的化学输入信号，以调制第一输出信号。变换器可以包括连接到第二类型的第二晶体管的第一类型的第一晶体管，以形成CMOS反相器。化学感测表面可以耦合到第一晶体管和第二晶体管的栅极。该栅极可以是浮栅。第一电输出信号可以提供给另外一个或多个晶体管以形成逻辑电路。该装置还可以包括接收第一电输出信号的解调器，解调器提供表示化学输入信号幅度的第二数字输出信号。该解调器可以是相位解调器或时间数字转换器(TDC)之一。该装置还可以包括连接到第二输出信号的编码器，该编码器配置为提供包括2位二进制代码的第三输出信号。优选地，信号生成器的振荡波形是锯齿波、正弦波或三角波中的一种。根据本专利技术的第二方面提供一种使用根据第一方面的装置来确定液体中分析物的一种或多种成分的方法，包括:(i )向化学感测表面提供液体；(ii )使一个或多个输入振荡以提供调制的第一输出信号解调调制的第一输出信号以提供表不第一离子浓度的第一数据；(iv)使分析物特定试剂和液体结合，由此如果试剂与分析物发生反应则产生离子；(V)使一个或多个输入振荡以提供调制的第一输出信号；(vi)解调调制的第一输出信号以提供表示第二离子浓度的第二数据；(vii)比较第一数据和第二数据以量化离子浓度的变化；(viii)然后将离子浓度的变化与阀值进行比较，以确定试剂是否与分析物发生反应，从而确定分析物的成分。该方法可进一步包括解调第一和第二调制的输出信号以提供表示离子浓度的第一和第二数字输出信号，然后对第一和第二数字输出信号进行比较以量化液体中离子浓度的变化。该方法还可以在(iv)之后进一步包括从液体中去除现存的试剂。事实上，还优选至少重复(ii)至(vi)以进一步确定分析物的成分。该分析物优选是待测序的核酸模板，并且试剂是已知类型的核苷酸。因此优选地，离子浓度依据核苷酸是否插入到核酸模板中而改变。离子浓度的改变理想地与插入到核酸模板中的核苷酸碱基数量相关。编码器可提供表示所插入的核苷酸类型的2位二进制代码。根据本专利技术第三方面提供了一种测量缓冲液中的离子浓度的方法，该方法包括:(i)从暴露于液体中的离子敏感场效应晶体管(ISFET)中监测电输出信号；(ii)从滴定电极向液体释放或吸收化学物质以改变所述离子浓度，直到输出信号达到预定阀值；以及(iii)确定释放或吸收的化学物质的量。该方法可根据缓冲容量的知识和释放及吸收的化学物质的量来确定初始离子浓度。因此，该方法可进一步包括(iv)根据缓冲容量的知识和释放及吸收的化学物质的量来确定初始离子浓度。该方法还可以包括在两个不同的时间或以不同的液体来重复部分(ii)和(iii)，然后:(iv)根据在每个部分(ii)释放或吸收的化学物质的量的差别的知识来确定初始离子浓度的差别，其中在每一部分(ii )之前缓冲容量基本相同。该方法可在两个不同的时间或以不同液体来重复步骤(ii)和步骤(iii)，然后(iv)根据在步骤(ii)释放或吸收的化学物质的量的差别的知识来确定初始离子浓度的差别，其中在每一步骤(ii )之前缓冲容量基本相同。该方法还可以包括通过滴定电极从液体吸收或向液体释放与所述化学物质基本相同的量来撤销步骤(i i)的影响。因此，该方法还优选包括通过滴定电极从液体吸收或向液体释放与所述化学物质基本相同的量来撤销或部分地反转部分(ii)的影响。因此，该方法还优选包括通过第二滴定电极从液体中吸收或向液体释放与第二化学物质基本相同的量来撤销或部分地反转部分(ii)的影响。优选地是部分(ii)的周期大于2秒，优选地大于5秒、10秒或30秒。还优选地是部分(ii)的周期小于200秒，优选地少于100秒、60秒或50秒。上述输出信号和离子浓度之间的关系优先为已知的。优先地，阀值是以下之一:预定的输出信号的变化；预定的输出信号的变化率；或是输出信号从开到关或者从关到开而改变的状态。离子浓度变化优选地取决于化学反应。释放或吸收的化学物质的量优选地被确定为控制器提供到滴定电极的总电荷。本专利技术提供了一个简化的处理离子敏感场效应晶体管(ISFET)信号的架构，这增加了传感器的集成能力和加工到单一芯片的能力。在优选实施例中固有的模拟到数字转换不仅不再需要信号调节和模拟处理的几个步骤，而且相对现有技术器件还减少了与这些步骤相关联的电噪声。因此，在另一方面，提供上述所讨论的装置的阵列。该阵列可包括多路复用器，其连接到每个器件以选择要解调的第一输出信号。优选地，在该阵列中的装置中所述变换器包括连接到第二类型的第二晶体管的第一类型的第一晶体管来组成CMOS反相器。优选地，所述阵列包括连接到每一个所述的第二晶体管的多路复用器来激活或停用各个器件。该阵列还可以包括CDMA处理器以对来自每个设备的输出信号进行编码，优选地使所述输出信号在单一通道中发送。附图说明本专利技术的具体实施例将仅通过示例的方式参照附图进行描述，在附图中:图1是一个优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·图马佐乌，刘彦，潘泰利斯·乔治乌，欧昌沛，萨姆·里德，
申请(专利权)人：DNA电子有限公司，
类型：
国别省市：