專利名稱：Isfet器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于根據(jù)樣品的離子濃度來切換電輸出的器件和方法。
背景技術(shù)：
通常ISFET構(gòu)造來用于利用其周圍的模擬預(yù)處理電路進(jìn)行的連續(xù)時(shí)間(模擬)測(cè)量。一般模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換是處理步驟中的一個(gè)。這是需要值連續(xù)的情況。然而，存在尋求是/否判定的很多應(yīng)用。例如，在DNA雜交和SNP插入檢測(cè)中，利用是/否回答來檢測(cè)一個(gè)過程是否發(fā)生就足夠了(5) (6)。其他應(yīng)用僅要求溶液中的兩種化學(xué)物質(zhì)的濃度比較。例如，肌氨酸酐的濃度是否大于尿素的濃度，反之亦然(7)。
離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)由其柵極暴露于電解質(zhì)中的離子電荷的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成。參考電極浸入電解質(zhì)溶液，電解質(zhì)溶液與晶體管的柵極氧化物接觸，參見

圖1。因此，電解質(zhì)和參考電極的組合起到普通MOSFET中的柵極的作用。柵極氧化物成為離子敏感薄膜。FET的電氣工作模式可以表達(dá)為:弱反型
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)樣品的離子濃度變化的半導(dǎo)體器件，該器件包括: 多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其耦合到公共的浮動(dòng)?xùn)艠O；以及 離子感測(cè)層，其暴露于所述樣品并且耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，在使用時(shí)，根據(jù)所述離子感測(cè)層附近的樣品中的離子濃度的幅值與切換閾值的比較來接通或斷開通過晶體管的電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的器件，還包括暴露于所述樣品的參考電極。
4.根據(jù)從屬于權(quán)利要求2的權(quán)利要求3所述的器件，其中耦合到所述參考電極的輸入電壓配置成設(shè)置所述多個(gè)FET的切換閾值。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述多個(gè)FET包括以比較器構(gòu)造布置的P型FET和N型FET。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述多個(gè)FET包括以反相器構(gòu)造布置的P型FET和N型FET。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述多個(gè)FET包括以反相器構(gòu)造布置的P型FET和N型FET，所述反相器構(gòu)造的輸出信號(hào)根據(jù)樣品的離子濃度而為邏輯I或邏輯O的輸出。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述FET偏置在弱反型。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述FET以在飽和與截止之間切換的方式偏置。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，還包括一個(gè)或多個(gè)第一電輸入信號(hào)，其耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O用于對(duì)所述浮動(dòng)?xùn)艠O除去或增加電荷，以便為所述多個(gè)晶體管設(shè)置所述切換閾值。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述一個(gè)或多個(gè)第一電輸入信號(hào)配置成耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O以設(shè)置所述切換閾值，并且當(dāng)不設(shè)置所述切換閾值時(shí)被去耦合。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中第一電輸入信號(hào)包括連接到正電壓的一個(gè)信號(hào)以及連接到負(fù)電壓的一個(gè)信號(hào)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，還包括第二電輸入信號(hào)，其耦合到浮動(dòng)?xùn)艠O，其中所述第二電輸入信號(hào)配置成在幅值上改變，以便切換所述多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中所述離子感測(cè)層通過第一電容耦合到浮動(dòng)?xùn)艠O，并且其中所述第 二電輸入信號(hào)通過第二電容耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其中第一電容與第二電容之比大于1，優(yōu)選地大于10、大于50、大于100、大于500、或大于1000。
16.一種電路，用于檢測(cè)多個(gè)化學(xué)反應(yīng)以及用于對(duì)將所述多個(gè)化學(xué)反應(yīng)中的每一個(gè)的結(jié)果作為其輸入的邏輯函數(shù)求值，該電路包括用于所述多個(gè)化學(xué)反應(yīng)中的每一個(gè)的至少一個(gè)反應(yīng)室，化學(xué)反應(yīng)改變所述反應(yīng)室中的離子濃度； 其中每個(gè)反應(yīng)室設(shè)置有根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，每個(gè)器件提供其狀態(tài)取決于反應(yīng)室的離子濃度的數(shù)字輸出信號(hào)，并且其中將各輸出耦合在一起以形成用于對(duì)邏輯函數(shù)求值的數(shù)字信號(hào)處理電路。
17.—種電路，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的多個(gè)器件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中所述多個(gè)器件連接在一起以實(shí)現(xiàn)所有可能的邏輯函數(shù):AND、NAND, OR、NOR、XOR、XNOR、或者其組合。
19.一種提供表示樣品中的目標(biāo)離子的濃度的輸出的方法，該方法包括: 提供CMOS開關(guān)，所述CMOS開關(guān)包括耦合到公共的浮動(dòng)?xùn)艠O的多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、以及暴露于所述樣品并且耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O的離子感測(cè)層； 將所述離子感測(cè)層暴露于樣品，以切換所述CMOS開關(guān)接通或斷開的狀態(tài)；以及 從所述CMOS開關(guān)輸出信號(hào)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括:設(shè)置耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O的第一電輸入信號(hào)的電壓，以在所述浮動(dòng)?xùn)艠O上設(shè)置電荷，該電荷優(yōu)選為零伏特。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的方法，還包括:將參考電極暴露于所述樣品，以偏置所述多個(gè)FET，從而設(shè)置所述CMOS開關(guān)的切換閾值。
22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的方法，還包括:設(shè)置連接到參考電極的參考電壓，以設(shè)置與預(yù)定離子濃度相對(duì)應(yīng)的所述CMOS開關(guān)的切換閾值。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，還包括:改變參考電壓以確定當(dāng)前離子濃度，然后設(shè)置參考電壓使得如果離子濃度改變量大于預(yù)定量則所述CMOS開關(guān)將切換狀態(tài)。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項(xiàng)所述的方法，還包括:改變耦合到所述浮動(dòng)?xùn)艠O的第二電輸入的電壓，以切換所述CMOS開關(guān)的狀態(tài)。
25.根據(jù)權(quán)利要求19至24中任一項(xiàng)所述的方法，其中輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。
26.根據(jù)權(quán)利要求19至25 中任一項(xiàng)所述的方法，還包括:開始其產(chǎn)物包括目標(biāo)離子的化學(xué)反應(yīng)。
全文摘要
提供了一種用于檢測(cè)樣品的離子濃度變化的半導(dǎo)體器件及使用該半導(dǎo)體器件的方法。該器件包括多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其耦合到公共的浮動(dòng)?xùn)艠O；以及離子感測(cè)層，其暴露于樣品并且耦合到該浮動(dòng)?xùn)艠O。還可以存在耦合到浮動(dòng)?xùn)艠O的其他輸入電壓。
文檔編號(hào)G01N27/414GK103210307SQ201180048677
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者克里斯托弗·圖馬祖, 阿卜杜勒拉曼·阿勒-阿達(dá)爾 申請(qǐng)人:Dna電子有限公司