DE102020114728A1

DE102020114728A1 - BioFET SYSTEM

Info

Publication number: DE102020114728A1
Application number: DE102020114728.7A
Authority: DE
Inventors: Yu-Jie Huang; Jui-Cheng Huang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-11-11
Also published as: TWI742893B; KR20210137366A; KR102544398B1; US20240133841A1; US12163916B2; US20230280304A1; TW202142865A; US11892427B2; US20250110079A1; US11614421B2; US20210349053A1; CN113252760A; CN113252760B

Abstract

Bio-Feldeffekttransistor-System (bioFET-System) weist einen bioFET auf, der dafür konfiguriert ist, ein erstes Spannungssignal zu empfangen und ein Stromsignal auszugeben. Ein logarithmischer Strom-Zeit-Wandler ist mit dem bioFET verbunden und ist dafür konfiguriert, das Stromsignal zu empfangen und das Stromsignal in ein Zeitbereichssignal umzuwandeln. Das Zeitbereichssignal variiert logarithmisch in Bezug auf das Stromsignal, dergestalt, dass das Zeitbereichssignal in Bezug auf das erste Spannungssignal linear variiert.

Description

HINTERGRUND
Biosensoren sind Vorrichtungen zum Erfassen und Nachweisen von Biomolekülen und arbeiten auf der Grundlage elektronischer, elektrochemischer, optischer und mechanischer Detektionsprinzipien. Biosensoren, die Transistoren aufweisen, sind Sensoren, die Ladungen, Photonen und mechanische Eigenschaften von Bioentitäten oder Biomolekülen elektrisch erfassen. Der Nachweis kann durch Detektieren der Bioentitäten oder Biomoleküle selbst oder durch Interaktion und Reaktion zwischen bestimmten Reaktanten und Bioentitäten/Biomolekülen erfolgen. Solche Biosensoren können mit Hilfe von Halbleiterprozessen hergestellt werden, können elektrische Signale schnell umwandeln und lassen sich leicht auf integrierte Schaltkreise (ICs) und mikroelektromechanische Systeme (MEMS) anwenden.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren gelesen wird. Es ist anzumerken, dass gemäß der gängigen Praxis in der Industrie verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Die Abmessungen der verschiedenen Merkmale können vielmehr im Interesse der Übersichtlichkeit der Besprechung nach Bedarf vergrößert oder verkleinert werden.

1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Biosensorsystems gemäß einigen Ausführungsformen.
2 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Biosensorsystems gemäß einigen Ausführungsformen.
3A ist ein Diagramm, das eine Schaltung eines beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht.
3B ist ein Zeitdiagramm der Schaltung des beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers von 3A gemäß einigen Ausführungsformen.
4A ist ein Diagramm, das eine Schaltung eines beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht.
4B ist ein Zeitdiagramm der Schaltung des beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers von 4A gemäß einigen Ausführungsformen.
5 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Ausleseschaltung mit einem beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandler gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulicht.
6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Biosensorsystems gemäß einigen Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des hier besprochenen Gegenstandes bereit. Im Folgenden werden konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und dienen nicht der Einschränkung. Zum Beispiel kann das Bilden eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der folgenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht unbedingt in direktem Kontakt stehen. Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient dem Zweck der Einfachheit und Klarheit und schafft nicht automatisch eine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Des Weiteren können räumlich relative Begriffe, wie zum Beispiel „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, im vorliegenden Text zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen auch andere Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren gezeigten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann auch anders ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht, oder sonstige Ausrichtungen), und die im vorliegenden Text verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können gleichermaßen entsprechend interpretiert werden.
Im Allgemeinen meint der Begriff „bioFET“ im Sinne des vorliegenden Textes einen FET, der eine Schicht immobilisierter Fangreagenzien aufweist, die als Oberflächenrezeptoren fungieren, um das Vorhandensein eines Zielanalyten biologischen Ursprungs nachzuweisen. Ein bioFET ist gemäß einigen Ausführungsformen ein Feldeffekt-Sensor mit einem Halbleiter-Transducer. Ein Vorteil von bioFETs ist die Aussicht auf einen markerfreien Betrieb. Insbesondere ermöglichen bioFETs die Vermeidung von kostspieligen und zeitaufwendigen Markierungsoperationen, wie zum Beispiel die Markierung eines Analyten zum Beispiel mit fluoreszierenden oder radioaktiven Sonden. Die durch einen bioFET nachzuweisenden Analyten sind normalerweise biologischen Ursprungs, wie zum Beispiel Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Gewebefragmente oder Teile davon. Ein bioFET kann Teil einer breiteren Gattung von FET-Sensoren sein, die auch jede chemische Verbindung (vom Fachmann als ein „ChemFET“ bezeichnet) oder jedes andere Element, einschließlich Ionen, wie zum Beispiel Protonen oder Metallionen (vom Fachmann als ein „ISFET“ bezeichnet), nachweisen können. Diese Offenbarung gilt für alle Arten von FET-basierten Sensoren („FET-Sensor“).
„Fangreagens‟ meint im Sinne des vorliegenden Textes ein Molekül oder eine Verbindung, das bzw. die in der Lage ist, den Zielanalyten oder das Zielreagens zu binden, der bzw. das sich direkt oder indirekt an ein im Wesentlichen festes Material haften kann. Das Fangagens kann eine Chemikalie sein, und insbesondere jede Substanz, für die ein natürlich vorkommender Zielanalyt existiert (zum Beispiel ein Antikörper, Polypeptid, DNS, RNS, Zelle, Virus usw.) oder für die ein Zielanalyt hergestellt werden kann, und das Fangreagens kann sich in einem Assay an einen oder mehrere Zielanalyten binden.
„Zielanalyt‟ meint im Sinne des vorliegenden Textes die Substanz, die in der Testprobe unter Verwendung der vorliegenden Offenbarung nachgewiesen werden soll. Der Zielanalyt kann eine Chemikalie sein, und insbesondere jede Substanz, für die es ein natürlich vorkommendes Fangreagens gibt (zum Beispiel ein Antikörper, Polypeptid, DNS, RNS, Zelle, Virus usw.) oder für die ein Fangreagens hergestellt werden kann, und der Zielanalyt kann sich in einem Assay an ein oder mehrere Fangreagenzien binden. Der Begriff „Zielanalyt“ umfasst auch alle antigenen Substanzen, Antikörper oder Kombinationen davon. Der Zielanalyt kann ein Protein, ein Peptid, eine Aminosäure, ein Kohlenhydrat, ein Hormon, ein Steroid, ein Vitamin, ein Medikament, einschließlich solcher, die zu therapeutischen Zwecken verabreicht werden, sowie solcher, die zu illegalen Zwecken verabreicht werden, ein Bakterium, ein Virus und Metaboliten von oder Antikörper für beliebige der oben genannten Substanzen umfassen.
„Testprobe‟ meint im Sinne des vorliegenden Textes die Zusammensetzung, Lösung, Substanz, Gas oder Flüssigkeit, die den Zielanalyten enthält, der unter Verwendung der vorliegenden Offenbarung nachgewiesen und analysiert werden soll. Die Testprobe kann neben dem Zielanalyten auch andere Komponenten enthalten, kann die physikalischen Attribute einer Flüssigkeit oder eines Gases haben, und kann von beliebiger Größe oder beliebigem Volumen, einschließlich beispielsweise eines sich bewegenden Flüssigkeits- oder Gasstromes, sein. Die Testprobe kann auch andere Substanzen als den Zielanalyten enthalten, solange die anderen Substanzen die Bindung des Zielanalyten mit dem Fangreagens oder die spezifische Bindung des ersten Bindungselements an das zweite Bindungselement nicht stören. Beispiele für Testproben sind unter anderem natürlich vorkommende und nicht-natürlich vorkommende Proben oder Kombinationen davon. Natürlich vorkommende Testproben können synthetisch oder synthetisiert sein. Zu den natürlich vorkommenden Testproben gehören Körper- oder körperliche Fluide, die an einer beliebigen Stelle im oder am Körper eines Probanden isoliert wurden, einschließlich beispielsweise Blut, Plasma, Serum, Urin, Speichel oder Sputum, Rückenmarksfluid, Zerebrospinalfluid, Pleurafluid, Mamillenaspirate, Lymphfluid, Fluid der Atemwege, des Darmtrakts und des Urogenitaltrakts, Tränenfluid, Speichel, Muttermilch, Fluid aus dem Lymphsystem, Sperma, Zerebrospinalfluid, Fluid aus dem Organsystem, Aszitesfluid, Tumorzystenfluid, Fruchtwasser und Kombinationen davon sowie Umweltproben wie Grund- oder Abwasser, Bodenextrakte, Luft und Pestizidrückstände oder lebensmittelbezogene Proben.
Zu den nachgewiesenen Substanzen können zum Beispiel Nukleinsäuren (einschließlich DNS und RNS), Hormone, verschiedene Krankheitserreger (einschließlich eines biologischen Agens, das bei seinem Wirt Krankheit oder Leiden verursacht, wie zum Beispiel ein Virus (zum Beispiel H7N9 oder HIV), ein Protozoon (zum Beispiel Plasmodium, das Malaria verursacht) oder ein Bakterium (zum Beispiel E. coli oder Mycobacterium tuberculosis)), Proteine, Antikörper, verschiedene Medikamente oder Therapeutika oder andere chemische oder biologische Substanzen, einschließlich Wasserstoff oder andere Ionen, nicht-ionische Moleküle oder Verbindungen, Polysaccharide, kleine chemische Verbindungen wie zum Beispiel Substanzen der chemischen kombinatorischen Bibliothek und dergleichen. Nachgewiesene oder bestimmte Parameter können unter anderem pH-Änderungen, Laktose-Änderungen, Konzentrationsänderungen, Partikel pro Zeiteinheit, wobei ein Fluid eine Zeit lang über die Vorrichtung strömt, um Partikel (zum Beispiel spärlich verteilte Partikel) nachzuweisen, und andere Parameter umfassen.
Im Sinne des vorliegenden Textes umfasst der Begriff „immobilisiert“, wenn er zum Beispiel in Bezug auf ein Fangreagens verwendet wird, dass sich das Fangreagens auf molekularer Ebene im Wesentlichen an eine Oberfläche haftet. Zum Beispiel kann ein Fangreagens an einer Oberfläche des Substratmaterials unter Verwendung von Adsorptionstechniken einschließlich nicht-kovalenter Wechselwirkungen (zum Beispiel elektrostatische Kräfte, van der Waals und Dehydratation hydrophober Grenzflächen) und kovalente Bindungstechniken immobilisiert werden, wobei funktionelle Gruppen oder Linker das Haften des Fangreagens an der Oberfläche erleichtern. Die Immobilisierung eines Fangreagens an einer Oberfläche eines Substratmaterials kann auf den Eigenschaften der Substratoberfläche, des Mediums, welches das Fangreagens trägt, und den Eigenschaften des Fangreagens beruhen. In einigen Fällen kann eine Substratoberfläche zunächst so modifiziert werden, dass sie funktionelle Gruppen hat, die sich an die Oberfläche binden. Die funktionellen Gruppen können sich dann an Biomoleküle oder biologische oder chemische Substanzen binden, um sie darauf zu immobilisieren.
Einige bioFETs werden in einer Unterschwellenregion betrieben, das heißt dort, wo die Gate-Source-Spannung unter der Schwellenspannung der Vorrichtung liegt. bioFETs, die in der Unterschwellenregion betrieben werden, haben die Vorteile eines relativ großen Transkonduktanzänderungssignals, eines geringeren Stromverbrauchs und einer geringeren Zeitdrift. Die Ausgangssignale von bioFETs sind jedoch nicht-linear. Es können Auslesesysteme eingesetzt werden, die auf einem linearen Transimpedanzverstärker (Transimpedance Amplifier, TIA) basieren. Die Ausgangssignale linearer TIA-basierter Auslesesysteme sind jedoch immer noch nicht-linear, was zu einem schmalen Eingangsdynamikbereich führt. Es können digitale Kompensationsverfahren verwendet werden. Digitale Kompensationsverfahren können jedoch das Problem der schmalen Eingangsdynamikbereiche nicht lösen und erfordern ein komplexeres Design und mehr Chipfläche.
Gemäß einigen offenbarten Beispielen werden exponentielle Stromsignale, die durch bioFETs ausgegeben werden, die in Unterschwellenregionen betrieben werden, durch logarithmische Strom-Zeit-Wandler in lineare Zeitbereichssignale umgewandelt. Insbesondere kann der logarithmische Strom-Zeit-Wandler ein exponentielles Stromsignal in ein lineares Zeitbereichssignal statt in ein nicht-lineares Spannungssignal umwandeln. Das Verfahren ist ein analoges Ausleseverfahren, um mit dem nicht-linearen Verhalten von bioFET-Ausgangssignalen in der Unterschwellenregion umzugehen und bioFET-Ausgangssignale in lineare Signale umzuwandeln.
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Biosensorsystems 100 gemäß der Offenbarung. Wie in 1 gezeigt, kann das beispielhafte Biosensorsystem 100 unter anderem ein Sensorarray 102, ein Fluidzufuhrsystem 104, eine Ausleseschaltung 106 und einen Controller 108 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Ausleseschaltung 106 einen logarithmischen Strom-Zeit-Wandler 107 aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann sich der logarithmische Strom-Zeit-Wandler 107 außerhalb der Ausleseschaltung 106 befinden und mit dieser verbunden sein.
Das Sensorarray 102 kann mindestens ein Sensorelement zum Detektieren eines biologischen oder chemischen Analyten aufweisen. Das Sensorarray 102 kann ein Array von bioFETs (zum Beispiel einen bioFET 103, wie in 1 gezeigt) aufweisen, wobei einer oder mehrere der bioFETs in dem Array funktionalisiert sind, um einen bestimmten Zielanalyten zu detektieren. Verschiedene der Sensoren können mittels verschiedener Fangreagenzien funktionalisiert werden, um verschiedene Zielanalyten zu detektieren. Die bioFETs können in mehreren Reihen und Spalten angeordnet sein und so ein 2-dimensionales Array von Sensoren bilden. In einigen Ausführungsformen wird jede Reihe von bioFETs mittels eines anderen Fangreagens funktionalisiert. In einigen Ausführungsformen wird jede Spalte von bioFETs mittels eines anderen Fangreagens funktionalisiert. Im Folgenden werden weitere Einzelheiten bezüglich eines beispielhaften Designs des beispielhaften bioFET 103 beschrieben.
Das Fluidzufuhrsystem 104 kann eine oder mehrere Fluidproben an das Sensorarray 102 übermitteln. Das Fluidzufuhrsystem 104 kann eine mikrofluidische Mulde sein, die über dem Sensorarray 102 positioniert ist, um ein Fluid über dem Sensorarray 102 aufzunehmen. Das Fluidzufuhrsystem 104 kann auch mikrofluidische Kanäle zum Zuführen verschiedener Fluiden zu dem Sensorarray 102 aufweisen. Das Fluidzufuhrsystem 104 kann eine beliebige Anzahl von Ventilen, Pumpen, Kammern und Kanälen aufweisen, die zum Zuführen von Fluid zu dem Sensorarray 102 ausgelegt sind.
Die Ausleseschaltung 106 ist gemäß einigen Ausführungsformen dafür vorgesehen, Signale von den Sensoren in dem Sensorarray 102 zu messen und ein quantifizierbares Sensorsignal zu generieren, das die Menge eines bestimmten Analyten angibt, der in einer Ziellösung vorhanden ist. Einzelheiten der Ausleseschaltung 106 und des logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers 107 werden unten besprochen.
Der Controller 108 kann elektrische Signale sowohl an das Sensorarray 102 als auch an die Ausleseschaltung 106 senden (und von diesen empfangen), um bio- oder chemikaliensensitive Messungen vorzunehmen. Der Controller 108 kann auch elektrische Signale an das Fluidzufuhrsystem 104 senden, um zum Beispiel ein oder mehrere Ventile, Pumpen oder Motoren zu betätigen. Der Controller 108 kann eine oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, aufweisen und kann programmierbar sein, um den Betrieb der Ausleseschaltung 106, des Sensorarrays 102 und/oder des Fluidzufuhrsystems 104 zu steuern. Beispiele verschiedener elektrischer Signale, die durch das Sensorarray 102 gesendet und von diesem empfangen werden können, werden unten noch ausführlicher besprochen.
Der beispielhafte bioFET 103 kann unter anderem ein Fluid-Gate 112, eine Source-Region 114, eine Drain-Region 116, einen Detektionsfilm 118 und eine Kanalregion 120 aufweisen. Das Fluidzufuhrsystem 104 verteilt ein Fluid 122 über dem Detektionsfilm 118. Das Fluid 122 kann einen Analyten enthalten (zum Beispiel einen Analyten 123, wie in 2 unten gezeigt). Der Detektionsfilm 118 kann eine elektrisch und chemisch isolierende Schicht sein, die das Fluid 122 von der Kanalregion 120 trennt. Der Detektionsfilm 118 kann unter anderem eine Schicht eines Fangreagens aufweisen. Das Fangreagens ist für einen Analyten spezifisch und in der Lage, den Zielanalyten oder das Zielreagens zu binden. Nach dem Binden des Analyten kommt es zu Änderungen des elektrostatischen Potentials an der Oberfläche des Detektionsfilms 118, was wiederum zu einem elektrostatischen Gatterungseffekt des bioFET 103 und zu einer messbaren Änderung des Stroms zwischen der Source- und der Drain-Elektrode führt (zum Beispiel ein Ids-Strom 126). Eine an das Fluid-Gate 112 angelegte Spannung kann ebenfalls den Ids 126 verändern. Mit anderen Worten: Das Ausgangssignal des bioFET 103 ist der Ids 126, der in einer exponentiellen Beziehung zu der an das Fluid-Gate 112 angelegten Spannung steht. In einer Ausführungsform kann der bioFET ein rückseitiger Dual-Gate-FET-Sensor sein, obgleich auch andere Arten von bioFETs in den Geltungsbereich der Offenbarung fallen.
2 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Biosensorsystems gemäß der Offenbarung. Wie in 2 gezeigt, kann das beispielhafte Biosensorsystem 100 unter anderem den Analyten 123, den bioFET 103, den logarithmischen Strom-Zeit-Wandler 107 und einen Zeit-Digital-Wandler 132 aufweisen. Wie oben besprochen, tritt nach der Bindung des Analyten an den Detektionsfilm 118 des bioFET 103 eine messbare Änderung des Ids 126 ein. Eine Änderung der an das Fluid-Gate 112 angelegten Spannung (das heißt eine ΔV 124) kann eine Änderung des Ids 126 (das heißt eine ΔI 126) auslösen. Die Beziehung zwischen dem Ids 126 und der an das Fluid-Gate 112 angelegten Spannung ist in dem veranschaulichten Beispiel eine Exponentialfunktion. Das Ausgangssignal des bioFET 103 (das heißt die ΔI 126) wird in den logarithmischen Strom-Zeit-Wandler 107 eingespeist.
Der logarithmische Strom-Zeit-Wandler 107 kann die ΔI 126 in ein lineares Zeitbereichssignal ΔT 128 umwandeln. Genauer gesagt, hat die ΔT 128 eine logarithmische Beziehung mit der ΔI 126, während die ΔI 126 eine exponentielle Beziehung mit der ΔV 124 hat. Infolgedessen hat die ΔT 128 eine lineare Beziehung mit der ΔV 124 und wird als Pulsweitensignal ausgegeben. Einzelheiten des logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers 107 werden unten noch besprochen.
Die ΔT 128 wird des Weiteren in den Zeit-Digital-Wandler 132 eingespeist. Der Zeit-Digital-Wandler 132 kann die ΔT 128 digitalisieren und einen digitalen Zählwert (das heißt, einen ΔCode 130) ausgeben, der einer Weite der ΔT 128 entspricht, die ein Pulsweitensignal ist. Insofern hat der ΔT 128 keine Begrenzung des Eingangsdynamikbereichs. Darüber hinaus benötigt das Biosensorsystem gemäß offenbarten Beispielen keinen Analog-Digital-Wandler. Beispielhafte Schaltungsimplementierungen können daher zu geringen Kosten, niedrigem Stromverbrauch und schneller Entwicklungszeit führen.
3A ist ein Diagramm, das eine Schaltung eines beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers gemäß Aspekten der Offenbarung veranschaulicht. 3B ist ein Zeitdiagramm der Schaltung des beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers von 3A. Wie in 3A gezeigt, kann die Schaltung des beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers unter anderem einen Operationsverstärker 134, einen ersten Schalter 136, einen zweiten Schalter 138, einen Kondensator 140, einen Widerstand 142 und den Ids 126 aufweisen.
Der Operationsverstärker 134 hat zwei Eingänge: einen positiven oder nicht-invertierenden Eingang und einen negativen oder invertierenden Eingang. Der Operationsverstärker 134 hat auch einen einzelnen Ausgang. Der nicht-invertierende Eingang ist mit Erde verbunden, während der invertierende Eingang über den ersten Schalter 136 mit dem Ids 126 verbunden ist. Der Ids 126 ist der Ausgang des bioFET 103 und ist zwischen dem ersten Schalter 136 und Erde verbunden. Der Kondensator 140 ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 134 verbunden. Der zweite Schalter 138 ist mit dem Widerstand 142 in Reihe geschaltet, und der zweite Schalter 138 und der Widerstand 142 sind zusammen mit dem Kondensator 140 parallel geschaltet. Mit anderen Worten: Der zweite Schalter 138 und der Widerstand 142 sind zusammen zwischen den invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 134 verbunden.
Wie in 3B gezeigt, hat die Schaltung zwei verschiedene Phasen: eine Ladephase P1 und eine Entladephase P2. Während der Ladephase P1 ist der erste Schalter 136 ein, während der zweite Schalter 138 aus ist. Infolgedessen beginnt der Ids 126, den Kondensator 140 zu laden. Ein Ausgang 127 (das heißt, der Vout 127) beginnt linear von Null anzusteigen und endet mit einer Spannung V_o am Ende von P1. Der Zeitraum von P1 ist T1. Daher kann V_o gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: $V_{0} = \frac{I d s * T 1}{C_{F}},$
wobei CF die Kapazität des Kondensators 140 ist. Während der Entladephase P2 ist der zweite Schalter 138 ein, während der erste Schalter 136 aus ist. Infolgedessen wird der Ids 126 abgeschaltet, und der Kondensator 140 beginnt sich über den Widerstand 142 und den zweiten Schalter 138 zu entladen. Der Vout 127 ist ein exponentielles Signal. Genauer gesagt, lässt sich Vout 127 gemäß der folgenden Gleichung berechnen: $V_{o u t} = V_{0} e^{- \frac{t}{R C_{F}}},$
wobei R der Widerstandswert des Widerstandes 142 ist. Zu einem Zeitpunkt T2 ab dem Beginn der Entladephase P2 fällt Vout 127 ab und erreicht eine Referenzspannung Vth. Vth kann somit gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: $V_{t h} = V_{0} e^{- \frac{T 2}{R C_{F}}} = \frac{I d s * T 1}{C_{F}} * e^{- \frac{T 2}{R C_{F}}} .$
Anders ausgedrückt, kann T2 gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: $T 2 = R * C_{F} * ln (\frac{I d s * T 1}{V_{t h} * C_{F}}) .$
Mit anderen Worten: T2 verhält sich proportional zu einer logarithmischen Funktion des Ids 126. Daher kann der logarithmische Strom-Zeit-Wandler 107 die logarithmische Funktion realisieren und den Ids 126 in das Zeitbereichssignal 128 umwandeln. Da der Ids 126 in einer exponentiellen Beziehung zu der an das Fluid-Gate 112 angelegten Spannung steht, steht des Weiteren T2 in einer linearen Beziehung zu der an das Fluid-Gate 112 angelegten Spannung.
Wenn der erste Schalter 136 und der zweite Schalter 138 dieses Muster der Ladephase P1 und der Entladephase P2 periodisch (das heißt, getaktet) beibehalten, so befindet sich auch Vout 127 in einem periodischen Muster, wie in 3B gezeigt.
4A ist ein Diagramm, das eine Schaltung eines beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers gemäß Aspekten der Offenbarung veranschaulicht. 4B ist ein Zeitdiagramm der Schaltung des beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers von 4A. Wie in 4A gezeigt, kann die Schaltung des beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers unter anderem den Operationsverstärker 134, den ersten Schalter 136, den zweiten Schalter 138, einen Kondensator 140, einen Widerstand 142 und den Ids 126 aufweisen, die unter Bezug auf 3A und 3B besprochen wurden. Die Schaltung des beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers kann des Weiteren unter anderem einen Komparator 144 und ein UND-Gatter 146 aufweisen.
Der Komparator 144 hat zwei Eingänge: einen nicht-invertierenden Eingang und einen invertierenden Eingang. Der Komparator 144 hat ebenfalls einen einzelnen Ausgang. Der nicht-invertierende Eingang ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 134 verbunden. Der invertierende Eingang wird durch Vth gespeist. Der Ausgang des Komparators (das heißt, VCMP) wird zusammen mit einem Switch Signal Bar (das heißt, SWB), was das Komplement eines Taktes oder Schaltsignals (das heißt, SW) ist, in das UND-Gatter 146 eingespeist. Der Ausgang des UND-Gatters 146 ist ein Pulsweitensignal (das heißt, VPWM 128), das unter Bezug auf 4B besprochen wird.
Wie in 4B gezeigt, befindet sich während der Ladephase P1 (zum Beispiel von t1 bis t2; von t3 bis t4) das SW auf einem logischen „high“ (das heißt, 1), und der erste Schalter 136 ist ein, während der zweite Schalter 138 aus ist. Infolgedessen beginnt der Ids 126, den Kondensator 140 zu laden. Vout 127 beginnt bei t1 linear von Null zu steigen und endet bei t2 mit der Spannung V_o. Genauer gesagt, steigt Vout 127 bei t5 auf Vth.
Während der Entladephase P2 (zum Beispiel von t2 nach t3) befindet sich SW auf einem logischen „low“ (das heißt, 0), und der zweite Schalter 138 ist ein, während der erste Schalter 136 aus ist. Infolgedessen wird der Ids 126 abgeschaltet, und der Kondensator 140 beginnt sich in den Widerstand 142 zu entladen. Vout 127 fällt exponentiell von t2 auf t3. Genauer gesagt, fällt Vout 127 bei t6, was ein Zeitraum T2 nach dem Zeitpunkt t2 ist, ab und erreicht Vth. Wie oben besprochen, kann der Zeitraum T2 (das heißt, der Zeitraum von t2 bis t6) gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden: $T 2 = R * C_{F} * ln (\frac{I d s * T 1}{V_{t h} * C_{F}}) .$
Von t5 bis t6 liegt V_out 127 über Vth. Daher befindet sich V_CMP auf einem logischen „high“, weil der Komparator 146 Vout 127 und V_th vergleicht. SWB befindet sich von t1 bis t2 auf einem logischen „low“ und von t2 bis t3 auf einem logischen „high“. Infolgedessen befindet sich V_PWM 128 von t2 bis t6 auf einem logischen „high“, weil sich sowohl V_CMP als auch SWB von t2 bis t6 auf einem logischen „high“ befinden. Wie oben erwähnt, ist T2 der Zeitraum von t2 bis t6. Somit hat das Pulsweitensignal (das heißt, V_PWM 128) eine Pulsweite, die gleich T2 ist. Mit anderen Worten: Die Pulsweite von V_PWM 128 steht in einer linearen Beziehung mit der an das Fluid-Gate 112 angelegten Spannung.
5 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Ausleseschaltung mit einem beispielhaften logarithmischen Strom-Zeit-Wandler gemäß der Offenbarung veranschaulicht. Wie in 5 gezeigt, kann die beispielhafte Ausleseschaltung unter anderem den Operationsverstärker 134, den ersten Schalter 136, den zweiten Schalter 138, den Kondensator 140, den Widerstand 142, den Ids 126, den Komparator 144 und das UND-Gatter 146 aufweisen, die mit Bezug auf die 3A-3B und 4A-4B besprochen wurden. Die beispielhafte Ausleseschaltung kann des Weiteren unter anderem auch einen Zeit-Digital-Wandler aufweisen. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Zeit-Digital-Wandler ein Zähler 148.
Der beispielhafte Zähler 148 kann die V_PWM 128 und einen hochfrequenten Referenztakt empfangen. Der beispielhafte Zähler 148 kann ein digitales Ausgangssignal 130 ausgeben, das der Pulsweite der V_PWM 128 entspricht, indem er die Dauer von V_PWM auf der Grundlage der Pulse von dem hochfrequenten Referenztakt zählt.
6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Biosensorsystems gemäß einigen Ausführungsformen. In Schritt 610 wird ein erstes Spannungssignal 124 an einen Eingangsanschluss eines bioFET 103 angelegt. In Schritt 612 wird ein Stromsignal Ids ausgegeben, das in Bezug auf das erste Spannungssignal exponentiell variiert. In Schritt 614 wird das Stromsignal Ids in ein Zeitbereichssignal V_PWM umgewandelt, das in Bezug auf das Stromsignal logarithmisch so variiert, dass das Zeitbereichssignal in Bezug auf das erste Spannungssignal linear variiert. Das Zeitbereichssignal wird in Schritt 616 in ein digitales Signal 130 umgewandelt.
Ausführungsformen gemäß der Offenbarung umfassen somit ein bioFET-System, das einen bioFET aufweist, der dafür konfiguriert ist, ein erstes Spannungssignal zu empfangen und ein Stromsignal auszugeben. Ein logarithmischer Strom-Zeit-Wandler ist mit dem bioFET verbunden und ist dafür konfiguriert, das Stromsignal zu empfangen und das Stromsignal in ein Zeitbereichssignal umzuwandeln. Das Zeitbereichssignal variiert logarithmisch in Bezug auf das Stromsignal. Als solches variiert das Zeitbereichssignal linear in Bezug auf das erste Spannungssignal.
Weitere Ausführungsformen umfassen ein Verfahren zum Betreiben eines bioFET-Systems, wobei ein erstes Spannungssignal, das an einen Eingangsanschluss eines bioFET angelegt wird, empfangen wird und ein Stromsignal ausgegeben wird. Das Stromsignal wird in ein Zeitbereichssignal umgewandelt, das logarithmisch in Bezug auf das Stromsignal so variiert, dass das Zeitbereichssignal in Bezug auf das erste Spannungssignal linear variiert. Das Zeitbereichssignal wird in ein erstes digitales Signal umgewandelt.
Weitere Ausführungsformen umfassen ein bioFET-System, das ein Sensorarray mit mehreren bioFETs umfasst, wobei jeder bioFET dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf ein erstes Spannungssignal, das an einen Eingangsanschluss des bioFETs angelegt wird, ein erstes Stromsignal auszugeben. Ein Fluidzufuhrsystem ist dafür konfiguriert, eine Fluidprobe, die einen Analyten enthält, den mehreren bioFETs zuzuführen. Eine logarithmische Wandlerschaltung ist mit dem Sensorarray verbunden und dafür konfiguriert, jedes der Stromsignale in jeweilige zweite Spannungssignale umzuwandeln, die jeweils während einer Ladephase in Bezug auf die jeweiligen Stromsignale linear variieren und während einer Entladephase exponentiell variieren. Eine Pulsweitensignalgeneratorschaltung ist dafür konfiguriert, jedes der zweiten Spannungssignale auf der Grundlage einer Entladungszeit des zweiten Spannungssignals während der Entladungsphase in jeweilige Zeitbereichssignale umzuwandeln.
Das oben Dargelegte umreißt Merkmale verschiedener Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann ist klar, dass er die vorliegende Offenbarung ohne Weiteres als Basis für das Entwerfen oder Modifizieren anderer Prozesse und Strukturen verwenden kann, um die gleichen Zwecke und/oder die gleichen Vorteile wie bei den im vorliegenden Text vorgestellten Ausführungsformen zu erreichen. Dem Fachmann sollte auch klar sein, dass solche äquivalenten Bauformen nicht das Wesen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung verlassen, und dass er verschiedene Änderungen, Substituierungen und Modifizierungen an der vorliegenden Erfindung vornehmen kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.

Claims

Bio-Feldeffekttransistor-System (bioFET-System), das umfasst: einen bioFET, der dafür konfiguriert ist, ein erstes Spannungssignal zu empfangen und ein Stromsignal auszugeben; und einen logarithmischen Strom-Zeit-Wandler, der mit dem bioFET verbunden und dafür konfiguriert ist, das Stromsignal zu empfangen und das Stromsignal in ein Zeitbereichssignal umzuwandeln, wobei das Zeitbereichssignal in Bezug auf das Stromsignal logarithmisch so variiert, dass das Zeitbereichssignal in Bezug auf das erste Spannungssignal linear variiert.
bioFET-System nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: einen Zeit-Digital-Wandler, der mit dem logarithmischen Strom-Zeit-Wandler verbunden und dafür konfiguriert ist, das Zeitbereichssignal zu empfangen und das Zeitbereichssignal in ein digitales Signal umzuwandeln.
bioFET-System nach Anspruch 1, wobei das Zeitbereichssignal ein erstes Pulsweitensignal ist.
bioFET-System nach Anspruch 3, wobei der logarithmische Strom-Zeit-Wandler umfasst: eine logarithmische Wandlerschaltung mit einem Eingangsanschluss, um das Stromsignal selektiv von dem bioFET zu empfangen, wobei die logarithmische Wandlerschaltung dafür konfiguriert ist, ein zweites Spannungssignal anhand des Stromsignals auszugeben, wobei während einer Ladephase das zweite Spannungssignal linear ansteigt und während einer Entladephase das zweite Spannungssignal exponentiell abfällt; einen Komparator, der dafür verbunden ist, das zweite Spannungssignal von der logarithmischen Wandlerschaltung und eine Referenzspannung zu empfangen und ein Vergleichssignal in Reaktion auf einen Vergleich des zweiten Spannungssignals und der Referenzspannung auszugeben; und ein UND-Gatter, das dafür verbunden ist, das Vergleichssignal und ein Schaltsignal zu empfangen, und dafür konfiguriert ist, das Zeitbereichssignal als das erste Pulsweitensignal mit einer Pulsweite auf der Grundlage der Referenzspannung und das zweite Spannungssignal auszugeben.
bioFET-System nach Anspruch 4, wobei die logarithmische Wandlerschaltung umfasst: einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingangsanschluss, einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss, wobei der nicht-invertierende Eingangsanschluss mit einem Erdungsanschluss verbunden ist; einen ersten Schalter, der zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Stromsignal verbunden ist, wobei der erste Schalter auf das Schaltsignal anspricht, um das Stromsignal während der Ladephase selektiv mit dem invertierenden Anschluss zu verbinden; eine RC-Schaltung mit einem Widerstand und einem Kondensator, die zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers parallel geschaltet sind; und einen zweiten Schalter, der zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Widerstand in Reihe geschaltet ist, wobei der zweite Schalter auf das Schaltsignal anspricht, um den Ausgangsanschluss während der Entladephase selektiv mit dem invertierenden Eingangsanschluss über die RC-Schaltung zu verbinden.
bioFET-System nach Anspruch 2, wobei der Zeit-Digital-Wandler einen Zähler aufweist, der dafür verbunden ist, das Zeitbereichssignal und ein Referenztaktsignal zu empfangen und das digitale Signal auf der Grundlage einer Pulsweite des Zeitbereichssignals und des Referenztaktsignals auszugeben, wobei das Referenztaktsignal eine Frequenz hat, die höher ist als eine Frequenz des Zeitbereichssignals.
bioFET-System nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst: ein Fluidzufuhrsystem, das dafür konfiguriert ist, eine Fluidprobe, die einen Analyten enthält, dem bioFET zuzuführen.
bioFET-System nach Anspruch 7, das des Weiteren umfasst: einen Controller, der mit dem Fluidzufuhrsystem, dem bioFET und dem logarithmischen Strom-Zeit-Wandler verbunden und dafür konfiguriert ist, den Betrieb des Fluidzufuhrsystems, des bioFET und des logarithmischen Strom-Zeit-Wandlers zu steuern.
bioFET-System nach Anspruch 7, worin der bioFET umfasst: einen Detektionsfilm, der eine Schicht eines Fangreagens aufweist, wobei die Schicht des Fangreagens den Analyten bindet; eine Source; einen Drain; und ein Gate, das dafür konfiguriert ist, das erste Spannungssignal zu empfangen; wobei das Stromsignal zwischen der Source und dem Drain in Reaktion auf das erste Spannungssignal generiert wird.
Verfahren zum Betreiben eines Bio-Feldeffekttransistor-Systems (bioFET-Systems), das umfasst: Empfangen eines ersten Spannungssignals, das an einen Eingangsanschluss eines bioFET angelegt wird; Ausgeben eines Stromsignals; Umwandeln des Stromsignals in ein Zeitbereichssignal, das in Bezug auf das Stromsignal logarithmisch so variiert, dass das Zeitbereichssignal in Bezug auf das erste Spannungssignal linear variiert; und Umwandeln des Zeitbereichssignals in ein digitales Signal.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Umwandeln des Stromsignals in das Zeitbereichssignal umfasst: Generieren eines zweiten Spannungssignals, das während einer Ladephase mit Bezug auf das Stromsignal linear ansteigt; exponentielles Entladen des zweiten Spannungssignals während einer Entladephase; Vergleichen des zweiten Spannungssignals mit der Referenzspannung, um ein Pulsweitensignal mit einer Pulsweite auf der Grundlage der Referenzspannung und des zweiten Spannungssignals zu generieren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Umwandeln des Zeitbereichssignals in das digitale Signal umfasst: Empfangen eines Referenztaktsignals, dessen Frequenz höher ist als eine Frequenz des Zeitbereichssignals; Vergleichen des Zeitbereichssignals mit dem Referenztaktsignal, um eine Pulsweite des Zeitbereichssignals zu bestimmen; und Generieren des digitalen Signals auf der Grundlage der Weite des Zeitbereichssignals.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Generieren des zweiten Spannungssignals das Verbinden des Stromsignals mit einem Kondensator über einen zuvor festgelegten Zeitraum entsprechend der Ladephase umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Entladen des zweiten Spannungssignals das Trennen des Stromsignals von dem Kondensator und das Entladen des Kondensators über einen Widerstand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren das Verstärken des zweiten Spannungssignals umfasst.
Bio-Feldeffekttransistor-System (bioFET-System), das umfasst: ein Sensorarray mit mehreren bioFETs, wobei jeder bioFET dafür konfiguriert ist, in Reaktion auf ein erstes Spannungssignal, das an einem Eingangsanschluss des bioFETs empfangen wird, ein Stromsignal auszugeben; ein Fluidzufuhrsystem, das dafür konfiguriert ist, eine Fluidprobe, die einen Analyten enthält, den mehreren bioFETs zuzuführen; eine logarithmische Wandlerschaltung, die mit dem Sensorarray verbunden und dafür konfiguriert ist, jedes der Stromsignale in jeweilige zweite Spannungssignale umzuwandeln, wobei jedes der zweiten Spannungssignale während einer Ladephase in Bezug auf die jeweiligen Stromsignale linear variiert und während einer Entladephase exponentiell variiert; eine Pulsweitensignalgeneratorschaltung, die dafür konfiguriert ist, jedes der zweiten Spannungssignale auf der Grundlage einer Entladungszeit des zweiten Spannungssignals während der Entladungsphase in jeweilige Zeitbereichssignale umzuwandeln.
bioFET-System nach Anspruch 16, das des Weiteren umfasst: einen Zeit-Digital-Wandler, der dafür konfiguriert ist, jedes der Zeitbereichssignale in ein jeweiliges digitales Signal umzuwandeln.
bioFET-System nach Anspruch 17, wobei der Zeit-Digital-Wandler einen Zähler aufweist, der dafür konfiguriert ist, das Zeitbereichssignal und ein Referenztaktsignal zu empfangen und das digitale Signal entsprechend einer Pulsweite des Zeitbereichssignals auszugeben.
bioFET-System von Anspruch 16, wobei: die logarithmische Wandlerschaltung umfasst: einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingangsanschluss, einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss, wobei der nicht-invertierende Eingangsanschluss mit einem Erdungsanschluss verbunden ist; einen ersten Schalter, der zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Stromsignal verbunden ist; einen Kondensator, der zwischen dem Ausgangsanschluss und dem nicht-invertierenden Anschluss verbunden ist, wobei der erste Schalter auf ein Schaltsignal anspricht, um den Kondensator selektiv mit dem Stromsignal zu verbinden, um den Kondensator während der Ladephase zu laden; einen zweiten Schalter, der mit dem invertierenden Eingangsanschluss verbunden ist; und einen Widerstand, der zwischen dem zweiten Schalter und dem Ausgangsanschluss verbunden ist; wobei der Kondensator zu dem zweiten Schalter und dem Widerstand parallel geschaltet ist und der zweite Schalter auf das Schaltsignal anspricht, um den Kondensator während der Entladephase selektiv über den Widerstand zu entladen; und die Pulsweitensignalgeneratorschaltung umfasst: einen Komparator mit einem nicht-invertierenden Eingang, der mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, und einem invertierenden Eingang, der dafür verbunden ist, eine Referenzspannung zu empfangen, und dafür konfiguriert ist, ein Vergleichssignal auszugeben; und ein UND-Gate mit einem ersten Eingang, der dafür verbunden ist, das Vergleichssignal zu empfangen, einem zweiten Eingang, der dafür verbunden ist, das Schaltsignal zu empfangen, und einem Ausgangsanschluss, der dafür konfiguriert ist, das Zeitbereichssignal auszugeben.
bioFET-System nach Anspruch 16, wobei das erste Spannungssignal ein Unterschwellen-Spannungssignal ist.