一种纳米孔基因检测传感器芯片

摘要

本发明公开了一种纳米孔基因检测传感器芯片，包含由运放偏置电路OPA、n行m列传感单元5T阵列、行译码器、电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路ADC、静态随机寄存器组SRAM以及列译码器组成。同一行中的传感单元5T经其对应的电流-时域-电压转换读取电路、模数转换电路ADC、静态随机寄存器组SRAM处理，最后在列译码器的控制下输出，如此重复直至所有行传感单元处理完成。通过采用与半导体工艺兼容的纳米孔5T传感单元以及亚阈值放大的C-TVC读取策略，可以实现1pA纳米孔电流的基因片段碱基对直接检测，简化了生物处理的复杂度，进一步提高了芯片集成度，降低芯片生产成本。

主权项

一种纳米孔基因检测传感器芯片，其特征在于：由运放偏置电路(OPA)、n行m列传感单元(5T)阵列、行译码器、电流‑时域‑电压转换读取电路、模数转换电路(ADC)、静态随机寄存器组(SRAM)以及列译码器组成；每一列传感单元(5T)共享一个运放偏置电路(OPA)、电流‑时域‑电压转换读取电路、模数转换电路(ADC)和静态随机寄存器组(SRAM)，运放偏置电路(OPA)的负输入端连接到该列的每行传感单元(5T)的纳米孔负反馈选通管(MN4)的漏极，运放偏置电路(OPA)的正输入端连接到偏置电压(V_ref)上，运放偏置电路(OPA)的输出端连接到该列每行传感单元(5T)的源极跟随传输管(MN3)的栅极；每个传感单元(5T)由一个纳米孔、一个采样电容(Cf)以及五个晶体管(MN4、MN3、MN2、MN1、MN0)组成；纳米孔两端分别有正负两个电极，其中靠近溶液的负电极接地，正电极连接到源极跟随传输管(MN3)漏极和纳米孔负反馈选通管(MN4)的源极；纳米孔负反馈选通管(MN4)栅极接到负反馈选通信号(SN)上，漏极连接到运放偏置电路(OPA)的负输入端，源极连接到源极跟随传输管(MN3)的漏极上；源极跟随传输管(MN3)栅极连接到运放偏置电路(OPA)的输出端，源极跟随传输管(MN3)源极分别连接到采样电容(Cf)的一端、复位管(MN2)的源极和亚阈值区放大管(MN0)的栅极；采样电容(Cf)的另一端接地；复位管(MN2)栅极接选通信号(RSTG)，复位管(MN2)漏极接复位电压信号(RSTV)；亚阈值区放大管(MN0)漏极连接到行选通管(MN1)源极，亚阈值区放大管(MN0)源极接地；行选通管(MN1)栅极接由行译码器控制的行选通信号(ROW)，行选通管(MN1)漏极连接电流‑时域‑电压转换读取电路的输入节点(N0)；电流‑时域‑电压转换读取电路由预充电管(MP0)、充放电控制开关(S0)、积分电容(C0)、源极跟随读取管(MN5)组成；预充电管(MP0)栅极接预充电管选通信号(VBP)，预充电管(MP0)漏极连接到电流‑时域‑电压转换读取电路的输入节点(N0)上，预充电管(MP0)源极接到电源(VDD)上；充放电控制开关(S0)跨接在电流‑时域‑电压转换读取电路的输入节点(N0)和源极跟随读取管(MN5)的栅极之间，充放电控制开关(S0)由一个互补的N型和P型传输管对组成，并由互补的开关控制信号(CTX和CTXB)打开或关闭充放电控制开关(S0)；积分电容(C0)的一端连接到源极跟随读取管(MN5)的栅极，另一端接地；源极跟随读取管(MN5)漏极接到电源(VDD)，源极跟随读取管(MN5)源极连接到电流偏置I₀并作为输出端电压(V_out)连接到模数转换电路(ADC)的输入端；模数转换电路(ADC)输出连接静态随机寄存器组(SRAM)；在列译码器的控制下以列为单位将该列数据通过输出端口(DOUT)输出；行译码器在行地址的控制下为传感单元阵列提供四种信号：行选通信号(ROW)，复位管栅极选通信号(RSTG)和复位电压信号(RSTV)，以及负反馈选通信号(SN)；同一行中处在所有列上的传感单元(5T)的纳米孔电流(I_nano)经其对应的电流‑时域‑电压转换读取电路，由其对应的模数转换电路(ADC)转换成数字信号，并存储在其对应的静态随机寄存器组(SRAM)中，最后在列地址的控制下经列译码器在芯片的输出端口(DOUT)输出，如此重复直至所有行的传感单元(5T)的纳米孔电流(I_nano)转换完成在芯片的输出端口(DOUT)输出。