專利名稱：感測離子的電荷堆積電路和方法
感測離子的電荷堆積電路和方法
相關申請
本申請要求2010年6月30日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/360，493、2010年7月I日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/360，495和2010年7月3日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/361，403的優(yōu)先權，它們每篇通過引用整體并入本文。
背景技術：
電子裝置和組件已經在化學和生物學(更一般地，“生命科學”)中得到眾多應用，特別是用于檢測和測量不同的化學和生物反應，以及鑒別、檢測和測量不同的化合物。一種這樣的電子裝置被稱作離子敏感的場效應晶體管，在相關文獻中經常表示為ISFET(或pHFET)。ISFET常規(guī)地主要在科學和研究團體中采用，用于便利溶液的氫離子濃度(通常表示為“pH”)的測量。在本文中提及的化學敏感的傳感器，可以用ISFET、phFET、chemFet或一些其它的能夠執(zhí)行類似功能的晶體管器件來實現(xiàn)。
更具體地，ISFET是一種阻抗轉化裝置，其以類似于MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)的方式運行，且為選擇性地測量溶液中的離子活性而特別構建(例如，溶液中的氫離子是“分析物”)。在 “Thirty years of ISFET0L0GY:what happened in thepast30years and what mayhappen in the next30years,，，P.Bergveld, Sens.Actuators,88 (2003)，第1-20頁(所述出版物通過引用整體并入本文)中，給出了 ISFET的詳細運行理論。
使用常規(guī)CMOS(互補金屬氧化物半導體)方法來制造ISFET的細節(jié)，可以參見:Rothberg,等人，美國專利公開號2010/0301398, Rothberg,等人，美國專利公開號2010/0282617，和Rothberg等人，美國專利公開2009/0026082 ;這些專利公開統(tǒng)稱為“Rothberg”，并且都通過引用整體并入本文。但是，除了 CMOS以外，也可以使用biCMOS(即，兩極的和CMOS)加工，諸如包括PMOS FET陣列的方法，所述陣列具有在外圍上的兩極結構?？商鎿Q地，可以采用其它技術，其中敏感元件可以用三端裝置來制作，其中感測的離子會導致信號的形成，所述信號控制3個終端之一；這樣的技術還可以包括，例如，GaAs和碳納米管技術。
以CMOS為例，P-型ISFET制造是基于p_型硅襯底，其中形成n_型孔，它構成晶體管“主體”。在η-型孔內形成高度摻雜的P-型(ρ+)區(qū)域S和D，它們構成ISFET的源和排出裝置。在η-型孔內還形成高度摻雜的η-型(η+)區(qū)域B，以提供與η-型孔的傳導體(或“塊”)的連接。氧化物層可以安置在源、排出裝置和主體接頭區(qū)上面，穿過它們制作開口，以提供與這些區(qū)域的電連接(通過電導體)。在源和排出裝置之間，在η-型孔區(qū)域上面的位置，可以在氧化物層上面形成多晶硅柵。因為它安置在多晶硅柵和晶體管主體(即，η-型孔)之間，所述氧化物層經常被稱作“柵氧化物”。
類似于M0SFET，ISFET的運行是基于由MOS (金屬氧化物半導體)電容造成的電荷濃度(和因而通道電導)的調節(jié)，所述電容由多晶硅柵、柵氧化物和在源和排出裝置之間的孔(例如，η-型孔)區(qū)域組成。當在柵和源區(qū)域之間施加負電壓時，通過剝奪該區(qū)域的電子，在該區(qū)域和柵氧化物的界面處建立通道。就η-孔而言，所述通道是ρ-通道(反之亦然)。在η-孔的情況下，所述P-通道在源和排出裝置之間延伸，且當柵-源負電勢足以從源吸收孔進入通道時，傳導電流穿過P-通道。通道開始傳導電流時的柵-源電勢稱作晶體管的閾值電壓vth(當Vgs具有大于閾值電壓Vth的絕對值時，晶體管傳導)。源因此得名，因為它是流過通道的電荷載體(P-通道的孔)的源；類似地，排出裝置是電荷載體離開通道的地方。
如Rothberg所述，可以制造具有浮動柵結構的ISFET，所述浮動柵結構如下形成:將多晶硅柵聯(lián)接到多個金屬層上，所述金屬層安置在一個或多個額外的氧化物層內，所述氧化物層安置在柵氧化物的上面。浮動柵結構由此得名，因為它與其它的ISFET相關導體在電學上分離；也就是說，它夾在柵氧化物和鈍化層之間，所述鈍化層安置在浮動柵的金屬層(例如，頂金屬層)的上面。
如Rothberg進一步所述，ISFET鈍化層構成離子敏感的膜,其產生裝置的離子靈敏度。與鈍化層(尤其可以位于浮動柵結構上面的敏感區(qū)域)相接觸的分析物溶液(即，含有目標分析物(包括離子)的溶液，或被測試目標分析物存在的溶液)中的分析物(諸如離子)的存在，會改變ISFET的電特征，從而調節(jié)流過ISFET的源和排出裝置之間的通道的電流。鈍化層可以包含多種不同材料中的任一種，以促進對特定離子的靈敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金屬氧化物(諸如硅、鋁或鉭的氧化物)的鈍化層通常會提供對分析物溶液中氫離子濃度(PH)的靈敏度，而包含聚氯乙烯(含有纈氨霉素)的鈍化層會提供對分析物溶液中鉀離子濃度的靈敏度。適用于鈍化層且對其它離子(諸如鈉、銀、鐵、溴、碘、鈣和硝酸鹽)敏感的物質是已知的，且鈍化層可以包含多種材料(例如，金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物)。關于在分析物溶液/鈍化層界面處的化學反應，用于ISFET的鈍化層的特定材料的表面可以包括這樣的化學基團:其可以為分析物溶液捐獻質子，或接受來自分析物溶液的質子，在任意給定的時間在分析物溶液界面處的鈍化層的表面上剩下帶負電荷的、帶正電荷的和中性的位點。
關于離子靈敏度，通常稱作“表面電勢”的電勢差出現(xiàn)在鈍化層和分析物溶液的固/液界面處，隨敏感區(qū)域中的離子濃度而變化，這是由于化學反應(例如，通常包含在敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子對氧化物表面基團的解離)。該表面電勢又影響ISFET的閾值電壓；因而，ISFET的閾值電壓隨著在敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子濃度的變化而變化。如Rothberg所述，由于ISFET的閾值電壓Vth對離子濃度敏感，源電壓Vs提供與在ISFET的敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子濃度直接有關的信號。
化學敏感的FET( “chemFET”)的陣列或更具體地ISFET，可以用于監(jiān)測反應——包括例如核酸(例如，DNA)測序反應，這基于監(jiān)測在反應過程中存在的、產生的或使用的分析物。更通常地，包括chemFET的大陣列在內的陣列可以用于檢測和測量在眾多化學和/或生物學過程(例如，生物學或化學反應、細胞或組織培養(yǎng)或監(jiān)測、神經活性、核酸測序等)中的多種分析物(例如，氫離子、其它離子、非離子型分子或化合物等)的靜態(tài)和/或動態(tài)量或濃度，其中基于這樣的分析物測量可以得到有價值的信息。這樣的chemFET陣列可以用于檢測分析物的方法中和/或通過在chemFET表面處的電荷的變化而監(jiān)測生物學或化學過程的方法中。ChemFET (或ISFET)陣列的這種用途包括:檢測溶液中的分析物，和/或檢測在chemFET表面(例如ISFET鈍化層)上結合的電荷的變化。
關于ISFET陣列制造的研究記載在下述出版物中:“A largetransistor-basedsensor array chip for direct extracellular imaging,J.Milgrew,M.0.Riehle,andD.R.S.Cumming, Sensors and Actuators, B:Chemical, 111-112, (2005),第 347-353 頁，和“The development ofscalable sensor arrays using standard CMOS technology,，，M.J.Milgrew, P.A.Hammond,和 D.R.S.Cumming, Sensors and Actuators, B:Chemical, 103,(2004)，第37-42頁，所述出版物通過引用并入本文，且在下文中共同稱作“Milgrew等人”。在Rothberg中，含有關于制造和使用ChemFET或ISFET陣列的描述，所述陣列用于化學檢測，包括與DNA測序有關的離子的檢測。更具體地,Rothberg描述了使用chemFET陣列(特別是ISFET)來對核酸測序，其包括:將已知的核苷酸摻入反應室中的多個相同核酸中，所述反應室與chemFET接觸或電容式聯(lián)接，其中所述核酸與反應室中的單個珠子結合，并檢測在chemFET處的信號，其中信號的檢測指示一個或多個氫離子的釋放，所述氫離子源自已知的三磷酸核苷酸向合成的核酸中的摻入。
圖1是描繪離子感測系統(tǒng)20的物理結構的一個實施方案的橫截面簡圖，所述離子感測系統(tǒng)20可以包括:ISFET24、提供在所述ISFET24的離子敏感表面32處的溶液28、和在所述溶液28中的電極36，所述電極36提供參比電壓VREFA。所述ISFET24可以在CMOS工藝中制造，且包括:形成在P-型硅襯底48中的η-型源和排出裝置擴散區(qū)域40、44，源和排出裝置連接52、56，在源和排出裝置40、44之間的通道形成區(qū)域64上面的柵氧化物層60，形成在所述柵氧化物60上面的浮動柵結構68，和形成在所述柵結構68上面的鈍化層72。所述浮動柵結構68可以包括多晶硅柵78和一個或多個金屬層76和通路互連80。所述源和排出裝置連接52、54還可以包括一個或多個金屬層76和通路互連80。介質隔離84可以隔開這些不同的結構。
在實施中，參比電壓VREFA可以施加于在溶液28中的電極36上，且ISFET24的源和排出裝置40、44可以通過源和排出裝置連接結構52、56與讀出電路(未顯示)電聯(lián)接。所述ISFET24的柵78可以不與其它電路直接電連接，且因而可以是電學浮動結構。離子濃度對ISFET24的運行的影響可以建模為，ISFET24的閾值電壓對溶液28中的離子濃度的依賴性，所述離子濃度源自ISFET24的離子敏感的鈍化表面32和鄰近溶液28中的離子之間的電化學相互作用。所述離子感測系統(tǒng)20因而可以從閾值電壓變化確定離子濃度，所述閾值電壓變化如下測定:在已知參比電壓VREFA和讀出電路類型和運行的情況下，測量在ISFET24的源或排出裝置40、44處的電流或電壓變化。
但是，圖1的離子感測系統(tǒng)20和它用于檢測溶液28的離子濃度的用途存在問題。由閾值電壓的變化誘發(fā)的、在ISFET24的源或排出裝置40、44處和因而在讀出電路中的電壓或電流的變化可以較小，且難以準確地測量。另外，閾值電壓本身可以是其它變量(諸如在源40和ISFET24的襯底48( S卩，主體)之間的電壓)的非線性函數(shù)。這可以限制閾值電壓計算的線性(如果允許源-至-主體電壓發(fā)生變化)，或限制可以使用的讀出電路的類型(如果源-至-主體電壓維持相對恒定以保留線性)。類似地，擔心圖1的離子感測系統(tǒng)20的動態(tài)范圍和信噪比性能。總之，這些擔心需要使用復雜的且因而浪費空間的且昂貴的讀出電路，或限制使用該離子感測系統(tǒng)20可以實現(xiàn)的性能度量。
因而，需要這樣的方法:所述方法在測量溶液的離子濃度時實現(xiàn)提高的速度、準確度、線性和其它性能度量，但是同時仍然使用可以用CMOS工藝大量生產的裝置。


下面描述了許多附圖，以便可以理解本發(fā)明的特征。但是，所述附圖僅僅解釋了本發(fā)明的具體實施方案，因此不應視作限制本發(fā)明的范圍，因為本發(fā)明可以包括其它等效的實施方案。
圖1是描繪包括離子敏感的場效應晶體管的離子感測系統(tǒng)的一個實施方案的橫截面簡圖。
圖2是包括離子敏感的電荷堆積裝置的離子感測系統(tǒng)的部分橫截面局部示意圖。
圖3A-3D是描繪離子敏感的電荷堆積裝置的運行循環(huán)的一個實施方案的橫截面簡圖、電勢簡圖和電荷簡圖。
圖4是描繪用于控制電荷堆積裝置的運行的控制信號的一個實施方案的信號簡圖。
圖5是描繪離子敏感的像素陣列的一個實施方案的示意圖，所述陣列具有多個像素電路，每個像素電路包括電荷堆積裝置以及控制和讀出晶體管。
圖6是描繪像素電路的一個實施方案的部分橫截面局部示意圖，所述像素電路包括電荷堆積裝置以及控制和讀出晶體管。
圖7是描繪像素電路的另一個實施方案的部分橫截面局部示意圖，所述像素電路包括電荷堆積裝置以及控制和讀出晶體管。
圖8A-8D是描繪圖7所示的像素電路的運行實施方案的橫截面簡圖、電勢簡圖和電荷簡圖。
圖9是描繪像素電路的另一個實施方案的部分橫截面局部示意圖，所述像素電路包括電荷堆積裝置以及控制和讀出晶體管。
圖10是描繪像素電路的另一個實施方案的部分橫截面局部示意圖，所述像素電路包括電荷堆積裝置以及控制和讀出晶體管。
圖11A-11D是描繪圖10所示的像素電路的運行實施方案的橫截面簡圖、電勢簡圖和電荷簡圖。
具體實施方式
離子敏感的電路可以包括:電荷堆積裝置(其用于堆積多個電荷包，作為流體離子濃度的函數(shù))和至少一個控制和讀出晶體管(以產生輸出信號，作為堆積的多個電荷包的函數(shù))，所述輸出信號代表溶液的離子濃度。所述電荷堆積裝置可以包括:在第一電極半導體區(qū)域之上的第一電荷控制電極、在柵半導體區(qū)域之上且在離子敏感的鈍化表面之下的電學浮動柵結構、在第二電極半導體區(qū)域之上的第二電荷控制電極、和排出裝置擴散區(qū)域。所述第一控制電極可以響應于第一控制信號而控制電荷進入柵半導體區(qū)域。所述離子敏感的鈍化表面可以構造成接收流體。所述第二電荷控制電極可以響應于第二控制信號而控制多個電荷包離開柵半導體區(qū)域和進入排出裝置擴散區(qū)域的轉移。所述排出裝置擴散區(qū)域可以接收經由第二電極半導體區(qū)域來自柵半導體區(qū)域的多個電荷包。
所述離子敏感的電路可以根據(jù)檢測流體離子濃度的方法運行。所述方法可以包括:(i)使具有離子濃度的流體在電荷堆積裝置的離子敏感的鈍化表面之上經過；(ii)在電荷堆積裝置的柵半導體區(qū)域中一次一個地逐個形成多個電荷包，作為流體離子濃度的函數(shù)；(iii)將控制信號施用于電荷堆積裝置的第二控制電極，以控制電荷包一次一個地從柵半導體區(qū)域轉移；(iv)以可選擇的電荷包堆積頻率，在電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域處堆積多個電荷包；和(V)以可選擇的輸出信號產生頻率，使用至少一個控制和讀出晶體管在排出裝置區(qū)域處產生輸出信號，作為堆積的多個電荷包的函數(shù)，其中所述輸出信號代表流體離子濃度的量度。
圖2描繪了離子感測系統(tǒng)100的一個實施方案的部分橫截面局部示意圖，所述離子感測系統(tǒng)100具有離子敏感的電荷堆積裝置104，其可以檢測溶液108中的離子濃度，以執(zhí)行DNA測序和其它應用。所述離子感測系統(tǒng)100可以包括:電荷堆積裝置104、控制和讀出電路112、電極116、溶液108和微顆?；蛭⒅?20。在圖2中，用橫截面表示描繪了電荷堆積裝置104、電極116、溶液108和微顆粒120，而示意地描繪了控制電路112和它與電荷堆積裝置104的終端的連接。為了方便，用虛線指示圖2的示意部分。
可以以CMOS工藝制造電荷堆積裝置104，且作為包括電荷堆積裝置104和控制和讀出電路112的集成電路的一部分。N-型源和排出裝置擴散區(qū)域124、128可以形成在ρ-型外延層132中，所述ρ-型外延層132形成在ρ-型硅襯底136上。所述源和排出裝置擴散區(qū)域124、128可以具有輕度摻雜的部分140、144，所述部分具有比排出裝置和擴散區(qū)域124、128的其它部分相對更少的摻雜。源和排出裝置連接148、152可以包括一個或多個金屬層156和通路互連160。柵氧化物層164可以形成在ρ-型外延層132的區(qū)域168之上、在源和排出裝置124、128和浮動柵結構172之間，且第一和第二控制電極結構176、180可以形成在柵氧化物164之上。所述柵氧化物164可以包括諸如二氧化硅等材料。所述浮動柵結構172可以包括:η_型多晶娃柵184和一個或多個金屬層156和通路互連160。所述控制電極結構176、180還可以包括:各自的第一和第二 η-型多晶娃電極186、188、以及一個或多個金屬層156和通路互連160。金屬層156和通路互連160可以各自包括一個或多個傳導材料層，所述傳導材料諸如鎢、鋁、銅、鈦和它們的氮化物和硅化物。在這些不同結構之間的介質隔離192可以包括一個或多個氧化硅層、硼磷硅酸鹽玻璃層或它們的組合。鈍化層196可以形成在柵結構172和介質隔離196的上面，且包括孔200，所述孔200具有離子敏感表面204以接納微顆粒120 (或微珠120)，后者可以具有多個附著于其表面上的復制DNA鏈。所述鈍化層196可以包括諸如氮化硅、氮氧化硅和聚酰亞胺等材料。襯底連接擴散區(qū)域208，且可以具有與排出裝置和源連接結構148、152類似的有關連接結構212。
在本文中為了提及方便，將擴散區(qū)域124、128稱作源和排出裝置擴散區(qū)域124、128。但是，這些擴散區(qū)域124、128不需要具有所有與晶體管的源和排出裝置相同的性質。相反，源和排出裝置擴散區(qū)域124、128還可以簡稱作擴散區(qū)域124、128，這不一定暗示晶體管源和排出裝置功能性。但是，在某些情況下，正如從本文的描述中顯而易見的，擴散區(qū)域124、128實際上可以具有與晶體管的源和排出裝置類似的性質。
離子感測系統(tǒng)100可以用于執(zhí)行DNA測序或包含感測溶液108中的離子的其它應用。可以將多個攜帶DNA鏈的微顆粒120引導至含有多個圖2所示的電荷堆積裝置104的集成電路的表面，使得所述微顆粒120沉入鈍化層196的孔200中?？梢詫⒍喾N不同的溶液108順序地引導至集成電路表面(包括在鈍化層196中的孔200)并被所述表面接納。所述相繼的溶液系列中的每種溶液108可以包括不同的核苷酸或核苷堿基。每種溶液或試劑可以與或不與附著于微顆粒120上的DNA鏈反應，這取決于所述溶液的具體核苷酸或核苷堿基是否與附著的DNA鏈的核苷堿基序列的當前反應位置匹配或互補(compliment)。當施用的溶液系列中的特定溶液108不與DNA鏈反應時，可以釋放出多個離子，例如，質子(例如，氫H+離子)、焦磷酸鹽(S卩，PPi)或二者。所述離子敏感的電荷堆積裝置104可以根據(jù)本文討論的它的運行原理檢測溶液108中的離子濃度，以提供關于附著的DNA鏈的當前反應位置的核苷堿基的身份的數(shù)據(jù)，由此提供用于對鏈測序的數(shù)據(jù)。
在實施中，離子敏感的電荷堆積裝置104可以產生和堆積多個電荷包216 (例如，如圖3A-3D所示)，作為溶液108中的離子濃度的函數(shù)并響應于所述離子濃度，所述溶液108提供給鈍化層196中的孔200的離子敏感表面204，其中使用由控制和讀出電路112將控制信號施加于源124、排出裝置128、第一和第二控制電極186、188而產生的勢能屏障和梯度。圖3A-D描繪了電荷堆積裝置104的多個運行循環(huán)的實施方案，以響應于溶液108中的離子濃度產生和堆積電荷包。圖3A-3D中的每個圖可以描繪電荷堆積裝置104的運行的一個實施方案的完整循環(huán)。圖3A-3D中的每個圖的頂部描繪了電荷堆積裝置104的簡化的部分橫截面局部示意圖，僅顯示了源和排出裝置區(qū)域124、128、柵氧化物164、浮動柵184以及第一和第二控制電極186、188。為了圖解和解釋方便，從描述中省略了電荷堆積裝置104的其它組件，盡管省略的組件可以存在于實際的實施方案中。在每個圖中，在電荷堆積裝置14圖示下面的4個簡圖描繪了在裝置104的運行循環(huán)過程中的不同階段存在于電荷堆積裝置104中的勢能和電荷。這些簡圖中的每一個與在該圖頂部描繪的電荷堆積裝置104的特定空間區(qū)域對齊并描繪了其中的勢能和電荷，使得每個簡圖因此描繪了在η-型源和排出裝置區(qū)域124、128中和在位于控制電極186、188和浮動柵184下面的ρ-型外延區(qū)域中的勢能和電荷。
圖4是描繪多個控制信號的一個實施方案的信號簡圖，所述控制信號可以用于控制在圖3A-3D中描繪的電荷堆積裝置104的運行。在圖4中，遞送給源124、排出裝置128和第二控制電極188的控制信號VS、VD、VC2可以在代表邏輯低和邏輯高狀態(tài)(諸如低和高電源電壓)的電壓值之間變化。另一種控制信號VCl (未顯示)可以遞送至第一控制電極186，且可以不代表邏輯狀態(tài)，相反可以呈現(xiàn)中間電壓值，諸如在低和高電源電壓之間的值?？刂菩盘柕钠渌鼘嵤┓桨甘强赡艿模T如下述控制信號的各種組合:在代表邏輯低和邏輯高狀態(tài)(諸如低和高電源電壓)的電壓值之間變化的控制信號，和不代表邏輯狀態(tài)而是呈現(xiàn)中間電壓值(諸如在低和高電源電壓之間的值)的控制信號。控制信號的實施方案還可以是電荷堆積裝置104的物理結構的具體實施方案的函數(shù)。例如，可以選擇在第一控制電極186、浮動柵184和第二控制電極188之間的柵氧化物164的高度，以分別控制遞送至第一控制電極186、浮動柵184和第二控制電極188的給定控制電壓對電荷堆積裝置104中的勢能的相對影響。
在圖3Α所示的運行循環(huán)的第一階段之前，在循環(huán)前復位階段(未顯示在圖3Α中)，通過給源124、排出裝置128和控制電極186、188遞送適當?shù)目刂菩盘?，可以除去來自裝置104的前一次運行的、殘留在電荷堆積裝置104中的任何電荷。在圖4所示的實施方案中，可以將高電壓遞送至排出裝置124和第二控制電極188，將低電壓遞送至源124，并將中間電壓遞送至第一控制電極186，以清除來自裝置104的前一次運行的任何電荷。
在圖3Α所示的運行循環(huán)的第一階段220，在位于浮動柵184下面的半導體區(qū)域224(例如，ρ-型外延區(qū)域224)中形成的任何電荷包216可以轉移至排出裝置擴散區(qū)域208。這可以如下實現(xiàn):在位于第一控制電極186、柵184和第二控制電極188下面的半導體區(qū)域228、224、232中建立電勢梯度，以指導在柵184下面的電荷移動至排出裝置擴散區(qū)域208。具體地，可以在位于第一控制電極186下面的區(qū)域228中建立相對更低的電勢和因而相對更高的電子流屏障，并可以在位于第二控制電極188下面的區(qū)域232中建立相對更高的電勢和因而相對更低的電子流屏障。
圖3A-3D的電位圖和在本文中描繪和討論的其它電位圖遵循下述慣例:增加的勢能對應著勢能圖中向下的方向。因而，圖中空間更低的表示描繪了相對更高的勢能。通過將相對更高的電壓施加于控制電極186、188，或將它們呈現(xiàn)在浮動柵184，可以在ρ-型區(qū)域中誘導相對更高的勢能，且可以代表P-型區(qū)域中的電子的堆積或通過的更低勢壘。相反，通過將相對更低的電壓施加于控制電極186、188，或將它們呈現(xiàn)在浮動柵184，可以在ρ-型區(qū)域中誘導相對更低的勢能，且可以代表P-型區(qū)域中的電子的堆積或通過的更高勢壘。
返回圖3Α，假定均勻的柵氧化物厚度，通過將遞增的電壓分別施用或呈現(xiàn)于第一控制電極186、浮動柵184和第二控制電極188，可以在位于第一控制電極186、浮動柵184和第二控制電極188下面的區(qū)域228、224、232中建立第一階段勢能梯度?？商鎿Q地，還可以使用其它施加的或呈現(xiàn)的電壓和不均勻的柵氧化物厚度來建立該勢能梯度。圖4描繪了這樣的實施方案:其中在第一階段，可以將高電壓遞送至第二控制電極188和源124，可以將低電壓遞送至排出裝置124，且可以將中間電壓遞送至第一控制電極186。第一階段控制信號的其它實施方案是可能的。
應當指出，因為圖3Α描繪了在循環(huán)前復位階段已經除去來自前一次運行的任何殘余電荷包216以后電荷堆積裝置104的幾個運行循環(huán)中的第一個，在柵184下面尚未形成電荷包216，因而在圖3Α所示的第一階段220，沒有電荷包216被轉移至排出裝置128。但是，通過圖3B-3D所示的連續(xù)循環(huán)，可以解釋在第一階段220中電荷包216從柵184下面向排出裝置區(qū)域128的轉移。
在圖3Α所示的運行循環(huán)的第二階段236，可以增加在第二控制電極188下面的勢壘，以防止電荷包從在柵184下面的區(qū)域224穿過在第二電極188下面的區(qū)域232流至排出裝置區(qū)域128。圖4描繪了第二階段控制信號的一個實施方案，其中可以將低電壓遞送至第二控制電極188和排出裝置128，將高電壓遞送至源124，并將中間電壓遞送至第一控制電極186。其它第二階段控制信號實施方案是可能的。
在圖3Α所示的運行循環(huán)的第三階段240，可以將電荷(例如，電子)從η_型源區(qū)域124注射進位于浮動柵184下面的ρ-型區(qū)域224中。因為在第二階段236中已經將在第二電極188下面的勢壘增加至高于在第一控制電極186和浮動柵184下面的勢壘，電荷242可以從源124溢出電荷堆積裝置104流至第一控制電極186和浮動柵184的下面，但是不到第二控制電極188的下面。以不同的方式，可以穿過源124將電荷242注射進電荷堆積裝置104中，所述方式諸如:通過使用電流源或電荷泵將電荷選擇性地注入源124中，或者在將電壓供給或呈現(xiàn)在電荷堆積裝置104的別處(例如，在第一控制電極186和浮動柵184上)的背景下，通過將合適的電壓施加于源124。圖4描繪了控制信號的一個實施方案，其中可以將低電壓遞送至源124，同時可以將相對更高的電壓遞送或呈現(xiàn)在第一控制電極186和浮動柵184上(例如，將中間電壓遞送至第一控制電極186，并通過溶液108中的離子濃度在浮動柵184上誘導電勢)。
在第四階段244，可以結束從源124向電荷堆積裝置104中的電荷注射，并除去在源124中和在第一控制電極186下面的多余電荷。但是，因為在第一控制電極186下面和在浮動柵184下面之間可以存在電勢差，電荷包216可以保留在浮動柵184下面，作為該電勢差的結果。該電勢差可以是施加于第一控制電極186的電壓VCl和由于溶液104中的離子濃度而呈現(xiàn)在浮動柵184上的電壓的函數(shù)。因而，在第四階段244中保留在浮動柵184下面的電荷包216的大小,可以是施加于第一控制電極186的電壓VCl和由于溶液108中的離子濃度而呈現(xiàn)在浮動柵184上的電壓的函數(shù)，并因而是溶液108中的離子濃度的量度(如果已知施加于第一控制電極186的電壓VCl)。
最后，在電荷堆積裝置104的下一個運行循環(huán)的第一階段220，如圖3B所示，且如上面關于圖3A所示的第一運行循環(huán)的第一階段220所討論的，在第一運行循環(huán)的第四階段244以后保留在浮動柵184下面的電荷包216可以從柵184下面穿過在第二控制電極188下面的區(qū)域232轉移進排出裝置擴散區(qū)域128，它可以維持在這里。因而，在單個運行循環(huán)以后，單個電荷包216 (其具有可以作為溶液108的離子濃度的量度的大小)已經被收集在電荷堆積裝置104的排出裝置128處。
盡管電荷堆積裝置104可以僅利用收集在排出裝置128處的單個電荷包216來提供溶液104中的離子濃度的量度，所述電荷堆積裝置104還可以如下檢測和提供溶液108中的離子濃度的量度:在電荷堆積裝置104的多個運行循環(huán)中，將多個電荷包216收集在排出裝置128處。所述收集的多個電荷包216還可以提供溶液108中的離子濃度的量度。圖3B-3D描繪了在圖3A所示的第一運行循環(huán)以后，電荷堆積裝置104的第二、第三和第四運行循環(huán)。在每個循環(huán)以后，可以在排出裝置128處堆積另一個電荷包216，作為離子濃度的函數(shù)。在圖3B中，在第二循環(huán)的第一階段220，在圖3A所示的第一循環(huán)以后，可以將第一電荷包216捕集在排出裝置128處。在圖3C中，在第三循環(huán)的第一階段220，在圖3B所示的第二循環(huán)以后，可以在排出裝置128處堆積第一和第二電荷包216b。在圖3D中，在第四循環(huán)的第一階段220，在圖3C所示的第三循環(huán)以后，可以在排出裝置128處堆積第一、第二和第三電荷包216c。
通過提供堆積的多個電荷包216形式的離子濃度量度，可以提供這樣的量度:與提供僅單個電荷包216形式和閾值電壓變化形式的離子濃度量度(如上面關于圖1所討論的)相比，其可以提供具有增加的信號水平和信噪比、多個電荷堆積裝置104的提高的性能匹配和減少的閃爍噪音的量度。例如，由于電荷(諸如空穴和電子)的熱活動，產生的電荷包通常伴有一定的噪音。在一個實施方案中，單個電荷包的堆積可以伴有與k.T.C成比例的噪音電荷誤差，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，T是開爾文溫度，且C是在浮動柵下面的電荷富集區(qū)的電容。當所述電荷是電子時，每個收集的包的電壓噪音誤差可以等于((k.T.C)的平方根)/q，其中q是電子的電荷，C等于氧化物電容Cox乘以浮動柵184的面積。但是，基于多個電荷包堆積的輸出信號的信噪比SNR可以與(2.η.(:Λ.Τ)的平方根成比例，其中η是堆積的包216的數(shù)目，即，用于提供單次離子濃度測量的電荷堆積裝置104的運行循環(huán)的數(shù)目。因而，離子濃度測量的信噪比可以與在單次測量中的包216的數(shù)目的平方根成比例地增加。
在電荷堆積裝置104堆積于排出裝置128處以后，使用控制和讀出電路112的實施方案，可以將多個電荷包216轉化成輸出信號或轉移出電荷堆積裝置。所述控制和讀出電路112可以控制電荷堆積裝置104的循環(huán)運行和以堆積的電荷包216為基礎的輸出信號的產生的各個方面。所述控制和讀出電路112可以如下控制電荷堆積裝置104:通過將控制信號提供給源124、排出裝置128、第一控制電極186和第二控制電極188，以可選擇的預定堆積頻率堆積包216。所述堆積頻率可以是電荷堆積裝置104的單個運行循環(huán)的運行頻率。可以基于溶液中的離子濃度的預期變化速率、電荷堆積裝置104及控制和讀出電路112的性能特征或它們的組合，或作為它們的函數(shù)，選擇所述堆積頻率。所述控制和讀出電路112還可以如下控制以電荷堆積裝置104堆積的電荷包216為基礎的輸出信號的產生:通過向它們提供控制信號，以在可選擇的輸出產生頻率產生輸出信號或將堆積的多個電荷包216轉移出電荷堆積裝置104。所述輸出產生頻率可以是從電荷堆積裝置104中的堆積包216產生單個輸出信號值的頻率?？梢曰谌芤?08中的離子濃度的預期變化速率、電荷堆積裝置104及控制和讀出電路112的性能特征或它們的組合，或作為它們的函數(shù)，選擇所述輸出產生頻率。當所述輸出信號是基于多個堆積的電荷包216時，所述輸出產生頻率可以小于電荷包堆積頻率。
單個電荷堆積裝置104，連同控制和讀出電路112中專門用于該裝置104的有關部分一起，可以代表多個離子感測像素246的陣列250中的單個離子感測像素246。圖5描繪了具有多個離子感測像素246的離子感測像素陣列250的一個實施方案。每個像素電路246可以包括電荷堆積裝置104以及控制和讀出電路112的有關部分。所述控制和讀出電路112的有關部分可以是特定像素246的一部分且專門用于所述特定像素246。所述像素陣列可以排列成像素246的多個行和列。所述像素陣列250可以受到控制、編址，且具有多個行和列控制線、尋址線和數(shù)據(jù)線(對于每行和每列而言，包括:一個或多個行控制線、尋址線和數(shù)據(jù)線Rl-Rx，統(tǒng)稱為行線Rl-Rx，和一個或多個柱控制線、尋址線和數(shù)據(jù)線Cl-Cx，統(tǒng)稱為列線Cl-Cx)的數(shù)據(jù)輸入和輸出。
圖6描繪了離子感測像素246a的一個實施方案，所述離子感測像素246a具有電荷堆積裝置104和有關的控制和讀出電路部分112的實施方案。應當指出，圖6再次描繪了電荷堆積裝置104的簡化圖示，但是，描繪的像素246a的實施方案可以包括電荷堆積裝置104的其它組件，諸如圖2所示的其它組件。圖6的實施方案可以稱作三晶體管、三電極或3T3E、像素246。所述控制和讀出電路112可以包括三晶體管，包括復位晶體管Ml和一對讀出晶體管M2、M3。所述電 荷堆積裝置104可以具有三電極，包括第一和第二控制電極186、188和浮動柵184。所述控制和讀出電路112可以接收多個列線(包括第一和第二列線CIA、ClB)和多個行線(包括第一和第二行線R1A、RlB)。
為了參照源和排出裝置等進行討論的目的，將假定，在圖6的像素實施方案246a中，和在本文討論的其它像素實施方案描繪中，控制和讀出晶體管Ml、M2、M3是NMOS晶體管。但是，在其它像素實施方案中，所述控制和讀出晶體管可以是NMOS或PMOS晶體管或它們的任意組合。在圖6中，第一讀出晶體管M2可以具有:與電荷堆積裝置104的排出裝置區(qū)域128相連的柵，與第二讀出晶體管M3的排出裝置相連的源，和與第二列線ClB相連的排出裝置。所述第二讀出晶體管M3可以具有:與第一行線RlA相連的柵，與第一列線ClA相連的源，和與第一讀出晶體管M2的源相連的排出裝置。所述復位晶體管Ml可以具有■ 與電荷堆積裝置104的排出裝置128相連的源，與第二行線RlB相連的柵，和與第二列線ClB相連的排出裝置。
圖6的控制和讀出電路112的實施方案可以用于控制電荷堆積裝置104，并與圖3A-3D和圖4所示的電荷堆積裝置104的運行相結合地產生與輸出信號。在復位運行中，復位晶體管Ml和第二行和列線R1B、C1B可以用于在循環(huán)前復位階段復位電荷堆積裝置104，正如上面所討論的。例如，邏輯高信號或高值電壓(諸如上電源)可以遞送給第二行和列線RIB、ClB,同時邏輯低信號或低值電壓(諸如低電源)可以遞送給第一行線R1A，以開啟靜止晶體管M1，同時關閉第二讀出晶體管M3。這可以將高電壓值遞送至電荷堆積裝置104的排出裝置區(qū)域128，導致在排出裝置128處堆積的任何電荷包216的清除，從而復位電荷堆積裝置104。
在讀出運行中，讀出晶體管M2、M3和第一行和列線R1A、ClA可以用于產生輸出信號，作為在裝置104的一個或多個運行循環(huán)以后在電荷堆積裝置104的排出裝置區(qū)域128處堆積的電荷包216的函數(shù)，正如上面所討論的。例如，邏輯高信號或高值電壓(諸如上電源)或可替換地中值電壓(諸如在上和下電源之間的電壓)可以遞送給第一行線R1A，同時邏輯低信號或低值電壓(諸如低電源)可以遞送給第二行線R1B，從而基本上激活第一和第二讀出晶體管M2、M3，同時關閉復位晶體管Ml。以此模式，第一和第二讀出晶體管M2、M3可以用作放大器，以將堆積在電荷堆積裝置104的排出裝置區(qū)域128處的一個或多個電荷包216轉化成在第一列線ClA上的電壓輸出信號。所述第一讀出晶體管M2可以模型化為以源極跟隨器構型運行，從而接收來自電荷堆積裝置104的排出裝置128的輸入電壓，并將在它的源處的中間輸出電壓提供給第二讀出晶體管M3的排出裝置。電荷包216向在電荷堆積裝置104的排出裝置128處的輸入電壓的轉化，可以是電荷在排出裝置128處堆積的固有結果。所述第二讀出晶體管M3可以模型化為相對于源極跟隨器第一讀出晶體管構型以共源共柵構型運行，由此增強雙晶體管組合與單獨的源極跟隨器相比的增益。所述第二讀出晶體管M3可以接收來自源極跟隨器的源的中間輸出，并將輸出電壓提供給在該源處的第一列線C1A。
圖7描繪了離子感測像素246b的另一個實施方案，所述離子感測像素246b具有電荷堆積裝置104和有關的控制和讀出電路部分112的實施方案。應當指出，圖7再次描繪了電荷堆積裝置104的簡化圖示，但是，描繪的像素246b的實施方案可以包括電荷堆積裝置104的其它組件，諸如圖2所示的其它組件。圖7的實施方案可以稱作二晶體管、三電極或2T3E、像素。所述控制和讀出電路112可以包括二晶體管，包括復位晶體管M4和讀出晶體管M5,所述電荷堆積裝置104可以具有三電極,包括第一和第二控制電極186、188和浮動柵184。所述控制和讀出電路112可以接收行線R2A和多個列線，包括第一和第二列線C2A、C2B。
與圖6的像素實施方案246a相比，圖7的像素實施方案246b可以通過控制在電荷堆積裝置104的排出裝置128處的電壓來減少讀出晶體管的數(shù)目，以消除對圖6的像素實施方案246a的第一行線RlA提供的行選擇功能性的需求。在圖7和9各自中的排出裝置128也稱作浮動擴散128，可以具有電容的性質。通過控制當像素246b未活化時的浮動擴散電勢，可以消除所述行選擇裝置。與浮動擴散128(例如圖7中的M5)相關系的柵可以保持在低電勢，以便在不使用時禁止源極跟隨器M5。因此，在已經讀出像素246b以后，可以將浮動擴散128采樣至低電勢，然后保持在該電勢，直到再次讀取像素246b。電勢保持較低的一個原因可以是，浮動擴散128象保持采樣在它上面的低電壓的電容器一樣起作用。
應當指出，在圖7中，描繪的第一和第二控制電極186、188的空間排布與以前的圖中所示相反，第一控制電極186描繪在右手側，第二控制電極188描繪在左手側。再次，為了參照源和排出裝置等進行討論的目的，將假定，控制和讀出晶體管是NMOS晶體管，但是，在任意像素實施方案中的控制和讀出晶體管可以是NMOS或PMOS晶體管或它們的任意組合。所述復位晶體管M4可以具有:與電荷堆積裝置104的排出裝置128相連的源，與行線R2A相連的柵，和與第二列線C2B相連的排出裝置。所述讀出晶體管M5可以具有:與電荷堆積裝置104的排出裝置區(qū)域128 (且因而也與復位晶體管M4的源)相連的柵，與電荷堆積裝置104的源124和第一列線C2A相連的源，和與第二列線C2B相連的排出裝置。
圖8A-8D描繪了圖7的像素實施方案246b的運行的一個實施方案，以堆積作為溶液離子濃度的函數(shù)的多個電荷包216，并產生作為堆積的電荷包216的函數(shù)的輸出信號。圖8A-8D描繪了電荷堆積裝置104的運行的一個實施方案的多個完整循環(huán)。與圖3A-3D類似地，圖8A-8D各自的頂部描繪了像素246的簡化的部分橫截面局部示意圖，包括電荷堆積裝置104和控制和讀出晶體管M4、M5。為了圖解和解釋方便，從描述中省略了電荷堆積裝置104和控制和讀出晶體管M4、M5的其它組件，盡管省略的組件可以存在于實際的實施方案中。在每個圖中，在電荷堆積裝置104和控制和讀出晶體管M4、M5的圖示下面，4個簡圖以與上面的像素圖示在空間上對齊的方式，描繪了在像素246b的運行循環(huán)的不同階段在電荷堆積裝置104和控制和讀出晶體管M4、M5中的勢能和電荷堆積。
在復位階段254中，復位晶體管M4和行線和第二列線R2A、C2B可以用于復位電荷堆積裝置104。邏輯高信號或高值電壓(諸如上電源)可以遞送給行線和第二列線R2A，以開啟靜止的晶體管M4和讀出晶體管M5。這可以將高電壓值遞送至電荷堆積裝置104的排出裝置128和源124，從而導致在電荷堆積裝置104的排出裝置和源128、124處堆積的任何電荷的清除，并從而復位裝置104。
在運行循環(huán)的第一階段258，可以關閉復位晶體管M4，并增加在第二電極188下面的勢壘(即，建立低電勢)，使電荷堆積裝置104準備好用于在浮動柵184下面產生電荷包216?？梢躁P閉所述復位晶體管M4，并通過將邏輯低或低值電壓遞送至行線R2A和第二控制電極188，在第二電極188下面建立低電勢。應當指出，在第一階段258結束時，在讀出晶體管M4的柵下面仍然存在高電勢，并因而存在低勢壘。
在運行循環(huán)的第二階段262，可以將電荷(例如，電子)從電荷堆積裝置104的η-型源區(qū)域124注射進位于浮動柵184下面的ρ-型區(qū)域224中。電荷264可以從源124溢出電荷堆積裝置104流至浮動柵184的下面，但是不到第二控制電極188的下面。以不同的方式，可以穿過源124將電荷注射進電荷堆積裝置104中，所述方式諸如:通過使用電流源或電荷泵將電荷選擇性地注入源124中，或者在將電壓(例如，邏輯低或低值電壓)供給或呈現(xiàn)在第一控制電極186和浮動柵184的背景下，通過將合適的電壓施加于源124。使用第一列線C2A，可以通過源124在浮動柵184下面注射電荷，并因而可以將電荷265同時注射進讀出晶體管Μ4(包括它的源和排出裝置區(qū)域)中和在它的柵下面，因為在運行循環(huán)的第一階段258以后在該晶體管Μ4的柵下面仍然存在低勢壘。
在第三階段266中，可以結束向電荷堆積裝置和讀出晶體管中的電荷注射，并消除這些裝置中的多余電荷。但是，因為電勢差可以存在于第一控制電極186下面和浮動柵184下面之間，電荷包216可以保留在浮動柵184下面，作為該電勢差的函數(shù)。如上面關于圖3A-3D所討論的，在在該階段266保留在浮動柵184下面的電荷包216的大小，可以是施加于第一控制電極186的電壓和由于溶液108中的離子濃度而呈現(xiàn)在浮動柵184上的電壓的函數(shù)，并因而是溶液108中的離子濃度的量度(如果已知施加于第一控制電極186的電壓)。
最后，在圖SB描繪的第一運行循環(huán)的最后階段270，在循環(huán)的第三階段266以后保留在浮動柵184下面的電荷包216可以從柵184下面穿過位于第二控制電極188下面的區(qū)域232轉移進排出裝置擴散區(qū)域128，它可以保留在這里，這類似于上面關于圖3A-3D的運行循環(huán)的第一階段220所討論的。通過將邏輯高或高值電壓遞送至第二控制電極188，通過降低在第二控制電極188下面的勢壘，可以使電荷包216轉移至排出裝置區(qū)域128。遞送至電荷堆積裝置104的排出裝置128的電荷會逐漸降低在該排出裝置128處的電壓，且因為讀出晶體管M5的柵與排出裝置128相連，所述電荷包216因而也會逐漸增加在讀出晶體管M5的柵處的電壓，正如在運行循環(huán)的最后階段270結束時在該讀出晶體管M5的柵下面逐漸降低的勢壘272所證實的。以此方式，在讀出晶體管M5的柵處的電壓和在所述柵下面的電勢可以是在每個運行循環(huán)結束時在電荷堆積裝置104的排出裝置128處堆積的電荷包216的函數(shù)。
圖8B-8C描繪了第二運行循環(huán)，其中象在圖8A-8B描繪的第一運行循環(huán)中一樣，堆積另一個電荷包，結果是，在讀出晶體管的柵處的電壓和在所述柵下面的電勢再次跟蹤多個堆積的電荷包216的大小。圖SC也描繪了在第二運行循環(huán)以后的另一個復位階段。
通過在讀出晶體管M5的源處采樣電壓，可以產生輸出。這可以發(fā)生在讀出階段274過程中。使用雙重采樣技術，其中提供第一輸出和第二輸出，也可以產生所述輸出。所述第一輸出可以代表由存在于電荷堆積裝置104的排出裝置128處的背景電荷水平產生的輸出。所述第二輸出可以代表由背景電荷水平和在排出裝置128處堆積的多個電荷包216產生的輸出。從第二輸出減去第一輸出，因而可以生成堆積的電荷包216的更準確測量，以代表溶液108的離子濃度。在一個實施方案中，在運行循環(huán)的第一階段258，可以采樣第一輸出。所述第二輸出則可以是在讀出階段274中采用的輸出。
圖8D也描繪了在圖7中描繪的實施方案246a的一行像素的滅活順序的一個實施方案。在所述滅活順序的第一階段278，將邏輯低或低值電壓遞送至行線R2A，同時將邏輯高或高值電壓遞送至第一列線C2A。在滅活順序的第二階段282，將邏輯高或高值電壓遞送至行線R2A，同時將邏輯低或低值電壓遞送至第一列線C2A。在滅活順序的第三階段286，將邏輯低或低值電壓遞送至行線R2A，同時將邏輯低或低值電壓維持在第一列線C2A。在所述滅活順序的第四階段290，將邏輯低或低值電壓維持在行線R2A上，同時將邏輯高或高值電壓遞送至第一列線C2A。
圖9描繪了二晶體管、三電極或2T3E、像素的另一個實施方案246c。所述控制和讀出電路112可以包括二晶體管，包括復位晶體管M6和讀出晶體管M7，且所述電荷堆積裝置104可以具有三電極，包括第一和第二控制電極186、188和浮動柵184。所述控制和讀出電路112可以接收行線R3A和多個列線，包括第一和第二列線C3A、C3B。所述復位晶體管M6可以具有:與電荷堆積裝置104的排出裝置128相連的源，與行線R3A相連的柵，和與第二列線C3B相連的排出裝置。所述讀出晶體管M7可以具有:與電荷堆積裝置104的排出裝置區(qū)域128 (并因而也與復位晶體管M6的源)相連的柵，與第一列線C3A相連的源，和與第二列線C3B相連的排出裝置。開啟復位晶體管M6可以除去在電荷堆積裝置104的排出裝置128處堆積的電荷包216，并從而復位電荷堆積裝置104，這類似于上面關于各個實施方案所討論的。關閉復位晶體管M6以后，讀出晶體管M7可以提供輸出電壓，作為在以源極跟隨器構型運行的電荷堆積裝置104的排出裝置128處堆積的電荷包216的函數(shù)，或提供輸出電流，作為在以公共源構型運行的電荷堆積裝置104的排出裝置128處堆積的電荷包216的函數(shù)。
電荷堆積裝置104還可以包括超過2個控制電極。圖10描繪了離子感測像素246d的一個實施方案，所述離子感測像素246d具有2個控制和讀出晶體管和4個電荷堆積裝置電極，包括3個控制電極和I個浮動柵。盡管圖10描繪了電荷堆積裝置104b的簡化圖示，實際的實施方案可以包括電荷堆積裝置的其它組件，諸如圖2描繪的組件。電荷堆積裝置104b的電極可以包括:在浮動柵184的一側上的第一和第二電極186、294，和在浮動柵184的另一側上的第三電極188。圖10的電荷堆積裝置104b可以不包括源區(qū)域，但是可以包括與在第三電極188下面的區(qū)域鄰近的排出裝置區(qū)域128。所述控制和讀出電路112與在圖9中描繪的相應電路相同，且可以包括二晶體管，包括復位晶體管M8和讀出晶體管M9，并接收行線R4A和多個列線，包括第一和第二列線C4A、C4B。所述復位晶體管M8可以具有:與電荷堆積裝置104b的排出裝置128相連的源，與行線R4A相連的柵，和與第二列線C4B相連的排出裝置。所述讀出晶體管M9可以具有:與電荷堆積裝置104b的排出裝置區(qū)域128 (并因而也與復位晶體管M8的源)相連的柵，與第一列線C4A相連的源，和與第二列線C4B相連的排出裝置。所述復位和讀出晶體管M8、M9可以象它們在圖9的實施方案中那樣運行。
圖11A-11D描繪了圖10的像素實施方案246d的運行的一個實施方案，以堆積作為溶液離子濃度的函數(shù)的多個電荷包216,并產生作為堆積的電荷包216的函數(shù)的輸出信號。圖11A-11D描繪了電荷堆積裝置104b的運行的一個實施方案的多個完整循環(huán)。圖11A-11D各自的頂部描繪了圖10的電荷堆積裝置104b和控制和讀出晶體管M8、M9的簡化的部分橫截面局部示意圖。為了圖解和解釋方便，從描述中省略了電荷堆積裝置104b和控制和讀出晶體管M8、M9的其它組件，盡管省略的組件可以存在于實際的實施方案中。在每個圖中，在電荷堆積裝置104b和控制和讀出晶體管M8、M9的圖示下面，4個簡圖以與上面的像素圖示在空間上對齊的方式，描繪了在像素246d的運行循環(huán)的不同階段在電荷堆積裝置104b和控制和讀出晶體管M8、M9中的勢能和電荷堆積。
在圖1lA描繪的復位階段298，可以在第一電極294、第二電極186、浮動柵184和第三電極188下面從左向右建立電勢梯度，并將邏輯高或高電壓值遞送至復位晶體管M8的柵，以從電荷堆積裝置104b清除從前一次運行殘留的任何電荷。
在像素246d的運行循環(huán)的第一階段302，然后可以增加在第三電極188下面的勢壘，高于在復位階段298中的勢壘和在浮動柵184上存在的勢壘。在像素運行循環(huán)的第二階段306，可以通過排出裝置擴散結128將電荷注射進電荷堆積裝置104b中。在第三階段310，可以從電荷堆積裝置104b消除注射的電荷，同時電荷包216保留在浮動柵184下面，這是由于在第二階段306中建立的浮動柵184和第三電極188之間的勢壘差。在運行循環(huán)的第四和最后一個階段314，可以在第三電極188、浮動柵184、第二電極186和第一電極186下面從右向左建立電勢梯度，以使電荷包216從浮動柵184下面向第一電極294下面移動。
然后可以重復該堆積循環(huán)多次，如圖11B-11C所示，以在第一電極294下面堆積多個電荷包216。
圖1lD描繪了一種讀出順序，以基于在第一電極294下面堆積的多個電荷包216的大小而產生輸出信號。所述讀出順序可以包括雙重采樣技術，其中提供第一輸出和第二輸出。所述第一輸出可以代表由存在于電荷堆積裝置104b的排出裝置128處的背景電荷水平產生的輸出。所述第二輸出可以代表由背景電荷水平和在第一電極294處堆積的多個電荷包216 (在它們已經轉移至電荷堆積裝置104b的排出裝置128以后)產生的輸出。從第二輸出減去第一輸出，因而可以生成電荷包216的更準確測量，其代表溶液離子濃度的測量。在讀出順序的第一階段318，可以由讀出晶體管M9提供第一輸出，同時多個電荷包216仍然堆積在第一電極294的下面。在讀出順序的第二階段322，可以在第一電極294、第二電極186、浮動柵184和第三電極188下面從左向右建立電勢梯度，以使多個電荷包216從第一電極294下面移動至電荷堆積裝置104b的排出裝置128。在第二階段322以后，在讀出順序的第三階段326，可以由讀出晶體管M8提供第二輸出。
圖1lD也描繪了圖10的像素實施方案246d的一行的滅活順序的2個階段330、334。
上面討論的實施方案的變化是可能的。盡管本文已經描繪和討論電荷堆積裝置的實施方案作為包括η-型源和排出裝置和在浮動柵和控制電極下面的P-型區(qū)域，在實施方案中，該關系還可以反轉，成為這樣的電荷堆積裝置:其包括P-型源和排出裝置和在柵和控制電極下面的η-型區(qū)域。盡管圖2描繪了在控制電極和浮動柵下面的外延ρ-型區(qū)域，在實施方案中，在控制電極和浮動柵下面的P-型或η-型區(qū)域可以包括擴散區(qū)域或其它類型的P-型或η-型區(qū)域，作為外延區(qū)域的替代或附加。盡管本文已經討論各種控制和讀出晶體管作為包括NMOS晶體管，在實施方案中，所述控制和讀出晶體管可以包括NMOS晶體管、PMOS晶體管或它們的任意組合。在有些實施方案中，像素陣列的像素的行和列可以共有一些或所有行和列線。盡管在本文討論的有些實施方案中，已經假定電荷載體和電荷包為電子，在其它實施方案中，電荷載體和電荷包可以包括空穴。盡管在本文中已經討論電荷堆積裝置的運行循環(huán)階段以特定次序發(fā)生且具有特定標記(例如，第一階段、第二階段等)，在其它實施方案中，可以對所述運行循環(huán)的標記和階段進行變化、重排、添加、減去等。盡管已經討論電荷堆積裝置的實施方案作為具有2個或3個控制電極，在其它實施方案中，所述電荷堆積裝置可以具有更多個或小于2個或3個控制電極。盡管本文已經描繪和討論了控制信號的某些實施方案，在其它實施方案中，各種控制信號可以采取不同的形式。
電荷堆積裝置104和離子敏感的像素246的其它實施方案也是可能的。例如，本文所述的電荷堆積裝置104和離子敏感的像素246的任意實施方案的任意特征可以任選地用于電荷堆積裝置104和離子敏感的像素246的任意其它實施方案中。電荷堆積裝置104和離子敏感的像素246的實施方案還可以任選地包括本文所述的電荷堆積裝置104和離子敏感的像素246的任意實施方案的組件或特征的任意子集。
盡管上面已經參照具體實施方案描述了本發(fā)明，本發(fā)明不限于上述實施方案和附圖所示的具體構型。所述運行過程也不限于在實施例中所示的那些。本領域技術人員會明白，本發(fā)明可以以其它方式來實現(xiàn)，而不脫離本發(fā)明的精神和實質特征。所述實施方案因此在所有方面都應視作示例性的，且不是限制性的。因此，本文意圖包括由所附權利要求(而不是前面的描述)指定的本發(fā)明的范圍，以及落入所述權利要求的含義和等效范圍內的所有變化。
本文具體地解釋和描述了本發(fā)明的幾個實施方案。但是，應當理解，上述教導覆蓋本發(fā)明的改進和變體。在其它情況下，沒有詳細描述公知的操作、組件和電路，以免影響對實施例的理解?？梢岳斫猓疚乃_的具體結構和功能細節(jié)可以是代表性的，而不一定限制實施方案的范圍。
本領域技術人員從前面的描述可以理解，本發(fā)明可以以多種形式實現(xiàn)，且各個實施方案可以單獨地或組合地實現(xiàn)。因此，盡管已經結合其具體實施例描述了本發(fā)明的實施方案，不應如此限制本發(fā)明的實施方案和/或方法的真實范圍，因為熟練的從業(yè)人員在研究附圖、說明書和下述權利要求以后會明白其它修改。
各個實施方案可使用硬件元件、軟件元件或者它們的結合來實現(xiàn)。硬件元件的實例可以包括:處理器、微處理器、電路、電路元件(例如晶體管、電阻器、電容器、電感器等)、集成電路、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯裝置(PLD)、數(shù)字信號處理器(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、邏輯門、寄存器、半導體器件、芯片、微芯片、芯片組等。軟件的實例可以包括:軟件組件、程序、應用、計算機程序、應用程序、系統(tǒng)程序、機器程序、操作系統(tǒng)軟件、中間件、固件、軟件模塊、例程、子例程、函數(shù)、方法、過程、軟件接口、應用程序接口(API)、指令集、計算代碼、計算機代碼、代碼段、計算機代碼段、字、值、符號或者它們的任何結合。確定實施方案是否使用硬件元件和/或軟件元件來實現(xiàn)，可根據(jù)任何數(shù)量的因素而改變，所述因素例如希望的計算速率、功率級、耐熱性、處理周期預算、輸入數(shù)據(jù)速率、輸出數(shù)據(jù)速率、存儲器資源、數(shù)據(jù)總線速度以及其它設計或性能限制。
一些實施方案可以例如使用計算機可讀介質或產品來實現(xiàn)，所述介質或產品可存儲指令或指令集，所述指令或指令集如果被機器執(zhí)行，會使所述機器執(zhí)行根據(jù)實施方案的方法和/或操作。這樣的機器可包括例如:任何適當?shù)奶幚砥脚_、計算平臺、計算裝置、處理裝置、計算系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、計算機、處理器等，并且可使用硬件和/或軟件的任何適當組合來實現(xiàn)。所述計算機可讀介質或產品可包括例如:任何適當類型的存儲器單元、存儲器裝置、存儲器產品、存儲器介質、存儲裝置、存儲產品、存儲介質和/或存儲單元，例如存儲器、可移動或不可移動介質、可擦除或不可擦除介質、可寫或可重寫介質、數(shù)字或模擬介質、硬盤、軟盤、光盤只讀存儲器(CD-ROM)、可記錄光盤(CD-R)、可重寫光盤(CD-RW)、光盤、磁介質、磁光介質、可移動存儲卡或盤、各種類型的數(shù)字多功能光盤(DVD)、磁帶、盒式磁帶等。所述指令可以包括任何適當類型的代碼，例如源代碼、編譯代碼、解釋代碼、可執(zhí)行代碼、靜態(tài)代碼、動態(tài)代碼、加密代碼等，所述代碼使用任何適當?shù)母呒壍?、低級的、面向對象的、可視的、編譯的和/或解釋的編程語言來實現(xiàn)。
權利要求
1.一種離子敏感的電路，其包括: 電荷堆積裝置，其用于堆積多個電荷包，作為流體離子濃度的函數(shù)，所述電荷堆積裝置包括: 在第一電極半導體區(qū)域之上的第一電荷控制電極，其用于響應于施加在第一電極上的第一控制信號而控制電荷進入柵半導體區(qū)域；和 在柵半導體區(qū)域之上且在離子敏感的鈍化表面之下的電浮動柵結構，其構造成接收所述流體； 在第二電極半導體區(qū)域之上的第二電荷控制電極，其響應于施加在第二電極上的第二控制信號而控制所述多個電荷包離開所述柵半導體區(qū)域和進入排出裝置擴散區(qū)域的轉移；和 排出裝置擴散區(qū)域，其接收經由所述第二電極半導體區(qū)域來自所述柵半導體區(qū)域的所述多個電荷包， 在所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域處的至少一個控制和讀出晶體管，其用于產生輸出電壓，作為堆積的所述多個電荷包的函數(shù)，其中所述輸出電壓代表溶液的離子濃度。
2.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其另外包括控制電路，所述控制電路構造成產生和提供注射控制信號，以通過所述第一電極半導體區(qū)域將電荷注射進所述柵半導體區(qū)域。
3.根據(jù)權利要求2所述的離子敏感的電路，其另外包括在所述第一電極半導體區(qū)域附近的源擴散區(qū)域，其中所述注射控制信號包括提供給所述源擴散區(qū)域的源控制信號，以通過所述源擴散區(qū)域將所述電荷注射進所述柵和第一電極半導體區(qū)域中。
4.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其另外包括控制電路，以產生并給所述第二控制電極提供所述第二控制信號，以將所述多個電荷包中的每一個從所述柵半導體區(qū)域穿過所述第二電極半導體區(qū)域一次一個地逐個地轉移至所述排出裝置擴散區(qū)域。
5.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其另外包括控制電路，以產生并給至少一個讀出晶體管提供讀出控制信號，從而在已經將所述多個電荷包從所述柵半導體區(qū)域一次一個地逐個地轉移至所述排出裝置擴散區(qū)域以后，產生輸出信號。
6.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其中所述電荷堆積裝置和所述至少一個讀出晶體管形成像素電路，且所述離子敏感的電路另外包括多個排列成離子敏感的像素陣列的像素電路。
7.根據(jù)權利要求6所述的離子敏感的電路，其中所述像素陣列包括像素電路的多行和多列，每行包括一個或多個行控制和數(shù)據(jù)線，且每列包括一個或多個列控制和數(shù)據(jù)線。
8.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其另外包括控制電路，所述控制電路構造成控制所述電荷堆積裝置，以在可選擇的電荷包堆積頻率，將所述多個電荷包中的每一個從所述柵半導體區(qū)域穿過所述第二電極半導體區(qū)域逐個地轉移至所述排出裝置擴散區(qū)域。
9.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其另外包括控制電路，所述控制電路構造成控制所述電荷堆積裝置和至少一個讀出晶體管，以在可選擇的輸出產生頻率，產生輸出信號，作為在所述排出裝置擴散區(qū)域處堆積的所述多個電荷包的函數(shù)。
10.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路， 其中所述至少一個控制和讀出晶體管包括:復位晶體管，其連接至所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域、行控制線和列控制線；和 第一和第二讀出晶體管，它們連接至所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域、列控制線和列數(shù)據(jù)線，其中所述第一讀出晶體管以源極跟隨器構型相連，所述第二讀出晶體管以共源共柵構型相連。
11.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其中所述至少一個控制和讀出晶體管包括: 復位晶體管，其連接至所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域、行控制線和列控制線；和 讀出晶體管，其連接至所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域、所述電荷堆積裝置的源擴散區(qū)域、列控制線和列數(shù)據(jù)線。
12.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其中所述至少一個控制和讀出晶體管包括: 復位晶體管，其連接至所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域、行控制線和列控制線；和 讀出晶體管，其連接至所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域、列控制線和列數(shù)據(jù)線。
13.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其中所述電荷堆積裝置包括與所述第一電極半導體區(qū)域鄰近的 源擴散區(qū)域，所述第一電極半導體區(qū)域與所述柵半導體區(qū)域鄰近，所述柵電極半導體區(qū)域與所述第二電極半導體區(qū)域鄰近，且所述第二電極半導體區(qū)域與所述排出裝置擴散區(qū)域鄰近。
14.根據(jù)權利要求1所述的離子敏感的電路，其中所述電荷堆積裝置包括在第三電極半導體區(qū)域上面的第三電荷控制電極，以在所述多個電荷包被轉移至所述排出裝置擴散區(qū)域之前，控制所述多個電荷包在所述第三電極半導體區(qū)域中的堆積。
15.—種檢測流體離子濃度的方法，所述方法包括: 使具有離子濃度的流體在離子敏感電路的電荷堆積裝置的柵結構上面的離子敏感的鈍化表面之上經過； 在位于所述柵結構下面的所述電荷堆積裝置的柵半導體區(qū)域中一次一個地逐個地形成多個電荷包，作為所述流體離子濃度的函數(shù)； 將控制信號施用于在所述電荷堆積裝置的電極半導體區(qū)域上面的控制電極，以控制所述電荷包一次一個地從所述柵半導體區(qū)域轉移； 以可選擇的電荷包堆積頻率，在所述電荷堆積裝置的排出裝置擴散區(qū)域處堆積所述多個電荷包；和 以可選擇的輸出信號產生頻率，使用至少一個控制和讀出晶體管在所述排出裝置區(qū)域處產生輸出信號，作為堆積的所述多個電荷包的函數(shù)，其中所述輸出信號代表所述流體離子濃度的量度。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其另外包括:響應于所述控制信號向所述控制電極的施加，一次一個地逐個地轉移所述多個電荷包穿過所述電極半導體區(qū)域。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其另外包括:穿過第二控制電極區(qū)域，從源區(qū)域將電荷注射進所述柵半導體區(qū)域中，以提供電荷形成所述電荷包。
18.根據(jù)權利要求15所述的方法，其另外包括:在堆積所述多個電荷包之前，除去以前在所述排出裝置擴散區(qū)域處堆積的任何電荷包。
19.根據(jù)權利要求1 5所述的方法，其中所述輸出信號產生頻率小于電荷包堆積頻率。
全文摘要
一種離子敏感的電路可以包括電荷堆積裝置(其用于堆積多個電荷包，作為流體離子濃度的函數(shù))和至少一個控制和讀出晶體管(以產生輸出信號，作為堆積的多個電荷包的函數(shù))，所述輸出信號代表溶液的離子濃度。所述電荷堆積裝置可以包括在第一電極半導體區(qū)域之上的第一電荷控制電極、在柵半導體區(qū)域之上且在離子敏感的鈍化表面之下的電學浮動柵結構、在第二電極半導體區(qū)域之上的第二電荷控制電極、和排出裝置擴散區(qū)域。所述第一控制電極可以響應于第一控制信號而控制電荷進入柵半導體區(qū)域。所述離子敏感的鈍化表面可以構造成接收流體。
文檔編號G01N27/403GK103154718SQ201180042047
公開日2013年6月12日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權日2010年6月30日
發(fā)明者K.G.法伊夫 申請人:生命科技公司