ANORDNUNG ZUR MESSUNG VON IONENKONZENTRATIONEN

IN LÖSUNGEN

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von lonenkonzeπtratio- nen in Lösungen mit ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs).

Es besteht ein zunehmender Bedarf an Anordnungen zur Bestimmung von lonenkonzentrationen, wobei vor allem im Bereich der Biomedizin, z.B. für Messungen an Blut oder Urin, Anordnungen gewünscht werden, die auf kleinstem Raum integrierbar sind.

Die Funktion chemischer Sensoren auf der Grundlage von ionensensitiven Feldeffekttransistoren basiert auf der Veränderung der Schwellspannung eines ISFET in Abhängigkeit von der lonenkonzentration in flüssigen Elek¬ trolyten. Die Aufgabe einer Schaltungsanordnung zur Bestimmung der lonenkonzentration mit ISFETs beschränkt sich damit auf eine Schwell- spannungsmessung. Dabei liegt die Schwierigkeit u.a. darin, daß bei realen ISFETs das erwünschte Sensorsignal auch eine starke Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungseinflüssen aufweist sowie durch alterungsbe¬ dingte Schwellspannungsdriften beeinflußt wird.

Stand der Technik:

Eine verbreitete Methode zur Bestimmung der lonenkonzentration ist die Messung der Schwellspannungsdifferenz zwischen einem ISFET und einem Referenz-MOSFET, die in einer gegengekoppelten Differenzverstär¬ keranordnung arbeiten. Mit dieser Methode können jedoch nur die parasi¬ tären Schwellspannungseinflusse kompensiert werden, die durch die MOSFET-Anordnung selbst verursacht werden, so daß z.B. äußere Ein-

flüsse, die auf MOSFET und ISFET unterschiedlich wirken, zu Fehlmes¬ sungen führen (Arbeitspunktabhängigkeit der Schwellspannung). Nachtei¬ lig ist weiterhin, daß die Anordnung nur in einem engen Bereich um den vorgeschriebenen Arbeitspunkt funktionsfähig ist, so daß technologische sowie betriebsbedingte Parameterschwankungen nicht ausgleichbar sind. Wesentlich bessere Ergebnisse sind zu erzielen, wenn die Schwellspan¬ nungsdifferenz zweier unterschiedlich empfindlicher ISFETs ausgewertet wird. Der Einsatz unterschiedlich empfindlicher ISFETs setzt die technolo¬ gische Beherrschung unterschiedlich sensitiver Schichten beim Herstel¬ lungsprozeß voraus (siehe z.B. Isemi Igarashi et al: Multiple Ion Sensor Array, Sensors and Actuators, B1 (1990) 8-11). Die Messung dieser Schwellspannungsdifferenz ist nicht mehr in der vorher geschilderten Weise in einem einfachen Differenzverstärker möglich, da die beiden ISFETs einen gemeinsamen Gateanschluß in der elektrolytischen Lösung haben.

Die in "A. Sibbald: A Chemical-Sensitive Integrated-Circuit: The Operational Transducer, Sensors and Actuators, 7 (1985) 23-28" auf Seite 27 beschrie¬ bene Subtrahierverstärkeranordnung hat den Nachteil, daß in das Meßer¬ gebnis weitere schaltungsbedingte Größen eingehen, und daß vom Aus¬ gangssignal der Schaltung über den Arbeitspunktstrom auf das eigentliche Sensorsignal zurückgerechnet werden muß. Ein weiterer Nachteil ist, daß die beiden FETs zwangsläufig an verschiedenen Arbeitspunkten betrieben werden, so daß eine Kompensation von Umgebungseinflüssen mit dieser Schaltung nicht möglich ist.

In der DE 3216791 ist eine Anordnung zur Messung der lonenkonzentra¬ tion mit unterschiedlich sensitiven ISFETs beschrieben, bei der der Drain¬ strom der ISFETs durch Nachregeln der Gatespannung konstant gehalten und die dafür nötige Spannungsänderung ausgewertet wird. Die vorge¬ schlagene Anordnung hat den Nachteil, daß Störgrößen, die z.B. durch den Verstärker selbst oder durch betriebsbedingte oder technologische Toleranzen verursacht sein können, nicht ausgleichbar sind. Die für die fehlerfreie Funktion der Anordnung notwendige Voraussetzung, daß die Differenz der Steilheiten der ISFETs konstant sein muß, kann bei realen ISFETs i.a. nicht gewährleistet werden, so daß sich dadurch eine zusätzli-

ehe Fehlerquelle ergibt.

Darstellung der Erfindung:

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung an¬ zugeben, mit der die Schwellspannungsdifferenz zweier für die zu mes¬ sende lonensorte unterschiedlich oder gleich empfindlicher ISFETs direkt und unabhängig von technologisch bedingten Toleranzen, betriebsbe¬ dingten Parameterschwankungen und Umgebungseinflüssen als analoge Ausgangsspannnung bereitgestellt werden kann, und die die Prüfung von ISFETs auf identische Parameter ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung ge¬ löst, die aus zwei Meßverstärkern besteht. In den Eingangsstufen dieser Meßverstärker sind jeweils zwei ISFETs und zwei identische FETs so ver¬ schaltet, daß die Ausgangsspannung des ersten Meßverstärkers der Diffe¬ renz aus dem Mittelwert der beiden ISFET-Schwellspannungen und der FET-Schwellspannung und die Ausgangsspannung des zweiten Meßver¬ stärkers der Differenz der beiden ISFET-Schwellspannungen dieses Ver¬ stärkers entspricht. Am Ausgang des ersten Meßverstärkers stellt sich so¬ mit stets die Offsetspannung der Gesamtanordnung ein, die sich z.B. auf¬ grund äußerer Einflüsse zeitlich verändern kann. Durch Verbinden des Ausgangs des ersten Meßverstärkers mit der gemeinsamen Referenzelek¬ trode der vier ISFETs wird der Arbeitspunkt des zweiten Meßverstärkers festgelegt. Damit wird erreicht, daß die Differenzbildung im zweiten Me߬ verstärker immer symmetrisch zu dem durch den ersten Meßverstärker festgelegten Arbeitspunkt erfolgt. Die Ausgangsspannung des zweiten Meßverstärkers stellt das Sensorsignal dar, d.h. die Schwellspannungsdif¬ ferenz zweier ISFETs, wobei für eine fehlerfreie Messung die ISFETs und FETs des ersten Meßverstärkers identisch denen des zweiten Meßverstär¬ kers sein müssen. Die in dieser Schaltung eingesetzten FETs können z.B. MOSFETs sein.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung läßt sich die Schwell-

Spannungsdifferenz zweier ISFETs direkt, d.h. z.B. ohne zusätzlichen Re¬ chenaufwand, als analoge Ausgangsspannung bereitstellen. Da der Ar¬ beitspunkt des zweiten Meßverstärkers durch den Ausgang des ersten Meßverstärkers bestimmt wird, erfolgt die Differenzbildung automatisch immer symmetrisch zum eingestellten Arbeitspunkt. Damit ist die Messung durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise unabhängig von technologisch bedingten Toleranzen der Bauteile, alte¬ rungsbedingten Schwellspannungsdriften oder Schwankungen der Be¬ triebsparameter, wie z.B. Temperaturänderungen oder Änderungen der Betriebsspannung. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich weiterhin z.B. als CMOS-Schaltung in einem modifizierten Standard-Prozeß zusammen mit den ISFET-Sensoren auf einem Chip integrieren, so daß damit Messungen auf kleinstem Raum möglich sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 werden in den Eingangsstufen der beiden Meßverstärker jeweils zwei für die zu messende lonensorte unterschiedlich empfindliche ISFETs eingesetzt. Mit dieser Schaltungsanordnung lassen sich die Vorteile bei der Bestimmung der lonenkonzentration mit unterschiedlich empfindlichen ISFETs mit den bereits oben angegebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verbinden.

In Anspruch 3 wird eine Variante der erfindungsgemäßen Schaltungsan¬ ordnung beschrieben, bei der in den Eingangsstufen der beiden Meßver¬ stärker jeweils zwei gleich empflindliche ISFETs eingesetzt werden. Mit die¬ ser Anordnung ist es in vorteilhafter Weise möglich, örtliche Konzentrati¬ onsunterschiede in einer elektrolytischen Lösung (z. B. in einer Kapillare) zu erfassen.

Bei der Messung werden die beiden ISFETs des zweiten Meßverstärkers getrennt an zwei unterschiedlichen Orten in der zu messenden Lösung an¬ geordnet. Die beiden ISFETs des ersten Meßverstärkers können z. B. zu¬ sammen mit der Referenzelektrode zentral zwischen den Positionen der beiden ISFETs des zweiten Meßverstärkers angeordnet sein. Sind die lo-

nenkonzentrationen an den beiden Orten der ISFETs des zweiten Meßver¬ stärkers identisch, so liegt keine Spannung (U ≠ OV) am Ausgang der er¬ findungsgemäßen Schaltungsanordnung an.

Bei Konzentrationsunterschieden erhält man ein entsprechendes Aus¬ gangssignal.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung setzt sich der erste Meßverstärker nach Anspruch 4 aus einer bekannten Operationsverstärkerschaltung zusammen, bei der die Eingangsdifferenzstufe durch eine Anordnung aus zwei Differenzver¬ stärkerstufen ersetzt ist. Diese Differenzverstärkerstufen bestehen jeweils aus einer Stromquelle, einem FET und einem ISFET, die in folgender Weise verschaltet sind:

Die Sourceanschlüsse der FETs und der ISFETs sind jeweils mit der Strom¬ quelle, die Drainanschlüsse der ISFETs mit einem für beide Differenzver¬ stärker gemeinsamen Lastelement, die Drainanschlüsse der FETs mit einem zweiten für beide Differenzverstärker gemeinsamen Lastelement, und die Gateanschlüsse der beiden FETs mit dem Bezugspotential (Masse) verbunden.

Die Verbindungen der Lastelemente mit den Drainanschlüssen der ISFETs und FETs sind so in die Operationsverstärkerschaltung eingebunden, daß ausgehend von den Drainanschlüssen der FETs bis zum Ausgang des Verstärkers ein negatives Vorzeichen der Verstärkung und ausgehend von den Drainanschlüssen der ISFETs bis zum Ausgang des Verstärkers ein positives Vorzeichen der Verstärkung auftritt.

Anspruch 5 bezieht sich auf eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der sich der zweite Me߬ verstärker aus einer bekannten Operationsverstärkerschaltung zusam¬ mensetzt, bei der die Eingangsdifferenzstufe durch eine Anordnung aus zwei Differenzverstärkerstufen ersetzt ist. Diese Differenzverstärkerstufen bestehen jeweils aus einer Stromquelle, einem FET und einem ISFET, die in folgender Weise verschaltet sind: Die Sourceanschlüsse der FETs und der ISFETs sind jeweils mit der Strom-

quelle, die Drainanschlüsse des ISFET des ersten Differenzverstärkers und des FET des zweiten Differenzverstärkers mit einem gemeinsamen Last¬ element, und die Drainanschlüsse des FET des ersten Differenzverstärkers und des ISFET des zweiten Differenzverstärkers mit einem zweiten ge¬ meinsamen Lastelement verbunden. Der Gateanschluß des ersten FET ist mit dem Bezugspotential (Masse), der Gateanschluß des zweiten FET mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden.

Die Verbindungen der Lastelemente mit den Drainanschlüssen der ISFETs und FETs sind so in die Operationsverstärkerschaltung eingebunden, daß ausgehend vom Verbindungspunkt des ersten Lastelementes mit den Drainanschlüssen bis zum Ausgang des Verstärkers ein negatives Vorzei¬ chen der Verstärkung und ausgehend vom Verbindungspunkt des zweiten Lastelementes mit den Drainanschlüssen bis zum Ausgang des Verstär¬ kers ein positives Vorzeichen der Verstärkung auftritt.

In besonderer Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden layoutgleiche FETs und ISFETs verwendet. Die vier identischen FETs sind so dimensioniert, daß sie etwa die gleiche Steilheit wie die vier ISFETs aufweisen. Die vier identischen Ströme der Stromquellen werden so eingestellt, daß die Arbeitspunkte der ISFETs und FETs tief im aktiven Bereich liegen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn gemäß Anspruch 7 als Feldeffekttransistoren (FETs) MOSFETs eingesetzt werden.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 werden die Ströme der Stromquellen durch eine Strombank aus MOSFETs bereitgestellt.

Anspruch 9 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Schaltungsanordnung dar, bei der die Referenzelektrode aus einem elektrisch gut leitfähigen und gegenüber der elektrolytischen Lösung che¬ misch resistenten Material, wie z. B. Gold oder Platin besteht.

Eine weitere Ausführungsform nach Anspruch 10 der Erfindung ergibt sich, indem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als CMOS-Schaltung ausgeführt und in einem modifizierten Standard-Prozeß zusammen mit den ISFETs auf einem Chip integriert wird. Damit sind mit der erfindungsgemä¬ ßen Schaltungsanordnung Messungen auf kleinstem Raum möglich.

Anspruch 11 bezieht sich auf den Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für die Prüfung von ISFETs. Während bei Verwen¬ dung identischer ISFETs am gleichen Ort in einer elektrolytischen Lösung die Schwellspannungsdifferenz Null beträgt, lassen sich Unterschiede der ISFETs, die z. B. auf technologische Parameterschwankungen beim Her¬ stellungsprozeß zurückzuführen sind, durch eine am Ausgang der Schal¬ tungsanordnung anliegende Spannung (U ψ OV) nachweisen. Eine Prüfung der ISFETs auf identische Parameter ist damit möglich.

Weg zur Ausführung der Erfindung:

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nun in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung der zwei Meßverstärker, die hier in CMOS-Technik nach dem Prinzip des OTA (operational transconductance amplifier) ausgeführt sind. Die Ströme zum Betrieb der beiden Meßverstärker 1 und 2 werden durch eine Strombank aus den MOSFETs 7, 8, 13, 14 und 15 bereitgestellt. Die Me߬ verstärker 1 und 2 unterscheiden sich nur in der Verschaltung ihrer Ein¬ gangsstufen. Bei der Eingangsstufe des Meßverstärkers 1 handelt es sich um die ein- und ausgangsseitige Parallelschaltung zweier Differenzverstär¬ ker aus MOSFET 3 bzw. 6 und ISFET 4 bzw. 5, wobei die beiden ISFETs 4 und 5 unterschiedliche Empfindlichkeiten besitzen können. Die Einbindung der Differenzstufen in die OTA-Schaltung erfolgt so, daß die Gates der MOSFETs den positiven Eingang der Verstärkeranordnung bilden. Den negativen Eingang des Verstärkers bilden die Gates der ISFETs, deren ge¬ meinsamer elektrischer Anschluß durch die in der elektrolytischen Lösung befindliche Elektrode 16 gebildet wird. Als Elektroden können elektrisch

gut leitfähige und chemisch resistente Materialien wie z. B. Gold oder Platin eingesetzt werden. Durch Verbindung der Referenzelektrode 16 mit dem Ausgang des Meßverstärkers 1 wird dieser voll gegengekoppelt und ar¬ beitet als Spannungsfolger bezogen auf den positiven Eingang, der mit dem Bezugspotential (Masse) verbunden ist. Damit stellt sich am Ausgang die Offsetspannung der Gesamtanordnung ein, die bei weitestgehend symmetrischem Aufbau genau den Wert der Differenz aus der Schwell¬ spannung der MOSFETs und dem Mittelwert der Schwellspannungen der ISFETs annimmt.

Im Meßverstärker 2 sind die Differenzanordnungen aus MOSFET 9 bzw. 12 und ISFET 10 bzw. 11 so verschaltet, daß der Gateanschluß des MOSFET 9 einen positiven Eingang des Verstärkers und das Gate des MOSFET 12 einen negativen Eingang bildet. Den gemeinsamen elektrischen Gatean¬ schluß der ISFETs 10 und 11 stellt wiederum die Referenzelektrode 16 dar, die auf der vom Meßverstärker 1 geregelten Spannung liegt. Signalmäßig stellt die Referenzelektrode in der elektrolytischen Lösung für den Meßver¬ stärker 2 einen Gleichtakteingang dar. Durch Gegenkopplung des Verstär¬ kers 2 als Spannungsfolger und Verbinden des positiven Eingangs mit Be¬ zugspotential entsteht an dessen Ausgang die durch die ISFETs 10 und 11 eingeprägte Schwellspannungsdifferenz, die dem Meßsignal entspricht. Durch die Wahl des Arbeitspunktes der Differenztransistoren 3...6 und 9...12 im aktiven Bereich und dadurch, daß die Differenzbildung immer symmetrisch zu dem durch den Verstärker 1 vorgegebenen Gleichtaktar¬ beitspunkt erfolgt, wird erreicht, daß die durch die quadratischen Kennli¬ nien der FETs bedingten Nichtlinearitäten ausreichend unterdrückt werden. Dadurch ist es möglich, auch bei Steilheitsunterschieden zwischen ISFET und MOSFET von bis zu 30% den Fehler des Sensorausgangssignales unter 0,5% zu halten.