应用于生物芯片中的CMOS荧光检测系统的设计和研究

论文摘要

基于荧光的检测方法是诸多生物实验中最重要的检测技术之一。而基于Si工艺的荧光检测芯片以其低成本,低功耗,高灵敏度等优点在很多荧光检测实验中获得了广泛的关注。本文着重研究一种基于CMOS工艺的荧光检测系统芯片的设计和荧光检测实验方案的改进,论文主要包括以下几方面内容:在荧光检测系统设计方面,本文首先根据现有的工艺参数,建立了CMOS工艺光电二极管的光电转换模型,推导出光电转换效率的数学表达式,并且通过仿真和实际流片验证了该模型。除此,还分析比较了三种CMOS工艺兼容的光电二极管在灵敏度,峰值响应和暗电流等方面的差异,为荧光检测实验中选择适当的光电二极管提供了有利的理论基础。其次,本文提出一种新型的电容跨阻放大器（CTIA）结构读出电路来实现微弱荧光产生的光电流到电压的转换。这种结构拥有更高的光电流-电压转换增益,同时能够帮助光电二极管获得更好的暗电流特性。所提出的T型复位开关有效避免了积分期间复位开关漏电流的影响。最后,本文设计了一个12-bit,10-MS/s的流水线模数转换器（ADC）来实现检测芯片的数字化输出,为了获得较低的功耗和较小芯片面积,本文中的ADC采用了如下一些技术:通过对ADC模拟通路噪声和功耗模型的建立,确定2.5位的级分辨率;消除传统结构中的采样/保持电路;采用交换反馈电容开关（CFCS）技术来减轻级电路中采样电容的匹配要求;带有采样电容和预放大器的动态比较器;增益自举共源共栅放大器等等。本文通过SMIC 0.18-μm混合信号CMOS工艺对所设计的荧光检测芯片进行流片验证。芯片面积3 mm2（包括PAD部分面积）,消耗功耗37 mW。实验结果表明,所提出的光电转换模型与测试结果基本相符合,用于荧光检测实验的Nwell/Psub光电二极管在580 nm波长处拥有最大的光电转换灵敏度0.176 A/W。所采用的改进CTIA结构读出电路功能正确,电荷-电压转换增益为1.6μV/e-,这种结构令Nwell/Psub光电二极管在300 mV反向偏压条件下,暗电流仅为300fA（3 nA/cm2）。所设计的ADC的最大微分非线性（DNL）和最大积分非线性（INL）分别为+0.8 LSB和-3LSB。并且,当采样时钟为10 MHz,输入频率为1 MHz时,ADC与杂散无关的动态范围（SFDR）为61.7 dB,信号与噪声及谐波失真比（SNDR）为56.2 dB。在荧光实验方面,本文采用了一种“接触式”检测方法,即将荧光产生池直接放到芯片表面,从而有效避免了额外的光学仪器和光学通路带来的荧光损失。实验证明,利用所设计的CMOS荧光检测芯片配合“接触式”检测方法能够在室温下成功检测到由荧光素溶液产生的荧光。当荧光素溶液体积为2 ml时,芯片在50 ms积分时间条件下,能够检测到的最小荧光强度为3.5 nW/cm2,最小光电流7 fA,此时荧光素溶液浓度为20 ng/ml。当荧光素溶液体积为0.5μl时,芯片在10 ms积分时间内,能够检测到浓度为625 ng/ml的荧光素溶液产生的荧光,并在光电二极管内产生约为36 fA的光电流,此时照在芯片表面的荧光强度约为18 nW/cm2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 国内外研究近况
• 1.3 论文的动机和目标
• 1.4 论文的主要工作和创新
• 第2章 荧光检测技术的研究
• 2.1 荧光检测技术
• 2.2 荧光检测系统研究
• 2.3 小结
• 第3章 光电探测器的设计
• 3.1 适用于荧光检测系统的探测器
• 3.1.1 光电倍增管（PMT）
• 3.1.2 雪崩二极管（APD）
• 3.1.3 电荷耦合器件（CCD）
• 3.1.4 CMOS工艺兼容器件
• 3.2 CMOS光电二极管光电转换模型分析
• 3.2.1 半导体光吸收
• 3.2.2 光电转换模型建立
• 3.2.3 光电二极管暗电流分析
• 3.3 仿真结果
• 3.4 小结
• 第4章 光电传感器读出电路设计
• 4.1 光电探测器主要噪声源
• 4.2 传统3T型读出电路
• 4.2.1 积分电容非线性
• 4.2.2 复位噪声影响
• 4.2.3 复位误差
• 4.2.4 暗电流影响
• 4.3 伪差分CTIA型读出电路
• 4.3.1 工作原理
• 4.3.2 性能比较
• 4.4 小结
• 第5章 模数转换器的体系结构优化和电路设计
• 5.1 ADC设计基础
• 5.1.1 性能参数定义
• 5.1.2 非理想因素及影响
• 5.2 流水线ADC体系结构优化
• 5.3 基于结构优化的12-bit，10-MS/s流水线型ADC的设计
• 5.3.1 2.5位级电路设计
• 5.3.2 OTA的设计
• 5.3.3 比较器的设计
• 5.3.4 其它模块
• 5.3.5 版图设计
• 5.4 小结
• 第6章 实验结果
• 6.1 光电探测器及读出电路测试
• 6.2 ADC测试
• 6.2.1 ADC测试方案
• 6.2.2 PCB设计
• 6.2.3 测试结果及分析
• 6.3 荧光检测实验
• 6.4 小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢