自组装膜生物传感微阵列的读出电路研究

论文摘要

自组装膜(SAMs)生物传感微阵列(微阵列)是以性能卓越的SAMs作为生物识别敏感膜的生物微传感器、是生化领域与微电子领域的重要结合,是本世纪的热点研究方向。本选题针对1×4安培型SAMs传感微阵列的微弱电流信号,对其CMOS读出电路以及CMOS读出电路与传感微阵列的集成进行了研究,为传感芯片的实用化进程打下了基础。以安培型SAMs生物传感微阵列为研究对象,分析了其输出信号的特点,根据传感微电极的反应特性,建立了传感微电极的电学模型。恒电位仪电流积分单元是读出电路中至关重要的组成部分,其中的恒电位仪起到了将传感微电极的信号引入到读出电路中的作用,隔离了读出电路部分与传感微阵列部分,使两部分的信号之间不会互相干扰,这样就保证了传感微阵列正常稳定的工作;同时恒电位仪中的运算放大器采用了4个运算放大器共享一个半边的电路的新颖结构,有效降低了电路的功耗,节省了版图面积,并且运算放大器的负反馈工作状态,保证了读出电路工作的稳定性。最后,对该单元进行了PSpice模拟仿真。电路中采用移位寄存器构成的自动数据选通单元,将4路传感微电极的电流积分信号分时送往相关双采样(CDS)单元,实现多路信号的串行输出,节省了输出端口,为与后续处理电路的连接提供了方便。移位寄存器是自动数据选择单元中的核心部分,比较了两种移位寄存器单元电路,并对其进行了PSpice模拟仿真,准静态CMOS移位寄存器,具有通用性好、时钟信号简单等优点。在读出电路中,CDS技术是目前应用最为成功的噪声抑制技术。CDS可以降低读出电路的噪声。提出了一种新的相关双采样电路,并对进行了PSpice模拟仿真。读出电路的输出缓冲单元采用源随器可以提高电路的负载区配能力。在对整体电路进行了PSpice模拟仿真的基础上,采用0.6μm DPDM N阱标准CMOS工艺规范,设计了读出电路版图,并给出了版图后仿真结果。读出电路的正常工作,必须需要外加驱动信号,本文采用VHDL语言,设计了读出电路的驱动信号,并进行了仿真验证。最后,对传感微阵列与CMOS读出电路进行集成的各种可能方案进行了分析,针对微传感器的实际情况研究了一种可行性的初步集成方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 生物传感器概述
• 1.2.1 生物传感器原理
• 1.2.2 电化学生物传感器
• 1.2.3 生物传感器的应用
• 1.2.4 生物传感器的发展趋势
• 1.3 自组装成膜技术
• 1.4 微阵列简介
• 1.5 CMOS 集成电路技术
• 1.6 课题的研究内容
• 1.7 课题研究的意义
• 2 SAMs 微阵列生物传感芯片
• 2.1 SAMs 微阵列生物传感芯片的构成
• 2.2 SAMs 传感微阵列的分子识别原理
• 2.3 SAMs 传感微电极的输出信号及其电路模型
• 2.3.1 SAMs 传感微电极的输出信号
• 2.3.2 微电极的结构及其电路模型
• 2.4 本章小结
• 3 传感微阵列读出电路的结构
• 3.1 微弱电流检测原理
• 3.2 微弱电流检测常用方法
• 3.2.1 分立元件检测电路
• 3.2.2 CMOS 电流模检测电路
• 3.2.3 CMOS 电流镜积分电路
• 3.2.4 电容充放电检测法
• 3.3 恒电位仪电流积分检测法
• 3.4 传感器读出电路的组成
• 3.5 本章小结
• 4 传感微阵列读出电路的设计
• 4.1 恒电位仪电流积分单元的设计
• 4.1.1 运算放大器的设计
• 4.1.2 恒电位仪电流积分单元的仿真
• 4.2 自动数据选择器的设计
• 4.2.1 CMOS 传输门
• 4.2.2 CMOS 移位寄存器的设计
• 4.2.3 自动数据选择器的仿真
• 4.3 相关双采样单元的设计
• 4.3.1 CMOS 读出电路的噪声分析
• 4.3.2 相关双采样概述
• 4.4 缓冲器的设计
• 4.5 整体电路的仿真
• 4.6 本章小结
• 5 读出电路版图的设计
• 5.1 引言
• 5.2 IC 版图的设计方法
• 5.3 IC 版图层次
• 5.4 几何设计规则
• 5.4.1 宽度规则
• 5.4.2 间距规则
• 5.4.3 交叠规则
• 5.5 读出电路版图设计
• 5.5.1 版图的规划
• 5.5.2 设计准则
• 5.6 版图的分析和检验
• 5.7 版图后仿真
• 5.8 读出电路版图
• 5.9 本章小结
• 6 读出电路驱动信号的设计
• 6.1 引言
• 6.2 驱动信号的设计
• 6.3 本章小结
• 7 读出电路与传感微阵列集成的探讨
• 7.1 引言
• 7.2 CMOS-MEMS 集成方案
• 7.2.1 Pre-CMOS 工艺
• 7.2.2 Intermediate-CMOS 工艺
• 7.2.3 Post-CMOS 工艺
• 7.2.4 系统级集成工艺
• 7.3 读出电路与传感微阵列集成方案探讨
• 7.4 本章小结
• 8 论文总结与展望
• 8.1 论文的主要工作
• 8.2 论文的创新点
• 8.3 对今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录