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应用于生物芯片中的CMOS荧光检测系统的设计和研究

作　者: 刘楠
导　师: 洪志良
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: CMOS荧光检测芯片 “接触式”检测光电二极管 CTIA 流水线结构模数转换器 T型复位开关 CFCS技术 2.5位级电路
分类号: TN407
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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 mm~2(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/cm~2)。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/cm~2,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/cm~2。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
第1章引言  10-16
  1.1 论文的研究背景  10-11
  1.2 国内外研究近况  11-12
  1.3 论文的动机和目标  12-13
  1.4 论文的主要工作和创新  13-16
第2章荧光检测技术的研究  16-20
  2.1 荧光检测技术  16-17
  2.2 荧光检测系统研究  17-19
  2.3 小结  19-20
第3章光电探测器的设计  20-35
  3.1 适用于荧光检测系统的探测器  20-24
    3.1.1 光电倍增管(PMT)  20
    3.1.2 雪崩二极管(APD)  20-21
    3.1.3 电荷耦合器件(CCD)  21-22
    3.1.4 CMOS工艺兼容器件  22-24
  3.2 CMOS光电二极管光电转换模型分析  24-33
    3.2.1 半导体光吸收  24-26
    3.2.2 光电转换模型建立  26-31
    3.2.3 光电二极管暗电流分析  31-33
  3.3 仿真结果  33-34
  3.4 小结  34-35
第4章光电传感器读出电路设计  35-49
  4.1 光电探测器主要噪声源  35-37
  4.2 传统3T型读出电路  37-42
    4.2.1 积分电容非线性  38-39
    4.2.2 复位噪声影响  39-41
    4.2.3 复位误差  41-42
    4.2.4 暗电流影响  42
  4.3 伪差分CTIA型读出电路  42-48
    4.3.1 工作原理  42-44
    4.3.2 性能比较  44-48
  4.4 小结  48-49
第5章模数转换器的体系结构优化和电路设计  49-83
  5.1 ADC设计基础  49-55
    5.1.1 性能参数定义  49-51
    5.1.2 非理想因素及影响  51-55
  5.2 流水线ADC体系结构优化  55-61
  5.3 基于结构优化的12-bit，10-MS/s流水线型ADC的设计  61-82
    5.3.1 2.5位级电路设计  61-69
    5.3.2 OTA的设计  69-72
    5.3.3 比较器的设计  72-74
    5.3.4 其它模块  74-77
    5.3.5 版图设计  77-82
  5.4 小结  82-83
第6章实验结果  83-102
  6.1 光电探测器及读出电路测试  83-86
  6.2 ADC测试  86-91
    6.2.1 ADC测试方案  86-87
    6.2.2 PCB设计  87-88
    6.2.3 测试结果及分析  88-91
  6.3 荧光检测实验  91-101
  6.4 小结  101-102
第7章总结与展望  102-104
参考文献  104-112
攻读博士学位期间发表的论文  112-113
致谢  113-114

应用于生物芯片中的CMOS荧光检测系统的设计和研究

内容摘要

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