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GMR生物传感器及其专用锁相放大器芯片的设计

作　者: 张立
导　师: 兰中文
学　校: 电子科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 巨磁阻生物传感器锁相放大器芯片 BiCOMS
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

巨磁阻(GMR)生物传感器是近年来在国内外争相研究的一个新的热点,由于其可广泛用于各种生物信息的探测与识别,具有非常重要的研发价值。通常,GMR生物传感器由免疫磁性标记、GMR传感器芯片和以锁相放大器为核心的检测输出电路等三部分组成。其中,GMR传感器正处在研发和试用阶段,难以同时满足在生物检测中的高灵敏度、低矫顽力等要求;同时检测用的商用锁相放大器存在价格昂贵以及不宜携带等诸多问题,难以满足生物信号检测需要。针对上述问题,本论文设计了一款用于生物检测的GMR传感器芯片,而且考虑到传感器后端的信号检测问题,同时还研发设计了一款专用于GMR生物芯片的锁相放大器芯片。GMR传感器芯片作为GMR生物传感器的核心部件之一,具有高灵敏度、高磁电阻变化率及低矫顽力等优点。其专用的锁相放大器芯片,充分考虑到噪声抑制问题,将检测电路中的低噪声放大器和带通滤波器完全集成到一起,使GMR生物传感器更加集成,具有更好的实用性。本文所设计的GMR传感器芯片在结构方面,包括多项生物检测所需要的16个传感单元和一个参考标准单元;同时利用中科院磁学国家重点实验室的技术优势和制造平台,制备出了高灵敏度、高磁电阻变化率及低矫顽力的GMR传感器芯片,并完成了GMR传感器芯片的磁场响应测试,其结果表明GMR传感器芯片与锁相放大器芯片能达到噪声匹配。对于锁相放大器芯片,采用了正交矢量型锁相放大器的基本结构,并对系统结构做了如下修改:1、将低噪声放大器和带通滤波器完全集成到一起;2、在锁相放大器参考通道中增加了单转双电路、倍频器及方波转换电路。整个芯片包括前置低噪声放大器模块、信号检测与调制模块、倍频及正交方波信号产生模块和带隙基准源模块。电路设计基于0.35μm BiCOMS n阱工艺,采用Cadence Spectre对电路的仿真结果表明设计的芯片能够检测幅度低至1μV的有用信号,且具有很强的噪声拟制能力。此后,在新加坡的Chartered半导体公司流片,并于甘肃天水华天公司完成了芯片封装;最后,完成了芯片的测试电路设计及PCB板研制,结果表明性能指标基本达到设计要求,符合实际需求。

GMR生物传感器及其专用锁相放大器芯片的设计

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