應(yīng)用于生物芯片中的CMOS熒光檢測系統(tǒng)的設(shè)計和研究.pdf

1、基于熒光的檢測方法是諸多生物實驗中最重要的檢測技術(shù)之一。而基于Si工藝的熒光檢測芯片以其低成本,低功耗,高靈敏度等優(yōu)點在很多熒光檢測實驗中獲得了廣泛的關(guān)注。本文著重研究一種基于CMOS工藝的熒光檢測系統(tǒng)芯片的設(shè)計和熒光檢測實驗方案的改進,論文主要包括以下幾方面內(nèi)容:
　　 在熒光檢測系統(tǒng)設(shè)計方面,本文首先根據(jù)現(xiàn)有的工藝參數(shù),建立了CMOS工藝光電二極管的光電轉(zhuǎn)換模型,推導(dǎo)出光電轉(zhuǎn)換效率的數(shù)學(xué)表達式,并且通過仿真和實際流片驗證了該

2、模型。除此,還分析比較了三種CMOS工藝兼容的光電二極管在靈敏度,峰值響應(yīng)和暗電流等方面的差異,為熒光檢測實驗中選擇適當(dāng)?shù)墓怆姸O管提供了有利的理論基礎(chǔ)。其次,本文提出一種新型的電容跨阻放大器(CTIA)結(jié)構(gòu)讀出電路來實現(xiàn)微弱熒光產(chǎn)生的光電流到電壓的轉(zhuǎn)換。這種結(jié)構(gòu)擁有更高的光電流-電壓轉(zhuǎn)換增益,同時能夠幫助光電二極管獲得更好的暗電流特性。所提出的T型復(fù)位開關(guān)有效避免了積分期間復(fù)位開關(guān)漏電流的影響。最后,本文設(shè)計了一個12-bit,10-

3、MS/s的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來實現(xiàn)檢測芯片的數(shù)字化輸出,為了獲得較低的功耗和較小芯片面積,本文中的ADC采用了如下一些技術(shù):通過對ADC模擬通路噪聲和功耗模型的建立,確定2.5位的級分辨率;消除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的采樣/保持電路;采用交換反饋電容開關(guān)(CFCS)技術(shù)來減輕級電路中采樣電容的匹配要求;帶有采樣電容和預(yù)放大器的動態(tài)比較器;增益自舉共源共柵放大器等等。本文通過SMIC0.18-μm混合信號CMOS工藝對所設(shè)計的熒光檢測芯片進行

4、流片驗證。芯片面積3mm2(包括PAD部分面積),消耗功耗37mW。實驗結(jié)果表明,所提出的光電轉(zhuǎn)換模型與測試結(jié)果基本相符合,用于熒光檢測實驗的Nwell/Psub光電二極管在580nm波長處擁有最大的光電轉(zhuǎn)換靈敏度0.176A/W。所采用的改進CTIA結(jié)構(gòu)讀出電路功能正確,電荷-電壓轉(zhuǎn)換增益為1.6μV/e-,這種結(jié)構(gòu)令Nwell/Psub光電二極管在300mV反向偏壓條件下,暗電流僅為300Fa(3nA/cm2)。所設(shè)計的ADC的最大

5、微分非線性(DNL)和最大積分非線性(INL)分別為+0.8LSB和-3LSB。并且,當(dāng)采樣時鐘為10MHz,輸入頻率為1MHz時,ADC與雜散無關(guān)的動態(tài)范圍(SFDR)為61.7dB,信號與噪聲及諧波失真比(SNDR)為56.2dB。
　　 在熒光實驗方面,本文采用了一種“接觸式”檢測方法,即將熒光產(chǎn)生池直接放到芯片表面,從而有效避免了額外的光學(xué)儀器和光學(xué)通路帶來的熒光損失。實驗證明,利用所設(shè)計的CMOS熒光檢測芯片配合“接觸