【摘 要】
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为满足DNA测序的需要,纳米孔DNA生物传感器作为一种新的传感器类型在纳米技术领域被提出并受到广泛地关注。纳米孔微流控系统与集成电路相结合为许多领域带来了新的发展空间,从医疗保健到环境和制药工业的高通量筛选,尤其在日益火热的基因测量领域。新一代纳米孔DNA测序技术以电信号检测为主,在成本、性能和并行化方面具有巨大的优势。纳米孔DNA测序技术研究的主要内容就是纳米孔的制备和高精度检测方式。由于纳米孔
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为满足DNA测序的需要,纳米孔DNA生物传感器作为一种新的传感器类型在纳米技术领域被提出并受到广泛地关注。纳米孔微流控系统与集成电路相结合为许多领域带来了新的发展空间,从医疗保健到环境和制药工业的高通量筛选,尤其在日益火热的基因测量领域。新一代纳米孔DNA测序技术以电信号检测为主,在成本、性能和并行化方面具有巨大的优势。纳米孔DNA测序技术研究的主要内容就是纳米孔的制备和高精度检测方式。由于纳米孔产生的信号十分微弱,对集成电路的性能就提出了更高的要求,如:低噪声、低功耗。国内外的研究主要集中在纳米孔的制备上,高精度集成电路的相关内容却相对较少。本文研究了纳米孔DNA测序技术的基本原理,分析了纳米孔测序集成电路系统框架和性能指标。为满足低噪声纳米孔DNA生物传感器的设计要求,基于离散时间电流读出理论,本文采用离散读出电路方法,提出了微弱电流积分电路阵列,具有高信噪比的优势,实现了快速并行检测的设计目标;为了将读出信号提前数字化提高抗干扰性,采用迟滞比较器避免了采样信号错误的翻转,实现信号准确预量化;本文在读出阵列的基础上提出KTC降噪技术和相关双采样CDS电路消除了由微流控系统参数产生的直流偏移和读出电路的复位及闪烁噪声引起的误差,提高了纳米孔测序系统的准确性;为了减小复位开关对读出电路输入信号的影响,本文提出了新型SBDI阵列电路,功耗面积不变的情况下具有更好的噪声性能。本文基于TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了一款工作在1.8V电源电压下的纳米孔DNA测序前端电路芯片,该芯片集成了16×5的传感器阵列,包括离散时间读出电路,降噪电路及预量化辅助电路,芯片总面积为950×1100μm~2。仿真结果表明在10k Hz的带宽内读出电路100p A穿孔电流经过相关双采样后可以记录低至0.42p A的离子电流,信噪比可以达到47.5d B,检测单元功耗仅为6μW,满足低噪声、低功耗设计要求,测试结果表明该芯片基本符合预期设计要求。
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