CN105116018A - 基于开关电容原位自校准技术的lc振荡器磁敏生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片上开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器，属于生物传感器技术领域，该传感器包括：CMOS片上的n个LC振荡器传感单元、n个用于LC振荡器原位自校准的开关电容、电源管理模块、缓冲器、编码/译码器、混频器、低通滤波器，以及片外频率计数器；其中，n个开关电容与n个LC振荡器传感单元组成传感器微阵列，n为正整数；每个LC振荡器传感单元的输出端接一个开关电容。在实现良好噪声抑制效果的基础上，节省片上面积，降低了成本和复杂度，提高了检测灵敏度。经过流片实验验证，应用该原位校准技术的生物芯片各项指标均达到同类技术的最高水平。

Description

基于开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器

技术领域

本发明属于生物传感器技术领域，特别涉及基于片上开关电容原位自校准技术的电感电容(LC)振荡器磁敏生物传感器。

背景技术

免疫分析法，是基于抗原和抗体之间的特异性反应，来测定和分析特定检测物(药物、激素、蛋白质、微生物等)的一种分析方法。在免疫反应中，免疫分析试剂所表现出的极低的检测浓度下限和独特的选择性，使这种分析方法在临床检验、生物制药以及环境化学等领域得到了非常广泛的应用。临床医学研究显示，许多生物标志物(蛋白质、DNA、脂质、糖类等)与疾病之间有明确的对应关系，而且人体在有些疾病发病早期就开始分泌某些特异蛋白，如果能在超微量浓度(pg/ml)下检测到这些生物标志物，对于疾病的早期预防和诊断具有重要意义。

在众多检测方法中，由于血液和其它生物体液中几乎不含磁性物质，利用超顺磁性纳米颗粒作为标记物极有可能实现超低的背景噪声，并且随着固态磁敏传感器技术的进步，探测灵敏度不断提高，因此开发基于纳米磁颗粒作为标记物的高灵敏度、多靶标免疫分析技术成为了生物检测技术的一个研究热点，而这其中除了抗原、抗体选择及生化反应过程控制以外，关键就在于开发高灵敏度、多检测区(多靶标)的纳米磁颗粒探测传感器。近年来，国际上已经有许多研究团队在进行基于纳米磁颗粒作为标记物的生物传感器的研究。迄今为止，已经发表的磁敏传感机理主要包括巨磁阻(GMR)传感器，霍尔效应传感器，NMR弛豫传感器和频率漂移磁敏传感器。这些原理在灵敏度、速度、系统实现复杂度和成本等性能上存在着折衷关系，然而这些磁敏生物检测传感器仍然存在两个主要缺陷，限制了其大规模生产和应用：一，器件特殊的制造工艺限制了器件与CMOS工艺的集成，难以将传感器和处理电路进行单片集成；二，这些磁敏传感器在工作时需要在外部施加两个磁场，一个用来控制器件内固定铁磁层的磁化方向，另一个用来对磁颗粒产生激励，而外加磁场通常需要片外的硬件和复杂的设备，这也增加了系统的实现复杂度和系统成本。针对以上缺陷，美国加州理工学院的HuaWang研究小组在2009年提出了一种基于CMOS工艺片上LC振荡器的磁敏检测原理。在检测中，经过纳米磁颗粒标记的被测样本首先被运送到传感器表面，然后被预先固定在表面的探针分子所捕获，由于超顺磁性纳米磁颗粒会改变磁场空间的总能量，进而改变电感的感值，最终表现为片上电感电容振荡电路的振荡频率发生变化，通过检测电路工作频率的变化可以推测磁颗粒的数量，同时能够反映出样本中目标分子的浓度。

为了满足临床疾病检测的应用需求，目标特异蛋白浓度在0.1ng/ml的量级，通过显微镜观察可知，当检测目标特异蛋白浓度为0.1ng/ml的时候,在120×120μm的电感检测区域内大概会有近1000个磁颗粒，以直径100nm的磁颗粒为例，单个磁颗粒引起的频率变化约为4Hz，这样0.01ng/ml的溶液总的信号强度约为4kHz左右。理论上，如果振荡电路的振荡频率足够稳定，4kHz的频率变化可以很容易地检测出来，但是，实际的片上振荡器会受到相位噪声和环境的影响，其振荡频率通常会有数十kHz的波动，远远高于有效信号强度。与此同时，在实际应用中生物检测是一个长时间的过程，通常需要数十分钟，由于片上振荡电路对外界环境变化非常敏感，导致其信号漂移远大于磁颗粒造成的频率变化，因此，一方面需要提高检测电路本身的频率稳定性，另一方面，通过一些噪声抑制和校准补偿技术来抵消掉外界环境的影响也至关重要。

目前消除共模噪声最有效的一种方法是利用检测区(滴加磁颗粒)和参考区(不滴加磁颗粒)进行差分校准，相关工作见参考文献《H.Wangetal.,AnultrasensitiveCMOSmagneticbiosensorarraywithcorrelateddoublecounting(CDC)noisesuppression.Proc.IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp.,May2010,pp.616–619.》与《H.Wangetal.,Afrequency-shiftCMOSmagneticbiosensorarraywithsingle-beadsensitivityandnoexternalmagnet.IEEEISSCCDig.Tech.Papers,Feb.2009,pp.438–439.》。然而这类方法不仅需要额外的一倍片上面积来用作参考区，还需要片外的微流体设备来控制液体只流到检测区，这大大增加了传感器芯片实现的成本和复杂度，限制了其大规模生产应用。

因此，针对基于CMOS片上LC振荡器的磁敏生物传感器来说，如何设计一种简化的噪声抑制和校准方法，是其投入大规模生产和应用中亟待解决的关键问题，以提高传感器的检测灵敏度，并同时降低整个生物芯片系统的成本和实现复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种基于片上开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器，在同时实现极高的检测灵敏度和动态范围基础上，降低芯片的面积、成本和实现复杂度。

为实现以上目的，本发明提出了一种基于片上开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器，采用片上LC振荡器作为检测模块，利用磁颗粒引起的感值变化来检测输出频率的变化，其特征在于，该传感器包括：CMOS片上的n个LC振荡器传感单元、n个用于LC振荡器原位自校准的开关电容、电源管理模块、缓冲器、编码/译码器、混频器、低通滤波器，以及片外频率计数器；其中，n个开关电容与n个LC振荡器传感单元组成传感器微阵列，n为正整数；每个LC振荡器传感单元的输出端接一个开关电容，电源管理模块的输出连接编/译码与检测区使能信号电路的输入，并通过编/译码与检测区使能信号电路的n个输入端分别连接LC振荡器阵列中n个LC振荡器单元的电源端；传感器微阵列的输出端接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端接混频器的输入端，混频器的本振LO端接片外的外加本振信号，混频器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端为芯片输出，并接片外的频率计数器。

本发明的技术特点及有益效果：

本发明提供的基于片上开关电容原位自校准技术的磁敏生物传感器。在片上LC振荡器基础上加入一个微小变化的开关电容，配合相应的校准算法上实现了环境噪声的抑制，提高了检测灵敏度的同时没有增加芯片面积和避免了外围微流体设备。此电路在未来生物芯片阵列的应用中效果将更加明显，大大简化了阵列布局布线的压力，提高了设计的灵活性。

本发明的实施例采用了工作在1.4GHz频率下的片上LC振荡器，对基于片上开关电容原位自校准的磁敏生物传感器进行了实施与验证。本发明中提出的基于片上开关电容原位自校准技术，不仅简化了系统实现的复杂度，而且减小了一半的片上面积，在提高检测灵敏度的同时，大大降低了芯片实现的成本。同时，本发明在噪声抑制的分析中虽然近似认为开关前后环境噪声不会对频率产生影响，但只要开关时间间隔足够短(0.5s以内)即可保证所得结论的正确性。另外，基于片上开关电容原位自校准技术使得每个单元可以独立地进行生物检测，在生物芯片阵列的电路设计中引入了一个新的自由度，可以在布局布线和时序控制上进行更好的优化，从而提高了整个生物芯片系统电路的设计可靠性与鲁棒性。

附图说明

图1为本发明基于片上开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器的电路原理图；

图2为本发明的开关电容和LC振荡器传感单元的电路实施例结构及原理图；

图3为检测灵敏度和动态检测范围的测试结果；

图4为本发明中基于片上开关电容原位自校技术对噪声抑制的测试结果；

图5为生物芯片相位噪声的测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和特点更加清楚明确，下面结合附图对具体实施方式进行详细说明与描述。

本发明提出的一种基于片上开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器，采用片上LC振荡器作为检测模块，利用磁颗粒引起的感值变化来检测输出频率的变化，该传感器组成如图1所示，包括：CMOS片上的n个LC振荡器传感单元、n个用于LC振荡器原位自校准的开关电容、电源管理模块(LDO)、缓冲器、编码/译码器、混频器、低通滤波器，以及片外频率计数器；其中，n个开关电容与n个LC振荡器传感单元组成传感器微阵列(本实施例n为20)，其中每个LC振荡器传感单元的输出端接一个开关电容，电源管理模块的输出连接编/译码与检测区使能信号电路的输入，并通过编/译码与检测区使能信号电路的n个输入端分别连接LC振荡器阵列中n个LC振荡器单元的电源端，为之提供电源；传感器微阵列的输出端接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端接混频器的输入端，混频器的本振LO端接片外的外加本振信号，混频器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端为芯片输出，并接片外的频率计数器。

所述传感器微阵列每个开关电容和LC振荡器传感单元的电路结构如图2所示，其中LC振荡器传感单元由两个nMOS管M₁和M₂、电容C₁、差分电感L₁组成，开关电容和LC振荡器传感单元中各元器件的连接关系为：nMOS管M₁和M₂的源端接在一起，接电流源的一端，电流源的另一端接地；nMOS管M₁的栅端接nMOS管M₂的漏端，nMOS管M₂的栅端接nMOS管M₁的漏端；nMOS管M₁的漏端接电容C₁的一端并接差分电感L₁的左端，电容C₁的另一端接M₂的漏端并接差分电感L₁的右端，L₁的中间端为电源端。用于LC振荡器原位自校准的开关电容的左端接M₁的漏端，开关电容的右端接M₂的漏端。

所述的用于LC振荡器原位自校准的开关电容电路具体结构如图2所示，由三个nMOS管M₃、M₄、M₅，二个电阻R1、R2，二个电容C₂、C₃；各元件的连接关系为：nMOS管M₃和M₄的源端接在一起接地，nMOS管M₃和M₄的栅端相连接再与nMOS管M₅的栅端相连，M₅的漏端接nMOS管M₃的漏端，nMOS管M₅的源端接nMOS管M₄的漏端；电阻R₁的一端接nMOS管M₃的漏端，另一端接电源，电阻R₂的一端接nMOS管M₄的漏端，另一端接电源；电容C₂的一端接nMOS管M₃的漏端，另一端为开关电容的左端，电容C₃的一端接M₄的漏端，另一端为开关电容的右端。

本实施例中，如图2所示，开关电容C₂、C₃的值为24.5fF，远小于3.7pF的固定电容C₁，因此开关电容的引入只会使输出频率发生轻微的变化，这也保证了开关前后输出噪声间的相关性，有利于校准的效果。在滴加磁颗粒之前，开关电容状态以一个固定的周期随时间进行开关切换，通过频率计数器读取输出频率，计算多组开关前后的频率差值并取平均值。随后，滴入经过磁颗粒标记的待测样本，重复滴加磁颗粒前的操作，按照相同的周期进行开关切换，读取并计算滴加磁颗粒后的频率差值。由于滴加磁颗粒前后的频率差值只与开关电容和磁颗粒的引入有关，因此可以通过后续的数据处理从滴加磁颗粒前后的频率差值中读取出有用信号。

本发明提出基于片上开关电容原位自校准技术的检测原理如下：首先，通过开关电容的状态切换，在固定电容C₀的基础上人为地引入一个微小的ΔC电容变化，这样开关前后的频率差值f_offset,1经过数学近似(由于开关电容值ΔC远小于C₀，近似误差可以忽略)可以用式(1)表示，其中L₀代表固定电感值，f_off代表开关电容关断时的输出频率，f_on代表开关电容导通时的输出频率。滴加磁颗粒之后进行同样的操作，读取并计算一组频率差值f_offset,2，此时由于磁颗粒的引入f_offset,2将变化为式(2)的形式，其中L₀+ΔL代表滴加磁颗粒后变化的电感值，f‘_off代表开关电容关断时的输出频率，f‘_on代表开关电容导通时的输出频率。由于滴加磁颗粒前后的频率差值只与磁颗粒的引入有关，因此我们可以通过后续的数据处理从滴加磁颗粒前后的频率差值中提取出由磁颗粒引入的相对频率变化Δf/f₀，从而反映出待测样本的浓度大小，如式(3)所示。

$\begin{array}{c}{f}_{offset,1}=f_{off}-f_{on}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_0{C}_0}}-\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_0(C_0+\mathrm{\Δ}C)}}\\ \≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_0{C}_0}}-\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_0{C}_0}}(1-\frac{\mathrm{\Δ}C}{2C_0})=f_{off}\frac{\mathrm{\Δ}C}{2C_0}\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}{f}_{offset,1}^{\′}=f_{off}^{\′}-f_{on}^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{(L_0+\mathrm{\Δ}L)C_0}}-\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{(L_0+\mathrm{\Δ}L)(C_0+\mathrm{\Δ}C)}}\\ \≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_0{C}_0}}(1-\frac{\mathrm{\Δ}L}{2L_0})-\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_0(C_0+\mathrm{\Δ}C)}}(1-\frac{\mathrm{\Δ}L}{2L_0})=(f_{off}-f_{on})(1-\frac{\mathrm{\Δ}L}{2L_0})\\ =f_{offset,1}(1-\frac{\mathrm{\Δ}L}{2L_0})\end{array}---\left(2\right)$

$\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_0}=(1-\frac{f_{offset,2}}{f_{offset,1}})---\left(3\right)$

其中Δf为由磁颗粒引入的频率变化，f₀＝f_off代表开关电容关断时的输出频率，即原始频率。

在整个原位自校准过程中，只要保证开关时间间隔足够短，开关电容引入的容值远小于固定电容，则整个过程中的数值近似都可以认为是准确的。本发明通过在LC振荡器中加入一个开关电容来模拟之前的差分操作，可以看到，最终的有用信号只与f_offset有关，如果开关切换时间很短，可以近似地认为环境中的噪声，如电源电压波动、温度波动等，在这微小的时间间隔内不足以对输出信号产生影响，此时频率差值f_offset只与引入了的微小电容有关。通过这种办法，噪声抑制不再需要额外的参考区，减少了一倍的片上面积和实现成本，提高了检测灵敏度，并且在形成微阵列之后使得布局布线和编码译码控制都大大简化。

综合以上分析，本发明提出的基于片上开关电容原位自校准技术的磁敏生物传感器的实施例测试流程如下：

a.点样仪点样，在芯片表面固定探针分子；

b.未滴加磁颗粒之前，每隔0.1s切换开关电容，测得多组频率差值取平均，进一步降低热噪声；

c.滴加待检测生物样本，等待5-10分钟，确保生物样本和探针分子发生反应；

d.加PBS溶液清洗芯片表面，冲洗掉非特异性结合的生物大分子；

e.再进行开关切换操作，测得多组数据频率差值，求平均；

f.重复上述步骤，串行遍历微阵列20个检测区；

g.将测试数据进行后端数据处理；

为了验证本发明提出的基于片上开关电容原位自校准技术的磁敏生物芯片的正确性与实效性，采用0.18μmCMOS工艺针对工作在1.4GHz片上LC振荡器生物芯片电路实施例进行了优化设计与流片验证，其电路结构如图1，其中LC振荡器输出信号经缓冲器隔离通过混频器下变频到中频信号，混频器的本振信号LO由片外信号源提供，输出信号经片外频率计数器读数。通过本发明提出的检测实施例流程中一些关键设计参数与指标于下表中列出：

其余部分的电路如电源管理模块(LDO)、混频器、编码译码器、缓冲器和低通滤波器等均采用标准的电路结构实现。

本发明对生物芯片的关键指标如检测灵敏度、动态检测范围、噪声抑制效果和相位噪声等进行了测试分析，其测试结果的曲线分别于图3、图4和图5中给出。图3中实心圆圈代表不同数量的磁颗粒产生的频率变化，磁颗粒数目由光学电镜观察确定，虚线为经过原位校准技术之后的等效噪底。图4中灰色曲线代表未校准前的频率波动，黑色曲线代表校准后的频率波动。图5是由频谱仪测得的芯片相位噪声性能。其中纵坐标为相位噪声，单位为dBc/Hz，横坐标为相对于载波的频率偏移，单位为Hz。相位噪声在1MHz频率偏移处为-123dBc/Hz。

从测试结果来看，本发明提出的基于片上开关电容原位自校准技术的磁敏生物芯片的实施例实现了超过80dB的动态检测范围，在校准之后频率波动噪底可以降低至896Hz，验证了提出的噪声抑制技术的可行性。该芯片检测灵敏度理论上最低可以检测到7个直径500nm尺寸的磁颗粒，该检测灵敏度已经达到10pg/ml的标准，超过了绝大部分商用的光学或者电化学检测仪器，而且动态监测范围也达到现有产品中最好的指标。与此同时，应用该方法实现的生物芯片尺寸和成本远远低于现有的仪器，为小型化、便携性的医用检测设备提供了一种很有潜力的途径。系统相位噪声在1MHz频偏处可以达到-123dBc/Hz，保证了较好的噪声指标。综上所述，该芯片各项指标均达到了同类生物检测设备的最高水平，从而验证了本发明的正确性和实效性。

总之，以上所述仅为本发明在具体CMOS工艺下与具体磁敏生物传感器的验证实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于片上开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器，采用片上LC振荡器作为检测模块，利用磁颗粒引起的感值变化来检测输出频率的变化，其特征在于，该传感器包括：CMOS片上的n个LC振荡器传感单元、n个用于LC振荡器原位自校准的开关电容、电源管理模块、缓冲器、编码/译码器、混频器、低通滤波器，以及片外频率计数器；其中，n个开关电容与n个LC振荡器传感单元组成传感器微阵列，n为正整数；每个LC振荡器传感单元的输出端接一个开关电容，电源管理模块的输出连接编/译码与检测区使能信号电路的输入，并通过编/译码与检测区使能信号电路的n个输入端分别连接LC振荡器阵列中n个LC振荡器单元的电源端；传感器微阵列的输出端接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端接混频器的输入端，混频器的本振LO端接片外的外加本振信号，混频器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端为芯片输出，并接片外的频率计数器。

2.如权利要求1所述传感器，其特征在于，所述LC振荡器传感单元由两个nMOS管、第一电容、一个差分电感组成，开关电容和LC振荡器传感单元中各元器件的连接关系为：第一nMOS管和第二nMOS管的源端接在一起，再接电流源的一端，电流源的另一端接地；第一nMOS管的栅端接第二nMOS管的漏端，第二nMOS管的栅端接第一nMOS管的漏端；第一nMOS管的漏端接第一电容的一端并接差分电感的左端，第一电容的另一端接第二nMOS管的漏端并接差分电感的右端，差分电感的中间端为电源端；用于LC振荡器原位自校准的开关电容的左端接第一nMOS管和第二nMOS管的源端接在一起，再接电流源的一端，电流源的另一端接地；第一nMOS管的漏端，该开关电容的右端接第一nMOS管和第二nMOS管的源端接在一起，再接电流源的一端，电流源的另一端接地；第二nMOS管的的漏端。

3.如权利要求1或2所述传感器，其特征在于，所述的用于LC振荡器原位自校准的开关电容电路由三个nMOS管，二个电阻，二个电容；各元件的连接关系为：第三nMOS管和第四nMOS管的源端接在一起接地，第三nMOS管和第四nMOS管的栅端相连接再与第五nMOS管的栅端相连，第五nMOS管的漏端接第三nMOS管的漏端，第五nMOS管的源端接第四nMOS管的漏端；第一电阻的一端接第三nMOS管的漏端，第一电阻的另一端接电源，第二电阻的一端接第四nMOS管的漏端，第二电阻的另一端接电源；第二电容的一端接第三nMOS管的漏端，第二电容的另一端为开关电容的左端，第三电容的一端接第四nMOS管的漏端，第三电容的另一端为开关电容的右端。