巨磁阻生物传感器阵列及专用锁相放大器设计

巨磁阻生物传感器阵列及专用锁相放大器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 巨磁阻生物传感器阵列及专用锁相放大器 设计 巨磁阻生物传感器阵列及 专用锁相放大器设计 郑飞雁,王豪才,王永进 (电子科技大学微电子与固体电子学院,成都610054) 摘要:EW_GI是基于GMR(巨磁阻)传感器,用于检测血样中特种病毒的正在研发的生物芯片系 统.叙述了其巨磁阻传感器阵列以及后端锁相放大IC电路的设计及实现.该阵列包含32个 GMR传感器单元和2个传感器参考单元,形成多路的半桥式惠斯通电桥,用于感应绑定磁球的附 加磁场.每个单元(100ptmX100ttm)由长1mm,宽7ptm的巨磁电阻蜿蜒而成,该电阻采用EAg (2nm)/NiFe(6nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(4nm)]2o结构,采用Ag作为镜面层,其饱和磁场小于等 于30mT,GMR值约6,单个传感器电阻约为780Q.配套的锁相放大芯片包括了信号通道,参 考通道,前置低噪声放大器,带通滤波器,可控增益放大器,相敏检测电路,正交移相电路,差分直流 放大电路/\个部分,整个设计功耗小于50mW@V~=3V. 关键词:生物芯片;巨磁阻传感器;锁定放大电路 中图分类号:TP212.3;TN722文献标识码:A文章编号:1671—4776(2007)07/08—0321-04 DesignofGMRSensorArray andItsLockedAmplifierIC ZHENGFei—yan,WANGHao-cai,WANGYongqin (CollegeofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics,UniversityofElectronics ScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China) Abstract:EW_ GIbasedonthegiantmagnetoresistive(GMR)sensorsisadevelopingbiochipsystem usedtodetectthevirusinbloodsample.Thedesignandperformanceofcurrentchipandthelockedanll- plifierICofthissystemweredescribed.ThiSGMRchipincludes32individuallyaddressableGMRsen— sorsand2referencesensors.Eachsensorwasaserpentineresistortrace7tanwidewithatotallengthof 11TnT1withina100um-diametercircularzone.Onesensorandonereferencesensoronthechipwere usedasahalfofoneWheatstonebridge.Eachsensortracewascomposedofanuncoupledmagnetic/ nonmagnetic/magneticGMRsandwichwithstructureEAg(2nm)/NiFe(6nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(4 nm)]20.Thefirstnonmagneticlayer,a2D1TIthickAg,wasusedtobespecularlayer.Thebulkmaterial hadasheetresistanceof780QandaGMRresponseof6atthesaturationfieldof30mThelock-in amplifierwasdividedintoeightmainsections:asignalchannel,referencechannel,frequencymultiplier, pre-low-noiseamplifier,variablegainamplifier,phasedetectorcircuit,quadraturephaseshift,DCdif— ferentialamplifier.epowerdesignofthetotalICisbelow50mW@V~=3 Keywords:biochips;GMRsensors;lockedamplifier 收稿日期:2007—04—05 cnn.fec?c如July—August2007微纳电子技术2007年第7/8期 1引言 GMR传感器本身所具有的灵敏度高,易小型 化,能耗低,自然干扰小等优点,使其非常适合成为 生物识别器件的探头.1998年,美国海军实验室 (NRL)率先提出利用巨磁电阻(GMR)效应和免疫 磁标记实现GMR生物传感器的设想.他们通过测 量DNA,抗原一抗体,施体和受体等的实验,证明了 其原理的可行性,从而进一步提出了"磁标记阵列计 数器"(beadarraycounter,BARC)E,并研制出 DNA阵列芯片.在这种新型器件中,磁标记取代了 传统的荧光标记,并利用GMR传感器进行生物信 息探测.Ew—GI是电子科技大学与成都恩威集团 合作开发的生物芯片系统,目标是研发成本低廉,检 测耗时短,结果准确,方便民用的病毒生物芯片,一 期目标是进行定性分析,二期目标实现较准确的定 量分析. 2巨磁阻传感器 2.1基本原理 GMR效应最初是一种在磁性多层膜中观测到 的量子效应,这种薄膜具有铁磁性层与非铁磁性层 交替叠置的结构.当铁磁性层的磁矩平行排列的时 候,载流子受到的自旋散射最小,多层膜的电阻最 低;当铁磁性层的磁矩反平行排列的时候,载流子受 到的自旋散射最大,多层膜电阻最高,铁磁层中的磁 矩方向由施加外磁场控制l_3]. 2.2检测原理图及优势 GMR生物传感器利用夹心标记法,用磁标记 作为标记物,以GMR磁敏元件进行检测.GMR传 感器检测过程如下:首先,在传感器表面结合用于特 定检测的生物探针,再使检测试液流过传感器表面, 试液中特定的目标分子将被探针捕获,然后加入免 疫磁性微球,免疫磁性微球再与目标分子发生作用 完成标记.此时,需要采用垂直于传感器表面的外 加梯度磁场将未参与标记的多余免疫磁性微球分 离,这样可以减小检测时的背景噪声,从而提高检测 的精确度.然后,再用外加的交变磁场将磁标记磁 化,磁化的磁标记产生的附加交变磁场引起传感器 磁电阻的变化,通过读取磁电阻的变化可以判定待 检试液中是否有目标分子,并根据磁电阻变化的幅 度可以判断待检试液中目标分子的浓度等情况. 图1为半桥式GMR传感器电路,其中外加交 变磁场方向平行于GMR传感器易轴,磁球磁化后, 产生寄生磁场.每对GMR传感器单元共有一个偏 ,表面 置输入,其中参考GMR电阻表面覆盖PR膜不发生特异性生物反应,因此不会结合磁球.相对 于其他类型的生物芯片,这种新型GMR生物芯片 具有磁标记稳定,灵敏度高,与Ic工艺兼容,适用于 自动化分析,不依赖于昂贵,高精度的光学测量系 统,易于小型化等优势,同时利于减小甚至消除背景 噪声,而且可以进行单片多通量检测. 图1半桥式GMR惠斯通电桥 2.3EW_6I传感器设计 传感器阵列采用自旋阀GMR,如图2所示,整 个区域包含32个GMR传感器单元和2个传感器 参考单元,形成多路的半桥式惠斯通电桥,用于感应 绑定磁球的附加磁场.每个单元(100m×100 m)由长1mm,宽7m的巨磁电阻蜿蜒而成,该 电阻为[Ag(2nm)/NiFe(6nm)/Cu(2.2nm)/ CoFe(4nm)]:.结构,采用Ag作为镜面层,以增大 GMR值到6,饱和磁场小于30mT.外加1kHz 交变磁场和2.7,3.3V的稳压电源,令交变磁场 Mma)【=3.7kA/m,径粒28nm的单个磁性微球在芯 片表面处的B约为0.68mT,参考与测试磁电阻 相差1.3X10叫时,产生约1V的电信号. 图2传感器阵列 微纳电子技术2007年第7/8期?目l纭一一如,如锄JuIy,August2007 一一lll.一一 3锁相放大器设计 3.1整体描述 针对目前商用锁相放大器体积太大,与GMR 生物芯片匹配性差,价格昂贵以及不宜携带等缺点, 设计出一款专用于GMR生物芯片的锁相放大器IC 芯片以解决上述问题. 如图3所示,该芯片包括了前置低噪声放大器, 带通滤波器,可控增益放大器,相敏检测电路,正交 移相电路,差分直流放大电路等构成.整个芯片的 设计功耗小于50mW@V=3V. +lllI l0uF= ,, l0kn /\^^1 l0knl l0F 图3单片低功耗4通道正交矢量型锁相放大器结构 考虑到GMR生物芯片输出信号的直流分量易 受外界的影响,所以需采用电容隔直后再将信号输 人锁相放大器IC芯片.图3所示的IC芯片电路的 一 条支路为从LNA端口输人的4路病毒信号和1 路病毒参考信号,信号频率为2kHz;另一支路为输 人大于100mV(约120mV),频率1kHz的信号 源.最后输出I/Q检测出的直流电压信号. 该芯片通过前端低噪声放大器将病毒信号(500 100V)放大45dB,然后通过中心频率为2 nV, kHz的带通滤波器,虑除掉其他频率的干扰杂波, 将2kHz的信号输人可控增益放大器(VGA)进行 放大,放大到一定的幅度,便于相敏检测器进行信号 检测,相敏监测器将检测到的信号通过直流电压的 方式输出范围(1,1.5V). 3.2测试及性能 设计电路主要性能参数见表1,其基于0.35 mCOMSn阱工艺,用CadenceSpectre仿真,每个 模块性能都满足系统设计的要求.整体电路的仿真 结果表明设计的芯片能够检测幅度低至1V的有 用信号,且具有很强的噪声拟制能力. 表1主要性能参数 条件参数设计值 参数备注 最小值典型值最大值 输入弱信号f(Inl—lna)/kHz接22?F2 输入弱信号f(In2一lna)/kHz电容AC2 输入弱信号f(In3一lna)/kHz2 输入弱信号f(In4_lna)/kHz耦合输入2 弱信号输入幅度V</tW11000 弱信号频率/kHz2 参考信号幅度Vkin/mV10012O200 参考频率f~f/kHz1 供电电源电压/V2.733.3 功耗P/roW2060 正交输出J_/VDC0.811_5 正交输出Q./VDCO,811.5 使用温度f/?一4085 -35 _30 .25 .20 .15 .10 .05 .00 .95 图4为=3V,低通滤波器R为10kfl,C 255075 tims P(a)一40? 10o 507510o tiros fb)25? 为2F,LNA输入信号幅度为1V,频率为2 kHz,参考通道输入信号幅度为60mV,频率为1 kHz时,整体电路的瞬态仿真图.图中(a),(b),(c) 分别为温度为一4(),25,85?时得到的结果.从图 中可以看出,温度升高,输出的直流信号幅度有微弱 降低.这是因为,温度升高时,芯片内放大器的增益 有所降低. 4结语 本文通过对GMR生物芯片的工作原理及检测 过程的分析和研究,给出了GMR阵列 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,并设计 出一种应用于该种GMR生物芯片的信号检测IC 芯片——锁相放大器IC芯片,讨论了整体电路的设 计和仿真.结果表明,该芯片电路能够在一40~85 ?之间的温度条件下正常工作,功耗约为30mW. 本文的设计以应用为目的,体现出适用性和灵活性, 可为其他同类检测的设计应用提供参考. 附录1 免疫磁性微球,或称免疫磁标记,是表面结合有 单克隆抗体的磁性微球,其中,Dynal公司的M-280 是目前最常用于GMR生物传感器检测的免疫磁标 记,直径2.8m,具有超顺磁性.免疫磁标记的作 用方式有两种,直接法与间接法.直接法是先用抗 体包被磁标记,使抗体与磁标记结合(物理吸附或化 学结合)再加入抗原物质,二者结合形成复合物,在 磁力作用下,与其他物质分离.间接法是先用羊抗 鼠IgG(第二抗体)包被磁标记,使磁标记作为第二 抗体的载体,当抗原与第一抗体结合后,加入带有第 二抗体的磁标记,磁标记上第二抗体便与第一抗体 结合,形成磁标记一第二抗体一第一抗体一抗原复合物, 在磁力作用下,与其他物质分离.直接法可以减少 洗涤和培养步骤,但对Igm单抗很少能使用.间接法与直接法相比,除适应范围广外,还可以使用一组 单克隆抗体,因而会获得更好的细胞清除效果.但 要经过多次的洗涤步骤,特异性也会有所降低.免 疫磁标记的功能基团主要与蛋白质结合,但是借助 亲和素一生物素系统,还能使免疫磁标记与非蛋白 质结合,如各种DNA,RNA分子等,从而使免疫磁 标记发挥更大作用. 参考文献: [1]GRAHAMDL,FERREIRAHA,FREITASPP.Magneto— resistive-basedbiosensorsandbiochips[-J].TrendsinBiotech— nology,2004,22(9):455—462. E2]RIFEJC,MILLERMM,SHEEHANPE,eta1.Designand performanceofGMRsensorsforthedetectionofmagneticmi— crobeadsinbiosensors[EB/OL].[-2007—04-04]http||N. nve.oDm/mrampapers.php. 1-3]钱政.巨磁电阻效应的研究与应用I-J].传感技术,2003, 12(4):516-520. 作者简介: 郑飞雁(1974一),女,电子科技大学微电子与固体电子学院博 士研究生,主研方向为集成电路设计,E-mail:sc_doudou@163.com 王豪才(1936一),男,电子科技大学微电子与固体电子学院教 授,博士研究生导师,先后担任电子科技大学信息 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 工程学院院 长,CAE中心主任,信息产业部信息材料重点实验室主任,总装备部 基金委员会新材料评审专家,电子科学研究院新材料专家组副组长, 国务院学位委员会学科通讯评议专家,国家自然科学基金评审专家 等职务,E-mail:hcwang@uestc.cn. 微纳电子技术2007年第718期蝈mm砒zJuIy,August2007