Capacitance to voltage converter design for biosensor applications

Abstract

Due to advances in MEMS fabrication, Lab-on-Chip (LoC) technology gained great progress. LoC refers to small chips that might do similar works to equipped laboratory. Miniaturization of laboratory platform results in low area, low sample-consumption and less measurement time. Hence, LoC with IC integration finds numerous implementations in biomedical applications. Electrochemical biosensors are preferred for LoC applications because electrochemical biosensors can be easily integrated into IC designs due to electrode-based transducing. Capacitive biosensors are distinctive in electrochemical biosensors because of their reliability and sensitivity advantages. Therefore Interdigitated electrode (IDE) capacitor based biosensor system is preferred for development of biosensor platform.In this thesis, capacitive biosensor system with new Capacitance to Voltage Converter(CVC) designs for LoC applications is presented. Multiple IDE capacitor sensing and varactor-based compensation are new ideas that are presented in this thesis. Proposed system consists of five blocks; IDE Capacitor based tranducer, CVC, Low-Pass Filter, Linear LC-Tank Voltage Controlled Oscillator (VCO) and Class-E Power Amplifier (PA). System building blocks are designed and fabricated using IHP's 0.25 um SiGe BiCMOS process because of its advantage at high frequency and post-process that IHP offers. Varactor tunable CVC design provides highly linear relationship between output voltage and capacitance change in sensing capacitor. Varactor is used in reference capacitor to compensate changes in sensing capacitor. Total chip area is 0.4 mm2 including pads. 10 MHz operating frequency is achieved. Total power consumption changes between 441 uW and 1,037 mW depending on the sensor capacitance.

MEMS üretimindeki ilerlemelerle, Yonga-üzerine-Lab (LoC) teknolojisinde önemli gelişmeler yaşanmıştır. LoC; küçük bir yonga, bir laboratuar ile aynı işlevi yapabilecek olanağa sahip olması anlamına gelmektedir. Alan, numune ve zaman kazancı sağlamasından dolayı LoC teknolojisi biyolojik uygulamalarda önemli bir etkiye sahiptir. Bundan dolayı, tümleşik devreye entegre edilmiş LoC teknolojisi, biyomedikal uygulamalarda çok fazla kullanılmaktadır. Elektrokimyasal biyosensörler, elektrod bazlı dönüştürme yapmalarından dolayı IC entegrasyonu bakımından öne çıkmaktadır. Kapasitif biyosensörler de güvenilirlik ve hassaslık avantajlarından dolayı, elektrokimyasal biyosensörler içerisinde en göze çarpan tekniktir. Bundan dolayı içiçe geçmiş elektrod (IDE) kapasitör bazlı kapasitif biyonsensör sistemi tasarlanmıştır.Bu tezde, LoC uygulamalarında kullanılmaya yönelik yeni kapasitans-gerilim dönüştürücü tasarımlarını içeren kapasitif biyosensor sistemi sunulmaktadır. Birden fazla IDE kapasitör ölçümü ve varaktör bazlı kompansasyon tekniği, bu tezde sunulan yeni düşüncelerdir. Önerilen sistem 5 bloktan oluşmaktadır: IDE kapasitör bazlı dönüştürücü, Kapasitans-Gerilim Dönüştürücü (CVC), Alçak Geçitli Süzgeç, Doğrusal LC-Tank Gerilim Kontrollü Salıngaç (VCO) ve Class-E Güç Yükselticisi (PA). Bu tezin ana konusu olmasından dolayı Varactor ile ayarlanabilen CVC tasarımı analiz edilecek ve tartışılacaktır. Sistem blokları IHP firmasının 0.25 um SiGe BiCMOS prosesi kullanılarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu teknolojinin kullanılmasındaki ana neden, yüksek çalışma frekansına olanak sağlaması ve üretim-sonrası prosesleri sağlayabiliyor olmalarıdır. Varaktör ile ayarlanabilen CVC tasarımı ile çıkış sinyali ve duyar kapasitöründeki değişim arasında yüksek doğrusallıkta bir ilişki elde edilmiştir. Bu blokta varaktör elemanı, referans kapasitörünün yerine, duyar kapasitöründeki değişimleri kalibre edebilmek için kullanılmıştır. Yonganın toplam alanı is 0.4 mm2?dir. 10 MHz çalışma frekansına ulaşılmıştır. Duyar kapasitörüne bağlı olarak toplam güç tüketimi 441 uW ile 1,037 mW arasında değişmektedir.