面向基因测序的超大规模ISFET阵列芯片研究

• 作 者: 杨翎
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: ISFET芯片 CMOS工艺 大规模阵列 开关电容 基因测序

ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor)是一种结合了集成电路技术和生物传感技术的新型传感器。随着半导体工艺的发展，ISFET器件制作工艺和敏感膜构建可以与当前主流CMOS工艺电路完美地集成在一起。使用标准CMOS工艺制作的ISFET芯片具有易于集成，成本低，便于大规模制作的优点。进而，也就将ISFET器件的应用从单个靶标的检测推广到高通量测序领域。　　ISFET与集成电路结合，并且进行阵列化研究开始于2004年，其难点在于特殊的读出电路的设计、敏感单元的设计、阵列的排布、以及后续测试系统的设计。基因测序技术的需求主要有高通量，高精度，生化环境等。如果将ISFET器件应用于基因测序领域，则要求电学芯片应具有大规模阵列化测序的能力，噪声低，芯片功耗较低（芯片温度低）等特点。　　本文首先利用小规模阵列的设计对ISFET器件相关的读出电路，敏感单元设计进行了尝试、优化，得到了相应的测试结果。在此基础上进行了基于超大规模ISFET阵列的设计方法的验证实验，并且使用16×16 ISFET阵列芯片完成对芯片设计方法的验证。随即将芯片阵列规模扩大，设计和制作出了640×640 ISFET阵列芯片。　　本文不同的阵列芯片使用相应的封装方法封装芯片，使得芯片具有生化测试的环境，最终得到生化测试的结果。测试过程中使用了BOE对芯片表面进行处理，并针对640×640阵列芯片使用紫外照射使得芯片敏感单元初始信号均匀。　　本文在沿用钳位漏源电压的电路方法制作出640×640规模ISFET阵列芯片之后，针对其电路功耗偏大，无内部放大功能的问题，又引入了一种开关电容放大电路作为新的读出电路，该电路使用放大器数目减少，有效降低了功耗，同时在读出电路模块利用开关电容放大原始信号，减轻了外部电路的检测难度，并且电路很精简。最后将开关电容放大电路作为读出电路实现了低功耗、具有内部信号放大功能的640×640 ISFET阵列芯片。