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的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物传感器技术领域，特别设及基于片上开关电容原位自校准技术的 电感电容化C)振荡器磁敏生物传感器。
【背景技术】
[0002] 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，使运种分析方法在临床检验、生物制药W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、月旨 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)下检测到运些生物标志物，对于疾病的早期预 防和诊断具有重要意义。
[0003] 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、多祀标免疫分 析技术成为了生物检测技术的一个研究热点，而运其中除了抗原、抗体选择及生化反应过 程控制W外，关键就在于开发高灵敏度、多检测区（多祀标）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。运些原理在灵敏度、速度、系统实现复杂度和成本 等性能上存在着折衷关系，然而运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W将传 感器和处理电路进行单片集成；二，运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，运也增加了系统的实现复杂度和系统成本。针对W上缺 陷，美国加州理工学院的化aWang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W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。
[0004] 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.Ing/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.Ing/ml的时候，在120X120ym的电感检 测区域内大概会有近1000个磁颗粒，W直径lOOnm的磁颗粒为例，单个磁颗粒引起的频率 变化约为4Hz，运样0.Olng/ml的溶液总的信号强度约为4曲Z左右。理论上，如果振荡电路 的振荡频率足够稳定，4曲z的频率变化可W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曲Z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。
[0005] 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.,Anultrasensitive CMOSmagneticbiosensorarraywithcorrelateddoublecounting(CDC)noise suppression.Proc.IEEEMTT-SInt.MicrowaveSymp. ,May2010,pp.616 - 619.》 与《H.Wangetal. ,Afrequency-shiftCMOSmagneticbiosensorarraywith single-beadsensitivityandnoexternalm曰gnet.IEEEISSCCDig.Tech. Papers,化b. 2009,pp. 438 - 439.》。然而运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，运大大增加了传感器忍片实现 的成本和复杂度，限制了其大规模生产应用。
[0006] 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，W提高传感器 的检测灵敏度，并同时降低整个生物忍片系统的成本和实现复杂度。
【发明内容】
[0007] 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，降低忍片的面积、成本和实现复杂度。
[0008] 为实现W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，W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L0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，缓冲器的输出端为忍片输出，并接片外的频率计数器。
[0009] 本发明的技术特点及有益效果：
[0010] 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 审IJ，提高了检测灵敏度的同时没有增加忍片面积和避免了外围微流体设备。此电路在未来 生物忍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。
[0011] 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，大大降低了忍片实现的成本。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. 5sW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W独 立地进行生物检测，在生物忍片阵列的电路设计中引入了一个新的自由度，可W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忍片系统电路的设计可靠性与鲁棒 性。
【附图说明】
[0012] 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；
[0013] 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；
[0014] 图3为检测灵敏度和动态检测范围的测试结果；
[0015] 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；
[0016] 图5为生物忍片相位噪声的测试结果。
【具体实施方式】
[0017]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。
[0018] 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：CM0S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（LD0)、缓冲器、编码/译码器、混频器、低通滤 波器，W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L0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，缓冲器的输出端为忍片输出，并接片外的频率计数器。
[0019] 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Ml和M2、电容Cl、差分电感Li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Ml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Ml的栅端接nMOS管M2的漏端，nMOS管M2的栅端接nMOS 管Ml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Ml的漏端，开关电容的右端接M2