一种用于癌细胞筛查的荧光光谱测量集成电路的制作方法

本实用新型涉及实现的一种用于癌细胞筛查的荧光光谱测量集成电路，以掩埋CMOS双PN结光电二极管(BDJ)为光传感单元，将微弱的荧光信号转换成容易测量的电信号，提取出有用的光谱信息。本实用新型输出端无需模数转换接口而可直接与单片机等处理器相连，可与光传感单元BDJ单片集成，实现癌细胞荧光光谱测量系统的微型化和智能化。

背景技术：

掩埋CMOS双PN结光电二极管，由两个垂直堆叠的不同深度的二极管构成。这种器件的层叠式结构使得以硅材料作为滤光片时，光在硅晶体中的透射深度与波长有强烈的依赖关系，入射光功率和波长不同时，PN结输出的光电流也不相同。两个PN结的光电流比值与波长成良好的线性关系，而输出电流大小与入射光功率成比例。

生物组织荧光可分为内源荧光和外源荧光两种。内源荧光是指当生物组织受到激光照射时，本身存在着的光敏物质或荧光团发出的荧光；外源荧光是指用能发光的荧光物质标记待研究生物组织样本，在激光照射下发出的荧光。因此用于癌细胞筛查的光诱导荧光技术也有两种：一种根据癌细胞组织本身经光源激发后形成的内源荧光光谱进行筛查；由于一些荧光药物与癌细胞组织有较强的亲和力，另一种技术则是根据这些荧光药物在激光照射下发出的荧光光谱进行筛查。正常组织的荧光光谱与癌细胞组织的荧光光谱存在特征差异，部分癌细胞组织荧光主峰位置明显偏离正常组织，也有部分癌细胞组织荧光主峰值明显多于正常组织，或峰值强度与正常组织不同，因此根据生物组织荧光光谱特性，可以实现癌细胞的筛查。

目前用于癌细胞筛查的荧光光谱测量的仪器虽然已经广泛投入使用，但是精度高、体积小、功耗低、价格适中的荧光光谱测量仪器有待于开发。

技术实现要素：

本实用新型要克服现有技术的上述缺点，将光谱检测技术与微电子集成技术相结合，提供一种用于癌细胞筛查的荧光光谱测量集成电路，并且与光电传感单元BDJ单片集成，有利于实现荧光光谱测量系统的微型化。该检测电路将两PN结的光电流模拟量经处理后转换成相应频率的方波信号，可直接输入单片机等数字信号处理器，无需通过数模转换接口再与处理器相连接。

本实用新型所述的一种用于癌细胞筛查的荧光光谱测量集成电路，由BDJ光电流提取放大电路1、光电流流向选择电路2、电流-电压转换电路3、复位控制电路4、电压-频率转换电路5、整形反馈电路6、占空比调节电路7共七个模块组成。

所述BDJ光电流提取放大电路1中，输出端1b连光电流流向选择电路2的第一输入端21a，输入端1a连接到光电流流向选择电路2的输出端2b。

BDJ光电流提取放大电路1由PMOS管P1、P2、P3、P4，NMOS管N1、N2、N3、N4、N5、N6和以及掩埋CMOS双PN结光电二极管组成；所述PMOS管P1源极接电源VDD，栅漏短接，漏极连所述PMOS管P2源极，栅极与所述PMOS管P3栅极相连，所述PMOS管P2栅漏短接，漏极与所述NMOS管N3漏极相连，所述PMOS管P3源极与电源VDD相连，漏极与所述PMOS管P4源极相连，所述PMOS管P4栅极与所述PMOS管P2栅极相连，漏极作为该BDJ光电流提取放大电路1的输出端1b，所述浅PN结光电二极管D1和所述深PN结光电二极管D2阴极相连并与电源VDD相连，阳极相连并与所述NMOS管N1漏极相连，所述NMOS管N1栅漏相连并与所述NMOS管N3栅极相连，源极与所述NMOS管N2漏极相连，所述NMOS管N2栅漏相连并与所述NMOS管N4栅极相连，源极接地，所述NMOS管N3源极与所述NMOS管N4漏极相连，所述NMOS管N4源极接地，所述NMOS管N5栅极与所述NMOS管N3栅极相连，漏极作为该BDJ光电流提取放大电路1的输入端1a，源极与所述NMOS管N6漏极相连，所述NMOS管N6栅极与所述NMOS管N4栅极相连，源极接地。

所述光电流流向选择电路2中，第一输入端21a与BDJ光电流提取放大电路1中的输出端1b相连，第二输入端22a与整形反馈电路6的输出端6b相连，输入/输出双向端2a/b与所述电流-电压线性转换电路3中的输入/输出双向端3a/b相连。

光电流流向选择电路2由NMOS管N7、N8、N9和PMOS管P5、P6、P7组成；所述NMOS管N7栅极与所述PMOS管P6栅极、所述PMOS管P7栅极、所述NMOS管N9栅极相连，并引出端口作为本光电流流向选择电路2的第二输入端22a，所述NMOS管N7漏极与所述PMOS管P5源极相连，源极与所述PMOS管P5漏极相连，所述PMOS管P6源极与所述NMOS管N8漏极相连并与所述PMOS管P5漏极相连，并且引出端口作为该光电流流向选择电路2的输入/输出双向端2a/b，所述PMOS管P6漏极与所述NMOS管N8源极相连，并作为该光电流流向选择电路2的输出端，所述NMOS管N8栅极与所述PMOS管P5栅极、所述PMOS管P7漏极、所述NMOS管N9漏极相连，所述PMOS管P7源极与电源VDD相连，漏极与所述NMOS管N9漏极相连，所述NMOS管N9源极接地。

所述电流-电压转换电路3中，输入端3a与所述复位控制电路4的第一输出端41b相连，输出端3b与所述复位控制电路4的输入端4a相连，输入/输出双向端3a/b与所述光电流流向选择电路2的输入/输出双向端2a/b相连。

电流-电压转换电路3由PMOS管P8、P9、P10、P10、P11，NMOS管N10、N11、N12、N13以及电容C1组成；所述PMOS管P8源极接电源VDD，栅极接所述PMOS管P10栅极，漏极接所述PMOS管P9源极，所述PMOS管P9栅极接所述PMOS管P11栅极，漏极接所述NMOS管N10漏极，并作为该电流-电压转换电路3的输出端3b，所述PMOS管P10栅漏相连，源极接电源VDD，漏极与所述PMOS管P11源极相连，所述PMOS管P11栅漏相连，漏极与所述NMOS管N12漏极相连，所述NMOS管N10栅极接所述NMOS管N12栅极，源极接所述NMOS管N11漏极，所述NMOS管N11源极接地，栅极作为该电流-电压转换电路3的输入/输出双向端3a/b，所述NMOS管N12栅漏短接，源极接所述NMOS管N13漏极，所述NMOS管N13栅漏短接，源极接地，所述电容C1一端接所述PMOS管P9漏极，另一端接所述NMOS管N11栅极，并引出端口作为该电流-电压转换电路3的输入端3a。

所述复位控制电路4的第一输入端4a与电流-电压转换电路3的输出端3b相连，第一输出端41b与所述电流-电压转换电路3的输入端3a相连，第二输出端42b与所述电压-频率转换电路5的输入端5a相连，第二输入端RES输入复位信号。

复位控制电路4由NMOS管N14、N15和PMOS管P12、P13组成；所述NMOS管N14漏极与所述PMOS管P12源极相连，并引出端口作为该复位控制电路4的第一输出端41b，所述NMOS管N14源极与所述PMOS管P12漏极相连，并引出端口作为该复位控制电路4的第一输入端4a，同时引出端口作为该复位控制电路4的第二输出端42b，所述NMOS管N14栅极作为该复位控制电路4的第二输入端RES，所述PMOS管P12栅极与所述PMOS管P13漏极相连，所述PMOS管P13源极与电源VDD相连，栅极与所述NMOS管N15栅极相连并与所述NMOS管N14栅极相连，所述PMOS管P13漏极与所述NMOS管N15漏极相连，所述NMOS管N15源极接地。

所述电压频率转换电路5的输入端5a与所述复位控制电路4的第二输出端42b相连，输出端5b与所述整形反馈电路6的输入端6a端相连。

电压-频率转换电路5由PMOS管P14、P15、P16和NMOS管N16、N17、N18组成；所述PMOS管P14源极接电源VDD，栅极与所述PMOS管P15栅极、所述NMOS管N16栅极、所述NMOS管N17栅极相连，并引出端口作为该电压-频率转换电路5的输入端5a，漏极与所述PMOS管P15源极相连，所述PMOS管P15漏极与所述NMOS管N16漏极相连，所述NMOS管N16源极与所述NMOS管N17漏极相连，所述NMOS管N17源极接地，所述PMOS管P16源极与所述PMOS管P14漏极相连，漏极接地，栅极与所述NMOS管N18栅极相连，并与所述PMOS管P15漏极以及所述NMOS管N16漏极相连，所述NMOS管N18源极与所述NMOS管N16源极以及所述NMOS管N17漏极相连，漏极与电源VDD相连，所述NMOS管N18栅极作为电压-频率转换电路5的输出端5b。

所述整形反馈电路6的输入端6a与所述电压-频率转换电路5的输出端5b相连，输出端6b与所述占空比调节电路7的输入端7a相连。

整形反馈电路6由PMOS管P17和NMOS管N19组成；所述PMOS管P17源极接电源VDD，栅极与所述NMOS管N19栅极相连并作为该整形反馈电路6输入端6a，漏极与所述NMOS管N19漏极相连并作为该整形反馈电路6输出端，所述NMOS管N19源极接地。

所述占空比调节电路7的输入端7a与所述整形反馈电路6的输出端6b相连，输出端为整个荧光光谱测量集成电路的输出端。

占空比调节电路7由PMOS管P18、P19、P20、P21、P22、P23和NMOS管N20、N21、N22、N23、N24、N25以及电容C2、C3组成；所述PMOS管P18源极接电源VDD，栅极与所述NMOS管N20栅极相连，且与所述NMOS管N23栅极和所述PMOS管P19栅极相连并引出端口作为该占空比调节电路7的输入端7a，所述PMOS管P18漏极与所述NMOS管N20漏极相连，所述NMOS管N20源极接地，所述PMOS管P19源极与所述NMOS管N21漏极相连，且与所述PMOS管P23漏极以及所述NMOS管N25漏极相连，所述PMOS管P19漏极与所述NMOS管N21源极、所述PMOS管P20栅极、所述NMOS管N22栅极相连，所述NMOS管N21栅极与所述PMOS管P18漏极、所述PMOS管P21栅极相连，所述电容C2一端连所述PMOS管P19漏极，另一端接地，所述PMOS管P20源极接电源VDD，漏极与所述NMOS管N22漏极相连，且与所述NMOS管N23漏极和所述PMOS管P21源极相连，所述NMOS管N22源极接地，所述NMOS管N23源极与所述PMOS管P21漏极相连，且与所述PMOS管P22栅极和所述NMOS管N24栅极相连，所述电容C3一端接所述PMOS管P21漏极，另一端接地，所述PMOS管P22源极接电源VDD，漏极与所述NMOS管N24漏极相连并引出输出端output，所述NMOS管N24源极接地，所述PMOS管P23源极接电源VDD，漏极与所述NMOS管N25漏极相连，栅极与所述NMOS管N25栅极相连并与输出端output相连，所述NMOS管N25源极接地。

本实用新型的优点是：本实用新型提出的一种用于癌细胞筛查的荧光光谱测量集成电路，将探测到的微弱荧光信号转换成一定频率的方波输出，输出频率与荧光强度成强烈依赖关系，因此可以从输出信号中提取出荧光频谱信息，具有误差小、检测范围宽等优点；本实用新型实现了从模拟量到数字量的间接转换，输出方波信号可直接输入单片机等数字处理系统，不需要经模数转换单元处理后再输入相应处理器，因此可避免模数转换中因转换精度限制存在的误差。

附图说明

图1是本实用新型结构的单元框图

图2是本实用新型设计的原理图

图3是图2的S1部的局部放大图

图4是图2的S2部的局部放大图

图5是图2的S3部的局部放大图

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

本实用新型所述的一种用于癌细胞筛查的荧光光谱测量集成电路，由BDJ光电流提取放大电路1、光电流流向选择电路2、电流-电压转换电路3、复位控制电路4、电压-频率转换电路5、整形反馈电路6、占空比调节电路7共七个模块组成。

所述BDJ光电流提取放大电路1中，浅PN结光电二极管D1和深PN结光电二极管D2处于反偏压状态，光电流从D1、D2共阳极流出，所述PMOS管P1、P2、P3、P4构成Cascode结构的电流镜，所述NMOS管N1、N2、N3、N4与NMOS管N1、N2、N5、N6也构成Cascode结构的电流镜，具有高输出电流精度，大输出电阻的优点，通过该单元可将所述光电流精确镜像输出并放大，且输出光电流与荧光光强成强烈依赖关系，该电路单元可以从输出端1b输出某一大小的电流，也可以从输入端1a输入某一大小的电流，电流大小与BDJ所产生的光电流大小成比例，而具体电流流向由所述光电流流向选择电路2控制；

所述光电流流向选择电路2由第二输入端22a控制，所述PMOS管P5和NMOS管N7共同构成第一传输门，所述PMOS管P6和NMOS管N8构成第二传输门，当第二输入端22a输入高电平时，第一传输门导通，第二传输门截止，光电流可以从第一输入端21a输入并从输入/输出双向端2a/b输出，当第二输入端22a处于低电平时，第一传输门截止，第二传输门导通，电流可以从输入/输出双向端2a/b输入并从输出端2b输出；

所述电流-电压转换电路3具有灵敏度高、抗干扰性强的优点，其中，所述PMOS管P8、P9和所述NMOS管N10、N11构成共源共栅放大电路，所述PMOS管P10、P11和所述NMOS管N12、N13为所述共源共栅放大电路提供偏置，电压转换由反馈电容C1完成，电容根据输入/输出双向端3a/b的电流状态完成相应的积分运算，由于高增益的共源共栅放大电路的存在，使得积分电容可以很小，减小了电路面积，而输入端3a控制电容是否处于复位状态，当输入端3a与输出端3b电位相同时，该电路单元复位，电容两端电压突变，不允许电容作积分运算，输出端3b电压降到最低，当输入端3a与输出端3b电位不同时，该电路单元正常工作，允许电容作积分运算；

所述复位控制电路4是整个荧光光谱测量集成电路能否正常工作的关键电路，电路正常工作之前都需要进行一次复位，所述NMOS管N14和PMOS管P12构成一个传输门，复位信号由第二输入端RES输入，当第二输入端RES为高电平时，传输门导通，第一输出端41b电位和输入端4a的电位几乎相同，由于第一输出端41b和输入端4a分别与所述电流-电压转换电路3的输入端3a和输出端3b相连，使得输入端3a与输出端3b电位相同，电流-电压转换电路3进入复位状态，输入端4a输入最低的电压，并从第二输出端42b输出；

所述电压-频率转换电路5用于根据输入电压的大小变化转换成一定频率的方波输出，该电路由两个阈值电压，较高的阈值电压为VH，较低的阈值电压为VL，电路处于复位状态时，输入端5a输入的电压小于阈值电压VL，输出端5b始终输出高电平，当电路不处于复位状态时，若输入端5a输入的电压处于逐渐上升状态，只有当电压超过阈值电压VH时，输出端5b才会输出低电平，否则一直处于高电平，若输入端5a输入的电压处于逐渐下降状态，只有当电压低于阈值电压VL时，输出端5b才会输出高电平，否则一直处于低电平；当输入端5a的电压周期性变化时，输出端5b即可输出一定频率的方波，频率与输入端5a的电压变化周期成依赖关系；

所述整形反馈电路6完成波形的整形并为光电流流向选择电路2提供反馈信号，该电路单元首先将输入端6a输入的电压反相，并增加电压幅值，使输入的高电平为0，高电平为电源电压VDD，波形变化更陡峭，其次把输出端6b输出的电压反馈至光电流流向选择电路2的第二输入端22a；

所述占空比调节电路7将整形反馈电路6的输出信号作为时钟信号，实现占空比调节，所述PMOS管P18和所述NMOS管N20构成第一反相器，用于将时钟信号反相，所述PMOS管P19、P20、P21、P22和所述NMOS管N21、N22、N23、N24构成D触发器，该D触发器的信号输入端口为所述PMOS管P19源极和所述NMOS管N21漏极，信号输出端口为output端口，所述PMOS管P23和所述NMOS管N25构成第二反相器，用于将D触发器的输出信号反相后作为该D触发器的输入信号，因此，D触发器和第二反相器组合构成T’触发器，在时钟信号上升沿到来之际，将输出信号电平翻转，虽然时钟信号占空比可能不是50％，但是由于在光照强度不改变的前提下，时钟周期不会改变，因此该占空比调节电路7的输出占空比为50％，即实现了占空比调节；

本电路最终实现了将微弱荧光信号转换成光电流，并进而转换成相应频率的方波输出，输出频率大小与荧光强度成强烈依赖关系。通过对癌细胞组织不同荧光波长下的光强度测量，可以实现荧光光谱测量，为癌细胞筛查提供依据。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应该视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能想到的等同技术手段。