This thesis contains fully integrated label-free DNA recognition circuit based on capacitance measurement with novel band-gap reference using chopper stabilization technique.
First, CMOS-based DNA sensor is proposed for electrical detection of DNA hybridization. The proposed architecture can detect the difference of capacitance between reference electrodes which contain only single-stranded DNA and sensing electrodes with complementary DNA strands. This differential capacitive sensing structure can reduce unexpected errors generated by chip processing or experiment steps. As a result, the proposed structure can improve the sensitivity for DNA detection. The chip was fabricated in 0.35-um CMOS technology and 16×8 sensing electrode arrays were fabricated by post-processing steps. The proposed label-free DNA sensor can detect 500pM of H5N1 target DNA.
Second, a low 1/f noise, high power supply rejection ratio (PSRR) band-gap reference based on chopper stabilization technique for biosensor is proposed. Chopper stabilization technique can reduce flicker noise and offset voltage generated by mismatch of MOS transistors. Ripple reduction feedback is implemented to reduce output ripple voltage without large-size output capacitor. Additional sub buffer amplifier is also implemented to overcome low output impedance of 65nm MOS transistors. This sub buffer amplifier can dramatically improve PSRR with feedforward structure in proposed band-gap reference. The proposed architecture was dedicated to not only bio sensor application, but also referencing to LDO regulator. Whole area occupies 100um?00um in 65nm CMOS process, and static current is 59.4uA with 1.2V supply voltage.
이 논문은 정전용량 측정 방식에 기반을 둔 집적화된 label-free DNA 측정 회로와 이를 위한 정밀한 band-gap reference 에 대한 것이다.
첫째로, 제안된 CMOS 기반의 DNA 센서는 전기적인 방식을 사용하여 DNA 의 혼성화를 탐지해낸다. 제안된 구조는 ssDNA 만 붙어있는 reference electrode 와 complementary DNA 가 혼성화 된 sensing electrode 사이의 정전용량의 차이를 측정하는 differential 방식을 채택하여 측정 감도를 높이고 공정이나 실험 과정에 따른 오차를 최대한 줄이도록 하였다. Chip 은 0.35um CMOS 공정을 이용하여 제작되었으며, 16×8 개의 sensing electrode 은 post 공정을 통하여 DNA 가 잘 붙을 수 있도록 gold 로 제작되었다. 실험 결과 500pM 의 H5N1 target DNA 을 검출하는데 성공하였다.
두 번째로는, DNA 센서에 정밀한 reference 전압을 제공하기 위한 저잡음, high PSRR band-gap reference 을 chopper stabilization technique 와 PSRR boosting 기법들을 활용하여 설계하였다. Chopper amplifier 은 flicker noise 와 MOS 의 mismatch 에서 발생하는 오프셋 전압을 줄여줄 수 있으며, 제안된 ripple reduction feedback 은 chopping 에서 발생하는 ripple 을 출력단에 큰 filter 을 사용하지 않고도 감소시키는 효과가 있다. 추가적인 sub-amplifier 와 전원전압의 변동을 MOS 의 gate 전압에 바로 반영할 수 있는 feedforward path 은 65nm CMOS 소자의 낮은 출력 임피던스를 극복하고, -80dB 정도의 향상된 PSRR 특성을 얻을 수 있었다. 전체적인 면적은 100um×300um 크기이며, 65nm 공정을 이용하여 제작되었다. 전원전압은 1.2V 이며, 900mV 까지의 전원전압에도 작동할 수 있도록 제작되었다. 이러한 제안된 band-gap 구조는 DNA 센서 뿐만 아니라 정밀한 reference 전압이 필요한 LDO regulator 등에도 사용될 수 있다.
