The dielectric spectroscopy for information of biomaterials and chemical has a great potential in a variety application. The trend towards dielectric sensor for biomedical application requires small area, low price. The receiver-based sensor in CMOS reduces cost, area, power and has a wideband frequency range. This research is mainly focused on the analysis and realization of the broadband dielectric spectroscopy architecture.
In the design of the sensing capacitor to detect the dielectric characteristics, on-chip interdigitated capacitor is adopted achieving low cost, small area. The on-chip capacitor is realized with a top metal in a CMOS process, which has a small size of 150 x 195 $μm^{2}$. Also, a permittivity sensing method of liquid is proposed to demonstrate that the designed capacitor detects permittivity of material under test (MUT). It shows less than 6.4% rms error of ε′for propanol ($C_{3}H_{8}0$) at 100 MHz-5 GHz.
A current-mode dielectric spectroscopy in 28-nm CMOS is presented for permittivity detection of liquids at microwave frequency range. The proposed architecture can achieve high linearity for sensor sensitivity. Also, decoupling the noise and bandwidth trade-off is possible by increasing output impedance of the first stage. Through proposed sensor, we measured permittivity of propanol and ethanol, similar to the theoretical value, and rms permittivity error is less than 0.9 at 0.03-10 GHz.
바이오, 화학 물질의 유전 정보를 위한 유전율 분광계는 다양한 어플리케이션에 큰 잠재력을 갖고 있다. 바이오 메디컬 어플리케이션을 위한 유전율 분광계는 작은 크기와 낮은 가격을 필요로 한다. 수신기 기반의 CMOS 유전율 분광계는 가격, 크기, 소모전력을 낮추며 넓은 동작 주파수 범위를 가진다. 이 연구는 광대역 유전율 분광계에 대한 분석과 설계 과정을 다룬다. 유전율 측정을 위한 센싱 커패시터는 낮은 가격과 작은 면적을 위해 on-chip으로 얽힌 구조로 설계됐다. On-chip 커패시터는 CMOS 공정의 탑메탈로 만들어졌고, 150 x 195 $μm^{2}$ 의 면적을 가진다. 또한 액체 유전율 측정을 위한 방법을 제안하여 설계된 커패시터가 시험 중인 물질 (MUT)의 유전율을 측정하는 것을 확인했다. 100 MHz-5 GHz 대역에서 프로판올($C_{3}H_{8}0$)의 측정결과는 6.4%의 rms 에러를 보여줬다. 마이크로파 대역의 액체 유전율 측정을 위한 28-nm 공정의 전류 방식 유전율 분광계가 제시된다. 제안된 구조는 센서의 민감도를 위한 높은 선형성을 얻을 수 있다. 또한, 첫 단의 출력 임피던스를 증가시켜 잡음과 대역폭의 trade-off를 분리할 수 있다. 제안된 센서를 통해 0.03-10 GHz 대역에서 이론 값과 유사한 프로판올과 에탄올의 유전율을 측정했고, rms 유전율 에러는 0.9미만이다.