Τεχνικές και κυκλώματα βελτίωσης της ανιχνευτικής δυνατότητας αισθητήρων: μοντελοποίηση θορυβικών διαταραχών σε βιοαισθητήρες για διαγνωστικούς σκοπούς

Abstract

The need to develop readout circuits that are capable of measuring accurately transducers that are incorporated in various instruments has risen considerably the last few years. These readout circuits cover a broad range of applications and are integrated in a number of different appliances such as smartphones, home network sensors, industrial sensors, portable laboratory equipment, automotive sensors, space mission equipment and other measurement instruments. The present thesis is about sensing devices and experiments from the fields of biochemical sensors and photodetectors of cosmic rays. There is a great demand for the development of fast, reliable and low-cost sensing, monitoring and diagnostic systems of biological molecules and diseases. The next generation of biological detection platforms requires important improvements to the sensitivity and accuracy of measurement, in order to cover the harsh specifications of modern science. The majority of the traditional measurement systems is slow and requires large quantities of sample material to guarantee a reliable diagnosis. Nanotechnology plays an important role in the fabrication of these biosensors. The sensitivity and performance of these sensors is enhanced through the use of nano-materials, employing new signal transduction methods. Due to their small dimensions (comparable with the sample’s target molecules), nano-dimension biosensors allow the fast analysis of multiple substances, both in vitro and in vivo. In the field of high-energy physics, in order to understand the nature and the properties of elemental particles, the use of detection systems is as critical as that of accelerating systems and the related infrastructure. Not surprisingly, modern detection systems become more and more complex, aiming to guarantee the maximum information from each experiment. In nuclear physics, as well as in high-energy physics, the type of detector used depends on the nature of radiation that the reacting particles emit during the experiment. The high accuracy and the capability to compute the detected particles’ energy offers the means to maximize the signal to noise ratio and therefore, increase the telescope’s likelihood of detecting astro-particles. Due to the nature of the detection experiments, the procurement of a reliable measurement is extremely important. Through the study of the transduction process, the mechanisms that lead to the detected signal’s fluctuation become clearer. Affinity based sensors use as a detection structure the BioFET, in order to evaluate the concentration of an analyte molecule in a given sample. Sensors of this type make use of biological probe-molecules, like DNA nucleotides or antibodies, to which the analyte’s molecules are selectively bound. The bound molecules are those that lead to detection. The detection method (transduction process)is critical and differs based on the various biological platform. In this stage, the signal is transformed from “biological” to a measurable, usually electrical, signal. The readout circuit is used to measure this electrical signal, by amplifying and processing it and give as an output the verdict of the presence or not of the target analyte in the sample. The capacitive biosensors exhibit a shift in their electrical capacitance as a response to a natural triggering. The operating principal of capacitive biosensors is based on the fact that the target biomolecule interactions exert a force and deflect the flexible silicon membrane that forms one of the plates of a variable capacitor. As a result of this deflection, the capacitance between the membrane and the silicon substrate changes. In Si NW FETs, for the generation of the respective electrical signals that correspond to the detection of a specific analyte, the target molecules first have to collide with the Si NW surface, on which the receptors are immobilized and participate in a field-effect generation process (basic FET operation). The binding of the analyte’s molecules to the probes results in an abundance of negative or positive charge close to the insulator of the gate, depending on the pH of the sample. This charge causes an equal and complementary charge to appear on the semiconductor surface, under the insulator, via field-effect. This charge influences the conductivity of the semiconductor. In both of these types of biological sensors the important common characteristic is their silicon nature, a feature which makes them readily integrable in any CMOS measurement device. The sensors in the case of particle detection experiments are, in essence, photo-multipliers, which produce as an output electric pulse, whenever an event is detected. Via the measurement of the pulses’ duration, it is possible calculate the particles’ energy, by first reconstructing their waveforms. For the framework of this Ph.D. thesis, various readout circuit architectures were developed, aiming in providing a measurement with improved accuracy compared to the literature. Regarding the particle detection experiments, a readout circuit was designed and fabricated, making use of different ICs. Through the proposed design, an improvement in the detection accuracy is achieved, by using multiple thresholds instead of just one, for reconstructing the particle waveforms. The input pulse is detected by the system and driven to a preamplifier. The preamplifier amplifies this pulse with a fixed gain. The preamplifiers output is connected to three comparators, for each input channel. In the system, three thresholds are chosen for the determination of the duration the pulse spends above these threshold values. This duration is subsequently digitized via a Time-to-Digital converter. In addition, an FPGA is used for the filtering of the data (based on noise and the coincidence of the pulses), the synchronization of the GPS and the communication with the user interface. The system was checked for its proper operation with pulses produced by an actual cosmic ray telescope detector, used to detect extensive atmospheric showers and its resolution was calculated. Regarding the case of capacitive biosensor readout, the developed architecture was implemented in a 90nm IC, and provides a constant resolution for a wide range of input capacitances. The analog part uses a switched-capacitor amplifier to amplify a reference voltage. Since the feedback capacitance is a known constant and the input capacitance is the sensor capacitance to be measured, the gain of this stage varies, based on the biosensor’s value. An ADC measures the output voltage of the amplifier to extract the required information. A finite state machine developed in FPGA logic is used for the formation of the reference capacitance, from a bank of external capacitors. The novel architecture essentially implements a form of Correlated Double Sampling (CDS) and therefore exhibits reduced noise at low frequencies. After measurements the accuracy and the linearity of the system are evaluated, the measurement uncertainty is analyzed and the measurement error is computed. Furthermore, the noise behavior of Si NW FETs is studied, since they are an advanced version of biological sensors. The mechanisms that lead to gate voltage fluctuations are studied, in order to extract information relevant to the biological reaction, using noise spectroscopy. The noise spectrum of Si NW FETs includes all the information for the transport phenomena, the molecular interactions of binding/unbinding and the reaction rate of the experiment. This method of information extraction, noise spectroscopy, is very useful not only for the further improvement of the sensor device, but also for using noise itself as a detection mechanism. The biochemical reaction that takes place during a detection experiment with a Si NW FET sensor is related to two types of fluctuations, namely the binding/unbinding of the reacting molecules and also, the binded molecule’s charge fluctuations during thermal equilibrium. These fluctuations have an immediate effect to voltage fluctuations on the gate, which in turn affect the electrical characteristics of the sensor device, via field-effect action. The resulting noise contains information about the detection, which is extracted via the time constants (characteristic frequencies) that are related to the kinetic behavior and the charge fluctuations of the target molecules. A charge fluctuation model is developed to describe the fluctuations on the sensor surface, which are linked to the two above mechanisms. The spectral density corresponding to these types of fluctuations is added to the overall noise spectrum of the device. From the noise spectrum analysis the characteristic frequencies stemming from a given target analyte are extracted. From these two noise mechanisms, the characteristic frequency of the charge fluctuations is readily visible in the overall noise spectrum, since it appears in the kHz range. The dependence of this characteristic frequency on the receptor molecule concentration leads to the possibility of detecting multiple analytes concurrently, from the same Si NW matrix. To that end, the fabrication of a Si NW matrix is proposed, with high resolution and receptors of different, a priori known densities. The spectral density corresponding to a certain type of receptor has its own unique characteristic frequency in the overall noise spectrum. In addition, a decomposition algorithm is implemented for the extraction of the unique characteristic frequencies from the spectrum, in order to achieve the determination of the number and type of target molecules that are present in the electrolyte sample.

Η ανάγκη ανάπτυξης κυκλωμάτων ανάγνωσης που είναι σε θέση να μετρούν με ακρίβεια transducers, οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε διάφορες τεχνικές οργάνων, έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια. Αυτά τα κυκλώματα ανάγνωσης καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και ενσωματώνονται σε μια ευρεία αγορά συσκευών, όπως έξυπνα τηλέφωνα, αισθητήρες δικτύου σπιτιού, βιομηχανικούς αισθητήρες, φορητό εξοπλισμό εργαστηρίου, αισθητήρες αυτοκινήτου, εξοπλισμός διαστημικών αποστολών και άλλα είδη οργάνων μέτρησης. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με ανιχνευτικές διατάξεις και πειράματα προερχόμενα από το χώρο των βιοχημικών αισθητήρων και των φωτοαισθητήρων ανίχνευσης κοσμικής ακτινοβολίας. Υπάρχει μια μεγάλη ζήτηση για ανάπτυξη γρήγορων, αξιόπιστων και χαμηλού κόστους συστημάτων ανίχνευσης, παρακολούθησης και διάγνωσης των βιολογικών μορίων και των ασθενειών. Οι βιολογικές πλατφόρμες ανίχνευσης επόμενης γενιάς απαιτούν σημαντικές βελτιώσεις στην ευαισθησία και την ακρίβεια της μέτρησης ώστε να καλύψουν τις αυξημένες απαιτήσεις της σύγχρονης επιστήμης. Τα περισσότερα από τα παραδοσιακά μετρητικά συστήματα είναι αργά και απαιτούν μεγάλες ποσότητες δείγματος για να εξασφαλίσουν μια αξιόπιστη διάγνωση. Η νανοτεχνολογία διαδραματίζει ένα σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των βιοαισθητήρων. Η ευαισθησία και η απόδοση αυτών των αισθητήρων είναι ενισχυμένη με τη χρήση νανοϋλικών μέσω νέων τεχνολογιών transduction του σήματος. Εξαιτίας των μικρών διαστάσεών τους (συγκρίσιμων με τα μόρια του δείγματος προς ανάλυση), οι βιοαισθητήρες νανοκλίμακας επιτρέπουν τη γρήγορη ανάλυση πολλαπλών ουσιών τόσο in vitro όσο και in vivo. Στον τομέα της φυσικής υψηλών ενεργειών, προκειμένου να κατανοηθεί η φύση του πυρήνα αλλά και να καταγραφούν οι ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων, εκτός των επιταχυντικών συστημάτων και υποδομών εξίσου απαραίτητη είναι και η χρήση ανιχνευτικών συστημάτων. Φυσικά στις μέρες μας οι ανιχνευτικές διατάξεις γίνονται ολοένα και πιο πολύπλοκες προκειμένου να διασφαλιστεί η μέγιστη δυνατή πληροφορία από κάθε πείραμα. Στην πυρηνική φυσική αλλά και στις υψηλές ενέργειες τις περισσότερες φορές χρησιμοποιούνται διαφορετικοί ανιχνευτές για κάθε είδος ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την αντίδραση των διαφόρων σωματιδίων ανάλογα με το είδος του πειράματος. Η υψηλή ακρίβεια και η ικανότητα να υπολογιστεί η ενέργεια των σωματιδίων που ανιχνεύονται προσφέρουν τα μέσα για τη μεγιστοποίηση του λόγου σήματος προς θόρυβο και συνεπώς την αύξηση της πιθανότητας του τηλεσκοπίου να ανιχνεύσει αστροφυσικά σωματίδια. Λόγω της φύσεως των ανιχνευτικών πειραμάτων, η παραγωγή μιας αξιόπιστης μέτρησης κρίνεται εξαιρετικά σημαντική. Μέσω της μελέτης των διαδικασιών transduction γίνονται κατανοητοί οι μηχανισμοί που οδηγούν στις διακυμάνσεις του σήματος. Οι αισθητήρες τύπου affinity χρησιμοποιούν ως δομή ανίχνευσης το BioFET για να εκτιμήσουν την συγκέντρωση ενός μορίου αναλύτη σε ένα δείγμα. Οι αισθητήρες αυτού του τύπου, κάνουν χρήση βιολογικών μορίων αναγνώρισης (υποδοχείς), όπως νουκλεοτίδια DNA ή αντισώματα, στα οποία επιλεκτικά συνδέονται τα μόρια του αναλύτη. Τα μόρια που έχουν συνδεθεί στους υποδοχείς είναι εκείνα που οδηγούν στην ανίχνευση. Ο τρόπος ανίχνευσης (διαδικασία transduction) είναι κρίσιμης σημασίας και διαφέρει ανάλογα με τις διάφορες βιολογικές πλατφόρμες. Σε αυτό το στάδιο, το σήμα μετατρέπεται από τον "βιολογικό τομέα" σε ένα μετρήσιμο σήμα, συνήθως ηλεκτρικό σήμα. Το κύκλωμα ανάγνωσης καλείται να μετρήσει αυτό το ηλεκτρικό σήμα μέσω της ενίσχυσής του απουσία θορύβου, κάνοντας χρήση διαφορετικών μεθόδων επεξεργασίας και να δώσει ως έξοδο το αποτέλεσμα της ύπαρξης ή όχι του επιθυμητού αναλύτη στο δείγμα. Οι χωρητικοί βιοαισθητήρες επιδεικνύουν μια αλλαγή στην ηλεκτρική χωρητικότητα ως απόκριση σε μια αλλαγή σε κάποιο φυσικό ερέθισμα. Η αρχή λειτουργίας των χωρητικών αισθητήρων βασίζεται στο γεγονός ότι οι αλληλεπιδράσεις βιομορίων που μελετούνται ασκούν δυνάμεις και παραμορφώνουν την ευέλικτη μεμβράνη πυριτίου που αποτελεί τον έναν οπλισμό ενός μεταβλητού πυκνωτή. Συνέπεια αυτής της παραμόρφωσης είναι η ανάλογη μεταβολή της χωρητικότητας που παρουσιάζει η μεμβράνη με το υπόστρωμα πυριτίου. Στα Si NW FETs για την παραγωγή των αντίστοιχων ηλεκτρικών σημάτων που αντιστοιχούν στη διασύνδεση του συγκεκριμένου αναλύτη, τα μόρια του αναλύτη αρχικά πρέπει να συγκρουστούν με την επιφάνεια του Si NW στην οποία βρίσκονται ακινητοποιημένοι οι υποδοχείς και να λάβουν μέρος σε μια επαγωγική διαδικασία FET. Η σύνδεση των μορίων του αναλύτη στους υποδοχείς προκαλεί ένα πλεόνασμα αρνητικού ή θετικού φορτίου κοντά στον μονωτή της πύλης, που εξαρτάται από το pH του διαλύματος. Αυτό το φορτίο προκαλεί ίσο και συμπληρωματικό φορτίο στην επιφάνεια του ημιαγωγού που βρίσκεται από κάτω μέσω επαγωγής. Αυτά τα επαγωγικά φορτία επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά της αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Και στους δύο αυτούς βιολογικούς τύπους αισθητήρα το σημαντικό κοινό στοιχείο αποτελεί η άμεση επαφή τους με το πυρίτιο, χαρακτηριστικό που τους καθιστά άμεσα ενσωματώσιμους σε οποιαδήποτε μετρητική συσκευή CMOS. Οι αισθητήρες στην περίπτωση των πειραμάτων ανίχνευσης σωματιδίων είναι ουσιαστικά οι φωτοπολλαπλασιαστές, οι οποίοι δίνουν ως έξοδο ηλεκτρικούς παλμούς κάθε φορά που ανιχνεύεται ένα γεγονός. Με τη μέτρηση της διάρκειας αυτών των αναλογικών παλμών είναι δυνατό να υπολογιστεί η ενέργεια των σωματιδίων μέσω της ανακατασκευής των κυματομορφών τους. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν αρχιτεκτονικές των εκάστοτε κυκλωμάτων ανάγνωσης για τα δύο πειράματα που στόχο είχαν την παραγωγή μιας βελτιωμένης ακρίβειας μέτρησης από τις αντίστοιχες περιπτώσεις της βιβλιογραφίας. Για την περίπτωση των πειραμάτων ανίχνευσης σωματιδίων, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε κύκλωμα ανάγνωσης με χρήση διακριτών στοιχείων. Με τον σχεδιασμό που αναπτύχθηκε επιτυγχάνεται βελτίωση στην ακρίβεια με τη χρήση πολλαπλών κατωφλιών έναντι του ενός για την ανακατασκευή των κυματομορφών των σωματιδίων. Η διάρκεια του παλμού ανιχνεύεται από το σύστημα και οδηγείται σε έναν προενισχυτή. Ο προενισχυτής ενισχύει το παλμό αυτόν με μια σταθερή τιμή κέρδους σε κάθε κανάλι. Η έξοδος του προενισχυτή οδηγείται σε τρεις συγκριτές σε κάθε κανάλι. Στο σύστημα επιλέγονται τρία κατώφλια για τον καθορισμό της διάρκειας του σήματος που είναι πάνω από την τιμή της τάσης κατωφλίου. Η διάρκεια αυτή στη συνέχεια ψηφιοποιείται μέσω ενός μετατροπέα χρόνου σε ψηφιακή τιμή. Επίσης χρησιμοποιείται ολοκληρωμένο FPGA για το φιλτράρισμα των δεδομένων (από θόρυβο και συμπτώσεις), τον συγχρονισμό με το GPS και την επικοινωνία με το χρήστη. Το σύστημα ελέγχθηκε για την καλή λειτουργία με παλμούς προερχόμενους από ανιχνευτές τηλεσκοπίου κοσμικής ακτινοβολίας που ανιχνεύουν extensive atmospheric showers και υπολογίστηκε το resolution του. Η αρχιτεκτονική που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε σε chip (90 nm) στην περίπτωση ανάγνωσης χωρητικών βιοαισθητήρων επιτυγχάνει σταθερό resolution σε ένα μεγάλο εύρος χωρητικοτήτων ανάγνωσης. Το αναλογικό μέρος χρησιμοποιεί έναν ενισχυτή switched-capacitor για να ενισχύσει μια τάση αναφοράς. Καθώς η χωρητικότητα ανάδρασης είναι σταθερή, αλλά η χωρητικότητα εισόδου είναι η χωρητικότητα του αισθητήρα προς μέτρηση, το κέρδος του σταδίου αυτού μεταβάλλεται, εξαρτώμενο από την τιμή του βιοαισθητήρα. Ένας ADC μετράει την τάση εξόδου του ενισχυτή για να εξαγάγει την επιθυμητή πληροφορία. Μια μηχανή πεπερασμένων καταστάσεων αναπτυγμένη σε FPGA λογική χρησιμοποιείται για την σύνθεση της χωρητικότητας αναφοράς από μια ομάδα εξωτερικών πυκνωτών. Η αρχιτεκτονική που ακολουθήθηκε αποτελεί ουσιαστικά μια μορφή Correlated Double Sampling (CDS) και γι' αυτό παρουσιάζει μειωμένο θόρυβο στις χαμηλές συχνότητες. Μέσω μετρήσεων εκτιμήθηκε η ακρίβεια και η γραμμικότητα του συστήματος, έγινε ανάλυση της αβεβαιότητας στη μέτρηση που υπεισέρχεται από διάφορες μεταβολές και υπολογίστηκε το σφάλμα μέτρησης. Επίσης, διερευνήθηκε περαιτέρω η θορυβική συμπεριφορά στην περίπτωση των Si NW FETs που αποτελούν την εξελιγμένη περίπτωση βιολογικών αισθητήρων. Αναζητήθηκαν οι μηχανισμοί που οδηγούν στις διαταραχές (πηγές θορύβου) στην τάση της πύλης, ώστε με τη βοήθεια της θορυβικής φασματοσκοπίας να εξαχθούν πληροφορίες σχετικές με την αντίδραση. Το φάσμα θορύβου των Si NW FETs περιέχει όλες τις πληροφορίες για την επίδοση, τα μεταβατικά φαινόμενα, τις μοριακές αλληλεπιδράσεις σύνδεσης/ αποσύνδεσης και τον ρυθμό της αντίδρασης. Αυτή η μέθοδος εξαγωγής πληροφοριών (noise spectroscopy) είναι εξαιρετικά σημαντική, όχι μόνο για την περαιτέρω βελτίωση της συσκευής του αισθητήρα, αλλά και γιατί αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για την εκμετάλλευση του ίδιου του θορύβου ως έναν μηχανισμό ανίχνευσης. Η βιοχημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκεια ενός ανιχνευτικού πειράματος του αισθητήρα Si NW FET συνδέεται με μια διττή διαταραχή, μέσω των μηχανισμών σύνδεσης/αποσύνδεσης των αντιδρώντων μορίων και των διεργασιών του φορτίου στη θερμική ισορροπία. Αυτές οι διαταραχές έχουν άμεσο αντίκτυπο στις διακυμάνσεις της τάσης στην επιφάνεια, οι οποίες με τη σειρά τους επηρεάζουν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της συσκευής του αισθητήρα, μέσω του φαινομένου του πεδίου της διαδικασίας transduction. Ο θόρυβος που προκύπτει περιέχει πληροφορία για την ανίχνευση, η οποία εξάγεται μέσω των χρονικών σταθερών (χαρακτηριστικών συναρτήσεων) που σχετίζονται με την κινητική συμπεριφορά και τις διαταραχές του φορτίου των μορίων προς ανίχνευση. Αναπτύσσεται ένα μοντέλο των διαταραχών φορτίου που λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια του αισθητήρα και συνδέονται με τους δύο παραπάνω μηχανισμούς. Η φασματική πυκνότητα που αντιστοιχεί σε αυτούς τους τύπους διαταραχών προστίθενται στο συνολικό φάσμα θορύβου της συσκευής. Από την ανάλυση του φάσματος θορύβου εξάγονται οι χαρακτηριστικές συχνότητες, οι οποίες αντιστοιχούν στο συγκεκριμένο αναλύτη στο βιολογικό πείραμα. Από τους δύο αυτούς μηχανισμούς θορύβου, η χαρακτηριστική συχνότητα των διαταραχών που σχετίζονται με το φορτίο κατά τη θερμική ισορροπία, είναι άμεσα διακριτή στο συνολικό φάσμα θορύβου, καθώς έχει μια τάξη μεγέθους μερικών kHz. Η εξάρτηση της χαρακτηριστικής συχνότητας αυτής από την πυκνότητα των υποδοχέων οδηγεί σε μια διακριτική ανίχνευση πολλαπλών ειδών αναλύτη ταυτόχρονα από την ίδια συστοιχία Si NW. Για το σκοπό αυτό, πρέπει να κατασκευαστεί μια συστοιχία Si NW με μεγάλη διακριτική ικανότητα και με υποδοχείς που θα έχουν διαφορετικές, εκ των προτέρων γνωστές πυκνότητες. Η φασματική πυκνότητα που συνδέεται με κάθε τύπο υποδοχέα έχει ως αποτέλεσμα μια μοναδική χαρακτηριστική συχνότητα στο συνολικό φάσμα θορύβου της συστοιχίας Si NW. Επίσης, υλοποιείται αλγόριθμος για την αποσύνθεση (decomposition) του φάσματος του συνολικού θορύβου και την εξαγωγή (extraction) των χαρακτηριστικών συχνοτήτων ώστε να καταστεί δυνατή η εκτίμηση του αριθμού και του είδους των μορίων προς ανίχνευση που είναι παρόντα στο ηλεκτρολυτικό διάλυμα.