A Biosensor-CMOS Platform and Integrated Readout Circuit in 0.18-μm CMOS Technology for Cancer Biomarker Detection

This paper presents a biosensor-CMOS platform for measuring the capacitive coupling of biorecognition elements. The biosensor is designed, fabricated, and tested for the detection and quantification of a protein that reveals the presence of early-stage cancer. For the first time, the spermidine/spermine N1 acetyltransferase (SSAT) enzyme has been screened and quantified on the surface of a capacitive sensor. The sensor surface is treated to immobilize antibodies, and the baseline capacitance of the biosensor is reduced by connecting an array of capacitors in series for fixed exposure area to the analyte. A large sensing area with small baseline capacitance is implemented to achieve a high sensitivity to SSAT enzyme concentrations. The sensed capacitance value is digitized by using a 12-bit highly digital successive-approximation capacitance-to-digital converter that is implemented in a 0.18 μm CMOS technology. The readout circuit operates in the near-subthreshold regime and provides power and area efficient operation. The capacitance range is 16.137 pF with a 4.5 fF absolute resolution, which adequately covers the concentrations of 10 mg/L, 5 mg/L, 2.5 mg/L, and 1.25 mg/L of the SSAT enzyme. The concentrations were selected as a pilot study, and the platform was shown to demonstrate high sensitivity for SSAT enzymes on the surface of the capacitive sensor. The tested prototype demonstrated 42.5 μS of measurement time and a total power consumption of 2.1 μW

Sigma-Delta control of charge trapping in heterogeneous devices

Dielectric charging represents a major reliability issue in a variety of semiconductor devices. The accumulation of charge in dielectric layers of a device often alters its performance, affecting its circuital features and even reducing its effective lifetime. Although several contributions have been made in order to mitigate the undesired effects of charge trapping on circuit performance, dielectric charge trapping still remains an open reliability issue in several applications. The research work underlying this Thesis mainly focuses on the design, analysis and experimental validation of control strategies to compensate dielectric charging in heterogeneous devices. These control methods are based on the application of specifically designed voltage waveforms that produce complementary effects on the charge dynamics. Using sigma-delta loops, these controls allow to set and maintain, within some limits, the net trapped charge in the dielectric to desired levels that can be changed with time. This allows mitigating long-term reliability issues such as capacitance-voltage (C-V) shifts in MOS and MIM capacitors. Additionally, the bit streams generated by the control loops provide real-time information on the evolution of the trapped charge. The proposed controls also allow compensating the effects of the charge trapping due to external disturbances such as radiation. This has been demonstrated experimentally with MOS capacitors subjected to various types of ionizing radiation (X-rays and gamma rays) while a charge control is being applied. This approach opens up the possibility of establishing techniques for active compensation of radiation-induced charge in MOS structures as well as a new strategy for radiation sensing. A modeling strategy to characterize the dynamics of the dielectric charge in MOS capacitors is also presented. The diffusive nature of the charge trapping phenomena allows their behavioral characterization using Diffusive Representation tools. The experiments carried out demonstrate a very good matching between the predictions of the model and the experimental results obtained. The time variations in the charge dynamics due to changes in the volatges applied and/or due to external disturbances have been also investigated and modeled. Moreover, the charge dynamics of MOS capacitors under sigma-delta control is analyzed using the tools of Sliding Mode Controllers for an infinite sampling frequency approximation. A phenomenological analytical model is obtained which allows to predict and analyze the sequence of control signals. This model has been successfully validated with experimental data. Finally, the above control strategies are extended to other devices such as eMIM capacitors and perovskite solar cells. Preliminary results including open loop and closed loop control experiments are presented. These results demonstrate that the application of the controls allows to set and stabilize both the C-V characteristic of an eMIM capacitor and the current-voltage characteristic (J-V) of a perovskite solar cell.La carga atrapada en dieléctricos suele implicar un problema importante de fiabilidad en muchos dispositivos semiconductores. La acumulación de dicha carga, normalmente provocada por las tensiones aplicadas durante el uso del dispositivo, suele alterar el rendimiento de éste con el tiempo, afectar sus prestaciones a nivel de circuital e, incluso, reducir su vida útil. Aunque durante años se han realizado muchos trabajos para mitigar sus efectos no deseados, sobre todo a nivel circuital, la carga atrapada en dieléctricos sigue siendo un problema abierto que frena la aplicabilidad práctica de algunos dispositivos. El trabajo de investigación realizado en esta Tesis se centra principalmente en el diseño, análisis y validación experimental de estrategias de control para compensar la carga atrapada en dieléctricos de diversos tipos de dispositivos, incluyendo condensadores MOS, condensadores MIM fabricados con nanotecnología y dispositivos basados en perovskitas. Los controles propuestos se basan en utilizar formas de onda de tensión, específicamente diseñadas, que producen efectos complementarios en la dinámica de la carga. Mediante el uso de lazos sigma-delta, estos controles permiten establecer y mantener, dentro de unos límites, la carga neta atrapada en el dieléctrico a valores prefijados, que pueden cambiarse con el tiempo. Esto permite mitigar problemas de fiabilidad a largo plazo como por ejemplo las derivas de la curva capacidad-tensión (C-V) en condensadores MOS y MIM. Adicionalmente, las tramas de bits generadas por los lazos de control proporcionan información en tiempo real sobre la evolución de la carga. Los controles propuestos permiten también compensar los efectos de la carga atrapada en dieléctricos debida a perturbaciones externas como la radiación. Esto se ha demostrado experimentalmente con condesadores MOS sometidos a diversos tipos de radiación ionizante (rayos X y gamma) mientras se les aplicaba un control de carga. Este resultado abre la posibilidad tanto de establecer técnicas de compensación activa de carga inducida por radiación en estructuras MOS, como una nueva estrategia de sensado de radiación. Se presenta también una estrategia de modelado para caracterizar la dinámica de la carga dieléctrica en condensadores MOS. La naturaleza difusiva de los fenómenos de captura y eliminación de carga en dieléctricos permite caracterizar dichos fenómenos empleando herramientas de Representación Difusiva. Los experimentos realizados demuestran una muy buena correspondencia entre las predicciones del modelo y los resultados experimentales obtenidos. Se muestra también como las variaciones temporales de los modelos son debidas a cambios en las formas de onda de actuación del dispositivo y/o a perturbaciones externas. Además, la dinámica de carga en condensadores MOS bajo control sigma-delta se analiza utilizando herramientas de control en modo deslizante (SMC), considerando la aproximación de frecuencia de muestreo infinita. Con ello se obtiene un modelo analítico simplificado que permite predecir y analizar con éxito la secuencia de señales de control. Este modelo se ha validado satisfactoriamente con datos experimentales. Finalmente, las estrategias de control anteriores se han extendido a otros dispositivos susceptibles de sufrir efectos de carga atrapada que pueden afectar su fiabilidad. Así, se han llevado a cabo experimentos preliminares cuyos resultados demuestran que la aplicación de controles de carga permite controlar y estabilizar la característica C-V de un condensador eMIM y la característica corriente-tensión (J-V) de una célula solar basada en perovskitas.Postprint (published version

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Recent Advances in Neural Recording Microsystems

The accelerating pace of research in neuroscience has created a considerable demand for neural interfacing microsystems capable of monitoring the activity of large groups of neurons. These emerging tools have revealed a tremendous potential for the advancement of knowledge in brain research and for the development of useful clinical applications. They can extract the relevant control signals directly from the brain enabling individuals with severe disabilities to communicate their intentions to other devices, like computers or various prostheses. Such microsystems are self-contained devices composed of a neural probe attached with an integrated circuit for extracting neural signals from multiple channels, and transferring the data outside the body. The greatest challenge facing development of such emerging devices into viable clinical systems involves addressing their small form factor and low-power consumption constraints, while providing superior resolution. In this paper, we survey the recent progress in the design and the implementation of multi-channel neural recording Microsystems, with particular emphasis on the design of recording and telemetry electronics. An overview of the numerous neural signal modalities is given and the existing microsystem topologies are covered. We present energy-efficient sensory circuits to retrieve weak signals from neural probes and we compare them. We cover data management and smart power scheduling approaches, and we review advances in low-power telemetry. Finally, we conclude by summarizing the remaining challenges and by highlighting the emerging trends in the field