Σχεδιασμός, ανάλυση και υλοποίηση κυκλωμάτων για τη μέτρηση και τον έλεγχο χωρητικών και ηλεκτροχημικών αισθητήρων
Authors: Ράμφος Ιωάννης 
Published: August 2021

Τα συστήματα μοριακής διαγνωστικής έχουν έρθει στο προσκήνιο τα τελευταία χρόνια δίνοντας τη δυνατότητα για αυτοματοποιημένες, αξιόπιστες, γρήγορες και χαμηλού κόστους βιολογικές αναλύσεις. Τέτοια συστήματα χαρακτηρίζονται από σύνθετη λειτουργικότητα, η οποία συνδυάζει πληθώρα ενεργοποιητών και αισθητήρων που συνεργάζονται για την εκτέλεση βιολογικών πρωτοκόλλων. Με βάση τα πρωτόκολλα αυτά και με τη χρήση μικροροϊκών συστημάτων, τα βιολογικά δείγματα και αντιδραστήρια υποβάλλονται σε διάφορα στάδια επεξεργασίας. Κατόπιν της επεξεργασίας τους, τα δείγματα υπό μελέτη καταλήγουν πάνω στην επιφάνεια αισθητήρων, οι οποίοι είναι ειδικά ευαισθητοποιημένοι ώστε να ανιχνεύουν συγκεκριμένες βιολογικές αλληλεπιδράσεις ενδιαφέροντος και να αποκρίνονται μεταβάλλοντας αναλόγως ένα φυσικό μέγεθος, μετρήσιμο από ηλεκτρονικά κυκλώματα.Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα ανάγνωσης των αισθητήρων αποτελούν ένα από τα κυριότερα τμήματα ενός συστήματος μοριακής διαγνωστικής, καθώς βάσει της απόκρισης αυτών προκύπτουν τα διαγνωστικά αποτελέσματα. Κατά συνέπεια, αναγνωρίζεται ο σημαντικός ρόλος που κατέχουν στη συνολική αναλυτική διαδικασία. Είναι απαραίτητο οι μετρήσεις που εκτελούν να χαρακτηρίζονται από μεγάλη ακρίβεια με υψηλή διακριτική ικανότητα για κάθε αισθητήριο στοιχείο. Ταυτόχρονα όμως, πρέπει να εξασφαλίζεται και η αξιοπιστία της μέτρησης σε επίπεδο βιολογικής διεργασίας. Σε αυτό το στόχο συντελεί η χρήση συστοιχιών αισθητήρων, με τις οποίες η ίδια μέτρηση μπορεί να εκτελεστεί παράλληλα σε πολλά στοιχεία και συνοδεύεται από μετρήσεις θετικού και αρνητικού ελέγχου. Πάνω στη συστοιχία μπορούν να εκτελεστούν και συμπληρωματικές μετρήσεις περισσότερων δειγμάτων, ώστε τα αποτελέσματα που εξάγονται να δίνουν μια πιο ολοκληρωμένη αναλυτική εικόνα. Υπό αυτό το πρίσμα, οι μεγάλου μεγέθους συστοιχίες αισθητήρων μπορούν να προσφέρουν βέλτιστα αποτελέσματα.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στα κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών χωρητικών και ηλεκτροχημικών αισθητήρων, δύο ευρέως χρησιμοποιούμενων τεχνολογιών αισθητήρων. 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, μεταβολή που μετράται από το κύκλωμα. Στην περίπτωση των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, η αντίστοιχη αλληλεπίδραση βιομορίων, με τη βοήθεια βιομορίων σήμανσης, προκαλεί τη μεταβολή της αγωγιμότητας μεταξύ των ηλεκτροδίων τους. Υπό ελεγχόμενες συνθήκες πόλωσης τάσης, το αναπτυσσόμενο ρεύμα που μετράται αντιστοιχεί στην εξέλιξη του βιολογικού φαινομένου.Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις δυνατότητες κλιμάκωσης της εκάστοτε αρχιτεκτονικής ώστε να είναι επεκτάσιμη στην ανάγνωση πολύ μεγάλων συστοιχιών αισθητήρων με βέλτιστο τρόπο, διατηρώντας μικρές διαστάσεις για τα κυκλώματα ανάγνωσης. Συγχρόνως, εξασφαλίζεται με διάφορες στρατηγικές η ορθή λήψη μετρήσεων από κάθε στοιχείο, χωρίς την επίδραση από τα υπόλοιπα μέλη της συστοιχίας.Για την ανάγνωση συστοιχιών χωρητικών αισθητήρων σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα σε τεχνολογία 0.35 μm, που στον πυρήνα της μέτρησης διαθέτει έναν ταλαντωτή χαλάρωσης με βρόχο υστέρησης ρεύματος. Υποστηρίζεται από προγραμματιζόμενες πηγές ρεύματος διέγερσης ώστε να καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα χωρητικοτήτων για τους αισθητήρες. Το σύστημα πολύπλεξης που αναπτύχθηκε για τη διασύνδεση κάθε μέλους από τις συστοιχίες αισθητήρων πάνω στον πυρήνα ανάγνωσης μπορεί να διαχειριστεί πεπλεγμένες συστοιχίες, όπου τα στοιχεία είναι οργανωμένα με κοινές γραμμές και στήλες ηλεκτρικών επαφών στους οπλισμούς τους. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατή η δημιουργία μεγάλων συστοιχιών με μικρό πλήθος ακροδεκτών διασύνδεσης.Η πρόκληση της ανάγνωσης τέτοιου είδους συστοιχιών έγκειται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχείων, λόγω ανεπιθύμητων μονοπατιών στο ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή. Μία πρώτη αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος διαφωνίας γίνεται με τη χρήση διακοπτών δύο καταστάσεων στις μονάδες πολύπλεξης, ώστε να ελέγχεται ο τρόπος με τον οποίο διεγείρεται το μετρούμενο καθώς και τα υπόλοιπα στοιχεία κατά τη μέτρηση. Με διαδοχικές μετρήσεις υπό διαφορετικές συνδεσμολογίες στους πολυπλέκτες και με κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία, μπορούν να εξαχθούν ακριβείς μετρήσεις για την κατάσταση κάθε αισθητήρα της συστοιχίας. Η στατικότητα του συστήματος κατά τη διάρκεια των διαδοχικών μετρήσεων που είναι προϋπόθεση για το σωστό υπολογισμό των αποτελεσμάτων, βασίζεται στην ιδιαίτερα αργή εξέλιξη των βιολογικών φαινομένων στην επιφάνεια των αισθητήρων.Στα πλαίσια της διατριβής έγινε και ένας επανασχεδιασμός του κυκλώματος ανάγνωσης συστοιχιών, σε επίπεδο σχηματικού και φυσικού σχεδιασμού, του οποίου η λειτουργία επιβεβαιώθηκε με post-layout εξομοιώσεις. Σε αυτή την ανάπτυξη έγινε προσθήκη επιπλέον υπομονάδων και η βελτίωση των υπαρχουσών. Από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτού του σχεδιασμού είναι μια μονάδα απομονωτή, που προσφέρει έναν δεύτερο τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος διαφωνίας μεταξύ των στοιχείων, αποτρέποντας το ρεύμα φόρτισης του ταλαντωτή να οδηγηθεί προς μη επιθυμητά στοιχεία. Επιπλέον, οι μονάδες ταλάντωσης που χρησιμοποιεί το επανασχεδιασμένο κύκλωμα είναι δύο, για ταυτόχρονη ανάγνωση αισθητήρων και ταχύτερη σάρωση μεγάλων συστοιχιών, με το εύρος του προγραμματιζόμενου ρεύματος να είναι μεγαλύτερο, καλύπτοντας μεγαλύτερο φάσμα αισθητήρων. Τέλος, αυτή η έκδοση του κυκλώματος έχει πιο αυτόνομο χαρακτήρα, με την ενσωμάτωση ενός υποσυστήματος σειριακής επικοινωνίας και ελέγχου.Για τη δεύτερη τεχνολογία αισθητήρων που καλύπτει η παρούσα διατριβή, των ηλεκτροχημικών αισθητήρων, σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν κυκλώματα ανάγνωσης συστοιχιών με χρήση διακριτών στοιχείων, καθώς επίσης και κυκλώματα με το βασικό πυρήνα μέτρησης να υλοποιείται σε ολοκληρωμένη μορφή με τεχνολογία 90 nm. Για τους σχεδιασμούς αυτούς έχει αναπτυχθεί η τεχνική της υβριδικής πολύπλεξης, βάσει της οποίας τα μέλη της συστοιχίας ομαδοποιούνται καταλλήλως, ώστε να επιτευχθούν οι απαιτούμενες επιδόσεις σε ρυθμούς δειγματοληψίας από το κύκλωμα ανάγνωσης, ενώ παράλληλα το μέγεθος του κυκλώματος παραμένει μικρό. Η υβριδική πολύπλεξη συνδυάζει διαδοχική ανάγνωση με παράλληλη ανάγνωση στοιχείων, κάνοντας χρήση πολυπλεκτών και κατάλληλου αριθμού υποσυστημάτων μέτρησης που επαναχρησιμοποιούνται για πολλά αισθητήρια στοιχεία. Η ιδιαιτερότητα που έχουν αυτού του τύπου οι μετρήσεις έγκειται στην απαίτηση για διαρκή πόλωση όλων των στοιχείων χωρίς διακοπή της ροής του ρεύματος μέσω αυτών, που καλύπτεται μέσω ειδικά διαμορφωμένων πολυπλεκτών δύο καταστάσεων οι οποίοι εξασφαλίζουν τις σωστές συνθήκες λειτουργίας.Επιπρόσθετες βελτιώσεις που παρέχει η υλοποίηση του κυκλώματος ανάγνωσης σε μορφή ολοκληρωμένου είναι η δυνατότητα εναλλαγής μεταξύ δύο τύπων κυκλωμάτων μέτρησης, με χρήση ενισχυτή διαντίστασης και ολοκληρωτή. Οι δύο τρόποι μέτρησης χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά, ώστε να καλυφθεί μεγάλη δυναμική περιοχή λειτουργίας και γρήγορη απόκριση, αλλά και υψηλή ανάλυση, ανάλογα με τις απαιτήσεις κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας.Για το χαρακτηρισμό των κυκλωμάτων ανάγνωσης που αναπτύχθηκαν και για τις δύο τεχνολογίες αισθητήρων, έγιναν μετρήσεις με πρότυπα φορτία, καθώς και με συστοιχίες, για να εξαχθούν συμπεράσματα για την απόκρισή τους. Κατόπιν των ελέγχων καλής λειτουργίας των κυκλωμάτων και των μεθόδων που ακολουθούνται, πραγματοποιήθηκαν και επιτυχείς μετρήσεις βιολογικής σημασίας, που επιβεβαιώθηκαν από συστήματα αναφοράς.