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A multichannel thermal bubble-actuated impedance flow cytometer with on-chip TIA based on cmos-mems

Journal of Semiconductors 2024年第5期45卷 41-49页

作者： Shengxun Cai Jianqing Nie Kun Wang Yimin Guan Demeng Liu School of Microelectronics Shanghai UniversityShanghai 201800China Shanghai AURE Technology Limited Company Shanghai 201800China

Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)flow cytometry offers the advantages of speed,affordability,and portability in cell analysis and cytometry ***,the integration challenges of microfluidic and EIS read-out circuits hinder the downsizing of cytometry *** address this,we developed a thermal-bubble-driven impedance flow cytometric application-specific integrated circuit(ASIC).The thermal-bubble micropump avoids external piping and equipment,enabling high-throughput *** a total of 36 cell counting channels,each measuring 884×220μm^(2),the chip significantly enhances the throughput of flow *** cell counting channel incorporates a differential trans-impedance amplifier(TIA)to amplify weak biosensing *** eliminating the parasitic parameters created at the complementary metal-oxidesemiconductor transistor(cmos)-micro-electromechanical systems(mems)interface,the counting accuracy can be *** on-chip TIA can adjust feedback resistance from 5 to 60 kΩto accommodate solutions with different *** chip effectively classifies particles of varying sizes,demonstrated by the average peak voltages of 0.0529 and 0.4510 mV for 7 and 14μm polystyrene beads,***,the counting accuracies of the chip for polystyrene beads and MSTO-211H cells are both greater than 97.6%.The chip exhibits potential for impedance flow cytometer at low cost,high-throughput,and miniaturization for the application of point-of-care diagnostics.

关键词： EIS flow cytometry cmos-mems thermal bubble lab-on-chip

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Design and Simulation of a cmos-mems Gyroscope with a Low-Noise Sensing Circuit

Design and Simulation of a CMOS-MEMS Gyroscope with a Low-No...

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2010 International Symposium on Computer,Communication, Control and Automation

作者： Hung-Yao Hung Wen-Pin Shih Department of Mechanical Engineering National Taiwan University

A design and simulation of z-axis dual-mass cmos-mems gyroscope with a low-noise capacitance sensing circuit has been presented in this paper.A gyroscope chip which implemented by the TSMC 2P4M 0.35μm cmos-mems process was proposed in this *** associated post process was *** the z-axis dualmass cmos-mems gyroscope,the fully differential lownoise capacitive sensing circuit has been designed and *** capacitance sensing circuit can reach the performance of low-noise by modulating the noise signal to high frequency band and then the noise would be ***,we obtained the output noise of 9 nV/Hz and the residual noise of 0.1 mV by using HSPICE ***,the sensitivity of 0.476 mV/°/s and system noise of 0.063 mV/Hz of the gyroscope system was obtained.

关键词： cmos-mems gyroscope capacitance sensing circuit

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基于cmos-mems工艺的小量程电容式压力传感器设计

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仪表技术与传感器 2016年第1期 19-21,32页

作者：张瑞梁庭贾平岗刘雨涛王涛龙王心心熊继军中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室电子测试技术国防科技重点实验室山西太原030051

小量程压力传感器研制的主要目的是解决低压环境下的压力测量问题。结合cmos-mems技术,提出了一种小量程电容式压力传感器设计方案。利用ANSYS软件分析了传感器压敏结构的静力学性能和动力学性能,验证了理论设计的可行性。传感器可动上... 详细信息

小量程压力传感器研制的主要目的是解决低压环境下的压力测量问题。结合cmos-mems技术,提出了一种小量程电容式压力传感器设计方案。利用ANSYS软件分析了传感器压敏结构的静力学性能和动力学性能,验证了理论设计的可行性。传感器可动上极板厚度仅为3μm,提高了小量程压力测量时的灵敏度,可以测量1~50 k Pa范围内的压力。研究了制备工程中的关键工艺,介绍了传感器芯片的加工流程。所设计的传感器制作简单,成本低廉,易于单片集成,拓展了mems压力传感器的小量程应用领域。

关键词：小量程电容式 cmos-mems 压力传感器

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基于cmos-mems技术的手机红外测温芯片应用 006

基于CMOS-MEMS技术的手机红外测温芯片应用

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电子报

健康管理已经成为了消费电子的刚需,手机集成红外体温检测功能可以实现在不同场景下对身体的健康检测,如日常的自我健康检测、运动场景下的身体失温检测、体温连续监测进行慢性病预判等。除体温检测外,红外非接触测温也能将手机的应用... 详细信息

健康管理已经成为了消费电子的刚需,手机集成红外体温检测功能可以实现在不同场景下对身体的健康检测,如日常的自我健康检测、运动场景下的身体失温检测、体温连续监测进行慢性病预判等。除体温检测外,红外非接触测温也能将手机的应用场景进一步丰富,将温度的感知变得可视化,可

关键词：传感器可穿戴设备红外测温 cmos-mems 芯片应用

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mems-based thermoelectric infrared sensors： A review

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Frontiers of Mechanical Engineering 2017年第4期12卷 557-566页

作者： Dehui XU Yuelin WANG Bin XIONG Tie LI Science and Technology on Microsystem Laboratory Shanghai Instituteof Microsystem and Information Technology CAS Shanghai 200050China

In the past decade, micro-electromechanical systems （mems）-based thermoelectric infrared （IR） sensors have received considerable attention because of the advances in micromachining technology. This paper presents a review of mems-based thermoelectric IR sensors. The first part describes the physics of the device and discusses the figures of merit. The second part discusses the sensing materials, thermal isolation micro- structures, absorber designs, and packaging methods for these sensors and provides examples. Moreover, the status of sensor implementation technology is examined from a historical perspective by presenting findings from the early years to the most recent findings.

关键词： thermoelectric infrared sensor cmos-mems thermopile micromachining wafer-level package

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用于mems传感器的小电容读取技术的研究

用于MEMS传感器的小电容读取技术的研究

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作者：柴旭朝江南大学

学位级别：硕士

近年来,微机电系统(mems)技术随着微纳机械加工技术的快速发展而一直不断发展,mems传感器在汽车、生物医学、电子和国防等领域的应用越来越广泛。mems传感器的检测机制主要有压阻、压电和电容检测三种机制,其中电容检测具有功耗低、温... 详细信息

近年来,微机电系统(mems)技术随着微纳机械加工技术的快速发展而一直不断发展,mems传感器在汽车、生物医学、电子和国防等领域的应用越来越广泛。mems传感器的检测机制主要有压阻、压电和电容检测三种机制,其中电容检测具有功耗低、温度稳定性高、与cmos工艺兼容等优点,因此,电容式mems传感器的应用最广泛。由于一般具有较小的检测电容和机械灵敏度,微小电容的精确读出成为电容式mems传感器设计的一个关键技术。小电容读出技术主要有连续时间电压读出、连续时间电流读出、开关电容电荷读出三种技术。其中,连续时间电压读出技术由于具有较好的噪声性能,使其在mems传感器中得到了广泛应用。本工作主要采取连续时间电压读出技术来实现微变电容的读取,其设计思想不仅要结合传统的IC设计方法,而且还要考虑具体的微机械加工工艺。本论文首先从噪声性能、功耗性能和载波信号的优化三方面着手进行研究。就噪声性能而言,在新型cmos-mems工艺下,基于对小电容读出电路的噪声源分析,并结合电容匹配原理,对小电容读出电路的噪声性能进行了优化;就功耗性能而言,基于单级结构与多级结构模型,通过对多级结构功耗进行归一化,分别对每级增益及级数进行了优化;就载波信号而言,结合静电驱动一维简化结构模型,对其幅值和频率进行了优化。噪声性能、功耗性能和载波信号的优化为小电容读出电路的设计提供了指导。其次,基于小电容读出电路的性能参数优化,本论文对电路的各个子模块进行了电路级设计。除了在电路性能指标方面作了优化设计,还研究了温度对主要性能参数的影响。在CSMC 0.5μm cmos工艺下,用Cadence Spectre对整体电路进行了仿真验证,结果表明能精确检测出aF量级的微电容。输出电压变化量与电容变化量呈线性关系,输出失调电压为0.23 mV,等效输入噪声电压为17 nV/Hz,灵敏度为0.56 mV/aF,在5 V电源电压下功耗仅为2.145 mW,输出延时为9.563μs。小电容读出电路的整体性能满足了mems传感器的要求,并在功耗性能上相对同类研究有所提高。最后,基于整体电路的仿真验证,本论文在新型cmos-mems工艺下对工艺误差引起的检测电容失配进行了初步研究;对IC工艺中器件的失配对基准电压造成的影响进行了分析和讨论,以间接评估对载波信号的影响。其中,对工艺误差及失配分析的讨论是本文的一个尝试性研究,也是相对于同类研究的一个改进之处。

关键词： mems传感器检测电容小电容读出电路 cmos-mems 斩波稳定

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高信噪比CMUT阵列的研发

高信噪比CMUT阵列的研发

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作者：刘嘉俊中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

超声技术被广泛应用于生物医疗、军事防御、机器人触觉等众多领域中,而超声换能器是实现声电信号转换的关键部件,得到了快速发展。基于mems(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)工艺技术的CMUT(Capacitive Micromachined Ultra... 详细信息

超声技术被广泛应用于生物医疗、军事防御、机器人触觉等众多领域中,而超声换能器是实现声电信号转换的关键部件,得到了快速发展。基于mems(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)工艺技术的CMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,电容式微机械超声换能器)相较传统压电超声换能器而言,具有频带宽,介质阻抗匹配性好,易于阵列化,与传统IC工艺兼容等优势,具有重要的科研价值和现实意义。国内关于CMUT的研究起步较晚,尚未形成较完备的技术积累。且由于mems工艺尚未形成标准化体系,工艺的可靠性不佳;各研究机构使用的设备参数迥异,参考借鉴价值有限,相关研究进展比较缓慢。为推进CMUT研发进程,本文提出一种cmos-mems融合的工艺流程,具体研究内容如下:(1)建立了CMUT力学模型,并对其薄膜形变、吸合位移进行分析。为适应空气耦合的工作状态,需要降低CMUT的特征频率。为在有限面积内有效降低特征频率,提出一种三悬臂梁承托圆盘式的CMUT结构。为解决薄膜上下电极塌陷的问题,在此之间添加一个中央立柱,设计的立柱将会在后续工艺中被移除,重现CMUT原始的振膜结构。(2)建立了CMUT单元的有限元仿真模型。通过频率响应分析,确定三悬臂梁式承托圆形薄膜式CMUT的特征频率为200kHz。通过稳态分析,确定其吸合电压小于20V。通过固有模态和吸合电压仿真分析,发现一阶特征频率以及吸合位移与理论分析一致。此外,建立了适用于多人协同工作,提升仿真效率的实时调参APP,并通过了web端测试。(3)对CMUT及其阵列进行了声场仿真分析。通过换能器自收发超声回波分析,确定了圆形薄膜中央小孔的半径。对CMUT阵列进行了声束聚焦和偏转分析,并使用了幅度变迹函数抑制了声束旁瓣。针对图像信噪比的提升,基于ZYNQ-7010平台,设计了多路相控发射电路系统,其最小时延分辨率达到2.5ns。(4)对设计的CMUT进行了0.18um制程cmos工艺的流片,并做了mems工艺后加工,加工完成的芯片通过wire-bonding连接到测试PCB板中。对CMUT进行了阻抗分析测试和形貌测试。根据测试结果分析了器件失效类型。

关键词：指向性 cmos-mems 有限元声场仿真 2.5ns 流片测试

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