一種全集成GMR傳感器電阻陣列的時序設(shè)計

李仲秋

一種全集成GMR傳感器電阻陣列的時序設(shè)計

李仲秋

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

在設(shè)計采用電流型檢測方法的GMR磁敏生物傳感器模擬前端電路的基礎(chǔ)上，對GMR傳感器陣列的時序采用8個行開關(guān)和64個列開關(guān)控制的電阻陣列進行模擬，并設(shè)計驗證了8*64傳感器電阻陣列的時序，此結(jié)果可應(yīng)用到更大陣列的GMR傳感器的設(shè)計中。仿真結(jié)果顯示在系統(tǒng)時鐘1MHZ時，GMR傳感器電路輸出頻譜有效精度為7.8位，最小可檢測電阻 的變化值為7.8歐，完全適合巨磁阻傳感器檢測生物微弱信號的性能要求。

GMR磁敏傳感器；電阻陣列；時序

結(jié)合了半導(dǎo)體微電子工藝制備的巨磁阻（Giant Magnetoresistance（GMR））傳感器，具有尺寸小、與微系統(tǒng)芯片集成等優(yōu)勢；而且GMR傳感器由于其獨特的物理特性，在傳感器的靈敏度、可重復(fù)性、工作電壓、抗機械沖擊、抗震動和工作溫度范圍等方面具有更優(yōu)異性能；還可以與當前主流的IC工藝相結(jié)合，實現(xiàn)傳感器與輸出電路整體設(shè)備的全集成，降低制備成本和檢測成本。由此將為醫(yī)療臨床診斷和病情病理分析領(lǐng)域的未來發(fā)展，提供一種新型的檢測工具。

Baibich[1]于1988年發(fā)現(xiàn)了巨磁阻（GMR）效應(yīng)。當在三明治型的多層磁化陣列上加載一個外部磁場時，該多層磁化陣列發(fā)生了高達百分之五十的電阻變化量。這種由磁化而引起巨大的電阻變化現(xiàn)象稱為巨磁阻（GMR）效應(yīng)。這種效應(yīng)應(yīng)用在醫(yī)療生物生化檢測領(lǐng)域中，可將與生物分子發(fā)生生化反應(yīng)的生物信息，轉(zhuǎn)換為傳感器的電阻值變化，進而轉(zhuǎn)化為電信號，以便于檢測和輸出；GMR生物傳感器與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)檢測方式相比較，具有更好的便攜性、更高的靈敏度和生化反應(yīng)速度快等特點；并可直接輸出全電學(xué)的信號。對那些腫瘤疾病進行自動檢測與分析的體積龐大的儀器，實行便攜式制造 和實時檢測將成為可能。

近十年來，國內(nèi)外有關(guān)機構(gòu)已經(jīng)不斷地開展了利用GMR傳感器組成陣列，對磁性標記的生物分子的檢測進行研究的工作。這里就傳感器的信號輸出與處理電路的組成，在芯片上布局更密集、更有效、生物結(jié)合面更大的陣列，模擬設(shè)計驗證陣列的時序。在避免互擾的基礎(chǔ)上，改善傳感器的線性度，有效促進GMR傳感器陣列在生物檢測上的應(yīng)用；并由此開發(fā)全集成GMR生物傳感器輸出電路芯片，可能生產(chǎn)出移動急診、家庭保健和鄉(xiāng)村小型醫(yī)療單位所需求的便攜式醫(yī)療檢測儀器，既具有經(jīng)濟價值也具有一定的社會意義。

1 GMR傳感器專用集成電路的電路組成

GMR傳感器專用集成芯片電路的組成分為兩大部分[2,3]：一是微弱信號讀出電路；二是逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖1所示的是電路整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 巨磁阻傳感器SOC的整體電路框圖

本次設(shè)計的巨磁阻生物傳感器專用集成芯片的電路基本組成為: 一是Bandgap帶隙基準電源，主要功能是產(chǎn)生偏置電壓（300mV）；二是電流鏡電路，由PM0、PM1和NM0、NM1組成，主要功能是給GMR生物傳感器陣列加載300mV偏置電壓[4]，由此將GMR生物傳感器敏感體上由生物信息引起的電阻變化量轉(zhuǎn)換為電流鏡電路的電流變化值；三是緩沖器buffer，主要是為了降低后級電路的抖動影響偏置電壓值的穩(wěn)定而設(shè)置；四是TIA跨阻放大器,主要功能是GMR陣列轉(zhuǎn)換輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；五是SARADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[5,6]，主要功能是將跨阻放大器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼流；六是DSP模塊，主要功能是進行信息處理。

2 GMR傳感器SOC的電阻陣列時序

為了設(shè)計GMR傳感器陣列的時序[7]，用8個行開關(guān)和64個列開關(guān)控制的電阻陣列模擬8*64傳感器電阻陣列，如圖2所示。

圖2 模擬測試的8*64電阻陣列

在片內(nèi)用兩部分電阻來模擬傳感器的電阻變化，一部分為8個行開關(guān)控制的以500歐為間隔的列電阻8k，8.5k，9k，9.5k…..11.5k，作為傳感器的電阻基底。另一部分由64個列開關(guān)控制的行電阻，最小標稱值7.8歐，按7.8歐的間隔依次增大，即7.8歐，15.6歐，23.4歐…..499.2歐，覆蓋8k到12k的變化范圍，使得電阻值具有9bit的分辨率。

列開關(guān)采用互補開關(guān)保證導(dǎo)通電阻的恒定，行開關(guān)為NMOS開關(guān)，源極接地，避免了襯偏效應(yīng)，使襯底和源極同電位，保證了開關(guān)導(dǎo)通電阻為一個恒定值。因此在電阻通路上，開關(guān)導(dǎo)通電阻都為定值，電阻變化僅由傳感器電阻引起。

根據(jù)圖2的電阻陣列分布，設(shè)計的SOC需要二類開關(guān)進行控制，8個行開關(guān)switch1和64個列開關(guān)switch2，開關(guān)的時序特征如圖3所示：

圖3 模擬8*64電阻陣列的時序圖

reset信號低有效；enable信號高有效，在reset之后，當enable高電平有效且時鐘第一個上升沿到來時，開始地址遍歷；遍歷完成后（bitline8出現(xiàn)下降沿），標識位stg1置為高電平。其中switch2 列開關(guān)對應(yīng)的每個高電平脈沖周期為1us（對應(yīng)系統(tǒng)時鐘頻率1MHZ）。

switch1行開關(guān)一個高電平脈沖包含64個switch2 列開關(guān)的高電平脈沖，因此switch1對應(yīng)的每個高電平脈沖周期為1*64=64us（對應(yīng)頻率約為15.63KHZ）。所以系統(tǒng)遍歷一次需要的總時間為64us*8=512us。

開關(guān)的時序執(zhí)行過程說明如下：

1）第一個行開關(guān)(bitline1)打開時，其余七個行開關(guān)關(guān)閉（bitline2，bitline3…bitline8）,該行內(nèi)的64個列開關(guān)(wordline1, wordline1……wordline64)依次打開，對64個電阻進行遍歷。

2）第一個行開關(guān)(bitline1)關(guān)閉，第二個行開關(guān)(bitline2)打開，包括第一個行開關(guān)在內(nèi)的其余七個行開關(guān)（bitline1，bitline3, bitline4…bitline8）關(guān)閉，在該行開關(guān)導(dǎo)通周期內(nèi)，該行內(nèi)64個列開關(guān)(wordline1, wordline1……wordline64)依次打開，對64個電阻進行遍歷。

3）第三個至第八個行開關(guān)依次打開，在每個行開關(guān)導(dǎo)通的周期內(nèi)，其余七個行開關(guān)都關(guān)閉，該行內(nèi)的64個列開關(guān)依次打開，對64個電阻進行遍歷。

3 仿真結(jié)果與結(jié)論

針對所設(shè)計的GMR傳感器專用集成芯片電路進行版圖制作后，再進行功能仿真。仿真環(huán)境設(shè)定為：電源電壓3.3v，系統(tǒng)時鐘為1MHZ，GMR陣列用以500歐為間隔的列電阻8k，8.5k，9k，9,5k…..11.5k，作為傳感器的電阻基底；由64個列開關(guān)控制的行電阻，按7.8歐的間隔依次增大，即7.8歐，15.6歐，23.4歐…..499.2歐，覆蓋8k到12k的變化范圍，模擬GMR傳感器的檢測信號變化。對電阻陣列進行掃描輸出。如圖4所示，可見逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器連續(xù)輸出從218至32數(shù)字碼流，中間無失碼。

圖4 GMR模擬陣列仿真輸出結(jié)果

仿真FFT頻譜分析：仿真環(huán)境設(shè)定：1MHz的時鐘頻率；3V峰峰值、400KHz頻率的正弦信號。圖5所示是其仿真結(jié)果，得到了63.8dB的動態(tài)范圍，7.8bit的有效精度。

圖5 輸出頻譜（時鐘1MHz）

[1]Rife, J.C., Miller, M.M., Sheehen, P.E, et al. Design and performance of GMR sensors for the detection of magnetic mocrobeads in biosensors[J].Sensor and Actuators,2003,(107): 209-218.

[2]李仲秋,陳鋮穎,賀瑛.一種全集成磁敏生物傳感器模擬前端電路[J].微電子學(xué)與計算機，2016,(3):147-151.

[3]陳鋮穎,胡曉宇,范軍,等.用于巨磁阻生物傳感器檢測的模擬前端電路[J].半導(dǎo)體技術(shù).2011,(7):529-532.

[4]Miller, M.M., Sheehen, P.E., Edelstein, R.L., et al.A DNA array sensor utilizing magnetic microbeads and magnetoeletronic detection[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2001,225:138-144.

[5]Gilbert.P. 12-bit Low-Power Fully Differential Switch Capacitor Noncalibrating Successive Approximation ADC with 1MS/s [J].IEEE Journal of Solid-State Circuit,2001,36(7):1138-1143.

[6]Naveen,V., Anantha,C. An Ultra Low Energy 12-bit Rate-Resolution Scalable SAR ADC for Wireless Sensor Nodes[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2007,42(6):1196-1205.

[7]黃欽文,李斌,黃美淺,等.微陣列電極電化學(xué)生物傳感器[J].傳感器技術(shù)，2004,(2):1-3.

Timing Design of A fully Integrated GMR Sensor Resistance Array

LI Zhong-qiu
(Changsha Aeronautical Vocational and Technical College, Changsha Hunan410124)

On the basis of GMR magnetic susceptibility biosensor analog front-end circuit designed and used as a current detection method, this paper simulates GMR sensor array’s timing by using resistor array controlled by eight line switches and 64 columns, designs and verifies the timing of 8 * 64 resistance sensor array. The result can be applied to the design of a larger array GMR sensor. The simulation shows that the effective accuracy of the whole circuit output spectrum is 7.8 and the minimum detectable resistance change value is 7.8 euro when the system clock is 1 MHZ, which meets the performance requirements of the magnetic sensitive biological weak signal detection circuit systems for a giant magneto resistance sensor.

GMR magnetic sensor; resistor array; timing

TN492

A

1671-9654(2017)04-0076-03

10.13829/j.cnki.issn.1671-9654.2017.04.019

2017-09-21

李仲秋(1962- )，男，湖南雙峰人，高級工程師，工學(xué)碩士，研究方向為核探測電子系統(tǒng)與專用集成電路。

本文為2016年湖南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目“全集成巨磁阻生物傳感器信號讀出關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號：16C0009) 階段性研究成果。

［編校：楊 琴］