CMOS Active Column Sensor for Label-Free Biodetection in Microarrays based on Surface Plasmon Resonance (SPR)
Conception d'un Imageur CMOS à Colonne Active pour un Biocapteur Optique SPR
Résumé
This dissertation presents the design and implementation of a CMOS imager for use in integrated biosensors based on Surface Plasmon Resonance. First, the optimal conditions for plasmon resonance in a CMOS/Post-CMOS compatible interface are obtained by COMSOL modelling. Second, a 32×32-pixel CMOS-Active Column Sensor (CMOS-ACS) is implemented in a 0.35 μm CMOS technology. In a gold-water interface with prism excitation and wavelength of 633 nm, it is found that for prisms with refractive indexes of 1.55 and 1.46, the optimal plasmon coupling occurs at incidence angles of 68.45◦ and 79.05◦ and gold layer thicknesses of 50 nm and 45 nm, respectively. Under these conditions, approximately 99.19% and 99.99% of the incident light energy is transferred to the surface plasmon. It is also obtained that a change of 10−4 RIU in the refractive index of the dielectric medium, produces a change of 0.01◦ in the plasmon resonance angle, which under a light intensity modulation scheme represents a change of 0.08% in the reflected light's energy reaching the photodetector. Concerning the CMOS imager, a n-well/p-substrate photodiode is selected as the photosensing element, due to its low junction capacitance, which results in high efficiency and high conversion gain. Computer simulations with Cadence and Silvaco produced a junction capacitance of 31 fF and a maximum quantum efficiency of 82%. The imager's pixel is based on a three-transistor (3T) configuration and shows a fill factor of 61%. The readout circuitry employs an Active Column Sensor (ACS) technique to reduce the Fixed Pattern Noise (FPN) associated with traditional Active Pixel Sensors (APS). Additionally, Non-Correlated Double Sampling (NCDS) and Delta Double Sampling (DDS) are used as noise reduction techniques. An experimental optical setup is used to characterize the performance of the imager, obtaining a conversion gain of 7.3 μV/e− , a photodiode junction capacitance of 21.9 fF, a read noise of 324.5 μV, equivalent to ∼45e− , and a dynamic range of 62.2 dB. The benefits of ACS and NCDS-DDS are observed in the low pixel and column FPN of 0.09% and 0.06% respectively. The work presented in this thesis is a first step towards the goal of developinga fully integrated SPR-biosensing platform incorporating light source, SPR interface, microfluidic channel, optical elements and CMOS imager.
Cette thèse présente la conception et le développement d'un imageur CMOS pour bio-capteurs optiques basé sur la résonance plasmonique de surface ou SPR (de l'anglais Surface Plasmon Resonance). Premièrement, les conditions optimales pour la résonance de plasmon dans une interface compatible avec un processus CMOS/Post-CMOS sont obtenus par modélisation avec le logiciel COMSOL. Deuxièmement, un imageur CMOS à Colonne Active de 32x32 pixels est réalisé en technologie CMOS 0,35 m. Dans une interface or-eau avec excitation du prisme et une longueur d'onde de 633 nm, on constate que pour des prismes avec des indices de réfraction de 1,55 et 1,46, le couplage SPR optimal se produit à des angles d'incidence de 68,45◦ et 79,05◦ avec les épaisseurs des couches d'or de 50 nm et 45 nm respectivement. Dans ces conditions, environ 99,19% et 99,99% de l' ́energie de la lumière incidente sera transférée au plasmon de surface. Nous montrons aussi qu'un changement de 10−4 RIU dans l'indice de réfraction du milieu diélectrique, produit un changement de 0,01◦ dans l'angle de résonance de plasmonique, pour un schéma de modulation d'intensité lumineuse ce changement correspond à une variation de 0,08% dans l'énergie de la lumière réfléchie vue par le photodétecteur. Pour l'imageur CMOS conu, une photodiode caisson-N/subtrat-P est choisie en raison de sa faible capacit ́e de jonction, qui se traduit par un rendement quantique élevé et un gain de conversion élevé. Les simulations sur ordinateur avec Cadence et Silvaco donnent une capacité de jonction de 31 fF et un rendement quantique maximum de 82%. Le pixel de l'imageur est basé sur une configuration à trois transistors (3T) et a un facteur de remplissage de 61%. Le circuit de lecture utilise une technique de Colonne Active (ACS) pour réduire le bruit spatial (FPN) associés aux capteurs à pixels actifs traditionnels (APS). En outre pour compléter la réduction du bruit, un Double Echantillonnage Non-Corrélé (NCDS) et un Double Echantillonnage Delta (DDS) sont utilisés. Un montage optique expérimental est utilisé pour caractériser les performances de l'imageur, les résultats obtenus sont un gain de conversion de 7.3 V/e-, une photodiode avec une capacité de jonction de 21.9 fF, un bruit de lecture de 324,5 μV, ́equivalant approximativement à 45 lectrons, et une gamme dynamique de 62,2 dB. Les avantages de l'ACS et NCDS-DDS sont observés dans les bas niveaux de FPN de pixel et colonne de 0,09% et 0,06% respectivement. Le travail présenté dans cette thèse est une première étape vers le but de d ́evelopper une plateforme de biocapteur entièrement intégrée basée sur SPR, incorporant la source de lumière, l'interface SPR, le canal microfluidique, les éléments optiques et l'imageur CMOS.
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