面向细胞介电检测的自持式毫米波电阻抗传感芯片研究

Cellular dielectric detection provides electrophysiological support for inchoate disease diagnosis and screening, Study of cellular status, and presents the direction of non-labeled cells detection in vivo. Electrical impedance sensor, however, is the key for high precision detection. This project focuses on the research of self-sustained millimeter-wave impedance sensor chip for cellular complex dielectric detection, which includes highly sensitive electrical impedance sensing element, low noise high gain readout circuit and the corresponding analytical algorithm for dielectric parameter extraction. Firstly, a planar spiral transformer with its outer coil splitted is proposed for the high-sensitivity conversion from cell dielectric parameters to inner coil impedance. Then, the impedance variation is converted to two output voltages based on the readout circuit consist of an on-chip I / Q signal source, three injection-locked oscillators with constant output amplitude, a mixer based phase detector and two variable gain amplifier. Finally, the corresponding analytical algorithm for effective dielectric parameters extraction is provided. Through this research project, the bottleneck of the current cell detection chip with low sensitivity, requiring an external excitation source can be broken through, and a sensor chip with high sensitivity, self-sustained will be implemented, which provides key technical support for the miniaturization and the wide spread of Cell detecting instrument.

细胞介电检测法为疾病的早期诊断和筛查、细胞组织状态的研究等提供电生理支撑，是非标记活体细胞检测的发展方向，而高性能的电阻抗传感器是实现细胞介电检测的关键。本项目研究面向细胞复介电检测的自持式毫米波电阻抗传感芯片，包括高灵敏电阻抗传感元件、低噪声-高增益的读出电路和相应的介电参数解析方法。首先利用外圈开口的平面螺旋变压器实现细胞复介电参数到内线圈电阻抗参数之间的高灵敏传感；然后基于片上I/Q信号源、幅度恒定的注入锁定压控振荡器、混频器、可变增益放大器等构成读出电路，实现传感元件的电阻抗到传感器输出电压之间的高效转换；最后，提出了相应的解析方法实现细胞介电特性的有效提取。项目的研究有望解决目前细胞电阻抗传感芯片存在的灵敏度较低、需要外部信号源激励等技术瓶颈，实现高灵敏、可自持的毫米波电阻抗传感芯片，为生物细胞介电检测仪的小型化和广泛普及提供核心技术支撑。

细胞介电谱检测法可以为疾病的早期诊断与筛查、细胞组织状态的研究等提供电生理支撑，是非标记活体细胞检测的发展方向，而高性能的电阻抗传感器是实现细胞介电特性精确检测的关键。本项目对面向细胞介电检测的自持式毫米波电阻抗传感芯片关键技术展开了研究，包括高灵敏电阻抗传感元件、低噪声-高增益读出电路和相应的介电参数解析方法。分析和设计了多种无源结构，并通过细胞悬浮液加载实验进行了验证。研究和设计了用于检测的毫米波频段宽频带信号源，提出了信号源的架构、完成了各电路的设计并提交流片。提出了基于开口谐振环结构的高灵敏传感结构和基于二次谐波注入锁定的低相噪I/Q振荡器结构，这两者构成一个完整的传感器；完成了该传感结构的设计和上述读出电路的设计，并提交流片。最后，提出了基于稳幅I/Q振荡器锁相环介电检测器的介电参数解析方法，从输出电压中可有效提取出细胞的介电特性。项目执行期间，共发表学术论文9篇，其中SCI论文4篇。申请发明专利多项，截止目前已授权发明专利2项，培养研究生4人。总体来说，项目达到并超过了预期的研究目标，可为细胞检测仪的小型化和广泛普及提供核心技术支撑。