32、CMOS生物芯片在DNA检测中的应用与挑战

CMOS生物芯片在DNA检测中的应用与挑战

1. 芯片制造与特性

在芯片制造方面，采用了60 n - well 0.5 mm的CMOS工艺，拥有三层金属层，氧化物厚度为15 nm，供电电压为5 V。在标准CMOS处理之后沉积金电极，随后进行退火步骤，在350°C下应用N₂/H₂ 30分钟，以确保硅/二氧化硅界面的界面态密度足够低。

传感器位点由线宽和间距均为1.2 mm的叉指电极组成，圆形排列的直径为200 mm。芯片提供了一个8×16的传感器阵列，间距为250 mm，总芯片尺寸为6.4 mm×4.5 mm。其电气接口包括模拟和数字信号，芯片上还实现了两种不同的电源和接地焊盘，并引入了接地屏蔽以减少模拟和数字电路之间的噪声。

2. 生物芯片在DNA检测中的应用

基于CBCM和FTCM方法的两种CMOS芯片被应用于无标记实验中检测目标DNA分子。典型的实验设置如下：
1. 连接芯片 ：将开发的芯片通过超声键合连接到一个能够进行I/O操作的卡上。
2. 放置流体处理单元 ：在芯片顶部放置一个用于流体处理的单元，并使用进出口闸门注入目标样品。

DNA检测是通过比较在相同反应条件下，但表面结合有不同DNA链（分别与目标分子互补和非互补，后者用于阴性对照）的电极对的测量结果来实现的。所有测量都在杂交步骤的相同盐溶液（TE 0, 3 M NaCl pH 7）中进行。由于电容存在显著失配，在功能化后进行一次测量，并将这些值作为参考，与（尝试）杂交后获得的结果进行比较。

使用CBCM方法检测时，DNA目标/探针杂交后的电容绝对值相对于用探