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Development of CMOS optical sensors and their readout electronics for visible spectral range

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Cunha, Ana Rita Meira
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/92999
Resumo: Dissertação de mestrado em Industrial Electronics Engineering and Computers
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spelling Development of CMOS optical sensors and their readout electronics for visible spectral rangeOrgan-on-a-chipOptical sensorLock-in amplifierNoiseSensor óticoAmplificador lock-inRuídoEngenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e InformáticaDissertação de mestrado em Industrial Electronics Engineering and ComputersOrgan-on-a-chip platforms are advanced microfluidic devices able to miniaturize the complex 3D ar chitecture and to reproduce the biomimetic stimuli, both mechanical and physiological, found in human tissues and organs. Due to their features, these in vitro models have emerged as viable platforms for personalized medicine, drug screening and nanomedicine studies. One of the advantages of these novel advanced platforms is the possibility to integrate biosensors that allow to monitor and understand the complex biological processes. Currently, the main challenge is to achieve an integrated, cost-effectively and efficient analysis strategy that allows real-time monitorization without interfering with cell’s viability. pH and O2 monitoring are important parameters that need to be controlled and monitored for successful cell culture. Among the analysis strategies, optical sensors have several advantages, such as stability, accuracy, anti-electromagnetic-interference properties and allow long term monitoring. It is therefore necessary to implement a highly sensitive reading mechanism, capable of precisely measure the desired data avoiding noise interference. This mechanism will be designed through the use of a synchronous detector. Synchronous detectors have the ability to extract the desired signal even when it is immersed in noise, which results in high sensitivity and a higher signal-to-noise ratio. In this way, by separating the useful signal from the noise, it is possible to detect low-amplitude signals. With this purpose, a lock-in amplifier was studied and implemented. Furthermore, the aim of this dissertation work was to develop an on-chip CMOS optical sensor, for visible spectral range, and their readout electronics, for being, in future, integrated in an organ-on-a-chip platform that is being developed for drug screening tests of new nanomaterials. The developed system consisted in an array of 16 photodetectors, their readout electronics based in a current to voltage converter, in which a lock-in amplifier was used, and the controlled illumination system. The CMOS technology used was the standard n-well 0.7 µm process. The performed simulations, spectral and electrical, allowed to conclude the best photodiode junction for an improved quantum efficiency and the features of the electronics circuitry for the optical intensities that would be available in the pH monitoring.As plataformas Organ-on-a-chip são dispositivos microfluídicos avançados capazes de miniaturizar a complexa arquitetura 3D e reproduzir os estímulos biomimétricos, tanto mecânicos quanto fisiológicos, encontrados em tecidos e órgãos humanos. Devido às suas características esses modelosin vitro surgiram como plataformas viáveis para medicina personalizada, triagem de drogas e estudos de nanomedicina. Uma das vantagens desta nova plataforma avançada é a possibilidade de integrar biossensores que permitem monitorizar e compreender os processos biológicos complexos. Atualmente, o principal desafio é conseguir uma estratégia de análise integrada, económica e eficiente que permita a monitorização em tempo real sem interferir com a viabilidade das células. O pH e o O2 são biomarcadores importantes que precisam de ser controlados e monitorizados para uma cultura celular bem sucedida. Uma das estratégias para esta monitorização recai no uso de biossensores óticos. Têm como vantagem a estabilidade, a precisão, a supressão de interferências electromagnéticas e a monitorização a longo prazo. É então necessário implementar um mecanismo de leitura altamente sensível, capaz de efetuar medições precisas dos dados pretendidos e imune a interferências de ruido. Este mecanismo será realizado através da utilização de um detetor síncrono. Os detetores síncronos têm a capacidade de extrair o sinal desejado mesmo quando está imerso em ruído, o que resulta numa maior sensibilidade e numa relação sinal/ruído mais elevada. Desta forma, ao separar o sinal útil do ruído, é possível detetar sinais de baixa amplitude. Com este propósito foi estudado e implementado um amplificador lock-in. Assim, o objetivo deste trabalho de dissertação foi o desenvolvimento de um sensor ótico CMOS on-chip, para a gama espetral visível, e respectiva eletrónica de leitura, para ser, no futuro, integrado numa plataforma organ-on-a-chip que está a ser desenvolvida para testes de novos fármacos. O sistema desenvolvido consiste numa matriz de 16 fotodetectores, a sua eletrónica de leitura baseada num conversor corrente-tensão, no qual foi utilizado um amplificador lock-in, e o sistema de controlo de iluminação. Tudo desenvolvido em tecnologia CMOS standard no processo de fabrico n-well 0,7 µm. As simulações realizadas, espectrais e eléctricas, permitiram concluir qual a melhor estrutura de fotodíodo de junção que permite obter a mais elevada eficiência quântica, assim como as características/requisitos do circuito eletrónico de acordo com os sinais óticos disponíveis na monitorização do pH.This work was financially supported from the project PTDC/EEI-EEE/2846/2021(https://doi.org/10.544 99/PTDC/EEI-EEE/2846/2021), funded by national funds (OE), within the scope of the Scientific Research and Technological Development Projects (IC&DT) program in all scientific domains (PTDC), through the Foundation for Science and Technology, I.P. (FCT, I.P).Minas, GraçaUniversidade do MinhoCunha, Ana Rita Meira2023-12-282023-12-28T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/92999eng203659007info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-09-14T01:30:58Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/92999Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T18:49:38.285808Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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