一种全集成GMR传感器电阻阵列的时序设计

李仲秋

一种全集成GMR传感器电阻阵列的时序设计

李仲秋

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

在设计采用电流型检测方法的GMR磁敏生物传感器模拟前端电路的基础上，对GMR传感器阵列的时序采用8个行开关和64个列开关控制的电阻阵列进行模拟，并设计验证了8*64传感器电阻阵列的时序，此结果可应用到更大阵列的GMR传感器的设计中。仿真结果显示在系统时钟1MHZ时，GMR传感器电路输出频谱有效精度为7.8位，最小可检测电阻 的变化值为7.8欧，完全适合巨磁阻传感器检测生物微弱信号的性能要求。

GMR磁敏传感器；电阻阵列；时序

结合了半导体微电子工艺制备的巨磁阻（Giant Magnetoresistance（GMR））传感器，具有尺寸小、与微系统芯片集成等优势；而且GMR传感器由于其独特的物理特性，在传感器的灵敏度、可重复性、工作电压、抗机械冲击、抗震动和工作温度范围等方面具有更优异性能；还可以与当前主流的IC工艺相结合，实现传感器与输出电路整体设备的全集成，降低制备成本和检测成本。由此将为医疗临床诊断和病情病理分析领域的未来发展，提供一种新型的检测工具。

Baibich[1]于1988年发现了巨磁阻（GMR）效应。当在三明治型的多层磁化阵列上加载一个外部磁场时，该多层磁化阵列发生了高达百分之五十的电阻变化量。这种由磁化而引起巨大的电阻变化现象称为巨磁阻（GMR）效应。这种效应应用在医疗生物生化检测领域中，可将与生物分子发生生化反应的生物信息，转换为传感器的电阻值变化，进而转化为电信号，以便于检测和输出；GMR生物传感器与传统的医学检测方式相比较，具有更好的便携性、更高的灵敏度和生化反应速度快等特点；并可直接输出全电学的信号。对那些肿瘤疾病进行自动检测与分析的体积庞大的仪器，实行便携式制造 和实时检测将成为可能。

近十年来，国内外有关机构已经不断地开展了利用GMR传感器组成阵列，对磁性标记的生物分子的检测进行研究的工作。这里就传感器的信号输出与处理电路的组成，在芯片上布局更密集、更有效、生物结合面更大的阵列，模拟设计验证阵列的时序。在避免互扰的基础上，改善传感器的线性度，有效促进GMR传感器阵列在生物检测上的应用；并由此开发全集成GMR生物传感器输出电路芯片，可能生产出移动急诊、家庭保健和乡村小型医疗单位所需求的便携式医疗检测仪器，既具有经济价值也具有一定的社会意义。

1 GMR传感器专用集成电路的电路组成

GMR传感器专用集成芯片电路的组成分为两大部分[2,3]：一是微弱信号读出电路；二是逐次逼近型的模数转换电路。图1所示的是电路整体结构框图。

图1 巨磁阻传感器SOC的整体电路框图

本次设计的巨磁阻生物传感器专用集成芯片的电路基本组成为: 一是Bandgap带隙基准电源，主要功能是产生偏置电压（300mV）；二是电流镜电路，由PM0、PM1和NM0、NM1组成，主要功能是给GMR生物传感器阵列加载300mV偏置电压[4]，由此将GMR生物传感器敏感体上由生物信息引起的电阻变化量转换为电流镜电路的电流变化值；三是缓冲器buffer，主要是为了降低后级电路的抖动影响偏置电压值的稳定而设置；四是TIA跨阻放大器,主要功能是GMR阵列转换输出的电流信号转换为电压信号；五是SARADC模数转换电路[5,6]，主要功能是将跨阻放大器输出的电压信号转换为数字码流；六是DSP模块，主要功能是进行信息处理。

2 GMR传感器SOC的电阻阵列时序

为了设计GMR传感器阵列的时序[7]，用8个行开关和64个列开关控制的电阻阵列模拟8*64传感器电阻阵列，如图2所示。

图2 模拟测试的8*64电阻阵列

在片内用两部分电阻来模拟传感器的电阻变化，一部分为8个行开关控制的以500欧为间隔的列电阻8k，8.5k，9k，9.5k…..11.5k，作为传感器的电阻基底。另一部分由64个列开关控制的行电阻，最小标称值7.8欧，按7.8欧的间隔依次增大，即7.8欧，15.6欧，23.4欧…..499.2欧，覆盖8k到12k的变化范围，使得电阻值具有9bit的分辨率。

列开关采用互补开关保证导通电阻的恒定，行开关为NMOS开关，源极接地，避免了衬偏效应，使衬底和源极同电位，保证了开关导通电阻为一个恒定值。因此在电阻通路上，开关导通电阻都为定值，电阻变化仅由传感器电阻引起。

根据图2的电阻阵列分布，设计的SOC需要二类开关进行控制，8个行开关switch1和64个列开关switch2，开关的时序特征如图3所示：

图3 模拟8*64电阻阵列的时序图

reset信号低有效；enable信号高有效，在reset之后，当enable高电平有效且时钟第一个上升沿到来时，开始地址遍历；遍历完成后（bitline8出现下降沿），标识位stg1置为高电平。其中switch2 列开关对应的每个高电平脉冲周期为1us（对应系统时钟频率1MHZ）。

switch1行开关一个高电平脉冲包含64个switch2 列开关的高电平脉冲，因此switch1对应的每个高电平脉冲周期为1*64=64us（对应频率约为15.63KHZ）。所以系统遍历一次需要的总时间为64us*8=512us。

开关的时序执行过程说明如下：

1）第一个行开关(bitline1)打开时，其余七个行开关关闭（bitline2，bitline3…bitline8）,该行内的64个列开关(wordline1, wordline1……wordline64)依次打开，对64个电阻进行遍历。

2）第一个行开关(bitline1)关闭，第二个行开关(bitline2)打开，包括第一个行开关在内的其余七个行开关（bitline1，bitline3, bitline4…bitline8）关闭，在该行开关导通周期内，该行内64个列开关(wordline1, wordline1……wordline64)依次打开，对64个电阻进行遍历。

3）第三个至第八个行开关依次打开，在每个行开关导通的周期内，其余七个行开关都关闭，该行内的64个列开关依次打开，对64个电阻进行遍历。

3 仿真结果与结论

针对所设计的GMR传感器专用集成芯片电路进行版图制作后，再进行功能仿真。仿真环境设定为：电源电压3.3v，系统时钟为1MHZ，GMR阵列用以500欧为间隔的列电阻8k，8.5k，9k，9,5k…..11.5k，作为传感器的电阻基底；由64个列开关控制的行电阻，按7.8欧的间隔依次增大，即7.8欧，15.6欧，23.4欧…..499.2欧，覆盖8k到12k的变化范围，模拟GMR传感器的检测信号变化。对电阻阵列进行扫描输出。如图4所示，可见逐次逼近模数转换器连续输出从218至32数字码流，中间无失码。

图4 GMR模拟阵列仿真输出结果

仿真FFT频谱分析：仿真环境设定：1MHz的时钟频率；3V峰峰值、400KHz频率的正弦信号。图5所示是其仿真结果，得到了63.8dB的动态范围，7.8bit的有效精度。

图5 输出频谱（时钟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,陈铖颖,贺瑛.一种全集成磁敏生物传感器模拟前端电路[J].微电子学与计算机，2016,(3):147-151.

[3]陈铖颖,胡晓宇,范军,等.用于巨磁阻生物传感器检测的模拟前端电路[J].半导体技术.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]黄钦文,李斌,黄美浅,等.微阵列电极电化学生物传感器[J].传感器技术，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，湖南双峰人，高级工程师，工学硕士，研究方向为核探测电子系统与专用集成电路。

本文为2016年湖南省高等学校科学研究项目“全集成巨磁阻生物传感器信号读出关键技术研究”(编号：16C0009) 阶段性研究成果。

［编校：杨 琴］