臺灣博碩士論文加值系統

本研究以代謝症候群為主要檢測病症，此病症以脂締素蛋白質在人體中的正常濃度為作為判病的依據，因此探討以磁性標籤免疫分係法的優勢進行蛋白質檢測。嘗試以自行設計的感測器做磁性的量測，並使用WINSON WSH201感測器直接量測磁流體，以銜接檢測磁性標籤免疫分析法的目的。
本論文主要專注於磁流體、磁珠和磁性感測器的分析和研究，並設計與下線感測陣列晶片，提供磁性檢測的需求，其內容包含了溫度補償電路、電壓控制電流源、霍爾感測器、折疊疊接放大器等電路。從電路設計、電路佈局、佈局後模擬、感測器設計和晶片量測將會在本論文中說明。
本研究完成的部分包含使用TSMCD35製程和UMCU18MEMS製程完成感測器以及驅動電路的設計，整合了電感線圈入晶片內，使晶片更符合檢測磁珠的環境。

In the study, the protein calls adiponectin, is the main detecting protien. The concentration of adiponectin, in human blood, can cause metabolic syndrome. Using the magnetic beads to labeling the protein can be an advantage method for protein detecting system. In order to detect the magnetic field of magnetic bead, design the hall sensor base on CMOS MEMS process or CMOS BioMEMS process, and use WINSON WSH201 hall IC.
This thesis focuses on analysis magnetic fluid, magnetic bead and magnetic sensor, also design and tap-out the sensor array chip. The chip contains bandgap reference circuit, voltage control current source circuit, hall sensor, folded cascode amplifier circuit etc. In the following chapters will discuss from sensor and circuit design, circuit layout to chip measurement.
In this thesis had completed two chips base on TSMC 0.35um process and UMC 0.18um MEMS process. The Chips also integrated inductors to fit the measurement of Bio-system for biomedical application.

摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1. 前言 1
1-2. 研究背景 3
1-2.1. 點照顧(POINT-OF- CARE) 3
1-3. 研究動機與目的 4
1-4. 代謝症候群與肥胖與脂締素 5
1-4.1. 指示標籤免疫法INDICATOR-LABELED IMMUNOASSAYS 8
(A) 酵素免疫分析法ELISA(ENZYME-LINKED IMMUNOSORBENT ASSAY) 9
(B) 螢光免疫分析法FLUORESCENT IMMUNOASSAYS 12
(C) 放射免疫分析法RADIOIMMUNE ASSAY 13
1-5. 磁性粒子免疫分析法 13
1-6. 文獻回顧 15
1-7. 研究方法及流程 19
1-8. 論文章節架構 20
第二章 原理介紹 21
2-1. 磁珠 21
2-1.1. 磁珠結構 21
2-1.2. 量測方法 23
(A) 交流磁導率(AC MAGNETIC SUSCEPTIBILITY) 23
(B) 磁鬆弛(MAGNETIC RELAXATION) 24
(C) 直接量測靜磁場(STATIC MAGNETIC FIELD) 25
2-2. 磁性感測器 25
2-2.1. 磁阻 25
2-2.2. 磁性場效電晶體 26
2-2.3. 霍爾感測器原理 27
2-2.4. 感測器的選擇 30
2-3. 系統檢測原理 30
2-3.1. 目的 31
2-3.2. 系統架構 32
第三章 磁珠讀出系統設計 34
3-1. 實驗方法 34
3-1.1. ELISA實驗 35
3-1.2. FLUORESCENT IMMUNOASSAYS實驗 38
3-1.3. AFM實驗 41
3-1.4. VSM震動樣品磁度儀( VIBRATING SAMPLE MAGNETOMETER) 43
3-2. 系統量測設計 44
3-2.1. 電感線圈設計 44
3-2.2. 磁珠之磁場特性分析 45
3-3. 目標量測濃度 47
第四章 電路設計及量測結果 49
4-1. 感測器晶片設計 49
4-1.1. 感測器 49
4-1.2. 感測器設計 53
4-1.3. 感測器陣列設計 59
4-2. 系統設計 72
4-3. 系統量測 73
第五章 結論與未來展望 76
5-1. 結論 76
5-2. 未來展望 76
參考文獻 77
作 者 簡 歷 81

圖 1- 1台灣98年及理想人口金字塔 2
圖 1- 2台灣婦女總生育率變化 2
圖 1- 3 Adiponectin結構示意圖 6
圖 1- 4 BMI與Adiponectin的分佈圖 7
圖 1- 5抗體抗原示意圖 8
圖 1- 6直接或間接檢測法 9
圖 1- 7三明治法 10
圖 1- 8間接法 11
圖 1- 9競爭法 12
圖 1- 10螢光免疫分析法 13
圖 1- 11磁珠固著抗體 14
圖 1- 12磁珠代替抗體檢測法 14
圖 1- 13 (a)縱向和側向的量測架構 (b)針對微米磁性粒子的量測模型 15
圖 1- 14 (a) 改良式霍爾感測器結構(b)驅動電路 16
圖 1- 15 (a) BIOMEMS製程示意圖(b)晶片圖 17
圖 1- 16 (a) 實際鍵結情形(b)量測數據 17
圖 1- 17(a) 感測表面鍵結情形(b)磁鬆弛效應 18
圖 1- 18 研究流程圖 19
圖 2- 1顆粒大小與磁特性 21
圖 2- 2 磁珠結構 22
圖 2- 3混頻交流量測結果[24] 23
圖 2- 4 磁鬆弛與粒徑之間的關係[21] 24
圖 2- 5Neel磁鬆弛量測結果 24
圖 2- 6磁阻的磁場和電阻變化圖 25
圖 2- 7磁矩被磁場的影響 26
圖 2- 8 (a)無磁場通過(b)有磁場通過 26
圖 2- 9磁性場校電晶體之簡易讀出電路 27
圖 2- 10無磁場影響 27
圖 2- 11磁場影響 28
圖 2- 12電子運動示意圖 28
圖 2- 13霍爾效應影響電子運動 29
圖 2- 14(a)磁珠對感測器水平誤差(b)磁珠對感測器垂直誤差 30
圖 2- 15前端概念圖 31
圖 2- 16系統架構圖 32
圖 2- 17 系統實體圖 32
圖 2- 18感測晶片與系統 33
圖 3- 1 實驗設計流程圖 34
圖 3- 2 ELISA實驗結果 37
圖 3- 3 稀釋倍率從1000到5000的結果 37
圖 3- 4 稀釋倍率從2000到10000的結果 38
圖 3- 5 標準平台 38
圖 3- 6螢光掃描實驗結果 39
圖 3- 7結果分析 39
圖 3- 8 (a)生物待測物濃度較低(b)生物待測物濃度較高 41
圖 3- 9 AFM實際掃描結果 42
圖 3- 10 表面粗糙度(Root Mean Square roughness,RMS)結果 42
圖 3- 11 VSM量測結果 43
圖 3- 12 載流導線產生之磁場 44
圖 3- 13 載流圓形線圈場產生之磁場 45
圖 3- 14 磁珠結構 46
圖 3- 15 磁珠一對多鍵結 47
圖 3- 16 晶片佈局圖 57
圖 3- 17 晶片封裝 57
圖 4- 1霍爾感測器基本架構 49
圖 4- 2 霍爾感測器低雜訊結構 50
圖 4- 3霍爾感測器實際結構 50
圖 4- 4 (a)電流實際的分佈，藍色至紅色為電流小到大 51
圖 4- 5後製程在實際結構上探討 51
圖 4- 6 (a)直徑2-10um磁珠分佈於感測器上方(b)顯微鏡下的感測器 52
圖 4- 7 磁珠距離感測器對信號大小的影響 52
圖 4- 8隔離方式示意圖 53
圖 4- 9改良結構及公式驗證 54
圖 4- 10系統圖 54
圖 4- 11詳細驅動電路 55
圖 4- 12轉導放大器電路模擬結果 55
圖 4- 13寬擺幅疊接式偏壓電路模擬結果 56
圖 4- 14 感測晶片切面示意圖 58
圖 4- 15 線圈輸入電流對霍爾感測器輸出電壓 58
圖 4- 16定電流原之溫度飄移修正電路 59
圖 4- 17感測器陣列晶片設計 59
圖 4- 18 感測陣列配置 60
圖 4- 19 偏壓電路 63
圖 4- 20 Floded Casecode op 64
圖 4- 21 Floded Casecode op 模擬結果(左)增益及相位(右)Slew Ratio 64
圖 4- 22 溫度補償電路 65
圖 4- 23 BRG與溫度無關電壓書出 65
圖 4- 24 BRG之溫度係數電壓輸出 65
圖 4- 25電壓控制電流源 66
圖 4- 26 IHall在RHall變化下的輸出結果 66
圖 4- 27 (左)反相器 (右)開關閘 67
圖 4- 28 AND閘 67
圖 4- 29 多工器 68
圖 4- 30多工器模擬結果 68
圖 4- 31 全晶片佈局圖 69
圖 4- 32 (左)晶片實體棒線圖(右)UV Epoxy防水處理後 69
圖 4- 33 10um*12um感測陣列 70
圖 4- 34 10um*12um感測陣列 70
圖 4- 35 (左)5um*8um感測陣列(右)5um*6um感測陣列 71
圖 4- 36感測晶片切面示意圖 71
圖 4- 37 0-10mA的線圈電流變化和輸出跨壓圖 72
圖 4- 38 量測系統圖 72
圖 4- 39 WSH201內部等效電路 73
圖 4- 40 磁流體樣本 73
圖 4- 41 樣本載具 73
圖 4- 42 載具正面 74
圖 4- 43載具背面 74
圖 4- 44 磁珠大小和信號大小的關係 74
圖 4- 45 磁流體濃度和信號大小關係圖 75

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