Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6502
Main Title: Integrated microwave biosensors on SiGe BiCMOS technology: a “More Than Moore” approach
Translated Title: Integrierte Mikrowellen-Biosensoren auf SiGe BiCMOS-Technologie: ein "More Than Moore" -Ansatz
Author(s): Guha, Subhajit
Advisor(s): Thewes, Roland
Referee(s): Thewes, Roland
Wenger, Christian
Schumacher, Hermann
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: There has been an ever increasing demand for the establishment of Point-of-Care testing systems for rapid detection and diagnosis of diseases and as well for monitoring vital health parameters. The development in the area of microfluidic systems as well as microsystem technology as a whole gave birth to new avenue of research called the Lab-on-a-chip devices, which are an essential part of point-of-care testing systems. Such devices are expected to perform biochemical analysis with sensitivity and accuracy of the order of the state of the art bioanalytical laboratories and at the same time use extremely small volume of the samples. This led to the development of biosensors with extremely high sensitivity and accuracy especially based on optical techniques. However, optical techniques although produced extremely sensitive sensor systems, suffered from serious drawbacks like requirement of labeling compounds, bulky test-benches for measurement and many more. Therefore, the real goal of establishing miniaturized point-of-care diagnostic system for rapid measurements was very difficult to achieve. The obvious choice as an alternative to optical platform was to establish electrical sensing schemes to avoid the requirement of using labeling compounds and markers. The electrical approaches explored at the initial phase although circumvented the problems of optical techniques, had other issues which still continued a bulky overall measurement setup (for e.g. use of reference electrodes). In this thesis, “all-electrical” sensor systems operating at the GHz frequency range of the electromagnetic spectrum, and fabricated on standard CMOS/BiCMOS process have been explored and demonstrated. The focus of the thesis is to demonstrate the capability of integrating biological sensing on the standard CMOS/BiCMOS process. This approach takes a step ahead of the established electrical biosensors with a hybrid approach where the front end electronics for data acquisition and processing is integrated in a hybrid fashion with the biosensor system. The approach explored in this thesis has the biosensor on the same technology platform where the front end electronics for read out, data acquisition and processing are fabricated. This kind of an approach stems out from the “More than Moore” technique of semiconductor technology roadmap and offers extremely high sensitivity due to close proximity of the sensor to the front end electronics. The high-frequency approach on the other hand offers other advantages like nullifying low-frequency dispersion mechanisms and evading unwanted electrochemical effects at the sensor and electrolyte interface (avoiding the use of reference electrodes). Sensors operating at high frequency have dimensions of the order of the biomaterials (cells) that are probed. Therefore, the high-frequency CMOS compatible sensor approach explored in this thesis takes a step forward towards establishing simple, low cost, miniaturized point-of-care systems. Several relevant sensor applications are explored in this thesis in order to demonstrate the feasibility of the established approach. An immunosensor operating at 6 GHz has been established and the functionality has been demonstrated with the detection of concentration of creatinine molecules. The sensor system demonstrates the capability of detection of the concentration of creatinine molecules in the clinically relevant range and with the sensitivity equivalent to the established optical techniques. Applications like sensing of glucose concentration in a suspension and cytometric applications like detection of concentration of particles in a solution has been shown. Finally, a novel approach to make the overall sensor system flexible and with extremely rapid measurement capability has been demonstrated. In such a system, the sensor output is a DC signal, therefore, making the sensor system function with DC inputs and DC outputs, thus setting the platform for ideal miniaturized point-of-care diagnostic systems.
Die Nachfrage nach „Point-of-Care-Testing“ Systemen zur schnellen Erkennung und Diagnose von Krankheiten und auch für die Überwachung von lebenswichtigen Gesundheitsparametern steigt an. Neue Entwicklungen im Bereich der Mikrofluidik-Systeme sowie der Mikrosystemtechnik als Ganzes ermöglichte einen neuen Forschungszweig für sogenannten Lab-on-a-Chip Bauelemente, die ein wesentlicher Bestandteil der „Point-of-Care-Testing“ Systeme sind. Von diesen Bauelementen wird erwartet, dass sie die biochemische Analyse mit der Empfindlichkeit und Genauigkeit von modernen bioanalytischen Laboren mittels der Verwendung von extrem kleinen Probenvolumen durchführen können. Das führte, basierend auf optischen Technologien, zu der Entwicklung von Biosensoren mit extrem hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit. Obwohl durch die Nutzung von optischen Techniken extrem empfindliche Sensoren hergestellt werden können, existieren schwerwiegenden Nachteilen wie das Markieren von Molekülen und die Größe der Messaufbauten. Damit war das Ziel der Miniaturisierung von Point-of-Care-Diagnosesystemen für schnelle Messungen schwer zu erreichen. Eine Alternative zu optischen Testsystemen war es, elektrische Sensorsysteme zu etablieren, um das Markieren von Molekülen zu vermeiden. Die elektrischen Ansätze, die in der Anfangsphase untersucht wurden, umgingen die Probleme der optischen Techniken, besaßen immer noch einen ziemlich sperrigen Gesamtmessaufbau (z.B. durch die Verwendung von Referenzelektroden). Daher ist das Ziel, hochempfindliche Sensorsysteme für miniaturisierte Point-of-Care Diagnostiksysteme herzustellen, bei weitem noch nicht erreicht. In diesem Zusammenhang ist ein neuer Ansatz erforderlich, der hochempfindliche Biosensoren sowie die Miniaturisierung des gesamten Sensorsystems ermöglicht. In dieser Arbeit werden "all-electrical" Sensorsysteme, die im GHz-Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten und mittels eines Standard-CMOS / BiCMOS-Prozesses hergestellt wurden, entwickelt und untersucht. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist, die Integration von biologischen Sensoren mittels eines Standard-CMOS / BiCMOS-Prozesses zu demonstrieren. Dieser Ansatz geht einen Schritt weiter als in bereits etablierte elektrischen Biosensoren, denn mittels des hybriden Ansatzes wird die Front-End-Elektronik für die Datenerfassung und -verarbeitung in einem Hybrid-Ansatz in das Biosensor-System integriert. Der Ansatz in dieser Arbeit ist, den Biosensor in die gleiche Technologie-Plattform zu integrieren, in der auch die Front-End-Elektronik zum Auslesen, Datenerfassung und Verarbeitung hergestellt wird. Diese Art des Ansatzes stammt aus der "More than Moore" Philosophie der Halbleiter-Technologie und bietet eine, aufgrund der Nähe des Sensors zur „Frontend“ Elektronik, extrem hohe Empfindlichkeit. Der Hochfrequenz-Ansatz auf der anderen Seite bietet weitere Vorteile das Ausblenden der niederfrequenten Dispersionsmechanismen und das Verhindern von unerwünschten elektrochemischen Effekten an der Sensor und Elektrolyt-Grenzfläche, denn es sind keine Referenzelektroden erforderlich. Sensoren, die bei diesen hohen Frequenzen arbeiten, haben Abmessungen in der Größenordnung der zu untersuchenden Biomaterialien (Zellen). Daher liefert der in dieser Arbeit untersuchte Hochfrequenz CMOS-kompatible Sensoransatz einen wichtigen Schritt nach vorne, auf dem Weg zu einfachen, kostengünstigen, miniaturisierten Point-of-Care-Systemen. In dieser Arbeit wurden mehrere relevante Sensoranwendungen untersucht, um die Fähigkeit dieses Ansatzes zu demonstrieren. Ein Immuno-Sensor, der bei 6 GHz arbeitet, wurde entwickelt und dessen Funktionalität wurde durch die Detektion der Konzentration von Kreatinin-Molekülen nachgewiesen. Das Sensorsystem demonstriert die Fähigkeit der Konzentrationsmessung von Kreatinin Molekülen im klinisch relevanten Bereich mit einer Empfindlichkeit der entsprechend etablierten optischen Techniken. Weitere Anwendungen wie die Bestimmung der Glukosekonzentration in einer Suspension und zytometrische Anwendungen wie die Konzentrationsbestimmung von gelösten Partikeln, wurden gezeigt. Ein neuartiger Ansatz, der das gesamte Sensorsystem flexibler und extrem schnellen Messzyklen ermöglicht, wurde nachgewiesen. In einem solchen System besteht das Sensorausgangssignal aus einem DC-Signal und ermöglicht deshalb, das Sensorsystem mit DC-Eingänge und DC-Ausgänge zu nutzen und bietet somit die ideale Plattform für miniaturisierte „Point-of-care“-Diagnosesysteme
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7227
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6502
Exam Date: 18-Jan-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 29-Nov-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): biosensor
semiconductor
CMOS
microwave
lab-on-chip
Biosensorik
Mikrowelle
Halbleiter
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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