Publicação

Chip CMOS para deteção de hemozoína por refletância ótica

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Atualmente, a doença da malária provoca ainda a morte de milhares de pessoas em países de baixo poder económico, onde o acesso a técnicas de diagnóstico adequadas é escasso. O projeto apresentado nesta dissertação pretende ultrapassar as limitações dos métodos de diagnóstico atuais, através do desenvolvimento de um dispositivo ótico não invasivo, capaz de detetar a presença do parasita da malária abaixo dos 20 parasitas/μL de glóbulos vermelhos, com melhor desempenho que os métodos disponíveis comercialmente, e sem necessidade de amostras de sangue. A sua operação baseia-se na medida, direcionada para a pele do paciente, de sinais de refletância ótica, na gama espectral entre os 400-800 nm. Assim, propõe-se o desenvolvimento de um sistema em CMOS para deteção e leitura dos sinais de refletância ótica, que possa ser integrado no dispositivo ótico. O sistema desenvolvido inclui uma matriz de dezasseis (4×4) fotodíodos, que convertem a intensidade de luz refletida em corrente elétrica, assim como dezasseis conversores corrente-frequência (IF), um por cada fotodíodo da matriz. As três estruturas de fotodíodos de junção permitidas num processo CMOS (n+/substrato, p+/n-well e n-well/p-substrato) foram simuladas utilizando diferentes tecnologias CMOS (0,18 µm, 0,35 µm e 0,7 µm) através do software COMSOL Multiphysics. De acordo com as simulações efetuadas, o fotodíodo n+/p-substrato é o que apresenta uma maior eficiência quântica na gama espectral de interesse (400 - 800 nm), tendo a tecnologia 0,18 µm apresentado o melhor desempenho. O conversor IF foi projetado na mesma tecnologia 0,18 μm, e os resultados da sua simulação, recorrendo ao software Cadence (Virtuoso) permitiram concluir que cada conversor tem uma escala de conversão linear entre 0,6 pA até aproximadamente 1800 nA, com uma linearidade de R2 = 0,999. Além disso apresenta uma sensibilidade de 4560 Hz/nA, uma resolução de 0,01 nA e uma potência de consumo de 0,94 mW, apresentando ainda uma baixa influência da temperatura no desempenho do circuito. O layout do chip CMOS completo, com cada fotodíodo com uma área ativa de 100 × 100 μm e cada IF com uma área de 1500 µm2, comporta uma área total de 2,25 mm2. As máscaras, Exportadas do layout, foram enviadas para uma fundição de silício para fabrico. Uma vez fabricado, o chip permitirá a integração total do dispositivo proposto, esperando-se que possa contribuir significativamente para o avanço do estado da arte do diagnóstico de malária.
Autores principais:	Ferreira, Gabriel Malheiro
Assunto:	CMOS Conversor corrente-frequência Fotodíodos Malária Refletância Current to frequency converter Malaria Photodiodes Reflectance
Ano:	2022
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	português
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	Atualmente, a doença da malária provoca ainda a morte de milhares de pessoas em países de baixo poder económico, onde o acesso a técnicas de diagnóstico adequadas é escasso. O projeto apresentado nesta dissertação pretende ultrapassar as limitações dos métodos de diagnóstico atuais, através do desenvolvimento de um dispositivo ótico não invasivo, capaz de detetar a presença do parasita da malária abaixo dos 20 parasitas/μL de glóbulos vermelhos, com melhor desempenho que os métodos disponíveis comercialmente, e sem necessidade de amostras de sangue. A sua operação baseia-se na medida, direcionada para a pele do paciente, de sinais de refletância ótica, na gama espectral entre os 400-800 nm. Assim, propõe-se o desenvolvimento de um sistema em CMOS para deteção e leitura dos sinais de refletância ótica, que possa ser integrado no dispositivo ótico. O sistema desenvolvido inclui uma matriz de dezasseis (4×4) fotodíodos, que convertem a intensidade de luz refletida em corrente elétrica, assim como dezasseis conversores corrente-frequência (IF), um por cada fotodíodo da matriz. As três estruturas de fotodíodos de junção permitidas num processo CMOS (n+/substrato, p+/n-well e n-well/p-substrato) foram simuladas utilizando diferentes tecnologias CMOS (0,18 µm, 0,35 µm e 0,7 µm) através do software COMSOL Multiphysics. De acordo com as simulações efetuadas, o fotodíodo n+/p-substrato é o que apresenta uma maior eficiência quântica na gama espectral de interesse (400 - 800 nm), tendo a tecnologia 0,18 µm apresentado o melhor desempenho. O conversor IF foi projetado na mesma tecnologia 0,18 μm, e os resultados da sua simulação, recorrendo ao software Cadence (Virtuoso) permitiram concluir que cada conversor tem uma escala de conversão linear entre 0,6 pA até aproximadamente 1800 nA, com uma linearidade de R2 = 0,999. Além disso apresenta uma sensibilidade de 4560 Hz/nA, uma resolução de 0,01 nA e uma potência de consumo de 0,94 mW, apresentando ainda uma baixa influência da temperatura no desempenho do circuito. O layout do chip CMOS completo, com cada fotodíodo com uma área ativa de 100 × 100 μm e cada IF com uma área de 1500 µm2, comporta uma área total de 2,25 mm2. As máscaras, Exportadas do layout, foram enviadas para uma fundição de silício para fabrico. Uma vez fabricado, o chip permitirá a integração total do dispositivo proposto, esperando-se que possa contribuir significativamente para o avanço do estado da arte do diagnóstico de malária.