Analysis and design of an X-band injection locked oscillator with a capacitive sensor for biosensor applications

The main purpose of this thesis is to contribute to the project of SUMCASTEC to detect cancer in early stage. The sensitivity of the biosensors still needs to be improved for use in detection of cancer cells. Injection locked oscillator based biosensor topology is presented to reach proposed sensitivity level. This thesis presents the design and implementation of an injection locked oscillator biosensor at X-band using SiGe BiCMOS technology. An oscillator based reactance sensor is used with injection locking. The injection locked oscillator biosensor detects the dielectric change when the cells flow through the microfluidic channel. Injection locking is used for detection of abnormal cells using the phase shift phenomena. Phase shift difference occurs due to the change in the dielectric constant of the tank capacitive sensor when the signal is locked to the injecting frequency. During the thesis, two main focuses that are capacitive sensor and ILO are discussed. In the sensor part, the focus is the design and optimization of parallel finger capacitors and comb finger capacitors. The most sensitive capacitive sensor is proposed to be used in the biosensor. In the ILO part, a MIM capacitor is used instead of a real sensor. The purpose is to create test structures to evaluate the ILO locking phenomenon and phase shift phenomenon. For this, an ILO is prepared for tape out.

L’obbiettivo principale di questa tesi è quello di contribuire al progetto di SUMCASTEC per la diagnosi precoce del cancro. La sensibilità dei biosensori deve ancora essere migliorata per l'uso nella diagnosi delle cellule tumorali. Viene presentata una topologia di biosensori basata su un oscillatore injection-locked per raggiungere il livello di sensibilità proposto. Questa tesi presenta la progettazione e l'implementazione di un biosensore in banda X basato su un oscillatore injection-locked utilizzando la tecnologia SiGe BiCMOS. Viene utilizzato un sensore di reattanza basato su oscillatore injection-locked. L'oscillatore injection-locked rileva il cambiamento di costante dielettrica quando le celle fluiscono attraverso il canale microfluidico. Injection-locking viene utilizzato per il rilevamento di cellule anomale utilizzando i fenomeni di sfasamento. La differenza di sfasamento si verifica a causa della variazione della costante dielettrica del condensatore quando il segnale è bloccato alla frequenza di iniezione. Vengono discussi due focus principali del sensore capacitivo e dell'ILO. Nella parte del sensore, il focus è la progettazione e l'ottimizzazione di condensatori interdigitati (parallel finger e comb finger). Il sensore capacitivo più sensibile è proposto per essere usato nel biosensore. Nella parte ILO viene utilizzato un condensatore MIM invece di un vero sensore. Lo scopo è quello di creare strutture di prova per valutare il fenomeno di locking dell’ILO e lo sfasamento. Per questo, viene preparato un ILO per l’invio in fabbrica.