Chip CMOS para deteção de hemozoína por refletância ótica

Abstract

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.

Nowadays, malaria still causes the death of thousands of people in countries with low economic power, where the access to adequate diagnostic techniques is scarce. The project presented in this dissertation intends to overcome the limitations of current diagnostic methods, through the development of a non invasive optical device, capable of detecting the presence of the malaria parasite below 20 parasites/μL of red blood cells, with better performance than the methods commercially available, and without the need for blood samples. Its operation is based on the measurement of optical reflectance signals, in the spectral range between 400-800 nm, directly in the patient's skin. Thus, it is proposed the development of a CMOS system for detecting and reading optical reflectance signals, which can be integrated into the targeted optical device. The developed system includes an array of sixteen (4×4) photodiodes, which convert the reflected light intensity into electrical current, as well as sixteen current-frequency (IF) converters, one for each photodiode of the array. The three junction photodiode structures allowed in a CMOS process (n+/substrate, p+/n-well and n well/p-substrate) were simulated using different CMOS technologies (0.18 µm, 0.35 µm and 0.7 µm) via COMSOL Multiphysics software. According to the simulations, the n+/p-substrate photodiode is the one with the highest quantum efficiency in the spectral range of interest (400 - 800 nm), with the 0.18 µm technology showing the best performance. The IF converter was designed using the same 0.18 μm technology. The results of its simulation, using Cadence’s Virtuoso software, allowed to conclude that each converter has a linear conversion scale from 0.6 pA to approximately 1800 nA, with a linearity of R2 = 0.999. Furthermore, it has a sensitivity of 4560 Hz/nA, a resolution of 0.01 nA and a power consumption of 0.94 mW, with a low influence of temperature on the circuit performance. The complete CMOS chip layout, where each photodiode has an active area of 100 × 100 µm, and each IF converter has an area of 1500 µm2 , holds a total area of 2.25 mm2 . The masks, exported from the layout, were sent to a silicon foundry for fabrication. Once manufactured, the chip will allow for the full integration of the proposed device, hoping it will significantly contribute to advancing the state of the art in malaria diagnosis.