hoo2
/
vlsi_assignment
1
0
Fork 0
Code Issues 0 Pull Requests 0 Releases 0 Wiki Activity
VLSI assignment for A.U.TH.
You can not select more than 25 topics Topics must start with a letter or number, can include dashes ('-') and can be up to 35 characters long.
1 Commit
1 Branch
8.5 MiB
 
Tree: 0bf2471c56
Branches Tags
${ item.name }
Create branch ${ searchTerm }
from '0bf2471c56'
${ noResults }
vlsi_assignment/report.tex

140 lines
20 KiB
Raw Blame History 

  1. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

  2. % Χουτουρίδης Χρήστος ΑΕΜ 8997

  3. % Τσαντικίδου Κυριακή ΑΕΜ 8929

  4. 

  5. %----------------------------------------------------------------------------------------

  6. %	PACKAGES AND OTHER DOCUMENT CONFIGURATIONS

  7. %----------------------------------------------------------------------------------------

  8. 

  9. \documentclass[11pt,twoside,twocolumn]{article}

  10. 

  11. \usepackage[sc]{mathpazo} 		% Use the Palatino font

  12. \usepackage[T1]{fontenc} 		% Use 8-bit encoding that has 256 glyphs

  13. \linespread{1.1} 				% Line spacing - Palatino needs more space between lines

  14. \usepackage{microtype} 			% Slightly tweak font spacing for aesthetics

  15. 

  16. \usepackage[english, greek]{babel} % Language hyphenation and typographical rules

  17. 

  18. % Document margins

  19. \usepackage[hmarginratio=1:1,top=32mm,columnsep=20pt]{geometry} 

  20. % Custom captions under/above floats in tables or figures

  21. \usepackage[hang, small,labelfont=bf,up,textfont=it,up]{caption} 

  22. \usepackage{booktabs} 			% Horizontal rules in tables

  23. 

  24. % The lettrine is the first enlarged letter at the beginning of the text

  25. \usepackage{lettrine} 		

  26. 

  27. \usepackage{enumitem} 			% Customized lists

  28. \setlist[itemize]{noitemsep} 	% Make itemize lists more compact

  29. 

  30. % Allows abstract customization

  31. % Set the "Abstract" text to bold

  32. \usepackage{abstract} 

  33. \renewcommand{\abstractnamefont}{

  34. 	\normalfont\bfseries

  35. }

  36. % Set the abstract itself to small italic text 

  37. \renewcommand{\abstracttextfont}{

  38. 	%\normalfont\small\itshape

  39. 	\normalfont\itshape

  40. } 

  41. 

  42. % Allows customization of titles

  43. \usepackage{titlesec} 

  44. % Roman numerals for the sections

  45. %\renewcommand\thesection{\Roman{section}}

  46. % roman numerals for subsections

  47. %\renewcommand\thesubsection{\roman{subsection}}

  48. % Change the look of the section and subsection titles

  49. \titleformat{\section}[block]{\large\scshape\centering}{\thesection.}{1em}{} 

  50. \titleformat{\subsection}[block]{\large}{\thesubsection.}{1em}{}

  51. 

  52. % Headers

  53. \usepackage{fancyhdr}

  54. \pagestyle{fancy} 			% All pages have headers and footers

  55. \fancyhead{} 				% Blank out the default header

  56. \fancyfoot{} 				% Blank out the default footer

  57. \fancyhead[C]{Ολοκληρωμένος Βιοχημικός Μικροαισθητήρας}

  58. \fancyfoot[RO,LE]{\thepage} % Custom footer text

  59. 

  60. \usepackage{titling} 		% Customizing the title section

  61. 

  62. \usepackage{hyperref} 		% For hyperlinks in the PDF

  63. 

  64. \newcommand{\eng}[1]{\foreignlanguage{english}{#1}}

  65. 

  66. %----------------------------------------------------------------------------------------

  67. %	TITLE SECTION

  68. %----------------------------------------------------------------------------------------

  69. 

  70. \setlength{\droptitle}{-4\baselineskip} % Move the title up

  71. 

  72. \pretitle{\begin{center}\Huge\bfseries} % Article title formatting

  73. \posttitle{\end{center}} 				% Article title closing formatting

  74. \title{Ολοκληρωμένος Βιοχημικός Μικροαισθητήρας}

  75. 

  76. \author{

  77. 	\textsc{Κυριακή Τσαντικίδου} \\[1ex] %

  78. 	\normalsize \href{mailto:ktsant@ece.auth.gr}{\eng{ktsantik@ece.auth.gr}}

  79. 	\and

  80. 	\textsc{Χρήστος Χουτουρίδης} \\[1ex] %

  81. 	\normalsize \href{mailto:cchoutou@ece.auth.gr}{\eng{cchoutou@ece.auth.gr}}

  82. }

  83. \date{\today} % Leave empty to omit a date

  84. \renewcommand{\maketitlehookd}{

  85. 	\begin{abstract}

  86. 	\noindent

  87. 	Το θέμα που θα παρουσιαστεί σε αυτό το άρθρο είναι ο Ολοκληρωμένος Βιοχημικός Μικροαισθητήρας. Αρχικά, παρατίθενται ιστορικά οι τεχνολογίες-ορόσημα που βοήθησαν στην εξέλιξη αυτής της τεχνολογίας. Έπειτα, επεξηγείται η αρχή λειτουργίας ορισμένων από αυτών έτσι ώστε να γίνουν κατανοητά τα προτερήματα καθώς επίσης και τα μειονεκτήματα του καθενός. Οι τεχνολογίες που θα παρουσιαστούν είναι τα \eng{ISFET} καθώς και κάποιες παραλλαγές αυτού, τα \eng{ChemFET} και τα \eng{EnzymeFET} που επίσης έχουν βασιστεί πάνω στην τεχνολογία των \eng{ISFET}. Τέλος, εφόσον αναφερθούν τα γενικά συμπεράσματα όλων των τεχνολογιών αυτών, παρουσιάζεται μια σημαντική εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής με την οποία κατάφεραν να ανιχνεύσουν το \eng{DNA} ή \eng{RNA} διαφόρων μικροοργανισμών.

  88. \end{abstract}

  89. }

  90. 

  91. %----------------------------------------------------------------------------------------

  92. 

  93. \begin{document}

  94. 

  95. \maketitle		% Print the title

  96. 

  97. %----------------------------------------------------------------------------------------

  98. %	ARTICLE CONTENTS

  99. %----------------------------------------------------------------------------------------

  100. 

  101. \section{Τεχνολογίες – Ορόσημα}

  102. 

  103. \lettrine[lraise=0.1,nindent=0em,lines=3]{Η}{πρώτη} επαναστατική τεχνολογία, βάση της οποίας εξελίχθηκαν και όλες οι υπόλοιπες τεχνολογίες που θα παρουσιαστούν παρακάτω, εμφανίστηκε στις αρχές του 1970 και ονομάστηκε \eng{ISFET}. Την ίδια χρονολογία εμφανίστηκαν και τα απλά ηλεκτρόδια τα οποία προτιμήθηκαν από τα \eng{ISFET} για λόγους που θα παρατεθούν πιο κάτω. Επομένως, οι πρώτες εφαρμογές άρχισαν να εμφανίζονται στα τέλη της δεκαετίας του 90 χωρίς να υπάρξει κάποια εμπορευματοποίηση. Τα έτη 2002, 2008 και έπειτα, αρχίζουν και πραγματοποιούνται έρευνες πάνω στην τεχνολογία αυτή με αποτέλεσμα να εμφανιστούν τα \eng{ChemFETs} και τα \eng{EnzymeFETs}, το καθένα από τα οποία έχει αντίστοιχα προτερήματα και μειονεκτήματα. Κατά το διάστημα αυτό, ανακαλύφθηκαν και η τεχνολογία \eng{Nanofluidic} που αποτελεί επίσης σημαντικό κομμάτι του κλάδου αυτού. Στις αρχές του 2010 άρχισαν να παρουσιάζονται έρευνες οι οποίες εξερευνούσαν παραλλαγές πάνω στην τεχνολογία της πύλης ενός \eng{ISFET}. Κάποιες από αυτές, επέφεραν θετικά αποτελέσματα ενώ κάποιες άλλες δεν μπόρεσαν να επιλύσουν τα ήδη υπάρχον προβλήματα. Τέλος, από το 2015, ξεκινά η χρήση μικρο-ηλεκτροδίων και η ανάπτυξη εφαρμογών για την ανίχνευση πρωτεϊνών.

  104. 

  105. %------------------------------------------------

  106. 

  107. \section{\eng{DNA} και \eng{RNA testing}}

  108. Τέλος, θα παρουσιαστεί μια εφαρμογή ενός ολοκληρωμένου βιοχημικού μικροαισθητήρα πάνω σε τεχνολογία \eng{CMOS}. Αυτός χρησιμοποιείται για την ανίχνευση του \eng{DNA} ή \eng{RNA} παθογόνων μικροοργανισμών όπως \eng{Influenza A, Influenza B, Polio} και διαφόρων άλλων ιών. Ο μικροαισθητήρας αυτός χρησιμοποιεί έναν ΣΔ \eng{current-sensing modulator} ως ανιχνευτή και μια \eng{reverse-biased CMOS diode} ως μετατροπέα φωτονίων σε ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια θα γίνει αναλυτικότερη εξήγηση της αρχής λειτουργίας του κυκλώατος εφόσον πρώτα παρουσιαστεί η γενική αρχή λειτουργίας ανίχνευσης μικροοργανισμών. 

  109. \par Η γενική αρχή λειτουργίας τέτοιου είδους μιρκοαισθητήρων προϋποθέτει την ύπαρξη μιας μεμβράνης στην πύλη πάνω στην οποία βρίσκονται ακινητοποιημένοι ανιχνευτές (\eng{probes}). Αυτοί οι ανιχνευτές δεσμεύουν τον μικροοργανισμό που θέλουμε να ανιχνεύσουμε και τον ακινητοποιούν σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Στο διάλυμα μέσα στο οποίο θέλουμε να ανιχνεύσουμε κάποιον μικροοργανισμό τοποθετούμε ορισμένα φθορίζοντα μόρια τα οποία αντιδρούν χημικά με τον μικροοργανισμό και ενώνονται στην άκρη του. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, σε κάθε μικροοργανισμό να υπάρχει αυτή η ταμπέλα (φθορίζον μόριο) στην οποία όταν προσπέσει συγκεκριμένη συχνότητα φωτός, να αρχίσει και αυτή να εκπέμπει κάποιο φως το οποίο μπορεί να ανιχνευτή από μια φωτοδίοδο. Επομένως, αν φωτίσουμε το συγκεκριμένο σημείο στο οποίο υπάρχουν οι ακινητοποιημένοι ανιχνευτές ανάλογα με το φως που θα εντοπίσει η φωτοδίοδος μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα για την ύπαρξη καθώς και για την περιεκτικότητα στο διάλυμα του προς ανίχνευση μικροοργανισμού.

  110. \par Για την υλοποίηση αυτής της όλης διαδικασίας πρέπει να πληρούνται κάποιες προϋποθέσεις. Αρχικά θα πρέπει το στρώμα του διοξειδίου του πυριτίου ($\eng{SiO_{2}}$) να έρχεται σε επαφή με το υδατικό δείγμα. Επίσης, θα πρέπει να επικρατεί μια θερμική σταθερότητα η οποία είναι αναγκαία για την επιτυχή πραγμάτωση των χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα μέσα στο διάλυμα. Η μέγιστη πυκνότητα των ανιχνευτών είναι η τελευταία προϋπόθεση που πρέπει να πληρείται και είναι 6 με 9 \eng{nm}. 

  111. \par Επιστρέφοντας στην ανάλυση της συγκεκριμένης εφαρμογής, στη συνέχεια θα εστιάσουμε στην υλοποίηση του ολοκληρωμένου. Το ολοκληρωμένο αποτελείται από επίπεδα στρωμάτων και το συνολικό ολοκληρωμένο έχει μέγεθος 100 μ\eng{m}. Στο πρώτο πάνω στρώμα υπάρχουν ακινητοποιημένοι οι ανιχνευτές που δεσμεύουν τους μικροοργανισμούς του διαλύματος που εξετάζουμε. Στο αμέσως κάτω στρώμα υπάρχει ένα φίλτρο που φιλτράρει το φως που εκπέμπουν τα φθορίζον μόρια έτσι ώστε να μπορεί να εντοπίζεται πιο εύκολα από την φωτοδίοδο. Στο πιο κάτω επίπεδο, υπάρχει ένας \eng{heater} με τον οποίο επιτυγχάνεται η θερμική σταθερότητα που αναφέρθηκε πιο πάνω. Επίσης, με την βοήθεια του \eng{heater} μπορούμε να  ελέγχουμε την θερμοκρασία και επομένως να επιτύχουμε διάφορες χημικές αντιδράσεις που ενεργοποιούνται λόγω των εναλλαγών αυτών, πράγμα που θα το δούμε στη συνέχεια. Έπειτα, υπάρχουν οι μεταλλικές διασυνδέσεις και στο τέλος υπάρχει η φωτοδίοδος και ο ΣΔ \eng{modulator} (ο ανιχνευτής). Ουσιαστικά, το φως που εκπέμπεται από τις ταμπέλες των μικροοργανισμών φτάνει μέχρι το τελευταίο επίπεδο που βρίσκεται η φωτοδίοδος και εκεί γίνεται η διαδικασία της μετατροπής του αναλογικού σήματος (συχνότητα φωτός) σε ψηφιακό σήμα.

  112. \par Στη συνέχεια αναλύεται το κύκλωμα του ανιχνευτή. Όπως έχει προαναφερθεί υπάρχει ένας πρώτης τάξης ΣΔ \eng{current-sensing modulator}, ο οποίος αποτελείται από έναν ολοκληρωτή (Σ \eng{operator}) και έναν Αναλογικό σε Ψηφιακό Μετατροπέα (Analog – Digital Converter). Επίσης, ο βρόχος κλείνει με έναν Ψηφιακό σε Αναλογικό Μετατροπέα (\eng{Digital – Analog Converter}), ο οποίος είναι ο Δ \eng{operator} και επιστρέφει πίσω σήμα που χρειάζεται για την σωστή μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό σήμα. Το σημαντικό είναι πως αυτό το κύκλωμα δέχεται ως είσοδο το αναλογικό σήμα της φωτοδιόδου και επιστρέφει μια ψηφιακή έξοδο που μπορεί να διαβαστεί και να οδηγήσει σε ανάλογα αποτελέσματα.

  113. \par Παρακάτω εξηγείται αναλυτικά η διαδικασία ανίχνευσης των μικροοργανισμών. Στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας αυτής εναλλάσσουμε την θερμοκρασία με την βοήθεια του \eng{heater} και έτσι επιτυγχάνεται η πολλαπλή αντιγραφή του \eng{DNA} ή \eng{RNA} του μικροοργανισμού που βρίσκεται στο διάλυμα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (\eng{Polymerase Chain Reaction – PCR}) και αντιγράφει το γενετικό υλικό του μικροοργανισμού μέχρι και 2$^{30}$ φορές.  Εδώ πρέπει να αναφερθεί πως στη συγκεκριμένη εφαρμογή ακολουθείται μια αντίστροφη διαδικασία από την γενική που αναλύθηκε παραπάνω. Πιο συγκεκριμένα, το φθορίζον μόριο βρίσκεται στην άκρη του ακινητοποιημένου ανιχνευτή και εκπέμπει συνεχώς φως. Επιπλέον, μέσα στο διάλυμα υπάρχουν συγκεκριμένα μόρια (\eng{primers}) τα οποία όταν πλησιάσουν τα φθορίζον μόρια του ανιχνευτή προκαλούν την προσωρινή ελάττωση του φωτός που εκπέμπεται. Η διαδικασία της δέσμευσης πραγματοποιείται εφόσον σταθεροποιήσουμε την θερμοκρασία λίγο πιο κάτω από τους 60 $^{o}$\eng{C}.

  114. \par Για να επιτευχθεί η ταυτόχρονη ανίχνευση διαφορετικών μικροοργανισμών μέσα στο διάλυμα χρησιμοποιούνται πολλοί μικροαισθητήρες 100μ\eng{m} που αναλύθηκαν πιο πάνω. Πιο συγκεκριμένα, στην εφαρμογή που αναλύεται, χρησιμοποιούνται 32 \eng{x} 32 μικροαισθητήρες (\eng{32x32 array}), ο καθένας από τους οποίους περιέχει διαφορετικούς ανιχνευτές (\eng{probes}) οι οποίοι δεσμεύουν διαφορετικούς μικροοργανισμούς. Εφόσον τα μόρια (\eng{primers}) ενωθούν στη μία άκρη του κάθε αντίγραφου του γενετικού υλικού που έχουν δημιουργηθούν και καθώς διανύουν όλα τα 32x32 κουτάκια με τους διαφορετικούς μικροαισθητήρες, δεσμεύονται από τους κατάλληλους ανιχνευτές και ακινητοποιούνται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα στο συγκεκριμένο κουτάκι να ελαττώνεται η συχνότητα φωτός που εκπέμπεται. Επομένως, γνωρίζοντας ποιος μικροοργανισμός θα έπρεπε να δεσμεύεται θεωρητικά σε κάθε κουτάκι και αντίστοιχα εξετάζοντας αν έχει μειωθεί η συχνότητα φωτός μέσω της φωτοδιόδου του καθενός κουτιού, επιτυγχάνεται η ανίχνευση του μικροοργανισμού.

  115. \par Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία της σύλληψης, πραγματοποιείται μια αντίστροφη διαδικασία μέσω της οποίας μπορούμε να επιβεβαιώσουμε τα συμπεράσματα στα οποία φτάσαμε. Ειδικότερα, κάθε ένωση μεταξύ ενός ανιχνευτή και του γενετικού υλικού του κάθε μικροοργανισμού έχει μια μοναδική καμπύλη τήξης (\eng{melt curve}), κατά την οποία ο αντίστοιχος μικροοργανισμός απομακρύνεται από τον ανιχνευτή που τον έχει δεσμεύσει και η φωτοδίοδος συνεχίζει να δέχεται ως είσοδο το φως που εκπέμπεται από το φθορίζον μόριο του ανιχνευτή. Έτσι, αξιοποιώντας την μοναδικότητα αυτή μπορούμε να επιβεβαιώσουμε την ύπαρξη ενός συγκεκριμένου μικροοργανισμού σε ένα από τα κουτάκια εξετάζοντας την καμπύλη τήξης κατά την οποία άρχισε η φωτοδίοδος να ανιχνεύει πάλι φως. Αυτή η διαδικασία επιτυγχάνεται μέσω της αύξησης της θερμοκρασίας από τους 55$^{ο}$\eng{C} μέχρι τους 95$^{o}$\eng{C} και έτσι ουσιαστικά δημιουργείται μια συνεχόμενη καμπύλη τήξης κατά την οποία σε διαφορετικές χρονικές στιγμές οι αντίστοιχοι μικροοργανισμοί θα αποδεσμεύσουν τους ανιχνευτές.

  116. 

  117. \section{Συμπεράσματα}

  118. Τα συμπεράσματα αυτής της έρευνας είναι πως η χρήση των ολοκληρωμένων βιοχημικών μικροαισθητήρων θα βελτιώσει με πολλούς τρόπους τον τομέα της υγείας και κυρίως την ζωή των ανθρώπων και την δυνατότητα 

  119. 

  120. 

  121. 

  122. % A statement requiring citation \cite{Figueredo:2009dg}.

  123. 

  124. %----------------------------------------------------------------------------------------

  125. %	REFERENCE LIST

  126. %----------------------------------------------------------------------------------------

  127. 

  128. \begin{thebibliography}{99} % Bibliography

  129. 

  130. %\bibitem[Figueredo and Wolf, 2009]{Figueredo:2009dg}

  131. %Figueredo, A.~J. and Wolf, P. S.~A. (2009).

  132. %\newblock Assortative pairing and life history strategy - a cross-cultural study.

  133. %\newblock {\em Human Nature}, 20:317--330.

  134.  

  135. \end{thebibliography}

  136. 

  137. %----------------------------------------------------------------------------------------

  138. 

  139. \end{document}