JP7761295B1 - Capacitive sensor array chip and sampling device with programmable pixel resolution adjustment, and control system therefor - Google Patents
Capacitive sensor array chip and sampling device with programmable pixel resolution adjustment, and control system thereforInfo
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Abstract
【課題】画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ及びサンプリング装置並びにその制御システムを提供することを課題とする。
【解決手段】第1クロック信号に基づき選択信号を生成するためプログラマブルモジュールと、第2クロック信号及び感知パルス信号に基づき第3クロック信号を生成するための遅延パルスモジュールと、前記感知パルス信号に基づき充電信号を生成するための充電ユニットとアレイを形成するM×N個の電極画素ユニットとサンプリングユニットとを含む複数の電極アレイモジュールとを備え、前記電極アレイモジュールは前記選択信号に基づき特定のパターンの前記電極画素ユニットを順次選択するために用いられ、かつ前記電極アレイモジュール内の前記特定のパターンの前記電極画素ユニットは前記充電信号に基づきサンプリング信号を生成するために用いられ、前記サンプリングユニットは前記サンプリング信号及び前記第3クロック信号に基づきセンシング出力信号を生成するために用いられる。
【選択図】図1
The present invention provides a capacitance sensor array chip and sampling device that programmably adjust pixel resolution, and a control system thereof.
[Solution] The device comprises a programmable module for generating a selection signal based on a first clock signal, a delay pulse module for generating a third clock signal based on a second clock signal and a sensing pulse signal, a charging unit for generating a charging signal based on the sensing pulse signal, and a plurality of electrode array modules including M x N electrode pixel units forming an array and a sampling unit, wherein the electrode array module is used to sequentially select the electrode pixel units of a specific pattern based on the selection signal, and the electrode pixel units of the specific pattern in the electrode array module are used to generate a sampling signal based on the charging signal, and the sampling unit is used to generate a sensing output signal based on the sampling signal and the third clock signal.
[Selected Figure] Figure 1
Description
特許法第30条第2項適用 <公開の事実1> (1)発行日:2023年5月22日 (2)刊行物:IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II:EXPRESS BRIEFS, VOL.70,NO.5,p1734-p1738,MAY 2023 (3)公開者:國立陽明交通大學 (4)公開した物の内容:頼 林鴻、林 文約、盧 ▲イク▼▲イ▼、劉 恆宇、吉田 信介、邱 士華、李 鎮宜がIEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II:EXPRESS BRIEFS, VOL.70,NO.5,MAY 2023にて、頼 林鴻、林 文約、李 鎮宜が発明した「画素分解能調整をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ及びサンプリング装置、並びにその制御システム」について公開した。Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. <Disclosure Fact 1> (1) Publication date: May 22, 2023 (2) Publication: IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 70, NO. 5, pp. 1734-1738, MAY 2023 (3) Discloser: National Yangming Jiao Tong University (4) Disclosure: Lai Linhong, Lin Wenyu, Lu Yi, Liu Hengyu, Yoshida Shinsuke, Qiu Shihua, and Li Zhenyi have disclosed in IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II: EXPRESS BRIEFS, VOL. 70, NO. 5, MAY 2023, "Capacitive Sensor Array Chip and Sampling Device with Programmable Pixel Resolution Adjustment, and Control System Thereof," invented by Lai Linhong, Lin Wenyu, and Li Zhenyi.
本発明は、静電容量センサアレイチップに関し、特に、画素分解能調整をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップに関する。 The present invention relates to a capacitive sensor array chip, and more particularly to a capacitive sensor array chip that allows programmable pixel resolution adjustment.
CMOS実験室用チップは、デジタルマイクロ流体を用いた迅速な医学テスト、進行波誘電泳動を用いた細胞選別、加熱の微小電極アレイ(H-MEA)によるポリメラーゼ連鎖反応などのライフサイエンス分野に前例のない応用を提供し、従来の方法よりも低コスト、高速操作、少量の試薬量、および高いスループットを実現する。静電容量センサアレイ(CSA)は、生物学的ターゲットの電気・物理学的応答の収集、正しい操作戦略の提供方面において極めて重要な役割を果たす。 CMOS laboratory chips offer unprecedented applications in life sciences, such as rapid medical testing using digital microfluidics, cell sorting using traveling wave dielectrophoresis, and polymerase chain reaction using heated microelectrode arrays (H-MEA), achieving lower costs, faster operation, smaller reagent volumes, and higher throughput than traditional methods. Capacitive sensor arrays (CSAs) play a crucial role in collecting the electrical and physical responses of biological targets and providing the correct operational strategies.
しかしながら、単一電極と単一細胞との間のサイズの不一致により、単一細胞の挙動を検出することは困難である。リング発振器(ring oscillator、RO)で静電容量を周波数に変換して細胞増殖をリアルタイムでモニタリングすることは、細胞塊の接着を識別するためにのみ十分であるが、単一細胞の挙動を観察するための空間分解能にはまだ改善の余地がある。 However, due to the size mismatch between a single electrode and a single cell, it is difficult to detect the behavior of a single cell. Monitoring cell proliferation in real time by converting capacitance into frequency using a ring oscillator (RO) is sufficient for identifying the adhesion of cell clusters, but the spatial resolution for observing the behavior of a single cell still has room for improvement.
したがって、試料サイズに応じて対応する電極サイズを動的に用いて空間分解能及び感度のバランスをとることができるセンシング方法が緊急に必要とされている。 Therefore, there is an urgent need for a sensing method that can balance spatial resolution and sensitivity by dynamically using corresponding electrode sizes depending on the sample size.
本発明の目的は、前述の従来技術の様々な問題点を解決するため、画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ、サンプリング装置及び制御システムを提供することである。 The object of the present invention is to provide a capacitive sensor array chip, sampling device, and control system that programmably adjusts pixel resolution to solve the various problems of the prior art described above.
上記目的を達成するため、本発明の第1の態様は、プログラマブルモジュールと、遅延パルスモジュールと、複数の電極アレイモジュールとを備えた、画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップを提供する。 To achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a capacitive sensor array chip that includes a programmable module, a delay pulse module, and multiple electrode array modules, and that programmably adjusts pixel resolution.
前記プログラマブルモジュールは、第1クロック信号に基づき選択信号を生成するために用いられる。前記遅延パルスモジュールは、第2クロック信号及び感知パルス信号に基づき第3クロック信号を生成するために用いられる。前記複数の電極アレイモジュールは、前記感知パルス信号に基づき充電信号を生成するための充電ユニットと、アレイを形成するM×N個(Mは1以上の正の整数、Nは1以上の正の整数である)の電極画素ユニットと、前記サンプリング信号及び前記第3クロック信号に基づきセンシング出力信号を生成するためのサンプリングユニットとを含み、前記電極アレイモジュールは前記選択信号に基づき特定のパターン(pattern)の前記電極画素ユニットを順次選択するために用いられ、かつ前記電極アレイモジュール内の前記特定のパターンの前記電極画素ユニットは前記充電信号に基づきサンプリング信号を生成するために用いられる。 The programmable module is used to generate a selection signal based on a first clock signal. The delay pulse module is used to generate a third clock signal based on a second clock signal and a sensing pulse signal. The plurality of electrode array modules include a charging unit for generating a charging signal based on the sensing pulse signal, M x N electrode pixel units (M is a positive integer greater than or equal to 1, and N is a positive integer greater than or equal to 1) forming an array, and a sampling unit for generating a sensing output signal based on the sampling signal and the third clock signal. The electrode array module is used to sequentially select the electrode pixel units of a specific pattern based on the selection signal, and the electrode pixel units of the specific pattern in the electrode array module are used to generate a sampling signal based on the charging signal.
本発明の一実施形態において、前記電極画素ユニットは、電極と、ドレインが前記電極に接続された第1トランジスタと、入力端は前記選択信号を受信し、出力端は前記第1トランジスタのゲートに接続されたスイッチング論理ゲートとを備える。 In one embodiment of the present invention, the electrode pixel unit includes an electrode, a first transistor having a drain connected to the electrode, and a switching logic gate having an input terminal that receives the selection signal and an output terminal that is connected to the gate of the first transistor.
本発明の一実施形態において、前記選択信号は、Mビットの行(Row)信号と、Nビットの列(Column)信号とを含む。 In one embodiment of the present invention, the selection signal includes an M-bit row signal and an N-bit column signal.
本発明の一実施形態において、前記充電ユニットは、第1電圧源と、前記第1電圧源に接続された少なくとも1つの第1PMOSと、前記少なくとも1つの第1PMOSに接続された第1CMOSインバータとを備える。前記第1CMOSインバータの入力端は、前記感知パルス信号を受信し、前記第1CMOSインバータの出力端は前記充電信号を出力する。 In one embodiment of the present invention, the charging unit includes a first voltage source, at least one first PMOS connected to the first voltage source, and a first CMOS inverter connected to the at least one first PMOS. The input terminal of the first CMOS inverter receives the sensing pulse signal, and the output terminal of the first CMOS inverter outputs the charging signal.
本発明の一実施形態において、前記充電ユニットは、第2電圧源と、前記第2電圧源に接続された第2CMOSインバータと、前記第2CMOSインバータに接続された少なくとも1つの第2PMOSと、前記少なくとも1つの第2PMOSに接続された第3マルチプレクサとを備える。前記第3マルチプレクサの第1入力端は制御電圧に接続され、前記第3マルチプレクサが前記第1入力端を選択すると、前記制御電圧を通じて前記少なくとも1つの第2PMOSの出力電流を制御し、前記第2CMOSインバータの入力端は前記感知パルス信号を受信し、前記第2CMOSインバータの出力端は前記充電信号を出力する。 In one embodiment of the present invention, the charging unit includes a second voltage source, a second CMOS inverter connected to the second voltage source, at least one second PMOS connected to the second CMOS inverter, and a third multiplexer connected to the at least one second PMOS. The first input terminal of the third multiplexer is connected to a control voltage, and when the third multiplexer selects the first input terminal, it controls the output current of the at least one second PMOS via the control voltage. The input terminal of the second CMOS inverter receives the sensing pulse signal, and the output terminal of the second CMOS inverter outputs the charging signal.
本発明の一実施形態において、前記遅延パルスモジュールは、第1DFFと、前記第1DFFの出力端に接続された遅延時間発生器(DPDG)と、第1マルチプレクサとを備えむ。前記第1DFFのクロック入力端は、前記感知パルス信号を受信し、前記第1マルチプレクサの第1入力端は前記遅延時間発生器の出力端に接続され、前記第1マルチプレクサの第2入力端は第2クロック信号を受信し、前記第1マルチプレクサの出力端は前記第3クロック信号を出力する。 In one embodiment of the present invention, the delay pulse module includes a first DFF, a delay time generator (DPDG) connected to the output terminal of the first DFF, and a first multiplexer. The clock input terminal of the first DFF receives the sensing pulse signal, the first input terminal of the first multiplexer is connected to the output terminal of the delay time generator, the second input terminal of the first multiplexer receives a second clock signal, and the output terminal of the first multiplexer outputs the third clock signal.
本発明の一実施形態において、前記サンプリングユニットは、第1INVと、第2マルチプレクサと、第2DFFとを備える。前記第1INVの入力端は、前記サンプリング信号を受信し、前記第2マルチプレクサの第1入力端は前記第1INVの出力端に接続される。前記第2DFFのクロック入力端は、前記第3クロック信号を受信し、前記第2DFFの入力端は前記第2マルチプレクサの出力端に接続され、前記第2DFFの出力端は前記センシング出力信号を出力し、かつ次の前記電極アレイモジュールのサンプリングユニットの第2マルチプレクサの第2入力端と接続して直列出力を形成する。 In one embodiment of the present invention, the sampling unit comprises a first INV, a second multiplexer, and a second DFF. The input terminal of the first INV receives the sampling signal, and the first input terminal of the second multiplexer is connected to the output terminal of the first INV. The clock input terminal of the second DFF receives the third clock signal, and the input terminal of the second DFF is connected to the output terminal of the second multiplexer. The output terminal of the second DFF outputs the sensing output signal and is connected to the second input terminal of the second multiplexer of the sampling unit of the next electrode array module to form a serial output.
本発明の一実施形態において、前記第1INVは、Hi-Skew inverterである。 In one embodiment of the present invention, the first INV is a Hi-Skew inverter.
本発明の一実施形態において、前記電極画素ユニットの電極が方形、千鳥状又は整列に並べられ、前記電極画素ユニットはガードリング(guard ring)を含む、又は含まない。 In one embodiment of the present invention, the electrodes of the electrode pixel units are arranged in a square, staggered, or aligned pattern, and the electrode pixel units may or may not include a guard ring.
本発明の一実施形態において、前記電極画素ユニットは、最上層の金属材料又は次層の金属材料で作られる。 In one embodiment of the present invention, the electrode pixel unit is made of the metal material of the top layer or the metal material of the next layer.
本発明の第2の態様は、サンプリング装置を提供する。前記サンプリング装置は、
本発明の第1の態様に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップと、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ上を覆う保護層と、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップを収容するための容器と、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップの周囲を環囲するように設けられ、前記容器と前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップを固接するための絶縁体とを備える。
A second aspect of the present invention provides a sampling device, the sampling device comprising:
The present invention comprises a capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution according to the first aspect of the present invention, a protective layer covering the capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution, a container for accommodating the capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution, and an insulator arranged to surround the capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution and for firmly connecting the container and the capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution.
本発明の第3の態様は、画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップを制御して試料を感知するための制御システムを提供する。前記制御システムは、本発明の第1の態様に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップと、サンプリング時の抵抗値及び静電容量値を決定して前記電極画素ユニットを制御するための制御ユニットとを備える。 A third aspect of the present invention provides a control system for controlling a capacitance sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment to sense a sample. The control system includes the capacitance sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment described in the first aspect of the present invention, and a control unit for determining resistance and capacitance values during sampling and controlling the electrode pixel units.
本発明の一実施形態において、前記制御ユニットは、サンプリング時の抵抗値及び静電容量値を決定して等価な電極サイズを確立するためのシフトレジスタを備える。 In one embodiment of the present invention, the control unit includes a shift register for determining resistance and capacitance values at the time of sampling to establish equivalent electrode sizes.
本発明の一実施形態において、前記シフトレジスタは、(M+N)ビットシフトレジスタである。 In one embodiment of the present invention, the shift register is an (M+N)-bit shift register.
本発明の一実施形態において、前記制御システムは、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ及び前記制御ユニットに接続され、前記制御ユニットの信号をアレンジし、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップにより生成された情報を外部プロセッサに伝送するためのプログラマブル基板をさらに備える。 In one embodiment of the present invention, the control system further includes a programmable board connected to the capacitive sensor array chip that programmably adjusts pixel resolution and the control unit, for arranging signals from the control unit and transmitting information generated by the capacitive sensor array chip that programmably adjusts pixel resolution to an external processor.
本発明の一実施形態において、前記制御システムは、試料を記録して光学パターンを生成するための光学結像装置をさらに備える。 In one embodiment of the present invention, the control system further comprises an optical imaging device for recording the sample to generate the optical pattern.
本発明の一実施形態において、前記光学パターンは、前記制御システムが前記試料を採取した後で得られた静電容量パターンの相関性を検証するために用いられる。 In one embodiment of the present invention, the optical pattern is used to verify the correlation of the capacitance pattern obtained after the control system collects the sample.
本発明の一実施形態において、前記制御システムは、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ上の固定パターンノイズである第1ノイズを捕捉するために用いられる。 In one embodiment of the present invention, the control system is used to capture a first noise, which is a fixed pattern noise on the capacitive sensor array chip, to programmably adjust the pixel resolution.
本発明の一実施形態において、前記制御システムは、前記試料を連続して採取して複数のフレームを得るために用いられる。 In one embodiment of the present invention, the control system is used to continuously collect the samples to obtain multiple frames.
本発明の一実施形態において、前記プログラマブル基板は、前記複数のフレームを平均して第2ノイズを除去し、前記試料の外観特徴を取得するために用いられ、前記第2ノイズはランダムノイズである。 In one embodiment of the present invention, the programmable board is used to average the multiple frames to remove second noise and obtain the appearance characteristics of the sample, where the second noise is random noise.
本発明の一実施形態において、前記プログラマブル基板は、前記試料の純粋な試料値を得るため、前記試料の外観特徴における前記第1ノイズをさらに除去する。 In one embodiment of the present invention, the programmable board further removes the first noise in the sample's appearance characteristics to obtain a pure sample value of the sample.
本発明により提供される画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ、サンプリング装置及び制御システムは、画素内にインターフェース、読み出し回路及びサンプリング回路を結合し、被検査生物試料の特性に応じて電極サイズを動的に調整することができ、センシング性能が向上するだけでなく、所定の融合画素モードを通じてサンプリングの感度を最適化することもできる。 The capacitance sensor array chip, sampling device, and control system with programmable pixel resolution provided by the present invention combine an interface, readout circuit, and sampling circuit within the pixel, allowing the electrode size to be dynamically adjusted according to the characteristics of the biological sample being tested, not only improving sensing performance but also optimizing sampling sensitivity through predetermined fusion pixel modes.
以下、具体的な実施形態を通じて本発明の実装について説明するが、当業者であれば、本明細書に開示された内容から本発明の他の利点及び効果を容易に理解することができる。本発明は、他の異なる具体的な実施形態を通じて実施或いは応用することもでき、本発明の精神から逸脱することなく本明細書の様々な詳細も異なる観点と応用に基づいて、各種潤飾と変更を行うことができる。 The following describes the implementation of the present invention through specific embodiments. Those skilled in the art will readily understand other advantages and effects of the present invention from the contents disclosed herein. The present invention may also be implemented or applied through other different specific embodiments, and various details of the present specification may be variously refined and modified based on different perspectives and applications without departing from the spirit of the present invention.
[第1の実施形態]
図1を参照すると、図1は、本発明の第1の実施形態に係る画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップの機能ブロック図である。図に示すように、本発明の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップは、プログラマブルモジュール10と、遅延パルスモジュール11と、電極アレイモジュール12a、12bとを備える。図1の実施形態において、2つの電極アレイモジュール12a、12bを例にするが、これに限定されず、他の実施形態においてより多くの電極アレイモジュールがあってもよい。
[First embodiment]
1, which is a functional block diagram of a capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment according to a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment according to the present invention includes a programmable module 10, a delay pulse module 11, and electrode array modules 12a and 12b. In the embodiment of FIG. 1, two electrode array modules 12a and 12b are used as an example, but this is not limiting, and more electrode array modules may be used in other embodiments.
プログラマブルモジュール10は、第1クロック信号に基づき選択信号を生成するために用いられる。遅延パルスモジュール11は、第2クロック信号及び感知パルス信号に基づき第3クロック信号を生成するために用いられる。電極アレイモジュール12aは、充電ユニット120aと、複数の電極画素ユニット121aと、サンプリングユニット122aとを備える。電極アレイモジュール12bは、同様に充電ユニット120bと、複数の電極画素ユニット121bと、サンプリングユニット122bとを備える。 The programmable module 10 is used to generate a selection signal based on a first clock signal. The delay pulse module 11 is used to generate a third clock signal based on the second clock signal and the sensing pulse signal. The electrode array module 12a includes a charging unit 120a, a plurality of electrode pixel units 121a, and a sampling unit 122a. The electrode array module 12b similarly includes a charging unit 120b, a plurality of electrode pixel units 121b, and a sampling unit 122b.
充電ユニット120a、120bは、前記感知パルス信号に基づき充電信号を生成するために用いられる。例えば、物体が電極画素ユニット121aに接触すると、電極画素ユニット121aの静電容量値が変化し、充電ユニット120aはさらに前記静電容量値の変化を充電時間の差に変換するために用いられる。 The charging units 120a and 120b are used to generate charging signals based on the sensing pulse signals. For example, when an object contacts the electrode pixel unit 121a, the capacitance value of the electrode pixel unit 121a changes, and the charging unit 120a is further used to convert the change in capacitance value into a difference in charging time.
複数の電極画素ユニット121aは、M×Nのアレイを形成し、ここで、Mは1以上の正の整数、Nは1以上の正の整数である。複数の電極画素ユニット121bは、同様にM×Nのアレイを形成する。電極アレイモジュール12aは、前記選択信号に基づき特定のパターンの電極画素ユニット121aを順次選択するために用いられ、かつ電極アレイモジュール12a内の前記特定のパターンの電極画素ユニット121aは前記充電信号に基づきサンプリング信号。サンプリングユニット122a用以根據前記サンプリング信号及び前記第3クロック信号産生センシング出力信号を生成するために用いられる。電極アレイモジュール12bの動作方式は電極アレイモジュール12aと同じである。より詳しく言えば、遅延パルスモジュール11は、前記第3クロック信号を生成し、前記第3クロック信号に基づき電極アレイモジュール12aのサンプリングユニット122aによりセンシング出力信号を生成するか、電極アレイモジュール12bのサンプリングユニット122bによりセンシング出力信号を生成するかを決定するために用いられる。 A plurality of electrode pixel units 121a form an MxN array, where M is a positive integer greater than or equal to 1 and N is a positive integer greater than or equal to 1. A plurality of electrode pixel units 121b similarly form an MxN array. The electrode array module 12a is used to sequentially select electrode pixel units 121a of a specific pattern based on the selection signal, and the electrode pixel units 121a of the specific pattern in the electrode array module 12a generate a sampling signal based on the charging signal. The sampling unit 122a is used to generate the sampling signal and the third clock signal to generate a sensing output signal. The operation method of the electrode array module 12b is the same as that of the electrode array module 12a. More specifically, the delay pulse module 11 generates the third clock signal and is used to determine whether to generate a sensing output signal by the sampling unit 122a of the electrode array module 12a or the sampling unit 122b of the electrode array module 12b based on the third clock signal.
プログラマブルモジュール10は、前記選択信号を生成するために用いられ、電極アレイモジュール12aは前記選択信号に基づき特定のパターンの電極画素ユニット121aを順次選択するために用いられる。例えば前記特定パターンは1×1、1×2、2×2、2×4又は4×4等であってもよいが、これに限定されるものではない。被検試料のサイズに応じて適切な前記特定のパターンを選択する。 The programmable module 10 is used to generate the selection signal, and the electrode array module 12a is used to sequentially select electrode pixel units 121a of a specific pattern based on the selection signal. For example, the specific pattern may be, but is not limited to, 1x1, 1x2, 2x2, 2x4, or 4x4. The appropriate specific pattern is selected depending on the size of the test sample.
従来技術の静電容量センサアレイのサンプリング回路、例えばADCは、高精度を達成するため、一般に大面積及び複雑なシステムを必要とする。したがって、従来技術のサンプリング回路はセンサアレイの画素に埋め込むことが困難であり、センシングの出力量を制限する。従来技術と比較して、本発明の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップは、充電ユニット120a、複数の電極画素ユニット121a及びサンプリングユニット122aを電極アレイモジュール12aに統合し、プログラマブルモジュール10、遅延パルスモジュール11の制御を介して時間デジタル変換回路(time-sharing time-to-digital converter、ts-TDC)を実現する。この方法により、静電容量センサアレイチップがグローバルシャッターモード(global shutter mode)で動作できるようになり、電極の下により多くの領域を解放し、将来のマルチモジュール統合の潜在力を備える。この設計のプログラム可能な電極形状により、同じ又は異なるパターンの複数のフレームをキャプチャしてデジタル画像処理を向上させることで、センシング性能を向上する。 Sampling circuits, such as ADCs, in prior art capacitive sensor arrays generally require large areas and complex systems to achieve high accuracy. Therefore, prior art sampling circuits are difficult to embed in the pixels of the sensor array, limiting the sensing output. Compared to prior art, the capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution of the present invention integrates a charging unit 120a, multiple electrode pixel units 121a, and a sampling unit 122a into an electrode array module 12a, and realizes a time-sharing time-to-digital converter (ts-TDC) through control of the programmable module 10 and delay pulse module 11. This method allows the capacitive sensor array chip to operate in global shutter mode, freeing up more area under the electrodes and providing potential for future multi-module integration. The programmable electrode geometry of this design improves sensing performance by capturing multiple frames of the same or different patterns for improved digital image processing.
[第2の実施形態]
図2を参照すると、図2は、本発明の第2の実施形態に係る電極アレイモジュールの概略回路図である。一実施形態において、電極アレイモジュール20は、充電ユニット200と、電極画素ユニット201a、201b、201c、201dと、サンプリングユニット202とを備える。電極画素ユニット201aは、電極2010aと、ドレインが電極2010aに接続された第1トランジスタ2011aと、スイッチング論理ゲート2012aとを備える。この場合、スイッチング論理ゲート2012aの入口端は電化信号を受信し、及びスイッチング論理ゲート2012aの出力端は、第1トランジスタ2011aのゲートに接続される。同様に、電極画素ユニット201b、201c、201dは、それぞれ電極2010b、2010c、2010dと、第1トランジスタ2011b、2011c、2011dと、スイッチング論理ゲート2012b、2012c、2012dとを備える。
Second Embodiment
2, which is a schematic circuit diagram of an electrode array module according to a second embodiment of the present invention. In one embodiment, the electrode array module 20 includes a charging unit 200, electrode pixel units 201a, 201b, 201c, and 201d, and a sampling unit 202. The electrode pixel unit 201a includes an electrode 2010a, a first transistor 2011a having a drain connected to the electrode 2010a, and a switching logic gate 2012a. The input terminal of the switching logic gate 2012a receives a charging signal, and the output terminal of the switching logic gate 2012a is connected to the gate of the first transistor 2011a. Similarly, the electrode pixel units 201b, 201c, and 201d respectively include electrodes 2010b, 2010c, and 2010d, first transistors 2011b, 2011c, and 2011d, and switching logic gates 2012b, 2012c, and 2012d.
一実施形態において,第1トランジスタ2012a、2012b、2012c、2012dは、NMOSトランジスタ或いはPMOSトランジスタであってもよいが、これに限定されるものではない。スイッチング論理ゲート2011a、2011b、2011c、2011dは、NOR、NAMDなどの論理ゲート、又は単一のNMOSで実装され得るが、これに限定されるものではない。 In one embodiment, the first transistors 2012a, 2012b, 2012c, and 2012d may be, but are not limited to, NMOS or PMOS transistors. The switching logic gates 2011a, 2011b, 2011c, and 2011d may be implemented with, but are not limited to, logic gates such as NOR or NAND, or a single NMOS.
図2の実施形態において、2×2電極画素ユニット201a、201b、201c、201dを例として挙げているが、これに限定されるものではない。 In the embodiment of Figure 2, 2x2 electrode pixel units 201a, 201b, 201c, and 201d are given as an example, but the present invention is not limited to this.
一実施形態において、選択信号は、Mビットの行信号R[0]~R[M-1]と、Nビットの列信号C[0]~C[N-1]とを含む。 In one embodiment, the selection signal includes M-bit row signals R[0] to R[M-1] and N-bit column signals C[0] to C[N-1].
一実施形態において、充電ユニット200は、第1電圧源2000と、第1電圧源2000に接続された第1PMOS2001a、2001b、2001cと、第1PMOS2001cに接続された第1CMOSインバータ2002とを備える。第1CMOSインバータ2002の入力端は、感知パルス信号SPを受信し、第1CMOSインバータ2002の出力端は充電信号を出力する。図2の実施形態において、3つの第1PMOS2001a、2001b、2001cを例として挙げているが、これに限定されるものではない。他の実施形態において、より多かれ少なかれ第1のPMOSを使用して電流を調整することができる。 In one embodiment, the charging unit 200 includes a first voltage source 2000, first PMOS transistors 2001a, 2001b, and 2001c connected to the first voltage source 2000, and a first CMOS inverter 2002 connected to the first PMOS transistor 2001c. The input terminal of the first CMOS inverter 2002 receives the sensing pulse signal SP, and the output terminal of the first CMOS inverter 2002 outputs a charging signal. In the embodiment of FIG. 2, three first PMOS transistors 2001a, 2001b, and 2001c are used as an example, but are not limited to this. In other embodiments, more or fewer first PMOS transistors can be used to adjust the current.
一実施形態において、サンプリングユニット202は、第1INV2020と、第2マルチプレクサ2021と、第2DFF2022とを備える。第1INV2020の入力端は、サンプリング信号を受信し、第2マルチプレクサ2021の第1入力端は第1INV2020の出力端に接続される。第2DFF2022のクロック入力端は、第3クロック信号DFF_CLKを受信し、第2DFF2022の入力端は第2マルチプレクサ2021の出力端に接続され、第2DFF2022の出力端はセンシング出力信号を出力し、かつ次の電極アレイモジュールのサンプリングユニットの第2マルチプレクサの第2入力端と接続して直列出力を形成する。換言すれば、信号Qnは、次の電極アレイモジュールに送信され、信号Qn-1は前の電極アレイモジュールからのものである。 In one embodiment, the sampling unit 202 includes a first INV 2020, a second multiplexer 2021, and a second DFF 2022. The input terminal of the first INV 2020 receives the sampling signal, and the first input terminal of the second multiplexer 2021 is connected to the output terminal of the first INV 2020. The clock input terminal of the second DFF 2022 receives the third clock signal DFF_CLK, and the input terminal of the second DFF 2022 is connected to the output terminal of the second multiplexer 2021. The output terminal of the second DFF 2022 outputs the sensing output signal, which is connected to the second input terminal of the second multiplexer of the sampling unit of the next electrode array module to form a serial output. In other words, signal Qn is sent to the next electrode array module, and signal Qn-1 is from the previous electrode array module.
一実施形態において、第1INV2020は、センシング効果を向上するためのHi-Skew inverterである。 In one embodiment, the first INV2020 is a Hi-Skew inverter to improve sensing efficiency.
[第3の実施形態]
図3を参照すると、図3は、本発明の第3の実施形態に係る遅延パルスモジュールの概略回路図である。一実施形態において、遅延パルスモジュール30は、第1DFF300と、第1DFF 300の出力端に接続された遅延時間発生器301と、第1マルチプレクサ302とを備える。第1DFF300のクロック入力端は、感知パルス信号SPを受信し、第1マルチプレクサ302の第1入力端は遅延時間発生器301の出力端に接続され、第1マルチプレクサ302の第2入力端は第2クロック信号scan_out_clkを受信し、第1マルチプレクサ302の出力端は第3クロック信号DFF_CLKを出力する。
[Third embodiment]
3, which is a schematic circuit diagram of a delay pulse module according to a third embodiment of the present invention. In one embodiment, the delay pulse module 30 includes a first DFF 300, a delay time generator 301 connected to the output of the first DFF 300, and a first multiplexer 302. A clock input of the first DFF 300 receives the sensing pulse signal SP, a first input of the first multiplexer 302 is connected to the output of the delay time generator 301, a second input of the first multiplexer 302 receives the second clock signal scan_out_clk, and an output of the first multiplexer 302 outputs the third clock signal DFF_CLK.
[第4の実施形態]
図4を参照すると、図4は、本発明の第4の実施形態のタイミングチャートである。図に示すように、感知パルス信号SP及び電極画素ユニットの電圧信号Electrode(N0)を含む。Din(N1)は、第2DFFの入力信号である。第3クロック信号DFF_CLKは、第2DFFのクロック入力端の信号である。センシング出力信号DFF_Qnは、第2DFFの出力端の信号である。まず、充電ユニットを用いて静電容量を時間に変換する。感知パルス信号SPが低電位にあるとき、第1電圧源は電極画素ユニットMに充電し始める。第1INVの出力は、電極画素ユニットの電圧信号Electrode(N0)が0.8VDDに達するまでオフになる。次に、第2DFFは、遅延コード(Delay Code)でサンプリングNを実行する。図4は、試料なし(Cpar)及び試料あり(Csample)の状況を示し、信号Qpar及び信号Qsampleはどちらも論理値1である。これらのプロセスは複数回繰り返されるが、第2DFFのサンプリング時間にわずかな遅れが生じる。t1後の信号Qparの場合、先に0.8VDDに達しているため、信号Qparは論理0になるが、信号Qsampleは論理1のまま維持する。t2後の信号Qsampleの場合、最終的に論理値0に下げる。最後に、全てのQ値を加算して、この2つの状況の正確な時間差が得られる。対応する静電容量結果を推定できる。本発明の設計スキームは、サンプリング回路を画素に埋め込むことができ、単純な遅延時間発生器のみを用いると、目的を達成することができる。
[Fourth embodiment]
Referring to FIG. 4, FIG. 4 is a timing chart of a fourth embodiment of the present invention. As shown, the circuit includes a sensing pulse signal SP and a voltage signal Electrode(N0) of the electrode pixel unit. Din(N1) is the input signal of the second DFF. The third clock signal DFF_CLK is the signal at the clock input terminal of the second DFF. The sensing output signal DFF_Qn is the signal at the output terminal of the second DFF. First, a charging unit is used to convert capacitance to time. When the sensing pulse signal SP is at a low potential, the first voltage source begins to charge the electrode pixel unit M. The output of the first INV is turned off until the voltage signal Electrode(N0) of the electrode pixel unit reaches 0.8 VDD. Then, the second DFF performs sampling N with a delay code. FIG. 4 shows the cases of no sample (Cpar) and sample presence (Csample), where both signals Qpar and Qsample are logic 1. This process is repeated multiple times, with a slight delay in the sampling time of the second DFF. For signal Qpar after t1, since it has reached 0.8 VDD earlier, signal Qpar becomes logic 0, while signal Qsample remains logic 1. For signal Qsample after t2, it finally drops to logic 0. Finally, all Q values are added together to obtain the exact time difference between the two cases. The corresponding capacitance result can be estimated. The design scheme of the present invention allows the sampling circuit to be embedded in the pixel, and the purpose can be achieved using only a simple delay time generator.
[第5の実施形態]
図5を参照すると、図5は、本発明の第5の実施形態に係る充電ユニットの概略回路図である。一実施形態において、充電ユニット500は、第2電圧源5000と、第2電圧源5000に接続された第2CMOSインバータ5001と、第2CMOSインバータ5001に接続された第2PMOS5002a、5002b、5002cと、第2PMOS5002bに接続された第3マルチプレクサ5003とを備え、第3マルチプレクサ5003の第1入力端は制御電圧Vctrlに接続され、第3マルチプレクサ5003が前記第1入力端を選択したとき、制御電圧Vctrlを変化させることにより、第2PMOS5002a、5002b、5002cの出力電流の大きさを制御することで、センシング増幅率(感度)を調整することができる。第2CMOSインバータ5001の入力端は、感知パルス信号SPを受信し、第2CMOSインバータ5001の出力端は充電信号を出力する。図5の実施形態において、3つの第2PMOS5002a、5002b、5002cを例として挙げているが、これに限定されるものではない。他の実施形態において、より多かれ少なかれ第2のPMOSを使用して電流を調整することができる。
Fifth Embodiment
5, which is a schematic circuit diagram of a charging unit according to a fifth embodiment of the present invention. In one embodiment, the charging unit 500 includes a second voltage source 5000, a second CMOS inverter 5001 connected to the second voltage source 5000, second PMOS transistors 5002a, 5002b, and 5002c connected to the second CMOS inverter 5001, and a third multiplexer 5003 connected to the second PMOS transistor 5002b. The first input terminal of the third multiplexer 5003 is connected to a control voltage Vctrl. When the third multiplexer 5003 selects the first input terminal, the control voltage Vctrl can be changed to control the magnitude of the output current of the second PMOS transistors 5002a, 5002b, and 5002c, thereby adjusting the sensing amplification factor (sensitivity). The input terminal of the second CMOS inverter 5001 receives a sensing pulse signal SP, and the output terminal of the second CMOS inverter 5001 outputs a charging signal. 5, three second PMOSs 5002a, 5002b, and 5002c are used as an example, but are not limited to this, in other embodiments, more or fewer second PMOSs can be used to regulate the current.
本発明の一実施形態において、前記電極画素ユニットの電極が方形、千鳥状又は整列に並べられ、前記電極画素ユニットはガードリング(guard ring)を含む、又は含まない。 In one embodiment of the present invention, the electrodes of the electrode pixel units are arranged in a square, staggered, or aligned pattern, and the electrode pixel units may or may not include a guard ring.
一実施形態において、前記電極画素ユニットは、最上層の金属材料又は次層の金属材料で作られる。 In one embodiment, the electrode pixel unit is made of the metal material of the top layer or the next layer.
[第6の実施形態]
図6を参照すると、図6(a)及び(b)は、本発明の第6の実施形態に係るサンプリング装置の概略図及び概略断面図である。一実施形態において、本発明のサンプリング装置は、本発明の第1の態様に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60と、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60上を覆う保護層61と、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60を収容するための容器62と、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60の周囲を環囲するように設けられ、前記容器62と前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60を固接するための絶縁体63とを備える。
Sixth Embodiment
6(a) and 6(b) are a schematic diagram and a schematic cross-sectional view of a sampling device according to a sixth embodiment of the present invention. In one embodiment, the sampling device of the present invention includes the capacitive sensor array chip 60 having a programmable pixel resolution according to the first aspect of the present invention, a protective layer 61 covering the capacitive sensor array chip 60 having a programmable pixel resolution, a container 62 for accommodating the capacitive sensor array chip 60 having a programmable pixel resolution, and an insulator 63 provided to surround the capacitive sensor array chip 60 having a programmable pixel resolution and for firmly connecting the container 62 and the capacitive sensor array chip 60 having a programmable pixel resolution.
一実施形態において、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60は、絶縁体63、例えば、これに限定されないが、高抵抗、非導電性医療用エポキシ樹脂をプリント回路基板64に固定することで、チップの金属線を効果的に遮蔽することができる。 In one embodiment, the capacitive sensor array chip 60 with programmable pixel resolution can be secured to a printed circuit board 64 with an insulator 63, such as, but not limited to, a high-resistivity, non-conductive medical-grade epoxy resin, to effectively shield the chip's metal lines.
一実施形態において、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60は、センシング領域601を備え、好ましくは、前記センシング領域601の上方は被検査生物試料に接触することができる。 In one embodiment, the capacitance sensor array chip 60 with programmable pixel resolution adjustment has a sensing area 601, and preferably, the upper part of the sensing area 601 can be brought into contact with the biological sample to be tested.
一実施形態において、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60は、液体或いは溶液との相互作用を防止するため別の絶縁素材を用いて固定及び保護できるボンディングワイヤ602を備える。一実施形態において、画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60は、他の操作に利用できる十分なスペースを確保するために片側のみに接着される。 In one embodiment, the capacitive sensor array chip 60 with programmable pixel resolution adjustment includes bonding wires 602 that can be secured and protected with another insulating material to prevent interaction with liquids or solutions. In one embodiment, the capacitive sensor array chip 60 with programmable pixel resolution adjustment is bonded to only one side to ensure sufficient space is available for other operations.
本発明によれば、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ60の周囲に一層の医療用エポキシ樹脂63を塗布し、硬化することができる。その後、レーザー切断された容器、例えばペトリ皿62をプリント回路基板64に取り付け、医療用エポキシ樹脂を再硬化する。このペトリ皿は、培地と細胞を収容し、細胞の成長及び相互作用に使用されることができる。 In accordance with the present invention, a layer of medical-grade epoxy 63 can be applied and cured around the periphery of the programmably pixel-resolution-adjustable capacitance sensor array chip 60. A laser-cut container, such as a Petri dish 62, is then attached to a printed circuit board 64, and the medical epoxy is re-cured. This Petri dish can then contain culture media and cells and be used for cell growth and interaction.
[第7の実施形態]
図7を参照すると、図7は、本発明の第7の実施形態に係る制御システムの概略図である。図1及び図7を併せて参照すると、本発明の制御システムは、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップを制御して試料をセンシングするために用いられ、画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ70と、サンプリング時の抵抗値及び静電容量値を決定して前記電極画素ユニット121aを制御するための制御ユニット71とを備える。
Seventh Embodiment
7 is a schematic diagram of a control system according to a seventh embodiment of the present invention. Referring to both FIGS. 1 and 7, the control system of the present invention is used to control the capacitance sensor array chip 70 for programmably adjusting pixel resolution to sense a sample, and includes a capacitance sensor array chip 70 for programmably adjusting pixel resolution, and a control unit 71 for determining resistance and capacitance values during sampling and controlling the electrode pixel units 121 a.
一実施形態において、前記制御ユニット71は、サンプリング時の抵抗値及び静電容量値を決定して等価な電極サイズを確立するためのシフトレジスタ711を備える。 In one embodiment, the control unit 71 includes a shift register 711 for determining the resistance and capacitance values at the time of sampling to establish equivalent electrode sizes.
一実施形態において、前記シフトレジスタ711は、(M+N)ビットシフトレジスタであり得る。 In one embodiment, the shift register 711 may be an (M+N)-bit shift register.
再び図3を参照すると、一実施形態において、前記制御ユニット71は、パルス信号SPをセンシングした後にパルスを生成して遅延時間発生器301に送信するために用いられることもできる。 Referring again to FIG. 3, in one embodiment, the control unit 71 may be used to sense the pulse signal SP and then generate and transmit a pulse to the delay time generator 301.
一実施形態において、前記制御システムは、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ70及び前記制御ユニット71に接続され、前記制御ユニット71の信号をアレンジし、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ70により生成された情報を外部プロセッサ74に伝送するためのプログラマブル基板72をさらに備える。 In one embodiment, the control system further includes a programmable board 72 connected to the capacitive sensor array chip 70 for programmably adjusting the pixel resolution and the control unit 71 for arranging signals from the control unit 71 and transmitting information generated by the capacitive sensor array chip 70 for programmably adjusting the pixel resolution to an external processor 74.
一実施形態において、前記プログラマブル基板72は、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ(Field Programmable Gate Array、FPGA)ボードであってもよいが、これに限定されない。 In one embodiment, the programmable board 72 may be, for example, but is not limited to, a Field Programmable Gate Array (FPGA) board.
一実施形態において、前記制御システムは、試料を記録して光学パターンを生成するための光学結像装置73をさらに備える。本発明によれば、前記光学結像装置73は、例えば顕微鏡であってもよいが、これに限定されるものではない。一実施形態において、前記光学パターンは、前記制御システムが前記試料を採取した後で得られた静電容量パターンの相関性を検証するために用いられることができる。 In one embodiment, the control system further comprises an optical imaging device 73 for recording the sample and generating an optical pattern. According to the present invention, the optical imaging device 73 may be, for example, but not limited to, a microscope. In one embodiment, the optical pattern can be used to verify the correlation of a capacitance pattern obtained after the control system collects the sample.
具体的に言えば、本発明により提供される制御システムは、前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ上の固定パターンノイズである第1ノイズを捕捉するために用いられることができる。 Specifically, the control system provided by the present invention can be used to capture first noise, which is fixed pattern noise on a capacitive sensor array chip, to programmably adjust the pixel resolution.
一実施形態において、前記制御システムは、前記試料を連続して採取して複数のフレームを得るために用いられることができる。好ましい実施形態において、前記プログラマブル基板は、前記複数のフレームを平均して第2ノイズを除去し、前記試料の外観特徴を取得するために用いられ、前記第2ノイズはランダムノイズである。 In one embodiment, the control system can be used to continuously acquire the sample to obtain multiple frames. In a preferred embodiment, the programmable board is used to average the multiple frames to remove second noise and obtain the appearance characteristics of the sample, where the second noise is random noise.
好ましい実施形態において、前記プログラマブル基板は、前記試料の純粋な試料値を得るため、前記試料の外観特徴における前記第1ノイズをさらに除去することができる。 In a preferred embodiment, the programmable board can further remove the first noise in the sample's appearance characteristics to obtain a pure sample value of the sample.
[第8の実施形態]
図8を参照すると、図8は、本発明の第8の実施形態に係る制御システムを用いて異なる融合画素モードで異なる試料を採取して測定された静電容量値を示す図である。
Eighth Embodiment
Referring to FIG. 8, FIG. 8 is a diagram showing capacitance values measured by taking different samples in different fused pixel modes using a control system according to an eighth embodiment of the present invention.
図8は、本発明により提供される制御システムでそれぞれ各電極ユニットをそれぞれ1×1、1×2、2×2、2×4及び4×4の動的に調整する画素パターンでサンプリングして、シリコンオイル(OIL)、StemFlexTM(登録商標)幹細胞培養液(CM)、飽和食塩水(SALT)及び脱イオン水(DIW)等の4種の試料を含めてサンプリングするものを示す。得られた静電容量は、比誘電率の大きさを反映する。数値は、大きい方からSALT、CM、DIW、OILであり、これは従来技術の結果と一致している。 8 shows the control system provided by the present invention sampling each electrode unit with dynamically adjusted pixel patterns of 1x1, 1x2, 2x2, 2x4, and 4x4, respectively, including four samples: silicone oil (OIL), StemFlex ™ stem cell medium (CM), saturated saline (SALT), and deionized water (DIW). The resulting capacitance reflects the magnitude of the relative dielectric constant. The values are SALT, CM, DIW, and OIL, from largest to smallest, which is consistent with the results of the prior art.
[第9の実施形態]
図9を参照すると、図9は本発明の第9の実施形態に係る制御システムを用いて試料をリアルタイムで監視した結果を示す図であり、リアルタイム監視時間はt=5、15、25、27、29及び110分間であり、飽和食塩水を標的試料として使用し、室温にて10μL飽和食塩水を本発明により提供される画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチッのプ表面に滴下し、液体及び固体の検出結果を観察した。本実施形態において、4×4画素融合を有効にし、図9から分かるように、t=27分前に液滴が徐々に小さくなる。その後、いくつかの塩のフレーク状の結晶が現れ、チップ表面と直接接触していないため、形状のみを反映した。これは、試料とチップとの間の距離が長くなるほど、電極による静電容量の変化が小さくなることを表す。
Ninth Embodiment
Referring to FIG. 9, this figure shows the results of real-time sample monitoring using a control system according to a ninth embodiment of the present invention. The real-time monitoring times were t = 5, 15, 25, 27, 29, and 110 minutes. Saturated saline was used as the target sample. At room temperature, 10 μL of saturated saline was dropped onto the surface of a capacitance sensor array chip with programmable pixel resolution provided by the present invention, and the liquid and solid detection results were observed. In this embodiment, 4×4 pixel fusion was enabled. As can be seen from FIG. 9, the droplet gradually became smaller before t = 27 minutes. After that, some flake-like salt crystals appeared, but since they were not in direct contact with the chip surface, they only reflected their shape. This indicates that the longer the distance between the sample and the chip, the smaller the change in capacitance due to the electrodes.
本発明により提供される画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ、サンプリング装置及び制御システムは、生物試料のサイズに適応するように有効な方法で電極サイズを調整できることで、より良好なセンシング結果を得ることができ、かつ空間分解能及び感度を同時にバランスさせることができる。本発明は、時間デジタル変換回路の方法及びノイズ除去方法を用いてグローバルシャッターモードでより高い画素数を実現し、サンプリング結果は光学結像装置の形態と一致する。本発明は、複数の機能を統合し、大量の生物学的応用及び個別化医療の発展に寄与する。 The capacitive sensor array chip, sampling device, and control system with programmable pixel resolution provided by the present invention can effectively adjust the electrode size to adapt to the size of the biological sample, thereby achieving better sensing results and simultaneously balancing spatial resolution and sensitivity. The present invention uses a time-to-digital conversion circuit method and a noise reduction method to achieve a higher pixel count in global shutter mode, and the sampling results are consistent with the configuration of the optical imaging device. The present invention integrates multiple functions and contributes to the development of a large number of biological applications and personalized medicine.
10 プログラマブルモジュール、11 遅延パルスモジュール、12a、12b 電極アレイモジュール、120a、120b 充電ユニット、121a、121b 電極画素ユニット、122a、122b サンプリングユニット、20 電極アレイモジュール、200 充電ユニット、201a、201b、201c、201d 電極画素ユニット、202 サンプリングユニット、2010a、2010b、2010c、2010d 電極、2011a、2011b、2011c、2011d 第1トランジスタ、2012a、2012b、2012c、2012d スイッチング論理ゲート、2000 第1電圧源、2001a、2001b、2001c 第1PMOS、2002 第1CMOSインバータ、2020 第1INV 2020、2021 第2マルチプレクサ、2022 第2DFF、30 遅延パルスモジュール、300 第1DFF、301 遅延時間発生器、302 第1マルチプレクサ、500 充電ユニット、5000 第2電圧源、5001 第2CMOSインバータ5001、5002a、5002b、5002c 第2PMOS 、5002a、5002b、5002c、5003 第3マルチプレクサ、60 画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ、61 保護層、62 容器、63 絶縁体、64 プリント回路基板、601 センシング領域、602 ボンディングワイヤ、70 画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ、71 制御ユニット、711 シフトレジスタ、72 プログラマブル基板、73 光学結像装置、74 外部プロセッサ。 10 Programmable module, 11 Delay pulse module, 12a, 12b Electrode array module, 120a, 120b Charging unit, 121a, 121b Electrode pixel unit, 122a, 122b Sampling unit, 20 Electrode array module, 200 Charging unit, 201a, 201b, 201c, 201d Electrode pixel unit, 202 Sampling unit, 2010a, 2010b, 2010c, 2010d Electrode, 2011a, 2011b, 2011c, 2011d First transistor, 2012a, 2012b, 2012c, 2012d Switching logic gate, 2000 First voltage source, 2001a, 2001b, 2001c First PMOS, 2002 First CMOS inverter, 2020 First INV 2020, 2021 Second multiplexer, 2022 Second DFF, 30 Delay pulse module, 300 First DFF, 301 Delay time generator, 302 First multiplexer, 500 Charging unit, 5000 Second voltage source, 5001 Second CMOS inverter 5001, 5002a, 5002b, 5002c Second PMOS, 5002a, 5002b, 5002c, 5003 Third multiplexer, 60 Capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution, 61 Protective layer, 62 Container, 63 Insulator, 64 Printed circuit board, 601 Sensing area, 602 Bonding wire, 70 Capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution, 71 Control unit, 711 Shift register, 72 Programmable substrate, 73 Optical imaging device, 74 External processor.
Claims (19)
第2クロック信号及び感知パルス信号に基づき第3クロック信号を生成するための遅延パルスモジュールと、
複数の電極アレイモジュールと、
を備え、
前記電極アレイモジュールは、
前記感知パルス信号に基づき充電信号を生成するための充電ユニットと、
アレイを形成するM×N個(Mは1以上の正の整数、Nは1以上の正の整数である)の電極画素ユニットと、
サンプリング信号及び前記第3クロック信号に基づきセンシング出力信号を生成するためのサンプリングユニットと、を含み、
前記選択信号に基づき特定のパターン(pattern)の前記電極画素ユニットを順次選択するために用いられ、かつ、この中の特定パターンの前記電極画素ユニットは前記充電信号に基づき前記サンプリング信号を生成するために用いられる、画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ。 a programmable module for generating a selection signal based on a first clock signal;
a delay pulse module for generating a third clock signal based on the second clock signal and the sensing pulse signal;
a plurality of electrode array modules;
Equipped with
The electrode array module includes:
a charging unit for generating a charging signal based on the sensing pulse signal;
M×N electrode pixel units (M is a positive integer of 1 or more, and N is a positive integer of 1 or more) forming an array;
a sampling unit for generating a sensing output signal according to a sampling signal and the third clock signal ;
A capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution, which is used to sequentially select the electrode pixel units of a specific pattern based on the selection signal, and the electrode pixel units of the specific pattern are used to generate the sampling signal based on the charging signal.
電極と、
ドレインが前記電極に接続された第1トランジスタと、
入力端は、前記選択信号を受信し、出力端は前記第1トランジスタのゲートに接続されたスイッチング論理ゲートと
を備える、請求項1に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ。 The electrode pixel unit comprises:
An electrode;
a first transistor having a drain connected to the electrode;
2. The capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution according to claim 1, further comprising: an input terminal for receiving the selection signal; and an output terminal comprising a switching logic gate connected to the gate of the first transistor.
第1電圧源と、
前記第1電圧源に接続された少なくとも1つの第1PMOSと、
前記少なくとも1つの第1PMOSに接続された第1CMOSインバータとを備え、
前記第1CMOSインバータの入力端は、前記感知パルス信号を受信し、前記第1CMOSインバータの出力端は前記充電信号を出力する、請求項1に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ。 The charging unit is
a first voltage source;
At least one first PMOS connected to the first voltage source;
a first CMOS inverter connected to the at least one first PMOS;
2. The capacitive sensor array chip as claimed in claim 1, wherein an input terminal of the first CMOS inverter receives the sensing pulse signal, and an output terminal of the first CMOS inverter outputs the charging signal.
第2電圧源と、
前記第2電圧源に接続された第2CMOSインバータと、
前記第2CMOSインバータに接続された少なくとも1つの第2PMOSと、
前記少なくとも1つの第2PMOSに接続され、第1入力端は制御電圧に接続され、第3マルチプレクサが前記第1入力端を選択すると、前記制御電圧を通じて前記少なくとも1つの第2PMOSの出力電流を制御する第3マルチプレクサとを備え、
前記第2CMOSインバータの入力端は、前記感知パルス信号を受信し、前記第2CMOSインバータの出力端は前記充電信号を出力する、請求項1に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ。 The charging unit is
a second voltage source;
a second CMOS inverter connected to the second voltage source;
at least one second PMOS connected to the second CMOS inverter;
a third multiplexer connected to the at least one second PMOS, the third multiplexer having a first input terminal connected to a control voltage, and controlling an output current of the at least one second PMOS through the control voltage when the third multiplexer selects the first input terminal;
2. The capacitive sensor array chip as claimed in claim 1, wherein an input terminal of the second CMOS inverter receives the sensing pulse signal, and an output terminal of the second CMOS inverter outputs the charging signal.
クロック入力端は、前記感知パルス信号を受信する第1DFFと、
前記第1DFFの出力端に接続された遅延時間発生器(DPDG)と、
第1マルチプレクサとを備え、
前記第1マルチプレクサの第1入力端は前記遅延時間発生器の出力端に接続され、前記第1マルチプレクサの第2入力端は第2クロック信号を受信し、前記第1マルチプレクサの出力端は前記第3クロック信号を出力する、請求項1に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ。 The delay pulse module includes:
a first DFF having a clock input terminal for receiving the sensing pulse signal;
a delay time generator (DPDG) connected to the output terminal of the first DFF;
a first multiplexer;
2. The capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment as claimed in claim 1, wherein a first input terminal of the first multiplexer is connected to an output terminal of the delay time generator, a second input terminal of the first multiplexer receives a second clock signal, and an output terminal of the first multiplexer outputs the third clock signal.
入力端は、前記サンプリング信号を受信する第1INVと、
第1入力端は、前記第1INVの出力端に接続された第2マルチプレクサと、
第2DFFとを備え、
前記第2DFFのクロック入力端は、前記第3クロック信号を受信し、前記第2DFFの入力端は前記第2マルチプレクサの出力端に接続され、前記第2DFFの出力端は前記センシング出力信号を出力し、かつ次の前記電極アレイモジュールのサンプリングユニットの前記第2マルチプレクサの第2入力端と接続して直列出力を形成する、請求項1に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ。 The sampling unit comprises:
a first INV having an input terminal for receiving the sampling signal;
a second multiplexer having a first input connected to the output of the first INV;
a second DFF;
2. The capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment as claimed in claim 1, wherein a clock input terminal of the second DFF receives the third clock signal, an input terminal of the second DFF is connected to an output terminal of the second multiplexer, and an output terminal of the second DFF outputs the sensing output signal and is connected to a second input terminal of the second multiplexer of a sampling unit of a next electrode array module to form a serial output.
前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップ上を覆う保護層と、
前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップを収容するための容器と、
前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップの周囲を環囲するように設けられ、前記容器と前記画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップを固接するための絶縁体と
を備える、サンプリング装置。 A capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment according to any one of claims 1 to 9;
a protective layer covering the capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution;
a container for containing the capacitive sensor array chip for programmably adjusting pixel resolution;
A sampling device comprising an insulator arranged to surround the capacitance sensor array chip for programmably adjusting the pixel resolution, and for firmly connecting the container and the capacitance sensor array chip for programmably adjusting the pixel resolution.
請求項1~10のいずれか一項に記載の画素分解能をプログラム可能に調整する静電容量センサアレイチップと、
サンプリング時の抵抗値及び静電容量値を決定して前記電極画素ユニットを制御するための制御ユニットと
を備える、制御システム。 a capacitance sensor array chip that programmably adjusts pixel resolution and is used to sense the sample;
A capacitive sensor array chip with programmable pixel resolution adjustment according to any one of claims 1 to 10;
a control unit for determining resistance and capacitance values at sampling time to control the electrode pixel unit.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020192653A1 (en) | 2001-06-13 | 2002-12-19 | Stetter Joseph Robert | Impedance-based chemical and biological imaging sensor apparatus and methods |
| CN102297884A (en) | 2011-07-06 | 2011-12-28 | 北京工业大学 | Multi-array self-adaptive electrical capacitance tomography sensor apparatus |
| US20170269729A1 (en) | 2016-03-16 | 2017-09-21 | Synaptics Incorporated | Moisture management |
| US20180348158A1 (en) | 2017-05-31 | 2018-12-06 | Tech4Imaging Llc | Multi-dimensional approach to imaging, monitoring, or measuring systems and processes utilizing capacitance sensors |
| US20190376014A1 (en) | 2017-01-25 | 2019-12-12 | Igor R. Efimov | Apparatus and methods for in vitro preclinical human trials |
| JP2023530702A (en) | 2020-06-17 | 2023-07-19 | プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ | Systems and methods for cell patterning and spatial electrochemical mapping |
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|---|---|---|---|---|
| JPH11187865A (en) * | 1997-12-25 | 1999-07-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Cell potential measuring electrode and measuring device using the same |
-
2024
- 2024-05-20 JP JP2024081458A patent/JP7761295B1/en active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020192653A1 (en) | 2001-06-13 | 2002-12-19 | Stetter Joseph Robert | Impedance-based chemical and biological imaging sensor apparatus and methods |
| CN102297884A (en) | 2011-07-06 | 2011-12-28 | 北京工业大学 | Multi-array self-adaptive electrical capacitance tomography sensor apparatus |
| US20170269729A1 (en) | 2016-03-16 | 2017-09-21 | Synaptics Incorporated | Moisture management |
| US20190376014A1 (en) | 2017-01-25 | 2019-12-12 | Igor R. Efimov | Apparatus and methods for in vitro preclinical human trials |
| US20180348158A1 (en) | 2017-05-31 | 2018-12-06 | Tech4Imaging Llc | Multi-dimensional approach to imaging, monitoring, or measuring systems and processes utilizing capacitance sensors |
| JP2023530702A (en) | 2020-06-17 | 2023-07-19 | プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ | Systems and methods for cell patterning and spatial electrochemical mapping |
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