GBM Dispositifs Médicaux Intelligents Laboratoire #1 Potentiostat CMOS pour capteurs électrochimiques implantables

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Emmanuel St-Jacques
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1 GBM Dispositifs Médicaux Intelligents Laboratoire #1 Potentiostat CMOS pour capteurs électrochimiques implantables G. Simard, L.-F. Tanguay et M. Sawan Janvier 2010 Introduction Les capteurs électrochimiques ampérométriques sont largement utilisés en biotechnologie. Ces capteurs offrent une bonne sensibilité ainsi qu une bonne sélectivité dans la détection d espèces chimiques [1] et biologiques. Il y a un intérêt grandissant pour l utilisation de tels capteurs dans les microsystèmes implantables capables de détecter et surveiller la concentration d oxygène, de glucose, de CO 2, et de cholestérol dans le sang. Ces dispositifs requièrent des circuits hautement intégrés à consommation ultra-faible. Les capteurs ampérométriques mesurent le courant électrique traversant une cellule électrochimique en maintenant le potentiel d interface des électrodes à une valeur constante. Le courant traversant la cellule est alors relié de façon linéaire à la concentration chimique de l espèce électroactive en solution. Un potentiostat est utilisé pour maintenir une tension de polarisation constante entre l électrode de référence (RE) et l électode de mesure (working electrode - WE) et simultanément mesurer de façon non intrusive le courant d oxydoréduction résultant. Un diagramme bloc d un tel système est montré à la figure 1. Dans cette figure, l électrode de mesure WE est montrée avec une membrane sélective chimiquement (Chemically Sensitive Membrane - CSM). L objectif de ce laboratoire est de concevoir les circuits requis pour interfacer avec des capteurs électrochimiques ampérométriques en comprenant les défis que représentent le design de tels circuits dans une technologie CMOS submicrométrique avancée. Plus spécifiquement, vous allez concevoir l amplificateur opérationnel (OA) de la figure 1 [2], ainsi que le convertisseur courant-tension. 1 Convertisseur de courant-tension Réalisez le schéma dans Composer (schematic cellview) du convertisseur courant-tension montré à la figure 2. Les dimensions des transistors sont donnés dans le titre de la figure. Ensuite, créez une vue symbol de ce schéma telle que montrée à la figure 3. Pour ce faire, utilisez 1

2 + Fig. 1 Diagramme bloc d un système de mesure ampérométrique selon [3] Fig. 2 Convertisseur courant-tension, les transistors mesurent 20µm par 1µm, R = 25 kω la commande Design-Create Cellview-From Cellview dans la fenêtre du logiciel d édition de schéma. 1.1 Simulations et questions 1. Donnez une description qualitative mais précise du fonctionnement du circuit de conversion courant-tension. (1 point) 2. Dessinez le banc d essai montré à la figure 4. Effectuez une simulation DC Sweep sur le courant d entrée I in de 10 na à 10 µa et faites afficher la tension de sortie V out du 2

3 Fig. 3 Vue symbolique du convertisseur courant-tension Fig. 4 Banc d essai du convertisseur courant-tension circuit. À partir de la courbe générée, déterminez l erreur maximale de conversion de ce convertisseur courant-tension. (1 point) Note : Vous pouvez descendre dans la hiérarchie du symbole que vous avez créé pour voir les transistors au niveau schématique. Pour ce faire, sélectionnez le symbole dans le schéma, et choisissez Design-Hierarchy-Descend Edit à partir du menu. Pour revenir à votre banc d essai, faites Design-Hierarchy-Return. 2 Amplificateur opérationnel Réalisez le schéma de l amplificateur opérationnel montré à la figure 5. Les dimensions des transistors sont données dans le tableau 1. Ensuite, créez une vue symbole de ce schéma telle que montrée à la figure 6. Vous pouvez dessiner la forme triangulaire habituelle de l amplificateur opérationnel à l aide des outils de dessin de l éditeur de symboles. 2.1 Simulations et questions 1. Effectuez une simulation AC de 10 Hz à 10 GHz de cet amplificateur opérationnel en vous basant sur le banc d essai montré à la figure 7. Pour la source AC, choisissez AC 3

4 Fig. 5 Schéma de l amplificateur opérationnel Fig. 6 Vue symbolique de l amplificateur opérationnel Voltage = 1V et DC Voltage = 0V. Utilisez des marqueurs dans l outil Waveform pour répondre aux questions suivantes : (a) Déterminez le gain DC ; (1 point) (b) Déterminez la fréquence -3 db ; (1 point) (c) Déterminez la fréquence de gain unitaire ; (1 point) (d) Déterminez les marges de gain et de phase. (1 point) 3 Potentiostat CMOS complet Assemblez le potentiostat CMOS complet tel qu illustré à la figure 8. Vous allez simuler l électrode WE (Working Electrode) en utilisant une source de courant dont la valeur sera 4

5 Tab. 1 Valeurs des composants de l amplificateur opérationnel Composant Valeur M1 15 µm / 1 µm M2 2 µm / 500 nm M3 2 µm / 500 nm M4 15 µm / 1 µm M5 5 µm / 1 µm M6 5 µm / 1 µm M7 5 µm / 1 µm M8 5 µm / 1 µm M9 15 µm / 1 µm M µm / 1 µm R C 10 kω 100 ff C C Fig. 7 Banc d essai de l amplificateur opérationnel balayée de 10 na à 10 µa. Pour ce faire, utilisez une variable WE current comme valeur de DC Current. Le transistor servant à controller la tension de l électrode WE a les dimensions W=100µm et L=0.5µm. Utilisez une tension de référence V REF nominale de 1V DC. Utilisez les instances (vues symboliques) de l amplificateur opérationnel et du convertisseur courant-tension que vous avez créées précédemment pour construire ce schéma. 3.1 Simulations et questions 1. Effectuez une simulation DC Sweep du circuit du potentiostat complet de la figure 8 en faisant varier la tension d entrée de référence V REF de 0V à 1.8V. (a) Déterminez la plage de tension de référence V REF pour laquelle le potentiostat est efficace ; (1 point) 5

6 Fig. 8 Potentiostat CMOS complet avec alimentation et électrode modélisée (b) Expliquez pourquoi la plage de tension de référence V REF ne s étend pas de 0V à 1.8V ; (1 point) 2. Effectuez une simulation DC Sweep du circuit du potentiostat en faisant varier le courant imposé par l électrode de mesure WE current de 1 na à 100 µa. (a) Déterminez la plage de courant d électrode de mesure pour laquelle la tension à la sortie du convertisseur est représentative du courant à mesurer ; (1 point) (b) Quel est le facteur limitatif qui empêche la tension V out de suivre le courant d électrode pour toute valeur de courant WE current? (1 point) Références [1] S. Ayers, K.D. Gillis, M. Lindau, and B.A. Minch. Design of a cmos potentiostat circuit for electrochemical detector arrays. Circuits and Systems I : Regular Papers, IEEE Transactions on, 54(4) : , April [2] R. Jacob Baker. CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, Second Edition. Wiley- IEEE Press, [3] R.F.B. Turner, D.J. Harrison, and H.P. Baltes. A cmos potentiostat for amperometric chemical sensors. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 22(3) : , Jun

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