光尋址電位傳感器(Light Addressable Potentiometric Sensor,LAPS)是一種基于半導(dǎo)體場效應(yīng)原理的電位型電化學(xué)傳感器,具有檢測靈敏度高、電位穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、與集成電路制造工藝兼容等優(yōu)點,特別是它的“光可尋址陣列”特點使其在局部信號的測量中具有很大的優(yōu)勢和靈活性,可用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等多個領(lǐng)域,是半導(dǎo)體電化學(xué)傳感器領(lǐng)域的研究熱點之一。LAPS的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括空間分辨力、檢測速度和檢測精度等,本論文主要研究其中的檢測精度問題。目前,由于LAPS受光面對入射光有較強(qiáng)的反射作用,使其光電轉(zhuǎn)換效率較低;此外傳感器和檢測電路中存在的隨機(jī)噪聲,以及偏置電壓和光照強(qiáng)度的波動,使LAPS輸出信號的噪聲較大;又由于襯底中光生載流子的側(cè)向擴(kuò)散使LAPS中存在信號串?dāng)_,這些都是影響LAPS檢測性能的主要因素。論文瞄準(zhǔn)提高檢測精度這一關(guān)鍵技術(shù)問題,通過設(shè)計陷光結(jié)構(gòu)襯底提高LAPS的光電轉(zhuǎn)換效率,通過光源系統(tǒng)優(yōu)化和噪聲抑制算法提高LAPS的信噪比,采用網(wǎng)狀工作電極結(jié)構(gòu)減少信號串?dāng)_穩(wěn)定輸出信號,有效提高了LAPS的檢測精度,改善了檢測性能。本論文的主要創(chuàng)新性研究成果如下:(1)提出了LAPS的動態(tài)電路模型。LAPS的輸出信號很微弱,存在信號漂移且夾雜有大量的隨機(jī)噪聲,嚴(yán)重影響到檢測結(jié)果的可靠性,因此需要研究能夠抑制信號漂移和隨機(jī)噪聲的信號處理算法�；贚APS的等效電路模型,本文提出LAPS的動態(tài)電路模型,建立微分方程,求解得到LAPS輸出信號的表達(dá)式。通過對表達(dá)式的分析,提出用于抑制LAPS噪聲干擾的信號處理算法。處理算法包括頻域分量均方根計算和卡爾曼濾波處理兩部分,首先對輸出信號在頻域中的基波分量、二次諧波分量和三次諧波分量的均方根值進(jìn)行計算,能夠較好地解決LAPS信號的漂移問題;然后采用卡爾曼濾波的方法對歸一化I-V特性曲線進(jìn)行濾波處理,以消除混雜在輸出信號中的隨機(jī)噪聲。研究表明,同傳統(tǒng)的單純抽取頻域中基波分量的方法相比,采用新的信號處理算法后,信號漂移和隨機(jī)噪聲都得到了明顯的抑制。(2)提出了一種新型的微盲孔陣列陷光結(jié)構(gòu)襯底。研究表明減少襯底厚度能夠有效增強(qiáng)LAPS輸出信號,提高輸出信號信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR),提高檢測靈敏度,然而襯底的大面積減薄會帶來襯底機(jī)械強(qiáng)度的顯著降低,使器件變得容易破碎。本文根據(jù)陷光結(jié)構(gòu)減少入射光能量損失的原理,提出一種具有陷光結(jié)構(gòu)的新型襯底結(jié)構(gòu),通過增強(qiáng)襯底對入射光的吸收來提高LAPS的檢測性能。陷光結(jié)構(gòu)由LAPS襯底受光照區(qū)域構(gòu)建的微米級盲孔陣列構(gòu)成。當(dāng)入射光照射到襯底時,在微盲孔陣列表面發(fā)生多重反射,增加了襯底對入射光的吸收,增強(qiáng)了光電轉(zhuǎn)換效率,減少了由于入射光的直接反射而造成的能量損失。研究結(jié)果顯示,在襯受光照面構(gòu)建微盲孔陣列形態(tài)的陷光結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)LAPS輸出信號的幅值,對檢測靈敏度、線性度、信噪比都有改善作用,同時使器件在封裝和測量過程中仍然保持良好的機(jī)械強(qiáng)度。(3)提出了一種新型網(wǎng)格狀工作電極結(jié)構(gòu)。LAPS陣列檢測傳感器各檢測點之間存在比較嚴(yán)重的信號串?dāng)_(Cross talk)問題,它影響到檢測信號的穩(wěn)定性、可靠性、以及化學(xué)成像的空間分辨力。研究表明光生載流子在襯底中的側(cè)向擴(kuò)散是串?dāng)_產(chǎn)生的最主要原因,因而需要尋找能夠抑制光生載流子側(cè)向擴(kuò)散的有效方法。針對這個問題,本文設(shè)計了一種環(huán)繞各檢測點的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的工作電極。通過積累在金屬薄膜工作電極和硅襯底界面區(qū)域的大量多數(shù)載流子抑制光生載流子在襯底中的側(cè)向擴(kuò)散,使光生載流子的擴(kuò)散更加集中于垂直方向,從而能夠減少檢測點間信號的相互串?dāng)_。研究結(jié)果表明,網(wǎng)狀工作電極結(jié)構(gòu)能夠有效抑制信號串?dāng)_,穩(wěn)定輸出信號。(4)提出了一種基于面積計算的LAPS信號測量方法。LAPS的傳統(tǒng)測量方法受噪聲影響尋找工作點位置困難,致使檢測性能不夠穩(wěn)定。針對這個問題,本文提出了基于面積計算的測量方法。該方法是對歸一化I-V特性曲線與水平坐標(biāo)軸之間所夾區(qū)域的面積進(jìn)行計算,通過被測物質(zhì)的化學(xué)量與所夾面積的關(guān)系,來確定當(dāng)前的檢測結(jié)果。實驗中采用這種測量方法對電解溶液的pH值進(jìn)行了檢測,結(jié)果表明檢測靈敏度和線性度均較高,而且不隨偏置電壓步進(jìn)值長度的變化而變化。由于該方法不需要對工作點進(jìn)行定位,且對偏置電壓步進(jìn)值長度不敏感,因而能夠加快檢測進(jìn)度,是一種運(yùn)算簡便、檢測性能穩(wěn)定的LAPS測量方法。通過上述研究解決了LAPS的光電轉(zhuǎn)換效率低、噪聲干擾大和信號串?dāng)_的問題,研制了基于高精度數(shù)據(jù)采集卡的LAPS傳感系統(tǒng)樣機(jī),檢測結(jié)果顯示LAPS的光電轉(zhuǎn)換效率和信噪比明顯提高,信號串?dāng)_得到有效抑制。本文的研究對提高LAPS檢測精度、增強(qiáng)檢測性能、拓展其應(yīng)用范圍具有重要意義。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212.2
【部分圖文】：

電化學(xué)傳感器的工作原理

圖 1-2 FAPS 的工作原理圖[29]加?xùn)艠O電極上，導(dǎo)電溝道中通過恒定電膜電勢ΔU 時，柵極電壓即變?yōu)?Ub和Δ生變化，測量導(dǎo)電溝道兩端的電壓 Uc即量。FAPS 是一種陣列傳感器，圖 1-3 所

FAPS的結(jié)構(gòu)示意圖
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本文編號：2849187