秦月香，李學(xué)亮，袁志偉，梁晉濤

(桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西桂林　541004)

0　引言

光尋址電位傳感器[1](LAPS)是由D．G．Haleman等人在上世紀(jì)80年代提出的，與傳統(tǒng)的電極分析法相比，LAPS具有靈敏度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，且更容易實現(xiàn)陣列化、微型化。LAPS技術(shù)是生物傳感器界的一次革命，使得對細(xì)胞、DNA等大分子檢測成為一種可能，具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義。然而，影響LAPS輸出特性(光電流I)的因素有很多，主要包括光源調(diào)制頻率(頻率f)、光強(qiáng)、硅基底厚度以及敏感膜穩(wěn)定性等[2]。其中，光源調(diào)制頻率是影響其輸出特性的重要因素之一，傳統(tǒng)方法對光源調(diào)制頻率的研究停留在探索搜尋階段，沒有從本質(zhì)理論上出發(fā)進(jìn)行深入探究。文章在控制其它影響因子恒定的情況下，著重對光源調(diào)制頻率與光電流之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

1　LAPS工作原理

EIS型光尋址電位傳感器(LAPS)的工作原理，如圖1所示。其機(jī)理實質(zhì)上是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，以P型硅為例，在正偏置電壓的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子(電子和空穴對)相對運動，在絕緣層和半導(dǎo)體的界面處形成了一定寬度的耗盡層。當(dāng)用一定頻率的調(diào)制光照射LAPS器件的硅基底時，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子吸收足夠量的光子后形成價帶躍遷，產(chǎn)生大量的電子空穴對。在調(diào)制光作用下電子空穴對將會交替運動，沒有來得及復(fù)合的電子空穴對擴(kuò)散到達(dá)耗盡層，在耗盡層內(nèi)建電場作用下發(fā)生分離。由于絕緣層的存在，此時在外電路可以檢測到交變的光生電流[3]。

1-電解質(zhì)溶液；2-敏感膜；3-絕緣層；4-耗盡層；5-基底層；6-歐姆接觸；7-電流表；8-偏置電壓；9-控制電極；10-光源

1．1LAPS等效電路模型

LAPS的模型電路如圖2所示。圖中表示光電流Ig，Rp、Cd分別表示耗盡層的電阻和電容。CEL代表絕緣層和溶液總的等效電容。光電流中含有直流和交流分量，當(dāng)載流子濃度達(dá)到最大調(diào)制時，Ig=ig(1+sinωt)；Rp的大小隨偏置電壓的變化而變化。當(dāng)LAPS芯片表面電荷處于積累狀態(tài)時，Rp幾乎為零；當(dāng)LAPS芯片表面處于強(qiáng)反型時，Rp取得最大值。Rp不僅取決于偏置電壓的大小，還與光強(qiáng)和調(diào)制頻率有關(guān)[4-5]。

LAPS檢測到的是回路中電流Im的交流成分im，im由式子(1)給出：

(1)

當(dāng)調(diào)制頻率小于[2πRp(Cd+CEL)]-1時，im約為jωCELRpig，與調(diào)制頻率成正比。由于Rpig與光強(qiáng)的對數(shù)成正比，所以在低頻下im亦與光強(qiáng)的對數(shù)成正比。當(dāng)頻率大于[2πRp(Cd=CEL)]-1時：

(1)

im取決于i及耗盡層電容Cd．

圖2　LAPS模型電路

1．2等效電路模型數(shù)值仿真

由LAPS等效電路可知，回路中的光電流與光源調(diào)制頻率有密切的關(guān)系。經(jīng)過實驗研究分析，對320 μm的P型硅LAPS芯片的偏置電壓、耗盡層電阻等相關(guān)參數(shù)初值進(jìn)行設(shè)定，如表1所示，然后對光電流和光源調(diào)制頻率的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1　參數(shù)初值表

由LAPS等效模型電路得到，光電流的數(shù)學(xué)模型如式(3)所述：

(3)

隨著光源調(diào)制頻率的增加，光電流不斷增大，當(dāng)調(diào)制頻率為[2πRp(Cd+CEL)]-1時，回路中的光電流取得最大值；當(dāng)調(diào)制頻率大于[2πRp(Cd+CEL)]-1時，隨著調(diào)制頻率的增加，回路中的光電流將不斷衰減，并趨于零。所以，在進(jìn)行光照實驗時，要選擇一個合適的光源調(diào)制頻率，使得回路中的光電流達(dá)到一個最大值[6-7]。光源調(diào)制頻率與光電流的數(shù)值仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　光電流與調(diào)制頻率的關(guān)系

2　測量系統(tǒng)

選用320 μm的P型硅制成LAPS芯片，表面濺射100 nm厚的SiO2絕緣層，用100 nm的Si3N4作為H+敏感膜，將其固定在遮光的PVC塑料盒底部，組成測量池。光源發(fā)射器選用HLD980050激光二極管，中心波長為960 nm，采用幅頻可調(diào)的正弦信號驅(qū)動激光頭。參比電極選用甘汞電極，輔助電極選用鉑電極，敏感硅片作工作電極。采用CHI660D型電化學(xué)工作站驅(qū)動三電極系統(tǒng)，并檢測光生電流信號。系統(tǒng)測量平臺如圖4所示。

1-光源；2-參比電極；3-輔助電極；4-測量池;5-LAPS芯片；6-電化學(xué)工作站；7-計算機(jī)

2．1測量結(jié)果

在LAPS傳感器測試時，采用光源背面照射LAPS芯片，測試溶液是pH值為9.18的標(biāo)注緩沖液，實驗過程中不改變其他條件，只將光源調(diào)制頻率1 Hz變化到10 kHz，遞增幅度為100 Hz，測量得到的I-f特性曲線如圖5所示。

圖5　光電流與調(diào)制頻率關(guān)系實測結(jié)果圖

由圖5中可以清晰的看出光電流隨著光源調(diào)制頻率的增大會先增大后變小的，最后趨于零的總體趨勢，當(dāng)調(diào)制頻率在1 000Hz時，光電流幅度達(dá)到最大，且線性度較好，過度區(qū)間大，因此，系統(tǒng)選擇調(diào)制頻率為1 000 Hz．

2．2結(jié)果分析

為了能更直觀的說明在光源調(diào)制頻率為1 000 Hz時，光電流信號的信號強(qiáng)度最大，通過編程，分別對信號各頻率點的信噪比進(jìn)行了計算。信噪比[8]公式為：

由表2可以看出，光源調(diào)制頻率在1 000 Hz時，信號的信噪比達(dá)到了最大。隨著頻率的增加，信號的信噪比先增大后減小，其原因是當(dāng)頻率較高時，電子—空穴對來不及被耗盡層電場分開，光電流將下降；當(dāng)頻率較低時，就會影響電子—空穴對的分離與積累[9-10]。

表2　信噪比比較

3　結(jié)束語

文中詳細(xì)闡述了EIS型光尋址電位傳感器光源調(diào)制頻率與光電流的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了LAPS傳感器的等效電路，對傳感器的I-f的特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了其特性曲線。為了驗證模型的可行性，采用CHI660D型電化學(xué)工作站對傳感器的實際I-f特性曲線進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實際采集得到的I-f特性曲線與理論上仿真曲線一致性好。實驗證明：選擇合適的光源調(diào)制頻率對于LAPS傳感器的研制具有重要的意義。接下來的研究工作中，將在文中的基礎(chǔ)上去深入研究如何提高光電流信號與其它參數(shù)的關(guān)系。經(jīng)過不斷地實驗、研究、創(chuàng)新，LAPS傳感器性能將會不斷提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志勇，陳興梧，牛文成，等．光尋址電位傳感器測量系統(tǒng)的研究．儀表技術(shù)與傳感器，2003，(12)：34-36．

[2]梁衛(wèi)國．光尋址電位傳感器系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn):[學(xué)位論文],北京:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，2001．

[3]張高燕，王平，張欽濤．基于數(shù)字補(bǔ)償?shù)亩喙庠磳ぶ凡⑿袡z測電位圖像傳感器．計量學(xué)報，2002，23(3)：182-185．

[4]牛文成，孫學(xué)珠，楊東民，等．EIS型光尋址電位傳感器及其對液體分析的研究．光學(xué)學(xué)報，1997，17(12)：153-156．

[5]牛文成，孫學(xué)珠，孫杰，等．EIS并列型光尋址半導(dǎo)體體液分析傳感器研究．電子科學(xué)學(xué)刊，1998，20(6)：815-820．

[6]WAGNER T，YOSHINOBU T，RAO C，etal．“All-in-one” solid-state device based on a light-addressable potentiometric sensor platform．Sensors and Actuators B，2006(117)：472-479．

[7]ZHANG Q T．Theoretical analysis and design of submicron-LAPS．Sensors and Actuators B，2005(105)：304-311．

[8]高晉占．微弱信號檢測．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

[9]韓涇鴻，崔大付，李全政，等．一種新型生物化學(xué)圖象傳感器的研究．中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2000(4)：477-480．

[10]牛文成，喻駿，林立旻，等．光掃描型pH圖象傳感器測試條件的研究與分析．傳感技術(shù)學(xué)報，2004(2)：205-208．