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一种差分型光寻址电位 传感器

阅读：580发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种差分型光寻址电位传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种差分型光寻址电位传感器，其特点是采用半导体器件作为参考子传感器，所述的半导体器件剖面结构为金属电极 -敏感层-过渡层-半导体层-输出电极五层结构。测量时参考子传感器无需添加基准溶液，简化了测量步骤；参考子传感器与测量子传感器建立在互不相连的硅片上，方便差分型光寻址电位传感器的更换；参考子传感器由偏置电压与参考电压叠加控制，避免外界因素影响输出光电流，提高差分型光寻址电位传感器精度。，下面是一种差分型光寻址电位传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种差分型光寻址电位传感器，包括测量子传感器27，参考子传感器28，测量参比电极34，参考端激光器35，测量端激光器36，电流-电压转换电路37，积分器38，相敏整流电路
39，溶液池40。
2.权利要求1所述的差分型光寻址电位传感器，其特征在于：参考子传感器27为半导体器件，参考子传感器27的剖面结构为金属电极18-敏感层19-过渡层20-半导体层21-输出电极22，参考子传感器27的半导体层材料可采用但不限于硅，半导体层可为n型或p型半导体。
3.权利要求1或2所述的差分型光寻址电位传感器，其特征在于：测量子传感器28为半导体器件，测量子传感器28的剖面结构为敏感层23-过渡层24-半导体层25-输出电极26，且与参考子传感器的剖面结构中的敏感层19-过渡层20-半导体层21-输出电极22相同，测量子传感器28的半导体层材料可采用但不限于硅，半导体层可为n型或p型半导体。
4.权利要求1或2所述的差分型光寻址电位传感器，其特征在于：积分器38的极性应保证反馈回路为负反馈。

说明书全文

一种差分型光寻址电位传感器

技术领域

[0001] 本专利发明涉及生物化学传感器领域，特别涉及一种差分型光寻址电位传感器。

背景技术

[0002] 光寻址电位传感器是一种性能良好的生物化学传感器。差分型光寻址电位传感器由两个单溶液池光寻址电位传感器组成差分结构。差分型光寻址电位传感器具有背景噪声低，精度高等特点。如何减少传感器操作步骤，提高测量效率，增强传感器稳定性，是差分型光寻址电位传感器急需解决的技术问题。

[0003] 参考图1,文献1“A novel low-noise measurement principle for LAPS and its application to faster measurement of pH”公开了一种双溶液池结构的差分型光寻址电位传感器。文献1所述的差分型光寻址电位传感器由两个建立在同一张硅片上的光寻址电位传感器组成，分别为测量子传感器1与参考子传感器2。测量时将待测溶液3与基准溶液4分别加入测量子传感器1与参考子传感器2的溶液池中，分别将测量电极5与参考电极6插入测量溶液池7与参考溶液池8。将参考偏置电压10加到参考参比电极6，测量偏置电压9加到测量参比电极5。参考端激光器12与测量端激光器11产生两束光强相同、占空比相同，频率相同，相位相反的脉冲激光束分别照射子传感器基片的测量硅端13与参考硅端14。参考子传感器与测量子传感器的金属电极层通过金属连接端15连接，金属连接端15输出叠加后的光电流信号。光电流信号输入运放处理电路输入端16，在运放处理电路输出端17可得到包含测量结果的电压信号。

[0004] 文献1所述的差分型光寻址电位传感器在调试与测量前需要配置基准溶液，每次测量都需要添加到参考子传感器中，测量步骤繁琐；测量子传感器与参考子传感器制作于同一片硅片上，不利于传感器基片更换；温度等外部因素会影响基准溶液中待测物质的浓度，使得参考子传感器输出的基准光电流不稳定，进而降低差分型光寻址电位传感器测量精度。

发明内容

[0005] 为了克服现有的差分型光寻址电位传感器测量步骤繁琐，更换与调试操作复杂，测量结果容易受外部因素影响的不足，本发明提出一种用半导体器件作为参考子传感器的差分型光寻址电位传感器。所述的半导体器件剖面结构为金属电极18-敏感层19-过渡层20-半导体层21-输出电极22五层结构。在交流光存在的情况下，通过施加在该半导体器件上的偏置电压与参考电压叠加的方法模拟参考子传感器。

[0006] 所述的差分型光寻址电位传感器测量时无需使用基准溶液，简化了测量步骤；避免了参考溶液变化对测量结果的影响，提高差分型光寻址电位传感器精度。参考子传感器与测量子传感器建立在互不相连的硅片上，可单独更换其中一个，便于传感器基片的更换。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用半导体器件模拟差分型光寻址电位传感器中的参考子传感器27。所述的半导体器件剖面结构为金属电极18-敏感层19-过渡层20-半导体层21-输出电极22五层结构。半导体层21采用n型或p型半导体基片，在半导体层21的背面沉积一层金属作为输出电极22，在半导体层21的正面沉积一层能与半导体层21和敏感层19良好附着且绝缘的过渡层20，在过渡层20上面沉积对被测化学量敏感的敏感层19，在敏感层19上面沉积一层金属作为金属电极18。所述的半导体层21、输出电极22、过渡层20和敏感层19与差分型光寻址电位传感器中的测量子传感器28相同。在参考子传感器
27中，参考电压30与原始偏置电压29相叠加后得到的参考偏置电压31施加到所述半导体器件的金属电极18上。测量子传感器28中，反馈电压32与原始偏置电压29相叠加后得到的测量偏置电压33施加到所述测量传感器的测量参比电极34上。参考端激光器35与测量端激光器36各发射一束强度相同、相位相反的交流激光，分别照射参考子传感器的半导体层21与测量子传感器的半导体层25。反馈电压32是两个子传感器输出的光电流叠加后输入电流-电压转换电路37转换成电压信号，通过相敏整流电路39，再经积分器38积分后得到的。积分器的极性应保证反馈回路为负反馈。

[0008] 本发明所述的差分型光寻址传感器中，参考电压30用Vr表示，原始偏置电压29用Vo表示，反馈电压32用Vf表示，参比电极固有电极电压用Ve表示，表示生物化学量的电压(溶液与敏感层之间的电压)用Vn表示。上述电压之间的关系为：

[0009] Vr+Vo＝-Vf+Ve+Vn+Vo

[0010] 参比电极电压Ve已知，调节参考电压Vr使Vr＝Ve，则Vf＝Vn；Vf可唯一确定被测化学量。

[0011] 本发明的有益效果是：本发明提出的差分型光寻址电位传感器，剖面结构为金属电极-敏感层-过渡层-导体层-输出电极的半导体器件代替参考子传感器，测量时无需使用基准溶液，简化了测量步骤；参考子传感器与测量子传感器建立在互不相连的硅片上，方便差分型光寻址电位传感器的更换；参考子传感器由偏置电压与参考电压叠加控制，避免外界因素影响输出光电流，提高差分型光寻址电位传感器精度。

[0012] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

附图说明

[0013] 图1是背景技术差分型光寻址电位传感器整体结构图。

[0014] 图2是本发明差分型光寻址电位传感器整体结构图。

[0015] 图3是参考子传感器剖视放大图。

[0016] 图4是测量子传感器剖视放大图。

[0017] 图中：1-背景技术中差分型光寻址电位传感器的测量子传感器，2-背景技术中差分型光寻址电位传感器的参考子传感器，3-待测溶液，4-基准溶液，5-测量电极，6-参考电极，7-测量溶液池，8-参考溶液池，9-背景技术中差分型光寻址电位传感器的测量偏置电压，10-背景技术中差分型光寻址电位传感器的参考偏置电压，11-背景技术中差分型光寻址电位传感器的测量端激光器，12-背景技术中差分型光寻址电位传感器的参考端激光器，13-测量硅端，14-参考硅端，15-金属连接端，16-运放处理电路输入端，17-运放处理电路输出端，18-参考子传感器的金属电极，19-参考子传感器的敏感层，20-参考子传感器的过渡层，21-参考子传感器的半导体层，22-参考子传感器的输出电极，23-测量子传感器的敏感层，24-测量子传感器的过渡层，25-测量子传感器的半导体层，26-测量子传感器的输出电极，27-参考子传感器，28-测量子传感器，29-原始偏置电压，30-参考电压，31-参考偏置电压，32-反馈电压，33-测量偏置电压，34-测量参比电极，35-参考端激光器，36-测量端激光器，37-电流-电压转换电路，38-积分器，39-相敏整流电路，40-溶液池，41-电流-电压转换电路输入端，42-相敏整流电路输入端一，43-相敏整流电路输入端二，44-相敏整流电路输出端，45-积分器输出端，46-加法电路，47-减法电路。

具体实施方式

[0018] 以下实例参照图2、图3与图4。

[0019] 差分型光寻址电位传感器，包括测量子传感器27，参考子传感器28，测量参比电极34，参考端激光器35，测量端激光器36，电流-电压转换电路37，积分器38，相敏整流电路39，加法电路46，减法电路47，溶液池40。

[0020] 参考子传感器27为半导体基片，呈正方形卡片状。参考子传感器27厚度在100～400um之间。参考子传感器采用对氢离子敏感的氮化硅作敏感层19，二氧化硅作过渡层20，硅作为半导体层21。参考子传感器的剖面结构为金属电极18-敏感层19-过渡层20-半导体层21-输出电极22。参考子传感器的制作方法为：选取厚度在100～400um之间的n型或p型硅片，使用化学气相沉积的方法在硅片的正面沉积一层二氧化硅层20，再在二氧化硅层20上沉积一层氮化硅层19，二氧化硅层20与氮化硅层19厚度相同，厚度在10nm～100nm之间；使用磁控溅射的方法在氮化硅层19上建立一层厚度在10nm～100nm之间的导电金属层作为金属电极18；在硅片的背面，通过光刻技术与磁控溅射方法结合，构筑出一层输出电极22。

[0021] 测量子传感器28为半导体硅片，由敏感层23-过渡层24-半导体层25-输出电极26组成。所述测量子传感器28与参考子传感器27中的敏感层19、过渡层20、半导体层21、输出电极22四层完全相同，剖面结构为氮化硅层23-二氧化硅层24-硅层25-输出电极26。测量溶液池40为内径0.4cm～1cm的圆形溶液池，池高0.5cm～2cm，池底为氮化硅层23。

[0022] 在参考子传感器27中，参考电压30与原始偏置电压29叠加后得到的参考偏置电压31施加到参考子传感器27的金属电极18上。测量子传感器中，待测溶液加入测量溶液池40，参比电极34插入测量溶液池40的待测溶液中，反馈电压32与原始偏置电压29相叠加后得到的测量偏置电压33施加到所述测量传感器的参比电极34上。参考端激光器35与测量端激光器36各发射一束强度相同、相位相反的交流激光，分别照射到分别照射参考子传感器的半导体层21与测量子传感器的半导体层25上。测量子传感器28与参考子传感器27分别输出两路光电流。测量子传感器28与参考子传感器27所输出的两路光电流叠加后输入至电流-电压转换电路输入端41。电流-电压转换电路输出电压信号通入相敏整流电路输入端一42，驱动两激光器的原始激励信号通入相敏整流电路39输入端二43，相敏整流电路输出端44输出整流电压信号至积分器38，积分器输出端45输出反馈电压32。积分器的极性应保证反馈回路为负反馈。反馈电压32与被测量的生物化学量呈线性关系。

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