光寻址电位传感器关键技术研究

发布时间：2020-10-20 21:42

　　 光寻址电位传感器(Light Addressable Potentiometric Sensor,LAPS)是一种基于半导体场效应原理的电位型电化学传感器,具有检测灵敏度高、电位稳定性好、响应速度快、与集成电路制造工艺兼容等优点,特别是它的“光可寻址阵列”特点使其在局部信号的测量中具有很大的优势和灵活性,可用于生物医学、环境监测、工农业生产、科学研究等多个领域,是半导体电化学传感器领域的研究热点之一。LAPS的关键技术指标包括空间分辨力、检测速度和检测精度等,本论文主要研究其中的检测精度问题。目前,由于LAPS受光面对入射光有较强的反射作用,使其光电转换效率较低;此外传感器和检测电路中存在的随机噪声,以及偏置电压和光照强度的波动,使LAPS输出信号的噪声较大;又由于衬底中光生载流子的侧向扩散使LAPS中存在信号串扰,这些都是影响LAPS检测性能的主要因素。论文瞄准提高检测精度这一关键技术问题,通过设计陷光结构衬底提高LAPS的光电转换效率,通过光源系统优化和噪声抑制算法提高LAPS的信噪比,采用网状工作电极结构减少信号串扰稳定输出信号,有效提高了LAPS的检测精度,改善了检测性能。本论文的主要创新性研究成果如下:(1)提出了LAPS的动态电路模型。LAPS的输出信号很微弱,存在信号漂移且夹杂有大量的随机噪声,严重影响到检测结果的可靠性,因此需要研究能够抑制信号漂移和随机噪声的信号处理算法。基于LAPS的等效电路模型,本文提出LAPS的动态电路模型,建立微分方程,求解得到LAPS输出信号的表达式。通过对表达式的分析,提出用于抑制LAPS噪声干扰的信号处理算法。处理算法包括频域分量均方根计算和卡尔曼滤波处理两部分,首先对输出信号在频域中的基波分量、二次谐波分量和三次谐波分量的均方根值进行计算,能够较好地解决LAPS信号的漂移问题;然后采用卡尔曼滤波的方法对归一化I-V特性曲线进行滤波处理,以消除混杂在输出信号中的随机噪声。研究表明,同传统的单纯抽取频域中基波分量的方法相比,采用新的信号处理算法后,信号漂移和随机噪声都得到了明显的抑制。(2)提出了一种新型的微盲孔阵列陷光结构衬底。研究表明减少衬底厚度能够有效增强LAPS输出信号,提高输出信号信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR),提高检测灵敏度,然而衬底的大面积减薄会带来衬底机械强度的显著降低,使器件变得容易破碎。本文根据陷光结构减少入射光能量损失的原理,提出一种具有陷光结构的新型衬底结构,通过增强衬底对入射光的吸收来提高LAPS的检测性能。陷光结构由LAPS衬底受光照区域构建的微米级盲孔阵列构成。当入射光照射到衬底时,在微盲孔阵列表面发生多重反射,增加了衬底对入射光的吸收,增强了光电转换效率,减少了由于入射光的直接反射而造成的能量损失。研究结果显示,在衬受光照面构建微盲孔阵列形态的陷光结构能够增强LAPS输出信号的幅值,对检测灵敏度、线性度、信噪比都有改善作用,同时使器件在封装和测量过程中仍然保持良好的机械强度。(3)提出了一种新型网格状工作电极结构。LAPS阵列检测传感器各检测点之间存在比较严重的信号串扰(Cross talk)问题,它影响到检测信号的稳定性、可靠性、以及化学成像的空间分辨力。研究表明光生载流子在衬底中的侧向扩散是串扰产生的最主要原因,因而需要寻找能够抑制光生载流子侧向扩散的有效方法。针对这个问题,本文设计了一种环绕各检测点的网格状结构的工作电极。通过积累在金属薄膜工作电极和硅衬底界面区域的大量多数载流子抑制光生载流子在衬底中的侧向扩散,使光生载流子的扩散更加集中于垂直方向,从而能够减少检测点间信号的相互串扰。研究结果表明,网状工作电极结构能够有效抑制信号串扰,稳定输出信号。(4)提出了一种基于面积计算的LAPS信号测量方法。LAPS的传统测量方法受噪声影响寻找工作点位置困难,致使检测性能不够稳定。针对这个问题,本文提出了基于面积计算的测量方法。该方法是对归一化I-V特性曲线与水平坐标轴之间所夹区域的面积进行计算,通过被测物质的化学量与所夹面积的关系,来确定当前的检测结果。实验中采用这种测量方法对电解溶液的pH值进行了检测,结果表明检测灵敏度和线性度均较高,而且不随偏置电压步进值长度的变化而变化。由于该方法不需要对工作点进行定位,且对偏置电压步进值长度不敏感,因而能够加快检测进度,是一种运算简便、检测性能稳定的LAPS测量方法。通过上述研究解决了LAPS的光电转换效率低、噪声干扰大和信号串扰的问题,研制了基于高精度数据采集卡的LAPS传感系统样机,检测结果显示LAPS的光电转换效率和信噪比明显提高,信号串扰得到有效抑制。本文的研究对提高LAPS检测精度、增强检测性能、拓展其应用范围具有重要意义。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212.2
【部分图文】：

电化学传感器的工作原理

图 1-2 FAPS 的工作原理图[29]加栅极电极上，导电沟道中通过恒定电膜电势ΔU 时，栅极电压即变为 Ub和Δ生变化，测量导电沟道两端的电压 Uc即量。FAPS 是一种阵列传感器，图 1-3 所

FAPS的结构示意图
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;GT322型全金属化耦合封装InGaAs/InP平面PIN光电二极管[J];半导体光电;1989年04期

2 吴凯;;二维平面异质结构实现光生载流子快速分离和传输[J];物理化学学报;2017年03期

3 顾少轩;李斌;刘保顺;赵修建;;TiO_2薄膜光生载流子功效应与光催化性能的关系[J];硅酸盐学报;2010年01期

4 彭景翠，陈小华，曾健平;聚丁二炔晶体中的光生载流子及光导[J];湖南大学学报(自然科学版);1996年03期

5 彭景翠;含有共轭三键共聚物中光生载流子产生机制的探讨[J];物理学报;1993年01期

6 彭景翠;聚丁二炔(Polydiacetylenes)单晶中光生载流子的输运与复合[J];半导体学报;1991年09期

7 付姚;曹望和;田莹;;TiO_2纳米薄膜电极中光生载流子传输特性研究[J];化学学报;2006年17期

8 王忆锋,蔡毅;恒定辐照下一维HgCdTe环孔PN结光生载流子浓度的计算[J];红外技术;2004年06期

9 于钟慧;张苏娟;何川;黄媛媛;朱礼鹏;;GaAs光生载流子动力学机制的超快光谱学分析[J];光子学报;2017年08期

10 张雯,王绪绪,付贤智;瞬态光电导谱研究Pt的负载对TiO_2光生载流子寿命的影响[J];高等学校化学学报;2005年10期

相关博士学位论文 前10条

1 陈东;光寻址电位传感器关键技术研究[D];西北工业大学;2018年

2 李明雪;氮化物半导体光生载流子有效分离及其光电化学分解水制氢研究[D];南京大学;2013年

3 胡建玲;新型锡氧化物及其复合材料的合成与光催化性能研究[D];北京科技大学;2019年

4 李靖;氮化碳基复合光催化体系的构筑及其催化性能和机理研究[D];中国矿业大学;2018年

5 李中国;典型金属氧化物的光生载流子动力学研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 方宇;氮化镓晶体的光学非线性及光生载流子动力学研究[D];苏州大学;2016年

7 张博;提高光电化学过程中光生载流子分离效率的探索及高效光电极的设计与制备[D];山东大学;2017年

8 王刚;晶体的基本要素对光生载流子的分离及催化性质的影响[D];山东大学;2015年

9 闫俊青;基于TiO_2半导体光生载流子分离、可见光范畴拓展策略探究[D];南开大学;2015年

10 任凤竹;在TiO_2和Bi_2WO_6体系中提高光吸收和促进光生载流子分离能力的研究[D];河南大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 杜艺杰;非金属掺杂氧化钛中光生载流子的红外光谱研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2017年

2 于钟慧;GaAs光生载流子动力学机制的超快光谱学研究[D];西北大学;2017年

3 徐鹏;GaAs光生载流子的超快动力学过程及其分幅成像应用研究[D];中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）;2013年

4 周钢;半导体纳米异质光催化剂的构建及其光生载流子动力学的研究[D];扬州大学;2016年

5 侯乙东;TiO_2纳米晶结构形态、光电特性及其光催化性能研究[D];福州大学;2004年

6 张晔;利用Heck反应合成有机光导材料[D];山西大学;2003年

7 罗健生;光催化氧化处理有机污染废水的研究[D];西南石油学院;2003年

8 李孟霞;利用蒙特卡罗方法研究THz辐射特性和光生载流子输运特性[D];西安理工大学;2006年

9 赵静;基于石墨烯纳米结构的制备与光催化分解水制氢研究[D];长春理工大学;2016年

10 李钊;基于压电和热释电效应内建电场增强及其光催化性质的研究[D];山东大学;2016年

本文编号：2849187