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生物傳感器的電氣特性測(cè)試和技術(shù)分析

發(fā)布時(shí)間:2015-01-29 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】在很多情況下,探測(cè)器就是像晶體管那樣的器件。但是,無(wú)論設(shè)計(jì)使用半導(dǎo)體、電化學(xué)或光架構(gòu)方法,都必須對(duì)傳感器中的電氣部分進(jìn)行適當(dāng)測(cè)試,使得設(shè)計(jì)合格,便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。
 
隨著生物/醫(yī)藥、半導(dǎo)體、電子和納米科學(xué)領(lǐng)域的諸多技術(shù)進(jìn)步,生物電子技術(shù)有可能改變個(gè)人健康、加強(qiáng)安全系統(tǒng)、有利于保護(hù)環(huán)境、食物和水、改進(jìn)生活方式。通過(guò)半導(dǎo)體和納米技術(shù),非侵入式物理生物傳感器、芯片實(shí)驗(yàn)室工具、假肢/植入物和遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)的進(jìn)步是有可能實(shí)現(xiàn)的。
 
生物傳感器是一種分析器件,通常用于分析物(比如感興趣的物質(zhì),或化學(xué)成分)的探測(cè)。利用生物傳感器,可以將生物響應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),從而了解生物組合、結(jié)構(gòu)和功能。
 
生成電子輸出信號(hào)的許多生物傳感器/換能器技術(shù)在探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面具有巨大諸多優(yōu)勢(shì),可以滿(mǎn)足速度和易用性標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)正確的測(cè)試和校準(zhǔn),電子生物傳感器可以滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)提供可靠結(jié)果,把虛假的正負(fù)指示降到最低。
 
生物傳感器/換能器裝置簡(jiǎn)稱(chēng)生物傳感器,可以定義為履行以下一個(gè)或多個(gè)行為的器件:
 
1.探測(cè)、記錄、轉(zhuǎn)換、處理和傳輸與生理變化或過(guò)程有關(guān)的信息。
2.利用生物材料監(jiān)測(cè)物質(zhì)(分析物)中各種化學(xué)成分的存在。
3.將電接口(換能器)與生物敏感或選擇元件相結(jié)合。
 
更具體地說(shuō),生物傳感器包括生物識(shí)別元件,由它來(lái)識(shí)別目標(biāo)分析物。生物傳感器的換能器將識(shí)別事件轉(zhuǎn)換為與感興趣的化學(xué)或生物目標(biāo)的數(shù)量或存在相關(guān)的可測(cè)量信號(hào)。圖1給出常見(jiàn)的生物傳感器模型。
 
 
圖1:常見(jiàn)生物傳感器示意圖
 
生物傳感器系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)包括:
 
1. 速度和便于非技術(shù)人員使用(測(cè)試/校準(zhǔn)/維護(hù))。
2. 對(duì)目標(biāo)分析物的選擇性。為了獲得正確的結(jié)果,必須使化學(xué)物質(zhì)的干擾降到最低。
3. 靈敏度/分辨率。
4. 線(xiàn)性度(傳感器校準(zhǔn)曲線(xiàn)的最大線(xiàn)性值。對(duì)于高底物濃度檢測(cè),傳感器線(xiàn)性度必須較高)。
5. 精度/可重復(fù)性。
6. 動(dòng)態(tài)范圍。分析物的高濃度不能降低傳感器的可用性。
7. 環(huán)境魯棒性(對(duì)溫度、電噪聲、物理沖擊、振動(dòng)等相對(duì)不敏感)。
8. 可用壽命/適應(yīng)性。
9. 安全性/完整性(對(duì)人員、設(shè)備和分析物)。
 
為了實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)以及可讀電子輸出,研究人員正在開(kāi)發(fā)將生物傳感器識(shí)別元件功能和半導(dǎo)體器件結(jié)合在一起的生物傳感器,它可作為便攜設(shè)備用于家庭醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。類(lèi)似地,可與植入醫(yī)療系統(tǒng)一起使用的生物傳感器也正處于研究之中。
 
傳感器設(shè)計(jì)
 
生物傳感器的設(shè)計(jì)方法有很多種。一種設(shè)計(jì)使用寡核苷酸傳感器和核酸反應(yīng)來(lái)表明病原體的存在。另一種設(shè)計(jì)采用表面等離子體共振(SPR)來(lái)檢測(cè)生物分子,如蛋白質(zhì)和DNA。基于SPR的傳感器可以對(duì)分子間的相互作用提供實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記研究,其傳感器芯片接口便于特定配體與換能器表面的吸附,并提供表面濃度的高靈敏測(cè)量。
 
基于組織的傳感器也正在開(kāi)發(fā)之中。它們利用芯片上的活細(xì)胞,芯片可以對(duì)生物和化學(xué)威脅試劑的出現(xiàn)做出機(jī)能性響應(yīng)。由于其設(shè)計(jì)是模擬多細(xì)胞人體組織的功能,因此,這些傳感器應(yīng)當(dāng)對(duì)已知和未知試劑做出響應(yīng)。換能器將檢測(cè)活細(xì)胞表面電荷的微小變化。
電化學(xué)生物傳感器正在用于許多應(yīng)用。通常,電化學(xué)生物傳感器基于產(chǎn)生或消耗電子響應(yīng)的酶(這種酶稱(chēng)作氧化還原酶)促作用。該傳感器基底可能包括3個(gè)電極:參考電極、工作電極和反電極。目標(biāo)分析物涉及在活躍電極表面發(fā)生的反應(yīng),這個(gè)反應(yīng)可能引起跨越雙層的電子傳輸(產(chǎn)生電流),還有可能貢獻(xiàn)雙層電勢(shì)(產(chǎn)生電壓)。既可以在固定電勢(shì)下對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量(電子流速與分析物濃度成正比),也可以在零電流情況下對(duì)電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量(這給出了對(duì)數(shù)響應(yīng)[1])。
 
又如,電位型電化學(xué)生物傳感器(在零電流產(chǎn)生的電勢(shì))的對(duì)數(shù)響應(yīng)具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。這類(lèi)生物傳感器往往是通過(guò)在塑料基底上對(duì)電極圖案進(jìn)行絲網(wǎng)印刷而制作,其基底覆蓋一層導(dǎo)電聚合物,然后粘附一些蛋白(酶或抗體)。這些傳感器只有兩個(gè)電極,而且靈敏度和魯棒性非常高。
 
所有的生物傳感器通常都涉及最小的樣品制備,因?yàn)樯锩舾性?duì)于所涉及的分析物具有高度選擇性。由于傳感器表面發(fā)生變化,致使導(dǎo)電聚合物層內(nèi)的電化學(xué)或物理變化產(chǎn)生信號(hào)。這種變化可以歸因于離子強(qiáng)度、PH值、水化反應(yīng)和氧化還原反應(yīng),后者源自基底上的酶標(biāo)記翻轉(zhuǎn)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET),其柵區(qū)被酶或抗體更改,也可以檢測(cè)濃度非常低的各種分析物,因?yàn)榉治鑫锱cFET柵區(qū)的結(jié)合將引起漏-源電流的變化[1]。
 
近日,在納米科學(xué)領(lǐng)域,通過(guò)使用石墨烯,生物傳感器有許多進(jìn)步。石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的,因其特有的物理化學(xué)、高靈敏度和優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)特性而備受關(guān)注?;谑┑纳飩鞲衅骺赡芫哂懈叩撵`敏度,因?yàn)槭┦鞘亩S單原子層,可能實(shí)現(xiàn)表面摻雜劑和吸附物之間相互作用的最大化。同用于生物檢測(cè)應(yīng)用碳納米管相比,石墨烯具有更低的約翰遜噪聲。約翰遜噪聲是電荷載流子熱運(yùn)動(dòng)而引起的電阻材料中的噪聲。因此,石墨烯生物傳感器中載流子濃度的微小變化可能引起待測(cè)電導(dǎo)率的顯著變化。
 
根據(jù)分析物和生物傳感器識(shí)別元件的不同,生物傳感器的換能器可能利用以下機(jī)制之一:
 
安培計(jì):安培計(jì)器件檢測(cè)電流變化。它們對(duì)生物系統(tǒng)與電極之間交換電子而產(chǎn)生的電流進(jìn)行測(cè)量。
 
電位計(jì):某些反應(yīng)將引起待測(cè)電極之間電壓(在恒定電流的電勢(shì))變化。
 
電導(dǎo):電導(dǎo)測(cè)量器件對(duì)兩個(gè)電極之間電導(dǎo)率的變化進(jìn)行檢測(cè)。
 
電阻:電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù),可以通過(guò)類(lèi)似方法進(jìn)行測(cè)量。
 
電容:當(dāng)生物識(shí)別反應(yīng)導(dǎo)致生物傳感器識(shí)別元件附近介質(zhì)中介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí),其電容測(cè)量方法可以用作換能器。
 
壓電:在壓電材料中存在著力學(xué)和電學(xué)特性之間的耦合。利用這種耦合可以創(chuàng)建一個(gè)電振蕩器,其頻率是變化的,而且可以通過(guò)施加其表面質(zhì)量的變化進(jìn)行測(cè)量。在生物傳感器情況下,質(zhì)量是可以變化的,因?yàn)樵谄浔砻姘l(fā)生了反應(yīng)。
 
熱:這些器件對(duì)溫度變化進(jìn)行測(cè)量。
 
光:光學(xué)生物傳感器將濃度、質(zhì)量或分子數(shù)量變化與光特性變化進(jìn)行相關(guān)。要想使這種方法有效,生物識(shí)別反應(yīng)的反應(yīng)物或生成物之一必須與比色、熒光或發(fā)光指標(biāo)關(guān)聯(lián)。有時(shí)候,利用光纖可以將光信號(hào)從光源引導(dǎo)至檢測(cè)器。
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傳感器特性分析:驗(yàn)證過(guò)程第一步
 
研發(fā)項(xiàng)目的目標(biāo)是克服生物傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)局限性。例如,生物傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)生物親合元件和無(wú)機(jī)換能器元件之間穩(wěn)定、可重復(fù)的接口。出于手持便攜性的考慮,希望生物傳感器小型化,且具有足夠靈敏度,這將給生物分子與換能器界面的耦合帶來(lái)技術(shù)挑戰(zhàn)。因此,無(wú)論是在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室還是在生產(chǎn)中,對(duì)生物傳感器進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的特性分析,是檢驗(yàn)生物傳感器/換能器接口是否合格以及生物檢測(cè)系統(tǒng)的最終運(yùn)行的重要手段。
 
典型測(cè)試程序任務(wù)是開(kāi)發(fā)或驗(yàn)證生物傳感器性能度量指標(biāo)。由于對(duì)試劑或反應(yīng)中細(xì)胞和組織信號(hào)的提取非常復(fù)雜,通常希望對(duì)生物傳感器的主要部件進(jìn)行直接的電流-電壓(I-V)特性分析。I-V特性分析的時(shí)間只占大多數(shù)類(lèi)型功能測(cè)試時(shí)間的很小一部分,但卻是其正式運(yùn)行的重要預(yù)示。例如,I-V數(shù)據(jù)可以用來(lái)研究異常、定位曲線(xiàn)的最大或最小斜率,以及進(jìn)行可靠性分析。根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),I-V特性分析往往適合基于電流計(jì)、電位計(jì)、電導(dǎo)率、電阻和熱原理的傳感器。
 
通常,I-V測(cè)試為待測(cè)器件(DUT)施加電壓或電流,然后測(cè)試其對(duì)激勵(lì)做出的響應(yīng)。還可能采用溫度測(cè)量。測(cè)試程序可能涉及為某個(gè)連接焊盤(pán)施加激勵(lì),探測(cè)集成電路,并測(cè)量DUT響應(yīng)。根據(jù)DUT的不同,信號(hào)電平可能相當(dāng)?shù)停枰哽`敏度源和測(cè)量?jī)x器及測(cè)試技術(shù),最大限度地減少誤差的外部來(lái)源。
 
利用源測(cè)量單元(SMU)儀器對(duì)生物傳感器性能進(jìn)行特性分析
 
在很多情況下,生物傳感器將由醫(yī)生、軍人、公共安全部隊(duì)用于便攜系統(tǒng),還可以用于家庭健康監(jiān)控。這將對(duì)傳感器使用功率需求提出限制,而且可能限定提供給測(cè)量電路的電壓或電流輸出電平。在電池供電系統(tǒng)中,傳感器輸出電流范圍是納安到毫安,輸出電壓范圍是納伏到伏。對(duì)于這么寬的范圍,不同的級(jí)別需要不同的測(cè)量技術(shù)和工具。
實(shí)施I-V特性分析的最佳工具之一是源測(cè)量單元(SMU)或數(shù)字源表SMU儀器。在I-V特性分析中,由于復(fù)雜的觸發(fā)問(wèn)題,直流電源和測(cè)量?jī)x器的集成可能是有問(wèn)題的。簡(jiǎn)言之,SMU儀器在一部?jī)x器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了精確電源(PPS)能力與高性能數(shù)字多用表(DMM)的集成。例如,SMU儀器在測(cè)量電流時(shí)可同時(shí)起到源或降電壓作用,在測(cè)量電壓時(shí)可起到源或降電流的作用。圖2給出SMU儀器作為恒流源和伏特計(jì)的配置,它用于測(cè)量DUT的響應(yīng)。
 
 
圖2:SMU儀器作為恒流源和伏特計(jì)的配置,用于測(cè)量DUT的響應(yīng)
 
SMU儀器還可用作獨(dú)立的恒壓源或恒流源、伏特計(jì)、安培計(jì)和歐姆表,還可用作精密電子負(fù)載。其高性能架構(gòu)還允許將其用作脈沖發(fā)生器、波形發(fā)生器和自動(dòng)I-V特性分析系統(tǒng)。
這些儀器的雙極電壓和電流源是由微處理器控制的,這使得I-V特性分析更加高效,并簡(jiǎn)化儀器建立。使用SMU儀器時(shí),可以在其程序內(nèi)存中存儲(chǔ)許多不同測(cè)試序列,并通過(guò)簡(jiǎn)單的觸發(fā)信號(hào)予以執(zhí)行。測(cè)試數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在緩存中,直到I-V掃描完成,然后下載至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析。
 
由于在生物、化學(xué)、材料和電化學(xué)等諸多領(lǐng)域,致力于生物傳感器和其他生物電子技術(shù)的研究人員數(shù)量眾多,因此,測(cè)試儀器的易用性和低學(xué)習(xí)曲線(xiàn)非常重要。這些研究人員可能不熟悉電氣特性分析工具,如SMU儀器,但需要在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其器件進(jìn)行I-V特性分析。
 
觸摸屏技術(shù)的進(jìn)步以及智能手機(jī)和平板電腦的廣泛普及推動(dòng)了直觀操作的發(fā)展,臺(tái)式儀器的圖形用戶(hù)界面可能大大簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)曲線(xiàn)和整機(jī)易用性。采用觸摸屏方法,用戶(hù)感覺(jué)很舒適,不容易出錯(cuò);他們可以直觀了解怎樣使用接口。觸摸屏系統(tǒng)使每個(gè)人第一次接觸儀器時(shí)就成為“專(zhuān)家用戶(hù)”,無(wú)論他是儀器的新用戶(hù)還是行家里手。同傳統(tǒng)培訓(xùn)方法相比,使用觸摸屏可以大大縮短培訓(xùn)時(shí)間、提高操作精度,并提高整體使用效率。
 
 
圖3:吉時(shí)利2450型數(shù)字源表SMU儀器采用高級(jí)電容觸摸屏圖形用戶(hù)界面
 
吉時(shí)利2450型交互式數(shù)字源表SMU儀器簡(jiǎn)化了非傳統(tǒng)用戶(hù)的學(xué)習(xí)曲線(xiàn),使之從使用多層菜單結(jié)構(gòu)和多功能按鈕配置功能的繁瑣工作中解脫出來(lái)。2450型儀器使用基于圖標(biāo)的平面菜單系統(tǒng),就像在智能消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用的菜單系統(tǒng)一樣簡(jiǎn)單,如平板電腦或智能手機(jī)上顯示的應(yīng)用圖標(biāo)排列。
 
 
圖4:2450型儀器屏幕菜單
 
生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(BioFET)傳感器測(cè)試
 
如前所述,利用FET和生物材料可以制作生物傳感器。FET利用電場(chǎng)控制半導(dǎo)體材料中載流子溝道形狀和傳導(dǎo)率。生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成包括:半導(dǎo)體換能器、介質(zhì)層、生物功能表面、分析物及參考電極(場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極),如圖5所示。
 
BioFET半導(dǎo)體換能器的制作過(guò)程如下。介質(zhì)層是氧化物,如二氧化硅,它有兩項(xiàng)任務(wù)。第一項(xiàng)任務(wù)是將FET溝道與液體進(jìn)行隔離,第二項(xiàng)任務(wù)是將表面電荷靜電耦合至溝道。在介質(zhì)層上面是生物功能層, 它起到固定生物分子接受器的作用,能夠結(jié)合期望的分子。分析物是包含溶解的樣本分子的解決方案。參考電極允許調(diào)整器件,從而實(shí)現(xiàn)其靈敏度最大化。如果目標(biāo)分子與接受器結(jié)合,那么表面電荷密度將發(fā)生變化。這種變化將改變半導(dǎo)體電勢(shì)以及FET溝道連通性[2]。
 
 
圖5:生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(BioFET)概念圖
 
利用兩個(gè)2450型數(shù)字源表SMU儀器可以對(duì)BioFET進(jìn)行特性分析,從而對(duì)傳感器進(jìn)行I-V特性分析。確定BioFET的I-V參數(shù)有助于確保其在預(yù)期應(yīng)用中恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮作用,并滿(mǎn)足性能要求。利用2450型儀器可以進(jìn)行多種I-V測(cè)試,包括柵極泄漏、擊穿電壓、閾值電壓、傳輸特性以及漏電流。進(jìn)行測(cè)試所需的2450型SMU儀器數(shù)量取決于需要偏置和測(cè)量的FET端口數(shù)。
 
這個(gè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明怎樣繪制三端口FET漏電流系列(VDS-ID)曲線(xiàn)。該技術(shù)有可能用于BioFET器件。
 
所需設(shè)備
 
● 兩部2450型交互式數(shù)字源表SMU儀器
● 4根三軸電纜(吉時(shí)利7078-TRX-10型號(hào))
● 金屬屏蔽測(cè)試夾具或探針臺(tái),以及母三軸連接器
● 三軸三通接頭(吉時(shí)利237-TRX-T型號(hào))
● 外部硬件觸發(fā)器電纜不同,具體取決于所用指令:
● 對(duì)于SCPI指令:1根DB-9公-母9針電纜,實(shí)現(xiàn)2450型器后部數(shù)字I/O端口彼此連接。
● 對(duì)于TSP指令:1根TSP-Link交叉網(wǎng)線(xiàn)(吉時(shí)利CA-180-3A型網(wǎng)線(xiàn),在2450型儀器中已包含),實(shí)現(xiàn)TSP-Link端口彼此連接。
● 2450型儀器與計(jì)算機(jī)連接電纜不同,具體取決于所用指令集:
● 對(duì)于SCPI指令:2根GPIB電纜、2根USB電纜或2根以太網(wǎng)電纜
● 對(duì)于TSP指令:1根GPIB電纜、1根USB電纜或1根以太網(wǎng)電纜
 
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建立遠(yuǎn)程通信
 
這個(gè)應(yīng)用可以通過(guò)儀器支持的任何通信接口(GPIB、USB或以太網(wǎng))運(yùn)行。
 
程控通信接口后面板連接位置如下圖所示。
 
 
圖6:2450型儀器程控接口連接
 
設(shè)立外部硬件觸發(fā)器
 
為了支持兩部2450型源測(cè)量單元(SMU)儀器步進(jìn)掃描電壓之間的同步,將其外部觸發(fā)器彼此相連。所用電纜取決于用于控制測(cè)試的2450型儀器編程指令集。
 
SCPI指令集連接
 
如果您使用SCPI指令集,請(qǐng)利用DB-9母-母電纜連接儀器后面板的數(shù)字I/O插孔,如下圖所示。
 
 
圖7:SCPI編程實(shí)例中GPIB和DB-9電纜連接
 
上圖還給出利用GPIB程控通信接口實(shí)現(xiàn)的通信連接。利用GPIB電纜(#1)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)(控制器)GPIB端口與2450型儀器(#1)后面板IEEE-488插孔的連接。利用GPIB電纜(#2)實(shí)現(xiàn)兩部2450型儀器IEEE-488插孔之間的連接。
 
當(dāng)利用USB電纜連接計(jì)算機(jī)和2450型SMU儀器時(shí),每部?jī)x器必須利用獨(dú)立USB電纜與計(jì)算機(jī)相連。
 
當(dāng)使用以太網(wǎng)電纜連接計(jì)算機(jī)和2450型SMU儀器時(shí),儀器和計(jì)算機(jī)必須使用以太網(wǎng)開(kāi)關(guān)或集線(xiàn)器連接。
 
TSP指令集連接
 
當(dāng)測(cè)試腳本處理器(TSP)指令集用于遠(yuǎn)程編程時(shí),利用CA-180-3A型交叉電纜(2450型儀器中包含該電纜)實(shí)現(xiàn)2450儀器后面板TSP-Link端口的互連(參見(jiàn)下圖)。
 
 
圖8:TSP指令集連接
 
對(duì)于計(jì)算機(jī)與2450型儀器的GPIB通信,只需要1根電纜,實(shí)現(xiàn)GPIB接口與2450型儀器IEEE-488接口的連接(圖8中2450型#1)。將2450型#1的TSP-Link節(jié)點(diǎn)設(shè)為節(jié)點(diǎn)1,將2450型#2的TSP-Link節(jié)點(diǎn)設(shè)為節(jié)點(diǎn)2。
 
通過(guò)前面板改變2450型TSP-Link節(jié)點(diǎn):
 
1.按壓主屏左上角的通信狀態(tài)指示器,先后選擇改變?cè)O(shè)置,系統(tǒng)通信窗口打開(kāi)。
2.在TSP-Link選項(xiàng)下,選擇節(jié)點(diǎn)旁的按鈕,然后進(jìn)入期望的節(jié)點(diǎn)號(hào)。
3.選擇初始化。
4.按壓菜單按鈕,返回主屏。
對(duì)于TSP-Link網(wǎng)絡(luò)中的所有2450型SMU儀器,重復(fù)這個(gè)指令。
 
器件連接
 
為了測(cè)試漏系列曲線(xiàn),對(duì)兩部2450型SMU儀器進(jìn)行配置,使之源電壓并測(cè)量電流。在這個(gè)電路中,2450型#2的Force HI端與BioFET的柵極相連,2450型#1的Force HI端與與其漏極相連。BioFET的電源端與兩部2450型SMU儀器的Force LO端相連。當(dāng)對(duì)所有三端進(jìn)行源和測(cè)量時(shí),還需要第三部2450型儀器。利用兩部2450型SMU儀器可對(duì)BioFET進(jìn)行I-V測(cè)試配置,參見(jiàn)圖9。
 
 
圖9:BioFET三端I-V測(cè)試配置
 
 
圖10給出從兩部2450型SMU儀器后部面板端子到BioFET的連接方式。
 
 
圖10:測(cè)試三端BioFET時(shí)兩部2450型儀器配置
 
在這個(gè)例子中,使用4根三軸電纜(7078-TRX-10型),實(shí)現(xiàn)2450型儀器后面板母三軸插孔與BioFET器件的互連,它被安裝在一個(gè)金屬屏蔽的測(cè)試夾具內(nèi),與母三軸插孔連接。利用三軸三通(237-TRX-T型)實(shí)現(xiàn)兩部2450型儀器的Force LO端與BioFET源端連接。
對(duì)于測(cè)試FET的SCPI或TSP編程序列,請(qǐng)參照2450型儀器用戶(hù)手冊(cè)第7部分:FETI-V特性測(cè)量。圖11給出典型FET系列曲線(xiàn)。其結(jié)果可能因BioFET及使用生物功能材料類(lèi)型的不同而發(fā)生變化。
 
 
圖11:兩部2450型儀器生成的典型FET漏系列曲線(xiàn)
 
3C精確測(cè)試:電纜、電導(dǎo)和電容
 
無(wú)論使用什么樣的儀器,其與DUT之間的連接都是測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。了解和管理這些連接的局限性對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要。噪聲源、電纜長(zhǎng)度和電纜電容都可能影響測(cè)量質(zhì)量;信號(hào)電平越低,這些問(wèn)題就越重要。為了把問(wèn)題影響降到最小,測(cè)量電路與電纜及連接器應(yīng)當(dāng)與測(cè)試信號(hào)匹配。此外,電纜和測(cè)試引線(xiàn)應(yīng)當(dāng)認(rèn)真?zhèn)鬟f和安裝。
 
電纜 對(duì)當(dāng)測(cè)試應(yīng)用電纜進(jìn)行評(píng)估時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮以下這些問(wèn)題:
 
● 測(cè)試環(huán)境中的電氣噪聲有多大? 噪聲被定義為在感興趣信號(hào)上疊加的任何不需要的信號(hào)。電磁噪聲源包括交流電源線(xiàn)、電機(jī)和發(fā)電機(jī)、變壓器、熒光燈、CRT顯示器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)等。根據(jù)信號(hào)和噪聲惡性,一旦儀器輸入端采集到信號(hào),就不可能將二者分離。 要盡可能使用最短的傳輸電纜和測(cè)試引線(xiàn),從而把其對(duì)噪聲源的暴露降到最低。然后,使其牢固地就位,無(wú)法移動(dòng),不會(huì)在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生雜散電磁場(chǎng)。
 
● 信號(hào)源與測(cè)量系統(tǒng)終端之間的距離是多少?電線(xiàn)具有電阻,這取決于其組成、長(zhǎng)度和直徑。電阻隨著電線(xiàn)長(zhǎng)度的增加而增加,隨著電線(xiàn)直徑的增加而降低。電阻是電纜整體效應(yīng)的一部分,該效應(yīng)是測(cè)量電路模擬輸入的一部分。高電纜電阻與低模數(shù)入電阻的共同作用可能導(dǎo)致通過(guò)互連電纜的較大電壓降,從而帶來(lái)測(cè)量誤差。
 
導(dǎo)體 在屏蔽和非屏蔽電纜中使用的導(dǎo)體可能是實(shí)心線(xiàn)或絞合線(xiàn)。實(shí)心線(xiàn)信號(hào)衰減最小,但絞合線(xiàn)更靈活,而且可能更容易傳遞和安裝。導(dǎo)體可能是裸銅線(xiàn)、鍍銀或鍍錫。連接器和導(dǎo)體材料應(yīng)當(dāng)匹配,從而使電阻最小,并減少熱生電磁場(chǎng)。
 
為了實(shí)現(xiàn)最高的信號(hào)完整性,應(yīng)使用屏蔽導(dǎo)體電纜。屏蔽可以降低信號(hào)引線(xiàn)拾取的電磁噪聲,還有助于降低來(lái)自攜帶高頻信號(hào)導(dǎo)體的電磁輻射。利用不同類(lèi)型的金屬絲編織層或金屬絲編織層與鋁箔組合,都可以實(shí)現(xiàn)屏蔽。同單層屏蔽相比,多層或多銅箔屏蔽層在微弱信號(hào)拾取和輻射方面更有效。不過(guò),這往往使電纜更僵硬和更難傳遞和安裝。
 
在選擇屏蔽電纜時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮以下因素:
 
● 頻率噪聲越高就越難衰減,需要更復(fù)雜的屏蔽。
● 簡(jiǎn)單的螺旋絲纏繞箔是最低效的類(lèi)型屏蔽。
● 緊密編織、雙編織或編織加鋁箔將提供更有效的屏蔽。
● 苛刻的大氣、濕度等可能降低屏蔽的有效性。在某些情況下,這些污染物可能會(huì)滲入電纜并降低外絕緣套下的屏蔽。如果可能,應(yīng)避免在這種環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。
 
電容 對(duì)于許多生物傳感器來(lái)說(shuō),輸出信號(hào)可能比作帶有電阻的串行電壓源。類(lèi)似地,模擬儀器輸入端可以比作帶有輸入電阻的并行儀表。在測(cè)試期間,儀器輸入端吸入少量電源必須能夠提供的偏置電流?;ミB電纜時(shí)這個(gè)電路的重要組成部分,而且可能引入電阻、電容和電感效應(yīng),具體取決于長(zhǎng)度、容量、成分、路由和物理環(huán)境。
 
對(duì)于高速、快速變化的信號(hào),電路電感和電容可能是測(cè)量速度的嚴(yán)重阻礙,即使信號(hào)源和儀器阻抗完全匹配。通常,寄生電容比電感危害更大。來(lái)自高阻抗源的信號(hào)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能在儀器輸入端穩(wěn)定在,因?yàn)樾盘?hào)電流電平有限,需要更多的時(shí)間為電纜電容充電。在這種情況下,應(yīng)在信號(hào)穩(wěn)定之前,進(jìn)行測(cè)量,避免錯(cuò)誤讀數(shù)。
 
結(jié)論
 
在開(kāi)發(fā)早期階段,利用I-V特性分析技術(shù),可以簡(jiǎn)化用于生物檢測(cè)系統(tǒng)和分析儀器的傳感器合格驗(yàn)證。在很多情況下,這些技術(shù)可以用于傳感器生產(chǎn)測(cè)試中。
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