EIS型光寻址电位传感器I-f特性研究

秦月香，李学亮，袁志伟，梁晋涛

(桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林　541004)

0　引言

光寻址电位传感器[1](LAPS)是由D．G．Haleman等人在上世纪80年代提出的，与传统的电极分析法相比，LAPS具有灵敏度高、稳定性好的优点，且更容易实现阵列化、微型化。LAPS技术是生物传感器界的一次革命，使得对细胞、DNA等大分子检测成为一种可能，具有深远的科学意义。然而，影响LAPS输出特性(光电流I)的因素有很多，主要包括光源调制频率(频率f)、光强、硅基底厚度以及敏感膜稳定性等[2]。其中，光源调制频率是影响其输出特性的重要因素之一，传统方法对光源调制频率的研究停留在探索搜寻阶段，没有从本质理论上出发进行深入探究。文章在控制其它影响因子恒定的情况下，着重对光源调制频率与光电流之间的关系进行了研究。

1　LAPS工作原理

EIS型光寻址电位传感器(LAPS)的工作原理，如图1所示。其机理实质上是半导体的内光电效应，以P型硅为例，在正偏置电压的作用下，半导体内部的载流子(电子和空穴对)相对运动，在绝缘层和半导体的界面处形成了一定宽度的耗尽层。当用一定频率的调制光照射LAPS器件的硅基底时，半导体内部的电子吸收足够量的光子后形成价带跃迁，产生大量的电子空穴对。在调制光作用下电子空穴对将会交替运动，没有来得及复合的电子空穴对扩散到达耗尽层，在耗尽层内建电场作用下发生分离。由于绝缘层的存在，此时在外电路可以检测到交变的光生电流[3]。

1-电解质溶液；2-敏感膜；3-绝缘层；4-耗尽层；5-基底层；6-欧姆接触；7-电流表；8-偏置电压；9-控制电极；10-光源

1．1LAPS等效电路模型

LAPS的模型电路如图2所示。图中表示光电流Ig，Rp、Cd分别表示耗尽层的电阻和电容。CEL代表绝缘层和溶液总的等效电容。光电流中含有直流和交流分量，当载流子浓度达到最大调制时，Ig=ig(1+sinωt)；Rp的大小随偏置电压的变化而变化。当LAPS芯片表面电荷处于积累状态时，Rp几乎为零；当LAPS芯片表面处于强反型时，Rp取得最大值。Rp不仅取决于偏置电压的大小，还与光强和调制频率有关[4-5]。

LAPS检测到的是回路中电流Im的交流成分im，im由式子(1)给出：

(1)

当调制频率小于[2πRp(Cd+CEL)]-1时，im约为jωCELRpig，与调制频率成正比。由于Rpig与光强的对数成正比，所以在低频下im亦与光强的对数成正比。当频率大于[2πRp(Cd=CEL)]-1时：

(1)

im取决于i及耗尽层电容Cd．

图2　LAPS模型电路

1．2等效电路模型数值仿真

由LAPS等效电路可知，回路中的光电流与光源调制频率有密切的关系。经过实验研究分析，对320 μm的P型硅LAPS芯片的偏置电压、耗尽层电阻等相关参数初值进行设定，如表1所示，然后对光电流和光源调制频率的关系进行数值模拟。

表1　参数初值表

由LAPS等效模型电路得到，光电流的数学模型如式(3)所述：

(3)

随着光源调制频率的增加，光电流不断增大，当调制频率为[2πRp(Cd+CEL)]-1时，回路中的光电流取得最大值；当调制频率大于[2πRp(Cd+CEL)]-1时，随着调制频率的增加，回路中的光电流将不断衰减，并趋于零。所以，在进行光照实验时，要选择一个合适的光源调制频率，使得回路中的光电流达到一个最大值[6-7]。光源调制频率与光电流的数值仿真结果如图3所示。

图3　光电流与调制频率的关系

2　测量系统

选用320 μm的P型硅制成LAPS芯片，表面溅射100 nm厚的SiO2绝缘层，用100 nm的Si3N4作为H+敏感膜，将其固定在遮光的PVC塑料盒底部，组成测量池。光源发射器选用HLD980050激光二极管，中心波长为960 nm，采用幅频可调的正弦信号驱动激光头。参比电极选用甘汞电极，辅助电极选用铂电极，敏感硅片作工作电极。采用CHI660D型电化学工作站驱动三电极系统，并检测光生电流信号。系统测量平台如图4所示。

1-光源；2-参比电极；3-辅助电极；4-测量池;5-LAPS芯片；6-电化学工作站；7-计算机

2．1测量结果

在LAPS传感器测试时，采用光源背面照射LAPS芯片，测试溶液是pH值为9.18的标注缓冲液，实验过程中不改变其他条件，只将光源调制频率1 Hz变化到10 kHz，递增幅度为100 Hz，测量得到的I-f特性曲线如图5所示。

图5　光电流与调制频率关系实测结果图

由图5中可以清晰的看出光电流随着光源调制频率的增大会先增大后变小的，最后趋于零的总体趋势，当调制频率在1 000Hz时，光电流幅度达到最大，且线性度较好，过度区间大，因此，系统选择调制频率为1 000 Hz．

2．2结果分析

为了能更直观的说明在光源调制频率为1 000 Hz时，光电流信号的信号强度最大，通过编程，分别对信号各频率点的信噪比进行了计算。信噪比[8]公式为：

由表2可以看出，光源调制频率在1 000 Hz时，信号的信噪比达到了最大。随着频率的增加，信号的信噪比先增大后减小，其原因是当频率较高时，电子—空穴对来不及被耗尽层电场分开，光电流将下降；当频率较低时，就会影响电子—空穴对的分离与积累[9-10]。

表2　信噪比比较

3　结束语

文中详细阐述了EIS型光寻址电位传感器光源调制频率与光电流的关系，在此基础上提出了LAPS传感器的等效电路，对传感器的I-f的特性进行了数值模拟，得到了其特性曲线。为了验证模型的可行性，采用CHI660D型电化学工作站对传感器的实际I-f特性曲线进行了研究，结果发现，实际采集得到的I-f特性曲线与理论上仿真曲线一致性好。实验证明：选择合适的光源调制频率对于LAPS传感器的研制具有重要的意义。接下来的研究工作中，将在文中的基础上去深入研究如何提高光电流信号与其它参数的关系。经过不断地实验、研究、创新，LAPS传感器性能将会不断提高。

参考文献：

[1]张志勇，陈兴梧，牛文成，等．光寻址电位传感器测量系统的研究．仪表技术与传感器，2003，(12)：34-36．

[2]梁卫国．光寻址电位传感器系统的设计与实现:[学位论文],北京:中国科学院电子学研究所，2001．

[3]张高燕，王平，张钦涛．基于数字补偿的多光源寻址并行检测电位图像传感器．计量学报，2002，23(3)：182-185．

[4]牛文成，孙学珠，杨东民，等．EIS型光寻址电位传感器及其对液体分析的研究．光学学报，1997，17(12)：153-156．

[5]牛文成，孙学珠，孙杰，等．EIS并列型光寻址半导体体液分析传感器研究．电子科学学刊，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]高晋占．微弱信号检测．北京：清华大学出版社，2011．

[9]韩泾鸿，崔大付，李全政，等．一种新型生物化学图象传感器的研究．中国生物医学工程学报，2000(4)：477-480．

[10]牛文成，喻骏，林立旻，等．光扫描型pH图象传感器测试条件的研究与分析．传感技术学报，2004(2)：205-208．