EIS型光尋址電位傳感器I-f特性研究

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(diǎn)，且更容易實(shí)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(duì)細(xì)胞、DNA等大分子檢測(cè)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(duì)光源調(diào)制頻率的研究停留在探索搜尋階段，沒(méi)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(duì)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(shí)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(duì))相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部的電子吸收足夠量的光子后形成價(jià)帶躍遷，產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)。在調(diào)制光作用下電子空穴對(duì)將會(huì)交替運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有來(lái)得及復(fù)合的電子空穴對(duì)擴(kuò)散到達(dá)耗盡層，在耗盡層內(nèi)建電場(chǎng)作用下發(fā)生分離。由于絕緣層的存在，此時(shí)在外電路可以檢測(cè)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(shí)，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(shí)，Rp幾乎為零；當(dāng)LAPS芯片表面處于強(qiáng)反型時(shí)，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(cè)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(shí)，im約為jωCELRpig，與調(diào)制頻率成正比。由于Rpig與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比，所以在低頻下im亦與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。當(dāng)頻率大于[2πRp(Cd=CEL)]-1時(shí)：

(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(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析，對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)驗(yàn)時(shí)，要選擇一個(gè)合適的光源調(diào)制頻率，使得回路中的光電流達(dá)到一個(gè)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(cè)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(cè)量池。光源發(fā)射器選用HLD980050激光二極管，中心波長(zhǎng)為960 nm，采用幅頻可調(diào)的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(dòng)三電極系統(tǒng)，并檢測(cè)光生電流信號(hào)。系統(tǒng)測(cè)量平臺(tái)如圖4所示。

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

2．1測(cè)量結(jié)果

在LAPS傳感器測(cè)試時(shí)，采用光源背面照射LAPS芯片，測(cè)試溶液是pH值為9.18的標(biāo)注緩沖液，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)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(shí)測(cè)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(huì)先增大后變小的，最后趨于零的總體趨勢(shì)，當(dāng)調(diào)制頻率在1 000Hz時(shí)，光電流幅度達(dá)到最大，且線性度較好，過(guò)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(shuō)明在光源調(diào)制頻率為1 000 Hz時(shí)，光電流信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度最大，通過(guò)編程，分別對(duì)信號(hào)各頻率點(diǎn)的信噪比進(jìn)行了計(jì)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(shí)，信號(hào)的信噪比達(dá)到了最大。隨著頻率的增加，信號(hào)的信噪比先增大后減小，其原因是當(dāng)頻率較高時(shí)，電子—空穴對(duì)來(lái)不及被耗盡層電場(chǎng)分開(kāi)，光電流將下降；當(dāng)頻率較低時(shí)，就會(huì)影響電子—空穴對(duì)的分離與積累[9-10]。

表2　信噪比比較

3　結(jié)束語(yǔ)

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(duì)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(yàn)證模型的可行性，采用CHI660D型電化學(xué)工作站對(duì)傳感器的實(shí)際I-f特性曲線進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)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(shí)驗(yàn)證明：選擇合適的光源調(diào)制頻率對(duì)于LAPS傳感器的研制具有重要的意義。接下來(lái)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(hào)與其它參數(shù)的關(guān)系。經(jīng)過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)、研究、創(chuàng)新，LAPS傳感器性能將會(huì)不斷提高。

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