EIS型高分辨率pH图像传感器及其检测系统的研究

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1、摘要EIs型生化传感器是一种将生物化学敏感材料与半导体器件有机结合的传感器，可实现对生物化学信息的检测，是现代微型生化传感器研究的热点之一。随着生物信息科学、敏感材料、微机械加工技术、微电子学等各学科的不断发展与相互融合，为EIS生化传感器提供了广阔的发展空间。EIs型生化传感器在器件结构、检测技术、高灵敏度、多功能化、微型化、全固态化等方面都得到了深入研究，并在环境监测、生化量检测、以及临床医学等生命科学领域得到了应用。本文研究的EIs型高分辨率pH图像传感器是在EIs型光寻址电位型传感器的基础上，研制开发的专用于测

2、量电解质溶液中pH值分布的一类微型生化传感器。该传感器利用了EIS结构的敏感机制，并与半导体光电效应相结合，不仅实现了传统意义上对溶液pH值的检测，而且可以同时测量溶液中不同位置的pH值，即获得溶液pH值分布的信息，这对生物医学领域具有极为重要的意义。本文研究的EIs型高分辨率pH图像传感器不仅结构简单、功耗低，而且具有全固态、集成化、灵敏度高、响应速度快等特点，因此它的研究，也为溶液中其它物质的检测提供了理论依据，具有重要的实用价值。本文对EIS型生化传感器结构、pH图像传感器工作机理进行了深入研究。主要包括EI界面

3、理论模型的建立，半导体光电效应的分析和EIS型LAPs模型的建立；重点研究了传感器的芯片材料与测试条件对传感器输出光电压的影响，并给出优化参数。实验部分主要设计了pH图像传感器的芯片结构与总体布局、制备工艺及其测量系统，包括光源选择、光扫描系统与驱动电路的DSP(TMS320C2Xx)及单片机的调试、传感器芯片系统以及高精度定位的实现等；并完成了对溶液pH值分布的测量，在此基础卜，利用MATLAB软件，将二维pH信息用灰度图表示，实现了二维pH分布的可视化。最后对实验方法和实验结果进行了分析讨论，并提出了改进意见。关键

4、词：EIS型；EI界面势；LAPS：pH圃像传感器；高分辨率；pH值分布；灰度图AbstractEIS—typebiochemicalsensorisasmartsensorthatcombinesbiochemicalsensingmat鲥a1withsemiconductordeVice．Itnotonlycanrealizethepracticalmeasurementofbiochemicalinfbnnation，butalsohasbeenoneofthestudyingf．ocusesofmodemmic

5、ro-biochemicalsensors．Withthedevelopmentofbi0109icalinfo珊a廿ontechnology，sensingmaterial，MicroE1ectroMech锄icalSyst啪s，microelectronics，etc，andthesyncrctismofth哪，itgiVes试dedevel叩ingspacetoEISbiochemicalsensor．Meanwhile，thissensorhasbeen1ueubratedinme6eldSoffabricat

6、ion，measuretechno王ogy，increasingsensitivi吼multi一如1cti咖，micro-miniaturization，s01idification，etc，andbeenappliedintbeenvi埘蛐entandlifesciencesuchasphysi0109y，biochemis略clillicalmedicine．etc．Intheresearchofthispaper，asasortofmicro—miniatIlrizationbiochemjcalsensors，

7、EIS—type11igh-rcsolutionpHimagesensor，whichbasedonmeLightAddressablePotentionmetricSenso“LAPS)witllEISs仃uctllre，isdevelopedspeciallyinmeasuringthedistributionofpHvalueofs01ution．ThissensormakesuseofthesellsingmechanjsmwithEISstnlcmreandmephoto—elec仃onicscharacte

8、rofsemiconductor．Itnotonlyhas向1filledmetraditionalmeasureIIlentofpHvalueofthes01ution，but“socanmeanwhilemeasurethepHvalueinmevariouspositionofs01ution．So“couldgetmein