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光寻址电位传感器系统的设计与实现

作　者: 梁卫国
导　师: 韩泾鸿
学　校: 中国科学院电子学研究所
专　业: 物理电子学
关键词: LAPS EIS 敏感膜
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


光寻址电位传感器（LAPS）是一种基于电解质溶液—绝缘层—半导体（EIS）结构的光、机、电一体化的传感器系统，主要用于进行多参数测量和检测某种参数的平面分布。由于其具有强大的寻址功能，LAPS自问世以来得到了广泛的应用。 本文从半导体物理学的角度阐述了LAPS的基本原理，并介绍了一个用于多种生物化学参数测量的LAPS系统。本系统的LAPS芯片采用减薄至160μm的硅片加工而成。在芯片的表面分布有敏感膜阵列。这些敏感膜具有选择专一性，即每个敏感膜只对一种参数起反应。激励光源采用5×7的红外LED阵列，用背面照射的方式对LAPS进行光寻址。通过照射不同的敏感区域可以检测不同的参数。整个系统还包括一台锁相放大器、单片机系统、寻址电路、恒电位仪、流通系统和一台个人电脑。用户通过个人电脑上的控制程序对整个系统进行控制。基本上实现了测量过程自动化。 论文中研究了LAPS芯片厚度、调制频率、LAPS测试曲线的线性度对系统性能的影响，并通过实验选择了适用于本系统的最佳参数。通过检测pH值、尿素和青霉素，我们初步检验了本LAPS系统的多参数检测能力。实验证明，我们已经实现了一个用于光寻址电化学、生物样品检测的通用平台。整个系统具有良好的可操作性，并初步实现了多参数检测，达到了我们的既定目标，为本系统走向实用化打下了基础。

全文目录


第一章 绪论  8-14
  1．1 LAPS的发展现状  8-12
    1．1．1 生物传感器  8-9
    1．1．2 LAPS简介  9-11
    1．1．3 国外对LAPS的研究  11
    1．1．4 国内对LAPS的研究  11-12
  1．2 课题研究的背景和意义  12-13
  1．3 本文所研究的内容  13-14
第二章 LAPS基本原理  14-26
  2．1 LAPS原理概述  14-15
  2．2 电解质溶液—敏感膜界面  15-17
    2．2．1 非极性界面  15-16
    2．2．2 极性界面  16
    2．2．3 一般情况  16-17
  2．3 EIS结构对光信号的响应  17-21
    2．3．1 光电流的产生  17-18
    2．3．2 少数载流子的扩散对光电流的影响  18-21
  2．4 等效电路  21-22
  2．5 半导体空间电荷区等效电容C_D  22-23
  2．6 表面态对曲线的影响  23-24
  2．7 LAPS的设计原则  24-26
第三章 LAPS控制与测试系统的设计和实现  26-45
  3．1 LAPS控制与测试系统框架  26-27
  3．2 流动进样系统  27-31
    3．2．1 流动进样系统的组成  27-28
    3．2．2 蠕动泵  28
    3．2．3 三通电磁阀  28-29
    3．2．4 电磁阀与蠕动泵的驱动电路  29-30
    3．2．5 流通测量池  30-31
  3．3 光源  31-34
    3．3．1 LED阵列  31-32
    3．3．2 LED阵列驱动电路  32-33
    3．3．3 LED阵列的寻址  33-34
  3．4 单片机控制系统  34-39
    3．4．1 MCS-51单片机  34-35
    3．4．2 程序存储器扩展  35
    3．4．3 对电磁阀与蠕动泵的控制  35-36
    3．4．4 光寻址信号的输出  36-37
    3．4．5 与台式机的通讯  37-38
    3．4．6 单片机控制程序流程  38-39
  3．5 恒电位仪  39-40
  3．6 光电流的检测  40-41
  3．7 锁相放大器  41-42
  3．8 主机控制程序  42-45
    3．8．1 程序简介  42-43
    3．8．2 检测流程  43-45
第四章 LAPS芯片的设计与实现  45-52
  4．1 LAPS芯片的基本结构  45-46
  4．2 LAPS芯片的结构设计  46-48
  4．3 敏感膜的制备  48-52
    4．3．1 酶的固定化方法  48-50
    4．3．2 脲酶的固定  50-51
    4．3．3 青霉素酶的固定  51-52
第五章 系统测试  52-60
  5．1 系统的调试  52-56
    5．1．1 两种厚度的LAPS芯片的比较  52-53
    5．1．2 不同频率下LAPS的光电流响应  53-54
    5．1．3 曲线的线性度  54-56
  5．2 系统性能测试  56-60
    5．2．1 pH值检测  56-57
    5．2．2 尿素与青霉素的浓度检测  57-60
第六章 结论  60-63
  6．1 总结  60-61
  6．2 系统的改进  61-63
参考文献  63-66
发表文章目录  66-67
致 谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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