[发明专利]一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置及方法

说明书

本发明提供了一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，包括：硅纳米线FET传感器，其上设有待测的目标物；电源装置，其正极和负极之间设有依次串联的限流电阻、硅纳米线FET传感器和负载电容，以对负载电容充放电；ASIC组件，其根据负载电容两端的电压大小将负载电容在充电和放电状态之间切换，根据电压大小输出高低电平，以产生方波信号，获取其频率，得到硅纳米线FET传感器的实时电阻值；和显示装置，设置为接收并显示硅纳米线FET传感器的实时电阻值的数据。本发明还提供了相应的方法。本发明的装置具有体积小、电路结构简单、高效、低成本、低功耗、低温漂、器件无损、检测范围大、自适应能力强和完全不存在失配问题的优点。

技术领域

本发明涉及一种简单、高效的信号处理方法，特别涉及一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置及方法。

背景技术

国家癌症中心发布的癌症年报显示，癌症已经成为人类死亡的第一大因素。据2019年的统计数据显示，恶性肿瘤死亡占国民全部死因的23.91％。平均每天有超过1万人被确诊，每分钟有7.5个人确诊癌症。但事实上早期癌症的10年生存率是很高的。以乳腺癌为例，一期乳腺癌的十年生存率高达80％以上。由于缺乏早期筛查手段，大多癌症患者一经发现便是晚期。因此，为了解决上述问题，必须要寻找针对癌症的高效、廉价且快速的早期筛查手段。基于硅纳米线的生化传感器因其超高的灵敏度，表面修饰的便利性，电信号的直接读出，与标准的CMOS工艺的兼容性等优点，是众多生化传感器中最有希望应用在癌症的大规模早期筛查中的。

由于硅纳米线传感器通常输出的是电压或者电流信号，其输出信号的变化是由于自身阻值的变化导致的，因此测量硅纳米线传感器输出的微弱信号本质上就是为了测量硅纳米线传感器的阻值变化。

当前针对硅纳米线传感器输出的微弱信号一般的处理方法有2种：直接多级放大和匹配电阻分压法。

直接多级放大适应范围广，能处理各种各样的微弱信号，可以解决几乎所有的小信号处理的问题。同时这种方法解决问题的思路也很清晰，一级达不到要求就采用两级放大，两级放大达不到要求就多级放大，多级放大效果还不理想的话就采用锁相放大。因此这种处理方法的缺点也特别明显，由于需要多级放大，因此电路结构复杂，而且为了获得良好的处理效果，通常需要给整个电路提供极其稳定的电源和补偿装置，所以这些因素都会导致整个系统变得非常庞大，整个系统的成本也非常高。由于硅纳米线传感器上需要施加尽可能稳定的激励信号，因此传感器消耗的电能随时间的增加线性增加，而且消耗的电能转化成热能，这会使得硅纳米线的温度升高，带来较为严重的温漂问题。同时由于硅纳米线传感器自身电阻变化范围很大，很容易达到几十甚至上百倍。如果电路放大倍数设置的小，放大结果可能达不到要求，如果电路放大倍数设置的大一些，这种量级的变化通常会导致输出信号的失真，因此直接多级放大的信号处理方法应用到硅纳米线传感器输出信号处理上是不合适的。

相比之下，匹配电阻分压法的电路结构要简单许多，成本随之大幅降低，但是由于硅纳米线传感器的差异，容易出现匹配电阻失配的现象，最终导致传感器灵敏度的损失问题。因此以上两种方法直接应用在硅纳米线传感器信号处理方面都存在一些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置及方法，以降低成本、缩小体积、减小温漂、检测范围大、自适应能力强并且避免电阻失配造成的灵敏度损失。

为了实现上述目的，本发明提供了一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，包括：硅纳米线FET传感器，其上设有待测的目标物；电源装置，其正极和负极之间设有依次串联的限流电阻、所述硅纳米线FET传感器和负载电容，以在电源装置的电源电压下通过硅纳米线FET传感器对负载电容进行充电和放电；ASIC组件，其设置为根据负载电容两端的电压大小将负载电容在充电状态和放电状态之间切换，并根据所述电压大小输出高低电平，以产生频率与硅纳米线FET传感器阻值相关的方波信号，获取该方波信号的频率，根据该频率得到硅纳米线FET传感器的实时电阻值；以及显示装置，其设置为接收并显示所述硅纳米线FET传感器的实时电阻值的数据。