EIS型光寻址电位传感器的仿真与辨识

摘要

随着生物信息科学、微电子学、敏感材料和微机械加工技术等各学科的不断发展和相互融合,光寻址电位传感器(LAPS)在器件结构、检测技术、高灵敏度、固态化、微型化、智能化和多功能化等方面都得到了深入的研究,并以其制作工艺简单、易于封装、稳定性好、多参数测量和使用寿命长等优点,广泛地应用在生化量检测、环境监测以及免疫测定、酶促反应等研究领域。
　　 本文工作的目的是实现对光寻址电位传感器的仿真和系统辨识。主要工作内容分为理论分析、器件仿真和系统辨识三部分。理论分析方面,通过对敏感膜与电解质溶液所构成的固/液界面电势理论、半导体材料的表面电场效应和光电效应的分析和论述,阐述了LAPS的基本工作原理；器件仿真方面,用MEDICI软件对LAPS中载流子分布、特性曲线等进行了仿真,并分析了氧化层厚度、硅片厚度、光强等参数对特性曲线的影响；系统辨识方面,基于开环对数幅频特性,对LAPS传递函数的辨识进行了初步研究。
　　 随着制备工艺、检测技术的日益成熟,及其在生命科学领域的广泛应用,LAPS具有良好的发展前景和巨大的商业价值。因此LAPS器件仿真和系统辨识方面的研究,对于缩短设计周期、提高系统性能、降低成本具有重要的理论研究和实际应用价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 光寻址电位传感器的发展概况

1.1.1 LAPs系统研究概况

1.1.2 LAPS在生化检测中的应用

1.1.3 EIS型传感器理论研究概况

第二节 本文的工作内容

1.2.1 论文的提出

1.2.2 本文的主要内容及其意义

第二章 LAPS工作原理

第一节 敏感膜/电解质溶液界面理论

2.1.1 双电层模型

2.1.2 Site-binding模型

2.1.3 固/液界面模型在LAPS中的应用

第二节 表面电场效应

第三节 光电效应

2.3.1 光生载流子

2.3.2 光电流的形成

2.3.3 LAPS中的光电流模型

第三章 MEDICI仿真

第一节 仿真工具简介

3.1.1 MEDICI的使用

3.1.2 MEDICI执行的方程

3.1.3 MEDICI的模型选项

3.1.4 计算方法

第二节 LAPS仿真模型

3.2.1 固/液界面模拟

3.2.2 器件结构

3.2.3 光源照射模拟

第三节 仿真结果

3.3.1 载流子分布

3.3.2 光电流与外加偏压的关系

3.3.3 光电流随溶液pH值的变化

3.3.4 光源调制频率的影响

3.3.5 衬底掺杂浓度的影响

3.3.6 光功率的影响

3.3.7 绝缘层厚度的影响

3.3.8 硅片厚度的影响

3.3.9 表面态的影响

第四章 LAPS传递函数的辨识

第一节 系统模型的数学描述

4.1.1 微分方程

4.1.2 传递函数

4.1.3 频率特性

第二节 传递函数的辨识原理

4.2.1 从微分方程到传递函数的转换

4.2.2 从传递函数到频率特性的转换

4.2.3 从幅频特性到传递函数的转换

第三节 LAPS传递函数的辨识

4.3.1 LAPS传递函数的辨识

4.3.2 最小二乘法提高辨识精度

第五章 总结与展望

第一节 工作总结

第二节 展望

参考文献

致谢