CN101929976B

CN101929976B - 光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统

Info

Publication number: CN101929976B
Application number: CN 201010248890
Authority: CN
Inventors: 王平; 张文; 哈达; 蔡巍; 郭红荪; 赵会欣
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: CN101929976A

Abstract

本发明公开一种光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统，其超辐射发光二极管模块包括超辐射发光二极管、致冷器和热敏电阻；复合反馈光强调制电路包括放大及反馈电路、末级电流放大器和管芯温度检测与控制电路；放大及反馈电路的输出端与末级电流放大器的输入端连接，末级电流放大器的输出端与超辐射发光二极管连接，超辐射发光二极管连接与放大及反馈电路的第一负反馈接口连接，热敏电阻与管芯温度检测与控制电路的输入端连接，管芯温度检测与控制电路的输出端与致冷器连接，超辐射发光二极管、致冷器和热敏电阻之间相互热耦合。本发明的光强随外部输入的电压信号成比例变化，具低失真特性、长期稳定性和温度稳定性。

Description

光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统

技术领域

本发明涉及光寻址电位传感器及其复合反馈光强调制系统，属于化学传感器和生物传感器领域。

背景技术

在化学传感和生物传感中，常使用光寻址电位传感器(light addressablepotentiometric sensors，LAPS)；光寻址电位传感器是功能类似于离子敏场效应管而结构相对简单的一种半导体无源敏感器件，1988年被美国Hafeman等首次提出。光寻址电位传感器由其机理，需要交变的光强照射于传感器表面，产生交变电流；在硅基底上能够方便地实现光激发并可对硅表面进行扫描寻址，从而实现传感器的阵列化、微型化、智能化等要求。LAPS结构有电解质/绝缘层/硅(Electrolyte/Insulation/Silicon，EIS)和金属/绝缘层/硅(Metal/Insulation/Silicon，MIS)两种：EIS结构和MIS结构的差别在于敏感层，EIS结构为离子敏LAPS，一般用于液体测量，而MIS结构为气敏LAPS，一般用于气体的测量。

自LAPS问世至今，经过世界各国研究者的不断努力，LAPS已经在生物、化学、环境等多种领域得到广泛的研究和开发，如已成功地应用于酶标免疫分析系统及体外实时监测活细胞代谢活性的微生理计、检测生物膜电特性等方面。德国和俄罗斯合作对LAPS在离子检测方面的应用进行研究，主要包括利用PVC成膜技术将NO₃ ^-和SO₄ ^2-敏感物成膜于LAPS表面，这两种传感器对NO₃ ^-和SO₄ ^2-的测量限分别可以达到1×10^-5mol/L和3×10^-6mol/L。浙江大学生物传感实验室在此基础上采用PLD技术制备了Hg²⁺，Cr⁶⁺，Fe³⁺硫属薄膜LAPS传感器。采用LAPS作为传感器，在重复性、灵敏度、准确性和响应速度等方面均可获得优良性能。

当用适当波长的光照射半导体时，且若光子的能量大于该半导体的禁带宽度，光子就能把价带电子激发到导带上，产生电子-空穴对。LAPS的基本原理是利用半导体硅的势垒光伏效应。当光从正面或背面方向照射LAPS时，在硅层势垒区域中产生激发载流子，此时如果在LAPS上加偏压，内建场推动异号的剩余载流子向相反方向移动，且在硅层中的载流子在外电场作用下沿电场方向漂移，形成耗尽层(N型硅加负压，P型硅加正压)，靠近耗尽层的电子-空穴对来不及复合，便被分离到耗尽层的两端。如采用强度调制的光源照射，就会产生电子-空穴对的交替变化，就可以在有耗尽层、敏感层以及外电路组成的交流通路中测量到光电流，这个光电流反映了敏感膜的响应。LAPS测量方式总体来说有两种：偏压恒定测量光电流变化和光电流恒定测量电压偏移。最常用的方法是用同一器件测量待测目标的I-V特性曲线，得到曲线沿X轴(偏压)平移的电压，并与标准曲线比较，得到待测物浓度。计算偏移的常用方法是检测特性曲线的二阶导数等于零的点，即特性曲线斜率最大点的偏移。

LAPS光电流信号极弱，需要锁相放大器进行检测。为满足锁相放大器的需要，要求光电流变化尽可能符合正弦信号；由光电效应原理，即需要光源提供稳定、精确的正弦波形的光强输出。

目前，在LAPS测量系统中，对光强调制部分普遍缺乏足够的重视；往往多使用恒流驱动普通发光二极管的形式实现。一方面，受调制方法限制，光强调制精确度较差，增加LAPS测量系统噪声，影响系统的测量下限；另一方面，因普通发光二极管器件光学稳定性不良的原因，导致LAPS测量系统环境稳定性和长期稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统包括超辐射发光二极管模块和复合反馈光强调制电路；所述超辐射发光二极管模块包括超辐射发光二极管、致冷器和热敏电阻；所述复合反馈光强调制电路包括放大及反馈电路、末级电流放大器和管芯温度检测与控制电路；所述放大及反馈电路的输出端与末级电流放大器的输入端连接，所述末级电流放大器的输出端与超辐射发光二极管连接，所述超辐射发光二极管连接与放大及反馈电路的第一负反馈接口连接，所述热敏电阻与管芯温度检测与控制电路的输入端连接，所述管芯温度检测与控制电路的输出端与所述致冷器连接，所述超辐射发光二极管、致冷器和热敏电阻之间相互热耦合。

进一步地，本发明所述超辐射发光二极管模块还包括光强检测用光电二极管，所述光强检测用光电二极管与放大及反馈电路的第二负反馈接口连接。

进一步地，本发明所述复合反馈光强调制电路还包括过流保护电路、过温保护电路、软启动电路中的任一种或任几种，所述过流保护电路的输入端与所述末级电流放大器中的采样电阻连接，所述过流保护电路的输出端与所述超辐射发光二极管连接；所述过温保护电路的输入端与所述管芯温度检测与控制电路的温度采样电桥连接，所述过温保护电路的输出端与所述超辐射发光二极管连接；所述软启动电路的输出端与所述超辐射发光二极管连接。

进一步地，本发明所述过流保护电路的两个输出端分别与所述超辐射发光二极管的两个管脚连接。

进一步地，本发明所述过温保护电路的两个输出端分别与所述超辐射发光二极管的两个管脚连接。

进一步地，本发明所述软启动电路的两个输出端与分别所述超辐射发光二极管的两个管脚连接。

本发明的有益效果是：(1)由于超辐射发光二极管、致冷器和热敏电阻之间相互热耦合，而在应用过程中超辐射发光二极管结温恒定，因此整个复合反馈光强调制系统具有长期稳定性及温度稳定性优良的特点。(2)本发明复合反馈光强调制系统的光强随外部输入的电压信号(通常为正弦信号)的变动而成比例变化，电压反馈、电流反馈和光强反馈的引入，保证被调制光的光强输出精密准确。(3)本发明引入过流保护、过温保护和软起动保护等保护电路，可以提高复合反馈光强调制系统的可靠性和安全性；并且，各种保护电路均分别与超辐射发光二极管的两个管脚连接，以独特的短路方式实现，保护电路之间互不影响，可以根据需要柔性搭配。

附图说明

图1是光寻址电位传感器的光强精密调制系统的结构框图；

图2是超辐射发光二极管模块结构图；

图3是放大及反馈电路原理图；

图4是末级电流放大器电路原理图；

图5是管芯温度检测及控制电路原理图；

图6是软启动电路、过流保护电路、过温保护电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明由复合反馈光强调制电路1和超辐射发光二极管模块2组成。参考图1，复合反馈光强调制电路1主要包括放大及反馈电路7、末级电流放大器8和管芯温度检测及控制电路9。参看图1及图2，超辐射发光二极管模块2的主要功能部件包括超辐射发光二极管3、致冷器5和热敏电阻6，且超辐射发光二极管3、致冷器5和热敏电阻6被封装在由输出光纤13、管壳14和引线15组成的通用模块外壳内。放大及反馈电路7的输出端与末级电流放大器8的输入端连接，末级电流放大器8的输出端与超辐射发光二极管3连接，热敏电阻6与管芯温度检测与控制电路9的输入端连接，管芯温度检测与控制电路9的输出端与致冷器5连接。参看图2，超辐射发光二极管3和热敏电阻6均置于致冷器5工作面上，使得超辐射发光二极管3、致冷器5和热敏电阻6之间相互形成良好的热耦合。超辐射发光二极管模块2产生的调制光由输出光纤13引出并照射于光寻址电位传感器工作面。

热敏电阻6可检出超辐射发光二极管模块1内部温度变动，并送至管芯温度检测及控制电路9；管芯温度检测及控制电路9驱动致冷器5(致冷器随电流方向不同，在其工作面致冷或致热)，调整超辐射发光二极管3和热敏电阻6温度；外部输入信号作为同相信号加至放大及反馈电路7输入端，并经由末级电流放大器8驱动超辐射发光二极管3；超辐射发光二极管3PN结电压、PN结电流信号作为负反馈信号加至放大及反馈电路7，使超辐射发光二极管3输出光功率与外部输入信号成比例变化。

图3所示的是本发明放大及反馈电路7的原理图。外部输入信号经由运算放大器(以下简称运放)U101、U102两级同相放大后输出至末级电流放大器8。使用场效应管J101/J102和J103/J104分别对超辐射发光二极管3正极和负极的电压信号进行缓冲，并将其电压差(即超辐射发光二极管3PN结电压)作为由Q101作为放大器件的共基级放大电路的输入信号，输出也经由电阻R112接至运放U101反相输入端。运放U102的反相输入端接至超辐射发光二极管3负极(由图4可以看出，超辐射发光二极管3电流几乎全部经由采样电阻R209至地)，因此运放U102是以超辐射发光二极管3PN结电流变化作为负反馈信号。

图4所示的是本发明末级电流放大器8的原理图。Q201/Q205作为第一级，第一级的电流由等值的R206/R207(设阻值为r1)决定，即(12V-Vbe1)/r1，其中Vbe1为对应晶体管发射结电压降；Q202/Q206作为第二级，共同构成电流模电路；Q203/Q204/Q207/Q208组成晶体管射级跟随器。R209是超辐射发光二极管3的电流采样电阻。采用电流模+射级跟随器的形式实现电流放大，具有工作点稳定、频幅特性平直的优点。

图5所示的是本发明管芯温度检测及控制电路9的原理图。温度检测电桥的一臂由热敏电阻6构成。热敏电阻6具有负温度特性。若检测到温度升高，热敏电阻6阻值降低，则运放U301输出端电压升高，U302输出端电压降低，U301/U302共同驱动输出全桥，使致冷器5流经由上至下的电流并致冷，从而降低置于致冷器5工作面上的超辐射发光二极管3、光强检测用光电二极管4和热敏电阻6温度；若检测到温度降低，则致冷器5电流方向由下至上，致冷器工作面致热。通常小型致冷器均对过电压、过电流十分敏感，不正确使用易导致致冷器损坏。电路中同型号稳压二极管Z301/Z302反向串联，保证输出全桥的输入端的任意瞬间电压不超过稳压二极管的反向稳定电压和正向导通电压之和；另依据全桥电路的结构，输出端电压与输入端电压近似相等；因此选择合适参数的稳压二极管，可以对致冷器5提供过电压保护。另外，输出全桥每一臂均有过流保护，仅以包括晶体管Q303的一臂为例，设R315电阻为r2，若Q303电流超过限定值i1，则Q301导通，分流Q303基级输入电流，使Q303发射级电流降低至限定值i1，i1由Vbe2/r2决定，Vbe3为晶体管Q301发射结电压降。按照上述方法，可以对致冷器5提供过电流保护。

参看图1和图2，超辐射发光二极管模块2还可以包括光强检测用光电二极管4：光强检测用光电二极管4也置于致冷器5工作面上，与超辐射发光二极管3和热敏电阻6进行热耦合，并与超辐射发光二极管3进行光耦合。光强检测用光电二极管4电流变动分量也作为放大及反馈电路7的反相输入信号的一部分。如图3例子所示，若超辐射发光二极管3输出光强增大，则光强检测用光电二极管4电流变大，运放U103输出端电压升高，使运放U101、U102输出电压降低，并促使末级电流放大器8降低输出电流，实现负反馈过程；超辐射发光二极管3光强减小情况以此类推。在以电压反馈和电流反馈为基础的系统中，引入光强反馈环节，可以更进一步提高调制精度。

根据具体使用条件的不同，本发明的复合反馈光强调制电路1还可选用软启动电路10、过温保护电路11、过流保护电路12中的一种或几种。例如，在气温恒定且开关机次数较少的实验室环境，可以仅加入过流保护电路12；在室外测试环境下，为了保证系统可靠性，需要加入软启动电路10、过温保护电路11、过流保护电路12。

作为本发明的一种实施方式，图6所示的电路实现了三个功能，即对超辐射发光二极管3提供软启动保护、过流保护和过温保护(软启动电路10、过温保护电路11、过流保护电路12)。过流保护电路12的输入端与末级电流放大器8中的采样电阻连接，过流保护电路12的输出端与超辐射发光二极管3连接；过温保护电路11的输入端与管芯温度检测与控制电路9的温度采样电桥连接，过温保护电路11的输出端与超辐射发光二极管3连接；软启动电路10的输出端与超辐射发光二极管3连接。在开机至上电后1分钟的时间段，C401充电，Q405导通，并致使Q406导通，使继电器Relay 401动作，保护超辐射发光二极管3不被开机后短时间内可能出现的不稳定驱动信号损坏；在1分钟之后，C401充电完毕，Q405/Q406截止，继电器Relay 401复位，超辐射发光二极管3得到正常驱动信号。若因光强精密调制电路2的输入电压信号过大或电路故障，导致超辐射发光二极管3工作电流超过允许值，则该电流通过采样电阻R209(见图4)被U403同相输入端检出。此时U403输出高电平，Q403导通，继电器Relay402动作，保护超辐射发光二极管3。在Q403导通后，Q404也随之导通，且Q403/Q404的导通状态不会因U403输出电平变化而改变。这种锁定电路，可以起到提醒使用者检查系统输入信号设置和系统工作状态是否正常。处于锁定状态的Q403/Q404可以通过关机并重新加电进行解锁。过温保护流程如下：设检测到温度超出允许温度(以温度过高为例)，参考图5、图6，则热敏电阻6阻值降低，节点High Limit电位高于节点Ref电位，运放U401输出高电平，Q401导通，继电器Relay 401动作实现过温保护；可以类推温度过低情况，不同之处在于运放U402输出高电平和Q402导通。

过流保护电路12的两个输出端分别与超辐射发光二极管3的两个管脚连接；过温保护电路11的两个输出端与超辐射发光二极管3的两个管脚连接；软启动电路10的输出端与超辐射发光二极管3的两个管脚连接。各种保护电路对超辐射发光二极管3的保护均以独特的短路超辐射发光二极管3的PN结的形式实现，彼此之间互不影响。以下以图6为例具体说明。

如图6所示，软启动保护、过流保护和过温保护均通过继电器Relay 401和Relay 402动作实现。继电器Relay 401和Relay 402两个输出脚分别与超辐射发光二极管3的两管脚连接。软启动电路10动作，则使继电器Relay 401动作，动触点连接下方静触点，短路超辐射发光二极管3PN结，保护超辐射发光二极管3不被开机后短时间内可能出现的不稳定驱动信号损坏；过流保护电路12动作时，同样由继电器Relay 402动作，短路超辐射发光二极管3PN结，保护超辐射发光二极管3；过温保护电路11动作时，则由继电器Relay 401动作，短路超辐射发光二极管3PN结，保护超辐射发光二极管3。需要说明，在此以短路的形式实现保护功能，能保证各保护电路模块化组合而不互相干涉；对超辐射发光二极管3的保护也可以使用断开末级电流放大器8与超辐射发光二极管3的方法实现，但电路需要部分改动，且会对各保护电路的自由组合产生不良影响。

在图3、图4和图6中，标注为Net A的公共节点均连接在一起，标注为Net B的公共节点连接在一起；图3、图4中的Net C公共节点连接在一起；图5、图6中的High Limit公共节点连接在一起，Low Limit公共节点连接在一起，Ref公共节点连接在一起。

另外，图3的光强负反馈、PN结电压负反馈、PN结电流负反馈的权重不同，以电流反馈为主导；在短路超辐射发光二极管3PN结的保护过程中，PN结电流负反馈的采样电阻依然流经采样电流(电流经自末级电流放大器8输出，由继电器短路环、采样电阻至地)；虽然此时因为光强负反馈、电压负反馈的反馈量降低或消失而导致末级电流放大器8的输出电流增大，但电流会被PN结电流负反馈环节限制在设计允许范围内，不会导致系统过载或损坏。

Claims

1.一种光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统，其特征是：所述系统包括超辐射发光二极管模块和复合反馈光强调制电路；所述超辐射发光二极管模块包括超辐射发光二极管、致冷器和热敏电阻；所述复合反馈光强调制电路包括放大及反馈电路、末级电流放大器和管芯温度检测与控制电路；所述末级电流放大器采用电流模与射极跟随器的形式实现电流放大；所述放大及反馈电路的输出端与末级电流放大器的输入端连接，所述末级电流放大器的输出端与超辐射发光二极管连接，所述超辐射发光二极管的两端均与放大及反馈电路的第一负反馈接口连接，并以所述超辐射发光二极管的正极和负极的电压差作为放大及反馈电路的第一负反馈接口的输入信号；所述热敏电阻与管芯温度检测与控制电路的输入端连接，所述管芯温度检测与控制电路的输出端与所述致冷器连接，所述超辐射发光二极管、致冷器和热敏电阻之间相互热耦合。

2.根据权利要求1所述的光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统，其特征是：所述超辐射发光二极管模块还包括光强检测用光电二极管，所述光强检测用光电二极管与放大及反馈电路的第二负反馈接口连接。

3.根据权利要求1或2所述的光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统，其特征是：所述复合反馈光强调制电路还包括过流保护电路、过温保护电路、软启动电路中的任一种或任几种，所述过流保护电路的输入端与所述末级电流放大器中的采样电阻连接，所述过流保护电路的输出端与所述超辐射发光二极管连接；所述过温保护电路的输入端与所述管芯温度检测与控制电路的温度采样电桥连接，所述过温保护电路的输出端与所述超辐射发光二极管连接；所述软启动电路的输出端与所述超辐射发光二极管连接。

4.根据权利要求3所述的光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统，其特征是：所述过流保护电路的两个输出端分别与所述超辐射发光二极管的两个管脚连接。

5.根据权利要求3所述的光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统，其特征是：所述过温保护电路的两个输出端分别与所述超辐射发光二极管的两个管脚连接。

6.根据权利要求3所述的光寻址电位传感器的复合反馈光强调制系统，其特征是：所述软启动电路的两个输出端与分别所述超辐射发光二极管的两个管脚连接。