CN105300412A - 一种用于光寻址电位传感器的温度自补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于光寻址电位传感器的温度自补偿方法，利用光寻址电位传感器（<b>LAPS</b><b>）</b>输出饱和光电流大小与环境温度的对应关系，通过提取<b>LAPS</b>输出饱和光生电流对<b>LAPS</b>进行温度自补偿。在温度变化条件下确定LAPS输出饱和光生电流大小与环境温度的对应关系，制定LAPS温度-饱和光生电流特性曲线；从实验数据样本中提取饱和光生电流大小，作为环境温度的输入特征量，通过软件算法建立LAPS温度自补偿模型。LAPS输出经过该温度自补偿融合处理，会根据温度特征量的大小进行温度补偿，并精确检测出被测量参数。实验结果表明，LAPS温度自补偿可以消除温度影响，提高LAPS系统的测试精度，可用于缓冲溶液的ｐH值检测。

Description

一种用于光寻址电位传感器的温度自补偿方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种传感器的温度自补偿方法。
背景技术
光寻址电位传感器(LAPS)是一种电解质-绝缘体-半导体型(Electrolyte-Insulation-Silicon，EIS)结构器件，能检测氧化还原反应、免疫反应、酶促反应等引起表面电位幅值和相位变化的各种参数。目前，研究者在实验室条件下实现了LAPS对细胞、孢子、蛋白质、离子等的检测；但是，这种EIS结构的传感器容易受环境温度的影响，影响LAPS传感器的输出稳定性和测量精度，限制了其实际应用。温度补偿是传感器投入到实际使用要解决的关键技术之一，但目前还没有LAPS温度自补偿方面的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种LAPS温度自补偿方法，它使LAPS在不外接温度传感器的条件下监测温度变化，并通过自身的温度自补偿消除环境温度变化对LAPS性能的影响，提高LAPS的测量精度。
为了解决该技术问题，本发明利用LAPS输出饱和光电流大小与环境温度存在的对应关系，通过提取LAPS输出饱和光电流大小的信息，实现LAPS温度自补偿。
本发明的LAPS检测系统包括LAPS、寻址光源驱动电路、拾取电路、数据处理单元；工作原理基于半导体的内光电效应。当用一定频率的调制光照射硅基底时，在外电路可以检测到交变的光生电流。光生电流的大小与外偏置电压等参数有关，描述光生电流和偏置电压关系的曲线就是LAPS的特性曲线。LAPS与被测电解质溶液接触时会在其表面产生膜电位，膜电位的大小与被测电解质溶液的浓度有关，膜电位改变时，LAPS的偏置电压-光生电流曲线会产生相应的偏移，在外偏置电压和其他参数一定的情况下，曲线的偏移量与溶液中被测电解质的浓度是相关的，因此通过测量曲线的偏移量可以检测出被测电解质的浓度。这种基于半导体结构的传感器容易受环境温度的影响，在实际测试中，需对温度的影响进行补偿。
本专利采用温度自补偿方法，该方法步骤如下：
首先获取LAPS在温度变化条件下被测参数的数据，确定LAPS输出饱和光生电流大小与环境温度的对应关系，制定LAPS温度-饱和光生电流特性曲线。
被测参数可以是缓冲溶液的pH值，也可以是电解质溶液的其他参数。
其次，从实验数据样本中提取饱和光生电流大小，作为环境温度的输入特征量，通过软件算法建立LAPS温度自补偿模型。LAPS输出经过该温度自补偿融合处理，会根据温度特征量的大小进行温度补偿，并精确检测出被测量参数，比如缓冲溶液的pH值。
本发明的特点
1、本发明是利用LAPS输出饱和光电流大小与环境温度存在的对应关系，制定LAPS温度-饱和光电流特性曲线，根据该特性曲线对LAPS进行温度自补偿。
2、本发明LAPS可以在不外接温度传感器的条件下监测温度变化，通过自身的温度自补偿模型对温度影响进行补偿，减少外界环境温度交叉敏感的影响，提高LAPS的检测精度。
附图说明
图1是LAPS温度自补偿原理示意图。
图2是LAPS检测系统示意图。
图3是LAPS在不同温度下偏置电压与输出光电流的特性关系图。
图4是LAPS输出饱和光电流与温度的特性关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明，但并不限于该实施方式。
图1是LAPS温度自补偿原理示意图。采用LAPS系统检测不同温度下的PBS缓冲溶液浓度，通过支持向量机(SVM)算法建立LAPS温度自补偿模型，最后评估温度补偿效果，具体步骤如下：
1.训练样本的获取：图2是LAPS测试系统示意图。通过图2所示的LAPS测试系统，对不同温度(10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃)、不同pH值(pH＝6.00、6.50、7.00、7.50、8.00)的PBS缓冲液各进行5次测试，共测得150组数据样本。
2.特征量提取：利用上述150组实验数据进行特征提取，提取实验数据样本中饱和光电流大小作为环境温度的输入特征量；提取LAPS偏置电压-输出光电流的特性曲线，以归一化后拐点电压偏移量作为缓冲液浓度的特征量。LAPS在不同温度下偏置电压与输出光电流的特性关系图见图3，LAPS输出饱和光电流与温度的特性关系图见图4。
3.制作训练样本和测试样本：分别选取每个温度点、每个pH值缓冲液所测得的5次重复实验中的3次、2次作为训练集和测试集，训练集共90组，测试集共60组。
4.温度自补偿模型的建立：LAPS温度自补偿模型是在MATLAB环境下使用libsvm工具箱建立的。通过径向基核函数把训练样本中LAPS输出饱和区光电流大小与温度间的非线性关系映射到高维的特征空间，在高维空间中用线性回归来实现该映射的非线性处理，对LAPS传感器的温度特性进行非线性逼近。
5.温度补偿效果评估：LAPS测量缓冲液pH值是根据其偏置电压-输出光生电流(V-I)曲线归一化后拐点的电压偏移量来判断的。通过实验对LAPS温度自补偿模型进行评估，在LAPS标定温度20℃附近，选择±1℃、±2℃、±5℃温度变化范围，随机对pH为7.00的缓冲液进行5次测试，表1为LAPS系统温度补偿前后的测试结果对比表。
表1
表1中：
电压偏移量的标准偏差按求取；
LAPS补偿前后输出PH值的标准偏差按求取。
由表1可知，在(20±1)℃、(20±2)℃、(20±5)℃温度变化情况下，经过温度补偿后LAPS系统输出pH值的标准偏差分别为补偿前的1/3、1/4、1/6，说明LAPS温度自补偿大大提高了LAPS系统的测试精度。

Claims (3)

1.一种用于光寻址电位传感器的温度自补偿方法，其特征在于：利用LAPS输出饱和光电流大小与环境温度存在的对应关系，通过提取LAPS输出的饱和光生电流对LAPS进行温度自补偿。
2.根据权利要求1中所述温度自补偿方法，其特征在于：该方法步骤如下：
首先获取LAPS在温度变化条件下被测参数的数据，确定LAPS输出饱和光生电流大小与环境温度的对应关系，制定LAPS温度-饱和光生电流特性曲线；
其次，从实验数据样本中提取饱和光生电流大小，作为环境温度的输入特征量，通过软件算法建立LAPS温度自补偿模型；LAPS输出经过该温度自补偿融合处理，会根据温度特征量的大小进行温度补偿，并精确检测出被测量参数。
3.根据权利要求2中所述温度自补偿方法，其特征在于：所述被测参数是缓冲溶液的pH值。
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