CN113960144A - 一种硅纳米线fet传感器阻值的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置及方法

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。

优选地，所述ASIC组件包括阻值频率转换模块、触发模块、定时模块、计数模块、逻辑控制模块和通信模块；所述阻值频率转换模块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，以产生频率与所述硅纳米线FET传感器阻值相关的方波信号；所述触发模块设置为根据阻值频率转换模块产生的方波信号进行边沿触发或者电平触发，给逻辑控制模块提供一个开始信号；所述定时模块设置为根据系统时钟设定定时周期，并在每个定时周期结束后向逻辑控制模块发送信号；所述计数模块设置为对定时模块向逻辑控制模块发送信号的次数进行计数，并将最终计数值发送给逻辑控制模块；所述逻辑控制模块设置为读取相邻两次触发之间的计数模块的计数值，根据所述计数值和定时周期得到方波信号的频率，并利用方波信号的频率计算出硅纳米线FET传感器的实时电阻值；所述通信模块设置为从逻辑控制模块获取硅纳米线FET传感器的实时电阻值发送给显示装置。

优选地，所述阻值频率转换模块具有第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；第一接口连接电源装置的正极以接收电源电压V_CC，且第四接口连接电源装置的负极，第二接口连接在限流电阻和硅纳米线FET传感器的连接点；第三接口连接在硅纳米线FET传感器和负载电容的连接点；所述阻值频率转换模块包括第一比较器、第二比较器、锁存器、反相器和晶体管；第一比较器和第二比较器均具有第一输入端和第二输入端；第一比较器和第二比较器的第一输入端均与第三接口连接，第一比较器的第二输入端连接提供第一参考电压V_H的第一参考电压端，第二比较器的第二输入端连接提供第二参考电压V_L的第二参考电压端，第一参考电压V_H大于第二参考电压V_L，且第一参考电压V_H和第二参考电压V_L均小于电源电压V_CC；SR锁存器的复位端与所述第一比较器的输出端连接，SR锁存器的置位端与所述第二比较器的输出端连接，锁存器的反向输出端同时与所述反相器的输入端和所述晶体管的栅极连接；所述晶体管的漏极连接阻值频率转换模块的第二接口，其源极接地。

优选地，所述第一接口与地之间设有依次串联的第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点为用于提供第一参考电压V_H的第一参考电压端，第二分压电阻和第三分压电阻的连接点为用于提供第二参考电压V_L的第二参考电压端。

优选地，依据第一分压电阻R₂、第二分压电阻R₃和第三分压电阻R₄获取第一参考电压V_H和第二参考电压V_L，第一参考电压V_H为(R₃+R₄)/(R₂+R₃+R₄)V_CC，第二参考电压V_L为R₄/(R₂+R₃+R₄)V_CC；

所述方波信号的频率为：

其中，T为方波信号的周期，f为方波信号的频率，R₁为限流电阻的阻值，R_SiNW为硅纳米线FET传感器阻值，C为负载电容的容值。

另一方面，本发明提供一种硅纳米线FET传感器阻值的测量方法，包括：

S1：搭建上文所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，以利用其电源装置并通过硅纳米线FET传感器对负载电容进行充放电；

S2：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，在此过程中，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；

S3：获取该方波信号的频率；

S4：利用方波信号的频率得到硅纳米线FET传感器的实时电阻值；

S5：将硅纳米线FET传感器的实时电阻值的数据发送给显示装置，显示装置接收到数据以后，将数据的波形实时显示。

在所述步骤S1中，搭建所述硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，包括：

S11：提供一ASIC组件，确定ASIC组件能够定时的最小时间单元；

S12：计算负载电容充放电的时间常数，依据硅纳米线FET传感器自身的阻值选择合适的负载电容和定时周期，所述定时周期为最小时间单元的整数倍，以确保充放电的时间常数和定时周期相匹配；

S13：将限流电阻、硅纳米线FET传感器和负载电容依次串联，并接在电源装置的正极和负极之间；

S14：将ASIC组件的第一接口、第二接口、第三接口和第四接口依次连接电源装置的正极、限流电阻和硅纳米线FET传感器的连接点、硅纳米线FET传感器和负载电容的连接点、以及电源装置的负极；并将ASIC组件与一显示装置连接。

在所述步骤S2中，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，包括：

S21：利用第一比较器和第二比较器监测负载电容两端的电压；

S22：当第一比较器监测到负载电容两端的电压大于等于第一参考电压V_H时，对负载电容放电，且使得最终的输出为低电平；同时当第二比较器监测到电压小于等于第二参考电压V_L时，对负载电容充电，且使得最终的输出为高电平。

所述步骤S3具体包括：

S31：利用触发模块来对所述方波信号进行触发，在每一次触发时，使触发次数加1；

S32：若当前的触发次数非2，则开始计数操作以开始记录定时周期的数目并回到步骤S31；否则，停止计数、读取计数值并将触发次数清零；

S33：根据所述计数值和定时周期得到方波信号的频率。

本发明的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置利用负载电容两端的电压大小输出高度电平来产生频率与硅纳米线FET传感器阻值相关的方波信号，其相比于多级放大和匹配电阻分压的方法，避免了直接多级放大所带来的电路结构复杂、系统庞大的问题，整个电路结构比较简单，易于维护，成本低，因此利用这种方法搭建的检测系统具备小型化的优势；且由于不存在匹配电阻，因此完全不存在匹配电阻失配造成的灵敏度损失的问题。

综上所述，本发明的方法利用信号频率测量硅纳米线传感器阻值，非常适合应用在癌症的大面积早期筛查中。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置的结构示意图；

图2是如图1所示的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置的ASIC组件的外部连接示意图；

图3是如图1所示的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置的ASIC组件的内部框图；

图4是如图1所示的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置的ASIC组件的阻值频率转换模块的内部结构示意图；

图5是负载电容两端的电压和反相器的输出端输出的方波波形的波形示意图；

图6是获取方波信号的频率的具体流程图；

图7是实验结果中的实时电阻值的检测结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置

如图1所示为根据本发明的第一实施例的一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，所述测量装置利用信号频率来进行测量。所述测量装置包括：电源装置100、与电源装置100相连的硅纳米线FET传感器200、与电源装置100和硅纳米线FET传感器200均相连的ASIC组件300、以及与ASIC组件300相连的显示装置400。

其中，所述硅纳米线FET传感器(SiNW)200上设有待测的目标物，其中，目标物可以是气体，或者液体，其滴加于硅纳米线传感器上，以改变硅纳米线传感器阻值。因此，硅纳米线FET传感器200阻值受到待测的目标物的调制，可以在电源装置100的电源电压下将硅纳米线FET传感器200阻值转换成敏感的电信号形式的阻值相关信号。

电源装置100用于为整个硅纳米线FET传感器阻值的测量装置提供电能。在本实施例中，电源装置100的正极和负极之间设有依次串联的限流电阻R1、硅纳米线FET传感器200(其阻值为R_SiNW)和负载电容C，以在电源装置100的电源电压下通过硅纳米线FET传感器200对负载电容C进行充电和放电。

ASIC组件300设置为根据负载电容C两端的电压大小将负载电容C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，以产生频率与所述硅纳米线FET传感器200阻值相关的方波信号，获取该方波信号的频率值，并根据该频率值得到硅纳米线FET传感器200的实时电阻值。由此，将硅纳米线FET传感器200阻值转换成电信号形式的阻值相关信号，所述阻值相关信号为负载电容C两端的电压。

显示装置400设置为接收并显示ASIC组件300发送的硅纳米线FET传感器200的实时电阻值的数据。

如图3所示，ASIC组件300包括阻值频率转换模块310，所述阻值频率转换模块310设置为根据负载电容C两端的电压大小将负载电容C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，以产生频率与所述硅纳米线FET传感器200阻值相关的方波信号。

如图2所示为ASIC组件300的外部连接示意图，其示出了ASIC组件300与电源装置100和硅纳米线FET传感器200的连接情况。ASIC组件300的阻值频率转换模块310具有四个接口，ASIC组件300通过阻值频率转换模块310与所述电源装置100、限流电阻R1、硅纳米线FET传感器200和负载电容C相连。具体来说，阻值频率转换模块310的四个接口分别为第一接口F1、第二接口F2、第三接口F3和第四接口F4，第一接口F1连接电源装置100的正极以接收电源电压V_CC，且第四接口F4接地(即连接电源装置100的负极)，用于为ASIC组件300供电。由于电源装置100的正极和负极之间设有依次串联的限流电阻R1、硅纳米线FET传感器200(其阻值为R_SiNW)和负载电容C，从而形成了一阶动态电路，负载电容C两端的电压是动态的。第二接口F2连接在限流电阻R1和硅纳米线FET传感器200的连接点，以通过硅纳米线FET传感器200进行充放电；第三接口F3连接在硅纳米线FET传感器200和负载电容C的连接点，以检测负载电容C两端的电压。

如图4所示为ASIC组件300的阻值频率转换模块310的内部结构示意图。所述阻值频率转换模块310包括第一比较器311、第二比较器312、锁存器313、反相器314和晶体管315。反相器314的输出端为整个阻值频率转换模块310的输出端。

第一比较器311和第二比较器312均具有第一输入端和第二输入端。第一比较器311和第二比较器312的第一输入端均与阻值频率转换模块310的第三接口F3连接，以接收负载电容C两端的电压。第一比较器311的第二输入端连接提供第一参考电压V_H的第一参考电压端，第二比较器312的第二输入端连接提供第二参考电压V_L的第二参考电压端，从而使得第一比较器311和第二比较器312分别接收固定的第一参考电压V_H和第二参考电压V_L，第一参考电压V_H大于第二参考电压V_L，且第一参考电压V_H和第二参考电压V_L均小于电源电压V_CC。

在本实施例中，连接电源电压VCC的第一接口F1与地之间设有依次串联的第一分压电阻R₂、第二分压电阻R₃和第三分压电阻R₄，第一分压电阻R₂和第二分压电阻R₃的连接点为用于提供第一参考电压V_H的第一参考电压端，第二分压电阻R₃和第三分压电阻R₄的连接点为用于提供第二参考电压V_L的第二参考电压端。由此，依据第一分压电阻R₂、第二分压电阻R₃和第三分压电阻R₄的阻值，来获取第一参考电压V_H、第二参考电压V_L的大小，第一参考电压V_H为(R₃+R₄)/(R₂+R₃+R₄)V_CC，第二参考电压V_L为R₄/(R₂+R₃+R₄)V_CC。在本实施例中，第一分压电阻R₂、第二分压电阻R₃和第三分压电阻R₄这三者的阻值相同，因此，第一参考电压V_H为2/3个V_CC，第二参考电压V_L为1/3个V_CC。

SR锁存器313的复位端R与所述第一比较器311的输出端连接，SR锁存器313的置位端S与所述第二比较器312的输出端连接，锁存器313的反向输出端

同时与所述反相器314的输入端和所述晶体管315的栅极连接。所述晶体管315的漏极连接阻值频率转换模块310的第二接口F2，其源极接地，从而通过栅极的电平控制晶体管315的通断，进而使得负载电容C在放电状态和充电状态之间切换。反相器314用于将信号反相并提高驱动能力。

在本实施例中，结合图4所示的ASIC组件300的阻值频率转换模块310的内部结构，阻值频率转换模块310的具体的工作原理如下：

电源电压VCC通过硅纳米线FET传感器200阻值R_SiNW和限流电阻R1对负载电容C进行充电，当负载电容C两端的电压上升至大于或者等于第一参考电压V_H(在本实施例中，第一参考电压V_H为2/3个V_CC)后，芯片内部的第一比较器311的输出端输出高电平，SR锁存器313的复位端R有效，锁存器313的输出端Q输出低电平，因此其反向输出端

输出高电平，反向输出端

的输出经过反相器314后，反相器314的输出端输出低电平。同时，晶体管315的栅极接收到来自SR锁存器313的反向输出端

输出的高电平，其源极和漏极导通，因此负载电容C经过硅纳米线FET传感器200阻值R_SiNW放电，以使得负载电容C两端的电压下降。

当负载电容C两端的电压下降至小于或等于第二参考电压V_L(在本实施例中，为1/3个V_CC)后，此时芯片内部的第二比较器312输出高电平，SR锁存器的置位端S有效，锁存器的输出端Q输出高电平，反向输出端

输出低电平，反向输出端

的输出经反相器314反相以后，反相器314的输出端输出高电平。同时，晶体管315的栅极接收到来自SR锁存器313的反向输出端

输出的低电平，其源极和漏极截止，电源电压V_CC再次通过硅纳米线FET传感器200阻值R_SiNW和限流电阻R1对负载电容C进行充电，以使得负载电容C两端的电压再次上升。由此，电路完成一个完整的工作周期。

在对负载电容C进行充电过程中，反相器314输出高电平信号，对负载电容C进行放电过程中，反相器314输出低电平。因此，负载电容C两端的电压和反相器314的输出端的波形如图5所示，负载电容C两端的电压V_C为电信号形式的阻值相关信号，V_OUT为反相器314的输出端所产生的方波信号。

因此，随着充放电过程的进行，反相器4的输出端的输出为频率与所述硅纳米线FET传感器200阻值R_SiNW相关的方波信号，方波信号的频率和占空比计算方法如下：

对负载电容C进行充电过程所用时间的计算方法：

t₁＝k₁·(R₁+R_SiNW)·C，

其中，t₁为负载电容的充电时间，R₁为限流电阻，R_SiNW为硅纳米线FET传感器200阻值，C为负载电容的容值，k₁是时间常数。

需要说明的是，在本实施例中，由于第一参考电压V_H为2/3个V_CC，第二参考电压V_L为1/3个V_CC时，所采用的时间常数k₁＝0.693。

对电容进行放电过程所用时间的计算方法：

t₂＝k₁·R_SiNW·C，

其中，t₂为负载电容的充电时间，R_SiNW为硅纳米线FET传感器200阻值，C为负载电容的容值，k₁是时间常数。

需要说明的是，在本实施例中，由于第一参考电压V_H为2/3个V_CC，第二参考电压V_L为1/3个V_CC时，所采用的时间常数k₁＝0.693。

阻值频率转换模块310的输出端所产生的方波信号的振荡周期为：

T＝t₁+t₂，

其中，T为方波信号的震荡周期。

因此，阻值频率转换模块310的输出端所产生方波信号的振荡频率(即频率)为：

其中，T为方波信号的震荡周期，f为方波信号的振荡频率，R₁为限流电阻的阻值，R_SiNW为硅纳米线FET传感器200阻值，C为负载电容的容值。

由此，可知硅纳米线FET传感器200阻值和该方波信号的频率之间的数学关系。

此外，所述ASIC组件300还包括触发模块320、逻辑控制模块330、定时模块340(包括系统时钟的晶振和分频器，因此具有最小时间单元)、计数模块350和通信模块360。ASIC组件300通过通信模块360与ASIC组件300外部的显示装置400相连，用于和显示装置400进行通信，其设置为从逻辑控制模块330获取硅纳米线FET传感器的实时电阻值发送给显示装置400，因此整个ASIC组件300直到实时电阻值的数据获取完毕，才会通过通信模块360向显示装置400发送数据。

触发模块320、定时模块340、计数模块350和、逻辑控制模块330共同实现了对方波信号的周期进行计数，进而获取方波信号的频率的功能。所述触发模块320与阻值频率转换模块310的输出端(即反相器314的输出端)连接，其设置为根据阻值频率转换模块310产生的方波信号进行边沿触发或者电平触发，给逻辑控制模块330提供一个开始信号。所述触发模块320上设有多种触发方式以供选择(例如，上升沿触发或者下降沿触发)，以在方波信号触发时使触发次数加一。所述定时模块340设置为根据系统时钟设定定时周期，并在每个定时周期结束后向逻辑控制模块330发送信号，由此，可以通过逻辑控制模块330的判断向计数模块350提供定时周期以作为计数模块350跳动的时间间隔，定时周期为系统时钟所限定的最小时间单元的整数倍。负载电容C的阻值设置为使得充放电的时间常数τ＝R_SiNWC与所述定时周期相匹配，即保证充放电的时间常数是定时周期的数倍以上。为了检测效果较好，定时周期的倍数值通常至少为10，但是倍数值可以不是整数。所述计数模块350设置为对定时模块向逻辑控制模块发送信号的次数进行计数，并将最终的计数值发送给逻辑控制模块。逻辑控制模块330设置为读取相邻两次触发之间(即触发模块320提供的相邻两次开始信号之间)的计数模块的计数值，根据所述计数值和定时周期得到方波信号的频率，并利用方波信号的频率计算出硅纳米线FET传感器的实时电阻值。

由此，利用所述触发模块320、逻辑控制模块330、计数模块350和定时模块340可以测量相邻两次触发的时间差，该时间差即为输出信号的周期，因此只需要利用逻辑控制模块330、计数模块350和定时模块340测量两次触发之间的时间间隔再通过逻辑控制模块330运算，即可得到方波信号的周期。

如图6所示为获取方波信号的频率的具体流程图。

获取方波信号的频率，具体包括：

步骤S31：利用触发模块320来对反相器输出的方波信号进行触发，在每一次触发时，使触发次数加1；触发次数的记录由逻辑控制模块330内部的寄存器来完成；

步骤S32：根据当前的触发次数，若当前的触发次数非2，来开始计数操作以开始记录定时周期的数目并回到步骤S31，否则，停止计数、读取计数值并将触发次数清零。

具体来说，判断当前的触发次数是否为2，若当前的触发次数非2，则判断结果为否，说明当前是ASIC组件300内部的触发模块320第一次触发，则开始计数操作，即ASIC组件300开始准备计数模块350的计数工作；否则，说明当前的触发次数为2，则停止计数并读取计数值。这样，计数值的大小刚好相当于相邻两次触发信号之间(即一个周期内)的计数值。由此，在方波信号第一次出现上升沿(或者下降沿)时，开始记录定时周期的数目；在方波信号再次出现上升沿(或者下降沿)时，停止记录。

其中，开始计数操作，包括：开始设定定时周期，并且计数模块350开始计数。其中，定时周期为最小时间单元的整数倍。

第二实施例硅纳米线FET传感器阻值的测量方法

根据本发明的第二实施例，本发明还提供一种硅纳米线FET传感器阻值的测量方法，其基于信号频率测量来实现，所述方法包括：

步骤S1：搭建上文所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，以利用其电源装置100并通过硅纳米线FET传感器200对负载电容C进行充放电，从而在电源装置100的电源电压下将硅纳米线FET传感器200阻值转换成电信号形式的阻值相关信号；

由此，可以在电源装置100的电源电压V_CC下将硅纳米线FET传感器200阻值转换成负载电容C的充放电电压，该充放电电压作为电信号形式的阻值相关信号。理论上硅纳米线FET传感器200阻值只是影响负载电容C的充放电频率，不影响负载电容C两端的电压的最大值。

在所述步骤S1中，搭建所述硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，包括：

步骤S11：提供一ASIC组件300，确定ASIC组件300能够定时的最小时间单元；其中，最小时间单元由晶振来提供。

步骤S12：计算负载电容C充放电的时间常数τ＝R_SiNWC，依据硅纳米线FET传感器200自身的阻值(即不含目标物时的阻值)选择合适的负载电容C和定时周期，所述定时周期为最小时间单元的整数倍，以确保充放电的时间常数τ和定时周期相匹配，即保证电路充放电的时间常数是定时周期的最小单元的数倍以上。倍数通常至少为10。

步骤S13：将限流电阻R1、硅纳米线FET传感器200和负载电容C依次串联，并接在电源装置100的正极和负极之间。

步骤S14：将ASIC组件300的第一接口、第二接口、第三接口和第四接口依次连接电源装置100的正极、限流电阻R1和硅纳米线FET传感器200的连接点、硅纳米线FET传感器200和负载电容C的连接点、以及电源装置100的负极；并将ASIC组件300与一显示装置400连接。

步骤S2：在电源装置100的电源电压下通过硅纳米线FET传感器200对负载电容C进行充电和放电，在此过程中，根据负载电容C两端的电压大小将负载电容C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，以产生频率与所述硅纳米线FET传感器200阻值相关的方波信号；

在所述步骤S2中，根据负载电容C两端的电压大小将负载电容C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，包括：

步骤S21：利用第一比较器311和第二比较器312监测负载电容C两端的电压；

步骤S22：当第一比较器311监测到负载电容C两端的电压大于等于第一参考电压V_H时，对负载电容C放电，且使得最终的输出为低电平；同时当第二比较器312监测到电压小于等于第二参考电压V_L时，对负载电容C充电，且最终的输出为高电平。

具体来说，所述第一比较器311的输出端与SR锁存器313的复位端R连接，所述第二比较器312的输出端与SR锁存器313的置位端S连接，且锁存器313的反向输出端

同时与反相器314的输入端和晶体管315的栅极连接，且电容的充电和放电利用所述SR锁存器313的输出端或反向输出端控制晶体管来实现。在本实施例中，当RS锁存器313输出低电平时，晶体管315打开，负载电容C进行放电，当RS锁存器输出高电平时，晶体管315关闭，负载电容C进行充电；当第一比较器311监测到电压高于V_H时，第一比较器311输出高电平，RS锁存器3的输出端Q输出低电平，因此其反向输出端

输出高电平，反向输出端

的输出经过反相器314后，反相器314的输出端输出低电平(即测量电路300最终的输出为低电平)，同时，晶体管315的栅极接收到来自SR锁存器313的反向输出端

输出的高电平，其源极和漏极导通，从而对负载电容放电。当负载电容C两端的电压下降至小于或等于第二参考电压V_L(在本实施例中，为1/3个V_CC)后，此时芯片内部的第二比较器312输出高电平，SR锁存器的置位端S有效，锁存器的输出端Q输出高电平，反向输出端

输出低电平，反向输出端

的输出经反相器314反相以后，反相器314的输出端输出高电平(即测量电路300最终的输出为高电平)。同时，晶体管315的栅极接收到来自SR锁存器313的反向输出端

输出的低电平，其源极和漏极截止，从而对负载电容C充电。

步骤S3：获取该方波信号的频率；

所述步骤S3通过触发模块320、定时模块340、计数模块350和逻辑控制模块330来实现。所述触发模块320设置为根据阻值频率转换模块310产生的方波信号进行边沿触发或者电平触发，给逻辑控制模块330提供一个开始信号；所述定时模块340设置为根据系统时钟设定定时周期，并在每个定时周期结束后向逻辑控制模块330发送信号；所述计数模块350设置为对定时模块向逻辑控制模块发送信号的次数进行计数，并将最终的计数值发送给逻辑控制模块。，所述定时模块340设置为向所述计时器提供定时周期以作为计数模块350跳动的时间间隔，定时周期为最小时间单元的整数倍。所述逻辑控制模块330设置为读取相邻两次触发之间(即触发模块320提供的相邻两次开始信号之间)的计数模块的计数值，根据所述计数值和定时周期得到方波信号的频率，并利用方波信号的频率计算出硅纳米线FET传感器的实时电阻值。

所述步骤S3具体包括：

步骤S31：利用触发模块320来对所述方波信号进行触发，在每一次触发时，使触发次数加1；

步骤S32：若当前的触发次数非2，则开始计数操作以开始记录定时周期的数目并回到步骤S31；否则，停止计数、读取计数值并将触发次数清零。

由此，在方波信号第一次出现上升沿(或者下降沿)时，开始记录定时周期的数目；在方波信号再次出现上升沿(或者下降沿)时，停止记录。

其中，开始计数操作以开始记录定时周期的数目，包括：设定定时周期，并开始计数，定时周期为最小时间单元的整数倍。

步骤S33：根据所述计数值和所述定时周期得到方波信号的频率。

具体来说，计数值和所述定时周期的乘积为方波信号的周期，方波信号的频率和周期具有倒数关系。

步骤S4：利用方波信号的频率得到硅纳米线FET传感器200的实时电阻值；

所述步骤S4通过上文所述的逻辑控制模块330来实现。所述步骤S4包括：通过电路结构建立硅纳米线FET传感器200阻值和该方波信号的频率之间的数学关系，随后利用数学关系和所述频率计算出硅纳米线FET传感器200的实时电阻值。

步骤S5：将硅纳米线FET传感器200的实时电阻值的数据发送给显示装置400，显示装置400接收到数据以后，将数据的波形实时显示。

其中，ASIC组件300通过通信模块360与ASIC组件300外部的显示装置400相连，用于和显示装置400进行通信，因此整个ASIC组件300直到实时电阻值的数据获取完毕，才会通过通信模块360向显示装置400发送数据。

实验结果

下面给出利用本发明的硅纳米线FET传感器阻值的测量方法来检测新型冠状病毒COV-19 N抗原的实验结果。实验结果具体如下：

首先根据现有技术，对硅纳米线FET传感器200进行功能化，功能化的方法是依次在纳米线的表面修饰羟基、氨基、醛基和N抗体。功能化结束以后向硅纳米线FET传感器200的表面滴加乙醇胺溶液，以进行相应的屏蔽工作。然后将订购的新型冠状病毒COV-19 N抗原作为目标物进行梯度稀释，得到各种浓度梯度，依次是：250fM，2.5pM，25pM和250pM。全部准备工作结束以后，将硅纳米线FET传感器200接入该仪器，然后依次向传感器的敏感区域滴加不同浓度的目标物，滴加的方法是从低浓度到高浓度，并在每一次滴加目标物之后均采用上文所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量方法来显示实时电阻值，以供用户观察。最终的实时电阻值的检测结果如图7所示，图中PBS是缓冲液，可以认为是相对目标溶液的空白，纵坐标是电阻，单位千欧，横坐标是测试时间，从测试开始到测试结束经过的时间。从结果上可以看出，本装置能够实现对梯度的新型冠状病毒COV-19 N抗原的检测，检测结果响应非常明显。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，其特征在于，所述ASIC组件包括阻值频率转换模块、触发模块、定时模块、计数模块、逻辑控制模块和通信模块；

所述阻值频率转换模块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，以产生频率与所述硅纳米线FET传感器阻值相关的方波信号；

所述触发模块设置为根据阻值频率转换模块产生的方波信号进行边沿触发或者电平触发，给逻辑控制模块提供一个开始信号；

所述定时模块设置为根据系统时钟设定定时周期，并在每个定时周期结束后向逻辑控制模块发送信号；

所述计数模块设置为对定时模块向逻辑控制模块发送信号的次数进行计数，并将最终计数值发送给逻辑控制模块；

所述逻辑控制模块设置为读取相邻两次触发之间的计数模块的计数值，根据所述计数值和定时周期得到方波信号的频率，并利用方波信号的频率计算出硅纳米线FET传感器的实时电阻值；

所述通信模块设置为从逻辑控制模块获取硅纳米线FET传感器的实时电阻值发送给显示装置。

3.根据权利要求2所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，其特征在于，所述阻值频率转换模块具有第一接口、第二接口、第三接口和第四接口；

第一接口连接电源装置的正极以接收电源电压V_CC，且第四接口连接电源装置的负极，第二接口连接在限流电阻和硅纳米线FET传感器的连接点；第三接口连接在硅纳米线FET传感器和负载电容的连接点；

所述阻值频率转换模块包括第一比较器、第二比较器、锁存器、反相器和晶体管；第一比较器和第二比较器均具有第一输入端和第二输入端；第一比较器和第二比较器的第一输入端均与第三接口连接，第一比较器的第二输入端连接提供第一参考电压V_H的第一参考电压端，第二比较器的第二输入端连接提供第二参考电压V_L的第二参考电压端，第一参考电压V_H大于第二参考电压V_L，且第一参考电压V_H和第二参考电压V_L均小于电源电压V_CC；SR锁存器的复位端与所述第一比较器的输出端连接，SR锁存器的置位端与所述第二比较器的输出端连接，锁存器的反向输出端同时与所述反相器的输入端和所述晶体管的栅极连接；所述晶体管的漏极连接阻值频率转换模块的第二接口，其源极接地。

4.根据权利要求3所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，其特征在于，所述第一接口与地之间设有依次串联的第一分压电阻、第二分压电阻和第三分压电阻，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点为用于提供第一参考电压V_H的第一参考电压端，第二分压电阻和第三分压电阻的连接点为用于提供第二参考电压V_L的第二参考电压端。

5.根据权利要求4所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，其特征在于，依据第一分压电阻R₂、第二分压电阻R₃和第三分压电阻R₄获取第一参考电压V_H和第二参考电压V_L，第一参考电压V_H为(R₃+R₄)/(R₂+R₃+R₄)V_CC，第二参考电压V_L为R₄/(R₂+R₃+R₄)V_CC；

所述方波信号的频率为：

其中，T为方波信号的周期，f为方波信号的频率，R₁为限流电阻的阻值，R_SiNW为硅纳米线FET传感器阻值，C为负载电容的容值。

6.一种硅纳米线FET传感器阻值的测量方法，其特征在于，包括：

步骤S1：搭建权利要求1-5之一所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，以利用其电源装置并通过硅纳米线FET传感器对负载电容进行充放电；

步骤S2：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，在此过程中，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；

步骤S3：获取该方波信号的频率；

步骤S4：利用方波信号的频率得到硅纳米线FET传感器的实时电阻值；

步骤S5：将硅纳米线FET传感器的实时电阻值的数据发送给显示装置，显示装置接收到数据以后，将数据的波形实时显示。

7.根据权利要求6所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1中，搭建所述硅纳米线FET传感器阻值的测量装置，包括：

步骤S11：提供一ASIC组件，确定ASIC组件能够定时的最小时间单元；

步骤S12：计算负载电容充放电的时间常数，依据硅纳米线FET传感器自身的阻值选择合适的负载电容和定时周期，所述定时周期为最小时间单元的整数倍，以确保充放电的时间常数和定时周期相匹配；

步骤S13：将限流电阻、硅纳米线FET传感器和负载电容依次串联，并接在电源装置的正极和负极之间；

步骤S14：将ASIC组件的第一接口、第二接口、第三接口和第四接口依次连接电源装置的正极、限流电阻和硅纳米线FET传感器的连接点、硅纳米线FET传感器和负载电容的连接点、以及电源装置的负极；并将ASIC组件与一显示装置连接。

8.根据权利要求6所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量方法，其特征在于，在所述步骤S2中，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，包括：

步骤S21：利用第一比较器和第二比较器监测负载电容两端的电压；

步骤S22：当第一比较器监测到负载电容两端的电压大于等于第一参考电压V_H时，对负载电容放电，且使得最终的输出为低电平；同时当第二比较器监测到电压小于等于第二参考电压V_L时，对负载电容充电，且使得最终的输出为高电平。

9.根据权利要求6所述的硅纳米线FET传感器阻值的测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

步骤S31：利用触发模块来对所述方波信号进行触发，在每一次触发时，使触发次数加1；

步骤S32：若当前的触发次数非2，则开始计数操作以开始记录定时周期的数目并回到步骤S31；否则，停止计数、读取计数值并将触发次数清零；

步骤S33：根据所述计数值和定时周期得到方波信号的频率。

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