CN114002300B - 一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统 - Google Patents

一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统，属于人体健康检测技术领域。包括：主控模块，输出控制电压，接收电压信号处理模块输出的检测结果数字电压信号，判断其是否在正常值范围内；负压控制模块，将主控模块输出的控制电压转换为模拟电压，并实现负压输出，为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不随传感器电阻变化而发生变化的源漏电压和栅极电压；电压信号处理模块，将液栅型场效应晶体管生物传感器输出的检测结果电流信号反相后转变为检测结果电压信号并将该信号转变为检测结果数字电压信号；电源模块，为上述模块提供电压。本发明为液栅型场效应管传感器提供相匹配的电路系统，实现简单、高灵敏度的生物指标检测。

Description

一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统
技术领域
本发明属于人体健康检测技术领域，更具体地，涉及一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统。
背景技术
近三十年来，随着我国经济的高速发展和生活方式的改变，人们越来越关注自身健康。比如居家血糖监测、运动后身体情况诊断等。如何快速、准确地检测这些诊断的关键指标一直是很大的问题。目前很多企业都在探究怎么去做一些这样的产品和方案，但收效甚微。
目前，在科研上基于新型的液栅型场效应管的使用及测试，主要是基于探针台和大型半导体测试设备，由于探针台的体积过大，且通过探针的形式来做测试极不稳定，这种测试方法无法将场效应晶体管真正应用到实际应用中；市面上尚没有与新型的液栅型场效应管式生物传感器相匹配的电路系统，也没有其他同类型的电路系统设计可做参考能针对于其特殊的检测要求，实现简单的、高精度的生物指标(如血糖、体内乳酸含量、体内离子含量等)监测。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统，其目的在于为液栅型场效应管生物传感器提供一套相匹配的电路系统，实现简单、高灵敏度的生物指标检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统，包括：
主控模块，用于输出数字控制电压，接收电压信号处理模块输出的检测结果数字电压信号，并判断该信号是否在正常值范围内；
负压控制模块，与主控模块相连，用于将主控模块输出的数字控制电压转换为模拟电压，并实现负压输出，为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不随其电阻变化的栅极电压和源漏电压，使得液栅型场效应晶体管生物传感器导通并输出检测结果电流信号；
电压信号处理模块，与负压控制模块相连，用于将所述检测结果电流信号反相后转变为检测结果电压信号，并将所述检测结果电压信号转变为检测结果数字电压信号输出到所述主控模块；
电源模块，与主控模块、负压控制模块以及电压信号处理模块相连，用于为其提供工作电压。
进一步地，还包括：栅极探针，所述栅极探针一端连接所述负压控制模块的负压输出端，一端连接液栅型场效应晶体管生物传感器的栅极。
进一步地，所述负压控制模块，包括：
DAC转换器，用于将主控模块输出的数字控制电压信号转换为模拟电压信号；
反相器，用于改变模拟电压信号的相位，实现负压输出。
进一步地，所述负压控制模块，还包括跟随器，用于对DAC转换器输出的模拟电压信号进行等电位跟随，提高主控模块的带载能力。
进一步地，所述负压控制模块为多组，用于为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不同的源漏电压，实现不同浓度梯度的生物指标检测。
进一步地，所述负压控制模块通过SMA接口，为液栅型场效应晶体管生物传感器施加源漏电压。
进一步地，所述电压信号处理模块，包括：
电流-电压转换器，用于将液栅型场效应晶体管生物传感器输出的检测结果电流信号反相后转变为检测结果电压信号；
ADC转换器，用于将检测结果电压信号转变为数字电压信号，并将所述数字电压信号输出到主控模块进行数据处理。
进一步地，所述电压信号处理模块，还包括滤波电路，用于将检测结果电压信号进行滤波去噪。
进一步地，所述主控模块为基于STM32的单片机。
进一步地，还包括TFT-LCD显示模块，用于对主控模块数据处理后的数据进行显示。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：(1)本发明的电路检测系统，通过设计主控模块、负压控制模块为液栅型场效应晶体管生物传感器提供检测所需的稳定的栅极电压和源漏电压，栅极电压使得液栅型场效应晶体管生物传感器导通，源漏电压使得液栅型场效应晶体管生物传感器产生检测结果信号，并通过电压信号处理模块将检测结果信号传输到主控模块进行数据处理，实现了与液栅型场效应晶体管传感器进行生物检测相匹配的电路。
(2)本发明的电路检测系统，优选采用的栅极探针为液栅型场效应晶体管生物传感器提供检测所需的栅极电压，栅极探针可以很方便的伸入液栅型场效应晶体管生物传感器的液槽里，便于很好地匹配生物检测中对于液相的测试要求，并且相对于目前常见的电化学检测手段，检测灵敏度高。
(3)作为优选，整个系统通过STM32单片机作为主控模块，与负压控制模块，电压信号处理模块相连接，使整个系统通过简单的单片机控制达到一定精度的检测效果。
(4)作为优选，系统通过反相器实现了负电压输出，并通过跟随器对单片机输出的电压进行等电位跟随，提高单片机的带载能力，为液栅型场效应晶体管生物传感器提供了稳定的栅极电压和源漏电压，提升了后续检测的精度。
(5)作为优选，本发明的电路检测系统设计了多组负压控制模块，为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不同的源漏电压，实现不同浓度梯度的生物指标检测。
总而言之，本发明的电路检测系统实现了与液栅型场效应晶体管传感器生物检测相匹配的电路，具有场效应管生物传感器的高灵敏性、高即时性等优点。且可移植性很好，即具备根据不同种类的液栅型场效应晶体管生物传感器做出简单修改，就能移植使用的特点，为以后研发其他同类型的电路系统提供一种简单可行的方案。
附图说明
图1为本发明的电路检测系统的结构示意图。
图2为本发明的电路检测系统中负压控制模块和电压信号处理模块的结构示意图。
图3为本发明的电路检测系统的电源模块结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明主要为液栅型场效应晶体管生物传感器提供相匹配的电路检测系统。本发明中的液栅型场效应晶体管生物传感器是基于特定沟道材料的高精度液栅型场效应晶体管式生物传感器。
如图1所示，本发明的电路检测系统主要包括：
主控模块，用于输出数字控制电压信号，接收电压信号处理模块输出的检测结果数字电压信号并进行数据处理，判断该信号是否在正常值范围内。本发明实施例优选基于STM32的单片机，主控芯片为STM32F103ZET6，该芯片成本低且配套的外设资源多。在其它实施例中，也可以选用基于51单片机作为控制芯片。
负压控制模块，与主控模块相连，将主控模块输出的输出数字控制电压信号转换为模拟电压信号，并实现负压输出。输出的负压施加到液栅型场效应晶体管生物传感器的漏极(Drain端)，即为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不随其电阻变化而发生变化的源漏电压以及通过栅极探针为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不随其电阻变化而发生变化的栅极电压。
栅极探针，一端连接负压控制模块的负压输出端，另一端连接液栅型场效应晶体管生物传感器的栅极，用于给液栅型场效应晶体管生物传感器施加栅极电压，使得液栅型场效应晶体管生物传感器导通。
工作时，负压控制模块输出的负电压信号给液栅型场效应晶体管生物传感器施加源漏电压；栅极探针伸入液栅型场效应晶体管传感器芯的液槽中，与加入了PBS溶液的液栅型场效应晶体管生物传感器相接触，为液栅型场效应晶体管生物传感器施加栅极电压，使得源极(Source端)产生检测结果电流信号。
电压信号处理模块，与负压控制模块和主控模块相连，用于将液栅型场效应晶体管生物传感器输出的检测结果电流信号反相后转变为检测结果电压信号，并将检测结果电压信号转变为数字电压信号输出到主控模块进行数据处理。
电源模块，分别与主控模块、负压控制模块、电压信号处理模块相连，用于为主控模块、负压控制模块、液栅型场效应晶体管生物传感器、电压信号处理模块提供所需电压。
图1中的晶振，即晶体振荡器，其用途是为单片机的运行产生稳定的时序信号。
具体的，负压控制模块输出的负电压信号优选通过SMA接口，给液栅型场效应晶体管生物传感器施加源漏电压。通过SMA接口传输信号，可以降低信号噪声，提高信号的传输质量，并且方便与栅极探针直连。在其它实施例中，也可以通过鳄鱼嘴、香蕉头等接口进行信号传输。
如图2所示，本实施例中，负压控制模块主要为DAC转换器、跟随器和反相器以及量程调节开关。其中，DAC转换器，用于将主控模块输出的数字控制电压信号转换为模拟电压信号，由于单片机内部控制程序未变，其输出的数字信号值会维持在固定值，方便后续液栅型场效应晶体管生物传感器的测试。跟随器，用于进行等电位跟随，提高电流和电压输出能力，扩大信号的电流，提高单片机的带载能力，即通过运放的外部输入电源在维持输入信号电压不变的情况下，通过相关电路设计，实现带载能力增强，进而带动后级输出；反相器，用于改变跟随器输出电压信号的相位，实现负压输出。在本实施例中，通过负压控制模块，为液栅型场效应晶体管生物传感器提供了不随其阻值变化的稳定的源漏电压和栅极电压。由于电压输出是由跟随器跟随单片机输出，该输出电压不会随传感器的电阻变化而导致整体分压变化，能够满足传感器的特定的测试要求。即单片机内部输出电压是固定值，在液栅型场效应晶体管生物传感器的两端加的是单端电压，该传感器能够根据设定值自行进行调整。满足液栅型场效应晶体管生物传感器的特殊测试要求，同时使得测量更精确。
本实施例中，DAC转换器、跟随器和反相器为三组，分别为第一DAC转换器、第一跟随器和第一反相器，第二DAC转换器、第二跟随器和第二反相器，第三DAC转换器、第三跟随器和第三反相器。其中，第一组的电压信号经第一DAC转换器、第一跟随器和第一反相器进行数据处理后，加载在栅极探针上，为液栅型场效应晶体管生物传感器的栅极(Gate端)施加栅极电压；另外两组将输出的负压分别通过SAM接口施加在液栅型场效应晶体管生物传感器的漏极(Drain端)，为其提供源漏电压。加载漏极上的两组源漏电压信号通过不同的加压电路实现不同精度(浓度梯度)的检测。通过量程调节开关进行不同加压电路的切换，实现不同浓度梯度的检测。
在其它实施例中，根据实际需求，可以设计多组DAC转换器、跟随器和反相器，用于实现多组浓度梯度的对比检测。
本实施例中，电压信号处理模块主要为电流-电压转换器、ADC转换器，该电流-电压转换器，用于将检测结果电流信号反相后转换为检测结果电压信号。同时，还能够对转换后的检测结果电压信号进行功率放大，放大倍数根据与之相匹配的放大电路进行调节。
优选地，跟随器、反相器、电流-电压转换器选用OP37芯片。其中，跟随器和反相器优选采用四块OP37芯片，电流-电压转换器优选采用一快或两块OP37芯片，该款芯片是一款低噪声、精密、高速运放，其成本低廉，性能较为优越，不仅具有OP07芯片的低失调电压和漂移特性，而且速度更高、噪声更低。失调电压低至25μV，最大漂移为0.6μV/℃，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选；并且极低的噪声(10Hz时en＝3.5nV/Hz)、低1/f噪声转折频率(2.7Hz)以及高增益(180万)，能够使低电平信号得到精确的高增益放大。同时，OP37芯片的输出级具有良好的负载驱动能力。在其它实施例中，也可以选用NE5532等芯片。
作为优选，电压信号处理模块还包括滤波电路，用于将检测结果电压信号进行滤波去噪，滤除噪声及高频信号。滤波器优选采用LT1462芯片，该款芯片是一款双通道、微功率JFET输入运放。双通道LT1462芯片是首批可为高达10nF的容性负载提供微安培输入偏置电流(典型值为1pA)和单位增益稳定性的微功率运放。较佳的，采用基于LT1462芯片的四阶巴特沃斯低通滤波器，将电路中的高频信号滤除。巴特沃斯低通滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有纹波，而在阻频带则逐渐下降为零。同时，经过滤波电路对检测结果电压信号进行滤波去噪后的信号输出到主控模块后，主控模块还可以通过一定的算法对于该检测结果电压信号进行软件上的滤波，使得检测结果更为准确。
如图3所示，电源模块采用以AMS1117和LT1931为核心的正负电源供电模块。电源模块将220V交流电压转换为12V的交流电压，用于将12V的交流电压转换成为稳定的直流电压，方便后续电压的取用；通过5V稳压模块将12V直流电压进一步转换成5V直流电压，用于给主控模块、第一和电压信号处理模块提供正电压；通过-5V稳压模块是将5V直流电压转换为-5V直流电压，用于给主控模块、第一和电压信号处理模块提供负压。本实施例中，通过AMS1117芯片将12V电压转换成5V电压；通过LT1931芯片将5V电压转换为-5V电压。LT1931是一款电流式负输出DC/DC转换器，在5V输入电压条件下可以输出-5V/350mA或-12V/150mA，可作为OP37芯片运放的负端供电。LT1931应用电路采用双电感负输出拓扑结构，可对电源的输入端和输出端的信号进行滤波处理，当采用陶瓷输出电容器时，可获得接近1mVP-P的极低输出电压波纹。
便于操作，本发明实施例的电路检测系统还包括按键模块，该模块主要包括：复位按键、测试按键以及停止按键，通过按键，控制STM32单片机输出不同的控制电压；通过复位按键清除测试数据，通过测试按键来开启测量，通过停止按键来控制测试结束。按键模块优选采用通用I/O口与主控模块相连。本实施例中，还包括与按键模块相匹配的LED灯指示模块，用于做不同的信号指示。
便于检测结果显示，本发明实施例的电路检测系统还包括与主控模块相连的TFT-LCD显示模块，用于将主控模块接收到的检测结果电压信号通过代码设计，算法处理等数据处理后，转换成文本直观地传达给用户。
同时，本发明实施例的电路检测系统中，主控模块接收到的检测结果电压信号可以通过USB接口输出到手机、电脑等移动设备上，同时USB接口也可以给本发明实施例中的电路检测系统供电。本实施例中，单片机的USB接口优选采用成本较低的CH340芯片。
本实施例中，还包括蜂鸣器，用于做检测指标超标等信号警示、提示。在其它实施例中，蜂鸣器也可以是语音提示模块。
主控模块的数据处理，还包括：过滤检测结果信号中数值过大或者过小等明显不是测试结果的数据；通过软件滤除噪声、杂波等信号；将接收到的多路检测结果信号的数据分类；根据基线测试结果，定义正常值范围；通过控制蜂鸣器对超过或低于正常值范围的异常检测结果进行警示、提示等。
工作时，打开电路检测系统电源模块的电源，将液栅型场效应晶体管生物传感器通过SMA接口与单片机连接，按复位按键，将杂波信号清除；将栅极探针下放到液栅型场效应晶体管生物传感器的液槽里，在液栅型场效应晶体管生物传感器中加入PBS溶液，TFT-LCD显示模块显示检测环境的测量值，用于检测之前对检测环境进行校准；将待测体液加入PBS溶液中，按测量按钮即可在TFT-LCD显示模块上显示相关生物指标，如血糖、乳酸、体内离子(Na+、Ka+等)含量的测量结果，按停止按钮即可将测量结果定格在TFT-LCD显示屏幕上，同时停止测量。
液栅型场效应晶体管生物传感器是基于特定沟道材料的高精度液栅型场效应晶体管式生物传感器，其检测流程为：首先，对特定的沟道材料进行一到两个小时的化学改性修饰；然后，将生物酶分子孵育在沟道材料上；最后，采用本发明的电路检测系统完成对用PBS缓冲液配置过的体液测试。
在这个过程中，基于不同的沟道材料，可以测试不同的检测生物指标，如血糖、乳酸、体内离子(Na+、Ka+等)含量等。比如，测试血糖时，传感器的沟道部分，应该孵育葡萄糖氧化酶；在其它实施例中，沟道材料也可以是石墨烯。
本发明的电路检测系统优选采用以STM32为核心的主控模块与负压控制模块，电压信号处理模块相连接，保证了整个系统能通过简单的单片机控制达到一定精度的电流检测效果。同时，本发明的电路检测系统通过量程开关设计了不同的测量范围，即根据不同的检测要求选择不同的测量精度，实现不同浓度梯度的指标检测。传感器芯片采用基于液栅型场效应晶体管生物传感器，该种结构具有制造工艺易于小型化、集成化。并且，采用的栅极探针可以很方便的伸入液栅型场效应晶体管生物传感器的液槽里，便于很好地匹配生物检测中对于液相的测试要求，并且相对于目前常见的电化学检测手段具备检测高灵敏度的优势。另外，本发明的电路检测系统是目前唯一能够实现对液栅型场效应晶体管生物传感器的检测进行匹配的电路检测系统，该套系统能够根据单片机的简单输出作为测量源，且通过跟随器和反相器实现了对应的负电压输出，在保证液栅型场效应晶体管生物传感器栅极电压不变、源漏电压不变的情况下对液栅型场效应晶体管生物传感器加压，并且本发明的电路检测系统的可移植性很好，即具备根据不同种类的液栅型场效应晶体管生物传感器做出简单修改，就能移植使用的特点，为以后研发其他同类型的电路系统提供一种简单可行的方案。
本发明的基于液栅型场效应晶体管式传感器的电路检测系统，具有场效应管生物传感器的高灵敏性、高即时性等优点，同时能很好的探测组织液中的低浓度生物指标，其相对于一般的电化学来说，能够达到微安级电流的检测精度，精度高，只需要采集不多的组织液甚至汗液就能检测到很低的目标物浓度。相对于传统检测方法来说，该系统具有灵敏度高、响应快、特异性好、小型便携等特点。本系统为高精度生物指标监测系统的发展提供了可能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液栅型场效应晶体管生物传感器的电路检测系统，其特征在于，包括：
主控模块，用于输出数字控制电压，接收电压信号处理模块输出的检测结果数字电压信号，并判断该信号是否在正常值范围内；
负压控制模块，与主控模块相连，用于将主控模块输出的数字控制电压转换为模拟电压，并实现负压输出，为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不随其电阻变化的栅极电压和源漏电压，使得液栅型场效应晶体管生物传感器导通并输出检测结果电流信号；
电压信号处理模块，与负压控制模块相连，用于将所述检测结果电流信号反相后转变为检测结果电压信号，并将所述检测结果电压信号转变为检测结果数字电压信号输出到所述主控模块；
电源模块，与主控模块、负压控制模块以及电压信号处理模块相连，用于为其提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的电路检测系统，其特征在于，还包括：栅极探针，所述栅极探针一端连接所述负压控制模块的负压输出端，一端连接液栅型场效应晶体管生物传感器的栅极。
3.根据权利要求2所述的电路检测系统，其特征在于，所述负压控制模块，包括：
DAC转换器，用于将主控模块输出的数字控制电压信号转换为模拟电压信号；
反相器，用于改变模拟电压信号的相位，实现负压输出。
4.根据权利要求3所述的电路检测系统，其特征在于，所述负压控制模块，还包括跟随器，用于对DAC转换器输出的模拟电压信号进行等电位跟随，提高主控模块的带载能力。
5.根据权利要求4所述的电路检测系统，其特征在于，所述负压控制模块为多组，用于为液栅型场效应晶体管生物传感器提供不同的源漏电压，实现不同浓度梯度的生物指标检测。
6.根据权利要求5所述的电路检测系统，其特征在于，所述负压控制模块通过SMA接口，为液栅型场效应晶体管生物传感器施加源漏电压。
7.根据权利要求1所述的电路检测系统，其特征在于，所述电压信号处理模块，包括：
电流-电压转换器，用于将液栅型场效应晶体管生物传感器输出的检测结果电流信号反相后转变为检测结果电压信号；
ADC转换器，用于将检测结果电压信号转变为数字电压信号，并将所述数字电压信号输出到主控模块进行数据处理。
8.根据权利要求7所述的电路检测系统，其特征在于，所述电压信号处理模块，还包括滤波电路，用于将检测结果电压信号进行滤波去噪。
9.根据权利要求1所述的电路检测系统，其特征在于，所述主控模块为基于STM32的单片机。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的电路检测系统，其特征在于，还包括TFT-LCD显示模块，用于对主控模块数据处理后的数据进行显示。
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