生物傳感器的電氣特性測(cè)量工具和技術(shù)

隨著生物/醫(yī)藥、半導(dǎo)體、電子和納米科學(xué)領(lǐng)域的諸多技術(shù)進(jìn)步，生物電子技術(shù)有可能改變個(gè)人健康、加強(qiáng)安全系統(tǒng)、有利于保護(hù)環(huán)境、食物和水、改進(jìn)生活方式。通過(guò)半導(dǎo)體和納米技術(shù)，非侵入式物理生物傳感器、芯片實(shí)驗(yàn)室工具、假肢/植入物和遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)的進(jìn)步是有可能實(shí)現(xiàn)的。

生物傳感器是一種分析器件，通常用于分析物(比如感興趣的物質(zhì)，或化學(xué)成分)的探測(cè)。利用生物傳感器，可以將生物響應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而了解生物組合、結(jié)構(gòu)和功能。在很多情況下，探測(cè)器就是像晶體管那樣的器件。但是，無(wú)論設(shè)計(jì)使用半導(dǎo)體、電化學(xué)或光架構(gòu)方法，都必須對(duì)這些傳感器中的電氣部分進(jìn)行適當(dāng)測(cè)試，使得設(shè)計(jì)合格，便于進(jìn)一步開發(fā)。

生成電子輸出信號(hào)的許多生物傳感器/換能器技術(shù)在探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面具有巨大諸多優(yōu)勢(shì)，可以滿足速度和易用性標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)正確的測(cè)試和校準(zhǔn)，電子生物傳感器可以滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提供可靠結(jié)果，把虛假的正負(fù)指示降到最低。

生物傳感器/換能器裝置簡(jiǎn)稱生物傳感器，可以定義為履行以下一個(gè)或多個(gè)行為的器件：

1.探測(cè)、記錄、轉(zhuǎn)換、處理和傳輸與生理變化或過(guò)程有關(guān)的信息。

2.利用生物材料監(jiān)測(cè)物質(zhì)(分析物)中各種化學(xué)成分的存在。

3.將電接口(換能器)與生物敏感或選擇元件相結(jié)合。

更具體地說(shuō)，生物傳感器包括生物識(shí)別元件，由它來(lái)識(shí)別目標(biāo)分析物。生物傳感器的換能器將識(shí)別事件轉(zhuǎn)換為與感興趣的化學(xué)或生物目標(biāo)的數(shù)量或存在相關(guān)的可測(cè)量信號(hào)。圖1給出常見的生物傳感器模型。

圖1：常見生物傳感器示意圖。

生物傳感器系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)包括：

1. 速度和便于非技術(shù)人員使用(測(cè)試/校準(zhǔn)/維護(hù))。

2. 對(duì)目標(biāo)分析物的選擇性。為了獲得正確的結(jié)果，必須使化學(xué)物質(zhì)的干擾降到最低。

3. 靈敏度/分辨率。

4. 線性度(傳感器校準(zhǔn)曲線的最大線性值。對(duì)于高底物濃度檢測(cè)，傳感器線性度必須較高)。

5. 精度/可重復(fù)性。

6. 動(dòng)態(tài)范圍。分析物的高濃度不能降低傳感器的可用性。

7. 環(huán)境魯棒性(對(duì)溫度、電噪聲、物理沖擊、振動(dòng)等相對(duì)不敏感)。

8. 可用壽命/適應(yīng)性。

9. 安全性/完整性(對(duì)人員、設(shè)備和分析物)。

為了實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)以及可讀電子輸出，研究人員正在開發(fā)將生物傳感器識(shí)別元件功能和半導(dǎo)體器件結(jié)合在一起的生物傳感器，它可作為便攜設(shè)備用于家庭醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。類似地，可與植入醫(yī)療系統(tǒng)一起使用的生物傳感器也正處于研究之中。

傳感器設(shè)計(jì)

生物傳感器的設(shè)計(jì)方法有很多種。一種設(shè)計(jì)使用寡核苷酸傳感器和核酸反應(yīng)來(lái)表明病原體的存在。另一種設(shè)計(jì)采用表面等離子體共振(SPR)來(lái)檢測(cè)生物分子，如蛋白質(zhì)和DNA?；赟PR的傳感器可以對(duì)分子間的相互作用提供實(shí)時(shí)無(wú)標(biāo)記研究，其傳感器芯片接口便于特定配體與換能器表面的吸附，并提供表面濃度的高靈敏測(cè)量。

基于組織的傳感器也正在開發(fā)之中。它們利用芯片上的活細(xì)胞，芯片可以對(duì)生物和化學(xué)威脅試劑的出現(xiàn)做出機(jī)能性響應(yīng)。由于其設(shè)計(jì)是模擬多細(xì)胞人體組織的功能，因此，這些傳感器應(yīng)當(dāng)對(duì)已知和未知試劑做出響應(yīng)。換能器將檢測(cè)活細(xì)胞表面電荷的微小變化。

電化學(xué)生物傳感器正在用于許多應(yīng)用。通常，電化學(xué)生物傳感器基于產(chǎn)生或消耗電子響應(yīng)的酶(這種酶稱作氧化還原酶)促作用。該傳感器基底可能包括3個(gè)電極：參考電極、工作電極和反電極。目標(biāo)分析物涉及在活躍電極表面發(fā)生的反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)可能引起跨越雙層的電子傳輸(產(chǎn)生電流)，還有可能貢獻(xiàn)雙層電勢(shì)(產(chǎn)生電壓)。既可以在固定電勢(shì)下對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量(電子流速與分析物濃度成正比)，也可以在零電流情況下對(duì)電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量(這給出了對(duì)數(shù)響應(yīng)[1])。

又如，電位型電化學(xué)生物傳感器(在零電流產(chǎn)生的電勢(shì))的對(duì)數(shù)響應(yīng)具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。這類生物傳感器往往是通過(guò)在塑料基底上對(duì)電極圖案進(jìn)行絲網(wǎng)印刷而制作，其基底覆蓋一層導(dǎo)電聚合物，然后粘附一些蛋白(酶或抗體)。這些傳感器只有兩個(gè)電極，而且靈敏度和魯棒性非常高。

所有的生物傳感器通常都涉及最小的樣品制備，因?yàn)樯锩舾性?duì)于所涉及的分析物具有高度選擇性。由于傳感器表面發(fā)生變化，致使導(dǎo)電聚合物層內(nèi)的電化學(xué)或物理變化產(chǎn)生信號(hào)。這種變化可以歸因于離子強(qiáng)度、PH值、水化反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)，后者源自基底上的酶標(biāo)記翻轉(zhuǎn)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其柵區(qū)被酶或抗體更改，也可以檢測(cè)濃度非常低的各種分析物，因?yàn)榉治鑫锱cFET柵區(qū)的結(jié)合將引起漏-源電流的變化[1]。

近日，在納米科學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)使用石墨烯，生物傳感器有許多進(jìn)步。石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的，因其特有的物理化學(xué)、高靈敏度和優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)特性而備受關(guān)注?；谑┑纳飩鞲衅骺赡芫哂懈叩撵`敏度，因?yàn)槭┦鞘亩S單原子層，可能實(shí)現(xiàn)表面摻雜劑和吸附物之間相互作用的最大化。同用于生物檢測(cè)應(yīng)用碳納米管相比，石墨烯具有更低的約翰遜噪聲。約翰遜噪聲是電荷載流子熱運(yùn)動(dòng)而引起的電阻材料中的噪聲。因此，石墨烯生物傳感器中載流子濃度的微小變化可能引起待測(cè)電導(dǎo)率的顯著變化。

根據(jù)分析物和生物傳感器識(shí)別元件的不同，生物傳感器的換能器可能利用以下機(jī)制之一：

安培計(jì)：安培計(jì)器件檢測(cè)電流變化。它們對(duì)生物系統(tǒng)與電極之間交換電子而產(chǎn)生的電流進(jìn)行測(cè)量。

電位計(jì)：某些反應(yīng)將引起待測(cè)電極之間電壓(在恒定電流的電勢(shì))變化。

電導(dǎo)：電導(dǎo)測(cè)量器件對(duì)兩個(gè)電極之間電導(dǎo)率的變化進(jìn)行檢測(cè)。

電阻：電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)，可以通過(guò)類似方法進(jìn)行測(cè)量。

電容：當(dāng)生物識(shí)別反應(yīng)導(dǎo)致生物傳感器識(shí)別元件附近介質(zhì)中介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其電容測(cè)量方法可以用作換能器。

壓電：在壓電材料中存在著力學(xué)和電學(xué)特性之間的耦合。利用這種耦合可以創(chuàng)建一個(gè)電振蕩器，其頻率是變化的，而且可以通過(guò)施加其表面質(zhì)量的變化進(jìn)行測(cè)量。在生物傳感器情況下，質(zhì)量是可以變化的，因?yàn)樵谄浔砻姘l(fā)生了反應(yīng)。

熱：這些器件對(duì)溫度變化進(jìn)行測(cè)量。

光：光學(xué)生物傳感器將濃度、質(zhì)量或分子數(shù)量變化與光特性變化進(jìn)行相關(guān)。要想使這種方法有效，生物識(shí)別反應(yīng)的反應(yīng)物或生成物之一必須與比色、熒光或發(fā)光指標(biāo)關(guān)聯(lián)。有時(shí)候，利用光纖可以將光信號(hào)從光源引導(dǎo)至檢測(cè)器。

傳感器特性分析：驗(yàn)證過(guò)程第一步

研發(fā)項(xiàng)目的目標(biāo)是克服生物傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)局限性。例如，生物傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)生物親合元件和無(wú)機(jī)換能器元件之間穩(wěn)定、可重復(fù)的接口。出于手持便攜性的考慮，希望生物傳感器小型化，且具有足夠靈敏度，這將給生物分子與換能器界面的耦合帶來(lái)技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，無(wú)論是在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室還是在生產(chǎn)中，對(duì)生物傳感器進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的特性分析，是檢驗(yàn)生物傳感器/換能器接口是否合格以及生物檢測(cè)系統(tǒng)的最終運(yùn)行的重要手段。

典型測(cè)試程序任務(wù)是開發(fā)或驗(yàn)證生物傳感器性能度量指標(biāo)。由于對(duì)試劑或反應(yīng)中細(xì)胞和組織信號(hào)的提取非常復(fù)雜，通常希望對(duì)生物傳感器的主要部件進(jìn)行直接的電流-電壓(I-V)特性分析。I-V特性分析的時(shí)間只占大多數(shù)類型功能測(cè)試時(shí)間的很小一部分，但卻是其正式運(yùn)行的重要預(yù)示。例如，I-V數(shù)據(jù)可以用來(lái)研究異常、定位曲線的最大或最小斜率，以及進(jìn)行可靠性分析。根據(jù)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，I-V特性分析往往適合基于電流計(jì)、電位計(jì)、電導(dǎo)率、電阻和熱原理的傳感器。

通常，I-V測(cè)試為待測(cè)器件(DUT)施加電壓或電流，然后測(cè)試其對(duì)激勵(lì)做出的響應(yīng)。還可能采用溫度測(cè)量。測(cè)試程序可能涉及為某個(gè)連接焊盤施加激勵(lì)，探測(cè)集成電路，并測(cè)量DUT響應(yīng)。根據(jù)DUT的不同，信號(hào)電平可能相當(dāng)?shù)?，需要高靈敏度源和測(cè)量?jī)x器及測(cè)試技術(shù)，最大限度地減少誤差的外部來(lái)源。

利用源測(cè)量單元(SMU)儀器對(duì)生物傳感器性能進(jìn)行特性分析

在很多情況下，生物傳感器將由醫(yī)生、軍人、公共安全部隊(duì)用于便攜系統(tǒng)，還可以用于家庭健康監(jiān)控。這將對(duì)傳感器使用功率需求提出限制，而且可能限定提供給測(cè)量電路的電壓或電流輸出電平。在電池供電系統(tǒng)中，傳感器輸出電流范圍是納安到毫安，輸出電壓范圍是納伏到伏。對(duì)于這么寬的范圍，不同的級(jí)別需要不同的測(cè)量技術(shù)和工具。

實(shí)施I-V特性分析的最佳工具之一是源測(cè)量單元(SMU)或數(shù)字源表SMU儀器。在I-V特性分析中，由于復(fù)雜的觸發(fā)問(wèn)題，直流電源和測(cè)量?jī)x器的集成可能是有問(wèn)題的。簡(jiǎn)言之，SMU儀器在一部?jī)x器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了精確電源(PPS)能力與高性能數(shù)字多用表(DMM)的集成。例如，SMU儀器在測(cè)量電流時(shí)可同時(shí)起到源或降電壓作用，在測(cè)量電壓時(shí)可起到源或降電流的作用。圖2給出SMU儀器作為恒流源和伏特計(jì)的配置，它用于測(cè)量DUT的響應(yīng)。

圖2：SMU儀器作為恒流源和伏特計(jì)的配置，用于測(cè)量DUT的響應(yīng)。

SMU儀器還可用作獨(dú)立的恒壓源或恒流源、伏特計(jì)、安培計(jì)和歐姆表，還可用作精密電子負(fù)載。其高性能架構(gòu)還允許將其用作脈沖發(fā)生器、波形發(fā)生器和自動(dòng)I-V特性分析系統(tǒng)。

這些儀器的雙極電壓和電流源是由微處理器控制的，這使得I-V特性分析更加高效，并簡(jiǎn)化儀器建立。使用SMU儀器時(shí)，可以在其程序內(nèi)存中存儲(chǔ)許多不同測(cè)試序列，并通過(guò)簡(jiǎn)單的觸發(fā)信號(hào)予以執(zhí)行。測(cè)試數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在緩存中，直到I-V掃描完成，然后下載至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析。

由于在生物、化學(xué)、材料和電化學(xué)等諸多領(lǐng)域，致力于生物傳感器和其他生物電子技術(shù)的研究人員數(shù)量眾多，因此，測(cè)試儀器的易用性和低學(xué)習(xí)曲線非常重要。這些研究人員可能不熟悉電氣特性分析工具，如SMU儀器，但需要在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其器件進(jìn)行I-V特性分析。

觸摸屏技術(shù)的進(jìn)步以及智能手機(jī)和平板電腦的廣泛普及推動(dòng)了直觀操作的發(fā)展，臺(tái)式儀器的圖形用戶界面可能大大簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)曲線和整機(jī)易用性。采用觸摸屏方法，用戶感覺很舒適，不容易出錯(cuò);他們可以直觀了解怎樣使用接口。觸摸屏系統(tǒng)使每個(gè)人第一次接觸儀器時(shí)就成為“專家用戶”，無(wú)論他是儀器的新用戶還是行家里手。同傳統(tǒng)培訓(xùn)方法相比，使用觸摸屏可以大大縮短培訓(xùn)時(shí)間、提高操作精度，并提高整體使用效率。

圖3：吉時(shí)利2450型數(shù)字源表SMU儀器采用高級(jí)電容觸摸屏圖形用戶界面。

吉時(shí)利2450型交互式數(shù)字源表SMU儀器簡(jiǎn)化了非傳統(tǒng)用戶的學(xué)習(xí)曲線，使之從使用多層菜單結(jié)構(gòu)和多功能按鈕配置功能的繁瑣工作中解脫出來(lái)。2450型儀器使用基于圖標(biāo)的平面菜單系統(tǒng)，就像在智能消費(fèi)電子產(chǎn)品中使用的菜單系統(tǒng)一樣簡(jiǎn)單，如平板電腦或智能手機(jī)上顯示的應(yīng)用圖標(biāo)排列。

圖4：2450型儀器屏幕菜單。

生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(BioFET)傳感器測(cè)試

如前所述，利用FET和生物材料可以制作生物傳感器。FET利用電場(chǎng)控制半導(dǎo)體材料中載流子溝道形狀和傳導(dǎo)率。生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成包括：半導(dǎo)體換能器、介質(zhì)層、生物功能表面、分析物及參考電極(場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極)，如圖5所示。

BioFET半導(dǎo)體換能器的制作過(guò)程如下。介質(zhì)層是氧化物，如二氧化硅，它有兩項(xiàng)任務(wù)。第一項(xiàng)任務(wù)是將FET溝道與液體進(jìn)行隔離，第二項(xiàng)任務(wù)是將表面電荷靜電耦合至溝道。在介質(zhì)層上面是生物功能層， 它起到固定生物分子接受器的作用，能夠結(jié)合期望的分子。分析物是包含溶解的樣本分子的解決方案。參考電極允許調(diào)整器件，從而實(shí)現(xiàn)其靈敏度最大化。如果目標(biāo)分子與接受器結(jié)合，那么表面電荷密度將發(fā)生變化。這種變化將改變半導(dǎo)體電勢(shì)以及FET溝道連通性[2]。

圖5：生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(BioFET)概念圖。

利用兩個(gè)2450型數(shù)字源表SMU儀器可以對(duì)BioFET進(jìn)行特性分析，從而對(duì)傳感器進(jìn)行I-V特性分析。確定BioFET的I-V參數(shù)有助于確保其在預(yù)期應(yīng)用中恰當(dāng)?shù)匕l(fā)揮作用，并滿足性能要求。利用2450型儀器可以進(jìn)行多種I-V測(cè)試，包括柵極泄漏、擊穿電壓、閾值電壓、傳輸特性以及漏電流。進(jìn)行測(cè)試所需的2450型SMU儀器數(shù)量取決于需要偏置和測(cè)量的FET端口數(shù)。

這個(gè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明怎樣繪制三端口FET漏電流系列(VDS-ID)曲線。該技術(shù)有可能用于BioFET器件。

所需設(shè)備

● 兩部2450型交互式數(shù)字源表SMU儀器

● 4根三軸電纜(吉時(shí)利7078-TRX-10型號(hào))

● 金屬屏蔽測(cè)試夾具或探針臺(tái)，以及母三軸連接器

● 三軸三通接頭(吉時(shí)利237-TRX-T型號(hào))

● 外部硬件觸發(fā)器電纜不同，具體取決于所用指令：

● 對(duì)于SCPI指令：1根DB-9公-母9針電纜，實(shí)現(xiàn)2450型器后部數(shù)字I/O端口彼此連接。

● 對(duì)于TSP指令：1根TSP-Link交叉網(wǎng)線(吉時(shí)利CA-180-3A型網(wǎng)線，在2450型儀器中已包含)，實(shí)現(xiàn)TSP-Link端口彼此連接。

● 2450型儀器與計(jì)算機(jī)連接電纜不同，具體取決于所用指令集：

● 對(duì)于SCPI指令：2根GPIB電纜、2根USB電纜或2根以太網(wǎng)電纜

● 對(duì)于TSP指令：1根GPIB電纜、1根USB電纜或1根以太網(wǎng)電纜

建立遠(yuǎn)程通信

這個(gè)應(yīng)用可以通過(guò)儀器支持的任何通信接口(GPIB、USB或以太網(wǎng))運(yùn)行。

程控通信接口后面板連接位置如下圖所示。

圖6：2450型儀器程控接口連接。

設(shè)立外部硬件觸發(fā)器

為了支持兩部2450型源測(cè)量單元(SMU)儀器步進(jìn)掃描電壓之間的同步，將其外部觸發(fā)器彼此相連。所用電纜取決于用于控制測(cè)試的2450型儀器編程指令集。

SCPI指令集連接

如果您使用SCPI指令集，請(qǐng)利用DB-9母-母電纜連接儀器后面板的數(shù)字I/O插孔，如下圖所示。

圖7：SCPI編程實(shí)例中GPIB和DB-9電纜連接。

上圖還給出利用GPIB程控通信接口實(shí)現(xiàn)的通信連接。利用GPIB電纜(#1)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)(控制器)GPIB端口與2450型儀器(#1)后面板IEEE-488插孔的連接。利用GPIB電纜(#2)實(shí)現(xiàn)兩部2450型儀器IEEE-488插孔之間的連接。

當(dāng)利用USB電纜連接計(jì)算機(jī)和2450型SMU儀器時(shí)，每部?jī)x器必須利用獨(dú)立USB電纜與計(jì)算機(jī)相連。

當(dāng)使用以太網(wǎng)電纜連接計(jì)算機(jī)和2450型SMU儀器時(shí)，儀器和計(jì)算機(jī)必須使用以太網(wǎng)開關(guān)或集線器連接。

TSP指令集連接

當(dāng)測(cè)試腳本處理器(TSP)指令集用于遠(yuǎn)程編程時(shí)，利用CA-180-3A型交叉電纜(2450型儀器中包含該電纜)實(shí)現(xiàn)2450儀器后面板TSP-Link端口的互連(參見下圖)。

圖8：TSP指令集連接。

對(duì)于計(jì)算機(jī)與2450型儀器的GPIB通信，只需要1根電纜，實(shí)現(xiàn)GPIB接口與2450型儀器IEEE-488接口的連接(圖8中2450型#1)。將2450型#1的TSP-Link節(jié)點(diǎn)設(shè)為節(jié)點(diǎn)1，將2450型#2的TSP-Link節(jié)點(diǎn)設(shè)為節(jié)點(diǎn)2。

通過(guò)前面板改變2450型TSP-Link節(jié)點(diǎn)：

1.按壓主屏左上角的通信狀態(tài)指示器，先后選擇改變?cè)O(shè)置，系統(tǒng)通信窗口打開。

2.在TSP-Link選項(xiàng)下，選擇節(jié)點(diǎn)旁的按鈕，然后進(jìn)入期望的節(jié)點(diǎn)號(hào)。

3.選擇初始化。

4.按壓菜單按鈕，返回主屏。

對(duì)于TSP-Link網(wǎng)絡(luò)中的所有2450型SMU儀器，重復(fù)這個(gè)指令。

器件連接

為了測(cè)試漏系列曲線，對(duì)兩部2450型SMU儀器進(jìn)行配置，使之源電壓并測(cè)量電流。在這個(gè)電路中，2450型#2的Force HI端與BioFET的柵極相連，2450型#1的Force HI端與與其漏極相連。BioFET的電源端與兩部2450型SMU儀器的Force LO端相連。當(dāng)對(duì)所有三端進(jìn)行源和測(cè)量時(shí)，還需要第三部2450型儀器。利用兩部2450型SMU儀器可對(duì)BioFET進(jìn)行I-V測(cè)試配置，參見圖9。

圖9：BioFET三端I-V測(cè)試配置。

圖10給出從兩部2450型SMU儀器后部面板端子到BioFET的連接方式。

圖10：測(cè)試三端BioFET時(shí)兩部2450型儀器配置。

在這個(gè)例子中，使用4根三軸電纜(7078-TRX-10型)，實(shí)現(xiàn)2450型儀器后面板母三軸插孔與BioFET器件的互連，它被安裝在一個(gè)金屬屏蔽的測(cè)試夾具內(nèi)，與母三軸插孔連接。利用三軸三通(237-TRX-T型)實(shí)現(xiàn)兩部2450型儀器的Force LO端與BioFET源端連接。

對(duì)于測(cè)試FET的SCPI或TSP編程序列，請(qǐng)參照2450型儀器用戶手冊(cè)第7部分：FETI-V特性測(cè)量。圖11給出典型FET系列曲線。其結(jié)果可能因BioFET及使用生物功能材料類型的不同而發(fā)生變化。

圖11：兩部2450型儀器生成的典型FET漏系列曲線。

3C精確測(cè)試：電纜、電導(dǎo)和電容

無(wú)論使用什么樣的儀器，其與DUT之間的連接都是測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。了解和管理這些連接的局限性對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要。噪聲源、電纜長(zhǎng)度和電纜電容都可能影響測(cè)量質(zhì)量;信號(hào)電平越低，這些問(wèn)題就越重要。為了把問(wèn)題影響降到最小，測(cè)量電路與電纜及連接器應(yīng)當(dāng)與測(cè)試信號(hào)匹配。此外，電纜和測(cè)試引線應(yīng)當(dāng)認(rèn)真?zhèn)鬟f和安裝。

電纜 對(duì)當(dāng)測(cè)試應(yīng)用電纜進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮以下這些問(wèn)題：

● 測(cè)試環(huán)境中的電氣噪聲有多大? 噪聲被定義為在感興趣信號(hào)上疊加的任何不需要的信號(hào)。電磁噪聲源包括交流電源線、電機(jī)和發(fā)電機(jī)、變壓器、熒光燈、CRT顯示器、計(jì)算機(jī)、無(wú)線發(fā)射機(jī)等。根據(jù)信號(hào)和噪聲惡性，一旦儀器輸入端采集到信號(hào)，就不可能將二者分離。 要盡可能使用最短的傳輸電纜和測(cè)試引線，從而把其對(duì)噪聲源的暴露降到最低。然后，使其牢固地就位，無(wú)法移動(dòng)，不會(huì)在電磁場(chǎng)中產(chǎn)生雜散電磁場(chǎng)。

● 信號(hào)源與測(cè)量系統(tǒng)終端之間的距離是多少?電線具有電阻，這取決于其組成、長(zhǎng)度和直徑。電阻隨著電線長(zhǎng)度的增加而增加，隨著電線直徑的增加而降低。電阻是電纜整體效應(yīng)的一部分，該效應(yīng)是測(cè)量電路模擬輸入的一部分。高電纜電阻與低模數(shù)入電阻的共同作用可能導(dǎo)致通過(guò)互連電纜的較大電壓降，從而帶來(lái)測(cè)量誤差。

導(dǎo)體 在屏蔽和非屏蔽電纜中使用的導(dǎo)體可能是實(shí)心線或絞合線。實(shí)心線信號(hào)衰減最小，但絞合線更靈活，而且可能更容易傳遞和安裝。導(dǎo)體可能是裸銅線、鍍銀或鍍錫。連接器和導(dǎo)體材料應(yīng)當(dāng)匹配，從而使電阻最小，并減少熱生電磁場(chǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)最高的信號(hào)完整性，應(yīng)使用屏蔽導(dǎo)體電纜。屏蔽可以降低信號(hào)引線拾取的電磁噪聲，還有助于降低來(lái)自攜帶高頻信號(hào)導(dǎo)體的電磁輻射。利用不同類型的金屬絲編織層或金屬絲編織層與鋁箔組合，都可以實(shí)現(xiàn)屏蔽。同單層屏蔽相比，多層或多銅箔屏蔽層在微弱信號(hào)拾取和輻射方面更有效。不過(guò)，這往往使電纜更僵硬和更難傳遞和安裝。

在選擇屏蔽電纜時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮以下因素：

● 頻率噪聲越高就越難衰減，需要更復(fù)雜的屏蔽。

● 簡(jiǎn)單的螺旋絲纏繞箔是最低效的類型屏蔽。

● 緊密編織、雙編織或編織加鋁箔將提供更有效的屏蔽。

● 苛刻的大氣、濕度等可能降低屏蔽的有效性。在某些情況下，這些污染物可能會(huì)滲入電纜并降低外絕緣套下的屏蔽。如果可能，應(yīng)避免在這種環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。

電容 對(duì)于許多生物傳感器來(lái)說(shuō)，輸出信號(hào)可能比作帶有電阻的串行電壓源。類似地，模擬儀器輸入端可以比作帶有輸入電阻的并行儀表。在測(cè)試期間，儀器輸入端吸入少量電源必須能夠提供的偏置電流。互連電纜時(shí)這個(gè)電路的重要組成部分，而且可能引入電阻、電容和電感效應(yīng)，具體取決于長(zhǎng)度、容量、成分、路由和物理環(huán)境。

對(duì)于高速、快速變化的信號(hào)，電路電感和電容可能是測(cè)量速度的嚴(yán)重阻礙，即使信號(hào)源和儀器阻抗完全匹配。通常，寄生電容比電感危害更大。來(lái)自高阻抗源的信號(hào)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能在儀器輸入端穩(wěn)定在，因?yàn)樾盘?hào)電流電平有限，需要更多的時(shí)間為電纜電容充電。在這種情況下，應(yīng)在信號(hào)穩(wěn)定之前，進(jìn)行測(cè)量，避免錯(cuò)誤讀數(shù)。

結(jié)論

在開發(fā)早期階段，利用I-V特性分析技術(shù)，可以簡(jiǎn)化用于生物檢測(cè)系統(tǒng)和分析儀器的傳感器合格驗(yàn)證。在很多情況下，這些技術(shù)可以用于傳感器生產(chǎn)測(cè)試中。