單片集成式電化學(xué)測試系統(tǒng)電路的研究.pdf

1、隨著集成電路工藝和設(shè)計(jì)的發(fā)展，基于微電子技術(shù)的化學(xué)分析和生物醫(yī)療的研究已經(jīng)成為目前生化研究的主流，并且可望為化學(xué)分析和生物科技技術(shù)帶來全面性的發(fā)展。芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip,LOC)是以芯片為平臺(tái)的微全分析系統(tǒng)(MicroTotalAnalysisSystem,μTAS)，它把生物和化學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、生化反應(yīng)和分析過程等基本操作所需要的“實(shí)驗(yàn)室”集成到一塊幾平方厘米的芯片上。單片集成式電化學(xué)測試系統(tǒng)是芯片實(shí)驗(yàn)室的

2、關(guān)鍵技術(shù)之一，而恒電位儀電路是電化學(xué)測試系統(tǒng)的常用組成部分。本文研究了基于三電極恒電位儀的單片集成式電學(xué)化測試系統(tǒng)的電路，為進(jìn)一步研究相關(guān)的芯片實(shí)驗(yàn)室的工作打下了基礎(chǔ)。
　　論文在查閱大量國內(nèi)外微電極原理和化學(xué)反應(yīng)特性的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)微電極與待測溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的與溶液濃度成正比的電流信號(hào)，選取了合適的微電極等效電路模型。針對(duì)電化學(xué)的微弱電流信號(hào)，采用了電流式電化學(xué)測試方法。論文采用了新型的恒電位儀結(jié)構(gòu)來保持參

3、比電極和工作電極之間的電壓恒定，與傳統(tǒng)三電極恒電位儀相比，電路結(jié)構(gòu)簡單，并直接讀出CE端的電流。該恒電位儀結(jié)構(gòu)基于電流鏡電路，擁有良好的輸出電流、電壓之間的線性轉(zhuǎn)換和較寬的電流感應(yīng)范圍。采用Cadence軟件對(duì)恒電位儀電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明該電路具有較寬的電流感應(yīng)范圍(20pA~20uA)。
　　在參考了恒電位儀的輸入電壓范圍基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可編程激勵(lì)信號(hào)部分中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC。DAC的分辨率為10位，采用了分段式結(jié)構(gòu)，高六位

4、(b9~b4)采用了溫度計(jì)碼DAC，低四位(b3~b0)采用了二進(jìn)制碼DAC。在高六位部分，采用了兩組三七譯碼器，分別作為高六位中的行解碼器(b9~b7)和列解碼器(b7~b4),并通過單位解碼器組成高六位的溫度計(jì)碼解碼電路；在電流源的開關(guān)部分，采用了在開關(guān)MOS管后串接一個(gè)緩沖管用以減小電路毛刺。在Cadence仿真下表明：該DAC具有良好的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，輸出電流范圍為0~10mA，微分非線性誤差(DNL)和積分非線性誤差(INL)分