文摘
我们提出一个方法和一个电路来提取液体电阻和电容同时使用互相交叉从相同的输出信号传感电极。原理在于电流方波的产生及其应用的传感器来创建一个三角形的输出电压包含电导率和介电常数参数在一个单一的周期。这一概念扩展了三角波形电压(TWV)信号生成技术和由一个系统实现闭环电流控制振荡器,只需要由直流电源。系统接口是可移植的,只有一小部分电器元件用于生成预期的信号。导率的盐氯化钠和氯化钾的解决方案,被商业第一次校准设备,特点是一个系统原型。结果显示良好的线性和证明的可重复性测量。water-glycerol混合物实验验证提出传感方法同时测量介电常数和电导率。我们讨论和确定测量误差的来源电路寄生参数切换时钟引线,电荷注入、带宽和控制电流质量。
1。介绍
液体属性的量化和资格,如离子浓度,介电常数,或pH值主要关心的流体识别的一些领域,如医学、生物学、或化学。为了面对这个复杂的挑战,不断开发仪器解决方案。本文侧重于电气测量液体混合物以提取阻抗建模为一个平行偶极子(1- - - - - -3]。
经典的传感装置用于大多数的这些成就是固态互相交叉电极(IDE)传感器由一个正弦波刺激。提取结果的流体阻抗的模量和相位响应。更有效的方法来刺激传感器是使用一个三角信号(三角波形电压(TWV))中描述(4)和应用于DNA杂交检测(5]。本文提出的传感器接口实现三角波电压一代的原则由一个平方电流信号。这种技术已被成功地用于固定相阻抗元素的提取感知数据需要计算所有三角信号生成后的运行时间(6]。目前的工作使用这种技术来测量液体的电导率和介电常数模型偶极子。第一个改进在于隔离每个电压段成一个紧凑的振荡波的方程独立之前的状态。因此,信号分析是高度简化,只需要采样数据信号周期的所有预期的参数测试的液体。其次,我们的方法实现了电流控制振荡器(CCO)电路的简单架构,这样产生的解决方案需要操作一个直流源。自治系统确实是非常有利于提高密实度和传感系统的可移植性7]。
本文首先描述了IDE液体传感器结构和定义其等效电阻抗;一个有限元模型(FEM)用于计算感应电势概要文件。然后设备刺激理论证明,导致一个正式的一波方程。CCO的架构实现技术的选择和使用印刷电路板(PCB)技术制作的。解决方案的氯化钠和氯化钾首先测量为电导率传感测试系统性能。混合物的水和甘油终于准备显示的能力系统感应电导率和介电常数的测量。论文的最后部分强调了误差源的电路寄生参数带宽,电流源的质量。
2。敏感元件模型
这第一部分定义了传感器等效模型的电子元件和凸显了感觉到参数。接触液体的设备测试下由一个互相交叉(IDE)结构的金属电极在一个绝缘衬底上沉积模式。为了建立敏感元件模型,我们将考虑射流混合材料有限电导率和相对介电常数。
2.1。互相交叉传感器结构
结构视图如图1描述了左边右边的设备顶部和cross-views和周期性细胞结构截面;这些符号和代表设备的电气接触。一个细胞的周期元素被定义为一个IDE结构。阻抗的计算域因此有界在单个细胞结构假设手指的数量足够高时忽略边缘效应。所有报告的几何参数表1。
的电动模型结构如图2和其阻抗(1)。它由一个全球性的平行偶极子,组件和分别被流体电导率有关和介电常数中定义的几何因子(2)作为细胞常数用m表示−1(1]。组件衬底的寄生电容。在现在的环境下,我们假设使用的技术和材料,允许忽略固-液界面的影响。电极是金子做的,一个高度阴极材料。由于这个性质,离子吸附黄金很低,从而降低了感应电流的电流转移(2)和双电层(EDL)形成1]。手指也被认为是足够宽相比,反伊斯兰教英国防御联盟允许忽视的典型厚度双层电容的影响(即。> 1μ米)(8]:
2.2。有限元建模
阻抗值计算有限元模型(FEM)使用COMSOL多重物理量软件。拉普拉斯方程的频率(3)是解决在网状细胞结构域界的周期元素如图3(一)和3(b)。全球电势剖面(图3(c))后获得的拉普拉斯方程计算电场能够访问的解决方案目前金属的手指之间。集成的直边界电场和如图3(一)给访问大部分细胞常数和敏感区域,和(4)。大部分和流体参数和流体阻力是由(5)。解决域的高度将细胞宽度的两倍附上99%的电能(9]。有限元法已被选中,是因为IDE古典分析公式给出了(9)不认为手指的高度,使细胞常数估算不准确:
3所示。传感器刺激理论
理论在本节解释如何刺激敏感的元素。传感原理是基于三角波形电压技术(TWV)中描述4]。提出演示的目的是提供一个紧凑的输出信号的数学表达式包含流体参数。
3.1。阻抗瞬态分析
IDE结构模型在前一节中包含在一个电路与一个额外的连环电容如图4。这个电容的插入是必要的输出信号的生成三角形;这个削减从模拟电压的直流路径节点在地上。电路的负载测试设备的电流信号和响应电压然后探索。总阻抗当前加载的广场是由 应用TWV理论的阻抗,一个方形波(7)的振幅和时间刺激的阻抗,被单位难函数。所示(6),目前的一分之二步骤波,分别和振幅保持电压响应的平均值为零: 当前的拉普拉斯变换波表示 应用拉普拉斯逆变换的产品可以使时域电压响应波表达式给出的(9),引入三个成型参数表命名2作为,,。情节描绘在图5说明当前波的时间进程和电压输出波模型的几个值电气组件:
(一)
(b)
(c)
3.2。响应波分割
瞬态发展了输出电压波形为一系列表达式。每个波上升或下降段包含的所有信息我们正在寻求对阻抗进行测试。紧凑的波方程段因此需要计算提取曲线参数,,。演示报告附录获取的数学表达式(10波部分。)曲线绘制在图6总结了一波部分的参数表示一个变量的定义(11)。段波由两个不同的部分,一个指数和一个线性的。他们的分离时间点取决于阻抗参数值:
3.3。模型的解释
方程(10)是每一波的紧凑的数学形式。三个特定的情况下可以观察到从这个表达式。
3.3.1。指数的一部分是主要的
这第一个案例出现在时间常数大于当前波振荡周期一半()。图7(一)说明第一个案例达到通过增加流动阻力:指数的部分是占主导地位,使线性部分消失。的导数(10当时)计算得到的方程近似直线,导致波的表达式初始斜率段函数 根据对比和,数量可以近似为1。连续近似电压方程是由(13)。替换,,通过各自的电子元件表达式,传感器电容输入值后可以提取吗和。寄生电容根据公式计算5);寄生电容率是固定的IDE结构板材料:
(一)
(b)
3.3.2。的线性部分是主要的
指数波部分的一部分与线性(成为相比可以忽略不计)。图7 (b)展示了线性部分是如何成为主要指数的部分是什么时候。波方程写成段(14)。这种情况发生在IDE传感器等效阻抗的大小是可以忽略不计(6)。系统响应是完全用斜率等于三角形参数,因此附加电容成反比:
3.3.3。两个部分的出现明显的
这种情况下对应于一般形式的分段电压并用于提取流体阻力。专注于参数,指数项可以近似为零的误差小于1%,当条件是满意的。的参数因此,取代了(15),参数被直接连接到流体阻力:
4所示。系统设计
在时间域工作非常有利,因为直接的方法来生成一个方波信号电流,从而不断地充电和放电敏感设备。系统,我们建议实现了修改TWV技术在电流控制振荡器(CCO),这样不需要刺激变量信号源电路、振荡波是由系统本身。
4.1。框图
系统接口给出了框图如图8。
两种截然相反的电流源由一个数字或者启用和禁用命令这是系统的反馈控制信号。swing的模拟波受限于一个施密特触发器的滞后。每次系统极性变化达到上限或下限的滞后电压。
4.2。电路实现
的CCO架构闭环系统生成一个振荡信号,设计了在CMOS先进技术(10]。在目前的工作,因为我们的目标是证明一个仪器的概念,没有设计一个CMOS集成传感器接口,我们提出一个类似的架构实现与双极型晶体管镜子负载电流。MOSFET器件作为开关电路的极性反转。模拟电压监控由施密特与非门产量数字控制的反馈极性改变当前的负载。添加了一个高输入阻抗模拟缓冲,避免变形的三角波由于相对较低的探测设备的输入阻抗。
5。测量结果
在这一节中给出的实验进行验证检测方法应用在前一节中提出的闭环系统。系统电路架构上实现印刷电路板(PCB)与离散的组件。这样一个系统可以集成先进CMOS技术。本研究工作的主要目的是为了证明传感的概念方法,离散PCB实现低成本的选择来验证传感原理。CMOS集成被认为是未来的工作来改善系统性能的检测分辨率,减少能耗和大小。本部分首先描述了描述设置和PCB平台。初步测试集总电容和电阻元素进行说明的演变模拟输出电压。提出了两种类型的实验提取液体的电导率和介电常数。第一种实验氯化钠和氯化钾溶液电导率变化的特点,而第二个测试强调系统的能力来检测glycerol-water混合物的介电常数和电导率。
5.1。描述的设置
的电路架构图9一直在实施一个标准的PCB平台使用离散的组件(多层电路板有限公司)中列出的表吗3。董事会包括两个输出连接器用于探测模拟电压和数字控制信号。模拟缓冲区和施密特触发器是列在表提供的电压值4。触发滞后量电源电压幅值是固定的。系列电容系统的值被设置为90 nF修复一个输出频率范围从100赫兹到10 kHz尊重的负载电流振幅范围10μ1马。互相交叉结构直接印刷电路板。
5.2。集中的元素值提取
模拟电压测量执行使用集总元件精度高(< 0.1%),代表了IDE传感器电气模型。表中列出的测试组件5;模拟电压;探讨了安捷伦Infiniium MSO8104A示波器和绘制在图10。这些结果验证了模拟输出波形变化的分析模型预测的部分3。在闭环系统的工作原理,模拟波振荡两个定义之间的滞后的水平。集中元素的值是根据紧凑表达式中提取的模拟电压(15)。表中给出的测量值5比较集中的校准值组件。我们看到的最大的错误是观察电容提取。下一节将更详细地解释这个错误的起源。
(一)
(b)
5.3。液体电导率的测量
电解液电导率测试的目的是为了证明目前的传感系统的效率和鲁棒性。一些氯化钠和氯化钾的解决方案已经准备和校准使用一个工业电导率仪(EUTECH反对270年,1%满量程精度)。IDE传感器尺寸报告在表6根据理论预测解决方案选择导率使用公式(16)为了设置总范围的流动阻力可测量的系统,盐水的浓度(摩尔−1)和摩尔导率得到了表7。导率然后提取使用表达式(5);细胞常数链接的电导率测量液体电阻。细胞常数的值也给IDE电容约50 pF对水的相对介电常数为80。自从最后一个值的PCB系统电容检测范围内,添加了额外的电容5 nF与IDE传感器: 结果绘制在图11和12显示液体电导的进展从系统中提取三角形的输出电压。测量重复十次。的设在规模由工业电解质盐浓度测量电导率仪,并表示在摩尔·L−1根据(16)。我们观察到,乍一看,一个优秀的线性和重复性液体的测量。测量的标准偏差随电解质浓度;高电解质浓度意味着液体电阻很小,因此更难以提取。此外,结果比预期值(连续曲线)预测的理论估计细胞常数;(5)。理论预测和测量是在良好的协议。
5.4。液体介电常数测量
液体介电常数的特征是由不同介电系数的两种液体混合。两种液体必须在彼此混相均匀,从而创建最线性介电常数范围的混合物。我们从纯甘油中加水准备几个不同water-glycerol比例的混合物。知道的相对介电系数约41为水、甘油和80 IDE传感器细胞常数必须选择产生显著的电容来检测。IDE参数用于实现介电常数测量数据表中列出8;这些维度选择增加传感元件的标称电容;一个太小了液态电容涉及一个糟糕的输出电压参数提取,在部分作进一步的解释6。在图中描述的测量13显示的进化的介电常数与water-glycerol比例混合物。这两个液体自然有不同的电导率,电导率的进化也显示的混合物。
(一)
(b)
介电常数曲线与water-glycerol比率应该是线性的均匀混合物。图中所示的测量13确认这个线性。错误的观察的最后一点测量电导率是由于液体电阻提取错误;液体电阻越小,越高提取误差的影响。
6。讨论
在每一个系统实现,电路元素是不理想的,限制系统性能。我们主要关心的是确保高质量模拟输出信号的检测参数和电阻最大测量范围;这意味着探测波必须尽可能最合适的建模方程(9)。因此所有寄生影响模拟输出电压必须讨论。随着系统的PCB平台上实现由离散的组件,它将更容易突出系统的局限性。有一个好的识别系统实现的这些问题是非常重要的技术。
6.1。寄生电容的影响
最重要的限制电路的寄生参数是离散的组件实现。这些参数显著影响模拟测量,使传感器电容更难以量化,降低敏感度。寄生效应在图表示14与所有的参数连接到模拟电压节点。施密特触发器和模拟缓冲区有自己的输入的功放;的参数,,是MOSFET开关内部的功放。根据这些各连接,模拟电压的影响是不同的。
的参数连接到直流节点与传感元件并行;他们只因此影响系统灵敏度。源功放的流失和非常小,提出了一种对测量的影响可以忽略不计。的电容数字命令终端之间的连接和模拟电压。其影响变形的模拟电压时钟引线和电荷注入每一次系统开关(11];模拟输出响应给出了电压降和小峰值振荡效应补偿的几微秒后消失。时钟引线和电荷注入的影响是描绘在图15。这些现象的主要后果是不好量化的电容在曲线参数估计。我们观察到一个电压降90 mV的测试200 pF的电容。考虑到模拟振荡幅度1 V(图10),提取液体电容误差高达9%。最好的方式减弱这两个寄生效应对CMOS集成电路接口技术。最影响设备增加这种效应是CMOS开关;他们的表面可以大大缩减规模集成技术。这将减少耦合电容。这些影响也可以通过增加传感器额定电容(即降低。,增加手指数量)相比足够小的元素电容。
6.2。电路的带宽
关于系统频率带宽,限制因素是施密特触发器开关时间和二阶振荡引起的寄生参数的开关。的PCB实现接口包括一个4093与非门组件作为施密特触发器。过渡时间取决于电源电压。节中给出的测试条件5,上升和下降的时候触发600纳秒。相比,二阶振荡的持续时间超过1μ年代,因此由于带宽限制开关寄生参数。提出了PCB的实现中,我们设置了工作频率限制在50千赫;模拟输出电压的质量被认为是太恶化超出这个极限。
6.3。当前的镜子
最后对测量的影响是由于当前副本由双极晶体管。有关晶体管(数据表的BCV6X)正向电流增益的最小值是100;这意味着基极电流误差低于1%。当前复制的质量也改变的早期效应和晶体管之间的不匹配。我们弥补这个错误通过执行校准的镜像电流的测量由注入测试电容器的引用。在以后的CMOS设计,当前的质量副本将改进的自MOS栅电流设备相比可以忽略不计的基极电流双设备。此外,硅集成电路带来了一个更好的匹配的镜子比离散实现。然而,同样重要的是要注意,使用CMOS晶体管早期效果更糟糕。幸运的是,这种影响可以通过级联只是纠正当前的镜子。
7所示。结论
修改TWV检测技术已被证实能感觉阻抗模型的液体。波分割的理论结果包括在一个紧凑和简单的表达式的所有信息的提取并联等效传感器像IDE结构。闭环self-oscillating电路接口的实现使得系统自治和紧凑,生产只需要几个元素。测量在盐水浓度与高精度的测量10−6到10−5摩尔−1输入范围和water-glycerol混合物验证传感技术在介电常数的正确的范围(即。从纯甘油40到80纯水)。结果讨论了误差源的电路带宽,交换电荷注入由于寄生参数和质量当前副本的传感设备。整个系统的CMOS集成将是最好的解决方案,大大减弱的寄生影响设备,扩展电路带宽,同时也降低了系统功耗。
附录
计算响应波部分
响应波分割。假定输出波(9)是探测上升段上一半时间,难功能为经过和等于1: 一次翻译然后应用变量变化后a .): 表达式(. 1)可以写成 如果我们认为广场电流信号是无限的和难函数,表达式(a .)可以计算。这两个指数的相关系数和因此消失;最后一个串行过程必须在生成的计算方程 (上学期的各)对应于著名的几何级数(本),和价值,是一个比例因子,是常见的比率。级数是收敛的,只有共同的比率模量小于团结。这是总是在目前情况下因为参数验证和总是大于零: 最后的分段表达式输出电压波是由表达式(要求寄出);方程被垂直转移到设置起动电压为零:
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢比利时瓦隆尼亚地区的资金通过这项研究工作Skywin HM +项目。他们也感谢工作人员欢迎表征平台,允许他们执行测量。