摘要:
基于微控制器的传感器检测系统具有多通道输出与输入、良好的人机交互性、可现场检测等优点，能够最大限度提升传感器的应用空间，因此成为传感器检测系统的主要发展方向之一。本文研制了基于STM32的差分型检测系统，可实现激励电压控制、量程选择、信号差分采集、数据实时显示与存储等功能。以pH敏感型液栅石墨烯场效应晶体管生化传感器为例，对检测结果进行线性拟合，拟合直线的斜率为−1.8，即被测溶液pH每变化1，该检测系统输出电流变化1.8 μA，线性相关系数R2 = 0.94。实验结果表明，该检测系统能够有效检测溶液pH，验证了系统的可行性。
Abstract:
The sensor detection systems based on
the micro-controller have the advantages of multi-channel output and input, friendly
human-machine interaction and field detection. They can expand the application
space of the sensor to the maximum. Thus, they have become one of the main
development direction of the sensor detection systems. In this work, a
differential detection system based on STM32 is developed, which can realize
the control of driving voltage, selection of range measure, acquisition of
signal differential detection, real-time data display and storage. We take the
pH sensitive liquid gate_graphene field effect transistor biochemical sensor as
an example to verify the feasibility of the system. The results of differential
detection were linearly fitted, with an slope of −1.8 and a linear correlation
coefficient of R2 = 0.94. The pH of solution change of 1 can induce
1.8 μA in the output current of detection system. The experimental results show
that the detection system is able to effectively detect the pH of solution.
1. 引言
检测系统是传感器领域研究的重要内容之一，利用电子技术对传感器产生的电压或电流信号进行采集、调理、A/D转换、存储和显示，通常由稳压电源、人机交互模块、传感器激励模块、信号调理、数据采集、存储和显示等模块组成。检测系统的应用非常广泛，例如，以89C51单片机为核心处理单元的环境检测系统，通过连接多种传感器将粉尘、温湿度、烟雾和光照检测于一体，可以实现生活和工作场景中PM2.5的远程监测和报警 [1]；基于LPC1752微控制器的水质检测系统，利用单片机多通道检测的优势，将基于离子敏选择电极的电位分析法和阳极溶出伏安法相结合，构建了组合式电化学检测系统，成功实现了对水环境中多种重金属离子的在线检测 [2]；基于STM32的人体脉搏远程医疗监测系统，通过单片机外接串口转WIFI模块，将脉搏传感器的信号远程传递给社区医疗平台，实现了对用户脉搏信息的远程监测，为扩展体温、心电等生理信号的远程监测提供了一定的技术支持 [3]。由此可见，微控制器为核心的检测系统极大的提升了传感器的应用空间，使其能够满足信息化社会对多通道、高通量、现场快速检测的需求。
液栅石墨烯场效应晶体管(Liquid gate_Graphene Field Effect Transistor, Lg_GFET)是近年来发展起来的一种生化传感器，与传统的硅基离子敏场效应晶体管相比，以石墨烯作为导电沟道，借助石墨烯具有极高载流子迁移率的优势，能够将沟道表面微弱的电荷变化转化为可测的源漏电流变化，具有较高的灵敏度 [4]。它的检测机理在于石墨烯表面修饰不同的生化识别原件能够特异性结合被测生化分子，导电沟道的电流或电导率变化可以反映被测生化分子浓度。例如，将癌胚抗原的抗体通过非共价修饰固定到石墨烯表面，可以检测肿瘤标志物癌胚抗原，源漏电流变化大小可以反应癌胚抗原的浓度 [5]；将探针DNA静电吸附在石墨烯表面，可以捕获溶液中与探针互补的DNA链，溶液中互补DNA链浓度越高，源漏电流越小 [6]；在石墨烯表面修饰大肠杆菌抗体，加入大肠杆菌浓度越大，导电沟道电导率变化越大，而加入另一种高浓度菌株不会触发这种响应 [7]。
本文针对Lg_GFET的电流响应特点设计了差分型检测系统，其中，PDC300为电源管理模块，STM32F103内置双通道高精度A/D和D/A模块，既为核心控制单元又进行模拟电压输出和采集，LM358运放、电阻、电容组成外围电路。检测时采用双通道对两个相同的Lg_GFET进行差分检测，一个作为参比通道，另一个作为被测通道，两者相比较得出检测结果可以减小检测过程带来的误差。传感器所需激励电压设计了滤波和校准电路，使激励电压稳定、准确。针对相同激励下的两个传感器输出信号不一致的问题，加入了补偿电阻。本文设计的差分型检测系统能够满足Lg_GFET激励电压设置、量程选择、信号转换、数据采集与实时显示等诸多方面的要求。
2. 系统设计
2.1. 设计框架
检测系统框架如图1所示，通道1和通道2为两个相同的Lg_GFET。Lg_GFET为三端器件，分别为栅极、漏极和源极，差分检测时通道1和通道2的Lg_GFET需要接相同的栅压(Vg)和漏源电压(Vds)，在源极端对输出电流(Id1和Id2)进行采集。图中左下角的STM32F104ZET6为控制单元，TFTLCD电容屏为人机交互界面，可以设置传感器所需的激励电压以及查看检测结果。电容屏中输入的传感器所需激励电压数据经过STM32及双通道D/A转换、七阶巴特沃斯低通滤波器、电压校准电路产生Vg和Vds，施加在通道1和通道2的Lg_GFET上，它们的输出电流Id1和Id2经过I/V转换电路、二阶有源低通滤波器、双通道A/D转换进入STM32，经过运算在TFTLCD显示电流检测结果。
Figure 1. Diagram of the framework of the proposed detection system
图1. 检测系统框架图
2.2. 七阶巴特沃斯低通滤波器
由于STM32的D/A转换输出电压存在噪声，影响传感器激励电压的稳定，本文选用七阶巴特沃斯低通滤波器作为D/A转换输出电压的滤波电路，利用Filter Solution软件进行设计，如图1中“七阶巴特沃斯低通滤波器”所示，其中包含两个通道，分别用于STM32双通道D/A转换后Vg、Vds信号的滤波，通频带为1 KHz，通频带增益0 dB，带内纹波0 dB。
2.3. 电压校准电路
Lg_GFET生化传感器需要准确的激励电压(Vg、Vds)，由于STM32的D/A转换输出端口存在一定的阻抗，如果将滤波后的电压直接施加给Lg_GFET生化传感器会产生误差，因此需要进行电压校准。图1中“电压校准电路”由两个并行通道构成，分别用于校准滤波器的两路输出信号(Vg、Vds)；每个通道的电路结构相同，均由增益可调运放与电压跟随器组成，电压跟随器的输出电压作为Lg_GFET的激励信号。其中，增益可调运放中滑动变阻器(RV1, RV2)的阻值在0~20 KΩ范围内可调，从而使得放大器的电压增益范围为0~2倍，电压跟随器起到缓冲作用，使输出电压不受Lg_GFET的影响。以本文中所用的Lg_GFET为例，需要设定Vg、Vds电压数值分别为0.5、0.8 V，分别调整电压校准电路中两个通道的滑动变阻器阻值，使其输出值与设定值相同。
2.4. I/V转换电路
不同用途Lg_GFET生化传感器的输出电流数量级不同，为了扩大检测系统的应用范围，需要设计可选择量程的I/V转换电路。图1中“I/V转换电路”由两个并行的通道构成，分别用于采集通道1和通道2的Lg_GFET输出电流Id1和Id2，电流由右侧IN1、IN2端进入，经过传感器补偿电阻RV3和RV4、I/V转换从Vout1和Vout2输出。补偿电阻为两个1 KΩ的滑动变阻器，开始检测前调整其阻值，使TFTLCD显示两个通道电流相同。I/V转换电路中开关(SW1, SW2)分别接入电阻100、10、1 KΩ和100 Ω时，可将输入电流转化为放大105、104、103、和102倍的电压，从而实现量程1~10 μA、10~100 μA、0.1~1 mA和1~10 mA电流的检测。
2.5. 二阶有源低通滤波器
Lg_GFET生化传感器输出电流存在噪声，并且电流经过I/V转换电路噪声被放大，影响电流采集的准确性，所以信号在A/D转换之前需要进行滤波，本文采用二阶有源低通滤波器，滤除高频噪声的同时对滤波器前后级起到缓冲作用，能够使A/D转换采集到的电压信号更加准确 [8]。图1中“二阶有源低通滤波器”输入端接I/V转换电路，输出端接STM32的A/D转换接口。利用Filter Solution软件进行设计，电阻选用10 KΩ，滤波器通频带频率设为1 KHz，通频带增益0 dB，带内纹波1 dB。
3. 结果与讨论
3.1. 电压校准结果
在TFTLCD界面设定电压值分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 V时，用万用表分别测试接入Lg_GFET前后电压校准模块的输出电压值，测试结果如图2所示，接入Lg_GFET前后输出电压相同，表明电压校准模块的输出电压不受Lg_GFET的影响，并且电压在0~1 V范围内，实测值与设定值的电压绝对误差小于1 mV，结合实际应用，电压校准模块输出电压稳定、准确。
3.2. 检测系统的应用测试
以pH敏感型Lg_GFET生化传感器为例，测试了本文检测系统的应用效果，实验设定Vg = 0.5 V、Vds = 0.8 V，使用pH = 7的溶液滴加在通道1的Lg_GFET栅极，pH分别为1、3、5、7、9、11、13的七种溶液依次滴加通道2的Lg_GFET栅极，实验结果如图3所示，通道1输出电流始终保持为15 μA左右，通道2输出电流随被测溶液pH增大而减小，差分结果为通道2输出电流减去通道1输出电流，对差分结果进行线性拟合，方程斜率为−1.8，即被测溶液pH每变化1，该检测系统输出电流变化1.8 μA，线性相关系数R2 = 0.94，说明本文设计的检测系统能有效检测溶液pH。
Figure 2. The output of the voltage calibration block
图2. 电压校准结果
Figure 3. The experimental result of applications for pH sensitive Lg_GFET
图3. 应用于pH敏感Lg_GFET的实验结果
4. 结论
本文以STM32为核心控制单元，TFTLCD为人机交互界面，运放、电阻、电容组成外围电路，构建了多量程差分型检测系统，实现了传感器激励电压的设定、产生、滤波、电压校准，以及传感器输出信号的I/V转换、量程选择、滤波、差分采集、数据显示与存储等功能。对电压校准结果进行了测试，并以pH敏感型Lg_GFET生化传感器为例，对检测结果进行线性拟合，方程斜率为−1.8，即被测溶液pH每增加1，该检测系统输出电流降低1.8 μA，线性相关系数R2 = 0.94。实验证明该系统能够满足Lg_GFET生化传感器的检测需求，有助于传感器的实际应用。
基金项目
本文为国家自然科学基金(编号：61771260)资助项目。