光寻址电位传感器(Light Addressable Potentiometric Sensor,LAPS)是一种基于半导体场效应原理的电位型电化学传感器,具有检测灵敏度高、电位稳定性好、响应速度快、与集成电路制造工艺兼容等优点,特别是它的“光可寻址阵列”特点使其在局部信号的测量中具有很大的优势和灵活性,可用于生物医学、环境监测、工农业生产、科学研究等多个领域,是半导体电化学传感器领域的研究热点之一。LAPS的关键技术指标包括空间分辨力、检测速度和检测精度等,本论文主要研究其中的检测精度问题。目前,由于LAPS受光面对入射光有较强的反射作用,使其光电转换效率较低;此外传感器和检测电路中存在的随机噪声,以及偏置电压和光照强度的波动,使LAPS输出信号的噪声较大;又由于衬底中光生载流子的侧向扩散使LAPS中存在信号串扰,这些都是影响LAPS检测性能的主要因素。论文瞄准提高检测精度这一关键技术问题,通过设计陷光结构衬底提高LAPS的光电转换效率,通过光源系统优化和噪声抑制算法提高LAPS的信噪比,采用网状工作电极结构减少信号串扰稳定输出信号,有效提高了LAPS的检测精度,改善了检测性能。本论文的主要创新性研究成果如下:(1)提出了LAPS的动态电路模型。LAPS的输出信号很微弱,存在信号漂移且夹杂有大量的随机噪声,严重影响到检测结果的可靠性,因此需要研究能够抑制信号漂移和随机噪声的信号处理算法。基于LAPS的等效电路模型,本文提出LAPS的动态电路模型,建立微分方程,求解得到LAPS输出信号的表达式。通过对表达式的分析,提出用于抑制LAPS噪声干扰的信号处理算法。处理算法包括频域分量均方根计算和卡尔曼滤波处理两部分,首先对输出信号在频域中的基波分量、二次谐波分量和三次谐波分量的均方根值进行计算,能够较好地解决LAPS信号的漂移问题;然后采用卡尔曼滤波的方法对归一化I-V特性曲线进行滤波处理,以消除混杂在输出信号中的随机噪声。研究表明,同传统的单纯抽取频域中基波分量的方法相比,采用新的信号处理算法后,信号漂移和随机噪声都得到了明显的抑制。(2)提出了一种新型的微盲孔阵列陷光结构衬底。研究表明减少衬底厚度能够有效增强LAPS输出信号,提高输出信号信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR),提高检测灵敏度,然而衬底的大面积减薄会带来衬底机械强度的显著降低,使器件变得容易破碎。本文根据陷光结构减少入射光能量损失的原理,提出一种具有陷光结构的新型衬底结构,通过增强衬底对入射光的吸收来提高LAPS的检测性能。陷光结构由LAPS衬底受光照区域构建的微米级盲孔阵列构成。当入射光照射到衬底时,在微盲孔阵列表面发生多重反射,增加了衬底对入射光的吸收,增强了光电转换效率,减少了由于入射光的直接反射而造成的能量损失。研究结果显示,在衬受光照面构建微盲孔阵列形态的陷光结构能够增强LAPS输出信号的幅值,对检测灵敏度、线性度、信噪比都有改善作用,同时使器件在封装和测量过程中仍然保持良好的机械强度。(3)提出了一种新型网格状工作电极结构。LAPS阵列检测传感器各检测点之间存在比较严重的信号串扰(Cross talk)问题,它影响到检测信号的稳定性、可靠性、以及化学成像的空间分辨力。研究表明光生载流子在衬底中的侧向扩散是串扰产生的最主要原因,因而需要寻找能够抑制光生载流子侧向扩散的有效方法。针对这个问题,本文设计了一种环绕各检测点的网格状结构的工作电极。通过积累在金属薄膜工作电极和硅衬底界面区域的大量多数载流子抑制光生载流子在衬底中的侧向扩散,使光生载流子的扩散更加集中于垂直方向,从而能够减少检测点间信号的相互串扰。研究结果表明,网状工作电极结构能够有效抑制信号串扰,稳定输出信号。(4)提出了一种基于面积计算的LAPS信号测量方法。LAPS的传统测量方法受噪声影响寻找工作点位置困难,致使检测性能不够稳定。针对这个问题,本文提出了基于面积计算的测量方法。该方法是对归一化I-V特性曲线与水平坐标轴之间所夹区域的面积进行计算,通过被测物质的化学量与所夹面积的关系,来确定当前的检测结果。实验中采用这种测量方法对电解溶液的pH值进行了检测,结果表明检测灵敏度和线性度均较高,而且不随偏置电压步进值长度的变化而变化。由于该方法不需要对工作点进行定位,且对偏置电压步进值长度不敏感,因而能够加快检测进度,是一种运算简便、检测性能稳定的LAPS测量方法。通过上述研究解决了LAPS的光电转换效率低、噪声干扰大和信号串扰的问题,研制了基于高精度数据采集卡的LAPS传感系统样机,检测结果显示LAPS的光电转换效率和信噪比明显提高,信号串扰得到有效抑制。本文的研究对提高LAPS检测精度、增强检测性能、拓展其应用范围具有重要意义。