利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法及装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010073591.0 (22)申请日 2020.01.22 (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路865号 (72)发明人 李铁陈世兴杨义王跃林 (74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限 公司 44202 代理人 郝传鑫贾允 (51)Int.Cl. G01N 21/17(2006.01) G01N 27/00(2006.01) B82Y 15/00(2011.01) (54)发明名称 一种利用光调制提高硅纳米线。

2、传感器信噪 比的方法及装置 (57)摘要 本发明提供一种利用光调制提高硅纳米线 传感器信噪比的方法及装置。 方法包括， 基于载 波信号， 确定硅纳米线传感器的光激励信号； 基 于所述光激励信号， 获取所述硅纳米线传感器对 所述被测物的调制信号； 利用锁相放大器对所述 载波信号和所述调制信号进行处理， 获得所述硅 纳米线传感器对所述被测物的目标响应信号。 本 发明所述的方法利用锁相放大器将硅纳米线传 感器的目标物响应信号的信号频谱迁移到载波 信号所在频率处， 再进行放大， 避开硅纳米线传 感器噪声的干扰。 可以大幅度提高硅纳米线传感 器信噪比， 增强传感器的抗干扰能力。 权利要求书2页 说明书6。

3、页 附图4页 CN 111721709 A 2020.09.29 CN 111721709 A 1.一种利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法， 其特征在于， 所述方法包括： 基于载波信号， 确定所述硅纳米线传感器的光激励信号； 基于所述光激励信号， 获取所述硅纳米线传感器对被测物的调制信号； 利用锁相放大器对所述载波信号和所述调制信号进行处理， 获得所述硅纳米线传感器 对所述被测物的目标响应信号。 2.根据权利要求1所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法， 其特征在于， 所述基于所述光激励信号， 获取所述硅纳米线传感器对被测物的调制信号包括： 在所述光激励信号下， 向所述硅纳米线传。

4、感器添加预设待测性质的被测物； 在所述硅纳米线传感器的两端施加预设电流； 记录所述硅纳米线传感器对所述被测物的响应电压； 将所述响应电压作为所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号。 3.根据权利要求1所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法， 其特征在于， 所述基于所述光激励信号， 获取所述硅纳米线传感器对被测物的调制信号包括： 在所述光激励信号下， 向所述硅纳米线传感器添加预设待测性质的被测物； 在所述硅纳米线传感器的两端施加预设电压； 记录所述硅纳米线传感器对所述被测物响应电流； 将所述响应电流作为所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号。 4.根据权利要求2或3所述的利用光调制提。

5、高硅纳米线传感器信噪比的方法， 其特征在 于， 所述预设待测性质为预设浓度或预设PH， 所述在所述光激励信号下， 向所述硅纳米线传 感器施加预设待测性质的被测物包括： 在所述光激励信号下， 向所述硅纳米线传感器施加预设浓度或预设PH的被测物； 控制所述被测物的浓度或PH梯度变化。 5.根据权利要求1所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法， 其特征在于， 所述基于载波信号， 确定被测物的光激励信号之前， 所述方法还包括： 通过频谱仪， 获取噪声频谱； 根据所述噪声频谱， 确定目标电信号； 将所述目标电信号作为所述载波信号。 6.根据权利要求5所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法。

6、， 其特征在于， 所述目标电信号为正弦信号或方波信号。 7.一种利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的装置， 其特征在于， 所述装置包括： 硅 纳米线传感器， 光源、 信号发生器和锁相放大器； 其中： 信号发生器， 用于提供载波信号； 光源， 用于向所述硅纳米线传感器提供基于所述载波信号的光激励信号； 硅纳米线传感器， 用于在所述光激励信号下对被测物进行测试， 获取所述硅纳米线传 感器对所述被测物的调制信号， 锁相放大器， 用于对所述载波信号和所述调制信号进行处理， 获得所述硅纳米线传感 器对所述被测物的目标响应信号。 8.根据权利要求7所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的装置， 其特征在。

7、于， 所述光激励信号为所述光源的输出信号。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111721709 A 2 9.根据权利要求8所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的装置， 其特征在于， 所述硅纳米线传感器具体用于， 在所述光激励信号下， 对预设待测性质的被测物进行测试， 获取所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号。 10.根据权利要求7所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的装置， 其特征在 于， 所述装置还包括： 电压或电流测试装置， 用于在预设电流或预设电压下， 获取所述硅纳 米线传感器对被测物的响应电压或所述硅纳米线传感器对被测物的响应电流。 权利要求书 2/2 页 3 CN 11。

8、1721709 A 3 一种利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法及装置 技术领域： 0001 本发明涉及传感器技术领域， 尤其涉及一种利用光调制提高硅纳米线传感器信噪 比的方法及装置。 背景技术： 0002 硅纳米线传感器的敏感单元是一个尺寸在几十到几百纳米的硅纳米线， 它的传感 机理是被测物附着在硅纳米线的表面， 改变了硅纳米线表面的电荷分布， 从而导致了其表 面势的改变。 由于纳米线的比表面积较大， 因此表面势的微小变化也会使得体电导率发生 较大的变化。 由于这种对外部极其敏感的特性， 硅纳米线传感器在生物化学传感方面获得 了各种各样的成功应用案例， 因此也受到了众多研究者的关注。 0。

9、003 硅纳米线传感器在生物化学样本检测的成功应用主要是因为如下几个方面： 第 一， 硅纳米线有体材料所不具有的属性， 超高的比表面积， 因此硅纳米线传感器有传统体材 料传感器无法比拟的灵敏度； 第二， 硅纳米线传感器是电学传感器， 输出信号可以通过处理 电路直接读出， 方便信号处理； 第三， 由于硅纳米线传感器没有使用一些特殊的材料， 因此 材料获取简单方便； 第四， 通过在硅纳米线传感器表面修饰不同的探针， 便可以对不同的被 测物进行检测， 通用性比针对特定被测物研发的特殊材料的传感器强很多。 0004 基于硅纳米线的传感器在电子信息， 生命科学， 材料化学， 航空航天， 国防科技等 领域。

10、都展示了可观的应用前景。 尤其在生命科学和材料化学方面， 给研究人员提供了一个 全新的思路， 成为未来生化检测领域的重要分支。 但是硅纳米线传感器在应用过程中也面 临一些困难， 其中很重要的一点， 硅纳米线传感器对被测物具有超高的灵敏度， 必然也对干 扰信号极其灵敏， 这使得硅纳米线传感器的输出信号的信噪比较低， 很多情况下很难从噪 声信号中提取有效信号。 发明内容： 0005 鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明公开了一种利用光调制提高硅纳米线传感 器信噪比的方法。 0006 所述方法包括： 0007 基于载波信号， 确定所述硅纳米线传感器的光激励信号； 0008 基于所述光激励信号， 获取。

11、所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号； 0009 利用锁相放大器对所述载波信号和所述调制信号进行处理， 获得所述硅纳米线传 感器对所述被测物的目标响应信号。 0010 在一种可实施的方案中， 所述基于所述光激励信号， 获取所述硅纳米线传感器对 所述被测物的调制信号包括： 0011 在所述光激励信号下， 向所述硅纳米线传感器添加预设待测性质的被测物； 0012 在所述硅纳米线传感器的两端施加预设电流； 0013 记录所述硅纳米线传感器对所述被测物的响应电压； 说明书 1/6 页 4 CN 111721709 A 4 0014 将所述响应电压作为所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号。 00。

12、15 在另一种可实施的方案中， 所述基于所述光激励信号， 获取所述硅纳米线传感器 对所述被测物的调制信号包括： 0016 在所述光激励信号下， 向所述硅纳米线传感器添加预设待测性质的被测物； 0017 在所述硅纳米线传感器的两端施加预设电压； 0018 记录所述硅纳米线传感器对所述被测物响应电流； 0019 将所述响应电流作为所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号。 0020 进一步的， 所述预设待测性质为预设浓度或预设PH， 所述在所述光激励信号下， 向 所述硅纳米线传感器施加预设待测性质的被测物包括： 0021 在所述光激励信号下， 向所述硅纳米线传感器施加预设浓度或预设PH的被测物； 。

13、0022 控制所述被测物的浓度或PH梯度变化。 0023 进一步的， 所述基于载波信号， 确定被测物的光激励信号之前， 所述方法还包括： 0024 通过频谱仪， 获取噪声频谱； 0025 根据所述噪声频谱， 确定目标电信号； 0026 将所述目标电信号作为所述载波信号。 0027 在一些可实施的方案中， 所述目标电信号为正弦信号或方波信号。 0028 进一步的， 本发明还提供了一种利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的装置， 所述装置包括， 硅纳米线传感器， 光源、 信号发生器和锁相放大器； 其中： 0029 信号发生器， 用于提供载波信号； 0030 光源， 用于向所述硅纳米线传感器提供基于所。

14、述载波信号的光激励信号； 0031 硅纳米线传感器， 用于在所述光激励信号下对被测物进行测试， 获取所述硅纳米 线传感器对所述被测物的调制信号， 0032 锁相放大器， 用于对所述载波信号和所述调制信号进行处理， 获得所述硅纳米线 传感器对所述被测物的目标响应信号。 0033 进一步的， 所述光激励信号为所述光源的输出信号。 进一步的， 所述硅纳米线传感 器具体用于， 在所述光激励信号下， 对预设待测性质的被测物进行测试， 获取所述硅纳米线 传感器对所述被测物的调制信号。 0034 进一步的， 所述装置还包括： 电压或电流测试装置， 用于在预设电流或预设电压 下， 获取所述硅纳米线传感器对被测。

15、物的响应电压或所述硅纳米线传感器对被测物的响应 电流。 0035 本发明利用锁相放大器将硅纳米线传感器的目标物响应信号的信号频谱迁移到 载波信号频率处， 再进行放大， 避开硅纳米线传感器噪声的干扰。 可以大幅度提高硅纳米线 传感器信噪比， 增强传感器的抗干扰能力。 附图说明： 0036 图1是本发明所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的装置结构图； 0037 图2是本发明所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方法流程图； 0038 图3是一种实施例中获取所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号的流程 图； 说明书 2/6 页 5 CN 111721709 A 5 0039 图4是另一种。

16、实施例中获取所述硅纳米线传感器对所述被测物的调制信号的流程 图； 0040 图5是获取调制信号的原理图； 0041 图6是对载波信号的幅度进行调制的原理图； 0042 图7是对载波信号的频率进行调制的原理图； 0043 图8是对载波信号的相位进行调制的原理图； 0044 图9是本发明所述的利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的原理图； 0045 图中： 0046 a为被测物的浓度随时间的变化曲线； 0047 b为载波信号的信号曲线； 0048 c为调制信号的信号曲线； 0049 d为调幅信号的信号曲线； 0050 e为基于幅度调节所获取的目标响应信号的信号曲线； 0051 f为调频信号的信号曲线。

17、； 0052 g为基于频率调节所获取的目标响应信号的信号曲线； 0053 h为调相信号的信号曲线； 0054 k为基于相位调节所获取的目标响应信号的信号曲线。 具体实施方式： 0055 为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本发明实施例 中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例是 本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域技术人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 为解决现 有技术中存在的问题， 本发明提供了一种利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的方。

18、法， 所述方法应用于利用光调制提高硅纳米线传感器信噪比的装置， 如图1所示， 所述装置包 括： 0056 硅纳米线传感器， 光源、 信号发生器和锁相放大器； 其中： 0057 信号发生器， 用于提供载波信号； 0058 光源， 用于向硅纳米线传感器提供基于载波信号的光激励信号； 0059 可以理解的是， 所述光激励信号为所述光源的输出信号， 可以理解为光源输出的 光照强度。 0060 优选的， 光源可以是450nm蓝光。 0061 硅纳米线传感器， 用于在光激励信号下对被测物进行测试， 获取硅纳米线传感器 对被测物的调制信号。 0062 锁相放大器， 用于对载波信号和调制信号进行处理， 获得硅。

19、纳米线传感器对被测 物的目标响应信号。 0063 可以理解的是， 锁相放大器可以将调制信号中的信号频谱迁移至载波信号所在频 率处， 避开硅纳米线传感器的预设噪声目标的干扰， 从而经过锁相放大器对载波信号和调 制信号进行处理后， 所获取到的是高信噪比的目标响应信号。 说明书 3/6 页 6 CN 111721709 A 6 0064 进一步的， 硅纳米线传感器具体用于， 在光激励信号下， 对预设待测性质的被测物 进行测试， 获取硅纳米线传感器对被测物的调制信号。 0065 进一步的， 装置还包括电压或电流测试装置， 用于在预设电流或预设电压下， 获取 硅纳米线传感器对被测物的响应电压或硅纳米线传。

20、感器对被测物的响应电流。 0066 进一步的， 如图2所示， 方法包括： 0067 S101、 基于载波信号， 确定硅纳米线传感器的光激励信号； 0068 具体的， 基于载波信号， 确定硅纳米线传感器的光激励信号具体为， 将载波信号直 接作为光源的激励信号， 为光源提供施加在硅纳米线传感器上的光激励信号。 0069 具体的在， 执行步骤S101之前， 先执行以下步骤： 0070 通过频谱仪， 获取噪声频谱； 0071 具体的， 可以通过频谱仪直接测量信号噪声。 0072 根据噪声频谱， 确定目标电信号； 0073 可以理解的是， 在获取到噪声频谱后， 可以根据噪声频谱选取目标电信号， 例如目 。

21、标电信号可以为正弦信号或方波信号或其它信号， 并基于噪声频谱， 确定目标电信号的频 率范围， 例如， 在一种可实施的方案中， 当依据噪声频谱获取到的噪声是1/f噪声(也叫闪烁 噪声， 在低频部分的电流噪声的功率谱密度和频率f成反比， 把这种噪声称作1/f噪声)时， 可以选取频率在1k到5k之间的目标电信号。 0074 将目标电信号作为载波信号。 0075 具体的， 在选取出目标电信号后， 将目标电信号作为载波信号。 0076 S103、 基于光激励信号， 获取硅纳米线传感器对被测物的调制信号。 0077 具体的， 在一种可实施的方案中， 如图3所示， 基于光激励信号， 获取硅纳米线传感 器对被。

22、测物的调制信号包括： 0078 S304、 在光激励信号下， 向硅纳米线传感器添加预设待测性质的被测物； 0079 可以理解的是， 被测物的选定可以根据实际测试需要进行选定， 例如， 被测物可以 为蛋白、 核酸等， 这里不做限定。 预设待测性质可以为预设浓度或预设PH。 0080 进一步的， 在光激励信号下， 向硅纳米线传感器施加预设待测性质的被测物包括： 0081 在光激励信号下， 向硅纳米线传感器施加预设浓度或预设PH的被测物； 0082 控制被测物的浓度或PH梯度变化。 0083 可以理解的是， 在向硅纳米线传感器添加待测物时， 可以控制被测物的浓度或PH 梯度变化， 例如可以控制被测物。

23、的浓度梯度增加或梯度减小； 0084 或者， 控制被测物的PH梯度增加或梯度减小。 0085 在一种实施方式中， 可以将核酸作为待测物， 并确定以时间为变化基准， 随时间梯 度增加核酸的浓度， 具体确定核酸的起始浓度为0fmol/L， 终止浓度为6fmol/L， 梯度变化量 为为1fmol/L， 在该实验设定下， 基于上述的光激励信号， 向硅纳米线传感器添加不同浓度 的核酸。 0086 可以理解的是， 上述的待测物浓度按照预设梯度(1fmol/L)增加仅是一个优选方 式， 在其他可实施的方案中， 待测物浓度还可以是按照预设梯度减小， 或者， 在其他可实施 的方案中， 待测物的浓度还可以随时间做。

24、曲线变化， 这里不做限定。 0087 S306、 在硅纳米线传感器的两端施加预设电流； 说明书 4/6 页 7 CN 111721709 A 7 0088 S308、 记录硅纳米线传感器对被测物的响应电压； 0089 可以理解的是， 硅纳米线传感器相当于一个电阻， 在电阻的两端施加电流后， 即可 以获取到对应的电压值。 预设电流可以根据需要设定， 这里不做限定。 0090 该电压值为硅纳米线传感器对被测物的响应电压。 可以理解的是， 响应电压可以 是基于被测物的测试性质而获取的硅纳米线传感器对被测物浓度变化的响应电压或者硅 纳米线传感器对被测物PH变化的响应电压。 0091 S310、 将响应。

25、电压作为硅纳米线传感器对被测物的调制信号。 0092 可以理解的是， 在本说明书中， 硅纳米线传感器对待测物的响应信号为： 在硅纳米 线输出信号稳定的情况下， 改变硅纳米线传感器所测试的待测物的性质， 例如改变待测物 的浓度， 其输出信号发生变化， 这种由待测物性质发生变化导致的输出信号变化， 称为硅纳 米线传感器对待测物的响应。 0093 具体的， 基于图5， 对上述获取调制信号的步骤进行如下具体说明： 0094 根据获取的噪声频谱确定好目标电信号后， 通过信号发生器提供与目标电信号对 应的载波信号， 在本说明书中， 目标电信号即对应载波信号， 该载波信号为正弦信号。 0095 进一步的， 。

26、将载波信号作为光源的激励信号， 可以理解的是， 光激励信号的变化实 际是基于载波信号的变化而变化的， 其光激励信号的变化曲线可以与载波信号的信号曲线 相同， 如图5中a曲线。 0096 进一步的， 在上述变化的光激励信号下， 向硅纳米线传感器添加被测物， 在图5中， 被测物的浓度随时间的变化而发生变化， 其变化曲线如图5中b曲线。 0097 进一步的， 向硅纳米线传感器施加预设电流， 从而得到如图5中c曲线所示的硅纳 米线传感器对被测物的调制信号的信号曲线。 0098 进一步的， 在另一种可实施的方案中， 如图4所示， 基于光激励信号， 获取硅纳米线 传感器对被测物的调制信号包括： 0099 。

27、S316、 在光激励信号下， 向硅纳米线传感器施加预设待测性质的被测物； 0100 S318、 在硅纳米线传感器的两端施加预设电压； 0101 S320、 记录硅纳米线传感器对被测物响应电流； 0102 S322将响应电流作为硅纳米线传感器对被测物的调制信号。 0103 具体的， 其原理与步骤S304-S310所描述的原理相同， 这里不再赘述。 0104 S105、 利用锁相放大器对载波信号和调制信号进行处理， 获得硅纳米线传感器对 被测物的目标响应信号。 0105 可以理解的是， 锁相放大器对载波信号和调制信号进行处理的时候， 可以对载波 信号的幅度执行调制或对载波信号的频率进行调制或对载波。

28、信号的相位进行调制。 0106 在一种可实施的方案中， 可以将图5中所获取的调制信号和载波信号一同输入锁 相放大器中进行调制， 并对载波信号的幅度进行调制， 利用锁相放大器进行调制解调， 解调 结果如图6所示， 其中， 曲线d为调节幅度所获取的信号曲线， 即调幅信号的信号曲线， 曲线e 为基于幅度调节所获取的目标响应信号的信号曲线。 0107 进一步的， 在其它可实施的方案中， 也可以对载波信号的频率进行调制， 其调制结 果如图7所示， 其中， 曲线f为调频信号的信号曲线， 曲线g为基于频率调节所获取的目标响 应信号的信号曲线。 说明书 5/6 页 8 CN 111721709 A 8 010。

29、8 或者， 0109 也可以对载波信号的相位进行调制， 其调制结果如图8所示， 其中， 曲线h为调相信 号的信号曲线， 曲线k为基于相位调节所获取的目标响应信号的信号曲线。 0110 在锁相放大器的调制过程中， 可以利用锁相放大器中的调制器将硅纳米线传感器 的目标物响应信号的信号频谱迁移到载波信号频率处， 再进行放大， 避开硅纳米线传感器 噪声的干扰。 利用锁相放大器中的解调器对调制信号进行解调， 同时， 检测频率或者相位或 者振幅， 消除非同频同相的噪声。 该方法具有大幅度提高硅纳米线传感器信噪比的优点， 增 强了传感器的抗干扰能力。 0111 进一步的， 如图9所示， 利用锁相放大器对载波。

30、信号和调制信号进行处理， 获得硅 纳米线传感器对被测物的目标响应信号之后， 将目标调制信号输出至计算机进行存储并显 示。 0112 以上， 以上实施例仅用以说明本申请的技术方案， 而非对其限制； 尽管参照前述实 施例对本申请进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 其依然可以对前述各 实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改 或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。 说明书 6/6 页 9 CN 111721709 A 9 图1 图2 说明书附图 1/4 页 10 CN 111721709 A 10 图3 图4 说明书附图 2/4 页 11 CN 111721709 A 11 图5 图6 图7 说明书附图 3/4 页 12 CN 111721709 A 12 图8 图9 说明书附图 4/4 页 13 CN 111721709 A 13 。