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基于AlGaN/GaN多级放大生化传感器的研究

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基于AlGaN/GaN多级放大生化传感器的研究

作者：陈可跃西安电子科技大学

学位级别：硕士

在现代社会中,人体因各种生理指标浓度失衡导致的疾病问题频发,需要专门的设备对相关的物质进行检测,而半导体基生物传感器在该领域极具潜力。半导体基生物传感器利用半导体材料的物理特性,将待测物浓度的变化转化为电信号进行放大和输... 详细信息

在现代社会中,人体因各种生理指标浓度失衡导致的疾病问题频发,需要专门的设备对相关的物质进行检测,而半导体基生物传感器在该领域极具潜力。半导体基生物传感器利用半导体材料的物理特性,将待测物浓度的变化转化为电信号进行放大和输出,可实现对多种生物指标的超灵敏检测。半导体材料具有光、电、磁、极化等多种特性,它们均可以用来建立相应的传感信号放大机制。当前,主要使用单一的半导体特性实现传感机制的建立,如离子选择性场效应晶体管传感器或半导体光电化学传感器。如何将不同传感机制的半导体基传感器件耦合起来,实现生物传感信号的多级放大,对该领域的推动具有积极意义。因此,基于以上问题,本文选择氮化镓（GaN）作为基础半导体材料,利用其二维电子气特性和光电转换特性,分别研发了GaN高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor,HEMT）生物传感器和GaN半导体光电化学传感器。随后首次将二者进行电耦合,研究它们耦合后对5-羟色胺生物分子检测信号的联级放大特性。主要的研究内容包括:首先,制备了两种不同Al组分的开栅结构铝镓氮（Al GaN）/GaN HEMT传感器。根据位点结合模型,开栅结构的Al GaN表面可生成天然金属氧化物及金属氮化物表面,对于H+的浓度很敏感。因此通过在不同酸碱度（pH）溶液中对H+浓度检测可得到Al GaN势垒层中不同Al组分对于器件传感性能的影响。采用Keithley4200半导体特性分析仪测试器件特性。测试结果显示,Al组分由27%增至35%,传感器的电压灵敏度由46 m V/pH提高至57.6 m V/pH,电流灵敏度由55.5μA/pH提高至91.9μA/pH,电容灵敏度由23.7 p F/pH提高至35.2 p F/pH,在更换溶液后器件电流达到稳定的时长由27.5 s降至15.5 s。结果证明Al含量的增加可显著提升GaN HEMT传感器性能。原因考虑为Al含量增多,增大了Al GaN与GaN之间的极化效应,提高2DEG的浓度,对于表面待测物浓度的变化更敏感;其次在传感器表面导致H+结合位点增多,造成更大的IDS改变。其次,制备了新型n-GaN半导体光电化学传感器。先通过氢氧化钾（KOH）溶液刻蚀n-GaN器件表面,并对不同刻蚀时间的器件性能进行对比分析研究。AFM、SEM、XPS等测试证明了KOH刻蚀器件形成表面纳米阵列,增强了表面粗糙度,且刻蚀5分钟的器件粗糙度均匀,表面缺陷少。电流-时间（I-T）特性及电流-电压（I-V）特性进一步证明刻蚀5分钟的器件性能最佳。采用未刻蚀及刻蚀5分钟的n-GaN器件分别制备成为n-GaN半导体光电化学传感器以进行5-ht检测。传感原理为器件在光照的作用下,产生光生电子-空穴对。5-羟色胺（5-ht）与空穴发生氧化反应,电子沿着相反方向运动形成电流。传感结果表明,未刻蚀器件的无法识别不同浓度的5-羟色胺;而三个刻蚀5分钟的传感器传感灵敏度分别为2.1μA,1.85μA,2.5μA/（decade concerntration）。实验结果证明KOH溶液刻蚀表面对n-GaN光电化学传感器的电化学特性及5-ht的传感特性均有较大改善。原因在于KOH刻蚀器件增强了表面粗糙度,使得在相同的5-ht浓度水平下刻蚀后器件的5-ht孵化程度更高,光生电流越大,因此提高了传感灵敏度。最后创新性的将AlGaN/GaN HEMT及n-GaN光电化学传感器通过金属导线耦合,形成分体式GaN基光电化学传感器,传感原理同第二部分。通过光激发n-GaN光电化学传感器实现5-ht光电信号的提取,电化学工作站对于5-ht浓度变化产生的电信号本身有放大作用。而后放大后的电信号经金属导线传递到AlGaN/GaN HEMT一端的栅极,由于HEMT沟道2DEG丰富,因此可对电信号进行二级放大。结果表明二者耦合的传感器灵敏度为6.55μA/（decade concerntration）。与单一的n-GaN光电化学传感器相比,传感灵敏度提升超过3倍,在医学检测领域具有较强的应用潜力。但其检测曲线的线性度较n-GaN光电化学传感器略有下降,这可能是由于AlGaN/GaN HEMT和n-GaN光电化学传感器耦合过程中引入其他非线性变量,在未来还需要进一步的研究与改进。

关键词：光电化学 AlGaN/GaN HEMT 传感器多级放大 Al组分 5-羟色胺溶液刻蚀灵敏度

一类多级放大的柔性微夹钳的设计、分析和实验

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一类多级放大的柔性微夹钳的设计、分析和实验

作者：钱佳卫山东大学

学位级别：硕士

随着微机电系统、智能器件和智能材料的高速发展,微纳操作技术逐渐突破传统的机、电框架,广泛应用于精密工程、生命科学、微纳米材料等诸多领域中。微夹钳作为微纳操作技术中的一种典型末端执行器,也是微纳操作技术中的核心技术之一,能... 详细信息

随着微机电系统、智能器件和智能材料的高速发展,微纳操作技术逐渐突破传统的机、电框架,广泛应用于精密工程、生命科学、微纳米材料等诸多领域中。微夹钳作为微纳操作技术中的一种典型末端执行器,也是微纳操作技术中的核心技术之一,能够高效精准地完成复杂工况下的任务。随着微纳领域对操作精度,操作尺寸的要求不断提高,具有高精度、多种目标操作的大行程微夹钳逐渐成为微纳操作技术不可缺失的关键系统。针对上述应用与挑战,本文提出了一种压电驱动,集成力、位移传感器的多级放大的柔性微夹钳系统,围绕微夹钳设计方法、柔性机构建模分析和微纳操作实验探究等展开研究:首先,考虑到目标夹持物尺寸变化各异(几微米至几百微米),设计了一种新型的柔性三级位移放大机构,该机构结合了桥式放大机构的紧凑性和杠杠放大机构的放大比累加的优点,来扩大微夹钳的夹持行程。另外,为了确保目标物的精准抓取和均匀的应力分布,本文采用了平行四边形柔性机构来实现水平夹取的夹持方式。最终,设计了一种集成了压阻式力传感器和电容式位移传感器的压电驱动大行程柔性微夹钳系统。其次,针对柔性微夹钳中各级位移放大机构,考虑了柔性铰链的变形机理带来的刚度影响,分析了各个杆件和各个铰链所受力与变形之间的关系,提出了基于弹性梁理论柔性微夹钳的静力学建模方法,定量分析了微夹钳的等效刚度与放大比等静态性能。并通过仿真分析对模型进行变形、应力等理论分析,验证了静力学模型的有效性和精确性。然后,考虑到微纳操作过程中目标物的刚度、尺寸等特征的动态影响,本文将目标物等效为具有特征半径的弹簧-阻尼系统成为微夹钳系统的一部分,探究了微夹钳与目标物交互的动态过程,建立了在夹持与非夹持两种状态下的柔性微夹钳运动学与动力学模型。进一步推导了夹持力的动力学模型,准确描述了柔性微夹钳在操作过程中的动态行为。最后,根据理论研究结果设计并加工制造了柔性微夹钳,并搭建了微纳操作系统的实验平台,测试了微夹钳在非夹持状态下的静态特性,对比理论和仿真分析结果验证理论静力学模型的有效性。同时基于大范围微纳操作的要求,分别夹持操作了不同尺寸,不同刚度的目标物,并对比了非夹持状态和夹持不同目标物状态下微夹钳的动态特性,验证微纳夹持的动力学模型的准确性。并针对系统的两种状态设计了一种力/位移切换控制器,实现了微夹钳从非夹持到夹持整个过程的精准操作。

关键词：微纳操作多级放大压电驱动柔性微夹钳动态影响

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非相干光多级放大的一种新方法

运城高专学报 2000年第6期18卷 1-2页

作者：吉选芒刘劲松安毓英运城高等专科学校物理系山西运城044000 西安电子科技大学西安710071

本文基于光折变非线性光学中的光擦除和双光束耦合的基本原理 ,提出了一种实现非相干光多级放大的新方法。

关键词：非相干光多级放大光擦除双光束耦合光折变非线性光学光电探测器

直馈包围多级放大级的设计——宽频带运算放大器

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自动化学报 1965年第4期 205-211页

作者：丁丙

本文提出直馈包围多级放大级线路设计的一种方法。基于对实际合成特性的分析,利用两个矢量不等式,获得了设计该几级放大级频率特性的基本准则。利用所提出的方法分析了一个典型线路并给出符合理论分析的实验结果。

关键词：运算放大器多级放大输出端开环特性宽频带宽波段带宽相加点

在铜物理显影多级放大中实验条件对乳剂感光性能的影响

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影像科学与实践 1991年第3期 25-26页

作者：傅延勋庄思永

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低噪声多级放大信号调理的滤波技术研究

微型机与应用 2014年第3期33卷 76-78,81页

作者：高小花冯西安西北工业大学航海学院陕西西安710072

针对水下近程目标回波信号接收问题,阐述了一款低噪声多级放大信号调理系统,分析了三级放大电路,并着重研究了带通滤波器的设计,利用滤波器设计软件filter-solutions对设计的滤波器进行仿真分析。通过分析滤波器电路底噪声,得出LC带通... 详细信息

针对水下近程目标回波信号接收问题,阐述了一款低噪声多级放大信号调理系统,分析了三级放大电路,并着重研究了带通滤波器的设计,利用滤波器设计软件filter-solutions对设计的滤波器进行仿真分析。通过分析滤波器电路底噪声,得出LC带通滤波器较其他滤波器具有稳定性高、电路结构简单、底噪声较小等特点,有效提高了调理系统的性能。

关键词：多级放大 LC 带通滤波器 Filter-solution 热噪声均方值总的均方根噪声

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汉字的多级放大技术

计算机文汇 1995年第5期2卷 4-6页

作者：金卓山东青岛托普顿电器公司

在设计友好的用户界面时,常常需要显示多种字体的大型汉字。本文阐述了在西文状态下汉字任意倍数放大显示的方法,并给出程序清单。

关键词：汉字多级放大西言语状态区位码点阵字模

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我校气体多级放大机制的研究取得初步成果

中国科学技术大学学报 1982年第1期 47-47页

近一年来,我校近代物理系实验核物理专业的部分同志,结合研究生的毕业论文,研究二次气体放大机制,试制了一个有效面积为100×100mm~2的多级霉崩室,并测试了室的性能:1)当工作气体为Ar+C(?)H(?)(96:4)时,气体放大倍数大于10~5,仍工作在... 详细信息

近一年来,我校近代物理系实验核物理专业的部分同志,结合研究生的毕业论文,研究二次气体放大机制,试制了一个有效面积为100×100mm~2的多级霉崩室,并测试了室的性能:1)当工作气体为Ar+C(?)H(?)(96:4)时,气体放大倍数大于10~5,仍工作在正比区(同条样件,多丝正比室仅能达到10(?))。2)对带电粒子的探测效率(?)长大于700伏(仅用多丝室时为200伏)。

关键词：多级放大近代物理正比区

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多级碱金属蒸气激光放大器的输出特性

光学学报 2017年第9期37卷 148-156页

作者：杨静王韩奎朱雨刘伟峰王高亮周口师范学院物理与电信工程学院河南周口466000

在全面分析碱金属蒸气激光放大器的激光动力学与流体动力学过程的基础上,结合热效应、饱和放大效应、放大自发辐射、高能级激发与电离的影响,建立了一个相对完善的物理模型来模拟流动散热条件下半导体抽运碱金属蒸气激光放大器的输出特... 详细信息

在全面分析碱金属蒸气激光放大器的激光动力学与流体动力学过程的基础上,结合热效应、饱和放大效应、放大自发辐射、高能级激发与电离的影响,建立了一个相对完善的物理模型来模拟流动散热条件下半导体抽运碱金属蒸气激光放大器的输出特性。计算模拟了纵向和横向两种不同流动方式下,气体流速对输出功率的影响,比较分析了高抽运功率密度下各能级粒子数密度的变化趋势,最后模拟了各级放大器的功率分配比对提高级联放大器输出效率的作用。结果表明:在相同工作温度条件下,多个等长蒸气池和均等抽运光功率分配能让高级数放大器获得比低级数放大器更高的放大倍数。所提模型有助于高功率碱金属蒸气激光放大器的参量选择和优化设计。

关键词：激光器激光放大器多级放大激光动力学过程流体动力学过程