СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАНАЛОВ РЕГИСТРАЦИИ МНОГОКАНАЛЬНОГО НАНОПРОВОДНОГО ДЕТЕКТОРА Российский патент 2023 года по МПК G01N27/414 G01N33/53 B82Y15/00 

Определения

Нанопроволочный детектор (НП) - полевой транзистор с изолированным затвором, канал сток-исток которого представляет собой чувствительный к внешнему воздействию открытый провод (нанопровод) шириной в несколько десятков нанометров и длиной в несколько сот нанометров.

Нанопроводной чип - несколько нанопроводов конструктивно расположены на одном кристалле так, что электрод затвора для них является общим.

Нанобиосенсор (НБС) - аппаратно - программный комплекс, состоящий из нанопроволочных детекторов, жидкостной кюветы для исследуемого образца, электронной схемы регистрации, компьютера и программного обеспечения.

Канал измерения нанобиосенсора (КИНБС) - состоит из НП, преобразователя ток-напряжение, первого сумматора напряжения, усилителя напряжения с переменным коэффициентом усиления, второго сумматора, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).

СЗХ - сток-затворная характеристика канала.

Vз - напряжение на затворе НП.

Vз_max - максимально допустимое значение напряжения на затворе.

Vси - напряжение сток -и сток НП.

Iси - ток в цепи сток-исток НП.

Vвых(i) - напряжение i-го канала нанобиосенсора, пропорциональное Iси(i):

Vвых(i)=КУ(i)*Iси(i). Это напряжение преобразуется АЦП и регистрируется нанобиосенсором.

КУ(i) - коэффициент пропорциональности (усиления) КИНБС(i).

V(1)вых, V(2)вых - текущее значение напряжения на выходе канала 1 и канала 2 нанобиосенсора.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к области «Измерение электрических и магнитных величин» G01R по Международной патентной классификации.

Известен единственный 16 канальный нанобиосенсор NanoBioSensor™ System производства компании Vista Therapeutics, Inc. 3900 Paseo del Sol Santa Fe, NM 97507 505-474-3143 lnfo@vistatherapeutics.org Or call us at 505-474-3143, где применен способ выравнивания параметров каналов измерения с помощью изменения напряжения на затворах нанопроводов.

Задача изобретения - создание многоканального нанобиосенсора, сквозные характеристики всех каналов измерения НП которого лежат в заданных пределах.

Техническим результатом является возможность получения сигналов нанобиосенсора при определенном напряжении Vз, которые можно аналитически сравнивать и получать достоверные результаты анализа.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве выравнивания параметров каналов регистрации многоканального нанопроводного детектора, новым является то, что выравнивание свойства каналов определяются не только за счет близости характеристик НП, усилителей, сумматоров, а за также за счет возможности подбора коэффициента усиления каждого усилителя, добавления к сигналу постоянных составляющих для компенсации отклонения от нуля при нулевом значении напряжения на затворе и отклонения из-за разных коэффициентов усиления каналов НП при рабочем напряжении на затворе, и это осуществляется автоматически.

Рассмотрим работу устройства подробно на примере двухканальной системы по шагам. Блок-схема устройства приведена на рис. 1.

1. Регистрируем значения Vвых(1) и, Vвых(2) при Vз=0 и КУ(1)=КУ(2)=1 (т.е. напряжение на выходе ЦАП3=1, На выходе ЦАП4=1, на выходе ЦАП1, ЦАП2, ЦАП5, ЦАП6 напряжение равно нулю) в течение времени Т0.

2. Находим среднее значение <Vвых(1)> и <Vвых(2)> за время Т0.

3. На выходе ЦАП1 устанавливаем напряжение - <Vвых(1)>.

4. На выходе ЦАП2 устанавливаем напряжение - <Vвых(2)>.

5. Изменяем Vз от 0 до Vз_max и регистрируем зависимость Vвых(1) и <Vвых(2)> от Vз, т.е. получаем сток-затворные характеристики (СЗХ) каналов при единичном значении коэффициента усиления усилителей и нулевых значениях напряжения на выходах ЦАП5 ЦАП6.

6. Находим производные СЗХ (крутизна характеристики) от напряжения на затворе.

V'(1)=d{Vвых(1)}/d{Vз} и V'(2)=d{Vвых(2)}/d{Vз}

7. Находим максимальные значения функций V'(1) и V'(2), обозначм их как V'(1)max и V'(2)max.

8. Определяем, какие значения Vз_1 и Vз_2 соответствуют V'(1)max и V'(2)max.

9. Находим рабочее напряжение на затворе как среднее Vз_раб=(Vз_1+Vз_2)/2.

10. Находим значения Vвых(1) и Vвых(2) при Vз_раб для обоих каналов.

11. Определяем Vmin - наименьшее значение из Vвых(1) и Vвых(2) при Vз_раб.

12. Определяем значение коэффициента усиления каждого канала:

КУ(1)=Vmin/Vвых(1), КУ(2)=Vmin/Vвых(1).

13. Устанавливаем значения напряжения на выходе ЦАП3=КУ(1), ЦАП4=КУ(2).

14. Рагистрируем СЗХ с новыми значениями КУ каналов. Теперь при Vз_раб крутизна характеристики обоих каналов равны.

15. Находим значение Vвых(1) и, Vвых(2) при Vз_раб.

16. Находим среднее значение <Vвых>={Vвых(1)+Vвых(2)}/2 при Vраб.

17. Находим значения отклонения ΔV(1)=<Vвых>-V(1) и ΔV(2)=<Vвых>-V(2) постоянных составляющих сигнала канала от среднего значения <Vвых>.

18. С помощью Сумматора 2 подтягиваем сигналы каналов к значению <Vвых>, установив соответствующие напряжения ЦАП5=ΔV(1) и ЦАП6=ΔV(2).

19. Устанавливаем Vраб.

20. Нанобиосенсор готов к регистрации сигнала с образца.

Заявляемое устройство имеет отличительный признак, влияющий на достижение технического результата. Это - использование усилителей с переменным коэффициентом усиления и сумматоров для коррекции постоянных составляющих сигналов каналов НП, что позволяет использовать для регистрации и анализа сигналов НП, имеющие характеристики с существенным технологическим разбросом и таким образом снизить требования производства к повторяемости НП, что повышает процент годных к использованию НП и поэтому существенно удешевляет производство НП.

Краткое описание чертежей

Рисунок 1. Блок-схема нанобиосенсора с двумя нанопроводами. НП-нанопроводной детектор. ПТН - преобразователь ток-напряжение. ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.

Сумматор - суммирует к сигналу постоянное напряжение, выработанное ЦАП. Цифра в скобках показывает, к какому каналу относится сумматор, умножитель или ЦАП.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к области «Измерение электрических и магнитных величин». Устройство состоит из многоканального нанобиосенсора, каждый канал которого состоит из нанопроводного полевого транзистора, преобразователя ток-напряжение, сумматора 1, умножителя, суматора 2, АЦП, ЦАП, микропроцессора и ПЭВМ. Технологический разброс параметров нанопроводного полевого транзистора компенсируется за счет изменения коэффициента усиления усилителей и компенсации постоянной составляющей сигнала. Техническим результатом является снижение требования производства к повторяемости нанопроволочного детектора, что повышает процент годных к использованию нанопроволочных детекторов. 1 ил.

Способ выравнивания параметров каналов регистрации многоканального нанопроводного детектора, состоящего из нанопроводного полевого транзистора, преобразователя ток-напряжение, сумматора, умножителя, сумматора, АЦП, микропроцессора и ПЭВМ, отличающийся тем, что регистрируют напряжение на выходе АЦП при нулевом значении напряжения исток-сток и нулевом значении напряжения на затворе, находят среднее значение напряжения на выходе АЦП за время Т0, компенсируют с помощью сумматора отклонение напряжения от нулевого значения, получают сток-затворные характеристики (СЗХ) каналов при коэффициенте усиления равном единице при заданном напряжении исток-сток на выходе АЦП, находят производные СЗХ от напряжения на затворе, находят значения рабочего напряжения на затворе, находят значения производных СЗХ при рабочем значении напряжения на затворе, определяют наименьшее значение производных СЗХ для всех каналов, определяют значение коэффициента усиления каждого канала, регистрируют СЗХ с учетом значений коэффициентов усиления усилителей каналов, находят значение выходного напряжения при рабочем напряжении на затворе, находят отклонения постоянных составляющих сигнала канала от среднего значения диапазона входных напряжений АЦП, с помощью сумматора подтягивают сигналы каналов к среднему значению диапазона напряжений АЦП при рабочем напряжении на затворе.