聲表面波免疫傳感器高頻檢測系統(tǒng)設(shè)計

李曉雨，殷嘉偉，石幸圓，劉玉琪，孫科學,2

(1.南京郵電大學 電子與光學工程學院,江蘇 南京 210023;2. 射頻集成與微組裝技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 江蘇 南京 210023)

0 引言

聲表面波(SAW)免疫傳感器屬于壓電傳感器，其基于壓電元件對質(zhì)量敏感的性質(zhì)，結(jié)合免疫反應(yīng)的特異性，可用于快速定量檢測多種抗體或抗原[1-3]。免疫反應(yīng)前、后聲波傳播路徑上的待測物理量的特性變化，可通過叉指換能器(IDT)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w前、后振蕩頻率的變化。SAW信號頻率檢測，特別是高頻信號的檢測對傳感器系統(tǒng)至關(guān)重要。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可對免疫傳感器電路中的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)做出精確測量，但其體積較大且價格高，適用于實驗室科研測試。因此，有必要設(shè)計和研發(fā)低成本、小體積且實用的SAW免疫傳感器測量方法。

SAW傳感器的測量方法包括選頻法、諧振法及跟蹤法等。2013年，鄢芬等[4]提出了一種利用頻率掃描的SAW信號檢測法，其系統(tǒng)誤差約為1%。2015年，文常保等[5]提出了一種基于WIFI的無線SAW傳感器信號采集系統(tǒng)，但該系統(tǒng)僅能處理頻率在100 kHz的低頻傳感信號，且預估工作在高頻條件下系統(tǒng)誤差約2.6%。2018年，李濟同等[6]針對500 kHz的傳感信號，采用混頻檢測法，基于反饋原理設(shè)計了SAW振蕩檢測電路，但采用混頻方式增加系統(tǒng)功耗，檢測成本較高。同年，邵勐等[7]針對50 MHz的傳感信號設(shè)計了一類SAW調(diào)理電路，其采用諧振選頻方式，但電路品質(zhì)因數(shù)(Q)值較大，穩(wěn)定性較差。以上方法均不能滿足工作于高頻中心頻率的SAW免疫傳感器的檢測需求。

鎖相環(huán)(PLL)在檢測信號頻率方面具有獨特的優(yōu)勢[8]，其工作頻率可達吉赫茲。2013年，張亦居等[9]設(shè)計了一種利用PLL的延遲線型SAW傳感器測試電路，測試頻點約500 MHz，但由于測試電路中阻抗不匹配等原因，測試電路存在一定誤差，文中未對頻率測量結(jié)果做對比分析。

本文在已有研究基礎(chǔ)上，利用包含直接數(shù)字式頻率合成器 (DDS)的PLL電路設(shè)計了一種工作于中心頻率160 MHz的SAW傳感器檢測系統(tǒng)，用于對免疫反應(yīng)的定量檢測，并滿足對高頻、低功耗、低成本的檢測需求。檢測得到的信號頻率變化量可進而轉(zhuǎn)換為待測的物理、化學信息。該測量系統(tǒng)能處理高頻傳感信號，符合傳感器的高頻測量要求，對其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展具備一定意義。

1 檢測原理

圖1為雙通道型SAW免疫傳感器結(jié)構(gòu)，其由測量、參考兩個通道構(gòu)成。每個通道由SAW延遲線、增益放大器和生物敏感膜3部分組成[10-11]。在此免疫傳感器結(jié)構(gòu)中，兩路通道同時受外界的影響，而僅在測量通道進行免疫反應(yīng)檢測。這樣可補償由于環(huán)境、溫度等變化帶來的頻率漂移。

圖1 雙通道型SAW免疫傳感器結(jié)構(gòu)

SAW免疫傳感器的工作原理為：當有微小的質(zhì)量(如抗體或抗原)吸附在SAW波延遲線敏感區(qū)域表面上時，會致使傳播 SAW 媒質(zhì)的某些物理量(如電導率、介電常數(shù)、勁度系數(shù)等)發(fā)生變化，因而使聲波的傳播速度和幅度發(fā)生變化，從而改變傳感器電路的振蕩頻率和插入損耗[11-12]，即

(1)

式中：Δf為相應(yīng)的頻率變化量；k1,k2為與介質(zhì)材料有關(guān)的常數(shù)；A為傳感器質(zhì)量附著區(qū)域的面積；f0為SAW的中心頻率(受干擾前)；Δm為附著的質(zhì)量。

由式(1)可看出，只要檢測出傳感器電路的頻率變化量，通過計算可得檢測的微小質(zhì)量，實現(xiàn)對免疫反應(yīng)的定量檢測。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

檢測系統(tǒng)主要由DDS、鑒相器等模塊構(gòu)成的PLL電路和其他信號處理電路組成。在檢測系統(tǒng)中，將SAW免疫傳感器嵌于檢測環(huán)路，DDS用于產(chǎn)生兩路高頻信號，其中一路信號用于傳感器檢測通道，另一路作為標準信號送入鑒相器；傳感器的輸出信號經(jīng)功率補償電路后進入鑒相器，與標準信號比較得出調(diào)諧電壓；單片機驅(qū)動A/D模塊采集調(diào)諧電壓不斷刷新DDS的輸出信號頻率，當環(huán)路中的頻率差和相位差都趨于穩(wěn)定時，DDS的輸出不再刷新，此時整個環(huán)路鎖定。而免疫反應(yīng)將引起傳感器信號相位、幅度的改變，PLL調(diào)整DDS的輸出，再次跟蹤傳感器信號，使環(huán)路重新鎖定，通過檢測免疫反應(yīng)前、后信號頻率變化量，即可完成對SAW免疫傳感器的檢測。

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6型號單片機開發(fā)板，其用于驅(qū)動A/D模塊、調(diào)整DDS信號輸出和處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果傳輸至LCD屏幕顯示。圖2為本文SAW檢測系統(tǒng)組成。

圖2 SAW檢測系統(tǒng)組成

2.2 DDS模塊

該模塊選用ADI公司的AD9959作為主控芯片，外部搭配驅(qū)動電路和輸出級低通濾波器，圖3為DDS模塊工作原理。DDS通過編程數(shù)字頻率控制字以分頻系統(tǒng)時鐘，從而產(chǎn)生所需頻率[13]。AD9959擁有四通道頻率、相位、幅度可調(diào)輸出[14]，其最高500 MHz的更新速度、可達250 MHz的頻率輸出性能，適用于SAW免疫傳感器的高頻檢測，且其頻率調(diào)諧分辨率大于0.12 Hz，這為檢測系統(tǒng)的精度和靈敏度提供了保證。

圖3 DDS模塊工作原理

DDS模塊可代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬鎖相環(huán)中的壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生信號。與VCO相比，其頻率響應(yīng)快，頻率分辨率高，相位變化連續(xù)，相位噪聲和漂移低。AD9959的輸出頻率為

(2)

式中：fS為系統(tǒng)時鐘更新速率；Df為頻率數(shù)字調(diào)諧字；232為相位累加容量。

免疫反應(yīng)檢測過程中，微控制器(MCU)采樣環(huán)路中調(diào)諧電壓的變化，通過不斷更改頻率調(diào)諧字，刷新DDS輸出頻率，使整個環(huán)路重新鎖定，達到跟蹤傳感器頻率的目的。

2.3 鑒相器模塊

鑒相器(又稱相位比較器)是鎖相環(huán)中很重要的部分。鑒相器鎖相原理如圖4所示。由圖可知，兩路輸入信號+IN和-IN進入鑒相器后收斂到相同頻率和相位，OUT信號即為鑒相器鎖定時輸出。

圖4 鑒相器鎖相原理

AD8302芯片可用于中頻、射頻的幅度相位檢測，其由2個60 dB增益寬帶對數(shù)檢波器、1個相位檢波器和輸出放大器組等共同構(gòu)成[15-16]。AD8302以內(nèi)部電平為基準，將輸入信號變換為對數(shù)形式；并配置內(nèi)部增益寄存器，實現(xiàn)對微小信號檢測的目的，適合于免疫反應(yīng)檢測對鑒相器的要求。

根據(jù)對數(shù)壓縮原理，AD8302可將大范圍輸出信號電平轉(zhuǎn)換為緊湊的分貝級輸出，即

VOUT=VSLPlog(VIN/VZ)

(3)

式中：VSLP為電壓斜率；VZ為電壓截距；VIN、VOUT分別為輸入、輸出信號。

AD8302基于該原理利用芯片內(nèi)部的高精密寬帶對數(shù)解調(diào)器實現(xiàn)檢測兩路輸入信號(A、B兩路)的相位差與幅度差，其測量方程為

VMAG=VSLPlog(VIN A/VIN B)

(4)

VPHS=Vφ[Φ(VIN A)-Φ(VIN B)

(5)

式中：VMAG、VPHS分別為幅度比較輸出和相位比較輸出；Vφ為相位斜率；Φ(VIN A)、Φ(VIN B)分別為A、B兩通道的輸入信號相位；Φ為每個通道信號的相對相位度。

通過配置該芯片不同的外圍電路，可使其工作于測量、控制器、電平比較器等模式[16]。本文運用其測量模式，圖5為該模式下的電原理圖。

圖5 AD8302測量模式電原理圖

通過設(shè)置MSET和PSET引腳分別與VMAG、VPHS引腳相連接，可保證芯片的工作點位于默認響應(yīng)曲線的斜率和中心點上[16]。此時相位測量為

VPHS=-RFIΦ(|Φ(VIN A-Φ(VIN B)|-

90°)+VCP)

(6)

式中：RFIΦ=10 mV/(°)為相位函數(shù)斜率；VCP=900 mV為0增益中心點，對應(yīng)于90°的相位差,0°～180°的相位差對應(yīng)0～1.8 V的電壓輸出擺動，與A/D轉(zhuǎn)換器的量程吻合，便于后續(xù)模塊的工作。

2.4 信號處理模塊

SAW免疫傳感器的插入損耗至少為25 dBm，在免疫反應(yīng)進行的液體環(huán)境中甚至更大；同時DDS輸出幅度和功率較小，不適合直接送入鑒相器。為了提高標準信號功率，充分利用AD9959四通道輸出的優(yōu)勢及保證檢測的高精度，設(shè)計了信號處理模塊。圖6為信號處理模塊工作原理。

圖6 信號處理模塊工作原理

THS3201是一款增益帶寬積達到1.8 GHz、低失真、高壓擺率的電流反饋型運算放大器芯片，其將DDS輸出的兩路差分信號轉(zhuǎn)為單端輸出給后級電路，保證了標準信號的功率；功率補償電路則選用美國Mini-Circuits公司的低噪聲放大器GAL-74芯片，其工作頻率可達1 GHz，在SAW免疫傳感器的中心工作頻率(約160 MHz)可提供19.2 dBm的功率補償和25.1 dB的幅度增益，且噪聲系數(shù)僅為2.7 dB。很適合于傳感器的前后級放大。

3 實驗設(shè)計與驗證

實驗驗證環(huán)節(jié)中，根據(jù)SAW免疫傳感器的中心工作頻率，設(shè)置掃頻范圍為155～165 MHz，并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對同一免疫傳感器電路進行測試。部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。對實測數(shù)據(jù)進行擬合得到的關(guān)系曲線如圖7所示。

表1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和本文方法頻率偏移

圖7 網(wǎng)絡(luò)分析儀和本文方法測量結(jié)果擬合曲線

由表1及圖7可知，當頻率掃描測試范圍為156～162 MHz時，即在SAW免疫傳感器中心工作頻率附近。本文方法的測量結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)果基本一致，誤差小于1%。在實際工程應(yīng)用中，我們只關(guān)心傳感器中心頻率附近的信號，因此，本文方法適用于SAW免疫傳感器的高頻檢測。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于PLL的SAW免疫傳感器高頻檢測系統(tǒng)可準確檢測頻率范圍為156～162 MHz的傳感信號，其檢測到的頻率變化量快速、準確地反應(yīng)了免疫反應(yīng)中微小質(zhì)量的變化。測試數(shù)據(jù)表明，檢測系統(tǒng)在SAW免疫傳感器中心頻率附近最大測量誤差僅0.85%，精度較高。本文方法與通過網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測方式相比，測量結(jié)果周期短，靈敏度高，檢測系統(tǒng)便攜，功耗小，成本低，適合于SAW免疫傳感器高頻檢測領(lǐng)域的工程實際需要。