跟着生物/医药、半导体、电子和纳米科学范畴的许多技能前进，生物电子技能有或许改动个人健康、加强安全体系、有利于保护环境、食物和水、改善生活方法。经过半导体和纳米技能，非侵入式物理生物传感器、芯片实验室东西、假肢/植入物和长途医疗信息体系的前进是有或许完结的。
生物传感器是一种剖析器材，一般用于剖析物(比方感兴趣的物质，或化学成分)的勘探。运用生物传感器，能够将生物呼应转化为电信号，然后了解生物组合、结构和功用。在许多情况下，勘探器便是像晶体管那样的器材。可是，不管规划运用半导体、电化学或光架构办法，都有必要对这些传感器中的电气部分进行恰当测验，使得规划合格，便于进一步开发。
生成电子输出信号的许多生物传感器/换能器技能在勘探体系规划方面具有巨大许多优势，能够满意速度和易用性规范。经过正确的测验和校准，电子生物传感器能够满意这些规范，一同供给牢靠成果，把虚伪的正负指示降到最低。
生物传感器/换能器设备简称生物传感器，能够界说为实行以下一个或多个行为的器材：
1.勘探、记载、转化、处理和传输与生理改动或进程有关的信息。
2.运用生物资料监测物质(剖析物)中各种化学成分的存在。
3.将电接口(换能器)与生物活络或挑选元件相结合。
更详细地说，生物传感器包含生物辨认元件，由它来辨认方针剖析物。生物传感器的换能器将辨认事情转化为与感兴趣的化学或生物方针的数量或存在相关的可丈量信号。图1给出常见的生物传感器模型。
图1：常见生物传感器示意图。
生物传感器体系的功用规范包含：
1. 速度和便于非技能人员运用(测验/校准/保护)。
2. 对方针剖析物的挑选性。为了取得正确的成果，有必要使化学物质的搅扰降到最低。
3. 活络度/分辨率。
4. 线性度(传感器校准曲线的最大线性值。关于高底物浓度检测，传感器线性度有必要较高)。
5. 精度/可重复性。
6. 动态规模。剖析物的高浓度不能下降传感器的可用性。
7. 环境鲁棒性(对温度、电噪声、物理冲击、振荡等相对不活络)。
8. 可用寿数/适应性。
9. 安全性/完整性(对人员、设备和剖析物)。
为了完结快速检测以及可读电子输出，研讨人员正在开发将生物传感器辨认元件功用和半导体器材结合在一同的生物传感器，它可作为便携设备用于家庭医疗监控体系等范畴。相似地，可与植入医疗体系一同运用的生物传感器也正处于研讨之中。
传感器规划
生物传感器的规划办法有许多种。一种规划运用寡核苷酸传感器和核酸反响来标明病原体的存在。另一种规划选用外表等离子体共振(SPR)来检测生物分子，如蛋白质和DNA。依据SPR的传感器能够对分子间的相互效果供给实时无符号研讨，其传感器芯片接口便于特定配体与换能器外表的吸附，并供给外表浓度的高活络丈量。
依据安排的传感器也正在开发之中。它们运用芯片上的活细胞，芯片能够对生物和化学要挟试剂的呈现做出机能性呼应。由于其规划是模仿多细胞人体安排的功用，因而，这些传感器应当对已知和不知道试剂做出呼应。换能器将检测活细胞外表电荷的细小改动。
电化学生物传感器正在用于许多运用。一般，电化学生物传感器依据发生或耗费电子呼应的酶(这种酶称作氧化复原酶)促效果。该传感器基底或许包含3个电极：参阅电极、作业电极和反电极。方针剖析物触及在活泼电极外表发生的反响，这个反响或许引起跨过双层的电子传输(发生电流)，还有或许奉献双层电势(发生电压)。既能够在固定电势下对电流进行丈量(电子流速与剖析物浓度成正比)，也能够在零电流情况下对电势进行丈量(这给出了对数呼应[1])。
又如，电位型电化学生物传感器(在零电流发生的电势)的对数呼应具有较宽的动态规模。这类生物传感器往往是经过在塑料基底上对电极图画进行丝网印刷而制造，其基底掩盖一层导电聚合物，然后粘附一些蛋白(酶或抗体)。这些传感器只要两个电极，并且活络度和鲁棒性十分高。
一切的生物传感器一般都触及最小的样品制备，由于生物活络元件关于所触及的剖析物具有高度挑选性。由于传感器外表发生改动，致使导电聚合物层内的电化学或物理改动发生信号。这种改动能够归因于离子强度、PH值、水化反响和氧化复原反响，后者源自基底上的酶符号翻转。场效应晶体管(FET)，其栅区被酶或抗体更改，也能够检测浓度十分低的各种剖析物，由于剖析物与FET栅区的结合将引起漏-源电流的改动[1]。
近来，在纳米科学范畴，经过运用石墨烯，生物传感器有许多前进。石墨烯是2004年发现的，因其特有的物理化学、高活络度和优异的力学、热学和电学特性而备受重视。依据石墨烯的生物传感器或许具有更高的活络度，由于石墨烯是石墨的二维单原子层，或许完结外表掺杂剂和吸附物之间相互效果的最大化。同用于生物检测运用碳纳米管比较，石墨烯具有更低的约翰逊噪声。约翰逊噪声是电荷载流子热运动而引起的电阻资猜中的噪声。因而，石墨烯生物传感器中载流子浓度的细小改动或许引起待测电导率的明显改动。
依据剖析物和生物传感器辨认元件的不同，生物传感器的换能器或许运用以下机制之一：
安培计：安培计器材检测电流改动。它们对生物体系与电极之间沟通电子而发生的电流进行丈量。
电位计：某些反响将引起待测电极之间电压(在恒定电流的电势)改动。
电导：电导丈量器材对两个电极之间电导率的改动进行检测。
电阻：电阻率是电导率的倒数，能够经过相似办法进行丈量。
电容：当生物辨认反响导致生物传感器辨认元件邻近介质中介电常数发生改动时，其电容丈量办法能够用作换能器。
压电：在压电资猜中存在着力学和电学特性之间的耦合。运用这种耦合能够创立一个电振荡器，其频率是改动的，并且能够经过施加其外表质量的改动进行丈量。在生物传感器情况下，质量是能够改动的，由于在其外表发生了反响。
热：这些器材对温度改动进行丈量。
光：光学生物传感器将浓度、质量或分子数量改动与光特性改动进行相关。要想使这种办法有用，生物辨认反响的反响物或生成物之一有必要与比色、荧光或发光方针相关。有时候，运用光纤能够将光信号从光源引导至检测器。
传感器特性剖析：验证进程第一步
研制项目的方针是战胜生物传感器体系规划局限性。例如，生物传感器规划的一个问题是完结生物亲合元件和无机换能器元件之间安稳、可重复的接口。出于手持便携性的考虑，希望生物传感器小型化，且具有满意活络度，这将给生物分子与换能器界面的耦合带来技能应战。因而，不管是在研制实验室仍是在出产中，对生物传感器进行快速而精确的特性剖析，是查验生物传感器/换能器接口是否合格以及生物检测体系的终究运转的重要手法。
典型测验程序使命是开发或验证生物传感器功用衡量方针。由于对试剂或反响中细胞和安排信号的提取十分杂乱，一般希望对生物传感器的首要部件进行直接的电流-电压(I-V)特性剖析。I-V特性剖析的时刻只占大多数类型功用测验时刻的很小一部分，但却是其正式运转的重要预示。例如，I-V数据能够用来研讨反常、定位曲线的最大或最小斜率，以及进行牢靠性剖析。依据规划细节，I-V特性剖析往往合适依据电流计、电位计、电导率、电阻和热原理的传感器。
一般，I-V测验为待测器材(DUT)施加电压或电流，然后测验其对鼓励做出的呼应。还或许选用温度丈量。测验程序或许触及为某个衔接焊盘施加鼓励，勘探%&&&&&%，并丈量DUT呼应。依据DUT的不同，信号电平或许适当低，需求高活络度源和丈量仪器及测验技能，最大极限地削减差错的外部来历。
运用源丈量单元(SMU)仪器对生物传感器功用进行特性剖析
在许多情况下，生物传感器将由医师、武士、公共安全部队用于便携体系，还能够用于家庭健康监控。这将对传感器运用功率需求提出约束，并且或许限制供给给丈量电路的电压或电流输出电平。在电池供电体系中，传感器输出电流规模是纳安到毫安，输出电压规模是纳伏到伏。关于这么宽的规模，不同的等级需求不同的丈量技能和东西。
施行I-V特性剖析的最佳东西之一是源丈量单元(SMU)或数字源表SMU仪器。在I-V特性剖析中，由于杂乱的触发问题，直流电源和丈量仪器的集成或许是有问题的。简言之，SMU仪器在一部仪器内完结了精确电源(PPS)才能与高功用数字多用表(DMM)的集成。例如，SMU仪器在丈量电流时可一同起到源或降电压效果，在丈量电压时可起到源或降电流的效果。图2给出SMU仪器作为恒流源和伏特计的装备，它用于丈量DUT的呼应。
图2：SMU仪器作为恒流源和伏特计的装备，用于丈量DUT的呼应。
SMU仪器还可用作独立的恒压源或恒流源、伏特计、安培计和欧姆表，还可用作精细电子负载。其高功用架构还答应将其用作脉冲发生器、波形发生器和主动I-V特性剖析体系。
这些仪器的双极电压和电流源是由微处理器操控的，这使得I-V特性剖析愈加高效，并简化仪器树立。运用SMU仪器时，能够在其程序内存中存储许多不同测验序列，并经过简略的触发信号予以履行。测验数据能够存储在缓存中，直到I-V扫描完结，然后下载至计算机进行处理和剖析。
由于在生物、化学、资料和电化学等许多范畴，致力于生物传感器和其他生物电子技能的研讨人员数量许多，因而，测验仪器的易用性和低学习曲线十分重要。这些研讨人员或许不熟悉电气特性剖析东西，如SMU仪器，但需求在实验室对其器材进行I-V特性剖析。
触摸屏技能的前进以及智能手机和平板电脑的广泛遍及推动了直观操作的开展，台式仪器的图形用户界面或许大大简化学习曲线和整机易用性。选用触摸屏办法，用户感觉很舒适，不简略犯错;他们能够直观了解怎样运用接口。触摸屏体系使每个人第一次触摸仪器时就成为“专家用户”，不管他是仪器的新用户仍是行家里手。同传统训练办法比较，运用触摸屏能够大大缩短训练时刻、进步操作精度，并进步全体运用功率。
图3：吉时利2450型数字源表SMU仪器选用高档电容触摸屏图形用户界面。
吉时利2450型交互式数字源表SMU仪器简化了非传统用户的学习曲线，使之从运用多层菜单结构和多功用按钮装备功用的繁琐作业中摆脱出来。2450型仪器运用依据图标的平面菜单体系，就像在智能消费电子产品中运用的菜单体系相同简略，如平板电脑或智能手机上显现的运用图标摆放。
图4：2450型仪器屏幕菜单。
生物场效应晶体管(BioFET)传感器测验
如前所述，运用FET和生物资料能够制造生物传感器。FET运用电场操控半导体资猜中载流子沟道形状和传导率。生物场效应晶体管组成包含：半导体换能器、介质层、生物功用外表、剖析物及参阅电极(场效应晶体管的栅极)，如图5所示。
BioFET半导体换能器的制造进程如下。介质层是氧化物，如二氧化硅，它有两项使命。第一项使命是将FET沟道与液体进行阻隔，第二项使命是将外表电荷静电耦合至沟道。在介质层上面是生物功用层， 它起到固定生物分子接受器的效果，能够结合希望的分子。剖析物是包含溶解的样本分子的解决方案。参阅电极答应调整器材，然后完结其活络度最大化。假如方针分子与接受器结合，那么外表电荷密度将发生改动。这种改动将改动半导体电势以及FET沟道连通性[2]。
图5：生物场效应晶体管(BioFET)概念图。
运用两个2450型数字源表SMU仪器能够对BioFET进行特性剖析，然后对传感器进行I-V特性剖析。确认BioFET的I-V参数有助于保证其在预期运用中恰当地发挥效果，并满意功用要求。运用2450型仪器能够进行多种I-V测验，包含栅极走漏、击穿电压、阈值电压、传输特性以及漏电流。进行测验所需的2450型SMU仪器数量取决于需求偏置和丈量的FET端口数。
这个运用实例阐明怎样制作三端口FET漏电流系列(VDS-ID)曲线。该技能有或许用于BioFET器材。
所需设备
● 两部2450型交互式数字源表SMU仪器
● 4根三轴电缆(吉时利7078-TRX-10类型)
● 金属屏蔽测验夹具或探针台，以及母三轴衔接器
● 三轴三通接头(吉时利237-TRX-T类型)
● 外部硬件触发器电缆不同，详细取决于所用指令：
● 关于SCPI指令：1根DB-9公-母9针电缆，完结2450型器后部数字I/O端口互相衔接。
● 关于TSP指令：1根TSP-Link穿插网线(吉时利CA-180-3A型网线，在2450型仪器中已包含)，完结TSP-Link端口互相衔接。
● 2450型仪器与计算机衔接电缆不同，详细取决于所用指令集：
● 关于SCPI指令：2根GPIB电缆、2根USB电缆或2根以太网电缆
● 关于TSP指令：1根GPIB电缆、1根USB电缆或1根以太网电缆
树立长途通讯
这个运用能够经过仪器支撑的任何通讯接口(GPIB、USB或以太网)运转。
程控通讯接口后面板衔接方位如下图所示。
图6：2450型仪器程控接口衔接。
建立外部硬件触发器
为了支撑两部2450型源丈量单元(SMU)仪器步进扫描电压之间的同步，将其外部触发器互相相连。所用电缆取决于用于操控测验的2450型仪器编程指令集。
SCPI指令集衔接
假如您运用SCPI指令集，请运用DB-9母-母电缆衔接仪器后面板的数字I/O插孔，如下图所示。
图7：SCPI编程实例中GPIB和DB-9电缆衔接。
上图还给出运用GPIB程控通讯接口完结的通讯衔接。运用GPIB电缆(#1)完结计算机(操控器)GPIB端口与2450型仪器(#1)后面板IEEE-488插孔的衔接。运用GPIB电缆(#2)完结两部2450型仪器IEEE-488插孔之间的衔接。
当运用USB电缆衔接计算机和2450型SMU仪器时，每部仪器有必要运用独立USB电缆与计算机相连。
当运用以太网电缆衔接计算机和2450型SMU仪器时，仪器和计算机有必要运用以太网开关或集线器衔接。
TSP指令集衔接
当测验脚本处理器(TSP)指令集用于长途编程时，运用CA-180-3A型穿插电缆(2450型仪器中包含该电缆)完结2450仪器后面板TSP-Link端口的互连(拜见下图)。
图8：TSP指令集衔接。
关于计算机与2450型仪器的GPIB通讯，只需求1根电缆，完结GPIB接口与2450型仪器IEEE-488接口的衔接(图8中2450型#1)。将2450型#1的TSP-Link节点设为节点1，将2450型#2的TSP-Link节点设为节点2。
经过前面板改动2450型TSP-Link节点：
1.按压主屏左上角的通讯状况指示器，先后挑选改动设置，体系通讯窗口翻开。
2.在TSP-Link选项下，挑选节点旁的按钮，然后进入希望的节点号。
3.挑选初始化。
4.按压菜单按钮，回来主屏。
关于TSP-Link网络中的一切2450型SMU仪器，重复这个指令。
器材衔接
为了测验漏系列曲线，对两部2450型SMU仪器进行装备，使之源电压并丈量电流。在这个电路中，2450型#2的Force HI端与BioFET的栅极相连，2450型#1的Force HI端与与其漏极相连。BioFET的电源端与两部2450型SMU仪器的Force LO端相连。当对一切三端进行源和丈量时，还需求第三部2450型仪器。运用两部2450型SMU仪器可对BioFET进行I-V测验装备，拜见图9。
图9：BioFET三端I-V测验装备。
图10给出从两部2450型SMU仪器后部面板端子到BioFET的衔接方法。
图10：测验三端BioFET时两部2450型仪器装备。
在这个比如中，运用4根三轴电缆(7078-TRX-10型)，完结2450型仪器后面板母三轴插孔与BioFET器材的互连，它被装置在一个金属屏蔽的测验夹具内，与母三轴插孔衔接。运用三轴三通(237-TRX-T型)完结两部2450型仪器的Force LO端与BioFET源端衔接。
关于测验FET的SCPI或TSP编程序列，请参照2450型仪器用户手册第7部分：FETI-V特性丈量。图11给出典型FET系列曲线。其成果或许因BioFET及运用生物功用资料类型的不同而发生改动。
图11：两部2450型仪器生成的典型FET漏系列曲线。
3C精确测验：电缆、电导和电容
不管运用什么样的仪器，其与DUT之间的衔接都是丈量体系的重要组成部分。了解和办理这些衔接的局限性关于精确丈量至关重要。噪声源、电缆长度和电缆电容都或许影响丈量质量;信号电平越低，这些问题就越重要。为了把问题影响降到最小，丈量电路与电缆及衔接器应当与测验信号匹配。此外，电缆和测验引线应当仔细传递和装置。
电缆 对当测验运用电缆进行评价时，应当考虑以下这些问题：
● 测验环境中的电气噪声有多大? 噪声被界说为在感兴趣信号上叠加的任何不需求的信号。电磁噪声源包含沟通电源线、电机和发电机、变压器、荧光灯、CRT显现器、计算机、无线发射机等。依据信号和噪声恶性，一旦仪器输入端收集到信号，就不或许将二者别离。 要尽或许运用最短的传输电缆和测验引线，然后把其对噪声源的露出降到最低。然后，使其牢固地就位，无法移动，不会在电磁场中发生杂散电磁场。
● 信号源与丈量体系终端之间的间隔是多少?电线具有电阻，这取决于其组成、长度和直径。电阻跟着电线长度的添加而添加，跟着电线直径的添加而下降。电阻是电缆全体效应的一部分，该效应是丈量电路模仿输入的一部分。高电缆电阻与低模数入电阻的一起效果或许导致经过互连电缆的较大电压降，然后带来丈量差错。
导体 在屏蔽和非屏蔽电缆中运用的导体或许是实心线或绞合线。实心线信号衰减最小，但绞合线更灵敏，并且或许更简略传递和装置。导体或许是裸铜线、镀银或镀锡。衔接器和导体资料应当匹配，然后使电阻最小，并削减热生电磁场。
为了完结最高的信号完整性，应运用屏蔽导体电缆。屏蔽能够下降信号引线拾取的电磁噪声，还有助于下降来自带着高频信号导体的电磁辐射。运用不同类型的金属丝织造层或金属丝织造层与铝箔组合，都能够完结屏蔽。同单层屏蔽比较，多层或多铜箔屏蔽层在弱小信号拾取和辐射方面更有用。不过，这往往使电缆更生硬和更难传递和装置。
在挑选屏蔽电缆时，应当考虑以下要素：
● 频率噪声越高就越难衰减，需求更杂乱的屏蔽。
● 简略的螺旋丝环绕箔是最低效的类型屏蔽。
● 严密织造、双织造或织造加铝箔将供给更有用的屏蔽。
● 严苛的大气、湿度等或许下降屏蔽的有用性。在某些情况下，这些污染物或许会进入电缆并下降外绝缘套下的屏蔽。假如或许，应防止在这种环境下进行测验。
电容 关于许多生物传感器来说，输出信号或许比作带有电阻的串行电压源。相似地，模仿仪器输入端能够比作带有输入电阻的并行外表。在测验期间，仪器输入端吸入少数电源有必要能够供给的偏置电流。互连电缆时这个电路的重要组成部分，并且或许引进电阻、电容和电感效应，详细取决于长度、容量、成分、路由和物理环境。
关于高速、快速改动的信号，电路电感和电容或许是丈量速度的严峻阻止，即便信号源和仪器阻抗彻底匹配。一般，寄生电容比电感损害更大。来自高阻抗源的信号需求更长的时刻才能在仪器输入端安稳在，由于信号电流电平有限，需求更多的时刻为电缆%&&&&&%充电。在这种情况下，应在信号安稳之前，进行丈量，防止过错读数。
定论
在开发前期阶段，运用I-V特性剖析技能，能够简化用于生物检测体系和剖析仪器的传感器合格验证。在许多情况下，这些技能能够用于传感器出产测验中。
