声表面波免疫传感器高频检测系统设计

李晓雨，殷嘉伟，石幸圆，刘玉琪，孙科学,2

(1.南京邮电大学 电子与光学工程学院,江苏 南京 210023;2. 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室, 江苏 南京 210023)

0 引言

声表面波(SAW)免疫传感器属于压电传感器，其基于压电元件对质量敏感的性质，结合免疫反应的特异性，可用于快速定量检测多种抗体或抗原[1-3]。免疫反应前、后声波传播路径上的待测物理量的特性变化，可通过叉指换能器(IDT)转变为晶体前、后振荡频率的变化。SAW信号频率检测，特别是高频信号的检测对传感器系统至关重要。矢量网络分析仪可对免疫传感器电路中的网络参数做出精确测量，但其体积较大且价格高，适用于实验室科研测试。因此，有必要设计和研发低成本、小体积且实用的SAW免疫传感器测量方法。

SAW传感器的测量方法包括选频法、谐振法及跟踪法等。2013年，鄢芬等[4]提出了一种利用频率扫描的SAW信号检测法，其系统误差约为1%。2015年，文常保等[5]提出了一种基于WIFI的无线SAW传感器信号采集系统，但该系统仅能处理频率在100 kHz的低频传感信号，且预估工作在高频条件下系统误差约2.6%。2018年，李济同等[6]针对500 kHz的传感信号，采用混频检测法，基于反馈原理设计了SAW振荡检测电路，但采用混频方式增加系统功耗，检测成本较高。同年，邵勐等[7]针对50 MHz的传感信号设计了一类SAW调理电路，其采用谐振选频方式，但电路品质因数(Q)值较大，稳定性较差。以上方法均不能满足工作于高频中心频率的SAW免疫传感器的检测需求。

锁相环(PLL)在检测信号频率方面具有独特的优势[8]，其工作频率可达吉赫兹。2013年，张亦居等[9]设计了一种利用PLL的延迟线型SAW传感器测试电路，测试频点约500 MHz，但由于测试电路中阻抗不匹配等原因，测试电路存在一定误差，文中未对频率测量结果做对比分析。

本文在已有研究基础上，利用包含直接数字式频率合成器 (DDS)的PLL电路设计了一种工作于中心频率160 MHz的SAW传感器检测系统，用于对免疫反应的定量检测，并满足对高频、低功耗、低成本的检测需求。检测得到的信号频率变化量可进而转换为待测的物理、化学信息。该测量系统能处理高频传感信号，符合传感器的高频测量要求，对其应用领域的拓展具备一定意义。

1 检测原理

图1为双通道型SAW免疫传感器结构，其由测量、参考两个通道构成。每个通道由SAW延迟线、增益放大器和生物敏感膜3部分组成[10-11]。在此免疫传感器结构中，两路通道同时受外界的影响，而仅在测量通道进行免疫反应检测。这样可补偿由于环境、温度等变化带来的频率漂移。

图1 双通道型SAW免疫传感器结构

SAW免疫传感器的工作原理为：当有微小的质量(如抗体或抗原)吸附在SAW波延迟线敏感区域表面上时，会致使传播 SAW 媒质的某些物理量(如电导率、介电常数、劲度系数等)发生变化，因而使声波的传播速度和幅度发生变化，从而改变传感器电路的振荡频率和插入损耗[11-12]，即

(1)

式中：Δf为相应的频率变化量；k1,k2为与介质材料有关的常数；A为传感器质量附着区域的面积；f0为SAW的中心频率(受干扰前)；Δm为附着的质量。

由式(1)可看出，只要检测出传感器电路的频率变化量，通过计算可得检测的微小质量，实现对免疫反应的定量检测。

2 系统设计

2.1 系统组成

检测系统主要由DDS、鉴相器等模块构成的PLL电路和其他信号处理电路组成。在检测系统中，将SAW免疫传感器嵌于检测环路，DDS用于产生两路高频信号，其中一路信号用于传感器检测通道，另一路作为标准信号送入鉴相器；传感器的输出信号经功率补偿电路后进入鉴相器，与标准信号比较得出调谐电压；单片机驱动A/D模块采集调谐电压不断刷新DDS的输出信号频率，当环路中的频率差和相位差都趋于稳定时，DDS的输出不再刷新，此时整个环路锁定。而免疫反应将引起传感器信号相位、幅度的改变，PLL调整DDS的输出，再次跟踪传感器信号，使环路重新锁定，通过检测免疫反应前、后信号频率变化量，即可完成对SAW免疫传感器的检测。

系统采用STM32F103RCT6型号单片机开发板，其用于驱动A/D模块、调整DDS信号输出和处理数据，并将结果传输至LCD屏幕显示。图2为本文SAW检测系统组成。

图2 SAW检测系统组成

2.2 DDS模块

该模块选用ADI公司的AD9959作为主控芯片，外部搭配驱动电路和输出级低通滤波器，图3为DDS模块工作原理。DDS通过编程数字频率控制字以分频系统时钟，从而产生所需频率[13]。AD9959拥有四通道频率、相位、幅度可调输出[14]，其最高500 MHz的更新速度、可达250 MHz的频率输出性能，适用于SAW免疫传感器的高频检测，且其频率调谐分辨率大于0.12 Hz，这为检测系统的精度和灵敏度提供了保证。

图3 DDS模块工作原理

DDS模块可代替传统模拟锁相环中的压控振荡器(VCO)产生信号。与VCO相比，其频率响应快，频率分辨率高，相位变化连续，相位噪声和漂移低。AD9959的输出频率为

(2)

式中：fS为系统时钟更新速率；Df为频率数字调谐字；232为相位累加容量。

免疫反应检测过程中，微控制器(MCU)采样环路中调谐电压的变化，通过不断更改频率调谐字，刷新DDS输出频率，使整个环路重新锁定，达到跟踪传感器频率的目的。

2.3 鉴相器模块

鉴相器(又称相位比较器)是锁相环中很重要的部分。鉴相器锁相原理如图4所示。由图可知，两路输入信号+IN和-IN进入鉴相器后收敛到相同频率和相位，OUT信号即为鉴相器锁定时输出。

图4 鉴相器锁相原理

AD8302芯片可用于中频、射频的幅度相位检测，其由2个60 dB增益宽带对数检波器、1个相位检波器和输出放大器组等共同构成[15-16]。AD8302以内部电平为基准，将输入信号变换为对数形式；并配置内部增益寄存器，实现对微小信号检测的目的，适合于免疫反应检测对鉴相器的要求。

根据对数压缩原理，AD8302可将大范围输出信号电平转换为紧凑的分贝级输出，即

VOUT=VSLPlog(VIN/VZ)

(3)

式中：VSLP为电压斜率；VZ为电压截距；VIN、VOUT分别为输入、输出信号。

AD8302基于该原理利用芯片内部的高精密宽带对数解调器实现检测两路输入信号(A、B两路)的相位差与幅度差，其测量方程为

VMAG=VSLPlog(VIN A/VIN B)

(4)

VPHS=Vφ[Φ(VIN A)-Φ(VIN B)

(5)

式中：VMAG、VPHS分别为幅度比较输出和相位比较输出；Vφ为相位斜率；Φ(VIN A)、Φ(VIN B)分别为A、B两通道的输入信号相位；Φ为每个通道信号的相对相位度。

通过配置该芯片不同的外围电路，可使其工作于测量、控制器、电平比较器等模式[16]。本文运用其测量模式，图5为该模式下的电原理图。

图5 AD8302测量模式电原理图

通过设置MSET和PSET引脚分别与VMAG、VPHS引脚相连接，可保证芯片的工作点位于默认响应曲线的斜率和中心点上[16]。此时相位测量为

VPHS=-RFIΦ(|Φ(VIN A-Φ(VIN B)|-

90°)+VCP)

(6)

式中：RFIΦ=10 mV/(°)为相位函数斜率；VCP=900 mV为0增益中心点，对应于90°的相位差,0°～180°的相位差对应0～1.8 V的电压输出摆动，与A/D转换器的量程吻合，便于后续模块的工作。

2.4 信号处理模块

SAW免疫传感器的插入损耗至少为25 dBm，在免疫反应进行的液体环境中甚至更大；同时DDS输出幅度和功率较小，不适合直接送入鉴相器。为了提高标准信号功率，充分利用AD9959四通道输出的优势及保证检测的高精度，设计了信号处理模块。图6为信号处理模块工作原理。

图6 信号处理模块工作原理

THS3201是一款增益带宽积达到1.8 GHz、低失真、高压摆率的电流反馈型运算放大器芯片，其将DDS输出的两路差分信号转为单端输出给后级电路，保证了标准信号的功率；功率补偿电路则选用美国Mini-Circuits公司的低噪声放大器GAL-74芯片，其工作频率可达1 GHz，在SAW免疫传感器的中心工作频率(约160 MHz)可提供19.2 dBm的功率补偿和25.1 dB的幅度增益，且噪声系数仅为2.7 dB。很适合于传感器的前后级放大。

3 实验设计与验证

实验验证环节中，根据SAW免疫传感器的中心工作频率，设置扫频范围为155～165 MHz，并使用矢量网络分析仪对同一免疫传感器电路进行测试。部分测试数据如表1所示。对实测数据进行拟合得到的关系曲线如图7所示。

表1 矢量网络分析仪和本文方法频率偏移

图7 网络分析仪和本文方法测量结果拟合曲线

由表1及图7可知，当频率扫描测试范围为156～162 MHz时，即在SAW免疫传感器中心工作频率附近。本文方法的测量结果与网络分析仪的结果基本一致，误差小于1%。在实际工程应用中，我们只关心传感器中心频率附近的信号，因此，本文方法适用于SAW免疫传感器的高频检测。

4 结束语

本文设计的基于PLL的SAW免疫传感器高频检测系统可准确检测频率范围为156～162 MHz的传感信号，其检测到的频率变化量快速、准确地反应了免疫反应中微小质量的变化。测试数据表明，检测系统在SAW免疫传感器中心频率附近最大测量误差仅0.85%，精度较高。本文方法与通过网络分析仪检测方式相比，测量结果周期短，灵敏度高，检测系统便携，功耗小，成本低，适合于SAW免疫传感器高频检测领域的工程实际需要。