电流检测装置以及电流检测芯片的制作方法
【专利摘要】一种电流检测装置包括信号采集通道、信号放大模块、抗噪音模块、模数转换模块、DSP处理器及数据通信端口；信号采集通道与信号放大模块相连，用于采集电流信号；信号放大模块与抗噪音模块相连，用于放大接收的电流信号；抗噪音模块与模数转换模块相连，用于降低所接收的信号中的噪声干扰；模数转换模块将接收到的信号进行模数转换并通过I2C总线输出至DSP处理器；DSP处理器分别与数据通信端口以及信号采集通道相连，用于对信号采集通道进行控制，并对模数转换模块输出的数字信号处理后通过数据通信端口传输至上位机，通过上位机对数字信号进行接收和分析以完成电流检测。本装置具有高速采集并处理皮安级至飞安级超低电流信号的功能。
【专利说明】电流检测装置以及电流检测芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及化学分析技术及超低电流检测领域，尤其涉及一种能实现同时获取分析物的光信号、磁信号、超低电流信号的电流检测装置以及电流检测芯片。
【背景技术】
[0002]针对微弱信号检测与分析是研究自然科学，揭示自然规律的有效途径，超低电流信号获取与检测是微弱信号检测的重要组成部分之一。在物理学、化学、生物学等自然科学的研究中，都会涉及到超低电流信号的检测。例如，近年来，随着纳米通道单分子电化学检测技术(Nanopore Technique)这一单分子行为检测的新型分析手段的快速发展，如何检测得到超低电流信号成为了该领域的重要支撑技术。通过对产生的超低电流信号(KIO—11 A)进行采集与分析，可实现对单个分子个体行为的解读。目前，基于超低电流检测的电化学技术已经用于DNA损伤的研究、单个多肽结构及蛋白质构型分析、单个DNA与靶分子间相互作用的探测识别、有机小分子化合物检测，并有望实现DNA测序。
[0003]但是，在公开的微弱电流信号检测技术中，电流信号检测装置仅能检测到纳安级(I >10_9 A)的电流信号，这与现有的商品化电化学工作站水平相当，无法满足纳米通道技术对超低电流(KIO—11 A)的检测的需求。此外，现有的微弱电流检测装置易受外界环境影响，且只能完成单一的电流信号检测，无法在与光控、磁控等对平台联用时得到良好的信噪t匕。且因现有商品化电流检测装置体积大等因素，限制了其在科学研究中的应用，例如较难与有工作距离限制的暗场显微镜系统联用。
实用新型内容
[0004]本实用新型的一目的在于解决上述问题，提供一种电流检测装置，具有高速采集并处理皮安级至飞安级超低电流信号的功能，克服了现有低电流检测平台电流检测水平过低的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案。
[0006]一种电流检测装置包括信号采集通道、信号放大模块、抗噪音模块、模数转换模块、DSP处理器以及数据通信端口 ；所述信号采集通道与所述信号放大模块相连，用于采集电流信号并传输给所述信号放大模块；所述信号放大模块与所述抗噪音模块相连，用于对接收的电流信号进行放大处理后传送至所述抗噪音模块；所述抗噪音模块与所述模数转换模块相连，用于降低所述信号放大模块输出的信号中的噪声干扰；所述模数转换模块与所述DSP处理器相连，用于将接收到的信号进行模数转换并通过I2C总线输出至所述DSP处理器；所述DSP处理器分别与所述数据通信端口以及信号采集通道相连，用于对所述信号采集通道进行控制，并对所述模数转换模块输出的数字信号处理后通过所述数据通信端口传输至上位机，通过所述上位机对数字信号进行接收和分析以完成电流检测。
[0007]进一步，所述信号采集通道采用至少一模拟开关BU4066BC。
[0008]进一步，所述信号放大模块采用运算放大器。[0009]进一步，所述抗噪音模块采用具有抗混叠功能的低通滤波器。
[0010]进一步，所述模数转换模块采用AD7760模数转换器。
[0011]所述装置进一步包括一与所述DSP处理器相连的温度控制模块，用于对所述装置内各模块的温度及环境温度进行测量并实时控制。
[0012]进一步，所述温度控制模块采用ADT7320温度传感器。
[0013]本实用新型的再一目的在于解决上述问题，提供一种电流检测芯片，实现可检测到皮安级及以下超低电流，并可与光信号、磁信号等多种信号检测方式结合，提供不同检测环境下的超低电流信号的采集的功能。
[0014]为实现上述目的，本实用新型提供一种电流检测芯片包括信号采集通道、信号放大模块、抗噪音模块、模数转换模块、温度控制模块、DSP处理器以及数据通信端口 ；所述信号采集通道与所述信号放大模块相连，用于采集电流信号并传输给所述信号放大模块；所述信号放大模块与所述抗噪音模块相连，用于对接收的电流信号进行放大处理后传送至所述抗噪音模块；所述抗噪音模块与所述模数转换模块相连，降低所述信号放大模块输出的信号中的噪声干扰；所述模数转换模块与所述DSP处理器相连，用于将接收到的信号进行模数转换并通过I2C总线输出至所述DSP处理器；所述温度控制模块与所述DSP处理器相连，用于对所述芯片内各模块的温度及环境温度进行测量并实时控制；所述DSP处理器分别与所述数据通信端口以及信号采集通道相连，用于对所述信号采集通道进行控制，并对所述模数转换模块输出的数字信号处理后通过所述数据通信端口传输至上位机，通过所述上位机对数字信号进行接收和分析以完成电流检测。
[0015]进一步，所述芯片上设有电极，所述芯片固定于检测池侧部。
[0016]进一步，所述芯片采用直流电源供电。
[0017]本实用新型电流检测装置以及电流检测芯片的积极效果是:具有高速采集并处理皮安级至飞安级超低电流信号的功能，同时因集成化的设计策略和良好的噪声控制能力，可与包括光谱平台在内的多种平台联用从而实现光电信号等多种信号的实时在线分析，多路数据采集通道的设计也可满足多通道阵列式检测的需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型电流检测装置的结构框图；
[0019]图2为本实用新型电流检测芯片的安放示意图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图对本实用新型电流检测装置以及电流检测芯片作详细说明。
[0021]首先结合附图给出本实用新型电流检测装置的【具体实施方式】。
[0022]图1所示是本【具体实施方式】所述电流检测装置的结构框图，包括信号采集通道
11、信号放大模块12、抗噪音模块13、模数转换模块14、DSP处理器15及数据通信端口 16。
[0023]所述信号采集通道11与所述信号放大模块12相连，用于采集电流信号并传输给所述信号放大模块12。所述信号采集通道11可以选用具有高输出数字信号位数、高数据采样率、低噪音、低最大非线性率的多通道模拟开关控制，实现对电流信号的高速采集。作为优选的实施方式，所述信号采集通道11采用至少一模拟开关BU4066BC。由于模拟开关BU4066BC单个开关具有4个采集通道，所以采用多个模拟开关可构成多路采集通道。所述信号采集通道11由DSP处理器15进行控制，采集到的电流信号传输给信号放大模块12。
[0024]所述信号放大模块12与所述抗噪音模块13相连，用于对接收的电流信号进行放大处理后传送至所述抗噪音模块13。作为优选的实施方式，所述信号放大模块12采用运算放大器。所述运算放大器采用基于最新拓扑结构设计的具有极低输入偏置电流、极低失调漂移的运算放大器，以达到高精度、低系统噪音的测量特性。为实现皮安级至飞安级超低电流信号的测量，所述运算放大器接入级采用10 6Ω以上的共模阻抗，使得运算放大器输入电流独立于共模电压。所述运算放大器输入偏置电流〈50 fA，并可通过激光调节其输入偏置电压及输入偏置电压调零。所述运算放大器通过多级放大手段，将电流信号通过反馈电阻后转换为电压信号并传送至所述抗噪音模块13。
[0025]所述抗噪音模块13与所述模数转换模块14相连，用于降低所述信号放大模块12输出的信号中的噪声干扰。作为优选的实施方式，所述抗噪音模块13采用具有抗混叠功能的低通滤波器，通过所述低通滤波器将接收到的信号中的混叠频率分量降低，即降低噪声干扰，以实现电流高精度和高稳定度的测量。
[0026]所述模数转换模块14与所述DSP处理器15相连，用于将接收到的信号进行模数转换并通过I2C总线输出至所述DSP处理器15。作为优选的实施方式，所述模数转换模块14采用AD7760模数转换器，所述AD7760模数转换器内置用来驱动基准电压的缓冲、用于信号缓冲和电平转换的差动放大器、超量程标志、内部增益与失调寄存器以及低通数字FIR滤波器，可实现对模拟信号的高速转化与数字信号的连续输出。所述AD7760模数转换器可实现信号在单端输入、多通道模拟差动输入以及完全差动输入中选择，具有高位数的无信号丢失和无噪声分辨率。
[0027]所述DSP处理器15分别与所述数据通信端口 16以及信号采集通道11相连。所述DSP处理器15对所述信号采集通道11进行控制，实现通道切换等功能；同时，所述DSP处理器15对所述模数转换模块14输出的数字信号进行变换、滤波等优化处理后通过所述数据通信端口 16传输至上位机(图中未示出)，通过所述上位机对数字信号进行接收和分析以完成电流检测。
[0028]由于环境温度及装置本身温度的变化对皮安级至飞安级超低电流检测的稳定性及检测精度会产生影响，因此需要对温度实施监测与控制。作为优选的实施方式，所述电流检测装置进一步包括一与所述DSP处理器15相连的温度控制模块17，用于对所述装置内各模块的温度及环境温度进行测量并实时控制，以提高芯片系统对温度变化的稳定性。其中，所述温度控制模块17可以采用ADT7320温度传感器实时监测温度变化，所述ADT7320温度传感器内置一个带隙温度基准和一个13位模数转换器，能够以0.0625° C的分辨率对温度进行监控和数字化。
[0029]接下来给出本实用新型电流检测芯片的【具体实施方式】。
[0030]超低电流信号的获取极易受到系统固有噪音及外源性干扰。系统固有噪音主要由现有商品化皮安级微弱电流检测装置中复杂的长排线而引入；外源性干扰主要来自于静电干扰、磁干扰和射频干扰。现有的商品化微弱电流检测装置体积较大，仅能实现对放大器探头的部分屏蔽；此外，以光谱信号采集为例，用于定位的显微镜及显微操控系统需整体置于金属屏蔽罩内，因此传统屏蔽系统无法对屏蔽系统内的外源性噪音进行完全有效的屏蔽，从而对微弱电流信号的分辨产生极大干扰，无法满足检测精度需求。
[0031]本实用新型所述电流检测装置的各模块可以集成芯片化并优化芯片工艺设计，以提高电路性能，从而克服系统噪音问题与外源性干扰，进一步提高信号分辨率。本实用新型所述电流检测芯片包括信号采集通道、信号放大模块、抗噪音模块、模数转换模块、温度控制模块、DSP处理器以及数据通信端口。
[0032]所述信号采集通道与所述信号放大模块相连，用于采集电流信号并传输给所述信号放大模块；作为优选的实施方式，所述信号采集通道采用至少一模拟开关BU4066BC。所述信号放大模块与所述抗噪音模块相连，用于对接收的电流信号进行放大处理后传送至所述抗噪音模块；作为优选的实施方式，所述信号放大模块采用基于最新拓扑结构设计的具有极低输入偏置电流、极低失调漂移的运算放大器，以达到高精度、低系统噪音的测量特性；所述运算放大器通过多级放大手段，将电流信号通过反馈电阻后转换为电压信号并传送至所述抗噪音模块。所述抗噪音模块与所述模数转换模块相连，降低所述信号放大模块输出的信号中的噪声干扰；作为优选的实施方式，所述抗噪音模块采用具有抗混叠功能的低通滤波器降低噪声干扰，以实现电流高精度和高稳定度的测量。所述模数转换模块与所述DSP处理器相连，用于将接收到的信号进行模数转换并通过I2C总线输出至所述DSP处理器；作为优选的实施方式，所述模数转换模块14采用AD7760模数转换器。所述温度控制模块与所述DSP处理器相连，用于对所述芯片内各模块的温度及环境温度进行测量并实时控制；作为优选的实施方式，所述温度控制模块17可以采用ADT7320温度传感器实时监测温度变化。所述DSP处理器分别与所述数据通信端口以及信号采集通道相连，用于对所述信号采集通道进行控制，并对所述模数转换模块输出的数字信号进行变换、滤波等优化处理后通过所述数据通信端口传输至上位机，通过所述上位机对数字信号进行接收和分析以完成电流检测。
[0033]由于本实用新型所述电流检测芯片将各模块集成芯片化并优化芯片工艺设计，因此，可采用嵌入式设计，使所述电流检测芯片与光信号检测池等其他联用设备集成在一起，以减小系统噪声与外源性干扰，进一步提高信号分辨率并实现光电信号联合采集的目的。
[0034]参考附图2，本实用新型电流检测芯片的安放示意图，所述电流检测芯片21上设有电极22，检测池23上设有电极插槽24。装配时，所述电流检测芯片21固定于检测池23侧部，所述电极22插入所述电极插槽24内，从而构成联用光、磁等检测平台，实现联用光、磁等检测平台，以减少电极引线产生的电容噪音。进一步，所述电流检测芯片21采用直流电源供电，并将电极22固定于检测池23侧部，以避免传统微弱电流检测中由交流电源和电极悬空安置引起的检测频率振荡。所述检测池23上还设有换液孔25，用于在电流检测过程中更换溶液；检测池23中间夹层上设置有用于探测生物分子电流的纳米孔26。
[0035]本使用新型所述电流检测芯片21对微弱电流检测进行整体屏蔽，提高其抗噪能力，削弱外界环境的影响，在解决传统外源性干扰的同时，克服了联用光、磁等检测平台产生的一系列噪声，可检测到皮安级及以下电流水平，并可与光信号、磁信号等多种信号检测方式结合，提供不同检测环境下的超低电流信号的采集。
[0036]以上所述仅是本实用新型的优选实施例，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种电流检测装置，其特征在于，包括信号采集通道、信号放大模块、抗噪音模块、模数转换模块、DSP处理器以及数据通信端口 ； 所述信号采集通道与所述信号放大模块相连，用于采集电流信号并传输给所述信号放大模块； 所述信号放大模块与所述抗噪音模块相连，用于对接收的电流信号进行放大处理后传送至所述抗噪音模块； 所述抗噪音模块与所述模数转换模块相连，用于降低所述信号放大模块输出的信号中的噪声干扰； 所述模数转换模块与所述DSP处理器相连，用于将接收到的信号进行模数转换并通过I2C总线输出至所述DSP处理器； 所述DSP处理器分别与所述数据通信端口以及信号采集通道相连，用于对所述信号采集通道进行控制，并对所述模数转换模块输出的数字信号处理后通过所述数据通信端口传输至上位机，通过所述上位机对数字信号进行接收和分析以完成电流检测。
2.根据权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于，所述信号采集通道采用至少一模拟开关BU4066BC。
3.根据权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于，所述信号放大模块采用运算放大器。
4.根据权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于，所述抗噪音模块采用具有抗混叠功能的低通滤波器。
5.根据权 利要求1所述的电流检测装置，其特征在于，所述模数转换模块采用AD7760模数转换器。
6.根据权利要求1所述的电流检测装置，其特征在于，所述装置进一步包括一与所述DSP处理器相连的温度控制模块，用于对所述装置内各模块的温度及环境温度进行测量并实时控制。
7.根据权利要求6所述的电流检测装置，其特征在于，所述温度控制模块采用ADT7320温度传感器。
8.一种电流检测芯片，其特征在于，包括信号采集通道、信号放大模块、抗噪音模块、模数转换模块、温度控制模块、DSP处理器以及数据通信端口 ； 所述信号采集通道与所述信号放大模块相连，用于采集电流信号并传输给所述信号放大模块； 所述信号放大模块与所述抗噪音模块相连，用于对接收的电流信号进行放大处理后传送至所述抗噪音模块； 所述抗噪音模块与所述模数转换模块相连，降低所述信号放大模块输出的信号中的噪声干扰; 所述模数转换模块与所述DSP处理器相连，用于将接收到的信号进行模数转换并通过I2C总线输出至所述DSP处理器； 所述温度控制模块与所述DSP处理器相连，用于对所述芯片内各模块的温度及环境温度进行测量并实时控制； 所述DSP处理器分别与所述数据通信端口以及信号采集通道相连，用于对所述信号采集通道进行控制，并对所述模数转换模块输出的数字信号处理后通过所述数据通信端口传输至上位机，通过所述上位机对数字信号进行接收和分析以完成电流检测。
9.根据权利 要求8所述的电流检测芯片，其特征在于，所述芯片上设有电极，所述芯片固定于检测池侧部。
10.根据权利要求8所述的电流检测芯片，其特征在于，所述芯片采用直流电源供电。
【文档编号】G01R19/25GK203572874SQ201320572492
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】龙亿涛, 应佚伦, 高瑞, 曹婵 申请人:华东理工大学