组成图示
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传感器类型
电化学生物传感器
检测对象
铁氰化钾（potassium ferricyanide, K3Fe(CN)6），样品基质：1 M KCl 水溶液（电化学验证液）
检测原理
系统由数字可编程波形发生器、2×2 单端恒电位仪和安培读出电路组成。波形发生器产生三角、锯齿、恒电位或方波电压，经恒电位仪施加到工作电极 WE 与对电极 CE，参比电极 RE 稳定溶液电位。当溶液中的氧化还原电对（如铁氰化钾）到达 WE 时，在扫描电位下发生法拉第氧化还原反应，产生与浓度和扫描速率相关的电流。该电流由开关电容电荷积分器转换为电压，经可编程增益放大器、低通滤波和 ADC 数字化。电路采用相关双采样抑制 1/f 噪声和直流偏移，微电极缩短扩散层并提高信噪比。当前平台未引入 HCR、RCA 或酶催化放大，主要依靠电化学法拉第电流和 CMOS 低噪声读出实现检测。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或 R^2。
效应效果
芯片面积 3×3 mm²，采用 0.5 μm CMOS，200 kHz 时钟下功耗 22.5 mW；扫描范围 0–2 V，步长 2 mV，扫描速率 1 mV/s–400 V/s。2×2 金电极阵列经聚酰亚胺开窗和 5 μm Parylene C 封装后，可在水滴和 piranha 清洗条件下保持绝缘与功能。循环伏安测试中，0.5 mM 和 1 mM 铁氰化钾在 100/200 mV/s 下的峰位与峰电流与商用 CHI760C 高度一致，验证了仪器、电极和封装的可用性。作者强调该平台适合蛋白基生物传感器阵列，长期稳定性主要取决于后续生物界面，而非 CMOS 电路或 Parylene 封装。
传感器的构成
- 基底/换能器：0.5 μm CMOS 芯片（MAIC），集成波形发生器、2×2 单端恒电位仪和安培读出电路，作为微系统基底与信号处理单元。
- 电极层：Ti/Au（50 Å/1000 Å）热蒸发并湿法刻蚀形成 2×2 金微电极阵列，包含工作电极 WE、对电极 CE 和伪参比电极 RE，用于电化学换能。
- 表面钝化层：聚酰亚胺（polyimide）旋涂并图案化，绝缘表面金属走线、平整表面并开窗暴露电极与键合焊盘。
- 封装层：聚对二甲苯 C（Parylene C）约 5 μm 化学气相沉积包覆整个芯片、键合线和封装体，提供液体绝缘、生物相容性和耐 piranha 清洗能力。
- 电极暴露结构：氧 RIE 去除电极区 Parylene C，保留聚酰亚胺绝缘，仅暴露金电极表面用于后续生物界面自组装。
- 识别元件：未形成具体识别层；设计预留蛋白基纳米结构生物界面自组装位点，原文未给出具体抗体、适配体、酶或 DNA 探针。
- 外部电化学池：1 M KCl 支持电解质与 0.5/1 mM 铁氰化钾（K3Fe(CN)6）氧化还原电对，测试时另用商用 Ag/AgCl RE 和 Pt CE 构成三电极体系。
- 信号读出：PC 数据采集卡与 LabVIEW 界面读取 ADC 数字电流，用于循环伏安曲线分析。
中文摘要
本文提出一种用于生物传感器阵列的集成 CMOS 安培测量仪器与封装方案。该混合信号集成电路支持线性扫描、恒电位、循环伏安和脉冲伏安等多种电化学测量技术。芯片采用 0.5 μm CMOS 工艺，面积为 3×3 mm²，在 200 kHz 时钟下功耗为 22.5 mW。芯片具有高度可编程性，可提供宽范围用户可控激励速率和幅度，最大扫描范围为 2 V，扫描速率可在 1 mV/s 至 400 V/s 之间设置。安培读出电路提供 500 fA 线性分辨率，并支持至 47 nA 的输入电流。在 CMOS 仪器芯片表面制备了 2×2 金电极阵列，并开发了全聚对二甲苯（parylene）封装方案，使其兼容液体测试环境以及强 piranha 电极清洗工艺。芯片使用不同浓度铁氰化钾在 100 mV/s 和 200 mV/s 下进行循环伏安测试，结果与商用仪器测量一致。
英文摘要
An integrated CMOS amperometric instrument with on-chip electrodes and packaging for biosensor arrays is presented. The mixed-signal integrated circuit supports a variety of electrochemical measurement techniques including linear sweep, constant potential, cyclic and pulse voltammetry. Implemented in 0.5 μm CMOS, the 3 × mm(2) chip dissipates 22.5 mW for a 200 kHz clock. The highly programmable chip provides a wide range of user-controlled stimulus rate and amplitude settings with a maximum scan range of 2 V and scan rates between 1 mV/sec and 400 V/sec. The amperometric readout circuit provides ±500 fA linear resolution and supports inputs up to ±47 μA. A 2 × 2 gold electrode array was fabricated on the surface of the CMOS instrumentation chip. An all-parylene packaging scheme was developed for compatibility with liquid test environments as well as a harsh piranha electrode cleaning process. The chip was tested using cyclic voltammetry of different concentrations of potassium ferricyanide at 100 mV/s and 200 mV/s, and results were identical to measurements using commercial instruments.