CN102998234A

CN102998234A - 微型液体颗粒计数器芯片

Info

Publication number: CN102998234A
Application number: CN2012105435034A
Authority: CN
Inventors: 孙吉勇; 梁凤飞; 沈玮栋; 周大农; 唐红阳
Original assignee: Jiangsu Sujing Group Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Sujing Group Co Ltd
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN102998234B

Abstract

本发明涉及一种微型液体颗粒计数器芯片，包括芯片本体，芯片本体中设置有光学检测系统以及光刻形成的液体微流通道；液体微流通道的两端与芯片本体的外部相连通并通入有待测液体；光学检测系统包括光刻形成的入射端微透镜组、出射端微透镜组、入射端光纤固定槽、出射端光纤固定槽以及固设于入射端光纤固定槽中的入射光纤、固设于出射端光纤固定槽中的出射光纤；入射端微透镜组和出射端微透镜组相对的设置于液体微流通道的两侧；入射端光纤固定槽设置于入射端微透镜组的远离液体微流通道的一侧，出射端光纤固定槽设置于出射端微透镜组的远离液体微流通道的一侧。本发明提高了液体颗粒计数器加工的精度，降低了加工难度，降低了制造成本。

Description

微型液体颗粒计数器芯片

技术领域

本发明涉及一种用于测量液体中的微小颗粒的大小和数量的仪器，具体地说，涉及一种用于测量液体中的微小颗粒的大小和数量的激光微型液体颗粒计数器芯片。

背景技术

液体颗粒计数器用于检测液体中的微小固体颗粒污染物，它在医药、水质分析、油液清洁度检测、半导体工艺控制等领域有着重要的应用。

光阻法激光液体颗粒计数器根据光散射理论，利用微小粒子对光的散射和阻挡实现对粒子计数和测量。对于传统的液体颗粒计数器，其结构如附图1所示。半导体激光器101发出的光经过透镜组102的汇聚，在液体样品池103的检测区域形成一细小线光束，线光束透过样品池103之后传输到光电探测器106的表面。待测液体104通过液体样品池103的液体微流通道108而流经液体样品池103的检测区域。当待测液体104中的微小颗粒105通过检测区域的时候，由于粒子对光的散射和阻挡，使得光电探测器106接收到的光信号减弱，形成一个负脉冲信号107，负脉冲信号107的幅度与粒子的大小成比例。因此，通过脉冲信号的个数和幅度就可以测量出被测液体中微小颗粒物的个数和大小。

传统的液体颗粒计数器，其各个部件是通过机械的方式装配在一起的，为了确保检测光线形成的光斑的中心和液体样品池103的检测中心重合，同时使得液体样品池103的检测区域位于线光束的焦平面上，装配精度要求很高，安装难度大。传统的液体样品池通常用超精密机械加工的方法制作，由于液体微流通道的横向尺寸很小（0.2mm-0.5mm左右），通道的内壁要求很光滑（Ra<0.05），而且要形成机械密封，加工起来非常困难，成本很高。液体颗粒计数器的检测线光斑宽度为几十微米，需要采用非球面透镜才能得到如此细的线光斑，而非球面透镜昂贵的价格也增加了液体颗粒计数器的生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种加工工艺简单、制造成本较低的微型液体颗粒计数器芯片。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种微型液体颗粒计数器芯片，用于测量待测液体中微小颗粒的大小和数量，其包括芯片本体，所述的芯片本体中设置有光学检测系统以及光刻形成的液体微流通道；

所述的液体微流通道的两端与所述的芯片本体的外部相连通并通入有所述的待测液体；

所述的光学检测系统包括光刻形成的入射端微透镜组、出射端微透镜组、入射端光纤固定槽、出射端光纤固定槽以及固设于所述的入射端光纤固定槽中的入射光纤、固设于所述的出射端光纤固定槽中的出射光纤；

所述的入射端微透镜组和所述的出射端微透镜组相对的设置于所述的液体微流通道的两侧；所述的入射端光纤固定槽设置于所述的入射端微透镜组的远离所述的液体微流通道的一侧，所述的出射端光纤固定槽设置于所述的出射端微透镜组的远离所述的液体微流通道的一侧；光线依次经过所述的入射光纤、所述的入射端微透镜组、所述的液体微流通道、所述的出射端微透镜组、所述的出射光纤而形成检测光路，所述的检测光路与所述的液体微流通道中流过的所述的待测液体形成的液路相交形成检测区域。

优选的，所述的检测光路的轴线与所述的液体微流通道的轴线相垂直。

优选的，所述的入射端微透镜组包括第一非球柱面和第二非球柱面，所述的出射端微透镜组包括第三非球柱面和第四非球柱面，所述的入射光纤的端面位于所述的第一非球柱面的前方的焦平面上，所述的检测区域的中心位于所述的第二非球柱面的后方的焦平面上以及所述的第三非球柱面的前方的焦平面上，所述的出射光纤的端面位于所述的第四非球柱面的后方的焦平面上。

优选的，所述的芯片本体中含光刻形成有两条鞘液流通道，所述的鞘液流通道分别设置于所述的液体微流通道的两侧并与所述的液体微流通道形成一夹角，所述的鞘液流通道的一端与所述的芯片本体的外部相连通，所述的鞘液流通道的另一端与所述的液体微流通道相交，所述的光学检测系统设置于所述的鞘液流通道与所述的液体微流通道的相交点的下方；所述的鞘液流通道中通入有鞘液流。

优选的，所述的鞘液流通道相对称的设置于所述的液体微流通道的两侧，所述的鞘液流通道与所述的液体微流通道之间的夹角的角度为20°至45°范围内的任意值。

优选的，所述的入射端光纤固定槽的靠近所述的入射端微透镜组的一端部具有呈阶梯状的第一定位件，所述的入射光纤的端面抵在所述的第一定位件上而与所述的入射端光纤固定槽的端面之间形成一间隙；

所述的出射端光纤固定槽的靠近所述的出射端微透镜组的一端部具有呈阶梯状的第二定位件，所述的出射光纤的端面抵在所述的第二定位件上而与所述的出射端光纤固定槽的端面之间形成一间隙。

优选的，所述的液体微流通道的截面呈矩形；所述的入射端光纤固定槽的截面、所述的出射端光纤固定槽的截面均为矩形。

优选的，所述的液体微流通道的两端通过截面为圆形的通道所形成的液体微流通道入口和液体微流通道出口连接至所述的芯片本体的表面。

优选的，所述的鞘液流通道的截面为矩形，其一端通过截面为圆形的通道所形成的鞘液流通道入口连接至所述的芯片本体的表面。

优选的，所述的芯片本体由下板和上板键合为一体形成；所述的芯片本体为石英玻璃材质，其长和宽均为30mm，厚度为3mm。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明将液体微流通道和光学检测系统集成于一芯片本体上，采用光刻工艺加工制造，提高了加工的精度，并且降低了加工难度，同时，还降低了制造成本。

附图说明

附图1为现有技术的液体颗粒计数器的结构示意图。

附图2为本发明的微型液体颗粒计数器芯片的结构剖视图。

附图3为本发明的微型液体颗粒计数器芯片的加工工艺中上板的加工步骤示意图。

附图4为本发明的微型液体颗粒计数器芯片的加工工艺中上板的加工步骤示意图。

附图5为本发明的微型液体颗粒计数器芯片的加工工艺中下板的加工步骤示意图。

附图6为本发明的微型液体颗粒计数器芯片的外形图。

以上附图中：101、半导体激光器；102、透镜组；103、液体样品池；104、待测液体；105、微小颗粒；106、光电探测器；107、负脉冲信号；108、液体微流通道；

20、微型液体颗粒计数器芯片；201、液体微流通道；202a、鞘液流通道；202b、鞘液流通道；203、液体微流通道入口；204a、鞘液流通道入口；204b、鞘液流通道入口；205、液体微流通道出口；206、入射端光纤固定槽；207、入射光纤；208、入射端微透镜组；208a、第一非球柱面；208b、第二非球柱面；209、出射端微透镜组；209a、第三非球柱面；209b、第四非球柱面；210、出射端光纤固定槽；211、出射光纤；212、芯片本体；213、下板；214、上板。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图2所示。一种微型液体颗粒计数器芯片20，用于测量待测液体中微小颗粒的大小和数量。

该微型液体颗粒计数器芯片20包括芯片本体212，该芯片本体212为石英玻璃材质，其长和宽均为30mm，呈正方形，其厚度为3mm。

芯片本体212中设置有光学检测系统以及光刻形成的液体微流通道201。

液体微流通道201的两端与芯片本体212的外部相连通。该液体微流通道201的截面呈矩形，尺寸为0.2mm×0.2mm，而该液体微流通道201的长度为10-20mm左右。该液体微流通道201的两端通过截面为圆形且直径为1.6mm的通道所形成的液体微流通道入口203和液体微流通道出口205连接至芯片本体212的表面。该液体微流通道入口203和液体微流通道出口205通过外径为1.6mm的PTFE软管和外界相连接。

芯片本体212中光刻形成有两条鞘液流通道202a、202b。鞘液流通道202a、202b相对称的设置于液体微流通道201的两侧，每条鞘液流通道202a、202b与液体微流通道201形成一夹角，该夹角的角度取20°至45°范围内的任意值。在本实施例中，该夹角的大小为45°。

鞘液流通道202a、202b的截面为矩形，尺寸与液体微流通道201相同，为0.2mm×0.2mm。其一端通过截面为圆形且直径为1.6mm的通道所形成的鞘液流通道入口204a、204b连接至芯片本体212的表面，另一端与液体微流通道201相交。鞘液流通道入口204a、204b同样连接有外径为1.6mm的PTFE软管。

液体微流通道201中通入有待测液体，而鞘液流通道202a、202b中通入有鞘液流。液体微流通道201中的待测液体由液体微流通道入口203流入液体微流通道201中，并由液体微流通道出口205流出。鞘液流由鞘液流通道入口204a、204b流入鞘液流通道202a、202b中国，并与液体微流通道201中的待测液体汇合后共同由液体微流通道出口205流出。根据流体聚焦原理，当待测液体样本通过液体微流通道201时，在鞘液流的作用下，待测液体会被聚在液体微流通道201的中间区域，以提高测量精度。

定义液体微流通道201中待测液体流动方向的上游为“上”，而定义待测液体流动方向的下游为“下”。

光学检测系统设置于鞘液流通道202a、202b与液体微流通道201的相交点的下方。光学检测系统包括光刻形成的入射端微透镜组208、出射端微透镜组209、入射端光纤固定槽206、出射端光纤固定槽210以及固设于入射端光纤固定槽206中的入射光纤207、固设于出射端光纤固定槽210中的出射光纤211。

入射端微透镜组208和出射端微透镜组209相对的设置于液体微流通道201的两侧。入射端光纤固定槽206设置于入射端微透镜组208的远离液体微流通道201的一侧，出射端光纤固定槽210设置于出射端微透镜组209的远离液体微流通道201的一侧。光线依次经过入射光纤207、入射端微透镜组208、液体微流通道201、出射端微透镜组209、出射光纤211而形成检测光路。检测光路与液体微流通道201中流过的待测液体形成的液路相交形成检测区域。检测光路的轴线与液体微流通道201的轴线相垂直。

入射端微透镜组208包括第一非球柱面208a和第二非球柱面208b，出射端微透镜组209包括第三非球柱面209a和第四非球柱面209b。入射光纤207的端面位于第一非球柱面208a的前方的焦平面上，检测区域的中心位于第二非球柱面208b的后方的焦平面上以及第三非球柱面209a的前方的焦平面上，出射光纤211的端面位于第四非球柱面209b的后方的焦平面上。采用非球面的透镜组可以降低光学像差，得到足够小的线光斑宽度，以提高测量精度。

第一非球柱面208a的高度为0.13mm，宽度为0.3mm，焦距为0.34mm；第二非球柱面208b的高度为0.13mm，宽度为0.3mm，焦距为0.3mm。第一非球柱面208a和第二非球柱面208b的非球面方程为

z = \frac{Y^{2}}{R (1 + \sqrt{1 - \frac{(1 + k) Y^{2}}{R^{2}}})} + A_{2} Y^{2} + A_{4} Y^{4} + A_{6} Y^{6} + A_{8} Y^{8}

其中，各参数如下表所示：

第三非球柱面209a的高度为0.13mm，宽度为0.3mm，焦距为0.3mm；第四非球柱面209b的高度为0.13mm，宽度为0.3mm，焦距为0.34mm。第三非球柱面209a和第四非球柱面209b的非球面方程为

z = \frac{Y^{2}}{R (1 + \sqrt{1 - \frac{(1 + k) Y^{2}}{R^{2}}})} + A_{2} Y^{2} + A_{4} Y^{4} + A_{6} Y^{6} + A_{8} Y^{8}

其中，各参数如下表所示：

入射端光纤固定槽206的截面、出射端光纤固定槽210的截面均为矩形，尺寸均为0.13mm×0.13mm。入射端光纤固定槽206的靠近入射端微透镜组208的一端部具有呈阶梯状的第一定位件，入射光纤207插入入射端光纤固定槽206中且其端面抵在第一定位件上而与入射端光纤固定槽206的端面之间形成一间隙。出射端光纤固定槽210的靠近出射端微透镜组209的一端部具有呈阶梯状的第二定位件，出射光纤211插入出射端光纤固定槽210中且其端面抵在第二定位件上而与出射端光纤固定槽210的端面之间形成一间隙。

入射光纤207的一端与半导体激光器相连接，另一端为剥去被覆层且直径为0.125mm的裸纤，该裸纤插入入射端光纤固定槽206中，再用胶固定。入射端光纤固定槽206端部的阶梯状的第一定位件长为0.14mm，横截宽度为0.1mm。该阶梯状的第一定位件可以防止入射光纤207的端面与入射端光纤固定槽206的端面接触而破坏入射光纤207端面的光学特性以致影响检测精度。同理，出射光纤211的一端为剥去被覆层且直径为0.125mm的裸纤，该裸纤插入出射端光纤固定槽210中再用胶固定，出射光纤211的另一端与光电探测器相连接。出射端光纤固定槽210端部的阶梯状的第二定位件的长为0.14mm，横截宽度为0.1mm，该第二定位件同样用以防止出射光纤211的端面与出射端光纤固定槽210的端面接触。

光线经入射光纤207传导后尤其端面射出，再经过入射端微透镜组208的第一非球柱面208a后被准直成为平行光。由第一非球柱面208a出来的平行光经第二非球柱面208b后，在液体微流通道201中心的检测区域汇聚成宽度为几十微米的线光斑。光线透过检测区域后通过出射端微透镜组209耦合到出射光纤211中，再传导到光电探测器的表面，进而被转换为电信号。

上述入射端微透镜组208和出射端微透镜组209结构完全对称的设置于液体微流通道201两侧，且第二非球柱面208b的焦平面与第三非球柱面209a的焦平面相重合，可以提高耦合效率。当含有微小颗粒的待测液体流经待测区域时，由于微小颗粒对光的散射，因其检测区域的光强度变小，在光电探测器的输出端得到一个负脉冲信号，实现对微小颗粒的计数及检测。

上述微型液体颗粒计数器芯片20的制作过程如下：

1、参见附图3所示。选取一块长和宽为30mm×30mm、厚度为1.5mm且为石英玻璃材质的衬底，在该衬底上光刻出液体微流通道201、鞘液流通道202a、202b以及局部的液体微流通道入口203、液体微流通道出口205、鞘液流通道入口204a、204b。光刻的深度为0.2mm。

2、参见附图4所示。在上述衬底上继续光刻入射端光纤固定槽206、出射端光纤固定槽210、入射端微透镜组208、出射端微透镜组209，刻蚀的深度为0.13mm。刻蚀后得到一块下板213。

3、参见附图5所示。另选取一块长和宽为30mm×30mm且为石英玻璃片，在与下板213上的液体微流通道入口203、液体微流通道出口205、鞘液流通道入口204a、204b相对应的位置上光刻出直径为1.6mm的通孔形成另一部分液体微流通道入口203、液体微流通道出口205、鞘液流通道入口204a、204b。刻蚀后得到一块上板214。

4、将下板213和上板214通过键合的方法装配为一体形成芯片本体212。

5、将一端耦合有半导体激光器的入射光纤207的另一端的被覆层剥去，形成外径为0.125mm的裸纤，插入到入射光线固定槽中并用紫外胶固化；将一端耦合有光电探测器的出射光纤211的另一端的被覆层剥去，形成外径为0.125mm的裸纤，插入出射端光纤固定槽210中并用紫外胶固化，最终形成如附图6所示的微型液体颗粒计数器芯片20。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微型液体颗粒计数器芯片，用于测量待测液体中微小颗粒的大小和数量，其特征在于：其包括芯片本体，所述的芯片本体中设置有光学检测系统以及光刻形成的液体微流通道；

2.根据权利要求1所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的检测光路的轴线与所述的液体微流通道的轴线相垂直。

3.根据权利要求1或2所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的入射端微透镜组包括第一非球柱面和第二非球柱面，所述的出射端微透镜组包括第三非球柱面和第四非球柱面，所述的入射光纤的端面位于所述的第一非球柱面的前方的焦平面上，所述的检测区域的中心位于所述的第二非球柱面的后方的焦平面上以及所述的第三非球柱面的前方的焦平面上，所述的出射光纤的端面位于所述的第四非球柱面的后方的焦平面上。

4.根据权利要求1或2所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的芯片本体中含光刻形成有两条鞘液流通道，所述的鞘液流通道分别设置于所述的液体微流通道的两侧并与所述的液体微流通道形成一夹角，所述的鞘液流通道的一端与所述的芯片本体的外部相连通，所述的鞘液流通道的另一端与所述的液体微流通道相交，所述的光学检测系统设置于所述的鞘液流通道与所述的液体微流通道的相交点的下方；所述的鞘液流通道中通入有鞘液流。

5.根据权利要求4所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的鞘液流通道相对称的设置于所述的液体微流通道的两侧，所述的鞘液流通道与所述的液体微流通道之间的夹角的角度为20°至45°范围内的任意值。

6.根据权利要求1或2所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的入射端光纤固定槽的靠近所述的入射端微透镜组的一端部具有呈阶梯状的第一定位件，所述的入射光纤的端面抵在所述的第一定位件上而与所述的入射端光纤固定槽的端面之间形成一间隙；

7.根据权利要求1或2所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的液体微流通道的截面呈矩形；所述的入射端光纤固定槽的截面、所述的出射端光纤固定槽的截面均为矩形。

8.根据权利要求1或2所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的液体微流通道的两端通过截面为圆形的通道所形成的液体微流通道入口和液体微流通道出口连接至所述的芯片本体的表面。

9.根据权利要求4所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的鞘液流通道的截面为矩形，其一端通过截面为圆形的通道所形成的鞘液流通道入口连接至所述的芯片本体的表面。

10.根据权利要求1所述的微型液体颗粒计数器芯片，其特征在于：所述的芯片本体由下板和上板键合为一体形成；所述的芯片本体为石英玻璃材质，其长和宽均为30mm，厚度为3mm。