CN106290515B - 微流控可置换腔体结构的自校准海洋多参数化学传感器 - Google Patents

微流控可置换腔体结构的自校准海洋多参数化学传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微流控可置换腔体结构的自校准海洋多参数化学传感器，包括采用微电子制造工艺集成的阵列传感部、控制模块、电源；所述阵列传感部设有若干呈阵列分布的微型传感芯片，以及对应微型传感芯片设置的微流控自校准装置；所述微型传感芯片和所述微流控自校准装置连接所述控制模块，所述电源为所述控制模块供电。本发明所述的海洋多参数化学传感器实现了器件的微型化、阵列化和芯片化，实现了关键探头部分的微流控可置换腔体结构和自校准系统设计，提高了深海化学参数长期测量的精度，也降低了探头的生产成本，更加有利于探头的国产化、商业化发展。

Description

微流控可置换腔体结构的自校准海洋多参数化学传感器
技术领域
本发明属于海洋仪器生产领域，具体地说，涉及一种采用微流控可置换腔体结构和自校准系统的海洋化学参数传感器。
背景技术
深海海底边界层是物理、化学和生物过程耦合相互作用最为复杂的区域，也是揭示物质循环和质量平衡，研究海洋碳循环，探测海底资源的关键区域。海洋化学参数例如：pH、CO2、CH4、溶解氧(DO)是研究海洋生态水质环境、海洋碳循环、海底热液、海底天然气水合物以及海底资源探测的最基本的参数，开展深海基本化学要素的原位监测，对于开发海洋资源和保护海洋环境都具有重要的意义。
目前，国外商业化的深海(1000米以下)化学传感器均具备自容/直读两种模式。其中，pH传感器厂商主要有美国Sea-Bird公司(SBE18/27pH-1200米)和AMT公司(pHAMT-6000米)，探头主要采用固态电极结构，需要经常标定维护。美国Sunburst Sensors公司两款传感器(SAMI/AFTpH-3000米)测量精度较高，但是结构复杂，技术门槛较高尚未得到推广应用。国外商用测量深海CO2有德国Contros公司基于红外光谱法的HydroCTM/CO2(6000米)，该类设备虽然精度、分辨率均高于传统的电化学法，但是整个系统结构较复杂，响应时间较长，功耗较高，不方便与其他探头集成。Contros公司的HydroC CH4(3000米)采用滤膜脱气结构设计结合红外光谱议测量深海溶解CH4的浓度。德国GKSS和Franatech公司的METS(2000米)则利用半透膜进行气液分离后对使用电化学SnO2半导体探头完成CH4的测量。与光学原理相比，虽然电化学探头精度高、响应速度快、稳定性好，但是面临着温度高，电势高的难点。在海上复杂作业情况下，存在仪器失效的风险。深海DO传感器产品主要采用电化学法和荧光猝灭法。
国内浙江大学、中科院海洋研究所、上海雷磁公司等许多科研院所和企业利用电化学、光电科学等方法在深海气体检测传感技术上做了大量的工作。但是与国外同类设备在测量速度和精度上都有不小差距。
综上，化学传感器以单参数为主，体积较大，集成度不高，而且价格昂贵，维护困难。随着深海探测的深入，具有化学环境综合分析能力的一体化、低功耗、高稳定性的多参数传感器是未来发展的趋势。
发明内容
为了解决上述问题，本发明基于深海化学多要素探头的工作特点，推出具有可置换、自校准、可集成的多参数传感器结构设计，实现深海海洋化学参数的长期、可靠以及原位检测，确保长期测量的高精度和稳定性。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：一种微流控可置换腔体结构的自校准海洋多参数化学传感器，包括采用微电子制造工艺集成的阵列传感部、控制模块、电源；所述阵列传感部设有若干呈阵列分布的微型传感芯片，以及对应微型传感芯片设置的微流控自校准装置；所述微型传感芯片和所述微流控自校准装置连接所述控制模块，所述电源为所述控制模块供电。
进一步的，所述微流控自校准装置包括呈阵列分布的若干微流控耐压腔体，每个所述微型传感芯片都置于一个微流控耐压腔体内，所述微流控耐压腔体设有微流控管路以实现对外连通，所述微流控管路设有电磁阀，所述电磁阀连接所述控制模块。
更进一步的，所述微流控自校准装置还包括标准溶液腔，所述微流控管路分为内管路和外管路，所述内管路使微流控耐压腔体与标准溶液腔相连通，所述外管路使微流控耐压腔体对外连通，所述内管路设有内电磁阀，所述外管路设有外电磁阀，所述内电磁阀和外电磁阀连接所述控制模块。
更进一步，所述微流控自校准装置还包括双向微型水泵，所述双向微型水泵连接所述控制模块，所述内管路通过双向微型水泵连接所述标准溶液腔。
进一步的，所述控制模块设有微处理器，所述微处理器设有信号采集处理系统。
进一步的，所述海洋多参数化学传感器设有防护罩和密封筒，所述防护罩对应微流控装置设有开口。
更进一步的，所述密封筒端部设有端盖，所述端盖外设有水密接插件。
进一步的，所述微型传感芯片包括pH传感芯片和气体传感芯片。
更进一步的，所述pH传感芯片包括基于纳米线增强型的独立柔性栅极半导体场效应管离子型pH探头，设有柔性敏感栅极薄膜和扩展栅场效应管；所述柔性敏感栅极薄膜采用湿法化学贵金属刻蚀方法、等离子体增强化学气相沉积法方法并结合微纳光刻加工技术实现柔性基底上H+、OH-离子敏感的Si、ZnO垂直纳米线的生长与转移。
更进一步的，所述气体传感芯片设有基于高选择性渗透膜技术的气液分离测试腔；通过敏感电极/参比电极与柔性基底集成，形成微型平面结构的可置换气体探测单元；所述可置换气体探测单元设有可置换气敏探头，利用可置换气敏探头的弱检测信号输出实现对栅极电压的调控，结合放大电路场效应管结构的信号放大功能，形成扩展栅场效应管结构；实现探头与放大电路场效应管的分离。
相对于现有技术，本发明所述的微流控可置换腔体结构的自校准海洋多参数化学传感器具有以下优势：
本发明所述的海洋多参数化学传感器实现了器件的微型化、阵列化和芯片化，实现了关键探头部分的微流控可置换腔体结构和自校准系统设计，提高了深海化学参数长期测量的精度，也降低了探头的生产成本，更加有利于探头的国产化、商业化发展。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图.
其中：
1、微型传感芯片； 2、微流控耐压腔体；
3、微流控管路； 4、电磁阀；
5、防护罩； 6、双向微型水泵；
7、标准溶液腔； 8、控制模块；
9、密封筒； 10、电池；
11、端盖； 12、水密接插件。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的海洋多参数化学传感器，应用了pH探头和气体探头，其中：
pH探头采用湿法化学贵金属刻蚀方法、等离子体增强化学气相沉积法方法并结合微纳光刻加工技术实现柔性基底上H+、OH-离子敏感的Si、ZnO垂直纳米线的生长与转移，制备出柔性敏感栅极薄膜，并采用等离子、表面修饰等手段，进一步提升其敏感性能与响应速度。基于现有离子半导体场效应管(Ions Selected Field Effect Transistors-ISFET)技术上，通过纳米结构调制与表面改性方法进一步增大敏感活性表面与增强其表面吸附性，提升传感器件的稳定性、灵敏度和响应速度，并通过选择性离子强吸附渗透保护膜抗深海环境干扰；将离子半导体场效应管改进为扩展栅场效应管，并进行结构柔性化和快速置换化设计，实现场效应管功能结构与海水环境的有效隔离，增加器件的工作寿命和稳定性；采用微流通道抗压增强传感技术、环境自适应原位实时自校准方法等实现器件结构保护、实时原位监测以及器件工作的长期稳定性。
气体探头基于高选择性渗透膜技术，设计气液分离测试腔；基于电化学原理，选择合适的敏感电极与参比电极结构；通过敏感电极/参比电极与柔性基底集成，形成微型平面结构的可置换气体探测单元；利用可置换气敏探头的弱检测信号输出实现对栅极电压的调控，结合场效应管结构的信号放大功能，设计出扩展栅极场效应管结构；完成探头与放大电路场效应管的分离，实现场效应管结构与外部海水环境的隔离，保证信号采集的可靠性与稳定性；建立环境因素与器件性能的关联，进一步实现对输出信号补偿模型的搭建。
基于上述传感器芯片的设计，可以实现关键探头部分的微流控可置换腔体结构和自校准系统的设计，如图1所示，本发明的海洋多参数化学传感器主要包括微型传感芯片1、微流控耐压腔体2、微流控管路3、电磁阀4、防护罩5、双向微型水泵6、标准溶液腔7、控制模块8、密封筒9、电池10、端盖11、水密接插件12。
其中，采用微电子制造工艺集成的呈阵列分布的若干微型传感芯片1连接控制模块8，每个所述微型传感芯片1都置于一个微流控耐压腔体2内，所述微流控耐压腔体2设有微流控管路3以实现对外连通，所述微流控管路3分为内管路和外管路，所述内管路使微流控耐压腔体2与标准溶液腔7相连通，所述外管路使微流控耐压腔体2对外连通，所述内管路设有内电磁阀4，所述外管路设有外电磁阀4，所述内电磁阀4和外电磁阀4连接所述控制模块。
所述双向微型水泵6连接所述控制模块8，所述内管路通过双向微型水泵6连接所述标准溶液腔7。所述控制模块8连接电池10，并设有微处理器，所述微处理器设有信号采集处理系统。
本发明设有防护罩5和密封筒9，所述防护罩5对应外管路设有开口。
所述密封筒9端部设有端盖11，所述端盖11外设有水密接插件12。
本发明的具体工作过程为：微型传感芯片1分别置于微流控耐压腔体2中，并填充好标准溶液，使得微型传感芯片1一直处于标准状态。当系统开始工作时，控制模块8控制其中一个腔体2的内外电磁阀4开启，双向微型水泵6向下抽水，这个腔体2完全填入海水以后，控制模块8控制传感芯片1工作，获得原位海水中各项化学参数，系统开始休眠。当第二次测量开始时，之前的腔体内外电磁阀4关闭，第二腔体的内外电磁阀4打开，开始上述测量流程，直至每个腔体的传感芯片1完成测量。随后，系统可以开始自校准，即位于中心的双向微型水泵6往外排水，从而将传感器后端内置标准溶液腔7的标准溶液泵入微流控耐压腔体2，从而开始芯片的自校准。该传感器可满足直读与自容两种模式，包含有内置电源和信号采集处理系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微流控可置换腔体结构的自校准海洋多参数化学传感器，其特征在于，包括采用微电子制造工艺集成的阵列传感部、控制模块、电源；所述阵列传感部设有若干呈阵列分布的微型传感芯片，以及对应微型传感芯片设置的微流控自校准装置；所述微型传感芯片和所述微流控自校准装置连接所述控制模块，所述电源为所述控制模块供电；
所述微型传感芯片包括pH传感芯片和气体传感芯片；所述pH传感芯片包括基于纳米线增强型的独立柔性栅极半导体场效应管离子型pH探头，将离子半导体场效应管改进为扩展栅场效应管；设有柔性敏感栅极薄膜和扩展栅场效应管Extended Gate Field EffectTransistors-EGFET；
所述气体传感芯片设有基于高选择性渗透膜技术的气液分离测试腔；通过敏感电极/参比电极与柔性基底集成，形成微型平面结构的可置换气体探测单元。
2.根据权利要求1所述的自校准海洋多参数化学传感器，其特征在于，所述微流控自校准装置包括呈阵列分布的若干微流控耐压腔体，每个所述微型传感芯片都置于一个微流控耐压腔体内，所述微流控耐压腔体设有微流控管路以实现对外连通，所述微流控管路设有电磁阀，所述电磁阀连接所述控制模块。
3.根据权利要求2所述的自校准海洋多参数化学传感器，其特征在于，所述微流控自校准装置还包括标准溶液腔，所述微流控管路分为内管路和外管路，所述内管路使微流控耐压腔体与标准溶液腔相连通，所述外管路使微流控耐压腔体对外连通，所述内管路设有内电磁阀，所述外管路设有外电磁阀，所述内电磁阀和外电磁阀连接所述控制模块。
4.根据权利要求3所述的自校准海洋多参数化学传感器，其特征在于，所述微流控自校准装置还包括双向微型水泵，所述双向微型水泵连接所述控制模块，所述内管路通过双向微型水泵连接所述标准溶液腔。
5.根据权利要求1-4任一项所述的自校准海洋多参数化学传感器，其特征在于，所述控制模块设有微处理器，所述微处理器设有信号采集处理系统。
6.根据权利要求1-4任一项所述的自校准海洋多参数化学传感器，其特征在于，所述海洋多参数化学传感器设有防护罩和密封筒，所述防护罩对应微流控装置设有开口。
7.根据权利要求6所述的自校准海洋多参数化学传感器，其特征在于，所述密封筒端部设有端盖，所述端盖外设有水密接插件。
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