CN109374690A - 一种无线微流控传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线微流控传感器，包括承载体、至少一对由上电极和下电极组成的电极对，以及两端能分别与上电极和下电极电连接的电感线圈，其中所述承载体内且在上电极和下电极之间还设置有用于容纳待测液体的微流道结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线微流控传感器，属于传感器研究领域。
背景技术
微流控技术是指在几十到几百微米管道内操控流体的技术。微流控技术在即时诊断、细胞分析、生物传感、药物代谢、环境检测等领域都有重要应用。作为微流控技术的一个重要应用领域，微流控传感器的研究近年来受到了国内外学者的广泛关注，成为一个涉及化学、流体物理、生物医学、电子信息和新材料等多学科交叉的前沿研究领域。由于现有的微流控传感器的检测结果仍普遍采用光探测法或化学分析法获取，因此需要在制样或测试过程中做荧光标记或化学修饰，且必须结合专业操作人员和昂贵的专业分析设备检测，这已成为限制微流控生物传感器大规模广泛使用的主要瓶颈之一。随着无线通信技术的快速发展，以及移动医疗和可穿戴设备的需求激增，无线化、集成化和智能化成为当前微流控传感器的主要发展趋势。因此，研究低成本、无标记、非侵入式、可快速便捷获取检测结果的无线微流控传感器具有重要意义。
基于电感-电容(LC)谐振的LC无线传感器以其工艺简单、载体灵活、价格低廉等优点获得了广泛的研究，LC无线压力、温度、湿度、气体传感器等都已被相继研究报道，尤其在人体健康监测、可穿戴设备、食品智能包装以及手机用气体检测等方面的一系列最新应用研究成果引起了无线传感器研究领域的极大关注，这也显示了LC无线传感器广阔的应用前景。另一方面，现有的微流控技术在微流通道构建方面大都基于有机高聚物基板材料，如聚二甲基硅烷(PDMS)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)等。虽然有机高聚物材料具有柔性、透明、成本低和可加工性好的优点，但其热稳定性相对较差，不适于高温、高压或腐蚀的检测环境，且有机高聚物有可能与微流体溶剂发生化学反应导致微流通道的溶胀和变形等。
低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)具有陶瓷和玻璃等无机非金属材料固有的高熔点、高强度、化学惰性、耐腐蚀等优点，在高温、高压、腐蚀等极端的化学反应和测试条件应用中具有无可比拟的优势。LTCC技术集合了粉体制备、流延、烧结等先进陶瓷工艺技术以及元器件设计与电磁场模拟、打孔、印刷、叠片等电子元器件制造技术，其独特的多层陶瓷工艺，易于构建空腔和微流通道等三维结构，同时，通过多层陶瓷材料与金、银或铜等高电导率的电极材料在900℃以下共烧可以得到电感、电容、滤波器、功分器等无源元器件，也可把这些无源元器件连同IC芯片、天线、传感器、驱动器、加热器、光学探头等集成到LTCC陶瓷基板上，进而实现整个系统的微型化和多功能集成化。因此，LTCC有望成为面向无线微流控传感器应用的理想载体。值得注意的是，目前尚未有基于LTCC技术的无线微流控传感器的研究报道。
发明内容
针对现有微流控传感器基板材料化学稳定性差，检测信号和分析方式复杂等问题，本发明的目的在于提供一种无线微流控传感器。
本发明提供了一种无线微流控传感器，包括承载体、至少一对由上电极和下电极组成的电极对，以及两端能分别与上电极和下电极电连接的电感线圈，其中所述承载体内且在上电极和下电极之间还设置有用于容纳待测液体的微流道结构。
本发明首次将LC谐振天线(其中，上电极、下电极以及至少一个连接在上电极和电极之间的电感线圈形成LC谐振天线)和微流道结构结合在一起，获得了一种无线微流控传感器。由于不同的流体种类和不同浓度的流体具有不同的介电常数，因而在微流道中具有不同的电容值进而呈现不同的LC谐振频率，由此可利用微流道内流体介电常数变化引起LC天线谐振频率变化的原理，实现对不同流体种类和浓度的无线检测。
较佳地，所述微流道结构至少具有能贯穿至承载体表面的进口和出口。
较佳地，所述上电极和/或下电极平行设置且为平面状，其中上电极设置在承载体的上表面，下电极设置在上电极下方且距离上电极规定距离。
又，较佳地，所述电感线圈为平面螺旋电感线圈。
又，较佳地，所述上电极和平面螺旋电感线圈的一端连接，且所述下电极通过附加电极或附加导线与平面螺旋电感线圈的另一端连接。
又，较佳地，在所述承载体内设置内埋电极用于联接下电极与平面螺旋电感线圈。
较佳地，所述微流道结构位于平行的上电极和下电极之间。
又，较佳地，所述微流道结构为槽状弯折分布单通道。
较佳地，所述无线微流控传感器还包括封接在所述进口的用于引入待测流体的进口软管，以及封接在所述进口的出口软管。
较佳地，进口和进口设置在承载体的上表面且分布在上电极的两侧。
本发明中，承载体的材料可以是低温共烧陶瓷(LTCC)材料、高温共烧陶瓷(HTCC)材料、可加工与多层复合的玻璃、多层复合板等。与现有微流控器件中常用的有机基板材料相比，本发明中承载体的材料可具有较高的热稳定性，且具有多层工艺优势，可以集成各种功能元器件，使传感器具有更多的功能，有利于实现传感器的小型化和功能集成化。本发明的优选方案为LTCC材料。
本发明中，上电极、下电极、平面螺旋电感线圈和内埋电极的材质为导电金属材料，优选为金、银或铜，更优选为银。
本发明利用不同流体种类和不同浓度流体的介电常数不同，因而在微流道中具有不同的电容值，进而呈现不同的LC谐振频率，以此来实现对流体种类和浓度的无线检测。本发明所述的传感器不仅对不同介电常数的常见液体溶剂有较高的灵敏度，并且对介电常数差异较小的不同浓度葡萄糖溶液同样有比较高的灵敏度。
与现有微流控技术相比，本发明所述的无线微流控传感器检测为低成本、无标记、非侵入式的检测方式，可以快速便捷获得检测结果。
附图说明
图1为本发明的无线微流控传感器沿XZ平面的截面示意图；
图2为本发明的无线微流控传感器沿YZ平面的截面示意图；
图3为本发明的无线微流控传感器的组成结构示意图
图4为本发明的无线微流控传感器的平面螺旋电感线圈与上电极的示意图；
图5为本发明的无线微流控传感器的微流道结构的部分的示意图；
图6为本发明的无线微流控传感器的下电极的示意图；
图7为本发明的无线微流控传感器对不同液体的无线测试结果；
图8为本发明的无线微流控传感器对不同浓度葡萄糖水溶液的无线测试结果。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明中，将LC谐振天线和微流道结合在一起，利用微流道内流体介电常数变化引起LC天线谐振频率变化的原理，实现了对流体种类和浓度的无线检测。
在本发明一实施方式中，无线微流控传感器的结构如图1-2所示，包括承载体1、至少一对由上电极4和下电极8组成的电极对，以及两端能分别与上电极4和下电极8电连接的电感线圈5。电感线圈5的两端能分别与上电极4和下电极8电连接从而构成LC谐振回路。又，在所述承载体内且在上电极4和下电极8之间还设置有用于容纳待测液体的微流道结构7，微流道结构7至少具有能贯穿至承载体1表面的进口2和出口3(见图3)。待测液体从进口2引入承载体1内的微流道结构7进行检测，继而从出口3流出。应理解，本申请的附图尽管只示出一对对电极，但可以具有多对对电极。
优选地，上电极4和/或下电极8平行设置且为平面状，形成平行平面对电极(更优选地设置为在垂直方向上，上电极4和下电极8平面重叠，即形状和尺寸相同)。上电极4优选设置在承载体1的上表面。下电极8设置在上电极4下方且距离上电极4一定距离以能够在上电极4和下电极8之间设置微流道结构7，优选地，上电极4设置在承载体1下部，例如接近承载体1的底部。上电极4和/或下电极8的形状可以是三角形、长方形、正方形、六边形或圆形等不同形状，优选采用正方形的电极形状。
电感线圈5可为平面螺旋电感线圈，优选地，平面螺旋电感线圈5与上电极4设置在同一平面内、即、位于承载体1的表面，一端直接与上电极相连，另一端则通过附加电极(导线)与下电极8电连接。在一个示例中，可在承载体1内设置电极通孔6，在电极通孔6中设置内埋电极(即，通孔电极)。优选地，电极通孔6垂直与上电极的平面设置。应理解，也可以直接附加电极或导线预先内嵌在承载体1内。平面螺旋电感线圈的线宽、线间距及匝数可以根据传感器尺寸设定，线圈形状可以是四边形，六边形或圆形等不同形状。电感线圈的尺寸和形状还需结合LC谐振天线初始工作频率设计。本发明的优选方案为四边形的平面螺旋电感线圈。
上电极4、下电极8、电感线圈5以及附加电极(导线)可由导电金属材料制备，例如是金、银或铜等，优选为银。
微流道结构7设置在承载体1内，可以是直线、弯折状或多层连通交错等形式分布在上电极4和下电极8之间。在一个优选的示例中，微流道结构7平行于上电极4和/或下电极，且在平面内呈弯折状分布。更优选地，微流道结构7为单向流动设置。进口2和出口3优选地设置在承载体1的上表面且分布在上电极4的两侧。
在可选的实施方式中，无线微流控传感器还包括封接在进口用于引入待测流体的进口软管，以及封接在出口的出口软管。
本公开中，承载体的材质可以是陶瓷、玻璃等，例如可为低温共烧陶瓷材料和/或高温共烧陶瓷材料。
作为优选方案，本发明采用LTCC技术将LC谐振天线与微流控技术进行集成，进而获得无线微流控传感器。为了示例性地说明本发明采用LTCC技术制备无线微流控传感器，在此以图3示例性示出，但应理解，本发明的无线微流控传感器不必如图3所示进行分层，而是可以通过LTCC最后烧结为一体。
作为优选方案，本发明的基板的材料优选LTCC材料，并通过LTCC技术将LC谐振天线和微流道结合在一起，制备得到LTCC无线微流控传感器。以下示例性地具体说明制备本发明所述的LTCC无线微流控传感器的方法。
以低温共烧陶瓷材料制备多个可层叠的生瓷片。在其中两片生瓷片上分别披覆上电极和下电极，在其中披覆有上电极的生瓷片上继续印刷电感线圈(例如，平面螺旋电感线圈)。在数片生瓷片的表面开槽形成具有微流道结构的承载体生瓷片，微流道结构的高度可根据开槽的生瓷片数量调节。在上述生瓷片对应位置上形成电极通孔。然后将各生瓷片按照图3中所示从上到下层叠，并在电极通孔处进行背膜填孔(灌注电极材料，即附加电极)形成传感器素坯。另外，还可加入空白生瓷片(即不印刷电极也不打孔)，可用来支撑传感器素坯的厚度。
将传感器素坯放入高温电炉中进行烧结后随炉冷却，得到无线微流控传感器。此外，还可采用粘结剂(例如，胶水等)将用于通入和流出的流体进口软管、出口软管，分别密封粘接在进口和出口上，最终获得基于LTCC技术的无线微流控传感器。
应理解，本发明优选采用LTCC技术制备无线微流控传感器，但不排除采用其他方法制备的无线微流控传感器，例如在一体的陶瓷片上批覆电极材料、电感材料，并采用开槽的方式在陶瓷片内部加工微流道等。
在本发明另一实施方式中，无线微流控传感器在检测流体时，可将待测流体通过外部电泵从进口(流体进口)2处导入，然后待测流体将沿进口流入微流道结构7中，当待测流体通过微流道结构7流经平行面电极的上电极4和平行面电极的下电极8的区域内时，平行面电极(电极对)之间的电容值将发生改变，由此导致LC谐振天线的初始工作频率发生偏移，不同待测流体或者不同浓度的同种流体的介电常数不同，因而LC谐振天线的频率偏移量不同，以此实现对流体种类和浓度的检测。
与现有的微流控传感器依靠光谱法和化学分析法相比，本发明具有结构设计简单，检测便捷，灵敏度高，稳定性好等优点，在即时诊断、生化分析、药物筛选以及环境监测等领域有着广泛的应用前景。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：LTCC无线微流控传感器的制备
(1)在LTCC生瓷带材料表面打孔，包括各叠层对位孔，微流道孔洞、流体进口和出口，以及连接平面螺旋电感线圈和平行平面电极(上电极和下电极)的电极通孔；通过丝网印刷工艺将银电极浆料按照平面螺旋电感线圈和平行面电极的图案印制在打好孔洞的LTCC生瓷带材料表面，然后置于80℃烘箱烘干待用。其中，LTCC生瓷带为Ca-B-Si-O基的SICCAS-K5F3材料；
(2)将以上打孔和印有电极的各生瓷片按照平面螺旋电感线圈和平行面电极的上电极、微流道结构，以及平行面电极的下电极的顺序依次叠层(参见图3)。为了保持微流道结构的平整，采用单轴压力叠层，叠层压力为1MPa，叠层温度为60℃；然后在通孔处进行银电极的背膜填孔(即，制备通孔电极)，以此连通平面螺旋电感线圈和平行面电极的下电极，并形成LC谐振回路天线，由此得到传感器素坯；
(3)将传感器素坯放入高温电炉，以1℃/min升温到450℃保温60分钟以排除LTCC生瓷带材料中的有机物，然后继续以5℃/min升温至900℃保温20分钟进行烧结，获得LTCC无线微流控传感器样品；
(4)将用于流进和流出流体的peek转接口用双组份胶水牢固地密封粘接在烧结后的传感器样品表面流体进出口(进口和出口)处，以此完成LTCC无线微流控传感器的制备。
实施例2：无线微流控传感器的应用
(1)由于不同流体和不同浓度的同种流体都具有各自的特征介电常数，本发明主要是利用流经微流道的待测流体介电常数的变化引起传感器的谐振频率发生变化的工作原理，通过连接有外部读取天线的网络分析仪对无线微流控传感器谐振频率的采集和分析，实现对待测流体种类和浓度的无线检测；
(2)将去离子水、生理盐水、乙醇、乙二醇、异丙醇、乙酸、二氯甲烷、环己烷等常见液体分别从无线微流控传感器的流体入口(进口)通入传感器中，待测液体流经传感器的微通道结构后，从流体出口(出口)排出，其测试结果如图7所示，可以看出，通过与所述传感器通道内为空气时所采集到的传感器谐振频率相比，去离子水、生理盐水、乙醇、乙二醇、异丙醇、乙酸、二氯甲烷、环己烷等具有不同介电常数的待测液体流入传感器后均表现出不同的谐振频率，以此实现了对不同液体的无线检测；
(3)将具有不同浓度的葡萄糖水溶液分别从无线微流控传感器的流体入口通入传感器中，待测液体流经传感器的微通道结构后，从流体出口排出，其测试结果如图8所示，可以看出，本发明所述传感器可以对介电常数差异较小的不同浓度葡萄糖水溶液进行无线检测，并且具有较高的灵敏度。
Claims (10)
1.一种无线微流控传感器，其特征在于，包括承载体、至少一对由上电极和下电极组成的电极对，以及两端能分别与上电极和下电极电连接的电感线圈，其中所述承载体内且在上电极和下电极之间还设置有用于容纳待测液体的微流道结构。
2.根据权利要求1所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述微流道结构至少具有能贯穿至承载体表面的进口和出口。
3.根据权利要求1或2所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述上电极和/或下电极平行设置且为平面状，其中上电极设置在承载体的上表面，下电极设置在上电极下方且距离上电极规定距离。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述电感线圈为平面螺旋电感线圈。
5.根据权利要求4所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述上电极和平面螺旋电感线圈的一端连接，且所述下电极通过附加电极或附加导线与平面螺旋电感线圈的另一端连接。
6.根据权利要求5所述的无线微流控传感器，其特征在于，在所述承载体内设置内埋电极用于实现下电极与平面螺旋电感线圈的联通。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述微流道结构位于平行的上电极和下电极之间。
8.根据权利要求7所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述微流道结构为槽状弯折状单通道。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述无线微流控传感器还包括封接在所述进口的用于引入待测流体的进口软管，以及封接在所述出口的出口软管。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的无线微流控传感器，其特征在于，所述进口和出口设置在承载体的上表面且分布在上电极的两侧。
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