CN109752423A - 一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，涉及尿酸技术领域，包括若干传感单元，任意所述传感单元包括有机薄膜晶体管和活性电极；其特征在于，所有传感单元构成N行和M列的传感单元阵列；任意所述列的所有行的所述传感单元相同，且某所述列中的所有行的所述传感单元均用于测试所述待测溶液中尿酸的浓度，其余M‑1所述列中的所有行的所述传感单元的每列分别用于测试待测溶液中M‑1种所述尿酸干扰物质浓度。本发明还公开了所述尿酸传感器的控制方法，通过一次测试快速获取所有N×M列所有传感单元的测试数据，原理简单，方法快捷方便，特别适用于准确检测人体血液和其他体液中的尿酸浓度。

Description

一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器及控制方法

技术领域

本发明涉及尿酸传感器技术领域，尤其涉及一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器及控制方法。

背景技术

尿酸是人体嘌呤代谢的终极产物，由肝脏进行代谢，肾脏排出。人体内的尿酸2/3主要靠尿液排出，而剩下的1/3必须靠粪便和汗液排出。如果尿酸制造过多或者肝脏或肾脏发生病变，造成尿酸在人体中积累，造成血液中的尿酸浓度过高，可能导致或者增加罹患各类疾病的危险，如痛风、心血管疾病、高尿酸血症、高血压、二型糖尿病、蛋白尿等疾病。然而尿酸并非一无是处的代谢废物，尿酸是人体重要的抗氧化剂和离子螯合剂，是很重要的神经保护剂。最近的研究表明，低的尿酸浓度(低于正常水平的25％)导致帕金森病、阿茨海默病和癌症的发生和病情加剧。过高或过低的尿酸水平对多种疾病都有发展形成和促进的作用，而尿酸水平的急剧变化更需要被关注，尿酸水平必须被长期监控。因此，在线检测尿酸水平在疾病发生前检测和治疗过程中预后都具有重要的医学意义。

基于有机薄膜晶体管(organic thin-film transistor，简称OTFT)技术的尿酸传感器，由晶体管配合对尿酸具有选择性识别能力的活性电极组合而成，具有响应快、灵敏度高、信噪比高、成本低、兼容电子检测系统等优点。然而现有技术存在不足之处。一方面，现有尿酸传感器器件封装工艺要求苛刻，否则待测溶液一旦泄露将对器件中的有机材料及其他关键功能层进行破坏，进而影响器件的稳定性和可靠性；另一方面，对尿酸具有选择性识别能力的活性电极特异性有限，在仅仅检测尿酸浓度时，人体血液以及其他体液中的其他非尿酸成分将不可避免地对影响检测准确性，造成尿酸浓度水平结果的误差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器及控制方法，在降低封装工艺的要求和难度的同时保证器件的使用寿命，并且能提高检测待测液体的尿酸浓度的准确性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够克服溶液泄露产生的不利影响，并提高尿酸检测准确性的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器及控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，包括若干传感单元；任意所述传感单元包括有机薄膜晶体管和活性电极；所有传感单元构成N行和M列的传感单元阵列；任意所述列的所有行的所述传感单元相同；某所述列中的所有行的所述传感单元均用于测试待测溶液中尿酸的浓度，且其余M-1所述列中的所有行的所述传感单元的每列，分别用于测试所述待测溶液中M-1种尿酸干扰物质浓度。

进一步地，所述传感单元还包括衬底，所述有机薄膜晶体管和所述活性电极分别位于所述衬底的两侧。

进一步地，所述有机薄膜晶体管包括一个开关有机薄膜晶体管和一个传感有机薄膜晶体管，所述传感有机薄膜晶体管的栅电极连接所述活性电极；所述传感单元的所述传感有机薄膜晶体管经所述开关有机薄膜晶体管选通，输出测试数据。

进一步地，所述开关有机薄膜晶体管和传感有机薄膜晶体管均为底栅型结构或顶栅型结构。

进一步地，所述活性电极包括敏感薄膜，所述敏感薄膜与待测液体直接接触。

进一步地，用于测试尿酸浓度的所述活性电极的敏感薄膜为尿酸酶薄膜。

进一步地，所述基于尿酸传感器还包括共用参比电极，所述活性电极和所述共用参比电极与所述待测溶液接触形成电气连通。

进一步地，N>3且M>2。

本发明还公开了一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将活性电极浸入待测液体；

步骤二、控制模块发送选通信号给行选电路模块，所述行选电路模块选通第i行所有列的传感单元，测试待测溶液与各自所述列的活性电极有特异性的物质浓度；

步骤三、重复所述步骤二，至所有N行的所述传感单元依次测试完毕；

步骤四、读取电路模块获取所述步骤二和步骤三的全部测量数据，并发送给所述控制模块处理。

进一步地，所述步骤四的所述读取电路模块，每次以所述列为单位，将所述测量数据发送给所述控制模块。

与现有技术相比，通过本发明的实施，达到了以下明显的技术效果：

1、本发明通过将有机薄膜晶体管和活性电极分开制造在衬底的两侧，既能够有效防止测试溶液样本对有机薄膜晶体管的潜在破坏作用，又能够利用现有的衬底作为屏障。因此在降低器件封装工艺要求、极大地提高器件制造地工艺窗口的同时，不影响尿酸传感器的使用寿命，满足长期监控尿酸水平的临床需要；

2、本发明通过测试尿酸和尿酸干扰物质的浓度，有利于校准尿酸的检测浓度，简化测试步骤的同时提高检测准确性；

3、本发明通过设置每列多行的同时测试与活性电极有特异型的物质浓度，方便、快捷且精确性更高。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器控制原理图；

图2是本发明的另一个较佳实施例的传感单元的结构图。

其中，1-传感有机薄膜晶体管，2-开关有机薄膜晶体管，3-控制模块，4-行选电路模块，5-读取电路模块，6-共用参比电极；100-封装薄膜，110-导电电极，120-敏感薄膜；200-衬底；301-传感有机薄膜晶体管栅电极，302-开关有机薄膜晶体管栅电极，310-栅绝缘层，321-传感有机薄膜晶体管第一电极，322-第二电极，323-开关有机薄膜晶体管第一电极，331-有机半导体层，340-封装层。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一

图1所示是本发明一个较佳实施例的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器及控制示意图，所述尿酸传感器由N行M列的传感单元构成，任意所述传感单元包括有机薄膜晶体管和活性电极；其特征在于，所有传感单元构成N行和M列的传感单元阵列；任意所述列的所有行的所述传感单元相同；某所述列中的所有行的所述传感单元均用于测试待测溶液中尿酸的浓度，且其余M-1所述列中的所有行的所述传感单元的每列，分别用于测试所述待测溶液中M-1种尿酸干扰物质浓度。

本实施例中，第1列中的N个传感单元用于检测尿酸浓度，剩余的M-1列用于检测M-1种尿酸干扰物质，通过增加N的数目，可以降低单次测试中某一特定物质的误差；增加M-1种干扰物质的检测种类，可以用于校准尿酸浓度的信号以进一步提高检测准确性。

考虑实际制造成本、检测准确性和传感器集成尺寸的大小，优选地，N>3且M>2。

考虑到待测液体中干扰物质离子浓度较高，优选地，传感单元的输出数据采用电流数据；优选地，有机薄膜晶体管包括一个开关有机薄膜晶体管2和一个传感有机薄膜晶体管1，且传感有机薄膜晶体管1的栅电极连接所述活性电极；所述传感单元的所述传感有机薄膜晶体管1经所述开关有机薄膜晶体管2选通，输出测得的电流数据。

本实施例中，为进一步提高传感单元抗干扰的能力，并降低各传感单元的电位误差，优选地，所有活性电极与一个共用参比电极6。实际工作时，活性电极与共用参比电极6及待测溶液形成电气通路，经与活性电极相连的传感有机薄膜晶体管1的栅电极，将待测液体的浓度信号最终转换为电流信号。

图1所示还包括了本实施例的尿酸传感器的控制方法的示意图：

步骤一、将活性电极浸入待测液体，活性电极与共用参比电极6及待测溶液形成电气通路，与活性电极相连的传感有机薄膜晶体管1的栅电极获得相应的电流信号；

步骤二、控制模块3发送选通信号给行选电路模块4，行选电路模块4选通第i行所有列的传感单元开关有机薄膜晶体管2，将传感有机薄膜晶体管1的电流信号传给读取电路模块5；

步骤三、重复所述步骤二，至所有N行的所述传感单元依次测试完毕；

步骤四、读取控制模块5获取所述步骤二和步骤三的全部测量数据，并发送给所述控制模块3处理。

得益于每列中的N个相同的传感单元，一次完整测试中可同时获得充分的传感数据，可以降低同列不同尿酸传感单元的浓度测试误差；一次完整测试还可以得到M-1列尿酸干扰物质的浓度数据，可用于进一步校准尿酸的检测浓度，提高测试结果的准确性。

为方便控制模块3批量接收及处理读取电路模块5的数据，优选地，读取电路模块5向控制模块3传输数据，每次传输一列的数据。

实施例二

图2所示是本发明另一较佳实施例的传感单元的结构示意图，包括衬底200，衬底200上侧的一个有机薄膜晶体管和一个下侧的活性电极。

其中，所述有机薄膜晶体管包括传感有机薄膜晶体管栅电极301、传感有机薄膜晶体管第一电极321、开关有机薄膜晶体管栅电极302、开关有机薄膜晶体管第一电极323和传感有机薄膜晶体管1和开关有机薄膜晶体管2共用的第二电极322、栅绝缘层310、有机半导体层331以及封装层340。

其中，活性电极包括连接传感有机薄膜晶体管栅电极301的导电电极110以及封装薄膜100。

将有机薄膜晶体管和活性电极分别制造在衬底的两侧，克服了对传感器封装工艺的苛刻要求，极大地提高器件制造地工艺窗口；仅有活性电极一侧与待测溶液接触，从而避免了溶液泄露对OTFT器件进行破坏的风险。

为进一步提高活性电极对待测溶液尿酸及尿酸干扰物质的特异选择性，提高检测结果的准确性，优选地，活性电极还包括敏感薄膜120，所述敏感薄膜120与待测液体直接接触。敏感薄膜120根据被检测物质而异，例如针对尿酸分子的检测可选择但不局限于尿酸酶，例如针对被干扰物质分子的检测同样相应地选择具有一定特异性的活性物质。

考虑制作成本和制作工艺，优选地，传感有机薄膜晶体管1和开关有机薄膜晶体管2均采用顶栅型结构；考虑性能稳定、抵抗泄露液体或其他测试环境的液体侵蚀，延长尿酸传感器的使用寿命，优选地，传感有机薄膜晶体管1和开关有机薄膜晶体管2均采用底栅型结构。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，包括若干传感单元；任意所述传感单元包括有机薄膜晶体管和活性电极；其特征在于，所有传感单元构成N行和M列的传感单元阵列；任意所述列的所有行的所述传感单元相同；某所述列中的所有行的所述传感单元均用于测试待测溶液中尿酸的浓度，且其余M-1所述列中的所有行的所述传感单元的每列，分别用于测试所述待测溶液中M-1种尿酸干扰物质浓度。

2.如权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，其特征在于，所述传感单元还包括衬底，所述有机薄膜晶体管和所述活性电极分别位于所述衬底的两侧。

3.如权利要求2所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，其特征在于，所述有机薄膜晶体管包括一个开关有机薄膜晶体管和一个传感有机薄膜晶体管，所述传感有机薄膜晶体管的栅电极连接所述活性电极；所述传感单元的所述传感有机薄膜晶体管经所述开关有机薄膜晶体管选通，输出测试数据。

4.如权利要求3所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，其特征在于，所述开关有机薄膜晶体管和传感有机薄膜晶体管均为底栅型结构或顶栅型结构。

5.如权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，其特征在于，所述活性电极包括敏感薄膜，所述敏感薄膜与待测液体直接接触。

6.如权利要求5所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，其特征在于，用于测试尿酸浓度的所述活性电极的敏感薄膜为尿酸酶薄膜。

7.如权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，其特征在于，所述基于尿酸传感器还包括共用参比电极，所述活性电极和所述共用参比电极与所述待测溶液接触形成电气连通。

8.如权利要求1-7所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器，其特征在于，N>3且M>2。

9.一种如权利要求1-8任意所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将活性电极浸入待测液体；

步骤二、控制模块发送选通信号给行选电路模块，所述行选电路模块选通第i行所有列的传感单元，测试待测溶液与各自所述列的活性电极有特异性的物质浓度；

步骤三、重复所述步骤二，至所有N行的所述传感单元依次测试完毕；

步骤四、读取电路模块获取所述步骤二和步骤三的全部测量数据，并发送给所述控制模块处理。

10.如权利要求9所述的基于有机薄膜晶体管阵列的尿酸传感器的控制方法，其特征在于，所述步骤四的所述读取电路模块，每次以所述列为单位，将所述测量数据发送给所述控制模块。