CN113261968A - 柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片及装置，该芯片包括：柔性铌酸锂基底，柔性铌酸锂基底上制作有光波导以及共面行波电极；柔性支撑层，用于为柔性铌酸锂基底提供支撑；柔性支撑层表面设置有电极，共面行波电极与该电极电连接。发明中，柔性铌酸锂基底以及柔性支撑层具有柔性，能够更好地和人脑表面贴合；柔性支撑层和人脑表面贴合，柔性支撑层的电极与人脑电接触，电极采集到脑电信号，传输到铌酸锂基底上的共面行波电极上，在共面行波电极间形成微弱的电场，引起柔性铌酸锂基底折射率发生变化，光从光波导传输经过折射率发生变化的调制区域，光程发生改变，在输出时的相位发生变化；由于远距离传输是使用的光传输，不易受到电磁干扰。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感技术领域，具体涉及一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片及装置。
背景技术
近年来，脑科学已经成为当前国际科技前沿的热点领域，世界各国竞相在“脑科学”领域投入大量财力、物力和人力。目前，国际脑科学的研究日趋激烈，美国已经进入脑计划研究的第二阶段，我国尽管在语音识别，脑组织成像等个别技术处于国际前沿，但有更多的领域需要突破，如大脑的检测技术方面。因此，开展新型大脑检测技术的研究有助于我们对脑神经信号的精确认识。
目前，铌酸锂(LiNbO3)晶体具备较大的电光系数，良好的光学透过性(400-5000nm波长范围内高达98％)，光学均匀性，不易潮解性以及成熟的加工工艺，因此用该材料制作的LiNbO3调制器已经被广泛应用于高频光通信和光纤传感领域，例如，2017年，我们实验室采用M-Z结构的LiNbO3调制器实现了对心电信号的采集(参考文献：贾大功，赵静，张红霞，严英占，綦宏志，明东，刘铁根，“抗电磁干扰的可穿戴心电信号监测系统，”光学精密工程，2017.)；2020年，采用类似结构成功采集到β脑电波。
然而，利用LiNbO3调制器作为生物传感器的研究还相对不足，其面临的问题在于：(1)现有LiNbO3体材料制作的器件体积大，无柔性，不易于与人体贴合；(2)由于传统LiNbO3器件无法放置于人脑表皮附近，因此电极与器件处于分离状态，需要使用金属导线连接，增加了电磁干扰几率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片及装置，以解决现有技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片，该芯片包括：
柔性铌酸锂基底，柔性铌酸锂基底上制作有光波导以及共面行波电极；
柔性支撑层，用于为柔性铌酸锂基底提供支撑；
柔性支撑层表面设置有电极，共面行波电极与该电极连接。
优选地，光波导包括至少一组波导干涉臂；
共面行波电极包括中心电极以及地电极；
中心电极位于每组波导干涉臂之间，地电极位于每组波导干涉臂两侧。
优选地，光波导通过质子交换制备。
柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，包括
柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片；
光输入组件；以及
光输出组件；
光输入组件以及光输出组件设置于柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片两端。
优选地，光输入组件包括：
光源；
输入光纤，输入光纤与光源耦接，用于实现光的传输；以及
光纤分束结构，光纤分束结构一端与输入光纤耦接，另一端与光波导耦接，实现光的分束。
优选地，光纤分束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤分束器或者为设置于柔性铌酸锂基底上的MZ波导结构。
优选地，光纤分束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤分束器时，在其中一输入光纤上连接相位延时器。
优选地，光输出组件包括：
探测器，用于接收光；
输出光纤，输出光纤与探测器耦接，用于实现光的传输；以及
光纤合束结构，光纤合束结构一端与输出光纤耦接，另一端与光波导耦接，实现光的合束。
优选地，光纤合束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤合束器或者为设置于柔性铌酸锂基底上的MZ波导结构。
优选地，光纤合束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤合束器时，在其中一输出光纤上连接相位延时器。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明中，柔性铌酸锂基底以及柔性支撑层具有柔性，即其支持一定范围内的弯曲形变，能够更好地和人脑表面贴合；柔性支撑层和人脑表面贴合，柔性支撑层的电极与人脑电接触，电极采集到脑电信号，传输到铌酸锂基底上的共面行波电极上，在共面行波电极间形成微弱的电场，引起柔性铌酸锂基底折射率发生变化，光从光波导传输经过折射率发生变化的调制区域，即波导干涉臂所在区域，光程发生改变，在输出时的相位发生变化；不同光波导传输的光在合束时，由于存在相位差，合振幅将随着相位差的改变而改变，最终输出端的合振幅是随着脑电信号变化而变化的；输出端的光通过光纤传输到远端的探测器上转换出的电信号就直接反应了脑电信号；由于远距离传输使用的是光传输，不易受到电磁干扰。
本发明的质子交换光波导采用的是气相质子交换，具有高折射率变化量，波导宽度可以制作更窄，两侧的共面电极间距可以比传统的调制器间距更小，有利于降低半波电压。
附图说明
图1是本发明的柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片的结构示意图；
图2是本发明的第一实施例的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置的示意图；
图3是本发明的第二实施例的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置的示意图；
图4是本发明的第三实施例的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置的示意图；
图5是本发明的第四实施例的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置的示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
本发明第一方面提供一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片10，如图1所示，该芯片包括：柔性铌酸锂基底101，柔性铌酸锂基底101上制作有光波导102以及共面行波电极105；以及柔性支撑层103，用于为柔性铌酸锂基底101提供支撑；柔性支撑层103表面设置有电极106，共面行波电极105与该电极106连接。
本发明中，柔性铌酸锂基底101以及柔性支撑层103具有柔性，即其支持一定范围内的弯曲形变，能够更好地和人脑表面贴合；柔性铌酸锂基底101为铌酸锂薄膜，其为10μm～50μm厚，在一个具体的实施例中，例如为20μm厚，这样的厚度既便于后期工艺制作也具有一定柔性，允许一定程度的弯曲。
柔性支撑层103在外力作用下能够发生弯曲形变，且在外力消失时，能够恢复初始形状，在一个具体的实施例中，柔性支撑层103例如为硅胶片，柔性铌酸锂基底101与柔性支撑层103之间为贴合或者粘合。
进一步地，光波导102包括至少一组波导干涉臂1021；
共面行波电极105包括中心电极1051以及地电极1052；
中心电极1051位于每组波导干涉臂1021之间，地电极1052位于每组波导干涉臂1021两侧；其中共面行波电极105的中心电极1051以及地电极1052均延伸至柔性支撑层103远离柔性铌酸锂基底101的表面。
在其使用的过程中，柔性支撑层103和人脑表面贴合，柔性支撑层103的电极106与人脑电接触，电极106采集到脑电信号，传输到铌酸锂基底101上的共面行波电极105上，在共面行波电极105间形成微弱的电场，引起柔性铌酸锂基底101折射率发生变化，光从光波导102传输经过折射率发生变化的调制区域，即波导干涉臂1021所在区域，光程发生改变，在输出时的相位发生变化；不同波导干涉臂1021传输的光在合束时，由于存在的相位差，合振幅将随着相位差改变而改变，最终输出端的合振幅是随着脑电信号变化而变化的；输出端的光通过光纤传输到远端的探测器上转换出的电信号就直接反应了脑电信号；由于远距离传输使用的是光传输，不易受到电磁干扰。
另外，本发明采用“推挽”电极结构，使两支路光信号的变化等值异号，由于产生相位差，两支路发生干涉现象，最终体现出输出端合振幅的变化。本发明能够实现低半波电压、抗电磁干扰、稳定性好、很好的实现芯片与人脑表面贴合，从而实现无损脑波探测。
进一步地，铌酸锂晶体介电常数较大，导致电场强度在晶体内急剧下降，半波电压高，灵敏度低。本发明的光波导102通过质子交换制备；采用气相质子交换制作的铌酸锂光波导，具有高折射率变化量，波导宽度可以制作更窄，使得两侧的共面电极间距更小，进而降低半波电压。
进一步地，本发明的质子交换光波导采用的是气相质子交换，具有高折射率变化量，波导宽度可以制作更窄，在一个具体的实施例中，宽度例如为2-3μm，两侧的共面电极间距可以比传统的调制器间距更小，有利于降低半波电压。
本发明的柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片，本质上是一种铌酸锂电光调制器贴合于柔性支撑层上，铌酸锂电光调制器的初始材料使用的是铌酸锂薄膜，在其表面制作质子交换光波导，并在波导两侧制作共面行波电极；制作好的调制器芯片背面贴上一种柔性支撑层，如硅胶片；在柔性支撑层远离铌酸锂电光调制器的表面制作出与人体表皮接触的电极，铌酸锂调制器芯片上的电极与硅胶表面的电极通过引线机焊接金带连接。
本发明的第二方面提供一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，该装置包括：
柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片10；
光输入组件20；以及
光输出组件30；VEEG
光输入组件20以及光输出组件30设置于柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片10两端。
实施例1
如图2所示，提供一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，包括：柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片10，该芯片包括：柔性铌酸锂基底101，柔性铌酸锂基底101上制作有光波导102以及共面行波电极105；以及柔性支撑层103(图2中未示出)，用于为柔性铌酸锂基底101提供支撑；柔性支撑层103表面设置有电极106(图2中未示出)，共面行波电极105与该电极106连接。
光波导102包括一组波导干涉臂1021，共面行波电极105的中心电极1051位于每组波导干涉臂1021之间，地电极1052位于每组波导干涉臂1021两侧。
光输入组件20包括：光源201；输入光纤202，输入光纤202与光源201耦接，用于实现光的传输；以及光纤分束结构203，光纤分束结构203一端与输入光纤202耦接，另一端与光波导102耦接，实现光的分束。
光输出组件30包括：探测器301，用于接收光；输出光纤302，输出光纤302与探测器301耦接，用于实现光的传输；以及光纤合束结构303，光纤合束结构303一端与输出光纤302耦接，另一端与光波导102耦接，实现光的合束。
在本实施例中，光纤分束结构203以及光纤合束结构303均为设置于柔性铌酸锂基底上的MZ波导结构；光源发出的光波通过输入光纤202传输经过MZ波导结构的第一个Y波导分成两束进入两个波导干涉臂1021，脑电信号传输到共面行波电极105上，形成电场，引起传输光的波导干涉臂1021折射率发生变化，使光程发生变化进而使输出光的相位发生改变，光波通过第二个Y波导合束，最终输出端的合振幅是随着脑电信号变化而变化；输出光信号通过输出光纤302传输到远端的探测器301上，转换成电信号，从而探测到脑波信号。
实施例2
如图2所示，提供一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，本实施例与实施例1的不同在于，本实施例的光纤合束结构303为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤合束器，在其中一输出光纤302上连接相位延时器40；光源201发出的光波由输入光纤201传输到柔性铌酸锂Y波导中，光波分为两束，脑电信号传输到共面行波电极上，光从波导传输经过折射率发生变化的调制区域，光程发生改变，同时相位发生改变，经输出光纤302输出，其中一路光波经过延时器40，最终两束输出光波通过合束器合束，传输到远端探测器301上，转换成电信号进行脑波探测。
该方案把合束区从柔性铌酸锂基底101移到输出端的输出光纤302区域，这是考虑到波导实际制作时，两波导干涉臂1021存在折射率偏差，导致无法预测光束到达合束时的光程差，因而无法使得调制器工作在强度变化的线性区，不利于提高检测精度。
现有调制器在解决这一问题时，采用的是在芯片上增加一段带有电极的偏置区，使用偏置直流电压调整两臂光程差，这样工作方式导致的问题是，牺牲了宝贵的芯片有效工作长度，并引入了外部电信号，增加了干扰。
本实施例在其中一个输出光纤302上添加相位延时器40去调整两波导干涉臂1021光程差；并且可以使用无源相位延时器，这样既能调整两波导干涉臂1021光程差，又不会牺牲芯片工作长度，减少外部干扰。
实施例3
如图4所示，提供一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，本实施例与实施例1的不同在于，本实施例的光纤分束结构203为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤分束器，在其中一输入光纤202上连接相位延时器40；光源201发出的光波经过分束器分成两束光，其中一束光经过延时器40，传输到柔性铌酸锂基底上的波导干涉臂1021中，脑电信号传输到共面行波电极105上，由折射率变化引起光程变化，进而相位发生改变，光波经Y波导合束后由输出光纤302输出，信号传输到远端探测器301上，进行脑波探测。
本实施例与实施例2的区别在于把相位延时器40从输出端移动到了输入端，这样处理的好处是，避免在输出端使用的合束器和相位延时器对光束偏正态的改变。如果在光信号到达合束区时偏正态发生改变就会影响干涉效果，降低消光比和调制效率，从而降低系统的检测精度。而在输入端使用合束器和相位延迟器无需考虑偏正问题。因为质子交换光波导本身具备起偏功能。输入光选用消偏正光。
实施例4
如图5所示，提供一种柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，光波导102包括两组或者两组以上波导干涉臂1021，本实施例以两组波导干涉臂1021为例进行说明，共面行波电极105的中心电极1051位于每组波导干涉臂1021之间，地电极1052位于每组波导干涉臂1021两侧。
该实施例与上面所述实例不同的是，光波经过分束器分为四束，调制原理与上例完全相同，该对称结构克服了一路脑电信号测量的传统模式，可用于两路甚至多路脑电信号的测量，同样可以提高检测精度，降低系统的成本。
进一步地，在本发明专利中的光源201可以选择常用的1.5μm波段、1.3μm波段或800nm波段的光源。在一个具体的实施例中，例如为800nm波段的光源。原因是波段越小，半波电压越低，调制效率越高，可以提高检测精度。整个调制器的调制电极长度根据不同的探测精度需要而进行设计，通常为1cm到5cm。本发明方案也可用于其它生物电信号的检测和采集系统中，如心电检测系统。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片，其特征在于：该芯片包括：
柔性铌酸锂基底，柔性铌酸锂基底上制作有光波导以及共面行波电极；
柔性支撑层，用于为柔性铌酸锂基底提供支撑；
柔性支撑层表面设置有电极，共面行波电极与该电极连接。
2.根据权利要求1所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片，其特征在于：
光波导包括至少一组波导干涉臂；
共面行波电极包括中心电极以及地电极；
中心电极位于每组波导干涉臂之间，地电极位于每组波导干涉臂两侧。
3.根据权利要求1所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片，其特征在于：
光波导通过质子交换制备。
4.柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，其特征在于：包括
如权利要求1至3中任意一项所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片；
光输入组件；以及
光输出组件；
光输入组件以及光输出组件设置于柔性铌酸锂薄膜脑电检测芯片两端。
5.根据权利要求4所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，其特征在于：光输入组件包括：
光源；
输入光纤，输入光纤与光源耦接，用于实现光的传输；以及
光纤分束结构，光纤分束结构一端与输入光纤耦接，另一端与光波导耦接，实现光的分束。
6.根据权利要求5所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，其特征在于：光纤分束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤分束器或者为设置于柔性铌酸锂基底上的MZ波导结构。
7.根据权利要求6所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，其特征在于：光纤分束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤分束器时，在其中一输入光纤上连接相位延时器。
8.根据权利要求4所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，其特征在于：光输出组件包括：
探测器，用于接收光；
输出光纤，输出光纤与探测器耦接，用于实现光的传输；以及
光纤合束结构，光纤合束结构一端与输出光纤耦接，另一端与光波导耦接，实现光的合束。
9.根据权利要求8所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，其特征在于：光纤合束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤合束器或者为设置于柔性铌酸锂基底上的MZ波导结构。
10.根据权利要求4所述的柔性铌酸锂薄膜脑电检测装置，其特征在于：光纤合束结构为与柔性铌酸锂基底分体设置的光纤合束器时，在其中一输出光纤上连接相位延时器。
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