CN113358612A - 一种藻类检测微纳光学传感器及其制作与检测方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种藻类检测微纳光学传感器及其制作与检测方法，包括硅基片(1)及其开槽结构面与检测边，从检测边向上开设有向上开设有正面腐蚀槽(2)，终端设置光源腔体(3)，其上面设置有光源(4)；硅基片(1)背面从检测边向上开设有背面腐蚀槽(5)，其终端设置接收腔体(6)，接收腔体(6)上面设置有信号光接收器(7)；光源腔体(3)与接收腔体(6)设置有倾斜的反射壁(15)；正面腐蚀槽(2)、光源腔体(3)与背面腐蚀槽(5)、接收腔体(6)内设置有光波导；使用前先进行标定，获得标定关系后，就可以在现场测量。

Description

一种藻类检测微纳光学传感器及其制作与检测方法
技术领域：
本发明涉及光谱吸收检测与微纳传感器技术领域，涉及一种藻类检测微纳光学传感器及其制作方法与检测方法。尤其是一种用于检测藻类种类与浓度的微纳光学传感器及其制作方法与检测方法。
背景技术：
水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入河湖、海湾等缓流水体，导致水体在一定的时间内由原来营养物质较低的贫营养状态演变为富营养状态。当富营养化水体中的浮游藻类快速生长，使得浮游藻浓度达到一定值，浮游藻便会聚集在水体表面形成水华现象，浮游藻类的快速增长是富营养化的主要特征之一。藻类水华爆发的危害有以下几个方面：①水华爆发会快速耗尽水中的溶解氧，使得其他需氧生物难以生存甚至大量死亡，并造成恶性循环，破坏水体的生态平衡；②藻类聚集在水体表面，降低了水体透明度，影响了景观和旅游业的发展；③水华爆发会导致鱼类和其他需氧植物死亡，导致水体发黑发臭；④部分藻类如微囊藻，会释放有毒物质，增加自来水厂净化水的成本，甚至威胁人类健康。目前，水环境中引起水华灾害的主要是三种典型浮游藻类：蓝藻、绿藻及褐藻。要对这三种典型浮游藻类进行种类与浓度的原位检测，要求传感器检测精度高，能够精确地进行种类与浓度的原位检测，可以实时在线对当前水域中地藻类浓度进行检测；成本低，可用于大范围铺设使用，矩阵式地投放，进行大数据分析。传统的藻类检测传感器体积大，价格昂贵，无法进行原位检测。同时光源在进行长期工作之后会有自衰减现象，导致激发出的发射荧光减弱，使最终检测到的数据产生偏差。
目前浮游藻门类识别和浓度测量方法主要有显微技术识别法、高效液相色谱法、流式细胞分析技术、荧光光谱技术。显微技术识别法是将采集到的浮游藻样品加入适量蒸馏水稀释至一定倍数，定容后滴入显微计数框中，将计数框放在显微镜下进行计数，对专业和经验的要求较高，不适合现场测量。流式细胞分析是基于藻类荧光的一种测量方法，通过荧光强度来计算色素含量，测量速度拫快，但只能用于特定几种门类浮游藻的检测，且专用流动细胞仪价格昂贵，操作复杂，不能满足现场的测量和连续监测。荧光光谱技术是基于浮游藻的光合色素特征对浮游藻进行分析的一种方法。不同门类浮游藻体内的光合色素种类具有一定的差异，但是相同门类浮游藻体内的光合色素种类是大致相同的，这些特征可以通过荧光光谱反应出来。测量时，将一定波长的入射光照射到被测藻类上，测量藻类受到激发光激发后的荧光强度。
目前研究中涉及到的多种浮游藻门类识别方法，部分基于二维或三维荧光光谱，但是二维或三维荧光光谱设备体积大成本高，无法实现在线测量，同时在其检测时需要测量浮游藻的连续荧光光谱或所测门类藻的标准荧光光谱才能准确测量浮游藻类的荧光强度，但是现场检测时，获取藻类的连续荧光光谱是很难实现的。
微纳传感器是近几年传感器领域的热门方向，且目前国家正在大力扶持和发展微纳传感器领域。因为其可以在很小的体积空间里集成大量的微小器件单元来达到探测某种物理或化学量的目的，且方案成熟后可以批量生产，极大的降低了传感器的生产和制作成本。微纳传感器就是指以微米或纳米级加工技术为基础，在硅等半导体材料或其他新型材料上制作各类部件，最终封装成为一体的传感器。这类传感器具有体积小、可批量生产等技术优点，同时其检测精度和范围也可以满足大多数的使用场景。使用微纳技术制作传感器正是因为其可以在保证功能的基础上将体积做的非常小，解决了便携性的问题，研究和应用前景非常广阔。但是，目前尚未有关于可以用于检测藻类浓度的微纳光学传感器及其制作方法与检测方法的报道。因此，本申请发明人的想法是，利用微纳制造技术可以实现传感器部件高度集成化的特点，制作出体积微小、便于携带且可以实现现场检测的用于检测藻类浓度的微纳光学传感器的传感器。
由于蓝藻绿藻褐藻三种藻类对不同波长的激发光源产生的荧光强度不同，因此可通过三种不同波长的激发光源对待测物依次进行激发，通过对采集到的荧光信号进行分析以达到对三种藻类的识别与浓度分析。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用微纳加工技术制作的用于检测藻类浓度的微纳光学传感器及其制作与检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明藻类检测微纳光学传感器的技术方案为：
一种藻类检测微纳光学传感器，用于检测藻类种类与浓度,包括硅基片，所述硅基片正面、背面均为开槽结构面，其特征在于，所述硅基片的其中一段边侧，为用于接触待检测介质的检测边，所述硅基片正面从检测边向上开设有至少1条正面腐蚀槽，所述每个正面腐蚀槽的终端各自连接宽度大于腐蚀槽的光源腔体，每个光源腔体上面设置有光源，每个光源的发光面朝下；所述硅基片背面从检测边向上开设有背面腐蚀槽，背面腐蚀槽的连接宽度大于背面腐蚀槽的接收腔体，接收腔体上面设置有信号光接收器，所述信号光接收器的光接收面朝下；所述光源腔体与接收腔体设置有倾斜的反射壁；所述每条正面腐蚀槽、光源腔体与背面腐蚀槽、接收腔体内设置有用作使光线定向传输的光波导，所述光波导是由光波导材料在液态时灌注固化而成，包括成型于每条正面腐蚀槽及其光源腔体内的光源光光波导，与成型于背面腐蚀槽及其接收腔体内的信号光光波导；使得检测时从所述光源依次经光源光光波导、检测边及位于其下方的待检测介质、信号光光波导至信号光接收器形成光通路；所述光源所发出光的波长是正对所要检测的藻类种类可以激发出较强荧光的波长，所述信号光接收器是能接收所述荧光并能转换成电参数值的信号光接收器。
以下为本发明藻类检测微纳光学传感器进一步的方案：
所述硅基片为呈长方形的薄片块，所述检测边为长方形的薄片块的两条长边中的其中一条长边；所述光源光光波导与信号光光波导在检测边端分别形成呈凸起圆弧形的聚光壁；所述背面腐蚀槽的开口端位于检测边，呈现从开口端向上逐渐收缩的喇叭状，开口端的宽度不小于各正面腐蚀槽所占跨度。
所述硅基片正面从检测边向上开设1条正面腐蚀槽，正面腐蚀槽的终端连接光源腔体，光源腔体上面设置有光源；所述光源所发出光的波长是正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类其中1种可以激发出较强荧光的波长。
所述硅基片正面从检测边向上开设2条正面腐蚀槽，每条正面腐蚀槽的终端分别连接光源腔体，2个光源腔体上面分别设置有光源，分别设置的2个光源所发出光的波长分别为正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类中的其中不同种类的2种可以激发出较强荧光的波长。
所述硅基片正面从检测边向上开设3条正面腐蚀槽，每条正面腐蚀槽的终端分别连接光源腔体，3个光源腔体上面分别设置有光源，分别设置的3个光源所发出光的波长为正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类可以各自激发出较强荧光的波长。
所述光源腔体与接收腔体的反射壁均呈半环形，反射壁与光源腔体底面成54.7°夹角。
所述光源腔体与接收腔体的反射壁均包括1个主反射面与位于主反射面两侧的过渡反射面，每侧至少有1个过渡反射面。
从所述各光源腔体开设有延伸腐蚀槽，所述各延伸腐蚀槽的终端设置宽度大于各延伸腐蚀槽的共同的参考腔体，所述延伸腐蚀槽、参考腔体内同样设置有经液态时灌注，固化后用作使光线定向传输的参考光光波导，参考腔体上面设置有参考光接收器。
所述用作使光线定向传输的光波导材料的光波导材料为SU-8光刻胶，所述光源选用固定波长的LED发光器或闪烁氙灯裸灯，所述光接收器选择光敏管或光电二极管。
所述硅基片厚度为300至500微米，所述正面腐蚀槽、光源腔体、背面腐蚀槽、接收腔体的深度均小于硅基片厚度的三分之一。
为了解决上述技术问题，本发明用于检测藻类浓度的微纳光学传感器的制作方法所采用的技术方案为：
以上所述的微纳光学传感器的制作方法，选用表面为晶面的双面抛光单晶硅片作为所述硅基片材料，其特征在于，按先后顺序包括以下工序：
工序一、所述硅基片材料的选用、表面处理；
工序二、所述硅基片正面、背面开槽结构的蚀刻成型加工；
工序三、在所述正面腐蚀槽、背面腐蚀槽内注入光波导材料，固化后形成光通路；
工序四、将光源、信号光接收器分别粘贴在基片对应的开口处，从信号光接收器引出外接导线；
工序五、最后进行外壳封装。
以下为本发明藻类检测微纳光学传感器制作方法进一步的方案：
所述工序一、工序二、工序三具体包括以下步骤：
步骤一、对所选用的单晶硅片表面进行氧化形成氧化硅层；
步骤二、在已氧化好的单晶硅片上涂光刻胶，并利用离心原理进行旋转甩平，使光刻胶均匀的覆盖住硅片，形成光刻胶层；
步骤三、光刻后对硅基片进行显影曝光，在需要制备窗口的地方刻蚀掉多余的光刻胶，制备出接下来用于腐蚀的窗口；
步骤四、利用腐蚀液腐蚀氧化硅，制备出对硅进行刻蚀的窗口；
步骤五、选用合适的清洗液，将硅片上的光刻胶洗净去除；
步骤六、硅基片的蚀刻成型与注入光波导材料：包括正面腐蚀槽的蚀刻成型与注入光波导材料,背面腐蚀槽的蚀刻成型与注入光波导材料；
步骤七、选用合适的清洗液，将硅片上的氧化硅洗净去除。
为了解决上述技术问题，本发明藻类检测方法所采用的技术方案为：
使用如以上所述的任一种藻类检测微纳光学传感器，选用适配的所述微纳光学传感器,所述适配的微纳光学传感器，是指所述微纳光学传感器的光源所发出光的波长是正对所检测的藻类种类可以激发出较强荧光的波长，所述信号光接收器是能接收所述荧光并能转换成电参数值的信号光接收器，配置电化学工作站、电脑，将所述微纳光学传感器与电化学工作站、电脑相连接，形成藻类藻类种类与浓度检测分析系统；在进行藻类浓度检测前，预先将配置好的已知其藻类种类与浓度的N个含藻液体样品通过所述藻类浓度检测分析系统在实验环境下进行检测标定，获得所述微纳光学传感器的信号光接收器所输出的电参数值与不同藻类种类与浓度的液体的对应线性关系式；完成标定后，就可使用同样条件制成的所述微纳光学传感器进行藻类种类与浓度的检测，将所述微纳光学传感器置于待测液体中，接通所述藻类种类与浓度检测分析系统，将所述微纳光学传感器的信号光接收器所输出的电压电流值经所述线性关系式换算，检测分析出藻类种类归属与浓度数值。
本发明用于检测藻类浓度的微纳光学传感器就是使用单晶硅基片，在硅基片上构造所需形状，使用光刻胶作为光学波导材料，然后全部封装在一起制作而成的传感器。由于目前硅基片的加工工艺已经较为成熟，且光刻胶作为光波导的材料成型工艺等也比较完善，因此可以批量制备性能优异且体积微小的传感器，极大降低成本，扩展了基于光谱吸收原理的检测传感器的应用场景。本发明利用微纳光学传感器能够做的极小、工艺兼容性好以及可以批量生产的特点，制作出用于检测藻类种类与浓度的藻类检测微纳光学传感器。
利用目前已经日趋成熟的微纳制造工艺技术，本发明藻类检测微纳光学传感器可批量制造，制造成本低，产品一致性好。传感器无需使用者再次手动调节，在设计之初即将折射率与光波导曲率半径考虑其中，因此在制作时可一次成型。并且由于微纳制造技术可以在较小面积的基片上集成大量的分立元件，传感器本身所需的各个独立元件例如光波导等可以全部集成在一起，且所有元件可用极少的制作步骤一次性制作完成，因此本传感器的一个特征在于可以在较低成本的情况下大批量制备且无需后期手动调节匹配，使用方便。还可将采用了不同LED光源的本传感器进行并联使用，即可实现多地同时检测。
本发明提出了基于微纳结构的离散光谱藻类传感器，可以克服上述所提及的问题并且达到所需的性能指标。通过硅各向异性湿法腐蚀处理硅基片，可以良好地构造检测光通道以及参考光通道。通过在腐蚀的通道中进行光波导的制备可以极大减小激发光到待测物的光损耗，使待测物的发射荧光强度更强，使探测器可以获得更优秀的响应值，同时参考光通道的构建并通过单片微型控制器进行信号比对处理，可以有效排除光源自衰减带来的误差。通过MEMS技术可以实现藻类传感器的微型化和批量制造，大幅缩小了体积并极大地降低了成本。
本发明所提出的藻类传感器及其制备方法，推进了藻类传感器研究领域的发展。在保证精准检测的前提下，传感器具有更长的使用寿命，和更低的成本，具有极大的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一藻类检测微纳光学传感器正面立体示意图；
图2为本发明各实施例藻类检测微纳光学传感器背面立体示意图；
图3为本发明实施例一硅基片正面开槽结构立体示意图；
图4本发明各实施例硅基片背面开槽结构立体示意图；
图5为实施例一成型后光源光光波导立体示意图；
图6为各实施例成型后信号光光波导立体示意图；
图7为本发明实施例二藻类检测微纳光学传感器正面立体示意图；
图8为本发明实施例二硅基片正面开槽结构立体示意图；
图9为实施例二成型后光源光光波导立体示意图；
图10为本发明实施例三藻类检测微纳光学传感器正面立体示意图；
图11为本发明实施例三硅基片正面开槽结构立体示意图；
图12为实施例三成型后光源光光波导立体示意图；
图13为本发明实施例四藻类检测微纳光学传感器正面立体示意图；
图14为本发明实施例四硅基片正面开槽结构立体示意图；
图15为实施例四成型后光源光光波导立体示意图。
各图中标号所指示的部分为：1、硅基片；2、正面腐蚀槽；3、光源腔体；4、光源；5、背面腐蚀槽；6、接收腔体；7、信号光接收器；8、主反射面；9、过渡反射面；10、延伸腐蚀槽；11、参考腔体；12、参考光接收器；13、光源光光波导；14、信号光光波导；15、反射壁；16、参考光光波导；17、聚光壁。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
如图1至图6所示,一种藻类检测微纳光学传感器，用于检测藻类种类与浓度,包括硅基片1，硅基片1正面、背面均为开槽结构面。硅基片1的其中一段边侧，为用于接触待检测介质的检测边，硅基片1正面从检测边向上开设有1条正面腐蚀槽2，每个正面腐蚀槽2的终端各自连接宽度大于腐蚀槽2的光源腔体3，每个光源腔体3上面设置有光源4，每个光源4的发光面朝下。硅基片1背面从检测边向上开设有背面腐蚀槽5，背面腐蚀槽5的连接宽度大于背面腐蚀槽5的接收腔体6，接收腔体6上面设置有信号光接收器7，信号光接收器7的光接收面朝下；光源腔体3与接收腔体6设置有倾斜的反射壁15；每条正面腐蚀槽2、光源腔体3与背面腐蚀槽5、接收腔体6内设置有用作使光线定向传输的光波导，光波导是由光波导材料在液态时灌注固化而成，包括成型于每条正面腐蚀槽2及其光源腔体3内的光源光光波导13，与成型于背面腐蚀槽5及其接收腔体6内的信号光光波导14。使得检测时从光源4依次经光源光光波导13、检测边及位于其下方的待检测介质、信号光光波导14至信号光接收器7形成光通路。光源4所发出光的波长是正对所要检测的藻类种类可以激发出较强荧光的波长，信号光接收器7是能接收荧光并能转换成电参数值的信号光接收器7。
如图3、图4所示,硅基片1为呈长方形的薄片块，检测边为长方形的薄片块的两条长边中的其中一条长边。背面腐蚀槽5的开口端位于检测边，呈现从开口端向上逐渐收缩的喇叭状，背面腐蚀槽5的开口端的宽度不小于各正面腐蚀槽2所占跨度，背面腐蚀槽5的开口端的宽度与正面腐蚀槽2所占跨度相等为佳。由于硅基片1正面从检测边向上只开设1条正面腐蚀槽2，正面腐蚀槽2的终端连接光源腔体3，光源腔体3上面设置有光源4。所以，本实施例一中，背面腐蚀槽5的开口端与正面腐蚀槽2的底端相等为佳。如图5、图6所示,光源光光波导13与信号光光波导14在检测边端分别形成呈凸起圆弧形的聚光壁17。光源光光波导13的聚光壁17与信号光光波导14聚光壁17也相等为佳。聚光壁17其实就是凸透镜，能对光源光进行聚焦，同时增强对信号光的接收。光源4所发出光的波长是正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类其中1种可以激发出较强荧光的波长。
如图3所示,光源腔体3与接收腔体6的反射壁15均呈半环形，反射壁15与光源腔体3底面成54.7°夹角。光源腔体3与接收腔体6的反射壁15均包括1个主反射面8与位于主反射面两侧的过渡反射面9，每侧至少有1个过渡反射面9。
用作使光线定向传输的光波导材料的光波导材料为SU-8光刻胶，光源4选用固定波长的LED发光器或闪烁氙灯裸灯，光接收器选择光敏管或光电二极管。
硅基片1厚度为300至500微米，正面腐蚀槽2、光源腔体3、背面腐蚀槽5、接收腔体6的深度均小于硅基片1厚度的三分之一。例如优选：基片1厚度为400微米，正面腐蚀槽2、光源腔体3、背面腐蚀槽5、接收腔体6的深度均为90微米，硅基片1上下分别开槽之处的剩余百度为220微米，可以保证其强度。
以上的微纳光学传感器的制作方法，选用表面为晶面的双面抛光单晶硅片作为硅基片1材料，按先后顺序包括以下工序：
工序一、硅基片1材料的选用、表面处理；
工序二、硅基片1正面、背面开槽结构的蚀刻成型加工；
工序三、在正面腐蚀槽2、背面腐蚀槽5内注入光波导材料，固化后形成光通路；
工序四、将光源4、信号光接收器7分别粘贴在基片对应的开口处，从信号光接收器7引出外接导线；
工序五、最后进行外壳封装。
以下为本发明藻类检测微纳光学传感器制作方法进一步的方案：
工序一、工序二、工序三具体包括以下步骤：
步骤一、对所选用的单晶硅片表面进行氧化形成氧化硅层；
步骤二、在已氧化好的单晶硅片上涂光刻胶，并利用离心原理进行旋转甩平，使光刻胶均匀的覆盖住硅片，形成光刻胶层；
步骤三、光刻后对硅基片1进行显影曝光，在需要制备窗口的地方刻蚀掉多余的光刻胶，制备出接下来用于腐蚀的窗口；
步骤四、利用腐蚀液腐蚀氧化硅，制备出对硅进行刻蚀的窗口；
步骤五、选用合适的清洗液，将硅片上的光刻胶洗净去除；
步骤六、硅基片1的蚀刻成型与注入光波导材料：包括正面腐蚀槽2的蚀刻成型与注入光波导材料,背面腐蚀槽5的蚀刻成型与注入光波导材料；
步骤七、选用合适的清洗液，将硅片上的氧化硅洗净去除。
进行藻类检测时，使用如以上的藻类检测微纳光学传感器，选用适配的微纳光学传感器,适配的微纳光学传感器，是指微纳光学传感器的光源4所发出光的波长是正对所检测的藻类种类可以激发出较强荧光的波长，信号光接收器7是能接收荧光并能转换成电参数值的信号光接收器7，配置电化学工作站、电脑，将微纳光学传感器与电化学工作站、电脑相连接，形成藻类藻类种类与浓度检测分析系统；在进行藻类浓度检测前，预先将配置好的已知其藻类种类与浓度的N个含藻液体样品通过藻类浓度检测分析系统在实验环境下进行检测标定，获得微纳光学传感器的信号光接收器7所输出的电参数值与不同藻类种类与浓度的液体的对应线性关系式；完成标定后，就可使用同样条件制成的微纳光学传感器进行藻类种类与浓度的检测，将微纳光学传感器置于待测液体中，接通藻类种类与浓度检测分析系统，将微纳光学传感器的信号光接收器7所输出的电压电流值经线性关系式换算，检测分析出藻类种类归属与浓度数值。
本实施例一只开设有1条正面腐蚀槽2与1个光源腔体3，只配置1个光源4，此1个光源4所发出光的波长是正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类其中1种可以激发出较强荧光的波长。可正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类分别设计制作3款微纳光学传感器，分别用于检测蓝藻绿藻褐藻3种藻类。进行藻类检测时，可以使用3款微纳光学传感器一起进行检测。
实施例二
本实施例二是在实施例一的基础上的改进方案，如图7、图8、图9及图2、图4、图6所示。
如图8所示，本实施例二的硅基片1正面，从光源腔体3开设有延伸腐蚀槽10，延伸腐蚀槽10的终端设置宽度大于各延伸腐蚀槽10的共同的参考腔体11；如图7所示，延伸腐蚀槽10、参考腔体11内同样设置有经液态时灌注，固化后用作使光线定向传输的参考光光波导16，参考腔体11上面设置有参考光接收器12。参考光接收器12的光接收面朝下。成型后的光源光光波导13形状与参考光光波导16形状如图9所示。其他全部沿用实施例一的方案。
同通常的检测传感器一样，本发明微纳光学传感也会随着使用时间的增长逐渐老化，主要是光源4随着使用时间的增长逐渐老化，光源4发出的光强度会逐渐减弱，而致使检测结果造成线性误差，本实施例二的硅基片1通过设置延伸腐蚀槽10、参考腔体11、参考光光波导16、参考光接收器12，使参考光接收器12直接接收光源4发出的光，使用时先对参考光信号强度进行读取，并与初始值进行对比，如发现有所衰减，便对最后测得的信号值进行百分比补偿。如初始光源强度为x，经参考光通道由参考光探测器接收到的光强度为y1＝0.8x，在检测藻类n1的溶液时，测得信号光光强度为y2＝0.3x。经过一年使用后，经参考光通道由参考光探测器接收到的光强度为y1＝0.6x，表明光源强度在长期使用后由于老化导致光强度衰减，在检测藻类n1的溶液时，测得信号光为y2＝0.225x，信号光强度产生了误差，显示藻类n2(n2＜n1)，测量结果偏离实际值。因此本传感器结构设计参考光通道与参考光探测器，配合后端电路使用，每次进行检测前，先对参考光信号强度进行读取，并与初始值进行对比，如发现有所衰减，便对最后测得的信号值进行百分比补偿。如上例所示光源强度衰减25％(0.6x/0.8x＝0.25)，为原来的75％，则y3＝0.225x/0.75＝0.3x，反推出所测浓度为n1，这样就可以消除误差。本实施例二的改进方案可以消除器件老化所引起的检测误差。
实施例三
本实施例三是在实施例二的基础上的改进方案，如图10、图11、图12及图2、图4、图6所示。
如图11所示，本实施例三的硅基片1正面，从检测边向上开设2条正面腐蚀槽2，每条正面腐蚀槽2的终端分别连接光源腔体3，2个光源腔体3上面分别设置有光源4，光源4的发光面朝下，2个光源4所发出光的波长分别为正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类中的其中不同种类的2种可以激发出较强荧光的波长。每条正面腐蚀槽2、光源腔体3与背面腐蚀槽5、接收腔体6内设置有用作使光线定向传输的光波导，成型后的光源光光波导13形状与参考光光波导16形状如图12所示。
同样，蚀槽5的开口端的宽度不小于各正面腐蚀槽2所占跨度，背面腐蚀槽5的开口端的宽度与正面腐蚀槽2的底端所占跨度相等为佳。由于硅基片1正面从检测边向上开设2条面腐蚀槽2，2条腐蚀槽2的终端分别设置有光源腔体3，光源腔体3上面设置有光源4。所以，本实施例三中，背面腐蚀槽5的开口端与2条腐蚀槽2的底端所占跨度相等为佳。其他全部沿用实施例二的方案。
本实施例三开设有2条正面腐蚀槽2与2个光源腔体3，配置2个光源4，此2个光源4所发出光的波长是正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类其中2种可以激发出较强荧光的波长。可正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类中的其中2种藻类进行检测。进行藻类检测时，至于缺少的那种藻类也可以使用实施例一的微纳光学传感器补充，一起进行检测。
实施例四
本实施例四是在实施例三的基础上的改进方案，如图13、图14、图15及图2、图4、图6所示。
如图14所示，本实施例四的硅基片1正面从检测边向上开设3条正面腐蚀槽2，每条正面腐蚀槽2的终端分别连接光源腔体3，3个光源腔体3上面分别设置有光源4，分别设置的3个光源4所发出光的波长为正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类可以各自激发出较强荧光的波长。每条正面腐蚀槽2、光源腔体3与背面腐蚀槽5、接收腔体6内设置有用作使光线定向传输的光波导，成型后的光源光光波导13形状与参考光光波导16形状如图15所示。
同样，蚀槽5的开口端的宽度不小于各正面腐蚀槽2所占跨度，背面腐蚀槽5的开口端的宽度与正面腐蚀槽2的底端所占跨度相等为佳。由于硅基片1正面从检测边向上开设3条面腐蚀槽2，3条腐蚀槽2的终端分别设置有光源腔体3，光源腔体3上面设置有光源4。所以，本实施例四中，背面腐蚀槽5的开口端与3条腐蚀槽2的底端所占跨度相等为佳。其他全部沿用实施例三的方案。
如图14所示，本实施例四的硅基片1正面，从检测边向上开设有3条正面腐蚀槽2与3个光源腔体3，配置3个光源4，此3个光源4所发出光的波长是分别正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类可以激发出较强荧光的波长。本实施例四只需藻1个藻类检测微纳光学传感器，就可正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类全部进行检测，所以，本实施例四藻类检测微纳光学传感器功能最全，检测效率最高，制作成本最低，是以上各实施例中的最佳实施例。

Claims (13)

1.一种藻类检测微纳光学传感器，用于检测藻类种类与浓度,包括硅基片(1)，所述硅基片(1)正面、背面均为开槽结构面，其特征在于，所述硅基片(1)的其中一段边侧，为用于接触待检测介质的检测边，所述硅基片(1)正面从检测边向上开设有至少1条正面腐蚀槽(2)，所述每个正面腐蚀槽(2)的终端各自连接宽度大于腐蚀槽(2)的光源腔体(3)，每个光源腔体(3)上面设置有光源(4)，每个光源(4)的发光面朝下；所述硅基片(1)背面从检测边向上开设有背面腐蚀槽(5)，背面腐蚀槽(5)的连接宽度大于背面腐蚀槽(5)的接收腔体(6)，接收腔体(6)上面设置有信号光接收器(7)，所述信号光接收器(7)的光接收面朝下；所述光源腔体(3)与接收腔体(6)设置有倾斜的反射壁(15)；所述每条正面腐蚀槽(2)、光源腔体(3)与背面腐蚀槽(5)、接收腔体(6)内设置有用作使光线定向传输的光波导，所述光波导是由光波导材料在液态时灌注固化而成，包括成型于每条正面腐蚀槽(2)及其光源腔体(3)内的光源光光波导(13)，与成型于背面腐蚀槽(5)及其接收腔体(6)内的信号光光波导(14)；使得检测时从所述光源(4)依次经光源光光波导(13)、检测边及位于其下方的待检测介质、信号光光波导(14)至信号光接收器(7)形成光通路；所述光源(4)所发出光的波长是正对所要检测的藻类种类可以激发出较强荧光的波长，所述信号光接收器(7)是能接收所述荧光并能转换成电参数值的信号光接收器(7)。
2.如权利要求1所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述硅基片(1)为呈长方形的薄片块，所述检测边为长方形的薄片块的两条长边中的其中一条长边；所述光源光光波导(13)与信号光光波导(14)在检测边端分别形成呈凸起圆弧形的聚光壁(17)；所述背面腐蚀槽(5)的开口端位于检测边，呈现从开口端向上逐渐收缩的喇叭状，开口端的宽度不小于各正面腐蚀槽(2)所占跨度。
3.如权利要求1所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述硅基片(1)正面从检测边向上开设1条正面腐蚀槽(2)，正面腐蚀槽(2)的终端连接光源腔体(3)，光源腔体(3)上面设置有光源(4)；所述光源(4)所发出光的波长是正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类其中1种可以激发出较强荧光的波长。
4.如权利要求1所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述硅基片(1)正面从检测边向上开设2条正面腐蚀槽(2)，每条正面腐蚀槽(2)的终端分别连接光源腔体(3)，2个光源腔体(3)上面分别设置有光源(4)，分别设置的2个光源(4)所发出光的波长分别为正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类中的其中不同种类的2种可以激发出较强荧光的波长。
5.如权利要求1所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述硅基片(1)正面从检测边向上开设3条正面腐蚀槽(2)，每条正面腐蚀槽(2)的终端分别连接光源腔体(3)，3个光源腔体(3)上面分别设置有光源(4)，分别设置的3个光源(4)所发出光的波长为正对蓝藻绿藻褐藻3种藻类可以各自激发出较强荧光的波长。
6.如权利要求1所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述光源腔体(3)与接收腔体(6)的反射壁(15)均呈半环形，反射壁(15)与光源腔体(3)底面成54.7°夹角。
7.如权利要求1所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述光源腔体(3)与接收腔体(6)的反射壁(15)均包括1个主反射面(8)与位于主反射面两侧的过渡反射面(9)，每侧至少有1个过渡反射面(9)。
8.如权利要求1至7任一项所述的微纳光学传感器，其特征在于，从所述各光源腔体(3)开设有延伸腐蚀槽(10)，所述各延伸腐蚀槽(10)的终端设置宽度大于各延伸腐蚀槽(10)的共同的参考腔体(11)，所述延伸腐蚀槽(10)、参考腔体(11)内同样设置有经液态时灌注，固化后用作使光线定向传输的参考光光波导(16)，参考腔体(11)上面设置有参考光接收器(12)。
9.如权利要求8所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述用作使光线定向传输的光波导材料的光波导材料为SU-8光刻胶，所述光源(4)选用固定波长的LED发光器或闪烁氙灯裸灯，所述光接收器选择光敏管或光电二极管。
10.如权利要求8所述的微纳光学传感器，其特征在于，所述硅基片(1)厚度为300至500微米，所述正面腐蚀槽(2)、光源腔体(3)、背面腐蚀槽(5)、接收腔体(6)的深度均小于硅基片(1)厚度的三分之一。
11.如权利要求8所述的微纳光学传感器的制作方法，选用表面为晶面的双面抛光单晶硅片作为所述硅基片(1)材料，其特征在于，按先后顺序包括以下工序：
工序一、所述硅基片(1)材料的选用、表面处理；
工序二、所述硅基片(1)正面、背面开槽结构的蚀刻成型加工；
工序三、在所述正面腐蚀槽(2)、背面腐蚀槽(5)内注入光波导材料，固化后形成光通路；
工序四、将光源(4)、信号光接收器(7)分别粘贴在基片对应的开口处，从信号光接收器(7)引出外接导线；
工序五、最后进行外壳封装。
12.如权利要求11所述的微纳光学传感器的制作方法，其特征在于，所述工序一、工序二、工序三具体包括以下步骤：
步骤一、对所选用的单晶硅片表面进行氧化形成氧化硅层；
步骤二、在已氧化好的单晶硅片上涂光刻胶，并利用离心原理进行旋转甩平，使光刻胶均匀的覆盖住硅片，形成光刻胶层；
步骤三、光刻后对硅基片(1)进行显影曝光，在需要制备窗口的地方刻蚀掉多余的光刻胶，制备出接下来用于腐蚀的窗口；
步骤四、利用腐蚀液腐蚀氧化硅，制备出对硅进行刻蚀的窗口；
步骤五、选用合适的清洗液，将硅片上的光刻胶洗净去除；
步骤六、硅基片(1)的蚀刻成型与注入光波导材料：包括正面腐蚀槽(2)的蚀刻成型与注入光波导材料,背面腐蚀槽(5)的蚀刻成型与注入光波导材料；
步骤七、选用合适的清洗液，将硅片上的氧化硅洗净去除。
13.一种藻类种类与浓度的检测方法，其特征在于，使用如权利要求8所述微纳光学传感器，选用适配的所述微纳光学传感器，所述适配的微纳光学传感器，是指所述微纳光学传感器的光源(4)所发出光的波长是正对所要检测的藻类种类可以激发出较强荧光的波长，所述信号光接收器(7)是能接收所述荧光并能转换成电参数值的信号光接收器(7)，配置电化学工作站、电脑，将所述微纳光学传感器与电化学工作站、电脑相连接，形成藻类藻类种类与浓度检测分析系统；在进行藻类浓度检测前，预先将配置好的已知其藻类种类与浓度的N个含藻液体样品通过所述藻类浓度检测分析系统在实验环境下进行检测标定，获得所述微纳光学传感器的信号光接收器(7)所输出的电参数值与不同藻类种类与浓度的液体的对应线性关系式；完成标定后，就可使用同样条件制成的所述微纳光学传感器进行藻类种类与浓度的检测，将所述微纳光学传感器置于待测液体中，接通所述藻类种类与浓度检测分析系统，将所述微纳光学传感器的信号光接收器(7)所输出的电压电流值经所述线性关系式换算，检测分析出藻类种类归属与浓度数值。
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