CN113594104A - 一种单片集成芯片及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单片集成芯片及其应用，所述单片集成芯片包括印制电路板，发光二极管，光电传感器，衬底和抗菌涂层；所述发光二极管和光电传感器并排设置于所述印制电路板上；所述衬底设置于所述发光二极管和光电传感器上；所述抗菌涂层包覆于所述发光二极管，光电传感器和衬底表面；所述单片集成芯片的尺寸为微米级。本发明所述单片集成芯片体积小，价格便宜，灵敏度和稳定性高，而且可持续工作时间长。
Description
技术领域
本发明涉及芯片技术领域，尤其涉及一种单片集成芯片及其应用。
背景技术
海水盐度是研究海水的重要参数，通过该参数可以实现对海水质量的检测，进而为海水养殖，海洋生物保护以及海洋洋流运动的相关分析提供基础，因此海水盐度以及浊度的精确监测在生态环境保护以及实际生产生活中都起到了重要的作用。
目前，测量海水盐度的方法主要包括：1)基于光纤技术的倏逝波法、布拉格光栅法、表面等离子体共振法、光干涉法、光子晶体法、光折射法；2)基于电学信号的温盐深仪法；3)基于微波技术的微波遥感法以及4)基于对盐度敏感的材料法。其中光纤倏逝波传感技术是通过在光纤端面植入“化学探针”，通过探针捕获环境待检测物质，进而利用待检测物质与倏逝波场的相互作用来实现目标物的检测。该技术可实现检测器件的微型化，不过在器件制备、“探针”的稳定性方面还存在一定的问题。此外，通过建立海水盐度变化与对应布拉格波长变化的布拉格光栅法，以及通过等离子体共振产生的共振波长变化的表面等离子体共振法及光干涉法、光子晶体法、光折射法都普遍存在相同的问题：受环境温度干扰大，灵敏度低和响应时间长。而基于电学信号探测的温盐深仪法是通过不同盐度下的电导率来进行检测，该方法在测量稳定性以及测量精度上都有着巨大的优势，不过缺点是设备体积庞大，价格昂贵。利用微波辐射计测量海水亮温的微波遥感技术可实现对大区域的海水检测，然而限制于微波能量偏低，该技术只能对浅层海水进行检测。另外，基于构建对盐度敏感的水凝胶材料可以实现对海水盐度的高灵敏度检测，然而在材料制备上存在过程复杂，反应时间长的缺点。
CN212083227U公开了一种海水盐度检测系统，其公开的海水盐度检测系统包括检测单元、光纤传输单元、光源发生器和计算单元，检测单元包括测量水槽，测量水槽的内部还依次设有第一楔形水槽、激光扩束组件和第二楔形水槽，第一楔形水槽和第二楔形水槽分别位于测量水槽的两端相对设置，光纤传输单元包括第一传输光纤和第二传输光纤，第一传输光纤的一端与第一楔形水槽相连接，第二传输光纤的一端与第二楔形水槽相连接，光源的一端与第一传输光纤相连接。通过使用本技术方案中的海水盐度检测系统，测量单元的内部的测量水槽和楔形水槽为差动式测量，能够在恶劣的条件下对海水盐度进行检测，提高了适用性，其公开的海水盐度检测系统体积大，价格昂贵。
CN212275736U提供了一种海水盐度检测装置，包括检测本体；所述检测本体内部设置有检测系统及给检测系统供电的供电模块；还包括外套筒；所述外套筒套装于检测本体，所述检测本体的一端设置有盐度传感器，所述盐度传感器伸出外套筒；所述外套筒与检测本体之间密封连接；相比现有技术，其公开的海水盐度检测装置不仅实现了能够对不同深度海水盐度检测，而且整体体积较为小巧，操作简单，但是其灵敏度和稳定性相对较差。
综上所述，开发一种测量仪器体积小，价格便宜，灵敏度和稳定性高，而且可持续工作时间长的海水盐度检测装置至关重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种单片集成芯片及其应用，所述单片集成芯片体积小，价格便宜，灵敏度和稳定性高，而且可持续工作时间长。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种单片集成芯片，所述单片集成芯片包括单个印制电路板，发光二极管，光电传感器，衬底和抗菌涂层；
所述发光二极管和光电传感器并排设置于所述印制电路板上；
所述衬底设置于所述发光二极管和光电传感器上；
所述抗菌涂层包覆于所述发光二极管，光电传感器和衬底表面；
所述单片集成芯片的尺寸为微米级。
本发明将发光区域(发光二极管，LED)和光探测区域(光电传感器，PD)集成在单个芯片上，LED区域激发光经过芯片上层的衬底出射到外层待测海水中，在衬底和待测海水界面处，当激发光的入射角度大于一定角度(全反射角)时，光将不能从衬底层传输到外界海水中，此时光将全部反射到光探测区域(PD)，光探测区域会将探测到的光子转换成电信号，当外界液体的折射率改变时(盐度不同，海水的折射率不同)，全反射角度也会随之改变，因此反射到光探测区的光子总量也会有差异，单片集成的方式使得光的耦合方式发生了重要的改进，不再需要外加透镜对于光线进行耦合，通过芯片的衬底与待测液体/空气之间形成的介面就可以进行光的耦合；在此基础上，可以用此原理进行溶液中微生物的检测，在检测装置发光二极管，光电传感器和衬底表面覆盖一层抗菌涂层，在有细胞沉积在衬底表面时，随着细胞沉积厚度的变化能检测到光电流的变化，根据光电流的变化能判断出细胞数目的变化；除此之外，本发明所述单片集成芯片的尺寸为微米级，具体指的是：所述单片集成芯片的长度、宽度和高度均在几微米-几百微米之间，微米级的单片集成芯片进行海水盐度检测，大大缩小器件体积以及成本。
优选地，所述发光二极管和光电传感器的材质均包括氮化镓。
氮化镓材质的集成芯片具有对液体折射率高灵敏度的特点，可精确分析盐度变化造成的液体折射率变化。
优选地，所述衬底包括蓝宝石衬底。
优选地，所述衬底的厚度为100-200μm，例如110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm等。
优选地，所述抗菌涂层的材质包括聚乙氧乙基乙二醚及其衍生物、聚烯丙基乙二乙醚及其衍生物或乙氧乙基乙二醚和烯丙基乙二乙醚的共聚物中的任意一种或至少两种的组合，所述涂层不仅具有抗菌作用，还兼具抗蛋白的性能。
优选地，所述单片集成芯片设置有至少两个(例如2个、3个、4个、6个、8个、10个等)光电传感器。
优选地，所述至少两个光电传感器均匀分布在发光二极管周围。
优选地，所述发光二极管和光电传感器的封装方式包括正装基板键合、引线框架、倒装或多芯片阵列中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述发光二极管和光电传感器的封装方式为多芯片阵列；
所述发光二极管周围排布有8个光电传感器。优选采用多芯片阵列形式进行器件封装，在LED周围排布多个PD组成的阵列提高器件的检测灵敏度与检测范围。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述的单片集成芯片在海水盐度检测中的应用。
第三方面，本发明提供一种第一方面所述的单片集成芯片在生物细胞液体检测细胞浓度中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述单片集成芯片体积小，成本低；
(2)本发明所述单片集成芯片对液体折射率具有高灵敏度，可精确分析盐度变化造成的液体折射率变化，NaCl检测范围在0-6mol/L范围内，KCl检测范围在0-4.6mol/L范围内，响应时间快，在20ms以内；
(3)本发明所述单片集成芯片在探测表面涂敷抗菌涂层，减小海水浮游生物黏附探测表面造成的影响，提高探测精确度，同时可实现长时间实时监测；
(4)本发明提出了单片集成光电传感器的使用，区别于现有技术采用两个分立元件即发光和收光为分立元件的设计单片，集成的方式使得光的耦合方式发生了重要的改进，不再需要外加透镜对于光线进行耦合，通过芯片的衬底与待测液体/空气之间形成的介面就可以进行光的耦合。
附图说明
图1是实施例1所述单片集成芯片结构及工作示意图；
图2是实施例2所述单片集成芯片的多芯片阵列式器件封装示意图；
图3是实施例1所述单片集成芯片经细胞粘附后电镜图；
图4是对比例2所述单片集成芯片经细胞粘附后电镜图；
图5是实施例1(有抗菌涂层)和对比例2(没有抗菌涂层)所述单片集成芯片经蛋白质粘附后的相对荧光强度对比图；
其中，1-印制电路板；2-光电传感器；3-发光二极管；4-衬底；5-抗菌涂层。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本发明提供一种单片集成芯片，结构如图1所示，所述单片集成芯片包括单个的印制电路板1，发光二极管3(材质为氮化镓)，光电传感器2(材质为氮化镓)，衬底4(蓝宝石衬底，厚度为150μm)和抗菌涂层5(制备原料为乙氧乙基乙二醚(EEGE)和烯丙基乙二乙醚(AGE)，购于Sigma，CAS号：106-92-3)；
所述发光二极管和单个光电传感器并排设置于所述印制电路板上；
所述衬底设置于所述发光二极管和光电传感器上；
所述抗菌涂层包覆于所述发光二极管，光电传感器和衬底表面。
所述抗菌涂层的制备方法如下：将EEGE和AGE两种单体进行阴离子开环聚合得到二嵌段共聚物，然后经过脱保护和一系列修饰最终得到二苯甲酮功能化的双亲性二嵌段甘油共聚物，具体引用至“High-Antifouling Polymer Brush Coatings on NonpolarSurfaces via Adsorption-Cross-Linking Strategy”，Leixiao Yu et al.，Acs AppliedMaterials&Interfaces，2017:44281。
上述单片集成芯片的组装方式为正装基板键合。
图1中箭头为示意性光路图，工作时，将发光区域(LED)和光探测区域(PD)集成在单个芯片上，LED区域激发光经过芯片上层的蓝宝石衬底出射到外层待测海水中，在蓝宝石和待测海水界面处，当激发光的入射角度大于一定角度(全反射角)时，光将不能从蓝宝石层传输到外界海水中，此时光将全部反射到光探测区域(PD)，光探测区域会将探测到的光子转换成电信号，当外界液体的折射率改变时(盐度不同，海水的折射率不同)，全反射角度也会随之改变，因此反射到光探测区的光子总量也会有差异。
实施例2
本发明提供一种单片集成芯片，所述单片集成芯片包括单个的印制电路板，发光二极管(材质为氮化镓)，光电传感器(材质为氮化镓)，衬底(蓝宝石衬底，厚度为100μm)和抗菌涂层(与实施例1相同，材质为乙氧乙基乙二醚(EEGE)和烯丙基乙二乙醚(AGE)，购于Sigma，CAS号：106-92-3)；
所述发光二极管和光电传感器并排设置于所述印制电路板上；
所述衬底设置于所述发光二极管和光电传感器上；
所述抗菌涂层包覆于所述发光二极管3，光电传感器2和衬底表面。
上述单片集成芯片的组装方式为多芯片阵列形式，组装后示意图如图2，发光二极管3周围排布有8个光电传感器2。
实施例3
本发明提供一种单片集成芯片，所述单片集成芯片包括单个的印制电路板，发光二极管(材质为氮化镓)，光电传感器(材质为氮化镓)，衬底(蓝宝石衬底，厚度为200μm)和抗菌涂层(与实施例1相同，材质为乙氧乙基乙二醚(EEGE)和烯丙基乙二乙醚(AGE)，购于Sigma，CAS号：106-92-3)；
所述发光二极管和六个光电传感器并排设置于所述印制电路板上；
所述衬底设置于所述发光二极管和光电传感器上；
所述抗菌涂层包覆于所述发光二极管，光电传感器和衬底表面。
上述单片集成芯片的组装方式为倒装。
对比例1
本对比例(Wu,Chuang,et al."Salinity sensor based on polyimide-coatedphotonic crystal fiber."Optics express 19.21(2011):20003-20008.)提供一种海水盐度检测装置，所述装置为光子晶体光纤(PM-PCF)盐度干涉仪，通过在光纤(PM-PCF)表面涂敷聚酰亚胺涂层。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于所述单片集成芯片不包括抗菌涂层，其余均与实施例1相同。
性能测试
将实施例1和对比例1-2所述单片集成芯片进行海水盐度的检测和抗菌性能测试，其中：
(1)海水盐度的检测时以盐水进行模拟，测试结果包括对氯化钠和氯化钾的灵敏度和检测范围，以及检测的响应时间；
(2)抗菌性能测试的方法分别用蛋白质和细胞粘附芯片涂层，再利用荧光显微镜观察。
测试结果汇总于表1和图3-5中。
表1
其中，“—”为未检测数据。
分析表1数据可知，本发明所述单片集成芯片对海水盐度的检测具有高灵敏度和宽检测范围，NaCl检测范围在0-6mol/L范围内，KCl检测范围在0-4.6mol/L范围内，响应时间快，在20ms以内。
分析对比例1与实施例1可知，实施例1中NaCl的灵敏度为2.721μA/(mol/L)，本发明检测仪器的最小精度是10pA/(mol/L)(＝为10-5uA/(mol/L))；对比例1中NaCl的灵敏度为0.742nm/(mol/L)，所用光谱仪器的精度一般是大于0.01nm/(mol/L)，理论上分析对比例1距离机器测量极限更近，本发明所述单片集成芯片可以测量更精细的盐度变化，对比例1性能不如实施例1，证明采用单片集成芯片检测海水盐度性能更优。
分析图3和图4可以看出，图4中细菌密度明显高于图4，证明本发明所述涂层具有优异的抗菌性能。
分析图5可知，实施例1中有抗菌涂层的芯片的相对荧光强度值远低于对比例2中没有抗菌涂层的芯片，证明本发明所述抗菌涂层具有优异的抗蛋白性。
综上，本申请所述涂层兼具优异的抗菌性和抗蛋白性，可实现长时间检测。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种单片集成芯片，其特征在于，所述单片集成芯片包括单个印制电路板，发光二极管，光电传感器，衬底和抗菌涂层；
所述发光二极管和光电传感器并排设置于所述印制电路板上；
所述衬底设置于所述发光二极管和光电传感器上；
所述抗菌涂层包覆于所述发光二极管，光电传感器和衬底表面；
所述单片集成芯片的尺寸为微米级。
2.根据权利要求1所述的单片集成芯片，其特征在于，所述发光二极管和光电传感器的材质均包括氮化镓。
3.根据权利要求1或2所述的单片集成芯片，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底。
4.根据权利要求1-3任一项所述的单片集成芯片，其特征在于，所述衬底的厚度为100-200μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的单片集成芯片，其特征在于，所述抗菌涂层的材质包括聚乙氧乙基乙二醚及其衍生物、聚烯丙基乙二乙醚及其衍生物或乙氧乙基乙二醚和烯丙基乙二乙醚的共聚物中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的单片集成芯片，其特征在于，所述单片集成芯片设置有至少两个光电传感器；
优选地，所述至少两个光电传感器均匀分布在发光二极管周围。
7.根据权利要求1-6任一项所述的单片集成芯片，其特征在于，所述发光二极管和光电传感器的封装方式包括正装基板键合、引线框架、倒装或多芯片阵列中的任意一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求1-7任一项所述的单片集成芯片，其特征在于，所述发光二极管和光电传感器的封装方式为多芯片阵列；
所述发光二极管周围排布有8个光电传感器。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的单片集成芯片在海水盐度检测中的应用。
10.一种根据权利要求1-8任一项所述的单片集成芯片在生物细胞液体检测细胞浓度中的应用。
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Also Published As
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| CN113594104B (zh) | 2024-05-28 |
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