CN114295688B - 一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，包括上层玻璃芯片、微流道载体硅片、下层玻璃芯片和流体管道接头，上层玻璃芯片和下层玻璃芯片对称键合连接在微流道载体硅片的上下两侧；微流道载体硅片上开设有长条孔，与上层玻璃芯片、下层玻璃芯片贴合形成微流道；上层玻璃芯片的内侧面设置有多个上层电极，下层玻璃芯片的内侧面设置多个下层电极，上层电极与下层电极形成双层电极阵列结构；上层玻璃芯片上安装两个流体管道接头，分别为进液接头和出液接头。本发明基于电阻抗层析成像技术，设计了一种微型双层电极阵列结构，采用玻璃‑硅片‑玻璃结构进行加工实现，解决了微小尺度下EIT进行微通道异质物检测实现困难的问题。

Description

一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器

技术领域

本发明涉及微通道内异质物检测技术领域，特别是涉及一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器。

背景技术

许多工业过程和医疗领域涉及到小通道或微小通道中的异质物检测问题，例如环境水体中微塑料微粒的检测、微通道中的小细胞团甚至单细胞检测等。其中，微小通道中的小细胞团与单细胞检测在流式细胞仪等先进测试仪器中有着广泛的需求。

液体(如血液)活检技术具有分子信息全、侵入性小、取样方便和成本低的优势，近年来成为了体外微创检测方法的研究热点。基于微流控技术的流式细胞仪近年来在细胞的检测、计数和特性表征方面应用广泛。传统的流式细胞仪采用光学检测方法，存在以下缺点：需要荧光标记，费时费力，不利于快速检测；标记物可能影响细胞的活性，引起细胞死亡，难以区分出其中的少量细胞；光学检测仪器一般比较笨重，不易于小型化，并且造价昂贵，操作复杂，不适用于处理小体积样本。基于电阻抗测量原理的流式细胞仪由于具有结构简单、成本低、免标记以及可提供小型化便携式解决方案的特点，近年来发展迅速。然而目前，阻抗式流式细胞仪一般采用两电极或四电极系统来测量细胞流经微通道时引起的电阻抗变化，存在以下限制：(1)一般只能提供细胞的大小或整体阻抗等低维电特性信息，缺少细胞的形状和电学特性分布等高维信息；(2)受流体-测量电极界面处接触阻抗的影响，测量系统对细胞电学性质变化的感应灵敏度低；(3)一般需要控制微通道尺寸从而将单个细胞牵引到测量电极附近以提高测量灵敏度，容易造成通道阻塞。EIT技术可以用来解决上述测量局限，其在微通道内壁排布传感电极阵列，利用传感系统的物理模型和重建算法实现微通道内流体中悬浮细胞的可视化，进而获得细胞的大小、形貌和介电参数分布等高维特征信息。同时，其传感电极阵列的有效敏感区域相对较大，因而不需要将被测细胞富集到传感电极表面，并且可以采用相对较大尺寸的微通道和电极设计进一步减小接触阻抗影响，并防止测量过程中可能存在的通道阻塞，有利于高通量细胞检测的实现。EIT可以简化微流控器件的结构，但需在微流道内壁嵌入合适结构的微电极阵列。由于微流道难以加工成圆形截面，微流道内的电极加工也较为困难，现有的EIT系统难以达到较小尺度，因此，EIT技术在微小尺度下的微流道内异质物检测实现困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，基于电阻抗层析成像(EIT)技术，设计了一种微型双层电极阵列结构，采用玻璃-硅片-玻璃结构进行加工实现，解决了微小尺度下EIT进行微通道异质物检测实现困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，包括：上层玻璃芯片、微流道载体硅片、下层玻璃芯片和流体管道接头，所述上层玻璃芯片和下层玻璃芯片对称设置在所述微流道载体硅片的上下两侧，并通过键合方式连接；所述微流道载体硅片上开设有长条孔，所述长条孔的上、下面贴合所述上层玻璃芯片、下层玻璃芯片，配合形成微流道；

所述上层玻璃芯片朝向所述微流道载体硅片的一面设置有多个上层电极，多个上层电极的交汇处设置有与所述长条孔延伸方向一致的上层预期流道，所述微流道载体硅片、下层玻璃芯片上设置相对应的上层电极引出接口，所述上层电极引出接口与多个所述上层电极的输出端相对应，用于引出上层电极；

所述下层玻璃芯片朝向所述微流道载体硅片的一面设置有多个下层电极，多个下层电极的交汇处设置有与所述长条孔延伸方向一致的下层预期流道，所述微流道载体硅片、上层玻璃芯片上设置相对应的下层电极引出接口，所述下层电极引出接口与多个所述下层电极的输出端相对应，用于引出下层电极；

所述下层预期流道与所述上层预期流道相对设置，并伸入所述微流道的中心位置，多个所述上层电极与多个所述下层电极形成双层电极阵列结构，作为传感器的敏感元件；所述上层玻璃芯片上设置有用于安装所述流体管道接头的圆孔，所述圆孔设置有2个，分别设置在所述长条孔的首端和末端，用于安装两个流体管道接头，两个所述流体管道接头分别为进液接头和出液接头。

进一步的，所述下层电极沿中心对称设置有8个，中间6个下层电极相对布置，分布于所述下层预期流道两侧，边缘2个下层电极为长电极，贯穿整个下层预期流道；所述上层电极与所述下层电极排布方向垂直，所述上层电极沿中心对称设置有8个，中间6个上层电极相对布置，分布于所述上层预期流道两侧，边缘2个上层电极为长电极，贯穿整个上层预期流道。

进一步的，所述双层电极阵列结构用于形成激励测量模式，即一对电极电流激励，一对电极测量电压；其中，电流激励采用的电极对包括相邻电极对和相对电极对，所述相邻电极对指的是上层电极或下层电极中相邻的两个电极，所述相对电极对指的是上层电极或下层电极中上下对应的两个电极；测量电压采用与电流激励完全不同的相邻电极对和相对电极对，完全不同指参与电流激励的电极不参与测量电压。

进一步的，所述下层电极引出接口和上层电极引出接口均为矩形孔。

进一步的，所述流体管道接头包括下部底座和上部管道接头，所述上部管道接头设置有螺纹，用于连接软管，所述下部底座的中心设置有与所述上部管道接头相连通的小孔，所述小孔与所述微流道相连通，所述微流道的首端和末端分别延伸至对应的流体管道接头的小孔位置。

进一步的，所述微流道载体硅片由晶圆加工而成，同一片晶圆上可加工多个微流道载体硅片，通过光刻方式加工出微流道载体硅片形状后，将微流道载体硅片打磨至设定厚度可对微流道厚度进行控制。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，(1)采用在上下两片玻璃芯片上加工电极，在已键合到其中一片玻璃芯片上的微流道载体硅片上刻蚀流道，再与另一侧玻璃芯片键合形成芯片的方法，只需进行一次对准键合，减少了加工过程中的误差；(2)采用双层电极阵列结构，相较于传统仅在单一平面上加工电极的微流道电学传感器，能够获取流道内更多的信息；(3)采用电流激励模式，有效的减少了接触阻抗的影响，采用四端子，并使用相邻电极对加相对电极对做激励测量单元，增加了信息量，提高了EIT系统的成像精度；综上，本发明将EIT技术用于检测微米尺度的异质物，用电学方法实现了其大小、形貌的重建，并能获取其介电分布，相较于光学方法，有效地降低了成本，EIT检测设备相较光学也较为精简，有利于检测设备的量产化和小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器的三维结构示意图；

图2为本发明实施例微流道载体硅片俯视图；

图3为本发明实施例微流道载体硅片晶圆设计图；

图4为本发明实施例上层玻璃芯片俯视图及其局部放大图；

图5为本发明实施例下层玻璃芯片俯视图及其局部放大图；

图6为本发明实施例玻璃-硅-玻璃键合及局部放大双层电极阵列结构示意图；

图7a为本发明实施例流体管道接头主视图；

图7b为本发明实施例流体管道接头俯视图；

图8为本发明实施例相邻电极激励模式示意图；

图9为本发明实施例相对电极激励模式示意图；

附图标记：1、微流道载体硅片；2、上层玻璃芯片；3、下层玻璃芯片；4、流体管道接头；5、下层电极引出接口；6、双层电极阵列中心；7、微流道；8、上层电极引出接口；9-1、第一矩形孔；9-2、第二矩形孔；10、长条孔；11、上层电极；12、第三矩形孔；13、圆孔；14、上层预期流道；15、下层电极；16、第四矩形孔；17、下层预期流道；18、双层电极阵列结构；19、微流道端点；20、晶圆；4-1、下部底座；4-2、上部管道接头；4-3、小孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，基于电阻抗层析成像(EIT)技术，设计了一种微型双层电极阵列结构，采用玻璃-硅片-玻璃结构进行加工实现，解决了微小尺度下EIT进行微通道异质物检测实现困难的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图6所示，本发明实施例提供的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，包括：上层玻璃芯片2、微流道载体硅片1、下层玻璃芯片3和流体管道接头4，所述上层玻璃芯片2和下层玻璃芯片3对称设置在所述微流道载体硅片1的上下两侧，并通过键合方式连接；

所述微流道载体硅片1上开设有长条孔10，所述长条孔10的上、下面贴合所述上层玻璃芯片1、下层玻璃芯片3，配合形成微流道7；如图3所示，所述微流道载体硅片1由晶圆加工而成，同一片晶圆上可加工多个微流道载体硅片，通过光刻方式加工出微流道载体硅片形状后，将微流道载体硅片打磨至设定厚度可对微流道厚度进行控制。

如图4所示，所述上层玻璃芯片2朝向所述微流道载体硅片1的一面设置有多个上层电极11，多个上层电极11的交汇处设置有与所述长条孔10延伸方向一致的上层预期流道14(如图4中虚线)，所述微流道载体硅片1、下层玻璃芯片3上设置相对应的上层电极引出接口8(如图1和图5所示)，所述上层电极引出接口5与多个所述上层电极11的输出端相对应，用于引出上层电极11；

如图5所示，所述下层玻璃芯片3朝向所述微流道载体硅片1的一面设置有多个下层电极15，多个下层电极15的交汇处设置有与所述长条孔10延伸方向一致的下层预期流道17(如图5中虚线)，所述微流道载体硅片1、上层玻璃芯片2上设置相对应的下层电极引出接口5(如图1和图4所示)，所述下层电极引出接口5与多个所述下层电极15的输出端相对应，用于引出下层电极15；所述下层电极15厚度为200nm。

所述下层预期流道17与所述上层预期流道14相对设置，并伸入所述微流道7的中心位置，多个所述上层电极11与多个所述下层电极15形成双层电极阵列结构18，其重合中心为双层电极阵列中心6，作为传感器的敏感元件；所述下层预期流道17内电极分布与上层预期流道14相同，但在流道外，上层电极和下层电极向不同方向延伸方便引出。

所述上层玻璃芯片2上设置有用于安装所述流体管道接头4的圆孔13，所述圆孔13设置有2个，分别设置在所述长条孔10的首端和末端，用于安装两个流体管道接头4，两个所述流体管道接头4分别为进液接头和出液接头。

如图5和图4所示，所述下层电极15沿中心对称设置有8个，中间6个下层电极15相对布置，分布于所述下层预期流道17两侧，边缘2个下层电极15为长电极，贯穿整个下层预期流道17；所述上层电极11与所述下层电极15排布方向垂直，所述上层电极11沿中心对称设置有8个，中间6个上层电极11相对布置，分布于所述上层预期流道14两侧，边缘2个上层电极11为长电极，贯穿整个上层预期流道14。

微流道载体硅片1与上、下层玻璃芯片键合后结果如图6所示。6是电极中心区域的局部放大，上、下层玻璃芯片上的电极重合，在流道内形成如18所示的双层电极阵列结构。微流道端点19与流体管道接头安装位置的中点重合。

如图6、图8和图9所示，所述双层电极阵列结构18用于形成激励测量模式，即一对电极电流激励，一对电极测量电压；其中，电流激励采用的电极对包括相邻电极对和相对电极对，所述相邻电极对指的是上层电极或下层电极中相邻的两个电极，所述相对电极对指的是上层电极或下层电极中上下对应的两个电极；测量电压采用与电流激励完全不同的相邻电极对和相对电极对，完全不同指参与电流激励的电极不参与测量电压。

所述下层电极引出接口5和上层电极引出接口8均为矩形孔。具体地，设置在微流道载体硅片1上的下层电极引出接口5和上层电极引出接口8分别为第一矩形9-1和第二矩形9-2；设置在上层玻璃芯片2上的下层电极引出接口5为第三矩形12，与第一矩形9-1形状对应；设置在下层玻璃芯片3上的下层电极引出接口8为第四矩形16，与第二矩形9-2形状对应。

如图7a和7b所示，所述流体管道接头4包括下部底座4-1和上部管道接头4-2，所述上部管道接头4-2设置有内螺纹，可通过接头连接1/16软管，所述下部底座4-1的中心设置有与所述上部管道接头4-2相连通的小孔4-3，所述小孔4-3与所述微流道7相连通，所述微流道7的首端和末端分别延伸至对应的流体管道接头的小孔4-3位置，即小孔4-3与微流道端点19重合。

本发明提供的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器的加工工艺如下：先加工完成下层玻璃芯片3，将未加工的晶圆20直接键合至下层玻璃芯片3上，再在晶圆20上直接加工出微流道载体硅片1；微流道载体硅片11与上层玻璃芯片2采用附加标记的方式进行对准键合；流体管道接头4穿过上层玻璃芯片2键合覆盖在微流道载体硅片1的长条孔10上。

在本发明的一个具体实施方案中，采用上下各8个共16个电极布置的结构，在流道内部，上下电极完全对称，中间12个电极在流道两侧等间距对称排列，深入流道部分较短，外侧四电极贯穿整个流道，采用该布置模式，使得敏感场更加均匀，且更好的集中在敏感区域内。电极材料采用金，以接触生物材料，且便于引线的加工。装置加工时，首先，在玻璃基底上加工电极，制作出上层与下层玻璃芯片并在其上键合晶圆；其次，在晶圆上加工出硅片形状，并添加用于对准的标记；再次，削减晶圆厚度至需求的流道深度，与上层玻璃芯片对准键合；最后，切割出每个芯片，安装流体管道接头，引出导线，将电极连接至EIT系统。使用时，将含有微粒的液体通过装置内微流道，通过EIT系统对流道中央电极阵列进行激励测量，结合相关算法即可获得异质物位置、形态、大小等空间信息，并能够重建出其电导率与介电常数分布，有利于异质物的分类计数。

在本发明的具体实施方案中，激励-测量电极选用相邻电极对和相对电极对。单层电极内相邻电极激励-测量模式如图8所示。其中实线I、V分别为电流激励和电压测量，虚线V表示该对电极电流激励情况下，其他需要测量的电极对。由图中可以看出，当前激励电极对中的电极，不再参与测量；除此之外，另一层电极的所有8对相邻电极的电压也被测量，可获得更丰富的微流道内异质物分布深度信息。相对电极激励-测量模式如图9所示，实线I、V分别为电流激励和电压测量，相较仅采用相邻电极对，加入该模式额外增加了28组测量信号，使得系统可以获得更丰富的信息。

本发明提供的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，(1)采用在上下两片玻璃芯片上加工电极，在已键合到其中一片玻璃芯片上的微流道载体硅片上刻蚀流道，再与另一侧玻璃芯片键合形成芯片的方法，只需进行一次对准键合，减少了加工过程中的误差；(2)采用双层电极阵列结构，相较于传统仅在单一平面上加工电极的微流道电学传感器，能够获取流道内更多的信息；(3)采用电流激励模式，有效的减少了接触阻抗的影响，采用四端子，并使用相邻电极对加相对电极对做激励测量单元，增加了信息量，提高了EIT系统的成像精度；综上，本发明将EIT技术用于检测微米尺度的异质物，用电学方法实现了其大小、形貌的重建，并能获取其介电分布，相较于光学方法，有效地降低了成本，EIT检测设备相较光学也较为精简，有利于检测设备的量产化和小型化。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，其特征在于，包括：上层玻璃芯片、微流道载体硅片、下层玻璃芯片和流体管道接头，所述上层玻璃芯片和下层玻璃芯片对称设置在所述微流道载体硅片的上下两侧，并通过键合方式连接；所述微流道载体硅片上开设有长条孔，所述长条孔的上、下面贴合所述上层玻璃芯片、下层玻璃芯片，配合形成微流道；

所述上层玻璃芯片朝向所述微流道载体硅片的一面设置有多个上层电极，多个上层电极的交汇处设置有与所述长条孔延伸方向一致的上层预期流道，所述微流道载体硅片、下层玻璃芯片上设置相对应的上层电极引出接口，所述上层电极引出接口与多个所述上层电极的输出端相对应，用于引出上层电极；

所述下层玻璃芯片朝向所述微流道载体硅片的一面设置有多个下层电极，多个下层电极的交汇处设置有与所述长条孔延伸方向一致的下层预期流道，所述微流道载体硅片、上层玻璃芯片上设置相对应的下层电极引出接口，所述下层电极引出接口与多个所述下层电极的输出端相对应，用于引出下层电极；

所述下层预期流道与所述上层预期流道相对设置，并伸入所述微流道的中心位置，多个所述上层电极与多个所述下层电极形成双层电极阵列结构，作为传感器的敏感元件；所述上层玻璃芯片上设置有用于安装所述流体管道接头的圆孔，所述圆孔设置有2个，分别设置在所述长条孔的首端和末端，用于安装两个流体管道接头，两个所述流体管道接头分别为进液接头和出液接头。

2.根据权利要求1所述的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，其特征在于，所述下层电极沿中心对称设置有8个，中间6个下层电极相对布置，分布于所述下层预期流道两侧，边缘2个下层电极为长电极，贯穿整个下层预期流道；所述上层电极与所述下层电极排布方向垂直，所述上层电极沿中心对称设置有8个，中间6个上层电极相对布置，分布于所述上层预期流道两侧，边缘2个上层电极为长电极，贯穿整个上层预期流道。

3.根据权利要求2所述的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，其特征在于，所述双层电极阵列结构用于形成激励测量模式，即一对电极电流激励，一对电极测量电压；其中，电流激励采用的电极对包括相邻电极对和相对电极对，所述相邻电极对指的是上层电极或下层电极中相邻的两个电极，所述相对电极对指的是上层电极或下层电极中上下对应的两个电极；测量电压采用与电流激励完全不同的相邻电极对和相对电极对，完全不同指参与电流激励的电极不参与测量电压。

4.根据权利要求1所述的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，其特征在于，所述下层电极引出接口和上层电极引出接口均为矩形孔。

5.根据权利要求1所述的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，其特征在于，所述流体管道接头包括下部底座和上部管道接头，所述上部管道接头设置有螺纹，用于连接软管，所述下部底座的中心设置有与所述上部管道接头相连通的小孔，所述小孔与所述微流道相连通，所述微流道的首端和末端分别延伸至对应的流体管道接头的小孔位置。

6.根据权利要求1所述的适用于微通道异质物检测的电阻抗层析成像传感器，其特征在于，所述微流道载体硅片由晶圆加工而成，同一片晶圆上可加工多个微流道载体硅片，通过光刻方式加工出微流道载体硅片形状后，将微流道载体硅片打磨至设定厚度可对微流道厚度进行控制。

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