CN114767098A - 一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗检测设备和集成电路技术设计领域，公开了一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法，包括接收端、发射端和互感天线，发射端包括匹配网络、开关和检测单元，发射天线T2连接至匹配网络，匹配网络与开关连接，开关连接检测单元，检测单元包括电源管理单元、电流频率转换单元和硅基传感器，电源管理单元用于产生标准电压与电流信号，电流频率转换单元将硅基传感器检测到的电信号转化为频率信号，该信号控制开关，开关通过通断调制发射天线负载。本发明与硅基芯片具有良好的兼容性，并且可以实现无线传输，与传统的连续血糖监测系统相比，本发明传感器的体积小，制作工艺相对简单，制作成本低。

Description

一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法

技术领域

本发明属于医疗检测设备和集成电路技术设计领域，尤其涉及一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法。

背景技术

现有的血糖仪是通过指尖采血法来检测血液葡萄糖浓度来调节饮食，从而控制血糖。糖尿病人的血糖一旦控制不好，会引发一些并发症，如酮酸中毒、昏迷、肾衰竭、下肢坏疽。现有的血糖监测仪和检测方法不能实时反馈病人的血糖变化，因此不能真实地反映病人的生理情况。连续血糖监测是将葡萄糖传感器植入皮下，实时监测组织液中的葡萄糖浓度值，根据测得的葡萄糖浓度来调整糖尿病人自身的血糖水平，从而使血糖稳定在正常的范围内。

但是目前大多检测系统有着大尺寸，使用寿命短的缺点，为了使植入式设备使用方便并且能够长时间监测血糖浓度，一种新型的精密地连续葡萄糖检测微系统显得非常必要。

传统的电信号检测方法会使用数模转换器（ADC）检测和有源天线传输的方法。这些方法会先将电信号转化为数字信号，再通过有源天线进行发射。这样虽然能取得较好的检测精度与传输距离，但会大大增加芯片电路的整体功耗和面积，不适合无线供电系统，也不适合长期佩戴的微小传感器使用。

发明内容

本发明目的在于提供一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法，以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法的具体技术方案如下：

一种硅基的连续葡萄糖检测微装置，包括接收端、发射端和互感天线，所述接收端和发射端通过互感天线传输信号，所述互感天线由设置在接收端的接收天线T1和设置在发射端的发射天线T2组成；所述发射端包括匹配网络、开关和检测单元，所述发射天线T2连接至匹配网络，所述匹配网络与开关连接，所述开关连接检测单元，所述检测单元包括电源管理单元、电流频率转换单元和硅基传感器，所述硅基传感器连接电流频率转换单元，所述电流频率转换单元连接开关，所述电源管理单元连接电流频率转换单元和硅基传感器，所述电源管理单元用于产生标准电压与电流信号，所述电流频率转换单元将硅基传感器检测到的电信号转化为频率信号，该信号控制开关，所述开关通过通断调制发射天线负载。

进一步的，所述接收端设有读取器，用于接收并读取发射端反射的射频信号，所述发射天线T2和匹配网络用于射频信号传输，所述匹配网络用于实现射频信号的最大增益传输，所述开关通过通断控制发射天线T2和谐振网络的负载，从而调制发射信号的强度。

进一步的，所述电流频率转换单元包括恒电位器和电流控制频率产生器，所述恒电位器与硅基传感器中的参比电极和对电极连接，所述恒电位器控制参比电极与对电极之间的电压，使其电压保持恒定，所述电流控制频率产生器输入被检测电流信号，并将其转换为频率。

进一步的，所述电流控制频率产生器输入为硅基传感器的检测电流，通过电化学反应产生与被检测物质浓度成正比的检测电流，所述检测电流与电流控制频率产生器输出的频率成正比。

进一步的，包括射频信号源、功率放大器、双工器、整流器和滤波器，所述射频信号源输入到功率放大器，所述功率放大器连接双工器，所述双工器连接读取器和接收天线T1，所述整流器并联在匹配网络和开关之间，所述整流器输出连接滤波器，所述滤波器连接检测单元，整流器、滤波器给检测单元供电。

进一步的，检测微装置通过MEMS加工工艺制作在基底上，所述基底一端为带尖锐刺头的植入端，另一端为露在皮肤表面的数据处理发射端；所述植入端包括传感器电极和导线，所述传感器电极包括工作电极、参比电极和对电极；所述数据处理发射端包括焊盘、芯片和互感天线；所述芯片包括整流器、滤波器、电流频率转换单元、电源管理单元、开关和匹配网络；所述芯片与互感天线和植入端电连接，并通过无线供电进行工作。

进一步的，所述基底包括衬底以及覆盖在衬底上的绝缘层，所述传感器电极通过导线与焊盘连接，所述焊盘与芯片连接；所述衬底的材料为硅，所述绝缘层材料为氧化硅；所述传感器电极的形状为方形，所述参比电极包括参比电极层和银层；所述导线包括导线层和绝缘层，所述绝缘层为氧化硅。

进一步的，所述工作电极表面由金属导电层、酶催化层和高分子材料扩散层构成，所述金属导电层由铂纳米颗粒构成，所述酶催化层由聚苯胺纤维和葡萄糖氧化酶构成，所述高分子材料扩散层由聚氨酯构成，

本发明还公开了一种制作硅基的连续葡萄糖检测微装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：在基底上涂覆一层光刻胶，曝光显影后形成传感器电极、导线和焊盘的形状，其中传感器电极包括工作电极、参比电极和对电极；

步骤2：然后通过等离子体刻蚀工艺形成传感器电极凹槽，通过溅射工艺在基底表面沉积一次金属薄膜通过玻璃工艺将光刻胶及其表面的金剥离，即在基底表面留下工作电极、参比电极层和对电极；

步骤3：采用步骤2同样的工艺，在参比电极层表面制作银层，并将其放入盐酸溶液中进行氯化，进一步形成银/氯化银表层；

步骤4：采用步骤2同样的工艺在导线表面沉积绝缘层；

步骤5：在基底上通过溅射工艺沉积几个微米的铝作为互感天线材料，再通过光刻曝光显影工艺形成互感天线的形状，最后通过湿法刻蚀及去胶工艺形成互感天线。

进一步地，所述步骤2通过溅射工艺在基底表面沉积一次厚度100纳米的金属薄膜金，所述步骤3银层的厚度为100纳米，所述步骤3包括将工作电极浸于氯铂酸溶液中进行纳米铂颗粒沉积，然后浸于苯胺-盐酸溶液进行电聚合，形成聚苯胺纳米纤维，最后表面滴定葡萄糖氧化酶，并在37°C下与25%的戊二醛进行交联1小时；所述步骤4绝缘层为钛或二氧化硅。

本发明的一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法具有以下优点：本发明实现了用于检测葡萄糖浓度的硅基传感器微系统，与硅基芯片具有良好的兼容性，并且可以实现无线传输，与传统的连续血糖监测系统相比，本发明可以实现与硅基芯片良好的兼容性，并且本发明传感器的体积小，制作工艺相对简单，制作成本低。

附图说明

图1是本发明的总体电路模块框图；

图2是本发明电流频率转换单元模块框图；

图3是本发明的电流频率转换单元的反向散射电信号无线供电信号检测电路原理图；

图4是本发明的无线供电模块框图

图5是本发明的硅基的连续葡萄糖检测微装置结构示意图；

图6是图5的A-A剖面图；

图7是图5中工作电极的B-B剖面图；

图中标记说明：1、基底；1-1、数据处理发射端；1-2、植入端；2、工作电极；3、参比电极；4、对电极；5、导线；6、焊盘；7、芯片；8、互感天线；9、金属导电层；10、酶催化层；11、高分子材料扩散层；1a、衬底；1b、绝缘层；3a、参比电极层；3b、银层。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种硅基的连续葡萄糖检测微装置及制作方法做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的一种硅基的连续葡萄糖检测微装置包括：接收端、发射端和互感天线，接收端和发射端通过互感天线传输信号，其中，互感天线由设置在接收端的接收天线T1和设置在发射端的发射天线T2组成。发射端包括：匹配网络、开关和检测单元，发射天线T2连接至匹配网络，匹配网络与开关连接，开关连接检测单元。检测单元包括电源管理单元、电流频率转换单元和硅基传感器。硅基传感器连接电流频率转换单元，电流频率转换单元连接开关，电源管理单元连接电流频率转换单元和硅基传感器，电源管理单元用于产生标准电压与电流信号。电流频率转换单元将硅基传感器检测到的电信号转化为频率信号，该信号控制开关，开关通过通断调制发射天线负载。

接收端设有读取器，用于接收并读取发射端反射的射频信号。发射天线T2和匹配网络用于射频信号传输，匹配网络用于实现射频信号的最大增益传输，开关通过通断控制发射天线T2和谐振网络的负载，从而调制发射信号的强度。

如图2所示，电流频率转换单元包括恒电位器和电流控制频率产生器。恒电位器与硅基传感器中的参比电极和对电极连接，由此通过恒电位器控制参比电极与对电极之间的电压，使其电压保持恒定。电流控制频率产生器输入被检测信号，并将其转换为频率。

如图3所示，电流控制频率产生器输入为硅基传感器的检测电流，通过电化学反应产生与被检测物质浓度成正比的检测电流。检测电流与电流控制频率产生器输出的频率成正比。即被检测物质浓度与输出频率成正比，由此来判断传感器周围体液的葡萄糖浓度值。电流控制频率产生器输出为频率信号。

如图4所示,硅基的连续葡萄糖检测微装置还包括射频信号源、功率放大器、双工器、整流器和滤波器。射频信号源输入到功率放大器，功率放大器连接双工器，双工器连接读取器和接收天线T1。整流器并联在匹配网络和开关之间，整流器输出连接滤波器，滤波器连接检测单元。射频信号源产生无线供电频率f2，输入功率放大器，功率放大器将信号传入双工器，读取器读取来自双工器的传输数据频率f1，接收天线T1发射无线供电频率给发射天线T2，整流器输入来自发射天线T2和匹配网络的交流信号，将其变为直流信号，并将输出信号输入滤波器进一步滤除高频信号，滤波器将其输出的直流信号作为直流供电，给整个检测单元供电，电源管理单元产生标准电压与电流信号，硅基传感器的检测电流输入到电流频率转换单元内，电流频率转换单元将被检测电信号转化为频率信号，该信号控制开关实现混频后通过发射天线T2发射数据信号频率给接收天线T1，接受天线T1将信号发射回读取器中。

如图5所示为硅基的连续葡萄糖检测微装置的具体结构，硅基的连续葡萄糖检测微装置通过MEMS加工工艺制作在基底1上，基底1一端为带尖锐刺头的植入端1-2，植入端1-2置入测试者皮下，另一端为露在皮肤表面的数据处理发射端1-1。植入端1-2具有传感器，用于检测测试者体内的葡萄糖浓度，数据处理发射端1-1用于对检测数据进行处理后发射到接收端。植入端1-2包括传感器电极和导线5。传感器电极包括工作电极2、参比电极3和对电极4。数据处理发射端1-1包括焊盘6、芯片7和互感天线8。芯片7包括整流器、滤波器、电流频率转换单元、电源管理单元、开关和匹配网络。芯片7与互感天线8和植入端1-2电连接，并通过无线供电进行工作。

如图6所示为本发明硅基的连续葡萄糖检测微装置沿A-A的剖面图。检测微装置的基底1包括衬底1a以及覆盖在衬底上的绝缘层1b。传感器电极通过导线5与焊盘6连接，焊盘6与芯片7连接。衬底1a的材料为硅，绝缘层1b材料为氧化硅。传感器电极的形状为方形。参比电极3包括参比电极层3a和银层3b。导线5包括导线层5a和绝缘层5b，绝缘层5b为氧化硅。

如图7所示为图5中工作电极的B-B剖视图，其中，工作电极2表面由金属导电层9、酶催化层10和高分子材料扩散层11构成。为微型硅基传感器提供了一种高灵敏度及高稳定性的传感结构。金属导电层9由铂纳米颗粒构成，能够有效提高传感器的灵敏度。酶催化层10由聚苯胺纤维和葡萄糖氧化酶构成，聚苯胺纤维的三维结构能够在电极表面固定过量的葡萄糖氧化酶，从而防止酶饱和。高分子材料扩散层11由聚氨酯构成，聚氨酯半透膜使硅基传感器更稳定，并能提高检测范围。

本发明硅基的连续葡萄糖检测微装置的制作过程如下：

1. 在基底1上涂覆一层光刻胶，曝光显影后形成传感器电极、导线5和焊盘6的形状，其中传感器电极包括工作电极2、参比电极3和对电极4；

2. 然后通过等离子体刻蚀工艺形成传感器电极凹槽，通过溅射工艺在基底1表面沉积一次金属薄膜（铬/金），本实施例采用厚度100纳米的金，通过玻璃工艺将光刻胶及其表面的金剥离，即在基底表面留下工作电极2、参比电极层3a和对电极4。

3. 采用步骤2同样的工艺，在参比电极层3a表面制作银层3b，厚度为100纳米，并将其放入盐酸溶液中进行氯化，进一步形成银/氯化银表层。将工作电极浸于氯铂酸溶液中进行纳米铂颗粒沉积，然后浸于苯胺-盐酸溶液进行电聚合，形成聚苯胺纳米纤维，最后表面滴定葡萄糖氧化酶，并在37°C下与戊二醛（25%）进行交联1小时。

4. 采用步骤2同样的工艺在导线5a表面沉积绝缘层5b，绝缘层5b为钛或二氧化硅。

5. 在基底1上通过溅射工艺沉积几个微米的铝作为互感天线8材料，再通过光刻曝光显影工艺形成互感天线8的形状，最后通过湿法刻蚀及去胶工艺形成互感天线8。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种硅基的连续葡萄糖检测微装置，包括接收端、发射端和互感天线，所述接收端和发射端通过互感天线传输信号，所述互感天线由设置在接收端的接收天线T1和设置在发射端的发射天线T2组成；所述发射端包括匹配网络、开关和检测单元，所述发射天线T2连接至匹配网络，所述匹配网络与开关连接，所述开关连接检测单元，其特征在于，所述检测单元包括电源管理单元、电流频率转换单元和硅基传感器，所述硅基传感器连接电流频率转换单元，所述电流频率转换单元连接开关，所述电源管理单元连接电流频率转换单元和硅基传感器，所述电源管理单元用于产生标准电压与电流信号，所述电流频率转换单元将硅基传感器检测到的电信号转化为频率信号，该信号控制开关，所述开关通过通断调制发射天线负载。

2.根据权利要求1所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置，其特征在于，所述接收端设有读取器，用于接收并读取发射端反射的射频信号，所述发射天线T2和匹配网络用于射频信号传输，所述匹配网络用于实现射频信号的最大增益传输，所述开关通过通断控制发射天线T2和谐振网络的负载，从而调制发射信号的强度。

3.根据权利要求1所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置，其特征在于，所述电流频率转换单元包括恒电位器和电流控制频率产生器，所述恒电位器与硅基传感器中的参比电极和对电极连接，所述恒电位器控制参比电极与对电极之间的电压，使其电压保持恒定，所述电流控制频率产生器输入被检测电流信号，并将其转换为频率。

4.根据权利要求1所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置，其特征在于，所述电流控制频率产生器输入为硅基传感器的检测电流，通过电化学反应产生与被检测物质浓度成正比的检测电流，所述检测电流与电流控制频率产生器输出的频率成正比。

5.根据权利要求1所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置，其特征在于，包括射频信号源、功率放大器、双工器、整流器和滤波器，所述射频信号源输入到功率放大器，所述功率放大器连接双工器，所述双工器连接读取器和接收天线T1，所述整流器并联在匹配网络和开关之间，所述整流器输出连接滤波器，所述滤波器连接检测单元，整流器、滤波器给检测单元供电。

6.根据权利要求1所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置，其特征在于，检测微装置通过MEMS加工工艺制作在基底（1）上，所述基底（1）一端为带尖锐刺头的植入端（1-2），另一端为露在皮肤表面的数据处理发射端（1-1）；所述植入端（1-2）包括传感器电极和导线（5），所述传感器电极包括工作电极（2）、参比电极（3）和对电极（4）；所述数据处理发射端（1-1）包括焊盘（6）、芯片（7）和互感天线（8）；所述芯片（7）包括整流器、滤波器、电流频率转换单元、电源管理单元、开关和匹配网络；所述芯片（7）与互感天线（8）和植入端（1-2）电连接，并通过无线供电进行工作。

7.根据权利要求6所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置，其特征在于，所述基底（1）包括衬底（1a）以及覆盖在衬底上的绝缘层（1b），所述传感器电极通过导线（5）与焊盘（6）连接，所述焊盘（6）与芯片（7）连接；所述衬底（1a）的材料为硅，所述绝缘层（1b）材料为氧化硅；所述传感器电极的形状为方形，所述参比电极（3）包括参比电极层（3a）和银层（3b）；所述导线（5）包括导线层（5a）和绝缘层（5b），所述绝缘层（5b）为氧化硅。

8.根据权利要求6所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置，其特征在于，所述工作电极（2）表面由金属导电层（9）、酶催化层（10）和高分子材料扩散层（11）构成，所述金属导电层（9）由铂纳米颗粒构成，所述酶催化层（10）由聚苯胺纤维和葡萄糖氧化酶构成，所述高分子材料扩散层（11）由聚氨酯构成。

9.一种制作如权利要求1-8任一项所述的硅基的连续葡萄糖检测微装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在基底（1）上涂覆一层光刻胶，曝光显影后形成传感器电极、导线（5）和焊盘（6）的形状，其中传感器电极包括工作电极（2）、参比电极（3）和对电极（4）；

步骤2：然后通过等离子体刻蚀工艺形成传感器电极凹槽，通过溅射工艺在基底（1）表面沉积一次金属薄膜通过玻璃工艺将光刻胶及其表面的金剥离，即在基底表面留下工作电极（2）、参比电极层（3a）和对电极（4）；

步骤3：采用步骤2同样的工艺，在参比电极层（3a）表面制作银层（3b），并将其放入盐酸溶液中进行氯化，进一步形成银/氯化银表层；

步骤4：采用步骤2同样的工艺在导线（5a）表面沉积绝缘层（5b）；

步骤5：在基底（1）上通过溅射工艺沉积几个微米的铝作为互感天线（8）材料，再通过光刻曝光显影工艺形成互感天线（8）的形状，最后通过湿法刻蚀及去胶工艺形成互感天线（8）。

10.根据权利要求9所述的制作硅基的连续葡萄糖检测微装置的方法，其特征在于，所述步骤2通过溅射工艺在基底（1）表面沉积一次厚度100纳米的金属薄膜金，所述步骤3银层（3b）的厚度为100纳米，所述步骤3包括将工作电极浸于氯铂酸溶液中进行纳米铂颗粒沉积，然后浸于苯胺-盐酸溶液进行电聚合，形成聚苯胺纳米纤维，最后表面滴定葡萄糖氧化酶，并在37°C下与25%的戊二醛进行交联1小时；所述步骤4绝缘层（5b）为钛或二氧化硅。

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