CN116519618A - 光学生物传感模组、光学生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学生物传感模组、光学生物传感器，光学生物传感模组，包括光学生物检测芯片和依次层叠设置于光学生物检测芯片上的供电电路板和电子芯片，供电电路板用于为电子芯片供电，光学生物检测芯片包括基底和设置于基底上的光路和检测元件，光路包括检测光路和/或传导光路；供电电路板的相对设置的两侧表面均设置有导热金属层，两导热金属层分别与电子芯片和光学生物检测芯片相连接，供电电路板上还设有多个通孔，通孔内填充有导热金属材料，导热金属材料分别与两导热金属层、电子芯片和光学生物检测芯片相连接。本发明能使传感器内部的温度分布更加平衡和同步，从而提高传感器的信号稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，更具体地，涉及一种光学生物传感模组、光学生物传感器。
背景技术
植入式光学生物传感器是指植入至人体组织内能对人体组织或组织液的生物参数（例如血糖、酮类、尿酸、乳酸等）进行不间断连续检测的装置。
植入式光学生物传感器对被检测物质的检测属于微弱信号检测，检测信号的精度在皮安级别（10-12A），因此，对检测的精度和稳定性要求很高。
现有植入式光学生物传感器包括包覆层以及容纳在包覆层内部的光源、光学生物检测芯片、光电转化器、供电电路板和电子芯片，光电转换器和电子芯片均设置于供电电路板上，供电电路板用于向光电转化器和电子芯片供电，光学生物检测芯片包括光路和检测元件，光路包括检测光路和/或传导光路，检测元件包括能够与被检测物质发生特异性结合的活性物质（例如酶、抗体等），包覆层设有露出检测元件的开口，检测元件吸附被检测物质，光源通过传导光路照射到被检测物质上，被检测物质吸收光线产生特定的吸收光谱，吸收光谱通过检测光路进入光电转化器，光电转化器将吸收光谱的光信号转化为电信号，电子芯片接收、处理电信号并将电信号传输到外部设备。
在上述植入式光学生物传感器中，光学生物检测芯片通常为基于硅光技术制作的硅基半导体器件，面积在2cm x 3cm左右，光学生物检测芯片上方通常依次堆叠供电电路板和电子芯片，其中，电子芯片是传感器中主要的热源，电子芯片产生的热量会通过供电电路板传导到光学生物检测芯片中，从而进一步传递到植入环境中去，达到热平衡。然而，供电电路板沿厚度方向由绝缘介质层和电路层交叉层叠构成，二者导热系数不同，且绝缘层材料的导热系数普遍偏低，导致供电电路板在平面和厚度两个方向上的因导热不均而产生：温度随电路板平面的分布不均匀，以及温度随着厚度的方向上的分布不均匀。两种分布不均匀会导致光芯片中的差分光路和电路板上的差分电路经历不同的温度分布，和变化趋势。在光学生物检测芯片中，基于硅基的光路器件对温度变化非常敏感，温度不稳定会影响光学生物检测芯片上光路的折射率，从而导致有效折射率、振幅和传播光相位的变化，以及波导的色散的性能，导致检测信号不稳定，出现误差。在电路板的电路中，不同金属材料的结合界面（比如引线键合）上会因为温差而形成电压，会引入额外的干扰信号。尤其在检测信号的精度只有皮安级别（10-12A）的时候，毫摄氏度（10-3℃）级别的温度变化也会对检测精度带来直接影响。
温度不稳定包括两方面：第一，是指光学生物检测芯片本体的温度随时间的变化不稳定；第二，是指传感器内的温度随空间的分布不均匀，在芯片的不同位置分布着不同的光学功能模块，当它们的温度处在不同的变化趋势中，且这种趋势不能重复，从而导致检测信号受到的干扰表现出随机性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种光学生物传感模组、光学生物传感器，使传感器内部的温度分布达到更加平衡和同步的状态，从而提高传感器的信号稳定性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
第一方面，一种光学生物传感模组，包括光学生物检测芯片和依次层叠设置于所述光学生物检测芯片上的供电电路板和电子芯片，所述供电电路板用于为所述电子芯片供电，所述光学生物检测芯片包括基底和设置于基底上的光路和检测元件，所述光路包括检测光路和/或传导光路；
所述供电电路板的相对设置的两侧表面均设置有导热金属层，两所述导热金属层分别与所述电子芯片和所述光学生物检测芯片相连接，所述供电电路板上还设有多个通孔，所述通孔内填充有导热金属材料，所述导热金属材料分别与两所述导热金属层、所述电子芯片和所述光学生物检测芯片相连接。
第二方面，一种光学生物传感器，包括上述的光学生物传感模组。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明实施例本发明通过在供电电路板的上表面设置导热金属层，使电子芯片产生的热量在供电电路板平面上均匀分布，避免热量集中，并且通过在供电电路板上设置通孔以及填充于通孔内的导热金属材料，使热量沿厚度方向迅速扩散到光学生物检测芯片中，通过在供电电路板的下表面设置导热金属层，使热量均匀扩散到光学生物检测芯片中，总之，本发明能使电子芯片产生的热量快速、均匀的扩散到光学生物检测芯片中，增强传感器的信号稳定性和准确性，减小检测误差，可以在植入环境内，稳定的测量皮安（10-12A）级别的电流。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1是本发明一具体实施例的光学生物传感器模组的侧视结构示意图。
图2是本发明一具体实施例的光学生物传感器模组的俯视结构示意图。
图3是本发明一具体实施例的供电电路板的等效热传导效率和通孔面积比例的关系图。
图4是本发明一具体实施例的供电电路板上的通孔单元的结构示意图。
图5是本发明一具体实施例的供电电路板的截面结构示意图。
图6是本发明一具体实施例的光学生物传感器的结构示意图。
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作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。
第一方面，本发明公开了一种光学生物传感模组10，参考图1和图2，包括光学生物检测芯片11和依次层叠设置于光学生物检测芯片11上的供电电路板12和电子芯片13，供电电路板12用于为电子芯片13供电和通讯，光学生物检测芯片11包括基底111和设置于基底111上的光路113和检测元件112，光路113包括检测光路和/或传导光路，检测元件112包括但不限于能够与被检测物质发生特异性结合的活性物质（例如酶、抗体等），或者可直接通过光进行物质检测，供电电路板12的相对设置的两侧表面均设置有导热金属层121，两导热金属层121分别与电子芯片13和光学生物检测芯片11相连接，供电电路板12上还设有多个通孔122，通孔122内填充有导热金属材料123，导热金属材料123分别与两导热金属层121、电子芯片13和光学生物检测芯片11相连接。
本发明通过在供电电路板12的上表面设置导热金属层121，使电子芯片13产生的热量在供电电路板12平面上均匀散热，避免热量集中，通过在供电电路板12上设置通孔122以及填充于通孔122内的导热金属材料123，使热量沿厚度方向迅速扩散到光学生物检测芯片11中，通过在供电电路板12的下表面设置导热金属层121，使热量均匀扩散到光学生物检测芯片11中，总之，本发明能使电子芯片13产生的热量快速、均匀的扩散到光学生物检测芯片11中，增强传感器的信号稳定性和准确性，减小检测误差，可以在植入环境内，稳定的测量皮安（10-12A）级别的电流。
在上述技术方案中，电子芯片13的数量至少为一个。
在上述技术方案中，导热金属层121铺满供电电路板12的整个上、下表面，电子芯片13产生的热量首先通过导热金属层121在平面内均匀分布，然后，与导热金属层121相连接的导热金属材料123将热量在厚度方向迅速传递到光学生物检测芯片11中，光学生物检测芯片11易散热，热量能迅速、均匀的在整个光学生物检测芯片11中传导，达到热量在时间和空间分布上的热均衡，增强检测信号的稳定性。当然，如果供电电路板12的上、下表面设置有电路，导热金属层121应避开电路，不影响供电电路板12的正常工作。
在一具体实施例中，通孔122的面积占供电电路板12总面积的比例为1%~25%，优选为15%~25%，当通孔122所占的面积超过15%以后，可以提供与相对较好的热传导材料AI2O3相当的热传导系数，这样极大的提升了散热效率，同时也大幅度的降低了成本。
参考图3，在一具体实施例中，供电电路板12包括交叉层叠的FR4绝缘介质层126和电路层125，从图中可以看到：无通孔122的电路板的热传导系数是0.4W/mK，是非常不好的导热材料，当通孔122所占的面积超过15%以后，供电电路板12的整体的热传导系数已经超过25W/mK，当通孔122面积可以占到线路板总面积的20%左右，基于FR4的线路板的散热性能可以和AI2O3相当。相对较好的热传导材料是AI2O3，其热传导系数为30 W/mK。
在一具体实施例中，通孔122的数量为多个，多个通孔122在供电电路板12上分布，通孔122的直径为5μm~5000μm，相邻通孔122之间的距离为5μm~1200μm。参考图4，在本具体实施例中，通孔122以正方形矩阵的方式在供电电路板12上均匀分布，通孔122的直径为50μm，相邻通孔122之间的距离为200μm，此时，通孔122的面积占比为19.6%。可以非常有效的提高线路板的散热功能。有效热导率可以提高到30W/mK的程度，和Al2O3相当。
参考图5，在一具体实施例中，通孔122内填充导热金属材料123后可以为垂直式结构或错层式结构。错层式结构主要是在线路板内部的电路上、下方填充导热金属材料123形成。
参考图1，在一具体实施例中，光学生物传感模组10还包括设置于光学生物检测芯片11和供电电路板12之间的胶黏层14，通过胶黏层14使光学生物检测芯片11、供电电路板12和电子芯片13构成一整体。制备时，可以采用高温高压的方式，通过上、下压力模具将光学生物检测芯片11、供电电路板12和电子芯片13压制成一整体，可尽量避免层间出现气泡。
进一步的，供电电路板12上还具有直径较大的贯穿孔124，贯穿孔124的直径为0.005mm~5mm，设置贯穿孔124的目的是在胶黏时便于排出胶黏层14的气泡，避免气泡影响热量传递的均匀性。
在一具体实施例中，基底111为硅基半导体基底，具体的，可以为纯硅半导体基底、氮化硅半导体基底、碳化硅半导体基底等。
供电电路板12包括交叉层叠的电路层125和绝缘介质层126，绝缘介质层126的导热率较低，因此，较优的，使用薄的绝缘介质层126，提高温度传递的效率，绝缘介质层126的厚度为10μm~150μm，供电电路板12的厚度为50μm~400μm。
绝缘介质层126的材料可以选自PI、FR4或者SiO2等。
参考图5，供电电路板12包括至少一层电路层125，较优的，供电电路板12的至少一侧表面为电路层125，电路层125分别直接与光学生物检测芯片11和/或电子芯片13相连接，两侧表面的电路层125上没有电路的地方设置导热金属层121，一方面，电路层125可增强热量传递，另一方面，减少绝缘介质层126的厚度，使热量能快速传递。
在另一实施例中，供电电路板12的两侧表面为绝缘层，则可以两侧表面的绝缘层上分别设置导热金属层121，使导热金属层121分别与导热金属材料123、电子芯片13和光学生物检测芯片11均相连接，光学生物检测芯片11上方的导热金属层121能使导热金属材料123传递的热量更均匀的进入光学生物检测芯片11。
在一具体实施例中，光学生物检测芯片11还包括设置于基底111上的参比元件114，检测元件112用于检测被检测物质和检测环境的双重信息，参比元件114用于检测环境的信息，通过双路信息可以排除环境信息，只留下被检测物质的信息，从而可以大大的提高检测精度。
第二方面，参考图6，本发明还提供了一种光学生物传感器，包括包覆层20和容纳于包覆层20内的上述光学生物传感模组10、光源30和光电转化器40，光源30、光电转化器40和电子芯片13分别设置于供电电路板12上，供电电路板12为光电转化器40、光源30和光电转化器40提供电源，包覆层20上设有露出检测元件112的开口21。
本发明的光路113采用渐逝波的方式测量组织内的被检测物质。渐逝波是指在光路113介质界面上被全反射所阻挡的波在界面上衰减的电磁波。它的电场和磁场分别垂直于界面，呈指数衰减，只在接近界面的一段区域内存在。渐逝波是一种非传统的电磁波，不会在介质中传播，但它可以在介质表面上与活性物质发生相互作用，常用于界面的光学测量和生物传感等领域。
检测时，检测元件112结合被检测物质，光源30经传导光路照射到被检测物质上，被检测物质吸收光线产生特定的吸收光谱，吸收光谱通过检测光路进入光电转化器40，光电转化器40将吸收光谱的光信号转化为电信号，电子芯片13接收、处理电信号并将电信号传输到外部设备。
本发明的光学生物传感器进一步为植入式光学生物传感器，能够对组织内的被检测物质进行不间断连续监测，可帮助患者更准确的掌握组织内被检测物质的实时含量变化。
本发明的光学生物传感器的检测信号的精度只有皮安级别（10-12A）。
本发明的光学生物传感器可以用于检测组织液中的尿素、肌酐、甘油三酯、蛋白质、胆固醇、乙醇、酮体、激素或乳酸等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光学生物传感模组，其特征在于，包括光学生物检测芯片和依次层叠设置于所述光学生物检测芯片上的供电电路板和电子芯片，所述供电电路板用于为所述电子芯片供电，所述光学生物检测芯片包括基底和设置于基底上的光路和检测元件，所述光路包括检测光路和/或传导光路；
所述供电电路板的相对设置的两侧表面均设置有导热金属层，两所述导热金属层分别与所述电子芯片和所述光学生物检测芯片相连接，所述供电电路板上还设有多个通孔，所述通孔内填充有导热金属材料，所述导热金属材料分别与两所述导热金属层、所述电子芯片和所述光学生物检测芯片相连接。
2.根据权利要求1所述的光学生物传感模组，其特征在于，所述通孔的面积占所述供电电路板总面积的比例为1%~25%。
3.根据权利要求2所述的光学生物传感模组，其特征在于，所述通孔在所述供电电路板上分布，所述通孔的直径为5μm~5000μm；相邻所述通孔之间的距离为5μm~1200μm。
4.根据权利要求1所述的光学生物传感模组，其特征在于，还包括设置于所述光学生物检测芯片和所述供电电路板之间的胶黏层。
5.根据权利要求4所述的光学生物传感模组，其特征在于，所述供电电路板上还具有贯穿孔，所述贯穿孔的直径为0.005mm~5mm。
6.根据权利要求1所述的光学生物传感模组，其特征在于，所述基底为硅基半导体基底。
7.根据权利要求1所述的光学生物传感模组，其特征在于，所述供电电路板包括交叉层叠的电路层和绝缘介质层，所述绝缘介质层的厚度为10μm~150μm，所述供电电路板的厚度为50μm~400μm。
8.根据权利要求1所述的光学生物传感模组，其特征在于，所述光学生物检测芯片还包括设置于所述基底上的参比元件。
9.一种光学生物传感器，其特征在于，包括如权利要求1~8中任意一项所述的光学生物传感模组。
10.根据权利要求9所述的光学生物传感器，其特征在于，还包括包覆层、光源和光电转化器，所述光学生物传感模组、所述光源和所述光电转化器均容纳于所述包覆层内，所述光源和所述光电转化器设置于所述供电电路板上，所述供电电路板还为所述光源和所述光电转化器供电，所述包覆层上设有露出所述检测元件的开口。
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