CN118032726A - 一种荧光猝灭氧传感器及气体氧浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光猝灭氧传感器及气体氧浓度检测方法，涉及气体传感器领域。所述传感器包括：设置有激发光源的上层结构、设置有荧光检测单元的下层结构以及设置有第一空腔的中层结构，第一空腔内设置有透明基板，透明基板上设置有荧光层；第一空腔的侧壁穿设有通孔；其中，上层结构、中层结构和下层结构均由硅基材料MEMS工艺一体成型，沿激发光源的光路方向依次键合连接；所述荧光层位于激发光源的输出光线路径上。相较于现有技术，本发明所述传感器体积小，且密封性强，针对荧光的检测敏感度较高。

Description

一种荧光猝灭氧传感器及气体氧浓度检测方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种荧光猝灭氧传感器及气体氧浓度检测方法。

背景技术

氧传感器是测量氧含量的理想工具，广泛用于制药、食品、生命科学、过程控制、细胞组织分析等领域，对灵敏度要求较高。

现有的氧传感器主要有电化学氧传感器、氧化锆氧传感器、红外线氧传感器、光学氧传感器、超声波氧传感器、极谱氧传感器、顺磁氧传感器等类型。其中，光学氧传感器是针对氧气浓度低的情况下，对氧气进行测量的最佳选择。

该最佳选择主要基于光学氧传感器的检测原理而定，现有技术中，光学氧传感器是通过荧光猝灭原理实现氧气浓度检测：在一定的氧气存在下，氧在扩散过程中，与处于激发态的荧光物质发生碰撞，激发态的荧光物质将能量转移给氧后回到基态，从而造成荧光强度下降，但是，碰撞后两者立即分开，荧光分子并没有发生化学变化，因此氧对荧光分子的猝灭是可逆的，不消耗氧，且荧光物质的猝灭程度与氧分子浓度呈正相关，通过检测产生的发光强度变化，可实现对氧气浓度的测量。现有的光学氧传感器主要由发光二极管和光敏元件组成，并采用TO封装工艺，其存在体积大、密封性弱、检测敏感度低的缺陷。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的体积大、密封性弱、检测敏感度低的缺陷，提供一种荧光猝灭氧传感器及气体氧浓度检测方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

第一方面，一种荧光猝灭氧传感器，包括上层结构、下层结构和中层结构；

所述上层结构设置有激发光源；所述下层结构设置有用于接收荧光的荧光检测单元；所述中层结构设置在所述上层结构和所述下层结构之间，所述中层结构设置有第一空腔，所述第一空腔内设置有透明基板，所述透明基板上设置有荧光层；所述第一空腔的侧壁穿设有通孔；其中，所述上层结构、所述中层结构和所述下层结构均由硅基材料通过MEMS工艺一体成型，所述上层结构、所述中层结构和所述下层结构沿所述激发光源的光路方向依次键合连接；所述荧光层位于所述激发光源的输出光线路径上。

在第一方面的一些实施方式中，所述荧光层至少由氧敏感荧光指示剂、高分子聚合物和溶剂制作成型；其中，所述高分子聚合物为乙酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和室温硫化硅橡胶中的任意一种；所述溶剂包括可溶解所述高分子聚合物的丙酮或N，N-二甲基乙酰胺；所述氧敏感荧光指示剂包括钌化合物、钌邻菲咯啉、过渡金属有机配合物、多环芳香烃有机染料或C60。

在第一方面的一些实施方式中，所述荧光层至少由氧敏感荧光指示剂和溶胶凝固层制作成型；其中，所述氧敏感荧光指示剂包括钌化合物、钌邻菲咯啉、过渡金属有机配合物、多环芳香烃有机染料或C60；所述溶胶凝固层由无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化后，热处理成型。

在第一方面的一些实施方式中，沿所述激发光源的光路方向，所述中层结构具有相对的第一端面和第二端面，所述透明基板具有相对的第一表面和第二表面；其中，所述透明基板设置在靠近所述第一端面一侧，所述荧光层完全覆盖在所述透明基板的所述第二表面，样本气体经所述通孔通入至所述第二表面上；或所述透明基板设置在靠近所述第二端面一侧，所述荧光层完全覆盖在所述透明基板的所述第一表面，样本气体经所述通孔通入至所述第一表面上。

在第一方面的一些实施方式中，所述透明基板上贯穿设置有安装孔，所述荧光层成型在所述安装孔内，所述荧光层的两面分别与所述透明基板两侧的经所述通孔通入的样本气体接触。

在第一方面的一些实施方式中，所述激发光源为MEMS红外光源。

在第一方面的一些实施方式中，所述荧光检测单元包括光敏元件与信号处理电路，所述光敏元件与所述信号处理电路连通；所述光敏元件将感受到的荧光强度变化转化为电信号，所述信号处理电路根据电信号处理得到样本气体的氧浓度。

在第一方面的一些实施方式中，所述光敏元件为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光敏集成传感器。

在第一方面的一些实施方式中，所述荧光猝灭氧传感器还包括微泵；所述通孔贯穿所述第一空腔互为相对的内壁，使所述中层结构的两组侧壁上分别穿设有进气口和出气口；其中，所述微泵经所述出气口与所述第一空腔连通，所述微泵通过所述出气口抽出所述第一空腔内的样本气体，使外部的样本气体通过所述进气口进入所述第一空腔内。

第二方面，一种气体氧浓度检测方法，由第一方面所述的传感器执行，包括：

令所述上层结构的所述激发光源处于工作状态，发出激发光，所述荧光层响应于所述激发光产生荧光；

令样本气体经所述通孔进入所述中层结构的所述第一空腔接触所述荧光层；

当所述样本气体中含有氧气时，所述荧光层产生的荧光强度下降，所述荧光检测单元通过接收到的荧光的变化实现样本气体中氧浓度的检测。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明公开了一种荧光猝灭氧传感器及气体氧浓度检测方法，所述传感器基于MEMS技术制备，通过MEMS键合工艺使得上层结构、中层结构及下层结构紧密接触并作为支撑结构，将透明基板、荧光层及荧光检测单元设置在所述激发光源的输出光路上，使得荧光层受源于激发光源出射的激发光激发产生荧光；同时将第一空腔作为气室，当气体经通孔进入气室后与荧光层接触，基于荧光猝灭原理，荧光检测单元通过检测所述荧光层受激发后荧光强度的变化，实现对气体中氧浓度的测量。相较于现有技术，本发明所述传感器体积小，且密封性强，检测过程不消耗氧，有利于防止外部光源对荧光检测单元的影响，针对荧光的检测敏感度较高，特别适用于低氧场景。

附图说明

图1为本申请实施例1中荧光猝灭氧传感器的立体示意图；

图2为本申请实施例1中荧光猝灭氧传感器的截面示意图；

图3为本申请实施例1中中层结构的俯视示意图；

图4为本申请实施例1中荧光猝灭氧传感器的另一截面示意图；

图5为本申请实施例1中荧光猝灭氧传感器的又一截面示意图；

图6为本申请实施例2中带有微泵的荧光猝灭氧传感器的截面示意图；

图7为本申请实施例3中一种气体氧浓度检测方法的流程示意图；

其中，附图标记如下：

10-上层结构；20-下层结构；30-中层结构；40-微泵；101-激发光源；201-荧光检测单元；301-第一空腔；302-透明基板；303-荧光层；304-进气口；305-出气口；306-安装孔；3021-第一表面；3022-第二表面。

具体实施方式

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种荧光猝灭氧传感器，参阅图1-图3，包括：

上层结构10，所述上层结构10设置有激发光源101；

下层结构20，所述下层结构20设置有用于接收荧光的荧光检测单元201；

中层结构30，所述中层结构30设置在所述上层结构10和所述下层结构20之间，所述中层结构30设置有第一空腔301，所述第一空腔301内设置有透明基板302，所述透明基板302上设置有荧光层303；所述第一空腔301的侧壁穿设有通孔；

其中，所述上层结构10、所述中层结构30和所述下层结构20均由硅基材料通过MEMS工艺一体成型，所述上层结构10、所述中层结构30和所述下层结构20沿所述激发光源101的光路方向依次键合连接；所述荧光层303位于所述激发光源101的输出光线路径上。

需要说明的是，本实施例中，所述第一空腔301可视为气室，用于容纳样本气体；所述通孔用于通过样本气体。

还需要说明的是，本实施例采用了MEMS技术，通过键合工艺使得上层结构10、中层结构30及下层结构20紧密接触并作为支撑结构，将透明基板302、荧光层303及荧光检测单元201设置在所述激发光源101的输出光路上。当所述传感器进入工作状态后，样本气体经通孔进入第一空腔301与荧光层303接触，同时所述荧光层303受激发光激发产生荧光，并由所述荧光检测单元201接收；当样本气体中存在氧时，基于荧光猝灭原理，荧光层303发生荧光猝灭现象，所述荧光检测单元201根据荧光强度变化的程度或者时长(即荧光寿命)输出样本气体的氧浓度，且检测过程不消耗氧。相较于现有技术，本实施例所述传感器体积小，且密封性强，有利于防止外部光源对荧光检测单元201的影响，针对荧光的检测敏感度较高。

在一些示例中，所述硅基材料为硅晶圆，所述上层结构10、所述中层结构30和所述下层结构20通过将三层晶圆键合(即实现硅硅键合)后切割的方式制成，可提高各层结构间的密封性。

在一些优选实施例中，所述荧光层303至少由氧敏感荧光指示剂、高分子聚合物和溶剂制作成型；其中，所述高分子聚合物为乙酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和室温硫化硅橡胶中的任意一种；所述溶剂包括可溶解所述高分子聚合物的丙酮或N，N-二甲基乙酰胺；所述氧敏感荧光指示剂包括钌化合物、钌邻菲咯啉、过渡金属有机配合物、多环芳香烃有机染料或C60。

需要说明的是，所述溶剂还可以是可溶解所述高分子聚合物的其他溶剂，由本领域技术人员根据所述高分子聚合物的成分确定。

在另一些优选实施例中，所述荧光层303至少由氧敏感荧光指示剂和溶胶凝固层制作成型；所述氧敏感荧光指示剂包括钌化合物、钌邻菲咯啉、过渡金属有机配合物、多环芳香烃有机染料或C60；所述溶胶凝固层由无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化后，热处理成型。

在一些优选实施例中，沿所述激发光源101的光路方向，所述中层结构30具有相对的第一端面和第二端面，所述透明基板302具有相对的第一表面3021和第二表面3022；其中，所述透明基板302设置在靠近所述第一端面一侧，所述荧光层303完全覆盖在所述透明基板302的所述第二表面3022，样本气体经所述通孔通入至所述第二表面3022上，参阅图4；或所述透明基板302设置在靠近所述第二端面一侧，所述荧光层303完全覆盖在所述透明基板302的所述第一表面3021，样本气体经所述通孔通入至所述第一表面3021上，参阅图5。

应当理解，样本气体经所述通孔通入后，可与所述荧光层303充分接触。

在另一些优选实施例中，所述透明基板302上贯穿设置有安装孔306，所述荧光层303成型在所述安装孔306内，所述荧光层303的两面分别与所述透明基板302两侧的经所述通孔通入的样本气体接触。

在一些示例中，所述荧光层303通过涂覆工艺覆盖在所述透明基板302上。

在一些优选实施例中，所述中层结构30的厚度大于所述上层结构10及所述下层结构20的厚度。

在一些优选实施例中，所述激发光源101为MEMS红外光源。

在一些示例中，所述MEMS红外光源为钨结构；具体来说，包括钨膜和加热单元，所述加热单元处于工作状态时，所述钨膜受热产生红外光波。

在一些优选实施例中，所述荧光检测单元201包括光敏元件与信号处理电路，所述光敏元件与所述信号处理电路连通；所述光敏元件将感受到的荧光强度变化转化为电信号，所述信号处理电路根据电信号处理得到样本气体的氧浓度。

在一些可选实施例中，所述光敏元件为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光敏集成传感器。

在一些示例中，所述光敏元件通过点胶或ALD(Atomic Layer Deposition，原子层沉积)沉积的方式，呈膜体形状成型在所述下层结构20的内壁上。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上进一步提供了一种带有微泵40的荧光猝灭氧传感器，参阅图6，其中，所述通孔贯穿所述第一空腔301互为相对的内壁，使所述中层结构30的两组侧壁上分别穿设有进气口304和出气口305；

所述微泵40经所述出气口305与所述第一空腔301连通，所述微泵40通过所述出气口305抽出所述第一空腔301内的样本气体，使外部的样本气体通过所述进气口304进入所述第一空腔301内。

本实施例通过微泵40与荧光猝灭氧传感器内部微观结构的配合，进一步提高所述传感器的测量灵敏度和测量精确度，特别适用于低氧场景。

在一些优选实施例中，所述微泵40为基于逆压电效应的压电微泵40，具体来说，包括泵体、盖体、出气板和压电片；其中，

所述泵体设有腔体，且所述腔体具有相对的第一开口和第二开口，所述第一开口与所述出气口305连接；所述盖体位于所述泵体的一端并覆盖所述第二开口，所述盖体上设置有用于通过样本气体的出气通道，所述出气板可活动地设于盖体上，分别用于封堵所述出气通道；所述压电片设置于盖体靠近泵体的一侧，所述压电片在通电后朝靠近或远离盖体的方向振动并调整腔体内的气压，以使出气板打开/关闭出气通道。

可以理解，上述实施例1中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再重复描述。

实施例3

本实施例提供了一种气体氧浓度检测方法，由实施例1或实施例2所提供的传感器执行，参阅图7，包括：

S10、令所述上层结构10的所述激发光源101处于工作状态，发出激发光，所述荧光层303响应于所述激发光产生荧光；

S20、令样本气体经所述通孔进入所述中层结构30的所述第一空腔301接触所述荧光层303；

S30、当所述样本气体中含有氧气时，所述荧光层303产生的荧光强度下降，所述荧光检测单元201通过接收到的荧光的变化实现样本气体中氧浓度的检测。

可以理解，上述实施例1或实施例2中的可选项同样适用于本实施例，故在此不再重复描述。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，包括：

上层结构，所述上层结构设置有激发光源；

下层结构，所述下层结构设置有用于接收荧光的荧光检测单元；

中层结构，所述中层结构设置在所述上层结构和所述下层结构之间，所述中层结构设置有第一空腔，所述第一空腔内设置有透明基板，所述透明基板上设置有荧光层；所述第一空腔的侧壁穿设有通孔；

其中，所述上层结构、所述中层结构和所述下层结构均由硅基材料通过MEMS工艺一体成型，所述上层结构、所述中层结构和所述下层结构沿所述激发光源的光路方向依次键合连接；所述荧光层位于所述激发光源的输出光线路径上。

2.根据权利要求1所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，所述荧光层至少由氧敏感荧光指示剂、高分子聚合物和溶剂制作成型；其中，

所述高分子聚合物为乙酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和室温硫化硅橡胶中的任意一种；

所述溶剂包括可溶解所述高分子聚合物的丙酮或N，N-二甲基乙酰胺；

所述氧敏感荧光指示剂包括钌化合物、钌邻菲咯啉、过渡金属有机配合物、多环芳香烃有机染料或C60。

3.根据权利要求1所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，所述荧光层至少由氧敏感荧光指示剂和溶胶凝固层制作成型；其中，

所述氧敏感荧光指示剂包括钌化合物、钌邻菲咯啉、过渡金属有机配合物、多环芳香烃有机染料或C60；

所述溶胶凝固层由无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化后，热处理成型。

4.根据权利要求1所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，沿所述激发光源的光路方向，所述中层结构具有相对的第一端面和第二端面，所述透明基板具有相对的第一表面和第二表面；其中，

所述透明基板设置在靠近所述第一端面一侧，所述荧光层完全覆盖在所述透明基板的所述第二表面，样本气体经所述通孔通入至所述第二表面上；或

所述透明基板设置在靠近所述第二端面一侧，所述荧光层完全覆盖在所述透明基板的所述第一表面，样本气体经所述通孔通入至所述第一表面上。

5.根据权利要求1所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，所述透明基板上贯穿设置有安装孔，所述荧光层成型在所述安装孔内，所述荧光层的两面分别与所述透明基板两侧的经所述通孔通入的样本气体接触。

6.根据权利要求1所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，所述激发光源为MEMS红外光源。

7.根据权利要求1所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，所述荧光检测单元包括光敏元件与信号处理电路，所述光敏元件与所述信号处理电路连通；所述光敏元件将感受到的荧光强度变化转化为电信号，所述信号处理电路根据电信号处理得到样本气体的氧浓度。

8.根据权利要求7所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，所述光敏元件为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光敏集成传感器。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种荧光猝灭氧传感器，其特征在于，所述荧光猝灭氧传感器还包括微泵；所述通孔贯穿所述第一空腔互为相对的内壁，使所述中层结构的两组侧壁上分别穿设有进气口和出气口；其中，

所述微泵经所述出气口与所述第一空腔连通，所述微泵通过所述出气口抽出所述第一空腔内的样本气体，使外部的样本气体通过所述进气口进入所述第一空腔内。

10.一种气体氧浓度检测方法，由权利要求1-9任一项所述的传感器执行，其特征在于，包括：

令所述上层结构的所述激发光源处于工作状态，发出激发光，所述荧光层响应于所述激发光产生荧光；

令样本气体经所述通孔进入所述中层结构的所述第一空腔接触所述荧光层；

当所述样本气体中含有氧气时，所述荧光层产生的荧光强度下降，所述荧光检测单元通过接收到的荧光的变化实现样本气体中氧浓度的检测。