用于磷酸盐快速检测的微流控光学传感器研制

面对水体中磷酸盐快速检测的要求,研制了一种微流控光学传感器。基于微流控芯片将显色反应和检测过程进行集成,设计微反应器提升反应效率,使用880 nm波长的光源、光电二极管以及信号检测电路搭建光学检测结构,实现了进样—显色反应—检测—信号输出自动完成,简化了操作过程,极大缩短了检测时间,可满足现场快速检测。传感器的性能通过对磷酸盐的检测得到了验证。实验结果表明:磷酸盐的浓度和吸光度呈现良好的线性关系(R^(2)=0.998),检测时间从常规的15 min减少到6 s,试剂消耗量明显减少。因此,所研制的微流控光学传感器能够在水环境的现场快速检测方面发挥作用。

一种在线式超低量程浊度高精度测量传感器研制

本文基于浊度90°散射检测原理,设计并制备了在线式超低量程浊度检测传感器。采用发散角为±4°、波长为850nm的高亮红外LED作为光源,以LED前端透镜结构替代原传感器所需光源准直结构,降低传感器复杂度、缩小体积并提高稳定性;采用灵敏度高、噪声低、体积小的硅光电倍增管作为光敏探测元件;配合所设计的后端微弱信号采集、处理电路对浊度信号进行准确采集。经检测,传感器的在0-1NTU范围内线性度达0.999,检测限低至0.01NTU,实现在线式浊度检测传感器具备超低量程的同时,具有小型化、易集成的特点,可应用于浊度指标的微量在线监测。

一种基于锁定放大的微弱荧光检测仪研制

针对现有荧光检测系统结构复杂、体积较大、且检测下限高的缺点,本文设计完成了一种基于锁定放大的微弱荧光检测仪,该检测仪采用硅光电倍增管作为光电转换器件,采用锁定放大技术结合暗电流调零技术实现微弱荧光信号的检测。选取10^(-11)mol/L~10^(-6)mol/L的ATP标准品样本,本文设计完成的检测仪的检测值与商用的ATP检测仪作为对照,检测相同的ATP标准品样本,实验结果表明,两种检测系统具有很好的一致性,且本文设计完成的检测仪仅需1min即可完成一个样本的检测,检测精度较为准确。

一种高精度微芯片用于微环境中细胞温度波动监测

温度是生物体中重要的参数,准确测量细胞在代谢过程中的温度波动可为更深入地探究细胞的能量产生和扩散过程提供有价值的信息,从而促进癌症和其他疾病的研究.本文基于微机电加工和微流控技术制备一批可在微环境下监测细胞代谢过程中温度波动的微芯片.微芯片由捕获细胞的C形"微坝"结构、供液体流动的"微缝"和监测温度波动的电极结构组成.可将细胞培养、温度监测在微芯片上完成.将有细胞贴壁生长的微芯片放置在37℃恒温环境中,采用恒电流法实时在线连续监测细胞在代谢过程中的温度波动.该芯片共有9个检测单元,每个单元的检测都是完全独立的,可同时检测多个结构上的细胞温度波动情况.微芯片的准确度优于0.013℃,精度为±0.014℃,响应速度约0.1 s,不同厚度Ti/Pt温度传感器的温度-电阻之间的线性拟合参数R2大于0.999.在(37±0.015)℃的恒温环境下监测细胞,发现人肺腺癌细胞系(human lung adenocarcinoma cell,H1975)在代谢过程中温度波动的极差(0.173℃)大于肝星状细胞(hepatic stellate cell,HSC)的极差(0.127℃).癌细胞H1975的平均温度(37.001℃)高于正常细胞HSC的平均温度(36.989℃).该芯片为细胞代谢监测、药物筛选等方面提供了新的研究平台.

海洋洋流/潜流测量热分布型微纳流速传感器

设计并仿真了一种利用介质热传递原理工作的流速传感器,适用于低流速区域的海洋洋流/潜流流速测量。通过物理场仿真软件COMSOL对传感器进行了热-流体的耦合场模拟仿真分析,验证了设计传感器的可行性。采用微电子机械系统(MEMS)加工技术制备了以玻璃为衬底的微纳热分布型流速传感器,加热和测温电阻均采用铂电阻传感器。传感器芯片尺寸仅为10 mm×10 mm,测温电阻与中心加热电阻的间距分别为1和2 mm,完成了芯片的封装及测试。通过实验与分析得出流速和不同间距测温电阻的电压之间的变化关系曲线。两种不同测温电阻和中心加热电阻间距的传感器,可测量的最大流速分别为265和315 mm/s。

液体低流速测量热分布式微纳传感器制造与测试

面向液体低流速测量应用需求,基于介质热传递工作原理,采用微电子机械系统(MEMS)加工技术制备了以玻璃为衬底的微纳热分布式流速传感器,加热和测温元件均采用铂电阻,传感器芯片尺寸仅为10 mm×10 mm,测温电阻与中心加热电阻的间距为0.8 mm,完成了芯片的封装及测试。通过实验测试,在室温条件下,传感器加热电阻为108.8Ω,测温电阻为525.2Ω,且测温电阻具有良好的温度-阻值线性度(R^(2)≥0.9999),传感器适用量程为0~90 mm/s,在极低流速0~20 mm/s范围测试,有较好的输出曲线关系,最高灵敏度达到0.06mV/(mm·s^(-1)),且有较好的稳定性能。传感器具有尺寸小、成本低、可批量制造,将为液体流速测量领域提供核心传感器。

海洋温盐深高精度测量集成微纳传感器制备及测试

海洋传感器技术在海洋军事作战领域发挥着重要的作用,随着人类探索海洋的未知领域,海洋传感器技术逐渐发展,但现阶段发展不完全,主要依赖进口,国产化率低.海水的温度、盐度、深度(温盐深)是海洋环境测量的基本参数,目前国内温盐深三参数传感器体积大、设备复杂、集成度低,难以满足实时在线检测的需求.本文基于微机电系统(MEMS)技术,制备了一批用于海洋温度、电导率和压力检测的温盐深集成微纳传感器,其中温度测量采用PT8000铂电阻传感器,盐度测量采用四电极法电导率传感器,深度测量采用压阻式压力传感器,通过离子注入工艺控制掺杂浓度形成压力敏感电阻,硅片下表面经过湿法腐蚀工艺形成压力形变所需的空间,最后键合硅片和玻璃制备出压力传感器,三参数传感器的制备工艺全兼容,具有较高的批量一致性.对于压力传感器,利用COMSOL仿真软件确定合适的传感器参数,得到0∼10 MPa下的宽范围量程,以满足1000 m水深检测的需求.利用嵌入式系统原理开发了针对制备的温盐深传感器的采样和读出电路,其中温度传感器的电阻为8231±100Ω,灵敏度为32.101Ω/℃,测量准确度达到±0.01℃;电导率传感器的电导池参数为2.594 cm^(−1),测量准确度为±0.05 mS/cm,与温度传感器联合测量消除了温度对电导率的影响;压力传感器的压敏区域构成了惠斯通(Wheatstone)电桥模型,消除了温度对压敏电阻的影响,采用矩形形变膜片,提高了压力线性度,传感器的测量准确度达到0.01 MPa,非线性误差为0.366%,重复性误差为0.376%,迟滞性误差为0.188%.结果表明,本文制备的温盐深传感器精度高、尺寸小、集成度高、可批量制造,适用于海洋温盐深参数精确定点测量的需求.