細胞懸液濃度傳感器的製作方法

2023-05-21 17:12:01

專利名稱：：細胞懸液濃度傳感器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種傳感器，尤其涉及一種細胞懸液濃度傳感器。
背景技術：
：細胞懸液是指把貼壁細胞用胰蛋白酶等消化吹打以後，使細胞彼此分離，從而使細胞懸浮在培養液中。目前並無直接檢測細胞懸液濃度的方法。通常是取出一定數量的細胞，然後通過顯微鏡觀察細胞數目，接著通過計算加入適量溶劑，製備一定濃度的細胞懸液。若要獲得其它濃度的細胞懸液，則需將高濃度懸液稀釋成低濃度，或者將相應的低濃度懸液濃縮成高濃度。當獲得一未知濃度的細胞懸液時，現有的檢測方法無法直接得知其濃度。
發明內容本發明為了克服現有技術的不足，提供一種穩定性和靈敏度高的細胞懸液濃度傳感器。為了實現本發明的一目的，本發明提供一種細胞懸液濃度傳感器，包括金屬外殼、聲表面波諧振器和絲網印刷碳電極。聲表面波諧振器真空封裝於金屬外殼中，聲表面波諧振器採用ST切型石英作為壓電基底材料，通過光刻工藝製備，發出的聲表面波頻率為433MHz。絲網印刷碳電極與聲表面波諧振器相串聯。於本發明的一實施例中，聲表面波諧振器包括壓電基片、叉指換能器、兩個反射柵和兩個吸聲件。壓電基片為ST切型石英。叉指換能器刻蝕於壓電基片。叉指換能器發出433MHz的中心頻率，周期節長度M=7.2μm,叉指寬度a=l.9μm,叉指間距b=l.7μm,指條對數N=100，聲孔徑W=720μm,叉指指條的鋁條厚度H=200nm。兩個反射柵分別刻蝕於叉指換能器的兩側，每側的反射柵指條數目NMf=200，兩側的反射柵與叉指換能器之間的距離s=9.0μm。兩個吸聲件分別設置於兩個反射柵遠離叉指換能器的一側。於本發明的一實施例中，聲表面波諧振器是單埠聲表面波諧振器。綜上所述，本發明提供的細胞懸液濃度傳感器體積小巧，實用方便，電極響應快、靈敏度高，具有批量重複性好、成本低廉等優勢，而且可以達到很高的頻率，能夠實現待測細胞懸液濃度的實時、快速檢測。細胞懸液濃度傳感器採用的聲表面波諧振器具有更高的品質因數Q及頻率穩定性，不易受環境影響，且可由IC工藝加工設計，具備體積小、重量輕等優點。為讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。圖1所示為本發明提供的金屬外殼、聲表面波諧振器和絲網印刷碳電極的分解示意圖。圖2所示為本發明提供的聲表面波諧振器的電極設計示意圖。具體實施方式圖1所示為本發明提供的金屬外殼、聲表面波諧振器和絲網印刷碳電極的分解示意圖。圖2所示為本發明提供的聲表面波諧振器的電極設計示意圖。請一併參考圖1和圖2。本發明提供一種細胞懸液濃度傳感器，包括金屬外殼12、聲表面波諧振器(SAWR)11和絲網印刷碳電極13。聲表面波諧振器11真空封裝於金屬外殼12中，聲表面波諧振器11採用ST切型石英作為壓電基底材料，通過光刻工藝製備，發出的聲表面波頻率為433MHz。絲網印刷碳電極與聲表面波諧振器相串聯。於本發明中，首先聲表面波諧振器11封裝於金屬外殼12中，然後金屬外殼12內部抽成真空，這樣會消除聲表面波諧振器11表面空氣所形成的幹擾。採用ST切型石英作為基底材料而非其它石英晶體切型(譬如AT切、SC切)是因為其更容易在高頻率端工作。ST切型(ST=StableTemperature)其歐拉角度為(0°,132.75°，0°)。有時此切型也稱為「X軸方向傳播的Y切石英晶體」。通過將聲表面波諧振器11的頻率設定為高頻433MHz，這樣聲表面波諧振器11工作在較高的頻率下，有利於提高傳感器的穩定性和靈敏度。於本實施例中，絲網印刷碳電極13包括PVC電極基片，基片上印製有碳工作電極、碳對電極和Ag/AgCl參比電極，各電極分別對應連接有一根電極引線。然而，本發明對絲網印刷碳電極13的具體類型和型號不作任何限定。電化學性質穩定的絲網印刷碳電極都可以作為本發明中的絲網印刷碳電極使用。如圖2所示，於本實施例中，聲表面波諧振器11是單埠諧振器，由刻蝕在壓電基片1111上的叉指換能器1112(InterdigitalTransducers,IDT)、兩側的左、右反射柵1113及最外側的吸聲材料1114組成。IDT1112為叉指狀電極，電信號加於IDT1112兩端時，在壓電基片1111上激勵的聲表面波(SurfaceAcousticWave,SAW)向兩側傳播在左右兩反射柵1113柵極之間和左右反射柵1113之間發生多次反射，反射波仍由IDT1112接收。本發明通過設置IDT金屬叉指寬度、叉指間距、反射柵柵極寬度和IDT與柵極間距使得聲表面波的諧振頻率為433MHz。於本實施例中，叉指換能器1112發出433MHz的中心頻率，周期節長度M=7.2μm，叉指寬度a=l.9μm，叉指間距b=l.7μm,指條對數N=100，聲孔徑W=720μm,叉指指條的鋁條厚度H=200nm。每側的反射柵1113的指條數目N,ef=200，兩側的反射柵1113與叉指換能器1112之間的距離s=9.Ομπι。於本實施例中，聲表面波諧振器11的主要設計因素包括基底材料的選擇與中央的叉指換能器(IDT)以及兩側的反射柵條的參數設計。為提高檢測精度，設計的器件應具備較高的Q值，但同時又要保證足夠的相應帶寬，這也是本發明的設計技術難點之一。同時，為擴大檢測範圍以及無線無源的檢測需求，應使器件具備較大的聲表面波激發強度並儘量減小器件的插入損耗。SAffR參數設計主要包括對叉指換能器IDT的設計和兩側反射柵的參數設計。IDT主要參數為周期節長度Μ，叉指寬度a，叉指間隙b，指條對數N，聲孔徑W等。1.叉指寬度a，叉指間隙b對等間距IDT而言，滿足a=b=M/4，該參數決定聲表面波諧振器的諧振頻率，應滿足:M=λ=v/f其中λ為聲表面波波長，V為IDT所激發的聲表面波波速(不同壓電基底有所不同)，f為諧振器的諧振頻率。對ST切型石英，v=3158m/s，本發明中IDT中心頻率為433MHz，則由上式計算可得λ=7.2μηι。考慮蝕刻工藝的誤差影響,本發明取a=l.9μm,b=l.7μm。2.指條對數N指條對數N主要影響器件帶寬及激發聲表面波強度，N越大，帶寬越窄，Q值越高，以其作為反饋元件的振蕩器的頻率穩定度越高。其_3dB帶寬Λf_3dB滿足:Δf-3dB/fo=0.8845/N其中fQ為中心頻率。但IDT對數不能過多，IDT對數越多會使(sinX/X)2兩旁的零點越接近，造成頻寬過窄。同時IDT對數越多激發聲表面波強度越大，強度與N2成正比。本發明取N=IOO。3.聲孔徑W聲孔徑W主要影響激發聲表面波的振幅及器件的插入損耗:W越大，總功率、振幅越大、插入損耗越小；不過過長的重疊長度非但無法降低插入損失，反而只是徒增組件的大小。同時，W越大IDT的等效電容也越大，不利於高頻信號。但聲孔徑太小會使SAW的衍射變得嚴重。設計中應對各種指標進行綜合考慮，取值10100λ為佳。本發明取W=IOOλ=720μm。4.反射柵數目Nref金屬反射柵可將聲波向兩側傳遞損失的能量反射加以利用，從而降低插入損耗，金屬柵電極間距Ρ=λ/2時，IDT中心頻率落在金屬柵完全反射的頻段內。可達到最好的反射效果。反射柵數目應根據具體情況而定，一般建議取NmIζI=34，對鋁條反射柵ζI=0.018。本發明取Nref=200,即IDT兩側各200條反射柵。5.延遲距離sIDT與兩側反射柵之間的距離s稱為延遲距離，需滿足:S=λ/4+η(λ/2)其中η為正整數。延遲距離對於SAWR的響應極為重要，延遲距離應越小越好，以避免聲波傳輸時的損失。本發明取s=5/4.λ=9.0μmo6.鋁條厚度H由於表面質量沉積和電導率的變化，叉指指條在基底表面會使SAW的傳輸阻抗發生變化，傳輸阻抗的跳變將導致SAW的反射，使傳輸頻譜發生畸變。從減少反射角度來說，應使叉指電極的鋁膜厚度H儘可能地小，但會導致叉指電極的電阻增大，增加插入損耗，並有可能導致鋁條的斷裂，降低器件的可靠性。綜合考慮後，本發明取鋁條厚度H=200nm。綜上所述,本發明的所有參數如下表所示:權利要求1.一種細胞懸液濃度傳感器，其特徵在於，包括:金屬外殼；聲表面波諧振器，真空封裝於所述金屬外殼中，所述聲表面波諧振器採用ST切型石英作為壓電基底材料，通過光刻工藝製備，發出的聲表面波頻率為433MHZ；絲網印刷碳電極，與所述聲表面波諧振器相串聯。2.根據權利要求1所述的細胞懸液濃度傳感器，其特徵在於，所述聲表面波諧振器包括:壓電基片，為ST切型石英；叉指換能器，刻蝕於所述壓電基片，叉指換能器發出433MHZ的中心頻率，周期節長度Μ=7.2μm，叉指寬度a=l.9μm,叉指間距b=l.7μm,指條對數N=IOO,聲孔徑ff=720μm,叉指指條的招條厚度H=200nm；兩個反射柵，分別刻蝕於所述叉指換能器的兩側，每側的反射柵指條數目NMf=200，兩側的反射柵與叉指換能器之間的距離s=9.0μm;兩個吸聲件，分別設置於所述兩個反射柵遠離所述叉指換能器的一側。3.根據權利要求1所述的細胞懸液濃度傳感器，其特徵在於，所述聲表面波諧振器是單埠聲表面波諧振器。全文摘要本發明提供一種細胞懸液濃度傳感器、檢測系統及其檢測方法。細胞懸液濃度傳感器包括金屬外殼、聲表面波諧振器和絲網印刷碳電極。聲表面波諧振器真空封裝於金屬外殼中，聲表面波諧振器採用ST切型石英作為壓電基底材料，通過光刻工藝製備，發出的聲表面波頻率為433MHz。本發明提供的細胞懸液濃度傳感器體積小巧，實用方便，電極響應快、靈敏度高，具有批量重複性好、成本低廉等優勢，而且可以達到很高的頻率，能夠實現待測細胞懸液濃度的實時、快速檢測。文檔編號G01N15/06GK103149135SQ201310072268公開日2013年6月12日申請日期2013年3月7日優先權日2013年3月7日發明者惠國華,曾小燕,王盈盈,童春霞,尹芳緣申請人:浙江工商大學