本發(fā)明屬于海洋儀器生產(chǎn)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種采用微流控可置換腔體結(jié)構(gòu)和自校準(zhǔn)系統(tǒng)的海洋化學(xué)參數(shù)傳感器。
背景技術(shù)：
深海海底邊界層是物理、化學(xué)和生物過程耦合相互作用最為復(fù)雜的區(qū)域，也是揭示物質(zhì)循環(huán)和質(zhì)量平衡，研究海洋碳循環(huán)，探測海底資源的關(guān)鍵區(qū)域。海洋化學(xué)參數(shù)例如：pH、CO2、CH4、溶解氧(DO)是研究海洋生態(tài)水質(zhì)環(huán)境、海洋碳循環(huán)、海底熱液、海底天然氣水合物以及海底資源探測的最基本的參數(shù)，開展深?；净瘜W(xué)要素的原位監(jiān)測，對于開發(fā)海洋資源和保護(hù)海洋環(huán)境都具有重要的意義。
目前，國外商業(yè)化的深海(1000米以下)化學(xué)傳感器均具備自容/直讀兩種模式。其中，pH傳感器廠商主要有美國Sea-Bird公司(SBE18/27pH-1200米)和AMT公司(pHAMT-6000米)，探頭主要采用固態(tài)電極結(jié)構(gòu)，需要經(jīng)常標(biāo)定維護(hù)。美國Sunburst Sensors公司兩款傳感器(SAMI/AFTpH-3000米)測量精度較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)門檻較高尚未得到推廣應(yīng)用。國外商用測量深海CO2有德國Contros公司基于紅外光譜法的HydroCTM/CO2(6000米)，該類設(shè)備雖然精度、分辨率均高于傳統(tǒng)的電化學(xué)法，但是整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，響應(yīng)時間較長，功耗較高，不方便與其他探頭集成。Contros公司的HydroC CH4(3000米)采用濾膜脫氣結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合紅外光譜議測量深海溶解CH4的濃度。德國GKSS和Franatech公司的METS(2000米)則利用半透膜進(jìn)行氣液分離后對使用電化學(xué)SnO2半導(dǎo)體探頭完成CH4的測量。與光學(xué)原理相比，雖然電化學(xué)探頭精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，但是面臨著溫度高，電勢高的難點(diǎn)。在海上復(fù)雜作業(yè)情況下，存在儀器失效的風(fēng)險。深海DO傳感器產(chǎn)品主要采用電化學(xué)法和熒光猝滅法。
國內(nèi)浙江大學(xué)、中科院海洋研究所、上海雷磁公司等許多科研院所和企業(yè)利用電化學(xué)、光電科學(xué)等方法在深海氣體檢測傳感技術(shù)上做了大量的工作。但是與國外同類設(shè)備在測量速度和精度上都有不小差距。
綜上，化學(xué)傳感器以單參數(shù)為主，體積較大，集成度不高，而且價格昂貴，維護(hù)困難。隨著深海探測的深入，具有化學(xué)環(huán)境綜合分析能力的一體化、低功耗、高穩(wěn)定性的多參數(shù)傳感器是未來發(fā)展的趨勢。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明基于深?；瘜W(xué)多要素探頭的工作特點(diǎn)，推出具有可置換、自校準(zhǔn)、可集成的多參數(shù)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)深海海洋化學(xué)參數(shù)的長期、可靠以及原位檢測，確保長期測量的高精度和穩(wěn)定性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種微流控可置換腔體結(jié)構(gòu)的自校準(zhǔn)海洋多參數(shù)化學(xué)傳感器，包括采用微電子制造工藝集成的陣列傳感部、控制模塊、電源；所述陣列傳感部設(shè)有若干呈陣列分布的微型傳感芯片，以及對應(yīng)微型傳感芯片設(shè)置的微流控自校準(zhǔn)裝置；所述微型傳感芯片和所述微流控自校準(zhǔn)裝置連接所述控制模塊，所述電源為所述控制模塊供電。
進(jìn)一步的，所述微流控自校準(zhǔn)裝置包括呈陣列分布的若干微流控耐壓腔體，每個所述微型傳感芯片都置于一個微流控耐壓腔體內(nèi)，所述微流控耐壓腔體設(shè)有微流控管路以實(shí)現(xiàn)對外連通，所述微流控管路設(shè)有電磁閥，所述電磁閥連接所述控制模塊。
更進(jìn)一步的，所述微流控自校準(zhǔn)裝置還包括標(biāo)準(zhǔn)溶液腔，所述微流控管路分為內(nèi)管路和外管路，所述內(nèi)管路使微流控耐壓腔體與標(biāo)準(zhǔn)溶液腔相連通，所述外管路使微流控耐壓腔體對外連通，所述內(nèi)管路設(shè)有內(nèi)電磁閥，所述外管路設(shè)有外電磁閥，所述內(nèi)電磁閥和外電磁閥連接所述控制模塊。
更進(jìn)一步，所述微流控自校準(zhǔn)裝置還包括雙向微型水泵，所述雙向微型水泵連接所述控制模塊，所述內(nèi)管路通過雙向微型水泵連接所述標(biāo)準(zhǔn)溶液腔。
進(jìn)一步的，所述控制模塊設(shè)有微處理器，所述微處理器設(shè)有信號采集處理系統(tǒng)。
進(jìn)一步的，所述海洋多參數(shù)化學(xué)傳感器設(shè)有防護(hù)罩和密封筒，所述防護(hù)罩對應(yīng)微流控裝置設(shè)有開口。
更進(jìn)一步的，所述密封筒端部設(shè)有端蓋，所述端蓋外設(shè)有水密接插件。
進(jìn)一步的，所述微型傳感芯片包括pH傳感芯片和氣體傳感芯片。
更進(jìn)一步的，所述pH傳感芯片包括基于納米線增強(qiáng)型的獨(dú)立柔性柵極半導(dǎo)體場效應(yīng)管離子型pH探頭，設(shè)有柔性敏感柵極薄膜和擴(kuò)展柵場效應(yīng)管；所述柔性敏感柵極薄膜采用濕法化學(xué)貴金屬刻蝕方法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法方法并結(jié)合微納光刻加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性基底上H+、OH-離子敏感的Si、ZnO垂直納米線的生長與轉(zhuǎn)移。
更進(jìn)一步的，所述氣體傳感芯片設(shè)有基于高選擇性滲透膜技術(shù)的氣液分離測試腔；通過敏感電極/參比電極與柔性基底集成，形成微型平面結(jié)構(gòu)的可置換氣體探測單元；所述可置換氣體探測單元設(shè)有可置換氣敏探頭，利用可置換氣敏探頭的弱檢測信號輸出實(shí)現(xiàn)對柵極電壓的調(diào)控，結(jié)合放大電路場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的信號放大功能，形成擴(kuò)展柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)；實(shí)現(xiàn)探頭與放大電路場效應(yīng)管的分離。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的微流控可置換腔體結(jié)構(gòu)的自校準(zhǔn)海洋多參數(shù)化學(xué)傳感器具有以下優(yōu)勢：
本發(fā)明所述的海洋多參數(shù)化學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)了器件的微型化、陣列化和芯片化，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵探頭部分的微流控可置換腔體結(jié)構(gòu)和自校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計，提高了深?；瘜W(xué)參數(shù)長期測量的精度，也降低了探頭的生產(chǎn)成本，更加有利于探頭的國產(chǎn)化、商業(yè)化發(fā)展。
附圖說明
構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖.
其中：
1、微型傳感芯片； 2、微流控耐壓腔體；
3、微流控管路； 4、電磁閥；
5、防護(hù)罩； 6、雙向微型水泵；
7、標(biāo)準(zhǔn)溶液腔； 8、控制模塊；
9、密封筒； 10、電池；
11、端蓋； 12、水密接插件。
具體實(shí)施方式
需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
本發(fā)明的海洋多參數(shù)化學(xué)傳感器，應(yīng)用了pH探頭和氣體探頭，其中：
pH探頭采用濕法化學(xué)貴金屬刻蝕方法、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法方法并結(jié)合微納光刻加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)柔性基底上H+、OH-離子敏感的Si、ZnO垂直納米線的生長與轉(zhuǎn)移，制備出柔性敏感柵極薄膜，并采用等離子、表面修飾等手段，進(jìn)一步提升其敏感性能與響應(yīng)速度?；诂F(xiàn)有離子半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Ions Selected Field Effect Transistors-ISFET)技術(shù)上，通過納米結(jié)構(gòu)調(diào)制與表面改性方法進(jìn)一步增大敏感活性表面與增強(qiáng)其表面吸附性，提升傳感器件的穩(wěn)定性、靈敏度和響應(yīng)速度，并通過選擇性離子強(qiáng)吸附滲透保護(hù)膜抗深海環(huán)境干擾；將離子半導(dǎo)體場效應(yīng)管改進(jìn)為擴(kuò)展柵場效應(yīng)管，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)柔性化和快速置換化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)場效應(yīng)管功能結(jié)構(gòu)與海水環(huán)境的有效隔離，增加器件的工作壽命和穩(wěn)定性；采用微流通道抗壓增強(qiáng)傳感技術(shù)、環(huán)境自適應(yīng)原位實(shí)時自校準(zhǔn)方法等實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)保護(hù)、實(shí)時原位監(jiān)測以及器件工作的長期穩(wěn)定性。
氣體探頭基于高選擇性滲透膜技術(shù)，設(shè)計氣液分離測試腔；基于電化學(xué)原理，選擇合適的敏感電極與參比電極結(jié)構(gòu)；通過敏感電極/參比電極與柔性基底集成，形成微型平面結(jié)構(gòu)的可置換氣體探測單元；利用可置換氣敏探頭的弱檢測信號輸出實(shí)現(xiàn)對柵極電壓的調(diào)控，結(jié)合場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的信號放大功能，設(shè)計出擴(kuò)展柵極場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)；完成探頭與放大電路場效應(yīng)管的分離，實(shí)現(xiàn)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)與外部海水環(huán)境的隔離，保證信號采集的可靠性與穩(wěn)定性；建立環(huán)境因素與器件性能的關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對輸出信號補(bǔ)償模型的搭建。
基于上述傳感器芯片的設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵探頭部分的微流控可置換腔體結(jié)構(gòu)和自校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計，如圖1所示，本發(fā)明的海洋多參數(shù)化學(xué)傳感器主要包括微型傳感芯片1、微流控耐壓腔體2、微流控管路3、電磁閥4、防護(hù)罩5、雙向微型水泵6、標(biāo)準(zhǔn)溶液腔7、控制模塊8、密封筒9、電池10、端蓋11、水密接插件12。
其中，采用微電子制造工藝集成的呈陣列分布的若干微型傳感芯片1連接控制模塊8，每個所述微型傳感芯片1都置于一個微流控耐壓腔體2內(nèi)，所述微流控耐壓腔體2設(shè)有微流控管路3以實(shí)現(xiàn)對外連通，所述微流控管路3分為內(nèi)管路和外管路，所述內(nèi)管路使微流控耐壓腔體2與標(biāo)準(zhǔn)溶液腔7相連通，所述外管路使微流控耐壓腔體2對外連通，所述內(nèi)管路設(shè)有內(nèi)電磁閥4，所述外管路設(shè)有外電磁閥4，所述內(nèi)電磁閥4和外電磁閥4連接所述控制模塊。
所述雙向微型水泵6連接所述控制模塊8，所述內(nèi)管路通過雙向微型水泵6連接所述標(biāo)準(zhǔn)溶液腔7。所述控制模塊8連接電池10，并設(shè)有微處理器，所述微處理器設(shè)有信號采集處理系統(tǒng)。
本發(fā)明設(shè)有防護(hù)罩5和密封筒9，所述防護(hù)罩5對應(yīng)外管路設(shè)有開口。
所述密封筒9端部設(shè)有端蓋11，所述端蓋11外設(shè)有水密接插件12。
本發(fā)明的具體工作過程為：微型傳感芯片1分別置于微流控耐壓腔體2中，并填充好標(biāo)準(zhǔn)溶液，使得微型傳感芯片1一直處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，控制模塊8控制其中一個腔體2的內(nèi)外電磁閥4開啟，雙向微型水泵6向下抽水，這個腔體2完全填入海水以后，控制模塊8控制傳感芯片1工作，獲得原位海水中各項(xiàng)化學(xué)參數(shù)，系統(tǒng)開始休眠。當(dāng)?shù)诙螠y量開始時，之前的腔體內(nèi)外電磁閥4關(guān)閉，第二腔體的內(nèi)外電磁閥4打開，開始上述測量流程，直至每個腔體的傳感芯片1完成測量。隨后，系統(tǒng)可以開始自校準(zhǔn)，即位于中心的雙向微型水泵6往外排水，從而將傳感器后端內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)溶液腔7的標(biāo)準(zhǔn)溶液泵入微流控耐壓腔體2，從而開始芯片的自校準(zhǔn)。該傳感器可滿足直讀與自容兩種模式，包含有內(nèi)置電源和信號采集處理系統(tǒng)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。