本发明专利技术公开了一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，通过集成电化学传感器、光寻址电位传感器与对电极阵列于同一芯片上，实现了传感器的微型化与集成化，同时引入不同传感器的数据融合与校准，提高了集成芯片检测的准确度与抗干扰能力。无线浮标传感系统由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，其中重金属检测仪器包括电化学与光电集成芯片、参比电极、泵阀水路模块、信号采集电路、光源调制电路、ARM控制板、测试腔和激励光源，以实现系统的自动取样、排样、自动检测与数据上传，实现了对湖水重金属的在线、实时监测，具有极大的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，通过集成电化学传感器、光寻址电位传感器与对电极阵列于同一芯片上，实现了传感器的微型化与集成化，同时引入不同传感器的数据融合与校准，提高了集成芯片检测的准确度与抗干扰能力。无线浮标传感系统由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，其中重金属检测仪器包括电化学与光电集成芯片、参比电极、泵阀水路模块、信号采集电路、光源调制电路、ARM控制板、测试腔和激励光源，以实现系统的自动取样、排样、自动检测与数据上传，实现了对湖水重金属的在线、实时监测，具有极大的应用前景。【专利说明】重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统
本专利技术涉及化学传感器和生物传感器领域，尤其涉及一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统。
技术介绍
重金属通过矿山开采、金属提炼与加工、化工生产、农药化肥使用和生活垃圾等各种人为污染方式为主要途径进入水体，具有高毒性、不易代谢、易被生物富集并具有生物放大效应等特点，严重危害生态环境与人类健康，迫切需要建立水环境的重金属现场实时监测系统。迄今为止，少有国内的环境监测中心对水体的重金属含量变化进行监测。常用于重金属检测的方法以原子吸收光谱法(Atomic absorptionspectroscopy, AAS)和电感稱合等离子体质谱法(Inductively-coupled plasma massspectroscopy, ICP-MS)为主。通常用于实验室测量,并需要复杂的前处理操作,无法用于现场的实时监测。而且，仪器的价格昂贵、操作复杂、耗费时间长、难以实现多种重金属的同时检测。相比之下，溶出伏安法通过在恒定电位下对重金属富集，极大地提高了工作电极表面重金属的浓度，随后施加由负至正的扫描电压，使富集的重金属重新氧化为离子态，通过重金属对应的特征峰进行定量分析。溶出伏安法具有很低的检测下限，能同时检测多种重金属，测量时间短，灵敏度高，操作简单，可作为实时在线检测手段。微电极阵列(Microelectrode array, MEA)为某一维尺寸达到微米级的电极阵列，由于其尺寸小，便于精确定位与分析，已广泛用于生物、化学、环境等多种领域中。在电化学分析中，相比传统的大电极，微电极阵列具有传质速率高、电流密度大、时间常数小、信噪比高、iR降低等优良的电化学特性，成为水环境重金属检测的重要手段之一。国内外研究者在微电极阵列用于重金属检测的研究中，通常仅局限于实验室的分析研究，无法应用于现场的实际检测。光寻址电位传感器(Lightaddressable potentiometric sensor, LAPS)是一种功能类似化学场效应管的半导体化学传感器，通过光激励来调制器件的电场效应，该效应对器件绝缘层与电解溶液间的敏感膜电位变化敏感，且其响应电流与被测样品的离子浓度成线性关系，通过获得反应区敏感膜的响应电流对待测样品进行定量检测。在PH的测定中，LAPS表现出良好的灵敏度、线性度与稳定性，已广泛用于生物与细胞实验中。随着无线网络技术的进步和完善，传感器向着微型化、集成化与网络化的方向发展，越来越多的传感器网络应用于现场监测。本专利技术采用基于电化学与光寻址电位传感器的集成芯片，引入不同传感器的数据融合与校准，以解决现场湖水环境PH变化的影响，提高集成芯片检测的准确度与抗干扰能力。同时，基于该集成芯片设计了安装于浮标上且可用于现场湖水重金属监测的无线网络传感系统，可实现对湖水重金属的在线、实时监测，同时通过多个监测系统组成传感器网络，具有极大的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，本专利技术可以用于现场湖水重金属离子的实时快速监测。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的:一种重金属监测的电化学与光电集成芯片，它由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，微电极阵列由硅片基底、MEA区域SiO2氧化层、Cr粘附层、MEA绝缘层及MEA金电极组成，对电极阵列由硅片基底、MEA区域SiO2氧化层、Cr粘附层、MEA绝缘层及对电极组成。光寻址电位传感器由Al层、LAPS减薄区域、LAPS区域SiO2氧化层及LAPS绝缘层构成；所述重金属监测的电化学与光电集成芯片通过以下方法制备得到: (1)、选用4英寸硅片作为硅片基底10，硅片厚度为450Mm，经过RCA标准清洗工艺清洗并烘干；对硅片背面LAPS对应区域进行减薄处理，利用光刻板进行腐蚀，减薄硅片厚度至100 Mm，形成LAPS减薄区域，LAPS减薄区域有助于提高光激励时响应电流的强度； (2)、去除光刻胶并在硅片表面热生长一层50nm厚度的SiO2，形成LAPS区域SiO2氧化层； (3)、PECVD沉积IOOnm厚度的Si3N4作为LAPS绝缘层； (4)、双面刻蚀SiO2和Si3N4，生成相应的LAPS形状，形成光寻址电位传感器的结构； (5)、为了避免微电极阵列部分的加工对LAPS造成的影响，采用热氧化方法在对应区域生长厚度为650 nm的MEA区域SiO2氧化层； (6)、派射Cr粘附层及金电极层，派射厚度分别为30nm和300 nm,通过光刻法刻蚀金电极层，分别形成MEA金电极、对电极及金电极引线层。(7)、光刻出金微电极阵列电极图形及焊盘、引线区域； (8)、使用PECVD沉积Si3N4绝缘层，沉积厚度为400nm，用作金微电极阵列的绝缘层； (9)、刻蚀已沉积的Si3N4绝缘层，暴露出金微电极阵列电极图形、焊盘引线区域以及LAPS表面工作区域； (10)、在硅片背面LAPS对应区域蒸铝，厚度为300nm; (11)、光刻硅片背面覆盖的铝，形成Al层。一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，它由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括:电化学与光电集成芯片、参比电极、泵阀水路模块、信号采集电路、光源调制电路、ARM控制板、测试腔和激励光源；其中，所述电化学与光电集成芯片由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，电化学与光电集成芯片固定在测试腔的底部，参比电极插入测试腔的顶盖，参比电极使用饱和KCl溶液为内充液，参比电极与电化学与光电集成芯片中的微电极阵列、光寻址电位传感器及对电极阵列构成三电极系统，作为重金属的传感器检测单元；电化学与光电集成芯片通过焊盘封装在PCB板上，与信号采集电路连接，进行信号采集；封装有电化学与光电集成芯片的PCB板封装于测试腔底部以进行检测；激励光源封装于电化学与光电集成芯片中的光寻址电位传感器背部，与光源调制电路相连，通过激励光使光寻址电位传感器产生光生电流；泵阀水路模块、信号采集电路均通过串口与ARM控制板相连，光源调制电路与信号采集电路连接。本专利技术的有益效果是，本专利技术采用基于电化学与光寻址电位传感器的光电集成芯片为检测元件，通过多种传感器的数据融合与校准，提高系统的检测准确度与抗干扰能力。设计的无线浮标传感系统针对所设计的集成芯片采用复合电路结构，以对传感器进行光源调制及信号采集，实现系统的自动分析与检测。本专利技术采用多位阀与注射泵构建本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种重金属监测的电化学与光电集成芯片，其特征在于，它由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，微电极阵列由硅片基底（10）、MEA区域SiO2氧化层（11）、Cr粘附层（15）、MEA绝缘层（16）及MEA金电极（18）组成，对电极阵列由硅片基底（10）、MEA区域SiO2氧化层（11）、Cr粘附层（15）、MEA绝缘层（16）及对电极（19）组成，光寻址电位传感器由Al层（12）、LAPS减薄区域（13）、LAPS区域SiO2氧化层（14）及LAPS绝缘层（17）构成；所述重金属监测的电化学与光电集成芯片通过以下方法制备得到：（1）、选用4 英寸硅片作为硅片基底（10），硅片厚度为450 µm，经过RCA标准清洗工艺清洗并烘干；对硅片背面LAPS对应区域进行减薄处理，利用光刻板进行腐蚀，减薄硅片厚度至100 µm，形成LAPS减薄区域（13），LAPS减薄区域（13）有助于提高光激励时响应电流的强度；（2）、去除光刻胶并在硅片表面热生长一层50nm厚度的SiO2，形成LAPS区域SiO2氧化层（14）；（3）、PECVD沉积100nm厚度的Si3N4作为LAPS绝缘层（17）；（4）、双面刻蚀SiO2和Si3N4，生成相应的LAPS形状，形成光寻址电位传感器的结构；（5）、为了避免微电极阵列部分的加工对LAPS造成的影响，采用热氧化方法在对应区域生长厚度为650 nm的MEA 区域SiO2氧化层（11）；（6）、溅射Cr粘附层（15）及金电极层，溅射厚度分别为30 nm和300 nm，通过光刻法刻蚀金电极层，分别形成MEA金电极（18）、对电极（19）及金电极引线层（20）；（7）、光刻出金微电极阵列电极图形及焊盘、引线区域；（8）、使用PECVD沉积Si3N4绝缘层（16），沉积厚度为400 nm，用作金微电极阵列的绝缘层；（9）、刻蚀已沉积的Si3N4绝缘层（16），暴露出金微电极阵列电极图形、焊盘引线区域以及LAPS表面工作区域；（10）、在硅片背面LAPS对应区域蒸铝，厚度为300 nm;（11）、光刻硅片背面覆盖的铝，形成Al层（12）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王平，万浩，孙启永，王旭，李海波，哈达，徐宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。