微小液滴蒸发过程的阵列式检测系统、方法及制备方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微小液滴蒸发过程的阵列式检测系统、方法及制备方法，包括加工了微电极阵列的基板和阻抗测试仪；微电极阵列为由各个微电极结构元组成的阵列，每个微电极结构元包括暴露在基板表面、可与溶液直接接触的至少一对电极，电极所在的金属层分别延展出由绝缘层覆盖而形成的电极引线、位于基板边缘的焊盘；电极引线分别与电极连接；将微电极阵列与基板边缘的焊盘连接起来，焊盘用于连接阻抗测试仪。通电后，在强电解质微小水溶液液滴中，利用测得的电阻抗Z的变化计算液滴体积V的变化。与现有技术相比，本发明专利技术体积小巧，可以对液滴蒸发过程进行动态、定量监测，并对液滴的不同部位的蒸发过程同时进行检测。

Array type detection system, method and preparation method for micro droplet evaporation process

The present invention discloses array detection system and method, and preparation method of micro droplet evaporation, including the substrate and the impedance tester microelectrode array processing; microelectrode array for each array microelectrode structure elements, each element including microelectrode structure exposed to the substrate surface, can be in direct contact with the solution at least a pair of electrodes, electrode metal layer is respectively extended from the pad electrode wire, covered by an insulating layer formed on the edge of the substrate; the electrode wires are connected with the electrode; the pad microelectrode array with the edge of the substrate connected, connection pads for impedance tester. After discharge, the change of droplet volume V was calculated by using the measured resistance and Z changes in the droplets of strong electrolyte and tiny water solution. Compared with the prior art, the invention is small in size and can dynamically and quantitatively monitor the evaporation process of the droplet, and simultaneously detects the evaporation process of different parts of the droplet.

【技术实现步骤摘要】
微小液滴蒸发过程的阵列式检测系统、方法及制备方法
本专利技术涉及微流体
，特别涉及一种微小液滴蒸发过程的检测系统及检测方法、阵列式微小液滴蒸发过程的检测系统制备方法。
技术介绍
现有技术中，针对本专利技术涉及的微小液滴蒸发动态过程的检测这一技术主题，通常有三种实现方法，(1)显微照相方法，该方法是通过显微镜对微小液滴进行实时拍照，从而掌握微小液滴蒸发动态过程，实现检测。这种方法适用于对液滴的体积变化的定性分析，要进行定量测量比较困难，且需要显微镜、CCD等设备近距离观测。(2)称重方法，对被测微小液滴的重量进行测量，根据重量变化间接获得微小液滴蒸发动态过程。这种方法适于比较大的液滴，对于小于1微升体积小的液滴难以检测，而且这种方法无法对液滴不同部位的蒸发速度进行对比。(3)电化学方法，利用电极与被测微小液滴所产生的电化学反应，基于电路测得电极的输出电流，根据电流间接获得微小液滴蒸发动态过程。这种方法能够对不同部位的蒸发速度进行动态监测，但是它需要特定的化学物质在电极上发生化学反应，应用范围受限。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的一种微小液滴蒸发过程的阵列式检测系统及方法，用于对一定环境中附着在平坦固体表面的微小液滴蒸发过程实现动态的检测。本专利技术提出了一种微小液滴蒸发动态过程的阵列式检测系统，该检测系统包括加工了微电极阵列的基板1和阻抗测试仪；所述微电极阵列为由各个微电极结构元组成的阵列，每个微电极检测单元包括暴露在基板1表面、可与溶液直接接触的至少一对电极2，电极2所在的金属层分别延展出由绝缘层3覆盖而形成的电极引线5、位于基板1边缘的焊盘4；电极引线5分别与所述电极2连接；将构成所述微电极阵列的各微电极结构元与所述基板1边缘的焊盘4连接起来，焊盘4用于连接阻抗测试仪。构成微电极阵列的至少一对电极2的尺寸都远小于被测液滴的尺寸。本专利技术还提出了一种微小液滴蒸发过程的检测方法，该检测方法包括以下步骤：步骤101、将溶解了强电解质的水溶液小液滴放置到微小液滴蒸发动态过程的检测系统的微电极阵列上，完全覆盖至少一对电极；步骤201、通电后，电极暴露在强电解质微小水溶液液滴中，用一个被液滴浸没微电极结构元的一对电极检测电阻抗Z，利用蒸发后电解质浓度变化导致测得的电阻抗Z的变化，从而依据电阻抗Z与液滴体积V之间的变换关系，获取液滴的蒸发过程；步骤301、依据阻抗值的变化获得该对电极所在部位的体积变化；相对于初始体积的体积百分比变化快慢反映了蒸发速度；步骤401、利用上述的阻抗值变化估算液滴体积的变化，实现对蒸发进行检测。；步骤501、依据整个电极阵列测得液滴不同部位的阻抗值变化获得一个液滴不同部位的蒸发速度差异。所述被测的液滴是水溶液或水与其它溶剂的混合溶液；混合溶液中的溶质是不挥发的强电解质或是在水中相互之间不发生化学反应的多种强电解质的混合物。所述步骤501的实现对蒸发过程进行检测，所述检测结果被转化为图像及视频，具体步骤为：a、将阵列式阻抗检测电极的区域按照阵列中电极对的数目划分成区块，每个区块的大小一致，区块的中央有一对电极对，将该电极对的阻抗检测值作为该区块的阻抗值；b、将a中划分的每一个区块作为作一个像素点，将阻抗值转换为图像的灰度值图像信息，为归一化阻抗；c、将阵列在每个时间点的阻抗检测值转化成图像信息值：其中G为每一个区块的图像灰度值，从而得到该时刻由这些灰度值“像素”依其所在空间位置排列而组成整个阵列的蒸发图像，将所有时刻检测的图像按照设定的播放帧率按照时间先后顺序融合成视频，动态展示蒸发过程各个区块之间的差异。本专利技术再提出了一种微小液滴蒸发过程的检测系统的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤一、根据微电极阵列图案，加工出掩模版；步骤二、提供抛光平整的硅片或玻璃片基底，清洗干净；步骤三、在抛光的基底上通过甩胶工艺均匀涂敷一层光刻胶，厚度即为所需要的管道的高度；步骤四、在光刻机使用包含电极、引线和焊盘的所述掩模版，利用紫外光对光刻胶层进行曝光；步骤五、对曝光后的光刻胶进行显影，去除多余光刻胶，留下管道结构模具；步骤六、使用磁控溅射工艺先后在光刻后的基板上溅射衬底材料钛层以及导电层；步骤七、使用丙酮去掉光刻胶以及光刻胶上面的金属层，形成导电层上的微电极阵列图案，从而加工出一面带有电极的基板；步骤八、采用等离子增强的化学气相沉积方法依次在芯片上沉积SiO2/Si3N4/SiO2；按照第二块掩模的露出电极、焊盘的图形，进行二次光刻，经过显影、定影后在芯片上露出需要在电极上开孔的位置；步骤九、使用深度反应离子刻蚀技术对裸露的SiO2和Si3N4的绝缘层进行刻蚀，以暴露部分电极区域；步骤十、最后，使用丙酮去除光刻胶，并对芯片进行清洗。本专利技术再提出了一种微电极结构元，所述微电极结构元包括暴露在基板1表面、可与溶液直接接触的至少一对电极(2)，电极(2)所在的金属层分别延展出由绝缘层(3)覆盖而形成的电极引线(5)、位于基板(1)边缘的焊盘(4)；电极引线(5)分别与所述电极(2)连接；将所述微电极阵列与所述基板(1)边缘的焊盘(4)连接起来。与现有技术相比，本专利技术的传感器件体积小巧，可以对液滴蒸发过程进行动态、定量监测，并对液滴的不同部位的蒸发过程进行同时检测而不需要液滴内的物质在电极上发生化学反应，因此本专利技术相比现有技术可以更灵活地运用到不同的应用场合，例如，液滴细胞培养，外界环境变化(如热交换、气流速度)对微液滴不同部位蒸发动态过程的监测研究等。附图说明图1为本专利技术的微小液滴蒸发动态过程的检测系统，其阵列式电极可测量同一液滴不同部位的蒸发速度差异，本图的阵列中液滴覆盖了4×4＝16个检测单元；电极阵列的大小、间距可以尽量小，从而一个液滴可以覆盖的电极阵列的数量越多，检测阻抗“图像”的空间分辨率越高。图2为微电极结构元主视图(以一对电极为例，图1中的A区域)；图3为微电极结构元俯视图(以一对电极为例，图1中的A区域)；图4为阻抗检测微液滴蒸发测量的电学模型示意图；图5为蒸发过程前期液滴质量(体积)与阻抗幅值之间的关系曲线图；图6为检测到液滴蒸发过程中一个频率的电阻抗幅值随着时间的变化曲线，6a、6b、6c分别表示阻抗变化的三个阶段；图7为不同部位的阻抗归一化幅值对比关系曲线图；图8为本专利技术的微小液滴蒸发动态过程的检测系统的微电极阵列中的电极配置示意图；图9为本专利技术的微小液滴蒸发动态过程的检测方法；图10为蒸发过程检测结果被转化为图像及视频的实例图，10a为计算出的蒸发不同时刻的灰度图像，10b是液滴侧视照片，10c是液滴俯视照片，与10a相对应，在蒸发过程中，液滴的外形不断变化，10b很明显，而10c则不太明显，且二者都看不到不同部位蒸发速度的差异。附图标记：1、基板，2、一对电极，3、绝缘层，4、焊盘，5电极引线，6、微小液滴，7、电极所组成的检测阵列。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步详细描述。如图1所示，本专利技术的阵列式微小液滴蒸发动态过程的检测系统，包含加工了微电极阵列的基板(玻璃或硅片)和阻抗测试仪，所述微电极阵列为由各个微电极结构元组成的阵列，每个微电极结构元包括暴露在基板表面、可与溶液直接接触的电极部分和覆盖了一层绝缘层而不能与溶液接触的引线部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微小液滴蒸发动态过程的阵列式检测系统，其特征在于，该检测系统包括加工了微电极阵列的基板(1)和阻抗测试仪；所述微电极阵列为由各个微电极结构元组成的阵列，每个微电极结构元包括暴露在基板(1)表面、可与溶液直接接触的至少一对电极(2)，电极(2)所在的金属层分别延展出由绝缘层(3)覆盖而形成的电极引线(5)、位于基板(1)边缘的焊盘(4)；电极引线(5)分别与所述电极(2)连接；将构成所述微电极阵列的各微电极结构元与所述基板(1)边缘的焊盘(4)连接起来，焊盘(4)用于连接阻抗测试仪。

【技术特征摘要】
1.一种微小液滴蒸发动态过程的阵列式检测系统，其特征在于，该检测系统包括加工了微电极阵列的基板(1)和阻抗测试仪；所述微电极阵列为由各个微电极结构元组成的阵列，每个微电极结构元包括暴露在基板(1)表面、可与溶液直接接触的至少一对电极(2)，电极(2)所在的金属层分别延展出由绝缘层(3)覆盖而形成的电极引线(5)、位于基板(1)边缘的焊盘(4)；电极引线(5)分别与所述电极(2)连接；将构成所述微电极阵列的各微电极结构元与所述基板(1)边缘的焊盘(4)连接起来，焊盘(4)用于连接阻抗测试仪。2.如权利要求1所述的微小液滴蒸发动态过程的阵列式检测系统，其特征在于，电极(2)尺寸和间距都远小于被测液滴的尺寸。3.一种微小液滴蒸发过程的阵列式检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：步骤(101)、将溶解了强电解质的水溶液小液滴放置到微小液滴蒸发动态过程的检测系统的微电极阵列上，完全覆盖至少一对电极；步骤(201)、通电后，电极暴露在强电解质微小水溶液液滴中，用一个被液滴浸没微电极结构元的一对电极检测电阻抗Z，利用蒸发后电解质浓度变化导致测得的电阻抗Z的变化，从而依据电阻抗Z与液滴体积V之间的变换关系，获取液滴的蒸发过程；步骤(301)、依据阻抗值的变化获得该对电极所在部位的体积变化；相对于初始体积的体积百分比变化快慢反映了蒸发速度；步骤(401)、利用上述的阻抗值变化估算液滴体积的变化，实现对蒸发的检测。步骤(501)、依据整个电极阵列测得液滴不同部位的阻抗值变化获得一个液滴不同部位的蒸发速度差异。4.如权利要求3所述的一种微小液滴蒸发过程的阵列式检测方法，其特征在于，被测的液滴是水溶液或水与其它溶剂的混合溶液；溶质是不挥发的强电解质或是在水中相互之间不发生化学反应的多种强电解质的混合物。5.如权利要求3所述的一种微小液滴蒸发过程的阵列式检测方法，其特征在于，所述步骤(501)的实现对蒸发过程进行检测，所述检测结果被转化为图像及视频，具体步骤为：(a)、将阵列式阻抗检测电极的区域按照阵列中电极对的数目划分成区块，每个区块的大小一致，区块的中央有一对电极对，将该电极对的阻抗检测值作为该区块的阻抗值；(b)、将(a)中划分的每一个区块作为作一个像素点，将阻抗值做归...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢新武，徐新喜，田丰，孙秋明，倪爱娟，胡名玺，杨健，刘长军，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12