【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于检测设备领域，具体涉及一种用于检测液体样品的物理参数的光学芯片和应用该光学芯片的粘度计及检测方法。
技术介绍
1、粘度是流体的重要物理特性之一，粘度测量是许多实际应用中不可缺少的任务。例如，在工业领域，如食品制造和产品生产，粘度监测常常被用来控制液体的浸渍和涂覆过程，以提高产品质量。此外，粘度测量在生物医学和临床应用中起着重要作用，如用于检测心血管疾病的血液粘度。抗体溶液和基于蛋白质的药物的表征，以及dna分析，也依赖于粘度。
2、已经开发了许多技术来满足粘度测量的需要，包括毛细管法、落球法、旋转法、振动法、平板法等。
3、由于毛细管法简单实用，因此目前基于毛细管法设计的测量装置的应用范围较广。毛细管法的原理是哈根-泊肃叶公式，通过外部压力驱动流体流过毛细管，测出毛细管两端的压差和流体的流量，并加以修正，计算得到流体的粘度。然而，目前基于毛细管法测量粘度的装置存在以下问题：1.需要提供一个校准的参照物；2.压差、流量的精确测量较为困难；3.测量所需要的实验液体较多(测量装置中毛细管内径一般为mm量级，所需实验液体在几十毫升)，但有时所能提供的实验液体却非常有限(血液或者某些生理液体样品一般为几十微升)；4.毛细管很难清洗。这些都给毛细管法测量技术的发展带来了挑战，因此，迫切需要发展新技术、新思路来解决毛细管法测量过程中遇到的难题。
4、另外，其他的粘度测量方法也存在着各种各样的不足，例如，落球法很难精确测量球落体的速度，这就造成了测量的不确定性；振动法使用光导纤维来检测振幅，这很
5、特别是，现有的这些粘度测量方法往往需要最小的样品量在毫升左右才能准确测量，而且价格相对昂贵。虽然基于微流控的粘度传感技术大大减少了样品体积，但也需要20μl以上的稳定流速或样品润湿通道的控制，这就增加了误差，降低了重复使用率。因此，开发一种低成本、小型化、便携式的粘度计是非常迫切的。
技术实现思路
1、因此，本专利技术的目的是提供一种小型化、便携式光学芯片、粘度计和物理参数的检测方法，该粘度计和检测方法可以精确地检测极少量例如10μl或更少的液体样品的物理参数，如粘度、折射率和谐振频率。
2、本专利技术的专利技术人基于这样的构思完成了本专利技术，即，通过记录图1和图2所示的物理模型中检测到的光电流的变化来检测极少量例如10μl或更少的液体样品的物理参数，如粘度、折射率和谐振频率。
3、本专利技术的第一方面提供了一种用于检测液体样品的物理参数的光学芯片，其包括由衬底层和功能层单片集成的光学结构，其中：
4、所述衬底层是透光性的，其上表面用于接受所述液体样品的液滴，其下表面与所述功能层接合；
5、所述功能层被构造为包括发光区域和光检测区域，其中，所述发光区域被设计用于从所述功能层的上表面射出测量光，所述光检测区域被设计用于接收基于所述测量光的反射光，并且将所述反射光强度变化的信号转化为光电流信号。
6、在本专利技术中，术语“单片集成”是指所述光学芯片的光发射和光检测部件被加工成一个整体，光发射和光检测之间无需额外引线或对准。术语“谐振频率”是指液体的谐振频率，即，液滴达到最大振幅的振动频率。
7、根据本专利技术提供的光学芯片，在使用时，所述光学芯片被放置于为其提供竖向振动的振动器上，当振动器施加脉冲时，液滴的竖向振动使得其与所述光学芯片的接触面积发生周期性变化，引起所述光检测区域接收到的所述反射光的强度发生周期性变化，进而引起光检测区域中光电流的变化。当振动器施加脉冲时，液滴振动的振幅立即使以一定的速率衰减。本专利技术发现，该衰减速率与液体的粘度有关，可通过记录振幅衰减过程中光电流的衰减速率计算液滴的物理参数，如粘度、折射率和谐振频率。通常情况下，液滴的粘度越高，其光电流衰减速率越高。
8、在本专利技术的一些实施方案中，所述发光区域由固体光源构成，例如，可以是发光二极管(led)、激光二极管(ld)、面发光激光器(vcsel)等，优选使用低成本的led。所述光检测区域由光传感器或光检测器构成，例如，光电二极管(pd)、光晶体管等。
9、在本专利技术的优选实施方案中，所述衬底层由具有透光性的高折射率材料形成，例如蓝宝石或碳化硅。
10、在本专利技术的优选实施方案中，所述发光区域和所述光检测区域通过在所述衬底层上外延生长而形成。例如，在一些实施方案中，所述衬底层为蓝宝石，所述发光区域和所述光检测区域为同时外延生长于所述该蓝宝石衬底层上的led，在生长完成后通过光刻和/或电感耦合等离子体刻蚀来形成两个区域。发光区域的led由电源提供电流而发光，光检测区域的led用于检测发光区域发射的光而作为pd。
11、在本专利技术的一些实施方案中，所述光学芯片还包括位于所述功能层的竖向下方并与所述衬底层和所述功能层单片集成的支撑基板。优选地，所述支撑基板的材料可以为玻纤板、铝基板、陶瓷中的一种或多种。
12、在本专利技术的优选实施方案中，发光区域呈圆形设置在所述光检测区域的几何中心。
13、在本专利技术的一些实施方案中，所述光学芯片在水平方向上的尺寸可以设定为(0.1mm～10cm)×(0.1mm～10cm)。为了进一步提高所述光学芯片的便携性，降低成本，可以根据液体样品的液滴的体积设定光学芯片在水平方向上的尺寸，例如，当所述液滴的体积为50μl时，所述光学芯片在水平方向上的尺寸可以为(5～10mm)×(5～10mm)，当液滴的体积为5～10μl时，所述光学芯片在水平方向上的尺寸可以为(0.5～2mm)×(0.5～2mm)。
14、在本专利技术的一些实施方案中，所述光学芯片的衬底层和功能层在厚度方向上的尺寸可以设定为例如100μm～1mm，优选为100～500μm。在本专利技术的一些实施方案中，所述支撑基板的厚度可以为0.5～10mm，优选为0.5～1mm。在本专利技术的一些实施方案中，所述光学芯片的纵剖面结构如图1所示，其中，光学芯片10包括衬底层11、集成于衬底层上表面112上的疏水层13和集成于衬底层11的下表面111的由发光区域121和光检测区域122构成的功能层12。其中，发光区域121呈圆形设置在光检测区域122的几何中心。液体样品的液滴20施加于衬底层11的上表面112，并且在竖直方向上与发光区域121相对。当对光学芯片10施加竖向振动的脉冲时，液滴20的形状在最高点形态20a和最低点形态20b之间周期性变化。
15、图2是光学芯片10的光学机理示意图。在液滴20静止的情况下，当发光区域121发出的第一发射光121a入射到位于衬底层11与液滴20的接触界面上的第一位点131处时，产生第一反射光121b和第一折射光121c，其中第一反射光121b被光检测区域122接收；当发光区域121发出的第二发射光线122a入射到位于衬底层11与空气的接触界面上的第二位点132处时，发生全反射，产生的第二反射光122b被光检测区域122本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于检测液体样品的物理参数的光学芯片，其包括由衬底层和功能层单片集成的光学结构，其中：
2.根据权利要求1所述的光学芯片，其中，所述光学芯片还包括位于所述功能层的竖向下方并与所述衬底层和所述功能层单片集成的支撑基板。
3.根据权利要求1或2所述的光学芯片，其中，所述发光区域由发光二极管、激光二极管或面发光激光器构成；所述光检测区域由光电二极管或光晶体管构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学芯片，其中，所述衬底层由蓝宝石或碳化硅形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学芯片，其中，所述发光区域和所述光检测区域通过在所述衬底层上外延生长而形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学芯片，其中，所述衬底层为蓝宝石，所述发光区域和所述光检测区域为外延生长于所述蓝宝石衬底层上的LED。
7.根据权利要求5或6所述的光学芯片，其中，所述发光区域和所述光检测区域为同时外延生长于所述该蓝宝石衬底层上的LED，并通过光刻和/或电感耦合等离子体刻蚀而形成的两个区域。
8.根据权利要求1至7
9.一种粘度计，其包括：
10.根据权利要求9所述的粘度计，其中，所述光电流信号处理模块还被设计用于对所述光检测区域输出的光电流信号进行处理，计算得出液滴的折射率和/或谐振频率。
11.根据权利要求9所述的粘度计，其中，所述振动器包括信号发生器，用于对所述振动器施加脉冲波。
12.一种检测液体样品的粘度的方法，所述方法包括以下步骤：
13.根据权利要求12所述的检测液体样品的粘度的方法，其中，所述液体样品的液滴的体积为5μl～1ml，优选为5～50μl，更优选为5～10μl。
14.根据权利要求12所述的检测液体样品的粘度的方法，其中，所述液体样品的粘度范围是2～40cp。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的检测液体样品的粘度的方法，其中，步骤(3)中对振动器施加脉冲波的频率为10～1000mHz；优选地，对振动器施加脉冲波的电压幅值为0.1～10V；优选地，对振动器施加脉冲波的占空比为0.01％～1％。
16.一种检测液体样品的折射率的方法，所述方法包括以下步骤：
17.一种检测液体样品的谐振频率的方法，所述方法包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于检测液体样品的物理参数的光学芯片，其包括由衬底层和功能层单片集成的光学结构，其中：
2.根据权利要求1所述的光学芯片，其中，所述光学芯片还包括位于所述功能层的竖向下方并与所述衬底层和所述功能层单片集成的支撑基板。
3.根据权利要求1或2所述的光学芯片，其中，所述发光区域由发光二极管、激光二极管或面发光激光器构成；所述光检测区域由光电二极管或光晶体管构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学芯片，其中，所述衬底层由蓝宝石或碳化硅形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学芯片，其中，所述发光区域和所述光检测区域通过在所述衬底层上外延生长而形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学芯片，其中，所述衬底层为蓝宝石，所述发光区域和所述光检测区域为外延生长于所述蓝宝石衬底层上的led。
7.根据权利要求5或6所述的光学芯片，其中，所述发光区域和所述光检测区域为同时外延生长于所述该蓝宝石衬底层上的led，并通过光刻和/或电感耦合等离子体刻蚀而形成的两个区域。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学芯片，其中，所述物理参数包括粘度、折射率和谐振频率中的一种...
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