【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微电子机械系统器件领域，具体为一种基于活体嗅觉细胞共融mems的高灵敏嗅觉传感器。
技术介绍
1、嗅觉传感器是一种能检测气体分子并将其转化为电信号的器件，是实现机电设备感知世界的关键器件之一，广泛应用于环境监测、工业安全、医疗诊断、建筑安全及国防安全等领域。
2、结合微机电系统（micro electro mechanical systems , mems）技术具有的高集成度、多功能集成、高附加值等优势，嗅觉传感器（又称为气体传感器或化学传感器）实现了微型化、低功率、高集成度和低成本。当前，mems气体传感器常用的检测方式包括热导式、电化学式、光学式、压电声波式等。热导式检测响应速度快，且结构简单、成本低，对多种可燃性气体敏感，但对环境温度和湿度的变化敏感，可能导致误报。电化学式检测具有良好的线性输出、低功耗要求和分辨率，但随着传感器老化，灵敏度漂移严重。光学式检测主要包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，这种方式对特定气体有很高的选择性和灵敏度，不受环境温度和湿度的影响，且因不与气体直接接触而具有高抗污染能力，但该方式需要精密的光学组件和光源，且结构复杂，制造成本高，严重制约该方向的发展。压电声波式检测包括石英晶体微天平型、表面声波型和薄膜体声波型，这类检测方式具有高灵敏度和稳定性，且不受环境温度和湿度的影响，但其选择性不够高，容易受到其他相似化学性质气体的干扰。
3、由此可见，目前基于现有检测效应的大多数mems气体传感器还存在诸多严重的问题，未能达到兼具微型、高灵敏度、
4、生物体内的嗅觉细胞是高度特化的化学-电转换单元，可对气体分子进行感知转换并产生神经冲动，具有天然的气体分子识别能力。生物的嗅觉细胞具有极高的灵敏度、分辨率和选择性，能够快速检测极低浓度的气体分子，并区分不同的气味分子。同时，活体嗅觉细胞兼具微型、自我修复、低能耗的生物学优势，以及快速响应、高稳定性等良好的感知特性。因此，活体嗅觉细胞是一种极具潜力的天然探测单元，为设计真正意义上的高灵敏度、高选择性气体传感器提供重要设计启发和组件选择。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有mems气体传感器未能达到兼具微型、高灵敏度、高选择性检测要求的问题，提供了一种基于活体嗅觉细胞共融mems的高灵敏嗅觉传感器。
2、本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于活体嗅觉细胞共融mems的高灵敏嗅觉传感器，包括从上到下所设置的pdms（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）盖片、温控层、pdms隔膜、pdms防呆凹槽层、细胞腔室层与玻璃衬底层；所述pdms盖片、温控层、pdms隔膜从上到下依次键合为第一整体，所述pdms防呆凹槽层、细胞腔室层与玻璃衬底层，从上到下依次键合为第二整体，所述第一整体与第二整体通过键合的方式连接为一体。温控层用来控制和检测传感器的温度。
3、所述pdms盖片包括第一pdms固定框，所述第一pdms固定框的中部设有多组第一通气孔，所述第一pdms固定框的右侧开有一对加热元件接口与一对温度测量接口；所述pdms隔膜包括第二pdms固定框，所述第二pdms固定框上也开有多组第二通气孔，所述第一通气孔与第二通气孔的位置正对匹配；所述温控层包括加热元件与温度测量元件，所述加热元件与温度测量元件均安装于第二pdms固定框的顶面，所述加热元件为一体平铺且形状对称的加热电极片，加热电极片的形状呈对称的蛇形，且加热电极片的电路输入输出端口位置与加热元件接口的位置相匹配，蛇形结构，使得可以均匀加热。所述温度测量元件位于加热元件内侧，也为一体平铺且形状对称的测温电极片，所述温度测量元件所设置的位置贴近加热元件，形成t形回路且设有两个温度输出端，所述温度测量元件的两个温度输出端与温度测量接口的位置相匹配，用于检测加热的环境温度；所述第一通气孔及第二通气孔的位置设置于加热元件的外围与加热板的蛇形间隙处。
4、所述第二pdms固定框的底面上设有一个方形凸起，所述方形凸起的左侧设有一个三角形缺口、右侧设有一个三角形凸起。所述pdms防呆凹槽层为第三pdms固定框，所述第三pdms固定框呈框形，其内侧的防呆凹槽的形状与方形凸起的形状相匹配，两个三角形形状，具有防呆功能，防止与pdms防呆凹槽层合盖时错位。
5、所述细胞腔室层包括第四pdms固定框，所述第四pdms固定框内部为空心、且空心处形成细胞腔室；所述细胞腔室内设有多个活体嗅觉感受细胞；多个活体嗅觉感受细胞均设置在玻璃衬底层上。所述玻璃衬底层包括玻璃衬底，所述活体嗅觉感受细胞均匀排布设置于玻璃衬底顶面，所述玻璃衬底的顶面上还设有参考电极片、微电极、引线与记录电极焊盘，每条引线将相应的微电极与记录电极焊盘连接起来，每个活体嗅觉感受细胞对应匹配连接一个微电极，微电极的位置与相应的活体嗅觉感受细胞位置相同、且位于活体嗅觉感受细胞的底面，所有的记录电极焊盘分为两组，一组位于玻璃衬底前侧，另一组位于玻璃衬底的后侧；所述参考电极片位于玻璃衬底的左侧。
6、所述第一pdms固定框、第二pdms固定框、第三pdms固定框、第四pdms固定框与玻璃衬底的外围形状均相同，均呈方形；所述第一pdms固定框、第二pdms固定框、第三pdms固定框与第四pdms固定框的左侧边缘均开有一个u形方槽，所开u形方槽上下对齐且与参考电极片的位置相匹配，从而形成参考电极接口，所述第一pdms固定框、第二pdms固定框、第三pdms固定框与第四pdms固定框的前后边缘处各开有一排小u形方槽，所开的小u形方槽尺寸相同且上下对齐形成记录电极接口；位于前侧的一排小u形方槽与玻璃衬底前侧的一组记录电极焊盘位置相匹配；位于后侧的一排小u形方槽与玻璃衬底后侧的一组记录电极焊盘位置相匹配。
7、本专利技术的工作原理为：基于活体嗅觉细胞共融mems的嗅觉传感器的基本思路是，使用加热元件和温度测量元件维持细胞腔室温度在25℃~30℃，将分离出来的嗅觉细胞与培养液混匀成样品移入细胞腔室；当气体分子经通气孔作用在细胞腔室的活体嗅觉感受细胞上，嗅觉感受细胞受到刺激后，细胞表面的电位与浸入营养液的参考电极的电位形成电位差；感受细胞表面紧贴微电极，引线及记录电极焊盘作为读取电路读取通过微电极采集的电信号，再利用合适的调理电路和采集电路实现嗅觉信号的读出或测量。
8、优选的，所述第一pdms固定框厚度为40μm~60μm，形状为正方形，边长为2.5mm~3mm；所述第一通气孔及第二通气孔为圆形，直径为0.5μm~1μm，所述加热元件接口形状为正方形，边长为70μm~80μm；所述温度测量接口形状为长方形，长为70μm~80μm，宽为20μm~30μm，外侧的加热元件接口与相邻的温度测量接口之间的距离为25μm~35μm，两个温度测量接口之间的距离为10μm~15μm。
9、优选的，第二pdms固定框厚度为80μm~120μm，所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：包括从上到下所设置的PDMS盖片（1）、温控层（2）、PDMS隔膜（3）、PDMS防呆凹槽层（4）、细胞腔室层（5）与玻璃衬底层（6）；所述PDMS盖片（1）、温控层（2）、PDMS隔膜（3）从上到下依次键合为第一整体，所述PDMS防呆凹槽层（4）、细胞腔室层（5）与玻璃衬底层（6），从上到下依次键合为第二整体，所述第一整体与第二整体通过键合的方式连接为一体；
2.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述第一PDMS固定框（101）厚度为40μm~60μm，形状为正方形，边长为2.5mm~3mm；所述第一通气孔（102）及第二通气孔（302）为圆形，直径为0.5μm~1μm，所述加热元件接口（103）形状为正方形，边长为70μm~80μm；所述温度测量接口（104）形状为长方形，长为70μm~80μm，宽为20μm~30μm，外侧的加热元件接口（103）与相邻的温度测量接口（104）之间的距离为25μm~35μm，两个温度测量接口（104）之间的距离为1
3.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：第二PDMS固定框（301）厚度为80μm~120μm，所述加热元件（201）材料为铂，加热电极片的输入输出端口处的70μm~80μm，中部蛇形位置的宽度为25μm~35μm；所述温度测量元件（202）材料为铂，测温电极片的两个温度输出端的宽度为25μm~35μm，内侧的测温电极片的宽度为5μm~7μm，所述测温电极片与加热电极片的间隙最小为2μm~5μm，最大为25μm~35μm；所述第二PDMS固定框（301）底面的方形凸起（303）的厚度为40μm~60μm，长为1800μm~2200μm，宽为1600μm~2000μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述第三PDMS固定框（401）的厚度与方形凸起（303）的厚度相同，所述防呆凹槽的长为1830μm~2230μm，宽为1630μm~2030μm；三角形缺口的高为25μm~35μm，底边长为50μm~60μm；三角形凸起的高为15μm~25μm，底边长为150μm~180μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述第四PDMS固定框（501）的厚度为80μm~120μm，所述细胞腔室（502）的长为1600μm~2000μm，宽为1400μm~1800μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述玻璃衬底（601）的厚度为500μm~1000μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述参考电极片（602）和记录电极焊盘（605）均使用TiN材料，厚度为0.1μm~0.5μm，边缘端上方无填充材料，形状为长方形和等边三角形的组合，长方形长为200μm~400μm，宽为50μm ~60μm；等边三角形边长为50~60μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述微电极（603）形状为圆形，厚度为0.1μm~0.5μm，直径为10μm~20μm，所述引线（604）厚度为0.1μm~0.5μm，宽度为8μm~16μm，每个引线（604）上方以0.5~1μm的二氧化硅绝缘层隔断相邻的引线（604）之间以及引线（604）与邻近微电极（603）之间的电气连接作用；所述记录电极焊盘（605）厚度为0.1μm~0.5μm，直径为15μm~25μm，所述记录电极焊盘（605）上方无填充材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述参考电极接口（7）与记录电极接口（8）形状均为正方形，参考电极接口（7）边长为50~60μm，记录电极接口（8）边长为15μm~20μm，相邻的记录电极接口（8）之间的距离为5μm~10μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融MEMS的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述高灵敏嗅觉传感器在使用时，维持细胞腔室（502）的温度在25℃~30℃。
...【技术特征摘要】
1.一种基于活体嗅觉细胞共融mems的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：包括从上到下所设置的pdms盖片（1）、温控层（2）、pdms隔膜（3）、pdms防呆凹槽层（4）、细胞腔室层（5）与玻璃衬底层（6）；所述pdms盖片（1）、温控层（2）、pdms隔膜（3）从上到下依次键合为第一整体，所述pdms防呆凹槽层（4）、细胞腔室层（5）与玻璃衬底层（6），从上到下依次键合为第二整体，所述第一整体与第二整体通过键合的方式连接为一体；
2.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融mems的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述第一pdms固定框（101）厚度为40μm~60μm，形状为正方形，边长为2.5mm~3mm；所述第一通气孔（102）及第二通气孔（302）为圆形，直径为0.5μm~1μm，所述加热元件接口（103）形状为正方形，边长为70μm~80μm；所述温度测量接口（104）形状为长方形，长为70μm~80μm，宽为20μm~30μm，外侧的加热元件接口（103）与相邻的温度测量接口（104）之间的距离为25μm~35μm，两个温度测量接口（104）之间的距离为10μm~15μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融mems的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：第二pdms固定框（301）厚度为80μm~120μm，所述加热元件（201）材料为铂，加热电极片的输入输出端口处的70μm~80μm，中部蛇形位置的宽度为25μm~35μm；所述温度测量元件（202）材料为铂，测温电极片的两个温度输出端的宽度为25μm~35μm，内侧的测温电极片的宽度为5μm~7μm，所述测温电极片与加热电极片的间隙最小为2μm~5μm，最大为25μm~35μm；所述第二pdms固定框（301）底面的方形凸起（303）的厚度为40μm~60μm，长为1800μm~2200μm，宽为1600μm~2000μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于活体嗅觉细胞共融mems的高灵敏嗅觉传感器，其特征在于：所述第三pdms固定框（401）的厚度与方形凸起（303）的厚度相同，所述防呆凹槽的长为1830μm~2230μm，宽为1630μm~2030μm...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵星灵，李秀源，闫佳乐，刘俊，唐军，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：
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