CN105583014B - 基于ltcc集成的光子微流检测芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LTCC的光子微流检测芯片，属于微系统传感检测领域。该芯片在LTCC单片基板上实现了微光源、光纤系统、光子传感系统、探测器芯片、信号处理芯片以及温控板的集成。其中，微流通道和光纤系统制造于基板内部，从而实现了光子在单片微流系统中的传感。本发明的优点：1)在LTCC基板内可较为便捷的实现光纤系统以及光子传感系统的集成制造；2)该检测芯片所需要的光源、探测器、信号处理器等部件可通过标准的微组装工艺实现在LTCC基板上的集成；3)检测芯片所需要的微流检测通道可以便捷的在LTCC基板上实现可控制造；4)LTCC陶瓷具有良好的抗腐蚀特性和高温特性，可支持此芯片应用于恶劣环境中。

Description

基于LTCC集成的光子微流检测芯片

技术领域

本发明属于微系统传感领域，特别涉及一种在低温共烧陶瓷(LTCC)基板上实现光子微流检测芯片。

技术背景

光学检测方法是指在功能结构中应用光子作为信号载体对外界物理量进行传感的方法。与传统电子信号传感相比具有传输损耗小、抗电磁干扰性能强等优点。因此，基于光子传感的检测技术在学术界和产业界都得到广泛关注。

微流控传感芯片可在很小的芯片上实现物质的快速传感。其芯片整体尺寸为厘米量级，芯片内部的流体通道网络为微米量级。在传感与检测应用中，相比于宏观实验中试剂消耗量大、危险高、污染多等缺点，微流控传感芯片具有试剂用量少，成本低、安全性高、环保、灵敏度高、芯片尺寸小、集成度高等优点，使得“微流控传感芯片”成为“片上实验室”研究的主要方面。其中，微流控结构的基础材料和结构制造是微流控传感芯片研究中首先需要解决的关键问题。

将光子检测技术与微流控技术相结合，可构建光子微流检测芯片，不仅融合了两者的优点，还大大扩充了应用领域，具有巨大的应用潜力。

目前，微流控芯片的制造材料主要有硅片、玻璃以及石英等无机材料以及PMMA、PC和PDMS等高分子有机材料。高分子材料透光性较好、价格便宜、制作技术相对简单。然而，高分子材料的热力学特性较差，限制了流控芯片的使用环境，并且其制造技术不易与电控单元实现一次集成制造，还需要键合等辅助工艺制造。硅片、玻璃以及石英等无机材料耐腐蚀，是微流控芯片的良好材料，但是它们的制作技术比较复杂，微通道尺寸难以控制，与其他系统的键合比较困难且成本较高，不易批量生产。因此，尝试其他材料进行微流控芯片的低成本可控制造具有重要意义。

低温共烧陶瓷(LTCC)，通过多层标准厚度(约100μm)的生瓷片叠压成一体后经过低温(850℃)共烧而成。近年来，随着精细加工技术和先进制造设备的发展，可在LTCC单层生瓷片上制造宽度尺寸为50μm的空腔及其通道结构。通过将这些制造了通道结构的生瓷片叠压在LTCC基板之中，

通过“砌砖”的方式就能在LTCC基板内部实现流体通道结构。除了流体通道结构，还能同时实现腔体、膜层等结构的集成制造。在LTCC基板上实现上述腔体、通道、膜层以及它们组成的多种复杂3D结构的能力，使得LTCC基板的应用打破了常规微波电路模块应用，并逐步扩展到微系统集成领域。LTCC腔体，为IC芯片在基板上的可靠集成提供了空间，可大大提升系统的集成度。LTCC膜层结构，为LTCC基板上集成制造多种类型的传感器(例如：压力传感器、加速度传感器等)提供了结构基础。特别是，LTCC内部流体通道结构，通过控制制造工艺，可实现几十微米到毫米尺寸结构的可控制造，为微流控系统的制造提供了新思路。

与传统的微流制造材料和制造技术相比，LTCC基板微流传感系统具有以下优势：

1)LTCC微流结构制造简单，支持“砌砖”方式制造：通过层叠“制造了通道结构的生瓷带”可容易实现复杂微流结构的快速制造。制造中不需要“刻蚀”以及片间键合，不仅降低了制造周期，节约制造时间，还大大降低制造成本。

2)LTCC陶瓷材料具有良好的抗腐蚀特性，可应用于强腐蚀性恶劣环境。

3)LTCC陶瓷材料具有良好的高温特性，可稳定工作于高温环境(＞500℃)。

4)LTCC可兼容电阻、电容以及电感等无源器件的集成制造，还可以实现LTCC膜层传感器等器件的集成制造。有利于在单片上实现微流控系统与信号处理系统的集成制造。

5)LTCC基板与现代微组装技术兼容，易于制造腔体结构并通过共晶、键合等工艺实现功能芯片等外界系统的组装与整体封装。

发明内容

本发明针对目前微流光子检测技术中的问题，提出了一种基于LTCC集成的光子微流检测芯片。

本发明所采取的技术方案为：

一种基于LTCC集成的光子微流检测芯片，包括LTCC基板、激光芯片、微流通道、探测器芯片和数字处理单元，其特征在于：所述的微流通道设置在LTCC基板的基体内，所述的激光芯片和探测器芯片相对设置在微流通道的两端，探测器芯片的探测信号输出端与数字处理单元的探测信号输入端相连接。

其中，还包括光子传感系统；所述的光子传感系统的一端与激光芯片相连接，光子传感系统的另一端穿过微流通道与探测器芯片相连接。

其中，所述的光子传感系统为双锥光纤、双锥光纤-高Q光学微腔传感单元或者倏逝场微纳光纤传感单元。

其中，在微流通道下方的LTCC基板的基体内设置有温控板。

本发明的实质性特点和显著地有益效果如下：

1、与半导体制造技术相比，LTCC基板上实现微流通道的制造简洁、快速，制造中不需要“刻蚀”以及片间键合，不仅降低了制造周期，节约制造时间，还大大降低制造成本。

2)LTCC陶瓷材料具有良好的抗腐蚀特性，可使该检测系统应用于强腐蚀性恶劣环境。

3)LTCC陶瓷材料具有良好的高温特性，可稳定工作于高温环境(＞500℃)。

4)LTCC可兼容电阻、电容以及电感等无源器件的集成制造，还可以实现LTCC膜层传感器等器件的集成制造。有利于在单片上实现微流控系统与信号处理系统的集成制造。

5)LTCC基板与现代微组装技术兼容，易于制造腔体结构并通过共晶、键合等工艺实现功能芯片等外界系统的组装与整体封装。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为光子传感系统与微流通道的配合示意图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明进行详细说明。

如图1所示，基于LTCC集成的光子微流检测芯片，包括LTCC基板1、激光芯片2、微流通道3、探测器芯片4和数字处理单元5，所述的微流通道3设置在LTCC基板1的基体内，所述的激光芯片2和探测器芯片4相对设置在微流通道3的两端，探测器芯片4的探测信号输出端与数字处理单元5的探测信号输入端相连接。在微流通道下方的LTCC基板的基体内设置有温控板6。

作为另一个实施例，还包括如图2所示光子传感系统；所述的光子传感系统的输入端7与激光芯片2相连接，光子传感系统的输出端8穿过微流通道3与探测器芯片4相连接。所述的光子传感系统为双锥光纤9、双锥光纤-高Q光学微腔传感单元10或者倏逝场微纳光纤传感单元。

实例：

本发明中LTCC基板采用Dupont951瓷片制作，该瓷片每层的厚度为114μm。本实例中应用20层瓷片构建该检测芯片。

本发明中光纤系统应用康宁公司的多模裸光纤。

本发明中微流通道中的光子传感系统示意图如图2所示。微流通道的截面尺寸为1mm×1mm。光子传感系统应用高Q光学微腔传感单元。

基于LTCC单片集成的光子微流测试方法，由光源芯片发射的激光作为信号源头，光子探测源经过光纤系统进入到微流通道内的光子传感系统，在微流通道处实现对外界物质的探测，带有探测信号的光子信息被探测器芯片接受，并在此处完成光电信号转换并将电信号传送给数字信号处理单元，处理后的信号输入到存储单元完成信息存储。待测液体经过微流液体进口进入到微流通道之中，并通过微流液体出口流出。

首先初始化：在无微流液体进入到微流通道时，系统记录光电探测器的信息，并将其作为后续信息处理的第一参考信息。

当纯净的微流液体进入到微流通道之中时，由于微流液体与光子系统的相互作用(反射、折射、散射)，会改变光电探测器的输出信息，该信息可作为后续信息处理的第二参考信息。

当微流体中的物质成分发生变化时，会进一步改变光子的传输特性，从而会改变光电探测器的输出信息。在第一、第二的参考信息帮助下，数字信号处理单元通过分析结算得到微流中的待测物理量(浓度、折射率以及微粒子浓度等等)。

基于LTCC单片集成的光子微流检测芯片，包括激光芯片、光纤系统、光子传感系统、微流通道、探测器芯片、数字处理单元、存储单元、温度控制单元、电源接口、加热单元、内部导线以及LTCC基板，且所有的部件都集成于一块LTCC多层基板的单片上；其特点是：

所述的光纤系统通过集成制造集成于LTCC基板的内部；

所述的激光芯片光源、探测器芯片、信号处理和存储单元以及温控芯片都采用成熟产品，且通过微组装技术将它们组装到LTCC基板上相应的盲腔内；

所述的加热单元、内部导线分别采用成熟的厚膜电阻、厚膜导体技术实现；

所述的LTCC基板采用标准的低温共烧陶瓷技术实现，制造中在根据系统设计在不同的层上实现金属化及腔体制造。

基于LTCC单片集成的光子微流检测芯片，该检测芯片中的光子系统是与光纤技术相兼容的光纤传感结构单元，为高Q光学微腔传感单元，或者为倏逝场微纳光纤传感单元以及其他的光纤传感结构。

基于LTCC单片集成的光子微流检测芯片，该检测芯片中的微流截面尺寸为(150μm～2mm)×(150μm～2mm)。

基于LTCC单片集成的光子微流检测芯片，该芯片的制造方法融合了光纤-LTCC基板的一体化集成制造技术以及基于微组装技术的功能芯片-LTCC基板集成制造技术。

Claims (3)

1.一种基于LTCC集成的光子微流检测芯片，包括LTCC基板、激光芯片、微流通道、探测器芯片和数字处理单元，其特征在于：所述的微流通道设置在LTCC基板的基体内，所述的激光芯片和探测器芯片相对设置在微流通道的两端，探测器芯片的探测信号输出端与数字处理单元的探测信号输入端相连接；所述的微流通道的微流截面尺寸为(150μm～2mm)×(150μm～2mm)；所述的LTCC基板采用Dupont951瓷片制作，该瓷片每层的厚度为114μm，应用20层瓷片构建该光子微流检测芯片；还包括光子传感系统，所述的光子传感系统的一端与激光芯片相连接，光子传感系统的另一端穿过微流通道与探测器芯片相连接；

基于LTCC集成的光子微流检测芯片测试时，首先初始化：在无微流液体进入到微流通道时，系统记录探测器芯片的信息，并将该信息作为第一参考信息；当纯净的微流液体进入到微流通道之中时，微流液体与光子传感系统相互作用，改变探测器芯片的输出信息，将该输出信息作为第二参考信息；当微流体中的物质成分发生变化时，会进一步改变光子的传输特性，从而改变探测器芯片的输出信息，在第一参考信息和第二参考信息的帮助下，数字信号处理单元通过分析结算得到微流通道中的待测物理量。

2.根据权利要求1所述的一种基于LTCC集成的光子微流检测芯片，其特征在于：所述的光子传感系统为双锥光纤、双锥光纤-高Q光学微腔传感单元或者倏逝场微纳光纤传感单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于LTCC集成的光子微流检测芯片，其特征在于：在微流通道下方的LTCC基板的基体内设置有温控板。