CN103149135B - 细胞悬液浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种细胞悬液浓度传感器、检测系统及其检测方法。细胞悬液浓度传感器包括金属外壳、声表面波谐振器和丝网印刷碳电极。声表面波谐振器真空封装于金属外壳中，声表面波谐振器采用ST切型石英作为压电基底材料，通过光刻工艺制备，发出的声表面波频率为433MHz。本发明提供的细胞悬液浓度传感器体积小巧，实用方便，电极响应快、灵敏度高，具有批量重复性好、成本低廉等优势，而且可以达到很高的频率，能够实现待测细胞悬液浓度的实时、快速检测。

Description

细胞悬液浓度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种细胞悬液浓度传感器。

背景技术

细胞悬液是指把贴壁细胞用胰蛋白酶等消化吹打以后，使细胞彼此分离，从而使细胞悬浮在培养液中。目前并无直接检测细胞悬液浓度的方法。通常是取出一定数量的细胞，然后通过显微镜观察细胞数目，接着通过计算加入适量溶剂，制备一定浓度的细胞悬液。若要获得其它浓度的细胞悬液，则需将高浓度悬液稀释成低浓度，或者将相应的低浓度悬液浓缩成高浓度。当获得一未知浓度的细胞悬液时，现有的检测方法无法直接得知其浓度。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种稳定性和灵敏度高的细胞悬液浓度传感器。

为了实现本发明的一目的，本发明提供一种细胞悬液浓度传感器，包括金属外壳、声表面波谐振器和丝网印刷碳电极。声表面波谐振器真空封装于金属外壳中，声表面波谐振器采用ST切型石英作为压电基底材料，通过光刻工艺制备，发出的声表面波频率为433MHz。丝网印刷碳电极与声表面波谐振器相串联。

于本发明的一实施例中，声表面波谐振器包括压电基片、叉指换能器、两个反射栅和两个吸声件。压电基片为ST切型石英。叉指换能器刻蚀于压电基片。叉指换能器发出433MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm。两个反射栅分别刻蚀于叉指换能器的两侧，每侧的反射栅指条数目N_ref=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm。两个吸声件分别设置于两个反射栅远离叉指换能器的一侧。

于本发明的一实施例中，声表面波谐振器是单端口声表面波谐振器。

综上所述，本发明提供的细胞悬液浓度传感器体积小巧，实用方便，电极响应快、灵敏度高，具有批量重复性好、成本低廉等优势，而且可以达到很高的频率，能够实现待测细胞悬液浓度的实时、快速检测。细胞悬液浓度传感器采用的声表面波谐振器具有更高的品质因数Q及频率稳定性，不易受环境影响，且可由IC工艺加工设计，具备体积小、重量轻等优点。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明提供的金属外壳、声表面波谐振器和丝网印刷碳电极的分解示意图。

图2所示为本发明提供的声表面波谐振器的电极设计示意图。

具体实施方式

图1所示为本发明提供的金属外壳、声表面波谐振器和丝网印刷碳电极的分解示意图。图2所示为本发明提供的声表面波谐振器的电极设计示意图。请一并参考图1和图2。

本发明提供一种细胞悬液浓度传感器，包括金属外壳12、声表面波谐振器（SAWR）11和丝网印刷碳电极13。声表面波谐振器11真空封装于金属外壳12中，声表面波谐振器11采用ST切型石英作为压电基底材料，通过光刻工艺制备，发出的声表面波频率为433MHz。丝网印刷碳电极与声表面波谐振器相串联。

于本发明中，首先声表面波谐振器11封装于金属外壳12中，然后金属外壳12内部抽成真空，这样会消除声表面波谐振器11表面空气所形成的干扰。

采用ST切型石英作为基底材料而非其它石英晶体切型（譬如AT切、SC切）是因为其更容易在高频率端工作。ST切型(ST=Stable Temperature)其欧拉角度为(0°,132.75°,0°)。有时此切型也称为“X轴方向传播的Y切石英晶体”。通过将声表面波谐振器11的频率设定为高频433MHz，这样声表面波谐振器11工作在较高的频率下，有利于提高传感器的稳定性和灵敏度。

于本实施例中，丝网印刷碳电极13包括PVC电极基片，基片上印制有碳工作电极、碳对电极和Ag/AgCl参比电极，各电极分别对应连接有一根电极引线。然而，本发明对丝网印刷碳电极13的具体类型和型号不作任何限定。电化学性质稳定的丝网印刷碳电极都可以作为本发明中的丝网印刷碳电极使用。

如图2所示，于本实施例中，声表面波谐振器11是单端口谐振器，由刻蚀在压电基片1111上的叉指换能器1112（Interdigital Transducers，IDT）、两侧的左、右反射栅1113及最外侧的吸声材料1114组成。

IDT1112为叉指状电极，电信号加于IDT1112两端时，在压电基片1111上激励的声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）向两侧传播在左右两反射栅1113栅极之间和左右反射栅1113之间发生多次反射，反射波仍由IDT1112接收。本发明通过设置IDT金属叉指宽度、叉指间距、反射栅栅极宽度和IDT与栅极间距使得声表面波的谐振频率为433MHz。

于本实施例中，叉指换能器1112发出433MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm。每侧的反射栅1113的指条数目N_ref=200，两侧的反射栅1113与叉指换能器1112之间的距离s=9.0μm。

于本实施例中，声表面波谐振器11的主要设计因素包括基底材料的选择与中央的叉指换能器（IDT）以及两侧的反射栅条的参数设计。为提高检测精度，设计的器件应具备较高的Q值，但同时又要保证足够的相应带宽，这也是本发明的设计技术难点之一。同时，为扩大检测范围以及无线无源的检测需求，应使器件具备较大的声表面波激发强度并尽量减小器件的插入损耗。

SAWR参数设计主要包括对叉指换能器IDT的设计和两侧反射栅的参数设计。IDT主要参数为周期节长度M，叉指宽度a，叉指间隙b，指条对数N，声孔径W等。

1.叉指宽度a，叉指间隙b

对等间距IDT而言，满足a=b=M/4，该参数决定声表面波谐振器的谐振频率，应满足：

M=λ=v/f

其中λ为声表面波波长，v为IDT所激发的声表面波波速（不同压电基底有所不同），f为谐振器的谐振频率。对ST切型石英，v=3158m/s，本发明中IDT中心频率为433MHz，则由上式计算可得λ=7.2μm。考虑蚀刻工艺的误差影响，本发明取a=1.9μm，b=1.7μm。

2.指条对数N

指条对数N主要影响器件带宽及激发声表面波强度，N越大，带宽越窄，Q值越高，以其作为反馈元件的振荡器的频率稳定度越高。其-3dB带宽△f_-3dB满足：

△f_-3dB/f₀=0.8845/N

其中f₀为中心频率。但IDT对数不能过多，IDT对数越多会使(sinX/X)²两旁的零点越接近，造成频宽过窄。同时IDT对数越多激发声表面波强度越大，强度与N²成正比。本发明取N=100。

3.声孔径W

声孔径W主要影响激发声表面波的振幅及器件的插入损耗：W越大，总功率、振幅越大、插入损耗越小；不过过长的重叠长度非但无法降低插入损失，反而只是徒增组件的大小。同时，W越大IDT的等效电容也越大，不利于高频信号。但声孔径太小会使SAW的衍射变得严重。设计中应对各种指标进行综合考虑，取值10～100λ为佳。本发明取W=100λ=720μm。

4.反射栅数目N_ref

金属反射栅可将声波向两侧传递损失的能量反射加以利用，从而降低插入损耗，金属栅电极间距p=λ/2时，IDT中心频率落在金属栅完全反射的频段内。可达到最好的反射效果。反射栅数目应根据具体情况而定，一般建议取N_ref|z|=3～4，对铝条反射栅|z|=0.018。本发明取N_ref=200，即IDT两侧各200条反射栅。

5.延迟距离s

IDT与两侧反射栅之间的距离s称为延迟距离，需满足：

S=λ/4+n(λ/2)

其中n为正整数。延迟距离对于SAWR的响应极为重要，延迟距离应越小越好，以避免声波传输时的损失。本发明取s=5/4·λ=9.0μm。

6.铝条厚度H

由于表面质量沉积和电导率的变化，叉指指条在基底表面会使SAW的传输阻抗发生变化，传输阻抗的跳变将导致SAW的反射，使传输频谱发生畸变。从减少反射角度来说，应使叉指电极的铝膜厚度H尽可能地小，但会导致叉指电极的电阻增大，增加插入损耗，并有可能导致铝条的断裂，降低器件的可靠性。综合考虑后，本发明取铝条厚度H=200nm。

综上所述，本发明的所有参数如下表所示：

中心频率f	433MHz
		周期节长度M	7.2μm
叉指（反射栅）宽度a	1.9μm
		叉指（反射栅）间距b	1.7μm
声孔径W	720μm
		IDT指条对数N	100
反射栅指条数目Nref	200
		传输距离s	9.0μm
铝条厚度H	200nm

使用TANNER L-Edit软件进行器件版图设计，制作掩膜板。利用精密光刻工艺在ST切石英基底表面制作铝制IDT及反射栅图案。主要制备工艺流程包括：研磨、清洗→蒸发电极膜→甩胶前烘→曝光→显影、漂洗、坚膜→腐蚀→去胶。

本发明加工好的SAWR实物体积很小。器件基底采用标准的PIN4封装，也利于其在PCB中的焊接于拆装。器件基底表面IDT部分通过扫描电镜可见通过精密光刻工艺能够在基底材料表面得到平滑规整的表面图案结构，使器件可以得到较高的Q值，提高其稳定性。

以下简要介绍本发明的细胞悬液浓度传感器的工作原理。声表面波谐振器负载丝网印刷电极的等效电路如以下公式（1）所示。当丝网印刷碳电极与谐振器串联之后，Ce与Re分别是丝网印刷碳电极的等效电容与等效电阻。声表面波谐振器负载丝网印刷电极的频率计算为：

$F=F_0=[\frac{\mathrm{\π}{F}_0{C}_s(2\mathrm{\π}{F}_0{C}_e-Y{G}_e)}{{G_e}^2-2\mathrm{\π}{F}_0{C}_0{G}_{e}Y{+4\mathrm{\π}}^2{F}_{0}2C_e(C_0+C_e)}-\mathrm{\π}{F}_0{C}_s{R}_s]---\left(1\right)$ 式中，Co为静态电容，Ls、Cs与Rs分别为声表面波谐振器的动态电感、动态电容与动态电阻，谐振器的空载频率Y是放大电路的相参数，丝网印刷电极的表面电导率为G_e＝1/R_e，极间电容C_e＝κε+C_p，其中ε为介电常数，C_p为导线间的寄生电容。谐振器采用真空封装，其自身参数在检测过程中可以保持较高的稳定性，因此振荡频率主要取决于丝网印刷电极极间电容C_e和介电常数ε。

滴涂在碳电极上的不同浓度细胞悬液改变了极间电容C_e和介电常数，从而对声表面波谐振器的工作频率产生影响，这是该传感器的工作原理。当细胞悬液滴凃于丝网印刷电极的工作电极时，由于活细胞的介电特性，工作电极和对电极之间的电流由于细胞的存在而受到较大影响。细胞悬液浓度越大，极间电流影响就越大，丝网印刷电极的极间电阻Re就越大，丝网印刷电极的电导率G_e＝1/R_e显著减小。根据式（1）可知，最终声表面波谐振器频率上升。此外，丝网印刷碳电极的动态电容Ce参数在这个过程中也出现变化，但相比丝网印刷电极极间电阻Re来说影响较小。

不同种类细胞的形状和物化性质都是不同的，因此制备成相同浓度的细胞悬液的检测频率也是不相同的，每一种细胞的悬液浓度曲线都是唯一的。因此，本发明提供的传感器可用于精确地检测不同种类的细胞悬液浓度。

综上所述，本发明提供的细胞悬液浓度传感器体积小巧，实用方便，电极响应快、灵敏度高，具有批量重复性好、成本低廉等优势，而且可以达到很高的频率，能够实现待测细胞悬液浓度的实时、快速检测。细胞悬液浓度传感器采用的声表面波谐振器具有更高的品质因数Q及频率稳定性，不易受环境影响，且可由IC工艺加工设计，具备体积小、重量轻等优点。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (2)

1.一种细胞悬液浓度传感器，其特征在于，包括：

金属外壳；

声表面波谐振器，真空封装于所述金属外壳中，所述声表面波谐振器采用ST切型石英作为压电基底材料，通过光刻工艺制备，发出的声表面波频率为433MHz，所述声表面波谐振器包括：

压电基片，为ST切型石英；

叉指换能器，刻蚀于所述压电基片，叉指换能器发出433MHz的中心频率，周期节长度M=7.2μm，叉指宽度a=1.9μm，叉指间距b=1.7μm，指条对数N=100，声孔径W=720μm，叉指指条的铝条厚度H=200nm；

两个反射栅，分别刻蚀于所述叉指换能器的两侧，每侧的反射栅指条数目N_ref=200，两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=9.0μm；

两个吸声件，分别设置于所述两个反射栅远离所述叉指换能器的一侧；

丝网印刷碳电极，与所述声表面波谐振器相串联。

2.根据权利要求1所述的细胞悬液浓度传感器，其特征在于，所述声表面波谐振器是单端口声表面波谐振器。