CN105353222B - 基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，包括一次性薄膜电极和可重复利用的CMOS信号处理芯片，一次性薄膜电极和CMOS芯片间以杜邦线连接，实现了电极和CMOS芯片的分离；一次性薄膜电极采用廉价基底，用大面积薄膜沉积技术在基底上镀上薄膜电极片，降低了电极的生产成本，可满足大面积生物阻抗测量的需要；同时，一次性薄膜电极中用于导电的电极片材料种类多样，可以根据具体的测量需求更换镀有不同材质电极片的一次性薄膜电极。

Description

基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置

技术领域

本发明涉及的是生物分子阻抗测量检测技术领域，尤其是一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置。

背景技术

生物分子阻抗检测技术由于其广阔的应用前景和显著的技术优势在生物传感应用领域受到了广泛关注。传统阻抗检测系统通常将整个探测系统集成与单一CMOS芯片上，直接用CMOS芯片顶层金属层(铜或铝等传统CMOS金属材料)做为探测电极，在使用时需将金属电极置于待测溶液中，对样本的电学特性及响应进行探测，该阻抗探测芯片具有集成度高、体积小、便于携带等优点。但是，这种集成生物阻抗探测芯片中使用的金属电极通常不具备生物兼容性，在对生物分子阻抗进行检测时需要对金属电极的表层进一步加工，增加了工艺成本。此外，金属电极很难清理，当电极收到污染时，CMOS集成芯片也需要同时被舍弃，大大限制了芯片的使用寿命，在某些需要大面积电极的应用领域，CMOS芯片面积的增加将成倍地提高工艺成本。

独立于探测芯片的金属电极也广泛应用于生物探测领域，然而其制备主要依靠传统金属铸造、精加工等，工艺复杂且废料成本较高。本发明采用的薄膜电极，主要应用于大面积薄膜电子电路，其制备工艺简单，成本低廉，可兼容多种材料，而不必局限于传统金属加工工艺及选材。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，该探测装置中用于采样的电极与CMOS信号处理芯片以杜邦线连接，采样电极可以根据所需采样的对象不同进行更换，且造价更低廉，适用于大面积生物阻抗探测技术。

技术方案：一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，包括一次性薄膜电极和CMOS信号处理芯片，一次性薄膜电极与CMOS信号处理芯片之间通过杜邦线连接；所述一次性薄膜电极由基底12、两个薄膜电极片11和凹井13组成；所述凹井13用于储存待测样品溶液，所述薄膜电极片11镀于凹井13底部表面，其中一个薄膜电极片的一端与CMOS信号处理芯片的电流输入引脚1相连，另一个薄膜电极片的一端与接地引 脚3相连。

作为优选，所述两个薄膜电极片11的连接方式还可以为：其中一个薄膜电极片的一端与CMOS信号处理芯片的电流输入引脚1相连，另一个薄膜电极片的一端与CMOS信号处理芯片的参考电压输入引脚7相连

作优选，所述两个薄膜电极片11的宽度和电极薄片之间的间距均为500μm。

作为优选，所述薄膜电极片11可以为石墨烯或过渡金属硫化物或碳纳米管或金属纳米颗粒或金属氧化物纳米线或纳米管。

作为优选，所述基底12为玻璃基底，该基底表面除了凹井13以外的区域都经过PDMS的钝化和加温固化。

作为优选，所述CMOS信号处理芯片包括：电流输入引脚1、高电平引脚2、接地引脚3、阻抗变换放大器4、偏置信号电路5、锁相放大器6、电压输入引脚7、电压输出引脚8和函数发生器10；所述阻抗变换放大器4用于通过电流输入引脚1接收一次性薄膜电极检测到的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；所述锁相放大器6用于接收阻抗变换放大器4的输出电压信号和函数发生器10提供的电极激励信号，输出复阻抗分析信号；所述偏置信号电路5连接于所述阻抗变换放大器4的输入端，用于提供一个弱反型偏置电压。

有益效果：与现有的生物分子阻抗测量装置相比，本发明具有以下优点：

(1)一次性薄膜电极与CMOS芯片分开，延长了芯片的使用寿命；

(2)一次性薄膜电极中的导电部分为两片薄膜电极片，与现有的金属电极棒，金属电极环相比，造价低廉，节约了工艺成本；

(3)薄膜电极片的材质多样，可适用于各种检测需求。

附图说明

图1为本发明所提出的基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置的结构图；

图2为本发明中电极的结构图；

图3为本发明中CMOS芯片的结构图。

图中：、1、电流输入引脚，2、高电平引脚，3、接地引脚，4、阻抗变换放大器，5、偏置信号电路，6、锁相放大器，7、参考电压输入引脚，8、电压输出引脚，9、PCB板，10、函数发生器，11、薄膜电极片，12、基底，13、凹井。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明所提出的基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置的结构图，包括一次性薄膜电极和CMOS信号处理芯片，一次性薄膜电极与CMOS信号处理芯片之间通过杜邦线连接。

本发明中的一次性薄膜电极如图2所示，包括薄膜电极片11、基底12、和凹井13，在本发明的一个具体实施例中，薄膜电极片11为Cr薄膜电极片和Au薄膜电极片，通过蒸镀法镀在凹井13的上表面，两个薄膜电极片的宽度和间距均为500μm，电极通过银胶与CMOS芯片的管脚相接。该电极采用玻璃基底，玻璃的其他部分使用液态的PDMS进行钝化，在电极的中心位置留出储存检测样品溶液的凹井，继而对PDMS进行加温固化。

本发明中的CMOS信号处理芯片结构如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，使用Cadence模拟集成电路设计软件进行CMOS信号处理芯片的设计，制备工艺使用AMS0.18微米CMOS工艺。

在进行生物阻抗检测时，待检测生物样本溶液放置在凹井13中，函数发生器10提供一个扫频正弦电极激励信号，该扫频正弦电极激励信号的扫频范围、测试点数量、电压峰-峰值均可根据实际测试样本而调整，为方便说明，这里的扫频正弦电极激励信号的扫频范围为100Hz至1MHz，测试点数量为每个扫频范围数量级10个，电压峰-峰值为100mV。薄膜电极片11镀在凹井底部，将函数发生器10提供的扫频正弦电极激励信号输入待测样本溶液，并探测响应产生的电流信号，根据生物样本本身的性质，响应电流的幅值及相位会随着激励信号频率的变化而变化。薄膜电极片11可以根据所要检测的要求的不同选择具有不同材质薄膜电极片的薄膜电极。

薄膜电极将探测到的电流输入CMOS信号处理芯片，芯片结构如图3所示，芯片中的阻抗变换放大器(4)将电极探测到的电流信号转化为电压信号，锁相放大器(6)接收阻抗变换放大器(4)输出的电压信号，并将其与函数发生器提供的扫频正弦电极激励信号及扫频正弦电极激励信号的正交信号相乘，得到所检测样本的复阻抗分析信号，复阻抗分析信号经过滤波器滤去高频干扰信号，得到直流电压信号，该直流电压信号输入示波器读出数值。

为了进一步提高检测装置的检测精度，在本发明的一个具体实施例中，CMOS芯片中 的阻抗变换放大器使用两级补偿米勒OTA的设计方案，具有高增益、低噪声和高输出摆动的电学特性。设计中使用了具有较低闪变噪声的PMOS且在输入端使用了弱反型偏置电压进一步提高增益并减小噪声。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，其特征在于，包括一次性薄膜电极和CMOS信号处理芯片，一次性薄膜电极与CMOS信号处理芯片之间通过杜邦线连接；所述一次性薄膜电极由基底(12)、两个薄膜电极片(11)和凹井(13)组成；所述凹井(13)用于储存待测样品溶液，所述薄膜电极片(11)镀于凹井(13)底部表面，其中一个薄膜电极片的一端与CMOS信号处理芯片的电流输入引脚(1)相连，另一个薄膜电极片的一端与接地引脚(3)相连；所述CMOS信号处理芯片包括：电流输入引脚(1)、高电平引脚(2)、接地引脚(3)、阻抗变换放大器(4)、偏置信号电路(5)、锁相放大器(6)、参考电压输入引脚(7)、电压输出引脚(8)和函数发生器(10)；所述阻抗变换放大器(4)用于通过电流输入引脚(1)接收一次性薄膜电极检测到的电流信号，并将电流信号转换为电压信号；所述锁相放大器(6)用于接收阻抗变换放大器(4)的输出电压信号和函数发生器(10)提供的电极激励信号，输出复阻抗分析信号；所述偏置信号电路(5)连接于所述阻抗变换放大器(4)的输入端，用于提供一个弱反型偏置电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，其特征在于，所述两个薄膜电极片(11)的连接方式还可以为：其中一个薄膜电极片的一端与CMOS信号处理芯片的电流输入引脚(1)相连，另一个薄膜电极片的一端与CMOS信号处理芯片的参考电压输入引脚(7)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，其特征在于，所述两个薄膜电极片(11)的宽度和电极薄片之间的间距均为500μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，其特征在于，所述薄膜电极片(11)可以为石墨烯或过渡金属硫化物或碳纳米管或金属纳米颗粒或金属氧化物纳米线或纳米管。

5.根据权利要求1所述的一种基于一次性薄膜电极的多样化集成阻抗检测装置，其特征在于，所述基底(12)为玻璃基底，该基底表面除了凹井(13)以外的区域都经过PDMS的钝化和加温固化。