專利名稱：一種微型差分電容葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種用于糖尿病人的血糖連續(xù)檢測的皮下植入式葡萄糖濃度連續(xù)監(jiān)測傳感器，特別是一種微型差分電容葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器，屬于葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
糖尿病是一種代謝性疾，也是最常見的慢性病之一，其特點(diǎn)是持續(xù)的高血糖癥。越早發(fā)現(xiàn)病情，控制飲食，口服降壓藥，注射胰島素，抑制由于血糖過高或過低產(chǎn)生的其它危害人體健康的癥狀，是目前醫(yī)學(xué)上所能做的辦法。因此，對血糖的準(zhǔn)確測量和連續(xù)監(jiān)測，具有十分重大的意義。葡萄糖傳感器(Glucose sensor)是應(yīng)用電化學(xué)或光學(xué)原理進(jìn)行葡萄糖檢測的種裝置。目前大部分傳感器是屬于化學(xué)傳感器，利用葡萄糖酶的選擇性，在氧化葡 萄糖過程中產(chǎn)生電流，通過檢測電流強(qiáng)度來計(jì)算葡萄糖的濃度。主要的研究集中在如何通過化學(xué)修飾電極來提高葡萄糖酶的活性，并研究了碳納米管等新材料來做電極，吸附更多的葡萄糖酶，并提高其活性。后來的研究采用了鉬金電極，不再需要葡萄糖酶，提高傳感器的靈敏度和壽命。但化學(xué)傳感器在檢測過程中消耗了葡萄糖影響了實(shí)際測量血糖水平。此夕卜，電化反應(yīng)中的葡萄糖消耗率受到擴(kuò)散的限制。由于生物污染擴(kuò)散層由蛋白質(zhì)吸附(例如，細(xì)胞沉積，形成膠囊)在傳感器表面任何變化影響擴(kuò)散速度，影響了設(shè)備的靈敏度。此夕卜，漂過氧化氫的生產(chǎn)和干擾從電極活性化學(xué)物質(zhì)可能會導(dǎo)致侵蝕傳感器的電極和功能酶失活，影響設(shè)備的準(zhǔn)確性，可靠性和壽命。為了解決電化學(xué)方法檢測的不足，基于葡萄糖感應(yīng)技術(shù)的皮下植入方法正在積極的研究中。特別是，一些用穩(wěn)定的具有親合力的葡萄糖粘合劑的方法已經(jīng)顯示出了很大應(yīng)用前景。在這些方法中，葡萄糖不會被消耗，不需要去考慮組織中局部葡萄糖濃度的相互影響，也不需要去考慮產(chǎn)品之間的相互作用而產(chǎn)生的腐蝕。同時(shí)，在植入傳感器表面的生物體的沉淀只發(fā)生在平衡穩(wěn)定時(shí)間，測量精度不會有任何改變。一種被廣泛使用的親和性傳感器技術(shù)是基于伴刀豆球蛋白A的，伴刀豆球蛋白A對葡萄糖有自己特定的粘合劑，它能通過熒光性或粘性的方法檢測到。遺憾的是，伴刀豆球蛋白A具有免疫性和細(xì)胞毒素，并且會隨著時(shí)間而減弱。另外，利用了合成葡萄糖粘合劑聚合物的親和性感應(yīng)器系統(tǒng)能夠有可能去解決這些問題。特別是，將一些酸性組織和葡萄糖合成在一起(Ph值跟生理值一樣)形成的聚合物已經(jīng)發(fā)展成為一系列用于葡萄糖檢測的方法，例如通過熒光，體積改變和傳導(dǎo)率去檢測。目前，哥倫比亞大學(xué)發(fā)展了一種新的基于酸性的親和性傳感器系統(tǒng)，它是利用聚乙烯聚合物(aeryIamide-ran-3- aerylamidophenylboronic acid) (PAA-ran-PAAPBA) 在這個(gè)系統(tǒng)中，葡萄糖與PAA-ran-PAAPB分子骨架上苯硼酸結(jié)合成成強(qiáng)壯的酯鍵，而增加了聚合物溶液的黏度。該結(jié)合過程是可逆的，結(jié)合方向由葡萄糖濃度決定。微電系統(tǒng)技術(shù)(簡稱MEMS)能夠使可植入的傳感器用于新陳代謝的監(jiān)測，它微小的體積能提高測量的實(shí)時(shí)響應(yīng)和減小侵入力。MEMS和相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)被用于葡萄糖傳感器上,是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)振動(dòng)信號檢測方法。[0004]在先技術(shù)之一(參見“Nanotube glucose sensors納米管葡萄糖傳感器”，Chemical and engineering news; news edition of the American Chemical Society,2004, 82(51)47-47)基于近紅外光學(xué)傳感器探測由于納米管的電特性導(dǎo)致的熒光變化。具體做法是，將單層葡萄糖氧化酶裝配到納米管上，鐵氰化鉀吸附到表面。當(dāng)葡萄糖與葡萄糖氧化酶結(jié)合時(shí)，與鐵氰化合物經(jīng)過復(fù)雜反應(yīng)，產(chǎn)生了過氧化氫，該反應(yīng)導(dǎo)致了納米管電屬性的變化，從而導(dǎo)致了熒光的變化，而熒光的變化程度與葡萄糖濃度有關(guān)。但是，在探測中消耗了葡萄糖在先技術(shù)之二 (參見“Nonenzymatic glucose sensor無酶葡萄糖傳感器”Chemical and engineering news; news edition of the American Chemical Society,2002，80(43)33-33)提出了一種改進(jìn)的可以檢測血液中D型葡萄糖濃度的電化學(xué)糖類傳感器。該傳感器由英格蘭巴斯大學(xué)有機(jī)化學(xué)講師Tony D. James及其合作者設(shè)計(jì)，包含兩個(gè)硼酸接收器，一個(gè)已糖選擇的已環(huán)鏈接單元，和一個(gè)電活性二茂(絡(luò))鐵讀出單元，與D型葡萄糖的連接常數(shù)是以前的硼酸接受子的40倍。改傳感器還能跟D型果糖，D型半乳糖，D型甘露糖結(jié)合。無酶糖類傳感器克服了酶傳感器的壽命限制。在先技術(shù)之三(參見“A MEMS viscometric sensor for continuous glucosemonitoring 一種用于葡萄糖連續(xù)監(jiān)測的黏度傳感器微機(jī)電系統(tǒng)”，Yongjun Zhao,Siqi Li, Arthur Davidson, Bozhi Yang, Qianffang and Qiao Lin. Journal ofMicromechanics and Microengineering, 17(2007) 2528-2537)提出了一個(gè)旨在連續(xù)監(jiān)測糖尿病患者血糖水平的MEMS傳感器。該器件具有磁驅(qū)動(dòng)的微懸臂梁振動(dòng)，微懸臂梁位于一個(gè)通過半透膜與環(huán)境隔開的微型溶液腔中。血糖檢測是基于親和力結(jié)合使用原則解葡聚糖刀豆A型(刀豆蛋白A)作為傳感液。該葡萄糖濃度測定粘度引起的變化，通過檢測由葡萄糖濃度綁定，通過測量懸臂的振動(dòng)參數(shù)。該裝置能夠測量有關(guān)生理葡萄糖濃度從0到25m/L毫米，分辨率優(yōu)于0. 025m/L,相靈敏度優(yōu)于-0. 該傳感器對葡萄糖濃度變化有一個(gè)時(shí)間常數(shù)下降到4. 27分，并可以進(jìn)一步改善，優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計(jì)。在先技術(shù)之四(參見 “A MEMS Affinity Glucose Sensor Using aBiocompatible Glucose-Responsive Polymer 一種應(yīng)用生物兼容葡萄糖應(yīng)答聚合物的MEMS親和葡萄糖傳感器”,X. Huang, S. Li, J. Schultz, Q. Wang and Q. Lin. Sensorsand Actuators B: Chemical , 140: 603-609，2009)改進(jìn)了聚合物溶液，一個(gè)改進(jìn)后的裝置中，刀豆蛋白A，這是不生物相容性，是一種無毒高分子合成與取代。這些設(shè)備展示了粘親和可行性血糖檢測，但需要一個(gè)光桿安裝使用懸臂撓度測量，這是不兼容皮下植入手術(shù)。在先技術(shù)之五(參見“A Capacitive MEMS Viscometric Sensor for AffinityDetection of Glucose—種用于葡萄糖親和測量的電容式MEMS阻尼傳感器”，X. Huang,
S.Li, J. Schultz, Q. J. of Microelectromechanical Systems, 18: 1246-1254，2009.)設(shè)計(jì)了電容式振動(dòng)阻尼微型葡萄糖傳感器。其工作原理如下葡萄糖分子通過半透膜進(jìn)入傳感器，聚合物溶液與葡萄糖可逆結(jié)合(結(jié)合程度取決于葡萄糖濃度)，從而導(dǎo)致溶液粘度的變化。粘度變化改變膜的振幅，導(dǎo)致膜上電容的變化。該方法不消耗葡萄糖，也不消耗任何試劑，材料與生物兼容，可以植入皮下長期工作。目前面臨的問題是I)振動(dòng)的非線性由于存在密封空氣，影響了膜的剛度，當(dāng)振幅增大時(shí)，非線性振動(dòng)明顯。[0011]2)電容值太小，容易受干擾為了降低振動(dòng)非線性，只能加大密封空氣的厚度，從而減少了電容值。此外，還可能出現(xiàn)復(fù)雜的振型，抵消部分電容變化。3)葡萄糖擴(kuò)散緩慢葡萄糖進(jìn)出傳感器通過半透膜，振動(dòng)過程中內(nèi)部溶液的流動(dòng)為層流，葡萄糖只能通過自由擴(kuò)散，速度較慢，而且會產(chǎn)生不均勻的情況。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于考慮上述問題而提供一種能在無需消耗葡萄糖的情況下實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的連續(xù)測量，節(jié)省能源消耗，以便無線植入，使傳感器的工作時(shí)間更長的微型差分電容葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是本實(shí)用新型的微型差分電容式葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器，包括有傳感器基體、預(yù)應(yīng)力薄膜、微型硅梁、鐵磁材料層、電容動(dòng)極板、電容固定極板、聚合物溶液、半透膜、溶液腔和空氣腔，其中傳感器基體上設(shè)有空氣腔，傳感器基體上裝設(shè)有溶液腔壁，溶液腔壁圍成溶液腔，預(yù)應(yīng)力薄膜固定在傳感器基體上，隔開溶液腔和空氣腔，微型硅梁穿過預(yù)應(yīng)力薄膜分別置于溶液腔和空氣腔中，溶液腔裝有允許葡萄糖自由通過、并阻止聚合物溶液逃離溶液腔的半透膜，溶液腔內(nèi)裝有能與微型硅梁作用產(chǎn)生阻尼力的聚合物溶液；空氣腔的側(cè)壁上固定有電容固定極板，電容固定極板與微型硅梁上裝設(shè)的電容動(dòng)極板組成差分電容，微型硅梁還裝設(shè)有鐵磁材料層。上述溶液腔壁上設(shè)有分布式小孔。本實(shí)用新型由于采用包括傳感器基體、微型硅梁和預(yù)應(yīng)力薄膜組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力薄膜固定在傳感器基體所設(shè)的中空腔體內(nèi)，并將傳感器基體所設(shè)的中空腔體隔開為溶液腔和空氣腔，微型硅梁穿過預(yù)應(yīng)力薄膜分別置于溶液腔和空氣腔中，本實(shí)用新型通過電磁場產(chǎn)生對復(fù)梁膜結(jié)構(gòu)的脈沖激勵(lì)，當(dāng)聚合物的粘度變化時(shí)，與之耦合的梁膜結(jié)構(gòu)的振幅會隨之改變，從而改變差分電容的峰值，實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的檢測。由于葡萄糖濃度的測量是通過葡萄糖與聚合物溶液可逆結(jié)合改變粘度實(shí)現(xiàn)，本實(shí)用新型采用生物兼容材料和聚合物溶液，安全，壽命長。采用空氣腔與溶液腔分開，復(fù)合梁膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)保證流體不受壓縮，提高了傳感器的線性范圍；采用帶孔梁，減少液體慣性力，增加黏性阻尼力，同時(shí)增加了葡萄糖的擴(kuò)散。采用差分電容，信號更強(qiáng)。本實(shí)用新型提高振動(dòng)的線性范圍，提高阻尼力的影響，另外，本實(shí)用新型還可通過溶液端懸臂梁上加工小孔來降低慣性影響，進(jìn)一步提高阻尼力影響，提高電容信號強(qiáng)度，更加節(jié)省能源消耗，以便無線植入，使傳感器工作的時(shí)間更長。本實(shí)用新型的傳感器能在無需消耗葡萄糖情況下實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的連續(xù)測量，并應(yīng)用節(jié)能的脈沖方式激勵(lì)，通過電容振幅測量溶液的阻尼，從而推算葡萄糖的濃度。本實(shí)用新型是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的微型差分電容葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器。

圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型制作工藝的流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，本實(shí)用新型的微型差分電容式葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器，包括有傳感器基體I、預(yù)應(yīng)力薄膜2、微型硅梁3、鐵磁材料層4、電容動(dòng)極板5、電容固定極板6、聚合物溶液7、半透膜8、溶液腔9和空氣腔10，其中傳感器基體I上設(shè)有空氣腔10，傳感器基體I上裝設(shè)有溶液腔壁12，溶液腔壁12圍成溶液腔9，預(yù)應(yīng)力薄膜2固定在傳感器基體I上，隔開溶液腔9和 空氣腔10，微型硅梁3穿過預(yù)應(yīng)力薄膜2分別置于溶液腔9和空氣腔10中，溶液腔9裝有允許葡萄糖自由通過、并阻止聚合物溶液逃離溶液腔9的半透膜8，溶液腔9內(nèi)裝有能與微型硅梁3作用產(chǎn)生阻尼力的聚合物溶液7 ;空氣腔10的側(cè)壁上固定有電容固定極板6，電容固定極板6與微型硅梁3上裝設(shè)的電容動(dòng)極板5組成差分電容，微型硅梁3上還裝設(shè)有用于電磁力驅(qū)動(dòng)的鐵磁材料層4。上述電容動(dòng)極板5與空氣腔10的電容固定極板6組成差分電容，增強(qiáng)了信號強(qiáng)度。本實(shí)施例中，電容固定極板6為固定在空氣腔10的側(cè)壁上的兩塊金膜,兩塊金膜與微型娃梁3上裝設(shè)的電容動(dòng)極板5組成差分電容,上述鐵磁材料層4嵌在空氣腔10內(nèi)的微型硅梁3上，通過微型電磁鐵的脈沖激勵(lì)，引發(fā)梁膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。由于微型硅梁3的彎曲剛度遠(yuǎn)大于薄膜的彎曲振動(dòng)剛度，微型硅梁3基本是剛體運(yùn)動(dòng)，起到放大和傳遞電磁力和阻尼力的作用。薄膜在微型硅梁3的作用下彎曲振動(dòng)，基本保證了空氣腔10和溶液腔9的體積不會發(fā)生變化。本實(shí)用新型的微型差分電容葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器的制作方法，包括如下步驟，如圖2所示I)在熱生長硅上，電鍍鐵磁材料層4和電容動(dòng)極板5，用線切割或光刻方法獲得微型硅梁3，如圖2中的(a)圖；然后鍍上犧牲層11和氣相沉積聚對二甲苯薄膜，如圖2中的(b)圖；最后在薄膜上鍍電容固定極板6，最后氣相沉積聚對二甲苯薄膜，如圖2中的(c)圖，形成差分電容子裝配體，保證了差分電容的對稱性和精度要求。2)在硅基體上深度刻蝕或者電火花加工深槽，形成傳感器基體1，如圖2中的(d)圖，將第一步得到的差分電容子裝配體粘結(jié)安裝到傳感器基體(I)所設(shè)的深槽上，如圖2中的(e)圖；3)氣相沉積聚對二甲苯薄膜，形成預(yù)應(yīng)力薄膜2，溶解犧牲層11，如圖2中的(f)圖；安裝溶液腔壁12和半透膜8，溶液腔壁12圍成溶液腔9，最后對器件進(jìn)行封裝，如圖2中的(g)圖。本實(shí)用新型所測量的葡萄糖濃度是通過測量與葡萄糖可逆結(jié)合的聚合物溶液的阻尼來實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，預(yù)應(yīng)力薄膜2將空氣腔和聚合物溶液腔分開，鐵磁材料在電磁力的作用下驅(qū)動(dòng)微型硅梁(3)繞與預(yù)應(yīng)力薄膜2的相交線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)預(yù)應(yīng)力薄膜2作二階彎曲振動(dòng)，保證了電容器中的氣體和聚合物溶液的體積不變。微型硅梁3在溶液腔9部分與聚合物溶液互相作用，產(chǎn)生阻尼力，改變微型硅梁3在給定電磁驅(qū)動(dòng)力下的振幅。微梁上的電容動(dòng)極板5與空氣腔壁的電容固定極板6組成差分電容,微型娃梁3的振幅由差分電容值的變化反應(yīng)。血液中的葡萄糖通過半透膜8自由進(jìn)出，葡萄糖與聚合物的可逆結(jié)合改變?nèi)芤旱恼扯?，從而影響微梁的振幅和差分電容的電容值。所述的微型梁膜組合結(jié)構(gòu)的阻尼可以通過微型硅梁3與溶液腔9的腔壁的間隙調(diào)節(jié)，從而根據(jù)所測阻尼的范圍設(shè)計(jì)最佳的間隙大小，提高傳感器的靈敏度。另外，還可以通過 在溶液腔9的腔壁加工分布式小孔，減少液體的慣性力影響，而提高阻尼力的影響。
權(quán)利要求1.一種微型差分電容式葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器，其特征在于包括有傳感器基體(I)、預(yù)應(yīng)力薄膜(2)、微型硅梁(3)、鐵磁材料層(4)、電容動(dòng)極板(5)、電容固定極板(6)、聚合物溶液(7)、半透膜(8)、溶液腔(9)和空氣腔(10)，其中傳感器基體⑴上設(shè)有空氣腔(10)，傳感器基體(I)上裝設(shè)有溶液腔壁(12)，溶液腔壁(12)圍成溶液腔(9)，預(yù)應(yīng)力薄膜(2)固定在傳感器基體(I)上，隔開溶液腔(9)和空氣腔(10)，微型硅梁(3)穿過預(yù)應(yīng)力薄膜(2)分別置于溶液腔(9)和空氣腔(10)中，溶液腔(9)裝有允許葡萄糖自由通過、并阻止聚合物溶液逃離溶液腔(9)的半透膜(8)，溶液腔(9)內(nèi)裝有能與微型硅梁(3)作用產(chǎn)生阻尼力的聚合物溶液(7);空氣腔(10)的側(cè)壁上固定有電容固定極板(6)，電容固定極板(6)與微型硅梁(3)上裝設(shè)的電容動(dòng)極板(5)組成差分電容，微型硅梁(3)上還裝設(shè)有鐵磁材料層(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微型差分電容式葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器，其特征在于上述溶液腔壁(12)上設(shè)有分布式小孔。
專利摘要本實(shí)用新型是一種微型差分電容式葡萄糖連續(xù)監(jiān)測阻尼傳感器。包括傳感器基體、預(yù)應(yīng)力薄膜、微型硅梁，傳感器基體上設(shè)有空氣腔，傳感器基體上裝有溶液腔壁，溶液腔壁圍成溶液腔，預(yù)應(yīng)力薄膜固定在傳感器基體上，隔開溶液腔和空氣腔，微型硅梁穿過預(yù)應(yīng)力薄膜分別置于溶液腔和空氣腔中，溶液腔裝有允許葡萄糖自由通過、并阻止聚合物溶液逃離溶液腔的半透膜，溶液腔內(nèi)裝有能與微型硅梁作用產(chǎn)生阻尼力的聚合物溶液；空氣腔的側(cè)壁上固定有電容固定極板，電容固定極板與微型硅梁上裝設(shè)的電容動(dòng)極板組成差分電容，微型硅梁還裝設(shè)有鐵磁材料層。本實(shí)用新型通過電磁場的脈沖激勵(lì)作用到微型硅梁上的鐵磁材料層，引發(fā)梁膜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，改變差分電容值，實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度的連續(xù)測量。
文檔編號G01N27/22GK202372468SQ201120558498
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者楊志軍 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)