专利名称：组合式光寻址电位传感器测试平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光寻址电位传感器检测装置的封装设计，属于检测装置封装设计领域。
二背景技术：
(Light addressable potentiometric sensors, LAPS)[1] 种基于半导体光电效应的敏感器件，主要应用于液态环境中化学量或生物量的检测，与参比电极和对电极构成电化学检测体系。这种传感器是由若干个基于半导体光电效应的敏感单元构成的阵列，当满足要求的激发光源照射在指定敏感单元时，在对电极和传感器之间就会检测到电流或电压信号，未被照射的敏感单元不产生电信号。利用这种光照与输出电信号之间的一一对应关系，使得LAPS可实现生物化学领域中多种物质的同时测量，是目前生化量传感器的研究热点之一。光寻址电位传感器测试平台是指，将传感器芯片、寻址光源阵列及其控制电路、电化学电极体系集成于一个测试装置之中，为光寻址电位传感器在生物或化学领域中的应用提供一个平台。其中，LAPS芯片具有阵列结构，阵列中每一个单元就是一个可寻址的敏感点，例如基于LAPS的pH值图像传感器、多离子浓度检测与呈像[2’ 等；光源是传感器具有可寻址功能的重要部分之一，目前主要有阵列式Μ和扫描式[2]两种寻址方式，本实用新型提出的设计方案针对于阵列式光源系统；电化学电极体系是实现生化量检测的条件，因此测试装置中必须构建出液态测试环境，并将参比电极、工作电极、对电极组成三电极或二电极电化学测试体系。LAPS的器件封装和系统封装，是传感器检测装置中的重要问题。自该类型传感器提出至今，先后有笔试[4]、塑料卡片[5]式两大类封装设计被提出。其中，笔试封装将光源及其控制电路、LAPS芯片全部密封于笔式塑料腔体内，并将LAPS敏感单元暴露于被测环境中，使用时将笔式LAPS浸入被测液中，并配合参比电极、对电极，构成三电极检测体系。该方法在器件封装过程中未考虑储液问题，工艺操作简单；但更换LAPS芯片时，需要将笔式腔体拆开，将新的LAPS芯片与光源及其控制电路部分重新组装。特别是，当LAPS中敏感单元的阵列结构发生变化时，整个测量装置必须全部更换。可见，笔试封装设计方案的灵活性较差。塑料卡片式LAPS，属于器件级封装，封装后的LAPS必须与上端储液容器紧密连接，在文献[5]中采用了压合的方式，因此对测试装置的密封性要求很高，此外光源阵列与传感器芯片中敏感阵列的匹配问题也是其重要问题。通过对现有文献报道的综合分析，LAPS测试装置的设计必须解决三方面的技术问题1)构建电化学液态测试体系。LAPS是一种半导体敏感器件，因此构建液态测试环境，同时又满足器件的防潮要求，一直是实现此类器件商品化的关键问题。笔试封装采用了将LAPS芯片、光源阵列及其控制电路整体封装后密封，然后插入被测溶液的方法构建LAPS 系统中液态测试体系。塑料卡片式封装则将LAPS芯片独立密封，然后与无底储液装置压合，在芯片上部构建电化学测试体系。2)光源阵列与传感器芯片中敏感单元的匹配和对准问题。笔试封装中，光源阵列与LAPS芯片密封于笔试腔体中，一旦封装完毕后可以保证光源与敏感单元的对准。卡片式封装设计属于器件级封装，并未设计光源部分。3)测试装置的灵活性问题。由于LAPS中敏感单阵列的几何结构具有很大的灵活性，这要求光源阵列的设计也必须与之匹配。如果测试装置的设计不具有灵活性，那么当 LAPS芯片阵列发生变化时，必须需要对整个测试装置进行重新设计和制作。比如说，笔试 LAPS测试体系的封装，虽然将光源和LAPS芯片整体密封后，使用起来比较方便小巧，几乎不受被测环境的影响，但是一旦LAPS芯片中敏感阵列设计发生变化，只能重新设计和制作整个封装结构，从这个角度看，笔试封装的灵活性不能令人满意。卡片式LAPS封装设计也存在类似问题，当LAPS芯片敏感阵列的结构发生变化时，配合这种设计方案的上端储液装置也必须重新制作，因此卡片式LAPS的测试装置灵活性也不能令人满意。
三、发明内容为解决LAPS测试体系中面临的问题，本实用新型提供一种“组合式光寻址电位传感器测试平台”，该测试平台不仅为LAPS构建了液态电化学测试体系、满足光源阵列与 LAPS敏感单元阵列的匹配和对准问题，而且当LAPS芯片的敏感单元阵列结构发生变化时， 也无须更改测试平台整体结构，与现有笔式和卡片式LAPS测试体系相比具有更好的灵活性。组合式光寻址电位传感器测试平台，包括主体框架、光源控制器、光源阵列插板、 LAPS芯片插板、电极固定插板、门板，六个部分，其特征为主体框架内，光源控制器、光源阵列插板、LAPS芯片插板、电极固定插板由下至上依次放置，主体框架左右两侧的内壁分别设有三行平行于底面的内凹插槽，由下向上依次为光源板插槽、芯片板插槽、电极板插槽， 光源阵列插板、LAPS芯片插板、电极固定插板可依次由前向后插入主体框架内部；主体框架的前部设有垂直于底面的内凹门板插槽，门板沿门板插槽从上向下插入；主体框架后部设有待测液体进/出通孔和LAPS芯片引线通孔；光源阵列插板的特征为，光源插孔呈阵列排列；LAPS芯片插板中部设有内凹的台阶式结构为，由上至下依次为储液池、敏感单元接触通孔、LAPS芯片，且敏感单元接触通孔位于储液池底部、呈阵列排列；电极固定插板中部设有参比电极插孔、对电极插孔；光源控制器上表面设有光源引线插孔、前面设有串口连接插口、电源插口 ；门板的下部设有电源引线口和串口引线口。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是1)采用了直接在LAPS芯片封装中构建液态测试环境的设计方案，将LAPS芯片与储液空间合二为一。LAPS芯片插板4的下表面固定有LAPS芯片15，上部设有储液池17，储液池17的底面设有敏感单元接触通孔16，接触孔16排列为阵列结构，阵列的设计可根据实际使用时所选择的LAPS芯片15分别设计。幻本设计采用了光源27与光源控制器2分离的设计方案。光源被固定在光源阵列插板3上，。光源控制器2采用FPGA芯片数模混合集成电路设计，可满足1至900光源阵列的需求。光源控制器2通过串口连接插口 21与电脑沈相连，用户可由电脑发出指令，控制光源的工作状态。光源控制器2中主要芯片为型号为EP1C6QM0C8的FPGA芯片、
4MAX5480B数模转换芯片、MAX4330运算放大器、集成运放0058、SN74CBTLV3251路选芯片、 以及EIA RS-232C串口芯片，等。这一设计方案的优点在于，当LAPS芯片14的结构发生变化时，只需改变光源阵列插板3中光源插孔阵列14的结构，无需对光源控制器2做任何改变。3)在搭建LAPS检测系统时，采用了组合插装的方式。光源阵列插板3、LAPS芯片插板4、以及电极固定插板5通过主体框架1内插槽8、9、10，被固定在主体框架1内，通过选择合适插槽深度以及合理设置各部分几何尺寸，可保持内各部分的相对位置的稳定性。参比电极观、对电极四固定在电极固定插板5中，插装后测试平台的剖面图见图2所示。本实用新型的有益效果有两点1)LAPS芯片的封装过程与液态测试环境的构建合二为一，实际使用时不必再为半导体敏感器件的密封、防潮性与液态测试环境之间的矛盾问题而伤脑筋。2)采用了光源控制器与光源阵列分离的设计方案，其中光源控制器可扩展设计为对任意多个光源的控制。采用这一方案，使得光源阵列的设计具有很大的灵活性，实际使用时只需根据实际使用LAPS芯片结构，将光源阵列排列为所需阵列形式即可。
四以下结合附图和实施示例对本实用新型进一步说明。
图1是组合式光寻址电位传感器测试平台结构图。图2是图1中4的A-A，剖面图。图3是组合插装后测试平台A-A’剖面图。图4是实施示例示意图。图中1.主体框架，2.光源控制器，3.光源阵列插板，4. LAPS芯片插板，5.电极固定插板，6.门板，7.放置光源控制器2的腔体，8.光源板插槽，9.芯片板插槽，10.电极板插槽，11.门板插槽，12.待测液体进/出通孔，13. LAPS芯片引线通孔，14.光源插孔阵列，15. LAPS芯片，16.敏感单元接触通孔，17.储液池，18.参比电极插孔，19.对电极插孔， 20.光源引线插孔，21.串口连接插口，22.电源插口，23.电源引线口，24.串口引线口， 25.电源，26.电脑，27.光源，28.参比电极，29.对电极，30.锁相放大器，30-1.锁相放大器的辅助输出端口 1，30-2.锁相放大器正输入端，30-3.锁相放大器负输入端，30-4.锁相放大器通讯端口。
五具体实施方式
在图1中，主体框架1的左右两侧内壁各设有三行水平平行的凹槽，由下向上分别为光源板插槽8，芯片板插槽9，电极板插槽10。光源阵列插板3插入光源板插槽8中，LAPS 芯片插板4插入芯片板插槽9中，电极固定插板5插入电极板插槽10中。主体框架1前部的左右两侧侧设有一行竖直且相互平行的门板插槽11，门板6插入门板插槽11中。主体框架1底部设有放置光源控制器2的腔体，门板6的底部设有电源引线口 23和串口引线口 24，以保证光源控制器2的正常工作。主体框架1的背部设有两处通孔，待测液体进/出通孔12，满足实际使用时进出待测溶液的需要；LAPS芯片引线通孔13，满足实际使用时电气连接的需要。光源控制器2顶部设有光源引线插孔20，为光源阵列提供电气连接。图1中LAPS芯片插板4的AA’剖面图见图2，设有内凹的台阶式结构，由上至下依次为储液池17、 敏感单元接触通孔16、LAPS芯片15，其特征为，敏感单元接触通孔16位于储液池17底部、 呈阵列排列(阵列的具体排列方式，需根据实际使用的LAPS芯片来设定)。电极固定插板 5的中部设有两处通孔，分别为参比电极插孔18，对电极插孔19。在图3所示组合插装后测试平台A-A’剖面图中，光源控制器2被放置在主体框架 1底部，其上依次为光源阵列插板3、LAPS芯片插板4、电极固定插板5。光源27被固定在光源阵列插板3内，呈阵列排列(阵列的具体排列方式，需根据实际使用的LAPS芯片来设定)，并通过光源引线插孔20与光源控制器2电气相连。参比电极观，对电极四固定在电极固定插板5上，其下部插入储液池17中。在图4所示的实施例中，组合式光寻址电位传感器测试平台可与锁相放大器30、 电脑26、电源25构成测控系统。光源控制器2通过串口或USB转串口与电脑沈相连，电源 25为光源控制器2供电。参比电极观与锁相放大器的辅助输出端口 30-1电气相连，对电极四与锁相放大器正输入端30-2电气相连。利用主体框架1背部的LAPS芯片引线通孔 13，可将LAPS芯片15与锁相放大器负输入端30-3电气相连。锁相放大器通讯端口 30_4 与电脑沈相连，用户可通过电脑沈对整个测试系统进行控制。参考文献[1]D. G. Hafeman, J. W. Parce, H. Μ. Mcconnell. Light addressable potentionmetric sensor forbiochemical systems[J]. Science,1988, 240 1182[2]Nakao M, Yoshinobu T, Iwasaki H. Scanning-laser-beam semiconductor pH-imaging sensor.Sensors andActuators B 1994 ；20 :119-123[3]Τ. Yoshinobu, H. Iwasaki, Y, Ui, K. Furuichi, Yu. Ermolenko, Yu. Mourzina, Τ. Wagner, N. Nather5M. J. Schoning.The light-addressable potentiometric sensor for multi-ion sensing andimaging. Methods,2005, 37(1) :94-102[4]M. J. Schoning, T. Wagner, C. Wang, R. Otto, T. Yoshinobu, Development of a handheld 16channel pen-type for electrochemical sensing, Sensors and Actuators B，2005，108， Issues 1-2 :808[5] T. Wagner, C. Rao, J. P. Kloock, "LAPS Card"-A novel chip card-based light-addressablepotentiometric sensor, Sensors and Actuators B 118(2006)33。
权利要求1.组合式光寻址电位传感器测试平台，包括主体框架、光源控制器、光源阵列插板、 LAPS芯片插板、电极固定插板、门板，六个部分，其特征为主体框架内，光源控制器、光源阵列插板、LAPS芯片插板、电极固定插板由下至上依次放置，主体框架左右两侧的内壁分别设有三行平行于底面的内凹插槽，由下向上依次为光源板插槽、芯片板插槽、电极板插槽， 光源阵列插板、LAPS芯片插板、电极固定插板可依次由前向后插入主体框架内部；主体框架的前部设有垂直于底面的内凹门板插槽，门板沿门板插槽从上向下插入；主体框架后部设有待测液体进/出通孔和LAPS芯片引线通孔；光源阵列插板的特征为，光源插孔呈阵列排列；LAPS芯片插板中部设有内凹的台阶式结构，由上至下依次为储液池、敏感单元接触通孔、LAPS芯片，且敏感单元接触通孔位于储液池底部、呈阵列排列；电极固定插板中部设有参比电极插孔、对电极插孔；光源控制器上表面设有光源引线插孔、前面设有串口连接插口、电源插口 ；门板的下部设有电源引线口和串口引线口。
专利摘要提供一种“组合式光寻址电位传感器(LAPS)测试平台”，包括主体框架1、光源控制器2、光源阵列插板3、LAPS芯片插板4、电极固定插板5、门板6，六个部分。LAPS芯片插板4的设计，采用了将LAPS芯片与储液空间合二为一的方法；光源阵列的设计，采用了将光源与光源控制器分离的方案；测试平台的组合方式，采用了插装的方式，将光源阵列插板3、LAPS芯片插板4、以及电极固定插板5通过主体框架1内插槽8、9、10，插装并固定在主体框架1内。本实用新型为LAPS提供液态电化学测试体系，解决了光源阵列与LAPS敏感单元阵列的匹配和对准问题。并且，当LAPS芯片的敏感单元阵列结构发生变化时，无须更改测试平台整体结构，满足LAPS对测试平台灵活性的要求。
文档编号G01N27/30GK201993334SQ20102066576
公开日2011年9月28日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者张德贤, 贾芸芳, 郭子喻, 陈乔杉, 陈新娟 申请人:南开大学