基于介电常数识别的海水微塑料检测芯片的制作方法

[0001]
本发明涉及一种基于介电常数识别的海水微塑料检测芯片。


背景技术：

[0002]
目前，人们把这些尺寸大小在1nm至5mm的塑料材质纤维、颗粒和碎片定义为微塑料。由于微塑料体积小，这就意味着更高的比表面积这使得它有着较强的吸附污染物的能力，是一种造成环境污染的主要载体。随着人类活动区域的拓展与海洋资源的持续开发，微塑料在海洋环境中已经广泛分布，而微塑料吸附的有机污染物和重金属常常容易被海洋生物摄取，已经成为一种新型的海洋环境污染物广为人们所认知。
[0003]
开展海洋微塑料的污染状况研究，需要对海水进行采样，再进一步通过仪器设备对海水中微塑料的存在进行定性分析，以获取微塑料污染的具体信息。目前国内外对海水微塑料的判定通常是通过扫描电镜、电子显微镜扫描、红外光谱、拉曼光谱、热解吸气相色谱-质谱等仪器设备对采样的海水进行检测分析。然而这些设备仅适用于室内分析，且普遍存在分析成本较高，分析环境条件要求较高等问题，难以用于采样现场的快速检测。
[0004]
由于海水中微塑料的含量变化会进一步引起该介质的介电常数变化，通过测量电容中介质的介电常数变化，可以定性分析出海水中微塑料的含量。研究表明，我国渤海海域微塑料的丰度为每立方米2200片以上。但因微塑料比重相对较低，传统的电压电容检测方式无法识别介电常数的微量变化，即无法测得微塑料的含量。因此，基于介电常数识别的海水微塑料检测芯片可以实现快速的检测海水微塑料含量，具有重要的实际意义和应用价值。


技术实现要素：

[0005]
为实现上述目的，本发明公布一种基于介电常数识别的微塑料检测芯片，这种芯片能够将不同尺寸的微塑料进行分离，并通过检测其电容值推算出液体的介电常数，进而计算出微塑料含量。
[0006]
本发明采取技术方案如下：一种基于介电常数识别的微塑料检测芯片，其特征在于包含：样品缓冲区、时间阀、微通道和外置的液体储存器、液体注入器、电容测量装置、废液收集区。所述液体注入器前端连接液体储存器，后端连接样品缓冲区；样品缓冲区分别通过时间阀和与各支路的微通道相连；电容测量装置位于微通道两侧；样品从微通道流过后，在废液收集区收集。
[0007]
进一步地，所述液体注入器通过现有控制设备控制其释放液体和注入频率，使液体能够匀速匀量进入样品缓冲区，液体再进一步通过毛细现象从样品缓冲区中进入微通道。
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进一步地，电容测量装置包括由微通道两侧的两平行极板构成的电容器、电压表、电流表和电源；两平行极板分别与电源的正极和负极连接，且位于极板与电源正极之间设置有电流表，电压表用于测量两极板间的电压。
[0009]
进一步地，液体进入微通道两侧的两平行极板之间，所测得的电容会随着两极板间介质的变化而发生变化，通过所述电流表和电压表测量电路中的电流值和电压值，计算出电路的容抗，随后计算出电容值和介质的介电常数；将该介电常数与纯净海水的介电常数，代入混合物介电常数计算公式，推算出所掺杂微塑料的体积占比，从而确定微塑料颗粒的量级。
[0010]
本发明的目的是通过充分利用微电子制造工艺带来的小尺寸的优势来减小电容极板面积、电容基板间距对电容值的影响，进而突出介电常数对电容值改变的作用。此外，通过不同尺寸的微通道，对海水微颗粒尺寸做了筛选，进而算出海水中不同尺寸范围的微颗粒数量。
附图说明
[0011]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普遍技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
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图1示出了本发明的整体结构示意图。
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图2示出了本发明的微塑料检测芯片的结构示意图。
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图3示出了本发明的微塑料检测芯片中微通道的电容检测结构示意图。
具体实施方式
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下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示范性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0016]
一种基于介电常数识别的海水微塑料检测芯片，采用硅片作为衬底，经过光刻、定影、显影、非晶硅沉积、氧化、磁控溅射金属电极等工艺步骤制得。
[0017]
结合图1所示实施例的基于介电常数识别的海水微塑料检测芯片100的，其中包括外置的液体储存器10、导管20、液体注入器30、样品缓冲区40和直径为5微米的微通道实验芯片50、直径为50微米的微通道实验芯片60、直径为200微米的微通道实验芯片70、直径为500微米的微通道实验芯片80。各支路的微通道实验芯片的电容由数字源表90进行测量。数字源表90中含有电流表和电压表测量电路中的电流值和电压值，可以电路的容抗，进而计算出电容值。各支路的微通道实验芯片除了微通道尺寸不同，其他构成均相同，所以下面以直径为50微米的微通道实验芯片60为例进行微通道实验芯片结构示意。
[0018]
液体注入器30通过现有控制设备控制其释放液体和注入频率，使液体能够匀速匀量进入样品缓冲区40，液体再进一步通过毛细现象从样品缓冲区40中进入芯片60的微通道中。随着液体进入实验芯片的微通道，数字源表可以测量出对应的电容，对比经滤纸过滤的海水测得的电容值，可确定微塑料颗粒的量级。
[0019]
结合图2所示，直径为50微米的微通道实验芯片60包括进样口51、混合区52、时间阀53、微通道54、废液收集区55、出样口56。其中在微通道54处中间区域有电容57连接着电容检测装置。电容57由重掺杂非晶硅与其表面形成的10nm薄层氧化硅组成。电容57的重掺
杂非晶硅上沉积着金属电极，用于与外接的数字源表90相连接。而直径为50微米的微通道实验芯片60的其余结构表面均为50nm厚度的氧化硅。
[0020]
样品从进样口51进入直径为50微米的微通道实验芯片60；随后样品在混合区52经由时间阀53再进入微通道54，53处数字源表分别接通各支路的微通道实验芯片的正负极电容测量装置位于微通道54两侧；样品从微通道54流过后，在废液收集区55收集后流出 。
[0021]
液体进入微通道两侧的两平行极板之间，所测得的电容会随着两极板间介质的变化而发生变化，通过数字源表90可以得到各支路的微通道实验芯片的电容，随后介质的介电常数；将该介电常数与纯净海水的介电常数，代入混合物介电常数计算公式，推算出所掺杂微塑料的体积占比，从而确定微塑料颗粒的量级。
[0022]
上述各实施例中，微塑料的量级的计算过程如下：由于电容器的电容与电容器本身的特性有关，平行板电容器的电容决定式为：，式中，为平行板电容器两极板间介质的介电常数；s为两极板正对面积；d为两极板间的距离。
[0023]
通过电容测量装置分别测量介质为纯净海水和掺杂微塑料的海水混合物时的电容值，分别标定为和；将纯净海水和掺杂微塑料的海水混合物的介电常数分别设为和，则有：，。
[0024]
混合物的介电常数是以立方根相加律的形式表示的，即：，其中，为混合物的介电常数，为第i种成分的介电常数，为第i种成分所占体积的百分比。
[0025]
将纯净海水的所占体积的百分比和介电常数标为和，微塑料种类为已知介电常数的微塑料，将微塑料的所占体积的百分比和介电常数标为和，且，则有：。
[0026]
单个的微塑料颗粒的大小在同一个量级，统一设为v，单位为mm
³
，通过电容测量装置的海水混合物体积为电容测量装置的介质容量，即1ml，则有混合液体中微塑料颗粒的量级n为：。
[0027]
结合图3所示，电容测量装置57是由微通道两侧的两平行极板构成的电容器；两平行极板中间是微通道，微通道接触到的是氧化硅部分，而在电容57区域，微通道两侧的氧化硅贴合非晶硅硅构成电容，两侧非晶硅上方沉积着金属电极，分别连接数字源表90的正负极，用于数字源表90进行电容检测。
[0028]
本实施例描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。