一种声表面波生物医学检测平台温控系统的制作方法

本发明涉及检测设备领域，特别是一种声表面波生物医学检测平台温控系统。

背景技术：

声表面波（saw）是一种能量集中在介质表面传播的弹性波，现有技术中，广泛应用的声表面波技术核心是在压电材料基底上制作金属叉指换能器（idt），当在idt施加特定频率的交流电信号后，可将电信号转为声波，此声波信号沿压电基片表面传播并最终由另一idt接收,通过压电效应转换为电信号输出。实际应用中，进行物质的检测时，如果声波的传播路径表面有质量沉积或表面物质发生变化，则会导致声波速度发生变化，通过测试声表面波器件响应频率、相位等电信号的变化，即可达到检测待测物质的相关特性的目的。

由于声表面波具有髙精度、高灵敏度的优点，因此saw有着广泛的应用，如应用于压力检测、滤波器、湿度检测、生物医学检测等。在生物医学领域，能作为气体传感器实现各种气体检测、神经性毒剂痕量、有机氯农药检测、粒子操控、细胞筛选、癌细胞特异性标志物、呼出气体挥发性有机化合物(vocs)的检测等。

但saw器件在电声—声电能量转换过程中，存在着能量消耗，消耗的能量主要转化为了热能，热能引起温度变化，而温度变化又严重影响saw器件的频率、相位等电信号变化的稳定性和一致性，从而影响到检测结果的准确性，甚至使检测结果与实事相反。实际应用中，为了不影响检测结果，往往需要对saw检测系统进行温度控制，实现整个测量过程中保证温度的稳定性，从而确保检测结果不受温度的影响。

现有saw检测系统常用的消除温度影响的方法有三种：第一种是将saw检测装置放在恒温箱内，由于恒温箱内腔体空间比较大，恒温箱自带的温度传感器所在的探测点往往不处于saw器件表面，这样会导致saw表面的温度变化不足以被温度传感器准确、迅速的感知，从而导致saw器件表面和温控箱内的温度不一致或者存在滞后情况，进而导致对后续检测的结果带来影响。第二种是引入参考saw通道，采用两路saw通道作为检测，即一路saw作为正常检测，另一路saw作为参考，将两路信号混频后输出，滤波后作为检测结果，此方法实际是将两路信号作减法，以消除温度的影响。此方法虽然起到一定的抵消作用，但由于两路信号相关器件不可能做到参数完全一致，因此也无法彻底抵消温度等因素的影响。第三种是采用半导体制冷片，将半导体制冷片粘附在saw器件的背面，根据需要进行温度调节；虽然此方法在各领域有着广泛应用，但在生物医学检测领域，如在微流控器件上用saw进行相关生物医学检测，往往需要显微镜对被测对象进行实时观察，要求检测平台是透明的装置，显然由于半导体制冷片的不透光性，用半导体制冷片无法满足此要求。

技术实现要素：

为了克服现有saw检测系统消除温度影响的各种方法存在的弊端，本发明提供了温度传递速度快，温度迟滞忽略不计、温控效果好、检测平台处于透明属性，能满足用显微镜对被测对象进行实时观察的需求，且具有工艺简单、制作成本低的一种声表面波生物医学检测平台温控系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种声表面波生物医学检测平台温控系统，其特征在于包括声表面波检测平台、温控子系统、驱动检测电路子系统，声表面波检测平台分别和温控子系统、驱动检测电路子系统经导线连接，温控子系统包括左注射泵驱动电路、右注射泵驱动电路、测温电路、液氮罐、泵、继电器、idt1左注射泵、idt2左注射泵、idt1右注射泵、idt2右注射泵、idt1左注射泵二通阀、idt1左液氮二通阀、idt1液氮出口、idt2左注射泵二通阀、idt2左液氮二通阀、idt2液氮出口、idt2右注射泵二通阀、idt1右注射泵二通阀、idt1右液氮二通阀、idt2右液氮二通阀，声表面波检测平台包括声表面波检测平台传感层、声表面波检测平台中间层、声表面波检测平台温控层，驱动检测电路子系统包括驱动检测电路、微控制器、幅度控制模块、信号发生器模块、功率驱动模块。

所述声表面波检测平台传感层上有用于检测生物医学信号的检测idt，检测idt和驱动检测电路相连，检测idt中间区块为saw敏感检测区，saw敏感检测区边上设置有用于测量温度的热电偶，热电偶与温控子系统相连，检测idt、saw敏感检测区、热电偶均位于声表面波检测平台中间层表面上，根据检测对象不同，若检测的生物医学信号为液态，则检测idt之上键合有带微流控通道的聚二甲基硅氧烷（pdms）；若检测的生物医学信号为气态，则检测idt之上不覆盖带微流控通道的聚二甲基硅氧烷（pdms）。

所述声表面波检测平台中间层为铌酸锂（linbo3），但不限于铌酸锂。

所述声表面波检测平台温控层有微流控通道、温控液态金属叉指换能器和温控微流控通道出入口，温控液态金属叉指换能器采用微流控通道制作成叉指形式的结构，并在微流控通道内灌注液态金属，温控液态金属叉指换能器包括idt1（第一叉指换能器）和idt2（第二叉指换能器），idt1包括idt1上叉指、idt1下叉指，idt2包括idt2上叉指、idt2下叉指。

所述微流控通道和用微流控通道制作成叉指形式的结构——温控液态金属叉指换能器，均由pdms材料制成，但不限于pdms材料，idt1上叉指、idt1下叉指、idt2上叉指、idt2下叉指均有引出和内部液态金属叉相连接的金属电极，金属电极和驱动检测电路子系统连接。

所述温控微流控通道出入口包括idt1上叉指微流控通道出入口、idt1下叉指左微流控通道出入口、idt1下叉指右微流控通道出入口、idt2上叉指左微流控通道出入口、idt2下叉指微流控通道出入口、idt2上叉指右微流控通道出入口。

所述idt1下叉指左微流控通道出入口和左上硅胶软管连接，左上硅胶软管和idt1左注射泵二通阀、idt1左液氮二通阀连接，idt1下叉指右微流控通道出入口和右上硅胶软管连接，右上硅胶软管和idt1右注射泵二通阀、idt1右液氮二通阀连接，idt2上叉指左微流控通道出入口和左下硅胶软管连接，左下硅胶软管和idt2左注射泵二通阀、idt2左液氮二通阀连接，idt2上叉指右微流控通道出入口和右下硅胶软管连接，右下硅胶软管和idt2右注射泵二通阀、idt2右液氮二通阀连接，idt1左注射泵二通阀、idt1右注射泵二通阀、idt2左注射泵二通阀、idt2右注射泵二通阀分别和idt1左注射泵、idt1右注射泵、idt2左注射泵、idt2右注射泵连接，idt1右液氮二通阀、idt2右液氮二通阀和泵连接，泵和液氮罐连接。

所述泵和继电器经导线连接，继电器和微控制器（mcu）经导线连接，泵开启和关闭由微控制器（mcu）通过控制继电器动作实现，idt1左注射泵、idt2左注射泵、idt1右注射泵、idt2右注射泵和微控制器mcu连接，微控制器（mcu）控制所有注射泵的前推和后拉，idt1左注射泵二通阀、idt1左液氮二通阀、idt2左注射泵二通阀、idt2左液氮二通阀和左注射泵驱动电路连接，左注射泵驱动电路和微控制器（mcu）连接，idt2右注射泵二通阀、idt1右注射泵二通阀、idt1右液氮二通阀、idt2右液氮二通阀和右注射泵驱动电路连接，右注射泵驱动电路和微控制器（mcu）连接，所有二通阀的开和关由微控制器（mcu）控制。

所述温控子系统中，由热电偶完成温度的测量，热电偶和测温电路连接，测温电路和微控制器（mcu）连接。

所述idt1和idt2的信号驱动由驱动检测电路实现，驱动检测电路中升温驱动包括幅度控制模块、信号发生器模块和hmc589a功率驱动模块，通过微控制器（mcu）控制幅度控制模块设定信号发生器模块的幅值，控制信号发生器模块产生信号的频率，再通过hmc589a功率驱动模块驱动idt。

本发明有益效果是：本发明基于液态金属叉指换能器（idt）的温控系统不限于声表面波生物医学检测平台，还可用于其它相关检测平台的温度控制。本发明的液态金属叉指换能器（idt）除上述用于温控外，还可以取代现有的声表面波叉指换能器实现相关生物医学信号的检测，如粒子操控、气体检测、细胞筛选、癌细胞特异性标志物等。本发明温度传递速度快，温度迟滞可忽略不计，温控效果好，用于生物医学检测的声表面波器件和用于温控的液态金属叉指换能器位于声表面波检测平台中间层的上下面，温控装置紧贴声表面波检测平台传感层，温度感应灵敏，声表面波检测平台中间层厚度薄，温度传递快。本发明可消除混频法等传统声表面波器件消除温度影响不彻底的缺陷；在声表面波检测平台传感层加装温控层后，仍然保持整个装置的透明属性，克服了半导体制冷片实现温控调节时不透明、不透光的缺陷，可满足用显微镜对被测对象进行实时观察的需求。现有的声表面波叉指换能器需要将金属通过等离子增强型化学气相淀积(pecvd)工艺将金属镀到铌酸锂等压电材料上，工艺复杂，成本高，而本发明的液态金属叉指换能器采用pdms制作，工艺相对简单，制作成本低。基于上述，所以本发明具有好的应用前景。

附图说明

以下结合附图和实施例将本发明做进一步说明。

图1为本发明构成示意图。

图2为本发明声表面波检测平台正截面示意图。

图3为本发明声表面波检测平台温控层示意图。

图4为本发明结构示意图。

图5为本发明电路框图。

具体实施方式

图1、2、3、4、5中所示，一种声表面波生物医学检测平台温控系统，包括温控子系统1、声表面波检测平台2、驱动检测电路子系统，声表面波检测平台2分别和温控子系统1、驱动检测电路子系统经导线连接，温控子系统包括左注射泵驱动电路101、右注射泵驱动电路102、测温电路103、液氮罐104、泵105、继电器106、idt1左注射泵111、idt2左注射泵112、idt1右注射泵113、idt2右注射泵114、idt1左注射泵二通阀120、idt1左液氮二通阀121、idt1液氮出口122、idt2左注射泵二通阀123、idt2左液氮二通阀124、idt2液氮出口125、idt2右注射泵二通阀126、idt1右注射泵二通阀127、idt1右液氮二通阀128、idt2右液氮二通阀129，声表面波检测平台2包括声表面波检测平台传感层21、声表面波检测平台中间层22、声表面波检测平台温控层23，驱动检测电路子系统包括驱动检测电路3、微控制器4、幅度控制模块5、信号发生器模块6及8、功率驱动模块7及9。

图2中所示，声表面波检测平台中间层22为铌酸锂（linbo3），但不限于铌酸锂。声表面波检测平台传感层21上有用于检测生物医学信号的检测idt211（金属叉指换能器），检测idt211和驱动检测电路3相连，检测idt211中间区块为saw敏感检测区212（检测物放于此处），saw敏感检测区212边上设置有用于测量温度的热电偶213，热电偶213与温控子系统1相连，检测idt211、saw敏感检测区212、热电偶213均位于声表面波检测平台中间层22表面上，根据检测对象不同，若检测的生物医学信号为液态，在检测idt211之上键合有带微流控通道的聚二甲基硅氧烷（pdms）214；若检测的生物医学信号为气态，则检测idt211之上不覆盖带微流控通道的聚二甲基硅氧烷（pdms）214。

图2、3中所示，声表面波检测平台温控层23设置有微流控通道231、温控液态金属叉指换能器232和温控微流控通道出入口233，温控液态金属叉指换能器232采用微流控通道制作成叉指形式的结构，温控液态金属叉指换能器232包括idt1上叉指2321、idt1下叉指2322、idt2上叉指2323、idt2下叉指2324。

图2、3、4中所示，声表面波检测平台温控层23的微流控通道231和用微流控通道制作成叉指形式的结构——温控液态金属叉指换能器232，均由pdms材料制成，但不限于pdms材料，idt1上叉指2321和idt1下叉指2322组成的叉指对，idt2上叉指2323和idt2下叉指2324组成的叉指对分别和驱动检测电路3连接，温控微流控通道出入口233包括idt1上叉指微流控通道出入口2331、idt1下叉指左微流控通道出入口2332、idt1下叉指右微流控通道出入口2333、idt2上叉指左微流控通道出入口2334、idt2下叉指微流控通道出入口2335、idt2上叉指右微流控通道出入口2336。

图3、4中所示，idt1下叉指左微流控通道出入口2332和左上硅胶软管2311连接，左上硅胶软管2311和idt1左注射泵二通阀120、idt1左液氮二通阀121连接，idt1下叉指右微流控通道出入口2333和右上硅胶软管2312连接，右上硅胶软管2312和idt1右注射泵二通阀127、idt1右液氮二通阀128连接，idt2上叉指左微流控通道出入口2334和左下硅胶软管2313连接，左下硅胶软管2313和idt2左注射泵二通阀123、idt2左液氮二通阀124连接，idt2上叉指右微流控通道出入口2336和右下硅胶软管2314连接，右下硅胶软管2314和idt2右注射泵二通阀126、idt2右液氮二通阀129连接，idt1左注射泵二通阀120、idt1右注射泵二通阀127、idt2左注射泵二通阀123、idt2右注射泵二通阀126分别和idt1左注射泵111、idt1右注射泵113、idt2左注射泵112、idt2右注射泵114连接，idt1右液氮二通阀128、idt2右液氮二通阀129和泵105连接，泵105和液氮罐104连接。

图3、4中所示，泵105和继电器106经导线连接，继电器106和微控制器mcu4经导线连接，泵105开启和关闭由微控制器mcu4通过控制继电器106动作实现，idt1左注射泵111、idt2左注射泵112、idt1右注射泵113、idt2右注射泵114和微控制器mcu4经导线连接，idt1左注射泵二通阀120、idt1左液氮二通阀121、idt2左注射泵二通阀123、idt2左液氮二通阀124和左注射泵驱动电路101经导线连接，左注射泵驱动电路101和mcu4经导线连接，idt2右注射泵二通阀126、idt1右注射泵二通阀127、idt1右液氮二通阀128、idt2右液氮二通阀129和右注射泵驱动电路102连接，右注射泵驱动电路102和微控制器mcu4经导线连接，热电偶213和测温电路103经导线连接，测温电路103和微控制器mcu4经导线连接。

图5所示，微控制器mcu4和幅度控制模块5、第一路信号发生器模块6、第二路信号发生器模块8连接，幅度控制模块5和第一路信号发生器模块6、第二路信号发生器模块8连接，第一路信号发生器模块6、第二路信号发生器模块8分别和第一路hmc589a功率驱动模块7、第二路hmc589a功率驱动模块9连接，第一路hmc589a功率驱动模块7、第二路hmc589a功率驱动模块9分别连接idt1上叉指2321、idt2上叉指2323。idt1下叉指2322、idt2下叉指2324接电源地。

图1、2、3、4、5所示，温度控制主要包括如下流程步骤：[1]向idt1右注射泵113和idt2右注射泵114灌注液态金属。[2]设定温度控制子系统1所要达到的温度。由微控制器mcu4读取测温电路103的温度值，判断当前状态下是需要升温，还是降温。需要升温时，执行如下流程步骤：

[1]用注射针从idt1上叉指微流控通道出入口2331向idt1上叉指2321内注入液态金属，并密封idt1上叉指微流控通道出入口2331；用注射针从idt2下叉指微流控通道出入口2335向idt2下叉指2324注入液态金属，并密封idt2下叉指微流控通道出入口2335。

[2]由微控制器mcu4控制打开idt2右注射泵二通阀126，关闭idt2右液氮二通阀129；打开idt1右注射泵二通阀127，关闭idt1右液氮二通阀128。由微控制器mcu4控制打开idt1左注射泵二通阀120，关闭idt1左液氮二通阀121；打开idt2左注射泵二通阀123，关闭idt2左液氮二通阀124。由微控制器mcu4控制idt1右注射泵113、idt2右注射泵114分别向idt1下叉指2322、idt2上叉指2323内注满液态金属。

[3]微控制器mcu4控制幅度控制模块5设定所需要的信号幅度值，设定信号发生器模块6和信号发生器模块8的输出频率大小。信号发生器模块6和信号发生器模块8输出的信号由幅度控制模块5进行幅度调节后，将信号分别送入hmc589a功率驱动模块7和hmc589a功率驱动模块9，hmc589a功率驱动模块7和hmc589a功率驱动模块9驱动温控液态金属叉指换能器232。温控液态金属叉指换能器232产生的温度和驱动功率成正比，hmc589a功率驱动模块7和hmc589a功率驱动模块9功率不变的情况下，输入信号幅度越大，功率越大，输入信号幅度越小，功率越小。调节信号发生器模块6和信号发生器模块8输出的信号由幅度即可改变温度。

[4]由微控制器mcu4读取测温电路103的温度值，通过pid温度控制算法（注：pid温度控制算法是工业控制上的一种控制算法，其中p表示比例，i表示积分，d表示微分），调节幅度控制模块5的输出幅度，达到温度稳定。可根据实际需要，同时使信号发生器模块6和信号发生器模块8输出信号，也可使信号发生器模块6和信号发生器模块8其中之一输出信号，另一路不工作。

图1、2、3、4、5所示，需要降温时，执行如下流程步骤：

[1]由微控制器mcu4控制打开idt2右注射泵二通阀126，关闭idt2右液氮二通阀129；打开idt1右注射泵二通阀127，关闭idt1右液氮二通阀128。由微控制器mcu4控制打开idt1左注射泵二通阀120，关闭idt1左液氮二通阀121；打开idt2左注射泵二通阀123，关闭idt2左液氮二通阀124。由微控制器mcu4控制idt1左注射泵111、idt2左注射泵112分别向idt1下叉指2322、idt2上叉指2323抽取液态金属。

[2]由微控制器mcu4控制关闭idt2右注射泵二通阀126，打开idt2右液氮二通阀129；关闭idt1右注射泵二通阀127，打开idt1右液氮二通阀128。由微控制器mcu4控制关闭idt1左注射泵二通阀120，打开idt1左液氮二通阀121；关闭idt2左注射泵二通阀123，打开idt2左液氮二通阀124，由微控制器mcu4控制继电器106打开泵105开始工作，液氮罐104释放液氮流向idt1下叉指2322、idt2下叉指2324，液氮分别从idt1液氮出口122、idt2液氮出口125流出。

[3]由微控制器mcu4读取测温电路103温度值，通过pid温度控制算法，调节idt1右液氮二通阀128和idt2右液氮二通阀129的流量，改变冷却温度的速度，最终达到温度稳定。

本发明基于液态金属叉指换能器的温控系统不限于声表面波生物医学检测平台，还可用于其它相关检测平台的温度控制。本发明的液态金属叉指换能器除上述用于温控外，还可以取代现有的声表面波叉指换能器实现相关生物医学信号的检测，如粒子操控、气体检测、细胞筛选、癌细胞特异性标志物等。本发明温度传递速度快，温度迟滞可忽略不计，温控效果好，用于生物医学检测的声表面波器件和用于温控的液态金属叉指换能器位于声表面波检测平台中间层的上下面，温控装置紧贴声表面波检测平台传感层，温度感应灵敏，声表面波检测平台中间层厚度薄，温度传递更快。本发明可消除混频法等传统声表面波器件消除温度影响不彻底的缺陷；在声表面波检测平台传感层加装温控层后，仍然保持整个装置的透明属性，克服了半导体制冷片实现温控调节时不透明、不透光的缺陷，能可满足用显微镜对被测对象进行实时观察的需求。现有的声表面波叉指换能器需要将金属通过等离子增强型化学气相淀积(pecvd)工艺将金属镀到铌酸锂等压电材料上，工艺复杂，成本高。而本发明的液态金属叉指换能器采用pdms制作，工艺相对简单，制作成本低。基于上述，所以本发明具有好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。