專利名稱：微型差分電容葡萄糖連續監測阻尼傳感器及制作方法
技術領域：
本發明是一種用于糖尿病人的血糖連續檢測的皮下植入式葡萄糖濃度連續監測傳感器及制作方法，特別是一種微型差分電容葡萄糖連續監測阻尼傳感器及制作方法，屬于葡萄糖連續監測阻尼傳感器及制作方法的創新技術。
背景技術：
糖尿病是一種代謝性疾，也是最常見的慢性病之一，其特點是持續的高血糖癥。越早發現病情，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生的其它危害人體健康的癥狀，是目前醫學上所能做的辦法。因此，對血糖的準確測量和連續監測，具有十分重大的意義。葡萄糖傳感器(Glucose sensor)是應用電化學或光學原理進行葡萄糖檢測的種裝置。目前大部分傳感器是屬于化學傳感器，利用葡萄糖酶的選擇性，在氧化葡萄糖過程中產生電流，通過檢測電流強度來計算葡萄糖的濃度。主要的研究集中在如何通過化學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。但化學傳感器在檢測過程中消耗了葡萄糖影響了實際測量血糖水平。此外，電化反應中的葡萄糖消耗率受到擴散的限制。由于生物污染擴散層由蛋白質吸附(例如，細胞沉積，形成膠囊)在傳感器表面任何變化影響擴散速度，影響了設備的靈敏度。此外，漂過氧化氫的生產和干擾從電極活性化學物質可能會導致侵蝕傳感器的電極和功能酶失活，影響設備的準確性，可靠性和壽命。為了解決電化學方法檢測的不足，基于葡萄糖感應技術的皮下植入方法正在積極的研究中。特別是，一些用穩定的具有親合力的葡萄糖粘合劑的方法已經顯示出了很大應用前景。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，也不需要去考慮產品之間的相互作用而產生的腐蝕。同時，在植入傳感器表面的生物體的沉淀只發生在平衡穩定時間，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具有免疫性和細胞毒素，并且會隨著時間而減弱。另外，利用了合成葡萄糖粘合劑聚合物的親和性感應器系統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)形成的聚合物已經發展成為一系列用于葡萄糖檢測的方法，例如通過熒光，體積改變和傳導率去檢測。目前，哥倫比亞大學發展了一種新的基于酸性的親和性傳感器系統，它是利用聚乙烯聚合物(aeryIamide-ran-3- aerylamidophenylboronic acid) (PAA-ran-PAAPBA) 0 在這個系統中，葡萄糖與PAA-ran-PAAPB分子骨架上苯硼酸結合成成強壯的酯鍵，而增加了聚合物溶液的黏度。該結合過程是可逆的，結合方向由葡萄糖濃度決定。微電系統技術(簡稱 MEMS)能夠使可植入的傳感器用于新陳代謝的監測，它微小的體積能提高測量的實時響應和減小侵入力。MEMS和相關的技術已經被用于葡萄糖傳感器上，是一種基于微機電系統振動信號檢測方法。
在先技術之一(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)基于近紅外光學傳感器探測由于納米管的電特性導致的熒光變化。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。當葡萄糖與葡萄糖氧化酶結合時，與鐵氰化合物經過復雜反應，產生了過氧化氫，該反應導致了納米管電屬性的變化，從而導致了熒光的變化，而熒光的變化程度與葡萄糖濃度有關。但是，在探測中消耗了葡萄糖。在先技術之二(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, 8(K4;3)33-33)提出了一種改進的可以檢測血液中D型葡萄糖濃度的電化學糖類傳感器。該傳感器由英格蘭巴斯大學有機化學講師Tony D. James及其合作者設計，包含兩個硼酸接收器，一個已糖選擇的已環鏈接單元，和一個電活性二茂(絡)鐵讀出單元，與D型葡萄糖的連接常數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 型甘露糖結合。無酶糖類傳感器克服了酶傳感器的壽命限制。在先技術之三(參見"A MEMS viscometric sensor for continuous glucose monitoring 一種用于葡萄糖連續監測的黏度傳感器微機電系統”，Yongjun Zhao, Siqi Li, Arthur Davidson, Bozhi Yang, Qianffang and Qiao Lin. Journal of Micromechanics and Microengineering, 17(2007) 2528-2537)提出了一個旨在連續監測糖尿病患者血糖水平的MEMS傳感器。該器件具有磁驅動的微懸臂梁振動，微懸臂梁位于一個通過半透膜與環境隔開的微型溶液腔中。血糖檢測是基于親和力結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參數。該裝置能夠測量有關生理葡萄糖濃度從O到25m/ L毫米，分辨率優于0. 025m/L，相靈敏度優于-0. ^10該傳感器對葡萄糖濃度變化有一個時間常數下降到4. 27分，并可以進一步改善，優化設備的設計。在先技術之四(參見 “A MEMS Affinity Glucose Sensor Using a Biocompatible Glucose-Responsive Polymer 一種應用生物兼容葡萄糖應答聚合物的 MEMS親和葡萄糖傳感器”，X. Huang, S. Li, J. Schultz, Q. Wang and Q. Lin. Sensors and Actuators B: Chemical，140: 603-609，2009)改進了聚合物溶液，一個改進后的裝置中，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。這些設備展示了粘親和可行性血糖檢測，但需要一個光桿安裝使用懸臂撓度測量，這是不兼容皮下植入手術。在先技術之五(參見 “A Capacitive MEMS Viscometric Sensor for Affinity Detection 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.)設計了電容式振動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入傳感器，聚合物溶液與葡萄糖可逆結合(結合程度取決于葡萄糖濃度)，從而導致溶液粘度的變化。粘度變化改變膜的振幅，導致膜上電容的變化。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
1)振動的非線性
由于存在密封空氣，影響了膜的剛度，當振幅增大時，非線性振動明顯。
2)電容值太小，容易受干擾
為了降低振動非線性，只能加大密封空氣的厚度，從而減少了電容值。此外，還可能出現復雜的振型，抵消部分電容變化。3)葡萄糖擴散緩慢
葡萄糖進出傳感器通過半透膜，振動過程中內部溶液的流動為層流，葡萄糖只能通過自由擴散，速度較慢，而且會產生不均勻的情況。
發明內容
本發明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現葡萄糖濃度的連續測量，節省能源消耗，以便無線植入，使傳感器的工作時間更長的微型差分電容葡萄糖連續監測阻尼傳感器。本發明的另一目的在于提供一種方便實用，制作簡單的微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器的制作方法。本發明的技術方案是本發明的微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器，包括有傳感器基體、預應力薄膜、微型硅梁、鐵磁材料層、電容動極板、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有空氣腔，傳感器基體上裝設有溶液腔壁，溶液腔壁圍成溶液腔，預應力薄膜固定在傳感器基體上，隔開溶液腔和空氣腔，微型硅梁穿過預應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，溶液腔內裝有能與微型硅梁作用產生阻尼力的聚合物溶液；空氣腔的側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的電容動極板組成差分電容，微型硅梁還裝設有鐵磁材料層。上述溶液腔壁上設有分布式小孔。本發明的微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器的制作方法，包括如下步驟
1)在熱生長硅上，電鍍鐵磁材料層和電容動極板，用線切割或光刻方法獲得微型硅梁， 然后鍍上犧牲層和氣相沉積聚對二甲苯薄膜；再在上述薄膜上鍍電容固定極板，最后氣相沉積聚對二甲苯薄膜，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，將第一步得到的差分電容子裝配體粘結安裝到傳感器基體上；
3)氣相沉積聚對二甲苯，形成預應力薄膜，溶解犧牲層；在溶液腔中安裝半透膜，對器件進行封裝。本發明由于采用包括傳感器基體、微型硅梁和預應力薄膜組成的復合結構，預應力薄膜固定在傳感器基體所設的中空腔體內，并將傳感器基體所設的中空腔體隔開為溶液腔和空氣腔，微型硅梁穿過預應力薄膜分別置于溶液腔和空氣腔中，本發明通過電磁場產生對復梁膜結構的脈沖激勵，當聚合物的粘度變化時，與之耦合的梁膜結構的振幅會隨之改變，從而改變差分電容的峰值，實現葡萄糖濃度的檢測。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合改變粘度實現，本發明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，復合梁膜結構的振動保證流體不受壓縮，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，同時增加了葡萄糖的擴散。采用差分電容，信號更強。本發明提高振動的線性范圍，提高阻尼力的影響，另外，本發明還可通過溶液端懸臂梁上加工小孔來降低慣性影響，進一步提高阻尼力影響，提高電容信號強度，更加節省能源消耗，以便無線植入，使傳感器工作的時間更長。本發明的傳感器能在無需消耗葡萄糖情況下實現葡萄糖濃度的連續測量，并應用節能的脈沖方式激勵，通過電容振幅測量溶液的阻尼，從而推算葡萄糖的濃度。本發明是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的微型差分電容葡萄糖連續監測阻尼傳感器及制作方法。
圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為本發明制作工藝流程圖。
具體實施例方式實施例
本發明的結構示意圖如圖1所示，本發明的微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器，包括有傳感器基體1、預應力薄膜2、微型硅梁3、鐵磁材料層4、電容動極板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1上設有空氣腔10， 傳感器基體1上裝設有溶液腔壁12，溶液腔壁12圍成溶液腔9，預應力薄膜2固定在傳感器基體1上，隔開溶液腔9和空氣腔10，微型硅梁3穿過預應力薄膜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內裝有能與微型硅梁3作用產生阻尼力的聚合物溶液7 ；空氣腔10的側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上裝設的電容動極板5組成差分電容， 微型硅梁3上還裝設有用于電磁力驅動的鐵磁材料層4。上述電容動極板5與空氣腔10的電容固定極板6組成差分電容，增強了信號強度。本實施例中，電容固定極板6為固定在空氣腔10的側壁上的兩塊金膜，兩塊金膜與微型硅梁3上裝設的電容動極板5組成差分電容，上述鐵磁材料層4嵌在空氣腔10內的微型硅梁3上，通過微型電磁鐵的脈沖激勵，引發梁膜結構的振動。由于微型硅梁3的彎曲剛度遠大于薄膜的彎曲振動剛度，微型硅梁3基本是剛體運動，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，基本保證了空氣腔10和溶液腔9的體積不會發生變化。本發明的微型差分電容葡萄糖連續監測阻尼傳感器的制作方法，包括如下步驟， 如圖2所示
1)在熱生長硅上，電鍍鐵磁材料層4和電容動極板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安裝到傳感器基體(1)所設的深槽上，如圖2中的(e)3)氣相沉積聚對二甲苯薄膜，形成預應力薄膜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，最后對器件進行封裝，如圖2中的 (g)圖。本發明所測量的葡萄糖濃度是通過測量與葡萄糖可逆結合的聚合物溶液的阻尼來實現，其結構特點是，預應力薄膜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動微型硅梁C3)繞與預應力薄膜2的相交線作旋轉運動，同時帶動預應力薄膜2 作二階彎曲振動，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，產生阻尼力，改變微型硅梁3在給定電磁驅動力下的振幅。微梁上的電容動極板5與空氣腔壁的電容固定極板6組成差分電容，微型硅梁3的振幅由差分電容值的變化反應。血液中的葡萄糖通過半透膜8自由進出，葡萄糖與聚合物的可逆結合改變溶液的粘度，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構的阻尼可以通過微型硅梁3與溶液腔9的腔壁的間隙調節，從而根據所測阻尼的范圍設計最佳的間隙大小，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。
權利要求
1.一種微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器，其特征在于包括有傳感器基體 (1)、預應力薄膜O)、微型硅梁(3)、鐵磁材料層G)、電容動極板(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上設有空氣腔(10)，傳感器基體(1)上裝設有溶液腔壁(12)，溶液腔壁(1 圍成溶液腔(9)，預應力薄膜(2)固定在傳感器基體(1)上，隔開溶液腔(9)和空氣腔(10)，微型硅梁(3)穿過預應力薄膜( 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)內裝有能與微型硅梁(3)作用產生阻尼力的聚合物溶液(7)；空氣腔(10)的側壁上固定有電容固定極板(6)，電容固定極板(6)與微型硅梁C3)上裝設的電容動極板( 組成差分電容，微型硅梁C3)上還裝設有鐵磁材料層(4)。
2.根據權利要求1所述的微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器，其特征在于上述溶液腔壁(1 上設有分布式小孔。
3.一種根據權利要求1所述的微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器的制作方法，其特征在于包括如下步驟1)在熱生長硅上，電鍍鐵磁材料層(4)和電容動極板(5)，用線切割或光刻方法獲得微型硅梁(3)，然后鍍上犧牲層(11)和氣相沉積聚對二甲苯薄膜；再在上述薄膜上鍍電容固定極板(6)，最后氣相沉積聚對二甲苯薄膜，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)，將第一步得到的差分電容子裝配體粘結安裝到傳感器基體(1)上；3)氣相沉積聚對二甲苯，形成預應力薄膜0)，溶解犧牲層(11)；在溶液腔(9)中安裝半透膜(8)，對器件進行封裝。
全文摘要
本發明是一種微型差分電容式葡萄糖連續監測阻尼傳感器及制作方法。包括傳感器基體、預應力薄膜，傳感器基體上設有空氣腔，傳感器基體上裝有溶液腔壁，溶液腔壁圍成溶液腔，預應力薄膜固定在傳感器基體上，隔開溶液腔和空氣腔，微型硅梁穿過預應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，溶液腔內裝有能與微型硅梁作用產生阻尼力的聚合物溶液；空氣腔的側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的電容動極板組成差分電容，微型硅梁還裝設有鐵磁材料層。本發明通過電磁場的脈沖激勵作用到微型硅梁上的鐵磁材料層，引發梁膜結構的振動，改變差分電容值，實現葡萄糖濃度的連續測量。
文檔編號B81C1/00GK102565148SQ20111044717
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者楊志軍 申請人:廣東工業大學