重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统的制作方法

重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，通过集成电化学传感器、光寻址电位传感器与对电极阵列于同一芯片上，实现了传感器的微型化与集成化，同时引入不同传感器的数据融合与校准，提高了集成芯片检测的准确度与抗干扰能力。无线浮标传感系统由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，其中重金属检测仪器包括电化学与光电集成芯片、参比电极、泵阀水路模块、信号采集电路、光源调制电路、ARM控制板、测试腔和激励光源，以实现系统的自动取样、排样、自动检测与数据上传，实现了对湖水重金属的在线、实时监测，具有极大的应用前景。
【专利说明】重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及化学传感器和生物传感器领域，尤其涉及一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统。
【背景技术】
[0002]重金属通过矿山开采、金属提炼与加工、化工生产、农药化肥使用和生活垃圾等各种人为污染方式为主要途径进入水体，具有高毒性、不易代谢、易被生物富集并具有生物放大效应等特点，严重危害生态环境与人类健康，迫切需要建立水环境的重金属现场实时监测系统。迄今为止，少有国内的环境监测中心对水体的重金属含量变化进行监测。
[0003]常用于重金属检测的方法以原子吸收光谱法(Atomic absorptionspectroscopy, AAS)和电感稱合等离子体质谱法(Inductively-coupled plasma massspectroscopy, ICP-MS)为主。通常用于实验室测量,并需要复杂的前处理操作,无法用于现场的实时监测。而且，仪器的价格昂贵、操作复杂、耗费时间长、难以实现多种重金属的同时检测。相比之下，溶出伏安法通过在恒定电位下对重金属富集，极大地提高了工作电极表面重金属的浓度，随后施加由负至正的扫描电压，使富集的重金属重新氧化为离子态，通过重金属对应的特征峰进行定量分析。溶出伏安法具有很低的检测下限，能同时检测多种重金属，测量时间短，灵敏度高，操作简单，可作为实时在线检测手段。
[0004]微电极阵列(Microelectrode array, MEA)为某一维尺寸达到微米级的电极阵列，由于其尺寸小，便于精确定位与分析，已广泛用于生物、化学、环境等多种领域中。在电化学分析中，相比传统的大电极，微电极阵列具有传质速率高、电流密度大、时间常数小、信噪比高、iR降低等优良的电化学特性，成为水环境重金属检测的重要手段之一。国内外研究者在微电极阵列用于重金属检测的研究中，通常仅局限于实验室的分析研究，无法应用于现场的实际检测。
[0005]光寻址电位传感器(Lightaddressable potentiometric sensor, LAPS)是一种功能类似化学场效应管的半导体化学传感器，通过光激励来调制器件的电场效应，该效应对器件绝缘层与电解溶液间的敏感膜电位变化敏感，且其响应电流与被测样品的离子浓度成线性关系，通过获得反应区敏感膜的响应电流对待测样品进行定量检测。在PH的测定中，LAPS表现出良好的灵敏度、线性度与稳定性，已广泛用于生物与细胞实验中。
[0006]随着无线网络技术的进步和完善，传感器向着微型化、集成化与网络化的方向发展，越来越多的传感器网络应用于现场监测。本发明采用基于电化学与光寻址电位传感器的集成芯片，引入不同传感器的数据融合与校准，以解决现场湖水环境PH变化的影响，提高集成芯片检测的准确度与抗干扰能力。同时，基于该集成芯片设计了安装于浮标上且可用于现场湖水重金属监测的无线网络传感系统，可实现对湖水重金属的在线、实时监测，同时通过多个监测系统组成传感器网络，具有极大的应用前景。

【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，本发明可以用于现场湖水重金属离子的实时快速监测。
[0008]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种重金属监测的电化学与光电集成芯片，它由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，微电极阵列由硅片基底、MEA区域SiO2氧化层、Cr粘附层、MEA绝缘层及MEA金电极组成，对电极阵列由硅片基底、MEA区域SiO2氧化层、Cr粘附层、MEA绝缘层及对电极组成。光寻址电位传感器由Al层、LAPS减薄区域、LAPS区域SiO2氧化层及LAPS绝缘层构成；所述重金属监测的电化学与光电集成芯片通过以下方法制备得到:
(1)、选用4英寸硅片作为硅片基底10，硅片厚度为450Mm，经过RCA标准清洗工艺清洗并烘干；对硅片背面LAPS对应区域进行减薄处理，利用光刻板进行腐蚀，减薄硅片厚度至100 Mm，形成LAPS减薄区域，LAPS减薄区域有助于提高光激励时响应电流的强度；
(2)、去除光刻胶并在硅片表面热生长一层50nm厚度的SiO2，形成LAPS区域SiO2氧化
层；
(3)、PECVD沉积IOOnm厚度的Si3N4作为LAPS绝缘层；
(4)、双面刻蚀SiO2和Si3N4，生成相应的LAPS形状，形成光寻址电位传感器的结构；
(5)、为了避免微电极阵列部分的加工对LAPS造成的影响，采用热氧化方法在对应区域生长厚度为650 nm的MEA区域SiO2氧化层；
(6)、派射Cr粘附层及金电极层，派射厚度分别为30nm和300 nm,通过光刻法刻蚀金电极层，分别形成MEA金电极、对电极及金电极引线层。
[0009](7)、光刻出金微电极阵列电极图形及焊盘、引线区域；
(8)、使用PECVD沉积Si3N4绝缘层，沉积厚度为400nm，用作金微电极阵列的绝缘层；
(9)、刻蚀已沉积的Si3N4绝缘层，暴露出金微电极阵列电极图形、焊盘引线区域以及LAPS表面工作区域；
(10)、在硅片背面LAPS对应区域蒸铝，厚度为300nm;
(11)、光刻硅片背面覆盖的铝，形成Al层。
[0010]一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，它由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括:电化学与光电集成芯片、参比电极、泵阀水路模块、信号采集电路、光源调制电路、ARM控制板、测试腔和激励光源；其中，所述电化学与光电集成芯片由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，电化学与光电集成芯片固定在测试腔的底部，参比电极插入测试腔的顶盖，参比电极使用饱和KCl溶液为内充液，参比电极与电化学与光电集成芯片中的微电极阵列、光寻址电位传感器及对电极阵列构成三电极系统，作为重金属的传感器检测单元；电化学与光电集成芯片通过焊盘封装在PCB板上，与信号采集电路连接，进行信号采集；封装有电化学与光电集成芯片的PCB板封装于测试腔底部以进行检测；激励光源封装于电化学与光电集成芯片中的光寻址电位传感器背部，与光源调制电路相连，通过激励光使光寻址电位传感器产生光生电流；泵阀水路模块、信号采集电路均通过串口与ARM控制板相连，光源调制电路与信号采集电路连接。
[0011]本发明的有益效果是，本发明采用基于电化学与光寻址电位传感器的光电集成芯片为检测元件，通过多种传感器的数据融合与校准，提高系统的检测准确度与抗干扰能力。设计的无线浮标传感系统针对所设计的集成芯片采用复合电路结构，以对传感器进行光源调制及信号采集，实现系统的自动分析与检测。本发明采用多位阀与注射泵构建水路结构，实现系统的自动取样、清洗、排样等操作。同时，传感系统搭载ARM控制板，实现无线浮标传感系统与服务器的通信，以保证系统无线控制与检测结果上传。系统搭载于浮标上，可实现湖水重金属的现场实时监测。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1是本发明无线浮标传感系统的结构框图；
图2是本发明电化学与光电集成芯片的结构框图；
图3是本发明无线浮标传感系统的检测电路结构图；
图4是本发明无线浮标传感系统的水路结构图；
图5是本发明搭载的浮标系统结构图；
图6是本发明检测湖水中重金属Zn2+浓度的标准曲线结果图；
图7是本发明检测湖水中pH值的响应曲线结果图；
图8是本发明检测湖水中pH值的标准曲线结果图。
[0013]图中，电化学与光电集成芯片1、参比电极2、泵阀水路模块3、信号采集电路4、光源调制电路5、ARM控制板6、测试腔7、激励光源8、服务器9、硅片基底10、MEA区域SiO2氧化层11、Al层12、LAPS减薄区域13、LAPS区域SiO2氧化层14、Cr粘附层15、MEA绝缘层16、LAPS绝缘层17、MEA金电极18、对电极19、金电极引线层20、MEA检测电路21、LAPS检测电路22、有源屏蔽电路23、滤波调零及放大电路24、数模转换电路25、模数转换电路26、电平转换电路27、电平转换电路28、串行接口芯片29、多路IV变换电路30、微处理器31、低通滤波电路32、调零及放大电路33、多路IV变换电路34、四路LAPS切换电路35、阻抗芯片36、外部时钟电路37、四路LED切换电路38、LED驱动电路39、三电极40、运算放大器41、纯水池42、样品池43、镀汞液池44、缓冲液池45、标液池46、六通路多位阀47、三通路注射泵48、废液池49、浮标支架50、浮标主体51、浮标腔室52、固定钢板53、通信支架54、取样孔55、重金属检测仪器56。
【具体实施方式】
[0014]下面详细介绍所使用的电化学与光电集成芯片用于重金属检测的基本原理。
[0015]电化学传感器采用微电极阵列，利用不同重金属的特征氧化还原电位进行检测。微电极阵列在施加一个恒定电位时，重金属离子被电解还原，由离子态转变为原子态，并沉积于微电极阵列表面。随后，微电极阵列上施加一个反向扫描电压，使还原在微电极表面的重金属重新氧化溶解，产生明显的氧化峰电流。不同重金属通过特异性的氧化电位进行区分，且氧化峰电流的幅值与样品重金属浓度呈线性关系，用于重金属的定量分析。
[0016]光寻址电位传感器利用半导体的内光电效应，即当半导体受到一定波长的光照射时，半导体吸收光子，产生禁带到导带的跃迁从而形成电子空穴对。在传感器两侧外加偏置电压，半导体中产生耗尽层，光生载流子对中的一部分总能在未重新复合前到达耗尽层，于是电子和空穴被耗尽层的强电场分离，电子空穴对的移动即形成光电流。光寻址电位传感器采用强度调制的光照射在器件的表面，则外电路中就可以检测到交替变化的光电流。光电流的大小与传感器两端电势差的大小相关，其频率等于照射光强变化的频率。
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0018]如图1所示，本发明用于湖水重金属无线监测，无线浮标传感系统由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括:电化学与光电集成芯片1、参比电极2、泵阀水路模块3、信号采集电路4、光源调制电路5、ARM控制板6、测试腔7和激励光源8。其中，电化学与光电集成芯片I由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，详细结构如图2所示。电化学与光电集成芯片I固定在测试腔7的底部，参比电极2插入测试腔7的顶盖，使用饱和KCl溶液为内充液。参比电极2与电化学与光电集成芯片I中的微电极阵列(工作电极)、光寻址电位传感器(工作电极)及对电极阵列构成三电极系统，作为重金属的传感器检测单元。电化学与光电集成芯片I通过焊盘封装在PCB板上，与信号采集电路4连接，进行信号采集。之后，封装有电化学与光电集成芯片I的PCB板封装于测试腔7底部以进行检测。激励光源8封装于电化学与光电集成芯片I中的光寻址电位传感器背部，与光源调制电路7相连，通过激励光使光寻址电位传感器产生光生电流。泵阀水路模块3、信号采集电路4均通过串口与ARM控制板6相连，光源调制电路5与信号采集电路4连接，受信号采集电路4上的控制芯片控制。
[0019]电化学与光电集成芯片的详细结构见图2所示。信号采集电路结构图见图3所示。泵阀水路模块3使用六路多位阀与注射泵设计进样管路与排样管路，使用2mm外径的聚四氟乙烯管连接水路，通过详细的水路结构设计进行取样与排样控制，水路结构见图4所示。ARM控制板6用于检测电路、水路模块的控制，具有数据缓存，数据传输与命令控制的功能。ARM控制板6通过串口 RS232与泵阀水路控制3、信号采集电路4和光源调制电路5进行控制与通信。同时，ARM控制板6中内置无线网卡，通过W1-Fi与服务器9通信，进行检测数据上传并接收服务器9控制。浮标结构图如图5所示。
[0020]如图2所示，为电化学与光电集成芯片的详细结构图。电化学与光电集成芯片由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，微电极阵列由硅片基底10、MEA区域SiO2氧化层11、Cr粘附层15、MEA绝缘层16及MEA金电极18组成，对电极阵列由硅片基底10、MEA区域SiO2氧化层11、Cr粘附层15、MEA绝缘层16及对电极19组成。光寻址电位传感器由Al层12、LAPS减薄区域13、LAPS区域SiO2氧化层14及LAPS绝缘层17构成。其具体的加工流程如下:
1、选用4英寸硅片作为硅片基底10，硅片厚度为450Mm，经过RCA标准清洗工艺清洗并烘干；对硅片背面LAPS对应区域进行减薄处理，利用光刻板进行腐蚀，减薄硅片厚度至100 Mm,形成LAPS减薄区域13，LAPS减薄区域13有助于提高光激励时响应电流的强度；
2、去除光刻胶并在硅片表面热生长一层50nm厚度的SiO2,形成LAPS区域SiO2氧化层
14；
3、PECVD沉积IOOnm厚度的Si3N4作为LAPS绝缘层17；
4、双面刻蚀SiO2和Si3N4,生成相应的LAPS形状，形成光寻址电位传感器的结构；
5、为了避免微电极阵列部分的加工对LAPS造成的影响，采用热氧化方法在对应区域生长厚度为650nm的MEA区域SiO2氧化层11 ；
6、溅射Cr粘附层15及金电极层，溅射厚度分别为30nm和300 nm,通过光刻法刻蚀金电极层，分别形成MEA金电极18、对电极19及金电极引线层20。[0021]7、光刻出金微电极阵列电极图形及焊盘、引线区域；
8、使用PECVD沉积Si3N4绝缘层16，沉积厚度为400nm，用作金微电极阵列的绝缘层；
9、刻蚀已沉积的Si3N4绝缘层16，暴露出金微电极阵列电极图形、焊盘引线区域以及LAPS表面工作区域；
10、在硅片背面LAPS对应区域蒸铝，厚度为300nm;
U、光刻硅片背面覆盖的铝，形成Al层12。
[0022]如图3所示，为本发明的电化学与光电集成芯片检测电路结构图，由信号采集电路4和光源调制电路5两个模块组成；信号采集电路4又分为MEA检测电路21和LAPS检测电路22两个模块，共用同一个微处理器31。整个系统采用16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器MSP426FG4619作为微控制器31，实现对整个系统检测过程的控制。三电极40与运算放大器41组成可靠的三电极系统，系统中包含集成在其中的LED光源。三电极系统产生的MEA和LAPS信号由信号采集电路4进行采集、调理。信号采集电路4由MEA检测电路21和LAPS检测电路22两个模块组成。
[0023]图中21是MEA检测电路21的结构框图。MEA检测电路在前端对三电极的输出信号进行了 LC初步滤波，采用同轴电缆线来传输，同时对于工作电极和参比电极的屏蔽层采用有源屏蔽23来提高屏蔽效果。对于PCB板上的信号走线也采取了短路环的形式来提高信噪比。电化学信号通过ΙΛ转换电路30将微弱的电流信号转换成较强的电压信号。同时转换出的电压信号经过滤波、调零及放大电路24进行信号调理:利用四个不同的一阶无源RC滤波器对电压信号进行低通滤波，除去系统电路可能引入的高频噪声；引入调零电路对送入模数转换电路26的信号进行预处理，消除直流偏置，充分利用转换芯片的量程；除此之外还对信号进行了一次同相放大，目的也是为了更加充分利用转换芯片的量程，实现高分辨率高精度转换。数模转换电路25使用的是TI公司的DAC712芯片，为16位总线接口的16位数模转换器，用来提供电化学反应所需要的偏压、有缘屏蔽电路23电压以及电路自检所需要的校准电位。模数转换电路26采用的是TI公司的ADS8505芯片，该芯片为16位250kHz CMOS模数转换器，具有16位总线接口和2.5V内部参考电压，用来对产生的电化学信号进行采集。数模转换电路25和模数转换电路26的总线接口共用电平转换电路27和电平转换电路28。电平转换电路与微处理器31的通用I/O 口相连，并通过微处理器31控制其电平转换方向。通过在微控制器31上编程实现了检测过程中的核心步骤差分脉冲扫描溶出伏安法。差分脉冲扫描溶出伏安法基本上消除了背景电流的影响，使检出限下降，灵敏度大为提高。同时软件上配合硬件实现了系统的自动量程功能，提高了检测的精度。
[0024]图中22是LAPS检测模块22的结构框图。LAPS信号检测过程中微控制器31通过控制继电器选通相应的LAPS传感器通道。LAPS产生的微弱电信号通过I/V变换电路34将光电流转换成电压信号。继而利用调零及放大电路33进行传感器信号的调理:通过调零电路去除系统的直流偏置误差；对信号进行同相放大，提高信噪比，有效利用芯片检测范围。低通滤波电路32使用LINEAR公司的LTC1569-7芯片，滤波范围可选，滤除低频噪声，提高信号质量。阻抗芯片36 AD5933通过向LED驱动电路39提供一个高频交流激励源进行阻抗的检测。阻抗芯片36检测的结果通过I2C总线通信传递给微处理器31 MSP426FG4619用于后期处理。外部时钟电路37使用ADF4001时钟信号芯片和16M有源晶振，通过微处理器31控制为阻抗芯片36提供稳定可靠的时钟信号。[0025]为了实现最优化检测，信号采集电路4设置了四路不同档位的I/V变换电路25，利用两个电子开关切换完整的整个电流电压转换电路，每组独立的Ι/v变换电路均进行对应的幅频特性和相位特性补偿，保证系统稳定；两个模拟开关不包括在运放反馈环路内；模拟开关受微处理器31控制，同步接通某一组I/V变换电路，由该组I/V变换电路工作，将工作电极溶出电流转换为电压信号。
[0026]光源调制电路5主要由LED驱动电路39和四路LED切换电路38两部分组成。LED驱动电路39是由DAC8811和运算放大器构成的一个大小可调的恒流源，DAC8811提供一个直流偏置，与阻抗芯片36提供的激励源共同作用驱动传感器LED光源。
[0027]整个系统利用串行接口芯片29通过RS232串口通信实现微控制器31MSP426FG4619与上位机之间的通信，实现对下位机的相关控制以及数据传输功能。为了提高系统的稳定性还实现 了开机自检的功能，通过电路通路的控制能够对电路自身以及微电极阵列传感器进行自检以及自校准，实现了系统整个检测过程的自动化、智能化。
[0028]如图4所示，为本发明详细的水路结构图，用于控制检测过程的进样与排样。泵阀水路模块3主要由六通路多位阀47与三路注射泵48相连构成。六通路多位阀47分别与纯水池42，样品池43，镀汞液池44，缓冲液池45，标液池46及测试腔7相连，通过注射泵48抽取或排出各种试剂。注射泵通路与测试腔相连，用于排空测试腔的溶液。并与废液池49相连，通过从测试腔7中抽取溶液，最终排入废液池49。
[0029]本发明完整的水路流程为:注射泵从纯水池42中抽取纯水进入测试腔7，对测试腔进行清洗。随后将测试腔7中的纯水排入废液池49。从镀汞液池44中抽取试剂进入测试腔7对电化学与光电集成芯片进行前处理。对测试腔7进行排液和清洗。再从样品池43抽取待测的湖水样品进行测试腔7进行第一次检测。检测完成后，抽取标液池46中的标准溶液进入测试腔7，进行第二次检测。检测完成后对测试腔7进行排液和清洗，并根据两次的检测结果进行重金属浓度分析。
[0030]如图5所示，为整个浮标监测系统的剖面图。系统由浮标支架50，浮标主体51及浮标腔室52及重金属检测仪器56共四部分构成。重金属检测仪器56放置在浮标腔室52中，通过固定钢板53在上、下进行固定，防止检测仪器在湖泊现场检测时晃动。固定钢板53通过固定螺孔固定在浮标上。浮标上外置有通信支架54，用于固定检测仪器的天线，以保证仪器的稳定通信距离。浮标上设计有取样孔55，重金属检测仪器56通过导管经由取样孔55从湖水中提取样品，实现实际样品的取样过程。
[0031]本发明完整的工作流程为:服务器9通过W1-Fi方式向无线浮标传感系统发送开始检测命令，ARM控制板6接收并解析命令后开始执行时序。六通路多位阀47与三通路注射泵48开始工作，经取样孔55抽取现场湖水样品进入测试腔7。随后，ARM控制板6控制MEA检测电路21与LAPS检测电路22开始工作，采集电化学与光电集成芯片的响应信号。检测完成后，通过六通路多位阀47与三通路注射泵48排空和清洗测试腔7。ARM控制板6内置的程序进行浓度分析后上传结果至服务器9，完成重金属的现场监测流程。
[0032]下面给出本发明的应用案例。
[0033]如图6所示，为本发明用于重金属Zn2+检测的标准曲线结果图。采用Mi I ipore公司的超纯水(18.2ΜΩ ^m)及分析纯的氯化钾配制浓度为0.5M的氯化钾溶液。采用经标准物质认证的100mg/L的重金属Zn2+标准溶液用于标准曲线的标定。分别对溶液进行加标，溶液中重金属Zn2+浓度为10 μ g/L, 20 μ g/L, 30 μ g/L, 40 μ g/L, 50 μ g/L.使用本发明无线浮标传感系统对样品进行检测。富集电位为-1.35V，富集时间120s，静息时间15s，扫描电压范围-1.3V至-0.8V。记录其溶出伏安曲线，取其溶出曲线的峰高值为纵坐标，浓度值为横坐标获得其相应的标准曲线。
[0034]如图7所示，为本发明用于样品中pH检测的响应曲线结果图。采用Milipore公司的超纯水(18.2ΜΩ ^m)及分析纯的氯化钾配制浓度为0.5M的氯化钾溶液。采用分析纯度的lmol/L的HCl和NaOH用于溶液pH值的调整。偏置电压为1.4V，光频为4000Hz。在不同PH条件下获得响应曲线后，对曲线进行归一化处理，曲线如图7所示。
[0035]如图8所示，为本发明用于样品中pH检测的标准曲线结果图。通过计算响应曲线的特征响应电压，采用响应曲线的二阶层数零点(拐点)的电压为特征电压，以溶液pH值为横坐标，特征响应电压为 纵坐标，获得本发明系统用于PH检测的标准曲线。
【权利要求】
1.一种重金属监测的电化学与光电集成芯片，其特征在于，它由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，微电极阵列由硅片基底(10),MEA区域SiO2氧化层(11 )、Cr粘附层(15)、MEA绝缘层(16)及MEA金电极(18)组成，对电极阵列由硅片基底(10)、MEA区域SiO2氧化层(11)、Cr粘附层(15)、MEA绝缘层(16)及对电极(19)组成，光寻址电位传感器由Al层(12)、LAPS减薄区域(13)、LAPS区域SiO2氧化层(14)及LAPS绝缘层(17)构成；所述重金属监测的电化学与光电集成芯片通过以下方法制备得到: (1)、选用4英寸硅片作为硅片基底(10)，硅片厚度为450Mm，经过RCA标准清洗工艺清洗并烘干；对硅片背面LAPS对应区域进行减薄处理，利用光刻板进行腐蚀，减薄硅片厚度至100 μπι，形成LAPS减薄区域(13)，LAPS减薄区域(13)有助于提高光激励时响应电流的强度； (2)、去除光刻胶并在硅片表面热生长一层50nm厚度的SiO2，形成LAPS区域SiO2氧化层(14); (3)、PECVD沉积IOOnm厚度的Si3N4作为LAPS绝缘层(17)； (4)、双面刻蚀SiO2和Si3N4，生成相应的LAPS形状，形成光寻址电位传感器的结构； (5)、为了避免微电极阵列部分的加工对LAPS造成的影响，采用热氧化方法在对应区域生长厚度为650 nm的MEA区域SiO2氧化层(11); (6)、溅射Cr粘附层(15)及金电极层，溅射厚度分别为30nm和300 nm,通过光刻法刻蚀金电极层，分别形成MEA金电极(18)、对电极(19)及金电极引线层(20)； (7)、光刻出金微电极阵列电极图形及焊盘、引线区域； (8)、使用PECVD沉积Si3N4绝缘层(16)，沉积厚度为400nm，用作金微电极阵列的绝缘层； (9)、刻蚀已沉积的Si3N4绝缘层(16)，暴露出金微电极阵列电极图形、焊盘引线区域以及LAPS表面工作区域； (10)、在硅片背面LAPS对应区域蒸铝，厚度为300nm; (11 )、光刻硅片背面覆盖的铝，形成Al层(12)。
2.一种重金属监测的电化学与光电集成芯片及无线浮标传感系统，其特征在于，它由搭载用浮标及固定在搭载用浮标内的重金属检测仪器组成，重金属检测仪器包括:电化学与光电集成芯片(I)、参比电极(2)、泵阀水路模块(3)、信号采集电路(4)、光源调制电路(5)、ARM控制板(6)、测试腔(7)和激励光源(8);其中，所述电化学与光电集成芯片(I)由微电极阵列、对电极阵列和光寻址电位传感器组成，电化学与光电集成芯片(I)固定在测试腔(7)的底部，参比电极(2)插入测试腔(7)的顶盖，参比电极(2)使用饱和KCl溶液为内充液，参比电极(2)与电化学与光电集成芯片(I)中的微电极阵列、光寻址电位传感器及对电极阵列构成三电极系统，作为重金属的传感器检测单元；电化学与光电集成芯片(I)通过焊盘封装在PCB板上，与信号采集电路(4)连接，进行信号采集；封装有电化学与光电集成芯片(I)的PCB板封装于测试腔(7)底部以进行检测；激励光源(8)封装于电化学与光电集成芯片(I)中的光寻址电位传感器背部，与光源调制电路(7)相连，通过激励光使光寻址电位传感器产生光生电流；泵阀水路模块(3)、信号采集电路(4)均通过串口与ARM控制板(6)相连，光源调制电路(5)与信号采集电路(4)连接。
【文档编号】B63B22/00GK103940873SQ201410186971
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】王平, 万浩, 孙启永, 王旭, 李海波, 哈达, 徐宁 申请人:浙江大学