一种用于微纳机器人的无线微型传感器

本发明属于医学检测、纳米科学领域，具体涉及一种可用于微纳机器人体内外标志物检测的无线微型传感器。

背景技术：

1、人体内的各种标志物一直以来都受到医疗人员的关注，因为这些变化通常可以反映出人体内部的问题，用以辅助判断疾病的发生。疾病检测标志物非常多，例如各种血液电解质、糖尿病的血糖和胰岛素、发生感染时的各种血细胞、肿瘤标志物等。医疗人员对这些生化标志物的浓度进行检测，异常的浓度通常反应了疾病的发生。常用的方案或是将抽取的血液样本进一步处理得到相应标志物的浓度；或是利用医学影像观察带标记的生物探针与标志物结合产生的影像变化。除此之外，活检通过内镜、穿刺以及手术的方法将体内的疑似病变细胞取出进行病理诊断，而可植入式传感器以无线的方式将体内的标志物信号转换为电信号发送到外部的接受设备。

2、非常早期的病灶周围就会发生明显的标志物的异常，但是现存的医疗设备难以检查到这些早期的异常。实验室化验检查采取的样本中的生化标志物经过体内的代谢以及稀释变得稀少，发现异常时问题通常已经进展到一定阶段。对于医学影像检测的方式，受限于检测的精度，早期的疾病由于病灶范围小，难以在图像上反应出来，同时医学影像检测的标志物种类较少。活检拥有同样的问题，病灶小时难以取到病变细胞，同时采取的方式可能会对人体造成伤害，且对于一些特殊位置的病变，如大脑深处，现有的方法难以取到病变细胞进行活检。可植入式传感器只有当病情进行到一定程度才会成为医疗人员的选择，并且较大的尺寸在植入时可能对人体产生伤害，同时因为传感器需要长期处于人体内，排斥反应可能会对人体造成损伤。

技术实现思路

1、本申请的主要目的在于设计的微型传感器无需电池供电，制作过程简单，尺寸小，可以与微型机器人进行集成来检测体内的各种标志物浓度，达到早期诊断的目标。除此之外，可以与基于磁场成像导航的微纳机器人集成，在微纳机器人运动的同时进行传感，实现全身各处的标志物检测。检测方法对早期疾病诊断灵敏度更高，而且可以检测的范围更广，对人体的伤害更小。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于微纳机器人的无线微型传感器，可以实现体内外的生物标志物检测，其特征在于，包括微纳机器人载体、下层导电层、中间的介电层、上层的微米级的微型线圈和叉指电极电容、特异性的功能化涂层；所述的微型线圈和叉指电极电容通过介电层的过孔与下层的导电层形成闭合回路，实现无线传感器，均设置于微纳机器人载体上。特异性的功能化涂层用于对周围环境的标志物进行选择，置于上层电极表面。

4、通过施加外部磁场，传感器回路会产生感应电流进而产生感应磁场，感应磁场(包括阻抗、相位)会被外部设备感知到。当特定标志物与传感器表面功能化涂层结合后，相应的介电常数以及介质损耗会出现改变，从而导致微型传感器的电容以及损耗出现变化，感应磁场的阻抗和相位也会随着改变，即感应磁场的阻抗和相位反应了特定标注物的浓度从而实现了无线的标志物检测。所设计器件微小的尺寸以及简易的结构为传感器与微纳机器人载体结合提供了可能，为实现无创的体内复杂部位的多种标志物的检测提供了基础。

5、本申请的第二方面，提供了一种用于微纳机器人的无线微型传感器的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)在衬底上沉积或涂覆上导电材料作为下层导电层；

7、(2)在步骤(1)所得的具有导电层的衬底上沉积或涂覆上介电材料作为介电层；

8、(3)在步骤(2)所得的介电层上旋涂上光刻胶并利用紫外光学曝光和反应离子刻蚀技术处理获得过孔；

9、(4)在步骤(3)所得的具有过孔的介电层上旋涂光刻胶，并利用紫外光学曝光技术获得图案；然后在图案化的光刻胶上沉积导电材料并泡入丙酮中进行溶脱获得图案化的上层电极。

10、(5)在步骤(4)所得的上层电极上涂覆上可以与特异性标志物结合的功能化涂层。

11、上述一种用于微纳机器人的无线微型传感器的制备方法，作为一种优选的实施方案，步骤(1)中，所述衬底为与微纳加工工艺兼容的微纳机器人载体。

12、上述一种用于微纳机器人的无线微型传感器的制备方法，作为一种优选的实施方案，步骤(1)中，所述衬底为具有导电层的微纳机器人载体，例如掺杂硅片、金属片。

13、上述一种用于微纳机器人的无线微型传感器的制备方法，作为一种优选的实施方案，步骤(5)中，所述功能化涂层的介电常数较低，并且与标志物结合后的介电常数变化明显。

14、本发明的有益效果为：本发明所述的用于微纳机器人的无线微型传感器加工过程简单而且尺寸小，可以方便的与现有的微纳机器人载体结合实现移动式的传感平台。微小的尺寸可以让整个器件在外部控制下进入到各种狭窄复杂的地方进行无线的传感检测，不会造成附加的伤害。

15、本发明所述的用于微纳机器人的无线微型传感器采用不同的功能化涂层可以实现多种标志物的特异性测量。同时由于病灶周围的标志物的浓度更高，所以将器件以无创的方式送到病灶周围实现原位的传感对于早期的疾病发现有重要的意义。

16、本发明所述的用于微纳机器人的无线微型传感器与基于磁场进行成像的设备(如mri和mpi)进行合作，可以改变图像的局部信号实现传感，达到导航的同时进行传感的目的，减少了外部设备，并且可以增强导航定位的信号。

17、本发明所述的用于微纳机器人的无线微型传感器采用现有的半导体加工工艺，即本发明所述的用于微纳机器人的无线微型传感器可以大批量制备并且性能稳定，具有很好的应用潜力和广泛的应用价值。

技术特征：

1.一种用于微纳机器人的无线微型传感器，可以实现体内外的生物标志物检测，其特征在于，包括微纳机器人载体、下层导电层、中间的介电层、上层的微米级的微型线圈和叉指电极电容、特异性的功能化涂层；

2.根据权利要求1所述用于微纳机器人的无线微型传感器，其特征在于，所述的微纳机器人载体为各种具有平面或小弧度曲面的微纳机器人。

3.根据权利要求2所述用于微纳机器人的无线微型传感器，其特征在于，所述的无线传感器可以直接在微纳机器人载体上加工或者通过转移的办法与微纳机器人结合。

4.根据权利要求3所述用于微纳机器人的无线微型传感器，其特征在于，微米级尺寸的微型线圈、叉指电极电容。

5.根据权利要求4所述用于微纳机器人的无线微型传感器，其特征在于，特异性的功能化涂层可以和特定的标志物结合改变其电学性能。

6.权利要求1-5之一所述用于微纳机器人的无线微型传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.权利要求6所述用于微纳机器人的无线微型传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述衬底为表面覆盖有牺牲层的衬底或者与半导体工艺兼容的微纳机器人载体。

技术总结
本发明公开了一种用于微纳机器人的无线微型传感器，可以实现体内外的生物标志物检测；主要结构包括微纳机器人载体、下层导电层、中间的介电层、上层的微米级的微型线圈和叉指电极电容、可以与标志物特异性结合的功能化涂层；所述的微型线圈和叉指电极电容通过介电层的过孔与下层的导电层形成闭合回路实现无线传感；本发明的有益效果为：本发明所述的用于微纳机器人的无线微型传感器加工过程简单而且尺寸小，可以方便的与现有的微纳机器人载体结合实现移动式的传感平台；置于顶层的不同的功能化涂层可以实现多种标志物的特异性测量；因此本发明所述的用于微纳机器人的无线微型传感器在未来的医学检测领域具有很好的应用潜力和广泛的应用价值。

技术研发人员：赵静,李忠燚,李春阳
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15