本發(fā)明屬于海洋儀器生產領域，具體地說，涉及一種采用微流控可置換腔體結構和自校準系統(tǒng)的海洋化學參數傳感器。
背景技術：
深海海底邊界層是物理、化學和生物過程耦合相互作用最為復雜的區(qū)域，也是揭示物質循環(huán)和質量平衡，研究海洋碳循環(huán)，探測海底資源的關鍵區(qū)域。海洋化學參數例如：pH、CO2、CH4、溶解氧(DO)是研究海洋生態(tài)水質環(huán)境、海洋碳循環(huán)、海底熱液、海底天然氣水合物以及海底資源探測的最基本的參數，開展深海基本化學要素的原位監(jiān)測，對于開發(fā)海洋資源和保護海洋環(huán)境都具有重要的意義。
目前，國外商業(yè)化的深海(1000米以下)化學傳感器均具備自容/直讀兩種模式。其中，pH傳感器廠商主要有美國Sea-Bird公司(SBE18/27pH-1200米)和AMT公司(pHAMT-6000米)，探頭主要采用固態(tài)電極結構，需要經常標定維護。美國Sunburst Sensors公司兩款傳感器(SAMI/AFTpH-3000米)測量精度較高，但是結構復雜，技術門檻較高尚未得到推廣應用。國外商用測量深海CO2有德國Contros公司基于紅外光譜法的HydroCTM/CO2(6000米)，該類設備雖然精度、分辨率均高于傳統(tǒng)的電化學法，但是整個系統(tǒng)結構較復雜，響應時間較長，功耗較高，不方便與其他探頭集成。Contros公司的HydroC CH4(3000米)采用濾膜脫氣結構設計結合紅外光譜議測量深海溶解CH4的濃度。德國GKSS和Franatech公司的METS(2000米)則利用半透膜進行氣液分離后對使用電化學SnO2半導體探頭完成CH4的測量。與光學原理相比，雖然電化學探頭精度高、響應速度快、穩(wěn)定性好，但是面臨著溫度高，電勢高的難點。在海上復雜作業(yè)情況下，存在儀器失效的風險。深海DO傳感器產品主要采用電化學法和熒光猝滅法。
國內浙江大學、中科院海洋研究所、上海雷磁公司等許多科研院所和企業(yè)利用電化學、光電科學等方法在深海氣體檢測傳感技術上做了大量的工作。但是與國外同類設備在測量速度和精度上都有不小差距。
綜上，化學傳感器以單參數為主，體積較大，集成度不高，而且價格昂貴，維護困難。隨著深海探測的深入，具有化學環(huán)境綜合分析能力的一體化、低功耗、高穩(wěn)定性的多參數傳感器是未來發(fā)展的趨勢。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明基于深?；瘜W多要素探頭的工作特點，推出具有可置換、自校準、可集成的多參數傳感器結構設計，實現深海海洋化學參數的長期、可靠以及原位檢測，確保長期測量的高精度和穩(wěn)定性。
為達到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術方案是這樣實現的：一種微流控可置換腔體結構的自校準海洋多參數化學傳感器，包括采用微電子制造工藝集成的陣列傳感部、控制模塊、電源；所述陣列傳感部設有若干呈陣列分布的微型傳感芯片，以及對應微型傳感芯片設置的微流控自校準裝置；所述微型傳感芯片和所述微流控自校準裝置連接所述控制模塊，所述電源為所述控制模塊供電。
進一步的，所述微流控自校準裝置包括呈陣列分布的若干微流控耐壓腔體，每個所述微型傳感芯片都置于一個微流控耐壓腔體內，所述微流控耐壓腔體設有微流控管路以實現對外連通，所述微流控管路設有電磁閥，所述電磁閥連接所述控制模塊。
更進一步的，所述微流控自校準裝置還包括標準溶液腔，所述微流控管路分為內管路和外管路，所述內管路使微流控耐壓腔體與標準溶液腔相連通，所述外管路使微流控耐壓腔體對外連通，所述內管路設有內電磁閥，所述外管路設有外電磁閥，所述內電磁閥和外電磁閥連接所述控制模塊。
更進一步，所述微流控自校準裝置還包括雙向微型水泵，所述雙向微型水泵連接所述控制模塊，所述內管路通過雙向微型水泵連接所述標準溶液腔。
進一步的，所述控制模塊設有微處理器，所述微處理器設有信號采集處理系統(tǒng)。
進一步的，所述海洋多參數化學傳感器設有防護罩和密封筒，所述防護罩對應微流控裝置設有開口。
更進一步的，所述密封筒端部設有端蓋，所述端蓋外設有水密接插件。
進一步的，所述微型傳感芯片包括pH傳感芯片和氣體傳感芯片。
更進一步的，所述pH傳感芯片包括基于納米線增強型的獨立柔性柵極半導體場效應管離子型pH探頭，設有柔性敏感柵極薄膜和擴展柵場效應管；所述柔性敏感柵極薄膜采用濕法化學貴金屬刻蝕方法、等離子體增強化學氣相沉積法方法并結合微納光刻加工技術實現柔性基底上H+、OH-離子敏感的Si、ZnO垂直納米線的生長與轉移。
更進一步的，所述氣體傳感芯片設有基于高選擇性滲透膜技術的氣液分離測試腔；通過敏感電極/參比電極與柔性基底集成，形成微型平面結構的可置換氣體探測單元；所述可置換氣體探測單元設有可置換氣敏探頭，利用可置換氣敏探頭的弱檢測信號輸出實現對柵極電壓的調控，結合放大電路場效應管結構的信號放大功能，形成擴展柵場效應管結構；實現探頭與放大電路場效應管的分離。
相對于現有技術，本發(fā)明所述的微流控可置換腔體結構的自校準海洋多參數化學傳感器具有以下優(yōu)勢：
本發(fā)明所述的海洋多參數化學傳感器實現了器件的微型化、陣列化和芯片化，實現了關鍵探頭部分的微流控可置換腔體結構和自校準系統(tǒng)設計，提高了深?；瘜W參數長期測量的精度，也降低了探頭的生產成本，更加有利于探頭的國產化、商業(yè)化發(fā)展。
附圖說明
構成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明的結構示意圖.
其中：
1、微型傳感芯片； 2、微流控耐壓腔體；
3、微流控管路； 4、電磁閥；
5、防護罩； 6、雙向微型水泵；
7、標準溶液腔； 8、控制模塊；
9、密封筒； 10、電池；
11、端蓋； 12、水密接插件。
具體實施方式
需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。
本發(fā)明的海洋多參數化學傳感器，應用了pH探頭和氣體探頭，其中：
pH探頭采用濕法化學貴金屬刻蝕方法、等離子體增強化學氣相沉積法方法并結合微納光刻加工技術實現柔性基底上H+、OH-離子敏感的Si、ZnO垂直納米線的生長與轉移，制備出柔性敏感柵極薄膜，并采用等離子、表面修飾等手段，進一步提升其敏感性能與響應速度?；诂F有離子半導體場效應管(Ions Selected Field Effect Transistors-ISFET)技術上，通過納米結構調制與表面改性方法進一步增大敏感活性表面與增強其表面吸附性，提升傳感器件的穩(wěn)定性、靈敏度和響應速度，并通過選擇性離子強吸附滲透保護膜抗深海環(huán)境干擾；將離子半導體場效應管改進為擴展柵場效應管，并進行結構柔性化和快速置換化設計，實現場效應管功能結構與海水環(huán)境的有效隔離，增加器件的工作壽命和穩(wěn)定性；采用微流通道抗壓增強傳感技術、環(huán)境自適應原位實時自校準方法等實現器件結構保護、實時原位監(jiān)測以及器件工作的長期穩(wěn)定性。
氣體探頭基于高選擇性滲透膜技術，設計氣液分離測試腔；基于電化學原理，選擇合適的敏感電極與參比電極結構；通過敏感電極/參比電極與柔性基底集成，形成微型平面結構的可置換氣體探測單元；利用可置換氣敏探頭的弱檢測信號輸出實現對柵極電壓的調控，結合場效應管結構的信號放大功能，設計出擴展柵極場效應管結構；完成探頭與放大電路場效應管的分離，實現場效應管結構與外部海水環(huán)境的隔離，保證信號采集的可靠性與穩(wěn)定性；建立環(huán)境因素與器件性能的關聯，進一步實現對輸出信號補償模型的搭建。
基于上述傳感器芯片的設計，可以實現關鍵探頭部分的微流控可置換腔體結構和自校準系統(tǒng)的設計，如圖1所示，本發(fā)明的海洋多參數化學傳感器主要包括微型傳感芯片1、微流控耐壓腔體2、微流控管路3、電磁閥4、防護罩5、雙向微型水泵6、標準溶液腔7、控制模塊8、密封筒9、電池10、端蓋11、水密接插件12。
其中，采用微電子制造工藝集成的呈陣列分布的若干微型傳感芯片1連接控制模塊8，每個所述微型傳感芯片1都置于一個微流控耐壓腔體2內，所述微流控耐壓腔體2設有微流控管路3以實現對外連通，所述微流控管路3分為內管路和外管路，所述內管路使微流控耐壓腔體2與標準溶液腔7相連通，所述外管路使微流控耐壓腔體2對外連通，所述內管路設有內電磁閥4，所述外管路設有外電磁閥4，所述內電磁閥4和外電磁閥4連接所述控制模塊。
所述雙向微型水泵6連接所述控制模塊8，所述內管路通過雙向微型水泵6連接所述標準溶液腔7。所述控制模塊8連接電池10，并設有微處理器，所述微處理器設有信號采集處理系統(tǒng)。
本發(fā)明設有防護罩5和密封筒9，所述防護罩5對應外管路設有開口。
所述密封筒9端部設有端蓋11，所述端蓋11外設有水密接插件12。
本發(fā)明的具體工作過程為：微型傳感芯片1分別置于微流控耐壓腔體2中，并填充好標準溶液，使得微型傳感芯片1一直處于標準狀態(tài)。當系統(tǒng)開始工作時，控制模塊8控制其中一個腔體2的內外電磁閥4開啟，雙向微型水泵6向下抽水，這個腔體2完全填入海水以后，控制模塊8控制傳感芯片1工作，獲得原位海水中各項化學參數，系統(tǒng)開始休眠。當第二次測量開始時，之前的腔體內外電磁閥4關閉，第二腔體的內外電磁閥4打開，開始上述測量流程，直至每個腔體的傳感芯片1完成測量。隨后，系統(tǒng)可以開始自校準，即位于中心的雙向微型水泵6往外排水，從而將傳感器后端內置標準溶液腔7的標準溶液泵入微流控耐壓腔體2，從而開始芯片的自校準。該傳感器可滿足直讀與自容兩種模式，包含有內置電源和信號采集處理系統(tǒng)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。