一種微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，屬于檢測(cè)傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。本傳感器中，封裝保護(hù)層、液體流道層、支撐層和印刷電路板層依次相互疊壓在一起，光電傳感器封裝在封裝保護(hù)層的中，封裝保護(hù)層的兩側(cè)分別開有進(jìn)液孔和出液孔。液體流道層上加工有流體流道，其分別與進(jìn)液孔和出液孔相連。片上光源封裝在支撐層中；所述的印刷電路板層上布置有運(yùn)算放大器、微處理器和液晶顯示屏。本發(fā)明傳感器，光源與光電傳感器均采用微型化芯片，待測(cè)液僅需幾十微升，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中使用的養(yǎng)分檢測(cè)儀縮小為原來體積的千分之一，大大提高了氮磷鉀檢測(cè)的便攜性，更大幅度降低了設(shè)備的制造成本，可以大規(guī)模批量生產(chǎn)，具有重復(fù)性好，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，屬于檢測(cè)傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]如今，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)及信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化逐步得到了普及。準(zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)的土壤氮磷鉀信息采集，是保證農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要條件。其中，高穩(wěn)定性的氮磷鉀傳感器是保證氮磷鉀信息采集準(zhǔn)確的核心部件。
[0003]傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，氮磷鉀檢測(cè)通常采用人工的形式進(jìn)行。首先對(duì)土樣進(jìn)行取樣預(yù)處理，然后利用大型設(shè)備進(jìn)行分析，這為土壤氮磷鉀檢測(cè)的便利性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
[0004]傳統(tǒng)的氮磷鉀檢測(cè)傳感器存在體積巨大，里面涉及復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，需要的待測(cè)試樣較多，設(shè)備維護(hù)成本較高等問題，故亟需研發(fā)一種微型化、便攜式、低成本、高靈敏度的氮磷鉀檢測(cè)傳感器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，以克服現(xiàn)有氮磷鉀檢測(cè)設(shè)備的不足之處，使土壤氮磷鉀檢測(cè)設(shè)備微型化，以縮小體積，降低設(shè)備成本。
[0006]本發(fā)明提出的微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，包括光電傳感器、封裝保護(hù)層、液體流道層、支撐層、片上光源和印刷電路板層，所述的封裝保護(hù)層、液體流道層、支撐層和印刷電路板層依次相互疊壓在一起，所述的光電傳感器封裝在封裝保護(hù)層的中央底部，封裝保護(hù)層的兩側(cè)分別開有進(jìn)液孔和出液孔；所述的液體流道層上加工有流體流道，液體流道的兩側(cè)分別與封裝保護(hù)層上的進(jìn)液孔和出液孔相連；所述的片上光源封裝在支撐層中央底部；所述的印刷電路板層上布置有運(yùn)算放大器、微處理器和液晶顯示屏，所述的運(yùn)算放大器通過導(dǎo)線與封裝保護(hù)層內(nèi)的光電傳感器相連，運(yùn)算放大器、微處理器和液晶顯示屏依次通過導(dǎo)線相連。
[0007]本發(fā)明提出的微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)手段中對(duì)光學(xué)透鏡器件的依賴，光源與光電傳感器均采用微型化芯片，待測(cè)液僅需幾十微升，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中使用的養(yǎng)分檢測(cè)儀縮小為原來體積的千分之一，大大提高了氮磷鉀檢測(cè)的便攜性，更大幅度降低了設(shè)備的制造成本，同時(shí)，該傳感器采用微納加工工藝制備，可以大規(guī)模批量生產(chǎn)，具有重復(fù)性好、穩(wěn)定性高、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明提出的一種微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明元器件層的工作原理圖。
[0010]圖1和圖2中，1是封裝保護(hù)層，2是液體流道層，3是支撐層，4是印刷電路板層，5是進(jìn)液孔，6是導(dǎo)線，7是光電傳感器，8是出液孔，9是液體流道，10是液晶顯示屏，11是片上光源，12是運(yùn)算放大器，13是微處理器，14是液晶顯示屏。

【具體實(shí)施方式】
[0011]本發(fā)明提出的微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括光電傳感器7、封裝保護(hù)層1、液體流道層2、支撐層3、片上光源11和印刷電路板層4。封裝保護(hù)層1、液體流道層2、支撐層3和印刷電路板層4依次相互疊壓在一起。光電傳感器7封裝在封裝保護(hù)層1的中央底部，封裝保護(hù)層1的兩側(cè)分別開有進(jìn)液孔5和出液孔8。液體流道層2上加工有流體流道9，液體流道9的兩側(cè)分別與封裝保護(hù)層上的進(jìn)液孔5和出液孔8相連。片上光源11封裝在支撐層3的中央底部。印刷電路板層4上布置有運(yùn)算放大器12、微處理器13和液晶顯示屏14，如圖2所示。運(yùn)算放大器12通過導(dǎo)線6與封裝保護(hù)層1內(nèi)的光電傳感器7相連，運(yùn)算放大器12、微處理器13和液晶顯示屏14依次通過導(dǎo)線相連。
[0012]本發(fā)明提出的微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，所依據(jù)的原理是:土壤中的氮磷鉀元素在分別與不同的比色試劑反應(yīng)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色，濃度越高，顏色便越深，而當(dāng)用一束有色光照射帶顏色的溶液時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大幅度的光強(qiáng)衰減，通過檢測(cè)光強(qiáng)衰減的程度，可以判斷出溶液顏色的深淺，從而判斷出氮磷鉀含量。
[0013]以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明傳感器的工作過程:
[0014]1、將土壤加水進(jìn)行過濾，獲得清澈的土壤溶液；
[0015]2、將土壤溶液分為三組，將三組土壤溶液分別與氮、磷、鉀比色試劑混合，發(fā)生顯色反應(yīng)，得到氮待測(cè)溶液、磷待測(cè)溶液和鉀待測(cè)溶液；
[0016]3、使用注射器向進(jìn)液孔5中注射氮待測(cè)溶液，然后在印刷電路板層選擇氮濃度測(cè)試開關(guān)，此時(shí)微處理器根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的標(biāo)定程序，生成顏色-濃度對(duì)應(yīng)曲線，直接根據(jù)當(dāng)前的顏色情況，在液晶顯示器上顯示當(dāng)前氮濃度；
[0017]4、使用注射器向進(jìn)液孔5中注射清水，將氮待測(cè)溶液排出，然后注射磷待測(cè)溶液，會(huì)自動(dòng)將清水頂出，此時(shí)選擇磷濃度測(cè)試開關(guān)，液晶屏顯示磷濃度；
[0018]5、同理，使用注射器向進(jìn)液孔5中注射清水，將磷待測(cè)溶液排出，然后注射鉀待測(cè)溶液，會(huì)自動(dòng)將清水頂出，此時(shí)選擇鉀濃度測(cè)試開關(guān)，液晶屏顯示鉀濃度。
[0019]本發(fā)明的傳感器中，電路板層4采用雙面設(shè)計(jì)，背面用于鋪蓋元器件，其主要包括液晶顯示屏10和微處理器13，正面用于鍵合片上光源11，其電路工作原理圖如圖2所示，運(yùn)算放大器12將光電傳感器7采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，微處理器13為MSP430型號(hào)單片機(jī)，微處理器13內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作，液晶顯示屏10為普通商用LCD屏幕，用于顯示當(dāng)前測(cè)定的氮磷鉀濃度。其中的支撐層3采用硅膠制備，用于保護(hù)片上光源層不被破壞，并且顏色透明，不會(huì)阻擋光線傳播，同時(shí)也起到支撐液體流道層的用處。其中的液體流道層2聚二甲基硅氧烷(簡(jiǎn)稱PDMS)材料制備，將一層厚度約為600um的PDMS層，對(duì)其進(jìn)行高溫處理，使其固化，通過激光刻蝕等手段，加工出一條深度約為300um的液體流道9，然后在該P(yáng)DMS上面覆蓋一層200um的薄PDMS層，薄PDMS層上面有進(jìn)液孔5和出液孔8。光電傳感器層7采用普通的光電二極管，將其覆蓋于液體流道層之上，并通過導(dǎo)線6與微處理器13連接。封裝保護(hù)層7采用聚二甲基硅氧烷(簡(jiǎn)稱PMMA)，用于覆蓋固定光電傳感器的位置，并且將整個(gè)傳感器封裝保護(hù)起來。
[0020]以上描述了本發(fā)明的基本原理和本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明只是在實(shí)施例和說明書中描述本發(fā)明的基本原理，并不受上述實(shí)施例的限制，本發(fā)明還會(huì)有各種改進(jìn)，這些改進(jìn)均應(yīng)該落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微型化土壤氮磷鉀檢測(cè)傳感器，其特征在于該檢測(cè)傳感器包括光電傳感器、封裝保護(hù)層、液體流道層、支撐層、片上光源和印刷電路板層，所述的封裝保護(hù)層、液體流道層、支撐層和印刷電路板層依次相互疊壓在一起，所述的光電傳感器封裝在封裝保護(hù)層的中央底部，封裝保護(hù)層的兩側(cè)分別開有進(jìn)液孔和出液孔；所述的液體流道層上加工有流體流道，液體流道的兩側(cè)分別與封裝保護(hù)層上的進(jìn)液孔和出液孔相連；所述的片上光源封裝在支撐層中央底部；所述的印刷電路板層上布置有運(yùn)算放大器、微處理器和液晶顯示屏，所述的運(yùn)算放大器通過導(dǎo)線與封裝保護(hù)層內(nèi)的光電傳感器相連，運(yùn)算放大器、微處理器和液晶顯示屏依次通過導(dǎo)線相連。
【文檔編號(hào)】G01N21/78GK104330401SQ201410577761
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】任天令, 陶璐琪, 楊軼, 劉瑞濤, 劉博
申請(qǐng)人:清華大學(xué)