具体技术细节
[0007] 因此，本发明的目的是提供一种小型化、便携式光学芯片、粘度计和物理参数的检测方法，该粘度计和检测方法可以精确地检测极少量例如10μL或更少的液体样品的物理参数，如粘度、折射率和谐振频率。
[0008] 本发明的发明人基于这样的构思完成了本发明，即，通过记录图1和图2所示的物理模型中检测到的光电流的变化来检测极少量例如10μL或更少的液体样品的物理参数，如粘度、折射率和谐振频率。
[0009] 本发明的第一方面提供了一种用于检测液体样品的物理参数的光学芯片，其包括由衬底层和功能层单片集成的光学结构，其中：
[0010] 所述衬底层是透光性的，其上表面用于接受所述液体样品的液滴，其下表面与所述功能层接合；
[0011] 所述功能层被构造为包括发光区域和光检测区域，其中，所述发光区域被设计用于从所述功能层的上表面射出测量光，所述光检测区域被设计用于接收基于所述测量光的反射光，并且将所述反射光强度变化的信号转化为光电流信号。
[0012] 在本发明中，术语“单片集成”是指所述光学芯片的光发射和光检测部件被加工成一个整体，光发射和光检测之间无需额外引线或对准。术语“谐振频率”是指液体的谐振频率，即，液滴达到最大振幅的振动频率。
[0013] 根据本发明提供的光学芯片，在使用时，所述光学芯片被放置于为其提供竖向振动的振动器上，当振动器施加脉冲时，液滴的竖向振动使得其与所述光学芯片的接触面积发生周期性变化，引起所述光检测区域接收到的所述反射光的强度发生周期性变化，进而引起光检测区域中光电流的变化。当振动器施加脉冲时，液滴振动的振幅立即使以一定的速率衰减。本发明发现，该衰减速率与液体的粘度有关，可通过记录振幅衰减过程中光电流的衰减速率计算液滴的物理参数，如粘度、折射率和谐振频率。通常情况下，液滴的粘度越高，其光电流衰减速率越高。
[0014] 在本发明的一些实施方案中，所述发光区域由固体光源构成，例如，可以是发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、面发光激光器(VCSEL)等，优选使用低成本的LED。所述光检测区域由光传感器或光检测器构成，例如，光电二极管(PD)、光晶体管等。
[0015] 在本发明的优选实施方案中，所述衬底层由具有透光性的高折射率材料形成，例如蓝宝石或碳化硅。
[0016] 在本发明的优选实施方案中，所述发光区域和所述光检测区域通过在所述衬底层上外延生长而形成。例如，在一些实施方案中，所述衬底层为蓝宝石，所述发光区域和所述光检测区域为同时外延生长于所述该蓝宝石衬底层上的LED，在生长完成后通过光刻和/或电感耦合等离子体刻蚀来形成两个区域。发光区域的LED由电源提供电流而发光，光检测区域的LED用于检测发光区域发射的光而作为PD。
[0017] 在本发明的一些实施方案中，所述光学芯片还包括位于所述功能层的竖向下方并与所述衬底层和所述功能层单片集成的支撑基板。优选地，所述支撑基板的材料可以为玻纤板、铝基板、陶瓷中的一种或多种。
[0018] 在本发明的优选实施方案中，发光区域呈圆形设置在所述光检测区域的几何中心。
[0019] 在本发明的一些实施方案中，所述光学芯片在水平方向上的尺寸可以设定为(0.1mm～10cm)×(0.1mm～10cm)。为了进一步提高所述光学芯片的便携性，降低成本，可以根据液体样品的液滴的体积设定光学芯片在水平方向上的尺寸，例如，当所述液滴的体积为50μl时，所述光学芯片在水平方向上的尺寸可以为(5～10mm)×(5～10mm)，当液滴的体积为5～10μl时，所述光学芯片在水平方向上的尺寸可以为(0.5～2mm)×(0.5～2mm)。
[0020] 在本发明的一些实施方案中，所述光学芯片的衬底层和功能层在厚度方向上的尺寸可以设定为例如100μm～1mm，优选为100～500μm。在本发明的一些实施方案中，所述支撑基板的厚度可以为0.5～10mm，优选为0.5～1mm。在本发明的一些实施方案中，所述光学芯片的纵剖面结构如图1所示，其中，光学芯片10包括衬底层11、集成于衬底层上表面112上的疏水层13和集成于衬底层11的下表面111的由发光区域121和光检测区域122构成的功能层12。其中，发光区域121呈圆形设置在光检测区域122的几何中心。液体样品的液滴20施加于衬底层11的上表面112，并且在竖直方向上与发光区域121相对。当对光学芯片10施加竖向振动的脉冲时，液滴20的形状在最高点形态20a和最低点形态20b之间周期性变化。
[0021] 图2是光学芯片10的光学机理示意图。在液滴20静止的情况下，当发光区域121发出的第一发射光121a入射到位于衬底层11与液滴20的接触界面上的第一位点131处时，产生第一反射光121b和第一折射光121c，其中第一反射光121b被光检测区域122接收；当发光区域121发出的第二发射光线122a入射到位于衬底层11与空气的接触界面上的第二位点132处时，发生全反射，产生的第二反射光122b被光检测区域122接收。在液滴20周期性竖向振动的情况下，第二位点132周期性地出现两种光学状态，即：(i)衬底层11与空气的接触界面；和(ii)衬底层11与液滴20的接触界面。由于液滴的折射率大于空气的折射率，而更接近于衬底层11的折射率，因而在第二位点132处产生的第二反射光122b的强度呈周期性变化。
[0022] 本发明的第二方面提供了一种粘度计，其包括：
[0023] 光学芯片，其为本发明第一方面所述的光学芯片；
[0024] 振动器，其用于为所述光学芯片提供竖向振动；和
[0025] 光电流信号处理模块，其被设计用于对所述光检测区域输出的光电流信号进行处理，计算得出液滴的粘度。
[0026] 在本发明的一些实施方案中，所述振动器可以包括信号发生器，用于对所述振动器施加脉冲波。所述光电流信号处理模块可以包括信号放大器、示波器等信号处理装置。
[0027] 在本发明的一些实施方案中，所述光电流信号处理模块还可以被设计用于对所述光检测区域输出的光电流信号进行处理，计算得出液滴的折射率和/或谐振频率。
[0028] 本发明的第三方面提供了一种检测液体样品的粘度的方法，所述方法包括以下步骤：
[0029] (1)提供如本发明第二方面所述的粘度计；
[0030] (2)将所述液体样品的液滴施加在所述光学芯片的表面；
[0031] (3)对振动器施加脉冲波，以对所述光学芯片提供竖向振动；
[0032] (4)采集在液滴的振幅衰减过程中由所述光检测区域输出的光电流信号；
[0033] (5)采用所述光电流信号处理模块对所述这光电流信息进行处理，计算得出液滴的粘度。
[0034] 根据本发明提供的检测液体样品的粘度的方法，其中，所述液体样品的液滴的体积可以为5μl～1ml，优选为5～50μl，更优选为5～10μl。
[0035] 根据本发明提供的检测液体样品的粘度的方法，其中，所述液体样品的粘度可以为2～40cp。
[0036] 根据本发明提供的检测液体样品的粘度的方法，其中，步骤(3)中对振动器施加脉冲波的频率可以为10～1000mHz。本发明中选用较慢频率是为了防止液滴还未衰减完毕，第二次脉冲波就开始振动。优选地，对振动器施加脉冲波的电压幅值可以为0.1～10V。较大的电压幅值会使得液滴被振动脱离表面，较小的幅值会使得信号不明显。优选地，对振动器施加脉冲波的占空比可以为0.01％～1％。
[0037] 本发明的第四方面提供了一种检测液体样品的折射率的方法，所述方法包括以下步骤：
[0038] (1)提供如本发明第二方面所述的粘度计；
[0039] (2)将所述液体样品的液滴施加在所述光学芯片的表面；
[0040] (3)对振动器施加脉冲波，以对所述光学芯片提供竖向振动；
[0041] (4)采集在液滴的振幅衰减过程中由所述光检测区域输出的光电流信号；
[0042] (5)对采集的光电流信号进行分析，根据斯涅尔定律，通过光电流强度计算液体样品的折射率。
[0043] 以下，结合图2，对本发明的折射率检测方法的原理进行说明。图2是光学芯片10的光学机理示意图。在液滴20静止的情况下，当发光区域121发出的第一发射光线121a入射到位于液滴20的边缘上的第一位点131处(第一位点131处的光学状态是衬底层11与空气的接触界面)时，产生第一反射光121b和第一折射光121c，其中第一反射光121b被光检测区域122接收。当液滴20的折射率发生改变时，产生的第一发射光121b的强度也会发生变化，所以采集到的光电流信号也会有差异。根据斯涅尔定律，可以通过光电流强度计算液滴折射率。具体地，当蓝宝石/空气界面时，光电流为x安；当蓝宝石/液滴界面时，光电流为y安，蓝宝石和空气的折射率作为已知常量，从而可以计算未知液滴的折射率。
[0044] 本发明的第五方面提供了一种检测液体样品的谐振频率的方法，所述方法包括以下步骤：
[0045] (1)提供如本发明第二方面所述的粘度计；
[0046] (2)将所述液体样品的液滴施加在所述光学芯片的表面；
[0047] (3)对振动器施加脉冲波，以对所述光学芯片提供竖向振动；
[0048] (4)采集在液滴的振幅衰减过程中由所述光检测区域输出的光电流信号；
[0049] (5)对采集的光电流信号做快速傅里叶变换，得到液滴的谐振频率。
[0050] 根据本发明提供的检测液体样品谐振频率的方法，对液滴振荡信号进行傅里叶变换后，会发现液滴振荡集中在某一频率，该频率为其谐振频率。
[0051] 本发明提供的光学芯片、粘度计和检测方法利用单片集成的光学芯片，省去了复杂的外部光学标定，使粘度计更易于操作，整体器件尺寸更小。此外，本发明提供的芯片级的粘度计具有更大的检测范围。
法律保护范围
涉及权利要求数量17：其中独权5项，从权-5项
1.一种用于检测液体样品的物理参数的光学芯片，其包括由衬底层和功能层单片集成的光学结构，其中：
所述衬底层是透光性的，其上表面用于接受所述液体样品的液滴，其下表面与所述功能层接合；
所述功能层被构造为包括发光区域和光检测区域，其中，所述发光区域被设计用于从所述功能层的上表面射出测量光，所述光检测区域被设计用于接收基于所述测量光的反射光，并且将所述反射光强度变化的信号转化为光电流信号。
2.根据权利要求1所述的光学芯片，其中，所述光学芯片还包括位于所述功能层的竖向下方并与所述衬底层和所述功能层单片集成的支撑基板。
3.根据权利要求1或2所述的光学芯片，其中，所述发光区域由发光二极管、激光二极管或面发光激光器构成；所述光检测区域由光电二极管或光晶体管构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学芯片，其中，所述衬底层由蓝宝石或碳化硅形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学芯片，其中，所述发光区域和所述光检测区域通过在所述衬底层上外延生长而形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学芯片，其中，所述衬底层为蓝宝石，所述发光区域和所述光检测区域为外延生长于所述蓝宝石衬底层上的LED。
7.根据权利要求5或6所述的光学芯片，其中，所述发光区域和所述光检测区域为同时外延生长于所述该蓝宝石衬底层上的LED，并通过光刻和/或电感耦合等离子体刻蚀而形成的两个区域。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学芯片，其中，所述物理参数包括粘度、折射率和谐振频率中的一种或多种。
9.一种粘度计，其包括：
光学芯片，其权利要求1至8中任一项所述的光学芯片；
振动器，其用于为所述光学芯片提供竖向振动；和
光电流信号处理模块，其被设计用于对所述光检测区域输出的光电流信号进行处理，计算得出液滴的粘度。
10.根据权利要求9所述的粘度计，其中，所述光电流信号处理模块还被设计用于对所述光检测区域输出的光电流信号进行处理，计算得出液滴的折射率和/或谐振频率。
11.根据权利要求9所述的粘度计，其中，所述振动器包括信号发生器，用于对所述振动器施加脉冲波。
12.一种检测液体样品的粘度的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)提供如本发明第二方面所述的粘度计；
(2)将所述液体样品的液滴施加在所述光学芯片的表面；
(3)对振动器施加脉冲波，以对所述光学芯片提供竖向振动；
(4)采集在液滴的振幅衰减过程中由所述光检测区域输出的光电流信号；
(5)采用所述光电流信号处理模块对所述这光电流信息进行处理，计算得出液滴的粘度。
13.根据权利要求12所述的检测液体样品的粘度的方法，其中，所述液体样品的液滴的体积为5μl～1ml，优选为5～50μl，更优选为5～10μl。
14.根据权利要求12所述的检测液体样品的粘度的方法，其中，所述液体样品的粘度范围是2～40cp。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的检测液体样品的粘度的方法，其中，步骤(3)中对振动器施加脉冲波的频率为10～1000mHz；优选地，对振动器施加脉冲波的电压幅值为
0.1～10V；优选地，对振动器施加脉冲波的占空比为0.01％～1％。
16.一种检测液体样品的折射率的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)提供如本发明第二方面所述的粘度计；
(2)将所述液体样品的液滴施加在所述光学芯片的表面；
(3)对振动器施加脉冲波，以对所述光学芯片提供竖向振动；
(4)采集在液滴的振幅衰减过程中由所述光检测区域输出的光电流信号；
(5)对采集的光电流信号进行分析，根据斯涅尔定律，通过光电流强度计算液体样品的折射率。
17.一种检测液体样品的谐振频率的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)提供如本发明第二方面所述的粘度计；
(2)将所述液体样品的液滴施加在所述光学芯片的表面；
(3)对振动器施加脉冲波，以对所述光学芯片提供竖向振动；
(4)采集在液滴的振幅衰减过程中由所述光检测区域输出的光电流信号；
(5)对采集的光电流信号做快速傅里叶变换，得到液滴的谐振频率。
