具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器的製作方法

2023-06-07 05:07:31 1

專利名稱：具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及生化傳感器技術領域，具體的說，是涉及一種具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器。
背景技術：
生化傳感器是一類非常重要的傳感器件，被廣泛應用於工業控制、環境監測、化學物質分析以及生物基因檢測、蛋白質分析等方面。現有的生化傳感器主要有電化學傳感器、光纖傳感器、表面等離子共振傳感器、半導體傳感器、壓電晶體傳感器等。這些傳感器本身或其信號分析裝置的體積較大，很難進行大規模集成和陣列化，而且檢測時間較長、成本較聞。薄膜體聲波諧振生化傳感器是一種基於吸附質量敏感原理的傳感器，該傳感器以壓電薄膜產生高頻電聲諧振，以其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質的變化作為傳感器的響應。目前該類傳感器已經應用於多種生化檢測領域。經過對現有的文獻檢索發現，美國專利US 5936150公布了一種薄膜體聲波諧振生化傳感器。這種薄膜體聲波諧振傳感器由三明治結構的壓電薄膜堆棧、多層薄膜構成的聲波反射層堆棧以及化學敏感塗層組成，當檢測物質在化學敏感塗層中吸附時，壓電薄膜堆棧的附加質量增加，導致傳感器諧振頻率的變化。這種薄膜體聲波諧振生化傳感器靈敏度高，並且可以在矽片上採用現有半導體工藝進行製造，器件體積小，適合大規模集成形成傳感器陣列。但是，上述薄膜體聲波諧振生化傳感器工作於縱波模式，由於液體對縱波模式聲波的阻尼較大，該薄膜體聲波諧振生化傳感器在液體中的性能衰減明顯。因此上述方案在薄膜體聲波諧振生化傳感器應用於探測液體中的生物和化學物質時靈敏性較低。由於沿壓電薄膜厚度方向傳播的剪切波振動的方向與薄膜表面方向平行，在液體中的衰減較小，因而採用剪切波模式工作的薄膜體聲波諧振生化傳感器能夠獲得在液體中較好的靈敏性能。例如，皇家飛利浦公司在中國專利CN 1864063A中公開了一種剪切波模式薄膜體聲波諧振生化傳感器的技術方案，其壓電堆棧的兩個電極被放置在壓電層的相同側，這兩個電極是叉指形電極。這種相同側叉指形電極會激發液體不能吸收的剪切振動，從而提高該傳感器的敏感度。但是該技術方案的缺點在於，當在相同側該叉指形電極上施加電場時，會同時產生與壓電薄膜表面平行的電場分量和與壓電薄膜表面垂直的電場分量，前者激發所需的剪切波，而後者依然會激發壓電薄膜中的縱波振動，從而使得薄膜體聲波諧振生化傳感器工作在兩種聲波模式共存的情況下，其單一剪切波模式的能量不高，因而影響該模式的靈敏度。瑞典林雪平大學G. Wingqvist 等人在 Surface&Coatings Technology (表面和塗層技術)雜誌 2010 年第 205 卷 1279 頁的文章「AlN-based sputter-deposited shear modethin film bulk acoustic resonator (FBAR) for biosensor applications-Areview，，(基於濺射沉積氮化鋁的剪切波薄膜體聲波諧振器在生物傳感器中的應用綜述)中報導了另一種剪切薄膜模式薄膜體聲波諧振生化傳感器的技術方案。該方案採用的是C軸與基底具有一定偏移角度的AlN薄膜，依然採用傳統的上下電極的激發形式，獲得壓電薄膜中的剪切振動。但是該方案依然沒有避免壓電薄膜中縱波模式的共存問題。為了獲得液體中的高靈敏性能，希望薄膜體聲波諧振生化傳感器能夠在沒有縱波模式共存的純剪切波模式下工作，因此上述缺點和不足需要得到很好的解決。
發明內容本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠在純剪切波模式下工作，在液體中具有較高靈敏性能的薄膜體聲波諧振生化傳感器。本發明是通過以下技術方案實現的一種具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括上電極、下電極、壓電薄膜和聲隔離層，其特徵在於，上電極為同圓心的內外兩層圓環形狀，由內層實心圓和外層空心圓環組成，下電極為與上電極為同圓心的空心圓環形狀，上電極與下電極在圓環的垂直方向上沒有重合區域。所述的上電極的實心圓直徑為外層空心圓環內側直徑的三分之一至二分之一。所述的下電極空心圓環的寬度不小於上電極外層空心圓環的寬度，其優選的寬度為上電極外層空心圓環的寬度的I. 3到I. 5倍。在本發明中，採用上下不重合的電極激發壓電薄膜中的聲波振動，能夠有效的減少與壓電薄膜表面垂直的電場分量，使電場能量最大限度的轉化為剪切波模式的聲波振動。另一方面，上電極雙層環的形狀和下電極單環的形狀所構造的邊界條件使剪切波能夠產生在壓電薄膜中的能陷效應，即剪切波模式的聲波振動能量向上電極雙層環的中部集中，而同時會使激發的少量縱波沿平面方向耗散。與以往的技術相比，本發明的有益效果是獲得了接近純剪切波模式的薄膜體聲波諧振生化傳感器，在液體中的靈敏性能有較大的提高。

附圖I為本發明的俯視結構示意圖；附圖2為本發明的剖面結構示意圖；附圖3為本發明實施例I的SI I參數的頻率特性；附圖4為本發明實施例I的三種液體中傳感器諧振頻率和品質因數Q的變化情況。附圖5為本發明實施例2的對癌症標誌物甲胎蛋白(AFP)抗原測試的結果。
具體實施方式
一種具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括上電極I、下電極2、壓電薄膜3和聲隔離層4，其特徵在於，上電極為同圓心的內外兩層圓環形狀，由內層實心圓IA和外層空心圓環IB組成，下電極2為與上電極為同圓心的空心圓環形狀，上電極I與下電極2在圓環的垂直方向上沒有重合區域。聲隔離層4採用空氣隙結構。[0023]上述結構可採用一般的濺射、光刻和矽表面刻蝕等半導體工藝技術進行製造。實施例I本實施例為針對液體的粘度進行檢測的生化傳感器，其器件結構如圖I和圖2所
/Jn ο上電極的內層實心圓IA直徑為外層空心圓環IB內側直徑的二分之一。下電極2的空心圓環的寬度為上電極外層空心圓環IB的寬度的I. 5倍。壓電薄膜3材料為氮化鋁，厚度為I. 5微米，上電極I材料為鑰，厚度為O. I微米，下電極2材料為鋁，厚度為O. I微米。具體實施中，首先測試在空氣環境中該器件Sll參數的頻率特性。如圖3所示，傳·感器在空氣中僅存在頻率為2GHz左右的諧振狀態，根據氮化鋁薄膜厚度和氮化鋁的聲速(6123米/秒)進行估算，該諧振狀態為剪切波模式。該情況下器件的縱波模式諧振頻率估算為2. 54GHz,明顯在該測試結果中沒有出現。根據上述Sll參數的頻率特性估算器件的空氣中的品質因數Q值為407。將該薄膜體聲波諧振生化傳感器進行液體的粘度測試。將該薄膜體聲波諧振生化傳感器置於流動測試管道中，分別通入水、粘度為6. 76mPas的甘油A樣品以及粘度為13. ImPas的甘油B樣品，測試傳感器的諧振頻率和品質因數。測試結果如圖4所示。可以看到，該傳感器在上述水、粘度為6. 76mPa s的甘油A以及粘度為13. ImPa s的甘油B中的品質因數Q值分別為385、372和361，由於液體阻尼帶來的品質因數Q的衰減並不明顯，說明該傳感器具有較好的在液體中的敏感性能。實施例2本實施例為針對生物樣品進行檢測的生化傳感器，其器件結構如圖I和圖2所示。上電極的內層實心圓IA直徑為外層空心圓環IB內側直徑的三分之一。下電極2的空心圓環的寬度為上電極外層空心圓環IB的寬度的I. 4倍。壓電薄膜3材料為氮化鋁，厚度為I微米，上電極I和下電極2的材料為金，厚度都為O. I微米。在具體實施中，為了檢測生物物質，需要在薄膜體聲波諧振生化傳感器表面塗覆生物敏感層5。對於本發明來說，如圖2所示，生物敏感層5應位於上電極內層實心圓IA和外層空心圓環IB中間的區域，其原因在於該區域的剪切波模式能量最集中，能夠獲得較高的敏感效果。生物敏感層5為癌症標誌物甲胎蛋白(AFP)抗體，採用化學自組裝方法固定在上述敏感區域。檢測時，將該薄膜體聲波諧振生化傳感器置於流動測試管道中，通入含有不同濃度癌症標誌物甲胎蛋白(AFP)抗原的樣品液，測試結果如圖5所示。液體中的抗原與傳感器表面的抗體發生生物反應結合，傳感器表面質量增加，導致諧振頻率減小，從而可以獲得生物樣品的濃度信息。
權利要求1.一種具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括上電極(I)、下電極(2)、壓電薄膜⑶和聲隔離層(4)，其特徵在於，所述的上電極⑴為同圓心的內外兩層圓環形狀，由內層實心圓(IA)和外層空心圓環(IB)組成，所述的下電極(2)為與上電極⑴為同圓心的空心圓環形狀，所述的上電極(I)與下電極(2)在圓環的垂直方向上沒有重合區域。
2.根據權利要求I所述的具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特徵是所述的上電極的實心圓(IA)直徑為外層空心圓環(IB)內側直徑的三分之一至二分之一。
3.根據權利要求I所述的具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特徵是所述
的下電極(2)空心圓環的寬度不小於上電極外層空心圓環(IB)的寬度，其優選的寬度為上電極外層空心圓環(IB)的寬度的I. 3到I. 5倍。
專利摘要本實用新型公開了一種具有環狀電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括上電極、下電極、壓電薄膜和聲隔離層，其中上電極為同圓心的內外兩層圓環形狀，由內層實心圓和外層空心圓環組成，下電極為與上電極為同圓心的空心圓環形狀，上電極與下電極在圓環的垂直方向上沒有重合區域。該技術方案獲得了接近純剪切波模式的薄膜體聲波諧振生化傳感器，在在液體中的靈敏性能有較大的提高。
文檔編號G01N5/02GK202614628SQ20122010144
公開日2012年12月19日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者王璟璟, 陳達, 梁敏, 李鵬 申請人:山東科技大學