CN102621025A - 具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器，包括上电极、下电极、压电薄膜和声隔离层，其中上电极为同圆心的内外两层圆环形状，由内层实心圆和外层空心圆环组成，下电极为与上电极为同圆心的空心圆环形状，上电极与下电极在圆环的垂直方向上没有重合区域。该技术方案获得了接近纯剪切波模式的薄膜体声波谐振生化传感器，在在液体中的灵敏性能有较大的提高。

Description

具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器

技术领域

本发明涉及生化传感器技术领域，具体的说，是涉及一种具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器。

背景技术

生化传感器是一类非常重要的传感器件，被广泛应用于工业控制、环境监测、化学物质分析以及生物基因检测、蛋白质分析等方面。现有的生化传感器主要有电化学传感器、光纤传感器、表面等离子共振传感器、半导体传感器、压电晶体传感器等。这些传感器本身或其信号分析装置的体积较大，很难进行大规模集成和阵列化，而且检测时间较长、成本较高。

薄膜体声波谐振生化传感器是一种基于吸附质量敏感原理的传感器，该传感器以压电薄膜产生高频电声谐振，以其谐振频率、相位或振幅随检测物质的变化作为传感器的响应。目前该类传感器已经应用于多种生化检测领域。

经过对现有的文献检索发现，美国专利US 5936150公布了一种薄膜体声波谐振生化传感器。这种薄膜体声波谐振传感器由三明治结构的压电薄膜堆栈、多层薄膜构成的声波反射层堆栈以及化学敏感涂层组成，当检测物质在化学敏感涂层中吸附时，压电薄膜堆栈的附加质量增加，导致传感器谐振频率的变化。这种薄膜体声波谐振生化传感器灵敏度高，并且可以在硅片上采用现有半导体工艺进行制造，器件体积小，适合大规模集成形成传感器阵列。但是，上述薄膜体声波谐振生化传感器工作于纵波模式，由于液体对纵波模式声波的阻尼较大，该薄膜体声波谐振生化传感器在液体中的性能衰减明显。因此上述方案在薄膜体声波谐振生化传感器应用于探测液体中的生物和化学物质时灵敏性较低。

由于沿压电薄膜厚度方向传播的剪切波振动的方向与薄膜表面方向平行，在液体中的衰减较小，因而采用剪切波模式工作的薄膜体声波谐振生化传感器能够获得在液体中较好的灵敏性能。

例如，皇家飞利浦公司在中国专利CN 1864063A中公开了一种剪切波模式薄膜体声波谐振生化传感器的技术方案，其压电堆栈的两个电极被放置在压电层的相同侧，这两个电极是叉指形电极。这种相同侧叉指形电极会激发液体不能吸收的剪切振动，从而提高该传感器的敏感度。但是该技术方案的缺点在于，当在相同侧该叉指形电极上施加电场时，会同时产生与压电薄膜表面平行的电场分量和与压电薄膜表面垂直的电场分量，前者激发所需的剪切波，而后者依然会激发压电薄膜中的纵波振动，从而使得薄膜体声波谐振生化传感器工作在两种声波模式共存的情况下，其单一剪切波模式的能量不高，因而影响该模式的灵敏度。

瑞典林雪平大学G.Wingqvist等人在Surface & Coatings Technology(表面和涂层技术)杂志2010年第205卷1279页的文章“AlN-based sputter-deposited shear mode thin film bulk acousticresonator(FBAR)for biosensor applications-A review”(基于溅射沉积氮化铝的剪切波薄膜体声波谐振器在生物传感器中的应用综述)中报道了另一种剪切薄膜模式薄膜体声波谐振生化传感器的技术方案。该方案采用的是c轴与基底具有一定偏移角度的AlN薄膜，依然采用传统的上下电极的激发形式，获得压电薄膜中的剪切振动。但是该方案依然没有避免压电薄膜中纵波模式的共存问题。

为了获得液体中的高灵敏性能，希望薄膜体声波谐振生化传感器能够在没有纵波模式共存的纯剪切波模式下工作，因此上述缺点和不足需要得到很好的解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在纯剪切波模式下工作，在液体中具有较高灵敏性能的薄膜体声波谐振生化传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器，包括上电极、下电极、压电薄膜和声隔离层，其特征在于，上电极为同圆心的内外两层圆环形状，由内层实心圆和外层空心圆环组成，下电极为与上电极为同圆心的空心圆环形状，上电极与下电极在圆环的垂直方向上没有重合区域。

所述的上电极的实心圆直径为外层空心圆环内侧直径的三分之一至二分之一。

所述的下电极空心圆环的宽度不小于上电极外层空心圆环的宽度，其优选的宽度为上电极外层空心圆环的宽度的1.3到1.5倍。

在本发明中，采用上下不重合的电极激发压电薄膜中的声波振动，能够有效的减少与压电薄膜表面垂直的电场分量，使电场能量最大限度的转化为剪切波模式的声波振动。另一方面，上电极双层环的形状和下电极单环的形状所构造的边界条件使剪切波能够产生在压电薄膜中的能陷效应，即剪切波模式的声波振动能量向上电极双层环的中部集中，而同时会使激发的少量纵波沿平面方向耗散。

与以往的技术相比，本发明的有益效果是：获得了接近纯剪切波模式的薄膜体声波谐振生化传感器，在液体中的灵敏性能有较大的提高。

附图说明

附图1为本发明的俯视结构示意图；

附图2为本发明的剖面结构示意图；

附图3为本发明实施例1的S11参数的频率特性；

附图4为本发明实施例1的三种液体中传感器谐振频率和品质因数Q的变化情况。

附图5为本发明实施例2的对癌症标志物甲胎蛋白(AFP)抗原测试的结果。

具体实施方式

一种具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器，包括上电极1、下电极2、压电薄膜3和声隔离层4，其特征在于，上电极为同圆心的内外两层圆环形状，由内层实心圆1A和外层空心圆环1B组成，下电极2为与上电极为同圆心的空心圆环形状，上电极1与下电极2在圆环的垂直方向上没有重合区域。

声隔离层4采用空气隙结构。

上述结构可采用一般的溅射、光刻和硅表面刻蚀等半导体工艺技术进行制造。

实施例1

本实施例为针对液体的粘度进行检测的生化传感器，其器件结构如图1和图2所示。

上电极的内层实心圆1A直径为外层空心圆环1B内侧直径的二分之一。

下电极空心圆环2的宽度为上电极外层空心圆环1B的宽度的1.5倍。

压电薄膜3材料为氮化铝，厚度为1.5微米，上电极1材料为钼，厚度为0.1微米，下电极2材料为铝，厚度为0.1微米。

具体实施中，首先测试在空气环境中该器件S11参数的频率特性。如图3所示，传感器在空气中的仅存在频率为2GHz左右的谐振状态，根据氮化铝薄膜厚度和氮化铝的声速(6123米/秒)进行估算，该谐振状态为剪切波模式。该情况下器件的纵波模式谐振频率估算为2.54GHz，明显在该测试结果中没有出现。

根据上述S11参数的频率特性估算器件的空气中的品质因数Q值为407。

将该薄膜体声波谐振生化传感器进行液体的粘度测试。将该薄膜体声波谐振生化传感器置于流动测试管道中，分别通入水、粘度为6.76mPas的甘油A样品以及粘度为13.1mPas的甘油B样品，测试传感器的谐振频率和品质因数。

测试结果如图4所示。可以看到，该传感器在上述水、粘度为6.76mPas的甘油A以及粘度为13.1mPas的甘油B中的品质因数Q值分别为385、372和361，由于液体阻尼带来的品质因数Q的衰减并不明显，说明该传感器具有较好的在液体中的敏感性能。

实施例2

本实施例为针对生物样品进行检测的生化传感器，其器件结构如图1和图2所示。

上电极的内层实心圆1A直径为外层空心圆环1B内侧直径的三分之一。

下电极空心圆环2的宽度为上电极外层空心圆环1B的宽度的1.4倍。

压电薄膜3材料为氮化铝，厚度为1微米，上电极1和下电极2的材料为金，厚度都为0.1微米。

在具体实施中，为了检测生物物质，需要在薄膜体声波谐振生化传感器表面涂覆生物敏感层6。对于本发明来说，如图2所示，生物敏感层5应位于上电极内层实心圆1A和外层空心圆环1B中间的区域，其原因在于该区域的剪切波模式能量最集中，能够获得较高的敏感效果。

生物敏感层6为癌症标志物甲胎蛋白(AFP)抗体，采用化学自组装方法固定在上述敏感区域。

检测时，将该薄膜体声波谐振生化传感器置于流动测试管道中，通入含有不同浓度癌症标志物甲胎蛋白(AFP)抗原的样品液，测试结果如图5所示。液体中的抗原与传感器表面的抗体发生生物反应结合，传感器表面质量增加，导致谐振频率减小，从而可以获得生物样品的浓度信息。

Claims (3)

1.一种具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器，包括上电极(1)、下电极(2)、压电薄膜(3)和声隔离层(4)，其特征在于，所述的上电极(1)为同圆心的内外两层圆环形状，由内层实心圆(1A)和外层空心圆环(1B)组成，所述的下电极(2)为与上电极(1)为同圆心的空心圆环形状，所述的上电极(1)与下电极(2)在圆环的垂直方向上没有重合区域。

2.根据权利要求1所述的具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征是所述的上电极的实心圆(1A)直径为外层空心圆环(1B)内侧直径的三分之一至二分之一。

3.根据权利要求1所述的具有环状电极的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征是所述的下电极(2)空心圆环的宽度不小于上电极外层空心圆环(1B)的宽度，其优选的宽度为上电极外层空心圆环(1B)的宽度的1.3到1.5倍。

Images