CN103234562A - 一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，包括基片、声反射层、压电堆栈以及设置在压电堆栈上方的微流道。微流道利用热塑性高分子材料制成，其截面为半椭圆形，其水平轴中心为压电堆栈的中心点，水平轴长度为压电堆栈的长度的3倍至5倍。微流道的内部最高点至压电堆栈的距离为压电堆栈中驻波谐振波长一半的整数倍，其倍数为40至100之间，微流道的外侧壁高度为微流道的内部最高点至压电堆栈的距离的5至10倍。微流道与其内液体样品椭圆界面能够向压电堆栈中心反射声波，从而在一定程度上减小声波能量的损失，提高传感器的谐振性能和传感性能。

Description

一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器

技术领域

本发明涉及生化传感器技术领域，具体的说，是涉及一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器。

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、石英微天平传感器等。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。

压电薄膜谐振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。这种传感器灵敏度非常高，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。该类传感器有希望应用于生物基因检测、蛋白质分析等方面。

为实现生物物质的高通量在线实时检测，需要在压电薄膜谐振传感器中设置微流道进行分析样品的输运。例如：

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 acoustic resonator (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）中描述了一种在压电薄膜电极下方的硅基片中构建微流道的方案，其微流道的截面为硅刻蚀后形成的斜面。

美国亚利桑那州立大学Wenchen Xu等人在JOURNAL OF MICROELECTRO MECHANICAL SYSTEMS（微机电系统杂志）2011年第20卷第1期213页的文章“A High-Quality-Factor Film Bulk Acoustic Resonator in Liquid for Biosensing Applications”（面向生化传感应用的一种在液体中高品质因数的薄膜体声波谐振器）中提出了一种在压电谐振器上方构筑特定厚度微流道的方案，其微流道截面为方形。

山东科技大学的Da Chen等人在Biosensors and Bioelectronics（生物传感器和生物电子学）2013年41卷163页中的文章“Highly sensitive detection of organophosphorus pesticides by acetylcholinesterase-coated thin film bulk acoustic resonaton mass-loading sensor”（乙酰胆碱酯酶修饰的薄膜体声波谐振器对有机磷农药的高灵敏探测）中设计了一种以完全掏空基片方式形成的微流道方案，压电薄膜以氮化硅作为支撑层，其微流道截面为梯形。

上述技术方案虽然都实现了压电薄膜谐振传感器中微流道输运液体样品的功能，但其微流道性质没有经过特别设计，通常为方形、梯形或刻蚀后自然形成的不规则形状。

当压电薄膜谐振传感器在工作时，压电薄膜中的声波向与其接触的液体内部耗散，形成能量损失，从而对谐振存在阻尼作用，导致谐振性能、传感灵敏度和分辨率下降。因此，提高压电薄膜谐振传感器性能的途径之一为通过微流道形状设计减少声波能量向液体的耗散。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，包括基片、声反射层、压电堆栈以及设置在压电堆栈上方的微流道，其特征在于，所述的微流道的截面为半椭圆形，其椭圆水平轴中心为压电堆栈的中心点。

所述的微流道的水平轴长度为压电堆栈的长度的3倍至5倍。

所述的微流道的内部最高点至压电堆栈的距离为压电堆栈中驻波谐振波长一半的整数倍，其倍数为40至100之间。

所述的微流道的外侧壁高度为微流道的内部最高点至压电堆栈的距离的5至10倍。

本发明在压电堆栈上方设置了半椭圆形的微流道，其作用在于，微流道与其内液体样品接触的椭圆形界面能够向压电堆栈中心反射声波，从而在一定程度上减小声波能量的损失。

与以往的技术相比，本发明的有益效果在于能够使压电薄膜谐振传感器获得更高的谐振性能和传感性能。

附图说明

附图1为本发明的器件结构。

附图2为本发明实施例1的压电堆栈的结构示意图。

附图3为本发明实施例1在不同粘度甘油溶液中的品质因数。

附图4为本发明实施例2的压电堆栈的结构示意图。

附图5为本发明实施例2在不同粘度甘油溶液中的品质因数。

具体实施方式

如附图1所示的一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，包括基片101、声反射层102、压电堆栈103以及设置在压电堆栈103上方的微流道104。

该传感器中的压电堆栈103和声反射层102在基片101上进行制作，加工方法采用标准的半导体微加工工艺，包括溅射、光刻、等离子体和反应离子刻蚀、湿法刻蚀以及牺牲层工艺等。

硅或玻璃可作为该传感器的基片101材料，声反射层102可以采用横膈膜结构、空气隙结构或由周期性声阻抗不同的膜层交替构成的布拉格结构。

该传感器中的压电薄膜堆栈103由压电薄膜201和电极202组成。具体实施中，其声波谐振方式可以是纵波模式或剪切波模式。电极202的结构根据谐振方式可以为三明治结构、平行结构或插值等形式。压电薄膜201可以采用氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅薄膜或以这些材料为基质进行掺杂而成的复合压电薄膜材料。

该传感器中的微流道104可以采用纳米压印工艺进行制作，其主要的工艺步骤包括：模板制作、加压、脱模、图形转移等。微流道使用的材料为纳米压印中使用的热塑性高分子材料。

为实现声波向压电堆栈103中心反射的效果，微流道104为半椭圆形，其特征为：半椭圆形的水平轴中心为压电堆栈103的中心点。微流道104的水平轴长度105为压电堆栈103的长度106的3倍至5倍。微流道104的内部最高点至压电堆栈103的距离107为压电堆栈103中驻波谐振波长一半的整数倍，其倍数为40至100之间。微流道104的外侧壁高度108为微流道104的内部最高点至压电堆栈103的距离107的5至10倍。微流道104的构筑材料为热塑性高分子材料。

具体实施中，根据不同应用需求下压电薄膜材料、厚度、压电堆栈形状、结构等特征，通过数值仿真和实际试验，确定最优的具体微流道结构参数。

实施例1

本实施例为以纵波模式工作的具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器。

该器件制作在硅基片101上，在压电堆栈103下方设置1微米厚的空气隙作为声反射层102。

压电堆栈103的长度106为300微米，压电堆栈103的结构如图2所示。压电薄膜201为2微米厚的氮化铝薄膜，电极202为方形三明治结构，夹持在压电薄膜201上下两侧。上电极203尺寸为100微米×100微米，其下电极204尺寸为200微米×200微米，在压电薄膜201中激发2.6吉赫兹左右的纵波模式声波谐振。微流道104的构筑材料为聚二甲基硅氧烷。

根据数值仿真结果和比对试验，设计优化的结构参数为：微流道104的水平轴长度105为1毫米，微流道104的内部最高点至压电堆栈103的距离107为100微米，微流道104的外侧壁高度108为600微米。

将微流道连通微流量蠕动泵，向微流道内注入浓度为0%至100%的甘油溶液，以检测器件在不同粘度液体中工作的性能。测试中液体流速为1微升/分钟，将上电极203与下电极204接入网路分析仪进行谐振性能测试。为验证本发明半椭圆形微流道的性能提升效果，在压电堆栈103上制作方形微流道并在同样条件下进行测试进行性能对比。如图3所示为测试得到的半椭圆形微流道器件和方形微流道器件分别在不同粘度甘油溶液中的品质因数。可以看到，半椭圆形微流道器件的品质因数有明显提高。

实施例2

本实施例为以剪切波模式工作的具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器。

该器件制作在硅基片101上，在压电堆栈103下方设置1微米厚的空气隙作为声反射层102。

压电堆栈103的长度106为300微米，压电堆栈103的结构如图4所示。压电薄膜201为1微米厚的氮化铝薄膜，电极202为长条形平行结构，第一电极301和第二电极302都设置在压电薄膜201的上表面侧。第一电极301尺寸为150微米×300微米，第二电极302尺寸为100微米×300微米，两电极间距离为10微米。在压电薄膜201中激发3.0吉赫兹左右的剪切波声波谐振。微流道104的构筑材料为聚二甲基硅氧烷。

根据数值仿真结果和比对试验，设计优化的结构参数为：微流道104的水平轴长度105为1毫米，微流道104的内部最高点至压电堆栈103的距离107为50微米，微流道104的外侧壁高度108为300微米。

将微流道连通微流量蠕动泵，向微流道内注入浓度为0%至100%的甘油溶液，以检测器件在不同粘度液体中工作的性能。测试中液体流速为1微升/分钟，将第一电极301和第二电极302接入网路分析仪进行谐振性能测试。为验证本发明半椭圆形微流道的性能提升效果，在压电堆栈103上制作方形微流道并在同样条件下进行测试进行性能对比。如图5所示为测试得到的半椭圆形微流道器件和方形微流道器件分别在不同粘度甘油溶液中的品质因数。可以看到，半椭圆形微流道器件的品质因数有明显提高。

Claims (4)

1.一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，包括基片（101）、声反射层（102）、压电堆栈（103）以及设置在压电堆栈（103）上方的微流道（104），其特征在于，所述的微流道（104）的截面为半椭圆形，其椭圆水平轴中心为压电堆栈（103）的中心点。

2.根据权利要求1所述的一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，其特征在于，所述的微流道（104）的水平轴长度（105）为压电堆栈（103）的长度（106）的3倍至5倍。

3.根据权利要求1所述的一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，其特征在于，所述的微流道（104）的内部最高点至压电堆栈（103）的距离（107）为压电堆栈（103）中驻波谐振波长一半的整数倍，其倍数为40至100之间。

4.根据权利要求1所述的一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，其特征在于，所述的微流道（104）的外侧壁高度（108）为微流道（104）的内部最高点至压电堆栈（103）的距离（107）的5至10倍。

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