CN103267534B - 一种磁致伸缩生物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明为了解决现有传感器响应检测方法复杂、检测设备昂贵的缺点，提供一种检测成本低的磁致伸缩生物传感器及其制备方法，包括Fe-Ga合金材料、附着于Fe-Ga合金材料表面的铬层、以及附着于铬层外表面的金层。Fe、Ga在Fe-Ga合金材料中的质量百分比为83%、17%，Fe-Ga合金材料厚度为50μm，铬层和金层的厚度为150nm。本发明中的传感器检测除了可以用传统的矢量网络分析仪进行扫频检测之外，也可以通过搭建简单的电路，使用AD8302幅度和相位测量等芯片来检测磁致伸缩传感器的幅度，可以使检测成本大幅度降低。

Description

一种磁致伸缩生物传感器
技术领域
本发明属于微机械系统设计领域，具体而言，是一种磁致伸缩生物传感器。
背景技术
磁致伸缩材料是重要的能量与信息转换功能材料，可以将电磁能转换成机械能或声能。由该种材料制备成的换能器装置不会磨损，没有后冲倾向，而且被检测物与检测接收端无需物理连接。因而在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。国外目前已经广泛地将磁致伸缩技术应用于多领域的换能器、物位测量和吸附物的定性定量测量。
基于磁致伸缩材料的生物传感器是一种新型的生物传感器。这种传感器将磁致伸缩材料作为传感器的信息转换的敏感元件。现阶段使用的磁致伸缩传感器，通常都是通过检测磁致伸缩材料在吸附或接收信号前后的共振频率的变化来进行定量检测。共振频率的检测往往需要提供具备扫频功能的频谱分析仪，现阶段的检测中多采用矢量网络分析仪进行扫频处理从而检测到传感器的共振频率。检测方法单一且采用该类型仪器进行的测试设备相当昂贵。这也是造成磁致伸缩传感器应用发展缓慢的重要理由。
发明内容
本发明的目的是解决现有传感器响应检测方法复杂、检测设备昂贵的缺点，提供一种检测成本低的磁致伸缩生物传感器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种磁致伸缩生物传感器，包括Fe-Ga合金材料、附着于Fe-Ga合金材料表面的铬层、以及附着于铬层外表面的金层。
作为优选的技术方案，Fe、Ga在Fe-Ga合金材料中的质量百分比为83%、17%。
作为优选的技术方案，Fe-Ga合金材料厚度为50μm，铬层和金层的厚度为150nm。
同时，本发明还提供制备上述磁致伸缩生物传感器的方法，包括步骤：（1）在硅衬底上点上光刻胶，（2）在基底上依次溅射一层金和铬，再在气压为7×10-7托的环境下，在铬层上溅射Fe-Ga合金，再依次在Fe-Ga合金上表面依次溅射第二层金属铬和金，（3）用丙酮溶液洗去光刻胶，剥离基底，（4）将磁致伸缩传感器放入马弗炉中高温800℃加热2小时进行高温退火。
本发明的磁致伸缩传感器采用的敏感材料是铁-镓（Fe-Ga）带状材料，该种材料是通过溅射和剥离过程合成的，铬是作为粘合剂来粘合Fe-Ga合金材料和金，因此在Fe-Ga的表面溅射一层铬，然后在铬的表面再溅射一层金。若Fe-Ga合金的上下表面都各溅射一层铬和金，可以大大增加该磁致伸缩传感器的吸附面积。
作为优选的方案，剥离基底后，避光静置于巯基乙醇溶液中24h进行修饰，修饰后再进行高温退火。由于生物传感器通常采用具有活性的官能团修饰，如巯基。巯基乙醇溶液中巯基（-SH）和金的亲和力非常强，可以形成具有很强的作用力化学键，且金粒子的生物相容性很好，经常用于修饰生物传感器。
传感器检测路包括线圈以及与线圈连接的矢量网络分析仪。该线圈是激励线圈和检测线圈的共用线圈。连接完成后操作矢量网络分析仪向线圈输出一个功率A，线圈获得能量而振动，并向网络分析仪返回输入功率B。将磁致伸缩传感器放入线圈中，用矢量网络分析仪的扫频功能进行扫频分析，得到反射信号的频率-功率谱的曲线，在频率-功率谱的波谷处得到磁致伸缩传感器的振动幅度回波损耗值S11(=10*lg(A/B))，单位为dB。将该磁致伸缩传感器从检测线圈中取出，再放入吸附了检测物的磁致伸缩传感器，用上述同样的方法检测得到吸附物的回波损耗值S11’。S11-S11’=S，通过磁致伸缩传感器吸附检测物前后在矢量网络分析仪上的振动幅度分析值的差值。
本发明专利中的传感器检测除了可以用传统的矢量网络分析仪进行扫频检测之外，也可以通过搭建简单的电路，使用AD8302幅度和相位测量等芯片来检测磁致伸缩传感器的幅度，可以使检测成本大幅度降低。
附图说明
图1为本发明所述的磁致伸缩生物传感器的结构示意图。
图2为基于Fe-Ga合金的磁致伸缩生物传感器的敏感单元加工过程。
图3为磁致伸缩生物传感器的响应检测方案。
图4为磁致伸缩传感器的长度（mm）。
图中，1-Fe-Ga合金材料，2-铬层，3-金层，4-硅衬底，5-光刻胶。
具体实施方式
一，磁致伸缩生物传感器的结构
本发明所述的一种磁致伸缩生物传感器，如图1所示，包括Fe-Ga合金材料1、附着于Fe-Ga合金材料1表面的铬层2、以及附着于铬层2外表面的金层3。Fe-Ga合金材料是本发明的磁致伸缩材料，该种材料是通过溅射和剥离过程合成的，厚度为50μm，铭层2和金层3溅射在Fe-Ga合金材料表面，厚度为150nm。需要说明的是，可以仅在Fe-Ga合金材料的上或下表面溅射铬、金，也可以在Fe-Ga合金上下表面都溅射铬、金，若Fe-Ga合金材料的上下表面都各溅射一层铬、金，可以大大增加该磁致伸缩传感器的吸附面积。
二，磁致伸缩生物传感器的制备方法
基于Fe-Ga合金的磁致伸缩生物传感器属于微纳传感器领域，其加工工艺涉及微电子加工工艺，主要工艺是联合溅射和剥离工艺，具体的制备方法，包括步骤：
（1）用光刻技术在硅衬底上点上20×4mm的光刻胶5（如图2-a所示）。
（2）采用等离子体溅射的方法，在基底上依次溅射一层金和铬，厚度均为150nm。通过联合溅射，再在气压为7×10-7托的环境下，按照Fe:Ga比例约为83%:17%,在铬层上溅射Fe-Ga合金。再依次在Fe-Ga合金上表面依次溅射第二层金属铬和金（如图2-b所示）。
（3）用丙酮溶液洗去光刻胶5，剥离基底（如图2-c所示）。剥离基底后，可以避光静置于巯基乙醇溶液中24h进行修饰，修饰后再进行高温退火。
（4）将磁致伸缩传感器放入马弗炉中高温800℃加热2小时进行高温退火。
三，传感器检测电路
本发明中的激励线圈和检测线圈可以共用一个线圈，是由直径约50μm的铜丝绕制而成的。由于磁致伸缩生物传感器的待测物和信号接收端之间没有物理连接，激励信号的传输和发送都是通过线圈产生的磁场来完成的，测试中激励线圈通常与交流激励源连接，测试线圈与检测终端连接。测试之前，将磁致伸缩传感器用丙酮溶液进行清洗，将表面的有机物等清洗干净。再将传感器放入线圈中心。
如图3所示，将线圈与矢量网络分析仪连接，可采用中国电子科技集团公司生产的矢量网络分析仪AV3620，其端口是N型端口，线圈的线头端是铜线。采用SMA-N型接口将线圈和一个N型阳极端口连接起来，接在矢量网络分析仪阴极端口。
连接完成后操作矢量网络分析仪向线圈输出一个功率A，线圈获得能量而振动，并向网络分析仪返回输入功率B。将磁致伸缩传感器放入线圈中，用矢量网络分析仪的扫频功能进行扫频分析，得到反射信号的频率-功率谱的曲线，在频率-功率谱的波谷处得到磁致伸缩传感器的振动幅度回波损耗值S11(=10*lg(A/B))，单位为dB。将该磁致伸缩传感器从检测线圈中取出，再放入吸附了检测物的磁致伸缩传感器，用上述同样的方法检测得到吸附物的回波损耗值S11’。S11-S11’=S，通过磁致伸缩传感器吸附检测物前后在矢量网络分析仪上的振动幅度分析值的差值。
图4为基于Fe-Ga合金的磁致伸缩生物传感器的幅度/功率响应结果，图示表示随着磁致伸缩传感器的一维长度的增加，传感器在矢量网络分析仪中的共振频率值和幅度值斗殴呈现出接近线性下降。传统的磁致伸缩生物传感器通常都采用观察吸附被检测物前后磁致伸缩生物传感器频率响应的变化来对被检测物进行定量分析的，采用本发明Fe-Ga合金的磁致伸缩生物传感器既可以像采用metglas2826加工而成的磁致伸缩生物传感器一样通过测量磁致伸缩生物传感器的共振频率，也可以通过测量磁致伸缩生物传感器的幅度来进行检测，可以使检测成本大幅度降低。

Claims (3)

1.一种磁致伸缩生物传感器，其特征在于：包括Fe-Ga合金材料（1）、附着于Fe-Ga合金材料（1）表面的铬层（2）、以及附着于铬层（2）外表面的金层（3）；传感器检测电路包括线圈以及与线圈连接的矢量网络分析仪，该线圈是激励线圈和检测线圈的共用线圈；连接完成后操作矢量网络分析仪向线圈输出一个功率A，线圈获得能量而振动，并向矢量网络分析仪返回输入功率B；将磁致伸缩生物传感器放入线圈中，用矢量网络分析仪的扫频功能进行扫频分析，得到反射信号的频率-功率谱的曲线，在频率-功率谱的曲线的波谷处得到磁致伸缩生物传感器的振动幅度回波损耗值S11=10*lg(A/B)，单位为dB；将该磁致伸缩生物传感器从检测线圈中取出，再放入吸附了检测物的磁致伸缩生物传感器，用上述同样的方法检测得到吸附了检测物的磁致伸缩生物传感器的振动幅度回波损耗值S11＇；S11-S11＇=S，通过磁致伸缩生物传感器吸附检测物前后在矢量网络分析仪上的振动幅度回波损耗值得到差值Ｓ。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩生物传感器，其特征在于：Fe、Ga在Fe-Ga合金材料（1）中的质量百分比为83%、17%。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩生物传感器，其特征在于：Fe-Ga合金材料（1）厚度为50μm，铬层（2）和金层（3）的厚度为150nm。
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