CN103995020B

CN103995020B - 一种基于pvdf薄膜的生物传感器阵列及其制作方法

Info

Publication number: CN103995020B
Application number: CN201410214038.9A
Authority: CN
Inventors: 任巍; 徐峰; 吴小清; 史鹏; 赵蓓; 胡杰
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: CN103995020A

Abstract

本发明公开了一种基于PVDF薄膜的生物传感器阵列，自上到下依次包括第一有机玻璃、PVDF压电膜及第二有机玻璃，第一有机玻璃、PVDF压电膜及第二有机玻璃固定连接，PVDF压电膜的上表面及下表面均镀有若干镀膜区，所述镀膜区包括电极、接线膜区、以及用于连通电极及接线膜区的过渡膜区，PVDF压电膜上表面的电极正对PVDF压电膜下表面对应的电极，第一有机玻璃上及第二有机玻璃上均开设有若干对通孔，每对通孔均包括第一通孔及第二通孔，每对通孔上的第一通孔及第二通孔分别正对对应镀膜区上的电极及接线膜区，接线膜区上连接有测试引线。本发明还提供了一种基于PVDF薄膜的生物传感器阵列的制作方法，该生物传感器阵列稳定性好，灵敏度高。

Description

一种基于PVDF薄膜的生物传感器阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种有机压电薄膜的生物传感器阵列及其制作方法，具体涉及一种基于PVDF薄膜的生物传感器阵列及其制作方法。

背景技术

基于硅基微机电(MEMS)工艺的压电生物传感器具有灵敏度高、性能稳定、易与模拟电路集成、响应速度快等优点而被广泛研究。但是该类生物传感器制作工艺非常复杂、耗时长、成本高，另外硅比较脆韧性差，所以影响了其广泛使用。于是，人们开始探索制作有机压电薄膜的生物传感器。PVDF压电薄膜以其频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配、质量轻、柔软不脆等特点进驻科学家们的视野。

使用PVDF薄膜制作生物传感器的方法很多，但是还存在一些诸如稳定性差、灵敏度低等问题。在现有报道中，各种隔膜尺寸的分立器件已被制作、研究，但没有制作出含有数个相同隔膜尺寸的阵列器件和含有数个不同隔膜尺寸的阵列器件。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于PVDF薄膜的生物传感器阵列及其制作方法，该生物传感器阵列稳定性好，灵敏度高，并且可以一次性制作多个生物传感器。阵列器件的使用可以消除环境、仪器误差等对测试结果的影响。

为达到上述目的，本发明所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列自上到下依次包括第一有机玻璃、PVDF压电膜及第二有机玻璃，第一有机玻璃、PVDF压电膜及第二有机玻璃固定连接，PVDF压电膜的上表面及下表面均镀有若干镀膜区，所述镀膜区包括电极、接线膜区、以及用于连通电极及接线膜区的过渡膜区，PVDF压电膜上表面的电极正对PVDF压电膜下表面对应的电极，第一有机玻璃上及第二有机玻璃上均开设有若干对通孔，每对通孔均包括第一通孔及第二通孔，每对通孔上的第一通孔及第二通孔分别正对对应镀膜区上的电极及接线膜区，接线膜区上连接有测试引线。

所述PVDF压电膜为极化并且不带电极的PVDF压电膜。

相应的，本发明还公开了一种基于PVDF薄膜的生物传感器阵列的制作方法，包括以下步骤：

1)取PVDF压电膜，并切割PVDF压电膜，然后将切割后的PVDF压电膜按照极化方向固定在夹具上，并在所述PVDF压电膜的上下两面分别安装掩膜板，其中，所述掩膜板上设有若干对孔，每对孔包括第三通孔、第四通孔、以及用于连通第三通孔及第四通孔的槽孔，第三通孔的直径大于第四通孔的直径，然后在PVDF压电膜的上下两面分别镀膜，再拆除掩膜板，从而在PVDF压电膜的上表面及下表面上形成若干镀膜区，其中，任一镀膜区均包括第三通孔对应的电极、第四通孔对应的接线膜区及槽孔对应的过渡膜区；

2)取第一有机玻璃及第二有机玻璃，并在第一有机玻璃及第二有机玻璃上开设第一通孔及第二通孔，然后将PVDF压电膜放置在第一有机玻璃及第二有机玻璃之间，第一有机玻璃、PVDF压电膜及第二有机玻璃固定连接，再拆除支架，并给各接线膜区上连接测试引线。

所述电极的直径为2mm-5mm，掩膜板的厚度小于1mm。

步骤2)中所述第一有机玻璃、PVDF压电膜及第二有机玻璃通过胶及螺丝固定，其中，胶为UV胶或双面胶。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列包括第一有机玻璃、PVDF膜及第二有机玻璃，第一有机玻璃、PVDF膜及第二有机玻璃固定连接，PVDF膜的上表面及下表面均设有若干镀膜区，镀膜区包括电极、接线膜区、以及用于连通电极及接线膜区的过渡膜区，接线膜区上连接有测试引线，从而可以有效的提高基于PVDF薄膜的生物传感器阵列的稳定性及灵敏度，同时在制作过程中，通过在PVDF膜上固定掩膜板，所述掩膜板上设有若干对孔，每对孔包括第三通孔、第四通孔、以及用于连通第三通孔及第四通孔的槽孔，从而可以一次性的制作多个生物传感器，并且降低制作流程的难度和复杂度。阵列器件的使用可以消除环境、仪器误差等对测试结果的影响。

附图说明

图1为本发明的截面图；

图2为本发明中实施例一制备的传感器阵列的示意图；

图3为本发明中实施例二制备的传感器阵列的示意图；

图4为本发明中实施例一制备的传感器阵列中隔膜孔径为5毫米的器件的谐振情况随时间变化的频谱图；

图5为本发明中实施例一制备的传感器阵列中隔膜孔径为5毫米的器件的四个谐振频率随时间变化的线性图；

图6为本发明中实施例一制备的阵列器件空载时的谐振频谱图；

图7为本发明中实施例二制备的传感器阵列的谐振频率随质量负载变化的频谱图；

图8为本发明中实施例二制备的传感器阵列的质量灵敏度线性拟合图。

其中，1为第一有机玻璃、2为PVDF压电膜、3为第二有机玻璃、4为胶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列自上到下依次包括第一有机玻璃1、PVDF压电膜2及第二有机玻璃3，第一有机玻璃1、PVDF压电膜2及第二有机玻璃3固定连接，PVDF压电膜2的上表面及下表面均镀有若干镀膜区，所述镀膜区包括电极、接线膜区、以及用于连通电极及接线膜区的过渡膜区，PVDF压电膜2上表面的电极正对PVDF压电膜2下表面对应的电极，第一有机玻璃1上及第二有机玻璃3上均开设有若干对通孔，每对通孔均包括第一通孔及第二通孔，每对通孔上的第一通孔及第二通孔分别正对对应镀膜区上的电极及接线膜区，接线膜区上连接有测试引线。

所述PVDF压电膜2为极化并且不带电极的PVDF压电膜。

本发明所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列的制作方法包括以下步骤：

1)取PVDF压电膜2，并切割PVDF压电膜2，然后将切割后的PVDF压电膜2固定在夹具上，并在所述PVDF压电膜2的上下两面沿极化方向分别安装掩膜板，其中，所述掩膜板上设有若干对孔，每对孔包括第三通孔、第四通孔、以及用于连通第三通孔及第四通孔的槽孔，第三通孔的直径大于第四通孔的直径，然后在PVDF压电膜2的上下两面分别镀膜，再拆除掩膜板，从而在PVDF压电膜2的上表面及下表面上形成若干镀膜区，其中，任一镀膜区均包括第三通孔对应的电极、第四通孔对应的接线膜区及槽孔对应的过渡膜区；

2)取第一有机玻璃1及第二有机玻璃3，并在第一有机玻璃1及第二有机玻璃3上开设第一通孔及第二通孔，然后将PVDF压电膜2放置在第一有机玻璃1及第二有机玻璃3之间，第一有机玻璃1、PVDF压电膜2及第二有机玻璃3固定连接，再拆除支架，并给各接线膜区上连接测试引线。

所述电极的直径为2mm-5mm，掩膜板的厚度小于1mm。

步骤2)中所述第一有机玻璃1、PVDF压电膜2及第二有机玻璃3通过胶4及螺丝固定，其中，胶4为UV胶或双面胶。

实施例一

参考图2、图4、图5及图6，1)用锋利的刀片将厚度为28微米的已极化的不带电极的PVDF压电薄膜按照极化方向裁剪成10×80毫米的长条；将其沿着极化方向固定在夹具上，安装制作图形化电极的掩膜板。该掩膜板是用1毫米厚的有机玻璃板制成，掩膜板上包含有三个不同的隔膜孔径：3毫米，4毫米，5毫米；

2)利用直流溅射仪镀电极，设置溅射电流为10毫安，时间为25分钟，在薄膜两面各沉积一层厚度约为100纳米的图形化黄金电极。结束后，拆掉掩膜板；在已刻有隔膜孔的厚度为3毫米的两块有机玻璃板上，利用匀胶4机以1500转/分钟的速度，旋涂时间40秒，旋涂一层粘度为50cps的UV胶4，再在四角用M3的尼龙螺丝定位固定。在强度为13.5mW/cm²的紫外光下照射100秒固化；拆掉支架，用室温银浆将直径为0.2毫米的银丝粘结在上、下电极上作为测试导线。到此，器件制作完成。

隔膜孔径为5毫米的器件谐振峰为8900赫兹，隔膜孔径为4毫米的器件谐振峰为11440赫兹，隔膜孔径为3毫米的器件谐振峰为13360赫兹，谐振峰值随器件尺寸的增大而减小。这一结果与谐振峰的理论计算公式基本符合。计算得到该阵列中隔膜孔径为5毫米的器件的品质因数最高，达到26。

实施例二

参考图2、图7及图8，其中图8中实心的方格点表示实测数值，直线为拟合直线，该直线斜率为所测器件的质量灵敏度，具体步骤如下：

1)用锋利的刀片将厚度为28微米的已极化的不带电极的PVDF压电薄膜按照极化方向裁剪成10×80毫米的长条；将其沿着极化方向固定在夹具上，安装制作图形化电极的掩膜板。该掩膜板是用1毫米厚的有机玻璃板制成，掩膜板上包含有三个相同的隔膜孔径：5毫米；

2)利用直流溅射仪镀电极。设置溅射电流为7.5毫安，时间为35分钟，在薄膜两面各沉积一层厚度约为70纳米的图形化黄金电极。结束后，拆掉掩膜板；在已刻有隔膜孔的厚度为3毫米的两块有机玻璃板上，利用匀胶4机以1000转/分钟的速度，旋涂时间20秒，旋涂一层粘度为50cps的UV胶4，再在四角用M3的尼龙螺丝定位固定。在强度为13.5mW/cm²的紫外光下照射90秒固化；拆掉支架。用室温银浆将直径为0.2毫米的银丝粘结在上、下电极上作为测试导线，完成器件制作。

如图8所示为在此传感器阵列上的其中一个传感器上，在电极表面附加序列为CACAACAGACGGGCACACACTACT，带有巯基3′SHC6的核酸，使用安捷伦4294A测得的谐振频率随负载质量的变化，嵌入图为计算得到的灵敏度拟合直线。所得器件灵敏度为185赫兹/微克。

Claims

1.一种基于PVDF薄膜的生物传感器阵列，其特征在于，自上到下依次包括第一有机玻璃(1)、PVDF压电膜(2)及第二有机玻璃(3)，第一有机玻璃(1)、PVDF压电膜(2)及第二有机玻璃(3)固定连接，PVDF压电膜(2)的上表面及下表面均镀有若干镀膜区，所述镀膜区包括电极、接线膜区、以及用于连通电极及接线膜区的过渡膜区，PVDF压电膜(2)上表面的电极正对PVDF压电膜(2)下表面对应的电极，第一有机玻璃(1)上及第二有机玻璃(3)上均开设有若干对通孔，每对通孔均包括第一通孔及第二通孔，每对通孔上的第一通孔及第二通孔分别正对对应镀膜区上的电极及接线膜区，接线膜区上连接有测试引线。

2.根据权利要求1所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列，其特征在于，所述PVDF压电膜(2)为已经极化并且不带电极的PVDF压电膜。

3.一种根据权利要求2所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列的制作方法，其特征在在于，包括以下步骤：

1)取PVDF压电膜(2)，并切割PVDF压电膜(2)，然后将切割后的PVDF压电膜(2)按照极化方向固定在夹具上，并在所述PVDF压电膜(2)的上下两面分别安装掩膜板，其中，所述掩膜板上设有若干对孔，每对孔包括第三通孔、第四通孔、以及用于连通第三通孔及第四通孔的槽孔，第三通孔的直径大于第四通孔的直径，然后在PVDF压电膜(2)的上下两面分别镀导电膜，再拆除掩膜板，从而在PVDF压电膜(2)的上表面及下表面上形成若干镀膜区，其中，任一镀膜区均包括第三通孔对应的电极、第四通孔对应的接线膜区及槽孔对应的过渡膜区；

2)取第一有机玻璃(1)及第二有机玻璃(3)，并在第一有机玻璃(1)及第二有机玻璃(3)上开设第一通孔及第二通孔，然后将PVDF压电膜(2)放置在第一有机玻璃(1)及第二有机玻璃(3)之间，第一有机玻璃(1)、PVDF压电膜(2)及第二有机玻璃(3)固定连接，再拆除支架，并给各接线膜区上连接测试引线。

4.根据权利要求3所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列的制作方法，其特征在于，所述电极的直径为2mm-5mm，掩膜板的厚度小于1mm。

5.根据权利要求3所述的基于PVDF薄膜的生物传感器阵列的制作方法，其特征在于，步骤2)中所述第一有机玻璃(1)、PVDF压电膜(2)及第二有机玻璃(3)通过胶(4)及螺丝固定，其中，胶(4)为UV胶或双面胶。