CN114113313B - 用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器及工作方法。该传感器包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁均为单端固定的结构，且同侧水平方向平行安装在悬臂梁固定基座上，所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁之间连接有传感信号检测电路；所述第一悬臂梁的中心设有第一压电晶体，所述第一压电晶体的上下两侧依次对称设有Love波延迟线、波导层、保护膜层和特异性功能层，所述第二悬臂梁的结构除不设有特异性功能层外，与所述第一悬臂梁的结构相同；当所述传感器置于检测溶液中时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁的上下表面，引起悬臂梁弯曲变形，根据四个Love波延迟线的差分相位输出，得到大肠杆菌的浓度。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器领域，具体涉及一种用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
悬臂梁传感器在细菌等生物检测方面具有广泛的应用。传感器中的悬臂梁结构对吸附在表面的细菌等生物体极其敏感，它可以将附着质量转化为机械偏转信号，并利用电学、光学等手段将这种机械信号读出，以此评估细菌浓度的大小。
悬臂梁传感器的信号读出方式主要有光学方式、压电方式、压阻方式等。光学方式是最常用的信号读出方式，但它结构复杂，对被测环境要求较高，只能应用于透明液体、空气以及真空环境中；压阻方式是利用半导体材料的压阻效应，在悬臂梁中的合适区域掺杂半导体材料，当悬臂梁受表面应力弯曲时，会引起掺杂区电阻的变化，这种方式的传感器工艺复杂，灵敏度受到限制，无法应用在高灵敏度检测中；压电方式通过记录悬臂梁共振频率变化来测量被测目标的质量，是一种动态悬臂梁，这种方式的传感器受限于悬臂梁尺寸而导致检测精度无法有效提升。
声表面波是沿固体表面传播的机械波，包含乐甫波(Love波)、瑞利波(Rayleigh波)、表面横波(STW)、水平剪切声表面波(SH 波)等模态。声表面波的声波能量集中于器件表面，对传播介质及表面扰动极其敏感，因此可制成生物传感器实现生物信号到电学信号的转换。特别是基于Love波模式的传感器，可实现各种液体环境中对生物分子的高灵敏度检测。但目前，基于Love波模式的生物传感器，是在Love波延迟线上方设置一个矩形腔作为液体测试池，该方法结构复杂，灵敏度有限。尚未有将悬臂梁与Love波技术相结合制成生物传感器，对大肠杆菌等目标物进行有效检测的报道。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器及工作方法，本发明将悬臂梁结构与Love波器件对液体中生物分子质量的灵敏特性相结合，实现各种液体环境中对大肠杆菌的高灵敏度检测。该传感器结构简单、成本低、体积小、可以集成化。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一个方面，本发明公开了一种用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器。
用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，包括：第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁均为单端固定的结构，且同侧水平方向平行安装在悬臂梁固定基座上，所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁之间连接有传感信号检测电路；
所述第一悬臂梁的中心设有第一压电晶体，所述第一压电晶体的上下两侧依次对称设有Love波延迟线、波导层、保护膜层和特异性功能层，所述第二悬臂梁的结构除不设有特异性功能层外，与所述第一悬臂梁的结构相同；
当所述传感器置于检测溶液中时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁的上下表面，引起悬臂梁弯曲变形，根据四个Love 波延迟线的差分相位输出，得到大肠杆菌的浓度。
进一步地，所述第一悬臂梁的结构包括：所述第一悬臂梁的中心设有第一压电晶体，所述第一压电晶体的上下两侧设有覆盖第一 Love波延迟线的第一波导层、覆盖第二Love波延迟线的第二波导层，所述覆盖第一Love波延迟线的第一波导层上设有第一保护膜层，所述覆盖第二Love波延迟线的第二波导层上设有第二保护膜层，所述第一保护膜层上设有第一特异性功能层，所述第二保护膜层上设有第二特异性功能层。
具体地，第一、第二Love波延迟线设置在第一悬臂梁内部压电晶体两侧的对称位置，且位于悬臂梁应变最大位置处；所述第三、第四Love波延迟线设置在第二悬臂梁内部压电晶体两侧的对称位置，且位于悬臂梁应变最大位置处。
具体地，第一悬臂梁上、下表面的生物特异性功能层是修饰核酸适配体、甘露糖、抗体等生物识别元件中的一种。
具体地，信号检测电路是相位检测电路。
更进一步地，所述第一Love波延迟线包括第一输入叉指换能器和第一输出叉指换能器，所述第二Love波延迟线包括第二输入叉指换能器和第二输出叉指换能器。
更进一步地，所述第一输入叉指换能器、第一输出叉指换能器、第二输入叉指换能器和第二输出叉指换能器均为双电极结构叉指换能器、分裂指叉指换能器、单相单向叉指换能器中的一种。
更进一步地，所述第一输入叉指换能器和第一输出叉指换能器的间距为1～10λ，所述第二输入叉指换能器和第二输出叉指换能器的间距为1～10λ，其中λ为Love波的波长。
进一步地，所述第二悬臂梁的结构包括：所述第二悬臂梁的中心设有第二压电晶体，所述第二压电晶体的上下两侧设有覆盖第三 Love波延迟线的第三波导层、覆盖第四Love波延迟线的第四波导层，所述覆盖第三Love波延迟线的第三波导层上设有第三保护膜层，所述覆盖第四Love波延迟线的第四波导层上设有第四保护膜层。
更进一步地，所述第三Love波延迟线包括第三输入叉指换能器和第三输出叉指换能器，所述第四Love波延迟线包括第四输入叉指换能器和第四输出叉指换能器。
更进一步地，所述第三输入叉指换能器、第三输出叉指换能器、第四输入叉指换能器和第四输出叉指换能器均为双电极结构叉指换能器、分裂指叉指换能器、单相单向叉指换能器中的一种。
更进一步地，所述第三输入叉指换能器和第三输出叉指换能器的间距为1～10λ，所述第四输入叉指换能器和第四输出叉指换能器的间距为1～10λ，其中λ为Love波的波长。
第二个方面，本发明公开了一种用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器的工作方法。
用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器的工作方法，包括：
第一个方面所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器置于检测溶液中，Love波延迟线激发Love波在波导层中传播，当检测溶液中滴入含有不同浓度大肠杆菌的溶液时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁的上下表面，引起第一悬臂梁弯曲变形，导致Love波传播相位发生改变，结合传感信号检测电路，以四个Love 波延迟线的差分相位输出来表征大肠杆菌的浓度。
具体地，在检测时，第一Love波延迟线的相位输出可表示为
其中，为Love波延迟线的初始相位；/>为捕获大肠杆菌引起悬臂梁弯曲变形导致的相位偏移；/>为检测液温度变化引起的相位偏移；/>为检测液粘度等环境变化引起悬臂梁弯曲导致的相位偏移。
第二Love波延迟线的相位输出可表示为
第一悬臂梁的第一、第二Love波延迟线的差分相位输出为
由于第二悬臂梁不具备生物特异性功能层，因此第三、第四Love 波延迟的相位输出可分别表示为
则第二悬臂梁的第三、第四Love波延迟线的差分相位输出为
这样，第一、第二悬臂梁的四通道Love波延迟线的差分相位输出为
结果表明，本发明的传感器可有效提高检测灵敏度，并能实现温度、检测液环境等干扰因素的补偿作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将悬臂梁与Love波技术相结合，制成双面四通道差分式生物传感器，实现各种液体环境中对大肠杆菌等目标物的高灵敏度检测。
本发明的传感器通过对悬臂梁捕获大肠杆菌前后四组Love波传播相位进行差分计算，实现对大肠杆菌浓度的有效检测。
本传感器结构简单，不需要复杂的信号发生与检测设备，不需要密封元件，借助波导层和保护膜层，将传感器与检测液体隔离，防止换能器被腐蚀，延长传感器的使用寿命，同时，利用四通道差分检测设计，有效实现检测液体温度、粘度等干扰因素的补偿效果。
本发明同时利用了Love波传感器的质量敏感性和应变敏感性，一方面改进了液体环境中悬臂梁弯曲应变信号的读取方式，另一方面利用双面声表面波差分传感结构提高了传感器的检测灵敏度，有效解决当前悬臂梁生物传感器存在的检测设备复杂、应用环境苛刻以及检测灵敏度低等问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的具体实施方案所提供的一种用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器结构示意图；
图2是应用于本发明示出的第一悬臂梁的剖面结构示意图；
图3是应用于本发明示出的第二悬臂梁的剖面结构示意图；
图4是应用于本发明的示出第一、第二、第三、第四Love波延迟线的平面结构示意图；
图中，1为第一悬臂梁，2为第二悬臂梁，3为传感信号检测电路，4为悬臂梁固定基座，11为第一Love波延迟线，12为第二Love 波延迟线，21为第三Love波延迟线，22为第四Love波延迟线，13、 23为压电晶体，14、15、24、25为波导层，16、17、26、27为保护膜层，18、19为生物特异性功能层，111为Love波延迟线的输入叉指换能器，112为Love延迟线的输出叉指换能器。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
实施例一
本实施例提供了一种用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器。
用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，包括：第一悬臂梁1和第二悬臂梁2，所述第一悬臂梁1和所述第二悬臂2梁均为单端固定的结构，且同侧水平方向平行安装在悬臂梁固定基座4上，所述第一悬臂梁1与所述第二悬臂梁2之间连接有传感信号检测电路3；
所述第一悬臂梁1的中心设有第一压电晶体13，所述第一压电晶体13的上下两侧依次对称设有Love波延迟线、波导层、保护膜层和特异性功能层，所述第二悬臂梁2的结构除不设有特异性功能层外，与所述第一悬臂梁1的结构相同；
当所述传感器置于检测溶液中时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁1的上下表面，引起悬臂梁弯曲变形，根据四个 Love波延迟线的差分相位输出，得到大肠杆菌的浓度。
具体地，如图1所示，该传感器包括：
第一悬臂梁1；构成第一悬臂梁的压电晶体13、Love波延迟线11 和12、波导层14和15、保护膜16和17、特异性功能层18和19；
第二悬臂梁2；构成第二悬臂梁的压电晶体23、Love波延迟线21 和22、波导层24和25、保护膜26和27；
传感信号检测电路3；
以及悬臂梁固定基座4。
第一悬臂梁1上下表面分布有特异性功能层，第二悬臂梁2上下表面均无特异性功能层。
第一悬臂梁1中的第一、第二Love波延迟线为检测传感器；第二悬臂梁2中的第三、第四Love波延迟线为参考传感器。
传感器置于检测溶液中，Love波延迟线激发Love波在波导层中传播，当检测液中滴入含有不同浓度大肠杆菌的溶液时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁1上下表面，引起悬臂梁弯曲变形，进一步引起Love波传播相位发生改变，结合传感信号检测电路 3，以四个Love波延迟线的差分相位输出来表征大肠杆菌的浓度。由于检测前后，溶液的温度、粘度等参数会随之发生变化，因此设置不带特异性功能层的第二悬臂梁2，及第三、第四Love波延迟线作为参考信号输出模块，有效改善传感器的检测灵敏度性能。
作为一种或多种实施方式，在检测时，第一Love波延迟线的相位输出可表示为
其中，为Love波延迟线的初始相位；/>为捕获大肠杆菌引起悬臂梁弯曲变形导致的相位偏移；/>为检测液温度变化引起的相位偏移；/>为检测液粘度等环境变化引起悬臂梁弯曲导致的相位偏移。
第二Love波延迟线的相位输出可表示为
第一悬臂梁的第一、第二Love波延迟线的差分相位输出为
由于第二悬臂梁不具备生物特异性功能层，因此第三、第四Love 波延迟的相位输出可分别表示为
则第二悬臂梁的第三、第四Love波延迟线的差分相位输出为
这样，第一、第二悬臂梁的四通道Love波延迟线的差分相位输出为
结果表明，本发明的传感器可有效提高检测灵敏度，并能实现温度、检测液环境等干扰因素的补偿作用。
具体地，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2平行安装于临近位置。
第一悬臂梁1为双面对称结构，压电晶体13位于悬臂梁中心，两侧的第一Love波延迟线11和第二Love波延迟线12结构相同且位置对称，波导层14和15结构相同，保护层16和17结构相同，特异性功能层18和19结构相同。
第二悬臂梁2除不包含特异性功能层外，其余结构与第一悬臂梁 1相同。
第一、第二悬臂梁中心的压电晶体是石英(Quartz)、LiNbO3、 LiTaO3压电材料中的一种；构成Love波延迟线的叉指换能器的电极材料是铝(Al)、金(Au)导电材料中的一种；保护薄膜是抗腐蚀材料如氧化铝(Al2O3)；波导层选用剪切波速小于压电晶体的材料，如一定厚度的聚合物、二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)等，以将声波引导到波导层中传播，还能起到保护电极不受液体环境影响的作用，同时增加机电耦合。保护膜层保护Love波传感器不受检测介质影响，提高传感器在检测溶液中的耐腐蚀性能。
本实施例提供的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波波传感器，当检测溶液中滴入大肠杆菌时，由于特异性功能层的捕获作用，导致悬臂梁产生弯曲变形，引起Love波传播相位发生改变，以实现对大肠杆菌浓度的检测。
在本实施例中，传感器的工作频率在30MHz～500MHz之间，优选地，本传感器工作在400MHz频率上。
压电晶体13和23采用64°YX-LiNbO3，长度为5mm，宽度为2mm，厚度为150μm。
波导层14、15、24、25和保护膜层16、17、26、27的长宽尺寸与压电晶体相同。
波导层14、15、24、25采用ZnO薄膜，厚度为150～450nm。
第一Love波延迟线11、第二Love波延迟线12、第三Love波延迟线13和第四Love波延迟线14的叉指换能器111和112的电极采用反射系数较低的金(Au)材料，厚度为80nm。在镀金膜之前先镀一层厚度为20nm的铬以改善金材料在压电基片上的附着性。
第一Love波延迟线11、第二Love波延迟线12、第三Love波延迟线13和第四Love波延迟线14的叉指换能器111和112均为双电极结构叉指换能器，叉指对数为30对，电极宽度为1/4λ，相邻电极间距1/2λ。输入、输出叉指换能器间距1～10λ。其中λ为Love波的波长。
第一Love波延迟线11、第二Love波延迟线12、第三Love波延迟线13和第四Love波延迟线14的叉指换能器111和112的声孔径设置为30λ。
保护膜层16、17、26、27选用Al2O3，厚度为10～50nm。
特异性功能层18、19，是在传感器表面功能化后，通过共价键紧密固定在悬臂梁表面的大肠杆菌抗体。
本实施例提出了双面、差分悬臂梁传感结构，并将Love波传感模式与悬臂梁结合，利用输出相位信号的变化实现对大肠杆菌的有效检测。本发明在检测过程中，不需要复杂的外围检测设备，不需要密封元件以令传感器与检测溶液分离，并且利用波导层和保护膜层，将叉指换能器与液体隔离，防止换能器被腐蚀。
实施例二
本实施例提供了一种用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器的工作方法。
用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器的工作方法包括：
实施例一所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器置于检测溶液中，Love波延迟线激发Love波在波导层中传播，当检测溶液中滴入含有不同浓度大肠杆菌的溶液时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁的上下表面，引起第一悬臂梁弯曲变形，导致Love波传播相位发生改变，结合传感信号检测电路，以四个Love 波延迟线的差分相位输出来表征大肠杆菌的浓度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，包括：第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁均为单端固定的结构，且同侧水平方向平行安装在悬臂梁固定基座上，所述第一悬臂梁与所述第二悬臂梁之间连接有传感信号检测电路；
所述第一悬臂梁的中心设有第一压电晶体，所述第一压电晶体的上下两侧依次对称设有Love波延迟线、波导层、保护膜层和特异性功能层，所述第二悬臂梁的结构除不设有特异性功能层外，与所述第一悬臂梁的结构相同；
当所述传感器置于检测溶液中时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁的上下表面，引起悬臂梁弯曲变形，根据四个Love波延迟线的差分相位输出，得到大肠杆菌的浓度。
2.根据权利要求1所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第一悬臂梁的结构包括：所述第一悬臂梁的中心设有第一压电晶体，所述第一压电晶体的上下两侧设有覆盖第一Love波延迟线的第一波导层、覆盖第二Love波延迟线的第二波导层，所述覆盖第一Love波延迟线的第一波导层上设有第一保护膜层，所述覆盖第二Love波延迟线的第二波导层上设有第二保护膜层，所述第一保护膜层上设有第一特异性功能层，所述第二保护膜层上设有第二特异性功能层。
3.根据权利要求2所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第一Love波延迟线包括第一输入叉指换能器和第一输出叉指换能器，所述第二Love波延迟线包括第二输入叉指换能器和第二输出叉指换能器。
4.根据权利要求3所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第一输入叉指换能器、第一输出叉指换能器、第二输入叉指换能器和第二输出叉指换能器均为双电极结构叉指换能器、分裂指叉指换能器、单相单向叉指换能器中的一种。
5.根据权利要求3所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第一输入叉指换能器和第一输出叉指换能器的间距为1～10λ，所述第二输入叉指换能器和第二输出叉指换能器的间距为1～10λ，其中λ为Love波的波长。
6.根据权利要求1所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第二悬臂梁的结构包括：所述第二悬臂梁的中心设有第二压电晶体，所述第二压电晶体的上下两侧设有覆盖第三Love波延迟线的第三波导层、覆盖第四Love波延迟线的第四波导层，所述覆盖第三Love波延迟线的第三波导层上设有第三保护膜层，所述覆盖第四Love波延迟线的第四波导层上设有第四保护膜层。
7.根据权利要求6所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第三Love波延迟线包括第三输入叉指换能器和第三输出叉指换能器，所述第四Love波延迟线包括第四输入叉指换能器和第四输出叉指换能器。
8.根据权利要求7所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第三输入叉指换能器、第三输出叉指换能器、第四输入叉指换能器和第四输出叉指换能器均为双电极结构叉指换能器、分裂指叉指换能器、单相单向叉指换能器中的一种。
9.根据权利要求7所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器，其特征在于，所述第三输入叉指换能器和第三输出叉指换能器的间距为1～10λ，所述第四输入叉指换能器和第四输出叉指换能器的间距为1～10λ，其中λ为Love波的波长。
10.用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器的工作方法，其特征在于，包括：
权利要求1-9任一项所述的用于检测大肠杆菌的悬臂梁式声表面波传感器置于检测溶液中，Love波延迟线激发Love波在波导层中传播，当检测溶液中滴入含有不同浓度大肠杆菌的溶液时，大肠杆菌细胞被特异性功能层捕获在第一悬臂梁的上下表面，引起第一悬臂梁弯曲变形，导致Love波传播相位发生改变，结合传感信号检测电路，以四个Love波延迟线的差分相位输出来表征大肠杆菌的浓度。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1528050A (zh) * | 2001-05-21 | 2004-09-08 | 表面声波传感器 | |
| CN1866007A (zh) * | 2006-05-12 | 2006-11-22 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种集成压阻二氧化硅悬臂梁超微量检测传感器、制作方法及应用 |
| WO2007085839A1 (en) * | 2006-01-25 | 2007-08-02 | The Nottingham Trent University | Acoustic sensor sperm test kit and assay |
| KR20100062065A (ko) * | 2008-12-01 | 2010-06-10 | 한국표준과학연구원 | 표면 탄성파 바이오 센서, 표면 탄성파 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 항원 검출 방법 |
| CN102042991A (zh) * | 2009-10-09 | 2011-05-04 | 株式会社堀场制作所 | 荧光x射线分析用试样室和试样室组装用具 |
| CN105606158A (zh) * | 2016-03-16 | 2016-05-25 | 黑龙江大学 | 一种力/磁多功能传感器 |
| CN107238431A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-10-10 | 中电科技德清华莹电子有限公司 | 一种无线无源声表面波振动传感器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7667369B2 (en) * | 2006-11-01 | 2010-02-23 | Delaware Capital Formation, Inc. | High sensitivity microsensors based on flexure induced frequency effects |
| TW200900696A (en) * | 2007-06-25 | 2009-01-01 | Univ Chang Gung | Streptavidin surface-acoustic-wave immunosensor apparatus |
-
2021
- 2021-10-27 CN CN202111256903.2A patent/CN114113313B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1528050A (zh) * | 2001-05-21 | 2004-09-08 | 表面声波传感器 | |
| WO2007085839A1 (en) * | 2006-01-25 | 2007-08-02 | The Nottingham Trent University | Acoustic sensor sperm test kit and assay |
| CN1866007A (zh) * | 2006-05-12 | 2006-11-22 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种集成压阻二氧化硅悬臂梁超微量检测传感器、制作方法及应用 |
| KR20100062065A (ko) * | 2008-12-01 | 2010-06-10 | 한국표준과학연구원 | 표면 탄성파 바이오 센서, 표면 탄성파 센서의 제조 방법 및 이를 이용한 항원 검출 방법 |
| CN102042991A (zh) * | 2009-10-09 | 2011-05-04 | 株式会社堀场制作所 | 荧光x射线分析用试样室和试样室组装用具 |
| CN105606158A (zh) * | 2016-03-16 | 2016-05-25 | 黑龙江大学 | 一种力/磁多功能传感器 |
| CN107238431A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-10-10 | 中电科技德清华莹电子有限公司 | 一种无线无源声表面波振动传感器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Enhanced bio-inspired microsensor based on microfluidic/bacterial/love wave hybrid structure for continuous control of heavy metals toxicity in liquid medium;Gammoudia .I er.al;SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL;20140225;全文 * |
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