CN1528050A - 表面声波传感器 - Google Patents

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库鲁斯·卡兰塔尔－扎德
�ˡ��ִ��˹��
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Abstract

本发明包括一种表面声波传感器，具有放置在压电基体上的压电材料。优选结构是在ST型结构石英晶体上的锌氧化物，允许Love波型声波进行传播，尤其是用于在液体介质和气体中的传播。传感器可用于检测生物的或化学的部分(moieties)。

Description

表面声波传感器
本发明涉及对表面声波(SAW)装置的改善，特别是对用于传感器的SAW装置的改善。
背景技术
SAW装置已经用作液体和气体环境中的传感器。美国专利4562371公开了一种SAW装置，该装置由放置于切口水晶硅基体上的氧化锌压电层构成，可以传播瑞利(RAYLEIGH)波。
表面声波在三个方向上传播，可以划分为：纵向声波、法线方向声波或剪切水平声波。一组剪切水平(SH)声波被称为Love波，Love波在层状装置中传播，该装置将波能量集中在表面附近非常狭小的范围之内。
瑞利波传感器可用于气体环境中，但是他们不适合于液体环境，因为表面法线方向的放置导致很强的辐射损失到液体中。当在液体中感应时，剪切水平(SH)极化波是优选的，因为离子放置的方向是平行于装置表面并且与传播的方向成法线方向。这就允许波在液体中传播，而又不会耦合过多的能量到液体中。但是由于SH波扩散透过基体，因此SH波不具有SAW的灵敏性。为了增强灵敏性，可以采用Love波，即SH极化引导的表面波。波在层状结构中传播，该结构包括一个压电基体和一个引导层，用来耦合基体中产生的弹性波到近表面。由于能量被限制在近表面，他们对表面干扰都非常的灵敏。通过观察干扰的幅度，有可能测量干扰的强度。干扰有可能源于质量密度、弹性度、液体粘度、导电和非导电性。装置越灵敏，能测到的干扰量越小。
美国专利5130257、5216312、5283037和5321331公开了用于液体环境中的Love波SAW传感器。Love波通过切割压电材料产生，如锂铌酸盐、锂钽酸盐或石英，以从SAW装置的交叉指型传感器(IDT’s)中耦合能量到剪切横断的或Love波，使得波能量被限制在基体表面。
美国专利5705399公开了一种用于液体环境中的SAW传感器，具有一个AT切割的石英压电基体，该基体带有电极，电极连接到与液体有接触的第一面及与液体没有接触的第二面。这种传感器可用于检测生物种类，如抗原。
美国专利5364797公开了一种多孔的材料，作为SAW装置高表面区域的表面层。
多孔的表面用于气体环境中，增强接触面积以增强装置的敏感性。多孔的表面不用于液体媒质中，因为多孔的表面增加了粘性，导致插入损耗，并使敏感性降低。
本发明的目的在于提高SAW传感器的敏感性，特别是在液体媒质中的敏感性。
发明内容
本发明提供一种表面声波传感器，包括位于一个压电基体上的一个压电层。
优选地，压电基体被切割成可用于Love波的传播。
优选的，其中压电层是多孔的。
这个结构有以下的优点：
1.电机耦合系数(K2)
2.低温度系数
3.表面上高能量积聚
4.装置能够利用一个多孔的表面在液体媒质中操作
压电基体可以是石英晶体、锂铌酸盐[LiNbO3]或锂钽酸盐[LiTaO3]。
优选的压电基体是旋转90度的ST型石英晶体，当支配波是SSBW(表面覆盖层体波)且与其他波不耦合时，该晶体具有5000米/秒的传播速度。它主要是具有低温度系数的剪切水平[SH]体积波。它主要的缺点当它从SSBW转到Love波时，产生高插入损耗。当一层薄膜材料放置在表面上，它应该加载基体，也就是说，在薄膜中的传播速度小于在基体中的传播速度。在这种情况下，传播模式变成Love波的模式。当金属氧化物薄膜放置在基体上以后，由于操作模式由SSBW转为Love，插入损耗被减少。这样，主要的优点是随着从SSBW转为Love，插入损耗降低。
优选的多孔压电材料是一层锌氧化物，它是一层由六角形的柱状物组成的多孔的表面。氧化锌是构造Love波装置的最佳选择。它具有多孔的表面，它是一层具有低相位速度的压电材料(2650米/秒)。这表明氧化锌比其他被放置的材料更能增加机电耦合系数。而且，氧化锌由彼此之间有间隙的六角形圆柱体组成，使得引导层稀松。氧化锌具有正温度系数，而旋转90度的ST型石英晶体具有负温度系数。正温度系数和负温度系数的组合有助于降低整个结构的温度系数。大约在室温(25摄氏度)下，该温度系数比空着的SSBW结构的温度系数低。
一生物敏感层可以被放在压电层上，以和要检测的适当的生化成分相互作用。金膜可以被放置在表面上。黄金以高亲和力与蛋白质相互作用。这可被用于抗原检测中的特定的抗体。这种沉积物可被置于多孔渗透的表面，也可以置于光滑的表面。
1.本发明另一方面提供一种传感器，用于在液体或气体媒质中检测化学的或生化的部分(moieties)，该传感器包括一表面声波装置，该装置包括：
一压电石英晶体的基体；
至少一个交叉指型传感器，形成于所述石英晶体之上；
一锌氧化物的压电层，置于所属晶体和传感器之上；
一生物敏感层，至于所述锌氧化物层之上。
本发明的一个重要优点是传感器的敏感性。质量检测的界限是100pg/cm2，这样它的敏感性至少是使用其他基体传感器的敏感性的10倍，是没有压电层的石英晶体的2至3倍，如二氧化硅。
具体实施方式
图1是本发明的SAW装置的示意图。
图2是本发明的另一个实施例的横截面。
图3是本发明又一个实施例的透视图，该实施例包括第二组波产生和接收声学传感器。
图4是本发明的一个优选的传感器和分析器的示意图。
图5是在一个ST型石英晶体的晶片上的氧化锌和二氧化硅薄膜的耦合系数的比较。
图6显示了本发明的传感器对一序列不同的溶液的反应。
图7显示了本发明的传感器对一序列氮气中的100ppm氧气的反应。
图8显示了本发明中的传感器置于不同氧气浓度中的频率变化。
本发明提供了在压电基体上的压电层。基体的切割属于晶体切割类，支持表面覆盖层体波(SSBW)。压电层属于不同的压电材料，能被当作高方向性的薄膜置于基体上，使得声波在剪切水平方向上传播。声波在压电层中的传播速度一定小于在基体中的传播速度，用于支持Love波的传播模式。
在图1中，第一波产生传感器3和第一接收传感器4被构造在一个压电基体1的表面上。传感器3和4可以是用在SAW装置中的任意适合的交叉指型传感器。波传递层5是一个多孔压电层，被构造在基体1上，使得传感器3和4位于基体1和层5之间。感应层6置于波传播层5上以形成一表面，该表面有选择地对表面6暴露于的液体或气体介质中的媒介物具有物理上、化学上或生物上的活性。
图2是与图1中实施例相似的另一个实施例的截面图。但是，图2中的实施例还包括一个过渡层9和一个保护层10。优选地，过渡层9是一声波敏感层，如二氧化硅，它可以增加速度变化，使得机电耦合因数增加。过渡层9位于波传递层5和基体1之间，使得第一IDT(交叉指型传感器)和层5之间的距离增大，以产生一个较高的耦合系数，并减少声波传递能量损失，若不是这样，就会存在这种损失。保护层10位于感应层6和压电层5之间以保护层5不受破坏。保护层10也可以使用二氧化硅。
在图3中，第二波产生传感器7和第二接收传感器8位于基体层之上，波传递层之下，并且在第一产生传感器3和第一接收传感器4附近。两组传感器都可置于基体1上，或者第二组可以放在一个单独的基体上。优选地，不要在第二组传感器7和8上放置感应层，以便于它们可以作为参考传感器。
在图4中，本发明的SAW装置被置于一个检测装置中。一个频率计数器11决定输出信号的频率，一个计算装置12计算液体或气体介质中可检测成分的浓度。第一接收传感器4的输出包括感应信号，这是感应层和目标分子间相互作用的结果。第二接收传感器8的输出只包括感应装置的操作特征，因为其上没有感应层6。这使得分析器可以精确地计算目标分子浓度的信号指示。
压电基体必须支持SSBW模式的操作。表1显示了一些合适的压电材料的例子。
表1.一些适合于表面覆盖层体波(SSBW)传播的压电晶体
 压电     欧拉角     欧拉角θ   欧拉角Ψ     SSBW速度(米/秒)
 90度旋转的ST型石英     0     132.75   90     4990
 35.5度旋转的AT型石英     0     125.15   90     5100
 36度旋转的YX-LiTaO3     0     36   0     4221
 37度旋转的LiNbO3     0     37.93   0     4802
表面薄膜必须是压电介质。一些压电介质的例子在表2中显示。
表2.压电薄膜
    材料  最常用的放置方法*     结构**
    硫化镉  VE     PC
    氧化锌  CVD，RF-MSP     SC，PC
    铋12氧化铅19  RF-SP     PC
    AIN  RF-SP，CVD     SC/PC
*)VE(真空蒸发)，CVD(化学蒸汽沉淀)，(放射频率磁控电子管溅射)，RF-SP(放射频率溅射)
**)PC(聚乙烯晶体)，SC(单晶体)
实施例1
两排氧化锌/90度旋转ST型石英晶体结构被构造，其中氧化锌层范围在0至3.2微米之间。一15纳米的铬(5纳米)/金(12纳米)层作为感应层置于其中一条延迟线之上。铬/金沿氧化锌圆柱体增长，增加了金的感应表面。
耦合系数、温度系数速度及插入损耗作为层厚度的函数。幅度被和二氧化硅/旋转90度ST型石英晶体结构进行比较。
Love波传感器构造于0.5毫米厚的旋转90度ST型石英晶体的晶片上。传递和接收传感器的输入和输出端口分别包括64和16指对。使用的声波长是50微米。传递和接收传感器的声学中心之间的距离是60波长，孔径选择为50波长。
具有不同厚度的氧化锌薄膜通过一个放射频率磁电管溅射器沉淀下来。氧化锌是一种六角形水晶结构的压电材料。它是一种具有6毫米对称性的纤维锌矿型晶体。由锌原子占据的层和由氧原子占据的层交替出现。有效离子电荷是1至1.2，导致了极性c轴。
氧化锌薄膜外延的增长，受到沉积作用率、基体温度、溅射气体压力以及目标结构的影响。
表3显示了ST型石英晶体的晶片上氧化锌薄膜外延的情况。
表3
    目标基体距离     5厘米
    溅射气体组合     氩气60％+氧气40％
    溅射气体压力     0.01托
    基体温度     270摄氏度
    放射频率功率     40瓦
    沉积率     0.64微米/小时
薄膜在270摄氏度时沉淀，表现出了相当于5×106欧姆/厘米的电阻系数。
ST型石英晶片上的氧化锌和二氧化硅薄膜的电机耦合系数如图5所示。
实施例2
图6显示了系统对于一序列不同溶液的反应。
感应层是金。在pH值为7.4的缓冲溶液中的一股IgG(免疫球蛋白G，100ng/毫升)和BSA(牛血清蛋白，0.01毫克/毫升)被抽到液体组织中，流速为0.05毫升/分。
随着缓冲溶液中IgG的清除，IgG颗粒被吸收到金表面。造成了大约4千赫兹的频率改变。然后，缓冲溶液的流动持续到所有IgG从表面分离出来。BSA用于覆盖金表面和参考传感器的表面。通过覆盖感应层，对于另一股IgG溶液就不会发生吸收和反应。金表面通过钠醋酸盐溶液进行清洗。然后，IgG溶液液体被抽入，由于金表面吸收IgG颗粒而产生相同的频率改变。这表明：实验是可重复的，并且只对选择的层有反应。
其它可用于蛋白固定的方法是：
1.物理吸收到选择的层上
2.共价粘合到选择的层
3.吸收入聚合的选择层
4.包含在一个聚合体晶格内
5.通过一个隔膜覆盖包含
6.用两功能的或者多功能的化学反应单体交叉结合一个联合-聚合体
实施例3
对于气体感应试验，氧化锌层的厚度是2.8微米，为50微米的周期提供一90兆赫兹的操作频率。传感器通过一个放置在装置下方的微加热器被加热到350摄氏度。
传感器暴露于含有不同浓度氧气的氮气中以研究Love型SAW传感器的反应。图7显示了对氮气中具有的100ppm氧气的反应。将装置置于氧气中，增加了系统的操作频率。这种频率的增加将近+18千赫兹。对于氧气，反应和恢复时间是连续的，表明表面上是单一反应。
图8显示了传感器对不同氧气浓度的反应。对50ppm的反应是-11千赫兹。如果从这一点开始的反应一直是线性的，那么装置对于0.5ppm的反应将是110赫兹。在气体媒质中，系统的噪音将近50赫兹。
从上面的描述可以看出，本发明提供一种独特的传感器结构，具有很多重大的优点。本技术领域普通技术人员可以意识到本发明的传感器可以用于在液体和气体介质中检测很多种生物或化学的部分(moieties)。

Claims (6)

1.一种表面声波传感器，其中一层压电材料置于一压电基体的表面上。
2.一种表面声波液体媒质传感器，其中一多孔压电层置于用于Love波传播的压电基体之上。
3.权利要求1中的传感器，其中一锌氧化物层置于90度旋转ST结构石英晶体上，该晶体用于传播一Love型表面声波。
4.权利要求1中的传感器，其中一生物敏感层置于所属压电层上，该压电层适于与一种要被检测的合适的生化成分相互作用。
5.一种传感器，用于在液体或气体媒质中检测化学的或生化的部分(moieties)，该传感器包括一表面声波装置，该装置包括：
一压电石英晶体的基体；
至少一个交叉指型传感器，形成于所述石英晶体之上；
一锌氧化物的压电层，置于所属晶体和传感器之上；
一生物敏感层，至于所述锌氧化物层之上。
6.权利要求5中的传感器，其中生物敏感层是金。
CNA028102142A 2001-05-21 2002-05-20 表面声波传感器 Pending CN1528050A (zh)

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