CN202631471U - 具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器。包括直流电极、压电薄膜堆栈、声波反射层堆栈和化学敏感涂层。传感器利用设置于化学敏感涂层两侧的直流电极测量需检测物质物与化学敏感涂层吸附或反应后电阻的变化，同时在压电薄膜堆栈的射频上下电极之间施加射频电信号，激发压电薄膜的体声波谐振，测量需检测物质物与化学敏感涂层的频率变化。由于传感器同时提供电阻变化信息和频率变化信息，因此可以利用电阻变化来分辨频率变化相同的不同需检测物质，提高了薄膜体声波谐振生化传感器对复杂多组分检测物的识别能力。

Description

具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器

技术领域

本发明涉及生化传感器技术领域，具体的说，是涉及一种具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器。 

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、压电晶体传感器等。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。 

薄膜体声波谐振生化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。经过对现有的文献检索发现，美国专利US5936150公布了一种薄膜体声波谐振生化传感器。这种薄膜体声波谐振传感器由三明治结构的压电薄膜堆栈、多层薄膜构成的声波反射层堆栈以及化学敏感涂层组成，当检测物质在化学敏感涂层中吸附时，压电薄膜堆栈的附加质量增加，导致传感器谐振频率的变化。这种薄膜体声波谐振生化传感器灵敏度高，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。但是，上述薄膜体声波谐振生化传感器仅能通过频率变化提供化学敏感涂层的质量变化，无法全面反映检测物与化学敏感涂层的相互作用信息，从而限制了传感器对复杂组分检测物质的识别能力。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器。该传感器具有能够同时通过谐振频率变化和化学敏感涂层的电阻变化反应检测物质信息的优点，对复杂组分的检测物质识别性强，且利用现有微电子技术进行制造，易于实现阵列化和在半导体芯片中进行集成。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器，包括直流电极、压电薄膜堆栈和化学敏感涂层和声隔离层，其特征在于，具有第一直流电极和第二直流电极。 

所述的第一直流电极和第二直流电极设置于压电薄膜堆栈中压电薄膜的上表面，其垂直覆盖区域不与压电薄膜堆栈的射频下电极重合。 

所述的第一直流电极和第二直流电极分别设置于化学敏感涂层下方的两侧，被化学敏感涂层覆盖部分区域，其优选的覆盖区域分别为第一直流电极和第二直流电极面积的二分之一 到三分之二。 

所述的第一直流电极和第二直流电极为金、银或铝材料，其优选的厚度为0.1到0.3微米。 

本发明利用设置于化学敏感涂层的两侧的第一直流电极和第二直流电极测量需检测物质与化学敏感涂层吸附或反应后电阻的变化，同时在压电薄膜堆栈的射频上电极和射频下电极之间施加射频电信号，激发压电薄膜的体声波谐振，测量需检测物质物与化学敏感涂层吸附或反应后体声波谐振的频率变化。由于传感器对需检测物质的响应既有频率变化也有电阻的变化，因此可以利用电阻变化来分辨频率变化相同的不同需检测物质，提高传感器的识别能力。因为第一直流电极和第二直流电极的垂直覆盖区域不与压电薄膜堆栈的射频下电极重合，所以两个直流电极不会影响压电薄膜堆栈的体声波谐振模式。 

与以往的技术相比，本发明的有益效果是：由于同时提供电阻变化信息和频率变化信息，薄膜体声波谐振生化传感器对复杂多组分检测物的识别能力得以提高。 

附图说明

附图1为本发明的俯视结构示意图； 

附图2为本发明的剖面结构示意图； 

附图3为本发明实施例1的测试样品频率变化图； 

附图4为本发明实施例1的测试样品电阻变化图； 

附图5为本发明实施例2的测试样品频率变化图； 

附图6为本发明实施例2的测试样品电阻变化图。 

图面说明：1、第一直流电极；2、第二直流电极；3、压电薄膜；4、化学敏感涂层；5、射频上电极；6、射频下电极。 

具体实施方式

一种具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器，包括直流电极、压电薄膜堆栈、化学敏感涂层和声隔离层，其特征在于，具有第一直流电极1和第二直流电极2进行化学敏感涂层4电阻变化的检测，因此可以同时提供薄膜体声波谐振生化传感器对检测物质的谐振频率响应和电阻响应。 

第一直流电极1和第二直流电极2设置于压电薄膜堆栈中压电薄膜3的上表面，其垂直覆盖区域不与压电薄膜堆栈的射频下电极6重合。 

压电薄膜堆栈中压电薄膜3为氮化铝薄膜，厚度为1微米。 

上述器件可以制备于三种典型声隔离层结构之上：即固体装配型、空气隙型和横膈膜型。所有器件制备可以通过一般半导体工艺中的光刻、溅射等工艺完成。 

实施例1 

本实施例为针对有机挥发性气体样品进行检测的生化传感器，其器件结构如图1和图2所示。 

声隔离层为空气隙型结构。化学敏感涂层为对有机挥发性气体敏感的聚合物涂层。 

第一直流电极1和第二直流电极2分别设置于化学敏感涂层4下方的两侧，被化学敏感涂层4覆盖区域分别为第一直流电极1和第二直流电极面积2的二分之一。 

第一直流电极1和第二直流电极2为铝材料，其厚度为0.1微米。 

工作时，在压电薄膜堆栈的射频上电极5和射频下电极6之间施加射频电信号，测量压电薄膜堆栈谐振频率的变化。同时在第一直流电极1和第二直流电极2之间施加直流电信号，测量化学敏感涂层4电阻值的变化。 

如附图3所示，对五个气体样品来说，样品2、3、5引起的传感器谐振频率变化均为210千赫兹，仅通过谐振频率变化无法对这三个样品进行分辨。如附图4所示，对5个气体样品测试的电阻结果表明，样品2、3、5引起的电阻值变化分别为2.1欧姆、3.5欧姆和1.7欧姆。结合谐振频率变化和电阻测量结果，可以更好地对气体样品进行识别。 

实施例2 

本实施例为针对有机磷农药样品进行检测的生化传感器，，其器件结构如图1和图2所示，声隔离层为空气隙型结构。化学敏感涂层为对有机磷农药敏感的固化胆碱酯酶。 

第一直流电极1和第二直流电极2分别设置于化学敏感涂层4下方的两侧，被化学敏感涂层4覆盖区域分别为第一直流电极1和第二直流电极面积2的三分之二。 

第一直流电极1和第二直流电极2为金材料，其厚度为0.2微米。 

工作时，在压电薄膜堆栈的射频上电极5和射频下电极6之间施加射频电信号，测量压电薄膜堆栈谐振频率的变化。同时在第一直流电极1和第二直流电极2之间施加直流电信号，测量化学敏感涂层4电阻值的变化。 

如附图5所示，对四个有机磷农药样品来说，样品1、2引起的传感器谐振频率变化均为350千赫兹，仅通过谐振频率变化无法对这两个样品进行分辨。如附图6所示，对四个有机磷农药样品测试的电阻结果表明，样品1、2引起的电阻值变化分别为1.1欧姆、2.6欧姆。结合谐振频率变化和电阻测量结果，可以更好地对有机磷农药样品进行识别。 

Claims (4)

1.一种具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器，包括直流电极、压电薄膜堆栈和化学敏感涂层和声隔离层，其特征在于，具有第一直流电极(1)和第二直流电极(2)。

2.根据权利要求1所述的具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征是，所述的第一直流电极(1)和第二直流电极(2)设置于压电薄膜堆栈中压电薄膜(3)的上表面，其垂直覆盖区域不与压电薄膜堆栈的射频下电极(6)重合。

3.根据权利要求1所述的具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征是，所述的第一直流电极(1)和第二直流电极(2)分别设置于化学敏感涂层(4)下方的两侧，被化学敏感涂层(4)覆盖部分区域，其优选的覆盖区域分别为第一直流电极(1)和第二直流电极面积(2)的二分之一到三分之二。

4.根据权利要求1所述的具有直流电极的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征是，所述的第一直流电极(1)和第二直流电极(2)为金、银或铝材料，其优选的厚度为0.1到0.3微米。 

Images