專利名稱：一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生化傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器。
背景技術(shù)：
生化傳感器是一類非常重要的傳感器件，被廣泛應用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、化學物質(zhì)分析以及生物基因檢測、蛋白質(zhì)分析等方面。現(xiàn)有的生化傳感器主要有電化學傳感器、光纖傳感器、表面等離子共振傳感器、半導體傳感器、石英微天平傳感器等。這些傳感器本身或其信號分析裝置的體積較大，很難進行大規(guī)模集成和陣列化，而且檢測時間較長、成本較聞。壓電薄膜諧振傳感器是一種基于吸附質(zhì)量敏感原理的傳感器，該傳感器以壓電薄膜產(chǎn)生高頻電聲諧振，以其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質(zhì)的變化作為傳感器的響應。目前該類傳感器已經(jīng)應用于多種生化檢測領(lǐng)域。這種傳感器靈敏度非常高，并且可以在硅片上采用現(xiàn)有半導體工藝進行制造，器件體積小，適合大規(guī)模集成形成傳感器陣列。該類傳感器有希望應用于生物基因檢測、蛋白質(zhì)分析等方面。為實現(xiàn)生物物質(zhì)的高通量在線實時檢測，需要在壓電薄膜諧振傳感器中設置微流道進行分析樣品的輸運。例如:
瑞典林雪平大學G.Wingqvist等人在Surface & Coatings Technology (表面和涂層技術(shù))雜志 2010 年第 205 卷 1279 頁的文章 “AlN-based sputter-deposited shear modethin film bulk acoustic resonator (FBAR) for biosensor applications - A review，，(基于濺射沉積氮化鋁的剪切波薄膜體聲波諧振器在生物傳感器中的應用綜述)中描述了一種在壓電薄膜電極下方的娃基 片中構(gòu)建微流道的方案，其微流道的截面為娃刻蝕后形成的斜面。美國亞利桑那州立大學Wenchen Xu等人在JOURNAL OF MICR0ELECTR0MECHANICAL SYSTEMS (微機電系統(tǒng)雜志)2011年第20卷第I期213頁的文章“AHigh-Quality-Factor Film Bulk Acoustic Resonator in Liquid for BiosensingApplications”(面向生化傳感應用的一種在液體中高品質(zhì)因數(shù)的薄膜體聲波諧振器)中提出了一種在壓電諧振器上方構(gòu)筑特定厚度微流道的方案，其微流道截面為方形。山東科技大學的Da Chen 等人在 Biosensors and Bioelectronics (生物傳感器和生物電子學)2013年41卷163頁中的文章“Highly sensitive detection oforganophosphorus pesticides by acetylcholinesterase-coated thin film bulkacoustic resonaton mass-loading sensor”(乙酰膽堿酯酶修飾的薄膜體聲波諧振器對有機磷農(nóng)藥的高靈敏探測)中設計了一種以完全掏空基片方式形成的微流道方案，壓電薄膜以氮化硅作為支撐層，其微流道截面為梯形。上述技術(shù)方案雖然都實現(xiàn)了壓電薄膜諧振傳感器中微流道輸運液體樣品的功能，但其微流道性質(zhì)沒有經(jīng)過特別設計，通常為方形、梯形或刻蝕后自然形成的不規(guī)則形狀。
當壓電薄膜諧振傳感器在工作時，壓電薄膜中的聲波向與其接觸的液體內(nèi)部耗散，形成能量損失，從而對諧振存在阻尼作用，導致諧振性能、傳感靈敏度和分辨率下降。因此，提高壓電薄膜諧振傳感器性能的途徑之一為通過微流道形狀設計減少聲波能量向液體的耗散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器，包括基片、聲反射層、壓電堆棧以及設置在壓電堆棧上方的微流道，其特征在于，所述的微流道的截面為半橢圓形，其橢圓水平軸中心為壓電堆棧的中心點。所述的微流道的水平軸長度為壓電堆棧的長度的3倍至5倍。所述的微流道的內(nèi)部最高點至壓電堆棧的距離為壓電堆棧中駐波諧振波長一半的整數(shù)倍，其倍數(shù)為40至100之間。所述的微流道的外側(cè)壁高度為微流道的內(nèi)部最高點至壓電堆棧的距離的5至10倍。本發(fā)明在壓電堆棧上方設置了半橢圓形的微流道，其作用在于，微流道與其內(nèi)液體樣品接觸的橢圓形界面能夠向壓電堆棧中心反射聲波，從而在一定程度上減小聲波能量的損失。與以往的技術(shù)相比·，本發(fā)明的有益效果在于能夠使壓電薄膜諧振傳感器獲得更高的諧振性能和傳感性能。


附圖1為本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)。附圖2為本發(fā)明實施例1的壓電堆棧的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3為本發(fā)明實施例1在不同粘度甘油溶液中的品質(zhì)因數(shù)。附圖4為本發(fā)明實施例2的壓電堆棧的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖5為本發(fā)明實施例2在不同粘度甘油溶液中的品質(zhì)因數(shù)。
具體實施例方式如附圖1所示的一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器，包括基片101、聲反射層102、壓電堆棧103以及設置在壓電堆棧103上方的微流道104。該傳感器中的壓電堆棧103和聲反射層102在基片101上進行制作，加工方法采用標準的半導體微加工工藝，包括濺射、光刻、等離子體和反應離子刻蝕、濕法刻蝕以及犧牲層工藝等。硅或玻璃可作為該傳感器的基片101材料，聲反射層102可以采用橫膈膜結(jié)構(gòu)、空氣隙結(jié)構(gòu)或由周期性聲阻抗不同的膜層交替構(gòu)成的布拉格結(jié)構(gòu)。該傳感器中的壓電薄膜堆棧103由壓電薄膜201和電極202組成。具體實施中，其聲波諧振方式可以是縱波模式或剪切波模式。電極202的結(jié)構(gòu)根據(jù)諧振方式可以為三明治結(jié)構(gòu)、平行結(jié)構(gòu)或插值等形式。壓電薄膜201可以采用氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛薄膜或以這些材料為基質(zhì)進行摻雜而成的復合壓電薄膜材料。該傳感器中的微流道104可以采用納米壓印工藝進行制作，其主要的工藝步驟包括:模板制作、加壓、脫模、圖形轉(zhuǎn)移等。微流道使用的材料為納米壓印中使用的熱塑性高分子材料。為實現(xiàn)聲波向壓電堆棧103中心反射的效果，微流道104為半橢圓形，其特征為:半橢圓形的水平軸中心為壓電堆棧103的中心點。微流道104的水平軸長度105為壓電堆棧103的長度106的3倍至5倍。微流道104的內(nèi)部最高點至壓電堆棧103的距離107為壓電堆棧103中駐波諧振波長一半的整數(shù)倍，其倍數(shù)為40至100之間。微流道104的外側(cè)壁高度108為微流道104的內(nèi)部最高點至壓電堆棧103的距離107的5至10倍。微流道104的構(gòu)筑材料為熱塑性高分子材料。具體實施中，根據(jù)不同應用需求下壓電薄膜材料、厚度、壓電堆棧形狀、結(jié)構(gòu)等特征，通過數(shù)值仿真和實際試驗，確定最優(yōu)的具體微流道結(jié)構(gòu)參數(shù)。實施例1
本實施例為以縱波模式工作的具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器。該器件制作在硅基片101上，在壓電堆棧103下方設置I微米厚的空氣隙作為聲反射層102。壓電堆棧103的長度106為300微米，壓電堆棧103的結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓電薄膜201為2微米厚的氮化鋁薄膜，電極202為方形三明治結(jié)構(gòu)，夾持在壓電薄膜201上下兩偵U。上電極203尺寸為100微米X 100微米，其下電極204尺寸為200微米X200微米，在壓電薄膜201中激發(fā)2.6 吉赫茲左右的縱波模式聲波諧振。微流道104的構(gòu)筑材料為聚二甲基娃氧燒。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果和比對試驗，設計優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:微流道104的水平軸長度105為I毫米，微流道104的內(nèi)部最高點至壓電堆棧103的距離107為100微米，微流道104的外側(cè)壁高度108為600微米。將微流道連通微流量蠕動泵，向微流道內(nèi)注入濃度為0%至100%的甘油溶液，以檢測器件在不同粘度液體中工作的性能。測試中液體流速為I微升/分鐘，將上電極203與下電極204接入網(wǎng)路分析儀進行諧振性能測試。為驗證本發(fā)明半橢圓形微流道的性能提升效果，在壓電堆棧103上制作方形微流道并在同樣條件下進行測試進行性能對比。如圖3所示為測試得到的半橢圓形微流道器件和方形微流道器件分別在不同粘度甘油溶液中的品質(zhì)因數(shù)。可以看到，半橢圓形微流道器件的品質(zhì)因數(shù)有明顯提高。實施例2
本實施例為以剪切波模式工作的具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器。該器件制作在硅基片101上，在壓電堆棧103下方設置I微米厚的空氣隙作為聲反射層102。壓電堆棧103的長度106為300微米，壓電堆棧103的結(jié)構(gòu)如圖4所示。壓電薄膜201為I微米厚的氮化鋁薄膜，電極202為長條形平行結(jié)構(gòu)，第一電極301和第二電極302都設置在壓電薄膜201的上表面?zhèn)?。第一電極301尺寸為150微米X300微米，第二電極302尺寸為100微米X300微米，兩電極間距離為10微米。在壓電薄膜201中激發(fā)3.0吉赫茲左右的剪切波聲波諧振。微流道104的構(gòu)筑材料為聚二甲基硅氧烷。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果和比對試驗，設計優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:微流道104的水平軸長度105為I毫米，微流道104的內(nèi)部最高點至壓電堆棧103的距離107為50微米，微流道104的外側(cè)壁高度108為300微米。將微流道連通微流量蠕動泵，向微流道內(nèi)注入濃度為0%至100%的甘油溶液，以檢測器件在不同粘度液體中工作的性能。測試中液體流速為I微升/分鐘，將第一電極301和第二電極302接入網(wǎng)路分析儀進行諧振性能測試。為驗證本發(fā)明半橢圓形微流道的性能提升效果，在壓電堆棧103上制作方形微流道并在同樣條件下進行測試進行性能對比。如圖5所示為測試得到的半橢圓形 微流道器件和方形微流道器件分別在不同粘度甘油溶液中的品質(zhì)因數(shù)?？梢钥吹?，半橢圓形微流道器件的品質(zhì)因數(shù)有明顯提高。
權(quán)利要求
1.一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器，包括基片(101)、聲反射層(102)、壓電堆棧(103)以及設置在壓電堆棧(103)上方的微流道(104)，其特征在于，所述的微流道(104)的截面為半橢圓形，其橢圓水平軸中心為壓電堆棧(103)的中心點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器，其特征在于，所述的微流道(104)的水平軸長度(105)為壓電堆棧(103)的長度(106)的3倍至5倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器，其特征在于，所述的微流道(104)的內(nèi)部最高點至壓電堆棧(103)的距離(107)為壓電堆棧(103)中駐波諧振波長一半的整數(shù)倍，其倍數(shù)為40至100之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器，其特征在于，所述的微流道(104)的外側(cè)壁高度(108)為微流道(104)的內(nèi)部最高點至壓電堆棧(103)的距 離(107)的5至10倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有半橢圓形微流道的壓電薄膜諧振傳感器，包括基片、聲反射層、壓電堆棧以及設置在壓電堆棧上方的微流道。微流道利用熱塑性高分子材料制成，其截面為半橢圓形，其水平軸中心為壓電堆棧的中心點，水平軸長度為壓電堆棧的長度的3倍至5倍。微流道的內(nèi)部最高點至壓電堆棧的距離為壓電堆棧中駐波諧振波長一半的整數(shù)倍，其倍數(shù)為40至100之間，微流道的外側(cè)壁高度為微流道的內(nèi)部最高點至壓電堆棧的距離的5至10倍。微流道與其內(nèi)液體樣品橢圓界面能夠向壓電堆棧中心反射聲波，從而在一定程度上減小聲波能量的損失，提高傳感器的諧振性能和傳感性能。
文檔編號G01D3/036GK103234562SQ201310138659
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者陳達, 王璟璟, 孫學軍, 金熒熒, 干耀國 申請人:山東科技大學