專利名稱：金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物傳感器技術領域，特別涉及到適于液體和氣體檢測的ー種具有金納米多孔敏感膜的體聲波生物傳感器。
背景技術：
體聲波生物傳感器主要利用涂覆有敏感膜的體聲波諧振器與待測對象接觸后引起的諧振頻率、相位或振幅的變化來確定待測物濃度、粘度、質(zhì)量等信息，目前已應用于化學、化工、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等領域。與其他類型的傳感器相比，體聲波生物傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、選擇性好、抗干擾能力強等優(yōu)良特性，易于實現(xiàn)微型化和集成化。針對各種敏感材料的研究很多，其中Sn02，WO3以及有機化學敏感膜是應用最廣泛的敏感材料。文獻傳感器與微系統(tǒng)，2010年第9期，第29卷(Research on gas-sensing propertiesof mesostructured TiO2-SnO2 composite thin films)米用 TiO2-SnO2 介孔金屬氧化物薄膜為敏感材料，用于こ醇的檢測研究，文獻材料科學與エ藝，2010年第5期，第18卷(NewSnO2 /WO3 double layer thin film for NO2 sensor)利用 SnO2 /WO3 雙層薄膜為敏感層，用于氣體NO2以及干擾氣體CO、CH4, H2的檢測研究。這類半導體型敏感材料盡管檢測能力很穩(wěn)定，但由于這類敏感膜在應用時需外加電壓、加熱，且受電磁波的干擾比較復雜，從而其應用范圍受到很大限制。文獻傳感器與微系統(tǒng)，2011年第9期，第30卷(SAW NO2 sensorwith polyaniline—multiwali carbon nanotuoe nanocompositesノ將衆(zhòng)苯月安一多壁碳納米管聚合物沉積于聲表面波傳感器的敏感區(qū)，實現(xiàn)了對不同體積分數(shù)NO2的檢測。然而實際應用過程中發(fā)現(xiàn)這類以有機多分子材料為敏感膜的傳感器器件受溫度、濕度、氧化性、靜電等諸多因素的影響，穩(wěn)定性不好從而限制了現(xiàn)有體聲波生物傳感器的應用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器的制備方法，該傳感器利用現(xiàn)有微電子制造技術實現(xiàn)，具有工作頻率高、靈敏度大、穩(wěn)定性好、不需加熱等優(yōu)點，且易于實現(xiàn)陣列化，適于大批量生產(chǎn)。本發(fā)明的技術方案如下
ー種具有金納米多孔敏感膜的體聲波生物傳感器，包括體聲波諧振器與敏感膜層，其特征在于，傳感器從下至上包括基底、設置在基底上的聲反射層、下電極層、壓電薄膜層、上電極層和金納米多孔敏感膜層。敏感膜層與上電極層的面積與形狀相同，敏感膜暴露在環(huán)境中吸附待測物。所述的聲反射層，為Mo-SiO2, Mo-W或Mo-Ti交替生長的復合薄膜，其生長對數(shù)為3對至5對。所述的下電極層，為金屬鉬或鑰，其優(yōu)選厚度為100納米至400納米。所述的上電極層，為金屬鉬或金，其優(yōu)選厚度為100納米至400納米。所述的壓電薄膜層，為氧化鋅、氮化鋁或鋯鈦酸鉛薄膜，薄膜是沿c軸擇優(yōu)取向或、C軸傾斜取向的壓電薄膜，其優(yōu)選厚度為I微米至3微米。所述的金納米多孔敏感膜，優(yōu)選厚度為50納米至200納米。本發(fā)明采用三維連通金納米多孔薄膜為敏感材料，當敏感膜吸收環(huán)境中的待測物時，金納米多孔薄膜的比表面積比常規(guī)的金薄膜大得多，使體聲波傳感器頻率發(fā)生顯著變化，通過檢測這ー頻率變化，可實現(xiàn)更高靈敏度測試。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)エ藝簡單，可在常溫常壓下進行，不需還原劑或有機溶齊U，且敏感膜厚度、形貌可控；(2)金納米多孔敏感膜具有良好的生物相容性、獨特的電學特性、高催化活性、高比表面積等特點，可適用于生物、醫(yī)藥、化工領域，應用范圍廣；(3)本發(fā)明所涉及的制造エ藝和材料與現(xiàn)有集成電路制造エ藝兼容，無需高精度光刻，因此還具 有成本低、易于集成的優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明具有金納米多孔敏感膜的體聲波生物傳感器示意 圖2代表性的示出金納米多孔敏感膜的掃描電鏡圖像；
圖3是本發(fā)明具體實施例I在空氣及氫氣環(huán)境中的反射系數(shù)S11測試曲線；
圖4是本發(fā)明具體實施例2在空氣及こ醇環(huán)境中的反射系數(shù)S11測試曲線；
其中I—基底，2——聲反射層，3——下電極層，4——壓電薄膜層，5——上電極層，6——金納米多孔敏感膜層。
具體實施例方式從圖中看出，本發(fā)明金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，包括體聲波諧振器與敏感膜層，其特征在于，傳感器從下至上包括基底I、設置在基底上的聲反射層2、下電極層3、壓電薄膜層4、上電極層5和金納米多孔敏感膜層6。敏感膜層與上電極層的面積與形狀相同，敏感膜暴露在環(huán)境中吸附待測物。所述的金納米多孔敏感膜的制造過程為在要生長敏感膜的體聲波諧振器上蒸鍍ー層可與貴金屬Au形成固溶體的合金(Au-Ag、Au-Ni、Au-Cu等),再采用3),厚度為100納米。4、以高純Al為靶材、Ar電化學刻蝕方法選擇性的去除合金中的賤組元(Ag、Ni、Cu)，形成具有三維連通形貌的金納米多孔敏感膜，可吸附待測物。實施例I
I、本實施例中，選取P型(100)取向硅片為基底(I)。2、沉積Mo-SiO2共3對復合薄膜為聲反射層(2) ,Mo薄膜厚度為600納米，SiO2層厚度為500納米。上述兩種材料分別采用直流濺射和射頻反應濺射方法制作。3、以直流濺射方法沉積下電極層鑰(3)，厚度為100納米。4、采用磁控濺射方法，以高純Al為靶材、Ar與N2為反應氣體沉積c軸擇優(yōu)取向的氮化鋁壓電薄膜層(4)，厚度為2微米。6、以直流濺射方法沉積上電極層金(5)，厚度為100納米。光刻、刻蝕上電極層，構(gòu)成傳感器諧振區(qū)。7、以直流濺射方法沉積金-銀合金，光刻、刻蝕出與上電極相同形狀、相同面積的敏感區(qū)，采用電化學方法選擇性去除合金中的銀，形成三維連通的金納米多孔敏感膜(6)暴露在環(huán)境中吸附待測物，厚度為50納米。工作時，上電極層(5)和下電極層(3)之間施加射頻交變信號，在氮化鋁壓電薄膜(4)中形成體聲波諧振。如附圖3所示，空氣環(huán)境中，器件諧振頻率為1130兆赫茲。當處于氫氣環(huán)境中時，金納米多孔薄膜吸收環(huán)境中的氫氣分子，令敏感區(qū)密度發(fā)生改變，導致器件諧振頻率發(fā)生變化。附圖3示出了敏感膜吸附氫氣后器件的反射特性，頻率變化了 60兆赫茲。通過外接檢測電路，可以測試出器件諧振頻率變化，獲得環(huán)境中氫氣的濃度值。實施例2
I、本實施例中，選取P型(100)取向硅片為基底(I)。
2、沉積Mo-Ti共3對復合薄膜為聲反射層(2)，Mo薄膜厚度為600納米，Ti層厚度為600納米。上述兩種材料均采用直流濺射方法制作。3、以直流濺射方法沉積下電極層鉬(與N2為反應氣體沉積傾斜c軸取向的氮化鋁壓電薄膜層(4)，厚度為I. 5微米。6、以直流濺射方法沉積上電極層金(5)，厚度為100納米。光刻、刻蝕上電極層，構(gòu)成傳感器諧振區(qū)。7、以直流濺射方法沉積金-銀合金，光刻、刻蝕出與上電極相同形狀、面積的敏感區(qū)，采用電化學方法選擇性去除合金中的銀，形成三維連通的金納米多孔敏感膜層(6)暴露在環(huán)境中吸附待測物，厚度為50納米。工作時，上電極層(5)和下電極層(3)之間施加射頻交變信號，在氮化鋁壓電薄膜
(4)中形成體聲波諧振。如附圖4所示，空氣環(huán)境中，器件諧振頻率為2170兆赫茲。當處于こ醇環(huán)境中時，金納米多孔薄膜吸收環(huán)境中的こ醇分子，令敏感區(qū)密度發(fā)生改變，導致器件諧振頻率發(fā)生變化。附圖4示出了敏感膜吸附こ醇后器件的反射特性，頻率變化了 80兆赫茲。通過外接檢測電路，可以測試出器件諧振頻率變化，獲得環(huán)境中こ醇的濃度值。
權利要求
1.金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，包括體聲波諧振器與敏感膜層，其特征在于，傳感器從下至上包括基底、設置在基底上的聲反射層、下電極層、壓電薄膜層、上電極層和暴露在環(huán)境中吸附待測物的金納米多孔敏感膜層，敏感膜層與上電極層的面積與形狀相同。
2.根據(jù)權利要求I所述的金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，其特征在于所述的聲反射層，為Mo-SiO2、Mo-W或Mo-Ti交替生長的復合薄膜，其生長對數(shù)為3對至5對。
3.根據(jù)權利要求I所述的金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，其特征在于所述的下電極層，為金屬鉬或鑰，其優(yōu)選厚度為100納米至400納米。
4.根據(jù)權利要求I所述的金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，其特征在于所述的上電極層，為金屬鉬或金，其優(yōu)選厚度為100納米至400納米。
5.根據(jù)權利要求I所述的金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，其特征在于所述的壓電薄膜層，為氧化鋅、氮化鋁或鋯鈦酸鉛薄膜，薄膜是沿c軸擇優(yōu)取向或c軸傾斜取向的壓電薄膜，其優(yōu)選厚度為I微米至3微米。
6.根據(jù)權利要求I所述的金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，其特征在于所述的金納米多孔敏感膜層，優(yōu)選厚度為50納米至200納米。
7.根據(jù)權利要I或6所述的金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，其特征在于所述的金納米多孔敏感膜層由含金的合金制得，該合金為可與貴金屬Au形成固溶體的Au-Ag、Au-Ni、Au-Cu 等合金。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種金納米多孔敏感膜體聲波生物傳感器，它包括基底、下電極層、壓電薄膜、上電極層以及具有與上電極相同形狀與面積的暴露在環(huán)境中吸附待測物的金納米多孔敏感膜層。以金納米多孔膜為敏感材料，可顯著提高體聲波生物傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性；且該傳感器工作與常溫環(huán)境，無需高精度光刻工藝，涉及的材料與制造工藝與現(xiàn)有集成電路制造技術兼容，易于實現(xiàn)陣列化和小型化?？蓱糜卺t(yī)療、衛(wèi)生、食品等領域。
文檔編號G01N29/036GK102650616SQ20121003105
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月13日 優(yōu)先權日2012年2月13日
發(fā)明者熊娟, 秦杰, 胡明哲, 鐘偉明, 顧豪爽 申請人:湖北大學