專利名稱：具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器的制作方法
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(shuō)，是涉及一種具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器。
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(yīng)用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)物質(zhì)分析以及生物基因檢測(cè)、蛋白質(zhì)分析等方面?，F(xiàn)有的生化傳感器主要有電化學(xué)傳感器、光纖傳感器、表面等離子共振傳感器、半導(dǎo)體傳感器、壓電晶體傳感器等。這些傳感器本身或其信號(hào)分析裝置的體積較大，很難進(jìn)行大規(guī)模集成和陣列化，而且檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、成本較 聞。薄膜體聲波諧振生化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(cè)物質(zhì)的變化作為傳感器的響應(yīng)。目前該類傳感器已經(jīng)應(yīng)用于多種生化檢測(cè)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利US5936150公布了一種薄膜體聲波諧振生化傳感器。這種薄膜體聲波諧振傳感器由三明治結(jié)構(gòu)的壓電薄膜堆棧、多層薄膜構(gòu)成的聲波反射層堆棧以及化學(xué)敏感涂層組成，當(dāng)檢測(cè)物質(zhì)在化學(xué)敏感涂層中吸附時(shí)，壓電薄膜堆棧的附加質(zhì)量增加，導(dǎo)致傳感器諧振頻率的變化。這種薄膜體聲波諧振生化傳感器靈敏度高，并且可以在硅片上采用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝進(jìn)行制造，器件體積小，適合大規(guī)模集成形成傳感器陣列。但是，上述薄膜體聲波諧振生化傳感器僅能通過(guò)頻率變化提供化學(xué)敏感涂層的質(zhì)量變化，無(wú)法全面反映檢測(cè)物與化學(xué)敏感涂層的相互作用信息，從而限制了傳感器對(duì)復(fù)雜組分檢測(cè)物質(zhì)的識(shí)別能力。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出了一種具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器。該傳感器具有能夠同時(shí)通過(guò)諧振頻率變化和化學(xué)敏感涂層的電阻變化反應(yīng)檢測(cè)物質(zhì)信息的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜組分的檢測(cè)物質(zhì)識(shí)別性強(qiáng)，且利用現(xiàn)有微電子技術(shù)進(jìn)行制造，易于實(shí)現(xiàn)陣列化和在半導(dǎo)體芯片中進(jìn)行集成。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括直流電極、壓電薄膜堆棧和化學(xué)敏感涂層和聲隔離層，其特征在于，具有第一直流電極和第二直流電極。所述的第一直流電極和第二直流電極設(shè)置于壓電薄膜堆棧中壓電薄膜的上表面，其垂直覆蓋區(qū)域不與壓電薄膜堆棧的射頻下電極重合。所述的第一直流電極和第二直流電極分別設(shè)置于化學(xué)敏感涂層下方的兩側(cè)，被化學(xué)敏感涂層覆蓋部分區(qū)域，其優(yōu)選的覆蓋區(qū)域分別為第一直流電極和第二直流電極面積的二分之一到三分之二。所述的第一直流電極和第二直流電極為金、銀或鋁材料，其優(yōu)選的厚度為O. I到O. 3微米。[0010]本發(fā)明利用設(shè)置于化學(xué)敏感涂層的兩側(cè)的第一直流電極和第二直流電極測(cè)量需檢測(cè)物質(zhì)與化學(xué)敏感涂層吸附或反應(yīng)后電阻的變化，同時(shí)在壓電薄膜堆棧的射頻上電極和射頻下電極之間施加射頻電信號(hào)，激發(fā)壓電薄膜的體聲波諧振，測(cè)量需檢測(cè)物質(zhì)物與化學(xué)敏感涂層吸附或反應(yīng)后體聲波諧振的頻率變化。由于傳感器對(duì)需檢測(cè)物質(zhì)的響應(yīng)既有頻率變化也有電阻的變化，因此可以利用電阻變化來(lái)分辨頻率變化相同的不同需檢測(cè)物質(zhì)，提高傳感器的識(shí)別能力。因?yàn)榈谝恢绷麟姌O和第二直流電極的垂直覆蓋區(qū)域不與壓電薄膜堆棧的射頻下電極重合，所以兩個(gè)直流電極不會(huì)影響壓電薄膜堆棧的體聲波諧振模式。與以往的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是由于同時(shí)提供電阻變化信息和頻率變化信息，薄膜體聲波諧振生化傳感器對(duì)復(fù)雜多組分檢測(cè)物的識(shí)別能力得以提高。

附圖I為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖2為本發(fā)明的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例I的測(cè)試樣品頻率變化圖；附圖4為本發(fā)明實(shí)施例I的測(cè)試樣品電阻變化圖；附圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的測(cè)試樣品頻率變化圖；附圖6為本發(fā)明實(shí)施例2的測(cè)試樣品電阻變化圖。圖面說(shuō)明1、第一直流電極；2、第二直流電極；3、壓電薄膜；4、化學(xué)敏感涂層；5、射頻上電極；6、射頻下電極。
具體實(shí)施方式
一種具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括直流電極、壓電薄膜堆棧、化學(xué)敏感涂層和聲隔離層，其特征在于，具有第一直流電極I和第二直流電極2進(jìn)行化學(xué)敏感涂層4電阻變化的檢測(cè)，因此可以同時(shí)提供薄膜體聲波諧振生化傳感器對(duì)檢測(cè)物質(zhì)的諧振頻率響應(yīng)和電阻響應(yīng)。第一直流電極I和第二直流電極2設(shè)置于壓電薄膜堆棧中壓電薄膜3的上表面，其垂直覆蓋區(qū)域不與壓電薄膜堆棧的射頻下電極6重合。壓電薄膜堆棧中壓電薄膜3為氮化鋁薄膜，厚度為I微米。上述器件可以制備于三種典型聲隔離層結(jié)構(gòu)之上即固體裝配型、空氣隙型和橫膈膜型。所有器件制備可以通過(guò)一般半導(dǎo)體工藝中的光刻、濺射等工藝完成。實(shí)施例I本實(shí)施例為針對(duì)有機(jī)揮發(fā)性氣體樣品進(jìn)行檢測(cè)的生化傳感器，其器件結(jié)構(gòu)如圖I和圖2所示。聲隔離層為空氣隙型結(jié)構(gòu)。化學(xué)敏感涂層為對(duì)有機(jī)揮發(fā)性氣體敏感的聚合物涂層。第一直流電極I和第二直流電極2分別設(shè)置于化學(xué)敏感涂層4下方的兩側(cè)，被化學(xué)敏感涂層4覆蓋區(qū)域分別為第一直流電極I和第二直流電極面積2的二分之一。第一直流電極I和第二直流電極2為鋁材料，其厚度為O. I微米。工作時(shí)，在壓電薄膜堆棧的射頻上電極5和射頻下電極6之間施加射頻電信號(hào)，測(cè)量壓電薄膜堆棧諧振頻率的變化。同時(shí)在第一直流電極I和第二直流電極2之間施加直流電信號(hào)，測(cè)量化學(xué)敏感涂層4電阻值的變化。如附圖3所示，對(duì)五個(gè)氣體樣品來(lái)說(shuō)，樣品2、3、5引起的傳感器諧振頻率變化均為210千赫茲，僅通過(guò)諧振頻率變化無(wú)法對(duì)這三個(gè)樣品進(jìn)行分辨。如附圖4所示，對(duì)5個(gè)氣體樣品測(cè)試的電阻結(jié)果表明，樣品2、3、5引起的電阻值變化分別為2. I歐姆、3. 5歐姆和I. 7歐姆。結(jié)合諧振頻率變化和電阻測(cè)量結(jié)果，可以更好地對(duì)氣體樣品進(jìn)行識(shí)別。實(shí)施例2本實(shí)施例為針對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥樣品進(jìn)行檢測(cè)的生化傳感器，，其器件結(jié)構(gòu)如圖I和圖2所示，聲隔離層為空氣隙型結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)敏感涂層為對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥敏感的固化膽堿酯酶。第一直流電極I和第二直流電極2分別設(shè)置于化學(xué)敏感涂層4下方的兩側(cè)，被化 學(xué)敏感涂層4覆蓋區(qū)域分別為第一直流電極I和第二直流電極面積2的三分之二。第一直流電極I和第二直流電極2為金材料，其厚度為O. 2微米。工作時(shí)，在壓電薄膜堆棧的射頻上電極5和射頻下電極6之間施加射頻電信號(hào)，測(cè)量壓電薄膜堆棧諧振頻率的變化。同時(shí)在第一直流電極I和第二直流電極2之間施加直流電信號(hào)，測(cè)量化學(xué)敏感涂層4電阻值的變化。如附圖5所示，對(duì)四個(gè)有機(jī)磷農(nóng)藥樣品來(lái)說(shuō)，樣品1、2引起的傳感器諧振頻率變化均為350千赫茲，僅通過(guò)諧振頻率變化無(wú)法對(duì)這兩個(gè)樣品進(jìn)行分辨。如附圖6所示，對(duì)四個(gè)有機(jī)磷農(nóng)藥樣品測(cè)試的電阻結(jié)果表明，樣品1、2引起的電阻值變化分別為I. I歐姆、2. 6歐姆。結(jié)合諧振頻率變化和電阻測(cè)量結(jié)果，可以更好地對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥樣品進(jìn)行識(shí)別。
權(quán)利要求1.一種具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括直流電極、壓電薄膜堆棧和化學(xué)敏感涂層和聲隔離層，其特征在于，具有第一直流電極(I)和第二直流電極(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特征是，所述的第一直流電極(I)和第二直流電極(2)設(shè)置于壓電薄膜堆棧中壓電薄膜(3)的上表面，其垂直覆蓋區(qū)域不與壓電薄膜堆棧的射頻下電極(6)重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特征是，所述的第一直流電極(I)和第二直流電極(2)分別設(shè)置于化學(xué)敏感涂層(4)下方的兩側(cè)，被化學(xué)敏感涂層(4)覆蓋部分區(qū)域，其優(yōu)選的覆蓋區(qū)域分別為第一直流電極(I)和第二直流電極面積(2)的二分之一到三分之二。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特征是，所述的第一直流電極(I)和第二直流電極(2)為金、銀或鋁材料，其優(yōu)選的厚度為O. I到O. 3微米。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有直流電極的薄膜體聲波諧振生化傳感器。包括直流電極、壓電薄膜堆棧、聲波反射層堆棧和化學(xué)敏感涂層。傳感器利用設(shè)置于化學(xué)敏感涂層兩側(cè)的直流電極測(cè)量需檢測(cè)物質(zhì)物與化學(xué)敏感涂層吸附或反應(yīng)后電阻的變化，同時(shí)在壓電薄膜堆棧的射頻上下電極之間施加射頻電信號(hào)，激發(fā)壓電薄膜的體聲波諧振，測(cè)量需檢測(cè)物質(zhì)物與化學(xué)敏感涂層的頻率變化。由于傳感器同時(shí)提供電阻變化信息和頻率變化信息，因此可以利用電阻變化來(lái)分辨頻率變化相同的不同需檢測(cè)物質(zhì)，提高了薄膜體聲波諧振生化傳感器對(duì)復(fù)雜多組分檢測(cè)物的識(shí)別能力。
文檔編號(hào)G01N27/327GK202631471SQ20122010142
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者王璟璟, 陳達(dá), 張魯殷, 李照鑫, 劉啟鑫 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)