[实用新型]一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器

说明书

技术领域

本发明涉及生化传感器技术领域，具体的说，是涉及一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器。

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、石英微天平传感器等。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。

压电薄膜谐振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。这种传感器灵敏度非常高，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。该类传感器有希望应用于生物基因检测、蛋白质分析等方面。

为实现生物物质的高通量在线实时检测，需要在压电薄膜谐振传感器中设置微流道进行分析样品的输运。例如：

瑞典林雪平大学G. Wingqvist等人在Surface & Coatings Technology（表面和涂层技术）杂志2010年第205卷1279页的文章“AlN-based sputter-deposited shear mode thin film bulk acoustic resonator (FBAR) for biosensor applications - A review”（基于溅射沉积氮化铝的剪切波薄膜体声波谐振器在生物传感器中的应用综述）中描述了一种在压电薄膜电极下方的硅基片中构建微流道的方案，其微流道的截面为硅刻蚀后形成的斜面。

美国亚利桑那州立大学Wenchen Xu等人在JOURNAL OF MICROELECTRO MECHANICAL SYSTEMS（微机电系统杂志）2011年第20卷第1期213页的文章“A High-Quality-Factor Film Bulk Acoustic Resonator in Liquid for Biosensing Applications”（面向生化传感应用的一种在液体中高品质因数的薄膜体声波谐振器）中提出了一种在压电谐振器上方构筑特定厚度微流道的方案，其微流道截面为方形。

山东科技大学的Da Chen等人在Biosensors and Bioelectronics（生物传感器和生物电子学）2013年41卷163页中的文章“Highly sensitive detection of organophosphorus pesticides by acetylcholinesterase-coated thin film bulk acoustic resonaton mass-loading sensor”（乙酰胆碱酯酶修饰的薄膜体声波谐振器对有机磷农药的高灵敏探测）中设计了一种以完全掏空基片方式形成的微流道方案，压电薄膜以氮化硅作为支撑层，其微流道截面为梯形。

上述技术方案虽然都实现了压电薄膜谐振传感器中微流道输运液体样品的功能，但其微流道性质没有经过特别设计，通常为方形、梯形或刻蚀后自然形成的不规则形状。

当压电薄膜谐振传感器在工作时，压电薄膜中的声波向与其接触的液体内部耗散，形成能量损失，从而对谐振存在阻尼作用，导致谐振性能、传感灵敏度和分辨率下降。因此，提高压电薄膜谐振传感器性能的途径之一为通过微流道形状设计减少声波能量向液体的耗散。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有半椭圆形微流道的压电薄膜谐振传感器，包括基片、声反射层、压电堆栈以及设置在压电堆栈上方的微流道，其特征在于，所述的微流道的截面为半椭圆形，其椭圆水平轴中心为压电堆栈的中心点。

所述的微流道的水平轴长度为压电堆栈的长度的3倍至5倍。

所述的微流道的内部最高点至压电堆栈的距离为压电堆栈中驻波谐振波长一半的整数倍，其倍数为40至100之间。

所述的微流道的外侧壁高度为微流道的内部最高点至压电堆栈的距离的5至10倍。

本发明在压电堆栈上方设置了半椭圆形的微流道，其作用在于，微流道与其内液体样品接触的椭圆形界面能够向压电堆栈中心反射声波，从而在一定程度上减小声波能量的损失。