[发明专利]表面声波谐振传感器

说明书

一种用于测量样品的表面声波谐振传感器，包括单端口表面声波(SAW)谐振器，该单端口SAW谐振器包括叉指式换能器(8)和至少一个反射光栅(9)。传感器设置有用于接收样品(20)的区域，所述区域与至少一个反射光栅(9)连通，并且IDT(8)与用于接收样品(20)的所述区域在声学和电气上分开，以使得IDT(8)对样品不质量敏感。该传感器尤其适合于生物感测应用。

发明领域

本公开涉及适合于化学、生物或物理传感器应用的表面声波传感器。具体地，本公开涉及一种包括单端口表面声波(SAW)谐振器的表面声波谐振传感器。

发明背景

化学、生物和物理感测涉及对给定化学或生物化学分析物、生物实体或物理刺激的可检测存在、浓度或数量的确定。化学或生物化学分析物包括但不限于有机和无机分子。生物实体包括但不限于微生物、生物细胞、亚细胞结构和生物组织。物理刺激包括但不限于质量变化、压力变化、弹性变化、粘度变化、密度变化或电属性变化。

最常见的谐振声波生物传感器是石英晶体微量天平(QCM)，其提供约10MHz或更低范围内的单端口频率测量。石英晶体微量天平(QCM)在薄石英板中采用厚度剪切体声波(thickness shear bulk acoustic wave)。感测事件发生在板的电接地表面上，而相对的板表面及其信号电极与液体完全隔离。在工作频率高达GHz频率范围的集成传感器阵列的上下文中的其他先前开发的示例中，QCM的高频替代方案被提出，其采用具有倾斜c轴取向的ZnO和AlN薄膜(I.Katardjiev和V.Yantchev所著的“Recent developments in thinfilm electro-acoustic technology for biosensor applications(针对生物传感器应用的薄膜电声技术的最新发展)”，《Vacuum(真空)》，第86卷，第5期，第520-531页，2012年]。尽管展现出有前景的特征，但是由于与具有适当厚度、功能均匀性和低残余应力的c轴倾斜压电膜的合成相关的技术复杂性，该技术的使用受到限制。

表面发射的声波设备可被用来借助于由待测量的分析物、生物实体或物理刺激在设备的电气和机械属性中引起的扰动来检测和量化众多测量值。

剪切表面声波(SH-SAW)生物传感器的经典实现是延迟线配置，如在US6378370 B1(传感器研发公司(Sensor Res and dev Corp)，2002年04月30日)和US7716986 B2(工业技术研究院，2010年5月18日)中所找到的。延迟线生物传感器包括压电基板。第一输入SAW换能器激励诸SAW。沿着SAW传播轴与输入SAW换能器相距经定义的距离放置的第二SAW换能器接收所发射的SAW，并且将声信号转换回电信号。这两个SAW换能器都通过保护帽/保护层而免受液体的高介电常数和电导率的影响。传感器响应可要么被表示为SAW延迟时间中的偏移、传输损耗中的偏移，要么可以被表示为激励SAW换能器和接收SAW换能器之间的相移，或者被表示为上述的组合。

SH-SAW延迟线生物传感器的特点在于，沿这两个SAW换能器之间的延迟路径的液体基质中显著的SH-SAW衰减所导致的大的插入损耗(即，传输中的强信号损耗)。延迟路径越长，则衰减越强。损耗的另一来源是经典SAW叉指式换能器(IDT)的双向性。

为尝试简化传感器测量，提出了具有两端口谐振拓扑结构的液相传感器(S.Hohmann等人所著的“Surface Acoustic Wave(SAW)Resonators for MonitoringConditioning Film Formation(用于监视修整膜形成的表面声波(SAW)谐振器)”《传感器(Sensors)》，第15卷，第11873-11888，2015年)。在该实现中，在相对于延迟腔的外侧处由反射式周期性光栅补充的两个IDT被彼此紧邻地放置，以供低损耗传输。该办法允许在浸入液体中时测量透射中的谐振频率，但是仍然遭受显著的透射损耗。此外，所提出的拓扑结构被完全地浸没在液体中，因而使得换能器容易受到导电液体的短路效应的影响。