[发明专利]用于液体检测的压电谐振微流道及制备方法

说明书

本发明提供了一种用于液体检测的压电谐振微流道及制备方法，其特征在于，包括用于固定电极的有源压电层，有源压电层固定于硅衬底上，电极用于驱动谐振。在有源压电层上方有结构压电层，在两压电层间有利用牺牲层工艺形成空腔，有源压电层、空腔和结构压电层组合形成了谐振微流道结构。谐振微流道结构可以释放，形成悬浮结构，也可以不释放。工作时，液体被注入微流道结构中，谐振微流道结构的谐振频率由于充满液体而发生变化，不同液体的粘性阻尼不同，对谐振频率的影响程度也不同，与在空气环境中的本征谐振频率相比较，完成检测过程。

技术领域

本发明涉及一种基于压电材料的微机电系统(MEMS)谐振微流道及其制造工艺，具体涉及了一种可在高阻尼液体环境下工作的压电谐振纳米通道及其制造工艺，可以应用于生物和化学检测等方向，属于压电传感器技术领域。

背景技术

在化学、生物等领域的分析检测中，减小所需最小检测试剂的量和对极低浓度目标分析物的检测是所有检测手段的努力方向。在过去的几十年中，基于微机电系统(MEMS)的压电谐振器取得了重大的进展，使得基于该技术的小型化器件可以适用于越来越多的大量需要可集成的传感器的领域。而在最近的十多年中，由于谐振器品质因数的提高和质量的降低，基于谐振器结构的传感器能够直接测量纳米微粒、单分子质量，实现了高分辨率的检测。随着纳米机械结构的设计优化，人们相信这样的小型化器件最终能实现单质子级别(参见文献[1]：Lee J,Shen W,Payer K,et al.Toward attogram mass measurements insolution with suspended nanochannel resonators[J].Nano letters,2010,10(7):2537-2542.)的分辨率，从而用于在化学、生物等领域中，对极低浓度目标分析物的检测。但是，当谐振器直接在液体环境中工作时，由于粘性阻力的存在，使得有效质量的增加和共振腔能量耗散的显著增加，严重的影响了器件的性能，器件的频率分辨率下降，因此在液体环境中实现有效的传导和增强流体与器件的相互作用变得更具挑战性。使用微型机械悬臂谐振器(参见文献[2]：Yue M,Stachowiak J C,Lin H,et al.Label-free proteinrecognition two-dimensional array using nanomechanical sensors[J].Nanoletters,2008,8(2):520-524.)已经被证明能部分的克服这些问题，悬臂谐振器可以实现更大的位移，以抵抗粘性阻尼对器件性能的影响。然而，这种将微流体通道集成到悬臂梁传感器内部的方法，需要较大的偏置电压(参见文献[2])，限制了一些应用的分辨率。

目前，使用基于压电材料的纳米谐振通道的发展还不够成熟，由于粘性阻力和谐振腔能量耗散的存在，谐振器的品质因子大大降低。而目前设计的悬浮谐振纳米通道的工作频率较低(100kHz)，当工作频率降低时，会限制器件的动态范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何减小被测试剂的需求量，以及如何通过结构设计解决粘性阻尼对器件性能的影响，提高传感器的检测分辨率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术构思是：将微流道和谐振器组合形成谐振腔，利用微流道可以减小被检测试剂的需求量，只需要很少的试剂即可完成检测，并通过设计和优化谐振腔的尺寸等参数，减小粘性阻尼对器件性能的影响，实现更高的频率分辨率，即检测分辨率。

基于上述技术构思，本发明的一个具体技术方案是提供了一种用于液体检测的压电谐振微流道，其特征在于，包括：

固定于硅衬底上的有源压电层，有源压电层用于固定电极，电极用于激发谐振模态，同一极性的电极根部互相连通；；

位于在有源压电层上方的结构压电层，所述有源压电层与所述结构压电层之间根据驱动模态不同为利用牺牲层工艺形成的空腔或直接连接，有源压电层、空腔和结构压电层组合形成了谐振微流道结构；

通孔一和通孔二，分别用于将上电极和下电极引出；