（微电子学与固体电子学专业论文）基于微波微机械技术的生物传感器结构研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文应用了重垂亘鎏( s a w ) ，墨赞的厘量l 鲤奎l 虞原理，设计了一种新型的 生物传感器结构。胲器件在z n o s i 0 2 s i 压电基片上构造了s a w 振荡器结构：同 时，用硅微机械加工技术在声路中构造了一个u 型槽，用于容纳一定量的待测混 合液；u 型槽的底部淀积有一层具有化学选择性功能的触媒薄膜，它将吸收混合 液中的某些特定物质，引起s a w 传播速度的改变，使器件频谱特性发生变化，并 通过这一变化反映出待测物质在混合液中的含量。该器件可用来实时地分析和测 量微量液体的组份情况，也是一种有竞争性的生物传感器和可实时检测与可地址 化的生物芯片单元结构。 实际研究中，完成了z n o s j q s i 压电基片上带有u 型槽的生物传感器的工 艺预研工作，并研制成一批样管。 同时，用所设计的s a w 延迟线版图，在l i n b o 。晶体上研制了两种s a w 生物 传感器结构，一种是声路中无质量沉积区的生物传感器，一种是利用光刻胶在声 路中构造了个方形沉积区的生物传感器。然后，对这两种结构进行了大量的测 试工作。测试结果表明，本课题设计的器件性能达到了国内外文献报道的较高水 平；同时，还验证了器件结构上的先进性。 本论文共分七章，各章吩主要内容如下： l 第一章中厂首先综述了生物传感器技术；然后介绍了s a w 技术在传感器技术 中的应用及其特点；最后讨论了本课题的研究意义。 f 第二章中 歹讨论了s a w 表面波技术、微细加工技术、薄膜生长技术以及它 们在本课题中的应用。 + 第三章中，) ，夼绍了本器件结构与传感原理：并结合国内外的文献报道，通过 分析对比，讨论本器件在结构和性能方面的优越性；最后，说明了器件的实现过 程与本论文的研究任务。 第四章中，i 介绍了本器件的关键部分声表面波振荡器结构的设计过程。 第五章中介绍了器件的版图制作与z n o s j o ：s j 基片上带有u 型槽的s a w 生物传感器的工艺过程。 第六章中、刊论了在l j n b o 川锗体上研制的两种s a w 生物传感器的9 1 4 试结果。 第七章中 对本论文进行了总结，并列课题的进一步研究作了一些设想。 j d 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t an o v e ls t r u c t u r eo fb i o s e n s o ru s i n gt h em a s s l o a d i n ge f f e c to fs u r f a c ea c o u s t i c w a v e ( s a w ) d e v i c e si sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s as a w o s c i l l a t o ri sf o r m e do nt h e z n o s i 0 2 s ip i e z o e l e c t r i cs u b s t r a t e ，w i t hau g r o o v ec o n s t r u c t e dt h r o u 【g h s i l i c o n m i c r o m e c h a n i c a lf a b r i c a t i o nt e c h n i q u ei nt h es a w p r o p a g a t i o nt r a c k t h eu g r o o v e j sl t s e dt oc o n t a i nc e r t a i na m o u n to f l i q u i dm i x t u r e t h e nac h e m i c a ls e l e c t i v ef i l mj s d e p o s i t e d a ft h eb o t t o mo ft h eu g r o o v e j 盈ef i l mc a na b s o r bc e r t a i nc o m p o n e n ti n m i x t u r e a n dc a u s et h es a w p r o p a g a t i o nv e l o c i t yt oc h a n g e s u c h ac h a n g ec a u s e st h e o s c i l l a t i n g 丹e q u e n c yo ft h ed e v i c e t os h i f l a c c o r d i n g l y a n d t h ea m o u n to ft h e c o m p o n e n t sc a nb ef i g u r e do u tb ya n a l y z i n gt h es h i f t e df r e q u e n c yr e s p o n s e t h i s d e v i c ew i l lb ec o m p e t i t i v ei nr e a l t i m e l i q u i dc o m p o n e n t sa n a l y z i n g ，a n d b ea n e x c e l l e n tu n i te e l lf o ra d d r e s s a b l ea n dr e a l t i m et e s t i n gb i o c h i p s i np r a c t i c e , t h er e s e a t c hw o r ko ft h ef a b r i c a t i o np r o c e s so ft h eb i 0 s e n s o ro n z n o s i 0 2 s ip i e z o e l e c t r i cs u b s t r a t ew i t hau - g r o o v ei nt h es a wp r o p a g a t i o nt r a c ki s f u l f i l l e d ，a n ds o m es p e c i m e nw e r ef a b r i c a t e d m e a n t i m e t w oo t h e rk i n d so fb i o s e n s o rw e r ef a b r i c a t e do nl i n b o ，s u b s t r a t e i nt h es a w p r o p a g a t i o n t r a c ko f o n eo f t h et w od e v i c e s ，t h e r ei sn om a s s - l o a d i n ga r e a ； a n do ft h eo t h e r , t h e r ei sas q u a r eg r o o v eu s e da st h em a s s - l o a d i n ga r e a ，f o r m e db y p h o t o r e s i s t w jd i dm u c ht e s t i n gw o r k o nt h e s et w os e n s o r s t h er e s u l ts h o w st h a tt h e f u n c t i o no f t h e s ed e v i c e sr e a c h e st h eh i g hi e v e lo f j nt h i sr e s e a t c ha r e a a n dp r o v e st h e s t r o n g p o i n t o f t h i sh o v e ls t r u c t u r e t h e r ea r es e v e n c h a p t e r si st h i st h e s i s ，a n dt h em e a np o i n t sa r e a sf o l l o w ： c h a p t e ro n e ：t h eb i o - s e n s o rt e c h n i q u ei sr e v i e w e d ；t h e nt h ea p p l i c a t i o no f t h e s a wt e c h n o l o g yf o rb i o s e n s o ri s i n t r o d u c e d ；f i n a l l y t h e b a c k g r o u n d a n d s i g n i f i c a n c eo f t h i sr e s e a r c hw o r k i sd i s c u s s e d c h a p t e r t w o ：t h es a wt e c h n o l o g y m i c r o - m e c h a n i c a l t e c h n o l o g y , f i l m t e c h n o l o g ya n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nt h i sr e s e a r c hw o r k a r ei n t r o d u c e d c h a p t e rt h r e e ：t h es t r u c t u r eo f t h ed e v i c ei ss h o w e da n dt h et e s t i n gp r i n c i p l eo f t r a n s d u c e ri sd i s c u s s e d t h e nt h ep l a no ft h er e s e a r c hw o r ki sl i s t e d a c c o m p a n i e d w i t ht h et a s ko f t h i st h e s i s c h a p t e rf o a t ：t h ed e s i g no f t h es a wo s c i l l a t o r , t h em a i np a r to ft h ed e v i c e ，i s d i s c u s s e d c h a p t e r f i v e ：t h ef a b r i c a t i o n p r o c e s s o ft h eb i o s e n s o ro n z n o s i 0 2 s i p i e z o e l e c t r i cs u b s t m t ew i t hau g r o o v ei nt h es a wp r o p a g a t i o nt r a c k i sp r e s e n t e d c h a p t e rs i x ：t h et e s t i n gr e s u l t so ft h et w ob i o s e n s o r sf a b r i c a t e d o nl i n b 0 3 s u b s t r a t ea r cd i s c u s s e d c h a p t e r s e v e n ：t h ec o n c l u s i o ni sd r a w n a n ds o m ea d v i c ei sg i v e n i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 以硅微机械加工技术和大规模集成电路为代表的微电子技术的迅猛发展和 计算机、微处理器以及以计算机为基础的信息处理、专家系统、人工智能和航天 技术的飞速发展，对当代科学技术、社会生产和人类生活产生了巨大的影响。而 相比之下，涉及大多数学科领域的传感器技术的发展却显得较为缓慢。但这一领 域所显示出的巨大研究价值和应用潜力，已经曰益得到人们的肯定。当前国内外 已十分重视这方面的研究和发展，特别是近些年来，分子生物学取得的巨大成就， 为传感技术在生物医学中的应用提出了新的课题，生物传感器技术的研究工作也 因此显得尤为必要。 由生物活性物质作敏感元件，配上适当的换能器，所构成的分析工具( 或分 析系统) 称为生物传感器( 或生物传感器系统) 。生物传感器科学是- r 新兴的 交叉学科，主要是生物工程和各种技术学科的相互渗透，它涉及生物化学、电化 学、固体物理学、微电子学和纤维光学等学科。生物传感器出现于6 0 年代，并 于7 0 年代取得了较大的发展。到8 0 年代，由于不断采用新原理、新技术，生物 传感器的研究出现了蓬勃发展的局面。自9 0 年代初以来，硅微机械加工技术的 迅速发展，以及人类基因组工程研究的开展为生物传感器技术的发展提供可更为 广阔的空间，使这一技术取得了长足的进展，其中包括：各种新型生物传感器的 不断涌现；器件灵敏度的不断提高，尺寸的不断减小，使用寿命的不断延长；固 态生物传感器( 生物芯片) 的提出；多功能生物传感器和基因探头的发展等等。 目前，国际上生物传感器的研究处于十分活跃的发展阶段，许多产品已经实用化、 商品化，许多基础研究正在探索之中。随着分子生物学、生物电子学和仿生学的 发展及结合，未来几年中生物传感器将有更大的发展，特别是下列传感器形式： 专业化的生物传感器：微型生物传感器；集成化生物传感器：生物相容的生物传 感器；生物可控的生物传感器；智能化生物传感器。 我国科技工作者正不失良机地开展生物传感科学的基础研究a 在这一背景 t 浙江大学硕士学位论文 下，本课题结合了自身在声表面波器件和半导体器件的研究经验，提出了一种新 型生物传感器结构，该结构的研究交叉结合了微波技术、大规模集成电路技术以 及硅微机械加工技术等多个学科领域。 1 2 生物传感器原理、应用及其新发展 1 2 1 生物传感器原理、分类与应用 生物传感器是一种利用生物关联物质的选择性识别功能的传感器，它可以用 于检测多种生物物质( 如葡萄糖、氧气、抗原和血脂等) 以及一些微小的生物组 织单元( 如血液中的白细胞等) 。生物传感器具有高选择性的特点，如酶的专一 性催化反应、抗原抗体的专一性反应。它一般都是在基础传感器上耦合一层生物 敏感膜。该生物敏感膜对特定的化学或生物物质进行选择性吸收，产生相应的物 理或化学变化，并由换能器将此变化转化成可测量的电学信号，达到检测的目的。 因此，生物敏感膜和换能器构成了生物传感器的两个基本研究课题。生物传感器 的基本工作原理如图1 1 所示： 围i 1 生物传感器的基本工作原理 对生物传感器目前尚无统一分类，可以按感受器来分，如葡萄糖传感器、酶 传感器、微生物传感器、免疫传感器等等；也可按换能器类型来分，如电化学形 式、半导体形式、热敏形式、光导形式以及压电形式等等。表1 1 给出了各种生 物传感器应用情况。 电信号 口 同斟蝴 混合液体 浙江大学硕士学位论文 表1 1 各种生物传感器 生物传感器感受器换能器检测对象 膜式0 2 电极葡萄糖等 h 2 0 。电极胆固醇等 酶传感器酶固定膜p h 玻璃电极中性脂肪等 c 吼电极氨基酸等 n h 。电极尿素等 线粒体膜式0 2 电极 n a d h 细胞器传感器电子传递粒子膜l 肝微粒体膜膜式0 2 电极s 晚 膜式0 2 电极资化糖等 膜式h 2 电极b o d 等 微生物传感器微生物膜 p h 玻璃电极头孢菌素等 c 0 2 电极谷氨酸等 组织传感器蛙表紊a g 以g c l 电极 n a + 抗体( 抗原) 膜a g a g c 电极血型 抗体( 抗原) t i 0 2 电极h g g 等 免疫传感器 抗体膜( 酶标识)膜式0 2 电极a f p 等 核糖体( 抗体、补体)离子电极梅毒抗体等 酶热敏电阻酶固定化膜( 粒子)热敏电阻a t p 等 酶免疫热敏电阻抗体膜( 粒子)热敏电阻1 9 6 等 发光酶传感器酶固定化膜光电倍增管葡萄糖等 发光免疫传感器抗体膜( 酶标识)光电倍增管i g g 等 生物传感器研究和应用最多的是酶传感器，其基本工作原理是用电学装置检 测酶在催化反应中生成或消耗掉的物质( 电极活性物质，如0 2 、h 2 q 等) ，如果催 浙江大学硕士学位论文 化反应是氧化过程，就可以使用o ：电极或h ：o 。电极；若反应过程是产生酸的，则 可使用p h 值电极。微生物传感器的工作原理与酶传感器基本相同，它的感受器 中包含了多种酶。免疫传感器利用的是抗体对抗原的识别功能，抗原或抗体一经 被固定在于膜上，就形成了具有识别免疫反应的分子功能性膜，由于抗体和抗原 是带电荷的，而且两者的荷电状态往往相差很大，它们的免疫反应会使敏感膜的 电位发生改变，并由此测定出抗体或抗原的含量。图1 2 为一个免疫f e t 传感器 结构： 图1 2f e t 免疫传感器 如图1 2 中所示，在f e t 的栅极上淀积了一层固定有抗体的敏感膜，当器件 与待测溶液接触时，它将与相应的抗原产生免疫反应，改变栅极的电位，从而导 致漏电极电位的变化。通过检测电流的变化即可知道待测溶液中的抗原浓度。 1 2 2 生物传感器的新发展生物芯片技术 生物芯片是指基于玻璃、硅片、陶瓷等材料，运用微细加工技术制作的，可 用于生物化学分析的薄膜载体。其作用对象可以是基因、蛋白质和活性细胞等。 生物芯片是由f o d e r 等人于9 0 年代初提出的 6 ，他们首次应用了半导体微 细加工技术，在硅片上构造出了d n a 片段阵列，进行d n a 序列的测试分析。在f o d e r 提出生物芯片结构之后，北美和欧洲许多国家的政府机构、著名的大学和一些大 公司迅速认识到生物芯片作为微电子、微机械、生命科学、医学和信息学等学科 交叉的综合产物，其发展和应用必将会给下一个世纪的生命科学研究、疾病诊断 治疗等多种人力社会活动带来一场革命。目前，北美和欧洲许多国家已经在这一 领域取得许多重大的成果，并初步产业化。基因芯片、毛细血管电泳芯片、核酸 扩增反应芯片以及附加系统已经初步产品化。到目前为止，国内已有二三十家高 等院校和研究机构正在从事生物芯片的研究，其中复旦大学、东南大学、军事医 浙江大学硕士学位论文 学科学院、科学院上海冶金所在基因芯片微阵列制各和检测方面做出了有特色的 工作。图1 3 给出了生物芯片的加工过程 8 ： 。! ! ! ! 呈! ! ! ! ! ! ! ! ! l ! ! ! ! ! 2 土l ul u ( i )c b )( o ) plp6 6p p plpllpp ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 尘兰兰兰兰苎兰刍芑兰兰圭兰苎兰刍 图1 3 生物芯片的加工工艺过程 首先硅基片上镀一层薄膜，该薄膜能与四种核昔酸( a 、c 、t 、u ) 中的任意 一种发生键联。然后，在薄膜上涂层光刻胶( p ) ，如图( a h 通过掩膜技术使 基片局部曝光，被曝光的区域将失去保护，如图( b ) ：将基片与含任何一种核苷 酸的溶液接触，使曝光区与相应的核苷酸发生键联，如图( c ) ；然后再进行掩膜， 重复上面的步骤，在基片上构造出的d n a 片段阵列( 文献 8 中通过3 2 步掩膜后， 在1 2 5 c m 2 的基片上形成了6 5 ，0 0 0 个具有8 个核苷酸的d n a 片段阵列) 。这种传 感结构可以用来进行d n a 检测。比如将待测的d n a 进行荧光标记并分裂成单链结 构的碎片，当这些片段与基片上的d n a 片段配对时，就会结合成双链，使芯片的 这一单元在显微镜下能看到荧光。由于事先已经知道芯片上的每一单元代表的序 列，所以通过对照，就可以检测出待测酬a 的序列。这一技术对医学检测和药理 研究具有划时代的意义。 目前，存在的问题是器件没有真正的达到系统的传感、检测和分析集成化、 检测的地址化和分析的实时化。因此实现生物芯片检测系统的集成化、地址化以 及实时化己成为这一领域的重要研究方向，它们的实现将是该领域发展中的又一 个里程碑。 1 3 声表面波技术在传感技术中的应用 声表面波( s a w ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 是英国物理学家瑞利在1 9 世纪 蜂 浙江大学硕士学位论文 8 0 年代研究地震波的过程中发现的一种能量集中于地表面传播的声波。近几十 年来，人们对s a w 的认识越来越深入，特别是在1 9 6 5 年，美国的r m w h i t e 和f m l t i i l o v 发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器( m t ， i n t e r d i g i t a lt r m s d u s e r ) 之后，大大加速了声表面波技术的发展，相继出现了许 多各具特色的声表面波器件，使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学 和电子学相结合的边缘科学。现在声表面波技术的应用已涉及到许多领域，例如， 微波通信、地震学、天文学中的信号处理、航天航空、石油勘探、无损检测等等。 然而，用s a w 器件研制、开发新型传感器还是2 0 世纪8 0 年代的事。起初 人们发现外界因素( 如温度、电场、磁场、湿度、气体以及微重量等) 对声表面 波传播特性会造成影响，进而研究这些影响与外界因素的关系。根据这些函数关 系，设计了各种所需结构，用于测量各种化学的、物理的被澳9 参数。 声表面波传感器的关键部分是声表面波振荡器。该振荡器由s a w 谐振器( 简 写为s a w r ) 或s a w 波延迟线与放大器以及匹配网络组成。声表面波延迟线的输 出信号经放大后，正反馈到它的输入端。只要放大器的增益，能补偿延迟线及其 连线的损耗，同时又能满足一定的相位条件，振荡器就可以起振。起振后的振荡 频率会随温度、压电基底材料的变形以及晶体表面条件的变化等因素影响而发生 变化。根据这原理，可设计出能反映各种化学和物理变化的传感结构。 s a w 传感器具有如下一些特点： 1 高精度、高灵敏度例如，s a w 压力传感器的灵敏度可达o 3 p p m p a 。若 传感器的中心频率为3 0 0 姗z ，监测器能检测出i h z 的频率变化，那么该传感器 可反应出i p a 的压力变化，相当于0 1 m m h 。0 的压力的变化。再如s a w 温度传感 器，它的理论分辨率可达l o 旷c 。又如s a w 质量传感器具有在微微克范围内测量 的可能性( i 0 _ 1 2 克的高分辨率) 。 2 与微处理器根连，接口简单s a w 传感器直接将被测量变化转化为频率变 化，这是准数字信息，便于处理、传输，极易与微处理器直接配合，组成实时处 理系统。 一 。浙江大学硕士学位论文 3 体积小，重量轻，功耗低例如，s a w 角加速度传感器，不仅其转速灵敏 度比激光陀螺高出一个数量级，还比激光陀螺省去一个分束器和若干反射镜，且 不需要专门的光导介质。所以它的体积小，重量轻，结构简单。同时，又因为 s a w9 0 以上的能量集中在距离表面一个波长左右的深度内，因而损耗低；加 上s a w 传感器电路简单，所以整个传感器的功耗很小。 4 便于大批置生产s a w 传感器中的关键部件s a w 器件( 谐振器或延迟 线) ，采用半导体平面制作工艺，极易集成化、一体化。各种功能电路易组合和 简化，结构牢固，质量稳定，重复性和可靠性好，易于大规模生产。 5 结构工艺性好s a w 传感器是平面结构，设计灵活，片状外形，易于组合； 实现单片多功能化、智能化比较简单；安装容易，并能获得良好的热性能和机械 性能。 现将目前已研制成功的一些典型传感器的参数列于表i 2 中。已研制成的 s a w 传感器几乎对所有的物理、化学现象均能敏感，如无毒、压力、加速度、 电场、磁场、位移、流量、薄膜特性、化学、生物等。 表1 2已经被采用的s w 传感器的典型例子 被测量器件形式或工作方式主要特性 独矩形片rf ：7 7 m h z , 监视心脏和肺等 石 f ：8 2 1 7 0 m h z ；灵敏度：3 8 5 x1 0 。ur r p a ；测压范 d l 压力型 围：0 3 4 4 1 0 5 p a ；非线性度：0 1 8 f ：1 3 0 m h z ；灵敏度：3 1 2 1 0 、3um p a ；测压范 粘接型r 围：0 3 4 4 1 0 5 p a ；非线性度：0 1 8 f ：1 0 0 m h z ；测重3 k g ，误差小于o 6 9 用，作电子秤 r 重量悬臂梁( 精度2 x 1 0 4 3 1 0 4 ) d l f ：4 0 m h z ；灵敏度：2 6 6 h z ，g ；量程1k g f ：7 5 m h z ；灵敏度：9 0 p p m c ：分辨力：0 i o o j 温度接触式r ：测量范围：一1 3 + 6 5 ：非线性 0 3 浙江大学硕士学位论文 f ：2 0 9 5 m h z ；灵敏度：3 2 11 5 p p m c ：测量范 d l 围：一4 0 + 8 5 f ：1 7 1 m h z ；灵敏度：i o h z c ；测量范围：0 2 0 0 ： 辐射式d l 分辨力：o 1 o 5 ： d l f ：2 5 1 m h z ；灵敏度：2 k h z c ；实验范围：+ - - _ 2 0 9 加速度 悬臂梁f ：2 5 1 m h z ；灵敏度：2 0 1 5 1k h z g ； f ：2 3 4 0 m h z , 用l i n b 0 2 或p c m ；检测范围：0 电压 d l 1 0 0 0 v 气体 d l f ：1 7 3 0 m l - i z ，检测丙酮蒸气、s 0 2 、氢气等 光导薄膜d l根据输出频谱确定图象明暗位置 图象 液体超声波叉指换 器散发水中集束超声，观察物体表面 注：r 表示振子型，d l 表示延迟线型。 1 4 本课题的提出及其研究意义 本课题应用了声表面波( s a w ) 器件的质量沉积效应原理，设计了一种新型 的s a w 生物传感器。该器件在z n o s i0 2 s i 压电基片上构造了延迟线型s a w 振荡 器结构；同时用硅微机械加工技术在声路中构造了一个u 型槽结构，用于容纳一 定量的待测混合液；u 型槽的底部淀积有一层具有化学选择性功能的触媒薄膜， 它将吸收混合液中的某些特定物质。如图1 _ 4 所示： 输入i i l r 触攥薄膜 输出i d t “霪, - - - * z n o 乃刃7 歹硝霉i 享当钐7 歹乃z ：? i 图1 4z n o s i 0 2 s i 压电基片上带有u 型槽结构的s a w 生物传感器结构 器件的基本工作原理如下：s a w 延迟线的输入叉指换能器( i d t ，叉指电极) 激发出声表面波( s a w ) 信号后，向输出i d t 传播。当s a w 经过触媒薄膜区时， 由于触媒薄膜吸附了测试液体中待测物质，发生s a w 的质量沉积效应，使s a w 的 浙江大学硕士学位论文 传播速度改变，反映为s a w 振荡器工作频率的偏移，并通过这一偏移量检测出待 测物质在混合液中的含量。 本课题提出的s a w 生物传感器在s a w 传感器研究领域内具有多方面的新颖 性： 首先，该器件在结构上具有新颖性。在本课题提出的器件中，声路中引入 了一个u 型槽结构作为质量沉积区，可采用滴定的测试方式，而不是通常文献中 报道的浸泡方式，所以测试简单，对封装要求低。同时，采用滴定的方法，既可 通过对照标准样品的实验曲线获得相对值，也可以直接测试待测物质在测试溶液 中的绝对质量，测试误差小。而采用浸泡的形式，不能直接得到待测物质的绝对 质量，而是通过对照事先用不同浓度的标准样品测试得到的实验曲线，估算出测 试液体中待测物质的浓度。 其次，本题中采用了新型的基底材料结构：z n o s i0 2 s i 基底。由于s a w 在 z n o s i o ：s i 基底上的传播速度快，使器件在相同的工艺线宽条件下获得比铌酸 锂、石英等传统基底更高的工作频率。而利用质量m a s s l o a d i n g 响应的s a w 传 感器的测试灵敏度与器件的工作频率的平方成正比，所以，采用这种基片结构将 有利于提高测试灵敏度。同时，采用z n o s i0 2 s i 基底具有另一个重要的优势， 即s a w 器件与测试分析电路的单片集成。由于，在z n o s i o 。s i 基底上可以同时 制造s a w 器件和集成电路，所以可实现传感、分析、控制等综合功能的单片集成 化。虽然，国内外已有不少学者对z n o s i o ：s i 基底上制作s a w 器件技术进行了 研究，但目前其应用主要集中在微波通信领域中，而在传感技术领域里还非常少， 本课题的研究将是一种有意义的尝试与开拓。 再次，实现了器件的微型化。这一器件结构由于具有通过微机械加工技术 形成的u 一型槽，所以使器件能够直接对微量的液体进行实时的测量，真正实现 了器件的微型化。 另外，本器件可用来实时地分析和测量微量液体的组份情况，它是一种有竞 争性的生物传感器。同时，对实现生物芯片检测系统的集成化、地址化以及实时 塑垩查兰堡主兰垡丝苎 化的研究具有重要的参考价值。 总的来讲，本题的研究交叉结合了微波技术、大规模集成电路技术、生物薄 膜技术以及硅微机械加工技术等等，跟踪了生物传感技术研究领域的前沿，具有 一定理论深度和较高研究价值。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 参考文献 于兆林等，生物传感器，上海远东出版社，1 9 9 2 年6 月 牛德芳，半导体传感器原理及其应用，大连理工大学出版社，1 9 9 3 年2 月 b k o n i gc ta 1 d e t e c t i o no fh u m a nt - l y m p h o c y t e sw i t hap i e z o e l e c t r i ci m m u n o s e n s o r ， a n a l y t i c ac h e m i c a a c t a , 2 8 1 ( 1 9 9 3 ) ，p p ：1 3 1 8 r fs e r v i c e ，m i c r o c h i pa r r a y sp u td n ao nt h es p o t s c i e n c e ，1 9 9 8 ，2 8 2 ，p p ：3 9 6 3 9 9 e d i t o r i a l ：m i c r o a r r a y sa n dm a c r o c o n s e q u e n c e s n a t u r eg e n e t i c ss u p p l e m e n t 1 9 9 9 。2 1 ：2 s e f o d o re ta 1 l i g h t - d i r e c t e d s p a t i a l l ya d d r e s s a b l ep a r a l l e lc h e m i c a ls y n t h e s i s s c i e n c e ， 1 9 9 1 ，2 5 1 ，p p ：7 6 7 - 7 7 3 s e f o d o r m a s s i v e l yp a r a l l e lg e n o m i c s s c i e n c e ，1 9 9 7 ，2 7 7 ，p p ：3 9 3 - 3 9 5 d a v i d s t i p p ，b i o c h i p s ，f o r t u n e ，m a r c h3 l ，1 9 9 7 ，p p ：5 6 7 3 j d e r i s i ，e ta l ，u s eo f a e d n a m i c r o a r r a yt oa n a l y s i sg e n ee x p r e s s i o np a a e m s i nh u m a n c a n c e r n a t u r eg e n e t i c s ，1 9 9 6 ，1 4 ，p p ：4 5 7 - 4 6 0 d j d u g g a n e t a 1 e x p r e s s i o np r o f i l i n gu s i n ge d n am i c r o a r r a y s n a t u r e g e n e t i c s s u p p l e m e n 1 9 9 9 ，2 1 ，p p ：1 0 - 1 4 刘广玉等，新型传感器技术与应用，北京航天大学出版社，1 9 9 5 年6 月 j j c a r o ne ta l ，as u r f a c ea c o u s t i cw a v em e r c u r y v a p o rs e n s o r , i e e e t r a n so nu l 扛a s o n f e r r o e l e e t a n df r e q c o n t ，v 0 1 4 5 ，n o 5 ，1 9 9 8 ，p p ：1 3 9 3 - 1 3 9 8 n o m u r at o o r ue ta l ，c h e m i c a ls e n s o rb a s e do ns u r f a c ea c o u s t i cw a v er e s o n a t o ru s i n g l a n g m u i r - b l o d g e rf i l m ，i e e et r a n so nu l 打a s o n f e r r o e l e c t a n df r e q c o n t ，v 0 1 4 5 ， n o 5 1 9 9 8 ，p p ：1 2 6 1 - 1 2 6 5 李忠诚，声表面波技术在航空航天系统和其它领域中的应用，北京航天部二院长峰 声表面波公司( 内部资料) 1 0 - 浙江大学硕士学位论文 第二章声表面波技术、微机械加工技术 以及z n 0 薄膜生长技术的基础理论 2 1 声表面波技术基础理论 2 1 1 什么是声表面波技术( s a w t ) s a w t 是电子学、声学、光学、半导体平面工艺和微细工艺相结合产生的一 个新兴的学科技术领域。用这种技术不仅可以实现许多特种功能的特种器件，而 且还可以实现很多整机和系统。这些特种器件、整机和系统是现代微波通信领域 和传感技术领域不可缺少的东西。这一技术是从1 9 6 5 年美国的怀特( w h i t e ) 发 明了声表面波( s a w ) 叉指换能器后，开始兴起，并逐步在雷达、通信、电子 战、导航、制导、遥控、遥测、广播、电视和识别等各个领域得到了广泛的应用， 实现了很多特异功能，以至于用它代替了很多传统的老产品。 2 f 2s a w t 的特点 1 体积小，重量轻由于s a w 的波长非常短，通常只有几个微米或者几十个 微米，传播速度慢，所以器件的结构非常小，通常为毫米级。 2 器件为平面结构，设计灵活s a w 系沿固体表面传播，加上传播速度极慢， 这使得时变信号在给定瞬时内可以完全呈现在晶体基片表面上。由于信号在器件 的输入和输出端之间进行，所以容易对信号进行取样和变换。这就给器件以极大 的灵活性，使它能以非常简单的方式去完成其它技术难以完成的过于复杂的各种 功能。 3 便于大批量生产，一致性和重复性好，易于集成化由于s a w 是在单晶材 料上用半导体平面工艺制作的，所以它具有很好的一致性、重复性和稳定性，特 别适用于对器件工作性能具有精确要求的领域( 如窄带高q 值的振荡器) ；易于 大批量生产，制造成本低廉：极易集成化、一体化。 4 s a w 器件的抗辐射能力强。动态范围很大，可达1 0 0 d b 这是因为它利用 的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。 这一技术的唯一缺点是要求在定的净化条件下，完成制作工艺。工作频率 越高，对制作工艺的要求也就越高。不过，由于其工艺过程完全可以直接利用微 浙江大学硕士学位论文 细加工技术，所以随着集成电路制造工艺水平的日益提高，这一矛盾正逐渐地得 到缓和。 2 1 3 声表面波带通滤波器的工作原理 s a w 带通滤波器是s a w 器件中应用最广、研究最多的器件结构。下面，通 过它来讨论一下s a w 器件的基本工作原理。 袖a 1 r l 袖 i l i d t 牵号章 h 连回 里h 酽 图2 1s a w 带通滤波器 在压电基片( 如铌酸锂、石英和氧化锌等) 上，淀积上如图2 1 所示那样的 叉指电极( i d t ，也称叉指换能器) 时，如果在i d t i n 加入交流电信号，则由于 逆压电效应，在交流电场的作用下，晶体表面将激励出周期性的振动传播，即为 声表面波( s a w ) 。这个s a w 将向两边传播，当传到i d t o 。时，由于正压电效 应，这些叉指电极就把与叉指电极周期相同步的声信号转变为电信号，然后又由 导线传到负载r l 上。如果加在叉指电极上的电信号频率对应的s a w 波长与叉指 电极周期相等时，则在叉指电极上将最强地激起s a w ，因而电信号也就最强地 从叉指换能器i d t i 。传到叉指换能器i d t o 。反之，如果加在叉指电极上的电信 号频率对应的s a w 波长与叉指电极周期不等，则激起的s a w 就弱，差距越大 就越弱。这样，就可以通过正确设计叉指换能器结构来控制电信号的传播情况， 从而达到滤波的目的。如上所述的将电能转换为声能( 在i d t 。上) ，又将声能转 换成电能( 在i d t o 。上) 的两次转换过程也就是频率的选择过程。因此，可以将 s a w 带通滤波器当作一个带通延迟线e x p ( - j u l v ) ，连接转移函数频率响应分别 为h l ( c a ) ) 和h 2 ( 6 0 ) ( 见图2 1 ) 的叉指换能器构成。此处，l 为在图2 1 中所示的 两个叉指换能器的中心距离；v 是s a w 的传播速度：u 是角频率。滤波器的总 转移函数( 电压转移函数) 或频率响应可用下式表示： v l t t h l ( a j ) e x p ( j o l v ) h 2 ( ) ( 2 1 ) 浙江大学硕士学位论文 叉指换能器的频响函数h ( m ) 可由换能器冲击响应h ( t ) 进行计算。这个冲击 响应h ( t ) 是一个与换能器几何形状特别一致的波形( 冲击响应的包络线正好是 叉指指端的轨迹) 。 根据滤波理论，冲击响应h i ( t ) 与频率响应h i ( m ) 是一对付氏变换对，它们之 间的关系式为： 日) 2 h ( t ) e x p ( - j c o t ) d t( 2 2 ) 因此，任何需要的频率响应，都可以通过由该频率响应的付氏反变换所得到的冲 击响应在基片表面对应的叉指电极形状来获得，这个响应当冲击响应可以表示 成： ( f ) = ih ( c o ) e x p u r ) d c o( 2 3 ) 2 1 4 叉指换能器的主要设计参数 由上面的讨论可以知道，叉指换能器i d t 是s a w 器件的关键部分，通过选 择恰当的几何参数，可以获得各种不同的频率响应形式。i d t 的主要设计参数包 括电极条的周期 、叉指对数n 、声孔径大小w 以及铝膜厚度h 。 1 电极的周期 通过上面对s a w 带通滤波器工作原理的讨论可以知道，换能器的电极周期 与该叉指换能器所激发出的最强的s a w 的波长x 。是相等的。 与s a w 在晶体表 面的传播速度v 共同决定了器件的中心工作频率f ： f - - - - v 入 可见，当基片材料及其切向一定时，s a w 的传播速度也一定，那么器件的工 作频率将取决于叉指电极的周期：电极周期越小，也即电极条的线宽越小，f 将 越大；反之，电极周期越大，也即电极条的线宽约大，f 将越小。 2 换能器的叉指对数n 对于均匀( 等指宽，等间隔) 叉指换能器，带宽可简单地由下列决定： a f = f n 式中，f = 中心频率( 7 - 作频率) ： n = 叉指对数。 由上式可知，中心频率一定时，带宽只取决于指对数。指对数愈多，换能器带宽 浙江大学硕士学位论文 愈窄。声表面滤波器件的带宽具有很大的灵活性，相对带宽可窄到o 0 0 1 ，可 宽到一倍频程( 即1 0 0 ) 。这样宽的范围，实用上均可做到。 同时，i d t 的叉指对数n 的取值越大器件的插入损耗也越小：但i d t 的 反射将也将增大，造成频谱的偏移或畸变。根据不同的应用场合，n 的取值可以 是从几对到几百对。 3 i d t 的声孔径w i d t 的声孔径w 越大，器件的插入损耗也越小；但w 过大时，不仅会使器 件的尺寸变大，而且还会引入寄生波模。w 一般为几十个波长。 4 铝膜的厚度h 在声表面波滤波器的设计中，铝膜的厚度h 越小，i d t 的反射也将越小，器 件的频谱特性也越好。一般来讲取几千个a 。但在有些结构类型s a w 器件的设 计中，特意取较大的h 值，来增加反射，以达到设计目的。如在s a w 谐振器结 构中，h 可达2 0 。 2 1 5 声表面波技术在本课题中的应用 传感器结构必须具有个换能器，由它来进行化学物理能量转换。在本课题 所研究的传感器结构中，所采用的是s a w 换能器结构。s a w 换能器的结构形式 非常的繁多，但s a w 在传感器技术的应用