基于应力增强型压电振动膜的高性能生物传感器平台关键问题研究

In this project, stress improved piezoelectric membranes is introduced as a novel kind of biosensor platform with high mass sensitivity and high quality factor (Q) to promote the real application of acoustic wave (AW) biosensor. Preliminary theoretical analyses and experimental results suggest that the membrane device keeps great advantages in mass sensitivity and Q factor than the popular cantilever platform. The effects of material parameters and structural parameters of membrane will be investigated to optimize the sensitivity and Q factor. MEMS technologies will be used to build micro-membranes and vacuum packaging will be used to introduce stress in the thin film structure of membrane. The relationships between packaging pressure, film stress and the mass sensitivity, Q factor will be studied, which are helpful to make a suitable package pressure to improving the membrane performance. The membrane will be investigated both in air and liquids to study the environmental damping effects on sensitivity and Q factor. Coated with bio-receptor, the membrane will be used to detect biological samples to approve the real applicability. All the works above would be used to build a database of membrane biosensor platform for practical application.

针对当今AW（Acoustic wave）生物传感器研究领域对高质量灵敏度(mass sensitivity)、高品质因数（Q factor）且能够在液体环境中良好工作的传感器平台的迫切需求，本项目提出了一种新颖的AW生物传感器平台——应力增强型压电振动膜。初步的理论分析和实验结果表明：该平台相对于当今广泛研究的悬臂梁平台在灵敏度和品质因数方面更具优势，具有一定的应用和研究价值。本项目将对振动膜的材料及结构模型进行分析并讨论与其相关的传感器性能指标，优化出高灵敏度、高Q值的设计参数范围；利用微加工技术制备实际的原型器件，并利用真空封装在振动膜中引入应力，研究封装压力、薄膜应力与质量灵敏度及品质因数的制约关系，确定适宜的封装参数范围；研究液体环境阻尼对传感器灵敏度、品质因数的影响规律；利用振动膜器件结合生物探针对生物样本进行检测，验证器件设计，以推动生物传感器的实用化进程。

声学（AW）生物传感器是将对质量负载十分敏感的声学谐振器件和对待检测微生物具有特异性识别的生物探针相结合的一类传感器，其基本工作原理为：利用固定于谐振器件表面的生物探针捕获被检测样品中的特定微生物，被捕获的微生物的质量负载将引起器件的谐振频率变化，通过监测这种频率变化得到被检测样品中是否存在特定微生物的结论。因此，声学生物传感器的研究主要集中在高灵敏度谐振器件的设计和高性能生物探针的制备两个方面。本项目提出了一种应力增强型压电振动膜器件并将其用作高性能的声学生物传感器平台。在谐振器件的设计上，我们创造性地通过调节压电振动膜器件两面间的压力差在压电振动膜中引入薄膜张应力，从而大幅度地提高了其作为声学生物传感器平台的谐振频率和质量灵敏度。我们对应力增强型压电振动膜的工作特性进行了理论上的计算和分析，得到了器件结构、材料等参数对其工作性能的影响规律。同时我们对应力增强型压电振动膜在气体和液体环境中的谐振行为进行了理论分析，得到了液体环境密度和粘度对器件谐振频率和品质因子的影响规律。实验上我们利用压电薄膜材料制备了一系列应力增强型压电振动膜器件，利用阻抗分析法表征了其谐振行为，得到了器件尺寸、薄膜应力等因素对谐振频率和质量灵敏度的影响关系；检测了不同液体环境下应力增强型压电振动膜的工作性能，得到了液体粘度和密度对器件谐振频率和品质因子的影响规律。实验结果与理论分析具有良好的一致性。在生物探针的选取上，我们系统地研究了基于phage的生物探针的制备、存储和检测方法。我们利用phage作为生物探针，应力增强型压电振动膜作为传感器平台，实现了对水中沙门氏菌和炭疽菌的检测。以上结果充分说明了我们提出的应力增强型压电振动膜是一种高灵敏度且适用于液体环境的优秀的声学生物传感器平台。此外我们尝试将应力增强型压电振动膜用于液体粘度和密度的检测，并取得了良好的实验结果。