集成微流道的体波谐振液相传感器研究

作     者：刘梓枫 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞慰

授予年度：2017年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：薄膜体声波谐振器 传感器 微流道 氮化铝 片上实验室 微纳机电系统 

摘      要：微流控技术在现代生物化学传感中具有重要的应用潜力。微流控器件可以实现对微量液体的操作,是低成本、快速、高效检测的强大工具。微流控器件加工工艺和MEMS工艺兼容,具有集成传感模块的能力。二者的集成为片上实验室系统的实现提供了良好的解决方案。薄膜体声波谐振器是一种新型的质量传感器,它具有很高的品质因数和GHz频段的工作频率,因此具有极高的质量灵敏度。薄膜体声波谐振器采用MEMS工艺制造,是低成本、高灵敏度生化检测的理想工具。这种加工方法与集成电路工艺兼容,方便与信号处理电路的集成。但是谐振器在液体中的品质因数会有严重的下降,阻碍了其在生化传感领域的广泛应用。为了解决薄膜体声波谐振器在液体环境中的传感问题,本论文结合微流控技术,提出了谐振器与微流道集成的解决方案,避免了谐振器和液体的大范围接触,从而有效地提高了谐振器的品质因数。设计版图并制造了器件,搭建了器件的测试与传感平台。通过葡萄糖与甘油的检测实验证明了器件在液体中的应用价值,并对器件的工作机理进行了理论分析。本论文的研究内容主要有以下几个方面:1.提出了微流道和谐振器的集成方案;结合微流体理论,设计了基于氮化铝材料的微流道;开发了利用牺牲层释放技术将微流道和谐振器集成的方法;探索了器件的加工工艺,解决了器件加工过程中遇到的关键问题;2.器件加工完成后,搭建了器件的测试和实验平台,对加工好的器件在空气中和液体中的性能进行了测试。测试结果表明,器件在液体中的品质因数提升了一个数量级。并且展示了器件在葡萄糖浓度和甘油浓度检测方面的应用;3.通过仿真和理论推导,解释了集成微流道后传感器性能改善的原因,并解释了传感器频率随浓度增加而上升的机制。