剪切模式薄膜体声波谐振器液相敏感特性研究

作     者：宋树人 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈达

授予年度：2018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：电声传感器 薄膜体声波谐振器 粘度传感器 生物传感器 凝血检测 

摘      要：移动互联网、物联网以及可穿戴电子设备的发展对新型生化传感器提出了高灵敏、微型化和芯片集成的要求。采用微机电系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)技术制造灵敏性更高、高度集成化的微型传感器是传感器领域的发展趋势。薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)是近年来受到关注的一种MEMS高频电声器件,具有工作频率高、体积小、灵敏度高、与CMOS集成等优势,在生化传感领域具有广泛的应用前景。但是目前所报道的大部分纵波模式FBAR传感器在生化反应所需的液相测试环境中性能衰减明显,限制了其对痕量物质的更高灵敏性。发展剪切波谐振模式的FBAR器件被认为是解决这一问题的有效方法。本文基于对高灵敏、可集成的生化传感器的应用需求以及MEMS技术的发展前沿,针对限制FBAR器件广泛应用的关键问题,对剪切模式FBAR传感器的敏感原理、结构设计、制造方法和应用特性开展研究,提出了有效激发剪切波谐振的方案。首次在实验上给出了微纳尺度剪切体声波对其粘滞界面的敏感规律,为液相生化在线分析提供了高性能的检测平台。进一步首次报道了基于剪切模式FBAR进行血液流变动力学分析的生物检测范例。1.以压电理论为基础,建立了激励电场与压电薄膜体声波传播的耦合模型,研究了激励电场与极化轴存在夹角状态下体声波的传播规律。通过坐标系变换,获得了倾斜极化轴(c轴)取向的AlN薄膜的短路弹性刚度常数的矩阵形式。通过求解横向电场激励状态下Christoffel方程,验证了在ZnO和AlN FBAR器件中采用倾斜c轴和横向电场激励两种方式实现剪切谐振的理论途径。2.基于传输线模型结合压电方程,研究了采用倾斜c轴压电薄膜进行的剪切模式FBAR器件设计方案,获得了该类器件的阻抗理论表达和液相粘滞敏感特性。通过数值计算系统分析了不同粘性液体环境下器件的阻抗特性,揭示了谐振的粘性负载响应规律,发现了压电极化轴的倾斜角度与高频剪切声波粘性灵敏度的制约关系。模型优化后计算得到ZnO FBAR的粘度灵敏度在-2.25～-2.0×10-5Hz·kg·m-3Pa·S-0.5 范围,AlN FBAR 的粘度灵敏度在-5.9～-5.5×10-5 Hz·kg·m-3Pa·S-0.5 范围。3.根据FBAR器件液相工作Q值、敏感性和稳定性的要求,基于压电理论证实了施加横向电场激励剪切模式的途径和有效性。建立了有限元模型对激励电场和振动模态进行数值仿真,确定了关键结构参数与器件性能的优化设计关系。通过MEMS工艺制备了实际器件,在国内外首次在实验上给出了该类器件对其粘滞性表面敏感的基础规律,深化了对微纳压电谐振结构粘滞阻尼效应的理解,为其生物检测应用提供了基础性数据。4.面向医疗检测对微型血液分析设备的应用需求,在深入理解剪切模式FBAR液相粘性敏感特性的基础上,根据血液凝固过程中密度和粘弹性变化,设计实现了基于剪切模式FBAR的血液流变分析传感器。获得了具有显著临床意义的血凝生理指标,验证了其原理和应用可行性。器件体现了极好的测量重复性以及与标准血凝检测方法的一致性,同时测试结果揭示了不同条件下血液酶级联反应和纤维蛋白聚合的变化规律,为病理学解释外源凝血机制提供了更多信息。