薄膜声子晶体高灵敏度生物传感与识别

相比已商业化的石英微天平，薄膜声波导因可获得高频谐振，理论上应具有极高的探测灵敏度。然而，由于机械、电磁损耗以及声波传感普遍存在的液相探测性能表达等问题，造成其品质因数低、检测分辨率差。本研究将在多层薄膜声波导频散特性、模式场分布、粘弹性液体边界下的模式重构等研究的基础上，探讨在薄膜声波导中构建若干高品质因数声子晶体缺陷模式的方法，通过研究固液混合边界中的声消逝场和声波导能量传输特性，建立可确切描述声子晶体生物传感输出响应与被测物参数间关系的物理模型，给出获得最佳检出限的途径；研究被测生物媒质的厚度、密度、粘度、温度等对声波导的调制作用及其耦合作用机理，实现多参数解耦探测、识别及原位温度补偿；解决声子晶体传感器集成化制备、激励及检测等技术问题，为实现声波生物传感的高分辨率、低消耗、阵列化探测提供新途径、新方法，满足国家安全和临床检验对生物传感高通量、低检出限以及现场探测等的需求。

高性能压电薄膜材料及微纳制造技术的发展使声波传感器的谐振质量大幅度减小，检测灵敏度(如悬臂梁和FBAR)已可与光学传感器相媲美，无论硅基传感器还是谐振器前景都极为广阔。但是，相比体结构，薄膜谐振器的能量损耗较大，不易获得高的品质因数(Q值)，同时高灵敏度传感器存在对环境干扰敏感的共性问题。.声子晶体是多种弹性介质构成的周期性人工材料，可形成带隙、缺陷处的局域模式、表面态等。本项目研究了其复能带、材料各向异性调节以及慢波效应等性质，在此基础上重点研究了点缺陷模式极其应用。提出了传感器模式选择、高Q、高灵敏度及温度自补偿方法；研制出Q值达140,000的硅基AlN声波传感器；针对全血生物检测应用需求，提出微流控芯片样品前处理和微流体精确操控及芯片的拓扑优化方法，实现了片上血清分离、定量、混合、输运全过程自动化；探讨了声子晶体在免疫生物传感器上的应用。创新性体现在：.1) 提出通过调节声子晶体的晶向与材料的晶向的相对位置，有效将该复合材料调节为各向同性或者是更强的各向异性的方法，从而调节声波的传播方向；证明一维平板声子晶体中可获得Lamb波A0模式的慢声效应，使其群速度为零或群速度方向与相速度方向相反；.2) 计算了平板声子晶体的复能带结构，给出了缺陷模式的衰减因子和能量传输模型；研究了真空、空气、液体等媒介对其Q值的影响，说明模式有效表面积与体积比是决定其Q值的主要因素；提出基于模式选择高质量灵敏度和在体温度补偿方法；解决了微米硅基AlN器件声子晶体制造工艺问题，研制出质量灵敏度9.1Hz/ng,分辨率约0.71ng的器件；.3) 给出非定常流动拓扑优化问题的连续伴随方程，克服了离散伴随方法分析瞬态方程约束优化问题时对时域离散格式依赖性强且数值实现可行性低的缺点；提出基于欧拉力辅助作用的CD-like微流控芯片，解决了芯片内流动对表面的依赖；提出一种可同时实现材料拓扑优化和系统的优化控制的优化匹配数值分析方法；.4) 给出考虑针尖与薄膜之间的电场分布的PFM的薄膜纵向压电常数测试方法，实验证明具有较高的测试精度；研制出高信噪比和高振幅分辨率的外差振动干涉仪，测量灵敏度达100 mV/nm。.5) 相关研究结果发表SCI文章22篇，申请发明专利10 项