硅基声波导的高分辨率局域化生物传感方法与器件

压电薄膜声波质量传感器具有体积小、灵敏度高科集成制造等优点，但其较高的机械、电磁损耗以及液相探测性能表达等问题，造成其检测分辨率低、一致性差。本申请拟采用storh方程与表面阻抗矩阵研究获得薄膜声波导频散特性的半解析解，并据此研究其模式场分布和粘弹性液体边界下的模式重构，揭示声波生物传感器中声波导性能与被测生物媒介间的相互作用关系，建立可确切描述薄膜声波导声波传感器输出响应与被测物参数间的物理模型，提高检测的特异性、准确性。在此基础上探讨在薄膜声波导中引入声子晶体点缺陷模式的结构和制作方法，研究被测液体对该局域化模式的调制作用和稳定存在的条件，提高声波与边界的隔离度，降低器件的工作频率，获得高Q值和局域化探测，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，满足生物传感高通量、低检出限以及现场探测等需求，促进声子晶体相关理论和制作工艺技术的发展和应用。

薄膜声波器件相比石英微天平理论上具有更高的质量探测灵敏度；相比表面声波器件损耗小更适合液相探测。本项目以生物传感应用为背景，针对国内功能材料制备的薄弱环节，给出了AlN压电薄膜制备方法；针对传感器的非特异性辨识共性问题，提出并实现了多模式解耦探测；针对其理论灵敏度高检出限差的问题，提出声回音壁，声子晶体点缺陷模式实现高Q值谐振新途径，同时研究了声子晶体所具有的各项异性调制、慢波效应等问题。该研究对高通量生物传感、谐振器等方面的应用具有重要意义和价值。课题组完成了合同规定的所有研究任务，主要创新成果如下：.对影响AlN压电薄膜（002）晶面择优取向生长的诸多参数进行了研究，并给出了一种AlN压电薄膜性能的评价方法；.深入研究了Lamb波器件的对称和反对称模式特性，根据其同一条件下温度、质量灵敏度差异，提出实现温度与质量效应解耦的方法。在上述基础上又发现低阶对称模式对被测液体粘度敏感，而低阶、高阶反对称模式分别对液体的密度和声速敏感，由此得出A0、A03 与S0模式共同作用实现了一个传感器对液体温度，密度，粘度等多参数表征的方法；.实现了对lamb波器件消逝场特性的测试，清晰地获得了消逝波随距离变化的场分布和强度特性等；.构造了基于lamb波器件和薄壁石英管的声回音壁模式，相比具有同样灵敏度的Lamb传感器，其质量变化的最小检出限降低一个数量级；.提出了在声子晶体中引入缺陷模式，利用禁带效应和局域化效应获得高Q谐振的方法。研究了其在不同媒介下的损耗机制，发现真空中Q值主要取决于材料内部损耗，由于呼吸模式法向速度的平方根相比其他模式小在真空和空气中均更高的Q值；所获得的9种点缺陷模式均在液体阻尼作用下Q值大幅降低，但运动方向平行于晶体表面的模式具有较高的Q值；.提出利用声子晶体中调节材料各向异性的方法和原理，给出了其不同填充率和旋转角度时的材料的慢度曲线，证明可将各向异性材料完全调节为各向同性，也可以调节为更强的各向异性；.研究了声子晶体对Lamb波群速度的调节作用，发现 A0模式群速度随着孔半径增大可以有效的降低，并存在一个临界半径，使得A0模式的群速度为0；.实验证明了声子晶体传感器频率变化与表面的质量附着呈线性关系。测量得传感器的质量灵敏度为9.1Hz/ng，最小的质量检出限为0.38ng。初步证明采用磁珠标记的免疫传感方法可使信号放大100倍左右。