專利名稱：分子篩修飾的諧振式微梁化學(xué)生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用分子篩修飾的諧振式微梁化學(xué)生物傳感器。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的諧振式微梁化學(xué)生物傳感器，由多層薄膜組成，具體分為兩部分高靈敏度自激振自檢測(cè)的壓電式諧振微懸臂梁和高選擇性的分子篩膜。其結(jié)構(gòu)如

圖1所示。其中，壓電式諧振微懸臂梁由上、中、下三層電極4和2層壓電層3相互間隔構(gòu)成，其上下兩側(cè)分別有絕緣層2；高選擇性分子篩膜層1設(shè)于微懸臂梁上表面。傳感器的基底為硅片。
本傳感器中的兩層壓電層完成諧振、實(shí)現(xiàn)傳感器功能的自驅(qū)動(dòng)和自檢測(cè)。其工作原理如下壓電材料具有正壓電和逆壓電兩重效應(yīng)，也就是說(shuō)，在一定電壓作用下，壓電材料會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一定的應(yīng)變，而加在壓電材料上一定的形變又會(huì)有一定量的電壓輸出。本技術(shù)在微懸臂梁結(jié)構(gòu)上制作有兩層壓電層，其中一層作為諧振的激勵(lì)源，即通過(guò)電極往一層壓電層上加上一定量的交流電壓，使得整個(gè)梁產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)變，以該交流電壓的頻率振動(dòng)；另外一層作為諧振的檢測(cè)源。
微懸臂梁系統(tǒng)的共振頻率fi可以簡(jiǎn)單地表示為fi=λ122πl2EIm------(1)]]>其中，E、I為系統(tǒng)的楊氏模量和截面慣性矩，λi為僅與邊界條件有關(guān)的常數(shù)，l、m分別為梁的長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。當(dāng)激勵(lì)電壓的頻率達(dá)到系統(tǒng)的共振頻率時(shí)，系統(tǒng)的振幅出現(xiàn)峰值。
微懸臂梁上的另一層壓電層在上述動(dòng)態(tài)應(yīng)變的作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的交流電壓，測(cè)量該交流電壓的頻率即可檢測(cè)到微懸臂梁系統(tǒng)的共振頻率。
由公式(1)可以看到，當(dāng)微懸臂梁系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生變化Δm時(shí)，系統(tǒng)的共振頻率也會(huì)相應(yīng)改變，即Δfifi=1Δm/m+1-1--------(2)]]>所以，通過(guò)測(cè)量微懸臂梁系統(tǒng)的共振頻率的變化即可獲得系統(tǒng)質(zhì)量的改變量。
本實(shí)用新型采用高選擇性的分子篩膜作為傳感器的敏感源，具有重要意義。作為化學(xué)生物傳感器，選擇性和靈敏性具有同等重要的地位。利用分子篩的多孔性，通過(guò)分子篩制備和精確調(diào)控其結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)不同氣體分子的直徑大小以及化學(xué)基團(tuán)特性，對(duì)分子篩的孔徑以及孔徑內(nèi)壁進(jìn)行特定的修飾，實(shí)現(xiàn)該分子篩膜上只能吸附該特定的分子，從而實(shí)現(xiàn)高選擇性；同時(shí)，由于分子篩的有效表面積——吸附質(zhì)量比非常大，在經(jīng)過(guò)特定的化學(xué)修飾后，可提高吸附特定氣體的有效質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏性；而且，分子篩具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，因此用分子篩做傳感器的敏感源，可以進(jìn)行多次測(cè)量，同時(shí)穩(wěn)定的化學(xué)特性可以保證能在分子篩上進(jìn)行各種化學(xué)修飾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種化學(xué)生物分子的測(cè)量。
在微懸臂梁表面制備分子篩膜可以采用通常的凝膠—溶膠技術(shù)。它既利用了分子篩的上述特性，又利用了標(biāo)準(zhǔn)的集成電路和MEMS制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分子篩膜制作工藝的一致性和可重復(fù)性。二者的結(jié)合，使該化學(xué)生物傳感器成為一種實(shí)用技術(shù)。
在表面分子篩膜吸附特定分子前后、或修飾在膜上的特定分子在與其它測(cè)量對(duì)象作用(如抗體抗原的作用等)前后，微懸臂梁系統(tǒng)的共振頻率發(fā)生改變，即可測(cè)量被吸附的分子質(zhì)量或特定分子與測(cè)量對(duì)象之間的作用情況。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的化學(xué)生物傳感器具有如下特點(diǎn)1、選擇性強(qiáng)，靈敏度高。分子篩膜的孔徑和孔徑內(nèi)膜的特定修飾，吸附質(zhì)量比大。
2、可重復(fù)性高、微小型化、可大規(guī)模生產(chǎn)、價(jià)格低廉。采用集成電路和MEMS制備技術(shù)，可以保證大規(guī)模生產(chǎn)，工藝可重復(fù)性高，每片硅片上能同時(shí)制作上百個(gè)器件，由于各種功能集成電路的發(fā)展，可以使整個(gè)系統(tǒng)微型化，降低成本。
3、多指標(biāo)性?？衫眉呻娐芳夹g(shù)制成傳感器陣列，在不同微懸臂梁上修飾不同的分子篩結(jié)構(gòu)，對(duì)不同化學(xué)生物分子敏感，實(shí)現(xiàn)多種(個(gè))指標(biāo)同時(shí)檢測(cè)。
4、非標(biāo)記性。不需要任何標(biāo)識(shí)物質(zhì)(如熒光劑等)，直接通過(guò)分子篩對(duì)特定分子的吸附和頻率的改變來(lái)完成檢測(cè)。
圖2為涂敷有氟里昂分子篩層的傳感器對(duì)不同濃度的氟里昂氣體的響應(yīng)。
圖3為分子篩的選擇性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，(a)涂敷有氟里昂專用分子篩的微懸臂梁的響應(yīng)■氟里昂◆乙醇；(b)無(wú)分子篩微懸臂梁對(duì)氣體的響應(yīng)氟里昂●乙醇。
圖中標(biāo)號(hào)1為分子篩膜，2為絕緣層，3為壓電層，4為電極層。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本實(shí)用新型。
實(shí)施例，微懸臂梁的尺寸為970μm×300μm×3μm。其表面為對(duì)氟里昂分子具有獨(dú)特選擇性的MFI分子篩膜。
傳感器的制作工藝流程為硅基片上淀積Si3N4/SiO2層后，濺射Ti/Pt下電極，用凝膠——溶膠方法形成下層壓電層PZT，用相同的工藝制作出中電極、上層壓電層PZT和上電極，鈍化后生成了SiO2表面，由背面刻蝕形成微懸臂梁。微懸臂梁表面用分析級(jí)丙酮清洗后，在空氣中干燥，再將僅對(duì)氟里昂分子敏感的MFI分子篩液進(jìn)行雙倍稀釋，得到約為0.002％(w/V)的分子篩懸浮液，取出0.2μl旋涂在微懸臂梁表面，經(jīng)10分鐘100℃的焙烘，即完成了該傳感器的制作。
涂敷有氟里昂專用分子篩層的微懸臂梁對(duì)不同濃度的氟里昂氣體的響應(yīng)見(jiàn)圖2所示。頻率變化隨著氣體濃度的增加呈指數(shù)衰減，表明了分子篩最終趨向于飽和吸附。
分子篩的選擇性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3所示。涂敷有氟里昂專用分子篩層的微懸臂梁顯示了對(duì)氟里昂的敏感，而對(duì)乙醇無(wú)響應(yīng)。無(wú)任何分子篩涂敷的微懸臂梁則對(duì)氟里昂和乙醇均無(wú)有效響應(yīng)。另外，實(shí)驗(yàn)也表明該種微懸臂梁的重復(fù)性好，歸零時(shí)間短(＜20秒)。
權(quán)利要求1.一種分子篩修飾的諧振式微梁化學(xué)生物傳感器，由多層膜組成，具體分為兩個(gè)部分高靈敏度自激振自檢測(cè)的壓電式諧振微懸臂梁和高選擇性的分子篩膜，其特征在于微懸臂梁由上、中、下3層電極(4)和2層壓電層(3)相互間隔構(gòu)成，其上、下兩側(cè)分別有絕緣層(2)；高選擇性分子篩膜層設(shè)置于微懸臂梁上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于針對(duì)不同氣體分子的直徑大小以及化學(xué)基團(tuán)特性，對(duì)分子篩的孔徑以及孔徑內(nèi)壁進(jìn)行特定的修飾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于分子篩膜為MFI分子篩膜。
專利摘要本實(shí)用新型為一種用分子篩修飾的諧振式微梁化學(xué)生物傳感器。由壓電式諧振懸臂梁和高選擇性分子篩膜組成,其中微懸臂由上、中、下3層電極和2層壓電層相互間隔構(gòu)成,其上、下兩側(cè)為絕緣層,分子篩膜層設(shè)置于微懸臂梁上表面。本傳感器選擇性強(qiáng)、靈敏度高,可重復(fù)性好,適合大規(guī)模生產(chǎn),并可降成本。
文檔編號(hào)G01N27/327GK2504633SQ0125473
公開(kāi)日2002年8月7日 申請(qǐng)日期2001年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月16日
發(fā)明者周嘉, 黎坡, 黃宜平, 張松, 周峰, 楊芃原, 趙東元 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)