Love波传感器的研制与理论分析

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本文主要从事Love波传感器的研制与理论分析研究,全文分为五章,除第一章和第五章分别为引言和结论外,主要的研究工作分为三部分:(1) Love波器件的理论分析;(2) Love波免疫传感器的研制与免疫实验;(3) Love波器件延迟温度系数的实验研究。  1.Love波器件的理论分析  Love波传感器由于具有极高的灵敏度,它的应用极其广泛,不仅可以用来检测气体环境中微量的有毒、有害气体的泄漏,还可以用来检测液体环境中微量的化学、生物物质,甚至病毒、DNA等。另外,它还具有体积小、易于集成,适合大批量生产,易于远程监控等优点。因而,近年来有关Love波传感器的研究也开展得十分迅速。对于Love波传感器,机电耦合系数和灵敏度是它的两项重要性能,影响它们的因素很多,其中波导层的厚度是一个重要参数。  本论文第二章用部分波理论,通过数值计算分析了SiO2/36°YX-LiTaO3、ZnO/36°YX-LiTaO3两种结构Love波器件的相速、机电耦合系数与质量灵敏度和波导层厚度的关系。计算结果表明,当波导层厚度为0~0.25λ时,两种结构中的Love波都只存在单一模态,即基态;并且它们的相速度v均随着波导层厚度h的增大从基片速度开始逐渐减小。两种结构Love波的机电耦合系数均随着波导层厚度的增加先是增大,达到最大值以后,再继续增大波导层厚度,机电耦合系数反而会降低。在气体环境中,两种结构的Love波其速度变化量与相对质量灵敏度均随着波导层厚度的增加先增大,达到最大值,然后再继续增加波导层厚度,其速度变化量与相对质量灵敏度反而随着波导层厚度的增加而减小,它们的最佳波导层厚度约为0.14~0.15λ。  2.Love波免疫传感器的研制  Love波免疫传感器集Love波传感器的高灵敏度与免疫反应的特异性于一体,克服了酶联免疫分析法(ELISA)、放射免疫分析法(RIA)、荧光免疫分析法(FIA)等免疫检测方法费时、昂贵、标记及操作复杂等缺点,具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、小型简便以及实时动态检测等优点,有可能成为一种最具开发潜力的免疫传感器,具有良好的发展前景及临床使用价值,因而成为近几年免疫传感器研究的热点。  论文第三章介绍了Love波免疫传感器的研制及其实验结果。Love波免疫传感器包括三部分:Love波器件、放大器和生物敏感膜。我们以安捷伦公司的INA-02186放大芯片为核心,自行研制了30dB增益,0Hz-1GHz的高增益宽带一级放大器,并且成功进行了二级级连,获得了高增益(55dB)的二级放大器。通过射频磁控溅射方法制备了SiO2/36°YX-LiTaO3和ZnO/36°YX-LiTaO3两种结构的Love波延迟线器件。用网络分析仪测得Love波延迟线器件的插入损耗随着波导层厚度的增加先减小后增大,与理论计算的机电耦合系数结果相吻合。通过X射线衍射分析制备的ZnO波导层具有很好的c轴长向,而SiO2导波层却是无长向的非晶结构。用蛋白A法在Love波延迟线器件上固定哺乳动物抗体制备了免疫生物敏感膜,然后将放大器与Love波延迟线器件连接,构成闭环振荡电路,即可用于传感测量。以液体中人的免疫球蛋白抗体IgG作为被检测物质进行传感实验,结果表明:(1)两种结构传感器的灵敏度均随导波层厚度的增加先增大后减小,其中SiO2/36°YX-LiTaO3结构的最大灵敏度对应的最佳膜厚约为0.2λ,而ZnO/36°YX-LiTaO3结构的最佳膜厚约为0.04λ,比SiO2/36°YX-LiTaO3结构要小得多。(2) ZnO/36°YX-LiTaO3结构的灵敏度也比SiO2/36°YX-LiTaO3的要大,可见ZnO/36°YX-LiTaO3结构是一种理想的Love波传感器件。(3)用ZnO/36°YX-LiTaO3结构对液体中抗原浓度进行检测,结果为在0~100μg/ml范围内,振荡电路的频移与抗原浓度成正比关系,当抗原浓度>100μg/ml时,频移趋于饱和。  3.Love波器件延迟温度系数的实验研究  温度稳定性是衡量超声波器件性能的一个重要方面。要使超声波器件能够长时间稳定工作,就要求超声波器件有小的延迟温度系数(TCD)。目前制作超声波器件所用的压电基片材料一般具有正的延迟温度系数,如LiTaO3、LiNbO3等。若在其上制备一层具有负的延迟温度系数的薄膜,可以起到补偿作用,使延迟温度系数降低甚至实现零延迟温度系数。  本文第四章介绍了采用射频磁控溅射技术在不同条件下制备TeOx薄膜,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对TeOx薄膜的结构和成分进行了分析。然后在36° YX-LiTaO3基片上沉积TeOx薄膜研制成Love波器件,并对Love波器件的TCD进行了测量研究。结果表明,TeOx薄膜是均匀致密的非晶结构,薄膜中元素O和Te的原子数比约为2.62-2.79。TeOx/36°YX-LiTaO3结构Love波器件的TCD与TeOx薄膜制备参数P(O2)/R密切相关,在某些合适的制备条件下,Love波器件的TCD小于36° YX-LiTaO3基片的TCD,而在其它一些情况下,Love波器件的TCD反而比36° YX-LiTaO3基片的TCD还要大,这说明TeOx薄膜的TCD取决于它的制备条件,在某些合适条件下,其TCD为负值,而在其它条件下,其TCD为正值。另外,Love波器件的TCD与TeOx薄膜厚度的关系是,随着薄膜膜厚的增大先减小,达到最小值后,再增大膜厚,TCD反而随之增大。最后,我们在TeOx/36°YX-LiTaO3结构的Love波器件上制备了生物敏感膜,并进行了初步的免疫传感实验,但实验的优化工作有待进一步的研究。  文章的最后,是对全文的总结以及今后工作的展望。
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