[发明专利]基于CMUTs谐振式生化传感器的敏感功能层制备方法

说明书

基于CMUTs谐振式生化传感器的敏感功能层制备方法，先进行基于CMUTs谐振式生化传感器的静电纺丝溶液的制备，再采用近场静电纺丝工艺或远场静电纺丝工艺进行敏感功能层的制备，本发明获得较大的比表面积、厚度为50nm～1μm、直径为50nm～1μm的静电纺丝纤维，以提高CMUTs检测灵敏度和检测极限，实现更低浓度的生化物质检测。

技术领域

本发明属于MEMS谐振式生化传感器技术领域，特别涉及基于CMUTs谐振式生化传感器的敏感功能层制备方法。

背景技术

基于质量敏感原理的MEMS谐振式生化传感器由于具有体积小、灵敏度高、功耗低、结构简单以及便携式等诸多优点而受到广泛关注。MEMS谐振式生化传感器利用敏感材料吸附被测生化物质以引起质量变化，进而引起谐振元件的谐振频率变化来实现信号转化和生化物质检测。目前国内外常用的MEMS谐振式生化传感器主要分为石英晶体微天平、微悬臂梁谐振器、SAW(Surface Acoustic Wave)声表面波换能器，上述谐振器用于生化物质检测时存在不同程度的局限性。例如，基于压电效应的石英晶体谐振器的频带较窄，另外晶体制作工艺需要的特定切型限制其无法与硅基的MEMS工艺和IC工艺兼容，影响其集成性和便携性；微悬臂梁结构上表面面积小，涂覆敏感材料困难，且品质因子受空气阻尼影响大；SAW换能器所需基片材料的价格昂贵，对基片的结晶工艺和制造工艺要求很高。

相对于上述的结构，基于CMUTs(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducers)谐振式生化传感器能克服它们的缺点，大量研究表明CMUTs具有高机电耦合系数(高达0.85)、高品质因子(可达几百)、高灵敏度、工作温度范围宽(最高工作温度500℃)以及易阵列、易集成等特点，这决定了其能够在生化物质检测应用中具有能实现小浓度、快响应以及高灵敏度测量的优点。

影响CMUTs生化检测的浓度大小、响应快慢以及灵敏度高低的重要因素是敏感材料的功能化方法。顶层敏感功能层需均匀覆盖CMUTs谐振式传感器阵列，要求较小的厚度(50nm～1μm)，较大的比表面积，以及成膜结构易吸附和释放待测生化物质等。目前，已有基于常见的CMUTs结构利用微型滴管滴凃敏感材料测量甲苯的试验研究，其能够检测最小质量为10^-15g；还采用喷墨打印方法涂覆敏感材料于CMUTs芯片来检测甲基磷酸二甲酯(Dimethyl methylphosphonate，简称DMMP)，其检测质量极限为0.162×10^-16g，体积灵敏度为37.38ppb/Hz；还有利用CMUTs结合滴凃和旋涂功能化方法检测CO₂气体，其ppm浓度对应的频率变化为4Hz/ppm。但是这些方法制备的功能层比表面积小，导致生化物质渗透困难，还受到敏感功能层制备工艺本身的限制。例如，旋涂工艺制备CMUTs谐振式生化传感器敏感功能层时，当CMUTs芯片阵列不对称分布时，敏感功能层层的均匀性难以保证；另外，工作台旋转速度和时间、所需敏感材料的体积、敏感功能层厚度的控制需要前期大量的试验；滴凃工艺制备CMUTs谐振式生化传感器敏感功能层时，若CMUTs阵列面积较大，则需多次滴凃保证覆盖所有单元，却会造成各个单元敏感功能层均匀性和厚度误差；喷墨打印工艺制备CMUT谐振式生化传感器敏感功能层时，喷墨系统对溶液的粘度等特性有严格要求，且成膜形态也受限制，形态一般为有咖啡环效应的阵列液滴。因而这些常规方法不利于基于CMUTs的谐振式生化传感器表面的功能化，限制了其检测极限和灵敏度的进一步提高，不能充分发挥CMUTs作为生化传感器的优势。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了基于CMUTs谐振式生化传感器的敏感功能层制备方法，获得较大的比表面积、厚度为50nm～1μm、直径为50nm～1μm的静电纺丝纤维，以提高CMUTs检测灵敏度和检测极限，实现更低浓度的生化物质检测。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于CMUTs谐振式生化传感器的敏感功能层制备方法，包括以下步骤：