基于薄膜声波谐振器的生物化学分子检测与操控

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴ中国第－所现代大学ＹＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文一级学科仪器科学与技术：学科专业：测试计量技术及仪器作者姓名：刘文朋指导教师：张浩教授段学欣教授天津大学研究生院２０１７年５月基于薄膜声波谐振器的生物化学分子检测与操控StudyonDetectionandManipulationofBiochemicalMoleculesUsingThinFilmAcousticResonators一级学科：仪器科学与技术学科专业：测试计量技术及仪器作者姓名：刘文朋指导教师：张浩教授

2、段学欣教授天津大学精密仪器与光电子工程学院2017年5月摘要随着临床医学检测技术的迅速发展和人们对健康指数要求的进一步提高，实现对生物化学分子的有效检测和操控在医疗诊断、临床治疗和环境监测等领域越来越重要。虽人们在传统技术基础上不断研发出新的生物化学传感器和驱动器，但是这些器件在以下几方面的性能仍有待提高：1）高通量的样品检测；2）多参数复合的高准确性检测；3）实现对极低浓度样本的高灵敏度检测；4）实现对生物分子的精确操控。本论文以解决上述问题为出发点，通过传统半导体工艺制备高性能薄膜声波谐振器，并作为传感器和驱动器实现对生物化学分子的检测和操控。论文

3、的主要研究内容如下：1.通过传统半导体工艺制造以氮化铝为压电层的三种薄膜声波谐振器，并对比介绍各自的工作原理，针对不同实际应用需求合理选择器件。2.针对阵列化器件中不同器件的基准频率不一致的问题，将聚电解质分子自组装多层膜沉积技术应用于薄膜声波谐振器的频率调节，实现对薄膜声波谐振器的谐振频率的精准调节，提高器件的可集成性和可再生性，实现气相环境下对湿度和挥发性有机物的高灵敏度、高选择性检测。3.设计片上集成薄膜声波谐振器和延伸栅式场效应晶体管的多参数复合生物化学传感微系统，实现对聚电解质分子自组装多层膜沉积和抗体抗原相互作用的多参数、高准确性互补检测，

4、对比分析薄膜声波谐振器和延伸栅式场效应晶体管的检测结果，揭示了检测结果对检测方法的依赖性，阐述通过薄膜声波谐振器实现液相环境下对生物化学分子的操控。4.以固态装配型体声波谐振器和兰姆波谐振器为例，实现薄膜声波谐振器对液体中生物化学分子的精确操控。以兰姆波谐振器作为混合器和聚集器，打破生物化学分子在吸附界面的质量传输限制和结合亲和力限制，实现极低浓度下的生物分子检测。将兰姆波谐振器与生物膜干涉技术结合起来，设计一款应用在免疫检测上的光电检测系统，证明薄膜声波谐振器在低浓度生物化学分子检测上的巨大优势。关键词：微机电薄膜声波谐振器，延伸栅式场效应晶体管，分

5、子自组装多层膜沉积，气体传感器，生物传感器，分子操控IABSTRACTDetectionandmanipulationofbiochemicalmoleculesarecontinuouslyprovidingpossibilitiesforcontinuedprogressinapplicationsofclinicaldiagnosticsandenvironmentalmonitoring,etc.Eventhoughnovelbiochemicalsensorsandactuatorshavebeendeveloped,researchersa

6、reyettryingtodevelopanewonetomeetthefollowingdemands:1)detectionofsampleswithhighthroughput;2)highlyaccuratedetectionusingmultimodesensingsystem;3)realizinghighlysensitivedetectionatultralowconcentration;4)realizingmanipulationofbiochemicalmolecules.Here,weproposeanovelapproacht

7、odetectandmanipulatebiochemicalmoleculesusingthinfilmacousticresonators,whicharefabricatedviatraditionalsemiconductormanufacturingtechnology.Themaintopicsofthisthesisarelistedasfollows:1.Threetypesofthinfilmacousticresonatorsarefabricatedwithaluminumnitrideasthepiezoelectriclaye

8、rviasemiconductormanufacturingtechnology.Toillu