新型声表面波传感器及微流体致动器研究

发布时间：2018-06-30 06:34

本文选题：声表面波 + 微流体　；参考：《浙江大学》2016年博士论文

【摘要】：21世纪以来,老龄化社会逐渐逼近,疾病早期诊断、医疗健康监测领域越来越受到重视。片上实验室、便携式诊断系统、穿戴式监控系统等可以用来做早期疾病诊断,不间断健康监控等,是现代医疗器件和系统的关键技术。而它们的核心便是高灵敏度、高性能的微型传感器和微流体控制的致动器。因此开发此类高性能传感器和微流控元器件就变得越来越重要。声表面波(SAW)器件做为一种现代电子的基础器件,近年来,在传感器和致动器领域备受关注,很多基于SAW的传感器和致动器的新应用纷纷涌现。SAW器件由于其具有的极佳的性能,制造和结构简单、成本低廉、稳定性好和CMOS工艺兼容性强等优点,非常适合于健康医疗电子领域的传感器和致动器应用。本工作主要研究新型的透明和柔性薄膜SAW声波器件,探讨和比较了它们在微流致动和传感方面的应用及性能。并在此基础上,首次提出、研制了基于SAW的细胞裂解器和透明紫外光传感器,为多功能SAW片上实验室的研制和开发打下了良好的基础。本研究工作的主要内容和成果如下：(1)在硅、玻璃和PI衬底上生长高质量ZnO薄膜并制备了新型SAW器件。在三种薄膜器件的传输曲线上发现了5个谐振峰,分析并确定其对应的声波模态分别为ZnO/Si衬底器件的瑞利波和西沙瓦波,ZnO/玻璃衬底器件的瑞利波和ZnO/PI衬底器件的瑞利波和兰姆波。系统性研究了各个模态的微流体性能,发现ZnO/Si衬底器件的西沙瓦波性能最优,得到了～12.8 crm/s的声致微流速度和-5.8秒的微粒集聚时间；ZnO/玻璃衬底器件具有和硅衬底器件可比拟的性能；ZnO/PI衬底柔性器件则不太适合于微流体领域。在三种代表性衬底上的微流体研究为薄膜徽流体器件的衬底选择提供了系统性的参考,解决了薄膜微流体器件的衬底适用性问题,具有很大的创新意义。(2)在硅衬底上生长了A1N和27%钪掺杂的AlScN薄膜,并在两种薄膜上制备了新型SAW器件,由于弹性柔化效应,钪掺杂提高了A1N的压电系数西3,AlScN器件的K2得到了超过300%的增强。AlScN器件的微流体特性也得到了大幅度提高,同AIN器件相比,具有2倍的声致微流速度和3倍的液滴驱动速度,同时阈值功率仅为～40%和～70%,通过钪掺杂解决A1N薄膜器件因压电特性较弱不适合微流体应用的问题。(3)为了解决lab-on-a-chip系统中样品前处理过程中细胞裂解的需求,基于SAW的声致微流效应,设计了一种基于SAW器件的新型细胞裂解器,获得了超过95%的细胞裂解效率,为细胞样品的片上裂解给出了创新性解决方案,适合于未来的微流体片上实验室应用。(4)基于ZnO/玻璃SAW器件开发了新型透明紫外传感器,研究了不同温度快速热退火对器件紫外传感性能的影响。在400℃退火条件下器件性能最佳,相较未退火器件频率响应增大了愈20倍,并得到了小于2.4秒的响应速度,具有创新性,解决了紫外传感器件的透明化需求。考虑到玻璃衬底的低廉成本和高透明度,该器件在未来透明传感器件领域很有发展潜力。
[Abstract]:A new type of SAW device has been developed and its application and performance in the field of micro - flow actuator and actuator have been studied .
ZnO / glass substrate devices have comparable performance to silicon substrate devices ;
In order to solve the problem of substrate suitability of thin film microfluidic device , a novel cell lysis device based on SAW device has been developed .
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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