横向电场激励的FBAR仿真设计及其凝血检测

摘要

薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR）是一种微型化、频率高、成本低、可集成的压电器件，在新一代无线通信系统已经取得商业化的应用。此外，FBAR因谐振频率高而具有高灵敏性，为微质量传感器、压力传感器、生化传感器等传感器的发展带来了新的生机。生化传感器一般应用在液体环境中，传统的纵波模式FBAR在液体环境中Q值衰减较大，而剪切波模式FBAR在液体环境中能够保持较高的Q值。本文以横向电场激励的剪切波模式FBAR作为研究对象，研究内容如下：
　　1.在分析传统纵波模式FBAR的基础上，推导了由平行电极激励的横向电场FBAR的工作原理，并建立了相应的理论模型。利用有限元分析法对器件结构进行了优化仿真，设计多组仿真实验，系统地研究了电极间距、电极长度和电极宽度对器件性能的影响。发现电极间距的大小对电极间横向电场的分布影响较大，进而影响器件的Q值；电极宽度主要影响有效区域面积内质点位移分布；电极长度对器件的Q值和电场分布的影响较小。
　　2.基于仿真优化结果，利用微纳加工工艺制备了固体装配型剪切波模式FBAR。并分别测试了器件在空气、水和磷酸盐缓冲液三种典型环境下器件的阻抗特性和导纳特性。发现器件的谐振在磷酸盐缓冲液中的衰减较大，三种不同测试环境下的Q值分别为537，453，183。基于FBAR的MBVD（Modified Butterworth-Van Dyke）等效电路模型，提取电路参数，拟合了三种不同测试环境中所对应的等效电路。通过器件的电学分析，得出溶液的电导性增大器件的损耗。
　　3.基于FBAR谐振频率对所载装溶液粘度变化反应的特性，面向FBAR的生化传感器应用要求，将制备的剪切波模式FBAR应用于凝血实时检测，验证了横向电场激励的FBAR在生化传感领域的可行性。外源性凝血发生时，在凝血酶形成过程中血液粘度无明显变化，频率响应曲线保持不变。在纤维蛋白原转化为纤维蛋白过程中血液粘度上升，频率响应曲线开始下降。直到纤维蛋白形成结束后血液的粘度保持不变，频率响应曲线也相应保持不变。经过多组测试并与医用凝血时间检测仪的结果对比，确定了响应频率下降到95％的特征点为凝血结束点。进一步研究了Ca2+浓度对凝血时间的影响，发现Ca2+浓度越高，凝血强度越强，凝血时间越少。

目录

声明

1 绪 论

1.1 FBAR工作原理与基本结构

1.2 FBAR的研究进展

1.3 本文的研究内容

2 横向电场激励的FBAR理论模型

2.1 晶体的声学特性

2.2 晶体的电学特性

2.3 晶体的压电特性

2.4 横向电场激励剪切波谐振的可行性分析

3 横向电场激励的FBAR电极有限元分析

3.1 FBAR有限元建模仿真

3.2 电极的优化仿真

4 横向电场激励的FBAR测试与电学模型

4.1 FBAR的制备和性能测试

4.2 FBAR的电学模型分析和仿真

5 横向电场激励的FBAR凝血检测

5.1 凝血检测技术的发展

5.2 FBAR传感器系统结构和粘度特性

5.3 凝血过程的实时原位分析

5.4 Ca2+浓度对凝血过程的影响

6 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果