PDMS微薄膜电容式表面应力生物传感器微加工及检测平台设计研究

摘要

微机电系统(MEMS)是以半导体制造为基础的多学科交叉的前沿性技术，具有微型化、集成化和适于批量生产等特点，经过近五十年的高速发展，微机电系统已成为举世瞩目、具有极大应用价值和发展潜力的重大科技领域之一。MEMS系统有许多技术分支，广泛应用于生物、医学等领域的生物微机电系统(BioMEMS)就是很有代表性的一类。
　　典型的生物微机电系统通常包括前端的生物传感器及与之匹配的检测平台。本文选择了PDMS微薄膜电容式表面应力生物传感器进行重点研究。对设计的传感器进行了微加工，重点解决了PDMS这种高分子有机硅化合物的制备和处理难题。在PDMS基液∶固化剂∶正己烷=10∶1∶50、8500rpm/150 s的条件下制备得到了质地均匀、表面光滑、性能优异、膜厚约为1μm的PDMS微薄膜;利用干法和湿法相结合的方法刻蚀和腐蚀PDMS微薄膜实现了传感器空腔的无损释放;利用阵列式的差分检测方法，有效提高了传感器信噪比和抗干扰能力。该加工工艺具有步骤少、重复性好、成功率高、成本低等特点，为传感器的大批量生产奠定了技术基础。
　　本文设计了由硬件电路和串口工作箱软件共同组成的检测平台。硬件电路测量部分采用AD7746完成电容信号到数字信号的直接转换;硬件电路传输部分借助ZigBee技术实现了测量电路和PC之间的无线信息交换。硬件电路外部电路结构简单、开发周期短、体积小、集成度高、成本低，为实现高灵敏度生物信号的集成探测提供了技术支撑。串口工具箱软件具有强大的数据处理和图形化功能，界面友好、简约、清晰，有较好的用户体验。
　　基于PDMS微薄膜电容式表面应力生物传感器与检测平台共同构成的生物微机电系统完成了电路性能测试、传感器特性评估、传感器功能化和血红蛋白检测等工作。测试结果表明:在电容数字转换时间为109.6 ms时，电路分辨率为0.1fF;生物传感器具有很高的灵敏度和良好的稳定性;使用16-巯基十六烷酸溶液完成的传感器功能化，效果良好;血红蛋白的初步检测结果与理论分析及半导体特性分析仪的测量结果基本一致。该系统为血红蛋白的检测分析提供了全新的思路和解决方案，具有较好的应用价值和广阔的应用前景。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 微机电系统

1．2 生物微机电系统

1．2．1 生物传感器

1．2．2 表面应力生物传感器

1．2．3 信号检测方法

1．3 本文主要研究内容

第二章 电容式表面应力生物传感器微加工

2．1 MEMS加工工艺

2．1．1 磁控溅射技术

2．1．2 光刻技术

2．1．3 刻蚀技术

2．2 表征设备

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 台阶仪

2．3 电容式生物传感器工艺流程及表征

2．3．1 电容式生物传感器工作原理

2．3．2 实验试剂及仪器

2．3．3 电容式生物传感器工艺流程

2．3．4 底电极工艺

2．3．5 牺牲层工艺

2．3．6 PDMS微薄膜制备

2．3．7 顶电极工艺

2．3．8 PDMS刻蚀准备

2．3．9 PDMS刻蚀

2．3．10 牺牲层释放

2．4 本章小结

第三章 传感器检测平台设计

3．1 测量电路

3．1．1 核心芯片简介

3．1．2 电路设计及工作原理

3．2 数据传输系统

3．2．1 有线传输系统电路设计及工作原理

3．2．2 无线传输系统电路设计及工作原理

3．3 供电电路设计

3．4 数据处理软件

3．4．1 Qt简介

3．4．2 功能描述

3．5 本章小结

第四章 基于检测平台的测试

4．1 测量电路测试

4．2 传感器特性测试

4．3 生物测试实验

4．3．1 传感器功能化

4．3．2 血红蛋白测试

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果