集成电化学与FET的微纳谐振生物传感器研究

摘要

生物传感器，特别是基于界面的亲和型生物传感器近年来发展迅速，在生物、化学、医疗等领域具有重要的应用价值。得益于微米纳米技术的发展，生物传感器不断向微观尺度发展，呈现高密度集成、高灵敏度检测、智能型传感等趋势。基于压电效应的薄膜体声波传感器因其体积小、功耗低、灵敏度高、与CMOS工艺兼容、易于阵列化从而实现高通量检测等优点，而受到广泛关注。
　　本论文紧扣这一研究热点，进一步探索了薄膜体声波传感器的应用，并借鉴了多种检测技术在单芯片上集成的已有研究成果，提出了电化学/场效应管与薄膜体声波谐振器的硅基单片集成方案。制造了该集成单芯片，搭建了电化学工作电极-薄膜体声波谐振器、场效应管延伸栅极-薄膜体声波谐振器两套测试系统，成功检测了葡萄糖浓度变化、DNA杂交、层层自组装聚合物薄膜生长、抗体-抗原蛋白特异性结合等过程，从而验证了该集成单芯片传感器的有效性与实用性。
　　本论文的研究内容和成果可以归纳为以下几个方面：
　　1、提出了以氮化铝薄膜为核心的单片集成电化学/场效应管的薄膜体声波传感系统，该系统拥有电化学/电荷、重力（质量）、粘度多种检测模式，具备获取复杂界面信息的能力。
　　2、在硅基单芯片上集成了电化学工作电极与薄膜体声波谐振器两种传感器，通过检测界面质量变化优化了生物敏感膜的生长条件，并通过对氧化还原反应电流、溶液粘度变化的监控实时检测了葡萄糖浓度变化。
　　3、在硅基单芯片上集成了场效应管延伸栅极与薄膜体声波谐振器两种传感器，成功检测了聚电解质层层自组装过程，以及抗体-抗原结合过程，并通过分析电荷和质量两种响应深入研究了以上过程的机制。
　　4、将石墨烯修饰到薄膜体声波传感器表面，增强了薄膜体声波传感器对两种典型的有机气体的检测灵敏度。
　　5、将聚醋酸乙烯酯旋涂在薄膜体声波传感器表面，极大地提升了薄膜体声波湿度传感器对湿度变化的检测灵敏度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 FBAR生物传感器研究现状

1.3 集成多检测技术的压电传感器研究现状

1.4 本课题的意义与本论文的主要研究内容

第二章 单芯片集成传感系统的方案设计

2.1 FBAR传感器的原理及实现

2.2 电化学传感器的原理及实现

2.3 FET传感器的原理及实现

2.4 传感系统方案设计

2.5 版图设计

2.6 工艺制程

第三章 FBAR传感器的性能及应用研究

3.1 传感性能参数的定义

3.2 湿度检测

3.3 多种有机气体检测

第四章 单芯片集成电化学工作电极的FBAR传感系统应用研究

4.1 葡萄糖浓度检测

4.2 DNA杂交过程检测

第五章 单芯片集成FET延伸栅极的FBAR传感系统应用研究

5.1 聚电解质层层自组装过程检测

5.2 抗原-抗体蛋白分子结合过程检测

第六章 总结与展望

6.1 论文主要研究内容与成果

6.2 论文创新点

6.3 存在的问题与后续工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢