ZnO多層薄膜聲表面波血糖感測器及關鍵材料研究

《ZnO多層薄膜聲表面波血糖感測器及關鍵材料研究》是依託深圳大學，由羅景庭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：ZnO多層薄膜聲表面波血糖感測器及關鍵材料研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：羅景庭
• 依託單位：深圳大學

項目摘要

糖尿病是世界性的三大危險疾病之一，頻繁測試血糖是糖尿病診斷和治療的基礎。目前多數血糖感測器成本高、靈敏度低、易受干擾，因而研製高可靠、低成本的血糖感測器具有重大科學意義和廣闊套用前景。本項目基於聲表面波器件對質量負載高度敏感的特點，提出利用聲表面波感測技術來檢測血糖，製作新型低成本高性能的ZnO多層薄膜聲表面波血糖感測器（SAWGB）。研究適用於Love波SAWGB的高質量、大壓電係數的ZnO薄膜生長和擇優取向控制，以及中間層選擇和厚度設計對ZnO多層薄膜器件機電耦合係數、插入損耗和工作頻率的影響機理；在敏感區塗覆pH敏感膜並固定葡萄糖氧化酶構建ZnO多層薄膜SAWGB。深入分析ZnO多層薄膜SAWGB中ZnO壓電材料、中間層材料和敏感膜材料製備和最佳化對SAWGB性能的影響規律，闡明影響Love波ZnO薄膜SAWGB性能的機制，為製備高性能ZnO多層薄膜SAWGB提供理論依據和實驗指導。

結題摘要

糖尿病是世界性的三大危險疾病之一，頻繁測試血糖是糖尿病診斷和治療的基礎。目前多數血糖感測器成本高、靈敏度低、易受干擾，因而研製高可靠、低成本的血糖感測器具有重大科學意義和廣闊套用前景。本項目構建了新型低成本高性能的ZnO多層薄膜聲表面波血糖感測器（SAWGB），研究了適用於Love波SAWGB的高質量、大壓電係數的ZnO薄膜生長和擇優取向控制，包括濺射氣壓，氧氣和氬氣的分壓等的影響；研究了中間層（SiO2/AlN）對ZnO多層薄膜器件機電耦合係數、插入損耗和工作頻率的影響；研究了在敏感區固定pH敏感膜和葡萄糖氧化酶的方法，構建了ZnO多層薄膜SAWGB。研究發現Zn0.92Mn0.08O薄膜的壓電係數高達80pC/N以上，最佳化的ZnO/SiO2/Si三層結構聲速可達3500m/s以上，機電耦合係數達到2.7%以上，SiO2中間層不僅能夠提高三層結構的聲速，還能改善三層結構的溫度穩定性，得到溫度係數接近於0的三層結構，並且有效激發出Love波；構建的ZnO/SiO2/Si三層結構SAWGB的檢測下限達到6.29×10-4 mM，靈敏度達到1.589MHz/mM，實現血糖含量從監測下限到20mM的檢測範圍。通過AlN中間層來誘導ZnO薄膜的擇優取向，發現在具有(110)擇優取向的AlN薄膜上容易生長出(110)擇優取向的ZnO薄膜。研究了ZnO和AlN薄膜不同的厚度製作的聲表面波器件的機電耦合係數和聲速，ZnO/AlN/Si多層薄膜結構的聲速最高達5160m/s，機電耦合係數最大達5.3%，插入損耗最小-16dB， AlN中間層不僅能夠提高三層結構的聲速，還能改善三層結構的溫度穩定性。在高聲速，大機電耦合係數和低插入損耗的ZnO/AlN/Si多層薄膜結構聲表面波諧振器的敏感區塗覆pH敏感膜並固定葡萄糖氧化酶構建ZnO/AlN/Si多層薄膜SAWGB，研究發現ZnO/AlN/Si多層薄膜SAWGB的敏感度達到1.819 MHz/mM,檢測極限達到~1.65×10-5 mM，SAWGB表現出具有良好的線性特性。對比SiO2和AlN中間層，AlN中間層能夠獲得更好的性能，但是其製備難度比較大。中間層的結構特性和厚度對Love波ZnO薄膜SAWGB性能影響較大。本項目開展的ZnO多層薄膜結構SAWGB有望為糖尿病人的血糖測試提供一種高性能、價格低廉的新型血糖感測器。